JP4749282B2 - 無線通信システム及び通信制御方法並びに通信ノード - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システム及び通信制御方法並びに通信ノードに関し、特に、移動を行う通信ノードが双方向にデータ交換する場合の低消費電力メディアアクセス制御（ＭＡＣ：Media Access Control）を実現する無線通信システム及び通信制御方法並びに通信ノードに関する。

無線機器における無線ハードウェアの消費電力の低減は、重要な要求事項である。無線通信システムにおいて、特に省電力メカニズムが必要とされるアプリケーションの例としては、アクティブ電子タグシステムやセンサネットワークシステムなどが挙げられる。これらのアクティブ電子タグやセンサネットワークにおけるセンサノードなどは、携帯性、設置の容易／柔軟性が求められており、通常は小型の電池を内蔵した電池式ノードである。

これらのアクティブ電子タグシステムやセンサネットワークシステムなどのアプリケーションは、低トラフィックを特徴としている。アクティブ電子タグシステムでは、通常はアクティブ電子タグ自身のＩＤ（識別情報）を含む小さなデータの送信が行われる。また、センサネットワークシステムにおいても、センサノードは、小さなセンシングデータの間欠的な送信を行うことが多い。

アクティブ電子タグシステムにおいては、情報の交換は電子タグからのデータ送信をリーダが受信するという形で行われる。通常、アクティブ電子タグは他のアクティブ電子タグとの関係性を持たないため、ランダムに送信されるアクティブ電子タグからの情報を受信するために、リーダは、受信器を常時起動しておく必要がある。また、アクティブ電子タグシステムでは、各アクティブ電子タグが独立して動作するので、複数のアクティブ電子タグの同時データ送信によるデータ衝突が発生することも考えられる。

昨今の通信の利用形態の多様化に応えるには、通信に双方向性を持たせることが重要である。しかしながら、アクティブ電子タグシステムでは、電子タグからリーダへの片方向通信が行われるため、単純に双方向通信を行うために電子タグとリーダ／ライタを１つにしたようなノードを用いたとしても、受信器が常時起動されていることにより消費電力の低減が困難であることや、アクセス制御（衝突回避制御）の点で課題が残る。

上述のような無線機器における消費電力の低減は重要な要件であり、従来、いくつかの解決方法が提案されている。上記の解決方法の一例としては、例えば、センサネットワークなどの低トラフィックネットワークにおいては、データの送受信がなく無線回路（無線通信機能）が使用されていない場合、無線回路をオフ（スリープ状態）にすることが挙げられる。現在、このような解決方法として、ＩＥＥＥ８０２．１５．４で定義されているＭＡＣ層を使用するＺｉｇＢｅｅ（ジグビー：登録商標）が提案されている。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４ではビーコンモードと呼ばれる同期モードを用いた場合、制御装置となるコーディネータから送信されるビーコンによって各ノードが同期する。また、ＺｉｇＢｅｅでは、図１に図示されているようにスーパーフレームを定義し、ビーコン間隔をスーパーフレーム期間より大きくすることで、休止期間（Inactive period：非アクティブ期間）を定義することができる。これにより、同期したすべてのノードは、この休止期間中はスリープ状態となることが可能となる。このように、スーパーフレームによる同期スケジュールに従ってデータの送信が行われることで、各ノードでデータが受信される。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４では、図１に示すように、スーパーフレーム期間を１６個のスロット（タイムスロット）に分割している。データを送信する際には、ノードはスロットを選択してスロット内部でＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance：搬送波感知多重アクセス／衝突回避方式）を用いた送信を行うことで、このシステムに存在するノードの数が増えた場合であっても、ノード間におけるデータ送信の機会をなるべく公平に保てるようになる。

また、スーパーフレーム期間の後半には、ＧＴＳ（Guaranteed Time Slot：保証されたタイムスロット）が定義されている。このＧＴＳは、コーディネータが特定のノードに対してスロットを優先的に使用することを保証する期間である。したがって、ＧＴＳでの通信による使用が許された特定のノード以外の各ノードに対しては、このＧＴＳにおける通信は許されない。図１に示されているように、ＧＴＳの長さは、ノードがコーディネータとネゴシエーションをすることで割り当てられ、この結果、送信データの衝突を回避した通信が行われるようになる。

しかしながら、ＩＥＥＥ８０２．１５．４では、スーパーフレーム内でＧＴＳとして使えるスロットは限られているため、スロット予約を要求するノード数が増加した場合には、スロット予約を要求したすべてのノードが単一のスーパーフレーム期間内でＧＴＳの割り当てを受けることは困難となる。この場合、スロット予約を受けられなかったノードは、次のスーパーフレーム期間まで待たなくてはならない。また、コーディネータからＧＴＳの割り当てを受け、コーディネータが電波の届く範囲に存在するノードにＧＴＳを割り当てたことが通知される仕組みである以上、ネットワークトポロジはスター型に限定される。スター型トポロジは構成に柔軟性を欠くため、移動するノードが通信を実施する際のトポロジの仮定として使用するには不向きであるという欠点がある。

以上のように、ＩＥＥＥ８０２．１５．４においてスロット予約を実施するためには、単一のスーパーフレーム期間内でのスロット予約に使用できるスロット数に制限が存在している。また、ＩＥＥＥ８０２．１５．４では、スロット予約をマネージメントするコーディネータの存在が必要であり、その結果、ネットワークの構成上の制約（ネットワークトポロジの制約）が存在している。

また、ＺｉｇＢｅｅのスーパーフレームでの通信とは異なり、ビーコンによるシステム同期を行わないビーコンレスソリューションにおける低消費電力化に係る技術が、下記の特許文献１に開示されている（図２参照）。この特許文献１に開示されている技術では、各受信ノードは、監視周期Ｔ_PL及び監視期間Ｔ_Lに関してＴ_L≪Ｔ_PLとした場合には、周期的に一定の時間だけ起動して、エアインタフェースを監視する。

一方、送信元ノードはこのＴ_PL期間中にウェークアップ信号（ＷＵ）を出力し、これによりすべての受信ノードは、自身の受信期間であるＴ_L中に当該ウェークアップ信号に対応したデータが送信されることを把握する。また、ウェークアップ信号に送信開始の時刻に関する情報（時間ポインタ）が含まれる場合には、起動時間（データの送信開始時刻）を把握することが可能である。

