JP5821668B2 - 基地局、無線通信システム、及び無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、基地局、無線通信システム、及び無線通信方法に関する。

従来、基地局と複数の無線通信端末とを有する無線通信システムでは、各無線通信端末は、基地局に対して、複数のパケットを送信する。通常、各パケットの送信は、各無線通信端末が独自のタイミングで行うことから、各無線通信端末からのパケット送信が競合する期間（以下、「競合期間」と記す。）では、送信元の異なる複数のパケットが衝突することがある。競合期間におけるパケットの衝突は、基地局へのパケットの到達を阻害することから、この場合、基地局は、各無線通信端末に対して、不達パケットの再送を要求することとなる。このような衝突を回避するため、基地局は、特定の無線通信端末に対して、パケット送信が競合しない期間（以下、「非競合期間」と記す。）を設定し、当該無線通信端末は、この非競合期間に、基地局宛のパケットを送信する。

特開２００７−６７６５４号公報

しかしながら、例えば、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronics Engineers）802.15.6に記載されている無線通信システムの様に、スーパーフレームで管理されるシステムの場合、基地局は、他の無線通信端末の利用に備えて、通常は通信に使用されることのない期間（以下、「余剰期間」と記す。）を設定することがある。このようなシステムでは、競合期間と余剰期間とが併存することとなるが、余剰期間においても、基地局は、常に通信可能な状態にある。すなわち、余剰期間は、競合期間として運用される、あるいは、特定の無線通信端末に対する帯域が常時割り当てられる期間として運用されることとなる。このため、実際に余剰期間を用いて通信が行われることは稀であるにも拘らず、基地局の消費電力が、余剰期間によって増大してしまうことがあった。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、消費電力を抑制しつつ、伝送遅延を低減することのできる基地局、無線通信システム、及び無線通信方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本願の開示する基地局は、一つの態様において、検知部と制御部と通信部とを有する。前記検知部は、通信可能状態にある第１の期間に複数の無線通信端末から送信されたデータの衝突を検知する。前記制御部は、前記衝突が検知された場合、前記第１の期間と同一のフレーム内に属し、通信不可状態にある第２の期間を通信可能状態に遷移させる。前記通信部は、遷移された前記第２の期間を用いて、前記複数の無線通信端末に対して前記データの再送信を要求すると共に、該要求に応じて前記複数の無線通信端末から送信されるデータを受信する。

本願の開示する基地局の一つの態様によれば、消費電力を抑制しつつ、伝送遅延を低減することができる。

図１は、無線通信システムの構成を示す図である。 図２は、基地局の機能構成を示す図である。 図３は、無線通信端末の機能構成を示す図である。 図４は、基地局のハードウェア構成を示す図である。 図５は、無線通信端末のハードウェア構成を示す図である。 図６は、実施例１に係る基地局の動作を説明するためのフローチャートである。 図７は、実施例１に係る無線通信端末の動作を説明するためのフローチャートである。 図８は、変形例１に係る無線通信端末の動作を説明するためのフローチャートである。 図９は、実施例２に係る基地局の動作を説明するためのフローチャートである。 図１０は、１つのスーパーフレーム内で、各端末からのパケット送信に各期間が使用される様子を示す図である。

以下に、本願の開示する基地局、無線通信システム、及び無線通信方法の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施例により本願の開示する基地局、無線通信システム、及び無線通信方法が限定されるものではない。

まず、本実施例に係る無線通信システム１の構成を示す図である。図１に示すように、基地局１０と、３つの無線通信端末２０、３０、４０とを有する。基地局１０は、各無線通信端末２０、３０、４０との間で、無線チャネルを介して、各種信号やデータをパケット形式で送受信可能なように接続されている。無線チャネルは、例えば、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）の規格に則っているが、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＢＡＮ（Body Area Network）等、他の通信規格であってもよい。各無線通信端末２０、３０、４０は、上り方向の無線チャネルにより、基地局１０宛のパケットを個別に送信するが、異なる端末を送信元とするパケット間で衝突が起きた場合、パケットの再送を試みる。本実施例では、パケットの再送は、基地局１０からの要求を待って実行されるが、各無線通信端末２０、３０、４０が自発的にパケットを再送するものとしてもよい。

図２は、基地局１０の機能構成を示す図である。図２に示すように、基地局１０は、通信部１３と、データ処理部１２と、受信電力強度測定部１１と、スロット拡張量判定部１４と、受信電力強度閾値決定部１５とを有する。通信部１３は、アンテナＡ１を有する。これら各構成部分は、一方向又は双方向に、信号やデータの入出力が可能なように接続されている。

受信電力強度測定部１１は、パケット受信時の受信電力強度を測定する。すなわち、受信電力強度測定部１１は、通信部１３から入力されたパケットを用いて、受信電力強度（ＲＳＳＩ：Received Signal Strength Indication）を測定する。また、受信電力強度測定部１１は、測定された受信電力強度を、後述する受信電力強度閾値決定部１５に出力する。そして、受信電力強度測定部１１は、通信可能状態（アクティブ状態）にある競合期間に無線通信端末２０、３０、４０から送信されたパケットの衝突を検知する。

データ処理部１２は、所定のプログラムに従い、通信部１３により受信されたパケットを処理すると共に、処理結果をパケット形式で通信部１３に出力する。データ処理部１２は、スロット拡張量判定部１４からのフィードバック結果を参照して、スロット拡張用のパケットを生成する。また、データ処理部１２は、受信電力強度閾値決定部１５からのフィードバック結果に基づき、受信電力強度閾値の増減制御を行う。更に、データ処理部１２は、通信部１３によるパケット受信回数に応じて、余剰期間を増減させる。

通信部１３は、無線通信端末２０、３０、４０との間で、無線チャネルを介して、パケットの送受信を行う。また、通信部１３は、増加された余剰期間を用いて、無線通信端末２０、３０、４０に対してパケットの再送信を要求すると共に、該要求に応じて無線通信端末２０、３０、４０から送信される上記パケットを受信する。

