情報通信I T S 無線システムにおける隠れ端末対策＊白永英晃・山小河昇平

田雅也・浦山博

史Solution Method for Hidden Terminal Problem in New ITS Radio Communication System ─ by Hideaki Shiranaga,Masaya Yamada, Hirofumi Urayama and Syouhei Ogawa ─ The Japanese government has planned to operate a
new radio communication system for improving vehicle safety. In this system, on-car units send packets including
information of their location and speed to each other according to CSMA (Carrier Sense Multiple Access)procedures. However, when radio wave is blocked by buildings and some units cannot detect others, two or moreunits can send their packets simultaneously. This can cause a packet collision called “hidden terminal problem,”leading to a serious defect in the new ITS (Intelligent Transport System) radio communication system. The authors
have developed a new method for improving the performance of receiving packets when the collision occurs byselectively receiving a packet with a stronger power, and have successfully verified the performance in a fieldexperiment.
Keywords: ITS, radio communication, hidden terminal

1.

緒

言

2018 年度に交通事故死者数 2500 人以下を目指す、政府

Sense Multiple Access）の手順が採用される。そのため、の新たな情報通信技術戦略に則り、無線通信を用いた安全

図 1 のようにビルなどで遮られてお互いが通信できない車運転支援システムの実用化が計画されている。この ITS 無線通信システムでは、車両に搭載した無線機（車載器）同士の通信（車々間通信）や、路側に設置した無線機（路側載器同士が、それぞれ電波の空きがあると判断してパケットを送信し、受信機（図 1 の場合は路側機）において混信するため両方のパケットを正常に復調できなくなる、いわ機）と車載器との通信（路車間通信）により、各車両の位ゆる「隠れ端末問題」が発生することが予想される。特に、置や速度などの情報を送受信する。これにより、例えば死都市部の混雑した道路においては 200 式以上の車載器が角から車両が来ている場合などに、音声などでドライバー各々パケットを送信するため、この隠れ端末問題が深刻にに警告して事故を回避することを目的としている。車々間なることが懸念されている。そこで、複数のパケットをほ通信においては、車載器が、送信に先だって電波の使用状ぼ同時に受信した場合に、無線機のロジックを工夫し、よ況を確認し、電波に空きが生じたと判断したときに自車位り受信電力の高いパケットをできるだけ正常に復調するこ

置などの情報を含むパケットを送信する、CSMA（Carrierとを試みた。受信電力の高いパケットは、受信機に近い車載器から送信されたものであるので、安全運転支援において重要である。以下に開発したロジックの詳細と、試作器を用いて行った実験の内容ついて述べる。

車載器

2.

無線通信の仕様と無線機の構成
2−1

無線通信の仕様

ITS 無線通信システムでは、2011 年に予定されているアナログ放送の停波により開放混信される 700MHz 帯のうち 10MHz の帯域が用いられる。変調方法などの物理的な通信仕様は IEEE802.11 に準拠し、路側機

車載器

通信手順などは現在一般社団法人電波産業会にて検討されている。パケットは、図 2 のようなフォーマットで構成され、データ内には車両の位置や速度などの情報が含まれる。

図1−（ 94 ）−隠れ端末問題によるパケットの混信

ITS 無線システムにおける隠れ端末対策

このようなパケットを、各車載器が約 100ms ごとに電波プリアンブル※1

ヘッダ

図2

データプリアンブル

CRC※2
RSSI信号

フレームフォーマット

④データ復調期間
内部ステータス
同期確立フラグの空きを確認して送信する。携帯電話のように受信側とのリンクを形成してから送信するのではなく、すべてブロー③同期判定期間②増幅率粗調整期間

①アイドル

同期確立

CRC-OKフラグ

ドキャストで行われる。受信する側では、多数の車載器かCRC正常ら次々に送られ、時には時間的に重複するパケットを、できるだけ多数復調することが求められる。
2−2⑤完了図4

復調処理部の動作開発した無線機の外観と、そ無線機の構成のブロック図を写真 1 及び図 3 に示す。アンテナで受信した パ ケ ッ ト は 、 RF 回 路 に て 増 幅 な ど の 処 理 が 行 わ れ 、
データを含む IF 信号と、パケットの受信電力の強さを示す① アイドル状態では、RSSI 信号を監視し、基準レベRSSI 信号が生成され、それぞれ A/D 変換後に復調処理部

ル以上の信号を受信したときには何らかの電波が到に取り込まれる。この際、復調処理部は RSSI 信号の大き達したと判断する。

さに応じて RF 回路内の増幅率を最適値に保つ。復調処理② RSSI 信号のレベルに合わせて、RF 回路の増幅率を部は、受信したパケットの復調を試み、正常に復調できれ粗調整する。

ばアプリ処理部にデータを送る。

③ RF 回路の増幅率を微調整しつつ、パケットの先頭復調処理部は、次の①～⑤の手順でパケットを受信するに付加されたプリアンブルの検出を試みる。

（図 4）。

④ プリアンブルが検出できたときは、正規のパケットを受信したと判断して同期を確立する。この後、RF 回路の増幅率を固定してデータの復調を続ける。
⑤ 最後に、CRC を計算して正常であればアプリ処理部にデータを転送する。

3.

