特許 6248434 無線通信システム、無線基地局、及び、無線端末

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6248434

(24)【登録日】2017年12月1日

(45)【発行日】2017年12月20日

(54)【発明の名称】無線通信システム、無線基地局、及び、無線端末

(51)【国際特許分類】

   H04W 72/04 20090101AFI20171211BHJP

   H04W 16/28 20090101ALI20171211BHJP

【ＦＩ】

   H04W72/04 131

   H04W16/28

【請求項の数】12

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2013-139971(P2013-139971)

(22)【出願日】2013年7月3日

(65)【公開番号】特開2015-15547(P2015-15547A)

(43)【公開日】2015年1月22日

【審査請求日】2016年4月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005223

【氏名又は名称】富士通株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100092978

【弁理士】

【氏名又は名称】真田 有

(74)【代理人】

【識別番号】100112678

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 雅久

(72)【発明者】

【氏名】西川 健一

(72)【発明者】

【氏名】二宮 照尚

【審査官】 三浦 みちる

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−１４１０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−００８８１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１５５１９１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−２８６８５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０００−５１１３６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｂ ７／２４− ７／２６

Ｈ０４Ｗ ４／００−９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

無線基地局と、
前記無線基地局と無線によって通信することが可能な複数の無線端末と、を備え、
前記無線基地局は、
前記無線基地局が提供する通信エリアにおいて前記無線基地局宛に送信した無線信号を互いに受信できない位置関係にある複数の無線端末に対して、異なるタイムスロットを割り当てる、無線通信システム。

【請求項2】

前記無線信号を互いに受信できない位置関係は、
前記無線基地局を挟んで向かい合う方向に位置する関係である、請求項１に記載の無線通信システム。

【請求項3】

前記無線基地局は、
前記向かい合う方向に位置する無線端末の数が所定数を超えると、前記タイムスロットの割り当てを実施する、請求項２に記載の無線通信システム。

【請求項4】

前記無線基地局は、
前記向かい合う方向に位置する無線端末の通信量が所定量を超えると、前記タイムスロットの割り当てを実施する、請求項２に記載の無線通信システム。

【請求項5】

前記無線基地局は、
指向性アンテナと、
前記指向性アンテナの指向性を変えながら前記無線端末のいずれかと通信することにより、前記位置関係を判定する判定部と、
を備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線通信システム。

【請求項6】

前記無線端末は、
当該無線端末の位置情報を取得する位置情報取得部と、
前記位置情報取得部により取得した前記位置情報を前記無線基地局へ送信する送信部と、を備え、
前記無線基地局は、
前記無線端末から受信した前記位置情報に基づいて、前記位置関係を判定する判定部を備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線通信システム。

【請求項7】

無線基地局であって、
複数の無線端末の前記無線基地局に対する位置関係を判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づき、前記無線基地局が提供する通信エリアにおいて前記無線基地局宛に送信した無線信号を互いに受信できない位置関係にある複数の無線端末に対して、異なるタイムスロットを割り当てるタイムスロット割当制御部と、を備えた、無線基地局。

【請求項8】

前記無線信号を互いに受信できない位置関係は、
前記無線基地局を挟んで向かい合う方向に位置する関係である、請求項７に記載の無線基地局。

【請求項9】

前記タイムスロット割当制御部は、
前記向かい合う方向に位置する無線端末の数が所定数を超えると、前記タイムスロットの割り当てを実施する、請求項８に記載の無線基地局。

【請求項10】

前記タイムスロット割当制御部は、
前記向かい合う方向に位置する無線端末の通信量が所定量を超えると、前記タイムスロットの割り当てを実施する、請求項８に記載の無線基地局。

【請求項11】

指向性アンテナを備え、
前記判定部は、
前記指向性アンテナの指向性を変えながら前記無線端末のいずれかと通信することにより、前記位置関係を判定する、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の無線基地局。

【請求項12】

前記判定部は、
前記複数の無線端末から受信した、前記複数の無線端末の位置情報に基づいて、前記位置関係を判定する、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の無線基地局。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線通信システム、無線基地局、及び、無線端末に関する。

【背景技術】

【0002】

無線通信システムの一例として無線アドホックネットワークが知られている。無線アドホックネットワークに関する従来技術として下記の特許文献１〜３に記載された技術がある。

【0003】

特許文献１に記載の技術は、いわゆる隠れ端末との間で使用タイムスロットの競合を抑制することを目的とする。そのため、特許文献１に記載の技術では、無線装置間で自己のキャリアセンス範囲内に存在する無線装置のタイムスロットの使用状況を送受信し、自己及び他の無線装置のタイムスロット使用状況テーブルを作成する。そして、無線端末は、作成したタイムスロット使用状況テーブルを参照して、全てのタイムスロットが使用中である場合、自己のキャリアセンス範囲内に存在する無線装置が使用するタイムスロットの任意の１つを定期パケットの送信用タイムスロットとして選択する。

