JP2017069918A - 無線通信方法および無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】システム全体の無線通信の効率を向上させる。
【解決手段】利用する通信方式および通信を行うタイミングを動的に決定して行う、車両の無線通信方法であって、将来の複数の時点における車両の位置を推定するステップと、前記将来の複数の時点のそれぞれについて、各時点での車両の位置における通信のコストおよび通信の効用を、複数の通信方式のそれぞれについて取得するステップと、前記将来の複数の時点のそれぞれについて、通信の効用に対する通信のコストの比が最も小さい通信方式である最適通信方式を決定するステップと、前記将来の複数の時点の最適通信方式のうち、前記比が小さいものから順番に所定数個を選択するステップと、選択された時点において当該時点での最適通信方式を用いて通信を行うステップと、を含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、無線通信に関連し、特に、利用する通信方式および通信を行うタイミングを動的に決定して通信を行う無線通信に関連する。

車両に搭載された無線通信機が複数の無線通信方式（３Ｇ，ＬＴＥ，ＤＳＲＣ，ＷｉＦｉなど）に対応している場合、その時点で最も効率的な無線通信方式を用いて通信を行うことが一般的である。

特許文献１は、サービスの利用可能性に応じて車車間通信と路車間通信を切り替えることを開示する。また、特許文献２は、車両の位置および通信が車車間通信か路車間通信かに基づいて、利用するアンテナ（無指向性アンテナ、指向性アンテナなど）を切り替えることを開示する。また、特許文献３は、自車両と路側機の間に他の車両が存在する場合に、シャドウイングを避けるために当該他の車両を中継車両として利用することを開示する。

特開２０１４−１３１２３６号公報 特開２０１１−１９１９４６号公報 特開２００９−１５２７００号公報

それぞれの車両がその時点で最も効率的な無線通信方式を用いて路側機と通信を行うと、複数の車両からなるシステム全体で見たときの通信効率は最大化されない。これは、路側機は通信する車両全てに対して均等に帯域幅（例えばスロットや搬送波）を割り当てるが、路側機から遠い車両は低レベルの変調方式や符号化方式しか利用できずスループットが低いためである。

本発明は、複数の車両がそれぞれ複数の無線通信方式を用いて通信を行う環境において、システム全体の無線通信の効率を向上させることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第一の態様では、車両が利用する通信方式および通信を行うタイミングを動的に決定して無線通信を行うものであり、通信のコストに対する通信の効用が高いタイミングおよび無線通信方式で無線通信を行う。

より具体的には、本態様に係る無線通信方法は、
将来の複数の時点における車両の位置を推定するステップと、
前記将来の複数の時点のそれぞれについて、各時点での車両の位置における通信のコストおよび通信の効用を、複数の通信方式のそれぞれについて取得するステップと、
前記将来の複数の時点のそれぞれについて、通信の効用に対する通信のコストの比が最も小さい通信方式である最適通信方式を決定するステップと、
前記将来の複数の時点の最適通信方式のうち、前記比が小さいものから順番に所定数個を選択するステップと、
選択された時点において当該時点での最適通信方式を用いて通信を行うステップと、
を含む。

このような構成によれば、通信のコストに対する効用が最も高い通信方式を用いた通信が行えるので、複数の無線通信装置からなるシステム全体での通信を効率化できる。

将来の複数の時点における車両の位置は、予想走行経路から求めることができる。例えば、ナビゲーションシステムに目的地までの経路が設定されている場合には、この経路から将来の車両の位置を推定できる。また、経路が明示的に設定されていない場合であっても、利用者の過去の走行履歴や日時などから走行経路が予想できる場合には、この予想走行経路を用いて将来の車両位置を推定できる。なお、将来の複数の時点における車両の位置は、時間を所定間隔のタイムステップに区切り、また、道路を所定距離ごとの道路区間に区切り、各タイムステップにおいて車両が位置する道路区間を特定することにより指定するとよい。

ある無線通信方式の通信の効用は、例えば、当該無線通信方式を用いて通信した際のスループットあるいは１タイムステップにおいて行える通信量に基づいて決定するとよい。ここで、必要な通信量が明確に把握できる場合には、１タイムステップにおいて行える通信量を必要な通信量で正規化した値を用いるとよい。

