干渉判定方法、通信装置、通信システム
【課題】２通信装置間での無線通信における干渉の有無を適切に判定することができるようにした干渉判定方法、通信装置、通信システムを提供すること。
【解決手段】送信ノードから受信ノードへ無線信号を送信するときに、受信ノードが信号の干渉の有無を判定するための干渉判定方法を以下のとおり行う。先ず、送信ノードと受信ノードの距離を推定する。次に、無線信号の距離に対する減衰度合いを示す関係式に基づき、推定された距離によって送信ノードから受信すべき信号の受信電力の参照値を算出する。そして、受信された信号の受信電力と上記参照値を比較して、その比較結果に基づいて無線信号の干渉の有無を判定する。
【解決手段】送信ノードから受信ノードへ無線信号を送信するときに、受信ノードが信号の干渉の有無を判定するための干渉判定方法を以下のとおり行う。先ず、送信ノードと受信ノードの距離を推定する。次に、無線信号の距離に対する減衰度合いを示す関係式に基づき、推定された距離によって送信ノードから受信すべき信号の受信電力の参照値を算出する。そして、受信された信号の受信電力と上記参照値を比較して、その比較結果に基づいて無線信号の干渉の有無を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信装置間における無線通信の干渉の有無を判定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、センサに無線通信機能を有する小型の電子回路を付加したノード（通信装置）によってネットワークを構成する無線センサネットワークに関する開発が進められている。無線センサネットワークでは、複数のノードの各々が外界の温度、湿度、速度、映像等の情報を収集し、マルチホップ・アドホック通信によって情報を伝達する。無線センサネットワークは、例えば、ヘルスケア、エンタテインメント、遠隔医療等のアプリケーションに利用することが期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２３３１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、無線センサネットワークでは、ノードの増加によって、頻繁に使用される周波数帯においてノード間通信の干渉の可能性が高まっているが、各ノードが干渉の有無を直接的に判定することができないという問題がある。つまり、ノード間の通信で干渉が生じた場合には、各ノードではその干渉の発生を、Ｓ／Ｎ(Signal to Noise)の低下、あるいはデータ伝送レートの低下として間接的に認識できるに過ぎない。そのため、従来のノードは、本来であれば使用周波数を切り替えるべきところを、干渉対策として必ずしも適切でない方法、例えば、受信ダイバーシチの設定の切り替えやパケットの再送等の方法を採る場合があった。受信ノードにおいて干渉が発生しているときには、送信ノード側で送信データに対するacknowledgementが受信できないことから、何回も再送を試みることとなり、無駄な送信のための電力消費が発生し、かつ無駄なトラフィックが生じることになる。
【０００５】
よって、発明の１つの側面では、２通信装置間での無線通信における干渉の有無を適切に判定することができるようにした干渉判定方法、通信装置、通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の観点では、第１通信装置から第２通信装置へ無線信号を送信するときに、第２通信装置が受信信号の干渉の有無を判定するための干渉判定方法が提供される。
この干渉判定方法は、
第１通信装置と第２通信装置の距離を推定し、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、推定された前記距離によって前記第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出し、
受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて第２通信装置の受信信号の干渉の有無を判定する、
ことを含む。
【０００７】
第２の観点では、通信装置が提供される。
この通信装置は、
他の通信装置から無線信号を受信する受信部と、
自装置と前記他の通信装置の距離を推定する距離推定部と、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、前記距離推定部で推定された前記距離によって前記第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出する算出部と、
前記受信部により受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて自装置の受信信号の干渉の有無を判定する判定部と、
を備える。
【０００８】
第３の観点では、第１通信装置と第２通信装置を備え、通信装置間で無線通信が可能な通信システムが提供される。
この通信システムにおいて、
第１通信装置は、第２通信装置宛に無線信号を送信する送信部を備える。
第２通信装置は、
第１通信装置から無線信号を受信する受信部と、
自装置と第１通信装置の距離を推定する距離推定部と、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、前記距離推定部で推定された前記距離によって第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出する算出部と、
前記受信部により受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて自装置の受信信号の干渉の有無を判定する判定部と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
開示の干渉判定方法、通信装置、通信システムによれば、２通信装置間での無線通信における干渉の有無を適切に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態のノードを含む無線センサネットワークの構成例を示す図。
【図２】第１の実施形態のノードの構成の主要部を示すブロック図。
【図３】第１の実施形態において送受ノード間の距離推定方法の一例を説明する図。
【図４】第１の実施形態において送受ノード間の距離推定方法の一例を説明するフローチャート。
【図５】第１の実施形態において送受ノード間の距離推定方法の一例を説明するフロー図。
【図６】第１の実施形態においてルーティングテーブルの情報を用いた送受ノード間の距離推定方法の一例を説明するフロー図。
【図７】第１の実施形態のノードで実行される干渉有無の判定処理のフローチャート。
【図８】第１の実施形態のノードで実行される干渉有無の判定処理の変形例に係るフローチャート。
【図９】第２の実施形態のノードで実行される干渉有無の判定処理のフローチャート。
【図１０】第２の実施形態において減衰定数の更新処理の詳細を示すフローチャート。
【図１１】第２の実施形態のノードにおいて異なる時刻においてサンプリングされた、ノードの受信電力のＣＤＦの一例を示す図。
【図１２】図１１におけるそれぞれの受信電力のＣＤＦ50%値をプロットした一例を示す図。
【図１３】図１２のプロットを複数回繰り返して得られたデータに対して最小二乗近似曲線を生成したものを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の説明では、ノードが無線信号を送信するときにはそのノードを「送信ノード」と表記し、ノードが無線信号を受信するときにはそのノードを「受信ノード」と表記することとする。いずれのノードも送信ノードあるいは受信ノードとなり得る。なお、ノードは、通信装置の一例である。
【００１２】
（１）第１の実施形態
（１−１）無線センサネットワーク
図１に、本実施形態のノードを含む無線センサネットワークの構成例を示す。図１に示すように、無線センサネットワークにおける各ノードは、各種のセンサと接続されている。送信ノードのセンサによって得られた情報は、送信ノードから受信ノードに対して無線信号により送られる。ノード間の通信プロトコルとしては例えば、ＰＨＹ層（物理層）およびＭＡＣ(Media Access Controller)層としてIEEE 802.15.4を使用するZigBee（登録商標）等の短距離無線通信が知られているが、ここでは通信プロトコルは問わない。
【００１３】
（１−２）ノードの構成
次に、図２を参照して、本実施形態のノードの構成について説明する。図２は、本実施形態のノードの構成の主要部を示すブロック図である。
図２に示すように、本実施形態のノードは、アンテナ１１、無線受信部１２、復調・復号部１３、受信電力測定部１４、距離推定部１５、干渉判定部１６、パケット生成部１７、符号化・変調部１８、無線送信部１９およびデュプレクサ（DPX）２０を備える。デュプレクサ２０は、送信および受信でアンテナ１１を共用するために設けられている。
なお、無線受信部は、受信部の一例である。干渉判定部１６は、算出部および判定部の一例である。無線送信部は、送信部の一例である。
