JP2009147551A

JP2009147551A - 無線通信システム

Info

Publication number: JP2009147551A
Application number: JP2007321162A
Authority: JP
Inventors: Mayuko Ueno; 真由子上野
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: JP4914334B2

Abstract

【課題】ＣＣＡを確実に検出し、ＣＣＡ検出失敗によるスループット低下を防ぎ、かつセキュリティを確保することができる無線通信装置を提供する。
【解決手段】無線通信装置１００は、アンテナ１と、アンテナ１へＲＦ信号を送信するＲＦ部２と、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡＣ部３と、フレーム変調する変調部５と、信号低下期間を指定するための低下許可信号生成部６と、変調されたフレームの一部期間の信号品質を低下させる信号品質低下部４と、を備えて構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信システムに関し、さらに詳しくは、フレームを変調する変調手段を備えた無線通信システムにおいて、ＣＣＡを確実に検出する方法を備えた無線通信システムに関するものである。

８０２．１１規格の無線ＬＡＮは近年、端末を自由に移動させることができる利便性から、企業や一般家庭だけでなく、駅や空港、ホテル、カフェなどの飲食店にまで急速に普及している。今後は無線ＬＡＮをはじめWirelessＵＳＢ、Bluetoothといった様々な無線通信ネットワークが、オフィスでの効率化、生活の利便性向上のために、様々な機器に搭載されていくことが期待されている。ところがケーブルを接続しなければ傍受できない有線通信と違い、無線通信では電波漏洩による盗聴や不正アクセス、なりすましといった問題があり、セキュリティ確保が常に課題となってくる。特に、近年急速に普及している駅や空港、ホテル、カフェなどの飲食店で高速無線通信が可能になる公衆無線ＬＡＮサービスでは、不特定多数のユーザが常時出入りすることから、盗聴やなりすましなどの攻撃を受ける可能性が高い。そのため、強固なセキュリティや確かな認証技術の実現が要求されている。

また、特許文献１に開示されている技術では、無線送信出力を下げることで、電波の届く範囲を最小化し、他者が電波を傍受しにくくすることにより、無線通信のセキュリティを強化している。図１０は、一般的な無線ＬＡＮのＡＰ（アクセス・ポイント）４１と、そのＡＰ４１に接続中の無線通信端末４０と他者無線通信端末４２、それぞれの無線通信装置の電波が届く範囲を示した図である。図１１は従来技術の無線ＬＡＮにより電波の届く範囲を最小化し、ＡＰ４１と無線通信端末４０が通信している時の、ＡＰ４１と無線通信端末４０から出力される電波が届く範囲を示した図である。無線通信装置の多くでは、無線チャネルの使用状況をあらわすＣＣＡ（Clear Channel Assessment）機能を持つ。ＣＣＡは、無線チャネルの使用状況を確認し、ある一定電力レベル以上の受信信号や、復調可能と判断される信号が受信された時に検出される。８０２．１１をはじめとするＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）アクセス方式を用いる無線通信装置では、データの送信を行う前にＣＣＡの確認を行い、ＣＣＡが検出された場合には、そのチャネルは使用中であると判断され、データを送信することができない。
また、同一出願人より出願された特許文献２に開示されている技術では、ノイズ信号を送信データに加算することで電波の届く範囲を狭めている。
特開２００６−３３６５４公報特願２００６−１３６７０３公報

しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、図１０で示された環境では、ＡＰ４１、無線通信端末４０、他者無線通信端末４２がそれぞれお互いの送信データを受信することができるため、ＣＣＡ検出が正しく行うことができる。しかし、図１１に示された環境では、他者無線通信端末４２は、ＡＰ４１と無線通信端末４０の通信中の送信電波が届く範囲（領域Ａ）より外に位置しているため、ＡＰ４１と無線通信端末４０が通信している間のＣＣＡの検出ができない。そのためＡＰ４１と無線通信端末４０が通信中にもかかわらず、他者無線通信端末４２がＡＰ４１にデータを送信してしまい、フレームが衝突し、スループットが低下するという問題がおこる。またＲＴＳ／ＣＴＳを使うことでフレームが衝突する頻度を下げることはできるが、ＲＴＳ信号やＣＴＳ信号をやりとりする時間が余分にかかるため、スループットが低下してしまう。以上のように、無線送信出力を下げて電波の届く範囲を最小化することは、同じＡＰに接続中の他の無線通信端末がＣＣＡ検出を正しくできなくなってしまいスループットが低下するという問題があった。

