JP7619617B2

JP7619617B2 - 通信回路，通信システム及び通信方法

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Publication number: JP7619617B2
Application number: JP2021026801A
Authority: JP
Inventors: 卓亀田; 隆司芝; 憲治末松
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2021-02-22
Filing date: 2021-02-22
Publication date: 2025-01-22
Anticipated expiration: 2041-02-22
Also published as: JP2022128336A

Description

本明細書に記載する技術は、通信回路，通信システム及び通信方法に関する。

Internet of Things（ＩｏＴ）社会においては，あらゆるモノをインターネット等のネットワークに接続することになる。工場を例に考えると、有線ネットワークの末端は無線Local Area Network（ＬＡＮ）等のアクセスポイント（ＡＰ）となる。その先のモノへの接続は、無線ＬＡＮをはじめとする各種無線通信システムで行われている。モノは、場所が変動する或いは可動なロボットアーム等の工作機械の先端や、移動する無人搬送車（ＡＧＶ）の上に置かれている。このため、有線ネットワークでの接続が困難であることによる。このように、モノへのネットワーク接続のためには、無線ＩｏＴ通信が重要となる。

例えば、工作機械の基部に設置された複数アンテナ素子を備えるアクセスポイントにより、比較的高速に移動・回転する工作機械の可動アーム本体、あるいはアーム先端にとりつけられた物体のセンサノード（ＳＮ）を、簡易的なビームフォーミングでトラッキングする無線ＩｏＴ通信と、これを実現するためのＷｉ－Ｆｉ信号を用いたバックスキャッタシステムが存在する。

国際公開第２０１１／０４２９７４号特開２００８－２２８１３６号公報

D.-H. Kim, J. Hirokawa, and M. Ando, "Design of waveguide short-slot 2-plane couplers for one-body 2-D beam-switching Butler matrix application," IEEE Trans. MTT, vol.64, no.3, pp.776-784, 2016. C.-H. Hsieh, et al., "A novel concept for 2D Butler matrix with multi-layers technology," 2018 Asia Pacific Microwave Conference, pp.533-535, 2018.

無線ＩｏＴ通信の実現方法としては、アンライセンスバンドを使う無線ＬＡＮやBluetooth（登録商標）等が多くの場合使われているため、システム間干渉などにより、スループットの低下や、リアルタイム性の欠如が発生するおそれがある。多数のＳＮがＡＰへ接続される場合には、システム間干渉がより発生するおそれがある。

１つの側面では、本明細書に記載する技術は、隣接する同一周波数帯を用いるシステム間干渉を抑圧し、空間利用効率を向上させることを目的とする。

１つの側面において、通信回路は、複数のセンサノードと無線通信を行うアクセスポイントに備えられる通信回路であって、前記複数のセンサノードの数、回転周期及び回転方向の計測を行い、計測された前記回転周期に基づき、第１のモード又は第２のモードを選択し、前記第１のモードが選択された場合には、第１の周期で前記アクセスポイントから送出されるビームの向きを前記数及び前記回転方向に基づき回転させて通信範囲に存在するセンサノードに対して通信を行い、前記第２のモードが選択された場合には、前記第１の周期よりも長い第２の周期で前記ビームの向きを前記数及び前記回転方向に基づき回転させ、又は、前記ビームの向きを固定させて、通信範囲に存在するセンサノードに対して通信を行う。

１つの側面として、隣接する同一周波数帯を用いるシステム間干渉を抑圧し、空間利用効率を向上させることができる。

実施形態としての通信システムの設置例を示す図である。図１に示したアクセスポイント及びセンサノードのハードウェア構成例を模式的に示すブロック図である。図１に示した通信システムにおけるＳＮ検知フェーズの動作例を説明する図である。図１に示した通信システムにおけるＷｉ－Ｆｉ通信フェーズの動作例を説明する図である。（ａ）及び（ｂ）は図１に示した通信システムにおけるバックスキャッタ信号のダウンコンバートによるＳＮスペクトラム識別手法を説明する図である。図１に示した通信システムにおけるＳＮ検知フェーズの通信範囲を説明する図である。図１に示した通信システムにおけるＷｉ－Ｆｉ通信フェーズの通信範囲を説明する図である。図１に示した通信システムにおけるビームフォーミングとセンサノードの動きとの関係を説明する図である。図１に示した通信システムにおけるＳＮ検知フェーズのタイムフローを説明する図である。図１に示した通信システムにおける高速回転フェーズのタイムフローを説明する図である。図１に示した通信システムにおける回転ＳＮを優先する場合の低速回転／停止フェーズのタイムフローを説明する図である。図１に示した通信システムにおける停止ＳＮを優先する場合の低速回転／停止フェーズのタイムフローを説明する図である。図１に示した通信システムにおける通信動作の第１の例を説明するフローチャートである。図１に示した通信システムにおける通信動作の第２の例を説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して実施の形態を説明する。ただし、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、実施形態で明示しない種々の変形例や技術の適用を排除する意図はない。すなわち、本実施形態を、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