【0004】

特許文献２に記載の技術は、ネットワーク規模が増大しても、隠れ端末問題が生じない周波数配置への配置成功率を向上することを目的とする。そのため、特許文献２に記載の技術では、設定された周波数配置が隠れ端末問題リンクとなる場合に、設定周波数配置が規定期間を超えて変化していないことを検出すると、周波数設定を変更する処理を行なう。

【0005】

特許文献３に記載の技術は、無線センサネットワークにおいて、ゲートウェイ（以下、ゲートウェイを「ＧＷ」と略記する場合がある。）に相当するノードが許可メッセージの一例としての受信準備完了（ＣＴＳ）パケットをブロードキャストする。当該ＣＴＳパケットを受信したノードは、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）法に基づいてデータを送信することが許可されたことを認識する。これにより、スロット所有者ノードによるデータ伝送はなされず、結果として隠れ端末問題が解決される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０−１７１８３４号公報

【特許文献2】特開２００７−２３５８２８号公報

【特許文献3】特表２０１２−５１５４８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

無線アドホックネットワークにおいて、ＣＳＭＡ／ＣＡ法によるキャリアセンスの働かない位置関係にある複数の端末が、同時にパケット送信を行なうと、パケットの衝突が発生する。このような位置関係にある端末を隠れ端末という。

【0008】

無線アドホックネットワークにおいて、端末数が増大すると、ＧＷに相当するノードに、あらゆる方向から通信が集中するため、隠れ端末が発生しやすい。例えば図２０に模式的に示すように、ＧＷ１００を挟んで対向する位置関係にある端末２００及び３００が隠れ端末に相当する。すなわち、端末２００及び３００は、共にＧＷ１００の通信範囲１００ａ内に位置するが、互いに相手端末の通信範囲３００ａ及び２００ａ外に位置する関係にある。隠れ端末によるパケット衝突が発生すると、通信のスループットが低下する。

【0009】

ここで、例えば、ＧＷからみて特定の方向の端末数が増加した場合、隠れ端末の数が増加し、パケット衝突が発生しやすくなる。特許文献１〜３には、このようにＧＷからみて特定の方向の端末数が増加した場合の対処について何ら言及していない。

【0010】

本発明の目的の１つは、隠れ端末の増加に伴う通信のスループット低下を抑制することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一態様では、複数の無線端末と、自局に対して無線端末が位置する方向によって当該無線端末が通信可能なタイムスロットの割り当てを変える無線基地局と、を備える。

【発明の効果】

【0012】

隠れ端末の増加に伴う通信のスループット低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１実施形態に係る無線通信システムとしての無線アドホックネットワークの一例を模式的に示す図である。

【図2】図１に例示するゲートウェイ（ＧＷ）による方向別のタイムスロット割当の一例を示す図である。

【図3】図２に例示する方向別のタイムスロットの関係を説明する図である。

【図4】（Ａ）は図１に例示するＧＷが指向性アンテナの指向性を変えながら通信する様子を模式的に示す図であり、（Ｂ）は方向別のタイムスロットが割り当てられる様子を模式的に示す図である。

【図5】図１に例示するＧＷのハードウェア構成例を示す図である。

【図6】図１に例示するＧＷの機能ブロック図である。

【図7】図１に例示する無線端末のハードウェア構成例を示す図である。

【図8】図１に例示する無線端末の機能ブロック図である。

【図9】図１、図５及び図６に例示するＧＷの動作を説明するフローチャートである。

【図10】図１、図７及び図８に例示する無線端末の動作（タイムスロット情報受信時）を説明するフローチャートである。

【図11】図１、図７及び図８に例示する無線端末の動作（通信時）を説明するフローチャートである。

【図12】第１実施形態の効果を説明する図であり、（Ａ）は端末数と総通信成功パケット数との関係を例示する図であり、（Ｂ）は無線端末の配置方法を説明する図である。

【図13】第１実施形態の変形例に係るＧＷの動作を説明するフローチャートである。

【図14】第２実施形態に係るＧＷの機能ブロック図である。

【図15】第２実施形態に係る無線端末の機能ブロック図である。

【図16】図１５に例示する無線端末の動作（位置情報送信時）を説明するフローチャートである。

【図17】図１４に例示するＧＷの動作を説明するフローチャートである。

【図18】図１５に例示する無線端末の動作（タイムスロット情報受信時）を説明するフローチャートである。

【図19】第２実施形態においてＧＷがタイムスロットを割り当てる領域を説明する模式図である。

【図20】ＧＷ周辺の端末配置例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。なお、以下の実施形態で用いる図面において、同一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表す。

【0015】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る無線通信システムとしての無線アドホックネットワークの一例を模式的に示す図である。図１に示す無線アドホックネットワークは、例示的に、無線基地局の一例に相当するＧＷ１０と、当該ＧＷ１０の周囲に位置する複数の無線端末２０と、を備える。