ある無線通信方式の通信のコストは、例えば、通信のオーバーヘッド、通信に要する費用（料金）、通信のセキュリティ強度の少なくともいずれかまたはこれらの組み合わせに基づいて決定するとよい。通信のオーバーヘッドは、当該無線通信方式の最大スループットに対する実際のスループットの比に基づいて決定するとよい。

通信の効用およびコストは、各無線通信方式の無線基地局からの距離に基づいて決定することができる。すなわち、あらかじめ無線基地局からの距離に応じた通信のコストおよび効用を対応付けたモデル（算出式であってもよいし、テーブルであってもよい）を記憶しておき、無線基地局の位置と自車両の将来の時点における位置との間の距離を用いて上記モデルを参照して通信のコストと効用を取得するとよい。無線基地局の位置は、車両があらかじめ記憶していてもよいし、無線通信により外部装置から取得してもよい。

あるいは、通信の効用およびコストは、位置ごとおよび無線通信方式ごとの通信のコストおよび効用を記憶したテーブルを参照して取得することもできる。当該テーブルは車両があらかじめ記憶していてもよいし、その他の装置から無線通信により取得してもよい。また、テーブル自体はサーバ装置などの他の装置が有しており、車両が当該サーバ装置に対して位置情報を含む問合せを行って、当該位置に対応する通信の効用およびコストを取得してもよい。

上記のテーブルは、例えば、実際の通信履歴に基づいて生成することができる。車両が通信を行った際の通信のコストおよび効用を、当該車両が通信を行った位置とともにサーバ装置に送信し、サーバ装置が複数の車両から取得される情報に基づいて上記テーブルを生成すればよい。また、上記のテーブルはシミュレーションなどの手法によって生成されても構わない。

なお、本発明は、上記処理の少なくとも一部を実行する通信方法として捉えることもできる。本発明は、上記処理の少なくとも一部を実行する手段を備える無線通信装置として捉えることができる。また、本発明は、この方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム、あるいはこのコンピュータプログラムを非一時的に記憶したコンピュータ可読記憶媒体として捉えることもできる。上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。

本発明によれば、複数の車両がそれぞれ複数の無線通信方式を用いて通信を行う環境において、システム全体の無線通信の効率を向上できる。

実施形態にかかる車載通信装置の機能ブロック図。 実施形態にかかる無線通信方法のフローチャート。 無線基地局からの距離に応じたスループットを対応付けるモデルの例。 実施形態にかかる無線通信方法によって、無線通信を行う区間および無線通信方式を決定する具体例を説明する図。

本実施形態は、車両に搭載された無線通信装置が所定の時間内にある容量のデータを通信する必要がある状況において好適な無線通信方法である。例えば、地図データやソフトウェア（アプリケーションプログラム）またはこれらの更新情報などのデータをダウンロードする状況を想定する。このような通信はある程度の遅延が許容され即座に通信を開始する必要が無いので、通信効率の良い時点において通信をすることで、システム全体の通信効率を向上させることができる。

本実施形態に係る車載通信装置１０について説明する。車載通信装置１０は、車両１に搭載された（備え付けられた、もしくは持ち込まれた）無線通信装置であり、複数の無線通信方式による通信が可能である。車載通信装置１０は、複数の無線通信方式のそれぞれに対応した複数の無線通信部１６、もしくは複数の無線通信方式に対応可能な１つの無線通信部１６を有する。車載通信装置１０は、また、中央演算処理装置、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶装置、入出力装置、通信インタフェースなどを有し、中央演算処理装置がプログラムを実行することで、図１に示す機能を実現する。すなわち、車載通信装置１０は、位置推定部１１、コスト・効用取得部１２、基地局位置記憶部１３、通信区間・通信方式決定部１４、通信制御部１５として機能する。なお、これらの機能のうち一部または全部について専用のハードウェア回路によって実現しても構わない。

図２は、車載通信装置１０が無線通信を行う際の処理の流れを示したフローチャートである。以下、図２を参照しながら、本実施形態における車載通信装置１０の無線通信方法の詳細について説明する。