また、各図は、図中に示す構成要素のみを備えるという趣旨ではなく、他の構成要素を含むことができる。以下、図中において、同一の符号を付した部分は特に断らない限り、同一若しくは同様の部分を示す。

〔Ａ〕実施形態
〔Ａ－１〕構成例
図１は、実施形態としての通信システム１００の設置例を示す図である。

通信システム１００は、工作機械４等を含む。工作機械４は、例えばアーム形状を有し、アームの先端に設置されているハンドで工作物を把持して、工作物をベルトコンベア５に載置する。工作機械４は、５ｍもしくはそれ以上の間隔で配置されていてよく、ロボットアームの可動範囲は半径２ｍ程度であってよい。

工作機械４の基部３にはアクセスポイント（ＡＰ）１が取り付けられており、工作機械４のハンドやアームにはセンサノード（ＳＮ）２が取り付けられている。図１に示す例では簡単のために各工作機械４にセンサノード２が１つのみ示されているが、本実施形態においては、図２等を用いて後述するように工作機械４には複数のセンサノード２が取り付けられているものとする。

通信システム１００は、例えば５ＧＨｚ帯の無線ＬＡＮを用いて、工作機械４の基部３に設置された複数のアンテナ素子を有するアクセスポイント１により、比較的高速に移動又は回転する工作機械４の可動式のアームやハンドに設置されたセンサノード２を、簡易的なビームフォーミングでトラッキングする。アクセスポイント１は、工作機械４の基部に設置された比較的少数のアンテナ素子（例えば、２×２パッチアレーアンテナ）を備えてよい。アーム先端に取り付けられたセンサノード２の回転数は最大1,000 rpm（回転周期60 ms）であってよい。

図２は、図１に示したアクセスポイント１及びセンサノード２のハードウェア構成例を模式的に示すブロック図である。

図２に示すように、本実施形態における工作機械４は、複数（図示する例では７つ）のセンサノード２が取り付けられる。

アクセスポイント１は、通信回路の一例であり、５ＧＨｚ帯Ｗｉ－ＦｉＴＲＸ１１（以下、単に「ＴＲＸ１１」と称する場合がある），Ｗｉ－ＦｉバックスキャッタＲＸ１２（以下、単に「バックスキャッタＲＸ１２」と称する場合がある），ビームフォーミング処理部１３，複数の素子アンテナ１４，サーキュレータ１５及びスイッチ１６を備える。

ＴＲＸ１１は、送受信機である。ＴＲＸ１１の入出力ＲＦ信号は、ビームフォーミング処理部１３と複数の素子アンテナ１４を介して、所定の方向に向けた複数のビームを切り替えることができる。センサノード２は、そのビームにカバーされたエリアに入った場合に、５ＧＨｚ帯のＷｉ－Ｆｉ信号を送受信することになる。

バックスキャッタＲＸ１２は、受信機であり、ＴＲＸ１１によるＷｉ－Ｆｉ信号の送信に応じてセンサノード２から返ってきた、バックスキャッタ信号を受信する。ビームフォーミング処理部１３は、複数の素子アンテナ１４によって、センサノード２との間におけるアナログビームフォーミング処理を実行し、例えば、ビームフォーミングネットワーク（ＢＦＮ：beam-forming network）とＳＰ４Ｔ（single pole four throw）との組み合わせにより実現されてよい。

アクセスポイント１に備えられる素子アンテナ１４の数は、４～１６素子程度であってよい。例えば、２×２又は４×４のアレイアンテナであれば、２次元バトラーマトリクス等によりアナログビームフォーミング回路が構成される。ＳＮ検知フェーズで、アクセスポイント１においては、センサノード２をビームトラッキングするために必要となるＷｉ－Ｆｉバックスキャッタ信号の受信系であるバックスキャッタＲＸ１２はスイッチ１６の後段に配置され、５ＧＨｚ帯Ｗｉ－ＦｉＴＲＸ１１はサーキュレータ１５に接続されている。これにより、アクセスポイント１の素子アンテナ１４で受信された信号はスイッチ１６により選択的にＴＲＸ１１またはＲＸ１２に入力される。

