JP2010288327A

JP2010288327A - 無線通信ネットワークの無線端末給電システムおよび無線端末給電方法

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Publication number: JP2010288327A
Application number: JP2009138282A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Oshima; 尚一大嶋; Mitsuru Harada; 充原田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2009-06-09
Publication date: 2010-12-24
Anticipated expiration: 2029-06-09
Also published as: JP5456380B2

Abstract

【課題】無線通信ネットワークにおいて、基地局からの高出力なワイヤレス給電に代えて、無線端末に対して低出力なワイヤレス給電を行う。
【解決手段】基幹ネットワークに接続された基地局１１と、外部からワイヤレス給電を受け、基地局とデータ通信または制御信号通信を行う１つ以上の無線端末１２とを備えた無線通信ネットワークにおいて、基地局または無線端末と制御信号通信を行い、基地局または無線端末からの指示により近傍の無線端末へワイヤレス給電を行う１つ以上の無線給電端末１３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサを備えた多数の無線端末と基地局との間でデータ通信を行う無線通信ネットワークにおいて、無線端末へワイヤレス給電を行うための無線端末給電システムおよび方法に関する。

現在、我々の生活空間にセンサを備えた多数の無線端末を配置し、その情報を基地局を介して得ることで、環境、医療、セキュリティなどへ役立てる無線通信ネットワークが提案されている（非特許文献１）。このような無線通信ネットワークでは、多数の無線端末に一次電池を備えるとメンテナンスコストが膨大になることから、無線端末の低消費電力化による一次電池の長寿命化（例えば、非特許文献２）や、太陽電池による発電（例えば、非特許文献３）により、一次電池の入れ替えを行うためのメンテナンスコストを低減する方法が提案されている。

一方、基地局から無線端末へ無線により電力供給を行う方法であるワイヤレス給電技術が提案されている（例えば、非特許文献４）。このワイヤレス給電技術により、一次電池や太陽電池が不要となるため、一次電池のメンテナンスコストの抑圧が可能であり、また、暗所や夜間に給電ができない太陽電池を用いる場合の設置場所・時間帯の制約も回避することができる。

総務省ユビキタスセンサーネットワーク技術に関する調査研究会ワーキンググループ（第１回）、「資料ＷＧ１−１（参考）ユビキタスセンサーネットワークのイメージ」、平成１６年３月２５日 Wei Ye, et.al,"An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks,"IEEE INFOCOM, vol.3, pp.1567-1576, 2002 Vijay Raghunathan, et.al, "Design considerations for solar energy harvesting wireless embedded systems,"IEEE IPSN, pp.457-462, April, 2005 A. Sample, et.al, "Experimental Results with two Wireless Power Transfer Systems," IEEE Radio and Wireless Symposium, 2009

基地局から無線端末へワイヤレス給電を行う場合、十分な電力を供給するためには、ワイヤレス給電の高出力化が必要になる場合が想定される。特に、気象ならびに建造物等の環境条件によっては、ワイヤレス給電の無線波の伝送条件が劣化して電力供給効率が低下することから、更なる高出力化が必要になると想定される。しかし、ワイヤレス給電における無線波の高出力化は、経済的に非効率でありかつ技術的に困難であるだけではなく、法規上の制約、人体への影響、電磁誘導による機器誤動作の観点から実現性が乏しい。

本発明は、無線通信ネットワークにおいて、基地局からの高出力なワイヤレス給電に代えて、無線端末に対して低出力なワイヤレス給電を行うことができる無線端末給電システムおよび無線端末給電方法を提供することを目的とする。

第１の発明の無線端末給電システムは、基幹ネットワークに接続された基地局と、外部からワイヤレス給電を受け、基地局とデータ通信または制御信号通信を行う１つ以上の無線端末とを備えた無線通信ネットワークにおいて、基地局または無線端末と制御信号通信を行い、基地局または無線端末からの指示により近傍の無線端末へワイヤレス給電を行う１つ以上の無線給電端末を備える。

