JP2020178264A - 無線通信制御方法および地上局無線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】移動局と地上局の通信において、ＣＳＭＡ方式あるいはＴＤＭＡ方式の通信方式によらず使用可能であり、使用できる周波数帯が限られていても、輻輳を生じず、通信量を低減することができる。【解決手段】地上局無線装置と移動局無線装置が、共通の時刻源に基づいて、時刻同期を行い、通信リソース割当サーバが、通信の基本周期となるスーパーフレーム内の各ネットワークにおける時間割当データを、地上局無線装置に通知する。地上局無線装置は、送信されるスーパーフレーム内の各ネットワークにおける時間割当データに基づいて、各ネットワークがスーパーフレーム内で通信する時間である送信許可フレーム制御データを算出し、それを、移動局無線装置に送信し、地上局無線装置と、移動局無線装置が自分の属するネットワークにおける送信許可フレームの制御データに基づいてデータ通信を行う。【選択図】 図１

Description

本発明は、無線通信制御方法および地上局無線装置に係り、特に、無人航空機システムなどの移動局が同一周波数の信号を使って、地上局と通信するときに、通信の輻輳を避け、データ通信量を低減するのに好適な無線通信制御方法および地上局無線装置に関する。

無人航空機システム（ＵＡＳ：Unmanned Aerial System）は、コンピュータ制御、無線制御により自律飛行が可能な無人航空機を用いたシステムであり、近年、軍事のみならず、パイロットや滑走路などを必要とせず、災害時にも即時に運用できることから、災害時の無線中継や災害状況を把握するための映像伝送の役割が期待されている。

しかしながら、無人航空機の利用が増加しているにもかかわらず、通信資源としての周波数帯は限られており、無人航空機システムに利用できる周波数の逼迫が課題とされている。

これに関連して、複数の無線機が干渉せず通信を行うための通信方法としては、時分割多重化方式(ＴＤＭＡ：time division multiplexing方式)がある。時分割多重化通信は、通信回線を一定時間ごとに区切ることで、各時間ごとに別々のデータを送受信する方法である。 時分割多重では、通信回線のなかに、フレームと呼ばれる一定時間ごとの区切りを設け、加えて、フレームの中にも複数のタイムスロットという単位を設けている。

また、干渉を避けるための通信方法として、一定の時間内で各無線機に送信許可ウインドウを割り当て、その中で各無線機が通信することで干渉を防ぐ方法がある（例えば、非特許文献１、非特許文献２）。
さらに、特許文献１には、親局が子局からの送信要求に応じて、最適な送信時間帯を割当てる伝送システムが開示されている。

特開２０００−２４４５２７号公報

川本雄一、他４名、"無人航空機システムにおける資源割当制御アルゴリズムの検討−送信許可ウインドウ内でCSMA/CAを実行する送信制御手法に関する屋外実験−"、２０１８年電子情報通信学会総合大会、通信公演論文集１、ｐ．２３８ Y. Kawamoto, et al., "Toward Future Unmanned Aerial Vehicle Networks: Architecture, Resource Allocation and Field Experiments", IEEE Wireless Communications Magazine, IEEE, 28 December 2018, Volume: 26, Issue: 1, p. 94−99

特許文献１に開示された伝送方法によれば、トラフィクが空いている場合には、子局に多くの送信時間帯を割当てることにより、通信チャネルの使用効率が向上するとしている。しかしながら、特許文献１に記載された伝送方法では、ＣＳＭＡ（Carrier Sense Multiple Access with collision avoidance）方式あるいはＴＤＭＡ方式により無線機間で通信するための同期情報が頻繁に必要となる。そのため、無線機の接続台数が増えた場合には、同期情報を含む通信量が増加することになり、使用できる通信周波数帯が逼迫して、輻輳が発生して、結果として通信が不安定となる。

本発明の目的は、移動局と地上局の通信において、ＣＳＭＡ方式あるいはＴＤＭＡ方式の通信方式によらず使用可能な送信許可ウインドウ方式であり、使用できる周波数帯が限られていても、輻輳を生じず、通信量を低減することのできる無線通信制御方法および地上局無線装置を提供することにある。

