JP2018157428A - 無線アクセスシステム、無線機及び無線通信方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高トラフィックであっても信頼性の高い無線通信を行うことができる無線アクセスシステム、無線機及び無線通信方法を提供することである。【解決手段】実施形態の無線アクセスシステムは、第一無線機と、第二無線機とを持つ。第二無線機はそれぞれ、所定周期を分割したタイムスロットがそれぞれ割当てられた複数のグループのいずれかに属する。第二無線機は、第二無線インタフェース部と、送信タイミング生成部と、送信制御部とを持つ。送信タイミング生成部は、タイムスロットの一部期間において第二無線機からの無線信号の送信タイミングが正規分布となるように自機について決められた送信タイミングで送信トリガを出力する。送信制御部は、送信トリガ信号に従って第二無線インタフェース部から無線信号を送信し、送信が失敗した場合は、割当てられたタイムスロットにおいて所定の再送間隔を空けて再送を繰り返すよう制御する。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、無線アクセスシステム、無線機及び無線通信方法に関する。
ものとインターネットをつなぐIoT(Internet of Things)では、さまざまなセンサデータをネットワーク経由でサーバに収集する必要がある。センサデータを送信する通信機をネットワークに接続するには、配線敷設コストの低減から、無線による接続が有効である。近年では、ローパワーで比較的低速の無線アクセスデバイスが開発されている。この従来の無線アクセスデバイスを用いたネットワークは、屋外の広い範囲において比較的デバイスの設置密度が低く、かつ、トラフィックが非常に低い状態を前提として構築されている。しかし、ビルや工場などの屋内環境においては、センサの設置密度が高い場合がある。また、センサシステムによっては、分単位などの短い時間間隔でセンサによるデータ取得が必要な場合がある。さらには、定周期の同じタイミングでデータ送信が開始されると、短時間に高トラフィックな状況になる場合がある。このような状況では、センサデータを無線送信できずに、データの欠落や遅延が発生することがあった。
本発明が解決しようとする課題は、高トラフィックであっても信頼性の高い無線通信を行うことができる無線アクセスシステム、無線機及び無線通信方法を提供することである。
実施形態の無線アクセスシステムは、第一無線機と、1台以上の第二無線機とを持つ。第二無線機はそれぞれ、所定周期を複数に分割したタイムスロットのいずれかが割当てられた複数のグループのうちいずれかのグループに属している。第一無線機は、第一無線インタフェース部を持つ。第一無線インタフェース部は、第二無線機から送信された無線信号を受信する。第二無線機は、第二無線インタフェース部と、送信タイミング生成部と、送信制御部とを持つ。第二無線インタフェース部は、無線信号を送信する。送信タイミング生成部は、自機が属するグループに割当てられたタイムスロットの一部期間において、自機と同じグループに属する第二無線機からの無線信号の送信タイミングが正規分布となるように自機について決められた送信タイミングで送信トリガを出力する。送信制御部は、送信タイミング生成部が出力した送信トリガに従って第二無線インタフェース部から無線信号を送信し、無線信号の送信が失敗した場合は、割当てられたタイムスロットにおいて所定の再送回数を限度として送信が成功するまで、所定の再送間隔を空けて第二無線インタフェース部から無線信号の再送を繰り返すよう制御する。
以下、実施形態の無線アクセスシステム、無線機及び無線通信方法を、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態による無線アクセスシステム100の構成図である。無線アクセスシステム100は、第一無線機101と、複数の第二無線機102とを備える。第一無線機101は、1台以上の第二無線機102と無線通信を行う。第一無線機101は、図示しない制御装置や他のネットワークと接続している。また、第二無線機102は、図示しないセンサ機器、制御装置や他のネットワークと接続している。第一無線機101は、第二無線機102からのデータを、自機に接続される制御装置や他のネットワークに送信する。また、第一無線機101は、無線アクセスシステム100を動作させるための制御信号を第二無線機102と交換し、第二無線機102は、制御信号に基づく制御によって、自機に接続されるセンサ機器、制御装置や他のネットワークからのデータを第一無線機101に転送する。
