(57)【要約】【課題】ネットワークの状況に応じた柔軟で的確なチャネル設定を可能とし、更にはネットワーク収容能力（キャパシティ）を増加させる。【解決手段】ホワイトスペース帯域において時分割多重方式に基づく無線通信を行うマルチホップ無線通信システムにおいて、時分割多重方式に基づく無線通信を行う１以上の通信デバイス４０及び管理デバイス３０とを有するサブネットワーク３と、複数のサブネットワーク３を管理する基地局２０とを備え、基地局２０は、新たに通信の開始を望むサブネットワーク３を検出し、且つスーパーフレームを構成する連続フレーム群中に使用可能な空きフレームが存在しない場合には、現在フレームが割り当てられている無線通信を行っているサブネットワーク３のうちの何れかのフレームを、新たに通信の開始を望むサブネットワーク３に割り当てる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホワイトスペース帯域において時分割多重方式に基づく無線通信を行うマルチホップ無線通信システムにおいて、
１以上の通信デバイスと、上記通信デバイスと時分割多重方式に基づく無線通信を行う管理デバイスとを有するサブネットワークと、
複数の上記サブネットワークを管理する基地局とを備え、
上記各サブネットワークは、スーパーフレームを構成する連続フレーム群中の互いに異なるフレームが割り当てられて上記無線通信を行い、また上記無線通信を継続して行う場合には、その後に続く上記スーパーフレームにおいて上記各サブネットワーク毎に先のスーパーフレームにおける同一のフレームが割り当てられ、
上記基地局は、新たに通信の開始を望むサブネットワークを検出し、且つ上記スーパーフレームを構成する連続フレーム群中に使用可能な空きフレームが存在しない場合には、現在フレームが割り当てられている無線通信を行っているサブネットワークのうちの何れかのフレームを、新たに通信の開始を望むサブネットワークに割り当てること
を特徴とするマルチホップ無線通信システム。
【請求項２】
上記基地局は、新たに通信の開始を望むサブネットワークに割り当てるフレームを、現在フレームが割り当てられている無線通信を行っているサブネットワークにおける通信量に基づいて決定すること
を特徴とする請求項１記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項３】
上記基地局は、上記新たに通信の開始を望むサブネットワークが上記割り当てられたフレームを利用して無線通信を終了後、当該フレームを利用していた元のサブネットワークにこれを再度割り当てること
を特徴とする請求項１又は２記載のマルチホップ無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホワイトスペース帯域において時分割多重方式に基づく無線通信を行うマルチホップ無線通信システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
時分割多重（TDM: Time Division Multiplex)は、商用システムであるIEEE802.16 WiMAX,IEEE802.22 WRAN等に用いられている。このTDMとは、複数チャネルのディジタル信号や符号化された信号などを、時間をずらして配置し、順番に並べていく方式である。各通信端末は、時間的に重ならない区間を利用して通信を行うことにより、他の通信端末との間で干渉を防止しつつ無線通信を行うことが可能となる。このＴＤＭは、単一ホップ無線通信ネットワーク、即ち、基地局（Base Station）と無線端末間の直接通信で行う方式である。
【０００３】
無線ノードのみでネットワークが構成され、それらが自律的にパケットを中継することで有線ネットワークなどのインフラを介さずに通信を行うことが可能なマルチホップ無線通信ネットワーク（Multi-hop Wireless Networks）が提案されている。このマルチホップ無線通信ネットワークにＴＤＭを適用する際には、ネットワークを分割し、複数のサブネットワークを構成し、各サブネットワーク間で通信時間を互いにずらすことで、他のネットワークに通信干渉を与えることなく通信することが可能となる。しかしながら、サブネットワークにおける通信状況により、ネットワークの通信品津や、ネットワーク収容能力（キャパシティ）の低下が生じる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】IEEE Std. 802.22-2011 "IEEE 802.22-2011(TM) Standard for Cognitive Wireless Regional Area Networks (RAN) for Operation in TV Bands"