【0016】

ＧＷ１０の通信範囲１０ａ内に位置する無線端末２０（以下、単に「端末２０」ともいう。）が、ＧＷ１０と通信することができる。ＧＷ１０の通信範囲１０ａは、例示的に、方向別にセクタ化されている。図１に示す例では、通信範囲１０ａは、８つのセクタに分割されている。

【0017】

８つのセクタのうち、例示的に、４つのセクタＡ〜Ｄに対してそれぞれタイムスロット＃１〜＃４が割り当てられる。したがって、セクタＡに位置する端末２０はタイムスロット＃１を用いて、セクタＢに位置する端末２０はタイムスロット＃２を用いて、それぞれＧＷ１０と通信する。同様に、セクタＣに位置する端末２０はタイムスロット＃３を用いて、セクタＤに位置する端末２０はタイムスロット＃４を用いて、それぞれＧＷ１０と通信する。

【0018】

ここで、セクタＡ及びＢはＧＷ１０を挟んで互いに対向する位置関係にあるため、セクタＡ及びＢに位置する端末２０の数がそれぞれ増加すると、隠れ端末数が増加する。そこで、ＧＷ１０は、対向関係にあるセクタＡ及びＢに対して異なるタイムスロット＃１及び＃２をそれぞれ割り当てる。すなわち、例えば図２に示すように、ＧＷ１０から見て対面の関係にある、Ａの方向及びＢの方向に位置する端末群に対しては時間が重ならないように同期させてタイムスロットを割り当てる。

【0019】

同様に、図１に示すように、セクタＣ及びＤも、ＧＷ１０を挟んで互いに対向する位置関係にあるため、ＧＷ１０は、対向関係にあるセクタＣ及びＤに対して異なるタイムスロット＃３及び＃４をそれぞれ割り当てる。すなわち、例えば図２に示すように、ＧＷ１０から見て対面の関係にある、Ｃの方向及びＤの方向に位置する端末群に対して時間が重ならないように同期させてタイムスロットを割り当てる。

【0020】

ここで、ＧＷ１０を挟んで対向関係にないセクタに位置する端末については、隠れ端末の関係にないので、割り当てるタイムスロットは非同期としてよい。例えば図３に示すように、タイムスロット＃１及び／又は＃２は、タイムスロット＃３及び／又は＃４とは非同期の関係としてよい。

【0021】

具体的に、ＧＷ１０は、例えば図４（Ａ）に模式的に示すように、指向性アンテナの指向性を変えながら（回転させながら）端末２０と通信することで、端末２０が存在する方向を識別（判定）する。そして、ＧＷ１０は、通信範囲１０ａをセクタに分類し、対面の関係にあるセクタに位置する端末２０の数が所定の閾値を超えた場合に、図２及び図３により上述したタイムスロット割当を実施する（図４（Ｂ）参照）。

【0022】

割り当てたタイムスロットの情報は、例示的に、ビーコン信号等に付加されてＧＷ１０から端末２０に配信（ブロードキャスト）される。当該配信は、例示的に、ＧＷ１０において無指向性のオムニアンテナを用いて実施することができる。端末２０は、ＧＷ１０から指示されたタイムスロットを用いて通信を行なう。

【0023】

以下、このようなタイムスロット割当を実現するＧＷ１０及び端末２０の構成例について図５〜図８を用いて説明する。図５は、ＧＷ１０のハードウェア構成例を示す図であり、図６は、ＧＷ１０の機能的な構成例を示すブロック図である。また、図７は、端末２０のハードウェア構成例を示す図であり、図８は、端末２０の機能的な構成例を示すブロック図である。

【0024】

図５に示すように、ＧＷ１０は、例示的に、アンテナ部１１、アンテナ切り替えスイッチ（アンテナ命令部）１２、ＲＦチップ１３、ＣＰＵ１４、及び、メモリ１５を備える。

【0025】

アンテナ部１１は、例示的に、指向性アンテナとしての機能と無指向性のオムニアンテナとしての機能とを具備し、アンテナ切り替えスイッチ１２からの制御に応じて両機能が切り替えられる。

【0026】

ＲＦチップ１３は、無線回路の一例であり、無線信号の送受信処理を実施する。

【0027】

ＣＰＵ１４は、ＧＷ１０全体の動作を統括的に制御する演算処理装置の一例であり、メモリ１５に記憶された所定のプログラムやデータを適宜に読み取って動作することにより、ＧＷ１０の動作を制御する。当該制御には、例示的に、アンテナ部１１を指向性アンテナ又はオムニアンテナに切り替えるようアンテナ切り替えスイッチ１２に指示を与える処理が含まれる。

【0028】

メモリ１５は、上記のプログラムやデータを記憶するほか、後述するように端末２０の存在方向に関する情報や端末数及び／又は通信量についての閾値を記憶する。

【0029】

次に、図６を参照してＧＷ１０の機能に着目すると、ＧＷ１０は、例示的に、送受信部１３１、端末存在方向判定部１４１、カウント部１４２、タイムスロット割当部１４３、及び、端末存在方向記録部１５１を備える。なお、図６において、１１及び１２は、それぞれ、既述のアンテナ部及びアンテナ命令部を表す。

