JP2005223593A - データスロット割付方法及び無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】 データ期間におけるスロット割付のみを変更することにより、チャンネル利用効率の低下を招くことなく途絶状態の発生を低減する、データスロット割付方法及び無線通信システムの提供。
【解決手段】 複数のスロットを各移動体に割り付けることにより、１回の無線チャンネル内に複数の通信チャンスを作り出すことができる。また、各通信チャンスは時間的に分離されているので、一般に伝搬路の影響が異なることとなる。つまり、獲得した通信チャンネル内で複数回の通信機会があるので通信環境悪化等のデータ消失に対する改善効果がある。また、各移動体に複数の無線通信端末を搭載し、スロット割付毎に異なる無線通信機を用いて通信を行うようにしてもよい。
【選択図】 図２

Description

本発明は移動体等の移動体間の無線通信技術に関し、特に、無線チャンネルの低下をまねかない、データスロット割付方法及び無線通信システムに関する。

無線通信手段上、同一の通信チャンネルを多数の無線通信機器（以下、端末）が共有する環境においては、通信チャンネルの効率的な利用は重要な課題である。
このような状況を鑑み、基地局なしで各車両に搭載された端末が自由に通信できる無線通信システムとして図６に示すような複数の車両グループ間において特別な通信制御フレーム（ビーコン制御フレーム）と各車両を通信ネットワーク（以下、グループ）化することにより通信効率を向上させる手段等が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１におけるビーコンを用いた通信チャンネル取得手順では、図７に示すビーコン期間において、ビーコンをランダム送信することによって通信チャンネルの取得制御を実施している。このビーコン期間は、複数のビーコンスロット（slot１-slot10）により構成されており、送信するスロットをランダムに選択することにより、他端末（他グループ）との競合制御を実現している。このビーコン送信手順の基本的な考え方を次の（１）〜（７）に示す。

（１）ビーコン期間はビーコンよりも短いスロットから構成され、例えば、これをビーコンスロット１から３０とする。
（２）ビーコンは上記ビーコンスロットに同期していずれかのビーコンスロットで送信される。
（３）ビーコンの送信は、ランダム値（乱数１から３０）から送信するビーコンスロットを決定する。
（４）ビーコン送信以前に他端末ビーコンを受信した場合は、ビーコンの送信を中断する。
（５）ビーコンの送信が成功した端末（グループ）は、通信チャンネルを取得し、引き続くデータ期間においてデータ送信を行う。
（６）通信チャンネルを取得した端末（グループ）は、次回のビーコン期間には乱数値を取得する。
（７）通信チャンネルを取得しなかった端末（グループ）は、今回経過した時間を差し引いて次回のビーコン期間での乱数値とする。

次に、ユーザデータは、無線チャンネル取得後のデータ期間に処理される。図７では、slot1からslot10の１０個のデータスロットが用意されており、同一グループに所属する各端末に割り付けられている。例えば、グループ内の端末が端末１から端末１０であれば、夫々slot1からslot10に割り付けられる。

また、複数の移動体に搭載された無線通信機器間の無線通信システムにおいて、通信の途絶状態を回避し、通信チャンネルの効率的な利用を実現する、無線チャンネル周期変更手順として、自ネットワーク（以下、グループ）以外のグループ数を監視し、あるグループが一度通信権を取得した後に続くビーコン期間には、ビーコンの送信を一度休止するようにしてチャンネル周期を変更する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−１１８１９１号公報 特願２００３−１３５６１４号

上記特許文献１に開示の通信システムは、上記手順で無線チャンネルを取得し、そのチャンネル内では衝突のない無線通信の実現を目的としているが、移動体通信においては端末の移動に伴い受信レベルはレイリー分布等のフェージングを受けることによる伝送信号の信頼性低下の原因となる。

具体的には、複数のグループが配置され、道路形状や端末移動によるフェージング等の理由により互いの無線環境が悪化した場合、例えば、図８に示すような無線環境に配置された場合には、各端末間の無線通信が正常に行われない場合が考えられる。

