JP2007325213A - 無線基地局、無線ノード、無線通信システム及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線ノード状態を検出することで、バックオフ時間の減算を正確に行い、スリープ状態の制御性を向上させ、消費電力を削減する無線通信システムを提供する。
【解決手段】本発明の無線通信システムは、フレーム周期内におけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変化し、無線基地局がフレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視するスケジューリング部と、フレーム周期及び減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出する減算レート算出部とを有し、スケジューリング部が算出され減算レートを無線ノードに対し、一定周期毎に通知し、無線ノードが、予め保持しているまたは無線基地局から送信されるＣＷからバックオフ時間を計算するバックオフ時間算出部と、減算レート及びバックオフ時間からバックオフ完了時間を算出するバックオフ完了時間推定部と、スリープ状態からアクティブ状態に移行するとパケットを送信する送信部とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、搭載電力が限られた無線ノードからのランダムアクセス方式における、低消費電力化に対応したバックオフプロトコルにより動作する基地局装置，ノード装置，無線通信システム及びその方法に関する。

一般的に、バックオフプロトコルとは、コンテンションウィンドウ（ＣＷ）値を用い、［０，ＣＷ］の範囲において一様に分布する乱数を発生させ、発生した数値に単位時間を乗算させることにより決定されるバックオフ時間を、任意のポリシーに従って減算させていき、減算結果がゼロとなった時点にて、データの送信を行なう方式である。
例えば、無線ＬＡＮ(IEEE802.11)にて採用しているバックオフプロトコルにおいては、ランダム送信したパケットの不達を確認すると、送信しようとしている無線ノードが規定の範囲内で乱数を発生させ、その乱数値を基にしたバックオフ時間を設定する。

このバックオフ時間はスロットタイムの倍数であり、キャリアセンス（PS−poll）の結果アイドルであればスロットタイムごとに減算し、減算結果がゼロになったら、不達が確認されたパケットを再び発信（再送）する。
IEEE802.11において、電力削減モード(PSM:Power saving mode)が規定されており、無線ノードは、ビーコンを受信する周期を規定するListenIntervalなどのパラメータに基づき、規則的にビーコンを受信するため、図１５に示すように、アクティブ状態とスリープ状態の間を規則的に遷移する。図１５におけるＡＰは無線ＬＡＮにおけるアクセスポイントである。

また、被特許文献１におけるEDA (Energy-efficient Distributed Access)方式は、IEEE802.11DCFアクセスの省電力化を目指した方式であり、バックオフ中はスリープ状態に遷移する。このため、バックオフ時間は、ネットワーク媒体の状態に関わらず減算されることとなる。
そして、バックオフ完了後は、図１６に示すように、一定時間(SIFS)にわたってキャリアセンスし、送信状態がアイドルであれば送信を行なう。図１６におけるＡＰは無線ＬＡＮにおけるアクセスポイントである。
Valeria Baiamonte, Carla-Fabiana Chiasserini, Saving Energy during Channel Contention in 802.11 WLANs, Mobile Networks and 2Applications (MONET), 2005

上記IEEE802.11におけるバックオフアルゴリズムにおいては、ネットワーク媒体の状態に応じ、バックオフ減算を制御する必要があるため、バックオフ中にて常にキャリアセンスを行いネットワーク媒体の状態を監視する必要がある。
したがって、バックオフ期間中にはスリープ状態に遷移することが出来ず、電力を多く消費してしまう。
また、隠れ端末が多<存在するシステムにおいては、各無線ノードにてキャリアセンスによりネットワーク媒体の状態を正確に把握することができない。

IEE802.11のPSMによって、ノードの自律的なスリープ状態への遷移がサポートされている。しかしながら、そのスリープ期間を規定するListenIntervalは、静的に規定されており（すなわち固定された期間となっており）、ランダムに決められたスリープ時間に応じて適応的に変更することに対応していないため、バックオフの間、常にアクティブ状態で待機することになる。
例え、バックオフ時間に応じてListenlntervalを変更したとしても、その間のチャネル状態を検出することができないため、バックオフ時間の減算に誤差が生じることになる。
また、ＥＤＡ方式においても、上記IEE802.11と同様に、バックオフ中にて、完全にスリープ状態に遷移して、ネットワーク媒体の状態が検出できなくなるため、バックオフ時間の減算に誤差が生じることになる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ネットワーク媒体の状態が検出することにより、バックオフ時間の減算が正確に行え、無線ノードのスリープ状態の制御性を向上させ、消費電力を削減する無線基地局、無線ノード、無線通信システム及びその方法を提供することを目的とする。

本発明の無線基地局は、バックオフプロトコルによりフレームの送受信を行い、このフレームの周期内における、バックオフ時間の減算対象の期間の比率が動的に変化する無線通信システムにて用いられ、前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視するスケジューリング部と、フレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出する減算レート算出部とを有し、前記スケジューリング部が算出され減算レートを無線ノードに対し、一定周期毎に通知することを有することを特徴とする。

本発明の無線基地局は、前記減算対象期間がランダムアクセス期間であり、トラヒックの状態に対応して、前記フレームに対するランダムアクセス期間を制御するアクセス期間制御部をさらに有し、前記スケジューリング部がアクセス期間制御部の出力する前記ランダムアクセス期間を監視し、前記減算レート算出部がフレームと前記ランダムアクセス期間とから減算レートを算出することを特徴とする。

