無線通信ネットワークシステム及びこの初期構築方法
【課題】可変指向性アンテナを有する複数の移動局間の無線通信ネットワークシステムであって、初期にネットワークを構築するときに、単一親局の同一ビーム範囲内に子局が複数存在する場合には、各子局から親局へ一斉に返信された受信応答が干渉することを回避するため、従来は各子局から送信するタイミングをずらしていた。しかし、同一ビーム範囲内に１子局の場合が多く、送信タイミングのずれは無駄時間となり、スループットの低下を招くという課題があった。
【解決手段】各子局３が、親局２からのビーコン信号を受信した後まず初めに、バックオフ時間を設けずに親局２に対して受信応答信号をすぐに送信し、親局２からのＡＣＫ信号がない場合に干渉が発生したと判断する。次に子局３が親局２へ受信応答信号を再送するときには、ランダムバックオフ時間を設けて返信することにより、高速に無線通信ネットワークを構築できる。
【解決手段】各子局３が、親局２からのビーコン信号を受信した後まず初めに、バックオフ時間を設けずに親局２に対して受信応答信号をすぐに送信し、親局２からのＡＣＫ信号がない場合に干渉が発生したと判断する。次に子局３が親局２へ受信応答信号を再送するときには、ランダムバックオフ時間を設けて返信することにより、高速に無線通信ネットワークを構築できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変指向性アンテナを有する複数の移動局間で、時分割多重方式により無線通信するネットワークシステムに係わり、特に可変指向性アンテナを制御して信号の干渉を回避し無線通信ネットワークを初期構築する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単一の基準局（以降「親局」という）と複数の従属局（以降「子局」という）から構築される無線通信ネットワークシステムは、無線ＬＡＮを初めとして、あらゆるシステムで用いられるネットワークトポロジである。単一の親局及び複数の子局がアンテナとして、無指向性アンテナを有する無線通信ネットワークでは、親局は、自己の位置ならびに子局の位置を把握しなくても、ネットワーク構築が可能である。しかし、親局及び複数の子局が共に移動局であり、かつ可変指向性アンテナを有する無線通信ネットワークシステムにおいては、それぞれの局においてアンテナの指向性制御が必要となる。
【０００３】
通常、無線通信ネットワークを構築するにあたり、干渉回避は必須の技術である。例えば、無線ＬＡＮなどではキャリアセンスして空きを待っていた複数の端末が一斉に送信するとデータの衝突が発生する。この衝突を回避するため、各端末では、チャネルが空き状態になった後、それぞれで乱数を発生させ、発生させた乱数の数に応じて待機時間を設定するバックオフ時間を設けている。
【０００４】
また、通信ネットワークを構築するにあたって、特許文献１では、基地局（親局）からエリア内の全方向にパイロット信号を送信し、複数の従属局（端末局）から送信されたパイロット信号の受信特性から基地局（親局）が有する可変指向性アンテナの指向性を制御する方式が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２００１１５号公報（第１−２８頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１によると、固定された親局（基地局）の場合については、親局のアンテナ指向性を簡単な制御により通信を行う端末の方向を確実に向くように制御可能として、空間利用の効果を発揮でき、かつ通信品質を向上できる。しかし、親局及び複数の子局が移動する場合について、移動のために複雑な位置関係になることを考慮しておらず、さらに親局から全子局にパイロット信号を送信するときには、時分割、周波数分割、あるいは符号分割を行うことにより干渉は発生しないことを前提としている。
【０００７】
このように、単一親局と、複数の子局が共に移動局であり複雑に移動するシステムの場合、周波数分割以外の時分割または符号分割では干渉が発生するケースがある。本発明の無線通信ネットワークシステムの場合、電波は空間で分割されているため、干渉は同一ビーム範囲内に２局以上存在する場合にのみ発生する。
【０００８】
無線ＬＡＮなどでは、電波の状況を確認するキャリアセンスを実施した複数の端末が一斉に送信を開始した結果干渉することを回避するために、各端末は送信前にそれぞれで発生させた乱数に応じた時間だけ送信を待機するというランダムバックオフ時間を設けている。しかしながら、２局以上が親局の同一ビーム覆域に存在するケースは少なく、ほとんどのケースにおいてバックオフ時間は無駄時間となり、結果として単位時間あたりの処理能力であるスループットの低下を招いてしまうという問題がある。
【０００９】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、複数の子局が一斉に送信した受信応答が親局において干渉した場合の回避手段を備え、親局の同一ビーム範囲内に子局が存在しない場合、或いは１局のみ存在する場合において、スループットの低下を抑制し、無駄時間を削減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
複数の移動局間で時分割多重方式により通信する無線通信ネットワークシステムであって、移動する単一親局及び複数の子局が、可変指向性アンテナを有し所要の方位を指向できるアンテナ部と、このアンテナ部とＲＦ信号を送受信する送受信部と、アンテナ部のビーム指向方向を制御するアンテナ制御部、前記ＲＦ信号の干渉発生有無を判定する干渉判定部、この干渉判定部の判定結果から送受信部が送受信するタイミングを制御するネットワーク制御部を有する通信制御部を備えている。
【００１１】
移動する親局及び複数の子局が互いに相手を捕捉し無線通信ネットワークシステムを初期構築するときに、親局が送信したビーコン信号を受信した複数の子局が一斉に返信した受信応答が親局において干渉することを回避するために、まず初めにバックオフ時間を設けずに親局に対して受信応答信号を送信する。親局から通信がエラーなく正常に受け付けられたことを意味する返事であるＡＣＫ（「ＡＣＫｎｏｗｌｅｄｇｅ」の略）信号が来ない場合には、次に各子局から親局へ受信応答信号を再送するときは、ランダムバックオフ時間を設けて返信する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、移動する親局及び複数の子局が無線通信ネットワークシステムを初期構築するときに、親局での干渉を回避できると共に、親局のビーム覆域に子局が存在しない場合、又は１局のみ存在する場合における、スループットの低下を抑制することができる。更に、無駄時間を削減し、高速に無線通信ネットワークシステムを初期構築できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る無線通信ネットワークシステムの基本運用モードを示すイメージ図。
【図２】本発明の実施の形態１に係る無線通信ネットワークシステムの運用モードのシーケンスを示すイメージ図。
【図３】本発明の実施の形態１に係る親局又は子局のアンテナビーム指向方向切替え図。
【図４】本発明の実施の形態１に係る親局又は子局の機能ブロック図。
【図５】本発明の実施の形態１に係る親局又は子局のアンテナビームパターン例。
【図６】本発明の実施の形態１に係る親局又は子局の機能ブロック図。
【図７】本発明の実施の形態１に係る親局又は子局のメモリ部で管理する情報の例。
【図８】本発明の実施の形態１に係る親局又は子局におけるネットワーク制御部の機能ブロック図。
【図９】本発明の実施の形態１に係るシステムの干渉回避シーケンス（１）。
【図１０】本発明の実施の形態２に係るシステムの干渉回避シーケンス（２）。
【図１１】本発明の実施の形態３に係るシステムの干渉回避シーケンス（３）。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る本システムの基本運用イメージを示す。通信エリア１内に移動する無線局が５局存在し、２は単一親局であり、残り４局が子局３である場合を示した例である。無線通信ネットワークを確立して、それぞれの位置情報を交換することにより、各無線局の位置を把握できるため、適切なアンテナ指向性制御が可能となると共に、タイミング情報も共有できるため、時分割制御を行うことによって干渉は回避できる。しかし、ネットワーク未確立の状態においては、各局の位置・ネットワークで基準となるタイミングが不明のため、干渉が生じる可能性がある。
