JP2008187530A - 通信システム、並びに、受信器及び送信器 - Google Patents
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Abstract
【課題】送信器から受信器への一方向のみの通信を行う片方向通信システムであっても、確実に受信器が送信器から送信された情報を受信することができる通信システム、並びに、当該通信システムに用いられる送信器及び受信器を提供する。
【解決手段】送信器20が、今回送信する現在情報に過去に送信した現在情報を過去情報として付加してフレームを生成した後にそのフレームを送信する。受信器10が、過去に送信器10からのフレームの受信に失敗していれば、送信器10からのフレームの受信が成功した後に今回受信したフレームに含まれる過去情報を過去に受信したフレームの現在情報とする。
【選択図】図1
【解決手段】送信器20が、今回送信する現在情報に過去に送信した現在情報を過去情報として付加してフレームを生成した後にそのフレームを送信する。受信器10が、過去に送信器10からのフレームの受信に失敗していれば、送信器10からのフレームの受信が成功した後に今回受信したフレームに含まれる過去情報を過去に受信したフレームの現在情報とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、通信システム、並びに、受信器及び送信器に係り、特に、受信器と、該受信器に対して同一無線通信回線を介して間欠的に情報を送信する複数の送信器とを備えた通信システム、並びに、該通信システムに用いられる受信器及び送信器に関するものである。
上述した通信システムの一つとしてPure ALOHAシステムが知られている。このPure ALOHAシステムでは、複数の送信器からの情報が周期的に受信器に送信される。データの送信自体は一瞬で終わるため、次の情報送信まで比較的長いポーズが発生する。さらに、各送信器はそれぞれ異なる送信周期を持つ。
このPure ALOHAシステムでのトラフィック量Gは下記の式(1)で表すことができる。トラフィック量Gは、時刻t0に同期して送信された送信器の数に相当する。式(1)に示すように、トラフィック量Gはデータパケットの伝送持続時間τを観測時間Tで平均化して求めることができる。
送信器の数はn=1、2、3…で、データパケットの数はγn=1、2、3…で、送信器nから観測時間Tの間に送信される。なお、Pure ALOHAシステムのスループットSはトラフィック量Gより式(2)で表すことができる。
S=Ge−2・G …(2)
S=Ge−2・G …(2)
図16に示すPure ALOHAシステムにおけるトラフィック量GとスループットSの関係のグラフより、トラフィックGが0.5のとき、スループットSは18.4%である。トラフィック量Gが小さいときでは送信器は大部分の時間が使われずスループットSが低くなる。一方、トラフィック量Gを大きいときは衝突が増大してスループットSが低くなる。Pure ALOHAシステムにおいては,図16より通信容量の80%以上が使われないままとなる。成功確率qは衝突なしに個々のパケットを送信可能な確率で、中間のトラフィック量GとスループットSより式(3)で表すことができる。
q=S/G=e−2・G …(3)
q=S/G=e−2・G …(3)
上述した通信システムの問題点として、複数の送信器が一つの受信器に対して一斉の情報を送信すると受信器で情報が殺到し情報の損失が生じる、という問題があった。この問題を解決する通信方式として、Slotted ALOHAや、CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)が提案されている(特許文献1〜3)。
上記Slotted ALOHA方式は、時間軸をタイムスロットと呼ばれる一定の時間幅に仕切る。そして、各送信器間でタイムスロットの同期を取りつつタイムスロットに従って情報を送信する方式である。このSlotted ALOHA方式によれば、複数の送信器からの情報同士が部分的に衝突することを防ぐことができる。しかし、1−e−G(Gはトラフィック量)の衝突が発生するため、高品質伝送は不可能であり、上位レイヤでの送信確認が必要となる。