さらに、ウェークアップ信号に乗せて送信される情報として、ウェークアップ信号にあて先アドレスが含まれる場合には、このウェークアップ信号を受信した該当ノードのみが受信部を起動することで、他のノードの起動時間を減少させることが可能となる。さらに、通信のたびに通信終了時刻と該当ノードの次の監視期間の通信開始時刻を相互にやり取りすることで、各ノードのサンプリングスケジュールをテーブル情報として保持しておき、監視周期Ｔ_PLの期間必要であるウェークアップ信号の送信時間を短くすることが可能となる。

また、特許文献１に開示されているシステムには、複数のノードの受信器の起動時間を合わせることで、送信したデータが優先的に受信される仕組みが存在している。さらに、ウェークアップ信号を送出することで、データ送信の開始時刻をノードが要求する時刻に指定することが可能であり、データ送信の優先制御の仕組みも存在している。

しかしながら、特許文献１に開示されているシステムにおいては、テーブル情報を得るまでは監視周期Ｔ_PLの期間にウェークアップ信号が送信される必要があり、特許文献１に示唆されているように、この期間は、送信元ノードの電力が消費されるだけでなく、相当な時間周期の間、無線チャンネルが占有されてしまい、これにより、他のノードが他のウェークアップ信号を送信することが妨害されるか、あるいは他の進行中の伝送において衝突が生じることがある。特に、不特定の多数の無線ノードが移動しながら通信を行う場合、最初のテーブル構成までは、ウェークアップ信号を用いた長い期間のやりとりが必要とされる機会が増えると考えられる。

したがって、上述の特許文献１に開示されているシステムにおいては、データ送信の優先制御を実施するためには、長いチャンネル占有期間とデータ送信開始までの長い設定時間とが必要となる。
特開２００６−１４８９０６号公報

無線通信システムにおける省電力化を実現するため、例えば、定期的なデータ送信によるデータ伝達手法（無線タグ（ＲＦＩＤ：Radio Frequency Identification）やアクティブ電子タグの利用、定期的なブロードキャストを利用したＡＬＯＨＡ（アロハ）方式による通信など）が、通信相手のノード（以下、ＣＮ：Correspondent Nodeと記載）を特定しない無線近距離通信での複数のノードへの簡易なデータ送信手段として有効である。特に、定期的なデータ送信によるデータ伝達手法は、移動を行うノード（以下、ＭＮ：Mobile Nodeと記載）間における通信に有効である。その有効性は、簡易プロトコルによって通信を行うことで交換されるメッセージ数を低減させることや、送信データ量を小さくすることでデータ送受信時間を短縮し、省電力化やデータ交換開始及び終了処理の高速化を実現できることにある。

短いデータ（小さなデータ量のデータ）を定期的に送信する場合、１回のデータ送受信によって２つのノード間で交換可能な情報量には限度がある。このとき、複数回のデータ送受信が行われることによって伝達される情報量を増加させることは可能であるが、この場合には、データ送信の衝突を起こさずに無線通信路の保証が行われる仕組みが必要となる。しかしながら、簡易プロトコルは、データ送信の衝突が起きる可能性を回避する仕組みを有しておらず、無線通信路の確保（確実な保証）を行うことができない。

また、ＩＥＥＥ８０２．１５．４には、上述のように、スーパーフレーム期間内においてＧＴＳによるスロットの保証が定義されているが、単一のスーパーフレーム期間内において、スロット予約に使用できるスロット数に制限（上限）があるという問題が存在している。また、スロット予約をマネージメントするコーディネータの存在が必要なので、ネットワークに構成上の制約が発生するという問題も存在している。ＩＥＥＥ８０２．１５．４で制約されるネットワークトポロジは、特に、ＭＮ間でＰ２Ｐ（ピアトゥピア：Peer to Peer）によるデータ送受信を行う場合には不向きである。

また、特許文献１に開示されているシステムでは、ウェークアップ信号を定義して、周辺ノードの受信器の起動時間を一律に同期させることにより、データの送信及び受信に関する保証を実現することが可能であるが、あるノードがデータ送信を開始する前に送信するウェークアップ信号によってチャンネルが占有されるチャンネル占有時間（ウェークアップ信号の送信からデータの送信までの期間）が長いという問題がある。そのため、送信ノードが増加した場合には、チャンネルが占有される機会が多くなるため、結果的にデータ送信の保証が困難となってしまう。また、ＭＮ間でのデータ送受信に着目すると、ウェークアップ信号の送信からデータの送信までの期間が長いので、１つのＭＮがデータ送信を行うためにウェークアップ信号でチャンネルを占有している間に伝播可能圏外へと移動してしまう（すなわち、ＭＮ間で通信が不可能になってしまう）場合がある。

本発明は、上記の問題に鑑み、双方向の通信が可能な小型無線ノードを含む無線通信システムにおいて、移動する多数の小型無線ノードが通信を行う際の電力消費量の低減や、効率的なアクセス制御を実現するために送信機会の保証を行う無線通信システム及び通信制御方法並びに通信ノードを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の無線通信システムは、複数の無線ノードによって構成されており、前記複数の無線ノードがデータの送受信を行うことが可能な複数の固定長のタイムスロットで構成されたアクティブ期間と、前記無線ノードの送受信部が休止状態である非アクティブ期間とが一定周期で繰り返される無線通信システムであって、
前記無線ノードが、任意のアクティブ期間の任意のタイムスロットでパケットを送信する際に、次のアクティブ期間の通信におけるタイムスロットを予約するように構成されている。
この構成により、双方向の通信が可能な小型無線ノードを含む無線通信システムにおいて、移動する多数の小型無線ノードが通信を行う際の電力消費量の低減や、効率的なアクセス制御を実現するために送信機会の保証を行うことが可能となる。

また、上記の構成に加えて、本発明の無線通信システムは、前記任意のアクティブ期間の任意のタイムスロットで前記パケットを送信することが可能なタイムスロットと同一位置に存在する次のアクティブ期間のタイムスロットが、前記次のアクティブ期間の通信におけるタイムスロットとして予約されるように構成されている。
この構成により、複数のアクティブ期間において、同一の無線ノードによってデータ送信が行われる場合、同一のタイムスロットが選択されるようになり、特定の無線ノードとデータ送信のタイムスロットとの関係が明確となる。

