JP6656128B2

JP6656128B2 - 無線通信システム

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Publication number: JP6656128B2
Application number: JP2016186538A
Authority: JP
Inventors: 光俊岡本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2036-09-26
Also published as: JP2018056616A

Description

この発明は、マルチホップを採用した無線通信システムにおける無線周波数の割当に関する。

無線通信システムとして、携帯電話システムおよび無線センサーネットワークシステムが知られている。携帯電話システムは、無線基地局と無線移動局とを備えて構成されている。無線移動局と無線基地局との間の通信は、ＬＴＥ（ＬｏｎｇＴｅｒｍＥｖｏｌｕｔｉｏｎ）等の無線規格に従う。

携帯電話システムにおいては、無線局を開設しようとする事業者は免許を取得する必要があり、単一の携帯電話システムに対して単一の周波数および周波数帯域が固定的に割り当てられているため、他の無線通信システムとの電波干渉が回避されている。しかし、無線通信システムの多様化に伴い、周波数帯域の確保が次第に困難になっているため、将来的には利用目的の異なる複数の無線通信システムが同一の周波数帯域を共用する可能性があり、無線通信システム間の電波干渉を防ぐ必要がある。

一方、無線センサーネットワークシステムとして、需要家または工場における電力の使用量を無線通信によって収集するスマートメータシステムが知られている。スマートメータシステムは、電力使用量を計測するスマートメータ、電力使用量を集約する親局、および制御局を備えて構成されており、スマートメータから親局および制御局へ電力使用量が伝送される。スマートメータシステムにおける無線の到達範囲は携帯電話システムと異なり狭いため、親局と直接通信できないスマートメータが存在する。こうしたスマートメータは、親局から無線が届く範囲にあるスマートメータに中継してもらうことによって最終的に親局へ電力使用量を伝送している。このように、他の端末を中継して親局と通信を行う方式をマルチホップと呼ぶ。

スマートメータシステムは、例えば特定小電力無線周波数帯域を使用している。特定小電力無線周波数帯域を使用する無線設備は、一定の条件を満たしていれば無線従事者資格も無線局免許も不要であるため、特定小電力無線周波数帯域では、利用目的の異なる複数の無線通信システムが同一の周波数帯域を共用する状況にある。そこで、スマートメータシステムは、搬送波感知多重アクセス／衝突回避方式（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance：ＣＳＭＡ／ＣＡ）によって、複数のスマートメータ間でのデータ衝突を回避している。

ＣＳＭＡ／ＣＡにおいて、スマートメータは他装置が通信していないことを確認してから通信を開始することによって、他装置との衝突を回避する。そのため、ＣＳＭＡ／ＣＡでは同一周波数を使用する装置が増加すればする程、送信できる機会が少なくなるという課題がある。

この点について特許文献１では、自無線通信システムの周波数利用状況および他の無線通信システムの周波数利用状況を収集し、収集した周波数利用状況に基づいて、周波数帯域内で、自無線通信システムに属する無線基地局および無線移動局が利用可能な無線周波数キャリアおよび通信チャネルを決定する無線通信システムが開示されている。

特開２００６−２２９７７８号公報

しかし、スマートメータのようなマルチホップを採用するシステムに特許文献１の技術を適用する場合、例えばあるスマートメータが他周波数の利用状況を監視しているときには、当該スマートメータは下位のスマートメータからのデータを受け取ることができず、また他のスマートメータも他周波数の利用状況を監視している場合には、代替ルートを構築できないため、データを上位側に転送できないという課題があった。

本発明は上述の問題に鑑みてなされたものであり、無線通信システムにおいてマルチホップ通信を継続しながら、他の無線通信システムとの電波干渉を低減することを目的とする。

本発明に係る無線通信システムは、マルチホップ通信を行う無線通信システムであって、複数の端末と、無線通信システムの使用周波数を決定する制御局と、複数の端末と制御局との間に接続される親局と、を備え、複数の端末の一部は、少なくとも１つの他の端末を経由して親局と無線接続され、複数の端末のうち親局との接続関係において末端に位置するエンド端末の少なくとも一部の周波数監視エンド端末は、使用周波数および他の周波数の空き状況を監視して制御局へ送信し、制御局は、周波数監視エンド端末から受信した使用周波数および他の周波数の利用状況に基づき使用周波数を決定する。

