(57)【要約】ステアラブル指向性アンテナ（１２１）を使用する無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）機器とともに用いられる通信のスケジューリング最適化の方法。本方法は、ＩＥＥＥ８０２．１１標準群の媒体アクセス制御（ＭＡＣ）層を使用可能であり、それと両立する。本方法は、いかなる特定のＰＨＹ層標準にも依らない。
2005530395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想キャリアセンス状態および物理キャリアセンス状態を有する無線データネットワーク加入者局によって使用される指向性アンテナを制御する方法において、該アンテナは、全方向性モードおよび指向性モードで動作可能であり、
前記仮想キャリアセンス状態を判定するステップと、
前記物理キャリアセンス状態を判定するステップと、
前記仮想キャリアセンス状態と前記物理キャリアセンス状態を比較するステップと、
前記仮想キャリアセンス状態と前記物理キャリアセンス状態が一致しない場合、前記全方向性モードで前記アンテナを動作させるステップと
を含むことを特徴とする、指向性アンテナを制御する方法。
【請求項２】
加入者局識別子、仮想キャリアセンス状態、および物理キャリアセンス状態を有する無線データネットワーク加入者局によって使用される指向性アンテナを制御する方法において、該アンテナは、全方向性モードおよび最適化ステアリングモードで動作可能であり、
好みのソース識別子を選択するステップと、
前記加入者局識別子を判定するステップと、
ソース識別子および宛先識別子を有するフレームを受信するステップと、
前記仮想キャリアセンス状態を判定するステップと、
前記物理キャリアセンス状態を判定するステップと、
前記仮想キャリアセンス状態と前記物理キャリアセンス状態を比較するステップと、
前記仮想キャリアセンス状態と前記物理キャリアセンス状態が一致し、前記ソース識別子が前記好みのソース識別子であり、前記宛先識別子が前記加入者局識別子でない場合、前記最適化ステアリングモードで前記アンテナを動作させるステップと
を含むことを特徴とする、指向性アンテナを制御する方法。
【請求項３】
前記仮想キャリアセンス状態と前記物理キャリアセンス状態が一致しない場合、前記全方向性モードで前記アンテナを動作させることをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記フレームが完全に受信された後に、前記最適化ステアリングモードでの前記アンテナの動作を終了させることをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記最適化ステアリングモードで前記アンテナを動作させながら、少なくとも１つの追加的フレームを受信することをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】
最後の追加的フレームが完全に受信された後に、前記最適化ステアリングモードでの前記アンテナの動作を終了させることをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記仮想キャリアセンス状態と前記物理キャリアセンス状態が一致しない場合、前記最適化ステアリングモードで前記アンテナを動作させることを終了させることをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記アンテナが前記最適化ステアリングモードで動作し、前記仮想キャリアセンス状態と前記物理キャリアセンス状態が一致しない場合、前記全方向性モードで前記アンテナを動作させることをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記好みのソースがアクセスポイントであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
加入者局識別子、仮想キャリアセンス状態、および物理キャリアセンス状態を有する無線データネットワーク加入者局において、
全方向性モードおよび最適化ステアリングモードで動作可能なアンテナと、
