JP2006173691A - 無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】基地局と端末から構成される無線通信システムにおいて、端末の電源として電池を用いる場合に端末の動作寿命を延ばすことは重要である。特に端末が通信可能な範囲に基地局が存在しない状態が長い場合、端末の待ち受け時の消費電力の低減が課題となる。
【解決手段】端末は基地局の送信する信号の受信信号電力強度をモニタし、所定の値を超えた場合に、基地局が存在するものとして、基地局と通信を行うための動作を行う。
【選択図】図５

Description

本発明は、基地局と端末から構成される無線通信システムに係り、特に端末の待ち受け時の省電力化を実現するための端末の無線部の構成とその制御方法に関するものである。

従来の無線通信システムには、例えば、センサネットやＲＦ−ＩＤタグ（非特許文献１参照。）と言ったシステムが存在する。以下、図１、図２、図３、図４により従来のセンサネットやＲＦ−ＩＤタグと呼ばれる無線通信システムついて説明する。
図１は、無線通信システム構成を示した図である。システム１は基地局２と少なくとも１台の端末３から構成され、基地局２と端末３は相互に無線によりデータや制御信号を送受信する。

図２は基地局２の構成を示した図である。基地局２はアンテナ２１と、無線部２２と、制御部２３と、メモリ２４と、インタフェース部２５から構成されている。アンテナ２１は、端末３との無線信号の送受信のインタフェースに用いる。アンテナ２１を通して受信した信号は無線部２２で復調され、受信データとして制御部２３で処理される。例えば端末３から端末データを受信した場合は制御部２３で必要な処理を施した後、必要に応じてメモリ２４に格納される。送信時は、制御部２３が送信する制御信号を生成し、これを無線部２２で変調し、アンテナ２１を通して送信する。インタフェース部２５は、上位のネットワーク４と接続するために用いる。

図３は従来の端末３の構成の一例を示した図である。本実施例ではセンサネットに使用する端末を例に説明する。端末３はアンテナ３１と、無線部３２と、制御部３３と、メモリ３４と、センサ３５と、電源３６から構成されている。センサ３５で取得したデータを基地局２に伝送する機能を持つものである。アンテナ３１、無線部３２は基地局２のアンテナ２１、無線部２２と同様の働きをする。制御部３３は無線部３２、メモリ３４、センサ３５の制御とセンサ３５からの情報を処理し、無線部３２、アンテナ３１を通して基地局２にデータを送信する。また、基地局２からの制御信号等をアンテナ３１、無線部３２と通して受信した場合は制御情報に基づいて、各種の処理を行う。メモリ３４は、センサ３５で取得したデータを一時的格納するために備える。センサ３５は、端末の内外の情報をセンシングするために備える。例えば温度センサを備えて、温度モニタリングシステムに用いる。電源部３６は端末３の各ブロックに電気を供給する。

図４は従来の端末３の無線部の詳細を示した図である。無線部３２は制御部３３から送られてきたデータを変調し、送信する機能と、端末からの受信信号を復調し、制御部３３に伝送する機能を有し、これらの動作パラメータを設定するレジスタ３１３を備える。
送信時は、制御部から送られてきたデータを符号化部３０１で符号化し、ミキサ３０２でアップコンバートされる。ミキサ３０２に入力されるローカル信号は発信器３０４で生成される。ミキサ３０２の出力信号をパワーアンプ３０３で送信に必要な電力値まで増幅し、アンテナ３１を通して送信する。アンテナスイッチ３０５は一つのアンテナ３１に対して、送受信回路を切り替えるために用いる。

受信時は、アンテナ３１から入力された信号は、ローノイズアンプ３０６で増幅され、ミキサ３０７でミキシングダウンされ、ベースバンド信号やＩＦ信号に変換される。その後、バンドパスフィルタ３０８で受信信号を選択し、増幅器３０９により復調器３１０において必要とされる信号振幅レベルまで増幅し、復調器３１０に入力する。入力された信号は復調器３１０で、受信データとして復調され、インタフェース部３１１と通して制御部３３に伝送される。キャリアセンス部３１２は受信信号の強弱を出力する。