サーキュレータ１５は、ＴＲＸ１１に接続される信号線とバックスキャッタＲＸ１２が接続される信号線との分岐点に設けられる。サーキュレータ１５は、３つの端子を有し、或る端子から入力された信号を特定の端子へ出力させる。サーキュレータ１５は、ＴＲＸ１１から出力された送信Ｗｉ－Ｆｉ信号を素子アンテナ１４側へ出力する。また、サーキュレータ１５は、スイッチ１６がＯＮになっているタイミングでは素子アンテナ１４側からの入力をバックスキャッタＲＸ１２側へ出力される一方、スイッチ１６がＯＦＦになっているタイミングでは素子アンテナ１４側からの入力をＴＲＸ１１側へ出力させる。

符号Ａ１に示すＡＰ送信スペクトラムは、アクセスポイント１から複数のセンサノード２に対する通信信号を示す。

センサノード２は、５ＧＨｚ帯Ｗｉ－ＦｉＴＲＸ２１（以下、単に「ＴＲＸ２１」と称する場合がある），単極単投スイッチ（ＳＰＳＴスイッチ）２２，クロック２３及び素子アンテナ２４を備える。ここでは、単素子アンテナの例を示しているが、センサノード２の寸法によっては、複数素子アンテナで構成されてもよい。

ＴＲＸ２１は、送受信機であり、素子アンテナ２４を介して、アクセスポイント１との間で５ＧＨｚ帯のＷｉ－Ｆｉ信号を送受信する。センサノード２が通信を希望する場合、ＳＰＳＴスイッチ２２において、周期的にＯＮ／ＯＦＦの切り替え制御を実行し、アクセスポイント１に対してバックスキャッタ信号を送信する。なお、ＳＰＳＴスイッチ２２は、それ以外の場合は、常にＯＮに設定されることになる。ＳＰＳＴスイッチ２２は、クロック２３が出力するクロック信号の周波数f_clockに応じて周期的にＯＮ／ＯＦＦの切り替え制御がされる。

符号Ａ２に示すＳＮ検知フェーズのＳＮ送信スペクトラムは、通信を希望するセンサノード２が存在し、Ｗｉ－Ｆｉバックスキャッタ信号（以下、単に「バックスキャッタ信号」と称する場合がある）が発生している状況を示したものであり、５ＧＨｚ帯のＷｉ－Ｆｉ信号と共に、通信リクエストのタイミングでセンサノード２からアクセスポイント１に対して送信される。バックスキャッタ信号が、５ＧＨｚ帯のＷｉ－Ｆｉ信号の周波数帯域（チャネル）の高域側及び低域側に存在していることになる。通常、このバックスキャッタ信号のレベルは５ＧＨｚ帯のＷｉ－Ｆｉ信号よりもパワーが小さい。アクセスポイント１の受信信号における５ＧＨｚ帯のＷｉ－Ｆｉ信号は、ビームフォーミング処理部１３や素子アンテナ１４における反射や、素子アンテナ１４から放射された信号が周囲環境（たとえば、壁，床，天井や工作機械４など）での反射、及び、センサノード２での反射によるものである。符号Ａ３に示すＷｉ－Ｆｉ通信フェーズのＳＮ送信スペクトラムは、Ｗｉ－Ｆｉ通信フェーズにおいてセンサノード２がアクセスポイント１に対して送出する送信信号を示す。

図３は、図１に示した通信システム１００におけるＳＮ検知フェーズの動作例を説明する図である。

符号Ｂ１に示すように、アクセスポイント１は、まずＴＲＸ１１からＷｉ－Ｆｉダミー信号を送信する。このＷｉ－Ｆｉダミー信号はＷｉ－Ｆｉ通信に用いずバックスキャッタ通信にのみ用いるため、ランダムデータなどで生成したもの、もしくはビーコン信号のような任意のＷｉ－Ｆｉ信号であってよい。Ｗｉ－Ｆｉダミー信号はビームフォーミング処理部１３によって、あるセクタに向けたビームとして送信される。

符号Ｂ２に示すように、センサノード２は、On-Off-Keying（ＯＯＫ変調）によって、素子アンテナ２４とＴＲＸ２１との間のＳＰＳＴスイッチ２２をクロック２３によって駆動する。これによってスイッチは、オンとオフとがクロック周波数f_clockで切り替えられる。符号Ｂ３に示すように、ＳＮ検知フェーズではＴＲＸ２１は起動せず50Ω終端とみなすことができるため、ＳＰＳＴスイッチ２２のオン時は整合の無反射状態となり、ＳＰＳＴスイッチ２２のオフ時は開放端の全反射状態となる。この無反射状態と全反射状態との切り替えによって、受信したＷｉ－Ｆｉダミー信号の反射波にＯＯＫ変調がかけられる。したがって、Ｗｉ－Ｆｉバックスキャッタ信号は、符号Ｂ４で示されているようにＷｉ－Ｆｉ信号の側波スペクトラムとなる。

