(57)【要約】【課題】無線基地局間を接続する無線リンクに使用可能な周波数および帯域幅が固定されている場合に、ＩＰパケット通信に係る通信特性の向上を図る。【解決手段】通信相手ごとにトラヒック流量を測定する測定部１４と、該測定結果に基づいて、各通信相手の方向にアンテナビームを放射する時間の配分を決定する切替制御部１６と、該決定された時間配分に従って、アンテナビームの放射方向を切替える切替機能付アンテナ１３とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の通信相手の無線装置と無線リンクを確立する無線装置のアンテナ切替装置であり、
通信相手ごとにトラヒック流量を測定する測定手段と、
前記測定結果に基づいて、各通信相手の方向にアンテナビームを放射する時間の配分を決定する切替制御手段と、
前記決定された時間配分に従って、アンテナビームの放射方向を切替える切替機能付アンテナと、
を備えたことを特徴とするアンテナ切替装置。
【請求項２】
前記切替制御手段は、各通信相手に対する前記時間配分を通信相手ごとのトラヒック流量に比例させることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ切替装置。
【請求項３】
複数の通信相手の無線装置と無線リンクを確立する無線装置において、
請求項１又は請求項２に記載のアンテナ切替装置と、
通信相手ごとに送信するパケットを格納するバッファと、
前記アンテナ切替装置のアンテナビームの放射方向に応じて、該当の通信相手に送信するパケットを前記バッファから読み出し、無線送信する無線送信手段と、
を備えたことを特徴とする無線装置。
【請求項４】
請求項３に記載の無線装置（親局）と、前記無線装置（親局）と無線リンクを確立する複数の無線装置（子局）とから構成されたことを特徴とする無線通信システム。
【請求項５】
請求項３に記載の無線装置（親局）と、前記無線装置（親局）と無線リンクを確立する無線装置（子局）とを組にし、該組を多段接続したことを特徴とする無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ切替装置、無線装置および無線通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、移動通信システムにおいて、無線基地局間を無線リンクで接続する場合、その使用周波数および使用帯域幅は固定的に割当てていた。
【非特許文献１】（WiMax Forum）Mobile WiMAX−Part 1: A Technical Overview and Performance Evaluation
【特許文献１】特開平１１−２６６２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上述した従来の技術では、ＩＰ（Internet Protocol）を用いたパケット通信を行う場合、そのレスポンス特性は、固定された使用周波数および使用帯域幅により制限されてしまい、柔軟性がない。また、無線基地局間のトラヒック流量が変わっても、使用周波数および使用帯域幅を自由に変更することができず、トラヒック流量の変動に対して柔軟に対応することができない。しかしながら、ＩＰパケット通信を行う場合など、トラヒック流量が変動する場合には、トラヒック流量に応じて最適な回線容量を割当てることが望ましい。また、例えば端末がウェブページの閲覧を行う際のレスポンス時間などの通信特性についても、できる限り良好であることが望まれる。
【０００４】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、無線基地局間を接続する無線リンクに使用可能な周波数および帯域幅が固定されている場合に、ＩＰパケット通信に係る通信特性を向上させることのできるアンテナ切替装置、無線装置および無線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】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明に係るアンテナ切替装置は、複数の通信相手の無線装置と無線リンクを確立する無線装置のアンテナ切替装置であり、通信相手ごとにトラヒック流量を測定する測定手段と、前記測定結果に基づいて、各通信相手の方向にアンテナビームを放射する時間の配分を決定する切替制御手段と、前記決定された時間配分に従って、アンテナビームの放射方向を切替える切替機能付アンテナとを備えたことを特徴とする。
【０００６】
