JP5338386B2 - 無線中継装置及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、無線中継装置及びプログラムに関する。

無線通信で利用される周波数帯は、例えば通信規格「IEEE802.15.4」の場合、２．４[GHz]帯がその一つとして挙げられる。

図１０に、周波数帯とチャンネルとの関係を示す。
「IEEE802.15.4」の無線通信では、２．４[GHz]帯を互いに重ならない１１〜２６[ch]の全１６チャンネルに分割し、このうち何れか一のチャンネルを使用する。
一般に、何れのチャンネルを使用するかについては無線中継装置によってスキャンされる各チャンネルの電界強度に基づいて決定される。

無線中継装置によりスキャンされた各チャンネルの電界強度のうち、電界強度の小さいチャンネルが無線中継装置と無線端末との間で使用するチャンネル（以下、「使用チャンネル」）として決定される。

電界強度の小さいチャンネルは、チャンネル同士の電波干渉が小さく、通信環境に適したチャンネルである。電界強度の小さいチャンネルを使用チャンネルとすれば、スループットの低下や接続の途切れを回避し得る。

ここで、電界強度はスキャンされるタイミング等によって大きく異なる場合がある。ファイル転送プロトコル（ＦＴＰ）を利用した無線通信によって突発的に発生する電波の影響や、電子レンジ等の電波利用機器の影響を受けるためである。

図１１に、一のチャンネルにおけるスキャンタイミングと電波干渉期間との関係を示す。横軸は時間を示し、縦軸は電波干渉ありの期間を示す。
スキャンタイミングＳＴ１でスキャンされた場合、電波干渉が発生しておらず、得られる電界強度の値は小さい。
スキャンタイミングＳＴ２でスキャンされた場合、電波干渉が発生しており、得られる電界強度の値は大きい。

図１１に示す一のチャンネルは、時間経過の全体を通して電波干渉ありの期間が多く通信環境が最適とはいえない。しかし、スキャンタイミングによってはスキャンされる電界強度の値は小さく、使用チャンネルとして決定される場合がある。

特許文献１〜３の技術によれば、各チャンネルについて複数回スキャンされた電界強度の平均値、又は２つのアンテナからスキャンされた２つの電界強度の平均値を算出し、算出した平均値に基づいて使用チャンネルを決定する技術が開示されている。

特開平１０−１０８２５０号公報 特開２００７−２５１３７９号公報 特開２００４−１８７０８９号公報

しかし、特許文献１〜３の技術では、各チャンネルについて電界強度の平均値を算出するために直近から過去分までの膨大なデータを記憶する必要がある。よって、記憶部のコストが増加する。
また、平均値を算出する際に複雑な演算処理を行うため、回路構成が複雑化し、演算時間が増加する問題がある。

本発明の課題は、記憶するデータ量を削減して記憶部のコストを抑え、簡易な回路構成で迅速な演算処理を行い得る無線中継装置を提供することである。

請求項１に記載の発明によれば、
無線通信に利用される各チャンネルの電界強度を定期的にスキャンする検出部と、
前記定期的にスキャンされた電界強度の値と予め定められた閾値とに基づいて、当該電界強度の値を２値化する２値化部と、
前記２値化された電界強度の情報を時系列的に記憶する記憶部と、
前記時系列的に記憶される２値化された電界強度の情報のうち、前記閾値以上を示す２値化された電界強度の情報が占める割合をチャンネルごとに算出し、当該算出された割合が小さいチャンネルを無線通信に使用するチャンネルとして決定する制御部と、
を備えた無線中継装置が提供される。

本発明によれば、各チャンネルについてスキャンされた電界強度の値を２値化して記憶することができる。２値化することで記憶すべきデータ量を削減でき、記憶部のコストを削減することができる。また、２値化することで簡易な演算処理により無線通信に使用するチャンネル又は切り替える候補のチャンネルを決定できる。よって、回路構成を簡易化でき、演算時間を削減することができる。

無線通信システムを示す図である。 無線中継装置の内部構成を示す図である。 ２値化された電界強度の情報の概念図である。 スキャンタイミングと電波干渉との関係を示す図である。 無線中継装置の処理を示すフロー図である。 候補チャンネル決定処理を示すフロー図である。 干渉割合の算出時の概念図である。 干渉割合の算出時の概念図である。 チャンネル切り替え処理を示すフロー図である。 周波数帯とチャンネルとの関係を示す図である。 スキャンタイミングと電波干渉期間との関係を示す図である。