センサノード２から送信されたＷｉ－Ｆｉバックスキャッタ信号は、アクセスポイント１で受信され、サーキュレータ１５によって送信波と分離され、符号Ｂ５に示すようにＳＮ検知フェーズでオンにされているスイッチ１６を経由して、バックスキャッタＲｘ１２に入力される。

以上の仕組みにより、アクセスポイント１においては各センサノード２から送信されたバックスキャッタ信号を利用してセクタ内のセンサノード２の有無を検知できる。

図４は、図１に示した通信システム１００におけるＷｉ－Ｆｉ通信フェーズの動作例を説明する図である。

符号Ｃ１に示すように、アクセスポイント１は、通常のＷｉ－Ｆｉ規格に基づいてＷｉ－Ｆｉ通信信号を送受信する。符号Ｃ２に示すように、アクセスポイント１におけるセンサノード２からのＷｉ－Ｆｉ信号受信時には、サーキュレータ１５に接続されているフェーズ切替のためのスイッチ１６をオフにすることで、受信波はバックスキャッタＲｘ１２に入力されず、ＴＲＸ１１に入力される。符号Ｃ３に示すように、センサノード２のＳＰＳＴスイッチ２２は、クロック２３に接続せず連続してオンにすることで、符号Ｃ４に示すようなＷｉ－Ｆｉ通信信号を連続して送受信する。

図５の（ａ）及び（ｂ）は、図１に示した通信システムにおけるバックスキャッタ信号のダウンコンバートによるＳＮスペクトラム識別手法を説明する図である。

ごく短時間のＳＮ検知フェーズでセンサノード２の数を計測するためには、複数のＷｉ－Ｆｉバックスキャッタ信号を同時に受信する必要がある。しかし、Ｗｉ－Ｆｉバックスキャッタ信号は連続波を用いたバックスキャッタ信号と比べると広帯域信号であり、周波数分割による同時受信や多元接続は難しい。したがって、複数のＷｉ－Ｆｉバックスキャッタ信号を同時に受信しセンサノード２の数を計測する方法が必要である。

例えば、元のＷｉ－Ｆｉ信号の乗算によるダウンコンバートによって狭帯域化することにより、センサノード２の数を識別することが想定される。センサノード２のクロック周波数f_clockはＷｉ－Ｆｉ信号の帯域幅以上とすることで、バックスキャッタ信号と元のＷｉ－Ｆｉ信号とは周波数軸上で重ならず、通常のＷｉ－Ｆｉ通信とバックスキャッタ通信とを両立することができる。

しかし複数のセンサノード２が同時に存在するとき、図５の（ａ）に示すようにバックスキャッタ信号同士は周波数軸上で重なりあうため、それぞれの信号を分離することができない。そこで、バックスキャッタ信号と元のＷｉ－Ｆｉ信号の乗算によるダウンコンバートを行う。

図５の（ｂ）にダウンコンバート後の信号を示す。これによってＲＦ帯で広帯域のバックスキャッタ信号をＩＦ帯で狭帯域信号として受信することができる。更にセンサノード２毎にクロック周波数f_clockを変えることで、各バックスキャッタ信号は周波数軸上で重ならず、それぞれの信号を分離することができる。

図６は、図１に示した通信システム１００におけるＳＮ検知フェーズの通信範囲を説明する図である。図７は、図１に示した通信システム１００におけるＷｉ－Ｆｉ通信フェーズの通信範囲を説明する図である。

ＳＮ検知フェーズはバックスキャッタ通信を行うため、アクセスポイント１のＷｉ－Ｆｉ送信電力はＷｉ－Ｆｉ通信フェーズの送信電力よりも大きくなる。図１に示した通信システム１００の諸元を例示する。アクセスポイント１のアンテナ利得は2×2パッチアレーアンテナを想定してG_AP = 9 [dBi]であってよく、センサノード２のアンテナ利得は無指向性単素子アンテナを想定してG_SN= 0 [dBi]であってよい。また、ＳＮ検知フェーズ時におけるセンサノード２の入出力電力比はM = -7 [dB]であってよい。

