JP2012100143A - ２チャンネルネットワークシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ピュアアロハの低消費電力特性と、スロッテドアロハの高い周波数利用効率とを備えたネットワークシステムが求められている。
【解決手段】起動時は、従来のピュアアロハと同様に通信を行うが、各端末局は中央局からの受信確認信号を時計信号として用い、これに同期するようにパケット送信を行うことで、擬似的にスロッテドアロハとする。中央局の受信確認信号は、周期的なクロックパルスに同期して送信し、端末局は受信した受信確認信号に同期したクロック信号を生成し、当初の非同期状態から同期状態でパケット送信を行う形態に移行する。端末局の受信部は、パケットの送信後の所定の期間だけ動作状態にする。また、端末局の受信部は、動作状態期間を変化させて、受信確認信号を探索し、受信確認信号を受信できるように上記期間を維持することで、受信した受信確認信号に同期したクロック信号を生成する。
【選択図】図２

Description

この発明は、中央局と複数の端末局とで構成され、端末から見て送信用のチャンネルと受信用のチャンネルの２チャンネルを使用するネットワークシステムで、端末局の消費電力を抑制できる２チャンネルネットワークシステムに関する。

本発明は、概略、ピュアアロハ（Pure-ALOHA）とスロッテドアロハ（Slotted ALOHA）との中間に位置するネットワークシステムに類似するので、以下に、それぞれの概要を説明する。

ピュアアロハは、ハブを中心とし複数のクライアントをスター形の構成としパケット通信を行う無線ネットワークで、ハブからクライアントへの送信に使うチャンネルと各クライアントからハブに向かっての送信に使うチャンネルがあり、例えば、それぞれ同一周波数を用いるものである。メッセージは小さなパケットに分割し、パケットとパケットの間に少し時間を空ける。これにより、他のノードがパケットを送信する余地を設け、同じチャンネルを共有できるようしている。送信側では、パケットを送信した後、送信ノードは中央のハブがそのメッセージを送り返すのを待ち受ける。メッセージが無事に戻ってきたら、次のパケットを送信する。つまり、受信側では、受信したデータを即座に再送し、送信側はその再送データを受信することで送受信が正しく行われたかを判断する。データが壊れている場合は、パケットの衝突による場合が多いので、送信側はランダムな時間だけ待ち、パケットを再送する。待ち時間はランダムなので、衝突を起こしたパケットを送信した複数のノードのうち１つが最初に再送を試みる。他のノードは、これを受信するので、そのチャンネルが別のノードによって使われていることを知ることができる。この様にランダムにすることにより、大概の場合衝突が避けられる。この送受信方法によって、複数のクライアントが同時にパケットを送ろうとした場合の信号の衝突を検出して避けることができるようになった。

スロッテドアロハは、ピュアアロハの改良版のプロトコルで、ピュアアロハが任意のタイミングでの送信を許可していたのに対し、一定間隔でタイムスロットを設けて送信タイミングを制御している。それ以外はピュアアロハと同様の手順で送受信が行われる。これによりパケットの一部だけが衝突しても再送しなければならないという制約が無くなり、衝突が抑制されるので、最大スループットは、ピュアアロハのほぼ２倍になり、通信効率が向上する。

上記のピュアアロハにおいて、送信信号は必ず衝突を起こすものとし、複数回の再送信を行う様に最初から設定することによって、受信部を省略することができる。このように受信部を用いない場合は、受信に要する消費電力が不要となり低消費電力化が計れる。また、ハードウェアは送信部のみのため簡単になる。このため、無線センサー等には適している。しかし、当然のことながらピュアアロハの欠点を有する。つまり、各無線センサーが同期関係を持たずに自由に信号を発するため、信号同士の衝突が起こり、単一周波数あたりに収容できる無線センサーの数が増えるに従って通信性能上に支障をきたすようになる。

