JP7315198B2 - 無線通信システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が送信されるゲートウェイとを有する無線通信システム及び方法に関するものである。

近年において、IoT（Internet of Things）の普及に伴い必要なデバイス（各種IoTセンサや無線通信端末等）が増加し、デバイス間の信号伝送がますます複雑になってきている。このような背景の下で、低消費電力、低電送レートで、しかも通信範囲を広域にわたりカバー可能な特定小電力無線（LPWA）技術が近年において広く注目されている。このLPWAは、セットアップに必要な労力も低く、メンテナンス費用も安価であることから、スマートシティ、スマートファクトリー、スマート農業等への適用にも期待されている。

中でもLoRa技術を活用したスター型トポロジーのLoRaシステムは、伝送レートを追求することなく、低消費電力で広いエリアをカバーする無線通信方式である。LoRaシステムにおいて各デバイスからゲートウェイ（基地局）に向けて信号を送信する上りデータ通信において通信を最適化する研究が従来より行われている。上りデータ通信において使用されるパラメータの一つとして、拡散コードサイズとしてのSF（Spreading Factor）がある。このSFを上りデータ通信を試みる各デバイスに割り当てることにより、通信性能をコントロールすることができる。このSFの大きさｘをより大きく設定することにより、チャネルの状況が良くない場合においても無線通信を行うことが可能となる。しかしながら、このSFを大きく設定すると逆にビットレートが低くなってしまうことになる。またSFを大きく設定すると、シンボル長（Symbol Time）が長くなってしまい、通信衝突を起こす可能性が高くなる。逆にSFの大きさｘをより小さく設定することにより、チャネルの状況が良くない場合において無線通信が実現できなくなる決定はあるが、ビットレートが高くなり、シンボル長を短くすることで通信衝突の可能性を低くすることができる。

このようなSFの大きさｘの大小に伴う利点と欠点を考慮しながら、各デバイスにSFを設定する従来技術が各種提案されている。非特許文献１には、事前に決めたルックアップテーブルを使用し、各デバイスからゲートウェイへの受信信号強度（RSSI）に基づいて各デバイスにSFを設定する技術が提案されている。

しかしながら、この非特許文献１の開示技術によれば、ゲートウェイからの距離が同程度のデバイスが数多く存在する場合には、これらの各デバイスはほぼ類似のRSSIを示すこととなる。このようなケースにおいてRSSIに基づいて各デバイスにSFの大きさを割り当ててしまうと、このようなゲートウェイからの距離が同程度のデバイスに同じSFの大きさになってしまい、通信衝突が発生する可能性が高くなってしまうという問題点があった。

また非特許文献２には、肯定応答／否定応答（ACK／NAK）メッセージに基づいて各デバイスにSFを割り当てる方法が提案されている。この非特許文献２の開示技術では、デバイスとゲートウェイ間において実行されるACK／NAKメッセージを読み取り、仮に連続してNAKが連続する場合には、通信状況があまりよくないことを判別し、SFの大きさを大きく設定しなおす等の処理動作を実行するものである。しかし、この非特許文献２による開示技術によれば、例えば３回連続してNAKが出た場合に、SFの再調整を行うことをルール化した場合、「NAK－NAK－ACK－ NAK－NAK－ACK、・・・」等のように、２階連続してNAKが出た後に３回目にACKが出た場合は、平均してみればNAKの割合が高く、通信状況が決して良いものとは言えない場合であっても、SFの再調整が行われなくなるという問題点があった。

LoRaWAN 1.1 Specification, LoRa Alliance, Inc., 2017. M. Slabicki, G. Premsankar, and M. D. Francesco, "Adaptive Configuration of LoRa Networks for Dense IoT Deployments," IEEE/IFIP Network Operations and Management Symposium, Taipei, Taiwan, July 2018.

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が送信されるゲートウェイとを有する無線通信システム及び方法において、通信性能をコントロールするSFを各デバイスに割り当てた後で通信衝突が発生する可能性をより低くすることができ、しかも各デバイスの通信状況をより高精度に判別することで、上述したSFの割り当てをより好適に実現することが可能な無線通信システム及び方法を提案することにある。

第１発明に係る無線通信システムは、複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が上りデータ通信されるゲートウェイとからなる無線通信ネットワークを有する無線通信システムにおいて、上記上りデータ通信を行う場合に、上記無線通信ネットワーク内における全てのデバイスについて、それぞれ拡散コードサイズとしてのSF（Spreading Factor）の大きさxを割り当てる割当制御手段を備え、上記割当制御手段は、上記無線通信ネットワーク内におけるデバイスの総数N_jと使用するSFの大きさxの種類とに基づいて、SFの大きさx毎に設定される許容割当数N_SFxを求めると共に、上記各デバイスから上記ゲートウェイへの受信信号強度（RSSI）と、肯定応答／否定応答（ACK／NAK）メッセージに基づくパケットエラーレート（PER）とに応じた優先順位を上記各デバイスに付し、上記各デバイスをその付された上記優先順位の昇順に、上記SFの大きさxが小さい方から当該SFの大きさx毎に設定された許容割当数N_SFxを満たすまで、割り当て、上記割当制御手段は、SFの大きさx毎に設定される上記許容割当数NSFxを、各SF間において、N _SFx ×STxが互いに等しくなるように設定すること（STx：各SFの大きさx毎に設定されたシンボル長）を特徴とする。

