JP2005101756A - 無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 自律分散型の通信環境下で、各通信局が間欠送受信動作を行なうことにより省電力化を図る。
【解決手段】 各通信局が自局並びに周辺局のアクティブとなる時間を自律分散的に管理し、さらに自己の近隣に存在する通信装置の動作モードからアクティブとなっている時間を判断する。通信局が周期的に送信するビーコン信号の記載によって、その時点での動作モードを通知するとともに、周辺局がアクティブになっている時間を管理する。隣接局宛にデータを送信する場合、当該隣接局がアクティブになっているタイミングを、自局己の送信がアクティブになる設定をする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）のように複数の無線局間で相互に通信を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、端末同士が非同期で直接通信（ランダム・アクセス）を行なうことにより無線ネットワークが運営される無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。

さらに詳しくは、本発明は、制御局となる装置を特に配置せずに各通信局が自律分散的に動作することにより無線ネットワークが構築される無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、自律分散型の通信環境下で、各通信局が間欠送受信動作を行なうことにより省電力化を図る無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。

有線方式によるＬＡＮ配線からユーザを解放するシステムとして、無線ＬＡＮが注目されている。無線ＬＡＮによれば、オフィスなどの作業空間において、有線ケーブルの大半を省略することができるので、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）などの通信端末を比較的容易に移動させることができる。近年では、無線ＬＡＮシステムの高速化、低価格化に伴い、その需要が著しく増加してきている。特に最近では、人の身の回りに存在する複数の電子機器間で小規模な無線ネットワークを構築して情報通信を行なうために、パーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）の導入が検討されている。例えば、２．４ＧＨｚ帯や、５ＧＨｚ帯など、監督官庁の免許が不要な周波数帯域を利用して、異なった無線通信システム並びに無線通信装置が規定されている。

無線ネットワークに関する標準的な規格の１つにＩＥＥＥ（Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２．１１（例えば、非特許文献１を参照のこと）や、ＨｉｐｅｒＬＡＮ／２（例えば、非特許文献２又は非特許文献３を参照のこと）やＩＥＥＥ３０２．１５．３、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信などを挙げることができる。ＩＥＥＥ８０２．１１規格については、無線通信方式や使用する周波数帯域の違いなどにより、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ規格…などの各種無線通信方式が存在する。

無線技術を用いてローカル・エリア・ネットワークを構成するために、エリア内に「アクセス・ポイント」又は「コーディネータ」と呼ばれる制御局となる装置を１台設けて、この制御局の統括的な制御下でネットワークを形成する方法が一般的に用いられている。

アクセス・ポイントを配置した無線ネットワークでは、ある通信装置から情報伝送を行なう場合に、まずその情報伝送に必要な帯域をアクセス・ポイントに予約して、他の通信装置における情報伝送と衝突が生じないように伝送路の利用を行なうという、帯域予約に基づくアクセス制御方法が広く採用されている。すなわち、アクセス・ポイントを配置することによって、無線ネットワーク内の通信装置が互いに同期をとるという同期的な無線通信を行なう。

ところが、アクセス・ポイントが存在する無線通信システムで、送信側と受信側の通信装置間で非同期通信を行なう場合には、必ずアクセス・ポイントを介した無線通信が必要になるため、伝送路の利用効率が半減してしまうという問題がある。

これに対し、無線ネットワークを構成する他の方法として、端末同士が直接非同期的に無線通信を行なう「アドホック（Ａｄ−ｈｏｃ）通信」が考案されている。とりわけ近隣に位置する比較的少数のクライアントで構成される小規模無線ネットワークにおいては、特定のアクセス・ポイントを利用せずに、任意の端末同士が直接非同期の無線通信を行なうことができるアドホック通信が適当であると思料される。

例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１系の無線ＬＡＮシステムでは、制御局を配さなくとも自律分散的にピア・ツウ・ピア（Ｐｅｅｒ ｔｏ Ｐｅｅｒ）で動作するアドホック・モードが用意されている。この動作モード下では、ビーコン送信時間になると各端末がランダムな期間をカウントし、その期間が終わるまでに他の端末のビーコンを受信しなかった場合に、自分がビーコンを送信する。

ところで、通信局が常時受信待ちを行なっていると、電力を徒に消費してしまう。特に、バッテリ駆動のモバイル機器において消費電力の問題はクリティカルである。このため、多くの無線機器において間欠送受信動作を規定し、省電力化を図っている。

従来の無線通信システムにおいては、一般的に無線ネットワークの中に制御局を配置して、その制御局の一元的な管理の下で、間欠送受信動作を規定する方法が採り入れられている。つまり各通信局から制御局に対して、間欠送受信動作を行なうことを要求し、制御局から間欠受信動作を行なう時間の指定を受け、その時間になったら受信動作を開始し、制御局からの信号を確実に受信するという構成が採用されている。

あるいは、制御局が自己のネットワークで利用する時間領域を設定し、すべての通信局ではその時間領域に同期して送信・受信動作を行なう手法などが考えられる。

しかしながら、上述したような従来からの間欠送受信動作では、制御局となる通信装置が他の通信装置の間欠送受信動作を管理するのが一般的であるため、制御局が存在しない自律分散型の通信システムでは間欠送受信動作を設定できないという問題がある。

特に、間欠送受信動作の頻度が多数用意されていて、データの送受信の頻度に応じてその都度動作が設定される場合には、各通信局の稼動状況を制御局で把握しておかなければならず、制御局のネットワーク管理に関する負担が過大となる。

