(57)【要約】      （修正有）【課題】無線資源の利用効率の劣化なしに無線マルチホップネットワークにおいて経路ダイバシチ効果を用いた協調通信を実現することを目的とし、高い信頼性の無線通信を効率的に実現することのできる実用的な装置を提供する。【解決手段】既存技術のチャネルアクセス制御であるCarrier  Sense  Multiple  Access/Collision  Avoidance(CSMA/CA)を改良することにより、複数の無線装置間でチャネルへのランダムアクセス性を有しながら、送信時刻を自律的に同期する。中間装置となる複数の無線端末が、受信したOFDM信号をほぼ同時刻に送信する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース装置、宛先装置及び少なくとも１つ以上の中間装置を有する直交周波数分割多重方式（OFDM）を用いた経路ダイバシチ効果を活用する無線マルチホップ通信装置において、
送信データを変調しガードインターバルを付加したOFDM信号を生成し、該OFDM信号を送信するソース装置となる無線装置の送信部と、
該ソース装置となる無線装置が送信したOFDM信号を受信し、該OFDM信号を復調して受信データを取得する中間装置となる無線装置の受信部と、
該中間装置となる無線装置の受信部が、該受信データを該中間装置となる無線装置の中継部に転送した後、該受信データ毎に定まる一意な値を用いて乱数を発生させ、同一の乱数を取得し、該乱数に基づいた同一の遅延時間を設定する該中間装置となる無線装置の中継部と、
該遅延時間の間送信待機を行い、該送信待機後にチャネルの利用状態を確認し、該チャネルが利用されていない場合、該受信データをガードインターバルが付加されたOFDM信号へ変調し、該ガードインターバル長内の同時刻に該OFDM信号を送信する該中間装置となる無線装置の送信部と、
該中間装置となる無線装置の送信部が送信した該OFDM信号を復調しデータを取得する宛先装置となる無線装置の受信部と、
を含む通信装置。
【請求項２】
該ソース装置となる無線装置の送信部に、送信データを識別する任意の識別子を挿入することを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
【請求項３】
該中間装置となる無線装置の送信部が該OFDM信号を再送する場合には、乱数の発生範囲を指数的に増加させることでOFDM信号の衝突を抑制することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の通信装置。
【請求項４】
ソース装置、宛先装置及び少なくとも１つ以上の中間装置を有する直交周波数分割多重方式（OFDM）を用いた経路ダイバシチ効果を活用する無線マルチホップ通信方法において、
ソース装置となる無線装置の送信部が、送信データを変調しガードインターバルを付加したOFDM信号を生成し、該OFDM信号を送信する手順と、
中間装置となる無線装置の受信部が、該ソース装置となる無線装置が送信したOFDM信号を受信し、該OFDM信号を復調して受信データを取得する手順と、
該中間装置となる無線装置の受信部が、該受信データを該中間装置となる無線装置の中継部に転送した後、該中間装置となる無線装置の中継部が、該受信データ毎に定まる一意な値を用いて乱数を発生させ、同一の乱数を取得し、該乱数に基づいた同一の遅延時間を設定する手順と、
該中間装置となる無線装置の送信部が、該遅延時間の間送信待機を行い、該送信待機後にチャネルの利用状態を確認し、該チャネルが利用されていない場合、該受信データをガードインターバルが付加されたOFDM信号へ変調し、該ガードインターバル長内の同時刻に該OFDM信号を送信する手順と、
宛先装置となる無線装置の受信部が、該中間装置となる無線装置の送信部が送信した該OFDM信号を復調しデータを取得する手順と、
を含む通信方法。
【請求項５】
該ソース装置となる無線装置の送信部が、送信データを識別する任意の識別子を挿入することを特徴とする請求項４に記載の通信方法。
【請求項６】
該中間装置となる無線装置の送信部に、該OFDM信号を再送する場合には、乱数の発生範囲を指数的に増加させることでOFDM信号の衝突を抑制することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直交周波数分割多重方式を用いた無線マルチホップネットワークにおいて、経路ダイバシチ効果を得られる協調通信を実現する自律的なチャネルアクセス制御を行う通信装置に関わる。
【背景技術】
【０００２】
近年の無線通信技術の発展はめざましく、携帯電話、無線LANシステム、地上波デジタル放送など無線通信を用いたサービスは身近になりつつある。また、次世代のデジタル通信システムの基板技術として利用されている無線通信方式として、直交周波数分割多重方式（OFDM）が注目されている（例えば、IEEE 802.11）。
OFDMでは、周波数方向に低伝送レートの情報信号を多数重畳し、ガードインターバルと呼ばれるOFDM信号の一部を追加することにより、反射波などに高い耐性を持つ無線通信を実現可能となる。複数の無線送信局から同一のOFDM信号を送信する単一周波数ネットワーク(SFN)では、無線端末において複数の無線送信局から送信されるOFDM信号の到着時間差をガードインターバル内に収まるように送信時刻を制御することにより、無線端末が複数の無線送信局からの信号を異なる経路で受信し、高精度のデータ送信を実現可能であることが知られている。
【０００３】
しかしながら、複数のOFDM信号を用いた高精度なデータ送信手法には、無線送信局間で高精度の送信時刻同期が必要不可欠であるため、現状では無線送信局が固定されている地上波デジタル放送のみで研究が実施されている状況である。また、本発明で注目する無線端末が自律的にネットワークを構成するマルチホップネットワークでは、複数のOFDM信号を用いた高精度なデータ送信手法を活用する試みはほとんど行われておらず、実用化にもいたっていない。
