(57)【要約】 【課題】  アダプティブアンテナを備えた端末を用いたアドホックネットワークにおいて、事前与干渉回避を行う。【解決手段】  端末１のビーコン送出手段１３は、他端末が信号を送信していない場合、自端末１の一定の長さのビーコン信号を送出する。次に、端末１のビーコン検出手段１４は、周囲のＭ−１個の端末からビーコン信号を検出する。次に、固有値・固有ベクトル計算手段１５は、検出したビーコン信号の計算を行って全ての端末の最大固有値を求め保存する。これより送信重み係数が求まり、端末１の、周囲端末に対する電力の推定値が求まる。通信しない端末において、この電力の推定値が閾値以上となる場合、端末１は送信を中止する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アダプティブアンテナを備えた複数の端末が端末情報を含む信号であるビーコン信号の交換を行い、前記各端末がそれぞれ前記アダプティブアンテナの指向性を設定する通信システムであって、
前記端末は、
通信圏内にある１つまたは２つ以上の他端末が送出する信号をモニタするモニタ手段と、
前記モニタ手段が、前記他端末のすべてが信号を送出していないことを検出したときに、自端末の端末情報を含むビーコン信号を送出するビーコン送出手段と、
他端末が送出した他端末の端末情報を含むビーコン信号を、前記他端末のすべてについて検出するビーコン検出手段と、
前記ビーコン信号から抽出した前記端末と前記各他端末との間の環境を表す特徴量をすべての他端末について保存する特徴量保存手段と、
通信要求が発生したときに、前記特徴量保存手段に保存した前記環境特徴量に基づき、前記端末が前記他端末の何れかに与える干渉値を計算し、当該干渉値が所定の値を超えたときは通信停止を判断する事前与干渉回避手段と、
を備えたことを特徴とする通信システム。
【請求項２】
最大固有値および固有ベクトルを前記他端末の前記環境特徴量として計算する固有値・固有ベクトル計算手段を備え、
前記特徴量保存手段は、前記固有値・固有ベクトル計算手段による計算結果を保存する、
ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
【請求項３】
前記端末が、アドホックネットワークの端末として使用されることを特徴とする請求項１または２に記載の通信システム。
【請求項４】
アダプティブアンテナを備えた複数の端末が相端末情報を含む信号であるビーコン信号の交換を行い、前記各端末がそれぞれ前記アダプティブアンテナの指向性を設定する通信方法であって、
前記端末は、
通信圏内にある１つまたは２つ以上の他端末が送出する信号をモニタし、
前記モニタ手段が、前記他端末のすべてが信号を送出していないことを検出したときに、自端末の端末情報を含むビーコン信号を送出し、
他端末が送出した他端末の端末情報を含むビーコン信号を、前記他端末のすべてについて検出し、
前記ビーコン信号から抽出した前記端末と前記各他端末との間の環境を表す特徴量をすべての他端末について保存し、
通信要求が発生したときに、保存した前記環境特徴量に基づき、前記端末が前記他端末の何れかに与える干渉値を計算し、当該干渉値が所定の値を超えたときは通信停止を判断する
ことを特徴とする通信方法。
【請求項５】
最大固有値および固有ベクトルを前記他端末の前記環境特徴量として計算し、その計算結果を保存する、
ことを特徴とする請求項４に記載の通信方法。
【請求項６】
前記端末が、アドホックネットワークの端末として使用されることを特徴とする請求項４または５に記載の通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アダプティブアンテナを備えた端末を用いたアドホックネットワークにおいて、他端末に対する与干渉を事前に回避することができる通信システムおよび通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アドホックネットワークと呼ばれるネットワーク構成技術が知られている。アドホックネットワークでは、端末情報を集中管理する基地局が存在しないため、各端末がそれぞれ自律的に相手先との通信を確立する。
【０００３】
