JP4917099B2 - 無線通信システム及び無線通信方法 - Google Patents

Description

この発明は、基地局と複数の端末が無線で通信を行う無線通信システム及び無線通信方法であって、基地局が複数の指向性アンテナを有し、端末が存在する特定エリアのみ通信時間を確保する無線通信システム及び無線通信方法に関するものである。

従来の無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）システムや超広帯域（ＵＷＢ：Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）無線システムで使用されるアンテナは、そのシステムで使用される周波数帯の特性にも依存し、比較的広角の指向性をもったものが多い。そのため、利用可能なアプリケーションや対応可能な環境も多岐に渡り、今後も普及していくことが予想される。しかしながら、近年の無線通信の伝送速度の高速化への要求は益々高まり、さらに超広帯域が確保可能なミリ波帯等を使用した無線通信システムの検討が行われてきている（ＩＥＥＥ８０２．１５．３ｃ）。

マイクロ波帯と比較してミリ波帯は、直進性が高く干渉の影響が少ないことと合わせ秘匿性を確保できるメリットがあり、これまでも有線通信の代替として、ビル間通信、家庭用テレビの映像伝送システム等として一部で使用されており、標準規格としても「ＡＲＩＢ ＳＴＤ−Ｔ６９」または「ＡＲＩＢ ＳＴＤ−Ｔ７４」等が策定されている。

従来の無線通信システムとして、複数のアンテナを有する制御局と、複数の端末局とが設けられたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この従来の無線通信システムの制御局側では、複数の端末局からの信号を複数のアンテナで順次受信し、各アンテナで受信した信号の品質を測定し、最も品質の高い信号を受信したアンテナを端末局との通信に用いている。

特開平７−１３５６７５号公報

しかしながら、一般的に、ミリ波帯はマイクロ波帯等と比べ、空間における電力の減衰が大きいため、通信エリアが限定され、使用環境やアプリケーションが限定されてしまうという問題点があった。

また、上述したような従来の無線通信システムでは、速い伝送速度、秘匿性の確保などを目的とするものではなかった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、速い伝送速度及び秘匿性を確保しながら、広範囲なエリアにおいて効率的な通信を実現することができる無線通信システム及び無線通信方法を得るものである。

この発明に係る無線通信システムは、基地局と複数の端末の間で直進性の高い周波数帯を使用して無線で通信を行う無線通信システムであって、前記基地局は、複数のアンテナから構成された複数ビームアンテナを設け、前記複数ビームアンテナにより、前記複数のアンテナから対応する複数の特定エリアに向けて、同一周波数のミリ波帯の電波を同一タイミングで重複することなく時分割で放射して複数のスポットビームを形成し、基地局と端末間の通信チャネルが割り当てられたフレームは、基地局から全端末へのチャネルであり前記アンテナ単位に割り当てられた複数のビーコンチャネルと、全端末から基地局へのチャネルであり前記アンテナ単位に割り当てられた複数のリクエストチャネルと、要求端末に割り当てられる下りリンクデータチャネル及び上りリンクデータチャネルとから構成され、前記基地局は、前記複数のビーコンチャネルを使用して、前記アンテナを識別する情報を含む報知情報を各アンテナからそれぞれ送信し、前記複数の特定エリアのいずれかに存在する端末は、前記ビーコンチャネルを通じて前記報知情報を受信すると、最適なビーコンチャネルを選択し、前記複数のリクエストチャネルのうち、選択した最適なビーコンチャネルを通じて受信した報知情報に含まれるアンテナを識別する情報に対応するリクエストチャネルを使用して、前記アンテナを識別する情報を含む通信確立要求及び希望する通信帯域を含む帯域要求を前記基地局へ送信し、前記基地局は、前記リクエストチャネルを通じて前記通信確立要求及び帯域要求を受信すると、要求端末に対して、前記フレームにチャネルを割り当てるか否かを判断し、チャネルを割り当てる場合には、前記要求端末と通信するための変調方式及び符号化方式、並びに下りリンクデータチャネル及び上りリンクデータチャネルを含むチャネル割当時間をスケジューリングし、前記基地局は、前記複数のアンテナにより前記リクエストチャネルを通じて受信する端末からの前記通信確立要求及び帯域要求を通じて把握するトラヒック量に基づき、各アンテナの接続時間を決定し、要求端末と通信するためのチャネル割当時間を制御するものである。

この発明に係る無線通信システムは、速い伝送速度及び秘匿性を確保しながら、広範囲なエリアにおいて効率的な通信を実現することができるという効果を奏する。

この発明の実施例１に係る無線通信システムの構成を示す図である。 この発明の実施例１に係る無線通信システムの基地局の構成を示すブロック図である。 この発明の実施例１に係る無線通信システムの端末の構成を示すブロック図である。 この発明の実施例１に係る無線通信システムの別の構成を示す図である。 この発明の実施例１に係る無線通信システムのフレームの構成を示す図である。 この発明の実施例１に係る無線通信システムのフレームの別の構成を示す図である。 この発明の実施例１に係る無線通信システムにおいて端末が基地局へ接続する手順を示すフローチャートである。 この発明の実施例２に係る無線通信システムのフレームの構成を示す図である。 この発明の実施例３に係る無線通信システムにおいてセクタ間で干渉が生じる場合の例を示す図である。 この発明の実施例１に係る無線通信システムのフレームの別の構成を示す図である。 この発明の実施例４に係る無線通信システムのＭＡＣフレームの詳細な構成を示す図である。 この発明の実施例４に係る無線通信システムのＭＡＣ Ｈｅａｄｅｒの構成例を示す図である。 この発明の実施例４に係る無線通信システムのＭＡＣ Ｈｅａｄｅｒの構成例を示す図である。 この発明の実施例５に係る無線通信システムのフレームの構成を示す図である。 この発明の実施例５に係る無線通信システムのＢｅａｃｏｎフレームで送信するＢＣＣＨ情報要素を示す図である。 この発明の実施例５に係る無線通信システムのＦＣＨの情報要素を示す図である。 この発明の実施例６に係る無線通信システムのフレームの構成を示す図である。 この発明の実施例７に係る無線通信システムの基地局の構成を示すブロック図である。 この発明の実施例７に係る無線通信システムのフレームの構成を示す図である。 この発明の実施例７に係る無線通信システムにおいて端末が基地局へ接続する手順を示すフローチャートである。 この発明の実施例８に係る無線通信システムのフレームの構成を示す図である。 この発明の実施例８に係る無線通信システムにおいて端末が基地局へ接続する手順を示すフローチャートである。

この発明の実施例１〜実施例８について以下説明する。

この発明の実施例１に係る無線通信システムについて図１から図７まで、及び図１０を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施例１に係る無線通信システムの構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この実施例１に係る無線通信システムは、基地局１と、複数台（例えば、３台）の端末２とが設けられている。基地局１は、例えば、建物の天井に設けられ、アンテナを有するパソコンなどの端末２は建物のフロアに設けられている。基地局１と端末２の空間的な配置はこれに限定されない。基地局１は、建物の側壁に設けられてもよい。また、両者は天地を逆にしてもよく、基地局１は、例えば、建物のフロアに設けられ、端末２は建物の天井に設けられてもよい。さらに、基地局１と端末２の空間的な配置は、建物内に限定されず、電波の到達範囲内であれば自由である。

基地局１に設けられた複数ビームアンテナ１１は、複数（例えば、７つ）のセクタ１２から構成され、各セクタ１２は、それぞれ同一周波数の電波（例えば、ミリ波帯）を複数のアンテナ素子１３から放射する。１つのセクタ１２内の複数のアンテナ素子１３から放射される周波数は、同一周波数を使用するものとし、同一タイミングでは重複して放射されることは無いものとする。なお、図１の例では、中央のセクタ１２は周波数ｆ１を使用し、その上のセクタ１２は周波数ｆ４を使用し、以下時計回りに５つのセクタ１２は、順に周波数ｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ２、ｆ３を使用している。つまり、隣接したセクタ１２同志では異なる周波数を使用し、離間したセクタ１２同志では同一周波数を使用している。また、１台の基地局１で所定の無線通信エリアをカバーしている。

図１では、１つのセクタ１２を構成するアンテナ素子１３の数は「２０」となっているため（アンテナ素子番号０〜１９）、２０個のアンテナ素子１３は、各々が形成する各特定エリアに向け、スポットビームを、それぞれ異なるタイミングで放射するものとする。端末２は、基地局１の各アンテナ素子１３によりスポットビームが形成するいずれかの特定エリアに存在する場合、当該アンテナ素子１３を通じて基地局１と通信する。なお、１つのセクタ１２を構成するアンテナ素子１３の数は、２０個に限られず、１０個でも、５０個でもよいし、自由である。さらに、アンテナ素子１３は複数のアンテナ素子で構成されても良いし、特定のエリアに向け電波を放射することができれば、アダプティブアレイアンテナ等を用いてセクタ１２を構成しても良い。