【0030】

送受信部１３１は、例示的に、既述のＲＦチップ１３により具現され、無線信号の送受信処理を行なう。

【0031】

端末存在方向判定部１４１は、指向性アンテナの指向性を変えながら端末２０と通信することにより、通信できた端末２０が位置する方向を判定する。

【0032】

端末存在方向記録部１５１は、例示的に、既述のメモリ１５によって具現され、端末存在方向判定部１４１による判定結果、すなわち、指向性アンテナの向いた方向ごとに通信できた端末２０の情報を記録する。

【0033】

カウント部１４２は、端末存在方向記録部１５１に記録された情報を基に、指向性アンテナの向いた方向ごとの端末２０の数をカウントする。

【0034】

タイムスロット割当部（タイムスロット割当制御部）１４３は、カウント部１４２のカウント結果を基に、ＧＷ１０を挟んで対向関係にある方向に位置する端末２０の数が所定の閾値を超えている場合に、図２及び図３により既述のタイムスロット割当を実施する。割り当てたタイムスロットの情報は、送受信部１３１及びアンテナ部１１（オムニアンテナ）を通じて端末２０へ通知される。

【0035】

なお、端末存在方向判定部１４１、カウント部１４２、及び、タイムスロット割当部１４３は、例示的に、既述のＣＰＵ１４がメモリ１５から所定のプログラムやデータを読み取って動作することで具現される。

【0036】

一方、図７に示すように、端末２０は、ハードウェアに着目すると、例示的に、アンテナ部２１、ＲＦチップ２２、センサ２３、ＣＰＵ２４、及び、メモリ２５を備える。

【0037】

アンテナ部２１は、無線信号を送受信する。

【0038】

ＲＦチップ２２は、無線回路の一例であり、無線信号の送受信処理を実施する。

【0039】

センサ２３は、物理量（例えば、温度、湿度、加速度、照度、風向、風速、地震動、雨量、音の大きさ、水位、電力の使用量、水の使用量、及び、ガスの使用量など）を測定（センシング）する。測定した物理量を表す物理量情報を有する信号は、ＣＰＵ２４へ出力される。この場合、端末２０は、無線アドホックネットワークの一例としてのセンサネットワークを形成する。

【0040】

ＣＰＵ２４は、端末２０全体の動作を統括的に制御する演算処理装置の一例であり、メモリ２５に記憶された所定のプログラムやデータを適宜に読み取って動作することにより、端末２０の動作を制御する。

【0041】

メモリ２５は、上記のプログラムやデータを記憶するほか、ＧＷ１０から割り当てられたタイムスロットの情報を記憶する。

【0042】

次に、図８を参照して端末２０の機能に着目すると、端末２０は、例示的に、送受信部２２１、タイムスロット判定部２４１、情報生成部２４２、及び、タイムスロット情報記録部２５１を備える。なお、図８において、２１は既述のアンテナ部を表す。

【0043】

送受信部２２１は、例示的に、既述のＲＦチップ２２により具現され、無線信号の送受信処理を行なう。

【0044】

タイムスロット情報記録部２５１は、例示的に、既述のメモリ２５によって具現され、ＧＷ１０から受信したタイムスロットの情報を記録する。

【0045】

タイムスロット判定部２４１は、タイムスロット情報記録部２５１に記録されたタイムスロットの情報を基に、現タイミングがＧＷ１０から割り当てられたタイムスロットに対応するタイミングであるか否かを判定する。

【0046】

情報生成部２４２は、通信相手であるＧＷ１０や他の端末２０宛の情報を生成する。当該情報は、タイムスロット判定部２４１により現タイミングがＧＷ１０から割り当てられたタイムスロットに対応するタイミングであると判定されたときに、送受信部２２１及びアンテナ部２１を通じて送信される。

【0047】

以下、上述のごとく構成されたＧＷ１０及び端末２０の動作例について、図９〜図１１を参照して説明する。なお、図９は、ＧＷ１０の動作例を示すフローチャート、図１０及び図１１は、端末２０の動作例を示すフローチャートである。

【0048】

図９に例示するように、ＧＷ１０は、アンテナ命令部１２によりアンテナ部１１を指向性アンテナに制御し、当該指向性アンテナの指向性を変えながら端末２０と通信する（処理Ｐ１１）。そして、ＧＷ１０は、端末存在方向判定部１４１により、通信できた端末２０が存在する方向を判定し、指向性アンテナが向いた方向ごとに通信できた端末２０の情報をメモリ１５（端末存在方向記録部１５１）に記録する（処理Ｐ１２）。

