JP2005064671A - 無線ネットワークのための制御方法及び制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 無線ネットワークにおいてオーバーヘッドを大幅に削減して遅延時間を大幅に減少させる。
【解決手段】 それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンを有するアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、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又は制御装置である。各無線局は、発信元無線局からの無線信号をオムニパターン又はセクタパターンを用いて検出し、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。
【選択図】図１５

Description

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。
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。
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。）
次いで、本発明に関連する研究について以下簡単に説明する。指向性アンテナの持つ優位点にもかかわらず、指向性アンテナをアドホック無線ネットワークの無線通信システムにおいて使用する効率的なＭＡＣ（Media Access Control：メディアアクセス制御）プロトコルに関する研究は、アドホック無線ネットワークにおける移動性への即応に関する固有の困難さ、及び分散制御に起因して限定されている。研究者の中には、従来この課題に幾つかの方法で取り組もうとした者がある。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た（非特許文献１参照。）。また、非特許文献２では、指向性アンテナを使用するＭＡＣプロトコルも提案され、この場合、各局にはその隣接ノード無線局固有のトーン信号が割り当てられる。１つの局がパケットを受信すると、同局は直ちにそのトーン信号を一定の時間期間に渡って同報通信するため、その隣接ノード無線局はその存在を識別してその方向への送信を回避することができる。
さらに、近年、ＩＥＥＥ ８０２．１１に規定されているようなＲＴＳ／ＣＴＳ型ハンドシェイクに依存するＭＡＣプロトコルが、指向性アンテナを使用して幾つか提案されている（非特許文献３乃至１１参照。）。非特許文献３では、指向性／全方向性ＲＴＳ／ＣＴＳの組み合せを使用して、ノード無線局による既に存在するデータ通信と干渉する方向への送信をブロックし、一方で他の方向へは送信できるようにする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確立するための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−シングルホップＣＴＳを用いて提案されている。このメカニズムでは、より大きいレンジの指向性ビームの使用により、オムニパターンアンテナを使用する場合より少ないホップ数で宛先に到達することができる。これら非特許文献３及び４の方法では何れも、移動ノード無線局は、ＧＰＳを使用して自らの、及びそれらの隣接ノード無線局の物理的位置を認識することが仮定されている。但し、指向性ＲＴＳ／指向性ＣＴＳ方法に起因して、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の問題、難聴の問題及び非特許文献４に記載されているようなより指向性の高い干渉のような幾つかの問題点は解決されないままである。
さらに、非特許文献５では、提案されているＭＡＣプロトコルは位置情報を認識する必要がなく、発信無線局及び宛先無線局は、全方向性のＲＴＳ−ＣＴＳがオンデマンドを基礎として交換される間に互いの方向を識別する。このＲＴＳ−ＣＴＳダイアローグを聞いた発信無線局Ｎｓ及び宛先無線局Ｎｄのすべての隣接ノード無線局は、この情報を使用して進行中のデータ送信との干渉を防止することが仮定されている。しかしながら、ＲＴＳ及びＣＴＳパケットの全方向性送信に起因して、このプロトコルは、無線チャネルの空間再使用の恩恵を全くもたらさない。但しそれでも、本プロトコルは、指向性データ送信に起因して発生する干渉の量が低減されることにより（非特許文献１１参照。）、オムニパターンアンテナを使用するＭＡＣを凌いでスループットを向上させる。
また、非特許文献６において、ラマナサンは、変化するアンテナパターン及びビーム制御、チャネルアクセスメカニズム、リンク電力制御及び隣接ノード無線局の発見を有するビーム形成アンテナを使用するアドホック無線ネットワークの性能について調査している。さらに、非特許文献７では、著者達は位置情報の事前認識を仮定しており、各セクタに１つの指向性ＮＡＶ（ＤＮＡＶ（Directional Network Allocation Vector：指向性ネットワーク位置ベクトル）の概念が使用され、全セクタ上の同時的な送信が安全となるまで送信延期を余儀なくされる代わりに、クリアなセクタパターン上の制御パケットの即時的送信が可能にされる。同じく、非特許文献８では、タカイほかが、当該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ＤＮＡＶ方法を提案した。この場合も、よりスマートなアンテナを使用して、１つの信号のそのマルチパス成分に起因する複数の到来角を識別することが可能であり、かつこれを使用して異なる幅及び方位角の複数のＤＮＡＶをブロックすることができる。
全体的な性能向上を目的とした、指向性アンテナの優位点を活用するためのアドホック無線ネットワークにおける適切なＭＡＣプロトコルの開発は、適切な位置追跡及び近傍認識を必要とする。各ノード無線局は、隣接ノード無線局と指向的に通信可能な方向を認識しなければならない。この情報により、効果的な通信を保証する方位角又はビーム形成を選択することが可能になる。同時に、各ノード無線局は、既に存在する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、共有近傍における現在の通信状態について認識していなければならない。さらに、各ノード無線局とその各隣接ノード無線局との指向性アクセス情報を含むこの近傍情報の伝播は、これが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保持を促進することから、効率的でプロアクティブな（先を見込んだ革新的な）ルーティングプロトコルの設計にも役立つ（非特許文献１０参照。）。
