JP4084086B2 - ランダムアクセス通信方式、無線通信機器及び無線通信システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一つの通信チャンネルを複数の無線通信機器で共有して互いにデータ通信を行う際のランダムアクセス技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に示すような複数の無線通信機器（端末１〜端末４）が存在する無線通信システム１００においては、一つのチャンネルを多数の無線通信機器（以下、端末）が共有するので、通信チャンネルの効率的な利用が課題である。
【０００３】
図８は一般的な端末のシステムモデルであり、上記図１の無線通信システム下では、各端末１〜４は、送信データ生成状態（THmode）３１かランダムアクセス状態（RAmode）３３のいずれかの状態にある。
【０００４】
送信データ生成状態（THmode）３１にある端末は、確率δで新規データを生成し、ランダムアクセス状態（RAmode）３３にある端末は確率ｐでチャンネル（Channel）獲得動作を行い、チャンネル獲得成功、つまり、アクセスに成功するとデータを送信する。送信データはチャンネル獲得が成功するまで確率ｐで繰り返され、伝送に成功した端末は送信データ生成状態（THmode）３１に戻り、次の新規データ生成を行う。
【０００５】
例えば、ランダムアクセス状態における代表的なチャンネルアクセス方式として、アロハ方式やスロットアロハ方式等の種々の方式が提案されている。アロハ方式は図９に示すように各端末が非同期且つランダムにチャンネルをアクセスする方式であり、データの一部分が端末のデータ送信と重なると互いのデータ送信が干渉し、夫々のデータ伝送に影響を与える。このため、あまり通信効率があがらない方式である。
【０００６】
これに対して、スロットアロハ方式は図５に示すように、データ長を固定し、各端末がこの長さを基本としたスロット単位に同期し、且つランダムにチャンネルをアクセスする方法であり、各端末からの送信がスロット単位に同期しているので、伝送データの部分的な衝突が無くなり、アロハ方式に比べチャンネル利用効率が改善される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ランダムアクセス方式では、チャンネルの競合・衝突を繰り返しながら通信を行う方式であるため、実際には乱数生成過程に依存した隔たりが通信遅延時間やチャンネル利用効率に影響を及ぼす可能性があるといった問題点があった。
【０００８】
例えば、ある特定の端末が連続してデータ通信を行う可能性も十分考えられる。このように、特定の端末が連続したデータ伝送を行うと、そのために他の端末の通信が途絶え、通信での遅延時間の増大を招く可能性があり、また、特定の端末に通信権獲得の偏りが生じ、無線通信システム全体の運用に悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ランダムアクセス方式を基本とした通信システムにおいても通信の衝突を回避し、通信システムの通信遅延時間や通信チャンネルの利用効率の改善に資するランダムアクセス通信方式、無線通信機器及び無線通信システムの提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明のランダムアクセス通信方式は、一つの通信チャンネルを複数の無線通信機器で共有して互いにデータ通信を行う際のチャンネルアクセス方式であって、前記無線通信機器でデータ送信要求が生じた際には、一定時間データ送信を待機する工程と、前記待機時間経過後に、アトランダムに生成した確率でデータを送信する工程と、上記送信データが他の無線通信機器から送信されたデータと衝突した場合は、他の無線通信機器から送信されたデータとの衝突がなくなるまで前記待機時間の経過を待たず前記アトランダムに生成した確率でデータを送信する工程を繰り返す工程と、上記送信データが他の無線通信機器から送信されたデータと衝突なしに送信できた場合は、前記データ送信要求が生じた以後の工程を繰り返すようにしたこと、を特徴とする。
