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(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】
(24)【登録日】2022-11-29
(45)【発行日】2022-12-07
(54)【発明の名称】無線通信システム及び方法
(51)【国際特許分類】
H04W 28/08 20090101AFI20221130BHJP
H04W 84/18 20090101ALI20221130BHJP
H04W 4/38 20180101ALI20221130BHJP
H04W 24/02 20090101ALI20221130BHJP
【ＦＩ】
H04W28/08
H04W84/18
H04W4/38
H04W24/02
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2019036683
(22)【出願日】2019-02-28
(65)【公開番号】P2020141323
(43)【公開日】2020-09-03
【審査請求日】2022-01-28
(73)【特許権者】
【識別番号】301022471
【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構
(74)【代理人】
【識別番号】100120868
【弁理士】
【氏名又は名称】安彦 元
(72)【発明者】
【氏名】趙 欧
(72)【発明者】
【氏名】廖 偉舜
(72)【発明者】
【氏名】石津 健太郎
(72)【発明者】
【氏名】児島 史秀
【審査官】桑原 聡一
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１７／２１２６２０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００８－２２７６１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－７０５７３（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】
複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が送信されるゲートウェイとを有する無線通信システムにおいて、上記各デバイスに対して付すべきポイントを増減させることで管理する管理手段と、
上記各デバイスについて、自らの信号の送信のみを行うエンドデバイス（ＥＤ）と、自らの信号の送信又は他のＥＤから送信されてきた信号を中継するバーチャルゲートウェイ（ＶＧＷ）との何れかを割り当てる割当手段とを備え、
上記管理手段は、上記ＥＤが自らの信号の送信を行うにつれて上記ポイントを増加させるとともに、上記ＶＧＷが信号を中継するにつれて上記ポイントを減少させ、
上記割当手段は、上記ポイントが第１の閾値以上となった上記デバイスを上記ＶＧＷとして割り当て、上記ポイントが上記第１の閾値よりも低い第２の閾値以下となった上記デバイスを上記ＥＤとして割り当てること
を特徴とする無線通信システム。
【請求項2】
上記ＥＤから信号の送信を試みる上記ゲートウェイにおける複数の候補についてそれぞれ当該ＥＤからの伝搬特性ＨE2Gを求め、そのうち最大の伝搬特性ＨE2GMAXを示すゲートウェイを選択ＧＷとして選択するとともに、上記ＶＧＷとして動作するデバイスの複数の候補への上記ＥＤからの伝搬特性ＨE2Vを求め、そのうち最大の伝搬特性ＨE2VMAXを有するＶＧＷを仮選択ＶＧＷとして選択し、上記仮選択ＶＧＷから上記選択ＧＷへの伝搬特性ＨV2Gを求め、上記ＥＤは、伝搬特性ＨE2VMAX＞伝搬特性ＨE2GMAX且つ伝搬特性ＨV2G＞伝搬特性ＨE2GMAXである場合に、上記仮選択ＶＧＷを選択ＶＧＷとし、これを中継させて上記選択ＧＷに信号を送信すること
を特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
【請求項3】
上記ＥＤは、伝搬特性ＨE2VMAX＞伝搬特性ＨE2GMAX且つ伝搬特性ＨV2G＞伝搬特性ＨE2GMAXでない場合には、上記仮選択ＶＧＷを候補から排除した上で、改めて上記ＶＧＷとして動作するデバイスの複数の候補への上記ＥＤからの伝搬特性ＨE2Vを求めることで仮選択ＶＧＷの選択を行うことを繰り返し実行することを特徴とする請求項２記載の無線通信システム。
【請求項4】
上記割当手段は、上記第１の閾値、上記第２の閾値を、上記ＶＧＷ又はＥＤのバッテリー残量、外部電源の有無の何れか１以上に基づき変動させることを特徴とする請求項１～３のうち何れか１項記載の無線通信システム。
【請求項5】
上記割当手段は、上記第１の閾値、上記第２の閾値を、時系列的に変動させることを特徴とする請求項１～３のうち何れか１項記載の無線通信システム。
【請求項6】
複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が送信されるゲートウェイとを有する無線通信システムにおいて実行される無線通信方法において、上記各デバイスに対して付すべきポイントを増減させることで管理する管理ステップと、
上記各デバイスについて、自らの信号の送信のみを行うエンドデバイス（ＥＤ）と、自らの信号の送信又は他のＥＤから送信されてきた信号を中継するバーチャルゲートウェイ（ＶＧＷ）との何れかを割り当てる割当ステップとを有し、
上記管理ステップでは、上記ＥＤが自らの信号の送信を行うにつれてこれに付される上記ポイントを増加せるとともに、上記ＶＧＷが信号を中継するにつれてこれに付される上記ポイントを減少させ、
上記割当ステップでは、上記ポイントが第１の閾値以上となった上記デバイスを上記ＶＧＷとして割り当て、上記ポイントが上記第１の閾値よりも低い第２の閾値以下となった上記デバイスを上記ＥＤとして割り当てること
