JP5354526B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、指向性を制御することが可能な指向性アンテナを備えた受信機を含む無線通信システムおよびその通信経路形成部に関し、常時複数の信号を追尾・モニタすることによって、好適な通信経路を用いて通信を行い、例えば、ミリ波帯などの電磁波の通信経路の一つが障害物によって遮断されても、瞬時に他の通信経路に切り替えて途切れることなく安定して送受信することができる無線通信システムに関する。

ミリ波帯などの高周波帯の電磁波を用いた無線通信システムでは高いアンテナゲインをもつ指向性アンテナを用いることが一般的である。高いアンテナゲインを実現するためには、開口アンテナやアレイアンテナなど、物理的に大きなアンテナが必要となる。また、アンテナゲインの大きな指向性アンテナは通常、その指向性を変更できないため、一方向にのみ通信可能であると同時に、アンテナ間のアライメントを物理的に調整することが非常に困難である。

高いアンテナゲインを実現しながらも、その指向性の方向を変更できる指向性アンテナとして、ビームフォーミングアンテナがある。ビームフォーミングアンテナは、複数のアンテナ素子に位相と振幅を精度良く調整した信号電力を供給することにより、ビームの指向性を制御して変更するものである。

このようなビームフォーミングが可能となると、ミリ波の欠点である大きな伝搬減衰をカバーするアンテナ利得が得られると同時に、その指向性を任意の方向へ向けることができることから、端末の移動も可能となる。

ビームフォーミングアンテナなどの指向性アンテナを用いて、特に信号の直進性が強いミリ波帯の電波を用いる無線通信装置では、相手の無線通信装置からの電波の強度がもっとも強い方向にアンテナの指向性を向けるようにしていた。

一方で、ミリ波帯などの高周波帯の電磁波を用いた無線通信システムでは、伝搬による信号減衰が大きく、回折が期待できないため、通信経路に人間が侵入するだけで通信ができなくなる。このため、常時好適な通信経路で通信を行い、壁面などで反射された反射波も常時追尾し、現在使用している直接波が遮断された場合は、反射波などの他の好適な通信経路に切り替える必要がある。

図１０と図１１を参照して、例えば、ビームフォーミングアンテナなど、指向性を可変とする指向性アンテナ１００ａ、２００ｂを有する従来の二つの送受信機１００、２００が信号を送受信する場合について説明する。

送受信機１００が指向性アンテナ１００ａを用いて指向性を有する電波（以後、「ビーム」と呼ぶ）を放射すると、送受信機２００は指向性アンテナ２００ａ用いてこのビームを受信する。図１０に示すように、送受信機２００は、指向性アンテナ２００ａによって受信されたビームを変調して復調する変復調部２０１と、受信したビームの中から受信電力が最大のビームを検出する受信電力検出部２０２と、受信電力検出部２０２が検出した受信電力が最大のビームを受信するように、指向性アンテナ２００ａを制御して指向性アンテナ２００ａの指向性を変更するアンテナ制御部２０３とを有する。送受信機１００と送受信機２００は略同一の構造であるので、送受信機１００の詳細な説明は省略する。

図１０と図１１に示す例では、送受信機２００の指向性アンテナ２００ａと送受信機１００の指向性アンテナ１００ａの間には、好適な通信経路として、送受信機１００からのビームが直接送受信機２００に到来する直接波の通信経路Ｐ０と、送受信機１００からのビームが壁などの反射体Ｒに反射して送受信機２００に到来する反射波の通信経路Ｐ１とが存在し、図１０では通信経路Ｐ０を用いて通信を行っているが、通信経路Ｐ０が障害物で遮断された場合には、図１１に示すように送受信機１００と送受信機２００は通信経路Ｐ０を通信経路Ｐ１に切り替えることによって、通信の継続を維持している。

このとき、例えば、送受信機２００の受信電力検出部２０２は受信したビームの中で、通信経路Ｐ０を通過して到来したビームと通信経路Ｐ１を通過して到来したビームとを含む、受信したビームそれぞれの電力を比較して、受信電力が最大のビームを検出し、受信電力が最大のビームの通信経路を好適な通信経路とする。アンテナ制御部２０３は、受信電力検出部２０２が検出した受信電力が最大のビームを受信するように、指向性アンテナ２００ａの固定ビームを変更する。

図１２を参照して、このように構成された送受信機同士が通信を行う場合について説明する。図１２では送受信機１００を家庭に配置したパーソナルコンピュータ、送受信機２００を携帯電話として示されている。送受信機１００と送受信機２００とは直接波の通信経路Ｐ０を好適な通信経路として用いているが（図１２の（ａ））、人が通過するなどして、通信経路Ｐ０が障害物によって遮られると（図１２の（ｂ））、それぞれの送受信機の受信電力検出部は他の好適な通信経路を探索して検出し（図１２の（ｃ））、それぞれの送受信機のアンテナ制御部は、検出した通信経路Ｐ１の方向に指向性アンテナ２００ａの指向性を変更して通信を再開するようになっている（図１２の（ｄ））。

しかしながら、従来の指向性アンテナを用いた通信では、どうしても通信経路が遮断されてから（図１２の（ｂ））別の好適な通信経路を探索して検出するまで（図１２の（ｃ））時間を要し、通信を再開（図１２の（ｄ））するまで通信が中断されてしまうという問題があった。さらに、図１２の（ｄ）に示す、別の好適な通信経路を検出する際に、適当な通信経路が検出されなければ通信が途絶えてしまうこともあった。

