JP5684695B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、アクセスポイント装置の近傍のエリアに限り磁界により通信を行える無線通信システムに関するものである。

近年では、意図的に通信エリアを限定した無線通信(エリア限定無線)に対するニーズが高まっている。例えば、下記の特許文献１に開示された「電界通信システム」は、エリア限定無線を実現するための一手段である。

特開２００７−１７４５７０号公報

電界通信では、環境に設置されたアクセスポイント装置の近傍のエリアに存在する端末装置だけが、アクセスポイント装置との通信を行うことができる。しかし、アクセスポイント装置の近傍の電界分布は設置環境やユーザの姿勢などに大きく依存するため、明確な近傍のエリアを電界によって実現することが困難であった。したがって、通信すべき位置に存在している端末装置が通信できなかったり、その逆のケースも生じたり、安定で信頼性の高いエリア限定無線システムを構築することができなかった。

このような困難が生じる原因の一つは、通信媒体として電界を用いていることであると考えられる。なぜならば、電界分布は周囲に存在する導体や誘電体の影響を強く受けるためである。

一方で、低周波(およそ１０ＭＨｚ以下)磁界は、人体や周囲環境との相互作用が電界と比べて著しく低いという特徴を有する。したがって、課題を解決する一つの手段として、通信媒体として低周波磁界を用いることが考えられる。

しかし、通信エリアを明確に限定するには、通信エリアの磁界分布と受信信号の閾値を適切に制御する必要がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アクセスポイント装置の近傍のエリアに限り磁界により通信を行える無線通信システムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、第１の本発明は、アクセスポイント装置と端末装置とを備え、前記端末装置は、前記アクセスポイント装置から出力された磁界を受信信号に変換し、前記受信信号のレベルを予め設定された閾値と比較し、前記レベルが前記閾値以上なら、前記アクセスポイント装置との通信を開始するものであり、前記アクセスポイント装置は、同心円状に配置された複数のループアンテナを備え、該複数のループアンテナには、隣接するループアンテナ間で逆方向に電流を流し、かつ、前記アクセスポイント装置から出力された磁界が極小となる前記アクセスポイント装置からの距離が１以上存在するように、前記複数のループアンテナを流れる電流の電流値を制御するものであり、前記各距離について前記閾値が設定されていることを特徴とする無線通信システムをもって解決手段とする。

例えば、前記各距離について設定された閾値は、前記端末装置が当該距離よりも遠い距離に位置する場合の前記レベルよりも大きい。

例えば、前記端末装置は、それぞれ互いに直交する３方向の磁界成分を検出する３つのループアンテナを備え、前記受信信号のレベルは、前記３つのループアンテナで検出された磁界成分から変換された信号成分のレベルの２乗和または当該２乗和の１／２乗に応じたものである。

本発明に係る無線通信システムによれば、アクセスポイント装置の近傍のエリアに限り磁界により通信を行うことができる。

本実施の形態に係る無線通信システムの構成を示す図である。 端末装置２が通信を開始するにあたって行う判定のフローチャートである。 アクセスポイント装置１に含まれるループアンテナについての第１実施例を示す図である。 アクセスポイント装置１に含まれるループアンテナについての第２実施例を示す図である。 アクセスポイント装置１に含まれるループアンテナについての第３実施例を示す図である。 端末装置２についての一実施例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係る無線通信システムの構成を示す図である。

無線通信システムは、アクセスポイント装置１と端末装置２とを備え、端末装置２は、アクセスポイント装置１から出力された磁界によりアクセスポイント装置１と通信を行う。図示しないがアクセスポイント装置１は磁界を出力するアンテナを有し、端末装置２は磁界を受信するアンテナを有する。

図２は、端末装置２が通信を開始するにあたって行う判定のフローチャートである。

端末装置２は、アクセスポイント装置１から出力された磁界をアンテナで受信信号に変換し（Ｓ１）、受信信号のレベルを予め設定された閾値と比較する（Ｓ３）。受信信号のレベルが閾値未満なら、ステップＳ１に戻る。

端末装置２は、受信信号のレベルが閾値以上なら、アクセスポイント装置１との通信を開始し（Ｓ５）、これにて判定を終える。

図３は、アクセスポイント装置１に含まれるループアンテナについての第１実施例を示す図である。

図３（ａ）に示すように、第１実施例のループアンテナは、単一のループアンテナである。ここで、ａ１とＩ１は、それぞれループアンテナの半径とループアンテナを流れる電流の電流値である。なお、端末装置２も例えば、同様のループアンテナを有する。

