JP5804407B2 - 無線装置 - Google Patents

Description

本発明は、指向性アンテナを備えた無線装置に関する。

ミリ波を用いた無線通信では、フェイズシフタなどデバイスの大きな消費電力や、無線伝搬中の大きな経路損失・反射損等により、リンクが限定されてしまう点が課題の一つとして挙げられる。大気中の酸素による電波の吸収は、異なるピコネット間の混信を低減できる点で有益ではあるものの、６０ＧＨｚ帯においては、送信エネルギーが、大気中の酸素分子により極めて急速に吸収されてしまい、多くのケースでむしろリンクの品質が悪くなる。さらに、多重経路の損失のため、見通し外接続（non-line-of sight: NLOS）による通信はさらに厳しい状態になる。

特開２００７−３６７２３公報

このように、従来の無線装置では、特にミリ波帯のように伝搬損失の大きい周波数帯を用いた場合や、消費電力を抑えるべく送信電力を小さくした場合に、伝送距離が限られるという問題がある。本発明はかかる課題を解決するためになされたもので、伝送距離の低下を補うことのできる無線装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、実施形態に係る無線装置は、複数の指向性パターンを選択可能なアンテナと、他の無線装置と自己のアンテナの指向性パターンの数を含む探索情報を交換する情報交換部と、前記アンテナを介して該アンテナの指向性パターンを切替えつつ第１の探索信号を送信する探索送信部と、前記他の無線装置がアンテナの指向性パターンを切替えつつ第２の探索信号を送信する場合に、前記他の無線装置のアンテナの各指向性パターン一つごとに前記アンテナの指向性パターンを順次切替えながら前記アンテナを介して前記第２の探索信号を受信する探索受信部と、前記探索受信部による前記第２の探索信号の受信の結果、該第２の探索信号の受信状態が最良となる前記他の無線装置のアンテナの指向性パターンを示す第１のパターン情報を前記他の無線装置に送信するとともに、前記探索送信部による前記第１の探索信号の送信の結果、前記他の無線装置による前記第１の探索信号の受信状態が最良となる前記アンテナの指向性パターンに関する第２のパターン情報を受信するフィードバック部と、前記探索受信部による前記第２の探索信号の受信の結果、該第２の探索信号の受信状態が最良となる前記アンテナの指向性パターンと、前記第２のパターン情報が示す前記アンテナの指向性パターンとに基づいて、送受信それぞれにおける前記アンテナの指向性パターンを設定するアンテナ制御部とを具備する。

本発明によれば、伝送距離の低下を補うことのできる無線装置を提供することができる。

実施形態に係る無線システムおよび無線装置の構成を示すブロック図である。 実施形態に係る無線装置のアンテナの具体例を示すブロック図である。 実施形態に係る無線装置のアンテナのパターンＩＤを説明する図である。 実施形態に係る無線装置のアンテナのパターンＩＤを説明する図である。 実施形態に係る無線装置のアンテナのパターンＩＤを説明する図である。 実施形態に係る無線装置のアンテナの動作例を示す図である。 実施形態に係る無線装置のアンテナの動作例を示す図である。 実施形態に係る無線装置のアンテナ調整について説明する概念図である。 実施形態に係る無線装置のアンテナ調整について説明する概念図である。 実施形態に係る無線システムのアンテナ調整タイミングの一例を示す図である。 実施形態に係る無線システムのアドホックモードのアンテナ調整動作を示す図である。 実施形態に係る無線システムのアンテナ調整において用いるデータ列の一例を示す図である。 実施形態に係る無線システムのアンテナ調整において用いるデータの一例を示す図である。 実施形態に係る無線システムのアンテナ調整において用いるデータの一例を示す図である。 実施形態に係る無線システムのアンテナ調整において用いるデータの一例を示す図である。 実施形態に係る無線システムのインフラストラクチャモードのアンテナ調整動作を示す図である。 実施形態に係る無線システムのアンテナ調整において用いるデータの一例を示す図である。 実施形態に係る無線システムの絞込モードのアンテナ調整動作を示す図である。 実施形態に係る無線システムの絞込モードを説明する概念図である。 実施形態に係る無線システムのアンテナ調整において用いるデータの一例を示す図である。

（アンテナビームフォーミング）
実施形態に係る無線装置は、指向性パターンを制御することのできる指向性アンテナを備えている。すなわち、指向性アンテナの指向性パターンを送受信相手に向けることで、伝送損失や小電力に起因する伝送距離の低下を補うことができる。しかし、一般に指向性アンテナはメインローブ以外の方向についての利得が相対的に低いので、通信する両者が互いに自己のアンテナのメインローブを合わせる必要がある。

実施形態の無線装置は、自己および通信相手の指向性アンテナの電波放射方向を最適化する機能を有している。以下に説明する実施形態の無線装置は、端末同士が直接通信するいわゆるアドホックモードと、端末が基地局を介して通信するいわゆるインフラストラクチャモードの少なくとも一方を用いて通信するものとして説明する。

（実施形態の無線システムの構成）
以下、図面を参照して、実施形態の無線システムおよび無線装置の構成を詳細に説明する。図１に示すように、実施形態の無線システムは、アクセスポイントとして機能するＡＰ装置１（ＡＰ１）およびクライアントとして機能するＳＴＡ装置２（ＳＴＡ２）から構成されている。実施形態に係る無線システムは、さらにＳＴＡ装置２と構成が共通するＳＴＡ装置３（ＳＴＡ３）を具備してもよい。

［ＡＰ装置の構成］
実施形態のＡＰ装置１は、ＳＴＡ装置２およびＳＴＡ装置３を収容する無線装置である。図１に示すように、ＡＰ装置１は、アンテナ１１、アンテナ制御部１２（ＡＮＴ制御部）、受信部１３、送信部１４、インタフェース部１５（Ｉ／Ｆ１５）を有している。

