(57)【要約】    【課題】      ＷＬＡＮで高スループットを実現するため適用できる方法、システムを提供する。    【解決手段】  本発明の核心は、ＷＬＡＮのＡＰでＳＤＭＡ対応マルチビームアンテナシステムを使用することである。動的ビーム形成および固定ビームアンテナの２種類のアンテナに基づくシステムを記述する。ＳＤＭＡ対応ＡＰとの間で同時送信を実現し、それによってスペクトル効率を向上し、ひいてはより高いスループットを実現するメカニズムおよびプロトコルを詳細に説明する。今日のＷＬＡＮ ＭＡＣはスループットにおいて大きな制約があるという認識に基づいて、あるＭＡＣ拡張（ＳＤＭＡとは独立しても適用できる）についても説明する。バッテリ性能を向上し端末の小型化に貢献する省電力および電力制御技術、またチャネル干渉の低減についても開示する。本発明はさらに、本発明で記述するサブセットであるプロトコルを実現する従来デバイスとの後方互換性の問題についても取り扱う。  【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ネットワークの総スループットの向上を図ったワイヤレスネットワークにおける媒体アクセス制御方法およびシステムであって、
（ｉ）ＳＤＭＡ対応マルチビームアンテナおよび個々の送受信機が異なるアンテナビームに同時接続されるような複数の送受信機を搭載したアクセスポイント（ＡＰ）と、
（ii）ワイヤレスＬＡＮの受信空間に分散した１台以上の端末と、
を具備する。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムに適用されるタイミング構造であって、
（ｉ）ワイヤレスネットワークの存在を通知しネットワーク上の各端末にタイミング基準を提供する、周期的に送信されるビーコンフレームと、
（ii）アンテナ特性を活用し、同じチャネル上で複数の同時送信を実現するようにＡＰがワイヤレスチャネルに対するアクセスを制御しユーザとの間の送信を調整することによりネットワークのスループットを効果的に向上する期間である「監視アクセスモード」と、
（iii）ＡＰアンテナを無指向性パターンに構成し、各端末が従来のキャリアセンス技術を用いた送信を行えるように自由にチャネルにアクセスする期間である「非監視アクセスモード」と、
（iv）ＡＰが監視または非監視アクセス期間を開始または終了するシグナリングと、
を具備する。
【請求項３】
請求項１に記載の方法およびシステムを実現するプロトコルスタックであって、
（ｉ）複数のワイヤレス端末が共有媒体にアクセスするアクセス規則を定義する役割を果たす媒体アクセス制御（ＭＡＣ）レイヤと、
（ii）ワイヤレスチャネル上で実際のデータ送受信を行う役割を果たす物理レイヤと、
（iii）ワイヤレスネットワーク全体のスループットを向上するために（ｉ）および（ii）に記載のレイヤの動作を管理・調整するマネージメントエンティティと、
を具備する。
【請求項４】
請求項３に記載のプロトコルスタックの（ｉ）に記載の媒体アクセス制御（ＭＡＣ）レイヤおよび請求項１に記載のシステムであって、
（ｉ）キャリアセンスメカニズムを用い１組の規則に基づいて各端末を送信媒体をめぐって競わせる競合方式のアクセスメカニズムと、
（ii）特定の端末があらかじめ指定したサービスの品質レベルを維持しながら、ＡＰがその端末の帯域要求を満たすことができるポーリング方式チャネルアクセスメカニズムと、
（iii）各端末とアクセスポイント間のデータ転送を調整し、（ｉ）および（ii）に記載の媒体アクセスメカニズムを使用してマルチビームアンテナの機能を活用することによって高スループットを実現するビームアクセスコーディネータと、
を具備する。
【請求項５】
ＡＰによって同報通信され、ネットワーク上に分散した各端末にＷＬＡＮの存在を通知しタイミング基準を提供する、請求項２の（ｉ）に記載のビーコンフレームであって、
（ｉ）各端末が一意的かつ明確にＡＰ、したがって特定のネットワークの識別を可能にする、前記ワイヤレスネットワークに固有の識別子と、
（ii）アクセスポイントの実装により特に定義されるようなワイヤレスネットワークの機能とプロトコルに関する情報と、
（iii）本ワイヤレスネットワーク上のアクセスポイントによって同報通信されるビーコンの使用周波数を記述した情報と、
（iv）ワイヤレスネットワークが監視アクセスモードで動作する期間であり、従来端末がそのスーパーフレーム期間に加入または送信を実行しないようにし、結果的にそのような送信／衝突によるワイヤレスネットワークのスループットに対する影響を最小限にすることを図った期間と、
を含む。
【請求項６】
請求項５の（ii）に記載の、端末（またはＡＰ）の機能およびプロトコルを記述した情報であって、
（ｉ）端末の媒体アクセス制御プロトコルの種類を確認することができるプロトコル参照番号と、
（ii）アンテナの種類およびパターンと、
（iii）アンテナの切り替え／操作機能と、
（iv）端末の方向探知／測位機能と、
を具備する。
【請求項７】
特定のワイヤレスネットワークへの加入を望む端末から送信され、（ｉ）、（iv）および（ｖ）に記載の情報要素と、ネットワーク構成および端末の機能によっては（ii）および（iii）に記載の情報要素とを任意に含み、シグナリングのオーバヘッドを低減する加入要求フレームであって、
（ｉ）端末がＷＬＡＮへの加入を望んでいることをＡＰに通知するためビーコンフレームで受信した請求項５の（ｉ）に記載のワイヤレスネットワーク識別子と、
（ii）請求項１１および請求項１２にそれぞれ記載された「ビーム開始ビーコン」および「ビーム終了ビーコン」の有無を検出することによって端末が決定する、その範囲に端末を含みかつその端末が加入を望むビームグループのグループ識別子と、
（iii）請求項１１および請求項１２にそれぞれ記載された「ビーム開始ビーコン」および「ビーム終了ビーコン」の有無を検出することによって端末が決定する、その範囲に端末を含みかつその端末が加入を望む特定ビームのビーム識別子と、
（iv）ＡＰが次の通信において一意的に識別できるように端末自身のアドレスと、
（ｖ）ＡＰに加入の可否を決定させ、加入を認める場合その端末に対して最善のサービスを提供する方法を決定させる、その端末が実装している請求項６に記載のプロトコルの特徴および機能に関する情報と、
を含む。
【請求項８】
請求項７に記載の加入要求フレームに対してアクセスポイントが送信し、各端末の要求を受諾または拒否し、（ｉ）、（iv）および（ｖ）に記載の情報要素と、ネットワーク構成、ＡＰおよび端末の機能ならびに送信された加入要求の構造によっては（ii）および（iii）に記載の情報要素とを任意に含む加入応答フレームであって、
（ｉ）端末が作成した請求項７に記載の加入要求を認めると返答するための、請求項５の（ｉ）に記載のワイヤレスネットワーク識別子と、
（ii）ＡＰがその端末との通信に使用するビームグループのグループ識別子と、
（iii）ＡＰがその端末との通信に使用するビームのビーム識別子と、
（iv）加入応答の送信先である端末自身のアドレスと、
（ｖ）要求の状態（すなわち、成功または失敗）ならびにＡＰがサポートしている特徴および機能に関する情報と、
を含む。
【請求項９】
ＡＰが端末に対しある期間、あらかじめ決定したトレーニングシーケンスを送信するよう要求し、ＡＰがこの送信を用いてＡＰに対するその端末の空間位置を特定する捕捉要求であって、
（ｉ）捕捉要求を行う端末のアドレスと、
（ii）捕捉要求の送信先である端末のアドレスと、
（iii）アドレスを指定した端末に送信するよう要求したトレーニングシーケンスの送信期間または長さと、
を含む。
【請求項１０】
更なる送受信動作のために特定のビームグループに割り当てる、ＡＰが端末に対して送信するグループＩＤ割り当てフレームであって、
（ｉ）ＡＰのアドレス／ＷＬＡＮのＩＤと、
（ii）グループＩＤ割り当てフレームの送信先である端末のアドレスと、
（iii）ＡＰによって決定されアドレスを指定した端末に割り当てられたグループＩＤと、
（iv）ＡＰがアドレスを指定した端末とのその次の通信で使用するビームのビーム識別子と、
を含む。
【請求項１１】
ＡＰから特定のビームおよびグループの端末に同報通信される、そのビームグループのユーザに対して動作開始を示す、ビーム開始ビーコンフレームであって、
（ｉ）各端末に送信元の識別を可能にするＡＰのアドレス／ＷＬＡＮのＩＤと、
（ii）請求項６に記載のワイヤレスネットワークの機能とプロトコルに関する情報と、
（iii）前記ビームのグループＩＤと、
（iv）前記ビームのビームＩＤと、
（ｖ）前記グループがアクティブである期間、すなわちＡＰが他のグループのユーザに対応するため別のアンテナパターンに切り替える前に前記グループのユーザとの間で送受信する期間と、
（vi）前記グループおよびビームの各端末が互いに同期をとることを可能にする、ビーム開始ビーコンを送信する周波数と、
（vii）現在のグループ期間にＡＰが作成する下り送信のスケジュールと、
を含む。
【請求項１２】
ＡＰが特定のビームおよびグループの各端末に対して同報通信する、その組のユーザに対して動作の終了を示すビーム終了ビーコンであって、
（ｉ）各端末が送信元の識別を可能にするＡＰのアドレス／ＷＬＡＮのＩＤと、
（ii）請求項６に記載のワイヤレスネットワークの機能およびプロトコルに関する情報と、
（iii）前記ビームのグループＩＤと、
（iv）前記ビームのビームＩＤと、
（ｖ）前記ユーザが消費電力の低減を容易にする動作モードを採用できる、前記グループが非アクティブの状態となる期間と、
を含む。
【請求項１３】
ＡＰが特定ビームの各端末に送信する、ワイヤレス媒体におけるポーリング方式媒体アクセスおよび競合方式アクセスのスケジュールを定義するポーリングおよび監視競合通知フレームであって、
（ｉ）各端末にそれぞれ割り当てたポーリングリストと、
（ii）媒体を、監視競合アクセス期間として知られる指定した期間の上り回線競合方式アクセス用として宣言する情報要素と、
を含む。
【請求項１４】
請求項１３の（ｉ）に記載の、各端末に割り当てられたポーリングリストであって、
（ｉ）ポーリング方式アクセスを許可された端末のアドレスと、
（ii）ポーリング時刻、すなわち端末が送信を開始できる時刻と、
（iii）ポーリング期間、すなわち端末が送信を実行できる期間と、
（iv）ポーリングが帯域をあらかじめ要求したストリーム用であること、あるいは過去に送信した下り回線フレーム等の受信確認を請求することを目的としていることを端末に対して示すためのポーリングまたは許可の目的と、
を含む。
【請求項１５】
「扇形」ビームを形成することができるＳＤＭＡ対応アンテナを使用したＡＰであって、
（ｉ）そのビームに属するユーザに対して受信電力レベルの変動を最小限に抑える、通過帯域で比較的に安定した利得と、
（ii）あるビームから別のビームのユーザへの送信によって生じる干渉を抑えることによってＡＰにより小さな間隔でビームを生成させ、スペクトル効率を高めしたがって高スループットを得る、鋭いロールオフ、すなわち狭い遷移幅の、
特性を持つ。
【請求項１６】
マルチビームアンテナを搭載し動的にビームを生成することができる請求項１５に記載のＡＰを使用したＷＬＡＮシステムであって、
（ｉ）個々のユーザの空間的配置とそれぞれのトラフィック負荷に対して受信可能範囲パターンを最適化し、
（ii）空間的配置によってユーザをグループ化することによってグループやビームの異なるユーザ間のトラフィック量／稼働率の分散を最小限に抑える、
機能を持つ。
【請求項１７】
請求項２に記載のタイミング構造を使用した請求項１６に記載のＷＬＡＮシステムであって、
（ｉ）請求項１６の（ｉ）で説明した既存のアンテナパターンに対応していないエリアに存在する新しい端末に受信可能範囲／検出を提供するように、無指向性ビームパターンを使用して周期的に送信する請求項５に記載のビーコンフレームと、
（ii）監視アクセス期間に使用する既存アンテナパターンの受信可能範囲に存在しない新しい端末の検出と加入を容易にするために、新しい端末が請求項５記載の同報ビーコンから推測できる、周期的に繰り返す非監視アクセス期間と、
（iii）該当するグループ／ビーム期間の開始と終了を通知し、ビームおよびビームのグループＩＤを受信可能範囲内の各端末に通知するサービスを行うため、グループ期間の異なるビームにおいて実行する、請求項ｌｌおよび請求項１２に記載のビーム開始およびビーム終了ビーコンの送信と、
（iv）請求項２７の（ii）に記載の前記ビームの監視競合アクセスモード時に呼び出される、請求項７および請求項８に記載の加入シグナリングの送信を開始する既存ビームの受信可能範囲に存在する端末と、
（ｖ）（ii）に記載の非監視アクセス期間中に、請求項７および請求項８に記載の加入シグナリングの送信を開始する既存ビームの受信可能範囲に存在しない端末と、