スロット拡張量判定部１４は、拡張するタイムスロット（以下、単に「スロット」と記す。）の量を判定する。すなわち、スロット拡張量判定部１４は、データ処理部１２から通知された、各無線通信端末２０、３０、４０によるスロットの使用実績を基に、余剰期間に拡張するスロットの量を決定し、その値をデータ処理部１２にフィードバックする。また、スロット拡張量判定部１４は、余剰期間におけるパケット受信回数を計数する。

受信電力強度閾値決定部１５は、競合期間においてパケットの衝突を検知する際の基準となる受信電力強度の値を決定し、その値を受信電力強度閾値として設定する。すなわち、受信電力強度閾値決定部１５は、データ処理部１２から通知された、各無線通信端末２０、３０、４０によるスロットの使用実績を基に、上記受信電力強度閾値を決定し、その値をデータ処理部１２にフィードバックする。

図３は、無線通信端末２０の機能構成を示す図である。図３に示すように、無線通信端末２０は、通信部２１と、データ処理部２２と、再送タイミング制御部２３とを有する。通信部２１は、アンテナＡ２を有する。これら各構成部分は、一方向又は双方向に、信号やデータの入出力が可能なように接続されている。

通信部２１は、基地局１０との間で、無線チャネルを介して、パケットの送受信を行う。通信部２１は、競合期間にパケットを基地局１０宛に送信すると共に、基地局１０への上記パケットの送達が確認されなかった場合、基地局１０からの要求に応じて、余剰期間に上記パケットを基地局１０宛に再送信する。データ処理部２２は、所定のプログラムに従い、通信部２１により受信されたパケットを処理すると共に、処理結果をパケット形式で通信部２１に出力する。再送タイミング制御部２３は、競合期間におけるパケットの送達が確認されなかった場合、当該パケットを基地局１０宛に再送するタイミングを決定し、データ処理部２２に通知する。

次に、基地局１０のハードウェア構成を説明する。図４は、実施例に係る基地局１０のハードウェア構成を示す図である。図４に示すように、基地局１０は、ＲＦ（Radio Frequency）回路１０ａと、変調回路１０ｂと、復調回路１０ｃと、ＭＡＣ（Media Access Control）処理回路１０ｄと、プロセッサ１０ｅと、メモリ１０ｆと、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０ｇと、ＨＤ（Hard Disk）１０ｈとが、各種信号やデータの入出力が可能なように接続されている。ＲＦ回路１０ａは、アンテナＡ１を有する。復調回路１０ｃは、ＳＩＲ（Signal to Interference Ratio）／ＲＳＳＩ測定回路１０ｉを内蔵する。

プロセッサ１０ｅは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）であり、基地局１０を統括的に制御する。メモリ１０ｆは、例えば、フラッシュメモリ等の不揮発性記憶装置の他、ＳＤＲＡＭ（Synchronous Dynamic Random Access Memory）等のＲＡＭである。メモリ１０ｆは、例えば、プロセッサ１０ｅにより決定されたスロット拡張量や受信電力強度閾値の各値の他、拡張されたスロットを使用して再送されたパケットを格納する。ＲＯＭ１０ｇには、例えば、受信電力強度閾値の決定アルゴリズム、スロットの拡張制御アルゴリズムが格納されている。ＨＤ１０ｈは、例えば、余剰期間での受信パケット数の下限及び上限の閾値を事前に格納する。

図２に示した通信部１３は、ハードウェアとしてのＲＦ回路１０ａと変調回路１０ｂと復調回路１０ｃとにより実現される。データ処理部１２は、ハードウェアとしてのプロセッサ１０ｅにより実現される。受信電力強度測定部１１は、ハードウェアとしての復調回路１０ｃの一部であるＳＩＲ／ＲＳＳＩ測定回路１０ｉにより実現される。スロット拡張量判定部１４と受信電力強度閾値決定部１５とは、ハードウェアとしてのプロセッサ１０ｅ、メモリ１０ｆ、及びＲＯＭ１０ｇによりそれぞれ実現される。

次に、無線通信端末２０のハードウェア構成を説明する。図５は、無線通信端末２０のハードウェア構成を示す図である。図５に示すように、無線通信端末２０は、ＲＦ回路２０ａと、変調回路２０ｂと、復調回路２０ｃと、ＭＡＣ処理回路２０ｄと、プロセッサ２０ｅと、メモリ２０ｆと、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０ｇと、ＨＤ（Hard Disk）２０ｈと、センサ２０ｊとが、各種信号やデータの入出力が可能なように接続されている。ＲＦ回路２０ａは、アンテナＡ２を有する。

図３に示した通信部２１は、ハードウェアとしてのＲＦ回路２０ａと変調回路２０ｂと復調回路２０ｃとにより実現される。データ処理部２２は、ハードウェアとしてのプロセッサ２０ｅにより実現される。再送タイミング制御部２３は、ハードウェアとしてのプロセッサ２０ｅ、メモリ２０ｆ、及びＲＯＭ２０ｇにより実現される。

以上、無線通信端末２０の構成を説明したが、同一システム内の他の無線通信端末３０、４０の構成は、無線通信端末２０の構成と同様である。したがって、共通する構成部分には、末尾が同一の参照符号を用いると共に、その図示及び詳細な説明は省略する。

次に、動作を説明する。動作説明の前提として、本実施例では、基地局１０と無線通信端末２０、３０、４０との間に適用される無線通信方式がＺｉｇＢｅｅ（登録商標）である場合を想定する。ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）では、無線通信システム１がスーパーフレームにより管理される。スーパーフレームは、数百ｍｓ（例えば、約３００ｍｓ）のフレーム長を有し、１つのスーパーフレームには、競合期間、非競合期間、余剰期間の少なくとも三種類の期間が混在する。これらの期間の内、余剰期間は、ＣＳＭＡ（Carrier Sense Multiple Access）期間としての競合期間、及びスケジュール期間としての非競合期間と異なり、システム管理者（コーディネータ）によって任意に設定可能である。競合期間、非競合期間、余剰期間の各期間は、それぞれ約１００ｍｓである。

