JP2016123018A - 通信装置、通信装置の同期方法、通信プログラム及び通信システム - Google Patents

通信装置、通信装置の同期方法、通信プログラム及び通信システム Download PDF

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Abstract

【課題】 データフレームの送信間隔が長くても同期通信を維持できる、CSLに準拠した通信装置を提供する。【解決手段】 本発明は、ウェイクアップフレームの送信期間が非同期通信モードの方が同期通信モードより長くなっている、受信側の通信装置から間欠受信タイミング情報が返信される送信側の通信装置に関する。そして、同期通信モードでの過去2回の送信での間隔と、そのうちの古い側の送信に対する間欠受信タイミング情報の、過去2回の送信間隔に応じた補正量とを保存している保存部と、新たな送信時に、保存送信間隔と今回及び前回の送信間隔との比、並びに、保存補正量に基づいて、前回の間欠受信タイミング情報を補正する補正部と、補正された情報に基づいて、今回の送信タイミングを決定する決定部とを有することを特徴とする。【選択図】 図1

Description

本発明は、通信装置、通信装置の同期方法、通信プログラム及び通信システムに関し、例えば、無線通信装置同士が自律的に同期を取って通信タイミングを定めてデータの送受信を行うシステムに適用し得るものである。
例えば、センサネットワークを構成するノード(無線通信装置)は、省電力通信を行うようになされている。省電力通信の代表的な方法として受信ノードが間欠動作する方法があり、例えば、CSL(Coordinated Sampled Listening)は、この受信ノードの間欠動作方法を採用している通信規格である(非特許文献1参照)。
図5は、CSLによるデータ通信動作の概略を示すタイミングチャートである。
CSL受信周期(CSLPeriod)、最大CSL受信周期(MaxCSLPeriod)、起動時間(適宜、ウェイクアップフレーム受信区間とも呼ぶ)を各ノードに予め設定しておく。最大CSL受信周期は、送信ノード側から見ればウェイクアップフレームの繰り返し送信時間の最大時間(最大ウェイクアップフレーム送信時間)となっている。また、起動時間は、受信ノードがウェイクアップしている受信待機時間になっている。
データを送信しようとする送信ノードSは、まず、非同期送信モードでデータの送信動作を実行する。非同期送信モードの動作は、以下のようなものである。送信ノードSは、ウェイクアップフレームを最大CSL受信周期の間、受信ノードRに向けて繰り返し送信する。ウェイクアップフレームには、データ送信までの残り時間を表すランデブー時間(RZTime)を記述する。ランデブー時間は、ウェイクアップフレームを送信するごとに減少することになる。最大CSL受信周期の間だけウェイクアップフレームを繰り返し送信したならば、引き続き、データフレームをノードRに送信する。
ノードRは、1CSL受信周期の内、ウェイクアップフレーム受信区間だけ受信待機状態となり、それ以外の時間は受信動作を行わないスリープ状態となっている。
ノードRが受信待機状態W2において、ノードSからのウェイクアップフレームWU3を受信すれば、そのフレームWU3中のランデブー時間を取得する。そして、ランデブー時間の直前まで受信動作を停止させ、ランデブー時間の直前になると受信待機状態W3にしてノードSからのデータフレームD1を受信する。
ノードRは、データフレームD1を受信すれば受信応答フレームACK1をノードSに返送する。受信応答フレームACK1には、CSL受信周期と、受信タイミングのずれ(受信待機状態W2及びW3間の時間と、CSL受信周期とのずれ)を表すCSLフェーズ(CSLPhase)を挿入する。言い換えると、CSLフェーズは、ウェイクアップフレーム中の同期情報の時刻と受信時刻とのずれを表しており、送信ノードS側で受信ノードRとの同期を維持するための受信ノードR側から指示された補正量(同期補正量)になっている。
ノードSは、ノードRから受信応答フレームACK1を受信しなければ、次のデータ送信時も再び非同期送信モードでノードRに対しウェイクアップフレームを繰り返し送信した後にデータ送信を行う。
ノードSは、ノードRから受信応答フレームACK1を受信すれば同期送信モードになる。ノードSは、受信応答フレームACK1中のCSL受信周期、CSLフェーズを保持し、ノードRとの同期の補正を行う。そして、ノードSは、ノードRへの次のデータ送信時に、補正後の送信タイミングでウェイクアップフレームWU6を送信する。このような同期送信モードが確立されている間のウェイクアップフレームWU6の送信は、2ノードS及びR間のタイマのクロック精度差等を考慮して行うもので、最大CSL受信周期に比べ大幅に短い時間STだけ実行する(図5では1フレームのみ送信するように記載しているが、その短時間STの間に複数フレームを繰り返し送信しても良い;以下では、この短時間STをウェイクアップフレーム送信時間と呼ぶ)。
同期通信モードでも、受信応答フレームACKが受信ノードRから返送されなければ、送信ノードSは非同期送信モードに遷移し、次のデータ送信時に非同期送信モードでの送信動作を行う。
IEEE Std 802.15.4e−2012 5.1.11.1章
しかしながら、従来では、各ノードの内部時計(タイマ)は一旦同期した以降は自己が発生したクロックによって時刻を更新するため、省電力効果と同期精度とはトレードオフの関係にあった。ウェイクアップフレーム受信区間が短いほど受信ノードRにおける省電力効果がある。一方、ウェイクアップフレーム受信区間を短くすると、2ノードの内部時計間の同期ずれ等の影響によりウェイクアップフレームを受信し難くなる。
なお、同期通信モードにおいて、データフレームの通信が行われる毎に、送信ノードと受信ノードとの同期合わせが実行されて同期ずれが解消されるが、前回のデータフレームの送信時から長時間経過してから新たなデータフレームを送信しようとした場合、同期ずれによる時刻差が大きくなって、次のデータフレームの送信に先立つウェイクアップフレームを受信ノードが受信できないことも生じる。
図6を用いて、同期ずれによって次のデータフレームの送信に先立つウェイクアップフレームを受信できない状況が生じることを説明する。
