JP6960435B2

JP6960435B2 - 通信システム、無線子機及びその制御方法

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Publication number: JP6960435B2
Application number: JP2019139379A
Authority: JP
Inventors: 隆生岡廻
Original assignee: SoftBank Corp
Current assignee: SoftBank Corp
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2039-07-30
Also published as: JP2021022888A

Description

本発明は、通信システム、無線子機及びその制御方法に関する。

消費電力が大きいとされてきたＷｉｆｉ（登録商標）の弱点を解消する新しい技術として、いわゆるＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ（非特許文献１参照）が注目を集めている。
図４は、既存のＷｉｆｉ通信システムを例示した図であり、図５は、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉを適用した通信システム（以下、「ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ通信システム」という。）を例示した図である。

既存のＷｉｆｉ通信システム１は、Ｗｉｆｉチップが搭載されたＷｉｆｉ子機１０と、Ｗｉｆｉアクセスポイント２０を備えている。Ｗｉｆｉチップは、消費電力が大きいＲＦ（Radio Frequency）部１２と消費電力が小さいベースバンド部１３を備えている。Ｗｉｆｉ子機１０は、Ｗｉｆｉチップを利用することでＷｉｆｉアクセスポイント２０と直接通信を行い情報を送受信する。

一方、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ通信システム２は、Ｗｉｆｉチップが搭載されたＷｉｆｉ子機１０やＷｉｆｉアクセスポイント２０のほか、ＷｉｆｉチップからＲＦ部１２を取り外し、ベースバンド部１３を搭載した受動デバイス（以下、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置という）３０を備えている。

ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置３０は、Ｗｉｆｉ子機１０のＲＦ部１２から発射される高出力のＲＦ信号を反射することでＷｉｆｉアクセスポイント２０に情報を送信する。すなわち、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置３０は、ＲＦ信号を反射する際に、Ｗｉｆｉ規格に準拠した変調を施して情報を送信する。これにより、Ｗｉｆｉアクセスポイント２０は、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置３０で反射・変調されたＲＦ信号を受信することが可能となり、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置３０から送信された情報を受信することができる。ここで、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置３０は、消費電力の大きな信号の送受信を繰り返すＲＦ部１２を有していないため、わずかな消費電力で長時間動作させることができ、既存のＷｉｆｉ技術に比べてエネルギー消費量を大幅に低減することが可能となる（例えば、非特許文献１参照）。

B. Kellogg, V. Talla, J. Smith, and S. Gollakota, "Passive Wi-Fi: Bringing low power to Wi-Fi transmissions", Get Mobile: Mobile Computing and Communications, Vol 20, Issue 3, July 2016.

しかしながら、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ技術については、以下に示す問題がある。
図６に示すように、Ｗｉｆｉ子機１０のＲＦ部１２から発射され、Ｗｉｆｉアクセスポイント２０によって直接受信されるＲＦ信号（直接波）の周波数ｆ０と、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置３０で反射・変調された信号（反射波）の周波数ｆ０は同じである。このため、Ｗｉｆｉアクセスポイント２０において両信号が干渉し、正しく受信できないという問題がある。

このような問題を解消するために、例えば図７に示すように、Ｗｉｆｉ子機１０からのＲＦ信号を、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置３０で反射させる際に、ＲＦ信号の周波数をｆ０から（ｆ０＋Δｆ）にシフトさせることで、両信号の干渉を抑制する方法が提案されている（前掲非特許文献１参照）。

しかしながら、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置３０において周波数をシフトさせるためには、周波数シフトを行うモジュールが必要となる。さらに、Ｗｉｆｉアクセスポイント２０において受信した信号から所望の周波数の信号を選択するためには、周波数選択フィルタなどを設ける必要があるなど、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ通信システム２の構成が複雑になる等の問題が指摘されていた。

本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、簡易かつ効率的に近距離無線通信の信号の干渉を抑制することができる無線通信技術を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る通信システムは、アクセスポイント装置と、無線子機と、パッシブ装置を備えた通信システムであって、無線子機は、アクセスポイント装置と通信を行うために、設定された周波数を用いた信号を生成するＲＦ部と、ＲＦ部により生成された信号を任意の向きに送信するビームフォーミングアンテナと、ビームフォーミングアンテナの信号の送信方向を制御する制御部とを備え、パッシブ装置は、無線子機から受信した信号を反射するアンテナと、アンテナによって信号を反射する際に信号を変調する変調器とを備え、アクセスポイント装置は、無線子機から送信された信号、及びパッシブ装置にて反射・変調された信号を受信する受信部を備え、制御部は、無線子機がパッシブ装置を介してアクセスポイント装置に信号を送信する場合には、ビームフォーミングアンテナから送信する信号の方向を、パッシブ装置の方向に制御することを要旨とする。

