JP7619617B2 - COMMUNICATION CIRCUIT, COMMUNICATION SYSTEM, AND COMMUNICATION METHOD - Google Patents
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Description
本明細書に記載する技術は、通信回路,通信システム及び通信方法に関する。 The technology described in this specification relates to a communication circuit, a communication system, and a communication method.
Internet of Things(IoT)社会においては,あらゆるモノをインターネット等のネットワークに接続することになる。工場を例に考えると、有線ネットワークの末端は無線Local Area Network(LAN)等のアクセスポイント(AP)となる。その先のモノへの接続は、無線LANをはじめとする各種無線通信システムで行われている。モノは、場所が変動する或いは可動なロボットアーム等の工作機械の先端や、移動する無人搬送車(AGV)の上に置かれている。このため、有線ネットワークでの接続が困難であることによる。このように、モノへのネットワーク接続のためには、無線IoT通信が重要となる。 In an Internet of Things (IoT) society, all things will be connected to networks such as the Internet. Taking a factory as an example, the end of the wired network will be an access point (AP) for a wireless local area network (LAN). Connections to things beyond that are made via various wireless communication systems, including wireless LAN. Things are placed at the tips of machine tools such as robot arms, which can move or are movable, or on moving automated guided vehicles (AGVs). This makes it difficult to connect them via a wired network. Thus, wireless IoT communication is important for connecting things to networks.
例えば、工作機械の基部に設置された複数アンテナ素子を備えるアクセスポイントにより、比較的高速に移動・回転する工作機械の可動アーム本体、あるいはアーム先端にとりつけられた物体のセンサノード(SN)を、簡易的なビームフォーミングでトラッキングする無線IoT通信と、これを実現するためのWi-Fi信号を用いたバックスキャッタシステムが存在する。 For example, there is wireless IoT communication that uses simple beamforming to track the movable arm body of a machine tool, which moves and rotates at relatively high speeds, or the sensor node (SN) of an object attached to the end of the arm, using an access point equipped with multiple antenna elements installed at the base of the machine tool, and a backscatter system that uses Wi-Fi signals to achieve this.
無線IoT通信の実現方法としては、アンライセンスバンドを使う無線LANやBluetooth(登録商標)等が多くの場合使われているため、システム間干渉などにより、スループットの低下や、リアルタイム性の欠如が発生するおそれがある。多数のSNがAPへ接続される場合には、システム間干渉がより発生するおそれがある。 Wireless IoT communication is often achieved using wireless LANs and Bluetooth (registered trademark) that use unlicensed bands, so there is a risk of reduced throughput and a lack of real-time performance due to interference between systems. When a large number of SNs are connected to an AP, there is a greater risk of interference between systems.
1つの側面では、本明細書に記載する技術は、隣接する同一周波数帯を用いるシステム間干渉を抑圧し、空間利用効率を向上させることを目的とする。 In one aspect, the technology described in this specification aims to suppress interference between systems that use the same adjacent frequency band and improve spatial utilization efficiency.
1つの側面において、通信回路は、複数のセンサノードと無線通信を行うアクセスポイントに備えられる通信回路であって、前記複数のセンサノードの数、回転周期及び回転方向の計測を行い、計測された前記回転周期に基づき、第1のモード又は第2のモードを選択し、前記第1のモードが選択された場合には、第1の周期で前記アクセスポイントから送出されるビームの向きを前記数及び前記回転方向に基づき回転させて通信範囲に存在するセンサノードに対して通信を行い、前記第2のモードが選択された場合には、前記第1の周期よりも長い第2の周期で前記ビームの向きを前記数及び前記回転方向に基づき回転させ、又は、前記ビームの向きを固定させて、通信範囲に存在するセンサノードに対して通信を行う。 In one aspect, the communication circuit is a communication circuit provided in an access point that performs wireless communication with a plurality of sensor nodes, measures the number, rotation period, and rotation direction of the plurality of sensor nodes, and selects a first mode or a second mode based on the measured rotation period. When the first mode is selected, the direction of the beam sent from the access point in the first period is rotated based on the number and the rotation direction to communicate with the sensor nodes present within the communication range, and when the second mode is selected, the direction of the beam is rotated based on the number and the rotation direction in a second period longer than the first period, or the direction of the beam is fixed to communicate with the sensor nodes present within the communication range.
1つの側面として、隣接する同一周波数帯を用いるシステム間干渉を抑圧し、空間利用効率を向上させることができる。 One aspect is that it can suppress interference between systems that use the same adjacent frequency bands, improving spatial utilization efficiency.
以下、図面を参照して実施の形態を説明する。ただし、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、実施形態で明示しない種々の変形例や技術の適用を排除する意図はない。すなわち、本実施形態を、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。 The following describes the embodiments with reference to the drawings. However, the embodiments described below are merely examples, and are not intended to exclude the application of various modified examples or techniques not explicitly stated in the embodiments. In other words, the present embodiment can be modified in various ways without departing from the spirit of the present invention.
また、各図は、図中に示す構成要素のみを備えるという趣旨ではなく、他の構成要素を含むことができる。以下、図中において、同一の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示す。 In addition, each figure does not necessarily include only the components shown in the figure, but may include other components. In the following figures, parts with the same reference numerals indicate the same or similar parts unless otherwise specified.
