JP2004208074A - 間欠無線通信システムおよび間欠無線通信方法 - Google Patents
間欠無線通信システムおよび間欠無線通信方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】間欠的な無線通信において子機側の消費電力を削減すると共に、干渉波による通信不能な状況を回避する。
【解決手段】親機と子機との間で狭帯域無線チャネルを共用して通信を行う間欠無線通信システムにおいて、使用可能なチャネル全帯域の受信信号を高速フーリエ変換してチャネル毎の信号強度等を計算し、所望信号の可能性を評価する。可能性ありと判断されたチャネルに対して、通常の狭帯域受信器にてデータ復調する。子機が親機に向けて送出する無線パケットデータは、広帯域受信用プリアンブル，狭帯域切替ガード用プリアンブル，狭帯域受信用同期ワード、およびデータ部によって構成される。広帯域受信用プリアンブルは、広帯域受信部がパケットの存在を信号強度で認識するためのものである。狭帯域切替ガード用プリアンブルは、親機が広帯域受信から狭帯域受信に切り替えるのに必要な時間に相当する。
【選択図】 図１２
【解決手段】親機と子機との間で狭帯域無線チャネルを共用して通信を行う間欠無線通信システムにおいて、使用可能なチャネル全帯域の受信信号を高速フーリエ変換してチャネル毎の信号強度等を計算し、所望信号の可能性を評価する。可能性ありと判断されたチャネルに対して、通常の狭帯域受信器にてデータ復調する。子機が親機に向けて送出する無線パケットデータは、広帯域受信用プリアンブル，狭帯域切替ガード用プリアンブル，狭帯域受信用同期ワード、およびデータ部によって構成される。広帯域受信用プリアンブルは、広帯域受信部がパケットの存在を信号強度で認識するためのものである。狭帯域切替ガード用プリアンブルは、親機が広帯域受信から狭帯域受信に切り替えるのに必要な時間に相当する。
【選択図】 図１２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、間欠無線通信システムおよび間欠無線通信方法に関する。
【０００２】
さらに詳述すると、本発明は、親機と子機との間で狭帯域無線チャネルを共用して通信を行う間欠無線通信システム、および、間欠無線通信方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
図１は、１つの親機と複数の子機を備えた無線センサシステムの模式図である。一般に、センサ情報を無線回線を用いて伝達する場合、本図に示すように、センサを装備した１つまたは複数の子機とそれを中央監視する１つの親機を有する構成がとられる。
【０００４】
この種の無線センサシステムにおいては、子機側の消費電力を抑えるために、センサ状態の定期送信と、緊急の状態変化を通知する不定期な送信の双方または一方を間欠的に行う機能（以下、間欠送信という）を備えていることが多い。
【０００５】
具体例としては、窓の開閉状態をセンサで検知し、その状態を無線で間欠的に通知するホームセキュリティ・システムが挙げられる。すなわち、定期的に窓の開閉状態を子機から親機に報告するのと並行して、侵入者に窓を開かれた際にはそれを契機として不定期の送信を親機に対して行い、警備会社への通知あるいは警報を鳴らして事態に対処するシステムである。
【０００６】
図２は、単一固定チャネル受信方式（従来例１）によるパケット構成例を示す。この固定チャネル受信方式は、最も簡易な構成であることから、安価なホームセキュリティ・システムで実用化されている。本図に示したパケット構成例から明らかなように、狭帯域受信用プリアンブル長は、固定チャネルの受信レベル検出に必要な時間分に相当する。
【０００７】
図３は、複数固定チャネル受信方式（従来例２）による親機側の受信部を示す。親機においては、固定チャネル受信部を必要なチャネル数だけ並列に装備している。すなわち、親機の各固定チャネル受信部が、並行してパケットの到来を待機している。そして、いずれかの固定チャネル受信部が閾値以上の受信レベルを検出すると、その受信部はデータ復調を開始する。
【０００８】
図４，図５，図６，図７は、それぞれ、特開平０８−９６２８４号公報（特許文献１）などに記載されている巡回スキャン受信方式（従来例３）による、子機の送信部，親機の受信部，子機から親機に送信されるパケットの構造，親機側の受信シーケンスを示す。この巡回スキャン受信方式では、複数チャネルを巡回することにより、干渉波を回避している。
【０００９】
【特許文献１】
特開平０８−９６２８４号公報（段落［００２０］，［００２１］，図５）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例１（図２参照）では、使用チャネルを隣接した他システムが使用中の場合、即座に通信不能となってしまう。
【００１１】
従来例２（図３参照）では、固定チャネル受信部を多数装備する必要があるため、製造費の面において不利である。
【００１２】
また、従来例３（図４，図５，図６，図７参照）では、使用割り当てチャネルが少ないと干渉波で全てが使用不可となることが生じ得る。他方、使用割り当てチャネルを最大数に広げると、親機の全チャネルにわたる総巡回受信時間が増加するので、子機側のプリアンブル送信時間も増加し、消費電力の増加を招来するという問題がある。
【００１３】
