JP3559613B2

JP3559613B2 - 通信装置および通信方法

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Publication number: JP3559613B2
Application number: JP12592495A
Authority: JP
Inventors: 通博泉
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1995-04-26
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2019-09-02
Also published as: JPH0818575A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、パケット単位でデータを送信する通信システムに関し、特に、複数のデータ伝送チャネルを有するシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタル無線を用いたデータ通信のニーズが高まってきている。その中で、デジタル無線通信の一方式としてスペクトル拡散通信方式が用いられるようになって来ており、特に、構成の簡単なことから、低速周波数ホッピング方式が盛んに利用されるようになってきている。
【０００３】
この低速周波数ホッピング方式においては、複数のデータビットごとに使用する周波数を変化させることにより、狭帯域雑音の影響を小さくしたり、周波数ダイバーシティの効果を得たりするものであった。この方式において最も重要なことは、送信側と受信側とで周波数を切り替える同期を常に確保しておくことである。
【０００４】
従来は、そのための方法として、送信側と受信側のホッピングパターンの位相が一致するまでの間、受信側でホッピングパターンの位相を少しずつ変換させることがなされていた。また、高速同期の方法として、マッチトフィルタを使用する方式も提案されてきている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、上述の同期の確保のための様々な方法が提案されてきているが、同期の捕捉に時間がかかることに加え、複雑なハードウェアが必要であるという問題があった。
【０００６】
また、複数のホッピングパターンが存在し、複数の無線通信チャネルが存在する場合、同じ周波数が同時に使用される（ヒットする）場合があり、データ誤り率が高くなるという問題があった。
【０００７】
このような点から、周波数ホッピングによる多元接続（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＨｏｐｐｉｎｇＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）は、容易に実現されていなかった。その結果、使用可能な周波数を十分有効に活用することが困難で、伝送容量の大きなシステムを構築することは困難であった。
【０００８】
本発明は、通信チャネルのホッピングによる多元接続を容易に実現でき、伝送容量の大きなシステムを構築可能にすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、連続して送信されるデータパケットが異なる通信チャネルを使用して通信されるように、データパケットを通信する毎に、次のデータパケットの通信に使用する通信チャネルを相手に通知し、該通知した通信チャネルを使用してデータパケットを送信するようにした。
また、本発明は、連続して送信されるデータパケットが異なる通信チャネルを使用して通信されるように、データパケットを受信する毎に、次のデータパケットの通信に使用する通信チャネルを相手から受信し、次のデータパケットを受信するために、該受信した通信チャネルに切り替えるようにした。
【００１０】
【実施例】
図１は、本発明の第１実施例による無線システムを示す構成図である。
【００１１】
図示のように、本システムは、第１のデータ端末１１と、第２のデータ端末１２と、第３のデータ端末１３と、第４のデータ端末１４とを有する。
【００１２】
