JP5185024B2

JP5185024B2 - 通信システム及びその従属局並びに中継伝送方法

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Inventors: 哲夫神田
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Description

本発明は、制御局が複数の従属局宛てのデータをスーパーフレーム毎にブロードキャスト送信する技術に関するものである。

無線通信システムは、可搬性の優れたネットワークシステムとして利用され、無線通信区間の伝送速度の向上や携帯端末の普及、モバイル通信に適したアプリケーションの出現などにより、飛躍的な普及を見せている。特に、室内や構内などの比較的近距離においてコンピュータ機器類を無線接続する方式として、2.4GHzや5GHz帯の電波を用いたWLANシステムが広く普及している。その技術仕様は、IEEE802.11標準規格群で規定されている。

また、コンピュータ周辺機器のみならずデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどのコンシューマ機器と、プリンタや携帯電話などを接続するような機器間無線通信に対する要求も高まっている。現在、これらは一般的に、USBやIEEE1394など有線ケーブルによって接続される形態が採用されているが、利用者が簡便にこれらの機器を接続できる方法として無線接続によるものも考えられている。

このような極近距離における機器間無線通信方式はWLANと異なり、たかだか10メートル程度と考えられる一人の人間の周辺環境内での無線接続を志向しており、WLANとは区別されWPANと呼ばれる。現在、WPANに関しては、UWB（Ultra Wide Band）通信方式を使用するものとして標準規格策定団体であるECMA internationalからECMA-368標準規格として物理層及びMAC層の仕様が定義されている。更に、このECMA-368の上位で動作するプロトコルとしてはWireless USB規格などが定義されている。

WLANやWPANでは複数の無線端末が同時に無線フレーム送信することにより発生する恐れのある無線フレームの衝突を防止するために、各無線端末が無線メディアへアクセスするタイミングの制御が行われる。この制御方式を定めたものがメディアアクセス制御（MAC）プロトコルである。このようなMACプロトコルには様々な方式が存在するが、代表的な分類方法として非同期式データ転送方式と同期式データ転送方式の２つに分類することができる。

一般に、非同期式データ転送ではCSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）プロトコルなどによってメディアへのアクセス権を得た端末がデータ送信を行う。そして、当該データの宛先端末は当該データを正しく受信した場合、一般にアクノレッジフレームと呼ばれる認識応答を送信端末に対して返送する。データ送信端末はこの認識応答を受信した場合、データ転送が正常に完了したと判断する。逆に、この認識応答を受信しなかった場合、データ送信端末はデータ転送に失敗したと判断し、一定の期間後に当該データの再送を試みる。

このようにして、非同期式データ転送方式では確実にデータを宛先端末に転送することが可能であるが、その反面、メディアアクセス権獲得の失敗や、上述したデータ再送などによりデータ転送の遅延量が変動する。ここでは、このようなデータ転送における遅延量の変動を遅延ジッタと呼ぶ。

尚、音声や動画像などを転送するアプリケーションは、データ転送に対して同期性或いは等時性を必要とするため、遅延ジッタが大きくなってしまう非同期式データ転送方式は、このようなアプリケーションには適していない。

一方、同期式データ転送方式では、各端末はTDMA（Time Division Multiple Access）プロトコルなどによって自局に割り当てられたタイムスロット内でデータ送信を行う。このようなプロトコルでは各端末は一定周期毎にデータ送信権を獲得することができるため、データ転送に対する遅延ジッタが小さい。従って、同期式データ転送方式は同期性或いは等時性を必要とするデータ転送に適している。

更に、同期式データ転送方式では、データ転送における遅延ジッタを一定以内に収めるため、一般に送受信端末間で認識応答を交換したり、データ転送失敗時の再送処理を行ったりしない。このため、同期式データ転送方式では、通信状態によってはデータパケットが損失される場合が発生し得る。

しかしながら、音声や動画像伝送では、通信の特性として常に、一定の平均転送速度と平均遅延を維持することが最優先されるため、ある程度のパケット損失が許容できるようにアプリケーションプロトコルが設計されている。

このように、同期式データ転送方式では、音声や動画像のような同期性を必要とするアプリケーションに適している反面、パケット損失によるアプリケーションデータの消失が発生する。このようなデータ消失は再生される音声の途切れや動画像のブロックノイズなどを引き起こし、アプリケーション品質を劣化させてしまうという欠点があった。

同期式データ転送方式におけるこのような問題を解決するために、同期性を維持しながらデータ消失の発生を抑制する信頼性の高い通信方式として、同一データを冗長的に複数回、転送する中継伝送方式が考えられている。そこで、このような中継伝送方式について説明する。

図１６は、中継伝送システムの構成の一例を示すシステム構成図である。このシステムは、例えば音声や動画像のような同期データの生成元としての制御局１１と同期データの宛先となる４個の従属局１２〜１５から構成される。

図１７は、中継伝送システムのメディアアクセスタイミングを示す図である。ここで、システムはアクセスプロトコルとしてTDMAを採用しており、メディアへのアクセスタイミングはスーパーフレーム２１と呼ばれる一定周期を単位として管理される。このスーパーフレーム２１は制御局１１及び従属局１２〜１５がそれぞれデータ送信するためのタイムスロット３１〜３５に分割されている。