本発明に係る無線通信システムは、マルチホップ通信を行う無線通信システムであって、複数の端末と、無線通信システムの使用周波数を決定する制御局と、複数の端末と制御局との間に接続される親局と、を備え、複数の端末の一部は、少なくとも１つの他の端末を経由して親局と無線接続され、複数の端末のうち親局との接続関係において末端に位置するエンド端末の少なくとも一部の周波数監視エンド端末は、使用周波数および他の周波数の空き状況を監視して制御局へ送信し、制御局は、周波数監視エンド端末から受信した使用周波数および他の周波数の利用状況に基づき使用周波数を決定する。従って、マルチホップ通信におけるデータ中継と、他の周波数の監視を同時に行うことができるため、システム運用を継続しつつ、空き周波数への移動を行って他の無線通信システムとの電波干渉を低減することができる。

実施の形態１にかかる無線通信システムの構成を示すブロック図である。実施の形態１にかかる無線通信システムの周波数監視エンド端末の設定動作を示すフローチャートである。実施の形態１にかかる無線通信システムの使用周波数変更動作を示すフローチャートである。実施の形態１にかかる無線通信システムの使用周波数変更動作を示すフローチャートである。実施の形態２にかかる無線通信システムの周波数監視エンド端末の設定動作を示すフローチャートである。実施の形態２にかかる無線通信システムの構成を示すブロック図である。実施の形態２にかかる無線通信システムの構成を示すブロック図である。

＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
図１は、本実施の形態１に係る無線通信システム１Ａの構成を示す図である。無線通信システム１Ａは、無線通信システム１Ａの全体を制御する制御局１０と、データを収集する複数の端末１１１〜１１８と、端末１１１〜１１８と制御局との間に無線接続される親局１００とを備える。図１には８つの端末を示しているがこれは例示であり、端末数はこれより多くても少なくてもよい。

＜Ａ−２．周波数監視エンド端末の設定＞
以下、図２のフローチャートに沿って、無線通信システム１Ａにおける周波数監視エンド端末の設定動作を説明する。

まず、各端末１１１〜１１８は、電源投入後に親局１００および他の端末１１１〜１１８との間で互いに経路選択用パケットを送受信し、受信感度の高い経路を選択して最適な通信路を確立し（ステップＳ１１）、記憶する。図１に示す各端末１１１〜１１８と親局１００との接続関係は、こうして確立された最適な通信路の一例である。親局１００は、各端末１１１〜１１８が選択した最適な通信路を記憶し、制御局１０に通知する。

図１に示すように、端末１１１，１１２，１１３は親局１００と直接無線通信を行うが、端末１１４〜１１８は他の端末を経由して親局１００と通信を行う。このように、ある端末が他の端末を経由して親局１００と通信することをマルチホップ通信という。なお、親局１００と通信を行うためにｎ台の端末を経由する場合、ホップ数をｎとする。例えば、端末１１１，１１２，１１３のホップ数は０であるが、端末１１４，１１５はそれぞれ端末１１１を経由して親局１００と通信を行うため、そのホップ数は１である。また、端末１１６も端末１１３を経由して親局１００と通信を行うため、そのホップ数は１である。また、端末１１７は端末１１５および端末１１１を経由し、端末１１８は端末１１６および端末１１３を経由して、それぞれ親局１００と通信を行うため、そのホップ数は２である。但し、本発明のホップ数はここで説明した数に限定されない。

次に、制御局１０は、エンド端末の中から、無線周波数帯の周波数を監視する周波数監視エンド端末を指定する（ステップＳ１２）。エンド端末とは、当該端末を経由して親局１００と通信を行う自身より下位の端末が存在しない、マルチホップの末端に位置する端末のことである。図１に示す接続関係によれば、端末１１２，１１４，１１７，１１８がエンド端末であるが、ここではそのうち端末１１２，１１４，１１８を周波数監視エンド端末として説明を行う。但し、エンド端末の全てが周波数監視エンド端末であっても良い。

制御局１０は、周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８を認識し、親局１００および周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８に周波数測定用エンド端末の情報を通知する。親局１００および周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８は、制御局１０から通知された周波数測定用エンド端末の情報を記憶する。