図８は、各端末の位置と各々の無線通信エリアを示している。図８で、夫々の無線通信エリアは次のように想定できる。

（イ）グループＡのビーコン送信端末（Ａ−１）：後続の端末（Ａ−２）のみ。
（ロ）グループＡの端末（Ａ−２）：前方の端末（Ａ−１）と後方のグループＢの端末（Ｂ−１） 。
（ハ）グループＢのビーコン送信端末（Ｂ−１）：前方のグループＡの端末（Ａ−２）とグループＢの端末（Ｂ−２）。
（ニ）グループＢの端末（Ｂ−２）：前方の端末（Ｂ−１）のみ。

しかしながら、上述したような状況において、道路地形、構造物やフェージングによる影響を受け、端末（Ａ−２）及び端末（Ｂ−１）での他グループ端末の受信性能が劣化する可能性がある。

この場合、図９（図９（ａ）及び図９（ｂ））に示すような通信手順となり、ビーコンを用いたチャンネル同期及びチャンネル競合手順が成り立たなくなり、一部の通信が途絶する状況が発生する。

図９は無線通信タイミング重なり時の無線通信手順の一実施例を示す。
まず、グループＡのビーコン送信端末（Ａ−１）では後続の端末（Ａ−２）からのデータが良好に正常受信できる。しかし、自端末及び後方端末の周辺グループ数情報は周辺車群数が０（ゼロ）であるから、上記特許文献２に記載の無線チャンネル周期変更手順に示すように休止期間＝０＋１＝１となり、休止期間を１回として無線チャンネル取得制御を実行する。

次に、グループＢのビーコン送信端末（Ｂ−１）では後続の端末（Ｂ−２）からのデータが良好に正常受信できる。しかし、自端末及び後方端末の周辺グループ数情報は周辺車群数が０（ゼロ）であるから、休止期間＝０＋１＝１となり、休止期間を１回として無線チャンネル取得制御を実行する。

ここで、図９（ａ）と図９（ｂ）は、夫々のグループの無線通信タイミングが異なった状態を示している。特に、図９（ｂ）では端末（Ａ−１）と端末（Ｂ−１）のデータ送信タイミングが一致しているので、電波伝搬路状況が改善しても結果的に無線信号衝突が発生することを示している。このように、無線通信は、電波伝搬路の状況によってその状態が変化し、本来ならば正常通信が可能な端末間の通信を不可能とする。

このような場合の改善策としては、一般的に、検波後選択ダイバーシチ受信又は最大比合成ダイバーシチ等の採用を検討することが多い。しかし、例えば、検波後選択ダイバーシチ受信の手段としては、２系統のアンテナと２系統の受信回路を用いて常時２系統で無線信号の受信を行い、その結果から良好な受信信号を受信する手順となる。また、最大比合成ダイバーシチの手段は、良好な受信信号を選択する代わりに受信信号のＣＮＲ（Carrier Noise Ratio）が最大になるように合成を行うことになる。

これらは、どちらの場合もアンテナと受信回路とが２系統であり、選択又は合成部の最適設計を必要とする。また、消費電力の増大要因となったり、小型化の障害となるといった問題点がある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、データ期間におけるスロット割付のみを変更することにより、チャンネル利用効率の低下を招くことなく途絶状態の発生を低減する、データスロット割付方法及び無線通信システムに関する。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、複数の移動体間で無線通信を行って構成されるグループが複数設定されている無線通信システムであって、各グループにおいては、一つの移動体をビーコン局に割り当て、そのグループに属する他の移動体をクライアント局に割り当てるようにし、通信プロトコルは、複数のビーコンスロットからなるビーコン期間と複数のデータスロットからなるデータ期間が交互に繰り返されるように構成され、各データスロットは各移動体に割り当てられ、ビーコン期間において各グループのビーコン局からビーコン信号が送信され、各移動体は自移動体が属するグループのビーコン信号を受信した時にのみ自移動体に割り当てられたデータスロットの期間に自移動体のデータ信号を送信するよう制御される、ことを特徴とする通信プロトコルを用いた無線通信システムにおけるデータスロットの割付方法であって、各グループの各移動体１つずつにデータ期間のうちの複数のデータスロットを割り当てることを特徴とするデータスロット割付方法を提供する。