本発明の無線通信制御方法の構成は、好ましくは、複数のネットワーク内において、第一の無線装置と第二の無線装置が無線通信を行う無線通信制御方法であって、第一の無線装置と第二の無線装置が、共通の時刻源に基づいて、時刻同期を行うステップと、通信リソース割当サーバが、通信の基本周期となるスーパーフレーム内の各ネットワークにおける時間割当データを、第一の無線装置に通知するステップと、第一の無線装置が、通信リソース割当サーバから送信されるスーパーフレーム内の各ネットワークにおける時間割当データに基づいて、各ネットワークがスーパーフレーム内で通信する時間である送信許可フレーム制御データを算出するステップと、第一の無線装置が、第二の無線装置に、各ネットワークの送信許可フレームの制御データを送信するステップと、第一の無線装置と、第二の無線装置が自分の属するネットワークにおける送信許可フレームの制御データに基づいてデータ通信を行うステップとを有するようにしたものである。

本発明によれば、移動局と地上局の通信において、ＣＳＭＡ方式あるいはＴＤＭＡ方式の通信方式によらず使用可能な送信許可ウインドウ方式であり、使用できる周波数帯が限られていても、輻輳を生じず、通信量を低減することのできる無線通信制御方法および地上局無線装置を提供することができる。

本発明に係る通信制御におけるスーパーフレームと送信許可フレームの関係を示す図である。 実施形態１に係る無線通信システムの全体構成図である。 地上局無線装置の機能ブロック図である。 移動局無線装置の機能ブロック図である。 スーパーフレーム内時間割当データの一例を示す図である。 送信許可フレーム制御データの一例を示す図である。 地上局無線装置、移動局無線装置の処理を示すフローチャートである。 無線通信システムの各コンポーネントでの処理を示すシーケンス図である。 実施形態２に係る無線通信システムの全体構成図である。

以下、本発明の各実施形態を、図１ないし図９を用いて説明する。

〔実施形態１〕
以下、本発明の実施形態１を、図１ないし図８を用いて説明する。

先ず、図１を用いて本発明に係る通信制御の概念について説明する。
本発明に係る通信制御においては、スーパーフレームと送信許可フレームの概念を導入する。スーパーフレーム２０１は、時間割当の基本周期（例えば、２５０ｍｓ）であり、各ネットワークに属する各無線装置は、スーパーフレーム２０１の中に送信を許可された時間となる送信許可フレーム（送信許可ウインドウ）２０２を割り当てる。ここで、ネットワークは、地上局と移動局におけるネットワークＩＤが割振られたシステムにおける通信範囲である。そして、各無線装置は、送信許可フレーム２０２の中でパケット２０３の送受信を行う。各ネットワークの送信許可フレーム２０２の間には時刻同期精度を考慮したガードタイム（例えば、１ｍｓ）２０４を挿入する。送信許可フレーム２０２は、スーパーフレーム開始時間２０５を基準とした送信許可フレーム開始タイミング２０６と、送信許可フレーム長２０７によって指定される。

このように、スーパーフレーム２０１内で、各ネットワークに、送信許可フレーム２０２と、ガードタイム２０４を衝突しないように、時間割当てを行うというのが本発明の基本的な概念である。

本実施形態は、このように、スーパーフレーム２０１内において、時分割で通信制御を行うものであり、送信許可フレーム２０２でどのような通信が行われているかは、無関係に適用することができ、例えば、ＣＳＭＡ方式あるいはＴＤＭＡ方式であってもよい。

次に、図２ないし図４を用いて実施形態１に係る無線通信システムの構成について説明する。

先ず、図２を用いて実施形態１に係る無線通信システムの全体構成について説明する。
無線通信システムは、図２に示されるように、通信リソース割当サーバ３０１、地上局４００（図２では、４００ａ、４００ｂ、４００ｃと表記）、移動局５００（図２では、５００ａ、５００ｂ、５００ｃと表記）が接続された形態である。通信リソース割当サーバ３０１と地上局４００は、有線通信または無線通信により接続されており、地上局４００と移動局５００は、例えば、IEEE 802.11a, b, g, n, ac等の規格による無線通信で接続されている。一つの地上局４００には、移動局５００が複数接続されうる。また、地上局４００と移動局５００は、一つのネットワークを構成しており、各々を識別するために、ネットワークＩＤが付与されている。

