JPWO2002056542A1 - 無線伝送システム - Google Patents

Abstract

多数の無線伝送装置が近接して使用される場合においても信号の送受信が支障なく行える無線伝送システムが提供される。このシステムにおいては、１つのマスター親機および１つ以上のスレーブ親機により形成されるグループ内において、周波数帯を共用してグループ内の子機と通信を行う。マスター親機は、商用電源の位相と同期して送受信タイミングを制御するグループ間同期手段を備え、スレーブ親機は、マスター親機と同期して送受信タイミングを制御するグループ内同期手段を備える。本発明によれば、各親機において信号の送受信が同期して実行されるので、データの伝送が支障なくかつ効率的に行える。

Description

技術分野
本発明は無線伝送システムに関し、特にビル内の無線ＬＡＮや電柱と家庭内の装置との間の接続など、多数の無線伝送装置が近接して使用される無線伝送システムに関するものである。
背景技術
従来、ビル内の無線ＬＡＮや電柱と家庭内の装置との間の接続など、多数の無線伝送装置が近接して使用される可能性のある無線伝送システムにおいては、近接する無線伝送装置において使用するチャネルを異ならせる等の対策をとっていた。
多数の無線伝送装置が近接して使用される無線伝送システムにおいては、近接する無線伝送装置において使用するチャネルを異ならせても、例えば一方の無線伝送装置があるチャネルで送信し、近接した他方の無線伝送装置が隣接するチャネルで受信しようとすると、一方の装置の送信波の干渉波成分（送信波の両側の周波数帯域に広がる不要波成分）が高レベルで他方の装置が受信しようとするチャネルにまで及び、受信ができないという問題点があった。
発明の開示
本発明の目的は、前記のような従来技術の問題点を解決し、多数の無線伝送装置が近接して使用される場合においても信号の送受信が支障なく行える無線伝送システムを提供することにある。
本発明は、１つのマスター親機および１つ以上のスレーブ親機により形成されるグループ内において、周波数帯を共用してグループ内の子機と通信を行う無線伝送システムにおいて、データ送受信手段と、他のグループのマスター親機と同期して送受信タイミングを制御するグループ間同期手段とを備えたマスター親機と、データ送受信手段と、マスター親機と同期して送受信タイミングを制御するグループ内同期手段とを備えたスレーブ親機とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、多数の無線伝送装置が近接して使用される無線伝送システムにおいても信号の送受信が同期して実行されるので、データの伝送が支障なくかつ効率的に行える。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明を適用した無線伝送装置を含む通信システムの構成を示す説明図である。グループ１の領域（例えば半径１００ｍ程度）内には、４つのサブグループ領域が存在し、それぞれのサブグループにはそれぞれマスター親機あるいはスレーブ親機と、複数の子機が存在する。
マスター親機およびスレーブ親機は近接（例えば１０ｍ）して設置され、それぞれ図示しない通信回線を介して例えばサーバコンピュータに接続されており、当該サーバはインターネットに接続されている。また、それぞれの子機は例えば図示しないパソコンに接続されている。
各サブグループ（１〜４）は、マスター親機あるいはスレーブ親機に接続されたアンテナの指向性および送信電力によってその領域が決定され、子機はＩＤによって、予め定められた親機と接続される。
図２は、本発明の無線伝送装置のハードウェア構成を示すブロックである。親機および子機は基本的には同じハードウェア構成であり、制御ソフトウェアが異なっている。アナログ信号処理部１０は公知のシングルスーパーヘテロダイン方式のデジタル信号送受信回路からなっており、周波数シンセサイザおよびＶＣＯ回路からなる２つのＰＬＬ回路によって、任意の周波数チャネルにおいてデータの送受信が可能である。なお、本発明において送受信回路の方式や変調方式としては公知の任意のものを採用可能である。
デジタル信号処理部２０の第１のＬＳＩは、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ変換、直接拡散、逆拡散処理、スクランブル処理、プリアンブル処理、フレーム処理、誤り検出処理、相関信号検出を行う。デジタル信号処理部２０の第２のＬＳＩは、Ｓ／Ｐ変換、スクランブル処理、誤り検出処理等を行う。
タイマー２１は、第１のＬＳＩから出力されるフレーム検出（フラグパターン検出）信号によってリセットされて起動されるタイマーであり、ＣＰＵがプログラムによりタイマー値を読み取り可能に構成されている。このタイマ２１は後述するようにマスター親機との時計合わせに使用される。
制御部３０は、ＣＰＵ、プログラムやデータを格納しているフラッシュＲＯＭ、バッファやワークエリアとして使用されるＲＡＭ、ＣＡＭ（連想メモリ）、ＬＡＮトランシーバ、バス等からなる。ＬＡＮトランシーバは、１０ＢＡＳＥ−Ｔ規格等の周知のＬＡＮインターフェイス機能を有し、親局の場合には回線／ＬＡＮコンバータ等の装置を介して光ファイバ等の高速回線と接続される。また、子局の場合にはパソコンやＨＵＢへ接続される。電源回路からは電源と共にゼロクロス検出信号も出力される。
図３は、本発明の無線伝送システムにおけるグループ間の送受信のタイミングを示す説明図である。１つの伝送サイクルは基本的には商用電源のゼロクロス点（電圧が０となるタイミング）の間隔を基準としている。従って、商用電源の周波数が５０Ｈｚであれば、伝送サイクルの周期は１０ミリ秒となる。１伝送サイクル中には親局から子局へデータを伝送する期間である固定長の下りウィンドウとその逆の期間である固定長の上りウィンドウが存在する。