第２発明に係る無線通信システムは、複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が上りデータ通信されるゲートウェイとからなる無線通信ネットワークを有する無線通信システムにおいて、上記上りデータ通信を行う場合に、上記無線通信ネットワーク内における全てのデバイスについて、それぞれ拡散コードサイズとしてのSF（Spreading Factor）の大きさxを割り当てる割当制御手段を備え、上記割当制御手段は、上記無線通信ネットワーク内におけるデバイスの総数N _j と使用するSFの大きさxの種類とに基づいて、SFの大きさx毎に設定される許容割当数N _SFx を求めると共に、上記各デバイスから上記ゲートウェイへの受信信号強度（RSSI）と、肯定応答／否定応答（ACK／NAK）メッセージに基づくパケットエラーレート（PER）とに応じた優先順位を上記各デバイスに付し、上記各デバイスをその付された上記優先順位の昇順に、上記SFの大きさxが小さい方から当該SFの大きさx毎に設定された許容割当数N _SFx を満たすまで、割り当て、上記割当制御手段は、SFの大きさx毎に設定される上記許容割当数N_SFxを以下の式に基づいて求めること
許容割当数N_SFx=Ceil[N_j×1/[2^x/(1/2^SFmin+1/2^SFmin+1,・・,1/2^SFmax)]]・・・・（式）
SFmin：使用するSFの大きさxの種類における最小のＳＦの大きさ
SFmax：使用するSFの大きさxの種類における最小のＳＦの大きさ
を特徴とする。

第３発明に係る無線通信システムは、複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が上りデータ通信されるゲートウェイとからなる無線通信ネットワークを有する無線通信システムにおいて、上記上りデータ通信を行う場合に、上記無線通信ネットワーク内における全てのデバイスについて、それぞれ拡散コードサイズとしてのSF（Spreading Factor）の大きさxを割り当てる割当制御手段を備え、上記割当制御手段は、上記無線通信ネットワーク内におけるデバイスの総数N _j と使用するSFの大きさxの種類とに基づいて、SFの大きさx毎に設定される許容割当数N _SFx を求めると共に、上記各デバイスから上記ゲートウェイへの受信信号強度（RSSI）と、肯定応答／否定応答（ACK／NAK）メッセージに基づくパケットエラーレート（PER）とに応じた優先順位を上記各デバイスに付し、上記各デバイスをその付された上記優先順位の昇順に、上記SFの大きさxが小さい方から当該SFの大きさx毎に設定された許容割当数N _SFx を満たすまで、割り当て、上記割当制御手段は、N_SFxの総数（ΣN_SFx）＞N_jである場合には、各SF間で、N_SFx×STxが互いに等しくなるようにし、ΣN_SFx＝N_jを満たし、かつ少なくとも各SFにおいてN_SFx≧１となるように、各SFのN_SFxを再調整することを特徴とする。

第４発明に係る無線通信システムは、第１発明又は第２発明において、N_SFx×STxを各SFの大きさx毎に求め、当該N_SFx×STxの値が大きいSFの大きさｘから順にN_SFxを減らすこと
（STx：各SFの大きさx毎に設定されたシンボル長）
を特徴とする。

第５発明に係る無線通信システムは、複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が上りデータ通信されるゲートウェイとからなる無線通信ネットワークを有する無線通信システムにおいて、上記上りデータ通信を行う場合に、上記無線通信ネットワーク内における全てのデバイスについて、それぞれ拡散コードサイズとしてのSF（Spreading Factor）の大きさxを割り当てる割当制御手段を備え、上記割当制御手段は、上記無線通信ネットワーク内におけるデバイスの総数N _j と使用するSFの大きさxの種類とに基づいて、SFの大きさx毎に設定される許容割当数N _SFx を求めると共に、上記各デバイスから上記ゲートウェイへの受信信号強度（RSSI）と、肯定応答／否定応答（ACK／NAK）メッセージに基づくパケットエラーレート（PER）とに応じた優先順位を上記各デバイスに付し、上記各デバイスをその付された上記優先順位の昇順に、上記SFの大きさxが小さい方から当該SFの大きさx毎に設定された許容割当数N _SFx を満たすまで、割り当て、上記割当制御手段は、パケットエラーレート（PER）について、（ACK／NAK）メッセージの重み付けを直近になるほど重くした(Accumulated PER)により求めることを特徴とする。

