WO2022070377A1

WO2022070377A1 - 無線通信システム、無線通信方法、および端末装置

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Publication number: WO2022070377A1
Application number: PCT/JP2020/037391
Authority: WO
Inventors: 健人吉澤; 陽平片山; 洋輔藤野; 遼宮武
Original assignee: 日本電信電話株式会社
Priority date: 2020-10-01
Filing date: 2020-10-01
Publication date: 2022-04-07
Also published as: JPWO2022070377A1; JP7415201B2

Abstract

本発明の一態様は、端末装置の上位側に接続されたゲートウェイ装置と、前記ゲートウェイ装置と通信可能に接続された前記端末装置とを備える無線通信システムであって、前記端末装置は、上りデータに符号を付加して前記ゲートウェイ装置に送信する上り送信部と、受信した下りデータの所定位置に前記符号が含まれているか否かを判定する符号判定部と、を備え、前記ゲートウェイ装置は、前記端末装置から受信された前記上りデータに付加されている前記符号を、下りデータの前記所定位置に付加して送信する下り送信部を備える、無線通信システムである。

Description

無線通信システム、無線通信方法、および端末装置

　本発明は、無線通信技術に関する。

　遮蔽物によって見通しの悪い領域の全てを常時カバーするように無線通信環境を構築するのは高いコストを要する。そこで、カバーエリアを巡回する移動型のゲートウェイ装置（以下「移動ゲートウェイ」という。）を用いて端末装置を収容する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、このような移動ゲートウェイを用いた無線通信環境において、端末装置がトリガー情報（単にトリガーともいう）を待機する際の消費電力を低減する方法について記載されている。また、例えば、非特許文献１には、各端末装置が、移動ゲートウェイに対して所定のスロット内でデータ送信を行う方法について記載されている。

特許第６５４２９５９号公報

N. Abramson, "The throughput of packet broadcasting channels," IEEE Trans. Commun., vol.COM-25,no.1, pp.117-128, Jan. 1977

　図１７は、従来技術において複数の端末装置＃１～＃４がゲートウェイ装置に対して上りデータを送信する際の通信の流れを示すシーケンス図である。また、図１８は、従来技術におけるトリガー情報および上りデータの一例を示す図である。この場合、まず、ゲートウェイ装置が端末装置＃１～＃４に対して図１８Ａに示されるトリガー情報を送信する。そして、各端末装置が、受信したトリガー情報に基づいて空きスロットを選択し、選択した空きスロットを使用して上りデータの送信を行う。このような上り通信の方式として、例えば、ＭＡＣ（Media Access Control）プロトコルのＲＩＴ（Receiver Initiated Transmission）方式が挙げられる。しかしながら、従来技術では、ゲートウェイ装置に対するデータ送信が各端末装置の間で衝突し、スループットが低下してしまう可能性があった。

　上記事情に鑑み、本発明は、無線通信システムにおいて、複数の端末装置の間で上りデータの送信が衝突することによってスループットが低下することを抑制することができる技術の提供を目的としている。

　本発明の一態様は、端末装置の上位側に接続されたゲートウェイ装置と、前記ゲートウェイ装置と通信可能に接続された前記端末装置とを備える無線通信システムにおける無線通信方法であって、前記端末装置が、上りデータに符号を付加して前記ゲートウェイ装置に送信する上りデータ送信ステップと、前記端末装置が、受信した下りデータの所定位置に前記符号が含まれているか否かを判定する判定ステップと、前記ゲートウェイ装置が、前記端末装置から受信された前記上りデータに付加されている前記符号を、下りデータの前記所定位置に付加して送信する下りデータ送信ステップと、を有する無線通信方法である。

　本発明の一態様は、端末装置から受信された上りデータに付加されている符号を、下りデータの所定位置に付加して送信するゲートウェイ装置と通信可能に接続された端末装置であって、前記ゲートウェイ装置に送信する前記上りデータに前記符号を付加して送信する上り送信部と、受信した前記下りデータの所定位置に前記符号が含まれているか否かを判定する符号判定部と、を備える端末装置である。

　本発明により、無線通信システムにおいて、複数の端末装置の間でのデータ送信の衝突によりスループットが低下することを抑制することができる技術の提供を目的としている。

第１実施形態の無線通信システムのシステム構成例を示す図である。第１実施形態の無線通信システムにおいて、端末装置がゲートウェイ装置に対して上りデータを送信する際の通信の流れを示すシーケンス図である。第１実施形態におけるトリガー情報の一例を示す図である。第１実施形態におけるダウンリンク情報の一例を示す図である。第１実施形態における上りデータの一例を示す図である。第１実施形態の無線通信システムにおいて、端末装置が上りデータの送信に関して行う処理の流れを示すフローチャートである。第１実施形態の無線通信システムにおいて、端末装置が上りデータの送信に関して行う処理の流れを示すフローチャートである。図６Ａは、第１実施形態における全スロット管理テーブルの一例を示す図である。第１実施形態における空きスロット管理テーブルの一例を示す図である。第１実施形態におけるＦ（Ｎ）の一例を示す図である。第１実施形態におけるＰ（ｔ）の一例を示す図である。第１実施形態の無線通信システムにおいて、端末装置が上りデータの送信に関してゲートウェイ装置が行う処理の流れを示すフローチャートである。第２実施形態におけるトリガー情報の一例を示す図である。第２実施形態の無線通信システムにおいて、端末装置が上りデータの送信に関して行う処理の流れを示すフローチャートである。第２実施形態の無線通信システムにおいて、端末装置が上りデータの送信に関して行う処理の流れを示すフローチャートである。第３実施形態の無線通信システムにおいて、端末装置がゲートウェイ装置に対して上りデータを送信する際の通信の流れを示すシーケンス図である。第３実施形態におけるトリガー情報の一例を示す図である。第３実施形態におけるダウンリンク情報の一例を示す図である。第３実施形態における上りデータの一例を示す図である。第３実施形態の無線通信システムにおいて、端末装置が上りデータの送信に関してゲートウェイ装置が行う処理の流れを示すフローチャートである。第３実施形態における全スロット管理テーブルの一例を示す図である。第３実施形態における空きスロット管理テーブルの一例を示す図である。従来技術において複数の端末装置＃１～＃４がゲートウェイ装置に対して上りデータを送信する際の通信の流れを示すシーケンス図である。従来技術におけるトリガー情報の一例を示す図である。従来技術における上りデータの一例を示す図である。