よって本発明の目的は、上述の点に鑑み、間欠的な無線通信において子機側の消費電力を削減すると共に、干渉波による通信不能な状況を回避できるようにした、間欠無線通信システムおよび間欠無線通信方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る本発明は、親機と子機との間で、狭帯域無線チャネルを共用して通信を行う間欠無線通信システムにおいて、前記子機は、前記親機が使用可能な全チャネルの中から、送信に使用するチャネルを選択するチャネル選択手段と、前記選択されたチャネルが既に占有されて無効であるか、否かを検出する受信レベル検出手段とを備え、前記受信レベル検出手段により、前記選択されたチャネルの無効が検出された場合には、空チャネルを検出するまでチャネルを順次切り替えて前記受信レベル検出手段を継続的に動作させる。
【００１５】
請求項２に係る本発明は、請求項１に記載の間欠無線通信システムにおいて、前記親機は、使用可能な全チャネルの電波使用状況を監視するために高速フーリエ変換処理を行う一括広帯域受信手段を有し、前記一括広帯域受信手段により、あるチャネルにて所定以上の電波強度を検出したときは、前記子機との間における狭帯域通信処理に移行する。
【００１６】
請求項３に係る本発明は、請求項１または２に記載の間欠無線通信システムにおいて、前記子機から前記親機に送信するパケットは、前記親機が広帯域受信を行って電波強度を検出するための広帯域受信用プリアンブルと、前記親機が前記広帯域受信用プリアンブルを検出した後、狭帯域受信モードに切り替えるための所要時間に相当するガード期間を表すガード期間信号と、前記親機が前記狭帯域受信モードに切り替えた後に用いる狭帯域受信用同期シンボルと、前記親機に伝送すべきデータシンボルとを含む。
【００１７】
請求項４に係る本発明は、親機と子機との間で、狭帯域無線チャネルを共用して通信を行う間欠無線通信方法において、前記子機は、前記親機が使用可能な全チャネルの中から、送信に使用するチャネルを選択するステップと、前記選択されたチャネルが既に占有されて無効であるか、否かを検出するステップと、前記選択されたチャネルの無効が検出された場合には、空チャネルを検出するまでチャネルを順次切り替えて受信レベル検出を継続的に行うステップとを実行する。
【００１８】
請求項５に係る本発明は、請求項４に記載の間欠無線通信方法において、前記親機は、使用可能な全チャネルの電波使用状況を監視するために高速フーリエ変換処理を行い、あるチャネルにて所定以上の電波強度を検出したときは、前記子機との間における狭帯域通信処理に移行する。
【００１９】
請求項６に係る本発明は、請求項４または５に記載の間欠無線通信方法において、前記子機から前記親機に送信するパケットは、前記親機が広帯域受信を行って電波強度を検出するための広帯域受信用プリアンブルと、前記親機が前記広帯域受信用プリアンブルを検出した後、狭帯域受信モードに切り替えるための所要時間に相当するガード期間を表すガード期間信号と、前記親機が前記狭帯域受信モードに切り替えた後に用いる狭帯域受信用同期シンボルと、前記親機に伝送すべきデータシンボルとを含む。
【００２０】
【発明の実施の形態】
要旨
本実施の形態では、▲１▼間欠無線通信において子機の消費電力を抑え、▲２▼これと同時に、間欠無線通信において干渉波を回避することを実現するために、
親機と子機との間で狭帯域無線チャネルを共用して通信を行う間欠無線通信システムにおいて、使用可能なチャネル全帯域の受信信号を高速フーリエ変換してチャネル毎の信号強度等を計算し、所望信号の可能性を評価する。そして、可能性ありと判断されたチャネルに対して、通常の狭帯域受信器にてデータ復調する。
【００２１】
すなわち子機は、使用すべきチャネル選択手段と、そのチャネルがすでに占有されているか否かを検出するキャリアセンス手段と、そのチャネルの非占有を確認した後に所望のデータパケットを送信する送信手段とを備える。そして、通信は、子機側のセンサ値変化、または、タイマ制御による間欠的な定期報告で開始される。子機から親機への単向通信でも、親機からの確認信号等まで含む双方向通信でもよい。通信に用いる変調方式に関して当該手段からの制約はない。使用周波数帯に定められている規則にのみ従う。
【００２２】
子機のチャネル選択における優先順位の詳細は問わない。最初に選択したチャネルがすでに占有されていたことがキャリアセンスでわかった場合、別のチャネルに切り替えて再びキャリアセンスを行う。これを空チャネルが見つかるまで繰り返す。すべてのチャネルが占有されていると判断した場合には、子機は警報音等を発して通信状況の異常を知らせる。
【００２３】
一方、親機は、子機が使用可能な全チャネルの電波使用状況を監視する広帯域受信手段と、狭帯域受信手段と、両受信手段を切り替える演算制御部とを有する。この広帯域手段では、入力信号をミキサでダウンコンバートし、低域通過フィルタを通し、AD変換を行い、そのサンプル値をメモリに記憶し、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）器でこの周波数帯域に対してフーリエ変換を施し、「チャネル毎信号強度計算」処理によりチャネルに含まれる全チャネルの電波強度を一括的に得る。チャネルの電波強度は、各チャネルの帯域に含まれるＦＦＴのグリッドパワーの総和となる。チャネル毎電波強度計算の結果は、メモリに蓄積される。次に、演算制御部により、所定の閾値以上を有する信号強度をあるチャネルにて検出した場合、狭帯域受信に移行する。
【００２４】
