JP4579300B2 - 無線システム及びその動作方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、特に軍事用の無線システム及び対応する動作方法に関する。

現在かなり長い期間、軍事用通信は先例のない転換を経てきている。原則的に、民生部門において現在利用可能な技術によって、地球上の任意の位置から自動的に人手による介入を受けることなく、必要とされる情報にアクセス可能であり、ネットワーク加入者はほとんど遅延することなくコンタクト可能である。インターネットの発展は、通信における質的及び量的な飛躍であり、１９９０年代初頭でさえ想像することはできなかった。軍事用にこのタイプの通信を利用することは、全く新しい視野を開いている。

現代のネットワーク中心の戦争概念は、適切な形式により要求される可能性のある何れの場所でも遅延することなく情報を利用可能にする。この目的に適した通信システムは、すでに集中開発されている。このようなシステムは、例えば、可動性、最大相互運用性（また文官当局（ＢＯＳ）による）、ネットワーク透過性（有線／無線、ＰＳＴＮ、ＩＳＤＮ、ＬＡＮ、ＷＡＮ、無線／固定ワイヤレスネットワーク、軍事用／民生用）、全世界的アクセス性、偵察／誘導／インパクトの組み合わせによる情報の伝送、ポジションレポート、ポジションの提示、敵と味方の識別、センサデータ、デジタルカメラからの画像、ＧＰＳ追跡、電子メール、ニュース速報、他のＩＰサービス、自発的なモバイルネットワーキング（ＭＡＮＥＴ）及びインフラストラクチャからの独立などの極めて厳格な要求を受ける。

戦術部隊によって利用される通信のタイプは、増大する速さにより変化している。従来、“セキュアボイスリンク”というアプリケーション、すなわち、符号化された可能性のある妨害に対して耐性を有する発話がほとんど排他的な優先度を有していた。

現在、無線電話と並行して、パーソン・ツー・パーソン（ｐｅｒｓｏｎ−ｔｏ−ｐｅｒｓｏｎ）アクセス性により異なる通信参加者をリンクしようとする要求が増大している。システムを構成するためこのタイプのクロスリンキングは、合成されたシステムにおける通信技術の相互運用性とネットワークの統合を要求している。

相互運用性のため、ＴＣＰ／ＩＰなどのインターネットプロトコルの利用が、ネットワーキングデータ通信に必要である。これらのプロトコルは、ＭＩＬ−ＳＴＤ−１８８−２２０Ｂなどによるナローバンド無線技術を用いて実現可能である。この規格は、戦術的な無線装置の相互運用性のためにより下位のプロトコルレベルを規定している。

戦術的無線は、現在２５ｋＨｚ帯域幅によるチャネルに基づくものであり、それを介して従来のグロス１６ｋｂｉｔ／ｓが、９．６ｋｂｉｔ／ｓまでのＦＥＣにより伝送可能である。軍事用無線通信における自発的モバイルネットワーキング（ＭＡＮＥＴ）を実現するための標準的なインターネットプロトコルの利用は、迅速かつコスト有利な手段となる。しかしながら、これはＭｂｉｔｓ／ｓの範囲内のデータレートとＭＨｚ範囲による帯域幅を要求する。従って、これらは２５ｋＨｚ専用の帯域幅による無線チャネルにおいては利用することができない。企業レベルまでの戦術的セクタにおいて、この範囲内の帯域幅による無線装置はこれまで利用されていなかった。

高速データレート及び関連する広い信号帯域幅を有する無線装置は、地球表面に沿った無線信号の伝搬（すなわち、航空機プラットフォームのケースと同様にフリースペース伝搬なしに）に関して以下の制約を受ける。すなわち、効果的な利用のため、より高い周波数範囲（２２５〜４００ＭＨｚであり、２ＧＨｚ以上まで）が望ましい。しかしながら、無線信号の範囲は周波数の増大に従って減少する。伝送パワーを増大させることは、適度な程度までこの範囲を増大させるだけである。８倍の伝送パワーは２倍の範囲しか達成しない。