図６に示す例において、ＳＮ検知フェーズにおいては、アクセスポイント１のＷｉ－Ｆｉ信号の空中線電力はP_AP = 20 [dBm]と設定した。フリスの伝達公式から導出されるバックスキャッタ通信のアクセスポイント１の受信電力P_rは式（１）のように求められる。

ここで、λは搬送波の波長、Dはアクセスポイント１とセンサノード２との間の距離である。式（１）によるP_rの導出を以下では通信手順に沿って説明する。アクセスポイント１から2.6m（図６の実線円を参照）離れたセンサノード２におけるアクセスポイント１のＷｉ－Ｆｉ信号の受信電力は、-26.6 dBm（P_APから46.6 dB減衰）である。M = -7 [dB] であるため、このセンサノード２のバックスキャッタ送信電力は-33.6 dBmであり、バックスキャッタＲＸ１２の最小受信感度を-80dBmとすれば、この時のアクセスポイント１におけるセンサノード２からのバックスキャッタ信号の受信電力から想定して、ＳＮ検知フェーズにおけるバックスキャッタ通信可能なセンサノード２の範囲はアクセスポイント１から2.6m（図６の実線円を参照）とした。また、Ｗｉ－Ｆｉ通信におけるアクセスポイント１からのＷｉ－Ｆｉ通信信号の受信感度を-70 dBmとすると、その通信範囲はアクセスポイント１から390m（図６の二点鎖線円を参照）である。

Ｗｉ－Ｆｉ通信フェーズにおいては、これまでに求めたＳＮ検知フェーズの通信範囲である2.6m（図６の実線円を参照）以上の通信範囲でＷｉ－Ｆｉ通信可能であればよい。ここでは、マージンを考えてＷｉ－Ｆｉ通信フェーズにおける通信範囲を２倍の5.2m（図６の一点鎖線円を参照）とした。

図７にこの時のＷｉ－Ｆｉ通信フェーズにおける通信範囲を示す。アクセスポイント１から5.2m（図７の実線円を参照）の位置におけるアクセスポイント１からのＷｉ－Ｆｉ通信信号の受信感度を-70 dBmとすると、フリスの伝達公式からアクセスポイント１のＷｉ－Ｆｉ信号の空中線電力はP_AP= --17.4 [dBm]と求められる。

すなわち、Ｗｉ－Ｆｉ通信モードにおけるアクセスポイント１の送信電力は、ＳＮ検知フェーズにおける、アクセスポイント１の送信電力と最小受信感度の中間値を通信マージン程度上回る値であってよい。

図８は、図１に示した通信システム１００におけるビームフォーミングとセンサノードの動きとの関係を説明する図である。

図８では、アクセスポイント１に搭載の2×2パッチアレーアンテナで実現される４方向ビームフォーミングとともに、以下の説明で仮定するセンサノード２（ＳＮ＃１）の動きを示している。４方向のビームはアンテナ上部からアンテナ方向にみて時計回りにＹ，Ｒ，Ｂ，Ｇの順序で４方向のビームが形成されているとする。また、ＳＮ＃１は時計回りに、周期60 ms（回転数1,000 rpm）もしくは600 ms（回転数100 rpm）で回転していると仮定する。

図９は、図１に示した通信システム１００におけるＳＮ検知フェーズのタイムフローを説明する図である。

符号Ｄ１に示すビームフォーミング（ＢＦ）方向は、アクセスポイント１が選択中のビーム方向を示している。符号Ｄ２に示すＳＮ＃１信号受信は、そのビーム方向のＷｉ－Ｆｉダミー信号によってＳＮ＃１が生成したバックスキャッタ信号のアクセスポイント１における受信状況を示している。

ビーム範囲（セクタ）は理想的に回転周期の1/4ごとに切り替わり、オーバラップはないと仮定している。ＳＮ検知フェーズにおいては、アクセスポイント１のビームフォーミング動作で２つのパートに分かれている。前半の回転周期・ＳＮ数計測では、ビームフォーミングはその都度設定されたある１つのビーム方向に固定された状態でバックスキャッタ通信を試みる。この場合、例えばＳＮ＃１が周期60 msで回転していたとすると、図９のように周期60 msごとに15 msの間、ＳＮ＃１のバックスキャッタ信号がアクセスポイント１に到達する。この動作によって回転するセンサノード２群の回転周期を計測できるとともに、回転するセンサノード２群の存在位置の分布を計測することができる。また、ビームＹ方向で停止しているセンサノード２群については、バックスキャッタ信号が連続してアクセスポイント１に到達するため、そのセンサノード２の数を計測することができる。

