JP2016144034A - 無線通信システムおよび無線通信制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＷＬＡＮとＷＰＡＮが共存する無線通信システムにおいて、５以上のＷＰＡＮの共存を可能とし、代表統合端末が離脱してもＷＬＡＮのチャネル予約を可能とする。【解決手段】代表統合端末がＷＬＡＮのチャネルを予約するチャネル予約信号を送信し、そのＷＬＡＮのチャネルに対応するＷＰＡＮの複数のチャネルで複数のＷＰＡＮが同期して通信を行う無線通信システムにおいて、統合端末は、ＷＬＡＮに存在する複数のＷＰＡＮのビーコン周期の情報を取得し、それぞれのビーコン周期に基づいて同期させるＷＰＡＮを選択して組を形成する第１の処理手段と、組ごとに、代表統合端末としてビーコン周期が最短の統合端末の１つを選択する第２の処理手段と、組ごとに、代表統合端末が他の統合端末に対してビーコン送信を同期させ、かつ組ごとのビーコン送信タイミングをずらして設定する第３の処理手段とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、国際標準規格 IEEE 802.11準拠の無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ：Wireless Local area network ）と、IEEE 802.15.4 準拠の無線ＰＡＮ（ＷＰＡＮ：Wireless Personal Area network）が共存する無線通信システムおよび無線通信制御方法に関する。

図１は、ＷＬＡＮとＷＰＡＮが共存する無線通信システムの構成例を示す（特許文献１、非特許文献１）。

図１において、１つのＷＬＡＮ１０内に複数のＷＰＡＮ２０が存在する。ＷＬＡＮ１０は、１つのアクセスポイント（ＡＰ）１１と、１以上のＷＬＡＮ端末（ＳＴＡ）１２により構成される。ＷＰＡＮ２０は、ＰＡＮコーディネータの機能とＷＬＡＮのＳＴＡの機能をもつ統合端末（Ｈ−ＳＴＡ）２１と、多数のＷＰＡＮ端末（ＮＤ）２２により構成される。すなわち、ＷＬＡＮ１０では、ＳＴＡ１２とＨ−ＳＴＡ２１が対等に動作する。

ＷＰＡＮ２０は、Ｈ−ＳＴＡ２１の主導によるビーコンモードで動作し、図１３に示すビーコンとビーコンの間のアクティブ期間中にＨ−ＳＴＡ２１とＮＤ２２が通信を行い、インアクティブ期間は通信を行わず無線チャネルを開放する。なお、アクティブ期間には、非競合アクセス期間および競合アクセス期間が設定されるがここでは説明を省略する。ＷＰＡＮの規格では、ビーコン周期は 15.36ｍｓ×２^BO (０≦ＢＯ≦14、ＢＯはビーコンオーダー）で与えられ、ＷＰＡＮごとにビーコン周期（ＢＯの値）が決められている。

ＷＬＡＮとＷＰＡＮは、図１４に示す共通の 2.4ＧHz帯の周波数帯域を利用するため、干渉問題を解決する必要がある。そのために、ＷＰＡＮのＨ−ＳＴＡがビーコン送信に先立ち、ＷＬＡＮのチャネル予約信号（ＲＴＳフレーム）を送信して無線チャネルの予約（ＮＡＶ設定）を行い、ビーコンとアクティブ期間を含むスーパーフレームの期間中にＷＬＡＮの通信を停止させることにより、両者の干渉問題を解決している。その処理手順を図１５を参照して説明する。

Ｈ−ＳＴＡのＲＴＳフレーム生成部は、ビーコン送信時刻から所定の保護手順試行期間だけ早くＷＬＡＮのＡＰ宛のＲＴＳフレームを生成し、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access ／Collision Avoidance ）プロトコルに従って送信する。図１５では、ＤＩＦＳのみを記述してバックオフ制御動作は省略しているが、ＲＴＳフレームの衝突が発生した場合には、ＣＴＳタイムアウト後にランダムなバックオフ時間を設定してＲＴＳフレームが再送される。ＡＰは、ＲＴＳフレームを正常に受信するとＣＴＳフレームを返信する。ＷＬＡＮのＳＴＡは、ＲＴＳフレームまたはＣＴＳフレームを受信するとＮＡＶ（送信停止期間）を設定し、ＡＰはそのＮＡＶの期間は送信を停止する。なお、ＲＴＳ／ＣＴＳフレームにより設定されるＮＡＶ期間の長さは、各フレームの送信時刻からＷＰＡＮのスーパーフレームの終了時刻までとする。これにより、ＷＰＡＮでは、スーパーフレームの期間にＷＬＡＮの干渉を受けずに通信が可能となる。

ところで、複数のＷＰＡＮのＨ−ＳＴＡがそれぞれ独立にＲＴＳフレームを送信してＷＬＡＮにＮＡＶを設定すると、ＷＬＡＮの送信停止期間が長くなり、スループット特性が劣化する。そこで、１つのＷＬＡＮ内に存在する複数のＷＰＡＮが互いのビーコン送信を同期させ、ＷＬＡＮに対して共通のＮＡＶを設定して複数のＷＰＡＮがスーパーフレーム通信を同時に行うことにより、ＷＬＡＮのスループット特性を改善する手法が提案されている（非特許文献１）。

本提案では、複数のＨ−ＳＴＡがビーコン送信の同期をとり、ＷＬＡＮに対して共通のＮＡＶを設定する場合、 図１４に示すようにＷＬＡＮの１チャネルの帯域幅にＷＰＡＮの４チャネルが存在するので、ＷＬＡＮのＮＡＶ期間中にこの４チャネルを用いて同時に最大４つのＷＰＡＮがスーパーフレーム通信できることを利用している。ただし、複数（最大４つ）のＨ−ＳＴＡがＲＴＳフレームを同時に送信すると衝突が発生するので、ＲＴＳフレームを送信するＨ−ＳＴＡを１台のみとし、これを代表統合端末としている。

