関屋 大雄

This paper presents a RIC-WPT system with class-E inverter and class-DE rectifier along with its analytical design procedure. By using the class-E inverter as a transmitter and the class-DE rectifier as a receiver, the designed WPT system can achieve a high power-delivery efficiency because of the class-E ZVS/ZDS conditions in both the inverter and the rectifier. In the experimental results, the system achieved 73.0 % overall efficiency at 9.87 W (50μ) output power, coil distance 10 cm, and 1 MHz operating frequency. The experimental results showed good agreement with the design specifications, which indicates the validity of the design procedure.

Copyright © 2015 The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers. String-topology multi-hop network is often selected as an analysis object because it is one of the fundamental network topologies. The purpose of this paper is to establish expression for end-to-end delay for IEEE 802.11 string-topology multi-hop networks. For obtaining the analytical expression, the effects of frame collisions and carrier-sensing effect from other nodes under the non-saturated condition are obtained for each node in the network. For expressing the properties in non-saturated condition, a new parameter, which is frame-existence probability, is defined. The end-to-end delay of a string-topology multi-hop network can be derived as the sum of the transmission delays in the network flow. The analytical predictions agree with simulation results well, which show validity of the obtained analytical expressions.

© 2014 IEEE. This paper presents a steady-state analysis and design equations for the class-DE inverters at any duty ratio and high loaded quality factor, taking into account nonlinear MOSFET drain-source and gate-drain parasitic capacitances with any grading coefficients of the diode junctions. Additionally, maximum operating frequency, power output capability, and power-conversion efficiency of the class-DE inverter are also obtained. It is shown that the maximum operating frequency is the highest when the switch-on duty ratio is 0.25. From the obtained results, it can be stated that the switch-on duty ratio of the class-DE inverter should be specified in the range of 0.25 ≤ D < 0.5.

This paper proposes a MAC protocol using multiple control channels for multi-channel ad-hoc network. In the proposed protocol, all channels are divided into some groups. Each group has a control channel. All nodes hops the control channels for searching a receiver. Because of using multiple control-channels, control frame collisions and the effect of searching overhead are mitigated in the proposed protocol. This paper also derives the optimum number of groups and the optimum contention window size, which maximizes the system throughput. Analysis results and simulation results show the effectiveness of the proposed protocol.

E級整流器は高周波数下において高電力変換効率を達成できる整流器として注目されている.E級整流器の制御手法として間引き制御が提案されているが,高周波回路の回路設計において困難性を伴う.また,現在まで実際に制御が実装されている例は無い.そこで本論文では,E級整流器におけるパルス密度変調(PDM:Pulse Density Modulation)制御の検討および実装を行う.提案するPDM制御により,ダイオード電圧の検知回路等を必要とせず,出力制御が可能となる.すなわち,高周波動作している回路においても実装が可能である.実装例として,D級インバータおよびE級整流器から構成されるDC-DCコンバータの出力電圧制御を行う.回路実験により,提案したPDM制御手法の制御可能性および応答性等の評価を行う.

本稿では,MIMOアドホックネットワークにおいてさらし端末問題を軽減するMAC (Medium Access Control)プロトコルを提案する.提案方式では,SCMA (Stream-Controlled Medium Access)に制御ギャップを適用する.SCMAのストリーム制御により,同じ競合領域内でのデータの同時通信を行うことができる.さらに,さらし端末が制御ギャップ内でRTS/CTSフレーム交換を行うことで,さらし端末もデータの同時通信が可能となる.SCMAに制御ギャップを適用することにより,提案方式はストリーム制御と制御ギャップの両方の利点を得ることができるため,従来方式と比較してスループットが向上する.シミュレーション評価により,従来方式と提案方式を比較し提案方式の有効性を確認する.

