JP4859111B2 - バッテリの駆動時間を延長させる無線通信装置、プログラム及び通信トラヒック制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリを備えた無線通信装置、プログラム及び通信トラヒック制御方法に関する。

無線通信機能を有する携帯電話機又は携帯型パーソナルコンピュータのような端末について、バッテリの駆動時間をできるだけ延長させることは重要である。そのための省電力化は、従来、物理レイヤにおける送信電力を制御することによってなされていた。

無線通信機能における送信電力を一定とした場合、バッテリ電圧が低下した際に、パワーアンプに流れる電流量が増加し、バッテリ電圧が更に低下するという問題が生じていた。これを解決するために、バッテリ電圧に基づいて送信電力を制御する技術がある（例えば特許文献１参照）。この技術は、バッテリ電圧が低下すると共に、送信電力も低下させるように制御する。これにより、パワーアンプに流れる電流量を低減させて、バッテリの駆動時間を延長させることができる。

また、バッテリの残量に応じて伝送速度を制御することにより、バッテリの寿命を延長させるための技術もある（例えば特許文献２参照）。

特開平９−０６９７８７号公報 特許３４１０８９２号公報 特開平７−２８２８５７号公報 T.F Fuller、M. Doyle and J.S. Newman、「Relaxationphenomena in lithium-ion-insertion cells」、J. Electroche. Soc.、vol.141、no.4、pp.982-990、Apr.1994

しかしながら、特許文献１に記載された技術は、物理レイヤにおける送信電力の制御であり、特許文献２に記載された技術は、バッテリ残量に応じて物理レイヤでの伝送速度を制御するものである。即ち、アプリケーションから発生する通信トラヒック自体を制御するものではなかった。

従って、本発明は、通信トラヒックの観点から、バッテリの駆動時間をできる限り延長させる無線通信装置、プログラム及び通信トラヒック制御方法を提供することを目的とする。

本発明の無線通信装置によれば、バッテリと、送信すべきパケットを一時的に蓄積した送信バッファとを有する無線通信装置において、
異なるバッテリ状態（バッテリ電圧又はバッテリ残容量）毎に、チャージリカバリ効果における放電時間間隔に対する容量回復率を登録したルックアップテーブルと、
バッテリのバッテリ状態を監視するバッテリ状態監視手段と、
ルックアップテーブルにおけるバッテリ状態を参照し、所定の容量回復率に回復するまでの放電時間間隔をデータ時間間隔として決定し、該データ時間間隔で送信バッファからデータを取り出すように制御する通信トラヒック制御手段と
を有することを特徴とする。

本発明の無線通信装置における他の実施形態によれば、
データを送信する伝送速度が予め決定されており、
通信トラヒック制御手段は、伝送速度にデータ時間間隔を乗算して得られるデータ量を、一度に送信可能なデータ量とし、該データ量以内の１つ以上のパケットを送信バッファから一度に送信するように制御することも好ましい。

本発明の無線通信装置における他の実施形態によれば、
パワーアンプに接続された電源レギュレータを制御することができる電圧制御手段を更に有しており、
電圧制御手段は、通信トラヒック制御手段のデータ時間間隔と、電源レギュレータの電圧制御間隔とを同期させて、データを送信していないデータ時間間隔は、パワーアンプにおける消費電流を下げるように電源レギュレータを動作させることも好ましい。

本発明によれば、バッテリと、送信すべきパケットを一時的に蓄積した送信バッファとを有する無線通信装置に搭載されたコンピュータを機能させるプログラムにおいて、
異なるバッテリ状態（バッテリ電圧又はバッテリ残容量）毎に、チャージリカバリ効果における放電時間間隔に対する容量回復率を登録したルックアップテーブルと、
バッテリのバッテリ状態を監視するバッテリ状態監視手段と、
ルックアップテーブルにおけるバッテリ状態を参照し、所定の容量回復率に回復するまでの放電時間間隔をデータ時間間隔として決定し、該データ時間間隔で送信バッファからデータを取り出すように制御する通信トラヒック制御手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする。

