(57)【要約】【課題】  周波数資源を有効に利用することで、複数のノードで周波数を共用しつつ、中継による伝送遅延を低減するようにした無線通信システムを提供する。【解決手段】  送信元ノード１Ａから中継ノード１Ｂを介して送信先ノード１Ｃにデータ伝送する無線通信システムにおいて、送信元ノード１Ａは、各周波数の使用状態を検知する周波数スキャン部１３と、各周波数の使用状態に基づき送信周波数を決定する送信周波数決定部１３と、決定した送信周波数を中継ノードに送信する周波数情報送信部１３と、データ送信部１３を備え、中継ノード１Ｂは、各周波数の使用状態を検知する周波数スキャン部１３と、周波数情報と各周波数の使用状態に基づき中継周波数を決定する決定部１３と、中継周波数を送信先ノードに送信する周波数情報送信部１３と、中継周波数を使用して中継送信するデータ送信部１３をもつ無線通信システム。【選択図】図１
2012015794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信元ノードから中継ノードを介して送信先ノードにデータ伝送する無線通信システムにおいて、
前記送信元ノードは、
複数の周波数をスキャンして各周波数の使用状態を検知する周波数スキャン部と、
前記周波数スキャン部によって検知された各周波数の使用状態に基づき、送信周波数を決定する送信周波数決定部と、
前記送信周波数決定部で決定した送信周波数を周波数情報として前記中継ノードに送信する周波数情報送信部と、
前記送信周波数決定部で決定した送信周波数を使用してデータを送信するデータ送信部と、を備え、
前記中継ノードは、
複数の周波数をスキャンして各周波数の使用状態を検知する周波数スキャン部と、
前記送信元ノードから送信された前記周波数情報と、自ノードの前記周波数スキャン部によって検知された各周波数の使用状態に基づき、中継送信で使用する中継周波数を決定する中継周波数決定部と、
前記中継周波数決定部で決定した中継周波数を、周波数情報として前記送信先ノードに送信する周波数情報送信部と、
前記中継周波数決定部で決定した中継周波数を使用して、前記送信元ノードから送信されたデータを中継送信するデータ送信部と、
を具備することを特徴とする無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＯＬＳＲ（Optimized Link State Routing）プロトコル等のように経路情報を交換して、複数の無線通信機の間で複数の周波数周波数を利用して通信を行なう無線通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数の無線通信機の間で経路情報を交換して、経路を最適化するアドホック通信が知られている。
【０００３】
特許文献１は、経路情報を最新なものに維持することで、通信容量を向上させるアドホックネットワーク技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２９６２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
無線ＬＡＮなどで使用されるＣＳＭＡ／ＣＡでは、複数のノードが同じ周波数を共用しており、他のノードが通信中でない（周波数が使用されていない）ことを検知したときに自ノードの送信を行う。そのため、アドホック通信において、ＣＳＭＡ／ＣＡのように複数のノードが同じ周波数を共用する通信方式を採用すると、送信元のノードとそれに隣接する中継ノードは同時に送信できないことから、中継数が多くなると伝送遅延が顕著になるという問題があった。
また、周波数資源を有効に使用するために、空き周波数のマネジメントを行うような通信システムでは、各ノードを統括する基地局が必要であった。
本発明は、周波数資源を有効に利用することで、複数のノードで周波数を共用しつつ、中継による伝送遅延を低減するようにした無線通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
課題を解決する一実施形態は、