図６は、実施例１に係る基地局１０の動作を説明するためのフローチャートである。図６に示すように、Ｓ１では、ＲＦ回路１０ａは、競合期間におけるパケットの受信を開始する。競合期間は、常に通信可能なアクティブ状態にある。このため、競合期間では、基地局１０は、常に、各無線通信端末２０、３０、４０から送信されるパケットの受信が可能であるが、個別のスロット割当てが行われないため、異なる端末から送信された複数のパケットが衝突することがある。

Ｓ２では、プロセッサ１０ｅは、パケットの衝突が検知されたか否かの判定を行う。パケット衝突の有無は、メモリ１０ｆに設定されている閾値Ｔ_３を参照して判定される。すなわち、プロセッサ１０ｅは、パケットを受信していないにも拘らず、受信電力強度の値が閾値Ｔ_３を超えた場合には、パケットの衝突が発生したものと判断する（Ｓ２；Ｙｅｓ）。そして、プロセッサ１０ｅは、余剰期間におけるスロットの拡張を実行することで、スリープ状態にあった余剰期間を、競合期間と同様のアクティブ状態とする。これにより、従前の余剰期間は、パケットの送受信が可能な状態に移行する。プロセッサ１０ｅは、この余剰期間を用いて、拡張後のスロット内で、新たなパケットの受信を待機する（Ｓ３）。Ｓ３の処理終了後は、Ｓ１に戻り、以降、上述の処理が繰り返し実行される。

より具体的には、ＲＦ回路１０ａは、パケット衝突の検知に伴うスロット拡張の実行に際し、各無線通信端末２０、３０、４０に対してパケットの再送を促すため、ポールパケット（再送要求パケット）をブロードキャストする。その後、配信されたポールパケットを受信した無線通信端末２０、３０、４０は、余剰期間を用いて、送達の確認されなかったパケットを再送する。基地局１０は、このとき再送されるパケットの受信を待機する。

一方、競合期間の終了までにパケットの衝突が検知されなかった場合（Ｓ２；Ｎｏ）、Ｓ１に戻り、プロセッサ１０ｅは、次の競合期間におけるパケット受信を待機する。

ここで、受信電力強度閾値Ｔ_３の初期値を決定する方法を説明する。閾値Ｔ_３の値は、スロット拡張後、余剰期間に受信されたパケット数に応じて、増減制御されるが、初期値としては、例えば、−８０ｄＢｍが設定される。すなわち、基地局１０のアンテナＡ１及び伝搬環境におけるノイズが−９０ｄＢｍであり、パケット受信時の受信電力強度の値が−８０〜−５０ｄＢｍの間にある場合、最低受信電力強度は、−８０ｄＢｍと定義される。したがって、基地局１０は、通常の運用形態であれば、受信電力強度閾値Ｔ_３の初期値を、−８０ｄＢｍに設定しておけばよいこととなる。これに対して、基地局１０が、消費電力の低減よりもパケットの伝送遅延の抑制を優先したい場合には、ノイズレベルと最低受信電力強度との間の値（例えば、−８５ｄＢｍ）を初期の閾値Ｔ_３として設定するものとしてもよい。反対に、基地局１０が、伝送遅延を許容してでも消費電力を低減したい場合には、最低受信電力強度よりも多少大きい値（例えば、−７５ｄＢｍ）を、初期の閾値Ｔ_３として設定してもよい。

なお、プロセッサ１０ｅがパケット衝突を検知する手法として、受信電力強度が閾値Ｔ_３を超過し、かつ、パケットが未受信であることを例示したが、これに限らない。例えば、別の手法として、ＲＦ回路１０ａが、パケットの先頭部分（例えば、ＨＣＳ（Header Check Sequence）、プリアンブル）を正常に受信したにも拘らず、残りの部分（例えば、ペイロード、ＩＦＧ（Inter Frame Gap））の受信に失敗した場合に、衝突発生とみなす手法がある。

また、スロット拡張の実行は、上述の様に、余剰期間を競合期間として用いること（実質的な競合期間の延長）に限らない。例えば、スロット拡張の実行には、非競合期間を用いて、特定の無線通信端末に対して個別に無線帯域を割り当てることを含む。つまり、基地局１０は、スロット拡張の実行により、余剰期間を、競合期間としても非競合期間としても用いることができる。更に、特定の無線通信端末を選定する手法についても、基地局１０が、パケットのヘッダ部分を受信できた場合には、送信元ＩＤから割当て先を選定可能である。あるいは、基地局１０は、スーパーフレーム等の所定期間内に、非競合期間を一度も割り当てられていない無線通信端末を、割当て先として選定するものとしてもよい。

次に、本実施例における無線通信端末２０、３０、４０の動作を説明する。図７は、実施例１に係る無線通信端末２０の動作を説明するためのフローチャートである。

Ｓ１１では、無線通信端末２０のプロセッサ２０ｅは、競合期間の終了を待機する。次に、プロセッサ２０ｅは、競合期間に基地局１０宛に送信したパケットの送達が確認されたか否かを判定する（Ｓ１２）。プロセッサ２０ｅは、送信すべき全てのパケットにつき、肯定応答（ＡＣＫ：Acknowledgement）を示すパケットが基地局１０から受信されたことを以って、送達確認を正常に完了する。送達確認が完了した場合（Ｓ１２；Ｙｅｓ）には、Ｓ１１に戻り、プロセッサ２０ｅは、次の競合期間の終了を待機する。