そして、第１のデータ端末１１は、第１の無線アダプタ１１’を有し、第２のデータ端末１２は、第２の無線アダプタ１２’を有する。なお、本実施例においては、データ端末は、イーサネットインタフェースによって無線部を持つアダプタと接続されている。
【００１３】
また、第３のデータ端末１３および第４のデータ端末１４は、それぞれ無線アダプタに相当する無線送受信部を内蔵している。
【００１４】
図２は、本実施例における無線アダプタ部２２（上記１１’または１２’）の構成を示すブロック図である。
【００１５】
この無線アダプタ部２２は、データ端末２１（１１または１２）を接続するＬＡＮコントローラ２３と、本無線アダプタ部２２の制御を司るＣＰＵ２４と、データを格納するＲＡＭ２５と、パケットの組立、分解を行う通信コントローラ２６と、ビット同期回路（ＤＰＬＬ）２７と、変調、復調部などを含む無線部２８と、無線通信用のアンテナ２９と、データのやり取りを行うためのデータバス３０とを有する。そして、ＣＰＵ２４と無線部２８との間で、キャリア検出信号３１およびチャネル選択信号３２等の制御信号をやり取りする。
【００１６】
図３は、本実施例で使用するパケットのフォーマットを示す説明図であり、図４は、本実施例の動作シーケンスを示す説明図である。
【００１７】
また、図５は、本実施例でのチャネル使用状態を示す説明図である。ここでは、上述した４つの端末が通信を行っている状態を示している。
【００１８】
図６は、本実施例の送信側の動作を示すフローチャートであり、図７は、受信側の動作を示すフローチャートである。
【００１９】
本実施例では、まず、第１のデータ端末から第２のデータ端末にデータを送信する場合について説明する。
【００２０】
待機状態において（Ｓ１）、データ端末からデータの送信要求が発生した場合（Ｓ２）、第１のデータ端末は第１の無線アダプタ部に対してデータパケットを送信する。通常のイーサネットインタフェースでの規定に基づき、送られるデータパケット長は約５０〜１５００オクテットの長さである。受信したデータパケットはＬＡＮコントローラ２３を介してＲＡＭ２５に転送される。
【００２１】
この段階で第１の無線アダプタと第２の無線アダプタの間で、データを送信する無線チャネルを決める必要がある。ここで、第２の無線アダプタを含めた全てのアイドル状態の無線アダプタは、予め定められた制御用の周波数チャネル１（Ｆ１）で待機しているので、第１の無線アダプタは、キャリア検出信号２１を利用して周波数チャネル１の使用状況の監視を行い（Ｓ３）、そのチャネルがあいていれば、図３に示す制御パケットを送出する（Ｓ４、Ｓ５）。
【００２２】
ここで、制御パケットには、送信先のアドレス、データ送信に使用する周波数チャネル番号（例えば、Ｎｏ．４）、パケット種別（送信要求か受信許可）などの情報が含まれている。この中で、周波数チャネル番号が本発明の特徴に最も影響するものである。使用する周波数を短時間で変化させるという低速周波数ホッピングとしての特性を得るために、Ｓ４において、近い過去に使用した周波数チャネル以外のチャネルを選択する。これには、Ｆ３〜Ｆ２２を予め決められた順に１つずつ選択すればよい。
【００２３】
このような送信要求制御パケットの送信終了後は、ＣＰＵ２４がチャネル選択信号２２によってチャネルを切り替え、第２の制御用の周波数チャネル２で待機する（Ｓ６）。
【００２４】
一方、待機状態において（Ｓ２１）、送信要求制御パケットを受信した第２の無線アダプタは（Ｓ２２）、送信開始を了解する制御パケットを周波数チャネル２（Ｆ２）を介して送信し（Ｓ２３、Ｓ２４）、先に送られた送信要求パケットで指定されたデータ用の周波数チャネル４で待機する（Ｓ２５）。
【００２５】
以上の手順により、お互いの端末は、データパケットを送出する周波数チャネルを決めることができたので、無線アダプタは、データパケットの送信を開始する。
【００２６】
そして、所定時間内に受信許可パケットを受信すると（Ｓ７、Ｓ８）、制御パケットの送信時と同様の手順で、使用する周波数チャネル４の使用状況を監視する。これは、チャネル４の周波数の電波強度を測定することによって行う。もし、そのチャネルが使用されている場合には、チャネルが空くまで待機する（Ｓ９）。
【００２７】