本発明によれば、簡易かつ効率的に近距離無線通信の信号の干渉を抑制することが可能となる。

本実施形態に係るＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ通信システムの特徴及び構成を示す説明図である。Ｗｉｆｉ子機の構成を示すブロック図である。ビームフォーミングを用いた信号干渉の回避動作を示すシーケンス図である。既存のＷｉｆｉ通信システムを例示した図である。既存のＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ通信システムを例示した図である。既存のＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ通信システムの問題点を説明するための図である。既存のＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ通信システムの問題点を説明するための図である。

添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

Ａ．本実施形態
図１を参照して、本実施形態に係るＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ通信システム１０００の特徴及び構成を説明する。

（特徴）
本発明のＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ通信システム１０００は、Ｗｉｆｉ子機１１０、Ｗｉｆｉアクセスポイント１２０、３台のＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０Ａ〜１３０Ｃを備えて構成される。以下の説明で各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０Ａ〜１３０Ｃを特に区別する必要がない場合には、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０と呼ぶ。本実施形態では、電波の放射方向を調整できるビームフォーミング（すなわち、アンテナの指向性パターンを制御する技術）を適用することで、Ｗｉｆｉ子機１１０からＷｉｆｉアクセスポイント１２０に直接到達する信号（図１に示す経路Ｐ１参照）と、各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０にて反射された後にＷｉｆｉアクセスポイント１２０に到達する各信号（図１に示す経路Ｐ２参照）の相互干渉を回避する。

（構成）
図２は、Ｗｉｆｉ子機１１０の構成を示すブロック図である。
Ｗｉｆｉ子機（無線子機）１１０は、例えばパソコンやゲーム機、スマートフォン、携帯端末などであり、制御部１１１と、ＲＦ部１１２と、ベースバンド部１１３と、ビームフォーミングアンテナ１１４を備えて構成される。

制御部１１１は、プロセッサ１１１ａとメモリ１１１ｂとを含んで構成される。制御部１１１のプロセッサ１１１ａは、ビームフォーミングを実現する制御プログラムをはじめ、各種プログラムをメモリ１１１ｂから読み出し、実行することで、ビームフォーミングを実現するとともに装置各部を制御する。なお、プロセッサ１１１aは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マイクロプロセッサ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）、及び／又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのハードウェアを含んで構成されてもよい。また、メモリ１１１ｂは、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの少なくとも１つ以上で構成されてもよい。

ＲＦ部１１２は、搬送波の無線周波数帯（例えば、２．４ＧＨｚ、５．０ＧＨｚなど）の信号（ＲＦ信号）を処理する回路ブロックである。

ベースバンド部１１３は、例えば、処理部、ＤＡＣ（Digital to Analog Converter）、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）などを備え、変調前または復調後のベースバンド信号を処理する回路ブロックである。

ビームフォーミングアンテナ１１４は、制御部１１１によりＲＦ信号の送信方向を制御することでビームフォーミングを実現する。ビームフォーミングアンテナの一例としてＭａｓｓｉｖｅＭＩＭＯのビームフォーミング技術を用いることができる。Ｍｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯのビームフォーミングアンテナの一例では、所定の規則に従って配列された複数のアンテナ素子によって構成し、各アンテナ素子から出射されるＲＦ信号の位相等を制御部１１１により調整して電波の放射方向を制御できる。またＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯのビームフォーミングアンテナの別の例では、指向性を有する複数のアンテナをあらかじめ異なる方向に向けて設置し、使用するアンテナを制御部１１１で切り替えることで電波の放射方向を制御することもできる。本発明のビームフォーミングアンテナ１１４の実現方法としては、これらに限る趣旨ではなく、ここに示した以外の様々なビームフォーミング技術を用いることができる。

図１に戻り、Ｗｉｆｉアクセスポイント（アクセスポイント装置）１２０は、受信部１２１を備えている。受信部１２１は、Ｗｉｆｉ子機１１０から直接到達するＲＦ信号（図１に示す経路Ｐ１参照）、及びＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０にて反射された後に到達するＲＦ信号（図１に示す経路Ｐ２参照）を受信するアンテナ１２２を備えている。

ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置（パッシブ装置）１３０は、例えばセンサ端末やスマート家電などのＩｏＴデバイスに搭載された装置であり、反射アンテナ１３１、変調器１３２を備えている。反射アンテナ１３１は、Ｗｉｆｉ子機１１０からビームフォーミングアンテナ１１４を介して送信されたＲＦ信号を反射する。変調器１３２は、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０で反射されるＲＦ信号が、Ｗｉｆｉアクセスポイント１２０にて受信できるように、反射アンテナ１３１で反射する際、ＲＦ信号にＷｉｆｉ規格に準拠した変調を施して、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０からＷｉｆｉアクセスポイント１２０に情報を送信する。