ここで、各ＷＰＡＮのビーコン周期は 15.36ｍｓ×２^BO (０≦ＢＯ≦14）で与えられるので、図１６に示すように、１つのＷＬＡＮ内の複数（最大４つ）のＷＰＡＮ間で一度ビーコン送信の同期を行うと、各ＷＰＡＮのビーコン周期が異なる場合でも、それぞれのビーコン送信時刻はビーコン周期が最短のＷＰＡＮのビーコン送信時刻と重なる。図１６では、チャネル１を利用するＷＰＡＮ１およびチャネル２を利用するＷＰＡＮ２がＢＯ＝ｋとしたとき、チャネル３を利用するＷＰＡＮ３がＢＯ＝ｋ＋１であり、チャネル４を利用するＷＰＡＮ４がＢＯ＝ｋ＋２であり、ビーコン周期が最短のＷＰＡＮ１のＨ−ＳＴＡが代表統合端末となる場合を示している。

したがって、ＷＰＡＮ間の同期をとり、かつビーコン周期が最短の代表統合端末からＲＴＳフレームを送信することにより、ＷＬＡＮ内のＷＰＡＮのスーパーフレーム期間中にＷＬＡＮの送信を停止させることができる。このとき、代表統合端末がＲＴＳフレームによりＷＬＡＮに設定されるＮＡＶ期間の長さは、各ＷＰＡＮの中で最長のスーパーフレームを収容できるように設定される。

また、代表統合端末を決める条件として、ビーコン周期が最短のＨ−ＳＴＡが複数台存在する場合は、以前に代表統合端末であったかどうか、ＭＡＣアドレスの大小、ＷＬＡＮのＲＳＳＩが高いかどうかなどを基準としてもよい。

代表統合端末の決定／交代手順および同期手順の一例について以下に説明する（非特許文献１）。

ＷＰＡＮのＨ−ＳＴＡは、ＷＬＡＮ内におけるＭＡＣアドレス、ＷＰＡＮビーコン周期（ＢＯの値) 、スーパーフレーム長、使用するＷＰＡＮチャネルを記載するテーブルをもつ。Ｈ−ＳＴＡは、自身がＷＬＡＮに新しく加わったときに、自身のテーブルの情報をＷＬＡＮのＡＰを介してマルチキャストする。他のＨ−ＳＴＡのテーブル情報を受け取ったＨ−ＳＴＡは、自身のテーブルの情報と比較して差分があればそれをテーブルに追加し更新する。その後、更新したテーブル情報を、ＷＬＡＮのＡＰを介してマルチキャストする。これを繰り返すことでそれぞれのＨ−ＳＴＡがＷＬＡＮ内の全てのＨ−ＳＴＡの情報を有することになる。各Ｈ−ＳＴＡは、テーブルの情報をもとに、自身のビーコン周期が最短かつＭＡＣアドレスが最小などの代表統合端末を決める条件を満たすか否かを判断し、条件を満たす１つのＨ−ＳＴＡが代表統合端末となる。

また、ＷＬＡＮに新規に加わったＨ−ＳＴＡは、ビーコン周期の情報等をＷＬＡＮのＡＰを介してマルチキャストすることにより、既存のＨ−ＳＴＡはその情報を取り込み、代表統合端末のビーコン周期よりも短い場合には代表統合端末の交代を行う。また、各Ｈ−ＳＴＡにおいて、代表統合端末からのＲＴＳフレームが数ビーコン周期連続して受信されないなど、代表統合端末がＷＬＡＮから離脱したと判断される場合には、各Ｈ−ＳＴＡは代表統合端末の情報を削除するとともに、上記の手順に従って新たな代表統合端末を決定する処理を行う。

代表統合端末は、同期するビーコン送信時刻を示すＴＳＦ（Timing synchronization function ）タイマ値、および各ＷＰＡＮで使用すべきチャネルを、ＷＬＡＮのＡＰを介して各Ｈ−ＳＴＡにマルチキャストする。これを受信したＨ−ＳＴＡは、指定されたビーコン送信時刻を示すＴＳＦタイマとチャネルでビーコン送信を行うことで、ＷＰＡＮ間のビーコン送信の同期・位相の調整が完了する。その後、代表統合端末はビーコン送信時点に先立ってＷＬＡＮのＲＴＳフレームを送信する。代表統合端末および他のＨ−ＳＴＡは、指定されたＴＳＦタイマの値の時刻にビーコン信号を送信し、スーパーフレーム通信を行う。

特許第５４４５７３号公報

井上文博他, "ＷＬＡＮと複数ＷＰＡＮとの共存方式の提案，"信学技報，vol.113 ，no.356，SRW2013-40，pp.13-18、Dec 2013

従来のＷＬＡＮとＷＰＡＮが共存する無線通信システムでは、ＷＬＡＮのスループット低下を抑えるために、複数のＷＰＡＮのビーコン周期を同期させる方法が提案されているが、ＷＬＡＮの１チャネルのＮＡＶ設定期間中に同時に送信できるのは最大４つのＷＰＡＮに限定されていた。

図１７は、４チャネルを用いて同時に送信するＷＰＡＮ１〜ＷＰＡＮ４のビーコン周期が等しい場合の共存例を示す。非特許文献１では、５以上のＷＰＡＮの共存は検討されていなかった。さらに、４チャネルを用いて同時に送信するＷＰＡＮ１〜ＷＰＡＮ４のビーコン周期が異なる場合は、図１６に示すように同期は可能であるが、ビーコン周期が長いＷＰＡＮに割り当てたチャネルの空きスロットが多くなりリソースの利用効率が低下する。