（vi）請求項８の（ii）および（iii）に記載の情報要素を利用してグループおよびビームＩＤを割り当てられた（iv）に記載の端末と、
（vii）請求項１０に記載のフレームを利用してグループおよびビームＩＤを割り当てられた（ｖ）に記載の端末と、
（viii）請求項１０に記載のシグナリングによって端末に随時新しいグループＩＤの再割り当てを行うことができるＡＰと、
を具備する。
【請求項１８】
請求項１７の（vii）で要求された機能を実現し、ユーザが移動しその結果請求項１７の（viii）の呼び出しが発生する場合に対応するために、必要に応じてある端末のグループおよびビームＩＤを特定する方法であって、
（ｉ）ＡＰが請求項９に記載の捕捉要求フレームを端末に送信し、
（ii）端末が所定のトレーニングシーケンスで（ｉ）の要求に応答し、
（iii）ＡＰが生成可能な種々のビームを切り替え、ユーザの位置をトレーニングシーケンスが（異なる利得でビーム対して正規化された）最大強度で受信されるビームの方向にあるものとして検出し、
（iv）（iii）の代わりに請求項１９に記載の方法および装置を用いて端末の初期位置を特定して引き続きユーザ位置を更新する、
工程からなる。
【請求項１９】
端末が実行するすべての上り送信に基づいて、ＡＰに端末の移動性を予測させることによって請求項１８の方法の使用とそれに伴うオーバヘッドを最小限に抑えるため、ＡＰがユーザの位置を連続的に更新する方法および装置であって、
（ｉ）静的かつ端末からの送信を受信するために使用する請求項１５に記載の特性を持つ一次ビームを用い、
（ii）一次ビームの近傍をスイープする請求項１５に記載の特性を持つ制御可能な二次ビームを使用し、
（iii）受信電力レベルに過渡現象が存在する二次ビームの角度位置を特定し、
（iv）上記（iii）の２つのビーム位置で範囲が決まる角度の二等分線によって端末の位置を与える、
工程からなる。
【請求項２０】
請求項１５に記載のマルチビームアンテナを搭載したＡＰを使用するＷＬＡＮシステムであって、隣接するビーム間の重複が最小になるよう全空間を一組の固定ビームでカバーすることができ、少なくとも２つのグループＩＤを持つシステム。
【請求項２１】
監視アクセスモードのみからなるフレーム構造を使用し、媒体の使用効率を向上した請求項２０に記載のＷＬＡＮシステムであって、
（ｉ）該当するグループ／ビーム期間の開始と終了を通知し、ビームおよびビームのグループＩＤを受信可能範囲内の各端末に通知するサービスを行うため、グループ期間の異なるビームにおいてそれぞれ請求項１１および請求項１２に記載のビーム開始およびビーム終了ビーコンを送信し、
（ii）端末は、請求項２７の（ii）に記載の前記グループ／ビームの監視競合アクセスモード時に呼び出される、請求項７および請求項８に記載の加入シグナリングによってＡＰに対して示す端末が存在する領域のグループ／ビームＩＤを検出し、
（iii）ＡＰは、（ii）に記載の加入シグナリングに応答して端末にグループ／ビームＩＤを割り当てるとともに、２つのグループのビーム間で重なる領域に存在する端末の場合、グループ内の異なるビームのユーザのトラフィック分散を最適化し、
（iv）ＡＰは、請求項１０に記載のシグナリングを用いて端末に新規のグループＩＤの再割り当てを随時行うことができる、
ことを特徴とする。
【請求項２２】
請求項１６および請求項２１に記載のＷＬＡＮシステムのＡＰおよび各端末の、端末の移動性を検出し対処する機能であって、
（ｉ）ＡＰが連続したポーリング失敗または端末からの確認応答を観察することにより端末の移動を検出し、
（ii）ＡＰが元のビームに隣接するビームを使って見失った端末に新規のグループＩＤ割り当てを送信し、
（iii）ＡＰが（ii）に記載の方法によって端末の再捕獲ができない場合、請求項１８に記載の捕捉要求シグナリングを再送し、
（iv）端末がポーリング失敗あるいはＡＰからの確認応答の失敗および／または割り当てられたグループのビーム開始およびビーム終了ビーコンの喪失が高い確率で発生したことを検出した場合、すべての省電力動作を中断し、ＡＰが（ii）および（iii）の工程を用いてその端末の再捕獲を行う、
工程からなる。
【請求項２３】
次の動作期間まで特定のグループの端末の省電力動作を容易にするために行う、請求項２の（ii）に記載の監視アクセス期間のグループ別の期間分割であって、
（ｉ）前記グループのユーザに対して請求項１１および請求項１２に記載のビーム開始およびビーム停止ビーコンを用いてグループの動作期間の開始および停止を通知し、
（ii）特定のグループのすべてのビームに対してビーム開始およびビーム終了ビーコンの送信の同期をとる、
工程からなる。
【請求項２４】
請求項１１の（vii）に記載のビーム開始ビーコンの下り回線スケジュール要素の組み込みであって、
（ｉ）送信先のアドレス、送信の長さおよび前記送信を行う時刻からなる下り送信のスケジュールを示し、
（ii）下り送信スケジュール、すなわち請求項１３に記載のポーリングおよび監視競合通知フレームに対応した送信時間の終了を示し、与えられたグループ期間に下り送信を受信する予定のない端末がそのグループ期間の下り回線期間で省電力を実行できるようにする、
ことを目的とする。
【請求項２５】
同じグループ内の異なるビームによる送信を、実際のＲＦ成分での不完全な分離によって生じる他のビームとの衝突およびＡＰ自身での衝突を回避するために行う伝送の集約および同期化であって、
（ｉ）前記グループの端末を対象にし、請求項２４に記載の下り回線スケジュール要素に対応するすべての下り送信からなる下り回線フェーズと、
（ii）請求項４の（ii）および（iii）にそれぞれ記載のポーリング方式アクセスおよび競合方式のアクセスメカニズムの両方を用いて端末からＡＰへ行う送信からなる上り回線フェーズと、
に集約し同期化する。
【請求項２６】
請求項１１の（vii）に記載のビーム開始ビーコンを用いた請求項２５の（ｉ）に記載の下り送信フェーズにおけるすべての下り送信の集約であって、
（ｉ）すべての受信機が同期をとることができるビーム開始ビーコン用のＡＰが送信する共通プリアンブルの使用と、
（ii）下りフレーム間のフレーム間隔の除去と、
の工程を採用することにより不必要なオーバヘッドを抑制し媒体の利用効率を向上する。
【請求項２７】
請求項１３に記載のすべての上りポーリングを埋め込んだポーリングおよび監視競合通知を使用した上り送信フェーズの開始であって、個々のポーリングによるオーバヘッドを最小限に抑え、請求項２５に記載の個々のポーリングの送信用の再同期化を必要としないために、
（ｉ）ポーリングおよび監視競合通知フレームのスケジュールに含まれた許可／ポーリング期間にわたって各端末が送信するポーリングアクセスフェーズと、
（ii）ポーリングアクセスフェーズに続いてビーム終了ビーコンの予定した送信まで許可される監視競合フェーズと、
からなる。
【請求項２８】
各端末でのローカルクロックのドリフト現象に対応後、請求項１４および請求項２７の（ｉ）に記載のスケジュールに含められた、連続したポーリング送信の間の時間であり、ＲＩＦＳより長くＣＩＦＳより短い媒体が空いている期間に提供される、ガードタイムの使用。
【請求項２９】
請求項１に記載のＷＬＡＮシステムのプロトコルに従わないキャリアセンスを使用する不正端末によって生じる衝突を最小限に抑える方法であって、
（ｉ）「ダミー」あるいは「パッド」データを送信しすべてのビームにおける送信時間を均等化して、不正なキャリアセンス方式を使う端末が空き媒体を検出するのを防ぎ、結果的に不正端末からの送信を回避することによって、与えられたグループの異なるビームによる下り送信時間の分散を除去し、
（ii）上り回線フェーズでの確認応答を目的としてポーリングした各端末は、ネガティブを示す確認応答フレームを送信し、すなわち各端末が確認応答要求を無視しないことにより、送信構造にＣＩＦＳ期間を超えるようなギャップを許容しない、
工程からなる。
【請求項３０】
ワイヤレスネットワークで不正端末の存在を検出し対処する、請求項１に記載の方法であって、
（ｉ）同時刻にすべてのビームにおいて送信が失敗に終わったと観察されれば不正端末がいると検出し、
（ii）（ｉ）の不正端末の存在の検出時、非監視アクセスモードに切り替え、その不正端末に別のチャネルに移動するよう指示する、
工程からなる。
【請求項３１】
請求項１に記載のシステムにおけるアクセスポイントがリソース予約要求のためのストリーム許可を実行する方法であって、
（ｉ）ストリームの送信元アドレスおよび送信先アドレスを分析して、いずれのアドレスも同じワイヤレスネットワーク内に存在するかどうかを判断し、
（ii）ＡＰに対して要求を受け付ける前に（無指向性アンテナを用いたシステムの従来例に対して）いずれのグループ／ビームにおいてもリソースの利用を保証するように要求する、
工程からなる。
【請求項３２】
請求項１に記載のシステムのユーザ（ＡＰおよび各端末）が電力制御を実行し他のユーザに対するチャネル干渉を制限し、送信電力の低減、したがってバッテリの節約につながる方法であって、
（ｉ）特定のフレーム／パケットの送信に使用する送信電力レベルを送信信号に埋め込み、
（ii）受信機で特定パケット送信に対する受信電力を測定し、
（iii）（ｉ）の送信で符号化した情報を復号化することによって得られた値と（ii）の値を比較し、それに応じて（ｉ）のパケットの送信機に送られた次のパケットの送信電力を調整する、
工程からなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレスネットワークにおける媒体アクセス制御方法およびシステムに関する。特に、本発明は、ＳＤＭＡ（空間分割多重アクセス）対応アクセスポイントを使用することによって既存のＷＬＡＮデバイスより高いスループットを特徴とする、新しいタイプのＷＬＡＮ（ワイヤレスローカルエリアネットワーク）用のプロトコルについて説明する。本システムは、空間的に分散した複数のユーザに同時にサービスを提供し、その結果ＷＬＡＮの有効スループットは最高「ｎ倍」（「ｎ」はビーム数およびＡＰ（アクセスポイント）が同時にサポートできる送受信部の数）まで増加する。
【背景技術】
【０００２】
ＷＬＡＮには様々な応用分野がある。例えば、企業内でユーザがワイヤレス対応のノートパソコンを通常はデスクトップで使用していて、時には会議室等に移動する場合、あるいは、家庭でセットトップボックスやメディアプレーヤー、インターネットへのポータル、ワイヤレスアクセス機器を装備した表示パネル、カメラ、ノートパソコンなどの複数のデバイスから構成されたホームＡＶサーバに接続されたアクセスポイントが、インターネットやホームＡＶサーバに格納したメディアにアクセスする場合がある。ＷＬＡＮはデータサービスのモバイルユーザがアクセスするオフィスビルのロビーやコーヒーショップなどのセルラーホットスポットにも応用することができる。
【０００３】
ＩＥＥＥ８０２.１１（非特許文献１参照）は、コンピュータとその他のデバイスをワイヤレスでネットワークに接続する費用効率の高いソリューションである。信号処理や変調技術における新たな開発によって、新しい物理レイヤをより高速なデータ転送速度（非特許文献２、非特許文献３参照）でサポートするために規格が拡張された。研究によれば現在の８０２.ｌｌシステムの重要な制約はＭＡＣ（媒体アクセス制御）レイヤであり、その結果、データ転送速度の増加に伴いスループットの飽和が発生する（非特許文献４参照）。ＩＥＥＥ８０２.１１ワーキンググループは、既存ＷＬＡＮに対するＭＡＣおよびＰＨＹ（物理）変更に基づく高スループットＷＬＡＮの必要性を確認した（非特許文献５参照）。指摘された重要な課題の一つは、従来システムのサポート／認識の必要性である（非特許文献５、非特許文献６参照）。
【非特許文献１】“Local and Metropolitan Area Networks - Specific Requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications”, IEEE Std 802.11-1999, IEEE, August 1999
【非特許文献２】“Local and Metropolitan Area Networks - Specific Requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band”, IEEE Std 802.11b-1999, IEEE, September 1999
【非特許文献３】“Local and Metropolitan Area Networks - Specific Requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 5 GHz Band”, IEEE Std 802.11a-1999, IEEE, September 1999
