(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御装置と、前記制御装置がビーム構成の最適化を担当する領域内に配置される各々独立に通信可能な複数の無線リンクとを含む無線通信システムであって、前記制御装置は、
探索型アルゴリズムに従って、当該制御装置が担当する領域内の前記複数の無線リンクに対しアンテナ・パラメータセットを設定する設定部と、
前記担当する領域に隣接する隣接領域内に配置される１以上の無線リンクからの干渉電波が発生した状況で、前記担当する領域内の前記複数の無線リンク各々での電波放射に基づき、前記設定部により設定されたアンテナ・パラメータセットを評価する評価部と
を含む、無線通信システム。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記隣接領域内に配置される１以上の無線リンクに対し、指定の電波発生率が満たされるよう電波を発生させることを要請する要請部と、
前記要請部が要請した指定の電波発生率に基づいて、少なくとも１回の干渉電波が発生することが保証された評価期間を決定する決定部と
をさらに含み、前記評価部は、前記評価期間での前記担当する領域の信号品質の評価結果によって前記アンテナ・パラメータセットの評価を行う、請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項３】
前記制御装置は、
前記隣接領域内に配置される１以上の無線リンクでの電波発生率を取得する取得部と、
前記取得部により取得された電波発生率に基づいて、少なくとも１回の干渉電波が発生することが保証された評価期間を決定する決定部と
をさらに含み、前記評価部は、前記評価期間での前記担当する領域の信号品質の評価結果によって前記アンテナ・パラメータセットの評価を行う、請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項４】
干渉電波を発生させることを要請した、または、電波発生率を取得した隣接領域の無線リンクの数を、前記担当する領域の信号品質の評価結果の信頼度として適用することを特徴とする、請求項２または３に記載の無線通信システム。
【請求項５】
前記隣接領域内に配置される１以上の無線リンクからの干渉電波の発生は、前記隣接領域で最適化処理が実行されていることによって保証され、前記評価部は、少なくとも１回の干渉電波が発生することが保証された状況での前記担当する領域の信号品質の評価結果によって前記アンテナ・パラメータセットの評価を行う、請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項６】
前記担当する領域内の少なくとも１つの無線リンクを構成する無線送信機は、該無線リンクを構成する無線受信機に対し、干渉を受ける側でデータ信号とは分離可能な信号として信号品質評価用パケットを送信することを特徴とし、
前記担当する領域に隣接する隣接領域の少なくとも１つの無線リンクを構成する無線受信機は、データ信号のパケットを処理する回路とは別に前記信号品質評価用パケットによる干渉電波を評価する回路を備え、前記担当する領域の前記制御装置に対し前記干渉電波の評価結果を提供することを特徴とし、
前記評価部は、提供された前記干渉電波の評価結果を、前記担当する領域の信号品質の評価結果に含めることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか１項に記載の無線通信システム。
【請求項７】
前記担当する領域内の前記複数の無線リンク各々は、信号品質によって検出感度の異なる複数の評価関数を含み、前記評価部は、前記複数の評価関数のうちの、信号品質に応じた評価関数による無線リンクの信号品質の評価結果を用いることを特徴とする、請求項２〜６のいずれか１項に記載の無線通信システム。
【請求項８】
前記制御装置は、
前記担当する領域の無線リンク毎の通信品質の評価結果を収集する収集部を含み、
前記評価部は、前記収集部により収集された無線リンク毎の通信品質の評価結果に基づいて、前記設定部により設定されたアンテナ・パラメータセットの評価を行い、該評価が現時点の最適なアンテナ・パラメータセットの評価よりも高い場合に、前記設定部により設定されたアンテナ・パラメータセットを最新の最適なアンテナ・パラメータセットとして更新することを特徴とする、請求項２〜７のいずれか１項に記載の無線通信システム。
【請求項９】
前記制御装置が担当する領域以外の領域各々のビーム構成の最適化を担当する１以上の他の制御装置と、前記１以上の他の制御装置各々が担当する領域各々に配置される複数の他の無線リンクとをさらに含み、
前記制御装置および前記１以上の他の制御装置が、それぞれ、独立して、前記アンテナ・パラメータセットの設定および前記アンテナ・パラメータセットの評価を繰り返し、担当する領域各々のビーム構成を独立して最適化することにより、全体空間のビーム構成が最適化されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の無線通信システム。
【請求項１０】
各々独立に通信可能な複数の無線リンクを含む領域のビーム構成の最適化を担当する制御装置であって、
探索型アルゴリズムに従って、当該制御装置が担当する領域内の前記複数の無線リンクに対しアンテナ・パラメータセットを設定する設定部と、
前記担当する領域に隣接する隣接領域内に配置される１以上の無線リンクからの干渉電波が発生した状況で、前記担当する領域内の前記複数の無線リンク各々での電波放射に基づき、前記設定部により設定されたアンテナ・パラメータセットを評価する評価部と
を含む、制御装置。
【請求項１１】
前記制御装置は、
前記隣接領域内に配置される１以上の無線リンクに対し、指定の電波発生率が満たされるよう電波を発生させることを要請する要請部と、
前記要請部が要請した指定の電波発生率に基づいて、少なくとも１回の干渉電波が発生することが保証された評価期間を決定する決定部と
をさらに含み、前記評価部は、前記評価期間での前記担当する領域の信号品質の評価結果によって前記アンテナ・パラメータセットの評価を行う、請求項１０に記載の制御装置。
【請求項１２】
前記制御装置は、
前記隣接領域内に配置される１以上の無線リンクでの電波発生率を取得する取得部と、
前記取得部により取得された電波発生率に基づいて、少なくとも１回の干渉電波が発生することが保証された評価期間を決定する決定部と
をさらに含み、前記評価部は、前記評価期間での前記担当する領域の信号品質の評価結果によって前記アンテナ・パラメータセットの評価を行う、請求項１０に記載の制御装置。
【請求項１３】
前記隣接領域内に配置される１以上の無線リンクからの干渉電波の発生は、前記隣接領域で最適化処理が実行されていることによって保証され、前記評価部は、少なくとも１回の干渉電波が発生することが保証された状況での前記担当する領域の信号品質の評価結果によって前記アンテナ・パラメータセットの評価を行う、請求項１０に記載の制御装置。
【請求項１４】
前記担当する領域に隣接する隣接領域の少なくとも１つの無線リンクを構成する無線受信機から、前記担当する領域内の少なくとも１つの無線リンクを構成する無線送信機が送信した信号品質評価用パケットによる干渉電波の評価結果を収集する収集部をさらに含み、
前記評価部は、収集された前記干渉電波の評価結果を、前記担当する領域の信号品質の評価結果に反映することを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項１５】
無線通信網を区分して構成された領域であって、各々独立に通信可能な複数の無線リンクを含む領域のビーム構成の最適化を担当する、制御装置が実行する最適化方法であって、前記制御装置が、
探索型アルゴリズムに従って、当該制御装置が担当する領域内の前記複数の無線リンクに対しアンテナ・パラメータセットを設定するステップと、
前記担当する領域に隣接する隣接領域内に配置される１以上の無線リンクからの干渉電波が発生した状況で、前記担当する領域内の前記複数の無線リンク各々での電波放射に基づき、前記設定するステップで設定されたアンテナ・パラメータセットを評価するステップと
を含む、最適化方法。
【請求項１６】
前記最適化方法は、前記制御装置が、
前記隣接領域内に配置される１以上の無線リンクに対し、指定の電波発生率が満たされるよう電波を発生させることを要請するステップと、
前記要請するステップで要請した指定の電波発生率に基づいて、少なくとも１回の干渉電波が発生することが保証された評価期間を決定するステップと
をさらに含み、前記評価するステップは、前記評価期間での前記担当する領域の信号品質の評価結果によって前記アンテナ・パラメータセットの評価を行うステップを含む、請求項１５に記載の最適化方法。
【請求項１７】
前記最適化方法は、前記制御装置が
前記隣接領域内に配置される１以上の無線リンクでの電波発生率を取得するステップと、
前記取得するステップで取得された電波発生率に基づいて、少なくとも１回の干渉電波が発生することが保証された評価期間を決定するステップと