アンテナ１１は、ＡＰ装置１が電波を放射し受け取る高周波装置であり、アンテナ制御部１２は、アンテナ１１の指向性を制御する装置である。すなわち、アンテナ１１およびアンテナ制御部１２は、ともに協働して、任意の指向特性パターンをもつアンテナとして機能する。アンテナ１１は、送受信別個のアンテナ素子を備えてもよいし、複数のアンテナ素子からなるアンテナ配列として実現してもよい。

受信部１３は、通信相手たるＳＴＡ装置２・３から送られる電波をアンテナ１１を介して受信し、所定の方式で復調する。送信部１４は、ＳＴＡ装置２・３に対する情報を変調して無線信号を生成し、アンテナ１１を介して通信相手に送信する。Ｉ／Ｆ１５は、受信部１３および送信部１４を図示しない他の装置やネットワークなどと接続する。

受信部１３および送信部１４は、少なくとも、例えばミリ波のようなＥＨＦ帯（以下「高周波数帯」と称する。）について受信および送信する能力を有している。受信部１３および送信部１４は、さらに２．４ＧＨｚ帯や５ＧＨｚ帯のような高周波数帯よりも伝搬損失の小さいＵＨＦ帯／ＳＨＦ帯（以下「低周波数帯」と称する。）について受信および送信する能力を具備してもよい。アンテナ１１は、受信部１３および送信部１４と同様に、対応する送受信周波数帯で利用可能に構成されている。ここで、アンテナ１１およびアンテナ制御部１２は、少なくとも、高周波数帯ではアンテナ制御部１２の制御による所定の指向性パターン、低周波数帯ではオムニの指向性パターン（いわゆる無指向性パターン）を形成可能に構成されている。受信部１３および送信部１４は、例えば、ミリ波帯無線システムやＩＥＥＥ８０２．１１規格に準拠したシステムなどにより実現することができる。

受信部１３は、アンテナ１１を介して通信相手からの電波を受信し、所定の方式で復調してＩ／Ｆ１５を経由して図示しないネットワークなどに送る。一方、ネットワークなどからの情報は、Ｉ／Ｆ１５を介して送信部１４に送られ、送信部１４は、当該情報を無線信号に変換してアンテナ１１を介して通信相手に送信する。すなわち、受信部１３、送信部１４およびＩ／Ｆ１５は、クライアントたる通信相手を収容するＷＬＡＮのアクセスポイントとして機能する。なお、送信部１４は、ＳＴＡ装置２・３と同期をとるビーコン信号を送信する機能をも有してもよい。ビーコン信号は、高周波数帯を用いて送信され、当該ビーコン信号のタイミングなどを示すビーコン送信情報が低周波数帯を用いて送信される。

また、図１に示すように、実施形態のＡＰ装置１は、送信制御部１６、受信制御部１７、探索処理部１８および記憶部１９を備えている。

送信制御部１６および受信制御部１７は、送信および受信それぞれにおけるアンテナ１１の指向性パターンをアンテナ制御部１２に指示する演算装置である。探索処理部１８は、通信相手たるＳＴＡ装置２・３に向けてアンテナ１１の指向性を決定する手順を実行する演算装置である。記憶部１９は、アンテナ制御部１２が制御しうるアンテナ１１の指向性パターン情報などが格納されたメモリである。送信制御部１６、受信制御部１７および探索処理部１８は、いずれも協働して、アンテナ１１の送信時および受信時それぞれの指向性パターンを、通信相手との関係や信号の内容（ビーコン信号かデータ信号か等）に応じて変更することができる。

［ＳＴＡ装置の構成］
実施形態のＳＴＡ装置２および３は、対応するＡＰ装置１に収容される無線装置である。図１に示すように、ＳＴＡ装置２および３は、ＡＰ装置１と共通する構成を有しており、アンテナ１１、アンテナ制御部１２、受信部１３、送信部１４およびインタフェース部１５と共通する機能をもつアンテナ２１・３１、アンテナ制御部２２・３２、受信部２３・３３、送信部２４・３４およびインタフェース部２５・３５をそれぞれ有している。同様に、ＳＴＡ装置２および３は、送信制御部１６、受信制御部１７、探索処理部１８および記憶部１９と共通する機能を持つ送信制御部２６・３６、受信制御部２７・３７、探索処理部２８・３８および記憶部２９・３９をそれぞれ有している。なお、受信部２３・３３は、ＡＰ装置１のビーコン信号を受信して通信や処理の同期をとる機能をも有している。

（実施形態の無線装置のアンテナの構成）
続いて、図２ないし図５を参照して、実施形態に係るＡＰ装置１やＳＴＡ装置２・３のアンテナ１１・２１・３１の構成例を詳細に説明する。前述したとおり、ＡＰ装置１やＳＴＡ装置２・３のアンテナ１１・２１・３１は、少なくとも、特定方向の指向性パターンを持ち高周波数帯で動作する。図２ないし図５は、この高周波数帯に用いる特定方向の指向性パターンを持つアンテナの例である。以下、代表してアンテナ２１および３１について説明する。

図２に示すように、ＳＴＡ装置２のアンテナ２１は、所定の配列（例えば平面方向に直線状または円形状）に配置されたＭｔ個の送信アンテナ素子とＭｒ個の受信アンテナ素子を有している。アンテナ制御部２２は、送信部２４からの送信信号をＭｔ個に分配するとともに、各々の送信信号の位相をシフトさせてＭｔ個の送信アンテナ素子各々に供給する。

アンテナ制御部２２において分配される送信信号の位相の変位量は、送信ウェイトベクトル（Transmit Weight Vector）により表される。すなわち、アンテナ制御部２２に対してある送信ウェイトベクトルを与えると、アンテナ制御部２２は、Ｍｔ個に分配された送信信号それぞれに当該ウェイトベクトルに対応した位相変位を与える。Ｍｔ個のアンテナ素子それぞれは、アンテナ制御部２２により位相が変位された送信信号の電波を放射するから、アンテナ２１全体としては、所定の指向性パターンを持つ位相制御アダプティブアレイとして動作することになる。

