JP2010050762A - 無線通信システムの時刻同期信号配信方式および配信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多数台の無線機器間の時刻同期に、パケット衝突やパケット欠落を回避し、狭い共有エリア内での干渉を少なくできる。
【解決手段】親局１、２間ではＬＡＮ経由で親局（ＡＰ）間のビーコン同期と送出タイミングを調整し、親局（ＡＰ）と子局（ＳＴＡ）間での通信区間を調整し、子局（ＳＴＡ）のｗａｋｅ／ｓｌｅｅｐタイミングを確保し、ＤＣＦ端末との通信区間を確保する手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、親局（ＡＰ：アクセスポイント）と子局（端末）間の情報伝送を無線ＬＡＮで行う無線通信システムに係り、特に時刻同期信号の配信方式および配信方法に関する。

既存の無線設備として、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１ ａ／ｂ／ｇに準拠した無線設備等）デバイスが多用されている。この無線ＬＡＮ規格となるＩＥＥＥ８０２．１１規格では、主に物理レイヤ規格とＭＡＣレイヤ規格から構成され、１つのＭＡＣレイヤ規格で複数の物理レイヤ規格をサポートすることができる。物理レイヤとしては、スペクトラム拡散のうち周波数ホッピング方式（ＦＨＳＳ）のもの、直接拡散方式（ＤＳＳＳ）のもの、および赤外線方式のものの３種類が規定され、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇでそれぞれ物理レイヤでの規格が異なる。ＭＡＣレイヤにはＣＳＭＡ／ＣＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｃｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ｗｉｔｈ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）方式を用いている。

上記の無線ＬＡＮデバイスを親局と子局にそれぞれ搭載した無線通信システムとして、例えば電力系統などの大規模設備の監視制御システムを構築する場合、複数の親局および多数の子局でそれぞれ系統電圧や電流を計測して相互に無線ＬＡＮ伝送することになるが、電力系統の保護継電機能には親局および子局での計測時刻を一致させた時刻同期が要求される。

上記の時刻同期には、時計管理サーバー（親局）で時間情報を取得し、時刻を合わせ、これを端末（子局）個々にサーバーへアクセスすることで全端末の時間補正を行う方法がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−０９９８８６号公報

ＩＥＥＥ８０２．１１規格には時刻同期を行う機能はない。故にサーバーと端末間の時刻を同期させるためには上位アプリケーションから時刻同期のための通信プロトコルを開発し、上位アプリケーションからのタイムスタンプ情報にて同期を行う手段しかない。

なお、ＩＥＥＥ８０２．１１規格では、親局（アクセスポイント）が単独で同期信号となるビーコンフレームを送出しており、そのフレーム内に有るタイムスタンプ情報を元に端末機器側の子局は、時間同期を行う（同期補足を実行する）ことができる。ただし、１つのＳＳＩＤ（Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｓｅｔ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）内でのみのビーコン同期になる。

ビーコンに同期した子局は、親局からのビーコンフレーム内から自局宛のデータが親局に到着しているかのフラグを確認する。もしも、データが存在しているならば、親局に対してＰＳモード中はＰＳ−ｐｏｌｌかＮｕｌｌパケットを送出する。これによって、子局はＳｌｅｅｐ状態からＡｃｔｉｖｅ状態に移行して親局から送出されるデータフレームを受信する。つまり、各々の子局（ＳＴＡ：Ｓｔａｔｉｏｎ）がビーコンフレームに同期して一斉にＰＳ−Ｐｏｌｌを送出することから、ＩＥＥＥ規格上、必然的にパケットが衝突を起こす。

また、ＰＳ−Ｐｏｌｌ動作は、１パケット分のデータのみを子局（ＳＴＡ）が受信するために以下の４つのフレームの交換（シーケンス）で動作する。

（ｓ１）子局（ＳＴＡ）はデータ有を確認し、ＰＳ−Ｐｏｌｌフレームを送出する。

（ｓ２）親局（ＡＰ）はＡＣＫを送信する。

（ｓ３）親局（ＡＰ）はデータフレームを送出する。

（ｓ４）子局（ＳＴＡ）はＡＣＫを送信する。

上記の（ｓ１）〜（ｓ４）の動作は１パケットフレーム分（ＩＰパケット）に相当する。但し、フラグメントされている場合、さらに繰り返し実行する。また、親局（ＡＰ）内バッファにデータが存在している場合、データが全て取り出されるまで、（ｓ１）〜（ｓ４）の動作を何回も繰り返す。

上記のＰＳ−Ｐｏｌｌ動作においては、１パケットにつき４回のフレームのやり取りが有るため、親局（ＡＰ）配下のすべての子局（ＳＴＡ）間で衝突が発生するおそれがある。また、同チャネルおよび干渉の影響がある隣接チャネルで複数のＳＳＩＤが個別のタイミングでこれらを実行していた場合、衝突が多発し、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式のため混雑な状況下ではデータ通信ができないケースが発生する。

