WO2010100956A1

WO2010100956A1 - 通信装置及び通信方法、コンピューター・プログラム、並びに通信システム

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Publication number: WO2010100956A1
Application number: PCT/JP2010/050053
Authority: WO
Inventors: 裕一森岡
Original assignee: ソニー株式会社
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2010-01-06
Publication date: 2010-09-10
Also published as: US20110305162A1; JP2010206667A; EP2405706A1; CN102334378B; US8824320B2; CN102334378A

Abstract

　ミリ波による指向性通信を実現しつつ、同時に通信できる通信局数を増やしてシステム全体のスループットを向上させる。　データ・フレームだけでなく、ＣＴＳフレームについても送信ビームの指向性制御を行なう。隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）の送受信ビームが、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）にとってデータ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）とは異なる方向となる場合には、隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）は、ＣＴＳを受信しなくなることから、送信停止期間を設定せず、その通信相手端末（ＳＴＡ＿Ｄ）と通信動作を継続することができる。

Description

通信装置及び通信方法、コンピューター・プログラム、並びに通信システム

　本発明は、例えばミリ波を利用して無線通信を行なう通信装置及び通信方法、コンピューター・プログラム、並びに通信システムに係り、特に、指向性アンテナのビームを通信相手の位置する方向に向けて、ミリ波の通信距離を伸ばす通信装置及び通信方法、コンピューター・プログラム、並びに通信システムに関する。

　「ミリ波」と呼ばれる無線通信は、高周波の電磁波を利用して通信速度の高速化を実現することができる。ミリ波通信の主な用途として、短距離の無線アクセス通信や、画像伝送システム、簡易無線、自動車衝突防止レーダーなどが挙げられる。また現在では、大容量・長距離伝送の実現や、無線装置の小型化、低コスト化など、利用促進に向けたミリ波通信の技術開発が行なわれている。ここで、ミリ波の波長は１０ｍｍ～１ｍｍ、周波数で３０ＧＨｚ～３００ＧＨｚに相当する。例えば、６０ＧＨｚ帯を使用する無線通信では、ＧＨｚ単位でチャネル割り当てが可能であることから、非常に高速なデータ通信を行なうことができる。

　ミリ波は、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）技術などで広く普及しているマイクロ波と比較しても、波長が短く、強い直進性があり、非常に大きな情報量を伝送することができる。その反面、ミリ波は、反射に伴う減衰が激しいため、通信を行なう無線のパスとしては、直接波や、せいぜい１回程度の反射波が主なものとなる。また、ミリ波は、伝搬損失が大きいため、遠くまで無線信号が到達しない、という性質を持つ。

　このようなミリ波の飛距離問題を補うために、送受信機のアンテナに指向性を持たせ、その送信ビーム並びに受信ビームを通信相手の位置する方向に向けて、通信距離を伸ばす方法が考えられる。ビームの指向性は、例えば送受信機にそれぞれ複数のアンテナを設け、アンテナ毎の送信重み若しくは受信重みを変化させることで制御することができる。ミリ波では、反射波はほとんど使用されず、直接波が重要になることから、ビーム形状の指向性が適しており、指向性として鋭いビームを使うことが考えられる。そして、アンテナの最適な指向性を学習した上で、ミリ波の無線通信を行なうようにすればよい。

　例えば、電力線通信、光通信、音波通信のうちいずれか１つによる通信を利用した第２の通信手段によって送信アンテナの指向性方向を決定するための信号を伝送して、送信アンテナの方向を決定した後、１０ＧＨｚ以上の電波を用いた第１の通信手段によって送受信機間の無線伝送をする無線伝送システムについて提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。

　また、ミリ波帯を使用する無線ＰＡＮ（ｍｍＷＰＡＮ：ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ－ｗａｖｅ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）の標準規格であるＩＥＥＥ８０２．１５．３ｃにも、アンテナの指向性を利用して通信距離を伸ばす方法が適用されている。

　ところで、無線通信においては、通信局が互いに直接通信できない領域が存在するという隠れ端末問題が生じることが知られている。隠れ端末同士ではネゴシエーションを行なうことができないため、送信動作が衝突する可能性がある。隠れ端末問題を解決する方法論として、ＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイク手順によるＣＳＭＡ／ＣＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ　Ｓｅｎｓｅ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ　ｗｉｔｈ　Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　Ａｖｏｉｄａｎｃｅ：搬送波感知多重アクセス／衝突回避）が一般に知られており、ＩＥＥＥ８０２．１１など無線ＬＡＮシステムで広く利用されている。

　ＲＴＳ／ＣＴＳ方式では、データ送信元の通信局が送信開始要求フレームＲＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ　Ｔｏ　Ｓｅｎｄ）を送信し、データ送信先の通信局から確認通知フレームＣＴＳ（Ｃｌｅａｒ　Ｔｏ　Ｓｅｎｄ）を受信したことに応答してデータ・フレームの送信を開始するようになっている。