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、ＴＤＭを用いたマルチホップ無線通信ネットワークにおいて、ネットワークの状況に応じた柔軟で的確なチャネル設定を可能とし、更にはネットワーク収容能力（キャパシティ）を増加させる上で好適なマルチホップ無線通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、上述した課題を解決するために、ホワイトスペース帯域において時分割多重方式に基づく無線通信を行うマルチホップ無線通信システムにおいて、時分割多重方式に基づく無線通信を行う１以上の通信デバイス及び管理デバイスとを有するサブネットワークと、複数のサブネットワークを管理する基地局とを備え、基地局は、新たに通信の開始を望むサブネットワークを検出し、且つスーパーフレームを構成する連続フレーム群中に使用可能な空きフレームが存在しない場合には、現在フレームが割り当てられている無線通信を行っているサブネットワークのうちの何れかのフレームを、新たに通信の開始を望むサブネットワークに割り当てるマルチホップ無線通信システムを発明した。
【０００７】
請求項１記載のマルチホップ無線通信システムは、ホワイトスペース帯域において時分割多重方式に基づく無線通信を行うマルチホップ無線通信システムにおいて、１以上の通信デバイスと、上記通信デバイスと時分割多重方式に基づく無線通信を行う管理デバイスとを有するサブネットワークと、複数の上記サブネットワークを管理する基地局とを備え、上記各サブネットワークは、スーパーフレームを構成する連続フレーム群中の互いに異なるフレームが割り当てられて上記無線通信を行い、また上記無線通信を継続して行う場合には、その後に続く上記スーパーフレームにおいて上記各サブネットワーク毎に先のスーパーフレームにおける同一のフレームが割り当てられ、上記基地局は、新たに通信の開始を望むサブネットワークを検出し、且つ上記スーパーフレームを構成する連続フレーム群中に使用可能な空きフレームが存在しない場合には、現在フレームが割り当てられている無線通信を行っているサブネットワークのうちの何れかのフレームを、新たに通信の開始を望むサブネットワークに割り当てることを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載のマルチホップ無線通信システムは、請求項１記載のマルチホップ無線通信システムにおいて、上記基地局は、新たに通信の開始を望むサブネットワークに割り当てるフレームを、現在フレームが割り当てられている無線通信を行っているサブネットワークにおける通信量に基づいて決定することを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載のマルチホップ無線通信システムは、請求項１又は２記載の発明において、上記基地局は、上記新たに通信の開始を望むサブネットワークが上記割り当てられたフレームを利用して無線通信を終了後、当該フレームを利用していた元のサブネットワークにこれを再度割り当てることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
上述した構成からなる本発明では、限られた有効マルチホップフレームしかなくても、単位面積あたりのサブネットワークの収容密度を向上させることが可能となり、更には信号干渉を低減させることが可能となる。その結果、マルチホップの無線通信システムを大規模に構成することも可能となる。このため、災害時等における緊急を要する通信を行う場合には、サブネットワークの単位面積当たりの収容能力の向上が要求される場合や、サブネットワークの状況の予測が困難な場合等において、ネットワークの状況に応じた柔軟で的確なチャネル設定を可能とし、より顕著な効果を奏し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明を適用したマルチホップ無線通信システムのシステムブロック構成図である。
【図２】管理デバイスと通信デバイスとの間でＯＦＤＭＡ通信を行う上で必要となるスーパーフレームフォーマットを示す図である。
【図３】ＯＦＤＭＡフレームの詳細を示す図である。
【図４】本発明を適用したマルチホップ無線通信システムにおけるフレームの割り当てのコンセプトを説明するための図である。
【図５】本発明を適用したマルチホップ無線通信システムにおけるフレームの割り当てを示すフローチャートである。
【図６】基地局から通信可能なネットワークを示す図である。
【図７】有効マルチホップフレームを示す図である。