【００１５】
図２に、実施の形態１に係る本システムの通信ネットワーク構築のための運用モードのシーケンス示す。本通信ネットワークは、まず初期捕捉モード２０１において、親局２及び複数子局３の位置を把握し、その後ネットワークモード２０２へ移行し電波追尾を行う。ここで、追尾が外れた場合はサーチモード２０３へ移行し、再びネットワークモード２０２へ遷移する。また、通信ネットワークに割り当てられたリソースを変更することにより、大容量データ通信等を行うデータ伝送モード２０４に移行することが可能となる。これらモードのうち、本発明は初期捕捉モード２０１において干渉を回避する初期ネットワーク構築に係るものである。
【００１６】
図３は、本実施の形態１に係り、例えば親局２について、アンテナビーム指向方向の切り替えの様子を示している。本システムの親局２が有している可変指向性アンテナ２４のビーム指向方向を時分割（ｔ０、ｔ１、ｔ２、・・・、ｔｎ）で切り替え、周囲の端末を捜索する。
【００１７】
図４に本実施の形態１に係る親局２又は子局３の構成の一例を示す。親局２と各子局３は、同等の構成であり、アンテナ部２１（例えば８個）、通信制御部２２、及び送受信部２３（例えば８個）を備えている。通信制御部２２からの指令によりアンテナ部２１−１〜２１−８が有するビーム方向を切替えることができる可変指向性アンテナ２４−１〜２４−８と、ＲＦ信号を送受信するための送受信部２３−１〜２３−８とを備え、これらに対して１つの通信制御部２２を具備する。
【００１８】
図５は、各アンテナ部２１が指向できるビーム方向を２次元（ＡＺ／ＥＬ）で示したビームパターンの一例である。ここで、ＡＺは、Ａｚｉｍｕｔｈ、ＥＬは、Ｅｌｅｖａｔｉｏｎの略であり方位を示す。それぞれの可変指向性アンテナ２４が、ＡＺ方向±４５°、ＥＬ方向±４５°の覆域に２次元方向に対して複数のビームパターンを有しており、例えば８個のアンテナ部２１は、それぞれ異なる方向に向けて異なる覆域をカバーするように設置されており、各アンテナのビームが指向すべき方向を通信制御部２２から指示を受けて、その方向へビームを指向する。従って、複数のアンテナ部２１が有する覆域を統合するとアンテナ部全体として必要な領域をすべてカバーし、ビームを指向することが可能となる。
【００１９】
図６は、親局２又は子局３の機能ブロック図である。それぞれのアンテナ部２１は、アンテナ制御部２２１からの制御によりビーム方向を任意に切り替えることができる可変指向性アンテナ２４を有する。送受信部２３は、信号の送受信を行うＲＦ部２５、受信信号レベルを測定する受信レベル測定部２６を有する。
【００２０】
通信制御部２２は、アンテナ経路を選択するスイッチ２２２と、送受信信号の変復調処理を行う変復調部２２３と、受信レベルと復調結果を参照して干渉有無を判定する干渉判定部２２４と、自局の位置・姿勢方位情報を元に指向すべき絶対ビーム方向を計算するとともにネットワーク制御部３１からの指示に従い利用する可変指向性アンテナ２４とそのビーム指向方向を制御するアンテナ制御部２２１と、その制御情報を保管するメモリ部２２５と、外部からの入力される基準タイミングを管理しアンテナ制御部２２１に対してタイミング・モード・接続先ＩＤ情報を通知するネットワーク制御部３１を備えている。
【００２１】
次に、送受信部２３の詳細について説明する。ＲＦ部２５は、ＲＦ信号に周波数変換するとともにＲＦ信号を増幅する送信系と、受信信号から必要帯域を取り出したＲＦ信号を増幅し、ＲＦ信号をＩＦ信号に変換し、変換後のＩＦ信号を通信制御部２２と受信レベル測定部２６へ伝送する受信系を備える。
【００２２】
受信レベル測定部２６は、受信ＩＦ信号を検波して受信信号レベルを電圧信号として通信制御部２２の干渉判定部２２４へ送信する。
【００２３】
次に、通信制御部２２の詳細について説明する。スイッチ２２２では、アンテナ制御部２２１からの制御に従い、使用するアンテナ経路を送信系と受信系とで個別に選択する。干渉判定部２２４では、アナログの受信信号レベルをデジタル変換し、受信レベルが一定値以上であるにも関わらず復調が正常に行えなかった場合は、干渉が発生したと判断し、ネットワーク制御部３１へ通知する。
【００２４】
変復調部２２３では、ネットワーク制御部３１から指定された変調方式、符号化方式、及び拡散率にてネットワーク制御部３１からのタイミング情報に従い送信信号を変調し、Ｄ／Ａ変換を行って送受信部２３へ送信する。また、送受信部２３から入力された受信信号をＡ／Ｄ変換し、ヘッダに格納された通信方式に基づき受信信号復調し、ネットワーク制御部３１へ送信するとともに、干渉判定部２２４へ復調結果を通知する。
【００２５】
メモリ部２２５では、接続している端末のＩＤとともに、接続時のアンテナ番号、ビーム番号、自局位置、姿勢方位、時間を保管する。図７はメモリ部２２５で保管する情報の一例であり、送信フレームごとにアンテナ番号（図４の場合、Ｍは８）、ビーム番号（図５の場合、Ｎは４６）、時間、自局位置、姿勢方位、接続先ＩＤを保管する。
【００２６】
アンテナ制御部２２１では、ネットワーク制御部３１からのモード指示に従い動作し、ネットワーク制御部３１から接続完了通知・接続先の端末ＩＤを受け取り、そのとき選択しているアンテナ番号、ビーム番号及び自機位置／姿勢方位、時刻とともに、 メモリ部２２５へ格納することで、端末の位置登録を完了する。また、ネットワーク制御部３１からこれから接続しようとする端末ＩＤ情報を受信し、前回当該ＩＤと通信したときのアンテナ制御情報（アンテナ番号／ビーム番号）及び自機位置／姿勢方位を メモリ部２２５から参照し、ビーム指向方向の相対方位を計算して、計算結果を元にアンテナビームの指向方向を、ネットワーク制御部３１からのタイミングに従い制御するとともに、送受信相手に合わせて利用するアンテナ部２１を選択し、スイッチ２２２を制御する。
【００２７】
図８は、ネットワーク制御部３１の機能ブロック図であり、ネットワーク制御部３１は通信管理部３１１、データバッファ部３１２、タイミング管理部３１３、ネットワーク管理部３１４、モード管理部３１５から構成される。
【００２８】
タイミング管理部３１３では、外部から入力される基準タイミング信号に同期し、ビーム制御タイミング及びデータの送受信タイミングを管理し、モード管理部３１５、ネットワーク管理部３１４、通信管理部３１１へタイミング情報を通知する。また、ネットワーク管理部３１４からの加入局情報、モード管理部３１５からの運用モードを元にスロット構成を計算し、データバッファ部３１２の送信タイミングを制御するとともに、通信管理部３１１に対してスロット構成情報を提供する。
【００２９】
タイミング管理部３１３では、外部から入力される基準タイミング信号に同期し、ビーム制御タイミング及びデータの送受信タイミングを管理し、モード管理部３１５、ネットワーク管理部３１４、通信管理部３１１へタイミング情報を通知する。また、ネットワーク管理部３１４からの加入局情報、モード管理部３１５からの運用モードを元にスロット構成を計算し、データバッファ部３１２の送信タイミングを制御するとともに、通信管理部３１１に対してスロット構成情報を提供する。
【００３０】
データバッファ部３１２では、外部から入力された送信信号をタイミング管理にて管理する送信タイミングに合わせて通信管理部３１１へ送信する。
【００３１】
モード管理部３１５では、外部操作によって、親局／子局及び自局の運用モード（初期捕捉、サーチ、データ通信）を切り替える。また、ネットワーク管理部３１４からのネットワーク加入情報を元に、自局が親局２か子局３かに加えて、自局の運用モード（初期捕捉モード２０１、ネットワークモード２０２、サーチモード２０３、データ伝送モード２０４）を判定し管理するとともに、自局の運用モードをタイミング管理部３１３、アンテナ制御部２２１へ通知する。さらに、干渉判定部２２４からの干渉判定結果を受け、タイミング管理部３１３及びアンテナ制御部２２１に対して、干渉回避モードへ切替えるよう指示する。
【００３２】