上記CSMA/CA方式は、各送信器が所定の待ち時間以上継続して上記同一無線通信回線が空いていることを確認してから情報を送信する。上記待ち時間は最小限の時間にランダムな長さの遅延を加えた時間に定められている。これにより、直前の通信があってから複数の端末が一斉に送信することを防止している。また、データが正しく送信されたか否かは、受信器からAck(Acknowledge)信号が到着するかどうかで送信器で判断し、Ack信号がなければ通信障害があったとみなして、データの再送を行う。
しかしながら、上述したSlotted ALOHA方式、上記CSMA/CA方式では、送信器が受信機能を持つ必要がある。このため、送信器が受信機能を持たずに送信器から受信器への一方向のみの通信しか行えない片方向通信システムでは、上記Slotted ALOHA方式、上記CSMA/CA方式を適用することができない。
また、伝送路上もしくは受信時における情報(データ)の誤りを訂正する手段として、FEC(Forward Error Correction)がある。FECは、データの廃棄や誤りを検出したときのそのデータを再送することなく、転送すべきデータに付加した冗長データを用いて復元する通信方式である。しかしながら、FECによる誤り訂正は処理が複雑になるため、コスト的に問題があった。
また、一本のアンテナでダイバシティ効果を得る手段として、時間ダイバシティ技術がある。時間ダイバシティは、フェージングの状態が時間を追うごとに変化するため、時間をずらして同じ情報(データ)を送信することで、一本のアンテナでダイバシティ効果を得る。しかしながら、この時間ダイバシティは、送信器及び受信器で情報(データ)を常に蓄積する必要がある。
特開2000−299692号公報
特開平2−214240号公報
特開平11−150501号公報
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、受信器と、該受信器に対して同一無線通信回線を介して間欠的に情報を送信する複数の送信器とを備え、送信器から受信器への一方向のみの通信を行う片方向通信システムであっても、確実に受信器が送信器から送信された情報を受信することができる通信システム、並びに、当該通信システムに用いられる送信器及び受信器を提供することを課題とする。
上記課題を解決するためになされた請求項1記載の発明は、受信器と、該受信器に対して同一通信回線を介して間欠的に情報を送信する複数の送信器とを設けて、前記送信器から前記受信器への一方向のみの通信が行われるようにした通信システムにおいて、前記送信器が、今回送信する現在情報に過去に送信した前記現在情報を過去情報として付加してフレームを生成した後にそのフレームを送信するものであり、前記受信器が、前記送信器からの前記フレームの受信が成功した後に、今回受信したフレームに含まれる前記過去情報を過去受信したフレームの現在情報とするものであることを特徴とする通信システムに存する。
請求項2記載の発明は、前記送信器が、今回の送信からn回前までに送信した前記現在情報を前記過去情報として付加し、そして、前記n回が、当該通信システムの許容すべきフレーム損失率とトラフィック量との関係によって予め定められていることを特徴とする請求項1に記載の通信システムに存する。
請求項3記載の発明は、前記送信器が、前記現在情報及び/又は前記過去情報を圧縮して前記フレームを生成する圧縮手段を有し、そして、前記受信器が、前記圧縮された前記現在情報及び/又は前記過去情報を復元する復元手段を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の通信システムに存する。
請求項4記載の発明は、前記送信器が、一定時間の計時を繰り返す計時手段と、前記一定時間以下のランダムな遅延時間を発生させる遅延時間発生手段と、前記計時手段が一定時間の計時を終了してから前記遅延時間経過する毎に前記フレームを送信する送信手段と、を有することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の通信システムに存する。
請求項5記載の発明は、前記送信器が、情報損失を確認するための識別子をさらに付加して前記フレームを生成するものであり、そして、前記受信器が、前記フレームに付加してある識別子に基づいて情報損失を検出するものであることを特徴とする請求項1〜4何れか1項記載の通信システムに存する。
請求項6記載の発明は、受信器に対して通信回線を介して間欠的に情報を送信する送信器において、今回送信する現在情報に過去送信した現在情報を過去情報として付加してフレームを生成した後にそのフレームを送信することを特徴とする送信器に存する。