　ここで、ＲＴＳ、ＣＴＳの各制御フレームは、送受信機間でデータ伝送のための準備状況を確認するとともに、周辺の隠れ端末に対してデータ伝送の妨害を行なわせないようにする意味合いを持つ。データ送信側（ＲＴＳ送信局）にとっての隠れ端末は、他局宛てのＣＴＳを受信して送信停止期間（ＮＡＶ：Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　Ｖｅｃｔｏｒ）を設定するので、データ受信側（ＣＴＳ送信局）は、当該隠れ端末による送信フレームとの衝突を回避して、データ・フレームを確実に受信することができる。また、データ受信側（ＣＴＳ送信局）にとっての隠れ端末は、他局宛てのＲＴＳを受信して送信停止期間を設定する。

　ミリ波帯を使用する無線ＰＡＮ規格ＩＥＥＥ８０２．１５．３ｃ（前述）にも、ＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクを利用した衝突回避手順が採り入れられている。この場合、送受信ビームの指向性制御（Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）は、データ・フレームに関してのみ適用され、ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＡＣＫといった制御フレームに関しては無指向性フレームとして伝送される（図１１を参照のこと）。

　ところが、データ・フレームと制御フレームの到達範囲の相違から、実際にはデータ・フレームを干渉することがない周辺局に不必要に送信停止期間を設定させてしまう。この結果、システム内で同時刻に通信できる通信局数を無駄に削減してしまい、システム全体のスループットを低下させてしまうことが懸念される。

　図１１に示すように、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）は、データ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）から自局宛てのＲＴＳを受信すると、無指向性のＣＴＳを送信して、ＲＴＳは届かないがＣＴＳの到達範囲にいる隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）に送信停止期間を設定させることで、データ・フレームを受信する期間を確保する。隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）が同様に送受信ビームの指向性制御し、且つ、その送受信ビームが上記データ・フレームの送受信ビームとまったく異なる方向に向けられているとする。隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）は、現実には上記データ・フレームを妨害することはないにも拘らず、無指向性ＣＴＳを受信したことにより不必要に送信停止期間を設定し、この結果としてスループットの低下を招来する。

特許第３５４４８９１号公報

　本発明の目的は、指向性アンテナのビームを通信相手の位置する方向に向けて、ミリ波の通信距離を伸ばすことができる、優れた通信装置及び通信方法、コンピューター・プログラム、並びに通信システムを提供することにある。

　本発明のさらなる目的は、送受信ビームの指向性制御を用いてミリ波による高速データ通信を実現しつつ、同時に通信できる通信局数を増やしてシステム全体のスループットを向上させることができる、優れた通信装置及び通信方法、コンピューター・プログラム、並びに通信システムを提供することにある。

　本発明のさらなる目的は、ＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクを適用して衝突を回避しながら、ミリ波による指向性の高速データ通信を実現しつつ、同時に通信できる通信局数を増やしてシステム全体のスループットを向上させることができる、通信装置及び通信方法、コンピューター・プログラム、並びに通信システムを提供することにある。

　本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項１に記載の発明は、
　方向の異なる複数のビーム・パターンを有し、所定の高周波数帯を使用する通信方式に従って指向性の無線通信を行なうことができる無線通信部と、
　前記複数のビーム・パターンの中から、通信相手へフレームを送信する際に適用する指向性ビーム・パターンを決定する決定部と、
を備え、
　前記通信相手から自分宛ての送信開始要求フレームを受信したことに応答して、前記決定部が決定した前記指向性ビーム・パターンを用いて前記通信相手に確認通知フレームを返信する通信装置である。

　また、本願の請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の通信装置は、前記通信相手から到来するフレームを前記複数のビーム・パターンの各々で受信したときの受信電力を計算する電力計算部をさらに備え、前記決定部は、前記通信相手から前記送信開始要求フレームを受信したときの受信電力が最大となるビーム・パターンに基づいて、前記通信相手へフレームを送信する際の前記指向性ビーム・パターンを決定するように構成されている。

　また、本願の請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の通信装置は、前記確認通知フレームを返信した後、前記確認通知フレーム返信時に用いた前記指向性ビーム・パターンと同じ方向に受信ビーム・パターンを適用して、前記通信相手からのデータ・フレームを受信するように構成されている。

　また、本願の請求項４に記載の発明は、方向の異なる複数のビーム・パターンを有し、所定の高周波数帯を使用する通信方式に従って指向性の無線通信を行なうことができる無線通信部を備えた通信装置における通信方法であって、
　前記複数のビーム・パターンの中から、通信相手へフレームを送信する際に適用する指向性ビーム・パターンを決定する決定ステップと、
　前記通信相手から自分宛ての送信開始要求フレームを受信したことに応答して、前記決定ステップにおいて決定した前記指向性ビーム・パターンを用いて前記通信相手に確認通知フレームを返信する返信ステップと、
　前記通信相手からのデータ・フレームを受信する受信ステップと、
を有する通信方法である。