図１に、本実施形態における無線通信システム１００を示す。
無線通信システム１００は、有線ＬＡＮ（Local Area Network）に接続された無線中継装置１０と、一又は複数の無線端末２０とを備えて構成される。

無線通信システム１００は、無線中継装置１０と無線端末２０との間で、例えば通信規格「IEEE802.15」を用いた無線ＰＡＮ（Personal Area Network）を構築する。無線ＰＡＮでは、２．４[GHz]帯の周波数帯域を１１〜２６[ch]の全１６チャンネルに分割し、何れか一のチャンネルを無線通信で使用するチャンネル（使用チャンネル）として用いる。
本実施形態では、通信規格「IEEE802.15」を例に挙げて説明するが、これに限らず通信規格「IEEE802.11」等を用いても同様の作用効果を有する。

図２に、本実施形態における無線中継装置１０の内部構成を示す。
無線中継装置１０は、Ｉ／Ｆ部１、バッファ２、制御部３、タイマ４、記憶部５、電力比較部６、比較電力レジスタ７、無線送信部８、無線受信部９、電力検出部１１、ＳＷ１２、アンテナＡＮＴ等を備えて構成される。また、各部はバスＢＳで接続されており、有線ＬＡＮはＩ／Ｆ部１と接続されている。

Ｉ／Ｆ部１は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）等のバスインターフェイスにより構成され、有線ＬＡＮからのデータを入力してバッファに出力する。

バッファ２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の半導体メモリにより構成され、Ｉ／Ｆ部１から出力されるデータを入力して一時的に記憶する。
バッファ２に一時的に記憶されるデータは、無線端末２０に送信されることになる。

制御部３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ、ＲＯＭ（Read Only Memory）等により構成され、記憶部５との協働により無線中継装置１０の各部を集中制御する。

タイマ４は、電界強度のスキャンタイミングを決定する。具体的には、タイマ４は予め定められたスキャン間隔Ｔ秒をカウントし、スキャン間隔Ｔ秒ごとに通知信号を制御部３に出力する。

記憶部５は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の不揮発性メモリにより構成され、各種プログラム及び各種データを記憶する。
記憶部５は、例えば無線通信を確立している無線端末２０のアソシエートリストやスキャンにより得られた電界強度の情報、又は２値化された電界強度の情報等を記憶する。

図３に、２値化された電界強度の情報の概念図を示す。
２値化された電界強度の情報とは、１１〜２６[ch]の各チャンネルについてスキャンされた電界強度の値を「１」又は「０」の２値に変換した情報である。
「１」は、電界強度の値と予め定められた閾値とを比較して、電界強度の値が閾値以上であることを示し、「０」は、電界強度の値と予め定められた閾値とを比較して、電界強度の値が閾値以下であることを示す。つまり、「１」は電波干渉があり、「０」は電波干渉がないことを示す。

図３に示す「１１〜２６」の数字は、チャンネル番号を示す。また、「直近〜−３Ｔ」は、スキャン間隔がＴ秒の場合に、直近、Ｔ秒前、２Ｔ秒前、３Ｔ秒前の時間を示す。

２値化された電界強度の情報は、Ｔ秒間隔でスキャンされる度にチャンネルごとに時系列的に記憶される。図３に示す２値化された電界強度の情報は、直近〜−３Ｔの４回分が時系列的に記憶されたものである。

図３に示す直近の２値化された電界強度の値によれば、チャンネル番号が「１１、１４、１５、１６、２２、２３、２５」の各チャンネルの電界強度の値は閾値以上である。また、これ以外のチャンネルの電界強度の値は閾値以下である。

図２に戻り、電力比較部６は、電力検出部１１によりスキャンされた電界強度の値と比較電力レジスタ７により予め記憶されている閾値とを比較して、電界強度の値を２値に変換する。２値とは、図３の説明で上述したように、「１」又は「０」の値である。
電力比較部６は、電界強度の値が閾値以上の場合はこの電界強度の値を「１」に変換し、電界強度の値が閾値以下の場合はこの電界強度の値を「０」に変換する。