〔A〕実施形態
〔A-1〕構成例
図1は、実施形態としての通信システム100の設置例を示す図である。
[A] Embodiments [A-1] Configuration Example FIG. 1 is a diagram showing an example of the installation of a
通信システム100は、工作機械4等を含む。工作機械4は、例えばアーム形状を有し、アームの先端に設置されているハンドで工作物を把持して、工作物をベルトコンベア5に載置する。工作機械4は、5mもしくはそれ以上の間隔で配置されていてよく、ロボットアームの可動範囲は半径2m程度であってよい。
The
工作機械4の基部3にはアクセスポイント(AP)1が取り付けられており、工作機械4のハンドやアームにはセンサノード(SN)2が取り付けられている。図1に示す例では簡単のために各工作機械4にセンサノード2が1つのみ示されているが、本実施形態においては、図2等を用いて後述するように工作機械4には複数のセンサノード2が取り付けられているものとする。
An access point (AP) 1 is attached to the
通信システム100は、例えば5GHz帯の無線LANを用いて、工作機械4の基部3に設置された複数のアンテナ素子を有するアクセスポイント1により、比較的高速に移動又は回転する工作機械4の可動式のアームやハンドに設置されたセンサノード2を、簡易的なビームフォーミングでトラッキングする。アクセスポイント1は、工作機械4の基部に設置された比較的少数のアンテナ素子(例えば、2×2パッチアレーアンテナ)を備えてよい。アーム先端に取り付けられたセンサノード2の回転数は最大1,000 rpm(回転周期60 ms)であってよい。
The
図2は、図1に示したアクセスポイント1及びセンサノード2のハードウェア構成例を模式的に示すブロック図である。
Figure 2 is a block diagram that shows a schematic example of the hardware configuration of the
図2に示すように、本実施形態における工作機械4は、複数(図示する例では7つ)のセンサノード2が取り付けられる。
As shown in FIG. 2, the
アクセスポイント1は、通信回路の一例であり、5GHz帯Wi-FiTRX11(以下、単に「TRX11」と称する場合がある),Wi-FiバックスキャッタRX12(以下、単に「バックスキャッタRX12」と称する場合がある),ビームフォーミング処理部13,複数の素子アンテナ14,サーキュレータ15及びスイッチ16を備える。
The
TRX11は、送受信機である。TRX11の入出力RF信号は、ビームフォーミング処理部13と複数の素子アンテナ14を介して、所定の方向に向けた複数のビームを切り替えることができる。センサノード2は、そのビームにカバーされたエリアに入った場合に、5GHz帯のWi-Fi信号を送受信することになる。
TRX11 is a transceiver. The input/output RF signals of TRX11 can switch between multiple beams directed in a specific direction via the
バックスキャッタRX12は、受信機であり、TRX11によるWi-Fi信号の送信に応じてセンサノード2から返ってきた、バックスキャッタ信号を受信する。ビームフォーミング処理部13は、複数の素子アンテナ14によって、センサノード2との間におけるアナログビームフォーミング処理を実行し、例えば、ビームフォーミングネットワーク(BFN:beam-forming network)とSP4T(single pole four throw)との組み合わせにより実現されてよい。
The
アクセスポイント1に備えられる素子アンテナ14の数は、4~16素子程度であってよい。例えば、2×2又は4×4のアレイアンテナであれば、2次元バトラーマトリクス等によりアナログビームフォーミング回路が構成される。SN検知フェーズで、アクセスポイント1においては、センサノード2をビームトラッキングするために必要となるWi-Fiバックスキャッタ信号の受信系であるバックスキャッタRX12はスイッチ16の後段に配置され、5GHz帯Wi-FiTRX11はサーキュレータ15に接続されている。これにより、アクセスポイント1の素子アンテナ14で受信された信号はスイッチ16により選択的にTRX11またはRX12に入力される。
The number of
サーキュレータ15は、TRX11に接続される信号線とバックスキャッタRX12が接続される信号線との分岐点に設けられる。サーキュレータ15は、3つの端子を有し、或る端子から入力された信号を特定の端子へ出力させる。サーキュレータ15は、TRX11から出力された送信Wi-Fi信号を素子アンテナ14側へ出力する。また、サーキュレータ15は、スイッチ16がONになっているタイミングでは素子アンテナ14側からの入力をバックスキャッタRX12側へ出力される一方、スイッチ16がOFFになっているタイミングでは素子アンテナ14側からの入力をTRX11側へ出力させる。
The
符号A1に示すAP送信スペクトラムは、アクセスポイント1から複数のセンサノード2に対する通信信号を示す。
The AP transmission spectrum shown by symbol A1 indicates a communication signal from an
センサノード2は、5GHz帯Wi-Fi TRX21(以下、単に「TRX21」と称する場合がある),単極単投スイッチ(SPSTスイッチ)22,クロック23及び素子アンテナ24を備える。ここでは、単素子アンテナの例を示しているが、センサノード2の寸法によっては、複数素子アンテナで構成されてもよい。
