無線通信装置、無線通信端末、指向性アンテナ制御方法、および無線通信方法
【課題】無線通信装置が無線通信端末の方向を検出する無線通信システムにおいて、通信可能圏を拡大し、かつ方向の検出を迅速に行うことができる無線通信装置および無線通信端末を提供すること。
【解決手段】無線基地局２００は、通信ノード３００をサーチするためのサーチトーンの送信に用いられる指向性アンテナの放射方向を所定の複数の方向に順次変動させ（Ｓ１１００）、ステップＳ１１００における指向性アンテナの放射方向の変動の順序とは真逆の順序で指向性アンテナの放射方向を変動させる（Ｓ１２００）。一方、通信ノード３００は、無線基地局２００からサーチトーンを２回受信したとき、その受信間隔に関する情報を算出し、算出した受信間隔に関する情報を含む応答トーンを、無線基地局２００に送信する（Ｓ１３００）。
【解決手段】無線基地局２００は、通信ノード３００をサーチするためのサーチトーンの送信に用いられる指向性アンテナの放射方向を所定の複数の方向に順次変動させ（Ｓ１１００）、ステップＳ１１００における指向性アンテナの放射方向の変動の順序とは真逆の順序で指向性アンテナの放射方向を変動させる（Ｓ１２００）。一方、通信ノード３００は、無線基地局２００からサーチトーンを２回受信したとき、その受信間隔に関する情報を算出し、算出した受信間隔に関する情報を含む応答トーンを、無線基地局２００に送信する（Ｓ１３００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指向性の高い電波を用いて通信を行う無線通信装置と、無線通信装置と通信を行う無線通信端末と、無線通信装置の指向性アンテナの放射方向を制御する指向性アンテナ制御方法と、無線通信端末の無線通信方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線通信の分野において、利用帯域の大幅な拡大および高速通信への要求が高まっており、より広帯域な周波数帯であるマイクロ波帯やミリ波帯へのシフトが進んでいる。これらの周波数帯は、通常の電波に比べて電波の直進性が強いという特徴を有する。
【０００３】
ミリ波通信の通信方式は、現在、ＩＥＥＥ８０２.１５.３ｃにおいて規格化が進んでいる（非特許文献１参照）。ＩＥＥＥ８０２.１５.３ｃで検討されている通信方式では、まず、無線基地局（無線通信装置）が、オムニアンテナにより周囲にビーコンを送出し、このビーコンに対する応答として、無線通信圏内に位置する通信ノード（無線通信端末）が、電波を送出する。そして、無線基地局は、通信ノードから送出される電波の到来方向を計算し、計算した方向に指向性アンテナの電波の放射方向（以下単に「放射方向」という）を向ける。その状態で、無線基地局は、通信ノードに個別にビーコンを送信してスーパフレームを構成する。
【０００４】
このような、指向性の高い電波の放射方向を通信ノードに向ける方式によれば、高速もしくは長い通信距離での通信が実現可能であり、通信品質を向上させることが可能である。また、このような高品質な通信の実現は、現在のミリ波無線通信の課題でもある。
【０００５】
ところが、非特許文献１記載の技術では、実際には通信可能圏（カバレッジ）を十分に拡大することが困難であるという問題がある。
【０００６】
その理由は以下の通りである。ＩＥＥＥ８０２.１５.３ｃで検討されている規格方式では、通信サービスへの加入を試みる通信ノードから送信されるアソシエーションフレームを、電波の到来方向の計算に使用している。そして、通信ノードは、無線基地局のオムニアンテナから送信されるビーコンの受信を、このアソシエーションフレームを送信する契機としている。このビーコンは、当然ながら、オムニアンテナの無指向性の電波が到達する範囲外に位置する通信ノードには到達しない。したがって、この規格方式では、指向性アンテナで指向性を絞ったビーコンよりも長い距離に位置する通信ノードに対してアソシエーションを促すことは困難である。この結果、無線基地局の本来のカバレッジ（指向性を絞って電波を送受信する場合のカバレッジ）よりも大きい範囲での通信をサポートすることは困難である。
【０００７】
そこで、より広いカバレッジを実現するために、放射方向を細かく分割した論理的なセクタアンテナ（例えば特許文献１参照）を用いて、各セクタからアソシエーションの契機となるビーコンを送信することが考えられる。すなわち、ビーコンを送信すべき全方位を、複数の指向性アンテナの電波照射範囲で覆い、セクタを切り替えながら順次ビーコンを送信して応答の電波を受信するか否かを判断することが考えられる。これにより、無線基地局の本来のカバレッジでの通信をサポートすることが可能となる。
【特許文献１】特開２００７−０２８５６０号公報
【非特許文献１】ＩＥＥＥ標準 Part15.3c Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for High Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) 会議資料 "Unified and flexible millimeter wave WPAN systems supported by common mode"
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、指向性が鋭い電波を用いた指向性アンテナによって、オムニアンテナによるアソシエーションについて、同様なことを行う場合、通信ノードが位置する方向を検出するまでに時間が掛かるという問題がある。なぜなら、電波の広がりが少ないためにセクタの数が多く必要となる一方で、セクタごとに通信ノードに基地局の検出をさせるための一連の手順として、フレーム交換シーケンスが必要なことから、時間的にかなりのオーバヘッドが生じるためである。そこで、指向性があまり先鋭ではない電波を用いてセクタの数を抑えることも考えられるが、カバレッジの広さが犠牲となる。すなわち、従来技術では、通信可能圏の拡大と、他の通信ノードの方向の迅速な検出とを両立させることは難しい。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、無線通信装置が無線通信端末の方向を検出する無線通信システムにおいて、通信可能圏を拡大し、かつ方向の検出を迅速に行うことができる無線通信装置、無線通信端末、指向性アンテナ制御方法、および無線通信方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の無線通信装置は、指向性アンテナと、前記指向性アンテナの放射方向を制御する指向性制御部と、前記指向性アンテナを用いて、無線通信端末をサーチするためのサーチトーンを送信するトーン送信部と、を有し、前記指向性制御部は、前記指向性アンテナの放射方向を所定の複数の方向に順次変動させた後に、その順序とは真逆の順序で前記指向性アンテナの放射方向を変動させる構成を採る。
【００１１】
本発明の無線通信端末は、放射方向が所定の複数の方向に順次変動した後にその順序とは真逆の順序で変動する指向性アンテナを用いてサーチトーンを送信する無線通信装置から、前記サーチトーンを受信するトーン受信部と、前記トーン受信部によって前記サーチトーンが２回受信された場合、その受信間隔に関する情報を算出する算出部と、前記算出部によって算出された受信間隔に関する情報を含む応答トーンを、前記無線通信装置に送信するトーン送信部とを有する構成を採る。
【００１２】
本発明の指向性アンテナ制御方法は、無線通信装置が無線通信端末をサーチするためのサーチトーンの送信に用いられる指向性アンテナの放射方向を所定の複数の方向に順次変動させる第１のステップと、前記第１のステップにおける前記指向性アンテナの放射方向の変動の順序とは真逆の順序で前記指向性アンテナの放射方向を変動させる第２のステップとを有するようにした。
【００１３】
本発明の無線通信方法は、放射方向が所定の複数の方向に順次変動した後に、その順序とは真逆の順序で変動する、指向性アンテナを用いて、無線通信端末をサーチするためのサーチトーンを送信する無線通信装置から、前記サーチトーンを受信するトーン受信ステップと、前記トーン受信ステップで前記サーチトーンを２回受信した場合、その受信間隔に関する情報を算出する算出ステップと、前記算出ステップで算出した受信間隔に関する情報を含む応答トーンを、前記無線通信装置に送信するトーン送信ステップとを有するようにした。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、無線通信装置は、指向性アンテナの放射方向を所定の複数の方向に順次変動させた後に、その順序とは真逆の順序で変動させてサーチトーンを送信し、無線通信端末は、無線通信装置から受信した２回のサーチトーンの受信間隔に関する情報を無線通信装置に送信する。これにより、無線通信装置は、放射方向の変動と受信間隔に関する情報とから、無線通信端末の方向を検出することができる。すなわち、無線通信装置が無線通信端末の方向を検出する通信システムにおいて、指向性電波を用いた簡単な処理によって無線通信端末の方向を検出することができるため、通信可能圏を拡大し、かつ方向の検出を迅速に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る通信システムの構成を示す図である。
【００１７】
図１において、通信システム１００は、本発明に係る無線通信装置である無線基地局２００と、本発明に係る無線通信端末である通信ノード３００とを有する。無線基地局２００は、インターネット等の有線通信ネットワーク（図示せず）に接続している。通信ノード３００は、無線基地局２００との間でアソシエーションを確立することによって、無線基地局２００を介して有線通信ネットワークと接続することが可能となっている。
【００１８】
無線基地局２００は、指向性の電波によるミリ波ＵＷＢ（Ultra WideBand）無線通信のピコネットコントローラ機能を備えており、指向性アンテナを用いて、ミリ波の到達範囲である通信可能圏４１０に進入した通信ノード３００のサーチを行う。より具体的には、無線基地局２００は、指向性アンテナの放射方向を、一定の角速度で水平面上に３６０度の方向に往復回転させながら、ミリ波によりサーチトーンを送信する。そして、無線基地局２００は、このサーチトーンを受信した通信ノード３００から返信される応答トーンに基づいて、通信ノード３００のサーチを行う。以下、通信ノード３００の方向の検出を行うべき範囲（以下「検出対象範囲」という。ここでは水平面上の全周方向）の全てを、指向性アンテナの一連の動作でカバーするようなミリ波射出方向履歴のうち最短のものを、適宜「被覆パス」という。なお、図１においては、被覆パスは、通信可能圏４１０と同じである。
【００１９】
通信ノード３００は、無線基地局２００から送信されるサーチトーンを受信し、サーチトーンを２回受信したとき、応答トーンを無線基地局２００に返信する。より具体的には、通信ノード３００は、無線基地局２００が指向性アンテナの放射方向を往復回転させる際に、その往路と復路とでサーチトーンを２回受信する。そして、通信ノード３００は、その受信間隔に関する情報と自ノードの識別情報（ＩＤ：IDentifier）とを含む応答トーンを、無線基地局２００に送信する。
【００２０】
サーチの手順としては、まず、無線基地局２００が、指向性アンテナの電波照射範囲４２０を、往路として基準方向４３０を基点として所定の方向（以下「正方向」といい、これとは逆の方向を「逆方向」という）に３６０度回転させ（Ｓ１１００）、その後に復路として逆方向に３６０度回転させる（Ｓ１２００）。この結果、電波照射範囲４２０は被覆パスにおいて通信ノード３００の位置を往復で２回通過することになり、通信ノード３００は、この２回の通過タイミングにおいてサーチトーンを２回受信することになる。
【００２１】
また、電波照射範囲４２０は、上述したように一定の角速度で往復する。したがって、被覆パス上の往路でサーチトーンが受信されるタイミングから被覆パス上の往復が切り替わるタイミングまでの時間長さと、被覆パス上の往復が切り替わるタイミングから被覆パス上の復路でサーチトーンが受信されるタイミングまでの時間長さは、通信ノード３００の位置にかかわらず等しい。また、被覆パス上の往復が切り替わる方向は、基準方向４３０に一致する。したがって、通信ノード３００における２回のサーチトーンの受信間隔を半分にした時間長さと、電波照射範囲４２０の角速度とを乗算し、基準方向４３０から逆方向に乗算結果の角度だけ回転させた方向を、通信ノード３００の方向として算出することができる。
【００２２】
そこで、通信ノード３００は、２回のサーチトーンの受信間隔、この受信間隔を半分にした時間長さ、またはこの時間長さと電波照射範囲４２０の角速度との積のいずれかを算出し、算出結果を無線基地局２００に送信する（Ｓ１３００）。
【００２３】
そして、無線基地局２００は、通信ノード３００から受信したサーチトーンの受信間隔に関する情報と、基準方向４３０とに基づいて通信ノード３００の方向を決定し、決定した方向に電波照射範囲４２０を向けて、アソシエーションを開始する（Ｓ１４００）。
【００２４】
このような通信システム１００によれば、無線基地局２００は、指向性の高い電波を用いて、カバレッジの広いサーチを行うことができる。しかも、無線基地局２００は、放射方向を回転させながらサーチトーンを送信し、これに対応して通信ノード３００から返信される情報に基づいて通信ノード３００の方向を決定するので、セクタごとに順次サーチを行う場合に比べて、より素早くサーチを完了することができる。
【００２５】
以下、通信ノード３００は、サーチトーンの受信間隔に関する情報として、２回のサーチトーンの受信間隔を半分にした時間長さを示す時間パラメタを送信するものとして説明を行う。
【００２６】
次に、無線基地局２００の構成の構成について説明する。
【００２７】
図２は、無線基地局２００の構成を示すブロック図である。
【００２８】
図２において、無線基地局２００は、アンテナ部２１０、ＲＦ（Radio Frequency）部２２０、ＰＨＹ（PHysical Layer）部２３０、ＭＡＣ（Media Access Control）部２４０、トーン送信部２５０、指向性制御部２６０、トーン解析部２７０、および指向性テーブル格納部２８０を有する。
【００２９】
アンテナ部２１０は、少なくとも水平面上で３６０度の方向に放射方向を制御可能な指向性アンテナを有し、電波の送受信を行う。
【００３０】
ＲＦ部２２０は、アンテナ部２１０を用いてミリ波の送受信を行う。
【００３１】
ＰＨＹ部２３０は、ＲＦ部２２０のミリ波の送受信を制御する。
【００３２】
ＭＡＣ部２４０は、アプリケーション部（図示せず）からの指示を受け、ＰＨＹ部２３０、ＲＦ部２２０、およびアンテナ部２１０を介して、ビーコンを利用したスーパフレームの送受信を行う。
【００３３】
トーン送信部２５０は、ＲＦ部２２０およびアンテナ部２１０を介してサーチトーンの送信を行う。より具体的には、トーン送信部２５０は、ＭＡＣ部２４０により送信されるスーパフレームの所定の区間で、サーチトーンを送信する。
