JP6139987B2 - 通信システム、制御装置、制御方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は指向性アンテナを用いる通信技術に関する。

映像データ及び音声データなどの大容量データを高速に無線伝送するため、広い帯域幅を確保できる６０ＧＨｚ帯を使用したミリ波無線技術が注目されている。一方で、電波は周波数が高くなるにつれて直進性が高まることが知られており、ミリ波を使用する場合、通信パスを遮蔽する人体などの物体が存在すると通信ができなくなることがある。これに対して、指向性アンテナの指向方向を変更しながら高い通信品質を確保できる複数の通信パスを探索し、その複数の通信パスを使用してデータを伝送する技術が検討されている（特許文献１参照）。

特許文献１には、空間的に離れた通信パスを複数使用して同一のデータを伝送する技術が記載されている。この技術によれば、通信パスの途中に遮蔽物が存在することとなった場合であっても、異なる通信パスによる通信は遮断されない可能性が高いため、信頼性の高い通信が可能となる。

特開２０１２−１８６５６６号公報

特許文献１では、データ伝送に使用する複数の通信パスが空間的に離れているほど、全ての通信パスが同時に遮蔽される確率が低くなり、信頼性の高い通信が可能となる。しかしながら、一般に、指向性アンテナのアンテナパターンは、指向方向においてゲインのピークを有するメインローブだけでなく、指向方向と異なる方向にゲインのピークを有するサイドローブとを有する。そして、送信アンテナのメインローブから放射された電波が受信アンテナのメインローブ方向で受信されなくとも、サイドローブから放射された電波がサイドローブ方向で受信されることで、信号が十分に高い電力で受信される場合がある。この状況について図１３を用いて説明する。

図１３において、送信装置１３００と受信装置１３０１は、それぞれ、送信アンテナと受信アンテナの指向方向を変えて通信品質を測定し、図１３（ａ）と図１３（ｂ）に示す指向方向で所定の通信品質を満たしたものとする。ここで、図１３（ａ）では、送信装置１３００の送信アンテナのメインローブから送信された信号が、通信パス１３０２を経て、受信装置１３０１の受信アンテナのメインローブにおいて受信されている。一方、図１３（ｂ）では、送信装置１３００の送信アンテナのサイドローブから送信された信号が通信パス１３０２を経て、受信装置１３０１の受信アンテナのサイドローブにおいて受信されている。なお、図１３（ｂ）では、送信装置１３００の送信アンテナのメインローブから送信された信号は、通信パス１３０４を経ることにより電力が減衰し、受信装置１３０１の受信アンテナのメインローブにおいて受信されていないものとする。この場合、図１３（ａ）と図１３（ｂ）とでは、送信アンテナ及び受信アンテナの指向方向は異なるものの、同一の通信パス１３０２を経た信号を送受信していることとなる。

特許文献１では、送信装置１３００及び受信装置１３０１は、アンテナの指向方向と通信品質とに基づいて通信パスの探索を行うため、図１３（ｂ）の通信パスがサイドローブにより形成されたものであることを検出することができない。すなわち、図１３（ｂ）の場合に、通信パス１３０２が、反射物１３０３によって形成される通信パス１３０４として判断されてしまう。この結果、２つの通信パス１３０２及び１３０４を用いて信頼性の高い通信を行うはずが、実際は通信パス１３０２のみを用いた通信となり、この通信パス１３０２が遮断されると通信が途切れてしまうという課題があった。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、複数の通信パスを選択する際に、空間的に異なる通信パスを選択可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明による通信システムは、指向方向を変更できる送信アンテナを有する送信装置と、指向方向を変更できる受信アンテナを有する受信装置とを含み、前記送信装置と前記受信装置とは、前記送信アンテナと前記受信アンテナの複数の指向方向のペアから少なくとも１つの前記指向方向のペアを選択して通信を行う通信システムであって、前記送信装置と前記受信装置とのいずれかが、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの複数の指向方向のペアのそれぞれについて、主波の到来タイミングを取得する取得手段と、通信に使用する前記指向方向のペアの候補を抽出する抽出手段であって、前記候補の１つについての前記到来タイミングと、他の前記候補についての前記到来タイミングとの差が所定時間以上となるように、複数の前記指向方向のペアから前記候補を抽出する抽出手段と、を有し、通信に使用される少なくとも１つの前記指向方向のペアは前記候補から選択される、ことを特徴とする。

本発明によれば、複数の通信パスを選択する際に、空間的に異なる通信パスを選択することが可能となる。

無線通信システムの構成例を示す図。 アンテナを説明するための図。 通信フレームの構成例を示す図。 ソースノードの構成例を示すブロック図。 宛先ノードの構成例を示すブロック図。 フレーム同期部の動作を説明する図。 インパルス応答記憶部の動作を説明する図。 無線通信システムで実行される処理を示すフローチャート。 通信パス探索時のタイムスロット割当情報の例を示す図。 映像データ伝送時のタイムスロット割当例を示す図。 宛先ノードの別の構成例を示すブロック図。 無線通信システムで実行される別の処理例を示すフローチャート。 従来技術の課題を説明する図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

＜＜実施形態１＞＞
（システム構成）
図１に、本実施形態に係る無線通信システムの構成例を示す。本実施形態において、無線通信システムは、無線信号の送信装置であるソースノード１００、及び無線信号の受信装置である宛先ノード１０１を含む。ソースノード１００は指向性の送信アンテナを有し、この送信アンテナは、指向方向を適応的に変更することができるものとする。また、宛先ノードは指向性の受信アンテナを有し、この受信アンテナも指向方向を適応的に変更できるものとする。