子機が親機に向けて送出する無線パケットデータは、広帯域受信用プリアンブル，狭帯域切替ガード用プリアンブル，狭帯域受信用同期ワード、およびデータ部によって構成される。広帯域受信用プリアンブルは、広帯域受信部がパケットの存在を信号強度で認識するためのものである。変調されるべきシンボル値に制約はない。狭帯域切替ガード用プリアンブルは、親機が広帯域受信から狭帯域受信に切り替えるのに必要な時間に相当する。変調されるべきシンボル値に制約はない。狭帯域受信用同期ワードは、親機が狭帯域受信に切り替えた後に、シンボルパターンを解析することで、フレーム同期を確立する。データ部には、センサ値その他のアプリケーションに必要なデータが含まれる。
【００２５】
また、上述した狭帯域受信と広帯域受信の切り替え処理，干渉波の認識，狭帯域同期ワードでのフレーム同期検出，復調後のデータ品質評価は親機の演算制御部で行われる。
【００２６】
具体的説明
図８は、子機の送信部を示すブロック構成図である。本図において、２はセンサ部であり、送信のタイミングと送信すべきデータを提供する。４は演算制御部であり、“全チャネル”の中から送信用チャネルを選択し（従来は、特定の（巡回）チャネルから選択していた）、そのチャネルの空き状態を確認した上で受信状態から送信状態へ切り替え、センサデータ送信パケットを生成する。６はチャネル設定部であり、演算制御部４により指定されたチャネルを、無線送信部１０（後に述べる）および狭帯域無線受信部１２（後に述べる）に設定する。８は狭帯域変調部であり、演算制御部４が生成した送信データを変調する。１０は無線送信部であり、指定されたチャネルで実際に送信を行う。１２は狭帯城無線受信部であり、送信用に指定されたチャネルの占有状態を検査する。１４は電波強度検出部であり、送信用に指定されたチャネルの占有状態を検査する。１６はアンテナスイッチであり、受信モードと送信モードの切り替え指定に対応して、アンテナ入力を切り替える。ＡＮＴ−Ｓは、子機のアンテナである。
【００２７】
図９は、親機の受信を示すブロック構成図である。本図において、２０は広帯域受信用直接変換ミキサ（ＭＩＸ）、２２は広帯域受信用低域通過フィルタ（ＬＰＦ）、２４はＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）である。２６はサンプル記憶部であり、ＡＤ変換されたサンプルデータを所定数格納する。２８は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）器である。３０はチャネル毎電波強度計算部であり、ＦＦＴ結果からチャネルごとに電波強度を計算する。３２は結果記憶部であり、チャネルごとの電波強度を格納する。３４は演算制御部であり、チャネルごとの電波強度情報に基づいて復調すべきチャネルを選択する。３６は狭帯域受信チャネル設定部であり、復調用に指定されたチャネルを狭帯域無線受信部３８（次に述べる）に設定する。３８は狭帯域無線受信部であり、復調用に指定されたチャネルを受信する。４０は狭帯域復調部であり、復調に指定されたチャネルを復調する。ＡＮＴ−Ｂは、親機のアンテナである。
【００２８】
図１０は、子機側の制御手順を示すフローチャートである。本図において、ステップＳ２（データ送信要求）では、タイマあるいはセンサ値の変化を契機に、送信要求を発生する。
【００２９】
ステップＳ４（チャネル選択）では、所定のチャネル決定手段（例：過去の通信状況記録の優れた順に）で通信チャネルを指定する。この対象は全チャネルである（従来は、特定の（巡回）チャネルから選択していた）。
【００３０】
ステップＳ６（チャネルの通信状況チュック）では、上記指定チャネルのキャリアセンスを行う。
【００３１】
ステップＳ８（そのチャネルを使用したデータ送信）では、ステップＳ６において「使用可能」と判定された場合に、そのチャネルを使用してデータ送信を行う。
【００３２】
ステップＳ１０（異常警報）では、ステップＳ６において「すべて使用中」と判定された場合に、予め定めてある異常警報を発する。例えば、子機のブザーを鳴らす。
【００３３】
図１１は、親機側の制御手順を示すフローチャートである。本図において、ステップＳ２０（チャネル毎電波強度計算終了）では、最新のＦＦＴ計算結果に対応し、チャネル毎電波強度計算のセットを得る。
【００３４】
ステップＳ２２（個別チャネル電波強度チェック）では、１つのチャネルの電波強度が閾値以上であるか否かをチェックする。
【００３５】
ステップＳ２４（復調チャネル候補として登録）では、ステップＳ２２において「閾値以上」であると判定された場合、狭帯域受信で復調する候補としてマークする。
【００３６】
ステップＳ２６（全チャネルチェック）では、これを全てのチャネルについて調べる。
【００３７】
ステップＳ２８（復調候補数）では、最新のＦＦＴ計算結果について、復調候補となるチャネルが存在するか否かをチェックする。
【００３８】
ステップＳ３０（復調候補から最大強度チャネルを選択）では、干渉波パケットチャネル（後に述べる）を除いたうえで最も電波強度が強いチャネルを選択する。
【００３９】
ステップＳ３２（狭帯域受信で同期ワード検出）では、狭帯域受信モードに移り、子機から送信されたパケットに含まれている“狭帯域同期ワード”（図１２参照）を検出する。
【００４０】
ステップＳ３３（干渉波と認識）では、ステップＳ３２において同期検出エラーがあった場合、そのチャネルを干渉波パケットチャネルと認識する。
【００４１】
ステップＳ３４（狭帯域受信でデータ復号）では、ステップＳ３２において同期検出にエラーがなかった場合、狭帯域受信によりデータ復号処理を行う。
【００４２】
図１２は、子機から親機に向けて送信されるパケットの構造、および、親機側の受信シーケンスを示す説明図である。
【００４３】