＜Ａ−３．自周波数の移動＞
次に、図３，４のフローチャートに沿って、無線通信システム１Ａにおける使用周波数の変更動作について説明する。

まず、制御局１０は、現在使用している周波数である自周波数の利用率を計算するため、システム運用中に、親局１００および各端末１１１〜１１８に対して、自周波数の空き状況の監視を要求する（ステップＳ２１）。制御局１０は、この要求を一定周期で繰り返し行ってもよいし、親局１００および各端末１１１〜１１８が自周波数の空き状況のデータを収集する等のイベントが終了する度に繰り返し行ってもよい。

親局１００および各端末１１１〜１１８は、制御局１０から自周波数の空き状況の監視要求を受けると、監視用タイマを作動させ（ステップＳ２２）、自周波数の空き状況の監視を開始する。

次に、親局１００および各端末１１１〜１１８は、監視用タイマの監視の単位時間が満了したか否かを判断し（ステップＳ２３）、満了していなければ自周波数の空き状況の監視を継続する（ステップＳ２４）。一方、監視用タイマの監視の単位時間が満了すれば、親局１００および各端末１１１〜１１８は単位時間あたりの空き時間を算出する（ステップＳ２５）。例えば無線通信システム１ＡがＣＳＭＡ／ＣＡを採用している場合、親局１００および各端末１１１〜１１８は、無線電力がキャリアセンスレベル以下となる時間を積算し、積算時間を空き時間とすることができる。あるいは、親局１００および各端末１１１〜１１８は、当該積算時間に親局１００および各端末１１１〜１１８自身の送信時間および受信時間を加算した値を空き時間としても良い。なお、ここでは単位時間あたりの空き時間を算出することについて述べているが、１日あたりの空き時間を算出しても良い。

親局１００および各端末１１１〜１１８は、自周波数の単位時間あたりの空き時間を算出した後、当該空き時間の情報を制御局１０に通知する（ステップＳ２６）。次に、制御局１０は、親局１００及び各端末１１１〜１１８から受領した空き時間の情報から、無線通信システム１Ａ全体としての自周波数の単位時間あたりの空き時間を算出し（ステップＳ２７）、算出した空き時間を予め定められた閾値と比較する（ステップＳ２８）。制御局１０は各端末１１１〜１１８から受領した空き時間の平均をとることにより、無線通信システム１Ａ全体としての空き時間を算出することができる。例えば、監視の単位時間を１時間、周波数監視エンド端末１１２から受領した空き時間を２０分、周波数監視エンド端末１１４から受領した空き時間を４０分、周波数監視エンド端末１１８から受領した空き時間を３０分とした場合、制御局１０は、周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８から受領した空き時間の平均である３０分を、無線通信システム１Ａ全体としての空き時間と算出してもよい。

ステップＳ２８の比較により、制御局１０は、他の無線通信システムの電波干渉が高くなったか否かを判断する。空き時間が閾値を超える場合、制御局１０は無線通信システム１Ａが他の無線通信システムの干渉に耐えられると判断し、自周波数を変えずにそのまま使用する。一方、空き時間が閾値以下である場合、制御局１０は、自周波数を変更するため、周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８に対し、無線周波数帯の全周波数の空き状況を監視するよう要求する（ステップＳ２９）。

図４において、周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８は、制御局１０から無線周波数帯の全周波数の空き状況の監視要求を受けると、監視用タイマを作動させ（ステップＳ３０）、周波数ごとに順次空き状況を監視する。

周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８は全周波数の空き時間を算出したか否かを判断し（ステップＳ３１）、算出した場合にはステップＳ３６に移行する。空き時間を算出していない周波数が残っている場合、周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８は、監視用タイマの単位時間が満了したか否かを判断し（ステップＳ３２）、満了していなければ、周波数の空き状況の監視を継続する（ステップＳ３３）。ステップＳ３２で監視用タイマの単位時間が満了すれば、周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８はステップＳ３３で監視した周波数の単位時間あたりの空き時間を算出し（ステップＳ３４）、監視した周波数と算出した空き時間の情報を制御局１０へ通知する（ステップＳ３５）。ステップＳ３５の後、ステップＳ３１に戻って周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８は全周波数の空き時間を算出したか否かを再び判断し、空き時間を算出していない周波数が残っていれば、残りの全ての周波数についてステップＳ３２からステップＳ３５を繰り返す。

