JP3963464B2 - 無線通信装置及び周波数チャネル選択方法 - Google Patents

無線通信装置及び周波数チャネル選択方法 Download PDF

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Description

本発明は、複数の周波数チャネルを切り替えながら通信を行う無線通信装置及び周波数チャネル選択方法に関し、特に周波数チャネルを相対的な通信品質に基づいて容易にかつ柔軟に選択することを可能とした無線通信装置及び周波数チャネル選択方法に関する。
使用可能な複数の周波数チャネルのうちから一つを予め決められたアルゴリズムで選択し、また一定時間間隔でチャネル選択が繰り返される無線通信する周波数ホッピングという技術がある。この技術を利用した、Bluetooth(TM)と呼ばれる近距離無線通信用の規格がある。Bluetoothは低消費電力、低価格を特徴としている。
しかしながらBluetoothが使用することとなっている周波数チャネルは、たとえばIEEE802.11bとして規格化されている無線LANも同じものを使用することとなっている。
このため、従来は周波数チャネルの選択に、他の通信と干渉するなどして発生する伝送するパケットの誤り発生率をチャネルごとに測定しその発生率が所定の基準を超えたチャネルを避けるもの(特許文献1)や、他の通信装置の通信で使用されている周波数チャネルを特定するために受信信号強度(RSSI:Received Signal Strength Indication)をチャネルごとに測定した結果に基づいて避けるもの(特許文献2)があった。
通信に使用する周波数チャネルを選択するために上記のように、チャネル選択判定のために個々のチャネル別の結果に対してしきい値を設定する方法では、他の周波数チャネルとの相対的な評価がされないという問題がある。たとえばしきい値よりも品質の良いチャネルが十分にあれば良いが、通信装置が増加するなどして必要とする通信品質の周波数チャネルが全体的に確保できないような場合もあり得る。このような場合、他の通信への干渉を低減するためにも、現在使用中の周波数チャネルの通信品質が悪化して予め設定したしきい値を超えても、用意された周波数チャネルの中でも相対的に通信品質が良いと評価できるならば、現在使用中の周波数チャネルを継続して使用することが望ましい。
特開2003−152601公報 特開2001−326974公報
相対的な通信品質の良い周波数チャネルの選択に、選択可能な周波数チャネルの誤り発生率や受信信号強度をソーティングする方法も考えられる。しかしながらソーティングに伴う処理コストは高く、Bluetoothに見られるような低消費電力という特性を損ない易い。
本発明は上記のような問題に鑑みてなされたものであり、相対的に通信品質の良い周波数チャネルを容易にかつ柔軟に選択可能とするものである。
本発明にかかる無線通信装置は、
所定の周波数帯域を区切って設定された複数の周波数チャネルを用いて周波数ホッピングにより通信パケットを送受信するための無線送受信手段と、各周波数チャネルにおける通信状況を示す指標を都度更新して記憶する通信状況記憶手段と、無線通信に必要な通信品質の基準を、前記通信状況記憶手段に記憶された複数の前記指標に基づいて相対的に更新する評価基準更新手段と、更新した前記基準に基づいて前記複数の周波数チャネルから無線通信に使用すべき周波数チャネルを選択し、この選択した周波数チャネルへの切り替えを前記無線送受信手段に対して指示するチャネル切替制御手段とを備え、前記評価基準更新手段は、前記通信パケットが再送処理の対象とならない第1のパケットである場合には、前記通信パケットが再送処理の対象となる第2のパケットである場合に比して、より高い基準となるように前記通信品質の基準を更新することを特徴とする。
また本発明にかかる無線通信装置の周波数チャネル選択方法は、
所定の周波数帯域を区切って設定された複数の周波数チャネルのそれぞれにおける無線通信の通信品質を示す指標を都度更新して記憶し、前記周波数チャネルを用いた周波数ホッピングによる無線通信に必要な通信品質の基準を、送受信する通信パケットが再送処理の対象となる第1のパケットである場合には、送受信する通信パケットが再送処理の対象となる第2のパケットである場合に比して、より高い基準となるように前記記憶した複数の指標に基づいて相対的に更新し、更新した前記基準に基づいて前記複数の周波数チャネルから無線通信に使用すべき周波数チャネルを選択することを特徴とする
