JP5942804B2 - 無線監視装置 - Google Patents

Description

以下の実施形態は、無線監視装置に関する。

近年、無線センサネットワークにより環境情報を収集し、データセンターにて一元管理を行うシステムの開発が進められている。
図１は、無線センサネットワークとその情報収集管理のための構成の概要を示す図である。

無線センサネットワーク９には、複数の無線ノード１０が設けられている。無線ノード１０には、センサ（温度・湿度・照度等）が設置されており、環境のセンシングデータを無線通信（図では複数の無線ノードを介してセンシングデータを送るマルチホップだが、シングルホップ通信でも良い）によりゲートウェイ１１に送信する。ゲートウェイ１１で受信されたセンシングデータは、有線あるいは無線の広域ネットワーク１４を介してデータセンター１２のストレージに収集され、PC等１３でデータが観測される。

無線センサネットワーク９の設置に当たっては、事前に設置しようとするエリアの電波環境の確認が必須である。また、設置後にも、データセンターにデータが上がってこない、遅延する等の障害が発生したときに、なぜデータが上がってこないかを把握するために、エリアの電波環境の再調査が必要になる。

当該エリアの電波環境の調査の時期と調査するポイントは、表１のようになる。

その地域の無線状態（フェージンングが発生し易い、もしくは干渉が発生し易い）を知ることで、設置者が取るべきアクションが異なる。

例えば、データ不達や遅延の原因が、フェージングであると考えられるならば、無線ノードの設置位置を変える、周囲の反射物を取り除く、などの方法で環境を変化させることが対策として考えられる。また、受信機（マルチホップの場合の受信側無線ノードあるいはゲートウェイ）において積極的にフェージングを克服する場合には、ダイバーシチアンテナを導入する方法もある。

一方で、上記障害の原因が干渉であると考えられるならば、周波数チャネルを変更する、干渉源の位置を特定して取り除く、などの対策がある。
データ不達や遅延などの障害の原因によって取られる対策をまとめると、表２のようになる。

そこで、上記障害が発生した場合に、考えられる障害要因を切り分け、現場での監視作業者、もしくは、データセンター１２側の作業者に、通知する必要がある。従来、平均受信電力値とパケットエラー率（PER:Packet Error Rate）が通信品質の指標として用いられてきた。パケットの平均受信電力値は、無線チップ内のRSSI（Receive Signal Strength Indicator）値で評価することが多く、これは、１つのパケットの平均値であり、パケット内での変動については分からない。また、パケットエラー率は複数パケットを送信したときのパケット誤り個数で測定するものであり、なぜ誤りが発生したのかは分からない。従って、パケット誤りが発生したときに、パケットの平均受信電力（RSSI値で評価される）が規定の受信感度を上回っていると、パケット誤りがなぜ発生するかの切り分けはできない。なお、ここで、受信感度とは、所要品質を得るための最小受信電力である。

RSSI(Receive Signal Strength Indicator)は、受信信号の電界強度を示す機器である。RSSIは、通常は、無線信号を受信するチップにおいて、信号を電力検波した数値をレジスタに格納する。そして、それを受信したパケットに付けてMCUに送るか、もしくは、定期的にMCUかレジスタに格納して、RSSI値を取得可能とする。

従来技術には、パケットの損失要因として、混雑とシャドウィング、あるいは、干渉とシャドウィングを切り分け判定するものがある。

IEICE技術報告 IN2008-64 (2008-09)「統計分析による無線障害原因推定方式の設計と評価」 情報処理学会研究報告 Vol. 2011-MBL-59 No.1 「アドホックネットワークにおける障害管理の方式提案」

上記のように、無線通信装置間においてパケットエラー（パケットが検出されない、もしくはCRCエラー）が発生したときに、受信装置側では平均受信電力が小さいためにロスしたのか、それともフェージングによるものなのか、干渉によるものかは分からない。通信の不具合に対して適切なアクションを取るためには、パケットエラーの原因を判定する必要がある。

