JP5092115B2

JP5092115B2 - 通信装置、移動体通信システム及び通信方法

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Publication number: JP5092115B2
Application number: JP2008149626A
Authority: JP
Inventors: 久陽田中; 健太篠原
Original assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Current assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2028-06-06
Also published as: JP2009296456A

Description

本発明は、通信の同期の基準となる基地局を持たずとも複数の通信装置間の通信を同期させることができる通信装置、移動体通信システム及び通信方法に関する。

アドホック・センサネットワークにおいて、各端末のローカルな時刻を互いに同期しネットワークレベルで一つの共通したタイミングを維持することはタイミング同期と呼ばれている。特に、ネットワークにおいてＴＤＭＡ（時分割多元接続：Time Division Multiple Access）を用いる場合や、各端末がパワーセーブモードを用いて同時にオン・オフ制御を行なう際、このタイミング同期が必須となる。

このようなタイミング同期の研究動向として、非特許文献１に記載されるような同期アルゴリズムが提案されている。この同期アルゴリズムは車車間通信における複数の車群間のタイミング同期を主な目的とするものであり、このタイミング同期プロセスによれば、複数の車群間の安定した同期状態が維持されるとされている。

図６は、多数の自動車が一つの道路上を通行する様子を示している。図６に示す各自動車は、通信機能を有しており、ある通信範囲以内に存在する他の自動車と相互に通信可能な通信端末である。

ここで、ある端末と通信可能な１台以上の通信端末を１つの集合としてみたとき、その集合に属する１台以上の通信端末と通信可能な端末はその集合に含めるようにする。ここでは、この集合のことを端末群と定義する。例えば、図６ではＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つの端末群が存在している。このような環境において、ＴＤＭＡ（時分割多元接続）方式により通信を行なう通信システムを構築するためには、各端末群は、自端末群に属するすべての通信端末を同期させる通信同期方法が必要である。

また、図６に示すような環境では、端末が移動しているため、端末あるいは端末群の融合・分離が頻繁におこることが予想される。例えば、図６の場合、端末群ＢとＣは分離した直後であり、この後端末群Ｂは端末群Ａと、端末群Ｃは端末群Ｄと融合していくことが想像できる。そのため、同期状態が崩れにくい通信同期手法であることが必要となる。

図６に示す端末群Ａ〜Ｄの各端末は、データ送信後、１フレームの間、他の複数の通信端末の送信データを受信し、送信タイミングを観測することにより次の送信タイミングを得る。そして、複数の通信端末からの送信データの相加平均を利用することにより自端末の次の送信タイミングを調整するようにしている。これにより、基準局を必要とすることなく、通信端末間で通信の衝突を起こさず端末群の同期を取ることができるのである。特許文献１には、上述の通信同期方法が示されている。
特開２００８−２２３０７号公報今井、鈴木「タイミング同期の自立分散制御に関する検討」信学技法、USN2007-13,pp67-71,May 2007

しかしながら、特許文献１及び非特許文献１に開示された技術では、各端末のタイミングが進行波のように平面上に一定のズレを生じながら安定に持続するモードロック状態と呼ばれる「局所解」が生じることが判明している。このモードロック状態が生じている端末群を概念的に示したのが図７である。モードロック状態とは、ある特定の少数端末を中心としてその周りに位置する端末の同期タイミングが、均等な勾配を保ちながら回転波のように進行する状態のことであり、非常に強固な構造であることが知られている。そのため、モードロック状態の発生を回避する手法が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）しかし非特許文献１に記載の提案では、モードロック状態がある割合で消滅し、その結果所望の完全同期状態が得られる場合があるが、その状態は不確実なことが判明している。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、モードロック状態の発生をより効果的に抑え、確実に解消させる通信装置、移動体通信システム及び通信方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の通信装置は、アンテナと、このアンテナを介して通信可能範囲にある複数の端末から電波を受信する受信部と、同じくアンテナを介して通信可能範囲にある複数の端末に対し電波を送信する送信部と、受信部で受信した受信電波と送信部から送信した送信電波との位相差を検出する位相検出部と、位相検出部から得られる位相差を記憶するメモリと、メモリに記憶されている複数の位相差の平均を算出する平均算出部と、メモリに記憶されている複数の位相差の分散を算出する分散算出部と、平均算出部から得られる平均値が所定の第一閾値以下で且つ分散算出部から得られる分散値が所定の第二閾値以上であることを検出したときに、送信部の電波送信動作を停止する制御部と、を備えている。