通信をすることによって得られる情報をもとに通信品質を示す指標を更新し、この指標に応じてチャネル選択のための基準値を柔軟に変更する。また上記のように誤り発生頻度が周波数帯域全体に渡って高い場合など、その発生頻度の高さや必要に応じてしきい値を算出することにより、個別に見たときは発生頻度が高くとも他の周波数チャネルと相対的に評価し、柔軟に使用すべきチャネルを選択することができる。
相対的に通信品質の良い周波数チャネルを容易にかつ柔軟に選択が可能な通信装置とすることができる。
(第1の実施形態)
まず、共に2.4GHz帯の周波数チャネルを用いる無線通信を行うための規格であるBluetoothと、IEEE802.11bの規格を例にとって説明する。Bluetoothは2.402GHzから2.480GHzまでを1MHzごとに79個の周波数チャネルに分割し、その中から予め決められた擬似ランダムアルゴリズムを用いて一つのチャネルを選択して使用することとなっている。一方、IEEE802.11b規格に沿った無線通信装置では周波数ホッピングは行われず、常に固定的に設定された周波数を使用して通信されている。IEEE802.11bで使用される周波数帯はBluetoothで規定する79個の周波数チャネルのうちほぼ22チャネルが重複するように規定されている。
よってBluetoothで通信する通信装置が周波数ホッピングにより選択した周波数チャネルが、IEEE802.11bがすでに使用中の周波数帯域と重なると、これらの信号が干渉を起こし双方の無線通信にとって妨げになる。
Bluetooth同士の通信においても周波数チャネルの選択について問題となることがある。Bluetoothの場合、ピコネットと呼ぶ一つの閉じたネットワークを形成する。多くの場合ピコネットの間で同じ周波数チャネルが選択されることは稀だが、選択可能なチャネルが不足してくると異なるピコネット間で同じチャネルを選択してしまう可能性が高くなる。周波数ホッピングにより同じチャネルが選択されるならば他の通信装置との干渉となって現れるため、やはり通信品質の悪化を招く。
図1に本実施形態における無線通信装置101のブロック図の一例を示す。
図1には、アンテナ101、無線送受信部102、チャネル切替制御部103、クロック生成部104、通信状態記憶部105、評価基準決定部106及び周波数チャネル評価部107が示されている。
アンテナ101から入力された信号は、無線送受信部102で無線通信信号の処理がされる。このときチャネル切替制御部103は、周波数ホッピングによる通信のために、いずれの周波数チャネルをいつ送受信すればよいかを指示する。送受信すべき周波数チャネルを指示された無線送受信部102は、クロック生成部104が生成するクロックタイミングに応じて送受信周波数チャネルの切替を行う。
通信状態記憶部105は、無線送受信部102が無線通信信号処理の際に測定した各周波数チャネルごとのパケットの誤り発生率や、本来の通信以外の時間帯に受信した無線信号の受信信号強度といった各周波数チャネルごとの通信状態を示す指標を記憶する。
評価基準決定部106は、通信状態記憶部105か、または直接無線送受信部102から通信状態を示す指標を取得する。そしてこれらの指標から各周波数チャネルの選択にかかる一律の評価基準となるしきい値を決定する。このときのしきい値はチャネル全体に渡る通信状態を考慮しながらその状況に応じて動的に変更され、使用可能な周波数チャネルについて全体的に通信状態が悪い場合は高めに設定される。逆に全体的に通信状態が良い場合は低めに設定されるようにしてもよい。
周波数チャネル評価部107は、評価基準決定部106から入力されたしきい値と、通信状態記憶部105に記憶された通信状態を示す指標を比較することにより各周波数チャネルの通信品質を判断する。たとえば通信状態を示す指標がしきい値を上回るときは通信品質の悪いチャネルであると判断される。判断後の結果は周波数チャネル評価部107が持つ使用可能チャネル情報テーブルに格納され、チャネル切替制御部103による周波数チャネルの切り替え指示に反映される。