受信フレームを処理し、前記仮想キャリアセンス状態と前記物理キャリアセンス状態が一致し、前記ソース識別子が好みのソース識別子であり、前記宛先識別子が前記加入者局識別子でない場合に、前記最適化ステアリングモードで前記アンテナを動作させる計算装置と
を備えたことを特徴とする無線データネットワーク加入者局。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）装置のような無線データ通信機器は、パーソナルコンピュータアプリケーションにおいて幅広く利用されつつある。無線データ通信機器は、比較的廉価に設置できるようになってきており、ホームコンピュータネットワークにおいても経済的に利用されている。
【背景技術】
【０００２】
ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronics Engineers、米国電気電子技術者協会）８０２．１１標準およびその他の類似のネットワーキング標準をサポートする技術により、局（ＳＴＡ）、例えばポータブルコンピュータは、アクセスポイント（ＡＰ）または他のＳＴＡへの電波または赤外線による通信によってＷＬＡＮに接続されたままで、移動可能とすることができる。これらの標準は、いくつかの層の通信プロトコルとして設計されている。ＳＴＡにおける物理層（ＰＨＹ）は、ＳＴＡが通信するための低レベルの伝送手段を提供する。ＰＨＹの上には媒体アクセス制御層（ＭＡＣ）があり、認証、認証解除、プライバシー、接続(association)、接続解除(disassociation)等のようなサービスを提供する。
【０００３】
通常、ＰＨＹ電磁信号は、ＳＴＡでモノポール(単極)アンテナによって送受信される。このタイプのアンテナは通常、シングルワイヤ（線状）型またはパッチ型のアンテナ素子からなる。モノポールアンテナから送信される信号は、本質的に全方向性である。すなわち、鉛直方向に向けられたアンテナ素子の場合、信号は、略水平面内で全方向に同じ信号強度で送出される。モノポールアンテナ素子による信号の受信も同様に全方向性である。したがって、モノポールアンテナは、ある方向における信号を検出する能力と、別の方向から来る同一の信号または異なる信号を検出する能力との間に差異がない。
【０００４】
モノポールアンテナは、ＳＴＡとＡＰの間の通信の品質を低下させる影響を受けやすい。そのような影響としては、壁、机、人間等のような介在する物体によって引き起こされる電波信号の反射や回折がある。これらの物体は、マルチパス正規分布フェージング、レイリー（Reyleigh）フェージング等を生じる。
【０００５】
ステアラブル（操舵可能）指向性アンテナ、すなわち、空間内の特定の方向における通信のために最適化されたアンテナは、ＳＴＡ内で用いた場合に信号受信を改善し、ＳＴＡとＡＰの間の許容距離を増大させる可能性がある。このようなアンテナは従来技術において既知である。
【０００６】
例えば、特許文献１（発明者：Proctor, Jr.ほか、発行日：２００２年６月１１日、名称：「Adaptive Antenna for Use in Same Frequency Networks」。この米国特許は全体として参照により本明細書に援用される）には、指向性加入者アンテナ装置が記載されている。このアンテナは複数のアンテナ素子を備え、各素子が、それぞれの信号制御コンポーネント（例えばスイッチ）に結合されている。このアンテナアレイは、信号が加入者ユニットから送信されるようにするビームフォーマと、基地局から送信される信号をなるべく最適に検出し受信するための指向性受信アレイとを作り出す。指向性を持たせて信号を送受信することにより、マルチパスフェージングは大幅に減少する。この設計では、各アンテナ素子の信号制御コンポーネントの適切な配置を決定するための種々の技法が考慮される。
【０００７】
特許文献２（発明者：Chiangほか、発行日：２００２年５月２８日、名称：「Stacked Dipole Antenna for Use in Wireless Communications Systems」）もまた全体として参照により本明細書に援用される。この米国特許には、反復可能な特徴部を有するアンテナ素子を大量生産するために、プリントされた構造の正確な制御のためのプリント回路基板（ＰＣＢ）フォトエッチング技法を用いて作製されたダイポール（双極子）アンテナ素子が記載されている。このアンテナは、誘電体材料からなるプレーナ基板を有し、廉価なステアラブルアンテナアレイを作製するために利用可能である。