【００１４】
無線受信部１２は、アンテナ１１で受信したＲＦ信号をデジタルベースバンド信号に変換する。無線受信部１２は、帯域制限フィルタ、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）、ローカル周波数発信器、直交復調器、ＡＧＣ(Automatic Gain Control)アンプ、Ａ／Ｄ(Analog to Digital)変換器などを含む。受信電力測定部１４は、無線受信部１２の受信電力を測定し、測定した受信電力の情報を干渉判定部１６へ送る。
復調・復号部１３は、無線受信部１２の受信信号を復調し、かつ復号してデータパケットを得る。データパケットには、送信元ノードのアドレスおよび宛先ノードのアドレスを含むヘッダと、センサデータを含むデータと、ＦＣＳ（Frame Check Sequence）とを備えうる。
【００１５】
パケット生成部１７は、自ノードで取得したセンサデータを含むデータパケットを生成する。符号化・変調部１８は、データパケットの誤り訂正符号化及び変調を行う。
無線送信部１９は、Ｄ／Ａ(Digital to Analog)変換器、ローカル周波数発信器、ミキサ、パワーアンプ、フィルタ等を備える。無線送信部１９は、符号化・変調部１８からのベースバンド信号を、ベースバンド周波数から無線周波数へアップコンバート等した後に、アンテナ１１から空間へ放射する。
【００１６】
距離推定部１５は、自ノードと通信対象のノードとの間の距離を推定する。この距離の推定方法については後述する。
干渉判定部１６は、距離推定部１５で推定された通信対象ノードとの間の距離を基に、干渉の有無を判定する。干渉判定部１６は、干渉有りと判定した場合には、干渉を回避するために、無線送信部１９を制御して送信周波数を変化させる。なお、干渉判定の方法については後述する。
【００１７】
本実施形態のノードには、無線センサネットワークにおけるルーティング（経路探索）プロトコルが実装されてよい。実装されるルーティングプロトコルの種類は問わないが、例えば、ＩＥＴＦ(International Engineering Task Force)のＲＦＣ(Request For Comments)３５６１で規定されるＡＯＤＶ（Ad hoc On-Demand Distance Vector）を適用しうる。ＡＯＤＶはReactive型（受動型）のプロトコルであり、データを送受信しようとしてから初めて経路探索を開始する。経路探索が開始されると、送信元ノードは、近接のノードに対して問い合わせを行うためのＲＲＥＱ（Route Request）パケットをブロードキャストで送信する。近接のノードはまたその近接のノードにＲＲＥＱパケットを送信し、ＲＲＥＱパケットが最終的に宛先ノードに到着する。ＲＲＥＱパケットを中継するノードは、複数の経路からＲＲＥＱパケットを受信した場合には、先に到着したＲＲＥＱパケットを採用する。宛先ノードは、ＲＲＥＱパケットが到着すると、その逆の経路によりユニキャストで送信元ノード宛にＲＲＥＰ（Route Reply）パケットを送信することで、送信元ノードに経路情報を伝える。結果として、送信元ノードは、ホップ数が最も少ない経路を選択することになる。
【００１８】
（１−３）送受ノード間距離の推定処理
次に、主として距離推定部１５にて行われる、送受ノード間距離の推定処理について説明する。ここでは、送受ノード間距離の推定方法として以下の（ａ）〜（ｃ）の３通りの方法について開示するが、いずれの方法を採用してもよい。
【００１９】
（ａ）ＧＰＳ(Global Positioning System)を用いた方法
この方法について、図３を参照して説明する。この方法では、送受ノードがＧＰＳ信号をＧＰＳ衛星から受信するための受信回路を備え、ＧＰＳ信号によって得られる位置測位データを基に、送受ノード間距離を推定する。この場合、仮に送受ノードが共に水平面に在るとして、受信ノードで得られる位置測位データが示す座標が（x1, y1）であり、送信ノードで得られる位置測位データが示す座標が（x2, y2）であるとする。このとき、送受ノード間距離ｄは、ｄ＝((x2−x1)2+(y2−y1)2)1/2によって算出される。
この方法では、送信ノードは受信ノードに対して位置測位データを含むデータパケットを送信するが、このときの使用周波数は、干渉を回避する観点から送受ノード間の通信で通常用いる周波数とは異なることが好ましい。
【００２０】
（ｂ）電波の伝搬時間を用いた方法
この方法について、図４および図５を参照して説明する。図４は、この推定方法の処理を示すフローチャートである。図５は、この推定方法においてノード間で送受信されるパケットの時系列上のフローを示す図である。この方法では、ノード間でパケットの送受信を行い、送受ノード間距離に応じたパケットの往復時間によって送受ノード間距離を推定する。以下、図４および図５を参照して電波の伝搬時間を用いた送受ノード間距離の推定処理を説明する。
先ず、他ノードとの距離を測定する距離測定ノードは、自ノードとの距離の測定対象とする他ノードに対して距離測定用パケットの送信を行う基準時刻（Ｔ0）を記録する（ステップＳ１）。そして、距離測定ノードは、距離測定用パケットを他のノード宛に送信する（ステップＳ２）。他のノードは、距離測定用パケットを受信すると所定の時間ΔTp_r経過した後に距離測定用パケットを返信する。距離測定ノードは、返信されてきた距離測定用パケットを受信する（ステップＳ３）。距離測定用ノードは、距離測定用パケットの受信処理を行った時刻（Ｔ1）を記録する（ステップＳ４）。ここで、ステップＳ１からステップＳ２に要する時間、およびステップＳ３からステップＳ４に要する時間（内部の信号処理に要する時間）をΔTp_tとする。このとき、ΔTp_rおよびΔTp_tは概ね固定値と考えてよい。そこで、この方法では、距離測定ノードは、他ノードとの距離ｄをｄ＝(Ｔ1−Ｔ0−ΔTp_r−ΔTp_t)／２・Ｃ（Ｃ：光速）に従って算出することができる。なお、距離測定用パケットのノード間の送受信の使用周波数は、（ａ）と同様に、干渉を回避する観点から送受ノード間の通信で通常用いる周波数とは異なることが好ましい。
【００２１】
（ｃ）ルーティングテーブルの情報を用いる方法
例えば上述したルーティングプロトコルで決定される送受ノード間のコストが送受ノード間距離と概ね比例するという推定の下、送受ノード間距離を推定するようにしてもよい。既に２ノード間でデータ通信が行われたことがある場合、つまり以前にルーティングがなされたことがある場合には、そのときに作成されたルーティングテーブルおよびルート発見テーブルを用いて距離を推定することができる。
例えば、図６に示す例を参照すると、ノードＮ１からノードＮ４へのルーティング（ノードＮ１→Ｎ２→Ｎ３→Ｎ４の経路）が以前になされたことがある場合が示される。ここで、例えば前述したＡＯＤＶ等のルーティングプロトコルが適用される場合には、各ノードには、ルーティングテーブルと、目的ノード（この場合、ノードＮ４）までの残留コストが記述されたルート発見テーブルとが保持されている。なお、ルーティングにおけるコストは、ホップ数、ノード間における参照信号等の受信電力の値、データレートや遅延時間を意味する。図６に示す例では、ノードＮ２とＮ３の間の残留コストの差が３であり、ノードＮ４とＮ４の間の残留コストの差が６である。この方法によれば、これらの残留コストの差がノード間の物理的な距離として推定される。
【００２２】
（１−４）干渉有無の判定処理
次に、図７を参照して、主として干渉判定部１６にて行われる、干渉有無の判定処理について説明する。図７は、干渉有無の判定処理のフローチャートである。
先ず、受信ノードの干渉判定部１６は、送信ノードとの距離ｄを距離推定部１５が推定した値ｄ0とし（ｄ＝ｄ0）、このときに同時に受信電力測定部１４によって測定された受信電力ＰrをＰr0として記録する（ステップＳ１０）。干渉判定部１６は、このｄ0およびＰr0を後述する式（１）の基準値として使用する。なお、ｄ0とＰr0は、自由空間における理論値、あるいは予め測定されて取得しておいた既定値としてよい。
次に干渉判定部１６は、送信ノードとの距離ｄとして距離推定部１５が新たに推定した値ｄnを取得し、このときに同時に受信電力測定部１４によって測定された受信電力Ｐrnを記録する（ステップＳ２０）。そして、干渉判定部１６は、送受ノード間の伝搬環境がステップＳ１０で想定する理論値に従うものと仮定した、距離ｄnにおける受信電力値Ｐr_tを以下の式（１）に従って算出（推定）する（ステップＳ３０）。ステップＳ３０における減衰定数γは、式（１）に示すようにγ＝２の固定値とすることができる。なお、式（１）は所定の関係式の一例である。
【００２３】
【数１】
【００２４】
さらに、干渉判定部１６は、式（１）によって算出される受信電力Ｐr_tの推定誤差およびフェージング等による受信電力変動の平均値ΔＰnと、干渉の許容値ΔＩnとをＰr_tに足し合わせて、干渉判定のための閾値となる電力Ｐthを算出する（ステップＳ４０）。すなわち、閾値となる電力Ｐthは、以下の式（２）のとおりとなる。
【００２５】
【数２】
【００２６】