【0049】

次いで、ＧＷ１０は、カウント部１４２により、端末存在方向記録部１５１に記録された情報を基に、方向別に通信できた端末数をカウントし（処理Ｐ１３）、方向別にカウントした端末数が所定の閾値を超えているか否かを判定する（処理Ｐ１４）。カウントした端末数が閾値を超えていなければ、ＧＷ１０は、処理を終了する（処理Ｐ１４のＮｏルート）。

【0050】

一方、カウントした端末数が閾値を超えていれば（処理Ｐ１４でＹｅｓの場合）、カウント部１４２は、さらに、ＧＷ１０を挟んで対向関係（対面）にある方向でカウントした端末数が所定の閾値を超えているか否かを判定する（処理Ｐ１５）。なお、処理Ｐ１４及びＰ１５での各閾値は同じで構わない。その結果、閾値を超えていなければ、ＧＷ１０は、処理を終了する（処理Ｐ１５のＮｏルート）。

【0051】

これに対し、対面にある方向でカウントした端末数が閾値を超えていれば（処理Ｐ１５でＹｅｓの場合）、ＧＷ１０は、タイムスロット割当部１４３により、対面にある方向ごとに割り当てるタイムスロットを決定する（処理Ｐ１６）。すなわち、タイムスロット割当部１４３は、図２及び図３にて既述のように、ＧＷ１０から見て対面の関係にある各方向に位置する端末群に対して時間が重ならないように同期させてタイムスロットを割り当てる。

【0052】

割り当てたタイムスロットの情報（タイムスロット割当情報）は、送受信部１３１を通じてアンテナ部１１（オムニアンテナ）により、各方向に位置する端末２０に通知される（処理Ｐ１７）。タイムスロット割当情報は、例示的に、ビーコン信号等のパケットに付加されてブロードキャストされる。なお、アンテナ部１１は、例示的に、上述の処理Ｐ１３以降のタイミングでアンテナ命令部１２によりオムニアンテナに切り替えられる。

【0053】

一方、端末２０では、図１０に例示するように、アンテナ部２１及び送受信部２２１を通じて、ＧＷ１０から送信された、タイムスロット割当情報の付加されたパケットを受信する（処理Ｐ２１）。送受信部２２１は、受信したタイムスロット割当情報をメモリ２５（タイムスロット情報記録部２５１）に記録する（処理Ｐ２２）。

【0054】

その後、図１１に例示するように、端末２０において、情報生成部２４２により通信要求が発生する（処理Ｐ３１）。そうすると、端末２０は、タイムスロット判定部２４１により、タイムスロット情報記録部２５１に記録されたタイムスロット割当情報を基に、現タイミングが割り当てられたタイムスロットに相当するタイミングであるか否かを判定する（処理Ｐ３２）。

【0055】

判定の結果、現タイミングが割り当てられたタイムスロットに相当するタイミングでなければ（処理Ｐ３２でＮｏの場合）、タイムスロット判定部２４１は、ランダム時間待機して（処理Ｐ３４）、処理Ｐ３２に戻る。

【0056】

一方、現タイミングが割り当てられたタイムスロットに相当するタイミングであれば（処理Ｐ３２でＹｅｓの場合）、タイムスロット判定部２４１は、情報生成部２４２に対して通信許可を与え、これにより情報生成部２４２から送受信部２２１を通じて通信を開始する（処理Ｐ３３）。

【0057】

以上のように、上述した実施形態によれば、ＧＷ１０から見て、一定範囲内の端末数が所定数を超え、その現象がＧＷ１０を挟んで向かい合う２方向に存在するとき、それぞれの方向にある端末に対して、方向ごとに異なるタイムスロットを割り当てる。別言すると、ＧＷ１０周辺の端末２０の位置によって、ＧＷ１０は、端末２０が通信可能なタイムスロットの割り当てを変える。

【0058】

したがって、ＧＷ１０に対する隠れ端末問題の発生頻度を低減することができ、隠れ端末の増加に伴うパケット衝突の発生率を抑制することができる。その結果、ＧＷ１０と端末２０との通信のスループットを向上することができ、また、ＧＷ１０が収容可能な端末２０の数を増やすことができる。

【0059】

なお、図１２にシミュレーション計算結果の一例を示す。シミュレーション計算では、図１２（Ｂ）に例示するように、ＧＷ１０の周辺エリアを疎密に分けて、疎密の端末数の比率を保ったまま、端末数を増加させた。各端末２０はＧＷ１０に対して発信する。通信可能距離以上に離れている端末２０どうしが同時に発信を行なおうとした時に、ＧＷ１０における受信電力差が所要ＳＮ比以下となった場合、パケット衝突と判断し、通信に失敗したと判定する。

【0060】

全体の端末数を変えて通信成功パケット数を集計したグラフが図１２（Ａ）に示すグラフである。図１２（Ａ）において、符号１００で示すグラフが上述した実施形態によるグラフを表し、符合２００で示すグラフが従来方式（Slotted ALOHA）によるグラフを表す。これらのグラフ１００及び２００を比較して分かるように、上述した実施形態によれば、端末２０の数が増加しても、パケット衝突によるスループットの劣化が抑えられるため、スループットが向上する。