比較電力レジスタ７は、閾値の情報を記憶し、記憶する閾値の情報を電力比較部６に出力する。閾値は予め定められた固定値としてもよいし、例えば無線中継装置の受信感度に基づいて設定したり、無線端末２０からの電力に基づいて設定したりする変動値としてもよい。

無線送信部８及び無線受信部９は、IEEE802.15.4による無線ＰＡＮ通信を行う。
無線送信部８は、送信データにヘッダやフッタを付加してパケットを構成し、構成したパケットを変調して無線信号に変換した後にこの無線信号を送信する。
無線受信部９は、アンテナＡＮＴを介して無線信号を受信し、受信した無線信号を復調してパケットを再現した後にパケットのヘッダやフッタを解析してデータを抽出する。

電力検出部１１は、アンテナＡＮＴを介して無線通信に利用される１１〜２６[ch]のチャンネルの電力や雑音電力、妨害波電力等を検出し、各チャンネルの電界強度を定期的にスキャンする。なお、電力検出部１１の機能を無線受信部９が備えるとしてもよい。

図４に、スキャンタイミングと電波干渉との関係を示す。
なお、ここでは例として１１〜１３[ch]について説明する。
図４に示すように、スキャン間隔をＴ秒とした場合、−３Ｔ〜直近までの間に４回のスキャンが定期的に行われる。

スキャンタイミングが−３Ｔの場合、１１〜１３[ch]において１１[ch]の電界強度の値が１番大きい。１１[ch]で電波干渉があるためである。
スキャンタイミングが−２Ｔの場合、１１〜１３[ch]において１２[ch]の電界強度の値が１番最大きい。１２[ch]で電波干渉があるためである。
同様に、スキャンタイミングが−１Ｔの場合は１１[ch]、直近の場合は１１[ch]又は１３[ch]の電界強度の値が１番大きい。

ＳＷ１２は、無線送信部８、無線受信部９及び電力検出部１１とアンテナＡＮＴとの間に設置され、アンテナＡＮＴと接続する各部（８、９、１１）を切り替える。

図５に、無線中継装置１０の処理を示す。
図５に示す処理には、電界強度の値を２値化する処理、候補チャンネル決定処理、チャンネル切り替え処理等が含まれる。以下、これらの処理を含めて順に説明する。

制御部３は、電源が投入されるとネットワークを開設する（ステップＳ１）。
具体的には、制御部３は無線端末２０のＩＤ情報等をアソシエートリストに追加する処理や、使用チャンネルを決定する処理等を行う。

制御部３は、候補チャンネルを初期値にセットする（ステップＳ２）。
候補チャンネルとは、使用チャンネル以外のチャンネルであって、チャンネル切り替え処理（ステップＳ１４参照）で切り替えられた後のチャンネルである。また、初期値は予め定められたチャンネルであり、１１〜２６[ch]のうち何れか一のチャンネルである。

制御部３は、スキャン間隔をＴ秒にセットし、タイマ４によりカウントを開始する（ステップＳ３）。

制御部３は、カウントがＴ秒を経過したか否か判断する（ステップＳ４）。
カウントがＴ秒を経過していない場合（ステップＳ４；Ｎ）、制御部３は、ステップＳ１３に移行する。
カウントがＴ秒を経過した場合（ステップＳ４；Ｙ）、制御部３は、電力検出部１１によりスキャンするチャンネル（以下、「スキャンチャンネル」）を「１１」にセットする（ステップＳ５）。

制御部３は、電力検出部１１により、スキャンチャンネルの電界強度をスキャンし、スキャンにより得られた電界強度の情報を一時的に記憶する（ステップＳ６）。

制御部３は、電力比較部６により、スキャンチャンネルの電界強度の値と比較電力レジスタ７により予め記憶されている閾値とを比較する（ステップＳ７）。

制御部３は、電力比較部６により、電界強度の値を２値化する（ステップＳ８）。
具体的には、制御部３は、スキャンチャンネルの電界強度の値が閾値以上である場合は電界強度の値を「１」に変換し、閾値未満である場合は電界強度の値を「０」に変換する。
制御部３は、２値化された電界強度の情報（図３参照）を記憶部５に記憶する（ステップＳ９）。

