JP6209124B2 - 無線通信装置及び無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信装置及び無線通信方法に関する。

ＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）を用いた無線通信システムでは、送信するデータを有する無線通信装置が、キャリアセンスを行って他の無線通信装置が送信を行っていなければ送信機会を取得する。無線通信装置は、送信機会を取得した後にデータを送信し、データの送信が終われば通信を終了する。無線通信装置は、再度通信を行うときにはバックオフ時間の待機の後に、送信機会を取得してデータの送信を行う（非特許文献１）。

IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks-Specific requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, 12 June 2007

ＣＳＭＡ／ＣＡを用いた既設の無線通信システム（以下、プライマリシステムという。）が運用されているエリアに、他の無線通信システム（以下、セカンダリシステムという。）を新たに設けて、プライマリシステムとセカンダリシステムとを共存させる場合、以下のような問題が生じる。プライマリシステム及びセカンダリシステムが用いる周波数帯が重なる場合、セカンダリシステムがキャリアセンスの後に送信機会を得て大きいサイズのデータを長時間に亘って送信すると、プライマリシステムが送信機会を得られない場合があるという問題がある。また、セカンダリシステムが長時間に亘って周波数帯を占有しないように、送信するデータをセグメント化して送信一回あたりの周波数帯を占有する時間を短くすると、プライマリシステムが送信機会を得られなくなる可能性を減らせる。しかし、セカンダリシステムにおいて、送信機会を取得する頻度が多くなり、バックオフ時間などのオーバーヘッドが増加してスループットが低下してしまうという問題がある。

上記事情に鑑み、本発明は、他の無線通信システムに与える影響を抑えつつ、スループット特性を向上させることができる無線通信装置及び無線通信方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、少なくとも一つの周波数チャネルを用いて信号を送信する送信部と、前記周波数チャネルを含む周波数帯における使用状況を予め定められた周期で取得する使用状況取得部と、前記送信部がデータを送信している際に前記使用状況取得部が取得する使用状況に変化を検出すると前記送信部に送信を停止させる送信制御部とを備えることを特徴とする無線通信装置である。

また、本発明の一態様は、上記に記載の無線通信装置において、前記送信制御部は、前記送信部に送信を停止させた後に所定の期間に亘り前記周波数チャネルで他の装置が送信する信号を検出しない場合に前記送信部に送信を再開させることを特徴とする。

また、本発明の一態様は、上記に記載の無線通信装置において、前記周波数帯における信号を受信する受信部を更に備え、前記使用状況取得部は、前記受信部が受信した信号から前記送信部が送信する信号の成分を除去した信号に基づいて前記使用状況を取得することを特徴とする。

また、本発明の一態様は、上記に記載の無線通信装置において、前記周波数帯における信号を受信する受信部を更に備え、前記送信部は、前記使用状況取得部が前記周波数帯における使用状況を取得する際に一時的に送信を停止させ、前記使用状況取得部は、前記受信部が受信した信号に基づいて前記使用状況を取得することを特徴とする。

本発明の一態様は、無線通信装置が行う無線通信方法であって、少なくとも一つの周波数チャネルを用いて信号を送信する送信ステップと、前記周波数チャネルを含む周波数帯における使用状況を予め定められた周期で取得する使用状況取得ステップと、前記送信部がデータを送信している際に前記使用状況取得部が取得する使用状況に変化を検出すると前記送信部に送信を停止させる送信制御ステップとを有することを特徴とする無線通信方法である。

本発明によれば、無線通信装置が送信を行っている際に、送信に使用している周波数チャネルを含む近傍の周波数帯の使用状況の変化を検出すると送信を停止させることにより、他の無線通信システムに与える影響を低減させつつ、オーバーヘッドの増加を抑えてスループット特性を向上させることができる。

本実施形態における無線通信装置１０を用いた無線通信システムを示す図である。 本実施形態における無線通信装置１０の構成例を示すブロック図である。 本実施形態における無線通信装置１０における送信処理を示すフローチャートである。 本実施形態におけるセカンダリシステムの無線通信装置１０の動作例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における無線通信装置及び無線通信方法を説明する。図１は、本実施形態における無線通信装置１０を用いた無線通信システムを示す図である。無線通信システムは、少なくとも２つの無線通信装置１０（１０Ａ、１０Ｂ）を備えている。無線通信システム（以下、セカンダリシステムという。）は、既に運用されている他の無線通信システム（以下、プライマリシステムという。）の近傍において運用される。プライマリシステムは、少なくとも２つの無線通信装置５０（５０Ａ、５０Ｂ）を備えている。

