JP2012510734A - 産業用途のためのｏｆｄｍａに基づく媒体アクセス制御およびフレーム構造設計 - Google Patents

Abstract

ネットワークが、サブキャリアにおいて直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）および時分割多元接続（ＴＤＭＡ）シンボルを通信するマスターとスレーブのセットとを含む。マスターは、スレーブのセットに、ダウンリンクおよびサブキャリアの全てを用いて、各スレーブへのデータパケット、および該スレーブへのサブキャリア割り当てを含むブロードキャストポーリングパケットをブロードキャストする。各スレーブは、ダウンリンクポーリングパケットの受信に応答して、マスターに、アップリンクおよび割り当てられたサブキャリアを用いて応答パケットを同時に送信する。次に、マスターは、スレーブのセットに、ダウンリンクおよびサブキャリアの全てを用いて、グループ肯定応答パケットをブロードキャストする。ブロードキャストポーリングパケット、応答パケット、およびグループ肯定応答パケットは、１つの通信サイクルに１つのスーパーフレームを含み、ダウンリンクでのブロードキャストおよびアップリンクでの送信は、時間において重ならない。

Description

本発明は、包括的には無線ネットワークに関し、詳細には、複数のスレーブを制御するマスターノードを有する無線ネットワークに関する。

直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）は、離散マルチトーン変調を用いる。ＯＦＤＭによれば、トーンは、たとえば、あるｍ値の直交振幅変調（ＱＡＭ）または位相偏移変調を用いて、多数の等間隔のサブキャリアにおいて変調される。ＯＦＤＭは、任意の所与の時点において１つのチャネル上に１人のユーザ（送受信局）しか許可せず、多数のユーザを受け入れるためには、ＯＦＤＭシステムは、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）または周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）を用いなくてはならない。

直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）は、複数ユーザが同じチャネルに同時にアクセスすることを可能にする、ＯＦＤＭのマルチユーザ版であり、チャネルは、等間隔のサブキャリアのグループを含む。ＯＦＤＭＡは、ユーザ（送受信機）間でサブキャリアを分配し、複数のユーザが複数のサブチャネル上の同じ単一のＲＦチャネル内で送受信する（ＴＤＤ）か、または異なるＲＦチャネル内で送受信する（ＦＤＤ）ことができるようにする。サブチャネルは、狭帯域「トーン」のグループにさらに分割される。通常、サブチャネル内のトーン数は、サブチャネルの総帯域幅に依拠する。

従来のスター型ネットワークは、１つのマスターノードと複数のスレーブノードとを含む。マスターは、スレーブノードの全てと通信し、スレーブノードは、マスターノードとしか通信しない。そのようなネットワークは、直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）および時分割多元接続（ＴＤＭＡ）シンボルを用いることができる。

ファクトリーオートメーション等の、比較的低いレイテンシで高い信頼性を要求する用途において、全てのスレーブからのデータを所与のレイテンシ制約（遅延）内でリトリーブする必要がある。レイテンシ制約は、通信サイクルに等しい。

スレーブを１つずつポーリングすることは、用途のレイテンシ要件を満たさない場合がある。

また、スレーブノードからの送信が失敗する場合、その特定のスレーブは、レイテンシ制約に違反することなく要求される送信信頼性を満たすために、再送信の機会を与えられるべきである。

したがって、本発明の実施の形態によれば、ダウンリンク（マスターノードからスレーブノード）およびアップリンク（スレーブノードからマスターノード）の送信は、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）を介して分離される。

