JP6136984B2 - 車載無線通信装置、無線通信方法、およびプログラム - Google Patents
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用している。CSMA/CA方式では、車両が密集する通信環境においては、通信の輻輳や隠れ端末問題により通信品質の低下が発生する。したがって、通信成功率の目標は約80%程度に設定せざるを得ないが、自動運転を実現するためにはより確実な通信が望まれる。
採用すれば、通信の輻輳改善や通信品質の向上が期待できる。しかしながら、車両間通信では、携帯電話基地局のような通信リソースの集中管理を行う装置が存在しないため、TDMA方式を実現するためには工夫が必要となる。
本実施形態にかかる車車間通信システムは、自律分散的な通信システムであり、通信資源を集中的に管理する管理装置が存在しないシステムである。本実施形態にかかる車車間通信システムは、無線アクセス方式として、時分割多元接続(TDMA)方式を採用し、固定長のタイムスロットを設ける。各車両は、互いに時刻同期をとりながら、キャリアセンスを行って自律的に使用するタイムスロットを選択して、定期的にブロードキャスト型通信を行う。複数の車両が同じタイムスロットを選択した場合には通信の衝突が発生するが、本実施形態では、このような通信の衝突を検知した車両は、衝突を他車に知らせる機能を備える。さらに、他車両から衝突の発生を通知された場合には、自車両で使用するタイムスロットを変更する機能を備える。このような時刻同期型の車車間通信システムに、衝突検知機能および動的タイムスロット割り当て機能を設けることで、効率的かつ確実な通信が実現可能となる。
おり、サブフレーム1のタイムスロット#2において衝突が発生していることを検知する。すると、車両Bは、図3(B)に示すように次のフレーム(2フレーム目)の自車両の送信データに「サブフレーム1のタイムスロット#2において衝突が発生している」という衝突情報を含めて送信する。車両Aおよび車両Cは、自車両が利用しているタイムスロットに関する衝突情報を受信することによって、自車両からの通信が衝突していることを知ることができる。そこで、図3(C)に示すように衝突通知を受けた次のフレーム(3フレーム目)では、サブフレーム1において利用するタイムスロットを変更して送信をする。このようにすることで、即座に衝突を解消することができる。
図4を参照して、本実施形態の車車間通信システムを構成する車両に搭載される車載無線通信装置100の構成について説明する。図4に示すように、車載無線通信装置100は、受信部111、送信部112、キャリアセンス部121、タイムスロット決定部122、受信処理部123、衝突検出部124、衝突通知部125、送信データ生成部126を有する。これらの機能部は、電気回路や電子回路によって実現しても良いし、CPU(Central Processing Unit)やDSP(Digital Signal Processor)やFPGA(Field Programmable Gate Array)が記憶装置に記憶されたプログラムを実行することによって実現してもよい。すなわち、車載無線通信装置100は、コンピュータとソフトウェアの組合せによって実現されてもよいし、ハードウェア回路によって実現されてもよいし、これらの組合せにより実現されてもよい。
送信部112は、送信データ生成部126によって生成された信号に、送信無線処理(アップコンバート、デジタル/アナログ(D/A)変換など)を施して、アンテナを介して送信する。送信部112は、タイムスロット決定部122によって決定されたタイムスロットにおいて、送信を行う。なお、車載無線通信装置間の時刻同期は、基本的にGPS時刻(絶対時刻)に基づいて行われる。
なお、タイムスロット決定部122は、空いているタイムスロットの中から、受信信号強度が低い所定数のタイムスロットをいくつか選択し、それらの中からランダムに通信に利用するタイムスロットを決定するようにしてもよい。ただし、タイムスロットの選択方式を完全に決定論的にはせずに、確率論的な選択とすることが好ましい。複数の車両が同
じタイミングでタイムスロットを選択した場合に、これら複数の車両が同一のタイムスロットを選択してしまうことを防止するためである。
(1.全体処理)
まず、車載無線通信装置100が一般に行う全体処理について、図5のフローチャートを参照して説明する。なお、以下では、車載無線通信装置と当該装置が搭載された車両とを同一視して、車両が通信するなどという表現を用いて説明する。