〔処理フロー〕
以下、図３を参照しながら、ビームフォーミングを用いた信号干渉の回避動作について説明する。
なお、以下の説明では、Ｗｉｆｉ子機１１０のメモリ１１１ｂに、各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０の位置を特定する位置情報が格納されており、予めＷｉｆｉ子機１１０にて、各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０の位置が把握されている場合を想定する。

まず、Ｗｉｆｉ子機１１０の制御部１１１は、メモリ１１１ｂに格納されている各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０の位置情報を読み出し、位置情報を特定する（ステップＳ１）。

Ｗｉｆｉ子機１１０は、ＲＦ部１１２にてＲＦ信号を生成すると、読み出した位置情報に基づき、ビームフォーミングアンテナ１１４から出射されるＲＦ信号の位相等を調整（すなわち、ＲＦ信号の送信方向を制御）することで、ビームフォーミングを実現する（ステップＳ２）。図１を例に説明すると、Ｗｉｆｉ子機１１０の制御部１１１は、読み出した位置情報に基づき、ビームフォーミングアンテナ１１４から送信されるＲＦ信号の方向を、各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０にあわせて所定のタイミング（例えば、数ミリ秒〜数秒間隔など）で切り換えていく。

各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置（ここでは３台を想定）１３０は、反射アンテナ１３１にて反射する際に、ＲＦ信号にＷｉｆｉ規格に準拠した変調を施す（ステップＳ３〜ステップＳ５）。

Ｗｉｆｉアクセスポイント１２０は、各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０にて反射されたＲＦ信号を順次受信する（ステップＳ６〜ステップＳ８）。ここで、例えば,
Ｗｉｆｉ装置１１０が、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０Ａの向きに電波を放射すると、アクセスポイント装置１２０においてＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０Ａから受信する信号の強度は、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０ＢやＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０Ｃから反射された信号の強度と比べて、大きくなることが期待される。従って、アクセスポイント装置１２０は、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０ＢやＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０Ｃからの干渉を抑制して、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０Ａと通信することができる。同様に、Ｗｉｆｉ装置１１０が、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０ＢやＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０Ｃの向きに電波を放射する際には、Ｗｉｆｉアクセスポイント１２０において、他のＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０Ａ等からの干渉を抑制することができる。
なお、本実施例では、図３に示すように時分割アクセスにより各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０とＷｉｆｉアクセスポイント１２０が通信を行なう例を示したが、周波数分割アクセスや符号分割アクセスなどを用いたり、これらのアクセス方式を組み合わせることで、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置間の干渉を抑制することも可能である。
また上記例では、Ｗｉｆｉ子機１１０から、直接、Ｗｉｆｉアクセスポイント１２０に向けてＲＦ信号が出射されるパターンを割愛したが、もちろんこのようなパターンが入っていてもよい。この場合には、Ｗｉｆｉ子機１１０の制御部１１１は、ビームフォーミングアンテナ１１４から送信されるＲＦ信号の方向が、Ｗｉｆｉアクセスポイント１２０の方向に向くように制御すればよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、Ｗｉｆｉ子機１１０にビームフォーミングアンテナ１１４を設けるとともに、ビームフォーミングアンテナ１１４から出射されるＲＦ信号の送信方向を制御することで、ビームフォーミングを実現する。ビームフォーミングを用いることで、Ｗｉｆｉ子機１１０からＷｉｆｉアクセスポイント１２０に直接到達する信号（図１に示す経路Ｐ１参照）と、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０にて反射された後にＷｉｆｉアクセスポイント１２０に到達する各信号（図１に示す経路Ｐ２参照）の相互干渉を、簡易かつ効率的に回避することが可能となる。

Ｂ．変形例
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備えるＷｉｆｉ子機１１０、Ｗｉｆｉアクセスポイント１２０、ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０の数、並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

本実施形態では、Ｗｉｆｉ子機１１０のメモリ１１１ｂに、各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０の位置を特定する位置情報が格納されており、予めＷｉｆｉ子機１１０にて、各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０の位置が把握されている場合を例示したが、これに限る趣旨ではない。

例えば、各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０から反射されるＲＦ信号（以下、反射ＲＦ信号という。）をＷｉｆｉ子機１１０にてサーチ（探索）し、各反射ＲＦ信号の受信方向から各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０の位置を推定し、推定した位置に基づいて、ビームフォーミングアンテナ１１４から出射されるＲＦ信号の送信方向を制御してもよい。

