(57)【要約】【課題】  アダプティブアンテナを搭載した各端末の指向性を周囲の端末の送受信状態に合せて最適化して決定する。また、アドホックネットワークに適用した場合に相互干渉を効率良く防止する。【解決手段】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、重み係数算出手段１７と、重み係数設定手段１８を備えている。どの端末からもビーコンが送信されていないときに、ビーコンを他端末に送信する。自端末も同様にしてビーコンを受信し、他端末についての特徴量をすべての他端末について保存し、これらい基づいてヌル、ピークを作成する。【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、
前記各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特徴量に基づき、アダプティブアンテナの重み係数を算出する重み係数算出手段と、
前記重み係数算出手段により算出した重み係数に基づき、前記
アダプティブアンテナの指向性を設定する重み係数設定手段と、
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特徴量として計算する有値・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し、
前記重み係数算出手段は、通信要求が発生したときに、前記固有値・固有ベクトルに基づき、前記アダプティブアンテナの重み係数を算出する、
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、
前記モニタにおいて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、
前記各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、前記保存した前記特徴量に基づき、アダプティブアンテナの重み係数を算出し、
この重み係数に基づき、前記アダプティブアンテナの指向性を設定する、
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特徴量として計算し、
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し、
前記重み係数算出手段は、通信要求が発生したときに、前記固有値・固有ベクトルに基づき、前記アダプティブアンテナの重み係数を算出する、
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および通信システムに関し、特にアドホックネットワーク方式において相互干渉を予防することができる通信システムに関する。
【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。
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。
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。
【０００４】
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。
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。
【０００５】
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ＴＢに対して干渉を与えることになる。
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によって、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。
【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】
【０００６】
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。
端末ＴＡからの信号を受信している端末ＴＢにとっては、端末ＴＣからの干渉が到来すると、重み係数の再計算を行って、端末ＴＣの影響を除去するアンテナ指向性を形成しなければならない。このためには、端末ＴＢは重み係数を決定するために端末ＴＣとの間でトレーニング系列の通信をしなければならない。
したがって、その間、端末ＴＢは端末ＴＡとの通信を遮断しなければならず、失われた情報は端末ＴＡに再送を要求する等により回復する手続きが必要となる。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
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）。
【０００９】
本発明の目的は、アダプティブアンテナを搭載した各端末の指向性を周囲の端末の送受信状態に合せて最適化して決定することができる通信システムを提供することにある。
本発明の他の目的は、アドホックネットワークに適用した場合に相互干渉を効率良く防止することができる通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は（１）から（６）を要旨とする。
（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、
前記各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特徴量に基づき、アダプティブアンテナの重み係数を算出する重み係数算出手段と、
前記重み係数算出手段により算出した重み係数に基づき、前記
アダプティブアンテナの指向性を設定する重み係数設定手段と、
を備えたことを特徴とする通信システム。
【００１１】
（２）  最大固有値および固有ベクトルを前記他端末の前記特徴量として計算する有値・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し、
前記重み係数算出手段は、通信要求が発生したときに、前記固有値・固有ベクトルに基づき、前記アダプティブアンテナの重み係数を算出する、
ことを特徴とする（１）に記載の通信システム。
【００１２】
（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（１）または（２）に記載の通信システム。
【００１３】
（４）  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、
前記モニタにおいて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、
前記各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、前記保存した前記特徴量に基づき、アダプティブアンテナの重み係数を算出し、
この重み係数に基づき、前記アダプティブアンテナの指向性を設定する、
ことを特徴とする通信方法。
【００１４】
（５）  最大固有値および固有ベクトルを前記他端末の前記特徴量として計算し、
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し、
前記重み係数算出手段は、通信要求が発生したときに、前記固有値・固有ベクトルに基づき、前記アダプティブアンテナの重み係数を算出する、
ことを特徴とする（４）に記載の通信方法。
【００１５】
（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（４）または（５）に記載の通信方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、アダプティブアンテナを搭載した各端末の指向性を周囲の端末の送受信状態に合せて最適化して調整することができ、また前記端末をアドホックネットワークの端末として使用した場合に相互干渉を効率よく防止することができる。
【００１７】
また、本発明によれば、トレーニング系列の送受信をする必要ことなく、アダプティブアンテナの指向性を形成でき、また、既に通信をしている他の受信端末にもヌルを向け、干渉を与えないようにできる。
【００１８】
さらに、本発明によれば、自己端末が他端末に与える干渉の大きさを予測することが容易であり、干渉を与える前に送信を停止する基準を与えること、すなわち事前に干渉を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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、重み係数算出手段１７と、重み係数設定手段１８を備えている。
【００２０】
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（）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。
【００２１】
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。
図５に示したチャネルモニタ手段１２は、他端末が送信している信号をモニタすることができる。
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。
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。
【００２２】
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。
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。
【００２３】
重み係数算出手段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。
【００２４】
重み係数設定手段１８は、この重み係数を、アダプティブアンテナ１１の重み係数設定器１１１にセットする。
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》
【００２５】
ビーコン交換フェーズでは、端末間においてビーコン信号の交換と、各端末における固有ベクトルの計算とが行われる。
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、自端末１の一定の長さのビーコン信号を送出する。
【００２６】
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。
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は検出したビーコン信号の計算を行う。
【００２７】
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。
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。
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。
【００２８】
【数１】
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（１）
【００２９】
ここで、
【数２】
2007243497.tif 000004
（２）
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。
次に、（１）式に固有値分解を施すと、（３）式が得られる。
【００３０】
【数３】
2007243497.tif 000005
（３）
ここで、Λ(m)は、（４）式に示すように、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。
【００３１】
【数４】
2007243497.tif 000006
（４）
【００３２】
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。
また、Ｖ(m)は大きさ（Ｎ×Ｍ）のｍ番目の他端末の固有値行列であり、（５）式で表される。
【００３３】
【数５】
2007243497.tif 000007
（５）
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、（６）式で表される。
【００３４】
【数６】
2007243497.tif 000008
（６）
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。
【００３５】
《通信フェーズ》
通信フェーズでは、送信重み係数の計算を重み計数の設定を行う。
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、重み係数算出手段１７は、（７）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。
【００３６】
【数７】
2007243497.tif 000009
（７）
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、（８）式により得られる。
【００３７】
【数８】
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（８）
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。
重み係数設定手段１８は、重み係数算出手段１７により算出した重み係数ｗに基づき、アダプティブアンテナ１１の指向性を設定する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【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】
【００３９】
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  重み係数算出手段
１８  重み係数設定手段
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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