JP7309644B2 - 無線通信装置及び無線通信システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、無線通信装置及び無線通信システムに関する。

近年、近接無線通信Bluetooth（登録商標）の規格の一つであるＢＬＥ（Bluetooth Low Energy）に準拠する通信デバイスが盛んに開発されている。ＢＬＥの標準規格においては複数の物理層が規定されており、デバイスの使用用途や使用状況に応じて、物理層を使い分けることができる。例えば、現在通信中の相手デバイスとの距離(以降、通信距離と呼ぶ)が小さい場合、エラー耐性よりデータレートを重視して物理層を選択し、一方、通信距離が大きい場合、データレートよりエラー耐性を重視して物理層を選択する、などの指針に従って動作することにより通信速度と消費電力のトレードオフを考慮した最適な通信を行うことが可能となる。

しかしながら、物理層の選択に関する制約や指針、あるいは、現在の通信距離を測る具体的な方法は標準規格には規定されていない。従って、通信距離が大きいときに、現在使用中の物理層からエラー耐性の劣る物理層へ更新される可能性があり、その場合、受信信号の品質劣化がエラー訂正能力を上回って正常な受信ができない状況も生じ、通信が切断する虞がある。

特開２０１６－４６７６２号公報

実施形態は、通信距離が大きい場合でも、適切な物理層の選択を行うことで通信が切断しないようにすることができる無線通信装置を提供することを目的とする。

実施形態の無線通信装置は、送受信部と、計測部と、物理層と、取得部と、制御部と、を有する。送受信部は、通信相手との間でパケットを送受信する。計測部は、通信相手に送信したパケットの末尾から一定の時間経過してから時間の計測を開始する。物理層は、通信相手から送信されたパケットに含まれる同期コードを検出し、同期検出信号を生成する。取得部は、同期検出信号が入力されたときの計測部の計測値を取得する。制御部は、エラー耐性の異なる物理層に更新する機能を有し、計測値から同期コードの長さを減算した伝搬遅延を算出し、伝搬遅延に応じて物理層を更新するか否かを判断する。

第１の実施形態の無線通信装置を備える無線通信システムの構成を示すブロック図である。 本実施形態の無線通信装置の構成を示すブロック図である。 ＢＬＥの標準規格で規定されている物理層の種類を示す図である。 伝搬遅延の計測原理の一例を示す図である。 デバイス内で自律的更新の事象が発生した場合の物理層の更新処理を説明するためのフローチャートである。 ホストからデバイスに物理層の更新要求が発生した場合の物理層の更新処理を説明するためのフローチャートである。 ホストからデバイスに伝搬遅延の情報の取得要求が行われた場合の処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の無線通信装置を備える無線通信システムの構成を示すブロック図である。図２は、第１の実施形態の無線通信装置の構成を示すブロック図である。

無線通信システム１００は、デバイス１０、２０と、ホスト３０とを有して構成されている。デバイス１０、２０は、距離Ｄだけ離間して配置されている。デバイス１０、２０の少なくとも一方は移動自在であり、距離Ｄはこの移動に伴って変化する。

無線通信装置を構成するデバイス１０は、アンテナ１１と、送受信回路１２と、物理層１３と、リンク制御層１４とを有する。リンク制御層１４は、受信制御回路１５と、カウンタ１６と、レジスタ１７で構成されている。カウンタ１６は計測部を構成する。なお、デバイス２０は、デバイス１０と同様の構成である。

近距離無線通信規格であるＢＬＥにおいては、デバイス間に接続が確立すると、一定間隔でデータ通信期間が設定される。データ通信期間中は、マスターであるデバイス１０と、スレーブであるデバイス２０との間でパケットを交互に送受信が行われる。

具体的には、送受信回路１２は、物理層１３から入力されたデジタル信号のパケットをアナログ信号のパケットに変換してアンテナ１１を介して通信相手に送信する。また、送受信回路１２は、通信相手から送信され、アンテナ１１を介して受信したアナログ信号のパケットをデジタル信号のパケットに変換して物理層１３に出力する。このように、送受信回路１２は、通信相手との間でパケットを送受信する送受信部を構成する。

また、各デバイス１０、２０は、通信相手からのパケットを受信すると、パケットの末尾の受信から一定の時間が経過した後に通信相手へパケットを送信することが標準規格で規定されている。この一定の時間は、Inter Frame Space（ＩＦＳ）と呼ばれ、その値Ｔ_ＩＦＳは１５０±２ｕｓと規定されている。