を特徴とする無線通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が送信されるゲートウェイとを有する無線通信システム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年において、IoT（Internet of Things）の普及に伴い必要なデバイス（各種IoTセンサや無線通信端末等）が増加し、デバイス間の信号伝送がますます複雑になってきている。このような背景の下で、低消費電力、低電送レートで、しかも通信範囲を広域にわたりカバー可能な特定小電力無線（LPWA）技術が近年において広く注目されている。
【0003】
中でもLoRa技術を活用したスター型トポロジーのLoRaWAN（LoRa Wide Area Network）は、伝送レートを追求することなく、低い消費電力で広いエリアをカバーする無線通信方式である。一方、LoRaよりも伝送ルートを重視するWi-SUN技術もメッシュ型トポロジーを採用するFAN（Field Area Network）構成により、マルチホップで長距離通信を行うことができる。
【0004】
これらのLPWA技術は、一般的なIoTアプリケーションにおいては、十分に活用が可能であるが、例えばスマートシティのような非常に多くのセンサが利用される環境においては、デバイス間の信号衝突や、ビル等の障害物による遮蔽等の問題が新たに生じるため、通信パフォーマンスをより向上させる観点から、解決しなければならない問題が多々あるのが現状である。
【0005】
このため、従来において、LoRa技術についてデバイス数の激増に伴う伝送品質の劣化を防止する観点から、デバイスのパラメータを最適化すると共に、多数の受信アンテナを利用することで伝送品質を向上させる技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。また非特許文献２を通じて、大量のゲートウェイを配置した高密度のLoRaWANに関する技術も提案されており、信号の受信確率の向上、及び伝送特性に対する効果についてシミュレーションによる検証が行われている。
【0006】
一方、既存のWi-SUNのFANと同様に、スター型トポロジーのLoRaWANの代わり、LoRa技術を利用するメッシュ型のネットワークが提案されている（（例えば、非特許文献３参照。）。非特許文献３の技術には、ネットワークのコストを増加させることなく、マルチホップによって信号の受信確率等の通信パフォーマンスを向上させるための技術も開示されている。
【0007】
Wi-SUNのFANにおいても、また上述したマルチホップにより無線通信するLoRaネットワークと同様に、メッシュ型ネットワーク構造の導入検討が進んでいる（例えば、非特許文献４参照。）。特に電波の伝搬特性が優れたデバイスを中継器として選択し、他のデバイスによる信号の伝送を中継することでシステム全体の消費電力の低減を図る技術が提案されている。しかしながら、この中継器として機能するデバイスは自らの信号の送信のみならず、他のデバイスから送られてきた信号を送信する中継も行わなければならない。このため、中継器として機能するデバイスは、他のデバイスよりもより高い電力を消耗することとなり、チャネルの状況によっては、早期に電源切れの状態に陥る恐れもある。しかも電波の伝搬特性が優れたデバイスが決して中継器としての機能を望んでいない場合もある。このような中継器の役割を担うデバイス間の不公平性は、メッシュ型トポロジーの弱点にも直結する問題でもあり、デバイスの電力に強く依存するLoRaやWi-SUNのようなLPWA無線システムにおいても、解決すべき課題となっている。
【0008】
近年において、メッシュ型トポロジーにおいて、各デバイスに対してなるべく均等な確率で中継器の役割を担わせる方法も提案されている（非特許文献５参照。）。この非特許文献５の開示技術によればバッテリー残量や伝搬状況を考慮に入れ、中継器の役割を担うデバイス間の公平性を保証するアルゴリズムが提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0009】
【文献】A. Hoeller, R. D. Souza, O. L. A. Lopez, H. Alves, M. D. N. Neto, and G. Brante, "Analysis and Performance Optimization of LoRa Networks With Time and Antenna Diversity", IEEE Access, vol. 6, pp. 32820-32829, March 2018.
【文献】M. Slabicki, G. Premsankar, and M. D. Francesco, "Adaptive Configuration of LoRa Networks for Dense IoT Deployments", IEEE/IFIP Network Operations and Management Symposium, pp. 1-8, Taipei, Taiwan, July 2018.
【文献】H. C. Lee, and K. H. Ke, "Monitoring of Large-Area IoT Sensors Using a LoRa Wireless Mesh Network System: Design and Evaluation", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 67, no. 9, pp. 2177-2187, Sept. 2018.
【文献】O. Zhao, L. Shan, K. Temma, K. Hattori, H. B. Li, F. Kojima, and F. Adachi, "Power consumption analysis for user cooperation aided traffic forwarding over frequency selective fading channels," in 2017 20th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC), (Yogyakarta, Indonesia), pp. 487493, IEEE, December 2017.