そして、チャネルが空いたところで、データパケット送出手順にはいる（Ｓ１０）。ここでは、先に送られてきていた第１のデータ端末のデータはＲＡＭ２５から読み出される。そして、読み出されたデータは、フラグ、送信先、送信元のアドレス、エラー検出用のＣＲＣチェック部を付加したフレームに組み立てられ、無線部２８へと送られ、この無線部２８からは、プリアンブル信号に続いてデータの送出が開始される。
【００２８】
一方、受信側の第２の無線アダプタにおいても、使用する周波数チャネル４の使用状況を監視する（Ｓ２６、Ｓ２７）。そして、パケットを受信すると、そのアドレスが一致しており、かつＣＲＣチェック部の検査の結果パケット中に誤りがないと判明した場合、受信したデータはＲＡＭ２５に格納される。同時に、受信応答パケットを組み立て、チャネル４を使用して、そのパケットを第１の無線アダプタに対して送出する（Ｓ２８）。
【００２９】
また、送信側で受信応答パケットを受け取ると、データの送信動作は終了し、端末からの次のデータの受信を待つと同時に、他の無線アダプタからの制御パケットの受信に備え、チャネル１で待機する（Ｓ１１〜Ｓ１３、Ｓ１）。
【００３０】
一方、送信側で所定の時間以内に受信応答パケットを受け取らない場合（Ｓ１２）、送信側は受信応答パケットを受け取るまで、または所定の回数の再送を行うまでデータチャネルの送信を繰り返す。所定回数の再送を行っても、受信応答パケットが受け取れない場合（Ｓ１４）、Ｓ３へ戻り、異なるチャネルでデータパケットを再送する。なお、所定回数は、零（同じチャネルでは再送しない）でもよい。
【００３１】
また、第１の端末がさらに続けてデータパケットを送出する場合には、以上の手順を繰り返すことになる。この際、上述のとおり、低速周波数ホッピングとして特性を確保するために、使用する周波数チャネルを先に使用したチャネルと異なるものとする。受信応答が受け取れなくて、データパケットを再送する場合も同様である。
【００３２】
以上、本実施例における２台の端末間での通信方法を説明したが、このようなシーケンスを利用することにより、多元接続による複数の端末の同時通信も容易に実現可能である。
【００３３】
次に、図５に従って、第１、第２の無線アダプタの通信中に第３のデータ端末から第４のデータ端末にパケットを送信する場合について説明する。
【００３４】
第３、第４のデータ端末は、無線アダプタに相当する無線送受信部を内蔵していることから、データ送信の要求が発生した場合、イーサネットフレームを組み立てる必要はなく、直接無線パケットを組み立てることが可能である。
【００３５】
第３のデータ端末は、まずチャネル１を使用して制御パケットを送信する。この制御パケットの送信に先立ち、各周波数チャネルの使用状況を観測し、第１、第２の無線アダプタが使用しているチャネル以外のチャネル番号（例えば、チャネル８）を制御パケットに入れることで、データパケット送信を速やかに行うことが可能となる。
【００３６】
そして、第４のデータ端末から送信許可の制御パケットが届くと、第３のデータ端末は、指定した周波数の空き状況を再び確認したうえで、データパケットの送信を開始することができる。
【００３７】
なお、通信端末の数が増加した場合、制御チャネルが輻輳することも考えられるが、制御パケット長とデータパケット長の比が、制御チャネル数とデータチャネル数の比にほぼ等しければ、全てのチャネルが均等に使われることになるスループットは最大化される。
【００３８】
以上説明した多元接続方式によって、低速周波数ホッピングを用いて伝送容量を大きくすることが可能になる。例えば、チャネル伝送容量が５００ｋｂｐｓのチャネルが２０本あるとすると、従来は、同期捕捉の困難さから、単一のホッピングパターンのみが使用可能であったため、１チャネルの伝送容量が５００ｋｂｐｓの場合のシステム容量は５００ｋｂｐｓに過ぎなかった。
【００３９】
一方、本実施例では、５００ｋｂｐｓのチャネルが２０本ある場合（合計１０Ｍｂｐｓ）、２本の制御チャネルを除いた９Ｍｂｐｓの伝送路をシステム全体で確保することができる。
【００４０】
また、１端末のチャネル占有時間も低速周波数ホッピングで要求される時間を満たすことができる。例えば、最大パケット長が約１５００オクテット（１２ｋビット）であるので、５００ｋｂｐｓで伝送する場合、１パケットの伝送時間、つまり１周波数チャネルの占有時間は約２４ミリ秒に過ぎない。
【００４１】
このようにして、低速周波数ホッピングにおける同期獲得を容易に行うと同時に、多元接続を実現することが可能となる。
【００４２】