The
TRX21は、送受信機であり、素子アンテナ24を介して、アクセスポイント1との間で5GHz帯のWi-Fi信号を送受信する。センサノード2が通信を希望する場合、SPSTスイッチ22において、周期的にON/OFFの切り替え制御を実行し、アクセスポイント1に対してバックスキャッタ信号を送信する。なお、SPSTスイッチ22は、それ以外の場合は、常にONに設定されることになる。SPSTスイッチ22は、クロック23が出力するクロック信号の周波数fclockに応じて周期的にON/OFFの切り替え制御がされる。
The
符号A2に示すSN検知フェーズのSN送信スペクトラムは、通信を希望するセンサノード2が存在し、Wi-Fiバックスキャッタ信号(以下、単に「バックスキャッタ信号」と称する場合がある)が発生している状況を示したものであり、5GHz帯のWi-Fi信号と共に、通信リクエストのタイミングでセンサノード2からアクセスポイント1に対して送信される。バックスキャッタ信号が、5GHz帯のWi-Fi信号の周波数帯域(チャネル)の高域側及び低域側に存在していることになる。通常、このバックスキャッタ信号のレベルは5GHz帯のWi-Fi信号よりもパワーが小さい。アクセスポイント1の受信信号における5GHz帯のWi-Fi信号は、ビームフォーミング処理部13や素子アンテナ14における反射や、素子アンテナ14から放射された信号が周囲環境(たとえば、壁,床,天井や工作機械4など)での反射、及び、センサノード2での反射によるものである。符号A3に示すWi-Fi通信フェーズのSN送信スペクトラムは、Wi-Fi通信フェーズにおいてセンサノード2がアクセスポイント1に対して送出する送信信号を示す。
The SN transmission spectrum in the SN detection phase shown by symbol A2 shows a situation in which a
図3は、図1に示した通信システム100におけるSN検知フェーズの動作例を説明する図である。
Figure 3 is a diagram illustrating an example of operation of the SN detection phase in the
符号B1に示すように、アクセスポイント1は、まずTRX11からWi-Fiダミー信号を送信する。このWi-Fiダミー信号はWi-Fi通信に用いずバックスキャッタ通信にのみ用いるため、ランダムデータなどで生成したもの、もしくはビーコン信号のような任意のWi-Fi信号であってよい。Wi-Fiダミー信号はビームフォーミング処理部13によって、あるセクタに向けたビームとして送信される。
As shown by symbol B1, the
符号B2に示すように、センサノード2は、On-Off-Keying(OOK変調)によって、素子アンテナ24とTRX21との間のSPSTスイッチ22をクロック23によって駆動する。これによってスイッチは、オンとオフとがクロック周波数fclockで切り替えられる。符号B3に示すように、SN検知フェーズではTRX21は起動せず50Ω終端とみなすことができるため、SPSTスイッチ22のオン時は整合の無反射状態となり、SPSTスイッチ22のオフ時は開放端の全反射状態となる。この無反射状態と全反射状態との切り替えによって、受信したWi-Fiダミー信号の反射波にOOK変調がかけられる。したがって、Wi-Fiバックスキャッタ信号は、符号B4で示されているようにWi-Fi信号の側波スペクトラムとなる。
As shown by symbol B2, the
センサノード2から送信されたWi-Fiバックスキャッタ信号は、アクセスポイント1で受信され、サーキュレータ15によって送信波と分離され、符号B5に示すようにSN検知フェーズでオンにされているスイッチ16を経由して、バックスキャッタRx12に入力される。
The Wi-Fi backscatter signal transmitted from the
以上の仕組みにより、アクセスポイント1においては各センサノード2から送信されたバックスキャッタ信号を利用してセクタ内のセンサノード2の有無を検知できる。
With the above mechanism, the
図4は、図1に示した通信システム100におけるWi-Fi通信フェーズの動作例を説明する図である。
Figure 4 is a diagram illustrating an example of the operation of the Wi-Fi communication phase in the
符号C1に示すように、アクセスポイント1は、通常のWi-Fi規格に基づいてWi-Fi通信信号を送受信する。符号C2に示すように、アクセスポイント1におけるセンサノード2からのWi-Fi信号受信時には、サーキュレータ15に接続されているフェーズ切替のためのスイッチ16をオフにすることで、受信波はバックスキャッタRx12に入力されず、TRX11に入力される。符号C3に示すように、センサノード2のSPSTスイッチ22は、クロック23に接続せず連続してオンにすることで、符号C4に示すようなWi-Fi通信信号を連続して送受信する。
As shown by symbol C1, the
図5の(a)及び(b)は、図1に示した通信システムにおけるバックスキャッタ信号のダウンコンバートによるSNスペクトラム識別手法を説明する図である。 Figures 5(a) and (b) are diagrams explaining a method for identifying the signal-to-noise spectrum by down-converting a backscattered signal in the communication system shown in Figure 1.
