(57)【要約】【課題】無線中継システムにおいては、制御信号の通信オーバーヘッドによって実効スループットの低下や通信遅延が増大し、さらに１ホップずつ順番に通信する中継通信の場合、各ホップの通信誤り率が乗算され、トータルでの通信誤り率が増大する。【解決手段】無線中継システムで、TDMAの各スロットにおいて受信するか、転送するかの判定を行う(903)。受信済みのスロットであれば、受信済みの信号を送信し(906)、未受信のスロットであれば、受信待ちを行う(904)。信号を受信したら、その受信パケットを記録し(905)、受信できなかった場合、規定のスロット時間が経過後受信を終了する。こうして1スロット分の処理を完了し、規定のスロット数の処理が完了するまで繰り返す(907、908)。更に、全スロットをまとめて1フレームとし、規定のフレーム数だけ繰返し通信を行う(909)。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
親局及び中継局ならびに複数の端局それぞれの無線通信装置が時分割通信方式で通信を行う無線通信システムであって、
前記親局は、複数の前記端局宛に送信する送信信号を時分割スロットに割り当てて送信し、
前記中継局は、前記時分割スロットに割り当てられた前記送信信号のうち、正しく受信した前記送信信号は転送し、正しく受信できなかった前記送信信号は再度受信することにより、
送受信の切り替えのための制御信号を必要としないことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
請求項１記載の無線通信システムであって、
前記親局は、複数の前記端局に対応する複数の前記時分割スロットを一フレーム単位として所定回繰り返し送信し、
前記中継局は、前記フレーム各々において、前記時分割スロットに割り当てられた前記送信信号のうち、正しく受信した前記送信信号を転送し、正しく受信できなかった前記送信信号を再度受信する、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項３】
請求項1記載の無線通信システムであって、
前記親局が送信する前記送信信号内に当該送信信号の送信回数を示す回数情報を含め、
前記中継局は、受信した前記送信信号の前記回数情報を読み取り、前記回数情報が前記中継局に設定された最大回数情報よりも大きい値である場合は、受信した前記送信信号の転送を行わず、前記回数情報が前記最大回数情報よりも小さい値である場合は、受信した前記送信信号の転送を行う、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項４】
請求項1記載の無線通信システムであって、
前記親局が送信する前記送信信号内に、1回目の前記送信信号を送信した送信時刻情報を含め、前記中継局は受信した前記送信信号の前記送信時刻情報を読み取り、前記送信時刻情報が前記中継局に設定された転送終了時刻情報よりも大きい値である場合は受信した前記送信信号の転送を行わず、前記送信時刻情報が前記転送終了時刻情報よりも小さい値である場合は受信した前記送信信号の転送を行う、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項５】
請求項1に記載の無線通信システムであって、
前記送信信号の変調方式に直交周波数分割多重方式を用い、前記直交周波数分割多重方式の直交周波数分割多重信号のガードインターバル長が、複数の前記中継局が前記送信信号を受信する時刻の誤差範囲よりも長く設定されている、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項６】
請求項１記載の無線通信システムであって、
前記親局が複数の前記端局宛に前記送信信号を送信する際に、前記中継局は予め設定された全ての周波数チャネルを切り替えながら前記送信信号をサーチし、前記送信信号を受信できた周波数チャネルを使って前記送信信号の転送を行う、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項７】
請求項２記載の無線通信システムであって、
前記親局が複数の前記端局宛の前記送信信号を再度送信する際に、前回の前記送信信号の送信に使った周波数チャネルとは異なる周波数チャネルを用いて前記送信信号の送信を行う、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項８】
高周波処理部、ベースバンド処理部、及びメディアアクセスコントロール処理部を備え、時分割通信方式で無線通信を行う無線通信装置であって、
親局から、複数の端局に対応する複数の時分割スロットを一フレーム単位として所定回繰り返し送信される送信信号のうち、前記フレーム各々において、正しく受信した前記送信信号を転送し、正しく受信できなかった前記送信信号を再度受信する、
ことを特徴とする無線通信装置。
【請求項９】
請求項８記載の無線通信装置であって、
前記親局が複数の前記端局に送信する前記送信信号内に、送信回数を示す回数情報が含まれており、
受信した前記送信信号の前記回数情報を読み取り、前記回数情報が設定された最大回数情報よりも大きい場合は前記送信信号の転送を行わず、前記回数情報が前記最大回数情報よりも小さい場合は前記送信信号の転送を行う、
ことを特徴とする無線通信装置。
【請求項１０】
請求項８記載の無線通信装置であって、
前記親局が複数の前記端局に送信する前記送信信号内に、1回目の前記送信信号を送信した送信時刻情報が含まれており、
受信した前記送信信号の前記送信時刻情報を読み取り、前記送信時刻情報が前記中継局に設定された転送終了時刻情報よりも大きい値である場合は前記送信信号の転送を行わず、前記送信時刻情報が前記転送終了時刻情報よりも小さい値である場合は前記送信信号の転送を行う、
ことを特徴とする無線通信装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の無線通信装置であって、
前記親局が複数の前記端局に送信する前記送信信号の変調方式に直交周波数分割多重方式を用いられており、
前記直交周波数分割多重方式の直交周波数分割多重信号のガードインターバル長が、前記送信信号を受信する時刻の誤差範囲よりも長く設計されている、
ことを特徴とする無線通信装置。
【請求項１２】
請求項８記載の無線通信装置であって、
