(57)【要約】【課題】無線ネットワークにおいて無線媒体の利用効率を向上させ、送信電力の消費量を大幅に軽減できる無線ネットワークのための制御方法及び制御装置を提供する。【解決手段】指向性パターンと無指向性パターンを形成できるアンテナを含む各無線局は、送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は所定の搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御し、また、送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルから低減された送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルよりも低減されたレベルで無線信号を受信するように制御する。【選択図】図１０
2005117165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のビーム幅を有する指向性パターンと、無指向性パターンの双方のアンテナパターンを形成できるアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、上記複数の無線局のうちの各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのための制御方法において、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は所定の搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第１のステップと、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルから低減された送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルよりも低減されたレベルで無線信号を受信するように制御する第２のステップと、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルから低減されたレベルで無線信号を受信するように制御する第３のステップと、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は上記低減された送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第４のステップとのうち、
少なくとも２つのステップを含むことを特徴とする無線ネットワークのための制御方法。
【請求項２】
上記最大送信電力レベルから低減された送信電力レベルは、上記最大送信電力レベルから、指向性パターンの主ビームの最大利得と無指向性パターンの利得との利得差分を減算してなるレベルであり、
上記搬送波検出レベルから低減されたレベルは、上記搬送波検出レベルから、上記利得差分を減算してなるレベルであることを特徴とする請求項１記載の無線ネットワークのための制御方法。
【請求項３】
所定のビーム幅を有する指向性パターンと、無指向性パターンの双方のアンテナパターンを形成できるアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、上記複数の無線局のうちの各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのための制御方法において、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は所定の搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第１のステップと、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は上記最大送信電力レベルから低減された第１の送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第２のステップと、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は上記第１の送信電力レベルから低減された第２の送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第３のステップと、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルから低減されたレベルで無線信号を受信するように制御する第４のステップとのうち、
少なくとも２つのステップを含むことを特徴とする無線ネットワークのための制御方法。
【請求項４】
上記最大送信電力レベルから低減された第１の送信電力レベルは、上記最大送信電力レベルから、指向性パターンの主ビームの最大利得と無指向性パターンの利得との利得差分を減算してなるレベルであり、
上記第１の送信電力レベルから低減された第２の送信電力レベルは、上記最大送信電力レベルから、指向性パターンの主ビームの最大利得と無指向性パターンの利得との利得差分の２倍を減算してなるレベルであり、
上記搬送波検出レベルから低減されたレベルは、上記搬送波検出レベルから、上記利得差分を減算してなるレベルであることを特徴とする請求項３記載の無線ネットワークのための制御方法。
【請求項５】
所定のビーム幅を有する指向性パターンと、無指向性パターンの双方のアンテナパターンを形成できるアンテナをそれぞれ備えた複数の無線局を備え、上記複数の無線局のうちの各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのための制御装置において、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は所定の搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第１の制御手段と、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルから低減された送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルよりも低減されたレベルで無線信号を受信するように制御する第２の制御手段と、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルから低減されたレベルで無線信号を受信するように制御する第３の制御手段と、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は上記低減された送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第４の制御手段とのうち、
少なくとも２つの制御手段を備えたことを特徴とする無線ネットワークのための制御装置。
【請求項６】
上記最大送信電力レベルから低減された送信電力レベルは、上記最大送信電力レベルから、指向性パターンの主ビームの最大利得と無指向性パターンの利得との利得差分を減算してなるレベルであり、
上記搬送波検出レベルから低減されたレベルは、上記搬送波検出レベルから、上記利得差分を減算してなるレベルであることを特徴とする請求項５記載の無線ネットワークのための制御装置。
【請求項７】
所定のビーム幅を有する指向性パターンと、無指向性パターンの双方のアンテナパターンを形成できるアンテナをそれぞれ備えた複数の無線局を備え、上記複数の無線局のうちの各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのための制御装置において、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は所定の搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第１の制御手段と、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は上記最大送信電力レベルから低減された第１の送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第２の制御手段と、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は上記第１の送信電力レベルから低減された第２の送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第３の制御手段と、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルから低減されたレベルで無線信号を受信するように制御する第４の制御手段とのうち、
少なくとも２つの制御手段を備えたことを特徴とする無線ネットワークのための制御装置。
【請求項８】
上記最大送信電力レベルから低減された第１の送信電力レベルは、上記最大送信電力レベルから、指向性パターンの主ビームの最大利得と無指向性パターンの利得との利得差分を減算してなるレベルであり、
上記第１の送信電力レベルから低減された第２の送信電力レベルは、上記最大送信電力レベルから、指向性パターンの主ビームの最大利得と無指向性パターンの利得との利得差分の２倍を減算してなるレベルであり、
上記搬送波検出レベルから低減されたレベルは、上記搬送波検出レベルから、上記利得差分を減算してなるレベルであることを特徴とする請求項７記載の無線ネットワークのための制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の無線局を備えた、例えば無線ＬＡＮなどの無線ネットワークにおいてパケット通信を行う、例えばアドホック無線ネットワークなどの無線ネットワークのための制御方法及び制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信やパーソナルコンピュータの最近の進歩により、各ノード無線局が無線送受信機を備えた移動局ルータ装置として動作する、高速で実施可能なインフラストラクチャ（基盤）無しのネットワークであることが仮定されたアドホック無線ネットワークが研究されている。
【０００３】
通常、アドホック無線ネットワークではすべてのノード無線局はオムニパターンアンテナを備えている。しかしながら、オムニパターンアンテナを備えるアドホック無線ネットワークは、広い領域に及ぶ無線媒体を確保することによって、ネットワーク容量の大部分を浪費するＲＴＳ（Request To Send；通信開始制御信号）／ＣＴＳ（Clear To Send；通信受付信号）を基礎とするフロア確保方法を使用している。その結果、送信機及び受信機の近傍にある多くの隣接ノード無線局は、送信機と受信機との間のデータ通信の終了を無為に待機していなければならない。この問題を緩和するために、研究者達は、送信ビーム及び受信ビームを受信ノード無線局及び送信ノード無線局のみへと方向づける指向性（固定又は適応制御型）アンテナの使用を提案している。これは無線干渉を大幅に低減させ、これにより、無線媒体の利用を改善し、それ故、ネットワークのスループットを改善することができる（特許文献１及び２、並びに非特許文献１乃至１１参照。）
【０００４】
次いで、本発明に関連する各先行技術文献について以下に説明する。指向性アンテナの持つ優位点に関わらず、アドホック無線ネットワークにおいて指向性アンテナを使用する効率的なＭＡＣ（Media Access Control；メデイアアクセス制御）プロトコルの開発に関する研究は、アドホック無線ネットワークにおける移動性及び分散制御に固有の対応の難しさに起因して限定的である。過去の研究者達のある者は、幾つかの方法でこの課題に取り組もうとした。ザンダーは、パケット無線ネットワークにおける指向性アンテナの使用を提案している（非特許文献１参照。）。また、指向性アンテナを使用するＭＡＣプロトコルは非特許文献２においても提案され、この場合は、各無線局にその近傍ノード無線局固有のトーンが割り当てられる。無線局は、パケットを受信するとそのトーンを即座に一定の時間にわたって同報通信することから、その近傍ノード無線局は、その存在を同定して当該方向への送信を回避することができる。近年、ＩＥＥＥ８０２．１１において規定しているようなＲＴＳ−ＣＴＳ型のハンドシェイクに依存する幾つかのＭＡＣプロトコルが、指向性アンテナを使用して提案されている（非特許文献３乃至１１参照。）。
【０００５】
非特許文献３では、指向性又は全方向性のＲＴＳ信号／ＣＴＳ信号の組み合わせを使用して既存のデータ送信との干渉が予想される方向へのノードによる送信をブロックし、同時に他の方向への送信を許可するＤ−ＭＡＣ（指向性ＭＡＣ）方法が提案されている。また、非特許文献４では、マルチホップ効率を達成するためのＭＡＣプロトコルが、指向性アンテナを使用するマルチホップＲＴＳ信号及びシングルホップＣＴＳ信号によって提案されている。このメカニズムでは、指向性ビームのより大きなレンジの使用により、全方向性アンテナを使用する場合より少ないホップ数で宛先無線局に到達することができる。さらに、非特許文献３及び４に開示された方法ではともに、移動ノード無線局はＧＰＳ（Global Positioning System）の使用により移動ノード無線局自体及びその近傍ノード無線局の物理的な位置を認識することが想定されている。指向性ＲＴＳ及び指向性ＣＴＳ方式に起因して、利得の非対称性及び認識されないＲＴＳ／ＣＴＳによる新たな隠れ端末問題、難聴及びより高い指向性干渉のような幾つかの問題点は、非特許文献４に記述されているように解決されないままである。またさらに、非特許文献５で提案されているＭＡＣプロトコルは位置情報を知る必要がなく、発信元無線局及び宛先無線局は、全方向性のＲＴＳ信号−ＣＴＳ信号の交換の間に互いの方向をオンデマンドベースで同定する。このＲＴＳ信号−ＣＴＳ信号のやり取りを聞いた近傍ノード無線局Ｎｓ及びＮｄはすべて、この情報を使用して進行中の送信を妨害しないようにすることが想定されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−０２４４３１号公報。
【特許文献２】特開２００１−２４４９８３号公報。
【非特許文献１】J. Zander, "Slotted ALOHA multihop packet radio networks with directional antennas", Electronic Letters", Vol. 26, No. 25, 1990.
【非特許文献２】T. S. Yum et al., "Design algorithms for multihop packet radio networks with multiple directional antennas stations", IEEE Transactions on Communications, Vol. 40, No. 11, pp. 1716-1724, 1992.
【非特許文献３】Y. B. Ko et al., "Medium access control protocols using directional antennas in ad hoc networks", Proceedings of the IEEE INFOCOM 2000, March 2000.
【非特許文献４】Romit Roy Choudhury et al., "Using directional antennas for medium access control in ad hoc networks", Proceedings of the eighth annual international conference on Mobile computing and networking, September 2002.
【非特許文献５】Nasipuri, S. et al., "A MAC Protocol for Mobile Ad Hoc Networks Using Directional Antennas", Proceedings of the IEEE WCNC 2000.
【非特許文献６】R. Ramanathan, "On the Performance of Ad Hoc Networks with Beamforming Antennas", ACM MobiHoc, October 2001.
【非特許文献７】Kou Kobayashi  et al., "Spatially divided channel scheme using sectored antennas for CSMA/CA - directional CSMA/CA", Proceedings of PIMRC'2000, 2000.
【非特許文献８】M. Takai et al., "Directional Virtual Carrier Sensing for Directional Antennas in Mobile Ad Hoc Networks", ACM MobiHoc, June 2002.
【非特許文献９】S. Bandyopadhyay et al., "An Adaptive MAC Protocol for Wireless Ad Hoc Community Network (WACNet) Using Electronically Steerable Passive Array Radiator Antenna", Proceedings of the GLOBECOM 2001, November 25-29, 2001, San Antonio, Texas, USA.
【非特許文献１０】S. Bandyopadhyay et al., "An Adaptive MAC and Directional Routing Protocol for Ad Hoc Wireless Network Using Directional ESPAR Antenna", Proceedings of the ACM Symposium on Mobile Ad Hoc Networking & Computing 2001 (MOBIHOC 2001), Long Beach, California, USA, 4-5 October 2001.
【非特許文献１１】Asis Nasipuri et al., "Power Consumption and throughput in Mobile Ad Hoc Networks using Directional Antennas", in Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Communication and Networks (ICCCN2002), October 14-16, 2002, Miami, Florida.
【非特許文献１２】QualNet Simulator Version 3.1, Scalable Network Technologies, http://www.scalable-networks.com.
【非特許文献１３】J. C. Liberti et al., "Smart Antennas for Wireless Communications: IS-95 and Third Generation CDMA Applications", Prentice-Hall, 1999.
【非特許文献１４】Per H. Lehne et al., "An Overview of Smart Antenna Technology for Mobile Communications Systems", IEEE Communications Surveys, http://www.comsoc.org/pubs/surveys, Fourth Quarter 1999, Vol. 2 No. 4.
【非特許文献１５】T. Ueda et al., "Evaluating the Performance of Wireless Ad Hoc Network Testbed With Smart Antenna", Fourth IEEE Conference on Mobile and Wireless Communication Networks (MWCN2002), September 2002.
【非特許文献１６】T. Ohira, "Adaptive array antenna beamforming architectures as viewed by a microwave circuit designer", 2000 Asia-Pacific Microwave Conference., Sydney, Dec. 2000.
【非特許文献１７】T. Ohira et al., "Electronically Steerable Passive Array Radiator (ESPAR) Antennas for Low-cost Adaptive Beam forming", IEEE International Conference on Phased Array Systems, Dana Point, California, May 2000.
【非特許文献１８】K. Gyoda et al., "Beam and Null Steering Capability of ESPAR Antennas", Proceedings of the IEEE AP-S International Symposium, July 2000.
【非特許文献１９】S. Agarwal et al., "Distributed Power Control in Ad-hoc Wireless Networks", Proceedings of PIMRC01, 2001.
【非特許文献２０】J.-P. Ebert et al., "An Energy-efficient Power Control Approach for WLANs", Journal of Communications and Networks, JCN, Vol.2, No.3, pp.197-206, September 2000.
【非特許文献２１】J.-P. Ebert et al., "Combined Tuning of RF Power and Medium Access Control for WLANs", IEEE International Workshop on Mobile Multimedia Communications (MoMuC'99), November 1999.
【非特許文献２２】J. Gomez et al., "Conserving Transmission Power in Wireless Ad Hoc Networks", ICNP'01, November 2001.
