JP5321508B2 - 通信装置、通信制御方法、及び通信システム - Google Patents

Description

本発明は、通信装置、通信制御方法、及び通信システムに関する。

近年、ミリ波と呼ばれる高周波の電磁波を用いて無線通信の通信速度を高速化させるための新たな通信方式の開発が進められている。ミリ波の波長は１０ｍｍ〜１ｍｍ、周波数は３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚとされており、例えば６０ＧＨｚ帯などにおいてＧＨｚ単位でのチャネルの割当てが可能である。

一般的に、ミリ波は、マイクロ波に比べて直進性が強く、反射時の減衰が大きいという特性を有している。そのため、ミリ波通信での無線の伝達経路は、主に直接波又は１回程度の反射波となる。また、ミリ波は、自由空間伝搬損失が大きい（電波到達距離が短い）という特性も有している。そのため、ミリ波を用いて無線通信する場合には、マイクロ波を用いる場合と比較して空間分割をし易いという利点がある一方、通信距離が短くなるという側面もある。

このようなミリ波の弱点を補い、ミリ波を用いた高速な無線通信をより多くの場面で活用するためには、送受信装置のアンテナに指向性を持たせ、その送信ビーム及び受信ビームを通信相手の位置する方向に向けて通信距離を長くすることが考えられる。ビームの指向性は、例えば、送受信装置にそれぞれ複数のアンテナを設け、アンテナごとの重みを変化させることで制御され得る。例えば、下記特許文献１では、音波、赤外線又は光などの通信媒体を用いて予め制御信号を交換し、アンテナの最適な指向性を学習した上でミリ波での無線通信を行う手法が開示されている。

特開２０００−３０７４９４号公報

しかしながら、アンテナの最適な指向性を学習したとしても、どのタイミングでミリ波での無線通信が発生するかを知ることができなければ、そのタイミングで特定の方向にアンテナビームを向けることができない。特に、アンテナを複数の通信方式で共用する場合、又は複数の通信相手が存在するような場合には、アンテナビームを常に特定の方向に向けておくことが難しい。よって、アンテナの指向性を制御すべきミリ波のような高速な無線通信を行うに際しては、アンテナの指向性を制御すべきタイミングを受信装置が認識し、そのタイミングにおいて最適なアンテナビームを形成することのできる仕組みが提供されることが望ましい。

そこで、本発明は、アンテナの指向性を制御すべきタイミングを受信装置が認識した上で、そのタイミングにおいて最適なアンテナビームを形成することのできる、新規かつ改良された通信装置、通信制御方法、及び通信システムを提供しようとするものである。

本発明のある実施形態によれば、第１の通信方式に従って無線通信可能な第１無線通信部と、上記第１の通信方式よりも高い周波数帯を使用する第２の通信方式に従って無線通信可能な第２無線通信部と、を備え、上記第２無線通信部は、上記第２の通信方式に従って送信されるビーコンを受信すべき受信タイミングを、上記第１無線通信部により所定の制御信号が受信された時点に基づいて決定し、及び、決定した当該受信タイミングにおいて、事前に学習された指向性を有する受信ビームを形成する、通信装置が提供される。

また、上記制御信号は、当該制御信号の後に続いて上記ビーコンが送信されるか否かを表す情報を含んでもよい。

また、上記第２無線通信部は、上記受信タイミングにおいて上記ビーコンを正常に受信できなかった場合には、受信ビームの指向性の学習を再試行してもよい。

また、上記制御信号は、当該制御信号が受信される時点から上記ビーコンの上記受信タイミングまでの時間差を表す情報を含んでもよい。

また、上記第２無線通信部は、上記第１無線通信部により上記制御信号が受信された時点から予め定められた時間が経過したタイミングを、上記ビーコンの上記受信タイミングであると決定してもよい。

また、本発明の別の実施形態によれば、第１の通信方式及び上記第１の通信方式よりも高い周波数帯を使用する第２の通信方式に従ってそれぞれ無線通信可能な送信装置と受信装置との間の通信制御方法であって、上記送信装置から上記受信装置へ、上記第１の通信方式に従って所定の制御信号を送信するステップと、上記受信装置において、上記第２の通信方式に従って送信されるビーコンを受信すべき受信タイミングを、上記制御信号が受信された時点に基づいて決定するステップと、上記送信装置から上記受信装置へ、上記第２の通信方式に従って上記ビーコンを送信するステップと、上記受信装置において、決定した上記受信タイミングにおいて、事前に学習された指向性を有する受信ビームを形成することにより、上記送信装置から送信された上記ビーコンを受信するステップと、を含む通信制御方法が提供される。

また、本発明の別の実施形態によれば、第１の通信方式に従って無線通信可能な第１無線通信部、及び、上記第１の通信方式よりも高い周波数帯を使用する第２の通信方式に従って無線通信可能な第２無線通信部、をそれぞれ備える送信装置と受信装置とを含み、上記送信装置の上記第１無線通信部は、上記受信装置へ上記第１の通信方式に従って所定の制御信号を送信し、上記受信装置の上記第２無線通信部は、上記第２の通信方式に従って送信されるビーコンを受信すべき受信タイミングを、上記制御信号が受信された時点に基づいて決定し、上記送信装置の上記第２無線通信部は、上記受信装置へ上記第２の通信方式に従って上記ビーコンを送信し、上記受信装置の上記第２無線通信部は、決定した上記受信タイミングにおいて、事前に学習された指向性を有する受信ビームを形成することにより、上記送信装置から送信される上記ビーコンを受信する、通信システムが提供される。

以上説明したように、本発明に係る通信装置、通信制御方法、及び通信システムによれば、アンテナの指向性を制御すべきタイミングを受信装置が認識した上で、そのタイミングにおいて最適なアンテナビームを形成することができる。

一実施形態に係る通信システムの概要を示す模式図である。 一実施形態に係る送信装置の構成の一例を示すブロック図である。 一実施形態に係る送信装置の第２デジタル部のより具体的な構成の一例を示すブロック図である。 学習指示信号及びビーム学習用信号のフォーマットの一例を示す説明図である。 ビームパターンの一例を示す説明図である。 制御信号及びビーコンのフォーマットの一例を示す説明図である。 一実施形態に係る受信装置の構成の一例を示すブロック図である。 一実施形態に係る受信装置の第２デジタル部のより具体的な構成の一例を示すブロック図である。 一実施形態に係る指向性学習処理について説明するための説明図である。 一実施形態に係る通信制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付すことにより重複説明を省略する。

