符号系列の生成方法、無線通信装置及び無線通信システム
【課題】スペクトル拡散通信方式に基づいた周波数ホッピング方式を利用する無線通信システムにおいて、干渉が少なく且つ秘匿性が高い周波数ホッピング系列を生成する。
【解決手段】周波数の異なる複数のキャリアを符号系列の符号値に基づいて順次切り替えて信号を送受信する周波数ホッピング方式のスペクトル拡散通信を行う無線通信装置を複数含むセルと、セルで用いられる符号系列を制御する制御局と、を備えた無線通信システムにおいて、周波数ホッピングの符号系列の生成方法であって、複数の異なる符号系列を生成する第1のステップと、生成した符号系列を、同一のセル内及び異なるセル間で重複しない組合せによって二つ以上接続することによって、新たな系列長の符号系列を生成する第2のステップとを備える。
【解決手段】周波数の異なる複数のキャリアを符号系列の符号値に基づいて順次切り替えて信号を送受信する周波数ホッピング方式のスペクトル拡散通信を行う無線通信装置を複数含むセルと、セルで用いられる符号系列を制御する制御局と、を備えた無線通信システムにおいて、周波数ホッピングの符号系列の生成方法であって、複数の異なる符号系列を生成する第1のステップと、生成した符号系列を、同一のセル内及び異なるセル間で重複しない組合せによって二つ以上接続することによって、新たな系列長の符号系列を生成する第2のステップとを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、スペクトル拡散通信方式に基づいた周波数ホッピング方式を利用する無線通信システムにおいて、干渉が少なく且つ秘匿性が高い周波数ホッピング系列を生成する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
拡散符号を用いて広帯域の信号波による通信方式の一つに、スペクトル拡散通信方式に基づいた周波数ホッピング方式が知られている。このような通信方式として、例えば、スペクトル拡散通信システムにおけるカオス力学系の結合様式を用いた拡散系列の生成方法において、2つ以上のカオス力学系の結合の組合せで生成した結合系列を用いるようにしたスペクトル拡散通信システムにおけるカオスを用いた拡散系列の生成方法が知られている(特許文献1参照)。
【0003】
また、隣接チャネル間の干渉の影響を軽減する方法として、周波数チャンネルを、偶数及び奇数チャンネルに振り分け、1周期前半においては、偶数チャンネルのグループ内でホッピングパタンが割り当てられ、1周期後半においては、奇数チャンネルのグループ内でホッピングパタンが割り当てられ、1周期前半及び1周期後半の各ホッピングパタンを連結することにより、拡張ホッピングパタンが合成され、拡張ホッピングパタンに応じて、周波数チャンネルを切替え、変調された送信データを送信する周波数ホッピング方法が知られている(特許文献2参照)。
【0004】
またさらに、周波数ホッピング方式に用いられる符号系列の生成方法として、リードソロモン符号を用いた符号系列の生成方法が知られている(非特許文献1参照)。
【特許文献1】特開平11−266179号公報
【特許文献2】特開2000−101481号公報
【非特許文献1】横山光雄 著、「スペクトル拡散通信システム」、科学技術出版社、昭和63年、pp.437−440
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
前述した特許文献のような方法を用いて符号系列を生成し、周波数ホッピングにより通信する場合は、符号系列のランダム性と隣接チャネル間の干渉とが問題となる。
【0006】
例えば、前述した特許文献1に記載の発明のように、カオス生成方式を使用した場合は、周波数ホッピング系列に必要な、一様なランダム性に欠ける場合がある。
【0007】
また、前述した特許文献2に記載の発明のように、チャネルを偶数番目と奇数番目に分けた場合は、セル数が二つの場合のみ隣接チャネル間の干渉を効率的に軽減するが、それ以上のセル数の場合は効果的でない。
【0008】
また、前述した非特許文献1に記載のリードソロモン符号による生成多項式に基づいて周波数ホッピング系列を複数系列生成することによって、一様なランダム性が保障される。しかし、リードソロモン符号を用いた場合は、それを使用する無線通信システムのセルが非同期で動作した場合に、ホッピング周波数同士の衝突確率が大きく増大する場合がある。
【0009】
この例を具体的に説明する。
【0010】
リードソロモン符号による生成方法では、無線通信システム内にあるセル同士が非同期に動作すると、別々に生成させた符号系列が完全に一致して衝突する場合がある。
【0011】
図13は、従来の無線通信システムにおいて、異なるセルが非同期に動作した場合の衝突発生の例を示す説明図である。
【0012】
図13の例では、系列数Qを17、aをこの系列数Qに対応する適切値の3、Bを0として設定した例である。この多項式において、一つ目の系列「fh1、0」は、Aを1に設定し、二つ目の系列「fh2、0」は、Aを2に設定した。
【0013】
さらに、この無線通信システムは、生成された系列の値をそれぞれのセルの周波数チャネルに対応させる。すなわち、生成された系列値が周波数チャネルの番号となる。
【0014】
この無線通信システムでは、セル間で時間的に同期がとれている場合は二つの系列間で一致する値はないので、周波数チャネルの衝突は発生しない。しかし、セル間が非同期の場合には、系列「fh1、0」の系列値と「系列fh2、0」とが、異なるタイミングで生成される。特に系列「fh1、0」の系列値が二つ分遅れてシフトした場合は、系列「fh2、0」の系列値と完全に一致してしまう。そのためセル間でチャネルの衝突が発生する。
【0015】
また、リードソロモン符号を用いた生成方法は、系列値の周期がQ−1となるため、系列数Qが少ない場合に周期が短くなる。従って、秘匿性が低下する欠点がある。
【0016】
本発明は、このような問題点に鑑みて成されたものであり、多くのセル数を備える無線通信システムにおいて、符号系列の一様なランダム性を保証すると共に、隣接したチャネル間の干渉を軽減させる方法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】
【0017】
本発明による一実施形態によると、周波数の異なる複数のキャリアを符号系列の符号値に基づいて順次切り替えて信号を送受信する周波数ホッピング方式のスペクトル拡散通信を行う無線通信装置を複数含むセルと、前記セルで用いられる符号系列を制御する制御局と、を備えた無線通信システムにおいて、前記周波数ホッピングの符号系列の生成方法であって、複数の異なる符号系列を生成する第1のステップと、前記生成した符号系列を、同一のセル内及び異なるセル間で重複しない組合せによって二つ以上接続することによって、新たな系列長の符号系列を生成する第2のステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、無線通信システムにおいて、各セルが非同期で動作した場合にも、周波数チャネルの衝突確率を低く抑えることができる。そして、生成した符号系列を接続することによって符号系列を長周期化し、隣接チャネル間の干渉を軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0020】
図1Aは、本発明の実施の形態の周波数ホッピング系列生成方法を用いる無線通信システムの構成ブロック図である。
【0021】
本実施形態の無線通信システムは、セル1及びセル2が、制御局30に通信路を介して接続されている。
【0022】
セル1は、一つの親局21と複数の子局11A、11B及び11Cとから構成されている。親局21は、周波数ホッピングによって子局11A、11B及び11Cと無線通信する無線通信装置である。このセル1内では、同一の符号系列によるホッピング周波数を用い、親局21と、子局11A、11B及び11Cとは時分割によって異なる周波数を用いる。
【0023】
なお、セル2は、セル1と同様に、一つの親局22と複数の子局12A、12B及び12Cとから構成されている。これらの構成はセル1と同様である。
【0024】
制御局30は、セル1及びセル2のそれぞれに、予め定めた一意の識別子(ID)を設定する。そして、設定したIDに基づいた符号系列を設定する。
【0025】
図1では、二つのセルが示されているが、これに限らず、さらに多くのセルを用いた無線通信システムであってもよい。
【0026】
図1Bは、本発明の実施の形態の親局21及び子局11に備えられる無線部100の構成ブロック図である。
【0027】
無線部100は、親局21及び子局11の無線通信を制御する。
【0028】
送信用のデータは、図示しない制御部からベースバンド信号としてローパスフィルタ101に入力される。ローパスフィルタ101は、ベースバンド信号の高周波成分を除去して、一次変調器102に入力する一次変調器は、入力された信号を高周波信号に変換して、周波数変換器103に入力する。
【0029】
一方で、FH(Frequency Hopping)系列生成器300は、周波数ホッピングのための符号系列を生成して、周波数シンセサイザ400に入力する。周波数シンセサイザ400は、この符号系列をホッピング同期した送信周波数に変換して、周波数変換器103に入力する。
【0030】
周波数変換器103は、周波数シンセサイザから入力された送信周波数を元に、一次変調器から入力された高周波信号を送信信号に変換する、生成された送信信号は切替器500を介して、アンテナ600によって電波として送信される。
【0031】
また、アンテナ600が受信した受信信号は、切替器500を介して周波数変換器203に入力される。周波数変換器203は、周波数シンセサイザから入力された送信周波数を元に、切替器500を介して入力された受信信号を高周波信号に変換する。変換された高周波信号はバンドパスフィルタ202に入力される。バンドパスフィルタ202は、入力された高周波信号から所定の周波数成分を除去して、一次復調器201に入力する。一次変調器201は、入力された信号をベースバンド信号に変換して、制御部に入力する。