以下の実施形態では、通信の不具合に対して、パケットエラーの原因を判定可能とする無線監視装置を提供する。

以下の実施形態の一側面における無線監視装置は、データ収集を行い、収集したデータを無線でパケットに設定して送信する無線ノードと、該無線ノードからのパケットを受信するゲートウェイとで構成される無線ネットワークを監視する無線監視装置において、該パケットのビットエラーを検出するビットエラー検出部と、該パケット内の平均受信電力を検出するパケット内平均受信電力検出部と、受信信号シンボルごとの、参照信号シンボルからの誤差ベクトルを計算し、その大きさの該パケット内での分布の広がりを算出する誤差ベクトル広がり算出部と、該パケットにビットエラーが発生し、且つ、該パケットの平均受信電力が受信感度よりも高いときに、該誤差ベクトルの大きさのパケット内での分布の広がりに基づいて、該ゲートウェイにおけるパケットエラーの原因が干渉によるものか、フェージングによるものかの判定を行う判定部とを備える。

以下の実施形態によれば、通信の不具合に対して、パケットエラーの原因を判定可能とする無線監視装置を提供することができる。

無線センサネットワークとその情報収集管理のための構成の概要を示す図である。 本実施形態の第１の構成例に従った、干渉もしくはフェージングの判定を行う処理のフローチャート（その１）である。 本実施形態の第１の構成例に従った、干渉もしくはフェージングの判定を行う処理のフローチャート（その２）である。 EVMと、これを使った判定方法の説明図（その１）である。 EVMと、これを使った判定方法の説明図（その２）である。 EVMと、これを使った判定方法の説明図（その３）である。 本実施形態の第１の構成例に従った、無線監視装置の構成図である。 本実施形態の第２の構成例に従った、無線ノードの構成図である。 本実施形態の第３の構成例に従った、処理のフローチャート（その１）である。 本実施形態の第３の構成例に従った、処理のフローチャート（その２）である。 本実施形態の第３の構成例に従った、無線監視装置の構成図である。

本実施形態では、パケットエラーが発生し、且つ、平均受信電力が受信感度より大きい場合に、そのパケットエラーがフェージングなどの一時的な変動によるものか、干渉によるものかを判定する機能を提供する。

図２及び図３は、本実施形態の第１の構成例に従った、干渉もしくはフェージングの判定を行う処理のフローチャートである。
本実施形態では、無線ノードとは別の無線監視装置を設けて、無線ノードの通信状態を監視するか、無線ノードに無線監視装置の機能を搭載して、無線ノードが通信状態の監視を行うようにする。

図２は、その無線監視装置が実行する処理のフローチャートである。
ここで、無線信号は、Ｉ信号とＱ信号を含み、シンボルは、Ｉ−Ｑ平面上の点として表されるものとする。

ステップＳ１０において、Ｉ・Ｑ信号を受信する。ステップＳ１１において、電力検波を行う。ステップＳ１２において、無線信号のパケット内の平均受信電力計算を行う。同時に、ステップＳ１３において、後述する、EVM（Error Vector Magnitude）を計算し、ステップＳ１４において、EVMの平均値及び分散値を計算する。さらに、ステップＳ１５において、Ｉ・Ｑ信号のビット判定を行い、ステップＳ１６において、プリアンブル検出を行う。そして、ステップＳ１７において、シンボル同期を取り、ステップＳ１８において、フレーム長を確認し、ステップＳ１９において、CRCチェックを行う。そして、ステップＳ２０において、ステップＳ１２、Ｓ１４、Ｓ１９の結果から、パケットエラーがフェージングの変動によるものか、干渉によるものかの判定し、その結果を出力する。

図３は、判定部の処理のフローチャートである。
図３において、ステップＳ３０で、受信したパケットについてCRC計算を行う。ステップＳ３１において、パケットが誤っているか否かを判断する。ステップＳ３１の判断がＮｏの場合には、処理を終了する。ステップＳ３１の判断がＹｅｓの場合には、ステップＳ３２に進む。