また、以下の順序にしたがって当該「発明を実施するための形態」を説明する。
１．一実施形態に係る通信システムの概要
２．一実施形態の説明
２−１．送信側の構成例
２−２．信号フォーマットの例
２−３．受信側の構成例
２−４．処理の流れ
３．まとめ

＜１．一実施形態に係る通信システムの概要＞
図１は、本発明の一実施形態に係る通信システム１の概要を示す模式図である。図１を参照すると、通信システム１は、通信装置１００及び通信装置２００を含む。本実施形態において、通信装置１００は、通信装置１００と通信装置２００との間の高速通信の開始のきっかけとなる制御信号を送信する。通信装置２００は、通信装置１００から送信される制御信号を受信し、当該制御信号に基づいて決定するタイミングで、通信装置１００の存在する方向へアンテナビームの指向性を向ける。そのため、本明細書において、通信装置１００を送信側の装置又は送信装置、通信装置２００を受信側の装置又は受信装置という場合がある。

通信装置１００及び２００は、第１及び第２の通信方式に従って互いに無線通信することができる。このうち、第１の通信方式は、上述したミリ波と比較して直進性が強くなく、反射時の減衰の小さい例えばマイクロ波などの電磁波を用いた通信方式である。第１の通信方式は、例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇ／ｎなどの無線ＬＡＮ（Local Area Network）規格に基づく通信方式であってよい。即ち、第１の通信方式に従って無線通信する場合には、通信装置１００及び２００は、アンテナビームの指向性を考慮することなく互いに通信することができる。一方、第２の通信方式は、上述したミリ波に代表される電磁波であって、直進性が強く反射時の減衰の大きい電磁波を用いた通信方式である。第２の通信方式は、例えば６０ＧＨｚ帯を使用する８０２．１１ａｄ（ＶＨＴ（Very High Throughput）ともいう）規格に基づく通信方式であってよい。即ち、第２の通信方式に従って無線通信する場合には、通信装置１００及び２００は、アンテナビームを通信相手に向けて無線信号を送受信するのが好適である。

図１の例では、通信装置１００は、第１の通信方式に従って無線信号を送受信するためのアンテナ１１０、及び第２の通信方式に従って無線信号を送受信するための複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎを備える。アンテナ１１０は、複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎのいずれか１つと物理的に同一のアンテナであってもよい。また、通信装置２００は、第１の通信方式に従って無線信号を送受信するためのアンテナ２１０、及び第２の通信方式に従って無線信号を送受信するための複数のアンテナ２６０ａ〜２６０ｎを備える。アンテナ２１０は、複数のアンテナ２６０ａ〜２６０ｎのいずれか１つと物理的に同一のアンテナであってもよい。通信装置１００及び２００は、このような複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎと複数のアンテナ２６０ａ〜２６０ｎとを用いて、第２の通信方式に従い、所謂ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）通信を行うことができる。そして、各アンテナを介して送受信される信号の重みを調整することにより、第２の通信方式に従った無線通信時のアンテナビームの指向性が制御される。図１を参照すると、例えば通信装置１００から通信装置２００の方向へ、送信ビームＢｔが向けられている。また、例えば通信装置２００から通信装置１００の方向へ、受信ビームＢｒが向けられている。

なお、通信装置１００及び２００は、例えばＰＣ（Personal Computer）、携帯電話端末、携帯情報端末、音楽プレーヤ若しくはゲーム端末などの端末装置、又はテレビジョン受像機などの家電機器であってよい。また、通信装置１００及び２００は、ブロードバンドルータや無線アクセスポイントなどのネットワーク機器であってもよい。さらに、通信装置１００及び２００は、これら機器に搭載される無線通信モジュールなどであってもよい。

＜２．一実施形態の説明＞
［２−１．送信側の構成例］
図２は、本実施形態に係る通信装置１００の構成の一例を示すブロック図である。図２を参照すると、通信装置１００は、アンテナ１１０、第１無線通信部１２０、記憶部１５０、複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎ、及び第２無線通信部１７０を備える。また、第１無線通信部１２０は、第１アナログ部１２２、ＡＤ（Analog-to-Digital）変換部１２４、ＤＡ（Digital-to-Analog）変換部１２６、第１デジタル部１３０、及び制御部１４０を有する。第２無線通信部１７０は、第２アナログ部１７２、ＡＤ変換部１７４、ＤＡ変換部１７６、第２デジタル部１８０、及び制御部１９０を有する。

第１アナログ部１２２は、典型的には、第１の通信方式に従った無線信号を送受信するためのＲＦ（Radio Frequency）回路に相当する。即ち、第１アナログ部１２２は、例えば、アンテナ１１０により受信された受信信号を増幅及び周波数変換し、ＡＤ変換部１２４へ出力する。また、第１アナログ部１２２は、ＤＡ変換部１２６によりアナログ信号に変換された送信信号を周波数変換してアンテナ１１０へ出力する。

ＡＤ変換部１２４は、第１アナログ部１２２から入力されるアナログ信号である受信信号をデジタル信号に変換し、第１デジタル部１３０へ出力する。ＤＡ変換部１２６は、第１デジタル部１３０から入力されるデジタル信号である送信信号をアナログ信号に変換し、第１アナログ部１２２へ出力する。

第１デジタル部１３０は、典型的には、第１の通信方式に従って受信信号を復調及び復号するための回路、並びに第１の通信方式に従って送信信号を符号化及び変調するための回路を有する。第１デジタル部１３０は、例えば、制御部１４０から送信信号が入力されると、当該送信信号を符号化及び変調してＤＡ変換部１２６へ出力する。第１デジタル部１３０により処理される送信信号には、通常のデータ通信のための信号に加えて、例えば、後に説明する学習指示信号及び制御信号が含まれる。また、第１デジタル部１３０は、例えば、ＡＤ変換部１２４から受信信号が入力されると、当該受信信号を復調及び復号して制御部１４０へ出力する。