ゼロクロス点は各グループのマスター親機が検出し、このタイミングに基づいて、当該グループ内の送受信タイミングの制御を行う。従って各グループ間において伝送サイクルのタイミングが揃うので、受信中の子機の近傍で他グループの子機が送信して受信を妨害することを回避できる。
なお、タイミング検出用の商用電源が３相交流から供給されている場合、商用電源として選択される２相がマスター親機ごとに異なると、ゼロクロスポイントにずれが生じて同期がとれない。従って、ゼロクロスポイントに電源周波数に応じたオフセット時間を追加したタイミングを同期タイミングにすることにより、いずれの２相を選択してもシステムの同期が確立できるようになる。オフセット時間は、位相のずれが既知であれば、各マスター親機に手動により設定するすることが可能であるが、他のマスター親機からの時間情報フレームを受信可能であれば、当該フレームを受信して判断することにより、位相のずれを自動検出し、オフセット時間を自動設定することもできる。
また、グループ間同期手段は、商用電源に限らず通信回線を介して接続された標準時刻配信サーバから配信される時刻情報に基づいて送受信タイミングを制御する、ないしは、標準時刻サーバに時刻問い合わせを行い、送受信タイミングを制御する基準となる内蔵時計を補正する方法もある。これらの方法により、グループ間でのゼロクロスタイミングの同期が保証されない電源の場合でも同期を取ることが可能である。
図４は、本発明の無線伝送システムにおけるグループ間の同期サイクルのタイミングを示す説明図である。マスター親機は所定数の伝送サイクル（例えば１０回）毎に１回「同期サイクル」を実行し、マスター親機とスレーブ親機との時計合わせを行う。この同期サイクルを実行するタイミングは各グループ毎に独立しており、位相は異なっている。
図５は、本発明の無線伝送システムが使用する周波数帯域を示す説明図である。図５においては、１つのグループ内において、４つのサブグループ（＃１〜＃４）に割り当てられる周波数チャネル（Ａ〜Ｄ）の時間変化を示している。使用する周波数帯としては、例えば２．４ＧＨｚ帯を使用し、１つのチャネル当たりの帯域として例えば２０ＭＨｚ程度、４つのチャネル合計の周波数帯域として例えば８０ＭＨｚ程度を使用する。
各親機および子機はそれぞれ同じ周波数遷移テーブルを記憶しており、親局から送信されるフェーズビーコンによって、子機が次に使用すべき周波数を示す当該テーブル内の位相（番地）が指示される。従って、フェーズビーコンの受信に失敗しても、同期サイクル後に自分で位相を１つ進めることによって通信が継続可能となる。
図５に示すようにチャネルを巡回させることにより、特定のチャネルに雑音が発生して誤り率が増大しても、グループ内の各子機との通信を継続可能となる。なお巡回させる順序は任意である。
図６は、本発明の無線伝送システムにおけるデータ送受信のフローを示す説明図である。１つの伝送（通信）サイクルには固定長の下りウィンドウと上りウィンドウがあり、下りウィンドウにおいては、各親機は子機に対してビーコン信号を送出する。このビーコンフレームには親機の時計の時刻情報が書き込まれており、各子局は、後述する方法によって、このビーコン信号に基づいて自分の時計を親機と合わせる。各子機はこの時計に従って指定されたタイミングで送信を行う。
ビーコン信号には、上りウィンドウ内のアップストリームを割り当てる子機の情報が含まれており、ビーコン信号によって許可された子機がデータを送信するＴＤＭＡ方式を採用している。割り当て方式は後述する。
下りウィンドウには例えばダウンストリームが４つ存在し、それぞれ任意の子機宛てにデータを送信可能である。親機は回線（ＬＡＮ）より受信したパケット順に基づき下記のようにダウンストリームを割り当てる。
図１０は、本発明における親機の送信キュー制御例を示す説明図である。図１０に示すように、各子機ごとに送信パケット種別に応じた複数のキューを設け、無線スロットにパケットを送り出す際に、キュー選択制御部が所定の優先順位でキューを選択してパケットを送り出す。
これにより例えば応答パケットを優先させれば、応答パケットが早期に送信され、上位プロトコルにおける次のデータパケットの送り出しタイミングが早まる効果が得られ、通信効率が改善される。また、リアルタイム性が要求されるパケットを優先させれば、パケット化された音声等の伝送に要求される帯域確保ができ、転送データの内容に応じた品質確保が可能となる。
また、個々の子機へのスロット割り当て率を子機によって変えることにより、子機ごとに通信優先度を可変にすることも可能である。
更に、子機ごとのキューに保存されているデータ量に応じ、送信子機あて先を選択することにより、データ量に応じた帯域確保、および無線帯域の利用率の向上が可能となる。
上りウィンドウの最初の期間においては、下りウィンドウの各ダウンストリームに対するＡＣＫ信号がそれぞれ異なるタイミングで返送される。親機はＡＣＫを受信できなかった場合には次のサイクルで再送を行う。しかし再送を所定回数失敗した場合には当該フレームを破棄する。また、ブロードキャストの場合には再送は行わない。
ＡＣＫ期間の後、２つのアップストリーム期間が存在し、それぞれ送信許可を受けた子機が送信を行う。親機において受信に失敗した場合には同一フレーム番号を指定して再度アップストリームを割り当てる。なお、インターネット接続の場合には平均するとダウンストリームの方がデータ量が多いので、ウィンドウも下りの方を長くしてある。