また、従来のＷＬＡＮとＷＰＡＮが共存する無線通信システムでは、同期する複数（最大４つ）のＷＰＡＮのＨ−ＳＴＡのうち、１つの代表統合端末がＷＬＡＮに対してＲＴＳフレームを送信してチャネル予約（ＮＡＶ設定）を行い、この複数（最大４つ）のＷＰＡＮが同時に通信を行っている。しかし、代表統合端末が故障や移動などの原因でＷＬＡＮから離脱した場合、他のＨ−ＳＴＡが代表統合端末の離脱を検知し、新しい代表統合端末が動作するまでの期間はＷＰＡＮの通信期間のためのチャネル予約が行われず、各ＷＰＡＮはＷＬＡＮからの干渉を受けてスループット特性が低下する問題があった。

本発明は、ＷＬＡＮとＷＰＡＮが共存する無線通信システムにおいて、ＷＬＡＮのスループット特性の低下を防ぎながら５以上のＷＰＡＮの共存を可能とするとともに、代表統合端末の離脱（故障または移動）があっても速やかにＷＬＡＮのチャネル予約を可能としてＷＰＡＮのスループット特性の低下を防ぐことができる無線通信システムおよび無線通信制御方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、１つのＷＬＡＮ内にビーコンモードで動作する複数のＷＰＡＮが存在し、各ＷＰＡＮはＰＡＮコーディネータの機能とＷＬＡＮ端末の機能をもつ総合端末を備え、各ＷＰＡＮの統合端末のうち１つの代表統合端末がＷＬＡＮのチャネルを予約するチャネル予約信号を送信し、そのＷＬＡＮのチャネルに対応するＷＰＡＮの複数のチャネルで複数のＷＰＡＮが同期して通信を行う無線通信システムにおいて、統合端末は、ＷＬＡＮに存在する複数のＷＰＡＮのビーコン周期の情報を取得し、それぞれのビーコン周期に基づいて同期させるＷＰＡＮを選択して組を形成する第１の処理手段と、組ごとに、代表統合端末としてビーコン周期が最短の統合端末の１つを選択する第２の処理手段と、組ごとに、代表統合端末が他の統合端末に対してビーコン送信を同期させ、かつ組ごとのビーコン送信タイミングをずらして設定する第３の処理手段とを備える。

第１の発明の無線通信システムにおいて、統合端末の第１の処理手段は、ＷＰＡＮの複数のチャネルと、ビーコン周期が最短のＷＰＡＮのビーコン周期の時間帯の組合せをスロットと定義するとき、組を形成するＷＰＡＮをビーコン周期に応じてスロットを埋めるように配置する処理を行う。

第１の発明の無線通信システムにおいて、統合端末の第２の処理手段は、ビーコン周期が最短の統合端末が複数あれば、ＷＬＡＮにおけるＭＡＣアドレスに基づいて１つの統合端末を選択する。

第１の発明の無線通信システムにおいて、統合端末は、さらに、組ごとに、代表統合端末と同等の機能を有する１つまたは複数の準代表統合端末を選択し、該準代表統合端末はチャネル予約信号を受信しないときに、代わりにチャネル予約信号を送信する第４の処理手段を備える。

第２の発明は、１つのＷＬＡＮ内にビーコンモードで動作する複数のＷＰＡＮが存在し、各ＷＰＡＮはＰＡＮコーディネータの機能とＷＬＡＮ端末の機能をもつ総合端末を備え、各ＷＰＡＮの統合端末のうち１つの代表統合端末がＷＬＡＮのチャネルを予約するチャネル予約信号を送信し、そのＷＬＡＮのチャネルに対応するＷＰＡＮの複数のチャネルで複数のＷＰＡＮが同期して通信を行う無線通信システムの無線通信制御方法において、統合端末は、ＷＬＡＮに存在する複数のＷＰＡＮのビーコン周期の情報を取得し、それぞれのビーコン周期に基づいて同期させるＷＰＡＮを選択して組を形成する第１の処理ステップと、組ごとに、代表統合端末としてビーコン周期が最短の統合端末の１つを選択する第２の処理ステップと、組ごとに、代表統合端末が他の統合端末に対してビーコン送信を同期させ、かつ組ごとのビーコン送信タイミングをずらして設定する第３の処理ステップとを有する。

第２の発明の無線通信制御方法において、統合端末の第１の処理ステップは、ＷＰＡＮの複数のチャネルと、ビーコン周期が最短のＷＰＡＮのビーコン周期の時間帯の組合せをスロットと定義するとき、組を形成するＷＰＡＮをビーコン周期に応じてスロットを埋めるように配置する処理を行う。

第２の発明の無線通信制御方法において、統合端末の第２の処理ステップは、ビーコン周期が最短の統合端末が複数あれば、ＷＬＡＮにおけるＭＡＣアドレスに基づいて１つの統合端末を選択する。

第２の発明の無線通信制御方法において、統合端末は、さらに、組ごとに、代表統合端末と同等の機能を有する１つまたは複数の準代表統合端末を選択し、該準代表統合端末はチャネル予約信号を受信しないときに、代わりにチャネル予約信号を送信する第４の処理ステップを有する。

本発明は、複数のＷＰＡＮからビーコン周期に基づいて同期させるＷＰＡＮを選択して組を形成し、組ごとに、チャネル予約信号（ＲＴＳフレーム）を送信する１つの代表統合端末を選択し、組ごとに、代表統合端末がビーコン送信を同期させ、かつ組ごとのビーコン送信タイミングをずらして設定することにより、チャネル予約するＷＬＡＮのチャネルに対応するＷＰＡＮのチャネル数以上の複数のＷＰＡＮが同期して通信を行うことができる。

また本発明は、組ごとに、準代表統合端末がチャネル予約信号（ＲＴＳフレーム）を受信しないときに、代わりにチャネル予約信号（ＲＴＳフレーム）を送信することにより、代表統合端末の離脱があっても速やかにＷＬＡＮのチャネル予約を可能としてＷＰＡＮのスループット特性の低下を防ぐことができる。

