JP2014187540A - 無線通信装置、無線通信システム、およびアクセスポイントの選択方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アクセスポイント選択を、アクセスポイントからの信号の受信品質や信号到来角の情報を総合して行うことにより、通信の信頼性を向上させることのできる無線通信装置を提供する。
【解決手段】無線通信装置は、複数のアクセスポイントからの信号を受信し、各々のアクセスポイントからの信号の受信品質を測定する通信品質測定部１６と、各々のアクセスポイントからの信号の到来方向を推定する到来方向推定部１４で推定される到来角度とに基き、同時に通信接続する２つのアクセスポイントを選択するアクセスポイント選択部１８で構成される。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、無線通信装置、無線通信システム、およびアクセスポイントの選択方法に関する。

プラントなどの制御システムにおいては、プラントの機械に設けられる測定対象の測定結果を制御装置に送信する場面Ｍ２Ｍ（Machine to Machine）では、測定対象と制御装置とを有線で接続することが多かった。しかし配線数の低減要求があることから、近年は、測定対象から制御装置までを無線で接続することが検討されている。

Ｍ２Ｍ分野では通信誤りがプラントの動作不良につながるため、特に信頼性の保証が重要となり、その信頼性向上をねらったＩＳＡ１００．１１ａにおけるＤｏｕｃａｓｔという方式が検討されている。

その方式は、図５、図６に示すように、無線通信装置から送信した信号を、特定のアクセスポイント（以下、ＡＰという）が正しく受信できた場合に、そのＡＰはＡＣＫ信号Ａｃｋ１を返信する。返信してきたＡＰをＡＰ１０とすると、ＡＰ１０以外のＡＰ２０が無線通信装置からの信号を正しく受信できた場合は、ＡＰ２０も決められたタイミングでＡＣＫ信号Ａｃｋ２を返信する。本機能を使うことにより、ＡＰ１０との通信が失敗してもＡＰ２０との通信の可能性を残すため、ダイバーシチ効果が得られる。

ここでＡＰの選択方法としては特許文献１では無線通信装置での信号の受信電界強度の情報のみを用いる方法がある。この方法を利用して２つのＡＰを選択する方法を考えた場合、通信品質の１番目、２番目に良いＡＰを特定する方法が考えられる。図７（ａ）の状態のように無線通信装置からみて通信品質の良好なＡＰとの間に何も存在しない場合は受信電界強度の１番目、２番目のＡＰ（ＡＰ１０，ＡＰ２０）を選んでも何ら問題がないが、図７（ｂ）に示すような位置に保守員や大型部品などが一時的にＡＰとの間をさえぎる形で障害物が横たわると、ＡＰ１０，ＡＰ２０いずれも見通し外環境となってしまい、通信品質が共に劣化してしまい、送信データが誤ってしまうおそれが出てくる。

本来Ｄｏｕｃａｓｔ機能は、ダイバーシチ効果をねらった方式にもかかわらず、受信品質に基づきＡＰを選択する場合は２つのＡＰとも同時に通信困難な環境になると、その効果は発揮されない。Ｄｏｕｃａｓｔ機能のダイバーシチ効果を得るには、一方のＡＰとの通信が困難になっても、もう一方の通信品質が維持できることが必要である。つまり、選択した２台のＡＰとも同時に通信品質が悪い状態とならないようなＡＰの組み合わせとなるようなＡＰの選択方法が、測定対象の測定結果を正確に把握する必要のあるＭ２Ｍ通信では必要である。

特開２００５−３９５７１号公報

このようにＤｏｕｃａｓｔ機能実現のために、Ｍ２Ｍ通信を用いるには、データの高信頼化をはかるためにはＡＰの選択が重要な要素となる。本発明は以上の課題を考慮し、通信の信頼性を向上させることのできる無線通信装置、無線通信システム、およびアクセスポイントの選択方法のシステムを提供することを目的とする。

本発明の無線通信装置、無線通信システム、およびアクセスポイントの選択方法では、アクセスポイントからの信号の受信品質と、アクセスポイントからの信号の推定される到来角度とにもとづき、通信する２つのアクセスポイントを選択することにより上記目的を達成する。