【００１１】
また、第２の発明は、上記第１の発明のランダムアクセス通信方式による通信手順を実行する通信制御手段を備え、複数の無線通信機器との間で一つの通信チャンネルを共有して互いにデータ通信を行うことを特徴とする。
【００１２】
また、第３の発明は、複数の無線端末間でグループを形成して互いに無線通信を行う無線通信システムにおいて、無線通信機器グループのうちの一つの無線端末をビーコン局として設定してビーコン信号を発生するようにし、グループ内の各無線端末はビーコン信号に続くデータスロットのうちで、各無線端末に割り当てられた特定のデータスロットにおいてデータを送信するように構成され、更に、各グループ内の無線端末でデータを送信するのはグループ内のビーコン局からビーコン信号が送信されたときのみであり、各グループのビーコン局からビーコン信号を送信する際は、複数のビーコンスロットから構成されたビーコン期間のうち、乱数発生過程によって発生した乱数に基づいてランダムに選択したビーコンスロットにおいてビーコン信号を送信するようにし、その際、各無線端末グループのビーコン局では自局のビーコン信号の送信以前に他の無線端末グループのビーコン信号を受信しなかった場合は、自局のビーコン信号を送信して自グループ内の無線端末から各データスロットでデータを送信するが、自局のビーコン信号の送信以前に他の無線端末グループのビーコン信号を受信した場合は自局のビーコン信号の送信を中止するランダム送信手順により各無線端末グループ間の無線通信を行う無線通信システムであって、各グループのビーコン局でビーコン信号を送信する際には、前回データ送信ができなかった場合は、次のビーコン信号を送信するビーコンスロットとして前回発生した乱数から前回他の無線端末グループのビーコンスロット番号を差し引いた数のスロット番号のビーコンスロットを選択し、前回データ送信ができた場合は、次のビーコン信号を送信するビーコンスロットとして下記式で表される番号Ｔｒのビーコンスロットを選択するようにしたことを特徴とする；
（式） Ｔｒ＝ＲＮＤ（Ｎ）＋Ｍ
ここで、Ｍ＋Ｎ＝ビーコンスロットの全数、ＲＮＤ（Ｎ）は最大整数値Ｎのうち１〜Ｎのどれかの乱数を発生する演算結果を示し、Ｍはビーコンスロットの全数以下の数で予め定めた一定の整数値。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施の形態〕
図１は無線通信システムの一実施例を示す図であり、無線通信システム１００で、複数の無線通信機器（以下、端末と記す）１〜４、・・は一つの通信チャンネルを互いに共有してデータ通信を行う。また、端末１〜４は、送信データ生成状態かランダムアクセス状態のいずれかの状態にある。
【００１４】
図２は本発明の無線通信システムにおける端末（無線通信機器）の一実施例の構成を示すブロック図であり、端末１〜４はアンテナ１１、無線通信部１２、制御部１３及びメモリ１４を備えている。
【００１５】
無線通信部１２は制御部１３の制御下で所定の通信手順によりアンテナ１１を介してデータの送受信を行う。制御部１３はＣＰＵ、ＲＯＭ（図示せず）のようなプログラム格納メモリ及び内部時計１３１と周辺回路から構成されるマイクロコンピュータ構成をなしている。
【００１６】
メモリ１４はＤＲＡＭ等の一次記憶メモリからなり、端末１〜４の起動時に、プログラム格納メモリに格納されている制御プログラムを常駐させる他、適時、通信プロトコルや本発明の無線通信システムにおける通信制御プログラム或いはその他の処理プログラム等をプログラム格納メモリから読み出して必要な間だけ駐在させる。
図３は、本発明に基く、図１の各端末のシステムモデルを示す図であり、図８のシステムモデルにアクセス待機状態３２を追加したモデルである。無線通信システム１００で、複数の端末１〜４、・・は送信データ生成状態（THmode）３１か、アクセス待機状態（Delay）３２か、ランダムアクセス状態（RAmode）３３のいずれかの状態にある。ここで、送信データ生成状態３１にある端末は、確率δで新規データを生成し、ランダムアクセス状態３３にある端末は確率ｐでデータを送信する。送信データはその伝送が成功するまで確率ｐで繰り返され、伝送に成功した端末は送信データ生成状態３１に戻るが、直ちにランダムアクセス状態３３に移行せず、アクセス待機状態３２である遅延時間（オフセット時間）を挿入してからランダムアクセス状態３３に移行するように構成する。