前記親局が複数の前記端局宛に送信した前記送信信号を受信する際に、予め設定された全ての周波数チャネルを切り替えながら前記送信信号をサーチし、前記送信信号を受信できた周波数チャネルを使って前記送信信号の転送を行う、
ことを特徴とする無線通信装置。
【請求項１３】
請求項８記載の無線通信装置であって、
前記フレーム各々において、前記親局が複数の前記端局宛の前記送信信号を再度送信する際に、前回のフレームにおいて前記送信信号の送信に使った周波数チャネルとは異なる周波数チャネルを用いて前記送信信号の送信を行う、
ことを特徴とする無線通信装置。
【請求項１４】
高周波処理部、ベースバンド処理部、及びメディアアクセスコントロール処理部を備え、時分割通信方式で無線通信を行う無線通信装置であって、
一つの無線局から、他の複数の無線局に対応する複数の時分割スロットを一フレーム単位とし、所定回数の前記フレームで繰り返し送信される送信信号のうち、一つの前記フレームにおいて正しく受信した前記送信信号を転送し、正しく受信できなかった前記送信信号を引き続く前記フレームで再度受信する、
ことを特徴とする無線通信装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の無線通信装置であって、
前記一つの無線局が送信する前記送信信号内に前記所定回数中の送信回数を示す回数情報を含まれており、受信した前記送信信号の前記回数情報を読み取り、前記回数情報が設定された最大回数情報よりも大きい場合は前記送信信号の転送を行わず、前記回数情報が前記最大回数情報よりも小さい場合は前記送信信号の転送を行うよう制御する、
ことを特徴とする無線通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに時分割通信（Time Division Multiplexing：TDM）方式でデータ通信を行う、親局、端局および少なくとも1つの中継局を備えた無線通信システムならびに無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
IEEE802.11a/b/gを代表とする近距離無線システムの利用が定着しつつある。これらは主にPC(Personal Computer)や携帯端末間のデータ通信を目的としているが、その適用範囲を幅広く業務用途へと適用する動向が活発化している。
【０００３】
また業務用途への拡大に伴い、無線通信に求められる機能も多様化している。その一つに、無線中継機能がある。一つの無線機ではカバーできない広いエリアでの無線通信を実現し、例えば広い工場内で業務情報を無線伝送するといった目的で利用される。
【０００４】
無線中継に求められる技術は学会や各団体で活発に議論がされており、その代表的な例として、非特許文献１がある。非特許文献１は無線中継を実現するための制御方式を規定するものであり、IEEE802.11a/b/gなど複数の無線通信方式上で動作することを目的として検討されている。
【０００５】
しかしこれらの議論は主にIP(Internet Protocol)レイヤーの経路制御に関するものであり、目的の制御を達成するために制御信号を多くやり取りする必要がある。その結果、システムトータルのスループットの低下や、遅延を生じる問題がある。対象とするアプリケーションがベストエフォートの考え方に基づいているデータ通信であれば、これらは大きな問題とはならないが、業務用途アプリケーションにおいては、決められた時間にデータが必ず届く定時性が重要であり、スループットの低下や遅延は重大な問題となる。さらに、多段中継システムにおいては一段当たりの誤り率の乗算結果がシステムトータルの誤り率となることから、誤り率が大きく劣化する。これらの問題が原因で、業務用途のアプリケーションへ無線システムを適用できないことがある。
【０００６】
このような無線中継において、スループット低下、通信遅延の増大、誤り率の低下は大きな問題であり、それらを解決しようとする多くの発明、例えば特許文献1〜4等がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平10-173729号公報
【特許文献２】特開平05-095375号公報
【特許文献３】特開2006-148417号公報
【特許文献４】特開2002-111576号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】IEEE802.11s draft
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
スループットの低下及び遅延の増大は、信号が到着したかどうかを確認するACKフレームを送受信する必要があることが原因になっており、ACKフレームの制御方法を工夫もしくは削減する方法が多く検討されている。特許文献1は、送信局の信号についてはACKフレームを返さずに、応答局からの信号についてのみ、送信局からACKフレームを返すことで、ACKフレーム数を減らしている。これにより従来の半分まで通信時間を減らすことができるが、中継通信における誤り率向上には寄与していない。
【００１０】
特許文献2は、通信路の信頼性をテーブルとして持っておき、信頼性情報に基づいてACK返送の実施を判断するものである。しかし無線伝送路の信頼性は一般的に時間変動するものであり、信頼性情報を的確に状況を表す数値に保つことは難しい。これにより、通信信頼性も低下してしまうものと考えられる。更に中継通信においては、受信信号が到来する方向と送信信号を送信する方向は一致しないのが一般的なため、一つの信頼性という指標で通信路の状況を表現することは困難と考えられる。
【００１１】
無線中継システムでは、信号が衝突しないように予め中継局間が同期をとる必要があり、そのための制御オーバーヘッドも問題となる。特許文献3は、無線中継システムにおいて中継局が受信したデータを転送するかどうかを、中継局が予め通信成功確率を計算しており、その通信成功確率に基づいて転送するかどうかを決定するものである。これにより中継通信における制御オーバーヘッドを低減できているが、伝搬路の時間変動により、通信成功確率が信頼できる値に保つことが難しいことから、通信誤り率の劣化を防ぐことができない。
【００１２】