プライマリシステム及びセカンダリシステムにおける各無線通信装置は、ＣＳＭＡ／ＣＡを用いた無線通信によりデータの送信を行う。プライマリシステムが無線通信に使用する周波数帯と、セカンダリシステムが無線通信に使用する周波数帯とは、少なくとも一部が重なっている。また、図１に示すように、セカンダリシステムの通信エリア１と、プライマリシステムの通信エリア５とは一部の領域が重なっている。セカンダリシステムに備えられる無線通信装置１０は、プライマリシステムにおける無線通信に与える影響を低減させた送信制御を行う。

図２は、本実施形態における無線通信装置１０の構成例を示すブロック図である。同図に示すように、無線通信装置１０は、受信部１１、復調部１２、外部通信インターフェース部１３、変調部１４、使用状況取得部１５、送信制御部１６及び送信部１７を有している。

受信部１１は、無線通信装置１０に備えられているアンテナを介して無線信号を受信する。受信部１１は、受信した無線信号に対して増幅、フィルタリング、周波数変換などの信号処理を行う。受信部１１は、信号処理により得られた受信ベースバンド信号を復調部１２及び使用状況取得部１５に出力する。

復調部１２は、受信部１１が出力する受信ベースバンド信号に対して復調、復号を行って受信データを取得する。復調部１２は、取得した受信データを外部通信インターフェース部１３に出力する。

外部通信インターフェース部１３は、復調部１２が出力する受信データを外部の装置に送信する。また、外部通信インターフェース部１３は、他の無線通信装置１０に送信すべき送信データを外部の装置から受信する。外部通信インターフェース部１３は、外部の装置から受信した送信データを変調部１４に出力する。

変調部１４は、外部通信インターフェース部１３が出力した送信データに対して符号化、変調を行って送信ベースバンド信号を生成する。変調部１４は、生成した送信ベースバンド信号を使用状況取得部１５及び送信部１７に出力する。

使用状況取得部１５は、受信部１１が出力する受信ベースバンド信号に基づいて自装置が使用する周波数チャネルを含む周波数帯における使用状況を取得する。使用状況の取得対象となる周波数帯は、自装置が使用する周波数チャネルと、自装置の属するセカンダリシステムと通信エリアが重なっているプライマリシステムが使用する周波数帯とを少なくとも含む。以下、使用状況の取得対象となる周波数帯をモニタ対象周波数帯という。使用状況取得部１５による使用状況の取得は、例えばモニタ対象周波数帯において予め定められた周波数間隔の帯域又は周波数チャネルごとの受信電力を算出し、受信電力が予め定められた閾値以上である場合に使用されていると判定し、受信電力が閾値未満である場合に使用されていないと判定することにより行われる。

また、使用状況取得部１５は、自装置の送信部１７が信号を送信している場合、変調部１４が出力する送信ベースバンド信号と、受信ベースバンド信号とに基づいてモニタ対象周波数帯における使用状況を取得する。自装置が送信している場合、使用状況取得部１５は、使用状況を予め定められた周期で取得する。この場合、使用状況取得部１５は、受信ベースバンド信号に含まれる自装置から送信される信号に対応する成分を、送信ベースバンド信号を用いて除去する。使用状況取得部１５は、自装置から送信される信号の成分を除去した信号に基づいて、モニタ対象周波数帯における使用状況を取得する。信号の成分を除去することにより、自装置から送信される信号の影響を抑えて使用状況を取得することができる。

送信制御部１６は、使用状況取得部１５が取得する使用状況に基づいて、送信部１７に対する制御を行う。送信制御部１６は、変調部１４が送信ベースバンド信号を出力すると、送信に使用する周波数チャネルが他の装置によって使用されているか否かを判定するキャリアセンスを受信ベースバンド信号に基づいて行う。送信制御部１６は、所定の期間に亘って他の装置が周波数チャネルを使用していないと判定すると、送信機会を取得したとして送信部１７を制御する。具体的には、送信制御部１６は、送信機会を取得すると、送信部１７に対して送信を開始させる指示する。ここで、所定の期間は、無線通信システムにおいて予め定められる期間であり、例えば無線ＬＡＮにおけるＤＩＦＳ（Distributed Inter Frame Space）とバックオフ時間とが対応する。