【図８】本発明を適用したマルチホップ無線通信システムにおけるフレームの割り当て例について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を適用したマルチホップ無線通信システムの実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明を適用したマルチホップ無線通信システム１のシステムブロック構成図を示している。このマルチホップ無線通信システム１は、IEEE802.16 WiMAX,IEEE802.22 WRAN等に用いられる。またマルチホップ無線通信システム１は、いわゆるホワイトスペース帯域を使用することを前提としている。
【００１４】
マルチホップ無線通信システム１は、図１に示すように基地局２０と、この基地局２０を中心にして形成された複数のサブネットワーク３とを備えている。ちなみに、この基地局２０と複数のサブネットワーク３とにより、ネットワーク２を形成する。個々のサブネットワーク３は、通信デバイス４０ａ、４０ｂと、これら通信デバイス４０との間でＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）方式に基づき、中でも時間分割多重 (ＴＤＭ:Time Division Multiplex)方式に基づく無線通信を行う管理デバイス３０とを有している。ちなみに、このサブネットワーク３では、ＯＦＤＭＡ方式に限定されるものではなく、時間分割多重(ＴＤＭ)に基づくものであればいかなる方式の通信にも適用可能である。また基地局２０は、公衆通信網６に接続され、さらにこの公衆通信網６にはデータベース５が接続されている。
【００１５】
基地局２０は、複数のサブネットワーク３による無線通信を管理するための機器である。この基地局２０は、複数のサブネットワーク３との間で通信を中継する無線アクセスポイントとしての役割も果たし、公衆通信網６との間でインターフェースとしての役割を果たすものである。この基地局２０は、フレーム割り当て部２２とを備えている。フレーム割り当て部２２は、それぞれのサブネットワーク３において行われる無線通信に必要なフレームの割り当てを行う。この基地局２０は、公衆通信網６を介してデータベース５から通信に必要なチャネルに関するチャネル情報を受信する。
【００１６】
公衆通信網６は、データベース５と基地局２０とを電話回線を介して接続されるインターネット網を始め、ＴＡ／モデムと接続されるＩＳＤＮ（Integrated Services Digital Network）／Ｂ（broadband）−ＩＳＤＮ等のように、情報の双方向送受信を可能としたネットワーク等である。また、この公衆通信網６は、携帯端末やスマートフォン、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）からアクセス可能な通信網であればいかなるものであってもよい。
【００１７】
データベース５は、基地局２０から公衆通信網６を介して情報を受信してこれを記憶する。またデータベース５は、基地局２０に対して、他の基地局２０やその他の通信システムにおける通信チャネル情報等を必要に応じて送信する。
【００１８】
サブネットワーク３における管理デバイス３０は、サブネットワーク３内における無線通信を制御するためのデバイスであり、例えば携帯情報端末、スマートフォン、ＰＣを始めとしたあらゆる機器で具現化される。この管理デバイス３０は、いわゆるH-CPE (High-capability Consumer Premise Entity)で構成されていることが前提となっている。この管理デバイス３０は、フレーム割り当て部３２とを有している。また、フレーム割り当て部３２は、個々の通信デバイス４０による通信に必要なフレームを割り当てるための処理を行う。
【００１９】
この管理デバイス３０は、通信デバイス４０との間でＯＦＤＭＡ通信を行う上で必要なＯＦＤＭＡフレームが基地局２０により割り当てられる。管理デバイス３０は、この割り当てられたＯＦＤＭＡフレームを利用して通信デバイス４０とＯＦＤＭＡ通信を行う。
【００２０】
通信デバイス４０ａ、４０ｂは、例えば携帯情報端末、スマートフォン、ＰＣを始めとしたあらゆる機器で具現化される。この通信デバイス４０ａ、４０ｂは、L-CPE(Low-capability Consumer Premise Entity) で構成されていてもよいが、これに限定されるものではなく、より高機能なH-CPEにより構成されていてもよい。
【００２１】
通信端末デバイスａ、４０ｂは、実際にＯＦＤＭＡによる無線通信を行う場合には、管理デバイス３０により割り当てられたＯＦＤＭＡフレームを利用する。
【００２２】
上述した構成からなるマルチホップ無線通信システム１において、管理デバイス３０と通信デバイス４０との間でＯＦＤＭＡ通信を行う上では、例えば図２に示すようなスーパーフレームフォーマットを利用する。
【００２３】