上述した構成からなる本発明によれば、通信性能をコントロールするSFを各デバイスに割り当てた後で通信衝突が発生する可能性をより低くすることができ、しかも各デバイスの通信状況をより高精度に判別することで、上述したSFの割り当てをより好適に実現することが可能となる。

本発明を適用した無線通信システムの構成例を示す図である。 本発明を適用した無線通信システムにおいて、SFを割り当てる処理動作フローを示す図である。 Accumulated PERの概念を説明するための図である。 SFxの大きさxについて７～１１の種類で構成する場合、このSF7～SF11の許容割当数N_SFxを設定する例を示す図である。 ΣN_SFx＝７であり、N_j＝５である場合におけるSFの割り当て例を示す図である。 本発明を適用した無線通信システムの実施例について説明するための図である。

以下、本発明を適用した無線通信システムを実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明を適用した無線通信システム１は、図１に示すようにゲートウェイ（ＧＷ）２と、デバイス３とを備えている。無線通信システム１は、ゲートウェイ２と、デバイス３との間で、互いに信号を送受信することにより双方向に無線通信可能に構成されている。無線通信システム１は、例えば、LoRa技術を活用したスター型トポロジーのLoRaWAN（LoRa Wide Area Network）に基づいて無線通信を行う。この無線通信システム１は、これらの無線通信規格に限定されるものではなく、通信範囲を広域にわたりカバー可能な他の特定小電力無線（LPWA）のシステムにも適用可能である。また、無線通信システム１は、他のいかなる無線通信システムに対しても適用可能である。

無線通信システム１は、図示の例では、そのネットワーク構成が１対複数のスター型であるものを例示している。無線通信システム１は、この他にも、ツリー型、メッシュ型等のいかなるネットワーク構成でもよい。

ゲートウェイ２は、いわゆる基地局としての役割を担うものであり、無線通信ネットワーク内のデバイス３との間において無線アクセスポイントとしての役割を果たし、インターネット等を始めとした公衆通信網との間においてインターフェースとしての役割を果たすものである。即ち、ゲートウェイ２は、これを介してデバイス３がインターネット等を始めとした公衆通信網との間で信号の送受信を行うことを可能とするための中継手段を担うものである。

デバイス３は、例えば、センサ端末、リモートコントローラ、携帯電話機、スマートフォン、ウェアラブル端末、タブレット型端末、ＰＣ、その他電子機器である。このデバイス３は、ゲートウェイ２に対して信号を無線通信により送信する。以下、このデバイス３からゲートウェイ２側に対して信号を送信することを上りデータ送信という。またゲートウェイ２からデバイス３側に対して信号を送信することを下りデータ送信という。

無線通信システム１では、上りデータ通信、下りデータ通信の両方が行われることが前提であるが、本発明においては、これらのうち上りデータ通信に着目したものである。

次に、本発明を適用した無線通信システム１の動作について説明をする。本発明においては、デバイス３からゲートウェイ２へ上りデータ通信を行う場合において、無線通信ネットワーク内における全てのデバイス３について、それぞれ拡散コードサイズとしてのSF（Spreading Factor）の大きさxを割り当てることが前提となる。ここでいうSFを、上りデータ通信を試みる各デバイス３に割り当てることにより、通信性能をコントロールすることができる。このSFの大きさｘをより大きく設定することにより、チャネルの状況が良くない場合においても無線通信を行うことが可能となるが、逆にビットレートが低くなり、またシンボル長（Symbol Time）も長くなり、通信衝突を起こす可能性が高くなる。逆にSFの大きさｘをより小さく設定することにより、チャネルの状況が良くない場合において無線通信が実現できなくなる決定はあるが、ビットレートが高くなり、シンボル長を短くすることで通信衝突の可能性を低くすることができる。本発明においては、各デバイス３の通信状況を高精度に把握し、SFの大きさｘの大小に伴う利点と欠点を考慮しながら、各デバイス３に最適なSFを設定する。

図２は、このSFを割り当てる処理動作フローを示している。先ずステップＳ１１においてゲートウェイ２の配下にある無線通信ネットワーク内の全てのデバイス３に対してイニシャライズを実行する。このイニシャライズを通じてシステムの動作前に、各デバイス３のPERがまだカウントされない段階において、先ずはRSSIのみに基づいてSFを配置する。また、このイニシャライズを実行する過程で、各デバイス３からゲートウェイ２への受信信号強度（RSSI）を測定する（ステップＳ１２）。

