JP4606308B2 - 無線通信装置及び無線通信システム - Google Patents

Description

この発明は無線通信装置及び無線通信システム、特に、無線データ通信において、無線区間の回線品質及び無線区間での通信量に適した送信出力、受信感度等の無線設定で通信設定及び電力制御を行う無線通信装置及び無線通信システムに関するものである。

従来の無線通信装置及び無線通信システムでは、段階的に送信出力を上げ、通信相手のフレームエラーレートが所定の値以下となった際の送信出力を初期送信出力とし、定期的に所定のフレームレートを達成する送信出力を実測及び演算により算出し、適正な送信電力で無線区間の通信を行っていた。（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１８４４３５号公報

従来の無線通信装置及び無線通信システムの電力制御方式は上記のように構成され、フレームエラーレートが所定のレベルになるまでの最適送信電力を通信相手から受け続けるため、実際の通信を開始するまでに時間がかかり、最適送信電力を設定するための通信が実際の無線データ通信の通信性能を阻害するという問題点があった。

また、従来の無線通信装置及び無線通信システムの電力制御方式では、送信電力適正値を決める通信と実際のデータ通信を行う通信が、それぞれ別方式であるため、余計に電力を消費する、あるいは実効速度を低下させるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、送信出力を通信区間の無線品質に適応させ得るように変化させることで省電力化すると共に、通常のデータ通信シーケンスの中で適正電力を設定することができる無線通信装置及び無線通信システムを提供することを目的とする。

この発明に係る無線通信装置は、通信回線に接続されたサーバ装置とセンサ装置に接続された端末装置の無線通信装置とが無線回線で接続され、前記センサ装置で収集したデータを前記サーバ装置に送信するようにした無線通信ネットワークにおいて、前記無線通信装置は、受信手段と、演算手段と、送信手段とを備え、受信時は上記受信手段によって送信側からのデータを受信すると共に、上記演算手段によって受信データからＲＳＳＩ及びフレームエラーレートに基づいて適正送信出力の過不足値を算出し、この過不足値をＡＣＫフレームに格納して上記送信手段によって送信側に返信するようにし、送信時は受信側から返信されたＡＣＫフレームを上記受信手段によって受信すると共に、ＡＣＫフレームに格納された上記過不足値にもとづいて適正送信出力を上記演算手段によって算出し、算出された適正送信出力値で上記送信手段によってデータ送信するようにしたものである。

この発明に係る無線通信装置及び無線通信システムは上記のように構成され、データ受信時に送信元に返信するＡＣＫフレームに受信レベル、フレームエラーレート等の受信時の情報から算出した適正送信出力の過不足値を格納し、送信元はその情報を基に送信出力を再設定し、通信する構成としたので、従来の無線通信装置及び無線通信システムと比較して、より省電力で無線通信を行うことが可能となる。

また、湿度センサ等のセンサを設けて、センサによって得られた気象条件を基に送信出力を設定できるようにし、天候条件に適した送信出力で無線通信を行えるようにしたので、より消費電力を低減することが可能となる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は、実施の形態１による無線通信装置の構成を示すブロック図である。図１において、アンテナ１０１は無線データの送受信を行う。送信部１０２はアンテナ１０１に接続され、制御部１０７からの制御によって通信動作を行う。送信出力設定部１０３は送信出力の電力値設定を行う。

受信部１０４はアンテナ１０１に接続され、受信動作を行う。受信レベル測定部１０５はRSSIの測定を行う。回線品質測定部１０６はデータ受信時の受信エラー(FER)検出を行う。
制御部１０７は無線装置全体の動作制御を行う。メモリ１０９は受信エラー(FER)の閾値、送信電力値等を記憶する。演算部１０８はFER、RSSIを基に最適な送信電力の計算を行う。外部I/Ｆ１１０は、サーバ(PC)、センサ等外部機器と接続するためのインターフェース(I/F)である。

図２は、実施の形態１による無線通信装置によって構成される無線通信ネットワークの構成を示す概略図である。図２において、公衆回線網２０１はインターネット通信を行うための通信回線である。サーバ装置２０２は通信回線２０１に接続され、無線通信ネットワークを制御して外部との情報通信を行うものである。

