(57)【要約】【課題】近距離で十分な見通し可能な状況下で、複数のアンテナを装備した無線通信装置が簡素で小型、低コストな構成によりフレームの到来角を推定する。【解決手段】指向特性が互いに偏向するように配置された２つの指向性アンテナからなる送信装置から、送信に用いるアンテナを短い間隔で交互に切り替えながらフレームを送信する。受信装置は、送信に用いたアンテナ毎に受信フレームの信号強度の平均値を求める。そして、送信装置の正面が受信装置の正面に正対しているときに差分ΔＳが０となり、送信装置の受信装置のなす角度の差が大きくなるにつれてΔＳは徐々に増加又は減少する性質を利用して到来角を推定する。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信装置から無線送信されるフレームが受信装置に到来する到来角を推定する到来角推定システムであって、
前記送信装置は、当該装置の正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備え、
前記受信装置は、当該装置の正面に指向特性を持つ指向性アンテナを備え、
前記送信装置から前記の指向性アンテナの各々から交互にフレームを送信した際の、送信アンテナ毎の前記受信装置側におけるフレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記到来角を推定する、
ことを特徴とする到来角推定システム。
【請求項２】
前記送信装置と前記受信装置の間の角度をさまざまに変化させながら、前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えて前記受信装置にフレームの送信を行なうとともに前記受信装置がフレームを受信した際の各送信アンテナからの受信信号強度を計測し送信アンテナ間の差分ΔＳを求め、ΔＳと前記送信装置及び前記受信装置間の角度との関係をあらかじめ記憶し、
前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えながら前記受信装置と通信を行ない、同時に前記受信装置は前記送信装置の各送信アンテナからフレームを受信したときの受信信号強度を計測して、現在得られた送信アンテナ間の受信信号強度の差分ΔＳを以前に計測しておいたデータを比較することにより、前記送信装置と前記受信装置の間の角度を推測する、
ことを特徴とする請求項１に記載の到来角推定システム。
【請求項３】
前記送信装置は各送信アンテナから同一の送信電力でフレームを送信し、且つ、各送信アンテナと受信アンテナ間の伝搬損失が同一であるとみなし、各送信アンテナの利得の差を送信アンテナ毎の受信信号強度の差分ΔＳとして扱う、
ことを特徴とする請求項２に記載の到来角推定システム。
【請求項４】
前記送信装置が一定の周期で送信に利用する指向性アンテナを交互に切り替えながらデータ・フレームを転送し、前記受信装置側で転送されたデータ・フレームの信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項２に記載の到来角推定システム。
【請求項５】
前記送信装置は、上位層に転送すべき送信データがない場合には、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成して送信する、
ことを特徴とする請求項４に記載の到来角推定システム。
【請求項６】
前記受信装置側が一定間隔でデータ・フレームを送信し、これに対し前記送信装置から送信アンテナを交互に切り替えながら返送される各確認応答フレームの受信信号強度を前記受信装置が計測する、
ことを特徴とする請求項２に記載の到来角推定システム。
【請求項７】
前記受信装置側で上位層に転送すべきデータがない場合は、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成し送信する、
ことを特徴とする請求項６に記載の到来角推定システム。
【請求項８】
送信装置から無線送信されるフレームが受信装置に到来する到来角を推定する到来角推定システムであって、
前記送信装置は、当該装置の正面に指向特性を持つ指向性アンテナを備え、
前記受信装置は、当該装置の正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備え、前記送信装置から送信されるフレームを前記の指向性アンテナを交互に用いて受信した際の受信アンテナ毎のフレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記到来角を推定する、
ことを特徴とする到来角推定システム。
【請求項９】
前記送信装置と前記受信装置の間の角度をさまざまに変化させながら、前記受信装置が受信アンテナを交互に切り替えて前記送信装置からフレームを受信したときの各受信アンテナにおける受信信号強度を計測して、その差分ΔＳと前記送信装置及び前記受信装置間の角度との関係をあらかじめ記憶し、
前記送信装置と前記受信装置は通信を行ないながら、同時に前記受信装置が受信アンテナを交互に切り替えて各受信アンテナにおける受信フレームの信号強度を計測して、現在得られた受信アンテナ間のΔＳを以前に計測しておいたデータを比較することにより、前記送信装置と前記受信装置の間の角度を推測する、
ことを特徴とする請求項８に記載の到来角推定システム。
【請求項１０】
前記送信装置が転送するデータ・フレームを転送し、
前記受信装置は、一定の周期で受信に利用する指向性アンテナを切り替えながら、転送されたデータ・フレームの信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項９に記載の到来角推定システム。
【請求項１１】
前記送信装置は、上位層に転送すべき送信データがない場合には、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成して送信する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の到来角推定システム。
【請求項１２】
前記受信装置側がいずれかの指向性アンテナから一定間隔でデータ・フレームを送信し、これに対し前記送信装置から返送される確認応答フレームを前記受信装置が受信アンテナを交互に切り替えながら受信して、これらの信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項９に記載の到来角推定システム。
【請求項１３】
前記受信装置側で上位層に転送すべきデータがない場合は、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成し送信する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の到来角推定システム。
【請求項１４】
送信装置から無線送信されるフレームが受信装置に到来する到来角を推定する到来角推定システムであって、
前記送信装置は、当該装置の正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備え、
前記受信装置は、当該装置の正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備え、前記送信装置から送信されるフレームを前記の指向性アンテナを交互に用いて受信した際の受信アンテナ毎のフレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記到来角を推定する、
ことを特徴とする到来角推定システム。
【請求項１５】
前記送信装置と前記受信装置の間の角度をさまざまに変化させながら、前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えて前記受信装置にフレームの送信を行なうとともに前記受信装置が受信アンテナを交互に切り替えながらフレームを受信した際の、各受信アンテナにおいて各送信アンテナからの受信信号強度を計測しその差分ΔＳを計算し、各受信アンテナについて送信アンテナ毎のΔＳと前記送信装置及び前記受信装置間の角度との関係をあらかじめ記憶し、
前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えながら前記受信装置と通信を行ないながら、同時に前記受信装置が各受信アンテナを交互に切り替えて前記送信装置からフレームを受信したときの各受信アンテナにおける受信信号強度を計測して、受信アンテナ毎に現在得られた送信アンテナ間の受信信号強度の差分ΔＳを以前に計測しておいたデータを比較することにより、前記送信装置と前記受信装置の間の角度を推測する、
ことを特徴とする請求項１４に記載の到来角推定システム。
【請求項１６】
前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えながらデータ・フレームを転送し、前記受信装置側では受信アンテナを交互に切り替えながら前記送信装置から転送されたデータ・フレームの信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の到来角推定システム。
【請求項１７】
前記送信装置は、上位層に転送すべき送信データがない場合には、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成して送信する、
ことを特徴とする請求項１６に記載の到来角推定システム。
【請求項１８】
前記受信装置側が一定間隔でデータ・フレームを送信し、これに対し前記送信装置から送信アンテナを交互に切り替えながら返送される各確認応答フレームの受信アンテナ毎の受信信号強度を前記受信装置が計測する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の到来角推定システム。
【請求項１９】
前記受信装置側で上位層に転送すべきデータがない場合は、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成し送信する、
ことを特徴とする請求項１８に記載の到来角推定システム。
【請求項２０】
正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナと、
フレームの送信又は受信に用いるアンテナを交互に切り替えるアンテナ切替機構と、
ＲＦ送受信信号を処理するＲＦ部と、
送受信信号を処理する信号処理部と、
転送動作に応じて前記アンテナ切替機構によるアンテナ切り替え動作を制御する転送制御部と、
を具備することを特徴とする通信装置。
【請求項２１】
所定の通信相手に対してフレームを送信する際に、送信に用いる指向性アンテナを交互に切り替えてフレームの送信を行なう、
ことを特徴とする請求項２０に記載の通信装置。
【請求項２２】
所定の通信相手からフレームを受信する際に、受信に用いる指向性アンテナを交互に切り替えながらフレームを受信した際の受信に用いた指向性アンテナ毎のフレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記到来角を推定する、
ことを特徴とする請求項２０に記載の通信装置。
【請求項２３】
前記通信相手との角度をさまざまに変化させながら、受信に用いる指向性アンテナを交互に切り替えて前記通信相手からフレームを受信したときの各指向性アンテナにおける受信信号強度を計測して、その差分ΔＳと前記送信装置及び前記受信装置間の角度との関係をあらかじめ記憶し、
前記通信相手と通信を行ないながら、同時に受信に用いる指向性アンテナを交互に切り替えて各指向性アンテナにおける受信フレームの信号強度を計測して、現在得られた指向性アンテナ間のΔＳを以前に計測しておいたデータを比較することにより、前記通信相手との間の角度を推測する、
ことを特徴とする請求項２２に記載の通信装置。
【請求項２４】
一定の周期で受信に用いる指向性アンテナを切り替えながら、前記通信相手が転送するデータ・フレームを受信し、その信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項２２に記載の通信装置。
【請求項２５】
いずれかの指向性アンテナから一定間隔でデータ・フレームを送信し、これに対し前記通信相手から返送される確認応答フレームを受信に用いる指向性アンテナを交互に切り替えながら受信して、これらの信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項２２に記載の通信装置。
【請求項２６】
上位層に転送すべきデータがない場合は、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成し送信する、
ことを特徴とする請求項２５に記載の通信装置。
【請求項２７】
正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備えた送信装置と通信を行なう通信装置であって、
送受信に用いるアンテナと、
ＲＦ送受信信号を処理するＲＦ部と、
送受信信号を処理する信号処理部と、
転送動作を制御する転送制御部を備え、