また、上記の構成に加えて、本発明の無線通信システムは、前記タイムスロットの予約を行った前記無線ノードは、前記次のアクティブ期間の通信におけるタイムスロットの先頭から前記パケットを送信するための処理を行うように構成されている。
この構成により、タイムスロットの予約を行った無線ノードによる通信が優先的に行われるようにすることが可能となる。

また、上記の構成に加えて、本発明の無線通信システムは、前記無線ノードが、他の無線ノードから前記タイムスロットの予約の要求を含むパケットを受信した場合には、前記他の無線ノードによって予約の要求が行われている前記タイムスロットを避けて、データ送信のためのタイムスロットを選択するように構成されている。
この構成により、タイムスロットの予約を宣言するパケットが周辺の他ノードに通知されることで、その通知を受けたノードは予約済みのタイムスロットの使用を控えることが可能となる。

また、上記の構成に加えて、本発明の無線通信システムは、前記無線ノードが、他の無線ノードから前記タイムスロットの予約の要求を含むパケットを受信しなかった場合には、前記他の無線ノードとデータ送信が衝突しないように前記データ送信が可能なタイムスロットを探索するように構成されている。
この構成により、タイムスロットの予約を宣言するパケットを受信しなかった無線ノードは、自身のデータ送信のためのタイムスロットを探索することでデータを送信できるようになる。

また、本発明によれば、無線通信システムと同様に、通信制御方法及び通信ノードも提供される。

本発明は、上記の問題に鑑み、双方向の通信が可能な小型無線ノードを含む無線通信システムにおいて、移動する多数の小型無線ノードが通信を行う際の電力消費量の低減や、効率的なアクセス制御を実現するために送信機会の保証を行う無線通信システム及び通信制御方法並びに通信ノードを提供することを目的とする。また、特に本発明によれば、無線部の動作期間及び休止期間のスケジュールの同期が取れている多数のノード間でのデータ交換の際に、複数の起動期間にまたがってデータ送信を行う機会を事前に確保することで、データ送信に関して複数の動作期間にわたって他ノードとの送信衝突を避けることができるようになり、さらに、無線部の休止期間を確保して電力消費量を低減させることができるようになる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。図３には、本発明の実施の形態における複数のノード１〜４を含む無線通信ネットワークが模式的に図示されている。図３において、複数のノード１〜４のそれぞれは、各ノード１〜４の周辺（無線伝播範囲内）に存在する他のノードと直接通信を行うことが可能な無線通信ノードである。また、各ノード１〜４は、移動を行うことでその通信可能なノードを変えることが可能となる。なお、ノード１〜４は、移動を行ってもよく、あるいは固定設置されていてもよい。

ノード１〜４は、上述のように無線通信を行うノードであり、それぞれが無線部の受信器（以下、Ｒｘと記載することもある）の起動及び休止を自動的に行うノードである。この起動及び休止のスケジュールに関しては、各ノード間で同期を取ることによって、各ノードが同一のスケジュールを持つことが可能となる。

本発明の実施の形態における各ノード１〜４は、無線通信処理を行う際に、パケットの送信と受信とを同時には行わないように構成されているノードである。すなわち、本発明の実施の形態における各ノード１〜４は、パケットの送信中にはパケットの受信を行わず、パケットの受信中にはパケットの送信を行わないことを示す。ただし、各ノード１〜４は、本発明に係る無線通信処理を行う場合に、パケットの送信と受信とを同時には行わないように構成されているにすぎず、無線通信においてパケット送信及びパケット受信を同時に行う機能を持ち合わせていてもよい。なお、本明細書では、各ノードが１回の送信機会に送信する情報の単位を「パケット」と呼ぶことにする。

また、図４には、本発明の実施の形態におけるノードが通信チャンネルを使用して無線通信を行う場合に用いられる無線部の受信器Ｒｘの起動及び休止のスケジュールの具体例を示すタイムスロット構成が図示されている。なお、図４において、Ｒｘが起動する期間をＡＰ（Active Period:アクティブ期間）とし、Ｒｘが休止する時間をｉＡＰ（inActive Period：非アクティブ期間）としている。ＡＰでは、ノードはＲｘを起動して、自ノードの周辺に存在する周辺ノードからのパケットをすべて受信する。一方、ｉＡＰでは、ノードはＲｘを休止しているので、周辺ノードからのパケットを受信しない。また、各ノード間でＡＰの開始位置を合わせることで、各ノードのＲｘの起動スケジュールを同期化することが可能である。

また、本明細書では、着目したある特定の時間で通信を行っているＡＰをｃＡＰ（current AP）と呼び、ｃＡＰの１つ前のＡＰをｐＡＰ（previous AP）と呼ぶことにする。さらに、ｃＡＰの後に訪れるＡＰをｎＡＰ（next AP）と呼ぶことにする。

また、各ノードは、ＡＰにおいて、無線部の送信器（以下、Ｔｘと記載することもある）を起動してパケットを送信する。このパケットの送信に使用できる時間は、ＡＰが複数の期間で分けられているスロット（タイムスロット）の形で設定されている。各ノードは、パケットを送信する際にはスロットを選択して、選択されたスロットにおいてパケット送信を開始する。また、本発明に係るノードは、一度選択したスロットを予約することで、ＡＰが来るたびに同一のスロットを続けて使用できる機能を有している。この機能については後述する。なお、本発明の実施の形態では、スロットの選択方法の一例として、パケット送信前にランダムにスロットを選択する方法を挙げているが、スロット選択方法は特に限定されるものではない。また、図４においては、ＡＰは１０個のスロットに分けられているが、この分割数は特定の値に制限されるものではない。

選択されたスロット内におけるパケット送信には、例えばＣＳＭＡ／ＣＡが用いられる。ＣＳＭＡ／ＣＡは、使用するチャンネル（周波数）での通信前に一定時間の受信を行うことで、他ノードがパケットを送信するタイミングとの衝突を避けることが可能となる。これはＣＣＡ（Clear Channel Assessment）と呼ばれる。ＣＣＡの実施中に同一チャンネル上で電波を受信することがなければ、他ノードがそのチャンネル上でパケットを送信していないと判断される。本発明の実施の形態においても、パケット送信前に、スロットを使用している他ノードの存在の有無を検知するためにＣＣＡが行われる。ＣＣＡによってチャンネルが使用されていないことが検知された場合に、ノードはデータ送信を開始する。