をさらに含み、前記評価するステップは、前記評価期間での前記担当する領域の信号品質の評価結果によって前記アンテナ・パラメータセットの評価を行うステップを含む、請求項１５に記載の最適化方法。
【請求項１８】
請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の制御装置がビーム構成の最適化を担当する領域内に配置される無線リンクを構成する無線通信装置であって、
信号品質に応じた無線リンクの信号品質を評価するためのそれぞれ信号品質によって検出感度の異なる複数の評価関数回路
を含む、無線通信装置。
【請求項１９】
データ信号のパケットを処理するデータ信号処理回路と、
前記データ信号処理回路とは別に設けられた、前記担当する領域に隣接した隣接領域内の少なくとも１つの無線リンクを構成する無線送信機が送信した信号品質評価用パケットによる干渉電波を評価する評価回路と、
前記担当する領域に隣接した隣接領域を担当する制御装置に対し前記干渉電波の評価結果を送信する送信部と
をさらに含む、請求項１８に記載の無線通信装置。
【請求項２０】
各々独立に通信可能な複数の無線リンクを含む領域のビーム構成の最適化を担当する制御装置を実現するためのプログラムであって、コンピュータを、
探索型アルゴリズムに従って、当該制御装置が担当する領域内の前記複数の無線リンクに対しアンテナ・パラメータセットを設定する設定部、および
前記担当する領域に隣接する隣接領域内に配置される１以上の無線リンクからの少なくとも１回の干渉電波が発生した状況で、前記担当する領域内の前記複数の無線リンク各々での電波放射に基づき、前記設定部により設定されたアンテナ・パラメータセットを評価する評価部
として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信技術に関し、より詳細には、無線通信網におけるビーム構成を最適化するための無線通信システム、制御装置、最適化方法、無線通信装置およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、Ｇｂｐｓを超えるデータレートの高速無線通信を実現するため、ミリ波帯の搬送波を用いた広帯域無線通信技術に期待が寄せられている。
【０００３】
従来、無線通信分野では、符号分割多重化（ＣＤＭ，Code Division Multiplexing）技術や新たな周波数帯の活用により通信帯域幅の向上が図られてきた。しかしながら、上述したミリ波帯では、少数のチャンネルしか高速通信のために割り当てることができず、周波数資源が制限されている。このような背景から、空間分割多重化（Spatial Division Multiplexing，ＳＤＭ）によって帯域幅を向上することが求められている。
【０００４】
上述したミリ波無線通信では、アレイ・アンテナを用いることにより、ビームフォーミング技術を適用することができる。例えば、ＩＥＥＥ（The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.）８０２．１５．３ｃやＩＥＥＥ８０２．１１ａｄでは、６０ＧＨｚ帯の無線通信に適したビームフォーミングのプロトコルが規定されている。また、アレイ・アンテナのアンテナエレメントのゲインおよび位相といったパラメータの最適化方法として、粒子群最適化（Particle Swarm Optimization，ＰＳＯ）を利用した技術が知られている（非特許文献１）。
【０００５】
しかしながら、上述した従来技術では、イーサネット（登録商標）で用いられているようなメディア共有型の空間が想定されている。このため、時分割によらず、同一周波数で空間分割によって複数の無線リンクの通信を確立するシステムでは、繰り返し最適化を行っても収束しない可能性があり、仮に収束したとしても、充分な精度で最適化されない可能性があった。これは、他の無線リンクの放射パターンのサイドローブによる干渉ノイズの影響が考慮されていないからである。
【０００６】
空間分割多重化技術に関し、特開２０１１−１９９８３１号公報（特許文献１）は、ＭＵ（Multi User）−ＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）のダウンリンクにおいて、受信装置で生じるユーザ間干渉を除去する技術を開示する。しかしながら、上記特許文献１の従来技術は、単一の基地局から複数のユーザ端末へ同時に通信する技術であり、ピア・ツー・ピアといった独立した無線リンクに対し適用できない。
【０００７】
したがって、それぞれ独立な複数の無線リンクが存在し、同一周波数で空間分割によって複数の無線リンクの通信が確立される無線通信網において、無線リンク間の干渉の影響を考慮しながら、空間全体として効率的にビーム構成を最適化することができる技術の開発が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１９９８３１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】M. Benedetti et al.，”PSO-based Real-Time Control of Planar Uniform Circular Arrays.” Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE， Volume 5，Issue 1， 545-548，2006．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記従来技術における不充分な点に鑑みてなされたものであり、本発明は、それぞれ独立に通信可能な複数の無線リンクが存在し、同一周波数で空間分割によって複数の無線リンクの通信が確立される無線通信網において、無線リンク間の干渉の影響を考慮しながら、空間全体としてビーム構成を効率的に最適化することできる、無線通信システム、制御装置、最適化方法、無線通信装置およびプログラム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】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するために、下記特徴を有する無線通信システムを提供する。本無線通信システムは、制御装置と、各々独立に通信可能な複数の無線リンクとを含む。上記複数の無線リンクは、それぞれ、上記制御装置がビーム構成の最適化を担当する領域内に配置される。上記制御装置は、探索型アルゴリズムに従って、当該制御装置が担当する領域内の複数の無線リンクに対し、アンテナ・パラメータセットを設定する設定部と、当該制御装置が担当する領域に隣接する隣接領域内に配置される１以上の無線リンクからの干渉電波が発生した状況で、当該制御装置が担当する領域内の複数の無線リンク各々での電波放射に基づき、上記設定部により設定されたアンテナ・パラメータセットを評価する評価部とを含む。
【００１２】
また、本発明によれば、下記特徴を有する制御装置を提供することができる。制御装置は、各々独立に通信可能な複数の無線リンクを含む領域のビーム構成の最適化を担当する。制御装置は、探索型アルゴリズムに従って、当該制御装置が担当する領域内の複数の無線リンクに対しアンテナ・パラメータセットを設定する設定部と、上記担当する領域に隣接する隣接領域内に配置される１以上の無線リンクからの干渉電波が発生した状況で、担当する領域内の複数の無線リンク各々での電波放射に基づき、上記設定部により設定されたアンテナ・パラメータセットを評価する評価部とを含む。
【００１３】
さらに、本発明によれば、無線通信網を区分して構成された領域であって各々独立に通信可能な複数の無線リンクを含む領域のビーム構成の最適化を担当する制御装置が実行する最適化方法を提供することができる。最適化方法では、制御装置が、探索型アルゴリズムに従って、当該制御装置が担当する領域内の複数の無線リンクに対しアンテナ・パラメータセットを設定するステップと、担当する領域に隣接する隣接領域内に配置される１以上の無線リンクからの干渉電波が発生した状況で、担当する領域内の複数の無線リンク各々での電波放射に基づき、設定されたアンテナ・パラメータセットを評価するステップとを含む。
【００１４】
また、さらに本発明によれば、上記制御装置がビーム構成の最適化を担当する領域内に配置される無線リンクを構成する無線通信装置を提供することができる。無線通信装置は、信号品質に応じた無線リンクの信号品質を評価するためのそれぞれ信号品質によって検出感度の異なる複数の評価関数回路を含む。さらに本発明によれば、また、上記制御装置を実現するためのプログラムを提供することができる。
【発明の効果】
【００１５】
上記構成により、それぞれ独立に通信可能な複数の無線リンクが存在し、同一周波数で空間分割によって複数の無線リンクの通信が確立される無線通信網において、無線リンク間の干渉の影響を考慮しながら、空間全体としてビーム構成を効率的に最適化することできる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態において最適化処理の対象となるネットワーク環境を例示する図。