【００３４】
図３は、無線基地局２００から送信されるスーパフレームの構成を示す図である。
【００３５】
図３に示すように、無線基地局２００から送信されるスーパフレーム５００は、同期トーン区間５１０、個別ビーコン区間５２０、およびデータ通信スロット区間５３０により構成される。
【００３６】
同期トーン区間５１０は、サーチを行い、無線基地局２００と通信ノード３００との間でスーパフレームの同期を取るための区間である。同期トーン区間５１０は、固定長であり、正サーチトーン区間５１１、逆サーチトーン区間５１２、および個別ビーコン要求区間５１３により構成される。
【００３７】
正サーチトーン区間５１１は、無線基地局２００の電波照射範囲４２０が正方向に回転する時間に対応する区間である。逆サーチトーン区間５１２は、無線基地局２００の電波照射範囲４２０が逆の方向に回転する時間に対応する区間である。逆サーチトーン区間５１２は、正サーチトーン区間５１１の後に連続して配置され、正サーチトーン区間５１１と同一長さとなっている。正サーチトーン区間５１１から逆サーチトーン区間５１２に切り替わる点は、図１に示す基準方向に対応する基準点５１４であり、通信ノード３００と無線基地局２００とのフレーム同期の基準として用いられる。個別ビーコン要求時間５１３は、通信ノード３００から返信される応答トーンを受信する区間である。
【００３８】
トーン送信部２５０は、正サーチトーン区間５１１および逆サーチトーン区間５１２の全区間において、連続するサーチトーンを生成して送信する。以下、適宜、正サーチトーン区間５１１に送信されるサーチトーンを「正サーチトーン」といい、逆サーチトーン区間５１２に送信されるサーチトーンと「逆サーチトーン」という。
【００３９】
個別ビーコン区間５２０は、無線基地局２００と通信ノード３００との間で個別の各種制御情報を送受信するための区間である。個別ビーコン区間５２０は、可変長であり、１つまたは複数の個別スロット５２１により構成されている。個別スロット５２１は、アソシエーションが確立し無線基地局２００が提供する通信サービスへの加入済みのデバイス（以下「既加入ノード」という）と、応答トーンの送信元である上記通信サービスへの新規加入のデバイス（以下「新規加入ノード」という）に対して設けられる。個々の個別スロット５２１は、それぞれ個別ビーコンスロット５２２および個別要求スロット５２３により構成される。個別スロット５２１は、通信ノード３００に対する個別のビーコン送信に用いられる。個別要求スロット５２３は、通信ノード３００からの個別の要求受信に用いられる。
【００４０】
データ通信スロット区間５３０は、無線基地局２００と既加入ノードとの間で各種データを送受信するための区間である。データ通信スロット区間５３０は、個別ビーコン区間５２０の長さとの関係でスーパフレーム５００全体の長さが一定となる長さの範囲内で、１つまたは複数のデータ通信スロット５３１を含む。データ通信スロット５３１は、既加入ノードとの間での個別のデータ送受信に用いられる。各データ通信スロット５３１は、時間軸上で排他的に配置されてもよいが、個別に分離可能であれば、図３に示すように時間軸上で重なって配置されてもよい。
【００４１】
図２の指向性制御部２６０は、ＭＡＣ部２４０が送受信するスーパフレーム５００に同期して、ビームフォーミング、つまりアンテナ部の放射方向の制御を行う。より具体的には、指向性制御部２６０は、スーパフレーム５００の正サーチトーン区間５１１の開始時刻から、正サーチトーン区間５１１の時間長さで３６０度回転する角速度で、アンテナ部２１０の電波照射範囲４２０を回転させる。また、指向性制御部２６０は、スーパフレーム５００の逆サーチトーン区間５１２の開始時刻から、逆サーチトーン区間５１２の時間長さで３６０度回転する角速度で、アンテナ部２１０の電波照射範囲４２０を回転させる。したがって、電波照射範囲４２０の回転の往復が切り替わる時刻（以下「基準時刻」という）は、スーパフレーム５００の基準点５１４と一致し、電波照射範囲４２０の回転の１往復が終了する時刻は、逆サーチトーン区間５１２の終了時刻と一致する。また、正サーチトーン区間５１１のサーチ時間と、逆サーチトーン区間５１２のサーチ時間は、一致する。なお、無線基地局２００は、電波照射範囲４２０の角速度が先に決定される場合には、正サーチトーン区間５１１および逆サーチトーン区間５１２の時間長さを、電波照射範囲４２０が３６０度回転するのに要する時間と一致するように設定してもよい。
【００４２】
トーン解析部２７０は、通信ノード３００から送信される応答トーンを受信し、受信した応答トーンに含まれる時間パラメタを解析して、通信ノード３００の方向を決定する。そして、決定結果に基づいて、サーチが完了した通信ノード３００の方向を記述する指向性テーブルを作成または更新する。
【００４３】
指向性テーブル格納部２８０は、上述の指向性テーブルを格納する。指向性テーブルは、ＭＡＣ部２４０によって、通信ノード３００と個別に通信を行う際にその通信ノードに電波照射範囲４２０を向けるために参照される。
【００４４】
無線基地局２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを格納したＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶媒体、およびＲＡＭ（Random Access Memory）等の作業用メモリを有する（いずれも図示せず）。すなわち、ＣＰＵが制御プログラムを実行することで、上記した無線基地局２００の各部の機能は実現される。
【００４５】
このような構成を有する無線基地局２００によれば、指向性電波の放射方向を一定の角速度で往復回転させながらサーチトーンを送信し、このサーチトーンを受信した通信ノード３００から返信される応答トーンに基づいて、通信ノード３００のサーチを行うことができる。
【００４６】
次に、通信ノード３００の構成の構成について説明する。
【００４７】
図４は、通信ノード３００の構成を示すブロック図である。
【００４８】
図４において、通信ノード３００は、アンテナ部３１０、ＲＦ部３２０、ＰＨＹ部３３０、ＭＡＣ部３４０、トーン解析部３５０、パラメタ算出部３６０、トーン送信部３７０、およびパラメタ格納部３８０を有する。
【００４９】
アンテナ部３１０は、無指向性アンテナを有し、電波の送受信を行う。
【００５０】
ＲＦ部３２０は、アンテナ部３１０を用いて、無線基地局２００から送信されるミリ波の受信を含む無線信号の送受信を行う。
【００５１】
ＰＨＹ部３３０は、ＲＦ部３２０のミリ波の送受信を制御する。
【００５２】
ＭＡＣ部３４０は、アプリケーション部（図示せず）からの指示を受け、ＰＨＹ部３３０、ＲＦ部３２０、およびアンテナ部３１０を介して、ビーコンを利用したスーパフレームの送受信を行う。
【００５３】
トーン解析部３５０は、アンテナ部３１０の受信信号を解析し、無線基地局２００から送信される正サーチトーンおよび逆サーチトーンの受信を検出する。
【００５４】
パラメタ算出部３６０は、トーン解析部３５０によって検出された正サーチトーンおよび逆サーチトーンの受信間隔から、時間パラメタおよび基準時刻を算出し、これらのうち基準時刻をＭＡＣ部３４０に出力する。この基準時刻は、ＭＡＣ部３４０で、スーパフレームの同期に用いられる。
【００５５】
トーン送信部３７０は、パラメタ算出部３６０によって算出された時間パラメタを含む応答トーンを生成する。そして、トーン送信部３７０は、無線基地局２００からのサーチトーンに対する応答として、つまりアソシエーションの要求として、生成した応答トーンを、ＲＦ部３２０およびアンテナ部３１０を介して無線基地局２００に送信する。
【００５６】
パラメタ格納部３８０は、パラメタ算出部３６０で算出された時間パラメタの履歴を格納する。時間パラメタの履歴は、前回時間パラメタの送信を行ってから自ノードが大きく移動したか否か、つまり無線基地局２００が決定した方向から実際の自ノードの方向がずれたか否かを判断するために参照される。
【００５７】
通信ノード３００は、ＣＰＵ、制御プログラムを格納したＲＯＭ等の記憶媒体、およびＲＡＭ等の作業用メモリを有する（いずれも図示せず）。すなわち、ＣＰＵが制御プログラムを実行することで、上記した通信ノード３００の各部の機能は実現される。
【００５８】
このような構成を有する通信ノード３００によれば、無線基地局２００に対して時間パラメタを送信し、自ノードのサーチを行わせることができる。
【００５９】
以下、上記構成を有する無線基地局２００および通信ノード３００の動作について詳細に説明する。まず、無線基地局２００の動作について説明する。
【００６０】
図５は、無線基地局２００の全体動作を示すフローチャートである。
【００６１】
まず、ステップＳ２１００で、無線基地局２００は、スーパフレーム５００の正サーチトーン区間５１１に、電波照射範囲４２０を正方向に回転させながら正サーチトーンを送信する。
【００６２】
そして、ステップＳ２２００で、無線基地局２００は、スーパフレーム５００の逆サーチトーン区間５１２に、電波照射範囲４２０を逆方向に回転させながら逆サーチトーンを送信する。
【００６３】
図６は、上記したステップＳ２１００無線基地局２００による指向性アンテナの指向性制御の様子を示す図である。
【００６４】
図６に示すように、無線基地局２００の通信可能圏４１０に、新たに第１および第２の通信ノード３００−１、３００−２が進入した場合を想定する。この場合、無線基地局２００は、第１および第２の通信ノード３００−１、３００−２のそれぞれと個別ビーコンでアソシエーションを結ぶ関係の構築を試みる。
【００６５】
無線基地局２００は、図８に示すように、スーパフレーム５００の終盤、厳密にはスーパフレーム５００の基準点５１４から正サーチトーン区間５１１のサーチ時間Ｔだけ前に遡った時刻から、正サーチトーンの送信を開始する。つまり、スーパフレーム５００は、基準点５１４から開始する。そして、無線基地局２００は、アンテナ部２１０の放射方向４４０を、被覆パスの経路上を、ある一定の角速度を超えずに移動するように制御する。
この一定の角速度は、例えば、通信ノード３００でトーンを検出することが可能な角速度の最大値である。放射方向４４０の角速度は、基準時刻に対して時間軸上で対称であれば良いが、ここでは、無線基地局２００は、被覆パスの経路上を正方向に一定の角速度ωで移動するように、アンテナ部２１０の放射方向４４０を制御するものとする。正サーチトーン区間５１１における、放射方向４４０の基準方向４３０を基準とした正方向における角度θは、正サーチトーン区間５１１の開始時刻からの経過時間ｔと、角速度ωとから、以下の式（１）で表わすことができる。
【００６６】
θ ＝ ωｔ （０≦ｔ≦Ｔ） ・・・・・・（１）
【００６７】
そして、無線基地局２００は、スーパフレーム５００の基準点５１４で逆サーチトーンに切り替え、被覆パスの経路上を逆方向に一定の角速度ωで移動するように、アンテナ部２１０の放射方向４４０を制御する。逆サーチトーン区間５１２における、放射方向４４０の基準方向４３０を基準とした正方向における角度θは、正サーチトーン区間５１１の開始時刻からの経過時間ｔと、角速度ωとから、以下の式（２）で表わすことができる。
【００６８】
θ ＝ ω（２Ｔ−ｔ） （Ｔ≦ｔ≦２Ｔ） ・・・・・・（２）
【００６９】
通信可能圏４１０が、無線基地局２００を中心とした半径Ｌの円周の内部であるとすると、この円周のうち電波照射範囲４２０が一時に被覆する部分である部分円周は、基準方向４３０を基準とした角度θにより、角度θの関数Ｃ（θ）＝Ｃ（ωｔ）として表わすことができる。したがって、無線基地局２００は、アンテナ部２１０の放射方向を被覆パスの方向に制御して全周方向に向けることで、アンテナ部２１０指向性を制御することができる範囲内の全ての方向に、ある一定時間以上、トーンを送信し続けることができる。ある方向にトーンが連続して送信される時間Ｔｃは、部分円周の角度θｒを用いて、以下の式（３）で表わすことができる。
【００７０】
Ｔｃ ＝ θｒ／ω ・・・・・・（３）
【００７１】
したがって、通信ノード３００は、自己の位置を電波照射範囲４２０が通過する区間だけ、無線基地局２００から送信されるサーチトーンを受信でき、その区間で搬送波の受信強度が高くなる。また、放射方向４４０が通信ノード３００の方向に一致するときに、搬送波の受信強度はピークを取る。図６に示す例では、第１の通信ノード３００−１と第２の通信ノード３００−２は、基準方向４３０に対して異なる角度の方向に位置しているため、それぞれ異なる時刻で搬送波の受信強度のピークを検出することになる。
【００７２】
図５のステップＳ２３００で、無線基地局２００は、スーパフレーム５００の個別ビーコン要求区間５１３に、電波照射範囲４２０を反復させて、通信ノード３００から応答トーンを受信したか否かを判断する。無線基地局２００は、個別ビーコン要求区間５１３にて、応答トーンを受信しなかった場合には（Ｓ２３００：ＮＯ）、ステップＳ２４００に進む。
【００７３】
ステップＳ２４００で、無線基地局２００は、既にアソシエーションが完了している既加入ノードがあれば、スーパフレーム５００の個別ビーコン区間５２０およびデータ通信スロット区間５３０を用いて、その既加入ノードとの通信を行う。具体的には、無線基地局２００は、例えば、各既加入ノードに対し、その既加入ノードに割り当てた個別スロット５２１にて、既に使用されているデータ通信スロット区間５３０の情報と、自身が行うデータ送受信のタイミングの情報とを、既加入ノードに送信する。
【００７４】
そして、ステップＳ２５００で、無線基地局２００は、既加入ノードから個別スロット５２１にて時間パラメタを受信したか否かを判断し、受信していない場合には（Ｓ２５００：ＮＯ）、ステップＳ２６００に進む。
【００７５】
ステップＳ２６００で、無線基地局２００は、通信ノード３００との通信を継続するか否かを判断し、継続する場合には（Ｓ２６００：ＹＥＳ）、ステップＳ２１００に戻る。この結果、処理は、次のスーパフレーム５００に移ることになる。
【００７６】
一方、無線基地局２００は、ステップＳ２３００で、個別ビーコン要求区間５１３にて時間パラメタを受信した場合には（Ｓ２３００：ＹＥＳ）、ステップＳ２７００に進む。
【００７７】
ステップＳ２７００で、無線基地局２００は、受信した応答トーンから時間パラメタを取得し、取得した時間パラメタから、応答トーンの送信元の通信ノード３００、つまり新規加入ノードの方向を決定する。より具体的には、無線基地局２００は、取得した時間パラメタＴｐと電波照射範囲４２０の角速度ωから、例えば以下の式（４）を用いて、逆の方向における基準方向４３０からの角度Θを算出する。
【００７８】
Θ ＝ ωＴｐ ・・・・・・（４）
【００７９】
そして、無線基地局２００は、基準方向４３０に対して、逆サーチトーン区間５１２における電波照射範囲４２０の回転方向に算出した角度だけ回転させた方向を、新規加入ノードの方向と判断する。
【００８０】
