JP6106471B2

JP6106471B2 - 無線通信システムおよび無線装置

Info

Publication number: JP6106471B2
Application number: JP2013045861A
Authority: JP
Inventors: 一仁渡邉
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: JP2014175799A

Description

本発明は無線通信システムおよび無線装置に関し、複数のチャネルが含まれる周波数グループの中から１波チャネルを選択して通信をおこなう無線通信システムに適用して好適なものである。

従来、テレコントロールやテレメータ、データ伝送などに用いられる無線装置からなる無線通信システムでは、通信に使用できる周波数帯、出力が規格によって定められている。また、実際に使用するための中心周波数と帯域幅もチャネルとして定められている。

無線通信システムの中には、無線装置間の通信に使用するチャネルを複数のチャネルが含まれる周波数グループの中から１波選択しているものがある。
図７にこのような無線通信システムにおける無線装置の動作状態を示す。図７の無線通信システムでは周波数グループにｆ_１０、ｆ_１１、ｆ_１２の３波のチャネルが含まれている。

このような無線通信システムでは、受信側の無線装置が受信待ちのときに通信するパケット内の同期コードを探し、同期コードが見つかるとパケットのデータを取り込む。取り込みが完了した後に受信側の無線装置は応答信号（Ａｃｋ：Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｍｅｎｔ）を出力し、送信側の無線装置はＡｃｋを受け取るまで信号を再送信するようにしている。

Ａｃｋが受け取れずに再送信をおこなうとき、送信側の無線装置はパケットの送信時間とＡｃｋ待ちの時間の合計である間隔Ｔ_１０で周波数グループの中のチャネルを切替えてパケットを送信していた。受信側の無線装置も送信側とは異なるタイミングＴ_１１で受信待ちのチャネルを変更していた。
このときパケットを送信する無線装置がチャネルを切替える間隔Ｔ_１０よりも、信号を受信する無線装置がチャネルを切替える間隔Ｔ_１１の方が長くなるようにしていた。

図７のとき、送信側の無線装置は時刻ｔ_１０にパケットの送信を開始する。送信側の無線装置も受信側の無線装置もチャネルを切替え、時刻ｔ_１１のときにチャネルが一致し、通信が成立し、受信側からＡｃｋを送信する。

また、特許文献１に開示される無線通信システムのように１台以上の無線装置を中継して、パケットが送信元の無線装置から宛先である無線装置まで伝達されるマルチホップ方式と呼ばれるものがある。

特許文献１の無線通信システムは、送信元の無線装置と宛先の無線装置は決まっているが、途中に中継する無線装置までは決まっていない。そのため複数の無線装置が送信可能な状態となるとき、同一のタイミングで送信をおこなわないように協調動作をおこなって無線通信システムの性能を向上させている。

協調動作とは中継局となる複数の無線装置が同一のパケットを受信したときに、同一のタイミングで送信（転送）をおこなわないように転送までのウェイト時間を中継局の無線装置毎に設定するものである。ウェイト時間はパケットの受信完了を起点にして、中継局となる無線装置が前回のパケットの受信時に転送をおこなったかどうかによって長さを設定するようにしている。

特開２０１０−１１４８５２号

無線通信システムには規格によって様々な周波数帯を使用することができるが、周波数帯によっては運用の条件としてパケットなどの信号を送信した後一定の送信休止時間を設ける送信制限が定められている。

図８は送信制限のあるときの無線通信システムにおける無線装置の動作状態を示した図である。図7の無線通信システムと同様に周波数グループにはｆ_１０、ｆ_１１、ｆ_１２の３波のチャネルが含まれている。

Ａｃｋの待ち時間よりも長い送信休止時間が設けられている場合、送信制限の無い場合と同様の送信側のパケットの送信時間と受信側のチャネルの切替え時間を設定すると、通信が成立するまでの再送回数が増加してしまう。図７と同様に時刻ｔ_１０でパケットの送信を開始すると時刻ｔ_１２でチャネルが一致する。このように送信側の送信休止時間の影響でスループットが大幅に低下してしまうことがあった。

また、特許文献１に開示されるマルチホップ方式の無線通信システムは転送にウェイト時間を設けるので、中継する無線装置の数が増すほどスループットの低下が顕著に現れてしまう問題があった。

さらに、マルチホップ方式で使用する協調動作はパケットの受信完了の時刻を基準としてウェイト時間を開始するので、複数の無線装置が1度のパケットの送信で受信を完了しなければ効果を十分に発揮できなかった。しかし従来のように、あるチャネルでのパケットの送信時間がチャネルあたりの受信待ちの時間に対して相対的に短くなると1度の送信で複数の無線装置にパケットを受信させることが難しかった。協調動作が実現しないと多数の無線装置が通信をおこない、トラフィックが増大して無線通信システムの品質が低下してしまうおそれがあった。