【非特許文献２３】J. E. Wieselthier et al., "On the Construction of Energy-Efficient Broadcast and Multicast Trees in Wireless Networks", INFOCOM 2000, pp.585-594, March 2000.
【非特許文献２４】Eun-Sun Jung et al., "A Power Control MAC Protocol for Ad Hoc Networks", ACM International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom), September 2002.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＲＴＳ及びＣＴＳパケット信号の全方向性送信に起因して、このプロトコルは、無線チャンネルの空間再利用に何ら恩恵をもたらさない。ここで、それでも本プロトコルは、指向性のデータ送信によって干渉の程度が低減されることから、全方向性アンテナを使用するＭＡＣよりはスループットを向上させる（非特許文献１１参照。）。非特許文献６では、ラマナサンが、変化するアンテナパターン及びビーム制御を有するビーム形成アンテナ、チャンネルアクセスメカニズム、リンク電力制御及び近隣探索を使用するアドホック無線ネットワークの性能を調べており、位置情報の先行認識を想定している。また、非特許文献７では、各セクタに１つの指向性ＮＡＶ（Directional Network Allocation Vector；指向性ネットワーク位置ベクトル）法の概念を使用し、全セクタでの同時送信が安全となるまで送信を延期する代わりに、空いているセクタでの制御パケットの即時送信を可能にする。さらに、非特許文献８においても、タカイほかが、その方向の信号強度に依存して設定される方向及び幅を有する指向性ＮＡＶ法を提案している。また、さらにスマートなアンテナの使用により、異なる幅及び角度の複数のＤＮＡＶ法をブロックするために、単一信号のそのマルチパス成分に起因する複数の到来角を同定し、利用することができる。
【０００８】
指向性アンテナの優位点を利用して全体性能を向上させるためのアドホック無線ネットワークにおける適正なＭＡＣプロトコルの開発は、適正な位置追跡と近傍認識とを必要とする。各ノード無線局は、近傍ノード無線局と指向的に通信できる方向を認識しなければならない。この情報により、各ノード無線局は効果的な通信を保証する角度又はビーム形成を選定することができる。同時に各ノード無線局は、既存の通信を妨害することなく他の方向への通信を開始できるように、共用される近傍における現在の無線通信について認識していなければならない。さらに、各ノード無線局の指向性アクセス情報を含むこの近傍情報の伝播は、それが無線ネットワークによる適正なネットワークステータス情報の維持に役立つことから、効率的なプロアクティブな（事前適応制御による）ルーティングプロトコル（例えば、非特許文献１０参照。）の設計においても役立つ。
【０００９】
また、非特許文献２における位置追跡は、トーンセットを使用しかつ無線ネットワーク内の各ノード無線局において広範なネットワークステータス情報を維持することによって実行されている。しかしながら、これは、動的方法では非現実的である。さらに、非特許文献５では、発信元無線局及び宛先無線局が、全方向性ＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号の交換の間に互いの方向を同定する。ここでこのメカニズムにおけるノード無線局は、その完全な近傍情報は認識していない。なお、非特許文献３及び４では、各ノード無線局の位置を追跡するためにＧＰＳの使用が提案されているが、情報交換の正確なメカニズム及び結果的に生じるオーバーヘッドについては論議されていない。
【００１０】
本発明者らは、先の研究で、各ノード無線局が方位角毎の信号対干渉雑音電力比（ＳＩＮＲ）のテーブル（以下、ＡＳテーブルという。）の保守を行うことにより、所定の近傍情報を動的に保持するＭＡＣプロトコルを開発した（非特許文献９参照。）。この方法では、ＡＳテーブルを形成するために、各ノード無線局が周期的に指向性ブロードキャストの形式の指向性ビーコンを３０度間隔で連続して全方向に送信し、３６０度の空間全体をカバーする。これらの信号を異なる角度で受信する複数のノード無線局は、受信した信号の最良強度を決定し、その情報を発信元ノード無線局へＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクを有するデータパケットとして送り返す。ここで、非特許文献９において開示された方法では、制御パケットに起因するオーバーヘッドが極めて高いという問題点があった。
【００１１】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、シングルホップ又はマルチホップの無線ネットワークにおいて、他局からの干渉を抑圧することができ、ＳＤＭＡ（空間分割多元接続）のために効率的なＭＡＣプロトコルを提供でき、しかも無線媒体の利用効率を向上させ、かつ送信電力の消費量を大幅に軽減できる無線ネットワークのための制御方法及び制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明に係る無線ネットワークための制御方法は、所定のビーム幅を有する指向性パターンと、無指向性パターンの双方のアンテナパターンを形成できるアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、上記複数の無線局のうちの各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのための制御方法において、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は所定の搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第１のステップと、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルから低減された送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルよりも低減されたレベルで無線信号を受信するように制御する第２のステップと、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルから低減されたレベルで無線信号を受信するように制御する第３のステップと、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は上記低減された送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第４のステップとのうち、
少なくとも２つのステップを含むことを特徴とする。
【００１３】
上記無線ネットワークのための制御方法において、上記最大送信電力レベルから低減された送信電力レベルは、上記最大送信電力レベルから、指向性パターンの主ビームの最大利得と無指向性パターンの利得との利得差分を減算してなるレベルであり、
上記搬送波検出レベルから低減されたレベルは、上記搬送波検出レベルから、上記利得差分を減算してなるレベルであることを特徴とする。
【００１４】
第２の発明に係る無線ネットワークのための制御方法は、所定のビーム幅を有する指向性パターンと、無指向性パターンの双方のアンテナパターンを形成できるアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、上記複数の無線局のうちの各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのための制御方法において、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は所定の搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第１のステップと、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は上記最大送信電力レベルから低減された第１の送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第２のステップと、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は上記第１の送信電力レベルから低減された第２の送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第３のステップと、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルから低減されたレベルで無線信号を受信するように制御する第４のステップとのうち、
少なくとも２つのステップを含むことを特徴とする。
【００１５】
上記無線ネットワークのための制御方法において、上記最大送信電力レベルから低減された第１の送信電力レベルは、上記最大送信電力レベルから、指向性パターンの主ビームの最大利得と無指向性パターンの利得との利得差分を減算してなるレベルであり、
上記第１の送信電力レベルから低減された第２の送信電力レベルは、上記最大送信電力レベルから、指向性パターンの主ビームの最大利得と無指向性パターンの利得との利得差分の２倍を減算してなるレベルであり、
上記搬送波検出レベルから低減されたレベルは、上記搬送波検出レベルから、上記利得差分を減算してなるレベルであることを特徴とする。
【００１６】
第３の発明に係る無線ネットワークのための制御装置は、所定のビーム幅を有する指向性パターンと、無指向性パターンの双方のアンテナパターンを形成できるアンテナをそれぞれ備えた複数の無線局を備え、上記複数の無線局のうちの各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのための制御装置において、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は所定の搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第１の制御手段と、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルから低減された送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルよりも低減されたレベルで無線信号を受信するように制御する第２の制御手段と、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルから低減されたレベルで無線信号を受信するように制御する第３の制御手段と、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は上記低減された送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第４の制御手段とのうち、
少なくとも２つの制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１７】
上記無線ネットワークのための制御装置において、上記最大送信電力レベルから低減された送信電力レベルは、上記最大送信電力レベルから、指向性パターンの主ビームの最大利得と無指向性パターンの利得との利得差分を減算してなるレベルであり、
上記搬送波検出レベルから低減されたレベルは、上記搬送波検出レベルから、上記利得差分を減算してなるレベルであることを特徴とする。
【００１８】
第４の発明に係る無線ネットワークのための制御装置は、所定のビーム幅を有する指向性パターンと、無指向性パターンの双方のアンテナパターンを形成できるアンテナをそれぞれ備えた複数の無線局を備え、上記複数の無線局のうちの各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのための制御装置において、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は所定の搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第１の制御手段と、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は上記最大送信電力レベルから低減された第１の送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第２の制御手段と、
送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は上記第１の送信電力レベルから低減された第２の送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御する第３の制御手段と、
送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルから低減されたレベルで無線信号を受信するように制御する第４の制御手段とのうち、
少なくとも２つの制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１９】
上記無線ネットワークのための制御装置において、上記最大送信電力レベルから低減された第１の送信電力レベルは、上記最大送信電力レベルから、指向性パターンの主ビームの最大利得と無指向性パターンの利得との利得差分を減算してなるレベルであり、
上記第１の送信電力レベルから低減された第２の送信電力レベルは、上記最大送信電力レベルから、指向性パターンの主ビームの最大利得と無指向性パターンの利得との利得差分の２倍を減算してなるレベルであり、
上記搬送波検出レベルから低減されたレベルは、上記搬送波検出レベルから、上記利得差分を減算してなるレベルであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