そして、ステップＳ２８００で、無線基地局２００は、決定した通信ノード３００の方向を、その通信ノード３００の識別情報棚と対応付けて指向性テーブルに記述し、その後、新規加入ノードとのアソシエーションを開始し、ステップＳ２４００に進む。より具体的には、無線基地局２００は、まず、スーパフレーム５００に新規加入ノード用の個別スロット５２１を設定する。
【００８１】
以降の通信において、無線基地局２００は、新規加入ノードとの間で通信を行う際に、その新規加入ノードが位置する方向として決定した方向に電波照射範囲４２０が向くように、アンテナ部２１０の放射方向を制御する。また、無線基地局２００は、応答トーンを受信したスーパフレーム５００の次のスーパフレーム５００の新規に設定された個別スロット５２１にて、個別ビーコンとアソシエーションの要求を受け付けるための基本的な情報とを、応答トーンの送信元に送信する。
【００８２】
また、無線基地局２００は、ステップＳ２５００で、既加入ノードから個別スロット５２１にて時間パラメタを受信した場合には（Ｓ２５００：ＹＥＳ）、ステップＳ２９００に進む。
【００８３】
ステップＳ２９００で、無線基地局２００は、受信した時間パラメタに基づいて、その既加入ノードの方向を再決定し、再決定結果で指向性テーブルを更新して、ステップＳ２６００に進む。
【００８４】
通信ノード３００が、無線基地局２００が決定した方向から大きく移動した場合、無線基地局２００からの送信信号が通信ノード３００に届かなくなるおそれがある。そこで、後述するように、通信ノード３００は、大きく移動した場合に、変化した時間パラメタを個別スロット５２１にて無線基地局２００に送信する。これにより、無線基地局２００は、通信ノード３００がアソシエーション開始時から移動しても、通信ノード３００の方向を正しく検出することができる。なお、無線基地局２００は、受信した応答トーンの指向性情報（例えば、到来方向推定によって求められる送信方向に対応する時間パラメタ）が、受信された指向性情報（時間パラメタ）と異なる場合には、その既加入ノードとの通信において、受信と送信とで個別に指向性制御を行ってもよい。
【００８５】
そして、無線基地局２００は、処理の停止を指示されるなどして、通信ノード３００との通信を停止すると判断した場合には（Ｓ２６００：ＮＯ）、一連の処理を終了する。
【００８６】
このように、無線基地局２００は、各スーパフレーム５００で、アンテナ部２１０の放射方向を、所定の複数の方向に順次変動させた後に、その順序とは真逆の順序で変動させてサーチトーンを送信し、返信される時間パラメタに基づいて通信ノード３００のサーチを行うことができる。
【００８７】
次に、通信ノード３００の動作について説明する。
【００８８】
図７は、通信ノード３００の全体動作を示すフローチャートである。
【００８９】
まず、ステップＳ３１００で、通信ノード３００は、無線基地局２００から送信されるサーチトーンの受信を開始する。
【００９０】
そして、ステップＳ３２００で、通信ノード３００は、搬送波の受信強度を見て、ほぼ同じ高さのピークを２つ検出したか否かを判断する。ほぼ同じ高さのピークを２つ検出していない場合には（Ｓ３２００：ＮＯ）、ステップＳ３３００に進む。
【００９１】
ステップＳ３３００で、通信ノード３００は、無線基地局２００との通信を継続するか否かを判断し、継続する場合には（Ｓ３３００：ＹＥＳ）、ステップＳ３２００に戻る。
【００９２】
一方、通信ノード３００は、ほぼ同じ高さのピークを２つ検出した場合には（Ｓ３２００：ＹＥＳ）、ステップＳ３４００に進む。なお、この検出間隔には、正サーチトーン区間５１１および逆サーチトーン区間５１２の時間長さよりも長く、スーパフレーム５００の残りの時間長さよりも短い時間で、タイムアウトを設定しておくことが望ましい。これにより、異なるスーパフレーム５００にまたがって２つのピークが検出されるのを防ぐことができる。
【００９３】
ステップＳ３４００で、通信ノード３００は、検出した２つのピークの時刻から、時間パラメタを算出する。より具体的には、通信ノード３００は、２つのピークの時間差を半分にした時間長さ、または検出した２つのピークの中間の時刻と１つ目または２つ目のピークとの時間差を時間パラメタとして算出する。
【００９４】
図８は、時間パラメタおよび時間パラメタの算出手法について説明するための図である。
【００９５】
図８に示すように、通信ノード３００では搬送波の電界強度５４０が検出される。電界強度５４０は、無線基地局２００から送信されるスーパフレーム５００の正サーチ区間５１１および逆サーチ区間５１２で、ピーク５４１、５４２を取る。これらピーク５４１、５４２は、時間軸上に、スーパフレーム５００の基準点５１４を挟んで線対称に配置される（電界強度５４０の他の極大極小値も同様に線対称となる）。
【００９６】
ピーク５４１、５４２の中間の時刻は、通信ノード３００がどの方向に位置するかに関係なく、常に無線基地局２００が設定する基準時刻ｔ０と一致する。したがって、通信ノード３００は、例えば、以下の式（５）を用いて、基準時刻ｔ０を算出し、算出した基準時刻ｔ０を用いて自ノードのフレーム同期を行う。
【００９７】
ｔ０ ＝ （ｔ１＋ｔ２）／２ ・・・・・・（５）
【００９８】
また、既に説明したように、１つ目のピークの時刻ｔ１は、無線基地局２００の放射方向４４０が被覆パスの往路で自ノードの方向に一致した時刻であり、２つ目のピークの時刻ｔ２は、無線基地局２００の放射方向４４０が被覆パスの復路で自ノードの方向に一致した時刻である。すなわち、時間パラメタＴｐは、無線基地局２００の放射方向４４０が往路で通信ノード３００に向いてから基準方向４３０に向くまでに要した時間と一致する。このような時間パラメタＴｐを無線基地局２００に送信することにより、無線基地局２００側で、例えば上記した式（４）から、通信ノード３００の方向を決定することが可能となる。したがって、通信ノード３００は、例えば、以下の式（６）を用いて、時間パラメタＴｐを算出する。
【００９９】
Ｔｐ＝ｔ０−ｔ１＝（ｔ２−ｔ１）／２ ・・・・・・（６）
【０１００】
図７のステップＳ３５００で、通信ノード３００は、算出した時間パラメタを、応答トーンに変調しスーパフレーム５００の個別ビーコン要求区間５１３の全てを使用して送信し続けるとともに、無線基地局２００に送信した時間パラメタとして記録する。
【０１０１】
なお、無線基地局２００からみて同じ方向に複数の新規加入ノードが位置し、これら複数の新規加入ノードから送信される応答トーンが衝突することが起こり得る。この場合、無線基地局２００側にいずれの新規加入ノードからの応答トーンも正しく受信されず、次のスーパフレームで新規の個別ビーコンは送信されない。したがって、通信ノード３００は、応答トーンを送信した次のスーパフレームで個別ビーコンを受信しない場合には、バックオフ（乱数に応じた待機時間）をかけて別のスーパフレームにてアソシエーション開始を再チャレンジする。
【０１０２】
そして、ステップＳ３６００で、通信ノード３００は、無線基地局２００との通信を開始する。より具体的には、通信ノード３００は、無線基地局２００によって設定された自ノード用の個別スロット５２１を用いて、アソシエーションを開始する。以降の通信において、無線基地局２００が、通信ノード３００にビーコンを送信するときに通信ノード３００の方向に電波照射範囲４２０を向けることは、既に説明した通りである。
【０１０３】
そして、ステップＳ３７００で、通信ノード３００は、ステップＳ３２００と同様に、搬送波の受信強度にほぼ同じ高さのピークを２つ検出したか否かを判断し、ほぼ同じ高さのピークを２つ検出した場合には（Ｓ３７００：ＹＥＳ）、ステップＳ３８００に進む。
【０１０４】
ステップＳ３８００で、通信ノード３００は、ステップＳ３４００と同様に、ステップ検出した２つのピークの時刻から、時間パラメタを算出する。
【０１０５】
そして、ステップＳ３９００で、通信ノード３００は、無線基地局２００に送信した時間パラメタとして前回記録した時間パラメタと、今回算出した時間パラメタとを比較し、その差分が所定値以上であるか否かを判断する。通信ノード３００は、時間パラメタの差分が所定値未満の場合には（Ｓ３９００：ＮＯ）、ステップＳ４０００に進む。
【０１０６】
つまり、通信ノード３００が、無線基地局２００が決定した方向から大きく移動した場合、無線基地局２００からの送信信号が通信ノード３００で受信されないおそれがある。したがって、このように時間パラメタの差分を所定値と比較することにより、無線基地局２００に対して方向の再決定を行わせるべきか否かを判断することができる。所定値は、例えば、無線基地局２００の電波照射範囲４２０の角度（図６における部分円周の角度θｒ）の半分の角度を放射方向４４０の角速度ωで除した値とすればよい。なお、所定値は、システムによって、最適値が存在する値である。
【０１０７】
ステップＳ４０００で、通信ノード３００は、既加入ノードとして、スーパフレーム５００の個別ビーコン区間５２０およびデータ通信スロット区間５３０を用いて、無線基地局２００との通信を行う。具体的には、通信ノード３００は、例えば、無線基地局２００に対し、自ノードに割り当てられた個別スロット５２１にて、データ通信スロット区間５３０の追加、変更、および廃棄などの要求を、無線基地局２００に送信する。
【０１０８】
そして、ステップＳ４１００で、通信ノード３００は、無線基地局２００との通信を継続するか否かを判断し、継続する場合には（Ｓ４１００：ＹＥＳ）、ステップＳ３７００に戻る。
【０１０９】
一方、ステップＳ３８００で算出した時間パラメタの差分が所定値以上である場合には（Ｓ３９００：ＹＥＳ）、ステップＳ４２００に進む。
【０１１０】
ステップＳ４２００で、通信ノード３００は、自ノードに割り当てられた個別スロット５２１にて、算出した時間パラメタを無線基地局２００に送信するとともに、無線基地局２００に送信した時間パラメタとして記録して、ステップ４０００に進む。これにより、無線基地局２００で、通信ノード３００の方向が再決定される。
【０１１１】
そして、通信ノード３００は、処理の停止を指示されるなどして無線基地局２００との通信を停止すると判断した場合には（Ｓ３３００：ＮＯ、Ｓ４１００：ＮＯ）、一連の処理を終了する。
【０１１２】
このように、通信ノード３００は、無線基地局２００からサーチトーンのピークを２回受信したとき、その２つのピークの時間差を半分にした時間長さである時間パラメタを算出して、算出した時間パラメタを無線基地局２００に送信することができる。また、通信ノード３００は、サーチトーンのピークを２回受信したときに、迅速に無線基地局２００とのフレーム同期を取ることができる。
【０１１３】
このような無線基地局２００および通信ノード３００によれば、無線基地局２００は、指向性電波を用いた簡単な処理により、通信ノード３００の方向を検出することができる。
【０１１４】
なお、無線基地局２００の被覆パスは、放射方向が３６０度よりも少ない角度範囲や水平面以外の平面で変動するものであってもよく、放射方向が三次元的に変動するものであってもよい。また、被覆パスの開始点および終了点と往復の切り替わり点とは、異なる方向に位置していてもよい。更に、検出対象範囲を複数の領域に分割し、分割領域のそれぞれで被覆パスを設定してもよい。ただし、１つの被覆パスは、放射方向が往復路で同じルートを辿る必要があることから、一筆書きが可能な線を形成している必要がある。
【０１１５】
以下、検出対象範囲が無線基地局２００を中心とした半球面（以下単に「半球面」という）である場合の、被覆パスのバリエーションについて、図９〜図１２を用いて説明する。以下に説明する図９〜図１２では、被覆パスを電波照射範囲の包絡線を用いて示し、被覆パスの往路または復路における放射方向の変動方向を矢印で示す。
【０１１６】
図９は、半球面において渦巻形状を形成する被覆パスの一例を示す図である。図９では、半球面を上方から見たときの状態で、被覆パスを示す。
【０１１７】
半球面４５０のうち、電波照射範囲が同時に被覆する部分である部分球面は、方位角θａと基準方向に対する仰角φとの関数Ｓ（θａ，φ）として表わすことができる。したがって、被覆パスの往路は、部分球面Ｓ｛θａ（ｔ），φ（ｔ）｝を、その０≦ｔ≦Ｔにおける和集合が半球面４５０に一致するように、設定すればよい。そして、被覆パスの復路は、Ｔ≦ｔ≦２Ｔにおいて、部分球面Ｓ｛θａ（２Ｔ−ｔ），φ（２Ｔ−ｔ）｝を実現するように、指向性を制御すればよい。
【０１１８】
図９において、半球面４５０における被覆パス４６０は、渦巻状となっており、開始点Ｐｓを無線基地局２００の水平方向に、往復の切り替わり点Ｐｃを無線基地局２００の真上方向に置いている。このような被覆パス４６０においても、通信ノード３００で正サーチトーンの受信時刻から基準時刻までの時間長さと基準時刻から逆サーチトーンの受信時刻までの時間長さは同一となる。また、無線基地局２００では、被覆パス４６０における放射方向の変動の制御と、通信ノード３００で算出される時間パラメタとから、通信ノード３００の三次元方向を検出することができる。すなわち、図９に示す被覆パスによれば、渦巻状無線基地局２００における通信ノード３００の方向の検出と、無線基地局２００と通信ノード３００と間のフレーム同期とを、正しく行うことができる。
【０１１９】
図１０は、半球面において渦巻形状を形成する被覆パスの他の例を示す図である。図１０では、半球面を斜め上方から見たときの状態で被覆パスを示す。
【０１２０】
図１０において、半球面４５０における被覆パス４６０は、図９に示す被覆パス４６０と類似しているが、仰角を段階的に増加させた形状となっている。図１０に示す被覆パス４６０によれば、放射方向の仰角を固定させて水平面上における方向のみを制御する区間が大部分となり、指向性制御をより単純化することが可能となる。
【０１２１】
図１１は、ビーコンを送信すべき全方位を複数の矩形領域に分割した場合の、矩形領域における被覆パスの一例を示す図である。図１１において、矩形領域４７０における被覆パス４６０は、矩形領域４７０の形状に沿った渦巻形状となっている。
【０１２２】
図１２は、ビーコンを送信すべき全方位を複数の矩形領域に分割した場合の、矩形領域における被覆パスの他の例を示す図である。図１２において、矩形領域４７０における被覆パス４６０は、矩形領域４７０の形状に沿った折り返し形状となっている。
【０１２３】
このような分割された領域ごとの被覆パス４６０は、例えば、サブアンテナとしてセクタアンテナを用いた無線基地局２００に好適である。
【０１２４】
ただし、複数のセクタアンテナを用いる場合、隣接する分割領域が重なり、複数のセクタから電波を照射される領域が存在する。このような複数の分割領域が重なった領域に位置する通信ノード３００は、無線基地局２００の複数のセクタと通信可能であり、いずれかのセクタに対して送信した応答トーンが、他のセクタでも受信される。この場合、無線基地局２００が、それぞれのセクタで独立してアソシエーションを行おうとすると、通信ノード３００に対して、同じ時間帯に個別ビーコンや送受信フレームが複数送信される可能性があり、結果として、通信ノード３００との通信を開始することが困難になるおそれがある。
【０１２５】