【0032】
次に、FH系列生成器300によって生成される符号系列について説明する。
【0033】
FH系列生成器300は、2次変復調である周波数シンセサイザ400によって発生させる、各チャネルに対応した送信周波数の順序を決定する。
【0034】
本発明の実施の形態の無線通信システムでは、前述した非特許文献1に記載のリードソロモン符号(数式1参照)を用いて符号系列を生成する。
【0035】
このリードソロモン符号による符号系列の生成多項式は、数式1に示す1次式によって表される。
【0036】
【数1】
【0037】
ここで、P(i)はi番目の系列値、aは原始元と呼ばれる適切な固定値、Aは変数aiに関する1次係数値、Bは定数値、Qは系列値の数であり、位数とも呼ぶ。また、mod.Qは、式全体をQで剰余計算、すなわち、除算した余りを算出することを意味する。なお、生成多項式は必ずしも1次式には限定されない。
【0038】
なお、リードソロモン符号を用いた符号系列において、それを使用する無線通信システムのセルが非同期で動作した場合に、ホッピング周波数同士の衝突確率が大きく増大する場合がある。そこで、本発明の実施の形態では、セル間が非同期で動作した場合にも衝突確率を低くするために、系列を生成するための定数項Bを異なる値に設定する。
【0039】
以下に、この場合の例を説明する。
【0040】
まず、一つめの系列「fh1、0」は、一次係数値Aを1、定数Bを0に設定する。そして、もう一方の系列「fh1、1」は、一次係数値Aを1、定数Bを1に設定する。この場合、各系列は、それぞれ図2に示す値をとる。
【0041】
この場合は、各系列を用いるセル間が非同期で動作し、位相のシフトが生じた場合にも、完全に系列が一致する場合はない。
【0042】
なお、BはQ個の値(この例では0から16までの17個)を取り得るので、17個の系列を作成することができる。また、Aは1からQ−1までの任意の値に設定すればよい。
【0043】
次に、FH系列生成器300の動作を説明する。
【0044】
図3は、本発明の実施の形態のFH系列生成器300の処理のフローチャートである。
【0045】
FH系列生成器300は、まず、符号系列の生成のためのパラメータを設定する。パラメータは、所望のホッピング数に等しい位数Q、任意の係数A、Qに対応した適切な原始元a、及び、定数Cである(ステップS301)。そして、Bに0を設定することによって、Bの値を初期化する(ステップS302)。
【0046】
次に、FH系列生成器300は、Bの値がQの値よりも小さいか否かを判定する(ステップS303)。そして、Bの値がQの値よりも小さい場合は、以降のステップS304乃至S308を繰り返す。
【0047】
まず、FH系列生成器300は、繰り返しのための変数iに0を設定することによってiを初期化する(ステップS304)。次に、この変数iの値がQ−1の値よりも小さいか否かを判定する(ステップS305)。そして、iの値がQ−1の値よりも小さい場合は、ステップS306に移行して、系列値PB(i)を、前述の数式1によって算出する。
【0048】
次に、FH系列生成器300は、変数iに1を加算してステップS305に戻る。そして、iの値がQ−1の値を超えるまで、ステップS306及びS307の処理を繰り返す。
【0049】
その後、ステップS305において、iの値がQ−1の値以上と判定した場合は、ステップS307に移行し、FH系列生成器300は、Bの値に定数Cを加算した新たな位数Bを算出して、ステップS303に戻る。なお、Cの値は、1からQ−1の範囲の整数値である。
【0050】
その後、ステップS303において、Bの値がQの値以上と判定した場合は、FH系列生成器300は、系列値生成の処理を終了する。
【0051】
この結果、系列値Q−1個からなる符号系列がQ系列生成される。
【0052】
次に、生成された符号系列を用いて長周期化する処理を説明する。
【0053】
FH系列設定器300は、前述した図3のフローチャートによって、Q個の符号系列を生成する。ここで、通信の秘匿性を高めるために、符号系列を長周期化する場合を考える。
【0054】
符号系列を長周期化するためには、系列値を増やせばよい。系列値を増やすためには位数Qの値を大きく数必要がある。しかし、位数Qの値を大きくすると系列値演算のための計算式が膨大となってしまう。そこで、生成した符号系列を用いて、セル毎に異なる符号系列を重複せずに接続することによって、長期化された新たな符号系列(拡張符号系列)を生成する。
【0055】
図4は、本発明の実施の形態の符号系列の接続の一例の説明図である。
【0056】
図4の例は、セル数が5セルである無線通信システムにおける長周期化の一例である。
【0057】
FH符号生成器300は、セル1ではまず系列1を適用し、系列1が一巡したら、次に系列6を接続する、そしてさらに系列11を接続する。
【0058】
この結果、セル1に適用される系列値は、生成した符号系列の3倍の周期の系列値に拡張される。同様にして、セル2は、系列2、系列7及び系列12を接続する。セル3乃至セル5も同様に、他のセルと重複しない系列を接続する。
【0059】
図5は、本発明の実施の形態のFH系列生成器300の長周期化の処理のフローチャートである。
【0060】
FH系列生成器300は、長周期化の処理のためのパラメータを設定する。パラメータは、無線通信システムに含まれるセル数NC及び長周期化のために接続する系列の数を定める系列接続数NAである(ステップS501)。
【0061】
次に、FH系列生成器300は、繰り返しのための変数iCに1を設定することによって初期化する(ステップS502)。そして、定数BをiCから1減算した値に設定する(ステップS503)。
【0062】
次に、FH系列生成器300は、iCの値がNCの値以下であるか否かを判定する(ステップS504)。そして、iCの値がNCの値を上回るまで、以降のステップS505乃至S511を繰り返す。
【0063】
まず、FH系列生成器300は、繰り返しのための変数kAに1を設定することによって初期化する(ステップS505)。そして、現在の定数Bの値に対応したPB系列をPiC系列に設定する(ステップS506)。なお、FH系列生成器300は、予め、NCにNAを乗じた数以上の数の定数BによるPB系列を作成しておく。
【0064】
次に、FH系列生成器300は、変数kAの値がNAの値以下であるか否かを判定する(ステップS507)。そして、変数kAの値がNAの値を上回るまで、ステップS508乃至S511の処理を繰り返す。
【0065】
まず、ステップS508では、FH系列生成器300は、定数BにNCを加算した値に設定する。そして、PiC系列にPB系列を接続する(ステップS510)。その後、変数kAに1を加算して、ステップS507に戻る。
【0066】
このステップS508乃至S511の処理によって、NA個のPB系列が接続されたPiC系列が生成される。
【0067】
ステップS507において、変数kAの値がNAの値を上回ったと判定した場合は、ステップS509に移行する。FH系列生成器300は、変数iCの値を1加算した値に設定して、ステップS503に戻る。
【0068】
このフローチャートによる処理の結果、NA個のPB系列が接続されたPiC系列が、NC個生成される。
【0069】
次に、ホッピング数を可変にするための処理を説明する。
【0070】
各セルに用いられる符号系列は、系列長、すなわちホッピング数を大きくすると、それに対応して無線通信の秘匿性が増す。しかしながら、通信の秘匿性に応じてホッピング数を可変可能とする無線通信システムでは、ホッピング数を変更する毎に対応する系列を生成すると、FH系列生成器300の演算処理量が増大してしまう。
【0071】
そこで、予め無線通信システムで規定されている最大のホッピング数によってホッピング系列を生成し、これを例えばルックアップテーブルやメモリに保存しておく。そして、保存された系列から、通信時用いる所望のホッピング数の系列に変換する。
【0072】
図6は、本発明の実施の形態のホッピング数変更の処理のフローチャートである。
【0073】
この処理は、無線通信システムにおいて通信を開始する前段階の処理として実行される。
【0074】
FH系列生成器300は、最初に、ホッピング数変更のためのパラメータを設定する(ステップS601)。パラメータは、無線通信システム内で規定されている最大ホッピング数NHmaxと、通信時に使用する所望のホッピング数NHである。最大ホッピング数NHmaxは、無線通信システムの帯域幅によって決定される。
【0075】
次に、FH系列生成器300は、NHmaxを位数とした符号系列を生成する(ステップS602)。この処理は前述した図3のフローチャートと同じである。FH系列生成器300は、生成された符号系列(NHmax)を、親局21又は子局11のFH系列生成器300に備えられているメモリ等に格納する。なお、符号系列(NHmax)を他の装置によって生成してもよい。また、メモリは、親局21又は子局11に備えられている情報を記憶可能な装置であればどのような構成であってもよい。
【0076】
次に、無線通信開始時に、生成された符号系列(NHmax)から、所望のホッピング数であるNによる符号系列(NH)を生成する。具体的には、生成された符号系列(NHmax)の各系列値にNHによって剰余計算をする。この結果、系列値がNH以下の値となる符号系列が生成される。
【0077】
このように、予め、無線通信システム内で規定されている最大のホッピング数の符号系列を作成しておけば、通信を開始する毎に符号系列生成のための処理量の多い演算(数式1)を行うことなく、演算量の比較的少ない剰余計算のみで所望の符号系列を生成することができる。
【0078】
なお、剰余計算ではなく、最大ホッピング数によって生成した符号系列(NHmax)から、所望のホッピング数を越える値を除外した系列を生成してもよい。具体的には、最大ホッピング数による系列値の数が100であり、所望のホッピング数が10である場合は、系列値100のうち、下位10の系列値のみを取得した符号系列を生成し、上位90の系列値を除外する。