送信元ノード（無線通信機１Ａ）から中継ノード（無線通信機１Ｂ）を介して送信先ノード（無線通信機１Ｃ）にデータ伝送する無線通信システムにおいて、前記送信元ノード（無線通信機１Ａ）は、複数の周波数をスキャンして各周波数の使用状態を検知する周波数スキャン部（制御部１３）と、前記周波数スキャン部によって検知された各周波数の使用状態に基づき、送信周波数を決定する送信周波数決定部（制御部１３）と、前記送信周波数決定部で決定した送信周波数を周波数情報として前記中継ノードに送信する周波数情報送信部（制御部１３、モデム部１６、無線部１７、アンテナ１８）と、前記送信周波数決定部で決定した送信周波数を使用してデータを送信するデータ送信部と（制御部１３、モデム部１６、無線部１７、アンテナ１８）、を備え、前記中継ノード（無線通信機１Ｂ）は、複数の周波数をスキャンして各周波数の使用状態を検知する周波数スキャン部（制御部１３）と、前記送信元ノードから送信された前記周波数情報と、自ノードの前記周波数スキャン部によって検知された各周波数の使用状態に基づき、中継送信で使用する中継周波数を決定する中継周波数決定部（制御部１３）と、前記中継周波数決定部で決定した中継周波数を、周波数情報として前記送信先ノードに送信する周波数情報送信部（制御部１３、モデム部１６、無線部１７、アンテナ１８）と、前記中継周波数決定部で決定した中継周波数を使用して、前記送信元ノードから送信されたデータを中継送信するデータ送信部（制御部１３、モデム部１６、無線部１７、アンテナ１８）と、を具備することを特徴とする無線通信システムである。
【発明の効果】
【０００７】
中継ノードにおいて、複数の周波数をスキャンして各周波数の使用状態を検知すると共に、送信元ノードから送信された周波数情報（送信元ノードの送信周波数）と、前記周波数スキャン部によって検知された各周波数の使用状態に基づき、中継送信で使用する中継周波数を決定するように構成したので、複数のノードで周波数を共用しつつ、周波数資源を有効に利用することができ、中継による伝送遅延を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る無線通信システムを構成する無線通信機の構成を示すブロック図。
【図２】同じく無線通信機どうしの通信の一例を示す説明図。
【図３】同じく無線通信機どうしが単一の周波数で中継する際の説明図。
【図４】同じく無線通信機どうしが複数の周波数で中継する際の説明図。
【図５】同じく無線通信機どうしがセンシング情報とルーティング情報を交換する際の説明図。
【図６】同じく無線通信機どうしが４つの周波数で中継する際の説明図。
【図７】同じく無線通信機どうしにおいて、多重化していない場合のチャネル決定手順の一例を示すフローチャート。
【図８】同じく無線通信機どうしの多重化していない場合の通信イメージの一例を示す説明図。
【図９】同じく無線通信機どうしにおいて、多重化している場合のチャネル決定手順の一例を示すフローチャート。
【図１０】同じく無線通信機どうしの多重化している場合の通信イメージの一例を示す説明図。
【図１１】同じく無線通信機において、送信元となって通信を行う際の多重チャネル決定処理の一例を示すフローチャート。
【図１２】同じく無線通信機において、中継器となって通信を行う際の多重チャネル決定処理の一例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。  
本発明の一実施の形態に係る例えばソフトウェア無線機（これに限らない）で実現される無線通信機１（後述する無線通信機１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）は、図１に詳細に示されるように、ユーザが操作するための操作部１１と、クライアントＰＣまたはサーバＳと通信を行なうためのインターフェース部１２と、後述するアドホックルーティング処理や周波数スキャン処理、送信（中継）周波数の決定処理、多重周波数決定処理を含む各種処理を行って無線通信機１の各部を制御する制御部１３と、動作プログラム等を格納するＲＯＭ１４と、動作プログラムや制御情報等を格納するＲＡＭ１５と、独立した多重通信を行うための変調復調機能である複数（例えば５基）のモデム部１６と、独立した多重通信を行うための変調復調機能である複数（例えば５基）の無線部１７と、通信波を放射するアンテナ１８を有している。