特開２００１−０２４４３１号公報。 特開２００１−２４４９８３号公報。 J. Zander, "Slotted ALOHA multihop packet radio networks with directional antennas", Electronic Letters", Vol. 26, No. 25, 1990。 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。 Y. B. Ko et al., "Medium access control protocols using directional antennas in ad hoc networks", Proceedings of the IEEE INFOCOM 2000, March 2000。 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。 Nasipuri, S. et al., "A MAC Protocol for Mobile Ad Hoc Networks Using Directional Antennas", Proceedings of the IEEE WCNC 2000。 R. Ramanathan, "On the Performance of Ad Hoc Networks with Beamforming Antennas", ACM MobiHoc, October 2001。 Kou Kobayashi et al., "Spatially divided channel scheme using sectored antennas for CSMA/CA - directional CSMA/CA", Proceedings of PIMRC'2000, 2000。 M. Takai et al., "Directional Virtual Carrier Sensing for Directional Antennas in Mobile Ad Hoc Networks", ACM MobiHoc, June 2002。 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。 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。 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。 QualNet Simulator Version 3.1, Scalable Network Technologies, http://www.scalable-networks.com。 J. C. Liberti et al., "Smart Antennas for Wireless Communications: IS-95 and Third Generation CDMA Applications", Prentice-Hall, 1999。 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。 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。 T. Ohira, "Adaptive array antenna beamforming architectures as viewed by a microwave circuit designer", 2000 Asia-Pacific Microwave Conference., Sydney, Dec. 2000。 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。 K. Gyoda et al., "Beam and Null Steering Capability of ESPAR Antennas", Proceedings of the IEEE AP-S International Symposium, July 2000。
上述の非特許文献２では、移動無線局の位置の追跡が、トーンセットを使用し、かつネットワーク内の各ノード無線局で多大なネットワーク状態（ステータス）情報を保持することによって行われている。しかしながら、これは、動的方法では非現実的である。例えば、非特許文献５では、発信無線局及び宛先無線局が全方向性ＲＴＳ−ＣＴＳ交換の間に互いの方向を識別する。しかしながら、このメカニズムでは、ノード無線局はその完全な近傍情報を認識していない。
また、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（Global Positioning System）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じられていない。本発明者らは、先の研究で、各ノード無線局が方位角毎のＳＩＮＲを示すテーブル（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、各ノード無線局は、指向性ビーコンを指向性同報通信の形式で周期的に３０度間隔で全方向へ逐次送信し、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ノード無線局は、受信される最良の信号強度を決定し、その情報を発信無線局へ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。但し、非特許文献６に開示されたこの方法では、制御パケットに起因するオーバーヘッドが極めて高い。
例えば、図１０が示すように、ノード無線局ＮｎがオムニパターンＡｎ０のオムニパターンアンテナを使用してノード無線局Ｎｍと通信している間、ノード無線局ＮｐとＮｒとは不使用状態でいなければならない。しかしながら、指向性ビームパターンＡｎ，Ａｒ，Ａｐを使用する場合には、ノード無線局Ｎｎがノード無線局Ｎｍと通信している間に、ノード無線局Ｎｐ及びＮｒは共にそれぞれノード無線局Ｎｑ及びＮｓと通信することが可能であり、媒体利用又はＳＤＭＡ（Space Division Multiple Access：空間分割多重アクセス）の効率が劇的に向上する。
指向性アンテナの能力を十分に活用するためには、各ノード無線局は隣接ノード無線局の情報（ノード無線局のＩＤ、方向、リンク品質ほかなど）を事前に認識している必要がある。ノード無線局ＮｐとＮｑとの通信は、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Ｎｍ又はノード無線局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、発信無線局と宛先無線局とが通信しているときはいつも、発信無線局及び宛先無線局のすべての隣接ノード無線局は、それらが他の方向で新規無線通信を開始できるようにその通信の方向を認識していなければならず、これにより、発信無線局と宛先無線局間で進行中のデータ通信との干渉が防止される。言い替えれば、効果的なＭＡＣ及びルーティングプロトコルを当該無線通信システムで実施するためには、ノード無線局は、パケットをその隣接ノード無線局へ送信するためのその送信方向の設定方法を認識していなければならない。従って、各ノード無線局でその隣接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避となる。
しかしながら、指向性アンテナを使用するアドホック無線ネットワークの無線通信システムにおけるこの位置追跡メカニズムは、多大な制御用オーバーヘッドが掛かることから深刻な問題点である。
また、第２に、指向性アンテナの能力を完全に活用するためには、各ノード無線局はデータ通信が既に進行している方向への送信を回避するだけでなく、他の隣接ノード無線局に対してその通信状態（通信ステータス）を通知する必要がある。言い替えれば、露出端末問題及び隠れ端末問題を同時に解決しなければならない。特に、ＩＴＳ（Intelligent Transportation System:高度道路交通システム）の高速道路交通制御方法におけるストリングトポロジー（図２２に示すように、互いに離間した２つの無線リンクが一直線上に延在するように配置されたトポロジーをいう。）では、進行中の無線通信を認識していないノード無線局の幾つかが、既に何らかの無線通信で使用中であるノード無線局との通信を試行する可能性がある。これは、指向性モードのスループットを劣化させる可能性があり、全方向性モードの場合より悪くなることもある。従って、指向性アンテナにより多重パラレル通信が可能であるとしても、隠れ端末ファクタが指向性アンテナによってもたらされる利得を制限する。その結果、その送信方向を宛先無線局へ向けて設定する隣接ノード無線局の位置追跡機構を保有することだけでなく、隠れたノード無線局による近傍で進行中のデータ通信を妨害する多くの無駄なパケットの送信を防止するブロードキャスト機構を実施することが不可欠である。