ここで、干渉判定部１６は、式（１）で推定された受信電力値Ｐr_tが上記閾値電力Ｐthよりも大きいときには（ステップＳ５０のＹＥＳ）、送信ノードからの受信電力以外の他ノードからの干渉電力を受けている（つまり、干渉有）と判断する（ステップＳ６０）。このとき、受信ノードでは、送信ノードに対して使用周波数を変更することを通知するとともに自ノードの無線送信部１９を制御して受信周波数を変更する。逆に、式（１）で推定された受信電力値Ｐr_tが上記閾値電力Ｐth以下であるときには（ステップＳ５０のＮＯ）、干渉無しと判断してステップＳ２０へ戻り、干渉有無の監視を継続する。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態のノードによれば、送受ノード間距離を推定し、その送受ノード間距離から推定される受信電力と実際の受信電力とを比較するため、干渉の有無を適切に判定することができる。そのため、ノードは、干渉の有無の判定に応じた適切な措置を講じることができる。つまり、ノードは、自ら干渉の有無を判定できるため、受信ダイバーシチの設定の切り替えやパケットの再送等の、干渉に対して不適切となりうる策を講じる必要がない。その代わりに、ノードは、干渉が収まるまでのスリープモードの設定、あるいは使用周波数の変更等の、干渉に対して有効な策を直ちに採ることが可能となる。また、干渉を受けていることが分かれば、受信ノードは、周辺のノードに対し、干渉を受けていることの通知をブロードキャストすることができるため、無線センサネットワーク内において、その受信ノードに対する無駄なトラフィックを抑制することができる。さらに、無線センサネットワーク内で、パケットの再送等に消費されていた電力が抑制される。
【００２８】
なお、図７に示した処理のフローチャートを図８に示すフローチャートに変更することで、受信電力Ｐr_tの推定精度を高めることができる。すなわち、図８のフローチャートでは、図７のものに対して、ステップＳ２２およびステップＳ２４が追加される。この追加されたステップでは、送信ノード間距離の基準値であるｄ0とそのときの受信電力の基準値であるＰr0を、より小さな値のサンプルが得られたときには更新していく。つまり、ステップＳ２０で得られた距離の推定値ｄnがそれ以前の基準値ｄ0よりも小さい場合には（ステップＳ２２のＹＥＳ）、その推定値ｄnを新たな基準値ｄ0にするとともに、ステップＳ２０で得られた受信電力Ｐrnを、新たな受信電力の基準値Ｐr0とする（ステップＳ２４）。送受ノード間の距離ｄが小さいほど、より高い精度で送受ノード間を自由空間と推定できるため、両者の間の距離と受信電力の実際の関係が理論的な関係に近付くことになる。そこで、上記更新処理では、得られた送受ノード間の距離が小さいほど、その距離とそのときの受信電力の値を基準値とし、それにより、ステップＳ３０で得られる受信電力Ｐr_tの推定精度を高めることができる。
【００２９】
（２）第２の実施形態
以下、第２の実施形態のノードについて説明する。
第１の実施形態のノードでは減衰定数γを固定値としたが、本実施形態のノードは、減衰定数γを無線の伝搬環境に応じて動的に設定する。これにより、本実施形態のノードでは、第１の実施形態のノードよりも干渉の有無の判定精度が向上する。
なお、本実施形態のノードの構成は概略図２と同一の構成でよいが、干渉判定部１６における処理が第１の実施形態のノードとは異なる。本実施形態では、干渉判定部１６において、減衰定数γを逐次更新するためのルックアップテーブル（LUT）が設けられる。
【００３０】
図９は、本実施形態のノードの干渉判定部１６における処理のフローチャートの一例である。図９に示すように、本実施形態では、図８に示したフローチャートに対して、Ｐr_tを算出する前に減衰定数γの更新処理（ステップＳ２６）が追加されうる。これに限られず、図７のフローチャートに対してステップＳ２６を追加してもよいことは勿論である。
【００３１】
図１０は、減衰定数γの更新処理（図９のステップＳ２６）の詳細を示すフローチャートである。以下、図１０〜１３を参照して、減衰定数γの更新処理の詳細を説明する。
なお、図１１は、異なる時刻においてサンプリングされた、ノードの受信電力ＰrnのＣＤＦ(Cumulative Distribution Function)の一例である。図１２は、図１１におけるそれぞれの受信電力のＣＤＦ50%値をプロットした一例である。図１３は、図１２のプロットを複数回繰り返して得られたデータに対して最小二乗近似曲線を生成したものである。図１１〜１３はすべて、本実施形態のノードの干渉判定部１６が図１０の処理を実行することによって得られるデータである。
なお、各図および以下の説明において、Ｋは、仲上−ライス分布あるいは仲上ｍ分布のファクタであり、例えば「ディジタル移動通信の電波伝搬基礎、コロナ社、特に24〜27頁」等の公知文献を参照されたい。
【００３２】
減衰定数γを推定するには、ノードの受信電力と送受信ノード間距離（Ｐrn-ｄn）の関係をプロットし、得られたプロットと、理論的な減衰定数γによる曲線との２乗誤差が最も小さくなるようなγの値を選択する方法が考えられる。ところが、無線センサネットワークでは、送信ノードをユーザが保持している場合が想定される。その場合、上記プロットを得るための送受信ノード間距離を、受信ノード側で変化させることはできない。そこで、本実施形態では図１０に示した方法を用いる。
【００３３】
図１０を参照すると先ず、干渉判定部１６は、減衰定数γの更新用ルックアップテーブルが作成済みでなければ（ステップＳ１００のＮＯ）、ステップＳ１１０へ進む。ステップＳ１１０、Ｓ１７０およびＳ１８０は、ステップＳ１９０で減衰定数γを算出するために必要な量のプロットが得られるように、ステップＳ１２０〜Ｓ１６０の処理を所定の回数（Ｎ回）繰り返すために設けられている。
【００３４】
ステップＳ１２０およびＳ１３０は、サンプリング条件としてサンプル間隔を適切に設定するための処理である。複数の受信電力の測定（つまり、サンプリング）を、コヒーレンス時間より短い時間内で行ってしまうと、それぞれの時刻における伝搬路が独立と見なせないため、ＣＤＦをプロットしたときに誤差が生じうる。その結果、受信電力のサンプル値が実際の伝搬環境で得られるべき適切なＫの範囲に含まれない可能性が生ずる。そこで、受信電力のサンプル間隔は、コヒーレンス時間より長い間隔で行うことが好ましい。伝搬環境における移動体が歩行者のみの場合、コヒーレンス時間は一定と考えて良いが、歩行者だけでない場合は、コヒーレンス時間をリアルタイムで測定し、適応的にサンプル間隔を変化させることが好ましい。 コヒーレンス時間の測定に当たって、干渉判定部１６は先ず受信信号波形をフーリエ変換することにより周波数領域に変換し、最大ドップラ周波数ｆＤを測定する（ステップＳ１２０）。そして、干渉判定部１６は、最大ドップラ周波数ｆＤからコヒーレンス時間Ｔcを算出する（ステップＳ１３０）。コヒーレンス時間Ｔcは、最大ドップラ周波数ｆＤの逆数によって近似される。
【００３５】
次に干渉判定部１６は、ステップＳ１３０で算出したコヒーレンス時間Ｔcよりも長いサンプル間隔を設定し、そのサンプル間隔で受信電力Ｐrnを測定し、図１１に例示すように、ＣＤＦをプロットする（ステップＳ１４０）。さらに干渉判定部１６は、受信電力のＣＤＦのプロット値をＫの範囲ごとに分類する。
ステップＳ１４０では、例えば異なる３時刻において、送受信ノード間距離ｄnのときの受信電力Ｐrnをそれぞれ数100〜1000サンプル取得する。これらのサンプルによって得られたＣＤＦのプロットを、仲上−ライス分布あるいは仲上ｍ分布のＫごとの理論曲線と比較する。ここでは、図１１に示すように、その比較の結果、各時刻における受信電力値のＣＤＦが、●:０＜Ｋ＜１の範囲, ▲:３＜Ｋ＜４の範囲, ×:１０＜Ｋ＜２０の範囲のそれぞれの範囲に含まれている場合を想定する。
【００３６】
次に干渉判定部１６は、それぞれの受信電力のＣＤＦ50%値を、それぞれの時刻における受信電力のＫの範囲(０＜Ｋ＜１，３＜Ｋ＜４，１０＜Ｋ＜２０)を示すポイントを、Ｐrn-ｄnのグラフ上にプロットする。このプロットの処理結果を、図１２に示す。この時点では、それぞれのＫの範囲からＰrn-ｄnグラフ上には1つのポイントのみがプロットされる。そして、ステップＳ１２０〜Ｓ１６０の処理を数回（図１０ではＮ回）繰り返すことにより、図１３に示すように、各Ｋの範囲毎に数個のポイントを得ることができる。
【００３７】
次に干渉判定部１６は、同じく図１３に示すように、このＫの範囲毎の受信電力のポイントと以下の式（３）との間の２乗誤差を計算し、２乗誤差が最も小さくなるようなγの値を算出する（最小２乗誤差近似）。図１３により、送受ノード間距離ｄnと受信電力Ｐrnが既知であるとしたときの、ファクタＫごとの減衰定数γの更新用ルックアップテーブルが作成されたことになる。なお、以上のステップＳ１４０〜１６０に相当する処理は、説明の分かりやすさから図を参照して説明したが、実際には干渉判定部１６によるディジタル演算処理により実行される。
上述して算出される減衰定数γの値は、伝搬環境がレイリー分布に近い場合にはその程度に応じて３〜４程度の値となり、仲上−ライス分布に近い場合（つまり、見通し通信である度合いが強い場合）にはその程度に応じて２〜３程度の値となる。