ネットワーク管理部３１４では、タイミング管理部３１３からのタイミング情報に従い、通信管理部３１１から受信信号（接続無線局ＩＤ、ステータス情報）、受信信号レベルを受信し、ネットワークの状態（加入無線局数、加入無線局ＩＤ、各加入無線局のステータス、受信信号レベル）を管理する。また、モード管理部３１５に対して現在の自局のネットワーク情報を提供し、モード管理部３１５から現在の運用モードの指示を受け、管理しているネットワークの状態と運用モードがリンクするよう管理するとともに、アンテナ制御部２２１に対して、これから通信しようとしている相手の接続先ＩＤを通知する。
【００３３】
通信管理部３１１では、変復調部２２３から入力される受信信号から、タイミング管理部からのタイミングを元に、接続無線局ＩＤ、ステータス情報を受信し、ネットワーク管理部３１４へ通知し、データバッファ部から入力された送信信号に対しても、同様にタイミング管理部からのタイミングを元に、タイムスタンプ情報、ネットワーク情報を付加して変復調部２２３へ送信する。また、干渉判定部から入力される受信信号レベルから各局との電波伝搬環境を管理し、変復調部２２３に対して変調・符号化方式及び拡散率を通知するとともに、ネットワーク管理部３１４へ受信信号レベル情報を通知する。さらには、変復調部２２３からの受信信号から、接続を許可された無線局であるかどうかを判定し、許可された無線局でない場合はデータを破棄する。
【００３４】
また通信管理部３１１では、自局が親局２の場合、ビーコン信号を出力後、一定時間内に子局３からの受信応答を受けると、送信方向に子局３が存在すると判定し、再度同一方向にＡＣＫ信号を送信するとともに、アンテナ制御部２２１に対して接続完了通知を行なう。自局が子局３の場合には、親局２からのビーコン信号を受信後、受信応答信号を送信し、親局２からのＡＣＫ信号を受信して、接続完了したことをアンテナ制御部２２１へ通知することで端末情報を登録する。
【００３５】
図９は、本システムにおける干渉回避のための親局２及び子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４の動作シーケンスである。初期捕捉モードのとき、親局２は周囲に対してビーム指向方向を切り替えながらビーコン信号を送信する（ステップＳ１０１）。送信後は一定時間ウェイト（応答待ち受け状態）となる（ステップＳ１０２）。子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４は親局２からのビーコン信号を受信すると、すぐさま受信応答を親局２に対して送信する（ステップＳ３０１、Ｓ４０１）。しかし、子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４が２局同一方向に位置すると、子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４からの受信応答信号は親局２の受信において干渉し、正常に受信されない。そこで、親局２でウェイト時間内に何かしらの電波を受信し、かつ正常受信できない場合に干渉が発生したと判断し、干渉回避モードへ切替えを行う（ステップＳ１０３）。子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４は受信応答を返した後、親局２同様一定時間ウェイトを置く（ステップＳ３０２、Ｓ４０２）。ウェイト時間内に親局２からのＡＣＫ信号が受信できない場合、親局２側で干渉が生じたものと判断し、干渉回避モードへ切替える（ステップＳ３０３、Ｓ４０３）。
【００３６】
干渉回避モードへ切替え後、再び親局２がビーコン信号送信する（ステップＳ１０４）。このビーコン信号を受信すると、子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４はすぐさま受信応答を返信せずに、ランダムバックオフ時間を設けて（ステップＳ３０４、Ｓ４０４）、受信応答を返信する（ステップＳ３０５、Ｓ４０５）。親局２は、子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４の方向を登録し（ステップＳ１０５、Ｓ１０７）、ＡＣＫ信号を返す（ステップＳ１０６、Ｓ１０８）。子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４は、このＡＣＫ信号を受信すると、親方向を登録する（ステップＳ３０６、Ｓ４０６）。以上のようにして、子局３が２局同一方向に位置するケースにおいて、親局２における子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４の信号の干渉を回避することができる。
【００３７】
図９のシーケンスにおいて、ネットワーク制御部３１の通信管理部３１１では、自局が親局２の場合、ビーコン信号を送信後一定時間ウェイトし（ステップＳ１０１、ステップＳ１０２）応答がない場合に、その方向に子局３が存在しないと判定するか、もしくは干渉判定部２２４から干渉があることを通知された場合は、子局が複数局存在すると判定し、モード管理部３１５に対して干渉が発生したことを通知するとともに、変復調部２２３にデータを再送する。
【００３８】
自局が子局３である場合は、親局２からビーコン信号を受信後、受信応答を送信する（ステップＳ３０１、Ｓ４０１）。一定時間ウェイトし応答がない場合（ステップＳ３０２、Ｓ４０２）干渉が発生したと判定し、モード管理部３１５へ干渉が発生したことを通知する。自局が子局３の場合は、モード管理部３１５から干渉回避モードへ切替える指示を受け、親局２からビーコン信号を受信後、受信応答を返信するまでの間にランダムバックオフ時間を設ける（ステップＳ３０４、Ｓ４０４）。その後、親局２からのＡＣＫ信号を受信（接続確立完了）したことをアンテナ制御部２２１へ通知する。
【００３９】
このように本実施の形態１によれば、同一ビーム覆域内に子局が２局存在する場合に、各子局が、親局からのビーコン信号を受信後まず初めは、バックオフ時間を設けずに親局に対して応答することにより、親局での干渉を回避できると共に、親局のビーム覆域に子局が存在しない場合、又は１局のみ存在する場合における、スループットの低下を抑制することができる。更に、無駄な時間を削減し、高速に初期補足し無線通信ネットワークを確立できる効果を奏する。
【００４０】
実施の形態２．
本実施の形態２は、親局２の同一ビーム覆域内に子局が２局存在する場合に、実施の形態１とは異なるシーケンスにより、高速に初期補足し通信ネットワークを 構築する方法を示す。図１０に、本実施の形態２に係るシステムの干渉回避シーケンス（２）を示す。
【００４１】
図１０は、親局２の同一ビーム覆域内に子局が２局存在する場合に、子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４がお互いの存在を把握し、かつ遅滞なく親局２、各子局が方向登録できるシーケンスである。まず、親局２はビーム指向方向を切り替えながら、周囲に対してビーコン信号を送信する（ステップＳ１０１）。子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４がビーコン信号を受信したとき、子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４は同時のタイミングで親局２に対してすぐさま受信応答を返信する。（ステップＳ３０１、ステップＳ４０１、）。このとき、子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４は共に、送信方向と１８０゜対称の方向に対して、別のアンテナを指向させ受信待ち受け状態とする。こうすることで、同一ビーム方向に相手局が複数存在する場合に、親局２と自局との延長線上の他局の存在を把握することができる。図１０の場合では、子局Ｎｏ３が先に子局Ｎｏ４の電波を受信し（ステップＳ３２１）、子局Ｎｏ４の方向登録を行う（ステップＳ３２２）。
【００４２】
次に子局Ｎｏ３では、親局２において干渉が発生した可能性が高いことがわかるため、再度親局２に対して受信応答を再送する（ステップＳ３２３）。親局２は子局の信号を受信し、子局Ｎｏ３の方向登録を行ない（ステップＳ１０５）、ＡＣＫ信号を送信する（ステップＳ１０６）。このとき、子局Ｎｏ３では親局２方向の登録を行い（ステップＳ３０６）、子局Ｎｏ４でも同様にＡＣＫ信号を受信するが、自局に対するＡＣＫ信号でないことがわかるため、自局と親局２間とに別の子局が存在することを把握できる。その後、子局Ｎｏ４は受信応答を再送し（ステップＳ４２１）、親局２にて子局Ｎｏ４の方向登録（ステップＳ１０８）、子局Ｎｏ４にて親局２の方向登録（ステップＳ４０６）が完了する。