従って、本発明に係る無線ネットワークのための制御方法又は制御装置によれば、送信側の無線局から無指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で無指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は所定の搬送波検出レベルで無線信号を受信するように制御し、送信側の無線局から指向性パターンで無線信号を送信しかつ受信側の無線局で指向性パターンで無線信号を受信するときに、送信側の無線局は最大送信電力レベルから低減された送信電力レベルで無線信号を送信し、受信側の無線局は上記搬送波検出レベルよりも低減されたレベルで無線信号を受信するように制御する。従って、本発明によれば、例えばＩＴＳなどの無線通信システムにおいて、無指向性パターンを用いて送信したときの送信エリアの半径Ｒと、指向性パターンを用いて送信したときの送信エリアの半径Ｒとを実質的に等しくし、もしくは、後者の半径Ｒを前者の半径Ｒよりも小さくすることができ、無線媒体の利用効率を向上させることができるとともに、指向性パターンを用いた送信時の送信エネルギーの消費量を軽減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００２２】
図１０が示すように、全方向性のオムニアンテナを使用してノード無線局Ｎｎがノード無線局Ｎｍと通信している間、ノード無線局Ｎｐ及びＮｒはアイドル状態のままでなければならない。しかしながら、指向性のビーム形成を使用すれば、ノード無線局Ｎｎがノード無線局Ｎｍと通信する間にノード無線局Ｎｐ及びＮｒはともにノード無線局Ｎｑ及びＮｓとそれぞれ通信することが可能であり、無線媒体利用又はＳＤＭＡ（Space Division Multiple Access；空間分割多元接続）の効率は向上する。このＳＤＭＡ効率は、指向性アンテナの送信エリア（送信レンジ）と全方向性アンテナの送信エリア（送信レンジ）とが実質的に等しくなるように指向性送信の電力を制御することによっても向上させることができる。指向性アンテナの主ローブの高利得に起因して、指向性アンテナの送信エリアは全方向性のオムニアンテナの送信エリアを上回る。従って、指向性のセクタアンテナを用いた送信は、全方向性のオムニアンテナを用いた送信エリアを超えたエリアにおいて不必要な干渉を発生させ、ＳＤＭＡを実行することができない。全方向性のオムニアンテナを用いた送信エリアと、指向性のセクタアンテナの送信エリアがほぼ等しくなれば、無線媒体利用及びＳＤＭＡの効率は劇的に向上し、最終的には平均スループットを向上させることができる。図１０では、非特許文献１７などにおいて開示された電子制御導波器アレーアンテナ装置（図１１及び図１２を参照して詳細後述する。）を用いた送信エリアを点線Ａｒａ，Ａｎａ，Ａｐａで示している。ノード無線局Ｎｎの電力を制御するための指向性アンテナを用いた送信によって、ノード無線局Ｎｘ，Ｎｙ又はＮｚは通信を開始することが可能であり、ノード無線局Ｎｎの全電力指向性送信では不可能であったＳＤＭＡ効率の向上が達成される。
【００２３】
指向性アンテナの能力を十分に利用するためには、各ノード無線局は、近傍ノード無線局の情報（ノード無線局のＩＤ、方向、リンク品質など）を事前に知る必要がある。ノード無線局Ｎｐはノード無線局Ｎｑとの無線通信を、ノード無線局Ｎｐからノード無線局Ｎｑへの方向がノード無線局Ｎｐからノード無線局Ｎｍ又はＮｐからノード無線局Ｎｎへの方向と同じでない場合にのみ開始することができる。従って、ある発信元無線局及び宛先無線局が無線通信を行っている場合、発信元無線局及び宛先無線局のすべての近傍ノード無線局は、他の方向で新たな無線通信を開始できるように通信方向を認識していなければならず、それ故、発信元無線局及び宛先無線局間で進行中のデータ通信を妨害することが回避される。言い替えれば、この無線ネットワークにおいて効果的なＭＡＣ及びルーティングプロトコルを実装するためには、ノード無線局は、その近傍ノード無線局にパケット信号を送信するようにその送信方向を設定する方法を周知していなければならない。従って、各ノード無線局において、その近傍ノード無線局の位置を追跡するメカニズムを保有することが不可欠となる。しかしながら、指向性アンテナを有する無線アドホック無線ネットワークにおけるこの位置追跡メカニズムは、多大な制御オーバーヘッドがかかるために深刻な問題である。この問題点を解決するための実施形態について図面を参照して以下に詳細説明する。
【００２４】
第１の実施形態．
図１は、本発明に係る実施形態であるアドホック無線ネットワークの構成を示す複数の無線局１−１乃至１−９（総称して、符号１を付す。）の平面配置図であり、図２は、図１の各無線局１の構成を示すブロック図である。
【００２５】
この実施形態の無線通信システムでは、図１に示すように、複数の無線局１が平面的に散在して存在し、各無線局１はそれぞれ、可変ビームアンテナ１０１の利得や送信電力、受信感度などのパラメータで決定される所定のサービスエリアを有し、このサービスエリア内でパケット通信を行うことができ、サービスエリア外の無線局１とパケット通信を行うときは、サービスエリア内の無線局１を中継局として用いてパケットデータを中継することにより、所望の宛先無線局１にパケットデータを伝送する。すなわち、各無線局１は、パケットのルーティングを行うルータ機能を備え、発信元無線局、中継局、又は宛先無線局として動作する。
【００２６】
この実施形態の無線通信システムは、例えば無線ＬＡＮなどのアドホック無線ネットワークのパケット通信システムに適用するものであって、無指向性放射パターンであるオムニパターンと、自局を中心とした水平面内の所定の方位角毎にセクタ形状のメインビームを選択的に変更可能なセクタビームパターンと、上記方位角毎にヌル点を形成可能な排他的セクタパターンとを選択的に切り換え可能な可変ビームアンテナ１０１を備えるとともに、自局を中心とするサービスエリア内の隣接ノード無線局（自局から無線通信可能なノード無線局を隣接ノード無線局という。）１から無線信号を受信するときに測定可能な隣接ノード無線局１に対する方位角及び信号強度レベルを格納する方位角及び信号強度レベルテーブルであるＡＳテーブル（Angle and Signal strength Table）をデータベースメモリ１５４に格納し、これらのテーブルに基づいて、可変ビームアンテナ１０１の放射パターンを制御しながらパケット信号のルーティングを行うことを特徴としている。
【００２７】
本実施形態では、特に、位置追跡及びＭＡＣプロトコルのための受信機中枢的なアプローチを提案する。各ノード無線局１は、その隣接のノード無線局の位置を追跡するために、その近隣情報を周期的に収集し、上記ＡＳテーブルを形成する。ＡＳテーブルを基礎として、ノード無線局１はその隣接ノード無線局の方向を認識して送信−受信の間の媒体アクセスを制御する。詳細後述するように、クアルネット（ＱｕａｌＮｅｔ）のネットワークシミュレータ（例えば、非特許文献１２参照。）に関する性能評価結果は、本発明者らのプロトコルが増加する通信数及び増加するデータレートに関して高度に効率的であることを示しており、本発明者らのプロトコルによるシングルホップＭＡＣのスループットは、ＩＥＥＥ  ８０２．１１の規格の１．８倍である結果を得ている。
【００２８】
本実施形態では、制御オーバーヘッドを低減するための受信機指向の位置追跡メカニズム及び効率的な媒体利用のための単純なＭＡＣプロトコルについて説明する。本発明者らは、クアルネットを使用して広範な性能評価を実行し、その有効性を実証した。このＭＡＣプロトコルは、ＲＴＳとＣＴＳとの全方向性交換を基礎としている。しかしながら、この場合のＲＴＳ／ＣＴＳの目的は、オムニパターンアンテナを使用する場合のような、送信機及び受信機の隣接ノード無線局による送信又は受信を禁止することではなく、これらにこの通信に関する通知を行うことにある。これはまた、通信のおおよその持続時間を特定する。送信及び受信のすべての隣接ノード無線局は、それらのそれぞれに各ＡＳテーブルからその方向が知られている通信を追跡し、仮想的な搬送波検出のためのＤＮＡＶ法を用いてその方向の通信のみを禁止する。
【００２９】
次いで、図２を参照して、各無線局１の装置構成について説明する。図２において、無線局１は、可変ビームアンテナ１０１と、その指向性を制御するための指向制御部１０３と、サーキュレータ１０２と、データパケット送信部１４０及びデータパケット受信部１３０を有するデータパケット送受信部１０４と、トラヒックモニタ部１０５と、回線制御部１０６と、上位レイヤ処理装置１０７とを備える。
【００３０】
送受信すべきデータを処理する上位レイヤ処理装置１０７によって発生されたパケット形式の通信用送信信号データは、送信バッファメモリ１４２を介して変調器１４３に入力され、変調器１４３は、所定の無線周波数の搬送波信号を、拡散符号発生器１６０でＣＤＭＡ方式で発生された所定の通信チャンネル用拡散符号を用いて、入力された通信用送信信号データに従ってスペクトル拡散変調して、変調後の送信信号を高周波送信機１４４に出力する。高周波送信機１４４は入力された送信信号に対して増幅などの処理を実行した後、サーキュレータ１０２を介して可変ビームアンテナ１０１から他の無線局１に向けて送信する。ここで、高周波送信機１４４は、管理制御部１５１からの制御信号に基づいて、送信信号の送信電力を詳細後述するように制御することができる。一方、可変ビームアンテナ１０１で受信されたパケット形式の通信チャンネル用受信信号は、サーキュレータ１０２を介して高周波受信機１３１に入力され、高周波受信機１３１は入力された受信信号に対して低雑音増幅などの処理を実行した後、復調器１３２に出力する。復調器１３２は、入力される受信信号を、拡散符号発生器１６０でＣＤＭＡ方式で発生された通信チャンネル用拡散符号を用いて、スペクトル逆拡散により復調して、復調後の受信信号データを受信バッファメモリ１３３を介して上位レイヤ処理装置１０７に出力するとともに、トラヒックモニタのためにトラヒックモニタ部１０５に出力する。
【００３１】
本実施形態においては、指向性アンテナである可変ビームアンテナ１０１は、複数のアンテナ素子とその指向性を制御する制御部１０３に接続され、
（ａ）無指向性放射パターンであるオムニパターンと、
（ｂ）例えば図３に示すように、自局を中心とした水平面内の所定の方位角毎にセクタ形状のメインビームを選択的に変更可能な指向性パターンであるセクタビームパターンと、
（ｃ）上記方位角毎にヌル点を形成可能な排他的セクタパターンと
を電気的な制御により選択的に切り換え可能なアンテナである。
【００３２】
なお、可変ビームアンテナ１０１については、例えば、公知のフェーズドアレーアンテナ装置であってもよいし、もしくは、図１１及び図１２を参照して詳細後述するように、特許文献１及び２、非特許文献１６、１７及び１８に開示された電子制御導波器アレーアンテナ装置（Electronically Steerable Passive Array Radiator Array Antenna Apparatus）である可変ビームアンテナであってもよい。
【００３３】
トラヒックモニタ部１０５は、検索エンジン１５２と、更新エンジン１５３と、データベースメモリ１５４と、クロック回路１５５とを備え、後述のルーティング及び通信処理を実行するとともに、無線局１が他の無線局１とのパケット通信において使用すべき通信チャンネルを決定して、決定した通信チャンネルに対応する拡散符号の指定データを回線制御部１０６を介して拡散符号発生器１６０に送ることにより、拡散符号発生器１６０が当該指定データに対応する拡散符号を発生するように制御するとともに、決定した通信チャンネルに対応するタイムスロットの指定データを回線制御部１０６を介して送信タイミング制御部１４１に送ることにより、送信タイミング制御部１４１が送信バッファメモリ１４２による通信チャンネル用送信信号データの書き込み及び読み出しを制御することにより通信チャンネル用送信信号が対応するタイムスロットで送信されるように制御する。なお、クロック回路１５５は、現在日時を計時してその情報を、必要に応じて管理制御部１５１に出力する。
【００３４】
トラヒックモニタ部１０５の検索エンジン１５２は、管理制御部１５１の制御によりデータベースメモリ１５４内のデータを検索して検索したデータを管理制御部１５１に返信する。また、更新エンジン１５３は、管理制御部１５１の制御によりデータベースメモリ１５４内のデータを更新する。さらに、データベースメモリ１５４に、ＡＳテーブルを記憶している。なお、後述の第１の実施形態の変形例では、データベースメモリ１５４はさらに、ＤＮＡＶ制御テーブルを記憶する。
【００３５】
本実施形態においては、アンテナ放射パターンを単一の通信相手先方向の利得が最大となるように指向性を変化させるセクタビームパターンの実効的な送信ビーム幅を３０°としており、可変ビームアンテナ１０１は、方位角を３０°毎に選択的に変化可能に設定できる。ビーム幅及び方位角の変化方位角は、６０°又は他の方位角であってもよい。また、本実施形態のパケット通信システムで用いるパケットデータは、図４に示す形式のフォーマットを有する。すなわち、パケットデータは、宛先無線局のＩＤと、パケット種別（トーン、ＲＴＳ（Request To Send）、ＣＴＳ（Clear To Send）、ＤＡＴＡなど）と、自局のＩＤと、データ（上位レイヤでのデータなどを含む）とを含む。なお、ＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号のとき、データには当該無線通信における通信持続時間を含む。さらに、データベースメモリ１５４に格納されたＡＳテーブルは、図５に示すように、自局のサービスエリア内の隣接ノード無線局毎に、方位角と、信号強度レベルの情報を格納し、後述する図１６の無線通信制御処理により作成更新される。
【００３６】
さらに、本実施形態で用いる無線通信システムについて詳細に説明する。
【００３７】
まず、本実施形態で用いるスマートアンテナである可変ビームアンテナ１０１の詳細について説明する。本実施形態に係る無線ネットワークにおいて使用されるスマートアンテナには、基本的に、スイッチビーム又は固定ビームアンテナと回転式適応型アレーアンテナとの２タイプを用いることができる（例えば、非特許文献１２，１３，１４参照。）。スイッチビームアンテナは、複数の予め画定された固定指向性ビームパターンを生成し、信号を受信すると１回に１パターンを設定する。これは最も単純な技術であり、別々の指向性アンテナ間、又はそれぞれが３６０／Ｎ度の方位角で張られた非重複性の固定セクタパターンへと配備されているＮ個のアンテナ素子より成るアレーアンテナの予め画定されたビーム間の基本的なスイッチング関数のみで構成されている。すべてのセクタパターンで信号検出が行われ、可変ビームアンテナ１０１は、最大の利得を有するセクタを認識する能力を備えている。受信に際しては、一般に検出プロセスによって選択されるものである正確に１つのセクタパターンがその信号を集めて受信する。