また、請求項２に記載の発明では、複数の移動体間で無線通信を行って構成されるグループが複数設定されている無線通信システムであって、各グループにおいては、一つの移動体をビーコン局に割り当て、そのグループに属する他の移動体をクライアント局に割り当てるようにし、通信プロトコルは、複数のビーコンスロットからなるビーコン期間と複数のデータスロットからなるデータ期間が交互に繰り返されるように構成され、各データスロットは各移動体に割り当てられ、ビーコン期間において各グループのビーコン局からビーコン信号が送信され、各移動体は自移動体が属するグループのビーコン信号を受信した時にのみ自移動体に割り当てられたデータスロットの期間に自移動体のデータ信号を送信するよう制御される、ことを特徴とする通信プロトコルを用いた無線通信システムにおいて、各グループの各移動体１つずつにデータ期間のうちの複数のデータスロットを割り当て、自移動体が属するグループのビーコン信号を受信した際に、各グループのビーコン局又はクライアント局はデータ期間のうち自移動体に割り当てられた複数のデータスロットでデータ信号を送信すること、特徴とする無線通信システムを提供する。

また、請求項３に記載の発明では、１つのビーコン期間とそれに続く１つのデータ期間をまとめて１周期とするとき、各グループのビーコン局は、ビーコン信号を送信した後、自グループ以外に存在するグループの数に１を加えた数に相当する周期分だけビーコン信号の送信を休止する、ことを特徴とする請求項２記載の無線通信システムを提供する。

また、請求項４に記載の発明では、各移動体は、データスロットのうち自移動体が割り当てられたデータスロットのスロット数に相当する台数の無線通信端末を搭載し、割り当てられた各データスロットでデータ信号を送信する際は、割り当てられたデータスロット毎に複数の無線通信端末のうちの異なる無線通信端末を用いてデータ信号を送信する、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の無線通信システムを提供する。

また、請求項５に記載の発明では、グループは移動体通信ネットワークであり、移動体は車両であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の無線通信システムを提供する。

本発明に基づくデータスロット割付方法を用いることにより、無線環境が悪化した場合でも通信チャンネルの効率低下を招かない良好な無線通信システムを提供できる。

前述した特許文献１に開示の技術では、データチャンネルを各端末別に割り付ける方式を用いていたが（特許文献１の説明中の（７）参照）、本発明では図２に示すように、新たなデータスロットの割り付け方式により、図８に示したような無線通信環境においても良好な通信チャンネルの取得制御を実現する。

図１は、本発明の無線通信システムにおいて各移動体に搭載する無線通信端末の一実施例の構成を示すブロック図であり、無線通信端末１００はアンテナ１１、無線通信部１２、制御部１３、メモリ１４及びインターフェース１５を備えている。

無線通信部１２は、制御部１３の制御下で所定の通信手順によりアンテナ１１を介してビーコン制御フレームの受信及びデータフレームの送受信を行なう。なお、無線通信端末１００が後述する代表無線通信端末の場合にはビーコン制御フレームの送受信及びデータフレームの送受信を行なう。

制御部１３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ（図示せず）のようなプログラム格納メモリ及び内部時計１３１と周辺回路から構成されるマイクロコンピュータ構成をなし、装置全体の制御及び後述の各手段（実施例ではプログラムで構成）により、グループＩＤ情報の比較や、優先度の判定、内部時計のビーコン時間に基づく修正、他のグループとの時刻同期等の実行制御のほか、本発明に基づくデータスロット割付による通信チャンネルの取得制御を行う。

また、プログラム格納メモリには無線通信端末全体の制御を行なう制御プログラムや通信プロトコルのほか、本発明の移動体間無線通信システムにおける通信制御等や必要な処理を行なう手段（プログラム）と、図４に示すような休止回数設定テーブル４０やビーコン制御フレームに含まれる情報（例えばグループＩＤやサブグループＩＤ等）をテーブル化したビーコン情報テーブル（図示せず）及び各種設定値等を格納している。

