JP5105954B2 - 無線通信装置および無線通信システムの無線通信制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えばＵＷＢ（Ultra-Wide Band）規格に準拠した無線通信を効率的に行うための無線通信制御技術に関する。

近年、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置の多くが、無線通信機能を搭載するようになってきている。例えばオフィスでは、リソースの共有等を目的にＬＡＮ（Local Area Network）が敷設されることも多く、ケーブルレスで通信を行えれば、オフィス内のレイアウト変更も簡単に行えるようになる。

この種の情報処理装置で実行される無線通信の一手法として、予め定められた周波数帯を複数の情報処理装置で時分割して共有する手法が存在する。そして、最近では、この手法で無線通信を行うための規格であるＵＷＢ規格が注目を集め始めており、このＵＷＢ規格に準拠した無線通信を効率的に行うための提案も種々なされるに至っている（例えば特許文献１等参照）。
特表２００７−５０２０８７公報

ここで、あるネットワーク上で、無線通信装置Ａが、無線通信装置Ｂとの間でＵＷＢ規格に準拠した無線通信を開始しようとしている場合を想定する。また、この無線通信を行うためには、リソース（予め定められた周波数帯の一部）の割り当てを受けなければならないが、その割り当てが受けられない状況にネットワークがあるものと想定する。

特許文献１の超広帯域通信システムでは、無線通信装置Ｂとの間の無線通信を実行するためのリソースが確保されることは当然の前提として、当該無線通信を効率的に行うために通信パラメータを適宜に選択する仕組みを提案するものである。しかしながら、ネットワークがリソース不足に陥った場合には、この特許文献１の超広帯域通信システムを含む既存の無線通信システムでは、不足分のリソースが解放されるまで待機しなければならないのが現状である。

この発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、リソース不足の状況下においても無線通信を効率的に行うことを可能とする無線通信装置および無線通信システムの無線通信制御方法を提供することを目的とする。

実施形態によれば、無線通信装置は、周期的に形成されるビーコン期間での調整によってグループ内で時分割に共有される無線通信可能期間内に第１の送信出力で無線通信を行うための予約期間を確保する第１の予約期間確保手段と、前記第１の予約期間確保手段による新たな予約期間の確保に失敗した場合、前記無線通信可能期間内に前記第１の送信出力よりも小さい第２の送信出力で無線通信を行うための予約期間を確保する第２の予約期間確保手段と、前記第１の予約期間確保手段により確保された予約期間においては前記第１の送信出力の送信出力で無線通信し、前記第２の予約期間確保手段により確保された予約期間においては前記第２の送信出力で無線通信する無線通信手段と、を具備する。

また、実施形態によれば、無線通信システムの無線通信制御方法は、複数の無線通信装置でグループを構成し、周期的に形成されるビーコン期間での調整によって無線通信可能期間をグループ内で時分割に共有する無線通信システムの無線通信制御方法であって、前記無線通信可能期間内に新たな無線通信用の期間が確保できない場合、送信出力を抑制することによって前記新たな無線通信を含む複数の無線通信を並存させることのできる期間を検出し、前記新たな無線通信を含む複数の無線通信を、前記検出した期間において送信出力を各々抑制しつつ並列に行う。

この発明によれば、リソース不足の状況下においても無線通信を効率的に行うことを可能とする無線通信装置および無線通信システムの無線通信制御方法を提供できる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。ここでは、本発明の無線通信装置は、ＵＷＢ規格に準拠した無線通信を実行するＵＷＢ機器として実現されているものと想定する。

図１は、本実施形態の無線通信装置の一適用例を示す図である。図中の各機器（パーソナルコンピュータ（ＰＣ）（１）），マウス（１），デジタルカメラ／デジタルビデオカメラ，磁気ディスク駆動装置（ＨＤＤ），ＰＣ（２），マウス（２），モニタ）が、ＵＷＢ規格に準拠した無線通信を実行するためのＵＷＢモジュールを搭載する本実施形態のＵＷＢ機器１０であり、Wireless USBやBluetooth（登録商標）等のアプリケーションを使用して、他の機器との無線通信を実現している。