親機側においては、ＦＦＴによってチャネルＣ１からＣＮまでの範囲（広帯域受信チャネル）が常時継続的に受信されている。その中でチャネルＣｔの所望の信号が送信され始めると、広帯域モニタ部（図９参照）では、広帯域受信用プリアンブルの電波強度を検出する。その直後に、演算制御部３４の指令により、狭帯域受信チャネル設定部３６が受信チャネルをＣｔに設定する。設定が完了するのに必要な時間が、狭帯域切替用ガード期間に対応する。そして、狭帯域無線受信部３８により狭帯域同期ワードを受信・復調し始める。このとき、広帯域受信を停止しても、停止しなくてもよい。上記チャネルＣｔの復調終了後は、広帯域受信が継続される。
【００４４】
実施の形態による効果
典型的な例として、特定小電力規格（ＡＲＩＢ ＳＴＤ−Ｔ６７）の４６チャネルすべてを使用する場合を考察する。ここでの変調方式はＦＳＫ(Frequency Shift Keying)で、伝送ビットレートが２４００ｂｐｓを想定する。
【００４５】
いま、狭帯域受信状態移行直後から所望のチャネルの信号強度が安定するまでの所要時間をＡ１、狭帯域受信信号強度が安定してから信号強度を計測終了するまでの所要時間をＡ２とすると、狭帯域特定チャネルの受信状態から別の狭帯域特定チャネルの受信状態への切替所要時間Ａ３は、Ａ３＝Ａ１＋Ａ２である。
【００４６】
また、連続的に受信している広帯域信号強度からパケット到来を計測終了するまでの所要時間をＢ１、広帯域受信状態から狭帯域チャネルの受信状態への切り替え所要時間をＢ２とすると、Ｂ１は広帯域用プリアンブル長、Ｂ２は狭帯域切替用ガード期間に対応する。
【００４７】
一般的な値として、Ａ１＝５ｍｓ，Ａ２＝１５ｍｓ，Ｂ１＝１５ｍｓ，Ｂ２＝１５ｍｓ，巡回チャネル数Ｎ＝４６を例にとると、既述の従来例３でのプリアンブル長が、Ａ３×（Ｎ＋１）＝９４０ｍｓであるのに対して、本実施の形態では、広帯域用プリアンブル長と狭帯域切替用ガード期間の和は、Ｂ１＋Ｂ２＝３０ｍｓとなる。
【００４８】
さらに、狭帯域同期ワードを３２シンボルとし、データ部を２５６ビットとして、２４００ｂｐｓ伝送する場合は、（３２＋２５６）／２４００＝１２０ｍｓであり、総パケット長は、従来例３にて、９４０＋１２０＝１０６０ｍｓとなる。他方、本実施の形態によれば、３０＋１２０＝１５０ｍｓとなり、子機における送信電力比で１０６０／１５０＝７．０７倍の差となることが判る。
【００４９】
しかも、既述の従来例１および従来例２において、プリアンブル長はＡ３＝Ａ１＋Ａ２＝２０ｍｓであり、総パケット長は２０＋１２０＝１４０ｍｓとなることから、わずかながら消費電力で有利であるが、妨害波への耐性を併せて考慮した場合、本実施の形態は従来例１に比べて圧倒的に優れている。また、製造費面から見た場合、本実施の形態は安価なＦＦＴ回路あるいはＤＳＰで構成できるので、従来例２より優れていることが明らかである。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、間欠的な無線通信において子機側の消費電力を削減すると共に、干渉波による通信不能な状況を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来から知られている無線センサシステムの概略構成図である。
【図２】従来例１を示す説明図である。
【図３】従来例２における親機側受信部を示すブロック図である。
【図４】従来例３における子機側送信部を示すブロック図である。
【図５】従来例３における親機側受信部を示すブロック図である。
【図６】従来例３におけるパケット構造を示すブロック図である。
【図７】従来例３における親機側の受信シーケンスを示す説明図である。
【図８】本実施の形態における子機の送信部を示すブロック図である。
【図９】本実施の形態における親機の受信部を示すブロック図である。
【図１０】本実施の形態における子機側の制御手順を示すフローチャートである。
【図１１】本実施の形態における親機側の制御手順を示すフローチャートである。
【図１２】本実施の形態におけるパケット構造および受信シーケンスを示す説明図である。
【符号の説明】
２ センサ部
４ 演算制御部
６ チャネル設定部
８ 狭帯域変調部
１０ 無線送信部
１２ 狭帯城無線受信部
１４ 電波強度検出部
１６ アンテナスイッチ
ＡＮＴ−Ｓ 子機のアンテナ
２０ 広帯域受信用直接変換ミキサ（ＭＩＸ）
２２ 広帯域受信用低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
２４ Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）
２６ サンプル記憶部
２８ 高速フーリエ変換（ＦＦＴ）器
３０ チャネル毎電波強度計算部
３２ 結果記憶部
３４ 演算制御部
３６ 狭帯域受信チャネル設定部
３８ 狭帯域無線受信部
４０ 狭帯域復調部
【発明の属する技術分野】
本発明は、間欠無線通信システムおよび間欠無線通信方法に関する。
【０００２】
さらに詳述すると、本発明は、親機と子機との間で狭帯域無線チャネルを共用して通信を行う間欠無線通信システム、および、間欠無線通信方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
図１は、１つの親機と複数の子機を備えた無線センサシステムの模式図である。一般に、センサ情報を無線回線を用いて伝達する場合、本図に示すように、センサを装備した１つまたは複数の子機とそれを中央監視する１つの親機を有する構成がとられる。
【０００４】