図２は、ソースノード１００及び宛先ノード１０１が備えるアンテナ（送信アンテナ及び受信アンテナ）を説明する図である。送信アンテナ及び受信アンテナは、例えば、アダプティブアンテナアレイのように、複数のアンテナ素子により構成される。そして、各アンテナ素子から送受信される無線信号の位相を制御することにより、図２（ａ）に示す広指向性モードと図２（ｂ）に示す狭指向性モードとを切り替えることができる。ここで、本実施形態では、狭指向性モードにおいて、指向方向が、４５°〜１３５°の範囲を１５°ステップの分解能で切替可能であるものとする。また、狭指向性モードにおけるアンテナ指向性は、図２（ｃ）に示すように、指向方向に対して±１５°の方向にサイドローブを有するものとする。

狭指向性モードは、通信パスの送受信可能な範囲は限定されるものの、広指向性モードと比較して高いアンテナゲインが得られるため、高レートでのデータ伝送に適する。本実施形態においては、高レートが要求される映像データの伝送には狭指向性モードを用い、高レートを要求しない制御データの伝送には広指向性モードを用いる。なお、以下では、狭指向性モードにおけるアンテナの指向方向の制御範囲並びに分解能及びサイドローブの特性が上述の値である場合について説明を行うが、これに限定されない。例えば、指向方向は１０°単位で変更可能であってもよいし、サイドローブの方向は指向方向の１５°である必要はない。

本実施形態においては、図１に示すように、データソース１０２が、ソースノード１００にデータを供給する。ここで、供給されるデータは例えば映像データである。そして、ソースノード１００から送信された映像データは、宛先ノード１０１を介してディスプレイ１０３へ供給され、ディスプレイにおいて映像が表示出力される。

図１には、データを伝送可能な通信パス１１０〜１１２の候補が示されている。ここで、データ伝送に利用可能な通信パス１１０〜１１２には、直接波（通信パス１１１）だけでなく、壁などの反射物１０４及び１０５で反射した反射波（通信パス１１０及び１１２）も含まれている。

本実施形態では、ソースノード１００と宛先ノード１０１は、データ伝送に利用可能な通信パスを少なくとも１つ選択して通信を行うものとし、その通信パスに対応する送信アンテナと受信アンテナとの指向方向のペアを選択して通信に使用する。なお、データ伝送の信頼性を向上させるために、複数の通信パスを利用可能な場合は、ソースノード１００と宛先ノード１０１は、２つ以上の通信パスを選択し、その通信パスに対応する指向方向のペアを選択して使用する。なお、２つ以上の通信パスが選択された場合、ソースノード１００は、選択された通信パスのそれぞれを介して同一のデータを送信する。これにより、１つの通信パスの途中に遮蔽物が存在することとなった場合であっても、他の通信パスでデータ伝送が可能であるため、映像再生を途切れさせることなくシステムの動作を継続することができる。

ここで、本実施形態に係るソースノード１００と宛先ノード１０１が実行する処理について概略を説明する。本実施形態では、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように送信アンテナ及び受信アンテナの指向方向のペアが異なるにも関わらず通信パスが同一である場合、これらの異なる複数の指向方向のペアを１つのグループとして取り扱う。そして、通信に使用するための指向方向のペアの候補として、１つのグループから１つの指向方向のペアだけが抽出されると共に、抽出された指向方向のペアの中から通信に使用する指向方向のペアを少なくとも１つ（可能であれば２つ以上）選択する。これにより、異なる通信パスを形成する複数の指向方向のペアを選択することが可能となる。

例えば、図１３（ａ）のように、ソースノード１００と宛先ノード１０１が送信アンテナ及び受信アンテナの指向方向をそれぞれ９０°とした場合に、メインローブを用いて通信パス１３０２を経た通信が可能となる。一方、本実施形態では、指向方向に対して±１５°の方向にサイドローブが存在する。このため、サイドローブの抑圧レベルが低い場合、送信アンテナ及び受信アンテナの指向方向をそれぞれ７５°（または１０５°）とした場合にも、図１３（ｂ）のように、通信可能な通信パス１３０２が形成される。このような場合、送信アンテナ及び受信アンテナの指向方向がそれぞれ９０°の場合と７５°（または１０５°）の場合とを１つのグループとして取り扱う。そして、この１つのグループの中から、送信アンテナ及び受信アンテナの指向方向のペアを１つ選択する。同様に、他の通信パスについても、同一のパスを形成する複数の指向方向のペアが存在する場合は、これらの複数の指向方向のペアは１つのグループとして取り扱われ、その中から１つの指向方向のペアが候補として抽出される。

なお、図１３（ｂ）の場合に、メインローブ方向において通信品質の高い通信パス１３０４が形成されていれば、通信パス１３０２が遮断されても、通信パス１３０４での通信が可能である。したがって、この場合は、図１３（ａ）の場合に形成される通信パスと図１３（ｂ）の場合に形成される通信パスとが異なると判定し、１つのグループには含めないようにする。これにより、ソースノード１００と宛先ノード１０１は、容易に空間的に異なる複数の通信パスを選択することが可能となる。以下では、この手法を実現するための、具体的な装置及び信号の構成例及び処理例等について説明する。