【非特許文献４】Y. Xiao & J. Rosdahl, “Throughput Analysis for IEEE 802.11a Higher Data Rates”, doc.: IEEE 802.11/02-138r0, March 2002
【非特許文献５】J. Rosdahl et al, “Draft Project Allocation Request (PAR) for High Throughput Study Group”, doc.: IEEE 802.11/02-798r7, March 2003
【非特許文献６】E. Perahia, A. Stephens, S. Coffey, “Backward Compatability Case Studies”, doc.: IEEE 802.11-03/307r0, May 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在のアプリケーションおよび将来考えられるアプリケーションを踏まえると、既存ＷＬＡＮがサポートしているデータ転送速度で十分である（非特許文献７：J. del Prado, K. Challapali, S Shankar and P. Li, “Application Characteristics for HT Usage Scenarios”, doc.: IEEE 802.11-03/346r0, May 2003）。ＷＬＡＮは伝統的に時分割多重アクセス方式のデバイスであるため、ネットワークが同時にサポートできる高速データ転送アプリケーションのユーザ数が問題となる。この問題はより高いスループットの必要性の問題として一般化することができる。より高いスループットを実現する手段は、国際標準化機構（ＩＳＯ）のオープンシステム相互接続（ＯＳＩ）モデルに基づくレイヤ２より高いレイヤ、あるいは媒体アクセス制御レイヤで測定したデータ転送速度を増加することである。単一のワイヤレスアクセスポイントと複数のワイヤレス端末が含まれる、一つの基本サービスセットのすべてのワイヤレス端末のスループットの合計を増加するのに必要な条件を満たすために、ワイヤレスＬＡＮシステムのスループットはアクセスポイントで測定される。
【０００５】
利用するＲＦスペクトルを増加することは１つの解決法ではあるが、これは選択肢ではない。なぜなら、利用可能なスペクトルは有限なリソースであって他のアプリケーション用に配備済みだからである。また、従来デバイスとの後方互換性の必要性から、新しいシステムはスペクトルマスクと既に利用されているチャネル化に適合しなければならない。
【０００６】
本発明の目的は、ネットワークの総スループットを向上することができるワイヤレスネットワークにおける媒体アクセス制御方法およびシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ＳＤＭＡを実行可能なマルチビームアンテナを搭載したアクセスポイントに基づくプロトコルおよびシステムを利用することによって課題を解決する。ＳＤＭＡによってＡＰはＡＰのアンテナの空間的選択性を利用することによって同じ周波数チャネルで複数のＷＬＡＮユーザに同時にサービスを提供することができる。ＡＰが同時に形成できる同時アンテナビーム数およびＡＰで利用可能な送受信機数によっては、ＷＬＡＮネットワークの総スループットを向上することができる。
【０００８】
スループットを向上するため、本発明ではＭＡＣサブレイヤおよびＰＨＹに対する拡張について述べる。ＭＡＣに対する変更は、マルチビームアンテナシステムに基づくＴＤＭＡ／ＴＤＤ方式に固有な要求事項を根拠としている。新しいシステムの開発に際し、それがＳＤＭＡを特に使用しないＷＬＡＮに適用される場合、スループットを向上し同時により効率の高い電力消費をもたらす技術も開示されている。
【０００９】
本発明はマルチビームアンテナを装備しＳＤＭＡに対応したＡＰおよび複数の端末から構成された８０２.１１準拠のＷＬＡＮに適用できる。ＡＰおよび端末はいずれも本文で詳述するプロトコルを使用する。ＷＬＡＮの存在を検出した端末はまずＷＬＡＮへの加入を試みる。本発明では２種類の端末、（１）従来端末、および（２）新規プロトコルを搭載した端末、に対応した加入手順について説明する。加入に成功すると、ＡＰは各端末を特定のグループに割り当てそのグループに割り当てられた期間のみ送信できるよう端末のタイミングの同期を設定する。グループの形成と割り当ては、個々のユーザの位置を決定しそのビーム構造をユーザの配置に対して動的に適応させることができるＡＰ、あるいはカバレッジエリア全体に広く適用する固定ビームを使用するＡＰに基づいて行う。本発明ではグループ割り当てに必要な方向／ビーム検索の仕組みについて説明する。ＡＰはすべてのグループ内ですべてのビームにわたる送信の上り回線および下り回線時の同期をとる。フレーム集約は下り回線に対して行われフレーム間の間隙とプリアンブルを除去することで帯域を節約する。上り回線の場合、スケジューリングによるポーリングおよび監視競合方式のアクセスメカニズムについて説明する。アクセスメカニズムは、どの端末が電力制御および省電力を実行するかによって開示する。（高スループットネットワークの正規の通信を妨害する）不適格な端末からの入力を最小限に押さえその検出を容易にする技術を例証し説明する。不適格／不正な端末の存在を検出する際、ＡＰはその端末に他のチャネルへ移動するよう指示する。
【００１０】
本発明はその全体においてＷＬＡＮ用システムおよびプロトコルについて述べ、高スループットを実現することを主な目的とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、ＷＬＡＮにおけるすべてのトラフィックにとってＡＰが障害となっていることを明らかにする。本発明をＷＬＡＮに適用することによってスループットが「ｎ倍」まで拡大し、ネットワークはより高速なアプリケーションデータ転送速度かつより高いサービス品質でより多くのユーザにサービスを提供することができる。本発明に記載の技術は各端末／ユーザ機器に必要な変更を最小限に抑えながら、ネットワークからＡＰまでの実装上の複雑さとコストの面での改善に寄与する。本発明で詳述するプロトコルセットは、従来のネットワークデバイスの検出およびそれらの他のチャネルへの切り替えを容易にし、高スループットＷＬＡＮ用に割り当てたチャネルでのスループットの最適化を可能にする。本発明は、さらに同じチャネルの他のユーザに対する本発明を使用したデバイスの影響を最小限に抑える電力制御についても述べる。本発明では、省電力技術についても記述する。総体的に、本技術によってバッテリの必要条件が緩和され、より小型で軽量の端末／デバイスの設計が導かれる。
【００１２】
結論として、本発明の影響は２つに要約できる。
（１）ＷＬＡＮの総スループットの増加、および
（２）低価格、単純かつ小型の形状因子のユーザ機器／端末の設計と製造を容易にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
ここでは媒体アクセス制御を実行する空間分割多重アクセスを使用したＷＬＡＮネットワークにおける端末およびアクセスポイント用装置およびメカニズムについて開示する。本発明の理解を容易にするために次の定義を使用するものとする。
【００１４】
「ＷＬＡＮ」は、ワイヤレスローカルエリアネットワークを意味する。ＷＬＡＮはワイヤレスアクセス技術によって移動端末にＬＡＮサービスを提供するための任意の数のデバイスまたはノードを含む。
【００１５】
「端末（ＳＴＡ）」は、ＷＬＡＮが提供するサービスにアクセス可能なデバイスを意味する。
【００１６】
「アクセスポイント（ＡＰ）」は、ネットワークへのアクセスを制御しそのタイミングを維持する役割を持つＷＬＡＮ内の端末を意味する。その他のサービスとして、ＷＬＡＮ内の端末が他のネットワーク上のデバイスにアクセスするためのブリッジとしての機能も果たす。
【００１７】
「空間分割多重アクセス（ＳＤＭＡ）」は、空間上の物理的分離と指向性ビームを用いて信号を送受信する送受信機の機能を利用して複数の無線送受信機が同じスペクトルを同時に用いて通信可能なアクセスメカニズムを意味する。
【００１８】
「媒体」は、ＷＬＡＮが管理するワイヤレスチャネルを意味する。
【００１９】
「マルチビームアンテナ」は、クロスオーバ／ビーム間干渉を最小にしてＳＤＭＡを実現するために異なる方向に異なるビームを形成できるアンテナシステムを意味する。
【００２０】
「媒体アクセス制御（ＭＡＣ）レイヤ」は、一般にネットワーク媒体へアクセスするために各端末が使用するネットワークプロトコルを意味する。
【００２１】
「物理（ＰＨＹ）レイヤ」は、ネットワーク上で信号を送受信する実際の送受信機を意味する。ＭＡＣからのコンバージェンスレイヤおよびコントロールレイヤ等のいくつかのサブレイヤから構成されるように一般化できる。
【００２２】
「ビーコンフレーム」は、ＡＰが周期的に送信するフレームであり、一般にスーパーフレームの開始を示しＷＬＡＮ内のすべてのＳＴＡに対してネットワーク固有の情報を伝達する。
【００２３】
「下り回線」は、アクセスポイントから各端末への通信が発生する送信回線を意味する。
【００２４】
「上り回線」は、各端末からアクセスポイントへの通信が発生する送信回線を意味する。
【００２５】
「スーパーフレーム」は、アクセスポイントまたはネットワークコーディネータが関連するすべてのノードに従わせるネットワークフレームタイミング構造を意味する。
【００２６】
「監視アクセスモード」は、各端末がＡＰまたはネットワークコーディネータによって定義されたあるアクセス規則に従うＷＬＡＮスーパーフレームでの動作モードを意味する。
【００２７】
「非監視アクセスモード」は、各端末が媒体に対して規制なしの競合方式アクセスを実行するＷＬＡＮスーパーフレームでの動作モード意味する。
【００２８】
「グループ」は、一つまたは多数の重複しないビームの形成によってＡＰが同時にカバーできる端末の集合を意味する。
【００２９】
「グループＩＤ」は、特定のグループに属する各端末に割り当てられた識別記号を意味し、それによって共通コマンド（マルチキャスト）を各端末に送ることができる。
【００３０】
「グループ期間」は、ＡＰがアンテナビームを形成して特定のユーザグループをカバーする時間の量を意味する。
【００３１】
「ビーム開始ビーコンフレーム」は、ＷＬＡＮの該当するグループおよびビームのユーザにグループ期間の開始を通知する、ＡＰによって送信されるメッセージを意味する。
【００３２】
「ビーム終了ビーコンフレーム」は、他のグループの期間中に電源オフにするように該当グループのユーザに通知する、ＡＰによって送信されるメッセージを意味する。
【００３３】
「ポーリングおよび監視競合アクセスフレーム」は、特定のグループおよびビームのユーザに上り送信のスケジュールおよび監視競合アクセス周期を通知する、ＡＰによって送信されるフレームである。
【００３４】
「応答フレーム間隔（ＲＩＦＳ）」は、ＷＬＡＮ内の異なる端末からの連続した送信間の最小の時間間隔である。一般に媒体プリエンプションに必要な最小時間よりも小さく、したがってリスポンスおよび確認応答フレームに使用することができる。
【００３５】
「プリエンプションフレーム間隔（ＰＩＦＳ）」は、媒体へのアクセスを望むＡＰが観測する時間間隔である。ＰＩＦＳはＲＩＦＳよりも大きいがＣＩＦＳよりも小さいのでＡＰはＳＴＡよりも優先度の高いアクセスが可能である。
【００３６】
「競合フレーム間隔（ＣＩＦＳ）」は、端末が競合を開始する前、すなわち非ポーリング送信を開始する前に媒体がアイドル状態となるのを観察しなければならない最小の時間である。ＣＩＦＳはフレーム間隔の中で最大である。
【００３７】
「不正端末」は、ＷＬＡＮのプロトコルに完全に従わない端末、または現在のＬＡＮのタイミングと正しく同期がとれていない端末であり、ＷＬＡＮにおいて、衝突／干渉を生じるような挙動をとる端末である。
【００３８】
以下の説明においては説明の都合上、本発明の十分な理解のために特定の番号、時刻、構造、プロトコル名、その他のパラメータを定義しているが、このような詳細がなくても本発明が実現できることは当業者にとっては明白であろう。他の事例においては、本発明の内容を不必要に曖昧にしないために、よく知られた構成部分やモジュールをブロック図で示している。
【００３９】
本発明の十分な理解のために、以下に動作手順、情報データ構造および計算手法を示す。特定のデータ構造を使用しているが、これらは本発明の実施例を例示することだけを意図したものである。本発明の実施の際、実際の使用状況によっては新たな情報を追加し、また特定の部分を省略できることは当業者にとっては明白であろう。