他のビーム方向に関しては、次のＳＮ検知フェーズにおいてビーム方向を他の方向に切り替えて固定することで計測可能である。後半の回転方向計測では、前半で求めた回転するセンサノード２群の回転周期に応じて、ビーム方向を変化させる。

この時点では回転方向が分からないので、時計回り・反時計回りの両方向でビームを順に切り替え、バックスキャッタ信号の受信頻度により回転方向の判定を行う。

図９に示すように、例えば120ms以上の時間幅でビームの向きを固定させることによってセンサノード２の数及び回転周期の計測が同時に行われた後に、例えば120ms以上の時間幅でビームの向きを時計回り及び反時計回りに回転させることによってセンサノード２の回転方向の計測が行われてよい。また、ビームの向きを固定させることによってセンサノード２の回転周期の計測が行われた後に、ビームの向きを時計回り及び反時計回りに回転させることによってセンサノード２の数及び回転方向の計測が行われてもよい。

図１０は、図１に示した通信システム１００における高速回転フェーズのタイムフローを説明する図である。

符号Ｅ１に示すビームフォーミング方向は、アクセスポイント１が選択中のビーム方向を示している。符号Ｅ２に示すＳＮ＃１信号受信は、そのビーム方向でＷｉ－Ｆｉ通信信号のやり取りができる時間帯を示している。ＳＮ＃１受信信号の周期は、60ms（別言すれば、第１の周期）であってよい。高速回転フェーズにおいては、高速回転と停止との２つのサブフェーズに分かれている。

前半の高速回転サブフェーズでは、例えば240ms以上の時間幅において、ＳＮ検知フェーズで計測されたセンサノード２群の存在位置の分布（センサノード２の数）を基に、４方向の初期ビームごとの通信時間を最適化する。また、ＳＮ検知フェーズで計測された回転周期・方向を基にしてビーム切り替えを行うことで、回転しているセンサノード２群に対して常にビームを向けることで安定した通信を実現する。すなわち、測定された回転周期によって、第１の方向から順番にビームの向きを回転させ、第１の方向とは異なる方向を先頭に変えて順番にビームの向きを回転させる処理が繰り返された後に、ビームの向きを固定させて停止しているセンサノード２のそれぞれに対して通信が行われる。

後半の停止サブフェーズでは、例えば240ms以上の時間幅において、ＳＮ検知フェーズで最初に設定されたある１つのビーム方向に停止しているセンサノード２群が検知された場合に、そのセンサノード２の数に応じてビーム方向固定の通信時間を設定する。

図１１は、図１に示した通信システム１００における回転ＳＮを優先する場合の低速回転／停止フェーズのタイムフローを説明する図である。

符号Ｆ１のビームフォーミング方向に示すように、ＳＮ検知フェーズで最初に設定されたある方向Ｙにビームが固定され、回転しているセンサノード２群はそのビーム方向に入った場合にのみ通信を行う。回転周期の1/4以上の通信時間を確保することで、符号Ｆ２のＳＮ＃１受信信号に示すように、すべての回転しているセンサノード２とビームＹ方向に存在する停止しているセンサノード２群が通信可能である。他のビーム方向で停止しているセンサノード２群については、次のフェーズでビーム方向を切り替えることで通信可能となる。ＳＮ＃１の受信信号の周期は、600ms（別言すれば、第１の周期よりも長い第２の周期）であってよい。

図１２は、図１に示した通信システムにおける停止ＳＮを優先する場合の低速回転／停止フェーズのタイムフローを説明する図である。

停止しているセンサノード２の数が多い場合には、ビームを切り替えることですべての停止しているセンサノード２を一度の低速回転／停止フェーズで通信できるように設定することも考えられる。符号Ｇ１に示すビームフォーミング方向は、Ｙ，Ｒ，Ｇの方向に順次切り替えられている。符号Ｇ２に示す停止しているＳＮ＃１の受信信号は、ビームＹが送出されているタイミングのみで検知される。

〔Ａ－２〕動作例
図１に示した通信システム１００における通信動作の第１の例を、図１３に示すフローチャート（ステップＳ１～Ｓ８）を用いて説明する。

実施形態における通信プロトコルは、ステップＳ１～Ｓ３に示す検知フェーズ，ステップＳ６～Ｓ８に示す高速回転フェーズ及びステップＳ５に示す低速回転／停止フェーズの３つのフェーズを含む。検知フェーズ，高速回転フェーズ（別言すれば、第１のモード）及び低速回転／停止フェーズ（別言すれば、第２のモード）における各処理は、図２等に示したバックスキャッタＲＸ１２内または、アクセスポイント１内に配置されてよく、その処理結果により、ビームフォーミング処理部１３に処理命令が出力される。