本発明の無線基地局は、前記減算対象期間がランダムアクセスにおけるアイドル状態の期間であり、前記スケジューリング部が前記ランダムアクセスにおけるアイドル状態の期間を監視し、前記減算レート算出部が、フレーム周期と、前記ランダムアクセス期間のアイドル状態の期間とから減算レートを算出することを特徴とする。

本発明の無線ノードは、バックオフプロトコルによりフレームの送受信を行い、このフレームの周期内における、バックオフ時間の減算対象の期間の比率が動的に変化する無線通信システムにて用いられ、予め保持しているまたは無線基地局から送信されるコンテンション・ウインドウからバックオフ時間を計算するバックオフ時間算出部と、無線基地局から送信される減算レートと、前記バックオフ時間とからバックオフ完了時間を算出するバックオフ完了時間推定部と、前記バックオフ完了時間におけるスリープ状態からアクティブ状態に移行した後、パケットを送信する送信部とを有することを特徴とする。

本発明の無線ノードは、バックオフ完了前に新たな減算レートを受信した場合、バックオフ時間算出部が新たな減算レートを用い、バックオフ時間を補正することを特徴とする。

本発明の無線ノードは、前記バックオフ完了時間推定部が、前記スリープ状態とするスリープ時間を、減算レートの送出周期またはフレームの周期単位で算出することを特徴とする。

本発明の無線通信システムは、無線基地局と無線ノードとの間にてバックオフプロトコルによりフレームの送受信を行い、このフレームの周期内における、バックオフ時間の減算対象の期間の比率が動的に変化する無線通信システムであって、前記無線基地局が、前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視するスケジューリング部と、フレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出する減算レート算出部とを有し、前記スケジューリング部が算出され減算レートを無線ノードに対し、一定周期毎に通知し、前記無線ノードが、予め保持しているまたは無線基地局から送信されるコンテンション・ウインドウからバックオフ時間を計算するバックオフ時間算出部と、無線基地局から送信される減算レートと、前記バックオフ時間とからバックオフが完了するバックオフ完了時間を算出するバックオフ完了時間推定部と、バックオフ完了時間におけるスリープ状態からアクティブ状態に移行した後、パケットを送信する送信部とを有することを特徴とする。

本発明の無線通信方法は、無線基地局と無線ノードとの間にてバックオフプロトコルによりフレームの送受信を行い、このフレームの周期内における、バックオフ時間の減算対象の期間の比率が動的に変化する無線通信システムにおける無線通信方法であって、前記無線基地局において、スケジューリング部が前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視するスケジューリング過程と、減算レート算出部がスケジューリング部がフレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出する減算レート算出過程と前記スケジューリング部が算出され減算レートを無線ノードに対し、一定周期毎に通知する通知過程とを有し、前記無線ノードにおいて、バックオフ時間算出部が、予め保持しているまたは無線基地局から送信されるコンテンション・ウインドウからバックオフ時間を計算するバックオフ時間算出過程と、バックオフ完了時間推定部が、無線基地局から送信される減算レートと、バックオフ時間とから、バックオフが完了するバックオフ完了推定時間を算出するバックオフ完了時間推定過程と、送信部がバックオフ完了推定時間におけるスリープ状態からアクティブ状態に移行した後、パケットを送信する送信過程とを有することを特徴とする。

以上説明したように、発明によれば、基地局がバックオフ時間の減算対象となるアクセス期間の割合を監視し、その割合を基にバックオフ時間の減算レートを算出し、一定周期で各ノードに通知し、一方、各無線ノードが受信した減算レートを基に、バックオフの完了時間を推定することができ、バックオフ完了時間までの期間が十分に長ければ、スリープ状態に遷移することができ、消費電力を従来例に比較して削減することができる。

また、本発明によれば、推定したバックオフ時間に近づいた際、アクティブ状態に遷移し、ここで最新の減算レートを受信した場合、バックオフ完了時間を、最新の減算レートを用いて修正することができる。
上述したように、本発明によれば、ネットワーク媒体の状態などを監視しないと正確なバックオフ時間が決まらないシステムにおいて、バックオフ時間の減算を正確に行うことが可能となり、従来のバックオフプロトコルを使用したシステムに対して、各ノードの送信確率を的確に制御することができ、フレームの送受信のスループットを低下させることを抑制する、もしくはバックオフ中スリープ状態に遷移しない従来のバックオフプロトコルと混在して使用した時に、得られるスループットに公平性を保つことが出来る効果が得られる。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態による無線通信システムにおける無線基地局及び無線ノードを図面を参照して説明する。図１は同実施形態による無線基地局の構成例を示すブロック図である。また、図２は同実施形態による無線ノードの構成例を示すブロック図である。
上記図１において、無線基地局１は、受信部１１，送信部１２，転送部１３，減算レート算出部１４及びスケジューリング部１５を有している。
ここで、受信部１１は無線ノード２からのフレームを受信し、送信部１２は無線ノード２に対してフレームを送信する。転送部１３は、受信部１１から入力したフレームを加工処理（フレーム処理；例えば宛先アドレス変更等）を行い、送信部１２から送信する。