スレーブノードは、スレーブノード送信の直交性に起因して、衝突を生じることなく同時に送信する。

本発明では、アップリンク送信およびダウンリンク送信の双方が所与のレイテンシ制約下で通信信頼性を高めるための適応的な再送信方法についても説明する。

本発明の実施の形態による、１つのマスターノードおよびＮ個のスレーブノードを含むスター型ネットワーク１００の概略図である。 本発明の１つの実施の形態による、ダウンリンク送信の時分割スケジューリングのブロック図である。 本発明の実施の形態によるブロードキャストポーリングダウンリンク送信パケットのブロック図である。 本発明の実施の形態によるスレーブ応答アップリンク送信パケットのブロック図である。 本発明の実施の形態によるグループ肯定応答（ＧＡＣＫ）１パケットおよびＧＡＣＫ２パケットのブロック図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態による通信ネットワーク１００は、マスターノード（マスター）１１０とＮ個のスレーブノード（スレーブ）１２０のセットとを含む。マスター１１０は、無線リンク（チャネル）１０５上の全ての通信のコーディネーターであり、各スレーブは、識別情報（ＩＤ）を有する。マスターとスレーブ１２０との間のリンク（１０５ａ〜１０５Ｎ）は、対称である。換言すれば、マスター１２０がスレーブ１２０への送信に成功し得る場合、スレーブ１２０もマスター１１０への送信に成功し得る。したがって、各ノードは、無線送受信機（送信機および受信機）を備える。

１つの実施の形態では、スレーブは、産業用途、たとえば、製造工場または化学工場においてセンサーを備える。

マスターとスレーブとの間の通信方法によって、各通信サイクルにおいてマスター１１０が全ての稼動中のスレーブ１２０から、センサーデータのコピーを取得することが保証される。

本発明の実施の形態は、以下の仮定を行う。
全てのスレーブが、直交周波数リソースを用いるので、同時に送信することができる。スレーブが用いるリソースは、以下のうちの１つを含む。
ａ．異なる周波数サブキャリア
ｂ．異なる直接シーケンススペクトラム拡散コード（ＤＳＳＳ）、または、
ｃ．（ａ）および（ｂ）の双方。
マスターは、サブキャリアの数、いずれのサブキャリアを用いるか、および／またはいずれのＤＳＳＳコードを用いるかを含めて、各スレーブに、該スレーブが用いる通信リソースを割り当てる。
スレーブからマスターへの送信は、アップリンク送信である。
マスターからスレーブへの送信は、ダウンリンク送信であり、全ての利用可能な通信リソース、すなわち、サブキャリアを用いる。
ダウンリンク送信およびアップリンク送信は、時分割多元接続により分離される。換言すれば、アップリンク送信およびダウンリンク送信は、時間領域において重ならない。

本発明の１つの実施の形態によれば、図２は、スーパーフレーム２８０と呼ばれる１つの通信サイクル内の、時間領域２９０におけるダウンリンク送信およびアップリンク送信のスケジューリングを示している。各サイクル内のスーパーフレーム２８０は、最大で３つのアップリンク送信および３つのダウンリンク送信を含む。

ダウンリンク送信は、ブロードキャストポーリングパケット２００と、グループ肯定応答（ＧＡＣＫ−１）パケット２２０と、ＧＡＣＫ−２パケット２４０とを含む。アップリンク送信は、スレーブ応答２１０と、第１のスレーブ応答再送信（Ｒｅｔｘ−１）パケット２３０と、第２のスレーブ応答再送信（Ｒｅｔｘ−２）パケット２５０とを含む。これらの６つの送信の順序は、図２に示すように、ブロードキャストポーリングパケット２００、スレーブ応答２１０、ＧＡＣＫ−１パケット２２０、Ｒｅｔｘ−１パケット２３０、ＧＡＣＫ−２パケット２４０、そしてＲｅｔｘ−２パケット２５０である。２つの連続した送信間に、ターンアラウンドタイム２９５と呼ばれる固定の時間間隔が存在し、これによって、送受信機が送信モードと受信モードとを切り換えることが可能になる。

スーパーフレーム２８０は、マスター１１０によるダウンリンクブロードキャストポーリングおよびリソース配分パケット２００のブロードキャストから開始する。このパケット２００は、理想的なチャネルの場合に全てのスレーブがパケットの復号に成功し得るように、通信リソースを用いて送信される。たとえば、マルチキャリア通信システムの場合、ブロードキャストポーリングパケット２００は、全てのサブキャリアを用いることができる。ダウンリンク送信に全てのリソースを用いることによって、該送信がスレーブによって確実に受信される確率が高まる。

