JP7104851B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システムに係り、特にそのネットワーク管理技術に関する。

現状の無線通信（データリンク）システムにおいては、時分割多重化技術によりネットワークのスロット割り当てを管理する親局が存在し、ネットワークを維持・管理するためのメッセージを定期的に送信している。子局は親局の出すメッセージを解析することで、決められたデータ交換用スロットで親局が管理するネットワークへの加入に必要なメッセージを送信することができ、ネットワークへ加入することで初めてユーザデータの送受信が可能となる。子局は親局のネットワークに加入するには、親局とのメッセージ交換が必須であり、データ容量の少ないメッセージ交換ではあるが、複数のスロットを使用する必要がある。関連する先行技術文献として、例えば特許文献１がある。

特開２００１－２６８０８３号公報

上述のような無線通信システムにおいては、ネットワークを維持・管理をするためのスロット割り当てを増やすことで、子局は親局が管理するネットワークへ加入しやすくなるが、ユーザが送受信できるデータ交換用スロットが少なくなる。反対に、ネットワークを維持・管理するためのスロットを少なくすると、例えば多くの子局が存在する場合には、子局は親局のネットワークへの加入に大きな遅延が生じる。また親局が定期的に送信するネットワーク維持・管理するためのメッセージは、周期性があるため傍受されやすく、また暗号化もされていない場合もあり、秘匿性が問題となる場合もある。

本発明の目的は、上記の課題を解決するため、ネットワークを維持・管理をするためのスロット割り当てを不要とし、更に秘匿性を向上させることが可能な無線通信システムを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明においては、親局と子局が存在する無線通信システムであって、親局が子局との間のデータ交換用スロットにおいてネットワークの維持・管理を行う構成の無線通信システムを提供する。

本発明によれば、親局がネットワークを維持・管理するためのメッセージを定期的に専用のスロットを用いて送信する必要がなくなり、親局と子局でのデータ交換用スロットで、子局は親局のメッセージを確認することができる。

親局が存在するデータリンクの無線通信システムの基本構成を示す図。 ネットワーク管理用スロット割り当てを説明するための図。 実施例１に係る、送信側の階層多重を実現する構成する一例を示す図。 実施例１に係り、受信側の階層多重を実現する構成する一例を示す図。 実施例１に係り、階層多重化をしたネットワーク管理用スロット割り当てを説明するための図。 実施例１に係り、階層多重化による上位層と下位層の階層イメージを示す図。 実施例１に係る、送信側の階層多重を実現する構成する他の例を示す図。 実施例１に係り、送信側のC1/C2によって決定される誤り率特性の一例を示す図。

以下、本発明を実施するための形態を図面に従い順次説明するが、それに先立ち図１を使って、親局が存在するデータリンクのネットワーク（無線通信システム）の基本構成を説明する。
同図に示すように、親局101が運用するネットワーク運用範囲100には、親局101と複数の子局102が存在する。車両や人などの移動体である子局102は、その移動によりネットワークへの加入、離脱を行う。親局101は、時分割多重によりネットワークのスロット割り当てを管理し、ネットワークを維持・管理するためのメッセージを定期的に送信する。

図２は、このようなネットワークのネットワーク管理用スロット割り当てを説明するための図である。従来、ネットワーク管理用のデータを交換する場合、図２に示すような時分割多重や周波数分割多重によって完全に割り当てられたスロット200を使用している。

子局102は親局101の出す図２に示すようなメッセージを解析することで、決められたデータ交換用スロットで親局101が管理するネットワークへの加入に必要なメッセージを送信することができ、ネットワークへ加入することで初めてユーザデータの送受信が可能となる。このように子局102は親局101のネットワークに加入するには、親局101とのメッセージ交換が必須であり、データ容量の少ないメッセージ交換ではあるが、複数のスロットを使用する必要がある。

本実施例は、親局と子局が存在し、親局が子局との間のデータ交換用スロットにおいてネットワークの維持・管理を行う無線通信システムの実施例である。

図３、図４に、本実施例の無線通信システムにおける、階層多重を用いた送受信機の一構成例を示す。図３の送信機300、図４の受信機400では、一例として直交周波数分割多重（OFDM）信号による階層多重の方法を示しており、シングルキャリアとしても同様に動作する。

図３に示すように、本実施例の送信機300では、信号処理部301の変調処理により、高電力階層である上位層(Upper側)のデータ(Upper Data)と、低電力階層である下位層(Lower)のデータ(Lower Data)をそれぞれマッピング(MAP)し、逆高速フーリエ変換(IFFT)し、下位層のみデジタル処理によるレベル調整後、加算器で加算することで階層多重化した信号を生成する。

