(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数ホッピングチャンネルによって通信する中心ノードおよび複数の従属ノードを含むスペクトラム拡散無線通信システムを動作させる方法であって、
前記複数の従属ノードが、それぞれ、チャンネルの干渉情報を編集し、前記干渉情報を前記中心ノードに間隔をおいて送信するステップと、
前記中心ノードが、前記複数の従属ノードから受信した複数の前記干渉情報にもとづき、品質が悪い周波数帯域のリストであるブラックリストを作成するステップと、
前記ブラックリスト化された周波数帯域を示す情報を前記複数の従属ノードに送信するステップとを含む、方法。
【請求項２】
各従属ノードは、前記情報の受信後、ブラックリスト化された周波数帯域がホップセットから取り除かれた修正ホップシーケンスに従う、請求項１記載の方法。
【請求項３】
ブラックリストの作成は、最近のインタバルにおいて前記チャンネルの前記周波数帯域で経験した干渉のシステム全体の測度の計算を含む、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
ブラックリストの作成は、前記最近のインタバル以前に前記チャンネルの前記周波数帯域で経験した過去の干渉のシステム全体の測度の計算を含む、請求項１乃至３記載の方法。
【請求項５】
あるインタバルの周波数ホッピングチャンネルの周波数帯域において経験された干渉を示す干渉情報を編集する手段と、他のノードに干渉情報を送信する手段と、前記他のノードからブラックリスト化された周波数帯域を示す情報を受信する手段とを含み、ただし前記ブラックリスト化された周波数帯域は、前記他のノードへ前記送信した干渉情報と、少なくとも１つの更に別のノードから前記他のノードへ送信された少なくとも１つの更なる干渉情報とに基づいて、前記他のノードで決定される、周波数ホッピングスペクトラム拡散システムのノード。
【請求項６】
複数の従属ノードからそれぞれ干渉情報を受信する手段と、前記受信した複数の干渉情報にもとづき、品質が悪い周波数帯域のリストであるブラックリストを作成する手段と、前記ブラックリスト化された周波数帯域を示す情報を前記複数の従属ノードへ送信する手段とを含む、周波数ホッピングスペクトラム拡散システムのノード。
【請求項７】
前記ブラックリスト化された周波数帯域を示す情報を前記複数の従属ノードに間隔を置いて送信する手段をさらに含む、請求項６記載のノード。
【請求項８】
前記干渉情報を間隔をおいて送信する手段をさらに含む、請求項５記載のノード。
【請求項９】
周波数ホッピングスペクトラム拡散通信システムのノードを動作させる方法であって、
所定のインタバルの周波数ホッピングチャネルの周波数帯域で経験した干渉を示す干渉情報を編集するステップと、
前記干渉情報を他のノードへ送信するステップと、
前記他のノードからブラックリスト化された周波数帯域を示す情報を受信するステップを含み、ただし前記ブラックリスト化された周波数帯域は、前記他のノードへ前記送信した干渉情報と、少なくとも１つの更に別のノードから前記他のノードへ送信された少なくとも１つの更なる干渉情報とに基づいて、前記他のノードで決定される、方法。
【請求項１０】
前記干渉情報が、間隔をおいて送信される、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
周波数ホッピングスペクトラム拡散通信システムのノードを動作させる方法であって、
複数の従属ノードからそれぞれ干渉情報を受信するステップと、
前記受信した複数の干渉情報をもとに、品質が悪い周波数帯域のリストであるブラックリストを作成するステップと、
前記ブラックリスト化された周波数帯域を示す情報を前記複数の従属ノードへ送信するステップとを含む、方法。
【請求項１２】
前記ブラックリスト化された周波数帯域を示す前記情報は、間隔をおいて前記複数の従属ノードへ送信されるステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、周波数ホッピングスペクトラム拡散通信システムに関する。
【０００２】
（背景技術）