ごく短時間のSN検知フェーズでセンサノード2の数を計測するためには、複数のWi-Fiバックスキャッタ信号を同時に受信する必要がある。しかし、Wi-Fiバックスキャッタ信号は連続波を用いたバックスキャッタ信号と比べると広帯域信号であり、周波数分割による同時受信や多元接続は難しい。したがって、複数のWi-Fiバックスキャッタ信号を同時に受信しセンサノード2の数を計測する方法が必要である。
To count the number of
例えば、元のWi-Fi信号の乗算によるダウンコンバートによって狭帯域化することにより、センサノード2の数を識別することが想定される。センサノード2のクロック周波数fclockはWi-Fi信号の帯域幅以上とすることで、バックスキャッタ信号と元のWi-Fi信号とは周波数軸上で重ならず、通常のWi-Fi通信とバックスキャッタ通信とを両立することができる。
For example, it is assumed that the number of
しかし複数のセンサノード2が同時に存在するとき、図5の(a)に示すようにバックスキャッタ信号同士は周波数軸上で重なりあうため、それぞれの信号を分離することができない。そこで、バックスキャッタ信号と元のWi-Fi信号の乗算によるダウンコンバートを行う。
However, when
図5の(b)にダウンコンバート後の信号を示す。これによってRF帯で広帯域のバックスキャッタ信号をIF帯で狭帯域信号として受信することができる。更にセンサノード2毎にクロック周波数fclockを変えることで、各バックスキャッタ信号は周波数軸上で重ならず、それぞれの信号を分離することができる。
The signal after down-conversion is shown in Fig. 5(b). This makes it possible to receive a wideband backscatter signal in the RF band as a narrowband signal in the IF band. Furthermore, by changing the clock frequency f clock for each
図6は、図1に示した通信システム100におけるSN検知フェーズの通信範囲を説明する図である。図7は、図1に示した通信システム100におけるWi-Fi通信フェーズの通信範囲を説明する図である。
Figure 6 is a diagram explaining the communication range of the SN detection phase in the
SN検知フェーズはバックスキャッタ通信を行うため、アクセスポイント1のWi-Fi送信電力はWi-Fi通信フェーズの送信電力よりも大きくなる。図1に示した通信システム100の諸元を例示する。アクセスポイント1のアンテナ利得は2×2パッチアレーアンテナを想定してGAP = 9 [dBi]であってよく、センサノード2のアンテナ利得は無指向性単素子アンテナを想定してGSN= 0 [dBi]であってよい。また、SN検知フェーズ時におけるセンサノード2の入出力電力比はM = -7 [dB]であってよい。
Since backscatter communication is performed during the SN detection phase, the Wi-Fi transmission power of the
図6に示す例において、SN検知フェーズにおいては、アクセスポイント1のWi-Fi信号の空中線電力はPAP = 20 [dBm]と設定した。フリスの伝達公式から導出されるバックスキャッタ通信のアクセスポイント1の受信電力Prは式(1)のように求められる。
6, in the SN detection phase, the antenna power of the Wi-Fi signal of
ここで、λは搬送波の波長、Dはアクセスポイント1とセンサノード2との間の距離である。式(1)によるPrの導出を以下では通信手順に沿って説明する。アクセスポイント1から2.6m(図6の実線円を参照)離れたセンサノード2におけるアクセスポイント1のWi-Fi信号の受信電力は、-26.6 dBm(PAPから46.6 dB減衰)である。M = -7 [dB] であるため、このセンサノード2のバックスキャッタ送信電力は-33.6 dBmであり、バックスキャッタRX12の最小受信感度を-80dBmとすれば、この時のアクセスポイント1におけるセンサノード2からのバックスキャッタ信号の受信電力から想定して、SN検知フェーズにおけるバックスキャッタ通信可能なセンサノード2の範囲はアクセスポイント1から2.6m(図6の実線円を参照)とした。また、Wi-Fi通信におけるアクセスポイント1からのWi-Fi通信信号の受信感度を-70 dBmとすると、その通信範囲はアクセスポイント1から390m(図6の二点鎖線円を参照)である。
Here, λ is the wavelength of the carrier wave, and D is the distance between the
Wi-Fi通信フェーズにおいては、これまでに求めたSN検知フェーズの通信範囲である2.6m(図6の実線円を参照)以上の通信範囲でWi-Fi通信可能であればよい。ここでは、マージンを考えてWi-Fi通信フェーズにおける通信範囲を2倍の5.2m(図6の一点鎖線円を参照)とした。 In the Wi-Fi communication phase, it is sufficient if Wi-Fi communication is possible within a range of at least 2.6 m (see the solid circle in Figure 6), which is the communication range in the SN detection phase obtained so far. Here, to allow for some margin, the communication range in the Wi-Fi communication phase is set to twice that, 5.2 m (see the dashed-dotted circle in Figure 6).