本実施例の階層多重化されたデータ交換用スロットにおいては、好適には上位層をネットワーク管理データとし、下位層をユーザデータとする。これは、データリンクにユーザが参加する前に、ネットワーク管理用スロットを復調する必要があり、ネットワーク管理用スロットを下位層にすると、上位層のユーザデータ用スロットを復調し、上位層の信号を除去しない限り、下位層のネットワーク管理用スロットは正しく復調ができないからである。ただし、予め決められたルールによってあえて下位層をネットワーク管理スロットとすることも可能である。

また上記の構成において、下位層のユーザデータの帯域幅を可変にすることで、ユーザデータの伝送容量を可変することができる。すなわち、データ交換用スロットにおいて、上位層をネットワーク管理データとし、下位層の帯域幅を可変にすることで、ユーザデータの伝送容量を可変する。更に、上位層のネットワーク管理データの帯域幅も可変にできる。

本構成の階層多重化されたデータ交換用スロットにあっては、上位層から見ると下位層はノイズに見えるため、上位層のレベルをコントロールし、上位層のC1/C2を確保することができる。ここで、図４の受信階層データ402に示すように、C1は上位層のネットワーク管理データの電力レベルを、C2は下位層のユーザデータの電力レベルを示す。このようにコントロールしたC1/C2によって、後で図８を用いて説明するように、受信機400側でのデータの誤り率が決まる。図３の信号処理部301の演算器で加算した信号は、レート変換後、ディジタルアナログ変換(DAC)し、シンセサイザを経由し、増幅してからアンテナで送信する。

本実施例のデータ交換用スロットにおいて、下位層の電力レベルC2を可変にすることで、上位層のネットワーク管理データを意図的に悪化させ、言いかえるならネットワーク管理データのC1/C2を悪化させて、運用できる範囲を狭くすることができる。このようにネットワーク管理データを悪化させることによる操作には、図３の信号処理部301の下位層のIFFT出力のレベルを調整するレベル調整回路を利用する。例えば、C2の電力レベルを上げて、C1の電力レベルを下げることで、上位層に不要な信号である下位層のユーザデータが重畳されて、上位層を正しく復調することが難しくなるため、結果として上位層のネットワーク管理データの秘匿性を高めることができる。

図４に示す本実施例の受信機400では、アンテナで受信した送信機300からの信号を、前処理した後、復調処理を行う信号処理部401に入力する。同図に示すように、受信した階層データの復調処理を行うことにより、ネットワーク管理データである上位層データと、ユーザデータである下位層データが復調される。同図に信号処理部401の復調処理中の演算機の入出力信号を模式的に示した。すなわち、受信機400の信号処理部401では、受信した信号である階層データから、まず上位層を復調し、その後、上位層のデータ信号を再度変調することで、上位層のみの変調波形を生成する。そして、元の信号である上位層の信号と下位層の信号を含んだ信号と、上位層の信号との差分を取ることで、下位層の信号だけが残り、下位層の復調可能となる。

図５に示すように、本実施例の階層多重化技術を用いて、親局が送信する親局送信スロット500の上位層にネットワーク管理用のデータを乗せて送信し、ユーザデータを下位層に乗せることで、すべての子局は上位層のデータを復調することで、ネットワーク管理用のメッセージを受信することができ、また下位層に乗っているメッセージにおいても、必要に応じて復調することでメッセージを受信できる。このように、従来は固定にネットワーク管理用のスロットを割り当てていたものが不要になる。

図６の構成〇１～構成〇４に本実施例の階層多重化による上位層と下位層の階層イメージの種々の形態を示した。同図に示すように、上位層と下位層の送信波形の利用により、C1/C2、帯域幅、階層数、及びネットワーク管理データかユーザデータをどの層に配置するか等を柔軟に決めることができる。同図の構成〇１では、二層の上位層のネットワーク管理データと下位層のユーザデータは、同じ帯域幅を有しているのに対し、構成〇２では、下位層のユーザデータが、構成〇３では、上位層のネットワーク管理データの帯域幅が広くなっている。同図の構成〇２に示すように、上位層よりも下位層の方の帯域を広くすることで、親局から子局への送信するデータ量に応じて帯域を可変にすることができ、複数のスロット割り当てをしなくても単一のスロットでユーザデータの送信が可能になる。反対に同図の構成〇３に示すように上位層の方が下位層よりも帯域を広くすることも可能である。

また、同図の構成〇４に示すように、階層多重する層数も二層に限らず、三層以上の可変にすることができ、三層構造においては、まずは上位層１を除去し、その次に上位層２を除去することで、下位層のユーザデータを復調することができる。このように、複数の階層にデータを乗せることができるため、重要なデータをある層に乗せ、その他の層には、妨害データとなるダミーデータを乗せることが可能であり、通信の秘匿性を確保することができる。そもそも受信機側でどの程度の階層になっているか判別する手段はなく、階層多重化することが秘匿性向上につながる。すなわち、三層以上の多層にすることで、ネットワーク管理データやユーザデータなどのデータを、必要に応じてより高度に秘匿することができる。