また、送信制御部１６は、送信部１７が信号の送信をしている場合、モニタ対象周波数帯における使用状況の変化を検出すると、送信部１７に対して送信を停止させる指示をする。送信制御部１６は、送信部１７に送信を停止させた後に、送信に使用する周波数チャネルが所定の期間に亘り他の装置によって使用されていないと判定すると、送信部１７に対して送信を再開させる指示をする。ここで、使用状況の変化とは、使用されていた帯域又は周波数チャネルが使用されていない状態に変化したり、使用されていなかった帯域又は周波数チャネルが使用されている状態に変化したりすることである。

送信部１７は、変調部１４が出力する送信ベースバンド信号の周波数を、自装置が送信に使用する周波数チャネルの周波数に周波数変換して無線信号を生成する。送信部１７は、送信制御部１６の制御に応じて、無線通信装置１０に備えられているアンテナから無線信号を送出する。

図３は、本実施形態における無線通信装置１０における送信処理を示すフローチャートである。無線通信装置１０において、外部通信インターフェース部１３が送信データを受信すると送信処理が開始される。送信制御部１６は、変調部１４から送信ベースバンド信号が入力されると、使用状況取得部１５が取得する使用状況に基づいてキャリアセンスを行う（ステップＳ１１）。

送信制御部１６は、キャリアセンスにより送信機会を得られたか否かを判定する（ステップＳ１２）。送信機会を取得できなった場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、送信制御部１６は、処理をステップＳ１１に戻して所定時間が経過した後に再度キャリアセンスを行う。一方、送信機会を取得できた場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、送信制御部１６は、送信部１７に対して送信の開始を指示し、送信部１７に送信を開始させる（ステップＳ１３）。

使用状況取得部１５は、送信部１７が送信を開始すると、モニタ対象周波数帯の使用状況を周期的に取得する（ステップＳ１４）。送信制御部１６は、使用状況取得部１５が取得する使用状況に変化があるか否かを判定する（ステップＳ１５）。変化の有無の判定は、使用状況取得部１５が取得した使用状況が前回取得した使用状況と一致するか否かの判定により行われる。今回の使用状況と前回の使用状況が一致する場合には変化なしと判定され、一致しない場合には変化ありと判定される。

使用状況に変化がない場合（ステップＳ１５：ＮＯ）、送信制御部１６は、処理をステップＳ２０に進める。一方、使用状況に変化がある場合（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、送信制御部１６は、送信部１７に対して送信を停止させる（ステップＳ１６）。

送信制御部１６は、送信部１７に送信を停止させるとキャリアセンスを行う（ステップＳ１７）。なお、送信制御部１６は、ステップＳ１７におけるキャリアセンスを行う際に、所定時間（バックオフ時間）の経過を待ってからキャリアセンスを行うようにしてもよい。送信制御部１６は、キャリアセンスにより送信機会を得られた否かを判定する（ステップＳ１８）。

送信機会を取得できなかった場合（ステップＳ１８：ＮＯ）、送信制御部１６は、処理をステップＳ１７に処理を戻して所定時間が経過した後に再度キャリアセンスを行う。一方、送信機会を取得できた場合（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、送信制御部１６は、送信部１７に対して送信の再開を指示して送信部１７に送信を再開させ（ステップＳ１９）、処理をステップＳ１４に戻してステップＳ１４以降の処理を繰り返す。

ステップＳ１５の判定において、使用状況に変化がない場合（ステップＳ１５：ＮＯ）、送信制御部１６は、送信部１７による送信が完了したか否かを判定する（ステップＳ２０）。送信が完了していない場合（ステップＳ２０：ＮＯ）、送信制御部１６は、処理をステップＳ１４に戻してステップＳ１４以降の処理を繰り返す。一方、送信が完了している場合（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、送信制御部１６は、送信処理を終了させる。

図４は、本実施形態におけるセカンダリシステムの無線通信装置１０の動作例を示す図である。同図において、横軸は時間を示し、縦軸は周波数（周波数チャネル）を示す。また、同図には、３つのプライマリシステム（プライマリシステムＡ〜Ｃ）がセカンダリシステムの近傍に位置し、セカンダリシステムの無線通信装置１０が５個の周波数チャネル（周波数チャネルａ〜ｅ）を使用する場合における動作が示されている。

この動作例では、無線通信装置１０は、送信データの送信に５個の周波数チャネルａ〜ｅを使用する。プライマリシステムＡは、周波数ｆ_ａを中心周波数とする周波数帯を使用してデータの送受信を行う。プライマリシステムＡが使用する周波数帯は、無線通信装置１０が使用できる周波数チャネルのうち周波数チャネルａ〜ｂの周波数帯と重なっている。プライマリシステムＢは、周波数ｆ_ｂを中心周波数とする周波数帯を使用してデータの送受信を行う。プライマリシステムＢが使用する周波数帯は、周波数チャネルｂと周波数チャネルｃとに挟まれる周波数帯であり、無線通信装置１０が使用する周波数チャネルと異なっている。プライマリシステムＣは、周波数ｆ_ｃを中心周波数とする周波数帯を使用してデータの送受信を行う。プライマリシステムＣが使用する周波数帯は、無線通信装置１０が使用できる周波数チャネルのうち周波数チャネルｃ〜ｅの周波数帯と重なっている。