この種の無線センサシステムにおいては、子機側の消費電力を抑えるために、センサ状態の定期送信と、緊急の状態変化を通知する不定期な送信の双方または一方を間欠的に行う機能（以下、間欠送信という）を備えていることが多い。
【０００５】
具体例としては、窓の開閉状態をセンサで検知し、その状態を無線で間欠的に通知するホームセキュリティ・システムが挙げられる。すなわち、定期的に窓の開閉状態を子機から親機に報告するのと並行して、侵入者に窓を開かれた際にはそれを契機として不定期の送信を親機に対して行い、警備会社への通知あるいは警報を鳴らして事態に対処するシステムである。
【０００６】
図２は、単一固定チャネル受信方式（従来例１）によるパケット構成例を示す。この固定チャネル受信方式は、最も簡易な構成であることから、安価なホームセキュリティ・システムで実用化されている。本図に示したパケット構成例から明らかなように、狭帯域受信用プリアンブル長は、固定チャネルの受信レベル検出に必要な時間分に相当する。
【０００７】
図３は、複数固定チャネル受信方式（従来例２）による親機側の受信部を示す。親機においては、固定チャネル受信部を必要なチャネル数だけ並列に装備している。すなわち、親機の各固定チャネル受信部が、並行してパケットの到来を待機している。そして、いずれかの固定チャネル受信部が閾値以上の受信レベルを検出すると、その受信部はデータ復調を開始する。
【０００８】
図４，図５，図６，図７は、それぞれ、特開平０８−９６２８４号公報（特許文献１）などに記載されている巡回スキャン受信方式（従来例３）による、子機の送信部，親機の受信部，子機から親機に送信されるパケットの構造，親機側の受信シーケンスを示す。この巡回スキャン受信方式では、複数チャネルを巡回することにより、干渉波を回避している。
【０００９】
【特許文献１】
特開平０８−９６２８４号公報（段落［００２０］，［００２１］，図５）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例１（図２参照）では、使用チャネルを隣接した他システムが使用中の場合、即座に通信不能となってしまう。
【００１１】
従来例２（図３参照）では、固定チャネル受信部を多数装備する必要があるため、製造費の面において不利である。
【００１２】
また、従来例３（図４，図５，図６，図７参照）では、使用割り当てチャネルが少ないと干渉波で全てが使用不可となることが生じ得る。他方、使用割り当てチャネルを最大数に広げると、親機の全チャネルにわたる総巡回受信時間が増加するので、子機側のプリアンブル送信時間も増加し、消費電力の増加を招来するという問題がある。
【００１３】
よって本発明の目的は、上述の点に鑑み、間欠的な無線通信において子機側の消費電力を削減すると共に、干渉波による通信不能な状況を回避できるようにした、間欠無線通信システムおよび間欠無線通信方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る本発明は、親機と子機との間で、狭帯域無線チャネルを共用して通信を行う間欠無線通信システムにおいて、前記子機は、前記親機が使用可能な全チャネルの中から、送信に使用するチャネルを選択するチャネル選択手段と、前記選択されたチャネルが既に占有されて無効であるか、否かを検出する受信レベル検出手段とを備え、前記受信レベル検出手段により、前記選択されたチャネルの無効が検出された場合には、空チャネルを検出するまでチャネルを順次切り替えて前記受信レベル検出手段を継続的に動作させる。
【００１５】
請求項２に係る本発明は、請求項１に記載の間欠無線通信システムにおいて、前記親機は、使用可能な全チャネルの電波使用状況を監視するために高速フーリエ変換処理を行う一括広帯域受信手段を有し、前記一括広帯域受信手段により、あるチャネルにて所定以上の電波強度を検出したときは、前記子機との間における狭帯域通信処理に移行する。
【００１６】
請求項３に係る本発明は、請求項１または２に記載の間欠無線通信システムにおいて、前記子機から前記親機に送信するパケットは、前記親機が広帯域受信を行って電波強度を検出するための広帯域受信用プリアンブルと、前記親機が前記広帯域受信用プリアンブルを検出した後、狭帯域受信モードに切り替えるための所要時間に相当するガード期間を表すガード期間信号と、前記親機が前記狭帯域受信モードに切り替えた後に用いる狭帯域受信用同期シンボルと、前記親機に伝送すべきデータシンボルとを含む。
【００１７】
請求項４に係る本発明は、親機と子機との間で、狭帯域無線チャネルを共用して通信を行う間欠無線通信方法において、前記子機は、前記親機が使用可能な全チャネルの中から、送信に使用するチャネルを選択するステップと、前記選択されたチャネルが既に占有されて無効であるか、否かを検出するステップと、前記選択されたチャネルの無効が検出された場合には、空チャネルを検出するまでチャネルを順次切り替えて受信レベル検出を継続的に行うステップとを実行する。
【００１８】
請求項５に係る本発明は、請求項４に記載の間欠無線通信方法において、前記親機は、使用可能な全チャネルの電波使用状況を監視するために高速フーリエ変換処理を行い、あるチャネルにて所定以上の電波強度を検出したときは、前記子機との間における狭帯域通信処理に移行する。
【００１９】
請求項６に係る本発明は、請求項４または５に記載の間欠無線通信方法において、前記子機から前記親機に送信するパケットは、前記親機が広帯域受信を行って電波強度を検出するための広帯域受信用プリアンブルと、前記親機が前記広帯域受信用プリアンブルを検出した後、狭帯域受信モードに切り替えるための所要時間に相当するガード期間を表すガード期間信号と、前記親機が前記狭帯域受信モードに切り替えた後に用いる狭帯域受信用同期シンボルと、前記親機に伝送すべきデータシンボルとを含む。