図３に示すように、ブロードキャストパケットは、プリアンブル２０５と、物理層制御ヘッダー２８０と、ペイロード２８５とを含む。

プリアンブルＰ２０５。各プリアンブルは、３つのＯＦＤＭシンボルで構成され、３５．７μｓに等しい固定時間間隔を占める。プリアンブルは、信号検出、周波数オフセット除去、時間同期、およびチャネル推定に用いられる。

物理層制御ヘッダー（ＰＣＨ）２８０。ＰＣＨは、局状態情報ＳＴ１ ２１０およびＳＴ２ ２１５と、アクティブなスレーブおよび再送信スレーブのビットマッピング２２０と、電力制御インジケーション（ＰＣＩ）２２１と、一時メッセージインジケーションフラグ（Ｔ）２２２とを含む。ＰＣＨ情報は、ブロードキャストポーリングパケット２００のＰＨＹ制御ヘッダーの巡回冗長検査ＣＲＣ０ ２２５を含むことによって、高い信頼性のために、高い冗長性レベルで符号化される。各ＰＣＨは、６５情報ビット（符号化前）を含む。ビットマップフィールド２２０は、いずれのスレーブがブロードキャストポーリングパケット２００に応答するように要求されるかを示すのに用いられる。Ｎ個のスレーブが存在する場合、ビットマップフィールドは、少なくともＮ個のビットを含み、各ビットは、その対応するスレーブの応答要求フラグとしての役割を果たす。たとえば、ＩＤ５を有するスレーブは、ビットマップ２２０内の５番目のビットをチェックして、ブロードキャストポーリングパケットに応答する必要があるか否かを判断することができる。フィールドＳＴ１またはＳＴ２において、マスターＩＤ、スーパーフレームサイクルのタイプ（たとえば、アソシエーションサイクル、リフレッシュサイクル、定期ポーリングサイクル等）を含むいくつかの情報を埋め込むことができる。

ブロードキャストパケット２２０は、ＣＲＣ２３５および２４５を有するダウンリンクスレーブデータ２３０および２４０と、ＣＲＣ２５５を有するダウンリンク一時データ２５０と、ＣＲＣ２６５を有するリソース配分２６０とを含むペイロード部分２８５も含む。特に、ブロードキャストパケット２００のペイロード内のフィールドは、以下のように特定される。

スレーブ１データ２３０：スレーブ１のデータは、このフィールド内で搬送される。

ＣＲＣ１ ２２５：スレーブ１データ２３０の巡回冗長検査。

スレーブＮデータ２４０：スレーブＮのデータは、このフィールド内で搬送される。

ＣＲＣ Ｎ２４５：スレーブＮデータ２４０の巡回冗長検査。

一時データ２５０：ブロードキャストポーリングパケット２００は、特定のスレーブのための一時メッセージを搬送する。このフィールドは、一時メッセージを含む。一時メッセージ２５０は、マスター１１０が特定のスレーブに、バルクデータ、制御および構成コマンド、並びに他の状況ではポーリングパケット２００のスレーブデータ部分２３０に収容するにはあまりに大きい他のデータを送信する機会を提供する。

ＣＲＣ Ｔ２４５：一時データ２５０の巡回冗長検査。

リソース配分（スレーブ１〜Ｎ用）２６０：このフィールドは、スレーブの応答パケット２１０送信のための通信リソース、たとえば、周波数サブキャリアを各スレーブに伝達するのに用いられる。

ＣＲＣ２６５：リソース配分データ２６０のための巡回冗長検査。

スレーブデータ毎に別個のＣＲＣが存在するので、特定のスレーブは、ブロードキャストポーリングパケットをヒアリングした後に、自身のデータ部分のＣＲＣを検証するだけでよい。スレーブは、ヘッダーのＣＲＣチェックおよび自身のデータ部分のＣＲＣチェックが正しい限り、ブロードキャストポーリングパケットの受信に成功したとみなす。

ＭＡＣパケットのペイロード長は、アクティブなスレーブおよび再送信スレーブの数、並びに一時メッセージがパケット内に含まれるか否かに依拠して変動する場合がある。特定の実施態様では、ＰＨＹ制御ヘッダー２３０設定は、表１に示す通りである。