要求される帯域幅は、所望のデータレートに比例する。しかしながら、この範囲は帯域幅の増大に従って低減する。この結果、データレートが１６ｋｂｉｔ／ｓから１．６Ｍｂｉｔ／ｓに増大した場合、当該範囲は約５のファクタにより低減する。範囲に関するさらなる犠牲が考慮される必要がある。なぜなら、広い帯域幅は一般により高い伝送周波数を要求するためである。３０ＭＨｚから８８ＭＨｚの戦術的周波数範囲は、パッキングの密度及び広い帯域幅のためもはや利用可能でない。

高品質タイプの変調は、より大きなノイズマージンを必要とし、このため、よりシンプルな変調方法の利用と比較して、同じ伝送パワーによってより小さな範囲しか達成しない。必要な無線カバーに要求される無線装置の個数は、かなりの程度までその範囲に依存する。

ＤＥ１９６５１５９３Ａ１及びＤＥ１９８０７９３１は、これらのパラメータの最適化に関する。

高速データレートのためのブロードバンド無線装置は、ネットワーク通信のためのおそらく理想的な手段である。しかしながら、それらの無線範囲は限定されている。２５ｋＨｚチャネルによる無線装置は、適度なデータレート、長い範囲及びロウバストな変調方法によって特徴付けされる。従って、それらは戦術的なアプリケーションでは不可欠である。セキュア無線電話に加えて、それらはＭＩＬ−ＳＴＤ−１８８−２２０ＢなどのＩＰサポートされたプロトコルと現在の及び将来的なデータネットワークと一体化することが可能である。

自動ルーティングによる自己組織化するネットワークは、ＭＩＬ−ＳＴＤ−１８８−２２０Ｂにより実現可能であり、そこでは、ＩＰインターネットプロトコルに基づくアプリケーションがサポートされる。このため、従来の戦術的な無線は、図１に示されるように、デジタル戦闘エリアネットワークに拡張可能である。

組み合わされたハードウェア／ソフトウェアシステム１は、異なる伝送媒体を介した現在のインターネット／イントラネット通信を保証する。信号管理制御システム２はシップにおける無線通信を自動化し、信号管理制御システム３は地上ベースユニットの無線通信を構成する。システム１〜３のすべては、ＭＡＮＥＴアドホックネットワーク４に組み込まれる。高速データレートによる固定無線ネットワークなどの有線ネットワーク及び（擬似固定）無線ネットワークは、モバイル戦術無線ネットワークとそれらの性質についてかなり異なっている。従来使用された戦術無線装置は、現在最大で１６ｋｂｉｔ／ｓまでのデータレートを提供する。新世代の無線装置は、最近では７２ｋｂｉｔ／ｓをサポートするものが販売されている。

Ｍｂｉｔ／ｓの大きさのオーダによるデータレートの無線装置が、現在開発中である。ＷＬＡＮなどの商業的手段は、それらが予め調整された周波数のみにより動作するため、特殊ケースでしか満足いく手段を提供しない。この手段の実質的な欠点は、それがターゲットとされる妨害などに対して保護されないということである。将来及び現在のブロードバンド無線装置では、単一チャネルシステムのさらなる欠点は、可変的なチャネルクオリティに波形を調整するなど後述される性質によって回避される。

モバイルアプリケーションでは、無線チャネルのクオリティ及び容量は、地形のトポロジー及びクオリティとブリッジされるべき距離とに依存する。

これは、利用可能なチャネル容量が、例えば、２Ｍｂｉｔ／ｓのブロードバンド無線装置の最大データレートと、数ｋｂｉｔ／ｓのナローバンド無線装置の最大データレートとの間で可変的なものとなることを意味する。さらに、無線チャネルの性質は物理的マージナル条件によって決定される。これらは、例えば、減衰、反射、回折及びドップラーシフトなどを含む。

それらは、受信側の障害、マルチパス伝搬、並びに周波数選択及び時間可変フェーディングを導く。これにより実質的に影響を受ける無線チャネルの性質は、信号／ノイズレシオ、信号妨害及び信号ジッタにより記述される信号クオリティであり、これらから導かれるチャネル容量（データレート／帯域幅）、ビットエラーレート（ＢＥＲ）及び範囲である。