このスーパーフレームフォーマットでは、互いにビーコンによって区切られたスーパーフレームｎ−１、ｎ、ｎ＋１、・・・が連続している。このスーパーフレームの周期は、例えば１６０ｍｓである。そして、個々のスーパーフレームは、さらに１６個の、例えば１０ｍｓの長さからなるフレーム＃０〜フレーム＃１５に分割されている。ちなみに、フレーム０の先頭には、スーパーフレームプリアンブルや、フレームプリアンブル、ＦＣＨ（Frame Control Header）等が付され、いわゆる管理情報等が記述される。また、これらフレーム＃０〜フレーム＃１５に記述される実データは、いわゆるＯＦＤＭＡフレームを構成する。
【００２４】
図３は、ＯＦＤＭＡフレームの詳細を示している。このＯＦＤＭＡフレームは、サブキャリアを分割した周波数軸の論理チャネルと、時間スロットの組み合わせから構成されるサブチャネルを各サブネットワーク３に割り当てることが可能となる。また、これとともに、時間軸に沿って生成されるシンボルも各サブネットワーク３に割り当てることが可能となる。即ち、このＯＦＤＭＡフレームは、時間（ｔ）の軸と、周波数（ｆ）の軸の２軸で各サブネットワーク３にフレームを割り当てることが可能となる。
【００２５】
ＯＤＦＭＡフレームは、管理情報を記述するためのフレームプリアンブルと、フレーム制御ヘッダ（ＦＣＨ）と、上り回線のバースト信号の割り当て情報が記述されたＵＳＭＡＰと、下り回線のバースト信号の割り当て情報が記述されたＤＳＭＡＰ等が時間（ｔ）方向における先頭部分に設けられる。また、このＯＦＤＭＡには、それぞれサブネットワーク３に割り当てる下り回線のデータ領域としての下りバースト＃１１、＃１２、・・・、＃ｍから構成されるＤＳサブフレームと、レンジングサブチャネル、上りバースト＃２１、＃２２、・・・、＃ｎからなるＵＳサブフレームとから構成される。ＤＳサブフレームと、ＵＳサブフレームとの間には、ＴＴＧ（送信／受信切換ギャップ）が設けられる。またＵＳサブフレームの終端にはＲＴＧ（受信／送信切換ギャップ）が設けられる。
【００２６】
本発明を適用したマルチホップ無線通信システム１は、上述の如きＯＦＤＭＡフレームを以下に説明する方法に基づいてＴＤＭ方式を利用し、各サブネットワーク３に割り当てる。
【００２７】
各サブネットワーク３間では、互いに連続フレーム群中の互いに異なるフレームが割り当てられてＯＦＤＭＡに基づく無線通信を行う。このとき、サブネットワーク３は、当該無線通信を継続して行う際には、例えば図４に示すように、スーパーフレームを構成する連続フレーム群中において、その後に続くスーパーフレームにおいて上記各サブネットワーク毎に先のスーパーフレームにおける同一のフレームが割り当てられる。
【００２８】
例えば一のサブネットワーク３に着目した場合に、スーパーフレームｘ−１において、フレーム＃２が割り当てられているものとする。この一のサブネットワーク３が引き続き無線通信を継続する場合には、次に続くスーパーフレームｘにおいてもフレーム＃２が割り当てられる。その理由として、一のサブネットワーク３に対して、スーパーフレーム毎に割り当てるフレームが異なる場合には、その都度基地局２０からの制御が必要となるため、通常はそのような制御を必要としないほうが効率的であるためである。
【００２９】
本発明では、このようにして、サブネットワーク３毎に先のスーパーフレームにおける同一のフレームが後続するスーパーフレームにおいても割り当てられる場合において、仮に新たに通信の開始を望むサブネットワーク３が存在していた場合に、上記一のサブネットワーク３が現在使用しているフレームを割り当てる処理を行う。図４の例では、フレーム＃２を使用している一のサブネットワーク３が、自ら使用しているフレーム＃２を、新たに通信の開始を望む他のサブネットワーク３に対して割り当てるための処理を行う。
【００３０】
図５は、かかる割り当て処理を行うためのフローチャートである。先ずステップＳ１１において、基地局２０は、新たに通信を望むサブネットワーク３の存在の有無を識別する。その結果、新たに通信を望むサブネットワーク３の存在を基地局２０が識別できた場合のみ、ステップＳ１２へと移行する。ちなみに基地局２０は、サブネットワーク３の存在を、当該各サブネットワーク３を管理する管理デバイス３０の有無を、例えばその電波等を介して識別する。仮にこの基地局２０によりその存在を確認できたサブネットワーク３、ひいては管理デバイス３０は、何れも図６に示すように基地局２０から電波を送受信可能なネットワーク２の範囲内にあるものとする。
【００３１】
ステップＳ１２では、現時点において、新たに通信を望むサブネットワーク３が使用可能な空きフレームが存在するか否かを識別する。通常は、ＯＦＤＭＡフレームの全てが使用可能とされているのではなく、実際にサブネットワーク３による無線通信が可能なフレームはそのうちの一部とされている場合が多い。例えば図７は、サブネットワーク３による無線通信が可能な有効マルチホップフレームは、フレーム＃１３〜＃１５の３フレームとされている場合の例である。基地局２０は、このような有効マルチホップフレームにおいて空きフレームが存在するか否かを識別し、空きフレームが存在する場合には、ステップＳ１４へ移行し、空きフレームが存在しない場合には、ステップＳ１３へ移行する。