本発明は、このような問題を解決して、送信制限のある無線通信システムにおいても良好なスループットを得られることを目的とするものである。

上記の課題を達成するために、請求項１に記載の無線通信システムは、複数のチャネルが含まれる周波数グループの中から１波チャネルを選択して無線通信する複数の無線装置によって形成される無線通信システムにおいて、無線装置は送信部と受信部と制御部を備え、無線通信するパケットは複数回繰り返した前置き領域と単一の同期領域と単一のデータ領域を備え、パケットの前置き領域は通信開始を通知するプリアンブルとこれよりあとのパケットの取込みを開始する第一同期コードのみを備え、パケットの同期領域はパケットのデータ領域の始まりを判別する第二同期コードを備え、パケットを送信する一方の無線装置の送信部と、前置き領域１回分の送信にかかる期間よりも長い期間で受信待ちのチャネルを切替えてパケットの受信をおこなう他方の無線装置の受信部と、前置き領域が受信判別できたチャネルで受信部の受信待ちのチャネルを固定する他方の無線装置の制御部を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の無線装置は、複数のチャネルが含まれる周波数グループの中から１波チャネルを選択して無線通信する無線装置において、無線通信するパケットは複数回繰り返した前置き領域と単一の同期領域と単一のデータ領域を備え、パケットの前置き領域は通信開始を通知するプリアンブルとこれよりあとのパケットの取込みを開始する第一同期コードのみを備え、パケットの同期領域はパケットのデータ領域の始まりを判別する第二同期コードを備え、パケットを送信する送信部を備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の無線装置は、複数のチャネルが含まれる周波数グループの中から１波チャネルを選択して無線通信する無線装置において、無線通信するパケットは複数回繰り返した前置き領域と単一の同期領域と単一のデータ領域を備え、パケットの前置き領域は通信開始を通知するプリアンブルとこれよりあとのパケットの取込みを開始する第一同期コードのみを備え、パケットの同期領域はパケットのデータ領域の始まりを判別する第二同期コードを備え、前置き領域１回分の送信にかかる期間よりも長い期間で受信待ちのチャネルを切替えてパケットの受信をおこなう受信部と、前置き領域が受信判別できたチャネルで受信部の受信待ちチャネルを固定する制御部を備えたことを特徴とする。

請求項７に記載の通信方法は、複数のチャネルが含まれる周波数グループの中から１波チャネルを選択して無線通信する無線装置によって形成される無線通信システムの通信方法において、複数回繰り返した前置き領域と単一の同期領域と単一のデータ領域を備えたパケットを送信するステップと、前置き領域１回分の送信にかかる期間よりも長い期間で受信待ちのチャネルを切替えてパケットの受信をおこなうステップと、前置き領域が受信判別できたチャネルで受信チャネルを固定するステップを備え、パケットの前置き領域は通信開始を通知するプリアンブルとこれよりあとのパケットの取込みを開始する第一同期コードのみを備え、パケットの同期領域はパケットのデータ領域の始まりを判別する第二同期コードを備えたことを特徴とする。

送信するパケットの前置き領域を複数回繰り返した構成とすることで、送信制限のある周波数帯を通信に使用する場合でも、スループットの低下を防ぐことができるようになった。
また、端にパケット長を長くするだけでなく前置き領域を繰り返すようにしたことで、受信側の無線装置がパケットを受信したのか、ノイズを受信したのかが判別できるようになった。

さらにマルチホップ方式を用いる場合もスループットの低下を防ぐことができ、協調動作を効果的に実現できるようになった。

無線装置のブロック図である。パケット構造を示す図である。本発明の無線通信システムにおける無線装置の動作状態を示した図である。本発明の受信側の無線装置の動作のフローチャートを表す図である。マルチホップ方式の無線通信システムの概念を示した図である。本発明のマルチホップ方式の無線通信システムの無線装置の動作状態を示した図である。従来の無線通信システムにおける無線装置の動作状態を示した図である。従来の送信制限がある場合の無線通信システムにおける無線装置の動作状態を示した図である。

以下、図面を引用して、発明を実施するための実施形態を説明する。

図１（ａ）は無線装置のブロック図である。無線装置１は送信部２、受信部３、制御部４、インターフェイス部５を有して構成される。また、無線装置１の筐体外部にはアンテナ６と電源部７、外部機器８を備えている。