スーパーフレーム２１において、タイムスロット３１は、制御局１１がデータ送信する時間、タイムスロット３２〜３５までは従属局１２〜１５がそれぞれ順番にデータ送信を行う時間である。

図１８は、スーパーフレーム中の各タイムスロットで送信される無線フレームを示す図である。最初に、制御局１１はスーパーフレーム中のタイムスロット３１において各従属局宛ての同期データを保持した同報フレーム４１を全従属局に向かってブロードキャスト送信する。

図１９は、ブロードキャスト送信される同報フレームのフレームフォーマットを示す図である。同報フレーム４１において、フィールド５１には、ISO_DATA1フィールドが配置されるが、このフィールド５１には従属局１２宛ての同期データ本体が格納されている。また同様に、フィールド５２〜５４には、それぞれ従属局１３〜１５宛ての同期データがそれぞれ格納されている。また、フィールド５５には、CHECKSUM_FRAMEフィールドが配置されており、同報フレーム４１を受信した局はこのチェックサムを検証することによって同報フレーム４１の中で発生したビット誤りを検出する。尚、この例では、各同期データの長さは固定長とする。

図２０は、各タイムスロットにおけるデータ転送の向きを示す模式図である。図２０に示す（Ａ）は、第一のタイムスロット３１において制御局１１から各従属局１２〜１５へ同報フレーム４１が送信される様子を示している。同報フレーム４１を受信した各従属局１２〜１５は、同報フレーム４１を受信した時点を基準として、予め決められた送信順序を参照して自己の送信タイミングを決定する。また、従属局１２〜１５は受信された同報フレーム４１に含まれる同期データの中から自局宛てのデータをアプリケーションデータとして利用する。また同時に、従属局１２〜１５は同報フレーム４１を他の従属局に中継伝送するために、同報フレーム４１全体を内部に記憶しておく。

同報フレーム４１を受信し自己の送信タイミングを決定した従属局１２は、制御局１１から受信した同報フレーム４１の複製として、中継フレーム４２をタイムスロット３２において送信する。この様子を図２０の（Ｂ）に示す。そして、従属局１２を除く他の従属局１３〜１５は、この中継フレーム４２を受信し記憶する。また同様に、タイムスロット３３では、従属局１３が同報フレーム４１の複製として中継フレーム４３を送信し、従属局１３を除く他の従属局１２、１４、１５がこの中継フレーム４３を受信する。

このようにして、タイムスロット３１で制御局１１から送信された同報フレーム４１は、図２０の（Ｂ）〜（Ｅ）に示すようにタイムスロット３２〜３５において従属局１２〜１５から中継伝送される。また、中継伝送される中継フレーム４２〜４５は同報フレーム４１と同じフォーマットを持つ。従って、各々の従属局にとっては、同一の同期データを制御局１１からの同報フレーム及び他の従属局からの中継フレームとして、合計４回受信する機会が得られる。

本システムでは、このように複数の回数だけデータ転送するため、従属局が制御局からの同報フレームを正しく受信できなかった場合でも、他の従属局が送信する中継フレームから自局宛ての同期データを獲得することができる。従って、本システムでは、通信路の遮断などが発生した場合であっても、１つのスーパーフレーム内でデータ転送が完了するため、データ転送の同期性を維持することが可能である。

尚、特許文献１には、同報データを確実に宛先ノードに送信するための技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開2007-266876号公報

上述の中継伝送システムでは、同一のデータを従属局間で中継伝送することにより、パケット損失を抑制し信頼性の高い同期式データ通信を行うことができる。しかしながら、この方法は、通信帯域の利用効率という観点から考えた場合、同じデータを５回繰り返して冗長に伝送しているため、通信帯域を無駄に占有しているという側面もある。

例えば、ある従属局が制御局からの同報データを正常に受信できていれば、それ以降のタイムスロットにおける中継伝送は不必要な通信となり、通信帯域が無駄に浪費されていることになる。このような冗長中継伝送システムでは、本質的にデータ中継転送によって通信帯域が占有されてしまい、より多くのデータを転送することが不可能であった。

その結果、通信帯域の利用を最適化してシステム全体のデータ転送量を増大させることが困難であるという問題があった。

本発明は、通信システムにおいて、通信帯域の利用効率を改善し、同期データ及び非同期データを含む全体のデータ伝送量を増大させることを目的とする。

本発明は、制御局が複数の従属局宛てのデータをスーパーフレーム毎にブロードキャスト送信する通信システムであって、
前記複数の従属局のそれぞれは、
Ｎ（Ｎは整数）番目のスーパーフレームにおいて前記制御局からブロードキャスト送信されたデータを受信する手段と、
Ｎ番目のスーパーフレーム内の自局に割当てられたタイムスロットにおいて、前記データの受信状況を示す認識応答を送信する手段と、
他の従属局から送信される前記認識応答に応じて、当該他の従属局宛てのデータをＮ＋１番目のスーパーフレーム内の自局に割当てられたタイムスロットにおいて中継伝送する手段とを有することを特徴とする。