そこで、複数のセクタアンテナを用いる場合には、無線基地局２００は、隣接するセクタで同様の被覆パスの形状とし、同じ方向に放射方向を移動させていくことが望ましい。なぜなら、上記のような障害が発生するのは、同じ通信ノード３００への指向性制御を、同じ時刻に行うことに起因するからである。被覆パスの移動順序を同一にしておけば、同じ通信ノード３００に対する指向性を同じ時刻に行うことはない。この場合、通信ノード３００に対して隣接する複数のセクタから、同じ個別ビーコンが同時に送信されるのを防ぐことができる。
【０１２６】
しかし、外界状況の変化や、多数の分割領域の配置の都合により、通信ノード３００に対して隣接する複数のセクタから個別ビーコンが同時に送信される場合もある。
【０１２７】
一方で、それぞれのサーチトーンは通信ノード３００を同時刻に通過することはなく、応答トーンに含める時間パラメタも同一の値となることはない。したがって、隣接するセクタで同一の時間パラメタがされた場合、その時間パラメタは同一の通信ノード３００から送信されたものだということが推測される。
【０１２８】
したがって、複数のセクタアンテナを用いる無線基地局２００は、隣接する２つのセクタによって、同様の被覆パスの形状を用いて同じ方向に放射方向を移動させた上で、隣接するセクタで同一の時間パラメタを受信した場合には、その時間パラメタの送信元に対するアソシエーションの開始は、送信したビーコンに反応する一方のセクタのみによって行うことになる。
【０１２９】
ただし、偶然に同じ時間パラメタを送信する複数の通信ノード３００が存在する可能性もあるため、他方のセクタも、時間をずらしてアソシエーションを開始したり、アソシエーション確立後のフレーム送信を行うことが望ましい。この場合には、通信ノード３００のリアソシエーションを行うまでの待機時間を、この時間のずれを考慮して設定する必要がある。
【０１３０】
なお、各セクタアンテナのサーチトーンを変調させて、各セクタのＩＤを信号として送ることも可能である。また、いくつかのセクタからのトーン信号が、重複して送信されていることを検知できる程度に、受信感度の高い別セクタのトーン信号を受信している場合は、個別要求スロットにおいて、各セクタのＩＤを通知するとともに、受信感度の高いトーン信号により時間パラメタを通知するようにしてもよい。これにより、自分のスロットが別のセクタの同じスロット時間において、当該方向に向けて送信しないように制御することが可能となる。
【０１３１】
このように、無線基地局２００の放射方向を三次元的に変動させることにより、通信ノード３００の三次元方向を検出することができる。
【０１３２】
なお、電波照射範囲の包絡線により近い領域では、電波の照射時間はより短くなる。また、電波の照射時間がより短くなると、通信ノード３００がサーチトーンを検出できなくなるおそれがある。そこで、放射方向を三次元的に変動させる場合において、検出対象範囲を部分球面Ｓが少なくとも二重に覆うように被覆パスを設定する方式についても、ここで提案する。
【０１３３】
図１３は、二重被覆パスの場合の隣り合う部分球面の位置関係の一例を示す図である。
【０１３４】
図１３に示すように、ある時刻における第１の部分球面Ｓ１に対し、第１の部分球面Ｓ１の移動方向４８０に直交する方向に、他の時刻における第２の部分球面Ｓ２が位置するものとする。この場合に、第１の部分球面Ｓ１と第２の部分球面Ｓ２との中心距離を、第１の部分球面Ｓ１および第２の部分球面Ｓ２の半径ｄとする。
【０１３５】
この場合、第１の部分球面Ｓ１と第２の部分球面Ｓ２との間の領域のうち、電波の照射時間が最も短いのは、第１の部分球面Ｓ１と第２の部分球面Ｓ２との中間点４９０である。そして、中間点４９０における電波の照射時間は、√３・ｄ／２≒０.８７ｄとなる。これは、電波の照射時間が、２つの照射の合計ではないためである。
【０１３６】
このように、二重被覆パスを採用することにより、少なくとも検出対象範囲の外周部以外の全ての受信点において、電波の照射時間を所定の長さ以上確保することができる。検出対象範囲の外周部についても電波の照射時間を確保しようとする場合には、例えば電波照射範囲が検出対象範囲の外周部にはみ出すように被覆パスを設定すればよい。
【０１３７】
なお、この方式を用いる場合、通信ノード３００が、往路と復路のそれぞれで２回以上ずつサーチトーンのピークを受信する可能性がある。このような場合には、通信ノード３００は、ピークの回数が偶数であることを確認したうえで受信した全てのサーチトーンの受信時刻の平均を取ったり、最初と最後の受信時刻のみを使用するなどして、基準時刻を計算し、そこから時間パラメタを算出してもよい。
【０１３８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、無線基地局２００は、指向性アンテナの放射方向を、所定の複数の方向に順次変動させた後に、その順序とは真逆の順序で変動させてサーチトーンを送信し、通信ノード３００は、無線基地局２００から受信した２回のサーチトーンの受信間隔に関する情報を無線基地局２００に送信する。これにより、無線基地局２００は、放射方向の変動と受信間隔に関する情報とから、通信ノード３００の方向を検出することができる。すなわち、無線基地局２００が通信ノード３００の方向を検出することにより通信が開始する通信システム１００において、指向性電波を用いた簡単な処理により通信ノード３００の方向を検出することができるため、通信可能圏の拡大と、通信ノード３００の方向の迅速な検出とを両立させることができる。
【０１３９】
なお、本実施の形態では、放射方向の角速度が一定の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、基準時刻に対して時間軸上で対称であれば良い。この場合には、無線基地局は、例えば、時間パラメタに対応する区間で角速度を積分することにより、通信ノードの基準方向からの角度を求めることができる。
【０１４０】
また、本実施の形態では、無線基地局および通信ノードに本発明を適用した例について説明したが、これに限定されるものではない。本発明は、無線通信装置が無線通信端末の方向を検出する無線通信システムで使用される、各種の無線通信装置地および無線通信端末に適用することができる。
【０１４１】
また、本実施の形態では、指向性アンテナの放射方向を被覆パスで往復させる例について説明したが、指向性アンテナの放射方向の変動のさせ方は、これに限定されるものではない。例えば、それぞれ高い指向性を有する複数のセクタアンテナを配置し、これらのセクタアンテナを順次切り替えてサーチトーンを送信した後に、その順序とは真逆の順序でセクタアンテナを切り替えてサーチトーンを送信するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
本発明に係る無線通信装置、無線通信端末、指向性アンテナ制御方法、および無線通信方法は、無線通信装置が無線通信端末の方向を検出する無線通信システムにおいて、通信可能圏を拡大し、かつ方向の検出を迅速に行うことができる無線通信装置、無線通信端末、指向性アンテナ制御方法、および無線通信方法として有用である。特に、本発明は、無指向性アンテナでは到達不能な遠距離通信の開始手順として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【図１】本発明の一実施の形態に係る通信システムの構成を示す図
【図２】本実施の形態に係る無線基地局の構成を示すブロック図
【図３】本実施の形態に係る無線基地局から送信されるスーパフレームの構成を示す図
【図４】本実施の形態に係る通信ノードの構成を示すブロック図
【図５】本実施の形態に係る無線基地局の全体動作を示すフローチャート
【図６】本実施の形態に係る無線基地局による指向性アンテナの指向性制御の様子を示す図
【図７】本実施の形態に係る通信ノードの全体動作を示すフローチャート
【図８】本実施の形態における時間パラメタおよび時間パラメタの算出手法について説明するための図
【図９】本実施の形態における三次元的な被覆パスの一例を示す図
【図１０】本実施の形態における三次元的な被覆パスの他の例を示す図
【図１１】本実施の形態における分割領域での被覆パスの一例を示す図
【図１２】本実施の形態における分割領域での被覆パスの他の例を示す図
【図１３】本実施の形態における二重被覆パスの場合の隣り合う電波照射範囲の位置関係の一例を示す図
【符号の説明】
【０１４４】
１００ 通信システム
２００ 無線基地局
２１０、３１０ アンテナ部
２２０、３２０ ＲＦ部
２３０、３３０ ＰＨＹ部
２４０、３４０ ＭＡＣ部
２５０、３７０ トーン送信部
２６０ 指向性制御部
２７０、３５０ トーン解析部
２８０ 指向性テーブル格納部
３００ 通信ノード
３６０ パラメタ算出部
３８０ パラメタ格納部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指向性の高い電波を用いて通信を行う無線通信装置と、無線通信装置と通信を行う無線通信端末と、無線通信装置の指向性アンテナの放射方向を制御する指向性アンテナ制御方法と、無線通信端末の無線通信方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線通信の分野において、利用帯域の大幅な拡大および高速通信への要求が高まっており、より広帯域な周波数帯であるマイクロ波帯やミリ波帯へのシフトが進んでいる。これらの周波数帯は、通常の電波に比べて電波の直進性が強いという特徴を有する。
【０００３】
ミリ波通信の通信方式は、現在、ＩＥＥＥ８０２.１５.３ｃにおいて規格化が進んでいる（非特許文献１参照）。ＩＥＥＥ８０２.１５.３ｃで検討されている通信方式では、まず、無線基地局（無線通信装置）が、オムニアンテナにより周囲にビーコンを送出し、このビーコンに対する応答として、無線通信圏内に位置する通信ノード（無線通信端末）が、電波を送出する。そして、無線基地局は、通信ノードから送出される電波の到来方向を計算し、計算した方向に指向性アンテナの電波の放射方向（以下単に「放射方向」という）を向ける。その状態で、無線基地局は、通信ノードに個別にビーコンを送信してスーパフレームを構成する。
【０００４】
このような、指向性の高い電波の放射方向を通信ノードに向ける方式によれば、高速もしくは長い通信距離での通信が実現可能であり、通信品質を向上させることが可能である。また、このような高品質な通信の実現は、現在のミリ波無線通信の課題でもある。
【０００５】
ところが、非特許文献１記載の技術では、実際には通信可能圏（カバレッジ）を十分に拡大することが困難であるという問題がある。
【０００６】
その理由は以下の通りである。ＩＥＥＥ８０２.１５.３ｃで検討されている規格方式では、通信サービスへの加入を試みる通信ノードから送信されるアソシエーションフレームを、電波の到来方向の計算に使用している。そして、通信ノードは、無線基地局のオムニアンテナから送信されるビーコンの受信を、このアソシエーションフレームを送信する契機としている。このビーコンは、当然ながら、オムニアンテナの無指向性の電波が到達する範囲外に位置する通信ノードには到達しない。したがって、この規格方式では、指向性アンテナで指向性を絞ったビーコンよりも長い距離に位置する通信ノードに対してアソシエーションを促すことは困難である。この結果、無線基地局の本来のカバレッジ（指向性を絞って電波を送受信する場合のカバレッジ）よりも大きい範囲での通信をサポートすることは困難である。
【０００７】
そこで、より広いカバレッジを実現するために、放射方向を細かく分割した論理的なセクタアンテナ（例えば特許文献１参照）を用いて、各セクタからアソシエーションの契機となるビーコンを送信することが考えられる。すなわち、ビーコンを送信すべき全方位を、複数の指向性アンテナの電波照射範囲で覆い、セクタを切り替えながら順次ビーコンを送信して応答の電波を受信するか否かを判断することが考えられる。これにより、無線基地局の本来のカバレッジでの通信をサポートすることが可能となる。
【特許文献１】特開２００７−０２８５６０号公報
【非特許文献１】ＩＥＥＥ標準 Part15.3c Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for High Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) 会議資料 "Unified and flexible millimeter wave WPAN systems supported by common mode"
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、指向性が鋭い電波を用いた指向性アンテナによって、オムニアンテナによるアソシエーションについて、同様なことを行う場合、通信ノードが位置する方向を検出するまでに時間が掛かるという問題がある。なぜなら、電波の広がりが少ないためにセクタの数が多く必要となる一方で、セクタごとに通信ノードに基地局の検出をさせるための一連の手順として、フレーム交換シーケンスが必要なことから、時間的にかなりのオーバヘッドが生じるためである。そこで、指向性があまり先鋭ではない電波を用いてセクタの数を抑えることも考えられるが、カバレッジの広さが犠牲となる。すなわち、従来技術では、通信可能圏の拡大と、他の通信ノードの方向の迅速な検出とを両立させることは難しい。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、無線通信装置が無線通信端末の方向を検出する無線通信システムにおいて、通信可能圏を拡大し、かつ方向の検出を迅速に行うことができる無線通信装置、無線通信端末、指向性アンテナ制御方法、および無線通信方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の無線通信装置は、指向性アンテナと、前記指向性アンテナの放射方向を制御する指向性制御部と、前記指向性アンテナを用いて、無線通信端末をサーチするためのサーチトーンを送信するトーン送信部と、を有し、前記指向性制御部は、前記指向性アンテナの放射方向を所定の複数の方向に順次変動させた後に、その順序とは真逆の順序で前記指向性アンテナの放射方向を変動させる構成を採る。
【００１１】
本発明の無線通信端末は、放射方向が所定の複数の方向に順次変動した後にその順序とは真逆の順序で変動する指向性アンテナを用いてサーチトーンを送信する無線通信装置から、前記サーチトーンを受信するトーン受信部と、前記トーン受信部によって前記サーチトーンが２回受信された場合、その受信間隔に関する情報を算出する算出部と、前記算出部によって算出された受信間隔に関する情報を含む応答トーンを、前記無線通信装置に送信するトーン送信部とを有する構成を採る。
【００１２】
本発明の指向性アンテナ制御方法は、無線通信装置が無線通信端末をサーチするためのサーチトーンの送信に用いられる指向性アンテナの放射方向を所定の複数の方向に順次変動させる第１のステップと、前記第１のステップにおける前記指向性アンテナの放射方向の変動の順序とは真逆の順序で前記指向性アンテナの放射方向を変動させる第２のステップとを有するようにした。