隠れ端末問題と対策
ここでは、隠れ端末状態にある複数の車載器から、ほぼ同時にパケットを受信した場合の動作について検証する。
まず、図 5 のように、先に受信電力の高いパケット A が到達し、後で受信電力の低いパケット B が到達した場合には、パケット B がノイズに見えるだけなので、ノイズ（パケッ

写真 1

パケットA

無線機の外観パケットB

RSSI信号アンテナ

無線機（受信系）

同期確立フラグ

IF信号

RF回路

RSSI信号

A/D

復調処理部

アプリ処理部

内部ステータス

増幅率制御

CRC-OKフラグ

図3

図5

ブロック図

パケットAの同期判定期間
パケットAの同期確立
パケットAのCRC-OK

先に受信電力の大きなパケットを受信する場合

2 0 1 1 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 9 号 −（ 95 ）−ト B）に対するパケット A の電力が十分に大きい場合には、パケットA従来通りの動作をすればパケット A を復調できる。尚、パパケットB

ケット B は、その前半がパケット A に埋もれてしまうため、同期を確立できず、復調できない。
一方、図 6 のように、先に受信電力が低いパケット A が到達し、後で受信電力の高いパケット B が到達した場合にRSSI信号

ここで即座にパケットAを破棄

内部ステータス

パケットBに合わせ増幅率を再調整
パケットAのパケットBの同期確立
同期確立

は、従来の手順ではパケット A の受信を続けてしまいパ
ケット B を取り逃がしてしまう。さらには、パケット A も同期確立フラグ

より強いノイズ（パケット B）の影響により正常に復調できない。

CRC-OKフラグ
パケットBのCRC-OK

図7

実装した受信ロジック

パケットA
パケットB

RSSI信号

パケットAの復調を続けてしまう

内部ステータス

同期確立フラグ

パケットAの同期判定期間
パケットAの同期確立判断基準について最適化を検討した。パケット受信中の
RSSI 信号は時間的な変動が大きいため、この変動を新たな電波の到来と見誤ってしまうと、不必要にパケット A を破棄してしまう結果になる。また、この変動の影響を軽減す

CRC-OKフラグ

図6

次に、パケット A を受信中により強い信号を受信した際に、パケット A を破棄して復調対象を切り替えるか否かのるために、RSSI 信号の長時間での移動平均値を判断基準に後に受信電力の大きなパケットを受信する場合

すると、パケット B 到達の感知が遅れ、結果として同期判定ができなくなってしまう。そこで、IEEE802.11 に準拠
したパケットのプリアンブルでは、RSSI 信号が後続のデー

このような場合にパケット B だけでも復調するために、タ受信時より安定することに着眼し、図 8 のようにパケッ

ト A の変動の少ないプリアンブル受信期間の平均 RSSI レ

パケット A の復調中にも、他のパケットを受信する可能性ベルを記憶し、記憶したレベルより十分に高いレベルのを考慮して、プリアンブルの到来を監視し同期検出を行う

RSSI 信号を受信した際にパケット A を破棄する方針としロジックを別途動作させる方法が考えられる（1）。しかしなた。この方法により、データ受信時の RSSI 信号の時間変がら、パケット A の復調中は、RF 回路の増幅率がパケッ動により不要なパケット破棄をしてしまうことがなくな

ト A の受信電力に応じて高めに設定されるため、パケットB の同期判定においては増幅率が高すぎて、正しい判定が行えない場合がある。

り、安定した動作が可能になり、より多くのパケットを復調することができるようになった。

そこで、後に受信した信号がパケット A より十分に強い場合には、例えそれがノイズであったとしてもパケット Aの復調が不可能であるため、基準値以上のレベル差があるパケットAパケットB場合には直ちにパケット A の復調を諦め、後に受信した信号の受信電力に RF 回路の増幅率を最適化させてしまう方この変化量が大きい場合にパケットAを破棄法を試みた。つまり、パケットの復調対象の切り替えを、RSSI 信号のみを手がかりに判断する方法であり、従来の新たなプリアンブルの検出を並行して行う方法より復調処理部の回路規模も小さくできる。図 7 に、この方法による復調処理部のステータスの変化を示す。パケット A のデータ復調中に、より RSSI 信号レベルの高い信号を受信すると、すぐにパケット A を破棄し、パケット B の受信電力に最適な増幅率で同期判定を行うことで、パケット B を正常に復調できていることが分かる。

−（ 96 ）−ITS 無線システムにおける隠れ端末対策

パケットAのプリアンブルの平均RSSI値を記憶

図8

パケット破棄の判断基準

アンテナ

無線機本体
無線機本体

車載器ウ

①

②
路側機ア

路側機イ

写真 2

4.