図2は、通信状態を示す指標を記憶する、通信状態記憶部105が備える通信状態テーブル201の例である。この例では指標として周波数チャネルごとのパケット誤り発生率が記憶されている。ここでは周波数チャネルが79個あり、それぞれのチャネルごとに指標が記されている。図2では指標として誤り発生率の例を示したが、パケットのロス率、パケット再送要求の受信頻度及び受信信号強度などを指標とする場合も同様に扱うことができる。
次に通信状態テーブル201で記憶する指標の値を動的に計算するための簡易な方法の一例を示す。ここでは指標としてパケット誤り発生率を例に説明するが、その他の種類の誤り発生率や受信信号強度を用いても同様の計算方法を適用することができる。
まず、それぞれの周波数チャネルごとのパケット誤り発生率PER[i]を、次の式を用いて計算する。
PER[i]=1/t+(1−1/t)×PER[i]
パケットに誤りが無かったときは、
PER[i]=(1−1/t)×PER[i]
を用いて計算する。
iはBluetoothのチャネル番号に対応するインデックスであり、0から78までの値をとる。たとえばチャネル0におけるパケット誤り発生率はPER[0]と表現される。tは応答性を決める時定数である。tの値が小さいほど誤り発生率の急激な変化への追従性が上がり収束が早くなる。逆に偶発的な誤りにも敏感に反応するようになり値が振動を引き起こす場合もある。tの値はこのようなトレードオフを考慮して128から256程度とするのが望ましい。この計算方法に従い、PER[i]の初期値を0として周波数チャネルiでのパケットの送受信のたびにその通信による誤りが発生したか否かによっ
て繰り返し更新すると、更新されるに従ってPER[i]が実際のパケット誤り発生率に収束してゆく。
指標の計算をさらに簡易に行う場合は、次のように全周波数チャネルで一つの指標だけを持つようにすると送受信の都度に行う誤り発生率の計算の計算量を削減することができる。まず、チャネルごとのパケット誤り発生率の計算と同じように、チャネル全体のパケット誤り発生率を送受信で用いた周波数チャネルによらず次の式に基づいて更新する。
PER=1/T+(1−1/T)×PER
パケットに誤りが無かったときは、
PER=(1−1/T)×PER
とする。ここでTは時定数である。Tは既述のtよりも大きな値、たとえばtの64倍とする。これはパケット誤り発生に応じた追従性が、チャネルごとに更新するPER[i]よりも緩やかであることが好ましいからである。
なお上記説明のt、T、nなどの値には、2のべき乗で表現できる値を用いると上記計算にシフト演算が適用可能となるので計算量が大幅に削減できる。たとえばt=128、T=8192、n=16などが好ましい値といえるが、もちろんこの値に限定されるものではない。
図3は、周波数チャネル評価部107が備える使用可能チャネル情報テーブル301の例である。この例では、評価基準決定部106がしきい値をたとえば「0.1」と設定したときの、各周波数チャネルの判定結果を示している。チャネル0を見ると誤り発生率が「0.2」であるからしきい値を上回り、よって通信品質の評価は「悪い」となる。ここで誤り発生率の代わりに受信信号強度であったとしても、同様にしきい値より上回っていれば他の通信と干渉する可能性が高くなると評価することができる。チャネル切替制御部103は使用可能チャネル情報テーブル301で「良い」と評価された周波数チャネルについて周波数ホッピングの対象チャネルとするようにホッピングシーケンスを生成する。
図4は、本実施形態における通信装置の使用状況の一例を説明する図である。ここではたとえばIEEE802.11bの通信端末が、Bluetoothの通信端末に与える影響について具体的に説明する。
図4には、相互に通信するBluetoothの端末401、402、およびIEEE802.11bの端末403と端末403のアクセスポイント(AP)となるLANに接続されたアクセスポイント404が示されている。
端末403及びアクセスポイント404は、IEEE802.11bの規格に従えば2.402GHzから2.424GHzまでの周波数帯域を使用する。するとBluetoothの規格における周波数チャネル0から21が重複する。このため両者の間で干渉が起こり、結果、誤り発生率が高くなり通信品質が悪化する。