車載無線通信装置100がシステム動作を開始すると(S10)、まずGPS装置200から得られる時刻情報に基づいて時刻同期処理を行う(S11)。そして、キャリアセ
ンス部121が、それぞれのタイムスロットに関してキャリアセンス処理を行い、周辺の車両によるタイムスロットの使用状況を調査する(S12)。具体的には、キャリアセンス部121は、所定のフレーム数の間、連続して受信信号強度がキャリアセンスレベル以下のタイムスロットを空きスロットと判定し、それ以外のタイムスロットを使用中スロットと判定する。
ステップS16における衝突検出および衝突通知処理について、図6を参照して説明する。図6(A)は衝突検出/通知処理の流れを示すフローチャート、図6(B)および図6(C)は衝突検出の方法を説明する図である。
衝突の検出は、例えば、次のように行うことができる。第1の方法は、直前のフレームまで受信(復調)ができていたタイムスロットにおいて、受信が失敗した場合にこのタイムスロットにおいて衝突が発生したと判定する方法である。例えば、図6(B)に示すように、前々フレームおよび前フレームにおいて、タイムスロット#2において受信(復調)ができており、現フレームにおいてタイムスロット#2で受信(復調)ができなかった場合に、タイムスロット#2で衝突が発生したと判断することができる。この場合、当該
タイムスロットでの受信信号強度が所定の値以上であるという条件を課すことも好ましい。なお、本方法を採用する場合、直近のフレームにおいてどのタイムスロットで受信可能であったかを記憶しておく必要がある。
第2の方法は、それぞれの受信タイムスロットにおける受信信号の信号対干渉波比(SIR:Signal-to-Interference Ratio)が所定の閾値(第2の閾値)以下の場合に、衝突が発生したと判定する方法である(図6(C)参照)。この閾値として、あらかじめ定められた値(例えば、10dBや20dB)を用いても良いし、周囲の車両台数や通信状況に応じて可変としてよい。SIRの算出において、信号強度Sは、受信信号強度RSSIから算出可能である。また、干渉波の信号強度Iはエラーベクトル振幅EVM(Error Vector Magnitude)から算出したり、受信信号から復調した所望信号を引き算した信号から算出したりすることが可能である。この際、信号強度Sが所定の値以上であるという条件
を課すことも好ましい。
なお、第1の方法と第2の方法は、いずれか一方のみを採用しても良いし、両方を採用しても良い。もっとも、本発明は、衝突の検出方法を限定するものではなく、任意の手法の手法によって通信の衝突を検出するようにして構わない。
図5のフローチャートのステップS16における、他車両からの衝突通知の有無の検出および衝突通知を受けた場合のタイムスロット変更処理について、図7のフローチャートを参照して説明する。
図5のフローチャートでは、時刻同期処理をシステム動作開始時のみに行うように示しているが、実際には時刻同期処理はシステムが動作している間は、定期的に実行される。ここで、時刻同期処理の詳細について、図8のフローチャートを参照して説明する。
−NO)は、これらのいずれかが受信できるまで一定時間待機する(S45)。
本実施形態によれば、中央集権的な制御装置が存在しない車車間通信システムにおいて、キャリアセンスに基づいて自律分散的に利用するタイムスロットを決定して、TDMA方式の無線通信が実現できる。通信車両の増大にともって通信効率が低下するCSMA/CA方式と異なり、TDMA方式では通信車両が増えた場合であっても効率的な通信が実現できる。
上記の説明は、本発明の実施形態を例示的に説明したものであり、本発明は上記の実施形態に限定して解釈されるべきではなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。
上記の実施形態の説明では、信号対干渉波比(SIR)に基づいて衝突を検出する例を説明したが、SIRだけでなく、SIRと受信信号強度に基づいて衝突を検出することも好ましい。具体的には、衝突検出部124は、衝突検出処理S20において、図9に示すように、SIRが閾値ThSI以下であり、かつ、受信信号強度が閾値ThS以上の場合に、通信の衝突が発生したと判断しても良い。