一方、１つの端末に複数の素子アンテナを配置し、指向性を形成するアダプティブアンテナ技術も知られている。この技術では、送信信号や受信信号の振幅や位相を、デジタル信号処理技術により変化させて合成することで指向性を発現している。
【０００４】
図１にアダプティブアンテナの概要を示す。通常、アダプティブアンテナ９は複数の素子アンテナ９１と、適応制御プロセッサ９２と、重み係数設定器９３と、加算器９４とを備えている。
【０００５】
アダプティブアンテナ９では、使用環境の変化等に応じて、各素子アンテナの重み係数を変化させることができる。これにより、送信信号に指向性を持たせることができる。また、受信に際し、送信源の移動に追従して、信号受信に指向性を持たせることができ、さらに特定の方向からの信号を受信しないようにすることもできる。
【０００６】
図２に、アダプティブアンテナ９の指向性を模式的に示す。図２では、アダプティブアンテナ９が放射できる信号電力または受信できる信号電力の空間的特性を示してある。また、素子アンテナをａ１〜ａ６で示してある。
【０００７】
図２に示すように、アダプティブアンテナ９では、受信信号を処理することによって、ある信号到来方向にヌル(ＮＵＬＬ)を向けつつ、希望する方向にピーク(ＰＥＡＫ)を向けることができる。
【０００８】
たとえば、図３において、端末ＴＡからＴＢへの送信を行っているときに、端末ＴＣから端末ＴＤへの送信が生じたとする。このような状況で、指向性のないアンテナを用いて端末ＴＡ，端末ＴＢ間で使用している周波数と同じ周波数の信号を端末ＴＣが端末ＴＤに送信すると、端末ＴＡからの信号を受信中の端末Ｂに対して干渉を与えることになる。
【０００９】
このとき、端末ＴＡ，ＴＢ，ＴＣ，ＴＤがアダプティブアンテナ９を備えていれば、図４に示すように、端末ＴＢが端末ＴＣにヌルを向けることにより、同じ周波数の干渉が端末ＴＣから到来しても、端末ＴＡ，端末ＴＢ間の通信には影響がない。このようなしくみにより、アダプティブアンテナ９により、同一周波数で同時に通信できる端末の対を増やすことができる。
【００１０】
【非特許文献１】Ｔ．ＵＥＤＡ  Ｓ．ＴＡＮＡＫＡ  Ｓ．Ｒ．Ｄ．Ｓ．Ｓ．ＢＡＮＤＹＯＰＡＤＨＹＡＹ，“Ｌｏｃａｔｉｏｎ−Ａｗａｒｅ  Ｐｏｗｅｒ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ＭＡＣ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ  ｉｎ  Ａｄ  Ｈｏｃ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  Ａｎｔｅｎｎａ，”ＩＥＩＣＥ  Ｔｒａｎｓ．  ｏｎ  Ｃｏｍｍｕｎ．，Ｖｏｌ．Ｅ８７−Ｂ  Ｎｏ．５  ｐｐ．１０８５−１０９４，Ｍａｙ  ２００４．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、図４に示したアダプティブ方法では次のような問題がある。図２に示したアダプティブアンテナ９は空間的に干渉信号を遮断する機能を持つが、希望波と干渉波の到来角度が近すぎる場合には、その分離能力（解像度）には限界がある。たとえば、円形状に６本のアンテナを半波長間隔で配置した場合、到来角度差が３０°以下程度の信号は分離することができなくなる。
【００１２】
この程度の角度差で希望信号と干渉信号が同時に到来する状況は頻繁に発生するものと考えられ、そのようなときには端末はアダプティブアンテナ９を備えていても干渉を避けることはできなくなる。
【００１３】
従来、無線アドホックネットワークにアダプティブアンテナを用いた場合、このような問題についてはほとんど検討されていない（非特許文献１参照）。
【００１４】