本発明の第１の目的は以上の問題点を解決し、１ホップの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位置追跡を行うことが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。
また、本発明の第２の目的は以上の問題点を解決し、１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。
第１の発明に係る無線ネットワークの制御方法は、それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンを少なくとも有するアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、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、
発信元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ステップを含むことを特徴とする。
上記無線ネットワークのための制御方法において、上記発信元無線局からの無線信号の検出は、オムニパターン又はセクタパターンを用いて実行することを特徴とする。
第２の発明に係る無線ネットワークの制御方法は、それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンを少なくとも有するアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、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、
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ステップを含むことを特徴とする。
上記無線ネットワークの制御方法において、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ステップをさらに含むことを特徴とする。
また、上記無線ネットワークの制御方法において、それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンと無指向性のビームパターンの双方のビーム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、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であって、
送信元からの通信開始制御信号(RTS:Request To Send)、及び受信元からの通信受付信号(CTS:Clear To Send)を双方ともに無指向性アンテナで送信し、データ信号(DATA)と受信完了通知信号(ACK:Acknowledge)を指向性で送信するステップをさらに含むことを特徴とする。
さらに、上記無線ネットワークの制御方法において、上記アンテナは、無線信号を送受信するための励振素子と、上記励振素子を中心として互いに等角度で離間されかつ上記励振素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた複数の非励振素子と、上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記複数の非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることにより指向特性が変化するアレーアンテナであることを特徴とする。
第３の発明に係る無線ネットワークの制御装置は、それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンを少なくとも有するアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、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、
発信元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手段を備えたことを特徴とする。
上記無線ネットワークの制御装置において、上記発信元無線局からの無線信号の検出は、オムニパターン又はセクタパターンを用いて実行することを特徴とする。
第４の発明に係る無線ネットワークの制御装置は、それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンを少なくとも有するアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、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、
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手段を備えたことを特徴とする。
上記無線ネットワークの制御装置において、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手段をさらに備えたことを特徴とする。
また、上記無線ネットワークの制御装置において、それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンと無指向性のビームパターンの双方のビーム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、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であって、
送信元からの通信開始制御信号(RTS:Request To Send)、及び受信元からの通信受付信号(CTS:Clear To Send)を双方ともに無指向性アンテナで送信し、データ信号(DATA)と受信完了通知信号(ACK:Acknowledge)を指向性で送信する手段をさらに備えたことを特徴とする。
さらに、上記無線ネットワークの制御装置において、上記アンテナは、無線信号を送受信するための励振素子と、上記励振素子を中心として互いに等角度で離間されかつ上記励振素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた複数の非励振素子と、上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記複数の非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることにより指向特性が変化するアレーアンテナであることを特徴とする。
従って、本発明に係る第１又は第３の発明に係る無線ネットワークの制御方法又は制御装置によれば、発信元無線局と宛先無線局との間で１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、第２又は第４の発明に係る無線ネットワークの制御方法又は制御装置によれば、各無線局は、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、１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。
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。
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。
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。
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。
