JP2016152503A - 無線中継システム、中継局装置及び通信制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線中継局において、消費電力低減をするスリープ機能を効率的に動作させる。【解決手段】上流側の中継局装置が、下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第１の手段と、下流側の中継局装置が、ビーコンを受信し、その受信時刻からビーコン送信シフト時間経過後に、情報に基づいて決定したさらに下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第２の手段と、第１の手段によるビーコンの送信と、第２の手段によるビーコンの送信を繰り返すことで、全ての中継局装置が、送信許可期間内の一部にアウェイク時間のマージンであるアウェイクマージン時間を設け、該アウェイクマージン時間の開始および終了時刻をそれぞれ最も上流側の中継局装置のアウェイクマージン時間の開始および終了時刻と同一になるように設定する手段とを備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、無線中継システムを構成する中継局において、消費電力を低減するための無線中継システム、中継局装置及び通信制御方法に関する。

従来の無線アクセスシステムにおいて、スリープ制御技術によって省電力化効果を向上させるために基地局が長時間のスリープモードへの移行手段を有している。この構成では、トラフィックがある場合でも基地局をスリープモードへ移行させることで不必要なアウェイク状態を削減し、省電力効果を向上させることができる（例えば、特許文献１参照）。

特許第５５１８８０７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の無線アクセスシステムにあっては、多段構成時において、図１４に示すように、制御（１）（トラフィックが無い場合）では、所定のビーコンインターバル毎にビーコンが発信され、そのビーコンインターバル内ではスリープ状態となる。図１４は、従来技術によるスリープモードに切り替える動作を示す説明図である。そして、トラフィックが発生すると、制御（２）（トラフィックがある場合）に切り替える。さらに、再びトラフィックが無くなると制御（１）に切り替えるという動作を繰り替えるものであった。

しかしながら、図１４に示す構成では、中継数が多くなるほどレイテンシが大きくなり、中継局間の通信環境が不平等となる。図１５は、４ホップのスリープ制御（図１４に示す制御）を行った例を示す説明図である。図１６は、低トラフィック時のレイテンシをグラフにした図である。図１６に示すように、同一中継システム内での中継数が多くなるほどレイテンシが大きくなることが分かる。

また、輻輳発生時、中継数が多いほどスループットが低下し、中継局間の通信環境が不平等となる。図１７は、輻輳時のスループットをグラフにした図である。図１７に示すように、中継数が多いほどスループットが低下することが分かる。

また、輻輳発生によるスループット低下の場合、スリープ率が低下してしまう。図１８は、中トラフィック時のスリープ率をグラフにした図である。図１８に示すように、輻輳発生によるスループット低下の場合、スリープ率が低下してしまうことが分かる。

さらに、中継数が多くなるほど、トラフィックが発生した場合のスリープ制御切り替えにかかる時間が大きくなり、中継局間の通信環境が不平等となる。図１９は、トラフィックが無い場合からトラフィックが有る場合へ切り替える動作を示す図である。図１９に示すように、中継数が多くなるほど、トラフィックが発生した場合のスリープ制御切り替えにかかる時間が大きくなり、中継局間の通信環境が不平等となるという問題がある。

なお、スリープとは、通信に用いる回路を停止させることであり、その間消費電力を削減することが可能となるものである。また、アウェイクとは、スリープと対になるもので、通信に用いる回路を動作状態とするものである。スリープ率とは、ある期間においてスリープ状態となった期間がどの程度存在するかを示したものであり、例えば１０秒間のうち２秒間スリープ状態であった場合はスリープ率２０％となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、無線中継システムを構成する中継局において、消費電力の低減を目的としたスリープ機能を効率的に動作させることができる無線中継システム、中継局装置及び通信制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、複数の中継局装置を備える無線中継システムであって、上流側の前記中継局装置が、下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第１のビーコン送信手段と、下流側の前記中継局装置が、前記ビーコンを受信し、該ビーコンの受信時刻からビーコン送信シフト時間経過後に、前記情報に基づいて決定したさらに下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第２のビーコン送信手段と、前記第１のビーコン送信手段による前記ビーコンの送信と、前記第２のビーコン送信手段による前記ビーコンの送信を繰り返すことで、全ての前記中継局装置が、送信許可期間内の一部にアウェイク時間のマージンであるアウェイクマージン時間を設け、該アウェイクマージン時間の開始および終了時刻をそれぞれ最も上流側の前記中継局装置のアウェイクマージン時間の開始および終了時刻と同一になるように設定するアウェイクマージン時間設定手段とを備えたことを特徴とする。

本発明は、前記ビーコン送信シフト時間は全ての中継局装置において同じ時間が登録されていることを特徴とする。

本発明は、前記アウェイクマージン時間は、送信許可期間の一部であり、該アウェイクマージン時間は、全ての中継局装置において同じ時間が登録されており、上流側の中継局装置のビーコンから特定できる送信許可期間には、前記アウェイクマージン時間が含まれており、端末装置との通信と下流側の前記中継局装置との通信に割振る送信許可期間については、前記ビーコンから特定した前記送信許可期間から該アウェイクマージン時間を引いた時間となり、下流側の中継局装置との通信においては、前記送信許可期間にアウェイクマージンを加えた送信許可期間を、送信すべきビーコンに埋め込んで送信されることを特徴とする。