本発明に係るアンテナ切替装置においては、前記切替制御手段は、各通信相手に対する前記時間配分を通信相手ごとのトラヒック流量に比例させることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る無線装置は、複数の通信相手の無線装置と無線リンクを確立する無線装置において、請求項１又は請求項２に記載のアンテナ切替装置と、通信相手ごとに送信するパケットを格納するバッファと、前記アンテナ切替装置のアンテナビームの放射方向に応じて、該当の通信相手に送信するパケットを前記バッファから読み出し、無線送信する無線送信手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る無線通信システムは、請求項３に記載の無線装置（親局）と、前記無線装置（親局）と無線リンクを確立する複数の無線装置（子局）とから構成されたことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る無線通信システムは、請求項３に記載の無線装置（親局）と、前記無線装置（親局）と無線リンクを確立する無線装置（子局）とを組にし、該組を多段接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、無線基地局間を接続する無線リンクに使用可能な周波数および帯域幅が固定されている場合に、ＩＰパケット通信に係る通信特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。図１において基地局構成は、親局（無線基地局１）と複数の子局（無線基地局２）から成る。無線基地局１は、バックボーン回線５を介して、ウェブサーバやメールサーバ、インターネットなどに接続される。無線基地局１は、無線基地局２に無線リンクを確立する。無線基地局１は、アンテナビーム１００の放射方向を通信相手の無線基地局２の方向に切り替える。アンテナビーム１００が向けられた無線基地局２は、無線基地局１間の無線リンクを確立し、無線基地局１と通信することができる。
【００１２】
無線基地局２は、無線ＬＡＮ用のアクセスポイント３に接続されている。無線基地局２は、無線ＬＡＮ用アクセスポイント３を介して、複数の端末４と無線リンクを確立する。無線ＬＡＮ用アクセスポイント３はアンテナビーム２００を放射し、端末４間の無線リンクを確立する。無線基地局２は、無線リンクが確立された端末４と通信することができる。なお、端末４は、例えば無線ＬＡＮの端末用の無線装置に接続されたパーソナルコンピュータである。
【００１３】
無線基地局１は、バッファ１１と親局の無線装置１２と切替機能付アンテナ１３と測定部１４とルーティングテーブル１５と切替制御部１６とを備える。無線基地局２は、アンテナ２１と子局の無線装置２２とバッファ２３とルータ２４とを備える。なお、ここでは、下り方向（親局から子局へ向かう方向）の通信について説明する。
【００１４】
親局の無線基地局１において、バッファ１１は、バックボーン回線５から流入するＩＰパケットを一時的に蓄える。このとき、バッファ１１は、ルーティングテーブル１５に基づき、経由先のルータごとに分類してＩＰパケットを格納する。
【００１５】
ルーティングテーブル１５は、ＩＰアドレス（一部分でもよい）に対応付けて経由先のルータを示す情報（例えばＩＰアドレス、ルータのＩＤ（識別情報）等）を格納している。図１の例では、２つの子局（無線基地局２）にそれぞれルータ２４（Ａ）とルータ２４（Ｂ）が具備されており、親局（無線基地局１）のルーティングテーブル１５は、各子局（無線基地局２）のルータ２４（Ａ），（Ｂ）に係るルーティング情報を格納している。
【００１６】
測定部１４は、バッファ１１に入力されるＩＰパケットの宛先ＩＰアドレスを取得し、ルーティングテーブル１５に基づいてどのルータ宛てかを調べる。そして、測定部１４は、ルータごとに、データ流量を測定する。図１の例では、ルータ２４（Ａ）宛てのデータ流量と、ルータ２４（Ｂ）宛てのデータ流量とが測定される。
【００１７】
切替制御部１６は、測定部１４による測定結果（ルータ毎のデータ流量）に基づいて、各ルータ方向にアンテナビーム１００を放射する時間の配分を決定する。その時間配分方法は、ルータ毎のデータ流量に比例させる。図１の例では、ルータ２４（Ａ）方向にアンテナビーム１００を放射する時間とルータ２４（Ｂ）方向にアンテナビーム１００を放射する時間を、ルータ２４（Ａ），（Ｂ）の各データ流量に基づいて比例配分する。
【００１８】
切替機能付アンテナ１３は、切替制御部１６による時間配分に従って、アンテナビーム１００の放射方向を切替える。図１の例では、ルータ２４（Ａ）の無線基地局２方向とルータ２４（Ｂ）の無線基地局２方向とに、その時間配分に従ってアンテナビーム１００の放射方向を切替える。
【００１９】
なお、アンテナビーム１００は、ビーム幅を絞り込んだナロービーム（例えば、放射範囲が１５度程度のもの）とすることが、無線リンク間干渉を抑えるために好ましい。
【００２０】
また、切替機能付アンテナ１３は、ビームスイッチングを電気的に行ってもよく、あるいは機械的に行ってもよい。例えば、複数のアンテナ素子から成るアレーアンテナを設け、各アンテナ素子に重み付けを行うことにより、アレーアンテナの指向性を制御し、アンテナビームの放射方向を切り替えるようにしてもよい。或いは、特定の指向性を有する指向性アンテナを複数（図１の例では２つ）設け、各子局（無線基地局２）の方向にそれぞれアンテナビームが放射されるように指向性アンテナを配置し、動作させる指向性アンテナを切り替えるようにしてもよい。