上記で説明した無線通信システムの応用として、例えばトラッキング、在庫管理があげられる。トラッキング、在庫管理では端末のデータを読み取る基地局が、必要に応じて近くに運ばれてくるなど、端末と通信できる範囲に常時あるとは限らない。むしろ、端末が基地局と通信できる機会は少なく、ほとんどの時間は基地局が存在しない状態となる。一方、基地局は、端末のデータを読み出したいと思ったときには待たされることなく、そのデータを読み取れることが望ましい。
無線通信システムの端末に代表されるように電池で動作する機器は消費電力の低減が重要である。

特定のチャネルの信号のキャリアセンスを利用して機器の消費電力を低減させる公知例として例えば、特許文献１がある。特許文献１で示されたシステムでは、基本的に基地局が存在することが前提のシステムで使用される。

特開２００３−２４４０５７号公報

「日経エレクトロニクス」 ２００２年７月１５日号、ｐｐ.９９−１２９、日経ＢＰ社

前記のＲＦ−ＩＤタグやセンサネットシステムにおいて、端末の電源として電池を用いた場合、端末の動作寿命を延ばすことは使い勝手や運用コストの削減の面から重要である。特に、端末が基地局と常時通信可能な状態で使用されない場合、端末は待ち受け動作を続ける必要があり、この待ち受け動作時の消費電力は、端末の動作寿命に大きく影響を与える。端末の運用形態としては電池交換により端末を継続的に使用する形態と、使い捨てという形態が考えられるが、いずれの運用形態にとっても、端末の動作寿命を延ばすことは運用コストを低減に貢献する。

一般に、受信信号の復調と信号電力のモニタを比較した場合、信号電力をモニタする方が動作時の消費電力が少なく、また動作時間を短くすることができる。トータルの消費電力は動作時の消費電力とその動作の時間の積となるため、動作時の消費電力の低減と動作時間の短縮はトータルの消費電力の低減に効果的である。

そこで、本発明において、基地局は、端末に自局の存在を知らせるためのビーコンチャネルと、端末との通信に用いる別のチャネルを用意する。ここでチャネルとは、基地局の存在を端末に知らせるための信号と、基地局と端末との間で通信する際に用いる信号が、周波数領域、時間領域、符号領域の少なくともいずれか一つの領域において区別されたものである。

端末は基地局のビーコンチャネルの周波数帯の信号電力をモニタし、その周波数帯の信号電力が予め決められている所定の値を超えた場合に、基地局が存在するものとして、基地局と通信を行うための動作を行う。受信信号の信号電力が予め決められている所定の値を超えない場合は、通信可能な基地局が存在しないものと判断し、所定の時間待機する。以下、基地局が存在すると判断するまで信号強度のモニタと待機を繰り返す。この時、待機時間はシステムの利用形態に依存するが、利用方法が許す限り長くすることが望ましい。

無線機を構成する場合、特に受信系においては高周波フロントエンド部は非常に微小な電力を扱うアナログ回路で構成されるために、その他の回路例えば復調系のデジタル回路等とは別の電源系を用意し、デジタル系の雑音が入り込まないように構成する。そのため、受信信号をモニタする機能を高周波アナログフロントエンド部で行う構成とすることで、高周波アナログフロントエンド部の電源系に電源を供給すれば受信信号強度が測定でき、電源の構成や電源制御が容易となる。

受信信号の復調と信号電力のモニタを比較した場合、信号電力をモニタする方が動作時の消費電力が少なく、また動作時間を短くすることができる。トータルの消費電力は動作時の消費電力とその動作の時間の積となるため、動作時の消費電力の低減と動作時間の短縮はトータルの消費電力の低減に効果的である。本発明によれば、無線通信システムにおいて、端末の待ち受け時の消費電力を低減することができ、電池動作する端末の動作寿命を長くすることができる。さらに、本発明によれば、端末の動作寿命が延びるため、電池の交換頻度を減らすことができる。