【図２】従来技術のビームフォーミングを説明する図。
【図３】本発明の実施形態による最適化処理を概説する図。
【図４】本発明の実施形態による無線通信システムにおけるノードのハードウェア構成図。
【図５】本発明の実施形態によるネットワーク環境において、ノード間を接続するコントロール・プレーンを例示する図。
【図６】本発明の実施形態による無線通信システムの機能ブロック図。
【図７】本実施形態による無線通信システムでの隣接領域から最適化領域へ発生する干渉電波および評価時間の決定方法を説明する図。
【図８】本発明の実施形態によるコントロール・ノードが実行する最適化処理を示すフローチャート。
【図９】好ましい実施形態において無線リンクを構成するノードの受信側回路構成図。
【図１０】隣接領域の受信側ノードが受信するパケットを説明する図。
【図１１】好適ない実施形態において評価関数の使い方を説明する図。
【図１２】本発明の実施形態による最適化方法を適用することができる無線通信システムの応用例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明について特定の実施形態をもって説明するが、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。なお、以下に説明する実施形態では、制御装置および無線通信システムとして、それぞれ、ビーム構成の最適化処理を実行するコントロール・ノード、および、該コントロール・ノードと１以上のノードとを含む無線通信システムを一例として説明する。
【００１８】
まず、図１を参照しながら、本発明の実施形態によるビーム構成の最適化処理の対象の無線通信網であるネットワーク環境の特徴について説明する。図１は、本発明の実施形態において最適化処理の対象となるネットワーク環境を例示する図である。
【００１９】
図１に示すネットワーク環境１００には、それぞれ無線通信機能を有した複数のノード１１０が存在する。ノード１１０は、それぞれ、フェーズドアレイといったアレイ・アンテナを備え、互いに通信相手となるノード１１０間の無線リンクＬをビームフォーミングにより確立可能に構成されている。なお、図１には、ノード１１０−１，１１０−２に代表して符番を付しているが、図中の丸は、各ノードを表す。また、ノード１１０−１，１１０−２間の無線リンクＬ１２に代表して符番を付しているが、図中の矢印は、ノード１１０間で確立される無線リンクＬを表す。
【００２０】
図１に示されるように、ネットワーク環境１００では、ノード１１０同士がアクセスポイントを介さず直接通信を行うピア・ツー・ピアの独立に通信可能な無線リンクＬが複数構成されている。特定の実施形態において、無線リンクＬは、ミリ波帯の搬送波を用いた無線通信を行うリンクである。ところが、ミリ波帯では、複数の無線リンクを確立するために利用可能な周波数資源は限られている。また、同一周波数で複数の無線リンクを確立するために時分割を利用することもできるが、その場合、各々の無線リンクでの帯域幅を減少させることになる。したがって、限られた周波数資源の中でさらなる通信帯域幅の向上を図るためには、同一周波数で空間分割により複数の無線リンクを確立し、空間効率を高めることが必要である。
【００２１】
そして、本発明の実施形態による最適化処理の目標は、図１に示すようなネットワーク環境１００において、同一周波数で空間分割により独立に通信可能な複数の無線リンクを確立するとともに、高い通信品質が得られるよう全体のビーム構成を最適化することである。
【００２２】
以下、まず、図２を参照しながら、従来技術におけるビームフォーミングの最適化について説明する。図２は、従来技術のビームフォーミングを説明する図である。上述したＩＥＥＥ８０２．１５．３ｃやＩＥＥＥ８０２．１１ａｄに規定されるビームフォーミングでは、ノード間で時分割を行うこと、つまり、空間内に同一周波数の電波が１つしか同時に存在しないことが前提となっている。この前提に立てば、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、まず、ノード５１０−１，５１０−２間で無線リンクＬ１２を最適化し、続いてノード５１０−３，５１０−４間で無線リンクＬ３４を最適化する、といったように、無線リンク毎にビームフォーミングの最適化を行えばよいということになる。
【００２３】
しかしながら、時分割によらず、同一周波数で複数の無線リンクの通信を同時に確立しようとする場合、上述した従来技術では、最適化が困難となる。図２（Ｃ）に示すように、放射パターンは、メインローブ（ｍａｉｎ）およびサイドローブ（ｓｉｄｅ）を含んでいる。時分割されていない場合、このサイドローブの影響により、無線リンク間で互いに干渉電波５１４を発生させてしまう可能性がある。そのため、無線リンク毎に繰り返し最適化を行ったとしても、収束しない可能性があり、仮に収束したとしても、干渉電波が考慮されていないので充分な精度が得られない可能性がある。
【００２４】
その他、同一周波数で空間分割により複数の無線リンクの通信を確立する技術として、図２（Ｄ）に示すようなＭＩＭＯも知られている。ＭＩＭＯでは、通常、アクセスポイント５５０を中心として、領域毎に独立して最適化が行われることになるが、領域間の干渉電波５５４が生じるため、周波数分割などの対策が必要となる。また、ＭＵ−ＭＩＭＯでは、領域に複数の無線リンクが存在すると言えるが、中心となるアクセスポイント５５０から複数のクライアント５５２へのダウンリンクのみ同時に通信されるに過ぎず、独立したピア・ツー・ピアの無線リンクに適用することができない。また、協働（Cooperative）ＭＩＭＯも知られているが、複数のアクセスポイントを制御する単一のコントローラが、複数のアクセスポイントを同期させて動作させており、独立した複数の無線リンクには適用することができない。
【００２５】
したがって、上述したネットワーク環境１００において、無線リンク間の干渉の影響を低減しながら無線リンク各々でのビーム強度を高め、ネットワーク環境１００全体としてビーム構成を最適化する必要がある。一方で、ネットワーク環境１００のすべての無線リンクを対象として同時に最適化を行う場合、ノード数が多くなりすぎて、収束自体に時間がかかる。また無線リンクの評価結果を１ノードに集めねばならず、コントロール・プレーンがボトルネックとなり、評価のための時間がより必要となる。
【００２６】
そこで、本発明の実施形態による無線通信システムでは、図３に示すように、複数リンクＬが存在するネットワーク環境１００全体を複数の領域１０２に分割し、それぞれの領域１０２を担当する制御装置（図中、白丸で示す。）１５０が、独立して、分割された領域１０２毎に並列にビーム構成の最適化を行う構成を採用する。
【００２７】
領域１０２内での無線リンクＬ間の干渉電波の影響は、最適化処理中、複数の無線リンクＬで同時に通信品質を評価しながらビームおよびヌル・ステアリングすることによって低減される。一方、最適化する対象となる領域を論理的に分割したとしても、隣接する領域１０２同士は、物理的に分離されるわけではないため、依然として互いに干渉電波Ｎを発生させる可能性がある。
【００２８】
そこで、本発明の実施形態による無線通信システムでは、制御装置１５０は、自身がビーム構成の最適化を担当する領域（以下、制御装置１５０ａに注目し、制御装置１５０ａが担当する領域を最適化領域と参照する。）１０２ａに隣接する領域（以下、最適化領域に隣接する領域を隣接領域と参照する。）１０２ｂ〜１０２ｇ内の１以上の無線リンクからの干渉電波の発生が保証された状況で、当該最適化領域１０２ａ内の複数の無線リンクＬ各々での電波放射に基づいて信号品質の評価を行う。このようにして、隣接領域１０２ｂ〜１０２ｇからの干渉電波の影響が低減されるよう領域１０２ａ毎のビーム構成の最適化を行う。
【００２９】
上記構成により、収束時間の短縮を図るとともに、無線リンク間の干渉の影響を低減しながら、空間全体での効率的かつ精度の高いビーム構成の最適化を図ることができる。このとき、それぞれの無線リンクで同時にビームをステアリングして評価が行われるので、最適化領域１０２ａ内のネットワーク・トポロジーは制約されない。
【００３０】
特定の実施形態では、（１）隣接領域１０２ｄのノード１１０ｄに対し、単位時間当たり一定以上の割合で電波を発生させることを要請し、評価時間を決定すること、（２）隣接領域１０２ｃのノード１１０ｃから現在の単位時間当たりの通信時間の情報を取得し、評価時間を決定すること、または（３）隣接領域１０２ｃの制御装置１５０ｃから最適化モードで動作することの通知を受けることによって、上述した信号品質の評価中に隣接領域からの干渉電波が発生することを保証する。
【００３１】