　また、本願の請求項５に記載の発明は、方向の異なる複数のビーム・パターンを有し、所定の高周波数帯を使用する通信方式に従って指向性の無線通信を行なうことができる無線通信部を備えた通信装置における通信処理をコンピューター上で実行するようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラムであって、前記コンピューターを、
　前記複数のビーム・パターンの中から、通信相手へフレームを送信する際に適用する指向性ビーム・パターンを決定する決定部、
　前記通信相手から自分宛ての送信開始要求フレームを受信したことに応答して、前記決定部が決定した前記指向性ビーム・パターンを用いて前記通信相手に確認通知フレームを返信する確認通知フレーム返信部、
　前記通信相手からのデータ・フレームを受信するデータ・フレーム受信部、
として機能させるためのコンピューター・プログラムである。

　本願の請求項５に係るコンピューター・プログラムは、コンピューター・システム上で所定の処理を実現するようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラムを定義したものである。換言すれば、本願の請求項５に係るコンピューター・プログラムをコンピューター・システムにインストールすることによって、コンピューター・システム上では協働的作用が発揮され、本願の請求項１に係る通信装置と同様の作用効果を得ることができる。

　また、本願の請求項６に記載の発明は、
　所定の高周波数帯を使用する通信方式に従って指向性の無線通信を行なうことができる無線通信部を備え、送信開始要求フレームをデータ受信側に送信するとともに、前記データ受信側から返信された確認応答フレームを受信したことに応じて、前記データ受信側に送信ビームが向くように指向性制御してデータ・フレームを送信する、データ送信側として動作する通信装置と、
　所定の高周波数帯を使用する通信方式に従って指向性の無線通信を行なうことができる無線通信部を備え、自分宛ての前記送信開始要求フレームを受信したことに応答して、前記データ送信側に送信ビームが向くように指向性制御して前記確認応答フレームを返信するとともに、前記データ送信側からのデータ・フレームを受信する、データ受信側として動作する通信装置と、
を具備する通信システムである。

　但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。

　本発明によれば、指向性アンテナのビームを通信相手の位置する方向に向けて、ミリ波の通信距離を伸ばすことができる、優れた通信装置及び通信方法、コンピューター・プログラム、並びに通信システムを提供することができる。

　また、本発明によれば、送受信ビームの指向性制御を用いてミリ波による高速データ通信を実現しつつ、同時に通信できる通信局数を増やしてシステム全体のスループットを向上させることができる、優れた通信装置及び通信方法、コンピューター・プログラム、並びに通信システムを提供することができる。

　また、本発明によれば、ＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクを適用して衝突を回避しながら、ミリ波による指向性の高速データ通信を実現しつつ、同時に通信できる通信局数を増やしてシステム全体のスループットを向上させることができる、通信装置及び通信方法、コンピューター・プログラム、並びに通信システムを提供することができる。

　本願の請求項１、４、５、６に記載の発明によれば、データ送信側が送信開始要求フレーム（ＲＴＳ）を送信するとともにデータ受信側が確認応答フレーム（ＣＴＳ）を返信することによりデータ伝送が開始する通信システムにおいて、データ受信側は指向性ビーム・パターンを適用して確認応答フレームを送信することから、指向性ビーム・パターンの向きに位置しない隠れ端末は不必要に送信停止期間を設定しなくなることから、同時に通信できる通信局数を増やしてシステム全体のスループットを向上させることができる。

　また、本願の請求項２に記載の発明によれば、データ受信側となる通信装置は、通信相手から送信開始要求フレームを受信したときの受信電力が最大となるビーム・パターンを確認応答フレームの返信時に適用する指向性ビーム・パターンとして決定するので、この指向性ビーム・パターンは通信相手に対する最適なビーム・パターンである。また、通信相手から指向性制御されたデータ・フレームの受信を妨害しないような隠れ端末に対し不必要な送信停止期間を設定させずに済むので、同時に通信できる通信局数を増やしてシステム全体のスループットを向上させることができる。

　また、本願の請求項３に記載の発明によれば、データ受信側となる通信装置は、確認通知フレーム返信時に用いた指向性ビーム・パターンと同じ方向となる最適な受信ビーム・パターンを適用して通信相手からのデータ・フレームを受信することができる。すなわち、送信ビーム及び受信ビームがともに互いを向くことによって、より良好なミリ波通信路が形成され、高速なデータ通信を実現することができる。

　本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

図１は、本発明の一実施形態に係るミリ波無線通信システムの構成例を模式的に示した図である。図２は、通信装置１００の構成例を示した図である。図３は、ディジタル部１８０の内部構成の一例を示した図である。図４は、送信ビーム処理部１８５による送信ビームの指向性制御によって通信装置１００が形成することができる送信ビーム・パターンの一例を示した図である。図５は、最適なビーム方向の学習に用いるビーム学習用信号の信号フォーマットの一例を示した図である。図６は、隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）の送受信ビームがデータ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）にとってデータ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）と同じ方向になる様子を示した図である。図７は、隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）の送受信ビームがデータ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）にとってデータ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）と異なる方向になる様子を示した図である。図８は、隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）の送受信ビームがデータ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）にとってデータ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）と異なる方向になる様子を示した図である。図９は、本発明の実施形態に係る通信システムにおいて、ＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクを利用した信号送受信シーケンスを示した図である。図１０は、図９に示した信号送受信シーケンスにおいてデータ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）として通信動作を行なうための処理手順を示したフローチャートである。図１１は、データ・フレームに関してのみ適用し、ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＡＣＫの各制御フレームを無指向性で送信する場合の信号送受信シーケンス例を示した図である。図１２は、モジュール化された通信装置１００を搭載した情報機器の構成例を示した図である。