本発明は、前記アウェイクマージン時間の終了時刻は、下流側の中継局装置に対する次回のビーコン送信予定時刻から、上流中継局装置数にビーコン送信シフト時間を乗算した時間前であることを特徴とする。

本発明は、複数の中継局装置を備える無線中継システムであって、上流側の前記中継局装置が、下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第１のビーコン送信手段と、下流側の前記中継局装置が、前記ビーコンを受信し、該ビーコンの受信時刻からビーコン送信シフト時間経過後に、前記情報に基づいて決定した端末装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第３のビーコン送信手段とを備えたことを特徴とする。

本発明は、複数の中継局装置を備える無線中継システムにおける中継局装置であって、自己が上流側の前記中継局装置である場合に、下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第１のビーコン送信手段と、自己が下流側の前記中継局装置である場合に、上流側の中継局装置から前記ビーコンを受信し、該ビーコンの受信時刻からビーコン送信シフト時間経過後に、前記情報に基づいて決定したさらに下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第２のビーコン送信手段と、前記第１のビーコン送信手段による前記ビーコンの送信と、前記第２のビーコン送信手段による前記ビーコンの送信を繰り返すことで、全ての前記中継局装置が、送信許可期間内の一部にアウェイク時間のマージンであるアウェイクマージン時間を設け、該アウェイクマージン時間の開始および終了時刻をそれぞれ最も上流側の前記中継局装置のアウェイクマージン時間の開始および終了時刻と同一になるように設定するアウェイクマージン時間設定手段とを備えたことを特徴とする。

本発明は、複数の中継局装置を備える無線中継システムが行う通信制御方法であって、上流側の前記中継局装置が、下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第１のビーコン送信ステップと、下流側の前記中継局装置が、前記ビーコンを受信し、該ビーコンの受信時刻からビーコン送信シフト時間経過後に、前記情報に基づいて決定したさらに下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第２のビーコン送信ステップと、前記中継局装置が、前記第１のビーコン送信ステップによる前記ビーコンの送信と、前記第２のビーコン送信ステップによる前記ビーコンの送信を繰り返すことで、全ての前記中継局装置が、送信許可期間内の一部にアウェイク時間のマージンであるアウェイクマージン時間を設け、該アウェイクマージン時間の開始および終了時刻をそれぞれ最も上流側の前記中継局装置のアウェイクマージン時間の開始および終了時刻と同一になるように設定するアウェイクマージン時間設定ステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、無線中継システムを構成する中継局において、消費電力の低減を目的としたスリープ機能を効率的に動作させることができるという効果が得られる。また、効率的にスリープ機能を動作させることができるため、中継システム内でのレイテンシの均一化、中継システム内でのスループットの均一化、輻輳時のスリープ率の向上、トラフィックが発生した場合のスリープ制御切り替えの高速化を図ることができるという効果も得られる。

本発明の想定するネットワーク構成の一例である。 ビーコン内に送信許可期間を割当てる要素を埋め込む方法を示す図である。 ビーコンの送信タイミングを示したものである。 本実施形態による中継局（ここでは、中継局３）の機能詳細を示す図である。 上位リンクからのビーコンを受信後、下位リンクと端末リンクにビーコンを送信するまでの処理動作を示すフローチャートである。 送信許可期間の設定方法を示す説明図である。 ビーコンの送信タイミングを示す説明図である。 ビーコンの送信タイミングを示す説明図である。 ビーコンの送信タイミングを示す説明図である。 各中継局のビーコン送信開始時刻の考慮を行う場合は各中継局のビーコン送信開始時刻よりも前に各中継局の送信許可期間が始まらないように再計算を行い、端末リンクと下位リンクへの送信許可期間を決定する処理動作を示すフローチャートである。 送信許可期間の長さを示す説明図である。 送信許可期間の長さを示す説明図である。 自己のリンク（端末リンクもしくは下位リンク）の送信許可期間の中心を、上位リンクと比べて時間軸における後にシフトさせる動作を示す説明図である。 従来技術によるスリープモードに切り替える動作を示す説明図である。 ４ホップのスリープ制御（図１４に示す制御）を行った例を示す説明図である。 低トラフィック時のレイテンシをグラフにした図である。 輻輳時のスループットをグラフにした図である。 中トラフィック時のスリープ率をグラフにした図である。 トラフィックが無い場合からトラフィックが有る場合へ切り替える動作を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態による無線中継システムを説明する。図１は、本発明の想定するネットワーク構成の一例である。外部ネットワーク１に接続された最上位中継局２から、最下位中継局５まで、無線中継局３、４が連なる。それぞれの中継局は、端末７１〜７４を収容するリンクを有する。また、上流側中継局、下流側中継局、端末（群）との接続にはそれぞれ別の無線周波数を利用することから、３つのリンク全てで同時通信が可能である。上流側中継局との通信においては、上流側中継局が通信制御用のビーコンを送信する。これは、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１）においては、上流側中継局がアクセスポイント機能を備え、自己はステーションとして通信に参加する。また、下流側中継局との通信、ならびに端末（群）との通信においては、自己が通信制御用のビーコンを送信するアクセスポイントの機能を担う。