受信の場合も同様である。Ｍｒ個の受信アンテナ素子が受信信号を受けると、アンテナ制御部２２は、Ｍｒ個の受信アンテナ素子それぞれが受信した受信信号に対して、受信ウェイトベクトルで特定される位相変位を与える。位相変位されたＭｒ個の受信信号は合成されて受信部２３に送られる。このとき、Ｍｒ個の受信アンテナ素子が受信した受信信号それぞれの位相が、受信ウェイトベクトルで特定される所定量分シフトされることから、アンテナ２１全体として特定方向に対して利得をもつ指向性パターンを得ることができる。

ＳＴＡ装置３のアンテナ３１も同様である。図２に示す例では、Ｎｒ個の受信アンテナ素子は、アンテナ２１が送信する電波をそれぞれ受信し、アンテナ制御部３２は、それぞれの受信信号の位相を所定の受信ウェイトベクトルで特定される位相量分シフトさせて合成し、受信部３３に入力する。また、アンテナ制御部３２は、送信部３４からの送信信号をＮｔ個に分配するとともに、各々の送信信号の位相をシフトさせてＮｔ個のアンテナ素子各々に供給する。結果として、アンテナ３１は、所定の送信指向性パターン・受信指向性パターンを持つアンテナとして機能する。

なお、ＡＰ装置１やＳＴＡ装置２・３のアンテナ１１・２１・３１は、それぞれ異なる数の送信・受信アンテナ素子を備えてもよい。また、アンテナ１１・２１・３１は、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の数が異なっていても構わない。

図３は、送信（または受信）ウェイトベクトルを複数定義したコードブックの一例である。コードブックは、アンテナ制御部に与えるウェイトベクトルを列挙した行列で表現され、各列がアンテナのビームを形成するウェイトベクトルとなる。図３に示す例では、アンテナが４つのアンテナ素子を備えており、合計８つのウェイトベクトルパターンを有している。すなわち、図３に示すウェイトベクトルと４つのアンテナ素子を組み合わせると、パターンＩＤが０〜７にて示される８つの指向性パターンを得ることができる。

図４は、図３に示すウェイトベクトルにより生じる最大利得の方位角θ_ｍａｘ、半電波強度ビーム幅ＨＰＢＷ（Half Power Beam Width）、最大利得Ｄ_ｍａｘの一例であり、図５は、同じく指向性パターンの例である。図４および図５に示すように、４つのアンテナ素子と図３に示すウェイトベクトルを用いると、８通りの指向性パターンを得ることができる。すなわち、送信制御部１６・２６・３６や受信制御部１７・２７・３７は、アンテナ制御部１２・２２・３２に、コードブックから任意のウェイトベクトルを与えることで、アンテナ１１・２１・３１の指向特性を変更することができる。

（実施形態におけるアンテナの調整動作例）
実施形態のＡＰ装置１やＳＴＡ装置２・３のアンテナ１１・２１・３１の指向性パターンを合わせるには、同期動作・初期動作・探索動作・フィードバック動作の４つのステップを実行する。同期動作は、アンテナを調整する装置間の同期を取り、初期動作は、アンテナを調整する相手方装置を特定する。探索動作は、アンテナを調整する装置が交互に電波の発射とアンテナ指向性の制御とを行って最適な指向性を探索する。フィードバック動作は、探索動作によって得られた装置各々のアンテナ指向性の最適値を交換して、アンテナ指向性を最終決定する。加えて、アンテナの指向性を詳細に調整する絞り込み動作を行ってもよい。

［同期動作］
同期動作では、ＳＴＡ装置２・３は、ＡＰ装置１が送信するビーコン信号を受信して、アンテナの調整タイミングを同期する。併せて、ＳＴＡ装置２・３は、ＡＰ装置１に対して自己のアンテナ２１・３１の指向性パターンを粗調整する。

ＡＰ装置１やＳＴＡ装置２・３が高周波数帯でビーコン信号の送受信を行う際、ＡＰ装置１やＳＴＡ装置２・３のアンテナ制御部１２および２２・３２は、図６Ｂに示すようにアンテナ１１および２１・３１の指向性パターンを、それぞれオムニ特性（クアジ・オムニ特性）およびビームの指向性パターン特性とする。一方、ＡＰ装置１やＳＴＡ装置２・３が低周波数帯でビーコン送信情報を送受信する際、ＡＰ装置１やＳＴＡ装置２・３のアンテナ制御部１２および２２・３２は、図６Ａに示すようにアンテナ制御部１２および２２・３２の指向性パターンをオムニ特性（クアジ・オムニ特性）とする。

ＳＴＡ装置２・３のアンテナ制御部２２・３２は、ＡＰ装置１のビーコン信号に基づいてアンテナ２２・３２の指向性パターンを粗調整する。この「粗調整」の意味は、少なくともビーコン信号の送受信ができる程度にアンテナの指向性パターンを調整する趣旨である。

［初期動作］
初期動作では、ＡＰ装置１およびＳＴＡ装置２・３は、相互にビーム形成要求信号BFRqtおよびビーム形成応答信号BFRspを交換する。すなわち、通信相手たる無線装置と自己のアンテナの指向性パターンの数を含む探索情報を交換する。ビーム形成要求信号BFRqtおよびビーム形成応答信号BFRspを交換する意義は、（１）通信を開始しようとするＡＰ装置またはＳＴＡ装置が通信相手に対してビーム形成の要求をすること、（２）互いにビーム形成能力に関する情報を交換すること、（３）ＡＰ装置によりビーム形成要求を各装置に伝達すること、（４）ネットワークアロケーションベクター（ＮＡＶ）の仕組みを用いて、ビーム形成を行う二者以外の装置に対し電波の発射を停止させること、である。そのため、ビーム形成要求信号BFRqtおよびビーム形成応答信号BFRspは、アンテナ調整を行う相手方たる無線装置を特定するＩＤやビーム形成の方法などを示す情報を含んでいる。