また、本発明の好ましい形態としては、上記の制御部は、送信部の電波送信動作の停止時に、平均算出部から得られる平均値が所定の第一閾値より大きく、且つ分散算出部から得られる分散値が所定の第二閾値未満であることを検出すると、所定の時間後に電波送信動作の停止を解除するようにする。
更に、本発明の好ましい形態として、メモリに記憶されている複数の位相差に応じて、複数の端末のグループ分けを行なうグループ設定部が設けられ、このグループ設定部で分けられたグループの数を算出する。そして、上記制御部は、平均算出部から得られる平均値が所定の第一閾値以下であり、且つ分散算出部から得られる分散値が所定の第二閾値以上又は算出したグループの数が所定の第三閾値以上であることを検出して送信部の電波送信動作を停止するようにしている。

また、本発明の通信方法は、通信可能範囲にある複数の端末からアンテナを介して電波を受信するステップと、この通信可能範囲にある複数の端末に対しアンテナを介して電波を送信するステップと、受信した受信電波と送信した送信電波との位相差を検出し、この検出した位相差を記憶するステップと、記憶されている複数の位相差の平均値を算出するステップと、記憶されている複数の位相差の分散を算出するステップと、この算出される平均値が所定の第一閾値以下であって、且つ算出される分散値が所定の第二閾値以上であることを検出して電波送信動作を停止するステップと、を含んでいる。

上述した通信装置、移動体通信システム及び通信方法では、モードロックのコアになると電波の送信を禁止し、モードロックのコアから外れると所定の期間後に電波の送信を行なうことで、モードロック状態を消滅させることができるようにしている。

本発明によれば、モードロック状態からでも完全同期状態を得ることのできる、通信装置、移動体通信システム及び通信方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態の例について、添付図面を参照しながら説明する。

本発明の通信装置及びこの通信装置を用いた通信同期方法の仕組みについて、図１のブロック構成図と、図２及び図３のフローチャートを基に説明する。
図１は、本実施形態例である通信装置のブロック構成図である。図１に示すように、本例の通信装置１００は、無線用のアンテナ１０１を備え、このアンテナ１０１は、切換えスイッチ１０２を介して、受信部１０３と送信部１０４に接続されている。受信部１０３は、通信可能範囲にある複数の端末から電波を受信し、送信部１０４は、通信可能範囲にある複数の端末に対して電波を送信する。

また、受信部１０３と送信部１０４は、位相検出部１０５及びずらし量取得部１２０に接続されている。

位相差検出部１０５は、クロック発生器１０８から出力されるパルスのタイミングと、受信部１０３が送信電波を受信するタイミングとの差を位相差として検出する。クロック発生器１０８は、後述する較正部１０６からの較正出力に応じたクロックを発振する発振器であり、通信装置１００が電波送信を行なうタイミングに同期したクロックを発振する発振器である。具体的には、位相検出部１０５において、自局に近接する、受信可能な端末から電波が送信されるタイミングと、通信装置１００が電波送信を行なうタイミングに同期したクロックとの位相差を検出する。このような位相差は受信可能なすべての端末のそれぞれについて検出される。

ずらし量取得部１２０は、受信部１０３で受信する電波のパケットに含まれる情報である、後述するずらし量を取得する。このずらし量は受信可能な端末のそれぞれについて取得される。

位相差検出部１０５及びずらし量取得部１２０から得られた位相差及びずらし量の情報は、加算器１２１で加算された後、メモリ１０７に供給される。このメモリ１０７には、位相差検出部１０５で複数の各端末に対して検出された位相差及びずらし量取得部１２０で複数の各端末に対して取得されたずらし量を加算した値である、いわゆるタイミング誤差が記憶される。タイミング誤差とは、クロック発生器１０８から出力されるパルスのタイミングと、自局に近接する受信可能な各端末が次に電波送信を行なうと予測されるタイミングとの差のことである。