【0061】

なお、上述した実施形態によるタイムスロットの割り当てが適用される端末数の閾値は、例示的に、当該適用によって通信成功パケット数が例えば５％以上改善する場合とする。非限定的な一例を挙げると、シミュレーション環境では、ＧＷ１０の周辺に２００台以上の端末２０が存在する時に適用すればよいことになる。図１２（Ｂ）において、疎：密＝１：９の割合で配分した場合、１箇所の密の領域に、（２００／４）×０．９＝４５台の端末２０が存在することになる。したがって、端末数の閾値は４５に設定することができる。

【0062】

（変形例）
上述した実施形態では、端末数が所定の閾値を超えた場合に方向別のタイムスロット割当を実施したが、端末数に代えて通信量が所定の閾値を超えた場合に、同様のタイムスロット割当を実施するようにしてもよい。

【0063】

その場合のＧＷ１０の動作例を図１３に示す。図１３に例示するように、ＧＷ１０は、アンテナ命令部１２によりアンテナ部１１を指向性アンテナに制御し、当該指向性アンテナの指向性を変えながら端末２０と通信する（処理Ｐ１１）。そして、ＧＷ１０は、端末存在方向判定部１４１により、通信できた端末２０が存在する方向を判定し、指向性アンテナが向いた方向ごとに通信できた端末２０の情報をメモリ１５（端末存在方向記録部１５１）に記録する（処理Ｐ１２）。

【0064】

次いで、ＧＷ１０は、例えばカウント部１４２により、端末存在方向記録部１５１に記録された情報を基に、方向別に通信できた端末２０の通信量を計測し（処理Ｐ１３ａ）、方向別に計測した通信量が所定の閾値を超えているか否かを判定する（処理Ｐ１４ａ）。計測した通信量が閾値を超えていなければ、ＧＷ１０は、処理を終了する（処理Ｐ１４ａのＮｏルート）。

【0065】

一方、計測した通信量が閾値を超えていれば（処理Ｐ１４ａでＹｅｓの場合）、カウント部１４２は、さらに、ＧＷ１０を挟んで対向関係（対面）にある方向で計測した通信量が所定の閾値を超えているか否かを判定する（処理Ｐ１５ａ）。なお、処理Ｐ１４ａ及びＰ１５ａでの各閾値は同じで構わない。その結果、閾値を超えていなければ、ＧＷ１０は、処理を終了する（処理Ｐ１５ａのＮｏルート）。

【0066】

これに対し、対面にある方向で計測した通信量が閾値を超えていれば（処理Ｐ１５ａでＹｅｓの場合）、ＧＷ１０は、タイムスロット割当部１４３により、対面にある方向ごとに割り当てるタイムスロットを決定する（処理Ｐ１６）。すなわち、タイムスロット割当部１４３は、図２及び図３にて既述のように、ＧＷ１０から見て対面の関係にある各方向に位置する端末群に対して時間が重ならないように同期させてタイムスロットを割り当てる。

【0067】

割り当てたタイムスロットの情報（タイムスロット割当情報）は、送受信部１３１を通じてアンテナ部１１（オムニアンテナ）により、各方向に位置する端末２０に通知される（処理Ｐ１７）。タイムスロット割当情報は、例示的に、ビーコン信号等のパケットに付加されてブロードキャストされる。なお、アンテナ部１１は、例示的に、上述の処理Ｐ１３ａ以降のタイミングでアンテナ命令部１２によりオムニアンテナに切り替えられる。

【0068】

なお、シミュレーションでは、各端末２０が１／３６０の確率でパケットを送信しようとすると設定した。タイムスロットが割り当てられた場合、送信タイミングが半分になるので、端末２０は、１／１８０の確率で送信しようとすると設定した。そのため、既述の実施形態でのシミュレーションと同じ条件の時の空間占有率は、４５×（１／１８０）＋５×（１／３６０）×１００＝２６．４％となる。したがって、最大通信量の２６．４％を上述した閾値に用いることができる。

【0069】

なお、上述した端末数に関する閾値と通信量に関する閾値とを組み合わせて、タイムスロット割当の要否を判定するようにしてもよい。例えば、対面にある２方向で端末数が閾値以下であっても、当該２方向で通信量が閾値を超えていれば、上述のタイムスロット割当を実施するようにしてもよい。逆に、対面にある２方向で通信量が閾値以下であっても、当該２方向で端末数が閾値を超えていれば、上述のタイムスロット割当を実施するようにしてもよい。