このような構成において、ビーコンを送信する局は、送信するビーコン内に送信許可期間を割当てる要素を埋め込み、送信する。下流側中継局は上流側中継局からビーコンを受信すると、その情報を参考にさらに下流への送信許可期間を決定し、ビーコンによってその送信許可期間を通知する仕組みである。以降、ある中継局において、上流側中継局との通信リンクを上位リンク、下流側中継局との通信リンクを下位リンク、端末（群）との通信リンクを端末リンクとする。

図２は、ビーコン内に送信許可期間を割当てる要素を埋め込む方法を示す図である。ビーコンの有する、２つのエレメント、
（１）送信禁止期間の指定ができるもの
（２）送信禁止期間の開始オフセット、送信禁止期間の指定ができるもの
を用いることで、送信許可期間を与えることを基本とする。この方法により、ビーコンインターバルの任意の時間において、１度の送信許可期間を必ず指定することができる。加えて、送信許可の終了が次のビーコンの送信タイミングとなる制限はあるが、２度のアウェイクも実施することが可能である。

無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１）のビーコンにおいては、（１）はＣＦＰエレメント、（２）はＱｕｉｅｔエレメントを適用することが可能である。上位リンクと下位リンクに限ると、不特定多数の端末を接続する想定ではない為、独自にビーコンのエレメントを定義し、使用することも可能である。また、端末リンクにおいては端末の通信方式に合わせたビーコンとする必要があるが、端末７１〜７４（群）は送信許可期間を把握して下流へ伝える必要は無く、中継局の希望として送信許可期間においてのみ通信を受け付けたいということから、ビーコン以外での送信禁止期間指定でも問題は無い。

無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１）においては、送信禁止期間を設定できるＣＴＳ信号があり、これは送信した直後から、ＣＴＳ信号にて設定した期間送信禁止期間を設定するものである。したがって、ＣＴＳ信号を用いる場合は、中継局の端末リンクにおいて、送信許可期間以外を網羅するように信号を送信することで、送信許可期間を設定するようにしてもよい。

図３は、ビーコンの送信タイミングを示したものである。中継局（下流側）において、中継局（上流側）からのビーコンを上位リンクにて受信する。このビーコンを受信した時刻に対して、事前に設定されている、全中継局で共通のビーコン送信シフト時間を加えた時刻において、端末リンクと下位リンクでビーコン送信を実施する。なお、このビーコン送信シフト時間は、上位リンクからのビーコンを受信後、このビーコンの情報をもとに送信許可期間の計算を行った後に、端末リンクと下位リンクへ送信するということが十分可能かつ最低限の時間を設定する。

また、上位リンクにて受信したビーコンの受信時刻に対してビーコン送信シフト時間を加えた時刻において、端末リンクと下位リンクでビーコンを送信する為、上位リンクのビーコンインターバルがＡ時間であれば、端末リンクと下位リンクにおけるビーコンインターバルもＡ時間とする。また、上位リンクのビーコンインターバルがＢ時間に変更された場合では、端末リンクと下位リンクにおけるビーコンインターバルもＢ時間に変更する。したがって、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１）のように、ビーコンのエレメントにおいてビーコンインターバルを通知するものが存在する場合、端末リンクと下位リンクにおけるビーコンのエレメント中のビーコンインターバルは、上位リンクにおいて受信したビーコン中のビーコンインターバルと同じにする必要がある。

また、何らかの理由で上位リンクにおいて、定められたビーコンインターバルが経過してもビーコンを受信できなかった場合を想定し、ビーコンを受信できなかった場合の手順は事前に決めておく必要がある。手順としては、
・上位リンクは前回と同じビーコンインターバルであり、上位リンクにおける割当て送信許可期間が０であったとして、端末リンクと下位リンクへのビーコンを作成する。
・ビーコンを喪失してから決められた時間の間は、上位リンクはビーコンを喪失する直前と同じビーコンインターバルと送信許可期間であったとして、端末リンクと下位リンクへのビーコンを作成する。
・端末リンクと下位リンクへのビーコン送信を中止する。
が挙げられ、これらを組み合わせた手順設定も行うことができる。

図４は、本実施形態による中継局（ここでは、中継局３）の機能詳細を示す図である。図４に示す上位リンク通信部３２は、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１）においてはステーション機能、端末リンク通信部４６と下位リンク通信部３４はアクセスポイント機能を有することとなる。その他に、中継局３は、スリープ制御部３１、通信制御部３３、スリープ制御部３５、上位リンクビーコン情報処理部３６、送信許可期間計算部３７、下位リンクビーコン作成部３８、端末情報管理部３９、通信履歴記録部４０、送信許可期間割当履歴記録部４１、ビーコン送信シフト時間記憶部、４２、端末リンクビーコン作成部４３、送信許可期間割当計算用記憶部４４、アウェイクマージン時間記憶部４５、スリープ制御部４７、送信許可期間割当計算方法選択部４８及び中継局・ホップ数対応記憶部４９を備えている。