【００３２】
ステップＳ１４へ移行した場合には、新たに通信を望むサブネットワーク３に対して当該空きフレームを割り当てる。
【００３３】
ステップＳ１３へ移行した場合には、以下のフレームの割り当て処理を行う。例えば、スーパーフレームＳＦ１０〜スーパーフレームＳ１５において、有効マルチホップフレーム（フレーム＃１３〜フレーム＃１５）に、それぞれのサブネットワーク３の管理デバイス（Ｈ−ＣＰＥ）３０−１〜３０−３が割り当てられているものとする。
【００３４】
次にスーパーフレームＳＦ１１の過程において基地局が新たにＨ−ＣＰＥ３０−５が検出され、その後に続くスーパーフレームＳＦ１２においてフレームを割り当てる場合、有効マルチホップフレーム（フレーム＃１３〜フレーム＃１５）の何れを割り当てるか、基地局２０が判断を行うこととなる。かかる場合には、その時点で有効マルチホップフレーム（フレーム＃１３〜フレーム＃１５）に割り当てられているＨ−ＣＰＥ３０−１〜３０−３における各通信量に基づいて判断を行うようにしてもよい。基地局２０は、このＨ−ＣＰＥ３０−１〜３０−３における各通信量を判別した結果、例えば、Ｈ−ＣＰＥ３０−２の通信量が最も低いものとする。かかる場合には、Ｈ−ＣＰＥ３０−２の通信を一時的に停止してもそれほど大きな障害とならないものとみなし、当該Ｈ−ＣＰＥ３０−２の通信を一時的に停止する。そして、このＨ−ＣＰＥ３０−２の通信を一時的に停止した結果、空くことになるフレーム＃１４を、次のスーパーフレームＳＦ１２において、この新たに通信を望むサブネットワーク３を管理するＨ−ＣＰＥ３０−５に割り当てる。
【００３５】
次にスーパーフレームＳＦ１２の過程において基地局が新たにＨ−ＣＰＥ３０−４が検出され、その後に続くスーパーフレームＳＦ１３においてフレームを割り当てる場合、有効マルチホップフレーム（フレーム＃１３〜フレーム＃１５）の何れを割り当てるか、基地局２０が判断を行うこととなる。かかる場合にも同様に、その時点で有効マルチホップフレーム（フレーム＃１３〜フレーム＃１５）に割り当てられているＨ−ＣＰＥ３０−１〜３０−３における各通信量に基づいて判断を行うようにしてもよい。基地局２０は、このＨ−ＣＰＥ３０−１、３０−３、３０−５における各通信量を判別した結果、例えば、Ｈ−ＣＰＥ３０−１の通信量が最も低いものとする。かかる場合には、Ｈ−ＣＰＥ３０１２の通信を一時的に停止してもそれほど大きな障害とならないものとみなし、当該Ｈ−ＣＰＥ３０−１の通信を一時的に停止する。そして、このＨ−ＣＰＥ３０−１の通信を一時的に停止した結果、空くことになるフレーム＃１３を、次のスーパーフレームＳＦ１３において、この新たに通信を望むサブネットワーク３を管理するＨ−ＣＰＥ３０−４に割り当てる。
【００３６】
基地局２０は、このような処理を次々に行っていくことになる。そして、この新たに通信を望むサブネットワーク３を管理するＨ−ＣＰＥ３０−４、３０−５による通信がスーパーフレームＳＦ１４において終了した場合には、次のスーパーフレームＳＦ１５において、それらが使用していたフレーム＃１３、＃１４を、元のサブネットワーク（Ｈ−ＣＰＥ３０−１、３０、２）に再度割り当てるようにしてもよい。
【００３７】
表１は、このＨ−ＣＰＥ３０−１〜３０−５における、それぞれの割り当てフレーム、開始するスーパーフレームの番号、期間を示している。これら表１、図８は何れも一例であり、上述したルールに基づくものであればいかなるプロセスに基づくものであってもよい。
【００３８】
【表１】
2014099769.tif 000003
【００３９】
上述した方法に基づいてＯＦＤＭＡフレームをサブネットワーク３に割り当てることが可能なマルチホップ無線通信システム１では、限られた有効マルチホップフレームしかなくても、単位面積あたりのサブネットワーク３の収容密度を向上させることが可能となり、更には信号干渉を低減させることが可能となる。その結果、マルチホップの無線通信システムを大規模に構成することも可能となる。このため、災害時等における緊急を要する通信を行う場合には、サブネットワーク３の単位面積当たりの収容能力の向上が要求される場合や、サブネットワーク３の状況の予測が困難な場合等において、より顕著な効果を奏し得るものである。
【符号の説明】
【００４０】
１  マルチホップ無線通信システム
２  ネットワーク
３  サブネットワーク
５  データベース
６  公衆通信網
２０  基地局
２２  フレーム割り当て部
３０  管理デバイス
４０  通信デバイス
【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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