端末が基地局の送信する信号の電力をモニタする動作を間欠的に行い、信号電力をモニタをしていない時には、間欠動作を行うための制御部以外の電源を切ることで、省電力化を図る。
端末が基地局の送信する信号の電力だけをモニタしている間は、端末上の無線部は、その信号をモニタするために必要な個所のみ電源を入れることで、省電力化を図る。
本発明によれば、高周波アナログフロントエンド部の電源系に電源を供給すれば受信信号強度が測定でき、電源の構成や電源制御が容易にすることができる。

特に、近距離無線通信では一般に送信よりも受信の際の消費電力が大きくなるため、キャリアセンスのための受信に必要な電力を削減することの効果は大きい。

以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。システム全体の構成は図１と同様で、端末と基地局の構成はそれぞれ図５、図６に示す通りである。
図５は本発明による端末の無線部の詳細を示した図である。送受信の動作は図３に示す端末と同様である。異なる点は、電源管理部１００を備え、動作条件により電源を供給先を切り替えることができるように無線部の内部を回路ブロック１０１〜１０５に区分する点である。送信、受信、キャリアセンスのそれぞれの動作において回路ブロック１０１〜１０５のうち必要最低限の回路ブロックのみに電力を供給することで不要な電力消費を行わないようにしている。
ここでキャリアセンスとは、ビーコンが送信されるチャネルにおける受信電力を用いて、ビーコンを送信する基地局が端末の通信範囲内に存在するか否かを判断することをいう。

レジスタを有するブロック１０５は無線部が動作している間は常時電力が供給される。送信時には回路ブロック１０１、１０２、１０５に電力が供給され、受信時には回路ブロック１０２、１０３、１０４、１０５に電力が供給される（受信したパケットに対してACK信号を送信する必要がなければ、回路ブロック１０１に電力を供給する必要はない）。また、キャリアセンス時には回路ブロック１０２、１０３、１０５に電源が供給され、受信時に必要であったブロック１０４への電力供給が不要となり、消費電力の削減が可能となる。

回路ブロック１０３において特定チャネルを選択的に取り出すことができるので、キャリアセンス時には回路ブロック１０３によりそのチャネルの受信電力を測定すれば通信可能な基地局の存在を確認することができる。復調等を行う回路ブロック１０４には電力を供給する必要がなく、この分の電力消費を削減することができる。また、送信のための回路ブロック１０１の分の電力消費も削減することができる。実際のデータ送受信を行う時間に対してキャリアセンスを行う時間が長いシステムにおいては、無線部の消費電力を部分的に削減するだけでも電力消費低減、ひいては電池寿命を長くする効果は大きい。

また、回路ブロック１０３はアナログ信号処理を行う受信部であり、回路ブロック１０４はディジタル信号処理を行う受信部である。回路ブロック１０４のディジタル系の信号処理を行わずに回路ブロック１０３のみを動作させて受信電力を測定する構成にすると、電力を供給する回路を削減し、かつ、動作時間を短縮できることにより、消費電力を低減することができる。

なお本実施例では、増幅器３０９の後段の信号をキャリアセンス部３１２に入力しているが、例えば、バンドパスフィルタ３０８の出力をキャリアセンス部３１２に入力する方法や、ローノイズアンプ（３０６）の出力を直接キャリアセンス部３１３に入力する方法でも同様の効果が得られる。増幅器３０９の後段の信号をキャリアセンス部３１２に入力する方法と、バンドパスフィルタ３０８の出力をキャリアセンス部３１２に入力する方法は、フィルタにより不要な他の信号を除去した後にキャリアセンス部３１２に信号を入力するため、キャリアセンスの精度が高くなる。一方、ローノイズアンプ（３０６）の出力を直接キャリアセンス部３１３に入力する方法は、発信器３０４、ミキサ３０７、ＢＰＦ３０８を動作させる必要がなく、該ブロックの電源を遮断する等により省電力化を図ることができる。