図２は、この発明の実施例１に係る無線通信システムの基地局の構成を示すブロック図である。

図２において、基地局１には、複数ビームアンテナ１１を構成する複数個（例えば、７×２０＝１４０個）の指向性アンテナ素子１３と、切替部１４と、ＩＦ／ＲＦ部１５と、変復調部１６と、制御部１７とが設けられている。

また、変復調部１６には、符号器（ＥＮＣ：Ｅｎｃｏｄｅｒ）１６１と、変調器（ＭＯＤ：Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）１６２と、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）部１６３と、ガードインターバル（＋ＧＩ：Ｇｕａｒｄ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）付加部１６４と、ガードインターバル（−ＧＩ：Ｇｕａｒｄ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）除去部１６５と、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）部１６６と、復調器（ＤＥＭ：Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ）１６７と、復号器（ＤＥＣ：Ｄｅｃｏｄｅｒ）１６８と、品質測定部１６９とが設けられている。

さらに、制御部１７には、フレーム解析部１７１と、再送制御部１７２と、スケジューラ１７３とが設けられている。

図２に示すように、複数個のアンテナ素子１３は、切替部１４に接続される。この切替部１４は、各アンテナ素子１３に要求される接続時間、接続間隔のみ接続されるよう、切り替える。ＩＦ／ＲＦ部１５は、変復調部１６に接続され、この変復調部１６からの送信デジタル信号をアナログに変換し、ＩＦ周波数からＲＦ周波数にアップコンバートする。また、ＩＦ／ＲＦ部１５は、切替部１４からの受信信号をＲＦ周波数からＩＦ周波数へダウンコンバートしてデジタル変換し、受信デジタル信号とし、変復調部１６へ出力する。

また、変復調部１６は、デジタル無線信号処理を行う。この変復調部１６のうち変調部分では、制御部１７から入力された送信パケットについて符号器（ＥＮＣ）１６１で誤り訂正処理が施され、変調器（ＭＯＤ）１６２では変調度数に応じて、Ｉ、Ｑマッピング処理が行われる。逆高速フーリエ変換部（ＩＦＦＴ）１６３及びガードインターバル付加部（＋ＧＩ）１６４では、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）変調処理が行われる。

変復調部１６のうち復調部分では、ＩＦ／ＲＦ部１５から入力された受信デジタル信号についてガードインターバル除去部（−ＧＩ）１６５及び高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）１６６で直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）復調処理が行われる。復調器（ＤＥＭ）１６７では、Ｉ、Ｑデマッピング処理が行なわれ、復号器（ＤＥＣ）１６８で復号処理が行われ、制御部１７へ受信パケットが出力される。この変復調部１６では、無線変復調方式として直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）の例を示しているが、本発明に係る無線通信システムは、たとえば、直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）またはマルチキャリア符号分割多元接続（ＭＣ−ＣＤＭＡ：Ｍｕｌｔｉ−Ｃａｒｒｉｅｒ Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）等の多搬送波の変調方式を用いても良いし、周波数偏移変調（ＦＳＫ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）、振幅偏移変調（ＡＳＫ：Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）、直交振幅変調（ＱＡＭ：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）等の単一搬送波の変調方式（Ｓｉｎｇｌｅ Ｃａｒｒｉｅｒ）を用いても良く、無線変復調方式に依存しない。さらに、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）等の複数のアンテナを用いて行う空間多重伝送技術を併用してもよい。

さらに、品質測定部１６９では、受信デジタル信号を用いて、端末２からの受信信号の受信信号強度表示（ＲＳＳＩ：Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）や搬送波対雑音電力比（ＣＮＲ：Ｃａｒｒｉｅｒ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ）等の無線通信品質を測定し、制御部１７へ出力する。

制御部１７は、ネットワークまたはアプリケーションからの送信パケットを変復調部１６へ送信するとともに、受信パケットを変復調部１６から受信する。フレーム解析部１７１は、パケットを生成、解析し、再送制御部１７２は、無線回線で誤りが発生した場合にパケット再送処理を行う。スケジューラ１７３は、端末２からの帯域要求、無線通信品質、サービスの品質（ＱｏＳ：Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）及びトラヒック状況に応じて、フレーム内の下りリンク（Ｄｏｗｎｌｉｎｋ）／上りリンク（Ｕｐｌｉｎｋ）の帯域（領域）割り当てを制御する。

また、このスケジューラ１７３は、切替部１４に対する各アンテナ素子１３の接続時間、接続間隔も管理する。つまり、スケジューラ１７３は、ビーコンチャネル（Ｂｅａｃｏｎ ｃｈ）及びリクエストチャネル（Ｒｅｑｕｅｓｔ ｃｈ）を周期的にそれぞれ送信及び受信するよう、変復調部１６及びＩＦ／ＲＦ部１５経由で切替部１４に対して各アンテナ素子１３の接続時間、接続間隔を指示する。端末２よりリクエストチャネルを通じて、通信確立要求を受信した場合、スケジューラ１７３は、リクエストチャネルを通じての端末２からの帯域要求、品質測定部１６９で測定された端末２の無線通信品質、アプリケーションに応じたサービスの品質及び基地局１が管理する無線通信エリアの総トラヒック状況等を考慮し、固定長のフレームにチャネルを割り当てるか否かを判断する。チャネルを割り当てると判断した場合、ビーコンチャネル（Ｂｅａｃｏｎ ｃｈ）とフレームコントロールヘッダ（ＦＣＨ：Ｆｒａｍｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｈｅａｄｅｒ）を通じて、端末２に対し、チャネル割り当ての有無、並びに下りリンク／上りリンクの帯域量（領域量）、フレームにおける位置（基準データ（例えば、先頭のデータ）からの時間やシンボル数で特定）、変調方式及び符号化方式（符号化率）等をチャネル構成として通知する。

図３は、この発明の実施例１に係る無線通信システムの端末の構成を示すブロック図である。

この図３は、端末２のブロック構成を説明するものであるが、図２の基地局のブロック図と同じものについては、ブロック構成の名称だけを挙げ、その機能、動作の説明を省略する。

アンテナ２３は、単一のアンテナ素子から構成されており、切替部２４は、アンテナ２３の送信接続時間と受信接続時間の切替を行う。制御部２７は、スケジューラを備えていない。なお、アンテナ２３は、図２と同様に複数個のアンテナ素子から放射するセクタから構成してもよい。

端末２では、下りリンクデータ（Ｄｏｗｎｌｉｎｋ Ｄａｔａ）がアンテナ２３、切替部２４及びＩＦ／ＲＦ部２５を経て、受信デジタル信号として変復調部２６へ入力される。この変復調部２６では、復調処理及び復号処理を行うと共に、受信信号の品質を品質測定部２６９で測定する。

すなわち、図３において、端末２には、アンテナ２３と、切替部２４と、ＩＦ／ＲＦ部２５と、変復調部２６と、制御部２７とが設けられている。

また、変復調部２６には、符号器（ＥＮＣ）２６１と、変調器（ＭＯＤ）２６２と、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）部２６３と、ガードインターバル（＋ＧＩ）付加部２６４と、ガードインターバル（−ＧＩ）除去部２６５と、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）部２６６と、復調器（ＤＥＭ）２６７と、復号器（ＤＥＣ）２６８と、品質測定部２６９とが設けられている。

さらに、制御部２７には、フレーム解析部２７１と、再送制御部２７２とが設けられている。

図４は、この発明の実施例１に係る無線通信システムの別の構成を示す図である。図１では、基地局１に設けられた複数ビームアンテナ１１は、７つのセクタ１２から構成されているが、図４では、基地局１に設けられた複数ビームアンテナ１１は、１つのセクタ１２から構成されているもので、複数台（例えば、７台）の基地局１を配置することにより、図１と同じ無線通信エリアをカバーしてもよい。なお、複数台の基地局１は、互いに有線で接続されていても、無線で接続されていても良い。