制御部１４０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置を用いて、第１無線通信部１２０の動作全般を制御する。例えば、制御部１４０は、通信装置２００からの要求に応じて、まず、ビームの指向性の学習を指示する学習指示信号を、第１無線通信部１２０から通信装置２００へ送信させる。その後、制御部１４０は、ビームの指向性の学習結果を通知する通知信号が通信装置２００から受信されると、当該通知信号に含まれる最適なビームパターンを特定するためのパラメータ値を記憶部１５０に保存する。さらに、制御部１４０は、例えば、第２の通信方式に従った無線通信の開始の要求に応じて、第２の通信方式に従った無線通信を開始させるための制御信号を第１無線通信部１２０から通信装置２００へ送信させる。

記憶部１５０は、例えば、半導体メモリなどの記録媒体を用いて、通信装置１００による通信処理に使用されるプログラムやパラメータ値などを記憶する。例えば、本実施形態において、記憶部１５０は、第２の通信方式に従った第２無線通信部１７０による無線通信の際の最適なビームパターンを特定するためのパラメータ値を、例えば通信相手の装置の識別子と関連付けて記憶する。

複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎは、第２の通信方式に従った無線通信に使用されるアンテナである。複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎは、典型的には、ＭＩＭＯアンテナとして構成される。即ち、例えば、アンテナ１６０ａ〜１６０ｎは、所定の重み係数を用いて重み付けされた無線信号をミリ波を用いてそれぞれ送信する。また、例えば、アンテナ１６０ａ〜１６０ｎは、ミリ波である無線信号を受信して第２アナログ部１７２へ出力する。

第２アナログ部１７２は、典型的には、第２の通信方式に従った無線信号を送受信するためのＲＦ回路に相当する。即ち、第２アナログ部１７２は、例えば、アンテナ１６０ａ〜１６０ｎによりそれぞれ受信された複数の受信信号を増幅及び周波数変換し、ＡＤ変換部１７４へ出力する。また、第２アナログ部１７２は、ＤＡ変換部１７６によりそれぞれアナログ信号に変換された複数の送信信号を周波数変換してアンテナ１６０ａ〜１６０ｎへ出力する。

ＡＤ変換部１７４は、第２アナログ部１７２から入力されるアナログ信号である複数の受信信号をそれぞれデジタル信号に変換し、第２デジタル部１８０へ出力する。ＤＡ変換部１７６は、第２デジタル部１８０から入力されるデジタル信号である複数の送信信号をアナログ信号に変換し、第２アナログ部１７２へ出力する。

第２デジタル部１８０は、典型的には、第２の通信方式に従って受信信号を復調及び復号するための回路、並びに第２の通信方式に従って送信信号を符号化及び変調するための回路を有する。

図３は、第２デジタル部１８０のより具体的な構成の一例を示すブロック図である。図３を参照すると、第２デジタル部１８０は、同期部１８１、受信ビーム処理部１８２、復調復号部１８３、符号化変調部１８４、及び送信ビーム処理部１８５を有する。

同期部１８１は、複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎにより受信された複数の受信信号について、例えばパケットの先頭のプリアンブルに応じて受信処理の開始タイミングを同期させて受信ビーム処理部１８２へ出力する。

受信ビーム処理部１８２は、同期部１８１から入力される複数の受信信号について、例えば一様分布又はテイラー分布に従って重み付け処理を行うことにより、受信ビームの指向性を制御する。受信ビーム処理部１８２により使用される重みの値は、例えば、制御部１９０から入力される指向性制御信号により指定される。その代わりに、受信ビーム処理部１８２は、複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎをアレイアンテナとみなして受信ビームを形成してもよい。

復調復号部１８３は、受信ビーム処理部１８２により重み付けされた受信信号を第２の通信方式に使用される任意の変調方式及び符号化方式に従って復調及び復号し、データ信号を取得する。そして、復調復号部１８３は、取得したデータ信号を制御部１９０へ出力する。

符号化変調部１８４は、制御部１９０から入力されるデータ信号を第２の通信方式に使用される任意の符号化方式及び変調方式に従って符号化及び変調し、送信信号を生成する。そして、符号化変調部１８４は、生成した送信信号を送信ビーム処理部１８５へ出力する。

送信ビーム処理部１８５は、符号化変調部１８４から入力された送信信号から、例えば一様分布又はテイラー分布に従って重み付けされた複数の送信信号を生成し、送信ビームの指向性を制御する。送信ビーム処理部１８５により使用される重みの値は、例えば、制御部１９０から入力される指向性制御信号により指定される。その代わりに、送信ビーム処理部１８５は、複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎをアレイアンテナとみなして送信ビームを形成してもよい。送信ビーム処理部１８５により重み付けされた複数の送信信号は、ＤＡ変換部１７６へそれぞれ出力される。

なお、図３には示していないが、第２デジタル部１８０において、さらに複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎにより受信された受信信号からＭＩＭＯチャネルのチャネル特性を推定し、その推定結果に応じてチャネル等化が行われてもよい。

図２に戻り、通信装置１００の構成の一例についての説明を継続する。

制御部１９０は、例えばＣＰＵなどの演算装置を用いて、第２無線通信部１７０の動作全般を制御する。例えば、制御部１９０は、上述した学習指示信号が第１無線通信部１２０から送信された後所定の時間Ｔ１（以下、オフセットＴ１という）の経過後に、ビーム学習用信号を第２無線通信部１７０から送信させる。また、例えば、制御部１９０は、上述した制御信号が第１無線通信部１２０から送信された後所定の時間Ｔ２（以下、オフセットＴ２という）の経過後に、第２の通信方式に従った無線通信のためのビーコンを第２無線通信部１７０から送信させる。また、制御部１９０は、最適なビームパターンを特定するためのパラメータ値を記憶部１５０から取得し、取得したパラメータ値に応じて第２デジタル部１８０の受信ビーム処理部１８２又は送信ビーム処理部１８５へ指向性制御信号を出力してもよい。