【０００８】
指向性アンテナアレイについての詳細な説明は、特許文献３（公開日：２００２年１月２４日、名称：「Adaptive Antenna for Use in Wireless Communications System」。この内容全体が参照により本明細書に援用される）に記載されている。指向性アンテナアレイにより受信または送信される信号に基づいてアンテナ方向を最適化するための例示的な方法もまた、この米国特許出願公開に記載されており、それも全体として参照により本明細書に援用される。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６４０４３８６号明細書
【特許文献２】米国特許第６３９６４５６号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２／０００８６７２号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態は、仮想キャリアセンス状態および物理キャリアセンス状態を有する無線データネットワーク加入者局によって使用される指向性アンテナを制御するための方法および装置を含む。このアンテナは、全方向性モード、指向性モード、および最適化ステアリングモードで動作可能である。本発明の実施形態は、計算装置（computation device）も含み得る。本発明の実施形態の動作は、仮想キャリアセンス状態を判定し、物理キャリアセンス状態を判定し、仮想キャリアセンス状態と物理キャリアセンス状態を比較し、仮想キャリアセンス状態と物理キャリアセンス状態が一致しない場合に全方向性モードでアンテナを動作させることを含み得る。本発明の実施形態の動作は、好みのソース識別子を選択し、加入者局識別子を判定し、ソース識別子および宛先識別子を有するフレームを受信し、仮想キャリアセンス状態を判定し、物理キャリアセンス状態を判定し、仮想キャリアセンス状態と物理キャリアセンス状態を比較し、仮想キャリアセンス状態と物理キャリアセンス状態が一致し、ソース識別子が好みのソース識別子であり、宛先識別子が加入者局識別子でない場合に、最適化ステアリングモードでアンテナを動作させることも含み得る。
【００１１】
本発明の実施形態の動作は、仮想キャリアセンス状態と物理キャリアセンス状態が一致しない場合に全方向性モードでアンテナを動作させることも含み得る。本発明の実施形態の動作は、最適化ステアリングモードでアンテナを動作させながら、少なくとも１つの追加的フレームを受信することも含み得る。
【００１２】
本発明の上記および他の目的、特徴および利点は、添付図面に示された、本発明の好適な実施形態の下記のさらに詳細な説明から明らかとなるであろう。図面において、同一参照符号は、複数の図面を通じて同一部分を表す。図面は必ずしも一定の縮尺に従って描かれているわけではなく、本発明の原理を説明することに重点が置かれている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
【００１４】
本発明のいくつかの実施形態はステアラブル指向性アンテナを使用するが、このアンテナは関連技術において既知である。これは、特に、本出願の上記の背景技術の欄で言及した特許文献に明示されている。以下では、本発明に関連する指向性アンテナ技術の特徴について説明する。
【００１５】
本発明の目的上、ステアラブル指向性アンテナは、以下の性質を有する装置である。ステアラブル指向性アンテナは、２つのモードの一方、すなわち、全方向性モードまたは指向性モードで動作するように設定することができる。アンテナは制御装置に接続され、制御装置は、任意の時点でアンテナが設定されるモードを制御する。全方向性モードにある間、アンテナは、いかなる方向における通信にも実質的に最適化されていない。指向性モードにある間、アンテナは次の２つの性質を有する：（ａ）このようなアンテナを用いると、ある方向での通信のほうが他の方向よりも良好であり、（ｂ）制御装置は、装置を移動させずにこの方向（複数可）を変えることができる。なお、これらの特徴は、電磁スペクトルのいかなる部分にも拘束されないことに留意されたい。すなわち、アンテナの動作範囲は必ずしも無線周波数帯内にある必要はない。また、ステアラブル指向性アンテナは、実際には複数のアンテナ素子からなっていてもよいことにも留意されたい。