つぎに、この実施例１に係る無線通信システムの動作について図面を参照しながら説明する。

図５は、この発明の実施例１に係る無線通信システムのフレームの構成を示す図である。図５において、ビーコンチャネル（Ｂｅａｃｏｎ ｃｈ ０〜１９）は、基地局１の各アンテナ素子１３からそれぞれの報知情報を放射するチャネルであり、基地局番号、セクタ番号、アンテナ素子番号など、各アンテナ素子１３を識別する情報を含む。また、リクエストチャネル（Ｒｅｑｕｅｓｔ ｃｈ ０〜１９）は、端末２から基地局１に対して、通信を確立するための通信確立要求や帯域要求を行うチャネルであり、端末２は、基地局１の各アンテナ素子１３から放射されるビーコンチャネルを受信することにより、最適なビーコンチャネルを選択し、最適なビーコンチャネル番号に対応するリクエストチャネル番号で通信確立要求や帯域要求を行う。上記のフレームは、固定長であるが、可変長であってもよい。

最適なビーコンチャネルの選択方法としては、各ビーコンチャネルの受信信号強度表示（ＲＳＳＩ）や搬送波対雑音電力比（ＣＮＲ）等の無線通信品質情報に基づく方法や、プリアンブルやパイロット等の既知情報を用いて端末２側における相関検出結果に基づく方法等が考えられる。

図５は、図１の右下に示すセクタ（使用周波数ｆ３）１２に対応するフレームの例を図示するが、他の６つセクタ１２についても平行して同様のフレームで基地局１と端末２の間で通信を行う。つまり、図１の例では、７つのセクタ１２にそれぞれ対応する７つのフレームで同時に基地局１と端末２の間で通信を行う。

ビーコンチャネル及びリクエストチャネルを固定長とすることにより、ビーコンチャネルとリクエストチャネルとのチャネル番号の対応関係が明らかになる。すなわち、端末２が所望のリクエストチャネル番号を所望のタイミングで送信することにより、基地局１はどのアンテナ素子１３のビーコンチャネルに対応するリクエストチャネルなのかがわかる。この時、端末２はリクエストチャネルの中に自身を特定する情報及びアンテナ素子番号を含めて送信する。但し、ビーコンチャネル内に対応するリクエストチャネルのタイミング情報を含めることによりビーコンチャネル及びリクエストチャネルを可変長とすることは可能である。

端末２からリクエストチャネルによりアンテナ素子番号を含む通信確立要求を受けた基地局１は、各端末２から要求されるサービス品質、希望帯域、通信時間等に基づき、アンテナ素子１３の接続時間、接続間隔を決定し、要求を受けた各端末２と通信するためのチャネル割当時間をそれぞれ決定する。また、基地局１は、端末２から受信したリクエストチャネルの受信信号強度表示（ＲＳＳＩ）や搬送波対雑音電力比（ＣＮＲ）等の無線通信品質、要求された帯域、ＱｏＳ及びトラヒック状況等に基づき、変調方式及び符号化方式（符号化率）を決定し、上記のチャネル割当時間を決定する。

基地局１は、無線通信を行うための各アンテナ素子１３の接続時間、すなわち各端末２に対するチャネル割当時間の通知は、フレームコントロールヘッダ（ＦＣＨ）を通じて各端末２に対して通知する。すなわち、各端末２は、フレームコントロールヘッダ（ＦＣＨ）を受信することにより、自身の通信確立要求が認められたか否かを把握すると同時に、自身に割り当てられた下りリンク及び上りリンクの帯域、変調方式及び符号化方式を示す情報を把握することができる。また、基地局１は、通知する情報に基づき、自身が制御する各アンテナ素子１３に対する接続時間、接続間隔を決定する。

図５は、計３台の端末（ユーザ）ｋ０、ｋ１及びｋ２がそれぞれ下りリンクデータ（Ｄｏｗｎｌｉｎｋ Ｄａｔａ）帯域（領域）及び上りリンクデータ（Ｕｐｌｉｎｋ Ｄａｔａ）帯域（領域）を割り当てられている例である。すなわち、フレームコントロールヘッダ（ＦＣＨ）を含むデータ（Ｄａｔａ）領域に関しては、端末ｋ０、ｋ１及びｋ３が存在する特定エリアのスポットビームを形成するアンテナ素子１３のみが使用される。

図６は、この発明の実施例１に係る無線通信システムのフレームの別の構成を示す図である。図５では、端末ｋ０、ｋ１及びｋ２の３台の下りリンクデータ帯域（領域）及び上りリンクデータ帯域（領域）の割り当てを示しているが、図６のように、存在する端末が１台しかない場合には、１フレームのデータ帯域（領域）に関しては、１端末ｋ０に占有されることも可能である。また、図５及び図６では、各端末に割り当てられた上りリンクデータチャネル及び下りリンクデータチャネルは、それぞれ一箇所であるが、フレーム構成はこれに限らなくともよい。例えば、図５において、端末ｋ０、ｋ１及びｋ２に割り当てる各チャネルをさらに分割し、繰り返し割り当ててもよい。

なお、本実施例１の複信方式は時分割複信（ＴＤＤ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）を例として説明しているが、本実施例１に係る無線通信システムは、周波数分割複信（ＦＤＤ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）を用いても良い。さらに、本実施例１の多元接続方式は時分割多元接続（ＴＤＭＡ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）を例として説明しているが、本実施例１に係る無線通信システムは、周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）、符号分割多元接続（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）または搬送波感知多元接続／衝突回避方式（ＣＳＭＡ／ＣＡ：Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ｗｉｔｈ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）等を用いても良いし、これらが同一スーパフレーム内か否かに依らず併用されても良い。

図７は、この発明の実施例１に係る無線通信システムにおいて端末が基地局へ接続する手順を示すフローチャートである。

ステップ１０１〜１０２において、端末２は、基地局１から周期的に時分割送信されているビーコンチャネルを通じて報知情報を受信する。このビーコンチャネルは、基地局１のスケジューラ１７３により、各アンテナ素子１３よりそれぞれ送信される。端末２は、変復調部２６により、受信したビーコンチャネルのプリアンブル部（図示せず）を用い、所望の基地局１に対して自身の周波数及び時間の同期をとる。また、フレーム解析部２７１により、最適なビーコンチャネルのスポットビームを選択する、すなわち最良な無線通信品質を観測したビーコンチャネルが送信されたアンテナ素子１３を選択する。

次に、ステップ１０３において、端末２は、フレーム解析部２７１により、選択したアンテナ素子１３のアンテナ素子番号に対応するリクエストチャネルを用いて所望の基地局１に対して通信確立要求を行う。この際、希望する通信帯域も合わせて要求する、つまり帯域要求を行う。ビーコンチャネルを通じて送られてきた報知情報には、基地局番号、セクタ番号、アンテナ素子番号など、各アンテナ素子１３を識別する情報を含み、アンテナ素子番号毎に各ビーコンチャネルと各リクエストチャネルは対応付けられている。

図１０は、この発明の実施例１に係る無線通信システムのフレームの別の構成を示す図である。ここで、図１０で示すように、ビーコンチャネルとリクエストチャネルは、その周期が例えば前回のビーコンチャネルで通知されており、次回に送信されるタイミングが端末２で判断できれば、必ずしも、毎フレーム存在する必要はない。

基地局１は、端末２からリクエストチャネルを通じて通信確立要求及び帯域要求を受けると、スケジューラ１７３により、端末２から要求された通信帯域、要求端末の無線通信品質、ＱｏＳ及び現在受け付けている他の端末の総トラヒック量等に基づき、要求端末に対して、チャネルを割り当てるか否か及び割り当てる場合、下りリンク／上りリンクそれぞれに対してどれだけの帯域を割り当てるのかを、スケジューリングする。

スケジューラ１７３は、要求端末に対して、チャネルを割り当てると判断した場合、フレームコントロールヘッダ（ＦＣＨ）の存在有無及びフレームにおける位置を示す情報を、ビーコンチャネルを通じて要求端末に対して通知する。フレームコントロールヘッダ（ＦＣＨ）には、要求端末に対する下りリンク／上りリンクの帯域量とフレームにおける位置を通知する。この時、同時に無線変調方式及び再送フレームか否かの情報を通知してもよい。

次に、ステップ１０４において、端末２は、フレーム解析部２７１により、フレームの下りリンク及び上りリンクをそれぞれ受信及び送信することにより、論理的な通信接続に必要な制御メッセージを基地局１と交換することにより、論理的な通信接続を完了し、互いに必要なデータを送受信する準備が整う。

ステップ１０５において、通信確立が完了するまで、ステップ１０４の動作を繰り返す。すなわち、論理的な通信接続に必要な制御メッセージを基地局１と交換する。

ステップ１０６において、端末２は、フレーム解析部２７１により、通信確立後において、リクエストチャネルを用いて基地局１に対し、通信帯域の追加または削除の帯域要求を行ってもよい。