図３（ａ）のようにループアンテナの中心位置を原点とし、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を設定した場合、ループアンテナから出力される磁界のｚ軸上および近傍での分布は、図３（ｂ）のようになる。ただし、この分布を得るには、波長λ１（＝ｃ／ｆ１、ただしｆ１は電流Ｉ１の周波数）が、λ１＞＞ａ１を満たす必要がある。

図３（ｂ）において、受信信号のレベルとは、実際の受信信号のレベルをデシベル表示したものである。ｚ／ａ１は、ｚ軸上での原点からの距離ｚをループアンテナの半径ａ１で除した値である。

受信信号のレベルは、ｚ／ａ１が大きくなるにしたがって低下する。よって、例えば、ｚ／ａ１＝１０の位置を通信可能なエリアの限界とする場合は、閾値を６０ｄＢとすればよい。すなわち、端末装置２は、受信信号のレベルが６０ｄＢ以上なら、アクセスポイント装置１と通信を開始する。したがって、ｚ／ａ１＝１０の位置またはそれよりアクセスポイント装置１に近い通信エリアに限り通信を行うことができる。

なお、受信信号のレベルは、同じ位置でも、周囲の影響で多少変動するので、閾値は、受信信号のレベルの傾きが大きい箇所に設定するのが望ましい。つまり、図３（ｂ）において、受信信号のレベルの傾きが大きい箇所に閾値が設定されるように、半径ａ１や電流値Ｉ１を定めるのが望ましい。こうすることで、受信信号のレベルが多少変動しても、受信信号のレベルが閾値に等しくなる位置つまり通信エリアの外縁の位置はさほど変わらない。つまり、通信エリアの大きさの変動（通信エリアの外縁の位置の変動）の抑制を図ることができる。

図４は、アクセスポイント装置１に含まれるループアンテナについての第２実施例を示す図である。

第２実施例のループアンテナは、２つのループアンテナが同心円状に配置されたものである。ここで、ａ１とＩ１は、内側のループアンテナの半径とループアンテナを流れる電流の電流値である。ａ２とＩ２は、外側のループアンテナの半径とループアンテナを流れる電流の電流値である。

図４（ａ）のように各ループアンテナの中心位置を原点とし、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を設定した場合、第２実施例のループアンテナから出力される磁界のｚ軸上および近傍での分布は、図４（ｂ）のようになる。ただし、この分布を得るには、波長λ１（＝ｃ／ｆ１、ただしｆ１は電流Ｉ１の周波数）および波長λ２（＝ｃ／ｆ２、ただしｆ２は電流Ｉ２の周波数）が、λ１＞＞ａ１およびλ２＞＞ａ２を満たす必要がある。

図４（ｂ）において、受信信号のレベルは、実際の受信信号のレベルをデシベル表示したものである。ｚ／ａ１は、ｚ軸上での原点からの距離ｚを内側のループアンテナの半径ａ１で除した値である。

受信信号のレベルは、全体的な傾向としては、ｚ／ａ１が大きくなるにしたがって低下する。また、受信信号のレベルは、ｚ／ａ１が特定の値になった位置で極小となる。この点をヌル点という。受信信号のレベルは、ｚ／ａ１がさらに大きくなるにしたがって上昇し、極大点を過ぎてから、再び低下する。ヌル点と極大点の位置は、半径ａ１、ａ２、電流値Ｉ１、Ｉ２によって定まるものである。

よって、例えば、図４（ｂ）に示すような通信エリアを設定する場合は、閾値を極大点の値より少し大きく（例えば、３〜１０ｄＢ大きく）すればよい。つまり、そうなるように、半径ａ１、ａ２、電流値Ｉ１、Ｉ２を定めればよい。端末装置２は、受信信号のレベルがそのような閾値以上なら、アクセスポイント装置１と通信を開始する。したがって、図４（ｂ）に示すような通信エリアに限り通信を行うことができる。

また、受信信号のレベルが閾値に等しくなる位置つまりヌル点よりアクセスポイント装置１に少し近い位置では、受信信号のレベルは急峻な傾きを有するので、受信信号のレベルが多少変動しても、受信信号のレベルが閾値に等しくなる位置つまり通信エリアの外縁の位置はさほど変わらない。つまり、通信エリアの外縁の位置の変動（通信エリアの大きさの変動）の抑制を図ることができる。