このような不都合は、１０００台規模の無線通信システムが同一エリア内で親局（ＡＰ）と子局（ＳＴＡ）間を通信する環境の場合や映画館などの狭いエリアで一斉に子局（ＳＴＡ）から無線通信が実行される場合な、共有エリア内で隣接チャネルなどの干渉による影響を受けやすい環境で顕著になる。

上記の衝突を回避する方式として、現在技術として親局から送受信権フラグを送出し、それを受け取った子局がデータ送受信の機会を得ることでデータ送信および受信をおこない、送受信動作が終わったら、送受信権フラグを次の子局（ＳＴＡ）へ送出することで衝突を回避することが可能である。しかし、この方式の問題点は、スループットが低下する欠点がある。

本発明の目的は、多数台の無線機器間の時刻同期に、パケット衝突やパケット欠落を回避し、狭い共有エリア内での干渉を少なくできる無線通信システムの時刻同期信号配信方式および配信方法を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、親局（ＡＰ）間のビーコン同期と送出タイミングを調整する手段と、親局（ＡＰ）と子局（ＳＴＡ）間での通信区間を調整する手段と、子局（ＳＴＡ）のｗａｋｅ／ｓｌｅｅｐタイミングを確保する手段と、ＤＣＦ端末との通信区間を確保する手段とを備えて時刻同期信号を配信するようにしたもので、以下の方式および方法を特徴とする。

（１）複数の親局と多数の子局間の情報伝送を無線ＬＡＮで行い、各親局および各子局に搭載する時計によって各親局および各子局での情報取得時刻を同期させる方式であって、
各親局は、親局間ではＬＡＮ経由で時計の時刻同期を実行し、かつ各親局から子局に向けてビーコンといわれる信号を定期的に送出する手段と、
親局間のビーコン同期と送出タイミングを調整する手段と、
親局と子局間での通信区間を調整する手段と、
子局のｗａｋｅ／ｓｌｅｅｐタイミングを確保する手段と、
ＤＣＦ端末との通信区間を確保する手段と、
を備えて時刻同期信号を配信することを特徴とする。

（２）前記ビーコンインターバルをマスタとなる親局によって設定する手段と、同一チャネルの他の親局とは相互に同じビーコンインターバルを持たせる手段と、マスタとなる親局は同一チャネルの他の親局に対してビーコンタイミングを通知する手段と、他の親局はそのビーコンタイミングに同期し、事前にマスタとなる親局から得られた遅延タイミング情報を元に、自局のビーコン送出を実行する手段を備えたことを特徴とする。

（３）複数の親局と多数の子局間の情報伝送を無線ＬＡＮで行い、各親局および各子局に搭載する時計によって各親局および各子局での情報取得時刻を同期させる方法であって、
各親局は、親局間ではＬＡＮ経由で時計の時刻同期を実行し、かつ各親局から子局に向けてビーコンといわれる信号を定期的に送出し、
親局間のビーコン同期と送出タイミングを調整し、
親局と子局間での通信区間を調整し、
子局のｗａｋｅ／ｓｌｅｅｐタイミングを確保し、
ＤＣＦ端末との通信区間を確保し、
時刻同期信号を配信することを特徴とする。

（４）前記ビーコンインターバルをマスタとなる親局によって設定し、同一チャネルの他の親局とは相互に同じビーコンインターバルを持たせ、マスタとなる親局は同一チャネルの他の親局に対してビーコンタイミングを通知し、他の親局はそのビーコンタイミングに同期し、事前にマスタとなる親局から得られた遅延タイミング情報を元に、自局のビーコン送出を実行することを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、親局（ＡＰ）間のビーコン同期と送出タイミングを調整する手段と、親局（ＡＰ）と子局（ＳＴＡ）間での通信区間を調整する手段と、子局（ＳＴＡ）のｗａｋｅ／ｓｌｅｅｐタイミングを確保する手段と、ＤＣＦ端末との通信区間を確保する手段とを備えて時刻同期信号を配信するようにしたため、１０００台以上などの多数台の無線機器による無線通信システムに適用して、以下の効果がある。

（１）ＣＳＭＡ／ＣＡ方式による高負荷時のパケット欠落を回避し、確実に親局（ＡＰ）と子局（ＳＴＡ）間のデータ転送を可能にする。

（２）同一チャネルの親局（ＡＰ）相互のビーコン送出を同期することで、パケット衝突衝突が回避できる。またエリア拡大、通信距離の延長などが可能になる。

（３）狭い共有エリア内での複数台無線通信で、干渉が発生する環境下でも安定した通信を確保できる。

（４）親局（ＡＰ）による再スケジューリングによって、必要な時に必要なだけ帯域を確保できる。

（５）ＳＴＡに通信期間を設定することで、予め決まったタイミングでｗａｋｅし、その他のタイミングではｓｌｅｅｐ状態にすることが可能なため、電池寿命を延ばすことができる（省電力化ができる）。