ＡＰ装置１やＳＴＡ装置２・３の送信部１４・２４・３４は、信号の衝突を防止するＣＳＭＡ／ＣＡモードで、ビーム形成要求信号BFRqtおよびビーム形成応答信号BFRspを交換する。ここでは、既に同期動作によりＡＰ装置１およびＳＴＡ装置２・３間の通信が可能になっているから、ＡＰ装置１やＳＴＡ装置２・３は高周波数帯を用いて通信してもよいし、低周波数帯を用いて通信してもよい。ビーム形成要求信号BFRqtおよびビーム形成応答信号BFRspの交換は、装置間で確実に実行する必要があるから、伝搬損失を補償する変調方式や符号化方式を用いてもよい。

［探索動作］
探索動作では、初期動作にて交換したビーム形成要求信号BFRqtおよびビーム形成応答信号BFRspの内容に基づき、一方が電波を送信中に他方がアンテナ指向性を変えつつ受信することで最適な指向性を探索した後、送受信を入れ替えて探索を繰り返す。すなわち、第１の無線装置がアンテナの指向性パターンを切替えつつ第１の探索信号を送信するとともに、通信相手たる第２の無線装置が第１の無線装置のアンテナの送信指向性パターン一つごとに自己のアンテナの受信指向性パターンを複数切替えて受信する。同様に、第２の無線装置がアンテナの指向性パターンを切替えつつ第２の探索信号を送信するとともに、通信相手たる第１の無線装置が第２の無線装置のアンテナの送信指向性パターン一つごとに自己のアンテナの受信指向性パターンを複数切替えて受信する。

図７Ａおよび図７Ｂを参照して、ＳＴＡ装置２・３間で探索動作をする場合を例に説明する。ＳＴＡ装置２の送信制御部２６は、ビーム形成要求信号BFRqtおよびビーム形成応答信号BFRspの交換内容に基づき、アンテナ２１の指向性を所定の指向性パターン（図７Ａでは「送信方向１」）にセットし、送信部２４は、所定のタイミングで電波を発射する。一方、ＳＴＡ装置３の受信制御部３７は、ＳＴＡ装置２が「送信方向１」に向けて電波を発射している期間中にアンテナ３１の指向性パターンを順次切替え（図７Ａでは「受信方向１」→「受信方向２」）、受信部３３は、ＳＴＡ装置２からの電波を受信する。このとき、アンテナ３１の指向性パターンの制御は、ＳＴＡ装置２が一の方向に電波を発射している期間中に、電波到来の可能性のある全方位に指向性パターンが向く（あるいは全ての受信指向性パターンに切替える）ようにすることが望ましい。受信制御部３７は、受信部３３がＳＴＡ装置２からの電波を最も強く受信できた指向性パターン（例えば「受信方向２」）を記憶部３９に記憶させる。

次いで、ＳＴＡ装置２の送信制御部２６は、アンテナ２１の指向性パターンを切替え（図７Ｂでは「送信方向２」）、送信部２４は、同様に電波を発射する。ＳＴＡ装置３の受信制御部３７は、ＳＴＡ装置２が「送信方向２」に向けて電波を発射している期間中にアンテナ３１の指向性パターンを順次切替え（図７Ｂでは「受信方向１」→「受信方向２」）、受信部３３は、ＳＴＡ装置２からの電波を受信する。このとき、アンテナ３１の指向性パターンの制御は、ＳＴＡ装置２が一の方向に電波を発射している期間中に、電波到来の可能性のある全方位に指向性パターンが向く（あるいは全ての受信指向性パターンに切替える）ように制御してもよいし、記憶部３９に記憶した方向およびその周辺方向を中心に制御してもよい。受信制御部３７は、受信部３３がＳＴＡ装置２からの電波を最も強く受信できた指向性パターン（例えば「受信方向２」）と、記憶部３９に記憶した指向性パターンとを比較し、結果の良好な組み合わせ（図７Ａおよび図７Ｂでは、「２巡目（送信方向２）」と「受信方向２」の組み合わせ）を記憶部３９に記憶させる。

以後、ＳＴＡ装置２の送信制御部２６が所定の指向性パターン全てについて電波の発射を終えると（８パターンであれば８回分）、引き続きＳＴＡ装置３が同様の手順で電波を発射し、ＳＴＡ装置２がアンテナを制御しつつ電波を受信する。こうした手順により、ＳＴＡ装置２およびＳＴＡ装置３は、相手方の送信指向性パターンと自己の受信指向性パターンの最適な組み合わせ（送信方向および受信方向の最適な組み合わせ）を取得することができる。

［フィードバック動作］
フィードバック動作では、探索動作を行った装置間で、探索動作において取得した最適な組み合わせ（最適な相手方の送信指向性パターン）を交換する。すなわち、第２の探索信号の受信の結果、該第２の探索信号の受信状態が最良となる通信相手たる無線装置のアンテナの指向性パターンを示す第１のパターン情報を送信するとともに、第１の探索信号の送信の結果、通信相手たる無線装置による第１の探索信号の受信状態が最良となるアンテナの指向性パターンに関する第２のパターン情報を受信する。図７Ａおよび図７Ｂに示す例で、例えばＳＴＡ装置３が「２巡目（送信方向２）の受信方向２」を最適な組み合わせとして取得した場合、ＳＴＡ装置３は、「２巡目」を最適な送信指向性パターンとしてＳＴＡ装置２に送る。ＳＴＡ装置２は、「２巡目（送信方向２）」が最適であったことを知ることができるから、ＳＴＡ装置３に対する最適な送信指向性パターンとして「送信方向２」を取得することになる。送信制御部２６は、この情報を記憶部２９に記憶させ、ＳＴＡ装置３に対して信号を送信する際、アンテナ制御部２２を介してアンテナ２１の送信指向性パターンを「送信方向２」となるように制御する。ＳＴＡ装置２に対するＳＴＡ装置３の送信指向性パターンについても同様である。

このような動作を繰り返すことにより、ＳＴＡ装置２・３は、送信および受信双方についてアンテナの最適な指向性パターンを得ることができる。なお、受信側装置において送信側装置のアンテナの送信指向性パターンを取得する方法としては、探索動作において発射される電波に送信指向性パターンを示す情報を載せておく方法や、あらかじめ送信側装置がアンテナの送信指向性パターンを変更するタイミングを決めておく方法が考えられる。