図1は、第1の実施形態による無線アクセスシステム100の構成図である。無線アクセスシステム100は、第一無線機101と、複数の第二無線機102とを備える。第一無線機101は、1台以上の第二無線機102と無線通信を行う。第一無線機101は、図示しない制御装置や他のネットワークと接続している。また、第二無線機102は、図示しないセンサ機器、制御装置や他のネットワークと接続している。第一無線機101は、第二無線機102からのデータを、自機に接続される制御装置や他のネットワークに送信する。また、第一無線機101は、無線アクセスシステム100を動作させるための制御信号を第二無線機102と交換し、第二無線機102は、制御信号に基づく制御によって、自機に接続されるセンサ機器、制御装置や他のネットワークからのデータを第一無線機101に転送する。
これにより、無線アクセスシステム100は、第二無線機102に接続される図示しないセンサ機器や制御対象機器からのデータを、第一無線機101に接続される図示しない制御装置や他のネットワークへ送信する。また、無線アクセスシステム100は、第一無線機101に接続される図示しない制御装置や他のネットワークからのデータを、第二無線機102に接続される図示しないセンサ機器や制御対象機器へ送信する。
図2は、第一無線機101の構成を示すブロック図である。第一無線機101は、第一インタフェース部111と、第一無線インタフェース部112と、第一送信制御部113と、第一受信選別部114と、第一クロック部115と、第一制御信号生成部116と、第一送信タイミング生成部117と、第一グループ管理部118とを備える。
第一インタフェース部111は、図示しない制御装置や他のネットワークからのメッセージを受信し、そのメッセージ内から送信するデータを抽出して第一送信制御部113に転送する。また、第一インタフェース部111は、第一受信選別部114から受信データを受け、図示しない他のネットワークや制御装置への送信に必要な情報をその受信データに付加し、メッセージとして制御装置や他のネットワークに送信する。
第一無線インタフェース部112は、第一送信制御部113及び第一制御信号生成部116からの送信フレームを無線送信できるように制御/変換して無線フレームを生成し、第二無線機102へ送信する。具体的には、第一無線インタフェース部112は、CSMA−CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance:搬送波感知多重アクセス/衝突回避方式)方式、又は、ALOHA(アロハ)方式による送信、送信確認、宛先付加などの、ポイントツーポイント間の無線通信の制御を行う。この制御により、第一無線インタフェース部112は、媒体での衝突や送信失敗の一次回避を行うMAC(Medium Access Control)層の動作を行う。また、第一無線インタフェース部112は、上記の変換として、シンボルマップや変調等の物理層の動作を行う。変調には、例えば、FSK(Frequency Shift Keying:周波数変調)、PSK(Phase Shift Keying:位相変調)等を用いることができるが、他の方式の変調を行ってもよい。また、第一無線インタフェース部112は、その逆の処理を行い、第二無線機102からの無線フレームの受信処理を行い、受信フレームを第一受信選別部114に送出する。
第一送信制御部113は、第一インタフェース部111からの送信データを受け、送信に必要な宛先や、制御信号であることを示す識別子等の付加情報をその送信データに付加して送信フレームを生成する。第一送信制御部113は、第一送信タイミング生成部117の制御に従って、第一無線インタフェース部112に送信フレームのコピーを転送する。第一送信制御部113は、第一無線インタフェース部112からの送信フレームの送信成功又は失敗の通知に応じて、第一送信制御部113に保持してある送信フレームの削除を行う。
第一受信選別部114は、第一無線インタフェース部112からの受信フレームが制御信号であるかデータ信号であるかを選別する。第一受信選別部114は、制御信号の場合は第一グループ管理部118へ転送し、その他の信号の場合は、第一インタフェース部111に転送する。第一クロック部115は、無線信号の周波数生成と、送信タイミングの元になるマスタークロックを提供する。第一制御信号生成部116は、第一グループ管理部118が管理している情報を元に、第二無線機102に送信する制御フレームを生成する。