送信部２と受信部３は１個のＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）として、変調部、電力増幅部、高周波増幅部、復調部が一体となって構成されている。なお、送信部２と受信部３が個別に構成されていてもよい。また、送信部２と受信部３は単機能の素子の組合せによって構成されていてもよい。

制御部４は中央演算装置（ＣＰＵ：ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）を中心として構成されている。ＣＰＵの周辺には図示していないＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）が設けられている。ＲＯＭには制御部４を制御する制御プログラムが格納されている。また、ＲＡＭはプログラムの実行時に必要な一時記憶領域である。制御部４ではパケットを送信するチャネルの制御や受信待ちするチャネルの制御もおこなう。また、制御部４では取込んだパケットの内容に従った制御をおこなっている。

インターフェイス部５は外部機器８との接続をおこなうための構成である。なお、制御部４、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェイス部５は個別に構成されていても、１つのマイコンとして構成されていてもよい。

アンテナ６はパケットの送信と受信に用いられる。図中では無線装置１の筐体外部に設けられているが、筐体の内部に設けるようにしてもよい。
電源部７は電力を送信部、受信部、制御部に供給する。図中では電源部を無線装置の筐体の外部に設けているが、電源部を乾電池やリチウムイオン電池等として筐体の内部に構成されるようにしても良い。

外部機器８には情報機器を用いてよい。情報機器には火災報知機などの各種センサー、ガス、水道、電気などの自動検針器、バルブ制御器などの各種アクチュエータ、警報発信器などがある。さらに、複数の無線装置からの情報を無線通信システムによって１箇所に収集して使用するプリンターを外部機器としてもよい。

また、図１（ｂ）は外部機器との接続をおこなわず無線通信システムの中継局のみとして無線装置を使用する場合の無線装置１０の構成を示した図である。インターフェイス部と外部機器を有さない以外は、図１（ａ）の無線装置１と同様の構成となっている。図１（ａ）と同様の構成については同一の符号を付与して説明を省略する。制御部１１はインターフェイス部との接続がなくなっている以外は図１（ａ）の制御部４と同様である。

図２は、実施形態のパケット構造を示す図である。
本発明のパケット２０とは無線装置間で通信する内容のことをいう。パケット２０は前置き領域２１と同期領域２２とデータ領域２３を備えている。

前置き領域２１はプリアンブル２４と第一同期コード２５を備えている。
プリアンブル２４は受信側へ通信の開始を通知するコードである。第一同期コード２５は送信側と受信側のサンプリングタイミングなどを調整し同期をとり、同期したあとのパケット２０を取込めるようにするコードである。受信側の無線装置はプリアンブル２４と第一同期コード２５を受信すると第一同期コードよりあとのパケットの取込みを開始する。

前置き領域２１を複数回繰り返すことで、パケット長が長くなるようにしている。
特にプリアンブル２４のみを繰り返してパケット長を長くすることも可能であるが、プリアンブル２４とノイズを判別できるよう第一同期コード２５をプリアンブル２４と合わせて繰り返すことで、より効果的に本発明を実施できる。

同期領域２２には第二同期コード２６が含まれている。第二同期コード２６はデータ領域２３の始まりを判別するためのコードである。受信側の無線装置は取込んだパケット２０内のデータのうち第二同期コード２６を受信するまでの部分は破棄し、データ領域２３を取込む。

データ領域２３は、パケット２０の種類など制御データの記載された制御データ領域２７と、送信元や宛先の無線装置のＩＤを示す識別領域２８、メッセージを挿入するメッセージ領域２９、情報が正確に伝送できたかチェックをおこなうためのＣＲＣ（ＣｙｃｌｉｃＲｅｄｕｎｄａｎｃｙＣｈｅｃｋ：巡回冗長検査）やＢＣＣ（ＢｌｏｃｋＣｈｅｃｋＣｏｄｅ）などが記憶されているチェック領域３０に分かれている。特に識別領域２８やメッセージ領域２９はパケット２０の種類によって内容や長さが異なっている。

図３は本発明の無線通信システムにおける無線装置の動作状態を示した図である。また、図４は受信側の無線装置の動作をフローチャートにして示したものである。
本実施例では３波のチャネルｆ_１、ｆ_２、ｆ_３が含まれる周波数グループを使用する無線装置を使用している。本発明の無線通信システムに用いる周波数グループはチャネルの切替えができるよう２波以上のチャネルを含んでいればよい。