メモリ１４は無線通信部１２を介して受信したビーコン制御フレーム及びデータフレームの記憶やインターフェース１５を介して取得した移動体データ（移動速度、進行方向の方位、現在位置（座標）等）を制御部１３の制御下で記憶する。

インターフェース１５は移動体に備えられたセンサー等によって取得される移動速度、進行方向の方位、現在位置(座標）等の移動体データをデジタルデータに変換して制御部１３の制御下でメモリ１４に送ったり、メモリ１４から読み出したデータを信号変換して移動体側に送る（例えば、メモリ１４から駆動系制御データを読み出した場合には、移動体に備えられている駆動系制御部（図示せず）に送る）。

各移動体群の通信チャンネルはビーコン制御フレームを用いて通信チャンネルの取得を行なう。ビーコン制御フレームには、グループ内の各無線通信端末の通信チャンネル割当てを行なう機能が備わっている。この通信チャンネル割当て機能とは、データスロット割当て所属グループＩＤを持つビーコン制御フレームを受信した後に、各無線通信端末に割当てられたデータスロット期間にデータフレームを送信する為の割当て時刻を計算する機能である。

従って、グループ内の各無線通信端末は、割当てられた各データスロット期間において、特定の無線通信端末にのみデータフレーム送信を行なう権利があるので他無線通信端末とのデータフレームの衝突が発生しない。このようにビーコン制御フレームを用いることにより、通信チャンネルの確保、衝突の起こらないデータ通信環境を実現することができる。

また、このビーコン制御フレームは、各グループを代表する無線通信端末に与えられた特別な機能であり、通信時間の管理(基準時刻の設定)を行なう機能を有する。このビーコン制御フレームは、所属するグループを問わず全ての無線通信端末（図１）が受信することができる。

各グループ内の無線通信端末は、自グループのビーコン制御フレームであれば、それに含まれる時刻情報により内部時計を合わせる。この動作により、そのグループに属する無線通信端末の時刻同期を行なうことができ、更には、そのグループの次のビーコン制御フレームの受信時刻を予想することができる。

また、各グループの代表無線通信端末は前述したようにサブグループＩＤの優先順位により決定され、運用開始と共に内部時計１３１とビーコン間隔より計算された時刻にビーコン制御フレームを送出する機能を有している。なお、代表無線通信端末のハードウエア構成は図１と同様でよく、グループ内の他の無線通信端末とは、サブグループＩＤの優先順位により無線通信部１２のビーコン制御フレーム送信機能が活性状態であるという点と、代表無線通信端末としての制御部１３の機能が活性状態である点で異なる。つまり、各無線通信端末はグループ内の通常の無線通信端末として動作する通常モードと、代表無線通信端末として動作する代表モードを備え、通常モードと代表モードの切り換えは前述したようにサブグループＩＤの優先順位によって決定される。
（データスロットの割り付け）
図２は複数のデータスロット割付の例を示す図であり、図２（ａ）は１移動体に２スロットを割り付けた例、図２（ｂ）は１移動体に５スロットを割り付けた例である。
このように複数のスロットを各移動体に割り付けることにより、１回の無線チャンネル内に複数の通信チャンスを作り出すことができる。また、各通信チャンスは時間的に分離（時間的に異なるダイバーシチ）されているので、一般に伝搬路の影響が異なることとなる。つまり、獲得した通信チャンネル内で複数回の通信機会があるので通信環境悪化等のデータ消失に対する改善効果（通信品質の向上）がある。

なお、各移動体には通常１無線通信端末、つまり、１台の無線通信端末を搭載するので１台の無線通信端末で複数の無線通信を行うが、各移動体に複数の無線通信端末を搭載し、スロット割付毎に異なる無線通信機を用いて通信を行うようにしてもよい。このようにすれば、１台の無線通信機が故障しても同一移動体に搭載している他の無線通信端末により移動体間の通信を継続できるので、移動体間無線通信システムとして信頼性の高い無線通信を実現できる。

図３は、本発明によるデータスロット割付方法による、複数の移動体グループ間の各無線通信端末のチャンネルの取得手順を示すフローチャートであり、図４は、図３のチャンネル取得手順で用いる休止回数制御テーブルの設定例を示す図、図５は、本発明によるデータスロット割付方法による通信チャンネル取得を示すタイムチャートである。