図７は、三層構造による階層多重化を実現するための、送信機700の一構成例を示す。同図に示すように、信号処理部701は、上位層１データ、上位層２データ、下位層データに対応する回路ブロックをそれぞれ備える。この構成において、どの層にユーザデータを乗せるか、どの層にネットワーク管理用スロットを乗せるかは、レベル調整によって自由に変更できる。このように上位層と下位層の二層のみならず、三層以上の多層にすることで必要なデータを秘匿することができ、また、上位層と下位層にネットワーク管理データかユーザデータを柔軟に変更し、データ交換用スロットで送受信するネットワーク管理データ、あるいはユーザデータを必要に応じて秘匿することができる。

図８に本実施例の無線通信システムにおける誤り率の特性イメージを示した。同図において、横軸はC1/C2を、縦軸は誤り率を示す。上述したように、送信側のC/Nレベル(C1/C2
)の調整によって、受信側の誤り率カーブ800が決まる。同図に示すように、C1/C2、すなわちユーザデータに対するネッワーク管理データの電力比率を所定値以上に上げても誤り率は改善しなくなる。このように、C1/C2のレベル次第では、フロアが上がることもあれば、エラーフリーとなる場合もあるので、運用上、レベルを適宜変更したり、或いは予め決めた値を設定するよう構成しても良い。

以上説明した通り、本発明によれば、親局がネットワークを維持・管理するためのメッセージを定期的に送信する必要がなくなり、親局と子局でのデータ交換用スロットで、他の子局は親局のメッセージを確認することができる。更に、階層多重により秘匿性を向上させることができる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、上述した各構成、機能、信号処理部等は、それらの一部又は全部を実現する集積回路等のハードウェアで実現する場合を中心に説明したが、それらの一部又は全部を実行するプログラムを作成して実現してもよいことはいうまでない。

更に、本明細書は、特許請求の範囲に記載した無線通信システムの発明以外の種々の発明を開示しているが、その一つは、送信機と受信機を用いた無線通信システムであって、送信機は、複数の変調波形を生成し、生成した各変調波形の所望の変調波形にネットワーク管理データを、他方に所望のユーザデータを挿入し、多重化して送信し、受信機は、受信した前記変調波形うちの所定の１つを復調し、当該復調した信号を再度変調し、受信した前記変調波形の全体より差分をとり、復調した前記変調波形の他の変調波形を復調することで、当該変調波形より所望のデータを復調する構成の無線通信システムである。これにより、複数の変調波形に挿入されたネットワーク管理データ、ユーザデータを多重化通信することが可能となる。

本発明の実施の形態によれば、ネットワークを維持・管理をするためのスロット割り当てを不要とし、更に秘匿性を向上させることが可能な無線通信システムに利用可能である。この出願は、２０１９年３月１５日に出願された日本出願特願２０１９－０４９１５２を基礎として優先権の利益を主張するものであり、その開示の全てを引用によってここに取り込む。

100 ネットワーク運用範囲101 親局102 子局200 スロット300、700 送信機400 受信機301、401、701 信号処理部402 受信階層データ500 親局送信スロット600 階層データ800 誤り率カーブ

Claims (4)

1. 親局と子局が存在する無線通信システムであって、
   前記親局が前記子局との間のデータ交換用スロットにおいてネットワークの維持・管理を行い、
   前記データ交換用スロットは、電力方向に二層の階層多重構造を有し、前記二層のうちの一方の層をネットワーク管理データとし、他方の層をユーザデータとし、
   前記データ交換用スロットにおいて、前記階層多重構造の上位層をネットワーク管理データとし、下位層をユーザデータとするとともに、前記下位層の電力レベルを可変にすることで、前記ネットワーク管理データの搬送波電力対雑音電力比を変更する、
   ことを特徴とする無線通信システム。
   
2. 請求項１に記載の無線通信システムであって、
   前記ユーザデータの帯域幅、あるいは前記ネットワーク管理データの帯域幅を可変にする、
   ことを特徴とする無線通信システム。
3. 親局と子局が存在する無線通信システムであって、
   前記親局が前記子局との間のデータ交換用スロットにおいてネットワークの維持・管理を行い、
   前記データ交換用スロットは、電力方向に三層以上の階層多重構造を有し、前記データ交換用スロットで送受信するネットワーク管理データ、あるいはユーザデータを秘匿する、
   ことを特徴とする無線通信システム。
4. 請求項３に記載の無線通信システムであって、
   前記ユーザデータの帯域幅、あるいは前記ネットワーク管理データの帯域幅を可変にする、
   ことを特徴とする無線通信システム。

Images