【0079】
このようにすることで、系列値の生成における演算量を少なくすることができる。
【0080】
次に、本発明の実施の形態の数値シミュレーションによる効果について説明する。
【0081】
まず、二つの系列px(i)とpy(i)との衝突確率の演算を説明する。
【0082】
二つの系列の衝突確率は、次の数式2及び数式3によって算出される。数式2はチャネル間の系列値の一致を示す演算式であり、数式3は、チャネル間の系列値の隣接を示す演算式である。
【0083】
【数2】
【0084】
【数3】
【0085】
なお、数式2及び数式3において、x及びyは、系列の生成に使用する定数B、iはべき乗数、すなわち系列内の順番に対応する値とする。
【0086】
さらに、この数式2及び数式3から、次の数式4によって、二つの系列間の「一致」数及び「隣接」数をカウントし、系列組合せ数と系列長とで正規化した一致確率及び隣接確率を算出する。
【0087】
【数4】
【0088】
なお、Pij(k)は、系列i番目とj番目の衝突カウント、kは、非同期を想定した位相のずれの離散値、NCはセル数を示す。また、NCC2は、NC個のうちの2個を取り出す組合せ数である。
【0089】
図7は、前述の図6のフローチャートによって剰余計算した場合と、剰余計算をしなかった場合との衝突確率を比較したシミュレーション結果の一例の説明図である。なお、この例では、シミュレーション条件を、ホッピング数19、101及び601の場合において、それぞれ、セル数を3、系列接続数を6としたシミュレーションの結果である。
【0090】
図7において、再剰余無し、すなわち剰余計算を行わなかった場合において、一致確率を丸で示し、隣接確率を四角で示す。これらは、ホッピング数19、101及び601を位数として生成した系列を用いて前述の数式1乃至4を用いて算出したシミュレーション結果である。
【0091】
一方、再剰余有り、すなわち剰余計算を行った場合において、一致確率を点線で示し、隣接確率を一点鎖線で示す。これらは、最大ホッピング数1201を位数として生成した系列を用いて、各々のホッピング数に対応した剰余計算を行った系列を用いて算出したシミュレーション結果である。
【0092】
図7に示すように、一致確率及び隣接確率のいずれにおいても、剰余計算を行った場合と行わなかった場合の衝突確率は同等である。すなわち、最大ホッピング数によって生成した符号系列から剰余計算によって生成された系列は、少ない演算量で生成することができるにもかかわらず、衝突確率は劣化しない。
【0093】
次に、前述した符号系列の演算式の変形例を説明する。
【0094】
前述した数式1によって符号系列を生成する場合に、ホッピング数に対応するiがaの指数であるために、ホッピング数が数百や数千のオーダとなった場合は、一般的な計算機ではべき乗演算がオーバーフローしてしまう。そのため、符号系列の算出が不可能となってしまう。そこで、本発明の実施の形態では、前述の数式1を、次の数式5に示すようなプロセスによって、漸化式に変形する。
【0095】
【数5】
【0096】
この数式5に示す漸化式を用いることで、べき乗計算が不要となる。この場合、初期値として、a=0としたp(0)を数式6によって算出する。
【0097】
【数6】
【0098】
その後、iの値を1つずつ増加させることによって、p(i)を順次計算し、再帰的に系列値が求められる。
【0099】
図8は、この数式5及び数式6を、論理回路によって実現する構成ブロック図である。
【0100】
この論理回路を、FH系列生成器300にソフトウェア又はハードウェアによって実装することによって、ホッピング数が増大した場合にも、オーバーフローすることなく符号系列を算出可能となる。
【0101】
まず、最初に初期値P(0)を入力する。この初期値P(0)は加算器301によってBが減算され、乗算器302によってaが乗算され、さらに、加算器303によってBが加算されて算出された値から、剰余計算器304によって、Qによる剰余計算がされる。この計算結果がP(1)となる。
【0102】
次に、算出されたP(1)を加算器301に入力することによって、演算を繰り返してP(2)が求まる、以下、この値を再帰的に演算することによって、P(i)系列が作成される。
【0103】
次に、チャネル間干渉の軽減について説明する。
【0104】
隣接したチャネル間における系列値の干渉を軽減させるために、異なる符号系列間での隣接値衝突確率を低減することが必要となる。そのためには、前述した図3のフローチャートの処理において、異なる符号系列の定数項Bを2以上異ならせることが効果的である。すなわち、図3おいて、定数CをC>=2として、異なる系列を作成する。
【0105】
図9は、図3において、定数Cを1に設定した場合と、定数Cを2に設定した場合とのシミュレーション結果の一例の説明図である。
【0106】
図9(a)は、ホッピング数601、セル数3(即ち系列数3)、系列接続数3、A=1、C=1とした場合の系列を生成し、この系列の位相を前後に一つずつ5つまでシフトさせた二つの系列を生成し、その衝突確率を算出した結果である。
【0107】
また、図9(b)は、ホッピング数601、セル数3(即ち系列数3)、系列接続数3、A=1、C=2とした場合の系列を生成し、この系列の位相を前後に一つずつ5つまでシフトさせた二つの系列を生成し、その衝突確率を算出した結果である。
【0108】
この図9に示すように、チャネル間の一致確率は、図9(a)と図9(b)との差はあまりない。すなわち、Bの値に関わらず位相ずれの影響は少ない。しかし、チャネル間の隣接確率は、図9(a)では約0.3であるのに対し、図9(b)では、約0.003となっている。
【0109】
従って、Cの値を2以上に設定することによって、隣接確率を大幅に減少させることができる。これは、Cの値を1に設定すると、異なるチャネル間では系列値が1だけずれた系列が生成される。これに対して、Cの値を2に設定すると、異なるチャネル間では系列値が2以上ずれた系列が生成されるためである。従って、Cの値を2に設定した方がチャネル間の隣接確率の低い符号系列を生成することができる。なお、Cの値を3以上とした場合にも系列値が3以上ずれるため隣接確率が低くなるが、系列値の数がそれに伴い小さくなってしまう。
【0110】
次に、生成した符号系列を各セルに割り当てる方法を説明する。
【0111】
前述のように、符号系列をどのように生成するかによって、チャネル間の符号値の一致又は隣接干渉を低減した。
【0112】
周波数ホッピングを使用する無線通信システムにおいて、設定された符号系列の系列値を、各セルの対応する周波数チャネルに割り当てる。このとき、一致衝突及び隣接チャネル間干渉をさらに軽減させるため、次にように系列値を各チャネルに割り当てる。
【0113】
図10は、本発明の実施の形態の、各セルに割り当てる符号値の説明図である。
【0114】
なお、図10に示す例では、無線通信システムにおいて三つのセルが構成されており、周波数チャネルが24チャネル、符号値が1〜4、すなわちホッピング数を4に設定する。なお、各セルへの系列値の割当ては、制御局30が実行する。
【0115】
制御局30は、まず、符号値1を、セル1ではチャネル1に割当て、セル2では、セル1に割り当てたチャネルよりも一つ隔てたチャネル3に割当て、セル3ではセル2に割り当てたチャネルよりも一つ隔てたチャネル5に割り当てる。
【0116】
このように符号値を割り当てることによって、各セルが同じ符号値1である場合にも、各セルは一つ隔てた異なる周波数チャネルを使用するため、チャネル間の符号値の一致が回避され、隣接チャネル間干渉の影響も発生しない。
【0117】
次に、セル間で時間分割を用いた系列値の割当てを説明する。
【0118】
ここでは、同じセル内で同一の符号系列を使用する時分割方式の無線通信システムについて考える。この場合は、送信側と受信側とで、使用する符号系列と符号系列中の位置、すなわちホッピング周波数とを一致させるように設定することによって、ホッピング周波数のサーチ時間が節約できる。従って、高速な同期捕捉が可能となる。
【0119】
ここでは、セル毎に一意に設定された識別子(ID:Identification)情報と、時間情報との二つの情報を用いて符号系列値を設定する。
【0120】
図11は、本発明の実施の形態のID情報及び時間情報の割当ての一例の説明図である
無線通信システムにおいて、セル毎に一意に設定されたID情報が設定される。このID情報は、同じセルに含まれる無線通信装置(親局及び子局)は、同一のID番号が予め設定されている。さらに、同一のセルの無線通信装置は、無線通信システムの立ち上げ時に同期した時間情報を持つ。なお、各無線通信装置が、時間情報をGPS(Global Positioning System)によって随時取得して、時間情報を同期させてもよい。
【0121】
そして、各無線通信装置において、ID情報と時間情報とに基づいて使用する系列値を決定して、その系列値に対応するホッピング周波数を用いて送受信処理を行う。
【0122】
なお、ID情報はパスワードのように適宜設定を変更することができる。また、時間情報はシステム立ち上げ時を0として現時刻との相対時間を用いる。又は、システム立ち上げ時にパスワードとして恣意的な時刻を設定してもよい。
【0123】
図11の例では、セル2に属している無線通信装置は、符号系列ID2に対応しており、その符号系列ID2は、時間がT7である場合に、ID2系列のch7の符号系列を用いて周波数ホッピングによる通信を行う。なお、設定時間に軽微な誤差が発生している場合は、各無線通信装置において、同期捕捉処理を実行して周波数ホッピングを同期することができる。
【0124】
図12は、本発明の実施の形態の処理手順の例を示す。
【0125】
まず、制御局30は、各セル毎に一意の識別子であるID情報と、現在の時間時間とを設定する(ステップS1201)。
【0126】