さらに、好ましい実施形態では、制御装置１５０ａは、（４）隣接領域１０２ｅのノード１１０ｅから、自身の最適化領域１０２ａから隣接領域１０２ｅへ与える干渉電波の影響の評価結果のフィードバックを受け取り、自身の最適化領域１０２ａの信号品質の評価結果に反映することができる。これにより、最適化領域１０２ａ内の無線リンクＬから隣接領域１０２ｅへの干渉電波が低減されるよう最適化することができる。
【００３２】
以下、図４〜図８を参照しながら、本発明の実施形態による最適化処理を実行する無線通信システムについて、より詳細に説明する。図４は、本発明の実施形態による無線通信システムにおけるノード１１０，１５０のハードウェア構成を示す図である。なお、説明する実施形態では、所定のノードが最適化処理を実行する制御装置を兼務しており、このようなノード１１０をコントロール・ノード１５０と参照する。
【００３３】
図４に示すノード１１０は、アナログ処理を担当するＲＦ（Radio Frequency）部１１２と、デジタル処理を担当するベースバンド部１１８と、通信部１２６とを含み構成される。
【００３４】
ＲＦ部１１２は、送信側（Ｔｘ）および受信側（Ｒｘ）のフェーズドアレイ１１４，１１６を含み、これらは、ベースバンド部１１８と接続される。フェーズドアレイ１１４，１１６としては、特に限定されるものではないが、リニアアレイ、プレーナアレイ、サーキュラーアレイ、コンフォーマルアレイなどの種々の形状を有するアレイ・アンテナを用いることができる。
【００３５】
フェーズドアレイ１１４，１１６は、それぞれ、複数のアンテナエレメントを含み構成されており、アンテナエレメント各々には、独立して、位相およびゲインといったパラメータが設定される。アンテナエレメント各々のパラメータを調整することにより、フェーズドアレイ１１４，１１６から放射されるビーム方向や放射パターンを制御することが可能となる。送信側フェーズドアレイ１１４は、入力される電気信号を電磁波に変換し、電磁波を空間に放射する。受信側フェーズドアレイ１１６は、空間を伝播してきた電磁波を受けて電気信号に変換し、電気信号を出力する。
【００３６】
ＲＦ部１１２は、搬送波の無線周波数帯の信号を処理する回路ブロックである。ＲＦ部１１２は、搬送波信号に基づき、入力されるベースバンド信号をＲＦ周波数帯の電気信号に変調し、フェーズドアレイ１１４に出力する。ＲＦ部１１２は、また、搬送波信号に基づき、フェーズドアレイ１１６から入力されるＲＦ周波数帯の電気信号をベースバンド信号に復調する。
【００３７】
ベースバンド部１１８は、変調前または復調後のベースバンド信号を処理する回路ブロックである。ベースバンド部１１８は、より具体的には、処理部１２０と、ＤＡＣ（Digital to Analog Converter）１２２と、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）１２４とを含み構成される。処理部１２０は、上位層から入力される送信データを、採用する変調方式に応じて変調し、送信ベースバンド信号を生成し、ＤＡＣ１２２を介してＲＦ部１１２に出力する。処理部１２０は、ＲＦ部１１２で復調された受信ベースバンド信号を、ＡＤＣ１２４を介して受信し、変調方式に応じて受信データを復元し、上位層に出力する。
【００３８】
通信部１２６は、外部のコントロール・ノード１５０や他のノード１１０と通信するためのネットワーク・インタフェースである。ネットワーク・インタフェースとしては、Ｗｉｆｉ（Wireless Fidelity）などの無線ＬＡＮ（Local Area Network）、Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの近距離無線通信、３ＧやＬＴＥ（Long Term Evolution）などのモバイル通信網の無線モジュールを挙げることができる。
【００３９】
通信部１２６は、外部のコントロール・ノード１５０からパラメータを受信し、処理部１２０を経由して、フェーズドアレイ１１４，１１６のアンテナエレメント各々にパラメータを設定する。通信部１２６は、また、外部のコントロール・ノード１５０に対し、自身の無線リンクで測定された信号品質の評価結果を送信する。なお、これらの情報は、容量が小さく、通信部１２６は、確立しようとする無線リンクＬより低速な通信インタフェースを用いることができる。
【００４０】
コントロール・ノード１５０も、ノード１１０と同様に、ＲＦ部１５２、フェーズドアレイ１５４，１５６、ベースバンド部１５８、処理部１６０、ＤＡＣ１６２、ＡＤＣ１６４および通信部１６６といった基本構成を備える。
【００４１】
コントロール・ノード１５０は、上記に加えて、さらに、本発明の実施形態による最適化処理を実行するためのハードウェアとして、ＣＰＵ１６８と、メモリ１７０と、ＲＯＭ１７２とを含み構成される。コントロール・ノード１５０は、本発明の実施形態による最適化処理を記述した制御プログラムをＲＯＭ１７２から読み出し、メモリ１７０が提供する作業空間に展開することにより、ＣＰＵ１６８の制御の下、後述する各機能部および最適化処理を実現する。
【００４２】
なお、図４に示す実施形態では、最適化処理は、ＣＰＵ１６８によりソフトウェアとして実現されるものとして説明するが、最適化処理の実装は、限定されるものではなく、特定用途向け集積回路やプログラマブル・ロジック・デバイスなどによってハードウェア実装することも可能である。
【００４３】
図４に示すノード１１０およびコントロール・ノード１５０は、最適化処理によって互いのフェーズドアレイ１１４，１１６，１５４，１５６のアンテナエレメント各々の各パラメータを調整することにより、所定の無線リンクＬを確立する。説明する実施形態において、無線リンクＬは、単一チャネルの全二重の無線リンクとして構成される。しかしながら、これに限定されるものではなく、他の実施形態では、複数のチャンネルであることを妨げず、半二重の無線リンクや片方向の無線リンクであってもよい。なお、以下の説明においては、無線リンクが全二重通信であるか、半二重通信であるか、片方向通信であるかに関わらず、便宜上、一方向の通信を念頭に、ノードに対して送信側および受信側といった役割を付して参照する場合がある点に留意されたい。
【００４４】
図５は、本発明の実施形態によるネットワーク環境１００において、ノード１１０，１５０間を接続するコントロール・プレーンＣを例示する図である。図５に示す例では、領域内１０２では、コントロール・ノード１５０を中心としたスター型のネットワーク・トポロジーを有する。２つの領域１０２間は、それぞれの領域に配置されたコントロール・ノード１５０間で通信が行われる。
【００４５】
コントロール・ノード１５０ａは、コントロール・プレーンＣを介して、自らの最適化領域１０２ａ内の無線リンクを構成するノード１１０ａから、その無線リンクの信号品質の評価結果を取得する。また、コントロール・ノード１５０ａは、隣接領域１０２ｄ内の無線リンクを構成するノード１１０ｄに対し、コントロール・ノード１５０ｄを経由して、上述した干渉電波発生の要請、通信時間情報の取得、隣接領域への干渉電波の影響の評価結果のフィードバックの取得を行うことができる。
【００４６】
なお、説明する実施形態では、ミリ波による無線リンクとは別の通信インタフェースとして通信部１２６によりコントロール・プレーンに接続されるものとして説明する。しかしながら、特に限定されるものではなく、ノード１１０とコントロール・ノード１５０との間の直接的または間接的な無線リンクを介した通信が確保できるのであれば、必ずしも別の通信手段のネットワークでなくともよい。例えば、他の実施形態では、無線リンクＬのメッシュネットワークによってコントロール・プレーンが形成されてもよい。
【００４７】
以下、図６を参照しながら、本発明の実施形態による最適化処理を実現するための機能構成について説明する。図６は、本発明の実施形態による無線通信システム２００の機能ブロックを示す図である。図６には、注目する最適化領域内のコントロール・ノード１５０上で実現される機能ブロック２１０が示されている。また、図６には、その他、注目する最適化領域内の他のノード２３０，２４０と、隣接領域のコントロール・ノード２５０と、他のノード２６０，２７０とが示されている。
【００４８】
コントロール・ノード１５０の機能ブロック２１０は、自身が担当する領域のビーム構成の最適化処理を実行する最適化処理部２１２を含み構成される。最適化処理部２１２は、より詳細には、干渉電波要請部２１４と、電波発生率取得部２１６と、隣接モード検知部２１８と、最適化条件決定部２２０と、パラメータセット設定部２２２と、評価結果収集部２２４と、パラメータセット評価部２２６とを含み構成される。
【００４９】
コントロール・ノード１５０は、それぞれ自身が担当する領域で独立に動作するため、注目する最適化領域内での最適化処理実行中に、必ずしも隣接領域において最適化処理が行われているとは限らない。そして、通常モードにある場合は、パケットが殆ど送信されておらず隣接領域からの電波干渉が殆ど生じない可能性がある。このような状況で、そのまま最適化処理を行ってしまうと、隣接領域からの干渉の影響が考慮されずにビーム構成が調整されてしまう。このため、隣接領域の無線リンクでパケットが生じるたびに、干渉電波の影響を受けて通信品質の低下を発生させてしまうことになりかねない。