（フレーム構成）
図３に、ソースノード１００と宛先ノード１０１との間で送受信される通信フレームの構成例を示す。図３に示すように、本実施形態においては、固定長の通信フレーム３００が所定周期毎に繰り返し送受信される。通信フレーム３００は、所定数（本実施形態では１００個）のタイムスロットに時分割されている。各タイムスロットはプリアンブル信号３０１とデータ信号３０２とを含み、受信装置は、プリアンブル信号に基づいてタイミングの同期を確保し、そのタイミングに従ってデータ信号の復調処理を行う。通信フレームの先頭のタイムスロット（タイムスロット＃１）において、ソースノード１００は、広指向性モードを使用して、タイムスロット割当情報を送信する。このタイムスロット割当情報は、例えば、各タイムスロットで送信を行うノードと、伝送されるデータの種別、使用するアンテナモード、及びアンテナモードが狭指向性モードである場合の指向方向を含む。宛先ノード１０１は、タイムスロット＃１のプリアンブル信号によって通信フレーム３００の開始を検出し、同じくタイムスロット＃１のタイムスロット割当情報に基づいて、ソースノード１００と通信を行う。

（ソースノードの構成）
図４は、ソースノード１００の内部構成例を示すブロック図である。ソースノード１００は、例えば、ＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）部４００、変調部４０１、プリアンブル信号生成部４０２、セレクタ４０３、無線送信部４０４、スイッチ４０５、アンテナ４０６を有する。また、ソースノード１００は、さらに、無線受信部４０７、相関演算部４０８、及び復調部４０９を有する。

ＭＡＣ部４００は、データソース１０２から入力される映像データと通信パスの探索に関する制御データとが、所定のタイミング及びアンテナ指向方向で送信または受信されるように、各部を制御する。変調部４０１は、例えば、変調方式としてＯＦＤＭ変調を用いて、ＭＡＣ部４００から入力されるデータを変調することにより、ベースバンドのデータ信号を生成して、生成したデータ信号をセレクタ４０３に出力する。プリアンブル信号生成部４０２は、ＭＡＣ部４００の制御に基づいてプリアンブル信号を生成し、生成したプリアンブル信号をセレクタ４０３に出力する。なお、プリアンブル信号の波形は、宛先ノード１０１において既知の波形であるものとする。これにより、宛先ノード１０１において相関検出を行うことで、伝送路のインパルス応答を推定して取得することが可能となる。

ソースノード１００が送信するプリアンブル信号をｓ(ｔ)として、伝送路のインパルス応答をｈ(ｔ)とすると、宛先ノード１０１で受信されるプリアンブル信号ｒ(ｔ)は、
ｒ(ｔ)＝ｈ(ｔ)＊ｓ(ｔ) ・・・ 式１
となる。なお、式１において、「＊」は畳み込み積分の演算子である。ここで、宛先ノード１０１は、既知のプリアンブル信号ｓ(ｔ)を用いて、受信信号に対して相関演算を行う。ここで、相関演算の結果をｃｏｒｒ(ｔ)とすると、
ｃｏｒｒ(ｔ)＝ｒ(ｔ)＊ｓ(ｔ)＝ｈ(ｔ)＊ｓ(ｔ)＊ｓ(ｔ) ・・・ 式２
が成り立つ。したがって、プリアンブル信号の自己相関特性について、ｓ(ｔ)＊ｓ(ｔ)＝|ｓ(ｔ)|²＝１が成り立つ場合、
ｃｏｒｒ(ｔ)＝ｈ(ｔ) ・・・ 式３
となる。したがって、宛先ノード１０１は、既知のプリアンブル信号を用いて受信信号に対する相関演算を行うことにより、伝送路のインパルス応答を取得することができる。

セレクタ４０３は、ＭＡＣ部の制御に基づき、変調部４０１またはプリアンブル信号生成部４０２のいずれかから入力された信号を無線送信部４０４に出力する。無線送信部４０４は、ＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）や周波数変換回路、電力増幅回路等を含み、入力される信号を無線周波数（ＲＦ）の信号へと変換し、スイッチ４０５に出力する。

スイッチ４０５は、ＭＡＣ部４００の制御に基づき、アンテナ４０６を無線送信部４０４と無線受信部４０７とのいずれかに接続する。アンテナ４０６は、ＭＡＣ部４００の制御に基づくモード及び指向方向により信号の送信または受信を行う。

無線受信部４０７は、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）や周波数変換回路、自動利得制御回路等を含み、無線周波数の受信信号をベースバンド信号に変換して相関演算部４０８及び復調部４０９に出力する。相関演算部４０８は、入力されたベースバンド信号と既知のプリアンブル信号との相関演算を行うことで、伝送路のインパルス応答を取得し、復調部４０９に出力する。復調部４０９は、相関演算部４０８から入力された伝送路のインパルス応答に基づき、プリアンブル信号の受信タイミングを判定する。そして、復調部４０９は、このタイミングに基づいて復調処理のタイミングを決定し、無線受信部４０７から入力されるベースバンド信号を復調し、復調データをＭＡＣ部４００に出力する。

（宛先ノードの構成）
図５は、宛先ノード１０１の内部構成例を示すブロック図である。なお、図５において、図４を参照して説明したソースノード１００を構成するブロックと同様の機能を有するブロックには同一の符号を付し、その説明については省略する。宛先ノード１０１は、フレーム同期部５００、タイマー部５０１、インパルス応答記憶部５０２、候補抽出部５０３、及び通信品質算出部５０４を有する。

フレーム同期部５００には、相関演算部４０８から、伝送路のインパルス応答が入力される。フレーム同期部５００は、ＭＡＣ部４００の制御に基づいて、ソースノード１００から通信フレーム毎に広指向性モードで送信される、タイムスロット＃１のプリアンブル信号を検出し、ＭＡＣ部４００及びタイマー部５０１に、通信フレームの開始を通知する。