ほとんどの国では、（２．４ＧＨｚの領域の）産業科学医療バンドまたはＩＳＭバンドとして公知のスペクトルの部分は概ね規制を受けておらず、つまり、このバンドで電磁波伝送を行うためにいかなる許認可も必要ではない。
【０００３】
スペクトルのこの未規制部分において、周波数ホッピングスペクトラム拡散システムは、良好な性能を有するとわかっている。これらのシステムでは、変調情報信号の搬送周波数は、ホップセットと呼ばれる可能な周波数の集合のうちの別の（または同一のこともある）周波数に周期的に変わる、つまりホップ（転々と）する。ホッピングシーケンスは拡散コードによって決定される。図１は、周波数ホッピングスペクトラム拡散通信の２つのノード間の例示的な通信の時間／周波数占有を示す。このように、周波数ホッピングスペクトラム拡散システムはスペクトルの部分間を連続的にホップするので、特定の領域における狭帯域干渉の効果は限定される。
【０００４】
（発明の開示）
本発明は、例えば電子レンジや、スペクトルの一定領域で動作するＷＬＡＮネットワークといった「永続的干渉者」の存在下での周波数ホッピングスペクトラム拡散通信システムの動作に関する。
【０００５】
永続的干渉者はこの種のシステムに対し２つの個別の課題を提示する。
【０００６】
（ｉ）システム性能
周波数ホッピングスペクトラム拡散システムの使用はそれ自体、永続的干渉者に起因するシステム性能の劣化を制限するが、システム性能への影響は、特に複数の永続的干渉者の存在下で重大となり得る。
【０００７】
（ｉｉ）システム両立性
ＷＬＡＮはしばしば大きなパケットでデータを伝送する。大きいパケットの伝送中にＷＬＡＮによって使用されるスペクトルの領域に定期的にホップする近接周波数ホッピング拡散スペクトラムの存在は、ＷＬＡＮの性能に破壊的な影響を及ぼし得る。
【０００８】
このことを念頭に置き、１態様によれば、本発明は、周波数ホッピングチャンネルによって通信する中心ノードおよび従属ノードを含むスペクトラム拡散無線通信システムを動作させる方法を提供することができる。この方法は、
従属ノードがチャンネルの干渉情報を編集し、干渉情報を中心ノードに間隔をおいて送信するステップと、
中心ノードが、従属ノードから受信した干渉情報にもとづき、チャンネルの劣悪性能の周波数帯域のブラックリストを作成するステップとを含む。
【０００９】
従って、本発明のシステムは、これまで干渉に極めて影響されやすかったホッピングシーケンスにおけるそうした周波数帯域を追跡することができる。
【００１０】
そうすることによって、本発明のシステムは、従来干渉に極めて影響されやすく、従ってごく近い将来において雑音が多くなると考えられる。そうした周波数帯域を回避するための対策を講じることができる。その結果、システム自身の性能（上記（ｉ））は強化される。なぜなら、その伝送が中断され得るような周波数帯域で通信しようとする努力を浪費しなくてすむからである。また、近隣システムの観点からは（上記（ｉｉ））、本発明のシステムはスペクトルのその使用において親和的である。なぜなら、特定の周波数帯域が永続的に雑音があり、従ってたぶん使用されている時を識別し、近い将来にわたりその周波数帯域を避けることができ、従って（存在する場合）近隣の通信システムのデータトラヒックを断つことはないからである。
【００１１】
１実施形態において、中心ノードは、各従属ノードがどの周波数帯域が使用できないかをローカルでわかるように、ブラックリスト化された周波数帯域を示す情報を従属ノードに送信する。好ましくは、各従属ノードは、前記情報の受信後、ブラックリスト化された周波数帯域がホップセットから取り除かれた修正ホップシーケンスに従う。代替として、ノードは常にオリジナルのホップシーケンスに従うが、ブラックリスト化された周波数帯域の１つを占める時間／周波数スロットでの送信を控える。
【００１２】
システムは一般に多数の従属ノードを含み、好ましくは、ブラックリスト化された周波数帯域の選定は、最近のインタバルにそのチャンネルの周波数帯域で経験した干渉のシステム全体の測度を計算するステップを含む。好ましくは選定はまた、チャンネルの周波数帯域において経験した過去重要な干渉のシステム全体の測度の計算も含む。