マスターは、スレーブ応答期間の終了を示すために、タイマー２０５も設定する。図４に示すように、各スレーブは、ブロードキャストポーリングパケット２００を受信した後、応答パケット２１０をマスターに送信する。各スレーブ応答パケット３１０は、図４に示すように、以下のフィールドを含む。

プリアンブルＰ４００：チャネル推定に用いられる時間領域パイロットまたはトレーニング信号。本発明の特定の実施態様では、１つのＯＦＤＭシンボルが１１．９μｓに等しい固定時間間隔を有する時間領域パイロットに用いられる。

ペイロードデータ４１０：スレーブ毎のアップリンク応答パケット２１０のペイロードは、Ｒｘ４２０と、ＲＷｒ４３０と、メッセージ４４０と、ＣＲＣ４５０とを含む。本発明による特定の実施態様では、これらのフィールドの設定が、表２に与えられる。

パケット２００をブロードキャストした後、マスター１１０は、応答期間タイマー２０５が満了するのを待つ。タイマー２０５が満了すると、マスターは、受信に成功したスレーブ応答２１０を処理する。マスターは、ＧＡＣＫ２２０をブロードキャストする。

マスターは、第２のタイマー２１５も設定する。第２のタイマー２１５は、ＧＡＣＫ期間タイマーである。スレーブＩＤは、直交送信リソース（周波数サブキャリア等）に起因してマスターノードに暗黙的に知られている。したがって、スレーブＩＤは、アップリンクパケット２１０、２３０、２５０において搬送されない。

ダウンリンクＧＡＣＫ２２０｛２２０、２４０｝パケットは、図５に示すように、以下のフィールドを含む。

プリアンブルＰ５００：各プリアンブルは、ある特定の数のＯＦＤＭシンボルからなり、固定の時間間隔を占める。プリアンブルは、信号検出、周波数オフセット除去、時間同期、およびチャネル推定に用いられる。本発明の１つの実施態様では、３つのＯＦＤＭシンボルがプリアンブルに用いられ、結果として、３５．７μｓのプリアンブル長となる。

物理層制御ヘッダー（ＰＣＨ）５８０：ＰＣＨは、局状態情報ＳＴ１ ５１０およびＳＴ２ ５１５と、アクティブ／再送信スレーブのビットマッピング５２０と、一時メッセージがこのパケット｛２２０、２４０｝内で送信されていることをスレーブに通知するのに用いられる一時メッセージインジケーションフラグ（Ｔ）５２５とを含む。ＰＣＨ情報は、高い信頼性のために、高い冗長性レベルで符号化される。換言すれば、ＰＣＨ５８０は、ＣＲＣ０ ５２６で終了する。

ＰＣＨ５８０は、ある特定の数の情報ビット（符号化前）を含む。特定の実施態様では、ＰＣＨの長さは、６５ビットである。ビットマップフィールド５２０は、いずれのスレーブが該スレーブのデータを再送信する必要があるのかを示すのに用いられる。Ｎ個のスレーブが存在する場合、ビットマップフィールドは、少なくともＮビットを含み、各ビットは、該ビットの対応するスレーブのための再送信要求フラグとしての役割を果たす。たとえば、ＩＤ５を有するスレーブは、ビットマップ５２０内の５番目のビットをチェックして、自身のデータをマスターに再送信する必要があるか否かを知ることができる。

ＣＲＣ０ ５２６は、ＧＡＣＫ１ ２２０およびＧＡＣＫ２ ２４０パケットのＰＨＹ制御ヘッダーの巡回冗長検査である。フィールドＳＴ１またはＳＴ２において、マスターＩＤ、スーパーフレームサイクルのタイプ（たとえば、アソシエーションサイクル、リフレッシュサイクル、定期ポーリングサイクル等）を含むいくつかの情報を埋め込むことができる。