特許文献4は、路車間通信システムにおいて、地上局間の距離Lとした場合にOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)信号のガードタイムを（L／３００）マイクロ秒とすることで、車上への無線信号を複数の基地局から届かせることで、シャドーイングの影響を排除できる。この技術により、制御オーバーヘッドを発生することなく、通信信号が衝突しても受信可能となる無線システムを実現できるが、中継局を含めた無線システムについては言及されていない。
【００１３】
本発明の目的は、中継局を含む無線システムにおいて、制御オーバーヘッドの削減と誤り率の劣化の問題を同時に解決するための無線通信システム、及び無線通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明においては、親局及び中継局ならびに複数の端局それぞれの無線通信装置が時分割通信方式で通信を行う無線通信システムであって、親局は、複数の端局宛に送信する送信信号を時分割スロットに割り当てて送信し、中継局は、時分割スロットに割り当てられた送信信号のうち、正しく受信した送信信号は転送し、正しく受信できなかった送信信号は再度受信することにより、送信と受信の切り替えのための特別な制御信号を必要としない無線通信システムを提供する。
【００１５】
また、上記目的を達成するため、本発明においては、高周波処理部とベースバンド処理部とメディアアクセスコントロール処理部とを備え、時分割通信方式で無線通信を行う無線通信装置であって、一つの無線局から、他の複数の無線局に対応する複数の時分割スロットを一フレーム単位とし、所定回数のフレームで繰り返し送信される送信信号のうち、一つのフレームにおいて正しく受信した送信信号を転送し、正しく受信できなかった送信信号を引き続くフレームで再度受信するよう制御する無線通信装置を提供する。
【００１６】
すなわち、本発明においては、上述した目的を達成するため、TDMA通信方式を具備する無線通信システムであって、TDMAの各スロットにおいて受信するか、転送するかの判定を行う。既に信号を受信済みのスロットであれば、受信済みの信号を送信し、信号を未受信のスロットであれば、当該信号の受信待ちを行う。信号を受信したら、その受信パケットを記録し、また受信できなかった場合は、規定のスロット時間が経過したら当該信号の受信を終了する。こうして1スロット分の処理を完了し、規定のスロット数の処理が完了するまで繰り返す。さらに、全スロットの処理をまとめて1フレームとし、規定のフレーム数だけ繰返し通信を行う。さらに無線信号にOFDM方式を用い、各無線局間の送信タイミング誤差以上にGI長を長く設計することで、信号が衝突しても受信局側で受信できる構成とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、無線通信システムにおいて、通信タイミング同期や周波数チャネル合わせのための制御信号を用いることなく、無線中継伝送を実現することができる。これにより、従来あった通信実効スループットの低下や、通信遅延の増大を低減することができる。さらに、多重経路中継伝送をも同時に実現し、システムトータルでの無線伝送誤り率を向上し、非常に信頼性の高い無線通信システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１に係わる、無線通信システムの全体構成を説明するための図である。
【図２】実施例１に係わる、無線局の配置の一例を示す図である。
【図３】実施例１に係わる、無線局間の通信フローの一例を示す図である。
【図４】実施例１に係わる、無線局間のTDMAスロット転送方式を示す図である。
【図５】実施例１に係わる、GI長設計を説明するための図である。
【図６】実施例１に係わる、各無線局の無線機の一構成を示す図である。
【図７】実施例１に係わる、無線局間のフレームフォーマットを示す図である。
【図８】実施例１に係わる、親局のフローチャートを示す図である。
【図９】実施例１に係わる、中継局のフローチャートを示す図である。
【図１０】実施例１に係わる、端局のフローチャートを示す図である。
【図１１】実施例２に係わる、無線局間の通信フローの一例を示す図である。
【図１２】実施例２に係わる、無線局間のフレームフォーマットを示す図である。
【図１３】実施例２に係わる、親局のフローチャートを示す図である。
【図１４】実施例２に係わる、中継局のフローチャートを示す図である。
【図１５】実施例２に係わる、チャネルサーチのフローチャートを示す図である。
【図１６】実施例２に係わる、端局のフローチャートを示す図である。
【図１７】実施例３に係わる、フレームフォーマットを示す図である。
【図１８】実施例３に係わる、中継局のフローチャートを示す図である。
【図１９】実施例３に係わる、端局のフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の各実施の形態について図面で説明する。なお、以下の説明にあっては、親局、中継局、端局などの各無線局における無線通信を行う無線通信装置を無線機と呼ぶ場合がある。
【実施例１】
【００２０】
実施例1として、列車制御システムにおける地上装置間の無線ネットワークシステムを説明する。図1は第１の実施例の無線通信システムの全体システム構成を示している。システムは、制御信号の発信元となる無線親局100と、制御信号を受けて、信号機や転轍機といった機器へ制御情報を伝えるための無線端局104と、親局100と端局104の間を無線中継で信号伝送するための無線中継局101、無線中継局102、無線中継局103から構成される。図１の構成においては、任意の無線局から隣接する無線局までの距離をL（ｍ）とし、親局100から端局104までの距離が4L（ｍ）となる。各無線局が出した送信信号はブロードキャスト信号として送信され、他の無線局全てが受信を行う。そのための詳しい通信方式については後述する。制御信号は親局が端局に向けて発するものの他に、端局から親局へ発する信号もある。
【００２１】
図2は、図1に示したシステム構成を鉄道の駅周辺に2次元的に配置した場合の一具体例を示している。例えば、親局200から端局203への一つの通信経路として、親局200、中継局201、中継局202、端局203と無線信号が伝達する経路がある。ただし全ての無線信号はブロードキャスト信号として送信されるため、例えば親局200から端局203へ直接信号伝達する経路や、中継局201から端局203へ伝達する経路も存在する。同様に、その他の全ての端局に対し、親局及び全ての中継局からの信号伝達経路が存在し、高信頼な多重経路通信を実現する。
【００２２】