図６は、フレーム同期部５００の動作を示す図である。ソースノード１００から広指向性モードで送信されたタイムスロット＃１のプリアンブル信号は、図１に示す通信パス１１０〜１１２のそれぞれを伝搬し、宛先ノード１０１に受信される。フレーム同期部５００は、相関演算部４０８から入力される伝送路のインパルス応答について、その振幅が所定の閾値を越えるタイミングをプリアンブル信号の検出タイミングとし、ＭＡＣ部４００とタイマー部５０１にそのタイミングを通知する。タイマー部５０１は、図６に示すように、通信フレームの開始タイミングでカウント値０からカウントアップを開始し、以後、タイムスロット周期毎にカウント値を０にリセットしてカウントアップを行う。

インパルス応答記憶部５０２は、通信パス探索時に、アンテナ指向方向と伝送路のインパルス応答とタイマーカウント値とを対応づけて記憶する。なお、インパルス応答記憶部５０２は、インパルス応答の全情報を記憶しなくてもよく、例えば、伝送路のインパルス応答において、主波の到来タイミングを記憶してもよい。なお、ここで言う主波とは、例えば、インパルス応答において振幅が最も大きくなるタイミングで到来する電波のことである。また、最も早い到来タイミングで到来した所定値以上の振幅を有する電波を主波としてもよい。

図７は、インパルス応答記憶部５０２が記憶する情報の例を示す図である。図７においては、簡単のため、主波のみに着目したインパルス応答を示している。なお、ここでは、送信アンテナと受信アンテナとの指向方向が共に６０°、９０°及び１３５°である場合に、送信アンテナのメインローブから放射された電波が、受信アンテナのメインローブにおいて受信されるものとする。また、このとき、それぞれ、図１の通信パス１１０、１１１及び１１２を経て信号が伝搬するものとし、これらの通信パスにおける伝搬時間を、それぞれＴ１、Ｔ２及びＴ３とする。ここで、上述の通り、本実施形態に係る送信アンテナ及び受信アンテナは、指向方向の±１５°にサイドローブのピークを有している。したがって、送信アンテナと受信アンテナとの少なくともいずれかの指向方向が、上述の場合から１５°ずれていた場合にも、サイドローブにより信号が受信されうる。例えば、送信アンテナの指向方向が４５°であって、受信アンテナの指向方向が６０°である場合、送信アンテナのサイドローブから放射された電波が受信アンテナのメインローブで受信されうる。

ここで、通信パス１１０〜１１２を経て到来する信号の伝搬時間は、メインローブで送受信した場合と、サイドローブで送受信した場合とで異なるものではない。すなわち、インパルス応答において、主波の到来タイミングが一致する又は十分小さい所定期間の範囲内にある場合、アンテナの指向方向が異なっている場合でも、同一の通信パスを経て到来していると推定することができる。

また、メインローブはサイドローブよりもゲインが高いため、メインローブで送受信を行った場合の伝送路のインパルス応答の振幅は、サイドローブで送受信を行った場合の伝送路のインパルス応答の振幅よりも大きくなる。主波の到来タイミングが一致又は略一致するアンテナの指向方向の複数のペアのうち、インパルス応答のピーク振幅が最大のものが、送信アンテナのメインローブから放射した電波を受信アンテナのメインローブで受信できる指向方向のペアであると判定できる。

候補抽出部５０３は、この原理に従って、各指向方向のペアに対するインパルス応答における主波の到来タイミングから、メインローブを使用して通信可能な指向方向を選択し、通信に使用する指向方向のペアの候補とする。例えば、候補抽出部５０３は、主波の到来タイミングが一致する場合、又は到来タイミングの差が所定時間より小さい場合は、指向方向のペアが２つ以上存在する場合、これらの指向方向のペアは同一の通信パスによる通信を行うこととなると判定する。そして、候補抽出部５０３は、同一の通信パスによる通信を行うこととなると判定された２つ以上の指向方向のペアを１つのグループに含めることにより、全ての指向方向のペアをグループ化する。その後、候補抽出部５０３は、各グループから指向方向のペアを１つだけ選択して、通信に使用する指向方向のペアの候補として抽出する。これにより、候補抽出部５０３において抽出される指向方向のペアの候補は、１つの候補を使用した場合の主波の到来タイミングと、他の候補を使用した場合の主波の到来タイミングとの差が必ず所定時間以上となる。すなわち、異なる候補を選択して使用することにより、異なる通信パスを経た通信を行うことを確実にすることができる。なお、この指向方向のペアの情報は、通信品質算出部５０４に出力される。

なお、候補抽出部５０３は、各グループにおいて、主波の振幅が最も大きい指向方向のペアを、その後の通信に使用する指向方向のペアの候補として抽出してもよい。また、候補抽出部５０３は、各グループにおいて、主波の振幅が所定値以上となる指向方向のペアから１つの指向方向のペアを選択し、指向方向のペアの候補として抽出してもよい。

通信品質算出部５０４は、候補抽出部５０３から受け取った、通信に使用する指向方向のペアの候補に対して、その候補を使用した場合の通信品質として、その伝送路のインパルス応答の振幅の最大値をＭＡＣ部４００に出力する。なお、通信品質算出部５０４は、インパルス応答の遅延分散を特定し、この遅延分散に基づいて通信品質を定めてもよい。遅延分散を用いることにより、主波の電力及び到来タイミングのみならず、通信品質は干渉成分となる遅延波の電力及び到来タイミングを考慮したものとなる。これにより、マルチパス環境下における通信品質を、より正確に算出することが可能となる。また、通信品質算出部５０４は、復調部４０９でＥＶＭ（Ｅｒｒｏｒ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）やＢＥＲ（Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ）を算出した結果を、通信品質の指標として用いてもよい。