まず、ステップＳ１において、位置推定部１１が、現在以降のタイムステップｔ１〜ｔｎにおいて車両１が位置する道路区間Ｓ１〜Ｓｎを特定する。具体的には、位置推定部１１は、例えば、ナビゲーション装置に設定されている予定走行経路を取得し、予定走行経路と、予想される走行速度に基づいて、各タイムステップｔにおける車両１の道路区間Ｓを特定する。本実施形態においては、道路区間Ｓは所定距離（例えば１００ｍ）を有し、各タイムステップｔは所定の時間間隔（例えば１秒）とする。道路区間Ｓおよびタイムステップｔは、一つの区間内および一つのタイムステップ内では通信状況が同一とみなせるように設定することが望ましい。また、現在から何秒後までの道路区間を特定するか、すなわちｎの値は、通信を完了すべき時間（許容遅延時間）に基づいて決定するとよいが、あらかじめ定められた値を上限値としてもよい。

次に、特定された道路区間Ｓ１〜Ｓｎのそれぞれについて、以下のループＬ１の処理が実行される。以下、変数ｉは、処理対象の道路区間を表す。なお、道路区間Ｓｉは、タイムステップｔ_ｉにおける車両１の位置なので、タイムステップを表すともいえる。

ループＬ１内では、まず、ループＬ２の処理において無線通信方式ごとにステップＳ２およびＳ３の処理が実行される。以下、変数ｊは、処理対象の無線通信方式を表す。

ステップＳ２において、コスト・効用取得部１２は、道路区間Ｓ_ｉにおいて無線通信方式ｊを用いて通信をした場合の、通信の効用ｕ_ｉｊとコストｃ_ｉｊを取得する。本実施形態においては、通信の効用ｕ_ｉｊは、以下の式で定義する。

ここで、ｔｈ_ｉｊは道路区間Ｓ_ｉにおいて無線通信方式ｊを用いて通信をした場合のスループット（単位時間あたりの通信量）、Δｔは１タイムステップの時間、Ｂはアプリケーション等から要求される必要な通信量（例えば、ダウンロードする３次元地図データのデータ容量）を表す。すなわち、本実施形態においては、通信の効用ｕ_ｉｊは、道路区間Ｓ_ｉにおいて無線通信方式ｊを用いて通信できる通信量を、必要な（要求される）通信量で正規化した値である。

また、本実施形態においては、コストｃ_ｉｊは、以下の式で定義する。

ここで、ｔｈ_ｍａｘ ^ｊは、無線通信方式ｊにおいて可能な最大スループットを表す。定義から明らかなように、本実施形態においてはコストｃ_ｉｊは通信効率の補数であり、最大スループットで通信可能であればコストが小さく、オーバーヘッドが大きいほどコストが大きくなる。

なお、通信の効用ｕ_ｉｊおよびコストｃ_ｉｊは、道路区間Ｓ_ｉと無線通信方式ｊの無線基地局の位置との間の距離に基づいて決定することができる。例えば、コスト・効用取得部１２は、図３のように無線基地局からの距離とスループットの関係を定義したモデル（算出式もしくはテーブル）を参照して、効用および効用を決定するとよい。なお、図３には、２つの無線通信方式についてのモデル（実線と点線）が描かれている。無線基地局の位置は、基地局位置記憶部１３にあらかじめ格納しておいてもよいし、無線通信によって取得してもよい。

ステップＳ３において、コスト・効用取得部１２は、道路区間Ｓ_ｉにおける無線通信方式ｊの評価値ｒ_ｉｊを算出する。評価値ｒ_ｉｊは、通信のコストｃ_ｉｊと効用ｕ_ｉｊに基づいて無線通信方式ｊを用いた通信の効率を定義した値である。評価値ｒ_ｉｊは、通信のコストｃ_ｉｊと効用ｕ_ｉｊに基づき、コストｃ_ｉｊが小さいほど大きく、効用ｕ_ｉｊが大きいほど大きい値を取るように定義することができる。本実施形態においては、次式のように通信のコストｃ_ｉｊと効用ｕ_ｉｊの比によって評価値ｒ_ｉｊを定義する。