いま、ＰＣ（１）１０は、無線マウス（１）１０を用いてデジタルカメラ１０の中に保存されている映像データを取り込んでいるものとする。また、ＰＣ（１）１０と隣接するＰＣ（２）１０も、無線マウス（２）１０を用いてセカンダリモニタ１０へ作業画面を表示させており、かつ、データ類を外付けＨＤＤ１０に管理させているものとする。

ＵＷＢでは、各ＵＷＢ機器がＴＦＣ(Time-Frequency Code)ナンバー（チャネルのホッピングパターン）で定められた共有周波数を利用することでグループを作成し、そのグループへ属することでグループ内の通信を行う。通信は時間単位で管理されており、参加しているすべてのＵＷＢ機器が、ビーコン期間中に他のＵＷＢ機器からの信号を受信し、現在の通信状況の把握を行う。通信状況には、どのＵＷＢ機器がそのグループに所属しているのかや、ＭＡＳ（medium access slots）と呼ばれる、ＵＷＢ機器同士が通信を行う際に占有する予約期間の確保状況などが挙げられる。

ＭＡＳは、１スーパーフレーム（Superframe）中に２５６個存在し、それをグループに属しているＵＷＢ機器同士で時分割により共有（シェア）する。もし、あるＵＷＢ機器がいくつかのＭＡＳを要求した際に空きが無かった場合、何らの対処も施さなければ、そのＵＷＢ機器はＭＡＳを確保できずに通信を開始することができなくなる。

例えば図１に示したような、ＵＷＢ機器が密集している状況下において、ＰＣ（１）１０も、ＨＤＤ１０に大容量のファイルを送ったり、あるいはＨＤＤ１０から大容量のファイルを読み出すべく、ＨＤＤ１０に対するアクセスを開始しようとしても、当該大容量のファイルの転送を行うために、現在使用中の周波数帯から新たに十分な帯域の確保を行うことは難しい。

そこで、本実施形態のＵＷＢ機器は、このような状況下においても通信を即時に開始することを可能とする仕組みを備えたものであり、以下、この点について詳述する。

図２は、本実施形態のＵＷＢ機器１０のブロック回路図である。図示のように、本実施形態のＵＷＢ機器１０は、装置全体の動作制御を司る制御部１１、ＵＷＢの帯域で使用可能な無線部１２およびアンテナ１３、ビーコン中に含まれるＲＳＳＩ（received signal strength indicator）に関する情報（ＲＳＳＩ情報）を抜き出して保持し、また信号強度変動値を算出するＲＳＳＩ管理部１４、自機器の通信に使用する帯域の割当て管理を行う帯域割当管理部１５を有している。

図３に、スーパーフレームの構造を示す。一般的に、スーパーフレーム（６５５３６μsec）の先頭には、グループ内の全員が現在の状態を把握するためのビーコン期間が設けられる。このビーコン期間から次のビーコン期間までがＵＷＢ機器同士でシェアできる通信可能時間となる。通信可能時間は、２５６μsecを１MASとしてＭＡＳ単位で管理されている(即ち、１Superframeは２５６MASで構成される)。そして、ビーコン期間中に各ＵＷＢ機器１０間で授受されるビーコン中にＲＳＳＩ情報が含まれている。

図４は、スーパーフレームをＭＡＳ単位で示した概念図である。通常、スーパーフレームは、図示のように、縦１６×横１６の２次元（２Ｄ）構造で表現される。図５に、具体的なMAS Allocationの一例を示す。各ＵＷＢ機器１０は、自機器の通信用に必要となるＭＡＳを予約する。要求した通信期間（ＭＡＳ）の確保に成功した場合、その期間に対してStreamIndexと呼ぶ管理番号を付加し、その期間のＭＡＳを占有する。１つのグループにつきStreamIndexは最大で８つまで割り当てることができる。基本的に、既に他のＵＷＢ機器１０に予約されているＭＡＳは、当該他のＵＷＢ機器がそのＭＡＳを解放するまでは使用することはできない。