図４に示されているプライマリシステムＡ〜Ｃがセカンダリシステムの近傍に位置し、各プライマリシステムＡ〜Ｃの通信エリアとセカンダリシステムの通信エリアとが重なっている場合には、各プライマリシステムＡ〜Ｃが使用する周波数帯とセカンダリシステムが使用する周波数チャネルａ〜ｅとを含む周波数帯がモニタ対象周波数帯に予め設定される。

時刻Ｔ１において、セカンダリにシステムに備えられている無線通信装置１０Ａに、他の無線通信装置１０Ｂ宛に送信するデータが入力される。無線通信装置１０Ａにおいて、送信制御部１６が周波数チャネルａ〜ｅのキャリアセンスを行い、送信機会を取得して周波数チャネルａ〜ｅを使用した送信を送信部１７に開始させる。

無線通信装置１０Ａにおいて送信が開始されると、送信制御部１６は、使用状況取得部１５が周期的に取得する使用状況に基づいて、周波数チャネルａ〜ｅを含むモニタ対象周波数帯の使用状況に変化が生じているか否かを判定する。送信が開始された後の１回目（ｃ０）から５回目（ｃ４）までの無線帯域利用状況確認において使用状況の変化は検出されない。しかし、６回目（ｃ５）の無線帯域利用状況確認では、プライマリシステムＢにおける送信が完了したことによる使用状況の変化が検出され、送信制御部１６は、送信部１７に送信を停止させる。

送信制御部１６は、送信を停止させた後の時刻Ｔ２においてキャリアセンスを行う。しかし、プライマリシステムＡにおける送信が開始されたことにより周波数チャネルａ〜ｂがビジー状態であるため、送信制御部１６は送信機会が得られない。送信制御部１６は、所定時間の経過の後に再度のキャリアセンスを行い、送信機会を得て送信を完了させることになる。

以上のように、本実施形態における無線通信装置１０は、キャリアセンスにより送信機会を得て送信を開始しても、モニタ対象周波数帯における使用状況を周期的に観測する。無線通信装置１０は、モニタ対象周波数帯において他の装置が送信を開始したり、送信を停止させたりする使用状況の変化を検出すると、自装置の送信を停止させる。無線通信装置１０は、送信を停止させた後に、送信を完了させるために再度のキャリアセンスにより送信機会を得て送信を再開する。無線通信装置１０は、モニタ対象周波数帯における使用状況の変化に応じて自装置の送信を停止させることにより、プライマリシステムに与える影響を抑えつつ、送信データのセグメント化などによるオーバーヘッドの増加を抑えてスループット特性を向上させることができる。

なお、上述の実施形態における無線通信装置１０では、使用状況取得部１５が、受信部１１が出力する受信ベースバンド信号に基づいて、モニタ対象周波数帯の使用状況を取得する構成を説明した。しかし、これに限ることなく、モニタ対象周波数帯の使用状況を他の構成で取得するようにしてもよい。例えば、使用状況取得部１５は、周波数変換前の受信信号に基づいて使用状況を取得するようにしてもよい。この場合、使用状況取得部１５は、送信部１７が出力する信号又は送信ベースバンド信号から生成するレプリカ信号を用いて、自装置が送信する信号の成分を受信信号から除去するようにしてもよい。

また、上述の実施形態における無線通信装置１０では、使用状況取得部１５が周期的に使用状況を取得する際も送信部１７が送信を続ける構成を説明した。しかし、これに限ることなく、使用状況取得部１５が周期的に使用状況を取得するときに送信部１７が一時的に送信を停止させるようにしてもよい。送信を一時的に停止させることにより、自装置から送信される信号の成分を除去する必要がなくなり、使用状況取得部１５の構成を簡易化することができる。なお、送信を一時的に停止させる期間は、できる限り短い期間とすることが好ましい。例えば、無線ＬＡＮの規格におけるＳＩＦＳ（Short Inter Frame Space）より短い期間だけ送信を一時的に停止させるようにする。