そもそも、受信機が好適な信号を探索する機能を有していたとしても、反射波のない環境では、通信経路は存在しえず、したがって、他の通信経路を探索することすらもできない。

そこで本発明は、上述した従来技術に鑑みてなされ、指向性を制御可能なアンテナを備えた無線通信システムにおいて常時好適な通信経路で通信を行い、例えば、ミリ波帯などの電磁波の通信経路の一つが障害物によって遮断されても、通信経路を切り替えて途切れることなく安定して送受信することができる無線通信システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様によると、信号波を送信する送信装置と、指向性を有する指向性アンテナを備えて信号波を受信する受信装置と、前記送信装置から送信された信号波を直接、もしくは反射して、前記信号波を前記指向性アンテナに導く通信経路を形成する通信経路形成部と、を含む無線通信システムであって、前記受信装置は、好適な信号波の通信経路を選択する好適経路選択手段と、前記好適経路選択手段が選択した好適な通信経路に前記指向性アンテナの指向性の方向を向けて、前記指向性アンテナに前記好適経路選択手段が選択した好適な通信経路を通過した信号波を受信させるアンテナ制御部と、を備え、前記好適経路選択手段は、前記通信経路形成部が形成する通信経路を通過した信号波を含む、複数の信号波の常時追尾し、前記複数の信号波の各々の方向と受信品質を常時測定して、測定した複数の信号波の方向と受信品質に基づいて好適な信号波の通信経路を選択し、前記アンテナ制御部は、前記好適経路選択手段が選択した好適な通信経路に随時、前記指向性アンテナの指向性の方向を向けて、前記指向性アンテナに前記好適経路選択手段が選択した好適な通信経路を通過した信号波を継続して受信させることを特徴とする。さらに前記指向性アンテナが、ビームフォーミングアンテナであり、前記好適経路選択手段は、通信経路を通過して到来する信号の追尾により好適な信号波の通信経路を選択する。前記好適 経路選択手段による信号の追尾が、離散して存在する複数の通信経路のクラスタごとの、 クラスタに含まれる複数のビームの追尾であり、前記好適経路選択手段は、該複数のビー ムの追尾により、クラスタごとに通信に適したビームを常時選択し、前記好適経路選択手 段による好適な信号波の通信経路の選択が、このクラスタごとに選択した複数の通信に適 したビームによる通信経路の選択であることを特徴とする無線通信システム。

ここで、「複数の信号波」とは、当然直接波を含んでもよい。例え、瞬時に通信経路を切り替える機能を有しているとしても、多重反射波が存在しない場合、つまり切り替える経路が存在しない場合は、通信が切断されることになる。送受信機の周辺に、有意な電力を持つ多数の反射波による異なる通信経路を作り出すことで、通信経路を瞬時切り替えにより通信の継続が可能となる。この構成により、本発明の無線通信システムは、信号波を送信する送信装置と、指向性を有する指向性アンテナを備えて信号波を受信する受信装置と、送信装置から送信された信号波を直接、もしくは反射して、信号波を指向性アンテナに導く通信経路を形成する通信経路形成部と、を含む無線通信システムであって、受信装置は、好適な信号波の通信経路を選択する好適経路選択手段と、好適経路選択手段が選択した好適な通信経路に指向性アンテナの指向性の方向を向けて、指向性アンテナに好適経路選択手段が選択した好適な通信経路を通過した信号波を受信させるアンテナ制御部と、を備え、好適経路選択手段は、通信経路形成部が形成する通信経路を通過した信号波を含む、複数の信号波を常時追尾し、前記複数の信号波の各々の方向と受信品質を常時略同時に測定して、測定した複数の信号波の方向と受信品質に基づいて好適な信号波の通信経路を選択し、アンテナ制御部は、好適経路選択手段が選択した好適な通信経路に、指向性アンテナの指向性の方向を向けて、指向性アンテナに好適経路選択手段が選択した好適な通信経路を通過した信号波を継続して受信させるので、常時良好な通信経路で通信を行い、例え、使用している通信経路の一つが障害物によって遮断されても、途切れることなく継続して信号波を受信することができる。このため、例えば、ミリ波帯などの直進性が強く、伝搬による減衰が大きく、回折が期待できない電磁波で無線通信を行う場合にも適用可能である。

さらに、本発明の無線通信システムは、前記好適経路選択手段は、通信に用いている通信経路を通過する信号波と、その他の複数の信号波の各々の方向と受信品質を常時測定し、前記指向性アンテナが受信している通信に用いている通信経路を通過する信号波の品質が所定のレベルより劣化したと判断すると、前記アンテナ制御部は、その他の複数の信号波のそれぞれの受信品質に基づき前記好適経路選択手段が選択した好適な通信経路に、前記指向性アンテナの指向性の方向を瞬時に切り替えて、信号波を継続して受信させるようにしてもよい。この構成によって、本発明の受信装置は、通信経路の一つが障害物によって遮断されても、途切れることなく継続して信号波を受信することができる。このため、例えば、ミリ波帯などの直進性が強く、伝搬による減衰が大きく、回折が期待できない電磁波で無線通信を行う場合にも適用可能である。