スケジューリング部１５は、図３に示すフレーム構成において、フレーム周期Ｔにおける上り回線アクセス（Up link）時間ｔを検出し、フレーム周期Ｔ及び上り回線アクセス時間ｔを減算レート算出部１４へ出力する。ここで、上り回線アクセスは、例えば無線ノード２が無線基地局１へフレームを送信するランダムアクセスの領域である。この図３における上り回線アクセス時間の期間がバックオフ期間の減算対象期間となる。
減算レート検出部１４は、上り回線アクセス時間ｔをフレーム周期Ｔにより除算する（ｔ／Ｔ）ことにより、減算レートＲを算出し、転送部１３へ出力する。

また、転送部１３は、送信部１２を介して上記算出レートを各無線ノードにフレーム周期単位で送出、あるいは複数のフレーム周期間隔で規定される減算レート送出周期にて送出して報知する。本実施例は直前のフレームの構成により減算レートを算出しているが、隣接するフレーム間にて急激にフレームにおける上り回線アクセス時間ｔの比率が急激に変化する場合には、直前の減算レートに対して加算平均をとっても構わない。

上記図２において、無線ノード２は、受信部２１，送信部２２，データ生成部２３，バックオフ時間算出部２４，バックオフ完了時間推定部２５，スリープ判定部２６，送信タイミング検出部２７，起動部２８及びクロック部２９を有している。
ここで、受信部２１は無線基地局１からのフレームを受信し、送信部２２は無線基地局１に対してフレームを送信する。データ生成部２３は無線基地局１へ送信するフレームを生成する。
バックオフ時間算出部２４は、データ生成部２３がフレームを生成した時点からバックオフ開始時間からの経過時間ｔｂを計数し、計数した経過時間ｔｂをバックオフ完了時間推定部２５へ出力する。

バックオフ完了時間推定部２５は、常に保持しているかまたは該減算レートＲと共に無線基地局１から報知されるコンテンション・ウィンドウ(ＣＷ）を用いてバックオフ時間Ｂを算出し、このバックオフ時間Ｂと受信した減算レートＲとにより、バックオフの完了時間を推定、バックオフ時間Ｂに対して減算レートＲを除算することにより、バックオフ完了時間を推定する。再送回数の累乗をコンテンションウィンドウに乗算し、その範囲の中で一様なランダム値をバックオフ時間Ｂとして算出する。
すなわち、上記バックオフ完了時間推定部２５は、バックオフしてからこれまでに経過した経過時間ｔｂを、バックオフ時間Ｂを減算レートＲにより除算した結果から減算する（Ｂ／Ｒ−ｔｂ）ことにより、現在からバックオフが完了するまでのバックオフ完了時間を算出することができる。

スリープ判定部２６は、上記推定したバックオフ完了時間に基づき、スリープ状態に遷移するか否かの判定を行う。すなわち、スリープ判定部２６には、無線ノード２をアクティブ状態からスリープ状態へ移行するか否かを判定するための比較値を有している。すなわち、スリープ判定部２６は、上記比較値と、バックオフ完了時間推定部２５が推定したバックオフ完了時間とを比較し、バックオフ完了時間が比較値より大きいことを検出した場合、アクティブ状態からスリープ状態へ、無線ノード２の状態を遷移させる。ここで、スリープ状態とは、少なくとも、受信部２１及び送信部２２の動作が停止状態、また加えて、バックオフ時間算出部２４，バックオフ完了時間推定部２５を停止状態とする。

上述した判定処理を、無線基地局１と、無線ノード＃１及び＃２（無線ノード２）との間のバックアッププロトコルを用いたフレームの送受信の流れを示す図４の概念図にて説明する。無線基地局から減算レートＲ１（＝ｔ１／Ｔ），Ｒ２（＝ｔ２／Ｔ），…，Ｒｍ（＝ｔｍ／Ｔ），…が順次、フレーム周期により報知される。無線ノード＃１及び＃２は、各々のコンテンション・ウィンドウを用いてバックオフ時間を計算し、このバックオフ時間と、受信する減算レートとにより、それぞれのバックオフ完了時間を算出する。

ここで、無線ノード＃１が減算レートＲ１を用いてバックオフ完了時間を算出し、無線ノード＃２が減算レートＲ２を用いてバックオフ完了時間を算出した。
例えば、無線ノード＃１においては、推定したバックオフ完了時間「（Ｂ／Ｒ１）−ｔｂ」が比較時間に対して十分に長いと検出したため、スループ状態に遷移している。すなわち、無線ノード＃１において、スリープ判定部２６は、バックオフ完了時間推定部２５において算出したバックオフ完了時間が比較値より大きいことを検出したため、無線ノード＃１をアクティブ状態からスリープ状態に移行させ、低消費電力化を行う。

また、無線ノード＃２においては、推定したバックオフ完了時間が比較時間に対して比較的短いため、スリープ状態に遷移せず、バックオフを完了するまでアクティブ状態で待機している。すなわち、無線ノード＃２において、スリープ判定部２６は、バックオフ完了時間推定部２５において算出したバックオフ完了時間が比較値より小さいことを検出したため、無線ノード＃２をアクティブ状態のままとしている。上記比較値は、アクティブ状態に移行するために必要な時間と、スリープ状態からアクティブ状態に移行するために必要な時間とを加算した数値などを用いる。