　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、ミリ波の通信方式として、ＶＨＴ（Ｖｅｒｙ　Ｈｉｇｈ　Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）規格で使用する６０ＧＨｚ帯を挙げることができるが、本発明の要旨は特定の周波数帯に限定されるものではない。

　図１には、本発明の一実施形態に係るミリ波無線通信システムの構成例を模式的に示している。図示の無線通信システムは、通信装置１００と通信装置２００からなる。

　通信装置１００及び２００は、ミリ波の通信方式に従って互いに無線通信することができる。ミリ波の通信方式は、直進性が強く反射時の減衰の大きいため、送信ビーム及び受信ビームを通信相手にそれぞれ向けて無線信号を送受信することがより好ましい。

　図１に示す例では、通信装置１００は、ミリ波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を備えている。そして、各アンテナ１６０ａ～１６０ｎを介して送信される信号の重みを調整することによって、送信ビームの指向性Ｂ_tを制御するようになっている。図示の例では、送信ビームＢ_tは、通信相手となる通信装置２００の位置の方向に向けられている。

　また、通信装置２００は、ミリ波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を備えている。そして、各アンテナ２６０ａ～２６０ｎを介して受信される信号の重みを調整することによって、受信ビームの指向性Ｂ_rを制御するようになっている。図示の例では、受信ビームＢ_rは、通信相手となる通信装置１００の位置の方向に向けられている。

　図２には、通信装置１００の構成例を示している。図示の通信装置１００は、ブロードバンド・ルーターや無線アクセスポイントとして動作してもよい。なお、図示しないが、通信装置２００も同様の構成であってもよい。

　通信装置１００は、記憶部１５０と、複数のアンテナ１６０ａ～１６０ｎと、無線通信部１７０を備えている。無線通信部１７０は、アナログ部１７２と、ＡＤ変換部１７４と、ＤＡ変換部１７６と、ディジタル部１８０と、制御部１９０で構成される。

　複数のアンテナ１６０ａ～１６０ｎは、ミリ波の通信方式に従った無線通信に使用される。具体的には、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、アンテナ１６０ａ～１６０ｎは、ミリ波の無線信号を受信して、アナログ部１７２へ出力する。

　アナログ部１７２は、典型的には、ミリ波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。すなわち、アナログ部１７２は、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低雑音増幅するとともにダウンコンバートし、後段のＡＤ変換部１７４へ出力する。また、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ＲＦ帯にアップコンバートするとともに電力増幅して、各アンテナ１６０ａ～１６０ｎへ出力する。

　ＡＤ変換部１７４は、アナログ部１７２から入力される複数のアナログ受信信号をそれぞれディジタル信号に変換し、後段のディジタル部１８０へ出力する。また、ＤＡ変換部１７６は、ディジタル部１８０から入力される複数のディジタル送信信号をそれぞれアナログ信号に変換し、アナログ部１７２へ出力する。

　ディジタル部１８０は、典型的には、ミリ波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、ミリ波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で構成される。

　図３には、ディジタル部１８０の内部構成の一例を示している。図示のように、ディジタル部１８０は、同期部１８１と、受信ビーム処理部１８２と、電力計算部１８３と、決定部１８４と、復調復号部１８５と、符号化変調部１８６と、送信ビーム処理部１８７で構成される。

　同期部１８１は、例えば、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、フレーム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なうことによって、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１８２は、重み付けされた受信信号を電力計算部１８３及び復調復号部１８５へ出力する。

　最適な送受信ビーム方向の学習を行なう際、電力計算部１８３は、各送受信ビーム方向で送受信された受信信号の受信電力をそれぞれ計算して、決定部１８４へ順次出力する（後述）。そして、決定部１８４は、電力計算部１８３から入力される受信電力値に基づいて、最適な送信ビーム方向又は最適な受信ビーム方向を決定する。そして、決定されたビーム方向を特定するためのパラメーター値が、制御部１９０を介して記憶部１５０に記憶される。ここで言う最適なビーム方向とは、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１８３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方向に相当する。

　復調復号部１８５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ミリ波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１８５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１８６は、制御部１９０から入力されるデータ信号をミリ波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１８６は、生成した送信信号を送信ビーム処理部１８７へ出力する。

　送信ビーム処理部１８７は、符号化変調部１８６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１８７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。送信ビーム処理部１８７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。

　図２に戻って、引き続き、無線通信装置１００の構成について説明する。制御部１９０は、例えばマイクロプロセッサーなどの演算装置を用いて構成され、無線通信部１７０の動作全般を制御する。また、制御部１９０は、最適な送信ビーム方向又は受信ビーム方向を特定するためのパラメーター値を記憶部１５０から取得し、当該パラメーター値に基づいて特定されるビーム方向を形成するよう各アンテナ１６０ａ～１６０ｎに重み係数を付与することを指示するための指向性制御信号をディジタル部１８０内の送信ビーム処理部１８７へ出力する。これにより、無線通信装置１００によるミリ波の通信方式に従った無線送信の際の送信ビーム又は受信ビームが通信相手の位置する方向に向くような最適なビーム・パターンが形成される。