【0070】

（第２実施形態）
第１実施形態では、ＧＷ１０が指向性アンテナの指向性を変えながら端末２０と通信することにより端末２０の存在する方向を判定する態様について説明した。ただし、ＧＷ１０が指向性アンテナをもたない場合でも、第１実施形態と同様のタイムスロット割当が可能である。すなわち、第２実施形態では、ＧＷ１０が端末２０の位置情報を例えばＧＰＳ情報として取得することにより、端末２０の存在する方向を判定することができる。ＧＷ１０は、その判定結果に基づいて、第１実施形態と同様のタイムスロット割当を実施することができる。

【0071】

図１４に、第２実施形態に係るＧＷ１０の機能ブロック図を示し、図１５に、第２実施形態に係る端末２０の機能ブロック図を示す。なお、ＧＷ１０のハードウェア構成例は、第１実施形態（図５）において、アンテナ切り替えスイッチ１２を削除した構成に相当する。また、端末２０のハードウェア構成例は、第１実施形態（図７）において、ＧＰＳセンサ２６（図１５参照）を追加的に備えた構成に相当する。

【0072】

図１４に示すように、第２実施形態のＧＷ１０は、図６に例示した構成に比して、アンテナ命令部１２が削除されている点が異なる。また、当該ＧＷ１０は、図６に例示した構成に比して、各部１４１及び１４３に代えて端末存在方向判定部１４１ａ及びタイムスロット割当部１４３ａが備えられる点が異なる。なお、図１４において、既述の符号と同一符号を付した部分は、特に断らない限り、既述の部分と同一若しくは同様の部分である。

【0073】

端末存在方向判定部１４１ａは、端末２０から送信され、アンテナ部１１及び送受信部１３１を通じて受信されるＧＰＳ情報に基づいて、当該端末２０が存在する方向を計算する。ＧＰＳ情報は、端末２０のＧＰＳセンサ２６によって取得され、ＧＷ１０に通知される。ＧＰＳセンサ２６は、端末２０の位置情報を取得する位置情報取得部の一例である。端末存在方向判定部１４１ａによって計算された各端末２０の存在方向は、端末存在方向記録部１５１に記録される。

【0074】

タイムスロット割当部（タイムスロット割当制御部）１４３ａは、カウント部１４２のカウント結果を基に、ＧＷ１０を挟んで対向関係にある方向に位置する端末２０の数が所定の閾値を超えている場合に、図２及び図３により既述のタイムスロット割当を実施する。また、タイムスロット割当部１４３ａは、端末存在方向記録部１５１に記録された情報を基に、当該タイムスロットを割り当てる対象の領域を特定する情報（割当領域情報）を生成する。

【0075】

割当領域情報には、例示的に、ＧＷ１０の位置情報（座標）、図１９に例示するような、タイムスロットを割り当てる領域の左端の方向θ１及び右端の方向θ２等が含まれてよい。割り当てたタイムスロットの情報及び割当領域情報は、送受信部１３１及びアンテナ部１１（オムニアンテナ）を通じて端末２０へ通知される。

【0076】

なお、端末存在方向判定部１４１ａ及びタイムスロット割当部１４３ａとしての機能は、例示的に、図５に示すＣＰＵ１４がメモリ１５から所要のプログラムやデータを読み取って動作することにより具現される。

【0077】

一方、図１５に示すように、第２実施形態の端末２０は、図８に例示した構成に比して、ＧＰＳセンサ２６が備えられる点が異なる。また、当該端末２０は、図８に例示した構成に比して、各部２４１、２４２及び２５１に代えて、タイムスロット判定部２４１ａ、情報生成部２４２ａ及びタイムスロット／割当領域情報記録部２５１ａを備える点が異なる。

【0078】

情報生成部２４２ａは、例えばＧＷ１０宛の送信情報を生成する。当該送信情報には、ＧＰＳセンサ２６によって取得されたＧＰＳ情報が含まれてよい。

【0079】

タイムスロット判定部２４１ａは、ＧＷ１０からアンテナ部２１及び送受信部２２１を通じて受信されるタイムスロットの情報及び割当領域情報のうち、割当領域情報に基づいて自端末２０が割当領域内に位置しているか否かを判定する。なお、自端末２０の位置情報は、ＧＰＳセンサ２６によって取得できる。判定の結果、自端末２０が割当領域内に位置していれば、タイムスロット判定部２４１ａは、受信したタイムスロットの情報をタイムスロット／割当領域情報記録部２５１ａに記録する。

【0080】

タイムスロット／割当領域情報記録部２５１ａは、ＧＷ１０から受信したタイムスロットの情報と割当領域情報とを記録する。

【0081】

なお、タイムスロット判定部２４１ａ及び情報生成部２４２ａとしての機能は、例示的に、図７に示すＣＰＵ２４がメモリ２５から所要のプログラムやデータを読み取って動作することにより具現される。また、タイムスロット／割当領域情報記録部２５１ａは、例示的に、図７に示すメモリ２５によって具現される。

【0082】

以下、上述のごとく構成された第２実施形態に係るＧＷ１０及び端末２０の動作例について、図１６〜図１８を参照して説明する。なお、図１６及び図１８は、端末２０の動作例を示すフローチャート、図１７は、ＧＷ１０の動作例を示すフローチャートである。