また、本発明は、制御局が複数の従属局宛てのデータをスーパーフレーム毎にブロードキャスト送信する通信システムの従属局であって、
Ｎ（Ｎは整数）番目のスーパーフレームにおいて前記制御局からブロードキャスト送信されたデータを受信する手段と、
Ｎ番目のスーパーフレーム内の自局に割当てられたタイムスロットにおいて、前記データの受信状況を示す認識応答を送信する手段と、
他の従属局から送信される前記認識応答に応じて、当該他の従属局宛てのデータをＮ＋１番目のスーパーフレーム内の自局に割当てられたタイムスロットにおいて中継伝送する手段とを有することを特徴とする。

更に、本発明は、制御局が複数の従属局宛てのデータをスーパーフレーム毎にブロードキャスト送信する通信システムにおける従属局の中継伝送方法であって、
受信する手段が、Ｎ（Ｎは整数）番目のスーパーフレームにおいて前記制御局からブロードキャスト送信されたデータを受信する工程と、
送信する手段が、Ｎ番目のスーパーフレーム内の自局に割当てられたタイムスロットにおいて、前記データの受信状況を示す認識応答を送信する工程と、
中継伝送する手段が、他の従属局から送信される前記認識応答に応じて、当該他の従属局宛てのデータをＮ＋１番目のスーパーフレーム内の自局に割当てられたタイムスロットにおいて中継伝送する工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、通信システムにおいて、通信帯域の利用効率を改善し、同期データ及び非同期データを含む全体のデータ伝送量を増大させることができる。

以下、図面を参照しながら発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

［第一の実施形態］
第一の実施形態における無線中継伝送システムの構成及び動作を、図１〜図７を用いて説明する。

図１は、第一の実施形態における無線中継伝送システムの構成の一例を示す図である。図１に示すように、無線中継伝送システムは、例えば音声や動画像のような同期データの生成元としての制御局１０１及び同期データの宛先となる従属局１０２〜１０５から構成される。尚、この例においてもTDMAが採用され、メディアアクセスタイミングは図１７に示すスーパーフレーム２１を単位として管理される。そして、このスーパーフレーム２１は制御局１０１及び従属局１０２〜１０５がそれぞれデータ送信するための複数のタイムスロット３１〜３５に分割されている。

図２は、第一の実施形態における制御局の構成の一例を示す図である。図２において、スーパーフレームタイミング生成部２０６は、後述するスーパーフレームのタイミングを生成する。スーパーフレームタイミング生成部２０６によって生成されたタイミング情報は送信タイミング生成部２０７に伝えられる。送信タイミング生成部２０７からの指示に従って送信フレーム生成部２０４がアプリケーション処理部２０１から同期データ生成部２０２を経由して受領した各従属局宛ての同期データを用いて送信フレームを生成する。また、非同期データ生成部２０３を経由して受領した非同期データの場合も同様に、送信フレームを生成する。この非同期データについては、更に後述する。

ここで、生成された送信フレームには、チェックサム生成部２０５において誤り検出のためのチェックサムが付加され、変調部２５０及び高周波部２５２により無線信号に変換された後、アンテナ２５３から無線メディアへ送出される。

一方、各従属局からの中継フレームはアンテナ２５３で受信され、高周波部２５２及び復調部２５１を介してチェックサム検証部２１０に入力される。そして、チェックサムが検証され、フレーム長判定部２０８又は非同期データ受信部２０９へ送られる。

図３は、第一の実施形態における従属局の内部構成の一例を示す図である。尚、図３において、アプリケーション処理部３０１、非同期データ生成部３０２、送信フレーム生成部３０３、チェックサム生成部３０４、送信タイミング生成部３０５、スーパーフレームタイミング同期部３０８は図２に示す制御局の各部と同様である。また、変調部３５０、復調部３５１、高周波部３５２、アンテナ３５３も制御局の各部と同じ機能を有するものである。

図３において、アンテナ３５３によって受信された同報フレームは高周波部３５２及び復調部３５１によって受信データに変換される。この受信データは、チェックサム検証部３１２においてビット誤りを含んでいるか検証される。ここで受信データにビット誤りが無いと判定されると、この受信データは受信フレーム解析部３０９及び中継データ蓄積部３０６へ送られる。各従属局によって正常に受信された全ての同期データは他の従属局へ中継伝送するために、中継データ蓄積部３０６に一時的に記憶される。更に、受信データは、受信フレーム解析部３０９で解析された結果に応じて、同期データ受信部３１０又は非同期データ受信部３１１へ送られる。

受信データが制御局１０１からの同報フレームの場合、受信フレーム解析部３０９から同期制御信号がスーパーフレームタイミング同期部３０８へ送られる。このようにして、従属局１０２〜１０５は制御局１０１が管理するスーパーフレームに対して同期追従することが可能となり、自従属局に割り当てられているタイムスロットで中継フレームを送信する。

また、同報フレームを受信した従属局１０２〜１０５は、同報フレームを受信した時点を基準として、予め決められた送信順序を参照して自己の送信タイミングを決定し、それぞれ中継フレームを送信する。

図４は、第一の実施形態におけるスーパーフレームの構成を示す図である。この例では、描画の便宜のため、上段にＮ番目のスーパーフレームを、下段にＮ＋１番目のスーパーフレームを図示しているが、Ｎ番目のスーパーフレームが先になるように時間的に連続して配置される。

まず、Ｎ番目のスーパーフレームの最初のタイムスロットで制御局１０１が従属局宛ての同期データを保持したＮ番目の同報フレーム４０１を全ての従属局に向かってブロードキャスト送信する。この同報フレーム４０１のフレームフォーマットは図１９に示すものと同じである。