特定のアプリケーション状態では、特に無線ノード間の比較的大きな距離があると、無線ネットワークはいわゆるネットワークの“ボトルネック”を表す可能性がある。複数の手段が、無線ネットワークの可動性とそれらの物理的性質から生じるチャネル容量及びチャネルクオリティの一時的で潜在的な上記制約の代わりに、ネットワークを十分利用するため、将来のネットワークにおいて検討及び実現される必要がある。

本発明は、無線システムによりサポートされるべき各サービスの異なる要求にフレキシブルに応答し、異なるクオリティの無線チャネルにフレキシブルに反応する無線システム及び当該無線システムの動作方法を提供するという課題に基づく。

上記課題は、請求項１記載の無線システムと請求項１２記載の無線システムの動作方法によって実現される。従属クレームは、本発明のさらなる効果的な発展を開示する。

本発明の一例となる実施例が、図面を参照してより詳細に説明される。

無線チャネルの時間可変的クオリティ及び容量の問題に関して、本発明は、
・各無線リンクのクオリティ及び容量の最適化
・一致した及び最適化されたルート選択
・適切なアプリケーションの選択及び／又はアプリケーションのマッチング
の３つの手段から構成されるパッケージを提案する。

このため、図２に示される手段は、本発明の課題を従来の無線技術のエリア（ＩＳＯ／ＯＳＩレイヤモデルのレイヤ１及び２）と、これら２つのエリアの間の協調を提供するネットワーク技術（レイヤ３及びそれ以上）のエリアとの間に分割する。クオリティ特徴と、任意的にはコントロールデータが交換可能なインタフェースが、これら２つのエリアの間に設けられ、コントロールデータは、交換されるクオリティ特徴に対する応答として生成される。

インタフェース１０の下に、いわゆる古典的な無線ドメインの内部に、無線チャネルを解析し、対応するクオリティ特徴を決定し、適応的手段による無線チャネルとそれぞれの波形との各自の地理的状況にマッチさせるため、レイヤ１のブロック１１において手段（Ｐｈｙｓ／ＱｏＣ）が実現される必要がある。

ネットワークについて規定されるＱｏＳ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）と同様に、このためのクオリティ特徴はＱｏＣ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｃｈａｎｎｅｌ）と呼ばれる。それらは、機能ブロック１１（Ｐｈｙｓ／ＱｏＣ）において処理される。

機能（ＭＡＣ／ＱｏＣ）は、チャネルアクセス（リンクマネージメント、スロットマルチプレキシング）及びデータフローを制御するため、また実際には現在のチャネルクオリティと、パケットの優先度及びチャネルクオリティ（Ｃｌａｓｓ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ，ＱｏＳ）に関するそれらの要求に応じて、さらに設けられる必要がある。これは、レイヤ２の機能ブロック１２（ＭＡＣ／ＱｏＣ）において実現される。パケットの優先度は、サービスに固有の及び／又はユーザに固有の方法により決定することができる。これはまた、機能ブロック１２（ＭＡＣ／ＱｏＣ）において実現される。

ＱｏＣ−ＱｏＳインタフェース１０の上に、いわゆるネットワークドメインにおいて、使用されるチャネルの性質とこれらＱｏＣ値を利用した通信とをマッチングするための方法を見つける必要がある。