（アンテナ調整のタイミング）
アンテナの送受信指向性パターンの最適化は、通信開始前に行われる。しかし、ＳＴＡ装置が移動する場合は、移動に伴ってアンテナのビーム方向にズレが生じる。そのため、図８に示すようにデータ送信後にアンテナ調整（微調整）を行ったり（図中ａ）、データ送信前後にアンテナ調整を行ったり（同ｂ）、所定のタイミングで定期的に行ったり（同ｃ）してもよい。

ここで、探索動作において、アンテナの送受信指向性パターンの最適な組み合わせを記憶部に保存するだけではなく、２番目に良好な組み合わせを記憶部に保存することも有効である。すなわち、ＳＴＡ装置の移動に伴って行うアンテナ調整において通信設定前と同じ条件で処理を行うのは冗長であり、２回目以降のアンテナ調整においてはまず２番目に良好な組み合わせを試行することが有利だからである。

（実施形態の無線システムの動作例：アドホックモード）
次に、図１、図９ないし図１３を参照して、実施形態の無線システムの具体的動作例について詳細に説明する。図９は、ＳＴＡ装置２がＳＴＡ装置３とアンテナ調整を実行する例を示している。なお、ＡＰ装置１およびＳＴＡ装置２・３の間で前述の同期動作は既に完了しているものとする。

［初期動作］
図９に示すように、ＳＴＡ装置２の送信部２４は、記憶部２９に予め記憶したテンプレートを用いてビーム形成要求信号BFRqt(1)を生成してＡＰ装置１に送信する。ＡＰ装置１の受信部１３がビーム形成要求信号BFRqt(1)を受信すると、探索処理部１８は、記憶部１９に予め記憶したテンプレートを用いてビーム形成応答信号BFRsp(1)を生成し、送信部１４は、送信禁止期間（SIFS: Short Inter Frame Space）経過後、アンテナ１１を介してビーム形成応答信号BFRsp(1)を送信する。このとき、アンテナ制御部１２は、アンテナ１１をオムニ特性として動作させる。従って、ビーム形成応答信号BFRsp(1)は、ＡＰ装置１の通信圏にあるＳＴＡ装置２・３などに到達する。ビーム形成応答信号BFRsp(1)を受信したＳＴＡ装置は、当該信号に規定された装置を除き、送信禁止期間（Network Allocation Vector: NAV）中の送信が禁止される。

図１０は、ビーム形成要求信号BFRqt(1)およびビーム形成応答信号BFRsp(1)をなすデータ列の一例を示している。図１０に示すように、ビーム形成要求信号BFRqt(1)およびビーム応答信号BFRsp(1)は、フレーム制御データ（Frame Control）、ビーム探索の継続時間（Duration）、データ発信元アドレス（Address 1）、データ宛先アドレス（Address 2）、ビーム形成対象アドレス（Address 3）、要求または応答の区別（Rqt/Rsp）、ビーム形成能力（BF Capability）、探索または絞込の区別（Searching/Refine）およびフレームチェックシーケンス（FCS）などの各種データを含んでいる。また、ビーム形成能力の要素として、オムニ特性アンテナの使用可否（Quasi-Omni capable）、ビーム形成の可否（BF capable）、送信アンテナのパターン数（# of Tx patterns）および受信アンテナのパターン数（# of Rx patterns）などのパラメータを含んでいる。

図１１は、ビーム形成要求信号BFRqt(1)およびビーム形成応答信号BFRsp(1)に格納されるアドレスの例である。図１１に示すように、ＳＴＡ装置２が送信するビーム形成要求信号BFRqt(1)には、データ発信元アドレスとしてＳＴＡ装置２のアドレス、データ宛先アドレスとしてＡＰ装置１のアドレス、ビーム形成対象アドレスとしてＳＴＡ装置３のアドレスが格納される。同様に、ＡＰ装置１が送信するビーム形成応答信号BFRsp(1)には、データ発信元アドレスとしてＡＰ装置１のアドレス、データ宛先アドレスとしてＳＴＡ装置３のアドレス、ビーム形成対象アドレスとしてＳＴＡ装置２のアドレスが格納される。

ビーム形成応答信号BFRsp(1)をＳＴＡ装置３の受信部３３が受信すると、探索処理部３８は、記憶部３９に予め記憶したテンプレートを用いてビーム形成要求信号BFRqt(2)を生成し、送信部３４は、送信禁止期間経過後、生成したビーム形成要求信号BFRq(2)をＡＰ装置１に送信する。ＡＰ装置１の受信部１３がビーム形成要求信号BFRqt(2)を受信すると、探索処理部１８は、記憶部１９に記憶したテンプレートを用いてビーム形成応答信号BFRsp(2)を生成し、送信部１４は、送信禁止期間経過後、アンテナ１１を介してビーム形成応答信号BFRsp(2)を送信する。ビーム形成応答信号BFRsp(2)は、ＳＴＡ装置２・３により受信される。

なお、前述したとおり、ビーム形成要求信号BFRqtおよびビーム形成応答信号BFRspの交換は、オムニ特性の送受信パターンのアンテナにより行われる。

図１１に示すように、ＳＴＡ装置３が送信するビーム形成要求信号BFRqt(2)には、データ発信元アドレスとしてＳＴＡ装置３のアドレス、データ宛先アドレスとしてＡＰ装置１のアドレス、ビーム形成対象アドレスとしてＳＴＡ装置２のアドレスが格納される。同様に、ＡＰ装置１が送信するビーム形成応答信号BFRsp(2)には、データ発信元アドレスとしてＡＰ装置１のアドレス、データ宛先アドレスとしてＳＴＡ装置２のアドレス、ビーム形成対象アドレスとしてＳＴＡ装置３のアドレスが格納される。