今、ウェイクアップフレーム送信時間(最大ウェイクアップフレーム送信時間ではないので注意を要する)が100ミリ秒とする。図6は、ウェイクアップフレーム送信時間の間に、送信ノードSが5つのウェイクアップフレームWU11〜WU15を繰り返し送信しようとしている場合を示している。同期ずれを考慮すると、ウェイクアップフレーム送信時間の中央(開始時刻から50ミリ秒程度が経過したタイミング)で受信ノードRにおける起動時間が生じていることが好ましい。また、送信ノードSは、前回データフレームを送信したときから、1時間経過して新たなデータフレームを送信しようとしているとする。
図6(b1)は、受信ノードRの内部時計の方が送信ノードSの内部時計より進んでいる場合を示している。送信ノードSが前回にデータフレームを送信したときからの経過時間である1時間の間に、受信ノードRの内部時計が送信ノードSの内部時計より50ミリ秒程度だけ進んだ場合を示している。2つの内部時計が完全に同期している場合であれば、受信ノードRはウェイクアップフレームWU13を受信できるようなタイミングでウェイクアップフレーム受信区間(起動時間)となるが、受信ノードRの内部時計が送信ノードSの内部時計より50ミリ秒程度進んでいると、受信ノードRは最初のウェイクアップフレームWU11を受信できるようなタイミングでウェイクアップフレーム受信区間となり、ウェイクアップフレームWU11を受信することになる。仮に、受信ノードRの内部時計が送信ノードSの内部時計よりこれ以上進むと、受信ノードRはいずれのウェイクアップフレームWU11〜WU15も受信できず、非同期通信モードに遷移する。図6の例で言えば、受信ノードRの内部時計が送信ノードSの内部時計より50ミリ秒を超えて進んでいると、受信ノードRはいずれのウェイクアップフレームWU11〜WU15も受信できず、非同期通信モードに遷移する。
図6(b2)は、受信ノードRの内部時計の方が送信ノードSの内部時計より遅れている場合を示している。送信ノードSが前回にデータフレームを送信したときからの経過時間である1時間の間に、受信ノードRの内部時計が送信ノードSの内部時計より50ミリ秒程度だけ遅れた場合を示している。受信ノードRの内部時計が送信ノードSの内部時計より50ミリ秒程度遅れていると、受信ノードRは最後のウェイクアップフレームWU15を受信できるようなタイミングでウェイクアップフレーム受信区間となり、ウェイクアップフレームWU15を受信することになる。仮に、受信ノードRの内部時計が送信ノードSの内部時計よりこれ以上遅れると、受信ノードRはいずれのウェイクアップフレームWU11〜WU15も受信できず、非同期通信モードに遷移する。図6の例で言えば、受信ノードRの内部時計が送信ノードSの内部時計より50ミリ秒を超えて遅れていると、受信ノードRはいずれのウェイクアップフレームWU11〜WU15も受信できず、非同期通信モードに遷移する。
また、図6に示すように、例えば、100ミリ秒で5回ウェイクアップフレームを送信する場合であれば、ランデブー時間は約20ミリ秒を単位に行うことになる。このように、CSLは、時間の単位が粗く同期制御の精度を得難い。
以上のように、従来では、データフレームの送信間隔が長いときには送信ノード及び受信ノードの同期を確保することが困難であった。例えば、センサネットワーク等では2ノード間の通信周期が長時間となり、新たなデータフレームの通信時に同期が取れず、非同期通信モードに遷移するため大量のウェイクアップフレームを送信してしまうことになる。
そのため、データフレームの送信間隔が長くても同期通信を維持できる通信装置、通信装置の同期方法、通信プログラム及び通信システムが望まれている。
第1の本発明は、データフレームの送信に先立って送信するウェイクアップフレームの送信期間が非同期通信モードの方が同期通信モードより長くなっていると共に、当該通信装置からのデータフレームの受信により返信された、受信側の通信装置における間欠受信タイミング情報を得る送信側の通信装置において、(1)上記同期通信モードにおける過去の2回の送信での間隔と、上記2回のうちの古い側の送信に対する間欠受信タイミング情報の、2回の送信間隔に応じた補正量とを少なくとも保存している同期情報保存手段と、(2)新たなデータフレームの送信が必要となったとき、上記同期情報保存手段に保存されている送信間隔と今回及び前回の送信間隔との比、並びに、上記同期情報保存手段に保存されている上記補正量に基づいて、前回の間欠受信タイミング情報を補正する間欠受信タイミング情報補正手段と、(3)補正された前回の間欠受信タイミング情報に基づいて、受信側の通信装置における間欠受信タイミングを推測し、今回の送信時のウェイクアップフレームの送信タイミングを決定する送信タイミング決定手段とを有することを特徴とする。
第2の本発明は、データフレームの送信に先立って送信するウェイクアップフレームの送信期間が非同期通信モードの方が同期通信モードより長くなっていると共に、当該通信装置からのデータフレームの受信により返信された、受信側の通信装置における間欠受信タイミング情報を得る送信側の通信装置における同期方法において、(1)同期情報保存手段は、上記同期通信モードにおける過去の2回の送信での間隔と、上記2回のうちの古い側の送信に対する間欠受信タイミング情報の、2回の送信間隔に応じた補正量とを少なくとも保存しており、(2)間欠受信タイミング情報補正手段は、新たなデータフレームの送信が必要となったとき、上記同期情報保存手段に保存されている送信間隔と今回及び前回の送信間隔との比、並びに、上記同期情報保存手段に保存されている上記補正量に基づいて、前回の間欠受信タイミング情報を補正し、(3)送信タイミング決定手段は、補正された前回の間欠受信タイミング情報に基づいて、受信側の通信装置における間欠受信タイミングを推測し、今回の送信時のウェイクアップフレームの送信タイミングを決定することを特徴とする。