図４において、４０２は従属局１０２が送信する中継フレーム、４０３は従属局１０３が送信する中継フレーム、４０４は従属局１０４が送信する中継フレーム、４０５は従属局１０５が送信する中継フレームである。

ここで、本発明の特徴となる中継フレームのフレームフォーマット例を、図５〜図７を用いて説明する。

図５は、第一の実施形態における中継フレームの構成を示す図である。中継フレームは、フレーム開始部分にフレーム全体の長さを示すLEN_FRAMEフィールドと、同じスーパーフレームで受信された同報フレームへの認識応答を示すACKNOWLEDGEフィールドを持っている。尚、LEN_FRAMEフィールドで示されるフレーム長の単位としては、実装に依存してバイト（８ビット）やワード（１６ビット）などが挙げられるが、何れの単位を採用しても本発明を適用することが可能である。

これら中継フレームを受信した局は、LEN_FRAMEフィールドの値を参照することにより当該中継フレームの長さを知ることが可能であり、同時に当該フレームが通信帯域を占有する時間も算出することができる。

ACKNOWLEDGEフィールドに格納される値の例としては、ACK及びNACKなどが挙げられる。この例では、同報フレームを正常に受信した従属局は、ACKNOWLEDGEフィールドに値としてACKを設定する。一方、同報フレームの受信に失敗した従属局はACKNOWLEDGEフィールドに値としてNACKを設定する。

図５に示す中継フレームの３番目のフィールドはデータペイロード部である。ここで、データペイロード部には中継伝送される同期データや他の非同期データが格納されるが、詳しくは後述する。

そして、中継フレームの最後となる４番目のフィールドは、中継フレーム全体に対してビット誤りが含まれているか否かを検出するためのチェックサムである。チェックサムとしては、一般に１６ビット或いは３２ビットなどのCRC（Cyclic Redundancy Code）などが利用されるが、ビット誤りを検出できるものであれば、如何なる符号も適用可能である。

ここで、図１に示すように、制御局１０１から送信される同報フレーム４０１を従属局１０２及び従属局１０５は正常に受信できたが、従属局１０３及び従属局１０４は受信に失敗した場合を考える。

各従属局は、チェックサム検証部３１２における誤り検出結果を参照して認識応答生成部３０７でACKNOWLEDGEフィールドへ設定される値を決定する。今、従属局１０２の中継フレーム４０２及び従属局１０５の中継フレーム４０５におけるACKNOWLEDGEフィールドには、これら従属局がＮ番目の同報フレーム４０１を正常に受信したため、値ACKが格納される。また、従属局１０３の中継フレーム４０３及び従属局１０４の中継フレーム４０５におけるACKNOWLEDGEフィールドには、これら従属局がＮ番目の同報フレーム４０１の受信に失敗したため値としてNACKが格納される。

これにより、各従属局がACKNOWLEDGEフィールドを用いて送信した認識応答を他の従属局が受信することにより、各従属局は同報フレームに含まれる同期データの転送が必要であるか否かを判断することができる。例えば、従属局１０２は自局がＮ番目の同報フレーム４０１を正常に受信したことは理解しており、更に従属局１０５が認識応答として送信した値ACKを保持したACKNOWLEDGEフレームを受信している。

従って、従属局１０２は、Ｎ番目の同期フレームにおいて従属局１０３及び従属局１０４に宛てられた同期データのみを、Ｎ＋１番目のスーパーフレームで中継すれば良いと判断する。また、従属局１０５は自局がＮ番目の同報フレーム４０１を正常に受信したことは理解しており、更に従属局１０２が認識応答として送信した値ACKを保持したACKNOWLEDGEフレームを受信している。

従って、従属局１０５も同様に、Ｎ番目の同期フレームにおいて従属局１０３及び従属局１０４に宛てられた同期データのみを、Ｎ＋１番目のスーパーフレームで中継すれば良いと判断する。

ここで、Ｎ番目の同報フレーム４０１を従属局１０３及び１０４が受信に失敗した場合のＮ＋１番目のスーパーフレームにおける各局の動作を説明する。Ｎ＋１番目のスーパーフレームも、第一のタイムスロットで制御局１０１が各従属局宛ての同期データを保持したＮ＋１番目の同報フレーム４０６をブロードキャスト送信する。そして、同報フレーム４０６を受信した従属局１０２〜１０５は、Ｎ番目のスーパーフレームと同様にして自己の送信タイミングを決定し、中継フレームを送信する。

図４において、４０７は従属局１０２が送信する中継フレーム、４０８は従属局１０３が送信する中継フレーム、４０９は従属局１０４が送信する中継フレーム、４１０は従属局１０５が送信する中継フレームである。

図６は、従属局１０２の中継フレーム４０７及び従属局１０５の中継フレーム４１０のフレームフォーマットを示す図である。これらの中継フレームも図５に示すものと同様に、LEN_FRAMEフィールド及びACKNOWLEDGEフィールドを含むヘッダ部を持っている。

まず、LEN_FRAMEフィールドは中継フレーム全体の長さを示し、ACKNOWLEDGEフィールドは同じスーパーフレームにおける同報フレームを正常に受信したか否かを示す認識応答である。そして、中継フレームには中継伝送されるべき同期データが格納された同期データ部を持つ。