このように同一周波数の電波を複数のアンテナ素子１３から放射する複数ビームアンテナ１１が設けられた基地局１において、各アンテナ素子１３から各々が形成する各特定エリアに向け、スポットビームを時分割で、つまり同一タイミングで重複することなく放射し、各特定エリアに存在する端末２と各アンテナ素子１３の関係を対応付けることにより、端末２が存在する特定エリアのスポットビームを放射するアンテナ素子１３のみを使用し、通信することが可能となるため、周波数利用効率を大きくすることが可能となると共に、消費電力の低減が可能となる。

また、端末２が存在する特定エリアのスポットビームを放射するアンテナ素子１３のみを使用し、スポットビームを基地局１から放射することになるため、秘匿性を確保することが可能となる。

さらに、端末２が存在する特定エリアのスポットビームを放射するアンテナ素子１３のみを使用し、スポットビームを基地局１から放射することになるため、不要な電波を他へ放射することを低減する、すなわち干渉波の低減が可能となり、通信エリアの拡大及び伝送速度の高速化が可能となる。

この実施例１は、物理的な特性として直進性の高い性質を持つミリ波帯を前提とした無線通信システムの構成を示しているが、さらに周波数の高いテラヘルツ帯等を用いた無線通信システムに用いても良いし、マイクロ波帯等を用いた無線通信システムにおいても指向性アンテナ等を用いた場合にも適用して良い。

この発明の実施例２に係る無線通信システムについて図８を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施例２に係る無線通信システムのフレームの構成を示す図である。なお、この実施例２に係る無線通信システムの構成は、上記の実施例１と同様である。

端末２から当該アンテナ素子番号を含むリクエストチャネル（Ｒｅｑｕｅｓｔ ｃｈ）により通信確立要求を受けた基地局１は、各端末２から要求されるサービス品質、希望帯域、通信時間等に基づき、当該アンテナ素子１３の接続時間、接続間隔を決定し、要求を受けた各端末２と通信するためのチャネル割当時間をそれぞれ決定する。また、基地局１は、端末２から受信したリクエストチャネルの受信信号強度表示（ＲＳＳＩ）や搬送波対雑音電力比（ＣＮＲ）等の無線通信品質、要求された帯域、ＱｏＳ及びトラヒック状況等に基づき、変調方式及び符号化方式（符号化率）を決定し、上記のチャネル割当時間を決定する。

基地局１は、無線通信を行うための各アンテナ素子１３の接続時間、すなわち各端末２に対するチャネル割当時間の通知は、図８に示すように、各アンテナ素子１３に対応するビーコンチャネル（Ｂｅａｃｏｎ ｃｈ）を通じて各端末２に対して通知する。すなわち、各端末２は、ビーコンチャネルを受信することにより、基地局番号、セクタ番号、アンテナ素子番号など、各アンテナ素子１３を識別する情報を得るだけではなく、自身の通信確立要求が認められたか否かを把握すると同時に、自身に割り当てられた下りリンク及び上りリンクの帯域、変調方式及び符号化方式を示す情報を把握することができる。また、基地局１は、通知する情報に基づき、自身が制御する各アンテナ素子１３に対する接続時間、接続間隔を決定する。

このように、基地局１が各端末２に対して通知する、下りリンク及び上りリンクの帯域、変調方式及び符号化方式を示すチャネル割当時間を報知情報と合わせることによって、フレームの効率的な使用が可能となり、さらに、端末２のハードウェアおよびソフトウェア処理遅延に対する要求の緩和が可能となる。

この発明の実施例３に係る無線通信システムについて図９を参照しながら説明する。図９は、この発明の実施例３に係る無線通信システムにおいてセクタ間で干渉が生じる場合の例を示す図である。なお、この実施例３に係る無線通信システムの構成は、上記の実施例１と同様である。

図１で示すように、複数ビームアンテナ１１がセクタ構成を取る場合には、同一無線通信エリア内に同じ周波数を繰り返し利用することにより面的に展開し、さらに広範囲なエリアを形成することが可能となる。この時、端末２に使用されるアンテナ２３の指向性が広角な場合、セクタ間を離した場合においても、セクタ間で干渉が生じる場合がある。

図９（ａ）は、複数ビームアンテナ１１の７つのセクタの構成を示し、図９（ｂ）及び（ｃ）は、セクタ１２ａ及び１２ｂの各フレームの構成を示す。

図９（ａ）に示すように、離間したセクタ１２ａ及びセクタ１２ｂで同一周波数ｆ３を用いている場合、それぞれのセクタ１２ａ、１２ｂが、図９（ｂ）及び（ｃ）のようなフレーム構成を取ると、端末２のアンテナ２３が広角であるため、セクタ１２ａの上りリンクデータ（Ｕｐｌｉｎｋ Ｄａｔａ）が、セクタ１２ｂの下りリンクデータ（Ｄｏｗｎｌｉｎｋ Ｄａｔａ）に対して干渉となる。

端末２の品質測定部２６９は、受信信号の品質を測定する。具体的には、基地局１からの受信信号の受信信号強度表示（ＲＳＳＩ）や搬送波対雑音電力比（ＣＮＲ）等の無線通信品質を測定し、制御部２７へ出力する。この際、品質測定部２６９は、下りリンクデータ帯域全体の無線通信品質だけではなく、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）シンボル単位の無線通信品質または下りリンクデータ帯域をある特定の時間領域に分割した各フィールドの無線通信品質を測定する。

制御部２７では、次の送信用パケットを生成するタイミングに合わせて、上りリンクデータと共に基地局１へ品質測定結果を報告する。基地局１は、端末２より報告された下りリンクの無線通信品質を受信することにより、自身が行ったスケジューリング結果に基づいて割り当てた下りリンクデータ帯域の干渉量を把握することができる。したがって、上記の報告値及び下りリンクデータに対する送達確認（ＡＣＫ）の結果を用いて、下りリンクデータ帯域（領域）を適応的に変更する。

このように、基地局１が各端末２からの下りリンクデータの無線通信品質及び送達確認結果等を用いることによって、自身が先に割り当てた下りリンクデータ帯域における無線通信品質を把握することが可能となる。この結果を用いて、無線通信品質が劣化する帯域（領域）を避けた下りリンクデータ帯域（領域）の再割当、または割り当てアンテナ素子１３の変更が可能となり、同一周波数を使用するアンテナ素子間で電波干渉を低減することが可能となる。

本動作を各基地局１が自律的に行うことにより、複数ビームアンテナ１１を周波数繰り返しによりセクタ化を行うシステム全体のスループット向上が可能となる。

なお、図９では、４周波数を繰り返し使用しセクタ化を行った場合の上りリンクデータチャネルと下りリンクデータチャネル間の干渉（無線通信品質劣化）を回避する例を示しているが、本実施例は、必ずしもこの構成に限る必要はない。例えば、全セクタで同一周波数を使用しても良いし、複数ビームアンテナ１１がセクタ構成を取らず、完全にオーバラップしても良い。その場合には、上りリンクデータチャネルと下りリンクデータチャネル間の干渉だけではなく、上りリンクデータチャネル同士及び下りリンクデータチャネル同士の干渉がより顕在化するが、本実施例で示す動作を各基地局１が自律的に行うことにより、干渉低減することが可能となり、システム全体のスループット向上が可能となる。

この発明の実施例４に係る無線通信システムについて図１１から図１３までを参照しながら説明する。図１１は、この発明の実施例４に係る無線通信システムのＭＡＣフレームの詳細な構成を示す図である。なお、この実施例４に係る無線通信システムの構成は、上記の実施例１と同様である。