請求項7記載の発明は、同一通信回線を介して複数の送信器の各々から間欠的に情報が送信される受信器において、前記送信器から送信される今回送信する現在情報と過去に送信された前記現在情報である過去情報とを含むフレームの受信が成功した後に、今回受信したフレームに含まれる前記過去情報を過去受信したフレームの現在情報とすることを特徴とする受信器に存する。
以上説明したように請求項1、6及び7記載の発明によれば、送信器が、今回送信する現在情報に過去に送信した現在情報を過去情報として付加してフレームを生成した後にそのフレームを送信する。受信器が、送信器からのフレームの受信が成功した後に、今回受信したフレームに含まれる過去情報を過去受信したフレームの現在情報とする。これにより、伝送路における過負荷状態もしくはフレーム損失により損失した情報を復活させることができ、送信器から受信器への一方向のみの通信を行う片方向通信システムであっても確実に受信器が送信器から送信された情報を受信することができる。
請求項2記載の発明によれば、送信器が、今回の送信からn回前までに送信した現在情報を過去情報として付加し、そして、n回が、当該通信システムの許容すべきフレーム損失率とトラフィック量との関係によって予め定められているので、確実にフレーム損失を許容範囲内にすることができる。
請求項3記載の発明によれば、圧縮することによって付加する過去情報の数を増やすことができるため、より一層確実に伝送路における過付加状態もしくはフレーム損失により損失した情報を復活させることができる。
請求項4記載の発明によれば、一定時間の計時を終了してから遅延時間経過する毎にフレームを送信することにより、複数の送信器のフレームの衝突確率を低下させることができる。
請求項5記載の発明によれば、受信器が、フレームに付加してある識別子に基づいて情報損失を検出するので、正確に情報損失を検出することができる。
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の通信システムとしてのALOHAシステムの一実施形態を示す概略構成図である。同図に示すように、ALOHAシステムは、一つの受信器10と、この受信器10に対して同一無線通信回線を介して間欠的に情報を送信する複数の送信器20とを備えている。上記送信器20は、送信機能のみを持っていて受信機能を持っていない。つまり、ALOHAシステムは、送信器20から受信器10への一方向しか通信を行うことができない。
次に、上述した受信器10の詳細な構成について図2を参照して説明する。同図に示すように、受信器10は、受信アンテナAT1と、復調回路11と、μCOM12とを備えている。復調回路11は、送信器20によって変調された情報を復調する回路である。μCOM12は、受信器10全体の制御を行う。
次に、上述した送信器20の詳細な構成について図3を参照して説明する。同図に示すように、送信器20は、送信アンテナAT2と、変調回路21と、μCOM22とを備えている。変調回路21は、受信器10に送信する情報を変調する回路である。μCOM22は、送信器20全体の制御を行う。
上述した構成のALOHAシステムの動作について図4〜図7を参照して以下説明する。図4は、図1のALOHAシステムを構成する送信器20の処理手順を示すフローチャートである。図5は、図1のALOHAシステムを構成する受信器10の処理手順を示すフローチャートである。
まず、送信器20側の動作について説明する。電源投入に応じて送信器20のμCOM22が処理を開始する。μCOM22は、受信器10に送信するべき情報が発生するのを待って(ステップS11でY)、図示しないメモリ内に過去情報1〜nがあるか否かを判断する(ステップS12)。過去情報1〜nの一つもなければ(ステップS12でN)、μCOM22は、図6に示すように、受信器アドレス、送信器アドレス及びステップS1で発生した送信するべき情報である現在情報で構成されたフレームを生成する(ステップS13)。
これに対して、過去情報1〜nの一つでもあれば(ステップS12でY)、μCOM22は、図7に示すように、受信器アドレス、送信アドレス及び現在情報に加えて過去情報1〜nを付加してフレームを生成する(ステップS14)。なお、本実施形態では説明を簡略化するため、詳細なフレーム構成を述べていないが、現在情報に過去情報を付加する形式であれば、あらゆるフレーム構成に適用できる。その後、μCOM22は、生成したフレームを変調器21に出力する(ステップS15)。