【００４０】
図１は、ＡＰ（１０１）と複数のＳＴＡ（１０２−１０４）から構成された典型的なＷＬＡＮネットワークを示す。携帯性および移動性の必要から、ＳＴＡは一般に小型で単純な無指向性あるいは無指向性に近いビームパターンのアンテナを使用する。一方、通常は固定されたネットワーク基盤デバイスであるアクセスポイントは、お互いのクロスオーバ／干渉を最小に抑えて空間的に分離した異なるビーム（１０５−１０７）を形成することができる。
【００４１】
マルチビームアンテナを備えたＡＰは、無指向性ビームパターンを形成できるとともに、異なる方向に一組のビームを形成できる。ＳＴＡは電源を投入するとワイヤレスネットワークの検索を実行する。ＳＴＡはまず、ＳＴＡ間の同期をとりネットワーク固有の情報を送信するためにＡＰが一定の間隔で同報通信するビーコンフレーム（２０１）を検出する。すべての端末間の同期をとり、既存の端末の更新を行い、新たな端末にネットワーク固有の情報を知らせるためにビーコンフレームが周期的に同報通信される。連続した２つのビーコンの間隔はスーパーフレーム（２０２）と呼ばれる。マルチビームアンテナ（ＡＰに常駐する）方式のＷＬＡＮの特徴を活用するために、ＡＰはビーム形成を調整して各端末の送受信タイミングを一致させ、また同時にチャネルの帯域使用を最適化する必要がある。ＭＡＣスーパーフレームには２種類の動作モードが存在する。（ｉ）監視アクセスモード（２０３）（このモード時ＡＰはマルチビームアンテナシステムを使用する）、および（ii）非監視アクセスモード（２０４）（このモード時ＡＰは従来端末へのサービス提供を主な目的として無指向性アンテナパターンを使用する）。説明の都合上、図２にはスーパーフレームを２つのアクセスモードのそれぞれについて１つの事例に分けて示しているが、これはスーパーフレームで生じるいずれかのモードの複数の事例のより一般的な場合を除外するものではない。ＡＰは「監視アクセス終了フレーム」（２０５）および「非監視アクセス終了フレーム」（２０６）をそれぞれ用いていずれかのアクセスモードの終了を通知する。帯域利用の最適化のため、これらのフレームはビーコン等のＡＰが送信する他のフレームと合体することもできる。
【００４２】
上記の場合に基づいてデータ送信を可能にするために、図３に示すプロトコルスタックを用いてＷＬＡＮにおける高スループットデータ送信をサポートする。媒体アクセス制御技術は、競合方式（３０１）とポーリング方式（３０２）の２種類に大別できるが、いずれも上記非特許文献１および非特許文献８（“Draft Supplement to LAN/MAN Specific Requirements - Part 11: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: MAC Enhancements for Quality of Service (QoS)”, IEEE Std 802.11e/D4.2, February 2003）に記載されているものに類似している。競合方式のアクセスメカニズムは、非特許文献１の分散制御機能（ＤＣＦ）および非特許文献８のＨＣＦ競合方式チャネルアクセスまたは拡張分散制御機能（ＥＤＣＦ）に相当する。ポーリング方式チャネルアクセスは非特許文献１の集中制御機能（ＰＣＦ）および非特許文献８のＨＣＦ制御チャネルアクセスに相当する。上記においてＨＣＦはハイブリッド制御機能を意味する。
【００４３】
図３において、ビームアクセスコーディネータ（３０３）は高スループットモードでのＷＬＡＮ動作を可能とし、ＡＰとＳＴＡ間のデータ転送を調整してネットワークにおけるマルチビームアンテナの機能を活用して高スループットを実現する。図３に示すプロトコルスタックのＭＡＣ（３０４）およびＰＨＹ（３０５）エンティティはマネージメントエンティティ（３０６）によって制御される。
【００４４】
本発明の中心は、上記の２つのコーディネータ機能の使用を容易にするビームアクセスコーディネータおよびマルチビーム形成が可能なＡＰから複数のデータストリームの同時送受信を実現する新しいアクセスメカニズムである。ビーム形成機能に基づいて、ビームアクセスコーディネータを使用したマネージメントエンティティ（３０６）は、さらにポーリングおよび競合方式のアクセスメカニズムを使用したデータ交換を制御する。
【００４５】
ビーコンフレームは、ＷＬＡＮの存在とそのＩＤを通知しタイミング基準としての役割を果たす同報通信フレームである。ビーコンにはさらにプロトコル参照番号（高スループット端末／従来端末）、アンテナタイプ（無指向性／指向性）、アンテナタイプ（動的ビーム形成／固定ビーム）および方向検索機能を含むＷＬＡＮの機能／特徴の組み合わせも含まれる。ビーコンフレームは、次の構造で記述できる。
【００４６】
Beacon
{
WLAN ID /*unique identifier for the AP & WLAN*/ 
WLAN Capability/Protocol Type /*protocol set & 
features of the AP*/ 
Beacon Repetition Rate /*rate of recurrence of 
this frame*/ 
Supervised Access Duration /*duration of multi-
beam operation*/
}
【００４７】
加入要求（Association request）は特定のＷＬＡＮに加入することを要求するＳＴＡが送るコマンドで、次の情報要素を含むことができる。
【００４８】
Association Request
{ 
WLAN ID /*unique identifier for the AP & WLAN*/ 
Group ID /*common identification for a set of 
beams */
Beam ID /*identification of an individual beam*/ 
STA ID/Address /*unique address of the station*/ 
STA Capability /*protocol set and features of the 
station */ 
}
【００４９】
加入応答（Association response）はＡＰがあらかじめ加入要求を行ったＳＴＡに対して送る、ＳＴＡの要求を受け付けるか拒否するコマンド／フレームである。次の情報要素を含むことができる。
【００５０】
Association Response 
{ 
WLAN ID /*unique identifier for the AP & WLAN*/  
Group ID /*common identification for a set of 
beams */ 
Beam ID /*identification of an individual beam */
STA ID/Address /*unique address of the station*/ 
Association Status /*result of the association 
request */ 
}
【００５１】
捕捉要求（Acquisition Request）は、端末を基準としたＡＰの方向を特定するために端末に対してトレーニングシーケンスを送信するよう要求するＡＰが送信するコマンドである。捕捉要求の情報内容は次の構造で記述できる。
【００５２】
AcquisitionRequest 
{ 
Source Address (AP) /*unique identification of 
initiator of the frame */ 
Destination Address /*unique identification of 
addressed station */ 
Duration/Length of Training Sequence 
}
【００５３】
グループＩＤ割り当て（group-ID assign）は、端末をビームグループに割り当てるＡＰから端末に送るコマンドフレームである。グループＩＤ割り当ての情報内容は次の構造で記述できる。
【００５４】
GroupIDAssign 
{
Source Address (AP) /* unique identification of 
initiator of the frame */ 
Destination Address /*unique identification of 
addressed station */ 
Group ID /*common identification for a set of 
beams */ 
Beam ID /*identification of an individual beam */ 
}
【００５５】
ビーム開始ビーコン（Beam Start Beacon）は、特定のビームおよびグループのＳＴＡに同報通信するフレームで、そのビーム／グループの動作開始を示すものであり、次の情報要素を含むことができる。
【００５６】
BeamStartBeacon
{ 
WLAN ID /*unique identifier for the AP & WLAN*/ 
WLAN Capability/Protocol ID /*protocol set & 
features of the WLAN*/ 
Group ID /*common identification for a set of 
beams */ 
Beam ID /*identification of an individual 
beam */ 
Group Duration /*active time for current Group of beams */ 
Group Repetition Rate /*rate of recurrence of 
this frame*/ 
Downlink Schedule /*timing structure for downlink 
transmissions */ 
} 
【００５７】
ビーム終了ビーコン（Beam End Beacon）は、特定のビームおよびグループのＳＴＡに同報通信するフレームで、そのビーム／グループの動作終了を示すものであり、次の情報要素を含むことができる。
【００５８】
BeamEndBeacon 
{ 
WLAN ID /*unique identifier for the AP & WLAN*/ 
WLAN Capability/Protocol ID /*protocol set & 
features of the WLAN*/ 
Group ID /*common identification for a set of 
beams */ 
Beam ID /*identification of an individual beam*/ 
Sleep Duration /*duration of inactivity for current 
beam */ 
}
【００５９】
ポーリングおよび監視競合通知フレーム（Poll + Supervised Contention Announcement Frame）は、特定のビームのＳＴＡのグループに対してＡＰが送信するフレームで、ポーリング方式媒体アクセスおよび競合方式チャネルアクセスを定義する。含まれる情報は次の構造で記述することができる。
【００６０】
Poll+SupervisedContentionAnnouncement 
{ 
{AddressSTA1, GrantTime1, GrantDuration1, 
Grant Type1 } 
{AddressSTA2, GrantTime2, GrantDuration2, 
GrantType2} 
:
:
{AddressSTAN, Grant TimeN, GrantDurationN, 
GrantTypeN) 
{Group Address, Grant Time, GrantDuration, 
SupervisedContention}
}
【００６１】
ＳＤＭＡ対応のＷＬＡＮは異なるアンテナ機能を搭載したＡＰを持つ場合がある。あるシステムでは、ユーザの空間的配置に対して受信可能範囲（カバレッジ）を最適化するため異なるビームの組み合わせをアレイ重み付け係数のライブラリから選択することができる。３本の同時ビーム（すなわち、ＡＰに３つの送受信機を持つ）を形成することができるようなシステムの例を図４に示す。同図においてＡＰ（４０１）は広いビーム（４０２）を用いて低ユーザ／トラフィック密度で空間を覆い、狭いビーム（４０３）を用いて高ユーザ／トラフィック密度で空間を覆う。こうすることによるＡＰの目的は、異なるグループおよびビームのユーザ間のトラフィック量／稼働率の分散を最小限に抑え、グループのすべてのビームにおいて同様のトラフィック／利用パターンを維持することである。異なるビームを用いてすべてのユーザを同時にカバーできない場合であり、また同時に異なるビームにおいてユーザ数／トラフィックのバランスをとることを試みる場合、ＡＰはユーザを２組のビームに分類しその２組を交互に照射する。３つの非重複ビームのうち２組（４０４および４０５）の例を図５に示す。上記のケースを基にして、ビームが重なる同様のケースも想定する。