サーバI/F装置２０３はサーバ装置２０２が無線通信ネットワーク内の無線中継装置あるいは端末装置２０４、２０５との無線区間でのデータ送受信を行うためのI/Fである。無線中継装置２０４はサーバI/F装置２０３と端末装置２０５との間でデータが届かない時にデータ中継を行うものである。端末装置２０５はサーバ装置２０２の制御によりセンサ装置２０６から収集したデータをサーバ装置２０２に送信するようにされている。

図１の無線通信装置は図２の無線通信ネットワークにおいて、サーバI/F装置２０３、無線中継装置２０４、端末装置２０５のいずれの装置としても使用可能である。以上のように構成された実施の形態１に係る無線通信装置について、図３のフロー図を参照して、適正送信電力値を決定する動作について説明する。

まず、データ送信側はステップ(以下ＳＴと略す)３０１において送信部１０２からアンテナ１０１を通してデータを送信する。

受信側はＳＴ３０２において、アンテナ１０１を通して受信部１０４にて受信動作を行い、データ受信時にＳＴ３０３において受信レベル測定部１０５によりRSSIの計測を行う。
また、ＳＴ３０４において回線品質測定部１０６は受信したデータフレームをチェックしてエラーレートを算出する。

ＳＴ３０５においては、演算部１０８が計測されたRSSI及びエラーレートに基づいて、送信出力の過不足値を計算する。エラーレートが０％である場合は、送信出力が過度に高いことが考えられるため、算出したRSSIを基に余剰電力を算出する。また、エラーレートが０％より大きい場合は、送信電力が不足しているために無線区間による損失分、RSSIが低下し、エラーレートが高くなっている。そのため、以下の演算にて不足分を算出する。

一般にエラーレート及びRSSIと受信電力との間には以下の演算が成立する。
Rerr(%)＝ａ＊Prssi(dBm)＋ｂ （１）
Prssi(dBm)＝ｋ＊Prcv(dBm)＋Offseｔ （２）
ここで、Rerrはエラーレート、PrssiはRSSI値、Prcvは受信電力、ａとｂ及びkとOffsetは受信部１０４の構成に依存する値であって工場での出荷時に設定されメモリ１０９に記憶されているものである。

また、送信電力と受信電力との間には一般に以下の関係式が成立する。
Prcv(dBm)＝Psnd(dBm)＋Gsnd(dBm)-L(dBm)＋Grcv(dBm) （３）
ここで、Prcvは受信電力、Psndは送信出力、Gsndは送信側のアンテナ利得、Grcvは受信側のアンテナ利得、Ｌは無線区間での空間損失である。

Gsnd、Grcvは設計値であるため予めメモリ１０９に記憶されている。Ｌは無線区間の距離に依るものであり、この発明の無線通信ネットワークでは無線区間の距離は一意に決まらない。そのため(1)(2)式よりRerr=O(%)となるPrcvを算出し、(3)式でPsnd−Ｌを逆算しRerr=０%となるPsnd-Lと現状のPsnd-Lの差を算出することによりＳＴ３０５で不足電力を計算する。

次に、ＳＴ３０６、ＳＴ３０７において、受信側装置は送信部１０２にてＡＣＫフレームを生成する。この際、演算部１０８にて算出した送信電力の過不足値をＡＣＫフレームのペイロードに格納する。その後、ＳＴ３０８において送信部１０２は送信電力過不足値を格納したＡＣＫフレームをアンテナ１０１を通して、データの送信元装置に返信する。

送信元装置はデータ送信後ＳＴ３０９にてＡＣＫフレームが返信されるのを待つ。ＳＴ３１０にて受信部１０４がＡＣＫフレームのキャリアを一定時間以上、検出できない場合には、送信出力が低いため相手装置にデータが届かなかったものと判断し、ＳＴ３１１、ＳＴ３１２において送信出力設定部１０３で送信出力を現行の出力に対して１dBm上げて、設定した送信電力をメモリ部１０９に記憶してから再度、設定した送信電力によりＳＴ３０１にて相手機器に対して送信を行う。

送信元装置はＳＴ３１０において一定時間内に受信部１０４でＡＣＫフレームのキャリアを検出した場合には、ＡＣＫフレームの受信を行う。ＳＴ３１３において受信部１０４はＡＣＫフレームのペイロードを解析し、送信電力の過不足値を読み取る。過不足値が０の場合は送信出力の再設定は行わず、送受信状態に遷移する。過不足値が０以外の場合であれば、ＳＴ３１４、ＳＴ３１５において送信出力設定部１０３にて返信された過不足分の電力を現行の送信出力に加減して送信出力を再設定し、メモリ１０９に再設定した送信出力を記憶する。