図５は、上位リンクからのビーコンを受信後、下位リンクと端末リンクにビーコンを送信するまでの処理動作を示すフローチャートである。上位リンクビーコン情報処理部３６により、上位リンクからのビーコンから、そのビーコンインターバルと、送信禁止期間の情報から求められる送信許可期間といった情報を得る（ステップＳ１）。この情報に、送信許可期間を計算する為に必要な各種情報を加えて、送信許可期間計算部３７で、下位リンクビーコン作成部３８と端末リンクビーコン作成部４３に対して、下位リンクと端末リンクにどれだけの送信許可期間を割当てるかを決定する（ステップＳ２）。

この情報から、下位リンクと端末リンクそれぞれの下位リンクビーコン作成部３８と端末リンクビーコン作成部４３は、送信許可期間をビーコンのエレメントにおける送信禁止期間を計算して（ステップＳ３）、上位リンクからのビーコンを受信してからビーコン送信シフト時間が経過した後、ビーコンを送信する（ステップＳ４）流れとなっている。

なお、最上位中継局２と最下位中継局５についても、基本構成は同じである。ただし、最上位中継局２においては上位リンクが存在せず、代わりに、他の通信方法による外部ネットワーク１に接続がなされている。したがって、上位リンクのビーコンを受ける機会が存在しないため、端末リンクと下位リンクはそれぞれ独自に、互いに影響を及ぼさないものとして送信許可期間を計算し、その上限はビーコンインターバル全てとする。

ただし、外部ネットワーク１の最大伝送速度が、端末リンクと下位リンクの最大伝送速度の合計に満たない場合、端末リンクの「送信許可期間÷ビーコンインターバル×最大伝送速度」に、下位リンクの「送信許可期間÷ビーコンインターバル×最大伝送速度」を加えたものが、外部ネットワーク１の最大伝送速度を超えない範囲とする制限をかける。

送信許可期間以外のビーコン情報については、通常の通信制御用ビーコンの送出と同等として実施する。無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１）においては、通常のアクセスポイント機能と同じく、ビーコンインターバルは事前に設定しておく必要がある。なお、端末情報管理部３９や通信履歴記録部４０の情報を用いてそのビーコンインターバルを随時変更するような機能を追加してもよい。

最下位中継局５においては、下位リンクが存在しない。これは下位リンクにおける通信が発生していないと読み替えるのみで、制御を行うことができ、仮に下位リンクが追加されても、問題なく中継局として機能できる。

なお、図４に示すスリープ制御部３１，３５、４７は、該当リンクが送信許可期間以外の時は、上位リンク通信部３２、下位リンク通信部３４、端末リンク通信部４６をスリープさせる指示を出す。ただし、ビーコンの受信または送信は確実に行えるよう、スリープから復帰させねばならない。

また、図４におけるアウェイクマージン時間記憶部４５には、アウェイクマージン時間が事前登録されてある。アウェイクマージン時間は、送信許可期間の一部である。この時間は、全ての中継局において同じ時間が登録されており、上位リンクのビーコンから分かる送信許可期間には、必ずアウェイクマージン時間が含まれており、端末リンクと下位リンクに割振る送信許可期間については、ビーコンから分かった送信許可期間からこのアウェイクマージン時間を引いた時間となる。そして、下位リンクにおいては、割り振られた送信許可期間にアウェイクマージンを加えた送信許可期間を、ビーコンに埋め込んで、送信する。

また、アウェイクマージン時間の開始と終了時刻については、全ての中継リンクで同一時刻となるように設定する。最上位中継局２において、アウェイクマージン時間は、必ずビーコンインターバルの最後まで継続するよう設定される為、次回のビーコン送信時刻よりもアウェイクマージン時間前から、アウェイクマージン時間が開始される。

したがって、例えば最上位中継局２のすぐ下流に位置する中継局３であれば、アウェイクマージン時間の終了時刻を、次回のビーコン送信時刻よりもビーコン送信シフト時間前となるように設定することで、同時刻にアウェイクマージン時間が開始終了することとなる。つまり、下位リンクにおけるアウェイクマージン時間の終了タイミングは、「上流中継局数×ビーコン送信シフト時間」前ということになる。

この目的は２つある。１つは通信のなかった端末リンクにおいて、送信許可期間を与えるために使用される。どの中継局においても、通信のなかった端末リンクには専用の送信許可期間を割当てない。ただし、送信許可期間がなければ通信の待ち受け自体が不可能となってしまうため、通信のなかった端末リンクにおいては、このアウェイクマージン時間内において送信許可期間を与えて通信の待ち受けを可能とするとともに、このアウェイクマージン時間を、通信のなかった端末リンクで共有することにより、帯域利用効率の向上につなげている。