【００１３】
本発明の無線通信方法は、放射方向が所定の複数の方向に順次変動した後に、その順序とは真逆の順序で変動する、指向性アンテナを用いて、無線通信端末をサーチするためのサーチトーンを送信する無線通信装置から、前記サーチトーンを受信するトーン受信ステップと、前記トーン受信ステップで前記サーチトーンを２回受信した場合、その受信間隔に関する情報を算出する算出ステップと、前記算出ステップで算出した受信間隔に関する情報を含む応答トーンを、前記無線通信装置に送信するトーン送信ステップとを有するようにした。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、無線通信装置は、指向性アンテナの放射方向を所定の複数の方向に順次変動させた後に、その順序とは真逆の順序で変動させてサーチトーンを送信し、無線通信端末は、無線通信装置から受信した２回のサーチトーンの受信間隔に関する情報を無線通信装置に送信する。これにより、無線通信装置は、放射方向の変動と受信間隔に関する情報とから、無線通信端末の方向を検出することができる。すなわち、無線通信装置が無線通信端末の方向を検出する通信システムにおいて、指向性電波を用いた簡単な処理によって無線通信端末の方向を検出することができるため、通信可能圏を拡大し、かつ方向の検出を迅速に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る通信システムの構成を示す図である。
【００１７】
図１において、通信システム１００は、本発明に係る無線通信装置である無線基地局２００と、本発明に係る無線通信端末である通信ノード３００とを有する。無線基地局２００は、インターネット等の有線通信ネットワーク（図示せず）に接続している。通信ノード３００は、無線基地局２００との間でアソシエーションを確立することによって、無線基地局２００を介して有線通信ネットワークと接続することが可能となっている。
【００１８】
無線基地局２００は、指向性の電波によるミリ波ＵＷＢ（Ultra WideBand）無線通信のピコネットコントローラ機能を備えており、指向性アンテナを用いて、ミリ波の到達範囲である通信可能圏４１０に進入した通信ノード３００のサーチを行う。より具体的には、無線基地局２００は、指向性アンテナの放射方向を、一定の角速度で水平面上に３６０度の方向に往復回転させながら、ミリ波によりサーチトーンを送信する。そして、無線基地局２００は、このサーチトーンを受信した通信ノード３００から返信される応答トーンに基づいて、通信ノード３００のサーチを行う。以下、通信ノード３００の方向の検出を行うべき範囲（以下「検出対象範囲」という。ここでは水平面上の全周方向）の全てを、指向性アンテナの一連の動作でカバーするようなミリ波射出方向履歴のうち最短のものを、適宜「被覆パス」という。なお、図１においては、被覆パスは、通信可能圏４１０と同じである。
【００１９】
通信ノード３００は、無線基地局２００から送信されるサーチトーンを受信し、サーチトーンを２回受信したとき、応答トーンを無線基地局２００に返信する。より具体的には、通信ノード３００は、無線基地局２００が指向性アンテナの放射方向を往復回転させる際に、その往路と復路とでサーチトーンを２回受信する。そして、通信ノード３００は、その受信間隔に関する情報と自ノードの識別情報（ＩＤ：IDentifier）とを含む応答トーンを、無線基地局２００に送信する。
【００２０】
サーチの手順としては、まず、無線基地局２００が、指向性アンテナの電波照射範囲４２０を、往路として基準方向４３０を基点として所定の方向（以下「正方向」といい、これとは逆の方向を「逆方向」という）に３６０度回転させ（Ｓ１１００）、その後に復路として逆方向に３６０度回転させる（Ｓ１２００）。この結果、電波照射範囲４２０は被覆パスにおいて通信ノード３００の位置を往復で２回通過することになり、通信ノード３００は、この２回の通過タイミングにおいてサーチトーンを２回受信することになる。
【００２１】
また、電波照射範囲４２０は、上述したように一定の角速度で往復する。したがって、被覆パス上の往路でサーチトーンが受信されるタイミングから被覆パス上の往復が切り替わるタイミングまでの時間長さと、被覆パス上の往復が切り替わるタイミングから被覆パス上の復路でサーチトーンが受信されるタイミングまでの時間長さは、通信ノード３００の位置にかかわらず等しい。また、被覆パス上の往復が切り替わる方向は、基準方向４３０に一致する。したがって、通信ノード３００における２回のサーチトーンの受信間隔を半分にした時間長さと、電波照射範囲４２０の角速度とを乗算し、基準方向４３０から逆方向に乗算結果の角度だけ回転させた方向を、通信ノード３００の方向として算出することができる。
【００２２】
そこで、通信ノード３００は、２回のサーチトーンの受信間隔、この受信間隔を半分にした時間長さ、またはこの時間長さと電波照射範囲４２０の角速度との積のいずれかを算出し、算出結果を無線基地局２００に送信する（Ｓ１３００）。
【００２３】
そして、無線基地局２００は、通信ノード３００から受信したサーチトーンの受信間隔に関する情報と、基準方向４３０とに基づいて通信ノード３００の方向を決定し、決定した方向に電波照射範囲４２０を向けて、アソシエーションを開始する（Ｓ１４００）。
【００２４】
このような通信システム１００によれば、無線基地局２００は、指向性の高い電波を用いて、カバレッジの広いサーチを行うことができる。しかも、無線基地局２００は、放射方向を回転させながらサーチトーンを送信し、これに対応して通信ノード３００から返信される情報に基づいて通信ノード３００の方向を決定するので、セクタごとに順次サーチを行う場合に比べて、より素早くサーチを完了することができる。
【００２５】
以下、通信ノード３００は、サーチトーンの受信間隔に関する情報として、２回のサーチトーンの受信間隔を半分にした時間長さを示す時間パラメタを送信するものとして説明を行う。
【００２６】
次に、無線基地局２００の構成の構成について説明する。
【００２７】
図２は、無線基地局２００の構成を示すブロック図である。
【００２８】
図２において、無線基地局２００は、アンテナ部２１０、ＲＦ（Radio Frequency）部２２０、ＰＨＹ（PHysical Layer）部２３０、ＭＡＣ（Media Access Control）部２４０、トーン送信部２５０、指向性制御部２６０、トーン解析部２７０、および指向性テーブル格納部２８０を有する。
【００２９】
アンテナ部２１０は、少なくとも水平面上で３６０度の方向に放射方向を制御可能な指向性アンテナを有し、電波の送受信を行う。
【００３０】
ＲＦ部２２０は、アンテナ部２１０を用いてミリ波の送受信を行う。
【００３１】
ＰＨＹ部２３０は、ＲＦ部２２０のミリ波の送受信を制御する。
【００３２】
ＭＡＣ部２４０は、アプリケーション部（図示せず）からの指示を受け、ＰＨＹ部２３０、ＲＦ部２２０、およびアンテナ部２１０を介して、ビーコンを利用したスーパフレームの送受信を行う。
【００３３】
トーン送信部２５０は、ＲＦ部２２０およびアンテナ部２１０を介してサーチトーンの送信を行う。より具体的には、トーン送信部２５０は、ＭＡＣ部２４０により送信されるスーパフレームの所定の区間で、サーチトーンを送信する。
【００３４】
図３は、無線基地局２００から送信されるスーパフレームの構成を示す図である。
【００３５】
図３に示すように、無線基地局２００から送信されるスーパフレーム５００は、同期トーン区間５１０、個別ビーコン区間５２０、およびデータ通信スロット区間５３０により構成される。
【００３６】
同期トーン区間５１０は、サーチを行い、無線基地局２００と通信ノード３００との間でスーパフレームの同期を取るための区間である。同期トーン区間５１０は、固定長であり、正サーチトーン区間５１１、逆サーチトーン区間５１２、および個別ビーコン要求区間５１３により構成される。
【００３７】
正サーチトーン区間５１１は、無線基地局２００の電波照射範囲４２０が正方向に回転する時間に対応する区間である。逆サーチトーン区間５１２は、無線基地局２００の電波照射範囲４２０が逆の方向に回転する時間に対応する区間である。逆サーチトーン区間５１２は、正サーチトーン区間５１１の後に連続して配置され、正サーチトーン区間５１１と同一長さとなっている。正サーチトーン区間５１１から逆サーチトーン区間５１２に切り替わる点は、図１に示す基準方向に対応する基準点５１４であり、通信ノード３００と無線基地局２００とのフレーム同期の基準として用いられる。個別ビーコン要求時間５１３は、通信ノード３００から返信される応答トーンを受信する区間である。
【００３８】
トーン送信部２５０は、正サーチトーン区間５１１および逆サーチトーン区間５１２の全区間において、連続するサーチトーンを生成して送信する。以下、適宜、正サーチトーン区間５１１に送信されるサーチトーンを「正サーチトーン」といい、逆サーチトーン区間５１２に送信されるサーチトーンと「逆サーチトーン」という。
【００３９】
個別ビーコン区間５２０は、無線基地局２００と通信ノード３００との間で個別の各種制御情報を送受信するための区間である。個別ビーコン区間５２０は、可変長であり、１つまたは複数の個別スロット５２１により構成されている。個別スロット５２１は、アソシエーションが確立し無線基地局２００が提供する通信サービスへの加入済みのデバイス（以下「既加入ノード」という）と、応答トーンの送信元である上記通信サービスへの新規加入のデバイス（以下「新規加入ノード」という）に対して設けられる。個々の個別スロット５２１は、それぞれ個別ビーコンスロット５２２および個別要求スロット５２３により構成される。個別スロット５２１は、通信ノード３００に対する個別のビーコン送信に用いられる。個別要求スロット５２３は、通信ノード３００からの個別の要求受信に用いられる。
【００４０】
データ通信スロット区間５３０は、無線基地局２００と既加入ノードとの間で各種データを送受信するための区間である。データ通信スロット区間５３０は、個別ビーコン区間５２０の長さとの関係でスーパフレーム５００全体の長さが一定となる長さの範囲内で、１つまたは複数のデータ通信スロット５３１を含む。データ通信スロット５３１は、既加入ノードとの間での個別のデータ送受信に用いられる。各データ通信スロット５３１は、時間軸上で排他的に配置されてもよいが、個別に分離可能であれば、図３に示すように時間軸上で重なって配置されてもよい。
【００４１】
図２の指向性制御部２６０は、ＭＡＣ部２４０が送受信するスーパフレーム５００に同期して、ビームフォーミング、つまりアンテナ部の放射方向の制御を行う。より具体的には、指向性制御部２６０は、スーパフレーム５００の正サーチトーン区間５１１の開始時刻から、正サーチトーン区間５１１の時間長さで３６０度回転する角速度で、アンテナ部２１０の電波照射範囲４２０を回転させる。また、指向性制御部２６０は、スーパフレーム５００の逆サーチトーン区間５１２の開始時刻から、逆サーチトーン区間５１２の時間長さで３６０度回転する角速度で、アンテナ部２１０の電波照射範囲４２０を回転させる。したがって、電波照射範囲４２０の回転の往復が切り替わる時刻（以下「基準時刻」という）は、スーパフレーム５００の基準点５１４と一致し、電波照射範囲４２０の回転の１往復が終了する時刻は、逆サーチトーン区間５１２の終了時刻と一致する。また、正サーチトーン区間５１１のサーチ時間と、逆サーチトーン区間５１２のサーチ時間は、一致する。なお、無線基地局２００は、電波照射範囲４２０の角速度が先に決定される場合には、正サーチトーン区間５１１および逆サーチトーン区間５１２の時間長さを、電波照射範囲４２０が３６０度回転するのに要する時間と一致するように設定してもよい。
【００４２】
トーン解析部２７０は、通信ノード３００から送信される応答トーンを受信し、受信した応答トーンに含まれる時間パラメタを解析して、通信ノード３００の方向を決定する。そして、決定結果に基づいて、サーチが完了した通信ノード３００の方向を記述する指向性テーブルを作成または更新する。
【００４３】
指向性テーブル格納部２８０は、上述の指向性テーブルを格納する。指向性テーブルは、ＭＡＣ部２４０によって、通信ノード３００と個別に通信を行う際にその通信ノードに電波照射範囲４２０を向けるために参照される。
【００４４】
無線基地局２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを格納したＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶媒体、およびＲＡＭ（Random Access Memory）等の作業用メモリを有する（いずれも図示せず）。すなわち、ＣＰＵが制御プログラムを実行することで、上記した無線基地局２００の各部の機能は実現される。
【００４５】
このような構成を有する無線基地局２００によれば、指向性電波の放射方向を一定の角速度で往復回転させながらサーチトーンを送信し、このサーチトーンを受信した通信ノード３００から返信される応答トーンに基づいて、通信ノード３００のサーチを行うことができる。
【００４６】
次に、通信ノード３００の構成の構成について説明する。
【００４７】
図４は、通信ノード３００の構成を示すブロック図である。
【００４８】
図４において、通信ノード３００は、アンテナ部３１０、ＲＦ部３２０、ＰＨＹ部３３０、ＭＡＣ部３４０、トーン解析部３５０、パラメタ算出部３６０、トーン送信部３７０、およびパラメタ格納部３８０を有する。
【００４９】
アンテナ部３１０は、無指向性アンテナを有し、電波の送受信を行う。
【００５０】
ＲＦ部３２０は、アンテナ部３１０を用いて、無線基地局２００から送信されるミリ波の受信を含む無線信号の送受信を行う。
【００５１】
ＰＨＹ部３３０は、ＲＦ部３２０のミリ波の送受信を制御する。
【００５２】
ＭＡＣ部３４０は、アプリケーション部（図示せず）からの指示を受け、ＰＨＹ部３３０、ＲＦ部３２０、およびアンテナ部３１０を介して、ビーコンを利用したスーパフレームの送受信を行う。
【００５３】
トーン解析部３５０は、アンテナ部３１０の受信信号を解析し、無線基地局２００から送信される正サーチトーンおよび逆サーチトーンの受信を検出する。
【００５４】
パラメタ算出部３６０は、トーン解析部３５０によって検出された正サーチトーンおよび逆サーチトーンの受信間隔から、時間パラメタおよび基準時刻を算出し、これらのうち基準時刻をＭＡＣ部３４０に出力する。この基準時刻は、ＭＡＣ部３４０で、スーパフレームの同期に用いられる。
【００５５】
トーン送信部３７０は、パラメタ算出部３６０によって算出された時間パラメタを含む応答トーンを生成する。そして、トーン送信部３７０は、無線基地局２００からのサーチトーンに対する応答として、つまりアソシエーションの要求として、生成した応答トーンを、ＲＦ部３２０およびアンテナ部３１０を介して無線基地局２００に送信する。
【００５６】
