JP5258672B2 - 無線通信装置、無線通信方法、プログラム、及び集積回路 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信装置に関し、特に、電波伝搬環境の変動に応じてアンテナの指向特性を変化させる可変指向特性アンテナ装置を有する無線通信装置に関するものである。

情報端末を相互に接続するネットワーク形態の中で、無線通信装置には、有線通信と比較して、端末の可搬性や配置の自由度に優れていること、有線ケーブルを省くことによる軽量化を図れることなどの利点がある。そのため、従来用途であったパーソナルコンピュータでのデータ伝送に利用されるだけでなく、現在では多くの家電製品にも搭載されて映像や音声の伝送に利用されるようになっている。

一方で無線通信装置は、上記の利点を有する反面、空間に電磁波を放射して通信を行うため、伝送特性の劣化が問題となる場合がある。具体的には、多数の反射物が設置されているような空間では、物体に反射して到来する電波（遅延波）が引き起こすフェージングの影響を受ける。また、送信装置と受信装置とが離れて設置されている環境では、受信信号の強度が十分でないことに起因する受信誤りの影響を受ける。

そこで、上記の影響の軽減策のひとつとして、送受信アンテナの指向特性を電波伝搬環境に応じて制御し、伝送を安定化させる方法がある。それを可能とする技術としては、特許文献１に挙げられたスマートアンテナ技術がある。

特許文献１に記載のスマートアンテナは、複数のアンテナ素子の入出力信号に対する重み付けを変えることで、アンテナの指向特性を信号処理演算によって変化させるものである。特許文献１に記載のスマートアンテナにおいては、全てのアンテナ構成を走査して最適構成を決定する。

特開２００４−１５８００号公報

特許文献１には、全てのアンテナ構成、つまり受信信号の重み付け演算により得られる指向特性を走査することにより、スマートアンテナの最適構成を決定する方法が開示されている。そして、この方法によれば、最適な伝送特性を示すアンテナ構成を確実に選択することが可能である。

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、全てのアンテナ構成を走査するのに多くの時間を要する。その結果、電波伝搬環境の変動に対するアンテナ構成の追随性が低下する。また、走査中はアンテナ構成を頻繁に切り替える必要があるので、アンテナ構成の切替に起因する受信信号の急激な変動が伝送特性に悪影響を及ぼすことが懸念される。

これに対し、各アンテナ指向特性での通信を順次試行し、予め定められた閾値を上回る通信性能を実現できる指向特性を選択すれば、走査の時間を短縮することが可能である。しかしながら、無線通信装置において適切な閾値を一意に決定することは難しい。つまり、閾値の設定によっては、全てのアンテナ指向特性を走査することになる場合や、適切でないアンテナ指向特性を選択してしまう場合がある。

図１２は、無線通信装置間のスループットの実測値と、受信側無線通信装置での受信信号強度（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ；以下、「ＲＳＳＩ」という。）との関係をプロットしたものである。

なお、図１２中の点線１２０１は、送信側無線通信装置を比較的性能が低い中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ；以下、ＣＰＵという。）を持つパーソナルコンピュータ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ；以下、ＰＣという。）とした場合の挙動である。図１２中の実線１２０２は、送信側無線通信装置を比較的性能が高いＣＰＵを持つＰＣとした場合の挙動である。図１２中の破線１２０３は、送信側無線通信装置を組み込み機器とした場合の挙動である。一方、受信側無線通信装置の性能は、一定としている。

図１２に示すように、通信性能は、受信側無線通信装置だけでなく、通信相手である送信側無線通信装置のスペックによっても大きく変化する。しかしながら、無線通信を行う機器間で相手装置のスペックを把握することは容易なことではなく、上記閾値を用いてアンテナ指向特性を決定する方法では、閾値の決定方法が課題となる。

そこで、本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、指向特性を選択する基準となる閾値を、通信環境に合わせて適切に調整することのできる無線通信装置を得ることを目的とする。

本発明に係る無線通信装置は、外部装置と無線通信を行う。具体的には、指向特性を変更可能なアンテナと、前記アンテナの指向特性を示す複数の指向特性パターン、及び電波伝搬環境の状態を示す第１の電波伝搬環境パラメータに応じたスループットの期待値である複数の閾値を記憶する記憶部と、前記複数の指向特性パターンから選択された指向特性パターンに基づいて、前記アンテナの指向特性を変更するコントローラとを備える。そして、前記コントローラは、特定の前記指向特性パターンを用いて前記第１の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記記憶部に記憶されている前記複数の閾値のうち、測定した前記第１の電波伝搬環境パラメータに対応する閾値を特定する閾値特定部と、前記複数の指向特性パターンを順次切り替えて通信を試行し、試行した指向特性パターンにおける前記第１の電波伝搬環境パラメータと異なる第２の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記第２の電波伝搬環境パラメータの測定値から算出される現実のスループットが前記閾値を上回る前記指向特性パターンを選択する指向特性パターン選択部と、前記指向特性パターン選択部によって試行された前記指向特性パターンの数である試行回数に応じて、前記閾値特定部によって特定された前記閾値を変更する閾値調整部とを備える。

上記構成とすることにより、アンテナ指向特性選択時の情報を学習して閾値を調整し、次回のアンテナ指向特性選択時に利用することができる。その結果、無線通信装置の設置環境、及び相手端末に適応した可変指向特性アンテナの制御が可能となる。