【００１７】
なお、遅延時間（ｄ）はシステムの運用を維持するために必要とされる最大データ更新時間と通信にかかわる最大平均データ伝送遅延時間（乱数発生時間と空チャンネル確認時間等）を考慮して決定できる。
【００１８】
例えば、最大データ更新時間を１００msec、最大平均データ遅延時間を２０msecとすると平均８０msecの余裕度があることになる。そこで、例えば、データ伝送直後の４０msec間は送信データ生成状態３１で新規伝送データが生成されてもランダムアクセス状態３３に移行しないようにしてアクセス待機状態３２で待機し（ｄ＝４０msec）、ランダムアクセスを行わないようにすることにより、チャンネル２４への連続したアクセスを制御することができる。
【００１９】
図４は図３のシステムモデルにおける端末のチャンネルアクセス手順を示すフローチャートである。なお、図４のステップＳ２、Ｓ３では遅延時間を４０msecとしたが、遅延時間は４０msecに限定されない。
先ず、端末の制御部１３は初期化完了時刻をクリアし（ステップＳ１）、送信データ生成状態３１において確率δで新規データを生成し、新規データが生成されるとステップＳ３に移行する（ステップＳ２）。
【００２０】
上記ステップＳ２で新規データが生成されると、アクセス待機状態３２で前回の送信完了時間から所定の遅延時間（この例では４０msec）を経過したか否かを調べ、所定の遅延時間を経過した場合はステップＳ４に移行し、遅延時間を経過していない場合（この例では４０msec未満の場合）は待機状態を繰り返す（ステップＳ３）。
【００２１】
上記ステップＳ３で所定の遅延時間を経過した場合は、ランダムアクセス状態３３において確率ｐでチャンネル獲得動作を行い、送信可（チャンネル獲得成功）の場合、つまり、送信データが他の端末から送信されたデータと衝突せずに送信できる場合は、ステップＳ５に遷移し、送信不可（チャンネル獲得失敗）の場合、つまり、送信データが他の端末から送信されたデータと衝突した場合は、送信可となるまで送信確率ｐでチャンネル獲得動作を繰り返す。なお、送信確率ｐは、ランダムアクセス状態３３において乱数を生成し、生成した乱数に依存した確率である（ステップＳ４）。
【００２２】
上記ステップＳ４で送信可の場合は、作成された送信データを送信し（ステップＳ５）、初期化完了時刻をクリアしてステップＳ２に戻る（ステップＳ６）。
【００２３】
一般に、チャンネルの競合確率を小さくするにはチャンネルアクセス確率を小さくするが、上記図４のフローチャートに示すチャンネルアクセス手順を採用することによりチャンネルアクセス確率を小さくすることなく、競合する端末数を低減できるので、チャンネルアクセス時の衝突確率を低減することが可能になる。また、遅延時間（オフセット時間）を設けたことにより特定の端末の連続通信権取得をなくしたので、通信システム全体の安定運用に貢献できる。
【００２４】
〔第２の実施の形態〕
本実施の形態では、本願出願人が平成１１年１０月２０日に出願済みの発明（特開２００１−１１８１９１公報）におけるビーコン制御フレーム（以下、単にビーコン信号と記す）のランダム送信手順に本発明のランダムアクセス方式を用いた通信手順を示す。
【００２５】
なお、端末のハードウエア構成は図１に示した端末の構成と同様でよいが、制御部１３はＣＰＵ、ＲＯＭ(図示せず）のようなプログラム格納メモリ及び内部時計１３１と周辺回路から構成されるマイクロコンピュータ構成をなし、装置全体の制御及びプログラム格納メモリに格納された各プログラムに基いて、グループＩＤ情報の比較や、優先度の判定、内部時計のビーコン時間に基づく修正、他のグループとの時刻同期、及び遅延時間の計算等を含む本発明の無線通信システムにおける通信制御等や必要な処理の実行制御を行なう。また、プログラム格納メモリには無線通信装置全体の制御を行なう制御プログラムや通信プロトコルのほか、本発明の無線通信システムにおける通信制御等や必要な処理を行うプログラムと、ビーコン情報テーブル（図示せず）及び各種設定値等を格納している。