【文献】N. Ayub and V. Rakocevic, "Fair battery power consumption algorithms for relay nodes in rural wireless networks," in 2017 International Conference on Wireless Networks and Mobile Communications (WINCOM), (Rabat, Morocco), pp. 1？6, IEEE, November 2017.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかしながら、上述した非特許文献５の開示技術によれば、中継器の役割を担わせるデバイスを選択する上で、各デバイスの過去の通信パフォーマンスを参照することを特段行っていない。実際に各デバイスが中継器の役割を本当に担えるのか、精度よく判別するためには、過去の通信パフォーマンスを十分に考慮することで、その判別において客観性を持たせることができるが、かかる技術については従来において特段提案されていないのが現状であった。
【0011】
また中継器の役割を担うデバイスを切り替える上でもゲートウェイを介することなくデバイス間で自律的に実行する必要があった、その理由として、ゲートウェイの判断で中継器の役割を担うデバイスの切り替えを行おうとした場合、ゲートウェイが各デバイスから様々な信号を取得する必要が生じ、通信の効率化を図ることができないためである。
【0012】
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が送信されるゲートウェイとを有する無線通信システム及び方法において、特に中継器の役割を担うデバイスの選択に対して、より公平性を持たせ、その公平性を持たせる上での各種コントロールの精度を向上させることでシステム全体の消費電力の低減につなげることができ、これらの選択動作をデバイス間で自律的に実行することで通信効率を向上させることが可能な無線通信システム及び方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明を適用した無線通信システムは、複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が送信されるゲートウェイとを有する無線通信システムにおいて、上記各デバイスに対して付すべきポイントを増減させることで管理する管理手段と、上記各デバイスについて、自らの信号の送信のみを行うエンドデバイス（ＥＤ）と、自らの信号の送信又は他のＥＤから送信されてきた信号を中継するバーチャルゲートウェイ（ＶＧＷ）との何れかを割り当てる割当手段とを備え、上記管理手段は、上記ＥＤが自らの信号の送信を行うにつれて上記ポイントを増加させるとともに、上記ＶＧＷが信号を中継するにつれて上記ポイントを減少させ、上記割当手段は、上記ポイントが第１の閾値以上となった上記デバイスを上記ＶＧＷとして割り当て、上記ポイントが上記第１の閾値よりも低い第２の閾値以下となった上記デバイスを上記ＥＤとして割り当てることを特徴とする。
【0014】
本発明を適用した無線通信方法は、複数のデバイスと、上記デバイスから少なくとも信号が送信されるゲートウェイとを有する無線通信システムにおいて実行される無線通信方法において、上記各デバイスに対して付すべきポイントを増減させることで管理する管理ステップと、上記各デバイスについて、自らの信号の送信のみを行うエンドデバイス（ＥＤ）と、自らの信号の送信又は他のＥＤから送信されてきた信号を中継するバーチャルゲートウェイ（ＶＧＷ）との何れかを割り当てる割当ステップとを有し、上記管理ステップでは、上記ＥＤが自らの信号の送信を行うにつれてこれに付される上記ポイントを増加せるとともに、上記ＶＧＷが信号を中継するにつれてこれに付される上記ポイントを減少させ、上記割当ステップでは、上記ポイントが第１の閾値以上となった上記デバイスを上記ＶＧＷとして割り当て、上記ポイントが上記第１の閾値よりも低い第２の閾値以下となった上記デバイスを上記ＥＤとして割り当てることを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
上述した構成からなる本発明によれば、過去から現在までの各デバイス３におけるＥＤ、ＶＧＷにおける通信パフォーマンスや動作履歴が反映されたポイントを閾値ＴｈE2V、ＴｈV2Eとの関係において比較する。これにより、過去から現在までの各デバイスにおけるＥＤ、ＶＧＷにおける通信パフォーマンスや動作履歴を参照した上で、ＥＤやＶＧＷの切り替えの判断を行うことが可能となる。このため、特に中継器（ＶＧＷ）の役割を担うデバイスの選択に対して、より公平性を持たせることができる。つまり一のデバイスのみが集中してＶＧＷの役割を担うことがなくなり、電源がロスしてしまうのを防止でき、ひいては他のデバイス間における公平性を担保することができる。また本発明では、その公平性を持たせる上での各種コントロールの精度を向上させることができ、一のデバイスにＶＧＷが集中しないことで、システム全体の消費電力をより低減させることも可能となる。
【0016】