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１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。
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***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、仮想搬送波検出のためのＤＮＡＶを設定してその方向の通信のみを禁止する。
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。
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。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。
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。
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。
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ネルを決定して、決定した通信チャ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。
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。
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１５の無線通信制御処理により作成更新される。
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。
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。
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。
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。）。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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はの特徴には、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。
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。
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４５度のビーム幅を有するクアルネットのデフォルトアンテナパターンを示し、図１３（ｄ）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。
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。
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。
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。
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「ＳＩＧＮＡＬα ｎ，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。
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。
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。
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。但し、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。
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。
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。
図１４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１４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、共に無線局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１４）。ノード無線局ＮＸ及びＮＹは共に、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は共に、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。
図１５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１５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。
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。
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。
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。
さらに、本実施形態に係る無線通信システムにおける幾つかの仮定と理論的根拠について以下に説明する。
ノード無線局のアンテナが全方向性モードで動作しているとき、信号を、例えば無指向性利得Ｇｏｍｎｉで全方向から送受信する能力を有し、アイドル状態の間、ノード無線局は全方向性の受信モードで動作する。
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、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Ｇｄｉｒ（Ｇｄｉｒ>>Ｇｏｍｎｉ）の利得である特定の方向へ向けることができる。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。
従って、所定の入力電力量に関しては、指向性アンテナを使用する送信到達距離（半径）Ｒｄｉｒの方が対応するオムニパターンアンテナを使用する場合の送信到達距離Ｒｏｍｎｉよりはるかに大きくなる。
本発明者らは、ノード無線局Ｎｎの隣接ノード無線局を、当該ノード無線局Ｎｎの全方向性送信到達距離の送信サービスエリア内にあるノード無線局セットとして定義する。これらは、ノード無線局Ｎｎから１ホップの距離にあることが仮定されている。これは、ノード無線局Ｎｎの全方向性の送信サービスエリアの外にあるノード無線局は、それがノード無線局Ｎｎからそのノード無線局へと形成される指向性ビームを使用すれば、ノード無線局Ｎｎによって１ホップで到達可能なものであっても、ノード無線局Ｎｎの隣接ノード無線局とは見な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れば、これは、例えばＮｎであるノード無線局の例えばＮｍである隣接ノード無線局は必ず強力な隣接ノード無線局であることを意味する。図１０に示すように、ノード無線局Ｎｎがその隣接ノード無線局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、そうして形成された送信サービスエリアの送信ゾーン内に完全に含まれる（図１０参照。）。故に、ノード無線局Ｎｍにおいてノード無線局Ｎｎから受信される信号の強度は、常に、他の干渉が存在していても適切な捕捉が保証される強力なものである。従って、ノード無線局Ｎｍ又はＮｎの何れかの外向きの移動性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のリンク接続が外れ、又はリンク接続が弱まるという可能性は極めて少ない。