ＷＬＡＮとＷＰＡＮが共存する無線通信システムの構成例を示す図である。 本発明による５以上のＷＰＡＮの収容例１を示すタイムチャートである。 本発明による５以上のＷＰＡＮの収容例２を示すタイムチャートである。 ＷＬＡＮと共存するＷＰＡＮのビーコン周期テーブルを示す図である。 ビーコン送信を同期するＷＰＡＮの選択手順例を示すフローチャートである。 同期ＷＰＡＮに割り当てるスロットの選択手順例を示すフローチャートである。 平常時の代表統合端末におけるＲＴＳフレーム送信動作例を示すタイムチャートである。 代表統合端末離脱時におけるＲＴＳフレーム送信動作例を示すタイムチャートである。 本発明による準代表統合端末のＲＴＳフレーム送信手順例を示すフローチャートである。 ＷＬＡＮおよびＷＰＡＮのスループット特性の改善効果を示す図である。 定常状態におけるＷＰＡＮ保護失敗率を示す図である。 過渡状態におけるＷＰＡＮ保護失敗率を示す図である。 ＷＰＡＮのスーパーフレームの構成を示す図である。 2.4 ＧHz帯におけるＷＬＡＮとＷＰＡＮのチャネル配置を示す図である。 ＷＬＡＮとＷＰＡＮが共存するための送信手順を示すタイムチャートである。 ４つのＷＰＡＮの共存例（ビーコン周期が異なる場合）を示すタイムチャートである。 ４つのＷＰＡＮの共存例（ビーコン周期が等しい場合）を示すタイムチャートである。

本発明におけるＷＬＡＮとＷＰＡＮが共存する無線通信システムは、図１に示す無線通信システムと同様の構成である。ただし、同期させる最大４つのＷＰＡＮを複数組収容可能とし、かつ１組を構成するＷＰＡＮのビーコン周期が異なる場合に５以上のＷＰＡＮを収容可能とし、合わせてＷＬＡＮ内で５以上のＷＰＡＮの共存を可能とする。

本発明の特徴は、ＷＬＡＮ１０内で５以上のＷＰＡＮ２０の共存を可能とするために、ＷＰＡＮ２０の統合端末（Ｈ−ＳＴＡ）２１の制御部において、次の処理を行うところにある。
(1) 複数のＷＰＡＮからビーコン周期に基づいて同期させるＷＰＡＮを選択して組を形成する。
(2) 組ごとに、チャネル予約信号（ＲＴＳフレーム）を送信する１台の代表統合端末を選択する。
(3) 組ごとに、代表統合端末がＷＬＡＮのＴＳＦタイマの時刻情報に基づいてビーコン送信を同期させ、かつ組ごとのビーコン送信タイミングをずらして設定する。
(4) 組ごとに、代表統合端末と同等の機能を有する１台または複数台の準代表統合端末を選択し、準代表統合端末がチャネル予約信号（ＲＴＳフレーム）を受信しないときに、代わりにチャネル予約信号（ＲＴＳフレーム）を送信する。
以下、(1) 〜(3) について実施例１として説明し、(4) について実施例２として説明する。

（実施例１）
図２は、本発明による５以上のＷＰＡＮの収容例１を示す。ここでは、ビーコン周期が等しい４つのＷＰＡＮを組とし、複数組を収容する例を示す。

図２において、各ＷＰＡＮのＨ−ＳＴＡの制御部は、ビーコン周期が等しく、ＷＰＡＮの４チャネル（Ｃｈ.1〜Ｃｈ.4）を用いて同時通信する４つのＷＰＡＮの組を作り、組ごとにビーコン送信タイミングを同期させながら、異なる組のＷＰＡＮ同士はスーパーフレーム期間が重ならないようにビーコン送信タイミングをずらす制御を行う。図２に示す例では、ビーコン周期（ＢＯ＝ｋ）が等しいＷＰＡＮ１〜４の組と、ビーコン周期（ＢＯ＝ｋ＋１）が等しいＷＰＡＮ５〜７の組を構成し、組ごとにランダムに代表統合端末によって同期制御を行うことにより、異なる組のＷＰＡＮ同士のビーコン送信タイミングをずらすことが可能である。なお、異なる組のＷＰＡＮ同士のビーコン送信タイミングが重なって衝突した場合には、再度組ごとにランダムに同期制御を行うことにより衝突しないタイミングの設定が可能である。

以上の組ごとの同期制御により、各組の代表統合端末は、それぞれ異なるタイミングでＲＴＳ／ＣＴＳフレームを送受信し、ＷＬＡＮにＮＡＶを設定した後に、各組が異なるタイミングでビーコンを送信し、衝突を回避して通信を行うことができる。なお、ビーコン周期に比べてスーパーフレーム長が短い場合には、１組のビーコン周期の間に２組以上のＷＰＡＮを収容することも可能である。これにより、ＷＰＡＮの４チャネル（Ｃｈ.1〜Ｃｈ.4）を用いて、５以上のＷＰＡＮとＷＬＡＮを共存させることができる。

図３は、本発明による５以上のＷＰＡＮの収容例２を示す。ここでは、各ＷＰＡＮのビーコン周期が異なるものを組み合わせるものとする。

図３において、ＷＰＡＮの４チャネル（Ｃｈ.1〜Ｃｈ.4）と、ビーコン周期が最短のＷＰＡＮのビーコン周期の時間帯の組合せをスロットＳ（ａ，ｂ）と定義するとき、各ＷＰＡＮのＨ−ＳＴＡの制御部は、このスロットを最大限埋めるようにＷＰＡＮを選択して配置する。以下、ビーコン周期が最短のＷＰＡＮに同期するＷＰＡＮを選択し、各スロットに割り当てる手順について、図３〜図６を参照して説明する。ここでは、図４に示すように、各ＷＰＡＮのビーコン周期をビーコンオーダーＢＯで表し、ＷＰＡＮ１〜２のビーコン周期をＢＯ＝ｋ、ＷＰＡＮ３〜５のビーコン周期をＢＯ＝ｋ＋１、ＷＰＡＮ６〜９のビーコン周期をＢＯ＝ｋ＋２、ＷＰＡＮ10〜11のビーコン周期をＢＯ＝ｋ＋３とする。