【００１０】
次に、このような構成をもつ無線通信機１は、この実施形態において、アドホック通信が用いられており、そのアドホックプロトコルの一例として、ＯＬＳＲ（Optimized Link State Routing）プロトコルを採用している。ここで、ＯＬＳＲの概要について簡単に説明する。
【００１１】
ＯＬＳＲは、経路情報を常時交換するプロアクティブ型のプロトコルであり、必要最小限の中継ノード（ＭＰＲ：Multipoint Relay）の集まりによってフラッディングを行うことが特徴である。ＯＬＳＲでは、主にＨＥＬＬＯパケットとＴＣ（Topology Control）パケットをやりとりすることで経路構築を行う。
【００１２】
ＨＥＬＬＯパケットは、各ノードから送信され、自ノードのリンク情報やＭＰＲ、ＭＰＲセレクタなどの情報が含まれる。ＭＰＲとは、中継を担当するノードのことであり、効率的なフラッディングを行うために、各ノードが隣接ノードの１ホップ先のリンク情報などを参照して選択する。また、ＭＰＲセレクタとは、自ノードをＭＰＲとして選択しているノードのことである。
【００１３】
ＭＰＲを選択しただけでは、まだ通信経路は構築されない。そこで、ＯＬＳＲにおいては、ＴＣパケットを使用してネットワーク全体のトポロジーを構築する。ＴＣパケットは、ＭＰＲセレクタ集合の情報が含まれ、ＭＰＲとして選択されている各ノードから送信される。ＴＣパケットは、ＭＰＲによってネットワーク全体にフラッディングされる。
【００１４】
このＴＣパケットにより、ネットワークの全てのノードは、ＭＰＲとそのＭＰＲセレクタ集合の情報を取得することができる。各ノードは、それらの情報に基づき、送信先（宛先）までの最短経路を算出して経路表を作成する。本発明の一実施形態においては、使用可能なチャネルの情報を上記のＨＥＬＬＯパケットに含ませることで、通信エリア内にあるノードが使用可能なチャネルを把握することができる。
【００１５】
本発明の一実施形態であるアドホックネットワークを用いた無線通信機１は、図２に示すように、複数の無線通信機間で通信を行い、マルチバンド対応であって、１台で複数（この実施形態では５つのチャネルの例を示しているがこれに限らない）のチャネルを有している。このような無線通信機１においては、通信エリア内の他の無線通信機１同士と例えば半二重通信により、通信が行われる。なお、本発明は、半二重通信に限定されない。半二重通信とは、双方向通信において同時に双方からデータを送信したり受信したりすることができず、時間を区切って片方向からの送信しかできない通信方式である。この場合、図３に示すように、第１無線通信機１Ａから第２無線通信機１Ｂへ第１パケットを第１周波数Ｆ１で時刻ｔ１において送信することはよいが、時刻ｔ２において、第２パケットを第１無線通信機１Ａから第２無線通信機１Ｂへ連続して送信しようとすると、第２無線通信機１Ｂから第３無線通信機１Ｃに同じく第１周波数Ｆ１で第１パケットが送信中であり、同一周波数の通信を同時に行なうことができない。このため、送信元ノードである第１無線通信機１Ａから送信先ノードである第３無線通信機１Ｃまでデータを伝送するのには、第１無線通信機１Ａから中継ノードである第２無線通信機１Ｂに送信する時間の２倍以上の時間を要する。
【００１６】
これに対して、図４の場合によれば、第１無線通信機１Ａから第２無線通信機１Ｂへ第１パケットを第１周波数Ｆ１で時刻ｔ１において送信し、時刻ｔ２において、第２無線通信機１Ｂから第３無線通信機１Ｃへは、第１周波数Ｆ１ではなく第２周波数Ｆ２のチャネルにより第１パケットを送信するため、第１無線通信機１Ａから第２無線通信機１Ｂへ第２パケットを第１周波数Ｆ１で送信することができる。従って、これにより、図３の場合に較べ、第１無線通信機１Ａから第３無線通信機１Ｃまでデータ伝送時間を短縮することができる。この伝送時間の短縮は、中継ノードが多くなるほど顕著となる。
【００１７】