また、本発明の無線通信システムによると、前記通信経路形成部は反射率の高い反射体、例えば、正方形または円形の金属板で形成されてもよい。ここで「反射率が高い」とは、到来する信号波を反射して、少なくとも受信装置に信号波として識別されうる反射波を生じうる程度の高さを意味し、このような反射率は実装に応じて相対的に決定してもよい。この構成により、本発明の無線通信システムは、構造が簡単で容易にかつ安価に構築することができる。通信経路形成部として、例えば、金属バンドを所定の条件を満たすように壁やパソコン、キーボード、机、本棚などの家具に貼り付けるだけでもよい。

また、本発明の無線通信システムにおいて、前記通信経路形成部は、前記通信経路形成部が形成する通信経路を通過する信号波が直接波を含む他の通信経路を通過する信号波と重畳して前記受信装置の指向性アンテナに受信されることのないように、前記受信装置の指向性アンテナのビーム幅を考慮して通信経路を形成するように配置した反射体であってもよい。

この構成により、本発明の無線通信システムは、通信経路形成部は、通信経路形成部が形成する通信経路を通過する信号波が直接波を含む他の通信経路を通過する信号波と重畳して受信装置の指向性アンテナに受信されることのないように、受信装置の指向性アンテナのビーム幅を考慮して通信経路を形成することができるので、遅延分散の少ない、良質な信号を受信装置に提供することができる。

また、本発明の無線通信システムは、前記通信経路形成部は、前記通信経路形成部が形成する通信経路を通過する信号波が直接波を含む他の通信経路の何れかを通過する信号波と重畳して前記受信装置の前記指向性アンテナに受信される場合は、前記通信経路形成部が形成する通信経路を通過する信号波の受信電力と、前記他の通信経路の何れかを通過する信号波の受信電力の差が所定の閾値より大きくなるように、前記受信装置の前記指向性アンテナと前記送信装置の前記指向性アンテナの間の距離、前記受信装置の前記指向性アンテナと前記送信装置の前記指向性アンテナと前記通信経路形成部との距離、前記通信経路形成部の反射率、および前記受信装置の前記指向性アンテナのビーム幅を考慮して通信経路を形成するように配置された反射体であってもよい。

この構成により、本発明の無線通信システムは、前記通信経路形成部は、前記通信経路形成部が形成する通信経路を通過する信号波が直接波を含む他の通信経路の何れかを通過する信号波と重畳して前記受信装置の前記指向性アンテナに受信される場合は、前記通信経路形成部が形成する通信経路を通過する信号波の受信電力と、前記他の通信経路の何れかを通過する信号波の受信電力の差が所定の閾値より大きくなるように、前記受信装置の前記指向性アンテナと前記送信装置の前記指向性アンテナの間の距離、前記受信装置の前記指向性アンテナと前記送信装置の前記指向性アンテナと前記通信経路形成部との距離、前記通信経路形成部の反射率、および前記受信装置の前記指向性アンテナのビーム幅を考慮して通信経路を形成することができるので、信経路形成部が形成する通信経路を通過する信号波が直接波を含む他の通信経路の何れかを通過する信号波と重畳して受信装置の指向性アンテナに受信されたとしても、良質な信号を受信装置に提供することができる。

さらに、前記通信経路形成部はさらに、前記通信経路の周囲に配置した、信号波の強度を弱める吸収体を含んでもよい。具体的には、通信経路を形成する通信経路形成部の反射体または指向性アンテナの周囲に、干渉の可能性のある反射波の発生を抑えるために、到来するビーム、または信号波を反射するとしても、少なくとも受信装置に信号波として識別されうる程度以下に弱める吸収体を配置してもよい。この構成により、本発明の無線通信システムは、遅延分散を一層弱め、理想的な通信環境を実現することができる。この吸収体は、到来するビーム、または信号波を反射するとしても、少なくとも受信装置に信号波として識別されうる程度以下に弱める低い反射率を有するものであってもよいし、または少なくとも受信装置に信号波として識別されうる反射波を生じない程度以下となるように散乱させる物体でもよい。吸収体の材質、配置および反射率、散乱度は、実装に応じて相対的に決定してもよい。

本発明によると、指向性を制御可能なアンテナを備えて信号波を受信する受信装置を含
む無線通信システムであって、常時良好な通信経路で通信を行い、例え、使用している通
信経路の一つが障害物によって遮断されても、通信経路を切り替えて途切れることなく安
定して送受信することができる無線通信システムを提供することができる。

以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態の無線通信システム１の概略構成図である。図１に示すように、本実施の形態の無線通信システム１は、指向性アンテナ１０ａを有する送受信機１０と、指向性アンテナ２０ａを有する送受信機２０と、複数の反射体Ｒ１〜Ｒ４を含む。指向性アンテナ１０ａおよび２０ａはそれぞれ、物理的に一つの指向性を有し、かつその指向性を可変とする。本発明は３以上の送受信機を含む無線通信システムにも適応可能であるが、理解を容易にするため、本実施の形態では、送受信機１０と送受信機２０の２つとし、送受信機１０が時間タイミングを制御するマスタの役割を担当し、送受信機２０がスレーブの役割を担当するものとして説明する。また、送受信機１０は送信機、送受信機２０は受信機としてのみ構成してもよい。さらに、送受信機１０のアンテナは指向性アンテナ１０ａでなくてもよい。

