本発明の一実施形態によるアンテナ切り替え受信システムについて、図面を参照して説明する。図1は、HEMS(Home Energy Management System)等と称されるエネルギー管理システムを示す。HEMSとは、宅内の家電機器等を通信ネットワークで接続し、配電盤や家庭用発電設備などと共に統合制御することで、省電力化のための情報提示や自動制御を行うシステムである。HEMS100は、HEMSコントローラ101と、各種の家電機器102と、太陽光発電機103と、燃料電池104と、蓄電池105と、電気自動車106と、情報処理端末107と、分電盤108等によって構成される。分電盤108には、電力計測通信装置108aが内蔵されている。分電盤108は、屋外のスマートメータ109と接続される。スマートメータ109は、電力会社からそれぞれのユーザー宅に提供され、送電線から分電盤108に給電を行い、また分電盤108内の主幹電力を測定する。また、電力会社のサーバ110から各ユーザー宅に各種の情報(例えば、節電の要請など)が、スマートメータ109及び電力計測通信装置108aを経由してHEMSコントローラ101に入力される。電力計測通信装置108aとスマートメータ109とは、有線又は無線にて接続される。電力計測通信装置108aは、分電盤108の外部に設けられ、分電盤108と有線等にて接続される形態であってもよい。スマートメータ109は、他の家屋のスマートメータ109及び電力会社のサーバ110等と無線又は有線によって接続され、スマートメータネットワークを構成する。
HEMSコントローラ101は、無線式の省エネルギー制御装置であり、上述したネットワークの中核となって各種機器の制御を司る。HEMSコントローラ101と家電機器102、太陽光発電機103、燃料電池104、蓄電池105、電気自動車106、情報処理端末(モニタ装置)107及び分電盤108等(以下、家電機器102等とする)とは、有線又は無線によって双方向の通信が確立される。各機器は、別の機器を介してHEMSコントローラ101と接続される構成であってもよい。例えば、燃料電池104は、分電盤108の電力計測通信装置108aと有線にて接続され、電力計測通信装置108aは、HEMSコントローラ101と無線にて接続されていてもよい。この場合、燃料電池104とHEMSコントローラ101との間において、電力計測通信装置108aを経由して有線及び無線によって双方向の通信が確立される。
図2は、HEMS100におけるHEMSコントローラ101と、各種の家電機器102の概略構成を示す。HEMS100を構成する各種機器において、無線通信を行う機器、例えばHEMSコントローラ101及び家電機器102等のそれぞれには、対応する送信システムと受信システムが搭載されている。この受信システムとして適用されるのが、本発明の一実施形態によるアンテナ切り替え受信システム1であり、対応する送信システムとして適用されるのが、本発明の送信システム70である。すなわち、HEMSコントローラ101の送信システム70が機能する場合、家電機器102等のアンテナ切り替え受信システム1が機能して、無線信号の送受信が行われる。一方、家電機器102等の送信システム70が機能する場合、HEMSコントローラ101のアンテナ切り替え受信システム1が機能して、無線信号の送受信が行われることになる。なお、図2は、HEMSコントローラ101と家電機器102の構成について例示しているが、家電機器102に替えて電力計測通信装置108a等の機器を適用してもよい。
図3はアンテナ切り替え受信システムを示す。アンテナ切り替え受信システム1は、受信器2と複数のアンテナA,B等によって構成される。受信器2は、アンテナ切替部3と、RFIC4と、CPU5と、メモリ6等によって構成されている。
アンテナ切替部3は、CPU5から出力された制御信号に応じて、2つのアンテナA,Bのうち、無線信号を受信するアンテナを切り替える。RFIC4は、RF部(受信レベル検出部)41と、復調部42と、同期確立部43と、プリアンブル検出部(ビット列検出部)44と、ユニークワード(UW)検出部(ビット列検出部)45等を有する。すなわち、RF部41、復調部42、同期確立部43、プリアンブル検出部44及びユニークワード検出部45等の回路は、1つのICチップに統合され、実装される。
RF部41は、いずれかのアンテナA又はBを用いて受信した無線信号をダウンコンバートし、ベースバンド信号を抽出する。RF部41が無線信号を受信する際には、一般的にAFC(Automatic Frequency Control)が実行され、送受信間の周波数誤差が除去される。その場合、アンテナ切替部3によってアンテナが切り替えられた後の所定時間は、AFCが解除されてもよい。アンテナ切替前に受信した妨害波の影響を回避して、プリアンブル及びユニークワードを正確に検出し、パケットロスを低減するためである。また、RF部41は、いずれかのアンテナA又はBを用いて受信した無線信号の受信レベルを検出する。受信レベルの検出には、例えばRSSI(Received Signal Strength Indication)が用いられる。RF部41によって検出された受信レベルに関する信号は、CPU5の信号処理部51に入力され、無線信号の品質の検出に用いられる。復調部42は、RF部41によって抽出されたベースバンド信号を復調する。同期確立部43は、復調されたベースバンド信号のビット同期を確立する。
プリアンブル検出部44は、同期確立部43によって同期が確立されたベースバンド信号を検索し、プリアンブルのビット列を検出する。プリアンブルのビット列の具体例としては、01が交互に繰り返されるビット列(以下、01交番とする)が挙げられる。プリアンブル検出部44には、既知のプリアンブル(送信システムから送信されるプリアンブルと同一)のビット列が予め設定され記憶されている。プリアンブルは、ベースバンド信号のビット列と予め記憶しているビット列との一致度を評価することにより検出される。両者が完全に一致したとき、プリアンブルを検出したと判断される。また、例えば、プリアンブルが01交番で構成される場合、所定ビットにおいて連続して01交番が一致したとき、プリアンブル検出部44は、プリアンブルを検出したと判断してもよい。この場合、プリアンブルの検出タイミングは、その都度異なる可能性がある(図4等参照)。さらにまた、予め記憶しているプリアンブルのビット列に対するベースバンド信号のビット列の誤り率が所定値以下となったとき、プリアンブルを検出したと判断してもよい。この場合であっても、予め記憶しているプリアンブルのビット列と実質的に同一のビット列がベースバンド信号から検出されたとみなすことができるからである。