これにより、非特許文献４で指摘されているような隠れ端末の問題は緩和される。ノード無線局Ｎｎが指向性ビームによってノード無線局Ｎｍと無線通信している図１６について考える。ここでは、ノード無線局Ｎｐがノード無線局Ｎｑとの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（送信サービスエリア内）にあれば、ノード無線局Ｎｐがノード無線局Ｎｎ及び／又はＮｍの方向へ指向性ビームを形成することは許されないことから、この通信は開始されない。しかしながら、ノード無線局Ｎｐがノード無線局Ｎｎの近傍（送信サービスエリア）外にあれば、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て通信を開始する。これは、ノード無線局Ｎｍの受信に干渉する可能性がある。但し、ノード無線局Ｎｐとノード無線局Ｎｍとの距離は、ノード無線局Ｎｎとノード無線局Ｎｍとの距離より少なくとも、オムニパターン利得Ｒｏｍｎｉ（全方向性レンジ）分は長いため、ノード無線局Ｎｍにおいてノード無線局Ｎｎから受信される信号は優勢であり、この干渉によってデータパケットが失われる可能性は些少になる。
しかしながら、この仮定の結果、より大きい送信サービスエリアの指向性ビームの使用によって、宛先無線局はオムニパターンアンテナを使用する場合より少ないホップ数で到達され得ることから、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ている。但し、性能評価で実証されるように、本発明者らが得ようとしているのはＳＤＭＡ効率である。
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。
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１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。
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１４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。
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。
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１５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。
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。
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、１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。
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を使用して実行した（非特許文献１２参照。）。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のシミュレーションは、３０度の方位角で離散的に回転されて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で行った。
ここで、ＭＡＣプロトコルのシミュレーションは、上述した下記の放射パターンを用いた。
（ｉ）シミュレーションされた電子制御導波器アレーアンテナ装置１００の放射パターン（図１７乃至図２０において「アレーアンテナ装置１００」と記す。）；
（ｉｉ）クアルネットのデフォルト指向性アンテナパターン（図１７乃至図２０において「クアルネットのデフォルトアンテナ」と記す。）；
（ｉｉｉ）サイドローブのない理想的な指向性アンテナパターン（図１７乃至図２０において「理想的な指向性アンテナ」と記す。）。
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ために必要な変更を行った。当該シミュレーションでは、アレーアンテナ装置１００のハードウェア性能を基礎として、制御パケット信号における先行トーンの持続時間を２００マイクロ秒となるように選択した。
ルーティングプロトコルの影響を回避して、ＩＥＥＥ ８０２．１１に規定するＭＡＣプロトコルと、本発明者らが提案する本実施形態に係るＭＡＣプロトコルとの相違を明確に示すため、ランダムに選択された単純な１ホップ無線通信を使用した。また、静的ルートを使用して、プロアクティブであれアクティブであれ、任意のルーティングプロトコルによって発生されるパケットをすべて停止させた。当該シミュレーションでは、データレート及び同時通信の数を変化させて、従来の全方向性のＩＥＥＥ ８０２．１１のＭＡＣプロトコルと、本実施形態に係るＭＡＣプロトコルとの性能を比較調査した。本発明者らが提案する本実施形態に係るＭＡＣプロトコルの調査では、本実施形態に係るＭＡＣプロトコルのロバスト性を確証するために上述のような異なるアンテナパターンを使用した。その実行に際しては、アレーアンテナ装置１００をアンテナパターンの１つとして使用し、当該アレーアンテナ装置１００の性能も評価した。
当該シミュレーションでは、１０００ｍ×１０００ｍのエリア範囲に４０個のノード無線局１をランダムに配置した。当該シミュレーションは２ステップで行い、まず同時通信数を１０に保持してデータレートを８１．９２ｋｂｓ（５０ミリ秒間隔で送信される５１２バイトのデータパケット）から順次２．０４８Ｍｂｐｓ（２ミリ秒間隔で送信される５１２バイトのデータパケット）まで上昇させ、次に、データレートを４０９．６ｋｂｐｓ（１０ミリ秒間隔で送信される５１２バイトのデータパケット）に保持して同時通信の数を４から１２へ増加させた。両ステップにおいて、平均スループット及び１ホップの平均エンド・ツー・エンド遅延時間を評価した。表１は、使用されたパラメータセットを示したものである。
Figure 2005064671
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「ＩＥＥＥ ８０２．１１」と表記している従来のＩＥＥＥ ８０２．１１に規定するＭＡＣプロトコルを比較用のベンチマークとして使用し、それぞれアレーアンテナ装置１００と、クアルネットのデフォルトアンテナと、理想的な指向性アンテナとによって、本発明者らが提案するＭＡＣプロトコルの性能を評価した。評価は、平均スループット及び１ホップの平均エンド・ツー・エンド遅延時間である２つの基準に基づいて行った。
図１７乃至図２０はそれぞれ、そのシミュレーション結果を示したものである。報告されている結果のそれぞれは、異なるシードによる１０回実施した平均値である。従って、完璧な結果を得るために、４００を超えるシナリオをシミュレーションすることを余儀なくされ、そのそれぞれをシミュレータで５分間実施して全体的な平均結果を得た。
図１７では、データレートの上昇に伴って、任意の指向性アンテナパターンを使用する本発明者らが提案するＭＡＣプロトコル（以下、Ｅ−ＭＡＣのプロトコルという。）の平均スループットの方が、オムニパターンアンテナを使用するＩＥＥＥ ８０２．１１の場合より遙かに優れていることが分かる。また、図１８からは、任意の指向性アンテナを使用するＥ−ＭＡＣの１ホップの平均エンド・ツー・エンド遅延時間の性能の方が、ＩＥＥＥ ８０２．１１のＭＡＣプロトコルを使用して達成されるものより遙かに優れていることが分かる。