ビーム形成要求信号BFRqtおよびビーム形成応答信号BFRspを交換することにより、ＳＴＡ装置２・３は、互いに相手のビーム形成能力を知ることができる。

［探索動作］
ビーム形成応答信号BFRsp(2)を受信したＳＴＡ装置２の探索処理部２８は、図７Ａおよび図７Ｂに示す探索動作のための電波送信を送信部２４に指示し、送信部２４は、送信禁止期間経過後、所定時間中電波を発射する（Training 1）。このとき、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、送信制御部２６は、アンテナ制御部２２を介してアンテナ２１の送信指向性パターンを順次切替える。一方、ＳＴＡ装置３の探索処理部３８は、アンテナ３１および受信部３３を介してＳＴＡ装置２からの電波を受信する。このとき、受信制御部３７は、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、ＳＴＡ装置２の送信指向性パターンが切り替わらない間に、アンテナ制御部３２を介してアンテナ３１の受信指向性パターンを順次切替える。なお、この切替える指向性パターンの数は、図９に示すようにビーム形成能力パラメータ（BF capability）としてＳＴＡ装置２・３の間で交換されており、ＳＴＡ装置２の送信継続時間は、図９に示すように継続時間パラメータ（Duration）としてＳＴＡ装置２・３の間で交換されているから、ＳＴＡ装置３の受信制御部３７は、全ての送受信指向性パターンの組み合わせについて受信強度を取得することになる。

ＳＴＡ装置２の電波送信が終わると、ＳＴＡ装置３の受信制御部３７は、受信部３３がＳＴＡ装置２からの電波を最も強く受信できた受信指向性パターンと、記憶部３９に記憶した指向性パターンとを比較し、結果の良好なＳＴＡ装置２の送信指向性パターンおよびＳＴＡ装置３の受信指向性パターンの組み合わせを記憶部３９に記憶させる。

次いで、探索処理部３８は、同様に探索動作のための電波送信を送信部３４に指示し、送信部３４は、送信禁止期間経過後、所定時間中電波を発射する（Training 2）。図７Ａおよび図７Ｂに示すように、送信制御部３６は、アンテナ制御部３２を介してアンテナ３１の送信指向性パターンを順次切替え、ＳＴＡ装置２の探索処理部２８は、アンテナ２１および受信部２３を介してＳＴＡ装置３からの電波を受信する。受信制御部２７は、ＳＴＡ装置３の送信指向性パターンが切り替わらない間に、アンテナ制御部２２を介してアンテナ２１の受信指向性パターンを順次切替える。その結果、受信制御部２７は、受信部２３がＳＴＡ装置３からの電波を最も強く受信できた指向性パターンと、記憶部２９に記憶した指向性パターンとを比較し、結果の良好なＳＴＡ装置３の送信指向性パターンおよびＳＴＡ装置２の受信指向性パターンの組み合わせを記憶部２９に記憶させる。

図１２は、探索動作においてＳＴＡ装置２・３が送信する電波に含まれるデータ列の例を示している。図１１に示すように、探索動作においては、フレーム制御（Frame Control）、送信パターンＩＤ（Tx pattern ID）、探索シーケンスカウンタ（Training Sequence Counter）、総探索シーケンス（Total Training Sequence）およびフレームチェックシーケンス（FCS）などの各種データが格納された信号が送信される。

このように、ＳＴＡ装置３の探索処理部３８は、ＳＴＡ装置２からの電波送信により全ての指向性パターンの受信信号強度を取得し、ＳＴＡ装置２の探索処理部２８は、ＳＴＡ装置３からの電波送信により全ての指向性パターンの受信信号強度を取得することができる。また、探索動作における送信信号には送信パターンＩＤが含まれているので、受信側ＳＴＡ装置は送信側ＳＴＡ装置の送信指向性パターンを知ることができる。

［フィードバック動作］
ＳＴＡ装置３の電波送信が終わると、ＳＴＡ装置３の探索処理部３８は、記憶部３９に記憶した良好な組み合わせに係るＳＴＡ装置２の送信指向性パターンを含んだビーム形成フィードバック信号BFFdbk(1)を生成し、送信部３４は、ビーム形成フィードバック信号BFFdbk(1)をＡＰ装置１に送信する。

ＡＰ装置１の探索処理部１８は、受信したビーム形成フィードバック信号BFFdbk(1)に基づいてビーム形成フィードバック信号BFFdbk(2)を生成し、送信部１４は、ビーム形成フィードバック信号BFFdbk(2)をＳＴＡ装置２・３に送信する。ビーム形成フィードバック信号BFFdbk(2)についても、良好な組み合わせに係るＳＴＡ装置２の送信指向性パターンが含まれている。

ＳＴＡ装置２の探索処理部２８は、受信したビーム形成フィードバック信号BFFdbk(2)に応じて、記憶部２９に記憶した良好な組み合わせに係るＳＴＡ装置３の送信指向性パターンを含んだビーム形成フィードバック信号BFFdbk(3)を生成し、送信部２４は、ビーム形成フィードバック信号BFFdbk(3)をＳＴＡ装置３に送信する。ビーム形成フィードバック信号BFFdbk(3)の受信に応じて、ＳＴＡ装置３の送信部３４は、送信禁止期間経過後にＡＣＫ信号を送信する。

ビーム形成フィードバック信号BFFdbk(1)〜BFFdbk(3)には、相手方との通信において受信信号強度が最も強い組み合わせとなる当該相手方の送信指向性パターンの情報が含まれている。すなわち、ビーム形成フィードバック信号BFFdbkの交換により、ＳＴＡ装置２・３は、相手に最も強力な電波を送り届けることのできる送信指向性パターンを取得することができる。

図１３は、フィードバック動作において交換されるビーム形成フィードバック信号BFFdbk(1)〜(3)に含まれるデータ列の一例である。図１２に示すように、ビーム形成フィードバック信号BFFdbkには、フレーム制御データ（Frame Control）、ビーム探索の継続時間（Duration）、データ発信元アドレス（Address 1）、データ宛先アドレス（Address 2）、ビーム形成対象アドレス（Address 3）、相手方の送信指向性パターンのうち最良のパターンＩＤ（Best Pattern ID）、当該最良のパターンにおけるＳＮ比（Signal Noise Ratio）の値（SNR of best pattern）、さらなる探索動作の要否（More training）、ビーム形成能力（BF Capability）およびフレームチェックシーケンス（FCS）などの各種データを含んでいる。フィードバック信号BFFdbk(1)〜(3)におけるデータ発信元アドレス（Address 1）、データ宛先アドレス（Address 2）およびビーム形成対象アドレス（Address 3）の具体例を図１１に示す。