なお、本発明の一実施形態においては、定期的に周波数スキャン（５周波数）を行い、その結果をセンシング情報として、上述したＨＥＬＬＯパケットに含めて周辺ノードにフラッディングする。
図５に示すように、複数の無線通信機１Ａ，１Ｂ，１Ｃの間で、センシング情報を含むＨＥＬＬＯパケットを制御チャネル、例えば後述するように周波数Ｆ１を使用して交換を行うことで、無線通信機１の制御部１３は、近傍の無線通信機の状況（リンク先で送信に使用可能な周波数など）を常に認識することができる。なお、この実施形態では、制御チャネルとしてＦ１を設定している例を示してＨＥＬＬＯパケットの送信の安定化を図っているが、必ずしも専用の制御チャネルを設定せずに、他の周波数を適宜使用することでも、衝突が生じなければ同等の技術的効果を得ることができる。
【００１８】
また、本発明の一実施形態においては、図６に示すように、複数の無線通信機１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，…の間で交換したセンシング情報に基づき、無線通信機１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，…の間で、１つの周波数だけに限らず複数の周波数において多重通信を行うことができる。これにより、通信状況に応じて自動的に通信容量を拡大することが可能となる。
【００１９】
・周波数決定処理
送信元ノードと中継ノードにおける送信（中継）周波数決定処理について説明する。
本実施形態では、Ｆ１からＦ５までの５つの周波数帯を有する。Ｆ１は、上述したＨＥＬＬＯパケットやＴＣパケットの送受信、及び、後述する送信（中継）周波数情報や、これから送信するデータの宛先情報などを通知するための制御チャネル用として使用され、Ｆ２からＦ５の４周波数がデータパケットの送信に使用するデータ送信用として使用される。
【００２０】
先ず、送信元ノードの周波数決定処理について説明する。送信元ノードの制御部１３は、定期的に周波数スキャンを実施し、空いている周波数の情報（センシング情報）を取得する。また、中継ノード（ＭＰＲ）から送信されたＨＥＬＬＯパケットに含まれるセンシング情報を取得する。そして、自ノード及び中継ノードで送信に使用可能な周波数（いずれのノードでも空きが検知された周波数）を送信周波数として決定する。使用可能な周波数が複数存在する場合は、任意の周波数（例えばＦ番号の一番小さい周波数）を選択する。
【００２１】
続いて、中継ノードの周波数決定処理について説明する。中継ノードの制御部１３は、定期的に周波数スキャンを実施し、空いている周波数の情報（センシング情報）を取得する。また、送信先ノード（あるいは次の中継ノード）から送信されたＨＥＬＬＯパケットに含まれるセンシング情報を取得する。
そして、自ノード及び送信先ノード（あるいは次の中継ノード）で送信に使用可能な周波数（いずれのノードでも空きが検知された周波数）の中から、送信元ノード（あるいは前の中継ノード）で決定された送信周波数以外の周波数を中継周波数として決定する。使用可能な周波数が複数存在する場合は、任意の周波数（例えば番号の一番小さい周波数）を選択する。
尚、送信元ノード（あるいは前の中継ノード）で決定された送信周波数は、制御チャネルＦ１を使用し、周波数情報として中継ノードに送信され、通知される。
また、使用可能な周波数が存在しない場合は、ＣＳＭＡ／ＣＡにより、送信元ノード（あるいは前の中継ノード）で決定された周波数が空くのを待って送信を行う。
【００２２】
・具体的な通信例
次に、図７及び図８を用いて、複数の無線通信機１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの間での具体的な通信例を詳細に説明する。
尚、図７及び図８の説明では、上述した周波数決定処理により、無線通信機１Ａの送信周波数がＦ２、無線通信機１Ｂの送信周波数がＦ３、無線通信機１Ｃの送信周波数がＦ２に決定するものとする。