　記憶部１５０は、例えば、半導体メモリなどの書き込み可能な記録媒体で構成され、無線通信装置１００による通信処理を実行するためのプログラムをロードしたり、各種パラメーター値を記憶したりするワーク・メモリとして用いられる。また、記憶部１５０には、ミリ波の通信方式に従った無線通信部１７０による無線通信の際の最適な送受信ビーム方向を特定するためのパラメーター値が記憶される。

　図４には、送信ビーム処理部１８５による送信ビームの指向性制御によって通信装置１００が形成することができる送信ビーム・パターンの一例を示している。同図に示す例では、通信装置１００は１０個の送信ビーム・パターンＢ_t0～Ｂ_t9を形成することができる。送信ビーム・パターンＢ_t0～Ｂ_t9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。

　送信ビーム処理部１８７は、制御部１９０からの指向性制御信号に応じて、各アンテナ１６０ａ～１６０ｎに重み係数を付与することによって、かかる１０個の送信ビーム・パターンＢ_t0～Ｂ_t9のうちいずれか１つの送信ビーム・パターンを形成して、指向性の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４に示した送信ビーム・Ｂ_t0～Ｂ_t9と同様のビーム・パターンであってよい。すなわち、受信ビーム処理部１８２は、制御部１９０からの指向性制御信号に応じて、各アンテナ１６０ａ～１６０ｎに重み係数を付与することによって、かかる１０個の受信ビーム・パターンＢ_r0～Ｂ_r9のうちいずれか１つ（若しくは２以上の組み合わせ）と一致する受信ビーム・パターンを形成して、ミリ波の通信方式に従った無線信号をアンテナ１６０ａ～１６０ｎで受信させることができる。通信装置１００の記憶部１５０には、これら送受信ビーム・パターンＢ_t0～Ｂ_t9、Ｂ_r0～Ｂ_r9をそれぞれ形成するためのアンテナ１６０ａ～１６０ｎ毎の重み係数を特定するためのパラメーター値があらかじめ記憶されている。

　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、図４に示した例に限定されるものではない。例えば、３次元空間上のさまざま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・パターンを形成できるように複数のアンテナ１６０ａ～１６０ｎを構成することもできる。

　図５には、最適なビーム方向の学習に用いるビーム学習用信号の信号フォーマットの一例を示している。但し、同図では、ヘッダー部の記載を省略している。図示のビーム学習用信号ＢＴＦ（Ｂｅａｍ　Ｔｒａｉｎｉｎｇ　Ｆｉｅｌｄ：ビーム学習用フィールド）は、通信相手が持つ複数のアンテナ１６０ａ～１６０ｎからミリ波の通信方式に従って送信される。ビーム学習用信号ＢＴＦに載せる学習用信号系列は、例えばＢＰＳＫ（Ｂｉｎａｒｙ　Ｐｈａｓｅ　Ｓｈｉｆｔ　Ｋｅｙｉｎｇ：２位相偏移変調）のランダム・パターンなどでよい。

　図示のビーム学習用信号は、送信ビーム・パターンＢ_t0～Ｂ_t9毎の学習用信号系列を時分割により多重化したものである。ビーム学習用信号ＢＴＦは、図５に示した各送信ビーム・パターンＢ_t0～Ｂ_t9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。そして、各タイムスロットＴ０～Ｔ９では、所定の既知信号系列に対し各送信ビーム・パターンＢ_t0～Ｂ_t9を形成するための重み係数でそれぞれ各アンテナ１６０ａ～１６０ｎが重み付けされた１０通りの学習用信号系列が順次送信される。したがって、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毎に、図５に示す送信ビーム・パターンＢ_t0～Ｂ_t9のように順次変化する。

　このビーム学習用信号ＢＴＦを受信する受信側では、ビーム学習用信号ＢＴＦのタイムスロットＴ０～Ｔ９毎（すなわち、学習用信号系列毎）の受信信号の電力レベルを順次観測する。この結果、ビーム学習用信号ＢＴＦのいずれかのタイムスロットにおいて受信信号の電力レベルは突出した値となる。受信信号の電力レベルがピークとなるタイムスロットは、ビーム学習用信号ＢＴＦを送信する送信側との相対位置に応じて変化する。そして、受信電力レベルがピークとなるタイムスロットに該当する送信ビーム・パターンを、送信側にとっても最適な送信ビーム・パターンに決定することができる。