　本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
　図１は、第１実施形態の無線通信システム１００のシステム構成例を示す図である。無線通信システム１００は、端末装置２００－１～２００－Ｎ（Ｎは１以上の整数）と、ゲートウェイ装置３００とを備える。端末装置２００と、ゲートウェイ装置３００とは、それぞれが無線信号を送受信するためのアンテナを備えており、それぞれのアンテナを介して互いに無線通信可能に接続される。以下では、特に区別しない場合、端末装置２００－１～２００－Ｎを端末装置２００と記載する。

　例えば、端末装置２００は、ゲートウェイ装置３００から見て下位側に無線接続され、ゲートウェイ装置３００を介して、図示しない上位装置と通信する通信装置であり、ゲートウェイ装置３００は、端末装置２００と上位装置との間の通信を中継する通信装置である。上位装置は、ゲートウェイ装置３００から見て上位側に接続される通信装置である。

　以下では、下位側から上位側に向かう通信をアップリンク、上位側から下位側に向かう通信をダウンリンクという場合がある。また、以下では、アップリンクで送信されるデータを上りデータ、ダウンリンクで送信されるデータを下りデータという場合がある。

　端末装置２００は、バスで接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリや補助記憶装置などを備え、プログラムを実行する。端末装置２００は、プログラムの実行によって記憶部２１０、無線アンテナ２２０、無線通信部２３０、および制御部２４０を備える装置として機能する。なお、端末装置２００の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。

　記憶部２１０は、磁気記憶装置や半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成される。記憶部２１０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）であってもよいし、フラッシュメモリ等の書き換え可能なＲＯＭ（Read Only Memory）であってもよい。記憶部２１０は、端末装置２００の動作に必要な各種データを記憶する。

　例えば、記憶部２１０は、空きスロットの管理テーブル（以下「空きスロット管理テーブル」という。）を記憶する。スロットとは、通信回線の通信時間を一定時間ごとに分割した各時間幅のことをいい、空きスロットとは、上りデータの送信に使用することができるスロットのことである。空きスロット管理テーブルは、トリガー情報の受信に応じて適宜初期化または更新される。

　無線アンテナ２２０は、入力された電気信号を無線電波に変換して出力するとともに、無線電波を受信して電気信号に変換する装置である。具体的には、無線アンテナ２２０は、無線通信部２３０から出力される送信用の電気信号を無線電波に変換して出力する。また、無線アンテナ２２０は、受信した無線電波を電気信号に変換し、変換によって得られた電気信号を受信信号として無線通信部２３０に出力する。

　無線通信部２３０は、送信対象のデータ（以下「対象データ」という。）を変調して送信信号を生成するとともに、生成した送信信号を無線送信の周波数帯域にアップコンバートして無線アンテナ２２０に出力する。ここで、無線通信部２３０は、送信信号が制御部２４０により指定されるスロットで送信されるように、送信信号の無線アンテナ２２０への出力タイミングを調整する。また、無線通信部２３０は、無線アンテナ２２０から入力する受信信号をダウンコンバートして復調することにより対象データを取得する。なお、端末装置２００が送受信する対象データは特定のデータに限られず、任意のデータであってよい。

　制御部２４０は、空きスロット管理テーブルを参照し、無線通信部２３０が送信信号を無線アンテナ２２０に出力するタイミングを制御する。具体的には、制御部２４０は、ランダム符号生成器２４１と、符号判定器２４２とを備える。ランダム符号生成器２４１は、上りデータに付加される符号を生成する機能を有する。具体的には、ランダム符号生成器２４１は、上りデータに付加する符号としてランダム符号を用いる。符号判定器２４２は、端末装置２００が受信した下りデータの所定位置に、上りデータに付加された符号が付加されているか否かを判定する。以下、この所定位置を「読出位置」という。読出位置の詳細については後述する。

　次に、ゲートウェイ装置３００の構成について説明する。ゲートウェイ装置３００は、バスで接続されたＣＰＵやメモリや補助記憶装置などを備え、プログラムを実行する。ゲートウェイ装置３００は、プログラムの実行によって記憶部３１０、無線アンテナ３２０、および無線通信部３３０を備える装置として機能する。なお、ゲートウェイ装置３００の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣやＰＬＤやＦＰＧＡ等のハードウェアを用いて実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。

　記憶部３１０は、磁気記憶装置や半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成される。記憶部３１０は、ＲＡＭであってもよいし、フラッシュメモリ等の書き換え可能なＲＯＭであってもよい。記憶部３１０は、ゲートウェイ装置３００の動作に必要な各種データを記憶する。

　例えば、記憶部３１０は、無線通信に使用する各チャネルについて、スロットと、そのスロットで送信される対象データに付加される符号とを管理するテーブル（以下「全スロット管理テーブル」という。）を記憶する。全スロット管理テーブルは、上りデータの受信に応じて適宜更新される。

　無線アンテナ３２０は、入力された電気信号を無線電波に変換して出力するとともに、無線電波を受信して電気信号に変換する装置である。具体的には、無線アンテナ３２０は、無線通信部３３０から出力される送信用の電気信号を無線電波に変換して出力する。また、無線アンテナ３２０は、受信した無線電波を電気信号に変換し、変換によって得られた電気信号を受信信号として無線通信部３３０に出力する。

　無線通信部３３０は、無線アンテナ３２０を介して、端末装置２００との間で対象データを送受信する機能を有する。具体的には、無線通信部３３０は、対象データを変調して送信信号を生成するとともに、生成した送信信号を無線送信の周波数帯域にアップコンバートして無線アンテナ３２０に出力する。また、無線通信部３３０は、無線アンテナ３２０から入力する受信信号をダウンコンバートして復調することにより端末装置２００が送信した対象データを取得する。