次に、制御局30は、無線通信システム内の任意のセルに関し、当該セルのID情報を取得し、取得したID情報に対応する符号系列を決定する(ステップS1202)。
【0127】
次に、制御局30は、時間情報を取得し、取得した時間情報に対応する符号系列中の符号位置を決定する(ステップS1203)。
【0128】
そして、制御局30は、ステップS1202及びS1203で決定した符号系列とその中の符号位置から、当該セルに適用する符号値を生成する(ステップS1204)。
【0129】
そして、制御局30は、図11に示すような対応表から、セルのID情報と、時刻情報とに対応する周波数チャネルを決定する(S1205)。決定された周波数チャネルは、制御局30から、親局21又は22を介して、各子局11又は12に通知される。
【0130】
以上の処理によって、ID情報及び時間情報から、そのセルが使用する符号系列を決定する。
【0131】
次に、符号系列の生成の他の例を説明する。
【0132】
前述したように、符号系列の生成にはリードソロモン符号を用いた。これに対して、他のオプションによって算出された符号系列を用いることも可能である
以下に、OCC(One‐Coincidence Code)符号による符号系列の例を説明する。なお、OCC符号は、横山光雄 著、「スペクトル拡散通信システム」、科学技術出版社、昭和63年、pp.437−440に述べられている。
【0133】
OCC符号による符号系列は、次の数式7によって算出される。
【0134】
【数7】
【0135】
数式7は、素数7に基づいたOCC符号によって生成した符号系列である。なお、系列値の数、系列長及び系列数は全て6となる。
【0136】
OCC符号は非同期動作にも衝突確率の低い符号系列が生成されるという利点がある。しかし、前述のようにリードソロモン符号を用いて図3のフローチャートの処理によって生成された符号系列と比較すると、OCC符号によって生成された符号系列は、系列数が1つ少なくなる。
【0137】
なお、前述の図4及び5で説明したように、生成したOCC符号系列から長周期の系列を作成するために、複数の系列を接続することもできる。例えば、fhOCC1とfhOCC4、fhOCC2とfhOCC5、及び、fhOCC3とfhOCC6とを接続する。この結果、次に示す数式8のような、元の符号系列の二倍の周期の符号系列が、三つ得られる。
【0138】
【数8】
【0139】
なお、同様に、生成されたOCC符号系列から、図6に示す処理を適用して、ホッピング数を変更することもできる。また、同様に、図10、図11において説明したような、符号系列の割当てを適用することもできる。
【0140】
以上のように、本発明の実施の形態の無線通信システムでは、周波数ホッピングに用いる符号系列を、リードソロモン符号の多項式の定数項が異なる系列を生成するので、隣接チャネル間衝突を低減することができる。そして、生成した符号系列を所定の組合せによって接続して、符号系列の符号値を長周期化することによって、秘匿性を高めることができると共に、周波数チャネルの一致衝突を低減することが可能となる。さらに、符号系列をシステム内の各セルに割り当てる際に、周波数チャネルの間隔を一つ以上隔てて符号値を割り当てるので、周波数チャネルにおける一致や隣接を低減することができる。またさらに、符号系列をシステム内の各セルに割り当てる際に、セル毎のID情報と時刻情報とによって適用する符号系列の周波数チャネルを切り替えることで、周波数チャネルにおける一致や隣接をより低減することができる。またさらに、符号系列の生成は、リードソロモン符号に限らず、OCC符号等、さまざまな符号方式を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【0141】
本発明は周波数ホッピング方式を適用する無線通信システム全般に適用可能である。周波数ホッピング方式を使用するシステムとして、例えば、Bluetoothや無線LAN(IEEE802.11)等への適用ができる。また、特にホッピング数が極めて少ないシステムやホッピング数が可変のシステムにおいて、本発明による効果が高い。
【図面の簡単な説明】
【0142】
【図1A】本発明の実施の形態の周波数ホッピング系列生成方法を用いる無線通信システムの構成ブロック図である。
【図1B】本発明の実施の形態の親局及び子局に備えられる無線部の構成ブロック図である。
【図2】生成多項式の定数Bを変化させた時に符号系列の一例の説明図である。
【図3】本発明の実施の形態のFH系列生成器の処理のフローチャートである。
【図4】本発明の実施の形態の符号系列の接続の一例の説明図である。
【図5】本発明の実施の形態のFH系列生成器の長周期化の処理のフローチャートである。
【図6】本発明の実施の形態のホッピング数変更の処理のフローチャートである。
【図7】本発明の実施の形態の衝突確率を比較したシミュレーション結果の一例の説明図である。
【図8】本発明の実施の形態の論理回路によって実現する構成ブロック図である。
【図9】本発明の実施の形態の定数Cを1に設定した場合と、定数Cを2に設定した場合とのシミュレーション結果の一例の説明図である。
【図10】本発明の実施の形態の各セルに割り当てる符号値の説明図である。
【図11】本発明の実施の形態のID情報及び時間情報の割当ての一例の説明図である
【図12】本発明の実施の形態のチャネル割当ての処理手順の一例のフローチャートである。
【図13】従来の無線通信システムの衝突発生の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【0143】
1、2 セル
11A、11B、11C、12A、12B、12C 子局
21、22 親局
30 制御局
100 無線部
300 FH系列生成器
【技術分野】
【0001】
本発明は、スペクトル拡散通信方式に基づいた周波数ホッピング方式を利用する無線通信システムにおいて、干渉が少なく且つ秘匿性が高い周波数ホッピング系列を生成する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
拡散符号を用いて広帯域の信号波による通信方式の一つに、スペクトル拡散通信方式に基づいた周波数ホッピング方式が知られている。このような通信方式として、例えば、スペクトル拡散通信システムにおけるカオス力学系の結合様式を用いた拡散系列の生成方法において、2つ以上のカオス力学系の結合の組合せで生成した結合系列を用いるようにしたスペクトル拡散通信システムにおけるカオスを用いた拡散系列の生成方法が知られている(特許文献1参照)。
【0003】
また、隣接チャネル間の干渉の影響を軽減する方法として、周波数チャンネルを、偶数及び奇数チャンネルに振り分け、1周期前半においては、偶数チャンネルのグループ内でホッピングパタンが割り当てられ、1周期後半においては、奇数チャンネルのグループ内でホッピングパタンが割り当てられ、1周期前半及び1周期後半の各ホッピングパタンを連結することにより、拡張ホッピングパタンが合成され、拡張ホッピングパタンに応じて、周波数チャンネルを切替え、変調された送信データを送信する周波数ホッピング方法が知られている(特許文献2参照)。
【0004】
またさらに、周波数ホッピング方式に用いられる符号系列の生成方法として、リードソロモン符号を用いた符号系列の生成方法が知られている(非特許文献1参照)。
【特許文献1】特開平11−266179号公報
【特許文献2】特開2000−101481号公報
【非特許文献1】横山光雄 著、「スペクトル拡散通信システム」、科学技術出版社、昭和63年、pp.437−440
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
前述した特許文献のような方法を用いて符号系列を生成し、周波数ホッピングにより通信する場合は、符号系列のランダム性と隣接チャネル間の干渉とが問題となる。
【0006】
例えば、前述した特許文献1に記載の発明のように、カオス生成方式を使用した場合は、周波数ホッピング系列に必要な、一様なランダム性に欠ける場合がある。
【0007】
また、前述した特許文献2に記載の発明のように、チャネルを偶数番目と奇数番目に分けた場合は、セル数が二つの場合のみ隣接チャネル間の干渉を効率的に軽減するが、それ以上のセル数の場合は効果的でない。
【0008】
また、前述した非特許文献1に記載のリードソロモン符号による生成多項式に基づいて周波数ホッピング系列を複数系列生成することによって、一様なランダム性が保障される。しかし、リードソロモン符号を用いた場合は、それを使用する無線通信システムのセルが非同期で動作した場合に、ホッピング周波数同士の衝突確率が大きく増大する場合がある。
【0009】
この例を具体的に説明する。
【0010】
リードソロモン符号による生成方法では、無線通信システム内にあるセル同士が非同期に動作すると、別々に生成させた符号系列が完全に一致して衝突する場合がある。
【0011】
図13は、従来の無線通信システムにおいて、異なるセルが非同期に動作した場合の衝突発生の例を示す説明図である。
【0012】
図13の例では、系列数Qを17、aをこの系列数Qに対応する適切値の3、Bを0として設定した例である。この多項式において、一つ目の系列「fh1、0」は、Aを1に設定し、二つ目の系列「fh2、0」は、Aを2に設定した。
【0013】
さらに、この無線通信システムは、生成された系列の値をそれぞれのセルの周波数チャネルに対応させる。すなわち、生成された系列値が周波数チャネルの番号となる。
【0014】
この無線通信システムでは、セル間で時間的に同期がとれている場合は二つの系列間で一致する値はないので、周波数チャネルの衝突は発生しない。しかし、セル間が非同期の場合には、系列「fh1、0」の系列値と「系列fh2、0」とが、異なるタイミングで生成される。特に系列「fh1、0」の系列値が二つ分遅れてシフトした場合は、系列「fh2、0」の系列値と完全に一致してしまう。そのためセル間でチャネルの衝突が発生する。
【0015】