これにより、生成されたフレームは、変調器21で変調された後、送信アンテナAT2から送信される。その後、μCOM22は、ステップS15で送信した現在情報を過去情報1とし、過去情報1を過去情報2とし、…過去情報n−1を過去情報nとしてメモリ内に格納した後(ステップS16)、ステップS11に戻る。なお、図4に示すフローチャートは一例であり、現在情報に過去情報を付加したフレームを生成して送信できればどんなフローであっても良い。
次に、受信器10側の動作について説明する。送信器20からフレームが送信されると、そのフレームが受信器10の受信アンテナAT1によって受信される。受信アンテナAT1によって受信されたフレームは、復調器11によって復調された後、μCOM11に供給される。μCOM11は、電源投入に応じて処理を開始する。μCOM11は、受信アンテナAT1が送信器20からのフレームを受信して復調器11からフレームが供給されると(ステップS21でY)、供給されたフレームに基づいて受信が成功したか否かを判定する(ステップS22)。
受信が失敗していれば(ステップS22でN)、μCOM11は、受信失敗カウンタmをインクリメントした後(ステップS23)、ステップS21に戻る。これに対して、受信が成功していれば(ステップS22でY)、μCOM11は、フレーム内の現在情報を今回受信したフレームの現在情報としてメモリ内に格納する(ステップS24)。その後、μCOM11は、受信失敗カウンタmが1回以上であれば(ステップS25でY)、m回前までの受信が失敗していると判断して、フレーム内の過去情報1〜mを1〜m回前に受信したフレームの現在情報としてメモリ内に格納した後(ステップS26)、ステップS27に進む。これに対して、μCOM11は、受信失敗カウンタmが0であれば(ステップS25でN)、直ちにステップS27に進む。次に、μCOM11は受信失敗カウンタmを0にした後(ステップS27)、ステップS21に戻る。
なお、図5に示すフローチャートは一例であり、受信に成功したフレームの過去情報を過去受信に失敗した現在情報として格納できればどんなフローであっても良い。
また、図5に示すフローチャートでは、過去にフレームの受信が失敗しているとき、今回受信したフレームに含まれる過去情報を過去に受信したフレームの現在情報としていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、フレームの受信が成功する毎に、今回受信したフレームに含まれる過去情報を過去に受信したフレームの現在情報としてもよい。
以上のALOHAシステムによれば、送信器20が今回送信する現在情報に過去に送信した現在情報を過去情報として付加してフレームを生成した後にそのフレームを送信し、受信器10が送信器20からのフレームの受信が成功した後に過去に受信失敗していれば今回受信したフレームに含まれる過去情報を過去受信したフレームの現在情報とする。これにより、伝送路における過負荷状態もしくはフレーム損失により損失した情報を復活させることができ、送信器20から受信器10への一方向のみの通信を行う片方向通信システムであっても確実に受信器10が送信器20から送信された情報を受信することができる。
次に、送信器20でのフレーム生成について説明する。ここで想定するALOHAシステムとしては、フレームサイズが133Bytes、伝送容量が250kbps、1つの送信器20が送信する送出フレームが3Frame/sec、送信器20の数が255個とする。次に、このALOHAシステムの性能について説明する。伝送路上で送信途中であるパケットが衝突を起こさずに送信されるためには、そのパケットの送出開始時刻からさかのぼってT秒以内に伝送路上にパケットが送出されておらず、なおかつ送出後T秒以内にも送出されないことが必要である。つまり、2T秒間に他のパケットが送出されると衝突が生じる。この衝突確率(アイドル状態と実施に衝突が生じる確率)は式(4)になる。
1−e−2・R・T=1−e−2・G …(4)
1−e−2・R・T=1−e−2・G …(4)
ここで、Rは単位時間当たりに発生した新規パケット数と再送パケットとの和、Gはトラフィック量である。本実施形態のALOHAシステムの場合、k回送信して成功する確率Pkは式(5)になる。