前記送信装置から前記の指向性アンテナの各々から交互にフレームを送信した際の、送信アンテナ毎の受信フレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記到来角を推定する、
ことを特徴とする通信装置。
【請求項２８】
前記送信装置から一定の周期で送信アンテナを交互に切り替えながら転送されたデータ・フレームの受信信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項２７に記載の通信装置。
【請求項２９】
一定間隔でデータ・フレームを送信し、これに対し前記送信装置から送信アンテナを交互に切り替えながら返送される各確認応答フレームの受信信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項２７に記載の通信装置。
【請求項３０】
上位層に転送すべきデータがない場合は、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成し送信する、
ことを特徴とする請求項２９に記載の通信装置。
【請求項３１】
垂直偏波の性質を持つ２つの指向性アンテナを互いの偏波方向を略９０度だけ傾きを以って正面に取り付けた送信装置と、
正面に指向特性を持つ指向性アンテナを持つ受信装置を備え、
前記送信装置から前記の指向性アンテナの各々から交互にフレームを送信した際の、送信アンテナ毎の前記受信装置側におけるフレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記受信装置に対する前記送信装置の傾きを推定する、
ことを特徴とする通信システム。
【請求項３２】
前記送信装置の水平方向に対する傾きをさまざまに変化させながら、前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えて前記受信装置にフレームの送信を行なうとともに前記受信装置がフレームを受信した際の各送信アンテナからの受信信号強度を計測し送信アンテナ間の差分ΔＰを求め、ΔＰと前記送信装置及び前記受信装置間の角度との関係をあらかじめ記憶し、
前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えながら前記受信装置と通信を行ない、同時に前記受信装置は前記送信装置の各送信アンテナからフレームを受信したときの受信信号強度を計測して、現在得られた送信アンテナ間の受信信号強度の差分ΔＰを以前に計測しておいたデータを比較することにより、前記送信装置の水平方向に対する傾きを推測する、
ことを特徴とする請求項３１に記載の到来角推定システム。
【請求項３３】
各送信アンテナは、複数の給電点が設けられたマイクロストリップ・アンテナからなり、給電点を切り替えることによって、２つの指向性アンテナの偏波の組合せを変更する、
ことを特徴とする請求項３１に記載の到来角推定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電波の到来角を推定する到来角推定システム、通信装置、並びに通信システムに係り、特に、例えばＩＥＥＥ８０２．１１などの無線ＬＡＮを搭載した無線通信端末において利用される到来角推定システム、通信装置、並びに通信システムに関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、比較的近距離で十分な見通しを得ることができる状況下で用いられ、簡素で小型、低コストに構成される到来角推定システム、通信装置、並びに通信システムに係り、特に、複数のアンテナを装備した無線通信装置において利用される到来角推定システム、通信装置、並びに通信システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
旧来の有線通信方式における配線から解放するシステムとして、無線ネットワークが注目されている。例えば、ＩＥＥＥ（Ｔｈｅ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２．１１ａ／ｂ、ｇといった無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）規格が代表的である。無線ＬＡＮによれば柔軟なインターネット接続が可能であり、既存の有線ＬＡＮを置き換えるだけでなく、ホテルや空港ラウンジ、駅、カフェといった公共の場所でもインターネット接続手段を提供することができる。
【０００４】
無線通信の多くは、受信装置では直接波と複数の反射波・遅延波の重ね合わせが到来するというマルチパス環境下でデータ伝送が行なわれるので、マルチパスにより遅延ひずみが生じ、通信に誤りが引き起こされるおそれがある。このため、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇなどの無線ＬＡＮの標準規格では、マルチキャリア方式の１つであるＯＦＤＭ変調方式が採用されている。ＯＦＤＭ伝送システムでは、送信データを周波数が直交する複数のキャリアに分配して伝送するので、各キャリアの帯域が狭帯域となり、周波数利用効率が非常に高く、周波数選択性フェージング妨害に強いという特徴がある。
【０００５】
無線ＬＡＮは既に広範に普及しているが、最近では、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）などの情報機器だけでなく、デジタルカメラや音楽プレーヤ、携帯電話などの小型軽量のＣＥ（Ｃｏｎｓｕｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）機器にも無線ＬＡＮ機能を搭載することが一般的となりつつある。無線通信の多くは無指向アンテナにより柔軟な接続を可能にする。これに対し、携帯機器に無線ＬＡＮが搭載された場合にはアンテナが小型であることが求められ、また、指向性アンテナを用いて、比較的近い距離において機器をかざした特定の通信相手と接続するといったアプリケーションが想定される。このようなアプリケーションでは、電波の到来角を検出若しくは推定する技術が必要になってくる。
【０００６】
電波の到来角を検出する技術はこれまでにも数多研究されており、代表的なものには、ＯＦＤＭ技術を利用した空間スペクトラムに基づく手法や、ＭＵＳＩＣ（（ＭＵｌｔｉｐｌｅ  ＳＩｇｎａｌ  Ｃｌａｓｓｉｆｃａｔｉｏｎ）アルゴリズム、ＥＳＰＲＩＴ（Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ  ｖｉａ  Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ  Ｔｅｃｈｉｎｉｑｕｅ）アルゴリズムが挙げられる。ここで、ＭＵＳＩＣ法はアレーアンテナを利用し、アレーアンテナ受信信号から得られる相関行列の固有値、固有ベクトルを求め、角度スペクトラムを計算する。ＥＳＰＲＩＴ法も、ＭＵＳＩＣ法と同様アレーアンテナ受信信号から得られる相関行列の固有値、固有ベクトルを求めるが、サブアレーアンテナ間の回転不変式の関係を基に電波の到来角を推測する点が異なる。また、ＡＴＲ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ：国際電気通信基礎技術研究所）により開発された電子走査導波器アンテナ（エスパアンテナ）は、円形に配置されたアンテナ素子に素子間相互結合により指向性ビームを生成し、電波の到来角を走査することができる。
【０００７】
上記の信号到来方向推定技術はいずれも、マルチパス環境においても到来角の高い推測精度を得ることが可能であり、障害物が存在しても±３〜５度の精度で推定を行なうものである。しかしながら、これらは例えばビルなどの数十メートル離間した建物間での測定などを目的とするものであり、次元数の高く且つ大きなサイズのアレイアンテナなど特別な仕組みを持つアンテナを必要とするとともに、複雑な計算処理を伴う高価なシステムであり、小型機器へ搭載することは容易でない。
【０００８】
無線ＬＡＮを搭載した小型機器では、簡素、小型で低コストに構成される到来角推定方法が望ましい。電波の発信源と到来角の推測を行なうシステム間の距離は２メートル程度を想定しており、見通しが得られるときにはマルチパスの影響をそれほど考慮しないで済むので、概ね３０〜４０度程度の精度が得られればよい。
【０００９】
また、２つシステム間の距離が十分に近ければ、２つのシステム間になんらかの障害物があっても人間は知覚を利用して見通しを得るための操作を行なうことができ、それを回避する手段をとることが可能である。例えば、電波の発信源が到来角の推測を行なうシステムのいずれか一方が携帯できる形状の装置である場合、２つのシステムの間に障害物があれば、システムの利用者は、携帯装置を持ったまま障害物の影響を受けない位置まで移動する、障害物を取り除く、あるいは到来角の推測が機能しないことを理解し推測操作を行なわないといった行動をとれば済む。
【００１０】
例えば、２基の開口面アンテナをそれぞれリッジドウェーブガイドホーンとし、２基の開口面アンテナから入力された一対のアンテナ出力信号の和信号及び差信号を出力するハイブリッド回路を備え、２基の開口面アンテナの最大放射方向を含む平面に垂直で且つ２基の開口面アンテナの電気中心の２等分点を通る直線を回転軸として３６０度回転させることで到来方向を推定する信号到来方向推定装置について提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。同装置によれば、和信号出力と差信号出力を別個の広帯域受信機で測定し、そのデータを時間領域又は周波数領域で積分することで各々の角度における総受信電力を求め、超広帯域信号に対する２つのパターンを得ると、これらの２パターンそれぞれの極大値と極小値が一致している方向を信号の到来方向と推定することができる。
【００１１】
しかしながら、アンテナを回転駆動するような回転機構を小型の携帯機器に搭載することは困難であり、このような可動部の存在は装置の耐故障性、メンテナンスなどの問題を招来する。また、かかる信号到来方向推定方法は、受信側にしか適用することができない。
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−１５６５２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、ＩＥＥＥ８０２．１１などの無線ＬＡＮを搭載した無線通信端末において好適に利用される、優れた到来角推定システム、通信装置、並びに通信システムを提供することにある。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、比較的近距離で十分な見通しを得ることができる状況下で用いられ、簡素で小型、低コストに構成される、優れた到来角推定システム、通信装置、並びに通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、送信装置から無線送信されるフレームが受信装置に到来する到来角を推定する到来角推定システムであって、
前記送信装置は、当該装置の正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備え、
前記受信装置は、当該装置の正面に指向特性を持つ指向性アンテナを備え、
前記送信装置から前記の指向性アンテナの各々から交互にフレームを送信した際の、送信アンテナ毎の前記受信装置側におけるフレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記到来角を推定する、
ことを特徴とする到来角推定システムである。
【００１６】
但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない（以下、同様）。
【００１７】
最近、小型の携帯機器にも無線ＬＡＮ機能が搭載されることが一般的になりつつあるが、機器をかざした特定の通信相手と接続するといったアプリケーションを考慮すると、電波の到来角を検出若しくは推定する技術が必要になってくる。
【００１８】
ＭＵＳＩＣアルゴリズムやＥＳＰＲＩＴアルゴリズムといった高精度の信号到来方向推定技術は既に存在するが、これらは特別な仕組みを持つアンテナを必要とするとともに、複雑な計算処理を伴う高価なシステムであり、小型機器へ搭載することはできない。
【００１９】
これに対し、本発明に係る到来角推定システムは、正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備えた送信装置と、正面に指向特性を持つ指向性アンテナを備えた受信装置で構成される。
【００２０】
無線ＬＡＮカードを始めとしてほとんどすべての無線機器がダイバーシティを行なうために、２つ以上のアンテナ素子と送受信装置を装備している。このことを利用すれば、２つの指向性アンテナを備えた通信装置を構成することに特段のコスト増を招来することはない。
【００２１】