ステップＳ３２では、パケット内の信号電力の平均値（Ｐとする）を計算する。ステップＳ３３において、Ｐが、閾値Ｐ_refより大きいか判断する。閾値Ｐ_refは、受信感度以上のパワーが受信されているか否かを判断する閾値である。ステップＳ３３の判断がＮｏの場合には、受信したパケットが受信感度以下であると判断する。ステップｓ３３の判断がＹｅｓの場合には、ステップＳ３４に進む。

ステップＳ３４では、パケットのEVMの平均値

と、EVMの分散Sを計算する。ステップＳ３５では、EVMの平均値が、閾値

より大きいか否かを判定する。ステップＳ３５の判定がＮｏの場合には、フェージング（１）（低速フェージング）であると判断する。ステップＳ３５の判断がＹｅｓの場合には、ステップＳ３６において、EVMの分散値が閾値S_refより小さいが否かを判断する。ステップＳ３６の判断がＮｏ場合には、フェージング（２）（高速フェージング）であると判断する。ステップＳ３６の判断がＹｅｓの場合には、干渉であると判断する。

図４〜図６は、EVMと、これを使った判定方法の説明図である。
下式(1)により、復調シンボルのEVM（Error Vector Magnitude）の計算を行う。

ここで、Rは基準信号ベクトル、Mは受信信号ベクトルを示す。

図３にEVMの概略図を示す。
図３にあるように、受信信号が理想的に受信された場合の信号点を示すＩ−Ｑ平面内のベクトルが基準信号ベクトルである。これに対し、実際に受信される受信信号を表すベクトルは、雑音などの影響で、基準信号ベクトルとは異なったベクトルとなる。受信信号ベクトルから基準信号ベクトルを減算して得られたベクトルが誤差ベクトルである。この誤差ベクトルの大きさを絶対値で与えたものがEVMである。

図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、EVMは複素平面（Ｉ−Ｑ平面）上における、基準信号点と受信信号点の距離であり、振幅誤差と位相誤差の両方の影響を大きさで表現したものである。EVMの詳細については、特開2006-237692号公報なども参照されたい。

EVMのばらつき（分散：Ｓ）を下式(2)によって計算する。1パケットがnシンボルで構成されているとして、

と計算される。ただし、

はパケットの各ビットにおけるEVMの平均値である。

あるパケットを受信したとき、判定計算部においては、CRC(Cyclic Redundant Code)チェックを行い、もし誤りがあれば、パケット内の平均電力値（シンボル毎の電力をパケット内で平均）が受信感度以上であるかを判断する。もし受信感度以上であれば、パケットのEVMの平均値

を参照する。EVMの平均値が閾値

以上でなければ、フェージング(1)、閾値以上であれば、さらにEVMの分散値Sを参照し、Sが閾値S_ref未満であれば干渉、閾値未満でなければフェージング(2)と判断する。

パケットの損失の要因を、EVMの平均値と分散で上記のように3つのパターンで判定したのは、それぞれ以下のような特徴があるためである。
・フェージング(1)：低速フェージングの場合：ビットレートに比較してフェージング周期が長く、ほとんどのシンボルでEVM値はほぼ0である。時々、フェージングの落ち込みによってEVMが劣化する場合がある。EVM平均値は小さく、分散も小さい。（図６（ａ）参照）
・フェージング(2)：高速フェージングの場合：ビットレートに比較してフェージング周期が短く、パケットの中でEVMのばらつきが発生する。そのため、EVM平均値は大きくなり、分散も大きくなる。（図６（ｂ）参照）
・干渉：パケットの中で、常に他の信号が存在しており、他の信号ベクトルの大きさ（干渉波の振幅√(I²+Q²)）自体がEVMとなる。従って、干渉波の平均振幅分、EVM平均値は大きくなる。EVM分散はフェージング(2)よりも小さく、ガウス分布に近くなる。（図６（ｃ）参照）