図６に、ＵＷＢが使用するBandGroup Allocationを示す。ＵＷＢが使用する周波数帯域は３．１GHz〜１０．６GHzの間で、１Bandあたり５２８MHzで分割される。これらを３つで１グループ（BandGroup5を除く）にしたものをBandGroupと称し、このBandGroup単位で通信に使用する。複数のＵＷＢ機器で作成される各グループは、それぞれBandGroupを１つ選び、後述するＴＦＣ（TimeFrequencyCodes）ナンバーに基づいた周波数ホッピングを行って通信する。この周波数ホッピングにより、同一のBandGroupを選んだ他のグループとの通信衝突を回避する。

図７に、ＴＦＣナンバーの一構成例を示す。例えばBandGroup1のグループがＴＦＣナンバー１を使用すると、band1，band2，band3，band1，…と周波数ホッピングを行って通信することになる。図示のように、ＴＦＣナンバー毎に通信に使用するBandのホッピングパターンが異なるので、（同一BandGroupの）他のグループとの周波数干渉を避けることができる。

図８は、ある時点における本実施形態のＵＷＢ機器１０群による無線通信状況を示す図である。図示のように、複数のＵＷＢ機器１０（DEV0〜DEV4）によって１つの無線通信グループ（Group1）が構成されており、各ＵＷＢ機器１０は、周波数帯TFC5を利用し、必要とする通信帯域を予約して通信を行っている。

各ＵＷＢ機器１０は、無線通信を始める際、現在の帯域予約がどのような構成になっているのかを認識しなければならない。その帯域予約認識のために使用されるのがビーコン期間である。このビーコン期間中に授受されるビーコン中に含まれるＲＳＳＩ情報をＵＷＢ機器１０は相互に取得および保持する。

ここでは、図８に示すように、DEV0とDEV1との通信の予約帯域が非常に多くの帯域を占めて予約されている(Steram0-1)、または、これが優先度の低い予約である、といった予約状況にあるものと想定する。このような予約状況において、もし、DEV4がDEV3との通信のために新たにMASの予約を行おうとすると、従来では、Stream0-1の予約帯域の一部または全部を解放しなければならならない、または、DEV4はMASの確保を行うことができずに通信を開始することができない、のいずれかであった。なお、ここでは、後者の、Stream0-1の予約帯域が優先度の低い予約であったものとする。

この場合、Stream0-1は、現在予約中の帯域の解放を強いられる。そして、このような場合に、本実施形態のＵＷＢ機器１０群は、ビーコン期間に取得し保持しているＲＳＳＩ情報を利用して、本発明で提案する手法によるMASの予約を試みる。図９に、本実施形態のＵＷＢ機器１０群が図８に示した無線通信状況から新たにMASを予約した様子を示す図である。

その基本原理を説明すると、もし、保持しているＲＳＳＩ情報から、ＵＷＢ機器１０間の送信出力を抑えて通信を行えば、同帯域、同周波数を利用しても通信が可能であるというMASが算出されるのであれば、図示のStream0-1とStream3-4との予約時間に限り互いの出力を干渉しない送信出力に抑えることで、予約帯域の解放なし、また、別のTFCグループやバンドグループで新規グループを作成したMAS予約を行うことなしで、新たな通信の開始を実現するというものである。

また、図１０に、ＲＳＳＩ情報を元にしたデバイス間信号強度変動値の算出例を示す。各ＵＷＢ機器１０は、時間経過に伴う位置移動が考えられるので、ＲＳＳＩ情報を定期的に更新する必要がある。ある時刻ｔのとき、DEV0とDEV1間のRSSIがLv1であり、図９に示すように重複した帯域予約を実現していたとする。しかし、時刻t+1のとき、DEV0もしくはDEV1の移動によりＲＳＳＩ情報がLv3になってしまった場合、重複している帯域割当て期間において衝突が起きる可能性がある。そこで、ＲＳＳＩ情報の履歴から、通信しているデバイス間が遠ざかっているのか(信号強度変動値：−)、近くなっているのか(信号強度変動値：＋or０)を判断した上で、出力抑制による重複した帯域割当ての可能不可能の判定を行う。