図7にこの時のWi-Fi通信フェーズにおける通信範囲を示す。アクセスポイント1から5.2m(図7の実線円を参照)の位置におけるアクセスポイント1からのWi-Fi通信信号の受信感度を-70 dBmとすると、フリスの伝達公式からアクセスポイント1のWi-Fi信号の空中線電力はPAP= --17.4 [dBm]と求められる。
The communication range in the Wi-Fi communication phase at this time is shown in Figure 7. If the receiving sensitivity of the Wi-Fi communication signal from
すなわち、Wi-Fi通信モードにおけるアクセスポイント1の送信電力は、SN検知フェーズにおける、アクセスポイント1の送信電力と最小受信感度の中間値を通信マージン程度上回る値であってよい。
In other words, the transmission power of
図8は、図1に示した通信システム100におけるビームフォーミングとセンサノードの動きとの関係を説明する図である。
Figure 8 is a diagram explaining the relationship between beamforming and the movement of sensor nodes in the
図8では、アクセスポイント1に搭載の2×2パッチアレーアンテナで実現される4方向ビームフォーミングとともに、以下の説明で仮定するセンサノード2(SN#1)の動きを示している。4方向のビームはアンテナ上部からアンテナ方向にみて時計回りにY,R,B,Gの順序で4方向のビームが形成されているとする。また、SN#1は時計回りに、周期60 ms(回転数1,000 rpm)もしくは600 ms(回転数100 rpm)で回転していると仮定する。
Figure 8 shows the movement of sensor node 2 (SN#1) assumed in the following explanation, along with the four-way beamforming realized by the 2x2 patch array antenna mounted on
図9は、図1に示した通信システム100におけるSN検知フェーズのタイムフローを説明する図である。
Figure 9 is a diagram explaining the time flow of the SN detection phase in the
符号D1に示すビームフォーミング(BF)方向は、アクセスポイント1が選択中のビーム方向を示している。符号D2に示すSN#1信号受信は、そのビーム方向のWi-Fiダミー信号によってSN#1が生成したバックスキャッタ信号のアクセスポイント1における受信状況を示している。
The beamforming (BF) direction shown by symbol D1 indicates the beam direction being selected by
ビーム範囲(セクタ)は理想的に回転周期の1/4ごとに切り替わり、オーバラップはないと仮定している。SN検知フェーズにおいては、アクセスポイント1のビームフォーミング動作で2つのパートに分かれている。前半の回転周期・SN数計測では、ビームフォーミングはその都度設定されたある1つのビーム方向に固定された状態でバックスキャッタ通信を試みる。この場合、例えばSN#1が周期60 msで回転していたとすると、図9のように周期60 msごとに15 msの間、SN#1のバックスキャッタ信号がアクセスポイント1に到達する。この動作によって回転するセンサノード2群の回転周期を計測できるとともに、回転するセンサノード2群の存在位置の分布を計測することができる。また、ビームY方向で停止しているセンサノード2群については、バックスキャッタ信号が連続してアクセスポイント1に到達するため、そのセンサノード2の数を計測することができる。
The beam range (sector) is assumed to ideally switch every 1/4 of the rotation period and not overlap. In the SN detection phase, the beamforming operation of
他のビーム方向に関しては、次のSN検知フェーズにおいてビーム方向を他の方向に切り替えて固定することで計測可能である。後半の回転方向計測では、前半で求めた回転するセンサノード2群の回転周期に応じて、ビーム方向を変化させる。 Other beam directions can be measured by switching the beam direction to another direction and fixing it in the next SN detection phase. In the second half of the rotation direction measurement, the beam direction is changed according to the rotation period of the two rotating sensor nodes calculated in the first half.
この時点では回転方向が分からないので、時計回り・反時計回りの両方向でビームを順に切り替え、バックスキャッタ信号の受信頻度により回転方向の判定を行う。 At this point, the direction of rotation is unknown, so the beam is switched between clockwise and counterclockwise in sequence, and the direction of rotation is determined based on the frequency with which the backscatter signal is received.
図9に示すように、例えば120ms以上の時間幅でビームの向きを固定させることによってセンサノード2の数及び回転周期の計測が同時に行われた後に、例えば120ms以上の時間幅でビームの向きを時計回り及び反時計回りに回転させることによってセンサノード2の回転方向の計測が行われてよい。また、ビームの向きを固定させることによってセンサノード2の回転周期の計測が行われた後に、ビームの向きを時計回り及び反時計回りに回転させることによってセンサノード2の数及び回転方向の計測が行われてもよい。
As shown in FIG. 9, the number and rotational period of
図10は、図1に示した通信システム100における高速回転フェーズのタイムフローを説明する図である。
Figure 10 is a diagram explaining the time flow of the high-speed rotation phase in the
符号E1に示すビームフォーミング方向は、アクセスポイント1が選択中のビーム方向を示している。符号E2に示すSN#1信号受信は、そのビーム方向でWi-Fi通信信号のやり取りができる時間帯を示している。SN#1受信信号の周期は、60ms(別言すれば、第1の周期)であってよい。高速回転フェーズにおいては、高速回転と停止との2つのサブフェーズに分かれている。
The beamforming direction indicated by E1 indicates the beam direction being selected by