［２−２．信号フォーマットの例］
図４は、通信装置１００から送信される学習指示信号及びビーム学習用信号の信号フォーマットの一例を示す説明図である。

図４を参照すると、第１の通信方式に従って送信される学習指示信号Ｓ１は、プリアンブルのほかに、「信号種別」と「オフセット」という２つのフィールドを含む。プリアンブルは、例えば、Ｌ−ＳＴＦ（Legacy-Short Training Field）及びＬ−ＬＴＦ（Legacy-Long Training Field）などに相当し、パケットの検出、自動利得制御、同期処理及びチャネル推定などのために用いられる。図示していないが、プリアンブルに続いて、信号長、システムＩＤ及びタイムスタンプなどの情報も、学習指示信号Ｓ１に付加され得る。「信号種別」は、信号のタイプを表すフィールドである。学習指示信号Ｓ１の「信号種別」フィールドには、当該信号が学習指示信号であることを示す値が格納される。受信装置は、かかる「信号種別」フィールドを参照することにより、当該信号に続いてビーム学習用信号Ｓ２が送信されることを認識することができる。「オフセット」フィールドには、ビーム学習用信号を受信すべき受信タイミングを決定するためのオフセットＴ１の値が格納される。オフセットＴ１は、例えば、学習指示信号Ｓ１の受信終了時点からビーム学習用信号Ｓ２の受信開始時点までの時間差であってよい。オフセットＴ１は、ゼロであってもよい。また、例えば、学習指示信号Ｓ１の受信終了時点からビーム学習用信号Ｓ２の受信開始時点までの時間差が通信規格により（又は通信装置間の事前の交渉により）予め定められている場合には、「オフセット」フィールドは省略されてもよい。

一方、第２の通信方式に従って送信されるビーム学習用信号Ｓ２は、ビーム学習用フィールドＢＴＦを含む。かかるＢＴＦは、制御部１９０による制御に応じて、上述した学習指示信号の送信終了時点からオフセットＴ１が経過するタイミングで送信される。

本実施形態において、ビーム学習用信号Ｓ２のＢＴＦは、一例としての１０種類の送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９にそれぞれ対応する１０個のタイムスロットＴ０〜Ｔ９により構成される。各タイムスロットＴ０〜Ｔ９では、受信側におけるビームの学習に使用される既知の信号系列が、対応する送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９をそれぞれ形成するための重み係数を用いて重み付けされる。即ち、ビーム学習用信号の送信ビームの指向性は、タイムスロットＴ０〜Ｔ９ごとに順次変化する。従って、通信装置１００の周囲に位置する受信装置では、その位置に応じてビーム学習用信号のいずれかのタイムスロットで受信信号の電力レベルが突出した値となり、最適な送信ビームパターンを決定することができる。なお、既知の信号系列とは、例えばＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）のランダムパターンなどであってよい。

図５は、通信装置１００が形成することのできるビームパターンの一例を示す説明図である。

図５を参照すると、本実施形態において通信装置１００により形成可能な１０個の送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９が示されている。送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９は、通信装置１００が位置する平面上で３６度ずつ異なる方向への指向性をそれぞれ有している。通信装置１００の送信ビーム処理部１８５は、制御部１９０からの指向性制御信号に応じて、かかる１０個の送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９のうちいずれかの送信ビームパターンを用いて、アンテナ１６０ａ〜１６０ｎから無線信号を送信させることができる。また、通信装置１００により形成可能な受信ビームパターンも、図５に示した送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９と同様のビームパターンであってよい。通信装置１００の記憶部１５０には、例えば、これらビームパターンを形成するためのアンテナ１６０ａ〜１６０ｎごとの重み係数が予め記憶されている。なお、通信装置１００により形成可能な送信ビームパターン及び受信ビームパターンは、かかる例に限定されない。例えば、三次元空間上の様々な方向に指向性を有する送信ビームパターン又は受信ビームパターンが形成されてもよい。また、通信装置２００により形成可能なビームパターンも、通信装置１００により形成可能なビームパターンと同様である。

図６は、通信装置１００から送信される上述した制御信号及びビーコンの信号フォーマットの一例を示す説明図である。

図６を参照すると、第１の通信方式に従って送信される制御信号Ｓ３は、プリアンブルのほかに、「信号種別」と「オフセット」という２つのフィールドを含む。「信号種別」は、信号のタイプを表すフィールドである。制御信号Ｓ３の「信号種別」フィールドには、当該信号が第２の通信方式に従って送信されるビーコンの受信タイミングの決定のために使用可能な制御信号であることを示す値が格納される。受信装置は、かかる「信号種別」フィールドを参照することにより、当該信号に続いてビーコンＳ４が送信されることを認識することができる。「オフセット」フィールドには、ビーコンＳ４を受信すべき受信タイミングを決定するためのオフセットＴ２の値が格納される。オフセットＴ２は、例えば、制御信号Ｓ３の受信終了時点からビーコンＳ４の受信開始時点までの時間差であってよい。オフセットＴ２は、ゼロであってもよい。また、例えば、制御信号Ｓ３の受信終了時点からビーコンＳ４の受信開始時点までの時間差が通信規格により（又は通信装置間の事前の交渉により）予め定められている場合には、「オフセット」フィールドは省略されてもよい。

なお、制御信号Ｓ３は、既存のＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇ／ｎなどの通信規格において規定されたビーコン又はＲＴＳ（Request To Send）などの既存の信号であってもよい。その場合には、「信号種別」及び「オフセット」フィールドは、既存の信号フォーマットの拡張用領域に設けられ得る。その代わりに、制御信号Ｓ３は、全体として新たに定義される信号であってもよい。

一方、第２の通信方式に従って送信されるビーコンＳ４は、プリアンブルのほかに、「信号種別」と「ビーコン周期」という２つのフィールドを含む。制御信号Ｓ３の「信号種別」フィールドには、当該信号が第２の通信方式に従った無線通信のためのビーコンであることを示す値が格納される。「ビーコン周期」フィールドは、ビーコンＳ４が周期的に送信される場合の周期を示す。受信装置は、一度ビーコンＳ４の受信に成功した後は、かかる「ビーコン周期」フィールドを参照することにより、その後も継続してビーコンを受信すべき受信タイミングを調整することができる。なお、図示していないが、信号長、システムＩＤ及びタイムスタンプなどの情報も、ビーコンＳ４に付加され得る。