図１は、本発明の実施形態を示すネットワーク構成図であり、親局（ＡＰ）からビーコンフレーム（Ｂｅａｃｏｎ）がＢｅａｃｏｎ Ｉｎｔｅｒｖａｌ（ＢＩ）設定に基づいて定期的に子局（端末）に送出されているネットワーク環境とする。

マスタとなる親局（ＡＰ）１からスレーブとなる他の親局（ＡＰ）２へＬＡＮを経由して親局間での時刻同期を実行する。これにより、異なる親局を持つ無線端末間の同期化を可能とし、例えば１０００台以上の端末間での時刻同期を可能とする。

子局３Ａ〜３Ｎは、親局からのＢｅａｃｏｎフレームを自局で設定されたＬｉｓｔｅｎ Ｉｎｔｅｒｖａｌ周期で受信する。このとき、子局（ＳＴＡ）はビーコンに同期して全ての子局（ＳＴＡ）が一斉に動作するため、衝突させないための仕組みを入れることで回避する。そのためには、送信子局（ＳＴＡ）の送信タイミングを親局（ＡＰ）と交渉された時間で通信する。

親局（ＡＰ）と子局（ＳＴＡ）間の通信は、親局（ＡＰ）へ帰属（アソシエーション動作）後、相互の通信可能時間を予め決めておく。子局（ＳＴＡ）は、図２に通信手順を示すように、親局（ＡＰ）からのデータ転送前のトリガとなるフレームを受信するために予め決めておいた通信時間前においてＳｌｅｅｐ状態からｗａｋｅ状態へ移行する。このタイミングで送受信動作を実施する。

図１のネットワーク構成例をもとに多数台（ここでは１０００台以上）の無線機器による無線通信の例を説明する。

通信方式は、ＦＤＭＡ／ＴＤＤ（周波数分割／時分割通信方式）に似た方式とするもので、例として５ＧＨｚ帯であるＩＥＥＥ８０２．１１ａで８ｃｈに各親局（ＡＰ）を割り当て、各チャネルに対して時分割で送受信する。

通信接続方式は、１０００台以上の端末を接続するために、１ｃｈあたり１２５台以上の接続を可能にする。この１ｃｈにつき１台／１つのＳＳＩＤで１２５台とした場合、無線通信可能エリア／距離の拡大のため、複数親局（ＡＰ）で同一のチャネルを使用するケースが有り得る。よってこの場合、衝突をさせないための仕組みを施す。

この使用例を図３を参照して説明する。同図は、同一チャネルを使用した異なるＳＳＩＤを持つ親局（ＡＰ）間のビーコン同期を実現するものである。

Ｂｅａｃｏｎ ｉｎｔｅｒｖａｌ（ＢＩ）は、親局（ＡＰ）１によって設定される。この場合、同一チャネルの親局（ＡＰ）２は相互に同じビーコンインターバル（ＢＩ）を持たす。マスタとなる親局（ＡＰ）１は、ＬＡＮ側にて同一チャネルを占有するスレーブの親局（ＡＰ）２に対して、ビーコンタイミングを通知する。スレーブとなる子局（ＡＰ）２はそのビーコンタイミングに同期し、事前にマスタとなる親局から得られた遅延タイミング情報を元に、自局のビーコン送出を実行する。各親局（ＡＰ）１，２のビーコン送出は、図３のように割り振られたタイミングで実行される。