本発明の目的は、アダプティブアンテナを備えた端末を用いたアドホックネットワークにおいて、事前与干渉回避（Ｆｏｒｗａｒｄ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ａｖｏｉｄａｎｃｅ；  ＦＩＡ）を行う、すなわち他端末に対して予め干渉が生じることが推定されるときは送信を中止し得ることができる通信システムおよび通信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記した目的を達成するために、請求項１記載の通信システムは、アダプティブアンテナを備えた複数の端末が端末情報を含む信号であるビーコン信号の交換を行い、前記各端末がそれぞれ前記アダプティブアンテナの指向性を設定する通信システムであって、前記端末は、通信圏内にある１つまたは２つ以上の他端末が送出する信号をモニタするモニタ手段と、前記モニタ手段が、前記他端末のすべてが信号を送出していないことを検出したときに、自端末の端末情報を含むビーコン信号を送出するビーコン送出手段と、他端末が送出した他端末の端末情報を含むビーコン信号を、前記他端末のすべてについて検出するビーコン検出手段と、前記ビーコン信号から抽出した前記端末と前記各他端末との間の環境を表す特徴量をすべての他端末について保存する特徴量保存手段と、通信要求が発生したときに、前記特徴量保存手段に保存した前記環境特徴量に基づき、前記端末が前記他端末の何れかに与える干渉値を計算し、当該干渉値が所定の値を超えたときは通信停止を判断する事前与干渉回避手段とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の通信システムにおいて、最大固有値および固有ベクトルを前記他端末の前記環境特徴量として計算する固有値・固有ベクトル計算手段を備え、前記特徴量保存手段は、前記固有値・固有ベクトル計算手段による計算結果を保存することを特徴とする。
【００１７】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の通信システムにおいて、前記端末が、アドホックネットワークの端末として使用されることを特徴とする。
【００１８】
請求項４記載の通信方法は、アダプティブアンテナを備えた複数の端末が端末情報を含む信号であるビーコン信号の交換を行い、前記各端末がそれぞれ前記アダプティブアンテナの指向性を設定する通信方法であって、前記端末は、通信圏内にある１つまたは２つ以上の他端末が送出する信号をモニタし、前記モニタ手段が、前記他端末のすべてが信号を送出していないことを検出したときに、自端末の端末情報を含むビーコン信号を送出し、他端末が送出した他端末の端末情報及を含むビーコン信号を、前記他端末のすべてについて検出し、前記ビーコン信号から抽出した前記端末と前記各他端末との間の環境を表す特徴量をすべての他端末について保存し、通信要求が発生したときに、保存した前記環境特徴量に基づき、前記端末が前記他端末の何れかに与える干渉値を計算し、当該干渉値が所定の値を超えたときは通信停止を判断することを特徴とする。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の通信方法において、最大固有値および固有ベクトルを前記他端末の前記環境特徴量として計算し、その計算結果を保存することを特徴とする。
【００２０】
請求項６記載の発明は、請求項４または５記載の通信方法において、前記端末が、アドホックネットワークの端末として使用されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、自端末が他端末に与える干渉の大きさを予測し、干渉を与える前に送信を停止ことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図５により本発明の実施形態を説明する。図５において、端末１は、アダプティブアンテナ１１と、チャネルモニタ手段１２と、ビーコン送出手段１３と、ビーコン検出手段１４と、固有値・固有ベクトル計算手段１５と、固有値・固有ベクトル記憶手段１６と、重み計算手段１７と、事前与干渉回避手段１８とを備えている。
【００２３】
アダプティブアンテナ１１は、図６にも示すように、端末１はＮ個の素子アンテナａ１〜ａＮを備えている。信号受信の場合には、各素子アンテナで受信された信号は、無線周波数帯フロントエンド（ＲＦ−ＦＡ）１１１において周波数変換された後、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１１２によりサンプリングされる。このサンプリングされた信号は、重み係数設定器１１３および加算器１１４を介して図示しない信号処理回路に信号ｙとして送られる。送信の場合は上記と逆の経路で信号処理回路から素子アンテナａ１〜ａＮに信号が送られる。
