JP6440410B2 - 無線中継ネットワーク - Google Patents

Description

本発明は、中央制御端末と、移動しながら中央制御端末と通信する複数の移動端末とから構成される無線中継ネットワークに関する。

ネットワーク機器のコスト削減の目的から、無線通信を主体とした通信インフラが急拡大している。
例えば、交通システム分野では、軌道回路や通信ケーブルのない、無線列車制御システム（Communications-Based Train Control：CBTC）が導入されつつあり、次世代の信号システムの主流になると考えられている。
また、無人航空機（Unmanned Aerial/Air Vehicle：ＵＡＶ）と地上に設けられる無線通信システムとを連接することで、周囲の見通しを確保しながら、高速通信を実現するための技術開発が欧米を中心に活発的に行われている。

以上の無線通信システムにおいて、伝達されるべきデータを移動端末が中継して他の移動端末に送信することがある。この場合、移動端末同士の位置関係によっては、中継器として機能する移動端末の通信負荷が上がったり、電波の品質が劣化したりすることで、通信の途絶（blackout）や干渉（interference）が発生することがある。このため、中継器として機能しうる移動端末を含む場合には、安定した無線中継ネットワークを構築できないことがある。

干渉を回避することは無線中継システムにおいて重要な課題であり、そのために種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１は、無線中継ネットワークにおいて、ほとんどの干渉が、複数のリンクを通して、複数回に渡って送信されるパケットによって生じるという考察に基づく提案を行っている。つまり、複数回に渡って送信される少なくとも一つのデータユニットを含む第１組の情報を表わす信号情報を既知の信号情報として保存する。続いて、第２組の情報を表わす信号情報を受信するが、その際、第１組の情報のデータユニットが第２組の情報の受信に干渉する。このとき、第２組の情報の少なくとも一部は、受信信号情報と、既に保存している既知の信号情報の少なくとも一部とを利用することにより干渉を検出する。

特表２００７−５１５８４３号公報

ところが、特許文献１の提案によると、干渉が生じてしまってから干渉を解消することになるので、そのために所要の時間を要してしまう。所要の時間は数秒程度必要であるが、これを許容できない場合がある。
そこで本発明は、干渉が生ずるのを事前に回避することができる無線中継ネットワークを提供することを目的とする。

かかる目的のもとなされた、本発明の無線中継ネットワークは、中央制御端末と、中央制御端末と無線によりデータの送受信ができる複数の移動端末と、を備え、複数の移動端末が相互に前記データを送受信しながら移動する無線中継ネットワークであって、中央制御端末は、複数の移動端末が移動をすることに関し、予め定められた運航計画情報を保持する記憶部と、記憶部に記憶された運航計画情報に基づいて、複数の移動端末のそれぞれについて相互間の距離が短い通信リンク先を特定し、特定された通信リンク先が相互にデータを送受信する際に通信負荷が閾値を超えることにより干渉が生じるか否かを予測する予測部と、予測の結果に基づいて、複数の移動端末におけるリンク状態を変更するように指示する指示部と、を備えることを特徴とする。

本発明の無線中継ネットワークは、複数の移動端末が相互にデータを送受信する際に干渉が生じるか否かを、運航計画情報に基づいて予測し、この予測の結果に基づいて、複数の移動端末におけるリンク状態を変更することができるので、干渉が生ずるのを事前に回避することができる。
本発明において、運航計画情報とは、移動端末が移動する経路と移動する速度とを少なくとも含む。

本発明の無線中継ネットワークにおいて、リンク状態の変更は、通信チャネルを変更する第１手法、及び、リンク先を変更する第２手法の一方又は双方とすることができる。

本発明の無線中継ネットワークによれば、複数の移動端末が相互にデータを送受信する際に干渉が生じるか否かを、運航計画情報に基づいて予測し、この予測の結果に基づいて、複数の移動端末におけるリンク状態を変更することができるので、干渉が生ずるのを事前に回避することができる。