［２−３．受信側の構成例］
図７は、本実施形態に係る通信装置２００の構成の一例を示すブロック図である。図７を参照すると、通信装置２００は、アンテナ２１０、第１無線通信部２２０、記憶部２５０、複数のアンテナ２６０ａ〜２６０ｎ、及び第２無線通信部２７０を備える。また、第１無線通信部２２０は、第１アナログ部２２２、ＡＤ変換部２２４、ＤＡ変換部２２６、第１デジタル部２３０、及び制御部２４０を有する。第２無線通信部２７０は、第２アナログ部２７２、ＡＤ変換部２７４、ＤＡ変換部２７６、第２デジタル部２８０、及び制御部２９０を有する。

第１アナログ部２２２は、典型的には、第１の通信方式に従った無線信号を送受信するためのＲＦ回路に相当する。即ち、第１アナログ部２２２は、例えば、アンテナ２１０により受信された受信信号を増幅及び周波数変換し、ＡＤ変換部２２４へ出力する。また、第１アナログ部２２２は、ＤＡ変換部２２６によりアナログ信号に変換された送信信号を周波数変換してアンテナ２１０へ出力する。

ＡＤ変換部２２４は、第１アナログ部２２２から入力されるアナログ信号である受信信号をデジタル信号に変換し、第１デジタル部２３０へ出力する。ＤＡ変換部２２６は、第１デジタル部２３０から入力されるデジタル信号である送信信号をアナログ信号に変換し、第１アナログ部２２２へ出力する。

第１デジタル部２３０は、典型的には、第１の通信方式に従って受信信号を復調及び復号するための回路、並びに第１の通信方式に従って送信信号を符号化及び変調するための回路を有する。第１デジタル部２３０は、例えば、制御部２４０から送信信号が入力されると、当該送信信号を符号化及び変調してＤＡ変換部２２６へ出力する。第１デジタル部２３０により処理される送信信号には、通常のデータ通信のための信号に加えて、例えば、アンテナビームの指向性の学習結果を通信装置１００に通知するための通知信号が含まれる。また、第１デジタル部２３０は、例えば、ＡＤ変換部２２４から受信信号が入力されると、当該受信信号を復調及び復号して制御部２４０へ出力する。第１デジタル部２３０により処理される受信信号には、通常のデータ通信のための信号に加えて、例えば、図４及び図６を用いて説明した学習指示信号及び制御信号が含まれる。

制御部２４０は、例えばＣＰＵなどの演算装置を用いて、第１無線通信部２２０の動作全般を制御する。例えば、制御部２４０は、第２の通信方式に従った無線通信のためのビームの指向性が未だ学習されていない場合、又は学習済みの指向性が最適な指向性でなくなったと判断される場合に、ビーム学習用信号の送信要求を第１無線通信部２２０から通信装置１００へ送信させる。そして、制御部２４０は、通信装置１００から上述した学習指示信号が受信されると、第２無線通信部２７０にビームの指向性の学習を指示する。このとき、学習指示信号にオフセットＴ１の値が含まれる場合には、制御部２４０は、学習の指示と共にオフセットＴ１の値を第２無線通信部２７０に通知する。また、制御部２４０は、第２無線通信部２７０により最適なビームパターンが決定されると、決定された最適なビームパターンを特定するパラメータ値を記憶部２５０から取得し、取得した当該パラメータ値を通知するための通知信号を第１無線通信部２２０から通信装置１００へ送信させる。また、制御部２４０は、通信装置１００から上述した制御信号が受信されると、第２無線通信部２７０に第２の通信方式に従った無線通信のためのビーコンの受信を指示する。

記憶部２５０は、例えば、半導体メモリなどの記録媒体を用いて、通信装置２００による通信処理に使用されるプログラムやパラメータ値などを記憶する。例えば、本実施形態において、記憶部２５０は、第２の通信方式に従った第２無線通信部２７０による無線通信の際の最適なビームパターンを特定するためのパラメータ値を記憶する。また、記憶部２５０は、例えば、後述する第２無線通信部２７０により決定された送信側の最適なビームパターンを特定するためのパラメータ値を記憶する。

複数のアンテナ２６０ａ〜２６０ｎは、第２の通信方式に従った無線通信に使用されるアンテナである。複数のアンテナ２６０ａ〜２６０ｎは、典型的には、ＭＩＭＯアンテナとして構成される。即ち、例えば、アンテナ２６０ａ〜２６０ｎは、所定の重み係数を用いて重み付けされた無線信号をミリ波を用いてそれぞれ送信する。また、例えば、アンテナ２６０ａ〜２６０ｎは、ミリ波である無線信号を受信して第２アナログ部２７２へ出力する。

第２アナログ部２７２は、典型的には、第２の通信方式に従った無線信号を送受信するためのＲＦ回路に相当する。即ち、第２アナログ部２７２は、例えば、アンテナ２６０ａ〜２６０ｎによりそれぞれ受信された複数の受信信号を増幅及び周波数変換し、ＡＤ変換部２７４へ出力する。また、第２アナログ部２７２は、ＤＡ変換部２７６によりそれぞれアナログ信号に変換された複数の送信信号を周波数変換してアンテナ２６０ａ〜２６０ｎへ出力する。

ＡＤ変換部２７４は、第２アナログ部２７２から入力されるアナログ信号である複数の受信信号をそれぞれデジタル信号に変換し、第２デジタル部２８０へ出力する。ＤＡ変換部２７６は、第２デジタル部２８０から入力されるデジタル信号である複数の送信信号をアナログ信号に変換し、第２アナログ部２７２へ出力する。