第２の発明の無線端末給電方法は、第１の発明の無線通信ネットワークの無線端末給電システムにおいて、基地局とデータ通信の要求が発生した特定の無線端末から無線給電端末に対して、電力供給開始を指示する制御信号を送信するステップ(1) と、電力供給開始を指示する制御信号を受信した無線給電端末から近傍の無線端末へワイヤレス給電を行うステップ(2) と、ワイヤレス給電を受けた特定の無線端末から基地局へ呼び出しを行う制御信号を送信するステップ(3) と、特定の無線端末と基地局との間でデータ通信を開始するステップ(4) とを有する。

第３の発明の無線端末給電方法は、第２の発明の無線端末において、搭載したセンサから出力されたセンサ信号を受信したときに、特定の無線端末としてステップ(1) に移行してもよい。

第４の発明の無線端末給電方法は、第１の発明の無線通信ネットワークの無線端末給電システムにおいて、特定の無線端末とデータ通信の要求が発生した基地局から無線給電端末に対して、電力供給開始を指示する制御信号を送信するステップ(1) と、電力供給開始を指示する制御信号を受信した無線給電端末から近傍の無線端末へワイヤレス給電を行うステップ(2) と、基地局からワイヤレス給電を受けた特定の無線端末へ呼び出しを行う制御信号を送信するステップ(3) と、特定の無線端末と基地局との間でデータ通信を開始するステップ(4) とを有する。

第５の発明の無線端末給電方法は、第４の発明におけるステップ(3) は、基地局から無線給電端末へ特定の無線端末への呼び出し代行を指示する制御信号を送信するステップ(3-1) と、特定の無線端末へ呼び出しを行う制御信号を送信するステップ(3-2) に代えてもよい。

第６の発明の無線端末給電方法は、第５の発明における基地局がステップ(1) の制御信号とステップ(3-1) の制御信号を同時に送信し、無線給電端末はステップ(2) のワイヤレス給電とステップ(3-2) の制御信号の送信を同時に行ってもよい。

第７の発明の無線端末給電方法は、第２〜第６のいずれかの無線端末給電方法において、無線給電端末から無線端末に対して診断を行う制御信号を送信し、その制御信号を受信した無線端末から無線給電端末に対して診断結果を示す制御信号を返信する。

本発明では、無線端末に対するワイヤレス給電に関して、従来技術のように基地局から行うのではなく、無線端末の近傍に配置される無線給電端末から行うことができる。これにより、基地局から無線通信ネットワーク内の全無線端末に対して行うワイヤレス給電に比べて、低出力でワイヤレス給電を行うことができる。また、基地局によるワイヤレス給電の長延化が困難な伝送条件においても、無線通信ネットワーク内の無線給電端末数を増やすことにより、経済的・技術的・法規上・安全上などの問題が懸念される高出力化を行うことなく、無線端末へのワイヤレス給電を行うことができる。

本発明の実施例１の無線端末給電システムの構成例を示す図である。無線通信ネットワークの構成例を示す図である。本発明の実施例２の無線端末給電方法の処理手順を示す図である。本発明の実施例３の無線端末給電方法の処理手順を示す図である。本発明の実施例４の無線端末給電方法の処理手順を示す図である。本発明の実施例５の無線端末給電方法の処理手順を示す図である。本発明の実施例６の無線端末給電方法の処理手順を示す図である。

図１は、本発明の実施例１の無線端末給電システムの構成例を示す。
図１において、実施例１の無線端末給電システムを構成する無線通信ネットワーク１０は、基幹ネットワーク（図示せず）に接続された基地局１１と、無線端末１２と、無線端末１２へワイヤレス給電する無線給電端末１３とにより構成される。無線端末１２および無線給電端末１３の数に制約はなく、無線通信ネットワーク１０内にそれぞれ１つ以上あればよいが、無線給電端末１３はワイヤレス給電しようとする無線端末１２の近傍に配置されることが特徴である。