プリアンブル検出部44がプリアンブルを検出した旨の信号は、ユニークワード検出部45、CPU5等に入力される。当該信号が、プリアンブル検出部44からCPU5に出力され、CPU5を経由してユニークワード検出部45等に入力される構成であってもよい。
ユニークワード検出部45は、同期確立部43によって同期が確立されたベースバンド信号を検索し、ユニークワードのビット列を検出する。ユニークワード検出部45には、既知のユニークワード(送信システムから送信されるユニークワードと同一)のビット列が予め設定され記憶されている。ユニークワードは、ベースバンド信号のビット列と予め記憶しているビット列との一致度を評価することにより検出される。両者が完全に一致したとき、ユニークワードを検出したと判断してもよいし、予め記憶しているユニークワードのビット列に対するベースバンド信号のビット列の誤り率が所定値以下となったとき、ユニークワードを検出したと判断してもよい。後者の場合であっても、予め記憶しているユニークワードのビット列と実質的に同一のビット列がベースバンド信号から検出されたとみなすことができるからである。ユニークワード検出部45がユニークワードを検出した旨の信号は、CPU5の信号処理部51等に入力される。なお、上述した既知のプリアンブル及びユニークワードは、対応する送信システムとの間で共有され、このプリアンブル及びユニークワードが付与されたパケットが送信システムから送信される。
変調部46は、CPU5によって生成されたベースバンド信号を変調し、RF部41に出力する。変調部46から出力されたベースバンド信号は、RF部41によって処理され、アンテナ切替部3を介していずれかのアンテナA又はBから無線信号として送信される。変調部46等を有効に機能させることにより、アンテナ切り替え受信システム1は、対応する通信機器に対して、例えば、ACK応答信号や、ダイバーシチ機能をオン又はオフにする旨を通知等の各種の無線信号を送信することができる。このとき、アンテナ切り替え受信システム1は、一時的に送信システム70として機能する。従って、HEMSコントローラ101及び家電機器102等の各機器は、独立した送信システム70とアンテナ切り替え受信システム1を備える必要はない。すなわち、アンテナ切り替え受信システム1の有する送信機能を適宜有効にすることにより、送信システム70を構築してもよい。
CPU5は、信号処理部(受信レベル検出部)51と、アンテナ制御部52等を有し、アンテナ切り替え受信システム1の制御を司る。CPU5が、プリアンブル検出部44又はユニークワード検出部45等の代わりにプリアンブル又はユニークワードを検出する構成であってもよい。この場合、RFIC4からプリアンブル検出部44又はユニークワード検出部45等が省かれる。信号処理部51は、RF部41、同期確立部43、プリアンブル検出部44及びユニークワード検出部45等から入力された信号について、各種の処理を行う。例えば、信号処理部51は、RF部41から入力される受信レベルを表す信号から無線信号の品質を検出する。このとき、信号処理部51は、RF部41から入力される受信レベルを表す信号に演算処理を施して、無線信号の品質の判断指標となる数値を算出する。より具体的には、信号処理部51は、RF部41から入力される受信レベルについてアンテナ毎に各パケット内での平均値を算出する。アンテナ制御部52は、信号処理部51よって算出された受信レベルの平均値を評価して、ペイロードを受信するアンテナを選択し、アンテナの切り替え要否を判断し、アンテナ切替部3に対してアンテナの切り替えのための制御信号を出力する。
メモリ6は、CPU5の動作に用いられる情報を記憶する。例えば、メモリ6は、パケットの受信時にCPU5によってなされたアンテナ選択に関する情報を記憶する。このアンテナ選択に関する情報は、ペイロードの受信に使用するアンテナを選択する際に、必要に応じて利用される。
なお、本実施形態は、アンテナ切替部3によって2つアンテナを切り替えて無線信号を受信する構成であるが、アンテナの個数は3つ以上であってもよい。
図4乃至図8は、対応する送信システムから送信される信号と、アンテナ切り替え受信システム1によって切り替えられるアンテナと、各アンテナによって受信される信号と、その受信レベルの推移を示す。1つのパケットは、複数対のプリアンブル及びユニークワードとその後に続けて送信されるペイロード等によって構成される。本実施形態においては、2種類のユニークワードUW1(第1ユニークワード)及びユニークワードUW2(第2ユニークワード)が送信システムから送信される。
ユニークワードUW1は、アンテナ切り替え受信システム1がペイロードを受信するアンテナを選択するために用いられる。ユニークワードUW2は、ペイロードの先頭を検出する(すなわち頭出しをする)ために用いられる。ユニークワードUW1の前に送信されるプリアンブルとユニークワードUW2の前に送信されるプリアンブルとは、同一のビット列で構成されていてもよく、異なるビット列で構成されていてもよい。一方、プリアンブル、ユニークワードUW1及びユニークワードUW2は、それぞれ誤って検出されないように、互いに相関値の低いビット列によって構成される。
ユニークワードUW1は、いずれのタイミングでアンテナA,Bが切り替えられても受信できるように、各アンテナに対して2回ずつ送信される。すべてのユニークワードの前には、プリアンブルが送信される。また、4度目のユニークワードUW1の後であって、ユニークワードUW2の直前に送信されるプリアンブルの前には、ダミーデータが送信される。なお、2度目以降のプリアンブル及びダミーデータの先頭には、必要に応じてアンテナの切替待ち時間を付与するためのデータが挿入されてもよい。