本稿では，MIMO アドホックネットワークにおいてさらし端末問題を軽減する MAC(Medium Access Control) プロトコルを提案する．提案方式では，SOMA(Stream-Controlled Medium Access) に制御ギャップを適用する．SCMA のストリーム制御により，同じ競合領域内でのデータの同時通信を行うことができる．さらに，さらし端末が制御ギャップ内で RTS/CTS フレーム交換を行うことで，さらし端末もデータの同時通信が可能となる．SOMA に制御ギャップを適用することにより，提案方式はストリーム制御と制御ギャップの両方の利点を得ることができるため，従来方式と比較してスループットが向上する．シミュレーション評価により，従来方式と提案方式を比較し提案方式の有効性を確認する．This paper proposes a MAC (Medium Access Control) protocol for MIMO ad hoc networks for mitigating exposed node problem. The basic idea of the proposed protocol is applying control gap to SCMA (Stream-Controlled Medium Access). In the proposed protocol, each link can transmit DATA frame simultaneously with fairly assigned stream number by stream control. Additionally, after a transmitter and a receiver succeed a RTS/CTS (Request To Send /Clear To Send) frame handshake, the transmitter and the receiver wait during the control gap. By performing RTS/CTS frame handshake during the control gap, the exposed nodes can transmit DATA frame simultaneously, which resolves the exposed node problem. By applying the control gap to the SCMA, the advantages of the stream control and the control gap are brought out in the proposed protocol, which enhances the network throughput compared with the conventional protocols. Simulation results show the validity and effectiveness of the proposed protocol.

本稿では,MIMO アドホックネットワークにおいてさらし端末問題を軽減する MAC(Medium Access Control) プロトコルを提案する.提案方式では,SOMA(Stream-Controlled Medium Access) に制御ギャップを適用する.SCMA のストリーム制御により,同じ競合領域内でのデータの同時通信を行うことができる.さらに,さらし端末が制御ギャップ内で RTS/CTS フレーム交換を行うことで,さらし端末もデータの同時通信が可能となる.SOMA に制御ギャップを適用することにより,提案方式はストリーム制御と制御ギャップの両方の利点を得ることができるため,従来方式と比較してスループットが向上する.シミュレーション評価により,従来方式と提案方式を比較し提案方式の有効性を確認する.

This paper presents a resonant inductive coupling wireless power transfer (RIC-WPT) system with a class-DE and class-E rectifier along with its analytical design procedure. By using the class-DE inverter as a transmitter and the class-E rectifier as a receiver, the designed WPT system can achieve a high power-conversion efficiency because of the class-E ZVS/ZDS conditions satisfied in both the inverter and the rectifier. In the simulation results, the system achieved 79.0 % overall efficiency at 5 W (50 Ω) output power, coupling coefficient 0.072, and 1 MHz operating frequency. Additionally, the simulation results showed good agreement with the design specifications, which indicates the validity of the design procedure.

本稿では筆者らが進めてきたIEEE802.11マルチホップネットワークのスループットおよび遅延解析についてその考え方の経緯をまとめて今後の課題を示したい。解析の難しさは空間と時間における均一性と局所性にどう折り合いをつけるかにあると考える。シングルホップネットワークの解析であるLAN(Local Area Network)での解析技術と十分長いホップ長を持つマルチホップネットワーク解析の考え方を融合することにより,時間領域における均一性と局所性に問題に対応する。一方,MAC層のモデリングを行った上で,端末間の結合,すなわちネットワーク層の動作を記述する「ボトムアップ解析」を導入することにより,空間の局所性に関する問題に対応する。さらに,待ち行列理論を導入することにより,局所性を考慮した遅延特性を記述することができる。これらの考え方を導入することにより,ネットワークトポロジに応じた汎用性のある解析が可能となってきており,さらに解析技術を発展させることによりネットワークのダイナミクスを短時間に的確に把握できる技術を確立していきたい。

近年,WiFiホットスポットを介して,ネットワークを使用するデータトラフィックが急速に増加している.テザリングは,中継端末を介して宛先端末にデータを配信する効果的な方法であり,これにより端末利用者の利便性が向上している.本論文では,テザリングネットワークにおける理論解析を行う.各端末の衝突確率とフレーム保持確率を解析的に表現することにより,ネットワークスループットを得ることができる.解析とシミュレーション結果の定量的な一致を示すことにより,解析式の妥当性を示す.