　また、ビーム学習用信号ＢＴＦの受信側も、図４に示した送信ビーム・パターンＢ_t0～Ｂ_t9と同様の、１０個の受信ビーム・パターンＢ_r0～Ｂ_R9を形成することができるとする。そして、ビーム学習用信号ＢＴＦの各タイムスロットＴ０～Ｔ９をさらに１０個ずつの小区間ＳＴ０～ＳＴ９にそれぞれ分け、各小区間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Ｂ_r0～Ｂ_r9で受信信号を重み付け処理する。図５に示す例では、タイムスロットＴ０の第１の小区間ＳＴ０は受信ビーム・パターンＢ_r0、タイムスロットＴ０の第２の小区間ＳＴ１は受信ビーム・パターンＢ_r1、…、タイムスロットＴ９の第１の小区間ＳＴ０は受信ビーム・パターンＢ_r0、…、などと関連付けられる。このような受信ビームの指向性制御処理によって、１つのビーム学習用信号ＢＴＦ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。

　図３に示した電力計算部１８３は、上述した計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の受信電力をそれぞれ計算して、決定部１８４へ順次出力する。そして、決定部１８４は、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ー値を決定する。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１８３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ー値とは、例えばビーム学習用信号ＢＴＦのいずれかのタイムスロット番号（Ｔ０～Ｔ９）でよい。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ー値とは、例えば図５に示した小区間番号（ＳＴ０～ＳＴ９）でよい。決定部１８４は、このように決定したパラメーター値を制御部１９０へ出力する。また、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ー値（Ｔ０～Ｔ９）を、ビーム学習用信号ＢＴＦの送信側へフィードバックするようにしてもよい。但し、このフィードバック手順は本発明の要旨に直接関連しないので、本明細書では説明を省略する。

　ミリ波を利用する無線通信システムは、複数の送受信アンテナを用い、鋭いアンテナ指向性（すなわち、ビーム形状のアンテナ指向性）を形成することで、その通信範囲を拡大することができる。しかしながら、背景技術の欄で既に述べたように、隠れ端末問題に起因する衝突を回避するためにＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクを利用する際に、データ・フレーム以外のＲＴＳ、ＣＴＳ、ＡＣＫといった制御フレームを無指向で伝送すると、実際にはデータ・フレームを干渉することがない周辺局に不必要に送信停止期間を設定させてしまう可能性がある。この結果、システム内で同時刻に通信できる通信局数を無駄に削減してしまい、システム全体のスループットを低下させてしまうことが懸念される。

　図１１に示した信号送受信シーケンス例では、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）は、データ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）から自局宛てのＲＴＳを受信すると、無指向性のＣＴＳを送信して、ＲＴＳは届かないがＣＴＳの到達範囲にいる隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）に送信停止期間を設定させることで、データ・フレームを受信する期間を確保する。

　ここで、図６に示すように、隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）が同様に送受信ビームの指向性制御を行なうが、その送受信ビームが、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）にとってデータ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）と同じ方向、すなわち、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）がデータ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）に向けた受信ビームと重なる場合には、隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）に送信停止期間を設定させなければ、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）はデータ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）からのデータ・フレームを受信できなくなってしまう。

　これに対し、図７並びに図８に示すように、データ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）にとっての隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）が同様に送受信ビームの指向性制御を行なうとともに、その送受信ビームが、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）にとってデータ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）とは異なる方向、すなわち、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）がデータ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）に向けた受信ビームとは重ならない場合には、隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）が送信停止期間を設定せず、その通信相手端末（ＳＴＡ＿Ｄ）と通信動作を継続しても、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）のデータ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）からのデータ・フレーム受信動作を干渉することはない。むしろ、隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）が送信停止期間を設定すると、不必要な送信停止期間となることから、システム全体のスループットを低下させることになる。

　そこで、本発明の一実施形態では、ＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクを利用したデータ伝送において、データ・フレームだけでなく、ＣＴＳフレームについても送信ビームの指向性制御を行なうようにしている。このような場合、隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）の送受信ビームが、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）にとってデータ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）とは異なる方向、すなわち、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）がデータ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）に向けた受信ビームとは重ならない場合には、隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）は、ＣＴＳを受信しなくなることから、送信停止期間を設定せず、その通信相手端末（ＳＴＡ＿Ｄ）と通信動作を継続することができる。この結果、システム内では隠れ端末が不必要な送信停止期間を設定しなくなり、同時に通信できる通信局数を増やしてシステム全体のスループットを向上させることができる。

　図９には、本発明の実施形態に係る通信システムにおいて、ＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクを利用した信号送受信シーケンスを示している。但し、各通信局ＳＴＡ＿Ａ～ＳＴＡ＿Ｄは、図２～図４に示した通信装置１００で構成されるものとする。

　データ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）は、まず、ＣＳＭＡの手順によりメディアが一定期間だけクリアであることを確認し、その後、データ受信側（ＣＴＳ送信側：ＳＴＡ＿Ｂ）に向けてＲＴＳを無指向で送信する。

　データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）は、データ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）からの自分宛てのＲＴＳを受信する際に、電力計算部１８３が複数のビーム・パターンの各々で受信したときの受信電力を計算し、続く決定部１８４がＲＴＳ受信時の受信電力が最大となるビーム・パターンを最適な指向性ビーム・パターンとして決定する。

　そして、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）は、ＲＴＳを受信したことに応じて、所定のフレーム間隔ＳＩＦＳが経過した後、決定部１８４が決定した送信ビーム・パターンを用いて、データ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）の位置に向くように指向性制御して、ＣＴＳ（Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｄ　ＣＴＳ）を返信する。