また、間欠送受信動作の頻度を変更する場合には、同一の系で同期を取って頻度を変更しなければ、その系に含まれる無線通信装置が動作しないという問題がある。

一方、制御局を配置しない自律分散型の無線通信システムでは、間欠送受信動作を設定することが困難であることから、通信頻度に拘らず常に送受信動作が可能な状態で動作しなければならず、電力を徒に浪費してしまう。

Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ ＩＳＯ／ＩＥＣ ８８０２−１１：１９９９（Ｅ） ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１１， １９９９ Ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｐａｒｔ１１：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ） ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ（ＰＨＹ） Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ＥＴＳＩ Ｓｔａｎｄａｒｄ ＥＴＳＩ ＴＳ １０１ ７６１−１ V１．３．１ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＢＲＡＮ）； ＨＩＰＥＲＬＡＮ Ｔｙｐｅ ２； Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＬＣ） Ｌａｙｅｒ； Ｐａｒｔ１： Ｂａｓｉｃ Ｄａｔａ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ＥＴＳＩ ＴＳ １０１ ７６１−２ V１．３．１ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＢＲＡＮ）； ＨＩＰＥＲＬＡＮ Ｔｙｐｅ ２； Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ(ＤＬＣ) Ｌａｙｅｒ； Ｐａｒｔ２： Ｒａｄｉｏ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ(ＲＬＣ) ｓｕｂｌａｙｅｒ

本発明の目的は、制御局となる装置を特に配置せずに各通信局が自律分散的に動作することにより無線ネットワークが構築される、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、自律分散型の通信環境下で、各通信局が間欠送受信動作を行なうことにより省電力化を図る、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、活動度レベル（消費電力）の異なる複数の動作モードを定義し、各通信局が自局及び周辺局の動作モードを自律分散的に管理して間欠送受信動作並びに低消費電力化を実現することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、複数のチャネルが用意されている通信環境下において、制御局を配置せずに複数の通信局が自律分散的にネットワークを形成する無線通信システムであって、
各通信局は、送受信動作がアクティブになる動作モードを複数用意し、自局の動作モードの報知を行なうとともに、周辺局からの動作モードに関する報知を受信して周辺局毎の動作モードを管理する、
ことを特徴とする無線通信システムである。

但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。

自律分散型の通信環境下では、各通信局は、所定の伝送フレーム周期毎にビーコン情報を報知することにより、近隣（すなわち通信範囲内）の他の通信局に自己の存在を知らしめるとともに、ネットワーク構成を通知する。また、ある通信局の通信範囲に新規に参入する通信局は、ビーコン信号を受信することにより、通信範囲に突入したことを検知するとともに、ビーコンに記載されている情報を解読することによりネットワーク構成を知ることができる。

また、各通信局は、周辺局のビーコン送信タイミングに関する近隣装置情報をビーコン信号に含めて送信するようにする。このような場合、通信局は、周辺局からのビーコンの受信予定時刻においてビーコンを実際に聞くことができたかどうかに応じて、当該ビーコンの送信元が隣接局又は次隣接局のいずれであるかを判別することができる。すなわち、隣接局からのビーコン信号であれば、どの時刻でビーコンを受信しているかが分かる。一方、受信予定のビーコンが自局には聞こえない送信位置である場合には、それが次隣接すなわち自局にとって隠れ端末のビーコンであると分かる。

ここで、本発明に係る無線システムでは、受信期間すなわちアクティビティが異なる複数の動作モードが定義され、通信局はそれぞれ自律分散的に自局の動作モードを設定する。そして、各通信局は、所定の伝送フレーム周期で送信するビーコン信号中に自局及び／又は周辺局の動作モードに関する情報を記載することによって、動作モードの報知を行なうことができる。

通信局がある周辺局宛にデータを送信する場合、当該周辺局に設定されている動作モードに応じて自局の送信モードを設定し、該送信動作モードに従って指定されたタイミングでデータ送信を行なうようにする。

ここで、通信局は、自局宛の情報の受信頻度に応じて自局の動作モードを設定するようにしてもよい。あるいは、通信局は、自局からの情報の送信頻度に応じて自局の動作モードを設定するようにしてもよい。

また、本発明の第２の側面は、制御局が介在しない無線通信環境下で自律分散的に動作するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
送受信動作がアクティブになる動作モードを複数用意し、自局における送受信の動作モードを設定する動作モード設定ステップと、
前記動作モード設定ステップにより設定された動作モードに応じて通信動作を制御する制御ステップと、
自局の動作モードに関する情報を周辺局に報知する報知ステップと、
周辺局から報知された動作モードに関する情報を管理する局毎に周辺局動作情報管理ステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラムである。

本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによってコンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、無線通信装置として動作する。このような無線通信装置を複数起動して無線ネットワークを構築することによって、本発明の第１の側面に係る無線通信システムと同様の作用効果を得ることができる。

本発明によれば、制御局となる装置を特に配置せずに各通信局が自律分散的に動作することにより無線ネットワークが構築される、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

また、本発明によれば、自律分散型の通信環境下で、各通信局が間欠送受信動作を行なうことにより省電力化を図る、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

また、本発明によれば、活動度レベル（消費電力）の異なる複数の動作モードを定義し、各通信局が自局及び周辺局の動作モードを自律分散的に管理して間欠送受信動作並びに低消費電力化を実現することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