ＢＬＥは、当初、１００ｍ程度以内の近距離通信を想定した規格であった。その後、ＢＬＥは誤り訂正を備えた物理層が導入され、通信距離が１ｋｍに達する状況も生じるようになっている。その結果、電波の伝搬遅延Δｔが大きくなり、Ｔ_ＩＦＳの精度と比較して無視できない状況にもなっている。電波の伝搬遅延Δｔは、デバイス１０、２０間の往復距離を電波が伝搬する時間である。そのため、デバイス１０、２０間の距離Ｄが大きくなるほど、電波の伝搬遅延Δｔも大きくなる。通信距離が大きいときに、現在よりもエラー耐性の低い物理層１３への更新（変更）が行われた場合、受信信号の品質劣化がエラー訂正能力を上回り、正常に受信ができず、通信が切断する虞がある。

そこで、本実施形態では、リンク制御層１４で計測した伝搬遅延Δｔの情報に基づいて、物理層１３の更新の、実行あるいは中止を判断するようになっている。

ＢＬＥにおける物理層について説明する。通信の確立時には、ＢＬＥの標準規格において規定されている４種類の物理層のうち、任意の物理層が選択される。図３は、ＢＬＥの標準規格で規定されている物理層の種類を示す図である。ＢＬＥの標準規格において、物理層１３は、「LE2M」、「LE1M」、「Coded、S=2」、及び、「Coded、S=8」の４種類が規定されており、デバイス１０の使用用途や使用状況に応じて使い分けられる。例えば、「LE2M」は、エラー耐性が弱く、データレートが２Mbpsである。

デバイス１０には通信を管理するポリシーが実装されている。例えば、ポリシーは、「送信するデータが急激に増加し、必要とするデータレートがある値を超えた場合は、より高速な物理層に更新する」あるいは、「通信状態が悪化してデータの再送が多くなり、再送の頻度がある値を超えた場合は、よりエラー耐性が高い物理層を選択する」ということにより、通信を管理している。

デバイス１０は、ある物理層１３でデバイス２０と通信中に、ポリシーで観測している指標（例えば、必要とするデータレート、再送の頻度）がある値を超えたという事象が発生すると、物理層１３を更新する。デバイス１０は、物理層１３を更新する事象が次に発生するまで、更新した物理層１３でデバイス２０と通信する。

デバイス１０にポリシーが実装されている場合、デバイス１０が自律的に物理層１３を更新する。また、ポリシーは、ホスト３０に実装されることもある。この場合、ホスト３０が物理層１３の更新を要求する要求コマンドをデバイス１０に発行し、デバイス１０が要求コマンドに従って物理層１３を更新する。

本実施形態では、物理層１３を更新する事象が発生した際、特に、現在の物理層１３のエラー耐性よりもエラー耐性の低い物理層１３へ更新する事象が発生した際、後述するように、伝搬遅延Δｔと基準値とを比較した結果に応じて、物理層１３の更新の、実行あるいは中止を判断することが特徴となっている。

物理層１３を更新する手法は、２通り規定されている。１つ目は、デバイス１０が自律的に物理層１３を更新する手法である。２つ目は、ホスト３０からの要求コマンドに従ってデバイス１０が物理層１３を更新する手法である。本実施形態では、デバイス１０が自律的に物理層１３を更新する手法について説明する。

本実施例では物理層の更新に際して、デバイス内で測定したパケットの伝搬遅延Δtの値から間接的に通信距離の情報を取得することを特徴としている。そこで、まず、伝搬遅延Δｔを計測する具体的な方法を以下に説明する。図４は、デバイス１０における伝搬遅延の計測原理の一例を示す図である。

デバイス１０は、パケットＰ１をデバイス２０に送信後、デバイス２０から送信されたパケットＰ２を受信する。デバイス１０がパケットＰ２を受信すると、物理層１３はパケットＰ２の先頭に存在する同期コード（Access Address）を検出し、同期検出信号を生成する。具体的には、物理層１３は、同期コードの末尾の検出が完了すると直ちにＨレベルの同期検出信号を生成する。この同期検出信号は、受信制御回路１５に出力される。

受信制御回路１５は、同期検出信号のタイミングを、カウンタ１６を用いて計測し、計測結果をレジスタ１７に保存する。レジスタ１７は、リンク制御層１４を構成するハードウェア、ソフトウェアのいずれからもアクセス可能となっている。