【００３８】
本実施形態のノードの干渉判定部１６は、図１３に示すようなルックアップテーブルが作成されると、それ以降は定期的にサンプルが取得される。そして、サンプルによって得られるＣＤＦが属するＫの範囲（例えば、上述した０＜Ｋ＜１，３＜Ｋ＜４，１０＜Ｋ＜２０のいずれか）を特定し、その特定したＫの範囲に基づき、ルックアップテーブルを参照して一意に減衰定数γが得られることになる。
以上のようにして、定期的なサンプルに基づいて、逐次減衰定数γが更新される。ノードの干渉判定部１６は、更新された減衰定数γを基に、図９のステップＳ２６において以下の式（３）の演算を実行し、受信電力Ｐr_tを算出する。
【００３９】
【数３】
【００４０】
なお、上述した例では、ファクタＫの範囲を３通りとしたが、これは一例に過ぎず、３以上の任意のＫの範囲を設定することができる。しかしながら、Ｋの範囲の刻み幅をあまりに狭くした場合、それぞれのＫの範囲において取得されるサンプル数が十分ではない場合が生じ、減衰定数γの推定の精度が低下する虞がある。そのため、Ｋの各範囲の数に応じて十分な数のサンプルを採ることが好ましい。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の干渉判定方法、通信装置、通信システムは上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのは勿論である。
【００４２】
以上の各実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
【００４３】
（付記１）
第１通信装置から第２通信装置へ無線信号を送信するときに、第２通信装置が受信信号の干渉の有無を判定するための干渉判定方法であって、
第１通信装置と第２通信装置の距離を推定し、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、推定された前記距離によって前記第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出し、
受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて第２通信装置の受信信号の干渉の有無を判定する、
ことを含む、干渉判定方法。
【００４４】
（付記２）
前記関係式は、第１通信装置からの所定の基準距離だけ離間した第２通信装置における受信電力を基準受信電力としたときに、前記基準距離と、推定された第１通信装置と第２通信装置の距離との比のγ乗（γ：正の値）の値に対して前記基準受信電力を乗じた値を前記参照値として算出するものであって、
第１通信装置と第２通信装置の間の伝搬環境の変化に応じて前記γの値を更新することをさらに含む、
付記１に記載された干渉判定方法。
【００４５】
（付記３）
第１通信装置と第２通信装置の通信が見通し通信である場合には、見通し通信でない場合と比較して、前記γの値を小さい値とすること、を含む、
付記２に記載された干渉判定方法。
【００４６】
（付記４）
第１通信装置から受信した信号の受信電力が前記基準受信電力よりも小さい場合には、受信した信号の受信電力を新たな基準受信電力にするとともに、当該信号を第１通信装置から受信したときに推定された、第１通信装置と第２通信装置の距離を、新たな基準距離とすることをさらに含む、
付記２または３に記載された干渉判定方法。
【００４７】
（付記５）
他の通信装置から無線信号を受信する受信部と、
自装置と前記他の通信装置の距離を推定する距離推定部と、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、前記距離推定部で推定された前記距離によって前記第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出する算出部と、
前記受信部により受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて自装置の受信信号の干渉の有無を判定する判定部と、
を備えた通信装置。
【００４８】
（付記６）
前記関係式は、第１通信装置からの所定の基準距離だけ離間した第２通信装置における受信電力を基準受信電力としたときに、前記基準距離と、推定された第１通信装置と第２通信装置の距離との比のγ乗（γ：正の値）の値に対して前記基準受信電力を乗じた値を前記参照値として算出するものであって、
前記算出部は、
前記他の通信装置と自装置の伝搬環境の変化に応じて前記γの値を更新する、
付記５に記載された通信装置。
【００４９】
（付記７）
前記他の通信装置と自装置の通信が見通し通信である場合には、見通し通信でない場合と比較して、前記γの値を小さい値とする、
付記６に記載された通信装置。
【００５０】
（付記８）
前記算出部は、
前記他の通信装置から受信した信号の受信電力が前記基準受信電力よりも小さい場合には、受信した信号の受信電力を新たな基準受信電力にするとともに、当該信号を前記他の通信装置から受信したときに推定された、前記他の通信装置と自装置の距離を、新たな基準距離とすることをさらに含む、
付記６または７に記載された通信装置。
【００５１】
（付記９）
第１通信装置と第２通信装置を備え、通信装置間で無線通信が可能な通信システムにおいて、
第１通信装置は、
第２通信装置宛に無線信号を送信する送信部を備え、
第２通信装置は、
第１通信装置から無線信号を受信する受信部と、
自装置と第１通信装置の距離を推定する距離推定部と、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、前記距離推定部で推定された前記距離によって第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出する算出部と、
前記受信部により受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて自装置の受信信号の干渉の有無を判定する判定部と、を備えた、
通信システム。
【符号の説明】
【００５２】
１１…アンテナ
１２…無線受信部
１３…復調・復号部
１４…受信電力測定部
１５…距離推定部
１６…干渉判定部
１７…パケット生成部
１８…符号化・変調部
１９…無線送信部
２０…デュプレクサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信装置間における無線通信の干渉の有無を判定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、センサに無線通信機能を有する小型の電子回路を付加したノード（通信装置）によってネットワークを構成する無線センサネットワークに関する開発が進められている。無線センサネットワークでは、複数のノードの各々が外界の温度、湿度、速度、映像等の情報を収集し、マルチホップ・アドホック通信によって情報を伝達する。無線センサネットワークは、例えば、ヘルスケア、エンタテインメント、遠隔医療等のアプリケーションに利用することが期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２３３１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、無線センサネットワークでは、ノードの増加によって、頻繁に使用される周波数帯においてノード間通信の干渉の可能性が高まっているが、各ノードが干渉の有無を直接的に判定することができないという問題がある。つまり、ノード間の通信で干渉が生じた場合には、各ノードではその干渉の発生を、Ｓ／Ｎ(Signal to Noise)の低下、あるいはデータ伝送レートの低下として間接的に認識できるに過ぎない。そのため、従来のノードは、本来であれば使用周波数を切り替えるべきところを、干渉対策として必ずしも適切でない方法、例えば、受信ダイバーシチの設定の切り替えやパケットの再送等の方法を採る場合があった。受信ノードにおいて干渉が発生しているときには、送信ノード側で送信データに対するacknowledgementが受信できないことから、何回も再送を試みることとなり、無駄な送信のための電力消費が発生し、かつ無駄なトラフィックが生じることになる。
【０００５】
よって、発明の１つの側面では、２通信装置間での無線通信における干渉の有無を適切に判定することができるようにした干渉判定方法、通信装置、通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の観点では、第１通信装置から第２通信装置へ無線信号を送信するときに、第２通信装置が受信信号の干渉の有無を判定するための干渉判定方法が提供される。
この干渉判定方法は、
第１通信装置と第２通信装置の距離を推定し、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、推定された前記距離によって前記第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出し、