受信信号強度の閾値ThSを大きくすると、遠くの車両が通信については衝突を検出しないことになる。すなわち、閾値ThS以上であるという条件は、送信元車両Bが自車両から距離R(閾値ThSに応じた距離)以内に位置することを意味する。したがって、送信元車両が図10(B)に示すように自車両から距離R以内の衝突通知エリア1001に位置する場合のみ、衝突の検出および通知が行われる。
また、SIRの閾値ThSIRを大きくすると非常に強い信号と非常に弱い信号が重なった場合も衝突とみなすことになり、逆に小さくするとこのような場合に衝突とはみなさなくなる。SIRが閾値ThSI以下であるという条件は、同じタイムスロットを利用する2車両の自車両との距離の差が距離d(閾値ThSIRに応じた距離)であることを意味する。したがって、車両Cが図10(c)に示す衝突検出エリア1002に衝突したと判断し、衝突検出エリア1002外であれば衝突していないと判断することになる。なお、衝突検知の閾値となる距離dは、SIRの閾値ThSIRのみによって決まるわけではなく、車両AB間の距離(すなわち受信信号強度)にも応じて変化する。
例えば、周囲の車両台数が増加するのに合わせて、閾値ThSを大きくすることが好ましい。閾値ThSを大きくするほど、衝突通知エリア1001を狭くして、近くの車両のみについての衝突を通知し、遠くの車両の通信については衝突を通知しないことになる。通信距離に応じて通信品質に対する要求も変わるので、遠い車両からの信号(弱い信号)
に対して、衝突を通知する必要性は低いと考えられるので、このような閾値の設定は有効であるといえる。
また、周囲の車両台数が増加するのに合わせて、閾値ThSIRを小さくすることも好ましい。閾値ThSIRを小さくするほど、衝突検出エリア1002が狭くなり、強い信号と弱い信号の干渉が発生しても衝突として検出しなくなる。したがって、衝突検出の確率が減り、利用可能なタイムスロット数すなわちシステムの通信容量を増やすことができる。逆に、閾値ThSIRを大きくすると、強い信号と弱い信号の干渉でも衝突として検出するので、通信品質を確保することができる。閾値ThSIRを車両台数に応じて可変とすることで、車両台数が少ない場合には通信品質を優先し、車両台数が多い場合には通信容量を優先することができる。
また、上記2つの方法を組み合わせて、周囲の車両台数が増えるにしたがって、閾値ThSを大きくするとともに、閾値ThSIRを小さくするようにしても良い。また、これらの閾値は車両台数に応じて連続的に変化させなくても良く、例えば、車両台数に応じてこれらの閾値を段階的に変化させるようにしても構わない。本明細書において、車両台数に応じた閾値の変化とは、連続的な変化だけでなく、段階的な変化も含むものとする。
上述の実施形態の説明では、複数のタイムスロットにおいて衝突が生じていることを検出した場合に、ランダムに選択したタイムスロットについて衝突通知を行うようにしている。しかしながら、どのタイムスロットについて衝突通知を行うかの選択基準をランダム以外にすることも好ましい。
衝突を優先して解消することができる。
上記の実施形態の説明では、衝突を検出した車両は必ず衝突通知を行うようにしている(図6参照)。しかしながら、必ずしも全ての車両が衝突通知を行う必要はなく、一部の車両のみが衝突通知を行っても良い。
上記の実施形態の説明では、自車両が利用しているタイムスロットにおいて衝突が発生した旨を通知された場合に、常に利用するタイムスロットを変更するようにしている(図7)。しかしながら、自車両が利用するタイムスロットの衝突情報を通知する信号の受信信号強度が閾値以下の場合は、タイムスロットを変更せずにそのまま通信を継続するようにしても良い。図12(A)は、本変形例に係る衝突通知検出・スロット変更処理の流れを示すフローチャートであり、図7と比較して受信信号強度が閾値以上であるか否か判定するステップS1201を新たに設けた点のみが異なる。
車両Aおよび車両Bの距離が大きい場合は、上述のように即座に車両Aがタイムスロットを変更する必要性は少ないともいえる。図12(B)のように、車両Aと車両Cが異なる方向に走行している場合は、その後、通信の衝突が自然に解消されるので、不都合は生じない。一方、車両Aと車両Cが近づく方向に走行している場合は、その後、衝突通知の受信信号強度が大きくなるので、この時点で利用するタイムスロットを変更するようにすればよい。