　また、無線通信部３３０は、トリガー情報およびダウンリンク情報を対象データとして端末装置２００に送信することにより、端末装置２００のアップリンク通信を制御する機能を有する。無線通信部３３０は、トリガー情報およびダウンリンク情報の送信信号を生成して無線アンテナ３２０に出力する。ここで、トリガー情報とは、端末装置２００に対して許可するアップリンクでのデータ送信に関する条件（以下「送信条件」という。）を示す情報である。端末装置２００は、トリガー情報を受信した場合に、トリガー情報によって示される送信条件で上りデータを送信する。

　一方、ダウンリンク情報は、端末装置２００がアップリンクにおいて上りデータに付加すべき符号を端末装置２００に通知するための情報である。具体的には、ダウンリンク情報は、無線通信で使用される全てのチャネルについて、送信を許可するスロット数分の符号を示す情報である。

　なお、本実施形態に係る発明は、１つ以上の端末装置２００とゲートウェイ装置３００を有する無線通信システム１００において、端末装置２００のアップリンク通信を制御する方法に関するものである。そのため、図１では簡単のために、ゲートウェイ装置３００と上位装置との間の通信に関する構成の一部を省略している。しかしながら、実際には、ゲートウェイ装置３００は、上位装置と通信するための通信インターフェースや、端末装置２００と上位装置との間の通信を中継する中継機能を有している。

　図２は、第１実施形態の無線通信システム１００において、端末装置２００がゲートウェイ装置３００に対して上りデータを送信する際の通信の流れを示すシーケンス図である。まず、ゲートウェイ装置３００が、各端末装置２００に対してトリガー情報を送信する（ステップＳ１０１）。このトリガー情報の送信により、ゲートウェイ装置３００は、各端末装置２００の間で上りデータの送信が衝突しないように調整した送信条件を各端末装置２００に通知する。

　続いて、各端末装置２００が、ゲートウェイ装置３００から受信されたトリガー情報により示される送信条件で上りデータの送信を行う（ステップＳ１０２）。続いて、ゲートウェイ装置３００が、各端末装置２００から受信された上りデータに基づいてダウンリンク情報を生成し、生成したダウンリンク情報を各端末装置２００に送信する（ステップＳ１０３）。

　このようなシーケンスを繰り返し実行することにより、各端末装置２００は、ダウンリンク情報によって通知された符号を上りデータに付加してゲートウェイ装置３００に送信することができる。なお、初回のトリガー情報の送信から初回の上りデータの送信までは従来方法に基づいて行われてもよいし、各端末装置２００は、初回のみ予め定められた符号を上りデータに付加して送信するように構成されてもよい。

　図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃは、それぞれトリガー情報、ダウンリンク情報、および上りデータの一例を示す図である。例えば、トリガー情報には、使用可能なチャネル数、スロット数、およびスロット長と、ダウンリンク情報長およびランダム符号長とが含まれる（図３Ａ）。なお、トリガー情報に含まれる各値の一部又は全部は、設定値として予め端末装置２００およびゲートウェイ装置３００に登録されていてもよい。この場合、ゲートウェイ装置３００は、これらの設定値をトリガー情報として端末装置２００に送信する必要はない。

　また、ダウンリンク情報には、上述したとおり、無線通信で使用される全てのチャネルについて、送信を許可するスロット数分のランダム符号が含まれる（図３Ｂ）。すなわち、ダウンリンク情報長は、ランダム符号長とスロット数とチャネル数との乗算によって得られる。このため、トリガー情報にはダウンリンク情報長が含まれなくてもよい。

　また、上りデータには、対象データと、ランダム符号が含まれる（図３Ｃ）。本実施形態において、ランダム符号は、各端末装置２００の間での重複を排除する目的で生成される。例えば、ランダム符号は、ランダム符号生成器２４１により、一定桁数のランダムな数値として生成される。ランダム符号長（すなわち桁数）は、生成された数値が各端末装置２００の間において重複しないことがある程度の高い精度で保証される長さ（以下「十分な長さ」という。）であればよい。一般に、このような通信装置間で重複しない値としてはＭＡＣ（Media Access Control）アドレスやＩＰ（Internet Protocol）等の固有アドレスが用いられることが多いが、このような固有アドレスの取り得る値のバリエーション（すなわち桁数）は、各端末装置２００の間での重複を排除する目的に対して過多であることが多い。そのため、このような固有アドレスを通信によって送受信することは、通信帯域を圧迫する要因となりうる。これに対して、本実施形態では、十分な長さを有するランダム符号を用いることにより、上記目的の達成のために通信帯域が必要以上に消費されてしまうことを抑制することができる。さらに、ランダム符号を適宜更新することにより、特定の符号を連続して誤ってしまうなどの状況を回避することができる。

　なお、トリガー情報、ダウンリンク情報、および上りデータには、それぞれについて図示したもの以外の情報が含まれてもよい。

　図４および図５は、第１実施形態の無線通信システム１００において、端末装置２００が上りデータの送信に関して行う処理の流れを示すフローチャートである。なお、本フローチャートは、無線通信システム１００が備える各端末装置２００のそれぞれが行う処理を示すものである。まず、本フローチャートの開始時点において、端末装置２００はトリガー情報の受信を待機している状況であり（ステップＳ２０１）、その後、トリガー情報がゲートウェイ装置３００から受信される（ステップＳ２０２）。

　次に、制御部２４０は、受信されたトリガー情報が前回受信されたトリガー情報と異なるか否かを判定する（ステップＳ２０３）。具体的には、制御部２４０は、トリガー情報に含まれるチャネル数、スロット数、スロット長、ダウンリンク情報長、およびランダム符号長のうちの少なくとも１つが、今回受信されたトリガー情報と前回受信されたトリガー情報とで異なる場合に、受信されたトリガー情報が前回受信されたトリガー情報とは異なる、と判定する。