【００１３】
ブラックリストに入れられる周波数帯域の数は、前記システム全体の測度の絶対値とは独立に固定することができる。また、ブラックリストに入れられる周波数帯域の数は、性能が所定のしきい値以下に低下したことを示す前記システム全体の測度の絶対値を付与するように固定することもできる。最悪性能チャンネルの性能が所定のしきい値を上回っていることを前記システム全体の測度が示した場合、それらはブラックリストに含まれる必要がない。ブラックリストに入れられる周波数帯域の数はまた、性能が所定のしきい値以下に低下したことを示す前記システム全体の測度の絶対値によって決定することもできる。これは、極めて雑音の多い環境では極めて多数の周波数帯域が潜在的にブラックリスト化され得ることを意味する。
【００１４】
ブラックリストの作成は、システムが動作する環境に依存して異なる頻度で行われ得る。例えば、極端な場合、初期化の後、ブラックリストの作成が１回だけ、またはたぶん１時間に１回ずつ行われるかもしれない。これは、見込まれる干渉者が電子レンジである場合には十分であるかもしれない。他方、多数の干渉者を有する雑音の多い環境では、最善のスペクトル利用のために、規則的な、例えば毎秒ごとのブラックリストの再編集がより適切であるかもしれない。
【００１５】
別の態様によれば、本発明は、あるインタバルにわたる周波数ホッピングチャンネルの周波数帯域において経験された干渉を示す干渉情報を編集する手段および、干渉情報を送信する手段を含む、周波数ホッピングスペクトラム拡散システムの従属ノードを提供する。
【００１６】
別の態様によれば、本発明は、少なくとも１つの従属ノードから干渉情報を受信する手段および、前記受信した干渉情報にもとづきチャンネルにおける劣悪性能の周波数帯域のブラックリストを作成する手段を含む、周波数ホッピングスペクトラム拡散システムの中心ノードを提供する。
【００１７】
好ましくは中心ノードは、ブラックリスト化された周波数帯域を示す情報を、間隔を置いて従属ノードに送信する手段も含む。
【００１８】
（実施の形態）
本発明の例示的な実施形態を添付図面に関連して以下に説明する。
【００１９】
図２は、ＩＳＭバンドにおいて動作する、全体として５で指示された周波数ホッピングスペクトラム拡散システム／ネットワークを示す。システム５は５つのノードを含んでおり、ノード１０はマスタノードとして機能し、他の４つのノードはスレーブノード１２ａ，１２ｂ，１２ｃおよび１２ｄとして機能する。これらの装置は低出力無線装置であり、好ましくはブルートゥース（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）プロトコルに従って動作する。システム５内において、通信は、マスタノード１０とスレーブノード１２ａ，１２ｂ，１２ｃおよび１２ｄのいずれかとの間で双方向に行われる。スレーブノード自体の間では、いかなる通信も直接行われない。
【００２０】
各ノード１０，１２は同一であり、所与のネットワークについてマスタノードまたはスレーブとして機能するように動作可能にさせる同一のハードウェアおよび同一のソフトウェアを有するか、またはことによると、第１のネットワークのマスタノードとして機能すると同時に第２のネットワークのスレーブノードとして機能する。
【００２１】
より詳細には、図３を参照すれば、各ノード１０，１２は、送信機２０、受信機３０および制御プロセッサ４０を含む。送信機２０は、制御プロセッサ４０によって送信用ベースバンドデータが供給されるベースバンド変調器２１を含む。ベースバンド変調器は、変調データ信号を生成し、それをアップコンバータ２２に供給する。アップコンバータ２２は、変調データ信号を、アンテナ２５による送信のために周波数シンセサイザ２３が指示する周波数にシフトさせる。周波数シンセサイザ２３の出力周波数は、コードジェネレータ２４によって出力される拡散コードにより制御される。受信機３０は相補的アーキテクチャよりなる。ダウンコンバータ３２が、アンテナ３５を介して受信された信号を、周波数シンセサイザ３３の出力周波数により決定される低い周波数にシフトし、その周波数偏移信号をベースバンドデータへの復調のために復調器３１に供給する。周波数シンセサイザの出力周波数は、コードジェネレータ３４から出力されるローカルに生成された拡散コードにより制御される。同期・トラッキング回路３６は、受信信号の正しい逆拡散が可能であるように、ローカルに生成された搬送波が受信搬送波と十分良好に同期することを保証する。