通信リソース割当サーバ３０１は、各々のネットワークに対して、通信リソースを割当てるためのサーバである。地上局４００は、移動局５００と通信するために、地上に設置される無線設備である。移動局５００は、無人航空機（ＵＡ：Unmanned Aircraft、ドローンともいう）や車両等の移動体に設置される無線設備である。

地上局４００と移動局５００は、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機を備え、受信したＧＰＳ信号から時刻を取得することで地上局と移動局の時刻を同期することが可能である。

地上局４００と移動局５００は、時刻同期しているため、通信リソース割当サーバ３０１からの割当情報に基づく送信タイミングに従って移動局および地上局同士が同時刻で通信しないよう制御することができ、それにより、効率的な通信周波数の利用が可能となる。なお、詳細は、後述する。

次に、図３を用いて地上局無線装置の詳細な機能構成を説明する。
地上局無線装置４０１は、地上局４００に設置される装置であり、機能部として、図３に示されるように、演算部４０２、フレーム制御データ保持部４０３、フレーム制御データ更新部４０４、時刻同期処理部４０５、時間カウント部４０６、クロック部４０７、送信タイミング制御部４０８、アクセス制御部４０９、送信部４１０、受信部４１１を有する。

演算部４０２は、通信リソース割当サーバ３０１から受信したスーパーフレーム内時間割当データを基にして、各ネットワークにおける送信許可フレーム開始タイミング２０６と送信許可フレーム長２０７を計算し、フレーム制御データ更新部４０４に通知する。

フレーム制御データ更新部４０４は、通知された送信許可フレームのフレーム制御データ（送信許可フレーム開始タイミング２０６、送信許可フレーム長２０７）とフレーム制御データ保持部４０３に格納されているフレーム制御データを比較し、異なる場合には、フレーム制御データ保持部４０３に、通知されたフレーム制御データを格納し、移動局無線装置に通知するフレーム制御データメッセージを、送信部４１０に送信する。通知されたフレーム制御データと格納されているフレーム制御データが一致する場合には、フレーム制御データ更新部４０４は処理を行わない。

時刻同期処理部４０５では、例えば、地上局内のＧＰＳ（図示せず）が１秒毎に発するＰＰＳ（Pulse Per Second）信号を取得し、時間カウント部３０６のカウントをリセットする。時間カウント部４０６の時間情報は、無線機のクロック部４０７から発するクロックにしたがってカウントする。

送信タイミング制御部４０８は、フレーム制御データ保持部４０３に格納されている送信許可フレーム開始タイミング２０６と送信許可フレーム長２０７を時間カウント部４０６が保持するカウント値と比較し、時間カウント部４０６のカウントが、送信許可フレーム時間内のとき、パケット２０３の送出を許可する信号をアクセス制御部４０９に送信する。

アクセス制御部４０９は、送信タイミング制御部４０８指示に従って、送信許可フレーム内での地上局と基地局の通信での衝突を回避するためのアクセス制御を行い、通信が可能なタイミングで送信部４１０にパケット２０３の送出を許可する信号を送信する。送信部４１０は、パケット２０３の送出が許可されているときに送信を実施する。

次に、図４を用いて移動局無線装置の詳細な機能構成を説明する。
移動局無線装置５０１は、地上局無線装置４０１と対向して通信する無線装置あり、移動局であるドローンや車両等の移動体に搭載される。または、地上局無線装置４０１の対向として位置を固定して通信してもよい。

移動局無線装置５０１は、機能部として、図４に示されるように、フレーム制御データ保持部５０３、時刻同期処理部５０５、時間カウント部５０６、クロック部５０７、送信タイミング制御部５０８、アクセス制御部５０９、送信部５１０、受信部５１１を有する。

フレーム制御データ保持部５０３、時刻同期処理部５０５、時間カウント部５０６、クロック部５０７、送信タイミング制御部５０８、アクセス制御部５０９、送信部５１０、受信部５１１の各々の機能は、図３に示した地上局無線装置４０１のフレーム制御データ保持部４０３、時刻同期処理部４０５、時間カウント部４０６、クロック部４０７、送信タイミング制御部４０８、アクセス制御部４０９、送信部４１０、受信部４１１と同様である。