以上のような構成により、実施の形態１では、ＡＣＫフレーム内にフレームエラーレートが０％となるのに最低限必要な適正送信出力と現行の送信出力の差分を格納して返信し、その過不足値を基に送信電力を再設定するので、通常のデータ通信中に送信電力を適正送信電力に収束させることができ、より省電力な無線通信装置を得ることができる。

また、送信出力設定値の記憶は通信相手毎にメモリ１０９に記憶することができ、通信相手毎にエラーレートが０％となる適正送信電力で無線データ通信を行うことができるため、無線通信ネットワーク内全体の無線装置で省電力化を行うことが可能となる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図に基づいて説明する。図４は、実施の形態２の構成を示すブロック図である。この図において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は不揮発性メモリ１１１を設けた点である。

上述した実施の形態１では常にデータ送受信を行っている機器同士で適正送信電力を再設定する場合について述べたが、実施の形態２は、メモリ１０９において相手通信機器毎に適正送信電力が変化するたびに電力値を更新していくようにし、図４に示すように不揮発性メモリ１１１を設けてサーバ装置２０２の指示による電源遮断時に機器毎に記憶した適正送信電力を不揮発性メモリ１１１に格納するようにしたものである。

上記の構成により、電源復旧時に電源OFF前に記憶した適正送信出力により無線データ通信を行うことが可能となり、適正送信電力への収束が早くなる分、より省電力化が行える。

また、データ通信が一日数回程度しか発生せず、それ以外の時間では電源遮断することで消費電力の節約を行っているような無線中継装置２０４、端末装置２０５では、記憶した値から適正電力の設定を行うことで、適正電力の収束が早期に行われるため、電力消費を抑えることが可能となる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３を図に基づいて説明する。図５は、実施の形態３において設けられる適正送信出力履歴のフォーマットを示す図である。無線通信装置の構成は実施の形態１と同じであるため図示及び説明を省略する。

実施の形態１では適正送信出力の変更時にはメモリ１０９に変更後の適正送信出力値を格納していたが、実施の形態３ではメモリ１０９に図５に示すようなフォーマットを持つ適正送信出力履歴表５０１を備え、通信相手毎に現在の適正送信出力及び、これまでの適正送信出力の最大値を設定するようにしたものである。

上記の構成により無線区間の回線品質の変動により、通信途絶が発生した場合にも図６に示すフローにより速やかに通信回復を行うことが可能となる。以下、図６に示すフロー図を用いて通信区間の復旧方法について説明する。

まず、通信途絶を検出した通信装置は、ＳＴ６０１、ＳＴ６０２においてメモリ１０９に格納された適正送信出力履歴５０１から該当する無線装置への適正送信出力の最大値を取り出し、送信出力設定部１０３にて送信出力を適正送信出力の最大値に設定する。

送信側はＳＴ６０３において送信出力設定部１０３が設定した送信出力で送信部１０２からアンテナ１０１を通してデータを送信する。

受信側はＳＴ６０４においてアンテナ１０１を通して受信部１０４にて受信動作を行い、データ受信時にＳＴ６０５において受信レベル測定部１０５にてRSSIの計測を行う。
また、ＳＴ６０６において回線品質測定部１０６は受信したデータフレームをチェックしてエラーレートを算出する。

次に、ＳＴ６０７において、演算部１０８は計測されたRSSI及びエラーレートに基づいて送信出力の過不足値を計算する。エラーレートが０％である場合には、送信出力が過度に高いことが考えられるため、算出したRSSIを基に余剰電力を算出する。また、エラーレートが０％より大きい場合は送信電力が不足しているため無線区間による損失分、RSSIが低下し、エラーレートが高くなっているので演算部１０８にて不足分を算出する。

その後、ＳＴ６０８、ＳＴ６０９において、受信側装置は送信部１０２にてＡＣＫフレームを生成する。この際、演算部１０８にて算出した送信電力の過不足値をＡＣＫフレームのペイロードに格納する。ＳＴ６１０において送信部１０２が送信電力過不足値を格納したＡＣＫフレームをアンテナ１０１を通してデータの送信元装置に返信する。