アンテナ切り替え受信システムは、アンテナA,Bを所定の周期(例えば、プリアンブル及びユニークワードUW1の送信周期の2倍の周期)で切り替えながら、送信システムから送信される無線信号を受信する。受信した信号は、上述したようにRF部41によってダウンコンバートされ、復調部42によって復調され、同期確立部43によってビット同期が確立される。そして、プリアンブル検出部44によってプリアンブルが検出され、ユニークワード検出部45によってユニークワードUW1が検出される。
上述したように、いずれのタイミングでアンテナA,Bが切り替えられてもプリアンブル及びユニークワードUW1を受信できるように、各アンテナに対して2回ずつ、プリアンブルとユニークワードUW1が送信される。本実施形態においては、2つのアンテナが使用されるので、図4乃至図8に示すように、プリアンブルとユニークワードUW1が4回ずつ送信される。このように、アンテナ切り替え受信システムに搭載されるアンテナ数の2倍のプリアンブル及びユニークワードUW1が送信される。また、最初にユニークワードUW1が検出されるまでは、各アンテナはプリアンブル及びユニークワードUW1の送信周期の2倍の周期で切り替えられる。
図4及び図5は、アンテナA及びBによってユニークワードUW1が検出されたときのアンテナ切り替え動作等を示す。受信信号のうち、実線部分が各アンテナによって受信された信号である。なお、以下の説明では、便宜上、プリアンブル検出部44及びユニークワード検出部45が最初にプリアンブル及びユニークワードUW1を検出したとき、無線信号を受信していた(アクティブであった)アンテナをアンテナAとする。図4はアンテナAで受信した無線信号の受信レベルがアンテナBで受信した無線信号の受信レベルよりも高い場合、図5はアンテナBで受信した無線信号の受信レベルがアンテナAで受信した無線信号の受信レベルよりも高い場合をそれぞれ示す。
図4及び図5において、1度目に送信されたプリアンブルは、その受信中にアンテナが切り替えられて検出できず、2度目に送信されたプリアンブルがアンテナAによって受信され、プリアンブル検出部44によって検出される。プリアンブルが検出されると、RF部41によって受信レベルの検出が開始される。その後、受信レベルは、所定のサンプリング周期で検出される。また、プリアンブルに続けて送信されるユニークワードUW1がユニークワード検出部45によって検出される。受信レベルの検出は、ユニークワードUW1が検出されるまで継続され、検出された受信レベルに関する情報は、信号処理部51に逐次記憶される。信号処理部51は、記憶した受信レベルからその平均値(RAとする)を算出する。
ユニークワードUW1が検出されると、その旨の信号がユニークワード検出部45から出力され信号処理部51に入力される。ユニークワードUW1が検出された旨の信号は、信号処理部51からアンテナ制御部52に転送され、アンテナ制御部52は、アンテナ切替部3にアンテナを切り替える旨の指令を出力し、アンテナがアンテナBに切り替えられる。その後、3度目に送信されたプリアンブルがアンテナBによって受信され、プリアンブル検出部44によって検出される。プリアンブルが検出されると、アンテナAのときと同様に、受信レベルが所定のサンプリング周期で検出され、ユニークワードUW1が検出される。アンテナBでの受信レベルに関する情報は、上述したアンテナAでの受信レベルに関する情報と区別して信号処理部51に逐次記憶され、信号処理部51は、記憶した受信レベルからその平均値(RBとする)を算出する。なお、本願では、受信レベルの平均値RA及びRBを単に受信レベルと記載することもある。
信号処理部51によって算出されたRA及びRBは、アンテナ制御部52に入力される。アンテナ制御部52は、信号処理部51によって算出されたRAとRBを比較してより高い信号品質が得られるアンテナを、ペイロードを受信するアンテナとして選択する。
図4においては、アンテナAでの受信レベルがアンテナBでの受信レベルよりも高くRA>RBであるため、アンテナAで受信した無線信号の品質がアンテナBで受信した無線信号の品質よりも高いと考えられる。そこで、アンテナ制御部52は、信号処理部51によって算出されたRAとRBを比較してより受信レベルが高いアンテナAを、ペイロードを受信するアンテナとして選択する。これにより、アンテナは、再びアンテナAに切り替えられ、当該パケットを受信し終えるまでアンテナAに固定される。従って、4度目に送信されたプリアンブル、ユニークワードUW1及びダミーデータがアンテナAによって受信され、その後のプリアンブル、ユニークワードUW2及びペイロードもアンテナAによって受信される。
図5においては、アンテナBでの受信レベルがアンテナAでの受信レベルよりも高くRB>RAであるため、アンテナBで受信した無線信号の品質がアンテナAで受信した無線信号の品質よりも高いと考えられる。そこで、アンテナ制御部52は、信号処理部51によって算出されたRAとRBを比較してより受信レベルが高いアンテナBを、ペイロードを受信するアンテナとして選択する。これにより、アンテナは、当該パケットを受信し終えるまで切り替えられることなくアンテナBに固定される。従って、4度目に送信されたプリアンブル、ユニークワードUW1及びダミーデータがアンテナBによって受信され、その後のプリアンブル、ユニークワードUW2及びペイロードもアンテナBによって受信される。