第１実施形態に係る無線中継ネットワークの構成の概要を示す図である。 図１の無線中継ネットワークにおける中央制御端末の構成を示す図である。 図１の無線中継ネットワークにおける移動端末の構成を示す図である。 図２の中央制御端末に記憶される運航計画情報を示す図である。 図２の中央制御端末で行われる演算処理の内容を示す図である。 図１の無線中継ネットワークにおいて、干渉が生ずる予測例を示す図である。 図６の通信リンク状態から通信チャネルの変更を行って干渉を回避する例を示す図である。 図６の通信リンク状態から通信リンク先の変更を行って干渉を回避する例を示す図である。 中央制御端末における干渉回避のための処理手順を示す図である。

以下、添付図面に示す実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施形態に係る無線中継ネットワーク１は、図１に示すように、中央制御端末１０と、複数の移動端末２０と、を備えている。無線中継ネットワーク１は、中央制御端末１０と移動端末２０のそれぞれとの間、及び、移動端末２０のそれぞれとの間で、パケットによる双方向通信が可能に通信ネットワークを形成する。

中央制御端末１０は、移動端末２０を含む無線中継ネットワーク１の動作の制御を担う。より具体的には、それぞれの移動端末２０へのデータの送受信の指示を行うとともに、移動端末２０の相互間のデータの送受信先、つまり通信リンク先の制御を行う。
中央制御端末１０は、本実施形態では１台だけを示しているが、複数台の中央制御端末１０を備えていてもよい。また、中央制御端末１０は位置が固定されていてもよいし、移動可能とされてもよい。

移動端末２０は、地面を移動する車両（♯１〜♯５）及び上空を飛行するＵＡＶ（無人航空機，♯６）など、移動体に広く適用することができる。それぞれの移動端末２０は、移動中に中央制御端末１０からの指示に従って、データの送受信を実行する。
移動端末２０は、ＧＰＳ（Global positioning system）衛星３からの信号を受信する
ことにより、受信地点の正確な三次元位置が得られる。
複数台の移動端末２０は、グループＧとして移動することが定められており、例えば、相互の間隔をある範囲で保って、目的地まで移動する。移動端末２０は、予め定められた移動経路に従って移動し、この移動経路は本発明における運航計画情報に該当し、後述するように中央制御端末１０及び移動端末２０に記憶されている。

［中央制御端末１０の構成］
中央制御端末１０は、図２に示すように、送受信部１１と、制御部１３と、演算部１５と、記憶部１７とを備えている。
なお、送受信部１１〜記憶部１７は、説明の便宜上のために区分したものにすぎず、中央制御端末１０が全体として以下説明する機能を有している限り、その区分は問われない。なお、中央制御端末１０の機能は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリ手段を備えるコンピュータ装置により実行できる。これらのことは、移動端末２０についても同様に当てはまる。

送受信部１１は、それぞれの移動端末２０から送信されるデータを受信するとともに、中央制御端末１０からそれぞれの移動端末２０に向けて必要なデータを送信する機能を担う。
送受信部１１が移動端末２０から受信する主要なデータとしては、それぞれの移動端末２０の位置に関するデータが掲げられる。この位置データは、それぞれの移動端末２０がＧＰＳ衛星３から受信するＧＰＳ信号に基づいて生成される。
送受信部１１がそれぞれの移動端末２０に向けて送信する主要なデータとしては、それぞれの移動端末２０が使用する通信チャネルと、それぞれの移動端末２０の通信リンク先に関する指示が掲げられる。

制御部１３は、演算部１５に対して必要な演算処理を行うように指示をするとともに、演算部１５による演算の結果を取得して、送受信部１１を介して移動端末２０に必要な指示を行う。また、制御部１３は、送受信部１１を介して取得した移動端末２０からの情報を解釈して、演算部１５に対して必要な演算処理を行うように指示する。

演算部１５は、制御部１３からの指示に従って、必要な演算処理を行う。この際、演算部１５は、記憶部１７から必要な情報を読み出す。
本実施形態の演算部１５の重要な機能は、移動端末２０を含めた無線中継ネットワーク１に生じ得る干渉を予測することである。この予測は、移動端末２０から取得した位置情報及び速度情報と記憶部１７に記憶されている運航計画情報を照合することにより行われる。