パケットEVMの平均値と分散値の閾値の設定方法は、以下のような例が考えられる。例えば、1パケット1000ビットをQPSK変調方式で送信するシステムで、伝搬環境がレイリーフェージングである場合、ビット誤り率（BER）10^-3を達成するための所要SNRは28dBになる。また、伝搬環境がAWGN（加法性白色ガウス雑音）である場合の所要SNRは12dBである。EVMとSNRの関係は、

であるため、SNR=28dBはEVM=4.0%、SNR=12dBはEVM=25%に相当する。干渉の影響が主に見えるのがEVM25%以上であるため、フェージング影響が主に見えるのは、EVMが4〜25%の間となる。従って、EVM閾値はこれらの間に設定するのが良い。

実際にパケット受信したときに、パケット誤りが発生し、且つパケット内の平均電力が受信感度以上である場合に、EVM平均値が閾値未満の場合は、低速フェージングの影響によりパケットロスが発生したと言える。一方、EVM平均値が閾値以上の場合は、干渉の影響もしくは、高速フェージングの影響によるものと考えられる。理想的な干渉はガウス雑音になることが想定されることから、例えば、S_ref=1として、
EVMの分散値＜1 → 干渉
EVMの分散値＝1 → 干渉（ガウス雑音）
EVMの分散値＞1 → フェージング
として判定することができる。
以上の判定計算によりパケット誤りが発生したときに、干渉影響なのか、フェージング影響なのかを判定することができる。

なお、上記では、EVMの分散値を判断に用いることを示したが、分散値の平方根である標準偏差を判断に用いても良い。

尚、フェージングとして判定された場合、観測者においてフェージングの周期を評価したいと考える場合もある。その場合は、パケット内のシンボルごとの電力値ｐ（ｇ）（ｇ＝１、２、・・・G）について、以下の式のようなフーリエ変換をし、１パケット内でのフェージング周期を計算することができる。フーリエ変換を行うと、時間領域の電力値の変化が、周波数成分の強度を表すスペクトルに変換される。したがって、フーリエ変換の結果得られたスペクトルから、強度の大きい周波数成分を検出することにより、電力値の変化への影響の大きい周波数成分が分かる。そして、その電力値の変化への影響の大きい周波数成分の周波数が、フェージングの周波数となり、フェージング周波数からフェージング周期を計算することができる。

ここで、ｆは周波数、ｇは1パケット内の信号ビットの番号、Gは1パケットの信号ビットの総数を示す。

図７は、本実施形態の第１の構成例に従った、無線監視装置の構成図である。
無線監視装置２０は、監視される対象のセンサネットワークの無線ノードとは別に、外部から監視するための装置である。無線監視装置２０は、作業者によって無線ノード付近まで移動され、付近の無線ノードの電波状況を監視するようにして用いられる。

無線監視装置２０は、アンテナ２１で、無線ノードから発信される電波を受信する。無線受信部２２では、アンテナ２１で受信された電波から無線信号を抽出する。この場合には、無線信号からはＩ、Ｑ信号が抽出されるものとする。

抽出されたＩ、Ｑ信号は、ディジタル信号処理部２３に入力される。ディジタル信号処理部２３のパケット内平均電力計算部２６では、シンボルごとの電力値が検出され、バケット全体にわたる平均の電力値が計算される。ここで、平均電力値は、従来同様RSSI値で評価する。EVM、その平均値及びその分散値計算部２５では、受信されたＩ、Ｑ信号から、シンボルごとにEVMが計算され、また、パケット内のEVMの分布の平均値と分散値が計算される。ビット復調及びCRC判定部２４では、バケットにエラーが発生したか否かの検出が行われる。

判定計算部２７では、上述した表３に基づいて、パケットエラーが発生した場合の原因が、干渉によるものか、フェージングによるものかを判定する。判定結果は、画面表示部（PC等）２８に表示される。画面表示部２８に表示されたパケットエラーの原因に基づいて、作業者は無線ノードに対し、必要な措置をとる。