ＣＣＡを行う際には、スロット内部において、ＣＣＡを開始する位置をスロット開始位置からずらすようにする。各ノードによってＣＣＡが開始される位置を同一とした場合には、自ノードがＣＣＡに成功しても、同時にＣＣＡを行っていた他ノードも同様にＣＣＡに成功したならば、通信チャンネルの使用タイミングが衝突してしまうことになる。この衝突の確率を低減させるために、ＣＣＡを開始する位置を変えられることが望ましい。これにより、複数のノードがパケット送信に同一スロットを使用することを選択した場合であっても、ＣＣＡを開始する位置をランダムに変えることで送信タイミングの衝突確率を低減させることが可能となる。あるスロットにおいて相対的に早い位置でＣＣＡを開始してチャンネルの空きを確認したノードがチャンネルを使用している場合、同一スロットの相対的に遅い位置でＣＣＡを開始したノードは、このチャンネルが使用されていることを検知できるので、チャンネル使用タイミングの衝突が避けられる。

図４には、ＣＣＡの開始位置として選択可能な４つのスロットｗ０〜ｗ３が定義されているＷＰ（Waiting Period for CCA：ＣＣＡ待機時間）が図示されている。各ノードは、パケット送信を行う際にはパケットを送信するスロットを選択したうえで、更にＷＰをランダムに選択する。例えば、ＷＰとしてｗ０を選択したノードと、ｗ２を選択したノードとが存在する場合には、ｗ０を選択したノードが優先的にパケットを送信することが可能である。このとき、ｗ０を選択したノードが、スロット開始位置を基準としてｗ０だけ経過した位置からパケットを送信するので、ｗ２を選択したノードは、ｗ２の位置でＣＣＡを開始してチャンネルが使用中であることを検知する。この結果、ｗ２を選択したノードからは、選択したスロット内でパケット送信は行われない。

ただし、複数のノードがｗ０を選択した場合には、パケット送信の衝突が起こってしまうことになる。この状況を避けるため、本発明においては、あるＡＰでスロット予約の要求を出しているノードのみがｎＡＰでｗ０を選択できるようにすることで、ｎＡＰにおけるｗ０のチャンネルが優先的に使用されるようになる。なお、図４では、ＷＰの数をｗ０〜ｗ３の４つとしているが、任意の個数を規定することが可能である。また、ｗ１からｗ３のＷＰの選択の一例としてランダムな選択を採用することも可能であるが、その他の任意の選択方法を用いてもよい。

また、図５には、３つのノード１〜３のそれぞれが、従来の技術に基づいてスロット予約を行わずにパケットを送信する際のタイミングチャートの一例が図示されている。なお、ここでは、ノード１〜３は相互に無線通信が可能な距離に存在しているとする。

本発明の実施の形態では、ノードの消費電力の低減を目的として、ノードの実効的な動作時間となるＡＰを短い時間とするために、各ノードがパケットの送信を行うためのスロットも短い時間に設定される。そのため、単一スロットで送信可能な上限のデータ量には制限がある。これは、例えばＩＰ通信において、ＭＴＵ（Max Transfer Unit：最大転送ユニット）が小さいと表現される通信路に酷似している。

なお、各ノードは、ＡＰの複数のスロットを使用してパケット送信を行うことも可能である。複数のスロットの使用は、例えば、単一スロットでは送信しきれないデータの送信を行う場合や、同一のデータを冗長に（重複して）送信することでデータ伝播の信頼性を向上させる場合などに行われる。

このような送信形態の要求は、本発明が扱っているＭＡＣよりも上位層からの要求とする。例えば、ノードＩＤと共に様々な属性情報（位置情報、温度情報、趣味情報などの上位層で取り扱われる情報）を送信するという要求を上位層から受けた際に、パケットによって送信されるデータ量が単一のスロットのみでは送信を完了することが困難なデータ量である場合には、複数のスロットを使用したパケット送信が行われる。このとき、複数のスロットを用いてパケットを送信することで上位層からの要求を満たすことが可能となる。

図５において、最初のＡＰ（ＡＰ１）では、ノード１はスロット１を使用してパケットを送信している。同様に、ノード２はスロット４を使用し、ノード３はスロット８を使用して、それぞれパケットを送信している。

また、２番目のＡＰ（ＡＰ２）では、ノード１はスロット９を使用し、ノード２はスロット５を使用し、ノード３はスロット０を使用してパケットを送信している。なお、図５では、ノード１〜３はスロット予約を行っておらず、同一のノードがＡＰごとに異なるスロットを使用してもよい。また、スロット予約を行うノードとスロット予約を行わないノードとが同一の無線通信システム内に混在してもよい。

また、３番目のＡＰ（ＡＰ３）において、ランダムにスロット選択を行った結果、ノード１はスロット１を選択して他ノードとの送信衝突を起こさなかったが、ノード２及びノード３はスロット８を同時に選択して、それぞれからのパケット送信が衝突を起こしてしまった場合を想定する。

このような送信衝突は、異なるノード（ノード２及びノード３）で同一のＷＰが選択された場合に起こり得るものであり、ＣＣＡの実施を開始するＷＰが有限である（すなわち、ＣＣＡ待機時間が有限のＷＰのスロットから選択される）以上、このような送信衝突を完全に回避することは不可能である。また、単一ノードの送信機会の増加や、パケット送信を行うノード数の増加に伴って、このような送信衝突が生じる機会は増える。なお、送信衝突は、ノードがパケット送信を１回しか行わない場合であっても複数回のパケット送信を行う場合であっても同様に起こる。このように、異なるノード間におけるパケットの送信衝突は、ＡＰ内で使用するスロットの認識をノード間で共有することができていないために起こっている。

図６には、本発明の実施の形態において、３つのノード１〜３のそれぞれがスロット予約を行ってパケットを送信する際のタイミングチャートの一例が図示されている。ノード１〜３は相互に無線通信が可能な距離にいるとする。なお、ここでは、ノード１〜３は相互に無線通信が可能な距離に存在しているとする。