（無線通信システムの動作）
続いて、本実施形態における無線通信システムの動作について説明する。図８は、無線通信システムで実行される処理を示すフローチャートである。本処理においては、まず、ソースノード１００及び宛先ノード１０１が、送信アンテナ及び受信アンテナの指向方向を変更しながら、各指向方向のペアについて、伝送路のインパルス応答を取得する（Ｓ８０１）。具体的には、ソースノード１００は、タイムスロット＃１において、通信パス探索用のタイムスロット割当情報に、各タイムスロットにおいて使用すべき指向方向の情報を含めて、その情報を宛先ノード１０１へ送信する。そして、ソースノード１００と宛先ノード１０１とは、それぞれ、各タイムスロットにおいて、タイムスロット割当情報に規定されている指向方向を用いて、通信パスの探索を行う。

このとき、タイムスロット割当情報は、例えば図９に示すような情報である。図９のタイムスロット割当情報は、タイムスロット＃１において、ソースノード１００から宛先ノード１０１へ通知される。ソースノード１００及び宛先ノード１０１は、タイムスロット＃２〜＃５０において、通知されたタイムスロット割当情報に従ってそれぞれのアンテナの指向方向を設定し、指向方向のペアの全パターンについて通信パスを探索する。そして、タイムスロット＃５１において、宛先ノード１０１は、通信パスの探索の結果得られる、通信に使用すべき指向方向のペアの候補と各候補についての通信品質とを示す情報をソースノード１００へ送信する。なお、通信パスの探索時には、ソースノード１００から宛先ノード１０１に、少なくともプリアンブル信号が送信されればよく、この際に送信されるデータの内容は任意のデータであってもよい。

宛先ノード１０１は、指向方向のペアごとの伝送路のインパルス応答に基づいて、主波の到来タイミングが略一致する指向方向のペアを１つのグループに含めるように、インパルス応答を取得した指向方向のペアをグループ化する。これにより、同一の通信パスによる通信が行われることとなると考えられる指向方向のペアは、１つのグループ内に含まれることとなる。例えば、図７においては、ソースノード１００及び宛先ノード１０１のアンテナの指向方向がそれぞれ６０°±１５°の場合（通信パス１１０を経た通信が行われる指向方向のペア）をグループ１とする。同様に、ソースノード１００及び宛先ノード１０１のアンテナの指向方向がそれぞれ９０°±１５°（通信パス１１１を経た通信が行われる指向方向のペア）である場合を、グループ２とする。また、ソースノード１００及び宛先ノード１０１のアンテナの指向方向がそれぞれ１３５°±１５°（通信パス１１２を経た通信が行われる指向方向のペア）の場合をグループ３とする。

宛先ノード１０１は、Ｓ８０２で得られたグループごとに、通信に使用される指向方向のペアの候補を１つ抽出する（Ｓ８０３）。宛先ノード１０１は、例えば、１つのグループに含まれる指向方向のペアのうち、伝送路のインパルス応答における主波の振幅が最大となる指向方向のペアを、メインローブにより通信する指向方向のペアと判定して、これを候補として抽出する。また、宛先ノード１０１は、例えば、１つのグループに含まれる指向方向のペアのうち、伝送路のインパルス応答における主波の通信品質が最も高くなる指向方向のペアを候補として抽出してもよい。また、宛先ノード１０１は、１つのグループに含まれる指向方向のペアのうち、伝送路のインパルス応答における主波の振幅の大きさ又は通信品質が所定値以上となる指向方向のペアから１つを選択して候補として抽出してもよい。

例えば、宛先ノード１０１は、図７において、グループ１について、送信アンテナの指向方向として６０°、そして受信アンテナの指向方向として６０°を、通信に使用される指向方向のペアの候補として抽出する。同様に、宛先ノード１０１は、グループ２について、送信アンテナ及び受信アンテナの指向方向として共に９０°を、グループ３について、送信アンテナ及び受信アンテナの指向方向として共に１３５°を、通信に使用される指向方向のペアの候補として抽出する。

そして、宛先ノード１０１は、Ｓ８０３で抽出した指向方向のペアの候補ごとに、その通信品質を算出する（Ｓ８０４）。その後、宛先ノード１０１は、タイムスロット＃５０において、探索結果情報として、通信に使用される指向方向のペアとその場合の通信品質とを、ソースノード１００へ送信する（Ｓ８０５）。

ソースノード１００は、宛先ノード１０１から受信した指向方向のペアの候補のうち、所定の通信品質を満たす指向方向のペアを特定し、その特定された指定方向のペアから、２つの指定方向のペアを任意に選択する（Ｓ８０６）。本実施形態では、ソースノード１００は、例えば、送信アンテナ及び受信アンテナの指向方向がそれぞれ６０°（通信パス１１０）と９０°（通信パス１１１）の、２つの指向方向のペアを、データ伝送に使用する指向方向のペアとして選択する。

ソースノード１００は、選択した指向方向のペアに基づいて、例えば、図１０に示すタイムスロット割当を決定する。そして、ソースノード１００は、タイムスロット＃１において、決定したタイムスロット割当情報を宛先ノード１０１に通知し、その後、このタイムスロット割当情報に従って、映像データを宛先ノード１０１に送信する。図１０の例では、タイムスロット＃１１〜＃３０と＃５１〜＃８０において、それぞれ、送信アンテナ及び受信アンテナの指向方向は共に６０°（通信パス１１０）と９０°（通信パス１１１）に設定され、この指向方向のペアを用いてデータが伝送される。