一実施形態として、前記閾値調整部は、前記試行回数が予め定められた第１の値以上である場合に前記閾値を減少させ、前記試行回数が予め定められた第２の値以下である場合に前記閾値を増加させてもよい。

また、前記指向特性パターン選択部は、前記指向特性パターンを選択する処理毎に、前記閾値特定部によって測定された前記第１の電波伝搬環境パラメータの測定値と、前記指向特性パターンを選択するまでの前記試行回数とを対応付けて試行実績として前記記憶部に記憶させておく。そして、前記閾値調整部は、前記記憶部に記憶されている前記試行実績が予め定められた所定の基準に合致する場合に、前記閾値を変更してもよい。これにより、突発的且つ一時的な電波伝搬環境の変化によって閾値が変動するのを防止することができる。

一実施形態として、前記閾値調整部は、前記第１の電波伝搬環境パラメータの測定値が同一である複数の前記試行実績について、前記試行回数が連続して所定の値以下である場合に、前記所定の基準に合致すると判断して前記閾値を増加させてもよい。

また、前記指向特性パターン選択部は、全ての前記指向特性パターンのスループットが前記閾値以下である場合に、前記複数の指向特性パターンのうちの最も高いスループットを実現する前記指向特性パターンを選択してもよい。これにより、現在の電波伝搬環境に最も適応した指向特性パターンを選択することができる。

また、前記第１の電波伝搬環境パラメータは、前記アンテナの受信信号強度であってもよい。受信信号強度は、指向特性パターンの違いによって比較的変動しにくいパラメータであるので、第１の電波伝搬環境パラメータとして適している。

また、前記閾値特定部は、前記複数の指向特性パターンのうちの最も指向性の弱い指向特性パターンを用いて前記アンテナの受信信号強度を測定してもよい。これにより、さらに、指向特性パターンの違いによるばらつきを排除することができる。

また、前記第２の電波伝搬環境パラメータは、前記アンテナで受信されるパケットのパケット誤り率であってもよい。パケット誤り率は、指向特性パターンの違いにより大きく異なるので、第２の電波伝搬環境パラメータとして適している。

また、前記指向特性パターン選択部は、前記アンテナのＳ／Ｎ比と無線通信の通信速度とに基づいて前記パケット誤り率を算出してもよい。パケット誤り率は、上記の方法で算出してもよいし、受信パケット総数と、そのうちのエラーパケット数とを直接カウントしてもよい。

また、前記コントローラは、電波伝搬環境の変動を常時監視している。そして、当該電波伝搬環境の変動幅が予め定められた許容範囲を超えたことを契機として、指向特性パターンを選択する処理を開始してもよい。例えば、相手端末との間に障害物が出現／消滅した場合等に、電波伝搬環境が大きく変動する。

また、前記閾値調整部は、前記閾値を増加させる処理と前記閾値を減少させる処理とを所定の回数だけ交互に実施した場合に、前記閾値を変更する処理を所定の期間だけ中止してもよい。これにより、無線通信装置の処理速度が向上する。

また、該無線通信装置は、複数の前記アンテナを備える。そして、前記指向特性パターンは、前記複数のアンテナそれぞれの指向特性の組み合わせを示してもよい。これにより、あらゆる電波伝搬環境の変動に適切に対応可能な無線通信装置を得ることができる。

本発明に係る無線通信方法は、指向特性を変更可能なアンテナと、アンテナの指向特性を示す複数の指向特性パターン、及び電波伝搬環境の状態を示す第１の電波伝搬環境パラメータに応じたスループットの期待値である複数の閾値を記憶する記憶部とを備える無線通信装置が、外部装置と無線通信を行う方法である。具体的には、特定の前記指向特性パターンを用いて前記第１の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記記憶部に記憶されている前記複数の閾値のうち、測定した前記第１の電波伝搬環境パラメータに対応する閾値を特定する閾値特定ステップと、前記複数の指向特性パターンを順次切り替えて通信を試行し、試行した指向特性パターンにおける前記第１の電波伝搬環境パラメータと異なる第２の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記第２の電波伝搬環境パラメータの測定値から算出される現実のスループットが前記閾値を上回る前記指向特性パターンを選択し、選択された前記指向特性パターンで前記アンテナに無線通信を行わせる指向特性パターン選択ステップと、前記指向特性パターン選択ステップによって試行された前記指向特性パターンの数である試行回数に応じて、前記閾値特定ステップによって特定された前記閾値を変更する閾値調整ステップとを含む。

本発明に係るプログラムは、指向特性を変更可能なアンテナと、アンテナの指向特性を示す複数の指向特性パターン、及び電波伝搬環境の状態を示す第１の電波伝搬環境パラメータに応じたスループットの期待値である複数の閾値を記憶する記憶部とを備えるコンピュータに、外部装置と無線通信を行わせる。具体的には、特定の前記指向特性パターンを用いて前記第１の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記記憶部に記憶されている前記複数の閾値のうち、測定した前記第１の電波伝搬環境パラメータに対応する閾値を特定する閾値特定ステップと、前記複数の指向特性パターンを順次切り替えて通信を試行し、試行した指向特性パターンにおける前記第１の電波伝搬環境パラメータと異なる第２の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記第２の電波伝搬環境パラメータの測定値から算出される現実のスループットが前記閾値を上回る前記指向特性パターンを選択し、選択された前記指向特性パターンで前記アンテナに無線通信を行わせる指向特性パターン選択ステップと、前記指向特性パターン選択ステップによって試行された前記指向特性パターンの数である試行回数に応じて、前記閾値特定ステップによって特定された前記閾値を変更する閾値調整ステップとを含む。