図6は、2度目に送信されたプリアンブル等がアンテナAによって受信され、プリアンブル検出部44等によって検出され、アンテナBに切り替えられた後、3度目に送信されたプリアンブルがプリアンブル検出部44によって検出されなかった場合を示す。2度目に送信されたユニークワードUW1が検出されると、その直後にアンテナBに切り替えられるので、3度目に送信されたプリアンブルは、実質的に先頭からアンテナBによって受信される。従って、アンテナBによって受信された無線信号からプリアンブル等を検出するために必要な最小時間は、一組のプリアンブルとユニークワードUW1が送信される時間に等しい。よって、3度目に送信されたプリアンブル等が検出されなかった場合、4度目に送信されたプリアンブル等をアンテナBで受信してもよいし、図6に示すように直ちにアンテナをアンテナAに切り替えてもよい。前者の場合は、アンテナBを用いてプリアンブル等を検出する機会が2度得られるので、アンテナBでの受信レベルを検出できる機会が増加し、アンテナの選択をより一層適正に行えるようになる。後者の場合は、ダミーデータの長さを短く設定して、パケットに占めるペイロードの割合を増加させることができる。ダミーデータの長さを短く設定できる理由は、以下の通りである。例えば、アンテナAで4度目のユニークワードUW1を最初に検出した場合(図7参照)、アンテナをアンテナBに切り替えてダミーデータを受信することとなる。このとき、前者のようにアンテナBを用いてプリアンブル等を2度に亘って検出するように構成すると、プリアンブル及びユニークワードUW1の2周期分のダミーデータが必要とされる。一方、後者のようにアンテナBを用いてプリアンブル等を検出する機会を1度に制限することより、プリアンブル及びユニークワードUW1の1周期分のダミーデータで済むからである。
後者の場合、アンテナBによって受信された無線信号からプリアンブル等が検出されなかったことから、その信号品質はペイロードを受信するために十分なものではないと考えられる。また、RB=0とも考えることができる。従って、アンテナ制御部52は、十分に高い信号品質が得られるアンテナAを、ペイロードを受信するアンテナとして選択し、アンテナは、再びアンテナAに切り替えられ、当該パケットを受信し終えるまでアンテナAに固定される。RB=0と考えた場合も、同等の動作が実行される。また、アンテナBでプリアンブルは検出できても、UW1を検出できなければ上記と同様にアンテナAに切り替える。以後の動作は、図4と同様である。
図7は、4度目に送信されたプリアンブル等がアンテナAによって受信され、当該パケット内で最初のプリアンブル等としてプリアンブル検出部44等によって検出された場合を示す。この場合、4度目に送信されたユニークワードUW1が検出された後、アンテナBに切り替えられダミーデータが受信される。
ダミーデータとは、プリアンブルとは異なるビット列で構成されたデータであり、再びアンテナBからアンテナAに切り替える際の時間的な猶予をアンテナ切り替え受信システム1に付与するために、送信システムから送信される。従って、ダミーデータのデータ長は、プリアンブルのデータ長とユニークワードUW1のデータ長の和と同等以上に設定される。
ダミーデータは、プリアンブル並びにユニークワードUW1及びUW2とは、互いに相関値の低いビット列によって構成される。プリアンブル検出部44及びユニークワード検出部45がダミーデータをプリアンブル並びにユニークワードUW1及びUW2と誤って検出しないようにするためである。ダミーデータとプリアンブルの相関値、ダミーデータとユニークワードUW1の相関値及びダミーデータとユニークワードUW2の相関値が最も低くなるように各ビット列が設定されているのが望ましい。しかしながら、プリアンブル検出部44及びユニークワード検出部45による誤検出を防止できる程度に上記相関値が低ければ、すなわち上記相関値が所定値未満であれば、実用上の問題は生じない。
図7に示すように、アンテナBによってダミーデータが受信された場合、プリアンブル検出部44によってプリアンブルが、ユニークワード検出部45によってユニークワードUW1が検出されることはない。また、2度目に送信されたプリアンブル等は、アンテナBによって受信されていながら、プリアンブル検出部44等によってプリアンブル等が検出されなかったことから、アンテナBで受信した信号の品質は高くないものと考えられる。従って、アンテナ制御部52は、十分に高い信号品質が得られるアンテナAを、ペイロードを受信するアンテナとして選択し、アンテナは、再びアンテナAに切り替えられ、当該パケットを受信し終えるまでアンテナAに固定される。以後の動作は、図4と同様である。
図8は、アンテナAでの受信レベルの平均値RAとアンテナBでの受信レベルの平均値RBが近い値である場合を示す。無線通信において、受信レベルは、通信環境の変動の影響を受け、刻々と変動する。従って、受信レベルの平均値RAと受信レベルの平均値RBが近い値である場合、統計的にアンテナAでの受信レベルの方が高い傾向にある場合であっても、一時的に受信レベルの平均値RBが受信レベルの平均値RAよりも高く算出されることがある。図8にあっては、アンテナAでユニークワードUW1を受信中に瞬間的に通信環境が悪化し、その後回復した例が示される。この例においては、瞬間的な受信レベルの低下の影響を受け、アンテナAでの受信レベルの平均値RAがアンテナBでの受信レベルの平均値RBよりも小さく算出される。同図に示すように、各アンテナでの受信レベルが十分に高い場合は、いずれのアンテナを選択してもペイロードを適切に受信することができる。ところが、一方のアンテナの受信レベルが低い場合、瞬間的な通信環境の悪化の影響を受け、アンテナ制御部52がアンテナの選択を誤ると、その後に通信環境が回復したとしても、ペイロードを適切に受信することができないことが起こり得る。
そこで、本実施形態においては、アンテナ制御部52は、受信レベルの平均値RA及びRBを比較し、信号処理部51によってアンテナ毎に算出された受信レベルの平均値RAとRBとの差が所定の閾値以上である場合にのみ、受信レベルの高いアンテナを選択する。図8に示すように、受信レベルの平均値RAとRBとの差が所定の閾値未満である場合、アンテナ制御部52は、メモリ6に記憶されているアンテナ選択に関する情報について統計的な処理を行い、その後のペイロードを受信するアンテナを選択する。ここで、上記閾値は、例えば、アンテナ切り替え受信システム1及び送信システム70が設置される環境における受信レベルの経時的な変動量等に応じて、適宜設定される。