特許文献１（特開２００８−２８９１４５号公報）には、無線通信システムのリモートユニットにおいて、消費電力低減のため、タイミング信号を発生する方法およびシステムが開示されている。この開示においては、高い精度のタイミング信号が必要とされる間、リモートユニット内のプロセッサにタイミング基準信号を与えるよう、高精度のクロックを使用し、アクティビティの低い期間では、高精度のクロックをオフにし、低精度のクロックを使用してプロセッサに対する基準タイミング信号を発生する。また、低精度のクロックパルスを、高精度のクロックパルスに基づき発生されるシステムタイミング信号の間で発生される。この、低精度のクロックパルスの数を測定することにより、低精度のクロックの精度を定期的にチェックする。システムタイミング信号を発生するのに低精度のクロックに依存している時は、プロセサが再び高精度クロックをパワーアップする時間であることを認識できる程度に十分な精度とするものである。特に、無線センサーに共通のクロック基準を持たすため、複数のクロック発生器を持つ方法が記載されているが、この方法では、ハードウェアが複雑となりコスト高となる。

また、特許文献２（特開２００６−１０１２５２号公報）では、システムＡの同期管理基地局と複数の従属基地局のカバーするサービス・エリアＡ内に他のシステムＢに属する基地局のサービス・エリアＢが重複した場合に、システムＡとシステムＢは同期関係に無いために起こるスロット間の干渉の発生を解消する方法が開示されている。これは、複数の基地局中の１つを同期管理基地局とし、他の基地局に対し無線で基準タイミングを送るものである。各基地局は自走クロックを発振しており、無線受信した基準タイミングと制御チャネルの送信タイミングとのずれ（偏差）を測定する位相測定部と、偏差を最小にするように位相調整する位相調整部と、を有し、他の基地局は同期管理基地局に同期させる。他のシステムＢとスロット間の干渉が発生した場合に、同期管理基地局は、システムＢに属する基地局との偏差を測定し、その偏差が最小となるように基準タイミングの位相を調整してスロット間の干渉を避けるものである。これは、位相測定部による計測結果に基づきクロックを調整するものであるが、複雑な構造となり、併せて複雑な演算が必要となる、という問題がある。

特開２００８−２８９１４５号公報 特開２００６−１０１２５２号公報

例えば、無線センサーを生体データの伝送や工場内のプラントデータの伝送に利用する場合、ピュアアロハは、簡単な構成でネットワークが組めることから、度々用いられる。一般に無線センサーの場合には、電池駆動であることが望まれることが多く、低消費電力特性が要求される。また、なるべく多数の無線センサーを設置し多数のデータを取得しようとする場合は、高い周波数利用効率が求められる。このため、ピュアアロハの低消費電力特性と、スロッテドアロハの高い周波数利用効率とを備えたネットワークシステムが求められている。

本発明の２チャンネルネットワークシステムは、概略、起動時は、従来のピュアアロハと同様に通信を行うが、各端末局は中央局からの受信確認信号を時計信号として用い、この時計信号に同期するようにパケット送信を行うことによって、スロッテドアロハと同様にパケット信号を時間的に整列させるものである。

さらに詳細には、本発明は、少なくとも２チャンネルを通信に用いる２チャンネルネットワークシステムで、次の特徴を備えるものである。
つまり、いずれも送信部と受信部とを具備する中央局と複数の端末局とで構成され、通信は中央局と端末局間のパケット通信で行い、端末局から見て送信用のチャンネルと受信用のチャンネルの２チャンネルを使用するネットワークシステムであって、
上記端末局は、メッセージをパケットにして送信した後、中央局からの受信確認信号を受信し、
上記中央局は、上記端末局からの上記パケットを受信したのち、上記受信確認信号を送信し、
上記中央局の上記受信確認信号は、予め決められた周期的なクロックパルスに同期して送信し、
上記端末局は、受信した上記受信確認信号に同期したクロック信号を生成し、この生成したクロック信号に対して、当初の非同期状態から同期状態でパケットの送信を行う形態に移行するものである。

上記のパケット通信には、２つの異なる周波数の電波である２チャンネルも用いることができる。

特に、上記端末局の受信部は、上記パケットの送信後の所定の期間だけ動作状態にするものである。これによって、端末局の受信部の動作状態を維持するための消費電力を削減できる。

また、上記端末局の受信部は、動作状態にする上記期間を変化させて、上記受信確認信号を探索し、上記受信確認信号を受信できるように上記期間を維持することで、受信した上記受信確認信号に同期した上記クロック信号を生成するものである。