図3は高信頼な多重経路通信を実現するための通信フローを示している。親局と端局間は、通信周期T(sec)で制御信号とその応答信号の送受信を繰り返す。よって制御信号は下り信号、応答信号は上り信号と言える。通信信頼性を高めるために、制御信号を4回繰り返して送信する。各制御信号は、フレーム1、フレーム2、フレーム3、フレーム4に割り当てるTDM通信となる。応答信号も同様にフレーム1からフレーム4へ割り当て繰返し通信を行う。また本実施例は無線中継伝送であることから、制御信号及び応答信号を受信した中継局1、中継局2、中継局3は、順次信号の転送を行う。親局が送信する信号はブロードキャスト信号であり、また同様に各中継局が送信する信号もブロードキャスト信号であることから、親局から端局へ信号が伝達する経路は様々なパターンが発生する。例えば、順当に親局、中継局１、中継局２、中継局３、端局と伝達する経路や、親局、中継局２、端局と伝達する経路、親局、中継局３、中継局１、端局という順番で伝達する経路もありうる。またこの通信フローにおいて明らかなように、フレームをTDMAスロットに分割し、各スロットに各端局宛の制御信号を割り当てることで、多元接続を実現する。
【００２３】
図4に、具体的なTDMAスロット単位の転送方式を示す。401は、受信が成功したスロットと受信が失敗したスロットをそれぞれどのように処理するかを表している。フレーム１において、中継局１がスロットj-1で親局からの信号を受信成功し、スロットjで受信失敗した場合、フレーム2において中継局１は、受信成功したスロットj-1では転送処理を行い、受信失敗したスロットjでは再度受信を試みる。その結果受信が成功すれば、フレーム２に続くフレーム3において中継局1は、スロットｊの信号を転送することとなる。図4の402は、ブロードキャスト信号が中継転送される処理の例を示している。フレーム１のスロットjにおいて、親局が出した信号が中継局１及び中継局2で受信成功となった場合、フレーム2のスロットjにおいて、中継局1と中継局2はともに転送処理を行うことを示している。
【００２４】
図4に示したブロードキャスト中継処理を行う場合、同一周波数チャネルを用いて通信する場合は信号の衝突が問題となる。信号が衝突しても無線機が復調できるための仕組みが必要であり、その仕組みを備えた変形例を図5に示した。同図501は、図4の401と同じTDMAスロット単位の転送処理を示す。本変形例においては、信号が衝突しても受信可能とするために、OFDM方式を用いる。OFDM方式では情報の最小単位となるOFDMシンボル毎に、GI(Guard Interval)時間を設ける。同図の502に示すように、親局の送信信号503と中継局１の送信信号504の送信タイミングのずれがGI506の時間長よりも短い場合、情報aを意味するOFDMシンボルと情報bを意味するOFDMシンボルが時間的に重なることはない。よって、いわゆるシンボル間干渉が起きることなく、信号を復調することが可能となる。
【００２５】
一方で、送信タイミングのずれがGI506の時間長よりも大きい信号505がきてしまうと、情報aを意味するOFDMシンボルと情報bを意味するOFDMシンボルが時間的に重なり、シンボル間干渉が発生することで復調ができなくなる。この原理を利用し、変形例では各無線局間で発生する送信タイミング誤差よりも長いGI長を設計することで、プロードキャスト中継処理を実現するものである。
【００２６】
図6は本実施例の無線機、即ち親局、中継局、端局における無線通信装置の一構成例を示している。無線機は大きく高周波(Radio Frequency：RF)処理部、ベースバンド(Base Band：BB)処理部、メディアアクセス制御(Media Access Control：MAC)処理部から構成される。この内、RF処理部はアンテナ600と高周波回路601から構成され、周波数チャネルの設定などを行う。
【００２７】
BB処理部はAD(Analog Digital)コンバータ602、DA(Digital Analog)コンバータ603、FPGA(Field Programmable Gate Array)604から構成され、FPGA604でデジタル変復調処理を施されたデジタル無線信号をAD/DAでアナログ／デジタル変換する。MAC処理部はCPU(Central Processing Unit)605とメモリ606から構成され、メモリ606に格納された制御ソフトウェアによってCPU605が通信フロー制御を実施する。また有線インタフェース607によって、信号機や転轍機といった制御機器との情報をやりとりする。FPGA604、CPU605、メモリ606、有線インタフェース607はデータバス608で接続される。
【００２８】
図7は本実施例における通信フレームフォーマットを示している。同図(a)の701は1周期のスーパーフレームを表している。1周期の時間を100msとする。本実施例においては、親局から中継局及び端局に向けた下り方向の通信が４フレーム、中継局及び端局から親局に向けた上り方向の通信が４フレームで構成される。同図(b)の702は1つの下りデータフレームを表している。1フレームの長さは12msとする。この1フレーム内に、32スロット分のパケットデータが入る。同じく703は1つの上りデータフレームを表している。1フレームの長さは12msとする。この1フレーム内に、32スロット分のパケットデータが入る。
【００２９】
同図(c)の704は、1つのパケットデータのデータスロットを表している。データスロットは長さ16usのプリアンブルと、4Byteのデータヘッダ、32Byteのデータから構成される。通信レート1.4Mbpsの場合、データヘッダとデータを合わせた長さは201.6usとなる。データスロットの長さは217.6usとなる。
【００３０】
同図(d)の705は4Byteのデータヘッダのフォーマットを表している。1Byteずつの４フィールドに分けられ、フレームID、データスロットID、親局アドレス、端局アドレスから構成される。同図(e)に示す706の表は、各フィールドに入る値を示している。フレームIDには、1から4の数値が入る。フレーム1からフレーム4までの繰返し通信数を識別するのに使う。データスロットIDには、0から31の数値が入る。702及び703のデータフレームに入る32スロット分のデータにおいて、32のデータを識別するための数値として使用する。親局／端局アドレスには、0から255の数値が入る。システム内に複数存在する親局及び端局を識別するための数値として使用する。同図(f)の707は情報伝達するための最小単位となる、OFDMシンボルのフォーマットを表している。GI長は8usとし、OFDMシンボル長を3.2usとしており、１シンボル当たり11.2usとなる。