【００１６】
ステアラブル指向性アンテナは、現在の条件下での指向性モードでの作用を最適化するためにどの方向を選択すべきかを判定するように動作可能である。例えば、ステアラブル指向性アンテナは、所与のソースから到来する信号の相対的な受信品質がアンテナの方向に応じてどのように変動するかを測定してもよい。このようにして、指向性モードにおける最適な機能のためのアンテナの方向を選択することが可能である。アンテナのこのような動作モードを最適化ステアリングと呼び、最適化ステアリングを実行するアンテナを最適化ステアリングモードにあるという。なお、最適化ステアリングは、例えば、指向性モードにおけるアンテナの相異なる方向に対する相対信号強度の一連の測定として実施可能であることに留意されたい。また、ステアラブル指向性アンテナに対する最適化ステアリングモードの実施は、いかなる追加的なアンテナの機能も必要としないことにも留意されたい。最適化ステアリングの詳細および方法（strategy）は、本発明とは直接関係がない。
【００１７】
本発明のいくつかの実施形態は、ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ８０２．１１無線ＬＡＮ標準および関連する標準、具体的にはこれらの標準で規定されるＭＡＣ層（以下、８０２．１１ＭＡＣプロトコルという）の種々の実施形態を利用する。これらの標準は関連技術において既知である。以下、本発明に関連するこれらの標準の側面について説明する。なお、他のプロトコルを用いて動作する他の無線機器を用いてもよいことはいうまでもない。
【００１８】
８０２．１１標準は、無線媒体（ＷＭ）、あるいは単に媒体という概念に基づいており、無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）の同位の物理層（ＰＨＹ）エンティティ間でプロトコルデータユニット（ＰＤＵ）の転送を実施するために用いられる媒体として、無線媒体を規定している。実際には、これらのＰＤＵは電磁波により無線で伝送される。このような伝送のための一般的な周波数範囲は、無線周波数（ＲＦ）帯および赤外周波数（ＩＲ）帯である。
【００１９】
物理層エンティティは、局およびアクセスポイントに分類される。局（ＳＴＡ）は、無線媒体へのＩＥＥＥ８０２．１１準拠の媒体アクセス制御（ＭＡＣ）およびＰＨＹインタフェースを含む任意の装置である。典型的なＳＴＡはコンピュータとして実施されるが、ハンドヘルド装置、携帯情報端末（ＰＤＡ）、およびセルラ携帯電話のような他の装置を用いてもよい。アクセスポイント（ＡＰ）は、局機能を有し、関連するＳＴＡのために無線媒体を通じて配信サービスへのアクセス（すなわちＬＡＮ機能）を提供する任意のエンティティである。ＡＰには通常、固定トランシーバが組み込まれる。なお、ＡＰはＳＴＡでもあることを理解しておかなければならない。ＡＰでないＳＴＡは通常、ポータブルコンピュータや類似の装置である。
【００２０】
図１はこの構成を示している。ＳＴＡ１０１、１０２、および１０３は、ポータブルラップトップコンピュータ装置またはハンドヘルドコンピュータ装置である。各ＳＴＡ１０１、１０２、または１０３は、ＡＰ１００の範囲にある。
【００２１】
これらの標準の一体部分として、物理キャリアセンス機能および仮想キャリアセンス機能があり、これらは媒体の状態を判定するために用いられる。いずれかの機能がビジーな媒体を示す時、その媒体はビジーとみなされ、さもなければアイドルとみなされる。
【００２２】
物理キャリアセンスメカニズムは、媒体がビジーまたはアイドルのいずれであるかをＰＨＹがＭＡＣに通知することに依拠する。実際の判定は、ＰＨＹの実装に依存する。ＰＨＹの実装は関連技術において既知であり、その詳細は本発明とは直接関係がない。
【００２３】