例１として、１チャネルに４台の親局（ＡＰ）を設置する場合を説明する。

Ｂｅａｃｏｎ ｉｎｔｅｒｖａｌ（ＢＩ）＝１秒とする。

親局（ＡＰ）の通信区間を２５０ｍｓｅｃ（２５０ｍｓｅｃ／４台）とする。

子局（ＳＴＡ）１の通信間隔は、ビーコン受信から０秒後アクティブにする。

子局（ＳＴＡ）２の通信間隔は、ビーコン受信から６０ミリ秒後アクティブにする。

子局（ＳＴＡ）３の通信間隔は、ビーコン受信から１２０ミリ秒後アクティブにする。

子局（ＳＴＡ）４の通信間隔は、ビーコン受信から１８０ミリ秒後アクティブにする。

例２として、１台の親局（ＡＰ）に収容する子局（ＳＴＡ）を２０台とすれば、７台必要となる。この時の動作設定は以下の様になる。

ＢＩ＝１秒とする。

親局（ＡＰ）の通信区間を２５０ｍｓｅｃ（２５０ｍｓｅｃ／７台）とする。

子局（ＳＴＡ）１の通信間隔は、ビーコン受信から０秒後アクティブにする。

子局（ＳＴＡ）２の通信間隔は、ビーコン受信から３５ミリ秒後アクティブにする。

子局（ＳＴＡ）３の通信間隔は、ビーコン受信から７０ミリ秒後アクティブにする。

子局（ＳＴＡ）４の通信間隔は、ビーコン受信から１０５ミリ秒後アクティブにする。

子局（ＳＴＡ）５の通信間隔は、ビーコン受信から１４０ミリ秒後アクティブにする。

子局（ＳＴＡ）６の通信間隔は、ビーコン受信から１７５ミリ秒後アクティブにする。

子局（ＳＴＡ）７の通信間隔は、ビーコン受信から２１０ミリ秒後アクティブにする。

なお、親局（ＡＰ）は必ずしも上記例のように子局（ＳＴＡ）へ固定したアクセス配分とする必要は無く、親局（ＡＰ）自身がスケジューリングの再構築を可能にする。アプリケーションによってダイナミックに変更できるようにする。また、特定に子局（ＳＴＡ）に対して優先的に帯域を確保することも可能にする。また、親局（ＡＰ）は、他の子局（ＳＴＡ）からの帰属やデータ転送を可能とするために、ＤＣＦ（自立分散制御）方式による通信区間を設定できるようにスケジューリングをする。

以上のほか、本実施形態では、他チャネルとなる別の親局（ＡＰ）（別ＳＳＩＤ）の相互干渉において、お互いに干渉されないチャネルを使用するものとする。

また、親局（ＡＰ）からＣＦ−Ｐｏｌｌフレームを該当する子局（ＳＴＡ）へ送出し、転送データが無い場合は子局（ＳＴＡ）から親局（ＡＰ）へＮｕｌｌパケットを送信して通信区間を終結する。その後は、他の子局（ＳＴＡ）からの通信を可能にする（ＤＣＦ区間）。

本発明の実施形態を示すネットワーク構成図。 １台の親局対複数台の子局との通信手順。 親局間同期のタイミングチャート。

符号の説明

１、２ 親局
３Ａ〜３Ｎ 子局

Claims (4)

1. 複数の親局と多数の子局間の情報伝送を無線ＬＡＮで行い、各親局および各子局に搭載する時計によって各親局および各子局での情報取得時刻を同期させる方式であって、
   各親局は、親局間ではＬＡＮ経由で時計の時刻同期を実行し、かつ各親局から子局に向けてビーコンといわれる信号を定期的に送出する手段と、
   親局間のビーコン同期と送出タイミングを調整する手段と、
   親局と子局間での通信区間を調整する手段と、
   子局のｗａｋｅ／ｓｌｅｅｐタイミングを確保する手段と、
   ＤＣＦ端末との通信区間を確保する手段と、
   を備えて時刻同期信号を配信することを特徴とする無線通信システムの時刻同期信号配信方式。
2. 前記ビーコンインターバルをマスタとなる親局によって設定する手段と、同一チャネルの他の親局とは相互に同じビーコンインターバルを持たせる手段と、マスタとなる親局は同一チャネルの他の親局に対してビーコンタイミングを通知する手段と、他の親局はそのビーコンタイミングに同期し、事前にマスタとなる親局から得られた遅延タイミング情報を元に、自局のビーコン送出を実行する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システムの時刻同期信号配信方式。
3. 複数の親局と多数の子局間の情報伝送を無線ＬＡＮで行い、各親局および各子局に搭載する時計によって各親局および各子局での情報取得時刻を同期させる方法であって、
   各親局は、親局間ではＬＡＮ経由で時計の時刻同期を実行し、かつ各親局から子局に向けてビーコンといわれる信号を定期的に送出し、
   親局間のビーコン同期と送出タイミングを調整し、
   親局と子局間での通信区間を調整し、
   子局のｗａｋｅ／ｓｌｅｅｐタイミングを確保し、
   ＤＣＦ端末との通信区間を確保し、
   時刻同期信号を配信することを特徴とする無線通信システムの時刻同期信号配信方法。
4. 前記ビーコンインターバルをマスタとなる親局によって設定し、同一チャネルの他の親局とは相互に同じビーコンインターバルを持たせ、マスタとなる親局は同一チャネルの他の親局に対してビーコンタイミングを通知し、他の親局はそのビーコンタイミングに同期し、事前にマスタとなる親局から得られた遅延タイミング情報を元に、自局のビーコン送出を実行することを特徴とする請求項３に記載の無線通信システムの時刻同期信号配信方法。

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