本発明に係る集積回路は、指向特性を変更可能なアンテナと、アンテナの指向特性を示す複数の指向特性パターン、及び電波伝搬環境の状態を示す第１の電波伝搬環境パラメータに応じたスループットの期待値である複数の閾値を記憶する記憶部とを備える無線通信装置に、外部装置と無線通信を行わせる。具体的には、特定の前記指向特性パターンを用いて前記第１の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記記憶部に記憶されている前記複数の閾値のうち、測定した前記第１の電波伝搬環境パラメータに対応する閾値を特定する閾値特定部と、前記複数の指向特性パターンを順次切り替えて通信を試行し、試行した指向特性パターンにおける前記第１の電波伝搬環境パラメータと異なる第２の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記第２の電波伝搬環境パラメータの測定値から算出される現実のスループットが前記閾値を上回る前記指向特性パターンを選択し、選択された前記指向特性パターンで前記アンテナに無線通信を行わせる指向特性パターン選択部と、前記指向特性パターン選択部によって試行された前記指向特性パターンの数である試行回数に応じて、前記閾値特定部によって特定された前記閾値を変更する閾値調整部とを含む。

なお、本発明は、無線通信装置として実現できるだけでなく、無線通信装置の機能を実現する集積回路として実現したり、そのような機能をコンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体及びインターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。

本発明により、より通信性能が良好なアンテナ指向特性を選択することが可能であり、かつ、アンテナ指向特性を選択するまでの要する時間を短縮できる。その結果、電波伝搬環境の変動に対するアンテナ指向特性切替の追随性を向上させることが可能である。さらに、アンテナ指向特性選択時の情報を学習して閾値を調整し、次回のアンテナ指向特性選択時に利用することができる。その結果、無線通信装置の設置環境、及び相手端末に適応した可変指向特性アンテナの制御が可能となる。

本発明の実施の形態１における無線通信装置の構成図である。 本発明の実施の形態１における可変指向特性アンテナ装置が取り得る合成指向特性図である。 本発明の実施の形態１におけるアンテナ指向特性選択方法のフローチャートである。 本発明の実施の形態１における閾値を求める関数ｆの初期値である。 本発明の実施の形態１における閾値調整処理のフローチャートである。 本発明の実施の形態１における閾値調整の具体例１である。 本発明の実施の形態１における閾値調整の具体例２である。 本発明の実施の形態１における閾値調整の具体例３である。 本発明の実施の形態２における閾値調整処理のフローチャートである。 本発明の実施の形態２における過去のアンテナ指向特性選択の状況の具体例１である。 本発明の実施の形態２における過去のアンテナ指向特性選択の状況の具体例２である。 無線通信装置間で実測したＲＳＳＩとスループットとの関係を表すグラフである。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における無線通信装置１００の構成図である。無線通信装置１００は、可変指向特性アンテナ装置１１０と、高周波処理回路１２１、１２２、１２３と、記憶部１３０と、コントローラ１４０と、ベースバンド処理回路１５０と、ＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）処理回路１６０とを主に備える。

可変指向特性アンテナ装置１１０は、可変指向特性アンテナ素子（以下「アンテナ」と表記する）１１１、１１２、１１３と、アンテナ１１１、１１２、１１３それぞれの指向特性を制御する指向特性コントローラ１１４、１１５、１１６とで構成される。なお、図１では、３本のアンテナ１１１、１１２、１１３を備えた例を示したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、アンテナ１１１のみであってもよいし、さらに多くのアンテナを備えてもよい。また、指向特性コントローラ１１４、１１５、１１６は、アンテナ１１１、１１２、１１３と１対１に対応している。

高周波処理回路１２１、１２２、１２３は、アンテナ１１１、１１２、１１３で受信した高周波信号をベースバンド信号に変換してベースバンド処理回路１５０に出力する。また、ベースバンド処理回路１５０から受け取ったベースバンド信号を高周波信号に変換してアンテナ１１１、１１２、１１３に送信させる。なお、高周波処理回路１２１、１２２、１２３は、アンテナ１１１、１１２、１１３と１対１に対応している。

記憶部１３０は、指向特性パターンテーブル１３１、閾値テーブル１３２、及びその他の制御情報等を備える。この記憶部１３０には、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、その他のあらゆる記憶手段を採用することができる。

指向特性パターンテーブル１３１は、図２に示されるように、アンテナ１１１、１１２、１１３の指向特性の組み合わせを示す複数（８種類）の指向特性パターンＰａ〜Ｐｈを保持している。なお、実際には、指向特性パターンテーブル１３１には、指向特性そのものではなく、図２の指向特性Ｐａ〜Ｐｈを実現するために、各指向特性コントローラ１１４、１１５、１１６に出力される制御信号Ｓａ〜Ｓｈに関するデータが記憶されている。

また、図２における指向特性パターンＰａ〜Ｐｈは、アンテナ１１１、１１２、１１３それぞれが形成する指向特性を合成した合成指向特性を表している。ただし、指向特性パターンテーブル１３１にはアンテナ１１１、１１２、１１３個々の指向特性を格納しておき、コントローラ１４０が各アンテナ１１１、１１２、１１３の指向特性を別々に選択するようにしてもよい。