【００６２】
図４に示すようなシステムでは、ＡＰはそのビームですべてのユーザ空間をカバーしない場合がある。したがって、図２に示すように、新たな端末の存在を検出し、加入できるようにするために非監視アクセスモードに周期的に立ち返る必要がある。新しい端末は、ビーコンを検出し非監視アクセスモード（すなわち、ＡＰが無指向性モード時）の時に加入要求を発行する。AssociationRequestは、グループＩＤとビームＩＤフィールドを空値に設定して前述の構造をとる場合がある。したがって、ＡＰが端末を受け入れることを決定する場合、グループおよびビームＩＤを０に設定して加入応答で返信ことができる。端末には後述するようにGroupIDAssignフレームを用いてグループ／ビームＩＤを割り当てることができる。
【００６３】
図４に示したようなシステム用のビーム形成は、ユーザの位置／方向のＡＰにおける知識に依存する。以下に、図６に示すメッセージ送信によってＡＰがＳＴＡの相対的方向を取得可能な方法および装置について説明する。加入シグナリングの送信（５０２）完了後、ＡＰは前記構造で記述した情報を含む捕捉要求コマンド（５０１）をＳＴＡに送信する。端末はＲＩＦＳ（５０３）期間の後、ある期間で（フレーム中のフィールドで指示されているように）送信される所定のトレーニングシーケンス（５０５）からなる捕捉応答（５０４）で応答する。トレーニングシーケンスの期間はＡＰの実装、すなわちビーム数、ビーム切り替え速度、受信機のロック時間に依存する。前述のように、捕捉時間はシステム実装に依存する。したがって、システムによってはトレーニングシーケンスとして上りフレームのプリアンブルを使用することによって方向を特定し、図６のトレーニングシーケンスの必要性を回避することができるものがある。
【００６４】
システム実装に応じて、方向はＡＰによって異なる精度で特定される場合（必要）がある。一つの方法として、トレーニングシーケンスの送信時、ＡＰは利用可能な種々のビームを切り替える。ユーザの送信を最大信号強度（異なるビームの電力利得の差を正規化した後）で受信するビームによってユーザの方向が決まる。
【００６５】
理想的には、ＡＰが形成する個々のビームは所望のビーム幅内の利得の変動を最小にする、したがってロールオフがきわめて鋭い「扇形」でなければならない。そのような設計の利点は、異なる送信信号を伝播するビームを互いに隣接して配置できる点であるが、欠点はユーザがあるビームから別のビームに移動する際、ユーザを突然に見失ってしまうことである。図６に記載のメッセージ送信技術はこの問題を解決する。ただし、これを実現するためにシステムが非監視アクセスモードに立ち返らなければならないので実質的にオーバヘッドが生じる。ＡＰに対してＳＴＡの位置を常に更新する装置を図７に示し、図８に次のようなフローチャートを示す。ＡＰ（６０２）が一次ビーム（６０１）を利用して対象ユーザ（６０３）からのパケットを受信中、同様の扇形設計の二次ビーム（６０４）は一次ビームの近傍でスイープする（６０６）。各スイープ位置をビーム角度（６０５）で示すと、そのビーム形状のため受信電力レベル（（６０７）で測定）は２つの異なる位置、すなわちビームの端部で過渡現象（（６０８）で検出）が発生する。ＡＰは次に過渡現象が発生する２つのビーム位置で囲まれた角度の二等分線をユーザの位置として確認できる。この位置特定は上り送信時およびＡＰでの応答フレームの受信時（６１０）に実行できる。このようなユーザ位置の動的更新を実行することによって必要時にそのビームパターンを調整し、必要時にGroupIDAssingnを用いてＳＴＡの異なるグループへの再割り当てを適切に行い、捕捉要求シグナリングの使用を低減し、その結果媒体の効率的利用が可能になる。
【００６６】
（６０８）に示すように過渡受信電力検出器の導入によっては、検出時間とビーム受信可能範囲の精度の間には二律背反的関係が存在する。また、過渡現象の検出に際し、検出器が隣接するビームおよび／またはチャネル情報から受信される干渉を考慮に入れることは妥当であると思われる。（６０８）に示すように単純な方法による受信電力の正確な特定によって図８に示すアルゴリズムは動作ループから抜けて端末の位置で終了することができる。
【００６７】
ユーザの位置を特定すると、すべてのユーザを同時にカバーできない場合、ユーザの空間的配置、トラフィック量およびＡＰが同時に形成できるビーム数によって、ＡＰはユーザをグループに分けることができる。同様に、適切なグループおよびビームＩＤを個々の端末に割り当てる。図７に示すような連続した更新メカニズムを使用しても、ＳＴＡがＡＰに検出されることなくビーム空間から出てしまう可能性がある。これは上り回線トラフィックの頻度が極端に低いＳＴＡの場合では特に可能性が高い。そのようなケースは、ポーリングの失敗あるいはＳＴＡからの応答の形で検出できる。ＡＰはＳＴＡの元のビームに隣接するビームで新たなGrouplDAssignを発行することによってＳＴＡの捕捉を試みる。最悪の場合、ＡＰは新たな捕捉要求を発行する必要がある。ＳＴＡの場合、ビーム空間から出ることはＳＴＡが自らが属するグループのBeamStartBeaconおよびBeamEndBeaconを検出できなくなることを意味する。そのような場合、端末はすべての省電力動作を中断し、新たなGrouplDAssignまたはAcquisitionRequestを検出しなければならない。ＡＰが端末を再度捕捉し、ビーム開始ビーコンおよびビーム終了ビーコンとの同期を再度確立するとＳＴＡは省電力状態に再び入り、他のグループの期間はスリープ状態となる。
【００６８】
全空間をカバーする固定ビームを使用する他のＡＰマルチビームアンテナシステムを考える。そのようなシステムの例を図９に示す。ここでＡＰ（７０１）は全空間をカバーするためにそれぞれ３本のビームを持つ２組（７０２−７０３）のビームを使用する。前述したように、マルチビームシステムの望ましい特性は「扇形」ビーム、すなわち一様な通過帯域利得ときわめて鋭いロールオフを持つビームである。ただし、実際上きわめて鋭いロールオフを実現することは不可能であり図１０に示すように隣接するビーム間にある程度の重なり（７０４）が生じる。そのようなケースでは、交互のグループのビームが隣接しあうように配置された少なくとも２つのビームグループがなければならないことは明白である。図９に示すシステムにおいて、到来方向検索は単に２つのグループを切り替えてユーザが存在するビームを特定することに単純化される。ＡＰはAssociationRequestのプリアンブルを利用してAssociationResponseフェーズでビームＩＤおよびグループＩＤを用いてそれぞれ割り当てられるユーザのビームとグループを特定するように指示することができる。隣接ビーム間の重なりのため、（１）端末が非重複領域に存在ししたがって１本のビームのみの照射を受ける場合、および（２）端末が重複領域に存在する場合の２つのケースが考えられる。重複領域に位置する端末はいずれかのグループに割り当てられる。これは（AssociationRequestフレームのGroupIDおよびBeamIDフィールドを使用することによって）端末が要求することも可能であり、異なるグループの異なるビーム間の利用帯域幅の分散を最小限に抑えるためＡＰが実行する負荷／トラフィックのバランスアルゴリズムに基づいているかの判定を受け入れるかどうかはＡＰ次第である。
【００６９】
ユーザ位置とトラフィック量に応じてビームカバレッジを最適化する動的ビームシステムとは異なり、固定ビームシステムは全空間をカバーするビームを使用する。したがって、電源を投入して媒体をスキャンする端末は端末が非重複領域と重複領域のいずれに存在するかによって１組または２組のBeamStartBeaconのいずれかを検出する。非重複領域に存在する場合、端末は検出したBeamStartBeaconおよびBeamEndBeaconによってBeamIDとGroupIDを決定できる。端末はこの情報をそのビームの上り送信の監視競合期間の間で実行される加入シグナリングに含めることができる。重複領域に存在する場合、端末はいずれかのグループの監視競合アクセスの期間の間でAssociationRequestを開始していずれのグループも検出可能であることを示すことができる。下り回線の期間でＡＰはAssociationResponseで応答し、その端末の所望のグループに対してその端末の加入を認め、あるいは（負荷／トラフィック量等のＡＰによって決定される要素に対して）別のグループへの加入を指示する情報を埋め込むことができる。
【００７０】
ＳＴＡが時間経過に従って移動し別のビーム／グループの受信可能範囲に入る可能性は高い。ＡＰはこのことをポーリング失敗または端末からの応答の形で検出する。対応措置は新たなGroupIDを送信するか元のビームに隣接するビームでそれにポーリングを与える形で行う。最悪の場合、新たな捕捉要求を発行しなければならなくなる。1つのグループのビームから別のグループのビームに移動する端末は自身が属していた元のグループのビーム開始ビーコンおよびビーム終了ビーコンを予定時刻に検出できなくなる。この場合、端末はすべての省電力動作を中断し隣接グループの期間に送られる新たなGroupIDAssignを検出しなければならない。端末が新たなグループＩＤを取得し、ビーム開始およびビーム終了ビーコンとの同期を確立すると、端末は省電力状態に再び入り、他のグループの期間中はスリープ状態となる。
【００７１】
上記の説明に基づいて、全空間をカバーすることができるマルチビーム対応アンテナを搭載したＷＬＡＮは規則的に発生を繰り返す非監視アクセス期間を使用しなくてもよい。しかし、従来端末が検出された場合非監視アクセスモードに立ち返る必要が生じる。動的ビーム形成システムの場合、ＡＰが最初にカバーしたビーム空間に存在しない新たな端末の検出と加入を可能にするために規則的な非監視アクセス期間が必要になる。したがって２つのシステム間には二律背反的関係が存在する。すなわち動的ビーム形成システムは、ユーザが存在する領域のみをカバーするので監視アクセス期間のすべてのビームをより効率的に活用し、新たな端末を検出するために非監視期間を必要とし、一方固定ビームシステムはユーザ配置とは無関係に空間を一様にカバーするが従来端末が検出された場合のみ非監視アクセスモードに立ち返るだけでよい。
【００７２】
図１１は上記の２つの異なるアンテナシステム（動的ビーム形成および固定ビーム形成）に対応して端末が採用する起動シーケンスのＨＭＳＣ記述である。符号８０１は端末がＷＬＡＮの内容を検出するスキャンおよび検出フェーズである。固定ビームシステム（８０２）の場合、符号８０３で示すメッセージ経路に従うことによって端末は上記の加入およびグループ割り当てのステップを辿る。動的ビームシステム（８０４）の場合、端末は上記の符号８０５で示すステップを辿る。図から明らかなように、端末の位置は図６および符号８０６で示す系統立ったトレーニングシーケンスを用いて得られるか、メッセージ経路８０７に示すようにフレーム送信のプリアンブルを用いて得られる。
【００７３】
それぞれ３本のビームを持つ２つのグループの例に基づいて、図１２はスーパーフレームの監視アクセス期間のタイミング構造を示す。符号９０１は、グループ「Ａ」のビーム１でＡＰが同報通信するBeamStartBeaconフレームを示す。同様に、グループ「Ａ」のビーム２および３に対するBeamStartBeaconをまとめて（９０２）で表し、一方符号９０３はグループ「Ｂ」のBeamStartBeaconをまとめて示す。各ビーム開始ビーコンは特定のビームの特定のグループのユーザに対して動作開始を通知し、そのグループ（GroupDuration）専用の監視アクセスモードおよび現在のグループ(GroupRepetitionRate)のユーザに対して次のグループのタイミングを通知する。本構造においてこれを速度単位のパラメータで表すが、時間単位のパラメータで表すこともできることに注意されたい。グループ期間「Ａ」（９０４）でグループ「Ｂ」に属するユーザは活動を休止し省電力を選択しなければならない。グループ期間「Ｂ」（９０５）も同様である。上記と併せて使用できる代替メカニズムは、ＡＰがBeamEndBeaconを同報通信して特定のグループの端末に媒体へアクセスしないように通知するか、次のグループ期間あるいは非監視アクセス期間まで省電力を実行するように通知することである。グループ「Ａ」および「Ｂ」に対するBeamEndBeaconはそれぞれ符号（９０６）および（９０７）で示す。図１２では各グループにつき１つずつ、２つのグループ期間を用いて監視アクセスモード内の時分割の概念を表している。ただし、これは同じ監視アクセス期間でいくつかの交互に発生するグループ期間のより一般的なケースを排除するものではない。