以上の処理により、サイドローブによって形成される通信パスの使用を回避し、メインローブを用いる空間的に異なる複数の通信パスを選択することが可能となる。これにより、１つの通信パスが遮断された場合でも、他の通信パスが共に遮断される確率を低減することができ、例えば映像再生に途切れが発生する可能性の低い、信頼性の高いシステム動作を実現することができる。

＜＜実施形態２＞＞
本実施形態では、ソースノード１００と宛先ノード１０１とのアンテナの指向方向の全てのペアに対して通信品質を算出することにより、通信に最適なアンテナの指向方向のペアを探索する。マルチパス環境下では、メインローブによる通信パスよりもサイドローブによる通信パスの方が、遅延分散が小さくなる場合がある。このため、本実施形態はこの点に着目して、このような場合にサイドローブによる通信パスを選択し、通信の信頼性をさらに向上させる。

図１１は、本実施形態に係る宛先ノード１０１の構成例を示すブロック図である。図１１において、図５に示す宛先ノード１０１と同様の機能を有するブロックについては、同一の符号を付して、その説明は省略する。本実施形態に係る宛先ノード１０１は、通信品質算出部１１００と指向方向判定部１１０１とを有する。

通信品質算出部１１００は、ソースノード１００及び宛先ノード１０１のアンテナの指向方向の全てのペアに対して、それぞれの通信品質を算出する。通信品質は、例えば、遅延分散に基づいて算出されてもよく、また、ＥＶＭが用いられてもよい。指向方向判定部１１０１は、実施形態１の候補抽出部５０３と同様に、伝送路のインパルス応答における主波の到来タイミングが略一致する１つ以上の指向方向のペアを１つのグループとしたグループ化を行う。そして、各グループにおいて、通信品質が最も高くなる指向方向のペアを、グループの中で最も通信に適した指向方向のペアとして判定し、通信に使用される指向方向のペアの候補として、ＭＡＣ部４００に出力する。なお、指向方向判定部１１０１は、各グループにおいて、通信品質が所定値よりも高くなる指向方向のペアから、１つの指向方向のペアを選択し、その選択した指向方向のペアを通信に使用される指向方向のペアの候補として出力してもよい。すなわち、十分な通信品質を確保できる指向方向のペアが複数ある場合、その複数の指向方向のペアのいずれかを候補とすることにより通信品質を確保できる。このため、通信品質が最も高くない指向方向のペアであっても、通信に使用される指向方向のペアの候補として選択されてもよい。

図１２は、本実施形態の無線通信システムにおける処理を示すフローチャートである。図１２において、図９と同様の処理を行う部分については、同一の符号を付して、その説明は省略する。

本処理では、Ｓ１２００において、宛先ノード１０１が、ソースノード１００と宛先ノード１０１とのアンテナの指向方向の全てのペアに対して通信品質を算出する。そして、主波の到来タイミングに基づいて指向方向のペアをグループ化した後に、Ｓ１２０１において、宛先ノード１０１は、グループごとに、通信品質が最も高くなる指向方向のペアを特定する。そして、宛先ノード１０１は、各グループで最も通信に適した（通信品質が最も高い）指向方向のペアを、使用される指向方向のペアの候補として抽出する。すなわち、メインローブにより通信パスを形成する指向方向のペアよりも、サイドローブにより通信パスを形成する指向方向のペアの方が、通信品質が高い場合には、後者の指向方向のペアが、通信に使用される指向方向のペアの候補として抽出される。この後は、実施形態１と同様に映像データ伝送に使用する通信パスが選択されて、映像データが行われる。

以上の処理により、空間的に離れた複数の通信パスを選択するとともに、各通信パスを最適なアンテナの指向方向のペアを用いて形成して通信を行うことが可能となる。

なお、上述の実施形態では、所定の通信品質を満たす複数の指向方向のペアの候補のうち、２つの指向方向のペアの候補を選択してデータ伝送を行うものとしたが、これに限定されない。例えば、３つ以上の指向方向のペアの候補が選択されてもよいし、また、例えば、所定の通信品質を満たす指向方向のペアの候補が１つしかない場合は、その１つの候補のみが選択されてもよい。この場合、１つの通信パスが遮断されることによって通信が切断されうるが、予め確立されている通信パスが１つしかないことを知ることができるため、例えば、複数の空間的に離れた通信パスを確立可能な場所へのノードの移動をユーザに促すことが可能となる。

また、上述の実施形態では、所定の通信品質を満たす複数の指向方向のペアの候補のうち、２つ以上の指向方向のペアの候補を任意に選択してデータ伝送を行うものとしたが、所定のルールに従ってデータ伝送に使用する指向方向のペアの候補を選択してもよい。例えば、データ伝送に使用する複数の通信パスが空間的に離れているほど、全ての通信パスが遮蔽物により同時に途切れる可能性が低くなる。すなわち、ソースノード１００は、それぞれの候補の指向方向が空間的に離れるように、２つ以上の指向方向のペアの候補を選択してもよい。このように指向方向のペアの候補を選択するための指標として、アンテナの指向方向の共分散を用いることができる。例えば、所定の通信品質を満たすＮ個の指向方向のペアの候補があるものとし、ｎ番目の候補における送信アンテナの指向方向をθｓ(ｎ)、受信アンテナの指向方向をθｄ(ｎ)とする。このＮ個の指向方向のペアの候補から、ｎ₁、ｎ₂、・・・、ｎ_M番目の候補を選択する場合、アンテナの指向方向の共分散σは