次にステップＳ１３へ移行し、上りデータ通信を実際に開始する段階になった場合には、ステップＳ１３-Ｓ１４の段階でシステム内の全デバイス３について順番に上りデータ通信の有無を確認する。そして、上り通信が存在していた場合には、ステップＳ１４からステップＳ１５に移行し、上りデータ通信を受信する。またＳ１６においてAccumulated PERを求める。このAccumulated PERは、パケットエラーレート（PER）について、肯定応答／否定応答（ACK／NAK）メッセージの重み付けを直近になるほど重くしたものである。図３は、このAccumulated PERの概念を説明するための図である。図３は、あるデバイス３について、ACK／NAKメッセージの過去から現在に至るまでの履歴を示したものである。当該デバイス３がゲートウェイ２に対して通信可能な否かのリクエストを行い、ゲートウェイ２からACK又は、NAKをもらうことで通信可能か否かをデバイス３側が判断することができる。本発明においては、ACK／NAKメッセージの過去から現在に至るまでの履歴を取得し、その期間におけるACK、NAKの割合に基づいたパケットエラーレート（PER）を求めていくことになる。このとき、Accumulated PERを求める上では、図３に示すようにACK／NAKメッセージの重み付けを現在から直近になるほど重くして計算を行う。つまり、現在から直近になるほど、重み付けの重さが重くなっており、現在から過去に向けて時間間隔が空くほど重み付けの重さが軽くなっている。現在から直近の時間帯においてACKの割合が高ければその分において重み付けが重くなり、Accumulated PERがより低くなる。また、現在から直近の時間帯においてNAKの割合が高ければその分において重み付けが重くなり、Accumulated PERがより高くなる。一方、現在から時間間隔が空いた過去においてACKの割合が高くても、重み付けが軽いことから、Accumulated PERが僅かに低くなるもののそれほど大きな影響は及ぼさない。同様に、現在から時間間隔が空いた過去においてNAKの割合が高くても、重み付けが軽いことから、Accumulated PERが僅かに高くなるもののそれほど大きな影響は及ぼさない。

この Accumulated PERにおける重み付けは、通信状況によって重み付けそのものを変更するものであってもよい。例えば、デバイス３が移動端末の場合、通信状況が平穏である場合が多いのであれば、直近の３つの（ACK／NAK）メッセージの重みづけを重くするようにしてもよい。また、通信状況の変化が激しい環境下では、直近１０つのACK／NAKメッセージの重み付けを重くするようにしてもよい。かかる場合には、通信状況を識別した上で、これに基づいてAccumulated PERにおける重み付けを変化させるようにしてもよい。

ステップＳ１６では、このようにしてAccumulated PERを算出するが、これに限定されるものではなく、重み付けを過去から現在に至るまであえて均一化し、単にその期間内におけるACK、NAKの割合からなる通常のパケットエラーレート（PER）を算出するようにしてもよい。以下においてステップＳ１６においてAccumulated PERを算出した場合を例に取り説明をするが、このステップＳ１６においてPERを求めた場合には、以下の説明におけるAccumulated PERをPERに読み替えるものとする。

ステップＳ１７に移行し、Accumulated PER＞閾値の条件を満たすか否かの判別を行う。この閾値は、Accumulated PERから、デバイス３がゲートウェイ２に向けて上りデータ通信を行う上でSFの再割当を行うことで通信環境の調整を行うべきか否かを判断するためのものであり、システム側、ユーザ側においてそれぞれ改変可能とされていてもよい。Accumulated PER≦閾値である場合には、特に通信環境が良好であることから、SFの割り当てを行う必要が無いものと判断し、ステップＳ１３に戻ってそのまま上りデータ通信を行う。一方、Accumulated PER＞閾値である場合には、通信環境があまり良好でないことから、SFの割り当てを行う必要があるものと判断し、ステップＳ１８にへ移行する。

ステップＳ１８へ移行した場合には、無線通信ネットワーク内における全てのデバイス３について、それぞれ拡散コードサイズとしてのSF（Spreading Factor）の大きさxの割り当てを行う。かかる場合には、SFの大きさx毎に許容割当数N_SFxを設定する作業を、このステップＳ１８において行う。

図４は、SFxの大きさxについて７～１１の種類で構成する場合、このSF7～SF11の許容割当数N_SFxを設定する例を示している。許容割当数N_SFxは、ゲートウェイ２を中心とする無線通信ネットワーク内におけるデバイス３の総数N_jと、使用するSFの大きさxの種類とに基づいて決定する。図４の例では、N_jが３１で構成されており、使用するSFの大きさxの種類がSF7～SF11とされている場合の例である。

特にSFにおけるｘの値が大きいもの（SF10,SF11等）は、シンボル長が長いことから、これに数多くのデバイス３を割り当てると、これらの間で通信衝突を引き起こす可能性が高くなる。SFにおけるｘの値を大きくすることで、通信状況の芳しくないデバイス３については、状況改善につながることもある。このため、SFにおけるｘの値がより大きいものについては、通信状況が芳しくない、デバイス３のみを選りすぐって割り当てることとし、この通信状況がそれほど悪くないデバイス３は割り当てないようにすることで、その許容割当数N_SFxを極力小さく抑える。

一方、SFにおけるｘの値が小さいもの（SF7,SF8等）は、シンボル長が短いことから、これに数多くのデバイス３を割り当てても、これらの間で通信衝突を引き起こす可能性が高くなることは無い。このため、SFにおけるｘの値が小さいもの（SF7,SF8等）はその許容割当数N_SFxを大きく設定し、SFにおけるｘを小さくしても特段問題が生じない通信環境の優れたデバイス３を数多く割り当てる。