【００５０】
そこで、干渉電波要請部２１４は、事前設定されたノードの物理位置情報などに基づいて、少なくとも１つの隣接領域内の１以上の無線リンクを構成する送信側ノード２６０に対し、指定の電波発生率が満たされるよう干渉電波の発生を保証することを要請する。要請を受けた送信側ノード２６０は、自らの通常の通信を行わない時間でも、ダミーパケットやスクランブル・パターンなどを挿入し、指定された電波発生率を保証するよう通信を行う。
【００５１】
これにより、上述した隣接領域からの干渉電波が発生する状況での信号品質の評価を行うことができるようになる。なお、要請先の無線リンクは、例えば、事前設定された物理位置情報に基づいて、最適化領域との境界付近に位置するものを選んだり、当該最適化領域の方向を向いているものを選んだりすればよい。
【００５２】
この場合、最適化条件決定部２２０は、上記干渉電波要請部２１４が要請した指定の電波発生率に基づいて、少なくとも１回の干渉電波が発生することが保証される評価期間を決定する。
【００５３】
図７は、本実施形態による無線通信システム２００での隣接領域から最適化領域へ発生する干渉電波および評価時間の決定方法を説明する図である。図７（Ａ）は、上述した電波発生率を説明する図である。隣接領域からの干渉電波は、隣接領域での通信の要求に従って発生することになるが、電波発生率は、図７（Ａ）に示すような所定時間窓において通信時間（図中、干渉電波を黒のバーで示す。）の合計が占める割合として定義される。このとき、時間窓の取り方によって、算出される電波発生率が変動する可能性があるが、その場合は、例えば、複数の時間窓（ｗｉｎｄｏｗ１〜４）で算出される値から、最も安定した時間窓を選択すればよい。また、安定した時間窓のうち、最小の時間窓を選択することで、評価時間の短縮を図ることができる。
【００５４】
図７（Ｂ）は、上述した干渉電波要請部２１４が指定の電波発生率を要請した場合の評価時間の決定方法を説明する。図７（Ｂ）に示すように、隣接領域からの干渉電波には、通常の要求に従って行われるパケットＰに加えて、指定の電波発生率を満たすために挿入されたダミーパケットやスクランブル・パターンの挿入Ａが含まれる。このとき、指定した電波発生率から、少なくとも１回の干渉電波の発生が統計的に保証される時間を見積もることができるので、最適化条件決定部２２０は、その時間以上の時間を評価時間として決定する。電波発生率を要請する場合は、挿入Ａによる干渉が発生するので、挿入しない場合に比べて、評価時間を短くすることが可能となる。
【００５５】
なお、最適化の精度を向上するためには、より多くの隣接領域のノードに対し、より高い電波発生率を指定して干渉電波の発生を要請することが好ましい。しかしながら、より多くの隣接領域のノードに対し要請したり、より高い電波発生率を指定したりすると、余計な電波の放出を強いることとなり、隣接領域への影響が大きくなり、また、余分な消費電力を発生させてしまう。このため、要請する数および指定する電波発生率は、求めようとする最適化の精度と消費電力や影響の大きさとのバランスを考慮して定めることが望ましい。
【００５６】
ここで、再び図６を参照する。これに対して、電波発生率取得部２１６は、干渉電波の発生の保証を要請するのではなく、ノードの物理位置情報などに基づいて、隣接領域内の１以上の無線リンクを構成するノード２７０に対し電波発生率の取得を要求する。要求を受けた隣接領域の無線リンクを構成するノード２７０は、受信側であれば、自身の相手方からの単位時間当たりの通信時間（電波発生率）を算出し、要求元のコントロール・ノード１５０に対し、算出された電波発生率を送信する。送信側であれば、ノード２６０は、自身の相手方への単位時間当たりの通信時間（電波発生率）を算出し、算出された電波発生率を送信する。この場合、最適化条件決定部２２０は、電波発生率取得部２１６により取得された電波発生率に基づいて、少なくとも１回の干渉電波が発生することが保証される評価期間を決定する。
【００５７】
図７（Ｃ）は、上述した電波発生率取得部２１６が電波発生率を取得した場合の評価時間の決定方法を説明する。この場合、図７（Ｃ）に示すように、隣接領域からの干渉電波には、隣接領域での通常のパケットＰのみが含まれる。このとき、取得した電波発生率から、少なくとも１回の干渉電波の発生が統計的に保証される時間を見積もることができるので、その時間以上の時間を評価時間として決定する。これにより最適化処理中の最適化領域から隣接領域への影響を低減することができる。また、余分な電波を発生させないので、消費電力も少なくて済む。
【００５８】
ここで、再び図６を参照する。上述したように、コントロール・ノード１５０は、それぞれ自身が担当する領域で独立に動作するが、例えば複数の領域に対して一斉に最適化の指示が行われた場合など、時を同じくして隣接領域において最適化処理が行われているという状況も考えられる。
【００５９】
図７（Ｄ）は、隣接領域が最適化モードにある場合の評価時間の決定方法を説明する。この場合、図７（Ｄ）に示すように、隣接領域での最適化のためのパケットＯの送信により、上述したような電波発生率の保証を要請せずとも、隣接領域からの干渉電波の影響を受ける状況にある。つまり、その隣接領域からの干渉電波の発生は実質的に保証されることになる。そこで、隣接モード検知部２１８は、隣接領域のコントロール・ノード２５０から、その隣接領域のモードが最適化モードにあるのか通常モードにあるのかの通知を受ける。そして、最適化条件決定部２２０は、信号品質を統計的に評価できる適切な評価時間を設定すればよいということになる。
【００６０】
ここで、再び図６を参照すると、パラメータセット設定部２２２、評価結果収集部２２４およびパラメータセット評価部２２６は、最適化領域内のすべての無線リンクを構成するフェーズドアレイのアンテナエレメント各々のパラメータ（ゲインおよび位相）を含むパラメータセット、探索型アルゴリズムに従って最適化する処理を実行する。
【００６１】
ここで、探索型アルゴリズムとしては、特に限定されるものではないが、粒子群最適化アルゴリズム、遺伝的アルゴリズム、蟻コロニー最適化アルゴリズムといった、群知能アルゴリズムないし進化的アルゴリズムとして知られる最適化アルゴリズムを採用することができる。
【００６２】
パラメータセット設定部２２２は、上述した探索型アルゴリズムに従って、最適化領域内のすべての無線リンクのパラメータセットを、アルゴリズムの更新式から算出された設定値に設定する。
【００６３】
評価結果収集部２２４は、最適化領域内の無線リンクを構成する受信側ノード２４０から、上述したパラメータセットの設定値のもと実際に行われた無線リンク毎の通信の品質の評価結果を収集する。また、好適な実施形態では、評価結果収集部２２４は、隣接領域の無線リンクを構成する受信側ノード２７０から、上述したパラメータセットの設定値のもと実際に行われた無線リンク間の通信に起因した最適化領域からの干渉電波の評価結果のフィードバックを収集する。
【００６４】
パラメータセット評価部２２６は、最適化領域内の複数の無線リンク各々での電波放射に基づき、設定されたアンテナ・パラメータセットを評価する。パラメータセットの評価は、上述した隣接領域内の１以上の無線リンクからの干渉電波の発生が保証される評価期間に、定められた無線リンク各々で実際の通信を行い、その信号品質を総合評価した結果に基づいて行われる。好ましい実施形態において、隣接領域への干渉電波の評価結果のフィードバックが収集される場合は、パラメータセット評価部２２６は、さらに、干渉電波の評価結果を信号品質の評価結果に反映することができる。
【００６５】
また、上述したように、干渉電波を発生させることを要請した、または、電波発生率を取得した隣接領域の無線リンクの数が多いほど、最適化の精度は高いと言える。このため、好ましい実施形態では、要請したまたは取得した隣接領域の無線リンクの数を、最適化領域の信号品質の評価結果の信頼度として適用することができる。例えば、異なる数で最適化を複数回行ったところ、信号品質がほぼ同じパラメータセットがそれぞれ得られたとしても、要請したまたは取得した無線リンクの数が多い方のパラメータセットを、信頼度が高いものとして優先して採用することができる。
【００６６】
本発明の実施形態による無線通信システム２００では、コントロール・ノード１５０が、それぞれ独立して、隣接領域からの干渉電波が保証された条件で、担当する領域のパラメータセットの設定およびパラメータセットの評価を繰り返し、担当する領域各々のビーム構成を最適化する。これにより、隣接する領域間での干渉電波の影響を考慮しながら、全体空間のビーム構成が最適化されることになる。
【００６７】
以下、図８を参照しながら、本発明の実施形態による最適化処理について、具体的なアルゴリズムを用いて、より詳細に説明する。図８は、本発明の実施形態によるコントロール・ノード１５０が実行する最適化処理を示すフローチャートである。なお、図８に示す最適化処理は、粒子群最適化アルゴリズムに従ったものである。また、図８に示す例は、隣接領域の無線リンクに対し、干渉電波の発生を要請する場合に対応する。