図１に示すように、送受信機１０は、さらに、指向性アンテナ１０ａを介して信号を送受信する送受信部１１と、指向性アンテナ１０ａに到来したビームの中から好適な通信経路で到来したビームを選択する通信経路選択部１２と、送信する情報を所定のフレームに形成するフレーム形成部１３と、指向性アンテナ１０ａを制御して、通信経路選択部１２が選択した通信経路に指向性アンテナ１０ａの指向性を合わせる指向性制御部１４と、送受信機１０の全体の機能と動作を制御するＣＰＵ（図示していない）と、を含む。

送受信機２０は、指向性アンテナ２０ａを介して信号を送受信する送受信部２１と、通信に使用しているビームも含めて、指向性アンテナ２０ａに到来したビーム各々の品質を常時にモニタする品質モニタ部２２と、品質モニタ部２２でモニタしたビーム各々の品質Ｂ_１、Ｂ_２、・・・Ｂ_Ｎを記憶するメモリ２３と、指向性アンテナ２０ａに到来したビームの中から好適な通信経路を経て到来したビームを選択する通信経路選択部２４と、指向性アンテナ２０ａを制御して、通信経路選択部２４が選択した通信経路に指向性アンテナ２０ａの指向性を合わせる指向性制御部２５と、送受信機２０の全体の機能と動作を制御するＣＰＵ（図示していない）と、を含む。品質モニタ部２２は、到来したビームの品質をモニタする。品質モニタ部２２とメモリ２３と通信経路選択部２４とが好適経路選択手段を構成する。

送受信機１０と送受信機２０の間に位置する複数の反射体Ｒ１〜Ｒ４は、人為的に通信経路を形成するために設けたものである。反射体Ｒ１〜Ｒ４は、後に詳述するが、例えば、壁、反射率の高い金属板、壁やパソコン、キーボード、机、本棚などに貼り付けた金属テープなどでもよい。本実施の形態では、反射体は、到来するビームを反射して、少なくとも品質モニタ部２２にビームとしてモニタされうる反射波を生じうる程度の反射率を有するものとする。

送受信機２０は、ＣＰＵの制御の下、指向性制御部２５によって到来するビームの方向を、例えば、直接波による通信経路Ｐ０、壁や棚などの既存の物体Ｒ１を反射体とする通信経路Ｐ１、人為的に設置した反射体Ｒ２〜Ｒ４により人為的に形成される通信経路Ｐ２〜Ｐ４を識別し、品質モニタ部２２は、指向性制御部２５から、それぞれのビームの方向に関する情報も取得する。さらに、品質モニタ部２２は、こうして識別した通信経路Ｐ０〜Ｐ４を通過する信号を全て、または一部追尾してその品質をモニタし、モニタした信号の品質Ｂ_１、Ｂ_２、・・・Ｂ_Ｎをその方向とともにメモリ２３に記憶する。通信経路選択部２４は、メモリ２３に記憶した信号の品質Ｂ_１、Ｂ_２、・・・Ｂ_Ｎに基づいて、通信に用いる好適な通信経路を選択する。指向性制御部２５は、指向性アンテナ２０ａを制御して、通信経路選択部２４が選択した好適な通信経路の方向に、指向性アンテナ２０ａの指向性を向けて、送受信機１０と送受信機２０とが安定した通信を行えるようにする。この構成によって、送受信機２０は、現在使用している到来波だけでなく、常時２つ以上の到来波を追尾して、品質をモニタし、通信に用いることができる到来波を選択して、その通信経路に指向性アンテナ２０ａの指向性を向けることができる。したがって、送受信機２０は、人が横切るなどして、例え、現在通信に利用している通信経路の信号の品質が劣化したとしても、直ちに他の好適な通信経路を選択して、指向性アンテナ２０ａの指向性を切り替えて通信できるので、通信を中断することなく、安定した通信を行うことができる。

本実施の形態では、送受信機１０と送受信機２０は、時分割多重アクセス方式で通信を行うシステムに適している。送受信機１０は、フレーム形成部１３が形成したフレーム（「スーパーフレーム」とも呼ばれる）を有する構成で信号を送信する。図２に、送受信機１０のフレーム形成部１３が形成するフレーム構造の例を示す。

フレームは、時分割多重アクセスを行う際の基本単位となる複数のタイムスロット（以後、「スロット」と呼ぶ）からなる。本実施の形態では、説明を容易にするため、送受信機１０が通信を行う対象を一つの送受信機２０としているが、本発明は、これに限定されず、このフレームを反復させて複数の送受信機２０と通信をしてもよい。フレームは、時間の基準となる同期信号を送信するビーコンＢと、通信経路ごとに追尾用の信号を送信する追尾スロットＴＳ０〜ＴＳＮと、通信に用いる通信スロットＣＳと、を有する。

具体的には、送受信機１０は、フレームごとに時間の基準を示すビーコンを送信する。その後、通信経路Ｐ０を通過する直接波と、通信経路Ｐ１〜Ｐ４を通過する反射波の方向に対して、追尾スロットにて追尾用の信号を送信する。本実施の形態では、追尾スロットはＴＳ０〜ＴＳ４と５個用いるものとする。追尾スロットＴＳ０〜ＴＳ４の各々は、指向性制御部２５によって識別した通信経路のそれぞれと関連付けられ、それらのタイミングなどは、ビーコンにて報知する。送受信機１０と送受信機２０との間に存在する通信経路Ｐ０〜Ｐ４の全て、もしくは一部に対して、時間的に独立した追尾スロットＴＳ０〜ＴＳ４を確保することによって、送受信機２０は常時複数の通信経路Ｐ０〜Ｐ４の全て、もしくは一部に対してのアンテナ指向性を制御するための追尾を行うことが可能となる。また、追尾スロットＴＳ０〜ＴＳ４の後の通信スロットＣＳでデータ送受信のための時間を確保する。