第3の本発明の通信プログラムは、データフレームの送信に先立って送信するウェイクアップフレームの送信期間が非同期通信モードの方が同期通信モードより長くなっていると共に、当該通信装置からのデータフレームの受信により返信された、受信側の通信装置における間欠受信タイミング情報を得る送信側の通信装置に搭載されるコンピュータを、(1)上記同期通信モードにおける過去の2回の送信での間隔と、上記2回のうちの古い側の送信に対する間欠受信タイミング情報の、2回の送信間隔に応じた補正量とを少なくとも保存している同期情報保存手段と、(2)新たなデータフレームの送信が必要となったとき、上記同期情報保存手段に保存されている送信間隔と今回及び前回の送信間隔との比、並びに、上記同期情報保存手段に保存されている上記補正量に基づいて、前回の間欠受信タイミング情報を補正する間欠受信タイミング情報補正手段と、(3)補正された前回の間欠受信タイミング情報に基づいて、受信側の通信装置における間欠受信タイミングを推測し、今回の送信時のウェイクアップフレームの送信タイミングを決定する送信タイミング決定手段として機能させることを特徴とする。
第4の本発明は、データフレームの送信に先立ってウェイクアップフレームを送信する送信側の通信装置と、受信周期毎に間欠的に生じる起動時間の間だけスリープ状態から受信待機状態に変化して、上記送信側の通信装置からのフレームを受信すると共に、データフレームの受信時に、間欠受信タイミング情報を上記送信側の通信装置へ送信する受信側の通信装置とを備え、通信モードとして、同期通信モードと非同期通信モードとを有し、ウェイクアップフレームの送信期間が非同期通信モードの方が同期通信モードより長くなっている通信システムにおいて、上記送信側の通信装置として、第1の本発明の通信装置を適用していることを特徴とする。
本発明によれば、データフレームの送信間隔が長くても同期通信を維持できる通信装置、通信装置の同期方法、通信プログラム及び通信システムを実現できる。
第1の実施形態の通信装置の構成を示すブロック図である。 第1の実施形態の通信装置における同期情報保存部に保存されている同期情報例を示す説明図である。 第1の実施形態の通信装置に上位レイヤの処理部からフレーム送信要求が与えられた場合の動作を示すフローチャートである。 第1の実施形態の通信装置の具体的な動作例の説明に用いる概念的なタイミングチャートである。 CSLによるデータ通信動作の概略を示すタイミングチャートである。 従来の課題を説明するためのタイミングチャートである。
(A)第1の実施形態
以下、本発明による通信装置、通信装置の同期方法、通信プログラム及び通信システムの第1の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
第1の実施形態の通信装置はCSLに準拠している無線通信装置である。第1の実施形態の通信システムは、第1の実施形態の通信装置を複数有して構成されている。なお、以下の説明において、通信装置を適宜「ノード」と呼ぶこととする。
(A−1)第1の実施形態の構成
図1は、送信ノード若しくは受信ノードとなる、第1の実施形態の通信装置の構成を示すブロック図である。
第1の実施形態の通信装置は、アンテナやRF受信部やRF送信部を備えているが、図1では、このようなハードウェアでしか実現できない構成部分を省略している。第1の実施形態の通信装置は、図1で示す構成部分をハードウェアで構成することも可能であり、また、CPUが実行するソフトウェア(通信プログラム)とCPUとで実現することも可能であるが、いずれの実現方法を採用した場合であっても、機能的には図1で表すことができる。
図1において、通信装置(ノード)10は、通信制御部11、フレーム受信部12、フレーム解析部13、同期判定部14、同期送信制御部15、同期ずれ補正部16、フレーム生成部17、フレーム送信部18、同期情報保存部19、同期専用フレーム生成部20及び設定情報受付部21を有する。
通信制御部11は、上位レイヤの処理部(図示せず)からフレーム送信要求が与えられたときにデータフレームの送信やそれに先立つウェイクアップフレームの送信などを制御し、送信結果を上位レイヤに通知したり、応答受信信号(ACK)やデータフレーム等を受信したときにそのことを上記レイヤの処理部に通知したりするものである。
通信制御部11は、フレーム送信要求が与えられると、同期送信制御部15の制御下でウェイクアップフレームを送信させ、同期送信制御部15からウェイクアップフレームの送信完了通知が与えられた後に、フレーム生成部17に対してデータフレームの送信要求を発するものである。
また、通信制御部11は、送信エラー時には、同期専用フレーム生成部20に対して同期専用フレームの生成を要求する。同期専用フレームのフォーマットは限定されない。例えば、ペイロードを備えない空のデータフレームを同期専用フレームとして適用することができる。
フレーム受信部12は、当該通信装置10へ到来するウェイクアップフレーム、データフレーム、同期専用フレームなどのフレーム(宛先は当該通信装置とは限らなし)を受信してフレーム解析部13に与えるものである。
フレーム解析部13は、受信したフレームを解析し、当該通信装置10宛てでなければ廃棄し、当該通信装置10宛てならば取り込んで通信制御部11及び同期判定部14に与えるものである。
同期判定部14は、同期送信制御部15の制御下で、当該通信装置10と、フレームの宛先ノードとの同期状態の判定を行うものである。同期判定部14は、例えば、同期送信制御部15の制御下で、受信応答フレームの到来の監視を開始し、開始時刻から所定時間内に受信応答フレームを受信したか否かを監視し、その結果を同期送信制御部15に与えるものである。
同期送信制御部15は、通信制御部11からウェイクアップフレームの送信が指示されたときに、同期情報保存部19の保存情報や、同期ずれ補正部16が補正したCSLフェーズなどに基づいて、ウェイクアップフレームの送信時刻、送信時間を決定し、この決定結果に従って、フレーム生成部17に対してウェイクアップフレームの送信要求を与えるものである。また、同期送信制御部15は、今回のフレーム送信要求に応じるための、ウェイクアップフレームの送信が完了したときには、ウェイクアップフレームの送信完了通知を通信制御部11に与えると共に、続くデータフレームの送信を考慮して同期判定部14に受信応答フレームの到来の監視を指示するものである。
同期ずれ補正部16は、同期送信制御部15の制御下で、今回のフレーム送信要求に応じるべく、同期情報保存部19内の保存情報と現時刻等の情報を用いてCSLフェーズを適宜補正して同期送信制御部15に与えるものである。図1では省略しているが、当該通信装置10の内部には、内部生成のクロックに基づいて現時刻を計時する時計(内部時計)が設けられている。