受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて第２通信装置の受信信号の干渉の有無を判定する、
ことを含む。
【０００７】
第２の観点では、通信装置が提供される。
この通信装置は、
他の通信装置から無線信号を受信する受信部と、
自装置と前記他の通信装置の距離を推定する距離推定部と、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、前記距離推定部で推定された前記距離によって前記第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出する算出部と、
前記受信部により受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて自装置の受信信号の干渉の有無を判定する判定部と、
を備える。
【０００８】
第３の観点では、第１通信装置と第２通信装置を備え、通信装置間で無線通信が可能な通信システムが提供される。
この通信システムにおいて、
第１通信装置は、第２通信装置宛に無線信号を送信する送信部を備える。
第２通信装置は、
第１通信装置から無線信号を受信する受信部と、
自装置と第１通信装置の距離を推定する距離推定部と、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、前記距離推定部で推定された前記距離によって第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出する算出部と、
前記受信部により受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて自装置の受信信号の干渉の有無を判定する判定部と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
開示の干渉判定方法、通信装置、通信システムによれば、２通信装置間での無線通信における干渉の有無を適切に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態のノードを含む無線センサネットワークの構成例を示す図。
【図２】第１の実施形態のノードの構成の主要部を示すブロック図。
【図３】第１の実施形態において送受ノード間の距離推定方法の一例を説明する図。
【図４】第１の実施形態において送受ノード間の距離推定方法の一例を説明するフローチャート。
【図５】第１の実施形態において送受ノード間の距離推定方法の一例を説明するフロー図。
【図６】第１の実施形態においてルーティングテーブルの情報を用いた送受ノード間の距離推定方法の一例を説明するフロー図。
【図７】第１の実施形態のノードで実行される干渉有無の判定処理のフローチャート。
【図８】第１の実施形態のノードで実行される干渉有無の判定処理の変形例に係るフローチャート。
【図９】第２の実施形態のノードで実行される干渉有無の判定処理のフローチャート。
【図１０】第２の実施形態において減衰定数の更新処理の詳細を示すフローチャート。
【図１１】第２の実施形態のノードにおいて異なる時刻においてサンプリングされた、ノードの受信電力のＣＤＦの一例を示す図。
【図１２】図１１におけるそれぞれの受信電力のＣＤＦ50%値をプロットした一例を示す図。
【図１３】図１２のプロットを複数回繰り返して得られたデータに対して最小二乗近似曲線を生成したものを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の説明では、ノードが無線信号を送信するときにはそのノードを「送信ノード」と表記し、ノードが無線信号を受信するときにはそのノードを「受信ノード」と表記することとする。いずれのノードも送信ノードあるいは受信ノードとなり得る。なお、ノードは、通信装置の一例である。
【００１２】
（１）第１の実施形態
（１−１）無線センサネットワーク
図１に、本実施形態のノードを含む無線センサネットワークの構成例を示す。図１に示すように、無線センサネットワークにおける各ノードは、各種のセンサと接続されている。送信ノードのセンサによって得られた情報は、送信ノードから受信ノードに対して無線信号により送られる。ノード間の通信プロトコルとしては例えば、ＰＨＹ層（物理層）およびＭＡＣ(Media Access Controller)層としてIEEE 802.15.4を使用するZigBee（登録商標）等の短距離無線通信が知られているが、ここでは通信プロトコルは問わない。
【００１３】
（１−２）ノードの構成
次に、図２を参照して、本実施形態のノードの構成について説明する。図２は、本実施形態のノードの構成の主要部を示すブロック図である。
図２に示すように、本実施形態のノードは、アンテナ１１、無線受信部１２、復調・復号部１３、受信電力測定部１４、距離推定部１５、干渉判定部１６、パケット生成部１７、符号化・変調部１８、無線送信部１９およびデュプレクサ（DPX）２０を備える。デュプレクサ２０は、送信および受信でアンテナ１１を共用するために設けられている。
なお、無線受信部は、受信部の一例である。干渉判定部１６は、算出部および判定部の一例である。無線送信部は、送信部の一例である。
【００１４】
無線受信部１２は、アンテナ１１で受信したＲＦ信号をデジタルベースバンド信号に変換する。無線受信部１２は、帯域制限フィルタ、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）、ローカル周波数発信器、直交復調器、ＡＧＣ(Automatic Gain Control)アンプ、Ａ／Ｄ(Analog to Digital)変換器などを含む。受信電力測定部１４は、無線受信部１２の受信電力を測定し、測定した受信電力の情報を干渉判定部１６へ送る。
復調・復号部１３は、無線受信部１２の受信信号を復調し、かつ復号してデータパケットを得る。データパケットには、送信元ノードのアドレスおよび宛先ノードのアドレスを含むヘッダと、センサデータを含むデータと、ＦＣＳ（Frame Check Sequence）とを備えうる。
【００１５】
パケット生成部１７は、自ノードで取得したセンサデータを含むデータパケットを生成する。符号化・変調部１８は、データパケットの誤り訂正符号化及び変調を行う。
無線送信部１９は、Ｄ／Ａ(Digital to Analog)変換器、ローカル周波数発信器、ミキサ、パワーアンプ、フィルタ等を備える。無線送信部１９は、符号化・変調部１８からのベースバンド信号を、ベースバンド周波数から無線周波数へアップコンバート等した後に、アンテナ１１から空間へ放射する。
【００１６】
距離推定部１５は、自ノードと通信対象のノードとの間の距離を推定する。この距離の推定方法については後述する。
干渉判定部１６は、距離推定部１５で推定された通信対象ノードとの間の距離を基に、干渉の有無を判定する。干渉判定部１６は、干渉有りと判定した場合には、干渉を回避するために、無線送信部１９を制御して送信周波数を変化させる。なお、干渉判定の方法については後述する。
【００１７】
本実施形態のノードには、無線センサネットワークにおけるルーティング（経路探索）プロトコルが実装されてよい。実装されるルーティングプロトコルの種類は問わないが、例えば、ＩＥＴＦ(International Engineering Task Force)のＲＦＣ(Request For Comments)３５６１で規定されるＡＯＤＶ（Ad hoc On-Demand Distance Vector）を適用しうる。ＡＯＤＶはReactive型（受動型）のプロトコルであり、データを送受信しようとしてから初めて経路探索を開始する。経路探索が開始されると、送信元ノードは、近接のノードに対して問い合わせを行うためのＲＲＥＱ（Route Request）パケットをブロードキャストで送信する。近接のノードはまたその近接のノードにＲＲＥＱパケットを送信し、ＲＲＥＱパケットが最終的に宛先ノードに到着する。ＲＲＥＱパケットを中継するノードは、複数の経路からＲＲＥＱパケットを受信した場合には、先に到着したＲＲＥＱパケットを採用する。宛先ノードは、ＲＲＥＱパケットが到着すると、その逆の経路によりユニキャストで送信元ノード宛にＲＲＥＰ（Route Reply）パケットを送信することで、送信元ノードに経路情報を伝える。結果として、送信元ノードは、ホップ数が最も少ない経路を選択することになる。
【００１８】
（１−３）送受ノード間距離の推定処理
次に、主として距離推定部１５にて行われる、送受ノード間距離の推定処理について説明する。ここでは、送受ノード間距離の推定方法として以下の（ａ）〜（ｃ）の３通りの方法について開示するが、いずれの方法を採用してもよい。
【００１９】
（ａ）ＧＰＳ(Global Positioning System)を用いた方法
この方法について、図３を参照して説明する。この方法では、送受ノードがＧＰＳ信号をＧＰＳ衛星から受信するための受信回路を備え、ＧＰＳ信号によって得られる位置測位データを基に、送受ノード間距離を推定する。この場合、仮に送受ノードが共に水平面に在るとして、受信ノードで得られる位置測位データが示す座標が（x1, y1）であり、送信ノードで得られる位置測位データが示す座標が（x2, y2）であるとする。このとき、送受ノード間距離ｄは、ｄ＝((x2−x1)2+(y2−y1)2)1/2によって算出される。