また、主として携帯電話機などの小型機器への適用を考えると、概ね３０〜４０度程度の精度が得られれば十分であり、半値角４０〜１２０度程度の小型指向性アンテナを用いることが相当である。例えば、１辺の長さが２ｃｍ程度の低コストで小型のマイクロストリップ・アンテナを利用することができる。
【００２２】
送信装置が備える２つの指向性アンテナは、当該装置の正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置される。例えば、受信側との相対角度が０度で強い指向性を持つ２つの送信アンテナをそれぞれ±θ度だけ指向方向を傾けて取り付けるようにしてもよいし、あるいは受信側との相対角度がそれぞれ±θ度だけ傾いたところで強い指向性を持つ２つの送信アンテナを並列に取り付けるようにしてもよい。
【００２３】
そして、本発明に係る到来角推定システムでは、前記送信装置の各指向性アンテナから交互にフレームを送信した際の、送信アンテナ毎の前記受信装置側におけるフレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記到来角を推定する。
【００２４】
具体的には、送信装置から、送信に用いるアンテナを短い間隔で交互に切り替えながらフレームを送信する。一方、受信装置では、受信したフレームに埋め込まれた情報を読み取ると、送信に用いたアンテナ毎に受信フレームの信号強度の平均値を求める。これら２通りの受信信号強度の平均値の差は、送信装置と受信装置間の相対角度の違いにより変化するという性質がある。
【００２５】
したがって、送信装置と受信装置の間の角度をさまざまに変化させながら、各送信アンテナから受信したフレームの信号強度の差分ΔＳを計測して、ΔＳと送信装置及び受信装置間の角度との関係をあらかじめ記憶しておく。そして、送信装置や受信装置は通信を行ないながら、同時に送信アンテナ毎の信号強度からΔＳを計測し、以前に計測しておいたデータを参照することにより、現在のΔＳの値から送信装置と受信装置の間の角度を推測することができる。
【００２６】
ここで、送信アンテナ毎の受信信号強度の差分ΔＳには、送信アンテナ毎の送信信号電力に対し、送信アンテナ利得と受信アンテナ利得、伝搬損失が影響する。ここで、各送信アンテナからの送信電力を同一とし、各送信アンテナと受信アンテナ間の伝搬損失も同一であるとみなすと、送信アンテナ毎の受信信号強度の差分ΔＳは各送信アンテナの利得の差であると考えることができる。よって、ΔＳは２つの指向性アンテナの送信利得によって決定され、受信システムの利得や伝搬損失に依存しないことが分かる。したがって、あらかじめ計測に利用した受信装置と、実際に角度検出に利用する受信装置は同一のものでなくとも良い。また、受信システムと送信システム間の距離もΔＳに影響を与えない。
【００２７】
本発明で言う「送信装置」、「受信装置」はそれぞれデータ・フレームの送信側、受信側を意味するのではなく、到来角の推定に用いられるフレームの送信側、受信側を意味する。通信シーケンスによっては、データ・フレームの送信側でなく受信側（例えば、データ・フレームに対して確認応答フレームを返す通信機器）が「送信装置」となることもある。
【００２８】
送信装置が主体となって到来角の推定に用いられるフレームの転送を行なう方式では、例えば、指向性アンテナを装備した通信装置が送信に用いるアンテナを交互に切り替えながらデータ・フレームを転送し、受信装置側で転送されたデータ・フレームの信号強度を計測する。送信装置側で上位層に転送すべき送信データがない場合には、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成して送信する。また、データ・フレームを転送する際には、一定の周期で送信に利用する指向性アンテナを切り替えて、受信装置側で両方のアンテナからほぼ同じ頻度でフレームを受信できるようにする。
【００２９】
一方、受信装置が主体となって到来角の推定に用いられるフレームの転送を行なう方式では、到来角を推定する受信装置側が一定間隔でデータ・フレームを送信し、これに対し２つ指向性アンテナを装備した送信装置から返送される確認応答フレームの信号強度を受信装置が計測する。また、受信装置側で上位層に転送すべきデータがない場合は、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成し送信する。
【００３０】
ＩＥＥＥ８０２．１１では、データ・フレームの転送に対して、受信側からデータ・フレームを受信した際に必ず確認応答フレーム（ＡＣＫ／ＮＡＣＫ）を返送する仕様になっているので、一定間隔でデータ・フレームを送信すると、同様にほぼ一定間隔で確認応答フレームを受信することができる。したがって、このような通信手順を利用することによって、受信装置は、送信アンテナ毎に送信される確認応答フレームの受信信号強度に基づいて到来角の推定を行なうことができる。
【００３１】
また、本発明の第２の側面は、送信装置から無線送信されるフレームが受信装置に到来する到来角を推定する到来角推定システムであって、
前記送信装置は、当該装置の正面に指向特性を持つ指向性アンテナを備え、
前記受信装置は、当該装置の正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備え、前記送信装置から送信されるフレームを前記の指向性アンテナを交互に用いて受信した際の受信アンテナ毎のフレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記到来角を推定する、
ことを特徴とする到来角推定システムである。
【００３２】
このように受信装置において指向性アンテナを利用する場合には、送信装置側にそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを装備した第１の側面に係るシステムとは相違し、送信装置側で送信フレーム中に送信アンテナの情報を格納するなどの特別な処理を必要としない。
【００３３】
第２の側面に係る到来角推定システムにおいても、送信装置並びに受信装置のいずれもが主体となって到来角の推定に用いられるフレームの転送を行なうことができる。
【００３４】
前者の場合、送信装置がデータ・フレームを転送し、受信装置側では受信アンテナを交互に切り替えながら、データ・フレームの信号強度を計測する。また、送信装置側で上位層に転送すべき送信データがない場合には、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成して送信する。また、受信装置は、受信に利用する指向性アンテナを一定の周期で切り替え、両方の受信アンテナからほぼ同じ頻度でフレームを受信できるようにする。
【００３５】
また、後者の場合、到来角を推定する受信装置側がいずれかの指向性アンテナを用いて一定間隔でデータ・フレームを送信し、これに対し送信装置から返送される確認応答フレームを受信装置が受信アンテナを交互に切り替えながら受信して、これらの信号強度を計測する。また、受信装置側で上位層に転送すべきデータがない場合は、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成し送信する。
【００３６】
また、本発明の第３の側面は、送信装置から無線送信されるフレームが受信装置に到来する到来角を推定する到来角推定システムであって、
前記送信装置は、当該装置の正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備え、
前記受信装置は、当該装置の正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備え、前記送信装置から送信されるフレームを前記の指向性アンテナを交互に用いて受信した際の受信アンテナ毎のフレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記到来角を推定する、
ことを特徴とする到来角推定システムである。
【００３７】
本発明の第３の側面に係る到来角推定システムでは、前記送信装置と前記受信装置の間の角度をさまざまに変化させながら、前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えながら前記受信装置にフレームの送信を行なう。これに対し、前記受信装置が受信アンテナを交互に切り替えながらフレームを受信した際の、受信アンテナ毎に各送信アンテナからの受信信号強度を計測し、その差分ΔＳを計算すると、各受信アンテナについて送信アンテナ毎のΔＳと前記送信装置及び前記受信装置間の角度との関係をあらかじめ記憶しておく。
【００３８】
その後、前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えながら前記受信装置と通信を行なう際には、同時に前記受信装置が受信アンテナを交互に切り替えながら前記送信装置からフレームを受信したときの各受信アンテナにおける受信信号強度を計測する。そして、受信アンテナ毎に現在得られた送信アンテナ間の受信信号強度の差分ΔＳを求めると、これらを以前に計測しておいたデータを比較することによって、前記送信装置と前記受信装置の間の角度を推測することができる。
【００３９】
このように、受信装置は、受信アンテナ毎に、２つの送信アンテナから交互に送信されたフレームからΔＳと送信装置及び受信装置間の角度との関係を得るとともに、２通りの送受信装置間の相対的な角度の判別結果を得ることができる。そして、これら２通りの判別結果に基づいて、よりロバストな到来角の推定を行なうことができる。
【００４０】
第３の側面に係る到来角推定システムにおいても、第１及び第２の側面に係るシステムと同様に、送信装置並びに受信装置のいずれもが主体となって到来角の推定に用いられるフレームの転送を行なうことができる。
【００４１】
また、本発明の第４の側面は、垂直偏波の性質を持つ２つの指向性アンテナを互いの偏波方向を略９０度だけ傾きを以って正面に取り付けた送信装置と、正面に指向特性を持つ指向性アンテナを持つ受信装置を備え、前記送信装置から前記の指向性アンテナの各々から交互にフレームを送信した際の、送信アンテナ毎の前記受信装置側におけるフレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記送信装置の水平方向に対する傾きを推定することを特徴とする通信システムである。
【００４２】
本発明の第４の側面に係る通信システムによれば、送信装置の水平方向に対する傾きを、簡素で小型、且つ安価な構成により推定することができる。
【００４３】
具体的には、前記送信装置の水平方向に対する傾きをさまざまに変化させながら、前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えて前記受信装置にフレームの送信を行なうとともに、前記受信装置がフレームを受信した際の各送信アンテナからの受信信号強度を計測して、送信アンテナ間の差分ΔＰを求める。そして、ΔＰと前記送信装置及び前記受信装置間の角度との関係をあらかじめ記憶しておく。
【００４４】
その後、前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えながら前記受信装置と通信を行なう際に、同時に前記受信装置は前記送信装置の各送信アンテナからフレームを受信したときの受信信号強度を計測して、現在得られた送信アンテナ間の受信信号強度の差分ΔＰを以前に計測しておいたデータを比較することにより、前記送信装置の水平方向に対する傾きを推測することができる。
【００４５】
ここで、送信装置は、送信アンテナとして複数の給電点が設けられたマイクロストリップ・アンテナを用いることができる。この場合、各アンテナにおける給電点を切り替えることによって、２つの指向性アンテナの偏波の組合せを変更することができる。そして、信号処理の結果と、アンテナ切替制御機構と給電点切替制御機構からのアンテナ情報を基に、通信機器の傾きと相対角度の計測を行なう。このような構成のシステムを用いることにより、１組のアンテナだけで、受信装置と送信装置間の相対角度の検出とともに、送信装置の傾きを検出の２つの機能を行なうことが可能となる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、比較的近距離で十分な見通しを得ることができる状況下で用いられ、複数のアンテナを装備した無線通信装置を用いて簡素で小型、低コストに構成される、優れた到来角推定システム、通信装置、並びに通信システムを提供することができる。
【００４７】
本発明に係る到来角推定システムは、送信装置又は受信装置の少なくとも一方が、正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備え、アンテナを交互に切り替えながらフレームを送信又は受信して、受信装置側において送信又は受信アンテナ間での受信信号強度の差分に基づいて到来角を推定することができる。
【００４８】
無線ＬＡＮカードを始めとしてほとんどすべての無線機器がダイバーシティを行なうために、２つ以上のアンテナ素子と送受信装置を装備していることを考量すると、２つの指向性アンテナを備えた送信装置又は受信装置を構成することに特段のコスト増を招来することはなく、簡素で小型、且つ安価にシステムを構成することができる。また、主として携帯電話機などの小型機器への適用を考えると、概ね３０〜４０度程度の十分な精度を得ることができる。