メモリ6には、信号処理部51が過去のパケットにおいてアンテナ毎に算出した受信レベルの平均値RA、RB、及びアンテナ制御部52が選択したアンテナ等の各種のアンテナ選択に関する情報が、各アンテナを特定するID等と共に記憶されている。メモリ6の記憶容量には制限があるので、最も古い情報が最新の情報に順次更新される。これらのアンテナ選択に関する情報は、受信レベルの平均値RAとRBとの差が所定の閾値未満である場合に、ペイロードを受信するアンテナを適切に選択するために用いられる。
なお、図8においては、アンテナ制御部52によってアンテナAがペイロードを受信するアンテナとして選択される例を示しているが、メモリ6に記憶されているアンテナ選択に関する情報如何によっては、アンテナBが選択されることもある。
図9は、アンテナ切り替え受信システム1の動作を示す。まず、ユニークワードUW1を検出する前段階において、アンテナA,Bは、所定周期で交互に切り替えられる(#1)。アンテナを切り替える所定周期は、例えばプリアンブル及びユニークワードUW1の2回分の周期である。アンテナが切り替えられると、プリアンブル及びユニークワードUW1のビット列の検出がリセットされる(#2)。プリアンブル及びユニークワードUW1のビット列の検出がリセットされるとは、ビット列の検出を中止し、最初のビットから検出を再開する処理をいう。このとき、ユニークワード検出部45が検出すべきビット列として、ユニークワードUW1が設定される。すなわちユニークワードUW1の検出が開始される。プリアンブル検出部44及びユニークワード検出部45が、ビット列の検出をリセットするのは、以下の理由による。すなわち、RFIC4は、アンテナ切替部3から入力された受信信号のうち、どの部分がいずれのアンテナで受信されたのかを認識できないため、プリアンブル及びユニークワードを受信したアンテナを誤ってしまうことを防止するためである。例えば、ユニークワードのビット列の終端近傍でアンテナAからアンテナBに切り替えられた場合、ビット列の大部分をアンテナAで受信しているにも関わらず、最後の部分を受信したアンテナBによってビット列の全体が受信されたと誤認してしまうことを防止するためである。
切り替えにおいてアクティブとされたアンテナで、無線信号を受信し、プリアンブル検出部44によってプリアンブルが検索される(#3)。プリアンブル検出部44によってプリアンブルが検出されると(#4においてYES)、受信レベルの検出が開始される(#5)。このときに無線信号を受信しているアンテナをアンテナAとする。受信レベルは所定のサンプリング周期で検出され、その値は信号処理部51に逐次記憶される(#12においても同様)。#4において、プリアンブルの検出は、#2においてビット列の検出をリセットした後、第1所定時間に亘って継続され、第1所定時間内にプリアンブルが検出されない場合は(#4においてNO)、#1に戻る。ここで第1所定時間とは、プリアンブル及びユニークワードUW1の2周期に相当する時間であり、#2においてビット列の検出をリセットした後、計数を開始する。プリアンブルの検出後、ユニークワードUW1が検出されると(#6においてYES)、受信レベルの検出が終了される(#7)。#6において、ユニークワードUW1の検出は、#2におけるビット列検出のリセット後から起算された第1所定時間に亘って継続される。第1所定時間内にユニークワードUW1が検出されない場合は(#6においてNO)、受信レベルの検出が終了され、#1に戻る。
アンテナAでの受信レベルの検出が終了されると、信号処理部51は、記憶した受信レベルから平均値(RA)を算出し(#8)、アンテナ制御部52は、アンテナをアンテナBに切り替える(#9)。アンテナが切り替えられると、#2と同様に、プリアンブル及びユニークワードUW1のビット列の検出をリセットする(#9A)。そして、切り替え後のアンテナBで無線信号を受信し、プリアンブル検出部44によってプリアンブルが検索される(#10)。プリアンブル検出部44によってプリアンブルが検出されると(#11においてYES)、受信レベルの検出が開始される(#12)。#11において、プリアンブルの検出は、#9Aにおいてビット列の検出をリセットした後、第2所定時間に亘って継続され、図6又は図7に示すように、第2所定時間内にプリアンブルが検出されない場合は(#11においてNO)、#19に移行する。アンテナBでは十分な信号品質が得られないと判断できるからである。ここで第2所定時間とは、プリアンブル及びユニークワードUW1の1周期に相当する時間であり、#9Aにおいてビット列の検出をリセットした後、計数を開始する。プリアンブルの検出後、ユニークワードUW1が検出されると(#13においてYES)、受信レベルの検出が終了される(#14)。#13において、ユニークワードUW1の検出は、#9Aにおいてビット列の検出がリセットされた後から起算された第2所定時間に亘って継続される。第2所定時間内にユニークワードUW1が検出されない場合は(#13においてNO)、受信レベルの検出が終了され、#19に移行する。アンテナBでは十分な信号品質が得られないと判断できるからである。
アンテナBでの受信レベルの検出が終了されると、信号処理部51は、記憶した受信レベルから平均値(RB)を算出し(#15)、アンテナ制御部52は、信号処理部51によって算出された受信レベルの平均値RAとRBを比較する(#16)。
ここでは、まず、平均値RAとRBの差の絶対値が、所定の閾値(図8参照)と比較される。平均値RAとRBの差の絶対値が閾値以上であるとき(#16AにおいてYES)、#17に移行する。そして、図5に示すように、RA<RBの場合は(#17においてYES)、アンテナ制御部52は、ペイロードを受信するアンテナとしてアンテナBを選択する。すなわち、アンテナをアンテナBに固定したまま(#18)、ビット列の検出をリセットする(#20)。このとき、ユニークワード検出部45が検出すべきビット列として、ユニークワードUW2が設定される。すなわちユニークワードUW2の検出が開始される。一方、図4に示すように、RA>RBの場合は(#17においてNO)、ペイロードを受信するアンテナとしてアンテナAを選択する。すなわち、アンテナをアンテナAに切り替えて(#19)、#20に移行する。