また、本発明においては、上りデータ通信においてゲートウェイにおいて正しく復調することができる信号の割合を増加させることが可能となる。更に本発明においては、デバイス３をＥＤとＶＧＷの間で自律的に切り替えることが可能となり、無線伝送特性の向上を図ることができ、システム全体の消費電力の低減も実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明を適用した無線通信システムの全体像を示す図である。
【図2】デバイスをＶＧＷ(virtual gateway)か、ＥＤ(end device)に分類する例を示す図である。
【図3】ゲートウェイ（ＧＷ）やＶＧＷの選択方法について説明するための図である。
【図4】各デバイスに付されたポイントを閾値（ＴｈE2V、ＴｈV2E）との関係で比較する例について説明するための図である。
【図5】時系列的に変動する閾値ＴｈE2V,n,t、ＴｈV2E,n,tの例を示す図である。
【図6】本発明を適用した無線通信システムの実施例について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明を適用した無線通信システムを実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0019】
本発明を適用した無線通信システム１は、図１に示すようにゲートウェイ（ＧＷ）２と、デバイス３とを備えている。無線通信システム１は、ゲートウェイ２と、デバイス３との間で、互いに信号を送受信することにより双方向に無線通信可能に構成されている。無線通信システム１は、例えば、LoRa技術を活用したスター型トポロジーのLoRaWAN（LoRa Wide Area Network）に基づいて通信する無線通信ネットワークや、メッシュ型トポロジーを採用するWi-SUNのFAN（Field Area Network）等の無線通信規格に基づく無線通信ネットワークも含む。この無線通信システム１は、これらの無線通信規格に限定されるものではなく、通信範囲を広域にわたりカバー可能な他の特定小電力無線（LPWA）のシステムにも適用可能である。また、無線通信システム１は、他のいかなる無線通信システムに対しても適用可能である。
【0020】
無線通信システム１は、図示の例では、そのネットワーク構成が１対複数のスター型であるものを例示している。無線通信システム１は、この他にも、ツリー型、メッシュ型等のいかなるネットワーク構成でもよい。
【0021】
ゲートウェイ２は、いわゆる基地局としての役割を担うものであり、無線通信ネットワーク内のデバイス３との間において無線アクセスポイントとしての役割を果たし、インターネット等を始めとした公衆通信網との間においてインターフェースとしての役割を果たすものである。即ち、ゲートウェイ２は、これを介してデバイス３がインターネット等を始めとした公衆通信網との間で信号の送受信を行うことを可能とするための中継手段を担うものである。ゲートウェイ２は、センサ端末、リモートコントローラ、携帯電話機、スマートフォン、ウェアラブル端末、タブレット型端末、ＰＣ、その他電子機器等、後述するデバイス３を構成するようなハードウェアからゲートウェイとして設定されたものも含む。
【0022】
デバイス３は、例えば、センサ端末、リモートコントローラ、携帯電話機、スマートフォン、ウェアラブル端末、タブレット型端末、ＰＣ、その他電子機器である。このデバイス３は、ゲートウェイ２に対して信号を無線通信により送信する。以下、このデバイス３からゲートウェイ２側に対して信号を送信することを上りデータ送信という。またゲートウェイ２からデバイス３側に対して信号を送信することを下りデータ送信という。
【0023】
無線通信システム１では、上りデータ通信、下りデータ通信の両方が行われることが前提であるが、本発明においては、これらのうち上りデータ通信に着目したものである。
【0024】
デバイス３は、ゲートウェイ２に対する上りデータ通信リンクに応じて、図２に示すようなＶＧＷ(virtual gateway)か、ＥＤ(end device)に分類されることになる。図２（ａ）に示すように、デバイス３ａ～３ｃからゲートウェイ２に対して直接上りデータ通信を行う場合において、これらのデバイス３ａ～３ｃをＥＤとする。このＥＤとして割り当てられるデバイス３ａ～３ｃは、送信すべき信号を変調し、ゲートウェイ２へ直接送ることとなる。
【0025】
一方、図２（ｂ）に示すように、デバイス３ｃから直接ゲートウェイ２へ上りデータ通信が行われる場合以外に、デバイス３ｂにより生成された信号をデバイス３ａを経由してゲートウェイ２へ上りデータ通信が行われる場合もある。かかる場合には、デバイス３ａはデバイス３ｂにより生成されて送信されてきた信号を中継してゲートウェイ２へと送信する、いわば中継機能を担うわけだが、この中継機能を担うデバイス３ａをＶＧＷという。ＶＧＷを担うデバイス３は、基本的にはＥＤと同様の機能を担うものであり、自ら生成した信号を上りデータ通信する。これに加えて、ＶＧＷを担うデバイス３は、中継機能を担う関係上、他のデバイス３から送信されてきた信号を復調する機能をも備えるため、いわばゲートウェイとしての役割も担うことになる。このため、ＶＧＷを担うデバイス３は仮想的なゲートウェイと考えることもできる。
【0026】