【００４９】
本発明では、無線通信機器がＩＥＥＥ８０２．１１に基づく技術を利用することを想定しており、インフラストラクチャ・モード並びにアドホック・モードのいずれのネットワーキングにおいても好適に到来角の推定を行なうことができる。また、ＩＥＥＥ８０２．１１のような既存の無線技術と簡素な指向性アンテナを組み合わせることで、±３０度程度の十分な推定精度を実現することができる。
【００５０】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００５２】
Ａ．アンテナの構成
本発明に係る到来角推定システムは、複数のアンテナを装備する無線通信装置の利用を前提としている。現在、ほとんどの無線通信装置はダイバーシティのための複数のアンテナを装備していることから、一般に入手可能な無線通信装置のほとんどがこの前提条件を満たしている。
【００５３】
また、本発明に係る到来角推定システムは、主として携帯電話機などの小型機器への適用を想定しており、概ね３０〜４０度程度の精度が得られれば十分である。よって、半値角４０〜１２０度程度の小型指向性アンテナを用いることが相当であり、例えば、１辺の長さが２ｃｍ程度の低コストで小型のマイクロストリップ・アンテナを利用することができる。
【００５４】
図１には、マイクロストリップ・アンテナの構成例とそのインピーダンス整合回路を示している。マイクロストリップ・アンテナは、絶縁性物質を介在物として放射導体と導体地板とを対向して配置することにより構成される。放射導体の形状は、特に決まりはないが、大体において矩形若しくは円形が用いられている。図示の例では、矩形の放射導体板が用いられる。絶縁性物体には誘電体が用いられ、その厚みは概ね、無線周波数の波長λの１／１０以下とされ、ゆえに薄型である。
【００５５】
実際の製造においては、両面銅張りの誘電体基板をエッチング加工してマイクロストリップ・アンテナを製作されることが多いので、製造が容易であり、又は回路基板との一体化が容易である。最低次モード（矩形の場合はＴＭ10−ｍｏｄｅ）で励振された場合の放射指向性は、概ねｚ軸方向の単方向性を示し、数ｄＢｉ程度の指向性利得が得られる。また、励振させるために給電点は中心より若干オフセットした位置に設けられ、このオフセット長を調節することにより、５０オームに整合をとることが可能である。また、給電点のオフセット方向により、アンテナの偏波方向を決定することができる。
【００５６】
本発明に係る到来角推定システムは、２以上のアンテナを装備していることと、半値角が４０〜１２０度程度の指向性があることという上述した条件を満たしていれば、送信側又は受信側として通信を行なういずれの通信機器に対しても適用することができる（後述）。
【００５７】
図２には、半値角６０度の指向性アンテナが持つ指向性の典型的な性質を示している。同図において、Ｘ軸は送信アンテナと受信装置間の相対角度を示し、Ｙ軸は受信装置におけるフレームの受信信号強度（ＲＳＳＩ：Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈ  Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）を示している。
【００５８】
送信装置の指向性アンテナから送信された無線フレームを受信装置で受信し、その受信信号強度を計測することによって、指向性アンテナの角度を判別するという到来角を推定する方法が考えられる。単体の指向性アンテナでこの方法を実施する場合には、幾つかの困難がある。図３には指向性アンテナが受信装置に正対しているものの両者の距離はやや離れているシステム構成例を示し、図４では指向性アンテナと受信装置の距離は近いが、指向性アンテナが受信装置に正対していないシステム構成例を示している。これら２通りの状況では、受信側で計測される信号強度はほぼ同じ値となるとしても、信号強度だけからではどちらの状況かを判別することはできない。
【００５９】
本発明では、無線ＬＡＮカードを始めとしてほとんどすべての無線機器がダイバーシティを行なうため、２つ以上のアンテナ素子と送受信装置を装備していることを利用する。
【００６０】
通常のダイバーシティでは、無線機器は２つのアンテナ素子と２つのフレーム送受信装置を装備し、複数の受信装置を同時に動作させ、無線フレームをすべての装置で受信する。このような方法をとることで、たとえ１つの受信装置で受信する信号強度が一時的に低下し、データの信頼性が劣化している場合であっても、別の受信装置における信号強度が十分であれば通信は安定して継続することができる。
【００６１】
これに対し、本発明では、送受信装置はそれぞれ図２に示したような指向特性を持つ指向性アンテナを装備するが、送信装置１０側では互いのアンテナの指向特性が角度を持つように、２つの平面アンテナを傾けて図５に示すように取り付け、受信装置２０に対向して配置している。
【００６２】
あるいは、図６に示すように偏向した指向特性を持つ各指向性アンテナを並列に配置する（例えば、指向性が互いに傾いた平面アンテナを同一平面上に配置する）ようにしもよい。
【００６３】
図５に示した２つの指向性アンテナを傾けて配置したシステム、又は図６に示した指向特性からなる指向性アンテナを用いたシステムのいずれも、２つの指向性アンテナによる指向特性は、図７に示すようになる。同図では、２つのアンテナ素子間の干渉を考慮していないが、実際には、２つのアンテナ素子を近接させるときのアンテナ間の相互結合による影響によって、それぞれのアンテナの指向特性が中央寄りに若干偏向する。このため、それぞれのアンテナの指向特性を個別に計測するのではなく、２つの指向性アンテナを配置した状況で送信装置全体としての指向特性を計測することが好ましい。
【００６４】
Ｂ．信号強度の計測方法
上述したように、本発明に係る到来角推定システムは、正面に対しそれぞれ±θ度（例えば、θ＝３０）だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備えた送信装置１０と、正面に指向特性を持つ指向性アンテナを備えた受信装置２０で構成される。
【００６５】
送信装置か１０らは、送信に用いるアンテナを短い間隔で交互に切り替えながらフレームを送信する。その際、どちらのアンテナから送信したかを判別するための情報を各送信フレームに付加する。
【００６６】
受信装置２０では、受信したフレームに埋め込まれた情報を読み取ると、フレームが送信装置１０側のどちらのアンテナを利用して送信されたものかを判別する（但し、どちらのアンテナから送信されたものかを判別する具体的な手法については、後述に譲る）。そして、送信に用いたアンテナ毎に受信フレームの信号強度の平均値を求める。このとき、アンテナ１から送信されたフレームの受信信号強度の平均値をＳｉｇ１、アンテナ２から送信されたフレームの受信信号強度の平均値をＳｉｇ２とし、２つの信号強度の差ΔＳは、ΔＳ＝Ｓｉｇ１−Ｓｉｇ２で求めるものとする。ΔＳは指向性アンテナを装着した送信装置１０と受信装置２０間の相対角度の違いにより変化する。
【００６７】
したがって、送信装置１０と受信装置２０の間の角度をさまざまに変化させながら、各送信アンテナから受信したフレームの信号強度の差分ΔＳを計測して、ΔＳと送信装置１０及び受信装置２０間の角度との関係をあらかじめ記憶しておく。その後、送信装置１０と受信装置２０は通信を行なう際に、同時に信号強度からΔＳを計測し、以前に計測しておいたデータを参照することにより、現在のΔＳの値から送信装置１０と受信装置２０の間の角度を推測することができる。
【００６８】
但し、本発明で言う「送信装置」、「受信装置」はそれぞれデータ・フレームの送信側、受信側を意味するのではなく、到来角の推定に用いられるフレームの送信側、受信側を意味する。通信シーケンスによっては、データ・フレームの送信側でなく受信側が「送信装置」となることもある。
【００６９】
図８には、送信に用いたアンテナ間での受信信号強度の差分ΔＳと送信装置１０及び受信装置２０間の角度との関係を実線で示している。但し、図１に示した指向特性を持つ２つの指向性アンテナを図５に示したようにそれぞれ送信装置１０の正面から±３０度だけ角度をつけて配置している。また、受信装置２０のアンテナは正面方向に指向特性を持つものとする。ちなみに、アンテナ１から送信されたフレームの受信信号強度のＳｉｇ１、並びにアンテナ２から送信されたフレームの受信信号強度Ｓｉｇ２は、図８中でそれぞれ破線、一点鎖線で示している。
【００７０】
図８では、Ｘ軸は送信装置１０側の各指向性アンテナと受信装置２０の相対角度を示し、Ｙ軸は信号強度を示している。同図より、送信装置１０と受信装置２０の相対角度が０度のとき、すなわち送信装置１０の正面が受信装置２０の正面に正対しているときには、アンテナ１及びアンテナ２の各々から受信したフレームの信号強度の差分ΔＳは０となる。そして、向き合っている送信装置１０の正面方向と受信装２０置の正面方向のなす角度の差が大きくなるにつれて、ΔＳは徐々に増加又は減少していく。
【００７１】
本発明に係る到来角推定システムは、図５又は図６に示したように構成されるが、各送信アンテナから受信したフレームの信号強度の差分ΔＳと送信装置１０及び受信装置２０間の角度との関係を利用することによって、送信装置１０からの送信フレームが受信装置２０に到来する到来角を推定する。まず、送信装置１０と受信装置２０の間の角度をさまざまに変化させながら、ΔＳを計測し、そのデータをあらかじめ当該システムに記録しておく。そして、送信装置１０や受信装置２０は通信を行ないながら、同時に信号強度からΔＳを計測し、以前に計測しておいたデータを参照することにより、現在のΔＳの値から送信装置１０と受信装置２０の間の角度を推測するようにする。
【００７２】
いま、受信装置２０における受信信号強度をＰr［ｄＢｍ］とすると、Ｐrは以下の式（１）で表すことができる。
【００７３】
【数１】
2008300937.tif 000003
【００７４】
上式（１）において、Ｐt［ｄＢｍ］は送信装置１０における電波の送信電力、Ｇt［ｄＢｉ］は送信アンテナの利得、Ｇr［ｄＢｉ］は受信アンテナの利得である。また、Γは自由空間における電波の伝搬損失である。ここで、送信装置１０に設置された指向性アンテナ１の利得をＧ１t、送信電力をＰ１t、伝搬損失をΓ１とし、さらに指向性アンテナ２の利得をＧ２t、送信電力をＰ２t、伝搬損失をΓ２とする。指向性アンテナ１及び２をそれぞれ単独で用いて送信された電波を受信装置２０で受信したときの受信信号強度をそれぞれＰ１r［ｄＢｍ］、Ｐ２r［ｄＢｍ］とすると、これら受信信号強度Ｐ１r並びにＰ２rは以下の式（２）並びに（３）で表すことができる。
【００７５】
【数２】
2008300937.tif 000004
【００７６】
送信装置１０側で同一の電力を２つの指向性アンテナに与える場合、各送信１及び２からの送信電力Ｐ１tとＰ２tは同値となる。伝搬損失は、Γ１とΓ２は２つの送信アンテナと受信装置２０間の距離や障害物、反射物の状況によって変化する値である。本発明では送信装置１０側の２つの指向性アンテナの距離は３〜２０ｃｍ程度であり、送信アンテナと受信アンテナとの距離は３ｍ以内であることを前提としている。したがって、２つの送信アンテナと受信装置２０との距離や障害物、反射物の状況はほぼ同一であると仮定することができ、それぞれの伝搬損失Γ１とΓ２も同値とみなすことができる。以上のことから、送信装置１０側の２つの指向性アンテナから送られた電波の受信装置２０における受信電力の差Ｐ１r−Ｐ２rは、以下の式（４）で表すことができる。
【００７７】
【数３】
2008300937.tif 000005
【００７８】
このＰ１r−Ｐ２rが上述したΔＳに相当する。上式（４）に示されるように、ΔＳは２つの指向性アンテナの送信利得によって決定され、受信装置２０の利得や伝搬損失に依存しないことが分かる。したがって、あらかじめ計測に利用した受信装置２０と、実際に角度検出に利用する受信装置２０は同一のものでなくとも良い。また、受信装置２０と送信装置１０間の距離もΔＳに影響を与えない。
【００７９】
勿論、上述したモデルは理想状況におけるものであり、実際にはΓ１とΓ２が同一とはならない場合が多い。しかしながら、送信装置１０が受信装置２０に対して、「ほぼ正対している」、「右を向いている」、「左を向いている」といった比較的低精度の判別には十分な精度を得ることができる。
【００８０】
図１２には、送信装置１０の構成を模式的に示している。送信装置１０は、指向特性が互いに偏向するように配置された２つの指向性アンテナ１及び２を備えている。以下では、送信装置１０が持つ２つの指向性アンテナをそれぞれ「アンテナ１」、「アンテナ２」と呼ぶことにする。信号処理部３は、通信プロトコルの上位層から供給される送信データに対しベースバンドなどの所定の処理を施す。ＲＦ部４は、送信ベースバンド信号をアナログ信号に変換し、さらにＲＦ信号にアップコンバートする。アンテナ切替制御機構５は、転送制御部６からの指示に従い、送信に用いるアンテナを短い一定の間隔で交互に切り替えながらフレームを送信する。その際、どちらのアンテナから送信したかを判別するための情報を各送信フレームに付加する。