Pk=e−2・G・(1−e−2・G)k−1 …(5)
Pk=e−2・G・(1−e−2・G)k−1 …(5)
iフレームの発生する確率Pr[i]は、式(6)になる。
Pr[i]=Gi・e−G/i! …(6)
Pr[i]=Gi・e−G/i! …(6)
式(2)、(4)(6)より、フレーム損失率FERは式(8)になる。
FER=1−G・e−2G−e−G …(8)
FER=1−G・e−2G−e−G …(8)
ここで送信器20の端末数とフレーム損失率との関係を図8に示し、トラフィック量Gとフレーム損失率との関係を図9に示す。また、送信器20の端末数とk回送信して成功する確率との関係を図10に示し、トラフィック量Gとk回送信して成功する確率との関係を図11に示す。さらに、送信器20の端末数と送信成功確率、アイドル状態確率及び衝突確率との関係を図12に示し、トラフィック量Gと送信成功確率、アイドル状態確率及び衝突確率の和との関係を図13に示す。例えば、1000回に1回フレーム損失を許すシステムを構築する場合であれば、図8及び図9に示すように再送機能がないシステムの場合は、送信器20の端末数を1〜2で構成する。
再送1回まで許容するシステムの場合では、送信器20の端末数を10から11までネットワーク規模を拡大できる。同様にして、再送2回まで許容するシステムでは、送信器20の端末数を21から22までネットワーク規模を拡大でき、3回まで許容するシステムでは、送信器20の端末数を31から32までネットワーク規模を拡大することができる。再送3回まで許容するシステムの場合、図10及び図11により、1回目の送信で45%の確率で送信が成功する。また、図12及び図13に示すように、ネットワーク上に存在する送信器20の端末数が27を境に端末数が増えるに従って衝突する確率が多くなり、送信成功確率が低下する。
1000回に1回フレーム損失を許す場合の許容範囲を図14に示す。同図に示すように、送信器20が最大フレームサイズ133Byteを超えない範囲で現在情報に過去情報を付加してフレームを生成し、受信器10へ送信することで本システム規模に対応することができる。
具体的には、図9に示すように、例えばトラフィック量Gで許容するフレーム損失が1000回に1回(1×10−3)であれば再送3回まで行う必要がある。そこで、送信器20は、3つの過去情報を付加する。即ち、今回の送信から3回前(つまり、前々々回)までに送信した現在情報を過去情報1〜3として付加して送信すれば、再送を3回行うことができ、フレーム損失を1000回に1回とすることができる。このように、送信器20が、今回の送信からn回前までに送信した現在情報を過去情報1〜nとして付加し、そして、nをトラフィック量Gと許容すべきフレーム損失との関係によって定めることにより、確実にフレーム損失を許容範囲内とすることができる。
なお、上述した実施形態では、現在情報及び過去情報を圧縮しないでフレームを生成していたが、本発明はこれに限ったものではない。送信器20が現在情報及び過去情報を図示しない圧縮回路によって圧縮してフレームを生成してもよい。データ圧縮を使わない場合、送信器20は3つの過去情報を付加してフレームを生成できるとする。このとき現在情報量と過去情報量とは全て同じとする。一方、現在情報及び過去情報が50%に圧縮されている場合、過去情報を最大7つ付加してフレームを生成することができる。
以上により、付加する過去情報数を増やすことができるため、より一層確実に伝送路における過負荷状態もしくはフレーム損失により損失した情報を復活させることができる。
また、上述した実施形態では、現在情報及び過去情報の両方を圧縮していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、現在情報及び過去情報の何れか一方を圧縮してもよい。
また、上述した実施形態では、送信器20は受信器10に送信すべき送信情報が発生したときにフレームを生成して送信していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、送信器20に、一定時間以下のランダムな遅延時間を発生させる遅延時間発生器と、一定時間Tの計時を繰り返すタイマとを備えさせ、一定時間Tの計時してから遅延時間ΔTが経過する毎にフレームを送信することも考えられる。