【００２０】
【発明の実施の形態】
要旨
本実施の形態では、▲１▼間欠無線通信において子機の消費電力を抑え、▲２▼これと同時に、間欠無線通信において干渉波を回避することを実現するために、
親機と子機との間で狭帯域無線チャネルを共用して通信を行う間欠無線通信システムにおいて、使用可能なチャネル全帯域の受信信号を高速フーリエ変換してチャネル毎の信号強度等を計算し、所望信号の可能性を評価する。そして、可能性ありと判断されたチャネルに対して、通常の狭帯域受信器にてデータ復調する。
【００２１】
すなわち子機は、使用すべきチャネル選択手段と、そのチャネルがすでに占有されているか否かを検出するキャリアセンス手段と、そのチャネルの非占有を確認した後に所望のデータパケットを送信する送信手段とを備える。そして、通信は、子機側のセンサ値変化、または、タイマ制御による間欠的な定期報告で開始される。子機から親機への単向通信でも、親機からの確認信号等まで含む双方向通信でもよい。通信に用いる変調方式に関して当該手段からの制約はない。使用周波数帯に定められている規則にのみ従う。
【００２２】
子機のチャネル選択における優先順位の詳細は問わない。最初に選択したチャネルがすでに占有されていたことがキャリアセンスでわかった場合、別のチャネルに切り替えて再びキャリアセンスを行う。これを空チャネルが見つかるまで繰り返す。すべてのチャネルが占有されていると判断した場合には、子機は警報音等を発して通信状況の異常を知らせる。
【００２３】
一方、親機は、子機が使用可能な全チャネルの電波使用状況を監視する広帯域受信手段と、狭帯域受信手段と、両受信手段を切り替える演算制御部とを有する。この広帯域手段では、入力信号をミキサでダウンコンバートし、低域通過フィルタを通し、AD変換を行い、そのサンプル値をメモリに記憶し、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）器でこの周波数帯域に対してフーリエ変換を施し、「チャネル毎信号強度計算」処理によりチャネルに含まれる全チャネルの電波強度を一括的に得る。チャネルの電波強度は、各チャネルの帯域に含まれるＦＦＴのグリッドパワーの総和となる。チャネル毎電波強度計算の結果は、メモリに蓄積される。次に、演算制御部により、所定の閾値以上を有する信号強度をあるチャネルにて検出した場合、狭帯域受信に移行する。
【００２４】
子機が親機に向けて送出する無線パケットデータは、広帯域受信用プリアンブル，狭帯域切替ガード用プリアンブル，狭帯域受信用同期ワード、およびデータ部によって構成される。広帯域受信用プリアンブルは、広帯域受信部がパケットの存在を信号強度で認識するためのものである。変調されるべきシンボル値に制約はない。狭帯域切替ガード用プリアンブルは、親機が広帯域受信から狭帯域受信に切り替えるのに必要な時間に相当する。変調されるべきシンボル値に制約はない。狭帯域受信用同期ワードは、親機が狭帯域受信に切り替えた後に、シンボルパターンを解析することで、フレーム同期を確立する。データ部には、センサ値その他のアプリケーションに必要なデータが含まれる。
【００２５】
また、上述した狭帯域受信と広帯域受信の切り替え処理，干渉波の認識，狭帯域同期ワードでのフレーム同期検出，復調後のデータ品質評価は親機の演算制御部で行われる。
【００２６】
具体的説明
図８は、子機の送信部を示すブロック構成図である。本図において、２はセンサ部であり、送信のタイミングと送信すべきデータを提供する。４は演算制御部であり、“全チャネル”の中から送信用チャネルを選択し（従来は、特定の（巡回）チャネルから選択していた）、そのチャネルの空き状態を確認した上で受信状態から送信状態へ切り替え、センサデータ送信パケットを生成する。６はチャネル設定部であり、演算制御部４により指定されたチャネルを、無線送信部１０（後に述べる）および狭帯域無線受信部１２（後に述べる）に設定する。８は狭帯域変調部であり、演算制御部４が生成した送信データを変調する。１０は無線送信部であり、指定されたチャネルで実際に送信を行う。１２は狭帯城無線受信部であり、送信用に指定されたチャネルの占有状態を検査する。１４は電波強度検出部であり、送信用に指定されたチャネルの占有状態を検査する。１６はアンテナスイッチであり、受信モードと送信モードの切り替え指定に対応して、アンテナ入力を切り替える。ＡＮＴ−Ｓは、子機のアンテナである。
【００２７】
図９は、親機の受信を示すブロック構成図である。本図において、２０は広帯域受信用直接変換ミキサ（ＭＩＸ）、２２は広帯域受信用低域通過フィルタ（ＬＰＦ）、２４はＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）である。２６はサンプル記憶部であり、ＡＤ変換されたサンプルデータを所定数格納する。２８は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）器である。３０はチャネル毎電波強度計算部であり、ＦＦＴ結果からチャネルごとに電波強度を計算する。３２は結果記憶部であり、チャネルごとの電波強度を格納する。３４は演算制御部であり、チャネルごとの電波強度情報に基づいて復調すべきチャネルを選択する。３６は狭帯域受信チャネル設定部であり、復調用に指定されたチャネルを狭帯域無線受信部３８（次に述べる）に設定する。３８は狭帯域無線受信部であり、復調用に指定されたチャネルを受信する。４０は狭帯域復調部であり、復調に指定されたチャネルを復調する。ＡＮＴ−Ｂは、親機のアンテナである。