【００３１】
なおここでは、サブキャリア数16本のBPSK(Binary Phase Shift Keying)を前提としており、１パケットあたりの送信bit数(36×8 ＝ 288bit)を１シンボルあたりのbit数(16)で割って必要な送信シンボル数を求めると、同図(c)の１パケットデータ中には、18symbolが内包されることとなり、プリアンブル(16us)を除いた部分は上述の通り、18×11.2us ＝ 201.6usとなる。
【００３２】
図8は、通信処理を行うための親局を構成する無線機における処理フローチャートを表している。親局は電源投入などによって800から処理を開始する。開始後、801で有線I/F607に来る下り電文の受信待ちを行う。これは、例えば中央制御装置といったシステム全体を集中管理する装置が下り電文を送信し、この下り電文を例えば図6の有線I/F607を介して受信することを想定している。802で下り電文の受信を監視し、受信しなければ引き続き801で受信待ちを継続する。下り電文を受信したら、803で下り電文からTDMAスロットに分割された無線パケットを作成する。
【００３３】
この処理の詳細としては、図7に示したOFDMシンボルの作成とGIの付加が図6のFPGA604で行われ、データスロットを構成する処理となる。次に804で、作成した無線下りパケットを送信する。TDMAスロットによる通信方式であるので、805で、規定のスロット数を送信するまで無線パケットの送信を繰り返す。また図4の通信フローで示したとおり繰返し送信を行うため、806で、規定のフレーム数を送信するまで、送信を繰り返す。全ての送信処理を完了したら、807で、無線上りパケットの受信待ちを開始する。上り信号も、下り信号と同様に、規定のスロット数に分割された信号を規定のフレーム数分だけ受信するための、そのサイクルを808、809にて繰り返す。全ての受信処理を完了したら、810で、受信した無線パケットを有線インタフェース607へ送り、1つの通信周期を完了する。完了後801にもどり、以後この通信周期プロセスを繰り返す。なお図8に示す親局の処理フローは、マイクロ秒オーダーの処理を必要とすることから図6のBB処理部のFPGA604で処理することが望ましいが、時間制約に問題が無い場合はMAC処理部のCPU605で処理しても良い。
【００３４】
次に図9で、中継局を構成する無線機での処理フローを説明する。電源投入などによって900から処理を開始する。901で、フレームIDを初期値に設定する。これは中継局がまだ何も信号を受信していない状態へとクリアすることを意味する。次に同様の意味で、902でスロットIDを初期化する。903で、TDMAの1スロットについて受信するか、転送するかの判定を行う。既に受信済みのスロットであれば、906で、受信済みの信号を送信する。この送信処理906の詳細としては、図7に示したOFDMシンボルの作成とGIの付加が図6のFPGA604で行われ、データスロットを構成する処理となる。受信できていないスロットであれば、904で受信待ちを行う。パケットを受信したら、905でその受信パケットを記録する。
【００３５】
また904で受信できなかった場合は、規定のスロット時間が経過したら受信を終了する。こうして1スロット分の処理を完了したら、907でスロットIDのチェックを行う。スロットIDが規定の最大値を超えていなければ、まだ処理すべきスロットが残っているため、908で次のスロットIDを設定し、903へ戻り、スロットの処理を繰り返す。スロットIDが規定の最大値を超えていれば、全TDMAスロットの処理を完了したということなので、909にてフレームIDのチェックを行う。
【００３６】
図4の通信フローに示したとおり、規定のフレーム数だけ繰返し通信を行うためにフレームIDをチェックし、規定の最大値を超えていなければ、910で、次のフレームIDを設定し、902からスロットの処理を繰り返す。超えていれば、901に戻り、繰返し通信の初期状態から再び処理を繰り返す。なお図9における処理は、マイクロ秒オーダーの処理を必要とすることから図6のFPGA604で処理することが望ましいが、時間制約に問題が無い場合はCPU605で処理しても良い。
【００３７】
図10に、端局の無線機の処理フローチャートを示す。電源投入などによって1000から処理を開始する。1001で、端局の無線機は、親局か中継局が送信する無線下りパケットの受信待ちを開始する。親局及び中継局の処理フローで説明したのと同様に、規定のスロット数および規定のフレーム数で繰返し受信を行うため、1002、1003で、規定の回数だけ受信処理を繰り返す。受信処理が完了したら1004で、無線上りパケット送信処理を開始する。
【００３８】
端局は、自身に割り当てられた1つのTDMAスロットを使って応答信号を送信する。自身に割り当てられたTDMAスロットであるかどうかを1005でチェックし、そうでなければ何もせず、1004へ戻る。割り当てスロットの時間であれば、1006で応答信号を送信する。この処理の詳細としては、図7に示したOFDMシンボルの作成とGIの付加が図6のFPGA604で行われ、データスロットを構成する処理となる。規定のフレーム数だけ繰返し送信するため、1007でフレーム数をチェックし、規定の繰返し回数に達していなければ1004へ戻り処理を繰り返す。規定の繰返し回数に達していれば、1001へ戻り、通信周期の初期状態へと戻る。なお図10における処理は、マイクロ秒オーダーの処理を必要とすることから図6のFPGA604で処理することが望ましいが、時間制約に問題が無い場合はCPU605で処理しても良い。
【００３９】
以上に述べた親局、中継局、端局それぞれの無線機の処理フローによって、ブロードキャスト中継通信を実現する。多重経路によって高信頼な通信を実現し、さらに通信を成立するための制御信号を必要としないため、通信速度の低下や通信遅延の発生といった問題を起こすことがない。
【００４０】