図１１において、ＭＡＣ（Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）層より上位のＬＬＣ層よりデータ（Ｄａｔａ）、マネージメントフレーム（Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｆｒａｍｅ）またはコントロールフレーム（Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｒａｍｅ）をＭＳＤＵ（ＭＡＣ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｄａｔａ Ｕｎｉｔ）としてＭＡＣが受信または生成すると、先頭にＳｕｂｆｒａｍｅ Ｈｅａｄｅｒを付与し、Ｓｕｂｆｒａｍｅ ＨｅａｄｅｒとＭＳＤＵに対して巡回冗長検査（ＣＲＣ：Ｃｙｃｌｉｃ Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ Ｃｈｅｃｋ）を後尾に付与し、ＭＡＣ Ｓｕｂｆｒａｍｅを構築する。また、Ｓｕｂｆｒａｍｅ Ｈｅａｄｅｒは、先頭位置を検出するための文字列であるＤｅｌｉｍｉｔｅｒと、サブヘッダ種別を示すＴｙｐｅと、ＭＳＤＵに対するＡＣＫポリシー（ＮｏＡＣＫ、ＢｌｏｃｋＡＣＫ、ＮｏｒｍａｌＡＣＫ、など）を示すＡＣＫ Ｐｏｌｉｃｙと、Ｂｌｏｃｋ ＡＣＫの種別（Ｇｏ−ｂａｃｋ−Ｎ、Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ−Ｒｅｐｅａｔ、など）を示すＢｌｏｃｋＡＣＫＴｙｐｅと、ＢｌｏｃｋＡＣＫのＢｉｔｍａｐ情報を圧縮するかどうかをしめすＣｏｍｐｒｅｓｓｅｄＢｉｔｍａｐと、ＭＳＤＵ長をしめすＬｅｎｇｔｈと、ＭＳＤＵのトラフィック識別子あるいは要求トラフィック種別を示すＴＩＤ（Ｔｒａｆｆｉｃ ＩＤ）と、シーケンスナンバーやフラグメントナンバーあるいはＢＡ利用時には開始シーケンスナンバーを示すＳｅｑｕｅｎｃＣｏｎｔｒｏｌと、フラグメント状態を通知するためのＬａｓｔ Ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎと、必要に応じてＲｅｓｅｒｖｅｄと、Ｓｕｂｆｒａｍｅ Ｈｅａｄｅｒに対するＨＣＳ（Ｈｅａｄｅｒ Ｃｈｅｃｋ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ）と、などから構成される。なお、Ｓｕｂｆｒａｍｅ Ｈｅａｄｅｒの構成に関しては本実施例に限るものではない。

このＭＡＣ Ｓｕｂｆｒａｍｅに対して先頭にＧｅｎｅｒａｌ ＭＡＣ Ｈｅａｄｅｒを付与し、ＭＡＣフレーム（ＭＡＣ ＰＤＵ：ＭＡＣ Ｐａｃｋｅｔ Ｄａｔａ Ｕｎｉｔ）を構築し、ＰＨＹ層に受け渡す。図示していないが、ＰＨＹ層では、フレームの復調方法及び長さを示すＰＨＹ Ｈｅａｄｅｒ及びＨＣＳ（Ｈｅａｄｅｒ Ｃｈｅｃｋ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ）及び時間・周波数同期、ＡＧＣ及びキャリア検出等に用いるＰＬＣＰ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）プリアンブルを付与する。但し、本発明の実施例１及び実施例２で示すようにフレームの構造を示すＦＣＨ等が別途設けられている場合には、必ずしもＰＨＹ Ｈｅａｄｅｒは必要としない。また、Ｇｅｎｅｒａｌ ＭＡＣ Ｈｅａｄｅｒは、必要に応じてＤｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ ＩＤと、Ｓｕｂｆｒａｍｅ長を示すＬｅｎｇｔｈと、アグリゲーション種別とアグリゲーションのＯｎ／ＯＦＦを示すＡｇｇｒｅｇａｔｉｏｎと、Ｇｅｎｅｒａｌ ＭＡＣ Ｈｅａｄｅｒに対するＨＣＳと、などから構成される。なお、Ｇｅｎｅｒａｌ ＭＡＣ Ｈｅａｄｅｒの構成に関しては本実施例に限るものではない。

また、Ｇｅｎｅｒａｌ ＭＡＣ Ｈｅａｄｅｒを付与する前に、複数のＭＡＣ Ｓｕｂｆｒａｍｅを連接した後にＧｅｎｅｒａｌ ＭＡＣ Ｈｅａｄｅｒを付与し、Ａ−ＭＳＤＵ（Ａｇｇｒｅｇａｔｅｄ―ＭＳＤＵ）とすることも可能である。たとえば、その際には上述したＧｅｎｅｒａｌ ＭＡＣ Ｈｅａｄｅｒ内のＡｇｇｒｅｇａｔｉｏｎにて通知することが可能である。図示していないが、Ａ−ＭＳＤＵを作成する際にＢｙｔｅ Ａｌｌｉｇｎを目的としたＰａｄを後尾に付与し、フレームの先頭を認識することも可能である。

さらに、単一のＳｕｂｆｒａｍｅで構築されるＭＡＣ ＰＤＵまたはＡ−ＭＳＤＵに対して、Ｂｙｔｅ Ａｌｌｉｇｎを目的としたＰａｄを後尾に付与し、フレームの先頭を認識するために固有の識別子であるＭＰＤＵ Ｄｅｌｉｍｉｔｅｒを先頭に付与することでＡ−ＭＰＤＵ Ｓｕｂｆｒａｍｅを構築し、さらに複数のＡ−ＭＰＤＵを連接することでＡ−ＭＰＤＵを構築することも可能である。なお、ＭＰＤＵ Ｄｅｌｉｍｉｔｅｒは、ＭＰＤＵ長を示すＭＰＤＵ Ｌｅｎｇｔｈと、ＣＲＣと、ＭＰＤＵの先頭位置を検出するためのＤｅｌｉｍｉｔｅｒと、などから構成される。なお、ＭＰＤＵ Ｄｅｌｉｍｉｔｅｒの構成に関しては本実施例に限るものではない。

図１２及び図１３は、ＭＡＣ Ｈｅａｄｅｒの構成例を示すものである。Ｆｒａｍｅ Ｃｏｎｔｒｏｌはプロトコルバージョン、セキュリティフレームか否かを示す情報、ＡＣＫの送信種別、ＡＣＫポリシー、フレームタイプ、フレームサブタイプ、再送フレームか否かを示す情報、後続にデータが存在するか否かを示す情報及びフレームアグリゲーション種別などから構成される。なお、図１１、図１２及び図１３で示すようにＭＡＣ Ｈｅａｄｅｒは、ＰＳＤＵ（ＰＬＣＰ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｄａｔａ Ｕｎｉｔ）に含まれる形で説明しているが、ＰＬＣＰ Ｈｅａｄｅｒの一部に含まれる構成としても構わない。さらに、ＭＡＣ Ｈｅａｄｅｒを構成する各情報要素の順序に関しては本実施例に限るものではない。

Ｓｕｂｆｒａｍｅは、ＭＳＤＵ長を示す情報、フラグメンテーション情報、フレームアグリゲーション情報及びフレームシーケンス番号から構成される。

このように従来の広帯域無線システム（ＵＷＢ）等では、複数宛先・種別のフレームアグリゲーションが実装できなかったが、本実施例４で示すように、フレームアグリゲーションを使用しない方式、Ａ−ＭＳＤＵまたはＡ−ＭＰＤＵをフレーム内のフィールドにて識別することが可能となるため、端末毎、アプリケーションまたはその組み合わせを自由に選択することが可能となる。これにより、フレームの構成方法を柔軟に行えることとなると共に、ＭＡＣ Ｈｅａｄｅｒ等のオーバヘッドの削減が行えるために、ミリ波等を用いた大容量伝送の無線通信システムにおいても、効率的にフレームを生成及び送信することが可能になる。また、複数宛先アドレス向けのアグリゲーションでは、ユーザダイバーシチ効果または統計多重効果を用いて、バースト誤りが発生しやすい無線伝送路において、誤り率を分散させることが可能となる。さらに、複数宛先か否かに依らず、フレームアグリゲーションを行う前のＡ−ＭＳＤＵ、Ａ−ＭＰＤＵ及びＭＰＤＵのそれぞれの伝送レートは変更してもよい。

また、上記の実施例２の図８の中で示しているように、報知情報（ＢＣＣＨ）とフレーム情報（ＦＣＨ）を上記のようにフレームアグリゲーションを用いてＭＡＣフレームを構築し、Ｂｅａｃｏｎフレームとして送信することが可能である。また、Ｄｏｗｎｌｉｎｋ ＤａｔａまたはＵｐｌｉｎｋ Ｄａｔａにおいては、データフレームとＡＣＫフレーム等の制御フレームまたはＣｏｍｍａｎｄフレーム等を相乗りさせることが可能である。

この発明の実施例５に係る無線通信システムについて図１４から図１６までを参照しながら説明する。図１４は、この発明の実施例５に係る無線通信システムのフレームの構成を示す図である。なお、この実施例５に係る無線通信システムの構成は、上記の実施例１と同様である。

Ｂｅａｃｏｎ等を用いてスーパフレームの構造、各フレームの位置及び構造を通知することにより、更に柔軟なフレーム構成が可能となり、ミリ波等を用いた大容量伝送の無線通信システムにおいても、効率的にフレームを生成及び送信することが可能になる。