送受信機２０はフレームに含まれるビーコンＢの情報に基づき、通信経路Ｐ０を通過して到来した直接波と通信経路Ｐ１〜Ｐ４のいずれかを通過して到来した反射波、もしくは複数の反射波から成る、複数の到来波に対して指向性を調整して追尾を行い、同時にこれら複数の到来波の信号品質をモニタする。モニタの結果から、通信経路を選択決定し、送受信部２１によって通信を行う。使用している到来波が遮断された場合は、信号品質が急激に劣化することから、直ちに品質モニタ部２２が検知できる。品質モニタ部２２が通信に使用している到来波の品質が所定の程度を超えて劣化していることを検出した場合は、ただちに、通信経路選択部２４は、品質モニタ部２２が追尾してモニタしている他の到来波の中で品質が好適の通信経路に切り替えて、通信を継続する。これによって、通信に使用している通信経路が、人が通などして遮断された場合であっても、通信を中断することなく、安定した通信を確保することができる。品質モニタ部２２は、従来の検出部と同様に、受信した信号の受信電力として、例えば、受信信号強度検出（ＲＳＳＩ：Ｒｅｃｅｉｖｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ）をモニタしてもよい。さらに、送受信機１０が送信する信号のフレームから、受信電力以外に遅延分散をモニタしてもよい。また、信号対雑音比（ＳＮＲ： Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）、信号対干渉・雑音比（ＳＩＮＲ： Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）、ビット誤り率、フレーム誤り率、パケット誤り率のうち少なくとも一つを常時測定し、前記複数の信号波の信号対雑音比、信号対干渉・雑音比、ビット誤り率、フレーム誤り率、パケット誤り率などをモニタしてもよい。その手法について、以下、詳細に説明する。

図３に、フレームを構成する追尾スロットＴＳ０の内部構造を追尾スロットの一例として示す。フレームを構成する追尾スロットの内部構造は略同一であるので、他の追尾スロットの内部構造については詳細な説明を省略する。

図３の（Ａ）に示すようにフレームの内部の追尾スロットＴＳ０には、品質モニタ部２２が、ビーム、すなわち信号を追尾するための追尾トラッキングパターンと、ビーム、すなわち信号の品質をモニタするための品質モニタ用のパターンが含まれる。品質モニタ用パターンを、例えば、図３の（Ｂ）に示すように、後に詳述する遅延分散測定に用いてもよい。通信経路選択部２４は、主にビームの受信電力と遅延分散に基づいて好適な通信経路を選択するが、本発明はこれに限定されない。品質モニタ用パターンを、図３の（Ｃ）に示すように、ＢＥＲ（Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ：ビット誤り率）測定に用いてもよい。さらに、トラッキングパターンの中で信号の追尾と通信経路の品質モニタとを同時に行ってもよい。また、例えば、図３の（Ｄ）に示すように、トラッキングと品質モニタを同時に行うことができるパターンを用いてもよい。この他にも同様の構成で、例えば、信号対雑音比、信号対干渉・雑音比、フレーム誤り率、パケット誤り率をモニタするためのパターンを設けてもよい。さらに、遅延分散、信号対雑音比、信号対干渉・雑音比、フレーム誤り率、パケット誤り率などのいずれか二つ以上の測定値を品質の評価に用いる場合は、例えば、遅延分散の測定値を高く重み付けするなど、それぞれの測定値に対して重要度に応じて重み付けをして評価してもよい。または、まず遅延分散を比較して、略同一だった場合は、信号対雑音比を比較する、または、遅延分散が高ければ受信電力が高くとも選択しないなど、優先順位をつけて、最も優先順位の高い測定値が略同一だった場合に、次の測定値を比較するなどしてもよい。これらは使用する信号波の特性、および実装に応じて選択可能である。

また、従来の追尾トラッキングは、信号に用いるビームとその隣接するビームしか追尾してこなかったが、本実施の形態の品質モニタ部２２は、複数のビーム、すなわち信号の到来方向の大きく異なる離散して伝播する複数のビーム、すなわち複数の信号の塊を追尾する動作を行う。以下、このように構成された本実施の形態の品質モニタ部２２が実行する追尾トラッキングについて詳細に説明する。

図４は、送受信機１０、２０の配置とビームの通信経路Ｐ０〜Ｐ２との関係を示す図である。図５は、送受信機２０から図４の断面Ａで見た三つの通信経路Ｐ０〜Ｐ２により形成される信号の塊（以後、「クラスタ」と呼ぶ）を示す図である。図４および図５を参照して、本実施の形態の品質モニタ部２２が実行する追尾トラッキングについて説明する。

図４で示すように、この例では、二つの送受信機１０、２０は正対して配置され、見通し直接波による通信経路Ｐ０と、反射体Ｒ１、Ｒ２による二つの反射波の通信経路Ｐ１、Ｐ２が存在している。図５に示すように、見通し直接波による通信経路Ｐ０はクラスタＣ０を、反射体Ｒ１、Ｒ２による二つの反射波の通信経路Ｐ１、Ｐ２はクラスタＣ１、Ｃ２を形成する。このため、クラスタＣ１、Ｃ２、Ｃ３は離間して存在しており、したがって離散した信号波として送受信機２０に受信される。