いくつかの実施態様では、ＳＴ１若しくはＳＴ２、または双方を省略することが可能である。ＳＴ１ ５１０およびＳＴ２ ５１５は、ＧＡＣＫパケット｛２２０、２４０｝を別のネットワーク内の任意の他のマスターまたは同じネットワーク内のスタンドバイマスターから送信されるパケットから区別するためのマスターＩＤを搬送するのに用いることができる。

ダウンリンク再送信データ｛５３０〜５４０｝：ブロードキャストポーリングパケット３００において、データがスレーブ１２０にブロードキャストされる。マスターが、応答期間３０５において、応答を予期するスレーブが応答の送信に失敗した場合、マスター１１０は、これらのスレーブがブロードキャストポーリングパケット３００において、該スレーブのデータを受信しなかったと仮定する。したがって、ブロードキャストポーリングパケットにおけるこれらのスレーブに対するデータはコピーされ、この割り当てられたフィールド８２０においてＧＡＣＫパケット３２０内で再送信される。

再送信するスレーブのためのリソース配分８３０：このフィールドにおいて、スレーブの再送信のために該スレーブにリソース配分が報告される。自身の応答の送信に成功したスレーブは、自身の通信リソース（たとえば、ＯＦＤＭサブキャリア、周波数チャネル等）を、失敗したスレーブが該スレーブの再送信において使用するために解放する。マスター１１０は、利用可能なリソースを失敗したスレーブ間に分配して、該スレーブが第１のＧＡＣＫ期間２１５および第２のＧＡＣＫ期間２２５において再送信に成功するチャンスを増加させる。

ＣＲＣ５６０：信頼性のために、巡回冗長検査がリソース配分フィールドに付加される。

スレーブは、ダウンリンクＧＡＣＫパケット２２０を受信した後、まず、ビットマップフィールド５２０および自身に対応するビットの値をチェックする。ビットがその特定のスレーブからの再送信が必要であることを示す場合、該スレーブは、「Ｒｔｘ−１応答」パケット２３０を送信する。該「Ｒｔｘ−１応答」パケット２３０は、その元の応答２１０のコピーである。ＧＡＣＫ期間２１５中、マスターは、受信に成功したスレーブ応答の自身の記録を更新し続ける。

マスター１１０は、ＧＡＣＫ期間タイマーが満了した後、第２のＧＡＣＫ２４０を準備し送信することによって、再送信が失敗したスレーブからの第２の再送信を要求し、次に、ＧＡＣＫ２期間満了タイマー２２５を設定する。第２のＧＡＣＫ２４０の構造は、第１のＧＡＣＫ２２０の構造と同じである。

ＧＡＣＫ間隔２１５内で再送信したスレーブは、第２のＧＡＣＫ２４０を受信すると、ＧＡＣＫ２パケット２４０のビットマップ５１０をチェックして、自身の再送信が第１のＧＡＣＫ間隔２１５中にマスターによる受信に成功したか否かを判断する。ビットマップ５２０がこれらのスレーブが該スレーブのデータを二度目に再送信することが必要であることを示す場合、該スレーブは、自身の応答パケット２１０を再送信する（２５０）。

ＧＡＣＫ２期間２２５の終了時に、マスター１１０は、以下の情報を所有する。現在のスーパーフレーム内からの応答の送信に成功したスレーブの識別情報。ヒアリングに成功したスレーブによって送信されたデータ。

ｓ_ｉがスレーブｉ（ただし、１≦ｉ≦Ｎ）を表すものとする。ここで、Ｎは、スレーブの総数である。Ｓ_Ｍが、メインマスターが応答の受信に成功したスレーブのセットを表し、Ｓ_Ｎが、ネットワーク内の全てのスレーブのセットを表すものとする。ＧＡＣＫパケット２２０において、マスターは、ビットマップ５２０において、セットＳ_Ｒに属するスレーブが再送信する必要があることを示す。ここで、
Ｓ_Ｒ＝｛ｓ_ｉ∈（Ｓ_Ｎ−Ｓ_Ｍ）、ただし、１≦ｉ≦Ｎ｝
である。