図5にこのときの誤り発生率の一例を示す。近傍で通信するIEEE802.11bと重複する周波数チャネル0から21の範囲は、軒並み誤り発生率が高い。しかしながらこれら0から21を除く22以降の周波数チャネルは干渉がない。よってしきい値501によって通信品質を判断しても、22から78までの57の周波数チャネルの通信品質は「良い」と判断される。事実上これだけの範囲が使用可能であれば問題となることはない。
図4において、端末401と端末402との距離がより離れた場合を考える。電波強度は距離が離れると急速に減少するため、端末401と端末402との無線通信で外部から
のノイズの影響が無視できなくなる。このため周波数チャネル全体について通信品質が悪化することが考えられる。
図6に、端末401と端末402との間の距離が離れたときの誤り発生率の一例を示す。図5に示した誤り発生率と比べると、全体的に全周波数チャネルについて誤り発生率が増加している。このとき図5の状況で適用したしきい値501を図6の状況に適用すると、ほとんどの周波数チャネルが「悪い」と評価され周波数ホッピングで選択すべきチャネルがなくなってしまう。こういった場合には新たなしきい値、つまり新しきい値601のようなしきい値を再設定すれば、全体的に通信品質が悪い中でも比較的良好な周波数チャネルが選択されるようにすることができる。図6の場合には、22から78チャネルが「良い」と評価されるようになることが望ましい。
なお、ここでは通信状態を示す指標としてパケット誤り発生率を示したが、ビット誤り発生率やパケットのペイロードを除いたヘッダのみの誤り発生率、ペイロードを含めたパケット全体の誤り発生率、パケットのロス率、パケット再送要求の受信頻度及び受信信号強度といった他の指標を用いた場合でも同様である。
次に図6に示したような新しきい値601の設定方法の一例を説明する。設定に際しては通信状態記憶部105の通信状態テーブル201の記憶した通信品質を示す指標を用いて、評価基準決定部106が算出する。
評価基準決定部106は、図2に示すような通信状態テーブル201のPER[0]からPER[78]までのそれぞれのチャネルにおける誤り発生率の平均値、もしくは平均値に予め定めた、たとえば1.125などの係数を乗じた値をしきい値とすることができる。このような簡易な計算方法で求めたしきい値であっても、多くの周波数チャネルに渡って通信品質が悪化している場合に適した新しきい値601を、全体の通信品質が良好である場合よりも高めに設定することが可能である。このように構成すると、相対的に通信品質の悪いチャネルのみを使用しないようにすることが可能となる。
あるいは通信状態テーブル201の指標の計算方法で触れたように、周波数チャネル全体の状況を反映した値(PER)を新しきい値601としても良い。このとき、必要に応じてたとえば1.125などの係数を乗じた値としても良い。
あるいは、しきい値は予め定められた固定値(たとえば0.1)と、PERを引数として計算することにより求めた値(たとえば(1+(n−1)×PER)/n:ただしnは定数)と大小を比較して、その大きい方を採用するようにしても良い。これはPERの値が小さくチャネル全体に渡って通信品質が良い場合には、そのままこの値をしきい値として使用するとPER[i]の偶発的な変化に対して敏感に変化しすぎる可能性があるからである。このようにしきい値があまり低くなり過ぎないようにすれば、このような問題を回避することができる。
またはPERそのものの値ではなく、ある係数を乗じるなどしてPERよりも大きな値をしきい値とすることで、より通信品質の悪いチャネルも選択されるようにすることができる。
説明上、しきい値よりも低いパケット誤り発生率の「良い」と評価された周波数チャネルすべてを選択対象のチャネルとしているが、たとえば「良い」と評価された周波数チャネルの中から予め定められた個数(Bluetooth規格で定められた下限の個数など)だけの周波数チャネルを使用するようにして、それ以外を不使用と定めても良い。
周波数ホッピングに選択可能な周波数チャネルを選択するためのしきい値を、全体的な通信品質の悪化に応じて動的に変化させることにより、このしきい値を所定の値に固定しておくよりも使用する周波数チャネルの候補の範囲を、通信品質の比較的良好な範囲に限定することができる。限定した範囲から使用する周波数チャネルを選択するので、より通信品質の良いチャネルが選択可能となる。さらに選択範囲が狭められることから、多くのチャネルを対象とした処理には難しい、たとえばソーティングなどのアルゴリズムの適用も可能とすることができる。