従来の追尾トラッキングでは、通信に用いるビームと隣接ビームのみをトラッキングしていたため、図５に示すように、離間して存在する他のクラスタを検出することはできない。したがって、通信に用いるビームが遮断されると、同時に隣接ビームも遮断されることから、通信の継続が困難となった。本実施の形態の品質モニタ部２２は、従来の追尾トラッキングとは異なり、まず、大きく到来方向の異なる通信経路、例えば、Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２により形成される、離間して存在する複数のクラスタＣ０、Ｃ１、Ｃ２に対しても常時追尾を行う。

各クラスタには、複数のビームが含まれる。図５では、クラスタＣ１に９個、クラスタＣ２に６個、クラスタＣ３に４個のビームが含まれている。クラスタごとに、クラスタに含まれる複数のビームの中から通信に好適なビームを選択する。この動作は従来のビームトラッキングと同等である。図５では、クラスタＣ１、Ｃ２、Ｃ３の中で、それぞれビームＢＣ０、ＢＣ１、ＢＣ２が通信に好適なビームとして選択されており、そのビームに隣接するビームは隣接ビームとなる。このようにしてクラスタごとに通信に適したビームＢＣ０、ＢＣ１、ＢＣ２を常時選択し、このクラスタごとに選択した複数の通信に適したビームの中から、通信に用いるビームを選択しているので、人が通過するなどして、通信に使用している通信経路のクラスタが遮断されたとしても、瞬時に他の通信経路のクラスタの中の好適な通信ビームに切り替えて通信を行うことができるので、通信を継続して維持することができる。

図６は、このようにして構成された本実施の形態の無線通信システム１の動作の概要を説明する図である。図６では送受信機１０を家庭に配置したパーソナルコンピュータ、送受信機２０を携帯電話として描いている。図６を参照して、このように構成された本実施の形態の無線通信システム１において送受信機１０、２０が同士が通信を行う場合について説明する。

図６に示すように、送受信機２０は、例えば、直接波の通信経路Ｐ０で通信しているが、送受信機２０の品質モニタ部２２は、同時に他の好適な通信経路、例えば、通信経路Ｐ１を追尾してモニタしている（図６の（Ａ））。人が通過するなどして、通信経路Ｐ０が障害物によって遮られ、通信に利用できない状況に陥いると、送受信機２０の品質モニタ部２２が検知し、送受信機２０の通信経路選択部２４は、品質モニタ部２２が追尾して品質モニタ部２２が品質をモニタしている他の通信経路の中から直ちに好適な通信経路Ｐ１を選択し、指向性制御部２５は、選択した通信経路Ｐ１の方向に指向性アンテナ２０ａの指向性を変更して通信を継続する（図６の（Ｂ））。通信経路をＰ０からＰ１に切り替えた後も、送受信機２０の品質モニタ部２２は、好適な通信経路Ｐ２を新たに探索し、同様に通信経路Ｐ２を常時追尾することで、通信経路を選択できる状況を常時確保する（図６の（Ｃ））。このため、無線通信システム１は常時良好な通信経路を用いて通信を行い、通信は途絶えることがない。

＜好ましい通信経路の形成＞
送受信機１０と送受信機２０との間の通信を安定させるためには、複数の反射体を送受信機１０と送受信機２０との間もしくは周辺に配置して通信経路を形成することが望ましいことについて既に説明した。発明者は好適な通信経路を形成するための条件について様々な研究を行い、好ましい反射体および反射体の設置条件について明らかにした。以下、発明者が行った実験結果に基づいて、好ましい反射体とその設置条件について説明する。なお、本実施の形態では、通信経路を形成する反射体が通信経路形成部の一部を構成する。
好ましい反射体について

送信機Ｔｘと受信機Ｒｘとの間に配置する好ましい反射体の条件を特定するため、反射体の形状およびサイズを変更して受信電力を測定する実験を行い、その結果を図７〜図９にまとめた。図７は、実験を行った際の送信機Ｔｘと受信機Ｒｘと反射体Ｒとの関係を示す図である。送信機Ｔｘと受信機Ｒｘは金属製の机の上に配置した。送信機Ｔｘの指向性アンテナＡｔのビーム幅は１５度、受信機Ｒｘの指向性アンテナＡｒのビーム幅は６０度とした。また、送信機Ｔｘの指向性アンテナＡｔと受信機Ｒｘの指向性アンテナＡｒは、反射体Ｒの反射面を含む面に対して等距離であり、かつ、送信機Ｔｘの指向性アンテナＡｔの先端と受信機Ｒｘの指向性アンテナＡｒの先端と反射体Ｒの反射点が、正三角形を形成するように配置している。好適な反射波を得るため、反射体Ｒは、到来するビームを反射して、少なくとも受信機Ｒｘにビームとして識別されうる反射波を生じうる程度に高い反射率を有する必要がある。反射体Ｒとして金属テープを使用し、発泡スチロールの上に配置した。この金属テープの形状および長さを変更して以下の実験を行った。

図８は、金属テープの形状に対する受信電力の変化を示す図である。図８から、１０ｃｍの長さまでであれば金属テープを長くすると受信電力が増加することが実証された。最も好適な形状は１０ｃｍの正方向であることがわかる。