図６は本発明による基地局２の構成を示した図である。アンテナ２１と無線部２２をそれぞれ複数有する。基地局２はビーコンチャネルと通信チャネルの二つのチャネルを用意し、異なるチャネルとして異なる周波数を用いる実施例を示している。本実施例ではアンテナと無線部を複数備えた構成例を示している。これは、ビーコンチャネルと通信チャネルのそれぞれに異なる周波数を割り当てて使用する場合の構成を示している。例えば、ビーコンチャネルはアンテナ２１ａと無線部２２ａを使用し、通信チャネルはアンテナ２１ｂと無線部２２ｂを使用する。アンテナを共用して分波器を用いて複数の無線部と接続しても良い。

図７は基地局２の動作シーケンスを示した図である。基地局は電源投入後、無線部２２aとアンテナ２１aを用いて、ビーコンチャネル（ＣＨ１）上に端末３に自局の存在を通知するための信号を出力し続ける。一方、無線部２２bとアンテナ２１bを用いる通信チャネル（ＣＨ２）は受信待ち（Ｓ２０）となり、端末３からのデータパケットの受信を待つ。端末３からの受信パケットがある場合（Ｓ２１）、その受信したデータが誤りなく正しく受信できたかの判定を行う（Ｓ２２）。正しく受信できなかった場合は、受信データを破棄し再び受信待ち（Ｓ２０）となる。また、正しく受信できた場合は、送信元の端末に向けてＡｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｍｅｎt（ＡＣＫ）パケットを送信する（Ｓ２３）など、通常の受信処理を行う。

図８は端末３の動作シーケンスを示した図である。図９は基地局と端末間の無線通信手順の一例を示した図である。端末３は電源投入後、一定時間待機し（Ｓ３０）、ビーコンチャネル（ＣＨ１）においてキャリアセンスを行う。具体的には、回路ブロック１０２、１０３、１０５に電源を供給し、キャリアセンス部３１２において受信信号強度を測定する（Ｓ３１）。受信信号強度と予め決められた値との大小を比較する（Ｓ３２）。比較の結果、受信信号強度が閾値より小さければ、ビーコンは無く、よって基地局２が存在しないと判断し、待機状態（Ｓ３０）に遷移する。受信信号強度が閾値以上の場合は、基地局２が存在するものと判断して、少なくとも回路ブロック１０１、１０２、１０５に電源を供給して使用するチャネルを通信チャネルに切り替え（Ｓ３３）、データパケット（Ｐ３０）を送信する（Ｓ３４）。データパケット（Ｐ３０）送信後は、回路ブロック１０２、１０３、１０４、１０５に電源を供給し、ＡＣＫパケット（Ｐ２１）の受信待ち（Ｓ３５）となる。ＡＣＫパケット（Ｐ２１）の受信待ち（Ｓ３５）で一定時間待ってもＡＣＫパケット（Ｐ２１）が受信できなかった場合は再送回数をカウントアップ（Ｓ３６）し、所定の回数以内であれば（Ｓ３７）同じデータの再送を試みる。基地局からのＡＣＫパケットを受信した場合はデータの送信が完了したとして、再送回数のカウンタをクリアして再び待機状態（Ｓ３０）となる。

以下に、本発明の他の実施例について図を用いて説明する。図１０は端末の動作シーケンスの他の例を示した図である。図１１は基地局と端末間の無線通信手順の他の例を示した図である。本実施例では使用する周波数を一つとし、基地局２は周期的にビーコン信号（Ｐ２０）を送信し、端末３は基地局２のビーコン信号（Ｐ２０）のキャリアセンスを行い、受信信号強度を測定する。

基地局２の送信するビーコン信号（Ｐ２０）と端末３のキャリアセンスのタイミングを異なる周期とすることで、端末３と通信可能な範囲に基地局２が存在する場合には、キャリアセンスを何度か行うことで基地局のビーコン信号（Ｐ２０）を捉えることができる。あるいは、連続して行うキャリアセンスの時間をビーコン信号の送信間隔よりも長くしてもよい。以降の動作は実施例１と同様の方法で端末３はデータパケット（Ｐ３０）を送信し、基地局２はＡＣＫパケット（Ｐ２１）を送信する。この実施例によれば、基地局と端末はキャリアセンス用とデータ通信用とで周波数チャネルを切り替える必要がなくなる。