E^2級DC-DCコンバータは,E級インバータおよびE級整流器から構成される共振型DC-DCコンバータの一つであり,インバータおよび整流器の双方でE級スイッチングを達成することで,高周波動作においても高電力変換効率を達成できる.E級スイッチングを達成する状態は最適状態と呼ばれる.しかしながら制御時は,負荷および制御パラメータの変動のため,E^2級DC-DCコンバータは常に最適状態外で動作することになる.制御時であっても,高電力変換効率を達成するためには,零電圧スイッチング(Zero Voltage Switching: ZVS)を達成することが効果的である.そこで本論文では,零電圧スイッチングを達成するE^2級DC-DCコンバータの定電圧制御方式の検討を行う.最適状態外におけるE^2級DC-DCコンバータの解析式を用いることで,負荷変動に対するZVSおよび定電圧制御のための2つの制御パラメータを導出し,その制御可能性を示す.また,回路実験により導出された制御パラメータの妥当性を示す.

© 2014 IEEE. In this paper, analytical expressions and design equations are presented for a class-E amplifier with MOSFET nonlinear drain-source capacitance and linear gate-drain parasitic capacitance, along with external linear shunt capacitance. The class-E amplifier characteristics are presented as functions of the ratio of the sum of the external linear shunt capacitance and the MOSFET linear gate-drain capacitance to the MOSFET drain-source junction capacitance when the switch voltage is zero. Although the effect of the MOSFET linear gate-drain capacitance is similar to that of the external linear shunt capacitance on the design of the class-E amplifier with a square input voltage, the difference between their effects should be considered for the sinusoidal input voltage, which is one of the most important suggestions in this paper. Additionally, analytical expressions of the output power capability is given, which is considerably affected by the external linear shunt capacitance. Two design examples are presented, taking into account as design specification the output power of 8.7 W and the operating frequency of 4 MHz, along with the PSpice-simulations and experimental waveforms.

In this paper, an approach based on analysis for designing the class-D inverter with the nonlinear parasitic capacitance of MOSFET, is proposed. In addition, a design instance as well as its Spice simulation is also provided. The switch voltages obtained from no matter the analysis or Spice simulation, achieve the ZVS condition. Furthermore, the comparisons made between the analyzed and simulated results show that they have a good consistency and prove the validity of the analytical approach presented in this paper. Therefore, the consideration of the nonlinear parasitic capacitance is very important to achieve the ZVS specially at the high-frequency operations.

This paper proposes a class-E-2 inductive power transfer (IPT) system with pre- and post-regulators. The proposed system can maintain high system efficiency against coupling-coefficient and load variations by maximum efficiency tracking. Additionally, the system size can be reduced by sharing inductors. The feasibility and the usefulness of the proposed system were investigated by circuit experiments.

© 2015 Zhe-tao Li et al. Reducing unnecessary and redundant handshake frame is considered as a promising way to reduce the end-to-end delay and energy consumption. Here, a protocol named compressed handshake media access control (CH-MAC) is presented. CH-MAC introduces a new handshake mechanism with implicit RTS to achieve the object of low delivery latency and an initiative sleeping mechanism to settle the hidden terminal problem. Simulation results show that the proposed protocol outperforms SMAC protocol in both energy consumption and packet latency.

This paper proposes the analytical expressions for the IEEE 802.11 string-topology multi-hop networks using Markov-chain model. For achieving that, the proposed analysis procedure includes two proposals, which are: (i) Bianchi's Markov-chain model is modified for considering a relationship between the backoff timer and frame length, and (ii) the interferences, such as hidden node collision and carrier sensing, among network nodes are expressed by merging the proposed Markov-chain model and airtime expression. The analytical expressions are verified by comparisons with simulation results.

We propose a light-weight performance analysis of Wi-Fi offload using a simple Markov model. Although the proposed model does not describe the behavior of the contention window of each station in detail, it allows us to analyze the non-saturation throughput while considering interaction among interfering stations and the queueing behavior of each station. In addition to this, the proposed model does not need to use the assumption that frames arrive at relay station according to a Poisson process. In this paper, we show how to apply the mean field approximation to the model to significantly reduce the amount of computation. We show that the proposed model accurately estimates the throughput performance of the Wi-Fi offload, and that the mean-field approximation is still valid in the scenario of the Wi-Fi offload.