【００８１】
図１０には、到来角の推定を行なう際に送信装置１０が実行する処理手順をフローチャートの形式で示している。
【００８２】
まず、信号処理部及びＲＦ部においてフレーム送信の準備を行なう（ステップＳ１）。そして、転送制御部は、送信に用いるアンテナを短い一定の間隔で交互に切り替える（ステップＳ２）。
【００８３】
フレームを送信するアンテナをアンテナ１に選択したときには、フレームにアンテナ１の情報を付加し、アンテナ切替機構を介してアンテナ１にＲＦ送信信号を転送する（ステップＳ３）。また、フレームを送信するアンテナをアンテナ２に選択したときには、フレームにアンテナ２の情報を付加し、アンテナ切替機構を介してアンテナ２にＲＦ送信信号を転送する（ステップＳ４）。
【００８４】
また、図１１には、到来角の推定を行なう際に受信装置が実行する処理手順をフローチャートの形式で示している。
【００８５】
受信装置は、送信装置からのフレームを受信すると（ステップＳ１１）、当該フレーム中に埋め込まれた情報を読み取って、送信装置側のどちらのアンテナを利用して送信されたものかを判別するとともに（ステップＳ１２）、受信フレームの信号強度を計測する。
【００８６】
受信フレームがアンテナ１から送信されたものである場合には、計測した受信信号強度をアンテナ１のデータとして保存し（ステップＳ１３）、アンテナ２から送信されたものである場合には、該受信信号強度をアンテナ２のデータとして保存する（ステップＳ１４）。
【００８７】
そして、十分なデータが得られたときには（ステップＳ１５のＹｅｓ）、アンテナ１から送信されたフレームの受信信号強度の平均値Ｓｉｇ１と、アンテナ２から送信されたフレームの受信信号強度の平均値Ｓｉｇ２の差ΔＳを求め、以前に計測しておいたデータを参照することにより、現在のΔＳの値から送信装置と当該受信装置の間の角度を推測する（ステップＳ１６）。
【００８８】
Ｃ．送信アンテナの判別方法
受信装置では、受信したフレームが送信装置側のどちらのアンテナを利用して送信されたものかを判別する必要がある。ここでは送信アンテナの判別方法について説明する。
【００８９】
本発明では、無線通信機器がＩＥＥＥ８０２．１１に基づく技術（８０２．１１ａ、８０２．１１ｂ、８０２．１１ｇ）を利用することを想定している。
【００９０】
図９には、ＩＥＥＥ８０２．１１のフレーム・フォーマットを示している。ＩＥＥＥ８０２．１１のフレームは、３０バイトの大きさを持つＭＡＣ（Ｍａｃｈｉｎｅ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）ヘッダと０−２３１２バイトの大きさを持つＦｒａｍｅ  Ｂｏｄｙ（フレーム・ボディ）と４バイトのＦＣＳ（フレーム・チェック・シーケンス）から構成される。３０バイトのＭＡＣヘッダのうち先頭の２バイト（１６ビット）は、Ｆｒａｍｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌと呼ばれ、フレームの制御情報を格納している。Ｆｒａｍｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌフィールドの１６ビットは、図９中の下部分に示した構造を持つ。このうち２ビットのＴｙｐｅと４ビットのＳｕｂｔｙｐｅフィールドを用いてフレームの種別を指定する。例えば、Ｔｙｐｅフィールドの値が１のときは当該フレームが制御用の情報を含むフレームであることを示し、Ｓｕｂｔｙｐｅフィールドの値が１３（２進数で１１０１)のときは当該フレームが制御用フレームのうち確認応答の情報を含むものであることを示す。
【００９１】
図５に示した通信システムでは、送信装置１０は、フレームがどちらからのアンテナから送信したかを識別するために、データ・フレームと確認応答フレームの２つの種類のフレームに送信アンテナの情報を付加する。データ・フレームの場合、Ｔｙｐｅフィールドの値は２となる。このとき、Ｓｕｂｔｙｐｅフィールドはデータ・フレームの種別を表すために利用され、０から３の値をとることにより（Ｓｕｂｔｙｐｅの値により格納する情報が微妙に異なる）当該フレームがデータを格納するフレームであることを示す。また、Ｓｕｂｔｙｐｅフィールドが８以上（２進数で１０００）を越える値は現時点で定義されていない。送信アンテナの情報を伝達するために、この未定義のＳｕｂｔｙｐｅフィールドの値を利用することができる。すなわち、Ｓｕｂｔｙｐｅフィールドが８から１１の値をとる場合（２進数で１０００から１０１１）、このフレームがアンテナ１から送信されたものであることを示し、１２から１５の値をとる場合（２進数で１１００から１１１１）、このフレームがアンテナ２から送信されたものであることを示す。
【００９２】
確認応答フレームは、制御フレームの一種であるため、Ｔｙｐｅフィールドの値は１となる。また、確認応答フレームで利用するＳｕｂｔｙｐｅの値は１３（２進数で１１０１）のみである。制御フレームにおけるＳｕｂｔｙｐｅのうち、０−９（２進数で００００から１００１）までの値は未定義であり、この部分を利用して送信アンテナを識別する情報を伝達することができる。すなわち、Ｓｕｂｔｙｐｅフィールドの値が５の場合（２進数で０１０１）はアンテナ１を、同フィールドの値が６の場合（２進数で０１１０）はアンテナ２を利用して、フレームが送信されたものであることを示す。
【００９３】
Ｄ．フレーム転送方式
本発明に係る到来角推定システムでは、指向性アンテナを装備した通信装置が送出したフレームを受信装置が観測することにより、指向性アンテナを装備した通信装置と受信装置の相対的な角度を推測する。このため、送信装置側のアンテナから受信装置に対して到来角の推定（すなわち受信信号強度の測定）に用いるフレームを定期的に転送する必要がある。
【００９４】
但し、本発明で言う「送信装置」、「受信装置」はそれぞれデータ・フレームの送信側、受信側を意味するのではなく、到来角の推定に用いられるフレームの送信側、受信側を意味する。到来角の測定対象の機器を「送信装置」、到来角を測定する側の機器を「受信装置」と言い換えることもできる。通信シーケンスによっては、データ・フレームの送信側でなく受信側が「送信装置」となることもある。例えば、携帯端末（Ｍｏｂｉｌｅ  Ｄｅｖｉｃｅ）が「送信装置」となり、ＰＣなどの据え置き型の通信機器が「受信装置」すなわちＳｅｎｓｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅとなって、ユーザが振りかざす携帯端末からの到来角をＰＣ側で推定する。
【００９５】
ＩＥＥＥ８０２．１１におけるネットワーキングは、ＢＳＳ（Ｂａｓｉｃ  Ｓｅｒｖｉｃｅ  Ｓｅｔ）の概念に基づいている。ＢＳＳは、アクセスポイント（ＡＰ）が存在する「インフラストラクチャ・モード」で定義されるＢＳＳと、複数のＭＴ（Ｍｏｂｉｌｅ  Ｔｅｒｍｉｎａｌ：移動局又は端末局）のみにより構成される「アドホック・モード」で定義されるＩＢＳＳ（Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  ＢＳＳ）の２種類で構成される。
【００９６】
図２３Ａには、インフラストラクチャ・モードにおいて、携帯端末からの到来角をＰＣ側で推定する様子を示している。アドホック・モード下で携帯端末とＰＣが直接通信を行なっている際に、ＰＣは、携帯端末が自分宛てに送信したフレームの受信信号強度を計測して、到来角の推定を行なうことができる。
【００９７】
また、図２３Ｂには、インフラストラクチャ・モードにおいて、携帯端末からの到来角をＰＣ側で推定する様子を示している。図示の例では、携帯端末とＰＣはアクセスポイント経由で通信しており、ＰＣは携帯端末がアクセスポイントに宛てたフレームの受信信号強度を計測して、到来角の推定を行なっている。また、図２３Ｃに示す例では、インフラストラクチャ・モードにおいて、携帯端末とＰＣがアクセスポイント経由で通信している際に、通信相手でないＰＣが携帯端末がアクセスポイントに宛てたフレームの受信信号強度を計測して、到来角の推定を行なっている。
【００９８】
到来角の推定（すなわち受信信号強度の測定）に用いるフレームの転送方式には、送信側主体のフレーム転送方式と、受信側主体のフレーム転送方式の２通りの転送方式が考えられる。
【００９９】
送信側主体のフレーム転送方式では、一定間隔で指向性アンテナを装備した通信装置１０がデータ・フレームを転送し、受信装置２０側で転送されたデータ・フレームの信号強度を計測する。上位層に転送すべき送信データがない場合には、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成して送信する。また、データ・フレームを転送する際には、一定の周期で送信に利用する指向性アンテナを切り替えて、受信装置２０側で両方の送信アンテナからほぼ同じ頻度でフレームを受信できるようにする。
【０１００】
一方、受信側主体のフレーム転送方式では、到来角を推定する受信装置２０側が一定間隔でデータ・フレームを送信し、これに対し２つ指向性アンテナを装備した送信装置１０から返送される確認応答フレームの信号強度を計測する。上位層に転送すべきデータがない場合は、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成し送信する。ＩＥＥＥ８０２．１１では、データ・フレームの転送に対して、受信側からデータ・フレームを受信した際に必ず確認応答フレーム（ＡＣＫ／ＮＡＣＫ）を返送する仕様になっている。このため、一定間隔でデータ・フレームを送信すると、同様にほぼ一定間隔で確認応答フレームを受信することができる。したがって、ＩＥＥＥ８０２．１１で策定されるこのような仕様を利用して、送信アンテナ毎に送信される確認応答フレームの受信信号強度に基づいて到来角の推定を行なうことができる。
【０１０１】
Ｅ．受信装置において２つの指向性アンテナを利用するシステム
ここまでの説明では、送信装置１０側にそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを装備したシステムについて説明してきたが、送信装置１０ではなく受信装置２０側に同様に２つの指向性アンテナを装備することによっても、送信装置１０との相対的な角度を判別することができる。
【０１０２】
後者の到来角推定システムでは、受信装置２０が、送信装置１０からのフレーム受信時に、アンテナ１とアンテナ２を一定間隔で切り替えながら受信を行ない、それぞれのアンテナ毎にフレーム受信信号強度の平均値Ｓｉｇ１及びＳｉｇ２を計測し、各受信信号強度の差ΔＳ＝Ｓｉｇ１−Ｓｉｇ２を求め、あらかじめ記憶しておいたΔＳと送信装置１０及び受信装置２０間の角度との関係としてあらかじめ記憶しておく。そして、到来角の推定時には、受信装置２０は、アンテナ１とアンテナ２を一定間隔で切り替えながら送信装置１０からのフレームの受信を行ない、その際に各受信信号強度の差ΔＳを計測し、あらかじめ記憶しておいたΔＳと到来角との関係に基づいて、送信装置１０と受信装置２０間の相対的な角度の判別を行なう。
【０１０３】
この場合の受信装置２０の構成は図１２に示したものと同様となるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１０４】
図１３には、±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを装備した受信装置２０が到来角の推定を行なう際に実行する処理手順をフローチャートの形式で示している。
【０１０５】
転送制御部６は、受信に用いる指向性アンテナを選択し（ステップＳ２１）、送信装置からフレームが到来すると（ステップＳ２２）、受信アンテナを確認する（ステップＳ２３）。
【０１０６】
アンテナをアンテナ１に選択したときには、アンテナ切替機構５を介してアンテナ１で受信したＲＦ信号をＲＦ部に転送し、さらに信号処理部３で復号・復調処理を行なう。また、その際に計測した受信信号強度をアンテナ１のデータとして保存する（ステップＳ２４）。一方、アンテナをアンテナ２に選択したときには、アンテナ切替機構５を介してアンテナ２で受信したＲＦ信号をＲＦ部に転送し、さらに信号処理部３で復号・復調処理を行なう。また、その際に計測した受信信号強度をアンテナ２のデータとして保存する（ステップＳ２５）。
【０１０７】
そして、十分なデータが得られたときには（ステップＳ２６のＹｅｓ）、アンテナ１で受信したフレームの受信信号強度の平均値Ｓｉｇ１と、アンテナ２で受信したフレームの受信信号強度の平均値Ｓｉｇ２の差ΔＳを求め、以前に計測しておいたデータを参照することにより、現在のΔＳの値から送信装置１０と当該受信装置２０の間の角度を推測する（ステップＳ２７）。
【０１０８】