また、本実施例の無線装置は図１に示した構成の無線装置と同一の構成であり、パケット構造は図２に示したパケットと同一である。
図３のとき、パケットはチャネルｆ_１で時刻ｔ_１から時刻ｔ_４の期間に送信される。さらに前置き領域１回分の送信にかかる時間はＴ_２であり、時刻ｔ_１からｔ_３までの間に１０回繰り返して送信されている。

図４を用いて無線装置の受信の動作について説明する。
受信側の無線装置は所定のチャネルを設定して受信待ちをおこなう（ＳＴ１００またはＳＴ１０３またはＳＴ１０６）。受信側で前置き領域を受信できた場合（ＳＴ１０１、ＹｅｓまたはＳＴ１０４、ＹｅｓまたはＳＴ１０７、Ｙｅｓ）には、チャネルを固定してパケットを取込む（ＳＴ１０９）。図３の場合、パケットは時刻ｔ_１にチャネルｆ_１で送信開始となり、受信側がチャネル１波あたりの待ち時間Ｔ_１で受信待ちチャネルを切替え、時刻ｔ_２で受信待ちのチャネルがｆ_１となり、送信側と受信側のチャネルが一致して前置き領域を受信している。

そして、同期領域を受信すると（ＳＴ１１０、Ｙｅｓ）、第二同期コードを受信するまでの前置き領域は破棄し（ＳＴ１１１）、データ領域を取込むようにする（ＳＴ１１２）。データ領域の取り込みが完了したら、応答信号としてのＡｃｋを送信して（ＳＴ１１３）、受信の処理を終了する。図３の場合、時刻ｔ_４にパケットの受信が完了している。
また、受信の処理の終了後は受信待ちのチャネルの固定は解除してよい。さらに、受信待ちの状態に戻った無線装置は、再び受信待ちのチャネルをチャネル１波あたりの待ち時間Ｔ_１で切替えるようにしてもよい。

前置き領域を受信せず（ＳＴ１０１、ＮｏまたはＳＴ１０４、ＮｏまたはＳＴ１０７、Ｎｏ）に所定の時間Ｔ_１が経過した場合（ＳＴ１０２、ＹｅｓまたはＳＴ１０５、ＹｅｓまたはＳＴ１０８、Ｙｅｓ）、受信側の無線装置は受信待ちのチャネルを切替えるようにしている。

本実施例では送信するパケット長が長くなっていることから、受信側の無線装置のチャネル１波あたりの待ち時間Ｔ_１を従来に比べて短くすることができる。具体的には（数１）の条件を満たすように前置き領域１回分の送信にかかる時間Ｔ_２よりも長い時間で受信側の無線装置のチャネル１波あたりの待ち時間Ｔ_１を切替えればよい。
また、受信側の無線装置のチャネル１波あたりの待ち時間Ｔ_１を前置き領域１回分の送信にかかる時間Ｔ_２に近づけるほどスループットは向上する。

また、使用する周波数グループに含まれるチャネル数ｍと前置き領域の繰り返し回数ｎ、受信側の無線装置のチャネル１波あたりの待ち時間Ｔ_１、前置き領域１回分の送信にかかる時間Ｔ_２の各パラメータは、（数１）に加えて（数２）、（数３）の条件を満たすように適宜変更してよい。

（数１）、（数２）、（数３）の条件を満たすことで、１回のパケットの送信で全ての受信待ちチャネルで前置き領域を１回は受信できるようにすることができる。

図５はマルチホップ方式の無線通信システムの概念を示した図である。無線通信システムは無線装置４０から無線装置４６を有して構成される。図５では無線通信システムを構成する無線装置は７台だが、本発明の無線通信システムを構成する無線装置は何台であってもよい。各無線装置はすべて図１の無線装置と同一構成であるとして説明をおこなうが、実施可能な範囲において各無線装置は異なる構成とすることができる。また、各無線装置は固定位置に存在するものであっても移動するものであっても良い。

無線通信システムで送信するパケットの構造は図２に示したパケットと同一である。
また、本実施例では３波のチャネルｆ_１、ｆ_２、ｆ_３が含まれる周波数グループを使用する無線装置を使用している。本発明の無線通信システムに用いる周波数グループはチャネルの切替えができるよう２波以上のチャネルを含んでいればよい。

図６はマルチホップ方式の無線通信システムの各無線装置の通信の状態を示す図である。図５に示す無線装置４０がパケットを送信し、無線装置４１と無線装置４２が受信待ちの状態であるとして説明をおこなう。