本発明によれば、通信局は、周辺局毎に動作状況を把握して管理することで、特定の通信装置を制御局として機能させることなく、自律分散的に省電力動作を実現することができる。

各通信局は、所定の伝送フレーム周期毎のビーコン信号に動作モードを記載して報知することから、特別なメッセージ交換を必要とせずに周辺局における動作状況を把握することができる。

また、各通信局はビーコン送信とともに自局の動作モードを即座に遷移することができ、他局からのＡＣＫやその他の確認信号の到来を待つ必要はない。各通信局は、自律分散的に自局の動作モードを設定し、これを周辺局に報知する。

また、通信局がある周辺局へデータ送信する際には、当該周辺局に動作モードの切り替えを要求するのではなく、相手の受信動作モードに連動した送信動作モードを設定する。他の周辺局に対する送信動作モードの設定を行なわないことで、低消費電力動作を実現することができる。

また、本発明によれば、ある通信局が存在しなくなった場合でも、その動作状況だけを切除して管理することで、他の周辺局の動作状況にまで影響が及ぶことがない

また、本発明によれば、任意の通信局が表示している動作状況をその通信局の受信動作モードとして記憶しておくことにより、その通信局宛の送信要求があった場合に、その動作状況に応じて送信処理を行なうことにより、遅延処理を最小限に抑えた通信を実現することができる。すなわち、送信相手に送信要求メッセージを送信し、データ受信処理が可能なより高い動作モードに回復するのを持ってからデータ送信を行なうとったレイテンシを解消することができる。

また、本発明によれは、周辺局毎に送信動作モードを管理することで、より低消費電力動作を実現できる。

また、本発明によれば、所定の時間に渡って信号の受信がない場合に、自己の受信動作モードを低く設定することによって、より効果的な省電力動作モードを規定することができる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

本発明において想定している通信の伝搬路は無線であり、且つ所定の周波数チャネルからなる伝送媒体を用いて、複数の通信局間でネットワークを構築する。また、本発明で想定している通信は蓄積交換型のトラヒックであり、パケット単位で情報が転送される。

本発明に係る無線ネットワーク・システムは、コーディネータを配置しない自律分散型のシステム構成であり、緩やかな時分割多重アクセス構造を持った伝送（ＭＡＣ）フレームにより複数のチャネルを効果的に利用した伝送制御が行なわれる。また、各通信局は、ＣＳＭＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：キャリア検出多重接続）に基づくアクセス手順に従い直接非同期的に情報を伝送するアドホック通信を行なうこともできる。

このように制御局を特に配置しない無線通信システムでは、各通信局はビーコン情報を報知することにより、近隣（すなわち通信範囲内）の他の通信局に自己の存在を知らしめるとともに、ネットワーク構成を通知する。また、ある通信局の通信範囲に新規に参入する通信局は、ビーコン信号を受信することにより、通信範囲に突入したことを検知するとともに、ビーコンに記載されている情報を解読することによりネットワーク構成を知ることができる。また、通信局は伝送フレーム周期の先頭でビーコンを送信するので、伝送フレーム周期はビーコン間隔によって定義される。

ここで、通信局が常時受信待ちを行なっていると、電力を徒に消費してしまうという問題があり、間欠送受信動作を規定し、省電力化が図られている。

従来の無線通信システムにおいては、一般的に無線ネットワークの中に制御局を配置して、その制御局の一元的な管理の下で、間欠送受信動作を規定する方法が採り入れられている。言い換えれば制御局が存在しない自律分散型の通信システムでは間欠送受信動作を設定できないという問題があった。

そこで、本発明では、各通信局が自局並びに周辺局のアクティブとなる時間を自律分散的に管理し、さらに自己の近隣に存在する通信局の動作モードからアクティブとなっている時間を判断することで、自律的な間欠動作を実現する。通信局が周期的に送信するビーコン信号の記載によって、その時点での動作モードを通知するとともに、周辺局がアクティブになっている時間を管理する。そして、通信局がある隣接局宛にデータを送信する場合には、当該隣接局がアクティブになっているタイミングを自局己の送信がアクティブになる設定、すなわち相手の受信動作モードに連動した送信動作モードを設定し、他の周辺局に対する送信動作モードの設定を行なわないことで、低消費電力動作を実現する。自律分散的な間欠動作の詳細については後述に譲る。

以下に説明する各通信局での処理は、基本的に、本発明に係る自律分散型のネットワークに参入するすべての通信局で実行される処理である。但し、場合によっては、ネットワークを構成するすべての通信局が、以下に説明する処理を実行するとは限らない。

図１には、本発明の一実施形態に係る自律分散型の無線ネットワークの構成を模式的に示している。

同図に示す例では、３台の無線通信装置（Ｎｏｄｅ＃０）、（Ｎｏｄｅ＃１）、（Ｎｏｄｅ＃２）が同一空間上に存在して、それぞれ動作をしている状態を表わしている。

同図において、左側のＮｏｄｅ＃０は、真中のＮｏｄｅ＃１と通信ができる位置関係にあり、真中のＮｏｄｅ＃１は、左側のＮｏｄｅ＃０と右側のＮｏｄｅ＃２と通信ができる位置関係にあり、右側のＮｏｄｅ＃２は、真中のＮｏｄｅ＃１と通信ができる関係にある状態、すなわち左側のＮｏｄｅ＃０と右側のＮｏｄｅ＃２は隠れ端末の関係にあることを表わしている。