このように受信装置２０において指向性アンテナを利用する場合には、送信装置１０側にそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを装備したシステムとは相違し、送信装置１０側で送信フレーム中に送信アンテナの情報を格納するなどの特別な処理を必要としない。
【０１０９】
また、受信装置２０において指向性アンテナを利用する到来角推定システムにおいても、送信装置１０並びに受信装置２０のいずれもが主体となって到来角の推定に用いられるフレームの転送を行なうことができる。
【０１１０】
前者の場合、送信装置１０がデータ・フレームを転送し、受信装置２０側では受信アンテナを交互に切り替えながら、データ・フレームの信号強度を計測する。また、送信装置１０側で上位層に転送すべき送信データがない場合には、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成して送信する。また、受信装置２０は、受信に利用する指向性アンテナを一定の周期で切り替え、両方のアンテナからほぼ同じ頻度でフレームを受信できるようにする。
【０１１１】
また、後者の場合、到来角を推定する受信装置２０側がいずれかの指向性アンテナを用いて一定間隔でデータ・フレームを送信し、これに対し送信装置１０から返送される確認応答フレームを受信装置２０が受信アンテナを交互に切り替えながら受信して、これらの信号強度を計測する。また、受信装置２０側で上位層に転送すべきデータがない場合は、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成し送信する。
【０１１２】
Ｆ．送受信装置双方が２つの指向性アンテナを利用するシステム
ここまでの説明では、送信装置１０又は受信装置２０のいずれか一方のみがそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを装備したシステムについて説明してきたが、送信装置１０と受信装置２０の双方が２つの指向性アンテナを装備することによっても、送信装置１０との相対的な角度を判別することができる。
【０１１３】
送信装置１０と受信装置２０の双方が２つの指向性アンテナを利用するシステムでは、送信装置１０は送信に用いるアンテナを一定間隔で切り替えながら、フレームを送信する。その際、フレームには送信アンテナに関する情報を付加する（同上）。一方、受信装置２０は、送信装置１０からのフレーム受信時に、アンテナ１とアンテナ２を一定間隔で切り替えながら受信を行ない、それぞれの受信アンテナ毎に、各送信アンテナから送信されたフレームの受信信号強度の平均値Ｓｉｇ１及びＳｉｇ２を計測し、各受信信号強度の差ΔＳ＝Ｓｉｇ１−Ｓｉｇ２を求め、あらかじめ記憶しておいたΔＳと送信装置１０及び受信装置２０間の角度との関係としてあらかじめ記憶しておく。
【０１１４】
そして、到来角の推定時には、送信装置１０は送信に用いるアンテナを一定間隔で切り替えながら、フレームを送信する。その際、フレームには送信アンテナに関する情報を付加する（同上）。これに対し、受信装置２０は、２つの受信アンテナを一定間隔で切り替えながら送信装置１０からのフレームの受信を行なう。その際に、受信アンテナ毎に、各送信アンテナから送信されたフレームの受信信号強度の差ΔＳを計測し、あらかじめ記憶しておいたΔＳと到来角との関係に基づいて、送信装置１０と受信装置２０間の相対的な角度の判別を行なう。
【０１１５】
したがって、本システムによれば、受信装置２０は、受信アンテナ毎に、２つの送信アンテナから交互に送信されたフレームからΔＳと送信装置１０及び受信装置２０間の角度との関係を得るとともに、２通りの到来角の判別結果を得ることができる。そして、これら２通りの判別結果に基づいて、よりロバストな到来角の推定を行なうことができる。
【０１１６】
この場合の送信装置１０及び受信装置２０の構成はともに図１２に示したものと同様となるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１１７】
図１４には、送信装置１０と受信装置２０の双方が２つの指向性アンテナを利用するシステムにおいて、受信装置２０が到来角の推定を行なう際に実行する処理手順をフローチャートの形式で示している。
【０１１８】
転送制御部６は、受信に用いる指向性アンテナを選択し（ステップＳ３１）、送信装置からフレームが到来すると（ステップＳ３２）、受信アンテナを確認する（ステップＳ３３）。
【０１１９】
受信アンテナをアンテナ１に選択したときには、アンテナ切替機構５を介してアンテナ１で受信したＲＦ信号をＲＦ部４に転送し、さらに信号処理部３で復号・復調処理を行なう。また、その際に計測した受信信号強度をアンテナ１のデータとして保存する（ステップＳ３４）。
【０１２０】
次いで、当該フレーム中に埋め込まれた情報を読み取って、送信装置１０側のどちらのアンテナを利用して送信されたものかを確認する（ステップＳ３６）。そして、受信フレームが送信装置１０側のアンテナ１から送信されたものである場合には、計測した受信信号強度をアンテナ１のデータとして保存し（ステップＳ３７）、送信装置１０側のアンテナ２から送信されたものである場合には、該受信信号強度をアンテナ２のデータとして保存する（ステップＳ３８）。
【０１２１】
一方、受信アンテナをアンテナ２に選択したときには、アンテナ切替機構５を介してアンテナ２で受信したＲＦ信号をＲＦ部４に転送し、さらに信号処理部３で復号・復調処理を行なう。また、その際に計測した受信信号強度をアンテナ２のデータとして保存する（ステップＳ３５）。
【０１２２】
次いで、当該フレーム中に埋め込まれた情報を読み取って、送信装置１０側のどちらのアンテナを利用して送信されたものかを確認する（ステップＳ３９）。そして、受信フレームが送信装置１０側のアンテナ１から送信されたものである場合には、計測した受信信号強度をアンテナ１のデータとして保存し（ステップＳ４０）、送信装置１０側のアンテナ２から送信されたものである場合には、該受信信号強度をアンテナ２のデータとして保存する（ステップＳ４１）。
【０１２３】
そして、十分なデータが得られたときには（ステップＳ４２のＹｅｓ）、アンテナ１から送信されたフレームの受信信号強度の平均値Ｓｉｇ１と、アンテナ２から送信されたフレームの受信信号強度の平均値Ｓｉｇ２の差ΔＳを求め、以前に計測しておいたデータを参照することにより、現在のΔＳの値から送信装置１０と当該受信装置２０の間の角度を推測する（ステップＳ４３）。
【０１２４】
また、受信装置２０において指向性アンテナを利用する到来角推定システムにおいても、送信装置１０並びに受信装置２０のいずれもが主体となって到来角の推定に用いられるフレームの転送を行なうことができる。
【０１２５】
前者の場合、送信装置１０が送信アンテナを交互にデータ・フレームを転送し、受信装置２０側では受信アンテナを交互に切り替えながら、データ・フレームの信号強度を計測する。また、送信装置１０側で上位層に転送すべき送信データがない場合には、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成して送信する。また、受信装置２０は、受信に利用する指向性アンテナを一定の周期で切り替え、両方のアンテナからほぼ同じ頻度でフレームを受信できるようにする。
【０１２６】
また、後者の場合、到来角を推定する受信装置２０側がいずれかの指向性アンテナを用いて一定間隔で送信アンテナを交互に切り替えながらデータ・フレームを送信し、これに対し送信装置１０から返送される確認応答フレームを受信装置２０が受信アンテナを交互に切り替えながら受信して、これらの信号強度を計測する。また、受信装置２０側で上位層に転送すべきデータがない場合は、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成し送信する。
【０１２７】
Ｇ．偏波を応用した通信システムの傾きの推定
上述した到来角の推定方法を応用して、指向性アンテナを装備した携帯通信機器の傾きを検知することもできる。
【０１２８】
例えば、図１５に示すように、垂直偏波の性質を持つ指向性アンテナを１つは垂直に、もう１つは９０度の傾きをつけて、送信装置１０の同じ面上に設置する。このとき、２つのアンテナが装着された面を同図中の矢印で示すように回転させながら、一定の間隔で交互にアンテナを切替えながらフレームを送信する。図１６には、受信装置２０側で受信するフレームの信号強度の変化を示している。同図において、Ｘ軸は送信装置１０の水平方向に対する傾きの角度を示し、Ｙ軸は受信フレームの信号強度を示している。
【０１２９】
受信装置２０は、上述と同様に受信フレーム中に埋め込まれた情報を読み取って、送信装置がどちらのアンテナを利用して送信されたフレームかを逐次的に判別する。そして、送信アンテナ毎にフレームの受信信号強度の平均値を求める。このとき、送信装置１０側でアンテナ１から送信されたフレームの信号強度の平均値をＳｉｇP1とし、アンテナ２から送信されたフレームの信号強度の平均値をＳｉｇP2とすると、２つの信号強度の差ΔＰは、ΔＰ＝ＳｉｇP1−ＳｉｇP2で表すことができる。ΔＰは指向性アンテナを装着した送信装置１０の水平方向に対する傾きの角度によって変化する。図１７には、ΔＰと送信装置１０の水平方向に対する傾きの角度の関係を示している。同図中ではΔＰを実線で示し、アンテナ１から送信されたフレームの受信信号強度のＳｉｇ１、並びにアンテナ２から送信されたフレームの受信信号強度Ｓｉｇ２をそれぞれ破線、一点鎖線で示している。
【０１３０】
このΔＰの値を利用して、送信装置１０の水平方向に対する角度を推測することができる。すなわち、送信装置１０の水平方向に対する角度を変化させながらフレームを送信し、受信装置２０側では受信したフレームの信号強度を計測するとともに、送信アンテナ間での受信信号強度の差ΔＰと送信装置１０の水平方向に対する角度の関係を求め、あらかじめ記録しておく。
【０１３１】
送信装置１０が送信アンテナを交互に切り替えながら受信装置２０と通信を行なう際には、受信装置２０は、送信装置１０の各送信アンテナからのフレームを受信して信号強度を計測し、さらに送信アンテナ間での信号強度の差ΔＰを求める。そして、これを以前に計測しておいたデータを参照することにより、現在のΔＰの値から送信装置１０の傾きの角度を推測することができる。
【０１３２】
偏波を利用して傾きを検出する方法の問題点は、受信装置２０と送信装置１０の相対角度によりΔＰの値が変動してしまうことである。このため、傾きを検出する際には、送信装置１０と受信装置２０があらかじめ決めておいた角度（例えば正対した状態）になった後に傾き検出を行なうようにする必要がある。
【０１３３】
送信装置１０と受信装置２０の角度を特定のものにするには、あらかじめ利用者に対し、傾き検出を行なう場合の立ち位置、方向などの情報を示すことによって実現することができる。
【０１３４】
Ｈ．複数の給電点を利用した通信機器の傾き及び相対角度の検出
本発明は、低コストで小型のマイクロストリップ・アンテナの利用を想定している。マイクロストリップ・アンテナには、給電点を変更するだけでさまざまな偏波に対応できるメリットがある。
【０１３５】
例えば、図１８に示すような、２つの給電点１及び２を持つマイクロストリップ・アンテナを利用し、給電点１から給電するときには、垂直偏波、給電点２から給電するときには水平偏波を生成するように設計することができる。そして、このようなアンテナを図１５と同様に送信装置の同じ面上に設置すると、給電点を切り替えることによって、２つの指向性アンテナの偏波の組合せを自在に変更することができる。例えば、垂直偏波の性質を持つ２つの指向性アンテナの偏波方向が一致し、あるいは互いに直交するように組み合わせることができる。
【０１３６】
図１９には、垂直偏波の性質を持つ２つの指向性アンテナの偏波の組み合わせを自在に変更可能に構成された送信装置１０の構成を示している。
【０１３７】
信号処理部３は、通信プロトコルの上位層から供給される送信データに対しベースバンドなどの所定の処理を施す。ＲＦ部４は、送信ベースバンド信号をアナログ信号に変換し、さらにＲＦ信号にアップコンバートする。給電点切替制御機構７は、転送制御部６からの指示に従い、各指向性アンテナの給電点を切り替える。また、アンテナ切替制御機構５は、転送制御部６からの指示に従い、送信に用いるアンテナを短い一定の間隔で交互に切り替えながらフレームを送信する。その際、どちらのアンテナから送信したかを判別するための情報を各送信フレームに付加する。
【０１３８】
各指向性アンテナにはそれぞれ２つの給電点が設けられており、転送制御部６は、給電点切替制御機構７によりどちらの給電点から給電を行なうかを制御することで、偏波の組合せを変更する。
【０１３９】
そして、信号処理の結果と、アンテナ切替制御機構５と給電点切替制御機構７からのアンテナ情報を基に、通信機器の傾きと相対角度の計測を行なう。このような構成のシステムを用いることにより、１組のアンテナだけで、受信装置２０と送信装置１０間の相対角度の検出とともに、送信装置１０の傾きを検出の２つの機能を行なうことが可能となる。
【０１４０】
Ｉ．実施例
以下では、上述した到来角推定システムの具体的なアプリケーションについて詳解する。
【０１４１】