図６では、３番目のフィールドとしてDATA_TYPEフィールドが示されており、この同期データが従属局１０３宛てのデータであることを示すために、このフィールドは値としてISO2に設定されている。そして、４番目のフィールドとしてISO_DATAフィールドを持ち、このフィールドには従属局１０３宛ての同期データ本体が格納されている。

また同様に、５番目のフィールドとしてDATA_TYPEフィールドを持ち、次の同期データが従属局１０４宛てのデータであることを示すために、このフィールドは値としてISO3に設定されている。そして、６番目のフィールドとしてISO_DATAフィールドを持ち、このフィールドには従属局１０４宛ての同期データ本体が格納されている。

このようなフォーマットの中継データを送信することにより、従属局１０３及び１０４宛ての同期データのみが従属局１０２及び１０５から中継伝送される。

図７は、従属局１０３の中継フレーム４０８及び従属局１０４の中継フレーム４０９のフレームフォーマットを示す図である。従属局１０３及び１０４は制御局１０１から送信されたＮ番目の同報フレーム４０１を正常に受信していないため、Ｎ＋１番目のスーパーフレームにおいて他の従属局へ中継伝送可能な同期データを保持していない。

従って、従属局１０３及び１０４はＮ＋１番目の同報フレーム４０６に対する認識応答を送信するだけであり、同期データの中継は行わない。

以上説明したように、認識応答を用いることにより、同期データの不必要な中継伝送を抑制する。このため、図４に示すように、本発明を適用した中継フレーム４０７〜４１０は、図１８で既に示した従来の中継伝送システムにおける中継フレーム４２〜４５よりもフレーム長が短くなる。

その結果、図４に示すように、中継伝送のために予約されている期間（タイムスロットの後半部分）が実際に中継伝送に使用されなくなり、通信メディア上に非占有時間を設けることができる。また、Ｎ番目のスーパーフレームにおいて制御局より各従属局に送信された同期データを、各従属局は少なくともＮ＋１番目のスーパーフレームで受信できるので、遅延ジッタが少なく、かつ通信帯域を有効利用な通信システムが構築される。

ここまでの説明では、各従属局は非同期データなど伝送を求められる他のデータを保持していないことを前提とし、中継フレームとして図５〜図７に示すフォーマットを用いていた。これ以降、このようにして得られた非占有時間を各従属局がどのように他のデータ伝送のために利用するかについて説明する。

図８は、従属局１０２及び１０３が同期データ以外の他のデータとして非同期データを送信する場合のスーパーフレームを示す図である。非同期データとは、中継伝送によって同期式に伝送されるデータ以外のデータであり、非同期データとして様々な形式や特性を持つデータを伝送することが可能である。

図８において、８０１〜８０６、８０９、８１０は図４に示す４０１〜４０６、４０９、４１０と同じフレームである。８０７は従属局１０２が送信する中継フレームである。図９は、従属局１０２が非同期データを伝送する中継フレームのフレームフォーマットを示す図である。

図９において、１〜６番目のフィールドは図６に示すものと同じである。そして、これらのフィールドを用いることにより、従属局１０２はＮ＋１番目の同報フレーム８０６に対して認識応答し、また同時にＮ番目の同報フレーム８０１に含まれる同期データを従属局１０３及び１０４へ中継伝送する。ここで、従属局１０２が送信するべき非同期データを保持している場合、図９に示すフレームフォーマットのように、非同期データ送信用のフィールドとして７〜９番目のフィールドが追加される。

まず、７番目のフィールドとなるDATA_TYPEフィールドは、値としてASYNCを保持している。中継フレーム８０７を受信した各局は、このフィールドを参照することにより非同期データが送信されていることを識別できる。次に、８番目のフィールドとなるLEN_ASYNCフィールドは非同期データのデータ長を示す。同期データと異なり、一般に非同期データのデータ長は可変であることが多く、中継フレーム８０７を受信した各局はこのフィールドを参照することにより非同期データのデータ長を知ることができる。最後に、可変長となる９番目のフィールドとなるASYNC_DATAフィールドに非同期データが格納される。

ここでは、どのように従属局が非占有時間を用いて非同期データを送信するかを説明するものであり、このASYNC_DATAフィールドに対する詳細な内部フォーマットには特に言及しない。しかしながら、このASYNC_DATAフィールドの内部構成としては、非同期データの通信プロトコルに従って、例えば非同期データの宛先局のアドレスやデータ種別を識別するための各種タグなどを含むことが想定される。

また、複数の宛先局に非同期データを伝送するために、ASYNC_DATAフィールドを複数のサブフィールドに分割することも可能である。このASYNC_DATAフィールドの内部に対してどのような使用方法を採用するにしても、本発明を適用することが可能であることは言うまでもない。

次に、従属局１０３の動作を説明する。図８に示すように、従属局１０３はＮ＋１番目のスーパーフレームにおいて中継フレーム８０８を送信する。この中継フレーム８０８のフレームフォーマットを図１０に示す。このフレームフォーマットにおいて、１〜２番目のフィールドは図７に示すものと同じであり、従属局１０３はＮ＋１番目の同報フレーム８０６に対する認識応答を送信する。