全方向性のＩＥＥＥ ８０２．１１のＭＡＣプロトコルでは、媒体が使用中であることが分かるとバックオフ状態に入らなければならない場合がより多い。データレートが上昇すると、ＭＡＣのコンテンションは増大する。但し、指向性アンテナを使用しかつ指向性仮想搬送波検出を実施すると、本実施形態に係るＥ−ＭＡＣのプロトコルは、オムニパターンアンテナを使用する「ＩＥＥＥ ８０２．１１のＭＡＣプロトコル」では生成し得ない、コンテンションがより低い環境を作り出す。従って、図１７が示すように、データレートが上昇すると、Ｅ−ＭＡＣのプロトコルでは平均スループットが急激に増大する。Ｅ−ＭＡＣのプロトコルでは、ＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクが実行されると、ノード無線局は高利得で指向的にデータを送信しかつ肯定応答信号（ＡＣＫ信号）を受信する。従って、受信機側でデータを、又は送信機側で肯定応答信号（ＡＣＫ信号）を受信し損なう可能性は最小化される。しかしながら、ＩＥＥＥ ８０２．１１のプロトコルでは、データを受信し損なう可能性はＲＴＳ／ＣＴＳの場合よりも逆に多くなる。これは、（ａ）データはＲＴＳ／ＣＴＳの場合と同じ利得で全方向に送信され、かつ全方向で受信される、（ｂ）ＲＴＳ／ＣＴＳに比べてデータパケットが大きく、適正に受信するためにはＳＩＮＲレベルを長い時間期間にわたって高く保持する必要がある、という２つの理由による。これらの理由は、ＩＥＥＥ ８０２．１１に比べてＥ−ＭＡＣのプロトコルで平均スループットが高く、エンド・ツー・エンド遅延時間が低いことをも説明している。
ＭＡＣプロトコルの性能は、指向性アンテナのパターンにも大きく依存する。従って、シミュレーションは３つの異なるタイプの指向性アンテナパターンに関して行っている。クアルネットのデフォルトアンテナは、標準的なアンテナパターンである。理想的な指向性アンテナは、サイドローブのない理想の指向性アンテナパターンである。これについては、上述した通りである。アレーアンテナ装置１００を使用する平均スループットはクアルネットのデフォルトアンテナより優れ、アレーアンテナ装置１００によって達成されるスループットの利得はＩＥＥＥ ８０２．１１の場合のほぼ１．８倍である。
図１９では、同時通信数の増大に伴って平均スループットは、Ｅ−ＭＡＣのプロトコル及びＩＥＥＥ ８０２．１１のプロトコルの両方で低減することが観察されるが、Ｅ−ＭＡＣのプロトコルは平均スループットにおける大幅な利得を示している。これは、Ｅ−ＭＡＣのプロトコルは隣接ノード無線局による送信を禁止せず、単に隣接ノード無線局に進行中の通信及びその方向を通知するだけであるため、隣接ノード無線局は他の方向への通信を開始できることによる。しかしながら、オムニパターンアンテナを使用するＩＥＥＥ ８０２．１１は、ＲＴＳ／ＣＴＳを発行してすべての隣接ノード無線局をサイレント状態（沈黙の無言状態）に保持する。
また、同時通信数が増加すると、図１９が示すように、平均エンド・ツー・エンド遅延時間（１ホップ）はＩＥＥＥ ８０２．１１のプロトコル及びＥ−ＭＡＣのプロトコルの両方で増大するが、その増大の程度は、指向性アンテナパターンの使用に関わらずＥ−ＭＡＣのプロトコルより「ＩＥＥＥ ８０２．１１のプロトコル」の方が遙かに顕著である。同時通信の数が増大すると、追加される同時通信数分の干渉によって各通信の干渉は増加する。しかしながら、Ｅ−ＭＡＣのプロトコルは、その近隣の他のノード無線局に進行中の通信を通知し、かつより大きな捕捉で指向性放射パターンを用いて送受信を行うため、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のプロトコルはより多くの数の同時通信を可能にするＳＤＭＡ効率を活用することから、図２０で観察されるようなより少ない待ち行列遅延及びより少ない１ホップの平均エンド・ツー・エンド遅延時間を得ることができる。
以上説明したように、適正な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は、システム性能を劇的に向上させることができる。指向性アンテナを使用すれば、仮想搬送波検出の指向的な設定により、媒体を最大限に利用することができる。位置追跡のオーバーヘッドを最小限に抑えることにより、ＭＡＣで達成される利得は実に多大なものとなる。同時に、ＭＡＣプロトコルの成功は、指向性アンテナのパターンに大きく依存する。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を使用する場合の平均スループットは、クアルネットのデフォルトアンテナの場合より優れ、アレーアンテナ装置１００によって達成されるスループットの利得はＩＥＥＥ ８０２．１１のＭＡＣプロトコルの場合のほぼ１．８倍である。
第２の実施形態．
図２１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１ホップの無線通信ルーティングに対して、図２１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１４及び図１５の無線通信制御処理を実行する。
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。
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。）。
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。ＳＩＧＮＡＬθ ｎ，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。但し、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。
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。
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。
図２９は全方向性の無線通信を示しており、ノード無線局ＮＡは送信エリアＡｔ１を有し、ノード無線局ＮＢは受信機感度で決定される受信エリアＡｒ１を有している。また、ノード無線局ＮＡは受信機しきい値で決定される搬送波検出エリアＡｃ１を有しており、一般に、Ａｃ１＞Ａｔ１である。さらに、図３０は第２の実施形態に係る指向性の無線通信を示している。ＩＥＥＥ８０２．１１の規定によれば、搬送波検出エリアＡｃ１内に存在するノード無線局は、ノード無線局ＮＡ，ＮＢ間の無線通信が進行中はアイドル状態のままでいなければならない。オムニパターンアンテナを使用する場合、搬送波検出エリアＡｃ１内の任意のノード無線局、例えばノード無線局ＮＣがノード無線局ＮＡ，ＮＢ間の無線通信の進行中に通信を開始すれば、ノード無線局ＮＢは全方向的な受信状態にあることから、ノード無線局ＮＢで干渉が発生するため、これは必要である。しかしながら、本実施形態に係る図３０に示すように、指向性アンテナを使用すれば、ノード無線局ＮＢはそのセクタパターンで決まる受信エリアＡｒ２をノード無線局ＮＡに向けて回転させ、他の全方向にはヌルを形成することが可能であり、他の方向からの干渉の機会が最小限に抑えられる。この場合、ノード無線局ＮＣが無線通信を開始しても、ノード無線局ＮＣの無線信号がノード無線局ＮＢにおいて干渉を発生させることはない。
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２２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。