　データ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）は、自分がＲＴＳを送信した後、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）から返信されるＣＴＳの受信を待機している。そして、データ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）は、ＣＴＳを受信することによって、メディアがクリアであること確認すると、ＣＴＳを受信してからＳＩＦＳが経過した後に、送信ビームがデータ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）の位置に向くように指向性制御して、データ・フレーム（Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｄ　ＤＡＴＡ）を送信する。

　データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）は、指向性ＣＴＳを送信した後、データ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）からのデータ・フレームの受信を待機する。その際、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）は、ＣＴＳ送信時に用いた最適な指向性ビーム・パターンと同じ方向に受信ビーム・パターンを適用するようにしてもよい。そして、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）は、データ・フレームを無事に受信し終えると、無指向でＡＣＫを返信する。データ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）は、ＡＣＫを受信することで、一連のＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイク手順が無事に完了したことを認識する。

　他方、隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）の送受信ビームは、通信相手である端末（ＳＴＡ＿Ｄ）の位置に向くように指向性制御されている。ここで、隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）には、データ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）から無指向で送信されるＲＴＳは届かない。また、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）がＣＴＳを無指向で送信すると隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）に届くが、本実施形態では、データ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）の位置に向くように指向性制御して送信することから、隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）は指向性ＣＴＳを受信することはない。

　よって、隠れ端末（ＳＴＡ＿Ｃ）は、不必要な送信停止期間を設定することなく、データ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）とデータ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）間のＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイキングと並行して、通信相手である端末（ＳＴＡ＿Ｄ）にデータ・フレームを送信することができる。この結果、システム内では同時に通信できる通信局数を増やして、システム全体のスループットを向上させることができる。

　図１０には、通信装置１００が図９に示した信号送受信シーケンスにおいてデータ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）として通信動作を行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。この処理手順は、例えば制御部１９０が所定の制御プログラムを実行することを通じて実現される。

　この処理手順は、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）が自分宛てのＲＴＳを受信したことに応答して起動する。

　データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）は、自分宛てのＲＴＳを受信している最中、電力計算部１８３は受信ビーム・パターンを例えば所定の角度毎に３６０度変化させながら受信信号の電力を計測していく。そして、決定部１８４は受信電力が最大となる受信ビーム・パターンの方向を検知すると、これをデータ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）に対する最適な指向性ビーム・パターンとして記憶部１５０に記憶する（ステップＳ１）。

　次いで、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）は、上記の最適な指向性ビーム・パターンを形成するように送信アンテナを調整して、データ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）に対して指向性のＣＴＳ（Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｄ　ＣＴＳ）を返信する（ステップＳ２）。

　次いで、データ受信側（ＳＴＡ＿Ｂ）は、上記の最適な指向性ビーム・パターンを形成するように受信アンテナを調整して（ステップＳ３）、データ送信側（ＳＴＡ＿Ａ）からのデータ・フレームを待ち受ける。

　なお、アクセスポイント（ＡＰ）又は端末局（ＳＴＡ）として動作する通信装置１００は、例えば、パーソナル・コンピューター（ＰＣ）、携帯電話機、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などの携帯情報端末、携帯音楽プレーヤー、ゲーム機などの情報機器、あるいは、テレビジョン受像機やその他の情報家電機器に搭載される無線通信モジュールであってもよい。

　図１２には、モジュール化された通信装置１００を搭載した情報機器の構成例を示している。

　ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）１は、オペレーティング・システム（ＯＳ）が提供するプログラム実行環境下で、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）２やハード・ディスク・ドライブ（ＨＤＤ）１１に格納されているプログラムを実行する。例えば、後述する受信フレームの同期処理又はその一部の処理をＣＰＵ１が所定のプログラムを実行するという形態で実現することもできる。

　ＲＯＭ２は、ＰＯＳＴ（Ｐｏｗｅｒ　Ｏｎ　Ｓｅｌｆ　Ｔｅｓｔ）やＢＩＯＳ（Ｂａｓｉｃ　Ｉｎｐｕｔ　Ｏｕｔｐｕｔ　Ｓｙｓｔｅｍ）などのプログラム・コードを恒久的に格納する。ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）３は、ＲＯＭ２やＨＤＤ（Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｋ　Ｄｒｉｖｅ）１１に格納されているプログラムをＣＰＵ１が実行する際にロードしたり、実行中のプログラムの作業データを一時的に保持したりするために使用される。これらはＣＰＵ１のローカル・ピンに直結されたローカル・バス４により相互に接続されている。

　ローカル・バス４は、ブリッジ５を介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）バスなどの入出力バス６に接続されている。

　キーボード８と、マウスなどのポインティング・デバイス９は、ユーザにより操作される入力デバイスである。ディスプレイ１０は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｄｉｓｐｌａｙ）又はＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ　Ｒａｙ　Ｔｕｂｅ）などからなり、各種情報をテキストやイメージで表示する。