以上説明した実施例1における、従来例と比較した通信オーバーヘッド削減効果を説明する。送信局−受信局間の1回の送受信にかかる時間をTとする。このとき、図3に示した通信フローにかかる時間は8Tとなる。次にACK方式を用いた従来の中継転送方式を考える。3台の中継局を持つ構成において、下り方向で4回の送受信が発生し、更に各通信においてACK返信が発生する。したがって、親局から中継局1、中継局2、中継局3、端局と順番に中継し、各通信でACK返信が行われる場合、合計で8Tの時間がかかる。上り通信も同じ時間がかかるので、合計で16Tの時間がかかる。結果として、実施例1の方式は、従来例と比較して通信オーバーヘッドを1/2に削減していることになる。更に従来例では、各中継において通信エラーが発生した場合にNACK送信とデータ再送が発生する。これにより、合計の通信時間は更に増大し、削減効果は1/2以下となる。
【００４１】
次に実施例1における、従来例と比較した信頼性向上効果を説明する。図1に示した構成において、距離Lのときのフレームエラーレート(Frame Error Rate:
以下、FER）1＝1E-3、距離2LのFER2＝2.5E-2、距離3Lと4LのFER3＝1と仮定する。このとき、親局−端局間のシステムトータルFERは各無線局における受信成否の状態遷移確率で表され、トータルFER＝5.17E-11となる。次に従来中継構成のトータルFERを考える。距離Lの通信を順番に繰り返す従来構成においては、トータルFERはFER1＝1E-3の和となるため、トータルFER＝4E-3となる。従って実施例1の方式は、従来例と比較して8桁程度のFER向上を実現することとなる。
【実施例２】
【００４２】
次に第2の実施例について説明する。実施例１では単一の周波数チャネルを用いた場合を例示したが、無線通信においては、他システムからの干渉信号がある場合に通信を阻害され、信頼性が低下するという問題がある。よって実施例2では、フレーム繰返し通信を行う際に、さらに周波数チャネルの切替を行うことにより他システムからの干渉信号を回避する方式を示す。これにより無線通信の信頼性を高めるものである。
【００４３】
図11は第２の実施例のシステムにおける通信フローを示している。通信周期T(ms)において、前半と後半の2つに分割し、前半は周波数チャネルA、後半は周波数チャネルBを用いて通信を行う。繰返しフレーム数は2とする。すなわち、フレーム繰返し通信を2回行う際に、前後で周波数チャネルの切替を行う実施例である。
【００４４】
図12は実施例2のシステムにおける通信フレームフォーマットを示している。同図(a)の1201は1周期のスーパーフレームを表している。1周期の時間を100msとする。前半の50msで周波数チャネルA（例えば1チャネル）を用いて通信し、後半の50msで、周波数チャネルAとは異なる周波数チャネルB（例えば10チャネル）を用いて通信する。このように周波数チャネルを切り替える、いわゆる周波数ホッピング方式を用いることで、他の無線システムからの電波干渉を回避し、信頼性を向上することができる。さらに前半と後半それぞれにおいて、親局から中継局及び端局に向けた下り方向の通信が2フレーム、中継局及び端局から親局に向けた上り方向の通信が2フレームで構成される。
【００４５】
同図(b)の1202は1つの下りデータフレームを表している。下りデータフレームは、ユニークワード1（UW1）フレーム、ユニークワード2（UW2）フレーム、データフレームで構成される。UW1フレームは、同図(c)の1204に示したUW1パケットが48個ならんだ形となる。UW2フレームは、1205に示したUW2パケット1個分の形となる。また、1206に示したデータフレーム内に、32スロット分のデータが入る。UW1フレームの目的は、親局と中継局及び端局間の周波数チャネルを合わせることである。またUW2フレームの目的は、データスロットの通信タイミングの基点となる時刻を取得することである。これら周波数チャネル合わせの処理の詳細は、図13及び図15の説明にて後述する。一方、同図(b)の1203は1つの上りデータフレームを表している。データフレーム内には、1206に示すような32スロット分のデータが入る。
【００４６】
同図（c）の1204はUW1パケットのフォーマットを示している。長さ16usのプリアンブルと、2Byteのヘッダと、8Byteの既知ビットパターンからなるデータで構成される。1205は、UW2パケットのフォーマットを示している。長さ16usのプリアンブルと、2Byteのヘッダと、14Byteの既知ビットパターンからなるデータで構成される。同じく、1206は1つのデータスロットを表している。データスロットは長さ16usのプリアンブルと、4Byteのデータヘッダ、32Byteのデータから構成される。通信レート1.4Mbpsの場合、データヘッダとデータを合わせた長さは201.6usとなる。
【００４７】
同図(d)の1207はUW1及びUW2のヘッダフォーマットを示している。UWスロットIDが1Byte、フレームIDが1Byteで構成される。1208はデータヘッダのフォーマットを表している。1Byteずつのフィールドに分けられ、データスロットID、親局アドレス、端局アドレス、リザーブ領域(予備領域としてこの実施例では使用しない)から構成される。
【００４８】
同図(e)の1209の表は、各フィールドに入る値を示している。フレームIDには、1から2の値が入る。UWスロットIDには、1から48の数値が入る。1202のUW1フレームにおいて、何番目のUW1パケットを受信したか識別するのに使う。データスロットIDには、0から31の数値が入る。1202及び1203のデータフレームに入る32スロット分のデータにおいて、32のデータを識別するための数値として使用する。親局／端局アドレスには、0から255の数値が入る。システム内に複数存在する親局及び端局を識別するための数値として使用する。同図(f)の1210は情報伝達するための最小単位となる、OFDMシンボルのフォーマットを表している。GI長は8usとし、OFDMシンボル長を3.2usとしている。
【００４９】
図13は、本実施例のシステムにおける親局の無線機の処理フローチャートを示している。親局は電源投入などによって1300から処理を開始する。開始後、1301で周波数切替処理を行うための周波数ホッピングテーブルを作成する。1302で、作成したホッピングテーブル内の初期チャネル値を設定する。次に、1303で有線I/F607に来る下り電文の受信待ちを行う。これは、例えば図示を省略した中央制御装置といったシステム全体を集中管理する装置からが下り電文を送信し、この下り電文を受信することを想定している。1304で下り電文の受信を監視し、受信しなければ引き続き1303で受信待ちを継続する。下り電文を受信したら、1305で下り電文からTDMAスロットに分割された無線パケットを作成する。次に1306で、ホッピングテーブルの中から次の通信で使う周波数チャネルを決定する。