本発明者らは、第２の実施形態に係る無線通信システムについて以下のようにシミュレーションを行い、以下の結果を得た。ここで、クアルネット３．１（非特許文献１２参照。）を使用し、ストリングトポロジーにおいて、「Ｅ−ＭＡＣ」と称する本発明者らが提案しているＭＡＣプロトコルと、「ＩＥＥＥ８０２．１１（全方向性）」と称する全方向性ＩＥＥＥ８０２．１１と、「Ｄ−ＭＡＣ」と称する従来型の指向性ＭＡＣプロトコルとの比較評価を行った。また、Ｄ−ＭＡＣでは、ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＤＡＴＡ及びＡＣＫパケットを指向性パターンであるセクタパターンを用いて送信する。無線通信していない静止したノード無線局は、距離３００ｍで分離される。１０２４バイトのＣＢＲパケットは、２Ｍｂｐｓを超えるデータ速度で５．４ミリ秒間隔で送信される。ＲＴＳ／ＣＴＳ／ビーコン信号における先行トーン信号の持続時間は２００マイクロ秒である。
まず、指向性利得が全方向性利得と等しい理想のケースでの評価を行った。図２３及び２４における結果は、Ｅ−ＭＡＣがＤ−ＭＡＣより遙かに性能が良く、かつその性能はＩＥＥＥ８０２．１１（全方向性）のそれに匹敵することを示している。非特許文献４において指摘されているような隠れ端末及び難聴問題により、Ｄ−ＭＡＣはストリングトポロジーでは性能が低い。しかしながら、Ｅ−ＭＡＣは、ホップ数が増えればＩＥＥＥ８０２．１１（全方向性）より性能が良い。しかし、現実的には、アンテナの指向性利得は全方向性利得より大きい。従って、本発明者らは、全方向性利得より大きい５．４ｄＢｉの指向性利得を有するＥ−ＭＡＣについて評価した。ＩＥＥＥ８０２．１１の場合と同様に、受信機感度（ＲＳ）は受信機しきい値（ＲＴ）より低く保持されている。グラフ「Ｅ−ＭＡＣ（ＲＳ＜ＲＴ）」は、アンテナの利得が等しくなくてもＥ−ＭＡＣの性能は低下しないことを示している。
図２９及び図３０を参照して説明したように、ＩＥＥＥ８０２．１１の規格に係るＭＡＣプロトコルによれば、ノード無線局ＮＡ，ＮＢ間の無線通信の進行中、搬送波検出エリアＡｃ１内のノード無線局は無為に存在しているしかない。搬送波検出エリアＡｃ１内の例えばノード無線局ＮＣである任意のノード無線局がノード無線局ＮＡ，ＮＢ間の無線通信の進行中に無線通信を開始すれば、ノード無線局ＮＢは全方向的に受信しているためにノード無線局ＮＢにおいて干渉が発生することから、オムニパターンアンテナを使用することが必要である。しかしながら、指向性アンテナを使用すれば、ノード無線局ＮＢはそのセクタパターンをノード無線局ＮＡの方へ回転することが可能であって、他のすべての方向へはヌルが形成され、よって他の方向からの干渉の機会は最小限に抑えられる。これで、ノード無線局ＮＣが無線通信を開始しても、ノード無線局ＮＣからの無線信号はノード無線局ＮＢにおいて干渉を発生させることはできない。従って、指向性アンテナを使用し、受信機感度と受信機しきい値とを実質的に等しくすることにより、ＳＤＭＡの効率を向上させることができる。それ故、ノード無線局は、そのノード無線局によって受信されかつ復号化される信号強度を有する無線信号によってのみ沈黙状態に保持される。
図２５及び図２６では、「Ｅ−ＭＡＣ（ＲＳ＝ＲＴ）」のグラフが、ストリングトポロジーにおけるＥ−ＭＡＣの利得の向上を示し、これは「ＩＥＥＥ８０２．１１（全方向性）」の場合のほぼ２倍である。Ｅ−ＭＡＣはまた、図２７及び図２８から明らかなように、取得される最大利得が「ＩＥＥＥ８０２．１１（全方向性）」の場合のほぼ４倍であるパラレルトポロジーでも「ＩＥＥＥ８０２．１１（全方向性）」の性能を凌いでいる。
以上説明したように、本実施形態によれば、受信機指向性の方向探索方法を用いて、方向情報を保持することが可能であり、かつＤＮＡＶを有する全方向性ＲＴＳ／ＣＴＳが露出端末問題及び隠れ端末問題に有効である、効果的な指向性ＭＡＣプロトコルを提示している。受信機感度と受信機しきい値とを等しくした場合の組合せでは、従来技術の全方向性ＩＥＥＥ８０２．１１に比較して、スループットはストリングトポロジーで２倍、パラレルトポロジーで４倍の向上が可能である。
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１の各無線局１の内部構成を示すブロック図である。 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。 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。 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。 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。 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１１のアレーアンテナ装置１００の縦断面図である。 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）は公知のクアルネットにおけるデフォルトの切り換えアンテナの放射パターンを示す平面図であり、（ｄ）は理想的な指向性アンテナの放射パターンを示す平面図である。 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。 第１の実施形態において、送信無線局Ｎｎからの電波を受信無線局Ｎｍによって捕捉するときの受信しきい値が、別の送信無線局Ｎｐからの干渉波を許容するために十分に高いときを説明するための平面図である。 第１の実施形態のシミュレーション結果であって、各種のアンテナを用いたときの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。 第１の実施形態のシミュレーション結果であって、各種のアンテナを用いたときのデータレートに対する１ホップの平均エンド・ツー・エンド遅延時間を示すグラフである。 第１の実施形態のシミュレーション結果であって、各種のアンテナを用いたときの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。 第１の実施形態のシミュレーション結果であって、各種のアンテナを用いたときの同時通信数に対する１ホップの平均エンド・ツー・エンド遅延時間を示すグラフである。 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２１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無線局の平面図である。 第２の実施形態のシミュレーション結果であって、各種の無線ＭＡＣ通信制御手順を用いたときに、ストリングトポロジーで指向性アンテナの利得がオムニパターンアンテナの利得に等しいときのホップ数に対する平均スループットを示すグラフである。 第２の実施形態のシミュレーション結果であって、各種の無線ＭＡＣ通信制御手順を用いたときに、ストリングトポロジーで指向性アンテナの利得がオムニパターンアンテナの利得に等しいときのホップ数に対する平均エンド・ツー・エンド遅延時間を示すグラフである。 第２の実施形態のシミュレーション結果であって、各種の無線ＭＡＣ通信制御手順を用いたときに、ストリングトポロジーで指向性アンテナの利得がオムニパターンアンテナの利得よりも大きいときのホップ数に対する平均スループットを示すグラフである。 第２の実施形態のシミュレーション結果であって、各種の無線ＭＡＣ通信制御手順を用いたときに、ストリングトポロジーで指向性アンテナの利得がオムニパターンアンテナの利得よりも大きいときのホップ数に対する平均エンド・ツー・エンド遅延時間を示すグラフである。 第２の実施形態のシミュレーション結果であって、各種の無線ＭＡＣ通信制御手順を用いたときに、パラレルトポロジーで指向性アンテナの利得がオムニパターンアンテナの利得よりも大きいときのホップ数に対する平均スループットを示すグラフである。 第２の実施形態のシミュレーション結果であって、各種の無線ＭＡＣ通信制御手順を用いたときに、パラレルトポロジーで指向性アンテナの利得がオムニパターンアンテナの利得よりも大きいときのホップ数に対する平均エンド・ツー・エンド遅延時間を示すグラフである。 第２の実施形態においてオムニパターンアンテナを用いたときの送信エリアＡｔ１、受信エリアＡｒ１及び搬送波検出エリアＡｃ１を示す平面図である。 第２の実施形態において指向性アンテナを用いたときの送信エリアＡｔ１、受信エリアＡｒ１及び搬送波検出エリアＡｃ１を示す平面図である。