図１１は、本実施形態のＵＷＢ機器１０の通信制御手順を示すフローチャートである。なお、ここでは、前述のGroup1内で新たな通信を開始する場合を想定する。

通信を開始する際、制御部１１は、他に参加しているＵＷＢ機器１０の認識や自分が通信可能な予約時間を確保するためにGroup1内のビーコンを受信する（ステップＡ１）。そして、制御部１１は、Group1内で通信を行うために、他のＵＷＢ機器１０と重複しない通信期間を帯域割当管理部１５に予約させ、かつ、この際に、他のＵＷＢ機器１０のＲＳＳＩ情報をＲＳＳＩ管理部１４に取得、保持させる（ステップＡ２）。

帯域割当管理部１５による予約期間の確保が成功した場合（ステップＡ３のＹＥＳ）、制御部１１は、そのままGroup1内での通信を開始する（ステップＡ４)。一方、確保できない場合（ステップＡ３のＮＯ）、制御部１１は、以下の手順で、送信出力を抑制して通信を行えば予約帯域が重複していても共存できる期間を検出する（ステップＡ５）。

即ち、現在保持しているＲＳＳＩ情報を元にして、例えばDEV4の場合、DEV0とDEV1とのＲＳＳＩ情報と、自機器とDEV3とのＲＳＳＩ情報とを比較して、既存通信に影響が出ないかを比較する。より具体的には、DEV4は、再設定すべき各ＵＷＢ機器１０のＲＳＳＩレベルの情報を挿入したビーコンをビーコン期間に送信する。また、このビーコンを受信したDEV0、DEV1、DEV3も、同様の比較を行い、既存通信の影響をチェックする。問題がなければ、DEV4が送信するビーコンを通信開始まで受信し続ける。一方、問題があれば、DEV4のビーコンを衝突させることで拒絶する。各ＵＷＢ機器１０間のＲＳＳＩ情報は、ＲＳＳＩ管理部１４が、ビーコン受信時に取得して保持している。これにより、送信出力を抑制して通信を行えば予約帯域が重複していても共存できるかどうかを試みる。

もし、共存不可能であれば（ステップＡ５のＮＯ）、制御部１１は、他のＵＷＢ機器１０がMASを解放して要求したMAS数が確保できるまで通信を延期する（ステップＡ６）。一方、共存可能であれば（ステップＡ５のＹＥＳ）、制御部１１は、保持しているＲＳＳＩ情報の履歴からＵＷＢ機器１０間の信号強度変動値をＲＳＳＩ管理部１４に算出させ、その値をチェックする（ステップＡ７）。

ＵＷＢ機器１０間の信号強度変動値が無いか小さければ(信号強度変動値：＋or０)（ステップＡ７のＹＥＳ）、ネットワーク状態の変動は少ないと判断して、制御部１１は、帯域を重複して帯域割当管理部１５に取得させ、その帯域期間は抑制した通信出力で行うように予約帯域を使用するグループ１ａとグループ１ｂとを設定する（ステップＡ８）。一方、ＵＷＢ機器１０間の信号距度変動値が大きければ(信号強度変動値：−)（ステップＡ７のＮＯ）、ネットワーク状態の変動は大きく、帯域を重複して取得した場合には、衝突の可能性が高まると判断して、制御部１１は、帯域の重複取得は行わず、他のＵＷＢ機器１０がMASを解放して要求したMAS数が確保できるまで通信を延期する（ステップＡ６）。

そして、制御部１１は、この設定したグループ１ａまたはグループ１ｂで送信出力を切り換えながら無線部１２に通信を行わせる（ステップＡ９）。この設定は、通信の終了まで保持され、重複していたどちらかの通信の終了後、制御部１１は、残っている予約帯域の出力を元の送信出力に戻す。

以上のように、本実施形態の無線通信装置によれば、リソース不足の状況下においても無線通信を効率的に行うことを可能とするリソース管理を実現する。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施形態に係る無線通信装置（ＵＷＢ機器）の一適用例を示す図 同実施形態のＵＷＢ機器のブロック回路図 ＵＷＢが使用するスーパーフレームの構造を示す図 図３のスーパーフレームをＭＡＳ単位で示した概念図 図４の概念図を用いてスーパーフレームの具体的なMAS Allocationの一例を示した図 ＵＷＢが使用するBandGroup Allocationを示す図 ＵＷＢが使用するＴＦＣナンバーの一構成例を示す図 ある時点における本実施形態のＵＷＢ機器群による無線通信状況を示す図 本実施形態のＵＷＢ機器群が図８に示した無線通信状況から新たにMASを予約した様子を示す図 本実施形態のＵＷＢ機器がＲＳＳＩ情報を元にしたデバイス間信号強度変動値の算出例を示す図 同実施形態のＵＷＢ機器の通信制御手順を示すフローチャート