図４では、SFにおける大きさｘが７である許容割当数N_SF7については１６を設定し、SFにおける大きさｘが８である許容割当数N_SF8については８を設定し、SFにおける大きさｘが９である許容割当数N_SF9については４を設定し、SFにおける大きさｘが１０である許容割当数N_SF10については２を設定し、SFにおける大きさｘが１１である許容割当数N_SF11については１を設定している。

図４において横軸は、シンボル長を示しており、SFにおける大きさｘが大きくなるほどシンボル長が長くなり、SFにおける大きさｘが小さくなるほどシンボル長が短くなるように設定されている。ここでSTxを各SFの大きさx毎に設定されたシンボル長とするとき、SFの大きさx毎に設定される許容割当数N_SFxを、各SFの大きさx間において、N_SFx×STxが互いに等しくなるように設定されていてもよい。xが７と１１について比較したときに、N_SF7は１６、N_SF11は１であるが、ST7はST11の1/１６の長さであるから、N_SF7×ST7と、N_SF11×ST11は互いに等しくなる。逆にSTx(ST7 、ST11)が既知であれば、N_SFx×STxが互いに等しくなるようにN_SFxをそれぞれのｘ毎に求めるようにしてもよい。

次にステップＳ２０へ移行し、ΣN_SFx＝N_jであるか否かを判別する。ここでいうΣN_SFxは、SFの大きさx毎に設定される許容割当数N_SFxについて、全てのｘについての合計値を示している。ΣN_SFx＝N_jである場合には、ステップＳ２２へ移行する。一方、ΣN_SFx＝N_jでない場合には、ステップＳ２１へ移行する。

ステップＳ２２へ移行した場合には、各デバイス３にSFの大きさxを割り当てる。このとき、デバイス３に優先順位というインデックス番号を付すことを行う。この優先順位は、そのデバイス３の通信環境が優れているほど高くなり、そのデバイス３の通信環境が悪化するほど低く。その通信環境を、RSSIとAccumulated PERから各デバイス３毎に求め、通信環境の優れているデバイス３から優先順位を上から昇順に付すことになる。

この各デバイス３に付す優先順位を以下の式に基づいて計算した結果に基づいて行うようにしてもよい。
RSSI×（１－Accumulated PER）・・・・（式）

つまり、この式は、RSSIが大きいほど、またAccumulated PERほど通信環境が優れ、式から算出される値も大きくなることを示している。各デバイス３毎に、この式に基づいた値を求め、その値が大きい順から優先順位を昇順に割り当てるようにしてもよい。

なお、上記式はあくまで一例であり、RSSIが大きくなるほど、またAccumulated PERが小さくなるほど、算出する値が大きくなる式であればいかなるものであってもよい。また、上記式にRSSIを代入する上で未だRSSIを計測できていないデバイス３が存在していた場合には、ステップＳ１９においてRSSIを計測する。

これにより、従来によるRSSIのみに基づいて通信環境を判断し、SFの大きさを設定する場合と比較して、Accumulated PERも参照することができることから、互いに類似のRSSIを持つデバイス３間においても、Accumulated PERの観点から通信環境を把握し、優先順位を設定することが可能となる。特にAccumulated PERは、過去から現在におけるACK/NAKの割合を全体的に俯瞰しながらも、直近におけるACK/NAKに重きを置いて判別を行うことができることから、連続してNAKが出ていたか否かに基づいて通信環境を把握する従来技術と比較して、より客観性を持った高精度な判別を実現することができる。

このようにして各デバイス３について求めた通信環境に基づいて昇順に優先順位を付すと、N_jが３１である場合には、各デバイス３について１位から３１位までの優先順位が付された状態となる。

次に、この優先順位が付された各デバイス３に、STの大きさｘをそれぞれ割り当てる。図４における各SFの中に記入された数値は、各デバイス３に付された優先順位である。つまり図４における各SFの中に記入された優先順位が付されたデバイス３に、そのSFが割り当てられたことを意味する。即ち、デバイス３をその付された優先順位の昇順に、SFの大きさxが小さい方から順に割り当てられる。このため、優先順位が１以降のデバイス３から、SF7にそれぞれ割り当てられる。そして、SF7の許容割当数N_SF7（＝１６）に到達するまで、優先順位が１６までのデバイス３がこのSF7にそれぞれ割り当てられる。即ち、SFの大きさx毎に設定された許容割当数N_SFxを満たすまで、デバイス３が割り当てられる。

そして、SFの大きさx毎に設定された許容割当数N_SFxを満たした後は、xを１増加させたSFに、残りのデバイス３を同じく優先順位が高い昇順で割り当てる。つまり、優先順位が１７以降のデバイス３から、SF8にそれぞれ割り当てられる。そして、SF8の許容割当数N_SF7（＝８）に到達するまで、優先順位が２４までのデバイス３がこのSF8にそれぞれ割り当てられる。このプロセスを次のSF９以降も同様に実施し、残りの全てのデバイス３にSFをぞれぞれ割り当てる。