第２デジタル部２８０は、典型的には、第２の通信方式に従って受信信号を復調及び復号するための回路、並びに第２の通信方式に従って送信信号を符号化及び変調するための回路を有する。第２デジタル部２８０は、例えば、制御部２９０から送信信号が入力されると、当該送信信号を符号化及び変調してＤＡ変換部２７６へ出力する。また、第２デジタル部２８０は、例えば、ＡＤ変換部２７４から受信信号が入力されると、当該受信信号を復調及び復号して制御部２９０へ出力する。第２デジタル部２８０により処理される受信信号には、通常のデータ通信のための信号に加えて、例えば、図４及び図６を用いて説明したビーム学習用信号及び第２の通信方式に従った無線通信のためのビーコンが含まれる。

図８は、第２デジタル部２８０のより具体的な構成の一例を示すブロック図である。図８を参照すると、第２デジタル部２８０は、同期部２８１、受信ビーム処理部２８２、電力計算部２８３、決定部２８４、復調復号部２８５、符号化変調部２８６、及び送信ビーム処理部２８７を有する。

同期部２８１は、例えば、複数のアンテナ２６０ａ〜２６０ｎにより受信された複数の受信信号について、パケットの先頭のプリアンブルに応じて受信処理の開始タイミングを同期させて受信ビーム処理部２８２へ出力する。また、同期部２８１は、制御部２９０からビーム学習用信号の受信タイミングが通知されると、当該受信タイミングからビーム学習用信号の受信を開始する。そして、同期部２８１は、受信したビーム学習用信号を受信ビーム処理部２８２へ出力すると共に、電力計算部２８３に受信電力の計算を指示する。また、同期部２８１は、制御部２９０からビーコンの受信タイミングが通知されると、当該受信タイミングからビーコンの受信を開始する。

受信ビーム処理部２８２は、同期部２８１から入力される複数の受信信号について、上述した受信ビーム処理部１８２と同様に、例えば一様分布又はテイラー分布に従って重み付け処理を行うことにより、受信ビームの指向性を制御する。そして、受信ビーム処理部２８２は、重み付けされた受信信号を電力計算部２８３及び復調復号部２８５へ出力する。

図９は、受信ビーム処理部２８２によるアンテナビームの指向性の学習処理について説明するための説明図である。

図９を参照すると、通信装置１００から第２の通信方式に従って送信されるビーム学習用信号Ｓ２の信号フォーマットの一例があらためて示されている。ビーム学習用信号Ｓ２は、送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９にそれぞれ対応する１０個のタイムスロットＴ０〜Ｔ９により構成されるＢＴＦを含む。受信ビーム処理部２８２は、かかるビーム学習用信号Ｓ２の各タイムスロットＴ０〜Ｔ９をさらに１０個ずつの区間ＳＴ０〜ＳＴ９に分け、各区間ＳＴ０〜ＳＴ９においてそれぞれ異なる１０通りの受信ビームパターンで受信信号を重み付け処理する。例えば、タイムスロットＴ０の第１区間ＳＴ０は受信ビームパターンＢｒ０、タイムスロットＴ０の第２区間ＳＴ１は受信ビームパターンＢｒ１などと関連付けられる。このような指向性学習処理により、１つのビーム学習用信号において、１０通りの送信ビームパターン×１０通りの受信ビームパターン＝計１００通りの送受信ビームパターンで送受信された受信信号を得ることができる。

電力計算部２８３は、同期部２８１からの指示に応じて、上述した計１００通りの送受信パターンで送受信された受信信号の受信電力をそれぞれ計算する。そして、電力計算部２８３は、計算した受信電力値を決定部２８４へ順次出力する。

決定部２８４は、電力計算部２８３から入力される受信電力値に基づいて、最適な送信ビームパターン及び受信ビームパターンを特定するためのパラメータ値を決定する。最適なビームパターンとは、典型的には、１つのビーム学習用信号について電力計算部２８３から入力される一連の受信電力値が最大値となるビームパターンである。最適な送信ビームパターンを特定するためのパラメータ値とは、例えば、図９に示したいずれかのタイムスロット番号（Ｔ０〜Ｔ９）であってよい。その代わりに、最適な送信ビームパターンを特定するためのパラメータ値とは、例えば、送信ビーム処理部２８７により送信信号に乗算される重み付け係数などであってもよい。また、最適な受信ビームパターンを特定するためのパラメータ値とは、例えば、図９に示した区間番号（ＳＴ０〜ＳＴ９）であってよい。その代わりに、最適な受信ビームパターンを特定するためのパラメータ値とは、例えば、受信ビーム処理部２８２により複数の受信信号にそれぞれ乗算される重み付け係数などであってもよい。決定部２８４は、このように決定したパラメータ値を、制御部２９０へ出力する。

復調復号部２８５は、受信ビーム処理部２８２により重み付けされた受信信号を第２の通信方式に使用される任意の変調方式及び符号化方式に従って復調及び復号し、データ信号を取得する。そして、復調復号部２８５は、取得したデータ信号を制御部２９０へ出力する。

符号化変調部２８６は、制御部２９０から入力されるデータ信号を第２の通信方式に使用される任意の符号化方式及び変調方式に従って符号化及び変調し、送信信号を生成する。そして、符号化変調部２８６は、生成した送信信号を送信ビーム処理部２８７へ出力する。

送信ビーム処理部２８７は、上述した送信ビーム処理部１８５と同様に、符号化変調部２８６から入力された送信信号から、例えば一様分布又はテイラー分布に従って重み付けされた複数の送信信号を生成し、送信ビームの指向性を制御する。送信ビーム処理部２８７により使用される重みの値は、例えば、制御部２９０から入力される指向性制御信号により指定される。送信ビーム処理部２８７により重み付けされた複数の送信信号は、ＤＡ変換部２７６へそれぞれ出力される。

なお、図８には示していないが、第２デジタル部２８０において、さらに複数のアンテナ２６０ａ〜２６０ｎにより受信された受信信号からＭＩＭＯチャネルのチャネル特性を推定し、その推定結果に応じてチャネル等化が行われてもよい。