また、リードソロモン符号を用いた生成方法は、系列値の周期がQ−1となるため、系列数Qが少ない場合に周期が短くなる。従って、秘匿性が低下する欠点がある。
【0016】
本発明は、このような問題点に鑑みて成されたものであり、多くのセル数を備える無線通信システムにおいて、符号系列の一様なランダム性を保証すると共に、隣接したチャネル間の干渉を軽減させる方法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】
【0017】
本発明による一実施形態によると、周波数の異なる複数のキャリアを符号系列の符号値に基づいて順次切り替えて信号を送受信する周波数ホッピング方式のスペクトル拡散通信を行う無線通信装置を複数含むセルと、前記セルで用いられる符号系列を制御する制御局と、を備えた無線通信システムにおいて、前記周波数ホッピングの符号系列の生成方法であって、複数の異なる符号系列を生成する第1のステップと、前記生成した符号系列を、同一のセル内及び異なるセル間で重複しない組合せによって二つ以上接続することによって、新たな系列長の符号系列を生成する第2のステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、無線通信システムにおいて、各セルが非同期で動作した場合にも、周波数チャネルの衝突確率を低く抑えることができる。そして、生成した符号系列を接続することによって符号系列を長周期化し、隣接チャネル間の干渉を軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0020】
図1Aは、本発明の実施の形態の周波数ホッピング系列生成方法を用いる無線通信システムの構成ブロック図である。
【0021】
本実施形態の無線通信システムは、セル1及びセル2が、制御局30に通信路を介して接続されている。
【0022】
セル1は、一つの親局21と複数の子局11A、11B及び11Cとから構成されている。親局21は、周波数ホッピングによって子局11A、11B及び11Cと無線通信する無線通信装置である。このセル1内では、同一の符号系列によるホッピング周波数を用い、親局21と、子局11A、11B及び11Cとは時分割によって異なる周波数を用いる。
【0023】
なお、セル2は、セル1と同様に、一つの親局22と複数の子局12A、12B及び12Cとから構成されている。これらの構成はセル1と同様である。
【0024】
制御局30は、セル1及びセル2のそれぞれに、予め定めた一意の識別子(ID)を設定する。そして、設定したIDに基づいた符号系列を設定する。
【0025】
図1では、二つのセルが示されているが、これに限らず、さらに多くのセルを用いた無線通信システムであってもよい。
【0026】
図1Bは、本発明の実施の形態の親局21及び子局11に備えられる無線部100の構成ブロック図である。
【0027】
無線部100は、親局21及び子局11の無線通信を制御する。
【0028】
送信用のデータは、図示しない制御部からベースバンド信号としてローパスフィルタ101に入力される。ローパスフィルタ101は、ベースバンド信号の高周波成分を除去して、一次変調器102に入力する一次変調器は、入力された信号を高周波信号に変換して、周波数変換器103に入力する。
【0029】
一方で、FH(Frequency Hopping)系列生成器300は、周波数ホッピングのための符号系列を生成して、周波数シンセサイザ400に入力する。周波数シンセサイザ400は、この符号系列をホッピング同期した送信周波数に変換して、周波数変換器103に入力する。
【0030】
周波数変換器103は、周波数シンセサイザから入力された送信周波数を元に、一次変調器から入力された高周波信号を送信信号に変換する、生成された送信信号は切替器500を介して、アンテナ600によって電波として送信される。
【0031】
また、アンテナ600が受信した受信信号は、切替器500を介して周波数変換器203に入力される。周波数変換器203は、周波数シンセサイザから入力された送信周波数を元に、切替器500を介して入力された受信信号を高周波信号に変換する。変換された高周波信号はバンドパスフィルタ202に入力される。バンドパスフィルタ202は、入力された高周波信号から所定の周波数成分を除去して、一次復調器201に入力する。一次変調器201は、入力された信号をベースバンド信号に変換して、制御部に入力する。
【0032】
次に、FH系列生成器300によって生成される符号系列について説明する。
【0033】
FH系列生成器300は、2次変復調である周波数シンセサイザ400によって発生させる、各チャネルに対応した送信周波数の順序を決定する。
【0034】
本発明の実施の形態の無線通信システムでは、前述した非特許文献1に記載のリードソロモン符号(数式1参照)を用いて符号系列を生成する。
【0035】
このリードソロモン符号による符号系列の生成多項式は、数式1に示す1次式によって表される。
【0036】
【数1】
【0037】
ここで、P(i)はi番目の系列値、aは原始元と呼ばれる適切な固定値、Aは変数aiに関する1次係数値、Bは定数値、Qは系列値の数であり、位数とも呼ぶ。また、mod.Qは、式全体をQで剰余計算、すなわち、除算した余りを算出することを意味する。なお、生成多項式は必ずしも1次式には限定されない。
【0038】
なお、リードソロモン符号を用いた符号系列において、それを使用する無線通信システムのセルが非同期で動作した場合に、ホッピング周波数同士の衝突確率が大きく増大する場合がある。そこで、本発明の実施の形態では、セル間が非同期で動作した場合にも衝突確率を低くするために、系列を生成するための定数項Bを異なる値に設定する。
【0039】
以下に、この場合の例を説明する。
【0040】
まず、一つめの系列「fh1、0」は、一次係数値Aを1、定数Bを0に設定する。そして、もう一方の系列「fh1、1」は、一次係数値Aを1、定数Bを1に設定する。この場合、各系列は、それぞれ図2に示す値をとる。
【0041】
この場合は、各系列を用いるセル間が非同期で動作し、位相のシフトが生じた場合にも、完全に系列が一致する場合はない。
【0042】
なお、BはQ個の値(この例では0から16までの17個)を取り得るので、17個の系列を作成することができる。また、Aは1からQ−1までの任意の値に設定すればよい。
【0043】
次に、FH系列生成器300の動作を説明する。
【0044】
図3は、本発明の実施の形態のFH系列生成器300の処理のフローチャートである。
【0045】
FH系列生成器300は、まず、符号系列の生成のためのパラメータを設定する。パラメータは、所望のホッピング数に等しい位数Q、任意の係数A、Qに対応した適切な原始元a、及び、定数Cである(ステップS301)。そして、Bに0を設定することによって、Bの値を初期化する(ステップS302)。
【0046】
次に、FH系列生成器300は、Bの値がQの値よりも小さいか否かを判定する(ステップS303)。そして、Bの値がQの値よりも小さい場合は、以降のステップS304乃至S308を繰り返す。
【0047】
まず、FH系列生成器300は、繰り返しのための変数iに0を設定することによってiを初期化する(ステップS304)。次に、この変数iの値がQ−1の値よりも小さいか否かを判定する(ステップS305)。そして、iの値がQ−1の値よりも小さい場合は、ステップS306に移行して、系列値PB(i)を、前述の数式1によって算出する。
【0048】
次に、FH系列生成器300は、変数iに1を加算してステップS305に戻る。そして、iの値がQ−1の値を超えるまで、ステップS306及びS307の処理を繰り返す。
【0049】
その後、ステップS305において、iの値がQ−1の値以上と判定した場合は、ステップS307に移行し、FH系列生成器300は、Bの値に定数Cを加算した新たな位数Bを算出して、ステップS303に戻る。なお、Cの値は、1からQ−1の範囲の整数値である。
【0050】
その後、ステップS303において、Bの値がQの値以上と判定した場合は、FH系列生成器300は、系列値生成の処理を終了する。
【0051】
この結果、系列値Q−1個からなる符号系列がQ系列生成される。
【0052】
次に、生成された符号系列を用いて長周期化する処理を説明する。
【0053】
FH系列設定器300は、前述した図3のフローチャートによって、Q個の符号系列を生成する。ここで、通信の秘匿性を高めるために、符号系列を長周期化する場合を考える。
【0054】
符号系列を長周期化するためには、系列値を増やせばよい。系列値を増やすためには位数Qの値を大きく数必要がある。しかし、位数Qの値を大きくすると系列値演算のための計算式が膨大となってしまう。そこで、生成した符号系列を用いて、セル毎に異なる符号系列を重複せずに接続することによって、長期化された新たな符号系列(拡張符号系列)を生成する。
【0055】
図4は、本発明の実施の形態の符号系列の接続の一例の説明図である。
【0056】
図4の例は、セル数が5セルである無線通信システムにおける長周期化の一例である。
【0057】
FH符号生成器300は、セル1ではまず系列1を適用し、系列1が一巡したら、次に系列6を接続する、そしてさらに系列11を接続する。
【0058】
この結果、セル1に適用される系列値は、生成した符号系列の3倍の周期の系列値に拡張される。同様にして、セル2は、系列2、系列7及び系列12を接続する。セル3乃至セル5も同様に、他のセルと重複しない系列を接続する。
【0059】
図5は、本発明の実施の形態のFH系列生成器300の長周期化の処理のフローチャートである。
【0060】
FH系列生成器300は、長周期化の処理のためのパラメータを設定する。パラメータは、無線通信システムに含まれるセル数NC及び長周期化のために接続する系列の数を定める系列接続数NAである(ステップS501)。
【0061】
次に、FH系列生成器300は、繰り返しのための変数iCに1を設定することによって初期化する(ステップS502)。そして、定数BをiCから1減算した値に設定する(ステップS503)。