【００４３】
図１０において、通信管理部３１１では、自局が子局である場合に、親局２からビーコン信号を受信後、受信応答を親局２に送信する（ステップＳ３０１、ステップＳ４０１）。これと同時に、受信信号をモニタする。例えば子局Ｎｏ３が受信を確認できたときには、受信信号の送信元となる子局Ｎｏ４の方向を登録するとともに、親局２にて干渉が発生したと判定し、受信応答信号を親局２に再送する（ステップＳ３２３）。自局が子局Ｎｏ４の場合は、親局２からビーコン信号を受信後、受信応答を送信し（ステップＳ４０１）、一定時間ウェイトし（ステップＳ４０２）、応答がない場合は干渉が発生したと判定し、モード管理部３１５へ干渉が発生したことを通知するとともに、受信応答信号を親局２に再送する（ステップＳ４２１）。
【００４４】
またアンテナ制御部２２１では、自局が子局である場合に、親局２からのビーコン信号を受信後、受信応答を親局２に送信するときに、送信方向と１８０゜反対方向のアンテナビームで電波受信できるようスイッチ２２２を制御してアンテナ部２１を選択するとともに、ビーム方向を制御する。
【００４５】
このように、本実施の形態のシーケンスによれば同一ビーム覆域内に子局が２局存在する場合に、各子局がビーコン信号を受信したとき、すぐに親局に対して受信応答を返信すると共に、送信方向と１８０゜対称の方向に対して、別のアンテナを指向させ受信待ち受ける。この結果、各子局がお互いの存在を把握しかつ遅滞なくバックオフ時間を設けずに、親局及び各子局が相互に方向登録することにより、親局のビーム覆域に子局が存在しない場合、又は１局のみ存在する場合における、スループットの低下を抑制できる。更に、無駄時間を削減し、高速に初期補足し通信ネットワークシステムを構築できる効果を奏する。
【００４６】
実施の形態３．
本実施の形態３は、親局２の同一ビーム覆域内に子局が２局存在する場合に、実施の形態１及び実施の形態２とは異なるシーケンスにより、高速に初期補足し通信ネットワークを確立する方法を示す。図１１には、本実施の形態３に係るシステムの干渉回避シーケンス（３）を示す。
【００４７】
図１１では、子局Ｎｏ３が再度親局２に対して受信応答を再送し（ステップＳ３２３）、すぐさま子局Ｎｏ４に対して自局情報を送信する（ステップＳ３３１）。子局Ｎｏ４では、一定時間ウェイトを設けて（ステップＳ４０２）、親局２からのＡＣＫ信号を待ち受けている状態で、子局Ｎｏ３からの信号を受信する（ステップＳ４３１）ことにより、子局Ｎｏ３の存在を把握することができ、子局Ｎｏ３同様に子局Ｎｏ４も子局Ｎｏ３の方向登録を行い（ステップＳ４３２）、お互いの位置を把握することができる。なお、ここでの位置は通信できる位置であり、必ずしも正確な座標を把握する必要はない。
【００４８】
図１１において、通信管理部３１１では、自局が子局である場合に、親局２からビーコン信号を受信後、受信応答を親局２に送信すると同時に、送信方向と１８０゜対象となる方向からの受信信号をモニタする。受信が確認できたときには、受信信号の送信元となる子局３のＩＤを登録する（ステップＳ３２１、ステップＳ３２２）とともに、親局２にて干渉が発生したと判定し、受信応答信号を親局２に再送した（ステップＳ３２３）直後に、親局２と１８０゜対象となる方向に対して自局情報を送信するよう、アンテナ制御部２２１に対して指示を行う（ステップＳ３３１）。
【００４９】
このように、本実施の形態３のシーケンスによれば、同一ビーム覆域内に子局が２局存在する場合に、子局が自らの信号の送信方向と１８０°対称方向に別のアンテナを指向させ信号を待ち受けて、干渉源であった別の子局を特定し、その子局に対して自局情報を送ることにより、お互いに存在を把握し、結果的に親局２方向の登録時間までも短縮することができる。この結果、実施の形態２よりも更に無駄時間を削減し、高速に初期補足し無線通信ネットワークを 構築できる効果を奏する。
【符号の説明】
【００５０】
１ 通信エリア、２ 親局、３ 子局、
２０１ 初期捕捉モード、２０２ ネットワークモード、２０３ サーチモード、
２０４ データ伝送モード、
２１ アンテナ部、２２ 通信制御部、２３ 送受信部、２４ 可変指向性アンテナ、
２５ ＲＦ部、２６ 受信レベル測定部、
２２１ アンテナ制御部、２２２ スイッチ、２２３ 変復調部、２２４ 干渉判定部、２２５ メモリ部、
３１ ネットワーク制御部、３１１ 通信管理部、３１２ データバッファ部、
３１３ タイミング管理部、３１４ ネットワーク管理部、３１５ モード管理部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変指向性アンテナを有する複数の移動局間で、時分割多重方式により無線通信するネットワークシステムに係わり、特に可変指向性アンテナを制御して信号の干渉を回避し無線通信ネットワークを初期構築する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単一の基準局（以降「親局」という）と複数の従属局（以降「子局」という）から構築される無線通信ネットワークシステムは、無線ＬＡＮを初めとして、あらゆるシステムで用いられるネットワークトポロジである。単一の親局及び複数の子局がアンテナとして、無指向性アンテナを有する無線通信ネットワークでは、親局は、自己の位置ならびに子局の位置を把握しなくても、ネットワーク構築が可能である。しかし、親局及び複数の子局が共に移動局であり、かつ可変指向性アンテナを有する無線通信ネットワークシステムにおいては、それぞれの局においてアンテナの指向性制御が必要となる。
【０００３】
通常、無線通信ネットワークを構築するにあたり、干渉回避は必須の技術である。例えば、無線ＬＡＮなどではキャリアセンスして空きを待っていた複数の端末が一斉に送信するとデータの衝突が発生する。この衝突を回避するため、各端末では、チャネルが空き状態になった後、それぞれで乱数を発生させ、発生させた乱数の数に応じて待機時間を設定するバックオフ時間を設けている。
【０００４】
また、通信ネットワークを構築するにあたって、特許文献１では、基地局（親局）からエリア内の全方向にパイロット信号を送信し、複数の従属局（端末局）から送信されたパイロット信号の受信特性から基地局（親局）が有する可変指向性アンテナの指向性を制御する方式が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２００１１５号公報（第１−２８頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１によると、固定された親局（基地局）の場合については、親局のアンテナ指向性を簡単な制御により通信を行う端末の方向を確実に向くように制御可能として、空間利用の効果を発揮でき、かつ通信品質を向上できる。しかし、親局及び複数の子局が移動する場合について、移動のために複雑な位置関係になることを考慮しておらず、さらに親局から全子局にパイロット信号を送信するときには、時分割、周波数分割、あるいは符号分割を行うことにより干渉は発生しないことを前提としている。
【０００７】
このように、単一親局と、複数の子局が共に移動局であり複雑に移動するシステムの場合、周波数分割以外の時分割または符号分割では干渉が発生するケースがある。本発明の無線通信ネットワークシステムの場合、電波は空間で分割されているため、干渉は同一ビーム範囲内に２局以上存在する場合にのみ発生する。
【０００８】
無線ＬＡＮなどでは、電波の状況を確認するキャリアセンスを実施した複数の端末が一斉に送信を開始した結果干渉することを回避するために、各端末は送信前にそれぞれで発生させた乱数に応じた時間だけ送信を待機するというランダムバックオフ時間を設けている。しかしながら、２局以上が親局の同一ビーム覆域に存在するケースは少なく、ほとんどのケースにおいてバックオフ時間は無駄時間となり、結果として単位時間あたりの処理能力であるスループットの低下を招いてしまうという問題がある。
【０００９】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、複数の子局が一斉に送信した受信応答が親局において干渉した場合の回避手段を備え、親局の同一ビーム範囲内に子局が存在しない場合、或いは１局のみ存在する場合において、スループットの低下を抑制し、無駄時間を削減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