符号の説明

１０…無線通信装置（ＵＷＢ機器）、１１…制御部、１２…無線部、１３…アンテナ、１４…ＲＳＳＩ管理部、１５…帯域割当管理部。

Claims (9)

1. 周期的に形成されるビーコン期間での調整によってグループ内で時分割に共有される無線通信可能期間内に第１の送信出力で無線通信を行うための予約期間を確保する第１の予約期間確保手段と、
   前記第１の予約期間確保手段による新たな予約期間の確保に失敗した場合、前記無線通信可能期間内に前記第１の送信出力よりも小さい第２の送信出力で無線通信を行うための予約期間を確保する第２の予約期間確保手段と、
   前記第１の予約期間確保手段により確保された予約期間においては前記第１の送信出力の送信出力で無線通信し、前記第２の予約期間確保手段により確保された予約期間においては前記第２の送信出力で無線通信する無線通信手段と、
   を具備する無線通信装置。
2. 前記第２の予約期間確保手段は、前記第１の予約期間確保手段がビーコン期間中に受信するビーコンに含まれる、前記グループに属する無線通信装置それぞれのＲＳＳＩ（received signal strength indicator）情報に基づき、前記第２の送信出力による無線通信が可能な予約期間を検出する請求項１記載の無線通信装置。
3. 前記第２の予約期間確保手段は、前記ＲＳＳＩ情報の経時的な変化を監視し、その変動状況に基づき、前記第２の送信出力による無線通信可否を判定する請求項２記載の無線通信装置。
4. 前記第２の予約期間確保手段は、前記第２の送信出力による無線通信可否をビーコン期間中におけるビーコンの送信によって検査する請求項２または３記載の無線通信装置。
5. 周期的に形成されるビーコン期間での調整によってグループ内で時分割に共有される無線通信可能期間内に自装置の無線通信に用いる予約期間を確保する第１の予約期間確保手段と、
   前記第１の予約期間確保手段による新たな予約期間の確保に失敗した場合、送信出力を抑制することによって自装置の無線通信を他の無線通信と並存させることのできる予約期間を前記無線通信可能期間内に確保する第２の予約期間確保手段と、
   前記第１の予約期間確保手段により確保された予約期間と前記第２の予約期間確保手段により確保した予約期間とで送信出力を切り換えながら、前記第１の予約期間確保手段により確保された予約期間と前記第２の予約期間確保手段により確保された予約期間とを用いて無線通信する無線通信手段と、
   を具備する無線通信装置。
6. 複数の無線通信装置でグループを構成し、周期的に形成されるビーコン期間での調整によって無線通信可能期間をグループ内で時分割に共有する無線通信システムの無線通信制御方法であって、
   前記無線通信可能期間内に新たな無線通信用の期間が確保できない場合、送信出力を抑制することによって前記新たな無線通信を含む複数の無線通信を並存させることのできる期間を検出し、
   前記新たな無線通信を含む複数の無線通信を、前記検出した期間において送信出力を各々抑制しつつ並列に行う、
   無線通信システムの無線通信制御方法。
7. 前記送信出力を抑制することによって自装置の無線通信を他の無線通信と並存させることのできる予約期間の検出は、前記ビーコン期間中に受信するビーコンに含まれる、前記グループに属する無線通信装置それぞれのＲＳＳＩ情報に基づいて行う請求項６記載の無線通信システムの無線通信制御方法。
8. 前記ＲＳＳＩ情報の経時的な変化を監視し、その変動状況に基づき、自装置の無線通信を並存させることができるか否かを判定する請求項７記載の無線通信システムの無線通信制御方法。
9. 前記検出した予約期間での自装置の無線通信と他の無線通信との並存可否をビーコン期間中におけるビーコンの送信によって検査する請求項７または８記載の無線通信システムの無線通信制御方法。

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