起動部２８は、スリープ判定部２８から入力されるスリープ状態に移行させたことを示す制御信号を入力すると、計数を開始して、計数値が、バックオフ完了時間より少し前の時間、すなわちバックオフ完了時間からスリープ状態からアクティブ状態に移行するために必要な時間を減算した時間（すなわち起動時間）となったことを検出すると、無線ノード２をアクティブ状態に移行させる（起動させる）。つまり、起動部２８は、バックオフの完了時間の直前にアクティブ状態に、無線ノード２を遷移させる。

送信タイミング検出部２７は、スリープ判定部２８から入力されるスリープ状態に移行させたことを示す制御信号を入力すると、計数を開始して、計数値がバックオフ完了時間となったことを検出すると、データ生成部２３に対してフレームの送信を指示する送信制御信号を出力する。
また、データ生成部２３は、上記送信制御信号が入力されると、無線基地局１に対して、送信部２２を介してフレームを送信する。
したがって、無線ノード２は、バックオフの完了時間の直前にアクティブ状態に遷移し、バックオフ完了時間にランダムアクセスを行なう。

次に、図５を用いて図１に示す無線基地局１と図２に示す無線ノード２とから構成される無線通信システムの図４におけるフレーム送信の動作を説明する。図５は無線基地局１と無線ノード２（無線ノード＃１，＃２）とのフレームの送受信における動作例を示すシーケンス図である。また、図６に図５（また、図１０，図１３）で用いている記号の説明を示す。
無線ノード＃１のデータ生成部２３がフレームを生成し（ステップＳ１）、無線基地局１が報知した減算レートＲ１を無線ノード＃１の受信部２１が受信する（ステップＳ２）。
そして、無線ノード＃１のバックオフ完了時間推定部２５がバックオフ完了時間を推定し、無線ノード＃１のスリープ判定部２６が比較値よりバックオフ完了時間が大きいことを判定し、無線ノード＃１をスリープ状態に移行させる（ステップＳ３）。

次に、無線ノード＃２のデータ生成部２３がフレームを生成し（ステップＳ４）、無線基地局１が報知した減算レートＲ２を無線ノード＃２の受信部２１が受信する（ステップＳ５）。
そして、無線ノード＃２のバックオフ完了時間推定部２５がバックオフ完了時間を推定し（ステップＳ６）、無線ノード＃２のスリープ判定部２６が比較値よりバックオフ完了時間が小さいことを判定し、無線ノード＃２の送信タイミング検出部２７がバックオフ完了時間となったことを検出し、無線ノード＃２のデータ生成部２３に対して制御信号を出力することにより、送信部２２を介し、生成したフレームを無線基地局１に対してランダム送信する（ステップＳ７）。

次に、無線ノード＃１の起動部２８が起動時間となったことを検出して無線ノード＃１を起動させ、無線ノード＃１の送信タイミング検出部２７がバックオフ完了時間となったことを検出し、無線ノード＃１のデータ生成部２３に対して制御信号を出力することにより、無線ノード＃１のデータ生成部２３が送信部２２を介し、生成したフレームを無線基地局１に対してランダム送信する（ステップＳ８）。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態による無線通信システムを説明する。無線基地局１及び無線ノード２の構成については、第１の実施形態と同様の構成について同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。以下、第１の実施形態と異なる構成及び動作のみについて説明する。
図７に示す構成のように、あるリンクに対して送信するフレームが、バックオフプロトコルによってランダムアクセスする領域と、ランダムアクセス以外(例えば、固定割当とかデマンドアサインなど)の方法にてアクセスする領域が時分割で区切られて設定されており、無線基地局１が各リンクのトラヒックの状況に応じ、フレーム周期における各領域の割合を動的に変化させるシステムを想定する。この図７におけるランダムアクセスの期間がバックオフ期間の減算対象期間となる。

上述したシステムの場合、無線基地局１において、スケジュールリング部１５は、自身がトラフィックの状況に応じて領域の割合を制御するため、ランダムアクセス領域の時間を検出することができ、すなわちフレーム周期におけるランダムアクセス領域の時間を知りえる。
したがって、スケジューリング部１５は、検出したランダムアクセス領域の時間ｔを減算レート算出部１４へ出力する。
次に、減算レート算出部１４は、その時間ｔをフレーム周期（フレーム長）にて除算して、バックオフ時間の減算レートＲを算出する。
他の動作については、第１の実施形態と同様である。

＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態による無線通信システムを説明する。無線基地局１及び無線ノード３の構成については、第１の実施形態と同様の構成について同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。以下、第１の実施形態と異なる構成及び動作のみについて説明する。
図８に示す構成のように、あるリンクに対して送信するフレーム全体が、バックオフプロトコルによってランダムアクセスする領域であり、複数の固定長のスロットから構成されているフレームにてデータの送受信を行うシステムを想定する。この図８における各周期においてランダムアクセスにおけるアイドル状態（Ｉ）を加算した期間がバックオフ期間の減算対象期間となる。
すなわち、ランダムアクセス領域の中でもネットワーク媒体がアイドル状態であった場合のみバックオフ時間を減算するランダムアクセス法によるシステム構成を想定する．