次に、動作について説明する。無線のデータ通信は、データ通信の要求が発生した特定の無線端末１２と基地局１１との間で行われる。また、無線の制御信号通信は、特定の無線端末１２と基地局１１と無線給電端末１３との間でそれぞれ相互に行われる。特定の無線端末１２の動作電力は無線給電端末１３からワイヤレス給電されるが、無線給電端末１３はワイヤレス給電する無線端末１２を限定せず、図１の例ではワイヤレス給電のための無線波が届く範囲の配下の４つの無線端末１２に同時にワイヤレス給電が行われるものとする。

ワイヤレス給電の方法としては、無線給電端末１３から配下の無線端末１２へ、双方のアンテナを介して無線の搬送波による電力の供給を行う。搬送波としては、無変調の正弦波でよい。無線端末１２では、この無線の搬送波を受信し、所定の電圧の直流電力として取り出して利用する。その際、受信した搬送波は減衰した交流信号であることから、昇圧ならびに整流が必要となる。そこで、無線端末１２では、チャージポンプによる昇圧を行う。例えばワイヤレス給電の先行例（非特許文献４）では、無線端末１２にダイオードをスイッチとして用いたチャージポンプによる昇圧回路構成を使用している。ここでは、一般にチャージポンプではスイッチングが必要であるが、ワイヤレス給電の搬送波は交流であることから、ダイオードがスイッチの役割を果たしている。

なお、本実施例では、無線給電端末１３がワイヤレス給電を開始するまで、無線端末１２には外部からの電力供給は行われていない。したがって、ワイヤレス非給電時にも無線端末１２あるいは接続されたセンサ等の機器を動作させる必要がある場合には、この無線端末１２のチャージポンプより後段に二次電池を設け、ワイヤレス非給電時にも動作可能にしておく構造とする。

また、無線給電端末１３に対する電力の供給は、電力線や一次電池など、何を用いてもよい。無線給電端末１３は、無線端末１２に比べて移動がほとんどないと想定されることから、無線給電端末１３に対して電力線による給電も可能である。また、無線給電端末１３は、複数の無線端末１２に同時に給電が可能であることから無線端末１２に比べて台数を少なくできる。したがって、無線給電端末１３に対する給電を一次電池で行っても、無線端末１２が一次電池で給電される場合に比べてメンテナンスコストを抑えることができる。

例えば、図２に示すように、セル半径が数ｋｍ程の基地局１１に、無線端末１２を数千個配置し、無線端末１２からそれぞれ数ｍ程離れた所にワイヤレス給電を行う無線給電端末１３を配置する場合、無線端末１２の数千個より少ない数の無線給電端末１３に対して一次電池の交換を行えばよいので、大幅にメンテナンスコストを下げることができる。また、無線端末１２が太陽電池から給電される場合に比べ、ワイヤレス給電は無線端末１２の設置場所・時間帯といった制約を緩和することができる。

ここで、ワイヤレス給電の出力電力について評価を行う。基地局１１と無線端末１２と間の最大距離を10ｋｍ、無線給電端末１３と無線端末１２との間の最大距離を10ｍと仮定する。従来の基地局１１によるワイヤレス給電方式と、本発明の無線給電端末１３によるワイヤレス給電方式のアンテナの指向性を同一と仮定する。無線端末１２における受信電力は、伝送距離の二乗に反比例することから、同一の電力を無線端末１２に供給する場合、本発明の無線給電端末１３の出力電力は、従来の基地局１１の出力電力に比べて 100万分の１で済むことになる。

このように、本発明では、経済的・技術的・法規上・安全上などの問題が懸念される高出力化を行うことなく、無線端末１２へのワイヤレス給電が可能になる。また、無線給電端末１３におけるワイヤレス給電の出力を低下させると、１台の無線給電端末１３がワイヤレス給電できる距離は短くなるが、ネットワーク内における無線給電端末数を増やすことにより、ネットワーク内の全ての無線端末１２に対しワイヤレス給電を行うことが可能である。

さらに、基地局１１と無線端末１２との間の見通し区間に建物などの電磁波遮蔽物、雨滴などの電磁波散乱物が有る場合、従来方式ではワイヤレス給電が困難であった。本発明の方式では、建物などの電磁波遮蔽物を避けるように無線給電端末１３を設置することが可能であり、また無線給電端末１３と無線端末１２との間の距離が短いことから、雨滴などの電磁波散乱物の影響も少なくなる。