複数の移動局間で時分割多重方式により通信する無線通信ネットワークシステムであって、移動する単一親局及び複数の子局が、可変指向性アンテナを有し所要の方位を指向できるアンテナ部と、このアンテナ部とＲＦ信号を送受信する送受信部と、アンテナ部のビーム指向方向を制御するアンテナ制御部、前記ＲＦ信号の干渉発生有無を判定する干渉判定部、この干渉判定部の判定結果から送受信部が送受信するタイミングを制御するネットワーク制御部を有する通信制御部を備えている。
【００１１】
移動する親局及び複数の子局が互いに相手を捕捉し無線通信ネットワークシステムを初期構築するときに、親局が送信したビーコン信号を受信した複数の子局が一斉に返信した受信応答が親局において干渉することを回避するために、まず初めにバックオフ時間を設けずに親局に対して受信応答信号を送信する。親局から通信がエラーなく正常に受け付けられたことを意味する返事であるＡＣＫ（「ＡＣＫｎｏｗｌｅｄｇｅ」の略）信号が来ない場合には、次に各子局から親局へ受信応答信号を再送するときは、ランダムバックオフ時間を設けて返信する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、移動する親局及び複数の子局が無線通信ネットワークシステムを初期構築するときに、親局での干渉を回避できると共に、親局のビーム覆域に子局が存在しない場合、又は１局のみ存在する場合における、スループットの低下を抑制することができる。更に、無駄時間を削減し、高速に無線通信ネットワークシステムを初期構築できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る無線通信ネットワークシステムの基本運用モードを示すイメージ図。
【図２】本発明の実施の形態１に係る無線通信ネットワークシステムの運用モードのシーケンスを示すイメージ図。
【図３】本発明の実施の形態１に係る親局又は子局のアンテナビーム指向方向切替え図。
【図４】本発明の実施の形態１に係る親局又は子局の機能ブロック図。
【図５】本発明の実施の形態１に係る親局又は子局のアンテナビームパターン例。
【図６】本発明の実施の形態１に係る親局又は子局の機能ブロック図。
【図７】本発明の実施の形態１に係る親局又は子局のメモリ部で管理する情報の例。
【図８】本発明の実施の形態１に係る親局又は子局におけるネットワーク制御部の機能ブロック図。
【図９】本発明の実施の形態１に係るシステムの干渉回避シーケンス（１）。
【図１０】本発明の実施の形態２に係るシステムの干渉回避シーケンス（２）。
【図１１】本発明の実施の形態３に係るシステムの干渉回避シーケンス（３）。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る本システムの基本運用イメージを示す。通信エリア１内に移動する無線局が５局存在し、２は単一親局であり、残り４局が子局３である場合を示した例である。無線通信ネットワークを確立して、それぞれの位置情報を交換することにより、各無線局の位置を把握できるため、適切なアンテナ指向性制御が可能となると共に、タイミング情報も共有できるため、時分割制御を行うことによって干渉は回避できる。しかし、ネットワーク未確立の状態においては、各局の位置・ネットワークで基準となるタイミングが不明のため、干渉が生じる可能性がある。
【００１５】
図２に、実施の形態１に係る本システムの通信ネットワーク構築のための運用モードのシーケンス示す。本通信ネットワークは、まず初期捕捉モード２０１において、親局２及び複数子局３の位置を把握し、その後ネットワークモード２０２へ移行し電波追尾を行う。ここで、追尾が外れた場合はサーチモード２０３へ移行し、再びネットワークモード２０２へ遷移する。また、通信ネットワークに割り当てられたリソースを変更することにより、大容量データ通信等を行うデータ伝送モード２０４に移行することが可能となる。これらモードのうち、本発明は初期捕捉モード２０１において干渉を回避する初期ネットワーク構築に係るものである。
【００１６】
図３は、本実施の形態１に係り、例えば親局２について、アンテナビーム指向方向の切り替えの様子を示している。本システムの親局２が有している可変指向性アンテナ２４のビーム指向方向を時分割（ｔ０、ｔ１、ｔ２、・・・、ｔｎ）で切り替え、周囲の端末を捜索する。
【００１７】
図４に本実施の形態１に係る親局２又は子局３の構成の一例を示す。親局２と各子局３は、同等の構成であり、アンテナ部２１（例えば８個）、通信制御部２２、及び送受信部２３（例えば８個）を備えている。通信制御部２２からの指令によりアンテナ部２１−１〜２１−８が有するビーム方向を切替えることができる可変指向性アンテナ２４−１〜２４−８と、ＲＦ信号を送受信するための送受信部２３−１〜２３−８とを備え、これらに対して１つの通信制御部２２を具備する。
【００１８】
図５は、各アンテナ部２１が指向できるビーム方向を２次元（ＡＺ／ＥＬ）で示したビームパターンの一例である。ここで、ＡＺは、Ａｚｉｍｕｔｈ、ＥＬは、Ｅｌｅｖａｔｉｏｎの略であり方位を示す。それぞれの可変指向性アンテナ２４が、ＡＺ方向±４５°、ＥＬ方向±４５°の覆域に２次元方向に対して複数のビームパターンを有しており、例えば８個のアンテナ部２１は、それぞれ異なる方向に向けて異なる覆域をカバーするように設置されており、各アンテナのビームが指向すべき方向を通信制御部２２から指示を受けて、その方向へビームを指向する。従って、複数のアンテナ部２１が有する覆域を統合するとアンテナ部全体として必要な領域をすべてカバーし、ビームを指向することが可能となる。
【００１９】
図６は、親局２又は子局３の機能ブロック図である。それぞれのアンテナ部２１は、アンテナ制御部２２１からの制御によりビーム方向を任意に切り替えることができる可変指向性アンテナ２４を有する。送受信部２３は、信号の送受信を行うＲＦ部２５、受信信号レベルを測定する受信レベル測定部２６を有する。
【００２０】
通信制御部２２は、アンテナ経路を選択するスイッチ２２２と、送受信信号の変復調処理を行う変復調部２２３と、受信レベルと復調結果を参照して干渉有無を判定する干渉判定部２２４と、自局の位置・姿勢方位情報を元に指向すべき絶対ビーム方向を計算するとともにネットワーク制御部３１からの指示に従い利用する可変指向性アンテナ２４とそのビーム指向方向を制御するアンテナ制御部２２１と、その制御情報を保管するメモリ部２２５と、外部からの入力される基準タイミングを管理しアンテナ制御部２２１に対してタイミング・モード・接続先ＩＤ情報を通知するネットワーク制御部３１を備えている。
【００２１】
次に、送受信部２３の詳細について説明する。ＲＦ部２５は、ＲＦ信号に周波数変換するとともにＲＦ信号を増幅する送信系と、受信信号から必要帯域を取り出したＲＦ信号を増幅し、ＲＦ信号をＩＦ信号に変換し、変換後のＩＦ信号を通信制御部２２と受信レベル測定部２６へ伝送する受信系を備える。
【００２２】
受信レベル測定部２６は、受信ＩＦ信号を検波して受信信号レベルを電圧信号として通信制御部２２の干渉判定部２２４へ送信する。
【００２３】
次に、通信制御部２２の詳細について説明する。スイッチ２２２では、アンテナ制御部２２１からの制御に従い、使用するアンテナ経路を送信系と受信系とで個別に選択する。干渉判定部２２４では、アナログの受信信号レベルをデジタル変換し、受信レベルが一定値以上であるにも関わらず復調が正常に行えなかった場合は、干渉が発生したと判断し、ネットワーク制御部３１へ通知する。
【００２４】
変復調部２２３では、ネットワーク制御部３１から指定された変調方式、符号化方式、及び拡散率にてネットワーク制御部３１からのタイミング情報に従い送信信号を変調し、Ｄ／Ａ変換を行って送受信部２３へ送信する。また、送受信部２３から入力された受信信号をＡ／Ｄ変換し、ヘッダに格納された通信方式に基づき受信信号復調し、ネットワーク制御部３１へ送信するとともに、干渉判定部２２４へ復調結果を通知する。
【００２５】
メモリ部２２５では、接続している端末のＩＤとともに、接続時のアンテナ番号、ビーム番号、自局位置、姿勢方位、時間を保管する。図７はメモリ部２２５で保管する情報の一例であり、送信フレームごとにアンテナ番号（図４の場合、Ｍは８）、ビーム番号（図５の場合、Ｎは４６）、時間、自局位置、姿勢方位、接続先ＩＤを保管する。