【００２１】
無線装置１２（親局）は、アンテナビーム１００の放射方向に応じて、該当の経由先のルータ向けに送信するＩＰパケットをバッファ１１から読み出し、無線送信する。無線装置１２（親局）は、切替制御部１６による時間配分に従って、アンテナビーム１００の放射方向を認識する。図１の例では、ルータ２４（Ａ）の無線基地局２方向にアンテナビーム１００が放射されている期間には、ルータ２４（Ａ）を経由先とするＩＰパケットをバッファ１１から読み出し、無線送信する。一方、ルータ２４（Ｂ）の無線基地局２方向にアンテナビーム１００が放射されている期間には、ルータ２４（Ｂ）を経由先とするＩＰパケットをバッファ１１から読み出し、無線送信する。
【００２２】
上述したように本実施形態では、アンテナビーム１００の放射方向を通信相手の無線基地局２に間欠的に切り替える。そして、アンテナビーム１００が放射されている無線基地局２へ、その放射期間中に一気にＩＰパケットを無線送信する。さらに、アンテナビーム１００の切り替えの間隔を通信相手へのトラヒック流量に応じて変更する。
【００２３】
子局の無線基地局２において、無線装置２２（子局）は、アンテナ２１により受信された無線信号からＩＰパケットを受信し、バッファ２３に格納する。ルータ２４は、バッファ２３からＩＰパケットを読み出し、その宛先ＩＰアドレスに基づいて端末４へ送信するように無線ＬＡＮ用アクセスポイント３にＩＰパケットを出力する。
【００２４】
無線ＬＡＮ用アクセスポイント３は、ルータ２４から受け取ったＩＰパケットを端末４に向けて無線送信する。端末４は、無線受信したＩＰパケットから自分宛のパケットを取得する。
【００２５】
なお、上り方向（子局から親局へ向かう方向）の通信においては、時分割複信（Time Division Duplex：ＴＤＤ）方式の場合は、上述のアンテナビーム１００の放射方向の子局から親局にＩＰパケットを送信すればよい。一方、周波数分割複信（Frequency Division Duplex：ＦＤＤ）方式の場合は、下り方向と同じタイミングで上り方向のアンテナビームの放射方向を切り替えてもよく、或いは、下り方向とは独立に上り方向のアンテナビームの放射方向を切り替えるようにしてもよい。下り方向とは独立に上り方向のアンテナビームの放射方向を切り替える場合には、所定の時間配分で、アンテナビームの放射方向を子局に対して間欠的に切り替えればよい。
【００２６】
なお、無線通信方式としては、例えば、IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers）の標準規格「IEEE802.16e」（通称：Mobile WiMAX）、「IEEE802.11a」、「IEEE802.11b」、「IEEE802.11j」、「IEEE802.11g」などが利用可能である。
【００２７】
次に、本実施形態に係る変形例を順次説明する。なお、以下の説明では、無線基地局１を親局１、無線基地局２を子局２、無線ＬＡＮ用アクセスポイント３をＡＰ３とそれぞれ称する。
【実施例１】
【００２８】
図２は本発明に係る無線通信システムの実施例１である。実施例１は、親局１が複数（図２の例では３台）の子局２をブランチ接続する。親局１はアンテナビーム１００の放射方向を子局２に対して間欠的に切り替える。これにより、親局１と各子局２間は、間欠的に無線接続される。子局２は、親局１と無線接続されている期間のみに、ＩＰパケット伝送を行うことができる。
【実施例２】
【００２９】
図３は本発明に係る無線通信システムの実施例２である。実施例２は、図２の実施例１と同様に、親局１が複数（図３の例では３台）の子局２をブランチ接続する。但し、図３に示す実施例２では、子局２がバックボーン回線５を介して、ウェブサーバやメールサーバ、インターネットなどに接続する。この実施例２の場合、親局１は、所定の時間配分で、アンテナビーム１００の放射方向を子局２に対して間欠的に切り替える。
【実施例３】
【００３０】
図４は本発明に係る無線通信システムの実施例３である。実施例３は、親局１と子局２の組を多段接続（図４の例では２段接続）する。下段（端末に近い方）の親局１は上段（端末から遠い方）の子局２に接続される。上段の各子局２の配下は対称な構成である。
【実施例４】
【００３１】
図５は本発明に係る無線通信システムの実施例４である。実施例４は、図４の実施例３と同様に、親局１と子局２の組を多段接続（図４の例では２段接続）する。但し、図５に示す実施例４では、上段の各子局２の配下は非対称な構成である。
【実施例５】
【００３２】
図６は本発明に係る無線通信システムの実施例５である。実施例５は、多ブランチ接続構成（実施例１）と多段接続構成（実施例３）の組み合せである。