ＧＡＣＫ−１間隔２１５の終了時に、いくつかのスレーブが自身の応答２１０を送信するのに失敗している場合がある。Ｓ_Ｒ２が失敗したスレーブのセットを表すものとする。このとき、マスターは、第２のＧＡＣＫのビットマップにおいて、セットＳ_Ｒ２に属するスレーブを示す。このとき、スレーブｓ_ｉ∈Ｓ_Ｒ２（ただし、１≦ｉ≦Ｎ）は、自身の元の応答２１０を再送信する（２５０）。

本発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、本発明の精神および範囲内で様々な他の適応および変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲内に入る全ての変形および変更を包含することである。

Claims (13)

1. マスターとスレーブのセットとを含むネットワークにおける通信のための方法であって、前記通信は、サブキャリアにおいて直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）および時分割多元接続（ＴＤＭＡ）シンボルを用い、該方法は、
   前記マスターから前記スレーブのセットに、ダウンリンクおよび前記サブキャリアの全てを用いて、各前記スレーブのデータパケット、および該スレーブのサブキャリア割り当てを含むブロードキャストポーリングパケットをブロードキャストすること、
   各前記スレーブから前記マスターに、アップリンクおよび前記割り当てられたサブキャリアを用いて、前記ブロードキャストポーリングパケットを受信した後に応答パケットを同時に送信すること、並びに
   前記マスターから前記スレーブのセットに、前記ダウンリンクおよび前記サブキャリアの全てを用いて、グループ肯定応答パケットをブロードキャストすることを含み、前記ブロードキャストポーリングパケット、前記応答パケット、および前記グループ肯定応答パケットは、１つの通信サイクルに１つのスーパーフレームを含み、前記ダウンリンクで前記ブロードキャストすることおよび前記アップリンクで前記送信することは、時間において重ならない、方法。
2. 各前記スレーブは、一意の識別情報（ＩＤ）を有する、請求項１に記載の方法。
3. 各前記スレーブは、センサーを備え、産業用途において動作する、請求項１に記載の方法。
4. 前記ブロードキャストポーリングパケットは、前記ＯＦＤＭおよびＴＤＭＡシンボルのうちの３つで構成されるプリアンブルと、物理層制御ヘッダーと、ペイロードとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記物理層制御ヘッダーは、マスターおよびスレーブ状態情報と、いずれのスレーブが前記ブロードキャストポーリングパケットに応答するように要求されるかを示すビットマップフィールドと、電力制御インジケーターフィールドと、一時メッセージインジケーターフィールドと、巡回冗長検査とをさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記一時メッセージインジケーターフィールドは、一時メッセージインジケーターフィールドと、前記一時メッセージが応答される前記スレーブの前記ＩＤとを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記ブロードキャストポーリングパケットの前記ペイロードは、アクティブな前記スレーブ毎のスレーブデータと、該スレーブデータ毎の巡回冗長検査と、一時メッセージと、前記一時メッセージの巡回冗長検査と、前記スレーブのリソース配分と、前記リソース配分ビットの巡回冗長検査とを含む、請求項４に記載の方法。
8. 前記マスターは、スレーブ応答期間の終了を示すタイマーを設定する、請求項１に記載の方法。
9. 各前記応答パケットは、パイロット信号とペイロードデータとを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記スーパーフレームは、前記ブロードキャストポーリングパケットへの応答に失敗したスレーブの第１の再送信データと、該再送信データに対応する第１の再送信応答パケットと、該第１の再送信パケットのグループ肯定応答パケットとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記スーパーフレームは、前記第１の再送信データへの応答に失敗したスレーブの第２の再送信データと、前記第１の再送信データに対応する第２の再送信応答パケットとをさらに含む、請求項８に記載の方法。
12. 前記グループ肯定応答パケットは、物理層制御ヘッダーと、前記スレーブのセットのダウンリンク再送信データと、リソース配分情報と、巡回冗長検査とをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記物理層制御ヘッダーは、マスターおよびスレーブ状態情報（ＳＴ１、ＳＴ２）と、アップリンク再送信が必要とされる前記スレーブのインデックスを示すビットマップと、一時メッセージ再送信フィールドと、巡回冗長検査とを含む、請求項１２に記載の方法。

Images