【００６８】
図８に示す処理は、例えば、ネットワーク管理者からの指示、システムの導入時の初回起動、新たに追加されたノードの検出またはスケジュールした日時が到来したことに応答して、ステップＳ１００から開始される。ステップＳ１０１では、コントロール・ノード１５０は、干渉電波要請部２１４により、少なくとも１つの隣接領域の１以上の無線リンクに対し、指定の電波発生率での干渉電波発生の保証要請を行い、最適化処理を開始する。
【００６９】
ステップＳ１０２では、コントロール・ノード１５０は、最適化条件決定部２２０により、粒子群最適化アルゴリズムの粒子数、各種係数、最大繰り返し数および評価時間を含む最適化条件を決定する。最大繰り返し数は、アルゴリズムの最適化処理を打ち切る繰り返しの上限値である。評価時間は、上述したように指定の電波発生率に基づき算出される。
【００７０】
ここで、粒子群最適化（ＰＳＯ）アルゴリズムについて説明する。ＰＳＯアルゴリズムは、最適化すべき解を表す粒子を複数個、探索空間に配置し、それらが探索空間内を移動しながら、最も適合度が高い最適位置を探索するアルゴリズムである。それぞれの粒子は、速度および位置を有し、それぞれＮ次元ベクトルで表される。Ｍ個の粒子の速度Ｖおよび位置Ｘは、下記式（１）および（２）によりＭ×Ｎ行列で表される。
【００７１】
【数１】
0006399516.tif 000002
【００７２】
Ｎ次元のベクトルの各成分は、探索空間のパラメータを表す。粒子ｉの位置をＮ次元ベクトルＸｉと表すと、位置ベクトルＸｉには、最適化領域内のすべての無線リンクのすべてのフェーズドアレイの各アンテナエレメントのゲイン・パラメータおよび位相パラメータが要素として含まれる。ここで、送信側および受信側の１つずつのフェーズドアレイからなる一方向リンクの数Ｓで考えると、次元数Ｎは、アンテナエレメント毎のパラメータ数が位相およびゲインの２つあり、リンク当たり送信側および受信側の２つのアンテナがあり、各アンテナ当たりＥエレメントあるとした場合、下記式（３）で表される。
【００７３】
【数２】
0006399516.tif 000003
【００７４】
そして、それぞれの粒子ｉは、自身がこれまで見つけた最適位置Ｐｉを覚えており、これらの粒子は互いに通信し、全粒子としてのこれまで見つけた最適位置Ｇを共有する。なお、説明する実施形態では、説明の便宜上、すべての粒子が互いに結合された全結合型のトポロジーとするが、他の実施形態では、リング型やツリー型のトポロジーとしてもよい。各粒子の最適位置Ｐおよび全粒子の最適位置Ｇは、下記式（４）および（５）で表される。
【００７５】
【数３】
0006399516.tif 000004
【００７６】
ＰＳＯアルゴリズムでは、各繰り返しループで、各粒子の位置を評価しながら、上述した行列Ｘ，Ｖ，ＰおよびＧを繰り返し更新する。各粒子の速度Ｖおよび位置Ｘは、下記更新式（６）および（７）に従って更新される。
【００７７】
【数４】
0006399516.tif 000005
【００７８】
ここで、ｔは、繰り返しループを識別するインデックスである。上記式（６）に従い、１回前の粒子の速度Ｖ（ｔ−１）および粒子の位置Ｘ（ｔ−１）から、現在の粒子速度Ｖ（ｔ）を決定する。そして、上記式（７）に従って、この速度Ｖ（ｔ）と、１回前の粒子の位置Ｘ（ｔ−１）とから、粒子の現在の位置Ｘ（ｔ）を変更する。
【００７９】
上記更新式（６）および（７）中、ｗ，ｃ１，ｃ２は、それぞれ事前設定される慣性ファクタ、各粒子の最適位置Ｐへの粒子速度ファクタ、全粒子の最適位置Ｇへの粒子速度ファクタである。Ｒ１，Ｒ２は、各繰り返しループおよび各粒子の速度ベクトルの各成分において、０から１の範囲からランダムに値が選択される。上述したステップＳ１０２では、最適化条件の係数として、係数ｗ，ｃ１，ｃ２が決定される。
【００８０】
ステップＳ１０３では、コントロール・ノード１５０は、パラメータセット設定部２２２により、粒子の位置Ｘ、粒子の速度Ｖ、各粒子の最適位置Ｐおよび全粒子の最適位置Ｇを初期化する。各位置Ｘ、速度Ｖおよび最適位置Ｐ，Ｇは、基本的には、ランダム値で初期化することができる。しかしながら、初期化方法は、特に限定されるものではない。
【００８１】
ステップＳ１０４およびステップＳ１１２で示すループは、繰り返しのループ（ｔ）であり、最大でステップＳ１０２で決定された最大繰り返し数だけ繰り返される。ステップＳ１０５およびステップＳ１１１のループは、粒子のループ（ｉ）であり、ひとつの繰り返しループ（ｔ）においてＭ回繰り返される。
【００８２】
ステップＳ１０６では、コントロール・ノード１５０は、パラメータセット設定部２２２により、上記更新式（６）および（７）に従って、粒子ｉの速度Ｖｉおよび位置Ｘｉを更新し、位置Ｘｉに対応する最適化領域内のアンテナ・パラメータセットを設定する。このとき、コントロール・ノード１５０から、コントロール・プレーンＣを介して、各無線リンクを構成する各ノード１１０に対しパラメータセットが伝達され、実際のフェーズドアレイの各アンテナエレメントに設定される。なお、位相およびゲインなどのパラメータは、通常、離散値であるが、ＰＳＯの計算では、浮動小数点として計算すればよい。
【００８３】
ステップＳ１０７では、コントロール・ノード１５０は、最適化領域内の各無線リンクのノードに対し現在のパラメータセットでの通信の品質の評価を所定の評価時間行わせ、評価結果収集部２２４により、各無線リンクのノードから無線リンク毎の信号品質の評価結果を収集する。
【００８４】
好ましい実施形態では、ステップＳ１０８では、コントロール・ノード１５０は、隣接領域の無線リンクを構成するノードに通信の品質の評価を行ってもらい、評価結果収集部２２４により、隣接領域の無線リンクを構成するノードから、当該最適化領域から隣接領域へ生じた干渉電波の影響の評価結果のフィードバックを収集する。
【００８５】
ステップＳ１０９では、コントロール・ノード１５０は、パラメータセット評価部２２６により、収集された無線リンク毎の信号品質の評価結果に基づいて、現在設定しているアンテナ・パラメータセットの総合評価のスコアを計算し、適宜、最適位置Ｐｉ，Ｇを更新する。総合評価のスコアとしては、特に限定されるものではないが、収集された最適化領域内のすべての無線リンクのリンク毎の信号品質の評価結果の和を計算することにより計算することができる。現在設定しているパラメータセット（位置Ｘｉ）の総合評価のスコアが、その粒子ｉが現時点で見つけた最適位置Ｐｉの総合評価のスコアよりも高い場合は、その粒子ｉの位置Ｘｉが最新の最適位置Ｐｉに設定される。また、現在設定しているパラメータセット（位置Ｘｉ）の総合評価のスコアが、全粒子の現時点の最適位置Ｇの総合評価のスコアよりも高い場合は、その粒子ｉの位置Ｘｉが最新の最適位置Ｇに設定される。
【００８６】
最適化処理では、ステップＳ１１０で、現時点の全粒子の最適位置Ｇが収束基準を超えたと判定された場合（ＹＥＳ）は、ループを抜け出して、ステップＳ１１３へ処理が分岐される。最大繰り返し数および粒子数に達した場合も同様に、ステップＳ１１３へ処理が進められる。
【００８７】
ステップＳ１１３では、コントロール・ノード１５０は、干渉電波要請部２１４により、干渉電波発生の保証要請を行った隣接領域の無線リンクに対し、保証要請の解除を通知する。ステップＳ１１４では、最終的な全粒子の最適位置Ｇに対応するアンテナ・パラメータセットを設定し、通常動作に移行する。
【００８８】
通常動作中、ステップＳ１１５では、コントロール・ノード１５０は、信号品質をモニタしており、信号品質が所定の基準以下となったか否かを判定する。ステップＳ１１５で、信号品質が基準を超えていると判定された場合（ＮＯ）は、ステップＳ１１４へループさせて通常動作を継続する。これに対して、ステップＳ１１５で、信号品質が所定の基準以下となったと判定された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１０１へ処理がループされて、最適化処理を再実行する。
【００８９】
所定のネットワーク環境においてビーム構成を最適化するためには、物理理論に基づくシミュレーションによって、アンテナの放射パターンを計算し、計算機上で最適解を求めることも考えられる。
【００９０】
しかしながら、ミリ波のような高周波を使用する現在の技術では、アンテナアレイのパラメータのレジスタに指定するインデックス値に対して線形性を担保することは難しく、また、個体間の無視できないバラつきも不可避である。また、事前に物理的なシミュレーションにより計算されるようなナロービームを実現可能な精度でアンテナを製造することはコストの上昇を招く。さらに、物理的なシミュレーションで必要となる全方向のチャネルマトリックスを正確に測定するには、位置固定の環境であったとしても、多くの時間がかかってしまう。したがって、実際のビームフォーミングを行う環境において、物理的な計算で使用することができるパラメータを取得することは極めて困難であると言える。