選択されたアンテナA又はBで無線信号を受信し、プリアンブル検出部44によってプリアンブルが検出されると(#21においてYES)、ユニークワードUW2の検出に移行する(#22)。ユニークワード検出部45によってユニークワードUW2が検出されると(#22においてYES)、ペイロードの頭出しが完了したことになり、以後ペイロードを受信する(#23)。受信したペイロードは、信号処理部51によって処理される。なお、#21において、プリアンブルの検出は、#20においてビット列の検出をリセットした後第3所定時間に亘って継続され、第3所定時間内にプリアンブル検出部44によってプリアンブルが検出されない場合(#21においてNO)は、#1に戻る。ここで第3所定時間とは、プリアンブル及びユニークワードUW1の2周期と、ダミーデータと、プリアンブル及びユニークワードUW2の1周期とを加えた時間に相当し、#20においてビット列の検出をリセットした後、計数を開始する。また、#22において、ユニークワードUW2の検出は、#20におけるビット列検出のリセット後から起算された第3所定時間に亘って継続される。第3所定時間内にユニークワード検出部45によってユニークワードUW2が検出されない場合(#22においてNO)は、#1に戻る。
一方、#16Aにおいて、平均値RAとRBの差の絶対値が閾値未満であるとき(#16AにおいてNO)、アンテナ制御部52は、移動平均値ARA及びARBを算出する(#16B)。メモリ6には、前回受信したパケットにおける平均値RA及びRBから遡って所定回数分の平均値RA及びRBが記憶されているので、これらのさらなる平均値を算出することにより、移動平均値ARA及びARBが算出されることになる。なお、アンテナ制御部52の替わりに信号処理部51が、移動平均値ARA及びARBの算出を行うように、構成されていてもよい。
そして、アンテナ制御部52は、より大きい移動平均値ARA又はARBが算出されたアンテナをペイロードを受信するアンテナとして選択し(#16C)、#20に移行する。このように、本実施形態においては、メモリ6に記憶されている過去の複数パケットにおける受信レベルの平均値RA及びRBについて統計的な処理を行い、ペイロードを受信するアンテナを選択する。従って、ここで選択されるアンテナは、今回のパケットにおいてより大きい平均値RA又はRBが算出されたアンテナとは限らない。
なお、#16Cにおいて、アンテナAに係る移動平均値ARAとアンテナBに係る移動平均値ARBとが同値の場合は、いずれのアンテナを用いたとしても、受信する信号の品質に大きな差はないと考えられる。そこで、かかる場合にアンテナ制御部52は、アンテナを固定したまま(#18)、第2ユニークワードUW2の検出準備に移行するものとする。また、かかる場合、図10に示した変形例の#16D、図11に示した変形例の#16E及び#16F又は図12に示した変形例の#16Gの処理により、ペイロードを受信するアンテナを選択してもよい。なお、ペイロードを受信するアンテナを選択するにあたっては、各アンテナ毎の受信レベルの平均値RA又はRBの標準偏差等を考慮してもよい。
なお、選択されたアンテナでペイロードを受信した後(#23)、アンテナ制御部52は、信号処理部51のレジスタ等に記憶させていた今回のパケットにおける受信レベルの平均値RA及びRBを、メモリ6に移動して記憶させる(#24)。これにより、今回のパケットにおける受信レベルの平均値RA及びRBが次回以降のアンテナ選択に活用される。なお、#24における受信レベルの平均値RA及びRBの記憶動作は、全てのパケットについて実行する必要はなく、適宜間引かれていてもよい。
以上のように、本実施形態のアンテナ切り替え受信システム1によれば、ユニークワード検出部45が、同時に複数種類のユニークワードを待ち受ける必要がない。すなわち、図9中、#6及び#13においてはユニークワードUW1のみを、#22においてはユニークワードUW2のみをそれぞれ待ち受けて検出すればよいので、ユニークワード検出部45の処理負担が大幅に軽減される。近年のICは、CPUには及ばないものの多機能化が推進されており、このような単一のユニークワード待ち受けて検出する処理は、RFIC4に備えられている機能を利用することにより実現できる。これにより、RFIC4が備えるビット列検出機能を用いてユニークワード検出部45を構成しながら、正確に信号品質の高いアンテナを選択することができる。また、CPU5が、プリアンブル検出部44又はユニークワード検出部45等の代わりにプリアンブル又はユニークワードを検出する構成であっても、CPU5の処理負担が軽減されることに変わりはない。従って、高スペックなCPU5を用いることなく、簡素かつ安価な構成で、マルチパスフェージングによるレベル変動の影響を低減できるようになる。CPU5の処理能力をビット列検出以外の他の機能に振り分けることができ、コストアップを伴うことなく、多機能なアンテナ切り替え受信システム1を構築できる。
また、アンテナ制御部52に選択されたアンテナによってユニークワードUW2を受信してペイロードの先頭ビットを検出するので、ペイロードの頭出しを適正に行うことができる。また、アンテナ制御部52に選択されたアンテナに固定したままペイロードが受信されるので、品質の高いペイロードの信号を取得できる。
また、アンテナ毎に検出された受信レベルの平均値RAとRBとの差が所定の閾値以上である場合にのみ、アンテナ制御部52は、受信レベルの高いアンテナを選択してその後のペイロードを受信するので、アンテナ選択の精度を高めることができる。また、受信レベルの平均値RAとRBとの差が所定の閾値未満である場合、アンテナ制御部52は、メモリ6に記憶されているアンテナ選択に関する情報について統計的な処理を行い、その後のペイロードを受信するアンテナを選択する。従って、一時的な受信レベルの変動がアンテナ選択に及ぼす影響を抑制して、アンテナ選択の精度をより一層高めることができる。