図６において、最初のＡＰ（ＡＰ１）では、ノード１はスロット１を使用してパケット送信を行っている。パケット送信に際しては、ＣＣＡの実施によってチャンネルの空きが確認される。ノード１がスロット１で送信したパケットは、ノード２及びノード３で受信される。なお、ＣＣＡでチャンネルの使用が検出された場合には、ノード１はスロット１でのパケット送信を断念して別のスロットにおけるパケット送信を試みる。

ここで、ノード１は、例えば、単一スロットにおけるパケット送信では完了しないだけの送信データを有しており、ｎＡＰ（次のＡＰ２）以降に引き続きパケット送信を行う要求を持っているとする。このとき、上述の図５に示す送信方法を試みると送信衝突を起こす可能性があるため、本発明では、ＡＰ１での最初のパケット送信の際にＡＰ２でのスロット予約を行うことで送信衝突を避けるようにする。

スロット予約は、ＣＣＡによってチャンネル使用が検知されずにパケット送信が成功したスロットに対して行われる。スロット予約を行うために、ノードは、例えば図７に示すパケットフォーマットに含まれるスロット予約指示子フィールド７０１（後述）を有効としてパケット送信することで、パケット送信に使用したスロットを予約する要求を他ノードに示すことが可能となる。

図６において、このスロット予約指示子が有効となったパケット（ＡＰ１のスロット１でノード１から送信されたパケット）を受信したノード２及びノード３は、ノード１がＡＰ２でスロット１を引き続き使用する要求を持っていることを検知する。そして、ノード２及びノード３は、ＡＰ２でスロット１を使用しないようにすることによって、ノード１によるスロット１を使用したパケットに係る送信衝突が起こらないようにする。

また、ＡＰ１でスロット予約指示子を有効にしてパケットを送信したノード１は、ＡＰ２のスロット１におけるパケット送信に際してＣＣＡを開始するＷＰをｗ０とする。これによって、ノード１はＡＰ２において、スロット１を優先的に使用することが可能となる。

さらに、ノード１はＡＰ３におけるスロット予約を行う場合には、ＡＰ２においてＡＰ３のスロット１の使用を予約し、ＡＰ３においてもスロット１のｗ０でＣＣＡを開始して、パケット送信を行う。このように、ノードは、送信要求のあるデータを送信し終えるまで同一のスロットの予約を実施し続けることが可能である。また、ＡＰ３において送信要求を持つすべてのデータの送信が完了した場合には、ノード１は、次のＡＰであるＡＰ４でのパケット送信は行わない。そのため、ＡＰ３で送信するパケットのスロット予約指示子を無効にすることで、ノード１は、ＡＰ４でのスロット１の使用を予約しないことを他ノードに通知することが可能となる。

なお、図６には、ノード１が、ｃＡＰにおけるパケット送信時にｎＡＰの同一ナンバーのスロット（スロット１）を予約することで、ＡＰ２及びＡＰ３のスロット１を優先的に使用する場合が図示されているが、同様に、ノード２はスロット４の予約、ノード３はスロット８の予約をそれぞれ行ってパケットを送信する場合が図示されている。

次に、図６におけるスロット予約を可能にするパケットフォーマットの一例について説明する。図７には、本発明の実施の形態において、ノードがスロット予約を行う場合に使用されるパケットフォーマットの一例が図示されている。図７に図示されているパケットフォーマットは、スロット予約指示子フィールド７０１、送信元ノードＩＤフィールド７０２、データフィールド７０３を有している。

図７において、スロット予約指示子フィールド７０１は、パケット送信に使用しているスロットと同一スロットをｎＡＰでも使用することを他ノードに通知するフィールドである。すなわち、ノードは、スロット予約指示子フィールド７０１に、ｎＡＰにおけるスロット予約を示す情報を挿入することでスロット予約を行う。なお、スロット予約指示子フィールド７０１は、例えば、スロット予約を行うかスロット予約を行わないかの２種類の情報を指示するためのフラグ（有効／無効）によって実現可能であるが、スロット予約指示子フィールド７０１に予約するスロットのスロット番号を挿入できるようにしてもよい。

また、送信元ノードＩＤフィールド７０２は、パケットを送信したノードのＩＤ（識別情報）が記載されるフィールドである。パケットを受信したノードは、送信元ノードＩＤフィールド７０２内のノードのＩＤを参照することによって、パケットを送信したノードを識別することが可能となる。
また、データフィールド７０３は、ノードが送信する要求を持つデータを挿入するためのフィールドである。１つのパケット内のデータフィールドには、ノードの属性情報（例えば位置情報）などの完結した情報が付与されることが望ましい。なお、完結したデータを複数に分割して複数のパケットのデータフィールド７０３に付与された複数のパケットを受信したノードが、分割されたデータを完結したデータとして再合成する機能を持つ場合には、１つのパケットのデータフィールド７０３に付与するデータが完結していなくてもよい。

次に、本発明の実施の形態における各ノードが、他ノードによって行われたスロット予約の状況を管理するために保持しているデータ受信テーブルの一例について説明する。図８は、本発明の実施の形態における各ノードが、他ノードによって行われたスロット予約の状況を管理するために保持しているデータ受信テーブルの一例を示す図である。

各ノードは、他ノードによるスロット予約の状況を管理するため、図８に図示されているようなデータ受信テーブルを保持している。図８に図示されているデータ受信テーブルは、受信したパケットを送信したノードのＩＤ（ノードＩＤ）、パケットを受信したスロット（受信スロット）、パケットを送信したノードが予約をしているスロットの番号（予約スロット）により構成される。

データ受信テーブルに保持される情報は、任意のノードからパケットを受信した際に取得可能な情報である。なお、図８には、本発明の実施の形態において、ノード２からｎＡＰにおけるスロットを予約する旨を示すパケットをスロット２で受信し、ノード３からｎＡＰにおけるスロットを予約する旨を示すパケットをスロット５で受信し、ノード４からｎＡＰにおけるスロットを予約しない旨を示すパケットをスロット８で受信した場合に構築されるデータ受信テーブルが図示されている。本発明の実施の形態では、スロット予約を行うノード（図８におけるノード２及びノード３）とスロット予約を行わないノード（図８におけるノード４）とが混在することを許しているので、データ受信テーブルには、ｎＡＰのスロットの予約情報が含まれている予約スロットのエントリと、ｎＡＰのスロットの予約情報が含まれていない予約スロットのエントリとが存在し得る。