移動局無線装置５０１では、地上局無線装置４０１からのフレーム制御データ（送信許可フレーム開始タイミング２０６、送信許可フレーム長２０７）を受信部５１１で受信した場合、受信したフレーム制御データをフレーム制御データ保持部５０３に格納する。

次に、図５および図６を用いて実施形態１に係る無線通信システムのデータ構造について説明する。
スーパーフレーム内時間割当データ６００は、各ネットワークがスーパーフレーム内で、どのように送信許可フレームを割当てるかを示すデータであり、通信リソース割当サーバ３０１が、地上局４００に送信するデータである。

スーパーフレーム内時間割当データ６００は、図５に示されるように、ネットワークＩＤ６００ａ、スーパーフレーム内時間割当６００ｂの項目を有する。

ネットワークＩＤ６００ａには、図２に示した各ネットワークを識別する識別子が格納される。各ネットワークを識別する識別子は、一意的なＩＤを生成してもよいし、例えば、地上局無線装置４０１のＩＰアドレスにしてもよい。スーパーフレーム内時間割当６００ｂには、対応するネットワークのスーパーフレーム２０１内での送信許可フレームの長さの割合が百分比で格納される。

送信許可フレーム制御データ７００は、各ネットワークがスーパーフレーム２０１内で、どのように送信許可フレームを制御するかを示すデータであり、地上局無線装置４０１が、スーパーフレーム内時間割当データ６００に基づいて算出し、移動局無線装置５０１に送信するデータである。

送信許可フレーム制御データ７００は、図６に示されるように、ネットワークＩＤ７００ａ、送信許可フレーム開始タイミング７００ｂ、送信許可フレーム長７００ｃの項目を有する。

ネットワークＩＤ７００ａには、図２に示した各ネットワークを識別する識別子が格納される。送信許可フレーム開始タイミング７００ｂには、スーパーフレーム２０１内での送信許可フレーム２０２の送信許可フレーム開始タイミング２０６が格納される。送信許可フレーム長７００ｃには、送信許可フレーム２０２の時間的な長さである送信許可フレーム２０７が格納される。

次に、図７および図８を用いて実施形態１に係る無線通信システムの処理について説明する。
先ず、地上局無線装置４０１と移動局無線装置５０１の電源が入れられる（Ｓ１００）。
次に、地上局無線装置４０１と移動局無線装置５０１の双方のＧＰＳを作動させる（Ｓ１０１）。これにより、地上局無線装置４０１と移動局無線装置５０１が、各々が位置情報を取得し、地上局無線装置４０１と移動局無線装置５０１間の時刻が同期される。すなわち送信タイミングの同期が行われる。

通信リソース割当サーバ３０１は、地上局無線装置４０１および移動局無線装置５０１の位置情報と、地上局無線装置４０１と移動局無線装置５０１から構成されるネットワークが必要とするトラフィック量の情報と、その他の通信状況、地上局の優先度などの情報に基づき、スーパーフレーム内時間割当データ６００を算出し、地上局無線装置４０１に送信する。

次に、地上局無線装置４０１が、通信リソース割当サーバ３０１からスーパーフレーム内時間割当データ６００を受信する（Ｓ１０２）。

次に、地上局無線装置４０１の演算部３０２において、受信したスーパーフレーム内時間割当データ６００から、送信許可フレーム制御データ７００（送信許可フレーム開始タイミング、送信許可フレーム長）を計算する（Ｓ１０３）。

次に、Ｓ１０３で計算した結果の送信許可フレーム制御データをフレーム制御データ更新部４０４に通知する（Ｓ１０４）。

次に、フレーム制御データ更新部４０４は、Ｓ１０４により通知されたデータとフレーム制御データ保持部４０３に格納されたデータを比較し（Ｓ１０５）、一致しない場合には（Ｓ１０５：不一致）、Ｓ１０６に進み、一致する場合には（Ｓ１０５：一致）、Ｓ１０２に戻り、次のスーパーフレーム内時間割当データ６００の受信を待つ。

次に、フレーム制御データ更新部４０４は、フレーム制御データ保持部４０３に、ステップ１０４で通知された送信許可フレーム制御データ７００（送信許可フレーム開始タイミング、送信許可フレーム長）を格納する。