システム構成を示した図。 基地局の構成を示した図。 端末の構成を示した図。 従来の端末の無線部の詳細を示した図。 本発明による端末の無線部の詳細を示した図。 本発明による基地局の構成を示した図。 基地局の動作シーケンスを示した図。 端末の動作シーケンスを示した図。 基地局と端末間の無線通信手順の一例を示した図。 端末の動作シーケンスの他の例を示した図。 基地局と端末間の無線通信手順の他の例を示した図。

符号の説明

１・・・・センサネットシステム、２・・・・基地局、３・・・・端末、４・・・・ネットワーク、
２１・・・・アンテナ、２２・・・・無線部、２３・・・・制御部、２４・・・・メモリ、２５・・・・インタフェース、
３１・・・・アンテナ、３２・・・・無線部、３３・・・・制御部、３４・・・・メモリ、３５・・・・センサ、３６・・・・電源、
１００・・・・電源管理、１０１・・・・送信ブロック、１０２・・・・発振器ブロック、１０３・・・・受信系アナログブロック、１０４・・・・受信系デジタルブロック、１０５・・・・レジスタブロック、
３０１・・・・符号化部、３０２・・・・送信ミキサ、３０３・・・・ＰＡ、３０４・・・・発振器、３０５・・・・アンテナスイッチ、３０６・・・・ＬＮＡ、３０７・・・・受信ミキサ、３０８・・・・バンドパスフィルタ、３０９・・・・増幅器、３１０・・・・復調部、３１１・・・・インタフェース、３１２・・・・キャリアセンス部、
Ｓ２０・・・・受信待ち状態、Ｓ２１・・・・信号受信状態、Ｓ２２・・・・受信データ判定状態、Ｓ２３・・・・ＡＣＫ送信状態、
Ｓ３０・・・・スリープ状態、Ｓ３１・・・・キャリアセンス状態、Ｓ３２・・・・受信信号強度測定状態、Ｓ３３・・・・チャネル切替状態、Ｓ３４・・・・データ送信状態、Ｓ３５・・・・ＡＣＫ受信確認状態、Ｓ３６・・・・再送回数カウントアップ、Ｓ３７・・・・再送回数チェック、
Ｐ２０・・・・ビーコンパケット、Ｐ２１・・・・ＡＣＫパケット、Ｐ３０・・・・データパケット。

Claims (15)