パラメタ格納部３８０は、パラメタ算出部３６０で算出された時間パラメタの履歴を格納する。時間パラメタの履歴は、前回時間パラメタの送信を行ってから自ノードが大きく移動したか否か、つまり無線基地局２００が決定した方向から実際の自ノードの方向がずれたか否かを判断するために参照される。
【００５７】
通信ノード３００は、ＣＰＵ、制御プログラムを格納したＲＯＭ等の記憶媒体、およびＲＡＭ等の作業用メモリを有する（いずれも図示せず）。すなわち、ＣＰＵが制御プログラムを実行することで、上記した通信ノード３００の各部の機能は実現される。
【００５８】
このような構成を有する通信ノード３００によれば、無線基地局２００に対して時間パラメタを送信し、自ノードのサーチを行わせることができる。
【００５９】
以下、上記構成を有する無線基地局２００および通信ノード３００の動作について詳細に説明する。まず、無線基地局２００の動作について説明する。
【００６０】
図５は、無線基地局２００の全体動作を示すフローチャートである。
【００６１】
まず、ステップＳ２１００で、無線基地局２００は、スーパフレーム５００の正サーチトーン区間５１１に、電波照射範囲４２０を正方向に回転させながら正サーチトーンを送信する。
【００６２】
そして、ステップＳ２２００で、無線基地局２００は、スーパフレーム５００の逆サーチトーン区間５１２に、電波照射範囲４２０を逆方向に回転させながら逆サーチトーンを送信する。
【００６３】
図６は、上記したステップＳ２１００無線基地局２００による指向性アンテナの指向性制御の様子を示す図である。
【００６４】
図６に示すように、無線基地局２００の通信可能圏４１０に、新たに第１および第２の通信ノード３００−１、３００−２が進入した場合を想定する。この場合、無線基地局２００は、第１および第２の通信ノード３００−１、３００−２のそれぞれと個別ビーコンでアソシエーションを結ぶ関係の構築を試みる。
【００６５】
無線基地局２００は、図８に示すように、スーパフレーム５００の終盤、厳密にはスーパフレーム５００の基準点５１４から正サーチトーン区間５１１のサーチ時間Ｔだけ前に遡った時刻から、正サーチトーンの送信を開始する。つまり、スーパフレーム５００は、基準点５１４から開始する。そして、無線基地局２００は、アンテナ部２１０の放射方向４４０を、被覆パスの経路上を、ある一定の角速度を超えずに移動するように制御する。
この一定の角速度は、例えば、通信ノード３００でトーンを検出することが可能な角速度の最大値である。放射方向４４０の角速度は、基準時刻に対して時間軸上で対称であれば良いが、ここでは、無線基地局２００は、被覆パスの経路上を正方向に一定の角速度ωで移動するように、アンテナ部２１０の放射方向４４０を制御するものとする。正サーチトーン区間５１１における、放射方向４４０の基準方向４３０を基準とした正方向における角度θは、正サーチトーン区間５１１の開始時刻からの経過時間ｔと、角速度ωとから、以下の式（１）で表わすことができる。
【００６６】
θ ＝ ωｔ （０≦ｔ≦Ｔ） ・・・・・・（１）
【００６７】
そして、無線基地局２００は、スーパフレーム５００の基準点５１４で逆サーチトーンに切り替え、被覆パスの経路上を逆方向に一定の角速度ωで移動するように、アンテナ部２１０の放射方向４４０を制御する。逆サーチトーン区間５１２における、放射方向４４０の基準方向４３０を基準とした正方向における角度θは、正サーチトーン区間５１１の開始時刻からの経過時間ｔと、角速度ωとから、以下の式（２）で表わすことができる。
【００６８】
θ ＝ ω（２Ｔ−ｔ） （Ｔ≦ｔ≦２Ｔ） ・・・・・・（２）
【００６９】
通信可能圏４１０が、無線基地局２００を中心とした半径Ｌの円周の内部であるとすると、この円周のうち電波照射範囲４２０が一時に被覆する部分である部分円周は、基準方向４３０を基準とした角度θにより、角度θの関数Ｃ（θ）＝Ｃ（ωｔ）として表わすことができる。したがって、無線基地局２００は、アンテナ部２１０の放射方向を被覆パスの方向に制御して全周方向に向けることで、アンテナ部２１０指向性を制御することができる範囲内の全ての方向に、ある一定時間以上、トーンを送信し続けることができる。ある方向にトーンが連続して送信される時間Ｔｃは、部分円周の角度θｒを用いて、以下の式（３）で表わすことができる。
【００７０】
Ｔｃ ＝ θｒ／ω ・・・・・・（３）
【００７１】
したがって、通信ノード３００は、自己の位置を電波照射範囲４２０が通過する区間だけ、無線基地局２００から送信されるサーチトーンを受信でき、その区間で搬送波の受信強度が高くなる。また、放射方向４４０が通信ノード３００の方向に一致するときに、搬送波の受信強度はピークを取る。図６に示す例では、第１の通信ノード３００−１と第２の通信ノード３００−２は、基準方向４３０に対して異なる角度の方向に位置しているため、それぞれ異なる時刻で搬送波の受信強度のピークを検出することになる。
【００７２】
図５のステップＳ２３００で、無線基地局２００は、スーパフレーム５００の個別ビーコン要求区間５１３に、電波照射範囲４２０を反復させて、通信ノード３００から応答トーンを受信したか否かを判断する。無線基地局２００は、個別ビーコン要求区間５１３にて、応答トーンを受信しなかった場合には（Ｓ２３００：ＮＯ）、ステップＳ２４００に進む。
【００７３】
ステップＳ２４００で、無線基地局２００は、既にアソシエーションが完了している既加入ノードがあれば、スーパフレーム５００の個別ビーコン区間５２０およびデータ通信スロット区間５３０を用いて、その既加入ノードとの通信を行う。具体的には、無線基地局２００は、例えば、各既加入ノードに対し、その既加入ノードに割り当てた個別スロット５２１にて、既に使用されているデータ通信スロット区間５３０の情報と、自身が行うデータ送受信のタイミングの情報とを、既加入ノードに送信する。
【００７４】
そして、ステップＳ２５００で、無線基地局２００は、既加入ノードから個別スロット５２１にて時間パラメタを受信したか否かを判断し、受信していない場合には（Ｓ２５００：ＮＯ）、ステップＳ２６００に進む。
【００７５】
ステップＳ２６００で、無線基地局２００は、通信ノード３００との通信を継続するか否かを判断し、継続する場合には（Ｓ２６００：ＹＥＳ）、ステップＳ２１００に戻る。この結果、処理は、次のスーパフレーム５００に移ることになる。
【００７６】
一方、無線基地局２００は、ステップＳ２３００で、個別ビーコン要求区間５１３にて時間パラメタを受信した場合には（Ｓ２３００：ＹＥＳ）、ステップＳ２７００に進む。
【００７７】
ステップＳ２７００で、無線基地局２００は、受信した応答トーンから時間パラメタを取得し、取得した時間パラメタから、応答トーンの送信元の通信ノード３００、つまり新規加入ノードの方向を決定する。より具体的には、無線基地局２００は、取得した時間パラメタＴｐと電波照射範囲４２０の角速度ωから、例えば以下の式（４）を用いて、逆の方向における基準方向４３０からの角度Θを算出する。
【００７８】
Θ ＝ ωＴｐ ・・・・・・（４）
【００７９】
そして、無線基地局２００は、基準方向４３０に対して、逆サーチトーン区間５１２における電波照射範囲４２０の回転方向に算出した角度だけ回転させた方向を、新規加入ノードの方向と判断する。
【００８０】
そして、ステップＳ２８００で、無線基地局２００は、決定した通信ノード３００の方向を、その通信ノード３００の識別情報棚と対応付けて指向性テーブルに記述し、その後、新規加入ノードとのアソシエーションを開始し、ステップＳ２４００に進む。より具体的には、無線基地局２００は、まず、スーパフレーム５００に新規加入ノード用の個別スロット５２１を設定する。
【００８１】
以降の通信において、無線基地局２００は、新規加入ノードとの間で通信を行う際に、その新規加入ノードが位置する方向として決定した方向に電波照射範囲４２０が向くように、アンテナ部２１０の放射方向を制御する。また、無線基地局２００は、応答トーンを受信したスーパフレーム５００の次のスーパフレーム５００の新規に設定された個別スロット５２１にて、個別ビーコンとアソシエーションの要求を受け付けるための基本的な情報とを、応答トーンの送信元に送信する。
【００８２】
また、無線基地局２００は、ステップＳ２５００で、既加入ノードから個別スロット５２１にて時間パラメタを受信した場合には（Ｓ２５００：ＹＥＳ）、ステップＳ２９００に進む。
【００８３】
ステップＳ２９００で、無線基地局２００は、受信した時間パラメタに基づいて、その既加入ノードの方向を再決定し、再決定結果で指向性テーブルを更新して、ステップＳ２６００に進む。
【００８４】
通信ノード３００が、無線基地局２００が決定した方向から大きく移動した場合、無線基地局２００からの送信信号が通信ノード３００に届かなくなるおそれがある。そこで、後述するように、通信ノード３００は、大きく移動した場合に、変化した時間パラメタを個別スロット５２１にて無線基地局２００に送信する。これにより、無線基地局２００は、通信ノード３００がアソシエーション開始時から移動しても、通信ノード３００の方向を正しく検出することができる。なお、無線基地局２００は、受信した応答トーンの指向性情報（例えば、到来方向推定によって求められる送信方向に対応する時間パラメタ）が、受信された指向性情報（時間パラメタ）と異なる場合には、その既加入ノードとの通信において、受信と送信とで個別に指向性制御を行ってもよい。
【００８５】
そして、無線基地局２００は、処理の停止を指示されるなどして、通信ノード３００との通信を停止すると判断した場合には（Ｓ２６００：ＮＯ）、一連の処理を終了する。
【００８６】
このように、無線基地局２００は、各スーパフレーム５００で、アンテナ部２１０の放射方向を、所定の複数の方向に順次変動させた後に、その順序とは真逆の順序で変動させてサーチトーンを送信し、返信される時間パラメタに基づいて通信ノード３００のサーチを行うことができる。
【００８７】
次に、通信ノード３００の動作について説明する。
【００８８】
図７は、通信ノード３００の全体動作を示すフローチャートである。
【００８９】
まず、ステップＳ３１００で、通信ノード３００は、無線基地局２００から送信されるサーチトーンの受信を開始する。
【００９０】
そして、ステップＳ３２００で、通信ノード３００は、搬送波の受信強度を見て、ほぼ同じ高さのピークを２つ検出したか否かを判断する。ほぼ同じ高さのピークを２つ検出していない場合には（Ｓ３２００：ＮＯ）、ステップＳ３３００に進む。
【００９１】
ステップＳ３３００で、通信ノード３００は、無線基地局２００との通信を継続するか否かを判断し、継続する場合には（Ｓ３３００：ＹＥＳ）、ステップＳ３２００に戻る。
【００９２】
一方、通信ノード３００は、ほぼ同じ高さのピークを２つ検出した場合には（Ｓ３２００：ＹＥＳ）、ステップＳ３４００に進む。なお、この検出間隔には、正サーチトーン区間５１１および逆サーチトーン区間５１２の時間長さよりも長く、スーパフレーム５００の残りの時間長さよりも短い時間で、タイムアウトを設定しておくことが望ましい。これにより、異なるスーパフレーム５００にまたがって２つのピークが検出されるのを防ぐことができる。
【００９３】
ステップＳ３４００で、通信ノード３００は、検出した２つのピークの時刻から、時間パラメタを算出する。より具体的には、通信ノード３００は、２つのピークの時間差を半分にした時間長さ、または検出した２つのピークの中間の時刻と１つ目または２つ目のピークとの時間差を時間パラメタとして算出する。
【００９４】
図８は、時間パラメタおよび時間パラメタの算出手法について説明するための図である。
【００９５】
図８に示すように、通信ノード３００では搬送波の電界強度５４０が検出される。電界強度５４０は、無線基地局２００から送信されるスーパフレーム５００の正サーチ区間５１１および逆サーチ区間５１２で、ピーク５４１、５４２を取る。これらピーク５４１、５４２は、時間軸上に、スーパフレーム５００の基準点５１４を挟んで線対称に配置される（電界強度５４０の他の極大極小値も同様に線対称となる）。
【００９６】
ピーク５４１、５４２の中間の時刻は、通信ノード３００がどの方向に位置するかに関係なく、常に無線基地局２００が設定する基準時刻ｔ０と一致する。したがって、通信ノード３００は、例えば、以下の式（５）を用いて、基準時刻ｔ０を算出し、算出した基準時刻ｔ０を用いて自ノードのフレーム同期を行う。
【００９７】
ｔ０ ＝ （ｔ１＋ｔ２）／２ ・・・・・・（５）
【００９８】
また、既に説明したように、１つ目のピークの時刻ｔ１は、無線基地局２００の放射方向４４０が被覆パスの往路で自ノードの方向に一致した時刻であり、２つ目のピークの時刻ｔ２は、無線基地局２００の放射方向４４０が被覆パスの復路で自ノードの方向に一致した時刻である。すなわち、時間パラメタＴｐは、無線基地局２００の放射方向４４０が往路で通信ノード３００に向いてから基準方向４３０に向くまでに要した時間と一致する。このような時間パラメタＴｐを無線基地局２００に送信することにより、無線基地局２００側で、例えば上記した式（４）から、通信ノード３００の方向を決定することが可能となる。したがって、通信ノード３００は、例えば、以下の式（６）を用いて、時間パラメタＴｐを算出する。
【００９９】
Ｔｐ＝ｔ０−ｔ１＝（ｔ２−ｔ１）／２ ・・・・・・（６）
【０１００】
図７のステップＳ３５００で、通信ノード３００は、算出した時間パラメタを、応答トーンに変調しスーパフレーム５００の個別ビーコン要求区間５１３の全てを使用して送信し続けるとともに、無線基地局２００に送信した時間パラメタとして記録する。
【０１０１】
なお、無線基地局２００からみて同じ方向に複数の新規加入ノードが位置し、これら複数の新規加入ノードから送信される応答トーンが衝突することが起こり得る。この場合、無線基地局２００側にいずれの新規加入ノードからの応答トーンも正しく受信されず、次のスーパフレームで新規の個別ビーコンは送信されない。したがって、通信ノード３００は、応答トーンを送信した次のスーパフレームで個別ビーコンを受信しない場合には、バックオフ（乱数に応じた待機時間）をかけて別のスーパフレームにてアソシエーション開始を再チャレンジする。
【０１０２】
そして、ステップＳ３６００で、通信ノード３００は、無線基地局２００との通信を開始する。より具体的には、通信ノード３００は、無線基地局２００によって設定された自ノード用の個別スロット５２１を用いて、アソシエーションを開始する。以降の通信において、無線基地局２００が、通信ノード３００にビーコンを送信するときに通信ノード３００の方向に電波照射範囲４２０を向けることは、既に説明した通りである。
【０１０３】
そして、ステップＳ３７００で、通信ノード３００は、ステップＳ３２００と同様に、搬送波の受信強度にほぼ同じ高さのピークを２つ検出したか否かを判断し、ほぼ同じ高さのピークを２つ検出した場合には（Ｓ３７００：ＹＥＳ）、ステップＳ３８００に進む。
【０１０４】
ステップＳ３８００で、通信ノード３００は、ステップＳ３４００と同様に、ステップ検出した２つのピークの時刻から、時間パラメタを算出する。
【０１０５】