次に、地上局無線装置４０１は、対向の移動局無線装置５０１に、送信許可フレーム制御データ７００（送信許可フレーム開始タイミング、送信許可フレーム長）を通知し（Ｓ１０７）、Ｓ１０２に戻り次の送信許可フレーム制御データ７００（送信許可フレーム開始タイミング、送信許可フレーム長）の受信を待つ。

次に、図８を用いて無線通信システムの各コンポーネントでの処理とデータの送受信の関係を説明する。
移動局無線装置５０１と地上局無線装置４０１が通信するためには、いずれもＧＰＳ信号を取得することにより時刻が同期した状態として（Ａ２１、Ａ１１）、地上局無線装置４０１が通信リソース割当サーバ３０１へ地上局無線装置４０１の位置情報とトラフィック要求量を送信する（Ａ１２、Ａ１３）。

通信リソース割当サーバ３０１は、地上局無線装置４０１へスーパーフレーム内時間割当データ６００を送信し（Ａ１４）、地上局無線装置４０１は、スーパーフレーム内時間割当データ６００より計算される送信許可フレーム制御データ７００を、フレーム制御データ保持部４０３に保存する（Ａ１５）。

地上局無線装置４０１は、計算した送信許可フレーム制御データを移動局無線装置５０１へ送信する（Ａ２２）。移動局無線装置５０１は、受信した送信許可フレーム制御データ７００に従って、地上局無線装置４０１へ位置情報や各種データを通信する（Ａ２３、Ａ２４）。

地上局無線装置４０１は、受信した移動局の位置情報と自身の位置情報、さらにトラフィック要求量を、通信リソース割当サーバ３０１に送信する（Ａ１６）。地上局無線装置４０１は、通信リソース割当サーバからスーパーフレーム内時間割当データ６００を受信し、それから送信許可フレーム制御データ７００を計算し、計算された送信許可フレーム制御データ７００と、フレーム制御データ保持部に格納されている送信許可フレーム制御データ７００を比較し（Ａ１７）、それらが一致する場合には（Ａ２５）、地上局無線装置４０１から移動局無線装置５０１へは、送信せず、それらが一致しない場合には（Ａ２６）、地上局無線装置４０１から移動局無線装置５０１へ送信許可フレーム制御データ７００を送信する（Ａ２７）。すなわち、送信許可フレーム制御データ７００の更新がなかったときには、送信許可フレーム制御データ７００の送信が不要になるので、地上局無線装置４０１と移動局無線装置５０１の間の通信量を削減することが可能となり、特に、移動局無線装置５０１複数台を、地上局無線装置４０１同時接続する場合には効果が顕著となる。

以上、本実施形態の通信制御方法によれば、ＧＰＳが刻む時刻により、地上局無線設備と移動局無線設備が時刻同期を行い、スーパーフレームという基本周期内に、各ネットワークで、送信許可フレームを時分割で割り当てる。そのため、ＴＤＭやＣＤＭＡとは異なり、パケットの先頭に付与される時刻同期や衝突回避情報などのヘッダ情報をつける必要がなく、その結果、データ通信量を削減することができる。また、送信許可フレーム内で行う通信方式は、任意であり、ＴＤＭであってもよいしＣＤＭＡであってもよい。

〔実施形態２〕
以下、本発明に係る実施形態２を、図９を用いて説明する。
本実施形態では、実施形態１と比較して、異なる所を中心に説明する。

実施形態２の無線通信システムは、図９に示されるように、実施形態１のコンポーネントに加えて、時刻同期サーバ８０１を有しており、通信リソース割当サーバ３０１に接続されている。

時刻同期サーバ８０１を接続することによって、移動局５００と地上局４００は、時刻同期をするためのＧＰＳ受信機を不要としてもよい。地上局４００と移動局５００の位置情報がユーザにとって不要の場合には、ＧＰＳ受信機は不要となるため、装置構成の簡略化や移動局の軽量化による動作時間の延伸を実施することもできる。時刻同期サーバ８０１には、例えば、ＮＴＰ（Network Time Protocol）サーバやＰＴＰ（Precision on Time Protocol）サーバを使用することができる。