図２（ｂ）に示す例では、またＥＤとして割り当てられるデバイス３ｂは、ＶＧＷとして割り当てられたデバイス３ａに信号を上りデータ通信する場合もあれば、同じくＥＤとして割り当てられるデバイス３ｃは、送信すべき信号を変調し、ゲートウェイ２へ直接送信する。このため、ＥＤとして割り当てられるデバイス３は、自ら生成した上りデータ通信のための信号を、ＶＧＷとして割り当てられたデバイス３に送る場合もあれば、ゲートウェイ２に直接送信する場合もある。
【0027】
ちなみに、このデバイス３におけるＥＤとＶＧＷの割り当ては、随時変更が行われることが前提となる。図２（ａ）に示すようにＶＧＷが設けられることなく、全てのデバイス３がＥＤとして自ら生成した上りデータ通信のための信号をゲートウェイ２に直接送信する場合や、図２（ｂ）に示すように、デバイス３ａがＶＧＷとして割り当てられ、デバイス３ｂ、３ｃがＥＤとなる場合に、随時変更が行われることがありえる。またＶＧＷとして割り当てられるデバイス３ａが随時固定されるものではない。ＥＤが割り当てられたデバイス３ｂ、３ｃもＶＧＷとなりえる場合もあり、またＶＧＷとして割り当てられるデバイス３ａがＥＤとなりえる場合もある。かかる場合には、新たにＥＤとなったデバイス３が、新たにＶＧＷとなったデバイス３に自ら生成した信号を中継させてゲートウェイへ上りデータ通信することとなる。
【0028】
次に、本発明を適用した無線通信システム１の動作について説明をする。この無線通信システム１における動作では、各デバイス３から上りデータ通信を行う上で、一部のデバイス３がＶＧＷとして、他のＥＤのデバイス３から送信されてくる信号を中継することで、システム全体の消費電力の低減を図る。このとき、デバイス３について、ＶＧＷとＥＤの何れかへの割り当てを行う際に、ゲートウェイ２が主導で行うのではなく、あくまでデバイス３間で自律的に行う。
【0029】
先ずゲートウェイ２の選択を行う。かかる場合には図３に示すように、ＥＤのデバイス３から信号の送信を試みるゲートウェイ２における複数の候補（ＧＷ1、ＧＷ2、ＧＷ3、ＧＷ4、・・・、ＧＷn）について、それぞれＥＤのデバイス３からこれらの各候補に向けた伝搬特性ＨE2Gを求める。この伝搬特性は、ＥＤのデバイス３から各候補（ＧＷ1、ＧＷ2、ＧＷ3、ＧＷ4、・・・、ＧＷn）への無線信号の電波を伝搬させる上での減衰量等に基づくものであってもよく、この数値が大きいほど伝搬特性が優れており、減衰が少ないものと考えることができる。またこの伝搬特性は、送信されてくる信号のパワー、振幅に基づくものであってもよい。図３の例において伝搬特性ＨE2Gは、ＧＷ1が６、ＧＷ2が９、ＧＷ3が３、ＧＷ4が５とされている。
【0030】
これらの伝搬特性ＨE2Gからなるゲートウェイ２の候補の中から、伝搬特性が最も大きいＧＷを選択する。この図３の例では、ＧＷ2の伝搬特性が最大の伝搬特性ＨE2GMAXを示す。この最大の伝搬特性ＨE2GMAXを示すＧＷ2を上りデータ通信をするゲートウェイ２として選択する。この選択されたＧＷ2を、選択ＧＷとする。
【0031】
次に、ＶＧＷとして動作するデバイスの複数の候補（ＶＧＷ1、ＶＧＷ2、ＶＧＷ3、ＶＧＷ4、・・・、ＶＧＷn）に着目する。これらのＶＧＷとして動作する各候補（ＶＧＷ1、ＶＧＷ2、ＶＧＷ3、ＶＧＷ4、・・・、ＶＧＷn）へのＥＤのデバイス３からの伝搬特性ＨE2Vをそれぞれ求める。図３の例において伝搬特性ＨE2Vは、ＶＧＷ1が７、ＶＧＷ2が６、ＶＧＷ3が１１、ＶＧＷ4が４とされている。
【0032】
これらの伝搬特性ＨE2VからなるＶＧＷの候補の中から、伝搬特性が最も大きいＶＧＷを仮選択ＶＧＷとして選択する。この図３の例では、ＶＧＷ3の伝搬特性が最大の伝搬特性ＨE2VMAXを示す。次に、この仮選択ＶＧＷから選択ＧＷへの伝搬特性ＨV2Gを求める。
伝搬特性ＨE2VMAX＞伝搬特性ＨE2GMAX且つＨV2G＞ＨE2GMAXである場合には、仮選択ＶＧＷを選択ＶＧＷとして中継させて上記選択ＧＷに信号を送信する。図３の例では、伝搬特性ＨE2VMAX＞伝搬特性ＨE2GMAXであり、ＨV2Gが１０で、ＨE2GMAX（＝９）よりも大きいことから、ＨV2G＞ＨE2GMAXであるため、上記関係が成り立つ。かかる場合には、仮選択ＶＧＷとして選択したＶＧＷ3を選択ＶＧＷとして特定する。
伝搬特性ＨE2VMAX＞伝搬特性ＨE2GMAX且つＨV2G＞ＨE2GMAXである場合には、仮選択ＶＧＷを選択ＶＧＷとして中継させて上記選択ＧＷに信号を送信する。図３の例では、伝搬特性ＨE2VMAX＞伝搬特性ＨE2GMAXであり、ＨV2Gが１０で、ＨE2GMAX（＝９）よりも大きいことから、ＨV2G＞ＨE2GMAXであるため、上記関係が成り立つ。かかる場合には、仮選択ＶＧＷとして選択したＶＧＷ3を選択ＶＧＷとして特定する。
【0033】
一方、伝搬特性ＨE2VMAX＞伝搬特性ＨE2GMAX且つＨV2G＞ＨE2GMAXでない場合には、仮選択ＶＧＷの選択を排除し、改めてＶＧＷの候補の中から仮選択ＶＧＷの選択を上述した方法に基づいて試みる。
なお、上述した処理動作を繰り返した結果、ＶＧＷとして動作するデバイス３の候補が空になり、選択ＶＧＷを決めることができない場合には、ＥＤは、選択ＶＧＷに対して直接信号を送信する。
なお、上述した処理動作を繰り返した結果、ＶＧＷとして動作するデバイス３の候補が空になり、選択ＶＧＷを決めることができない場合には、ＥＤは、選択ＶＧＷに対して直接信号を送信する。