一方、周波数チャネル評価部107で各周波数チャネルを評価した結果、いずれもしきい値を満足できずに必要なチャネル数を確保できない場合が考えられる。このような場合、評価に用いたしきい値よりも低い新しきい値を用いて評価しなおして、より多くの周波数チャネルが「良い」という評価を得られるようにする。このとき必要とするチャネル数が確保されるよう低いしきい値とする。この新しきい値は、たとえば0.08のような固定値でも良いし、評価基準決定部106が設定したしきい値に1意化の係数(たとえば0.75)を乗じて得られた値であっても良い。新しきい値の設定後、周波数チャネル評価部107で再評価しても「良い」という評価を得られたチャネルの数が必要な数に達しなければ、必要数が確保されるまで繰り返ししきい値を下げるか、あるいは「悪い」と評価されたチャネルの中からランダムに選択して使用するようにする。
(第2の実施形態)
本実施形態における通信装置は、第1の実施形態における通信装置と同様である。本実施形態では、評価基準決定部106で設定したしきい値を、通信の目的に応じて変更するものである。
たとえばBluetoothにおいて使用されるパケットには、SCOパケットとACLパケットがある。SCOパケットは音声などの送受信に使用される。このパケットはリアルタイム性が要求されるために送受信でエラーが発生しても再送されることなくパケットは単に捨てられる。一方、ACLパケットはデータの送受信に使用され、送受信でエラーが発生したときは再送要求に応じて再送処理がされる。評価基準決定部106は、再送を必要としないSCOパケットの送受信時には、再送が必要なACLパケットのみが送受信されているときよりもしきい値を高めに設定する。このようにするとエラーが発生したときに捨てられるパケットの数を減らして、伝送される音声の品質を上げることができる。逆に、再送が必要なACLパケットのみが送受信されているときは、しきい値を低めに設定することでより多くの周波数チャネルが選択できるようにする。すると自分が属するネットワーク(たとえばピコネット)とは別のネットワークに属し互いに独立した通信をしている他の通信装置が使用する周波数チャネルとは別のチャネルが融通できる可能性が高くなり、よって互いの干渉を低減することができる。このようにしても再送の仕組みを持つACLパケットはパケット誤り発生時は再送処理されるので、通信品質が低いチャネルを用いる場合でも送受信すべきデータが失われることはない。
(第3の実施形態)
本実施形態における通信装置は、第1の実施形態における通信装置と同様である。本実施形態では、評価基準決定部106で設定したしきい値を、送受信されるパケットのエラー訂正能力に応じて変更するものである。
たとえばBluetoothにおいて使用されるパケットには、データをより多く伝送することができるがエラー耐性が低いDHパケットと、逆にデータの一部をエラー訂正符号に割り当てることで伝送するデータ量が減るもののエラー耐性を高めたDMパケットがある。DHパケットを送受信している場合にはしきい値を高めに設定することで比較的通信品質の良い周波数チャネルのみが使用されるようにしてエラーが発生しにくくする。ま
たDMパケットを送受信している場合にはしきい値を低めに設定することで比較的通信品質の低い周波数チャネルも選択できるようにし、チャネル選択の範囲を広げる。このようにするとエラー耐性の低いパケットの伝送時のエラー率を低減しながら、他のネットワーク(たとえばピコネット)に属する通信装置との干渉を低減することができる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本実施形態の通信装置のブロック図の一例を示す図 本実施形態の通信状態テーブルの一例を示す図 本実施形態の使用可能チャネル情報テーブルの一例を示す図 本実施形態の通信装置の使用状況の一例を示す図 周波数チャネルのパケット誤り発生率の一例を示す図 周波数チャネルのパケット誤り発生率の別の一例を示す図
符号の説明
100:通信装置
101:アンテナ
102:無線送受信部
103:チャネル切替制御部
104:クロック生成部
105:通信状態記憶部
106:評価基準決定部