閾値テーブル１３２は、無線通信装置１００のスループット（典型的には、「伝送レート」を指す。以下同じ。）の期待値である複数の閾値を記憶する。実施の形態１に係る閾値テーブル１３２の一例を図４に示す。図４に示される閾値テーブル１３２には、アンテナ１１１、１１２、１１３の受信信号強度（第１の電波伝搬環境パラメータ）に応じた閾値が保持されている。実際には、閾値テーブル１３２には、図４に示される関係を規定する関数ｆ（ＲＳＳＩ０）を保持している。

コントローラ１４０は、高周波処理回路１２１、１２２、１２３、ベースバンド処理回路１５０、及びＭＡＣ処理回路１６０等から取得した情報に基づいて、指向特性パターンテーブル１３１に記憶されている指向特性パターンを選択し、指向特性コントローラ１１４、１１５、１１６に通知する。具体的には、閾値特定部１４１、指向特性パターン選択部１４２、及び閾値調整部１４３で構成される。

閾値特定部１４１は、アンテナ１１１、１１２、１１３の受信信号強度を測定する。そして、図４を参照して、当該測定結果に対応する閾値を特定する。このとき、アンテナ１１１、１１２、１１３に設定される指向特性パターンは特に限定されないが、例えば、最も指向性の弱い指向特性パターンＰａを用いて受信信号強度を測定してもよい。

指向特性パターン選択部１４２は、複数の指向特性パターンＰａ〜Ｐｈを順次切り替えて通信を試行し、試行した指向特性パターンにおけるパケット誤り率（Ｐａｃｋｅｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｉｏ：ＰＥＲ）を測定する。次に、測定したパケット誤り率から現実のスループットを算出する。そして、算出したスループットが閾値特定部１４１で特定された閾値を上回った場合に、対応する指向特性パターンを選択する。

閾値調整部１４３は、指向特性パターン選択部１４２によって試行された指向特性パターンの数である試行回数に応じて、閾値特定部１４１で特定された閾値を変更する。より具体的には、閾値調整部１４３は、試行回数が８回（第１の値）である場合に閾値を減少させ、試行回数が１回（第２の値）である場合に閾値を増加させる。

ベースバンド処理回路１５０は、例えば、パケット誤り率、又はアンテナ１１１、１１２、１１３の信号電力対雑音電力比（Ｓｉｇｎａｌ ｐｏｗｅｒ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）を算出し、コントローラ１４０に通知する。ＭＡＣ処理回路１６０は、例えば、受信したパケットのヘッダ部に含まれる通信速度をコントローラに通知する。

図３は、本発明の実施の形態１における無線通信装置１００の動作を示すフローチャートである。本フローチャートを使用して、実施の形態１におけるアンテナ指向特性選択方法について説明を行う。

まず、コントローラ１４０は、高周波処理回路１２１、１２２、１２３、ベースバンド処理回路１５０、ＭＡＣ処理回路１６０から入力される電波伝搬環境または通信性能に関するパラメータに基づいて、電波伝搬環境の変動を判断する。そして、コントローラ１４０は、アンテナ指向特性の切替が必要となる電波伝搬環境の変動があったと判断すれば、新たなアンテナ指向特性の選択処理を開始する。

一例として、コントローラ１４０は、アンテナ１１１、１１２、１１３の受信信号強度を常時監視する。そして、アンテナ１１１、１１２、１１３のうちの少なくとも１つについて、受信信号強度の変動幅が予め定められた許容範囲を超えたことを契機として、図３に示す処理を開始する。または、受信するパケットのヘッダに含まれる通信速度が変化したことを契機として図３の処理を開始してもよい。

次に、閾値特定部１４１は、図２に示される指向特性パターンＰａ〜Ｐｈのうちから受信信号強度を測定するための指向特性パターンを選択する。例えば、最も指向性の弱い指向特性パターンＰａを選択する。そして、閾値特定部１４１は、図２に示される指向特性パターンテーブル１３１から指向特性パターンＰａを示す制御信号Ｓａを読み出し、指向特性コントローラ１１４、１１５、１１６に通知する（Ｓ１０１）。

続いて、閾値特定部１４１は、高周波処理回路１２１、１２２、１２３、ベースバンド処理回路１５０、及びＭＡＣ処理回路１６０からパケットを受信した際に測定できる第１の電波伝搬環境パラメータを得る。実施の形態１では、第１の電波伝搬環境パラメータを、３つのアンテナ１１１、１１２、１１３それぞれで測定される受信信号強度ＲＳＳＩ１、ＲＳＳＩ２、ＲＳＳＩ３のうち、いずれか一つを選択したもの（以降、ＲＳＳＩ０と表す。）としている。

閾値特定部１４１は、得られたＲＳＳＩ０を関数ｆに入力し、関数出力ｆ（ＲＳＳＩ０）を通信性能の閾値として得る（Ｓ１０２）。ここで閾値が、「現在の電波伝搬環境で、取り得る全ての指向特性パターンＰａ〜Ｐｈのうち最良のものを選択した場合に、得られる通信性能」に一致していれば、最良の指向特性パターンをより速く選択できる。しかしながら、コントローラ１４０は、無線通信装置１００が置かれた電波伝搬環境や通信相手となる無線通信装置に関する情報がわからないため、初期値として図４に示す閾値を求める関数ｆを持っておく。図４によれば、ＲＳＳＩ０が−７０ｄＢｍであれば、閾値特定部１４１は、閾値として４０Ｍｂｐｓを得る。