本発明によれば、バッテリと、送信すべきパケットを一時的に蓄積した送信バッファとを有する無線通信装置における通信トラヒック制御方法において、
異なるバッテリ状態（バッテリ電圧又はバッテリ残容量）毎に、チャージリカバリ効果における放電時間間隔に対する容量回復率を登録したルックアップテーブルを有し、
バッテリのバッテリ状態を監視する第１のステップと、
ルックアップテーブルにおけるバッテリ状態を参照し、所定の容量回復率に回復するまでの放電時間間隔をデータ時間間隔として決定し、該データ時間間隔で送信バッファからデータを取り出すように制御する第２のステップと
を有することを特徴とする。

本発明における無線通信装置、プログラム及び通信トラヒック制御方法によれば、通信トラヒックの観点から、チャージリカバリ効果によって、バッテリの駆動時間をできる限り延長させることができる。

以下では、図面を用いて、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

本発明は、バッテリのチャージリカバリ効果を期待している。この効果は、特に、二次電池のリチウムイオン電池で明らかとなる。「チャージリカバリ効果」とは、バッテリは、連続的に放電するよりも間欠的（断続的）に放電した方が、その駆動時間が延長できるという効果である。本発明は、この効果を期待して、データ送信自体をできる限り間欠的にすることにより、無線通信装置自体の電力消費を間欠的にして、バッテリの駆動時間を延長させようとするものである。

図１は、チャージリカバリ効果の説明図である。

図１によれば、電解物質内に取り込まれた電気活性物質が、電極付近に存在する。放電によって、電極付近の電気活性物質が電極に取り込まれ、電気活性物質が無くなっていく。

満充電状態（状態１）では、電気活性物質が、電極付近全体に密着して存在している。次に、連続放電状態（状態２）では、電極付近の電気活性物質が少なくなっていく。状態２では、電極に対して、電気活性物質は傾斜状に崩落した状態になっており、連続的放電によってバッテリ電圧が急激に低下する原因となる。

次に、放電休止状態（状態３）では、電気活性物質の高さが平均化されて、電極付近の電気活性物質が増加する。このような状態が、間欠的放電によってバッテリの駆動時間を延長させることができるという「チャージリカバリ効果」を表している。

再び、連続放電状態（状態４）では、電極付近の電気活性物質から無くなっていく。次に、放電休止状態（状態５）では、電気活性物質の高さが平均化されて、電極付近の電気活性物質が増加する。

図２は、本発明における無線通信装置の機能構成図である。

図２の無線通信装置１によれば、バッテリ（二次電池）１０１と、アンテナ１０２と、通信トラヒック生成部１０３と、送信バッファ１０４と、ベースバンド処理部１０５と、ＲＦ(Radio Frequency：高周波)処理部１０６と、パワーアンプ部１０７と、通信トラヒック制御部１０８と、電圧制御部１０９と、ＤＣ−ＤＣコンバータ（電源レギュレータ）部１１０と、バッテリ状態監視部１１１と、ルックアップテーブル部１１２とを有する。特に、通信トラヒック制御部１０８と、電圧制御部１０９と、バッテリ状態監視部１１１と、ルックアップテーブル部１１２とは、無線通信装置１に搭載されたコンピュータを実行するプログラムによっても実現できる。

バッテリ１０１は、例えばリチウムイオン電池である。リチウムイオン電池は、現在のところ最もエネルギー密度が高く、小型軽量化を図ることができる電池である。従って、携帯電話機のような無線通信装置に搭載されるのに適する。

通信トラヒック生成部１０３は、各種通信用アプリケーションであって、送信すべきパケットを生成して、そのパケットを送信バッファ１０４へ出力する。

送信バッファ１０４は、送信すべきパケットを一時的に蓄積する。送信バッファ１０４は、通信トラヒック制御部１０８からの指示に応じて、１つ以上のパケットをベースバンド処理部１０５へ出力する。尚、通信トラヒック生成部１０３から出力されるものは「パケット」と称し、一度に送信される１つ以上のパケット列を「データ」と称する。