一方、残りの競合期間でも送達確認が完了しなかった場合（Ｓ１２；Ｎｏ）には、プロセッサ２０ｅは、送達が確認されなかったパケット（不達パケット）に関し、衝突が発生したものと判断し、余剰期間での再送を試みる（Ｓ１３）。Ｓ１３では、プロセッサ２０ｅは、余剰期間における競合期間の延長が基地局１０から宣言された場合、あるいは、自無線通信端末２０に対する個別のポールパケットが受信された場合などに、不達パケットの再送信を試行する。Ｓ１３の処理終了後は、Ｓ１１に戻り、再び上述の処理が繰り返し実行される。

より具体的には、ＲＦ回路２０ａは、余剰期間において、再送要求パケットとしてブロードキャストされたポールパケットの受信を契機として、不達パケットを再送する。このとき、ブロードキャストされたポールパケットを受信した複数の無線通信端末２０、３０、４０が一斉にパケットを再送信することにより、再びパケットの衝突が起きる可能性がある。かかる懸念を回避するため、各無線通信端末２０、３０、４０は、競合期間が拡張された場合、以下の算定式（１）を用いて、パケットの再衝突を回避する。すなわち、各無線通信端末２０、３０、４０による余剰期間でのパケットの再送信は、ランダム確率算定式（１）により算定される確率Ｐｒで許可された場合に初めて実行可能となる。

Ｐｒ＝ｍａｘ（１／８，（１／２）／《（Ｒ＋１）／２》）・・・（１）

ここで、上記算定式（１）において、ｍａｘ（Ａ，Ｂ）は、Ａ，Ｂの内、大きい値を採用することを定義する。《Ｃ》は、Ｃ以上の最も小さい整数を表す。また、Ｒは、再送回数を表し、初期値は１である。

各無線通信端末２０、３０、４０がパケットを再送する際、上記算定式を適用する。これにより、各無線通信端末２０、３０、４０が送信失敗を繰り返した場合、再送回数Ｒが増加していくことから、余剰期間でのパケット再送確率Ｐｒは、次の様に遷移する。

Ｐｒ＝１／２（Ｒ＝１）、１／４（Ｒ＝２）、１／４（Ｒ＝３）、１／６（Ｒ＝４）、１／６（Ｒ＝５）、１／８（Ｒ＝６）、１／８（Ｒ＝７）、１／８（Ｒ＝８）、１／８（Ｒ＝９）、１／８（Ｒ＝１０）、・・・

これにより、各無線通信端末２０、３０、４０のパケット再送タイミングが分散され、余剰期間での再送によるパケットの再衝突が回避される。

なお、例えば、ＩＥＥＥ802.15.6の様に、基地局１０が無線通信端末２０に対して、余剰期間がいつであるかを通知しない無線通信システムも想定される。かかるシステムでは、無線通信端末２０は、余剰期間ではなく、パケットの送信を試みた競合期間の属するスーパーフレームの期間または所定の期間、通信可能な状態として、再送を試みることとなる。

以上、無線通信端末２０の動作を代表的に説明したが、無線通信端末３０、４０についても同様の処理を実行することができる。

続いて、実施例１の変形態様としての変形例１について説明する。図８は、変形例１に係る無線通信端末２０の動作を説明するためのフローチャートである。

図８に示すように、Ｓ２１では、ＲＦ回路２０ａは、競合期間におけるパケットの送達確認を開始する。次に、プロセッサ２０ｅは、競合期間に基地局１０宛に送信したパケットの送達が確認されたか否かを判定する（Ｓ２２）。プロセッサ２０ｅは、送信すべき全てのパケットにつき、肯定応答（ＡＣＫ：Acknowledgement）を示すパケットが基地局１０から受信された場合に、送達確認を正常に完了する。送達確認が完了した場合（Ｓ２２；Ｙｅｓ）には、Ｓ２１に戻り、プロセッサ２０ｅは、現時点の競合期間での再確認開始、または次の競合期間での送達確認開始を待機する。

一方、Ｓ２２において送達確認が完了しなかった場合（Ｓ２２；Ｎｏ）には、プロセッサ２０ｅは、送達が確認されなかったパケットに関し、衝突が発生したものと判断し、残りの競合期間での再送を中止する。そして、プロセッサ２０ｅは、余剰期間での再送を試みる（Ｓ２３）。Ｓ２３の処理終了後は、Ｓ２１に戻り、再び上述の処理が繰り返し実行される。

上述したように、上記実施例１では、無線通信端末２０は、競合期間内での初回のパケット送信後、送達確認のとれなかったパケットにつき、同一競合期間内での再送を試みるものとした。しかしながら、競合期間内でパケット衝突が起きる主たる原因は隠れ端末問題であり、かかる態様では、無線通信端末２０がパケットを再送しても、再びキャリアセンス後に衝突が起きる可能性が高い。そこで、変形例１では、実施例１と異なり、無線通信端末２０は、競合期間でのパケット衝突を検知した場合、同一競合期間内での再送を試行することなく、余剰期間を待機する。換言すれば、無線通信端末２０は、余剰期間が活用されることを期待して、余剰期間での再送を行うために、競合期間での通信を中止する。

上述のように、余剰期間での再送では、上記算定式（１）による再送タイミングの制御、あるいは、無線通信端末２０に対する個別の帯域割当てが行われることから、競合期間での再送よりも、再衝突の発生する確率が低い。これは、前者の上記算定式（１）による再送タイミングの制御の場合、たとえ隠れ端末であっても、各端末が送信を実行する確率はＰｒにしかすぎず、キャリアセンス後に必ず衝突してしまうＣＳＭＡ期間よりは再衝突の可能性が低いという意味である。また、後者の個別の帯域割当ての場合、衝突が起きる可能性が低いことは明らかである。すなわち、競合期間よりも余剰期間の方が、より確実に衝突を回避することができるため、スーパーフレーム内でパケットの再送が完了する可能性が高い。したがって、無線通信端末２０は、競合期間での再送を見送り、余剰期間を待ってパケットの再送を試行する。その結果、無線通信端末２０は、競合期間でのパケット再送に伴う端末負荷や通信負荷を抑制しつつ、確実にパケットの再送を完了することが可能となる。