実施例２〜実施例５では、図１に示す無線通信ネットワーク１０において、無線給電端末１３から無線端末１２にワイヤレス給電を行う無線端末給電方法の異なる処理手順をそれぞれ示す。

図３は、本発明の実施例２の無線端末給電方法の処理手順を示す。
図３において、基地局１１，無線端末１２および無線給電端末１３の配置関係は、図１に示す無線通信ネットワーク１０内の配置と同様である。本実施例では、特定の無線端末１２から基地局１１に対してデータ通信を開始する際に、以下に示すステップ(1),(2),(3),(4) の手順を踏む。ステップ(1) は、特定の無線端末１２から無線給電端末１３へ電力供給開始を指示する制御信号を送信する。ステップ(2) は、無線給電端末１３から無線波が届く範囲の配下の無線端末１２へワイヤレス給電を行う。ステップ(3) は、特定の無線端末１２から基地局１１へ呼び出しを行う制御信号を送信する。ステップ(4) は、特定の無線端末１２と基地局１１との間でデータ通信を開始する。

以下、具体的動作例について説明する。特定の無線端末１２は、基地局１１とのデータ通信の要求が発生した場合、はじめに電力供給開始を指示する制御信号を無線給電端末１３へ送信する。無線給電端末１３では、その制御信号を受け、配下の無線端末１２に対してワイヤレス給電を開始する。特定の無線端末１２は、ワイヤレス給電された電力を元に、基地局１１の呼び出しを行う制御信号を送信し、基地局１１とのデータ通信を開始する。このようにして、特定の無線端末１２からの制御信号のハンドリングによりデータ通信を行うことができる。

なお、本実施例では、無線給電端末１３がワイヤレス給電を開始するまで、無線端末１２には外部からの電力は行われていない。したがって、無線端末１２は、チャージポンプより後段に二次電池を設け、ワイヤレス非給電時にも動作可能とする構造とする。以下に示す実施例３においても同様である。

図４は、本発明の実施例３の無線端末給電方法の処理手順を示す。
図４において、基地局１１，無線端末１２および無線給電端末１３の配置関係は、図１に示す無線通信ネットワーク１０内の配置と同様である。本実施例は、図３に示す実施例２の変形であり、無線端末１２に搭載されたセンサ１４で発生するセンサ信号を契機としてデータ通信を開始するステップ(0) がステップ(1) の前に加わる。

ここでは、無線端末１２にセンサ１４として振動センサを接続したセキュリティシステムを想定した具体的動作例について説明する。圧電素子から構成される振動センサは、振動時に電気信号（電圧）を発生する。このような振動センサは、例えば家庭にある複数の窓ガラスに貼り付ける構成となる。無線給電端末１３は、この家庭に１台設置し、この家庭内の全ての無線端末１２にワイヤレス給電を行う構成となっている。また、基地局１１は警備会社の監視装置に接続されており、複数の家庭内の複数の無線端末とのデータ通信を行う構成となっている。

今、窓ガラスに侵入等のセキュリティ上の異常が発生した場合、この窓に貼り付けられている無線端末１２に搭載された振動センサが振動を感知してセンサ信号を出力する。このセンサ信号を受け取った特定の無線端末１２は、警備会社の監視装置に信号を送信するために、実施例２に示すステップ(1) 〜(4) の手順を踏む。まず、特定の無線端末１２は、内部の二次電池に蓄えられた電力を用い、電力供給開始を指示する制御信号を無線給電端末１３へ送信する。無線給電端末１３では、その制御信号を受け、配下の無線端末１２に対してワイヤレス給電を開始する。特定の無線端末１２は、ワイヤレス給電された電力を元に、基地局１１の呼び出しを行う制御信号を送信し、基地局とのデータ通信を開始する。このようにして、振動センサが感知した振動情報を、警備会社の監視装置にデータとして送信することができる。