1. 基地局と少なくとも１台の端末から構成される無線通信システムであって、
   前記基地局が、自局の存在を前記端末に通知することを目的とした無線信号を送信する機能を備え、
   前記端末が、前記基地局の存在を通知する信号のための通信チャネルで受信を行い、該通信チャネルの受信信号の電力を測定する機能を備え、受信電力測定の結果が所定の値より大きい場合に、前記基地局が該端末の通信範囲内に存在することを特徴とする無線通信システム。
2. 上記基地局が、自局の存在を端末に通知することを目的とした無線信号を送信するための通信チャネルのために第一の搬送波周波数使用し、上記端末との通信に用いる別の通信チャネルのために前記第一の搬送波周波数と異なる第二の搬送波周波数を使用し、
   上記端末が、前記第一の搬送波周波数で前記基地局の存在を通知する信号の受信電力を測定し、受信電力測定の結果が所定の値より大きい場合に、第二の搬送波周波数を用いて基地局と通信することを特徴とした、請求項１に記載の無線通信システム。
3. 上記基地局が、自局の存在を前記端末に通知することを目的とした無線信号を所定の第一の周期で送信し、上記端末が、所定の第二の周期で前記基地局の存在を通知する信号の受信電力を測定し、前記第一の周期の逓倍と第二の周期とが異なることを特徴とした請求項１または２に記載の無線通信システム。
4. 上記端末が前記基地局の存在を通知する信号の受信電力を測定する際、前記端末が、ローノイズアンプと、ダウンコンバートミキサと、フィルタとを有し、前記端末の受信した信号を前記ローノイズアンプで増幅し、前記ダウンコンバートミキサで中間周波数に変換し、前記フィルタでフィルタリングし、該フィルタリングの出力信号の大きさを測定することを特徴とした、請求項１から３のいずれかに記載の無線通信システム。
5. 上記端末が前記基地局の存在を通知する信号の受信電力を測定する際、前記端末が、ローノイズアンプを有し、前記ローノイズアンプの出力信号の大きさを測定することを特徴とした、請求項１から３のいずれかに記載の無線通信システム。
6. 基地局と少なくとも１台の端末から構成される無線通信システムにおける端末であって、
   所定の通信チャネルを検出する第１の受信部と、該検出された所定の通信チャネルにおける受信信号の信号処理を行う第２の受信部と、前記第１及び第２の受信部に選択的に電力を供給する電源部とを有し、
   該端末が自局の通信範囲内に基地局が存在するか否かを判断するために、
   前記電源部は前記第１の受信部に電力を供給し、
   前記第１の受信部は、前記基地局から送信される、該基地局の存在を通知するための無線信号を送信する前記所定の通信チャネルを検出し、該通信チャネルにおける受信電力を測定し、該受信電力に基づいて自局の通信範囲内に基地局が存在するか否かを判定することを特徴とする端末。
7. 請求項６記載の端末であって、該端末が自局の通信範囲内に基地局が存在するか否かを判断する際には、前記電源部は前記第２の受信部には電力を供給しないことを特徴とする端末。
8. 請求項６または７記載の端末であって、前記第２の受信部は、少なくとも前記第１の受信部で受信された信号を復調する復調部を有することを特徴とする端末。
9. 請求項６〜８のいずれかに記載の端末であって、前記第１の受信部はアナログ回路を含む受信部であり、前記第２の受信部はディジタル回路を含む受信部であることを特徴とする端末。
10. 請求項６〜９のいずれかに記載の端末であって、前記基地局の存在を通知するための無線信号を送信する所定の通信チャネルは搬送波周波数により規定される通信チャネルであることを特徴とする端末。
11. 基地局と少なくとも１台の端末から構成される無線通信システムのための端末における基地局検知方法であって、
    該端末は、所定の通信チャネルを検出する第１の受信部と、該検出された所定の通信チャネルにおける受信信号の信号処理を行う第２の受信部と、前記第１及び第２の受信部に選択的に電力を供給する電源部とを有し、
    該端末が自局の通信範囲内に基地局が存在するか否かを判断するために、
    前記電源部から前記第１の受信部に電力を供給し、
    前記第１の受信部において、前記基地局から送信される、該基地局の存在を通知するための無線信号を送信する前記所定の通信チャネルを検出し、該通信チャネルにおける受信電力を測定し、該受信電力に基づいて自局の通信範囲内に基地局が存在するか否かを判定することを特徴とする基地局検出方法。
12. 請求項１１記載の基地局検出方法であって、該端末が自局の通信範囲内に基地局が存在するか否かを判断する際には、前記電源部は前記第２の受信部には電力を供給しないことを特徴とする端末。
13. 請求項１１または１２記載の基地局検出方法であって、上記第２の受信部は、少なくとも前記第１の受信部で受信された信号を復調する復調部を有する受信部であることを特徴とする基地局検出方法。
14. 請求項１１〜１３のいずれかに記載の基地局検出方法であって、前記第１の受信部はアナログ回路を含む受信部であり、前記第２の受信部はディジタル回路を含む受信部であることを特徴とする基地局検出方法。
15. 請求項１１〜１４のいずれかに記載の基地局検出方法であって、前記基地局の存在を通知するための無線信号を送信する所定の通信チャネルは搬送波周波数により規定される通信チャネルであることを特徴とする基地局検出方法。

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