この方法では、送信ノードは受信ノードに対して位置測位データを含むデータパケットを送信するが、このときの使用周波数は、干渉を回避する観点から送受ノード間の通信で通常用いる周波数とは異なることが好ましい。
【００２０】
（ｂ）電波の伝搬時間を用いた方法
この方法について、図４および図５を参照して説明する。図４は、この推定方法の処理を示すフローチャートである。図５は、この推定方法においてノード間で送受信されるパケットの時系列上のフローを示す図である。この方法では、ノード間でパケットの送受信を行い、送受ノード間距離に応じたパケットの往復時間によって送受ノード間距離を推定する。以下、図４および図５を参照して電波の伝搬時間を用いた送受ノード間距離の推定処理を説明する。
先ず、他ノードとの距離を測定する距離測定ノードは、自ノードとの距離の測定対象とする他ノードに対して距離測定用パケットの送信を行う基準時刻（Ｔ0）を記録する（ステップＳ１）。そして、距離測定ノードは、距離測定用パケットを他のノード宛に送信する（ステップＳ２）。他のノードは、距離測定用パケットを受信すると所定の時間ΔTp_r経過した後に距離測定用パケットを返信する。距離測定ノードは、返信されてきた距離測定用パケットを受信する（ステップＳ３）。距離測定用ノードは、距離測定用パケットの受信処理を行った時刻（Ｔ1）を記録する（ステップＳ４）。ここで、ステップＳ１からステップＳ２に要する時間、およびステップＳ３からステップＳ４に要する時間（内部の信号処理に要する時間）をΔTp_tとする。このとき、ΔTp_rおよびΔTp_tは概ね固定値と考えてよい。そこで、この方法では、距離測定ノードは、他ノードとの距離ｄをｄ＝(Ｔ1−Ｔ0−ΔTp_r−ΔTp_t)／２・Ｃ（Ｃ：光速）に従って算出することができる。なお、距離測定用パケットのノード間の送受信の使用周波数は、（ａ）と同様に、干渉を回避する観点から送受ノード間の通信で通常用いる周波数とは異なることが好ましい。
【００２１】
（ｃ）ルーティングテーブルの情報を用いる方法
例えば上述したルーティングプロトコルで決定される送受ノード間のコストが送受ノード間距離と概ね比例するという推定の下、送受ノード間距離を推定するようにしてもよい。既に２ノード間でデータ通信が行われたことがある場合、つまり以前にルーティングがなされたことがある場合には、そのときに作成されたルーティングテーブルおよびルート発見テーブルを用いて距離を推定することができる。
例えば、図６に示す例を参照すると、ノードＮ１からノードＮ４へのルーティング（ノードＮ１→Ｎ２→Ｎ３→Ｎ４の経路）が以前になされたことがある場合が示される。ここで、例えば前述したＡＯＤＶ等のルーティングプロトコルが適用される場合には、各ノードには、ルーティングテーブルと、目的ノード（この場合、ノードＮ４）までの残留コストが記述されたルート発見テーブルとが保持されている。なお、ルーティングにおけるコストは、ホップ数、ノード間における参照信号等の受信電力の値、データレートや遅延時間を意味する。図６に示す例では、ノードＮ２とＮ３の間の残留コストの差が３であり、ノードＮ４とＮ４の間の残留コストの差が６である。この方法によれば、これらの残留コストの差がノード間の物理的な距離として推定される。
【００２２】
（１−４）干渉有無の判定処理
次に、図７を参照して、主として干渉判定部１６にて行われる、干渉有無の判定処理について説明する。図７は、干渉有無の判定処理のフローチャートである。
先ず、受信ノードの干渉判定部１６は、送信ノードとの距離ｄを距離推定部１５が推定した値ｄ0とし（ｄ＝ｄ0）、このときに同時に受信電力測定部１４によって測定された受信電力ＰrをＰr0として記録する（ステップＳ１０）。干渉判定部１６は、このｄ0およびＰr0を後述する式（１）の基準値として使用する。なお、ｄ0とＰr0は、自由空間における理論値、あるいは予め測定されて取得しておいた既定値としてよい。
次に干渉判定部１６は、送信ノードとの距離ｄとして距離推定部１５が新たに推定した値ｄnを取得し、このときに同時に受信電力測定部１４によって測定された受信電力Ｐrnを記録する（ステップＳ２０）。そして、干渉判定部１６は、送受ノード間の伝搬環境がステップＳ１０で想定する理論値に従うものと仮定した、距離ｄnにおける受信電力値Ｐr_tを以下の式（１）に従って算出（推定）する（ステップＳ３０）。ステップＳ３０における減衰定数γは、式（１）に示すようにγ＝２の固定値とすることができる。なお、式（１）は所定の関係式の一例である。
【００２３】
【数１】
【００２４】
さらに、干渉判定部１６は、式（１）によって算出される受信電力Ｐr_tの推定誤差およびフェージング等による受信電力変動の平均値ΔＰnと、干渉の許容値ΔＩnとをＰr_tに足し合わせて、干渉判定のための閾値となる電力Ｐthを算出する（ステップＳ４０）。すなわち、閾値となる電力Ｐthは、以下の式（２）のとおりとなる。
【００２５】
【数２】
【００２６】
ここで、干渉判定部１６は、式（１）で推定された受信電力値Ｐr_tが上記閾値電力Ｐthよりも大きいときには（ステップＳ５０のＹＥＳ）、送信ノードからの受信電力以外の他ノードからの干渉電力を受けている（つまり、干渉有）と判断する（ステップＳ６０）。このとき、受信ノードでは、送信ノードに対して使用周波数を変更することを通知するとともに自ノードの無線送信部１９を制御して受信周波数を変更する。逆に、式（１）で推定された受信電力値Ｐr_tが上記閾値電力Ｐth以下であるときには（ステップＳ５０のＮＯ）、干渉無しと判断してステップＳ２０へ戻り、干渉有無の監視を継続する。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態のノードによれば、送受ノード間距離を推定し、その送受ノード間距離から推定される受信電力と実際の受信電力とを比較するため、干渉の有無を適切に判定することができる。そのため、ノードは、干渉の有無の判定に応じた適切な措置を講じることができる。つまり、ノードは、自ら干渉の有無を判定できるため、受信ダイバーシチの設定の切り替えやパケットの再送等の、干渉に対して不適切となりうる策を講じる必要がない。その代わりに、ノードは、干渉が収まるまでのスリープモードの設定、あるいは使用周波数の変更等の、干渉に対して有効な策を直ちに採ることが可能となる。また、干渉を受けていることが分かれば、受信ノードは、周辺のノードに対し、干渉を受けていることの通知をブロードキャストすることができるため、無線センサネットワーク内において、その受信ノードに対する無駄なトラフィックを抑制することができる。さらに、無線センサネットワーク内で、パケットの再送等に消費されていた電力が抑制される。
【００２８】
なお、図７に示した処理のフローチャートを図８に示すフローチャートに変更することで、受信電力Ｐr_tの推定精度を高めることができる。すなわち、図８のフローチャートでは、図７のものに対して、ステップＳ２２およびステップＳ２４が追加される。この追加されたステップでは、送信ノード間距離の基準値であるｄ0とそのときの受信電力の基準値であるＰr0を、より小さな値のサンプルが得られたときには更新していく。つまり、ステップＳ２０で得られた距離の推定値ｄnがそれ以前の基準値ｄ0よりも小さい場合には（ステップＳ２２のＹＥＳ）、その推定値ｄnを新たな基準値ｄ0にするとともに、ステップＳ２０で得られた受信電力Ｐrnを、新たな受信電力の基準値Ｐr0とする（ステップＳ２４）。送受ノード間の距離ｄが小さいほど、より高い精度で送受ノード間を自由空間と推定できるため、両者の間の距離と受信電力の実際の関係が理論的な関係に近付くことになる。そこで、上記更新処理では、得られた送受ノード間の距離が小さいほど、その距離とそのときの受信電力の値を基準値とし、それにより、ステップＳ３０で得られる受信電力Ｐr_tの推定精度を高めることができる。
【００２９】
（２）第２の実施形態
以下、第２の実施形態のノードについて説明する。
第１の実施形態のノードでは減衰定数γを固定値としたが、本実施形態のノードは、減衰定数γを無線の伝搬環境に応じて動的に設定する。これにより、本実施形態のノードでは、第１の実施形態のノードよりも干渉の有無の判定精度が向上する。
なお、本実施形態のノードの構成は概略図２と同一の構成でよいが、干渉判定部１６における処理が第１の実施形態のノードとは異なる。本実施形態では、干渉判定部１６において、減衰定数γを逐次更新するためのルックアップテーブル（LUT）が設けられる。
【００３０】
図９は、本実施形態のノードの干渉判定部１６における処理のフローチャートの一例である。図９に示すように、本実施形態では、図８に示したフローチャートに対して、Ｐr_tを算出する前に減衰定数γの更新処理（ステップＳ２６）が追加されうる。これに限られず、図７のフローチャートに対してステップＳ２６を追加してもよいことは勿論である。
【００３１】