Ｉ−１．壁に設置されたスクリーンと携帯端末のインタラクション
この例では、指向性アンテナを装着した携帯端末として構成される送信装置を利用者が操作する。受信装置は壁に設置されたスクリーンの内部若しくは近傍に設置されており、利用者の持つ携帯端末と受信装置の相対角度を計測することができる。このとき、スクリーンに表示する内容を携帯端末の角度に応じて変化させる。図２０には、その概念図を示している。
【０１４２】
また、この例の応用として、指向性アンテナを装着した携帯端末を持った複数の利用者がいる状況において、受信装置に対して正対している端末同士は、壁に設置された受信装置を介して情報の交換を行なうことができるシステムも実現できる。情報交換の間はスクリーンに正対している端末の情報を表示するなどの処理を行なう。
【０１４３】
Ｉ−２．携帯端末の位置計測
この例では、図２１に示すように、指向性アンテナを装着した携帯端末を利用者が操作する。このとき、複数の受信装置を利用し、携帯端末との相対角度をそれぞれ計測する。計測した結果より、携帯端末の空間内の位置を推測する
【０１４４】
Ｉ−３．携帯端末間のインタラクション
この例では、図２２に示すように、指向性アンテナを装着した携帯端末をそれぞれの利用者が操作する。このとき、各携帯端末では、一定間隔で自分の正対位置に他の通信機器が存在するか否かを確認する。そして、携帯端末を持った利用者がお互いの携帯端末を正対させたときには、データ転送処理を開始して、少なくとも一方の携帯端末において到来角を推定する。
【０１４５】
Ｉ−４．携帯端末の傾き検出
この例では、Ｇ項で既に述べた手法を利用して、携帯端末の傾きを検出する。２つの指向性アンテナのうち１つのアンテナを９０度傾けた状態で装着した携帯端末を、利用者が操作する。受信装置は壁に設置されたスクリーンの内部や近傍に設置されており、利用者の持つ携帯端末の水平方向に対する傾き角度を計測することができる（図２０を参照のこと）。携帯端末を持った利用者は、初期位置としてスクリーンに対して正対する位置で静止し、携帯端末を任意の傾きに変化させる。受信装置側では、携帯端末の傾きに応じてスクリーンに表示する内容を変化させる。
【産業上の利用可能性】
【０１４６】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０１４７】
本明細書では、主にＩＥＥＥ８０２．１１に準拠した無線技術に適用した実施形態を中心に説明してきたが、本発明の要旨は必ずしもこれに限定されるものではない。±３０度程度でも到来角の推定精度として十分となるさまざまな無線通信システムに同様に本発明を適用することができる。
【０１４８】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】図１は、マイクロストリップ・アンテナの構成例とそのインピーダンス整合回路を示した図である。
【図２】図２は、半値角６０度の指向性アンテナが持つ指向性の典型的な性質を示した図である。
【図３】図３は、指向性アンテナと受信装置の構成例を示した図である。
【図４】図４は、指向性アンテナと受信装置の構成例を示した図である。
【図５】図５は、２つの指向性アンテナからなるシステムの構成例を示した図である。
【図６】図６は、偏向した指向特性を例示した図である。
【図７】図７は、指向特性が互いに偏向する２つの指向性アンテナからなる送信装置の指向特性を示した図である。
【図８】図８は、指向特性が互いに偏向する２つの指向性アンテナからなる送信装置の各指向性アンテナからのフレームを受信装置で受信した際の信号強度の平均値と２つの信号強度の差と送信装置及び受信装置間の到来角との関係を示した図である。
【図９】図９は、ＩＥＥＥ８０２．１１のフレーム・フォーマットを示した図である。
【図１０】図１０は、到来角の推定を行なう際に送信装置が実行する処理手順を示したフローチャートである。
【図１１】図１１は、到来角の推定を行なう際に受信装置が実行する処理手順を示したフローチャートである。
【図１２】図１２は、送信装置の構成を模式的に示した図である。
【図１３】図１３は、±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを装備した受信装置が到来角の推定を行なう際に実行する処理手順を示したフローチャートである。
【図１４】図１４は、送受信装置双方が２つの指向性アンテナを利用するシステムにおいて、受信装置が到来角の推定を行なう際に実行する処理手順を示したフローチャートである。
【図１５】図１５は、垂直偏波の性質を持つ指向性アンテナを１つは垂直に、もう１つは９０度の傾きをつけて設置した様子を示した図である。
【図１６】図１６は、図１５に示した指向性アンテナが装着された面を同図中の矢印で示すように回転させながら、一定の間隔で交互にアンテナを切替えながらフレームを送信するときの、受信装置側で受信するフレームの信号強度の変化を示した図である。
【図１７】図１７は、それぞれ垂直偏波の性質を持つとともに偏波方向が互いに直交するように配置された２つの指向性アンテナからなる送信装置の各指向性アンテナからのフレームを受信装置で受信した際の信号強度の平均値と２つの信号強度の差と送信装置の傾きとの関係を示した図である。
【図１８】図１８は、２つの給電点１及び２を持つマイクロストリップ・アンテナの構成を示した図である。
【図１９】図１９は、垂直偏波の性質を持つ２つの指向性アンテナの偏波の組み合わせを自在に変更可能に構成された送信装置の構成を示した図である。
【図２０】図２０は、利用者が操作する送信装置と壁に接地されたスクリーンの内部又は近傍に接地された受信装置からなるシステムにおけるインタラクションを概念的に示した図である。
【図２１】図２１は、指向性アンテナを装着した携帯端末を利用者が操作し、複数の受信装置を利用し、携帯端末との相対角度をそれぞれ計測した結果より携帯端末の空間の位置を推測するシステムを概念的に示した図である。
【図２２】図２２は、携帯端末を持った利用者がお互いの携帯端末を正対させたときのインタラクションを概念的に示した図である。
【図２３Ａ】図２３Ａは、ＩＥＥＥ８０２．１１のネットワーキングにおけるアドホック・モードに本発明を適用した例を示した図である。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、ＩＥＥＥ８０２．１１のネットワーキングにおけるインフラストラクチャ・モードに本発明を適用した例を示した図である。
【図２３Ｃ】図２３Ｃは、ＩＥＥＥ８０２．１１のネットワーキングにおけるインフラストラクチャ・モードに本発明を適用した例を示した図である。
【符号の説明】
【０１５０】
１、２…アンテナ
３…信号処理部
４…ＲＦ部
５…アンテナ切替機構
６…転送制御部
７…給電点切替制御機構
１０…送信装置
２０…受信装置
【図２】
2008300937.tif 000006
【図３】
2008300937.tif 000007
【図４】
2008300937.tif 000008
【図５】
2008300937.tif 000009
【図６】
2008300937.tif 000010
【図７】
2008300937.tif 000011
【図８】
2008300937.tif 000012
【図９】
2008300937.tif 000013
【図１０】
2008300937.tif 000014
【図１１】
2008300937.tif 000015
【図１２】
2008300937.tif 000016
【図１３】
2008300937.tif 000017
【図１４】
2008300937.tif 000018
【図１５】
2008300937.tif 000019
【図１６】
2008300937.tif 000020
【図１７】
2008300937.tif 000021
【図１８】
2008300937.tif 000022
【図１９】
2008300937.tif 000023
【図２０】
2008300937.tif 000024
【図２１】
2008300937.tif 000025
【図２２】
2008300937.tif 000026
【図１】
2008300937.tif 000027
【図２３Ａ】
2008300937.tif 000028
【図２３Ｂ】
2008300937.tif 000029
【図２３Ｃ】
2008300937.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】平成20年4月28日(2008.4.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信装置から無線送信されるフレームが受信装置に到来する到来角を推定する到来角推定システムであって、
前記送信装置は、当該装置の正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備え、
前記受信装置は、当該装置の正面に指向特性を持つ指向性アンテナを備え、
前記送信装置から前記の指向性アンテナの各々から交互にフレームを送信した際の、送信アンテナ毎の前記受信装置側におけるフレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記到来角を推定する、
ことを特徴とする到来角推定システム。
【請求項２】
前記送信装置と前記受信装置の間の角度をさまざまに変化させながら、前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えて前記受信装置にフレームの送信を行なうとともに前記受信装置がフレームを受信した際の各送信アンテナからの受信信号強度を計測し送信アンテナ間の差分ΔＳを求め、ΔＳと前記送信装置及び前記受信装置間の角度との関係をあらかじめ記憶し、
前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えながら前記受信装置と通信を行ない、同時に前記受信装置は前記送信装置の各送信アンテナからフレームを受信したときの受信信号強度を計測して、現在得られた送信アンテナ間の受信信号強度の差分ΔＳを以前に計測しておいたデータを比較することにより、前記送信装置と前記受信装置の間の角度を推測する、
ことを特徴とする請求項１に記載の到来角推定システム。
【請求項３】
前記送信装置は各送信アンテナから同一の送信電力でフレームを送信し、且つ、各送信アンテナと受信アンテナ間の伝搬損失が同一であるとみなし、各送信アンテナの利得の差を送信アンテナ毎の受信信号強度の差分ΔＳとして扱う、
ことを特徴とする請求項２に記載の到来角推定システム。
【請求項４】
前記送信装置が一定の周期で送信に利用する指向性アンテナを交互に切り替えながらデータ・フレームを転送し、前記受信装置側で転送されたデータ・フレームの信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項２に記載の到来角推定システム。
【請求項５】
前記送信装置は、上位層に転送すべき送信データがない場合には、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成して送信する、
ことを特徴とする請求項４に記載の到来角推定システム。
【請求項６】
前記受信装置側が一定間隔でデータ・フレームを送信し、これに対し前記送信装置から送信アンテナを交互に切り替えながら返送される各確認応答フレームの受信信号強度を前記受信装置が計測する、
ことを特徴とする請求項２に記載の到来角推定システム。
【請求項７】
前記受信装置側で上位層に転送すべきデータがない場合は、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成し送信する、
ことを特徴とする請求項６に記載の到来角推定システム。
【請求項８】
送信装置から無線送信されるフレームが受信装置に到来する到来角を推定する到来角推定システムであって、
前記送信装置は、当該装置の正面に指向特性を持つ指向性アンテナを備え、
前記受信装置は、当該装置の正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備え、前記送信装置から送信されるフレームを前記の指向性アンテナを交互に用いて受信した際の受信アンテナ毎のフレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記到来角を推定する、
ことを特徴とする到来角推定システム。
【請求項９】
前記送信装置と前記受信装置の間の角度をさまざまに変化させながら、前記受信装置が受信アンテナを交互に切り替えて前記送信装置からフレームを受信したときの各受信アンテナにおける受信信号強度を計測して、その差分ΔＳと前記送信装置及び前記受信装置間の角度との関係をあらかじめ記憶し、
前記送信装置と前記受信装置は通信を行ないながら、同時に前記受信装置が受信アンテナを交互に切り替えて各受信アンテナにおける受信フレームの信号強度を計測して、現在得られた受信アンテナ間のΔＳを以前に計測しておいたデータを比較することにより、前記送信装置と前記受信装置の間の角度を推測する、