【００２６】
アンテナ制御部２２１では、ネットワーク制御部３１からのモード指示に従い動作し、ネットワーク制御部３１から接続完了通知・接続先の端末ＩＤを受け取り、そのとき選択しているアンテナ番号、ビーム番号及び自機位置／姿勢方位、時刻とともに、 メモリ部２２５へ格納することで、端末の位置登録を完了する。また、ネットワーク制御部３１からこれから接続しようとする端末ＩＤ情報を受信し、前回当該ＩＤと通信したときのアンテナ制御情報（アンテナ番号／ビーム番号）及び自機位置／姿勢方位を メモリ部２２５から参照し、ビーム指向方向の相対方位を計算して、計算結果を元にアンテナビームの指向方向を、ネットワーク制御部３１からのタイミングに従い制御するとともに、送受信相手に合わせて利用するアンテナ部２１を選択し、スイッチ２２２を制御する。
【００２７】
図８は、ネットワーク制御部３１の機能ブロック図であり、ネットワーク制御部３１は通信管理部３１１、データバッファ部３１２、タイミング管理部３１３、ネットワーク管理部３１４、モード管理部３１５から構成される。
【００２８】
タイミング管理部３１３では、外部から入力される基準タイミング信号に同期し、ビーム制御タイミング及びデータの送受信タイミングを管理し、モード管理部３１５、ネットワーク管理部３１４、通信管理部３１１へタイミング情報を通知する。また、ネットワーク管理部３１４からの加入局情報、モード管理部３１５からの運用モードを元にスロット構成を計算し、データバッファ部３１２の送信タイミングを制御するとともに、通信管理部３１１に対してスロット構成情報を提供する。
【００２９】
タイミング管理部３１３では、外部から入力される基準タイミング信号に同期し、ビーム制御タイミング及びデータの送受信タイミングを管理し、モード管理部３１５、ネットワーク管理部３１４、通信管理部３１１へタイミング情報を通知する。また、ネットワーク管理部３１４からの加入局情報、モード管理部３１５からの運用モードを元にスロット構成を計算し、データバッファ部３１２の送信タイミングを制御するとともに、通信管理部３１１に対してスロット構成情報を提供する。
【００３０】
データバッファ部３１２では、外部から入力された送信信号をタイミング管理にて管理する送信タイミングに合わせて通信管理部３１１へ送信する。
【００３１】
モード管理部３１５では、外部操作によって、親局／子局及び自局の運用モード（初期捕捉、サーチ、データ通信）を切り替える。また、ネットワーク管理部３１４からのネットワーク加入情報を元に、自局が親局２か子局３かに加えて、自局の運用モード（初期捕捉モード２０１、ネットワークモード２０２、サーチモード２０３、データ伝送モード２０４）を判定し管理するとともに、自局の運用モードをタイミング管理部３１３、アンテナ制御部２２１へ通知する。さらに、干渉判定部２２４からの干渉判定結果を受け、タイミング管理部３１３及びアンテナ制御部２２１に対して、干渉回避モードへ切替えるよう指示する。
【００３２】
ネットワーク管理部３１４では、タイミング管理部３１３からのタイミング情報に従い、通信管理部３１１から受信信号（接続無線局ＩＤ、ステータス情報）、受信信号レベルを受信し、ネットワークの状態（加入無線局数、加入無線局ＩＤ、各加入無線局のステータス、受信信号レベル）を管理する。また、モード管理部３１５に対して現在の自局のネットワーク情報を提供し、モード管理部３１５から現在の運用モードの指示を受け、管理しているネットワークの状態と運用モードがリンクするよう管理するとともに、アンテナ制御部２２１に対して、これから通信しようとしている相手の接続先ＩＤを通知する。
【００３３】
通信管理部３１１では、変復調部２２３から入力される受信信号から、タイミング管理部からのタイミングを元に、接続無線局ＩＤ、ステータス情報を受信し、ネットワーク管理部３１４へ通知し、データバッファ部から入力された送信信号に対しても、同様にタイミング管理部からのタイミングを元に、タイムスタンプ情報、ネットワーク情報を付加して変復調部２２３へ送信する。また、干渉判定部から入力される受信信号レベルから各局との電波伝搬環境を管理し、変復調部２２３に対して変調・符号化方式及び拡散率を通知するとともに、ネットワーク管理部３１４へ受信信号レベル情報を通知する。さらには、変復調部２２３からの受信信号から、接続を許可された無線局であるかどうかを判定し、許可された無線局でない場合はデータを破棄する。
【００３４】
また通信管理部３１１では、自局が親局２の場合、ビーコン信号を出力後、一定時間内に子局３からの受信応答を受けると、送信方向に子局３が存在すると判定し、再度同一方向にＡＣＫ信号を送信するとともに、アンテナ制御部２２１に対して接続完了通知を行なう。自局が子局３の場合には、親局２からのビーコン信号を受信後、受信応答信号を送信し、親局２からのＡＣＫ信号を受信して、接続完了したことをアンテナ制御部２２１へ通知することで端末情報を登録する。
【００３５】
図９は、本システムにおける干渉回避のための親局２及び子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４の動作シーケンスである。初期捕捉モードのとき、親局２は周囲に対してビーム指向方向を切り替えながらビーコン信号を送信する（ステップＳ１０１）。送信後は一定時間ウェイト（応答待ち受け状態）となる（ステップＳ１０２）。子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４は親局２からのビーコン信号を受信すると、すぐさま受信応答を親局２に対して送信する（ステップＳ３０１、Ｓ４０１）。しかし、子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４が２局同一方向に位置すると、子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４からの受信応答信号は親局２の受信において干渉し、正常に受信されない。そこで、親局２でウェイト時間内に何かしらの電波を受信し、かつ正常受信できない場合に干渉が発生したと判断し、干渉回避モードへ切替えを行う（ステップＳ１０３）。子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４は受信応答を返した後、親局２同様一定時間ウェイトを置く（ステップＳ３０２、Ｓ４０２）。ウェイト時間内に親局２からのＡＣＫ信号が受信できない場合、親局２側で干渉が生じたものと判断し、干渉回避モードへ切替える（ステップＳ３０３、Ｓ４０３）。
【００３６】
干渉回避モードへ切替え後、再び親局２がビーコン信号送信する（ステップＳ１０４）。このビーコン信号を受信すると、子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４はすぐさま受信応答を返信せずに、ランダムバックオフ時間を設けて（ステップＳ３０４、Ｓ４０４）、受信応答を返信する（ステップＳ３０５、Ｓ４０５）。親局２は、子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４の方向を登録し（ステップＳ１０５、Ｓ１０７）、ＡＣＫ信号を返す（ステップＳ１０６、Ｓ１０８）。子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４は、このＡＣＫ信号を受信すると、親方向を登録する（ステップＳ３０６、Ｓ４０６）。以上のようにして、子局３が２局同一方向に位置するケースにおいて、親局２における子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４の信号の干渉を回避することができる。
【００３７】
図９のシーケンスにおいて、ネットワーク制御部３１の通信管理部３１１では、自局が親局２の場合、ビーコン信号を送信後一定時間ウェイトし（ステップＳ１０１、ステップＳ１０２）応答がない場合に、その方向に子局３が存在しないと判定するか、もしくは干渉判定部２２４から干渉があることを通知された場合は、子局が複数局存在すると判定し、モード管理部３１５に対して干渉が発生したことを通知するとともに、変復調部２２３にデータを再送する。
【００３８】