また、アウェイクマージン時間は全ての中継リンクで同一時刻に開始終了することから、下流の中継局で突然発生した通信についても、最下位中継局５の端末７４から最上位中継局２への伝送遅延を見込んだアウェイクマージン時間を設定しておけば、１回のアウェイクマージン時間で最上位中継局２への伝送も可能であり、自己より上流全ての中継局において、次ビーコンの送信前にこの通信の発生を認識することが可能となる。

なお、通信のなかった端末リンクにおいて、必ずしも送信許可期間をアウェイクマージン時間と同時刻に開始・終了する必要はなく、通信のなかった端末リンクの送信許可期間の開始時刻をアウェイクマージン時間開始と同時刻とし、終了時刻はアウェイクマージン時間終了よりも前として良い。アウェイクマージン時間は通信のなかった端末リンクで共有していることから、必ずしも全ての通信のなかった端末リンクからの通信を受け付けられることを保証しない。従って、通信の有無が頻繁に切り替わるようなネットワークにおいては、通信のなかった端末リンクに与える送信許可期間の比率をアウェイクマージン時間に対して小さくすることで、特定の中継局の端末リンクがアウェイクマージン時間を占有して他の中継局の端末リンクからの通信を妨げる確率を低減させるといったことも可能である。

２つ目は、上位リンクの送信許可期間の終了時刻と、端末リンクに割当てられた送信許可期間の終了時刻が同一であった場合、端末リンクの送信許可期間終了間際に発生した端末からの通信は、伝送遅延の関係から上流中継局へ伝達することができない。これは、端末リンクの送信許可期間の終了時刻の後に、最下位中継局５の端末７４から最上位中継局２への伝送遅延を見込んだ送信許可期間があれば解決できることから、アウェイクマージンを上位リンクの送信許可期間終了後に加えることで、通信のなかった端末リンクの救済と、端末リンクの送信許可期間の終了に関する問題の回避の２つの問題を解決でき、帯域の有効活用において有意義なものである。

これらを前提とし、図６の説明を行う。図６は、送信許可期間の設定方法を示す説明図である。図６においては、全中継局の端末リンクにおいて、中継局４の端末リンク以外に通信が存在する場合となっている。

中継局４の端末リンクには通信が存在しないことかから、送信許可期間をアウェイクマージン時間に設定している。それ以外のリンクにおいては通信が存在することから、アウェイクマージン時間を送信許可期間としては使用せず、専用の送信許可期間を割当てている。また、どの下位リンクにおいても、送信許可期間がアウェイクマージン時間の直前まで継続しているが、これは上記の端末リンクの送信許可期間の終了に関する問題の回避の為、この設定としている。したがって、端末リンクと下位リンクにおいて、上位リンクにおける送信許可期間のうち、アウェイクマージン時間の開始直前より前を下位リンクの送信許可期間とし、その下位リンクの送信許可期間より前を、端末リンクにおける送信許可期間とする。

なお、ビーコンを用いて送信許可期間を設定できるのは、このビーコンを送信してから次のビーコンを送信するまでの間に限られる。従って、上位リンクのビーコンは、端末リンクと下位リンクのビーコンよりもビーコン送信シフト時間前に送信されるため、上位リンクがその間に送信許可期間を設定していた場合、端末リンクと下位リンクのビーコン送信時刻から見て過去に送信許可期間が設定されていることになり、その時間は送受信に使用することができない（図７参照）。図７は、ビーコンの送信タイミングを示す説明図である。

この問題を解決する為に、以下の２通りの方法を適用できる。第１の方法は、端末リンクと下位リンクが判断する方法で、自己のビーコン送信時刻よりも前に開始している送信許可期間分については、次のビーコンの開始時刻から前に向かって伸ばしていく形（図８参照）。図８は、ビーコンの送信タイミングを示す説明図である。

第２の方法は、上位リンクが判断する方法で、割当てる送信許可期間が、端末リンクと下位リンクのビーコン送信時刻よりも前に開始しないよう、上流の中継局が送信許可期間計算の段階で考慮する形（図９参照）。図９は、ビーコンの送信タイミングを示す説明図である。第２の方法では、最下位中継局までの全ての中継局のビーコン開始時刻を考慮し、本問題が発生しないように計算してもよい。

次に、送信許可期間の割当て方法について説明する。本実施形態の方式の構成において、基本的に端末は外部ネットワークとの間で通信する前提であることから、ある中継局の通信履歴においては、自己より下流の中継局からの通信の全ての通信が記録されていることになる。このことから、最上位中継局においては、全ての端末の通信履歴を保持することから、全ての端末についてを考慮した送信許可期間割当てが可能である。その全ての端末についてを考慮した送信許可期間がビーコンにより、最下位中継局まで伝達されることから、中継システム全体での送信許可期間の公平な割当てが可能である。なお、それぞれの端末がどの中継局に所属しているかの情報については、通信履歴を見ただけではわからない場合も想定される。