図２には、各通信局による自律分散動作で実現されるネットワーク動作例を示している。

各通信局は、ネットワーク構成などに関する所定の情報を含んだビーコン信号を周期的に送信することで、所定のスーパーフレーム周期（Ｔ＿ＳＦ）を設定している。図２に示す例では、各通信局が同じ長さのスーパーフレーム周期の時間を設定し、それぞれが異なったタイミングでビーコンを送信することで、ビーコン信号の衝突を避け、同じ空間上に共存することができる。

本実施形態では、通信局は、活動度のレベルすなわち消費電力の異なる４つの動作モード１〜４を定義している。図３には、各動作モードにおけるスーパーフレーム周期の構成例を示している。図示の例では、各動作モード下においてスーパーフレーム周期内での受信領域に設定方法により、異なる消費電力を規定している。

動作モード１は、自己の送信ビーコンと、その前後の時間で受信処理を行なう、低消費電力動作である。また、動作モード２は、動作モード１に加え、所定の時間に受信処理を行なう動作をする。また、動作モード３は、動作モード２に加え、所定の時間にさらに受信処理を行なう動作をする実施例である。動作モード４は、ビーコン信号の送信を行なう以外には、通常は受信動作を行なう。

各通信局は、上記の動作モードの中から自律的に自己の動作モードを設定することができ、これをビーコン信号に記載して周辺局に報知する（後述）。また、データ送信時には、送信相手の受信動作モードに連動した送信動作モードを設定する。

なお、この他にも動作モードが定義されていてもよく、必要に応じて各通信装置がその動作モードの設定を行なうことができる。

図４には、ビーコン信号の報知により、各通信局が動作モード情報の交換を行なう様子を示している。

同図に示す例では、Ｎｏｄｅ＃０の送信するビーコンに記載された動作モードの情報によって、その隣接局Ｎｏｄｅ＃１は、そのビーコンを受信することで、Ｎｏｄｅ＃０の存在と、その受信動作モードを把握することができる。

また、Ｎｏｄｅ＃１の送信するビーコンに記載された動作モードの情報によって、隣接するＮｏｄｅ＃０並びにＮｏｄｅ＃２は、そのビーコンを受信することで、Ｎｏｄｅ＃１の存在と、その受信動作モードをそれぞれ把握することができる。

さらに、Ｎｏｄｅ＃２の送信するビーコンに記載された動作モードの情報によって、隣接するＮｏｄｅ＃１では、そのビーコンを受信することで、Ｎｏｄｅ＃２の存在と、その受信動作モードを把握することができる。

図５には、各通信局の間で設定される動作モードの管理方法の一例を示している。同図に示す例では、通信局は、３つの動作モードを使用するものとする。

図中左側のＮｏｄｅ＃０では、真中のＮｏｄｅ＃１から動作モード３を受信しているので、自局内ではＮｏｄｅ＃１の受信動作モードを３に設定して管理する。

真中のＮｏｄｅ＃１では、左側のＮｏｄｅ＃０から動作モード２を受信しているので、Ｎｏｄｅ＃０の受信動作モードを２に設定するとともに、右側のＮｏｄｅ＃２から動作モード１を受信しているので、Ｎｏｄｅ＃２の受信動作モードを１に設定する。

右側のＮｏｄｅ＃２では、真中のＮｏｄｅ＃１から動作モード３を受信しているので、Ｎｏｄｅ＃１の受信動作モードを３に設定して管理する。

このようにして、各通信局は周辺局の動作モードを把握し、自律分散的に管理することができる。

図６には、通信局において送信動作モードを設定するための処理手順を示している。ここで、通信局は、アプリケーション層と、ＭＡＣ（Ｍａｃｈｉｎｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）層と、ＰＨＹ（物理）層という２層の通信プロトコルによって通信動作を制御している。図示の例では、通信装置Ｎｏｄｅ＃１の内部動作として、隣接局に対する送信動作モードを設定するための動作を示している。

通信局Ｎｏｄｅ＃１のＰＨＹ層で、隣接局Ｎｏｄｅ＃２からのビーコンを受信し、そのビーコンの情報をＭＡＣ層において解析することによって、Ｎｏｄｅ＃２が動作モード１で動作していることを把握する。そして、ＭＡＣ層では、その動作モードを登録しておく。

一方、通信局Ｎｏｄｅ＃１に接続されているパーソナル・コンピュータなどの外部機器上で動作するアプリケーションからデータ送信要求を受理した場合、ＭＡＣ層においてその宛先となる通信局（ここでは隣接局Ｎｏｄｅ＃２とする）を判断し、既に登録しておいたＮｏｄｅ＃２の受信動作モードを獲得する。

そして、Ｎｏｄｅ＃２に対する送信動作モードを受信動作モードと同じ動作モード１に設定する。

さらに、ＭＡＣ層は、その動作モードに応じた送信タイミングの設定をＰＨＹ層に対して行なう。これによって、所定の送信タイミングが到来したときに、データの送信処理が行なわれる。

図７には、本実施形態に係る自律分散型の無線通信ネットワークにおいて、通信局として動作する無線通信装置の機能構成を模式的に示している。この無線通信装置１００は、インターフェース１０１と、データ・バッファ１０２と、中央制御部１０３と、送信データ生成部１０４と、ビーコン生成部１０５と、無線送信部１０６と、タイミング制御部１０７と、アンテナ１０８と、無線受信部１０９と、ビーコン解析部１１０と、受信データ構築部１１１と、情報記憶部１１３とで構成される。