このようにして図４に示すように、通信環境のより優れた優先順位の高いデバイス３からシンボル長STが短く、しかも大きさｘが小さいSFが規則的に割り当てられ、通信感環境の芳しくない、優先順位の低いデバイス３についてはシンボル長が長く、しかも大きさｘが大きくて、厳しい通信環境にも対応可能なSFを割り当てることができる。本発明においては、ゲートウェイ２を構成する全てのデバイス３についてRSSIと、Accumulated PERから通信環境を定量的に比較し、全てのデバイス３においてそれぞれバランスを重視したSFの割り当てを行うことができる。このため、通信性能をコントロールするSFを各デバイスに割り当てた後で通信衝突が発生する可能性をより低くすることができ、無線通信ネットワーク全体の通信効率を向上させることができる。

ステップＳ２２において各デバイス３にSFの大きさxを割り当てた後、ステップＳ１３に戻り、上りデータ通信を行うこととなる。

なお、上述した図４に示す例では、無線通信ネットワーク内におけるデバイスの総数N_jがN_SFxの総数（ΣN_SFx）と等しい場合の例である。このN_SFxの総数ΣN_SFxは、上述した図４の例においてΣN_SFx（＝N_SF7＋N_SF8＋N_SF9＋N_SF10＋N_SF11＝３１）であるが、本発明を実施する上で、必ずしもデバイスの総数N_jがΣN_SFxと等しくならないケースも出てくる。以下、このN_SFxの総数（ΣN_SFx）＞N_jである場合に、各デバイス３に対してどのようにSFを割り当てるかについて説明をする。

かかる場合におけるSFの割り当ては、少なくとも以下のルールに基づくものとする。
(a)N_SFx×STxが互いに等しくなるように設定されている。
(b)N_SFxの総数ΣN_SFxは、N_jと等しくなるように再調整する。当初は、N_SFxの総数（ΣN_SFx）＞N_jであるかもしれないが、各N_SFxを調整することで、最終的には、N_jと等しくなるように再調整する。
(c)少なくとも各SFにおいてN_SFx≧１とする。

例えば、図５に示すように、ΣN_SFx＝７であり、N_j＝５である場合を考えてみる。用意しているΣN_SFxに対して、実際のデバイス３の数が足りない場合であるが、かかる場合には、図５（ａ）に示すように、優先順位の昇順で、xの小さいSFから割り当ててしまうと、少なくとも各SFにおいてN_SFx≧１とする(c)のルールを遵守できなくなる。また、この図５（ａ）の割当方法は、あくまで当初のN_SFxの総数（ΣN_SFx）＞N_jの状態であり、(b)のルールを満たすためにN_SFxの総数ΣN_SFxは、N_jと等しくなるように再調整する必要がある。

このため、各SF毎に、N_SFxを決め直す。この決め直す際には、(a)N_SFx×STxが互いに等しくなるようにし、(b)N_SFxの総数ΣN_SFxは、N_jと等しくなるようにし、(c)少なくとも各SFにおいてN_SFx≧１となるように再調整を行うと、図５（b）に示すSFが考えられる。このように(a)～(c)の条件に合うSFを再調整した上で、改めて優先順位の昇順で、xの小さいSFから割り当てていくことになる。

このとき、実際にそのSFの数を減らしていくかという問題がある。(b)N_SFxの総数ΣN_SFxは、N_jと等しくなり、しかも(c)少なくとも各SFにおいてN_SFx≧１となる条件を満たしたとしても、図５（ｂ）の上段に示すように、SF7、SF8から１つずつ減らしていく方法もあれば、SF7から２減らす方法も考えられる。

かかる場合には、ランダムで、実際に数を減らすSFを選択するようにしてもよいが、後述するように、SFの大きさx毎に設定されるN_SFxを以下の式に基づいて求めるようにしてもよい。
N_SFx=Ceil[N_j×1/[2^x/(1/2^SFmin+1/2^SFmin+1,・・,1/2^SFmax)]]・・・・（式）
SFmin：使用するSFの大きさxの種類における最小のＳＦの大きさ
SFmax：使用するSFの大きさxの種類における最小のＳＦの大きさ
（ここでCeilは、小数点以下の値を切り上げした結果を返す関数）

例えば、N_j＝１００とし、SF7～SF9を利用するのであれば、SFmin＝７、SFmax＝９となるため、各xの大きさ毎に上記式に基づいてN_SFxを算出すると以下のようになる。
N_SF7=Ceil[N_j×1/[2⁷/(1/2⁷+1/2⁸+1/2⁹)]]=58
N_SF8=Ceil[N_j×1/[2⁸/(1/2⁷+1/2⁸+1/2⁹)]]=29
N_SF9=Ceil[N_j×1/[2⁹/(1/2⁷+1/2⁸+1/2⁹)]]=15