図１０は、減衰定数γの更新処理（図９のステップＳ２６）の詳細を示すフローチャートである。以下、図１０〜１３を参照して、減衰定数γの更新処理の詳細を説明する。
なお、図１１は、異なる時刻においてサンプリングされた、ノードの受信電力ＰrnのＣＤＦ(Cumulative Distribution Function)の一例である。図１２は、図１１におけるそれぞれの受信電力のＣＤＦ50%値をプロットした一例である。図１３は、図１２のプロットを複数回繰り返して得られたデータに対して最小二乗近似曲線を生成したものである。図１１〜１３はすべて、本実施形態のノードの干渉判定部１６が図１０の処理を実行することによって得られるデータである。
なお、各図および以下の説明において、Ｋは、仲上−ライス分布あるいは仲上ｍ分布のファクタであり、例えば「ディジタル移動通信の電波伝搬基礎、コロナ社、特に24〜27頁」等の公知文献を参照されたい。
【００３２】
減衰定数γを推定するには、ノードの受信電力と送受信ノード間距離（Ｐrn-ｄn）の関係をプロットし、得られたプロットと、理論的な減衰定数γによる曲線との２乗誤差が最も小さくなるようなγの値を選択する方法が考えられる。ところが、無線センサネットワークでは、送信ノードをユーザが保持している場合が想定される。その場合、上記プロットを得るための送受信ノード間距離を、受信ノード側で変化させることはできない。そこで、本実施形態では図１０に示した方法を用いる。
【００３３】
図１０を参照すると先ず、干渉判定部１６は、減衰定数γの更新用ルックアップテーブルが作成済みでなければ（ステップＳ１００のＮＯ）、ステップＳ１１０へ進む。ステップＳ１１０、Ｓ１７０およびＳ１８０は、ステップＳ１９０で減衰定数γを算出するために必要な量のプロットが得られるように、ステップＳ１２０〜Ｓ１６０の処理を所定の回数（Ｎ回）繰り返すために設けられている。
【００３４】
ステップＳ１２０およびＳ１３０は、サンプリング条件としてサンプル間隔を適切に設定するための処理である。複数の受信電力の測定（つまり、サンプリング）を、コヒーレンス時間より短い時間内で行ってしまうと、それぞれの時刻における伝搬路が独立と見なせないため、ＣＤＦをプロットしたときに誤差が生じうる。その結果、受信電力のサンプル値が実際の伝搬環境で得られるべき適切なＫの範囲に含まれない可能性が生ずる。そこで、受信電力のサンプル間隔は、コヒーレンス時間より長い間隔で行うことが好ましい。伝搬環境における移動体が歩行者のみの場合、コヒーレンス時間は一定と考えて良いが、歩行者だけでない場合は、コヒーレンス時間をリアルタイムで測定し、適応的にサンプル間隔を変化させることが好ましい。 コヒーレンス時間の測定に当たって、干渉判定部１６は先ず受信信号波形をフーリエ変換することにより周波数領域に変換し、最大ドップラ周波数ｆＤを測定する（ステップＳ１２０）。そして、干渉判定部１６は、最大ドップラ周波数ｆＤからコヒーレンス時間Ｔcを算出する（ステップＳ１３０）。コヒーレンス時間Ｔcは、最大ドップラ周波数ｆＤの逆数によって近似される。
【００３５】
次に干渉判定部１６は、ステップＳ１３０で算出したコヒーレンス時間Ｔcよりも長いサンプル間隔を設定し、そのサンプル間隔で受信電力Ｐrnを測定し、図１１に例示すように、ＣＤＦをプロットする（ステップＳ１４０）。さらに干渉判定部１６は、受信電力のＣＤＦのプロット値をＫの範囲ごとに分類する。
ステップＳ１４０では、例えば異なる３時刻において、送受信ノード間距離ｄnのときの受信電力Ｐrnをそれぞれ数100〜1000サンプル取得する。これらのサンプルによって得られたＣＤＦのプロットを、仲上−ライス分布あるいは仲上ｍ分布のＫごとの理論曲線と比較する。ここでは、図１１に示すように、その比較の結果、各時刻における受信電力値のＣＤＦが、●:０＜Ｋ＜１の範囲, ▲:３＜Ｋ＜４の範囲, ×:１０＜Ｋ＜２０の範囲のそれぞれの範囲に含まれている場合を想定する。
【００３６】
次に干渉判定部１６は、それぞれの受信電力のＣＤＦ50%値を、それぞれの時刻における受信電力のＫの範囲(０＜Ｋ＜１，３＜Ｋ＜４，１０＜Ｋ＜２０)を示すポイントを、Ｐrn-ｄnのグラフ上にプロットする。このプロットの処理結果を、図１２に示す。この時点では、それぞれのＫの範囲からＰrn-ｄnグラフ上には1つのポイントのみがプロットされる。そして、ステップＳ１２０〜Ｓ１６０の処理を数回（図１０ではＮ回）繰り返すことにより、図１３に示すように、各Ｋの範囲毎に数個のポイントを得ることができる。
【００３７】
次に干渉判定部１６は、同じく図１３に示すように、このＫの範囲毎の受信電力のポイントと以下の式（３）との間の２乗誤差を計算し、２乗誤差が最も小さくなるようなγの値を算出する（最小２乗誤差近似）。図１３により、送受ノード間距離ｄnと受信電力Ｐrnが既知であるとしたときの、ファクタＫごとの減衰定数γの更新用ルックアップテーブルが作成されたことになる。なお、以上のステップＳ１４０〜１６０に相当する処理は、説明の分かりやすさから図を参照して説明したが、実際には干渉判定部１６によるディジタル演算処理により実行される。
上述して算出される減衰定数γの値は、伝搬環境がレイリー分布に近い場合にはその程度に応じて３〜４程度の値となり、仲上−ライス分布に近い場合（つまり、見通し通信である度合いが強い場合）にはその程度に応じて２〜３程度の値となる。
【００３８】
本実施形態のノードの干渉判定部１６は、図１３に示すようなルックアップテーブルが作成されると、それ以降は定期的にサンプルが取得される。そして、サンプルによって得られるＣＤＦが属するＫの範囲（例えば、上述した０＜Ｋ＜１，３＜Ｋ＜４，１０＜Ｋ＜２０のいずれか）を特定し、その特定したＫの範囲に基づき、ルックアップテーブルを参照して一意に減衰定数γが得られることになる。
以上のようにして、定期的なサンプルに基づいて、逐次減衰定数γが更新される。ノードの干渉判定部１６は、更新された減衰定数γを基に、図９のステップＳ２６において以下の式（３）の演算を実行し、受信電力Ｐr_tを算出する。
【００３９】
【数３】
【００４０】
なお、上述した例では、ファクタＫの範囲を３通りとしたが、これは一例に過ぎず、３以上の任意のＫの範囲を設定することができる。しかしながら、Ｋの範囲の刻み幅をあまりに狭くした場合、それぞれのＫの範囲において取得されるサンプル数が十分ではない場合が生じ、減衰定数γの推定の精度が低下する虞がある。そのため、Ｋの各範囲の数に応じて十分な数のサンプルを採ることが好ましい。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の干渉判定方法、通信装置、通信システムは上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのは勿論である。
【００４２】
以上の各実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
【００４３】
（付記１）
第１通信装置から第２通信装置へ無線信号を送信するときに、第２通信装置が受信信号の干渉の有無を判定するための干渉判定方法であって、
第１通信装置と第２通信装置の距離を推定し、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、推定された前記距離によって前記第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出し、
受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて第２通信装置の受信信号の干渉の有無を判定する、
ことを含む、干渉判定方法。
【００４４】
（付記２）
前記関係式は、第１通信装置からの所定の基準距離だけ離間した第２通信装置における受信電力を基準受信電力としたときに、前記基準距離と、推定された第１通信装置と第２通信装置の距離との比のγ乗（γ：正の値）の値に対して前記基準受信電力を乗じた値を前記参照値として算出するものであって、
第１通信装置と第２通信装置の間の伝搬環境の変化に応じて前記γの値を更新することをさらに含む、
付記１に記載された干渉判定方法。
【００４５】
（付記３）
第１通信装置と第２通信装置の通信が見通し通信である場合には、見通し通信でない場合と比較して、前記γの値を小さい値とすること、を含む、
付記２に記載された干渉判定方法。
【００４６】
（付記４）
第１通信装置から受信した信号の受信電力が前記基準受信電力よりも小さい場合には、受信した信号の受信電力を新たな基準受信電力にするとともに、当該信号を第１通信装置から受信したときに推定された、第１通信装置と第２通信装置の距離を、新たな基準距離とすることをさらに含む、
付記２または３に記載された干渉判定方法。
【００４７】
（付記５）
他の通信装置から無線信号を受信する受信部と、
自装置と前記他の通信装置の距離を推定する距離推定部と、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、前記距離推定部で推定された前記距離によって前記第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出する算出部と、