無線装置４０はパケットをチャネルｆ_１で時刻ｔ _５に送信を開始する。無線装置４１と無線装置４２はそれぞれ時間Ｔ_３で受信待ちチャネルを切替えながら前置き領域２１のプリアンブル２４と第一同期コード２５を探す。
また、無線装置４０で送信するパケットは前置き領域１回分の送信に時間Ｔ_４がかかり、時刻ｔ_７までの間に前置き領域を８回繰り返している。

無線装置４１は時刻ｔ_５でパケットの送信チャネルｆ_１と受信待ちのチャネルｆ_１が一致してプリアンブルおよび第一同期コードを受信し、受信待ちのチャネルをｆ_１に固定して、パケットの取込みをおこなう。無線装置４２も時刻ｔ_６でパケットの送信チャネルｆ_１と受信待ちのチャネルｆ_１が一致するので、プリアンブルおよび同期コードを受信し、受信待ちのチャネルをｆ_１に固定して、パケットの取込みをおこなう。

無線装置４１と無線装置４２は、同期領域の第二同期コードを受信するとパケットのデータ領域を取込み、受信を完了する。このとき、無線装置４１と無線装置４２の受信完了の時刻ｔ_８が一致する。複数の無線装置でパケットの受信完了時刻が一致するので協調動作が実現する。

本実施例では送信するパケットの長さを長くしたことで通信が可能な範囲にある多くの無線装置が1度の送信でパケットを受信でき、協調動作を当初想定していたとおりに実現することができる。

１、１０…無線装置
２…送信部
３…受信部
４、１１…制御部
２０…パケット
２１…前置き領域
２２…同期領域
２３…データ領域
２４…プリアンブル
２５…第一同期コード
２６…第二同期コード

Claims

複数のチャネルが含まれる周波数グループの中から１波チャネルを選択して無線通信する複数の無線装置によって形成される無線通信システムにおいて、
無線装置は送信部と受信部と制御部を備え、
無線通信するパケットは複数回繰り返した前置き領域と単一の同期領域と単一のデータ領域を備え、
前記パケットの前置き領域は通信開始を通知するプリアンブルとこれよりあとのパケットの取込みを開始する第一同期コードのみを備え、
前記パケットの同期領域は前記パケットのデータ領域の始まりを判別する第二同期コードを備え、
前記パケットを送信する一方の無線装置の送信部と、
前記前置き領域１回分の送信にかかる期間よりも長い期間で受信待ちのチャネルを切替えて前記パケットの受信をおこなう他方の無線装置の受信部と、
前記前置き領域が受信判別できたチャネルで前記受信部の受信待ちのチャネルを固定する前記他方の無線装置の制御部を備えたことを特徴とする無線通信システム。
複数のチャネルが含まれる周波数グループの中から１波チャネルを選択して無線通信する無線装置において、
無線通信するパケットは複数回繰り返した前置き領域と単一の同期領域と単一のデータ領域を備え、
前記パケットの前置き領域は通信開始を通知するプリアンブルとこれよりあとのパケットの取込みを開始する第一同期コードのみを備え、
前記パケットの同期領域は前記パケットのデータ領域の始まりを判別する第二同期コードを備え、
前記パケットを送信する送信部を備えたことを特徴とする無線装置。
複数のチャネルが含まれる周波数グループの中から１波チャネルを選択して無線通信する無線装置において、
無線通信するパケットは複数回繰り返した前置き領域と単一の同期領域と単一のデータ領域を備え、
前記パケットの前置き領域は通信開始を通知するプリアンブルとこれよりあとのパケットの取込みを開始する第一同期コードのみを備え、
前記パケットの同期領域は前記パケットのデータ領域の始まりを判別する第二同期コードを備え、
前記前置き領域１回分の送信にかかる期間よりも長い期間で受信待ちのチャネルを切替えて前記パケットの受信をおこなう受信部と、
前記前置き領域が受信判別できたチャネルで前記受信部の受信待ちチャネルを固定する制御部を備えたことを特徴とする無線装置。
複数のチャネルが含まれる周波数グループの中から１波チャネルを選択して無線通信する無線装置によって形成される無線通信システムの通信方法において、
複数回繰り返した前置き領域と単一の同期領域と単一のデータ領域を備えたパケットを送信するステップと、
前記前置き領域１回分の送信にかかる期間よりも長い期間で受信待ちのチャネルを切替えて前記パケットの受信をおこなうステップと、
前記前置き領域が受信判別できたチャネルで受信チャネルを固定するステップを備え、
前記パケットの前置き領域は通信開始を通知するプリアンブルとこれよりあとのパケットの取込みを開始する第一同期コードのみを備え、
前記パケットの同期領域は前記パケットのデータ領域の始まりを判別する第二同期コードを備えたことを特徴とする通信方法。