【００２６】
メモリ１４はＤＲＡＭ等の一次記憶メモリからなり、端末の起動時に、プログラム格納メモリに格納されている制御プログラムを常駐させる他、適時、通信プロトコルや本発明の無線通信システムにおける通信制御プログラム或いはその他の処理プログラム及びビーコン情報テーブルをプログラム格納メモリから読み出して必要な間だけ駐在させる。また、メモリ１４は無線通信部１２を介して受信したビーコン及びデータフレームを制御部１３の制御下で記憶する。
【００２７】
図５はビーコンのランダム送信手順の説明図である。上記特開２００１−１１８１９１公報には、端末グループ（車両グループの各車両に搭載された無線通信機器（図５（ａ））のうちの一つの端末をビーコン局として設定し、ビーコン信号を発生するようにし、グループ内の各端末はビーコン信号に続くデータスロット（図５（ｂ））のうちで、各端末に割り当てられた特定のデータスロットにおいてデータを送信するように構成され、更に、各グループ内の端末でデータを送信するのはグループ内のビーコン局からビーコン信号が送信されたときのみであり、しかも、各グループのビーコン局からビーコン信号を送信する際は、複数のビーコンスロットから構成されたビーコン期間（図５（ｃ））のうち、乱数発生過程によって発生した乱数に基いてランダムに選択したビーコンスロットにおいてビーコン信号を送信するようにし、その際、各端末グループのビーコン局では自局のビーコン信号の送信以前に他の端末グループのビーコン信号を受信しなかった場合（＝他の端末のデータと衝突しなかった場合）は、自局のビーコン信号を送信して自グループ内の端末から各データスロットでデータを送信する（＝チャンネル獲得成功）が、自局のビーコン信号の送信以前に他の端末グループのビーコン信号を受信した場合（＝他の端末のデータと衝突した場合）は自局のビーコン信号の送信を中止（＝チャンネル獲得失敗）する、ように構成したランダム送信手順により車両間（＝端末間）の無線通信を行う車両間無線通信システムが開示されている。
【００２８】
つまり、複数の端末間でグループを形成して互いに無線通信を行う際に、図５（ｃ）に示すビーコン期間４５においてビーコンをランダム送信するようにすることにより通信チャンネルの取得制御を実行している。このビーコン期間４５は複数のビーコンスロットにより構成されており、送信するビーコンスロットをランダムに選択することにより、他端末（他グループ）との競合制御を実現している。
【００２９】
このビーコン送信手順を要約すると、下記▲１▼〜▲７▼となる；
▲１▼ ビーコン期間はビーコンスロット１から３０により構成される；
▲２▼ ビーコンは上記ビーコン期間に同期していずれかのビーコンスロットで送信される；
▲３▼ランダム遅延時間となる送信するビーコンスロットは、ランダム（乱数値１から３０）により決定する；
▲４▼ビーコン送信以前にビーコンを受信した場合は、ビーコンの送信を中止する；
▲５▼ビーコンの送信が成功した端末（グループ）は、通信チャンネルを獲得し、引き続くデータ期間においてデータ送信を行う；
▲６▼通信チャンネルを獲得できなかった端末（グループ）は、次回のビーコン期間には乱数値を取得する。；
▲７▼通信チャンネルを取得しなかった端末（グループ）は、今回経過した時間を差し引いて次回のビーコン期間での乱数値とする。
【００３０】
上記▲１▼〜▲７▼のランダム送信手順に、前記第１の実施の形態で述べた本発明のオフセット付きランダムアクセス方式を用いた通信手順を図６のフローチャートに示す。
【００３１】
図６のフローチャートで、端末の制御部１３は、ビーコン期間になったか否かを調べ、ビーコン期間の場合はステップＴ２に移行し、ビーコン期間以外の場合はビーコン期間の到来を待つ（ステップＴ１）。
【００３２】