具体的には、受信制御回路１５は、カウンタ１６を制御し、自デバイス１０が送信したパケットＰ１の末尾からＴ_ＩＦＳだけ経過した時点でカウンタ１６を０に初期化し、時間の計測を開始する。そして、受信制御回路１５は、同期検出信号が入力されたときのカウンタ１６の計測値をレジスタ１７に保持する。

カウンタ１６が計測を開始してから、同期検出信号が入力されるまでの時間T_rcvは、ＢＬＥの標準規格で規定されている同期コードの長さ（T_acc）に伝搬遅延Δｔを加算した時間である。よって、物理層１３での遅延時間などの影響が無ければ、伝搬遅延Δｔ（＝T_rcv－T_acc）を算出することができる。算出した伝搬遅延Δｔに電波の速度（＝光速、約３×１０^８［ｍ／ｓ］）を乗算することで、デバイス１０、２０間の往復距離を算出することができる。この往復距離を２で除算すると、デバイス１０、２０間の距離Ｄを求めることができる。物理層１３自体の遅延時間、物理層１３が同期検出信号を生成するために必要な時間などが予め分かっていれば、それらの値を伝搬遅延Δｔの算出時に考慮することによって、伝搬遅延Δｔの計測精度を向上させることが可能となる。

リンク制御層１４は、データ送受信の制御に加えて、ホスト３０からの指示によらず、自律的に物理層１３を更新する機能を備えている。リンク制御層１４は、パケットＰ１、Ｐ２の送受信により取得した伝搬遅延Δｔの情報を考慮して、物理層１３の更新の、実行あるいは中止を判断する。

具体的には、リンク制御層１４は、伝搬遅延Δｔと基準値とを比較した結果に応じて、物理層１３の更新の、実行あるいは中止を判断する。基準値は、デバイス１０、２０間の往復距離を電波が伝搬する時間から想定される値であり、リンク制御層１４内部で予め規定された値である。

本実施形態では、デバイス１０、２０の距離Ｄは例えば１ｋｍ程度を想定しており、往復距離は２ｋｍとなる。この場合、電波の速度（＝光速）は約３×１０^８［ｍ／ｓ］のため、伝搬遅延Δｔは２×１０^２［ｍ］／（３×１０^８［ｍ／ｓ］）で求められ、伝搬遅延Δｔ＝＝２／３×１０^－５［ｓ］≒６．６７×１０^－６［ｓ］となる。

よって、往復距離を２ｋｍと想定した場合、約６．６７［μｓ］となる。本実施形態では、往復距離が２ｋｍより大きいか否かを判定するために、基準値は６～７［μｓ］とする。なお、物理層１３が同期検出信号を生成するために必要な時間などを考慮し、基準値は６～１０［μｓ］としてもよい。

例えば、「Coded、S=2」の物理層１３により通信が行われていて、伝搬遅延Δｔが基準値よりも大きかった場合、リンク制御層１４は、現在の「Coded、S=2」よりもエラー耐性の低い「LE1M」、または、「LE2M」の物理層への更新を行わないように制御する。

すなわち、伝搬遅延Δｔが基準値よりも大きい場合、デバイス１０、２０間の距離が離れていると考えられ、パケットＰ２の受信時のエラー発生頻度が高いと推定される。そのため、現在よりもエラー耐性の低い物理層１３に更新すると接続が切断する虞がある。そこで、リンク制御層１４は、伝搬遅延Δｔが基準値よりも大きい場合、現在よりもエラー耐性の低い物理層１３に更新すること禁止するように制御する。この結果、デバイス１０、２０間の接続が切断することを事前に防止することが可能となる。

図５は、デバイス内で自律的更新の事象が発生した場合の物理層の更新処理を説明するためのフローチャートである。現在よりもエラー耐性の低い物理層１３への自律的更新の事象が発生する（Ｓ１）と、リンク制御層１４は、伝搬遅延Δｔを計測する（Ｓ２）。伝搬遅延Δｔは、同期検出信号が生成されるまでの時間T_rcvから同期コードの長さT_accを減算することにより算出する。

次に、リンク制御層１４は、伝搬遅延Δｔが基準値より大きいか否かを判定する（Ｓ３）。リンク制御層１４は、伝搬遅延Δｔが基準値より大きいと判定した場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、物理層１３の更新処理を中止し（Ｓ４）、処理を終了する。すなわち、リンク制御層１４は、通信相手のデバイス２０との距離が大きく、更新により通信が切断するリスクが高いと判断して、物理層１３の更新処理を行わないようにする。