【００２８】
図１０は、子機側の制御手順を示すフローチャートである。本図において、ステップＳ２（データ送信要求）では、タイマあるいはセンサ値の変化を契機に、送信要求を発生する。
【００２９】
ステップＳ４（チャネル選択）では、所定のチャネル決定手段（例：過去の通信状況記録の優れた順に）で通信チャネルを指定する。この対象は全チャネルである（従来は、特定の（巡回）チャネルから選択していた）。
【００３０】
ステップＳ６（チャネルの通信状況チュック）では、上記指定チャネルのキャリアセンスを行う。
【００３１】
ステップＳ８（そのチャネルを使用したデータ送信）では、ステップＳ６において「使用可能」と判定された場合に、そのチャネルを使用してデータ送信を行う。
【００３２】
ステップＳ１０（異常警報）では、ステップＳ６において「すべて使用中」と判定された場合に、予め定めてある異常警報を発する。例えば、子機のブザーを鳴らす。
【００３３】
図１１は、親機側の制御手順を示すフローチャートである。本図において、ステップＳ２０（チャネル毎電波強度計算終了）では、最新のＦＦＴ計算結果に対応し、チャネル毎電波強度計算のセットを得る。
【００３４】
ステップＳ２２（個別チャネル電波強度チェック）では、１つのチャネルの電波強度が閾値以上であるか否かをチェックする。
【００３５】
ステップＳ２４（復調チャネル候補として登録）では、ステップＳ２２において「閾値以上」であると判定された場合、狭帯域受信で復調する候補としてマークする。
【００３６】
ステップＳ２６（全チャネルチェック）では、これを全てのチャネルについて調べる。
【００３７】
ステップＳ２８（復調候補数）では、最新のＦＦＴ計算結果について、復調候補となるチャネルが存在するか否かをチェックする。
【００３８】
ステップＳ３０（復調候補から最大強度チャネルを選択）では、干渉波パケットチャネル（後に述べる）を除いたうえで最も電波強度が強いチャネルを選択する。
【００３９】
ステップＳ３２（狭帯域受信で同期ワード検出）では、狭帯域受信モードに移り、子機から送信されたパケットに含まれている“狭帯域同期ワード”（図１２参照）を検出する。
【００４０】
ステップＳ３３（干渉波と認識）では、ステップＳ３２において同期検出エラーがあった場合、そのチャネルを干渉波パケットチャネルと認識する。
【００４１】
ステップＳ３４（狭帯域受信でデータ復号）では、ステップＳ３２において同期検出にエラーがなかった場合、狭帯域受信によりデータ復号処理を行う。
【００４２】
図１２は、子機から親機に向けて送信されるパケットの構造、および、親機側の受信シーケンスを示す説明図である。
【００４３】
親機側においては、ＦＦＴによってチャネルＣ１からＣＮまでの範囲（広帯域受信チャネル）が常時継続的に受信されている。その中でチャネルＣｔの所望の信号が送信され始めると、広帯域モニタ部（図９参照）では、広帯域受信用プリアンブルの電波強度を検出する。その直後に、演算制御部３４の指令により、狭帯域受信チャネル設定部３６が受信チャネルをＣｔに設定する。設定が完了するのに必要な時間が、狭帯域切替用ガード期間に対応する。そして、狭帯域無線受信部３８により狭帯域同期ワードを受信・復調し始める。このとき、広帯域受信を停止しても、停止しなくてもよい。上記チャネルＣｔの復調終了後は、広帯域受信が継続される。
【００４４】
実施の形態による効果
典型的な例として、特定小電力規格（ＡＲＩＢ ＳＴＤ−Ｔ６７）の４６チャネルすべてを使用する場合を考察する。ここでの変調方式はＦＳＫ(Frequency Shift Keying)で、伝送ビットレートが２４００ｂｐｓを想定する。
【００４５】
いま、狭帯域受信状態移行直後から所望のチャネルの信号強度が安定するまでの所要時間をＡ１、狭帯域受信信号強度が安定してから信号強度を計測終了するまでの所要時間をＡ２とすると、狭帯域特定チャネルの受信状態から別の狭帯域特定チャネルの受信状態への切替所要時間Ａ３は、Ａ３＝Ａ１＋Ａ２である。
【００４６】
また、連続的に受信している広帯域信号強度からパケット到来を計測終了するまでの所要時間をＢ１、広帯域受信状態から狭帯域チャネルの受信状態への切り替え所要時間をＢ２とすると、Ｂ１は広帯域用プリアンブル長、Ｂ２は狭帯域切替用ガード期間に対応する。
【００４７】
一般的な値として、Ａ１＝５ｍｓ，Ａ２＝１５ｍｓ，Ｂ１＝１５ｍｓ，Ｂ２＝１５ｍｓ，巡回チャネル数Ｎ＝４６を例にとると、既述の従来例３でのプリアンブル長が、Ａ３×（Ｎ＋１）＝９４０ｍｓであるのに対して、本実施の形態では、広帯域用プリアンブル長と狭帯域切替用ガード期間の和は、Ｂ１＋Ｂ２＝３０ｍｓとなる。
【００４８】
さらに、狭帯域同期ワードを３２シンボルとし、データ部を２５６ビットとして、２４００ｂｐｓ伝送する場合は、（３２＋２５６）／２４００＝１２０ｍｓであり、総パケット長は、従来例３にて、９４０＋１２０＝１０６０ｍｓとなる。他方、本実施の形態によれば、３０＋１２０＝１５０ｍｓとなり、子機における送信電力比で１０６０／１５０＝７．０７倍の差となることが判る。
【００４９】
しかも、既述の従来例１および従来例２において、プリアンブル長はＡ３＝Ａ１＋Ａ２＝２０ｍｓであり、総パケット長は２０＋１２０＝１４０ｍｓとなることから、わずかながら消費電力で有利であるが、妨害波への耐性を併せて考慮した場合、本実施の形態は従来例１に比べて圧倒的に優れている。また、製造費面から見た場合、本実施の形態は安価なＦＦＴ回路あるいはＤＳＰで構成できるので、従来例２より優れていることが明らかである。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、間欠的な無線通信において子機側の消費電力を削減すると共に、干渉波による通信不能な状況を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来から知られている無線センサシステムの概略構成図である。