なお、ステップＳ３４では単位時間あたりの空き時間を算出することについて述べたが、周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８は、例えば１日あたりの空き時間を算出しても良い。また、周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８は、１つの周波数の空き時間を算出する度に制御局１０への通知を行っているが、全周波数の空き時間を算出した後に、それらをまとめて制御局へ通知しても良い。

周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８が全周波数の空き時間を算出したと判断すると、制御局１０は、周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８から受領した空き時間を周波数ごとに集計して無線通信システム１Ａ全体としての空き時間を算出し、空き時間から利用率を算出する（ステップＳ３６）。例えば、監視の単位時間を１時間、周波数監視エンド端末１１２から受領した空き時間を２０分、周波数監視エンド端末１１４から受領した空き時間を４０分、周波数監視エンド端末１１８から受領した空き時間を３０分とした場合、制御局１０は、周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８から受領した空き時間の平均である３０分を、無線通信システム１Ａ全体としての空き時間と算出してもよい。また、利用率は単位時間に対する利用時間（単位時間−空き時間）の割合であるため、（６０−３０）×１００／６０＝５０（％）と算出される。

そして、制御局１０は、現在の自周波数を含め、全周波数の中から最も利用率の低い周波数を移動先周波数に選択する（ステップＳ３７）。また、制御局１０は、移動先周波数が現在の自周波数であるか否かを判断する（ステップＳ３８）。移動先周波数が現在の自周波数である場合、無線通信システム１Ａは処理を終了する。一方、移動先周波数が現在の自周波数と異なる場合、制御局１０は、移動先周波数および移動時刻の情報を親局１００および各端末１１１〜１１８に通知する（ステップＳ３９）。

親局１００および各端末１１１〜１１８は、制御局１０から移動する周波数および移動時刻の通知を受けた後、指定された時刻に自周波数を移動先周波数に変更する（ステップＳ４０）。

＜Ａ−４．効果＞
以上に説明したように、実施の形態１に係る無線通信システム１Ａは、マルチホップ通信を行う無線通信システムであって、複数の端末１１１〜１１８と、無線通信システム１Ａの使用周波数である自周波数を決定する制御局１０と、複数の端末１１１〜１１８と制御局１０との間に接続される親局１００と、を備え、複数の端末１１１〜１１８の一部は、少なくとも１つの他の端末１１１〜１１８を経由して親局１００と無線接続され、複数の端末１１１〜１１８のうち親局１００との接続関係において末端に位置するエンド端末１１２，１１４，１１７，１１８の少なくとも一部の周波数監視エンド端末１１２，１１４，１１８は、自周波数および他の周波数の空き状況を監視し、制御局１０は、使用周波数および他の周波数の空き状況に基づき使用周波数を決定する。このように、データの中継を行わないエンド端末に自周波数および他の周波数の空き状況を監視させることによって、マルチホップ通信におけるデータ中継と周波数の監視とを同時に行うことができる。従って、システム運用を継続しながら自周波数を利用率の低い周波数へ変更することにより、他の無線通信システムとの電波干渉を低減することができる。

＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ−１．構成＞
本発明の実施の形態２に係る無線通信システム１Ｂは、実施の形態１に係る無線通信システム１Ａの構成と同様である。但し、無線通信システム１Ｂの制御局１０は、無線通信システム１Ｂのサービスエリアを複数のエリアに分割し、各エリア内に少なくとも１つの周波数監視エンド端末が含まれるようにする点が、実施の形態１と異なる。

＜Ｂ−２．周波数監視エンド端末の設定＞
以下、図５のフローチャートに沿って、無線通信システム１Ｂにおける周波数監視エンド端末の設定動作を説明する。

まず、各端末１１１〜１１８は、電源投入後に親局１００および他の端末１１１〜１１８との間で互いに経路選択用パケットを送受信し、受信感度の高い経路を選択して最適な通信路を確立し（ステップＳ４１）、記憶する。図６に示す各端末１１１〜１１８と親局１００との接続関係は、こうして確立された最適な通信路を表している。親局１００は、各端末１１１〜１１８が選択した最適な通信路を記憶し、制御局１０に通知する。