また、上記端末局は、メッセージをパケットにして送信した後、中央局からの受信確認信号を受信できないときには、所定の時間の後、再送信するものである。この所定の時間は、端末局ごとに上記クロック信号に同期するがランダムな同期位置であることが望ましい。

また、上記所定の時間は、上記再送信を繰り返す回数の増加に伴い、例えば、指数関数的に増加するものである。

ピュアアロハの低消費電力特性に近く、スロッテドアロハの高い周波数利用効率に近い特性を備えたネットワークシステムを実現することができる。

本発明の２チャンネルネットワークシステムの例を示すブロック図である。（ａ）に、端末局の例を、（ｂ）に中央局の例を示す。この例では、１つの中央局に対して複数の端末局で構成する。通信は中央局と端末局間のパケット通信で行い、端末局から見て送信用のチャンネルと受信用のチャンネルの２チャンネルを使用する。この２チャンネルは、中央局といずれの端末局間でも共通に用いる。（ａ）の例では、センサーでの測定結果をパケットにして送信部１とアンテナ７を用いて送信する。また、中央局からの受信確認信号を受信する。また、（ｂ）に示す例では、上記端末局から送信された上記パケットを受信したのち、コンピュータで上記受信確認信号３７を生成し、送信部１１とアンテナ１５を介して送信する。 端末局と中央局との交信例を示すタイムチャートである。この例は、交信開始時は、ピュアアロハと同様に交信するが、端末局の実質的なクロックを中央局のクロックに同期させることによって、擬似的にスロッテドアロハとなるように移行させるものである。受信確認信号３７は、中央局のＣＬＫベース３０に示すような予め決められた周期的なクロックパルスに同期したものである。上記端末局は、上記受信確認信号３７を受信するが、その際、探索期間３２ａを設けて、受信部は動作状態にしておく。しかし、受信予定がない期間は、上記受信部を一時的に停止状態、つまり保留状態にして、消費電力の抑制を図る。動作状態に保つ期間は、例えば上記探索期間３２ａで決定した受信期間３２ｂである。探索期間３２ａとしては、例えば、パケットの送信終了時点から、上記受信確認信号の受信を確認するまででもよい。この探索期間３２ａの開始時点と期間の長さについては、ＣＬＫカウンター５で計測する。この計測値から、中央局のＣＬＫベース３０に沿う時点でパケット送信を行うために、パケット送信に加えるべき遅延時間を、制御器によって解明する。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

本発明の２チャンネルネットワークシステムの例として、図１（ａ）に、端末局の例を、図１（ｂ）に中央局の例を示す。この例では、１つの中央局に対して複数の端末局で構成する。通信は中央局と端末局間のパケット通信で行い、端末局から見て送信用のチャンネルと受信用のチャンネルの２チャンネルを使用するネットワークシステムである。この２チャンネルは、中央局といずれの端末局間でも共通に用いる。

図１（ａ）の例では、センサーでの測定結果をパケットにして送信部１とアンテナ７を用いて送信する。また、中央局からの受信確認信号を受信する。
図１（ｂ）に示す例では、上記端末局から送信された上記パケットを受信したのち、コンピュータで上記受信確認信号３７を生成し、送信部１１とアンテナ１５を介して送信する。

図２に、端末局と中央局との交信例を示す。この例は、交信開始時は、ピュアアロハと同様に交信するが、端末局の実質的なクロックを中央局のクロックに同期させることによって、擬似的にスロッテドアロハとなるように移行させるものである。

上記受信確認信号３７は、図２の中央局のＣＬＫベース３０に示すような予め決められた周期的なクロックパルスに同期したものである。上記端末局は、上記受信確認信号３７を受信するが、その際、探索期間３２ａを設けて、受信部は動作状態にしておく。しかし、受信予定がない期間は、上記受信部を一時的に停止状態、つまり保留状態にして、消費電力の抑制を図る。動作状態に保つ期間は、例えば上記探索期間３２ａで決定した受信期間３２ｂである。探索期間３２ａとしては、例えば、パケットの送信終了時点から、上記受信確認信号の受信を確認するまででもよい。この探索期間３２ａの開始時点と期間の長さについては、ＣＬＫカウンター５で計測する。これはＣＬＫ発生器６からのクロック（ＣＬＫ）パルスを計数し、２つのパルス間のクロック数を計数して時間を計測する他、所定の計数値になった場合にパルスを出力するものである。計数値を改変することで、パルス出力を早めたり遅延させたりすることができる。ＣＬＫカウンター５によるこの計測値から、中央局のＣＬＫベース３０に沿う時点でパケット送信を行うために、パケット送信に加えるべき遅延時間を、制御器によって解明する。この遅延時間を適用するための設定は、ＣＬＫカウンター５の計数値をずらすことで行う。