ＳＮ検知フェーズでは、セクタごとのセンサノード２の数の計測だけでなく、回転するセンサノード２群の回転周期・方向の計測が行われてよい。そのＳＮ検知フェーズで判定されたセンサノード２群の回転周期から、次のフェーズが高速回転フェーズもしくは低速回転／停止フェーズのいずれかから選択され、通信範囲に存在するセンサノード２群に対してＷｉ－Ｆｉ通信が実現される。

それぞれのフェーズでは、同周期で回転しているセンサノード２群と、停止しているセンサノード２群とが存在している環境を想定する。

なお、ＩＰ（internet protocol）アドレス割り当てや認証などのアクセスポイント１と各センサノード２との間の接続手続きは完了していることを前提としている。

まず、図９に示したＳＮ検知フェーズが開始され、ステップＳ１において、初期ビームの方向が設定される。

ステップＳ２において、センサノード２の回転周期及び数が計測される。

ステップＳ３において、各センサノード２の回転方向が計測される。

ステップＳ４において、高速回転しているセンサノード２が存在するかを判定する。ここで、高速回転の判断は、アクセスポイント１のあるビーム方向の通信可能範囲（セクタ）において通信しようとしているセンサノード２群が、Ｗｉ－Ｆｉ通信規格によって定められている通信に必要な時間よりも長い時間、セクタにとどまることが可能な速度で回転しているか否かによって行われてよい。

高速回転しているセンサノード２がない場合には、ステップＳ５において、図１１及び図１２に示した低速回転／停止フェーズの処理が実行され、処理はステップＳ１へ戻る。

一方、高速回転しているセンサノード２がある場合には、図１０に示した高速回転フェーズが開始され、ステップＳ６において、高速回転サブフェーズの処理が実行される。

ステップＳ７において、停止しているセンサノード２があるかが判定される。

停止しているセンサノード２がない場合には、処理はステップＳ１へ戻る。

一方、停止しているセンサノード２がある場合には、ステップＳ８において、停止サブフェーズの処理が実行され、処理はステップＳ１へ戻る。

次に、図１に示した通信システム１００における通信動作の第２の例を、図１４に示すフローチャート（ステップＳ１１～Ｓ１８）を用いて説明する。

図１４に示すフローチャートでは、図１３に示したフローチャートと比較して、低速回転フェーズと停止フェーズとを分離している。

まず、図９に示したＳＮ検知フェーズが開始され、ステップＳ１１において、初期ビームの方向が設定される。

ステップＳ１２において、センサノード２の回転周期及び数が計測される。

ステップＳ１３において、各センサノード２の回転方向が計測される。

ステップＳ１４において、高速回転しているセンサノード２が存在するかを判定する。

高速回転しているセンサノード２がない場合には、ステップＳ１５において、図１１に示した低速回転フェーズの処理が実行され、処理はステップＳ１７へ進む。

一方、高速回転しているセンサノード２がある場合には、図１０に示した高速回転フェーズが開始され、ステップＳ１６において、高速回転サブフェーズの処理が実行される。

ステップＳ１７において、停止しているセンサノード２があるかが判定される。

停止しているセンサノード２がない場合には、処理はステップＳ１１へ戻る。

一方、停止しているセンサノード２がある場合には、ステップＳ１８において、図１０に示した停止サブフェーズ又は図１２に示した停止フェーズの処理が実行され、処理はステップＳ１１へ戻る。

上述した実施形態の一例では、隣接する同一周波数帯を用いるシステム間干渉を抑圧し、空間利用効率を向上させることができる。

〔Ｂ〕その他
開示の技術は上述した各実施形態に限定されるものではなく、各実施形態の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。各実施形態の各構成及び各処理は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。

上述した実施形態では、５ＧＨｚ帯のＷｉ－Ｆｉ信号を送受信することとしたが、これに限定されるものではない。送受信される信号の周波数帯域は種々変更されてよいし、送受信される信号の種類はＷｉ－Ｆｉ信号でなく種々の無線信号であってもよい。センサノード２ではＯＯＫ変調を行なう旨説明したが、他の変調方式であってもよい。たとえば、センサノード２のＴＲＸ２１にミスマッチによる反射がある場合は、ＯＯＫ変調ではなく、Amplitude Shift Keying（ＡＳＫ）変調となる。また、スイッチにより、開放端と短絡端を切り替えることにより、Phase Shift Keying（ＰＳＫ）変調としてもよい。