ここで、従属局１０３が送信するべき非同期データを保持している場合、図１０に示すように、非同期データ送信用のフィールドとして３〜５番目のフィールドが追加される。これらのフィールドは、図９に示す従属局１０２が送信する中継フレーム８０７における７〜９番目のフィールドにそれぞれ対応する。

従属局１０３はＮ＋１番目のスーパーフレームにおいて中継伝送を行わないが、３〜５番目のフィールドを利用することにより、従属局１０２と同様に、非占有時間を利用して非同期データを伝送することが可能となる。

以上説明したように、従属局が認識応答を送信することによって通信帯域に非占有時間が設けられ、この非占有時間を利用して従属局が非同期データを送信できるようになる。その結果、新たに非同期データの転送が可能となり、同期データ及び非同期データの両方を含めた全体のデータ転送量を増大させるという効果が得られた。

尚、一般に同期データは固定長として扱われることが多いため、固定長の同期データを用いて説明したが、可変長となる同期データに対しても本発明を適用することもできる。更に、認識応答の送信、同期データの中継伝送、非同期データの伝送を単一のフレームで送信するためのフォーマットを例示したが、これらを個別のフレームとして従属局から送信することも可能である。

［第二の実施形態］
次に、図面を参照しながら本発明に係る第二の実施形態を詳細に説明する。第一の実施形態では、本発明が適用された無線中継伝送システムにおいて、従属局が非同期データを送信することができることを説明した。この第二の実施形態では、制御局１０１が従属局１０２及び１０３と同様に、非同期データを送信する方法を説明する。

第二の実施形態における無線中継伝送システムの構成は、図１を用いて説明した第一の実施形態の構成と同様であり、説明は省略する。また、制御局１０１及び従属局１０２〜１０５の内部構成も、図２及び図３を用いて説明した第一の実施形態の内部構成と同様であり、説明は省略する。

第二の実施形態における中継伝送システムの動作例として、第一の実施形態で説明した図８に示すフレームを送信する場合を説明する。第一の実施形態で説明したように、従属局１０２〜１０５はＮ＋１番目のスーパーフレームにおいて中継フレーム８０７〜８１０を送信することにより、中継伝送と非同期データの伝送を同時に実行している。

図８に示すＮ＋１番目のスーパーフレームでは、従属局１０３が中継フレーム８０８を送信しているが、中継フレーム８０８の終了時点から次のタイムスロットまで、まだ非占有時間が残されている。第二の実施形態では、この非占有時間に、制御局１０１が非同期データを保持した非同期フレームを送信する。

ここで、制御局１０１は図８に示す中継フレームを受信する。それぞれの中継フレームには、前述したようにLEN_FRAMEフィールドが含まれるため、制御局１０１はフレーム長判定部２０８がLEN_FRAMEフィールドの値を参照することで、当該中継フレームの長さを知ることができる。更に、制御局１０１はTDMAプロトコルを制御しているため、各タイムスロットの開始時点も既知である。

従って、制御局１０１は各タイムスロットで送信される中継データの終了時点から次のタイムスロットまで通信メディアが利用されていない非占有時間を正確に検出することが可能である。

図２において、送信タイミング生成部２０７は、フレーム長判定部２０８から受信フレーム終了時点、スーパーフレームタイミング生成部２０６から次タイムスロット開始時点に関する情報を得る。これらの情報に基づいて送信タイミング生成部２０７が送信フレーム生成部２０４に対してフレーム送信を指示する。このように、制御局１０１は、非占有時間において非同期フレームを送信することにより、他の従属局とのフレーム衝突を発生させることなく非同期データを伝送できる。

図１１は、制御局が非同期フレームを送信する場合のスーパーフレームの構成を示す図である。図１１において、１１０１〜１１１０は第一の実施形態での図８に示す８０１〜８１０と同じフレームである。

Ｎ＋１番目のスーパーフレームにおいて、従属局１０３の中継フレーム１１０８を受信している制御局１０１は、中継フレーム１１０８の終了を検知し、直ちに非同期フレーム１１１１の送信を開始する。

図１２は、制御局が送信する非同期フレームの構成の一例を示す図である。この１番目のフィールドは非同期フレーム１１１１の全体の長さを示すLEN_FRAMEフィールドである。尚、LEN_FRAMEフィールドで示されるフレーム長の単位としては、実装に依存してバイト（８ビット）やワード（１６ビット）などが挙げられるが、如何なる単位を採用しても本発明を適用することが可能である。

制御局１０１は、この非同期フレーム１１１１が次のタイムスロットの開始時点よりも前に終了するように、非同期フレーム１１１１の長さを決定し、LEN_FRAMEフィールドを設定する。

図１２に示す２番目のフィールドはASYNC_DATAフィールドであり、ここに制御局１０１から送信される非同期データが格納される。尚、第二の実施形態では、制御局１０１が非占有時間を用いてどのように非同期データを送信するかを説明するものであり、このASYNC_DATAフィールドに対する詳細な内部フォーマットには特に言及しない。しかしながら、このASYNC_DATAフィールド内部に対してどのような使用方法を採用するにしても、本発明を適用することが可能であることは言うまでもない。