一方、リンク制御層１４は、伝搬遅延Δｔが基準値以下と判定した場合（Ｓ３：ＮＯ）、物理層１３を更新する処理を実行する（Ｓ５）。すなわち、リンク制御層１４は、通信相手のデバイス２０との距離が小さく、通信が切断されるリスクが低いと判断して、物理層１３を更新する。最後に、リンク制御層１４は、ホスト３０に物理層１３の更新結果を通知し（Ｓ６）、処理を終了する。

以上の処理により、通信距離が大きいとき、すなわち、伝搬遅延Δｔが基準値より大きいときに、現在よりエラー耐性の低い物理層１３への更新が行われなくなるため、良好な通信品質を保つことができる。よって、本実施形態の無線通信装置によれば、通信距離が大きい場合でも、適切な物理層の選択を行うことで通信が切断しないあるいは切断しにくいようにすることができる。

（第２の実施形態）
ＢＬＥの標準規格では、ホスト３０からデバイス１０内部の物理層１３の選択を要求することが可能であると規定されている。そこで、第２の実施形態では、物理層１３の更新がホスト３０からの要求によって発生する場合について説明する。

本実施形態では、リンク制御層１４に、ホスト３０から物理層１３の更新要求が伝達される。リンク制御層１４は、更新要求を受信すると、伝搬遅延Δｔを考慮して、物理層１３の更新の、実行あるいは中止を判断する。

図６は、ホストからデバイスに物理層の更新要求が発生した場合の物理層の更新処理を説明するためのフローチャートである。

ホスト３０から、現在よりエラー耐性の低い物理層１３への更新要求を受信する（Ｓ１１）と、リンク制御層１４は、伝搬遅延Δｔを計測する（Ｓ１２）。伝搬遅延Δｔの計測については、第１の実施形態と同様である。次に、リンク制御層１４は、伝搬遅延Δｔが基準値より大きいか否かを判定する（Ｓ１３）。リンク制御層１４は、伝搬遅延Δｔが基準値より大きいと判定した場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、更新処理を中止する（Ｓ１４）。リンク制御層１４は、ホスト３０に更新処理の中止を通知し（Ｓ１５）、処理を終了する。

一方、リンク制御層１４は、伝搬遅延Δｔが基準値以下と判定した場合（Ｓ１３：ＮＯ）、物理層１３を更新する処理を実行する（Ｓ１６）。リンク制御層１４は、ホスト３０に更新結果を通知し（Ｓ１７）、処理を終了する。

以上の処理により、ホスト３０から物理層１３の更新要求を受信した場合でも、現在よりエラー耐性の低い物理層１３への更新が行われなくなるため、良好な通信品質を保つことができる。よって、本実施形態の無線通信装置によれば、第１の実施形態と同様に、通信距離が大きい場合でも、適切な物理層の選択を行うことで通信が切断しないようにすることができる。

（第３の実施形態）
ＢＬＥの標準規格では、ホスト３０からデバイス１０内部の物理層１３の更新を要求することが可能であると規定されている。しかしながら、従来では、ホスト３０が現在の伝搬遅延Δｔの情報をデバイス１０から取得する手段が規定されていなかった。そのため、ホスト３０は、エラー耐性を考慮するための情報が存在しない状況で物理層１３を更新するコマンドをデバイス１０に発行することになり、デバイス１０、２０間の通信距離が大きい場合、通信が切断してしまう可能性がある。

そこで、本実施形態では、デバイス１０が、通信における伝搬遅延Δｔの計測値をホストから読み取るためのコマンドとイベントを備えていることが特徴となっている。すなわち、ホスト３０は、このコマンドを使用することで伝搬遅延Δｔの計測値を任意のタイミングで取得することが可能となる。

本実施形態では、ホスト３０は、物理層１３の更新を希望するのに先立ち、伝搬遅延Δｔの大きさに関する情報をデバイス１０に要求する。ホスト３０が、伝搬遅延Δｔの計測値の通知を要求するコマンドをデバイス１０に発行すると、デバイス１０は伝搬遅延Δｔの計測値をイベントのパラメータとしてホスト３０に返送する。ホスト３０は、イベントを受け取ることで、デバイス１０が現在行っている通信における伝搬遅延Δｔの大きさを知ることができる。