ループＬ２の処理によって、道路区間Ｓ_ｉにおける、全ての無線通信方式ｊについてのコストｃ_ｉｊ、効用ｕ_ｉｊ、および評価値ｒ_ｉｊが算出される。なお、上述したように道路区間Ｓ_ｉはタイムステップｔ_ｉにおける車両１の位置なので、ｃ_ｉｊ、ｕ_ｉｊ、およびｒ_ｉｊは、タイムステップｔ_ｉにおける無線通信方式ｊについてのコスト、効用、および
評価値であるともいえる。

ステップＳ４では、通信区間・通信方式決定部１４が、道路区間Ｓ_ｉについて、評価値ｒ_ｉｊが最小となる無線通信方式ｊを決定する。以下では、この無線通信方式を道路区間Ｓ_ｉにおける最適通信方式Ｍ_ｉと称し、また、最適通信方式Ｍ_ｉの評価値を最小評価値ｒ_ｉと称する。また、道路区間Ｓ_ｉにおける最適通信方式Ｍ_ｉの効用およびコストを、それぞれｕ_ｉおよびｃ_ｉと表す。

ループＬ１の処理によって、以上のステップＳ２〜Ｓ４の処理が繰り返され、全て道路区間Ｓ_ｉについて、最適通信方式Ｍ_ｉおよびその通信のコストおよび効用が算出される。

通信区間・通信方式決定部１４は、各道路区間における最適通信方式の中から最小評価値が順番に所定数個を選択して、選択された道路区間（タイムステップ）において選択された最適通信方式を用いて通信を行うものと決定する（ステップＳ５〜Ｓ９）。以下、この処理についてより具体的に説明する。

ステップＳ５において、通信区間・通信方式決定部１４は、変数Ｕをゼロに初期化する。そして、ステップＳ６において、通信区間・通信方式決定部１４は、道路区間Ｓ_ｉのうち最小評価値ｒ_ｉが最も小さい道路区間Ｓ_ｋを選択する。ステップＳ７において、通信区間・通信方式決定部１４は、変数Ｕに、道路区間Ｓ_ｋにおける最適通信方式Ｍ_ｋの効用ｕ_ｋを加える。

ステップＳ８において、通信区間・通信方式決定部１４は、変数Ｕが閾値以上であるか否かを判定する。閾値として１を用いることができる。効用は、道路区間内で通信可能な通信量の必要な通信量に対する比であるので、効用の和が１以上であれば、必要な通信が行えるためである。すなわち、通信を行う区間（タイミング）を、要求された通信量を通信できるだけの最小の数とすることができる。ただし、安全を考慮して閾値を１より大きい値、例えば、１．２などとしてもよい。

変数Ｕが閾値未満の場合（Ｓ８−ＮＯ）には、ステップＳ６に戻り、選択されていない道路区間の中から最小評価値ｒ_ｉが最も小さい道路区間を選択して、上記の処理を繰り返す。変数Ｕが閾値以上となった場合（Ｓ８−ＹＥＳ）は、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９では、通信区間・通信方式決定部１４は、上記の処理において選択された道路区間において最適通信方式を用いて通信を行うものと決定する。具体的には、通信制御部１５が、車両１が選択された道路区間に到達したか否かを判断し、到達した場合にはその道路区間での最適通信方式を用いて通信を行うように、無線通信部１６を制御する。

上記の処理について、図４（Ａ）〜４（Ｃ）を参照して具体的に説明する。図４（Ａ）〜４（Ｃ）の例では説明を簡略化するために、２種類の無線通信方式が利用可能である場合を想定する。また、４タイムステップ先までを考慮し、４つの道路区間Ｓ１〜Ｓ４を対象とする。

図４（Ａ）は、それぞれの道路区間Ｓ_ｉおよび無線通信方式ｊでの効用ｕ_ｉｊおよびコストｃ_ｉｊの例を示す。図中において、左側の数値が効用であり、右側の数値がコストである。例えば、道路区間Ｓ１における無線通信方式１の効用ｕ_１１は０．１、コストｃ_１１は０．５である。