　なお、ステップＳ２０３の初回実行時には、それ以前にトリガー情報が受信されていないため、ステップＳ２０３－ＹＥＳに進むものとする。すなわち、ステップＳ２０３－ＮＯに流れるのは、少なくともステップＳ２０３の２回目以降の実行時であり、その時点では、後述するステップＳ２０６、Ｓ２２１又はＳ２４０のいずれかがすでに実行済みであることから、いずれかの空きスロットが選択済みとなっている。

　ここで、受信されたトリガー情報が前回受信されたトリガー情報と異なると判定した場合（ステップＳ２０３－ＹＥＳ）、制御部２４０は、カウンタ値ｔおよびＮをゼロに初期化して（ステップＳ２０４）、空きスロット管理テーブルを初期化する（ステップＳ２０５）。ここで、カウンタ値ｔは、端末装置２００がゲートウェイ装置３００から前回と同じトリガー情報を受信した回数を表すカウンタである。

　また、カウンタ値Ｎは、ゲートウェイ装置３００から受信されたダウンリンク情報を示す信号列の読出位置に、端末装置２００が上りデータに付加したランダム符号と同じ信号列が存在しないと判定された回数を表すカウンタである。なお、上りデータに対するランダム符号の付加については、以下のステップＳ２１２にて後述し、カウンタ値Ｎに関する処理については、以下のステップＳ２１７およびＳ２１８にて後述する。

　ここで、空きスロット管理テーブルの初期化とは、全てのスロットを空きスロットとして登録することを意味する。図６Ａは、第１実施形態における全スロット管理テーブルの一例を示す図である。また、図６Ｂは、第１実施形態における空きスロット管理テーブルの一例を示す図である。上述したとおり、全スロット管理テーブルは、ゲートウェイ装置３００が保持する情報であり、チャネル番号とスロット番号の組み合わせごとにランダム符号を管理するテーブルである。チャネル番号はチャネルの識別情報であり、スロット番号はスロットの識別情報である。全スロット管理テーブルは、ゲートウェイ装置３００の無線通信部３３０により、ダウンリンク情報として各端末装置２００に送信される。

　端末装置２００の制御部２４０は、受信された全スロット管理テーブルから、空きスロットのレコードを抽出し、抽出した各レコードにリスト番号を付加したものを空きスロット管理テーブルとして記憶部２１０に保存する。リスト番号は、チャネル番号とスロット番号の組み合わせによって特定されるスロットの識別情報である。空きスロット管理テーブルは、制御部２４０により、ダウンリンク情報の受信に応じて生成又は更新される。端末装置２００の制御部２４０は、上りデータの送信を行う際、このような空きスロット管理テーブルによって管理される空きスロットのうちから１つの空きスロットをランダムで選択する。なお、図６Ｂの例では、ランダム符号の値がゼロのレコードによって空きスロットが表されている。また、空きスロット管理テーブルにおいて、いずれの端末装置２００も使用していない本当の意味での空きスロットに加えて、複数台の端末装置２００で上りデータの送信が衝突しているスロットや、１台の端末装置２００によって使用されているスロットでも距離が遠いことや信号レベルが弱いことなどの原因で上りデータが正常に受信されていないスロットなどが空きスロットとして管理される。

　図４および図５の説明に戻る。制御部２４０は、ステップＳ２０５において空きスロット管理テーブルを初期化すると、空きスロット管理テーブルで管理されている空きスロットのうちから１つの空きスロットをランダムで選択した上で（ステップＳ２０６）、ステップＳ２０７に処理を進める。

　一方、ステップＳ２０３において、受信されたトリガー情報が前回受信されたトリガー情報と異なっていない（すなわち同じ）と判定した場合（ステップＳ２０３－ＮＯ）、制御部２４０は、カウンタ値ｔをインクリメントして（ステップＳ２０８）、ステップＳ２０７に処理を進める。

　続いて、ステップＳ２０７において、制御部２４０は、スロット待機用タイマー時刻を算出し、ステップＳ２０９において、ダウンリンク情報待機用タイマー時刻を算出する。例えば、制御部２４０は、次の（１）～（４）式によりスロット待機用タイマー時刻およびダウンリンク情報待機用タイマー時刻を算出する。

　ここで、（１）式および（２）式における基準時刻は、直近のトリガー情報の受信を完了した時刻である。スロット長は、直近のトリガー情報によって通知されたスロット長である。また、時間変換定数は、スロット長を実時間に変換する定数であり、具体的には１スロット長に相当する実時間長を表す。各端末装置２００とゲートウェイ装置３００とは、同じ値の時間変換定数を設定値として予め共有している。

　また、（１）式におけるスロット番号は、選択済みの空きスロットを示すスロット番号であり、空きスロットは（３）式を満たすように選択される。また、（４）式における『２＾ランダム符号長』は、ランダム符号長をべき数として２をべき乗した値を意味する。

　制御部２４０は、ステップＳ２０７で算出したスロット待機用タイマー時刻まで待機することにより、選択した空きスロットの到来を待機する（ステップＳ２１０）。制御部２４０は、空きスロットが到来すると、０以上１以下の値をとるランダム値ｒ１を生成し、生成したランダム値ｒ１がＦ（Ｎ）以下であるか否かを判定する（ステップＳ２１１）。なお、Ｆ（Ｎ）はアップリンクにおけるデータ送信の確率を表す関数である。図７は、第１実施形態におけるＦ（Ｎ）の一例を示す図である。例えば、図７に示すように、Ｆ（Ｎ）をＮの増加に応じて減少する関数とすることにより、過負荷状態（例えば高トラフィック状態）において各端末装置２００の間でデータ送信が衝突する確率を低減することができる。

　図４および図５の説明に戻る。ステップＳ２１１において、ランダム値ｒ１がＦ（Ｎ）以下でないと判定した場合（ステップＳ２１１－ＮＯ）、制御部２４０は、ステップＳ２０１に処理を戻し、次のトリガー情報の受信を待機する。一方、ステップＳ２１１において、ランダム値ｒ１がＦ（Ｎ）以下であると判定した場合（ステップＳ２１１－ＹＥＳ）、制御部２４０は、ランダム符号生成器２４１によりランダム符号を生成し、生成したランダム符号を上りデータに付加して無線通信部２３０に出力する（ステップＳ２１１）。この後、無線通信部２３０が、制御部２４０から出力された上りデータを送信信号に変調して無線アンテナ２２０に出力し、無線アンテナ２２０が送信信号を無線電波に変換して出力することにより、上りデータが無線送信される。