図１は、第１実施形態に係る無線通信システムを示す図である。 図２は、第１実施形態に係る無線通信装置を示すブロックである。 図３は、第１実施形態に係るアクセスポイント選択にあたっての選択基準を示す図である。 図４は、第２実施形態に係るアクセスポイント選択にあたっての選択基準を示す図である。 図５は、従来例を説明するための無線通信システムにおけるＤｏｕｃａｓｔ機能を示す図である。 図６は、従来例を説明するためのＤｏｕｃａｓｔ機能を示す図である。 図７は、無線通信装置からアクセスポイントまでの見通しの良い場合と悪い場合を説明するための図である。

実施形態について、図面を参照して説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の実施例の無線通信装置およびそのシステム構成を示すものである。本システムは、アクセスポイントＡＰ１からＡＰ５と、アクセスポイントと無線接続する無線通信装置ＳＴＡとから構成される。ここでは無線通信装置ＳＴＡがアクセスポイントＡＰ１とＡＰ５との間でダイバーシチ通信している様子を示している。

無線通信装置ＳＴＡの構成例を図２に示す。アンテナ部１０を経由してアクセスポイントから無線信号が送受信部１２により受信される。受信信号は、到来方向推定部１４と通信品質測定部１６に導かれる。通信品質測定部１６では各アクセスポイントからの受信信号の強度（RSSI値: Received Signal Strength Indicator）を測定する。品質測定はRSSI値に限らず、S/N比やパケット誤り率でも良い。測定されたRSSI値はアクセスポイント選択部１８に供給される。またアクセスポイント選択のために用いられる閾値は閾値設定部２０に予め設定され、アクセスポイント選択部１８に供給される。

送受信部１２から供給される受信信号は到来方向推定部１４にて、アクセスポイント（以下、本項ではＡＰと称する）からの信号の到来方向を推定する。到来方向推定のアルゴリズムとしては、MUSIC法 (MUltiple SIgnal Classification)、ESPRIT法 (Estimation of Signal Parameters)などが知られており、これらアルゴリズムを利用してそれぞれのＡＰからの信号の到来方向を推定する。

推定されたそれぞれのＡＰの方向に相当する情報は角度広がり算出部２２に供給される。ここでは、２つのアクセスポイント、たとえば図１のＡＰ１とＡＰ４それぞれからの信号の到来方向に基づき算出されるθを求める。つまり、算出した２つの信号の到来方向の角度広がりは、同一方向に設置される場合は０°であり、正反対の方向の場合は１８０°となる。

アクセスポイント選択部１８では、複数のＡＰの中から、閾値設定部２０にて設定される閾値を用いてＡＰを絞る。絞り方は後述する選択ポリシーに基づく。アクセスポイント選択部１８は、絞られたＡＰの組み合わせに対して、ＡＰの角度広がりを角度広がり算出部２２で求めて、その中で通信に適すると判断する２つのＡＰを選択する。その後、選択されたアクセスポイントとの認証処理を行う。

次に複数のアクセスポイントの中から２台のアクセスポイントを選択する方法につき述べる。説明のために、通信品質測定部１６で測定された各アクセスポイントからのＲＳＳＩ値が図３のように得られたとする。まず最もＲＳＳＩ値の良い受信信号の発信元であるＡＰ１と、２番目にＲＳＳＩ値の良いＡＰ５を選択する。そして２番目に良好なＲＳＳＩ値を基準として、これとの差が閾値設定部２０であらかじめ決められた閾値以内のＲＳＳＩ値をもつ信号発信源を選択する。ここではＡＰ２，ＡＰ４を選択する。

この結果をもとにＡＰ５と、ＡＰ２、ＡＰ４を２台目の候補として決定し、主のＡＰであるＡＰ１からの信号到来方向との角度広がりを算出する。それぞれの角度広がりを算出した結果、２台目の候補の中から、ＡＰ１との角度広がりが最も大きいアクセスポイントを選択する。図１の場合はＡＰ５を選択する。そのため、アクセスポイント選択部１８では、角度広がり算出部２２で得られた結果をもとに２台目の候補から１台を選択する。