また別の例として、例えば各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０が所定の周期（例えば、２４時間ごと）で微弱な位置検知用の電波を発射する一方、Ｗｉｆｉ子機１１０においては、各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０から発射される電波をサーチし、電波強度や電波の受信方向などに基づいて、各ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置１３０の位置を推定する。Ｗｉｆｉ子機１１０は、推定した位置に基づいて、ビームフォーミングアンテナ１１４から出射されるＲＦ信号の送信方向を制御してもよい。

１００…ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ通信システム、１１０…Ｗｉｆｉ子機、１１１…制御部、１１１ａ…プロセッサ、１１１ｂ…メモリ、１１２…ＲＦ部、１１３…ベースバンド部、１１４…ビームフォーミングアンテナ、１２０…Ｗｉｆｉアクセスポイント、１３０…ＰａｓｓｉｖｅＷｉｆｉ装置

Claims

アクセスポイント装置と、無線子機と、複数のパッシブ装置を備えた通信システムであって、
前記無線子機は、前記アクセスポイント装置と通信を行うために、設定された周波数を用いた信号を生成するＲＦ部と、前記ＲＦ部により生成された信号を任意の向きに送信するビームフォーミングアンテナと、前記ビームフォーミングアンテナの信号の送信方向を制御する制御部とを備え、
前記各パッシブ装置は、前記無線子機から受信した信号を反射するアンテナと、前記アンテナによって前記信号を反射する際に前記信号を変調する変調器とを備え、
前記アクセスポイント装置は、前記無線子機から送信された信号、及び前記各パッシブ装置にて反射・変調された信号を受信する受信部を備え、
前記制御部は、
前記無線子機が前記各パッシブ装置を介して前記アクセスポイント装置に信号を送信する場合には、前記ビームフォーミングアンテナから送信する信号の方向を、前記各パッシブ装置の方向に制御するとともに、時分割アクセスにより前記各パッシブ装置と前記アクセスポイント装置が通信を行うように制御する、通信システム。
前記各パッシブ装置の位置を特定する位置情報が格納されたメモリをさらに備え、
前記制御部は、
前記位置情報に基づき、前記ビームフォーミングアンテナから送信する信号の方向を、前記各パッシブ装置の方向に制御する、請求項１に記載の通信システム。
前記制御部は、
前記各パッシブ装置にて反射・変調された信号を探索し、探索によって得られた前記信号の方向から前記各パッシブ装置の位置を推定し、推定した位置に基づき、前記ビームフォーミングアンテナから送信する信号の方向を、前記各パッシブ装置の方向に制御する、請求項１に記載の通信システム。
前記各パッシブ装置は、
所定の周期で位置検知用の電波を発射し、
前記制御部は、
前記各パッシブ装置から発射される前記電波を探索し、探索によって得られた前記電波の方向から前記各パッシブ装置の位置を推定し、推定した位置に基づき、前記ビームフォーミングアンテナから送信する信号の方向を、前記各パッシブ装置の方向に制御する、請求項１に記載の通信システム。
アクセスポイント装置と直接通信を行うとともに、複数のパッシブ装置とアクセスポイント装置が通信をするための電波を送信することが可能な無線子機であって、
前記アクセスポイント装置と通信を行うために、設定された周波数を用いた信号を生成するＲＦ部と、
前記ＲＦ部により生成された信号を任意の向きに送信するビームフォーミングアンテナと、
前記ビームフォーミングアンテナの信号の送信方向を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記各パッシブ装置と前記アクセスポイント装置が通信を行う場合には、前記ビームフォーミングアンテナから送信する信号の方向を、前記各パッシブ装置の方向に制御するとともに、時分割アクセスにより前記各パッシブ装置と前記アクセスポイント装置が通信を行うように制御する、無線子機。
アクセスポイント装置と直接通信を行うとともに、複数のパッシブ装置とアクセスポイント装置が通信をするための電波を送信することが可能な無線子機の制御方法であって、
前記アクセスポイント装置と通信を行うために、設定された周波数を用いた信号を生成する生成ステップと、
生成された信号を任意の向きに送信するビームフォーミングアンテナの信号の送信方向を制御する制御ステップとを含み、
前記制御ステップにおいて、前記各パッシブ装置と前記アクセスポイント装置が通信を行う場合には、前記ビームフォーミングアンテナから送信する信号の方向を、前記各パッシブ装置の方向に制御するとともに、時分割アクセスにより前記各パッシブ装置と前記アクセスポイント装置が通信を行うように制御する、無線子機の制御方法。