図５は、ビーコン送信を同期するＷＰＡＮの選択手順例を示す。
図５において、各ＷＰＡＮのＨ−ＳＴＡの制御部は、ＷＬＡＮ内におけるＭＡＣアドレスやＷＰＡＮビーコン周期（ＢＯ）を記載したテーブルをもっており、それに基づきＢＯの値の昇順にＷＰＡＮｉをソートする。ｉは、ＷＰＡＮの識別番号である。ＢＯが同値の場合は、ＭＡＣアドレスの昇順にソートする（Ｓ１）。ＷＰＡＮをＢＯおよびＭＡＣアドレスの昇順にソートしたテーブルを図４に示す。

次に、ＷＰＡＮの識別番号ｎ（ＢＯが最小の識別番号１）から昇順に、ＢＯを用いてＷＰＡＮｉのチャネル占有率Ｒi を次式に基づいて算出する（Ｓ２，Ｓ３）。
Ｒi ＝１／２^BO

さらに、チャネル占有率Ｒi の合計Ｒsum が閾値Ａ×(1／2^k) を超えない範囲の最大のＷＰＡＮの識別番号Ｎを求める（Ｓ４〜Ｓ７）。ここでは、ＷＬＡＮの１チャネルの帯域幅でＷＰＡＮの４チャネルが同時送信可能であるので、Ａ＝４とする。なお、例えばＷＬＡＮの２チャネルにＮＡＶを設定する場合には、Ａ≧５とすることができる。これにより、識別番号ｎからＮまでのＷＰＡＮを同期させるＷＰＡＮの組として選択することができる。図４に示すテーブルでは、１組目の同期ＷＰＡＮはＷＰＡＮ１〜ＷＰＡＮ７となり、２組目以降の同期ＷＰＡＮを求める際には、前組のＮを用いてＮ＋１からＢＯの最小値をｋとして同様の処理を行えばよい。

図６は、同期ＷＰＡＮに割り当てるスロットの選択手順例を示す。
図６において、まず図５の処理により選択された組のＷＰＡＮｎ〜Ｎのビーコン周期（ＢＯ）から、ＷＰＡＮｎ〜Ｎに割り当てるスロット（Ａ，2^k(N)-k(n)) を算出する（Ｓ11）。ここで、ｋ(i) はＷＰＡＮｉのＢＯである。スロットは行列で表され、Ａ個の行は周波数成分（Ｃｈ.1〜Ｃｈ.4）を表し、2^k(N)-k(n)個の列は時間方向成分を表す。例えば、同期ＷＰＡＮの組としてＷＰＡＮ１〜７が選択されると、２^k(7)-k(1) ＝２² ＝４となり、４チャネル×４列の合計16個のスロットが算出される。ここで、列方向のスロット数４は、ビーコン周期が最小のＷＰＡＮ１のビーコン周期 15.36ｍｓ×２^k の倍数を示し、ビーコン周期が最大のＷＰＡＮ７のビーコン周期 15.36ｍｓ×２^k+2 に対応する。

次に、ＷＰＡＮの識別番号順に、空きスロットの最若番を先頭に、それぞれのＢＯに応じた周期 2^k(i)で空きスロットを選択していく。これを組を構成するＷＰＡＮｎ〜Ｎについて繰り返す（Ｓ12〜Ｓ16）。

図３に示すＷＰＡＮの収容例２は、図４に示すテーブルに基づいて、図５に示す手順に従って同期ＷＰＡＮの組となるＷＰＡＮ１〜７を選択し、図６に示す手順に従って各スロットに割り当てた状態を示す。すなわち、同期ＷＰＡＮの組としてＷＰＡＮ１〜７に対して、４チャネル×４列の合計16個のスロット割り当てとなる。ＢＯが最小のｋとなるＷＰＡＮ１はスロット（１，１）〜（１，４）に割り当て、ＷＰＡＮ２はスロット（２，１）〜（２，４）に割り当てる。次にＢＯがｋ＋１となるＷＰＡＮ３はスロット（３，１）、（３，３）に割り当て、ＷＰＡＮ４はスロット（３，２）、（３，４）に割り当て、ＷＰＡＮ５はスロット（４，１）、（４，３）に割り当てる。次にＢＯがｋ＋２となるＷＰＡＮ６はスロット（４，２）に割り当て、ＷＰＡＮ７はスロット（４，４）に割り当てる。これにより、全スロットを余すことなく割り当てることができる。

ここで、ビーコン周期（ＢＯ）が最小のＷＰＡＮ１のＨ−ＳＴＡを代表統合端末として、ＷＰＡＮ２〜ＷＰＡＮ７に対してビーコン送信時刻を通知して同期をとり、かつＷＬＡＮとの間でＲＴＳ／ＣＴＳフレームを送受信し、ＷＬＡＮにＮＡＶを設定する。その後、ＷＰＡＮ１〜ＷＰＡＮ７のＨ−ＳＴＡがそれぞれビーコンを送信し、配下のＷＰＡＮ端末（ＮＤ）とスーパーフレーム通信を行うことができる。なお、ビーコン周期（ＢＯ）が最小のＷＰＡＮが複数あれば、代表統合端末として以前に代表統合端末であったＨ−ＳＴＡ、またはＭＡＣアドレスが最小（最大）のＨ−ＳＴＡ、またはＷＬＡＮのＲＳＳＩが最大のＨ−ＳＴＡなどが選択される。

さらに、次の同期ＷＰＡＮの組となるＷＰＡＮ８以降は、図２に示すように、ＷＰＡＮ１〜７のスーパーフレーム期間と重ならないように、現在のスロットの隙間に配置され、同様にＷＰＡＮ８のＨ−ＳＴＡを代表統合端末として、同期ＷＰＡＮの組となる複数のＷＰＡＮが同期してスーパーフレーム通信を行うことができる。