【００３８】
スイッチビームアンテナより進化している回転式適応型アレーアンテナの場合、ビーム構成は無線周波数（ＲＦ）の信号環境に適応し、ビームを所望の無線信号へ向けて配向してアンテナ利得を最大化すると同時に干渉信号の方向にあるアンテナパターンを（ヌルに設定することにより）抑制する（非特許文献１４参照。）。適応型アレーアンテナでは、出力信号を制御するため、すなわち信号対干渉プラス雑音比（ＳＩＮＲ）を最大化するためのアルゴリズムが必要とされる。これらの両スマートアンテナ間の相違点は、次のように仮定することができる。すなわち、固定ビームアンテナはそのスマートさを最強強度の信号ビームの方向に集中させるが、適応型アレーアンテナは、すべてのアンテナ素子内の受信された全情報からの恩恵により、ウェイトベクトルの調整を用いて出力ＳＩＮＲを最適化する。
【００３９】
本発明者らは、スマートアンテナを使用するアドホック無線ネットワークのテストベッドを開発しており（非特許文献１５参照。）、各ユーザ端末は、電子制御導波器アレーアンテナ装置として知られる小型で低コストのスマートアンテナを使用する（非特許文献１６，１７，１８参照。）。適応型アレーアンテナは、通常はディジタル式のビーム形成アンテナである。これに対して、電子制御導波器アレーアンテナ装置はＲＦビーム形成に依存し、これにより回路の複雑さが劇的に減少する。電子制御導波器アレーアンテナ装置は受信機出力を１つしか必要としないため、周波数変換器及びアナログ−ディジタル変換器の必要数はアレー分岐の数だけ減少し、ＤＣ電力の消散及び製造コストの両方を劇的に改善することができる（非特許文献１６参照。）。
【００４０】
次いで、電子制御導波器アレーアンテナ装置の具体例について以下に詳細説明する。当該電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置１００とその周辺回路を備えたアレーアンテナの制御装置を図１１に示し、また、アレーアンテナ装置１００の縦断面図を図１２に示す。なお、図１１において、アレーアンテナ装置１００は図１の可変ビームアンテナ１０１に対応し、サーキュレータ６は図１のサーキュレータ１０２に対応し、無線送信機７は図１のパケット送信部１４０に対応し、低雑音増幅器１Ｌから復調器４までの部分は図１のパケット受信部１３０に対応し、適応制御型コントローラ２０及び学習シーケンス信号発生器２１は図１の指向制御部１０３に対応する。
【００４１】
当該アレーアンテナの制御装置は、図１に示すように、１つの励振素子Ａ０と、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６がそれぞれ装荷された６個の非励振素子Ａ１乃至Ａ６と、接地導体１１とを備えてなるアレーアンテナ装置１００と、適応制御型コントローラ２０とを備えて構成される。
【００４２】
ここで、適応制御型コントローラ２０は、例えばコンピュータなどのディジタル計算機で構成され、受信時において、復調器４による無線通信を開始する前に、相手先の送信機から送信される無線信号に含まれる学習シーケンス信号を上記アレーアンテナ装置１００の励振素子Ａ０により受信したときの受信信号ｙ（ｔ）と、上記学習シーケンス信号と同一の信号パターンを有して学習シーケンス信号発生器２１で発生された学習シーケンス信号ｒ（ｔ）とに基づいて、例えば最急勾配法による適応制御処理を実行する。この適応制御処理では、上記アレーアンテナ装置１００の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための、各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に印加されるバイアス電圧値を探索して制御電圧信号を用いて設定する。以上の説明においては最急勾配法を用いているが、これに限らず他の適応制御方法を用いてもよい。適応制御型コントローラ２０にはキーボードなどの入力装置（図示せず。）が接続され、復調器又は無線送信機７を用いた無線通信を開始する前に、ユーザは当該入力装置を用いて適応制御方法の選択等を行って、適応制御型コントローラ２０の動作を制御することができる。
【００４３】
図１において、アレーアンテナ装置１００は、接地導体１１上に設けられた７本のアンテナ素子、すなわち励振素子Ａ０及び非励振素子Ａ１乃至Ａ６から構成され、励振素子Ａ０は、半径ｄの円周上に設けられた６本の非励振素子Ａ１乃至Ａ６によって囲まれるように配置されている。好ましくは、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６は上記半径ｄの円周上に互いに等間隔（すなわち、励振素子Ａ０を中心として互いに等方位角で離間して）を保って設けられる。各励振素子Ａ０及び非励振素子Ａ１乃至Ａ６は、例えば、所望波の波長λに対して約λ／４の長さのモノポール素子になるように構成され、また、上記半径ｄはλ／４になるように構成される。また、各アンテナ素子の直径は０．０２λである。励振素子Ａ０の給電点は、同軸ケーブル５及びサーキュレータ６を介して低雑音増幅器（ＬＮＡ）１に接続され、また、非励振素子Ａ１乃至Ａ６はそれぞれ可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に接続され、これら可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６は、適応制御型コントローラ２０からの制御電圧信号に応答してそのリアクタンス値を変化させる。
【００４４】
図２は、アレーアンテナ装置１００の縦断面図である。図２において、励振素子Ａ０は接地導体１１と電気的に絶縁され、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６は、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６を介して、接地導体１１に対して高周波的に接地される。可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６の動作を説明すると、例えば励振素子Ａ０と非励振素子Ａ１乃至Ａ６の長手方向の長さが実質的に同一であるとき、例えば、可変リアクタンス素子１２−１がインダクタンス性（Ｌ性）を有するときは、可変リアクタンス素子１２−１は延長コイルとなり、非励振素子Ａ１乃至Ａ６の電気長が励振素子Ａ０に比較して長くなり、反射器として働く。一方、例えば、可変リアクタンス素子１２−１がキャパシタンス性（Ｃ性）を有するときは、可変リアクタンス素子１２−１は短縮コンデンサとなり、非励振素子Ａ１の電気長が励振素子Ａ０に比較して短くなり、導波器として働く。また、他の可変リアクタンス素子１２−２乃至１２−６に接続された非励振素子Ａ２乃至Ａ６についても同様に動作する。
【００４５】
従って、図１のアレーアンテナ装置１００において、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６に接続された可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に印加するバイアス電圧値を変化させて、その接合容量値であるリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置１００の平面指向特性を変化させることができる。
【００４６】
アレーアンテナ１００で受信される無線信号を送信する送信局は、学習シーケンス信号発生器２１で発生される所定の学習シーケンス信号と同一の信号パターンを有する学習シーケンス信号を含む所定のシンボルレートのディジタルデータ信号に従って、無線周波数の搬送波信号を、例えばＢＰＳＫ、ＱＰＳＫなどのディジタル変調法を用いて変調し、当該変調信号を電力増幅して受信局のアレーアンテナ装置１００に向けて送信する。本実施形態においては、データ通信を行う前に、送信局から受信局に向けて学習シーケンス信号を含む無線信号が送信され、受信局では、適応制御型コントローラ２０による適応制御処理が実行される。
【００４７】
アレーアンテナ装置１００は送信局からの無線信号を受信し、上記受信された信号は、給電用同軸ケーブル５及びサーキュレータ６を介して低雑音増幅器（ＬＮＡ）１に入力されて増幅され、次いで、ダウンコンバータ（Ｄ／Ｃ）２は増幅された信号を所定の中間周波数の信号（ＩＦ信号）に低域変換する。さらに、Ａ／Ｄ変換器３は低域変換されたアナログ信号をディジタル信号にＡ／Ｄ変換し、そのディジタル信号を適応制御型コントローラ２０及び復調器４に出力する。次いで、適応制御型コントローラ２０は、入力される受信信号ｙ（ｔ）と学習シーケンス信号ｒ（ｔ）とに基づいて、各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、順次所定の差分幅だけ摂動させ、各リアクタンス値に対して所定の評価関数値（例えば、受信信号の電力）を計算し、上記計算された評価関数値に基づいて、最急勾配法を用いて、当該評価関数値が最大となるように、各リアクタンス値を反復して計算することにより、当該アレーアンテナ装置１００の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算して設定するように制御する。これにより、当該評価関数値が最大となるように、上記アレーアンテナ装置１００の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のバイアス電圧値を探索し、探索された各バイアス電圧値を有する制御電圧信号を各可変リアクタンス素子に出力して設定する。
【００４８】
また、無線送信機７は入力される送信ベースバンド信号に基づいて無線搬送波を所定の変調方式で変調し、変調された無線搬送波である無線信号をサーキュレータ６、給電用同軸ケーブル５を介してアレーアンテナ装置１００の励振素子Ａ０に出力され、これにより当該アレーアンテナ装置１００から無線信号が放射される。
【００４９】
ところで、電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置１００の特徴には、ビーム方向制御、多重ビーム（周波数は同じ）形成、機械的回転ビーム（３６０度掃引）及びヌルステアリング制御がある。受信機アプリケーションの場合、ヌルは干渉信号が到来する方向へ配向されなければならない。受信機における適応型ヌルステアリングアルゴリズムは、他の方向から到来する干渉信号の自動的抑制にも使用されることが可能である（非特許文献１７参照。）。７素子のアレーアンテナ装置１００を使用すれば、同時的な８ｄＢｉビーム利得及び−３０ｄＢｉヌルにより３６０度の連続ビーム／ヌルステアリングが可能であることが観察されている（非特許文献１７参照。）。また、７素子のアレーアンテナ装置１００では、指向性の多重ビーム及び多くのヌルの同時形成が可能であることも観察されている。
【００５０】
アドホック無線ネットワークにおける適応型アンテナを有する適切なＭＡＣプロトコルの開発は、困難でも興味深いタスクである。そのため、アドホック無線ネットワークの無線通信システムで行われている研究のほとんどが、より単純なスイッチビームアンテナの使用を仮定している。本実施形態においても、本発明者らはスイッチビームアンテナとして、好ましくは、スマートな電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置１００を使用する。また、アレーアンテナ装置１００は、複数の指向性ビームパターンの中から１つの特定の指向性ビームのリアクタンス値を選択することにより、複数の受信機出力（周波数変換器及びアナログ−ディジタル変換器）を使用することなく、一般化されたスイッチビームアンテナ又は擬似スイッチビームアンテナとしても使用することが可能である。詳細後述するように、ユーザから受信される信号の到来方向（ＤＯＡ）を検出する何らかのメカニズムを包含すれば、連続追跡を達成することが可能であり、これをスイッチビームの概念の一般化と見なすことができる（非特許文献１４参照。）。この場合も、受信される電力は最大化される。一般化されたスイッチビームアンテナとしてアレーアンテナ装置１００を使用することの優位点は、わずか１つの受信機出力だけで連続追跡が可能であり、かつ可変数のビームパターンを保有可能なことにある。言い替えれば、スイッチビームモードで使用されるときに、電子制御導波器アレーアンテナ装置を使用して形成される指向性ビームは、複数Ｎ個の素子を有する従来型のスイッチビームアンテナの場合のようにそれぞれが３６０／Ｎ度の方位角を張る非重複性の固定セクタに限定される必要がない。アレーアンテナ装置１００は低コスト、低電力の小型アンテナとなることから、アドホック無線ネットワークにおけるユーザ端末の電力消費量の低減を促進し、かつスイッチビームアンテナの優位点のすべてをもたらすことができると考えられる。
【００５１】
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、６０度のビーム幅を有するアレーアンテナ装置１００のアンテナパターンを示したものである。図１３（ａ）は方位角Ａｄが０度における放射パターンを示し、このビームパターンは、各アンテナ素子において０乃至６０度の区間、６０乃至１２０度の区間などで６個のビームが形成される。図１３（ｂ）は３０度における放射パターンを示し、このビームパターンは、各アンテナ素子間において３０乃至９０度の区間、９０乃至１５０度の区間などでさらに６個のビームが形成される。これらは、３０度の間隔で合わせて１２個の重複するパターンを構成する。図１３（ｃ）は重要でないサイドローブを有するビーム幅４５度の理想的な指向性アンテナを示している。性能評価で実証されるように、理想的な指向性アンテナの性能は（予想通り）最良であり、同時に、アレーアンテナ装置１００の性能はクアルネットのデフォルトアンテナパターンより遙かに優れている。その理由は、アレーアンテナ装置１００の放射パターンは、クアルネットにおけるデフォルトアンテナパターンの場合よりも少ない有効範囲を有し、サイドローブもさほど目立たない点にある。
【００５２】
次いで、幾つかの仮定条件と、本実施形態で用いる基本的な方法について以下に説明する。
【００５３】
（１）ノード無線局のアンテナが全方向性のオムニパターンモードで動作しているときは、全方向から、例えば利得Ｇｏｍｎｉを用いて無線信号を送受信することができる。アイドル状態の間は、ノード無線局は全方向性のオムニパターンの受信モードで動作する。