図５は、アクセスポイント装置１に含まれるループアンテナについての第３実施例を示す図である。

第３実施例のループアンテナは、２つのループアンテナが同心円状に配置されたものである。ここで、ａ１とＩ１は、最も内側のループアンテナの半径とループアンテナを流れる電流の電流値である。ａ２とＩ２は、その外側のループアンテナの半径とループアンテナを流れる電流の電流値である。ａ３とＩ３は、最も外側のループアンテナの半径とループアンテナを流れる電流の電流値である。

図５（ａ）のように各ループアンテナの中心位置を原点とし、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を設定した場合、第３実施例のループアンテナから出力される磁界のｚ軸上および近傍での分布は、図５（ｂ）のようになる。ただし、この分布を得るには、波長λ１（＝ｃ／ｆ１、ただしｆ１は電流Ｉ１の周波数）、波長λ２（＝ｃ／ｆ２、ただしｆ２は電流Ｉ２の周波数）および波長λ３（＝ｃ／ｆ３、ただしｆ３は電流Ｉ３の周波数）が、λ１＞＞ａ１、λ２＞＞ａ２およびλ３＞＞ａ３を満たす必要がある。

図５（ｂ）において、受信信号のレベルとは、実際の受信信号のレベルをデシベル表示したものである。ｚ／ａ１は、ｚ軸上での原点からの距離ｚを最も内側のループアンテナの半径ａ１で除した値である。

受信信号のレベルは、全体的な傾向としては、ｚ／ａ１が大きくなるにしたがって低下する。また、受信信号のレベルは、ｚ／ａ１が特定の値になった位置で極小となる。この点を第１のヌル点という。受信信号のレベルは、ｚ／ａ１がさらに大きくなるにしたがって上昇し、第１極大点を過ぎてから、再び低下する。受信信号のレベルは、ｚ／ａ１が特定の値になった位置で再び極小となる。この点を第２のヌル点という。受信信号のレベルは、ｚ／ａ１がさらに大きくなるにしたがって上昇し、第２極大点を過ぎてから、再び低下する。ヌル点と極大点の位置は、半径ａ１、ａ２、ａ３、電流値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３によって定まるものである。

よって、例えば、図５（ｂ）に示すような第１の通信エリアを設定する場合は、閾値（第１の閾値）を第１の極大点の値より少し大きく（例えば、３〜１０ｄＢ大きく）すればよい。つまり、そうなるように、半径ａ１、ａ２、ａ３、電流値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を定めればよい。

また、例えば、図５（ｂ）に示すような第２の通信エリアを設定する場合は、閾値（第２の閾値）を第２の極大点の値より少し大きく（例えば、３〜１０ｄＢ大きく）すればよい。つまり、そうなるように、半径ａ１、ａ２、ａ３、電流値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を定めればよい。

端末装置２は、受信信号のレベルがそのような閾値以上なら、アクセスポイント装置１と通信を開始する。したがって、図４（ｂ）に示すような通信エリアに限り通信を行うことができる。また、閾値を切り替えることで、通信リンクを第１の通信エリアと第２の通信エリアとで切り替えることができる。

また、受信信号のレベルが閾値に等しくなる位置つまりヌル点よりアクセスポイント装置１に少し近い位置では、受信信号のレベルは急峻な傾きを有するので、受信信号のレベルが多少変動しても、受信信号のレベルが閾値に等しくなる位置つまり通信エリアの外縁の位置はさほど変わらない。つまり、通信エリアの外縁の位置の変動（通信エリアの大きさの変動）の抑制を図ることができる。

図６は、端末装置２についての一実施例を示す図である。

図６（ａ）に示すように、端末装置２のループアンテナは、例えば、３つのループアンテナ２ｘ、２ｙ、２ｚを含むものとしてもよい。図６（ａ）に示すようにｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を設定した場合、ループアンテナ２ｘ、２ｙ、２ｚはそれぞれ、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に平行な磁界成分を検出する。つまり、端末装置２は、互いに直交する３方向の各磁界成分を検出するアンテナ（２ｘ、２ｙ、２ｚ）を有する。

図６（ｂ）に示すように、各ループアンテナ２ｘ、２ｙ、２ｚで検出した磁界成分を増幅するアンプ２１ｘ、２１ｙ、２１ｚと、各アンプ２１ｘ、２１ｙ、２１ｚの出力信号の大きさを２乗する２乗器２２ｘ、２２ｙ、２２ｚと、各２乗器２２ｘ、２２ｙ、２２ｚの出力信号の大きさを加算する加算器２３と、加算器２３の出力信号の大きさの１／２乗する１／２乗器２４とを有する。