メモリ１０７は、平均算出部１０９と、分散算出部１１０と、グループ設定部１１１に接続されている。まず、平均算出部１０９では、メモリ１０７に記憶されている複数の端末毎に算出されるタイミング誤差の平均値が算出される。そして、このタイミング誤差の平均値は比較器１１２で所定の閾値ａと比較される。閾値ａは、受信電波の周期の８％の値とされる。つまり、比較器１１２は受信電波の一周期の８％以上の誤差を検出したとき、出力を発生する。

また、平均算出部１０９は較正部１０６に接続されている。較正部１０６は、平均算出部１０９から出力される、タイミング誤差の平均値に基づいた較正出力を生成し、当該較正出力をクロック発生器１０８に供給する。

また、分散算出部１１０は、メモリ１０７に記憶されている複数のタイミング誤差の分散を算出する。そして、この分散は第二比較器１１３で所定の閾値ｂと比較され、閾値ｂを超えたときに、第二比較器１１３が出力を発生する。なお、閾値ｂを計算する式を以下に示す。

更に、メモリ１０７はグループ設定部１１１と接続され、ここで、メモリ１０７に記憶されている複数の相差に応じて、複数の端末のグループ分けが行われる。そして、このグループ設定部１１１でグループ分けされ、グループ数算出部１１４においてグループ分けされたグループ数が算出される。

そして、グループ数算出部１１４は第三比較器１１５で所定の閾値（例えば、グループ数１００）と比較され、閾値１００以上の時に第三比較器１１５から出力が得られる。
更に、第二比較器１１３と第三比較器１１５の出力はＯＲ回路１１６に加えられ、このＯＲ回路１１６の出力はＡＮＤ回路１１７に加えられる。そしてＡＮＤ回路１１７において、第一比較器１１２の出力との論理積がとられ、この出力が制御部１１８に送られる。
制御部１１８は、送受信切換えスイッチ１０２と送信部１０４の送信制御１１９を制御する。すなわち、制御部１１８は、平均算出部１０９から得られる平均値が所定の第一閾値ａ以下で、かつ分散算出部１１０から得られる分散値が所定の第二閾値σ以上又はグループ数算出部１１４から得られるグループの数が所定の第三閾値（例えば１００）以上である場合に、送信制御スイッチ１１９をオフ状態として送信部１０４からの電波送信動作を停止するようにする。

さらに、制御部１１８はＡＮＤ回路１１７の出力の切り替えのタイミングに基づいて送受信切換えスイッチ１０２を制御することで、受信可能な各端末からの送信電波を受信するタイミングの変更を行う。

図２は、複数の通信端末が通信しているグループに、まだ他の通信端末と通信を開始していないある通信端末（以下通信端末Ｘ）が新規に加入する方法に関するフローチャートであり、図３は、すでに他の複数の通信端末の通信に通信端末Ｘが参加している場合に、通信を同期させる方法に関するフローチャートである。

まず、図２のフローチャートに基づいて、通信端末（以下通信端末Ｘ）が新規に加入する方法について説明する。
通信に参加したい通信端末Ｘは、ある時点から１フレームの間、他の複数の受信しうるすべての通信端末の送信データを受信し、それらの送信タイミングとずらし量Δを測定する（ステップＳ１０）。
次に、このずらし量Δを用いて送信タイミングを補正し、１フレーム後の他の受信しうるすべての通信端末の送信タイミングを予測する（ステップＳ１２）。

そして、予測される送信タイミングから、空きスロット（送信間隔が１スロット長よりも長い区間）を特定し（ステップＳ１４）、この特定した空きスロットにおいてデータを送信、つまり、通信に参加する。このとき、送信データにずらし量Δ₀ ＝０という情報を含ませる（ステップＳ１６）。その後、図２のステップＳ２０（Ａ）へ移行する。