【００９１】
これに対して、上述した探索型アルゴリズムによる最適化処理によれば、物理位置情報、干渉電波の物理情報、パラメータの非線形性、個体毎のバラつきなどを考慮する必要がなく、アンテナアレイの調整可能なパラメータの情報さえあれば、最適化を行うことが可能である。また、計算そのものも簡単であるため、ハードウェア実装も容易であり、フェーズドアレイの最適化に適していると言える。
【００９２】
以下、図９〜図１１を参照しながら、好適な実施形態によるノードの受信回路構成とともに、隣接領域への干渉電波の評価方法および最適化領域の信号品質の評価方法について説明する。図９は、好ましい実施形態による無線リンクを構成するノードの受信側回路構成を示す図である。
【００９３】
ノードの受信側回路構成３００は、ＲＦ部３０２と、通常プリアンブル・コリレータ３０４と、物理層３２０とを含み構成される。通常プリアンブル・コリレータ３０４は、通常動作モードおよび最適化モード中に用いられ、所定のプリアンブル・シーケンスとの相間を求め、自己の領域の自信号を検出する。物理層３２０は、通常動作モードで用いられ、自己信号の検出および信号の復号化を行う。物理層３２０は、ＦＥＣ（Forward Error Correction）３２２を含み、ＦＥＣ３２２は、例えばリード・ソロモンなどの前方誤り訂正符号を用いて、自己信号の誤りを訂正する。また、物理層３２０には、パケット／アイドル・レシオ・カウンタ３２６が接続されている。パケット／アイドル・レシオ・カウンタ３２６は、上述した電波発生率を計算するため、通常の通信における所定時間当たりのパケットのビット数をカウントする。
【００９４】
上述したように、好ましい実施形態では、コントロール・ノード１５０は、自身が担当する最適化領域から隣接領域へ生じさせた干渉電波の影響の評価結果のフィードバックを、隣接領域のノードから収集する。好適な実施形態では、図９に示すように、ノードの受信側回路構成３００には、通常のベースバンド回路とは別に、隣接領域のノードとして最適化領域からの干渉電波の影響を評価するための干渉電波評価回路が設けられている。
【００９５】
以下、図９および図１０を参照しながら、好適な実施形態における、最適化領域から隣接領域への干渉電波の影響の評価方法について説明する。
【００９６】
好適な実施形態において、最適化領域内の無線リンクを構成する送信側ノードは、品質評価用の特別なプリアンブル、特別な直交符号または領域毎もしくはノード毎の識別情報を用いて、通常のデータ信号とは分離可能な信号として、信号品質評価用パケットを送信する。これに対応して、隣接領域内の無線リンクを構成する受信側ノードは、受信側回路構成３００として、上述した通常のデータ信号のパケットを処理する回路とは別に、干渉検出用プリアンブル・コリレータ３０６と、干渉検出カウンタ３１２と、干渉強度測定部３１４と、干渉源ＩＤ保持部３１６とを含み構成される。
【００９７】
干渉検出用プリアンブル・コリレータ３０６は、干渉検出用のプリアンブル・シーケンスとの相間を求め、隣接する最適化領域からの干渉ノイズ信号を検出する。干渉検出カウンタ３１２は、干渉ノイズ信号の単位時間当たりのプリアンブルの検出数を計数する。干渉ノイズ信号をより多く検出した方が、干渉電波の影響が大きいということになる。干渉強度測定部３１４は、干渉ノイズ信号の信号強度を測定する。干渉源ＩＤ保持部３１６は、最も強い干渉ノイズを発生している干渉源のＩＤを保持する。
【００９８】
図１０は、隣接領域の受信側ノードが受信するパケットを説明する図である。図１０に示すように、隣接領域の受信側ノードは、自領域（最適化領域のコントロール・ノードから見て隣接領域）における相手方の送信側ノードからの通常のパケットに加えて、隣接する領域（最適化領域）からの品質評価用パケットを受信する可能性がある。
【００９９】
通常パケットが通常用プリアンブルおよび通常用パケットヘッダを有するのに対し、隣接する領域（最適化領域）からの干渉電波は、品質評価用プリアンブルおよび品質評価用パケットヘッダを含む。隣接領域内の受信側ノードは、干渉電波評価回路において、品質評価用プリアンブルに基づいて信号品質評価用パケットを検出する。そして、この品質評価用パケットを干渉電波として、点線の矩形３１０で囲まれた干渉検出カウンタ３１２、干渉強度測定部３１４および干渉源ＩＤ保持部３１６により、干渉電波の影響の評価結果が生成される。ノードは、コントロール・プレーンＣを介して、隣接する最適化領域のコントロール・ノード１５０へ、評価結果のフィードバックを提供する。
【０１００】
フィードバックを受けた最適化領域のコントロール・ノード１５０のパラメータセット評価部２２６は、干渉電波の評価結果を、担当する最適化領域の信号品質の評価結果に含めて、総合評価を行う。パラメータセット評価部２２６は、干渉電波が隣接領域に及ばないように、干渉検出カウンタの値が大きいほど、また干渉強度が強いほど、他領域への影響が大きいとして、信号品質の総合評価のスコアにペナルティを与える。また、最も強い干渉源となるＩＤに対応したノードの信号品質に対し、より大きなペナルティを与えたりすることができる。
【０１０１】
また、図１０に示すように、隣接領域の受信側ノードでは、信号品質評価用パケットから分離して通常のパケットを処理するが、時間的に重なる信号品質評価用パケットによって通常のパケットが干渉電波の影響を受けてしまう可能性がある。
【０１０２】
そこで、好適な実施形態は、ノードは、受信側回路構成３００として、点線の矩形３１０で囲まれたＦＥＣエラー修正ビットカウンタ３２４を備える。ＦＥＣ３２２は、通常パケットに多少のエラーが発生しても、その冗長性に基づいてエラーを修正する。ＦＥＣエラー修正ビットカウンタ３２４は、物理層３２０内のＦＥＣ３２２で修正されたビット数を計数し、その干渉電波の影響により通常通信が受けた影響を定量し、干渉電波の影響の評価結果を生成する。これを受けて、最適化領域のパラメータセット評価部２２６は、その修正がなされたビット数が多いほど他領域への影響が大きいとして、信号品質の総合評価のスコアにペナルティを与える。
【０１０３】
上述したように、干渉電波評価回路を通常の無線ベースバンド回路と別に設け、かつ、干渉電波を分離可能な評価用パケットを送信する構成を採用することにより、他領域の動作にできるだけ影響を与えずに最適化を行うことが可能になる。また、自己の最適化領域に起因した干渉電波のフィードバックを隣接領域からもらうことで、より隣接領域への影響を少なくなるように最適化することが可能となる。
【０１０４】
以下、図９および図１１を参照しながら、好適な実施形態における、最適化領域の信号品質の評価方法について説明する。
【０１０５】
最適化領域内の無線リンクを構成する送信側ノードは、最適化モード中、信号品質評価用パケットを送信する。これに対応して、ノードの受信側回路構成３００は、最適化領域内の無線リンクを構成する受信側ノードとして信号品質評価用パケットを評価するための評価関数３３０を備える。
【０１０６】
上述したＰＳＯアルゴリズム等の探索型アルゴリズムでは、設定されたパラメータセットの適合度を評価する評価関数については特に制約が課されない。評価関数は、単に、現在のパラメータセットの適合度と、これまで発見された最適なパラメータセットの適合度とを比較して、いずれが適合しているかを評価できればよい。このため、例えばビット・エラー・レートなどの単一の評価関数を用いて無線リンク毎の信号品質を評価し、これらを比較することができる。
【０１０７】
一方、ミリ波などの指向性の高い電波を用いる場合、送受信側でアンテナの指向性が一致している場合は、非常に信号品質が高くなるが、指向性が少しでもずれると、急速に信号品質が劣化してしまう。そして、指向性が大きくずれている領域においては、パラメータを変化させても、その適合度の差を有意に評価することが難しくなる。つまり、ミリ波などの指向性の高い電波を用いる場合は、信号品質の広いダイナミックレンジに対応することが好ましい。
【０１０８】
図１１（Ａ）は、信号品質に対して異なる検出精度を有する複数の評価関数を例示する図である。図１１（Ａ）に示すように、パケットロスは、信号品質の悪い領域において検出精度が高いが、信号品質が改善された領域では検出精度が低くなる。これに対して、ビット・エラー・レート（ＢＥＲ）は、信号品質がある程度改善された領域で検出精度を有する。さらに、同じＢＥＲでも、送信パケットのデータレートが低い場合の方が、データレートが高い場合と比較して、より信号品質が改善していない側での検出精度が高くなる。そして、より精度高く信号品質を評価するためには、このような信号品質によって異なる検出感度を有する複数の評価関数を適宜使い分けて用いることが好ましい。
【０１０９】
そこで、好適な実施形態による最適化領域内の無線リンクを構成する受信側ノードは、受信側回路構成３００として、信号品質によって検出感度の異なる複数の評価関数３３２〜３３８を備える。そして、評価においては、複数の評価関数のうちの、信号品質に応じた評価関数による無線リンクの信号品質の評価結果を用いることができる。