【００２２】
図４は、システムの動作を例示する図を示す。時間線１０８は、動作の各種段階、すなわち、初期化１１０、評価１２０およびコンフィギュレーション１３０におけるシステムを示している。評価段階が生起する時間は、評価インタバルＴｅｖａｌと称し、評価段階およびコンフィギュレーション段階が生起する時間はエポックＴｅｐｏｃｈと称する。
【００２３】
初期化に際し、各ノード１０，１２は、周波数帯域Ｆ１〜Ｆ８よりなる周波数レンジ内のホップシーケンスＦに従うように同期化される。図１に示されたホップシーケンスのその部分は、Ｆ１，Ｆ５，Ｆ３，Ｆ７，Ｆ７，Ｆ２，Ｆ８，Ｆ６，Ｆ３であり、そして対応する時間／周波数スロットは１００ａ〜ｉと標識されている。ホップシーケンスにおける各時間スロットは、中心ノード１０による送信用（Ｄスロット）および従属ノードによる送信用（Ｕスロット）に交番に予約される。システムパラメータ、例えばＴｅｖａｌおよびＴｅｐｏｃｈもまた、この初期化段階において設定される。
【００２４】
初期化の後、評価インタバルＴｅｖａｌの間に、各スレーブノード１２とマスタノード１０との間で、図４の流れ図（ｉ）により例示する通り、通信が生起する。
【００２５】
スレーブノード、例えばノード１２ａがマスタノード１０にパケットを送信したい場合、そのノードは、次の使用可能なＵ時間／周波数スロット、例えば（図１に図示された）時間／周波数スロット１００ａまで待機し、その時間／周波数スロット１００ａの間にその送信を行い（ステップ１２２）、そして次のＤスロット、すなわち（図１に図示された）時間／周波数スロット１００ｂでマスタノード１０からの肯定応答を待つ（ステップ１２４）。
【００２６】
時間／周波数スロット１００ｂにおいて肯定応答（ＡＣＫ）が受信されない場合、スレーブノード１２ａは、時間／周波数スロット１００ａに送信したパケットがマスタノード１２により適正に受信されなかったと仮定する（ステップ１２６）。マスタノードが着信パケットの受信に失敗する理由は、同じシステムの別のスレーブノード１２ｂ〜ｄにより試みられたパケット送信との衝突、異なるマスタノードを有する近隣の類似システムとの衝突、または、電子レンジやＷＬＡＮネットワークといった前述の永続的干渉者からの干渉のためであるかもしれない。
【００２７】
スレーブノード１２ａは、それが各周波数帯域Ｆ１〜８で何回送信を行おうと試みたかＴｉ、それらのうちの何回の送信が成功したかＮＳｉの記録を評価インタバルＴｅｖａｌの間に維持し、そして、この情報から、ステップ１２８でローカル干渉指標ｌＦｉ（この例示的なシステムでは、チャンネルに８つの周波数帯域があるので、ｉ＝１〜８である）を計算する。この場合、スレーブノード１２ａは、周波数帯域Ｆ１を占めるＵ時間スロット１００ａにおいてパケット送信が試みられたので、以下の関係式に従って、ｌＦｉの新しい値を計算する。
ｌＦ１＝（Ｔ１−ＮＳ１）／Ｔ１    …（１）
【００２８】
このプロセスは、スレーブノード１２ａが、パケットを首尾よく送信できないかまたは、初回にパケットを送信することに失敗するたびに繰り返される。各スレーブノード１２は、同じプロセスを独立して実行する。
【００２９】
このようにして、各スレーブノード１２は、チャンネルの各周波数帯域Ｆ１〜Ｆ８にどれほど干渉しやすいかに関する自己自身のローカルな視野の評価インタバルＴｅｖａｌにわたる見解を蓄積する。この見解は、各スレーブノード１２に蓄えられる干渉指標ｌＦｉにカプセル化される。
【００３０】