図８に示したような、近距離に配置された複数の移動体グループがある無線通信環境において、互いのグループが順番に通信権を取得することが、一番効率的である。このような状況において、最適な通信権の取得を行なうには、図３のフローチャートに示すように無線通信エリア内に存在する自グループ以外のグループ数を監視し、あるグループが一度通信権を取得した後に続く１周期（ビーコン期間＋データ期間をいう、以下同じ）には、ビーコン信号及び／又はデータ信号の送信を一度休止するようにすると効果的である。つまり、通信権を取得したグループが通信終了後の通信権取得作業を休止すると、もう一方のグループは、単独でビーコン信号及び／又はデータ信号の送信を実行できることになり通信権の取得が可能となる。これは、三つ以上のグループが存在する無線通信エリア内に存在する時でも、そのうちのあるグループがビーコン及び／又はデータ信号の送信を休止することは他グループにとって競合相手が減少することになるので、チャンネル取得の平等性を実現し、見通しの悪い通信環境で移動体グループが近接した場合にも通信チャンネルの獲得衝突確率の低下と通信チャンネル獲得確率の増大効果をもたらす。

上記処理の具体的手順例を、各無線通信端末に２個のデータスロットを割り当てた例について、図４の送信休止回数制御テーブル、図５の各無線通信端末のタイムチャートを参照しつつ図３のフローチャートにより説明する。ここで、ビーコン送信無線通信端末（Ａ−１）及びビーコン送信無線通信端末（Ｂ−１）は休止カウンタを用いて、ビーコンの送信を行なうか否かを決定する。
すなわち、図３で、ビーコン送信無線通信端末（Ａ−１）の制御部１３は休止カウンタの値を調べ、休止カウンタ＝０のときはステップＳ２に進み、休止カウンタ≠０のときはステップＳ５に進む（ステップＳ１）。

上記ステップＳ１で休止カウンタ＝０のときは、無線通信端末（Ａ−１）の制御部１３は受信したビーコンから取得したグループＩＤの種類をカウントする。つまり、自グループ以外のグループの数をカウントし、更新時間（例えば、１秒）毎に周辺に存在する他グループ数を取得し（図８の例では、グループ数＝２であり、自グループ以外のグループ数＝グループ数−１＝１となる）（ステップＳ２）、この取得値を基に図４に示したような休止回数設定テーブル４０から休止回数を求め、これをビーコン送信休止回数として休止カウンタに設定する（図８の例では、自グループ以外のグループ数＝１であるから、休止回数設定テーブルから休止回数１を得て休止カウンタに設定する）（ステップＳ３）。

そして、無線通信端末（Ａ−１）の制御部１３はビーコン信号及びデータ信号の送信を無線通信部１２に行なわせ、ビーコン送信処理を終了する（ステップＳ４）。また、上記ステップＳ１で休止カウンタ≠０のときは、制御部１３は休止カウンタから１を減じてからビーコン送信処理を終了させる（ステップＳ５）。

上記動作により、ビーコン信号の送信を行ない、通信チャンネルを取得したならばその後ビーコン送信休止回数分の周期（ビーコン期間＋データ期間）に相当する時間は、通信チャンネルの取得を休止することができる。つまり、図８のグループの例では、ビーコン送信無線通信端末（Ａ−１）は、図４に示すように１回おきにビーコン信号及びデータ信号の送信を行うこととなる。また、グループＡの無線通信端末（Ａ−２）はこの期間にデータ信号を送信できる。同様に、ビーコン送信無線通信端末（Ｂ−１）も１回おきにビーコン信号及びデータ信号の送信を行う。グループＢの無線通信端末（Ｂ−２）はこの期間にデータ信号を送信できる。

ビーコン送信無線通信端末（Ａ−１）とビーコン送信無線通信端末（Ｂ−１）はチャンネル取得周期が変更され交互にビーコンの送信を行うこととなるので、図５に示すように交互に通信チャンネルを取得できる。つまり、近距離に配置された複数の移動体グループ間においてもビーコンの衝突が生じず、正常な通信が可能となる。上記の例ではグループ数を２としたが、３以上の場合についても同様である。