フレーム生成部17は、フレームの送信要求(ウェイクアップフレームの送信要求、データフレームの送信要求若しくは同期専用フレームの送信要求)が与えられると、送信フレームを生成してフレーム送信部18に与えるものである。
フレーム送信部18は、送信フレームを無線空間(無線ネットワーク)に送出させるものである。上述したように通信装置10が無線通信装置である場合を意図しているが、当該通信装置10が有線ネットワークの構成要素であっても良く、この場合には、フレーム送信部18は有線ネットワークへ向けて送信フレームを送出させる。
同期情報保存部19は、宛先ノード毎に、同期に関係する情報である同期情報を1つだけ保存しているものである。例えば、宛先ノードの識別には、そのノードのアドレス(通信アドレス)を用いる。同期情報は、同期通信モードに入っているか否かの情報と、ウェイクアップフレームの過去の送信情報などである。
図2は、同期情報保存部19に保存されている各時刻の同期情報の一例を示す説明図である。なお、図2における最も左側の欄「時刻」は、説明の便宜上、記載しているものであり、同期情報を構成しているものではない。ある時刻では、図2に示す1行分の同期情報が保存されている。例えば、時刻ts1以降時刻te1以前では1行目の同期情報だけが保存されており、時刻te1以降時刻te2以前では3行目の同期情報だけが保存されており、時刻te2以降時刻ts3以前では4行目の同期情報だけが保存されており、以下、同様である。
同期情報は、例えば、最大送信間隔F2、最大送信間隔時の補正量F3、CSLフェーズF4及び最終送信時刻F5でなり、宛先アドレスF1に対応付けられている。ここで、CSLフェーズF4に有効な値が記述されていることは受信応答フレームが到来したことを意味しており、同期通信モードに入っていることを表している。
同期専用フレーム生成部20は、通信制御部11の制御下で、同期専用フレームを生成し、その同期専用フレームについてのフレーム送信要求をフレーム生成部17に与えるものである。
設定情報受付部21は、当該通信装置10が利用する外部からの設定情報を受け付けるものである。例えば、IEEE 802.15.4が規定しているPIB(PAN Information Base)のようなデータベースが設定情報を受け付ける機能を適用して設定情報を受け付ける。上述した同期ずれ補正部16がCSLフェーズの補正を実施するか否かは、外部から設定情報受付部21に対して設定するようになされている。また、当該通信装置10の全体をCSL通信モードにするか否かも、外部から設定情報受付部21に対して設定するようになされている。
(A−2)第1の実施形態の動作
次に、第1の実施形態の通信装置10の送信に関連する動作を、図面を参照しながら説明する。
図3は、当該通信装置10がCSL通信モードに設定されているときに、上位レイヤの処理部からフレーム送信要求が与えられた場合の通信装置10の動作を示すフローチャートである。
なお、第1の実施形態の通信装置10は、送信ノードとして動作する際に従来にはない特徴的な動作を行い、受信ノードとして動作する際には従来との差異はほとんどないので、以下では、主に、送信ノードとしての動作を説明する。
通信装置10はCSL通信モードに設定されているときに、上位レイヤの処理部からデータフレームの送信要求が与えられると、図3に示す処理を開始する。フレーム送信要求が与えられた通信装置10における通信制御部11は、データフレームと同期専用フレームとを区別する回数パラメータXを0とし、実のデータフレームを表すものとする(ステップS100)。そして、通信制御部11は、同期送信制御部15に宛先ノードのアドレスを与えて同期情報保存部19を検索させ、宛先ノードのアドレスに対応付けられて同期情報が同期情報保存部19に記述されているか否か、言い換えると、当該通信装置10と宛先ノードとが同期状態にあるか否かを確認する(ステップS101)。
当該通信装置10と宛先ノードとが同期状態にあり、そのことを同期送信制御部15から通知された同期ずれ補正部16は、同期情報保存部19から、宛先アドレスの過去の最大送信間隔tmaxを読み出すと共に、前回のフレーム送信時刻tlastから現時刻tnowまでの間隔(今回の送信までの送信間隔(以下、今回の送信間隔と呼ぶ))を計算する(ステップS102)。そして、同期ずれ補正部16は、前回のCSLフェーズCSLPhaselastについて、過去の最大送信間隔tmax、そのときの同期補正量CSLPhasemax、前回のフレーム送信時刻tlastから現時刻tnowまでの送信間隔の情報を用いて(1)式に示すように補正し、補正したCSLPhasereを得て同期送信制御部15に与える(ステップS103)。(1)式における右辺第1項が、送信間隔に応じた補正量になっており(図2に示す最大送信間隔時の補正量も同様にして算出することができる)、前回のCSLフェーズCSLPhaselastに足し込むことにより、補正後のCSLPhasereが得られる。補正量は、当該通信装置10と宛先ノードの内部時計の相違を考慮した送信間隔分の同期ずれ時間の見積もりに該当する。なお、前回のCSLフェーズCSLPhaselastを常に補正するのではなく、今回の送信間隔tnow−tlastが閾値以上の場合だけ補正するようにしても良い。このように用いる閾値を、例えば、設定情報受付部21経由で予め設定しておく。
CSLPhasere
=CSLPhasemax*(tnow−tlast)/tmax
+CSLPhaselast …(1)
同期送信制御部15は、CSLフェーズの補正値CSLPhasereを用いて、次のウェーアップフレームの送信開始時刻を計算する(ステップS104)。
上述した当該通信装置10と宛先ノードとが同期状態にあるか否かの確認で、当該通信装置10と宛先ノードとが同期状態にないという結果を得た場合に、通信制御部11は、非同期送信モードにあるとして、非同期送信モードにおける決定方法に従って、次のウェイクアップフレームの送信開始時刻(例えば、現時刻とする)を決定する(ステップS105)。
同期送信制御部15は、ステップS104又はステップS105で決定したウェイクアップフレームの送信開始時刻から、予め定められているウェイクアップフレーム送信時間又は最大ウェイクアップフレーム送信時間の間、ウェイクアップフレームの送信要求を繰り返しフレーム生成部17に与えてウェイクアップフレームを生成させ、フレーム送信部18からウェイクアップフレームを繰返し送信させる(ステップS106)。