以上説明したように、従属局１０２〜１０５が非占有時間を利用して非同期データの送信を行った場合、制御局１０１も同様に非同期データを送信することができる。本発明を適用することにより、制御局及び従属局が同期データ及び非同期データの両方を送信することが可能となる。

更に、通信状態に応じて、必要な中継伝送の回数を最適化し、非占有時間のほぼ全てを非同期データの伝送に利用できるため、システム全体のデータ転送量を増大させることができる。

［第三の実施形態］
次に、図面を参照しながら本発明に係る第三の実施形態を詳細に説明する。第三の実施形態では、中継伝送を最適化するものである。

第三の実施形態における無線中継伝送システムの構成は、図１を用いて説明した第一の実施形態の構成と同様であり、説明は省略する。また、制御局１０１及び従属局１０２〜１０５の内部構成も、図２及び図３を用いて説明した第一の実施形態の内部構成と同様であり、説明は省略する。

第三の実施形態でも、Ｎ番目の同報フレーム４０１を従属局１０３及び１０４が受信に失敗した場合を想定する。この時、図１３に示すように、受信した同報フレーム４０１中で３番目のフィールドに格納されている従属局１０４宛ての同期データであるISO_DATA3フィールドのみにビット誤りが発生していることもあり得る。

ここで、同報フレーム４０１全部が正しく受信できなくとも、従属局１０３にとってはISO_DATA2フィールドに格納されている自局宛ての同期データが取得できてさえいれば、以後の他の従属局からの中継伝送は不要である。それにもかかわらず、このような状態において、第一の実施形態では従属局１０２及び１０５は従属局１０３宛ての同期データを中継伝送しており、これらは無駄な通信として通信帯域を浪費することとなる。

第三の実施形態では、このような事態を鑑み、制御局１０１が送信する同報フレームのフォーマット例として図１４に示すフォーマットを使用する。図１４において、各従属局宛ての同期データはそれぞれISO_DATA1〜4フィールドに格納されている。更に、ISO_DATA1〜4フィールドの直後には、それぞれ同期データ毎に誤り検出符号によるチェックサムとしてCHECKSUM1〜4フィールドが備えられている。

図１５は、第三の実施形態におけるスーパーフレームの構成を示す図である。まず、Ｎ番目のスーパーフレームで制御局１０１が同報フレーム１５０１をブロードキャスト送信する。同報フレーム１５０１は図１４に示すフレームフォーマットを持つ。同報フレーム１５０１を受信した従属局１０３は、各同期データに対するチェックサムであるCHECKSUM_ISO1〜4を検証する。その後、自局のタイムスロットで従属局１０３は中継フレーム１５０３を送信するが、第一の実施形態と同様に、中継フレーム１５０３にはACKNOWLEDGEフィールドが含まれている。

ここで、ISO_DATA3のみにビット誤りが発生している場合、従属局１０３は自局宛ての同期データとなるISO_DATA2を正常に受信できているため、中継フレーム１５０３のACKNOWLEDGEフィールドには値ACKを設定する。そして、このACKNOWLEDGEフィールドを受信した他の従属局が従属局１０３に対してＮ番目の同報フレーム１５０１を中継伝送する必要がないことを認識する。

このＮ番目の同報フレーム１５０１に対する中継伝送はＮ＋１番目のスーパーフレームで実施され、従属局１０２は中継フレーム１５０７を、従属局１０５は中継フレーム１５１０を送信する。但し、従属局１０２及び１０５は、既に中継フレーム１５０３によって従属局１０３へ中継伝送する必要がないことを知っているため、中継フレーム１５０７及び１５１０には従属局１０３宛ての同期データは含まれない。

従って、従属局１０２から送信される中継フレーム１５０７の長さは、図４に示す中継フレーム４０７よりも短くなる。また同様に、従属局１０５から送信される中継フレーム１５１０の長さも図４に示す中継フレーム４１０よりも短くなる。従って、Ｎ＋１番目のスーパーフレームにおける非占有時間は図４に示す場合よりも長くなる。

以上のように、チェックサムと認識応答方式を改善することにより、中継伝送を最適化することが可能となり、より長い非占有時間を設けることができる。

また、制御局及び従属局は、第一及び第二の実施形態と同様の方式で、この非占有時間を利用して非同期データを送信する。これにより、中継伝送システムにおける同期データ及び非同期データ全体としてのデータ転送量を更に増大させることができる。

以上説明した実施形態によれば、無線中継伝送システムにおいて受信局が正常にデータフレームを受信した場合に不必要となるデータ中継転送の回数を削減することが可能となる。従って、中継伝送に利用されなくなった通信時間を非同期データなど他のデータ転送のために使用することができるようになるため、ネットワーク全体としてのデータ転送量を増大させるという効果が得られる。

尚、本発明は複数の機器（例えば、ホストコンピュータ、インターフェース機器、リーダ、プリンタなど）から構成されるシステムに適用しても、１つの機器からなる装置（例えば、複写機、ファクシミリ装置など）に適用しても良い。

また、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記録媒体を、システム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（ＣＰＵ若しくはＭＰＵ）が記録媒体に格納されたプログラムコードを読出し実行する。これによっても、本発明の目的が達成されることは言うまでもない。

この場合、コンピュータ読み取り可能な記録媒体から読出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコードを記憶した記録媒体は本発明を構成することになる。

このプログラムコードを供給するための記録媒体として、例えばフレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどを用いることができる。