図７は、本発明の無線伝送システムにおける同期サイクルのフローを示す説明図である。同期サイクルにおいては、まずマスター親機が下りウィンドウ内でゼロクロスタイミングを検出すると、各スレーブ親機に対してそれぞれ現在使用中のチャネルでマスタービーコンを送出する。このマスタービーコンにはマスター親機の時計の時刻情報が書き込まれている。各スレーブ親機は、同期サイクルの下りウィンドウにおいてマスタービーコンを受信し、スレーブ親機の時計をマスター親機の時計と合わせる。
その後、各親機はフェーズビーコンを送出し、各サブグループにおける使用チャネルを更新する。同期サイクルの上りウィンドウにおいては、親機がサブグループ内の全ての子機からリクエスト（送信要求）情報を収集する。
なお、スレーブ親機はマスタービーコンを所望の回数連続して受信できなかったか、所望の時間連続して受信できなかった場合、マスター親機の障害と判断する。この後、予め定められた優先順位に従って特定されるひとつのスレーブ親機が、マスター親機に相当する動作を開始し、障害が発生したマスター親機の代理動作を開始する。これにより、故障したマスター親機に属するサブグループの動作が停止し、システムが縮退するが、グループの全システムが停止するのを回避する効果が得られる。
図８は、本発明におけるグループ内の時刻同期方法を示す説明図である。各無線伝送装置はソフトウェアによる時計機能を有している。例えば親機は、自分の時計から時刻情報（ｔ０）を読み出し、直ちにビーコンフレームを作成して送信する。ビーコンフレームは所定長のプリアンブルと周知の構成のフレームから構成されており、当該フレームのデータ領域には時刻情報（ｔ０）が書き込まれている。
子機においては、受信ウィンドウ内においてビーコンが受信された場合、ビーコンのプリアンブル区間の任意のタイミングで同期を確立し、フレーム（の先頭のフラグパターン）の検出を行う。フレームが検出されると、図２のハードウェアタイマー２１がリセットされて起動し、カウントを開始する。
子機においてフレームの受信が正常に完了すると、プログラムによる処理が開始され、タイマー２１のカウント値が読み出される。プログラムは、フレーム内に書き込まれている時刻情報（ｔ０）に、時計時刻読み出しからフレーム検出までの遅延時間ｔｐおよびタイマー２１のカウント時間ｔｔを加算して現在時刻（ｔ３）を算出し、自分の時計をｔ３に更新する。
時間ｔｐ、ｔｔはそれぞれハードウェアあるいはソフトウェアに依存する予め定められた時間であるので、上記方式によって、親機の時計と子機の時計とをゼロクロス点の検出よりも高精度で合わせることが可能である。
以上のような方式によって、マスター親機からのマスタービーコンによりスレーブ親機の時計がマスター親機と合わされ、各親機から子機へのビーコンによって各子機の時計が各親機と合わされる。そして、各装置の時計の同期を正確に取ることにより、伝送の空き時間（マージン）を減少させ、伝送効率を上げることが可能となる。
図９は、本発明における子機の優先度の状態変化を示す状態遷移図である。本発明のシステムにおいては、親機は同期サイクルにおいてのみ子機からの送信要求を収集しており、その他のサイクルにおいては収集していない。また、上りウィンドウのアップストリームは例えば２個しかないので、これを子機に効率よく割り当てるために親機は子機の優先度制御を行い、優先度の高い子機に送信権を与えるように制御する。
実施例においては、優先度には図示するように「高」「中」「低」「非接続」の４つのレベルがある。電源オフ等によりリクエストパケットが連続して所定回数未受信の場合には子機は「非接続」状態となり、電源がオンされ、子機からリクエストパケットを受信した場合には「低」レベルに移行する。
「低」あるいは「中」レベルで、送信要求を受信した場合には「高」レベルに移行し、「高」レベルで送信要求を受信した場合、あるいは送信パケットあるいは受信パケットがある場合には「高」レベルに留まる。また、「高」レベルで送信要求が受信されず、送信パケットおよび受信パケットがなく、アップの空きスロットが１秒連続した場合には「中」レベルに移行し、更に空きスロットが１秒連続した場合には「低」レベルに移行する。
同じレベルの子機が複数個ある場合には、順にスロットを割り当てる。また、「中」レベルの子機がある場合には、「高」レベルの子機があっても最低２０％の割合で「中」レベルの子機にもスロットを割り当てる。「低」レベルの子機には、「高」「中」レベルの子機がいない場合にのみ割り当てを行う。
産業上の利用の可能性
本発明は、１つのマスター親機および１つ以上のスレーブ親機により形成されるグループ内において、他のグループのマスター親機と同期して送受信タイミングを制御するグループ間同期手段とを備えたマスター親機と、マスター親機と同期して送受信タイミングを制御するグループ内同期手段とを備えたスレーブ親機とを備えている。従って、本発明によれば、信号の送受信が同期して実行されるので、多数の無線伝送装置が近接して使用される無線伝送システムにおいてもデータの伝送が支障なくかつ効率的に行えるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明を適用した通信システムの構成を示す説明図である。
図２は、本発明の無線伝送装置のハードウェア構成を示すブロックである。
図３は、本発明におけるグループ間の送受信タイミングを示す説明図である。
図４は、本発明におけるグループ間の同期サイクルのタイミングを示す説明図である。
図５は、本発明のシステムが使用する周波数帯域を示す説明図である。
図６は、本発明におけるデータ送受信のフローを示す説明図である。
図７は、本発明における同期サイクルのフローを示す説明図である。
図８は、本発明におけるグループ内の時刻同期方法を示す説明図である。
図９は、本発明における子機の優先度の状態変化を示す状態遷移図である。
図１０は、本発明における親機のキュー制御例を示す説明図である。