【００５０】
次に1307で、作成した無線下りパケットを送信する。この処理の詳細としては、図7(f)に示したOFDMシンボルの作成と図5に示したGIの付加が図6のFPGA604で行われ、データスロットを構成する処理となる。TDMAスロットによる通信方式であるので、1308で、スロット数を送信するまで無線パケットの送信を繰り返す。また図11の通信フローで示したとおり繰返し送信を行うため、1309で、規定のフレーム数を送信するまで、送信を繰り返す。全ての送信処理を完了したら、1310で、無線上りパケットの受信待ちを開始する。上り信号も、下り信号と同様に、規定のスロット数に分割された信号を規定のフレーム数分だけ受信するための、そのサイクルを1311、1312にて繰り返す。
【００５１】
次に、規定のチャネル切替回数を超えたかどうかの判断を1313で行う。規定のチャネル繰返し回数を超えていなければ1306に戻って次の周波数チャネルを設定し、通信処理を繰り返す。規定のチャネル繰返し回数を超えていれば、1314で、受信した無線パケットを有線インタフェースへ送り、1つの通信周期を完了する。完了後1303にもどり、以後この通信周期プロセスを繰り返す。なお図13における処理は、マイクロ秒オーダーの処理を必要とすることから図6のFPGA604で処理することが望ましいが、時間制約に問題が無い場合は先の実施例同様、CPU605で処理しても良い。
【００５２】
次に図14で、中継局の無線機の処理フローを説明する。電源投入などによって1400から処理を開始する。1401で、親局が用いる周波数チャネルの信号をサーチする処理を行う。この処理の詳細は次の図15で説明する。周波数サーチ後は、親局の周波数チャネルと一致した周波数チャネルを設定できているため、1402で、転送処理を行う。この転送処理は、図9で示した中継局の処理フローチャートと同様の処理になる。
【００５３】
図15に、図14の1401の周波数チャネルサーチの処理フローチャートを示す。これは無線機が設定可能な全ての周波数チャネルへと順次切替えながら信号を待ちうけ、受信できた周波数チャネルへ固定するという処理である。1500から処理を開始する。1501で初期値である周波数チャネル(Channel：Ch)０を制御ソフトウェア上で設定する。次に1502で、その値を図6の高周波回路601内の、図示が省略された位相同期ループ(Phase-Locked Loop :PLL)へ設定する。1503で所定の時間だけ、受信待機し、親局からの信号を待ち受ける。受信待機完了後、1504で、規定の信号パターンであるユニークワード（Unique Word :UW）が受信できていれば、1505で、そのとき設定している周波数チャネル(Ch)と、UW信号の受信電力値（Received Signal Strength Indication：RSSI）を記録しておく。UW信号を受信できていなければ、何もしない。次に1506で、規定のサーチ回数を超えたかをチェックする。超えていなければ、サーチを継続する必要があるため、1507で、ホッピングテーブル上の次の周波数チャネル(Ch)を設定し、1502に戻ってサーチを繰り返す。規定のサーチ回数を超えていれば、サーチは終了し、受信できた複数の周波数チャネル(Ch)の中からどの周波数チャネル(Ch)を選択するかを決定する。具体的には、1508で、受信できた周波数チャネルの中から最大のRSSIとなっている信号を選択する。選択した信号の周波数チャネル(Ch)を、1509で、PLLへ設定し、制御信号の通信に使用する周波数チャネル(Ch)が決定する。
【００５４】
図16に、本実施例における端局の無線機の処理フローチャートを示す。電源投入などによって1600から処理を開始する。1601で、中継局と同様に周波数サーチの処理を行う。この処理は、図15に示した周波数チャネルサーチと同様の処理となる。次に、1602で、受信及び送信処理を行う。この処理は、図10で示した端局の処理フローチャートと同様の処理となる。なお図15における処理は、マイクロ秒オーダーの処理を必要とすることから図6のFPGA604で処理することが望ましいが、時間制約に問題が無い場合はCPU605で処理しても良い。
【００５５】
以上に述べた実施例2の処理によって、多重経路による高信頼通信に加え、干渉信号を回避することで、更なる高信頼な無線通信を実現することができる。さらに、周波数チャネルを送信側と受信側で合わせるための事前の制御信号といったものを必要としないため、通信速度の低下や通信遅延の発生といった問題が無くなる。更に、システム障害に対する耐性が高まり、障害からの復旧も速やかに実行することが可能となる。
【実施例３】
【００５６】
次に第3の実施例として、中継局の転送処理実施の判断を通信時刻に基づいて処理する場合を説明する。通信フローは図3に示した通信フローと同様であるとする。また親局、中継局及び端局は、それぞれ図示が省略されたGPS(Global Positioning System)などを利用した時刻同期手段（部）を持ち、予め時刻同期されているものとする。
【００５７】
図17は実施例3における通信フレームフォーマットを示している。同図(a)の1701は1周期のスーパーフレームを表している。1周期の時間を100msとする。親局から中継局及び端局に向けた下り方向の通信が４フレーム、中継局及び端局から親局に向けた上り方向の通信が4フレームで構成される。
【００５８】
同図(b)の1702は1つの下りデータフレームを表している。1フレームの長さは12msとする。この1フレーム内に、32スロット分のデータが入る。1703は1つの上りデータフレームを表している。1フレームの長さは12msとする。この1フレーム内に、32スロット分のデータが入る。
【００５９】
同図(c)の1704は1つのデータスロットを表している。データスロットは長さ16usのプリアンブルと、8Byteのデータヘッダ、32Byteのデータから構成される。通信レート1.4Mbpsの場合、データヘッダとヘッダを合わせた長さは224usとなる。同図(d)の1705はデータヘッダのフォーマットを表している。4Byteの送信時刻カウンタ値を格納するフィールドと、1Byteずつのフィールドに分けられ、親局アドレス、端局アドレス、リザーブ領域(この実施例では使用しない領域）から構成される。