例えば、基地局１を使用するビームの数が少なく、送信するＢｅａｃｏｎの数が少ない場合等は、端末２がＲｅｑｕｅｓｔ等の上り制御フレームを送信するまでの許容処理遅延が短く、同一スーパフレーム内での通知ができない。そのような場合にＲｅｑｕｅｓｔフィールドをＢｅａｃｏｎフィールドの直後ではなく、一定の時間を経た後に配置することで、システムトータルの伝送遅延短縮が可能となる。

また、特定のデータフレームにおいてレイテンシが短く要求されている場合等には、Ｒｅｑｕｅｓｔフィールドに先立ち、データフレームを先に割り当てることが可能となる。

図１５は、そのＢｅａｃｏｎフレームで送信するＢＣＣＨ（Ｂｒｏａｄｃａｓｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＣＨａｎｎｅｌ）情報要素を示す一例である。図１１で示すＭＳＤＵに相当する。Ｎｕｍ ＦＣＨ及びＰｏｉｎｔｅｒ ｔｏ ＦＣＨにより図５で示すところの各ＦＣＨの位置・構造を示す。Ｎｕｍ ＲＣＨ及びＰｏｉｎｔｅｒ ｔｏ ＲＣＨにより各ＲＣＨの位置・構造を示す。Ｂｅａｍ ＩＤ及びＮｕｍ Ｂｅａｍは、各Ｂｅａｃｏｎの番号及び基地局が送信するＢｅａｍ数を示す。端末２が受信したＢｅａｃｏｎのＢｅａｍ ＩＤを基地局１に通知することにより、基地局１は該端末２に割り当てる帯域と合わせてＢｅａｍ番号を認識することが可能となる。また、Ｂｅａｍ総数を端末２に通知することにより端末２が受信すべき最大のＢｅａｍ番号が分かることで、不必要にＢｅａｃｏｎを補足するために時間を費やすことがなくなる。さらに、Ｂｅａｍ ＩＤとＮｕｍ Ｂｅａｍを認識することで、Ｂｅａｃｏｎ区間の次のＲｅｑｕｅｓフィールドの先頭の時間を認識することが可能となり、受信処理を簡略化及び確実にすることが可能となる。なお、図１５で示すＢＣＣＨを構成する各情報要素の順序に関しては本実施例に限るものではない。

図１６は、ＦＣＨの情報要素を示す一例である。ＴＹＰＥでは、上り／下りのいずれかであることを通知し、具体的なフレーム種別は図１１で示すＳｕｂｆｒａｍｅ Ｈｅａｄｅｒで通知しても、このＴＹＰＥで通知してもよい。Ｕｓｅｒ ｉｎｆｏによりＭＡＣ ＡｄｄｒｅｓｓまたはＤｅｖｉｃｅ Ａｄｄｒｅｓｓ等のユーザ固有の情報とＭＣＳ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｄｉｎｇ Ｓｃｈｅｍｅ）等を通知する。ＳＬＬＯＴ ＯＦＦＳＥＴ及びＡｌｌｏｃａｔｉｏｎ Ｓｌｏｔ Ｔｉｍｅにより各フレームの先頭位置と長さを通知する。なお、図１６で示すＦＣＨを構成する各情報要素の順序に関しては本実施例に限るものではない。

この発明の実施例６に係る無線通信システムについて図１７を参照しながら説明する。図１７は、この発明の実施例６に係る無線通信システムのフレームの構成を示す図である。なお、この実施例６に係る無線通信システムの構成は、上記の実施例１と同様である。

報知信号（Ｂｅａｃｏｎ）に含まれるＳｕｐｅｒｆｒａｍｅ構成情報から、ランダムアクセス期間であるＣＡＰ（Ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎ Ａｃｃｅｓｓ Ｐｅｒｉｏｄ）の時間期間と、帯域予約期間であるＣＴＡＰ（Ｃｈａｎｎｅｌ Ｔｉｍｅ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ Ｐｅｒｉｏｄ）などを端末は把握する。また、各端末が把握するＳｕｐｅｒｆｒａｍｅの基準タイミングは、先頭のＢｅａｃｏｎ＃０及び先頭のＢｅａｃｏｎ＃０から端末が受信するいずれかのＢｅａｃｏｎまでのオフセット時間に基づいても良いし、端末が受信したいずれかのビーコンのタイミングを基準にしても良い。すなわち、基地局が形成するＳｕｐｅｒｆｒａｍｅ毎の先頭タイミングを端末が把握してもしなくても、Ｓｕｐｅｒｆｒａｍｅの周期と端末が受信するいずれかのＢｅａｃｏｎ以降のＳｕｐｅｒｆｒａｍｅ構成情報を端末が認識できれば良い。オフセット時間を用いる場合には、例えばそれぞれのＢｅａｃｏｎ内でオフセット情報を時間、シンボル数またはビーム数等により基地局が報知する。

Ｂｅａｃｏｎについては、上記の実施例１〜３で説明したように、各ビームから個別にアンテナスイッチ時間を挟み時分割で送信される。また、ＣＡＰ期間においては、各ビーム単位で基地局１が受け付けるＣＳＭＡ／ＣＡを基本としたランダムアクセスとする。ＣＴＡＰ期間においてはランダムアクセス期間を通じて基地局１が割り当てた帯域を各端末２が時分割で送受信するものとする。なお、図示していないが、ＣＴＡＰは、主に無線基地局１によるネットワークの管理を行うＭａｎａｇｅｍｅｎｔ ＣＴＡ（ＭＣＴＡ）と、主に無線基地局１による、データ通信に用いられるＣＴＡ持つ構成に更に分けられていても良い。

これにより、ＣＡＰ期間で上り下りを使用したアクセス制御が可能となるため、端末２からの接続要求（Ｐｒｏｂｅ要求、Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ要求、Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ要求等）に対する応答もＣＡＰ期間内で実施することが可能となるため、その他の制御フレーム等を用いる必要がなく、複数のビームを切り替えて使用する無線通信システムまたはミリ波等を用いた大容量伝送の無線通信システムにおいても、効率的にフレームを生成及び送信することが可能になる。

この発明の実施例７に係る無線通信システムについて図１８から図２０までを参照しながら説明する。図１８は、この発明の実施例７に係る無線通信システムの基地局の構成を示すブロック図である。なお、この実施例７に係る無線通信システムの構成は、基地局を除き上記の実施例１と同様である。

図１８において、図２と同一または同等のものについては同一符号を付して説明を省略する。指向性アンテナ部は、複数のアンテナ素子１３または複数のアンテナ素子が構成するアンテナが複数存在することにより構成される。無指向性アンテナ１８は、例えばオムニアンテナ等により、指向性アンテナとは異なり比較的広範囲に渡って電波を放射できるものである。１７４は無指向性アンテナ切り替え信号であり、指向性アンテナ部または無指向性アンテナ１８を切り替えるための信号である。便宜上、フレーム解析部１７１から切替部１４に直接インタフェースしているが、変復調部１６及びＩＦ／ＲＦ部１５を経由してインタフェースしても良い。

図１９は、この発明の実施例７に係る無線通信システムのフレームの構成を示す図である。図１９で示すように、ＢｅａｃｏｎまたはＣＡＰで基地局１が受け付ける接続要求に関するアクセス制御などの制御フレームは無指向性アンテナ１８を用い、帯域が割り当てられたＣＴＡＰ区間では指向性アンテナ部を用い基地局１及び端末２が通信を行うものとする。

図２０は、この発明の実施例７に係る無線通信システムにおいて端末が基地局へ接続する手順を示すフローチャートである。

ステップ７０１において、基地局１は、スーパフレームの周期に基づき、無指向性アンテナ１８を用いてＢｅａｃｏｎを送信する。

次に、ステップ７０２〜７０３において、端末２は、Ｂｅａｃｏｎを観測することで、基地局１に時間・周波数同期を物理的に行うと共に、Ｂｅａｃｏｎフレームを解析することにより、ＰＮＩＤ及びＢＳＩＤ等により基地局１が形成する無線通信システムへ参入する。Ｂｅａｃｏｎフレームに埋め込まれているＣＡＰ区間の構造またはあらかじめシステムで定められているＣＡＰ区間の領域を用いて、端末２は無指向性アンテナ１８を使用し基地局１に対して接続要求を行う。