【０００４】
例えば、特許文献１には、無線ネットワークにおいて協力中継を使用してOFDM信号を通信する方法が記載されている。ただし、中継局がデータの送信タイミング等を操作して制御する（セルラネットワークの）ダウンリンクを対象としており、本発明が対象とする自律分散型のネットワークとは異なる。
【０００５】
一方、パケットベースの無線やその他の通信システムにおいてマルチホップネットワークの活用が期待されている。マルチホップネットワークは、例えば図１に示すように、通信信号がある通信経路に沿う通信方向でソース装置V1から宛先装置V4へ１つ以上の中間装置（V2およびV3）を介して送信される通信システムである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2008-178070号公報
【特許文献２】US11/850,262
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明において解決しようとする課題は、上述の公知の技術が抱える問題点を解決することであり、具体的には複数の無線端末がチャネルへのランダムアクセス性を維持しつつ、送信時刻の同期を自律的に実現することにより、マルチホップネットワークにおいても複数の無線装置が転送を行うOFDM信号を用いた高精度なデータ通信装置を実現することを目的とする。すなわち、無線通信時の特性劣化要因となる、雑音、マルチパスフェージング、ブロッキングなどによる伝送誤りの改善、同一OFDM信号をガードインターバル長内の範囲で多重送信することによる無線資源の利用効率の改善、マルチホップ時の転送待ち時間削減による、エンド無線端末間のデータ転送遅延の削減を実現可能な装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は上記の課題を解決するため、既存技術のチャネルアクセス制御であるCarrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA)を改良することにより、複数の無線装置間でチャネルへのランダムアクセス性を有しながら、送信時刻を自律的に同期する本発明に到達した。
【０００９】
本発明は、ソース装置、宛先装置及び少なくとも１つ以上の中間装置を有する直交周波数分割多重方式（OFDM）を用いた経路ダイバシチ効果を実現する無線マルチホップ通信装置であり、送信データを変調しガードインターバルを付加したOFDM信号を生成し、該OFDM信号を送信するソース装置となる無線装置の送信部と、
該ソース装置となる無線装置が送信したOFDM信号を受信し、該OFDM信号を復調して受信データを取得する中間装置となる無線装置の受信部と、
該中間装置となる無線装置の受信部が、該受信データを該中間装置となる無線装置の中継部に転送した後、該受信データ毎に定まる一意な値を用いて乱数を発生させ、同一の乱数を取得し、該乱数に基づいた同一の遅延時間を設定する該中間装置となる無線装置の中継部と、
該遅延時間の間送信待機を行い、該送信待機後にチャネルの利用状態を確認し、該チャネルが利用されていない場合、該受信データをガードインターバルが付加されたOFDM信号へ変調し、該ガードインターバル長内の同時刻に該OFDM信号を送信する該中間装置となる無線装置の送信部と、
該中間装置となる無線装置の送信部が送信した該OFDM信号を復調しデータを取得する宛先装置となる無線装置の受信部と、
を含む通信装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるOFDMを用いた協調無線マルチホップネットワークにおいてチャネルにアクセスする方法を使用することにより、同一のOFDM信号を受信した中間装置となる複数の無線装置は、同一のランダム待機時間を選択することが可能となり、無線資源の利用効率の劣化なしに、経路ダイバシチ効果による通信特性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】通信例を示すための無線端末配置を示す図である。
【図２】既存方式であるCSMA/CAを用いた際の通信例を示す図である。
【図３】本発明を用いた際の通信例を示す図である。
【図４】本発明の動作手順を示す概念図である。
【図５】本発明を用いてシミュレーションを行った場合のパケット誤り率を示す図である。
【図６】本発明を用いてシミュレーションを行った場合の平均端末間遅延を示す図である。
【図７】本発明を用いてシミュレーションを行った場合の平均端末間ジッターを示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明はOFDMを利用する無線通信システムに適用することが可能であるが、本発明を実用化するためには、OFDM信号の送信時間を高精度に制御する必要がある。そのため、本発明は提案するメディアアクセス制御と一体で利用することが望ましいため、無線信号を送受信する物理層部とチャネルアクセスを制御するデータリンク層を包括する形態が望ましい。
例えば図１の無線端末配置において、図２に示すようにCSMA/CAを用いた場合について説明する。各無線端末はOFDM信号の送信を行う前にランダム時間待機を行い、待機後にチャネルが利用されていない場合、OFDM信号の送信を各無線端末が行う。そのため、無線端末V1が送信したOFDM信号を受信した無線端末V2及びV3は異なる時間に別途送信が行われる。この場合、無線端末V4は無線端末V2及びV3からOFDM信号を受信することができるが、無線資源の利用効率が劣化する。また、無線端末V2及びV3のいずれか一方がOFDM信号の送信を行う場合、無線資源の利用効率は劣化しないが、無線端末V4は1無線端末からのOFDM信号しか受信できないため、チャネル状況により通信品質の劣化が生じる可能性がある。