このように、実施形態の無線システムでは、ＳＴＡ装置２・３が、ＡＰ装置１を介してビーム形成要求信号BFRqtおよびビーム形成応答信号BFRspを交換し、次いでＳＴＡ装置２・３が交互に探索動作のための電波を送信（Training 1/2）した後、フィードバック信号BFFdbkを交換する。かかる動作により、ＳＴＡ装置２・３は、互いに相手方と通信する際に用いるべき送信指向性パターンおよび受信指向性パターンを取得することができる。

（実施形態の無線システムの動作例：インフラストラクチャモード）
次に、図１、図９ないし図１５を参照して、実施形態の無線システムの他の具体的動作例について詳細に説明する。図１４は、ＳＴＡ装置２およびＳＴＡ装置３がＡＰ装置１とアンテナ調整を実行する例を示している。図１４に示す動作例は、図９に示す動作例のようにＳＴＡ装置２・３の間ではなく、ＡＰ装置１とＳＴＡ装置２・３それぞれとの間でアンテナのビーム形成を行うものである。以下の説明において、共通する要素・動作について共通の符号等を付して示し、重複する説明を省略する。

図１４に示す動作例では、まずＳＴＡ装置２がビーム形成要求信号BFRqt(1)をＡＰ装置１に送信し、これに応じてＡＰ装置１はビーム形成応答信号BFRsp(1)を返信する。これにより、ＡＰ装置１とＳＴＡ装置２との間でビーム形成に必要な情報交換が行われる。すなわち、図１５に示すように、ビーム形成要求信号BFRqt(1)の発信元アドレスはＳＴＡ装置２、宛先アドレスはＡＰ装置１、ビーム形成対象アドレスはＡＰ装置１となる。また、ビーム形成応答信号BFRsp(1)の発信元アドレスはＡＰ装置１、宛先アドレスはＳＴＡ装置２、ビーム形成対象アドレスはＳＴＡ装置２となる。

ビーム形成応答信号BFRsp(1)の受信に応じて、まずＳＴＡ装置２が探索動作のための電波を所定期間ＡＰ装置１に送信し（Training 1）、次いでＡＰ装置１が探索動作のための電波を所定期間ＳＴＡ装置２に送信する（Training 2）。これにより、ＡＰ装置１とＳＴＡ装置２は、それぞれの通信においてアンテナの最適な受信指向性パターンと、相手方のアンテナの最適な送信指向性パターンを取得する。

続いて、ＡＰ装置１はビーム形成フィードバック信号BFFdbk(1)をＳＴＡ装置２に送信し、これに応じてＳＴＡ装置２は、フィードバック信号BFFdbk(2)を送信する。フィードバック信号BFFdbk(2)を受信したＡＰ装置１は、ＡＣＫ信号をＳＴＡ装置２に返す。これにより、ＡＰ装置１およびＳＴＡ装置２は、互いに通信する際に最適なアンテナの送信指向性パターンを取得する。

ここまでの動作で、ＡＰ装置１およびＳＴＡ装置２は、互いに通信する際の最適なアンテナの送受信指向性パターンの組み合わせを取得することができる。以後、必要に応じてＡＰ装置１は、ビーム形成応答信号BFRpt(2)をＳＴＡ装置３に送信し、ＡＰ装置１およびＳＴＡ装置３の間のビーム形成処理を続行する。この場合、図１５に示すように、ビーム形成要求信号BFRqt(2)の発信元アドレスはＡＰ装置１、宛先アドレスはＳＴＡ装置３、ビーム形成対象アドレスはＳＴＡ装置３となる。

このように、ＡＰ装置とＳＴＡ装置との間のアンテナのビーム形成処理は、ビーム形成要求信号BFRqtやビーム形成応答信号BFRspを直接交換するので、短時間でビーム形成処理を行うことができる。

（実施形態の無線システムの動作例：リファインモード）
次に、図１、図９ないし図１８を参照して、実施形態の無線システムの他の具体的動作例について詳細に説明する。図１６は、ＳＴＡ装置２およびＳＴＡ装置３の間でアンテナのビーム形成の絞込動作を実行する例である。図１６に示す動作例は、図９に示す動作例と同様にＳＴＡ装置２・３の間でアンテナのビーム形成の絞込を行うものである。以下の説明において、共通する要素・動作について共通の符号等を付して示し、重複する説明を省略する。

図１６に示す動作例では、まずＳＴＡ装置２がビーム形成要求信号BFRqt(1)をＡＰ装置１に送信し、これに応じてＡＰ装置１はビーム形成応答信号BFRsp(1)をＳＴＡ装置３に送信する。さらに、ビーム形成応答信号BFRsp(1)の受信に応じて、ＳＴＡ装置３は、ビーム形成要求信号BFRqt(2)をＳＴＡ装置２に送信し、ＳＴＡ装置２は、ビーム形成応答信号BFRsp(2)を返信する。これにより、ＳＴＡ装置２とＳＴＡ装置３との間でビーム形成に必要な情報交換が行われる。すなわち、ビーム形成の絞込動作は、一旦ビーム形成を行った後に実行するものであるから、ビーム形成要求信号BFRqt(2)およびビーム形成応答信号BFRsp(2)の交換は、ＡＰ装置１を介さず、ＳＴＡ装置２およびＳＴＡ装置３の間で直接行われる。図１８に示すように、ビーム形成要求信号BFRqt(2)の発信元アドレスはＳＴＡ装置３、宛先アドレスはＳＴＡ装置２、ビーム形成対象アドレスはＳＴＡ装置２となる。また、ビーム形成応答信号BFRsp(2)の発信元アドレスはＳＴＡ装置２、宛先アドレスはＳＴＡ装置３、ビーム形成対象アドレスはＳＴＡ装置３となる。