制御部３は、スキャンチャンネルのチャンネル番号を＋１だけインクリメントし（ステップＳ１０）、インクリメントしたチャンネル番号が「２７」であるか否か判断する（ステップＳ１１）。

チャンネル番号が「２７」でない場合（ステップＳ１１；Ｎ）、制御部３は、ステップＳ６に移行して、再度上述の処理を行う。
チャンネル番号が「２７」である場合（ステップＳ１１；Ｙ）、１１〜２６[ch]の全１６チャンネル分についてスキャンされたことになり、制御部３は候補チャンネル決定処理を行う（ステップＳ１２）。

図６に、候補チャンネル決定処理を示す。
なお、候補チャンネル決定処理（ステップＳ１２１、Ｓ１２２）について説明するとともに、合わせて比較電力レジスタの書き換え処理（ステップＳ１２３〜Ｓ１２６）について説明する。

制御部３は、２値化された電界強度の情報に基づいて、候補チャンネルを決定する（ステップＳ１２１）。
具体的には、制御部３は１１〜２６[ch]の各チャンネルにつき、直近から過去分を含む２値化された電界強度のうち「１」の割合（以下、「干渉割合」）を算出し、算出した干渉割合が１番小さいチャンネルを候補チャンネルとして決定する。

図７に、干渉割合の算出時の概念図を示す。
干渉割合は、「直近から過去分までのスキャン回数」を「直近から過去分までの２値化された電界強度が「１」である回数」で割ることにより算出される。

図７において、例えば１１[ch]の干渉割合は、「直近から過去分（−１Ｔ〜−３Ｔ）までのスキャン回数」＝「４」であり、「直近から過去分までの２値化された電界強度が「１」である回数」＝「３」である。よって、３／４＝０．７５となり、干渉割合は７５％と算出される。

図８に、干渉割合の算出時の他の概念図を示す。
図８に示す概念図は、図７に示す概念図と同様であるが、図７に示す概念図よりも長期間分の２値化された電界強度の情報に基づいて、干渉割合を算出した概念図である。

図８において、例えば１１[ch]の干渉割合は、「直近から過去分（−１Ｔ〜−１３Ｔ）までのスキャン回数」＝「１４」であり、「直近から過去分までの２値化された電界強度が「１」である回数」＝「７」である。よって、７／１４＝０．５となり、干渉割合は５０％と算出される。

また、干渉割合の他の算出方法としては、以下の式（１）で表される方法がある。

式（１）によれば、直近の２値化された電界強度の値Ｐが過去分の２値化された電界強度の値よりも干渉割合Ｐ（ｎ）に反映されることになる。

図７及び図８で算出される干渉割合を比較して分かるように、干渉割合は、算出に用いる２値化された電界強度の情報が短期間分であるか（図７参照）、長期間分であるか（図８参照）によって異なる。

制御部３が候補チャンネルを決定する際、短期間分又は長期間分の何れか一方の干渉割合を算出して決定するとしてもよいし、短期間分及び長期間分のそれぞれで干渉割合を算出し、２つの干渉割合に基づいて一の干渉割合を算出して決定するとしてもよい。

図６に戻り、制御部３は、決定した候補チャンネルを記憶部５に記憶する（ステップＳ１２２）。

次に、制御部３は比較電力レジスタ７の書き換え処理（ステップＳ１２３〜Ｓ１２６）を行う。
なお、制御部３は常に、候補チャンネル決定処理（ステップＳ１２１〜Ｓ１２２）と書き換え処理（ステップＳ１２３〜Ｓ１２６）とを同時に行う必要はない。制御部３は、通信環境に応じて書き換え処理を行うとしてもよい。

制御部３は、各チャンネルにつき干渉割合を算出した結果、全てのチャンネルで干渉割合が６０％以上であるか否か判断する（ステップＳ１２３）。

全てのチャンネルで干渉割合が６０％以上の場合（ステップＳ１２３；Ｙ）、閾値が低すぎると判断して、制御部３は比較電力レジスタ７の閾値を予め定められた値Ｎだけインクリメントし（ステップＳ１２４）、処理を終了する。