上記システムの場合、無線基地局１のスケジューリング部１５は、ランダムアクセスの結果を常に監視し、その結果、無線ノード２がアイドル状態である時間をカウントし、監視時間(減算レートの送出周期、あるいはフレーム周期)を基に、バックオフ時間の減算レートを算出する。
例えば、図８に示すように、減算レートＲの送出周期（ここではフレーム周期）Ｔが、１５のスロット(周期ｔｓ）に細分化（分割）されており、そのスロットの周期が固定である場合を示している。図８における各スロット内に記載されているＩ，Ｓ，Ｃは、それぞれのスロットがアイドル状態，成功状態，衝突状態であることを示している。

ここで、減算レート算出部１４が減算レートＲ１を算出する基となる周期では、アイドル状態のスロットが５スロットあったため、「（ｔｓ×５）／Ｔ」を計算することにより、減算レートＲ１を算出する。
他の動作については、第１の実施形態と同様である。

＜第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態による無線通信システムを説明する。無線基地局１及び無線ノード３の構成については、第１の実施形態と同様の構成について同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。以下、第１の実施形態と異なる構成及び動作のみについて説明する。
バックオフ完了時間の直前まで、すなわち起動時間までスリープ状態に遷移している無線ノード２は、起動してアクティブ状態に遷移した後に、バックオフ完了時間前に最新の減算レートＲｍを再度受信した際、すでに算出しているバックオフ完了時間の補正を行う。言い換えると、バックオフ完了時間前に最新の減算レートＲｍを再度受信できるようにアクティブ状態に遷移する。

ここで、バックオフ完了時間推定部２５は、受信した最新の減算レートＲｍに基づいて、バックオフ完了時間を修正する。
このとき、バックオフ完了時間推定部２５は、図９に示すように、スリープ状態に遷移する前においてバックオフが開始されてから、最新の減算レートＲｍを受信する間での経過時間をtb2とすると、現在、すなわち減算レートＲｍを受信してから、修正したバックオフ完了までの時間を、「（Ｂ／Ｒｍ）−ｔｂ２」（補正時間）で算出できる。

また、バックオフ完了時間推定部２５は、上記補正時間により、スリープ状態前に設定された減算レートＲ１に加算し、新たなバックオフ完了時間を、２Ｂ／（Ｒ１＋Ｒｍ）−ｔｂ２と算出し、補正バックオフ完了時間として送信タイミング検出部２７へ出力する。
送信タイミング検出部２７は、設定されているバックオフ完了時間を、上記補正バックオフ完了時間に置き換え、計数結果がこの補正バックオフ完了時間に到達したことを検出した際に、データ生成部２３に対して、送信部２２を介したランダムアクセスを行わせる。

次に、第４の実施形態の動作例を図１０のシーケンス図を用いて説明する。
無線ノード２のデータ生成部２３がフレームを生成し（ステップＳ１）、無線基地局１が報知した減算レートＲ１を無線ノード＃１の受信部２１が受信する（ステップＳ２）。
そして、無線ノード２のバックオフ完了時間推定部２５がバックオフ完了時間を推定し、無線ノード２のスリープ判定部２６が比較値よりバックオフ完了時間が大きいことを判定し、無線ノード２をスリープ状態に移行させる（ステップＳ３）。

次に、無線基地局１が次の減算レートの送出周期にて、減算レートＲ２を報知するが、無線ノード２はスリープ状態のため、この減算レートＲ２を受信することはない（ステップＳ１４）。
次に、無線ノード２の起動部２８は起動時間となったことを検出し、無線ノード２を起動（スリープ状態からアクティブ状態へ遷移）させる（ステップＳ１５）。
そして、無線ノード２は、バックオフ完了時間となる前に、無線基地局１が報知する最新の減算レートＲｍを受信し、この減算レートＲｍによりバックオフ完了時間を補正するする（ステップＳ１６）。

次に、無線ノード２の送信タイミング検出部２７が補正されたバックオフ完了時間となったことを検出し、無線ノード２のデータ生成部２３に対して制御信号を出力することにより、データ生成部２３が送信部２２を介し、生成したフレームを無線基地局１に対してランダム送信する（ステップＳ１７）。

＜第５の実施形態＞
次に、第５の実施形態による無線通信システムを説明する。無線基地局１及び無線ノード３の構成については、第４の実施形態と同様の構成について同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。以下、第４の実施形態と異なる構成及び動作のみについて説明する。
第４の実施形態と同様に、バックオフ完了時間の直前まで、すなわち起動時間までスリープ状態に遷移している無線ノード２は、起動してアクティブ状態に遷移した後に、バックオフ完了時間前に最新の減算レートＲｍを再度受信した際、すでに算出しているバックオフ完了時間の補正を行う。

ここで、第５の実施形態においては、バックオフ完了時間前に最新の減算レートＲｍを再度受信できるようにアクティブ状態に遷移する構成とする。
すなわち、第１の実施形態にて推定したバックオフ完了時間を積極的に修正するため、バックオフ完了によるフレーム送信の前に再度バックオフ時間の減算レートＲｍを受信する必要がある。
そのため、本実施形態においては、フレームを送信する前、すなわち補正する時間の余裕を持たせて、最新の減算レートを受信し損ねるのを防ぐため、図１１に示すように、スリープ時間を減算レートの送出周期Ｔもしくはフレーム(スロット)周期を単位として規定する。