符号の説明
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，ＮＡ，ＮＢ，ＮＣ…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。

Claims (12)

  1. それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンを少なくとも有するアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、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、
    発信元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。
  2. 上記発信元無線局からの無線信号の検出は、オムニパターン又はセクタパターンを用いて実行す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制御方法。
  3. それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンを少なくとも有するアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、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、
    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ステップを含むことを特徴とする無線ネットワークの制御方法。
  4. 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ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１又は２記載の無線ネットワークの制御方法。
  5. それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンと無指向性のビームパターンの双方のビーム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、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であって、
    送信元からの通信開始制御信号(RTS:Request To Send)、及び受信元からの通信受付信号(CTS:Clear To Send)を双方ともに無指向性アンテナで送信し、データ信号(DATA)と受信完了通知信号(ACK:Acknowledge)を指向性で送信するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４記載の無線ネットワークの制御方法。
  6. 上記アンテナは、無線信号を送受信するための励振素子と、上記励振素子を中心として互いに等角度で離間されかつ上記励振素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた複数の非励振素子と、上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記複数の非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることにより指向特性が変化するアレーアンテナであることを特徴とする請求項１乃至５のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークのための制御方法。
  7. それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンを少なくとも有するアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、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、
    発信元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。
  8. 上記発信元無線局からの無線信号の検出は、オムニパターン又はセクタパターンを用いて実行す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制御装置。
  9. それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンを少なくとも有するアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、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、
    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手段を備えたことを特徴とする無線ネットワークの制御装置。
  10. 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手段をさらに備えたことを特徴とする請求項７又は８記載の無線ネットワークの制御装置。
  11. それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンと無指向性のビームパターンの双方のビーム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、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であって、
    送信元からの通信開始制御信号(RTS:Request To Send)、及び受信元からの通信受付信号(CTS:Clear To Send)を双方ともに無指向性アンテナで送信し、データ信号(DATA)と受信完了通知信号(ACK:Acknowledge)を指向性で送信する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１０記載の無線ネットワークの制御装置。
  12. 上記アンテナは、無線信号を送受信するための励振素子と、上記励振素子を中心として互いに等角度で離間されかつ上記励振素子から所定の間隔だけ離間されて設けられた複数の非励振素子と、上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記複数の非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させることにより指向特性が変化するアレーアンテナであることを特徴とする請求項７乃至１１のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークのための制御装置。
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