なお、判定計算部２７は、不図示のメモリに格納された受信感度を読み取り、受信電波の平均電力値と比較を行う。受信感度は、予めメモリに設定されているものとする。

図８は、本実施形態の第２の構成例に従った、無線ノードの構成図である。
図８において、図７と同様の構成要素には同様の参照符号を付して、それらの説明を省略する。

第２の構成例の無線監視装置２０ａは、監視される対象のセンサネットワークの無線ノード１０の内部に設置される。無線ノード１０は、判定結果のログを保存するログ保存部３３、もしくは、判定結果を無線送信する機能を持つ。すなわち、判定計算部２７における判定結果を、ログ保存部３３に保存しておき、作業者が定期的に無線ノード１０を訪れて、ログを回収するようにしても良い。あるいは、判定計算部２７における判定結果を、データ符号化部３１で符号化し、シンボルマッピング部３２で変調信号にマッピングして、無線送受信部２２ａを介して、アンテナ２１からゲートウェイ（不図示）などに無線送信しても良い。

なお、シンボルマッピング部３２とデータ符号化部３１は、無線ノード１０のセンサ３０によって取得される観測値をゲートウェイ（不図示）に送信することに使用されるものである。

図９及び図１０は、本実施形態の第３の構成例に従った、処理のフローチャートである。
図９において、図２と同様のステップには同様の参照符号を付し、それらの説明を省略する。

前述の第１、第２の構成例においては、EVMの分散値Ｓにて判定したが、第３の構成例では、パケットの各ビットにおけるEVM値Ｘの累積分布より確率密度関数を計算する。そして、EVM平均値における確率密度関数値が閾値V_ref未満の場合はフェージング、高さが閾値V_ref以上の場合は干渉と判定する。この判定は、この高さが高ければ、EVMの分布のばらつきが小さく、高さが低ければ、EVMの分布のばらつきが大きくなるという知見に基づいている。

尚、第３の構成例のV_ref値については、σ=1、平均

の標準正規分布の確率密度関数

のx=0の場合、EVM平均値における確率密度関数値が

となる。すなわち、近似してV_ref＝0.4とした場合、
EVM平均値における確率密度関数値＜０．４ → フェージング
EVM平均値における確率密度関数値＝０．４ → 干渉（ガウス雑音）
EVM平均値における確率密度関数値＞０．４ → 干渉
となる。

したがって、図９にあるように、ステップＳ１３のEVM計算の後、ステップＳ２５において、EVMの累積分布関数を計算する。そして、ステップＳ２６において、累積密度関数から、EVMの確率密度関数を計算する。ここで、確率密度関数は、累積密度関数を微分したものである。したがって、累積密度関数の分布が分かれば、その分布のカーブの傾きを縦軸として確率密度関数を計算することができる。ステップＳ２７では、EVMの平均値における確率密度関数値を計算する。そして、ステップＳ２０の判定結果出力において、確率密度関数の平均値における値を閾値と比較して、パケットエラーが干渉によるものか、フェージングによるものかを判定する。

図１０において、図３と同様なステップには、同様なステップ番号を付し、それらの説明を省略する。
図３のフローチャートに対し、図１０においては、ステップＳ４０において、パケットのEVMの平均値と、EVM平均値における確率密度関数値Vを求める。また、ステップＳ４１においては、ステップＳ４０で求めたEVM平均値における確率密度関数値Vが閾値V_refより大きいか否かを判断する。ステップＳ４１の判断がＮｏの場合には、フェージング（２）であると判断し、Ｙｅｓの場合には、干渉であると判断する。

図１１は、本実施形態の第３の構成例に従った、無線監視装置の構成図である。
図１１において、図６と同様な構成要素には、同様な参照符号を付し、それらの説明を省略する。