第一送信タイミング生成部117は、第一クロック部115からのクロック信号を受け取り、第一制御信号生成部116からの制御信号送信タイミング情報を受け取る。第一送信タイミング生成部117は、クロック信号及び制御信号送信タイミング情報に基づいて、第一インタフェース部111が受信した図示しない他のネットワークや制御装置からの送信データを、第一無線インタフェース部112へ転送するよう第一送信制御部113を制御するための信号として、送信トリガを生成する。第一送信タイミング生成部117は、生成した送信トリガにより、第一インタフェース部111からの送信データと制御信号との無線送信タイミングを調停する。
第一グループ管理部118は、定周期送信の周期、無線アクセスシステム100内の第二無線機102をグループに分けたときのグループ数、タイムスロット期間、平均送信開始タイミング、送信開始タイミングの標準偏差、再送回数、再送間隔、及び、グループに所属する第二無線機102の無線機識別子の情報をグループ毎に保持する。定周期送信の周期とは、送信データが定期的に発生する周期である。タイムスロット期間とは、定周期送信の周期をタイムスロットに分割したときの1タイムスロット分の時間の長さである。送信開始タイミングとは、第二無線機102がデータの送信を開始するタイミングである。無線機識別子とは、第二無線機102を一意に特定する情報である。
図3は、第二無線機102の構成を示すブロック図である。第二無線機102は、第二インタフェース部121と、第二無線インタフェース部122と、第二送信制御部123と、第二受信選別部124と、第二クロック部125と、第二制御信号生成部126と、第二送信タイミング生成部127と、第二グループ管理部128とを備える。
第二インタフェース部121は、第一無線機101の第一インタフェース部111と同様の機能を有する。第二インタフェース部121は、図示しないセンサ機器や制御対象機器からのメッセージを受信し、メッセージ内から送信するデータを抽出して第二送信制御部123に転送する。また、第二インタフェース部121は、第二受信選別部124から受信データを受け、図示しないセンサ機器や制御対象機器への送信に必要な情報をその受信データに付加してメッセージとして送信する。
第二無線インタフェース部122は、第一無線機101の第一無線インタフェース部112と同様に動作する。第二無線インタフェース部122は、第二送信制御部123及び第二制御信号生成部126からの送信フレームを無線送信できるように制御/変換して無線フレームを生成し、第一無線機101へ送信する。また、第二無線インタフェース部122は、その逆の処理を行い、第一無線機101からの無線フレームの受信処理を行い、受信フレームを第二受信選別部124に送出する。
第二送信制御部123は、第二インタフェース部121からの送信データを受け、送信に必要な宛先や、制御信号であることを示す識別子等の付加情報をその送信データに付加して送信フレームを生成する。第二送信制御部123は、第二送信タイミング生成部127の制御に従って、第二無線インタフェース部122に送信フレームのコピーを転送する。第二送信制御部123は、第二無線インタフェース部122からの送信フレームの送信成功又は失敗の通知に応じて、第二送信制御部123に保持してある送信フレームの削除を行う。
第二受信選別部124は、第二無線インタフェース部122からの受信フレームが制御信号であるかデータ信号であるかを選別する。第二受信選別部124は、制御信号を第二グループ管理部128に、制御信号の一部を第二送信タイミング生成部127に転送し、データ信号を第二インタフェース部121に転送する。第二クロック部125は、第一無線機101の第一クロック部115と同様の機能を有し、無線信号の周波数生成と、送信タイミングの元になるマスタークロックを提供する。第二制御信号生成部126は、第二グループ管理部128からの指示に従い、制御信号に対する受信応答(ACK)を生成して返信する。
第二送信タイミング生成部127は、第二グループ管理部128からの情報を元に、第二送信制御部123における転送タイミングを制御するための信号である送信トリガを、第二クロック部125からのクロック信号を元に生成する。この送信トリガは、図示しないセンサ機器からの送信データを、第二インタフェース部121から第二無線インタフェース部122へ転送するタイミングを制御するために用いられる。また、第二送信タイミング生成部127は、第二制御信号生成部126からの制御信号の送信情報を受け取り、第二インタフェース部121からの送信データとの競合を防ぐように、第二送信制御部123における転送タイミングを調停する。