【００７４】
BeamStartBeaconに含まれるDownlinkScheduleElementは、様々な加入ＳＴＡの下り送信に対して媒体割り当て／ポーリングを含む構造である。省電力のさらなる細分化を容易にするため、すなわち下り送信の受信が予定されていない端末に対する省電力のため、DownlinkScheduleElementは、本実施の形態の以下のセクションで説明する上り回線フェーズを開始するために使用する、下り送信フェーズの終了タイミングまたはPoll+SupervisedContentionAnnouncementフレームの開始タイミングを通知することができる。
【００７５】
他のビームでの衝突（各端末が無指向性アンテナを使用すると仮定したことによる）およびＡＰ自身で発生する衝突（ＲＦコンポーネントの実際の設計における不完全な絶縁性のため）を回避するため、ＡＰにおいて常時すべてのビームに対して送受信動作の同期をとる必要がある。図１２の例に基づき図１３は監視アクセス期間のグループ「Ａ」期間（１００１）の詳細を示す。送信における下り回線および上り回線フェーズの分離およびビーム上でのそれらの同期化をそれぞれ符号（１００２）および（１００３）で示す。図解および説明を容易にするために図ではグループ「Ａ」期間を上り回線および下り回線フェーズに分割して示している。ただし、これはあるグループ期間内で複数の上り回線および下り回線フェーズが発生する場合を排除するものではない。
【００７６】
帯域の効率的な利用のため、特定ビームの下り回線のフレーム（すなわちＡＰを起点とするフレーム）は集約することができる。これにより２つの独立した送信を区別するのに従来使用されているフレーム同士のフレーム間隔の排除が容易になる（下り送信はすべてＡＰを起点とするため完全に独立していない）。フレーム間隔の排除の結果、フレームの開始で１つのプリアンブル（１００４）しか必要ではないので、利用する帯域をさらに低減することができる。すべての受信機はこのプリアンブルと同期をとり、ＭＡＣレイヤに依存して下り送信の該当する部分を解釈しアクセスすることができる。図に示すように、下り送信は同じソース（ＡＰ）を共有するので、さらにビーム開始ビーコンで集約することができる。前述したように、ビーム開始ビーコン（１００５）は下り送信時にどの端末がデータを受信するかの情報を含むので、このリストに含まれない端末はこの情報を受け取ると下り回線フェーズで省電力状態になる場合がある。
【００７７】
特定のグループ内のすべてのビームでの下り送信の完了時、ＡＰは上り回線要求／ポーリングを発行する。これはグループ内の最長下り送信（図１３の例ではビーム２）で集約して発行できる。ただし、このような集約を実行すると下り送信が予定されていないビームやグループに属する端末間での省電力の利用が排除されてしまう。これは、省電力を実行すれば端末が下り送信との同期を失うためである。図１３では、最長の下り送信の１ＲＩＦＳ（１００７）後送信されすべてのビームで同期がとられるPoll+SupervisedContentionAnnouncementフレーム（１００６）を示す。これは、下り回線時省電力モードである端末がPoll+SupervisedContentionAnnouncementフレームを受信するためにＡＰとの同期を再度確立できるようにするためである。
【００７８】
上記の構造で示したように、Poll+SupervisedContentionAnnouncementフレーム（１００６）は特定ビームの端末からＡＰが受信することを望む上り送信のスケジュールを通知する。上記構造の各フィールドは、特定の端末（AddressSTA）に対する許可／ポーリングの詳細を示す構造そのものである。GrantTimeは対象端末がその送信を開始する予定の時刻を示し、GrantDurationはＳＴＡが媒体へのアクセスを許可される時間あるいは期間を示す。GrantTypeフィールドを用いて、ＡＰはＳＴＡにポーリングの意図、すなわち予約要求に対する応答、あるいは過去に送信した下り回線フレーム等に対する確認応答の要求を示す。Poll+SupervisedContentionAnnouncementフレームの最後の要素は、所定のグループおよびビームのすべてのユーザに対する監視競合アクセス期間の開始を通知する。競合方式のトラフィックは次の下り回線周期でのみ認められることに注意されたい。チャネルに対するすべての上り回線アクセスは、ビーム終了ビーコンフレーム（１００８）の１ＲＩＦＳ前に終了してＡＰが再び媒体の制御を行えるようにしなければならない。
【００７９】
ＡＰはPoll+SupervisedContentionAccessフレーム（１００６）に多数のポーリングを埋め込み、異なるビームで異なる長さの上り回線パケットの競合方式送信を許可しなければならない。ＡＰが順次ポーリングを実行する場合は、ポーリングフレーム（下り回線送信）を送信する前にすべてのビームの媒体と同期をとるか媒体を捕捉する必要がある。このため特に、異なるビームのパケットサイズが大きく異なる場合、不必要に帯域の損失を生じる結果となる。また、端末のアンテナの機能について何らの想定もないので任意の端末からの無指向性上り送信は、他の端末に対して媒体が空いていると観測できなくし、従来のキャリアセンス技術による送信を行えなくしてしまう。したがって、ポーリングされた上りアクセスを行う際に、ポーリングされた端末はポーリングに含まれるタイミング情報に依存し従来のキャリアセンスメカニズムを無視する必要がある。しかし、各端末間の電力制御（後述）が極めて順調な場合、キャリアセンスメカニズムは空きとなる媒体を検出することができる（実際に継続する送信がある場合）。そのようなケースは、十分離れたビーム上のグループのユーザに対してのみ発生することが予測され、すなわちあるビームの２つの端末はお互いに隠れ端末ではないことが想定される。
【００８０】
ＡＰは指向性アンテナを使用するので２つの空間的に離れた上り送信を受信できる。したがって、マルチビームアンテナＭＡＣは監視競合アクセス期間でもスループット向上に貢献する。
【００８１】
ＡＰの受信機が次の端末からの送信と同期をとるためには、２つの連続した上り送信間にある間隔が必要になることに注意が必要である。この「ガードタイム」（図１３の符号１０１３で示す）は、それらのローカルクロックのドリフトおよび不正確さによって２つの予定された送信が衝突しないようにするためにも必要となる。ガードタイムは、２つの連続した送信間の実際の時間間隔がＣＩＦＳ期間以下かつＲＩＦＳ期間より長くなるように導入する必要がある。
【００８２】
図１３の下り回線期間（１００２）、異なるビームの下り送信時間にばらつきの可能性が存在することがわかる。これは空間的に離れた異なるユーザに異なるトラフィック量が存在することから生じる。ＡＰからの送信は本来指向性を持つので、前述のようにある時間では１つのユーザグループのみがこれらの送信「検出」する。図１３の例ではこれはグループ「Ａ」である。上記のプロトコルによればグループ「Ｂ」のユーザはこの期間中に送信を行わない。ただし、不正端末（従来競合方式アクセスＷＬＡＮ端末の場合もある）がグループ「Ａ」のビーム１の受信可能範囲に存在する場合、不正端末は符号１００９で示す媒体空き時間を検出する可能性がある。衝突の可能性を小さくするために（またそれによってＷＬＡＮのスループットを向上させるために）ＡＰはビーム２と送信時間を一致するようダミーデータを送信するメカニズムを採用することができる。この一例を図１４に示す。ここで符号１０１０、１０１１は、ビーム１およびビーム３のダミーデータの送信を示し、自身をビーム２（１０１２）と一致させてそのビームを共有する不正端末が下り回線フェーズで競合方式アクセスを試みることができないようにすることを目的とする。このメカニズムは現在アクティブなグループ（この例ではグループ「Ａ」）に存在する不正端末による媒体へのアクセスを防止し衝突の可能性を小さくするが、グループ「Ｂ」に存在する不正端末がグループ「Ａ」期間に送信する場合に対処できない。ＡＰはそのようなケースを回避できないが、上り回線フェーズで受信する確認応答を調べることでそれを検出することはできる。異なるビームで同時に下り送信されるすべてのフレームについて否定を示す確認応答が受信された場合、その最も可能性の高い原因は不正端末によるものである。ＡＰは非監視アクセスモードへ切り替えたり不正端末を検出したり、さらにその端末に対して別のチャネルに移動するよう要求する等の対策を随時とることができる。
【００８３】
上り回線において、Poll+SupervisedContentionAnnouncemnet期間に確認応答のためポーリングされる端末は、受信した下り回線データにエラーが含まれる場合に否定を表す確認応答フレームで応答しなければならない。言い換えれば、端末は否定を表す確認応答と肯定を表す確認応答のいずれも送信すべきである。これによって監視アクセス期間のタイミング構造がフレーム喪失のため変更されたり、ガードタイム（ＣＩＦＳより短くＲＩＦＳより長い）より長い「媒体の無音区間」を回避し、ひいては競合方式の不正端末による媒体へのアクセスを回避することができる。同様のことがポーリング対象の帯域割り当てにも適用できる。端末は送信するデータがない場合も割り当てられた期間中も送信を維持すべきである。
【００８４】
安定したＱｏＳレベルを要求するストリームの送信のため、ＡＰは予約要求フェーズで端末が指定する特定の帯域および遅延に対する要求を満足するサービス（計画的ポーリング）を提供することが想定される。ＡＰはその帯域の利用状況によっては予約要求を拒否する場合もある。従来のＷＬＡＮ（すなわちマルチビームアンテナを使用しない従来システム）では、媒体はすべての端末が同時に共有する。したがって、帯域の予約の観点からＡＰは１本の（無指向性）ビームのみを追跡すればよい。マルチビームアンテナ方式のＷＬＡＮは、空間（およびその中のユーザ）を多数のビームに分割する。したがって、これらのビームのうちの１本で端末が行う予約要求によってＡＰはそのビームの予約を容易にすることができる。ストリームの受信側は、ＡＰによってアクセスされる異なるビームあるいは別のネットワークに存在する場合がある。したがって、マルチビームアンテナ方式のＷＬＡＮは予約を行うストリームの送信先アドレスを含めるような予約要求を必要とする。この情報を基に、ＡＰは送信先の端末／トラフィック受信側の位置を特定する。受信側がＷＬＡＮそのものの場合、ＡＰは予約要求を受け付ける前に上り回線、下り回線のいずれでも利用可能な適切なリソースを保証する必要がある。
【００８５】
マルチビームアンテナ方式のシステムの利用によって（方向とビームパターンにより）可変な利得要素がリンク予算に追加されることになる。この利得を利用して端末かアクセスポイントのいずれかの送信要件を低減することができ、バッテリを節約し同じチャネルの他のユーザへの干渉を抑制することができる。送信電力はパケット単位で１つのパケットの応答時間と同じ程度の速度で調整される。ＷＬＡＮは時分割二重通信（ＴＤＤ）であるので、上り回線および下り回線で同じチャネルを使用し、一つのリンクで行う測定は別のリンクにも適用できる。電力制御を実現するために以下のメカニズムについて説明する。ＡＰ（端末）にパケットを送信している端末（ＡＰ）はフレームで使用する送信電力レベルを含む。これはペイロード（受信側のＭＡＣサブレイヤによって解釈される）か物理コンバージェンスサブレイヤ（データ転送速度、スクランブラ情報等を含む）のいずれかで符号化される。本来送信されるフレームの受信機は実際に受信した電力（受信信号の強度を測定することによって決定）と送信（送信フレームに符号化される）に使用した実際の電力レベルを比較し、送信時に使用した余剰電力を決定する。したがって、次の送信において端末はこの余剰分だけ送信電力を小さくすることができ正味の消費電力および同じチャネルの他のユーザに対して生じる干渉が小さくなる。
【００８６】
以上説明したように、本発明の特徴は以下のようにまとめることができる。
【００８７】
（１）ネットワークの総スループットの向上を図ったワイヤレスネットワークにおける媒体アクセス制御方法およびシステムであって、（ｉ）ＳＤＭＡ対応マルチビームアンテナおよび個々の送受信機が異なるアンテナビームに同時接続されるよう複数の送受信機搭載したアクセスポイント（ＡＰ）と、（ii）ワイヤレスＬＡＮの受信空間に分散した１台以上の端末と、を具備する。