　上りデータの送信を完了すると、制御部２４０は、続いて、ダウンリンク情報の受信を待機する（ステップＳ２１３）。制御部２４０は、ダウンリンク情報の受信に成功したか否かを判定する（ステップＳ２１４）。具体的には、制御部２４０は、ステップＳ２０９で算出したダウンリンク情報待機用タイマー時刻が到来するまでにダウンリンク情報が受信された場合に、ダウンリンク情報の受信に成功したと判定し、ダウンリンク情報を受信することなくダウンリンク情報待機用タイマー時刻が到来した場合に、ダウンリンク情報の受信に失敗したと判定する。

　ここで、ダウンリンク情報の受信に失敗したと判定した場合（ステップＳ２１４－ＮＯ）、制御部２４０は、ステップＳ２０１に処理を戻し、次のトリガー情報の受信を待機する。一方、ダウンリンク情報の受信に成功したと判定した場合（ステップＳ２１４－ＹＥＳ）、制御部２４０は、受信されたダウンリンク情報に基づいて空きスロット管理テーブルを生成又は更新する（ステップＳ２１５）とともに、受信されたダウンリンク情報を示す信号列の読出位置に、ステップＳ２１２で上りデータに付加したランダム符号と同じ信号列が存在するか否かを判定する（ステップＳ２１６）。ここで、例えば、読出位置は、次の（５）式および（６）式のように定義される。

　図３に示したように、ダウンリンク情報は、無線通信で使用される全てのチャネルについて、送信を許可するスロット数分の符号を示す情報である。また、チャネル数、スロット数、およびランダム符号長はトリガー情報によってゲートウェイ装置３００から予め通知されているため、ダウンリンク情報を示す信号列において、各チャネルのランダム符号が規則的に配置されていれば、端末装置２００は、上りデータの送信の際に付加したランダム符号を、ダウンリンク情報を示す信号列の（５）式で特定される読出位置から取得することができる。（５）式において、チャネル番号およびスロット番号は、上りデータの送信の際に使用したチャネルおよびスロットの識別番号であり、チャネル番号は（６）式を満たすように選択される。

　ここで、受信されたダウンリンク情報を示す信号列の読出位置に、ステップＳ２１２で上りデータに付加したランダム符号と同じ信号列が存在すると判定した場合（ステップＳ２１６－ＹＥＳ）、制御部２４０は、カウンタ値Ｎをゼロに初期化した上で（ステップＳ２１７）、ステップＳ２０１に処理を戻し、次のトリガー情報の受信を待機する。

　一方、受信されたダウンリンク情報を示す信号列の読出位置に、ステップＳ２１２で上りデータに付加したランダム符号と同じ信号列が存在しないと判定した場合（ステップＳ２１６－ＮＯ）、制御部２４０は、カウンタ値Ｎをインクリメントした上で（ステップＳ２１８）、ダウンリンク情報を示す信号列における読出位置の値がゼロであるか否かを判定する（ステップＳ２１９）。ここで、ダウンリンク情報における読出位置の値がゼロであることは、ゲートウェイ装置３００が少なくとも当該読出位置に対応するスロットを使用した端末装置２００から上りデータを正常に受信できていないことを示すため、ステップＳ２１９の判定は、各端末装置２００とゲートウェイ装置３００との間の通信が正常に行われているか否かを判定することを意味する。

　ここで、ダウンリンク情報を示す信号列における読出位置の値がゼロであると判定した場合（ステップＳ２１９－ＹＥＳ）、制御部２４０は、０以上１以下の値をとるランダム値ｒ２を生成し、生成したランダム値ｒ２がＰ（ｔ）以下であるか否かを判定する（ステップＳ２１９）。Ｐ（ｔ）はアップリンクのデータ送信に使用する空きスロットを変更する確率を生成する、カウンタ値ｔについての関数である。図８は、第１実施形態におけるＰ（ｔ）の一例を示す図である。例えば、図８に示すように、Ｐ（ｔ）をｔの増加に応じて一定値まで減少する関数とすることにより、空きスロットの発生状況を「最適な状態」に早く収束させることができる。なお、ここでいう、「最適な状態」とは、空きスロットが最も少なくなる状況を意味する。

　具体的には、図８の例のＰ（ｔ）によれば、カウンタ値ｔ＝０付近では、ステップＳ２２０の判定結果が真となる確率が高くなり、空きスロットが変更されやすくなる。一方、カウンタ値ｔ＝０からｔ＝ｔ０にかけて、ステップＳ２１９の判定結果が偽となる確率が徐々に高くなっていくため、空きスロットが徐々に変更されにくくなっていく。その結果、前回と異なるトリガー情報が受信されやすい状況では、端末装置２００と、端末装置２００が通信を成功させることができるスロットとの組み合わせ（以下「最適な組み合わせ」という。）を素早く決定することができる。一方で、前回と同じトリガー情報が受信されやすい状況では、すでに決定されている最適な組み合わせが変更されにくくすることができる。すなわち、換言すれば、関数Ｐ（ｔ）は、スロットを変更する確率（以下「スロット変更確率」という。）を与える関数であると言うことができる。端末装置２００には、このようなスロット変更確率を与える関数Ｐ（ｔ）が設定情報として予め登録されているものとする。

　図４および図５の説明に戻る。ステップＳ２２０において、ランダム値ｒ２はＰ（ｔ）以下でないと判定した場合（ステップＳ２２０－ＮＯ）、制御部２４０は、ステップＳ２０１に処理を戻し、次のトリガー情報の受信を待機する。一方、ステップＳ２２０において、ランダム値ｒ２がＰ（ｔ）以下であると判定した場合（ステップＳ２２０－ＹＥＳ）、制御部２４０は、新たに空きスロットの選択（ランダムに選択）を行った上で（ステップＳ２２１）、ステップＳ２０１に処理を戻し、次のトリガー情報の受信を待機する。この空きスロットの選択により、前回選択された空きスロットが他の空きスロットに変更され得る。なお、空きスロットが変更され得るのは、前述のステップＳ２０６と、後述するステップＳ２４０においても同様である。