図９は、金属テープの長さに対する受信電力と遅延分散の変化を示す図である。この図では、金属テープの長さを３０ｃｍにした場合に、受信電力が最大となり、遅延分散が最小となっていることがわかる。金属テープは反射率が最も高い。このように反射率の高い反射体がビームのエネルギーの中にある場合は、反射体の反射面積が所定の値、すなわち、到来するビームのエネルギーのすべてを反射する大きさに至るまで、反射体の反射面積に比例して反射するエネルギーが増加する。このため、金属テープの長さが３０ｃｍになるまで反射波の受信電力が増大する傾向にあることがわかる。

図７〜図９のグラフから、反射体の反射領域が所定の値より大きくなると、受信電力が増加し、遅延分散が減少することがわかる。また、反射体の形状も正方形または円形など、反射領域の大きな形状の方が有利であると考えられる。

このように、本発明の無線通信システムは、信号波を送信する送信装置と、指向性を有する指向性アンテナを備えて信号波を受信する受信装置と、送信装置から送信された信号波を直接、もしくは反射して受信装置の指向性アンテナに導く通信経路を形成する通信経路形成部と、を含む無線通信システムであって、受信装置は、好適な信号波の通信経路を選択する好適経路選択手段と、好適経路選択手段が選択した好適な通信経路に指向性アンテナの指向性の方向を向けて、指向性アンテナに好適経路選択手段が選択した好適な通信経路を通過した信号波を受信させるアンテナ制御部と、を備え、好適経路選択手段は、通信経路形成部が形成する通信経路を通過した信号波を含む、複数の信号波を常時追尾し、複数の信号波の各々の方向と受信品質を常時測定して、測定した複数の信号波の方向と受信品質に基づいて好適な信号波の通信経路を選択し、アンテナ制御部は、好適経路選択手段が選択した好適な通信経路に随時、指向性アンテナの指向性の方向を向けて、指向性アンテナに好適経路選択手段が選択した好適な通信経路を通過した信号波を継続して受信させるので、常時好適な通信経路で通信を行い、通信を行っている通信経路の一つが障害物によって遮断されても、途切れることなく継続して信号波を受信することができる。このため、例えば、ミリ波帯などの直進性が強く、伝搬による減衰が大きく、回折が期待できない電磁波で無線通信を行う場合にも適用可能である。

また、上述の実施の形態の無線通信システムにおいて、本発明の通信経路形成部を自動的に通信経路を選択する送信装置および受信装置とともに適応する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明の通信経路形成部は単体で設置することも可能である。例えば、反射率の高い反射体であって、遅延分散を人間が測定して、遅延分散の低い場所、具体的には、通信経路部が形成する通信経路を通過する信号波が直接波を含む他の通信経路を通過する信号波と重畳して受信装置の指向性アンテナに受信されることのないように、受信装置の指向性アンテナのビーム幅を考慮して通信経路を形成するように配置する、あるいは、通信経路形成部が形成する通信経路を通過する信号波が直接波を含む他の通信経路の何れかを通過する信号波と重畳して受信装置の指向性アンテナに受信される場合は、通信経路形成部が形成する通信経路を通過する信号波の受信電力と他の通信経路の何れかを通過する信号波の受信電力の差が所定の閾値を超えるように、受信装置の指向性アンテナと送信装置の指向性アンテナの間の距離、受信装置の指向性アンテナおよび送信装置の指向性アンテナと通信経路形成部との距離、通信経路形成部の反射率、および受信装置の指向性アンテナのビーム幅を考慮して通信経路を形成するように配置するのであれば、特殊な送信装置または受信装置は必須ではない。

以上、実施の形態の無線通信システムおよびその通信経路形成部について説明した。本発明の無線通信システムを構成する通信経路形成部は、例えば、金属バンドを所定の条件を満たすように壁やパソコン、キーボード、机、本棚などの家具に貼り付けるだけでもよく、金属バンドは正方形または円形の金属板で形成してもよい。このように構造が簡単で容易にかつ安価に構築することができる。この通信経路形成部と制御可能な指向性アンテナと指向性アンテナの指向性を制御する送受信装置を備えていれば、また、送受信装置も、携帯電話やコンピュータなど様々な通信機器に適用可能であり、例えば、ＣＰＵとメモリを含む、一般的なコンピュータを上述した各手段として機能させるプログラムによって動作させることもできる。また、本発明の無線通信システムで使用可能なミリ波などの高周波数の電磁波は規制が少ないため、広帯域を利用することができ、例えば、車載ミリ波レーダー、６０ＧＨｚ帯ミリ波映像システム（無線ホームリンク）、１２０ＧＨｚ帯高精細動画非圧縮伝送システム、車々間・路車間無線システム、放送用５５ＧＨｚ帯ミリ波モバイルカメラ、武器・危険物透視スキャナ（カメラ）コンクリートひび割れ検査装置、異物混入検査装置、封筒内危険物検査システム、さらに、家庭におけるＨＤＴＶ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ）無線伝送など、様々な用途に利用可能である。

本発明の一実施の形態の無線通信システムの概略構成図である 図１の無線通信システムを構成する送受信機のフレーム形成部が形成するフレーム構造の一例を示す図である。 図２のフレームに含まれる追尾スロットの一例を示す図である。 本発明の一実施の形態の無線通信システムを構成する送受信機の配置と通信経路との関係を示す図である。 図１の無線通信システムを構成するスレーブ側の送受信機から見た通信経路により形成されるクラスタを示す図である。 図１の無線通信システムの動作の概要を説明する図である。 送信機と受信器と反射体との関係を説明する図である。 図７の条件の下で測定した金属テープの形状に対する受信電力の変化を示す図である。 図７の条件の下で測定した金属テープの長さに対する受信電力と遅延分散の変化を示す図である。 従来の送受信機が直接波を用いて通信をしている状態を示す図である。 直接波に障害物で遮られた場合に、従来の送受信機が間接波に切り替えて通信をしている状態を示す図である。 従来の送受信機が通信経路を切り替えながら通信を行う工程を説明する図である。