次に通信に利用するタイムスロットを選択する処理の変形例について説明する。まず、タイムスロット選択の前提となる、空きスロットの判定処理(キャリアセンス)の基準を変更することが考えられる。すなわち、タイムスロットが空いていると判定するための受信信号強度の閾値(キャリアセンスレベル)を、周囲の車両台数に応じて可変とすることも好ましい。例えば、車両台数が少ない場合はキャリアセンスの閾値を−80dBmに設定し、周辺車両が多くなると−60dBmにすることが考えられる。こうすることで、擬似的に空いているスロットを増やして、システムの通信容量を増やすことができる。この結果として、強い信号と弱い信号同士の衝突が多少増えることが予想されるが、強い信号のデータが正しく受信されれば、近くの車両同士の通信が成立するので通信容量が足りない事態と比較すると問題ないといえる。
,501−750,751−1000のスロットを用いる。なお、ここでは、サブフレーム1および2において各グループが使用するタイムスロットの範囲を同じとしているが、サブフレームごとに各グループに割り当てるタイムスロットの範囲を異ならせることも好ましい。このように進行方向に応じて使用するタイムスロットをグループ分けすることにより、反対方向に走行する車両や90度交差する道に位置する車両と同じタイムスロットを使用することを回避でき、それにより全体の通信品質が向上する。なお、進行方向は、磁気センサ(電子コンパス)から取得しても良いし、GPSの位置情報の変化から取得しても良い。
上記の実施形態および変形例の説明は、例示的な説明であり、種々の変形が可能である。例えば、1スーパーフレームの長さ、1スーパーフレームあたりのサブフレーム数、1サブフレーム数あたりのタイムスロット数、1タイムスロットの長さなどはいずれも変更可能である。特に、1スーパーフレームあたりのサブフレーム数を増やすと、実質的な通信容量が少なくなる代わりに、通信の確実性を向上させることができる。
111:受信部 112:送信部 121:キャリアセンス部
122:タイムスロット決定部 123:受信処理部 124:衝突検出部
125:衝突通知部 126:送信データ生成部
Claims (18)
- 時分割多元接続方式によって無線通信を行う車載無線通信装置であって、
キャリアセンスを行って、通信に使用するタイムスロットを決定するタイムスロット決定手段と、
前記タイムスロット決定手段によって決定されたタイムスロットにて、送信データの送信を行う送信手段と、
複数のタイムスロットについて受信を行う受信手段と、
前記受信手段によって受信される情報に基づいて、通信の衝突が発生しているタイムスロットを検出する検出手段と、
前記検出手段によって検出されたタイムスロットを通知する通知手段と、
を有し、
前記通知手段は、衝突が発生しているタイムスロットを特定する衝突情報を、前記送信データに含めて送信する、
車載無線通信装置。 - 前記受信手段によって受信されるデータに含まれる前記衝突情報に基づいて、前記送信手段が送信に用いたタイムスロットにて衝突が発生していると判定される場合に、前記タイムスロット決定手段が、通信に使用するタイムスロットを再決定する、
請求項1に記載の車載無線通信装置。 - 前記送信手段が送信に用いたタイムスロットにて衝突が発生していることを通知するデータの受信信号強度が、第1の閾値以上である場合に、通信に使用するタイムスロットの再決定を行う、
請求項2に記載の車載無線通信装置。 - 前記検出手段は、直前まで受信できていたタイムスロットにおいて復調に失敗した場合に、当該タイムスロットにおいて通信の衝突が発生していると判断する、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の車載無線通信装置。 - 前記検出手段は、受信信号強度が、所定の距離からの信号の受信信号強度に対応する第3の閾値以上のタイムスロットを対象として、通信の衝突を検出する、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の車載無線通信装置。 - 前記第3の閾値は、周囲に存在する車載無線通信装置の台数が多いほど、大きい値に設定される、
請求項5に記載の車載無線通信装置。 - 前記タイムスロット決定手段は、周囲に存在する車載無線通信装置の台数が多いほどキャリアセンスレベルを大きい値に設定して、キャリアセンスを行う、
請求項1〜6のいずれか1項に記載の車載無線通信装置。 - 前記検出手段によって、複数のタイムスロットにおいて通信の衝突が発生していることが検出された場合、前記通知手段は、衝突が発生している複数のタイムスロットのうちから所定の基準にしたがって選択された所定数個のタイムスロットについて衝突を通知するものであり、