また、図４に示した動作例では、セカンダリシステムの無線通信装置１０が５個の周波数チャネルを用いて送信データを送信する構成を説明した。しかし、これに限ることなく、無線通信装置１０は、１個の周波数チャネルを用いて送信データを送信するようにしてもよいし、２個以上の周波数チャネルを用いて送信データを送信するようにしてもよい。また、複数の周波数チャネルが一つの周波数帯に含まれていなくてもよく、異なる周波数帯それぞれに定められた複数の周波数チャネルを無線通信装置１０が送信に使用してもよい。このとき、無線通信装置１０は、異なる周波数帯それぞれをモニタ対象周波数帯として、各モニタ対象周波数帯の使用状況を取得して送信処理を行うことになる。

また、上述の実施形態では、無線通信装置１０が複数の周波数チャネルを同時に使用して送信データを送信する構成を示したが、キャリアセンスの結果に応じて、送信に使用する周波数チャネルの数及び周波数チャネルを変更してもよい。また、送信制御部１６が変調部１４による送信ベースバンド信号の出力によって送信データの発生を検出し、送信機会を取得する構成を示したが、外部通信インターフェース部１３における送信データの入出力に応じて、送信機会を取得するようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、送信制御部１６が、他の装置によるモニタ対象周波数帯における送信の開始と停止とを使用状況の変化として、自装置の送信を停止させる構成を説明した。しかし、これに限ることなく、送信制御部１６は、他の装置によるモニタ対象周波数帯における送信の開始のみ又は停止のみを使用状況の変化として、自装置の送信を停止させるようにしてもよい。なお、使用状況の変化には、送信を行っている他の装置が移動して、自装置に近づくことや自装置から遠ざかることにより受信電力が変化する場合も含まれる。送信中の他の装置が自装置に近づく場合は、他の装置が送信を開始した場合と同じように、他の装置からの受信電力が閾値以上になることにより検出される。また、送信中の他の装置が自装置から遠ざかる場合は、他の装置が送信を停止した場合と同じように、他の装置からの受信電力が閾値未満になることにより検出される。

上述した実施形態における無線通信装置１０をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。更に「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、更に前述した機能をコンピュータシステムに既に記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

既存の無線通信システムが動作している環境において、新たな無線通信システムを設けた場合に既存の無線通信システムに与える影響を低減させることが不可欠な用途にも適用できる。

１…セカンダリシステムの通信エリア
５…プライマリシステムの通信エリア
１０、１０Ａ、１０Ｂ、５０、５０Ａ、５０Ｂ…無線通信装置
１１…受信部
１２…復調部
１３…外部通信インターフェース部
１４…変調部
１５…使用状況取得部
１６…送信制御部
１７…送信部

Claims (5)

1. 少なくとも一つの周波数チャネルを用いて信号を送信する送信部と、
   前記周波数チャネルを含む周波数帯の他の無線通信装置による使用状況を予め定められた周期で取得する使用状況取得部と、
   前記送信部がデータを送信している際に前記使用状況取得部が取得する使用状況の変化として他の無線通信装置による送信の完了を検出すると前記送信部に送信を停止させる送信制御部と
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
2. 請求項１に記載の無線通信装置において、
   前記送信制御部は、
   前記送信部に送信を停止させた後に所定の期間に亘り前記周波数チャネルで他の無線通信装置が送信する信号を検出しない場合に前記送信部に送信を再開させる
   ことを特徴とする無線通信装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の無線通信装置において、
   前記周波数帯における信号を受信する受信部を更に備え、
   前記使用状況取得部は、
   前記受信部が受信した信号から前記送信部が送信する信号の成分を除去した信号に基づいて前記使用状況を取得する
   ことを特徴とする無線通信装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の無線通信装置において、
   前記周波数帯における信号を受信する受信部を更に備え、
   前記送信部は、
   前記使用状況取得部が前記使用状況を取得する際に一時的に送信を停止させ、
   前記使用状況取得部は、
   前記受信部が受信した信号に基づいて前記使用状況を取得する
   ことを特徴とする無線通信装置。
5. 無線通信装置が行う無線通信方法であって、
   送信部が、少なくとも一つの周波数チャネルを用いて信号を送信する送信ステップと、
   使用状況取得部が、前記周波数チャネルを含む周波数帯の他の無線通信装置による使用状況を予め定められた周期で取得する使用状況取得ステップと、
   送信制御部が、前記送信部がデータを送信している際に前記使用状況取得部が取得する使用状況の変化として他の無線通信装置による送信の完了を検出すると前記送信部に送信を停止させる送信制御ステップと
   を有することを特徴とする無線通信方法。

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