　ＨＤＤ１１は、記録メディアとしてのハード・ディスクを内蔵したドライブ・ユニットであり、ハード・ディスクを駆動する。ハード・ディスクには、オペレーティング・システムや各種アプリケーションなどＣＰＵ１が実行するプログラムをインストールしたり、データ・ファイルなどを保存したりするために使用される。

　通信部１２は、無線通信装置１００をモジュール化して構成される無線通信インターフェースであり、インフラストラクチャ・モード下でアクセスポイント若しくは端末局として動作し、あるいはアドホック・モード下で動作し、通信範囲内に存在するその他の通信端末との通信を実行する。無線通信装置１００の動作については既に説明した通りである。

　以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳細に説明してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

　本明細書では、ミリ波の通信方式は、ＩＥＥＥ８０２．１５．３ｃで使用する６０ＧＨｚ帯とした実施形態を中心に説明してきたが、本発明の要旨は必ずしも特定の周波数帯に限定されるものではない。また、ミリ波通信だけでなくその他の指向性通信であってもよい。

　要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

　１…ＣＰＵ
　２…ＲＯＭ
　３…ＲＡＭ
　４…ローカル・バス
　５…ブリッジ
　６…入出力バス
　７…入出力インターフェース
　８…キーボード
　９…ポインティング・デバイス（マウス）
　１０…ディスプレイ
　１１…ＨＤＤ
　１２…通信部
　１００…通信装置
　１５０…記憶部
　１６０ａ～１６０ｎ…複数のアンテナ
　１７０…無線通信部
　１７２…アナログ部
　１７４…ＡＤ変換部
　１７６…ＤＡ変換部
　１８０…ディジタル部
　１８１…同期部
　１８２…受信ビーム処理部
　１８３…電力計算部
　１８４…決定部
　１８５…復調復号部
　１８６…符号化変調部
　１８７…送信ビーム処理部
　１９０…制御部

Claims

　方向の異なる複数のビーム・パターンを有し、所定の高周波数帯を使用する通信方式に従って指向性の無線通信を行なうことができる無線通信部と、
　前記複数のビーム・パターンの中から、通信相手へフレームを送信する際に適用する指向性ビーム・パターンを決定する決定部と、
を備え、
　前記通信相手から自分宛ての送信開始要求フレームを受信したことに応答して、前記決定部が決定した前記指向性ビーム・パターンを用いて前記通信相手に確認通知フレームを返信する通信装置。
　前記通信相手から到来するフレームを前記複数のビーム・パターンの各々で受信したときの受信電力を計算する電力計算部をさらに備え、
　前記決定部は、前記通信相手から前記送信開始要求フレームを受信したときの受信電力が最大となるビーム・パターンに基づいて、前記通信相手へフレームを送信する際の前記指向性ビーム・パターンを決定する、
請求項１に記載の通信装置。
　前記確認通知フレームを返信した後、前記確認通知フレーム返信時に用いた前記指向性ビーム・パターンと同じ方向に受信ビーム・パターンを適用して、前記通信相手からのデータ・フレームを受信する、
請求項１に記載の通信装置。
　方向の異なる複数のビーム・パターンを有し、所定の高周波数帯を使用する通信方式に従って指向性の無線通信を行なうことができる無線通信部を備えた通信装置における通信方法であって、
　前記複数のビーム・パターンの中から、通信相手へフレームを送信する際に適用する指向性ビーム・パターンを決定する決定ステップと、
　前記通信相手から自分宛ての送信開始要求フレームを受信したことに応答して、前記決定ステップにおいて決定した前記指向性ビーム・パターンを用いて前記通信相手に確認通知フレームを返信する返信ステップと、
　前記通信相手からのデータ・フレームを受信する受信ステップと、
を有する通信方法。
　方向の異なる複数のビーム・パターンを有し、所定の高周波数帯を使用する通信方式に従って指向性の無線通信を行なうことができる無線通信部を備えた通信装置における通信処理をコンピューター上で実行するようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラムであって、前記コンピューターを、
　前記複数のビーム・パターンの中から、通信相手へフレームを送信する際に適用する指向性ビーム・パターンを決定する決定部、
　前記通信相手から自分宛ての送信開始要求フレームを受信したことに応答して、前記決定部が決定した前記指向性ビーム・パターンを用いて前記通信相手に確認通知フレームを返信する確認通知フレーム返信部、
　前記通信相手からのデータ・フレームを受信するデータ・フレーム受信部、
として機能させるためのコンピューター・プログラム。
　所定の高周波数帯を使用する通信方式に従って指向性の無線通信を行なうことができる無線通信部を備え、送信開始要求フレームをデータ受信側に送信するとともに、前記データ受信側から返信された確認応答フレームを受信したことに応じて、前記データ受信側に送信ビームが向くように指向性制御してデータ・フレームを送信する、データ送信側として動作する通信装置と、
　所定の高周波数帯を使用する通信方式に従って指向性の無線通信を行なうことができる無線通信部を備え、自分宛ての前記送信開始要求フレームを受信したことに応答して、前記データ送信側に送信ビームが向くように指向性制御して前記確認応答フレームを返信するとともに、前記データ送信側からのデータ・フレームを受信する、データ受信側として動作する通信装置と、
を具備する通信システム。