次に、指向特性パターン選択部１４２は、最初に通信を試行する指向特性パターンを指向特性パターンテーブル１３１から選択する。ここで、最初に通信を試行する指向特性パターンは、最適な指向特性パターンの候補とされるものの中の任意のものでよい。実施の形態１では、指向特性パターンテーブル１３１の中の指向特性パターン全てを候補とし、最初に通信を試行する指向特性パターンとして指向特性パターンＰｅを選択する。

指向特性パターン選択部１４２は、指向特性パターンＰｅを実現するように、指向特性パターンテーブル１３１から制御信号Ｓｅを読み出し、指向特性コントローラ１１４、１１５、１１６に出力する。制御信号Ｓｅが入力された指向特性コントローラ１１４、１１５、１１６は、指向特性パターンＰｅを実現するようにアンテナ１１１、１１２、１１３を制御する（Ｓ１０３）。

その後、無線通信装置１００は、通信相手の無線通信端末との間でパケットを送受信する。そして、指向特性パターン選択部１４２は、高周波処理回路１２１、１２２、１２３、ベースバンド処理回路１５０、及びＭＡＣ処理回路１６０からパケットを受信した際に測定できる第２の電波伝搬環境パラメータを取得する。

第２の電波伝搬環境パラメータは、例えば、受信パケットのパケット誤り率である。このパケット誤り率は、単位時間当たりに受信したパケット総数と、そのうちのエラーパケット数とを実際にカウントして、（パケット誤り率）＝（エラーパケット数）／（パケット総数）で算出することができる。また、アンテナ１１１、１１２、１１３のＳＮＲを測定し、ＳＮＲの測定結果、及び受信パケットのヘッダ部に格納されている通信速度に基づいてパケット誤り率を算出することもできる。

指向特性パターン選択部１４２は、得られたパケット誤り率を関数ｇに入力し、関数出力ｇ（ＰＥＲ）を指向特性Ｐｅで通信を行った場合の現実の通信性能（ここでは、現実のスループット）として得る（Ｓ１０４）。具体的には、通信速度にパケット誤り率の補数（１−ＰＥＲ）を乗ずることにより、スループットを算出することができる。

ここで、指向特性パターン選択部１４２は、通信を試行した指向特性パターンの数である試行回数をカウントする（Ｓ１０５）。なお、試行回数は、図３の処理開始時にリセット（＝０）となり、その後ステップＳ１０５で１ずつ増加する値である。

そして、指向特性パターン選択部１４２は、現実のスループットと閾値特定部１４１によって特定された閾値とを比較する（Ｓ１０６）。指向特性パターン選択部１４２は、現実のスループットが閾値である４０Ｍｂｐｓ以上であれば（Ｓ１０６でＹｅｓ）、現在の電波伝搬環境において指向特性パターンＰｅによって最高の通信性能が得られるものと判断する。そして、指向特性パターンＰｅを所望の指向特性パターンとして選択し、指向特性パターンをＰｅのまま切り替えることなく、以降の通信を継続する。さらに、閾値調整処理Ｓ１０７に移行する。閾値調整処理Ｓ１０７の詳細は後で述べる。

一方、現実のスループットが閾値の４０Ｍｂｐｓ未満であれば（Ｓ１０６でＮｏ）、指向特性パターン選択部１４２は、指向特性パターンＰｅでは現在の電波伝搬環境において最高の通信性能が得られないと判断して、指向特性パターン選択処理を続ける。

指向特性パターン選択処理を続ける場合、指向特性パターン選択部１４２は、候補として抽出した指向特性パターンＰａ〜Ｐｈの全てで通信を試行したかを判定する（Ｓ１０８）。通信を試行していない指向特性パターンがあると（Ｓ１０８でＮｏ）、指向特性パターン選択部１４２は、次の指向特性パターンを選択する。

例えば、指向特性パターン選択部１４２は、指向特性パターンＰｆを実現するように、指向特性パターンテーブル１３１から制御信号Ｓｆを読み出し、指向特性コントローラ１１４、１１５、１１６に出力する。制御信号Ｓｆが入力された指向特性コントローラ１１４、１１５、１１６は、指向特性Ｐｆを実現するようにアンテナ１１１、１１２、１１３を制御する（Ｓ１０９）。その後、指向特性パターン選択部１４２は、Ｓ１０４〜Ｓ１０６の処理を繰り返す。

一方、指向特性パターン選択部１４２は、候補として抽出した全ての指向特性パターンＰａ〜Ｐｈでの通信試行を終了している場合（Ｓ１０８でＹｅｓ）には、これまでに通信を試行した全ての指向特性パターンＰａ〜Ｐｈで得られた現実のスループットを比較し、最大のスループットが得られた指向特性パターンを最適な指向特性パターンとして決定する。

そして、指向特性パターン選択部１４２は、該当の指向特性パターンを実現するように、指向特性パターンテーブル１３１から該当の制御信号を読み出し、指向特性コントローラ１１４、１１５、１１６に出力する。制御信号が入力された指向特性コントローラ１１４、１１５、１１６は、最大のスループットが得られた指向特性パターンを実現するようにアンテナ１１１、１１２、１１３を制御する（Ｓ１１０）。その後、閾値調整処理Ｓ１０７に移行する。

図５は、図３における閾値調整処理Ｓ１０７の詳細を記したフローチャートである。まず、閾値調整部１４３は、Ｓ１０２の処理でカウントした試行回数を判定する（Ｓ２０１）。