また、データ受信テーブルの内容は、ＡＰが終了するまでに受信したすべてのパケットに係る情報によって構成されるので、ＡＰの開始時にはｐＡＰでのパケット受信状況がデータ受信テーブルに含まれている。各ノードは、ｐＡＰでのパケット受信時のデータ受信テーブルの内容を利用して、ｃＡＰでのパケット送信のスロット選択を行うように構成されている。

また、図９には、図６の通信が行われる際のノード１におけるデータ受信テーブルの変遷が図示されている。図６の通信のＡＰ１開始時においては、ＡＰ１より前のＡＰでパケットを受信していないので、各ノードのデータ受信テーブル内には何の情報も保持されていない。そのため、ＡＰ１でスロット選択を行う際には、各ノードは、スロット選択に際して何も参照すべき情報がないままスロット選択を行う。なお、ＡＰ１開始時にデータ受信テーブルにスロット予約に関する情報が保持されている場合には、他ノードによって予約されたスロット以外のスロット（すなわち、予約されていないスロット）から、自身がパケット送信に使用するためのスロットを選択する。

続くＡＰ２及びＡＰ３の開始時においては、データ受信テーブルには、ＡＰ１でのパケット受信状況からノード２及びノード３に関する内容が保持されている。ノード１は、ＡＰ２及びＡＰ３の開始時にデータ受信テーブルを参照することによって、ノード２がスロット４を予約しており、ノード３がスロット８を予約していることを把握することが可能である。

また、ＡＰ３においてノード１がノード２及びノード３から受信したパケットには、スロット予約を行わない旨が示されているので、ＡＰ４の開始時においては、ノード２及びノード３の予約スロットに関するエントリは空欄となり、これによって、スロット予約が行われていない旨が把握可能である。なお、不図示であるが、ＡＰ４でパケットの送受信が行われなかった場合には、ＡＰ５の開始時における各ノードのデータ受信テーブルには、ＡＰ１の開始時におけるデータ受信テーブルと同様に何の情報も保持されない状態となる。

次に、本発明の実施の形態におけるノードの動作について説明する。図１０には、本発明の実施の形態におけるパケット送受信動作の一例を示すフローチャートが図示されている。また、図１１には、図１０のステップＳ１００３のスロット選択処理（予約有り）に対応する、本発明の実施の形態におけるスロット選択（予約有り）の動作の一例を示すフローチャートが図示されている。また、図１２には、図１０のステップＳ１００４のスロット選択処理（予約無し）に対応する、本発明の実施の形態におけるスロット選択（予約無し）の動作の一例を示すフローチャートが図示されている。

まず、ノードは既にスロット予約を行っているか否かを確認する（ステップＳ１００１）。なお、上述のように、複数のスロットにわたってデータ送信を行う場合に、ノードはｎＡＰにおける送信スロットの予約を行うことが可能であるが、例えば、新たなデータ送信を行う場合などを始めとして、基本的にはスロット予約は行われていない状態にある。

スロット予約が行われていない場合には、ノードは、送信すべきデータが存在し、かつ複数のスロットにわたるデータ送信処理を行う必要があるか否かを判断して、スロット予約を行うか否かを決定する（ステップＳ１００２）。

ステップＳ１００２において、スロット予約を行う必要があると判断された場合には、スロット選択処理（予約有り）を行い（ステップＳ１００３）、一方、スロット予約を行う必要がないと判断された場合には、スロット選択処理（予約無し）を行う（ステップＳ１００４）。

ここで、図１１及び図１２を参照しながら、ステップＳ１００３のスロット選択処理（予約有り）と、ステップＳ１００４のスロット選択処理（予約無し）とについて説明する。

ステップＳ１００３のスロット選択処理（予約有り）では、例えば図１１に図示されている処理が行われる。図１１において、まず、ノードはｐＡＰでデータを送信したか否かを確認する（ステップＳ１１０１）。ｐＡＰでデータ送信を行っている場合には、ノードは、パケット送信のため、ｐＡＰで予約したスロット（ｐＡＰにおける送信スロット）を選択し（ステップＳ１１０２）、さらにＷＰとしてｗ０を選択する（ステップＳ１１０３）。

一方、ｐＡＰでデータ送信を行っていない場合には、ｐＡＰで他ノードからデータを受信したか否かを確認する（ステップＳ１１０４）。なお、このステップＳ１１０４の確認は、上述のデータ受信スロットを参照することによって実施可能である。

ｐＡＰでデータ受信を行っている場合には、ノードは、データ受信テーブルを参照し、ｐＡＰで予約されているスロット（すなわち、各ノードによって指定されている予約スロット）を避けて、ｃＡＰで使用する送信スロットを選択して（ステップＳ１１０５）、選択したスロットにおいてｗ０を避けてＷＰを選択する（ステップＳ１１０６）。

一方、ｐＡＰでデータ受信を行っていない場合には、ノードは、送信スロットを例えばランダムに選択して（ステップＳ１１０７）、選択したスロットにおいてｗ０を避けてＷＰを選択する（ステップＳ１１０８）。

そして、それぞれの場合において送信スロット及びＷＰが選択された後、ノードは、ｃＡＰでの送信スロットをｎＡＰでも使用するか否かを判断する（ステップＳ１１０９）。このステップＳ１１０９における判断は、例えば上位層から渡された送信データ量に基づいて行われる。そして、例えば複数のスロットにわたってパケット送信を行う必要がある場合には、パケットのスロット予約指示子を有効にして、ｎＡＰにおけるスロット予約を行う（ステップＳ１１１０）。一方、例えば複数のスロットにわたってパケット送信を行う必要がない場合には、パケットのスロット予約指示子を無効にする（ステップＳ１１１１）。

また、ステップＳ１００４のスロット選択処理（予約無し）では、例えば図１２に図示されている処理が行われる。図１２において、まず、ノードはｐＡＰでデータを受信したか否かを確認する（ステップＳ１２０１）。

ｐＡＰでデータ受信を行っている場合には、ノードは、データ受信テーブルを参照し、ｐＡＰで予約されているスロット（すなわち、各ノードによって指定されている予約スロット）を避けて、ｃＡＰで使用する送信スロットを選択して（ステップＳ１２０２）、選択したスロットにおいてｗ０を避けてＷＰを選択する（ステップＳ１２０３）。