ビーコン期間になった場合は、ランダム遅延時間Ｔｒを内部時計１３１にセットし（ステップＴ２）、チャンネルアクセスが成功したか否かを調べ、チャンネルアクセスに成功した場合はステップＴ４に移行し、チャンネルアクセスに失敗した場合は成功するまでアクセスを繰り返す。また、この際、他の端末からのビーコンを受信した場合はチャンネルアクセス動作を中止してステップＴ７に移行する（ステップＴ３）。
【００３３】
上記ステップＴ３でチャンネルアクセスに成功した場合は、引き続くデータ期間においてデータ送信を行い（ステップＴ４）、通信チャンネルを獲得し（ステップＴ５）、ランダムアクセス遅延時間Ｔｒ＝ＲＮＤ（Ｎ）＋Ｍ 但し、ＲＮＤ（Ｎ）は最大整数値Ｎのうち１〜Ｎのどれかの乱数を発生する演算結果を示し、Ｍはビーコンスロットの全数以下の数で予め定めた一定の整数値、Ｍ＋Ｎ＝最大ランダム遅延時間（＝ビーコンスロットの全数）、とした計算式に基いてランダムアクセス遅延時間Ｔｒ（つまり、ビーコンスロット番号）を算出してステップＴ１に戻る（ステップＴ６）。
【００３４】
また、上記ステップＴ３で他の端末からのビーコンを受信した場合は、ビーコン開始時間Ｔｗの計算を行い（ステップＴ７）、更に、ランダム遅延時間Ｔｒ＝Ｔｒ−Ｔｗとしてランダム遅延時間を更新してステップＴ１に戻る（ステップＴ８）。
【００３５】
なお、上記図６のフローチャートに示す通信手順ではビーコンスロットを３０個としたがこれに限定されない。また、新規にランダム遅延時間を取得するときにステップＴ６に示すように、ランダムアクセス遅延時間Ｔｒ＝ＲＮＤ（Ｎ）＋Ｍ 但し、Ｍ＋Ｎ＝最大ランダム遅延時間、とした計算式を用いてランダムアクセス時間Ｔｒを算出しておくと、ビーコンスロットを３０個としているので、例えば、Ｍ＝１０、Ｎ＝２０とすると、新規にランダム遅延時間を取得する場合は、端末は少なくてもビーコンスロット１０個分の期間は送信することなく待機することとなる。つまり、この期間は、他端末（グループ）が優先的に送信することが可能な期間となる。
【００３６】
次に、単純なランダム遅延アクセスと本実施の形態（第２の実施の形態）によるオフセット付きランダムアクセス手順の性能比較シミュレーションの結果を図７の性能シミュレーション結果の比較図に示す。また、シミュレーションパラメータを下表に示す。なお、シミュレーションの際、計算を簡略化するために下記（ａ）〜（ｃ）の条件を用いている。
【００３７】
（ａ）伝搬遅延時間、送受信切替時間等は考慮しない；
（ｂ）伝搬路モデルは理想伝搬路を想定し、衝突の発生以外の通信エラーは無いものとする；
（ｃ）通信が衝突した場合は、その通信は失敗したものとする。
【００３８】
【表１】

【００３９】
図７のシミュレーション結果の比較図において、スロット（１−３０）はＭ＝０、Ｎ＝３０とした場合であり、前述した特開２００１−１１８１９１に開示の発明の基本設定値である。また、スロット（６−２５）はＭ＝５、Ｎ＝２５、スロット（１１−３０）はＭ＝１０．Ｎ＝２０とした場合である。図１０から明らかなようにスロット（１１−３０）が成功率、衝突確率共によい性能を示しており、本発明によるランダムアクセス方式の有効性、優位性を示している。
以上、本発明の一実施例について説明したが本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能であることはいうまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
上記説明したように、本発明によれば、送信要求時にデータ送信を所定の方法で算出した時間分待機するようにしたことにより、他グループからのデータとの衝突確率を低減させ、通信の衝突回避能力を高めているので、ランダムアクセス方式を基本とした無線通信システムにおいても、通信遅延時間や通信チャンネルの利用効率の改善効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】無線通信システムの一実施例を示す図である。
【図２】本発明の無線通信システムにおける端末（無線通信機器）の一実施例の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に基く、端末のシステムモデルを示す図である。