自局が子局３である場合は、親局２からビーコン信号を受信後、受信応答を送信する（ステップＳ３０１、Ｓ４０１）。一定時間ウェイトし応答がない場合（ステップＳ３０２、Ｓ４０２）干渉が発生したと判定し、モード管理部３１５へ干渉が発生したことを通知する。自局が子局３の場合は、モード管理部３１５から干渉回避モードへ切替える指示を受け、親局２からビーコン信号を受信後、受信応答を返信するまでの間にランダムバックオフ時間を設ける（ステップＳ３０４、Ｓ４０４）。その後、親局２からのＡＣＫ信号を受信（接続確立完了）したことをアンテナ制御部２２１へ通知する。
【００３９】
このように本実施の形態１によれば、同一ビーム覆域内に子局が２局存在する場合に、各子局が、親局からのビーコン信号を受信後まず初めは、バックオフ時間を設けずに親局に対して応答することにより、親局での干渉を回避できると共に、親局のビーム覆域に子局が存在しない場合、又は１局のみ存在する場合における、スループットの低下を抑制することができる。更に、無駄な時間を削減し、高速に初期補足し無線通信ネットワークを確立できる効果を奏する。
【００４０】
実施の形態２．
本実施の形態２は、親局２の同一ビーム覆域内に子局が２局存在する場合に、実施の形態１とは異なるシーケンスにより、高速に初期補足し通信ネットワークを 構築する方法を示す。図１０に、本実施の形態２に係るシステムの干渉回避シーケンス（２）を示す。
【００４１】
図１０は、親局２の同一ビーム覆域内に子局が２局存在する場合に、子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４がお互いの存在を把握し、かつ遅滞なく親局２、各子局が方向登録できるシーケンスである。まず、親局２はビーム指向方向を切り替えながら、周囲に対してビーコン信号を送信する（ステップＳ１０１）。子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４がビーコン信号を受信したとき、子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４は同時のタイミングで親局２に対してすぐさま受信応答を返信する。（ステップＳ３０１、ステップＳ４０１、）。このとき、子局Ｎｏ３，子局Ｎｏ４は共に、送信方向と１８０゜対称の方向に対して、別のアンテナを指向させ受信待ち受け状態とする。こうすることで、同一ビーム方向に相手局が複数存在する場合に、親局２と自局との延長線上の他局の存在を把握することができる。図１０の場合では、子局Ｎｏ３が先に子局Ｎｏ４の電波を受信し（ステップＳ３２１）、子局Ｎｏ４の方向登録を行う（ステップＳ３２２）。
【００４２】
次に子局Ｎｏ３では、親局２において干渉が発生した可能性が高いことがわかるため、再度親局２に対して受信応答を再送する（ステップＳ３２３）。親局２は子局の信号を受信し、子局Ｎｏ３の方向登録を行ない（ステップＳ１０５）、ＡＣＫ信号を送信する（ステップＳ１０６）。このとき、子局Ｎｏ３では親局２方向の登録を行い（ステップＳ３０６）、子局Ｎｏ４でも同様にＡＣＫ信号を受信するが、自局に対するＡＣＫ信号でないことがわかるため、自局と親局２間とに別の子局が存在することを把握できる。その後、子局Ｎｏ４は受信応答を再送し（ステップＳ４２１）、親局２にて子局Ｎｏ４の方向登録（ステップＳ１０８）、子局Ｎｏ４にて親局２の方向登録（ステップＳ４０６）が完了する。
【００４３】
図１０において、通信管理部３１１では、自局が子局である場合に、親局２からビーコン信号を受信後、受信応答を親局２に送信する（ステップＳ３０１、ステップＳ４０１）。これと同時に、受信信号をモニタする。例えば子局Ｎｏ３が受信を確認できたときには、受信信号の送信元となる子局Ｎｏ４の方向を登録するとともに、親局２にて干渉が発生したと判定し、受信応答信号を親局２に再送する（ステップＳ３２３）。自局が子局Ｎｏ４の場合は、親局２からビーコン信号を受信後、受信応答を送信し（ステップＳ４０１）、一定時間ウェイトし（ステップＳ４０２）、応答がない場合は干渉が発生したと判定し、モード管理部３１５へ干渉が発生したことを通知するとともに、受信応答信号を親局２に再送する（ステップＳ４２１）。
【００４４】
またアンテナ制御部２２１では、自局が子局である場合に、親局２からのビーコン信号を受信後、受信応答を親局２に送信するときに、送信方向と１８０゜反対方向のアンテナビームで電波受信できるようスイッチ２２２を制御してアンテナ部２１を選択するとともに、ビーム方向を制御する。
【００４５】
このように、本実施の形態のシーケンスによれば同一ビーム覆域内に子局が２局存在する場合に、各子局がビーコン信号を受信したとき、すぐに親局に対して受信応答を返信すると共に、送信方向と１８０゜対称の方向に対して、別のアンテナを指向させ受信待ち受ける。この結果、各子局がお互いの存在を把握しかつ遅滞なくバックオフ時間を設けずに、親局及び各子局が相互に方向登録することにより、親局のビーム覆域に子局が存在しない場合、又は１局のみ存在する場合における、スループットの低下を抑制できる。更に、無駄時間を削減し、高速に初期補足し通信ネットワークシステムを構築できる効果を奏する。
【００４６】
実施の形態３．
本実施の形態３は、親局２の同一ビーム覆域内に子局が２局存在する場合に、実施の形態１及び実施の形態２とは異なるシーケンスにより、高速に初期補足し通信ネットワークを確立する方法を示す。図１１には、本実施の形態３に係るシステムの干渉回避シーケンス（３）を示す。
【００４７】
図１１では、子局Ｎｏ３が再度親局２に対して受信応答を再送し（ステップＳ３２３）、すぐさま子局Ｎｏ４に対して自局情報を送信する（ステップＳ３３１）。子局Ｎｏ４では、一定時間ウェイトを設けて（ステップＳ４０２）、親局２からのＡＣＫ信号を待ち受けている状態で、子局Ｎｏ３からの信号を受信する（ステップＳ４３１）ことにより、子局Ｎｏ３の存在を把握することができ、子局Ｎｏ３同様に子局Ｎｏ４も子局Ｎｏ３の方向登録を行い（ステップＳ４３２）、お互いの位置を把握することができる。なお、ここでの位置は通信できる位置であり、必ずしも正確な座標を把握する必要はない。
【００４８】
図１１において、通信管理部３１１では、自局が子局である場合に、親局２からビーコン信号を受信後、受信応答を親局２に送信すると同時に、送信方向と１８０゜対象となる方向からの受信信号をモニタする。受信が確認できたときには、受信信号の送信元となる子局３のＩＤを登録する（ステップＳ３２１、ステップＳ３２２）とともに、親局２にて干渉が発生したと判定し、受信応答信号を親局２に再送した（ステップＳ３２３）直後に、親局２と１８０゜対象となる方向に対して自局情報を送信するよう、アンテナ制御部２２１に対して指示を行う（ステップＳ３３１）。
【００４９】
このように、本実施の形態３のシーケンスによれば、同一ビーム覆域内に子局が２局存在する場合に、子局が自らの信号の送信方向と１８０°対称方向に別のアンテナを指向させ信号を待ち受けて、干渉源であった別の子局を特定し、その子局に対して自局情報を送ることにより、お互いに存在を把握し、結果的に親局２方向の登録時間までも短縮することができる。この結果、実施の形態２よりも更に無駄時間を削減し、高速に初期補足し無線通信ネットワークを 構築できる効果を奏する。
【符号の説明】
【００５０】
１ 通信エリア、２ 親局、３ 子局、
２０１ 初期捕捉モード、２０２ ネットワークモード、２０３ サーチモード、
２０４ データ伝送モード、
２１ アンテナ部、２２ 通信制御部、２３ 送受信部、２４ 可変指向性アンテナ、
２５ ＲＦ部、２６ 受信レベル測定部、
２２１ アンテナ制御部、２２２ スイッチ、２２３ 変復調部、２２４ 干渉判定部、２２５ メモリ部、
３１ ネットワーク制御部、３１１ 通信管理部、３１２ データバッファ部、
３１３ タイミング管理部、３１４ ネットワーク管理部、３１５ モード管理部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の移動局間で時分割多重方式により通信する無線通信ネットワークシステムであって、
前記移動局である単一親局及び複数の子局が、
可変指向性アンテナを有し所要の方位を指向できるアンテナ部と、
前記アンテナ部とＲＦ信号を送受信する送受信部と、
前記アンテナ部のビーム指向方向を制御するアンテナ制御部、前記ＲＦ信号の干渉発生有無を判定する干渉判定部、この干渉判定部の判定結果から前記送受信部が送受信するタイミングを制御するネットワーク制御部を有する通信制御部と