図７は、ホストからデバイスに伝搬遅延の情報の取得要求が行われた場合の処理の一例を示すフローチャートである。

ホスト３０は、デバイス１０に物理層１３における伝搬遅延Δｔの情報の取得要求コマンドを発行する（Ｓ２１）。デバイス１０がコマンドを受け取ると、リンク制御層１４が伝搬遅延Δｔを計測する（Ｓ２２）。デバイス１０は、計測された伝搬遅延Δｔの情報を、イベントのパラメータとしてホスト３０に通知する（Ｓ２３）。ただし、デバイス１０内部に直近のタイミングでの伝搬遅延Δｔの値を有している場合は、リンク層１４による伝搬遅延Δｔの計測を省略することも可能である。

以上の処理により、ホスト３０は、伝搬遅延Δｔの情報を取得することができ、この情報に応じて物理層１３の更新コマンドをデバイス１０に発行するか否かを決定することができる。

ホスト３０は、伝搬遅延Δｔを基準値と比較することにより物理層１３の更新の可否を判断する。具体的には、ホスト３０は、伝搬遅延Δｔを基準値と比較した結果に応じて、物理層１３の更新を実行する、あるいは、実行しない、を判断して、デバイス１０に物理層の更新要求を出す、あるいは、出さない、を決定する。

その結果、ホスト３０は、デバイス１０、２０間の距離が１ｋｍより離れているときに、エラー耐性の低い物理層１３に更新してしまうことが無くなり、接続が切断されることを未然に防止することができる。

なお、本明細書におけるフローチャート中の各ステップは、その性質に反しない限り、実行順序を変更し、複数同時に実行し、あるいは実行毎に異なった順序で実行してもよい。また、例えば、既に測定済みの伝搬遅延情報が存在する場合など、状況によっては、一部の処理を省略してもよい。

発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，２０…デバイス、１１…アンテナ、１２…送受信回路、１３…物理層、１４…リンク制御層、１５…受信制御回路、１６…カウンタ、１７…レジスタ、３０…ホスト、１００…無線通信システム。

Claims (6)

1. 通信相手との間でパケットを送受信する送受信部と、
   前記通信相手に送信したパケットの末尾から一定の時間経過してから時間の計測を開始する計測部と、
   前記通信相手から送信されたパケットに含まれる同期コードを検出し、同期検出信号を生成する物理層と、
   前記同期検出信号が入力されたときの前記計測部の計測値を取得する取得部と、
   エラー耐性の異なる物理層に更新する機能を有し、前記計測値から前記同期コードの長さを減算した伝搬遅延を算出し、前記伝搬遅延に応じて前記物理層を更新するか否かを判断する制御部と、
   を有することを特徴とする無線通信装置。
2. 前記制御部は、前記伝搬遅延を基準値と比較し、
   前記伝搬遅延が前記基準値より大きい場合、エラー耐性の高い物理層からエラー耐性の低い物理層に更新しないように制御し、
   前記伝搬遅延が前記基準値以下の場合、前記エラー耐性の高い物理層から前記エラー耐性の低い物理層に更新するように制御することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記制御部は、ホストから前記物理層の更新を要求するコマンドを受信すると、前記伝搬遅延に応じて前記物理層を更新するか否かを判断することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
4. 前記制御部は、外部から伝搬遅延の情報を取得するためのコマンドと前記コマンドに対する応答イベントが実装されており、ホストから前記伝搬遅延の情報の通知を要求するコマンドを受信すると、前記伝搬遅延の情報を前記ホストに送信することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
5. 前記制御部は、前記伝搬遅延の情報を前記応答イベントのパラメータとして前記ホストに送信することを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
6. パケットを交互に送受信する第１の無線通信装置と第２の無線通信装置とを有する無線通信システムであって、
   前記第１の無線通信装置は、
   前記第２の無線通信装置との間でパケットを送受信する送受信部と、
   前記第２の無線通信装置に送信したパケットの末尾から一定の時間経過してから時間の計測を開始する計測部と、
   前記第２の無線通信装置から送信されたパケットに含まれる同期コードを検出し、同期検出信号を生成する物理層と、
   前記同期検出信号が入力されたときの前記計測部の計測値を取得する取得部と、
   エラー耐性の異なる物理層に更新する機能を有し、前記計測値から前記同期コードの長さを減算した伝搬遅延を算出し、前記伝搬遅延に応じて前記物理層を更新するか否かを判断する制御部と、
   を有し、
   前記制御部によって更新された前記物理層によって前記第２の無線通信装置と通信することを特徴とする無線通信システム。

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