（実施例２）
代表統合端末は、複数のＷＰＡＮのビーコン送信を同期させ、ビーコン送信に先立ってＲＴＳフレームを送信して無線チャネルを予約する。しかし、他のＨ−ＳＴＡは、代表統合端末からのＲＴＳフレームを受信しないときに、代表統合端末が故障や移動などの原因でＷＬＡＮから離脱したものと判断し、速やかに代表統合端末を決定してＲＴＳフレームを送信し、ＷＬＡＮからの干渉を回避してスーパーフレーム通信を行う必要がある。

そこで、ＷＬＡＮと共存するＷＰＡＮが複数存在する際には、代表統合端末に加えて、予めＲＴＳフレームの送信を行う機能を有する準代表統合端末を設定しておく。準代表統合端末には、上記の代表統合端末の条件を２番目以降に満たす順に、１台あるいは複数台を選ぶ。準代表統合端末は、代表統合端末との競合を避けるために、ＲＴＳフレームの発生からビーコン送信時刻までの保護手順試行期間を短く設定する。また、準代表統合端末が複数ある場合は、順番に保護手順試行期間を短く設定する。すなわち、準代表統合端末は、ＲＴＳフレームの発生時刻を代表統合端末より順次遅らせる。

図７は、平常時の代表統合端末におけるＲＴＳフレーム送信動作例を示す。
図７において、代表統合端末が正常に動作している場合、ＲＴＳフレーム生成部はビーコン送信時刻Ｔ_B より保護手順試行期間Ｔ₀ だけ早くＲＴＳフレームを生成し、ＣＳＭＡ／ＣＡプロトコルに従って送信する。このとき、準代表統合端末１，２のＲＴＳフレーム生成部は、順次短い保護手順試行期間Ｔ₁ ，Ｔ₂ に応じてＲＴＳフレームを生成することになっているが、代表統合端末から送信されるＲＴＳフレームを受信することにより、自らはＲＴＳフレームを送信せず、通常のＨ−ＳＴＡとして代表統合端末に同期するビーコン送信時刻にビーコンを送信し、スーパーフレーム通信を行う。

図８は、代表統合端末離脱時におけるＲＴＳフレーム送信動作例を示す。
図８において、代表統合端末が故障または通信エリアから移動した場合に、代表統合端末からＲＴＳフレームが送信されず、ＷＬＡＮのチャネル予約ができない状態になる。準代表統合端末１，２のＲＴＳフレーム生成部は、代表統合端末より遅れて順次ＲＴＳフレームを生成するが、代表統合端末からのＲＴＳフレームを受信しないとき、あるいは数ビーコン周期連続して受信しないときに、代表統合端末の離脱（故障または移動）と判断し、準代表統合端末１がＲＴＳフレームをＣＳＭＡ／ＣＡプロトコルに従って送信する。このとき、準代表統合端末２は、さらに遅れてＲＴＳフレームを生成するが、準代表統合端末１により送信されるＲＴＳフレームを受信することにより、ＲＴＳフレームの送信は行わない。準代表統合端末１がＲＴＳフレームを送信しない場合は、同様の手順により準代表統合端末２がＲＴＳフレームを送信する。

これにより準代表統合端末１，２が、代表統合端末と競合することを防ぎつつ、代表統合端末がＲＴＳフレームを送信できないときに、代わりにチャネル予約を行うことが可能となる。

図３に示す例では、ＷＰＡＮ１が代表統合端末であり、ＷＰＡＮ２〜７が準代表統合端末としたときに、ＷＰＡＮ２〜７がＷＰＡＮ１のＲＴＳフレームを受信しない場合に、ＷＰＡＮ２が代わりにＲＴＳフレームを送信する。ＷＰＡＮ２とＷＰＡＮ１は同じビーコン周期なので、ＷＰＡＮ３〜７はＲＴＳフレームによってＷＬＡＮに設定されるＮＡＶの期間にビーコンを送信し、スーパーフレーム通信を行うことができる。また、ＷＰＡＮ３〜７がＷＰＡＮ１，２のＲＴＳフレームを受信しない場合に、ＷＰＡＮ３が代わりにＲＴＳフレームを送信する。ＷＰＡＮ３のビーコン周期は、ＷＰＡＮ１，２のビーコン周期の２倍なので、そのままではＷＰＡＮ４，６，７がビーコンを送信するときにはＷＬＡＮにＮＡＶが設定されていないことになる。そのため、ＷＰＡＮ３は、ＷＰＡＮ１，２と同じ周期でＲＴＳフレームを送信するように制御する。ＷＰＡＮ４〜７がＲＴＳフレームを送信する場合も同様である。なお、ＷＰＡＮ１〜７は、代表統合端末および準代表統合端末の順位およびそれぞれのビーコン周期がわかっており、当該制御を行うことが可能である。

図９は、本発明による準代表統合端末のＲＴＳフレーム送信手順例を示す。
図９において、まず着目する準代表統合端末ｋについて、その保護手順試行期間長Ｔ_k を決定する（Ｓ21）。次のビーコン送信時刻をＴ_B としたとき、現在時刻ｔが準代表統合端末ｋのＲＴＳフレームを送信する時刻（Ｔ_B−Ｔ_k）になった時点で（Ｓ22：Yes ）、代表統合端末または上位の準代表統合端末のＲＴＳフレームを受信したか否かを判断する（Ｓ23）。ここで、ＲＴＳフレームを受信すれば（Ｓ23：Yes ）、代表統合端末または上位の準代表統合端末がチャネル予約処理を行っているので、準代表統合端末ｋはＲＴＳフレームを送信せず、ビーコン送信時刻Ｔ_B になった時点でビーコンを送信し、スーパーフレーム通信を行う（Ｓ24，Ｓ25）。一方、ＲＴＳフレームを受信しない場合、あるいは数ビーコン周期連続して受信しない場合に（Ｓ23：No）、代表統合端末または上位の準代表統合端末が離脱していると判断し、ビーコン送信時刻Ｔ_B になる前の保護手順試行期間内であれば（Ｓ26：Yes ）、準代表統合端末ｋがＲＴＳフレームを送信する（Ｓ27）。