ビーム形成応答信号BFRsp(2)を返信した後、ＳＴＡ装置２は、絞込動作のための電波を所定期間ＳＴＡ装置３に送信し（Training 1）、次いでＳＴＡ装置３は、絞込動作のための電波を所定期間ＳＴＡ装置２に送信する（Training 2）。絞込動作のための電波の発射は、探索動作のための電波の発射と同様に行われるが、探索動作によって得られたアンテナの良好な送受信指向性パターンの組み合わせをさらに絞り込む作用をする。そのため、図１６に示すように、アンテナ制御部によるアンテナの制御は、図７Ａおよび図７Ｂにより制御された指向性パターンよりも細かいパターン（図１７に示すように「送信ビーム１」「送信ビーム２」や「受信ビーム１」「受信ビーム２」）を制御する。ＳＴＡ装置２およびＳＴＡ装置３は、それぞれの通信においてアンテナの最適な受信指向性パターンと、相手方のアンテナの最適な送信指向性パターンをさらに最適化することができる。

続いて、ＳＴＡ装置３はビーム形成フィードバック信号BFFdbk(1)をＳＴＡ装置２に送信し、これに応じてＳＴＡ装置２は、フィードバック信号BFFdbk(2)を返信する。フィードバック信号BFFdbk(2)を受信したＳＴＡ装置３は、ＡＣＫ信号をＳＴＡ装置２に返す。これにより、ＳＴＡ装置２およびＳＴＡ装置３は、互いに通信する際に最適なアンテナの送信指向性パターンを取得する。

なお、この動作例では、図９に示すアドホックモードで絞込動作を行っているが、これには限定されない。図１４に示すインフラストラクチャモードにおいて絞込動作を行っても構わない。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…ＡＰ装置、２・３…ＳＴＡ装置、１１・２１・３１…アンテナ、１２・２２・３２…アンテナ制御部、１３・２３・３３…受信部、１４・２４・３４…送信部、１５・２５・３５…インタフェース部、１６・２６・３６…送信制御部、１７・２７・３７…受信制御部、１８・２８・３８…探索処理部、１９・２９・３９…記憶部。

Claims (6)

1. 複数の指向性パターンを選択可能なアンテナと、
   他の無線装置と、自己のアンテナの指向性パターンの数を含む探索情報を、前記指向性パターンを無指向性パターンとした前記アンテナを介して交換する情報交換部と、
   前記アンテナを介して該アンテナの指向性パターンを切替えつつ第１の探索信号を送信する探索送信部と、
   前記他の無線装置がそのアンテナの指向性パターンを切替えつつ第２の探索信号を送信する場合に、前記探索情報に基づき前記他の無線装置のアンテナの各指向性パターンそれぞれについて前記アンテナの指向性パターンを順次切替えながら前記アンテナを介して前記第２の探索信号を受信する探索受信部と、
   前記探索受信部による前記第２の探索信号の受信の結果、該第２の探索信号の受信状態が最良となる前記他の無線装置のアンテナの指向性パターンを示す第１のパターン情報を前記他の無線装置に送信するとともに、前記探索送信部による前記第１の探索信号の送信の結果、前記他の無線装置による前記第１の探索信号の受信状態が最良となる前記アンテナの指向性パターンに関する第２のパターン情報を受信するフィードバック部と、
   前記探索受信部による前記第２の探索信号の受信の結果、該第２の探索信号の受信状態が最良となる前記アンテナの指向性パターンと、前記第２のパターン情報が示す前記アンテナの指向性パターンとに基づいて、送受信それぞれにおける前記アンテナの指向性パターンを設定するアンテナ制御部と
   を具備したことを特徴とする無線装置。
2. 前記探索送信部は、前記アンテナの選択可能な全ての指向性パターンについて切替えつつ前記第１の探索信号を送信し、
   前記探索受信部は、前記他の無線装置のアンテナの各指向性パターン一つごとに前記アンテナの全ての指向性パターンを順次切替えながら前記アンテナを介して前記第２の探索信号を受信すること
   を特徴とする請求項１記載の無線装置。
3. 前記探索送信部は、送信に係る前記アンテナの指向性パターンを示す識別情報を含む前記第１の探索信号を送信し、
   前記第２の探索信号は、前記他の無線装置の送信に係る前記他の無線装置のアンテナの指向性パターンを示す識別情報を含むこと
   を特徴とする請求項１記載の無線装置。
4. 前記探索情報の交換に先立ち前記他の無線装置と同期をとる同期部をさらに備え、
   前記他の無線装置が自己を収容するアクセスポイントであること
   を特徴とする請求項１記載の無線装置。
5. 前記探索情報の交換に先立ち自己を収容するアクセスポイントと同期を取る同期部をさらに備え、
   前記探索情報の交換が前記アクセスポイントを経由してなされること
   を特徴とする請求項１記載の無線装置。
6. 複数の指向性パターンを選択可能なアンテナと、
   他の無線装置のアンテナの指向性パターンの数を含む探索情報を受信する情報交換部と、
   前記アンテナを介して該アンテナの指向性パターンを切替えつつ第１の探索信号を送信する探索送信部と、
   前記他の無線装置がそのアンテナの指向性パターンを切替えつつ第２の探索信号を送信する場合に、前記探索情報に基づき前記他の無線装置のアンテナの各指向性パターンそれぞれについて前記アンテナの指向性パターンを順次切替えながら前記アンテナを介して前記第２の探索信号を受信する探索受信部と、
   前記探索送信部による前記第１の探索信号の送信の結果、前記他の無線装置による前記第１の探索信号の受信状態が最良となる前記アンテナの指向性パターンに関するパターン情報を受信するフィードバック部と、
   前記探索受信部による前記第２の探索信号の受信の結果、該第２の探索信号の受信状態が最良となる前記アンテナの指向性パターンと、前記パターン情報が示す前記アンテナの指向性パターンとに基づいて、送受信それぞれにおける前記アンテナの指向性パターンを設定するアンテナ制御部とを具備し、
   前記アンテナ制御部は、前記情報交換部が前記探索情報を受信する場合に、前記アンテナの指向性パターンを無指向性パターンに設定すること
   を特徴とする無線装置。

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