ウェイクアップフレームの繰返し送信が終了すれば、通信制御部11に同期送信制御部15からその旨が通知され、これにより、通信制御部11が直ちにデータフレームの送信要求をフレーム生成部17に与えてデータフレームを生成させ、フレーム送信部18からデータフレームを送信させる(ステップS107)。このステップS107の処理の前半では、パラメータXに基づいて、これから送信しようとするフレームが実のデータフレームか同期専用フレームかの確認がなされる。仮に、パラメータXが同期専用フレームを規定している場合には、このステップS107では、通信制御部11が同期専用フレームの送信要求を同期フレーム生成部20に与えて同期専用フレームを生成させてフレーム生成部17経由でフレーム送信部18に与えて、フレーム送信部18から同期専用フレームを送信させる。
通信制御部11(や同期判定部14)は、フレーム解析部13から、データフレーム(若しくは同期専用フレーム)の宛先ノードからの受信応答フレーム(ACKフレーム)を受信した旨の通知を待ち受ける(ステップS108)。ここで、データフレーム(若しくは同期専用フレーム)の送信時刻から所定時間内に受信応答フレームが到来しない場合に受信応答フレームを受信できないと判断する(仮に、所定時間を超えて受信応答フレームが到来することがあっても「受信できない」と取り扱う)。情報伝送線の図示は省略しているが、例えば、通信制御部11から同期判定部14へ、受信応答フレームの受信有無の情報が与えられる。
受信応答フレームを受信すると、同期送信制御部15は、同期判定部14による当該通信装置10と宛先ノードとの同期状態の判定結果に応じて、同期情報保存部19における宛先ノードの同期情報を更新し、また、通信制御部11は上位レイヤに対して、フレーム送信要求に応えた受信応答フレームを受信したことを表すフレーム受信通知を送出する(ステップS109)。
以下、この際の同期情報の更新方法を説明する。受信応答フレーム中のCSLフェーズCSLPhaseを同期情報保存部19の当該宛先ノードのCSLフェーズCSLPhaselastに上書きする。さらに、前回のフレームの送信時刻tlastから現時刻tnowまでの時間である今回の送信間隔tnow−tlastの方が、同期情報保存部19に記述されている当該宛先アドレスの最大送信間隔tmaxより長いならば、同期情報保存部19の当該宛先アドレスの最大送信間隔tmaxを今回の送信間隔tnow−tlastに更新し、最大送信間隔tmaxに対応するフェーズである最大送信間隔時の補正量CSLPhasemaxをステップS103で求めた同期ずれ補正値CSLPhasereと受信応答フレームにおけるCSLフェーズの値CSLPhaseを足した値に更新する。
同期情報の更新が終了すると、パラメータXの値に基づいて、2回目の同期専用フレームの送信が必要か否かを判断する(ステップS110)。すなわち、送信が成功した今回のデータフレームが、実のデータフレームか、1回目の同期専用フレームか、2回目の同期専用フレームかを判断する。送信が成功した今回のデータフレームが、実のデータフレームである場合、及び、2回目の同期専用フレームである場合には、上位レイヤの処理部から新たなデータフレームの送信要求が与えられるのを待ち受ける状態に戻る。一方、送信が成功した今回のデータフレームが、1回目の同期専用フレームである場合には、パラメータXの値を2回目の同期専用フレームを表す値に更新し、後述する同期専用フレームの送信待ち時間の経過を待って後述するステップS114に移行する。
これに対して、データフレーム(若しくは同期専用フレーム)の送信に対する受信応答フレームを受信できず、同期状態ではないという判定結果が同期判定部14から与えられた同期送信制御部15は、同期情報保存部19における当該宛先ノードの同期情報を削除する(ステップS112)。なお、1回受信応答フレームを受信できない場合に直ちに同期情報を削除するのではなく、所定回数だけデータフレームを再送してもいずれの再送に対しても、受信応答フレームを受信しなかった場合に同期情報を削除するようにしても良い。また、通信制御部11から上位レイヤの処理部への報告も、受信応答フレームを受信できないときに行っても良く、再送の結果などを反映させて、送信要求に対する1つの結果として報告するようにしても良い。
その後、通信制御部11は、パラメータXの値を1回目の同期専用フレームを表す値に更新し、後述するステップS114に移行する。ステップS114では、通信制御部11は、X回目の同期専用フレームの送信要求が生じさせて上述したステップS101の処理に戻る。
以上のように、データフレーム(実のデータフレーム又は同期専用フレーム)の送信に対する受信応答フレームを受信できなかった場合には、宛先ノードに向けて同期専用フレームを2回送信させ、送信毎に同期情報の見直しを実行させることとした。同期専用フレームの1回目の送信は、例えば、データフレームの送信に対する受信応答フレームを受信できないと判断した直後に行う。同期専用フレームの2回目の送信は、同期情報保存部19における最大送信時間tmaxより長く今回の送信間隔tnow−tlastより短い、同期専用フレームの送信待ち時間(この待ち時間の決定方法は任意であり、例えば、2つの時間tmax及びtnow−tlastの平均時間を適用できる)が、1回目の送信時点から経過したときに行う。但し、送信エラーを上位レイヤの処理部に通知したとき、上位レイヤの処理部から同一宛先へのデータフレームの送信要求が直ちにあれば1回目の同期専用フレームの送信は省略するようにして良い。
ここで、受信応答フレームを受信できなかった場合には同期専用フレームを2回送信させるのは、同期専用フレームの1回だけの送信では、同期情報中における最大送信間隔と、最大送信間隔時の補正量とを得ることができないためであり、最大送信間隔及び最大送信間隔時の補正量は、同期専用フレームの2回の送信で得ることができる。
同期専用フレームは、同期情報を取得する目的のためのデータフレームであるため、そのペイロードは空であっても良い。宛先ノードでは、図示は省略するが、同期専用フレームの受信時にも受信応答フレームを送信するが、同期専用フレームをデータフレームとしては無効なものとして取り扱う(例えば、破棄する)。