ここで、ｎ台の準代表統合端末のうちｋ番目にＲＴＳフレーム送信を行う準代表統合端末ｋにおける保護手順試行期間長Ｔ_k の決定方法を示す。代表統合端末の保護手順試行期間長をＴ₀ とする。Ｔ₀ は代表統合端末が１台しか存在しない場合（準代表統合端末を用意できない場合）に、ＷＰＡＮ保護失敗率（ビーコン送信時刻までに代表統合端末が無線チャネルの予約に失敗する割合) が目標値を達成する最短の値が選ばれる。

Ｔ_k は次の方法(i) 、(ii)のどちらか、あるいは併用により決定される。
(i) Ｔ_k ＝Ｔ_k-1 −Ｔ_d
準代表統合端末は、先にＲＴＳフレームを送信する代表統合端末または準代表統合端末の保護手順試行期間よりＴ_d だけ短い保護手順試行期間に設定する。すなわち、Ｔ_d だけ遅れてＲＴＳフレームを送信する。例えば、Ｔ_d の時間長は 0.5〜２ｍｓ程度とする。

(ii) Ｔ_k ＝α・Ｔ_k-1 （０＜α＜１）
準代表統合端末は、先にＲＴＳフレームを送信する代表統合端末または準代表統合端末の保護手順試行期間長のα倍となる保護手順試行期間長に設定する。例えば、αは 0.5〜0.8 程度とする。

（本発明によるＷＬＡＮおよびＷＰＡＮのスループット特性の改善例）
計算機シミュレーションにより、１つのＷＬＡＮ内にｎ個のＷＰＡＮが共存している場合の結果を示す。ＷＬＡＮは、１台のＷＬＡＮアクセスポイント（ＡＰ）と10台のＷＬＡＮ端末（ＳＴＡ）とｎ台の統合端末（Ｈ−ＳＴＡ）からなる。それぞれのＷＰＡＮは１台の統合端末（Ｈ−ＳＴＡ）と、２台のＷＰＡＮ端末（ＮＤ）からなる。ＷＰＡＮのＷＰＡＮ端末（ＮＤ）は、スーパーフレームの非競合アクセス期間に保証タイムスロットが割り当てられるものとする。シミュレーション諸元を表１に示す。

ＷＬＡＮの物理層パラメータはIEEE 802.11g規格に従う。統合端末（Ｈ−ＳＴＡ）は、ＷＰＡＮのビーコン送信時点から５ｍｓだけ先立ってＷＬＡＮのＲＴＳフレームを送信キューに発生させる。同じ周波数を利用する無線端末は全て互いに干渉し、隠れ端末の関係にある無線端末は存在しないものとする。従来方式では、ＷＰＡＮがＷＬＡＮにＮＡＶを設定している間に、複数のＷＰＡＮはランダムアクセス方式により送信を行う。

図１０(a) は、ＷＬＡＮのスループット特性を示す。１回の試行のシミュレーション時間は 100秒であり、10回の試行の平均値を示す。この結果より、提案方式はビーコン周期が等しい４台ごとにＷＰＡＮの同期をとっているので、ＷＰＡＮの数が増加すると従来方式よりＷＬＡＮのスループット特性が高くなっており、周波数利用効率が改善されていることがわかる。

図１０(b) は、ＷＰＡＮのスループット特性を示す。複数存在するＷＰＡＮのなかで、最低のスループットの値を取るものを示す。なお、１回の試行のシミュレーション時間は 100秒であり、10回の試行の最低値を示す。この結果より、提案方式はビーコン周期が等しい４台ごとにＷＰＡＮの同期をとっているので、ＷＰＡＮの数が増加して５以上になると、従来方式よりＷＰＡＮのスループット特性が著しく高くなっており、周波数利用効率が改善されていることがわかる。

（代表統合端末および準代表統合端末によるＷＰＡＮ保護失敗率）
計算機シミュレーションにより、ＷＬＡＮの中に複数のＷＰＡＮが共存している場合において、統合端末（Ｈ−ＳＴＡ）によるＷＰＡＮ保護失敗率（ビーコン送信時刻までに統合端末が無線チャネルの予約に失敗する割合）を示す。ＷＬＡＮは、１台のＷＬＡＮアクセスポイント（ＡＰ）と10台のＷＬＡＮ端末（ＳＴＡ）と２台の統合端末（Ｈ−ＳＴＡ）からなる。ＷＬＡＮの物理層パラメータはIEEE 802.11g規格に従う。シミュレーション諸元を表２に示す。

図１１は、代表統合端末がＷＬＡＮ内に存在し機能している場合（定常状態）におけるＷＰＡＮ保護失敗率を示す。図１２は、代表統合端末がＷＬＡＮから離脱してから、新しく代表統合端末が決定され動作するまでの期間（過渡状態）におけるＷＰＡＮ保護失敗率を示す。

提案方式では、代表統合端末および準代表統合端末の２台がＲＴＳフレーム送信によりＷＰＡＮの通信のためのチャネル予約を行う。準代表統合端末の保護手順試行期間長は、代表統合端末の保護手順試行期間長の 0.7倍（上記のα＝0.7 ）とする。従来方式では、代表統合端末１台のみがＲＴＳフレームを送信する。この結果により、定常状態、代表統合端末が離脱時の過渡状態のいずれにおいても、提案方式の方が、保護失敗率が低くなっていることがわかる。

なお、本発明の無線通信システムにおける統合端末（Ｈ−ＳＴＡ）の機能については、国際標準規格IEEE 802.11 およびIEEE 802.15.4 に準拠しており、使用するパラメータ等も規格内に定義されている。統合端末（Ｈ−ＳＴＡ）に対して、上記の代表統合端末および準代表統合端末の機能を実装するのみで本発明は実現可能である。