このようにしてN_SF7,N_SF8,N_SF9を求めたところ、ΣN_SFx= N_SF7+N_SF8+N_SF9=102であり、N_j(=１００)を超えてしまっている。つまり、ΣN_SFx＝N_jでない場合に相当するため、ステップＳ２１へ移行する。

ステップＳ２１に移行した場合には、図６に示すフローチャートに基づいて判断を行っていくことになる。先ずステップＳ３１において、N_SFx×STxを各SFの大きさx毎に求める。次にステップＳ３２に移行し、N_SFx×STxの値が最も大きいSFを特定する。次にＳ３３に移行し、Ｓ３２において特定したSFのN_SFxを一つ減らす。仮にステップＳ３２においてN_SFx×STxの値が最も大きいSFが複数存在していた場合には、SFにおける大きさxの値がより小さいSFのN_SFxを一つ減らす。次にステップＳ３４へ移行し、ΣN_SFx＞N_jとなっているか否かを確認する。仮にΣN_SFx＞N_jを満たす場合には、再びステップＳ３１に戻り、同様の処理動作を繰り返す。一方、ΣN_SFx＝N_jである場合には、各デバイス３に対するSFの割り当てに移行し（ステップＳ２２）、この図６に示すフローチャートの処理動作は終了となる。

この図６に示すフローチャートについて実際の例に基づいて説明をする。

先ずステップＳ３１においてN_SFx×STxをSF7～SF9毎に求める。ここで、Ｗはシステムの帯域幅であり、以下の計算例では、Ｗ＝125MHzに設定している。
N_SF7×ST7＝58×2⁷/W＝7424/Ｗ＝0.0594
N_SF8×ST8＝29×2⁸/W＝7424/Ｗ＝0.0594
N_SF9×ST9＝15×2⁹/W＝7680/Ｗ＝0.0614

次にステップＳ３２に移行し、N_SFx×STxの値が最も大きいSFが、SF9であることを特定する。次に、ステップＳ３３へ移行し、SF9についてN_SF9を１減らす。次にステップＳ３４へ移行し、ΣN_SFxを求めると１０１であり、N_j（＝１００）よりも大きい。このため、ステップＳ３１に戻り、改めてN_SFx×STxをSF7～SF9毎に求める。
N_SF7×ST7＝58×2⁷/W＝7424/Ｗ＝0.0594
N_SF8×ST8＝29×2⁸/W＝7424/Ｗ＝0.0594
N_SF9×ST9＝14×2⁹/W＝7168/Ｗ＝0.0573

次にステップＳ３２に移行し、N_SFx×STxの値が最も大きいSFが、SF7、SF8であることを特定する。ステップＳ３２においてN_SFx×STxの値が最も大きいSFがSF7、SF8と複数存在しているため、ステップＳ３３においてSFにおける大きさxの値がより小さいSF7のN_SF7を一つ減らす。次にステップＳ３４へ移行し、ΣN_SFxを求めると１００であり、N_j（＝１００）と同一であるため、ステップＳ２２へ移行し、各デバイス３に対するSFの割り当てを行う。

ちなみに再調整後のN_SFx×STxは以下のとおりである。
N_SF7×ST7＝57×2⁷/W＝7296/Ｗ＝0.0584
N_SF8×ST8＝29×2⁸/W＝7424/Ｗ＝0.0594
N_SF9×ST9＝14×2⁹/W＝7168/Ｗ＝0.0573

以上の結果より、SFの許容割当数N_SFxもバランスよく配置されているといえる。

このようにして、各SFにおける許容割当数N_SFxを再調整した後、各デバイス３についてRSSIとPERに基づき、RSSI×（１－Accumulated PER）の式に基づいて優先順位を付け、この優先順位に基づいて各デバイス３に対してSFを割り当てていく。N_j＝１００である場合には、優先順位の上位１位～５７位までをSF7に割り当て、優先順位の５８位～８６位までを、SF8に割り当て、優先順位の８７位～１００位までをSF9に割り当てる。

１ 無線通信システム
２ ゲートウェイ
３ デバイス

Claims (5)