記憶部１７は、図４に示すように、運航計画情報として、予定されている移動経路と移動速度を記憶している。
図４に示す移動経路は、♯１〜♯５のそれぞれが地点Ａｎ→地点Ｂｎ→地点Ｃｎというように始点（地点Ａｎ）と終点（地点Ｃｎ）に加えて経由点（地点Ｂｎ）のみを示しているが、より具体的には、地点Ａｎ、地点Ｂｎ及び地点Ｃｎのそれぞれの緯度及び経度が記憶される。なお、ｎは♯１〜♯６の番号を示している。また、移動経路として、地点Ａｎと地点Ｂｎの間及び地点Ｂｎと地点Ｃｎの間について、所定間隔で緯度及び経度が記憶される。つまり、記憶部１７には、始点から終点に向けて移動端末２０が移動する経路上の緯度情報及び経度情報が記憶されている。
ここでは、♯１〜♯５で識別される５台の移動端末２０が地点Ａｎ→地点Ｂｎ→地点Ｃｎというように概ね同じ経路を移動する例を示しているが、それぞれの移動端末２０が異なる経路を移動することもできる。次に説明する移動速度も同様である。
移動速度は、移動端末２０が地点Ａｎと地点Ｂｎの間を移動する速度ＶＡｎ−Ｂｎと、移動端末２０が地点Ｂと地点Ｃの間を移動する速度ＶＢｎ−Ｃｎである。ここでは、地点Ｂを境に異なる移動速度で移動する例を示しているが、これに限らず、さらに細分化された範囲で移動速度を変えることもできる。

中央制御端末１０は、図４に示す運航計画情報と移動端末２０から受信する位置情報及び速度情報に基づいて、演算部１５が、それぞれの移動端末２０との距離、及び、移動端末２０の相互間の距離を求める。その一例を図５に示す。演算部１５は、これらの演算結果に基づいて、図５に示すように、移動端末２０の相互間の通信リンク先を決定する。ここでは、中央制御端末１０に対する距離が短い移動端末２０と中央制御端末１０とが相互に通信リンク先になり、相互の距離が短い移動端末２０同士が相互に通信リンク先になるものとする。
本実施形態においては、これらの距離及び通信リンク先は、現時点でのものではなく、移動端末２０が運航計画情報にしたがってさらに移動を進めたことを前提とする予測値として求められる。

［移動端末２０の構成］
次に、移動端末２０は、図３に示すように、送受信部２１と、制御部２３と、ＧＰＳ処理部２４と、リンク設定部２５と、チャネル設定部２６と、記憶部２７とを備えている。なお、♯１〜♯６で識別される全ての移動端末２０は、以下説明する同じ構成を備えている。

送受信部２１は、中央制御端末１０及び自己以外の他の移動端末２０から送信される情報を受信するとともに、中央制御端末１０及び自己以外の他の移動端末２０に向けて必要な情報を送信する。
送受信部２１が中央制御端末１０から受信する主要な情報としては、移動端末２０が使用する通信チャネルに関する情報及び通信リンク先に関する情報が掲げられる。これらの情報は、自己が中継器として機能する場合には、他の移動端末２０に向けて転送することになる。
送受信部２１が中央制御端末１０に向けて送信する主要な情報としては、ＧＰＳ衛星３から受信するＧＰＳ信号に基づいて生成される位置情報と、移動端末２０を備える車両が備える速度計測手段で計測される速度情報と、が掲げられる。なお、送受信部２１から送信される情報には、識別記号としての♯１〜♯６が対応付けられている。

制御部２３は、リンク設定部２５及びチャネル設定部２６に対して必要な処理を行うように指示をするとともに、リンク設定部２５及びチャネル設定部２６における処理結果を取得して、送受信部２１を介して中央制御端末１０に送信する。

ＧＰＳ処理部２４は、ＧＰＳ衛星３からＧＰＳ信号を受信し、このＧＰＳ信号に基づいて自己の位置を緯度及び経度で特定する。ＧＰＳ処理部２４は、特定した自己の位置を、送受信部２１を介して中央制御端末１０に送る。