図７のフローチャートにおいて、第１無線通信機１Ａは、自己の有するセンシング情報に基づいて送信にＦ２を使用することを決定し、Ｆ１を用い、「第２無線機１Ｂとの通信にＦ２を使用する」ことを第２無線通信機１Ｂに通知する（ステップＳ１）。第２無線通信機１Ｂは、第１無線通信機１ＡがＦ２を使用するとの情報と自己の有するセンシング情報に基づいて第３無線機１Ｃとの通信にＦ３を使用することを決定し、Ｆ１を用い、自分は第３無線機１Ｃとの通信にＦ３を使用すると共に、隣接する無線機がＦ２を使用していることを第３無線通信機１Ｃに通知する（ステップＳ２）。第３無線通信機１Ｃは、第２無線通信機１ＢがＦ３を使用すると共に、第２無線通信機１Ｂの通信エリア内にＦ２を使用している無線機が存在するとの情報と、自己の有するセンシング情報に基づいてＦ４を使用することを決定し、自分は第４無線通信機１Ｄとの通信にＦ４を使用すると共に、隣接する無線機がＦ３を使用していることを第４無線通信機１Ｄに通知する（ステップＳ３）。その後、第１無線通信機１Ａ乃至第４無線通信機１Ｄは、確保された周波数を使用してデータパケットの伝送を行う（ステップＳ４）。この結果、図８に示すように、通信エリア内にある無線通信機同志は異なる周波数の周波数を使用して通信を行なうことになるので、第１無線通信機１Ａから第４無線通信機１Ｄまでの伝送遅延を小さくすることができる。
尚、第４無線通信機１Ｄがさらに第５の無線通信機にデータを転送する場合、空いている周波数のうち番号の一番小さい周波数を選択するというルールを採用するならば、Ｆ２を選択することになる。
【００２３】
さらに、図９のフローチャートにおいて、複数のチャネルで多重化通信を行なう場合について説明する。この例では、周波数帯がＦ１からＦ７まで存在することを前提として説明する。
第１無線通信機１Ａは、自己の有するセンシング情報に基づいて送信にＦ２・Ｆ３を使用することを決定し、Ｆ１を用い、「第２無線機１Ｂとの通信にＦ２・Ｆ３を使用することを第２無線通信機１Ｂに通知する（ステップＳ５）。第２無線通信機１Ｂは、第１無線通信機１ＡがＦ２・Ｆ３を使用するとの情報と自己の有するセンシング情報に基づいて第３無線機１Ｃとの通信にＦ４・Ｆ５を使用することを決定し、Ｆ１を用い、自分は第３無線機１Ｃとの通信にＦ４・Ｆ５を使用すると共に、隣接する無線機がＦ２・Ｆ３を使用していることを第３無線通信機１Ｃに通知する（ステップＳ６）。第３無線通信機１Ｃは、第２無線通信機１ＢがＦ４・Ｆ５を使用すると共に、第２無線通信機１Ｂの通信エリア内にＦ２・Ｆ３を使用している無線機が存在するとの情報と、自己の有するセンシング情報に基づいてＦ６・Ｆ７を使用することを決定し、自分は第４無線通信機１Ｄとの通信にＦ２・Ｆ３を使用すると共に、隣接する無線機がＦ４・Ｆ５を使用していることを第４無線通信機１Ｄに通知する（ステップＳ７）。その後、第１無線通信機１Ａ乃至第４無線通信機１Ｄは、確保された多重チャネルを使用してパケット伝送を行うものである（ステップＳ８）。
【００２４】
この結果、図１０に示すように、通信エリア内にある無線通信機同士は異なる周波数のチャネルを使用して多重通信を行なうことになる。従って、第１無線通信機１Ａ乃至第４無線通信機１Ｄは、図７および図８の場合のほぼ二倍の通信容量により通信が同時に可能となるため、通信速度を向上させることができる。
なお、第４無線通信機１Ｄがさらに第５の無線通信機にデータを転送する場合、空いている周波数のうち番号の一番小さい周波数を選択するというルールを採用するならば、Ｆ２、Ｆ３を選択することになる。
【００２５】
・各無線通信機における通信処理
次に、各無線通信機の制御部（チャネル決定部）１３において実施される、上述した特に多重チャネル通信処理を実現するための多重チャネル決定処理を図１１および図１２に示すフローチャートを用いて詳細に説明する。  
初めに、本発明の一実施形態に係る無線通信機１が、送信元ノードとして機能する場合、すなわち、例えば、無線通信機１Ａが無線通信機１Ｂに信号を伝送する場合について説明する。無線通信機１の周波数決定機能をもつ制御部１３は、ＲＯＭ１４等に格納されたプログラムに従って、定期的に、通信可能エリアに存在する他の無線通信機１との間で、センシング情報を含むＨＥＬＬＯパケットを送受信する（ステップＳ１１）。無線通信機１の制御部１３において、自身が送信元として送信タスクが発生すると（ステップ１２）、上述したセンシング情報に基づいて、使用可能な周波数数を決定する（ステップＳ１３）。