Claims (5)

1. １つのマスター親機および１つ以上のスレーブ親機により形成されるグループ内において、周波数帯を共用してグループ内の子機と通信を行う無線伝送システムにおいて、
   データ送受信手段と、他のグループのマスター親機と同期して送受信タイミングを制御するグループ間同期手段とを備えたマスター親機と、
   データ送受信手段と、マスター親機と同期して送受信タイミングを制御するグループ内同期手段とを備えたスレーブ親機と、
   を備えたことを特徴とする無線伝送システム。
2. 更に、マスター親機あるいはスレーブ親機とのデータ送受信手段と、マスター親機あるいはスレーブ親機と同期して送受信タイミングを制御するグループ内同期手段とを備えた複数の子機を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線伝送システム。
3. 前記グループ間同期手段は、商用電源の位相を検出して当該位相信号あるいは当該位相信号から所定の時間だけオフセットしたタイミングと同期して送受信タイミングを制御することを特徴とする請求項１に記載の無線伝送システム。
4. 前記グループ内同期手段は、マスター親機から送信された時刻情報を含むフレームをスレーブ親機が受信することにより、マスター親機の時計とスレーブ親機の時計との同期を取ることを特徴とする請求項１に記載の無線伝送システム。
5. 前記親機は、子機の過去の通信状況に基づいて当該子機の優先度を決定し、当該優先度に基づき子機に送信権を割り当てる優先度制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載の無線伝送システム。

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