【実施例６】
【００３３】
図７は本発明に係る無線通信システムの実施例６である。実施例６は、図１に示される基本構成において、親局１の代わりに、子局２がバックボーン回線５を介して、ウェブサーバやメールサーバ、インターネットなどに接続する。この場合、親局１は、所定の時間配分で、アンテナビーム１００の放射方向を子局２に対して間欠的に切り替える。
【００３４】
次に、本実施形態に係るシミュレーション結果を示し、本実施形態による効果を説明する。
【００３５】
本実施形態に係る効果を検証するために、端末がウェブページの閲覧を行う際のレスポンス特性をソフトウェアシミュレーションによって算出した。
まず、シミュレーション条件を説明する。親局１と子局２間の無線通信方式は「IEEE802.16e」（Mobile WiMAX）である。トラヒックの種類は、電子メール（E-mail）とＨＴＴＰ（HyperText Transfer Protocol）を用いたウェブページアクセスである。そのトラヒック量（トラヒックボリューム）は図８の表に示されている。ウェブサーバやメールサーバにアクセスするトラヒックボリュームはトポロジーに関係なく、同じである。端末４は合計１００台である。ＡＰ３配下の端末数は等しい。例えば、２台のＡＰ３があれば、各ＡＰ３に５０台ずつを収容する。ＡＰ３と端末４間の無線通信方式は「IEEE802.11g」である。
【００３６】
図９〜図１４にシミュレーション結果が示されている。図９〜図１４において、横軸は端末４がウェブページの閲覧を行ったときのレスポンスに要した時間（レスポンス時間）である。縦軸は累積確率（時間率）であり、横軸のレスポンス時間以下となる確率（時間率）を示す。
以下、本実施形態に係る無線通信システムの構成別にシミュレーション結果を説明する。
【００３７】
［基本構成］
図１に示される基本構成でのシミュレーション結果が図９〜図１２に示されている。図９は、本実施形態によるアンテナビーム切り替え（ビームスイッチング）方式と、周波数リソース（伝送ビットレート）の固定割当て方式とを比較するためのグラフ図である。
【００３８】
図９において、本実施形態に係るビームスイッチング方式によるシミュレーション結果のグラフは、「1M S/W」の表記で示される。このシミュレーション条件は、親局１と子局２間の無線リンクで利用可能な最大の周波数リソース（伝送ビットレート）は、上り/下り方向共に１メガビット／秒（Mbit/s）である。アンテナビーム１００の切り替え間隔は、５０ミリ秒（mS）である。つまり、２台の子局２に対して５０mSずつアンテナビーム１００を放射するように、アンテナビーム１００の放射方向を切り替える。アンテナビーム１００が放射されている方の子局２は、その放射期間（５０mS）において１Mbit/sの伝送ビットレートで通信することができる。
【００３９】
一方、伝送ビットレート固定割当て方式によるシミュレーション結果のグラフは、例えば「500k 固定」のような表記で示される。このシミュレーション条件は、親局１と子局２の各々に対して、固定的に伝送ビットレートが割り当てられる。つまり、各子局２は常時、割り当てられた固定伝送ビットレートで通信することができる。例えば「500k 固定」の場合、各子局２は常時、500キロビット／秒（kbit/s）で通信することができる。
【００４０】
図９に示されるように、親局１の利用可能な最大の伝送ビットレートが等しい場合、つまり本実施形態に係るビームスイッチング方式による「1M S/W」と伝送ビットレート固定割当て方式による「500k 固定」の場合では、明らかに「1M S/W」の方がレスポンス特性がよい。このように、本実施形態に係るビームスイッチング方式によれば、伝送ビットレート固定割当て方式に比べて、端末４がウェブページの閲覧を行ったときのレスポンス時間が短くなり、この結果として周波数利用効率の向上が期待できる。なお、図９から、本実施形態に係るビームスイッチング方式による「1M S/W」は、伝送ビットレート固定割当て方式による「約650k 固定」と同等のレスポンス特性が得られると推定できる。
【００４１】
図１０は、本実施形態によるビームスイッチング方式において、２台の子局２（各ＡＰ３のエリア１，２に対応）に対するアンテナビーム放射時間の時間配分を変化させたときのシミュレーション結果のグラフ図である。図１０から明らかなように、子局２配下の端末（ＰＣ）４の台数が同じ場合は、各子局２に対するアンテナビーム放射時間が等しいときが最もレスポンス特性がよい。
【００４２】