以下の手段は、レイヤ３の機能ブロック１３において採用される必要がある（ＱｏＣ／ＱｏＳ−マネージメント）。
・優先度に従ってデータパケットをソートする（ＭＡＣ／ＱｏＣ）
・マッチングされたキュー処理（ＭＡＣ／ＱｏＣ）、すなわち、優先度に応じたキューの構成
・デジタル化されたカードを利用した範囲計算、交換された位置座標を利用した接続解析、無線ステーションを含むオブジェクトの速度ベクトルを利用した接続予想、無線装置を介した各リンクのクオリティ特徴の決定、ルーティングテーブルのパスクオリティのマーク付け、ＱｏＣ値のＱｏＳ値への変換及びＩＰ機能によるマッチング（ＴＣＰ／ＵＤＰにマッチした）、利用可能なチャネルクオリティ及び容量（ＱｏＳ／ＱｏＣカスタマイズ）及び利用可能なサービスの表示に関するユーザへの通知、利用可能なチャネルクオリティ及び容量（ＱｏＳ／ＱｏＣカスタマイズ）とアプリケーションとのマッチング、機能ブロック１６（ＱｏＳ／ＱｏＣカスタマイズ）のアプリケーションレベルにおいて実現される優先順位付け、データ低減又は中断などのチャネル容量に関する応答及び手段などによるＭＡＮＥＴ機能のサポート（ＱｏＳ／ＱｏＣルーティングサポート）
インタフェース１０の上下の手段を協調させるため、ＱｏＣ及びＱｏＳパラメータが互いにマッピングされる必要がある。これはまた、有線ネットワークについて規定されるサービス特徴（ＱｏＳ機構）がまた無線ネットワークにおいて実現可能となるように、無線ネットワークと有線ネットワークとの間のギャップフリーな以降を可能にするため要求される。

チャネルアクセス（Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ，ＭＡＣ）、レイヤ３の機能ブロック１４のＭＡＮＥＴルーティング及びまたレイヤ４の機能ブロック１５が変換されるトランスポートプロトコルＴＣＰ／ＵＤＰ、並びにレイヤ５〜７のアプリケーションはすべて影響を受ける。このため、ＱｏＣ／ＱｏＳマッピングがさらなる機能により補完される必要がある。これは、機能ブロック１３（ＱｏＣ／ＱｏＳマネージメント）により実現される。このため、機能ブロック１３は、さらなるインタフェース１７、１８及び１９を介し機能ブロック１４、１５及び１６に接続される。

図２に示される無線システムの機能が以下で説明される。

無線システムは、無線チャネルの異なる無線装置の間のデータパケットの伝送のための複数の処理レイヤを有し、複数の機能ユニットと管理ユニットとを有する。第１機能ユニット１１は、物理無線伝送レイヤにローカライズされ、無線チャネルのクオリティＱｏＣを決定するため、無線チャネルを解析する。

第２機能ユニット１２は、データバックアップレイヤにローカライズされ、データパケットにより実現されるＱｏＳに応じて送信されるデータパケットの優先度と無線チャネルの現在のクオリティＱｏＣとに応じて無線チャネルへのアクセスを制御する。第３機能ユニット１４は、スイッチングレイヤにローカライズされ、データパケットのスイッチングを制御する。

上位管理ユニット１３は、データパケットにより実現されるＱｏＳが第１機能ユニット１１において決定される無線チャネルのクオリティＱｏＣに十分対応する場合に限って、すなわち、無線チャネルの最小のクオリティＱｏＣがアプリケーションのサービス特徴又はサービスのクオリティＱｏＳについて実現される場合、第３機能ユニット１４を介しスイッチングのためのデータパケットをリリースする。

管理ユニット１３は、第１インタフェース１０を介し第１機能ユニット１１及び第２機能ユニット１２に、第２インタフェース１７を介し第３機能ユニット１４に接続される。

さらに、管理ユニット１３は、好ましくは、第３インタフェース１８を介しトランスポートレイヤの第４機能ユニット１５に接続される。第４機能ユニット１５は、データパケットをＴＣＰ／ＵＤＰなどの対応するトランスポートプロトコルに変換する。

管理ユニット１３は、データパケットにより実現されるサービスのクオリティＱｏＳと、第１機能ユニット１１において確立される無線チャネルのクオリティＱｏＣとに基づき、適切なトランスポートプロトコルＴＣＰ／ＵＤＰを決定し、それに従って第４機能ユニットを制御する。

管理ユニット１３は、好ましくは、第４インタフェース１９を介しアプリケーションレイヤの第５機能ユニット１６に接続される。データパケットが第３機能ユニット１４によりルーティングのためリリースできない場合、対応するメッセージが、第５機能ユニット１６によりユーザに発行される。現在利用可能なすべてのサービスがユーザに表示可能である。

これに関して、管理ユニット１３は、それが適切なスイッチング（ルーティング）を介して、データパケットにより実現されるサービスの各自のクオリティＱｏＳについて要求される無線チャネルの伝送容量を利用可能にするように、第３機能ユニット１４を制御する。