【0062】
次に、FH系列生成器300は、iCの値がNCの値以下であるか否かを判定する(ステップS504)。そして、iCの値がNCの値を上回るまで、以降のステップS505乃至S511を繰り返す。
【0063】
まず、FH系列生成器300は、繰り返しのための変数kAに1を設定することによって初期化する(ステップS505)。そして、現在の定数Bの値に対応したPB系列をPiC系列に設定する(ステップS506)。なお、FH系列生成器300は、予め、NCにNAを乗じた数以上の数の定数BによるPB系列を作成しておく。
【0064】
次に、FH系列生成器300は、変数kAの値がNAの値以下であるか否かを判定する(ステップS507)。そして、変数kAの値がNAの値を上回るまで、ステップS508乃至S511の処理を繰り返す。
【0065】
まず、ステップS508では、FH系列生成器300は、定数BにNCを加算した値に設定する。そして、PiC系列にPB系列を接続する(ステップS510)。その後、変数kAに1を加算して、ステップS507に戻る。
【0066】
このステップS508乃至S511の処理によって、NA個のPB系列が接続されたPiC系列が生成される。
【0067】
ステップS507において、変数kAの値がNAの値を上回ったと判定した場合は、ステップS509に移行する。FH系列生成器300は、変数iCの値を1加算した値に設定して、ステップS503に戻る。
【0068】
このフローチャートによる処理の結果、NA個のPB系列が接続されたPiC系列が、NC個生成される。
【0069】
次に、ホッピング数を可変にするための処理を説明する。
【0070】
各セルに用いられる符号系列は、系列長、すなわちホッピング数を大きくすると、それに対応して無線通信の秘匿性が増す。しかしながら、通信の秘匿性に応じてホッピング数を可変可能とする無線通信システムでは、ホッピング数を変更する毎に対応する系列を生成すると、FH系列生成器300の演算処理量が増大してしまう。
【0071】
そこで、予め無線通信システムで規定されている最大のホッピング数によってホッピング系列を生成し、これを例えばルックアップテーブルやメモリに保存しておく。そして、保存された系列から、通信時用いる所望のホッピング数の系列に変換する。
【0072】
図6は、本発明の実施の形態のホッピング数変更の処理のフローチャートである。
【0073】
この処理は、無線通信システムにおいて通信を開始する前段階の処理として実行される。
【0074】
FH系列生成器300は、最初に、ホッピング数変更のためのパラメータを設定する(ステップS601)。パラメータは、無線通信システム内で規定されている最大ホッピング数NHmaxと、通信時に使用する所望のホッピング数NHである。最大ホッピング数NHmaxは、無線通信システムの帯域幅によって決定される。
【0075】
次に、FH系列生成器300は、NHmaxを位数とした符号系列を生成する(ステップS602)。この処理は前述した図3のフローチャートと同じである。FH系列生成器300は、生成された符号系列(NHmax)を、親局21又は子局11のFH系列生成器300に備えられているメモリ等に格納する。なお、符号系列(NHmax)を他の装置によって生成してもよい。また、メモリは、親局21又は子局11に備えられている情報を記憶可能な装置であればどのような構成であってもよい。
【0076】
次に、無線通信開始時に、生成された符号系列(NHmax)から、所望のホッピング数であるNによる符号系列(NH)を生成する。具体的には、生成された符号系列(NHmax)の各系列値にNHによって剰余計算をする。この結果、系列値がNH以下の値となる符号系列が生成される。
【0077】
このように、予め、無線通信システム内で規定されている最大のホッピング数の符号系列を作成しておけば、通信を開始する毎に符号系列生成のための処理量の多い演算(数式1)を行うことなく、演算量の比較的少ない剰余計算のみで所望の符号系列を生成することができる。
【0078】
なお、剰余計算ではなく、最大ホッピング数によって生成した符号系列(NHmax)から、所望のホッピング数を越える値を除外した系列を生成してもよい。具体的には、最大ホッピング数による系列値の数が100であり、所望のホッピング数が10である場合は、系列値100のうち、下位10の系列値のみを取得した符号系列を生成し、上位90の系列値を除外する。
【0079】
このようにすることで、系列値の生成における演算量を少なくすることができる。
【0080】
次に、本発明の実施の形態の数値シミュレーションによる効果について説明する。
【0081】
まず、二つの系列px(i)とpy(i)との衝突確率の演算を説明する。
【0082】
二つの系列の衝突確率は、次の数式2及び数式3によって算出される。数式2はチャネル間の系列値の一致を示す演算式であり、数式3は、チャネル間の系列値の隣接を示す演算式である。
【0083】
【数2】
【0084】
【数3】
【0085】
なお、数式2及び数式3において、x及びyは、系列の生成に使用する定数B、iはべき乗数、すなわち系列内の順番に対応する値とする。
【0086】
さらに、この数式2及び数式3から、次の数式4によって、二つの系列間の「一致」数及び「隣接」数をカウントし、系列組合せ数と系列長とで正規化した一致確率及び隣接確率を算出する。
【0087】
【数4】
【0088】
なお、Pij(k)は、系列i番目とj番目の衝突カウント、kは、非同期を想定した位相のずれの離散値、NCはセル数を示す。また、NCC2は、NC個のうちの2個を取り出す組合せ数である。
【0089】
図7は、前述の図6のフローチャートによって剰余計算した場合と、剰余計算をしなかった場合との衝突確率を比較したシミュレーション結果の一例の説明図である。なお、この例では、シミュレーション条件を、ホッピング数19、101及び601の場合において、それぞれ、セル数を3、系列接続数を6としたシミュレーションの結果である。
【0090】
図7において、再剰余無し、すなわち剰余計算を行わなかった場合において、一致確率を丸で示し、隣接確率を四角で示す。これらは、ホッピング数19、101及び601を位数として生成した系列を用いて前述の数式1乃至4を用いて算出したシミュレーション結果である。
【0091】
一方、再剰余有り、すなわち剰余計算を行った場合において、一致確率を点線で示し、隣接確率を一点鎖線で示す。これらは、最大ホッピング数1201を位数として生成した系列を用いて、各々のホッピング数に対応した剰余計算を行った系列を用いて算出したシミュレーション結果である。
【0092】
図7に示すように、一致確率及び隣接確率のいずれにおいても、剰余計算を行った場合と行わなかった場合の衝突確率は同等である。すなわち、最大ホッピング数によって生成した符号系列から剰余計算によって生成された系列は、少ない演算量で生成することができるにもかかわらず、衝突確率は劣化しない。
【0093】
次に、前述した符号系列の演算式の変形例を説明する。
【0094】
前述した数式1によって符号系列を生成する場合に、ホッピング数に対応するiがaの指数であるために、ホッピング数が数百や数千のオーダとなった場合は、一般的な計算機ではべき乗演算がオーバーフローしてしまう。そのため、符号系列の算出が不可能となってしまう。そこで、本発明の実施の形態では、前述の数式1を、次の数式5に示すようなプロセスによって、漸化式に変形する。
【0095】
【数5】
【0096】
この数式5に示す漸化式を用いることで、べき乗計算が不要となる。この場合、初期値として、a=0としたp(0)を数式6によって算出する。
【0097】
【数6】
【0098】
その後、iの値を1つずつ増加させることによって、p(i)を順次計算し、再帰的に系列値が求められる。
【0099】
図8は、この数式5及び数式6を、論理回路によって実現する構成ブロック図である。
【0100】
この論理回路を、FH系列生成器300にソフトウェア又はハードウェアによって実装することによって、ホッピング数が増大した場合にも、オーバーフローすることなく符号系列を算出可能となる。
【0101】
まず、最初に初期値P(0)を入力する。この初期値P(0)は加算器301によってBが減算され、乗算器302によってaが乗算され、さらに、加算器303によってBが加算されて算出された値から、剰余計算器304によって、Qによる剰余計算がされる。この計算結果がP(1)となる。
【0102】
次に、算出されたP(1)を加算器301に入力することによって、演算を繰り返してP(2)が求まる、以下、この値を再帰的に演算することによって、P(i)系列が作成される。
【0103】
次に、チャネル間干渉の軽減について説明する。
【0104】
隣接したチャネル間における系列値の干渉を軽減させるために、異なる符号系列間での隣接値衝突確率を低減することが必要となる。そのためには、前述した図3のフローチャートの処理において、異なる符号系列の定数項Bを2以上異ならせることが効果的である。すなわち、図3おいて、定数CをC>=2として、異なる系列を作成する。
【0105】
図9は、図3において、定数Cを1に設定した場合と、定数Cを2に設定した場合とのシミュレーション結果の一例の説明図である。
【0106】
図9(a)は、ホッピング数601、セル数3(即ち系列数3)、系列接続数3、A=1、C=1とした場合の系列を生成し、この系列の位相を前後に一つずつ5つまでシフトさせた二つの系列を生成し、その衝突確率を算出した結果である。
【0107】
また、図9(b)は、ホッピング数601、セル数3(即ち系列数3)、系列接続数3、A=1、C=2とした場合の系列を生成し、この系列の位相を前後に一つずつ5つまでシフトさせた二つの系列を生成し、その衝突確率を算出した結果である。
【0108】
この図9に示すように、チャネル間の一致確率は、図9(a)と図9(b)との差はあまりない。すなわち、Bの値に関わらず位相ずれの影響は少ない。しかし、チャネル間の隣接確率は、図9(a)では約0.3であるのに対し、図9(b)では、約0.003となっている。