図１１においては、図７のEVM及びその分散値計算部２５の代わりに、EVM平均値における確率密度関数値計算部２５ａが設けられている。EVM平均値における確率密度関数値計算部２５ａでは、図９で述べたように、EVMの確率密度関数を求め、EVMの平均値における確率密度関数値を計算する。判定計算部２７では、この確率密度関数値と、予め設定された閾値とを比較し、判定を行う。

９ 無線センサネットワーク
１０ 無線ノード
１１ ゲートウェイ
１２ データセンター
１３ PC等
１４ 広域ネットワーク
２０、２０ａ 無線監視装置
２１ アンテナ
２２ 無線受信部
２２ａ 無線送受信部
２３、２３ａ ディジタル信号処理部
２４ ビット復調及びCRC判定部
２５ EVM及びその分散値計算部
２５ａ EVM平均値における確率密度関数値計算部
２６ パケット内平均電力計算部
２７ 判定計算部
２８ 画面表示部
３０ センサ
３１ データ符号化部
３２ シンボルマッピング部
３３ ログ保存部

Claims (7)

1. データ収集を行い、収集したデータを無線でパケットに設定して送信する無線ノードと、該無線ノードからのパケットを受信するゲートウェイとで構成される無線ネットワークの無線ノードあるいはゲートウェイを監視する無線監視装置において、
   該パケットのビットエラーを検出するビットエラー検出部と、
   該パケット内の平均受信電力を検出するパケット内平均受信電力検出部と、
   受信信号シンボルごとの、I/Q複素平面における基準信号点からの誤差ベクトルを計算し、その大きさの該パケット内での分布の平均値及び広がりを算出する誤差ベクトル算出部と、
   該パケットにビットエラーが発生し、且つ、該パケットの平均受信電力が受信感度よりも高いときに、該誤差ベクトルの大きさの平均値及び、そのパケット内での分布の広がりに基づいて、該ゲートウェイにおけるパケットエラーの原因が干渉によるものか、フェージングによるものかの判定を行う判定部と、
   を備えることを特徴とする無線監視装置。
2. 前記広がりは、前記誤差ベクトルの大きさの分散値あるいは標準偏差であり、
   該分散値、あるいは、該標準偏差が閾値を超えたときにフェージングによるパケットエラーであると判定し、閾値以下である場合は干渉によるパケットエラーであると判定することを特徴とする請求項１に記載の無線監視装置。
3. 前記誤差ベクトルの大きさの累積分布関数を計算し、該累積分布関数から、該誤差ベクトルの大きさの確率密度関数を計算し、該誤差ベクトルの平均値における確率密度関数値が、閾値を超える場合はフェージングによるパケットエラー、閾値以下となる場合は干渉によるパケットエラーと判定することを特徴とする請求項１に記載の無線監視装置。
4. 請求項１の無線監視装置を内蔵した無線ノード。
5. 前記判定の結果を格納するログ保存部、
   をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の無線ノード。
6. 前記判定の結果を無線送信することを特徴とする請求項４に記載の無線ノード。
7. データ収集を行い、収集したデータを無線でパケットに設定して送信する無線ノードと、該無線ノードからのパケットを受信するゲートウェイとで構成される無線ネットワークの無線ノードあるいはゲートウェイを監視する無線監視装置の監視方法であって、
   該無線監視装置は、
   該パケットのビットエラーを検出し、
   該パケット内の平均受信電力を検出し、
   受信信号シンボルごとの、I/Q複素平面における基準信号点からの誤差ベクトルを計算し、その大きさの該パケット内での分布の平均値及び広がりを算出し、
   該パケットにビットエラーが発生し、且つ、該パケットの平均受信電力が受信感度よりも高いときに、該誤差ベクトルの大きさの平均値及びそのパケット内での分布の広がりに基づいて、該ゲートウェイにおけるパケットエラーの原因が干渉によるものか、フェージングによるものかの判定を行う、
   ことを特徴とする監視方法。

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