また、本発明によれば、伝送容量を大きくするのみでなく、端末の数が増加しても伝送容量が落ちないという利点も生じる。イーサネットなどのデータ通信ネットワークにおいては、単一の回線を使用するため端末の台数が増加すると１端末あたりの伝送容量は急激に減少することが知られている。これは無線回線においても同じことであり、多元接続を実現できなかった従来の方式においては、端末台数の増加にともなって、１台あたりの伝送容量は急激に減少した。
【００４３】
図８は、端末台数と１端末当たりの伝送速度との関係を従来の場合と本実施例の場合とについて示す説明図である。
【００４４】
第１の曲線は、従来の方式において、変調方式を高価なものを使用することで１チャネルあたりの伝送容量を２Ｍｂｐｓとした場合を示す。また、第２の曲線は１チャネルあたりの伝送容量は５００ｋｂｐｓながら本実施例により多元接続を可能にした場合を示す。
【００４５】
端末数が小さい場合は、従来の方式の場合の伝送容量が大きいが、端末数が４台以上の場合には、本実施例の方が１端末当たりの伝送容量が大きくなり、本実施例の場合、約２０台まで一定の伝送速度を保つことができる。
【００４６】
この例では、従来の方式の方が高価な変調方式を用いることができるが、同一の変調方式を用いた場合は、あらゆる端末台数において本実施例の場合の端末当たりの伝送容量が大きくなることは明らかである。そして、一定の伝送速度を維持できることにより、伝送遅延の許されない音声、映像などのリアルタイムデータの伝送に適したシステムとなる。
【００４７】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００４８】
上記第１実施例においては、使用する周波数チャネルを決定するために、１パケットの送信開始時に、制御チャネルで使用チャネルの指定を行っていた。しかし、連続してパケットを送信する場合には、図９に示すように、送信するデータパケットの中に次のパケットで使用するチャネルを指定するデータ、パケット番号を入れることで、制御チャネルの使用頻度を落とすことが可能である。その場合のチャネル使用状況を図１０に示す。
【００４９】
誤り制御に関しては、各データパケットにはパケット番号が書き込まれているので、通常の選択再送方式を用いることができる。そして、受信側で誤りが発見された場合には、誤りのあったパケットのみを再送すればよい。
【００５０】
このような方法をとることによって、制御チャネルの使用頻度を減らし、システム全体でのスループットをさらに上昇することが可能となる。
【００５１】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
【００５２】
上記実施例においては、送信すべきデータに何も加工を加えないで無線回線に送出する場合について述べた。しかしながら、送信すべきデータに誤り訂正符号などの処理を施した場合にも同様の効果が得られると同時に、データ誤りの低下により、実質的な伝送容量は一層増加することとなる。
【００５３】
図１１は、このような本実施例における無線アダプタ部の構成を示すブロック図である。図示のように、上記第１実施例（図２）の無線アダプタ部に誤り訂正符号器、復号器３０を付加した構成となっている。
【００５４】
また、図１２は、本実施例における無線フレームのフォーマットを示す説明図である。図示のように、誤り訂正処理用の付加データが加えられている。
【００５５】
以上のような構成において、データの送信要求が発生した場合、ＲＡＭ２５にデータが格納され、制御チャネルによって送信要求が行われるところまでは、第１実施例と同じである。なお、制御パケットは３０バイト以下と短いため、伝送中に誤りを起こす確率は低く、誤り訂正符号化の処理は施さない。
【００５６】
次に、データパケットの送信手順にはいる。データパケットは制御パケットよりも長く、約５０バイトから１５００バイトの長さを持っている。制御パケットの送信時と同様の手順で、使用する周波数チャネル４の使用状況を監視する。もし、そのチャネルが使用されている場合は、チャネルが空くまで待機する。チャネルが空いたところで、データパケット送出手順にはいる。
【００５７】
データパケットの送出の際は、先に端末から受信し、ＲＡＭ２５に格納されているデータを誤り訂正符号器に送る。本実施例では、符号長１９６バイトの（１９６、１４４）符号を使用する。