のように算出できる。

この共分散値は絶対値が大きい程、選択された複数の通信パスが空間的に離れていることを意味する。したがって、指向方向のペアの全ての候補の中から所定数の候補を選択する場合の組み合わせ少なくとも一部に対して、共分散値を算出し、その絶対値が最も大きくなる組み合わせをデータ伝送に使用するものとして選択する。本実施形態においては、通信パス１１０〜１１２の中から２つの通信パスを選択する組み合わせは３通りあるが、通信パス１１０と通信パス１１２の２つを選択した場合に、そのアンテナ指向方向の共分散値の絶対値が最大となる。すなわち、この２つの通信パスを使用する指向方向のペアを選択して使用することで、全ての通信パスが同時に途切れる可能性の低い、信頼性の高い通信を行うことが可能となる。

なお、共分散値の絶対値が最大となる所定数の指向方向のペアの組み合わせではなく、所定値を超える組み合わせを特定し、それが複数存在する場合は、その複数の中から１つを選択して使用するようにしてもよい。これによっても、アンテナの指向方向の共分散値の絶対値が十分に高い指向方向のペアの組み合わせを選択することが可能となり、全ての通信パスが同時に途切れる確率を低減することが可能となる。

なお、ソースノード１００及び宛先ノード１０１の役割は、上述の役割に限定されない。例えば、上述の各実施形態では、宛先ノード１０１が指向方向のペアの候補を抽出して、ソースノード１００が候補の中から使用する指向方向のペアを２つ以上選択するとした。しかしながら、ソースノード１００又は宛先ノード１０１が単体でこれらの全ての処理を実行してもよい。すなわち、例えば、ソースノード１００が、アンテナの指向方向の複数のペアに対する伝送路のインパルス応答の情報、特に、主波の到来タイミングの情報を取得し、その後の処理を実行してもよい。具体的には、ソースノード１００は、宛先ノード１０１からインパルス応答の情報を受信するか、または、宛先ノード１０１に通信パス探索用の信号を送信させることにより、自らインパルス応答に関する情報を算出して取得し、その後の処理を実行してもよい。同様に、宛先ノード１０１は、指向方向のペアの候補をソースノード１００に送信するのではなく、自らがその候補から通信に使用すべき指向方向のペアを決定し、その使用すべき指向方向のペアをソースノード１００に通知してもよい。このように、上述の各処理は、ソースノード１００と宛先ノード１０１とで適宜分担して又はいずれかのノードが単体で実行することができる。いずれの場合であっても、通信に使用する指向方向のペアの候補の１つについての主波の到来タイミングと、他の候補の主波の到来タイミングとの差が所定時間以上となるように、指向方向のペアの候補を抽出することは可能である。したがって、いずれの場合においても、空間的に離れた通信パスを複数選択することが可能となる。

＜＜その他の実施形態＞＞
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims (23)