【００８８】
（２）上記（１）に記載のシステムに適用されるタイミング構造であって、（ｉ）ワイヤレスネットワークの存在を通知しネットワーク上の各端末にタイミング基準を提供する、周期的に送信されるビーコンフレームと、（ii）アンテナ特性を活用し、同じチャネル上で複数の同時送信を実現するようにＡＰがワイヤレスチャネルに対するアクセスを制御しユーザとの間の送信を調整することによりネットワークのスループットを効果的に向上する期間である「監視アクセスモード」と、（iii）ＡＰアンテナを無指向性パターンに構成し、各端末が従来のキャリアセンス技術を用いた送信を行えるように自由にチャネルにアクセスする期間である「非監視アクセスモード」と、（iv）ＡＰが監視または非監視アクセス期間を開始または終了する信号送信シグナリングと、を具備する。
【００８９】
（３）上記（１）に記載の方法およびシステムを実現するプロトコルスタックであって、（ｉ）複数のワイヤレス端末が共有媒体にアクセスするアクセス規則を定義する役割を果たす媒体アクセス制御（ＭＡＣ）レイヤと、（ii）ワイヤレスチャネル上で実際のデータ送受信を行うの役割を果たす物理レイヤと、（iii）ワイヤレスネットワーク全体のスループットを向上するために（ｉ）および（ii）に記載のレイヤの動作を管理・調整するマネージメントエンティティと、を具備する。
【００９０】
（４）上記（３）に記載のプロトコルスタックの（ｉ）に記載の媒体アクセス制御（ＭＡＣ）レイヤおよび上記（１）に記載のシステムであって、（ｉ）キャリアセンスメカニズムを用い１組の規則に基づいて各端末を送信媒体をめぐって競わせる競合方式のアクセスメカニズムと、（ii）特定の端末があらかじめ指定したサービスの品質レベルを維持しながら、ＡＰがその端末の帯域要求を満たすることができるポーリング方式チャネルアクセスメカニズムと、（iii）各端末とアクセスポイント間のデータ転送を調整し、（ｉ）および（ii）に記載の媒体アクセスメカニズムを使用してマルチビームアンテナの機能を活用することによって高スループットを実現するビームアクセスコーディネータと、を具備する。
【００９１】
（５）ＡＰによって同報通信され、ネットワーク上に分散した各端末にＷＬＡＮの存在を通知しタイミング基準を提供する、上記（２）の（ｉ）に記載のビーコンフレームであって、（ｉ）各端末が一意的かつ明確にＡＰ、したがって特定のネットワークの識別を可能にする、前記ワイヤレスネットワークに固有の識別子と、（ii）アクセスポイントの実装により特に定義されるようなワイヤレスネットワークの機能とプロトコルに関する情報と、（iii）本ワイヤレスネットワーク上のアクセスポイントによって同報通信されるビーコンの使用周波数を記述した情報と、（iv）ワイヤレスネットワークが監視アクセスモードで動作する期間であり、従来端末がそのスーパーフレーム期間に加入または送信を実行しないようにし、結果的にそのような送信／衝突によるワイヤレスネットワークのスループットに対する影響を最小限にすることを図った期間と、を含む。
【００９２】
（６）上記（５）の（ii）に記載の、各端末（またはＡＰ）の機能およびプロトコルを記述した情報であって、（ｉ）端末の媒体アクセス制御プロトコルの種類を確認することができるプロトコル参照番号と、（ii）アンテナの種類およびパターンと、（iii）アンテナの切り替え／操作機能と、（iv）端末の方向探知／測位機能と、を具備する。
【００９３】
（７）特定のワイヤレスネットワークへの加入を望む端末から送信され、（ｉ）、（iv）および（ｖ）に記載の情報要素と、ネットワーク構成および端末の機能によっては（ii）および（iii）に記載の情報要素とを任意に含み、シグナリングのオーバヘッドを低減する加入要求フレームであって、（ｉ）端末がＷＬＡＮへの加入を望んでいることをＡＰに通知するためビーコンフレームで受信した上記（５）の（ｉ）に記載のワイヤレスネットワーク識別子と、（ii）下記（１１）および下記（１２）にそれぞれ記載された「ビーム開始ビーコン」および「ビーム終了ビーコン」の有無を検出することによって端末が決定する、その範囲に端末を含みかつその端末が加入を望むビームグループのグループ識別子と、（iii）下記（１１）および下記（１２）にそれぞれ記載された「ビーム開始ビーコン」および「ビーム終了ビーコン」の有無を検出することによって端末が決定する、その範囲に端末を含みかつその端末が加入を望む特定ビームのビーム識別子と、（iv）ＡＰが次の通信において一意的に識別できるように端末自身のアドレスと、（ｖ）ＡＰに加入の可否を決定させ、加入を認める場合その端末に対して最善のサービスを提供する方法を決定させる、その端末が実装している上記（６）に記載のプロトコルの特徴および機能に関する情報と、を含む。
【００９４】
（８）上記（７）に記載の加入要求フレームに対してアクセスポイントが送信し、端末の要求を受諾または拒否し、（ｉ）、（iv）および（ｖ）に記載の情報要素と、ネットワーク構成、ＡＰおよび端末の機能ならびに送信された加入要求の構造によっては（ii）および（iii）に記載の情報要素とを任意に含む加入応答フレーム要求であって、（ｉ）端末が作成した上記（７）に記載の加入要求を認めると返答するための、上記（５）の（ｉ）に記載のワイヤレスネットワーク識別子と、（ii）ＡＰがその端末との通信に使用するビームグループのグループ識別子と、（iii）ＡＰがその端末との通信に使用するビームのビーム識別子と、（iv）加入応答の送信先である端末自身のアドレスと、（ｖ）要求の状態（すなわち、成功または失敗）ならびにＡＰがサポートしている特徴および機能に関する情報と、を含む。
【００９５】
（９）ＡＰが端末に対しある期間、あらかじめ決定したトレーニングシーケンスを送信するよう要求し、ＡＰがこの送信を用いてＡＰに対するその端末の空間位置を特定する捕捉要求であって、（ｉ）捕捉要求を行う端末のアドレスと、（ii）捕捉要求の送信先である端末のアドレスと、（iii）アドレスを指定した端末に送信するよう要求したトレーニングシーケンスの送信期間または長さと、を含む。
【００９６】
（１０）更なる送受信動作のために特定のビームグループに割り当てる、ＡＰが端末に対して送信するグループＩＤ割り当てフレームであって、（ｉ）ＡＰのアドレス／ＷＬＡＮのＩＤと、（ii）グループＩＤ割り当てフレームの送信先である端末のアドレスと、（iii）ＡＰによって決定されアドレスを指定した端末に割り当てられたグループＩＤと、（iv）ＡＰがアドレスを指定した端末とのその次の通信で使用するビームのビーム識別子と、を含む。
【００９７】
（１１）ＡＰから特定のビームおよびグループの端末に同報通信される、そのビームグループのユーザに対して動作開始を示す、ビーム開始ビーコンフレームであって、（ｉ）各端末に送信元の識別を可能にするＡＰのアドレス／ＷＬＡＮのＩＤと、（ii）上記（６）に記載のワイヤレスネットワークの機能とプロトコルに関する情報と、（iii）前記ビームのグループＩＤと、（iv）前記ビームのビームＩＤと、（ｖ）前記グループがアクティブである期間、すなわちＡＰが他のグループのユーザに対応するため別のアンテナパターンに切り替える前に前記グループのユーザとの間で送受信する期間と、（vi）前記グループおよびビームの各端末が互いに同期をとることを可能にする、ビーム開始ビーコンを送信する周波数と、（vii）現在のグループ期間にＡＰが作成する下り送信のスケジュールと、を含む。
【００９８】
（１２）ＡＰが特定のビームおよびグループの各端末に対して同報通信する、その組のユーザに対して動作の終了を示すビーム終了ビーコンであって、（ｉ）各端末が送信元の識別を可能にするＡＰのアドレス／ＷＬＡＮのＩＤと、（ii）上記（６）に記載のワイヤレスネットワークの機能およびプロトコルに関する情報と、（iii）前記ビームのグループＩＤと、（iv）前記ビームのビームＩＤと、（ｖ）前記ユーザが消費電力の低減を容易にする動作モードを採用できる、前記グループが非アクティブの状態となる期間と、を含む。
【００９９】
（１３）ＡＰが特定ビームの各端末に送信する、ワイヤレス媒体におけるポーリング方式媒体アクセスおよび競合方式アクセスのスケジュールを定義するポーリングおよび監視競合通知フレームであって、（ｉ）各端末にそれぞれ割り当てたポーリングリストと、（ii）媒体を、監視競合アクセス期間として知られる指定した期間の上り回線競合方式アクセス用として宣言する情報要素と、を含む。
【０１００】
（１４）上記（１３）の（ｉ）に記載の、各端末に割り当てられたポーリングリストであって、（ｉ）ポーリング方式アクセスを許可された端末のアドレスと、（ii）ポーリング時刻、すなわち端末が送信を開始できる時刻と、（iii）ポーリング期間、すなわち端末が送信を実行できる期間と、（iv）ポーリングが帯域をあらかじめ要求したストリーム用であること、あるいは過去に送信した下り回線フレーム等の受信確認を請求することを目的としていることを端末に対して示すためのポーリングまたは許可の目的と、を含む。
【０１０１】
（１５）「扇形」ビームを形成することができるＳＤＭＡ対応アンテナを使用したＡＰであって、（ｉ）そのビームに属するユーザに対して受信電力レベルの変動を最小限に抑える、通過帯域で比較的に安定した利得と、（ii）あるビームから別のビームのユーザへの送信によって生じる干渉を抑えることによってＡＰにより小さな間隔でビームを生成させ、スペクトル効率を高めしたがって高スループットを得る、鋭いロールオフ、すなわち狭い遷移幅の、特性を持つ。
【０１０２】
（１６）マルチビームアンテナを搭載し動的にビームを生成することができる上記（１５）に記載のＡＰを使用したＷＬＡＮシステムであって、（ｉ）個々のユーザの空間的配置とそれぞれのトラフィック負荷に対して受信可能範囲パターンを最適化し、（ii）空間的配置によってユーザをグループ化することによってグループやビームの異なるユーザ間のトラフィック分散／稼働率の分散を最小限に抑える、機能を持つ。
【０１０３】
（１７）上記（２）に記載のタイミング構造を使用した上記（１６）に記載のＷＬＡＮシステムであって、（ｉ）上記（１６）の（ｉ）で説明した既存のアンテナパターンに対応していないエリアに存在する新しい端末に受信可能範囲／検出を提供するように、無指向性ビームパターンを使用して周期的に送信する上記（５）に記載のビーコンフレームと、（ii）監視アクセス期間に使用する既存アンテナパターンの受信可能範囲に存在しない新しい端末の検出と加入を容易にするために、新しい端末が上記（５）に記載の同報ビーコンから推測できる、周期的に繰り返す非監視アクセス期間と、（iii）該当するグループ／ビーム期間の開始と終了を通知し、ビームおよびビームのグループＩＤを受信可能範囲内の各端末に通知するサービスを行うため、グループ期間の異なるビームにおいて実行する、上記（１１）および上記（１２）に記載のビーム開始およびビーム終了ビーコンの送信と、（iv）下記（２７）の（ii）に記載の前記ビームの監視競合アクセスモード時に呼び出される、上記（７）および上記（８）に記載の加入シグナリングの送信を開始する既存ビームの受信可能範囲に存在する端末と、（ｖ）（ii）に記載の非監視アクセス期間中に、上記（７）および上記（８）に記載の加入シグナリングの送信を開始する既存ビームの受信可能範囲に存在しない端末と、（vi）上記（８）の（ii）および（iii）に記載の情報要素を利用してグループおよびビームＩＤを割り当てられた（iv）に記載の端末と、（vii）上記（１０）に記載のフレームを利用してグループおよびビームＩＤを割り当てられた（ｖ）に記載の端末と、（viii）上記（１０）に記載のシグナリングによって端末に随時新しいグループＩＤの再割り当てを行うことができるＡＰと、を具備する。
【０１０４】
（１８）上記（１７）の（vii）で要求された機能を実現し、ユーザが移動しその結果上記（１７）の（viii）の呼び出しが発生する場合に対応するために、必要に応じてある端末のグループおよびビームＩＤを特定する方法であって、（ｉ）ＡＰが請求項９に記載の捕捉要求フレームを端末に送信し、（ii）端末が所定のトレーニングシーケンスで（ｉ）の要求に応答し、（iii）ＡＰが生成可能な種々のビームを切り替え、ユーザの位置をトレーニングシーケンスが（異なる利得でビーム対して正規化された）最大強度で受信されるビームの方向にあるものとして検出し、（iv）（iii）の代わりに上記（１９）に記載の方法および装置を用いて端末の初期位置を特定して引き続きユーザ位置を更新する、工程からなる。
【０１０５】