【図２】従来例１を示す説明図である。
【図３】従来例２における親機側受信部を示すブロック図である。
【図４】従来例３における子機側送信部を示すブロック図である。
【図５】従来例３における親機側受信部を示すブロック図である。
【図６】従来例３におけるパケット構造を示すブロック図である。
【図７】従来例３における親機側の受信シーケンスを示す説明図である。
【図８】本実施の形態における子機の送信部を示すブロック図である。
【図９】本実施の形態における親機の受信部を示すブロック図である。
【図１０】本実施の形態における子機側の制御手順を示すフローチャートである。
【図１１】本実施の形態における親機側の制御手順を示すフローチャートである。
【図１２】本実施の形態におけるパケット構造および受信シーケンスを示す説明図である。
【符号の説明】
２ センサ部
４ 演算制御部
６ チャネル設定部
８ 狭帯域変調部
１０ 無線送信部
１２ 狭帯城無線受信部
１４ 電波強度検出部
１６ アンテナスイッチ
ＡＮＴ−Ｓ 子機のアンテナ
２０ 広帯域受信用直接変換ミキサ（ＭＩＸ）
２２ 広帯域受信用低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
２４ Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）
２６ サンプル記憶部
２８ 高速フーリエ変換（ＦＦＴ）器
３０ チャネル毎電波強度計算部
３２ 結果記憶部
３４ 演算制御部
３６ 狭帯域受信チャネル設定部
３８ 狭帯域無線受信部
４０ 狭帯域復調部
Claims (6)
- 親機と子機との間で、狭帯域無線チャネルを共用して通信を行う間欠無線通信システムにおいて、
前記子機は、
前記親機が使用可能な全チャネルの中から、送信に使用するチャネルを選択するチャネル選択手段と、
前記選択されたチャネルが既に占有されて無効であるか、否かを検出する受信レベル検出手段とを備え、
前記受信レベル検出手段により、前記選択されたチャネルの無効が検出された場合には、空チャネルを検出するまでチャネルを順次切り替えて前記受信レベル検出手段を継続的に動作させることを特徴とする間欠無線通信システム。 - 請求項１に記載の間欠無線通信システムにおいて、
前記親機は、使用可能な全チャネルの電波使用状況を監視するために高速フーリエ変換処理を行う一括広帯域受信手段を有し、
前記一括広帯域受信手段により、あるチャネルにて所定以上の電波強度を検出したときは、前記子機との間における狭帯域通信処理に移行することを特徴とする間欠無線通信システム。 - 請求項１または２に記載の間欠無線通信システムにおいて、
前記子機から前記親機に送信するパケットは、
前記親機が広帯域受信を行って電波強度を検出するための広帯域受信用プリアンブルと、
前記親機が前記広帯域受信用プリアンブルを検出した後、狭帯域受信モードに切り替えるための所要時間に相当するガード期間を表すガード期間信号と、
前記親機が前記狭帯域受信モードに切り替えた後に用いる狭帯域受信用同期シンボルと、
前記親機に伝送すべきデータシンボルと、
を含むことを特徴とする間欠無線通信システム。 - 親機と子機との間で、狭帯域無線チャネルを共用して通信を行う間欠無線通信方法において、
前記子機は、
前記親機が使用可能な全チャネルの中から、送信に使用するチャネルを選択するステップと、
前記選択されたチャネルが既に占有されて無効であるか、否かを検出するステップと、
前記選択されたチャネルの無効が検出された場合には、空チャネルを検出するまでチャネルを順次切り替えて受信レベル検出を継続的に行うステップと、
を実行することを特徴とする間欠無線通信方法。 - 請求項４に記載の間欠無線通信方法において、
前記親機は、使用可能な全チャネルの電波使用状況を監視するために高速フーリエ変換処理を行い、あるチャネルにて所定以上の電波強度を検出したときは、前記子機との間における狭帯域通信処理に移行することを特徴とする間欠無線通信方法。 - 請求項４または５に記載の間欠無線通信方法において、
前記子機から前記親機に送信するパケットは、
前記親機が広帯域受信を行って電波強度を検出するための広帯域受信用プリアンブルと、
前記親機が前記広帯域受信用プリアンブルを検出した後、狭帯域受信モードに切り替えるための所要時間に相当するガード期間を表すガード期間信号と、
前記親機が前記狭帯域受信モードに切り替えた後に用いる狭帯域受信用同期シンボルと、
前記親機に伝送すべきデータシンボルと、
を含むことを特徴とする間欠無線通信方法。
Priority Applications (1)
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| JP2002375323A JP2004208074A (ja) | 2002-12-25 | 2002-12-25 | 間欠無線通信システムおよび間欠無線通信方法 |
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2002
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