（２）ノード無線局のアンテナが指向性モードで動作しているときは、ノード無線局は、そのビーム（主ローブ）をビーム幅ｗ及び例えば利得Ｇｄｉｒ（Ｇｄｉｒ≫Ｇｏｍｎｉ）を用いて特定の方向へ向けることができる。詳細後述する本発明者らのシミュレーションでは、ビーム幅は約６０度である。
（３）従って、所定量の入力電力に関しては、指向性のセクタパターンのアンテナによる送信エリアの半径Ｒｄｉｒの方が対応する全方向性のオムニパターンのアンテナの場合の送信エリアの半径Ｒｏｍｎｉより格段に大きくなる。
（４）ノード無線局Ｎｎの近傍ノード無線局を、ノード無線局Ｎｎの全方向性の送信エリア内にあるノード無線局の集合として定義する。これらは、ノード無線局Ｎｎからシングルホップ分だけ離れているものとする。これは、ノード無線局Ｎｎの全方向性の送信エリアより外側にあるノード無線局は、たとえノード無線局Ｎｎからそのノード無線局に向けて形成される指向性ビームを使用すれば、ノード無線局Ｎｎからシングルホップで到達可能であっても、ノード無線局Ｎｎの近傍ノード無線局としては考慮されないことを意味する。指向性データ通信の観点からすると、これは、例えばＮｎであるノード無線局の例えばＮｍである近傍ノード無線局は常に強力な近傍ノード無線局であることを意味する。図１４に示すように、ノード無線局Ｎｎがその近傍ノード無線局Ｎｍに向けて指向性ビームを形成するとき、ノード無線局Ｎｍはそうして形成される送信エリア内に完全に存在している（図１４
参照。）。それ故、ノード無線局Ｎｍにおけるノード無線局Ｎｎから受信された信号の強度は常に、他の干渉が存在しても適正な捕捉を確実にするに足る大きさである。従って、ノード無線局Ｎｍ又はＮｎのいずれかによる外側への移動に起因して、ノード無線局Ｎｎからのデータパケット転送の間に、ノード無線局Ｎｍとの無線接続が断たれ、又は接続が弱まる可能性はかなり低い。
（５）これにより、非特許文献４で指摘されているようなこうした無線ネットワークにおける隠れ端末の問題点は緩和される。ここで、ノード無線局Ｎｎが指向性ビームであるセクタパターンによってノード無線局Ｎｍと無線通信している図１４について以下に考察する。ノード無線局Ｎｐはノード無線局Ｎｑとの無線通信を希望している。ノード無線局Ｎｐがノード無線局Ｎｎの近傍内に存在していれば、ノード無線局Ｎｐはセクタパターンの指向性ビームをノード無線局Ｎｎ及び／又はＮｍに向けて形成することができないため、この無線通信は開始されない。しかしながら、ノード無線局ＮｐがＮｎの近傍より外側に存在していれば、ノード無線局Ｎｐはノード無線局Ｎｑに向けて指向性ビームを形成し、無線通信を始める。これにより、ノード無線局Ｎｍの受信との干渉が生じる可能性があるが、指向性送信電力が制御されれば、ノード無線局Ｎｐからノード無線局Ｎｑへの無線通信がノード無線局Ｎｍにおけるノード無線局Ｎｎからの受信を妨げることはない。
（６）しかしながら、この仮定の結果として、より大きいエリア半径の指向性ビームの使用により、全方向性のオムニアンテナを使用するものに比べてより少ないホップ数で宛先無線局に到達できることから、指向性アンテナを使用すれば達成され得たはずのマルチホップ効率は犠牲にされる。しかしながら、能力評価において実証されるように、本発明者らが得ようとしているものはＳＤＭＡ効率である。
【００５４】
次いで、本実施形態に係る到来方向（ＤＯＡ）の検出と位置追跡メカニズムについて以下に詳述する。
【００５５】
本実施形態においては、各ノード無線局１はアイドル状態の間、全方向性の受信モードで待機する。しきい値を超える何らかの無線信号を検出すると、これは回転セクタパターンの受信モードに入る。回転セクタパターンの受信モードにおいて、ノード無線局１は、その指向性アンテナである可変ビームアンテナ１０１を３０度の間隔で全方向へ逐次回転させて３６０度の空間全体を各方向における逐次指向性受信の形式でカバーし、各方向で受信される信号を検出する。１回転すると、ノード無線局１は、受信された最大の信号強度を有する信号を以て最善の受信可能方向を決定する。次に、ノード無線局１は、そのビームをその方向へ設定し、無線信号を受信する。
【００５６】
しかしながら、受信される信号を復号する受信機を有効化するために、図７に示すように、各制御パケット（ビーコン信号、ＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を含む。）は先行するトーン信号（無変調搬送波）に続いて、受信機の回転受信ビームを３６０度回転させる時間の方がトーン信号の持続時間よりも短いような持続時間で送信される。任意の制御パケットより前にこのようにしてトーン信号を送信する目的は、受信機が無線信号の最善の受信可能方向を追跡できるようにすることにある。受信機がそのビームをその方向へ設定すると、トーン信号の目的は果たされ、続いて制御パケットが送信される。
【００５７】
本発明者らは、提案した本実施形態に係る無線通信システムにおいて、３つのタイプの制御パケット、すなわち隣接ノード無線局１の位置の追跡に使用するビーコン信号又は「ハロー」パケット、媒体アクセス制御のためのＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号を使用している。ビーコン信号は周期的な信号であり、各ノード無線局１から予め定義された間隔で送信される。各周期的間隔において、例えばＮｍである各ノード無線局１は、媒体がフリーであればその隣接ノード無線局へ全方向性のビーコン信号を送信する。先に指摘したように、各ビーコン信号は、受信機によるビーコン信号の最善の受信可能方向の検出を補助するトーン信号に続いて送信される。次に各受信機はそのビームをその方向へ設定し、ビーコン信号を受信して復号化する。こうして、例えばノード無線局Ｎｍの隣接ノード無線局であるノード無線局Ｎｎはノード無線局Ｎｍの方位角毎の信号レベル情報を形成し、かつ同様にして他の隣接ノード無線局の情報も形成する。ノード無線局Ｎｎのその隣接ノード無線局Ｎｍに関するＡＳテーブルへの入力は「ＳＩＧＮＡＬαｎ，ｍ（ｔ）」であり、これは、ノード無線局Ｎｎにおいてノード無線局Ｎｍからノード無線局Ｎｎに対して方位角αで受信されかつノード無線局Ｎｎにより任意の時間ポイントｔで検出された信号の最大強度である。ＡＳテーブルを基礎としてノード無線局Ｎｎはノード無線局Ｎｍの方向を認識し、送受信の間の媒体アクセスを制御する。  
【００５８】
ＲＴＳ信号は同報通信パケットであって発信元アドレスを含むことから、ノード無線局はこのＲＴＳ信号を復号することによってもまた、方位角毎の信号レベルテーブルであるＡＳテーブルを形成することができる。従って、本発明者らはＲＴＳ信号をビーコン信号として使用したことになる。ＲＴＳ信号が送信されると、ビーコン信号のタイマがリセットされる。ビーコン信号としてのＲＴＳ信号の使用は、ビーコン信号に起因するオーバーヘッドが最小化される高頻度のトラフィックにおいて効果的である。これは、送信側のノード無線局は、追加のビーコン信号を送信してその隣接ノード無線局に対してその存在を通知する必要がないためである。
【００５９】
次いで、指向性通信をサポートする媒体アクセス制御プロトコルについて以下に説明する。ＩＥＥＥ  ８０２．１１のＭＡＣプロトコル規格では、ＲＴＳ−ＣＴＳ／データ−肯定応答（ＡＣＫ；受信完了通知信号）の交換メカニズムを使用して信頼性の高いデータ通信が保証される。本発明者らの方法では、まず、ノード無線局Ｎｎがノード無線局Ｎｍとの通信を希望すると媒体を検出し、媒体がフリー（未使用）であれば全方向性のＲＴＳ信号を送信する。バックオフのメカニズムは、ＩＥＥＥ  ８０２．１１の場合と同じである。ＲＴＳ信号の目的は、ノード無線局Ｎｍを含むノード無線局ｎのすべての隣接ノード無線局に対して、ノード無線局Ｎｎからノード無線局Ｎｍへ通信が要求されていると通知することにある。これはまた、通信のおおよその持続時間も特定する。ノード無線局Ｎｎのすべての隣接ノード無線局はノード無線局Ｎｎからのこの要求を追跡し、その方向は、受信されたＲＴＳ信号からこれらのノード無線局のそれぞれに認識される。ＲＴＳ信号を受信するメカニズムは、ビーコン信号の場合と同じである。
【００６０】
対象のノード無線局Ｎｍは、全方向性のＣＴＳ信号を送信して要求を発行し、ノード無線局Ｎｍの隣接ノード無線局に対して、ノード無線局Ｎｍがノード無線局Ｎｎからデータを受信しつつあることを通知する。これはまた、通信のおおよその持続時間も特定する。ノード無線局Ｎｍのすべての隣接ノード無線局は受信側であるノード無線局Ｎｍを追跡し、その方向は、受信されたＣＴＳ信号からこれらのノード無線局のそれぞれに認識される。この場合もやはり、ＣＴＳ信号を受信するメカニズムは、ビーコン信号の場合と同じである。ここで、この場合のＲＴＳ／ＣＴＳの目的は、オムニパターンアンテナを使用する場合のような、ノード無線局Ｎｎ及びＮｍの隣接ノード無線局による送信又は受信を禁止することではなく、ノード無線局Ｎｎ及びＮｍの隣接ノード無線局に対して、ノード無線局Ｎｍがノード無線局Ｎｎからデータを受信しつつあると通知することにある。
【００６１】
全方向性のＣＴＳ信号を送信すると、受信側のノード無線局は指向性受信モードで待機し、データ信号が送信される、又はタイムアウトになると全方向性の受信モードに戻る。また、ＣＴＳ信号が受信されると、送信側はデータを指向的に送信して肯定応答信号（ＡＣＫ信号）を指向性パターンで待機し、肯定応答信号（ＡＣＫ信号）が受信されると、又はタイムアウトになると全方向性の受信モードに戻る。指向性の受信モードは、要求された方向からの適正な信号受信及び他の方向からの干渉の最小化を保証する。
【００６２】
ＲＴＳ／ＣＴＳの交換を受信した（耳にした；オーバーヒアした）ノード無線局Ｎｎ及びＮｍの近傍にある他の隣接ノード無線局は、自らのＤＮＡＶをそれらがそれぞれＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号の到来方向として検出した方向へ設定する。この時点で、これらが、ＡＳテーブルから認識されるその方向がブロックされたＤＮＡＶの方向でないノード無線局へ送るパケットを有していれば、これらはノード無線局ＮｎとＮｍとの間の通信を妨害することなくＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号の両方を全方向的に発行することができる。受信側ノード無線局の方向がＤＮＡＶによってブロックされかつＲＴＳ信号が発行されていれば、ＣＴＳ信号は発行されない可能性が最も高く、そうでなければＲＴＳ信号との衝突が生じる可能性がある。その結果、当該ノード無線局はその衝突ウィンドウを増大してバックオフに入る。これは繰り返し発生する可能性があり、結果的にノード無線局は送信の機会を少なくしていく。よってこの場合、本発明者らはＲＴＳ信号の送信を許可しない。ノード無線局はここでＤＮＡＶの時間を待って通信の開始を試行する。これは、ＩＥＥＥ  ８０２．１１の規格に説明されているＮＡＶの待機に類似している。
【００６３】
図１５は、第１の実施形態の変形例に係る同一のサービスエリアの領域で発生する２つの同時的通信のメカニズムを示している。通信しているのは、発信元無線局ＮＳと宛先無線局ＮＤであるものとする。図１５には、宛先無線局ＮＤを含む発信元無線局ＮＳからの指向性ビームが示されている。ここで、ともに無線局ＮＳ及びＮＤの全方向の近傍に存在する他の隣接ノード無線局対ＮＸ及びＮＹが無線通信を望んでいるものとする（図１５参照。）。ノード無線局ＮＸ及びＮＹはともに、無線局ＮＳ及びＮＤから既にＲＴＳ／ＣＴＳを受信している。それらの個々のＡＳテーブルから、ノード無線局ＮＸは発信元無線局ＮＳ及び宛先無線局ＮＤのノード無線局ＮＸに対する方位角位置を認識し、ノード無線局ＮＸ及びＮＹもまた無線局ＮＳ及びＮＤのノード無線局ＮＹに対する方位角位置を認識している。ノード無線局ＮＸ及びＮＹはともに、無線局ＮＳ及びＮＤに向けてＤＮＡＶを設定する。ノード無線局ＮＸからノード無線局ＮＹへの指向性ビームが無線局ＮＳ又はＮＤを捕捉すれば、ノード無線局ＮＸはＤＮＡＶにおいてタイムアウトが言及されるまでアイドル状態のままであることを余儀なくされ、こうして、その無線通信の希望は延期される。これ以外であれば、ノード無線局ＮＸはＲＴＳ信号を発行することができる。言い替えれば、ノード無線局は、当該無線通信が既に存在している無線通信の領域に立ち入らない場合にのみＲＴＳ信号を発行することができる。同様に、ノード無線局ＮＹは、ノード無線局ＮＹからノード無線局ＮＸへの指向性ビームがノード無線局ＮＳ又はＮＤを捕捉しなければ、ＣＴＳ信号を送ってこのＲＴＳ信号に応答する。
【００６４】
図１６は、本実施形態において実行される無線通信制御処理における状態遷移図である。図１６において、まず、状態Ｓ１０１ではアイドル状態にあり、オムニパターン検出モード又は回転セクタ検出モードで待機する。ここで、周期的なビーコン信号の発行を行うためのビーコンタイマーがタイムアウトしたとき、状態Ｓ１０２においてオムニパターンでビーコン信号を送信した後、状態Ｓ１０１に戻る。また、状態Ｓ１０１で送信すべきデータがあるとき、状態Ｓ１０３においてオムニパターンでＲＴＳ信号を送信した後（このときオムニパターンなので受信無線局の方向のＤＮＡＶはブロックされない）、状態Ｓ１０１に戻る。さらに、状態Ｓ１０１で検出しきい値を超える信号レベルの信号を受信したとき、状態Ｓ１０４においてセクタパターンを１回転して信号到来方向を追跡し最大受信方向に主ビームを向けた後、状態Ｓ１０５においてセクタパターンでパケット信号を受信する。
【００６５】
状態Ｓ１０５でビーコン信号を受信したときは、状態Ｓ１０６から状態Ｓ１０７に遷移し、状態Ｓ１０７において情報データを格納し、ここで、ＡＳテーブルにおける方位角及び信号強度レベルを更新した後、状態Ｓ１０１に戻る。
【００６６】
また、状態Ｓ１０５でＲＴＳ信号を受信したときは、状態Ｓ１０８から状態Ｓ１０９に遷移し、状態Ｓ１０９において無線通信したい目的の受信無線局であるか否かをチェックし、ＹＥＳであれば状態１１０に遷移する一方、ＮＯであれば状態Ｓ１１３に遷移する。状態Ｓ１１０においてオムニパターンでＣＴＳ信号を送信し、状態Ｓ１１１においてセクタパターンでＤＡＴＡ信号を待機し、ここで、ＤＡＴＡ信号を受信したときは、状態Ｓ１１２でセクタパターンでＡＣＫ信号を送信した後、状態Ｓ１０１に戻る。一方、状態Ｓ１１１でタイムアウトしたとき、状態Ｓ１０１に戻る。さらに、上記状態Ｓ１０９でＮＯであるとき、状態Ｓ１１３においてＤＮＡＶ制御テーブルにおいて制御データとして現在時刻に詳細後述する所定の通信時間を加算して計算した「時刻データ」（当該時刻までは当該方位角で無線通信が不可能であることを示す。）を記録した後、状態Ｓ１０１に戻る。