For development of inductive coupled wireless power transfer (WPT) systems, it is important to consider the overall efficiency of the WPT systems, where the overall efficiency is expressed as the product of the transmission efficiency of coupling coils and the power-conversion efficiency of power converters. Additionally, there are mutual dependencies between coupling coil parameters and power-converter ones. Therefore, it is necessary to design the power converters and the coupling coils simultaneously for maximizing the overall efficiency. This paper presents a design of inductively coupled WPT systems with coupling coil optimization for maximizing the overall efficiency. By combining design equations of the WPT system with class-E switching converters and theoretical formulas of magnetic-component design, the WPT system achieving maximum overall efficiency under specified physical conditions, such as coils size, distance between coils and so on, can be designed. Circuit experiments showed the validity and usefulness of the proposed design method.

© 2004-2012 IEEE. This paper presents a numerical locking-range prediction for the injection-locked class-E oscillator using the phase reduction theory (PRT). By applying this method to the injection-locked class-E oscillator designs, which is in the field of electrical engineering, the locking ranges of the oscillator on any injection-signal waveform can be efficiently obtained. The locking ranges obtained from the proposed method quantitatively agreed with those obtained from the simulations and circuit experiments, showing the validity and effectiveness of the locking-range derivation method based on PRT.

In this paper, analytical expressions for waveforms and design relationships are derived for the class-E power amplifier with the MOSFET nonlinear drain-to-source parasitic capacitance under the subnominal operation, i.e., only zero-voltage switching (ZVS) condition, for any grading coefficient m of the MOSFET body junction diode and 50% duty ratio. Only the MOSFET nonlinear drain-to-source parasitic capacitance is used for the analysis of the class-E ZVS power amplifier, and its nonlinearity is determined by the grading coefficient m. The switch voltage waveform does not satisfy the class-E ZVS switching condition when only the linear shunt capacitance is considered. The grading coefficient m is used as an adjustment parameter that provides accurate design to satisfy the given output power and peak switch voltage simultaneously. Therefore, the grading coefficient m is the important parameter to satisfy the class-E ZVS condition and given design specifications, which is the most important result in this paper. Additionally, the output power capability and maximum operating frequency are affected by the grading coefficient m. The analytical expressions are obtained by considering the grading coefficient m as an adjustment parameter, which is validated by PSpice simulations and laboratory experiments. The measurement and PSpice simulation results agreed with the analytical expressions quantitatively, which denotes the usefulness and effectiveness of our obtained analytical expressions. © 2013 IEEE.

本論文では、直線状トポロジにおけるスループット・遅延の統一的解析表現を示す。本研究の最大の特徴は,個々の端末のMACレイヤの動作を記述した上で待ち行列理論を適用することにある.これにより,フレーム長,送信負荷に依存しない解析表現が導出でき,単方向フロー,双方向フローどちらにも対応できる統一的な解析表現を実現する.本研究の成果は,マルチホップネットワークにおけるUDPとTCPの比較,VoIPの最大容量の導出など様々な通信環境における基礎的かつ理論的な概念を与えるものであり,様々な応用に寄与することが期待される.

近年,ビルディングオートメーション,スマートメータリングまたは災害地での環境センシングなど様々な分野に無線センサネットワークが応用されることが期待されている.しかし,無線センサネットワークには特定のセンサノードに電力消費が偏るホットスポット問題が従来より指摘されており多くの研究がされてきた.ホットスポット問題の解決手法として移動シンクノードと複数のシンクノードを切り換えて用いる手法がこれまで提案されている.6LoWPAN/RPL環境下においても移動シンクノードを用いた手法が提案されているが,DODAG再構築時間の増加によりネットワークライフタイムが低下する.そこで本研究では6LoWPAN/RPL環境下において複数シンクノードを用いることによりDODAG再構築時間を減少させ,ネットワークの長寿命化を目標とする手法を提案する.またシミュレーション評価において従来手法と比較することにより本研究の有効性を示す.