そして、ステップＳ３９００で、通信ノード３００は、無線基地局２００に送信した時間パラメタとして前回記録した時間パラメタと、今回算出した時間パラメタとを比較し、その差分が所定値以上であるか否かを判断する。通信ノード３００は、時間パラメタの差分が所定値未満の場合には（Ｓ３９００：ＮＯ）、ステップＳ４０００に進む。
【０１０６】
つまり、通信ノード３００が、無線基地局２００が決定した方向から大きく移動した場合、無線基地局２００からの送信信号が通信ノード３００で受信されないおそれがある。したがって、このように時間パラメタの差分を所定値と比較することにより、無線基地局２００に対して方向の再決定を行わせるべきか否かを判断することができる。所定値は、例えば、無線基地局２００の電波照射範囲４２０の角度（図６における部分円周の角度θｒ）の半分の角度を放射方向４４０の角速度ωで除した値とすればよい。なお、所定値は、システムによって、最適値が存在する値である。
【０１０７】
ステップＳ４０００で、通信ノード３００は、既加入ノードとして、スーパフレーム５００の個別ビーコン区間５２０およびデータ通信スロット区間５３０を用いて、無線基地局２００との通信を行う。具体的には、通信ノード３００は、例えば、無線基地局２００に対し、自ノードに割り当てられた個別スロット５２１にて、データ通信スロット区間５３０の追加、変更、および廃棄などの要求を、無線基地局２００に送信する。
【０１０８】
そして、ステップＳ４１００で、通信ノード３００は、無線基地局２００との通信を継続するか否かを判断し、継続する場合には（Ｓ４１００：ＹＥＳ）、ステップＳ３７００に戻る。
【０１０９】
一方、ステップＳ３８００で算出した時間パラメタの差分が所定値以上である場合には（Ｓ３９００：ＹＥＳ）、ステップＳ４２００に進む。
【０１１０】
ステップＳ４２００で、通信ノード３００は、自ノードに割り当てられた個別スロット５２１にて、算出した時間パラメタを無線基地局２００に送信するとともに、無線基地局２００に送信した時間パラメタとして記録して、ステップ４０００に進む。これにより、無線基地局２００で、通信ノード３００の方向が再決定される。
【０１１１】
そして、通信ノード３００は、処理の停止を指示されるなどして無線基地局２００との通信を停止すると判断した場合には（Ｓ３３００：ＮＯ、Ｓ４１００：ＮＯ）、一連の処理を終了する。
【０１１２】
このように、通信ノード３００は、無線基地局２００からサーチトーンのピークを２回受信したとき、その２つのピークの時間差を半分にした時間長さである時間パラメタを算出して、算出した時間パラメタを無線基地局２００に送信することができる。また、通信ノード３００は、サーチトーンのピークを２回受信したときに、迅速に無線基地局２００とのフレーム同期を取ることができる。
【０１１３】
このような無線基地局２００および通信ノード３００によれば、無線基地局２００は、指向性電波を用いた簡単な処理により、通信ノード３００の方向を検出することができる。
【０１１４】
なお、無線基地局２００の被覆パスは、放射方向が３６０度よりも少ない角度範囲や水平面以外の平面で変動するものであってもよく、放射方向が三次元的に変動するものであってもよい。また、被覆パスの開始点および終了点と往復の切り替わり点とは、異なる方向に位置していてもよい。更に、検出対象範囲を複数の領域に分割し、分割領域のそれぞれで被覆パスを設定してもよい。ただし、１つの被覆パスは、放射方向が往復路で同じルートを辿る必要があることから、一筆書きが可能な線を形成している必要がある。
【０１１５】
以下、検出対象範囲が無線基地局２００を中心とした半球面（以下単に「半球面」という）である場合の、被覆パスのバリエーションについて、図９〜図１２を用いて説明する。以下に説明する図９〜図１２では、被覆パスを電波照射範囲の包絡線を用いて示し、被覆パスの往路または復路における放射方向の変動方向を矢印で示す。
【０１１６】
図９は、半球面において渦巻形状を形成する被覆パスの一例を示す図である。図９では、半球面を上方から見たときの状態で、被覆パスを示す。
【０１１７】
半球面４５０のうち、電波照射範囲が同時に被覆する部分である部分球面は、方位角θａと基準方向に対する仰角φとの関数Ｓ（θａ，φ）として表わすことができる。したがって、被覆パスの往路は、部分球面Ｓ｛θａ（ｔ），φ（ｔ）｝を、その０≦ｔ≦Ｔにおける和集合が半球面４５０に一致するように、設定すればよい。そして、被覆パスの復路は、Ｔ≦ｔ≦２Ｔにおいて、部分球面Ｓ｛θａ（２Ｔ−ｔ），φ（２Ｔ−ｔ）｝を実現するように、指向性を制御すればよい。
【０１１８】
図９において、半球面４５０における被覆パス４６０は、渦巻状となっており、開始点Ｐｓを無線基地局２００の水平方向に、往復の切り替わり点Ｐｃを無線基地局２００の真上方向に置いている。このような被覆パス４６０においても、通信ノード３００で正サーチトーンの受信時刻から基準時刻までの時間長さと基準時刻から逆サーチトーンの受信時刻までの時間長さは同一となる。また、無線基地局２００では、被覆パス４６０における放射方向の変動の制御と、通信ノード３００で算出される時間パラメタとから、通信ノード３００の三次元方向を検出することができる。すなわち、図９に示す被覆パスによれば、渦巻状無線基地局２００における通信ノード３００の方向の検出と、無線基地局２００と通信ノード３００と間のフレーム同期とを、正しく行うことができる。
【０１１９】
図１０は、半球面において渦巻形状を形成する被覆パスの他の例を示す図である。図１０では、半球面を斜め上方から見たときの状態で被覆パスを示す。
【０１２０】
図１０において、半球面４５０における被覆パス４６０は、図９に示す被覆パス４６０と類似しているが、仰角を段階的に増加させた形状となっている。図１０に示す被覆パス４６０によれば、放射方向の仰角を固定させて水平面上における方向のみを制御する区間が大部分となり、指向性制御をより単純化することが可能となる。
【０１２１】
図１１は、ビーコンを送信すべき全方位を複数の矩形領域に分割した場合の、矩形領域における被覆パスの一例を示す図である。図１１において、矩形領域４７０における被覆パス４６０は、矩形領域４７０の形状に沿った渦巻形状となっている。
【０１２２】
図１２は、ビーコンを送信すべき全方位を複数の矩形領域に分割した場合の、矩形領域における被覆パスの他の例を示す図である。図１２において、矩形領域４７０における被覆パス４６０は、矩形領域４７０の形状に沿った折り返し形状となっている。
【０１２３】
このような分割された領域ごとの被覆パス４６０は、例えば、サブアンテナとしてセクタアンテナを用いた無線基地局２００に好適である。
【０１２４】
ただし、複数のセクタアンテナを用いる場合、隣接する分割領域が重なり、複数のセクタから電波を照射される領域が存在する。このような複数の分割領域が重なった領域に位置する通信ノード３００は、無線基地局２００の複数のセクタと通信可能であり、いずれかのセクタに対して送信した応答トーンが、他のセクタでも受信される。この場合、無線基地局２００が、それぞれのセクタで独立してアソシエーションを行おうとすると、通信ノード３００に対して、同じ時間帯に個別ビーコンや送受信フレームが複数送信される可能性があり、結果として、通信ノード３００との通信を開始することが困難になるおそれがある。
【０１２５】
そこで、複数のセクタアンテナを用いる場合には、無線基地局２００は、隣接するセクタで同様の被覆パスの形状とし、同じ方向に放射方向を移動させていくことが望ましい。なぜなら、上記のような障害が発生するのは、同じ通信ノード３００への指向性制御を、同じ時刻に行うことに起因するからである。被覆パスの移動順序を同一にしておけば、同じ通信ノード３００に対する指向性を同じ時刻に行うことはない。この場合、通信ノード３００に対して隣接する複数のセクタから、同じ個別ビーコンが同時に送信されるのを防ぐことができる。
【０１２６】
しかし、外界状況の変化や、多数の分割領域の配置の都合により、通信ノード３００に対して隣接する複数のセクタから個別ビーコンが同時に送信される場合もある。
【０１２７】
一方で、それぞれのサーチトーンは通信ノード３００を同時刻に通過することはなく、応答トーンに含める時間パラメタも同一の値となることはない。したがって、隣接するセクタで同一の時間パラメタがされた場合、その時間パラメタは同一の通信ノード３００から送信されたものだということが推測される。
【０１２８】
したがって、複数のセクタアンテナを用いる無線基地局２００は、隣接する２つのセクタによって、同様の被覆パスの形状を用いて同じ方向に放射方向を移動させた上で、隣接するセクタで同一の時間パラメタを受信した場合には、その時間パラメタの送信元に対するアソシエーションの開始は、送信したビーコンに反応する一方のセクタのみによって行うことになる。
【０１２９】
ただし、偶然に同じ時間パラメタを送信する複数の通信ノード３００が存在する可能性もあるため、他方のセクタも、時間をずらしてアソシエーションを開始したり、アソシエーション確立後のフレーム送信を行うことが望ましい。この場合には、通信ノード３００のリアソシエーションを行うまでの待機時間を、この時間のずれを考慮して設定する必要がある。
【０１３０】
なお、各セクタアンテナのサーチトーンを変調させて、各セクタのＩＤを信号として送ることも可能である。また、いくつかのセクタからのトーン信号が、重複して送信されていることを検知できる程度に、受信感度の高い別セクタのトーン信号を受信している場合は、個別要求スロットにおいて、各セクタのＩＤを通知するとともに、受信感度の高いトーン信号により時間パラメタを通知するようにしてもよい。これにより、自分のスロットが別のセクタの同じスロット時間において、当該方向に向けて送信しないように制御することが可能となる。
【０１３１】
このように、無線基地局２００の放射方向を三次元的に変動させることにより、通信ノード３００の三次元方向を検出することができる。
【０１３２】
なお、電波照射範囲の包絡線により近い領域では、電波の照射時間はより短くなる。また、電波の照射時間がより短くなると、通信ノード３００がサーチトーンを検出できなくなるおそれがある。そこで、放射方向を三次元的に変動させる場合において、検出対象範囲を部分球面Ｓが少なくとも二重に覆うように被覆パスを設定する方式についても、ここで提案する。
【０１３３】
図１３は、二重被覆パスの場合の隣り合う部分球面の位置関係の一例を示す図である。
【０１３４】
図１３に示すように、ある時刻における第１の部分球面Ｓ１に対し、第１の部分球面Ｓ１の移動方向４８０に直交する方向に、他の時刻における第２の部分球面Ｓ２が位置するものとする。この場合に、第１の部分球面Ｓ１と第２の部分球面Ｓ２との中心距離を、第１の部分球面Ｓ１および第２の部分球面Ｓ２の半径ｄとする。
【０１３５】
この場合、第１の部分球面Ｓ１と第２の部分球面Ｓ２との間の領域のうち、電波の照射時間が最も短いのは、第１の部分球面Ｓ１と第２の部分球面Ｓ２との中間点４９０である。そして、中間点４９０における電波の照射時間は、√３・ｄ／２≒０.８７ｄとなる。これは、電波の照射時間が、２つの照射の合計ではないためである。
【０１３６】
このように、二重被覆パスを採用することにより、少なくとも検出対象範囲の外周部以外の全ての受信点において、電波の照射時間を所定の長さ以上確保することができる。検出対象範囲の外周部についても電波の照射時間を確保しようとする場合には、例えば電波照射範囲が検出対象範囲の外周部にはみ出すように被覆パスを設定すればよい。
【０１３７】
なお、この方式を用いる場合、通信ノード３００が、往路と復路のそれぞれで２回以上ずつサーチトーンのピークを受信する可能性がある。このような場合には、通信ノード３００は、ピークの回数が偶数であることを確認したうえで受信した全てのサーチトーンの受信時刻の平均を取ったり、最初と最後の受信時刻のみを使用するなどして、基準時刻を計算し、そこから時間パラメタを算出してもよい。
【０１３８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、無線基地局２００は、指向性アンテナの放射方向を、所定の複数の方向に順次変動させた後に、その順序とは真逆の順序で変動させてサーチトーンを送信し、通信ノード３００は、無線基地局２００から受信した２回のサーチトーンの受信間隔に関する情報を無線基地局２００に送信する。これにより、無線基地局２００は、放射方向の変動と受信間隔に関する情報とから、通信ノード３００の方向を検出することができる。すなわち、無線基地局２００が通信ノード３００の方向を検出することにより通信が開始する通信システム１００において、指向性電波を用いた簡単な処理により通信ノード３００の方向を検出することができるため、通信可能圏の拡大と、通信ノード３００の方向の迅速な検出とを両立させることができる。
【０１３９】
なお、本実施の形態では、放射方向の角速度が一定の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、基準時刻に対して時間軸上で対称であれば良い。この場合には、無線基地局は、例えば、時間パラメタに対応する区間で角速度を積分することにより、通信ノードの基準方向からの角度を求めることができる。
【０１４０】
また、本実施の形態では、無線基地局および通信ノードに本発明を適用した例について説明したが、これに限定されるものではない。本発明は、無線通信装置が無線通信端末の方向を検出する無線通信システムで使用される、各種の無線通信装置地および無線通信端末に適用することができる。
【０１４１】
また、本実施の形態では、指向性アンテナの放射方向を被覆パスで往復させる例について説明したが、指向性アンテナの放射方向の変動のさせ方は、これに限定されるものではない。例えば、それぞれ高い指向性を有する複数のセクタアンテナを配置し、これらのセクタアンテナを順次切り替えてサーチトーンを送信した後に、その順序とは真逆の順序でセクタアンテナを切り替えてサーチトーンを送信するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
本発明に係る無線通信装置、無線通信端末、指向性アンテナ制御方法、および無線通信方法は、無線通信装置が無線通信端末の方向を検出する無線通信システムにおいて、通信可能圏を拡大し、かつ方向の検出を迅速に行うことができる無線通信装置、無線通信端末、指向性アンテナ制御方法、および無線通信方法として有用である。特に、本発明は、無指向性アンテナでは到達不能な遠距離通信の開始手順として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【図１】本発明の一実施の形態に係る通信システムの構成を示す図
【図２】本実施の形態に係る無線基地局の構成を示すブロック図
【図３】本実施の形態に係る無線基地局から送信されるスーパフレームの構成を示す図
【図４】本実施の形態に係る通信ノードの構成を示すブロック図
【図５】本実施の形態に係る無線基地局の全体動作を示すフローチャート
【図６】本実施の形態に係る無線基地局による指向性アンテナの指向性制御の様子を示す図