次に、制御局１０は、無線通信システム１Ｂのサービスエリアを複数のエリアに分割する。分割の方法としては、例えば等面積に分割することが考えられる。図６には、サービスエリアが４つのエリアＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに分割された様子を示している。ここで、エリアＡに端末１１１，１１４，１１５，１１７が、エリアＢに端末１１２が、エリアＣに端末１１３，１１６が、エリアＤに端末１１８がそれぞれ属している。

制御局１０は、各エリアＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄにエンド端末が配置されているか否かを判断し（ステップＳ４３）、配置されていればステップＳ４５へ移行する。一方、制御局１０は、各エリアＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄにエンド端末が配置されていなければ、該当する端末に通信経路を変更させる（ステップＳ４４）。図６の例では、エリアＣにエンド端末が配置されていない。そこで、制御局１０は、エリアＣの端末１１６がエンド端末となるよう、端末１１６の下位の端末１１８に対して親局１００との接続経路の変更を指示する。図７は、制御局１０の変更指示に従い、端末１１８が接続先を端末１１６から親局１００に変更した例を示している。但し、これは一例であり、端末１１８を他のエリアＡ，Ｂ，Ｄのエンド端末でない端末に接続してもよいし、エリアＤの端末１１６以外の端末、すなわち端末１１３に接続しても良い。

次に、制御局１０は各エリアに周波数監視エンド端末を指定する（ステップＳ４５）。図７の例では、エリアＡにおいて端末１１７を、エリアＢにおいて端末１１２を、エリアＣにおいて端末１１６を、エリアＤにおいて端末１１８を、周波数監視エンド端末に指定することができる。このように、各エリアに１つずつ周波数監視エンド端末を設けることによって、周波数監視エンド端末の配置に地理的な偏りがなるべく生じないようにすることができる。なお、エリアＡには端末１１４，１１７と２つのエンド端末があるので、そのうちいずれを周波数監視エンド端末にしても良い。また、両方を周波数監視エンド端末としても良いが、エリアごとの周波数監視エンド端末の数を揃えることにより、エリアごとに周波数監視の公平性を持たせることができる。つまり、エリア内の周波数監視エンド端末の数を増やすほど周波数監視の精度が向上するが、エリアごとの周波数監視エンド端末の数を揃えることにより、周波数監視の精度をエリア間で均一にすることができる。

自周波数の移動処理については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

＜Ｂ−３．効果＞
以上に説明したように、実施の形態２に係る無線通信システム１Ｂによれば、制御局１０は、無線通信システム１Ｂのサービスエリアを複数のエリアに分割し、各エリア内の少なくとも１つのエンド端末を周波数監視エンド端末とする。従って、周波数監視エンド端末を各エリアに万遍なく配置し、周波数監視の地理的な偏りを少なくすることによって、周波数の空き状況を精度よく監視することができる。

また、無線通信システム１Ｂにおいて、制御局１０は、エンド端末が存在しないエリア内の端末と接続する他のエリア内の端末に、親局１００との接続経路を変更させる。このように、各エリア内にエンド端末が存在しない場合でも、接続経路の変更によって各エリア内にエンド端末を配置することによって、周波数監視エンド端末を各エリアに万遍なく配置し、周波数監視の地理的な偏りを少なくすることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１Ａ，１Ｂ無線通信システム、１０制御局、１００親局、１１１〜１１８端末。

Claims

マルチホップ通信を行う無線通信システムであって、
複数の端末と、
前記無線通信システムの使用周波数を決定する制御局と、
前記複数の端末と前記制御局との間に接続される親局と、を備え、
前記複数の端末の一部は、少なくとも１つの他の前記端末を経由して前記親局と無線接続され、
前記複数の端末のうち前記親局との接続関係において末端に位置するエンド端末の少なくとも一部の周波数監視エンド端末は、前記使用周波数および他の周波数の空き状況を監視して前記制御局へ送信し、
前記制御局は、前記周波数監視エンド端末から受信した前記使用周波数および他の周波数の空き状況に基づき前記使用周波数を決定する、
無線通信システム。
前記制御局は、前記無線通信システムのサービスエリアを複数のエリアに分割し、
前記周波数監視エンド端末は、各前記エリア内の少なくとも１つの前記エンド端末である、
請求項１に記載の無線通信システム。
前記制御局は、前記エンド端末が存在しないエリア内の前記端末と接続する他のエリア内の前記端末に、前記親局との接続経路を変更させる、
請求項２に記載の無線通信システム。