第二グループ管理部128は、第一無線機101からの制御信号を、第二無線インタフェース部122及び第二受信選別部124を経由して受信する。第二グループ管理部128は、受信した制御信号から、第二無線機102が送信を行うタイミングに関する情報が設定されたタイミング情報を取得し、保持する。また、第二グループ管理部128は、保持している情報を第二送信タイミング生成部127や第二送信制御部123に出力する。また、第二グループ管理部128は、制御信号の受信に対する受信応答(ACK)の送信を第二制御信号生成部126に指示する。
図4は、無線アクセスシステム100における第二無線機102の送信タイミングを説明する図である。センサ情報等は、一定周期毎に情報を集める場合が多い。このため、センサ収集システムでは、センサ機器が接続される第二無線機102において、一定の周期により定周期送信されるメッセージが発生する。そこで、無線アクセスシステム100では、第二無線機102をn個のグループGr1〜Grnに分割する。そして、センサ機器からのメッセージの送信周期である周期Tをn個のタイムスロットTS1〜TSnに分割し、各タイムスロットTSk(k=1〜n)に各グループGrkを割当てる。これにより、第二無線機102が、自機に割当てられたタイムスロットにおいて送信するように、周期Tにおける第二無線機102の送信タイミングを割当てる。
従来技術では、分割したタイムスロット内に第二無線機の送信期間を個々に割当てるため、タイムスロットを全ての第二無線機で精度良く合わせないと、衝突による無線送信の失敗が発生する。よって、第一無線機及び第二無線機の同期を精度良く合わせる、又は、定周期毎に同期を行う必要があった。本実施形態では、無線周波数に用いるクロックの精度で十分に無線送信可能な方式を提供する。
図5は、k番目のグループGrkにおける送信開始タイミングを説明する図である。同図において横軸は時間を示し、縦軸は、k番目のグループGrkにおいて送信を開始する第二無線機102の数を示す。
この説明では、k番目のグループGrkの第二無線機102の平均送信開始時刻tfsとし、送信開始時刻の標準偏差をσとする。平均送信開始時刻tfsは、以下の式(1)のように示される。
tfs=mT+T(k−1)/n+Δtfs …(1)
式(1)において、mは任意の整数、nは全グループ数を示す。また、Δtfsは、k番目のグループGrkに割当てられたタイムスロットTSkの開始時刻(=mT+T(k−1)/n)と平均送信開始時刻tfsとの差分である。Δtfsは、第二無線機102の最大再送回数Rcを用いて、以下の式(2)を満たすようにする。
Δtfs≦(T/n)/(Rc+1) …(2)
k番目のグループGrkに属する第二無線機102それぞれの送信開始タイミングは、グループGrkに属する第二無線機102について平均送信開始時刻がtfs、標準偏差がσの正規分布となるように決定される。例えば、送信開始期間を超える第二無線機102が1%以下になることが好ましい。また、信頼性を高くする場合は、最大再送回数Rcを多くする。
図6は、第一無線機101と第二無線機102の送信動作を説明する図である。ここでは、k番目のグループGrkに6台の第二無線機102があるとして説明する。これら6台の第二無線機102を、第二無線機102A〜102Fと記載する。
第二無線機102A〜102Fは、平均送信開始時刻tfsに対して、標準偏差σの正規分布の送信タイミングで送信を開始する。具体的には、第二送信制御部123の第二無線インタフェース部122への転送を、この送信タイミングの時刻に行う。第二無線インタフェース部122におけるMAC層の制御は、ALOHA方式でも、CSMA−CA方式でもよい。図6では、CSMA−CA方式の場合を想定して説明する。
送信開始時は、第二無線機102E及び第二無線機102Dの送信が成功し、第一無線機101から返送されたMAC層のACKを受信して終了する。具体的には、第二無線機102E、102Dの第二無線インタフェース部122は、第一無線機101の第一無線インタフェース部112からのACKを無線により受信する。第二無線機102E、102Dの第二無線インタフェース部122は、第二送信制御部123へ送信成功を報告し、第二送信制御部123内の送信フレームを破棄することで、終了する。