また、特許文献２に開示されている従来技術は、８０２．１１ａにおけるＣＣＡ検出は、８０２．１１ａプリアンブルが検出された時と−６２ｄＢｍ以上の電力レベルの信号が検出された時に検出される。つまり−６２ｄＢｍ未満の電力レベルの信号は８０２．１１ａプリアンブルが検出されなければＣＣＡは検出されない。ノイズ信号を送信データに加算するとプリアンブルの信号品質が低下するため、プリアンブルの検出が難しくなる。そのため−６２ｄＢｍ未満の電力レベルの信号を受信した時のＣＣＡ検出が難しくなるという問題がおこる。さらにWirelessＵＳＢでは、最低受信感度（−８０．８ｄＢｍ）以上の電力レベルでWirelessＵＳＢのプリアンブルとＰＬＣＰ（Physical Layer Convergence Protocol）ヘッダの検出が行われないと、ＣＣＡの検出は保持されない。そのためノイズ信号を送信データに加算し、信号品質が低下するとプリアンブルやＰＬＣＰヘッダの検出ができずにＣＣＡを正しく検出できないという問題があった。

以上のように従来の無線通信装置においては、セキュリティを確保するために通信範囲を限定すると、他の無線通信装置でＣＣＡの検出が正しく行われなくなり、フレームが衝突し、スループットが低下するという問題があった。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、無線通信を行う無線通信装置において、変調されたフレームの一部期間のみ信号品質を低下させることによって、ＣＣＡを確実に検出し、ＣＣＡ検出失敗によるスループット低下を防ぎ、かつセキュリティを確保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。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、フレームを変調する変調手段を備え、該変調手段により変調されたフレームを相手方無線通信装置との間で互いに送受信する無線通信システムであって、前記変調手段により変調されたフレームの一部期間の信号品質を低下させる信号低下期間を指定する低下許可信号を生成する低下許可信号生成部と、前記変調手段により変調されたフレームの信号品質を低下させる信号品質低下手段と、を備え、前記信号品質低下手段は、前記低下許可信号生成部から生成される低下許可信号に基づいて前記フレームの信号品質を低下させることを特徴とする。
請求項２は、前記低下許可信号生成部から生成される低下許可信号は、前記変調されたフレームを構成するプリアンブル以外の期間にアサートされることを特徴とする。
請求項３は、前記低下許可信号生成部から生成される低下許可信号は、前記変調されたフレームを構成するデータ・ペイロードの期間にアサートされることを特徴とする。

請求項４は、前記信号品質低下手段内に、変調されたフレームの有効なビット数を削減することで量子化誤差を付加する量子化誤差付加手段を備え、前記信号品質低下手段は、前記量子化誤差付加手段により変調されたフレームの一部期間に前記量子化誤差を付加することを特徴とする。
請求項５は、前記信号品質低下手段内に、ノイズ信号を生成するノイズ信号生成手段を更に備え、前記信号品質低下手段は、変調されたフレームの一部期間に前記量子化誤差付加手段により生成されたノイズ信号を付加することを特徴とする。
請求項６は、前記低下許可信号生成部から生成される低下許可信号は、セキュリティ情報を含むフレームを送信する時にのみ前記変調されたフレームの一部期間の信号品質を低下させるようにアサートされることを特徴とする。

本発明によれば、無線通信を行う無線通信装置において、変調されたフレームの一部期間のみ信号品質を低下させることによって、ＣＣＡを確実に検出し、ＣＣＡ検出失敗によるスループット低下を防ぎ、かつセキュリティを確保することができる無線通信装置を提供することができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の無線通信装置の構成例を示す図である。なお、本発明に関する変調機能部のみを示しており、受信や送信に関する機能部については省略してある。無線通信装置１００は、アンテナ１と、アンテナ１へＲＦ信号を送信するＲＦ部２と、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡＣ部３と、フレーム変調する変調部５と、信号低下期間を指定するための低下許可信号生成部６と、変調されたフレームの一部期間の信号品質を低下させる信号品質低下部４と、を備えて構成される。

低下許可信号生成部６には、信号品質を低下させる任意の期間が設定され、変調されたフレームが送出されるのに合わせて、低下許可信号を生成する。本発明の第１の実施例を示す。本発明の第１の実施例を示す。図２は変調されたフレーム１０と低下許可信号１４の関係を示した図である。低下許可信号１４がアサートされた期間１５、ここでは変調されたフレーム１０の斜線部１３で信号品質が低下される。低下許可信号生成部６は、変調部５に備えてもよいし、変調部５よりも上位層に備えてもよい。フレームは変調部５で変調され、低下許可信号生成部６で生成された低下許可信号１４に基づいて、変調されたフレーム１０の一部期間１５を信号品質低下部４で信号品質を低下させ、ＤＡＣ部３、ＲＦ部２を通ってアンテナ１から送信される。