管理ユニット１３は、好ましくは、データパケットにより実現されるサービスの各自のクオリティＱｏＳにより要求される優先度に応じて、データパケットのソーティングを実現する。このシーケンスのデータパケットのスイッチングの実現のための第３機能ユニットが、これに応じて制御される。

管理ユニット１３はまた、移動する無線装置の決定された速度ベクトルに基づき、無線チャネルの進展する将来のクオリティの予想を実現可能である。

要約すると、当該手段は以下のように説明することができる。すなわち、モバイル使用に要求されるネットワークの潜在的なパス（無線パス）の永久的な決定がインテリジェントな方法によりサポートされる。無線チャネルは、各自の地理的状況と適応的手段によってマッチングされ、各無線パスの各自のチャネル容量及びチャネルクオリティが記録され、データパケットのトランスポートにおいて考慮される。本発明は、記載された実施例に制限されるものではない。記載されたすべての特徴は、必要に応じて互いに組み合わせることが可能である。

図１は、デジタル戦闘エリアネットワークの一例を示す。 図２は、本発明による方法のブロック回路図を示す。

Claims (15)

1. 無線チャネルの異なる無線装置の間のデータパケットの伝送のための複数の処理レイヤを有する無線システムであって、
   前記無線チャネルを解析し、前記無線チャネルのクオリティ（ＱｏＣ）を決定する物理無線伝送レイヤの第１機能ユニット（１１）と、
   前記無線チャネルの現在のクオリティ（ＱｏＣ）と、前記データパケットにより実現されるサービスのクオリティ（ＱｏＳ）に従って伝送される前記データパケットの優先度とに応じて、前記無線チャネルへのアクセスを制御するデータバックアップレイヤの第２機能ユニット（１２）と、
   前記データパケットのスイッチングを制御するスイッチングレイヤにおける第３機能ユニット（１４）と、
   前記データパケットにより実現される前記サービスのクオリティ（ＱｏＳ）が前記第１機能ユニット（１１）において決定される前記無線チャネルのクオリティ（ＱｏＣ）に十分対応する場合に限って、前記第３機能ユニット（１４）によるスイッチングのため前記データパケットをリリースする管理ユニット（１３）と、
   を有し、
   前記管理ユニット（１３）は、前記データパケットにより実現されるサービスのクオリティ（ＱｏＳ）と、前記第１機能ユニット（１１）において決定された前記無線チャネルのクオリティ（ＱｏＣ）とに基づきトランスポートプロトコル（ＴＣＰ／ＵＤＰ）を決定し、前記データパケットを対応するトランスポートプロトコル（ＴＣＰ／ＵＤＰ）に変換するため、前記第４機能ユニット（１５）を制御する無線システム。
2. 前記データバックアップレイヤの第２機能ユニット（１２）は、前記無線チャネルへのアクセスだけでなく、前記無線チャネルの現在のクオリティ（ＱｏＣ）と、前記データパケットにより実現される前記サービスのクオリティ（ＱｏＳ）に従って伝送される前記データパケットの優先度とに応じて適切な波形の選択をも制御する、請求項１記載の無線システム。
3. 前記管理ユニット（１３）は、第１インタフェース（１０）を介し前記第１機能ユニット（１１）と前記第２機能ユニット（１２）に、第２インタフェース（１７）を介し前記第３機能ユニット（１４）に接続される、請求項１又は２記載の無線システム。
4. 前記管理ユニット（１３）は、アプリケーションレイヤにおける第５機能ユニット（１６）に第４インタフェース（１９）を介し接続される、請求項１乃至３何れか一項記載の無線システム。
5. 前記データパケットが前記第３機能ユニット（１４）によるスイッチングのためリリースできない場合、前記管理ユニット（１３）は、対応するメッセージがユーザに発行されるように前記第５機能ユニット（１６）を制御する、請求項４記載の無線システム。
6. 前記管理ユニット（１３）は、それが前記データパケットにより実現される前記サービスの各クオリティ（ＱｏＳ）について要求される前記無線チャネルの伝送容量を適切なスイッチング（ルーティング）を介し利用可能にするように、前記機能ユニット（１４）を制御する、請求項１乃至５何れか一項記載の無線システム。