【００２６】
すなわち、無線通信機１の制御部１３は、図１０の説明図に示すＦ１〜Ｆ５の内のどれだけの周波数が使用可能かを判断すると共に、ユーザによる動作設定（使用する周波数数や、優先的に選択する周波数の順序）等に基づき、使用可能な周波数の内から実際に使用する周波数（単数または複数）を選択し決定する（ステップＳ１４からステップＳ１７）。また、無線通信機１は、図１１に示したフローチャートに従って通信が継続している間中、繰り返しステップ１１に戻って反復することにより、複数の無線通信機の間での通信状況の変化に応じて、使用する周波数やその数を変更する。
【００２７】
次に、図１２のフローチャートにおいて、中継ノードとして機能する場合、すなわち、例えば、無線通信機１Ｂが無線通信機１Ａからの信号を受けて無線通信機１Ｃに信号を転送する場合について説明する。無線通信機１の周波数決定機能をもつ制御部１３は、ＲＯＭ１４等に格納されたプログラムに従って、定期的に、通信可能エリアに存在する他の無線通信機１との間で、センシング情報を含むＨＥＬＬＯパケットを送受信する（ステップＳ２１）。無線通信機１Ｂの制御部１３は、受信した送信データの宛先情報から、自身が中継ノードとして機能すべきことを認識すると、モデム部１６および無線部１７を介して取得したセンシング情報及び送信元ノードから送信された周波数情報に基づき、自身が使用可能な周波数数を決定する（ステップＳ２４）。
【００２８】
すなわち、無線通信機１Ｂの制御部１３は、図１０の説明図に示すＦ１〜Ｆ５の内、残りのどの周波数が使用可能かを判断し、その内のどの周波数（単数または複数）を使用するかを、ユーザによる動作設定（使用する周波数数や、優先的に選択する周波数の順序）等に基づいて決定する（ステップＳ２５からステップＳ２８）。また、無線通信機１は、図１２に示したフローチャートに従って通信が継続している間中、繰り返しステップ２１に戻って反復することにより、複数の無線通信機の間での通信状況の変化に応じて、使用する周波数やその数を変更する。
【００２９】
以上記載した様々な実施形態は複数同時に実施することが可能であり、これらの記載により、当業者は本発明を実現することができるが、更にこれらの実施形態の様々な変形例を思いつくことが当業者によって容易であり、発明的な能力をもたなくとも様々な実施形態へと適用することが可能である。従って、本発明は、開示された原理と新規な特徴に矛盾しない広範な範囲に及ぶものであり、上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述した実施形態では、５つのチャネルによる半二重通信を行うソフトウェア無線通信機の場合を例にとって説明したが、チャネル数、通信形態、無線通信機の形態については、実施形態の場合に限定されるものではなく、どのようなチャネル数、通信形態、無線通信機の形態であっても本発明の実施は可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１…無線通信機、１１…操作部、１２…インターフェース部、１３…制御部、１４…ＲＯＭ、１５…ＲＡＭ、１６…モデム部、１７…無線部、１８…アンテナ。
【図１】
2012015794.tif 000003
【図２】
2012015794.tif 000004
【図３】
2012015794.tif 000005
【図４】
2012015794.tif 000006
【図５】
2012015794.tif 000007
【図６】
2012015794.tif 000008
【図７】
2012015794.tif 000009
【図８】
2012015794.tif 000010
【図９】
2012015794.tif 000011
【図１０】
2012015794.tif 000012
【図１１】
2012015794.tif 000013
【図１２】
2012015794.tif 000014