インタバルの終わりに、システムは、図４の流れ図（ｉｉ）により例示されるようにコンフィギュレーション段階１３０に移る。マスタノード１０は、Ｄ時間／周波数スロットにおいて、自己のローカル干渉指標ｌＦｉを次のＵスロットでマスタノードに送信するように選択されたノードにアドレス指定されたコマンドを同報する（ステップ１３２）。ステップ１３４で、アドレス指定されたスレーブ１２がその要求を受信し、ステップ１３６で干渉指標ｌＦｉを送信する。ステップ１３８、１４０および１３２において、マスタノード１０が干渉指標ｌＦｉを適正に受信しない場合に、それは次のＤ時間／周波数スロットでその要求を再び行う。マスタノード１０は、各従属ノードについてローカル干渉指標を首尾よく受信するまで、この問合せプロセスを繰り返す（ステップ１４２）。
【００３１】
各スレーブノード１２からの干渉指標ｌＦｉにより、マスタノード１０は、チャンネルの各周波数帯域Ｆｉのシステム集合体性能、特に先行するインタバルの無エラー送信のシステム集合体確率Ｐｔを計算する（ステップ１４４）。
Ｐｔ＝（Ｆｉ）＝Σ（ｌＦｉ／ｎ）    …（２）
ここで、ｎ＝スレーブノードの数。
【００３２】
これにもとづきステップ１４６で、マスタノード１０は、最後の評価インタバル１２０のそれぞれのＰｔを比較することによって、最悪性能の周波数帯域を識別し、２つの最悪性能の周波数のブラックリストを作成する。ステップ１４８において、マスタノードは、コンフィギュレーションインタバル１３０の残りのＤスロットで、ブラックリスト化された周波数を示す制御パケットを反復的に同報する。この制御パケットは、全部のスレーブノード１２による受信を保証するために反復的に送信される。
【００３３】
現在のエポックの終わりに、すなわちコンフィギュレーション段階の後に、システムは再び評価段階１２０に入る。この時点で、どの周波数が最悪性能であるかの知識を備えて、マスタノードおよびスレーブノード１０，１２は再びホップシーケンスＦに従うが、すべてのノードは、それらが不十分に機能するとわかっているので２つのブラックリスト化された周波数帯域を省く。
【００３４】
システム動作は前述のように進行するが、ただし、２番目以降のコンフィギュレーション段階１３０においては、パラメータＰｔ（Ｆｉ）は、パラメータα（ここに０≦α≦１）および、以前のコンフィギュレーション段階の間に計算されたＰｔの値Ｐｔ−１に従って調整される。
Ｐｔ（Ｆｉ）＝α・Ｐｔ（Ｆｉ）＋（１−α）・Ｐｔ−１（Ｆｉ）    …（３）
【００３５】
Ｐｔ（Ｆｉ）のこの修正は、αの値により支配される範囲で、Ｐｔに評価インタバルの周波数帯域性能だけでなく、以前の評価インタバルの間の過去重要な性能を反映させるという効果を有する。
【００３６】
ここで、システム５がＷＬＡＮの近くで使用されているという状況を検討すれば、このネットワークは、システム５が使用する周波数帯域内に当てはまるスペクトルの領域で比較的長い情報のパケットを散発的に送信する。この近隣のＷＬＡＮの干渉の例は、図５に図示され、１０２で指示されている。図５に示されたホッピングシーケンスＦの部分の場合、Ｆ７およびＦ８の周波数帯域はＷＬＡＮの長パケット伝送によって完全に埋められていることが認められよう。図１との比較により、周波数／時間スロット１００ｄ、１００ｅおよび１００ｇが使えなくされたことがわかる。図５ではホッピングシーケンスの小部分だけしか見ることができないが、ＷＬＡＮの伝送が評価インタバルの多くについてＦ７およびＦ８を混乱させると仮定すれば、Ｆ７、Ｆ８を利用しようとするいずれのスレーブノード１２も多くの成功を得られるとは思えないことが認められよう。結果として、スレーブノードはすべて、評価段階１２０において、他の周波数帯域Ｆ１〜６の指標より相当小さい、ｌＦ７およびｌＦ８のローカル干渉指標を上記の式（１）に従って計算する。従って、コンフィギュレーション段階１３０の間に、マスタノード１０は、各スレーブノード１２からローカル干渉指標を収集し、式（２）に従って各周波数Ｆ１〜Ｆ８の無エラー送信のシステム集合体確率Ｐｔを計算し、そして、式（３）によって示される過去重要な情報に従ってそれを調整する。マスタノードは、周波数帯域Ｆ７およびＦ８を、最悪性能の、すなわち最も干渉を受ける周波数帯域として識別し、それらをブラックリストに載せ（ステップ１４６）、リストを全部のスレーブノード１２に反復的に送る（ステップ１４８）。