　一方、ステップＳ２１９において、ダウンリンク情報における読出位置の値はゼロでないと判定した場合（ステップＳ２１９－ＮＯ）、制御部２４０は、空きスロット管理テーブルを参照し、その時点で空きスロットが存在するか否かを判定する（ステップＳ２２２）。ここで、空きスロットが存在すると判定した場合（ステップＳ２２２－ＹＥＳ）、制御部２４０は、ステップＳ２２１に処理を進め、空きスロットを選択した上で、ステップＳ２０１に処理を戻す。

　一方、空きスロットが存在しないと判定した場合（ステップＳ２２２－ＮＯ）、制御部２４０は、空きスロットを確保するためにステップＳ２３１に処理を進める。なお、ステップＳ２３１からＳ２４０までの処理は、それぞれステップＳ２０１～Ｓ２０３、Ｓ２０９、Ｓ２１３～Ｓ２１５、Ｓ２２２、Ｓ２２０、Ｓ２２１の処理と同様であるため、ここでは説明を省略する。なお、ステップＳ２３１からＳ２４０の流れにおいては、そもそも空きスロットが確保できない状況であり、空きスロットが変更されにくくする必要性がないため、カウンタ値ｔのインクリメントを行っていない。

　制御部２４０は、ステップＳ２３８において、空きスロットが存在すると判定した場合（ステップＳ２３８－ＹＥＳ）、ステップＳ２２０およびＳ２２１と同様のステップＳ２３９およびＳ２４０を実行することにより空きスロットを選択する。その後、制御部２４０は、ステップＳ２０１に処理を戻し、次のトリガー情報の受信を待機する。

　図９は、第１実施形態の無線通信システム１００において、端末装置２００が上りデータの送信に関してゲートウェイ装置３００が行う処理の流れを示すフローチャートである。まず、本フローチャートの開始時点において、ゲートウェイ装置３００は、トリガー情報の送信要求を待機している状況である（ステップＳ３０１）。その後、トリガー情報の送信要求が受信されたことに応じて、無線通信部３３０がトリガー情報を送信する（ステップＳ３０２）。なお、トリガー情報の送信要求は、ダウンリンク情報の送信に対する応答として端末装置２００から受信される。

　続いて、無線通信部３３０は、トリガー情報の送信を完了した時点から、上りデータ受信待機時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ３０３）。ここで、上りデータ受信待機時間が経過していないと判定した場合（ステップＳ３０３－ＮＯ）、無線通信部３３０は、上りデータ受信待機時間が経過するまでステップＳ３０３を繰り返し実行する。一方、上りデータ受信待機時間が経過したと判定した場合（ステップＳ３０３－ＹＥＳ）、無線通信部３３０は、上りデータ受信待機時間の待機中に上りデータが受信されたか否かを判定する（ステップＳ３０４）。

　ここで、上りデータ受信待機時間の待機中に上りデータが受信されなかったと判定した場合（ステップＳ３０４－ＮＯ）、無線通信部３３０は、ステップＳ３０１に処理を戻し、次のトリガー情報の送信要求を待機する。一方、上りデータ受信待機時間の待機中に上りデータが受信されたと判定した場合（ステップＳ３０４－ＹＥＳ）、無線通信部３３０は、受信された上りデータに基づいてダウンリンク情報を生成する（ステップＳ３０５）。

　具体的には、無線通信部３３０は、直近の上りデータ受信待機期間において各端末装置２００から受信された上りデータから、それぞれに付加されているランダム符号を取得し、取得した各ランダム符号を、対応する端末装置２００が使用した通信帯域（チャネルおよびスロットの組み合わせ）に対応する位置に配置した信号列をダウンリンク情報として生成する（図３、（５）式、（６）式を参照）。無線通信部３３０は、このようにして生成したダウンリンク情報を端末装置２００に送信した上で（ステップＳ３０６）、ステップＳ３０１に処理を戻す。

　このように構成された第１実施形態の無線通信システム１００は、端末装置２００が上りデータに符号を付加して送信し、ゲートウェイ装置３００が端末装置２００から受信された上りデータに付加されている符号を下りデータの所定位置に付加して送信し、端末装置２００が下りデータの所定位置に上りデータに付加した符号が含まれているかを判定することにより、端末装置２００の間で上りデータの送信が衝突することを抑制することができる。

＜第２実施形態＞
　第２実施形態の無線通信システム１００のシステム構成は、基本的には、第１実施形態の無線通信システム１００と同様であるが（図１参照）、ゲートウェイ装置３００の無線通信部３３０がトリガー情報を送信する方法と、端末装置２００の制御部２４０が空きスロットを選択する方法とが第１実施形態の無線通信システム１００と異なる。具体的には、第２実施形態の無線通信システム１００において、ゲートウェイ装置３００の無線通信部３３０は、トリガー情報の送信を複数の端末装置２００のグループごとに分割して行う点で第１実施形態における無線通信部３３０と異なる。また、第２実施形態の無線通信システム１００において、各端末装置２００の制御部２４０は、それぞれの端末装置２００に対応するトリガー情報が受信された場合に上りデータを送信する点で第１実施形態における制御部２４０と異なる。

　図１０は、第２実施形態におけるトリガー情報の一例を示す図である。第２実施形態におけるトリガー情報には、第１実施形態におけるトリガー情報（図３参照）に、各トリガー情報の分類を識別するためのトリガー番号が付加される。なお、第２実施形態において、上りデータおよびダウンリンク情報については第１実施形態と同様である（図３参照）。なお、第２実施形態の無線通信システム１００において、各端末装置２００には、いずれかの分類を示すトリガー番号が予め設定値として登録されている。