ステップ７０４〜７０５において、この時、基地局１はアンテナ素子が受信する無線周波数の位相情報等に基づき、端末２の存在する方向と自身が持つ、ビーム番号または方向を検知する。平行して、接続要求で受信した端末２からのＱｏＳやサービス種別及び無線フレームを受信することにより算出する受信電力や干渉対雑音電力比情報等に基づきスケジューリング処理を行い、要求に応えられる場合には該当する端末２の帯域を予約する。予約した帯域はＢｅａｃｏｎまたはＣＡＰ区間にて、スーパフレームにおけるその構造とビーム番号等を通知する。また、ステップ７０２において、物理フレームのプリアンブル等にそれぞれの無線方式を識別するための固有の識別子がプリアンブルパターン等に対して拡散処理により重畳されていれば、異なる無線方式例えばＡＳＫなどのシングルキャリア方式とＯＦＤＭなどが混在することが可能である。さらには、異なる無線方式を識別した結果をＰＬＣＰ ＨｅａｄｅｒまたはＲＸ ＶＥＣＴＯＲ等でＰＨＹ層からＭＡＣ層さらにはアプリケーション層に通知することで、同一システム内に異なる無線方式を備える基地局及び端末を排他的に制御及び収容することが可能である。

この時、伝搬減衰がマイクロ波と比較して大きなミリ波帯等を用いた無線通信システムの場合、無指向性アンテナ１８で電波を放射した場合、データフレームと同じ伝送速度である変調方式、符号化率及び帯域幅を用いると所要Ｓ／Ｎが満たせず通信距離が極端に短くなる場合がある。そのため、無指向性アンテナ１８を用いる場合は、データフレームを送信する時と比較して、伝送速度を落として送信しても良いし、帯域幅を狭めて送信してもよい。さらには、データフレームを送信する無線周波数と異なる無線周波数を用いても良い。ステップ７０６において、基地局１及び端末２が制御フレームを無指向性アンテナを用いて送受信処理することにより、認証処理等を経た後は、データフレームを指向性アンテナを用いて送受信処理する。ここで使用する指向性アンテナの番号や方向については、Ｂｅａｃｏｎ区間またはＣＡＰ区間等を用いて基地局１から端末２に通知する。

このように、Ｂｅａｃｏｎや接続要求（Ｒｅｑｕｅｓｔ）等の制御フレームについては、無指向性アンテナ１８を使用することにより、Ｂｅａｃｏｎフレームを送出する数、ＰＬＣＰ Ｈｅａｄｅｒ、ＭＡＣ Ｈｅａｄｅｒ及びビーム切替時間等の各種オーバヘッドを削減することが可能となり、ミリ波等を用いた大容量伝送の無線通信システムにおいても、効率的にフレームを生成及び送信することが可能になる。さらに、指向性アンテナを用いた場合と比較して、接続手順に係る複雑さ及び接続時間を軽減することが可能となる。

なお、本実施例７では、制御フレームのみ無指向性アンテナ１８を用いることを前提として説明したが、通信距離や伝送速度が許容されるのであれば、データフレームを、無指向性アンテナ１８を用いて送信することが可能であることはいうまでもない。

この発明の実施例８に係る無線通信システムについて図２１及び図２２を参照しながら説明する。この発明の実施例８に係る無線通信システムの基地局の構成は、図１８の実施例７と同様である。なお、この実施例８に係る無線通信システムの構成は、基地局を除き上記の実施例１と同様である。

図２１は、この発明の実施例８に係る無線通信システムのフレームの構成を示す図である。図２１に示すように、ＢｅａｃｏｎまたはＣＡＰで基地局１が受け付ける接続要求に関するアクセス制御などの制御フレームは無指向性アンテナ１８または指向性アンテナ１３を用い、帯域が割り当てられたＣＴＡＰ区間では指向性アンテナ部を用い基地局１及び端末２が通信を行うものとする。

例えば、無指向性アンテナ１８を用いたＢｅａｃｏｎの送信は、ＳｕｐｅｒＦｒａｍｅ＃０、＃１７、＃３４、指向性アンテナ１３を用いたＢｅａｃｏｎの送信は、指向性アンテナ＃０はＳｕｐｅｒＦｒａｍｅ＃１、＃１８、＃３５、指向性アンテナ＃１はＳｕｐｅｒＦｒａｍｅ＃２、＃１９、＃３６、指向性アンテナ＃２はＳｕｐｅｒＦｒａｍｅ＃３、＃２０、＃３７、指向性アンテナ＃１５はＳｕｐｅｒＦｒａｍｅ＃１６、＃３３、＃５０と１７ＳｕｐｅｒＦｒａｍｅに一度送信するものとする。

また、無指向性アンテナ１８または指向性アンテナ１３を用いて、ＣＡＰ領域で端末２からの接続要求を基地局１が受け付けると、その接続要求フレームの受信電力や到来方向等の情報を解析することにより該当端末との通信に最適な指向性アンテナ１３を決定し、接続要求を受け付けて以降のＳｕｐｅｒＦｒａｍｅでは、接続要求を受け付けた端末向けに該当指向性アンテナを用いてＢｅａｃｏｎを送信する。

図２１では、ＳｕｐｅｒＦｒａｍｅ＃１８のＣＡＰ領域で端末Ａからの接続要求を受け付けているため、基地局１は自身が送信した指向性アンテナ＃０を用いてＢｅａｃｏｎを端末Ａが受信できたことを暗示的に認識することも可能であり、また端末Ａからの接続要求フレームを解析することにより明示的に認識することも可能である。これにより、ＳｕｐｅｒＦｒａｍｅ＃１９以降は、端末Ａが毎ＳｕｐｅｒＦｒａｍｅ、Ｂｅａｃｏｎを受信できることを可能とするために、指向性アンテナ＃０で毎ＳｕｐｅｒＦｒａｍｅ Ｂｅａｃｏｎを送信し、これにより端末Ａは毎フレームＢｅａｃｏｎを受信することにより、帯域の割り当て情報を取得することが可能となる。端末Ｂに対しても同様である。

なお、図２１では、Ｂｅａｃｏｎの領域を固定領域としているが、可変長領域であっても良い。その場合、該ＳｕｐｅｒＦｒａｍｅのＢｅａｃｏｎにより、そのＢｅａｃｏｎ領域またはＣＡＰの開始位置を示しても良いし。該ＳｕｐｅｒＦｒａｍｅに先立って、事前のＳｕｐｅｒＦｒａｍｅのＢｅａｃｏｎ等を用いて通知しても良い。

さらに、無指向性アンテナ１８及び各指向性アンテナ１３を用いたＢｅａｃｏｎの送信は、例えば図２１に示すように、１７ＳｕｐｅｒＦｒａｍｅ毎に必ずしも行われなくても良い。３４ＳｕｐｅｒＦｒａｍｅ毎でも６８ＳｕｐｅｒＦｒａｍｅ毎でも構わないし、また、各アンテナが同じ周期で送信する必要もない。また、Ｂｅａｃｏｎを送信する周期は必ずしも一定周期でなくとも良い。この際、特定のＳｕｐｅｒＦｒａｍｅにおいてＢｅａｃｏｎの領域が存在しない場合には、Ｂｅａｃｏｎの代わりに、ＣＡＰまたはＣＴＡＰの領域を割り当てても良い。このようにＢｅａｃｏｎの送信周期、領域等が変更されたりする場合には、該ＳｕｐｅｒＦｒａｍｅに先立って、事前のＳｕｐｅｒＦｒａｍｅのＢｅａｃｏｎ等を用いて通知する。

図２２は、この発明の実施例８に係る無線通信システムにおいて端末が基地局へ接続する手順を示すフローチャートである。

基地局１は、スーパフレームの周期に基づき、無指向性アンテナ１８及び指向性アンテナ１３を用いてＢｅａｃｏｎを送信する（ステップ８０１、８０３）。端末２は、Ｂｅａｃｏｎを観測することで、基地局１に時間、周波数同期を物理的に行う（ステップ８０２、８０４）と共に、Ｂｅａｃｏｎフレームを解析することにより、ＰＮＩＤ及びＢＳＩＤ等により基地局１が形成する無線通信システムへ参入する。

Ｂｅａｃｏｎフレームに埋め込まれているＣＡＰ区間の構造またはあらかじめシステムで定められているＣＡＰ区間の領域を用いて、端末２は無指向性アンテナ１８を使用し基地局１に対して接続要求を行う（ステップ８０５）。この時、基地局１はアンテナ素子が受信する無線周波数の位相情報等の計算結果、または端末から受け付けた接続要求のフレームを解析にすることにより明示的に判断するかの少なくとも一方に基づき、端末の存在する方向と自身が持つ、ビーム番号または方向を検知する。平行して、接続要求で受信した端末からのＱｏＳやサービス種別及び無線フレームを受信することにより算出する受信電力や干渉対雑音電力比情報等に基づきスケジューリング処理を行い、要求に応えられる場合には該当する端末の帯域を予約し割り当てる（ステップ８０６）。予約した帯域はＢｅａｃｏｎまたはＣＡＰ区間にて、該スーパフレームにおけるその構造とビーム番号等を通知する。また、接続要求を受け付けた端末２が毎ＳｕｐｅｒＦｒａｍｅ Ｂｅａｃｏｎを受信できるようにするため、毎ＳｕｐｅｒＦｒａｍｅ Ｂｅａｃｏｎを送信する（ステップ８０７）。