【図７】本実施の形態に係る通信ノードの全体動作を示すフローチャート
【図８】本実施の形態における時間パラメタおよび時間パラメタの算出手法について説明するための図
【図９】本実施の形態における三次元的な被覆パスの一例を示す図
【図１０】本実施の形態における三次元的な被覆パスの他の例を示す図
【図１１】本実施の形態における分割領域での被覆パスの一例を示す図
【図１２】本実施の形態における分割領域での被覆パスの他の例を示す図
【図１３】本実施の形態における二重被覆パスの場合の隣り合う電波照射範囲の位置関係の一例を示す図
【符号の説明】
【０１４４】
１００ 通信システム
２００ 無線基地局
２１０、３１０ アンテナ部
２２０、３２０ ＲＦ部
２３０、３３０ ＰＨＹ部
２４０、３４０ ＭＡＣ部
２５０、３７０ トーン送信部
２６０ 指向性制御部
２７０、３５０ トーン解析部
２８０ 指向性テーブル格納部
３００ 通信ノード
３６０ パラメタ算出部
３８０ パラメタ格納部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指向性アンテナと、
前記指向性アンテナの放射方向を制御する指向性制御部と、
前記指向性アンテナを用いて、無線通信端末をサーチするためのサーチトーンを送信するトーン送信部と、を有し、
前記指向性制御部は、
前記指向性アンテナの放射方向を所定の複数の方向に順次変動させた後に、その順序とは真逆の順序で前記指向性アンテナの放射方向を変動させる、
無線通信装置。
【請求項２】
前記指向性制御部は、
前記指向性アンテナの放射方向を、前記所定の複数の方向を含む所定のパスにおいて往復させる、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項３】
前記指向性制御部は、
前記指向性アンテナの放射方向を一定の速度で往復させる、
請求項２記載の無線通信装置。
【請求項４】
前記無線通信端末から送信される、前記無線通信端末における前記サーチトーンの受信間隔に関する情報を含む応答トーンを受信するトーン受信部と、
前記トーン受信部によって受信された応答トーンを解析して、前記無線通信端末の方向を決定するトーン解析部と、
を更に有する請求項３記載の無線通信装置。
【請求項５】
前記受信間隔に関する情報は、前記サーチトーンの受信間隔を示す時間パラメタであり、
前記トーン解析部は、
前記トーン受信部によって受信された時間パラメタと、前記指向性アンテナの放射方向の変動速度と、前記所定のパスの往復が切り替わる基準方向とから、前記無線通信端末の方向を決定する、
請求項４記載の無線通信装置。
【請求項６】
前記指向性制御部は、
前記指向性アンテナの放射方向を、前記所定の複数の方向を含む所定のパスで繰り返し往復させ、
前記トーン送信部は、
前記所定のパスの往路で正のサーチトーンを送信するとともに、前記所定のパスの復路で逆のサーチトーンを送信し、
前記受信間隔に関する情報は、前記無線通信端末における前記正のサーチトーンの受信時刻から前記逆のサーチトーンの受信時刻までの時間間隔を示す時間パラメタであり、
前記トーン解析部は、
前記トーン受信部によって受信された時間パラメタと、前記指向性アンテナの放射方向の変動速度と、前記所定のパスの往復が切り替わる基準方向とから、前記無線通信端末の方向を決定する、
請求項４記載の無線通信装置。
【請求項７】
前記指向性アンテナを用いて前記無線通信端末とデータ通信を行う通信部、を更に有し、
前記指向性制御部は、
前記トーン解析部によって決定された前記無線通信端末の方向に基づいて、前記通信部による前記無線通信端末とのデータ通信における前記指向性アンテナの放射方向を制御する、
請求項４記載の無線通信装置。
【請求項８】
前記指向性アンテナを用いて、前記所定のパスの往復が切り替わる時刻を基準としてフレームの送受信を行う通信部、
を更に有する請求項２記載の無線通信装置。
【請求項９】
当該無線基地局は、無線基地局である、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項１０】
前記指向性アンテナは、
ミリ波帯の電波を送信する、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項１１】
前記指向性アンテナは、複数のサブアンテナを有し、
前記指向性制御部は、
前記複数のサブアンテナのそれぞれの放射方向を、そのサブアンテナの電波照射範囲が他のサブアンテナの電波照射範囲と重ならない方向に変動させる、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項１２】
前記指向性アンテナを用いて前記無線通信端末とデータ通信を行う通信部、を更に有し、
前記指向性アンテナは、複数のサブアンテナを有し、
前記通信部は、
前記複数のサブアンテナにより同一の値の時間パラメタが受信されたとき、前記時間パラメタの送信元に対するデータ送信を、前記サブアンテナごとに異なる時間で行う、
請求項５記載の無線通信装置。
【請求項１３】
放射方向が所定の複数の方向に順次変動した後にその順序とは真逆の順序で変動する指向性アンテナを用いてサーチトーンを送信する無線通信装置から、前記サーチトーンを受信するトーン受信部と、
前記トーン受信部によって前記サーチトーンが２回受信された場合、その受信間隔に関する情報を算出する算出部と、
前記算出部によって算出された受信間隔に関する情報を含む応答トーンを、前記無線通信装置に送信するトーン送信部と、
を有する無線通信端末。
【請求項１４】
前記受信間隔に関する情報は、前記サーチトーンの受信間隔を示す時間パラメタである、
請求項１３記載の無線通信端末。
【請求項１５】
前記トーン受信部によって前記サーチトーンが２回受信された場合、その受信時刻の中間の時刻を基準としてフレームの送受信を行う通信部、
を更に有する請求項１３記載の無線通信端末。
【請求項１６】
前記無線通信装置は、前記指向性アンテナの放射方向を前記所定の複数の方向を含む所定のパスで繰り返し往復させ、前記所定のパスの往路で正のサーチトーンを送信するとともに、前記所定のパスの復路で逆のサーチトーンを送信し、
前記算出部は、
前記正のサーチトーンの受信時刻から前記逆のサーチトーンの受信時刻までの時間間隔を繰り返し算出し、
前記トーン送信部は、
少なくとも前記算出部によって算出された時間間隔が所定値以上変動するごとに、前記受信間隔に関する情報を前記無線通信装置に送信する、
請求項１３記載の無線通信端末。
【請求項１７】
当該無線通信端末は、前記無線通信装置を無線基地局として用いる、
請求項１３記載の無線通信端末。
【請求項１８】
前記トーン受信部は、
ミリ波帯の電波により、前記サーチトーンを受信する、
請求項１３記載の無線通信端末。
【請求項１９】
無線通信装置が無線通信端末をサーチするためのサーチトーンの送信に用いられる指向性アンテナの放射方向を所定の複数の方向に順次変動させる第１のステップと、
前記第１のステップにおける前記指向性アンテナの放射方向の変動の順序とは真逆の順序で前記指向性アンテナの放射方向を変動させる第２のステップと、
を有する指向性アンテナ制御方法。
【請求項２０】
放射方向が所定の複数の方向に順次変動した後にその順序とは真逆の順序で変動する指向性アンテナを用いて、無線通信端末をサーチするためのサーチトーンを送信する無線通信装置から、前記サーチトーンを受信するトーン受信ステップと、
前記トーン受信ステップで前記サーチトーンを２回受信したとき、その受信間隔に関する情報を算出する算出ステップと、
前記算出ステップで算出した受信間隔に関する情報を含む応答トーンを、前記無線通信装置に送信するトーン送信ステップと、
を有する無線通信方法。
【請求項１】
指向性アンテナと、
前記指向性アンテナの放射方向を制御する指向性制御部と、
前記指向性アンテナを用いて、無線通信端末をサーチするためのサーチトーンを送信するトーン送信部と、を有し、
前記指向性制御部は、
前記指向性アンテナの放射方向を所定の複数の方向に順次変動させた後に、その順序とは真逆の順序で前記指向性アンテナの放射方向を変動させる、
無線通信装置。
【請求項２】
前記指向性制御部は、
前記指向性アンテナの放射方向を、前記所定の複数の方向を含む所定のパスにおいて往復させる、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項３】
前記指向性制御部は、
前記指向性アンテナの放射方向を一定の速度で往復させる、
請求項２記載の無線通信装置。
【請求項４】
前記無線通信端末から送信される、前記無線通信端末における前記サーチトーンの受信間隔に関する情報を含む応答トーンを受信するトーン受信部と、
前記トーン受信部によって受信された応答トーンを解析して、前記無線通信端末の方向を決定するトーン解析部と、
を更に有する請求項３記載の無線通信装置。
【請求項５】
前記受信間隔に関する情報は、前記サーチトーンの受信間隔を示す時間パラメタであり、
前記トーン解析部は、
前記トーン受信部によって受信された時間パラメタと、前記指向性アンテナの放射方向の変動速度と、前記所定のパスの往復が切り替わる基準方向とから、前記無線通信端末の方向を決定する、
請求項４記載の無線通信装置。
【請求項６】
前記指向性制御部は、
前記指向性アンテナの放射方向を、前記所定の複数の方向を含む所定のパスで繰り返し往復させ、
前記トーン送信部は、
前記所定のパスの往路で正のサーチトーンを送信するとともに、前記所定のパスの復路で逆のサーチトーンを送信し、
前記受信間隔に関する情報は、前記無線通信端末における前記正のサーチトーンの受信時刻から前記逆のサーチトーンの受信時刻までの時間間隔を示す時間パラメタであり、
前記トーン解析部は、
前記トーン受信部によって受信された時間パラメタと、前記指向性アンテナの放射方向の変動速度と、前記所定のパスの往復が切り替わる基準方向とから、前記無線通信端末の方向を決定する、
請求項４記載の無線通信装置。
【請求項７】
前記指向性アンテナを用いて前記無線通信端末とデータ通信を行う通信部、を更に有し、
前記指向性制御部は、
前記トーン解析部によって決定された前記無線通信端末の方向に基づいて、前記通信部による前記無線通信端末とのデータ通信における前記指向性アンテナの放射方向を制御する、
請求項４記載の無線通信装置。
【請求項８】
前記指向性アンテナを用いて、前記所定のパスの往復が切り替わる時刻を基準としてフレームの送受信を行う通信部、
を更に有する請求項２記載の無線通信装置。
【請求項９】
当該無線基地局は、無線基地局である、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項１０】
前記指向性アンテナは、
ミリ波帯の電波を送信する、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項１１】
前記指向性アンテナは、複数のサブアンテナを有し、
前記指向性制御部は、
前記複数のサブアンテナのそれぞれの放射方向を、そのサブアンテナの電波照射範囲が他のサブアンテナの電波照射範囲と重ならない方向に変動させる、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項１２】
前記指向性アンテナを用いて前記無線通信端末とデータ通信を行う通信部、を更に有し、
前記指向性アンテナは、複数のサブアンテナを有し、
前記通信部は、
前記複数のサブアンテナにより同一の値の時間パラメタが受信されたとき、前記時間パラメタの送信元に対するデータ送信を、前記サブアンテナごとに異なる時間で行う、
請求項５記載の無線通信装置。
【請求項１３】
放射方向が所定の複数の方向に順次変動した後にその順序とは真逆の順序で変動する指向性アンテナを用いてサーチトーンを送信する無線通信装置から、前記サーチトーンを受信するトーン受信部と、
前記トーン受信部によって前記サーチトーンが２回受信された場合、その受信間隔に関する情報を算出する算出部と、
前記算出部によって算出された受信間隔に関する情報を含む応答トーンを、前記無線通信装置に送信するトーン送信部と、
を有する無線通信端末。
【請求項１４】
前記受信間隔に関する情報は、前記サーチトーンの受信間隔を示す時間パラメタである、
請求項１３記載の無線通信端末。
【請求項１５】
前記トーン受信部によって前記サーチトーンが２回受信された場合、その受信時刻の中間の時刻を基準としてフレームの送受信を行う通信部、
を更に有する請求項１３記載の無線通信端末。
【請求項１６】
前記無線通信装置は、前記指向性アンテナの放射方向を前記所定の複数の方向を含む所定のパスで繰り返し往復させ、前記所定のパスの往路で正のサーチトーンを送信するとともに、前記所定のパスの復路で逆のサーチトーンを送信し、
前記算出部は、
前記正のサーチトーンの受信時刻から前記逆のサーチトーンの受信時刻までの時間間隔を繰り返し算出し、
前記トーン送信部は、
少なくとも前記算出部によって算出された時間間隔が所定値以上変動するごとに、前記受信間隔に関する情報を前記無線通信装置に送信する、
請求項１３記載の無線通信端末。
【請求項１７】
当該無線通信端末は、前記無線通信装置を無線基地局として用いる、
請求項１３記載の無線通信端末。
【請求項１８】
前記トーン受信部は、
ミリ波帯の電波により、前記サーチトーンを受信する、
請求項１３記載の無線通信端末。
【請求項１９】
無線通信装置が無線通信端末をサーチするためのサーチトーンの送信に用いられる指向性アンテナの放射方向を所定の複数の方向に順次変動させる第１のステップと、
前記第１のステップにおける前記指向性アンテナの放射方向の変動の順序とは真逆の順序で前記指向性アンテナの放射方向を変動させる第２のステップと、
を有する指向性アンテナ制御方法。
【請求項２０】
放射方向が所定の複数の方向に順次変動した後にその順序とは真逆の順序で変動する指向性アンテナを用いて、無線通信端末をサーチするためのサーチトーンを送信する無線通信装置から、前記サーチトーンを受信するトーン受信ステップと、
前記トーン受信ステップで前記サーチトーンを２回受信したとき、その受信間隔に関する情報を算出する算出ステップと、
前記算出ステップで算出した受信間隔に関する情報を含む応答トーンを、前記無線通信装置に送信するトーン送信ステップと、
を有する無線通信方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−１８８９２５（Ｐ２００９−１８８９２５Ａ）
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９３９６（Ｐ２００８−２９３９６）
【出願日】平成２０年２月８日（２００８．２．８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月８日（２００８．２．８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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