インターフェース１０１は、この無線通信装置１００に接続される、通信プロトコル上のアプリケーション層を構成する外部機器（例えば、パーソナル・コンピュータ（図示しない）など）との間で各種情報の交換を行なう。

データ・バッファ１０２は、インターフェース１０１経由で接続されるアプリケーション層から送られてきたデータや、無線伝送路経由で受信したデータをインターフェース１０１経由でアプリケーション層に送出する前に一時的に格納しておくために使用される。データ・バッファ１０２は、データリンク層で構成される。

中央制御部１０３は、無線通信装置１００における一連の情報送信並びに受信処理の管理と伝送路のアクセス制御、さらには自局の動作モードや送信時の動作モード設定などを一元的に行なう。中央制御部１０３は、例えば、送受信動作の頻度などに応じて現在の動作モードを設定する。

送信データ生成部１０４は、データ・バッファ１０２に蓄積されている送信対象となるデータ本体を所定の符号化形式で符号化処理し、さらに誤り訂正符号や誤り検出符号を付加して、送信データを生成する。送信データ生成部１０４は、例えばデータリンク層やＭＡＣ層で構成される。

ビーコン生成部１０５は、近隣にある無線通信装置との間で周期的に交換されるビーコン信号を生成する。無線通信装置１００が無線ネットワークを運用するためには、自己のビーコン送信スロット位置や、周辺局のビーコン受信スロット位置、自己のスキャン動作周期、送受信動作の頻度に応じた現在の動作モードなどを規定する。これらの情報は、情報記憶部１１３に格納されるとともに、ビーコン信号の中に記載して周囲の無線通信装置に報知する。ビーコン信号の構成については後述する。無線通信装置１００は、伝送フレーム周期の先頭でビーコンを送信するので、無線通信装置１００が利用する各チャネルにおける伝送フレーム周期はビーコン間隔によって定義されることになる。ビーコン生成部１０５は、ＭＡＣ層で構成される。

無線送信部１０６は、データ・バッファ１０２に一時格納されているデータやビーコン信号を無線送信するために、所定の変調処理を行なう。無線送信部１０６は、ＰＨＹ層で構成される。

アンテナ１０８は、他の無線通信装置宛に信号を所定の周波数チャネル上で無線送信し、あるいは他の無線通信装置から送られる信号を収集する。本実施形態では、単一のアンテナを備え、送受信をともに並行しては行なえないものとする。

無線受信部１０９は、周辺局から送られてきたデータ情報やビーコンなどの信号を受信処理する。無線送信部１０６及び無線受信部１０９における無線送受信方式は、例えば無線ＬＡＮに適用可能な、比較的近距離の通信に適した各種の通信方式を適用することができる。具体的には、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）方式、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）方式、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：符号分割多元接続）方式などを採用することができる。無線受信部１０９は、例えばＰＨＹ層として構成される。

タイミング制御部１０７は、中央制御部１０３によって決定された動作モードに従って送受信動作のタイミングの制御を行なう。例えば、スーパーフレーム周期の先頭における自己のビーコン送信タイミングや、周辺局からのビーコン受信タイミングを決定する他、送受信動作モードに応じたデータ送受信タイミングなどを制御する。例えば、自局における送受信処理に頻度に応じて動作モードが決定される。また、データ送信時には、送信相手の受信動作モードに連動した送信動作モードを設定する。タイミング制御部１０７は、例えばＭＡＣ層として構成される。

ビーコン解析部１１０は、隣接局から受信できたビーコン信号を解析し、近隣の無線通信装置の存在などを解析する。例えば、隣接局の動作モードなどの情報は近隣装置情報として解析され、情報記憶部１１３に格納される。ビーコン解析部１１０は、例えばＭＡＣ層として構成される。

受信データ構築部１１１は、アンテナ１０８及び無線受信部１０９において受信できたデータ信号から、実際に送られてきたデータ情報を構築する。受信データ構築部１１１は、例えばデータリンク層で構成される。再構築されたデータ情報は、データ・バッファ１０２に一旦蓄積された後、インターフェース１０１経由でアプリケーション層へ渡される。

情報記憶部１１３は、中央制御部１０３において実行される一連のアクセス制御動作などの実行手順命令（スキャン設定や自局の動作モード設定などを行なうプログラム）や、他の通信局のビーコン送信タイミング、周辺局の動作モードなどの近隣装置情報などを蓄えておく。

図８には、本実施形態に係る無線ネットワークで、各通信局が所定のスーパーフレーム周期毎に送信するビーコン情報の構成例を示している。各通信局から送信されるビーコン信号に含まれる情報は、以下の要素で構成される。

ビーコン識別子フィールドには、この信号がビーコン情報であることが示される。情報長フィールドには、このビーコン情報の長さが記載される。受信先通信装置アドレス情報フィールドには、このビーコン情報を受信する無線通信装置のアドレスが指定される（特に指定されないのでブロードキャストアドレスが記載される）。送信元通信装置アドレス情報フィールドには、このビーコンの送信元となる通信局に固有のアドレス情報が記載される。所属グループ情報フィールドには、このビーコン送信元の通信局が含まれるネットワーク・グループを識別するための情報が記載される。動作モード情報フィールドには、このビーコン送信元の通信局において現在設定している動作モードが記載される。さらに、この他の情報が必要に応じて設定され、ビーコン情報の末尾には、このビーコン情報の誤りを検出するための誤り検出符号が付加されている。