図７に戻り、通信装置２００の構成の一例についての説明を継続する。

制御部２９０は、例えばＣＰＵなどの演算装置を用いて、第２無線通信部２７０の動作全般を制御する。例えば、制御部２９０は、第１無線通信部２２０からビームの指向性の学習が指示されると、第１無線通信部２２０による学習指示信号の受信の後オフセットＴ１の経過後に、第２デジタル部２８０にビーム学習用信号を用いて最適なビームパターンを決定させる。また、制御部２９０は、第２の通信方式に従った無線通信のためのビーコンの受信が指示されると、第１無線通信部２２０による制御信号の受信の後オフセットＴ２の経過後に、第２無線通信部２７０に第２の通信方式に従った無線通信のためのビーコンを受信させる。その際、制御部２９０は、学習済みの最適な受信ビームパターンを特定するためのパラメータ値を含む指向性制御信号を受信ビーム処理部２８２へ出力し、通信装置１００の方向への指向性を有する受信ビームを形成させる。それにより、通信装置２００は、上記ビーコンを良好に受信することができる。かかるビーコンには、例えば、システムＩＤ及びビーコン周期など、第２の通信方式に従った無線通信に参加するために必要とされる情報が記載されている。

また、制御部２９０は、第２の通信方式に従った無線通信のためのビーコンの受信に成功すると、その後の無線通信に際して、指向性制御信号を受信ビーム処理部２８２へ出力し、通信相手の方向への指向性を有する受信ビームを形成させる。また、制御部２９０は、受信ビームの形成に使用した値と同じパラメータ値を含む指向性制御信号を送信ビーム処理部２８７へ出力し、同一の方向への指向性を有する送信ビームを形成させてもよい。それにより、例えば通信装置１００と通信装置２００との間で、第２の通信方式に従って良好に無線通信を行うことが可能となる。

また、制御部２９０は、ビーコンを受信しようとしたタイミングにおいてビーコンを正常に受信できなかった場合には、ビームの指向性の学習のための学習指示信号の送信を、第１無線通信部２２０を介して通信装置１００に要求してもよい。それにより、通信装置１００又は２００の移動などを原因とする位置関係の変化に迅速に適応することができる。なお、ビーコンを正常に受信できなかった場合とは、ビーコンそのものを検出できなかった場合だけでなく、ビーコンを検出できたものの受信レベル（又は品質レベル）が期待されるレベルよりも低い場合などを含んでよい。

［２−４．処理の流れ］
図１０は、本実施形態に係る第２の通信方式に従った無線通信の開始に際しての通信制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。なお、図１０は、図６に示した制御信号Ｓ３及びビーコンＳ４を受信する通信装置２００、即ち受信側の視点での処理の流れを示している。

図１０を参照すると、まず、通信装置２００は、第２の通信方式に従った無線通信を開始する前に、通信相手である通信装置１００についての最適なビームパターンを学習済みであるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。ここで、最適なビームパターンを学習済みであれば、処理はステップＳ１１２へ進む。一方、最適なビームパターンを学習済みでなければ、処理はステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ１０４において、通信装置２００は、第１の通信方式（System 1）に従って通信装置１００から送信される学習指示信号の受信を待ち受ける（ステップＳ１０４）。そして、学習指示信号が受信されると、処理はステップＳ１０６へ進む。次に、通信装置２００は、学習指示信号とビーム学習用信号との時間差、即ちオフセットＴ１を用いて、ビーム学習用信号の受信タイミングを決定する（ステップＳ１０６）。次に、通信装置２００は、決定した受信タイミングにおいて、第２の通信方式（System 2）に従って通信装置１００から送信されるビーム学習用信号を受信する（ステップＳ１０８）。その際、通信装置２００の第２無線通信部２７０は、図９に例示した指向性学習処理に従って、通信装置１００と通信装置２００との間の最適なビームパターンを学習する（ステップＳ１１０）。ここで学習された最適なビームパターンは、通信装置２００の記憶部２５０に保存されると共に、通信装置１００へ通知され得る。その後、処理はステップＳ１０２へ戻る。

ステップＳ１０２において、最適なビームパターンを学習済みである場合には、通信装置２００は、第１の通信方式（System 1）に従って通信装置１００から送信される指示信号の受信を待ち受ける（ステップＳ１１２）。そして、指示信号が受信されると、処理はステップＳ１１４へ進む。次に、通信装置２００は、指示信号と第２の通信方式に従った無線通信のためのビーコンとの間の時間差、即ちオフセットＴ２を用いて、当該ビーコンの受信タイミングを決定する（ステップＳ１１４）。次に、通信装置２００は、決定した受信タイミングにおいて、学習済みのビームパターンを受信信号に適用することにより、即ち受信ビームを形成することにより、第２の通信方式における無線信号の到達距離を拡大させる（ステップＳ１１６）。そして、通信装置２００は、第２の通信方式（System 2）に従って通信装置１００から送信されるビーコンの受信が成功した否かを判定する（ステップＳ１１８）。ここで、通信装置１００から送信されるビーコンが正常に受信されなかった場合には、通信装置２００は、アンテナビームの指向性の学習を再試行する（ステップＳ１０４〜Ｓ１１０）。一方、通信装置１００から送信されるビーコンが正常に受信された場合には、通信装置２００は、ビーコンから取得される情報を用いて、第２の通信方式に従った無線通信を開始する（ステップＳ１２０）。

＜３．まとめ＞
ここまで、図１〜図１０を用いて、本発明の一実施形態について説明した。本実施形態によれば、第２の通信方式に従った無線通信の開始に際して、第１の通信方式に従って送信される制御信号が受信された時点に基づいて、第２の通信方式のためのビーコンの受信タイミングが決定される。第２の通信方式は、アンテナの指向性により通信距離を拡大することが望ましい方式である。一方、第１の通信方式は、指向性を有さずとも十分な通信距離を確保できる方式である。それにより、受信側の通信装置において、ビーコンが届くと予測される受信タイミングで事前に学習された指向性を有する受信ビームを形成することができるため、アンテナビームを常に特定の方向に向けておくことなく、柔軟に第２の通信方式に従った高速な無線通信を開始することができる。

また、本実施形態によれば、上記制御信号は、当該制御信号の後に続いて上記ビーコンが送信されるか否かを表す情報を含む。それにより、第１の通信方式における既存の信号を拡張して上記制御信号として用いると共に、第２の通信方式に従った無線通信の開始が求められる場合にのみ後続の処理を進めることが可能となる。