フィールド実験

検証実験

側機アは、隠れ端末としてほぼ切れ目なくパケットを送信実装したロジックの効果を検証するため、愛知県豊田市し続けるように設定し、図 9 のようにパケット B が必ずパで無線通信実験を行った。実験においては、データを効率ケット A の受信中に到達するようにした。この条件で、パよく取得するために、写真 2 の①と②の位置に送信用無線

ケット B のパケット到達率を評価することを目的とした。

し、受信用無線機として車両に車載器ウを搭載して走行し位置を 0m としている。また、積算パケット到達率は、た。車載器ウは、走行時に各地点での路側機アが送信する70km/h 走行において 5m の区間でのパケット送信のうちパケット A の受信電力、路側機イが送信するパケット B の少なくとも 1 回は受信できる確率を示しており、次式によ受信電力、及びパケット B のパケット到達率（復調に成功り算出したものである（2）。

機としてそれぞれ路側機ア及び路側機イを設置して固定した割合）を取得した。表 1 に実験パラメータを示す。路図 10 に実験結果を示す。尚、図 10 の横軸は路側機イの1 −（1 − Px）Nx

Px： X［m］区間における 1 回送信当りのパケット到達率
Nx ： X［m］区間における平均送信パケット数

パケットB（X ＝ 5、70km/h 走行の場合、Nx ＝ 2.6）
パケットA

図9パケットA

パケットA

路側機イ付近で受信する RSSI 信号
0パケットBパケット
BのパケットBの積算パケット到達率-10項

実験パラメータ目

送信電力（EIRP）
路側機ア

路側機イ

車載器ウ

パラメータ
19dBm

パケット長1000B

変調方式

QPSK（符号化率 1/2）

送信間隔

1.5ms

アンテナ種別、高さ無指向、6m

送信電力（EIRP）

19dBm

パケット長100B

変調方式

16QAM（符号化率 1/2）

送信間隔

5ms

アンテナ種別、高さ無指向、6m

アンテナ種別、高さ無指向、1.5m

受信電力［dBm］

表110.9-20

0.8-300.7-40

パケットB
パケット
BのパケットBの受信電力

-50
-60

0.5
0.4-70

0.3
パケットA
パケット
AのパケットAの受信電力-80-90-100-200

0.6-1000

積算パケット到達率

RSSI信号0.2
0.1
1000200

車載器の位置［m］

図 10

実験結果

2 0 1 1 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 9 号 −（ 97 ）−図 10 が示すように、パケット A の受信中にパケット Bを受信した場合にも、パケット B の受信電力の方が十分に高ければ、提案した方法によりパケット B を復調可能なことがフィールド実験によっても示された。

5.

結言

厳しい隠れ端末問題にさらされる ITS 無線通信システムに必要な、隠れ端末対策のロジックを実装し、実験にてその効果を実証した。これにより、多数の車載器からほぼ同時にパケットを受信してしまう場合においても、とりわけ重要度の高い自機に近い車載器から送信されたパケットの受信率が向上し、安全運転支援に活用できることが期待できる。

用 語 集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

プリアンブルPreamble ：フレームの先頭に付加される既知の信号であり、通信相手はこの信号を検出してタイミング同期を確立する。
※2

CRC

Cyclic Redundancy Check ：送信側が規則に従って計算して付加した値に対し、受信側で同じ規則に従って計算した結果が正しい値になることを確認することで、データに誤りがあるか否かを判定するための信号。

参考文献（1）Kamin Whitehouse, Alec Woo, and Fred Jiang. Exploiting The
Capture Effect For Collision Detection And Recovery. EmNets '05
Proceedings of the 2nd IEEE workshop, pp.2-3（May 2005）（2）ITS 無線システムの高度化に関する研究会、「ITS 無線システムの高度化に関する研究会 報告書」、pp.43-44（June 2009）

執筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------白永英 晃＊：情報通信研究所 主席
安全運転支援システム用無線機の開発に従事

山田雅 也 ：情報通信研究所

グループ長

浦山

博 史 ：情報通信研究所

主査

小河昇 平 ：情報通信研究所------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者−（ 98 ）−ITS 無線システムにおける隠れ端末対策