【００５８】
まず、アダプタ部は端末からデータを受信すると、受信したデータの長さをカウントし、それが１４４バイトの倍数であるかどうかを判断する。そして、受信したデータが１４４バイト以下、例えば１００バイトの場合、１４４バイトとの差の４４バイト分を“ＦＦ”データを付加して誤り訂正符号器に送る。受信したデータの長さが１４４バイト以上の場合、同様にして１４４の倍数となるように“ＦＦ”データを付加して誤り訂正符号器に送る。例えば、受信したデータ長が１０００バイトの場合、１０００以上の最小の１４４の倍数は１００８であるので、８バイト分のデータを付加することになる。
【００５９】
誤り訂正符号器からは、符号化されたデータが１９６バイトずつ出力され、ＲＡＭ２５に格納される。次いでＲＡＭ２５から通信コントローラ２６にデータが送られ、通信コントローラ２６において、フラグ、端末から受信したデータ長（例えば、１０００）を示すデータ、送信先、送信元のアドレス、エラー検出用のＣＲＣチェック部などの無線ヘッダが付加された後、図１２に示すフォーマットで、無線回線に送出される。
【００６０】
受信側の無線アダプタ部においては、アドレスが一致している場合、受信したデータはＲＡＭ２５に格納される。ＲＡＭ２５から誤り訂正復号器に１９６バイト単位でデータを入力し、受信したデータの訂正処理を施す。誤り訂正復号器から出力される１４４バイト単位のデータは、再びＲＡＭ２５に格納される。その後、パケットのヘッダに付加されていた、端末から受信したデータ長分だけＲＡＭ２５からＬＡＮコントローラ２３に転送し、ＬＡＮコントローラ２３を介して端末へと送られるのである。つまり、送信時に付加された“ＦＦ”データは、ここで削除されることになる。
【００６１】
受信したパケット中に訂正不能な誤りが検出されない場合には、受信応答パケットを組み立て、チャネル４を使用してそのパケットを無線アダプタに対して送出する。受信応答パケットは短いため、誤り訂正符号化を行わないで無線回線に送出する。
【００６２】
送信側で受信応答パケットを受け取ると、データの送信動作は終了し、端末からの次のデータの受信を待つと同時に、他の無線アダプタからの制御パケットの受信に備え、チャネル１で待機する。
【００６３】
以上のような誤り訂正処理を施すことにより、データ誤り率の低下によってデータの再送などが減少し、無線回線が有効に活用されることになる。その結果、実質的な伝送容量は第１実施例に比べさらに向上する。
【００６４】
また、上記第１、第２実施例においては、送信側と受信側で異なる制御チャネルを用いていたが、第４実施例として、単一のチャネルを用いても、同様の効果を得ることができる。ただ、制御パケット長とデータパケット長の比については留意する必要がある。すなわち、制御チャネルの数を減少させた場合、制御チャネルが輻輳しやすくなるため、制御パケット長を十分短くする必要がある。
【００６５】
また、第５実施例として、受信許可コマンドを送信側から指定されたチャネル（例えばＦ４）で送信してもよい。
【００６６】
また、以上の実施例では、低速周波数ホッピングについてのみ述べたが、複数のチャネルを有するシステムであれば、同様に適用することが可能である。例えば、時分割チャネルを有する場合や、直接拡散方式を用いた場合でも同様の動作が可能である。なお、直接拡散方式においては、データをそれよりも高い周波数のランダム符号で拡散変調するものであるが、チャネルごとに異なる符号を割り当てることで多元接続が可能である。
【００６７】
このような方式において、制御チャネル用の符号を用いて、データパケットを送る符号を指定することで、パケット単位での同期の確保が容易になる。
【００６８】
また、以上の実施例では、無線として電波を使用するとしていたが、媒体としては光を用いても全く同様の効果を得ることができる。光の波長を変えて複数のチャネルを用意することで実現することが可能である。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、以下のような効果が得られる。
【００７０】
（１）データパケットを送受する毎に、通信チャネル切り替えの同期を簡単に確保することができる。
【００７１】
（２）通信チャネルのホッピングによる多元接続を容易に実現できる。
【００７２】