7. 前記管理ユニット（１３）は、それが前記データパケットにより実現される前記サービスの各クオリティ（ＱｏＳ）について要求される前記無線チャネルの伝送容量を適切な波形の選択を介し利用可能にするように、前記第３機能ユニット（１４）を制御する、請求項１乃至６何れか一項記載の無線システム。
8. 前記管理ユニット（１３）は、前記データパケットにより実現される前記サービスの各クオリティ（ＱｏＳ）により要求される優先度に従って前記データパケットのソート処理を実現し、当該シーケンスにおける前記データパケットのスイッチングを実現するよう前記第３機能ユニット（１４）を制御する、請求項１乃至７何れか一項記載の無線システム。
9. 前記管理ユニット（１３）は、前記移動する無線装置の決定された速度ベクトルに基づき、前記無線チャネルの進展する将来のクオリティに関する予想を提供する、請求項１乃至８何れか一項記載の無線システム。
10. 以下の手続ステップを有する無線チャネルの異なる無線装置の間のデータパケットの伝送のための複数の処理レイヤを有する無線システムの動作方法であって、
    物理無線伝送レイヤにおける第１機能ユニット（１１）によって、前記無線チャネルを解析し、前記無線チャネルのクオリティ（ＱｏＣ）を決定するステップと、
    データバックアップレイヤにおける第２機能ユニット（１２）によって、前記無線チャネルの現在のクオリティ（ＱｏＣ）と、前記データパケットにより実現される前記システムのクオリティ（ＱｏＳ）に従って伝送される前記データパケットの優先度とに応じて、前記無線チャネルへのアクセスを制御するステップと、
    前記データパケットにより実現されるサービスのクオリティ（ＱｏＳ）が前記第１機能ユニット（１１）において決定された前記無線チャネルのクオリティ（ＱｏＣ）に十分に対応する場合に限って、管理ユニット（１３）によって前記第３機能ユニット（１４）によるスイッチングのため前記データパケットをリリースするステップと、
    前記データパケットにより実現されるサービスのクオリティ（ＱｏＳ）と、前記第１機能ユニット（１１）において決定される前記無線チャネルのクオリティ（ＱｏＣ）とに基づき前記トランスポートプロトコル（ＴＣＰ／ＵＤＰ）を決定するステップと、
    前記管理ユニット（１３）によって、前記データパケットを対応するトランスポートプロトコル（ＴＣＰ／ＵＤＰ）に変換するため、トランスポートレイヤに設けられる第４機能ユニット（１５）を制御するステップと、
    を有する方法。
11. 前記無線チャネルの解析後、前記伝送において使用される波形の適応的マッチングは、適切な波形を選択することによって実現される、請求項１０記載の方法。
12. 前記データパケットが前記第３機能ユニット（１４）によるスイッチングのためリリースできない場合、アプリケーションレイヤにおける第５機能ユニット（１６）によって、ユーザに対応するメッセージを発行するステップを有する、請求項１０又は１１記載の方法。
13. 前記管理ユニット（１３）によって、それが前記データパケットにより実現されるサービスの各クオリティ（ＱｏＳ）について要求される前記無線チャネルの伝送容量を適切なスイッチング（ルーティング）により利用可能にするように、前記第３機能ユニット（１４）を制御するステップを有する、請求項１０乃至１２何れか一項記載の方法。
14. 前記データパケットにより実現されるサービスの各クオリティ（ＱｏＳ）により要求される優先度に従って前記管理ユニット（１３）により前記データパケットをソート処理するステップと、
    当該シーケンスにおける前記データパケットのスイッチングを実現するため、前記第３機能ユニット（１４）を制御するステップと、
    を有する、請求項１０乃至１３何れか一項記載の方法。
15. 移動する無線装置の決定された速度ベクトルに基づき、前記無線チャネルの進展する将来のクオリティ（ＱｏＣ）の予想を提供するステップを有する、請求項１０乃至１４何れか一項記載の方法。

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