前記受信部により受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて自装置の受信信号の干渉の有無を判定する判定部と、
を備えた通信装置。
【００４８】
（付記６）
前記関係式は、第１通信装置からの所定の基準距離だけ離間した第２通信装置における受信電力を基準受信電力としたときに、前記基準距離と、推定された第１通信装置と第２通信装置の距離との比のγ乗（γ：正の値）の値に対して前記基準受信電力を乗じた値を前記参照値として算出するものであって、
前記算出部は、
前記他の通信装置と自装置の伝搬環境の変化に応じて前記γの値を更新する、
付記５に記載された通信装置。
【００４９】
（付記７）
前記他の通信装置と自装置の通信が見通し通信である場合には、見通し通信でない場合と比較して、前記γの値を小さい値とする、
付記６に記載された通信装置。
【００５０】
（付記８）
前記算出部は、
前記他の通信装置から受信した信号の受信電力が前記基準受信電力よりも小さい場合には、受信した信号の受信電力を新たな基準受信電力にするとともに、当該信号を前記他の通信装置から受信したときに推定された、前記他の通信装置と自装置の距離を、新たな基準距離とすることをさらに含む、
付記６または７に記載された通信装置。
【００５１】
（付記９）
第１通信装置と第２通信装置を備え、通信装置間で無線通信が可能な通信システムにおいて、
第１通信装置は、
第２通信装置宛に無線信号を送信する送信部を備え、
第２通信装置は、
第１通信装置から無線信号を受信する受信部と、
自装置と第１通信装置の距離を推定する距離推定部と、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、前記距離推定部で推定された前記距離によって第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出する算出部と、
前記受信部により受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて自装置の受信信号の干渉の有無を判定する判定部と、を備えた、
通信システム。
【符号の説明】
【００５２】
１１…アンテナ
１２…無線受信部
１３…復調・復号部
１４…受信電力測定部
１５…距離推定部
１６…干渉判定部
１７…パケット生成部
１８…符号化・変調部
１９…無線送信部
２０…デュプレクサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１通信装置から第２通信装置へ無線信号を送信するときに、第２通信装置が受信信号の干渉の有無を判定するための干渉判定方法であって、
第１通信装置と第２通信装置の距離を推定し、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、推定された前記距離によって前記第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出し、
受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて第２通信装置の受信信号の干渉の有無を判定する、
ことを含む、干渉判定方法。
【請求項２】
前記関係式は、第１通信装置からの所定の基準距離だけ離間した第２通信装置における受信電力を基準受信電力としたときに、前記基準距離と、推定された第１通信装置と第２通信装置の距離との比のγ乗（γ：正の値）の値に対して前記基準受信電力を乗じた値を前記参照値として算出するものであって、
第１通信装置と第２通信装置の間の伝搬環境の変化に応じて前記γの値を更新することをさらに含む、
請求項１に記載された干渉判定方法。
【請求項３】
第１通信装置から受信した信号の受信電力が前記基準受信電力よりも小さい場合には、受信した信号の受信電力を新たな基準受信電力にするとともに、当該信号を第１通信装置から受信したときに推定された、第１通信装置と第２通信装置の距離を、新たな基準距離とすることをさらに含む、
請求項２に記載された干渉判定方法。
【請求項４】
他の通信装置から無線信号を受信する受信部と、
自装置と前記他の通信装置の距離を推定する距離推定部と、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、前記距離推定部で推定された前記距離によって前記第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出する算出部と、
前記受信部により受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて自装置の受信信号の干渉の有無を判定する判定部と、
を備えた通信装置。
【請求項５】
第１通信装置と第２通信装置を備え、通信装置間で無線通信が可能な通信システムにおいて、
第１通信装置は、
第２通信装置宛に無線信号を送信する送信部を備え、
第２通信装置は、
第１通信装置から無線信号を受信する受信部と、
自装置と第１通信装置の距離を推定する距離推定部と、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、前記距離推定部で推定された前記距離によって第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出する算出部と、
前記受信部により受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて自装置の受信信号の干渉の有無を判定する判定部と、を備えた、
通信システム。
【請求項１】
第１通信装置から第２通信装置へ無線信号を送信するときに、第２通信装置が受信信号の干渉の有無を判定するための干渉判定方法であって、
第１通信装置と第２通信装置の距離を推定し、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、推定された前記距離によって前記第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出し、
受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて第２通信装置の受信信号の干渉の有無を判定する、
ことを含む、干渉判定方法。
【請求項２】
前記関係式は、第１通信装置からの所定の基準距離だけ離間した第２通信装置における受信電力を基準受信電力としたときに、前記基準距離と、推定された第１通信装置と第２通信装置の距離との比のγ乗（γ：正の値）の値に対して前記基準受信電力を乗じた値を前記参照値として算出するものであって、
第１通信装置と第２通信装置の間の伝搬環境の変化に応じて前記γの値を更新することをさらに含む、
請求項１に記載された干渉判定方法。
【請求項３】
第１通信装置から受信した信号の受信電力が前記基準受信電力よりも小さい場合には、受信した信号の受信電力を新たな基準受信電力にするとともに、当該信号を第１通信装置から受信したときに推定された、第１通信装置と第２通信装置の距離を、新たな基準距離とすることをさらに含む、
請求項２に記載された干渉判定方法。
【請求項４】
他の通信装置から無線信号を受信する受信部と、
自装置と前記他の通信装置の距離を推定する距離推定部と、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、前記距離推定部で推定された前記距離によって前記第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出する算出部と、
前記受信部により受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて自装置の受信信号の干渉の有無を判定する判定部と、
を備えた通信装置。
【請求項５】
第１通信装置と第２通信装置を備え、通信装置間で無線通信が可能な通信システムにおいて、
第１通信装置は、
第２通信装置宛に無線信号を送信する送信部を備え、
第２通信装置は、
第１通信装置から無線信号を受信する受信部と、
自装置と第１通信装置の距離を推定する距離推定部と、
無線信号の距離に対する減衰度合いを示す所定の関係式に基づき、前記距離推定部で推定された前記距離によって第１通信装置から受信すべき信号の受信電力の参照値を算出する算出部と、
前記受信部により受信された信号の受信電力と前記参照値を比較して、その比較結果に基づいて自装置の受信信号の干渉の有無を判定する判定部と、を備えた、
通信システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１８２６９８（Ｐ２０１２−１８２６９８Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４４６６８（Ｐ２０１１−４４６６８）
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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