すなわち、バックオフ完了時間推定部２５は、第１の実施形態と同様にバックオフ完了時間を算出し、このバックオフ完了時間をフレーム周期Ｔにて除算して、小数点以下を切り捨て、フレーム周期数を示す整数値として、起動部２８へ出力する。このとき、バックオフ完了時間推定部２５は、送信タイミング検出部２７に対しては除算しない状態のバックオフ完了時間を出力する。
そして、送信タイミング検出部２７は、送信タイミングを検出する設定値として、バックオフ完了時間を設定し、時間の計数を開始する（全ての実施形態にて同様）。

起動部２８は、スリープ判定部２８から入力されるスリープ状態に移行させたことを示す制御信号を入力すると、計数を開始して、計数値が、上記整数値より少し前の時間、すなわちバックオフ完了時間からスリープ状態からアクティブ状態に移行するために必要な時間を減算した時間（すなわち起動時間）となったことを検出すると、無線ノード２をアクティブ状態に移行させる（起動させる）。つまり、起動部２８は、新たな減算レートが無線基地局１から報知される前にアクティブ状態に、無線ノード２を遷移させる。
そして、バックオフ完了時間推定部２５は、新たな減算レートを受信して、補正時間を求め、スリープ状態前に設定された減算レートＲ１に加算し、新たなバックオフ完了時間を、「２Ｂ／（Ｒ１＋Ｒｍ）−ｔｂ2」として演算する。以下、第４の実施形態と同様である。

＜第６の実施形態＞
次に、第６の実施形態による無線通信システムを説明する。無線基地局１及び無線ノード２の構成については、第１の実施形態と同様の構成について同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。以下、第１の実施形態と異なる構成及び動作のみについて説明する。
第６の実施形態においては、無線ノード２がバックオフ完了時間を推定し、このバックオフ完了時間までの残り時間に基づき、スリープ状態のモードを複数段階的にて制御する。
例えば、図１２に示すように、スリープ状態として、プロセッサ（ＣＰＵ）と、受信部２１及び送信部２２の送受信機能部との双方の機能とも（起動部２８及び送信タイミング検出部２７等のスリープ状態及び送信タイミングを検出するカウント機能を有する部分以外）にシャットダウンした完全スリーブモードと、上記送受信機能部のみをシャットダウンした準スリーブモードの２つの段階のスリーブモードを備えた無線ノード２を用いて説明する。

すなわち、完全スリープモードにおいては、プロセッサ及び送受信機能部のすべてを停止状態とし、再起動してアクティブ状態に遷移した後、フレームの送信が可能となる状態になるまでに、多<の時間と電力を要する。
一方、準スリープモードにおいては、プロセッサは起動しているため、プロセッサを駆動するクロックの安定化やプログラムの初期化などの必要がないため、無線ノード２の起動時間を短縮でき、送受信機能部をシャットダウンしているため、バックオフ中のオーバーヒアリングによる電力消費を防止することが出来る。
このように、バックオフ完了までの残り時間との兼ね合いでスリーブモードの段階を適応的に選択する。

具体的な例として、上述した適応的なスリープモードの選択処理を、無線基地局１と、無線ノード＃１及び＃２（無線ノード２）との間のバックアッププロトコルを用いたフレームの送受信の流れを示す図１２の概念図にて説明する。無線基地局から減算レートＲ１（＝ｔ１／Ｔ），Ｒ２（＝ｔ２／Ｔ），…，Ｒｍ（＝ｔｍ／Ｔ），…が順次、フレーム周期により報知される。無線ノード＃１及び＃２は、各々のコンテンション・ウィンドウを用いてバックオフ時間を計算し、このバックオフ時間と、受信する減算レートとにより、それぞれのバックオフ完了時間を算出する。

ここで、無線ノード＃１が減算レートＲ１を用いてバックオフ完了時間を算出し、無線ノード＃２が減算レートＲ２を用いてバックオフ完了時間を算出した。
例えば、無線ノード＃１においては、推定したバックオフ完了時間「（Ｂ／Ｒ１）−ｔｂ」が比較時間に対して十分に長いと検出したため、スループ状態に遷移している。すなわち、無線ノード＃１において、スリープ判定部２６は、バックオフ完了時間推定部２５において算出したバックオフ完了時間が比較値より大きいことを検出したため、無線ノード＃１をアクティブ状態からスリープ状態（完全スリープモード）に移行させ、低消費電力化を行う。

また、無線ノード＃２においては、推定したバックオフ完了時間が比較時間に対して比較的短いため、完全スリープモードでなく、準スリープモードのスリープ状態に遷移させ、バックオフを完了するまで準スリープモードのスリープ状態で待機している。すなわち、無線ノード＃２において、スリープ判定部２６は、バックオフ完了時間推定部２５において算出したバックオフ完了時間が比較値より小さいことを検出したため、無線ノード＃２を送受信機能部のみを停止状態としている。上記比較値は、プロセッサが停止状態に移行するために必要な時間と、プロセッサを駆動するクロックなどが完全停止状態からプロセッサが安定動作状態に移行するために必要な時間とを加算した数値などを用いる。