【0083】

まず、図１６に例示するように、端末２０は、ＧＰＳセンサ２６によって端末２０の位置情報（ＧＰＳ情報）取得し（処理Ｐ４１）、当該ＧＰＳ情報を送受信部２２１及びアンテナ部２１を通じてＧＷ１０へ送信する（処理Ｐ４２）。

【0084】

一方、ＧＷ１０は、図１７に例示するように、各端末２０から送信されたＧＰＳ情報を、アンテナ部１１及び送受信部１３１を通じて受信すると（処理Ｐ５１）、端末存在方向判定部１４１ａにより、各端末２０が存在する方向をそれぞれ計算する（処理Ｐ５２）。計算した結果は、端末存在方向記録部１５１に記録される（処理Ｐ５３）。

【0085】

以降、ＧＷ１０は、カウント部１４２及びタイムスロット割当部１４３ａにより、図９にて既述の処理Ｐ１３〜Ｐ１６を実施して、端末２０の存在する方向ごとに割り当てるタイムスロットを決定する。また、タイムスロット割当部１４３ａは、割当領域情報を生成する。

【0086】

割り当てたタイムスロットの情報及び割当領域情報は、送受信部１３１及びアンテナ部１１（オムニアンテナ）を通じて、ブロードキャストされる（処理Ｐ１７ａ）。

【0087】

端末２０は、図１８に例示するように、ＧＷ１０からタイムスロットの情報と割当領域情報とを、アンテナ部２１及び送受信部２２１を通じて受信すると（処理Ｐ６１）、タイムスロット判定部２４１ａにより、受信した割当領域情報と自端末２０の位置情報とに基づいて、自端末２０が割当領域内に位置するか否かを判定する（処理Ｐ６２及びＰ６３）。

【0088】

判定の結果、自端末２０が割当領域内に位置していなければ（処理Ｐ６３でＮｏの場合）、端末２０は、処理を終了する。一方、自端末２０が割当領域内に位置していれば（処理Ｐ６３でＹｅｓの場合）、ＧＷ１０（タイムスロット判定部２４１ａ）は、ＧＷ１０から受信したタイムスロットの情報をタイムスロット／割当領域情報記録部２５１ａに記録する（処理Ｐ６４）。

【0089】

以降、端末２０は、図１１に例示した通信時の動作と同様の処理（Ｐ３１〜Ｐ３４）を実施することにより、割り当てられたタイムスロットで送信を行なう。

【0090】

以上のように、ＧＷ１０が指向性アンテナを有さない場合であっても、第１実施形態と同様のタイムスロット割当を実施することができる。したがって、ＧＷ１０に対する隠れ端末問題の発生頻度を低減することができ、隠れ端末の増加に伴うパケット衝突の発生率を抑制することができる。その結果、ＧＷ１０と端末２０との通信のスループットを向上することができ、また、ＧＷ１０が収容可能な端末２０の数を増やすことができる。

【0091】

なお、上述した第２実施形態についても、第１実施形態の変形例と同様に、通信量に応じてタイムスロット割当の要否を判断するようにしてもよい。また、既述のように、端末数と通信量との双方に応じてタイムスロット割当の要否を判断するようにしてもよい。

【0092】

（その他）

【0093】

ＧＷ１０の周辺エリアの分割数（セクタ数）は、分割数が多いほどＧＷ１０周辺に位置する端末２０の数に対して、上述した対向関係にあるセクタ内に位置する端末２０の合計数が占める割合が低くなり、隠れ端末問題の発生頻度を低減する効果が小さくなる。そこで、分割数の非限定的な一例としては、４〜１６程度にするのが望ましい。また、ＧＷ１０から端末２０に対して割当領域情報により割り当てる領域の角度は、領域内の端末数又は領域の扇の角度が大きくなるように割り当てるとよい。扇の角度については、上記分割数の目安が４〜１６であるとすると、例示的に、２２．５度〜９０度とするとよい。

【符号の説明】

【0094】

１０ ゲートウェイ（ＧＷ）
１０ａ 通信範囲
１１ アンテナ部
１２アンテナ切り替えスイッチ（アンテナ命令部）
１３ ＲＦチップ
１４ ＣＰＵ
１４１，１４１ａ 端末存在方向判定部
１４２ カウント部
１４３，１４３ａ タイムスロット割当部
１５ メモリ
１５１ 端末存在方向記録部
２０ 無線端末
２１ アンテナ部
２２ ＲＦチップ
２２１ 送受信部
２３ センサ
２４ ＣＰＵ
２４１，２４１ａ タイムスロット判定部
２４２，２４２ａ 情報生成部
２５ メモリ
２５１ タイムスロット情報記録部
２５１ａ タイムスロット／割当領域情報記録部
２６ ＧＰＳセンサ

【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14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】