このような状況において、各道路区間Ｓ_ｉにおける最適通信方式Ｍ_ｉは、図４（Ｂ）の点線の四角で囲った方式として決定される（ステップＳ４）。例えば、道路区間Ｓ２では
、無線通信方式１の評価値は６（＝０．６／０．１）であり、無線通信方式２の評価値は０．２５（＝０．２／０．８）であるので、評価値が最小となる無線通信方式２が最適通信方式として選択される。

各道路区間Ｓ_ｉにおける最適通信方式Ｍ_ｉの最小評価値は、図４（Ｂ）の点線の四角の外側に示されるように、Ｍ１が５、Ｍ２が０．２５、Ｍ３が０．３７５、Ｍ４が８となる。ここで、最小評価値が小さい無線通信方式から選択していくと、まず、最適通信方式Ｍ２（道路区間Ｓ２における最適無線通信方式＝無線通信方式２）が選択される。このとき効用の合計は０．８であり閾値（ここでは１とする）以下なので、さらに次の最適通信方式が選択される。最小評価値が次に小さいのは最適通信方式Ｍ３（道路区間Ｓ３における最適無線通信方式＝無線通信方式２）であるので、これが選択される。ここで効用の合計が１．６となり閾値以上となるので、選択処理を終了する。

以上のように、図４（Ａ）に示す状況においては、道路区間Ｓ２で無線通信方式２、道路区間Ｓ３で無線通信方式２を用いて通信を行うように決定される。なお、この例では、選択される道路区間が連続しており、かつ、無線通信方式に切り替えがないが、上述した選択方法から明らかなように、通信を行う道路区間は必ずしも連続している必要はないし、また、連続する道路区間で通信を行う場合に道路区間ごとに無線通信方式が切り替わっても構わない。

図２に示した通信を行う道路区間および無線通信方式の決定処理は、定期的に繰り返し実行することが好ましい。状況の変化に応じて、最適な通信の仕方が変更することがあるためである。

本実施形態によれば、通信の効用とコストとを勘案して適切なタイミングで適切な無線通信方式を用いた通信が可能となるので、個々の無線通信装置がベストエフォート型で通信を行う場合よりもシステム全体の通信効率が向上する。また、上記の処理は、個々の無線通信装置が自律分散的に行う処理であるので、システム内の無線通信装置で連携を取ることなくシステム全体の通信効率を向上させることができる。

＜変形例＞
上記の説明は、本発明を例示的に説明したものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その技術的思想の範囲内で、種々の変形が可能である。

上記の説明において、図３に示すように無線基地局からの距離に応じて、通信のコストと効用を算出しているが、通信のコストと効用の求め方はこれに限られない。例えば、通信のスループット等は通信を行う車両の台数によっても変化するので、無線基地局からの距離と周辺の車両密度と通信のコストおよび効用を対応付けたモデル（算出式またはテーブル）を参照して決定してもよい。周辺の車両台数は、受信する無線信号に含まれる車両識別子から判断すればよい。また、無線基地局からの距離や車両密度以外の周辺状況に関するパラメータも考慮して、通信のコストおよび効用を算出するようにすること好ましい。

また、車載通信装置１０が、位置ごとおよび無線通信方式ごとの通信のコストおよび効用を記憶したテーブルを参照して、通信のコストおよび効用を取得してもよい。位置ごとおよび無線通信方式ごとの通信のコストおよび効用を記憶したテーブルは、例えば、実際の通信履歴に基づいて生成してもよいし、シミュレーションに基づいて生成してもよい。実際の通信履歴に基づいてテーブルを生成する場合には、車載通信装置１０が実際に通信を行った際の、位置、無線通信方式、コストおよび効用に関連する情報などをサーバ装置に送信するとよい。この送信はリアルタイムに行う必要はなく、適切なタイミングでまと
めて送信するようにしても良い。サーバ装置は多数の車両から送信される通信履歴情報に基づいて上記テーブルを生成できる。サーバ装置が生成した情報は適宜車載通信装置１０に対して送信されてもよいし、車載通信装置１０に送信することなく車載通信装置１０からの問い合わせに応じて、サーバ装置が通信コストおよび効用をテーブルに基づいて取得して車載通信装置１０に通知するようにしてもよい。なお、テーブルを作成する場合も、位置だけに限らず、周辺の車両台数やその他の周辺状況ごとに通信のコストおよび効用を定義するようにすることも好ましい。