上述したように、本実施形態においては、バックオフ完了までの残り時間との兼ね合いでスリーブモードの段階を適応的に選択する。他の構成及び動作については第１の実施形態と同様である。
完全スリープモードにて、クロック部２９における、起動部２８を駆動するクロック及び送信タイミング検出部２７を駆動するクロック以外、例えばプロセッサを駆動するクロック、送受信機能部を駆動するクロックの生成が停止させられる。また、プロセッサとは、プログラムにより、スリープ判定部２６，バックオフ完了時間推定部２５，バックオフ時間算出部２４，データ生成部２３各部の機能動作を行っている。

次に、図１３を用いて図１に示す無線基地局１と図２に示す無線ノード２とから構成される無線通信システムの図１２におけるフレーム送信の動作を説明する。図１３は無線基地局１と無線ノード２（無線ノード＃１，＃２）とのフレームの送受信における動作例を示すシーケンス図である。また、図６に上記図１３で用いている記号の説明を示す。
無線ノード＃１のデータ生成部２３がフレームを生成し（ステップＳ１）、無線基地局１が報知した減算レートＲ１を無線ノード＃１の受信部２１が受信する（ステップＳ２）。
そして、無線ノード＃１のバックオフ完了時間推定部２５がバックオフ完了時間を推定し、無線ノード＃１のスリープ判定部２６が比較値よりバックオフ完了時間が大きいことを判定すると、無線ノード＃１を完全スリープモードのスリープ状態に移行させる（ステップＳ２３）。

次に、無線ノード＃２のデータ生成部２３がフレームを生成し（ステップＳ４）、無線基地局１が報知した減算レートＲ２を無線ノード＃２の受信部２１が受信する（ステップＳ５）。
そして、無線ノード＃２のバックオフ完了時間推定部２５がバックオフ完了時間を推定し、無線ノード＃２のスリープ判定部２６が比較値よりバックオフ完了時間が小さいことを判定すると、無線ノード＃２を準スリープモードのスリープ状態に移行させる（ステップＳ２６）。

次に、無線ノード＃２の起動部２８が起動時間となったことを検出して無線ノード＃２の送受信機能部を起動させ、無線ノード＃２の送信タイミング検出部２７がバックオフ完了時間となったことを検出し、無線ノード＃２のデータ生成部２３に対して制御信号を出力することにより、無線ノード＃２のデータ生成部２３が送信部２２を介し、生成したフレームを無線基地局１に対してランダム送信する（ステップＳ２７）。

次に、無線ノード＃１の起動部２８が起動時間となったことを検出して無線ノード＃１のプロセッサと送受信機能部とを起動させ（ステップＳ２８）、無線ノード＃１の送信タイミング検出部２７がバックオフ完了時間となったことを検出し、無線ノード＃１のデータ生成部２３に対して制御信号を出力することにより、無線ノード＃１データ生成部２３が送信部２２を介し、生成したフレームを無線基地局１に対してランダム送信する（ステップＳ２９）。

＜応用例＞
上述した第１から第６の実施形態において説明したように、本発明に依れば、ネットワーク媒体の状態などを監視しないと、無線ノードが正確なバックオフ時間を決められないシステムにおいて、バックオフ時間の減算を正確に行えると同時に、おけるバックオフ中の消費電力を削減することができる。
すなわち、バックオフ時間の減算を正確に行なわないと、各ノードの送信確率を的確に制御できずスループットが低下する。
図１４には、バックオフ時間の減算は正確に行えるもののバックオフ時間算出の元となるコンテンションウインドウ（ＣＷ）の値に対するスループット特性変化を示している。

無線ノードの数が１０００台、最大再送回数が５回、チャンネル容量で規格化した生起トラヒック量Ｇが０．６／１．０／１．４、再送の度にＣＷをｎ倍するエクスポネンシャル・バックオフ方式（ｎ＝２）を用いた。
この結果、トラヒック量Ｇが０．６であり、初期ＣＷが２５０の時に、スループットが０．３６８と最大となる。
一方、初期ＣＷを１００及び５０にすると、スループットはそれぞれ０．３３，０．２２に落ち込んでしまう。このように、トラヒックの状況に応じて最適なＣＷを選択し、それに基づいてバックオフ時間を正確に減算しないとスループットが低下してしまう。

なお、図１における無線基地局１のスケジューリング部１５及び減算レート算出部１４の機能と、図２におけるデータ生成部２３，バックオフ時間算出部２４，バックオフ完了時間推定部２５，スリープ判定部２６，送信タイミング検出部２７及び起動部２８の機能とを、それぞれ実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによりバックオフプロトコルにおけるフレーム送信の制御処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

本発明の第１〜第６の実施形態による無線基地局１の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１〜第６の実施形態による無線ノード２の構成例を示すブロック図である。 第１の実施形態における無線通信システムにより用いられるフレーム構成を示す概念図である。 第１の実施形態における無線通信システムの動作例を示す概念図である。 第１から第３の実施形態の無線通信システムによるフレームの送受信を説明するシーケンス図である。 図５，図１０，図１３各々の図で使用されている記号を説明する図である。 第２の実施形態における無線通信システムにより用いられるフレーム構成を示す概念図である。 第３の実施形態における無線通信システムにより用いられるフレーム構成を示す概念図である。 第４の実施形態における無線通信システムの動作例を示す概念図である。 第４の実施形態の無線通信システムによるフレームの送受信を説明するシーケンス図である。 第５の実施形態における無線通信システムの動作例を示す概念図である。 第６の実施形態における無線通信システムの動作例を示す概念図である。 第６の実施形態の無線通信システムによるフレームの送受信を説明するシーケンス図である。 本実施形態による無線通信システムの応用例を示す概念図である。 先行技術におけるおける無線通信システムの動作例を示す概念図である。 他の先行技術におけるおける無線通信システムの動作例を示す概念図である。