図９には、本実施形態に係る自律分散型の無線ネットワークにおいて利用される、近隣装置情報の管理テーブルの構成例を示している。通信局が通信局は、受信したビーコン情報より得られる周辺局の動作モードを基にこのような近隣装置情報管理テーブルを構築するとともに、該テーブルを利用して、周辺局の動作モードを自律分散的に管理することができる。

図示の例では、テーブルは、ビーコンを受信できた通信局毎に構成され、ビーコンの受信がある旅にそれぞれ逐次設定され、任意の数（ｎ）に至るまでのテーブルが用意されている。ｎは、例えばネットワークに同時に参入可能な通信局の最大数に依存する。

各管理テーブルは、登録ノード番号、アドレス情報、所属グループ情報、受信動作モード情報、送信動作モード情報などのフィールドを備えている。

各管理テーブルでは、該当する通信局の動作モードが、受信動作モードとして設定される。ある周辺局への送信データがある場合、通信局は、該当する管理テーブル・エントリを参照し、送信動作モードに、その送信先通信局の受信動作モードの値を代入し、データの送信タイミングを設定した上で送信動作を行なう。

図１０には、本実施形態に係る自律分散型の無線ネットワークにおいて、通信局が自律的に自局並びに周辺局の動作モードを管理しながら通信動作を行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。このような処理手順は、実際には、通信局として動作する無線通信装置１００が情報記憶部１１３に格納されている実行命令プログラムを実行するという形態で実現される。各無線通信装置は定常的な動作としてこのフローチャートに沿った動作が行なわれる。

まず、自己の受信動作モードを設定し（ステップＳ１）、周辺局に対し自己の動作モードの通知を行なう。

その後、自己の受信タイミングが到来した場合には（ステップＳ２）、無線受信部１０９を動作させ、信号受信処理を行なう（ステップＳ３）。

そして、周辺局からのビーコンを受信した場合には（ステップＳ４）、その通信装置のアドレスを登録するとともに（ステップＳ５）、さらにビーコン中に記載されている動作モードから当該通信局の受信動作モードを管理テーブル（図９を参照のこと）に登録する（ステップＳ６）。

また、自己宛のデータを受信した場合には（ステップＳ７）、受信データ構築部１１１において受信した情報を獲得して収集し（ステップＳ８）、そのデータを接続される機器（アプリケーション層）へインターフェース１０１経由で出力する（ステップＳ９）。

その後、データ受信数をカウントし、その結果、受信動作モードの変更が必要であるか判断する（ステップＳ１４）。そして、変更が必要であれば、自己受信動作モードを変更する（ステップＳ１５）。データ受信数すなわち受信頻度が増大した場合にはよりアクティビティの高い動作モードへ切り替え、受信頻度が低下した場合にはよりアクティビティの低い動作モードへ切り替える。

また、インターフェース１０１経由で接続される機器（アプリケーション層）から、送信するデータ情報を受理した場合には（ステップＳ１０）、近隣装置情報の管理テーブル（図９を参照のこと）を参照し、相手先アドレスが登録されているか判断する（ステップＳ１１）。そして、相手アドレスが既に登録されていれば、該当する管理テーブルから受信動作モードを獲得し（ステップＳ１２）、その値を当該通信局における送信動作モードとして設定する（ステップＳ１３）。

さらに、相手の動作モードに依存して、受信動作モードの変更が必要であるか判断する（ステップＳ１４）。そして、動作モードの変更が必要であれば、自己受信動作モードを変更する（ステップＳ１５）。

また、例えばインターフェース１０１経由で接続される機器（アプリケーション層）からの要求によって、所定の動作モードから遷移をしないように指示を受けている場合には、その動作モードの遷移を行なわない。

あるいは、インターフェース１０１経由で接続される機器（アプリケーション層）からの要求によって、所定の動作モードに遷移するように指示を受けている場合には、指定された動作モードに逐次遷移する。

その後、データ送信タイミングが到来した場合には（ステップＳ１６）、指定された通信装置宛へデータの送信処理を行なう（ステップＳ１７）。

その後、ビーコン送信タイミングが到来した場合には（ステップＳ１８）、設定した自己受信動作モードなどをパラメータとしたビーコンの送信処理を行なう（ステップＳ１９）。

以降、これら各項目のシーケンスがこのフローチャートに従って繰り返して行なわれる。

図１０に示したフローチャート中のステップＳ１４では、受信動作モードの変更を行なう。図１１には、通信局において受信動作モードを設定するための処理手順を示している。

まず自局Ｎｏｄｅ＃２の動作モードが１である場合に、その動作モードを記載したビーコン信号がＮｏｄｅ＃２のＰＨＹ層から無線伝送路上に送信される。

その後、Ｎｏｄｅ＃２のＰＨＹ層にて自己宛のデータを受信した場合に、Ｎｏｄｅ＃２のＭＡＣでは、その受信データの通知を受けて、アプリケーション層にデータ受信の通知を行なう。