このようにアクセスポイント選択部１８では、２台目の候補の中からＲＳＳＩ値がある条件を満たすアクセスポイントの中から１台目として選択したアクセスポイントと最も方向の異なるアクセスポイントを２台目として選択できるため、無線通信装置ＳＴＡとＡＰとの間に、保守員などの通過などにより、障害物が入ってしまうような場合でも、２台目のＡＰも見通し外環境に陥る可能性を最大限防止することができる。その結果、両ＡＰとの通信が同時に困難になることを防止し、いずれかのＡＰとの通信が可能になるので通信の高信頼化が実現できる。なお、アクセスポイント選択部１８は通信開始時のみでなく、定期的に実施することでＡＰを更新するようになっていてもよい。

閾値は、通信品質が２番目に良好であるＡＰを基準とした相対的な値である。ここで閾値が大きいほど２台目のＡＰとして選択する候補数が多くなる。候補対象が多いほど、その分、１台目ＡＰとの角度広がりが大きいＡＰを選択する可能性が広がる。ただし、閾値を大きくすると、品質の悪いＡＰを選択してしまう可能性も出てくる。

これらを考慮し、２番目のＡＰからの信号の品質がある一定値以上である場合はある程度の通信品質の劣化した範囲のＡＰであっても十分に通信可能な絶対的な通信品質レベルを保てることから、そのような場合には閾値を大きく設定して、絶対的な通信品質を保ちつつ、１台目ＡＰとの角度広がりができるだけ大きいＡＰの選択を試みる。

一方、２台目のＡＰからの信号品質が一定値以下である場合は、上記の閾値を小さく設定しておくことで、角度広がりよりも、絶対的な通信品質レベルを保つＡＰを選択してもよい。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、通信品質が２番目に良いＡＰの通信品質を基準として、閾値設定部２０で設定した通信品質劣化以内に収まる通信品質のＡＰを２台目の候補とするものであった。これに対し、本実施例形態では、図４に示すように、閾値設定部２０で絶対的な閾値を設定し、それを超えた通信品質が得られるＡＰを選択候補とする。図４において、閾値ＸｄＢｍを越えるＲＳＳＩ値を有するＡＰ１、ＡＰ２、ＡＰ４、ＡＰ５を選択候補とする。角度広がり算出部２２ではこれらの中から２台の組み合わせを決め（この場合は６通り）、それぞれの組み合わせＡＰ間の角度広がりを算出し、アクセスポイント選択部１８では最も角度広がりをもったＡＰの組み合わせを１台目および２台目のＡＰとして選択する。これにより、選択する組み合わせ対象が多い分、角度広がりの大きいＡＰを選択する可能性が高くなる。

なお、１台目のＡＰをもっとも通信品質の良いＡＰとし、１台目のＡＰと、通信品質が閾値を超える候補ＡＰとの角度広がりをそれぞれ算出して最も広がりの大きいＡＰを２台目として選択する方法もある。これによれば、選択する組み合わせは制約される反面、１台目のＡＰとして確実に品質の良好なＡＰを選択することができるという効果もある。

また、閾値を超えたＡＰが２台以上選べない場合は、閾値を超えない通信品質のＡＰの中から品質の良い上位２台を選び、通信するようにしてもよい。

＜第３の実施形態＞
本実施形態では、第１、または第２の実施形態で示したＡＰ選択ポリシーにもとづく選択動作を、無線通信装置ＳＴＡが行うのではなく、システム全体を管理する集中制御装置が行ってもよい。その場合、無線通信装置ＳＴＡで通信品質を測定し、ＡＰ間の角度広がりを算出し、これを集中制御装置が収集する。収集した値にもとづき、集中制御装置が第１、第２実施形態のアクセスポイント選択部と同様のポリシーで２台のＡＰを選択する。

なお、集中制御装置はＡＰに接続している無線通信装置数や、トラフィック量を把握していることが多いので、ＡＰ選択にあたっては上記選択ポリシーに加えて、集中制御装置が把握している無線通信装置数や、トラフィック量などの情報を加えて最終的にＡＰの選択を行ってもよい。

＜その他＞
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…アンテナ部、１２…送受信部、１４…到来方向推定部、１６…通信品質測定部、１８…アクセスポイント選択部、２０…閾値設定部、２２…角度広がり算出部