また、上記アンテナ選択に関する情報についての統計的な処理として、受信レベルの平均値RAとRBの移動平均値に基づいて、ペイロードを受信するアンテナを選択するので、アンテナ選択の精度をより一層高めることができる。
(変形例1)
図10は、アンテナ切り替え受信システム1の動作の変形例を示す。この変形例においては、ペイロードを受信するアンテナを選択する際に、ユニークワード検出時の誤り率を考慮する点で、図9に示した動作例とは異なる。すなわち、アンテナ選択に関する統計的な処理として、誤り率が用いられる。誤り率は、#6及び#13のユニークワードUW1の検出時に算出され、信号処理部51のレジスタ等に一時的に記憶される。既に述べたように、ユニークワードは、ベースバンド信号のビット列と予め記憶しているビット列との一致度を評価することにより検出され、一致度は完全一致に加え、誤り率が所定値以下となったことをもって、両ビット列が一致したとみなされる。この変形例においては、後者の一致度の評価手法が適用される。
受信中のパケットにおける各アンテナによって受信したユニークワードの誤り率は、ユニークワードUW1の検出時に(#6及び#13)、信号処理部51のレジスタ等に逐次記憶される。#16Aにおいて、平均値RAとRBの差の絶対値が閾値未満であるとき(#16AにおいてNO)、アンテナ制御部52は、誤り率を比較して、誤り率の小さいアンテナをペイロードを受信するアンテナとして選択(#16D)し、#20に移行する。
なお、#16Dにおいて、アンテナAに係る誤り率とアンテナBに係る誤り率とが同値の場合は、いずれのアンテナを用いたとしても、受信する信号の品質に大きな差はないと考えられる。そこで、かかる場合にアンテナ制御部52は、アンテナを固定したまま(#18)、第2ユニークワードUW2の検出準備に移行するものとする。また、図9に示した動作例の#16B及び#16C、図11に示した変形例の#16E及び#16F又は図12に示した変形例の#16Gの処理により、ペイロードを受信するアンテナを選択してもよい。なお、ペイロードを受信するアンテナを選択するにあたっては、各アンテナ毎の誤り率の標準偏差等を考慮してもよい。
本変形例においては、ペイロードを受信するアンテナを選択する際に、受信レベルに加えてユニークワードUW1の検出時の誤り率が考慮されるので、アンテナ選択の精度を高めることができる。
(変形例2)
図11は、アンテナ切り替え受信システム1の動作の別の変形例を示す。この変形例においては、ペイロードを受信するアンテナを選択する際に、ユニークワード検出時の誤り率の移動平均値を考慮する点で、図10に示した変形例とは異なる。すなわち、アンテナ選択に関する統計的な処理として、誤り率の移動平均が用いられる。アンテナ毎の誤り率EA及びEBは、#6及び#13のユニークワードUW1の検出時に算出され、信号処理部51のレジスタ等に一時的に記憶される。その後、誤り率EA及びEBは、メモリ6に記憶され、アンテナの選択材料の一つとして考慮される。
#16Aにおいて、平均値RAとRBの差の絶対値が閾値未満であるとき(#16AにおいてNO)、アンテナ制御部52は、メモリ6にアンテナ毎に記憶されている誤り率EA及びEBからその移動平均値AEA及びAEBを算出する(#16E)。メモリ6には、前回受信したパケットにおける誤り率EA及びEBから遡って所定回数分の誤り率EA及びEBが記憶されているので、これらのさらなる平均値を算出することにより、移動平均値ARA及びARBが算出されることになる。なお、アンテナ制御部52の替わりに信号処理部51が、移動平均値AEA及びAEBの算出を行うように、構成されていてもよい。
そして、アンテナ制御部52は、誤り率の移動平均値AEA及びAEBを比較して、より小さい移動平均値AEA又はAEBが算出されたアンテナをペイロードを受信するアンテナとして選択し(#16F)、#20に移行する。このように、本変形例においては、メモリ6に記憶されている過去の複数パケットにおける誤り率EA及びEBについて統計的な処理を行い、ペイロードを受信するアンテナを選択する。従って、ここで選択されるアンテナは、今回のパケットにおいてより大きい平均値RA又はRBが算出されたアンテナとは限らない。
なお、#16Fにおいて、アンテナAに係る誤り率の移動平均値AEAとアンテナBに係る誤り率の移動平均値AEBとが同値の場合は、いずれのアンテナを用いたとしても、受信する信号の品質に大きな差はないと考えられる。そこで、かかる場合にアンテナ制御部52は、アンテナを固定したまま(#18)、第2ユニークワードUW2の検出準備に移行するものとする。また、図9に示した動作例の#16B及び#16C、図10に示した変形例の#16D又は図12に示した変形例の#16Gの処理により、ペイロードを受信するアンテナを選択してもよい。
また、選択されたアンテナでペイロードを受信した後(#23)、アンテナ制御部52は、メモリ6に信号処理部51のレジスタ等に記憶させていた今回のパケットにおける誤り率EA及びEBをメモリ6に移動して記憶させる(#25)。これにより、今回のパケットにおける誤り率EA及びEBが次回以降のアンテナ選択に活用される。なお、#25における誤り率EA及びEBの記憶動作は、全てのパケットについて実行する必要はなく、適宜間引かれていてもよい。
本変形例においては、ペイロードを受信するアンテナを選択する際に、受信レベルに加えてユニークワードUW1の検出時の誤り率の移動平均値が考慮されるので、アンテナ選択の精度をより一層高めることができる。
(変形例3)
図12は、アンテナ切り替え受信システム1の動作の別の変形例を示す。この変形例においては、過去に選択された回数の多いアンテナをペイロードを受信するアンテナとして選択する点で、図9に示した動作例並びに図10及び図11に示した変形例とは異なる。すなわち、アンテナ選択に関する統計的な処理として、過去における各アンテナの選択された回数が用いられる。家具の配置等、通信環境に大きな変更がない場合は、過去において選択された回数の多いアンテナは、その通信環境に適したアンテナであると推定できる。そこで、本変形例では、メモリ6に選択された回数をアンテナ毎に予め記憶しておき、受信レベルの平均値RAとRBの差の絶対値が閾値未満であるとき、過去において選択された回数の多いアンテナを、ペイロードを受信するアンテナとして選択する。