前半の高速回転サブフェーズでは、例えば240ms以上の時間幅において、SN検知フェーズで計測されたセンサノード2群の存在位置の分布(センサノード2の数)を基に、4方向の初期ビームごとの通信時間を最適化する。また、SN検知フェーズで計測された回転周期・方向を基にしてビーム切り替えを行うことで、回転しているセンサノード2群に対して常にビームを向けることで安定した通信を実現する。すなわち、測定された回転周期によって、第1の方向から順番にビームの向きを回転させ、第1の方向とは異なる方向を先頭に変えて順番にビームの向きを回転させる処理が繰り返された後に、ビームの向きを固定させて停止しているセンサノード2のそれぞれに対して通信が行われる。
In the first half of the high-speed rotation subphase, for example, in a time width of 240 ms or more, the communication time for each of the four initial beams in the directions is optimized based on the distribution of the locations of the sensor nodes 2 (the number of sensor nodes 2) measured in the SN detection phase. In addition, stable communication is achieved by switching the beam based on the rotation period and direction measured in the SN detection phase, and always pointing the beam at the
後半の停止サブフェーズでは、例えば240ms以上の時間幅において、SN検知フェーズで最初に設定されたある1つのビーム方向に停止しているセンサノード2群が検知された場合に、そのセンサノード2の数に応じてビーム方向固定の通信時間を設定する。
In the latter stopping subphase, if a group of
図11は、図1に示した通信システム100における回転SNを優先する場合の低速回転/停止フェーズのタイムフローを説明する図である。
Figure 11 is a diagram explaining the time flow of the low-speed rotation/stop phase when the rotation SN is prioritized in the
符号F1のビームフォーミング方向に示すように、SN検知フェーズで最初に設定されたある方向Yにビームが固定され、回転しているセンサノード2群はそのビーム方向に入った場合にのみ通信を行う。回転周期の1/4以上の通信時間を確保することで、符号F2のSN#1受信信号に示すように、すべての回転しているセンサノード2とビームY方向に存在する停止しているセンサノード2群が通信可能である。他のビーム方向で停止しているセンサノード2群については、次のフェーズでビーム方向を切り替えることで通信可能となる。SN#1の受信信号の周期は、600ms(別言すれば、第1の周期よりも長い第2の周期)であってよい。
As shown in the beamforming direction of symbol F1, the beam is fixed in a certain direction Y that was initially set in the SN detection phase, and the
図12は、図1に示した通信システムにおける停止SNを優先する場合の低速回転/停止フェーズのタイムフローを説明する図である。 Figure 12 is a diagram explaining the time flow of the low-speed rotation/stop phase when the stop SN is prioritized in the communication system shown in Figure 1.
停止しているセンサノード2の数が多い場合には、ビームを切り替えることですべての停止しているセンサノード2を一度の低速回転/停止フェーズで通信できるように設定することも考えられる。符号G1に示すビームフォーミング方向は、Y,R,Gの方向に順次切り替えられている。符号G2に示す停止しているSN#1の受信信号は、ビームYが送出されているタイミングのみで検知される。
When there are a large number of stopped
〔A-2〕動作例
図1に示した通信システム100における通信動作の第1の例を、図13に示すフローチャート(ステップS1~S8)を用いて説明する。
[A-2] Operation Example A first example of a communication operation in the
実施形態における通信プロトコルは、ステップS1~S3に示す検知フェーズ,ステップS6~S8に示す高速回転フェーズ及びステップS5に示す低速回転/停止フェーズの3つのフェーズを含む。検知フェーズ,高速回転フェーズ(別言すれば、第1のモード)及び低速回転/停止フェーズ(別言すれば、第2のモード)における各処理は、図2等に示したバックスキャッタRX12内または、アクセスポイント1内に配置されてよく、その処理結果により、ビームフォーミング処理部13に処理命令が出力される。
The communication protocol in the embodiment includes three phases: a detection phase shown in steps S1 to S3, a high-speed rotation phase shown in steps S6 to S8, and a low-speed rotation/stop phase shown in step S5. Each process in the detection phase, high-speed rotation phase (in other words, the first mode), and low-speed rotation/stop phase (in other words, the second mode) may be placed in the
SN検知フェーズでは、セクタごとのセンサノード2の数の計測だけでなく、回転するセンサノード2群の回転周期・方向の計測が行われてよい。そのSN検知フェーズで判定されたセンサノード2群の回転周期から、次のフェーズが高速回転フェーズもしくは低速回転/停止フェーズのいずれかから選択され、通信範囲に存在するセンサノード2群に対してWi-Fi通信が実現される。
In the SN detection phase, not only the number of
それぞれのフェーズでは、同周期で回転しているセンサノード2群と、停止しているセンサノード2群とが存在している環境を想定する。 In each phase, we assume an environment in which there are two groups of sensor nodes that are rotating at the same cycle and two groups of sensor nodes that are stopped.
なお、IP(internet protocol)アドレス割り当てや認証などのアクセスポイント1と各センサノード2との間の接続手続きは完了していることを前提としている。
It is assumed that connection procedures between the
まず、図9に示したSN検知フェーズが開始され、ステップS1において、初期ビームの方向が設定される。 First, the SN detection phase shown in Figure 9 is started, and in step S1, the initial beam direction is set.