次に、図３に示すフローチャートに基づいて、複数の通信端末の通信に新たな通信端末Ｘが参加する場合の通信を同期させる方法について説明する。
まず、通信端末Ｘは、データの送信後、１フレームの間、他の複数の受信しうるすべての通信端末の送信データを受信し、それらの送信タイミングとずらし量Δを測定する（ステップＳ２０）。

その後、ずらし量Δと、通信端末Ｘ自身のずらし量Δ_ｉを用いてそれらの送信タイミングを補正し、１フレーム後の他の複数の受信しうるすべての通信端末の送信タイミングを予測する（ステップＳ２２）。

次に、予測される送信タイミングから、通信端末Ｘ自身のずらし量Δ_i+1を求める（ステップＳ２４）。そして、ステップＳ２２で予測した送信タイミングの分布から、ネットワークがモードロック状態なのかどうかを判定する（ステップＳ２６）。

ステップＳ２６でモードロック状態であると判定された場合は、送信タイミングをΔ_iずらすが、周囲に自身の送信タイミングを通知しない（ステップＳ３０）。一方、ステップＳ２６でモードロック状態でないと判定した場合、ずらし量Δ_ｉ分ずらしてデータを送信する。
このとき、送信データにずらし量Δ_i+1の情報を含ませるようにする（ステップＳ２８）。続いて、ｉにｉ＋１を代入し、Δ_i にΔ_i+1の値を代入して（ステップＳ３２）、ステップＳ２０へ戻る。

次に、ステップＳ１２及びステップＳ２２における送信タイミングの補正と、ステップＳ２４でのずらし量の求め方について、詳しく説明する。

まず、ステップＳ１０及びステップＳ２０での送信タイミング測定データから、ずらし量を求める通信端末の１スロット長を基準として、他の通信端末が１スロット長のどのタイミングで送信したかについて分布を調べ、自己のずらし量と、他の通信端末のずらし量から送信タイミングを補正する。例えば、ある通信端末Ｙの送信タイミングが０．４スロット長で、通信端末Ｙのずらし量が０．１スロット長であれば、補正された送信タイミングは０．５スロット長となる。

次に、補正後の送信タイミングから、横軸を時間、縦軸を頻度としてヒストグラムを作成する。このヒストグラムの最も頻度の大きいタイミングをずらし量とする。このようにずらし量を選ぶと、各通信端末のずらし量の和が小さくなるため効率よく同期することができる。最も頻度の大きいタイミングが複数ある場合には、その中で最もずらし量の短くなるものを選ぶ。また、ずらし量が１／２スロット長以下であれば、ずらし量だけ送信タイミングを遅らせ、ずらし量が１／２スロット長より大きければ、１スロット長からずらし量を引いた値だけ送信タイミングを早めるものとする。

次に、ステップＳ２６でのモードロック状態の判定方法について詳しく説明する。ステップＳ２４で求めたずらし量Δ_i+1がある適当なしきい値よりも小さく、かつ、ステップＳ２２で求めた予測したすべての送信タイミングのばらつき度が、ある適当なしきい値よりも大きい場合、端末Xは自身が参加しているネットワークがモードロック状態にあると判定する。上記の条件を満たさない場合、モードロック状態ではないと判定する。ここでいうばらつき度は、分散を利用してもよいし、同期度や送信タイミングが大きく離れている端末のデータをいくつ受信するかといった情報を利用してもよい。

また、各端末は自身が参加するネットワークがモードロック状態かどうかの情報を保持し、一度モードロック状態と判定した場合、その後一定フレーム時間の間はモードロック状態であると判定し続ける。

ステップＳ３０での自身の送信タイミングを通知しない方法としては、そのフレームでのデータ送信をとりやめる方法や、このデータの送信タイミングをステップＳ２４におけるずらし量の計算に含めないという情報をデータに含めて送信する方法などが考えられる。

図２及び図３のフローチャートに示す方法によると、衝突を起こすことなく通信を開始することができ、ネットワークが構築され、また、通信の同期をとることができる。

次に、本発明の実施形態例の通信装置１００及びそれを用いた通信同期方法の性能を評価するために、シミュレーションを行った。図４及び図５は、共に本実施形態例のシミュレーション結果と従来技術のシミュレーション結果を比較して示したものである。