したがって、この場合については以下の（ａ）〜（ｃ）の方法でそれぞれの端末がどの中継局に所属しているかの情報を分類する。
（ａ）外部ネットワーク１との通信に用いるＩＤ、インターネットプロトコルにおいてはＩＰアドレスと呼ばれるものが用いられているが、各中継局がその端末リンクに接続している端末のＩＤを管理し、その一部を中継局毎にユニークな値とすることで、通信履歴における外部ネットワークとの通信に用いるＩＤを確認することで、端末の通信履歴を中継局毎に分類することが可能となる。

（ｂ）中継局間の通信には必ず端末識別用の端末固有ＩＤ、例えば無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１）においてはＭＡＣアドレスが使われている。このＩＤは、その端末の所属する中継局においては、自己に所属していることが分かる。この仕組みを利用し、中継局は端末リンクに新たな端末が所属した場合、この情報を、少なくとも自己より上流側の全中継局が受信できるよう、特別なパケットを用いて送信する。また端末が所属を離れた場合も同様に情報を送信することで、中継局は、自己の下流に位置する端末とその所属する中継局が分かるテーブルを作成することができる。これを利用して端末の通信履歴を中継局毎に分類することが可能となる。

（ｃ）中継局間の通信に使われる端末識別用の端末固有ＩＤについて、中継局は下位リンクからの通信のＩＤを強制的に書き換え、その書き換え後のＩＤの一部を中継局毎にユニークな値とすることで、どの中継局も端末の通信履歴を中継局毎に分類することが可能となる。この場合、ＩＤを強制的に書き換えていることから、ＩＤを書き換えた中継局はその情報を管理し、該当ＩＤの通信を受け取った場合はもとの端末固有ＩＤに書き戻すことが必要となる。

これを利用し、それぞれの中継局での送信許可期間の計算方法について、通信履歴を用いた以下の（ｄ）〜（ｆ）の３通りの方法が適用できる。なお、以下の方法は、通信環境に応じて、送信許可期間割当計算方法選択部にて選択できるものである。
（ｄ）自己の端末リンクで通信があった場合、上位リンクの送信許可期間を通信のあった中継局数で割り、その結果の時間を端末リンクに割当て、残りを下位リンクにすべて割当てる方式。自己の端末リンクで通信がなかった場合は、上位リンクの送信許可期間を下位リンクに全て割当てる。なお、最上位中継局においては、割当て可能な時間を全て送信許可期間として下流に伝える場合と、「割当て可能な時間÷全中継局数×通信のあった中継局数」の時間を下流に伝える場合の２通りがある。

（ｅ）自己の端末リンクで通信があった場合、上位リンクの送信許可期間を通信のあった端末数で割り、その結果の時間×自己の端末リンクで通信のあった端末数を端末リンクに割当て、残りを下位リンクにすべて割当てる方式。自己の端末リンクで通信がなかった場合は、上位リンクの送信許可期間を下位リンクに全て割当てる。なお、最上位中継局においては、割当て可能な時間を全て送信許可期間として下流に伝える場合と、「割当て可能な時間÷全端末数×通信のあった端末数」の時間を下流に伝える場合の２通りがある。

（ｆ）通信履歴と送信許可期間の割当履歴（送信許可期間割当履歴記録部にて記録）を使用し、中継局毎に、割当てられていた送信許可期間では不足と判断される場合は次回に送信許可期間を追加、適当と判断される場合は送信許可期間を維持、余剰と判断される場合は次回の送信許可期間を削減という、送信許可期間を履歴に基いて動的に変化させる方式。別途送信許可期間割当計算用パラメータ記憶部に存在する、不足・適当・余剰の判断基準と、送信許可期間の追加・削減時間の決定方法を参照し、送信許可期間を算定する。また、この送信許可期間の算定を全中継局に対して行い、その合計が上位リンクの送信許可期間を超えないよう、また各中継局のビーコン送信開始時刻の考慮を行う場合は各中継局のビーコン送信開始時刻よりも前に各中継局の送信許可期間が始まらないように再計算を行い、端末リンクと下位リンクへの送信許可期間を決定する（図１０に処理動作を示す）。図１０は、各中継局のビーコン送信開始時刻の考慮を行う場合は各中継局のビーコン送信開始時刻よりも前に各中継局の送信許可期間が始まらないように再計算を行い、端末リンクと下位リンクへの送信許可期間を決定する処理動作を示すフローチャートである。

まず、各中継局の通信履歴と送信許可期間の割当履歴から、次の割当時間を算定する（ステップＳ１１）。次に、上位リンクの送信許可期間を超えないよう、各中継器の送信許可期間を調節する（ステップＳ１２）。次に、各中継局のビーコン送信開始時刻を考慮し、各中継器の送信許可期間を調節する（ステップＳ１３）。続いて、端末リンクへの送信許可期間を決定する（ステップＳ１４）。そして、上位リンクの送信許可期間から端末リンクへの送信許可期間分を減算し、下位リンクの送信許可期間とする（ステップＳ１５）。