107:周波数チャネル評価部
201:周波数状態テーブル
301:使用可能チャネル情報テーブル
501:しきい値
601:新しきい値

Claims (6)

  1. 所定の周波数帯域を区切って設定された複数の周波数チャネルを用いて周波数ホッピングにより通信パケットを送受信するための無線送受信手段と、
    各周波数チャネルにおける通信状況を示す指標を都度更新して記憶する通信状況記憶手段と、
    無線通信に必要な通信品質の基準を、前記通信状況記憶手段に記憶された複数の前記指標に基づいて相対的に更新する評価基準更新手段と、
    更新した前記基準に基づいて前記複数の周波数チャネルから無線通信に使用すべき周波数チャネルを選択し、この選択した周波数チャネルへの切り替えを前記無線送受信手段に対して指示するチャネル切替制御手段とを備え
    前記評価基準更新手段は、前記通信パケットが再送処理の対象とならない第1のパケットである場合には、前記通信パケットが再送処理の対象となる第2のパケットである場合に比して、より高い基準となるように前記通信品質の基準を更新する
    ことを特徴とする無線通信装置。
  2. 前記無線送受信手段は、Bluetooth(TM)の規格にしたがって通信を行い、
    前記第1のパケットはSCOパケットであり、前記第2のパケットはACLパケットである
    ことを特徴とする請求項1に記載の無線通信装置。
  3. 所定の周波数帯域を区切って設定された複数の周波数チャネルを用いて周波数ホッピングにより通信パケットを送受信するための無線送受信手段と、
    各周波数チャネルにおける通信状況を示す指標を都度更新して記憶する通信状況記憶手段と、
    無線通信に必要な通信品質の基準を、前記通信状況記憶手段に記憶された複数の前記指標に基づいて相対的に更新する評価基準更新手段と、
    更新した前記基準に基づいて前記複数の周波数チャネルから無線通信に使用すべき周波数チャネルを選択し、この選択した周波数チャネルへの切り替えを前記無線送受信手段に対して指示するチャネル切替制御手段とを備え、
    前記評価基準更新手段は、前記通信パケットが送受信時のデータの誤りを訂正するエラー耐性を有するパケットである場合には、そのエラー耐性の強度に応じてより低い基準となるように前記通信品質の基準を更新する
    ことを特徴とする無線通信装置。
  4. 前記無線送受信手段は、Bluetooth(TM)の規格にしたがって通信を行い、
    前記送受信時のデータの誤りを訂正するエラー耐性を有するパケットはDHパケットとDMパケットであり、
    前記評価基準更新手段は、前記DMパケットに対する通信品質の基準が前記DHパケットに対する通信品質の基準よりも低くなるように前記通信品質の基準を更新する
    ことを特徴とする請求項3に記載の無線通信装置。
  5. 所定の周波数帯域を区切って設定された複数の周波数チャネルのそれぞれにおける無線通信の通信品質を示す指標を都度更新して記憶し、
    前記周波数チャネルを用いた周波数ホッピングによる無線通信に必要な通信品質の基準を、送受信する通信パケットが再送処理の対象となる第1のパケットである場合には、送受信する通信パケットが再送処理の対象となる第2のパケットである場合に比して、より高い基準となるように前記記憶した複数の指標に基づいて相対的に更新し、
    更新した前記基準に基づいて前記複数の周波数チャネルから無線通信に使用すべき周波数チャネルを選択する
    ことを特徴とする周波数チャネル選択方法。
  6. 所定の周波数帯域を区切って設定された複数の周波数チャネルのそれぞれにおける無線通信の通信品質を示す指標を都度更新して記憶し、
    前記周波数チャネルを用いた周波数ホッピングによる無線通信に必要な通信品質の基準を、送受信する通信パケットが送受信時のデータの誤りを訂正するエラー耐性を有するパケットである場合には、そのエラー耐性の強度に応じてより低い基準となるように前記記憶した複数の指標に基づいて相対的に更新し、
    更新した前記基準に基づいて前記複数の周波数チャネルから無線通信に使用すべき周波数チャネルを選択する
    ことを特徴とする周波数チャネル選択方法。
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