これまでのシミュレーションにより、端末の移動がある場合でさえモードロック状態が持続することが判明しているので、ここでは端末移動のタイムスケールがタイミング同期の収束のタイムスケールより充分長い（すなわちタイミング同期の収束が比較的早い）場合を想定し、そこでモードロック状態の解消プロセスを検証している。
ここで、端末の移動を考慮したとしても、モードロック状態の解消を促進することこそあれ抑制することは考えにくいので、以上の想定はモードロック状態解消手法の動作を検証するうえで理にかなっていると考えられる。

そこでまず、端末を３２×３２の格子状に配置し、その台数を１０２４台とした。また、非特許文献１のシミュレーションに倣い、すべての端末は初期状態では一切の通信を行なわず、１００フレーム時間以内に順次ランダムに起動し、通信に参加するものとしている。
ここで、各端末の初期の通信タイミングをランダムに設定し、各端末は図１及び図２のフローチャートで説明した動作を行なうものとした。また、簡単のためタイミングビーコン同士のコリジョンの効果は無視できるものとして、各端末は１フレーム時間に１度、必ず通信範囲の全端末にタイミング情報を伝えることが可能であるとした。各端末の通信範囲としては、その端末を中心とする周辺端末数が２０、２４台の２通りを想定している。つまり、時分割多元接続を行なう際に、１フレーム内に設定されるスロット数は上記の周辺端末数に対し十分な数あるものとした。

そして、簡単のためデータパケット長はすべて等しいとし、ガード時間はスロット長の８％としている。以上の条件の下で、提案手法の性能評価を行なったのが図４、図５である。図４は通信範囲が２０台、図５は２４台の時の結果である。評価の指標である同期度σ(degree of synchronization)を計算する式を以下に示す。

σ=１は完全同期を表わし、逆に、σ=０は、すべての端末のタイミングが均一に分布した状態を表す（Ｎは端末群を構成する端末数を表わす）。一般に、モードロック状態においては、タイミングが広く分布しているために、σは０に近い値を持つ。

図４及び図５とも、１０００回試行したときに、５００フレームが経過した時点で、同期度を横軸にとり、当該同期度に対応する試行の割合、つまり同期がとれない割合を頻度（％）で示した。比較の対象として、(i)モードロック状態の解消を行なわない同期手法(従来２)、さらに(ii)非特許文献１及び特許文献１のアイデアを利用した通信同期手法(従来１)の結果を同時に図示している。
図４、図５において、図中の小さな枠で囲んだ部分は、縦軸に示す頻度のスケールの最大値を１０％に拡大して示したものである。

図４、図５から分かるように、本発明の通信装置では１００％に近い確率で完全同期が得られているのに対し、従来の２つの方法では、同期がとれない場合がある程度の確率で発生することが確認される。
なお、図４の場合（通信範囲が２０台）は、本例の提案でも一部同期がとれないことが観測されたが、図５の場合（通信範囲が２４台）では、同期がとれない状態が０となった。つまり、完全同期が実現できているといえる。

なお、本実施形態の通信置を車両に搭載することにより、車車間の移動体通信を常時快適に行うことができる。つまり、運転手は、例えば自分の運転する車両に隣接している車両との距離を正確に知ることができるようになる。これにより、車両を運転する際の安全性を確実に向上させる、という効果がある。

以上、本発明の実施形態の例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含むことはいうまでもない。

本発明の一実施形態に係る通信装置のブロック構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る、通信を開始していないある特定の通信端末が新規に加入する方法を説明するためのフローチャートである。本発明の一実施形態に係る、他の複数の通信端末の通信にある特定の通信端末が参加している場合の通信を同期させる方法を説明するためのフローチャートである。本発明の一実施形態例のシミュレーション結果（通信範囲が２０台）と従来技術のシミュレーション結果を比較して示した図である。本発明の一実施形態例のシミュレーション結果（通信範囲が２４台）と従来技術のシミュレーション結果を比較して示した図である。通信可能な範囲にある複数の端末を群として、多数の自動車が一つの道路上を通行する様子を示した図である。従来技術におけるモードロック状態が生じている端末群を概念的に示した図である。