１００：通信システム
１：アクセスポイント
１１，２１：ＴＲＸ
１２：バックスキャッタＲＸ
１３：ビームフォーミング処理部
１４，２４：素子アンテナ
１５：サーキュレータ
１６：スイッチ
２：センサノード
２２：ＳＰＳＴスイッチ
２３：クロック
３：基部
４：工作機械
５：ベルトコンベア

Claims

複数のセンサノードと無線通信を行うアクセスポイントに備えられる通信回路であって、
前記複数のセンサノードの数、回転周期及び回転方向の計測を行い、
計測された前記回転周期に基づき、第１のモード又は第２のモードを選択し、
前記第１のモードが選択された場合には、第１の周期で前記アクセスポイントから送出されるビームの向きを前記数及び前記回転方向に基づき回転させて通信範囲に存在するセンサノードに対して通信を行い、
前記第２のモードが選択された場合には、前記第１の周期よりも長い第２の周期で前記ビームの向きを前記数及び前記回転方向に基づき回転させ、又は、前記ビームの向きを固定させて、通信範囲に存在するセンサノードに対して通信を行う、通信回路。
前記ビームの向きを固定させることによって前記数及び前記回転周期の計測を同時に行った後に、前記ビームの向きを時計回り及び反時計回りに回転させることによって前記回転方向の計測を行う、請求項１に記載の通信回路。
前記ビームの向きを固定させることによって前記回転周期の計測を行った後に、前記ビームの向きを時計回り及び反時計回りに回転させることによって前記数及び前記回転方向の計測を行う、請求項１に記載の通信回路。
前記第１のモードにおいて、
測定した前記回転周期によって、第１の方向から順番にビームの向きを回転させ、前記第１の方向とは異なる方向を先頭に変えて順番に前記ビームの向きを回転させる処理を繰り返した後に、前記ビームの向きを固定させて停止しているセンサノードのそれぞれに対して通信を行う、請求項１～３のいずれか一項に記載の通信回路。
前記第１のモード又は前記第２のモードにおける前記アクセスポイントの送信電力は、前記数、前記回転周期及び前記回転周期の計測の際における、前記アクセスポイントの送信電力と最小受信電力との中間値を通信マージン程度上回る値である、請求項１～４のいずれか一項に記載の通信回路。
アクセスポイントと複数のセンサノードとを有する通信システムであって、
前記アクセスポイントは、
請求項１～５のいずれか一項に記載の通信回路と、
複数のアンテナと、
前記センサノードをビームトラッキングするためのバックスキャッタ信号を、前記複数のアンテナのいずれかを介して前記センサノードから受信する受信機と、
を備え、
前記複数のセンサノードは、
前記バックスキャッタ信号を前記アクセスポイントへ送信するための単極単投スイッチを備える、通信システム。
アクセスポイントと複数のセンサノードとを有する通信システムであって、
前記複数のセンサノードは、
クロック周波数に基づいたオン／オフの制御により生成したバックスキャッタ信号を前記アクセスポイントへ送信するための単極単投スイッチを備え、
前記アクセスポイントは、
複数のアンテナと、
前記センサノードをビームトラッキングするための前記バックスキャッタ信号を前記複数のアンテナのいずれかを介して前記複数のセンサノードから受信して、受信した前記バックスキャッタ信号を前記アクセスポイントからの送信信号とミキシングすることにより、前記複数のセンサノードごとの前記クロック周波数を検出する受信機と、
検出された前記クロック周波数に基づいて特定した前記複数のセンサノードに対して、
セクタごとのセンサノードの数、回転周期及び回転方向との計測を行うと共に、計測した前記数、前記回転周期及び前記回転方向に基づき、前記複数のアンテナのいずれから送出するビームの向きを制御することにより、通信範囲に存在するセンサノードに対して通信を行う通信回路と、
を備える、通信システム。
複数のセンサノードと無線通信を行うアクセスポイントにおいて、
前記複数のセンサノードの数、回転周期及び回転方向の計測を行い、
計測された前記回転周期に基づき、第１のモード又は第２のモードを選択し、
前記第１のモードが選択された場合には、所定の周期よりも短い周期で前記アクセスポイントから送出されるビームの向きを前記数及び前記回転方向に基づき回転させて通信範囲に存在するセンサノードに対して通信を行うと共に、前記ビームの向きを固定させて停止しているセンサノードに対して通信を行い、
前記第２のモードが選択された場合には、前記所定の周期よりも長い周期で前記ビームの向きを前記数及び前記回転方向に基づき回転させ、又は、前記ビームの向きを固定させて、通信範囲に存在するセンサノードに対して通信を行う、通信方法。