【図４】図３のシステムモデルにおける端末のチャンネルアクセス手順を示すフローチャートである。
【図５】ビーコン制御フレームのランダム送信手順の説明図である。
【図６】図５のランダム送信手順に本発明のオフセット付きランダムアクセス方式を用いた通信手順を示すフローチャートである。
【図７】ランダムアクセス手順の性能シミュレーション結果の比較図である。
【図８】端末の一般的なシステムモデルを示す図である。
【図９】アロハ方式のチャンネルアクセス例の説明図である。
【図１０】スロットアロハ方式のチャンネルアクセス例の説明図である。
【符号の説明】
１〜４ 端末（無線端末、無線通信機器）
１３ 制御部（通信制御手段）
１００ 無線通信システム

Claims (3)

1. 一つの通信チャンネルを複数の無線通信機器で共有して互いにデータ通信を行う際のチャンネルアクセス方式であって、
   前記無線通信機器でデータ送信要求が生じた際には、一定時間データ送信を待機する工程と、
   前記待機時間経過後に、アトランダムに生成した確率でデータを送信する工程と、
   上記送信データが他の無線通信機器から送信されたデータと衝突した場合は、他の無線通信機器から送信されたデータとの衝突がなくなるまで前記待機時間の経過を待たず前記アトランダムに生成した確率でデータを送信する工程を繰り返す工程と、
   上記送信データが他の無線通信機器から送信されたデータと衝突なしに送信できた場合は、前記データ送信要求が生じた以後の工程を繰り返すようにしたこと、
   を特徴とするランダムアクセス通信方式。
2. 請求項１記載のランダムアクセス通信方式による通信手順を実行する通信制御手段を備え、複数の無線通信機器との間で一つの通信チャンネルを共有して互いにデータ通信を行うことを特徴とする無線通信機器。
3. 複数の無線端末間でグループを形成して互いに無線通信を行う無線通信システムにおいて、無線通信機器グループのうちの一つの無線端末をビーコン局として設定してビーコン信号を発生するようにし、グループ内の各無線端末はビーコン信号に続くデータスロットのうちで、各無線端末に割り当てられた特定のデータスロットにおいてデータを送信するように構成され、更に、各グループ内の無線端末でデータを送信するのはグループ内のビーコン局からビーコン信号が送信されたときのみであり、各グループのビーコン局からビーコン信号を送信する際は、複数のビーコンスロットから構成されたビーコン期間のうち、乱数発生過程によって発生した乱数に基いてランダムに選択したビーコンスロットにおいてビーコン信号を送信するようにし、その際、各無線端末グループのビーコン局では自局のビーコン信号の送信以前に他の無線端末グループのビーコン信号を受信しなかった場合は、自局のビーコン信号を送信して自グループ内の無線端末から各データスロットでデータを送信するが、自局のビーコン信号の送信以前に他の無線端末グループのビーコン信号を受信した場合は自局のビーコン信号の送信を中止するランダム送信手順により各無線端末グループ間の無線通信を行う無線通信システムであって、
   前記各グループのビーコン局でビーコン信号を送信する際には、
   前回データ送信ができなかった場合は、次のビーコン信号を送信するビーコンスロットとして前回発生した乱数から前回他の無線端末グループのビーコンスロット番号を差し引いた数のスロット番号のビーコンスロットを選択し、
   前回データ送信ができた場合は、次のビーコン信号を送信するビーコンスロットとして下記式で表される番号Ｔｒのビーコンスロットを選択するようにしたことを特徴とする無線通信システム；
   （式） Ｔｒ＝ＲＮＤ（Ｎ）＋Ｍ
   ここで、Ｍ＋Ｎ＝ビーコンスロットの全数、ＲＮＤ（Ｎ）は最大整数値Ｎのうち１〜Ｎのどれかの乱数を発生する演算結果を示し、Ｍはビーコンスロットの全数以下の数で予め定めた一定の整数値。

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