同期専用フレームの送信は、本来のデータフレームに送信に対する受信応答フレームを受信できない場合であっても、同期専用フレームの送信を通じて受信応答フレームを受信して同期情報を更新させておき、将来のデータフレームの送信時に、上述した(1)式の補正を実行できるようにしておくためである。
図3の処理で行っていることを概念的に表現すると、以下の通りである。当該通信装置10と宛先ノードの内部時計における短時間での誤差(同期ずれ)を調べ、前回のデータフレームから長時間経っている場合には、この長時間での誤差を予想し、その予測に基づいて、ウェイクアップフレームの送信開始時刻を決定し、送信を開始する。データフレームの送信に対し、宛先ノードから受信応答フレームが到来しない場合のような送信間隔が長時間のために非同期になったときには、データフレームの送信間隔中の時点で同期専用フレームを送信して当該通信装置10と宛先ノードの内部時計におけるその時間間隔での誤差を調べ、その後の実のデータフレームの送信に、その誤差の情報を利用できるようにしておく。
次に、第1の実施形態の通信装置10の動作を、具体例を用いて説明する。図4は、この説明に用いる概念的なタイミングチャートであり、ノードSからノードRにCSL通信モードでフレームを送信する場合を示している。
送信側のノード(以下、送信ノードと呼ぶ)Sは、時刻ts1、ts2、…のタイミングで、受信側のノード(以下、受信ノードと呼ぶ)Rに対して、データフレーム(及びそれに先立つウェイクアップフレーム)を送信する。また、時刻te1、te2では、送信ノードSは、受信ノードとタイミングをとるための同期専用フレーム(及びそれに先立つウェイクアップフレーム)を送信する。また、図4では「時刻」と表現しているが、正確に言えば、データフレーム及びそれに先立つウェイクアップフレームを送信するのに要する時間であり、その時間におけるある時刻(例えば、最初のウェイクアップフレームの送信時刻)を代表させて図4で記載している。受信ノードRについても、「時刻」は所定幅の時間を表している。受信ノードRは、時刻tr1、tr2、…のように、CSL受信周期のタイミング毎に起動(受信待機)する。非特許文献1では、CSL受信周期は1秒レベルで行うと規定されているが、以下では、説明を分かり易くするためにCSL受信周期が10分であるとして説明する。
上述した図2は、同期情報保存部19に、図4における各時刻ts1、ts2、te1、te2、ts3、ts4で保存された同期情報を表している。以下では、同期情報が図2に示すように変化することも、併せて説明する。
時刻ts1では、送信ノードSから受信ノードRに実のデータフレームを送信できたとする。このとき、同期情報保存部19には、図2の1行目(時刻「ts1」の行)のように、ノードRのアドレス2222が記述された宛先アドレスに対応付けられて、受信応答フレームにおけるCSLフェーズ(図2の例では0.1)がCSLフェーズとして、現時刻ts1が最終送信時刻として記述される。
前回の送信時刻ts1から40分程度経過した時刻ts2で新たな送信が必要なったとする。送信ノードSから受信ノードRへフレーム送信しようとしたが両ノードS及びR間で同期が取れずにフレーム送信に失敗したとする(受信応答フレームを受信できなかったとする)。この場合には、同期情報が削除されるので、時刻ts2の同期情報保存部19の内容は宛先アドレスだけとなる。
フレーム送信に失敗したので(受信応答フレームを受信できなかったので)、次の送信時刻te1において、同期専用フレームの1回目の送信が実行される。この時刻te1のフレーム送信において、再び同期が取れてフレーム送信が成功したとする。このとき、同期情報保存部19には、図2の3行目(時刻「te1」の行)のように、ノードRのアドレス2222が記述された宛先アドレスに対応付けられて、受信応答フレームにおけるCSLフェーズ(図2の例では0)がCSLフェーズとして、現時刻te1が最終送信時刻として記述される。以上では、時刻te1において同期専用フレームを送信すると記載したが、例えば、上位レイヤの処理部からに指示に応じて、前回、送信に失敗したデータフレームを今回の時刻te1において再送するようにしても良く、この場合には1回目の同期専用フレームの送信が省略される。
その後、時刻te2において、同期専用フレームの2回目の送信が実行される。フレーム送信が成功したとする。そのため、同期情報保存部19の内容が更新される。前回の送信時刻te1から今回の送信時刻te2までのフレーム送信間隔が10分とすると、最大送信間隔として10分が記述される。今回の送信間隔が最大送信間隔の最初の有効な間隔となったので、最大送信間隔時の補正量として今回の受信応答フレームにおけるCSLフェーズの値である0.1が記述される。CSLフェーズには、今回の送信時の受信応答フレームにおけるCSLフェーズの0.1が記述され、最終送信時刻には現時刻te2が記述される。
前回の送信時刻te2から20分程度経過した時刻ts3で新たなフレーム(実のデータフレーム)の送信が必要なったとする。同期情報保存部19の情報を用い、送信間隔が20分のときのCSLフェーズの補正量は、上述した(1)式に具体的な値を適用した(2)式の右辺第1項に示すように0.2秒となり、前回の受信応答フレームにおけるCSLフェーズの0.1秒を加算することにより、補正後のCSLフェーズCSLPhasereとして0.3秒が得られる。この得られた補正後のCSLフェーズCSLPhasereをCSLフェーズとして適用してフレーム送信時刻を決定する。
CSLPhasere=0.1×(20/10)+0.1=0.3 …(2)
今回の送信間隔(20分)は同期情報保存部19における最大送信間隔(10分)より長いので、受信応答フレームを受信すれば、宛先アドレス2222に対応するCSLフェーズ及び最終送信時刻を更新するだけでなく、最大送信間隔及び最大送信間隔時の補正量も更新する。補正後のCSLフェーズCSLPhasereをフレーム送信時刻の決定に適用して同期合せを行っているので、今回返信された受信応答フレームにおけるCSLフェーズはごく小さい値になる(図2は0秒の場合を示している)。