前記所定の基準は、
複数のフレームにわたって連続して衝突が発生している場合の連続数が多いタイムスロットを優先する、
信号対干渉波比が小さいタイムスロットを優先する、
受信信号強度が大きいタイムスロットを優先する、
受信信号強度が所定値以上のタイムスロットのうち、干渉信号の強度が大きいものを優先する、
受信信号強度他所定値以下のタイムスロットのうち、干渉信号の強度が大きいものを優先する、
タイムスロット番号が大きいあるいは小さいタイムスロットを優先する、
上記の何れかの基準で絞り込みを行った結果の中からランダムに決定する、
衝突が検出された全てのタイムスロットの中からランダムに決定する、
の少なくとも何れかである、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の車載無線通信装置。 - 前記受信手段による単位時間あたりの受信回数に応じて、周囲に存在する車載無線通信装置の台数を判断する、
請求項1〜8のいずれか1項に記載の車載無線通信装置。 - 前記送信手段は、前記車載無線通信装置が搭載された車両の位置、移動速度、および移動方向の少なくともいずれかを含む送信データを定期的に送信する、
請求項1〜9のいずれか1項に記載の車載無線通信装置。 - 1つまたは複数の交差点の中心位置が定義された地図情報を記憶する地図情報記憶手段と、
位置情報を取得する位置情報取得手段と、
を更に備え、
いずれかの交差点の中心位置に関して、周囲に存在する車載無線通信装置よりも近い場所に存在する場合に、前記通知手段は、衝突が発生しているタイムスロットの通知を行う、
請求項10に記載の車載無線通信装置。 - 前記タイムスロット決定手段は、前記車載無線通信装置が搭載された車両の移動方向を取得し、当該移動方向に関連付けられたタイムスロットの中から優先的に、通信に使用するタイムスロットを決定する、
請求項1〜11のいずれか1項に記載の車載無線通信装置。 - 前記タイムスロット決定手段は、前記受信手段によって受信されるデータに含まれる前記衝突情報によって衝突が発生していると通知されているタイムスロット以外のタイムスロットから、通信に使用するタイムスロットを決定する、
請求項1〜12のいずれか1項に記載の車載無線通信装置。 - 前記タイムスロット決定手段は、キャリアセンスの結果空いていると判断されたタイムスロットの中からランダムに選択されたタイムスロット、または、キャリアセンスの結果空いていると判断されたタイムスロットのうち受信信号強度が所定強度以下のタイムスロットの中からランダムに選択されたタイムスロットを、通信に使用するタイムスロットとして決定する、
請求項1〜13のいずれか1項に記載の車載無線通信装置。 - 前記送信手段は、同一の送信データを複数回繰り返して送信し、
前記タイムスロット決定手段は、前記複数の送信ごとに異なるタイムスロットを通信に使用するタイムスロットとして決定する、
請求項1〜14のいずれか1項に記載の車載無線通信装置。 - 時分割多元接続方式によって無線通信を行う車載無線通信装置が実行する無線通信方法であって、
キャリアセンスを行って、通信に使用するタイムスロットを決定するタイムスロット決定ステップと、
前記タイムスロット決定ステップにおいて決定されたタイムスロットにて、送信データの送信を行う送信ステップと、
複数のタイムスロットについて受信を行う受信ステップと、
前記受信ステップにおいて受信される情報に基づいて、通信の衝突が発生しているタイムスロットを検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおいて検出されたタイムスロットを通知する通知ステップと、
を含み、
前記通知ステップでは、衝突が発生しているタイムスロットを特定する衝突情報を、前記送信データに含めて送信する、
無線通信方法。 - 前記受信ステップにおいて受信されるデータに含まれる前記衝突情報に基づいて、前記送信ステップにおいて送信に用いたタイムスロットにて衝突が発生していると判定される場合に、通信に使用するタイムスロットを再決定する、
請求項16に記載の無線通信方法。 - 請求項16または17に記載の無線通信方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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