通信の効用およびコストは上記で説明したものに限られない。例えば、通信の効用は、ユーザまたはアプリケーションにとっての有益さや満足度を表す指標であれば任意のものを採用できる。例えば、通信の効用として通信に要する時間に関連した値を採用することもできる。また、通信のコストは最小化することが望ましい指標であれば任意のものを採用できる。例えば、利用する帯域幅、通信に要する費用、セキュリティコストなどに関連した値をコストとして採用できる。また、これらおよび通信オーバーヘッドなどの複数の要因を組み合わせて得られる値をコストとして採用することもできる。

上記の実施形態では、道路をあらかじめ所定距離の道路区間に区分するものとして説明したが、あらかじめ道路区間を定義せずにタイムステップの開始時点と終了時点における位置を始点および終点する区間を、当該タイムステップに対応する道路区間として決定してもよい。

１０：車載通信装置 １１：位置推定部 １２：コスト・効用取得部
１３：基地局位置記憶部 １４：通信区間・通信方式決定部
１５：通信制御部 １６：無線通信部

Claims (10)

1. 利用する通信方式および通信を行うタイミングを動的に決定して行う、車両の無線通信方法であって、
   将来の複数の時点における車両の位置を推定するステップと、
   前記将来の複数の時点のそれぞれについて、各時点での車両の位置における通信のコストおよび通信の効用を、複数の通信方式のそれぞれについて取得するステップと、
   前記将来の複数の時点のそれぞれについて、通信の効用に対する通信のコストの比が最も小さい通信方式である最適通信方式を決定するステップと、
   前記将来の複数の時点の最適通信方式のうち、前記比が小さいものから順番に所定数個を選択するステップと、
   選択された時点において当該時点での最適通信方式を用いて通信を行うステップと、
   を含む、無線通信方法。
2. 前記所定数個は、要求された通信量を通信できる最小の数である、
   請求項１に記載の無線通信方法。
3. 通信方式の通信の効用は、各時点において当該通信方式を用いて行える通信量に基づいて決定される、
   請求項１または２に記載の無線通信方法。
4. 通信方式の通信のコストは、通信のオーバーヘッド、通信に要する費用、通信のセキュリティ強度の少なくともいずれかに基づいて決定される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の無線通信方法。
5. 通信方式の通信のコストは、前記複数の通信方式で達成可能な最大のスループットに対する前記通信方式でのスループットに基づいて決定される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の無線通信方法。
6. 通信のコストおよび効用を取得するステップは、
   各通信方式の無線基地局の位置を取得するステップと、
   無線通信方式ごとに無線基地局からの距離と通信のコストおよび効用とを対応付けたモデルを参照して、前記車両の将来の時点の位置における通信のコストおよび効用を取得するステップと、
   を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の無線通信方法。
7. 通信のコストおよび効用を取得するステップは、
   位置ごとおよび通信方式ごとの通信のコストおよび効用を記憶したテーブルを参照して、前記車両の将来の時点の位置における通信のコストおよび効用を取得するステップと、
   を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の無線通信方法。
8. 車両が通信を行った際の通信のコストおよび効用と、当該車両が通信を行った位置とをサーバ装置に送信するステップをさらに含み、
   前記テーブルは、複数の車両から送信された情報に基づいて前記サーバ装置によって生成される、
   請求項７に記載の無線通信方法。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。
10. 利用する通信方式および通信を行うタイミングを動的に決定して行う、無線通信装置であって、
    将来の複数の時点における無線通信装置の位置を推定する位置推定手段と、
    前記将来の複数の時点のそれぞれについて、各時点での無線通信装置の位置における通信のコストおよび通信の効用を、複数の通信方式のそれぞれについて取得するコスト・効用取得手段と、
    前記将来の複数の時点のそれぞれについて、通信の効用に対する通信のコストの比が最も小さい通信方式である最適通信方式を決定し、前記将来の複数の時点の最適通信方式のうち、前記比が小さいものから順番に所定数個を選択し、選択された時点において当該時点での最適通信方式を用いて通信を行うと決定する決定手段と、
    を備える無線通信装置。

Images