以上説明したように、無線通信システム１は、複数の無線通信端末２０、３０、４０が基地局１０にパケットを送信する。無線通信システム１は、基地局１０と複数の無線通信端末２０、３０、４０とを有する。基地局１０は、受信電力強度測定部１１とデータ処理部１２と通信部１３とを有する。受信電力強度測定部１１は、通信可能状態（アクティブ状態）にある第１の期間（競合期間）に複数の無線通信端末２０、３０、４０から送信されたパケットの衝突を検知する。データ処理部１２は、上記衝突が検知された場合、上記第１の期間と同一のスーパーフレーム内に属し、通信不可状態（スリープ状態）にある第２の期間（余剰期間）を増加（スロット拡張）させて、通信可能な状態に遷移させる。通信部１３は、遷移された上記第２の期間を用いて、上記複数の無線通信端末２０、３０、４０に対して上記パケットの再送信を要求するため、ポールパケットのブロードキャストを行うと共に、該要求に応じて複数の無線通信端末２０、３０、４０から送信されるパケットを受信する。複数の無線通信端末２０、３０、４０はそれぞれ、通信部２１、３１、４１を有する。各々の通信部２１、３１、４１は、上記第１の期間に上記パケットを基地局１０宛に送信すると共に、基地局１０への上記パケットの送達が確認されなかった場合、上記要求に応じて、上記第２の期間に上記パケットを基地局１０宛に再送信する。このとき、基地局１０の通信部１３は、上記要求に応じて、無線通信端末２０、３０、４０自身の抽選により選ばれた無線通信端末（例えば、無線通信端末３０）から送信されたデータを受信するものとしてもよい。

上述のように、基地局１０は、パケット通信における余剰期間を適応的に活用して各無線通信端末２０、３０、４０に再送を促す方式をとる。これにより、基地局１０は、衝突により、競合期間内にパケットを受信できなかった場合でも、そのパケットを、余剰期間での再送により受信することができる。その際、通常は基地局１０がスリープ状態にある余剰期間が、パケットの衝突が検知された場合にのみ、基地局１０が常時アクティブ状態（通信可能状態）にある競合期間の延長として使用される。すなわち、余剰期間の活用が上述の場合に限定されるため、従来の様に余剰期間が常に通信可能な状態にある場合（基地局が余剰期間を常に競合期間として運用する場合、あるいは、基地局が特定の端末に対する余剰期間の割当てを常に行う場合など）と比較して、消費電力が減少する。換言すれば、不要な電力消費の増大が回避される。また、衝突したパケットは、基地局からの要求に応じて、上記競合期間と同一のスーパーフレームに属する余剰期間において再送される。通常、スーパーフレームは、所定の時間間隔（例えば、３分〜１時間程度）で配置されることから、各無線通信端末が、次のスーパーフレームを待つことなく、同一のスーパーフレーム内でパケットの再送を行うことで、パケットの伝送遅延は低減される。したがって、基地局１０は、消費電力を抑制しつつ、パケット遅延を低減することが可能となる。

また、パケットの再送要求及び再送は、競合期間の拡張、または、特定の端末に対する無線帯域の割当て（非競合期間の割当て）により実現される。後者の帯域割当てにおいて、基地局１０は、割当て先の無線通信端末として、所定期間（例えば、１００〜３００ｍｓ）内に帯域が割り当てられていない端末を選定するものとしてもよい。あるいは、後者の帯域割当てにおいて、基地局１０は、割当て先の無線通信端末を、パケット衝突が検知された際に受信された端末ＩＤを参照し、当該ＩＤを基に特定するものとしてもよい。ここで、受信された端末ＩＤを参照するとは、ヘッダ部分等に含まれる端末ＩＤは、受信成功であったが、ヘッダ部分に続くペイロード部分にてパケットが衝突してしまい受信失敗となった場合等に、基地局１０が、受信できた端末ＩＤを参照する、という意味である。かかる態様では、当該ＩＤを有する無線通信端末が、パケット再送用の無線帯域（非競合期間）の割当て先として選定される。また、ポールパケットにより指定される余剰期間での通信は、通信するべき端末ＩＤだけではなく、通信するべき期間を設定可能であってもよい。この場合、基地局１０は、余剰期間の内の一部を競合期間の拡張として利用し、他の一部を特定の端末に対する割当てとして利用する、というように自由に帯域を割り当てることができる。

次に、実施例２について説明する。実施例２に係る無線通信システム１の構成は、図１に示した実施例１に係る無線通信システムの構成と同様である。また、実施例２に係る基地局及び無線通信端末の構成は、図２〜図５に示した実施例１に係る基地局及び無線通信端末の構成とそれぞれ同様である。したがって、実施例２では、実施例１と共通する構成要素には、同一の参照符号を用いると共に、その図示及び詳細な説明は省略する。実施例２が実施例１と異なる点は、基地局１０の動作である。すなわち、実施例１では、基地局１０は、一旦拡張したスロットの増減制御を行わずパケットの受信を待機するものとしたが、実施例２では、基地局１０は、受信パケット量に応じて、一旦拡張したスロットの拡張頻度（所定時間当たりの拡張回数）や拡張分の増減制御を行う。以下においては、このような実施例２に係る基地局１０の動作を、図９を参照しながら、実施例１との相違点を中心として説明する。

図９は、実施例２に係る基地局１０の動作を説明するためのフローチャートである。図９は、実施例１に係る動作の説明において参照した図６と、共通するステップを含むため、これらのステップには、末尾が同一の参照符号を付すと共に、その詳細な説明は省略する。具体的には、図９のステップＳ３１〜Ｓ３３は、図６に示したステップＳ１〜Ｓ３にそれぞれ対応する。