一方、図１１、図１２には、子局２配下の端末（ＰＣ）４の台数が異なる場合のシミュレーション結果が示されている。図１１のシミュレーションでは、一方の子局２配下の端末数を４０台とし、もう一方の子局２配下の端末数を６０台にしている。図１２のシミュレーションでは、一方の子局２配下の端末数を３０台とし、もう一方の子局２配下の端末数を７０台にしている。図１１、図１２から明らかなように、子局２配下の端末４の台数が異なる場合は、子局２ごとにトラヒック量が異なるので、トラヒック量に比例するように各子局２に対するアンテナビーム放射時間を配分することにより最良のレスポンス特性が得られる。なお、図１１、図１２において、アンテナビーム放射時間の配分が最適でない場合に、レスポンス特性がかなり悪くなっているケースがあるが、これは無線リンク容量に対してトラヒックが過負荷になっているためである。
【００４３】
［多ブランチ接続構成］
図２に示される多ブランチ接続構成Ａと図３に示される多ブランチ接続構成Ｂでの各シミュレーション結果が図１３に示されている。多ブランチ接続構成Ａ，Ｂともに、３台の子局２のそれぞれの配下の端末数は等しく３３台としている。また、３台の子局２に対するアンテナビーム放射時間の配分は等しく、且つフレーム周期を考慮して３５mSずつとしている。また、比較のために、多ブランチ接続構成Ａに係る伝送ビットレート固定割当て方式による「333k 固定」のシミュレーション結果を図１３に示している。図１３から明らかなように、多ブランチ接続構成Ａの場合、本実施形態に係るビームスイッチング方式によればレスポンス特性が向上している。
【００４４】
［多段接続構成］
図４に示される多段接続構成Ｃ（対称形）と図５に示される多段接続構成Ｄ（非対称形）での各シミュレーション結果が図１４に示されている。多段接続構成Ｃでは、４台の子局２のそれぞれの配下の端末数は等しく２５台としている。多段接続構成Ｄでは、多段接続側の２台の子局２のそれぞれの配下の端末数は等しく２５台とし、非多段接続側の１台の子局２の配下の端末数は５０台としている。多段接続構成Ｃ，Ｄともに、１段目の親局１と子局２間の無線リンクで利用可能な最大の伝送ビットレートは上り/下り方向共に１Mbit/sであり、２段目の親局１と子局２間は５００kbit/sである。そして、全ての親局１は子局２に対してアンテナビーム放射時間の配分を等しくし、１段目の親局１は「1M S/W」、２段目の親局１は「500k S/W」となっている。また、比較のために、多段接続構成Ｃ，Ｄに係る伝送ビットレート固定割当て方式による「500k 固定」と「250k 固定」を組み合わせたときのシミュレーション結果を図１４に示している。図１４から明らかなように、多段接続構成Ｃ，Ｄの場合、本実施形態に係るビームスイッチング方式によればレスポンス特性が向上している。
【００４５】
上述したように本実施形態によれば、無線基地局間を接続する無線リンクに使用可能な周波数および帯域幅が固定されている場合に、ＩＰパケット通信に係る通信特性を向上させることができる。例えば、端末がウェブページの閲覧を行う際のレスポンス時間を短縮することができる。この結果、周波数の有効利用に貢献することができる。
【００４６】
以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、本発明は、携帯電話網のＩＰ化が進んだときの無線基地局へのエントランス回線、コグニティブ無線システムの基地局間の無線リンクなどに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態に係る無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る無線通信システムの実施例１である。
【図３】本発明に係る無線通信システムの実施例２である。
【図４】本発明に係る無線通信システムの実施例３である。
【図５】本発明に係る無線通信システムの実施例４である。
【図６】本発明に係る無線通信システムの実施例５である。
【図７】本発明に係る無線通信システムの実施例６である。
【図８】本発明に係るビームスイッチング方式のシミュレーションに用いたトラヒック量を示す図表である。
【図９】本発明に係るビームスイッチング方式のシミュレーション結果である。
【図１０】本発明に係るビームスイッチング方式のシミュレーション結果である。
【図１１】本発明に係るビームスイッチング方式のシミュレーション結果である。
【図１２】本発明に係るビームスイッチング方式のシミュレーション結果である。
【図１３】本発明に係るビームスイッチング方式のシミュレーション結果である。
【図１４】本発明に係るビームスイッチング方式のシミュレーション結果である。
【符号の説明】
【００４８】
１…無線基地局（親局）、２…無線基地局（子局）、３…無線ＬＡＮ用アクセスポイント、４…端末、５…バックボーン回線、１１…バッファ、１２…無線装置、１３…切替機能付アンテナ、１４…測定部、１５…ルーティングテーブル、１６…切替制御部、２１…アンテナ、２２…無線装置、２３…バッファ、２４…ルータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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