ここで、2つの送信器20が同じ一定周期でフレームを生成し、送信する場合について図15(A)を参照して説明する。図15(A)に示すように、2つの第1送信器、第2送信器の送信周期T0と送信タイミングが同じとき、第1送信器、第2送信器がそれぞれ送信するフレームは常に衝突が生じるため、受信器10は第1送信器、第2送信器のフレームを受信することができない。
そこで、送信器20に送信周期T0(=一定時間)の計時を繰り返すタイマと、送信周期T0以下のランダムな遅延時間を発生させる遅延時間発生器とを設け、図15(B)に示すように、送信周期T0の計時が終了してから遅延時間が経過する毎にフレームを送信することにより、第1送信器及び第2送信器のフレームの衝突確率を低下させることができる。
また、本発明は上述した実施形態に限ったものではない。例えば、送信器20が、フレームに伝送路上もしくは受信器10での情報損失を認識するための識別子を付加することも考えられる。この識別子としては、送信器20でのフレーム生成順番番号やフレームを生成した時刻を用いることができる。
受信器10は、受信したフレームの識別子が受信器10側で認識している識別子と異なっていた場合、損失があり受信失敗と判断して(図5ステップS22でN)、受信失敗カウンタmをオンする(ステップS23)。一方、一致していた場合、受信成功と判断して(ステップS22でY)、ステップS24に進む。
また、上述した実施形態では、受信器10と送信器20との間は無線で通信していたが、本発明はこれに限ったものではない。本発明は、複数の送信器20が同一通信回線を介して受信器10に情報を送信するものであればよく、通信回線が有線であってもよい。
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
10 受信器
20 送信器
20 送信器
Claims (7)
- 受信器と、該受信器に対して同一通信回線を介して間欠的に情報を送信する複数の送信器とを設けて、前記送信器から前記受信器への一方向のみの通信が行われるようにした通信システムにおいて、
前記送信器が、今回送信する現在情報に過去に送信した前記現在情報を過去情報として付加してフレームを生成した後にそのフレームを送信するものであり、
前記受信器が、前記送信器からの前記フレームの受信が成功した後に、今回受信したフレームに含まれる前記過去情報を過去受信したフレームの現在情報とするものである
ことを特徴とする通信システム。 - 前記送信器が、今回の送信からn回前までに送信した前記現在情報を前記過去情報として付加し、そして、前記n回が、当該通信システムの許容すべきフレーム損失率とトラフィック量との関係によって予め定められていることを特徴とする請求項1に記載の通信システム。
- 前記送信器が、前記現在情報及び/又は前記過去情報を圧縮して前記フレームを生成する圧縮手段を有し、そして、前記受信器が、前記圧縮された前記現在情報及び/又は前記過去情報を復元する復元手段を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の通信システム。
- 前記送信器が、一定時間の計時を繰り返す計時手段と、前記一定時間以下のランダムな遅延時間を発生させる遅延時間発生手段と、前記計時手段が一定時間の計時を終了してから前記遅延時間経過する毎に前記フレームを送信する送信手段と、を有することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の通信システム。
- 前記送信器が、情報損失を確認するための識別子をさらに付加して前記フレームを生成するものであり、そして、前記受信器が、前記フレームに付加してある識別子に基づいて情報損失を検出するものであることを特徴とする請求項1〜4何れか1項記載の通信システム。
- 受信器に対して通信回線を介して間欠的に情報を送信する送信器において、
今回送信する現在情報に過去送信した現在情報を過去情報として付加してフレームを生成した後にそのフレームを送信することを特徴とする送信器。 - 同一通信回線を介して複数の送信器の各々から間欠的に情報が送信される受信器において、
前記送信器から送信される今回送信する現在情報と過去に送信された前記現在情報である過去情報とを含むフレームの受信が成功した後に、今回受信したフレームに含まれる前記過去情報を過去受信したフレームの現在情報とすることを特徴とする受信器。
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