ステップS2において、センサノード2の回転周期及び数が計測される。
In step S2, the rotation period and number of
ステップS3において、各センサノード2の回転方向が計測される。
In step S3, the rotation direction of each
ステップS4において、高速回転しているセンサノード2が存在するかを判定する。ここで、高速回転の判断は、アクセスポイント1のあるビーム方向の通信可能範囲(セクタ)において通信しようとしているセンサノード2群が、Wi-Fi通信規格によって定められている通信に必要な時間よりも長い時間、セクタにとどまることが可能な速度で回転しているか否かによって行われてよい。
In step S4, it is determined whether there is a
高速回転しているセンサノード2がない場合には、ステップS5において、図11及び図12に示した低速回転/停止フェーズの処理が実行され、処理はステップS1へ戻る。
If there is no
一方、高速回転しているセンサノード2がある場合には、図10に示した高速回転フェーズが開始され、ステップS6において、高速回転サブフェーズの処理が実行される。
On the other hand, if there is a
ステップS7において、停止しているセンサノード2があるかが判定される。
In step S7, it is determined whether any
停止しているセンサノード2がない場合には、処理はステップS1へ戻る。
If there are no stopped
一方、停止しているセンサノード2がある場合には、ステップS8において、停止サブフェーズの処理が実行され、処理はステップS1へ戻る。
On the other hand, if there is a stopped
次に、図1に示した通信システム100における通信動作の第2の例を、図14に示すフローチャート(ステップS11~S18)を用いて説明する。
Next, a second example of the communication operation in the
図14に示すフローチャートでは、図13に示したフローチャートと比較して、低速回転フェーズと停止フェーズとを分離している。 The flowchart shown in Figure 14 separates the low-speed rotation phase and the stop phase compared to the flowchart shown in Figure 13.
まず、図9に示したSN検知フェーズが開始され、ステップS11において、初期ビームの方向が設定される。 First, the SN detection phase shown in Figure 9 is started, and in step S11, the initial beam direction is set.
ステップS12において、センサノード2の回転周期及び数が計測される。
In step S12, the rotation period and number of
ステップS13において、各センサノード2の回転方向が計測される。
In step S13, the rotation direction of each
ステップS14において、高速回転しているセンサノード2が存在するかを判定する。
In step S14, it is determined whether there is a
高速回転しているセンサノード2がない場合には、ステップS15において、図11に示した低速回転フェーズの処理が実行され、処理はステップS17へ進む。
If there is no
一方、高速回転しているセンサノード2がある場合には、図10に示した高速回転フェーズが開始され、ステップS16において、高速回転サブフェーズの処理が実行される。
On the other hand, if there is a
ステップS17において、停止しているセンサノード2があるかが判定される。
In step S17, it is determined whether any
停止しているセンサノード2がない場合には、処理はステップS11へ戻る。
If there are no stopped
一方、停止しているセンサノード2がある場合には、ステップS18において、図10に示した停止サブフェーズ又は図12に示した停止フェーズの処理が実行され、処理はステップS11へ戻る。
On the other hand, if there is a stopped
上述した実施形態の一例では、隣接する同一周波数帯を用いるシステム間干渉を抑圧し、空間利用効率を向上させることができる。 In one example of the above-described embodiment, it is possible to suppress interference between systems that use the same adjacent frequency band and improve space utilization efficiency.
〔B〕その他
開示の技術は上述した各実施形態に限定されるものではなく、各実施形態の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。各実施形態の各構成及び各処理は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。
[B] Others The disclosed technology is not limited to the above-described embodiments, and can be modified in various ways without departing from the spirit of each embodiment. The configurations and processes of each embodiment can be selected as needed, or can be combined as appropriate.
上述した実施形態では、5GHz帯のWi-Fi信号を送受信することとしたが、これに限定されるものではない。送受信される信号の周波数帯域は種々変更されてよいし、送受信される信号の種類はWi-Fi信号でなく種々の無線信号であってもよい。センサノード2ではOOK変調を行なう旨説明したが、他の変調方式であってもよい。たとえば、センサノード2のTRX21にミスマッチによる反射がある場合は、OOK変調ではなく、Amplitude Shift Keying(ASK)変調となる。また、スイッチにより、開放端と短絡端を切り替えることにより、Phase Shift Keying(PSK)変調としてもよい。
In the above embodiment, a 5 GHz band Wi-Fi signal is transmitted and received, but this is not limited to this. The frequency band of the transmitted and received signal may be changed in various ways, and the type of transmitted and received signal may be various wireless signals other than Wi-Fi signals. Although it has been described that OOK modulation is performed in the
100 :通信システム
1 :アクセスポイント
11,21 :TRX
12 :バックスキャッタRX
13 :ビームフォーミング処理部
14,24 :素子アンテナ
15 :サーキュレータ
16 :スイッチ
2 :センサノード
22 :SPSTスイッチ
23 :クロック
3 :基部
4 :工作機械
5 :ベルトコンベア
100: Communication system 1:
12: Backscatter RX
13: Beam forming
Claims (8)
前記複数のセンサノードの数、回転周期及び回転方向の計測を行い、
計測された前記回転周期に基づき、第1のモード又は第2のモードを選択し、
前記第1のモードが選択された場合には、第1の周期で前記アクセスポイントから送出されるビームの向きを前記数及び前記回転方向に基づき回転させて通信範囲に存在するセンサノードに対して通信を行い、
前記第2のモードが選択された場合には、前記第1の周期よりも長い第2の周期で前記ビームの向きを前記数及び前記回転方向に基づき回転させ、又は、前記ビームの向きを固定させて、通信範囲に存在するセンサノードに対して通信を行う、通信回路。 A communication circuit provided in an access point that wirelessly communicates with a plurality of sensor nodes,
Measure the number, rotation period, and rotation direction of the plurality of sensor nodes;
selecting a first mode or a second mode based on the measured rotation period;
When the first mode is selected, a direction of a beam transmitted from the access point in a first period is rotated based on the number and the rotation direction, and communication is performed with a sensor node present within a communication range;
When the second mode is selected, the communication circuit rotates the direction of the beam based on the number and the rotation direction in a second period longer than the first period, or fixes the direction of the beam, and communicates with a sensor node present within a communication range.