地上局４００と移動局５００が、インターネットに接続されている場合には、時刻同期サーバ８０１として、公開されているＮＴＰサーバを用いることができ、それにより、地上局４００と移動局５００設置のコストを低減することができる。

また、時刻同期サーバ８０１として、高い精度を有するＰＴＰサーバを用いることにより、地上局無線装置４０１と移動局無線装置５０１での精度の高い時刻同期が可能になり、送信許可フレーム２０２間のガードタイム２０４の長さを短くすることができる。

３０１…通信リソース割当サーバ、４００…地上局、５００…移動局、４０１…地上局無線装置、５０１…移動局無線装置、６００…スーパーフレーム内時間割当データ、７００…送信許可フレーム制御データ、８０１…時刻同期サーバ

Claims (9)

1. 複数のネットワーク内において、第一の無線装置と第二の無線装置が無線通信を行う無線通信制御方法であって、
   前記第一の無線装置と前記第二の無線装置が、共通の時刻源に基づいて、時刻同期を行うステップと、
   通信リソース割当サーバが、通信の基本周期となるスーパーフレーム内の各ネットワークにおける時間割当データを、前記第一の無線装置に通知するステップと、
   前記第一の無線装置が、前記通信リソース割当サーバから送信されるスーパーフレーム内の各ネットワークにおける時間割当データに基づいて、各ネットワークが前記スーパーフレーム内で通信する時間である送信許可フレーム制御データを算出するステップと、
   前記第一の無線装置が、前記第二の無線装置に、各ネットワークの送信許可フレームの制御データを送信するステップと、
   前記第一の無線装置と、前記第二の無線装置が自分の属するネットワークにおける送信許可フレームの制御データに基づいてデータ通信を行うステップとを有することを特徴とする無線通信制御方法。
2. 前記スーパーフレーム内の各ネットワークにおける時間割当データは、各ネットワーク内におけるスーパーフレームの時間配分比であることを特徴とする請求項１記載の無線通信制御方法。
3. 前記送信許可フレームの制御データは、各ネットワークにおける送信許可フレームの開始タイミングと、送信許可フレーム長からなることを特徴とする請求項１記載の無線通信制御方法。
4. 前記第一の無線装置と前記第二の無線装置の共通の時刻源が、ＧＰＳ（Global Positioning System）であることを特徴する請求項１記載の無線通信制御方法。
5. 前記第一の無線装置と前記第二の無線装置の共通の時刻源が、ＮＴＰ（Network Time Protocol）サーバであることを特徴する請求項１記載の無線通信制御方法。
6. 前記第一の無線装置と前記第二の無線装置の共通の時刻源が、ＰＴＰ（Precision on Time Protocol）サーバであることを特徴する請求項１記載の無線通信制御方法。
7. 複数のネットワーク内において、移動局無線装置が無線通信を行う地上局無線装置であって、
   前記地上局無線装置と前記移動局無線装置が、共通の時刻源に基づいて、時刻同期を行い、
   前記地上局無線装置は、
   外部から受信した通信の基本周期となるスーパーフレーム内の各ネットワークにおける時間割当データを受信し、
   前記受信したスーパーフレーム内の各ネットワークにおける時間割当データに基づいて、各ネットワークが前記スーパーフレーム内で通信する時間である送信許可フレーム制御データを算出し、
   前記移動局無線装置に、各ネットワークの送信許可フレームの制御データを送信し、
   自分の属するネットワークにおける送信許可フレームの制御データに基づいて、前記移動局無線装置とデータ通信を行うことを特徴とする地上局無線装置。
8. 前記送信許可フレームの制御データは、各ネットワークにおける送信許可フレームの開始タイミングと、送信許可フレーム長からなることを特徴とする請求項７記載の地上局無線装置。
9. 前記地上局無線装置は、前記送信許可フレームの制御データを保持するフレーム制御データ保持部を有し、
   前記スーパーフレーム内の各ネットワークにおける時間割当データを受信したとき、各ネットワークが前記スーパーフレーム内で通信する時間である送信許可フレーム制御データを算出し、
   算出したフレーム制御データとフレーム制御データ保持部に保持された前記送信許可フレームの制御データが異なるときにのみ、前記移動局無線装置に、各ネットワークの送信許可フレームの制御データを送信することを特徴とする請求項７記載の地上局無線装置。

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