本発明の第２の実施例を示す。図３は８０２．１１ａにおけるフレームフォーマットの一例を示す図である。８０２．１１ａにおけるフレームは、ＰＬＣＰプリアンブル１１と、伝送速度やフレームのデータ長などの情報を持つＳＩＧＮＡＬ１２と、データ１３で構成される。低下許可信号生成部６では、変調されたフレーム１０のＰＬＣＰプリアンブル期間中は低下許可信号１４をディアサートし、ＳＩＧＮＡＬ１３とデータ期間中は低下許可信号１４をアサートする。低下許可信号１４がアサートされた期間の信号品質は信号品質低下手段４により低下される。８０２．１１ａにおけるＣＣＡ検出は、プリアンブルが検出された時と−６２ｄＢｍ以上の電力レベルの信号が検出となる。ＰＬＣＰプリアンブル１１の信号品質が低下しないことにより、プリアンブルによるＣＣＡ検出の検出範囲が狭くなることはない。一方、変調されたフレームのデータ部分１３は信号品質が低下されるため、データが受信できる範囲は狭くなる。

また、本発明の第３の実施例を示す。図４はWirelessＵＳＢにおけるフレームフォーマットの一例を示す図である。WirelessＵＳＢにおけるフレームは、ＰＬＣＰプリアンブル１６と、ＰＨＹヘッダやＭＡＣヘッダから成るＰＬＣＰヘッダ１７と、ＰＳＤＵ（PLCP Service Data Unit）１８で構成される。低下許可信号生成部６では、変調されたフレームのＰＬＣＰプリアンブル１６、ＰＬＣＰヘッダ１７期間中は低下許可信号１４をディアサートし、信号品質は低下させず、ＰＳＤＵ１８のみ低下許可信号をアサートし、信号品質を低下させる。WirelessＵＳＢでは、最低受信感度（−８０．８ｄＢｍ）以上の電力レベルでかつＰＬＣＰプリアンブル１６とＰＬＣＰヘッダ１７の検出ができないと、ＣＣＡは保持されない。そのため、ＰＬＣＰプリアンブル１６とＰＬＣＰヘッダ１７の信号品質を低下させないことで、ＣＣＡが検出できる範囲を保つ。一方変調されたフレームのＰＳＤＵ１８は信号品質が低下されるため、データが受信できる範囲が狭くなる。もちろん信号品質を低下させるのはＰＳＤＵ全体をでもよいし、ＦＣＳ１８ｂ、Ｔａｉｌ１８ｃ、パディング・ビット１８ｄを含まずFrame Payload１８ａのみでもよい。また、８０２．１１ａフレームにおいて、ＰＬＣＰプリアンブル１６、ＳＩＧＮＡＬの信号品質を低下させないで、データのみ信号品質を低下させることも有効である。これは、ＳＩＧＮＡＬに伝送速度やフレームの長さ情報が含まれているため、ＳＩＧＮＡＬを受信できることによりＣＣＡをフレームの長さ分、確実に保持することができるためである。

図５は、本発明の実施形態に係る無線通信システムを示す構成図の一例である。図５で示されるように、無線通信システム１１０は、ＡＰ（アクセスポイント）２１と、無線通信端末２０と、他者無線通信端末２２で構成される。ＡＰ２１が送信を行った時に、円２３がデータ受信が可能な範囲、円２４がＣＣＡ検出が可能な範囲である。
図６は、５．２ＧＨｚでの自由空間における電波の伝播特性を示した図である。縦軸に自由空間伝播損失（ｄＢ）、横軸に距離（ｍ）を示す、図６に示すように、５．２ＧＨｚの電波では１ｍ離れると約４７ｄＢ減衰する。そのため、例えば＋１０ｄＢｍの送信電力で通信を行う無線通信システムで、−７３ｄＢｍの受信信号に対して１０％程度のパケットエラーが発生する通信方式の場合、あと３６ｄＢ信号品質を低下させれば、データが受信できる範囲が１ｍとなる。なお、アンテナの損失や壁などの障害物での損失は考慮しないものとする。一方ＣＣＡ検出範囲は狭めないため、６５ｍの範囲でＣＣＡが検出できる。

図７は、本発明の他の実施形態に係る無線通信装置の構成例を示す図である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。信号品質低下部４として、量子化誤差付加部４ａを持つ。図７におけるＤＡＣ部３が１０ｂｉｔのＤＡＣであるとすると、信号品質低下部４で変調されたフレームの下位６ｂｉｔを１（または０）に固定することで、量子化誤差を付加する。これにより約３６ｄＢ信号品質を低下させることができ、データが受信できる範囲を１ｍへ狭めることができる。更に、データが受信できる範囲を１ｍから７５ｃｍへ狭めたい時には、あと３ｄＢ多く信号品質を低下させなければならない。量子化誤差付加部４ａでは、約６ｄＢごとにしか信号品質の低下はできない。