また、本発明の無線通信システムの利用形態としては、例えば老人ホームなどにおいて、ＷＰＡＮ端末（ＮＤ）として無線センサ端末を用いたメディカルケアでは、心電計、血圧計、体温計、加速時計などの様々なセンサを身につけた人が多数存在する状況が考えられる。この状況では、無線センサ端末を身につけたそれぞれの人が１つのＷＰＡＮを形成するため、１つのＷＬＡＮに多数のＷＰＡＮが収容されることになる。そのため、多数のＷＰＡＮの無線センサ端末が、それぞれのビーコン周期でアクセスを試みることにより、ＷＬＡＮのスループット特性が大きく劣化する恐れがある。その際に、本発明を用いることにより、ＷＬＡＮに多数（５以上）のＷＰＡＮを収容して同期制御を可能とし、ＷＬＡＮおよびＷＰＡＮのスループット特性の低下を防ぐことが可能である。

１０ ＷＬＡＮ
１１ アクセスポイント（ＡＰ）
１２ ＷＬＡＮ端末（ＳＴＡ）
２０ ＷＰＡＮ
２１ 統合端末（Ｈ−ＳＴＡ）
２２ ＷＰＡＮ端末（ＮＤ）

Claims (8)

1. １つの無線ＬＡＮ内にビーコンモードで動作する複数の無線ＰＡＮが存在し、各無線ＰＡＮはＰＡＮコーディネータの機能と無線ＬＡＮ端末の機能をもつ総合端末を備え、各無線ＰＡＮの統合端末のうち１つの代表統合端末が前記無線ＬＡＮのチャネルを予約するチャネル予約信号を送信し、その無線ＬＡＮのチャネルに対応する無線ＰＡＮの複数のチャネルで複数の無線ＰＡＮが同期して通信を行う無線通信システムにおいて、
   前記統合端末は、
   前記無線ＬＡＮに存在する前記複数の無線ＰＡＮのビーコン周期の情報を取得し、それぞれのビーコン周期に基づいて前記同期させる無線ＰＡＮを選択して組を形成する第１の処理手段と、
   前記組ごとに、前記代表統合端末として前記ビーコン周期が最短の統合端末の１つを選択する第２の処理手段と、
   前記組ごとに、前記代表統合端末が他の統合端末に対してビーコン送信を同期させ、かつ前記組ごとのビーコン送信タイミングをずらして設定する第３の処理手段と
   を備えたことを特徴とする無線通信システム。
2. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記統合端末の第１の処理手段は、前記無線ＰＡＮの複数のチャネルと、前記ビーコン周期が最短の無線ＰＡＮのビーコン周期の時間帯の組合せをスロットと定義するとき、前記組を形成する無線ＰＡＮをビーコン周期に応じてスロットを埋めるように配置する処理を行う
   ことを特徴とする無線通信システム。
3. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記統合端末の第２の処理手段は、前記ビーコン周期が最短の統合端末が複数あれば、前記無線ＬＡＮにおけるＭＡＣアドレスに基づいて１つの統合端末を選択する
   ことを特徴とする無線通信システム。
4. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記統合端末は、さらに、
   前記組ごとに、前記代表統合端末と同等の機能を有する１つまたは複数の準代表統合端末を選択し、該準代表統合端末は前記チャネル予約信号を受信しないときに、代わりに前記チャネル予約信号を送信する第４の処理手段を備えた
   ことを特徴とする無線通信システム。
5. １つの無線ＬＡＮ内にビーコンモードで動作する複数の無線ＰＡＮが存在し、各無線ＰＡＮはＰＡＮコーディネータの機能と無線ＬＡＮ端末の機能をもつ総合端末を備え、各無線ＰＡＮの統合端末のうち１つの代表統合端末が前記無線ＬＡＮのチャネルを予約するチャネル予約信号を送信し、その無線ＬＡＮのチャネルに対応する無線ＰＡＮの複数のチャネルで複数の無線ＰＡＮが同期して通信を行う無線通信システムの無線通信制御方法において、
   前記統合端末は、
   前記無線ＬＡＮに存在する前記複数の無線ＰＡＮのビーコン周期の情報を取得し、それぞれのビーコン周期に基づいて前記同期させる無線ＰＡＮを選択して組を形成する第１の処理ステップと、
   前記組ごとに、前記代表統合端末として前記ビーコン周期が最短の統合端末の１つを選択する第２の処理ステップと、
   前記組ごとに、前記代表統合端末が他の統合端末に対してビーコン送信を同期させ、かつ前記組ごとのビーコン送信タイミングをずらして設定する第３の処理ステップと
   を有することを特徴とする無線通信制御方法。
6. 請求項５に記載の無線通信制御方法において、
   前記統合端末の第１の処理ステップは、前記無線ＰＡＮの複数のチャネルと、前記ビーコン周期が最短の無線ＰＡＮのビーコン周期の時間帯の組合せをスロットと定義するとき、前記組を形成する無線ＰＡＮをビーコン周期に応じてスロットを埋めるように配置する処理を行う
   ことを特徴とする無線通信制御方法。
7. 請求項５に記載の無線通信制御方法において、
   前記統合端末の第２の処理ステップは、前記ビーコン周期が最短の統合端末が複数あれば、前記無線ＬＡＮにおけるＭＡＣアドレスに基づいて１つの統合端末を選択する
   ことを特徴とする無線通信制御方法。
8. 請求項５に記載の無線通信制御方法において、
   前記統合端末は、さらに、
   前記組ごとに、前記代表統合端末と同等の機能を有する１つまたは複数の準代表統合端末を選択し、該準代表統合端末は前記チャネル予約信号を受信しないときに、代わりに前記チャネル予約信号を送信する第４の処理ステップを有する
   ことを特徴とする無線通信制御方法。

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