また、この設定以降のパケット送信においては、送信部このＣＬＫカウンター５からのクロック信号に同期した状態でパケットの送信を行うようにする。また、その設定以降の受信は、図２に示す様に、上記ＣＬＫカウンター５からのクロック信号を基に制御器４で制御される期間のみ動作状態とすることで行う。

ＣＬＫカウンター５の値をずらす必用が無い場合は、中央局のＣＬＫベース３０と上記ＣＬＫカウンター５からのクロック信号とが同期したものとみなすことができる。したがって、端末局からのパケット送信を、スロッテドアロハと同様に、きめられたタイムスロットに収めることができる。

上記の操作を、各々の端末局について行い、ネットワーク全体をスロッテドアロハに移行させることができる。各々の端末局からのパケット信号は、中央局のコンピュータ１４に集積されるが、コンピュータ１４によって、それぞれのパケットに付けられた識別符号をもとに、端末局ごとにパケットを整理し、それぞれのメッセージに再構築して、コンピュータ１４の記録装置に記録する。

無線センサーによる生体データの伝送や工場内のプラントデータの伝送に利用できる。特に小型・低消費電力かつ多くの無線センサーを限られた周波数幅で収容できることが求められる無線センサーネットワークシステムに有効である。

１ 送信部
２ センサー
３ 受信部
４ 制御器
５ ＣＬＫカウンター
６ ＣＬＫ発生器
７ アンテナ
８ サーキュレータ
１１ 送信部
１２ ＣＬＫ発生器
１３ 受信部
１４ コンピュータ
１５ アンテナ
１６ サーキュレータ
３０ 中央局のＣＬＫベース
３１ 送信期間
３２ａ 探索期間
３２ｂ 受信期間
３３ 送信期間
３４ 受信期間
３５、３６ 受信期間
３７、３８ 受信確認信号送信期間

Claims (6)

1. いずれも送信部と受信部とを具備する中央局と複数の端末局とで構成され、通信は中央局と端末局間のパケット通信で行い、端末から見て送信用のチャンネルと受信用のチャンネルの２チャンネルを使用するネットワークシステムであって、
   上記端末局は、メッセージをパケットにして送信した後、中央局からの受信確認信号を受信し、
   上記中央局は、上記端末局からの上記パケットを受信したのち、上記受信確認信号を送信し、
   上記中央局の上記受信確認信号は、予め決められた周期的なクロックパルスに同期して送信し、
   上記端末局は、受信した上記受信確認信号に同期したクロック信号を生成し、この生成したクロック信号に対して、当初の非同期状態から同期状態でパケットの送信を行う形態に移行するものであることを特徴とする２チャンネルネットワークシステム。
2. 上記のパケット通信は、２つの異なる周波数の電波である２チャンネルを用いるものであることを特徴とする請求項１に記載の２チャンネルネットワークシステム。
3. 上記端末局の受信部は、上記パケットの送信後の所定の期間だけ動作状態にするものであることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の２チャンネルネットワークシステム。
4. 上記端末局の受信部は、動作状態にする上記期間を変化させて、上記受信確認信号を探索し、上記受信確認信号を受信できるように上記期間を維持することで、受信した上記受信確認信号に同期した上記クロック信号を生成するものであることを特徴とする請求項３に記載の２チャンネルネットワークシステム。
5. 上記端末局は、メッセージをパケットにして送信した後、中央局からの受信確認信号を受信できないときには、所定の時間の後、再送信するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の２チャンネルネットワークシステム。
6. 上記所定の時間は、上記再送信を繰り返す回数の増加に伴い、指数関数的に増加するものであることを特徴とする請求項５に記載の２チャンネルネットワークシステム。

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