試行回数が「８」（第１の値）である場合（Ｓ２０１で「８」）、閾値調整部１４３は、閾値の値が実際の最高の通信性能より高いために、８つ全ての指向特性パターンで通信を試行しても選択が終了しなかったものと判断する。そして、閾値特定部１４１で特定された閾値ｆ（ＲＳＳＩ０）、つまり、測定されたＲＳＳＩ０（＝−７０ｄＢｍ）に対応する閾値（＝４０Ｍｂｐｓ）を調整する。実施の形態１においては、閾値を一定量（２Ｍｂｐｓ）だけ減少させる（Ｓ２０２）。

図６〜図８は、図４の閾値を求める関数ｆ（ＲＳＳＩ０）の値を減少させる場合の具体例である。Ｓ２０２での処理の結果、閾値調整部１４３は、ｆ（−７０）を４０Ｍｂｐｓから３８Ｍｂｐｓへと減少させる。ここで、図６に示すように、図４のｆ（−７０）のみを２Ｍｂｐｓ減少させてもよい。また、図７に示すように、図４に示す関数ｆ（ＲＳＳＩ０）を点線の連続関数とみなして、ｆ（−７０）を２Ｍｂｐｓ減少させ、かつ、減少後も連続関数となるように前後の関数ｆ（ＲＳＳＩ０）の値を減少させてもよい。さらに、図８に示すように、ｆ（−７０）だけでなく関数ｆ（ＲＳＳＩ０）全体を２Ｍｂｐｓ減少させてもよい。もちろん、これ以外の関数ｆ（ＲＳＳＩ０）の調整方法も可能である。

一方、試行回数が「１」（第２の値）である場合（Ｓ２０１で「１」）、閾値調整部１４３は、閾値の値が実際の最高の通信性能より低いために試行が早く終了したものと判断する。そして、閾値特定部１４１で特定された閾値ｆ（ＲＳＳＩ０）を一定量、例えば２Ｍｂｐｓ増加させる（Ｓ２０３）。

また、試行回数が「２〜７」の場合（Ｓ２０１で「その他」）、閾値調整部１４３は、閾値特定部１４１で特定された閾値ｆ（ＲＳＳＩ０）の値を変更せずに処理を終了する。コントローラ１４０は、上記方法による閾値調整処理Ｓ１０７が終了すると、指向特性パターン選択処理を終了する。上記方法により調整された閾値を求める関数ｆ（ＲＳＳＩ０）は、次回の指向特性パターン選択処理時に使用される。

図１の構成において、指向特性コントローラ１１４、１１５、１１６、コントローラ１４０、及び指向特性パターンテーブル１３１は、それぞれハードウエアにより実現してもよいし、ソフトウエアにより実現してもよい。また、アンテナ１１１、１１２、１１３の指向特性を変化させる方法についても問わない。さらに、上記の例において、無線通信装置１００の通信相手となる無線通信装置が複数存在する場合、閾値を求める関数を相手装置毎に複数持つことももちろん可能である。

以上、かかる方法によれば、より通信性能が良好な指向特性パターンを選択することが可能である。また、指向特性パターンを選択するまでの要する時間を短縮できる。その結果、電波伝搬環境の変動に対するアンテナ指向特性の追随性を向上させることが可能である。

さらに、指向特性パターン選択処理時の情報を学習して閾値を調整し、それを繰り返すことで、閾値が「現在の電波伝搬環境で、取り得る全てのアンテナ指向特性のうち最良のものを選択した場合に、得られる通信性能」に近づく。その結果、無線通信装置１００の設置環境、相手端末に適応したアンテナ１１１、１１２、１１３の制御を行うことが可能となる。つまり、本発明の方法により指向特性パターンを選択する無線通信装置１００では、データを安定して伝送することが可能となる。

なお、実施の形態１においては、閾値の増加幅及び減少幅を一定としたが、これに限ることなく、例えば、常に一定割合（例えば「現在の閾値の３％だけ増加／減少させる」等）だけ増減させてもよい。また、状況に応じて増減幅を可変にしてもよい。

さらには、所定の条件の場合には、閾値調整処理（図３のＳ１０７）を所定の期間だけ中止してもよい。例えば、閾値調整処理において、閾値を増加させる処理と減少させる処理とが所定の回数交互に発生するような場合に、当該処理を中止すればよい。

（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１の閾値調整処理の変形例である。実施の形態１との相違点は、指向特性パターン選択処理を行うごとに、ＲＳＳＩ０の測定値と試行回数とを対応付けて蓄積し、その蓄積結果に応じて閾値調整処理を行う点である。

まず、指向特性パターン選択部１４２は、閾値調整処理に進む前に、閾値特定部１４１で測定されたＲＳＳＩ０と、図３のＳ１０５でカウントした試行回数とを対応付けて、試行実績として記憶部１３０に蓄積する。なお、図示は省略するが、試行実績を蓄積するテーブルを試行実績テーブルと表記する。

図１０及び図１１は、記憶部１３０に蓄積されている試行実績テーブルの具体例を示す図である。図１０に示されるように、指向特性パターン選択処理（図３の処理）を１回行う毎に、ＲＳＳＩ０の測定値と試行回数とを対応付けて時系列に蓄積する。

次に、図９は、実施の形態２における閾値調整処理（図３のＳ１０７）の詳細を記したフローチャートである。

閾値調整部１４３は、Ｓ１０５でカウントした試行回数を判定する（Ｓ３０１）。試行回数が「８」、もしくは「２〜７」である場合（Ｓ３０１で「８」もしくは「その他」）の処理は図５と同様であるので、説明は省略する。