このように、「上位リンクの送信許可期間÷全中継局数」を最初の基準値とし、基準値以下の送信許可期間が算定された中継局はこの送信許可期間で確定とし、この確定した送信許可期間と基準値の差である余り時間を、基準値以上の送信許可期間と算定されている中継局数で割り、現在の基準値に対して加算して新たな基準値とする。これを最大で全中継局数まで繰り返せば、上位リンクの送信許可期間を超えないように送信許可期間を割当てることができる。またこの再計算において各中継局のビーコン送信開始時刻を考慮する場合は、上記基準値の上限値を設定する。設定した上限値に対しても、各中継局のビーコン送信開始時刻よりも前に各中継局の送信許可期間が始まってしまうと計算された場合には、この上限値を小さくして再計算し、これを繰り返すことで、各中継局のビーコン送信開始時刻よりも前に各中継局の送信許可期間が始まることを防ぐことができる。

なお、各中継局のビーコン送信開始時刻は、ビーコン送信シフト時間記憶部と中継局・ホップ数対応記憶部の情報を用いて、自己のビーコン送信時刻に対して「ビーコン送信シフト時間×ホップ数」を加えることで求めることができる。このようにして中継局は自己の端末リンクへの送信許可期間を決定、この時間を上位リンクからの送信許可期間から減算して下位リンクへの送信許可期間とする。

なお、今までに割当てきた送信許可期間については、全て最上位中継局の下位リンクの時間においての話である。したがって、中継局各々は、最上位中継局までの上り伝送遅延、ならびに最上位中継局からの下り伝送遅延を考慮し、送信許可期間を自己の時間軸に変換することで、更なるスリープ率の向上も可能である。つまり、中継局は伝送遅延によって確実にトラフィックが無いと判断される時間においてスリープ動作に入ることも可能であるし、伝送遅延分を考慮して早めに送信開始期間を設定して帯域の有効活用を図ることも可能である。

また、本実施形態は全リンクに対して、送信許可期間という「時間」を割当てることを想定しているが、リンクごとの伝送レートの違いや干渉の影響による実効速度の差を考慮し、上位リンクからの送信許可期間を送信許可データ量に変換し、再計算を実施することも可能である。この場合、上位リンクからの送信許可期間をもとに計算された端末リンクと下位リンクの送信許可期間を、それぞれ上位リンクの伝送レートや実行速度を用いて送信許可データ量に変換し、自己のリンク（端末リンクもしくは下位リンク）の伝送レートや実行速度から送信許可期間に再変換する。なお送信許可期間への再変換の際には、上位リンクの送信許可期間と比べて自己のリンク（端末リンクもしくは下位リンク）の送信許可期間が長くなる（図１１参照）、もしくは短くなる（図１２参照）といった場合がある。図１１、図１２は、送信許可期間の長さを示す説明図である。

この場合には片方のリンクのみ送受信可能でもう片方は送信禁止となっている時間が生じ、この不一致による送信許可期間の使用率の低下と、レイテンシの増大といった問題が発生する。これは、上位リンクの時間軸における送信許可期間の中心に対して、自己のリンク（端末リンクもしくは下位リンク）の送信許可期間の中心を、通信履歴における受信量と送信量の差を考慮して前もしくは後にシフトさせることで、軽減が可能である。たとえば受信量の方が多い場合は、自己のリンク（端末リンクもしくは下位リンク）の送信許可期間の中心を、上位リンクと比べて時間軸における後にシフトさせる（図１３参照）。図１３は、自己のリンク（端末リンクもしくは下位リンク）の送信許可期間の中心を、上位リンクと比べて時間軸における後にシフトさせる動作を示す説明図である。これにより伝送レートや実行速度の差を吸収し、送信許可期間の使用率低下と通信のレイテンシ増大の問題を低減することができる。

以上説明したように、従来技術では、無線中継システムに対して自律的なスリープ制御を適用した場合、レイテンシ・スループットが中継局数で変化し、中継システム内での通信環境に不平等が発生する。また、輻輳が発生した場合スリープ率が低下するという問題を有していた。

本実施形態では、中継局は上位リンクからのビーコンを受信した後、その情報をもとに加工された端末リンクならびに下位リンクへのビーコンを送信することで、中継システム全体での送信許可期間の同期を図るようにした。また、上位リンクからのビーコンに含まれる送信許可期間の情報と、該当中継局の保有する通信履歴と送信許可期間割当履歴の情報を用いることで、端末リンクならびに下位リンクへの適切な送信許可期間を計算し、端末リンクならびに下位リンクへのビーコンを作成・送信することで、中継システム全体での時間に対する通信量を制御するようにした。

この構成によれば、中継システム内でのレイテンシの均一化、中継システム内でのスループットの均一化、輻輳時のスリープ率の向上、トラフィックが発生した場合のスリープ制御切り替えの高速化を図ることができる。

前述した実施形態における中継局（最上位、最下位を含む）の全部または一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を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、実行することによって実現してもよい。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を送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その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のように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。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よく、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であってもよく、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されるものであってもよい。

以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明してきたが、上記実施の形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行ってもよい。