次の評価段階１２０の初めに、どの周波数帯域がブラックリスト化されているかというこの知識により、各ノードは、図６に例示するように、ホップセットからブラックリスト化された周波数を省いている、シーケンスから修正されたホッピングシーケンスＦ’に従う。示されたホップシーケンスの部分は、Ｆ１，Ｆ５，Ｆ３，Ｆ２，Ｆ６，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ１，Ｆ５である。このようにして、システム５は、ローカル環境において無線ホットスポットを事前に回避しようとする。これは、それ自身のシステム性能を改善するだけでなく、システム５を無線に関して例えばＷＬＡＮなどの近隣システムとよりいっそう親和的にする。
【００３７】
周波数帯域がいったんブラックリスト化されると、それはもはやシステムによって使用されなくなり、それゆえ、いかなる新しい干渉指標もスレーブノードによって計算されることはない。従って、マスタノード１０は、ステップ１４６において次のエポックについてブラックリスト化されたチャンネルと判定すると、現在ブラックリスト化されているチャンネルがブラックリスト化される直前に有していた干渉指標の値をβｘでスケールして、ブラックリスト化されていない周波数帯域から新しく収集された干渉指標との比較に基礎として用いる。ここで、β＜１であり、ｘはその周波数帯域がブラックリストに載っていたエポックの数である。
【００３８】
システムパラメータαおよびβの選定は、その周波数帯域がどのような状況のもとで、どれほどの時間ブラックリスト化されるかに大きな影響を及ぼすことが理解されるであろう。例えば、αの値が大きくなればなるほど、以前の評価段階１２０だけの環境に与えられる加重はより大きくなる。しかし、αが小さい値であれば、過去の環境における条件に対しより大きな加重が与えられる。βに関しては、βが小さければ、ブラックリスト化されたチャンネルは、βが１に近い時に比べて、ブラックリストからすばやく取り除かれる確率がより大きくなる。
【００３９】
説明の容易さおよび簡潔さのために、簡略化された実施形態が説明されたことが理解できるだろう。例えば、チャンネルの周波数帯域の数は８であった。しかし、実際のシステムでは、より多くの周波数帯域が存在すると考えられる。ＦＣＣ規則によれば、ＩＳＭバンドで動作する本発明に従った周波数ホッピングシステムは、考えられる使用可能な７９の周波数帯域のうちの７５にホップするはずである。記載した実施形態では、２つの周波数帯域がブラックリストに入れられたが、実際には、この数は政府の規則によって決定されるか、または少なくとも制約され得る。
【００４０】
記載された本発明の実施形態において、マスタノード１０は、スレーブノード１２に次々に問合わせることによって干渉指標ｌＦｉを照合する。別の実施形態では、スレーブノードはこの情報を所定の時間の後に送信することもできるであろう。この場合、当然、スレーブノードがこの情報をマスタノードに発送するタイミングは、スレーブノード間の過度な衝突を防止するために、全部のスレーブノードが同じＵスロットにアクセスするようなものである必要がある。
【００４１】
記載された本発明の実施形態では各周波数帯域に関する評価期間であるが、他の実施形態では各ノードに関する評価期間は、異なることもあり、それも著しく異なることさえあり得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  周波数ホッピングスペクトラム拡散通信システムの時間／周波数占有を示す。
【図２】  ５つのノードを有する周波数ホッピングスペクトラム拡散通信システムを示す。
【図３】  図２のノードのハードウェアブロック図を示す。
【図４】  システムの動作を例示する図を示す。
【図５】  永続的干渉者の存在下における図２システムのチャンネルの時間／周波数占有を示す。
【図６】  ２つのブラックリスト化された周波数帯域がホップセットから取り除かれた場合の図２システムのチャンネルの時間／周波数占有を示す。
【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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