加算器２３の出力信号の大きさは、各ループアンテナ２ｘ、２ｙ、２ｚで検出された磁界成分から変換された信号成分のレベルの２乗和となる。

１／２乗器２４の出力信号のレベルは、２乗和の１／２乗に応じたものとなる。

したがって、１／２乗器２４の出力信号のレベルは、端末装置２の位置のみに依存し、端末装置２の角度には依存しない。言いかえると、端末装置２がアクセスポイント装置１に対してどのような向きであっても、端末装置２の位置が一定である限り、１／２乗器２４の出力信号のレベルは一定である。

端末装置２は、１／２乗器２４の出力信号のレベルが閾値以上なら、アクセスポイント装置１と通信を開始する。

したがって、端末装置２の向きによって通信が開始されたり、開始されなかったりという不都合がない。つまり、通信エリアの大きさの変動の抑制を図ることができる。

なお、１／２乗器２４を設けず、加算器２３の出力信号のレベルが閾値以上なら、アクセスポイント装置１と通信を開始するようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態に係る無線通信システムは、アクセスポイント装置１と端末装置２を備え、端末装置２は、アクセスポイント装置１から出力された磁界を受信信号に変換し、受信信号のレベルを予め設定された閾値と比較し、レベルが閾値以上なら、アクセスポイント装置１との通信を開始するので、アクセスポイント装置１の近傍のエリアに限り磁界により通信を行うことができる。

また、アクセスポイント装置１は、図４、図５に示すような、例えば同心円状に配置され複数のループアンテナを備える。また、アクセスポイント装置１は、アクセスポイント装置１から出力された磁界が極小となるアクセスポイント装置１からの距離（ｚ／ａ１に相当）が、図４に示すように１つ、図５に示すように２つ、または、図示しないが３つ以上存在するように、複数のループアンテナを流れる電流の電流値ならびに電流の向きを制御するものである。また、図４、図５に示すように、また、図示しないが、３つ以上の場合であっても、各距離について閾値が設定されている。

よって、閾値を切り替えることで、複数の通信エリアを切り替えて使用することができる。なお、複数のループアンテナは、同心円状に限るものではないが、ヌル点の設定のしやすさに鑑み、同心円状に配置するのが好ましい。

また、各距離について設定された閾値は、図４、図５に示すような極大点の値より少し大きくなっている。つまり、閾値は、端末装置２が該当の距離よりも遠い距離に位置する場合のレベルよりも大きくなっている。よって、端末装置２が該当の距離またはそれよりアクセスポイント装置１に近い場合には通信が開始され、それより遠い場合には通信が開始されない。つまり、複数の通信エリアのそれぞれの大きさ（外縁の位置）を定めることができる。

また、端末装置２は、図６に示すように、互いに直交する３方向の各磁界成分を検出するアンテナ（２ｘ、２ｙ、２ｚ）を備え、受信信号のレベルは、各アンテナで検出された磁界成分から変換された信号成分のレベルの２乗和または当該２乗和の１／２乗に応じたものとしたので、端末装置２の向きにより通信エリアの大きさが変動することの抑制を図ることができる。

１ アクセスポイント装置
２ 端末装置
２ｘ、２ｙ、２ｚ ループアンテナ
２１ｘ、２１ｙ、２１ｚ アンプ
２２ｘ、２２ｙ、２２ｚ ２乗器
２３ 加算器
２４ １／２乗器

Claims (3)

1. アクセスポイント装置と端末装置とを備え、
   前記端末装置は、
   前記アクセスポイント装置から出力された磁界を受信信号に変換し、
   前記受信信号のレベルを予め設定された閾値と比較し、
   前記レベルが前記閾値以上なら、前記アクセスポイント装置との通信を開始するものであり、
   前記アクセスポイント装置は、
   同心円状に配置された複数のループアンテナを備え、
   該複数のループアンテナには、隣接するループアンテナ間で逆方向に電流を流し、
   かつ、前記アクセスポイント装置から出力された磁界が極小となる前記アクセスポイント装置からの距離が１以上存在するように、前記複数のループアンテナを流れる電流の電流値を制御するものであり、
   前記各距離について前記閾値が設定されている
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 前記各距離について設定された閾値は、前記端末装置が当該距離よりも遠い距離に位置する場合の前記レベルよりも大きいことを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
3. 前記端末装置は、
   それぞれ互いに直交する３方向の磁界成分を検出する３つのループアンテナを備え、
   前記受信信号のレベルは、
   前記３つのループアンテナで検出された磁界成分から変換された信号成分のレベルの２乗和または当該２乗和の１／２乗に応じたものである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信システム。

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