無線中継システムを構成する中継局において、消費電力を低減することが不可欠な用途に適用できる。

１・・・外部ネットワーク、２・・・最上位中継局、３、４・・・中継局、５・・・最下位中継局、７１、７２、７３、７４・・・端末（群）、３１・・・スリープ制御部、３２・・・上位リンク通信部３３・・・通信制御部、３４・・・下位リンク通信部３５・・・スリープ制御部、３６・・・上位リンクビーコン情報処理部、３７・・・送信許可期間計算部、３８・・・下位リンクビーコン作成部、３９・・・端末情報管理部、４０・・・通信履歴記録部、４１・・・送信許可期間割当履歴記録部、４２・・・ビーコン送信シフト時間記憶部、４３・・・端末リンクビーコン作成部、４４・・・送信許可期間割当計算用記憶部、４５・・・アウェイクマージン時間記憶部、４６・・・端末リンク通信部、４７・・・スリープ制御部、４８・・・送信許可期間割当計算方法選択部、４９・・・中継局・ホップ数対応記憶部

Claims (7)

1. 複数の中継局装置を備える無線中継システムであって、
   上流側の前記中継局装置が、下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第１のビーコン送信手段と、
   下流側の前記中継局装置が、前記ビーコンを受信し、該ビーコンの受信時刻からビーコン送信シフト時間経過後に、前記情報に基づいて決定したさらに下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第２のビーコン送信手段と、
   前記第１のビーコン送信手段による前記ビーコンの送信と、前記第２のビーコン送信手段による前記ビーコンの送信を繰り返すことで、全ての前記中継局装置が、送信許可期間内の一部にアウェイク時間のマージンであるアウェイクマージン時間を設け、該アウェイクマージン時間の開始および終了時刻をそれぞれ最も上流側の前記中継局装置のアウェイクマージン時間の開始および終了時刻と同一になるように設定するアウェイクマージン時間設定手段と
   を備えたことを特徴とする無線中継システム。
2. 前記ビーコン送信シフト時間は全ての中継局装置において同じ時間が登録されていることを特徴とする請求項１に記載の無線中継システム。
3. 前記アウェイクマージン時間は、送信許可期間の一部であり、該アウェイクマージン時間は、全ての中継局装置において同じ時間が登録されており、上流側の中継局装置のビーコンから特定できる送信許可期間には、前記アウェイクマージン時間が含まれており、端末装置との通信と下流側の前記中継局装置との通信に割振る送信許可期間については、前記ビーコンから特定した前記送信許可期間から該アウェイクマージン時間を引いた時間となり、下流側の中継局装置との通信においては、前記送信許可期間にアウェイクマージンを加えた送信許可期間を、送信すべきビーコンに埋め込んで送信されることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の無線中継システム。
4. 前記アウェイクマージン時間の終了時刻は、下流側の中継局装置に対する次回のビーコン送信予定時刻から、上流中継局装置数にビーコン送信シフト時間を乗算した時間前であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の無線中継システム。
5. 複数の中継局装置を備える無線中継システムであって、
   上流側の前記中継局装置が、下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第１のビーコン送信手段と、
   下流側の前記中継局装置が、前記ビーコンを受信し、該ビーコンの受信時刻からビーコン送信シフト時間経過後に、前記情報に基づいて決定した端末装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第３のビーコン送信手段と
   を備えたことを特徴とする無線中継システム。
6. 複数の中継局装置を備える無線中継システムにおける中継局装置であって、
   自己が上流側の前記中継局装置である場合に、下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第１のビーコン送信手段と、
   自己が下流側の前記中継局装置である場合に、上流側の中継局装置から前記ビーコンを受信し、該ビーコンの受信時刻からビーコン送信シフト時間経過後に、前記情報に基づいて決定したさらに下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第２のビーコン送信手段と、
   前記第１のビーコン送信手段による前記ビーコンの送信と、前記第２のビーコン送信手段による前記ビーコンの送信を繰り返すことで、全ての前記中継局装置が、送信許可期間内の一部にアウェイク時間のマージンであるアウェイクマージン時間を設け、該アウェイクマージン時間の開始および終了時刻をそれぞれ最も上流側の前記中継局装置のアウェイクマージン時間の開始および終了時刻と同一になるように設定するアウェイクマージン時間設定手段と
   を備えたことを特徴とする中継局装置。
7. 複数の中継局装置を備える無線中継システムが行う通信制御方法であって、
   上流側の前記中継局装置が、下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第１のビーコン送信ステップと、
   下流側の前記中継局装置が、前記ビーコンを受信し、該ビーコンの受信時刻からビーコン送信シフト時間経過後に、前記情報に基づいて決定したさらに下流側の中継局装置に対して送信許可期間を割当てる情報を含むビーコンを送信する第２のビーコン送信ステップと、
   前記中継局装置が、前記第１のビーコン送信ステップによる前記ビーコンの送信と、前記第２のビーコン送信ステップによる前記ビーコンの送信を繰り返すことで、全ての前記中継局装置が、送信許可期間内の一部にアウェイク時間のマージンであるアウェイクマージン時間を設け、該アウェイクマージン時間の開始および終了時刻をそれぞれ最も上流側の前記中継局装置のアウェイクマージン時間の開始および終了時刻と同一になるように設定するアウェイクマージン時間設定ステップと
   を有することを特徴とする通信制御方法。

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