ベースバンド処理部１０５は、送信バッファ１０４から出力されたデータに対してベースバンド変調等のベースバンド処理をする。ＲＦ処理部１０６は、ベースバンド処理部１０５から出力された変調信号に対して、ＲＦ帯へのアップコンバージョンを始めとするＲＦ処理を行い、そのＲＦ信号をパワーアンプ１０７へ出力する。

パワーアンプ１０７は、ＲＦ信号を増幅して、アンテナ１０２から送信する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ部１１０は、パワーアンプ部１０７に対する電源レギュレータである。ＤＣ−ＤＣコンバータ部１１０は、電圧制御部１０９からの指示に応じて、出力電圧Ｖoutを制御する。尚、既存のＤＣ−ＤＣコンバータであっても、出力電圧Ｖoutを高精度に変化させることは可能である。これにより、パワーアンプ１０７での消費電流を節減でき、その結果としてバッテリの出力電流も節減することができる。

電圧制御部１０９は、パワーアンプ部１０７に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ部１１０を制御する。電圧制御部１０９は、通信トラヒック制御部１０８のデータ時間間隔と、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１１０の電圧制御間隔とを同期させて、データを送信していないデータ時間間隔は、パワーアンプの消費電力（＝消費電流）を低減させるようにＤＣ−ＤＣコンバータ部１１０を動作させる。

パワーアンプ部１０７にデータが入力されている期間（データを送信しようとしている期間）は、最低限必要となる送信電力でそのデータを送信する。一方で、パワーアンプ部１０７にデータが入力されていない期間（データを送信しない期間）は、消費電流を抑えることが可能となる。

携帯電話機のような無線通信装置では、パワーアンプにおける電力消費が大きいことが知られている。電話通信に伴う音声通信の場合、一般に、利用者が話をしていない期間、即ち音声データを送信していない期間は、伝送速度を落とす技術がある。この技術によって、パワーアンプの消費電力が抑制される。しかし、データ通信の場合、連続的にパワーアンプが動作するために、バッテリの消耗が急速に発生し、バッテリの駆動時間も急速に短くなるという問題があった。本発明によれば、データ通信においても、データを送信していない期間は、パワーアンプ部１０７の消費電力を低減させることができる。これにより、バッテリの駆動時間を延長させることができる。

バッテリ状態監視部１１１は、バッテリ状態を常時監視する。バッテリ状態としては、バッテリ電圧又はバッテリ残容量がある。バッテリ電圧は、バッテリ１０１から検出することができる。バッテリ残容量は、バッテリ電圧、充放電履歴、外部気温等のパラメータから、従来技術によって予測される（例えば非特許文献１参照）。そして、バッテリ状態監視部１１１は、バッテリ状態情報を、通信トラヒック制御部１０８へ通知する。バッテリ状態情報は、定期的に通知されるものであってもよいし、通信トラヒック制御部１０８からの要求に応じて通知するものであってもよい。

通信トラヒック制御部１０８は、送信バッファ１０４から１つ以上のパケットを取り出して、ベースバンド処理部１０５へ通知することを指示するものであって、データ時間間隔を制御する。データ時間間隔は、バッテリ状態監視部１１１によって得られたバッテリ状態に基づいて、チャージリカバリ効果が得られるように決定される。データ時間間隔とは、一度に送信される１つ以上のパケットからなる第１のデータと、次に送信される第２のデータとの間の時間間隔をいう。

通信トラヒック制御部１０８は、バッテリ状態におけるバッテリ電圧又はバッテリ残容量が所定閾値以上の場合にデータ時間間隔を短くし、バッテリ電圧又はバッテリ残容量が所定閾値未満の場合にデータ時間間隔を長くするように制御する。バッテリ電圧又はバッテリ残容量に対応するデータ時間間隔は、ルックアップテーブル部１１２に予め登録されているものであってもよい。通信トラヒック制御部１０８は、ルックアップテーブル部１１２を参照して、データ時間間隔を決定することができる。

ルックアップテーブル部１１２は、バッテリ状態（バッテリ電圧、バッテリ残容量、過去の充放電履歴等）毎に、放電時間間隔に対する容量回復率を実験又はシミュレーションした値を登録する（例えば非特許文献１参照）。