【0034】
本発明では、このようにして、選択ＧＷ、選択ＶＧＷを決定するメカニズムに加えて、デバイス３につき、以下に説明するＶＧＷとＥＤの切り替え方法を提案するものである。このデバイス３におけるＶＧＷとＥＤの切り替えは、先ず全てのデバイス３に対してポイントを付して管理することを前提とする。このポイントを付した管理は、各デバイス３側において行うようにしてもよい。この切り替え方法を実行するに当たり、先ず初期化を行うことでそれぞれのＥＤからなるデバイス３ａ～３ｃにつきポイントを０に設定する。
【0035】
このとき、ＥＤが割り当てられたデバイス３は、自らの信号を送信し、その信号が正しく復調された場合には、自らのポイントに＋αを加算する。
【0036】
また、ＶＧＷが割り当てられたデバイス３は、他のＥＤとしてのデバイス３から送られてきた信号を受信し、復調した場合には、自らのポイントに－２αを加算する。またＶＧＷが割り当てられたデバイス３は、他のＥＤとしてのデバイス３から送信されてきた信号をゲートウェイ２へ送信し、これが正しく復調されたものであれば、自らのポイントに＋αを加算する。一方、ＶＧＷが割り当てられたデバイス３は、自ら生成した信号をゲートウェイ２へ送信する場合には、自らのポイントを特段増減させることはしない。
【0037】
このようなポイントの増減ルールをまとめると、以下の表１に示す規則として具現化される。上りデータ通信の場合において、ＥＤが割り当てられたデバイス３は、自ら生成した信号を送信し、正しく復調される毎にポイントは＋α加算されることとなる。ＶＧＷが割り当てられたデバイス３は、他のＥＤのデバイス３において生成された信号を受信する毎に－２α加算され、更にこれをゲートウェイ２へ送信し、正しく復調される毎に＋α加算する。その結果、他のＥＤのデバイス３から送信されてきた信号の中継を成功させる都度、ポイントは、－αずつ減少していくこととなる。一方、このＶＧＷが割り当てられたデバイス３は、自ら生成した信号をゲートウェイ２に送信しても特段ポイントの増減が無くなる。
【0038】
ＶＧＷとしてのデバイス３は、自ら生成した信号を送信してゲートウェイ２において正しく復調されても、ポイントは特段増加することはない。つまりＥＤとしてのデバイス３は、自ら生成した信号を送信するほどポイントが増加し、ＶＧＷに変化しやすくなるのに対して、ＶＧＷとしてのデバイス３は、自ら生成した信号をいくら送信してもポイントは増加することなく、中継する都度ポイントが減少し、ＥＤに変化しやすくなる。
【0039】
【表1】
【0040】
このようにして各デバイス３に付され、しかも増減するポイントを常に監視し、閾値（ＴｈE2V、ＴｈV2E）と比較する。この閾値（ＴｈE2V、ＴｈV2E）の関係は、図４に示すように、ＴｈE2V＞ＴｈV2Eの関係になっていることが前提である。
【0041】
このような閾値ＴｈE2V、ＴｈV2Eと各デバイス３に付されているポイントとを比較した結果、ポイントが閾値ＴｈE2V以上の場合には、デバイス３をＶＧＷとしての役割を担わせる。一方、ポイントが閾値ＴｈV2E以下の場合には、デバイス３をＥＤとしての役割を担わせる。つまり図４（ａ）に示すように、元々ＶＧＷとして動作していたデバイス３ａが他のＥＤのデバイス３が生成した信号の中継して正確に復調する都度、ポイントがαずつ減少していく。その結果、このデバイス３ａは、ＶＧＷとして役割を果たすほど、ポイントは徐々に低下していく。一方、ＥＤとして動作していたデバイス３ｂ、３ｃが、自ら生成した信号を送信して正確に復調される都度、ポイントがαずつ増加していく。その結果、このデバイス３ｂ、３ｃは、ＥＤとしての役割を果たすほど、ポイントは徐々に増加していく。
【0042】
これらの処理動作が繰り返される結果、図４（ｂ）に示すように、今までＶＧＷとして動作していたデバイス３ａのポイントが減少して、ＴｈV2E以下となり、今後ＥＤとして動作することとなる。また、今までＥＤとして動作していたデバイス３ｂのポイントが増加して、ＴｈE2V以上となり、今後ＶＧＷとして動作することとなる。
【0043】
このようにしてデバイス３間におけるＶＧＷとＥＤの割り当て、切り替えを行っていくこととなる。このポイントは過去から現在までの各デバイス３におけるＥＤ、ＶＧＷにおける通信パフォーマンスや動作履歴が反映されたものとなっている。このため、このようなポイントを閾値ＴｈE2V、ＴｈV2Eとの関係において比較することで、過去から現在までの各デバイス３におけるＥＤ、ＶＧＷにおける通信パフォーマンスや動作履歴を参照した上で、ＥＤやＶＧＷの切り替えの判断を行うことが可能となる。これにより、特に中継器（ＶＧＷ）の役割を担うデバイスの選択に対して、より公平性を持たせることができる。つまり一のデバイス３のみが集中してＶＧＷの役割を担うことがなくなり、電源がロスしてしまうのを防止でき、ひいては他のデバイス３間における公平性を担保することができる。また本発明では、その公平性を持たせる上での各種コントロールの精度を向上させることができ、一のデバイス３にＶＧＷが集中しないことで、システム全体の消費電力をより低減させることも可能となる。
【0044】