送信元装置はデータ送信後ＳＴ６１１にてＡＣＫフレームが返信されるのを待つ。ＳＴ６１２にて受信部１０４がＡＣＫフレームのキャリアを一定時間以上、検出できない場合は、送信出力が低いため相手装置にデータが届かなかったものと判断し、ＳＴ６１３、ＳＴ６１４において送信出力設定部１０３で送信出力を現行の出力に対して１dBm上げて、設定した送信電力をメモリ部１０９に記憶してから再度、設定した送信電力にてＳＴ６０３で相手機器に対して送信を行う。

送信元装置はＳＴ６１２において一定時間内に受信部１０４でＡＣＫフレームのキャリアを検出した場合には、ＡＣＫフレームの受信を行う。ＳＴ６１５において受信部１０４はＡＣＫフレームのペイロードを解析し、送信電力の過不足値を読み取る。過不足値が０の場合は送信出力の再設定は行わず、適正送信電力値で無線通信を復旧できたものとし、メモリ１０９に格納されている適正送信出力履歴５０１の現行値、最大値を更新して、復旧動作を終了する。過不足値が０以外の場合であれば、ＳＴ６１６、ＳＴ６１７において送信出力設定部１０３にて返信された過不足分の電力を現行の送信出力に加減し送信出力を再設定してメモリ１０９に格納されている適正送信出力履歴５０１の現行値、最大値を更新する。

実施の形態３は上記のように構成され、通常通信時における適正送信出力の最大値を通信相手毎に記憶する手段を備えるようにしているため、急激に無線区間の無線品質が劣化し、通信途絶が発生した場合でも、記憶している適正送信出力の最大値から適正無線出力への設定を行い、速やかに通信復旧を行う無線通信装置を得ることができる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４を図に基づいて説明する。図７は、実施の形態４の構成を示すブロック図である。この図において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、湿度センサ１１２を設けた点である。

実施の形態１では、通常の無線データ通信中にＡＣＫフレームに適正送信出力の過不足値を格納することにより、送信出力を適正値に収束させ、省電力化を図る場合について述べたが、実施の形態４は図７に示すように現在の湿度と、湿度変動の検出を行う湿度センサ１１２を設け、通常通信時の湿度変化に応じて、適正送信電力値を送信側の送信出力設定部１０３で変動させるようにしたものである。

次に、実施の形態４による無線通信装置について、図８のフロー図を参照して、湿度センサ１１２が検出した湿度変動により、適正送信電力値を決定する動作について説明する。

ＳＴ８０１において、送信出力設定部１０３は相手機器から返信されたＡＣＫフレームに格納された適正送信出力の過不足値を基に適正送信出力値を更新する。

次に、ＳＴ８０２、ＳＴ８０３において湿度センサ１１２が湿度の変動を検出した場合に、演算部１０８は湿度センサ１１２から送られる現在の湿度及び変動値に基づいて、現湿度での適正送信出力とＳＴ８０１における送信出力の差分を算出する。

一般に無線通信に使用する周波数によって湿度対伝播損失の特性は設計時に決定することが可能であり、出荷時に、メモリ１０９に予め格納することによって演算部１０８にて湿度変動によって送信出力の過不足値を決定することが可能となり、送信出力設定部１０３は、過不足値を適正送信出力に反映する。その後、ＳＴ８０４においてメモリ１０９に適正送信出力を記憶する。

実施の形態４は上記のように構成されているため、気象条件の変化により伝播損失が変動しても、常に適正な送信出力にて無線通信を行うことで省電力効果の高い無線通信装置を得ることができる。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５について説明する。無線通信装置の構成は実施の形態２と同じであるため、図示及び説明を省略する。

上述した実施の形態２では電源OFF時に、不揮発性メモリにそれまでの適正送信電力を記憶し、電源再投入時に、記憶していた適性送信電力により無線通信を開始する場合について述べたが、実施の形態５はサーバ装置２０２が無線中継装置２０４及び端末装置２０５を再起動する際に、再起動時の気象情報を通知するようにしたものである。

次に、実施の形態５による無線通信装置について、図９のフロー図を参照して、適正送信電力値の初期値を決定する動作について説明する。

ＳＴ９０１、ＳＴ９０２においてサーバ装置２０２はサーバI/F装置２０３を介して無線中継装置２０４または端末装置２０５に起動要求を行う。この際、サーバI/F装置２０３の送信出力設定部１０３はメモリ１０９に格納した通信相手に対する適正送信出力値で送信動作を行う。また、この際、サーバ装置２０２は無線中継装置２０４または端末装置２０５に起動要求をかけると同時に、その時点での湿度等の気象情報を同時に送信した後、ＳＴ９０３の通常通信状態に遷移する。