図５は、本発明の実施例４の無線端末給電方法の処理手順を示す。
図５において、基地局１１，無線端末１２および無線給電端末１３の配置関係は、図１に示す無線通信ネットワーク１０内の配置と同様である。本実施例では、基地局１１から特定の無線端末１２に対してデータ通信を開始する際に、以下に示すステップ(1),(2),(3),(4) の手順を踏む。ステップ(1) は、基地局１１から無線給電端末１３へ電力供給開始を指示する制御信号を送信する。ステップ(2) は、無線給電端末１３から配下の無線端末１２へワイヤレス給電を行う。ステップ(3) は、基地局１１から特定の無線端末１２へ呼び出しを行う制御信号を送信する。ステップ(4) は、特定の無線端末１２と基地局１１との間でデータ通信を開始する。

以下、具体的動作例について説明する。基地局１１は、特定の無線端末１２とのデータ通信の要求が発生した場合、はじめに電力供給開始を指示する制御信号を無線給電端末１３へ送信する。無線給電端末１３では、その制御信号を受け、配下の無線端末１２に対してワイヤレス給電を開始する。一方、基地局１１は、特定の無線端末１２の呼び出しを行う制御信号を送信する。特定の無線端末１２は、ワイヤレス給電された電力を元に基地局１１からの制御信号を受信し、基地局１１とのデータ通信を開始する。このようにして、基地局１１からの制御信号のハンドリングによりデータ通信を行うことができる。

図６は、本発明の実施例５の無線端末給電方法の処理手順を示す。
図６において、基地局１１，無線端末１２および無線給電端末１３の配置関係は、図１に示す無線通信ネットワーク１０内の配置と同様である。本実施例は、図５に示す実施例４の変形であり、基地局１１が特定の無線端末１２を直接呼び出すのではなく、無線給電端末１３が呼び出しを代行することにより、基地局１１と特定の無線端末１２と間でデータ通信を開始する。すなわち、ステップ(1) は、基地局１２から無線給電端末１３へ電力供給開始を指示する制御信号を送信する。ステップ(2) は、無線給電端末１３から配下の無線端末１２へワイヤレス給電を行う。ステップ(3-1) は、基地局１１から無線給電端末１３へ呼び出しを行う特定の無線端末１２を識別するＩＤを含む制御信号を送信する。ステップ(3-2) は、無線給電端末１３から特定の無線端末１２へ呼び出しを行う制御信号を送信する。ステップ(4) は、特定の無線端末１２と基地局１１との間でデータ通信を開始する。

なお、ステップ(3-1),(3-2) は、実施例４のステップ(3) に対応するものである。また、基地局１２は、ステップ(1) とステップ(3-1) の制御信号を同時に送信してもよい。また、無線給電端末１３におけるステップ(2) で配下の無線端末１３に対するワイヤレス給電動作と、ステップ(3-2) で特定の無線端末１３に対する制御信号（呼び出し）の送信動作は、同時に行ってもよいがそれぞれ個別の動作である。

以下、具体的動作例について説明する。基地局１１は、特定の無線端末１２とのデータ通信の要求が発生した場合、無線給電端末１３に対して電力供給開始を指示する制御信号と、特定の無線端末１２を識別するＩＤを含み、呼び出し代行を指示する制御信号を送信する。次に、無線給電端末１３は、配下の無線端末１２に対してワイヤレス給電を行うとともに、基地局１１に代わって特定の無線端末１２の呼び出しを行うためのＩＤを含む制御信号を送信する。無線給電端末１３から自身のＩＤを含む制御信号を受信した無線端末１２は、ワイヤレス給電された電力を元に基地局１１とのデータ通信を開始する。このようにして、基地局１１からの制御信号のハンドリングによりデータ通信を行うことができる。

図７は、本発明の実施例６の無線端末給電方法の処理手順を示す。
図６において、基地局１１，無線端末１２および無線給電端末１３の配置関係は、図１に示す無線通信ネットワーク１０内の配置と同様である。本実施例は、実施例２〜実施例５においてワイヤレス給電が行われたときに、無線給電端末１３から配下の無線端末１２へ診断を行うための制御信号を送信するステップ(11)と、配下の無線端末１２がそれぞれ故障や端末追加の情報などの診断結果を返信するステップ(12)を有することを特徴とする。