また、本発明においては、上りデータ通信においてゲートウェイ２において正しく復調することができる信号の割合を増加させることが可能となる。更に本発明においては、デバイス３をＥＤとＶＧＷの間で自律的に切り替えることが可能となり、無線伝送特性の向上を図ることができ、システム全体の消費電力の低減も実現することができる。
【0045】
なお、閾値ＴｈE2V、ＴｈV2Eは、デバイス３のバッテリー残量、外部電源の有無の何れか１以上に基づき変動させるようにしてもよい。例えば、バッテリー残量が豊富である場合や外部電源が有る場合、ＴｈV2Eを低めに設定し直す。これにより、ＶＧＷとして機能するデバイス３は、ＥＤになかなか戻れなくなるが、逆にバッテリー残量が豊富であり、或いは外部電源が有ることから、ＶＧＷとして機能し続けても電源がロスすることが無くなる。逆にあえてＶＧＷとしてＥＤからの信号を中継する役割を継続し続けることでシステムの伝送特性を向上させることもできる。
【0046】
一方、バッテリー残量が少ない場合や外部電源が無い場合、閾値ＴｈE2Vを高めに設定し直す。これにより、ＥＤとして機能するデバイス３は、ＶＧＷになかなか置き換われなくなる、逆にバッテリー残量が少なく、或いは外部電源が無いことから、ＶＧＷに置き換わってもすぐに電源がロスしてしまうことにもなるから、あえてＥＤをそのまま継続させる方が、システムの伝送特性の面においては好適となる。ちなみに、これらバッテリー残量や外部電源に基づいた閾値ＴｈE2V、ＴｈV2Eの変動を行う場合、これらバッテリー残量や外部電源の有無をセンシングするためのセンサと、そのセンサによるセンシングデータを分析する分析部が別途も受けられることが前提となる。
【0047】
なお、このＥＤとＶＧＷの割り当てのルールは、表１に示すものに限定されない。つまり、ＥＤが自らの信号の送信を行うにつれてポイントを増加させ、ＶＧＷが信号を中継するにつれてポイントを減少させるのであれば、いかなるルールに基づくものであってもよいことは勿論である。
【0048】
ちなみに、上述した閾値ＴｈE2V、ＴｈV2Eは、常時固定されている場合に限定されるものではなく、時系列的に変動するものとされていてもよい。また、この閾値ＴｈE2V、ＴｈV2Eの変動は、ＥＤ、ＶＧＷ毎にそれぞれ独立して変動するものであってもよい。
【0049】
図５は、時系列的に変動する閾値ＴｈE2V,n,t、ＴｈV2E,n,tの例を示している。ここでｎは各ＥＤ、ＶＧＷ毎に割り当てられたインデックスであり、ｔは横軸の時間を表している。あるＥＤのポイントに着目したとき、このＥＤのポイントが変化する過程において、閾値ＴｈE2V、ＴｈV2Eが時系列的に変化し、ＶＧＷにならないケースを示している。また、この変化するポイントがあるＶＧＷに着目したものであるとき、このＶＧＷのポイントが変化する過程で、閾値ＴｈE2V、ＴｈV2Eが時系列的に変化し、ＥＤにならないケースと考えることもできる。
【0050】
この閾値ＴｈE2V、ＴｈV2Eの時系列的な変化は、ランダムに変化するものであってもよいし、各デバイス５毎に変化パターンが予め決定されるものであってもよい。更に各デバイスのポイントの変化傾向に基づいて、時系列的に変化させるようにしてもよい。
【0051】
図５に示すように、ＥＤが自ら生成した信号を送信する都度、またＶＧＷが他のＥＤにより生成された信号を送信する都度、＋α増加するのに対して、ＶＧＷが他のＥＤにより生成された信号を受信する都度、－２α減少する。この－２α減少するスピードは、＋α増加するスピードよりも急激である。つまり、ポイントの増加率（速さ）を規定しているのがαである。このαについては更にｋという変数を乗算してもよく、そのポイントの変化速度をｋαとして捉えるようにしてもよい。αが一定の場合、ｋが大きいほどＶＧＷからＥＤへの変化が早くなる。αとｋはデバイス３間で同一としてもよいし、互いに異ならせるようにしてもよい。
【実施例1】
【0052】
以下、本発明を適用した無線通信システム１の実施例について説明をする。図６は、この時間軸をベースにした処理動作の実施例を示している。本実施例においてデバイス３は、デバイス３ａ～３ｃからなると共に、一のゲートウェイ２によりネットワークが構成されていることが前提となる。このデバイス３ａ～３ｃは、ＶＧＷにもなりえることは勿論である。当初は、このデバイス３ａ～３ｃは何れもＥＤが割り当てられているものとする。
【0053】
先ずステップＳ１１において、デバイス３ｃは、ゲートウェイ２に対して信号としてのData3,1を送信する。このData3,1がゲートウェイ２へ送信され、ゲートウェイ２において正しく復調された場合、デバイス３ｃはポイントが＋α増加することとなる。
【0054】
次にステップＳ１２において、デバイス３ｃは、ゲートウェイ２に対して信号としてのData3,2を送信する。このData3,2がゲートウェイ２へ送信され、ゲートウェイ２において正しく復調された場合、デバイス３ｃはポイントが＋α増加することとなり、トータルでポイントが２αとなる。ここで閾値ＴｈE2Vが２αであると仮定したとき、デバイス３ｃのポイントが２αであることから、デバイス３ｃは今後ＶＧＷとして機能し始めることとなる。
【0055】