一方、試行回数が「１」である場合（Ｓ３０１で「１」）、閾値調整部１４３は、試行実績テーブルに基づいて、閾値特定部１４１で測定されたＲＳＳＩ０の値（実施の形態１と同様に−７０ｄＢｍと例とする。）における過去の試行回数を判定する（Ｓ３０３）。具体的には、ＲＳＳＩ０＝−７０ｄＢｍである場合について、試行回数＝１の試行実績が何回連続しているかを判定する。

例えば、図１０に示すような過去の指向特性パターン選択処理の状況があった場合、現在の連続回数は２である（Ｓ３０３でＮｏ）。この場合、閾値調整部１４３は、閾値の調整を行わない。一方、図１１に示すような過去の指向特性パターン選択処理の状況があった場合、連続回数が５に到達したので（Ｓ３０３でＹｅｓ）、閾値ｆ（−７０）の値を２Ｍｂｐｓ増加させる（Ｓ３０４）。その後、連続回数（図１１の右列）を０にリセットし（Ｓ３０５）、閾値調整処理を終了する。

上記構成によれば、ある程度の長さを持つ期間内における電波伝搬環境の変化に基づいて閾値を調整することができる。その結果、突発的且つ一時的な電波伝搬環境の変化によって閾値が変動するのを防止することができる。これにより、より適切な閾値を得ることができる。

なお、実施の形態２においては、閾値を増加させる場合にのみ試行実績を利用する例を示したが、これに限ることなく、試行実績に応じて閾値を減少されられることは言うまでもない。つまり、図９のＳ３０２において、ＲＳＳＩ０が同一の複数の試行実績について、試行回数が連続して所定の値（例えば、８）以上となる場合に、閾値を減少させればよい。

また、図１０及び図１１に示す例では、ＲＳＳＩ０＝−７０ｄＢｍの場合についてのみ説明したが、他の測定値についても同様である。また、上記のように、試行回数＝１が何回連続しているのかをＲＳＳＩ０の測定値毎に積算する例に限定されない。例えば、ＲＳＳＩ０の測定結果に拘らず、直近の５回の試行実績について上記の判定を行ってもよい。

なお、本発明は、無線通信装置として実現できるだけでなく、無線通信装置の機能を実現する集積回路として実現したり、そのような機能をコンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。

また、集積回路化の手法はＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）に限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよいし、ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。

また、プログラムデータは、記録媒体を介して記憶装置内に導入されてもよいし、記録媒体上から直接実行されてもよい。なお、記録媒体は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスクメモリ、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤやＢＤ等の光ディスクやＳＤカード等のメモリカード等の記録媒体をいう。また、記録媒体は、電話回線や搬送路等の通信媒体も含む概念である。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

本発明にかかるアンテナ指向特性制御方法を備えた無線通信装置は、電波伝搬環境の変動に追随して素早くアンテナ制御を行うことでデータを高速かつ安定して送信することが可能であり、従来のテキストや静止画などのデータに留まらず、動画や音声のストリームなどリアルタイム性が要求される画像やデータを転送する機器に対して有用である。

１００ 無線通信装置
１１０ 可変指向特性アンテナ装置
１１１，１１２，１１３ アンテナ
１１４，１１５，１１６ 指向特性コントローラ
１２１，１２２，１２３ 高周波処理回路
１３０ 記憶部
１３１ 指向特性パターンテーブル
１３２ 閾値テーブル
１４０ コントローラ
１４１ 閾値特定部
１４２ 指向特性パターン選択部
１４３ 閾値調整部
１５０ ベースバンド処理回路
１６０ ＭＡＣ処理回路
１２０１ 点線
１２０２ 実線
１２０３ 破線

Claims (15)