図８は、本発明の他の実施形態に係る無線通信装置の構成例を示す図である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。信号品質低下部４として、量子化誤差付加部４ａに加え、ノイズ信号生成手部４ｂを備える。ノイズ信号生成部４ｂでは、例えば、ＰＮ符号などを用いて擬似ランダムノイズ信号生成する。生成したノイズ信号を、加算器４ｃにより変調されたフレーム信号の一部期間へと加える。ここでは３ｄＢ分のノイズを加えることで、データが受信できる範囲を１ｍから７５ｃｍへ狭めることができる。その時のＣＣＡが検出できる範囲は変わらず６５ｍのままである。また、ここでは−７３ｄＢｍの受信信号に対して１０％程度のパケットエラーが発生する通信方式と仮定したが、１０％のパケットエラーが発生する受信信号レベルは伝送速度によって異なる。そのため、送信するデータ信号の伝送速度によって付加する量子化誤差やノイズ信号の量は変更する必要がある。また、ここでは送信電力を＋１０ｄＢｍと仮定した。もちろん送信電力はＣＣＡを検出させたい範囲に応じて変化させても良く、その時には送信電力によって付加する量子化誤差やノイズ信号の量を変更する必要がある。

図９は、変調されたフレームの一部期間の信号品質を低下させることをやめた時のＣＣＡ検出範囲とデータ受信可能範囲を示した図である。図５で示されるように、変調されたフレームの一部期間の信号品質を低下させると、データが受信できる範囲が狭くなり、無線通信装置を自由に移動させることができる利便性が損なわれてしまう。そこで、ユーザＩＤ、パスワード、ＭＡＣアドレス、ＳＳＩＤなどの認証情報や暗号キーなどの暗号情報といったセキュリティ情報を送信する時のみ変調されたフレームの一部期間の信号品質を低下させ、図５のようにセキュリティ情報を送信したい無線通信装置の近距離で通信し、セキュリティ情報を含まないデータを送信する時には変調されたフレームの一部期間の信号品質を低下させず、図９のように遠距離の無線通信装置でもデータが受信できるようにする。

本発明の無線通信装置の構成例を示す図である。変調されたフレーム１０と低下許可信号１４の関係を示した図である。８０２．１１ａにおけるフレームフォーマットの一例を示す図である。 WirelessＵＳＢにおけるフレームフォーマットの一例を示す図である。本発明の実施形態に係る無線通信システムを示す構成図である。５．２ＧＨｚでの自由空間における電波の伝播特性を示した図である。本発明の他の実施形態に係る無線通信装置の構成例を示す図である。本発明の他の実施形態に係る無線通信装置の構成例を示す図である。変調されたフレームの一部期間の信号品質を低下させることをやめた時のＣＣＡ検出範囲とデータ受信可能範囲を示した図である。従来のある環境における無線通信システムを示す構成図である。従来のある環境における無線通信システムを示す構成図である。

符号の説明

１アンテナ、２ＲＦ部、３ＤＡＣ部、４信号品質低下部、５変調部、６低下許可信号生成部、１０変調されたフレーム、１１ＰＬＣＰプリアンブル、１２ＳＩＧＮＡＬ、１３データ、１００無線通信装置

Claims

フレームを変調する変調手段を備え、該変調手段により変調されたフレームを相手方無線通信装置との間で互いに送受信する無線通信システムであって、
前記変調手段により変調されたフレームの一部期間の信号品質を低下させる信号低下期間を指定する低下許可信号を生成する低下許可信号生成部と、
前記変調手段により変調されたフレームの信号品質を低下させる信号品質低下手段と、を備え、
前記信号品質低下手段は、前記低下許可信号生成部から生成される低下許可信号に基づいて前記フレームの信号品質を低下させることを特徴とする無線通信システム。
前記低下許可信号生成部から生成される低下許可信号は、前記変調されたフレームを構成するプリアンブル以外の期間にアサートされることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
前記低下許可信号生成部から生成される低下許可信号は、前記変調されたフレームを構成するデータ・ペイロードの期間にアサートされることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
前記信号品質低下手段内に、変調されたフレームの有効なビット数を削減することで量子化誤差を付加する量子化誤差付加手段を備え、
前記信号品質低下手段は、前記量子化誤差付加手段により変調されたフレームの一部期間に前記量子化誤差を付加することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
前記信号品質低下手段内に、ノイズ信号を生成するノイズ信号生成手段を更に備え、
前記信号品質低下手段は、変調されたフレームの一部期間に前記量子化誤差付加手段により生成されたノイズ信号を付加することを特徴とする請求項１又は４に記載の無線通信システム。
前記低下許可信号生成部から生成される低下許可信号は、セキュリティ情報を含むフレームを送信する時にのみ前記変調されたフレームの一部期間の信号品質を低下させるようにアサートされることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。