【００２４】
本実施形態では、このような端末１が、全部でＭ台ある状況を想定する。
【００２５】
図５に示したチャネルモニタ手段１２は、他端末からの信号をモニタすることができる。
【００２６】
ビーコン送出手段１３は、チャネルモニタ手段１２が、他端末で信号を送出していないことを検出したときにビーコン信号を送出する。
【００２７】
ビーコン検出手段１４は、他端末が送出したビーコン信号を検出する。
【００２８】
固有値・固有ベクトル計算手段１５は、ビーコン送出手段１３で送出した自端末のビーコン信号、およびビーコン検出手段１４が検出した他端末からのビーコン信号に基づき、自端末と他端末に関する最大固有値および固有ベクトル（特徴量）の計算を行う。なお、説明の便宜上、図６に固有値・固有ベクトル計算手段１５を示してある。
【００２９】
固有値・固有ベクトル記憶手段１６は、固有値・固有ベクトル計算手段１５による計算結果を保存する。
【００３０】
重み計算手段１７は、通信要求が発生したときに、固有値・固有ベクトル記憶手段１６に記憶されている固有値・固有ベクトルに基づき、アダプティブアンテナの各素子アンテナa1〜aNにおける重み係数を算出する。
【００３１】
事前与干渉回避手段１８は、重み計算手段１７により算出した重み係数に基づき、端末が他端末の何れかに与える干渉値を計算し、当該干渉値が所定の値を超えたときは通信中止指示を図示しない通信制御回路に送出する。なお、通信中止指示は、ソフトウェアにより行うこともできるし、たとえばアダプティブアンテナ１に直接送信中止信号を送出することもできる。
【００３２】
以下、端末１の処理手順を詳細に説明する。本実施形態では、端末１における処理手順は、ビーコン交換フェーズと、通信フェーズの２段階からなる。
《ビーコン交換フェーズ》
ビーコン交換フェーズでは、端末１間においてビーコン信号の交換と、各端末１において固有ベクトルの計算とが行われる。
【００３３】
まず端末１のチャネルモニタ手段１２は、ＣＳＭＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｓｅｎｓｅ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ）によりチャネルをモニタし、自端末周辺で他端末が信号を送信していないことを確認する。他端末が信号を送信していない場合、ビーコン送出手段１３は、端末１の一定の長さのビーコン信号を送出する。
【００３４】
このビーコン信号には、送信端末ＩＤが付けられており、ビーコン信号を受信した端末１は、当該ビーコン信号を送信した他の端末を特定することができる。
【００３５】
一方、他端末も上記と同様に、当該他端末以外の端末が信号を送出していないときに、ビーコン信号を送出するので、端末１のビーコン検出手段１４は、周囲のＭ−１個の端末からビーコン信号を検出することができる。次に、固有値・固有ベクトル計算手段１５は、ビーコン検出手段１４で検出したビーコン信号の計算を行う。
【００３６】
各端末１における固有ベクトルの計算は以下のように行われる。
【００３７】
端末１の固有値・固有ベクトル計算手段１５は、ｍ番目の他端末（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ−１）のビーコン信号について計算を行う。
【００３８】
端末１は各素子アンテナa1〜aNの受信信号のサンプルを用いて（Ｎ×Ｎ）の相関行列を（１）式で計算する。
【００３９】
【数１】
2007243498.tif 000003
ここで、
【００４０】
【数２】
2007243498.tif 000004
は大きさ（Ｎ×１）のｍ番目の他端末の受信信号ベクトルであり、λ（＝−∞，・・・，−１，０，１・・・，＋∞）は、サンプル時刻を表す整数である。また、Ｌは取得したサンプル数である。
【００４１】
次に、（１）式に固有値分解を施すと、（３）式が得られる。
【００４２】
【数３】
2007243498.tif 000005