以上、本発明の一実施例について説明したが本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能であることはいうまでもない。

本発明の無線通信システムにおいて各移動体に搭載する無線通信端末の一実施例の構成を示すブロック図である。 複数のデータスロット割付の例を示す図である。 本発明によるデータスロット割付方法による複数の移動体グループ間の各無線通信端末のチャンネル取得手順を示すフローチャートである。 図３のチャンネル取得手順で用いる休止回数制御テーブルの設定例を示す図である。 本発明によるデータスロット割付方法による通信チャンネル取得を示すタイムチャートである。 無線通信エリア重なりを生じやすい無線通信環境の説明図である。 従来技術による移動体間無線通信システムにおける通信チャンネル取得手順を示す図である。 無線通信エリア重なりの一例を示す図である。 図８の無線エリア重なり時のチャンネル衝突の説明図である。

符号の説明

１２ 無線通信部
１３ 制御部
１００ 無線通信端末（ビーコン局、クライアント局）
Ａ、Ｂ 移動体グループ（グループ）
Ａ−１、Ａ−２、Ｂ−１、Ｂ−２ 移動体（移動体、車両）

Claims (5)

1. 複数の移動体間で無線通信を行って構成されるグループが複数設定されている無線通信システムであって、各グループにおいては、一つの移動体をビーコン局に割り当て、そのグループに属する他の移動体をクライアント局に割り当てるようにし、通信プロトコルは、複数のビーコンスロットからなるビーコン期間と複数のデータスロットからなるデータ期間が交互に繰り返されるように構成され、各データスロットは各移動体に割り当てられ、ビーコン期間において各グループのビーコン局からビーコン信号が送信され、各移動体は自移動体が属するグループのビーコン信号を受信した時にのみ自移動体に割り当てられたデータスロットの期間に自移動体のデータ信号を送信するよう制御される、ことを特徴とする通信プロトコルを用いた無線通信システムにおけるデータスロットの割付方法であって、
   各グループの各移動体１つずつに前記データ期間のうちの複数のデータスロットを割り当てることを特徴とするデータスロット割付方法。
2. 複数の移動体間で無線通信を行って構成されるグループが複数設定されている無線通信システムであって、各グループにおいては、一つの移動体をビーコン局に割り当て、そのグループに属する他の移動体をクライアント局に割り当てるようにし、通信プロトコルは、複数のビーコンスロットからなるビーコン期間と複数のデータスロットからなるデータ期間が交互に繰り返されるように構成され、各データスロットは各移動体に割り当てられ、ビーコン期間において各グループのビーコン局からビーコン信号が送信され、各移動体は自移動体が属するグループのビーコン信号を受信した時にのみ自移動体に割り当てられたデータスロットの期間に自移動体のデータ信号を送信するよう制御される、ことを特徴とする通信プロトコルを用いた無線通信システムにおいて、
   各グループの各移動体１つずつに前記データ期間のうちの複数のデータスロットを割り当て、自移動体が属するグループのビーコン信号を受信した際に、各グループのビーコン局又はクライアント局は前記データ期間のうち自移動体に割り当てられた前記複数のデータスロットでデータ信号を送信すること、
   を特徴とする無線通信システム。
3. １つのビーコン期間とそれに続く１つのデータ期間をまとめて１周期とするとき、前記各グループのビーコン局は、ビーコン信号を送信した後、自グループ以外に存在するグループの数に１を加えた数に相当する周期分だけビーコン信号の送信を休止する、ことを特徴とする請求項２記載の無線通信システム。
4. 各移動体は、前記データスロットのうち自移動体が割り当てられたデータスロットのスロット数に相当する台数の無線通信端末を搭載し、前記割り当てられた各データスロットでデータ信号を送信する際は、前記割り当てられたデータスロット毎に前記複数の無線通信端末のうちの異なる無線通信端末を用いてデータ信号を送信する、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の無線通信システム。
5. 前記グループは移動体通信ネットワークであり、前記移動体は車両であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の無線通信システム。

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