【0109】
従って、Cの値を2以上に設定することによって、隣接確率を大幅に減少させることができる。これは、Cの値を1に設定すると、異なるチャネル間では系列値が1だけずれた系列が生成される。これに対して、Cの値を2に設定すると、異なるチャネル間では系列値が2以上ずれた系列が生成されるためである。従って、Cの値を2に設定した方がチャネル間の隣接確率の低い符号系列を生成することができる。なお、Cの値を3以上とした場合にも系列値が3以上ずれるため隣接確率が低くなるが、系列値の数がそれに伴い小さくなってしまう。
【0110】
次に、生成した符号系列を各セルに割り当てる方法を説明する。
【0111】
前述のように、符号系列をどのように生成するかによって、チャネル間の符号値の一致又は隣接干渉を低減した。
【0112】
周波数ホッピングを使用する無線通信システムにおいて、設定された符号系列の系列値を、各セルの対応する周波数チャネルに割り当てる。このとき、一致衝突及び隣接チャネル間干渉をさらに軽減させるため、次にように系列値を各チャネルに割り当てる。
【0113】
図10は、本発明の実施の形態の、各セルに割り当てる符号値の説明図である。
【0114】
なお、図10に示す例では、無線通信システムにおいて三つのセルが構成されており、周波数チャネルが24チャネル、符号値が1〜4、すなわちホッピング数を4に設定する。なお、各セルへの系列値の割当ては、制御局30が実行する。
【0115】
制御局30は、まず、符号値1を、セル1ではチャネル1に割当て、セル2では、セル1に割り当てたチャネルよりも一つ隔てたチャネル3に割当て、セル3ではセル2に割り当てたチャネルよりも一つ隔てたチャネル5に割り当てる。
【0116】
このように符号値を割り当てることによって、各セルが同じ符号値1である場合にも、各セルは一つ隔てた異なる周波数チャネルを使用するため、チャネル間の符号値の一致が回避され、隣接チャネル間干渉の影響も発生しない。
【0117】
次に、セル間で時間分割を用いた系列値の割当てを説明する。
【0118】
ここでは、同じセル内で同一の符号系列を使用する時分割方式の無線通信システムについて考える。この場合は、送信側と受信側とで、使用する符号系列と符号系列中の位置、すなわちホッピング周波数とを一致させるように設定することによって、ホッピング周波数のサーチ時間が節約できる。従って、高速な同期捕捉が可能となる。
【0119】
ここでは、セル毎に一意に設定された識別子(ID:Identification)情報と、時間情報との二つの情報を用いて符号系列値を設定する。
【0120】
図11は、本発明の実施の形態のID情報及び時間情報の割当ての一例の説明図である
無線通信システムにおいて、セル毎に一意に設定されたID情報が設定される。このID情報は、同じセルに含まれる無線通信装置(親局及び子局)は、同一のID番号が予め設定されている。さらに、同一のセルの無線通信装置は、無線通信システムの立ち上げ時に同期した時間情報を持つ。なお、各無線通信装置が、時間情報をGPS(Global Positioning System)によって随時取得して、時間情報を同期させてもよい。
【0121】
そして、各無線通信装置において、ID情報と時間情報とに基づいて使用する系列値を決定して、その系列値に対応するホッピング周波数を用いて送受信処理を行う。
【0122】
なお、ID情報はパスワードのように適宜設定を変更することができる。また、時間情報はシステム立ち上げ時を0として現時刻との相対時間を用いる。又は、システム立ち上げ時にパスワードとして恣意的な時刻を設定してもよい。
【0123】
図11の例では、セル2に属している無線通信装置は、符号系列ID2に対応しており、その符号系列ID2は、時間がT7である場合に、ID2系列のch7の符号系列を用いて周波数ホッピングによる通信を行う。なお、設定時間に軽微な誤差が発生している場合は、各無線通信装置において、同期捕捉処理を実行して周波数ホッピングを同期することができる。
【0124】
図12は、本発明の実施の形態の処理手順の例を示す。
【0125】
まず、制御局30は、各セル毎に一意の識別子であるID情報と、現在の時間時間とを設定する(ステップS1201)。
【0126】
次に、制御局30は、無線通信システム内の任意のセルに関し、当該セルのID情報を取得し、取得したID情報に対応する符号系列を決定する(ステップS1202)。
【0127】
次に、制御局30は、時間情報を取得し、取得した時間情報に対応する符号系列中の符号位置を決定する(ステップS1203)。
【0128】
そして、制御局30は、ステップS1202及びS1203で決定した符号系列とその中の符号位置から、当該セルに適用する符号値を生成する(ステップS1204)。
【0129】
そして、制御局30は、図11に示すような対応表から、セルのID情報と、時刻情報とに対応する周波数チャネルを決定する(S1205)。決定された周波数チャネルは、制御局30から、親局21又は22を介して、各子局11又は12に通知される。
【0130】
以上の処理によって、ID情報及び時間情報から、そのセルが使用する符号系列を決定する。
【0131】
次に、符号系列の生成の他の例を説明する。
【0132】
前述したように、符号系列の生成にはリードソロモン符号を用いた。これに対して、他のオプションによって算出された符号系列を用いることも可能である
以下に、OCC(One‐Coincidence Code)符号による符号系列の例を説明する。なお、OCC符号は、横山光雄 著、「スペクトル拡散通信システム」、科学技術出版社、昭和63年、pp.437−440に述べられている。
【0133】
OCC符号による符号系列は、次の数式7によって算出される。
【0134】
【数7】
【0135】
数式7は、素数7に基づいたOCC符号によって生成した符号系列である。なお、系列値の数、系列長及び系列数は全て6となる。
【0136】
OCC符号は非同期動作にも衝突確率の低い符号系列が生成されるという利点がある。しかし、前述のようにリードソロモン符号を用いて図3のフローチャートの処理によって生成された符号系列と比較すると、OCC符号によって生成された符号系列は、系列数が1つ少なくなる。
【0137】
なお、前述の図4及び5で説明したように、生成したOCC符号系列から長周期の系列を作成するために、複数の系列を接続することもできる。例えば、fhOCC1とfhOCC4、fhOCC2とfhOCC5、及び、fhOCC3とfhOCC6とを接続する。この結果、次に示す数式8のような、元の符号系列の二倍の周期の符号系列が、三つ得られる。
【0138】
【数8】
【0139】
なお、同様に、生成されたOCC符号系列から、図6に示す処理を適用して、ホッピング数を変更することもできる。また、同様に、図10、図11において説明したような、符号系列の割当てを適用することもできる。
【0140】
以上のように、本発明の実施の形態の無線通信システムでは、周波数ホッピングに用いる符号系列を、リードソロモン符号の多項式の定数項が異なる系列を生成するので、隣接チャネル間衝突を低減することができる。そして、生成した符号系列を所定の組合せによって接続して、符号系列の符号値を長周期化することによって、秘匿性を高めることができると共に、周波数チャネルの一致衝突を低減することが可能となる。さらに、符号系列をシステム内の各セルに割り当てる際に、周波数チャネルの間隔を一つ以上隔てて符号値を割り当てるので、周波数チャネルにおける一致や隣接を低減することができる。またさらに、符号系列をシステム内の各セルに割り当てる際に、セル毎のID情報と時刻情報とによって適用する符号系列の周波数チャネルを切り替えることで、周波数チャネルにおける一致や隣接をより低減することができる。またさらに、符号系列の生成は、リードソロモン符号に限らず、OCC符号等、さまざまな符号方式を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【0141】
本発明は周波数ホッピング方式を適用する無線通信システム全般に適用可能である。周波数ホッピング方式を使用するシステムとして、例えば、Bluetoothや無線LAN(IEEE802.11)等への適用ができる。また、特にホッピング数が極めて少ないシステムやホッピング数が可変のシステムにおいて、本発明による効果が高い。
【図面の簡単な説明】
【0142】
【図1A】本発明の実施の形態の周波数ホッピング系列生成方法を用いる無線通信システムの構成ブロック図である。
【図1B】本発明の実施の形態の親局及び子局に備えられる無線部の構成ブロック図である。
【図2】生成多項式の定数Bを変化させた時に符号系列の一例の説明図である。
【図3】本発明の実施の形態のFH系列生成器の処理のフローチャートである。
【図4】本発明の実施の形態の符号系列の接続の一例の説明図である。
【図5】本発明の実施の形態のFH系列生成器の長周期化の処理のフローチャートである。
【図6】本発明の実施の形態のホッピング数変更の処理のフローチャートである。
【図7】本発明の実施の形態の衝突確率を比較したシミュレーション結果の一例の説明図である。
【図8】本発明の実施の形態の論理回路によって実現する構成ブロック図である。
【図9】本発明の実施の形態の定数Cを1に設定した場合と、定数Cを2に設定した場合とのシミュレーション結果の一例の説明図である。
【図10】本発明の実施の形態の各セルに割り当てる符号値の説明図である。
【図11】本発明の実施の形態のID情報及び時間情報の割当ての一例の説明図である
【図12】本発明の実施の形態のチャネル割当ての処理手順の一例のフローチャートである。
【図13】従来の無線通信システムの衝突発生の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【0143】
1、2 セル
11A、11B、11C、12A、12B、12C 子局
21、22 親局
30 制御局
100 無線部