仮想キャリアセンスメカニズムは、媒体の使用が差し迫っていることをアナウンスする予約情報を配信することによって実現される。これはＭＡＣ内で実施される。実際のデータフレームの前にＲＴＳ(ready to send)フレームおよびＣＴＳ(clear to send)フレームを交換することは、この媒体予約情報の配信の一手段である。ＲＴＳフレームおよびＣＴＳフレームは、媒体が実際のデータフレームおよび返ってくるＡＣＫ(acknowledgement)フレームを伝送するために予約されるべき期間を規定するＤｕｒａｔｉｏｎ（継続時間）／ＩＤフィールドを含む。発信ＳＴＡ（これがＲＴＳを送信する）または宛先ＳＴＡ（これがＣＴＳを送信する）のいずれかの受信範囲内のすべてのＳＴＡに、媒体の予約が知らされる。
【００２４】
したがって、発信ＳＴＡからの受信ができないＳＴＡがあるかもしれないが、そのようなＳＴＡであっても、データフレームを伝送するための媒体の使用が差し迫っていることを知ることができる。このことが重要であるのは、例えば、ＳＴＡは、ＡＰと通信している間、すなわちそのＡＰの送信範囲内にある間に、同じＡＰを用いている別のＳＴＡの送信範囲内にあるとは限らないからである。図１は、このような状況を概略的に示している。ここで、ＡＰ１００は３個のＳＴＡ１０１、１０２、および１０３のすべての範囲内にあるが、ＳＴＡ１０２および１０３はＳＴＡ１０１の範囲外にある。
【００２５】
各ＳＴＡのネットワーク割当てベクタ（ＮＡＶ）が、データの実際の交換の前にＲＴＳ／ＣＴＳフレームでアナウンスされる継続時間情報に基づいて、媒体上の将来のトラフィックの予測を維持管理する。キャリアセンスメカニズムは、ＮＡＶ状態およびＳＴＡの送信機ステータスを物理キャリアセンスと組み合わせることにより、媒体のビジー／アイドル状態を判定する。ＮＡＶは、一定のレートでゼロまでカウントダウンを行うカウンタと考えてもよい。カウンタがゼロである時、仮想キャリアセンス指示は、媒体がアイドルであることを示す。カウンタが非ゼロである時、指示はビジーである。媒体は、ＳＴＡが送信中のときは必ずビジーであると規定される。
【００２６】
常に８０２．１１ＭＡＣプロトコルの下で動作するあらゆるＳＴＡは、次の２つの変数を使用することができる。一方の変数は物理キャリア状態を示し（これは論理値として用いられる）、他方の変数は仮想キャリアセンス状態および当該状態の継続時間を示す（これは、ゼロまたは正の数のいずれかである）。
【００２７】
８０２．１１ＭＡＣプロトコルのもう１つの重要な特徴は、ＳＴＡによって受信されるあらゆるＭＡＣフレームが、そのソースおよびその宛先のインジケータを含むとともに、フレームの長さのインジケータも含むことである。
【００２８】
また、ＳＴＡで実施されるいくつかの実施形態は、２つの追加的変数、すなわち、当該ＳＴＡ自身のＳＴＡ識別子（ＩＤ）および好みのＡＰ（すなわち好みのソース）のＩＤにも依拠する。
【００２９】
ＳＴＡで実施される本発明のいくつかの実施形態は、当該ＳＴＡにより制御可能なステアラブル指向性アンテナを使用する。ＳＴＡは、ＡＰを含む他のＳＴＡとの通信のためにそのようなアンテナを利用する。このような実施形態で実行される通信の最適化は、本質的に、ＳＴＡ内のアンテナの好みの方向をそのＳＴＡの好みのＡＰの方向にステアリングすることからなる。
【００３０】
図２は、本発明の一実施形態を用いたＳＴＡの機能を示している。アンテナアレイ１２１、ＰＨＹ１２０、ＭＡＣ１２３、および他のプロトコル１２５の構成は、本発明の一実施形態の存在によって影響されない。すなわち、ＳＴＡはＩＥＥＥ８０２．１１準拠のままである。例えば、多素子アンテナアレイ１２１の好適な実施形態およびそれがどのようにステアラブル（操舵可能）であるかについてさらに詳細には、上記で参照した米国特許出願に見出すことができる。本実施形態の一部であるモード制御アルゴリズム１２４は、それにデータを提供するＭＡＣ１２３に依拠しており、これについては以下でさらに説明する。モード制御アルゴリズム１２４は、モード制御最適化ユニット１２２を制御して３つのモード、すなわち、指向性モード、全方向性モード、および最適化ステアリングモードのうちの１つにする。その性質については上記で概説した。モード制御最適化ユニット１２２の内部の機能は、本発明とは直接関係がない。