（１９）端末が実行するすべての上り送信に基づいて、ＡＰに端末の移動性を予測させることによって上記（１８）の方法の使用とそれに伴うオーバヘッドを最小限に抑えるため、ＡＰがユーザの位置を連続的に更新する方法および装置であって、（ｉ）静的かつ端末からの送信を受信するために使用する上記（１５）に記載の特性を持つ一次ビームを用い、（ii）一次ビームの近傍をスイープする上記（１５）に記載の特性を持つ制御可能な二次ビームを使用し、（iii）受信電力レベルに過渡現象が存在する二次ビームの角度位置を特定し、（iv）上記（iii）の２つのビーム位置で範囲が決まる角度の二等分線によって端末の位置を与える、工程からなる。
【０１０６】
（２０）上記（１５）に記載のマルチビームアンテナを搭載したＡＰを使用するＷＬＡＮシステムであって、隣接するビーム間の重複が最小になるよう全空間を一組の固定ビームでカバーすることができ、少なくとも２つのグループＩＤを持つシステム。
【０１０７】
（２１）監視アクセスモードのみからなるフレーム構造を使用し、媒体の使用効率を向上した上記（２０）に記載のＷＬＡＮシステムであって、（ｉ）該当するグループ／ビーム期間の開始と終了を通知し、ビームおよびビームのグループＩＤを受信可能範囲内の各端末に通知するサービスを行うため、グループ期間の異なるビームにおいてそれぞれ上記（１１）および上記（１２）に記載のビーム開始およびビーム終了ビーコンを送信し、（ii）端末は、下記（２７）の（ii）に記載の前記グループ／ビームの監視競合アクセスモード時に呼び出される、上記（７）および上記（８）に記載の加入シグナリングによってＡＰに対して示す端末が存在する領域のグループ／ビームＩＤを検出し、（iii）ＡＰは、（ii）に記載の加入シグナリングに応答して端末にグループ／ビームＩＤを割り当てるとともに、２つのグループのビーム間で重なる領域に存在する端末の場合、グループ内の異なるビームのユーザのトラフィック分散を最適化し、（iv）ＡＰは、上記（１０）に記載のシグナリングを用いて端末に新規のグループＩＤの再割り当てを随時行うことができる、ことを特徴とする。
【０１０８】
（２２）上記（１６）および上記（２１）に記載のＷＬＡＮシステムのＡＰおよび各端末の、端末の移動性を検出し対処する機能であって、（ｉ）ＡＰが連続したポーリング失敗または端末からの確認応答を観察することにより端末の移動を検出し、（ii）ＡＰが元のビームに隣接するビームを使って見失った端末に新規のグループＩＤ割り当てを送信し、（iii）ＡＰが（ii）に記載の方法によって端末の再捕獲ができない場合、上記（１８）に記載の捕獲要求シグナリングを再送し、（iv）端末がポーリング失敗あるいはＡＰからの確認応答の失敗および／または割り当てられたグループのビーム開始およびビーム終了ビーコンの喪失が高い確率で発生したことを検出した場合、すべての省電力動作を中断し、ＡＰが（ii）および（iii）の工程を用いてその端末の再捕獲を行う、工程からなる。
【０１０９】
（２３）次の動作期間まで特定のグループの端末の省電力動作を容易にするために行う、上記（２）の（ii）に記載の監視アクセス期間のグループ別の期間分割であって、（ｉ）前記グループのユーザに対して上記（１１）および上記（１２）に記載のビーム開始およびビーム停止ビーコンを用いてグループの動作期間の開始および停止を通知し、（ii）特定のグループのすべてのビームに対してビーム開始およびビーム終了ビーコンの送信の同期をとる、工程からなる。
【０１１０】
（２４）上記（ｌｌ）の（vii）に記載のビーム開始ビーコンの下り回線スケジュール要素の組み込みであって、（ｉ）送信先のアドレス、送信の長さおよび前記送信を行う時刻からなる下り送信のスケジュールを示し、（ii）下り送信スケジュール、すなわち上記（１３）に記載のポーリングおよび監視競合通知フレームに対応した送信時間の終了を示し、与えられたグループ期間に下り送信を受信する予定のない端末がそのグループ期間の下り回線期間で省電力を実行できるようにする、ことを目的とする。
【０１１１】
（２５）同じグループ内の異なるビームによる送信を、実際のＲＦ成分での不完全な分離によって生じる他のビームとの衝突およびＡＰ自身での衝突を回避するために行う伝送の集約および同期化であって、（ｉ）前記グループの端末を対象にし、上記（２４）に記載の下り回線スケジュール要素に対応するすべての下り送信からなる下り回線フェーズと、（ii）上記（４）の（ii）および（iii）にそれぞれ記載のポーリング方式アクセスおよび競合方式のアクセスメカニズムの両方を用いて端末からＡＰへ行う送信からなる上り回線フェーズと、に集約し同期化する。
【０１１２】
（２６）上記（１１）の（vii）に記載のビーム開始ビーコンを用いた上記（２５）の（ｉ）に記載の下り送信フェーズにおけるすべての下り送信の集約であって、（ｉ）すべての受信機が同期をとることができるビーム開始ビーコン用のＡＰが送信する共通プリアンブルの使用と、（ii）下りフレーム間のフレーム間隔の除去と、の工程を採用することにより不必要なオーバヘッドを抑制し媒体の利用効率を向上する。
【０１１３】
（２７）上記（１３）に記載のすべての上りポーリングを埋め込んだポーリングおよび監視競合通知を使用した上り送信フェーズの開始であって、個々のポーリングによるオーバヘッドを最小限に抑え、上記（２５）に記載の個々のポーリングの送信用の再同期化を必要としないために、（ｉ）ポーリングおよび監視競合通知フレームのスケジュールに含まれた許可／ポーリング期間にわたって各端末が送信するポーリングアクセスフェーズと、（ii）ポーリングアクセスフェーズに続いてビーム終了ビーコンの予定した送信まで許可される監視競合フェーズと、からなる。
【０１１４】
（２８）各端末でのローカルクロックのドリフト現象に対応後、上記（１４）および上記（２７）の（ｉ）に記載のスケジュールに含められた、連続したポーリング送信の間の時間であり、ＲＩＦＳより長くＣＩＦＳより短い媒体が空いている期間に提供される、ガードタイムの使用。
【０１１５】
（２９）上記（１）に記載のＷＬＡＮシステムのプロトコルに従わないキャリアセンスを使用する不正端末によって生じる衝突を最小限に抑える方法であって、（ｉ）「ダミー」あるいは「パッド」データを送信しすべてのビームにおける送信時間を均等化して、不正なキャリアセンス方式を使う端末が空き媒体を検出するのを防ぎ、結果的に不正端末からの送信を回避することによって、与えられたグループの異なるビームによる下り送信時間の分散を除去し、（ii）上り回線フェーズでの確認応答を目的としてポーリングした各端末は、ネガティブを示す確認応答フレームを送信し、すなわち各端末が確認応答要求を無視しないことにより、送信構造にＣＩＦＳ期間を超えるようなギャップを許容しない、工程からなる。
【０１１６】
（３０）ワイヤレスネットワークで不正端末の存在を検出し対処する、上記（１）に記載の方法であって、（ｉ）同時刻にすべてのビームにおいて送信が失敗に終わったと観察されれば不正端末がいると検出し、（ii）（ｉ）の不正端末の存在の検出時、非監視アクセスモードに切り替え、その不正端末に別のチャネルに移動するよう指示する、工程からなる。
【０１１７】
（３１）上記（１）に記載のシステムにおけるアクセスポイントがリソース予約要求のためのストリーム許可を実行する方法であって、（ｉ）ストリームの送信元アドレスおよび送信先アドレスを分析して、いずれのアドレスも同じワイヤレスネットワーク内に存在するかどうかを判断し、（ii）ＡＰに対して要求を受け付ける前に（無指向性アンテナを用いたシステムの従来例に対して）いずれのグループ／ビームにおいてもリソースの利用を保証するように要求する、工程からなる。
【０１１８】
（３２）上記（１）に記載のシステムのユーザ（ＡＰおよび各端末）が電力制御を実行し他のユーザに対するチャネル干渉を制限し、送信電力の低減、したがってバッテリの節約につながる方法であって、（ｉ）特定のフレーム／パケットの送信に使用する送信電力レベルを送信信号に埋め込み、（ii）受信機で特定パケット送信に対する受信電力を測定し、（iii）（ｉ）の送信で符号化した情報を復号化することによって得られた値と（ii）の値を比較し、それに応じて（ｉ）のパケットの送信機に送られた次のパケットの送信電力を調整する、工程からなる。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
本発明は、本文に詳述したプロトコルを使用し、マルチビームアンテナを搭載しＳＤＭＡに対応したＡＰおよび端末から構成された８０２.１１方式のＷＬＡＮに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】ＳＤＭＡを使用したＷＬＡＮネットワークであり、３つの端末とＳＤＭＡ対応のＡＰから構成されたワイヤレスＬＡＮネットワークの例を示す図
【図２】監視アクセス期間（ＡＰによって制御）および非監視アクセス期間から構成されたスーパーフレーム構造であり、スーパーフレーム構造と監視および非監視アクセスモードの終了を指示する方法を示す図
【図３】ＷＬＡＮのプロトコルスタックであり、提案するＷＬＡＮ ＭＡＣの階層的プロトコルスタックを示す図
【図４】動的ビーム形成ＡＰであり、ユーザをその空間的配置に応じてグループ化するためにビームを動的に作成できるＡＰを示す図
【図５】動的に形成されたビームの２つのグループであり、１組のビームではカバーできない複数のユーザをカバーするためにＡＰによって形成された２組のビームを示す図（受信可能範囲のパターンはユーザおよびトラフィック量を基に最適化することができる）
【図６】トレーニングシーケンスコマンドを使用した端末を取得するメッセージシーケンスであり、端末の方向を特定し、また長期の活動停止期間か大きな応答損失またはポーリングフレーム後に端末を再捕捉するために加入後やり取りされるメッセージのシーケンスを示す図（本文で説明するように、受信機の実装、特に動的ビーム形成ＡＰ（図３）でのビーム選択に応じてそのようなシグナリングが必要となる）
【図７】ユーザ位置の常時更新のためＡＰに内蔵される装置であり、パケット受信用の一次ビームと位置更新用の二次ビームの同時に形成される２本のビームを使用して端末からＡＰへのパケット送信が存在する場合ＡＰのユーザ位置を動的に更新する方法を示す図
【図８】ユーザ位置を特定する方法であり、ＡＰがユーザ位置を特定する図７の装置を用いるステップを示すフローチャート
【図９】固定ビームＡＰであり、それぞれ全空間をカバーする３本のビームからなる２組（グループ）のビームを形成することができるＡＰを示す図
【図１０】２つの隣接する扇形ビームの実際のビームパターンであり、遷移幅がゼロ（垂直ロールオフ）のビームは無数のアンテナ要素を必要とするという事実により２本の隣接するビームを完全にカバーしようとする場合発生する重なりを示し、また、１つのビーム空間から別のビーム空間へのサイドローブによって生じる干渉も示す図
【図１１】端末の起動シーケンスのＨＭＳＣであり、端末が採用する起動シーケンスの要約を示す図
【図１２】監視アクセスモードのタイミング構造であり、各グループ３本のビームからなる２つのビームグループからなるシステムに基づく監視アクセスモードのタイミング構造の例を示す図（時間は２つのグループに分割され、その開始および終了はそれぞれビーム開始およびビーム終了ビーコンで指示される）
【図１３】監視アクセスモード時の上りおよび下り送信構造であり、グループの一つに対する監視アクセスモードの例を示す図（この例において、グループの期間は１つの上り回線フェーズと１つの下り回線フェーズに分割される。図は異なるビームによるＡＰとの上りおよび下り送信間の同期を示す）
【図１４】監視アクセスモード時の上りおよび下り送信構造（ダミー／パッド送信を含む）を示す図（本図は図１２に示す例を拡張したもので、下り回線フェーズですべてのビーム送信時間を同期させて不正端末による媒体アクセスを防止するためダミー／パッド送信を使用する方法を示す）
【符号の説明】
【０１２１】
１０１  アクセスポイント
１０２、１０３、１０４  端末
１０５、１０６、１０７  ＳＤＭＡビーム
２０１  ビーコンフレーム
２０２  スーパーフレーム
２０３  監視アクセスモード
２０４  非監視アクセスモード
２０５  監視アクセス終了フレーム
２０６  非監視アクセス終了フレーム
３０１  競合方式のアクセスメカニズム
３０２  ポーリング方式アクセスメカニズム
３０３  ビームアクセスコーディネータ
３０４  媒体アクセス制御（ＭＡＣ）レイヤ
３０５  物理レイヤ
３０６  マネージメントエンティティ
【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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【外国語明細書】
2005039728000001.pdf