本論文では、直線状トポロジにおけるスループット・遅延の統一的解析表現を示す。本研究の最大の特徴は,個々の端末のMACレイヤの動作を記述した上で待ち行列理論を適用することにある.これにより,フレーム長,送信負荷に依存しない解析表現が導出でき,単方向フロー,双方向フローどちらにも対応できる統一的な解析表現を実現する.本研究の成果は,マルチホップネットワークにおけるUDPとTCPの比較,VoIPの最大容量の導出など様々な通信環境における基礎的かつ理論的な概念を与えるものであり,様々な応用に寄与することが期待される.

近年,ビルディングオートメーション,スマートメータリングまたは災害地での環境センシングなど様々な分野に無線センサネットワークが応用されることが期待されている.しかし,無線センサネットワークには特定のセンサノードに電力消費が偏るホットスポット問題が従来より指摘されており多くの研究がされてきた.ホットスポット問題の解決手法として移動シンクノードと複数のシンクノードを切り換えて用いる手法がこれまで提案されている.6LoWPAN/RPL環境下においても移動シンクノードを用いた手法が提案されているが,DODAG再構築時間の増加によりネットワークライフタイムが低下する.そこで本研究では6LoWPAN/RPL環境下において複数シンクノードを用いることによりDODAG再構築時間を減少させ,ネットワークの長寿命化を目標とする手法を提案する.またシミュレーション評価において従来手法と比較することにより本研究の有効性を示す.

近年,ビルディングオートメーション,スマートメータリングまたは災害地での環境センシングなど様々な分野に無線センサネットワークが応用されることが期待されている.しかし,無線センサネットワークには特定のセンサノードに電力消費が偏るホットスポット問題が従来より指摘されており多くの研究がされてきた.ホットスポット問題の解決手法として移動シンクノードと複数のシンクノードを切り換えて用いる手法がこれまで提案されている.6LoWPAN/RPL環境下においても移動シンクノードを用いた手法が提案されているが,DODAG再構築時間の増加によりネットワークライフタイムが低下する.そこで本研究では6LoWPAN/RPL環境下において複数シンクノードを用いることによりDODAG再構築時間を減少させ,ネットワークの長寿命化を目標とする手法を提案する.またシミュレーション評価において従来手法と比較することにより本研究の有効性を示す.

近年,ビルディングオートメーション,スマートメータリングまたは災害地での環境センシングなど様々な分野に無線センサネットワークが応用されることが期待されている.しかし,無線センサネットワークには特定のセンサノードに電力消費が偏るホットスポット問題が従来より指摘されており多くの研究がされてきた.ホットスポット問題の解決手法として移動シンクノードと複数のシンクノードを切り換えて用いる手法がこれまで提案されている.6LoWPAN/RPL環境下においても移動シンクノードを用いた手法が提案されているが,DODAG再構築時間の増加によりネットワークライフタイムが低下する.そこで本研究では6LoWPAN/RPL環境下において複数シンクノードを用いることによりDODAG再構築時間を減少させ,ネットワークの長寿命化を目標とする手法を提案する.またシミュレーション評価において従来手法と比較することにより本研究の有効性を示す.

近年,ビルディングオートメーション,スマートメータリングまたは災害地での環境センシングなど様々な分野に無線センサネットワークが応用されることが期待されている.しかし,無線センサネットワークには特定のセンサノードに電力消費が偏るホットスポット問題が従来より指摘されており多くの研究がされてきた.ホットスポット問題の解決手法として移動シンクノードと複数のシンクノードを切り換えて用いる手法がこれまで提案されている.6LoWPAN/RPL環境下においても移動シンクノードを用いた手法が提案されているが,DODAG再構築時間の増加によりネットワークライフタイムが低下する.そこで本研究では6LoWPAN/RPL環境下において複数シンクノードを用いることによりDODAG再構築時間を減少させ,ネットワークの長寿命化を目標とする手法を提案する.またシミュレーション評価において従来手法と比較することにより本研究の有効性を示す.