【００３１】
本発明の一実施形態は、ＳＴＡアンテナが全方向性モード、指向性モード、または最適化ステアリングモード（すなわち、そのＳＴＡの好みのＡＰに関して最適な配置に自分自身を向けるようにステアリングする）のいずれでなければならないかを判定する。この判定は、以下のようにして遂行される（図３のフローチャートにも示す）。
【００３２】
まず、ＳＴＡが好みのＡＰを選択する。
【００３３】
ＳＴＡのアンテナが全方向性モード２０２または指向性モード２０１にある間、ＳＴＡは媒体を監視する。ＳＴＡは、ＭＡＣフレームを受信し始めると、状態２０４または２０３で、仮想キャリアセンスと物理キャリアセンスが一致するかどうかをチェックする。
【００３４】
一方がビジーで他方がアイドルであるか、またはその逆である場合、ＳＴＡのアンテナは全方向性モード２０２に置かれ、ＳＴＡは次のフレームの到来を待機する。
【００３５】
そうでない場合（すなわち、仮想キャリアセンスと物理キャリアセンスが一致する場合）、状態２０６および２０５で、フレームのヘッダを復号する。次に、状態２０８および２０７で、フレームのソース識別子を好みのＡＰの識別子と比較し、フレームの宛先識別子をＳＴＡの識別子と比較する。
【００３６】
ソース識別子が好みのＡＰの識別子ではない（すなわち、フレームは、ＳＴＡがステアリングしようとしている方向から来ているものではない）か、または、宛先識別子がＳＴＡの識別子である（すなわち、フレームは当該ＳＴＡ宛のデータを搬送している）場合、アンテナのモードは変更されない。アンテナは、全方向性モード２０２にとどまるか、または、アンテナが前にステアリングされた方向を向く指向性モード２０１にとどまるかのいずれかである。
【００３７】
ソース識別子が好みのＡＰの識別子であり（すなわち、フレームは、ＳＴＡがステアリングしようとしている方向から来ている）、宛先識別子がＳＴＡの識別子である（すなわち、フレームは当該ＳＴＡ宛のデータを搬送していない）場合、アンテナは、１つまたは複数のフレームの継続時間に対して最適化ステアリングモード２０９に置かれる。この予想される継続時間は、伝送フレームの予想される長さ（フレームのヘッダが復号される時に判定される）、または、ＮＡＶカウンタの値で決まる予想される伝送継続時間としてもよい。アンテナは、次の２つの事象のいずれかが起こるまで、最適化ステアリングモード２０９にとどまる：（ａ）伝送が、予想された時に正常に終了する（この場合、アンテナは、最適化ステアリング中に選択された方向を向いた指向性モード２０１にとどまる）、または（ｂ）フレームの到来（２１２）後、仮想キャリアセンスと物理キャリアセンスがもはや一致しない（２１０）（この場合、アンテナは全方向性モード２０２に置かれ、ＳＴＡは次のフレームの到来を待機する）。
【００３８】
アンテナが最適化ステアリングモード２０９にある時、その方向は、好みのＡＰとの通信の最適化のために、好みのＡＰからの入来信号を用いて変更してもよい。
【００３９】
なお、上記のアルゴリズムは、ＭＡＣ層の必要な機能をサポートすることができるいかなる種類のＰＨＹ層とも同等に両立可能である。特に、通信は、電磁スペクトルのいかなる部分を通じて行われてもよい。
【００４０】
以上、本発明の好適な実施形態に関して、本発明を具体的に図示し説明したが、当業者には理解されるように、特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態および詳細における種々の変更を本発明においてなし得る。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】無線ネットワークの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態を用いたＳＴＡの構成の概略図である。
【図３】本発明に従って実施されたステアリングアルゴリズムの流れ図である。
【図１】
2005530395.tif 000003
【図２】
2005530395.tif 000004
【図３】
2005530395.tif 000005
【国際調査報告】
2005530395.tif 000006