図３は、バッテリ状態に基づいて、放電時間間隔に対する容量回復率を表すグラフである。

図３によれば、Ｂ１は、バッテリ状態が最も良い状態、即ちバッテリ電圧が高く、残容量も多く、過去の充放電回数も少ないことものを意味する。一方、Ｂ３は、バッテリ状態最も悪い状態、即ちバッテリ電圧が低く、残容量も少なく、過去の充放電回数も多いものを意味する。図３は、各バッテリ状態に応じて、放電時間間隔に対する容量回復率を表している。

ここで、放電時間間隔とデータ時間間隔とは、異なる意味である。放電時間間隔とは、バッテリから放電される時間間隔であり、データ時間間隔とは、２つのデータの間の時間間隔である。本発明によれば、図３のグラフを参考にして、データの時間間隔を決定する。

尚、簡易な方法として、例えば、バッテリ電圧（バッテリ状態）が、閾値Ｖth以上であれば、データ時間間隔をＴ１となるように制御し、閾値Ｔ１未満であれば、データ時間間隔をＴ２（＞Ｔ１）とするように制御することもできる。

携帯電話機の表示部は、例えば３段階でバッテリ残容量を表している。ここで、第３段階（満充電）から第２段階（中残量）までの時間と比較して、第２段階（中残量）から第１段階（小残量）までの時間は、極めて短い。これは、例えば、携帯電話機に搭載されているリチウムイオン電池（４．２Ｖ）については、その電圧が３．５Ｖよりも低くなると、カットオフ電圧に至るまでの時間が急激に早まることに起因する。従って、閾値Ｖthについては、例えば３．５Ｖとすることもできる。また、データ時間間隔Ｔ１は、例えば１０ｍｓであり、Ｔ２は、例えば１００ｍｓである。

図４は、パケットのデータ時間間隔を表す説明図である。

従来技術によれば、データがバースト的に送信されているのに対し、本発明によれば、データを間欠的に送信することによって、チャージリカバリ効果を期待する。そうするとと、１つのパケットを送信する毎にデータ時間間隔を確保することによって、最高のチャージリカバリ効果を得ることができると考えることもできる。しかし、このような方法では、伝送レートが低下することとなる。

図４によれば、データを送信する伝送速度ｒ（設定変更可能）を予め決定している。また、ルックアップテーブル部１１２を参照して、データ時間間隔Ｔを取得する。そうすると、１度に送信可能なデータ量ｂは、以下の式で表される。
ｂ(bit)＝ｒ(bit/sec)・Ｔ(sec)

ここで、通信トラヒック制御部１０８は、一度に送信可能なデータ量ｂ(bit)以内の１つ以上のパケットを、送信バッファ１０４から一度に取り出して送信するように制御する。即ち、通信トラヒック制御部１０８は、データサイズｂ及びトークンレートｒとして、トークンバケットによるシェーピング動作となる。１つのトークンは、一度に送信できるデータサイズｂを送信できる権利を意味し、トークンレートに対応して所定時間毎にトークンが蓄積される。データを送信する際、蓄積されているトークンの数に応じたデータ量を送信することができる。

できる限り通信トラヒック生成部１０３からのパケットの出力速度を落とすことなく、チャージリカバリ効果を得ようとする場合は、伝送速度rを、通信トラヒック生成部１０３からの平均出力速度に設定すればよい。

図５は、チャージリカバリ効果を表す説明図である。

図５によれば、チャージリカバリ効果がある場合と、無い場合との差が表されている。チャージリカバリ効果が無い場合、カットオフ電圧に到達するまでの時間も短く、図５によれば３つ目のデータは送信できなくなる。これに対し、チャージリカバリ効果を期待できるデータ時間間隔を空けることにより、３つ目のデータも送信できるようになる。

本発明は、大きく２つの機能からなる。第１の機能は、チャージリカバリ効果が得られるように送信すべき通信トラヒックを制御することである。第２の機能は、そのデータ送信間隔に同期して、パワーアンプでの消費電流を制御することである。これらにより、バッテリの駆動時間を延長させることができる。