ここで、Λ(m)は大きさ（Ｎ×N）のｍ番目の他端末の固有値行列であり、対角要素に固有値λ1(m)，λ2(m)，・・・，λN(m)を含み、それ以外の要素は「０」である。
【００４３】
【数４】
2007243498.tif 000006
ここで、固有値は大きい順から順番を付け、
λ1(m)≧λ2(m)≧・・・≧λN(m)
の関係となっているものとする。
【００４４】
また、Ｖ(m)は大きさ（Ｎ×１）のｍ番目の他端末の固有値行列であり、（４）式で表される。
【００４５】
【数５】
2007243498.tif 000007
【００４６】
ここで、ｖn(m)（ｎ＝１，・・・，Ｎ）はｎ番目固有値に対応する大きさ（Ｎ×１）の固有ベクトルであり、（５）式で表される。
【００４７】
【数６】
2007243498.tif 000008
【００４８】
と表される。このうち、最大固有値λ1(m)およびそれに対応する固有ベクトルν1(m)のみを固有値・固有ベクトル記憶手段１６に保存する。これを繰り返し、自端末１以外のすべての端末の最大固有値および固有ベクトルを固有値・固有ベクトル記憶手段１６に保存する。
【００４９】
《通信フェーズ》
通信フェーズでは、送信重み係数の計算と、送信重み係数のチェックを行う。
端末１に通信要求が発生し、その通信相手先端末を、端末m1とする。
このとき、重み計算手段１７は、（６）式の計算を行って、送信に用いる大きさ（Ｎ×１）のアダプティブアンテナの重み係数ｗを算出する。
【００５０】
【数７】
2007243498.tif 000009
ここで、ＲIIは（Ｎ×N）の行列であり、ｍ1番目の最大固有値およびその対応固有ベクトルを除いたＭ−１個の最大固有値および対応固有ベクトルから得られる。具体的には、（７）式により得られる。
【００５１】
【数８】
2007243498.tif 000010
ここで、インデックスｐは、ｍ1番の最大固有値およびその対応固有ベクトルを除いたＭ−１個の最大固有値および対応固有ベクトルに新たに振りなおした１からＭ−１までの番号である。つまり、この総和の中に、ｍ1番目の最大固有値およびその対応固有ベクトルは含まれていない。
【００５２】
次に、送信重み係数のチェックについて説明する。
【００５３】
（５）式で求めた重み係数ベクトルｗを用いれば、通信したい相手の方向にピークを向けて高い電力を送信し、それ以外の端末の方向にはヌルを向け、干渉を与えないはずであるが、解像度の限界の問題があり、希望波の方向に近すぎる端末については干渉を与えてしまう場合がある。
【００５４】
このようなとき、本発明では、事前与干渉回避手段１８が電波送信の前にチェックを行う。このため、周囲のｍ番目端末について（８）式の値を計算する。
【００５５】
【数９】
2007243498.tif 000011
これは、ｍ番目の周囲端末に与える電力の推定値となる。通信しない相手の端末において、この電力の推定値が閾値以上となる場合には送信を中止することで、事前与干渉回避を行う。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】アダプティブアンテナの概要を示す説明図である。
【図２】アダプティブアンテナの指向性を模式的に示す図である。
【図３】アダプティブアンテナを備えない従来の端末の動作を示す説明図である。
【図４】アダプティブアンテナにより干渉を回避する説明図である。
【図５】本発明の通信システムで使用される端末の機能ブロック図である。
【図６】図５の端末に搭載されるアダプティブアンテナを示す説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  端末
１１  ダプティブアンテナ
１２  チャネルモニタ手段
１３  ビーコン送出手段
１４  ビーコン検出手段
１５  固有値・固有ベクトル計算手段
１６  固有値・固有ベクトル記憶手段
１７  重み計算手段
１８  事前与干渉回避手段
ａ１〜ａＮ  素子アンテナ
【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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