【０１１０】
特定の実施形態において、評価関数としては、プリアンブル・カウンタ３３２と、パケットヘッダ・チェックサム・エラー・カウンタ３３４と、ＢＥＲテスタ３３６と、ＥＶＭ（Error Vector Magnitude）算出器３３８とを含み構成される。それぞれの評価関数は、適切な動作範囲において線形な検出精度を有する。図９の各評価関数３３２〜３３８の右隣に、それぞれの評価関数の特徴として検出感度（Detectability）および検出精度（Sensitivity）を示す。
【０１１１】
プリアンブル・カウンタ３３２は、自己信号の単位時間当たりのプリアンブルの検出数を計数する評価関数であり、相対的に、検出感度が高く、検出精度が低い評価関数である。プリアンブル・カウンタ３３２とパケットヘッダ・チェックサム・エラー・カウンタ３３４は、図１１（Ａ）に示したパケットロスを検出する評価関数である。パケットヘッダ・チェックサム・エラー・カウンタ３３４は、単位時間当たりのパケットヘッダのエラー数を計数する評価関数であり、プリアンブル・カウンタ３３２よりも検出感度が低いが、検出精度が高い評価関数である。ＢＥＲテスタ３３６は、既知の送信パターンに対するビット・エラー・レートを測定する評価関数であり、相対的に、検出感度は低いが、検出精度が高い評価関数である。ＥＶＭ算出器３３８は、エラーベクトルの強度を計算する評価関数であり、相対的に、検出感度が低いが、検出精度が高い評価関数である。
【０１１２】
なお、複数の評価関数を用いる場合は、複数の評価関数各々を規格化すること、または複数の評価関数各々に重み付けを設定することにより、統一的に評価関数を比較することが可能となる。単一の評価関数を用いる場合、計算された適応度をそのまま比較すればよい。
【０１１３】
図１１（Ｂ）は、複数の評価関数の使い方を模式的に説明する図である。図１１（Ｂ）に示すように、例えば、最適化処理の工程の全体を複数のフェーズに分けて、それぞれのフェーズで、その時点の信号品質に動作範囲を有する適切な評価関数を使用することにより、収束時間を短縮し、全体の最適位置を効率的に探索することが可能となる。
【０１１４】
複数の評価関数のうちのいずれの評価関数を用いるかは、例えば、図１１（Ｂ）に示すように、最適化領域の現在の最適位置Ｇでの信号品質の総合評価のスコアに基づいて、最適化領域内のすべての無線リンクに対し、同一の評価関数を選択することができる。あるいは、それぞれの無線リンク毎の信号品質の評価において、独立に、評価関数を選択してもよい。その場合、各無線リンク毎に、統一的な尺度（例えば、ＢＥＲ）で信号品質を評価し、その評価値に基づいて本番の評価を行う評価関数を決定することができる。
【０１１５】
また、上述した好適な実施形態では、評価関数の種類を変えることにより複数の評価関数を用意しているが、これに限定されるものではない。図１１（Ａ）に同じＢＥＲが送信パケットの特性に応じて異なる振る舞いをしている様子が示されているように、送信機からの品質評価用パケットのデータレートによっても、エラーの起こり易さが異なってくる。そこで、信号品質が低い領域では、データレートが低い品質評価用パケットを送信して評価を行い、信号品質が比較的高い領域では、データレートが高い品質評価用パケットを送信し評価を行うことができる。つまり、評価関数の種類および品質評価用パケットの特性の組み合わせによって複数の評価関数を準備することができる。
【０１１６】
以下、図１２を参照しながら、本発明の実施形態による最適化方法が適用可能なネットワークの応用例について説明する。図１２は、本発明の実施形態による最適化方法を適用することができる無線通信システムの応用例を示す図である。図１２は、無線通信システムとして、家庭用無線ブロードバンドアクセス網４００を示す。
【０１１７】
図１２に示す家庭用無線ブロードバンドアクセス網４００では、複数の基地局４０４と、複数の家庭用無線ブロードバンド・ルータ４０６とが無線通信網を構成している。基地局４０４および家庭用無線ブロードバンド・ルータ４０６は、それぞれフェーズドアレイ４１０を備えており、事前に定義された所定の家庭側と基地局側との間で無線リンクＬが確立されている。なお、家庭用無線ブロードバンドアクセス網４００において、典型的には、基地局４０４および家庭用無線ブロードバンド・ルータ４０６の位置は固定となっている。
【０１１８】
このような家庭用無線ブロードバンドアクセス網４００においては、まず、設けられる物理的な位置に基づいて、各基地局４０４および各家庭用無線ブロードバンド・ルータ４０６が、全体４００から分割された複数の領域４０２ａ〜４０２ｃに割り振られる。そして、分割された各領域毎に、制御装置が、領域内のすべての無線リンクＬを構成する基地局４０４のフェーズドアレイ４１０と、家庭用無線ブロードバンド・ルータ４０６のフェーズドアレイ４１０とのビーム構成を最適化する。
【０１１９】
なお、図１２に示すような領域間をまたぐ無線リンクは、最適化領域内での最適化処理の対象としない。しかしながら、別途、事前に確立しておき、各領域での最適化処理中、領域間をまたぐ無線リンクにおける一定の電波発生率を保証することによって、最適化領域毎の最適化処理中に考慮することができる。
【０１２０】
以上説明した実施形態によれば、それぞれ独立に通信可能な複数の無線リンクが存在し、同一周波数で空間分割によって複数の無線リンクの通信が確立される無線通信網において、無線リンク間の干渉の影響を考慮しながら、空間全体としてビーム構成を効率的に最適化することできる、無線通信システム、制御装置、最適化方法、無線通信装置およびプログラムを提供することができる。
【０１２１】
なお、本発明の上記機能は、Ｃ＋＋、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｊａｖａ（登録商標）Ｂｅａｎｓ、Ｊａｖａ（登録商標）Ａｐｐｌｅｔ、ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ（登録商標）、Ｐｅｒｌ、Ｐｙｔｈｏｎ，Ｒｕｂｙなどのオブジェクト指向プログラミング言語などで記述された装置実行可能なプログラムにより実現でき、装置可読な記録媒体に格納して頒布または伝送して頒布することができる。あるいは、上記機能部の一部または全部は、例えばフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブル・デバイス（ＰＤ）上に実装することができ、あるいはＡＳＩＣ（特定用途向集積）として実装することができ、上記機能部をＰＤ上に実現するためにＰＤにダウンロードする回路構成データ（ビットストリームデータ）、回路構成データを生成するためのＨＤＬ（Hardware Description Language）、ＶＨＤＬ（Very high speed integrated circuit Hardware Description Language）、Ｖｅｒｉｌｏｇ−ＨＤＬなどにより記述されたデータとして記録媒体により配布することができる。
【０１２２】
これまで本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１２３】
１００…ネットワーク環境、１０２…領域、１１０…ノード、１１２，１５２…ＲＦ部、１１４，１１６，１５４，１５６…フェーズドアレイ、１１８，１５８…ベースバンド部、１２０，１６０…処理部、１２２，１６２…ＤＡＣ、１２４，１６４…ＡＤＣ、１２６，１６６…通信部、１５０…コントロール・ノード、１６８…ＣＰＵ、１７０…メモリ、１７２…ＲＯＭ、２００…無線通信システム、２１０…機能ブロック、２１２…最適化処理部、２１４…干渉電波要請部、２１６…電波発生率取得部、２１８…隣接モード検知部、２２０…最適化条件決定部、２２２…パラメータセット設定部、２２４…評価結果収集部、２２６…パラメータセット評価部、２３０，２４０…最適化領域のノード、２５０…隣接領域のコントロール・ノード、２６０，２７０…隣接領域のノード、３００…受信側回路構成、３０２…ＲＦ部、３０４…通常プリアンブル・コリレータ、３０６…干渉検出用プリアンブル・コリレータ、３１２…干渉検出カウンタ、３１４…干渉強度測定部、３１６…干渉源ＩＤ保持部、３２０…物理層、３２２…ＦＥＣ、３２４…ＦＥＣエラー修正ビットカウンタ、３２６…パケット／アイドル・レシオ・カウンタ、３３０…評価関数、３３２…プリアンブル・カウンタ、３３４…パケットヘッダ・チェックサム・エラー・カウンタ、３３６…ＢＥＲテスタ、３３８…ＥＶＭ算出器、４００…家庭用無線ブロードバンドアクセス網、４０４…基地局、４０６…家庭用無線ブロードバンド・ルータ、４１０…フェーズドアレイ、５１０…ノード、５１４…干渉電波、５５０…アクセスポイント、５５２…クライアント、５５４…干渉電波、Ｌ…無線リンク
【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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