また、本実施形態によれば、上記制御信号を用いて決定された受信タイミングにおいて上記ビーコンが正常に受信されなかった場合には、ビームパターンの学習が再試行される。それにより、ビームパターンの学習後に通信装置が移動した場合には、通信の必要性が生じた時点でビームパターンの学習の必要性を自動的に認識し、ビームパターンを再度迅速に学習することができる。

また、本実施形態によれば、上記制御信号は、当該制御信号が受信される時点から上記ビーコンの受信タイミングまでの時間差を表す「オフセット」フィールドを含む。それにより、ビーコンを送信する側の通信装置が能動的にビーコンの受信タイミングを指定することができる。

なお、本明細書では、ビーム学習用信号がビームパターン数と同等の数のタイムスロットに分割される例について主に説明した。しかしながら、ビーム学習用信号は、かかる例に限定されず、ビームパターン数と同等の数の拡散符号により拡散された信号系列が多重化された信号であってもよい。

また、本明細書では、通信装置１００を送信側の装置、通信装置２００を受信側の装置として説明したが、これら２つの装置の機能を共に備える通信装置が提供されてもよいことは言うまでもない。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ 通信システム
１００ 通信装置（送信装置）
１２０ 第１無線通信部
１７０ 第２無線通信部
２００ 通信装置（受信装置）
２２０ 第１無線通信部
２７０ 第２無線通信部
Ｓ１ 学習指示信号
Ｓ２ ビーム学習用信号
Ｓ３ 制御信号
Ｓ４ （第２の通信方式のための）ビーコン

Claims (7)

1. 第１の通信方式に従って無線通信可能な第１無線通信部と、
   前記第１の通信方式よりも高い周波数帯を使用する第２の通信方式に従って無線通信可能な第２無線通信部と、
   を備え、
   前記第２無線通信部は、前記第２の通信方式に従って送信されるビーム学習用信号を受信すべき第１の受信タイミングを、前記第１無線通信部により学習指示信号が受信された時点に基づいて決定し、決定した当該第１の受信タイミングにおいて、前記ビーム学習用信号を受信し、
   前記第２無線通信部は、前記第２の通信方式に従って送信される信号を受信すべき第２の受信タイミングを、前記第１無線通信部により所定の制御信号が受信された時点に基づいて決定し、及び、決定した当該第２の受信タイミングにおいて、前記ビーム学習用信号に基づいて事前に学習された指向性を有する受信ビームを形成する、
   通信装置。
2. 前記制御信号は、当該制御信号の後に続いて前記信号が送信されるか否かを表す情報を含む、請求項１に記載の通信装置。
3. 前記第２無線通信部は、前記第２の受信タイミングにおいて前記信号を正常に受信できなかった場合には、受信ビームの指向性の学習を再試行する、請求項２に記載の通信装置。
4. 前記制御信号は、当該制御信号が受信される時点から前記信号の前記第２の受信タイミングまでの時間差を表す情報を含む、請求項３に記載の通信装置。
5. 前記第２無線通信部は、前記第１無線通信部により前記制御信号が受信された時点から予め定められた時間が経過したタイミングを、前記信号の前記第２の受信タイミングであると決定する、請求項３に記載の通信装置。
6. 第１の通信方式及び前記第１の通信方式よりも高い周波数帯を使用する第２の通信方式に従ってそれぞれ無線通信可能な送信装置と受信装置との間の通信制御方法であって：
   前記送信装置から前記受信装置へ、前記第１の通信方式に従って学習指示信号を送信するステップと；
   前記受信装置において、前記第２の通信方式に従って送信されるビーム学習用信号を受信すべき第１の受信タイミングを、前記学習指示信号が受信された時点に基づいて決定するステップと；
   前記送信装置から前記受信装置へ、前記第２の通信方式に従って前記ビーム学習用信号を送信するステップと；
   前記受信装置において、決定した前記第１の受信タイミングにおいて、前記送信装置から送信された前記ビーム学習用信号を受信するステップと；
   前記送信装置から前記受信装置へ、前記第１の通信方式に従って所定の制御信号を送信するステップと；
   前記受信装置において、前記第２の通信方式に従って送信される信号を受信すべき第２の受信タイミングを、前記制御信号が受信された時点に基づいて決定するステップと；
   前記送信装置から前記受信装置へ、前記第２の通信方式に従って前記信号を送信するステップと；
   前記受信装置において、決定した前記第２の受信タイミングにおいて、前記ビーム学習用信号に基づいて事前に学習された指向性を有する受信ビームを形成することにより、前記送信装置から送信された前記信号を受信するステップと；
   を含む通信制御方法。
7. 第１の通信方式に従って無線通信可能な第１無線通信部、
   及び、前記第１の通信方式よりも高い周波数帯を使用する第２の通信方式に従って無線通信可能な第２無線通信部、
   をそれぞれ備える送信装置と受信装置とを含み、
   前記送信装置の前記第１無線通信部は、前記受信装置へ前記第１の通信方式に従って学習指示信号を送信し、
   前記受信装置の前記第２無線通信部は、前記第２の通信方式に従って送信されるビーム学習用信号を受信すべき第１の受信タイミングを、前記学習指示信号が受信された時点に基づいて決定し、
   前記送信装置の前記第２無線通信部は、前記受信装置へ前記第２の通信方式に従って前記ビーム学習用信号を送信し、
   前記受信装置の前記第２無線通信部は、決定した前記第１の受信タイミングにおいて、前記送信装置から送信される前記ビーム学習用信号を受信する、
   前記送信装置の前記第１無線通信部は、前記受信装置へ前記第１の通信方式に従って所定の制御信号を送信し、
   前記受信装置の前記第２無線通信部は、前記第２の通信方式に従って送信される信号を受信すべき第２の受信タイミングを、前記制御信号が受信された時点に基づいて決定し、
   前記送信装置の前記第２無線通信部は、前記受信装置へ前記第２の通信方式に従って前記信号を送信し、
   前記受信装置の前記第２無線通信部は、決定した前記第２の受信タイミングにおいて、前記ビーム学習用信号に基づいて事前に学習された指向性を有する受信ビームを形成することにより、前記送信装置から送信される前記信号を受信する、
   通信システム。

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