を備えることを特徴とする無線通信ネットワークシステム。
【請求項２】
複数の移動局間で時分割多重方式により通信する無線通信ネットワークシステムを初期構築するときに、移動する複数の子局が一斉に返信した受信応答が移動する単一親局において干渉することを回避する無線通信ネットワークシステムの初期構築方法であって、
前記親局がビーコン信号を送信した後一定時間待ち受けるステップと、
前記各子局が前記ビーコン信号を受信すると前記親局に受信応答を返信した後一定時間待ち受けるステップと、
前記親局が一定時間待ち受けている間に前記受信応答を受信した場合は当該子局方向を登録しその方向にＡＣＫ信号を送信し、
前記受信応答を受信できない場合は干渉回避モードへ切替えて第２のビーコン信号を再送するステップと、
前記各子局が一定時間待ち受けている間に前記ＡＣＫ信号を受信した場合はその親局方向を登録し、
前記ＡＣＫ信号を受信できない場合は干渉回避モードへ切替えた後前記第２のビーコン信号を受信し、それぞれタイミングをずらして第２の受信応答を再送するステップと、
前記親局が前記第２の受信応答を受信した後、その子局方向を登録するステップと
を備えたことを特徴とする無線通信ネットワークシステムの初期構築方法。
【請求項３】
複数の移動局間で時分割多重方式により通信する無線通信ネットワークシステムを初期構築するときに、移動する複数の子局が一斉に返信した受信応答が移動する単一親局において干渉することを回避する無線通信ネットワークシステムの初期構築方法であって、
前記親局がビーコン信号を送信した後一定時間待ち受けるステップと、
前記各子局が前記ビーコン信号を受信すると前記親局に受信応答を返信すると同時に、前記子局が返信した方向と１８０゜対称方向に対して別のアンテナを指向させ別の子局からの受信応答を待ち受けるステップと、
前記各子局が前記別の子局からの受信応答を受信した場合は、当該子局の方向を登録し前記親局へ第２の受信応答を再送し、
一定時間以上前記親局からの前記ビーコン信号を受信できない場合は、再度前記親局へ第２の受信応答を再送するステップと、
前記親局が前記第２の受信応答を受信すると、当該子局の方向を登録し、その方向にＡＣＫ信号を送信するステップと、
前記各子局が前記親局からの前記ＡＣＫ信号を受信すると、その前記親局の方向を登録するステップと
を備えたことを特徴とする無線通信ネットワークシステムの初期構築方法。
【請求項４】
複数の移動局間で時分割多重方式により通信する無線通信ネットワークシステムを初期構築するときに、移動する複数の子局が一斉に返信した受信応答が移動する単一親局において干渉することを回避する無線通信ネットワークシステムの初期構築方法であって、
前記親局がビーコン信号を送信した後一定時間待ち受けるステップと、
前記各子局が前記ビーコン信号を受信すると前記親局に受信応答を返信すると同時に、前記子局が返信した方向と１８０゜対称方向に対して別のアンテナを指向させ別の子局からの受信応答を一定時間待ち受け、
前記別の子局からの受信応答を一定時間内に受信した場合は、当該子局の方向を登録し前記親局へ第２の受信応答を再送すると同時に、前記別の子局からの受信応答を送信した子局を特定しその子局に自局情報を送るステップと、
前記別の子局が、前記自局情報を受信した場合は、当該子局の方向を登録し、前記親局へ第２の受信応答を再送するステップと、
前記親局が前記第２の受信応答を受信すると、当該子局の方向を登録し、その方向にＡＣＫ信号を送信するステップと、
前記各子局が前記親局からの前記ＡＣＫ信号を受信すると、その前記親局の方向を登録するステップと
を備えたことを特徴とする無線通信ネットワークシステムの初期構築方法。
【請求項１】
複数の移動局間で時分割多重方式により通信する無線通信ネットワークシステムであって、
前記移動局である単一親局及び複数の子局が、
可変指向性アンテナを有し所要の方位を指向できるアンテナ部と、
前記アンテナ部とＲＦ信号を送受信する送受信部と、
前記アンテナ部のビーム指向方向を制御するアンテナ制御部、前記ＲＦ信号の干渉発生有無を判定する干渉判定部、この干渉判定部の判定結果から前記送受信部が送受信するタイミングを制御するネットワーク制御部を有する通信制御部と
を備えることを特徴とする無線通信ネットワークシステム。
【請求項２】
複数の移動局間で時分割多重方式により通信する無線通信ネットワークシステムを初期構築するときに、移動する複数の子局が一斉に返信した受信応答が移動する単一親局において干渉することを回避する無線通信ネットワークシステムの初期構築方法であって、
前記親局がビーコン信号を送信した後一定時間待ち受けるステップと、
前記各子局が前記ビーコン信号を受信すると前記親局に受信応答を返信した後一定時間待ち受けるステップと、
前記親局が一定時間待ち受けている間に前記受信応答を受信した場合は当該子局方向を登録しその方向にＡＣＫ信号を送信し、
前記受信応答を受信できない場合は干渉回避モードへ切替えて第２のビーコン信号を再送するステップと、
前記各子局が一定時間待ち受けている間に前記ＡＣＫ信号を受信した場合はその親局方向を登録し、
前記ＡＣＫ信号を受信できない場合は干渉回避モードへ切替えた後前記第２のビーコン信号を受信し、それぞれタイミングをずらして第２の受信応答を再送するステップと、
前記親局が前記第２の受信応答を受信した後、その子局方向を登録するステップと
を備えたことを特徴とする無線通信ネットワークシステムの初期構築方法。
【請求項３】
複数の移動局間で時分割多重方式により通信する無線通信ネットワークシステムを初期構築するときに、移動する複数の子局が一斉に返信した受信応答が移動する単一親局において干渉することを回避する無線通信ネットワークシステムの初期構築方法であって、
前記親局がビーコン信号を送信した後一定時間待ち受けるステップと、
前記各子局が前記ビーコン信号を受信すると前記親局に受信応答を返信すると同時に、前記子局が返信した方向と１８０゜対称方向に対して別のアンテナを指向させ別の子局からの受信応答を待ち受けるステップと、
前記各子局が前記別の子局からの受信応答を受信した場合は、当該子局の方向を登録し前記親局へ第２の受信応答を再送し、
一定時間以上前記親局からの前記ビーコン信号を受信できない場合は、再度前記親局へ第２の受信応答を再送するステップと、
前記親局が前記第２の受信応答を受信すると、当該子局の方向を登録し、その方向にＡＣＫ信号を送信するステップと、
前記各子局が前記親局からの前記ＡＣＫ信号を受信すると、その前記親局の方向を登録するステップと
を備えたことを特徴とする無線通信ネットワークシステムの初期構築方法。
【請求項４】
複数の移動局間で時分割多重方式により通信する無線通信ネットワークシステムを初期構築するときに、移動する複数の子局が一斉に返信した受信応答が移動する単一親局において干渉することを回避する無線通信ネットワークシステムの初期構築方法であって、
前記親局がビーコン信号を送信した後一定時間待ち受けるステップと、
前記各子局が前記ビーコン信号を受信すると前記親局に受信応答を返信すると同時に、前記子局が返信した方向と１８０゜対称方向に対して別のアンテナを指向させ別の子局からの受信応答を一定時間待ち受け、
前記別の子局からの受信応答を一定時間内に受信した場合は、当該子局の方向を登録し前記親局へ第２の受信応答を再送すると同時に、前記別の子局からの受信応答を送信した子局を特定しその子局に自局情報を送るステップと、
前記別の子局が、前記自局情報を受信した場合は、当該子局の方向を登録し、前記親局へ第２の受信応答を再送するステップと、
前記親局が前記第２の受信応答を受信すると、当該子局の方向を登録し、その方向にＡＣＫ信号を送信するステップと、
前記各子局が前記親局からの前記ＡＣＫ信号を受信すると、その前記親局の方向を登録するステップと
を備えたことを特徴とする無線通信ネットワークシステムの初期構築方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１８６７０４（Ｐ２０１２−１８６７０４Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４９１１６（Ｐ２０１１−４９１１６）
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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