【００１３】
無線端末V1が送信したOFDM信号を無線端末V2及びV3が受信し、同一時刻に同一OFDM信号の送信を行う場合、無線端末V4は無線端末V2と無線端末V3それぞれから独立した経路を経由したOFDM信号を多重して受信することが可能となる。一般にOFDMは、多重して受信されるOFDM信号がガードインターバル内であれば、高精度の復調が実現可能であることから、経路ダイバシチ効果を活用した高信頼性無線通信を実現可能となる。
【００１４】
ここにおいて、本発明者は以下のようにCSMA/CAを改良し、複数無線端末がガードインターバル内の到着時刻でOFDM信号を送信することにより、本発明を完成した。すなわち、本発明はOFDMを採用した無線送信機、CSMA/CAを改良したメディアアクセス制御機能、OFDMを採用した無線受信機により構成される。
【００１５】
本発明を適用した例について説明する。例えば、図１の無線端末配置において、図３に示すように、無線端末V1が送信したOFDM信号を無線端末V2及びV3が受信し、同一時刻に同一OFDM信号の送信を行う場合、無線端末V4は無線端末V2と無線端末V3から独立した経路を経由したOFDM信号を多重して受信することが可能となる。前述のようにOFDMは、多重して受信されるOFDM信号がガードインターバル内であれば、高精度の復調が実現可能であることから、経路ダイバシチ効果を活用した高信頼性無線通信を実現可能となる。
【００１６】
図４は本発明において提案するメディアアクセス制御のフローチャート例である。無線装置の受信部がパケットを受信した場合、該受信部は受信したパケットデータを該無線装置の中継部に転送し、該中継部は最大遅延時間のバックオフ量を決める変数BOIを0で初期化し、最小コンテンションサイズCWminと変数BOIを用いて、最大遅延時間NAVを求める。次に、該中継部はパケット送信で利用する遅延時間量を0からNAVの間からランダムに選択する。この選択の際、パケットの送信元アドレス、ホップ数、シーケンス番号などの識別子を用いて乱数発生器を初期化することにより、同一の送信元アドレス、ホップ数、シーケンス番号を用いた場合には、同一の乱数が発生することを保証する。次に、無線装置の送信部は選択した該遅延時間後、無線チャネルの利用状況をチャネルセンスすることにより確認し、送信を行う。また、確認応答など用いることで、パケット配信成功の確認を行う。パケット配信が確認されない場合、該送信部は衝突確率を下げるために、BOIを1増加させた上で、同様の処理を繰り返す。
【実施例】
【００１７】
以下に本発明の好適な一実施の形態を実施例によって具体的に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の実施形態によって限定されるものでなく、本発明の範囲で様々に改変して実施することができる。
【００１８】
本発明を用いてシミュレーションを行った結果を図５、図６、図７に示す。該シミュレーションでは、端末が高速移動する場合の一事例である車両間ネットワークを想定したものであり、諸元を表１に示す。また、既存方式としては、フラッディングを採用したものである。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
図５はパケット誤り率を示すものである。グラフの横軸は車両台数を示す。提案方式（Proposed）は既存技術（Flooding with P=100%）と比較して低いパケット誤り率を達成していることが確認できる。パケット誤り率はデータ配送の信頼性に大きく影響するため、本効果が通信に与える影響は大きいと考えられる。
【００２１】
図６は平均端末間遅延である。グラフの横軸は車両台数を示す。提案方式（Proposed）は既存方式（Flooding with P=100%）と比較して少ない遅延時間を達成していることが確認できる。本特性は特にリアルタイム性を要求するアプリケーションにおいて大きな効果があると考えられる。
【００２２】
図７は平均端末間ジッターである。グラフの横軸は車両台数を示す。提案方式（Proposed）は既存方式（Flooding with P=100%）と比較して少ないジッター時間を達成していることが確認できる。本特性は特にストリーミングなどの定期的にデータを送信するアプリケーションにおいて大きな効果があると考えられる。
【００２３】
本発明の通信装置は、OFDMを採用する既存の通信規格であるIEEE802.11などのOFDM変調部及び復調部を変更することなく実現することが可能である。また、本発明で必要となるアクセス制御は既存通信装置の制御部の変更のみで実現可能であり、本発明は容易に実現可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
上記のとおり本発明は、既存の通信規格であるIEEE802.11などのOFDM変復調技術を利用する製品のアクセス制御手法を修正するだけで実現可能であり、通常ハードウェア化されているOFDM変復調部の修正を必要としない。そのため、マルチホップ通信技術を利用するアドホックネットワークだけではなく、無線インターネットサービスを提供可能なメッシュネットワーク、高度道路交通システムで必要とされる車両間ネットワークの実現技術として利用可能である。
【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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