さらに、Ｎｏｄｅ＃２のＭＡＣ層では、データの受信をトリガにして、自己の受信動作モードの変更が必要か判断する。そして、必要であれば、自己の動作モードを１から２に遷移させ、Ｎｏｄｅ＃２のＰＨＹ層に自己のビーコン情報に動作モード２の設定を行なう。この動作モードは、Ｎｏｄｅ＃２のＰＨＹ層より所定のタイミングで無線伝送路上に送信される。

Ｎｏｄｅ＃２からのビーコンを収集した周辺局では、Ｎｏｄｅ＃２の動作モードが２に遷移したことを把握する。

なお、ビーコンは周期的に送信されることから、あるスーパーフレーム周期でビーコンの受信に失敗しても、次に受信できれば、常に最新の状態を把握することができる。

図１２には、通信局が周辺局の動作モードを管理するために使用される状態遷移図を示している。同図に示す例では、各通信局は動作モード１〜４という４つの動作モードを使用する。周辺に存在する通信装置のビーコン信号を受信する度に個別にこの動作モードの管理が行なわれる。

ビーコン送信元の該当する管理テーブルにおいて、動作モード１にある場合、ビーコン信号の中に動作モード２の表示があれば、動作モード２に移行する。

また、動作モード１にある場合、ビーコン信号の中に動作モード３の表示があれば、動作モード３に移行する。

また、動作モード１にある場合、ビーコン信号の中に動作モード４の表示があれば、動作モード４に移行する。

また、動作モード２にある場合、ビーコン信号の中に動作モード３の表示があれば、動作モード３に移行する。

また、動作モード２にある場合、ビーコン信号の中に動作モード４の表示があれば、動作モード４に移行する。

また、動作モード２にある場合、ビーコン信号の中に動作モード１の表示があれば、動作モード１に移行する。

また、動作モード３にある場合、ビーコン信号の中に動作モード４の表示があれば、動作モード４に移行する。

また、動作モード３にある場合、ビーコン信号の中に動作モード１の表示があれば、動作モード１に移行する。

また、動作モード３にある場合、ビーコン信号の中に動作モード２の表示があれば、動作モード２に移行する。

また、動作モード４にある場合、ビーコン信号の中に動作モード１の表示があれば、動作モード１に移行する。

また、動作モード４にある場合、ビーコン信号の中に動作モード２の表示があれば、動作モード２に移行する。

また、動作モード４にある場合、ビーコン信号の中に動作モード３の表示があれば、動作モード３に移行する。

また、図１３には、通信局が自局の受信動作モードを管理するための状態遷移図を示している。同図に示す例では、所定時間内に自己宛メッセージを受信した頻度に応じて動作モードを遷移させている。

動作モード１及び動作モード２にある場合においては、１０個のメッセージを受信したことによって、動作モード３に遷移する。

また、動作モード１、動作モード２、及び動作モード３にある場合においては、１００個のメッセージを受信したことによって、動作モード４に遷移する。

また、スーパーフレーム周期に渡ってメッセージの受信がない場合にも、動作モードを遷移させる例を示す。

動作モード４にて、１スーパーフレーム周期に渡りメッセージを受信しなければ、動作モード３に遷移する。

また、動作モード３にて、１０スーパーフレーム周期に渡りメッセージを受信しなければ、動作モード２に遷移する。

また、動作モード２にて、１００スーパーフレーム周期に渡りメッセージを受信しなければ、動作モード１に遷移する。

なお、各通信局が複数のアクティブ・レベルを用意して、平常時は低いアクティブ・レベルで動作し、データ通信があるたびに自己のアクティブ・レベルを上昇させるとともに、受信先に対してもアクティブ・レベルを上昇するよう要求メッセージを送付するというシステムも考えられる。この場合、要求メッセージとそのＡＣＫが交換されなければ、アクティブ・レベルの上昇を行なえず、送信データが伝送されない、すなわちデータ送信までのレイテンシが大きくなる。また、データ送信がある度にアクティブ・レベルを１段階ずつ上昇させ、その都度要求メッセージを送付しなければならない。

さらに、ブロードキャスト信号の送信によって近隣局のアクティビティ・レベルを上昇させ、周辺のすべての局がアクティビティ・レベルを上昇したかを把握するという方法も考えられる。この場合、ブロードキャスト送信により近隣局をすべて起動させていたのでは、データ送信に関係のない局まで受信動作を行なわなければならず、低消費電力化の妨げとなる。

これに対し、本発明に係る無線ネットワークでは、各通信局は自己の状態を自律分散的に管理する制御が主体になるので、すべての周辺局のアクティビティ・レベルを同期させて送信を制御する必要がない。

［追補］
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。

図１は、本発明の一実施形態に係る自律分散型の無線ネットワークの構成を模式的に示した図である。 図２は、各通信局による自律分散動作で実現されるネットワーク動作例を示した図である。 図３は、各動作モードにおけるスーパーフレーム周期の構成例を示した図である。 図４は、ビーコン信号の報知により、各通信局が動作モード情報の交換を行なう様子を示した動作シーケンス図である。 図５は、各通信局の間で設定される動作モードの管理方法の一例を示した図である。 図６は、通信局において送信動作モードを設定するための処理手順を示した図である。 図７は、本発明に係る自律分散型の無線通信ネットワークにおいて、通信局として動作する無線通信装置の機能構成を模式的に示した図である。 図８は、各通信局が所定のスーパーフレーム周期毎に送信するビーコン情報の構成例を示した図である。 図９は、近隣装置情報の管理テーブルの構成例を示した図である。 図１０は、本発明に係る自律分散型の無線ネットワークにおいて、通信局が自律的に自局並びに周辺局の動作モードを管理しながら通信動作を行なうための処理手順を示したフローチャートである。 図１１は、通信局において受信動作モードを設定するための処理手順を示した図である。 図１２は、通信局が周辺局の動作モードを管理するために使用される状態遷移図である。 図１３は、通信局が自局の受信動作モードを管理するための状態遷移図である。