測定した前記回転周期によって、第1の方向から順番にビームの向きを回転させ、前記第1の方向とは異なる方向を先頭に変えて順番に前記ビームの向きを回転させる処理を繰り返した後に、前記ビームの向きを固定させて停止しているセンサノードのそれぞれに対して通信を行う、請求項1~3のいずれか一項に記載の通信回路。 In the first mode,
The communication circuit according to any one of claims 1 to 3, wherein the direction of the beam is rotated in sequence from a first direction according to the measured rotation period, and the process of changing the direction of the beam from the first direction to a direction different from the first direction and rotating the direction of the beam in sequence is repeated, and then the direction of the beam is fixed and communication is performed with each of the stopped sensor nodes.
前記アクセスポイントは、
請求項1~5のいずれか一項に記載の通信回路と、
複数のアンテナと、
前記センサノードをビームトラッキングするためのバックスキャッタ信号を、前記複数のアンテナのいずれかを介して前記センサノードから受信する受信機と、
を備え、
前記複数のセンサノードは、
前記バックスキャッタ信号を前記アクセスポイントへ送信するための単極単投スイッチを備える、通信システム。 A communication system having an access point and a plurality of sensor nodes,
The access point is
A communication circuit according to any one of claims 1 to 5;
A plurality of antennas;
a receiver that receives a backscatter signal for beam tracking the sensor node from the sensor node via any one of the plurality of antennas;
Equipped with
The plurality of sensor nodes include
A communication system comprising a single-pole, single-throw switch for transmitting the backscatter signal to the access point.
前記複数のセンサノードは、
クロック周波数に基づいたオン/オフの制御により生成したバックスキャッタ信号を前記アクセスポイントへ送信するための単極単投スイッチを備え、
前記アクセスポイントは、
複数のアンテナと、
前記センサノードをビームトラッキングするための前記バックスキャッタ信号を前記複数のアンテナのいずれかを介して前記複数のセンサノードから受信して、受信した前記バックスキャッタ信号を前記アクセスポイントからの送信信号とミキシングすることにより、前記複数のセンサノードごとの前記クロック周波数を検出する受信機と、
検出された前記クロック周波数に基づいて特定した前記複数のセンサノードに対して、
セクタごとのセンサノードの数、回転周期及び回転方向との計測を行うと共に、計測した前記数、前記回転周期及び前記回転方向に基づき、前記複数のアンテナのいずれから送出するビームの向きを制御することにより、通信範囲に存在するセンサノードに対して通信を行う通信回路と、
を備える、通信システム。 A communication system having an access point and a plurality of sensor nodes,
The plurality of sensor nodes include
a single-pole, single-throw switch for transmitting a backscatter signal to the access point by on/off control based on a clock frequency;
The access point is
A plurality of antennas;
a receiver that receives the backscatter signal for beam tracking the sensor node from the plurality of sensor nodes via any one of the plurality of antennas, and detects the clock frequency of each of the plurality of sensor nodes by mixing the received backscatter signal with a transmission signal from the access point;
For the plurality of sensor nodes identified based on the detected clock frequency,
a communication circuit that measures the number, rotation period, and rotation direction of the sensor nodes for each sector, and controls the direction of a beam emitted from any one of the plurality of antennas based on the measured number, rotation period, and rotation direction, thereby communicating with the sensor nodes present within a communication range;
A communication system comprising:
前記複数のセンサノードの数、回転周期及び回転方向の計測を行い、
計測された前記回転周期に基づき、第1のモード又は第2のモードを選択し、
前記第1のモードが選択された場合には、所定の周期よりも短い周期で前記アクセスポイントから送出されるビームの向きを前記数及び前記回転方向に基づき回転させて通信範囲に存在するセンサノードに対して通信を行うと共に、前記ビームの向きを固定させて停止しているセンサノードに対して通信を行い、
前記第2のモードが選択された場合には、前記所定の周期よりも長い周期で前記ビームの向きを前記数及び前記回転方向に基づき回転させ、又は、前記ビームの向きを固定させて、通信範囲に存在するセンサノードに対して通信を行う、通信方法。 In an access point that wirelessly communicates with multiple sensor nodes,
Measure the number, rotation period, and rotation direction of the plurality of sensor nodes;
selecting a first mode or a second mode based on the measured rotation period;
When the first mode is selected, a direction of a beam transmitted from the access point is rotated based on the number and the rotation direction at a period shorter than a predetermined period to communicate with a sensor node present within a communication range, and the direction of the beam is fixed to communicate with a stationary sensor node;
A communication method in which, when the second mode is selected, the direction of the beam is rotated based on the number and the rotation direction at a period longer than the specified period, or the direction of the beam is fixed, and communication is performed with a sensor node present within a communication range.
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