300 FH系列生成器
【特許請求の範囲】
【請求項1】
周波数の異なる複数のキャリアを、符号系列の符号値に基づいて順次切り替えて信号を送受信する周波数ホッピング方式のスペクトル拡散通信を行う無線通信装置と、前記無線通信装置を複数含むセルと、前記セルで用いられる符号系列を制御する制御局と、を備えた無線通信システムにおける前記周波数ホッピングの符号系列の生成方法であって、
複数の異なる符号系列を生成する第1のステップと、
重複しない組合せによって二つ以上の前記生成された符号系列を接続することによって、新たな長さの符号系列を生成する第2のステップとを備えることを特徴とする符号系列の生成方法。
【請求項2】
前記第1のステップは、前記符号系列を生成するために用いるリードソロモン符号による多項式の定数項を異なる値に設定することによって、複数の異なる符号系列を生成することを特徴とする請求項1に記載の符号系列の生成方法。
【請求項3】
前記第1のステップは、前記符号系列を生成するために用いるリードソロモン符号による多項式の定数項を少なくとも2以上異なる値に設定することによって、複数の異なる符号系列を生成することを特徴とする請求項1に記載の符号系列の生成方法。
【請求項4】
前記第1のステップは、
セルにおける最大の符号系列長によって、複数の異なる符号系列を予め生成し、前記生成された符号系列を記憶し、
前記記憶された符号系列を所定の値によって剰余計算して、新たな系列長の符号系列を生成する、又は、前記記憶された符号系列のうち所定の長さを超える符号値を削除して、新たな長さの符号系列を生成することを特徴とする請求項1に記載の符号系列の生成方法。
【請求項5】
前記第1のステップは、リードソロモン符号を用いた多項式において、符号系列の第1番目の符号値を初期値として算出し、前記算出された初期値を前記多項式に代入して第2番目以降の符号値を算出することによって符号系列を生成することを特徴とする請求項1に記載の符号系列の生成方法。
【請求項6】
セル毎に、一つの系列値を、一つ以上の周波数チャネルの間隔を隔てて異なる周波数チャネルに割り当てることによって、セル内の無線通信装置の符号系列を設定するステップを備えることを特徴とする請求項1に記載の符号系列の生成方法。
【請求項7】
前記セルに対する一意の識別子を設定し、前記識別子と単位時間毎の符号系列との対応関係を設定するステップと、
前記対応関係に基づいて、前記セル内の無線通信装置の符号系列を設定するステップと、を備えることを特徴とする請求項1に記載の符号系列の生成方法。
【請求項8】
周波数の異なる複数のキャリアを、符号系列の符号値に基づいて順次切り替えて信号を送受信する周波数ホッピング方式のスペクトル拡散通信を行う無線通信装置において、
前記符号系列を生成する符号系列生成部を備え、
前記符号系列生成部は、
セルにおける最大の符号系列長によって、複数の異なる符号系列を予め生成し、前記生成された符号系列を記憶し、
前記記憶された符号系列を所定の値によって剰余計算して、新たな系列長の符号系列を生成する、又は、前記記憶された符号系列のうち所定の系列長を超える符号値を削除して、新たな系列長の符号系列を生成することを特徴とする無線通信装置。
【請求項9】
前記符号系列生成部は、リードソロモン符号を用いた多項式において、符号系列の第1番目の符号値を初期値として算出し、前記算出された初期値を前記多項式に代入して第2番目以降の符号値を算出することによって符号系列を生成することを特徴とする請求項8に記載の無線通信装置。
【請求項10】
周波数の異なる複数のキャリアを、符号系列の符号値に基づいて順次切り替えて信号を送受信する周波数ホッピング方式のスペクトル拡散通信を行う無線通信装置と、前記無線通信装置を複数含むセルと、前記セルで用いられる符号系列を制御する制御局と、を備えた無線通信システムにおいて、
前記制御局は、
セル毎に、一つの系列値を、一つ以上の周波数チャネルの間隔を隔てて異なる周波数チャネルに割り当てることによって、セル内の無線通信装置の符号系列を設定することを特徴とする無線通信システム。
【請求項11】
前記制御局は、
前記セルに対する一意の識別子を設定し、前記識別子と単位時間毎の符号系列との対応関係を設定し、
前記対応関係に基づいて、前記セル内の無線通信装置の符号系列を設定することを特徴とする請求項10に記載の無線通信システム。
【請求項1】
周波数の異なる複数のキャリアを、符号系列の符号値に基づいて順次切り替えて信号を送受信する周波数ホッピング方式のスペクトル拡散通信を行う無線通信装置と、前記無線通信装置を複数含むセルと、前記セルで用いられる符号系列を制御する制御局と、を備えた無線通信システムにおける前記周波数ホッピングの符号系列の生成方法であって、
複数の異なる符号系列を生成する第1のステップと、
重複しない組合せによって二つ以上の前記生成された符号系列を接続することによって、新たな長さの符号系列を生成する第2のステップとを備えることを特徴とする符号系列の生成方法。
【請求項2】
前記第1のステップは、前記符号系列を生成するために用いるリードソロモン符号による多項式の定数項を異なる値に設定することによって、複数の異なる符号系列を生成することを特徴とする請求項1に記載の符号系列の生成方法。
【請求項3】
前記第1のステップは、前記符号系列を生成するために用いるリードソロモン符号による多項式の定数項を少なくとも2以上異なる値に設定することによって、複数の異なる符号系列を生成することを特徴とする請求項1に記載の符号系列の生成方法。
【請求項4】
前記第1のステップは、
セルにおける最大の符号系列長によって、複数の異なる符号系列を予め生成し、前記生成された符号系列を記憶し、
前記記憶された符号系列を所定の値によって剰余計算して、新たな系列長の符号系列を生成する、又は、前記記憶された符号系列のうち所定の長さを超える符号値を削除して、新たな長さの符号系列を生成することを特徴とする請求項1に記載の符号系列の生成方法。
【請求項5】
前記第1のステップは、リードソロモン符号を用いた多項式において、符号系列の第1番目の符号値を初期値として算出し、前記算出された初期値を前記多項式に代入して第2番目以降の符号値を算出することによって符号系列を生成することを特徴とする請求項1に記載の符号系列の生成方法。
【請求項6】
セル毎に、一つの系列値を、一つ以上の周波数チャネルの間隔を隔てて異なる周波数チャネルに割り当てることによって、セル内の無線通信装置の符号系列を設定するステップを備えることを特徴とする請求項1に記載の符号系列の生成方法。
【請求項7】
前記セルに対する一意の識別子を設定し、前記識別子と単位時間毎の符号系列との対応関係を設定するステップと、
前記対応関係に基づいて、前記セル内の無線通信装置の符号系列を設定するステップと、を備えることを特徴とする請求項1に記載の符号系列の生成方法。
【請求項8】
周波数の異なる複数のキャリアを、符号系列の符号値に基づいて順次切り替えて信号を送受信する周波数ホッピング方式のスペクトル拡散通信を行う無線通信装置において、
前記符号系列を生成する符号系列生成部を備え、
前記符号系列生成部は、
セルにおける最大の符号系列長によって、複数の異なる符号系列を予め生成し、前記生成された符号系列を記憶し、
前記記憶された符号系列を所定の値によって剰余計算して、新たな系列長の符号系列を生成する、又は、前記記憶された符号系列のうち所定の系列長を超える符号値を削除して、新たな系列長の符号系列を生成することを特徴とする無線通信装置。
【請求項9】
前記符号系列生成部は、リードソロモン符号を用いた多項式において、符号系列の第1番目の符号値を初期値として算出し、前記算出された初期値を前記多項式に代入して第2番目以降の符号値を算出することによって符号系列を生成することを特徴とする請求項8に記載の無線通信装置。
【請求項10】
周波数の異なる複数のキャリアを、符号系列の符号値に基づいて順次切り替えて信号を送受信する周波数ホッピング方式のスペクトル拡散通信を行う無線通信装置と、前記無線通信装置を複数含むセルと、前記セルで用いられる符号系列を制御する制御局と、を備えた無線通信システムにおいて、
前記制御局は、
セル毎に、一つの系列値を、一つ以上の周波数チャネルの間隔を隔てて異なる周波数チャネルに割り当てることによって、セル内の無線通信装置の符号系列を設定することを特徴とする無線通信システム。
【請求項11】
前記制御局は、
前記セルに対する一意の識別子を設定し、前記識別子と単位時間毎の符号系列との対応関係を設定し、
前記対応関係に基づいて、前記セル内の無線通信装置の符号系列を設定することを特徴とする請求項10に記載の無線通信システム。
【図1A】
【図1B】
【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1B】
【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2007−96815(P2007−96815A)
【公開日】平成19年4月12日(2007.4.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−284224(P2005−284224)
【出願日】平成17年9月29日(2005.9.29)
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
1.Bluetooth
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成19年4月12日(2007.4.12)
【国際特許分類】
【出願日】平成17年9月29日(2005.9.29)
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
1.Bluetooth
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【Fターム(参考)】
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