また、コンピュータが読出したプログラムコードを実行することにより、前述した実施形態の機能が実現されるだけでなく、次の場合も含まれることは言うまでもない。即ち、プログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）などが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理により前述した実施形態の機能が実現される場合である。

更に、記録媒体から読出されたプログラムコードがコンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書込む。その後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理により前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。

第一の実施形態における無線中継伝送システムの構成の一例を示す図である。第一の実施形態における制御局の構成の一例を示す図である。第一の実施形態における従属局の内部構成の一例を示す図である。第一の実施形態におけるスーパーフレームの構成を示す図である。第一の実施形態における中継フレームの構成を示す図である。従属局１０２の中継フレーム４０７及び従属局１０５の中継フレーム４１０のフレームフォーマットを示す図である。従属局１０３の中継フレーム４０８及び従属局１０４の中継フレーム４０９のフレームフォーマットを示す図である。従属局１０２及び１０３が同期データ以外の他のデータとして非同期データを送信する場合のスーパーフレームを示す図である。従属局１０２が非同期データを伝送する中継フレームのフレームフォーマットを示す図である。中継フレーム８０８のフレームフォーマットを示す図である。制御局が非同期フレームを送信する場合のスーパーフレームの構成を示す図である。制御局が送信する非同期フレームの構成の一例を示す図である。第三の実施形態における問題を説明するための図である。制御局が送信する同報フレームのフォーマット例を示す図である。第三の実施形態におけるスーパーフレームの構成を示す図である。中継伝送システムの構成の一例を示すシステム構成図である。中継伝送システムのメディアアクセスタイミングを示す図である。スーパーフレーム中の各タイムスロットで送信される無線フレームを示す図である。ブロードキャスト送信される同報フレームのフレームフォーマットを示す図である。各タイムスロットにおけるデータ転送の向きを示す模式図である。

符号の説明

１０１制御局
１０２従属局
１０３従属局
１０４従属局
１０５従属局

Claims

制御局が複数の従属局宛てのデータをスーパーフレーム毎にブロードキャスト送信する通信システムであって、
前記複数の従属局のそれぞれは、
Ｎ（Ｎは整数）番目のスーパーフレームにおいて前記制御局からブロードキャスト送信されたデータを受信する手段と、
Ｎ番目のスーパーフレーム内の自局に割当てられたタイムスロットにおいて、前記データの受信状況を示す認識応答を送信する手段と、
他の従属局から送信される前記認識応答に応じて、当該他の従属局宛てのデータをＮ＋１番目のスーパーフレーム内の自局に割当てられたタイムスロットにおいて中継伝送する手段とを有することを特徴とする通信システム。
前記中継伝送する手段は、前記制御局からのデータを正常に受信したことを示す認識応答を他の従属局から受信できなかった場合に、当該他の従属局宛てのデータを中継伝送することを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
前記中継伝送する手段は、前記制御局からのデータを正常に受信しなかったことを示す認識応答を他の従属局から受信した場合に、当該他の従属局宛てのデータを中継伝送することを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
前記複数の従属局のそれぞれは、前記他の従属局宛てのデータを中継伝送しない場合、自局に割当てられたタイムスロットのうち当該中継伝送のために予約されていた期間に他のデータを送信することを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
前記制御局は、前記複数の従属局のそれぞれが前記他の従属局宛てのデータを中継伝送するために予約されている期間のうち、使用されていない期間を検出する手段を更に有し、
前記検出された期間に他のデータを送信することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の通信システム。
前記複数の従属局は、前記認識応答と前記中継伝送するデータとを１つのフレームで送信することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の通信システム。
前記制御局からブロードキャスト送信され、前記複数の従属局の間で中継伝送されるデータは、同期データであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の通信システム。
制御局が複数の従属局宛てのデータをスーパーフレーム毎にブロードキャスト送信する通信システムの従属局であって、
Ｎ（Ｎは整数）番目のスーパーフレームにおいて前記制御局からブロードキャスト送信されたデータを受信する手段と、
Ｎ番目のスーパーフレーム内の自局に割当てられたタイムスロットにおいて、前記データの受信状況を示す認識応答を送信する手段と、
他の従属局から送信される前記認識応答に応じて、当該他の従属局宛てのデータをＮ＋１番目のスーパーフレーム内の自局に割当てられたタイムスロットにおいて中継伝送する手段とを有することを特徴とする通信システムの従属局。
制御局が複数の従属局宛てのデータをスーパーフレーム毎にブロードキャスト送信する通信システムにおける従属局の中継伝送方法であって、
受信する手段が、Ｎ（Ｎは整数）番目のスーパーフレームにおいて前記制御局からブロードキャスト送信されたデータを受信する工程と、
送信する手段が、Ｎ番目のスーパーフレーム内の自局に割当てられたタイムスロットにおいて、前記データの受信状況を示す認識応答を送信する工程と、
中継伝送する手段が、他の従属局から送信される前記認識応答に応じて、当該他の従属局宛てのデータをＮ＋１番目のスーパーフレーム内の自局に割当てられたタイムスロットにおいて中継伝送する工程とを有することを特徴とする通信システムにおける従属局の中継伝送方法。
請求項９に記載の通信システムにおける従属局の中継伝送方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。