【００６７】
またさらに、状態Ｓ１０５でＣＴＳ信号を受信したとき、状態Ｓ１１４から状態Ｓ１１５に遷移し、ここで、無線通信したい目的の受信無線局であるか否かをチェックし、ＹＥＳであれば状態Ｓ１１６に遷移する一方、ＮＯであれば状態Ｓ１１８に遷移する。状態Ｓ１１６ではセクタパターンでＤＡＴＡ信号を送信した後、状態Ｓ１１７においてセクタパターンでＡＣＫ信号を待機し、状態Ｓ１０１に戻る。また、状態Ｓ１１８では、ＤＮＡＶ制御テーブルにおいて制御データとして現在時刻に詳細後述する所定の通信時間を加算して計算した「時刻データ」（当該時刻までは当該方位角で無線通信が不可能であることを示す。）を記録した後、状態Ｓ１０１に戻る。
【００６８】
図８は第１の実施形態において用いられる各ノード無線局での放射パターンの種類と無線通信プロトコルを示すタイミングチャートである。図８において、送信側のノード無線局からのトーン信号＋ＲＴＳ信号の送信やトーン信号＋ＣＴＳ信号の送信では、オムニパターンが使用される。これに対して、受信側のノード無線局におけるトーン信号＋ＲＴＳ信号の受信では、その開始時にオムニパターン又はセンタパターンでトーン信号を検出した後、セクタパターンを用いて３６０度の範囲で１回転して（回転セクタパターン）最大の信号強度を得ることができる方位角を検出して、ＡＳテーブルに基づいた方位角に向けられたセクタパターンを使用し、当該セクタパターンを用いた通信中において適応制御のための準備処理を実行し、最後に、セクタパターン（又はオムニパターンもしくは適応制御パターンであってもよい。）を用いてＲＴＳ信号を受信することを特徴としている。
【００６９】
次いで、本実施形態に係る電力制御されたＭＡＣプロトコルについて以下に詳細説明する。
【００７０】
近年、アドホック無線ネットワークにおける指向性の適応型ビーム形成アンテナの使用に対する関心が高まっている。データパケットの送受信の間にこのタイプのアンテナを使用して指向性ビームを形成すると無線干渉の大幅な低減が可能であり、無線媒体の利用が改善される。これは、ＳＤＭＡ効率の向上と称される。
【００７１】
大部分の研究者らは、送信電力を適正に変化させてエネルギー消費を減らす電力制御方法を使用している（非特許文献１９乃至２３参照。）。ここで、この電力制御方法においては、非特許文献２４で指摘されているように、無線信号の衝突が増加してネットワークのスループットの品質を低下させるという欠点がある。従って、ユングらは、各データパケットを最大の電力レベルで周期的に相応な時間にわたって送信し、キャリア検出ゾーンにおけるノード無線局がこれを検出できるような方法を提案している（非特許文献２５参照。）。これらの研究は、すべて全方向性のオムニアンテナを使用して実行されている。ここで、指向性アンテナを使用して信号を送受信する場合には、電力制御方法が完全に変わる。指向性のセクタパターンのアンテナを使用するアドホック無線ネットワークにおける電力制御について調査した研究者は、極めてまれである。例えば、非特許文献１１では、フルパワーのＲＴＳ／ＣＴＳのハンドシェイクを使用して、後続のデータ及び肯定応答パケットの送信電力が決定される。しかしながら、全方向性アンテナ及び指向性アンテナの利得間の顕著な相違は考慮されていない。従って、非特許文献１１で示唆されているような電力制御の概念は、後述する実際の方法においては機能しない。
【００７２】
全方向性アンテナを備えた従来技術のアドホック無線ネットワークは、ＲＴＳ／ＣＴＳベースのフロア確保方法を使用することから、広いエリアにわたって無線媒体を確保するためにネットワーク容量のかなりの部分を浪費する。その結果、送信機及び受信機の近傍に存在する多くのノード無線局は、送信機と受信機との間の通信が終わるのを待ってアイドル状態のままでいなければならない。この問題を緩和するため、研究者らは、ＳＤＭＡ効率を向上させることによりネットワークスループットを大幅に向上させる指向性アンテナの使用を提案している。しかしながら、この優位点を実証するために、研究者らは通常、指向性アンテナの利得が対応する全方向性アンテナの利得に等しいことを仮定する（非特許文献３、５及び１１参照。）。この仮定のもとでは、ＳＤＭＡ効率の向上を簡単に明示できる。即ち、ノード無線局Ｎｎに対するビーム角α（α≪３６０゜）及び送信エリアの半径Ｒで送信ビームを形成するノード無線局Ｎｎの有効範囲の面積は、α・Ｒ２／２であり、これは、ビーム角α＝３６０゜（すなわち、全方向性）の場合に比べて、例えばビーム角α＝４５゜の場合に遙かに少ない。ノード無線局の送信ゾーンの半径が小さければ、所定のエリア内に所定のノード無線局数によって形成できる送信ゾーンの数は多くなり、より高いＳＤＭＡ効率を発生させることを意味する。しかしながら、実際の状況においては、この仮定に実効性はない。所定量の入力電力に関して言えば、指向性アンテナを使用するユーザ端末のエリア半径Ｒは、全方向性のオムニアンテナを使用する場合より遙かに大きくなる。これは、ビーム幅が狭いほど、指向性アンテナの主ローブの利得は高くなり、必然的に送信エリアは大きくなることを意味する。
【００７３】
従って、送信エリアの半径Ｒは両ケースで同じではなく、ビーム角αに反比例する。その結果、ＳＤＭＡ効率は期待されるほど向上しない。例えば、図１０において、ノード無線局Ｎｘ，Ｎｙ及びＮｚはノード無線局Ｎｎの全方向性の送信エリアの外側にあるが、同時にノード無線局Ｎｎの指向性の送信エリアの内側にある。従って、これらは、ノード無線局ＮｎからＲＴＳ信号を受信しないとしても、ノード無線局Ｎｎの指向性送信によって捕捉されるため、他の方向で無線通信を開始することはできない。これに対して、ノード無線局Ｎｍはノード無線局Ｎｎの全方向性の送信エリア内にあるため、ノード無線局Ｎｍにおける信号の適正な受信は、ノード無線局Ｎｍの方向へのノード無線局Ｎｎのより高い指向性の送信エリアを必要としない。図１０において点線が示すように、電力を低減して指向性送信レンジを縮小すると、ノード無線局Ｎｘ，Ｎｙ及びＮｚは、ＤＮＡＶ法によってブロックされたノード無線局Ｎｍの方向以外の方向で通信を開始することができる。従って、ＳＤＭＡ効率は向上し、スループットは増大することになる。
【００７４】
本実施形態では、ＳＤＭＡ効率を向上させ、その結果としてエネルギー消費を最小限に抑えることを目的とする電力制御について考察している。本発明者らは、全方向性モード及び指向性モードで動作するアンテナの各送信エリアの半径Ｒをほぼ等しくするための二段の送信電力制御メカニズムを提案する。言い替えれば、全方向性送信の間に使用されるフルパワーが送信電力レベルＰであれば、指向性送信の間には低減された送信電力レベルｐを使用することにより、送信エリア（その半径）が両ケースでほぼ等しくされる。これは、ＳＤＭＡ効率を向上させるだけでなく、データの指向性送信の間の送信側ノード無線局の電力を節約をも促進する。この方法においては、ビーコン信号、ＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号のような制御パケット信号は全方向性であり、その送信にはフルパワーの送信電力レベルＰを使用する。これに対して、ＡＣＫ（肯定応答）パケット信号及びデータパケット信号の指向性送信は低減された送信電力レベルｐで行われる。
【００７５】
指向性の送信エリアは、主としてアンテナパターン及びその主ローブの利得に依存するため、低減された送信電力レベルは異なるアンテナパターンで相違する。ノード無線局は、当該ノード無線局にどちらのアンテナが装備されているかを認識していれば、その指向性の送信エリアと全方向性の送信エリアとをほぼ等しくするように、指向性送信の間にその電力を適宜制御することができる。
【００７６】
さらに、上述のＡＳテーブル生成フェーズ、並びにＲＴＳ／ＣＴＳ−ＤＡＴＡ／ＡＣＫを用いた通信フェーズ（以下、通信フェーズという。）における送信電力制御方法についての具体的な実施例について以下に説明する。ここで、以下の通り、各符号を定義する。なお、アンテナ利得は、例えば等方性アンテナ又はダイポールアンテナなどの基準アンテナのアンテナ利得を基準とした相対利得で表す。また、フルパワーとは、高周波送信機１４４の最大送信電力での送信電力レベルをいう。さらに、通常の搬送波検出レベルＣＳＬとは、オムニパターンで送信し、オムニパターンで受信するときに用いる搬送波検出レベルである。
【００７７】
［数１］
フルパワーの送信電力レベルＰ；
［数２］
低減された第１の送信電力レベルｐ１＝Ｐ−Ｇｄｉｆ；
［数３］
低減された第２の送信電力レベルｐ２＝Ｐ−２×Ｇｄｉｆ（＜ｐ１）；
［数４］
差分利得Ｇｄｉｆ＝（セクタパターンの主ビームの最大利得）−（オムニパターンの利得）；
［数５］
通常の搬送波検出レベルＣＳＬ；
［数６］
低減された搬送波検出レベルＣＳＬ１。
【００７８】
表１は、第１の実施例に係る電力制御方法の一例を示す表である。
【００７９】
【表１】
2005117165.tif 000003
【００８０】
表１から明らかなように、当該電力制御方法では、ＡＳテーブル生成フェーズのビーコン信号の送信時、及び通信フェーズのＲＴＳ信号の送信時において、フルパワーで送信を行うが、ＣＴＳ信号、ＤＡＴＡ信号及びＡＣＫ信号の送信時においては、低減された第１の送信電力レベルｐ１で送信することを特徴としている。また、ＡＳテーブル生成フェーズのビーコン信号の受信時、及び通信フェーズのＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号の受信時において、通常の搬送波検出レベルＣＳＬで無線信号の搬送波検出を行うが、通信フェーズのＤＡＴＡ信号及びＡＣＫ信号の受信時においては、低減された搬送波検出レベルＣＳＬ１で搬送波検出を行うことを特徴としている。これにより、オムニパターンを用いて送信したときの送信エリアの半径Ｒと、セクタパターンを用いて送信したときの送信エリアの半径Ｒとを実質的に等しくすることができ、無線媒体の利用効率を向上させることができるとともに、セクタパターンを用いた送信時の送信エネルギーの消費量を軽減できる。
【００８１】
表２は、第２の実施例に係る電力制御方法の一例を示す表である。
【００８２】
【表２】
2005117165.tif 000004
【００８３】
表２から明らかなように、当該電力制御方法では、表１の第１の実施例に比較して、ＡＳテーブル生成フェーズのビーコン信号の受信時において、オムニパターンに代えて、セクタパターンを用いて受信し、そのとき、低減された搬送波検出レベルＣＳＬ１で搬送波検出を行うことを特徴としている。これにより、第１の実施例と同様の作用効果を有する。
【００８４】
表３は、第３の実施例に係る電力制御方法の一例を示す表である。
【００８５】
【表３】
2005117165.tif 000005
【００８６】
表３から明らかなように、当該電力制御方法では、表１の第１の実施例に比較して、２段階の送信電力レベルの制御に代えて、３段階の送信電力レベルの制御を用い、通信フェーズのＤＡＴＡ信号及びＡＣＫ信号の送信時において、第１の送信電力レベルｐ１からさらに低減された第２の送信電力レベルｐ２を用いて送信することを特徴としている。これにより、ＲＴＳ−ＣＴＳ信号の通信確立後におけるＤＡＴＡ−ＡＣＫ信号の通信において、オムニパターンを用いて送信したときの送信エリアの半径Ｒに比較して小さい送信エリアの半径Ｒを用いて送信することができ、無線媒体の利用効率をさらに向上させることができるとともに、セクタパターンを用いた送信時の送信エネルギーの消費量をさらに軽減できる。なお、ＤＡＴＡ信号及びＡＣＫ信号の受信時においては、セクタパターンを用いて通常の搬送波検出レベルを用いて受信している。
【００８７】
表４は、第４の実施例に係る電力制御方法の一例を示す表である。
【００８８】
【表４】
2005117165.tif 000006
【００８９】
表４から明らかなように、当該電力制御方法では、表３の第３の実施例に比較して、ＡＳテーブル生成フェーズのビーコン信号の受信時において、オムニパターンに代えて、セクタパターンを用いて受信し、そのとき、低減された搬送波検出レベルＣＳＬ１で搬送波検出を行うことを特徴としている。これにより、第３の実施例と同様の作用効果を有する。
【００９０】
なお、以上の第１乃至第４の実施例において、種々のアンテナのパターンに対する送信電力レベル及び搬送波検出レベルについて記載しているが、少なくとも２つ（又は３つ、４つ）のアンテナパターンの対に対して上記の送信電力レベル及び搬送波検出レベルの設定を備えるように構成してもよい。
【００９１】
以上説明したように、第１の実施形態によれば、発信元無線局からの無線信号を検出した後、セクタパターンを用いてすべての方位角にわたってアンテナのビーム方向を回転して最大の信号強度を有する方位角を探索した後、上記最大の信号強度を有する方位角に対してアンテナのビーム方向を向けて無線通信を行うように制御する。従って、発信元無線局と宛先無線局との間でシングルホップで無線通信を行う無線ネットワークにおいて、従来技術に比較してオーバーヘッドを大幅に減少させて、高速で位置追跡を行うことができる。また、オムニパターンを用いて送信したときの送信エリアの半径Ｒと、セクタパターンを用いて送信したときの送信エリアの半径Ｒとを実質的に等しくし、もしくは、後者の半径Ｒを前者の半径Ｒよりも小さくすることができ、無線媒体の利用効率を向上させることができるとともに、セクタパターンを用いた送信時の送信エネルギーの消費量を軽減できる。
【００９２】
さらに、第１の実施形態の変形例に係る無線通信制御処理の特徴について以下に説明する。図６は図２のデータベースメモリ１５４において格納され、第１の実施形態の変形例において用いるＤＮＡＶ制御テーブルの一例を示す表であり、図９は第１の実施形態の変形例において用いられる各周辺隣接無線局（正確には、図１５において、発信元無線局ＮＳのオムニパターンのエリアである送信サービスエリア内に存在するノード無線局をいう。）での放射パターンの種類と無線通信プロトコルを示すタイミングチャートである。
【００９３】
まず、第１の実施形態の変形例で用いるＤＮＡＶ制御テーブルの作成及び更新処理について以下に説明する。なお、可変ビームアンテナ１０１は３０度毎にビームの方位角を設定できるセクタパターンを有するものとする。ＤＮＡＶ制御テーブルは、図６に示すように、設定可能な方位角毎に、制御データの欄において、「時刻データ」と「使用可能」の情報が付与されており、「時刻データ」はその時刻まで当該方位角は使用中であることを示し、すなわち、その時刻まで使用不可能であることを示している。また、「使用可能」はその方位角について無線通信は使用可能であることを示している。