符号の説明

１００…無線通信装置
１０１…インターフェース
１０２…データ・バッファ
１０３…中央制御部
１０４…送信データ生成部
１０５…ビーコン生成部
１０６…無線送信部
１０７…タイミング制御部
１０８…アンテナ
１０９…無線受信部
１１０…ビーコン解析部
１１１…受信データ構築部
１１３…情報記憶部

Claims (16)

1. 複数のチャネルが用意されている通信環境下において、制御局を配置せずに複数の通信局が自律分散的にネットワークを形成する無線通信システムであって、
   各通信局は、送受信動作がアクティブになる動作モードを複数用意し、自局の動作モードの報知を行なうとともに、周辺局からの動作モードに関する報知を受信して周辺局毎の動作モードを管理する、
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 各通信局は、所定の伝送フレーム周期で送信するビーコン信号中に自局及び／又は周辺局の動作モードに関する情報を記載する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 通信局はある周辺局宛にデータを送信する場合、当該周辺局に設定されている動作モードに応じて自局の送信モードを設定し、該送信動作モードに従って指定されたタイミングでデータ送信を行なう、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
4. 通信局は、自局宛の情報の受信頻度に応じて自局の動作モードを設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
5. 通信局は、自局からの情報の送信頻度に応じて自局の動作モードを設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
6. 制御局が介在しない無線通信環境下で自律分散的に動作する無線通信装置であって、
   無線データを送受信する通信手段と、
   送受信動作がアクティブになる動作モードを複数用意し、自局における送受信の動作モードを設定する動作モード設定手段と、
   前記動作モード設定手段により設定された動作モードに応じて前記通信手段による通信動作を制御する制御手段と、
   自局の動作モードに関する情報を周辺局に報知する報知手段と、
   周辺局から報知された動作モードに関する情報を管理する局毎に周辺局動作情報管理手段と、
   を具備することを特徴とする無線通信装置。
7. 自局に関する情報を記載したビーコン信号を生成するビーコン信号生成手段と、
   前記通信手段により周辺局から受信したビーコン信号を解析するビーコン信号解析手段と、
   をさらに備え、
   前記ビーコン信号生成手段は前記動作モード設定された自局の動作モードに関する情報をビーコン信号に記載し、
   前記ビーコン信号解析手段は、受信したビーコン信号に記載されているビーコン送信元の動作モードに関する情報を解析する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
8. 前記動作モード設定手段は、ある周辺局宛にデータを送信する場合、当該周辺局に設定されている動作モードに応じて自局の送信モードを設定し、
   前記制御手段は、該送信動作モードに従って指定されたタイミングに応じてデータ送信動作を制御する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
9. 前記動作モード設定手段は、自局宛の情報の受信頻度に応じて自局の動作モードを設定する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
10. 前記動作モード設定手段は、自局からの情報の送信頻度に応じて自局の動作モードを設定する、
    ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
11. 制御局が介在しない無線通信環境下で自律分散的に動作するための無線通信方法であって、
    送受信動作がアクティブになる動作モードを複数用意し、自局における送受信の動作モードを設定する動作モード設定ステップと、
    前記動作モード設定ステップにより設定された動作モードに応じて通信動作を制御する制御ステップと、
    自局の動作モードに関する情報を周辺局に報知する報知ステップと、
    周辺局から報知された動作モードに関する情報を管理する局毎に周辺局動作情報管理ステップと、
    を具備することを特徴とする無線通信方法。
12. 自局に関する情報を記載したビーコン信号を生成するビーコン信号生成ステップと、
    周辺局から受信したビーコン信号を解析するビーコン信号解析ステップと、
    をさらに備え、
    前記ビーコン信号生成ステップでは前記動作モード設定された自局の動作モードに関する情報をビーコン信号に記載し、
    前記ビーコン信号解析ステップでは、受信したビーコン信号に記載されているビーコン送信元の動作モードに関する情報を解析する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の無線通信方法。
13. 前記動作モード設定ステップでは、ある周辺局宛にデータを送信する場合、当該周辺局に設定されている動作モードに応じて自局の送信モードを設定し、
    前記制御ステップでは、該送信動作モードに従って指定されたタイミングに応じてデータ送信動作を制御する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の無線通信方法。
14. 前記動作モード設定ステップでは、自局宛の情報の受信頻度に応じて自局の動作モードを設定する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の無線通信方法。
15. 前記動作モード設定ステップでは、自局からの情報の送信頻度に応じて自局の動作モードを設定する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の無線通信方法。
16. 制御局が介在しない無線通信環境下で自律分散的に動作するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
    送受信動作がアクティブになる動作モードを複数用意し、自局における送受信の動作モードを設定する動作モード設定ステップと、
    前記動作モード設定ステップにより設定された動作モードに応じて通信動作を制御する制御ステップと、
    自局の動作モードに関する情報を周辺局に報知する報知ステップと、
    周辺局から報知された動作モードに関する情報を管理する局毎に周辺局動作情報管理ステップと、
    を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラム。
    

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