一方、ｐＡＰでデータ受信を行っていない場合には、ノードは、送信スロットを例えばランダムに選択して（ステップＳ１２０４）、選択したスロットにおいてｗ０を避けてＷＰを選択する（ステップＳ１２０５）。

そして、それぞれの場合において送信スロット及びＷＰが選択された後、ノードは、パケットのスロット予約指示子を無効にすることによって、スロット予約を行わない旨を示す（ステップＳ１２０６）。

図１０において、ノードは、ステップＳ１００３のスロット選択処理（予約有り）又はステップＳ１００４のスロット選択処理（予約無し）を行った後、起動スケジュールに沿ったタイミング（例えばＡＰが開始されるタイミング）でＲｘを起動する（ステップＳ１００５）とともに、起動からの経過時間（例えば所定時間Ｔ１だけ経過したか否か）を監視する（ステップＳ１００６）。

Ｒｘを起動してからまだ所定時間Ｔ１経過していない場合には、ノードは、ステップＳ１００３のスロット選択処理（予約有り）又はステップＳ１００４のスロット選択処理（予約無し）で選択した送信スロットになったか否かを監視する（ステップＳ１００７）。ここで、送信スロットではない場合には、他ノードからパケットが送られてくるかどうかを監視する（ステップＳ１００８）。他ノードからパケットを受信しなかった場合には、ステップＳ１００６に戻って監視処理を継続する。一方、他ノードからパケットを受信した場合には、ノードは、受信したパケット情報をデータ受信テーブルに記録した後（ステップＳ１００９）、ステップＳ１００６に戻って監視処理を継続する。

一方、送信スロットになった場合には、ステップＳ１００３のスロット選択処理（予約有り）又はステップＳ１００４のスロット選択処理（予約無し）で選択したＷＰのタイミングでＣＣＡを実施し（ステップＳ１０１０）、チャンネルが空いているか否かを確認する（ステップＳ１０１１）。ステップＳ１０１２でチャンネルが空いていることが確認された場合には、ノードはパケット送信処理を行った後（ステップＳ１０１２）、ステップＳ１００６に戻って監視処理を継続する。

一方、ステップＳ１０１１においてチャンネルが空いていない場合には、データ受信テーブルを参照してｐＡＰの時点で既に他ノードに予約されているスロットを避け、ＣＣＡ失敗以降のスロットの中からｃＡＰでの送信スロットを選択する（ステップＳ１０１３）。さらに、ｃＡＰで選択した送信スロットにおいて、ｗ０を避けて、例えばランダムにＷＰを選択する（ステップＳ１０１４）。

また、ノードは、ｃＡＰでの送信スロットをｎＡＰでも使用するか否かを判断する（ステップＳ１０１５）。そして、例えば複数のスロットにわたってパケット送信を行う必要がある場合には、パケットのスロット予約指示子を有効にして、ｎＡＰにおけるスロット予約を行う（ステップＳ１０１６）。一方、例えば複数のスロットにわたってパケット送信を行う必要がない場合には、パケットのスロット予約指示子を無効にする（ステップＳ１０１７）。そして、ステップＳ１０１６又はＳ１０１７においてパケットのスロット予約指示子の有効／無効を決定した後、ステップＳ１００６に戻って監視処理を継続する。

また、ステップＳ１００６において、Ｒｘを起動してから所定時間Ｔ１が経過した場合には、ノードはＲｘを停止する（ステップＳ１０１８）。なお、このＲｘの停止は、例えば起動スケジュールに沿って所定時間Ｔ２だけ行われた後、再度ステップＳ１００１から始まる処理に戻る。これにより、Ｒｘの起動がパケットの送受信に必要な期間に限定され、Ｒｘの消費電力を抑えることが可能となる。

次に、図１３を参照しながら、本発明の実施の形態におけるノードの機能について説明する。図１３は、本発明の実施の形態におけるノードの構成の一例を示すブロック図である。なお、図１３では、ノードの各機能がブロックによって図示されているが、各ブロックによって表されている機能は、ハードウェア及び／又はソフトウェアによって実現可能である。

図１３に図示されているノード１３００は、送信器（Ｔｘ）１３０１及び受信器（Ｒｘ）１３０２を有する無線部１３１０、制御部１３０３、ＩＤ蓄積部１３０４、データ受信テーブル保持部１３０５、クロック１３０６、給電部１３０７により構成されている。

送信器１３０１は、無線を介して自身のＩＤを含むフレームを外部に送信する機能を有している。なお、上述のように、送信器１３０１におけるＩＤ送信はブロードキャストによって行われる。また、受信器１３０２は、他のＰ２ＰタグやＧＷが同様に送信しているＩＤを含むフレームを受信する機能を有している。

また、制御部１３０３は、このノード１３００の動作を制御する機能を有している。制御部１３０３は、例えば、クロック１３０６から得られるクロック信号に基づいて、送信器１３０１におけるＩＤ送信のタイミングを制御する機能を有している。また、制御部１３０３は、受信器１３０２で受信した他のＰ２ＰタグのＩＤをＩＤ蓄積部１３０４に蓄積する機能を有している。また、制御部１３０３は、受信したパケットの内容や受信したパケットのスロット番号などに基づいて、データ受信テーブルにおける情報の読み出し／書き込みを行う機能を有している。また、制御部１３０３は、上述の図１０〜図１２に図示されている動作の制御を行う機能も有している。

また、ＩＤ蓄積部１３０４は、受信器１３０２で受信した他のＰ２ＰタグのＩＤを蓄積する機能を有している。なお、ＩＤ蓄積部１３０４にＩＤが蓄積される際、例えば、その時点における時刻情報がＩＤと共に記録されてもよい。また、データ受信テーブル保持部１３０５は、上述のデータ受信テーブル（図８、図９を参照）を保持する機能を有している。

また、クロック１３０６は、送信器１３０１におけるフレーム送信や受信部１３０２におけるフレーム受信のタイミングを把握するためのクロック信号を出力する機能を有している。また、給電部１３０７は、ノード１３００内に内蔵されている電源であり、例えばノード１３００の筐体内に実装されている電池である。

本発明は、無線通信システムにおける各無線ノードの消費電力の低減や、効率的なアクセス制御を実現することが可能であり、無線ネットワークシステムに適用可能であり、特に、各通信ノードにおける省電力化が重要な電子タグシステムやセンサネットワークシステムなどに適用可能である。