【００９４】
まず、初期状態では、ＤＮＡＶ制御テーブルの制御データのすべての欄に「使用可能」の情報を挿入する。次いで、図１６の状態Ｓ１０９又はＳ１１５においてＮＯであるときに、ＤＮＡＶ制御テーブルにおいて以下の通り制御データを記録して状態Ｓ１０１に戻る。
（ケース１）ＤＮＡＶ制御テーブルにおいて、受信したＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号の方位角に対応する制御データの欄が「使用可能」であるとき、ＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号に含まれている通信持続時間を現在時刻に加算することにより通信終了時刻を計算し、受信したＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号の方位角に対して当該計算した「時刻データ」を記録する。
（ケース２）ＤＮＡＶ制御テーブルにおいて、受信したＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号の方位角に対応する制御データの欄が所定の「時刻データ」であるときに、ＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号に含まれている通信持続時間を現在時刻に加算することにより通信終了時刻を計算し、その計算した通信終了時刻がすでに記録済みの「時刻データ」の時刻と同じ又は早い時刻であるときは何も処理をしないが、その計算した通信終了時刻がすでに記録済みの「時刻データ」の時刻よりも遅いときは、遅い方の当該計算した通信終了時刻を当該方位角の「時刻データ」として記録する。
【００９５】
さらに、状態Ｓ１０１におけるアイドル状態において、ＤＮＡＶ制御テーブルの制御データの欄に記載の「時刻データ」の時刻が現在時刻を過ぎたときは、当該「時刻データ」を「使用可能」に変更して更新する。
【００９６】
すなわち、各周辺隣接無線局は、他の無線局と無線通信を開始するときに、図９に示すように、トーン信号及びＲＴＳ信号を送信し、もしくはそれに応答してトーン信号及びＣＴＳ信号を送信するときに、ＤＮＡＶ制御テーブルを参照して使用可能な方位角のセクタパターンのみを用いて無線通信を行う。従って、各ノード無線局は、ＤＮＡＶ制御テーブルを生成して使用することにより、現在進行中の無線通信を所定の方位角毎に知ることができ、この情報を用いて、他の方向への新たな無線通信を開始することができ、このとき、現在進行中の無線通信との干渉を防止できる。これにより、シングルホップの無線ネットワークにおいて、ＳＤＭＡのために効率的なＭＡＣプロトコルを提供できる。
【実施例１】
【００９７】
本発明者らは、第１の実施形態に係る無線通信システムについて以下の通りシミュレーションを行い、以下のシミュレーション結果を得た。当該シミュレーションは、クアルネット（ＱｕａｌＮｅｔ）３．１を使用して実行し（非特許文献１２参照。）、当該シミュレーションにおいて、３０度で離散的に操向されて３６０度のスパンをカバーする擬似スイッチビームアンテナの形式の電子制御導波器アレーアンテナ装置（非特許文献１７−１８など参照。）を用いて実行した。当該シミュレーションは、（ｉ）シュミレーションした第１の実施形態に係るアンテナパターン及び（ｉｉ）サイドローブのない理想的な指向性アンテナパターン（理想パターン）を用いて、提案のＭＡＣプロトコルについて実行した。クアルネットシミュレータには、ＭＡＣ層における指向性仮想的な搬送波検出及びクアルネットシミュレータの物理層における指向性送信を実施するように必要な変更を加えた。
【００９８】
電子制御導波器アレーアンテナ装置は、２Ｍｂｐｓのデータレートでの各セクタパターンにおける受信信号レベルの測定に１６マイクロ秒を要し、各セクタパターン間でのビームパターンの変更に１０ナノ秒を要する。従って、電子制御導波器アレーアンテナ装置がセクタパターンを回転して、１２個のセクタパターンを設定して各アンテナパターンにおける利得を検出するためには、概ね［（１２×（１６＋０．０１））マイクロ秒＝］１９２．１２マイクロ秒を要する。それ故、シミュレーションでは、制御パケット内の先行トーンの持続時間が２００マイクロ秒になるように選択した。
【００９９】
本発明者らは、ルーティングプロトコルの影響を避けて、比較例であるＩＥＥＥ  ８０２．１１に規定するＭＡＣと、第１の実施形態に係るＭＡＣとの相違を明確に示すために、ランダムに選択した単純なシングルホップ通信を使用した。また、プロアクティブ（事前適応制御）であれ、アクティブ（適応制御）であれ任意のルーティングプロトコルからの制御パケットの生成をすべて停止するように、静止ルートを使用した。シミュレーションでは、データレート及び同時通信数を変更することにより、本発明者らが提案する第１の実施形態に係るＭＡＣプロトコルと、従来技術のＩＥＥＥ  ８０２．１１に規定するＭＡＣプロトコルとの性能を比較検討した。提案する第１の実施形態に係るＭＡＣプロトコルの検討では、上述の異なるアンテナパターンを使用して、本発明者らが提案する第１の実施形態に係るＭＡＣプロトコルのロバスト性を検証した。この実行に当たっては、電子制御導波器アレーアンテナ装置をアンテナパターンの１つとして使用し、電子制御導波器アレーアンテナ装置の性能についても評価した。
【０１００】
ノード無線局１は、１０００ｍ×１０００ｍの範囲にその４０個がランダムに配置され、２つのステップでシミュレーションを行った。まず、同時通信数を１０で一定に保持し、データレートを８１．９２Ｋｂｐｓ（５１２バイトのデータパケットを５０ミリ秒の間隔で挿入して送信）から漸次２．０４８Ｍｂｐｓ（５１２バイトのデータパケットを２ミリ秒の間隔で挿入して送信）まで上げた。次いで、データレートを４０９．６Ｋｂｐｓ（５１２バイトのデータパケットを１０ミリ秒の間隔で挿入して送信）で一定に保持し、同時通信数を４から１２に上げた。両ステップにおいて、平均スループット及びシングルホップのエンド・ツー・エンドの平均遅延時間を評価した。表５は、使用したパラメータセットをまとめたものである。
【０１０１】
【表５】
2005117165.tif 000007
【０１０２】
次いで、当該シミュレーションの結果と検討について以下に説明する。図１７乃至図２０において、それぞれ「第１の実施形態」及び「理想パターン」と表記した、電子制御導波器アレーアンテナ装置及び理想的なアンテナを使用する、本発明者らが提案するＭＡＣプロトコルの性能を比較評価する上で、ベンチマークとして「ＩＥＥＥ  ８０２．１１」と表記した従来技術のＩＥＥＥ８０２．１１に規定するＭＡＣを使用した。評価は、平均スループット及びシングルホップのエンド・ツー・エンドの平均遅延時間の２つの基準を基礎として用いた。
【０１０３】
図１７乃至図２０におけるシミュレーション結果はそれぞれ、異なるシードによる１０回の実行の平均値である。従って、完全な結果を得るためには４００を超える方法をシミュレーションすることを余儀なくされ、シミュレータでそれぞれ５分間のシミュレーションを実行して全体的な平均結果を得た。
【０１０４】
図１７では、データレートの上昇に伴って指向性アンテナパターンを有する提案する第１の実施形態に係る拡張されたＭＡＣプロトコル（以下、Ｅ−ＭＡＣという。）の平均スループットは、ＩＥＥＥ８０２．１１のそれより格段に優れていることが分かる。また、図１８では、第１の実施形態に係るシングルホップのエンド・ツー・エンドの平均遅延時間はＩＥＥＥ８０２．１１プロトコルで得られるもののほぼ２分の１であることが分かる。オムニパターンを用いたＩＥＥＥ  ８０２．１１のＭＡＣでは、ノード無線局１は、無線媒体が使用中であることを知るとバックオフ状態に入らなければならない場合が多い。データレートが上昇すると、ＭＡＣにおけるコンテンションは増大する。しかしながら、指向性でのセクタパターンのアンテナを使用し、かつ指向性の仮想的な搬送波検出を実装すれば、Ｅ−ＭＡＣは、全方向性のオムニパターンのアンテナを使用する「ＩＥＥＥ  ８０２．１１」では生成し得ない低コンテンション環境を創り出す。従って、図１７が示すように、Ｅ−ＭＡＣではデータレートの上昇に伴って平均スループットが著しく増大する。Ｅ−ＭＡＣでは、ＲＴＳ／ＣＴＳのハンドシェイクが実行されると、ノード無線局１は、データ（ＤＡＴＡ）信号及び肯定応答（ＡＣＫ）信号の送信及び受信を高利得で指向的に行う。従って、受信側のノード無線局においてデータ（ＤＡＴＡ）パケットを受信し損なう確率と、送信側のノード無線局において肯定応答（ＡＣＫ）パケットを受信し損なう確率は最低限に抑えられる。しかしながら、ＩＥＥＥ  ８０２．１１を用いたＭＡＣでは、データパケットを失う確率がＲＴＳ／ＣＴＳのハンドシェイクの場合よりも高い。これは、（ａ）データパケットは、ＲＴＳ／ＣＴＳの場合と同じ利得で全方向的に送信されかつ全方向的に受信される、（ｂ）データパケットはＲＴＳ／ＣＴＳに比べて大きなパケットであり、適正に受信するためにはＳＩＮＲレベルを長時間にわたって高く維持する必要がある、という２つの理由による。これらの理由は、Ｅ−ＭＡＣにおける平均スループットがＩＥＥＥ８０２．１１に比べて高いことをも説明している。
【０１０５】
ＭＡＣの性能は、アンテナパターンにも大きく依存する。それ故、本発明者らは、２つの異なるタイプのアンテナパターンをシュミレーションした。理想的なアンテナ（理想パターン）は、サイドローブのない理想的な指向性アンテナパターンである。本発明者らが研究している電子制御導波器アレーアンテナ装置は、取得される利得がＩＥＥＥ８０２．１１の場合のほぼ２倍である場合に極めて良好に機能する。結果を２つのビームパターンで示すことにおいては、次の２つの概念、すなわち（ａ）指向性アンテナを使用すればＥ−ＭＡＣは良好に機能し、Ｅ−ＭＡＣから取得可能な最大利得は、指向性アンテナのビーム幅が４５度でセクタパターンの主ビームが互いに各４５度離隔したアンテナパターンを用いる場合であればＩＥＥＥ  ８０２．１１のそれのほぼ３倍であること、及び（ｂ）最大利得を与えるビーム幅４５度の理想のアンテナパターンでは、６０度のビーム幅を有する電子制御導波器アレーアンテナ装置の性能は極めて妥当なものであることを念頭に置いた。図１８では、Ｅ−ＭＡＣにおけるＳＤＭＡ効率に起因して、Ｅ−ＭＡＣの低コンテンションは低いシングルホップのエンド・ツー・エンドの平均遅延時間をもたらすことが分かる。電子制御導波器アレーアンテナ装置を使用すれば、この遅延はＩＥＥＥ８０２．１１のＭＡＣプロトコルの場合のほぼ２分の１である。
【０１０６】
図１９では、同時通信数が増加すると平均スループットはＥ−ＭＡＣ及びＩＥＥＥ  ８０２．１１の双方で低下するが、Ｅ−ＭＡＣの方は平均スループットにおいて多大な利得を示すことが観察される。これは、Ｅ−ＭＡＣは近傍ノード無線局による送信を抑止せず、進行中の通信とその方向を近傍ノード無線局に知らせるだけであり、近傍ノード無線局は他の方向で通信を開始できるためである。しかしながら、全方向性のオムニパターンのアンテナを使用するＩＥＥＥ  ８０２．１１は、ＲＴＳ／ＣＴＳ信号を送信してすべての近傍ノード無線局をサイレント状態に保持する。また、図２０に示すように、同時通信数が増加するとシングルホップのエンド・ツー・エンドの平均遅延時間はＥ−ＭＡＣ及びＩＥＥＥ  ８０２．１１の双方で増大するが、増大の程度は全方向性のオムニパターンの使用に関わらず「ＩＥＥＥ  ８０２．１１」の方がＥ−ＭＡＣより顕著である。同時通信数が増加すると、同時通信数に伴う干渉の増加に起因して各通信への干渉は増大する。ここで、Ｅ−ＭＡＣはその近辺における他のノード無線局に進行中の通信を知らせるだけでなく指向性の送受信を行うことから、他の方向からの干渉も最小限に抑えられる。このようにＥ−ＭＡＣは、さらに多くの同時通信数が可能なＳＤＭＡ効率を利用し、図２０から観察されるようなより短い待ち行列遅延及びより短いシングルホップ平均終端間遅延をもたらす。
【０１０７】
指向性の送信エリアは、主としてアンテナパターン及びその主ローブの利得に依存するため、低減された送信電力レベルｐは異なるアンテナパターンで相違する。ノード無線局は、当該ノード無線局にどちらのアンテナが装備されているかを認識していれば、その指向性の送信エリアの半径と、全方向性の送信エリアの半径とをほぼ等しくするように、指向性送信の間にその電力を適宜制御することができる。従って、指向性のセクタパターンを用いてときの送信電力を調整することにより、指向性送信がフルパワーの５５％（第１の実施形態に係る電子制御導波器アレーアンテナ装置の場合）及び２０％（理想パターンの場合）で実行されると、指向性の送信エリアの半径は全方向性の送信エリアの半径とほぼ等しくなることが観察されている。
【０１０８】
図２１及び図２２の結果は、電子制御導波器アレーアンテナ装置を使用すれば、電力制御により、消費される送信エネルギーはフルパワーの場合よりもほぼ５８％少なくなり、対応する平均スループットは１．１７％増加することを示している。消費される送信エネルギーを４１％少なくする理想的な指向性アンテナの場合、提案する第１の実施形態に係るＭＡＣプロトコルはスループットで１．２３％の利得を生み出す。これは主として、指向性送信電力を低減しかつ指向性及び全方向性の送信エリアの半径をほぼ等しくすることによって達成されるＳＤＭＡ効率に起因する。予め定義された電力制御式の指向性送信により、衝突によるパケットロスの確率は下がり、同時通信の確率は上がる。シミュレーションの結果は、これを明確に反映している。
【０１０９】
以上説明したように、本実施形態によれば、適切なＭＡＣプロトコルの設計が可能であれば、アドホック無線ネットワークにおける指向性アンテナの使用によってシステム性能を格段に向上させることができる。仮想的な搬送波検出を指向的に設定すれば、指向性のセクタパターンのアンテナの使用により無線媒体を最大限に利用することができる。位置追跡によるオーバーヘッドを最小限に抑えれば、ＭＡＣで得られる利得は実に大きい。
【０１１０】
第２の実施形態．