1. 指向方向を変えることができる送信アンテナを有する送信装置と、指向方向を変えることができる受信アンテナを有する受信装置とを含み、前記送信装置と前記受信装置とは、前記送信アンテナと前記受信アンテナの複数の指向方向のペアから少なくとも１つの前記指向方向のペアを選択して通信を行う通信システムであって、
   前記送信装置と前記受信装置とのいずれかが、
   前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの複数の指向方向のペアのそれぞれについて、主波の到来タイミングを取得する取得手段と、
   通信に使用する前記指向方向のペアの候補を抽出する抽出手段であって、前記候補の１つについての前記到来タイミングと、他の前記候補についての前記到来タイミングとの差が所定時間以上となるように、複数の前記指向方向のペアから前記候補を抽出する抽出手段と、
   を有し、
   通信に使用される少なくとも１つの前記指向方向のペアは前記候補から選択される、
   ことを特徴とする通信システム。
2. 前記抽出手段は、互いの前記主波の到来タイミングの差が前記所定時間より小さい２つ以上の前記指向方向のペアをグループとして、前記グループから１つの前記指向方向のペアを前記候補として抽出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
3. 前記抽出手段は、前記グループに含まれる２つ以上の前記指向方向のペアの中から、前記主波の振幅の大きさに基づいて前記候補を抽出する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の通信システム。
4. 前記抽出手段は、前記グループに含まれる２つ以上の前記指向方向のペアの中から、前記主波の通信品質に基づいて、前記候補を抽出する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の通信システム。
5. 前記送信装置と前記受信装置とのいずれかが、前記候補から、通信に使用する少なくとも１つの前記指向方向のペアを選択する選択手段を有する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の通信システム。
6. 前記選択手段は、所定の通信品質を満たす前記候補から、通信に使用する前記指向方向のペアを選択する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の通信システム。
7. 前記選択手段は、前記主波の電力と当該主波が遅延波から受ける干渉の電力とを用いて前記候補の通信品質を算出し、当該通信品質が前記所定の通信品質を満たすかを判定することにより、通信に使用する前記指向方向のペアを選択する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の通信システム。
8. 前記選択手段は、前記候補に含まれる所定数の前記指向方向のペアの組み合わせの少なくとも一部について指向方向の共分散を算出し、当該共分散の絶対値に基づき、通信に使用する前記所定数の前記指向方向のペアを選択する、
   ことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の通信システム。
9. 前記共分散の絶対値が最も大きい前記所定数の前記指向方向のペアの組み合わせを、通信に使用する前記所定数の前記指向方向のペアとして選択する、
   ことを特徴とする請求項８に記載の通信システム。
10. 前記共分散の絶対値が所定値を超える前記所定数の前記指向方向のペアの組み合わせの中から、通信に使用する前記所定数の前記指向方向のペアとして選択する、
    ことを特徴とする請求項８に記載の通信システム。
11. 前記主波は、伝送路のインパルス応答の振幅が最も大きくなるタイミングで到来する電波である、
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の通信システム。
12. 前記主波は、伝送路のインパルス応答の振幅が所定値以上の振幅を有する電波であって、最も早い到来タイミングで到来した電波である、
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の通信システム。
13. 指向方向を変えることができる送信アンテナを有する送信装置と、指向方向を変えることができる受信アンテナを有する受信装置とを含み、前記送信装置と前記受信装置とは、前記送信アンテナと前記受信アンテナの複数の指向方向のペアから少なくとも１つの前記指向方向のペアを選択して通信を行う通信システムにおいて、通信に使用する少なくとも１つの前記指向方向のペアの候補を抽出する制御装置であって、
    前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの複数の指向方向のペアのそれぞれについて、主波の到来タイミングを取得する取得手段と、
    通信に使用する前記指向方向のペアの候補を抽出する抽出手段であって、前記候補の１つについての前記到来タイミングと、他の前記候補についての前記到来タイミングとの差が所定時間以上となるように、複数の前記指向方向のペアから前記候補を抽出する抽出手段と、
    を有することを特徴とする制御装置。
14. 前記抽出手段は、互いの前記主波の到来タイミングの差が前記所定時間より小さい２つ以上の前記指向方向のペアをグループとして、前記グループから１つの前記指向方向のペアを前記候補として抽出する、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の制御装置。
15. 前記抽出手段は、前記グループに含まれる２つ以上の前記指向方向のペアの中から、前記主波の振幅の大きさに基づいて前記候補を抽出する、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の制御装置。
16. 前記抽出手段は、前記グループに含まれる２つ以上の前記指向方向のペアの中から、前記主波の通信品質に基づいて前記候補を抽出する、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の制御装置。
17. 前記候補から通信に使用する前記指向方向のペアを少なくとも１つ選択する選択手段をさらに有する、
    ことを特徴とする請求項１３から１６のいずれか１項に記載の制御装置。
18. 前記主波は、伝送路のインパルス応答の振幅が最も大きくなるタイミングで到来する電波である、
    ことを特徴とする請求項１３から１７のいずれか１項に記載の制御装置。
19. 前記主波は、伝送路のインパルス応答の振幅が所定値以上の振幅を有する電波であって、最も早い到来タイミングで到来した電波である、
    ことを特徴とする請求項１３から１７のいずれか１項に記載の制御装置。
20. 前記制御装置は、前記送信装置または前記受信装置に含まれる、
    ことを特徴とする請求項１３から１９のいずれか１項に記載の制御装置。
21. 指向方向を変えることができる送信アンテナを有する送信装置と、指向方向を変えることができる受信アンテナを有する受信装置とを含み、前記送信装置と前記受信装置とは、前記送信アンテナと前記受信アンテナの複数の指向方向のペアから少なくとも１つの前記指向方向のペアを選択して通信を行う通信システムの制御方法であって、
    前記送信装置と前記受信装置とのいずれかにおいて、
    取得手段が、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの複数の指向方向のペアのそれぞれについて、主波の到来タイミングを取得する取得工程と、
    抽出手段が、通信に使用する前記指向方向のペアの候補を抽出する抽出工程であって、前記候補の１つについての前記到来タイミングと、他の前記候補についての前記到来タイミングとの差が所定時間以上となるように、複数の前記指向方向のペアから前記候補を抽出する抽出工程と、
    を有し、
    通信に使用される少なくとも１つの前記指向方向のペアは前記候補から選択される、
    ことを特徴とする制御方法。
22. 指向方向を変えることができる送信アンテナを有する送信装置と、指向方向を変えることができる受信アンテナを有する受信装置とを含み、前記送信装置と前記受信装置とは、前記送信アンテナと前記受信アンテナの複数の指向方向のペアから少なくとも１つの前記指向方向のペアを選択して通信を行う通信システムにおいて、通信に使用する少なくとも１つの前記指向方向のペアの候補を抽出する制御装置の制御方法であって、
    取得手段が、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの複数の指向方向のペアのそれぞれについて、主波の到来タイミングを取得する取得工程と、
    抽出手段が、通信に使用する前記指向方向のペアの候補を抽出する抽出工程であって、前記候補の１つについての前記到来タイミングと、他の前記候補についての前記到来タイミングとの差が所定時間以上となるように、複数の前記指向方向のペアから前記候補を抽出する抽出工程と、
    を有することを特徴とする制御方法。
23. 指向方向を変えることができる送信アンテナを有する送信装置と、指向方向を変えることができる受信アンテナを有する受信装置とを含み、前記送信装置と前記受信装置とは、前記送信アンテナと前記受信アンテナの複数の指向方向のペアから少なくとも１つの前記指向方向のペアを選択して通信を行う通信システムにおいて、通信に使用する少なくとも１つの前記指向方向のペアの候補を抽出する制御装置が有するコンピュータに、
    前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの複数の指向方向のペアのそれぞれについて、主波の到来タイミングを取得する取得工程と、
    通信に使用する前記指向方向のペアの候補を抽出する抽出工程であって、前記候補の１つについての前記到来タイミングと、他の前記候補についての前記到来タイミングとの差が所定時間以上となるように、複数の前記指向方向のペアから前記候補を抽出する抽出工程と、
    を実行させるためのプログラム。

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