【００６０】
同図(e)の1706の表は、各フィールドに入る値を示している。送信時刻カウンタには、親局が下りデータフレームの最初のパケットを送信開始した時刻がはいる。この送信時刻は、図6のFPGA604内に実装されたカウンタ値からコピーした値が入る。親局／端局アドレスには、0から255の数値が入る。システム内に複数存在する親局及び端局を識別するための数値として使用する。同図（ｄ）の1707は情報伝達するための最小単位となる、OFDMシンボルのフォーマットを表している。GI長は8usとし、OFDMシンボル長を3.2usとしている。
【００６１】
なお、親局の通信機の処理は、データヘッダ値に送信時刻値をコピーする処理以外は、図8に示した処理と同じになる。
【００６２】
次に図18で、本実施例の中継局の通信機の処理フローを説明する。電源投入などによって1800から処理を開始する。1801で、現在フレーム数を初期値（１）に設定し、転送予約をクリアする。これは中継局がまだ何も信号を受信していない初期状態へとクリアすることを意味する。次に1802で受信待機を開始する。パケットを受信すれば、1803で受信パケットのデータヘッダを見て、送信時刻カウンタの値を記録する。次に1804で、受信パケットの受信時刻も記録する。パケットを受信できたということは、次のこの受信パケットを転送する必要があるということなので、1805で受信パケットの受信時刻にスロット時間(12ms)×最大スロット数（32）を足した時刻に、転送予約を行う。この処理は、あるフレームで受信したパケットを次フレームで転送するための設定を行ったということを意味する。
【００６３】
次に1806で、転送処理の終了判定を行う。中継局の現在時刻が、送信時刻カウンタ値＋スロット時間(12ms)×最大スロット数(32)×現在フレーム数よりも大きければ、あるフレームにおける全32スロット分のデータを受信し終わったということになる。そのとき、1807で現在フレーム数を1繰上げる。更に1808で、フレーム繰返しの終了判定を行う。現在フレーム数が最大フレーム数(4)を超えていたら、1801にもどり、初期化からの処理を繰り返す。超えていなければ、1802に戻って受信待機に戻る。また1802に受信待機状態において、中継局の現在時刻が予め転送や約された時刻になったら、1809でその判定を行い、1810で受信パケットの転送を行う。この処理の詳細としては、図7に示したOFDMシンボルの作成とGIの付加が図6のFPGA604で行われ、データスロットを構成する処理となる。
【００６４】
本実施例においては、以上に説明した処理を繰り返すことで、送受信時刻を元に転送継続か停止かの判定処理を行い、図3に示した通信フローにおける転送処理を実現することができる。なお図18における処理は、マイクロ秒オーダーの処理を必要とすることから図6のFPGA604で処理することが望ましいが、時間制約に問題が無い場合はCPU605で処理しても良い。
【００６５】
図19に、本実施例における端局の通信機の処理フローチャートを示す。電源投入などによって1900から処理を開始する。1901で受信パケットの送信時刻カウンタ値をクリアし、初期化する。1902で端局は親局か中継局が送信する無線下りパケットの受信待ちを開始する。パケットを受信しれば、1903で受信パケットの送信時刻カウンタを記録する。未受信の場合、1904で受信停止の判定処理を行う。具体的には、端局の現在時刻が送信時カウンタ値＋スロット時間(12ms)×最大スロット数(32)×最大フレーム数(4)よりも大きければ、全ての下りフレームを受信したと判定し、受信待機を止め、1905の上りフレーム送信を行う。この処理の詳細としては、図7に示したOFDMシンボルの作成とGIの付加が図6のFPGA604で行われ、データスロットを構成する処理となる。まだ全ての下りフレームを受信していないと判定すれば、1902の受信待機に戻る。以上の処理の繰返しにより、図3に示した通信フローにおける端局の通信処理と同様の通信処理を実現することができる。
【００６６】
なお図19における処理は、マイクロ秒オーダーの処理を必要とすることから図6のFPGA604で処理することが望ましいが、時間制約に問題が無い場合はCPU605で処理しても良いことは先の実施例と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、互いにTDM方式でデータ通信を行う、親局、端局および少なくとも1つの中継局を備えた無線通信システム及びその無線通信装置における制御オーバーヘッドの削減と誤り率の劣化を解決でき、有用である。
【符号の説明】
【００６８】
100…親局、101…中継局1、102…中継局2、103…中継局3、104…端局
200…親局、201…中継局1、202…中継局2、203…端局A、204…端局B、205…中継局1、206…中継局2、207…中継局3、208…端局C、209…端局D、210…端局E、211…中継局1、212…端局F、
401…スロット転送処理の例、402…スロット転送処理の例、
501…スロット転送処理の例、502…OFDM信号の衝突の例、
600…アンテナ、601…高周波回路、602…ADコンバータ、603…DAコンバータ、604…FPGA、605…CPU、606…メモリ、607…有線I/F、608…データバス
701…スーパーフレーム、702…下りデータフレーム、703…上りデータフレーム、704…データスロット、705…データヘッダ、706…ヘッダ値、707…OFDMシンボル
1201…スーパーフレーム、1202…下りデータフレーム、1203…上りデータフレーム、1204…ユニークワード１、1205…ユニークワード２、1206…データスロット、1207…ユニークワードヘッダ、1208…データヘッダ、1209…ヘッダ値、1210…OFDMシンボル
1701…スーパーフレーム、1702…下りデータフレーム、1703…上りデータフレーム、1704…データスロット、1705…データヘッダ、1706…ヘッダ値、1707…OFDMシンボル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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