リンク設定部２５は、中央制御端末１０からの指示に従って、移動端末２０が通信リンク先を設定する。移動端末２０は、リンク設定部２５で設定された相手と送受信を行う。例えば、♯１で特定される移動端末２０の場合に、情報を受信する相手が♯２の移動端末２０であり、情報を送信する相手が♯３の移動端末２０という具合に、通信リンク先が設定される。このリンク先は、中央制御端末１０からの指示により、適宜変更される。

チャネル設定部２６、中央制御端末１０からの指示に従って、移動端末２０が通信を行うチャネルを設定する。ここで、チャネルとは、データの送受信に必要な周波数の幅を意味し、本実施形態では、ｃｈ１とｃｈ２という二つのチャネルが用意されており、ｃｈ１がデフォルトとして設定されており、中央制御端末１０からの指示にしたがってｃｈ２に設定が切り換えられ、さらに指示にしたがってｃｈ１に切り替えられる。

記憶部２７は、記憶部１７と同様の運航計画情報を記憶している。つまり、記憶部２７は、移動端末２０が移動する移動経路と移動速度を記憶している。ただし、移動端末２０の場合、記憶部２７は自己の移動経路と移動速度のみを記憶している。記憶部２７に記憶される運航計画情報は制御部２３に供され、制御部２３はＧＰＳ処理部２４で特定された自己位置と運航計画情報とを照合することで、自己が正規の経路を移動しているか否かを判断することができる。この判断は、画像表示装置に表示させることができる。

［干渉回避の方法：その１］
次に、以上の構成を備える無線中継ネットワーク１における干渉回避の方法を、図６及び図７を参照して説明する。なお、移動端末２０の通信リンク先は、図５の通りに決定されているものとする。また、通信を行うチャネルはｃｈ１である。
無線中継ネットワーク１は、図６に示すように、中央制御端末１０と情報が送受信されるリンク先が♯１及び♯２で特定される移動端末２０とする。♯１及び♯２で特定される移動端末２０と情報が送受信されるリンク先が♯３で特定される移動端末２０とし、さらに、♯３で特定される移動端末２０と情報が送受信されるリンク先が♯４及び♯５で特定される移動端末２０とする。

図６に示す移動端末２０の通信リンク先の場合に、♯１及び♯２と情報の送受信が行われる♯３で特定される移動端末２０の通信負荷が閾値を超え、干渉が生ずる恐れがある。そうすると、中央制御端末１０は、図７に示すように、♯２（又は♯１でも可）が使用する通信チャネルをｃｈ１からｃｈ２に切り替えるように指示する。そうすると、♯３の移動端末２０に干渉が生ずるのを避けることができる。

［干渉回避の方法：その２］
他の干渉回避の方法を、図８を参照して説明する。なお、当初は、上記のその１と同様に、図６に示すリンク状態が示唆されているものとする。
通信負荷が閾値を超え、干渉が生ずる恐れがある場合には、通信リンク先を切り替えることができる。例えば、図８に示すように、♯１からの情報の送信先を♯６で特定される移動端末２０に切り替えるように指示する。そうすると、♯３における移動端末２０に干渉が生ずるのを避けることができる。

［処理手順］
次に、上記のように干渉を事前に回避するための中央制御端末１０及び移動端末２０における処理の手順を、図９（中央制御端末１０）を参照して説明する。
それぞれの移動端末２０は特定した位置情報及び速度情報を送信すると、図９に示すように、中央制御端末１０は送信された位置情報及び速度情報（移動情報）を取得（図９ Ｓ１０１）する。このとき、例えば、図１に示す通信リンク状態だとすると、♯５の移動端末２０の位置情報は、♯３の移動端末２０及び♯２の移動端末２０を経由して中央制御端末１０に取得される。また、♯３の移動端末２０の位置情報は、♯１の移動端末２０を経由して中央制御端末１０に取得される。