#16Aにおいて、平均値RAとRBの差の絶対値が閾値未満であるとき(#16AにおいてNO)、アンテナ制御部52は、メモリ6を参照して選択された回数の多いアンテナを、ペイロードを受信するアンテナとして選択し(#16G)、#20に移行する。このように、本変形例においては、メモリ6に記憶されている過去において選択された回数について統計的な処理を行い、ペイロードを受信するアンテナを選択する。従って、ここで選択されるアンテナは、今回のパケットにおいてより大きい平均値RA又はRBが算出されたアンテナとは限らない。
なお、#16Gにおいて、アンテナAが選択された回数とアンテナBが選択された回数とが同値の場合は、いずれのアンテナを用いたとしても、受信する信号の品質に大きな差はないと考えられる。そこで、かかる場合にアンテナ制御部52は、アンテナを固定したまま(#18)、第2ユニークワードUW2の検出準備に移行するものとする。また、図9に示した動作例の#16B及び#16C、図10に示した変形例の#16D又は図11に示した変形例の#16E及び#16Fの処理により、ペイロードを受信するアンテナを選択してもよい。
また、選択されたアンテナでペイロードを受信した後(#23)、アンテナ制御部52は、今回のパケットにおいて選択されたアンテナのIDをメモリ6に記憶させる(#26)。これにより、メモリ6には、アンテナ制御部52によって選択されたアンテナのIDが、今回受信したパケットから遡って所定回数分記憶される。アンテナ制御部52は、メモリ6を参照して、アンテナ毎に選択された回数を計数できるので、実質的に、各パケットにおいて選択された回数がアンテナ毎にメモリ6に記憶されることになる。そして、今回のパケットにおいて選択されたアンテナに関する情報が次回以降のアンテナ選択に活用される。なお、#26における選択されたアンテナのIDの記憶動作は、全てのパケットについて実行する必要はなく、適宜間引かれていてもよい。
本変形例においては、ペイロードを受信するアンテナを選択する際に、受信レベルに加えて過去において選択された回数が考慮されるので、アンテナ選択の精度を高めることができる。
(変形例4)
図13は、アンテナ切り替え受信システム1の動作の別の変形例を示す。この変形例においては、受信レベルの平均値RAとRBの差の絶対値が閾値未満であるとき、アンテナを切り替えることなく、ペイロードを受信する点で、図9に示した動作例並びに図10乃至図12に示した変形例とは異なる。#6及び#13において、いずれのアンテナによってもユニークワードUW1が検出された場合、いずれのアンテナを用いてもペイロードを十分に受信できるであろうと期待できる。そして、受信レベルの平均値RAとRBの差の絶対値が閾値未満であれば、上述した期待はさらに高まる。そこで、本変形例においては、受信レベルの平均値RAとRBの差の絶対値が閾値未満であるとき、アンテナを切り替えることなく、ペイロードを受信する。
すなわち、#16Aにおいて、平均値RAとRBの差の絶対値が閾値未満であるとき(#16AにおいてNO)、アンテナ制御部52は、アンテナを固定したまま(#18)、ビット列の検出をリセットし(#20)、ペイロードの受信準備に入る。本変形例においては、アンテナの切り替え動作を必要な場合に限定することにより、アンテナの切り替え頻度を削減してアンテナ制御部52及びアンテナ切替部3等の動作を簡素化することができる。
なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られない。少なくともアンテナを切り替えながらユニークワード検出部45が複数のユニークワードUW1のうちいずれかのユニークワードUW1を検出したとき、信号処理部51は、受信レベルを検出し、アンテナ制御部52がアンテナを切り替えた後、切り替えたアンテナでの受信レベルも検出し、アンテナ制御部52は、アンテナ毎に検出された受信レベルの差が所定の閾値以上である場合にのみ、受信レベルの高いアンテナを選択して、その後のペイロードを受信するように構成されていればよい。
また、本発明は、種々の変形が可能である。例えば、各アンテナによって受信した信号の品質は、受信レベルの平均値を算出することなく、ある時点での受信レベルに基づいて検出するものとしてもよい。例えば、各アンテナでプリアンブルを検出した時点、プリアンブルの検出から所定時間の経過後又はユニークワードUW1を検出した時点の受信レベルに基づいて信号品質を検出してもよい。この場合、信号処理部51の処理負担、すなわちCPU5の処理負担がより一層軽減される。なお、この場合は、図9中#24において、メモリ6には、ある時点での受信レベルが記憶され、次のパケットを受信する際の#16Bにおいて、アンテナ制御部52は、その移動平均値を算出する。
また、図9中#16Bにおいて、アンテナ制御部52が、受信レベルの平均値RA及びRBの移動平均値ARA及びARBを算出する際、加重移動平均値を算出するように構成してもよい。加重移動平均とは、今回のパケットの直前又は今回のパケットにより近いパケットの受信レベルの平均値RA及びRBについて重み付けを行い、移動平均値を算出する手法である。また、図11中#16Eにおいて、アンテナ制御部52が、誤り率EA及びEBの移動平均値AEA及びAEBを算出する際も、同様である。これらのように、加重移動平均値を算出する場合は、今回のパケットの直前又は今回のパケットにより近いパケットの受信レベル又は誤り率の検出結果に重みがつけられて評価されるので、アンテナを選択する精度がより一層高められる。
また、各アンテナによって受信した信号の品質は、受信レベルの他、予め記憶しているユニークワードのビット列に対するベースバンド信号のビット列の誤り率等によっても検出することができる。
また、本発明のアンテナ切り替え受信システム1及び送信システム70は、HEMS100に限られることなく、「切り替えダイバーシチ」を用いた他の無線システムにも広く適用可能である。