前回の送信時刻ts3から40分程度経過した時刻ts4で新たなフレーム(実のデータフレーム)の送信が必要なったとする。同期情報保存部19の情報を用い、送信間隔が40分のときのCSLフェーズの補正量は、上述した(1)式に具体的な値を適用した(3)式の右辺第1項に示すように0.4秒となり、前回の受信応答フレームにおけるCSLフェーズの0秒を加算することにより、補正後のCSLフェーズCSLPhasereとして0.4秒が得られる。この得られた補正後のCSLフェーズCSLPhasereをCSLフェーズとして適用してフレーム送信時刻を決定する。
CSLPhasere=0.2×(40/20)+0=0.4 …(3)
今回の送信間隔(40分)は同期情報保存部19における最大送信間隔(20分)より長いので、受信応答フレームを受信すれば、宛先アドレス2222に対応するCSLフェーズ及び最終送信時刻を更新するだけでなく、最大送信間隔及び最大送信間隔時の補正量も更新する。補正後のCSLフェーズCSLPhasereをフレーム送信時刻の決定に適用して同期合せを行っているので、今回返信された受信応答フレームにおけるCSLフェーズはごく小さい値になる(図2は0秒の場合を示している)。
以上のように時刻ts4では、それ以前の最大の送信間隔が20分のときの同期ずれ量(特に補正量)を考慮し、今回の送信までの間隔である40分での同期ずれ量(補正後のCSLフェーズ)を予測し、フレーム送信時刻に反映するようにしている。上述した同じ40分の送信間隔である時刻ts2のように、直前の時刻ts1での送信時のCSLフェーズのみを同期ずれ量の予測に用いてフレーム送信時刻に反映する場合に比べ、それ以前の最大の送信間隔の同期ずれ量を考慮してフレーム送信時刻に反映する場合の方が、同期ずれによる送信エラーが起き難い。
図4の例は、長い送信間隔でのフレーム送信を想定した例である。従来方法であれば、送信エラーとなれば、次の送信時もエラーとなる確率が高い。一方、第1の実施形態においては、送信エラーが生じたときには、所定の送信間隔(時刻te1及びte2の間隔)を以って2回同期専用フレームの送信を行い、その所定の送信間隔での同期ずれを調べておくようにしたので、その後に、所定の送信間隔より長い送信間隔でのフレーム送信(時刻ts3や時刻ts4でのフレーム送信)が生じても、フレーム送信が成功する確率が高くなる。
(A−3)第1の実施形態の効果
第1の実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
第1の実施形態によれば、過去のフレーム送信間隔と同期ずれの補正量の関係を保持し、今回のフレーム送信間隔と、保持しているフレーム送信間隔の差から、今回のフレーム送信間隔ではどれくらい同期ずれの補正をすれば良いかを予測し、その予測に基づいて、フレーム送信時刻を決定するようにしたので、長時間のフレーム送信間隔でも同期ずれ補正を適切に実行でき、フレーム送信の成功確率を高めることができる。すなわち、従来に比べて、送信ノード及び受信ノード間の同期ずれによる送信エラーを減少させることができて同期通信モードを維持できる時間が長くなる。その結果、データフレームの再送や非同期通信モードによる大量のウェイクアップフレームの送信を行う回数を減らすことができる。
また、第1の実施形態によれば、送信エラーとなってしまったときには同期専用フレームを使用して所定送信間隔での同期ずれ量を検出しておくようにしたので、この検出以降、データ送信間隔が長時間であっても同期通信モードを維持させることができる。
(B)他の実施形態
第1の実施形態の説明においても種々変形実施形態に言及したが、さらに、以下に例示するような変形実施形態を挙げることができる。
第1の実施形態の説明で用いたブロック図(図1)は、同期通信に必要な最小限の機能を記述したものであり、通信装置は、同期通信機能以外の機能の実行構成を備えていても良いことは勿論である。
第1の実施形態では、同期情報保存部に保存しておく補正量に係る送信間隔(最大送信間隔)が相前後する送信での間隔であるものを示したが、その送信間隔が予め定めた閾値より短い場合など、ある条件が成立する場合には、1つ置きや2つ置きなどの2回の送信の送信間隔とその補正量とを同期情報保存部に保存しておくようにしても良い。
第1の実施形態では、今回の送信間隔での補正量を算出するために同期情報保存部に保存しておく同期情報における補正量が過去の最大の送信間隔での補正量であるものを示したが、過去の送信間隔に係る補正量であれば良く、必ずしも最大送信間隔での補正量に限定されるものではない。例えば、2回の同期専用フレームの送信間隔が過去の最大送信間隔でなくなっても2回の同期専用フレームの送信間隔での補正量を、今回の送信間隔での補正量の算出に利用するようにしても良い。
第1の実施形態の説明では、2回目の同期専用フレームの送信を常に実行するように説明したが、1回目の同期専用フレームの送信後であって、2回目の同期専用フレームの送信タイミング前に、実のデータフレームの送信要求があった場合には、この送信要求に応じたデータフレームの送信を、2回目の同期専用フレームの送信と取り扱うようにしても良い。
上述したように、実のデータフレームの再送を1回目の同期専用フレームの送信と取り扱うことができるので、2回の実のデータフレームを、2回の同期専用フレームの送信と取り扱うようにしても良い。
第1の実施形態では、送信エラーがあったときに、同期専用フレームを2回送信させる場合を示したが、送信エラーがない場合でも、適宜のタイミングで同期専用フレームを送信するようにしても良い。直前のフレーム送信が成功している同期通信モードであっても、直前のフレーム送信からの経過時間が予め定めたダミー送信起動時間を超えた場合には同期専用フレームを1回だけ送信させ、ダミー送信起動時間を送信間隔とした補正量を得ておき、その後のフレーム送信に利用できるようにしても良い。
第1の実施形態では、ウェイクアップフレームとデータフレームとが明確に区別できるように説明したが、ウェイクアップフレームとデータフレームとを兼用するフレームをそれぞれのフレームとして適用するようにしても良い。
第1の実施形態では、CSL通信モードに対応できる通信装置を示したが、CSL通信モードとCSL通信モード以外の通信モードとに対応でき、これら通信モードを切り替えることができる通信装置に対しても本発明を適用することができる。