Claims (7)

1. アクセスポイントとの間で無線接続可能な無線通信装置において、
   アクセスポイントからの信号の通信品質を測定する通信品質測定部と、
   複数のアクセスポイントのうち、最も通信品質の良い信号を送信するアクセスポイントを第１のアクセスポイントとして選択する第１の選択部と、
   複数のアクセスポイントのうち、２番目に通信品質の良い信号を送信するアクセスポイントの通信品質を基準として、ある決められた閾値以内の劣化に収まる通信品質のアクセスポイント候補を特定する第２の選択部と、
   アクセスポイントからの信号の到来角度を推定する到来方向推定部と、
   前記推定された角度に基づき、前記特定されたアクセスポイント候補のうち、前記第１のアクセスポイントからの信号到来方向に対する信号到来角度が最も大きいアクセスポイントを第２のアクセスポイントとして選択し、前記第１のアクセスポイントと前記第２のアクセスポイントとの両方に接続する制御部と
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
2. 前記閾値は、前記２番目に通信品質の良い信号を送信するアクセスポイントの受信品質が良好なほど、大きな値に設定することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. アクセスポイントとの間で無線接続可能な無線通信装置において、
   アクセスポイントからの信号の通信品質を測定する通信品質測定部と、
   複数のアクセスポイントのうち、あらかじめ決められた通信品質を上回る通信品質を有する信号を送信するアクセスポイントを特定する特定部と、
   アクセスポイントからの信号の到来角度を推定する到来方向推定部と、
   前記特定されたアクセスポイントのうち、前記推定された角度に基づき、信号の到来角度の差が最も大きいアクセスポイントの組み合わせを第１のアクセスポイント、第２のアクセスポイントとして選択し、前記第１のアクセスポイントと前記第２のアクセスポイントとの両方に接続する制御部と
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
4. アクセスポイントとの間で無線接続可能な無線通信装置において、
   アクセスポイントからの信号の通信品質を測定する通信品質測定部と、
   複数のアクセスポイントのうち、あらかじめ決められた通信品質を上回る通信品質を有する信号を送信するアクセスポイントを特定する特定部と、
   前記特定された複数のアクセスポイントのうち、最も通信品質の良い信号を送信するアクセスポイントを第１のアクセスポイントとして選択する第１の選択部と、
   アクセスポイントからの信号の到来角度を推定する到来方向推定部と、
   前記特定されたアクセスポイントのうち、前記推定された角度に基づき、前記第１のアクセスポイントからの信号到来方向に対する信号到来角度が最も大きいアクセスポイントを第２のアクセスポイントとして選択し、前記第１のアクセスポイントと前記第２のアクセスポイントとの両方に接続することを特徴とする無線通信装置。
5. アクセスポイントとの間で無線接続可能な無線通信装置において、
   アクセスポイントからの信号の受信品質を測定する通信品質測定部と、
   アクセスポイントからの信号の到来角度を推定する到来方向推定部と、
   前記測定された通信品質と、前記推定された角度に基づき、第１のアクセスポイントと第２のアクセスポイントを選択し、前記第１のアクセスポイントと前記第２のアクセスポイントとの両方に接続する制御部と
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
6. アクセスポイントとアクセスポイントに無線接続可能な無線通信装置とからなる無線通信システムにおいて、
   アクセスポイントから無線通信装置への信号の受信品質を測定する通信品質測定部と、前記信号の到来角度を推定する到来方向推定部と、
   前記測定された受信品質と、前記推定された到来角度とに基づき、第１のアクセスポイントと第２のアクセスポイントとを選択し、前記第１のアクセスポイントと前記第２のアクセスポイントとの両方に接続する制御部と
   を有することを特徴とする無線通信システム。
7. 無線通信装置と無線接続可能なアクセスポイントの選択方法において、
   アクセスポイントから無線通信装置への信号の通信品質を測定する通信品質測定ステップと、
   前記信号の到来角度を推定する到来方向推定ステップと、
   前記測定された通信品質と、前記推定された到来角度とに基づき、第１のアクセスポイントと第２のアクセスポイントとを選択する選択ステップと
   を有することを特徴とするアクセスポイントの選択方法。

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