ＳＴ９０４にて無線中継装置２０４または端末装置２０５はサーバ装置２０２から起動要求が来たらＳＴ９０５において、演算部１０８がメモリ１０９に格納されている適正送信出力値にサーバ装置２０２から受信した気象情報より差分値を算出して適正送信出力値に加算する。

ＳＴ９０５において送信出力設定部１０３は演算部１０８で算出された適正送信出力値を設定し、ＳＴ９０６の通信開始待ち状態に遷移する。なお、サーバ装置２０２と無線中継装置２０４、端末装置２０５との起動要求の間でも無線中継装置２０４、端末装置２０５は図３のフローに従って適正送信出力の過不足値を返信する。

実施の形態５は上記のように構成されているため、無線通信装置は電力節約時の待機モードからの復旧時に、大気中の気象条件の変化によって無線区間の伝播損失が変化しても、サーバ装置２０２が復旧動作要求時に、その際の気象情報を同時に送信することによって、伝播損失の変化に追随した適正送信出力の初期値で無線通信を行い、電力消費を抑えることが可能となる。

この発明の実施の形態１による無線通信装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による無線通信システムのネットワーク構成を示す概略図である。 この発明の実施の形態１による適正送信電力値設定の動作を示すフロー図である。 この発明の実施の形態２による無線通信装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３による送信出力履歴のフォーマットを示す図である。 この発明の実施の形態３により通信途絶時に通信復旧の動作を示すフロー図である。 この発明の実施の形態４による無線通信装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４による適正送信出力設定の動作を示すフロー図である。 この発明の実施の形態５による適正送信出力初期設定の動作を示すフロー図である。

符号の説明

１０１ アンテナ、 １０２ 送信部、 １０３ 送信出力設定部、 １０４ 受信部、
１０５ 受信レベル測定部、 １０６ 回線品質測定部、 １０７ 制御部、
１０８ 演算部、 １０９ メモリ、 １１０ 外部I/F、 １１１不揮発性メモリ、
１１２ 湿度センサ、 ２０１ 公衆回線網、 ２０２ サーバ装置、
２０３ サーバI/F装置、 ２０４ 無線中継装置、 ２０５ 端末装置
２０６ センサ装置、 ５０１ 適正送信出力履歴表。

Claims (5)

1. 通信回線に接続されたサーバ装置とセンサ装置に接続された端末装置の無線通信装置とが無線回線で接続され、上記センサ装置で収集したデータを上記サーバ装置に送信するようにした無線通信ネットワークにおいて、上記無線通信装置は、受信手段と、演算手段と、送信手段とを備え、受信時は上記受信手段によって送信側からのデータを受信すると共に、上記演算手段によって受信データからＲＳＳＩ及びフレームエラーレートに基づいて適正送信出力の過不足値を算出し、この過不足値をＡＣＫフレームに格納して上記送信手段によって送信側に返信するようにし、送信時は受信側から返信されたＡＣＫフレームを上記受信手段によって受信すると共に、ＡＣＫフレームに格納された上記過不足値にもとづいて適正送信出力を上記演算手段によって算出し、算出された適正送信出力値で上記送信手段によってデータ送信するようにしたことを特徴とする無線通信装置。
2. 通信相手ごとに上記適正送信出力を記憶させる記憶手段を設け、通信遮断後における再開時に記憶された適正送信出力で送信するようにしたことを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
3. 通信相手ごとに、ＡＣＫフレームに格納された現在の適正送信出力及びこれまでの適正送信出力の最大値を記憶させる手段を設け、通信途絶時は、上記適正送信出力の最大値に対応した送信出力を設定して送信を行なうようにしたことを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
4. 気象条件の変化を監視する監視手段と、上記監視手段により得られた気象情報から送信出力を補正する補正手段とを備え、気象条件に応じて送信出力を再設定することを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
5. 請求項２記載の無線通信装置に、気象条件の変化を監視する監視手段を設け、通信遮断後における再開時に気象条件に対応した送信出力で無線通信を行うことを特徴とする無線通信システム。

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