従来の同期システムにおける、タイムスロット構成を説明する図 従来の非同期システムにおける、送受信タイミング処理を説明する図 本発明の実施の形態における複数のノードを含む無線通信ネットワークを模式的に示す図 本発明の実施の形態におけるノードが通信チャンネルを使用して無線通信を行う場合に用いられる無線部の受信器Ｒｘの起動及び休止のスケジュールの具体例を示すタイムスロット構成図 従来の技術において、３つのノードのそれぞれがスロット予約を行わずにパケットを送信する際の一例を示すタイミングチャート 本発明の実施の形態において、３つのノードのそれぞれがスロット予約を行ってパケットを送信する際の一例を示すタイミングチャート 本発明の実施の形態におけるパケットフォーマットの一例を示す図 本発明の実施の形態における各ノードが、他ノードによって行われたスロット予約の状況を管理するために保持しているデータ受信テーブルの一例を示す図 図６の通信が行われる際の特定のノードにおけるデータ受信テーブルの変遷を示す図 本発明の実施の形態におけるパケット送受信動作の一例を示すフローチャート 本発明の実施の形態におけるスロット選択（予約有り）の動作の一例を示すフローチャート 本発明の実施の形態におけるスロット選択（予約無し）の動作の一例を示すフローチャート 本発明の実施の形態におけるノードの構成の一例を示すブロック図

符号の説明

７０１ スロット予約指示子フィールド
７０２ 送信元ノードＩＤフィールド
７０３ データフィールド
１３００ ノード
１３０１ 送信器（Ｔｘ）
１３０２ 受信器（Ｒｘ）
１３０３ 制御部
１３０４ ＩＤ蓄積部
１３０５ データ受信テーブル保持部
１３０６ クロック
１３０７ 給電部
１３１０ 無線部

Claims (15)

1. 複数の無線ノードによって構成されており、前記複数の無線ノードがデータの送受信を行うことが可能な複数の固定長のタイムスロットで構成されたアクティブ期間と、前記無線ノードの送受信部が休止状態である非アクティブ期間とが一定周期で繰り返される無線通信システムであって、
   前記無線ノードが、任意のアクティブ期間の任意のタイムスロットでパケットを送信する際に、次のアクティブ期間の通信におけるタイムスロットを予約するように構成されている無線通信システム。
2. 前記任意のアクティブ期間の任意のタイムスロットで前記パケットを送信することが可能なタイムスロットと同一位置に存在する次のアクティブ期間のタイムスロットが、前記次のアクティブ期間の通信におけるタイムスロットとして予約されるように構成されている請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記タイムスロットの予約を行った前記無線ノードは、前記次のアクティブ期間の通信におけるタイムスロットの先頭から前記パケットを送信するための処理を行うように構成されている請求項１に記載の無線通信システム。
4. 前記無線ノードが、他の無線ノードから前記タイムスロットの予約の要求を含むパケットを受信した場合には、前記他の無線ノードによって予約の要求が行われている前記タイムスロットを避けて、データ送信のためのタイムスロットを選択するように構成されている請求項１に記載の無線通信システム。
5. 前記無線ノードが、他の無線ノードから前記タイムスロットの予約の要求を含むパケットを受信しなかった場合には、前記他の無線ノードとデータ送信が衝突しないように前記データ送信が可能なタイムスロットを探索するように構成されている請求項４に記載の無線通信システム。
6. 複数の無線ノードによって構成されており、前記複数の無線ノードがデータの送受信を行うことが可能な複数の固定長のタイムスロットで構成されたアクティブ期間と、前記無線ノードの送受信部が休止状態である非アクティブ期間とが一定周期で繰り返される無線通信システムにおける通信制御方法であって、
   前記無線ノードが、任意のアクティブ期間の任意のタイムスロットでパケットを送信ｍする際に、次のアクティブ期間の通信におけるタイムスロットを予約する通信制御方法。
7. 前記任意のアクティブ期間の任意のタイムスロットで前記パケットを送信することが可能なタイムスロットと同一位置に存在する次のアクティブ期間のタイムスロットが、前記次のアクティブ期間の通信におけるタイムスロットとして予約される請求項６に記載の通信制御方法。
8. 前記タイムスロットの予約を行った前記無線ノードは、前記次のアクティブ期間の通信におけるタイムスロットの先頭から前記パケットを送信するための処理を行う請求項６に記載の通信制御方法。
9. 前記無線ノードが、他の無線ノードから前記タイムスロットの予約の要求を含むパケットを受信した場合には、前記他の無線ノードによって予約の要求が行われている前記タイムスロットを避けて、データ送信のためのタイムスロットを選択する請求項６に記載の通信制御方法。
10. 前記無線ノードが、他の無線ノードから前記タイムスロットの予約の要求を含むパケットを受信しなかった場合には、前記他の無線ノードとデータ送信が衝突しないように前記データ送信が可能なタイムスロットを探索する請求項９に記載の通信制御方法。
11. データの送受信を行うことが可能な複数の固定長のタイムスロットで構成されたアクティブ期間に同期して通信を行う通信ノードであって、
    任意のアクティブ期間の任意のタイムスロットでパケットを送信する際に、次のアクティブ期間の通信におけるタイムスロットを予約するように構成されている通信ノード。
12. 前記任意のアクティブ期間の任意のタイムスロットで前記パケットを送信することが可能なタイムスロットと同一位置に存在する次のアクティブ期間のタイムスロットが、前記次のアクティブ期間の通信におけるタイムスロットとして予約されるように構成されている請求項１１に記載の通信ノード。
13. 前記タイムスロットの予約を行った場合、前記次のアクティブ期間の通信におけるタイムスロットの先頭から前記パケットを送信するための処理を行うように構成されている請求項１１に記載の通信ノード。
14. 他の無線ノードから前記タイムスロットの予約の要求を含むパケットを受信した場合には、前記他の無線ノードによって予約の要求が行われている前記タイムスロットを避けて、データ送信のためのタイムスロットを選択するように構成されている請求項１１に記載の通信ノード。
15. 他の無線ノードから前記タイムスロットの予約の要求を含むパケットを受信しなかった場合には、前記他の無線ノードとデータ送信が衝突しないように前記データ送信が可能なタイムスロットを探索するように構成されている請求項１４に記載の通信ノード。
    

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