符号の説明

１００…通信装置、１０１…アンテナ、１０２…送受信切換えスイッチ、１０３…受信部、１０４…送信部、１０５…位相検出部、１０６…較正部、１０７…メモリ、１０８…クロック発生器、１０９…平均算出部、１１０…分散算出部、１１１…グループ設定部、１１２…第一比較器、１１３…第二セパレータ、１１４…グループ算出部、１１５…第三比較器、１１６…ＯＲ回路、１１７…ＡＮＤ回路、１１８…制御部、１１９…送信制御スイッチ、１２０…ずらし量取得部、１２１…加算器

Claims

アンテナと、
通信可能範囲にある複数の端末から前記アンテナを介して電波を受信する受信部と、
前記通信可能範囲にある前記複数の端末に対し前記アンテナを介して電波を送信する送信部と、
前記受信部で受信した受信電波と前記送信部から送信した送信電波との位相差を検出する位相検出部と、
前記位相検出部から得られる前記位相差を記憶するメモリと、
前記メモリに記憶されている複数の前記位相差の平均を算出する平均算出部と、
前記メモリに記憶されている複数の前記位相差の分散を算出する分散算出部と、
前記平均算出部から得られる前記平均値が所定の第一閾値以下で且つ前記分散算出部から得られる前記分散値が所定の第二閾値以上であることを検出したときに、前記送信部の電波送信動作を停止する制御部と、
を備える通信装置。
前記制御部は、前記送信部の前記電波送信動作の停止時に、前記平均算出部から得られる前記平均値が所定の第一閾値より大きい且つ前記分散算出部から得られる前記分散値が所定の第二閾値未満であることを検出すると、所定の時間後に前記電波送信動作の停止を解除する請求項１に記載の通信装置。
更に、前記メモリに記憶されている複数の前記位相差に応じて、前記複数の端末のグループ分けを行なうグループ設定部と
前記グループ設定部で分けられたグループの数を算出するグループ数算出部と、を備え、
前記制御部は、前記平均算出部から得られる前記平均値が所定の第一閾値以下且つ前記分散算出部から得られる前記分散値が所定の第二閾値以上又は前記グループ数算出部から得られる前記グループの数が所定の第三閾値異常であることを検出して前記送信部の電波送信動作を停止する
請求項２に記載の通信装置。
アンテナと、通信可能範囲にある複数の端末から前記アンテナを介して電波を受信する受信部と、前記通信可能範囲にある前記複数の端末に対し前記アンテナを介して電波を送信する送信部と、前記受信部で受信した受信電波と前記送信部から送信した送信電波との位相差を検出する位相検出部と、前記位相検出部から得られる前記位相差を記憶するメモリと、前記メモリに記憶されている複数の前記位相差の平均を算出する平均算出部と、前記メモリに記憶されている複数の前記位相差の分散を算出する分散算出部と、前記平均算出部から得られる前記平均値が所定の第一閾値以下で且つ前記分散算出部から得られる前記分散値が所定の第二閾値以上であることを検出したときに、前記送信部の電波送信動作を停止する制御部と、を有する第一通信部を備える第一車両と、
前記第一通信部と等しい構成であり、前記第一通信部と無線通信を行う第二通信部を備える第二車両と
よりなる移動体通信システム。
通信可能範囲にある複数の端末からアンテナを介して電波を受信するステップと、
前記通信可能範囲にある前記複数の端末に対し前記アンテナを介して電波を送信するステップと、
受信した受信電波と送信した送信電波との位相差を検出し、この検出した位相差を記憶するステップと、
記憶されている複数の位相差の平均値を算出するステップと、
記憶されている複数の位相差の分散を算出するステップと、
算出される平均値が所定の第一閾値以下で、且つ算出される前記分散値が所定の第二閾値以上であることを検出して電波送信動作を停止するステップと
を備える通信方法。