Ｓ３４では、プロセッサ１０ｅは、Ｓ３３で拡張されたスロット内での受信パケット数、すなわち、余剰期間における受信パケット数が下限閾値Ｔ_１を超過したか否かの判定を行う。当該判定の結果、上記受信パケット数＞下限閾値Ｔ_１である場合（Ｓ３４；Ｙｅｓ）、プロセッサ１０ｅは、Ｓ３３で拡張されたスロット内での受信パケット数、すなわち、余剰期間における受信パケット数が上限閾値Ｔ_２以下であるか否かの判定を行う（Ｓ３５）。当該判定の結果、上記受信パケット数≦上限閾値Ｔ_２である場合（Ｓ３５；Ｙｅｓ）、受信パケット数は、現時点の余剰期間に鑑みて適度な値に維持されている。このため、Ｓ３１に戻り、プロセッサ１０ｅは、ＲＦ回路１０ａに対して、競合期間におけるパケット受信の再開を指示する。

ここで、余剰期間でのパケット通信では、付与されたスロットの内、実際の使用割合が少な過ぎると、余剰期間はスロット過剰となる。これにより、基地局１０の電力が無駄に消費されることとなり、省電力化の観点から好ましくない。これに対して、付与されたスロットの内、実際の使用割合が多過ぎると、余剰期間はスロット不足となる可能性がある。これにより、無線通信端末２０、３０、４０から送信しきれないパケット（パケットロス）が発生する可能性がある。したがって、無線通信システム１は、付与されたスロットの内、例えば、７〜８割程度を使用して、パケットの送受信を行うことが好ましい。そこで、基地局１０は、受信パケット数の下限閾値Ｔ_１として、例えば、スロットを使用して送受信可能な総パケット数の４割のパケット数を設定することができる。同様に、基地局１０は、受信パケット数の上限閾値Ｔ_２として、例えば、スロットを使用して送受信可能な総パケット数の９割のパケット数を設定することができる。

上記Ｓ３４における判定の結果、上記受信パケット数≦下限閾値Ｔ_１である場合（Ｓ３４；Ｎｏ）、付与されたスロットに占める使用割合が少な過ぎるとの判断が可能である。すなわち、パケット衝突が検知されたにも拘らず、現時点では、余剰期間での再送を要するパケットの数が充分に少なかったとの判断が可能である。したがって、プロセッサ１０ｅは、Ｓ３３で拡張されたスロットを減少させ、余剰期間を短縮する。その手法として、プロセッサ１０ｅは、受信電力強度の閾値Ｔ_３の上昇、あるいは、拡張スロットの減少を採ることができる（Ｓ３６）。プロセッサ１０ｅが受信電力強度の閾値Ｔ_３を上昇させることで、従前よりもパケットの衝突が検知され難くなり、これに伴い、スロットは拡張され難くなる。つまり、スロット拡張の頻度が下がる。一方、プロセッサ１０ｅが、付与する拡張スロットを減少させることで、スロットの拡張分が減少する。つまり、スロット拡張の幅が減る。上記何れの手法によっても、Ｓ３３で一旦拡張されたスロットは減少するため、余剰期間は短縮する。

なお、プロセッサ１０ｅは、上記２つの手法の内、何れか一方を選択的に採る必要はなく、双方の手法を併せて採るものとしてもよい。Ｓ３６の処理終了後は、スロットの調整が完了したことから、上述したＳ３５の処理に移行する。

上記Ｓ３５における判定の結果、上記受信パケット数＞上限閾値Ｔ_２である場合（Ｓ３５；Ｎｏ）、付与されたスロットに占める使用割合が多過ぎるとの判断が可能である。すなわち、パケットの衝突検知の際、無線通信端末２０、３０、４０に不達のまま残存しているパケットの数が充分に多いとの判断が可能である。したがって、プロセッサ１０ｅは、Ｓ３３で拡張されたスロットを更に増加させ、余剰期間を延長する。その手法として、プロセッサ１０ｅは、受信電力強度の閾値Ｔ_３の下降、あるいは、拡張スロットの増加を採ることができる（Ｓ３７）。プロセッサ１０ｅが受信電力強度の閾値Ｔ_３を下降させることで、従前よりもパケットの衝突が検知され易くなり、これに伴い、スロットは拡張され易くなる。つまり、スロット拡張の頻度が上がる。一方、プロセッサ１０ｅが、付与する拡張スロットを増加させることで、スロットの拡張分が増加する。つまり、スロット拡張の幅が増える。上記何れの手法によっても、Ｓ３３で一旦拡張されたスロットは更に増加するため、余剰期間は延長する。

なお、Ｓ３７においてもＳ３６と同様、プロセッサ１０ｅは、上記２つの手法の内、何れか一方を選択的に採る必要はなく、双方の手法を併せて採るものとしてもよい。Ｓ３７の処理終了後は、スロットの調整が完了したことから、上述したＳ３１の処理に移行する。そして、プロセッサ１０ｅは、再び、次の競合期間におけるパケット受信の開始を待機することとなる。

ここで、上記Ｓ３６、Ｓ３７における受信電力強度閾値Ｔ_３の上昇及び下降に関し、プロセッサ１０ｅは、新たな閾値Ｔ_３＝現在の閾値Ｔ_３±５ｄＢという様に、例えば、５ｄＢ単位で増減させることができる。これと同様に、上記Ｓ３６、Ｓ３７にて与えられるスロットの増減制御に関し、プロセッサ１０ｅは、新たな付与スロット量＝現在の付与スロット量±３パケット分という様に、例えば、３パケット単位で増減させることができる。