　図１１および図１２は、第２実施形態の無線通信システム１００において、端末装置２００が上りデータの送信に関して行う処理の流れを示すフローチャートである。図１１および図１２では、第１実施形態の無線通信システム１００において端末装置２００が行う処理と同様の処理には、図４および図５と同じ符号を付すことにより、ここでの説明を省略する。すなわち、第２実施形態の無線通信システム１００は、端末装置２００の制御部２４０が、受信されたトリガー情報に付加されているトリガー番号と、予め端末装置２００に登録されているトリガー番号の設定値とが一致するか否かを判定し（ステップＳ４０１およびＳ４０２）、それらが一致した場合に上りデータを送信する点が、第１実施形態における処理の流れと異なる。

　このように構成された第２実施形態の無線通信システム１００は、各端末装置２００がそれぞれに対応するトリガー情報が受信された場合に、上りデータを送信する。このため、第２実施形態の無線通信システム１００によれば、スロット数を増加させることにより、より多くの端末装置２００を収容することが可能となる。一般に、スロット数を増加させると、１回のダウンリンク情報の送信に必要なパケットサイズが増大する。そのため、ダウンリンク情報の送信に必要なパケットサイズが１パケットの上限サイズに収まらなくなることがある。これに対して第２の実施形態の無線通信システム１００では、収容する端末装置２００を複数のグループに分類し、グループごとにトリガー情報を送信するため、１回のダウンリンク情報の送信に必要なパケットサイズを低減して、より多くの端末装置２００を収容することができる。

＜第３実施形態＞
　第３実施形態の無線通信システム１００のシステム構成は、基本的には、第１実施形態の無線通信システム１００と同様であるが（図１参照）、ゲートウェイ装置３００の無線通信部３３０がダウンリンク情報を送信する方法と、端末装置２００の制御部２４０が空きスロットを選択する方法とが第１実施形態の無線通信システム１００と異なる。具体的には、第２実施形態の無線通信システム１００において、ゲートウェイ装置３００の無線通信部３３０は、ダウンリンク情報の送信を、チャネルごとのスロットの集合であるスロットセットごとに行う点で第１実施形態における無線通信部３３０と異なる。また、第３実施形態の無線通信システム１００において、各端末装置２００の制御部２４０は、それぞれに対応するダウンリンク情報を受信した場合に上りデータを送信する点で第１実施形態における制御部２４０と異なる。

　図１３は、第３実施形態の無線通信システム１００において、端末装置２００がゲートウェイ装置３００に対して上りデータを送信する際の通信の流れを示すシーケンス図である。図１３では、第１実施形態の無線通信システム１００が行う処理と同様の処理には、図２と同じ符号を付すことにより、ここでの説明を省略する。すなわち、第３実施形態の無線通信システム１００は、トリガー情報を１回送信されるごとに、上りデータおよびダウンリンク情報の送受信（ステップＳ１０２～Ｓ１０３）が１スロットセットごとに、スロットセット数分行われる点が、第１実施形態における処理の流れと異なる。図１３は、上りデータおよびダウンリンク情報の送受信がＭ個のスロットセット数分の回数行われることを表している（ステップＳ１０２－１およびＳ１０３－１～ステップＳ１０２－ＭおよびＳ１０３－Ｍ）。ここで、１スロットセットのデータ長（以下「スロットセット長」という。）は、上りデータ長とダウンリンク情報のデータ長の和となるため、次の（７）式によって計算される。

　また、この場合、スロット待機用タイマー時刻およびダウンリンク情報待機用タイマー時刻は、（１）式および（２）に代えて、次の（８）式および（９）式で計算することができる。なお、ダウンリンク情報を示す信号列からランダム符号を取得する読出位置は、第１実施形態および第２実施形態における読出位置と同様である。

　図１４Ａ、図１４Ｂ、および図１４Ｃは、それぞれ第３実施形態におけるトリガー情報、ダウンリンク情報、および上りデータの一例を示す図である。第３実施形態におけるトリガー情報は、スロットセット数を含む点で第１実施形態におけるトリガー情報と異なる。上りデータは第１実施形態と同様である。ダウンリンク情報は、ランダム符号を１スロットセット分だけ含む点で第１実施形態におけるダウンリンク情報と異なる。

　図１５は、第３実施形態の無線通信システム１００において、端末装置２００が上りデータの送信に関してゲートウェイ装置３００が行う処理の流れを示すフローチャートである。図１５では、第１実施形態の無線通信システム１００においてゲートウェイ装置３００が行う処理と同様の処理には、図９と同じ符号を付すことにより、ここでの説明を省略する。

　すなわち、第３実施形態の無線通信システム１００において、ゲートウェイ装置３００は、トリガー情報の送信を行うと（ステップＳ３０２）、全てのスロットセットについて上りデータの受信およびダウンリンク情報の送信を完了したかを判定し（ステップＳ５０１）、全てのスロットセットについて上りデータの受信およびダウンリンク情報の送信を完了するまで、上りデータの受信およびダウンリンク情報の送信を繰り返し実行する（ステップＳ３０３～Ｓ３０６）点が、第１実施形態における処理の流れと異なる。

　図１６Ａは、第３実施形態における全スロット管理テーブルの一例を示す図である。また、図１６Ｂは、第３実施形態における空きスロット管理テーブルの一例を示す図である。第３実施形態における全スロット管理テーブルは、各レコードがチャネル番号、スロット番号、およびランダム符号の各値に加えて、スロットセット番号の値を有する点で、第１実施形態における全スロット管理テーブルと異なる。ここで、スロットセット番号は、上りデータの送信に使用することができるスロットセットの識別情報であり、例えば、次の（１０）式を満たすような数値としてゲートウェイ装置３００に予め設定されている。

　第１実施形態又は第２実施形態では、ゲートウェイ装置３００は、全スロット管理テーブルをダウンリンク情報として各端末装置２００に送信した。これに対して、第３実施形態では、ゲートウェイ装置３００は、スロットセットごとの上りデータを受信した場合、全スロット管理テーブルから対応するスロットセット番号を有するレコードを抽出し、抽出されたレコードのみを含むテーブルをダウンリンク情報として各端末装置２００に送信する。

　一方、各端末装置２００では、受信されたダウンリンク情報が、自装置が送信した上りデータに関するものである場合に、そのダウンリンク情報に基づいて空きスロットの選択を行う。