以上、詳細に説明したように、本発明の無線通信装置、プログラム及び通信トラヒック制御方法によれば、通信トラヒックの観点から、チャージリカバリ効果によって、バッテリの駆動時間をできる限り延長させることができる。

前述した本発明における種々の実施形態によれば、当業者は、本発明の技術思想及び見地の範囲における種々の変更、修正及び省略を容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものにのみ制約される。

チャージリカバリ効果の説明図である。 本発明における無線通信装置の機能構成図である。 バッテリ状態に基づいて、放電時間間隔に対する容量回復率を表すグラフである。 パケットのデータ時間間隔を表す説明図である。 チャージリカバリ効果を表す説明図である。

符号の説明

１ 無線通信装置、携帯電話機、携帯端末
１０１ バッテリ、２次電池、リチウムイオン電池
１０２ アンテナ
１０３ 通信トラヒック生成部
１０４ 送信バッファ
１０５ ベースバンド処理部
１０６ ＲＦ処理部
１０７ パワーアンプ部
１０８ 通信トラヒック制御部
１０９ 電圧制御部
１１０ ＤＣ−ＤＣコンバータ部
１１１ バッテリ状態監視部
１１２ ルックアップテーブル部

Claims (5)

1. バッテリと、送信すべきパケットを一時的に蓄積した送信バッファとを有する無線通信装置において、
   異なるバッテリ状態（バッテリ電圧又はバッテリ残容量）毎に、チャージリカバリ効果における放電時間間隔に対する容量回復率を登録したルックアップテーブルと、
   前記バッテリのバッテリ状態を監視するバッテリ状態監視手段と、
   前記ルックアップテーブルにおける前記バッテリ状態を参照し、所定の容量回復率に回復するまでの放電時間間隔をデータ時間間隔として決定し、該データ時間間隔で前記送信バッファからデータを取り出すように制御する通信トラヒック制御手段と
   を有することを特徴とする無線通信装置。
2. データを送信する伝送速度が予め決定されており、
   前記通信トラヒック制御手段は、前記伝送速度に前記データ時間間隔を乗算して得られるデータ量を、一度に送信可能なデータ量とし、該データ量以内の１つ以上のパケットを前記送信バッファから一度に送信するように制御することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. パワーアンプに接続された電源レギュレータを制御することができる電圧制御手段を更に有しており、
   前記電圧制御手段は、前記通信トラヒック制御手段のデータ時間間隔と、前記電源レギュレータの電圧制御間隔とを同期させて、データを送信していないデータ時間間隔は、前記パワーアンプにおける消費電流を下げるように前記電源レギュレータを動作させる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の無線通信装置。
4. バッテリと、送信すべきパケットを一時的に蓄積した送信バッファとを有する無線通信装置に搭載されたコンピュータを機能させるプログラムにおいて、
   異なるバッテリ状態（バッテリ電圧又はバッテリ残容量）毎に、チャージリカバリ効果における放電時間間隔に対する容量回復率を登録したルックアップテーブルと、
   前記バッテリのバッテリ状態を監視するバッテリ状態監視手段と、
   前記ルックアップテーブルにおける前記バッテリ状態を参照し、所定の容量回復率に回復するまでの放電時間間隔をデータ時間間隔として決定し、該データ時間間隔で前記送信バッファからデータを取り出すように制御する通信トラヒック制御手段と
   してコンピュータを機能させることを特徴とするプログラム。
5. バッテリと、送信すべきパケットを一時的に蓄積した送信バッファとを有する無線通信装置における通信トラヒック制御方法において、
   異なるバッテリ状態（バッテリ電圧又はバッテリ残容量）毎に、チャージリカバリ効果における放電時間間隔に対する容量回復率を登録したルックアップテーブルを有し、
   前記バッテリのバッテリ状態を監視する第１のステップと、
   前記ルックアップテーブルにおける前記バッテリ状態を参照し、所定の容量回復率に回復するまでの放電時間間隔をデータ時間間隔として決定し、該データ時間間隔で前記送信バッファからデータを取り出すように制御する第２のステップと
   を有することを特徴とする通信トラヒック制御方法。

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