（３）システム全体の伝送容量を増加することが可能になった。
【００７３】
（４）端末台数が増えても一定の伝送速度を維持できることにより、伝送遅延の許されない音声、映像などのリアルタイムデータの伝送に適したシステムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による無線システムを示す構成図である。
【図２】上記第１実施例における無線アダプタ部の構成を示すブロック図である。
【図３】上記第１実施例で使用するパケットのフォーマットを示す説明図である。
【図４】上記第１実施例の動作シーケンスを示す説明図である。
【図５】上記第１実施例におけるチャネル使用状態を示す説明図である。
【図６】上記第１実施例の送信側の動作を示すフローチャートである。
【図７】上記第１実施例の受信側の動作を示すフローチャートである。
【図８】端末台数と１端末当たりの伝送速度との関係を従来の場合と上記第１実施例の場合とについて示す説明図である。
【図９】本発明の第２実施例において使用するパケットのフォーマットを示す説明図である。
【図１０】上記第２実施例におけるチャネル使用状態を示す説明図である。
【図１１】本発明の第３実施例による無線アダプタ部の構成を示すブロック図である。
【図１２】上記第３実施例で使用するパケットのフォーマットを示す説明図である。
【符号の説明】
１１〜１４、２１…データ端末、
１１’、１２’、２２…無線アダプタ部、
２３…ＬＡＮコントローラ、
２４…ＣＰＵ、
２５…ＲＡＭ、
２６…通信コントローラ、
２７…ビット同期回路、
２８…無線部、
２９…アンテナ、
３０…データバス。

Claims

通信チャネルを複数有する通信システムにおいて、
連続して送信されるデータパケットが異なる通信チャネルを使用して通信されるように、データパケットを送信する毎に、次のデータパケットの通信に使用する通信チャネルを相手に通知する通知手段と；
上記通知手段が通知した通信チャネルを使用して上記データパケットを送信する送信手段と；
を有することを特徴とする通信装置。
連続して送信されるデータパケットが異なる通信チャネルを使用して通信されるように、データパケットを送信する毎に、次のデータパケットの通信に使用する通信チャネルを相手に通知する通知手段と；
上記通知手段が通知した通信チャネルを使用してデータパケットを送信する送信手段と；
を有することを特徴とする通信装置。
請求項２において、
上記通信チャネルの通知は、制御チャネルを使用して行われることを特徴とする通信装置。
請求項３において、
上記通知手段は、上記通信チャネルの通知と、この通知に対する相手からの応答の受信とを、互いに異なる制御チャネルで行うことを特徴とする通信装置。
請求項３において、
上記通知手段は、上記通信チャネルの通知と、この通知に対する相手からの応答の受信とを、同じ制御チャネルで行うことを特徴とする通信装置。
請求項２において、
上記通信チャネルの通知は、データパケットを送信した通信フレームを使用して行われることを特徴とする通信装置。
請求項２において、
上記通信装置は、データ端末が無線通信を行うために利用される無線アダプタであることを特徴とする通信装置。
連続して送信されるデータパケットが異なる通信チャネルを使用して通信されるように、データパケットを受信する毎に、次のデータパケットの通信に使用する通信チャネルを相手から受信する受信手段と；
上記次のデータパケットを受信するために、上記受信手段が受信した通信チャネルに切り替える切り替え手段と；
を有することを特徴とする通信装置。
連続して送信されるデータパケットが異なる通信チャネルを使用して通信されるように、データパケットを送信する毎に、次のデータパケットの通信に使用する通信チャネルを相手に通知するための通知工程と；
上記通知工程において通知した通信チャネルを使用してデータパケットを送信するための送信工程と；
を有することを特徴とする通信方法。
連続して送信されるデータパケットが異なる通信チャネルを使用して通信されるように、データパケットを受信する毎に、次のデータパケットの通信に使用する通信チャネルを相手から受信するための受信工程と；
上記次のデータパケットを受信するために、上記受信工程において受信した通信チャネルに切り替えるための切り替え工程と；
を有することを特徴とする通信方法。