図２３は第２の実施形態に係るアドホック無線ネットワークにおけるマルチホップの無線通信制御処理を実行する各無線局の平面図である。第２の実施形態に係る無線通信システムは、第１の実施形態に係る無線通信システムに比較して、無線通信システム自体のハードウエアは同一であるが、第１の実施形態におけるシングルホップの無線通信ルーティングに対して、図２３に示すように、他のノード無線局と無線リンクを少なくとも１つをそれぞれ有するノード無線局１−１乃至１−７のうち、発信元無線局から宛先無線局まで複数ホップ、すなわちマルチホップの無線通信ルーチィングを実施するものであり、ここで、特に、各周辺隣接無線局は、他の無線局と無線通信を開始するときに、図９に示すように、トーン信号及びＲＴＳ信号を送信し、もしくはそれに応答してトーン信号及びＣＴＳ信号を送信するときに、ＤＮＡＶ制御テーブルを参照して使用可能な方位角のセクタパターンのみを用いて無線通信を行うことを特徴としている。具体的には、マルチホップの無線通信において、図９、図１５及び図１６の無線通信制御処理を実行する。
【０１１１】
本実施形態では、アドホック無線ネットワークのための方向探索方法を有する効率的な指向性ＭＡＣプロトコルを提案する。この効率的な指向性ＭＡＣプロトコルは、各ノード無線局１が周期的にその近傍の指向性情報を収集して、ＡＳテーブルを形成する受信のノード無線局１に対して配向された方向探索方法を使用している。ＡＳテーブルを基礎として、各ノード無線局１はその隣接ノード無線局の方向を知り、送受信の間の媒体アクセスを制御する。第１の実施形態の変形例に係る図９に示すように、指向性のＤＡＴＡ／ＡＣＫパケットは、全方向性のＲＴＳ／ＣＴＳの後に送信される。この全方向性のＲＴＳ／ＣＴＳは、ＡＳテーブルからの方位角情報を有するＤＮＡＶ（指向性ネットワーク位置ベクトル）の使用により、進行中の近傍の無線通信を妨害することなく発行することができる。また、均等化された受信機感度及び受信機しきい値の効果も調査している。
【０１１２】
本発明者らの先の研究では、各ノード無線局は、方位角毎のＳＩＮＲテーブルの保守更新を行うことにより、所定の近傍情報を動的に保持するＭＡＣプロトコル（非特許文献９参照。）を開発した。この方法では、ＡＳテーブルを形成するために各ノード無線局が周期的に指向性ブロードキャストの形式の指向性ビーコン信号を３０度間隔で連続して全方向に送信し、３６０度の空間全体をカバーする。これらの信号を異なる方位角で受信する複数のノード無線局は、受信した信号の最良品質を決定し、その情報をソースノード無線局へＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクを有するデータパケットとして送り返す。ここで、この方法では、制御パケットに起因するオーバーヘッドが極めて高い（非特許文献９参照。）。
【０１１３】
次いで、指向性探索方法を有する指向性ＭＡＣプロトコルについて以下に説明する。本実施形態に係る指向性ＭＡＣプロトコルは、基本的には、指向性探索方法としても機能する「受信機指向性の回転セクタを基礎とする指向性ＭＡＣプロトコル」である。その隣接ノード無線局の方向を追跡するため、各ノード無線局Ｎｎは周期的にその近傍情報を収集してＡＳテーブルを形成する。ＳＩＧＮＡＬθｎ，ｍ（ｔ）は、ノード無線局Ｎｎにおいてノード無線局Ｎｍからノード無線局Ｎｎに対する方位角θで受信され、かつノード無線局Ｎｎにより任意の時間ポイントｔで検出された信号の最大強度である。ＡＳテーブルに基づいて、ノード無線局Ｎｎはノード無線局Ｎｍの方向を知り、送受信の間の媒体アクセスを制御する。この場合、各ノード無線局は無為に全方向性検出モードで待機する。これは、しきい値を超える何らかの信号を検出する度に回転セクタ受信モードに入り、その指向性アンテナを連続的に全方向へ３０度間隔で回転させて各方向で連続する指向性受信の形式で３６０度の空間全体をカバーし、受信される信号を各方向で検出する。回転が一周すると、最大の受信信号強度によって、信号を受信する最良の可能方向を決定する。次いで、そのビームをその方向に設定し、信号を受信する。ここで、受信機が受信された信号を復号できるようにするため、各制御パケットは、受信機の回転性の受信ビームが３６０度回転する時間が当該トーンの持続時間よりわずかに短い（本発明者らのケースでは、２００マイクロ秒）持続時間を有する先行トーン信号を伴って送信される。任意の制御パケットの前に送信されるこのトーンの目的は、受信機が信号受信の最良可能方向を追跡できるようにすることにある。当該ビームがその方向へ設定されると、トーン信号の目的は果たされ、続いて制御パケットが送信される。各ノード無線局は周期的に全方向性ビーコンを送信し、ビーコン信号を受信する側のその隣接ノード無線局はこれを復号化してＡＳテーブルにエントリする。この場合、ＲＴＳ／ＣＴＳ信号は先行トーン信号を伴って送信されかつビーコン信号としても機能する発信元無線局アドレスを包含するため、高いトラフィックでのビーコン送信のオーバーヘッドが最小化される。
【０１１４】
ノード無線局Ｎｎは、例えばノード無線局Ｎｊとのデータ通信の開始を希望するとき、無線媒体をチェックし、フリー（未使用）であれば、ノード無線局Ｎｎは全方向性ＲＴＳ信号を送信して発行する。ＲＴＳ信号を受信した目的の受信ノード無線局Ｎｊは、全方向性ＣＴＳ信号を送信して発行する。この場合のＲＴＳ／ＣＴＳの目的は、オムニパターンアンテナの場合がそうであるようなノード無線局Ｎｎ及びＮｊの隣接ノード無線局による送信又は受信を禁止することではなく、ノード無線局Ｎｊがノード無線局Ｎｎからデータを受信しつつあることをノード無線局Ｎｊ及びＮｎの隣接ノード無線局に知らせることにある。これはまた、通信のおおよその持続時間も特定することができる。ノード無線局Ｎｎ及びＮｊのすべての隣接ノード無線局は、そのＤＮＡＶをノード無線局Ｎｎ及びＮｊに向けて設定することにより、ノード無線局Ｎｎ及びＮｊ間の通信を追跡する。こうして、ノード無線局Ｎｎ及びＮｊの近傍における隣接ノード無線局は、ノード無線局Ｎｎ及びＮｊ間の現行通信を妨害することなく他の方向で通信を開始することができる。次いで、発信元無線局及び宛先無線局はデータ及び肯定応答信号（ＡＣＫ信号）をセクタパターンを用いて指向的に送信し、それぞれ指向性受信モードで肯定応答信号（ＡＣＫ信号）及びデータ信号を待つ。
【０１１５】
以上説明したように、本実施形態によれば、マルチホップの無線通信を行う無線ネットワークにおいて、他の無線局からの無線信号を検出し、セクタパターンを用いてすべての方位角にわたってアンテナのビーム方向を回転して最大の信号強度を有する方位角を探索した後、上記検出した無線信号が無線通信を行う無線局でないときに、当該無線局の方位角に対するセクタパターンを用いて無線通信を行うことを禁止する。従って、例えばＩＴＳなどの無線通信システムにおいて、すべてのノード無線局が１つの線上に位置するトポロジーの下では、指向性のＲＴＳ／ＣＴＳは発信元無線局による通信の意向を宛先無線局の反対方向へ知らせることが可能であり、隠れたノード無線局から多くのパケットが送信されることはない。従って、シミュレーション結果を参照して詳細後述するように、ホップ数が増加してもスループットとエンド・ツー・エンド遅延時間を従来技術に比較して改善できる。
【０１１６】
ここで、上記各無線局はセクタパターンを用いて無線送信し、上記各無線局においてそれぞれ互いに、図３０に示すように、受信機感度（受信機において変調された無線信号を実質的に誤り無く復調することができる受信信号レベルをいう。）と受信機しきい値（受信機において無線信号の有無を判断するときの信号レベルのしきい値をいう。）とを実質的に等しく設定することが好ましい。従って、指向性のセクタパターンのアンテナを使用する場合、受信機感度と受信機しきい値とを等しくすることによって、図２４のごとく、２つの無線リンクで同時に無線通信を行うことができる。また、ＳＤＭＡ効率を大幅に向上させることができる。それ故、ノード無線局は、当該ノード無線局によって受信されかつ復号化される可能性を有する無線信号のみによってサイレント状態にされる。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明に係る第１の実施形態であるアドホック無線ネットワークを構成する複数の無線局１−１乃至１−９の平面配置図である。
【図２】図１の各無線局１の内部構成を示すブロック図である。
【図３】図１の可変ビームアンテナ１０１のセクタビームパターンの一例を示す図である。
【図４】図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いられるパケットデータのフォーマットを示す図である。
【図５】図２のデータベースメモリ１５４において格納される方位角及び信号強度レベルテーブル（ＡＳテーブル）の一例を示す表である。
【図６】図２のデータベースメモリ１５４において格納され、第１の実施形態の変形例において用いるＤＮＡＶ制御テーブルの一例を示す表である。
【図７】図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いられるトーン信号とパケット信号の送受信処理を示すタイミングチャートである。
【図８】第１の実施形態において用いられる各ノード無線局での放射パターンの種類と無線通信プロトコルを示すタイミングチャートである。
【図９】第１の実施形態の変形例において用いられる各周辺隣接無線局での放射パターンの種類と無線通信プロトコルを示すタイミングチャートである。
【図１０】第１の実施形態において、指向性アンテナを用いて改善されたＳＤＭＡ効率を有する無線通信システムにおける各ノード無線局の放射パターンを示す平面図である。
【図１１】第１の実施形態において用いる、電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置１００を用いたアレーアンテナの制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図１２】図１１のアレーアンテナ装置１００の縦断面図である。
【図１３】第１の実施形態のシミュレーションにおいて用いた種々の異なったアンテナ放射パターンであって、（ａ）は図１１のアレーアンテナの制御装置１００の方位角Ａｄ＝０度のときの放射パターンの平面図であり、（ｂ）は図１１のアレーアンテナの制御装置１００の方位角Ａｄ＝３０度のときの放射パターンの平面図であり、（ｃ）は理想的な指向性アンテナの放射パターン（理想パターン）を示す平面図である。
【図１４】第１の実施形態において、送信無線局Ｎｎによる受信無線局Ｎｍの信号捕捉が、他の送信無線局Ｎｐからの干渉信号を許容するように十分に強い場合を示す平面図である。
【図１５】第１の実施形態の変形例で用いるＤＮＡＶ法を説明するための平面図である。
【図１６】図２の管理制御部１５１によって実行される無線通信制御処理を示す状態遷移図である。
【図１７】第１の実施形態及び比較例のシミュレーション結果であって、データレートに対する平均スループットを示すグラフである。
【図１８】第１の実施形態及び比較例のシミュレーション結果であって、データレートに対するシングルホップのエンド・ツー・エンドの平均遅延時間を示すグラフである。
【図１９】第１の実施形態及び比較例のシミュレーション結果であって、同時通信数に対する平均スループットを示すグラフである。
【図２０】第１の実施形態及び比較例のシミュレーション結果であって、同時通信数に対するシングルホップのエンド・ツー・エンドの平均遅延時間を示すグラフである。
【図２１】第１の実施形態及び比較例のシミュレーション結果であって、送信エネルギーの平均消費量を示すグラフである。
【図２２】第１の実施形態及び比較例のシミュレーション結果であって、平均スループットを示すグラフである。
【図２３】第２の実施形態に係るアドホック無線ネットワークにおけるマルチホップの無線通信制御処理を実行する各無線局の平面図である。
【図２４】図２３のマルチホップの無線通信制御処理における作用効果を説明するための各ノード無線局の平面図である。
【符号の説明】
【０１１８】
Ａ０…励振素子、
Ａ１乃至Ａ６…非励振素子、
ＮＳ…発信元無線局、
ＮＤ…宛先無線局、
ＮＸ，ＮＹ…隣接無線局、
１，１−１乃至１−９，１−ｉ，１−ｊ，１−ｋ，Ｎｓ，Ｎｒ，Ｎｎ，Ｎｍ，Ｎｐ，Ｎｑ，Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚ，ＮＡ，ＮＢ，ＮＣ，ＮＤ…ノード無線局、
１Ｌ…低雑音増幅器（ＬＮＡ）、
２…ダウンコンバータ、
３…Ａ／Ｄ変換器、
４…復調器、
５…給電用同軸ケーブル、
６…サーキュレータ、
７…無線送信機、
１１…接地導体、
１２−１乃至１２−６…可変リアクタンス素子、
２０…適応制御型コントローラ、
２１…学習シーケンス信号発生器、
１００…アレーアンテナ装置。
１０１…可変ビームアンテナ、
１０２…サーキュレータ、
１０３…指向制御部、
１０４…パケット送受信部、
１０５…トラヒックモニタ部、
１０６…回線制御部、
１０７…上位レイヤ処理装置、
１３０…パケット受信部、
１３１…高周波受信機、
１３２…復調器、
１３３…受信バッファメモリ、
１４０…パケット送信部、
１４１…送信タイミング制御部、
１４２…送信バッファメモリ、
１４３…変調器、
１４４…高周波送信機、
１５１…管理制御部、
１５２…検索エンジン、
１５３…更新エンジン、
１５４…データベースメモリ、
１５５…クロック回路、
１６０…拡散符号発生器。
【図１】
2005117165.tif 000008
【図２】
2005117165.tif 000009
【図３】
2005117165.tif 000010
【図４】
2005117165.tif 000011
【図５】
2005117165.tif 000012
【図６】
2005117165.tif 000013
【図７】
2005117165.tif 000014
【図８】
2005117165.tif 000015
【図９】
2005117165.tif 000016
【図１０】
2005117165.tif 000017
【図１１】
2005117165.tif 000018
【図１２】
2005117165.tif 000019
【図１３】
2005117165.tif 000020
【図１４】
2005117165.tif 000021
【図１５】
2005117165.tif 000022
【図１６】
2005117165.tif 000023
【図１７】
2005117165.tif 000024
【図１８】
2005117165.tif 000025
【図１９】
2005117165.tif 000026
【図２０】
2005117165.tif 000027
【図２１】
2005117165.tif 000028
【図２２】
2005117165.tif 000029
【図２３】
2005117165.tif 000030
【図２４】
2005117165.tif 000031