次にステップＳ１３において、デバイス３ａが自ら生成した信号について上りデータ通信を試みる。このとき、デバイス３ａからゲートウェイ２へ直接信号を送信する経路と、デバイス３ａから、新たにＶＧＷとして機能し始めたデバイス３ｃを中継させてゲートウェイ２へ信号を送信する経路がある。このステップＳ１３においては、デバイス３ａは、ＧＷ、ＶＧＷ（デバイス３ｃ）の選択を、上述したように伝搬特性ＨE2Gや伝搬特性ＨE2Vや伝搬特性ＨV2Gを参照しつつ実行するようにしてもよい。この選択においては、結局のところ伝搬特性ＨE2VMAX＞伝搬特性ＨE2GMAX且つ伝搬特性ＨV2G＞伝搬特性ＨE2GMAXを満たすＶＧＷが無かったことから、選択ＧＷに対して直接信号を送信することとする。そして、このデバイス３ａは，ゲートウェイ２に対してData1,2を送信する。Data1,2がゲートウェイ２において正しく復調された場合には、このデバイス３ａにおけるポイントに＋α増加させる。
【0056】
次にステップＳ１４において、デバイス３ｂが自ら生成した信号について上りデータ通信を試みる。このとき、デバイス３ｂからゲートウェイ２へ直接信号を送信する経路と、デバイス３ｂから、新たにＶＧＷとして機能し始めたデバイス３ｃを中継させてゲートウェイ２へ信号を送信する経路がある。このステップＳ１４においては、デバイス３ｂは、ＧＷ、ＶＧＷ（デバイス３ｃ）の選択を、上述したように伝搬特性ＨE2Gや伝搬特性ＨE2Vや伝搬特性ＨV2Gを参照しつつ実行した結果、デバイス３ｂからＶＧＷ（デバイス３ｃ）を中継させてゲートウェイ２に対してData2,2を送信することとする。Data2,2がＶＧＷ（デバイス３ｃ）において正しく復調された場合には、このデバイス３ｂにおけるポイントに＋α増加させる。
【0057】
ステップＳ１４と同時にステップＳ１５も進行し、ステップＳ１４においてデバイス３ｂから送信されたData2,2をＶＧＷ（デバイス３ｃ）が受信してこれを復調する。デバイス３ｃは、自らのポイントから２α減少させる。その結果、デバイス３ｃのポイントは、既存の２αから新たに２α減少させることから、０となる。
【0058】
次にステップＳ１６に移行し、デバイス３ａは自ら生成したData1,3の上りデータ通信を試みる。しかしながら、このステップＳ１６においてデバイス３ａが自ら生成したData1,3を送るタイミングにおいて、デバイス３ｃはＶＧＷとしてData2,2の中継、送信を行っているため、Data1,3を受信することができない。このため、デバイス３ａは、ゲートウェイ２を構成するＧＷ（ＧＷ1、ＧＷ2、ＧＷ3、ＧＷ4、・・・、ＧＷn）の中から最適なＧＷを選択し、これに対して直接Data1,3を送信する。このＧＷの選択は、図３に示したように計測したＨE2Gに基づいて選択するようにしてもよいし、ランダムに選択するようにしてもよい。
【0059】
次にステップＳ１７に移行し、デバイス３ｃは、Data2,2をゲートウェイ２へ送信し、ゲートウェイ２側において正しく復調されたことを確認した後、自らに付されているポイントを＋α増加させる。その結果、デバイス３ｃのポイントは、既存の０から新たにα増加させることから＋αとなる。
【0060】
次にステップＳ１８に移行し、デバイス３ｃは、デバイス３ｂより、ＶＧＷとして選択された結果、当該デバイス３ｂにより生成されたData2,3を受信し、これを復調する。その結果、デバイス３ｃは、現状のポイント＋αから２α減少することになり、－αとなる。
【0061】
ステップＳ１９では、自ら生成したData3,3をゲートウェイ２に送信しようとしたが、ちょうどそのタイミングにおいてData2,3を受信している場合には、当該Data2,3の受信が完了した後に行う。このステップＳ１９では、Data2,3の受信が完了し、Data3,3のゲートウェイ２への送信を行う。ＶＧＷとしてのデバイス３ｃ自ら生成したData3,3を送信してゲートウェイ２において正しく復調されても、ポイントは特段増加することは無い。
【0062】
ステップＳ２０では、ＶＧＷとしてのデバイス３ｃ自ら生成したData3,3の送信を優先して行う。
【0063】
ステップＳ２１では、デバイス３ｂは自ら生成したData2,4の上りデータ通信を試みる。このタイミングにおいては、デバイス３ｃは、先に受信したData2,3をゲートウェイ２へ送信をしているため、他の信号を受信することができない。従って、デバイス３ｂは、ゲートウェイ２を構成するＧＷ（ＧＷ1、ＧＷ2、ＧＷ3、ＧＷ4、・・・、ＧＷn）の中から最適なＧＷを選択し、これに対して直接Data2,4を送信する。このＧＷの選択は、図３に示したように計測したＨE2Gに基づいて選択するようにしてもよいし、ランダムに選択するようにしてもよい。
【0064】
ステップＳ２２では、デバイス３ｃは、先に受信したData2,3をゲートウェイ２へ送信を完了し、このData2,3は、ゲートウェイ２において正しく復調される。このため、デバイス３ｃは自らに付されているポイント－αに＋αを追加し、合計０ポイントとする。またデバイス３ｃは、自ら生成したData3,4をゲートウェイ２に送信する。
【0065】
ステップＳ２３において、ＴｈV2E＝０であると仮定したとき、デバイス３ｃのポイントが０になっているため、デバイス３ｃは、ＶＧＷからＥＤに戻る。
【符号の説明】
【0066】
１ 無線通信システム
２ ゲートウェイ
３ デバイス
２ ゲートウェイ
３ デバイス
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】