1. 外部装置と無線通信を行う無線通信装置であって、
   指向特性を変更可能なアンテナと、
   前記アンテナの指向特性を示す複数の指向特性パターン、及び電波伝搬環境の状態を示す第１の電波伝搬環境パラメータに応じたスループットの期待値である複数の閾値を記憶する記憶部と、
   前記複数の指向特性パターンから選択された指向特性パターンに基づいて、前記アンテナの指向特性を変更するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、
   特定の前記指向特性パターンを用いて前記第１の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記記憶部に記憶されている前記複数の閾値のうち、測定した前記第１の電波伝搬環境パラメータに対応する閾値を特定する閾値特定部と、
   前記複数の指向特性パターンを順次切り替えて通信を試行し、試行した指向特性パターンにおける前記第１の電波伝搬環境パラメータと異なる第２の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記第２の電波伝搬環境パラメータの測定値から算出される現実のスループットが前記閾値を上回る前記指向特性パターンを選択する指向特性パターン選択部と、
   前記指向特性パターン選択部によって試行された前記指向特性パターンの数である試行回数に応じて、前記閾値特定部によって特定された前記閾値を変更する閾値調整部とを備える
   無線通信装置。
2. 前記閾値調整部は、前記試行回数が予め定められた第１の値以上である場合に前記閾値を減少させ、前記試行回数が予め定められた第２の値以下である場合に前記閾値を増加させる
   請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記指向特性パターン選択部は、前記指向特性パターンを選択する処理毎に、前記閾値特定部によって測定された前記第１の電波伝搬環境パラメータの測定値と、前記指向特性パターンを選択するまでの前記試行回数とを対応付けて試行実績として前記記憶部に記憶させておき、
   前記閾値調整部は、前記記憶部に記憶されている前記試行実績が予め定められた所定の基準に合致する場合に、前記閾値を変更する
   請求項１に記載の無線通信装置。
4. 前記閾値調整部は、前記第１の電波伝搬環境パラメータの測定値が同一である複数の前記試行実績について、前記試行回数が連続して所定の値以下である場合に、前記所定の基準に合致すると判断して前記閾値を増加させる
   請求項３に記載の無線通信装置。
5. 前記指向特性パターン選択部は、全ての前記指向特性パターンのスループットが前記閾値以下である場合に、前記複数の指向特性パターンのうちの最も高いスループットを実現する前記指向特性パターンを選択する
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線通信装置。
6. 前記第１の電波伝搬環境パラメータは、前記アンテナの受信信号強度である
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の無線通信装置。
7. 前記閾値特定部は、前記複数の指向特性パターンのうちの最も指向性の弱い指向特性パターンを用いて前記アンテナの受信信号強度を測定する
   請求項６に記載の無線通信装置。
8. 前記第２の電波伝搬環境パラメータは、前記アンテナで受信されるパケットのパケット誤り率である
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の無線通信装置。
9. 前記指向特性パターン選択部は、前記アンテナのＳ／Ｎ比と無線通信の通信速度とに基づいて前記パケット誤り率を算出する
   請求項８に記載の無線通信装置。
10. 前記コントローラは、電波伝搬環境の変動を常時監視しており、当該電波伝搬環境の変動幅が予め定められた許容範囲を超えたことを契機として、指向特性パターンを選択する処理を開始する
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の無線通信装置。
11. 前記閾値調整部は、前記閾値を増加させる処理と前記閾値を減少させる処理とを所定の回数だけ交互に実施した場合に、前記閾値を変更する処理を所定の期間だけ中止する
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の無線通信装置。
12. 該無線通信装置は、複数の前記アンテナを備え、
    前記指向特性パターンは、前記複数のアンテナそれぞれの指向特性の組み合わせを示す
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の無線通信装置。
13. 指向特性を変更可能なアンテナと、アンテナの指向特性を示す複数の指向特性パターン、及び電波伝搬環境の状態を示す第１の電波伝搬環境パラメータに応じたスループットの期待値である複数の閾値を記憶する記憶部とを備える無線通信装置が、外部装置と無線通信を行う無線通信方法であって、
    特定の前記指向特性パターンを用いて前記第１の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記記憶部に記憶されている前記複数の閾値のうち、測定した前記第１の電波伝搬環境パラメータに対応する閾値を特定する閾値特定ステップと、
    前記複数の指向特性パターンを順次切り替えて通信を試行し、試行した指向特性パターンにおける前記第１の電波伝搬環境パラメータと異なる第２の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記第２の電波伝搬環境パラメータの測定値から算出される現実のスループットが前記閾値を上回る前記指向特性パターンを選択し、選択された前記指向特性パターンで前記アンテナに無線通信を行わせる指向特性パターン選択ステップと、
    前記指向特性パターン選択ステップによって試行された前記指向特性パターンの数である試行回数に応じて、前記閾値特定ステップによって特定された前記閾値を変更する閾値調整ステップとを含む
    無線通信方法。
14. 指向特性を変更可能なアンテナと、アンテナの指向特性を示す複数の指向特性パターン、及び電波伝搬環境の状態を示す第１の電波伝搬環境パラメータに応じたスループットの期待値である複数の閾値を記憶する記憶部とを備えるコンピュータに、外部装置と無線通信を行わせるプログラムであって、
    特定の前記指向特性パターンを用いて前記第１の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記記憶部に記憶されている前記複数の閾値のうち、測定した前記第１の電波伝搬環境パラメータに対応する閾値を特定する閾値特定ステップと、
    前記複数の指向特性パターンを順次切り替えて通信を試行し、試行した指向特性パターンにおける前記第１の電波伝搬環境パラメータと異なる第２の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記第２の電波伝搬環境パラメータの測定値から算出される現実のスループットが前記閾値を上回る前記指向特性パターンを選択し、選択された前記指向特性パターンで前記アンテナに無線通信を行わせる指向特性パターン選択ステップと、
    前記指向特性パターン選択ステップによって試行された前記指向特性パターンの数である試行回数に応じて、前記閾値特定ステップによって特定された前記閾値を変更する閾値調整ステップとを含む
    プログラム。
15. 指向特性を変更可能なアンテナと、アンテナの指向特性を示す複数の指向特性パターン、及び電波伝搬環境の状態を示す第１の電波伝搬環境パラメータに応じたスループットの期待値である複数の閾値を記憶する記憶部とを備える無線通信装置に、外部装置と無線通信を行わせる集積回路であって、
    特定の前記指向特性パターンを用いて前記第１の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記記憶部に記憶されている前記複数の閾値のうち、測定した前記第１の電波伝搬環境パラメータに対応する閾値を特定する閾値特定部と、
    前記複数の指向特性パターンを順次切り替えて通信を試行し、試行した指向特性パターンにおける前記第１の電波伝搬環境パラメータと異なる第２の電波伝搬環境パラメータを測定し、前記第２の電波伝搬環境パラメータの測定値から算出される現実のスループットが前記閾値を上回る前記指向特性パターンを選択し、選択された前記指向特性パターンで前記アンテナに無線通信を行わせる指向特性パターン選択部と、
    前記指向特性パターン選択部によって試行された前記指向特性パターンの数である試行回数に応じて、前記閾値特定部によって特定された前記閾値を変更する閾値調整部とを含む
    集積回路。

Images