全てのチャンネルで干渉割合が６０％以上でない場合（ステップＳ１２３；Ｎ）、制御部３は、全てのチャンネルで干渉割合が１０％以下であるか否か判断する（ステップＳ１２５）。

全てのチャンネルで干渉割合が１０％以下でない場合（ステップＳ１２５；Ｎ）、制御部３は処理を終了する。
全てのチャンネルで干渉割合が１０％以下である場合（ステップＳ１２５；Ｙ）、閾値が高すぎると判断して、制御部３は比較電力レジスタ７の閾値を予め定められた値Ｎだけデクリメントし（ステップＳ１２６）、処理を終了する。

図５に戻り、制御部３は、通信環境が悪化したか否か判断する（ステップＳ１３）。
具体的には、制御部３は無線端末２０との間でデータの送受信を行う際に発生するエラー等が増加したか否か、又は各チャンネルにつき干渉割合が増加したか否か等について判断する。

通信環境が悪化していない場合（ステップＳ１３；Ｎ）、制御部３は処理を終了する。或いは無線通信継続中の場合、図示はしていないが、制御部３はステップＳ４に移行するとしてもよい。

通信環境が悪化している場合（ステップＳ１３；Ｙ）、制御部３は、チャンネル切り替え処理を行う（ステップＳ１４）。

図９に、チャンネル切り替え処理を示す。
制御部３は、チャンネルの切り替えを開始する処理を行う（ステップＳ１４１）。
具体的には、制御部３は候補チャンネルの情報を無線端末２０に送信する等の処理を行う。

制御部３は、タイマ４を起動して、予め定められた時間をカウントする（ステップＳ１４２）。
制御部３は、タイマ４によりカウントを開始するとともに、使用チャンネルを候補チャンネルに切り替える旨のチャンネル切り替え情報を生成して無線端末２０に送信する（ステップＳ１４３）。

制御部３は、無線端末２０から応答信号を受信したか否か判断する（ステップＳ１４４）。
応答信号を受信していない場合（ステップＳ１４４；Ｎ）、制御部３は、タイマ４によるカウントがオーバーフローしているか否か判断する（ステップＳ１４５）。

カウントがオーバーフローしていない場合（ステップＳ１４５；Ｎ）、制御部３は、ステップＳ１４４に移行する。
カウントがオーバーフローしている場合（ステップＳ１４５；Ｙ）、制御部３は、タイマ４の起動を停止する（ステップＳ１４６）。

制御部３は、使用チャンネルを候補チャンネルに切り替えて（ステップＳ１４７）、チャンネル切り替え処理を終了する。

図５に戻り、チャンネル切り替え処理を終了した後、制御部３は処理を終了する。或いは無線通信継続中の場合、図示はしていないが、制御部３はステップＳ４に移行するとしてもよい。

以上のように、本実施形態によれば、スキャンされた電界強度の情報をそのまま記憶部５に記憶せず、２値化して記憶することができる。２値化によって記憶するデータ量を削減でき、記憶部５のメモリ容量を節約できるため記憶部５にかかるコストを削減することが可能である。また、２値化された電界強度の情報に基づいて、簡易な演算処理により干渉割合を算出することができる。具体的には、干渉割合が１１〜２６[ch]のうちで１番小さいチャンネルを使用チャンネルとして決定することができる。よって、演算処理に関する回路構成を簡易化できるとともに、演算時間の短縮を図ることができる。

また、スキャンされた電界強度の値と予め定められた閾値とを比較し、閾値以上を「１」、閾値未満を「０」とすることで、電界強度の値を２値化することができる。

また、干渉割合を算出する際に用いる２値化された電界強度の情報は、記憶部５に記憶されている全ての情報であっても、予め定められた分の情報であってもよい。つまり、長期間分の情報を用いて算出しても、短期間分の情報を用いて算出してもよい。長期間分の情報を用いて干渉割合を算出した場合、チャンネルを頻繁に切り替えることがなくなる。短期間分の情報を用いて干渉割合を算出した場合、突発的な電波干渉に素早く対応することができる。