上述したように、実施例２に係る無線通信システム１によれば、基地局１０は、データ処理部１２とスロット拡張量判定部１４とを少なくとも有する。スロット拡張量判定部１４は、上記第２の期間（余剰期間）におけるパケット受信回数を計数する。データ処理部１２は、上記パケット受信回数に応じて、通信不可状態から通信可能状態に遷移された上記第２の期間の拡張頻度または拡張分（幅）を増減させる。具体的には、データ処理部１２は、上記パケット受信回数が第１の所定値（下限閾値Ｔ_１）を下回る場合、上記遷移された第２の期間を減少させる。また、データ処理部１２は、上記パケット受信回数が、上記第１の所定値よりも大きい第２の所定値（上限閾値Ｔ_２）を上回る場合、上記遷移された第２の期間を増加させる。これにより、スロット拡張の実行頻度及び実行量は、基地局１０により制御されると共に、余剰期間の使用割合は、常に所定値（例えば、８割程度）を維持するように調整される。したがって、過不足の無いスロット拡張制御が実現される。その結果、余剰期間の適応的かつ効率的な活用が可能となる。

次に、図１０を参照して、無線通信システム１が、競合期間、非競合期間、及び余剰期間を使用して、パケットの送受信を行う方法について説明する。図１０は、１つのスーパーフレームＦ内で、各無線通信端末２０、３０、４０からのパケット送信に各期間が使用される様子を示す図である。図１０に示すように、スーパーフレームＦでは、時間ｔ軸上の先頭に位置する競合期間Ｌ１内において、無線通信端末２０、３０の送信したパケットＰ１、Ｐ２が衝突した場合を想定する。

非競合期間Ｌ２内では、無線通信端末４０から送信されたパケットＰ３用のスロットが、時分割多重化（ＴＤＭ：Time Division Multiplex）方式により時間軸上に割り当てられている。このスロットは、無線通信端末４０がパケットＰ３を基地局１０に送信するため、基地局１０が、非競合期間Ｌ２を用いてパケットＰ３専用に個別に割り当てたスロットである。このため、パケットＰ３は、非競合期間Ｌ２において他のパケットと衝突することはない。一方、競合期間Ｌ１では、非競合期間Ｌ２のように、各パケットに対する個別の帯域割当ては行われない。このため、パケットＰ１、Ｐ２のように、複数のパケットが衝突することがある。

基地局１０により衝突が検知されると、ポールパケットＰ４、Ｐ５の配信により、再送要求が行われる。図１０では、ポールパケットＰ４は、無線通信端末２０に対する帯域の割当てを行うためのパケットであるため、無線通信端末２０は、ポールパケットＰ４の受信に反応して、競合期間Ｌ１において前回送信したパケットＰ１の再送信を、余剰期間Ｌ３内で試行する。余剰期間Ｌ３では、パケットＰ１は、ポールパケットＰ４により個別に割り当てられた帯域を用いて再送されるため、余剰期間Ｌ３での再衝突は回避される。同様に、ポールパケットＰ５は、無線通信端末３０に対する帯域の割当てを行うためのパケットである。このため、ポールパケットＰ５の受信に反応して再送されたパケットＰ２は、余剰期間Ｌ３において、他のパケットと再衝突することはない。

上述したように、競合期間Ｌ１にてパケット衝突が発生した場合、無線通信端末は、従来であれば、次回のスーパーフレームにおける自端末宛の非競合期間または競合期間まで、再送を待機しなければならなかった。しかしながら、本実施例に係る無線通信端末２０、３０、４０は、同一スーパーフレーム内の余剰期間Ｌ３を用いて、パケットを再送信することができる。したがって、スーパーフレームの送信間隔によっては、パケット遅延が大幅に抑えられることとなる。併せて、余剰期間Ｌ３は、常時使用されるわけではなく、パケットの衝突が発生した場合にのみ、再送期間として使用される。したがって、基地局１０の消費電力は抑制される。

本実施例に係る無線通信システム１の適用先としては、無線通信システム１は、競合期間と余剰期間の併存を前提とすることから、過剰なトラフィックが生じないネットワークが望ましい。また、無線通信システム１は、パケット伝送遅延を抑制するシステムであることから、パケット遅延による支障の大きいネットワークであることが望ましい。更に、適用先のネットワークは、非競合期間の各端末への割当てが少ない、換言すれば非競合期間でやり取りすべきトラフィックが少なく、かつ省電力が求められるネットワークであることが望ましい。これは、非競合期間を多く割り当てることが可能なネットワークの場合、衝突を抑えるためには、この非競合期間で通信を行うのが最も有効な方法だからである。これらの観点から、本実施例に係る無線通信システム１は、例えば、ＢＡＮ（Body Area Network）への適用が好適である。ＢＡＮでは、人体に装着されたセンサ（無線通信端末２０、３０、４０に相当）の感知した情報は、１時間に１回程度の低頻度で送受信されることが多く、トラフィック量が少ない。一方で、ＢＡＮでは、生命や身体の危険が迫っていることを通知するため、遅延による支障の大きい緊急パケットが発生することがあるからである。同様の理由により、本実施例に係る無線通信システム１は、所定の時間間隔（例えば、１回／１時間）で外界温度の測定が必要となる、工場内の監視ネットワークへの適用が好適である。

なお、上記各実施例においては、基地局１０と無線通信端末２０、３０、４０との間に適用される無線通信方式として、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）を例示したが、これに限らず、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷｉＦｉ（登録商標）等であってもよい。また、上記各実施例は、近距離無線通信に限らず、ＬＴＥ（Long Term Evolution）や３Ｇ（Generation）にも適用することができる。