符号の説明

１…無線基地局
２…無線ノード
１１，２１…受信部
１２，２２…送信部
１３…転送部
１４…減算レート算出部（Ｒ算出部）
１５…スケジューリング部
２３…データ生成部
２４…バックオフ時間算出部
２５…バックオフ完了時間推定部
２６…スリープ判定部
２７…送信タイミング検出部
２８…起動部
２９…クロック部

Claims (8)

1. バックオフプロトコルによりフレームの送受信を行い、このフレームの周期内における、バックオフ時間の減算対象の期間の比率が動的に変化する無線通信システムにて用いられる無線基地局であって、
   前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視するスケジューリング部と、
   フレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出する減算レート算出部とを有し、
   前記スケジューリング部が算出され減算レートを無線ノードに対し、一定周期毎に通知することを有することを特徴とする無線基地局。
2. 前記減算対象期間がランダムアクセス期間であり、
   トラヒックの状態に対応して、前記フレームに対するランダムアクセス期間を制御するアクセス期間制御部をさらに有し、
   前記スケジューリング部がアクセス期間制御部の出力する前記ランダムアクセス期間を監視し、
   前記減算レート算出部がフレームと前記ランダムアクセス期間とから減算レートを算出することを特徴とする請求項１記載の無線基地局。
3. 前記減算対象期間がランダムアクセスにおけるアイドル状態の期間であり、前記スケジューリング部が前記ランダムアクセスにおけるアイドル状態の期間を監視し、前記減算レート算出部が、フレーム周期と、前記ランダムアクセス期間のアイドル状態の期間とから減算レートを算出することと特徴とする請求項１記載の無線基地局。
4. バックオフプロトコルによりフレームの送受信を行い、このフレームの周期内における、バックオフ時間の減算対象の期間の比率が動的に変化する無線通信システムにて用いられる無線ノードであって、
   予め保持しているまたは無線基地局から送信されるコンテンション・ウインドウからバックオフ時間を計算するバックオフ時間算出部と、
   無線基地局から送信される減算レートと、前記バックオフ時間とからバックオフ完了時間を算出するバックオフ完了時間推定部と、
   前記バックオフ完了時間におけるスリープ状態からアクティブ状態に移行した後、パケットを送信する送信部と
   を有することを特徴とする無線ノード。
5. バックオフ完了前に新たな減算レートを受信した場合、バックオフ時間算出部が新たな減算レートを用い、バックオフ時間を補正することを特徴とする請求項４記載の無線ノード。
6. 前記バックオフ完了時間推定部が、前記スリープ状態とするスリープ時間を、減算レートの送出周期またはフレームの周期単位で算出することを特徴とする請求項５記載の無線ノード。
7. 無線基地局と無線ノードとの間にてバックオフプロトコルによりフレームの送受信を行い、このフレームの周期内における、バックオフ時間の減算対象の期間の比率が動的に変化する無線通信システムであって、
   前記無線基地局が、
   前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視するスケジューリング部と、
   フレームの周期及び前記減算対象間からバックオフ時間の減算レートを算出する減算レート算出部とを有し、
   前記スケジューリング部が算出され減算レートを無線ノードに対し、一定周期毎に通知し、
   前記無線ノードが、
   予め保持しているまたは無線基地局から送信されるコンテンション・ウインドウからバックオフ時間を計算するバックオフ時間算出部と、
   無線基地局から送信される減算レートと、前記バックオフ時間とからバックオフが完了するバックオフ完了時間を算出するバックオフ完了時間推定部と、
   バックオフ完了時間におけるスリープ状態からアクティブ状態に移行した後、パケットを送信する送信部と
   を有することを特徴とする無線通信システム。
8. 無線基地局と無線ノードとの間にてバックオフプロトコルによりフレームの送受信を行い、このフレームの周期内における、バックオフ時間の減算対象の期間の比率が動的に変化する無線通信システムにおける無線通信方法であって、
   前記無線基地局において、
   スケジューリング部が前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視するスケジューリング過程と、
   減算レート算出部がスケジューリング部がフレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出する減算レート算出過程と
   前記スケジューリング部が算出され減算レートを無線ノードに対し、一定周期毎に通知する通知過程とを有し、
   前記無線ノードにおいて、
   バックオフ時間算出部が、予め保持しているまたは無線基地局から送信されるコンテンション・ウインドウからバックオフ時間を計算するバックオフ時間算出過程と、
   バックオフ完了時間推定部が、無線基地局から送信される減算レートと、バックオフ時間とから、バックオフが完了するバックオフ完了推定時間を算出するバックオフ完了時間推定過程と、
   送信部がバックオフ完了推定時間におけるスリープ状態からアクティブ状態に移行した後、パケットを送信する送信過程と
   を有することを特徴とする無線通信方法。
   

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