この時、伝搬減衰がマイクロ波と比較して大きなミリ波帯等を用いた無線通信システムの場合、無指向性アンテナ１８で電波を放射した場合、データフレームと同じ伝送速度である変調方式、符号化率及び帯域幅を用いると所要Ｓ／Ｎが満たせず通信距離が極端に短くなる場合がある。そのため、無指向性アンテナ１８を用いる場合には、伝送速度及び帯域幅を、データフレームを送信する時と比較して落として送信してもよい。

このように、Ｂｅａｃｏｎや接続要求（Ｒｅｑｕｅｓｔ）等の制御フレームについては、無指向性アンテナ１８及び指向性アンテナ１３を組み合わせて使用することにより、Ｂｅａｃｏｎフレームを送出する数、ＰＬＣＰ Ｈｅａｄｅｒ、ＭＡＣ Ｈｅａｄｅｒ及びビーム切替時間等の各種オーバヘッドを削減することが可能となり、ミリ波等を用いた大容量伝送の無線通信システムにおいても、効率的にフレームを生成及び送信することが可能になる。さらに、指向性アンテナ１３のみまたは無指向性アンテナ１８のみを用いた場合と比較して、接続手順に係る複雑さ及び接続時間を軽減することが可能となる。

なお、本実施例８では、データフレームは指向性アンテナ１３を用いることを前提として説明したが、通信距離や伝送速度が許容されるのであれば、データフレームについても無指向性アンテナ１８を用いて送信することが可能であることはいうまでもない。

Claims (10)

1. 基地局と複数の端末の間で無線で通信を行う無線通信システムであって、
   前記基地局は、複数のアンテナから構成された複数ビームアンテナを備え、前記複数ビームアンテナにより、前記複数のアンテナから対応する複数の特定エリアに向けて、同一周波数のミリ波帯の電波を同一タイミングで重複することなく時分割で放射して複数のスポットビームを形成し、
   基地局と端末間で伝送される無線フレームは、基地局から全端末へのチャネルであり前記アンテナ単位に割り当てられた複数のビーコンチャネルと、全端末から基地局へのチャネルであり前記アンテナ単位に割り当てられた複数のリクエストチャネルと、要求端末に割り当てられる下りリンクデータチャネル及び上りリンクデータチャネルとから構成され、
   前記基地局は、前記複数のビーコンチャネルを使用して、前記アンテナを識別する情報を含む報知情報を各アンテナからそれぞれ送信し、
   前記複数の特定エリアのいずれかに存在する端末は、前記ビーコンチャネルを通じて前記報知情報を受信すると、最適なビーコンチャネルを選択し、前記複数のリクエストチャネルのうち、選択した最適なビーコンチャネルを通じて受信した報知情報に含まれるアンテナを識別する情報に対応するリクエストチャネルを使用して、前記アンテナを識別する情報を含む通信確立要求及び希望する通信帯域を含む帯域要求を前記基地局へ送信し、
   前記基地局は、前記リクエストチャネルを通じて前記通信確立要求及び帯域要求を受信すると、要求端末に対して、前記フレームにチャネルを割り当てるか否かを判断し、チャネルを割り当てる場合には、前記要求端末と通信するための変調方式及び符号化方式、並びに下りリンクデータチャネル及び上りリンクデータチャネルを含むチャネル割当時間をスケジューリングし、
   前記基地局は、前記複数のアンテナにより前記リクエストチャネルを通じて受信する端末からの前記通信確立要求及び帯域要求を通じて把握するトラヒック量に基づき、各アンテナの接続時間を決定し、要求端末と通信するためのチャネル割当時間を制御する
   無線通信システム。
2. 前記複数ビームアンテナは、複数のセクタから構成され、かつ各セクタは複数のアンテナから構成され、隣接したセクタ同志では異なる周波数のミリ波帯の電波を放射し、離間したセクタ同志では同一周波数のミリ波帯の電波を放射する
   請求項１記載の無線通信システム。
3. 前記基地局は、フレームコントロールヘッダの有無及び前記フレーム内の位置を、当該ビーコンチャネルを通じて要求端末に通知するとともに、前記チャネル割当時間を、当該下りリンクデータチャネルに含まれる前記フレームコントロールヘッダを通じて要求端末に通知する
   請求項１又は２記載の無線通信システム。
4. 前記基地局は、前記チャネル割当時間を、当該ビーコンチャネルを通じて要求端末に通知する
   請求項１又は２記載の無線通信システム。
5. 前記基地局は、同一周波数を使用するセクタ間で下りリンクデータチャネル及び上りリンクデータチャネル、下りリンクデータチャネル同士または上りリンクデータチャネル同士が干渉することのないよう前記同一周波数を使用するセクタの前記フレームの構成を制御する
   請求項２記載の無線通信システム。
6. 基地局と複数の端末の間で無線で通信を行う無線通信方法であって、
   前記基地局は、複数のアンテナから構成された複数ビームアンテナを備え、前記複数ビームアンテナにより、前記複数のアンテナから対応する複数の特定エリアに向けて、同一周波数のミリ波帯の電波を同一タイミングで重複することなく時分割で放射して複数のスポットビームを形成し、
   基地局と端末間で伝送される無線フレームは、基地局から全端末へのチャネルであり前記アンテナ単位に割り当てられた複数のビーコンチャネルと、全端末から基地局へのチャネルであり前記アンテナ単位に割り当てられた複数のリクエストチャネルと、要求端末に割り当てられる下りリンクデータチャネル及び上りリンクデータチャネルとから構成され、
   前記複数のビーコンチャネルを使用して、前記アンテナを識別する情報を含む報知情報を各アンテナからそれぞれ送信するステップと、
   前記ビーコンチャネルを通じて前記報知情報を受信すると、最適なビーコンチャネルを選択し、前記複数のリクエストチャネルのうち、選択した最適なビーコンチャネルを通じて受信した報知情報に含まれるアンテナを識別する情報に対応するリクエストチャネルを使用して、前記アンテナを識別する情報を含む通信確立要求及び希望する通信帯域を含む帯域要求を、前記複数の特定エリアのいずれかに存在する端末から前記基地局へ送信するステップと、
   前記リクエストチャネルを通じて前記通信確立要求及び帯域要求を受信すると、要求端末に対して、前記フレームにチャネルを割り当てるか否かを判断し、チャネルを割り当てる場合には、前記要求端末と通信するための変調方式及び符号化方式、並びに下りリンクデータチャネル及び上りリンクデータチャネルを含むチャネル割当時間をスケジューリングするステップと
   を含み、
   前記基地局は、前記複数のアンテナにより前記リクエストチャネルを通じて受信する端末からの前記通信確立要求及び帯域要求を通じて把握するトラヒック量に基づき、各アンテナの接続時間を決定し、要求端末と通信するためのチャネル割当時間を制御する
   無線通信方法。
7. 前記複数ビームアンテナは、複数のセクタから構成され、かつ各セクタは複数のアンテナから構成され、隣接したセクタ同志では異なる周波数のミリ波帯の電波を放射し、離間したセクタ同志では同一周波数のミリ波帯の電波を放射する
   請求項６記載の無線通信方法。
8. 前記基地局は、フレームコントロールヘッダの有無及び前記フレーム内の位置を、当該ビーコンチャネルを通じて要求端末に通知するとともに、前記チャネル割当時間を、当該下りリンクデータチャネルに含まれる前記フレームコントロールヘッダを通じて要求端末に通知する
   請求項６又は７記載の無線通信方法。
9. 前記基地局は、前記チャネル割当時間を、当該ビーコンチャネルを通じて要求端末に通知する
   請求項６又は７記載の無線通信方法。
10. 前記基地局は、同一周波数を使用するセクタ間で下りリンクデータチャネル及び上りリンクデータチャネル、下りリンクデータチャネル同士または上りリンクデータチャネル同士が干渉することのないよう前記同一周波数を使用するセクタの前記フレームの構成を制御する
    請求項７記載の無線通信方法。

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