ことを特徴とする請求項８に記載の到来角推定システム。
【請求項１０】
前記送信装置が転送するデータ・フレームを転送し、
前記受信装置は、一定の周期で受信に利用する指向性アンテナを切り替えながら、転送されたデータ・フレームの信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項９に記載の到来角推定システム。
【請求項１１】
前記送信装置は、上位層に転送すべき送信データがない場合には、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成して送信する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の到来角推定システム。
【請求項１２】
前記受信装置側がいずれかの指向性アンテナから一定間隔でデータ・フレームを送信し、これに対し前記送信装置から返送される確認応答フレームを前記受信装置が受信アンテナを交互に切り替えながら受信して、これらの信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項９に記載の到来角推定システム。
【請求項１３】
前記受信装置側で上位層に転送すべきデータがない場合は、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成し送信する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の到来角推定システム。
【請求項１４】
送信装置から無線送信されるフレームが受信装置に到来する到来角を推定する到来角推定システムであって、
前記送信装置は、当該装置の正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備え、
前記受信装置は、当該装置の正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備え、前記送信装置から送信されるフレームを前記の指向性アンテナを交互に用いて受信した際の受信アンテナ毎のフレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記到来角を推定する、
ことを特徴とする到来角推定システム。
【請求項１５】
前記送信装置と前記受信装置の間の角度をさまざまに変化させながら、前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えて前記受信装置にフレームの送信を行なうとともに前記受信装置が受信アンテナを交互に切り替えながらフレームを受信した際の、各受信アンテナにおいて各送信アンテナからの受信信号強度を計測しその差分ΔＳを計算し、各受信アンテナについて送信アンテナ毎のΔＳと前記送信装置及び前記受信装置間の角度との関係をあらかじめ記憶し、
前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えながら前記受信装置と通信を行ないながら、同時に前記受信装置が各受信アンテナを交互に切り替えて前記送信装置からフレームを受信したときの各受信アンテナにおける受信信号強度を計測して、受信アンテナ毎に現在得られた送信アンテナ間の受信信号強度の差分ΔＳを以前に計測しておいたデータを比較することにより、前記送信装置と前記受信装置の間の角度を推測する、
ことを特徴とする請求項１４に記載の到来角推定システム。
【請求項１６】
前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えながらデータ・フレームを転送し、前記受信装置側では受信アンテナを交互に切り替えながら前記送信装置から転送されたデータ・フレームの信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の到来角推定システム。
【請求項１７】
前記送信装置は、上位層に転送すべき送信データがない場合には、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成して送信する、
ことを特徴とする請求項１６に記載の到来角推定システム。
【請求項１８】
前記受信装置側が一定間隔でデータ・フレームを送信し、これに対し前記送信装置から送信アンテナを交互に切り替えながら返送される各確認応答フレームの受信アンテナ毎の受信信号強度を前記受信装置が計測する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の到来角推定システム。
【請求項１９】
前記受信装置側で上位層に転送すべきデータがない場合は、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成し送信する、
ことを特徴とする請求項１８に記載の到来角推定システム。
【請求項２０】
正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナと、
フレームの送信又は受信に用いるアンテナを交互に切り替えるアンテナ切替機構と、
ＲＦ送受信信号を処理するＲＦ部と、
送受信信号を処理する信号処理部と、
転送動作に応じて前記アンテナ切替機構によるアンテナ切り替え動作を制御する転送制御部と、
を具備することを特徴とする通信装置。
【請求項２１】
所定の通信相手に対してフレームを送信する際に、送信に用いる指向性アンテナを交互に切り替えてフレームの送信を行なう、
ことを特徴とする請求項２０に記載の通信装置。
【請求項２２】
所定の通信相手からフレームを受信する際に、受信に用いる指向性アンテナを交互に切り替えながらフレームを受信した際の受信に用いた指向性アンテナ毎のフレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記到来角を推定する、
ことを特徴とする請求項２０に記載の通信装置。
【請求項２３】
前記通信相手との角度をさまざまに変化させながら、受信に用いる指向性アンテナを交互に切り替えて前記通信相手からフレームを受信したときの各指向性アンテナにおける受信信号強度を計測して、その差分ΔＳと前記送信装置及び前記受信装置間の角度との関係をあらかじめ記憶し、
前記通信相手と通信を行ないながら、同時に受信に用いる指向性アンテナを交互に切り替えて各指向性アンテナにおける受信フレームの信号強度を計測して、現在得られた指向性アンテナ間のΔＳを以前に計測しておいたデータを比較することにより、前記通信相手との間の角度を推測する、
ことを特徴とする請求項２２に記載の通信装置。
【請求項２４】
一定の周期で受信に用いる指向性アンテナを切り替えながら、前記通信相手が転送するデータ・フレームを受信し、その信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項２２に記載の通信装置。
【請求項２５】
いずれかの指向性アンテナから一定間隔でデータ・フレームを送信し、これに対し前記通信相手から返送される確認応答フレームを受信に用いる指向性アンテナを交互に切り替えながら受信して、これらの信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項２２に記載の通信装置。
【請求項２６】
上位層に転送すべきデータがない場合は、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成し送信する、
ことを特徴とする請求項２５に記載の通信装置。
【請求項２７】
正面に対しそれぞれ±θ度だけ指向特性が傾くように配置された２つの指向性アンテナを備えた送信装置と通信を行なう通信装置であって、
送受信に用いるアンテナと、
ＲＦ送受信信号を処理するＲＦ部と、
送受信信号を処理する信号処理部と、
転送動作を制御する転送制御部を備え、
前記送信装置から前記の指向性アンテナの各々から交互にフレームを送信した際の、送信アンテナ毎の受信フレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記到来角を推定する、
ことを特徴とする通信装置。
【請求項２８】
前記送信装置から一定の周期で送信アンテナを交互に切り替えながら転送されたデータ・フレームの受信信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項２７に記載の通信装置。
【請求項２９】
一定間隔でデータ・フレームを送信し、これに対し前記送信装置から送信アンテナを交互に切り替えながら返送される各確認応答フレームの受信信号強度を計測する、
ことを特徴とする請求項２７に記載の通信装置。
【請求項３０】
上位層に転送すべきデータがない場合は、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成し送信する、
ことを特徴とする請求項２９に記載の通信装置。
【請求項３１】
垂直偏波の性質を持つ２つの指向性アンテナを互いの偏波方向を略９０度だけ傾きを以って正面に取り付けた送信装置と、
正面に指向特性を持つ指向性アンテナを持つ受信装置を備え、
前記送信装置から前記の指向性アンテナの各々から交互にフレームを送信した際の、送信アンテナ毎の前記受信装置側におけるフレームの各受信信号強度の比較に基づいて前記受信装置に対する前記送信装置の傾きを推定する、
ことを特徴とする通信システム。
【請求項３２】
前記送信装置の水平方向に対する傾きをさまざまに変化させながら、前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えて前記受信装置にフレームの送信を行なうとともに前記受信装置がフレームを受信した際の各送信アンテナからの受信信号強度を計測し送信アンテナ間の差分ΔＰを求め、ΔＰと前記送信装置及び前記受信装置間の角度との関係をあらかじめ記憶し、
前記送信装置が送信アンテナを交互に切り替えながら前記受信装置と通信を行ない、同時に前記受信装置は前記送信装置の各送信アンテナからフレームを受信したときの受信信号強度を計測して、現在得られた送信アンテナ間の受信信号強度の差分ΔＰを以前に計測しておいたデータを比較することにより、前記送信装置の水平方向に対する傾きを推測する、
ことを特徴とする請求項３１に記載の通信システム。
【請求項３３】
各送信アンテナは、複数の給電点が設けられたマイクロストリップ・アンテナからなり、給電点を切り替えることによって、２つの指向性アンテナの偏波の組合せを変更する、
ことを特徴とする請求項３１に記載の通信システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
送信装置１０側で同一の電力を２つの指向性アンテナに与える場合、各送信アンテナ１及び２からの送信電力Ｐ１tとＰ２tは同値となる。伝搬損失は、Γ１とΓ２は２つの送信アンテナと受信装置２０間の距離や障害物、反射物の状況によって変化する値である。本発明では送信装置１０側の２つの指向性アンテナの距離は３〜２０ｃｍ程度であり、送信アンテナと受信アンテナとの距離は３ｍ以内であることを前提としている。したがって、２つの送信アンテナと受信装置２０との距離や障害物、反射物の状況はほぼ同一であると仮定することができ、それぞれの伝搬損失Γ１とΓ２も同値とみなすことができる。以上のことから、送信装置１０側の２つの指向性アンテナから送られた電波の受信装置２０における受信電力の差Ｐ１r−Ｐ２rは、以下の式（４）で表すことができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９９】
送信側主体のフレーム転送方式では、一定間隔で指向性アンテナを装備した送信装置１０がデータ・フレームを転送し、受信装置２０側で転送されたデータ・フレームの信号強度を計測する。上位層に転送すべき送信データがない場合には、データ・サイズが０のデータ・フレームを生成して送信する。また、データ・フレームを転送する際には、一定の周期で送信に利用する指向性アンテナを切り替えて、受信装置２０側で両方の送信アンテナからほぼ同じ頻度でフレームを受信できるようにする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２９】
受信装置２０は、上述と同様に受信フレーム中に埋め込まれた情報を読み取って、送信装置がどちらのアンテナを利用して送信されたフレームかを逐次的に判別する。そして、送信アンテナ毎にフレームの受信信号強度の平均値を求める。このとき、送信装置１０側でアンテナ１から送信されたフレームの信号強度の平均値をＳｉｇP1とし、アンテナ２から送信されたフレームの信号強度の平均値をＳｉｇP2とすると、２つの信号強度の差ΔＰは、ΔＰ＝ＳｉｇP1−ＳｉｇP2で表すことができる。ΔＰは指向性アンテナを装着した送信装置１０の水平方向に対する傾きの角度によって変化する。図１７には、ΔＰと送信装置１０の水平方向に対する傾きの角度の関係を示している。同図中ではΔＰを実線で示し、アンテナ１から送信されたフレームの受信信号強度のＳｉｇP1、並びにアンテナ２から送信されたフレームの受信信号強度ＳｉｇP2をそれぞれ破線、一点長鎖線で示している。