1. 複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が上りデータ通信されるゲートウェイとからなる無線通信ネットワークを有する無線通信システムにおいて、
   上記上りデータ通信を行う場合に、上記無線通信ネットワーク内における全てのデバイスについて、それぞれ拡散コードサイズとしてのSF（Spreading Factor）の大きさxを割り当てる割当制御手段を備え、
   上記割当制御手段は、上記無線通信ネットワーク内におけるデバイスの総数N_jと使用するSFの大きさxの種類とに基づいて、SFの大きさx毎に設定される許容割当数N_SFxを求めると共に、上記各デバイスから上記ゲートウェイへの受信信号強度（RSSI）と、肯定応答／否定応答（ACK／NAK）メッセージに基づくパケットエラーレート（PER）とに応じた優先順位を上記各デバイスに付し、上記各デバイスをその付された上記優先順位の昇順に、上記SFの大きさxが小さい方から当該SFの大きさx毎に設定された許容割当数N_SFxを満たすまで、割り当て、
   上記割当制御手段は、SFの大きさx毎に設定される上記許容割当数NSFxを、各SF間において、N _SFx ×STxが互いに等しくなるように設定すること
   （STx：各SFの大きさx毎に設定されたシンボル長）
   を特徴とする無線通信システム。
2. 複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が上りデータ通信されるゲートウェイとからなる無線通信ネットワークを有する無線通信システムにおいて、
   上記上りデータ通信を行う場合に、上記無線通信ネットワーク内における全てのデバイスについて、それぞれ拡散コードサイズとしてのSF（Spreading Factor）の大きさxを割り当てる割当制御手段を備え、
   上記割当制御手段は、上記無線通信ネットワーク内におけるデバイスの総数N_jと使用するSFの大きさxの種類とに基づいて、SFの大きさx毎に設定される許容割当数N_SFxを求めると共に、上記各デバイスから上記ゲートウェイへの受信信号強度（RSSI）と、肯定応答／否定応答（ACK／NAK）メッセージに基づくパケットエラーレート（PER）とに応じた優先順位を上記各デバイスに付し、上記各デバイスをその付された上記優先順位の昇順に、上記SFの大きさxが小さい方から当該SFの大きさx毎に設定された許容割当数N_SFxを満たすまで、割り当て、
   上記割当制御手段は、SFの大きさx毎に設定される上記許容割当数N _SFx を以下の式に基づいて求めること
   許容割当数N _SFx =Ceil[N _j ×1/[2 ^x /(1/2 ^SFmin +1/2 ^SFmin+1 ,・・,1/2 ^SFmax )]]・・・・（式）
   SFmin：使用するSFの大きさxの種類における最小のＳＦの大きさ
   SFmax：使用するSFの大きさxの種類における最小のＳＦの大きさ
   を特徴とする無線通信システム。
3. 複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が上りデータ通信されるゲートウェイとからなる無線通信ネットワークを有する無線通信システムにおいて、
   上記上りデータ通信を行う場合に、上記無線通信ネットワーク内における全てのデバイスについて、それぞれ拡散コードサイズとしてのSF（Spreading Factor）の大きさxを割り当てる割当制御手段を備え、
   上記割当制御手段は、上記無線通信ネットワーク内におけるデバイスの総数N_jと使用するSFの大きさxの種類とに基づいて、SFの大きさx毎に設定される許容割当数N_SFxを求めると共に、上記各デバイスから上記ゲートウェイへの受信信号強度（RSSI）と、肯定応答／否定応答（ACK／NAK）メッセージに基づくパケットエラーレート（PER）とに応じた優先順位を上記各デバイスに付し、上記各デバイスをその付された上記優先順位の昇順に、上記SFの大きさxが小さい方から当該SFの大きさx毎に設定された許容割当数N_SFxを満たすまで、割り当て、
   上記割当制御手段は、N _SFx の総数（ΣN _SFx ）＞N _j である場合には、各SF間で、N _SFx ×STxが互いに等しくなるようにし、ΣN _SFx ＝N _j を満たし、かつ少なくとも各SFにおいてN _SFx ≧１となるように、各SFのN _SFx を再調整すること
   を特徴とする無線通信システム。
4. N_SFx×STxを各SFの大きさx毎に求め、当該N_SFx×STxの値が大きいSFの大きさｘから順にN_SFxを減らすこと
   （STx：各SFの大きさx毎に設定されたシンボル長）
   を特徴とする請求項１又は２記載の無線通信システム。
5. 複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が上りデータ通信されるゲートウェイとからなる無線通信ネットワークを有する無線通信システムにおいて、
   上記上りデータ通信を行う場合に、上記無線通信ネットワーク内における全てのデバイスについて、それぞれ拡散コードサイズとしてのSF（Spreading Factor）の大きさxを割り当てる割当制御手段を備え、
   上記割当制御手段は、上記無線通信ネットワーク内におけるデバイスの総数N_jと使用するSFの大きさxの種類とに基づいて、SFの大きさx毎に設定される許容割当数N_SFxを求めると共に、上記各デバイスから上記ゲートウェイへの受信信号強度（RSSI）と、肯定応答／否定応答（ACK／NAK）メッセージに基づくパケットエラーレート（PER）とに応じた優先順位を上記各デバイスに付し、上記各デバイスをその付された上記優先順位の昇順に、上記SFの大きさxが小さい方から当該SFの大きさx毎に設定された許容割当数N_SFxを満たすまで、割り当て、
   上記割当制御手段は、パケットエラーレート（PER）について、（ACK／NAK）メッセージの重み付けを直近になるほど重くした(Accumulated PER)により求めること
   を特徴とする無線通信システム。

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