中央制御端末１０は、それぞれの移動端末２０について取得した位置情報及び速度情報を記憶部１７に記憶されている運航情報に照合する。そしてさらに、中央制御端末１０は取得された位置情報及び速度情報に基づいて、演算部１５が、図５に示したようにして、予測される移動端末２０の相互間の通信リンク先を決定する。中央制御端末１０の演算部１５は、この予測された通信リンク先の状態で情報の送受信を行った場合の、それぞれの移動端末２０における通信負荷を算出する（図９ Ｓ１０３）。
演算部１５は、この通信負荷がしきい値を超えるか否かを判定する（図９ Ｓ１０５）。通信負荷は、送受信される平均的なデータ容量Ｃに基づいてしきい値を超えるか否かが判定される。例えば、図６において、♯１と♯２から同じ容量Ｃの情報が♯３に送信されると、しきい値１．５Ｃを超える、という具合である。

特定の移動端末２０の通信負荷がしきい値を超えると判断する（図９ Ｓ１０５ Ｙｅｓ）と、中央制御端末１０は、しきい値が超えると判断される移動端末２０（図６の例では、♯１と♯３の間、又は、♯２と♯３の間）に対して、通信チャネルをｃｈ１からｃｈ２に切り替えるように移動端末２０に指示する（図９ Ｓ１０７）。または、通信チャネルを切り替える指示をすることに代えて、図６から図８に示すように、当初の通信リンク先を変更するように指示することもできる。これらの指示は、即時に行われてもよいし、干渉が生じると予測される位置よりも所定距離だけ前の位置に行ってもよい。

移動端末２０は、中央制御端末１０からの指示にしたがって、自己の通信チャネルを切り替えるか、又は、通信リンク先を変更する。
以後、無線中継ネットワーク１において、データ送信の要求があれば、切り替えられた通信チャネル、又は、変更された通信リンクの状態で、データの送受信が行われる。その後、中央制御端末１０は、取得する移動端末２０の位置情報及び速度情報に基づいて、上述した手順で、通信負荷の判定（図９ Ｓ１０５）を行い、判定結果に基づいて通信チャネルの切り替え又は通信リンク先の変更（図９ Ｓ１０７）をさらに指示する。

［効果］
以上で説明したように、本実施形態によると、事前に干渉を回避することができる。したがって、本実施形態によると、通信状態の安定した無線中継ネットワークを確立できる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、以上の実施形態では、通信チャネルの切り替え又は通信リンク先の変更を一度だけ行う例を示したが、長い移動経路の過程で複数回の通信チャネルの切り替え又は通信リンク先の変更を行うこともあり、本発明はそのような場合にも対応することができる。
また、それぞれの移動端末２０が、記憶部１７に記憶されている移動経路からずれたとしても、いずれ移動経路に戻るものと予測し、以上と同様にして干渉を予測することができる。また、移動端末２０が移動経路から少しずれても同じように干渉を予測することができる。

１ 無線中継ネットワーク
３ ＧＰＳ衛星
１０ 中央制御端末
１１ 送受信部
１３ 制御部
１５ 演算部
１７ 記憶部
２０ 移動端末
２１ 送受信部
２３ 制御部
２４ ＧＰＳ処理部
２５ リンク設定部
２６ チャネル設定部
２７ 記憶部

Claims (2)

1. 中央制御端末と、前記中央制御端末と無線によりデータの送受信ができる複数の移動端末と、を備え、複数の前記移動端末が相互に前記データを送受信しながら移動する無線中継ネットワークであって、
   前記中央制御端末は、
   複数の前記移動端末が前記移動をすることに関し、予め定められた運航計画情報を保持する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された前記運航計画情報に基づいて、複数の前記移動端末のそれぞれについて相互間の距離が短い通信リンク先を特定し、特定された前記通信リンク先が相互に前記データを送受信する際に通信負荷が閾値を超えることにより干渉が生じるか否かを予測する予測部と、
   前記予測の結果に基づいて、複数の前記移動端末におけるリンク状態を変更するように指示する指示部と、
   を備えることを特徴とする無線中継ネットワーク。
2. 前記リンク状態の変更は、
   通信チャネルを変更する第１手法、及び、リンク先を変更する第２手法の一方又は双方である、
   請求項１に記載の無線中継ネットワーク。

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