また、上記各実施例においては、基地局１０、無線通信端末２０、３０、４０の各構成要素は、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的態様は、図示のものに限らず、その全部又は一部を、各種の負荷や使用状況等に応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することもできる。例えば、スロット拡張量判定部１４と受信電力強度閾値決定部１５、あるいは、データ処理部２２、３２、４２と再送タイミング制御部２３、３３、４３をそれぞれ１つの構成要素として統合してもよい。反対に、例えばスロット拡張量判定部１４に関し、余剰期間内に受信されたパケット数をカウントする部分と、実際にスロット拡張頻度や拡張量を決定する部分とに分散してもよい。更に、受信電力強度やその閾値あるいは受信パケットを格納するメモリを、基地局１０の外部装置としてネットワークやケーブル経由で接続するようにしてもよい。

また、上記説明では、個々の実施例毎に個別の構成、及び動作を説明した。しかしながら、各実施例に係る無線通信システム１は、他の実施例や変形例に特有の構成要素を併せて有するものとしてもよい。また、実施例、変形例毎の組合せについても、２つに限らず、３つ以上の組合せ等、任意の形態を採ることが可能である。例えば、実施例２に係る基地局１０が、受信パケット数に応じたスロット拡張制御処理を実行しつつ、変形例１のように、残余競合期間での再送を中止し余剰期間迄の待機を行うものとしてもよい。更に、１つの無線通信システムが、実施例１、２及び変形例１において説明した全ての構成要素を併有するものとしてもよい。

１ 無線通信システム
１０ 基地局
２０、３０、４０ 無線通信端末
１０ａ、２０ａ、３０ａ、４０ａ ＲＦ回路
１０ｂ、２０ｂ、３０ｂ、４０ｂ 変調回路
１０ｃ、２０ｃ、３０ｃ、４０ｃ 復調回路
１０ｄ、２０ｄ、３０ｄ、４０ｄ ＭＡＣ処理回路
１０ｅ、２０ｅ、３０ｅ、４０ｅ プロセッサ
１０ｆ、２０ｆ、３０ｆ、４０ｆ メモリ
１０ｇ、２０ｇ、３０ｇ、４０ｇ ＲＯＭ
１０ｈ、２０ｈ、３０ｈ、４０ｈ ＨＤ
１０ｉ ＳＩＲ／ＲＳＳＩ測定回路
２０ｊ、３０ｊ、４０ｊ センサ
１１ 受信電力強度測定部
１２ データ処理部
１３ 通信部
１４ スロット拡張量判定部
１５ 受信電力強度閾値決定部
２１、３１、４１ 通信部
２２、３２、４２ データ処理部
２３、３３、４３ 再送タイミング制御部
Ａ１、Ａ２ アンテナ
Ｆ スーパーフレーム
Ｌ１ 競合期間
Ｌ２ 非競合期間
Ｌ３ 余剰期間
Ｐ１ 無線通信端末２０が送信したパケット
Ｐ２ 無線通信端末３０が送信したパケット
Ｐ３ 無線通信端末４０が送信したパケット
Ｐ４ 無線通信端末２０に割当てを行うためのポールパケット
Ｐ５ 無線通信端末３０に割当てを行うためのポールパケット
Ｐｒ 余剰期間でのパケット再送確率
Ｒ 再送回数
ｔ 時間
Ｔ_１ 受信パケット数の下限閾値
Ｔ_２ 受信パケット数の上限閾値
Ｔ_３ 受信電力強度の閾値

Claims (6)

1. 通信可能状態にある第１の期間に複数の無線通信端末から送信されたデータの衝突を検知する検知部と、
   前記衝突が検知された場合、前記第１の期間と同一のフレーム内に属し、通信不可状態にある第２の期間を通信可能状態に遷移させる制御部と、
   遷移された前記第２の期間を用いて、前記複数の無線通信端末に対して前記データの再送信を要求すると共に、該要求に応じて前記複数の無線通信端末から送信されるデータを、前記第２の期間を用いて受信する通信部と
   を有することを特徴とする基地局。
2. 前記通信部は、前記要求に応じて、前記無線通信端末自身の抽選により選ばれた無線通信端末から送信されたデータを受信することを特徴とする請求項１に記載の基地局。
3. 前記第２の期間におけるデータ受信回数を計数する計数部を更に有し、
   前記制御部は、前記データ受信回数に応じて、前記遷移された第２の期間を増減させることを特徴とする請求項１に記載の基地局。
4. 前記制御部は、前記データ受信回数が第１の所定値を下回る場合、前記遷移された第２の期間を減少させると共に、前記データ受信回数が、前記第１の所定値よりも大きい第２の所定値を上回る場合、前記遷移された第２の期間を増加させることを特徴とする請求項３に記載の基地局。
5. 複数の無線通信端末が基地局にデータを送信する無線通信システムであって、
   前記基地局は、
   通信可能状態にある第１の期間に複数の無線通信端末から送信されたデータの衝突を検知する検知部と、
   前記衝突が検知された場合、前記第１の期間と同一のフレーム内に属し、通信不可状態にある第２の期間を通信可能状態に遷移させる制御部と、
   遷移された前記第２の期間を用いて、前記複数の無線通信端末に対して前記データの再送信を要求すると共に、該要求に応じて前記複数の無線通信端末から送信されるデータを、前記第２の期間を用いて受信する通信部とを有し、
   前記複数の無線通信端末は、
   前記第１の期間に前記データを前記基地局宛に送信すると共に、前記基地局への前記データの送達が確認されなかった場合、前記要求に応じて、前記第２の期間に前記データを前記基地局宛に再送信する通信部
   を有することを特徴とする無線通信システム。
6. 基地局が、
   通信可能状態にある第１の期間に複数の無線通信端末から送信されたデータの衝突を検知し、
   前記衝突が検知された場合、前記第１の期間と同一のフレーム内に属し、通信不可状態にある第２の期間を通信可能状態に遷移させ、
   遷移された前記第２の期間を用いて、前記複数の無線通信端末に対して前記データの再送信を要求すると共に、該要求に応じて前記複数の無線通信端末から送信されるデータを、前記第２の期間を用いて受信する
   ことを特徴とする無線通信方法。

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