また、干渉割合を算出する際、直近の２値化された電界強度の情報に重み付けをしてもよい。過去の情報よりも直近の情報を干渉割合に反映させることができる。

また、比較電力レジスタ７に予め記憶されている閾値は固定値であってもよいが、通信環境に応じて書き換えるとしてもよい。本実施形態では、例えば全てのチャンネルで干渉割合が６０％以上の場合は閾値を上げ、全てのチャンネルで干渉割合が１０％以下の場合は閾値を下げることができる。

なお、図５、図６、図９における説明で記載した無線中継装置１０による処理は、コンピュータが読取り可能なプログラムとして記憶部５に記憶されるが、その他にメモリカード（ＲＯＭカード、ＲＡＭカード等）、磁気ディスク（フロッピディスク、ハードディスク等）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等）、半導体メモリ等の記録媒体に記憶されるとしてもよい。また、処理プログラムの一部若しくは全部は、図示しない他のサーバや端末等に備えられた記録媒体に記憶されるとしてもよく、この場合、制御部３はＩ／Ｆ部１又は無線受信部９によりネットワークを介して処理プログラムを受信して、記憶部５に記憶する構成としてもよい。制御部３は、記憶部５に記憶されたプログラムを読み込み、読み込んだプログラムによって無線中継装置１０の各部の動作を制御することで、図５、図６、図９における処理を実現する。

１００ 無線通信システム
１０ 無線中継装置
２０ 無線端末
３ 制御部
５ 記憶部
６ 電力比較部
７ 比較電力レジスタ
１１ 電力検出部

Claims (6)

1. 無線通信に利用される各チャンネルの電界強度を定期的にスキャンする検出部と、
   前記定期的にスキャンされた電界強度の値と予め定められた閾値とに基づいて、当該電界強度の値を２値化する２値化部と、
   前記２値化された電界強度の情報を時系列的に記憶する記憶部と、
   前記時系列的に記憶される２値化された電界強度の情報のうち、前記閾値以上を示す２値化された電界強度の情報が占める割合をチャンネルごとに算出し、当該算出された割合が小さいチャンネルを無線通信に使用するチャンネルとして決定する制御部と、
   を備えた無線中継装置。
2. 前記２値化部は、前記定期的にスキャンされた電界強度の値と予め定められた閾値とを比較し、前記スキャンされた電界強度の値について前記閾値以上を示す値又は前記閾値未満を示す値のうち何れか一方を示す値に変換することで前記電界強度の値を２値化する請求項１に記載の無線中継装置。
3. 前記制御部は、前記時系列的に記憶される２値化された電界強度の情報のうち、全ての情報に基づいて、又は直近から予め定められた過去分までの情報に基づいて、前記無線通
   信に使用するチャンネルを決定する請求項１又は２に記載の無線中継装置。
4. 前記制御部は、前記時系列的に記憶される２値化された電界強度の情報のうち、直近の情報に基づいて前記割合を算出するとともに当該直近の情報を除いた過去の情報に基づいて前記割合を算出し、当該算出された２つの割合に対して予め定められた重み付けの係数を乗算した後、当該２つの割合を加算して１つの割合を算出し、当該算出された１つの割合が各チャンネルのうちで小さいチャンネルを無線通信に使用するチャンネルとして決定する請求項１〜３の何れか１項に記載の無線中継装置。
5. 前記制御部は、前記算出された割合のうち、１番小さい一の割合が予め定められた第１の基準値よりも大きい場合、前記予め定められた閾値を予め定められた第１の値だけ増加し、前記算出された割合のうち、１番大きい一の割合が予め定められた第２の基準値よりも小さい場合、前記予め定められた閾値を予め定められた第２の値だけ減少する請求項１〜４の何れか１項に記載の無線中継装置。
6. コンピュータを、
   無線通信に利用される各チャンネルの電界強度を定期的にスキャンする検出手段、
   前記定期的にスキャンされた電界強度の値と予め定められた閾値とに基づいて、当該電界強度の値を２値化する２値化手段、
   前記２値化された電界強度の情報を時系列的に記憶する記憶手段、
   前記時系列的に記憶される２値化された電界強度の情報のうち、前記閾値以上を示す２値化された電界強度の情報が占める割合をチャンネルごとに算出し、当該算出された割合が小さいチャンネルを無線通信に使用するチャンネルとして決定する制御手段、
   を備えた無線中継装置
   として機能させるためのプログラム。

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