以下、具体的動作例について説明する。無線給電端末１３は、配下の無線端末１２の追加情報や故障情報などを取得するため、配下の無線端末１２へ診断を行うための制御信号を送信する。その制御信号を受信した無線端末１２は、それぞれ故障や端末追加の情報などの診断結果を含む制御信号を無線給電端末１３へ返信する。また、無線給電端末１３は、この診断結果を基地局１１に転送してもよい。これにより、無線給電端末１３の配下に多数の無線端末１２が存在する場合でも、各無線端末の管理を自動化することができ、コストを削減することが可能となる。

１０無線通信ネットワーク
１１基地局
１２無線端末
１３無線給電端末
１４センサ

Claims

基幹ネットワークに接続された基地局と、
外部からワイヤレス給電を受け、前記基地局とデータ通信または制御信号通信を行う１つ以上の無線端末と
を備えた無線通信ネットワークにおいて、
前記基地局または前記無線端末と制御信号通信を行い、前記基地局または前記無線端末からの指示により近傍の前記無線端末へワイヤレス給電を行う１つ以上の無線給電端末を備えた
ことを特徴とする無線通信ネットワークの無線端末給電システム。
請求項１に記載の無線通信ネットワークの無線端末給電システムにおいて、
前記基地局とデータ通信の要求が発生した特定の無線端末から前記無線給電端末に対して、電力供給開始を指示する制御信号を送信するステップ(1) と、
前記電力供給開始を指示する制御信号を受信した前記無線給電端末から近傍の前記無線端末へワイヤレス給電を行うステップ(2) と、
前記ワイヤレス給電を受けた前記特定の無線端末から前記基地局へ呼び出しを行う制御信号を送信するステップ(3) と、
前記特定の無線端末と前記基地局との間でデータ通信を開始するステップ(4) と
を有することを特徴とする無線端末給電方法。
請求項２に記載の無線端末給電方法において、
前記無線端末は、搭載したセンサから出力されたセンサ信号を受信したときに、前記特定の無線端末として前記ステップ(1) に移行する
ことを特徴とする無線端末給電方法。
請求項１に記載の無線通信ネットワークの無線端末給電システムにおいて、
特定の無線端末とデータ通信の要求が発生した前記基地局から前記無線給電端末に対して、電力供給開始を指示する制御信号を送信するステップ(1) と、
前記電力供給開始を指示する制御信号を受信した前記無線給電端末から近傍の前記無線端末へワイヤレス給電を行うステップ(2) と、
前記基地局から前記ワイヤレス給電を受けた前記特定の無線端末へ呼び出しを行う制御信号を送信するステップ(3) と、
前記特定の無線端末と前記基地局との間でデータ通信を開始するステップ(4) と
を有することを特徴とする無線端末給電方法。
請求項４に記載の無線端末給電方法において、
前記ステップ(3) に代えて、前記基地局から前記無線給電端末へ前記特定の無線端末への呼び出し代行を指示する制御信号を送信するステップ(3-1) と、前記特定の無線端末へ呼び出しを行う制御信号を送信するステップ(3-2) とを有する
ことを特徴とする無線端末給電方法。
請求項５に記載の無線端末給電方法において、
前記基地局は前記ステップ(1) の制御信号と前記ステップ(3-1) の制御信号を同時に送信し、前記無線給電端末は前記ステップ(2) のワイヤレス給電と前記ステップ(3-2) の制御信号の送信を同時に行う
ことを特徴とする無線端末給電方法。
請求項２ないし請求項６のいずれかに記載の無線端末給電方法において、
前記無線給電端末から前記無線端末に対して診断を行う制御信号を送信し、その制御信号を受信した前記無線端末から前記無線給電端末に対して診断結果を示す制御信号を返信する
ことを特徴とする無線端末給電方法。