　このように構成された第３実施形態の無線通信システム１００は、各端末装置２００とゲートウェイ装置３００とが、１回のトリガー情報の送受信に対応する上りデータの送受信を、スロットセットごとに分割して実行する。このため、第３実施形態の無線通信システム１００によれば、第２実施形態の無線通信システム１００と同様に、スロット数を増加させることにより、より多くの端末装置２００を収容することが可能となる。

　第２実施形態の無線通信システム１００では、１回のダウンリンク情報の送信に必要なパケットサイズを減少させることができた一方で、トリガー情報の送受信回数が増加し、トリガー情報の送受信にかかるオーバヘッドが大きくなるという課題があった。これに対して、第３実施形態の無線通信システム１００では、スロットセットごとにダウンリンク情報を送信することでトリガー情報の送受信回数を増加させることなく、スロット数を増加させることができる。

　なお、第３実施形態における上りデータの送受信方法では、上りデータの送受信を分割して行うことにより、上りデータの送受信にかかる全体時間が、１回のトリガー情報の送受信に対して許容される規定時間内に収まらなくなってしまう可能性がある。そのため、第２実施形態における上りデータの送受信方法と、第３実施形態における上りデータの送受信方法とは、このようなトレードオフにある課題を考慮した上で、システムの適用先や用途等により適した方が選択されるとよい。

　以上説明した実施形態の無線通信システム１００は、端末装置が、上りデータの送信が成功したか否かをゲートウェイ装置から返されるランダム符号の有無によって判定し、その判定結果に応じて、次の上りデータの送信に用いる空きスロットを新たに選択することにより、端末装置に対して最適な（すなわち、上りデータの送信が成功する）スロットが割り当てられるようにするものである。このようなスロットの割り当てが自律的に行われることにより、端末装置の間で上りデータの送信が衝突する可能性を低下させ、スループットの低下を抑制することができる。

　上記実施形態における端末装置２００の無線通信部２３０および制御部２４０は、本発明における上り送信部の一例であり、ゲートウェイ装置３００の無線通信部３３０は、本発明における下り送信部の一例である。

　以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

　本発明は、無線通信システムに適用可能である。

１００…無線通信システム、２００，２００－１～２００－Ｎ…端末装置、２１０…記憶部、２２０…無線アンテナ、２３０…無線通信部、２４０…制御部、２４１…ランダム符号生成器、２４２…符号判定器、３００…ゲートウェイ装置、３１０…記憶部、３２０…無線アンテナ、３３０…無線通信部

Claims

　端末装置の上位側に接続されたゲートウェイ装置と、前記ゲートウェイ装置と通信可能に接続された前記端末装置とを備える無線通信システムであって、
　前記端末装置は、
　上りデータに符号を付加して前記ゲートウェイ装置に送信する上り送信部と、
　受信した下りデータの所定位置に前記符号が含まれているか否かを判定する符号判定部と、
　を備え、
　前記ゲートウェイ装置は、
　前記端末装置から受信された前記上りデータに付加されている前記符号を、下りデータの前記所定位置に付加して送信する下り送信部を備える、
　無線通信システム。
　前記端末装置において、前記上り送信部は、前記上りデータに付加する符号としてランダム符号を用いる、
　請求項１に記載の無線通信システム。
　前記ゲートウェイ装置において、前記下り送信部は、前記上りデータに付加されている前記符号を、前記端末装置が前記上りデータを送信したスロットを示す位置を前記所定位置として前記下りデータに付加する、
　請求項１に記載の無線通信システム。
　前記端末装置は、前記符号判定部により、前記下りデータの所定位置に前記符号が含まれていないと判定された場合に、上りデータを送信するスロットを所定の確率で変更するスロット変更部をさらに備える、
　請求項１に記載の無線通信システム。
　前記スロット変更部は、前記所定の確率を、それまでに前記スロットを変更した回数に基づいて決定する、
　請求項４に記載の無線通信システム。
　前記端末装置において、前記上り送信部は、前記符号判定部が前記下りデータの所定位置に前記符号が含まれていないと連続して判定した回数が閾値を超えた場合、前記回数に応じて上りデータの送信確率を低くする、
　請求項１に記載の無線通信システム。
　前記ゲートウェイ装置において、前記下り送信部は、トリガー番号を示すトリガー情報を下りデータとして送信し、
　前記端末装置において、前記上り送信部は、予め記憶しているトリガー番号の設定値と、前記ゲートウェイ装置から受信された前記トリガー情報が示すトリガー番号とが一致する場合に、前記符号を上りデータに付加して送信する、
　請求項１から６のいずれか一項に記載の無線通信システム。
　前記ゲートウェイ装置において、前記下り送信部は、連続する所定数のスロットからなるスロットセットごとに前記下りデータを送信し、
　前記端末装置において、前記上り送信部は、複数のスロット数のうちからいずれか一つのスロット数を選択し、選択したスロット数のスロットセットにおいて上りデータを送信する、
　請求項１から６のいずれか一項に記載の無線通信システム。
　端末装置の上位側に接続されたゲートウェイ装置と、前記ゲートウェイ装置と通信可能に接続された前記端末装置とを備える無線通信システムにおける無線通信方法であって、
　前記端末装置が、上りデータに符号を付加して前記ゲートウェイ装置に送信する上りデータ送信ステップと、
　前記端末装置が、受信した下りデータの所定位置に前記符号が含まれているか否かを判定する判定ステップと、
　前記ゲートウェイ装置が、前記端末装置から受信された前記上りデータに付加されている前記符号を、下りデータの前記所定位置に付加して送信する下りデータ送信ステップと、
　を有する無線通信方法。
　端末装置から受信された上りデータに付加されている符号を、下りデータの所定位置に付加して送信するゲートウェイ装置と通信可能に接続された端末装置であって、
　前記ゲートウェイ装置に送信する前記上りデータに前記符号を付加して送信する上り送信部と、
　受信した前記下りデータの所定位置に前記符号が含まれているか否かを判定する符号判定部と、
　を備える端末装置。