１０ 送受信機（送信装置）
１０ａ 指向性アンテナ
１１ 送受信部
１２ 通信経路選択部
１３ フレーム形成部
１４ 指向性制御部（アンテナ制御部）
２０ 送受信機（受信装置）
２０ａ 指向性アンテナ
２１ 送受信部
２２ 品質モニタ部（好適経路選択手段）
２３ メモリ（好適経路選択手段）
２４ 通信経路選択部（好適経路選択手段）
２５ 指向性制御部（アンテナ制御部）
Ｐ０ 直接波の通信経路
Ｐ１〜Ｐ４ 反射波の通信経路
Ｒ１〜Ｒ３ 反射体（通信経路形成部）
５０ 遅延分散算出部
５１ ＡＤＣ
５２ Ｎ段シフトレジスタ部
５３ 参照用符号データ列部
５５ 算積回路
１００ 従来の送受信機（送信装置）
１００ａ 指向性アンテナ
２００ 従来の送受信機（受信装置）
２００ａ 指向性アンテナ

Claims (6)

1. 信号波を送信する送信装置と、
   指向性を有する指向性アンテナを備えて信号波を受信する受信装置と、
   前記送信装置から送信された信号波を直接、もしくは反射して前記受信装置の指向性アンテナに導く通信経路を形成する通信経路形成部と、を含む無線通信システムであって、
   前記受信装置は、
   好適な信号波の通信経路を選択する好適経路選択手段と、
   前記好適経路選択手段が選択した好適な通信経路に前記指向性アンテナの指向性の方向を向けて、前記指向性アンテナに前記好適経路選択手段が選択した好適な通信経路を通過した信号波を受信させるアンテナ制御部と、を備え、
   前記好適経路選択手段は、前記通信経路形成部が形成する通信経路を通過した信号波を含む、複数の信号波を常時追尾し、前記複数の信号波の各々の方向と受信品質を常時測定して、測定した複数の信号波の方向と受信品質に基づいて好適な信号波の通信経路を選択し、
   前記アンテナ制御部は、前記好適経路選択手段が選択した好適な通信経路に随時、前記指向性アンテナの指向性の方向を向けて、前記指向性アンテナに前記好適経路選択手段が選択した好適な通信経路を通過した信号波を継続して受信させ、
   前記指向性アンテナが、ビームフォーミングアンテナであり、
   前記好適経路選択手段は、通信経路を通過して到来する信号の追尾により好適な信号波の通信経路を選択し、
   前記好適経路選択手段による信号の追尾が、
   離散して存在する複数の通信経路のクラスタごとの、クラスタに含まれる複数のビーム の追尾であり、
   前記好適経路選択手段は、
   該複数のビームの追尾により、クラスタごとに通信に適したビームを常時選択し、
   前記好適経路選択手段による好適な信号波の通信経路の選択が、
   このクラスタごとに選択した複数の通信に適したビームによる通信経路の選択である
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 前記好適経路選択手段は、通信に用いている通信経路を通過する信号波と、その他の複数の信号波の各々の方向と受信品質を常時測定し、前記指向性アンテナが受信している通信に用いている通信経路を通過する信号波の品質が所定のレベルより劣化したと判断すると、前記アンテナ制御部は、その他の複数の信号波のそれぞれの受信品質に基づき前記好適経路選択手段が選択した好適な通信経路に、前記指向性アンテナの指向性の方向を切り替えて、信号波を継続して受信させることを特徴とする、請求項１記載の無線通信システム。
3. 前記通信経路形成部が、反射率の高い反射体で形成されることを特徴とする、請求項１記載の無線通信システム。
4. 前記通信経路形成部は、前記通信経路形成部が形成する通信経路を通過する信号波が直接波を含む他の通信経路を通過する信号波と重畳して前記受信装置の前記指向性アンテナに受信されることのないように、前記受信装置の前記指向性アンテナのビーム幅を考慮して通信経路を形成するように配置された反射体であることを特徴とする、請求項１記載の無線通信システム。
5. 前記通信経路形成部は、前記通信経路形成部が形成する通信経路を通過する信号波が直接波を含む他の通信経路の何れかを通過する信号波と重畳して前記受信装置の指向性アンテナに受信される場合は、前記通信経路形成部が形成する通信経路を通過する信号波の受信電力と、前記他の通信経路の何れかを通過する信号波の受信電力の差が所定の閾値より大きくなるように、前記受信装置の指向性アンテナと前記送信装置の指向性アンテナの間の距離、前記受信装置の指向性アンテナと前記送信装置の指向性アンテナと前記通信経路形成部との距離、前記通信経路形成部の反射率、および前記受信装置の指向性アンテナのビーム幅を考慮して通信経路を形成するように配置された反射体であることを特徴とする、請求項１記載の無線通信システム。
6. 前記通信経路形成部はさらに、前記通信経路の周囲に配置した、信号波の強度を弱める吸収体を含む、請求項１記載の無線通信システム。

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