本稿ではE級増幅器に包絡線除去・再生(Envelope Elimination and Restoration:EER)技術を用いた送信機における,MOSFETの寄生容量が出力の包絡線に与える影響を解析的に表現する.本稿では,ドレイン-ソース間の非線形寄生容量およびゲート-ドレイン間の線形寄生容量を考慮する.解析結果および実験結果より,MOSFETの非線形容量の影響で出力電圧の包絡線は供給電圧に対して非線形特性を呈することが示される.さらに,人力電圧波形により出力電圧および入力電圧と出力電圧の位相差に影響を与えることを示す.

本稿ではE級増幅器に包絡線除去・再生(Envelope Elimination and Restoration:EER)技術を用いた送信機における,MOSFETの寄生容量が出力の包絡線に与える影響を解析的に表現する.本稿では,ドレイン-ソース間の非線形寄生容量およびゲート-ドレイン間の線形寄生容量を考慮する.解析結果および実験結果より,MOSFETの非線形容量の影響で出力電圧の包絡線は供給電圧に対して非線形特性を呈することが示される.さらに,人力電圧波形により出力電圧および入力電圧と出力電圧の位相差に影響を与えることを示す.

This paper presents analytical expressions for the class-E-M power amplifier, taking into account the fundamental-frequency and harmonic components of output currents in the main and auxiliary circuits. By using the proposed expressions, design values for satisfying not only the class-E-M ZVS/ZDVS/ZCS/ZDCS conditions of the main circuit, but also the ZVS condition of the auxiliary circuit can be achieved without applying any tuning process. The analytical predictions agreed with experimental and PSpice-simulation results quantitatively, which showed the validity of analytical expressions given in this paper.

This paper presents analytical expressions for the sub-nominal operation, which is only the zero current switching (ZCS) condition, of the class-E power amplifier with a shunt inductor at any duty ratio. The duty ratio is considered not only as a design specification but also as an adjustment parameter. In the sub-nominal operation with any duty ratio, both the peak switch voltage and the peak switch current can be set as design specifications due to two more degrees of design freedom in comparison with the class-E nominal amplifier at the fixed duty ratio. Additionally, it is also seen that the duty ratio affects the maximum operating frequency and the output power capability with ZCS condition. A design example of the class-E ZCS amplifier with a shunt inductor under the specifications of peak switch voltage and peak switch current is given. The measurement and a simulation by circuit simulator results agreed with the analytical expressions quantitatively, which show the validity of our analytical expressions. © 2013 IEEE.

本稿では,バックオフによる優先制御を考慮し,隠れ端末が存在するIEEE802.11e無線マルチホップネットワークのスループット解析を行う.具体的には,直線状片方向マルチホップネットワークについて検討し,優先フロー,非優先フローが混在するフローごとのスループットを解析的に導出する.IEEE802.11e EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)では,アクセスカテゴリ(AC)がACに応じたEDCAパラメータに従い自律的にアクセス競合をすることにより優先制御が可能である.得られる解析表現は,端末内のAC間のCW_<min>,CW_<max>の違いが反映される.シミュレーションと解析結果の比較により解析の妥当性を示す.

本稿では,バックオフによる優先制御を考慮し,隠れ端末が存在するIEEE802.11e無線マルチホップネットワークのスループット解析を行う.具体的には,直線状片方向マルチホップネットワークについて検討し,優先フロー,非優先フローが混在するフローごとのスループットを解析的に導出する.IEEE802.11e EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)では,アクセスカテゴリ(AC)がACに応じたEDCAパラメータに従い自律的にアクセス競合をすることにより優先制御が可能である.得られる解析表現は,端末内のAC間のCW_<min>,CW_<max>の違いが反映される.シミュレーションと解析結果の比較により解析の妥当性を示す.

本稿では,無線センサネットワークにおけるスモールワールドモデルに基づく経路構築方式を提案する.提案方式では,端末間の距離を考慮してショートカットを作成することで,遅延を改善する.また,負荷が集中し残存電力が少なくなった端末から生成したリンクを切断して別の余力のある端末に繋ぎ替えることで,ネットワーク内の負荷を分散する.これにより,ネットワーク内の消費電力の公平性を保つ.シミュレーションにより,提案方式の有効性を示す.