第1の実施形態ではCSL通信モードに対応できる通信装置を示したが、CSL通信モードと同様な同期通信モードに対応する通信装置に対しても本発明を適用することができる。
第1の実施形態では、通信装置がデータフレームの送信構成も受信構成も備えるものを示したが、受信専用の通信装置や送信専用の通信装置を構築しても良い。
上記説明では、センサネットワークを構成するノードに言及したが、本発明による通信装置の用途は、センサネットワークに限定されるものではない。
10…通信装置(ノード)、11…通信制御部、12…フレーム受信部、13…フレーム解析部、14…同期判定部、15…同期送信制御部、16…同期ずれ補正部、17…フレーム生成部、18…フレーム送信部、19…同期情報保存部、20…同期専用フレーム生成部、21…設定情報受付部。

Claims (7)

  1. データフレームの送信に先立って送信するウェイクアップフレームの送信期間が非同期通信モードの方が同期通信モードより長くなっていると共に、当該通信装置からのデータフレームの受信により返信された、受信側の通信装置における間欠受信タイミング情報を得る送信側の通信装置において、
    上記同期通信モードにおける過去の2回の送信での間隔と、上記2回のうちの古い側の送信に対する間欠受信タイミング情報の、2回の送信間隔に応じた補正量とを少なくとも保存している同期情報保存手段と、
    新たなデータフレームの送信が必要となったとき、上記同期情報保存手段に保存されている送信間隔と今回及び前回の送信間隔との比、並びに、上記同期情報保存手段に保存されている上記補正量に基づいて、前回の間欠受信タイミング情報を補正する間欠受信タイミング情報補正手段と、
    補正された前回の間欠受信タイミング情報に基づいて、受信側の通信装置における間欠受信タイミングを推測し、今回の送信時のウェイクアップフレームの送信タイミングを決定する送信タイミング決定手段と
    を有することを特徴とする通信装置。
  2. 上記同期情報保存手段に新たな情報を格納させるため、送信データが生じていないタイミングで同期専用のフレームを送信させる同期専用フレーム送信制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の通信装置。
  3. 上記同期情報保存手段は、保存している情報の過去の送信間隔より長い送信間隔での2回の送信が生じたときに、新たな送信間隔に係る情報に、保存している情報を更新することを特徴とする請求項1又は2に記載の通信装置。
  4. 上記間欠受信タイミング情報補正手段は、新たなデータフレームに係る今回の送信と前回の送信との送信間隔が予め定められている閾値以下の場合には、前回の間欠受信タイミング情報に対する補正を実行せず、
    上記送信タイミング決定手段は、新たなデータフレームに係る今回の送信と前回の送信との送信間隔が予め定められている閾値以下の場合には、補正されていない前回の間欠受信タイミング情報に基づいて、受信側の通信装置における間欠受信タイミングを推測し、今回の送信時のウェイクアップフレームの送信タイミングを決定する
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の通信装置。
  5. データフレームの送信に先立って送信するウェイクアップフレームの送信期間が非同期通信モードの方が同期通信モードより長くなっていると共に、当該通信装置からのデータフレームの受信により返信された、受信側の通信装置における間欠受信タイミング情報を得る送信側の通信装置における同期方法において、
    同期情報保存手段は、上記同期通信モードにおける過去の2回の送信での間隔と、上記2回のうちの古い側の送信に対する間欠受信タイミング情報の、2回の送信間隔に応じた補正量とを少なくとも保存しており、
    間欠受信タイミング情報補正手段は、新たなデータフレームの送信が必要となったとき、上記同期情報保存手段に保存されている送信間隔と今回及び前回の送信間隔との比、並びに、上記同期情報保存手段に保存されている上記補正量に基づいて、前回の間欠受信タイミング情報を補正し、
    送信タイミング決定手段は、補正された前回の間欠受信タイミング情報に基づいて、受信側の通信装置における間欠受信タイミングを推測し、今回の送信時のウェイクアップフレームの送信タイミングを決定する
    ことを特徴とする通信装置の同期方法。
  6. データフレームの送信に先立って送信するウェイクアップフレームの送信期間が非同期通信モードの方が同期通信モードより長くなっていると共に、当該通信装置からのデータフレームの受信により返信された、受信側の通信装置における間欠受信タイミング情報を得る送信側の通信装置に搭載されるコンピュータを、
    上記同期通信モードにおける過去の2回の送信での間隔と、上記2回のうちの古い側の送信に対する間欠受信タイミング情報の、2回の送信間隔に応じた補正量とを少なくとも保存している同期情報保存手段と、
    新たなデータフレームの送信が必要となったとき、上記同期情報保存手段に保存されている送信間隔と今回及び前回の送信間隔との比、並びに、上記同期情報保存手段に保存されている上記補正量に基づいて、前回の間欠受信タイミング情報を補正する間欠受信タイミング情報補正手段と、
    補正された前回の間欠受信タイミング情報に基づいて、受信側の通信装置における間欠受信タイミングを推測し、今回の送信時のウェイクアップフレームの送信タイミングを決定する送信タイミング決定手段と
    して機能させることを特徴とする通信プログラム。
  7. データフレームの送信に先立ってウェイクアップフレームを送信する送信側の通信装置と、受信周期毎に間欠的に生じる起動時間の間だけスリープ状態から受信待機状態に変化して、上記送信側の通信装置からのフレームを受信すると共に、データフレームの受信時に、間欠受信タイミング情報を上記送信側の通信装置へ送信する受信側の通信装置とを備え、通信モードとして、同期通信モードと非同期通信モードとを有し、ウェイクアップフレームの送信期間が非同期通信モードの方が同期通信モードより長くなっている通信システムにおいて、
    上記送信側の通信装置として、請求項1〜4のいずれかに記載の通信装置を適用していることを特徴とする通信システム。
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