一方、第二無線機102A、102B、102C、102Fは、第一無線機101からACKが受信できずに送信失敗、又は、CSMA−CAのバックオフが最大回数に至っても他の無線機が送信中のため、送信機会を得られずに送信失敗した場合を示している。送信が失敗したこれらの第二無線機102A、102B、102C、102Fは、送信失敗から再送間隔Trd後に再送を行う。具体的には、第二無線機102の第二無線インタフェース部122は、第二送信制御部123へ送信失敗を報告し、第二送信制御部123は、第二グループ管理部128からの情報を元に、規定の再送回数まで、再送間隔Trdで再送を行う。
再送1回目では、第二無線機102Aと第二無線機102Fが送信成功し、第二無線機102Bと第二無線機102Cは、第一無線機101からのACKを受信しないため、送信失敗となる。第二無線機102Bと第二無線機102Cは、再送間隔Trd後に再度再送を行う。再送2回目では、第二無線機102Cが第一無線機101からのACKを受信して送信成功となり、第二無線機102Bは第一無線機101からのACKを受信しないため、送信失敗となり、再送間隔Trd後に再度再送を行う。再送3回目では、第二無線機102Bのみが無線アクセスシステム100内で送信するため、送信成功となり、グループGrkに属する全ての第二無線機102の送信が終了する。
このように、本実施形態では、第二無線機102に対してタイムスロットの割当てを1台毎個別には行わないため、無線アクセスシステム100内の無線機を高い精度で同期させる必要がない。また、無線の周波数の精度のクロック源があれば、同期の修正を、定周期通信毎に行う必要もない。本実施形態の無線アクセスシステム100は、MAC層での送信成功確認手順を利用しており、第二無線機102は、MAC層での送信失敗時は、トラフィックが混雑していると判断し、再送間隔をMAC層での送信試行期間よりも大きくとる。これにより、トラフィックの混雑を回避している。また、タイムスロットの開始時刻と平均送信開始時刻の差Δtfsを、タイムスロット期間T/n、第二無線機102からの最大再送回数Rcを用いて、式(2)を満たすようにしているため、割当てられたタイムスロット内で最大再送回数まで送信機会が確保できる。よって、信頼性の高い無線通信を実現することができる。
ここで、tfsの送信開始時刻前後に、高いトラフィックとなる様に第二無線機102の送信タイミングを集中させる理由を述べる。競合を許す無線通信の方式として、ALOHA通信が代表的である。ALOHA通信では、送信がポアソン分布で発生すると仮定した場合、伝送速度の50%となるトラフィック時に最大スループットを得る事ができる。従って、システム内のスループットを高くするためには、無線アクセスシステム内のトラフィック量が、伝送速度の50%程度になる様にするのが良い。このとき送信が成功するのは、伝送速度の18%が最大であり、82%は失敗するので、再送を行うことで信頼性を確保する。
本実施形態では、この知見を元に、定周期通信においても、送信開始時刻付近での期間においては無線アクセスシステム100のトラフィック量を大きくしてスループットを上げ、さらに再送を複数回行うことで、多くの無線機を収容し、信頼性のある無線通信を実現している。MAC層にCSMA−CAを用いると、CSMA−CAによるバックオフアルゴリズムにより、トラフィックの集中が平滑化される効果がある。本実施形態では、CSMA−CAによるトラフィックの平滑化を考慮し、CSMA−CAによる平滑化からあふれて、送信に失敗した無線機に対しては、CSMA−CAによるバックオフ時間の最大値よりも大きな再送間隔を設定できる。よって、高いスループットを実現しつつ、信頼性の高い無線通信を実現できる。
例として、1分周期で、1125台の第二無線機102からのセンサデータを収集する場合を示す。本例では、センサデータの収集周期を、4秒ごとに15のタイムスロットに分割して、各タイムスロットに75台の第二無線機102を割当てる。そして、再送回数を4回とし、4秒間のタイムスロットの開始タイミングから0.5秒の時刻を中心に標準偏差0.2秒で、75台の第二無線機102の送信開始タイミングを割当てる。無線の送信方式は、CSMA−CAを採用してシミュレーションを行った。この設定で無線アクセスシステム100のシミュレーションを試行回数10,000回行った結果を図7に示す。
図7は、無線アクセスシステム100の効果を説明するためのシミュレーションの結果を示す図である。図7(a)は、割当てられたタイムスロットの開始時刻から送信要求の発生時刻迄の期間を横軸にとり、送信要求を行った第二無線機102の延べ台数をヒストグラムと累積比で示している。また、図7(b)は、割当てられたタイムスロットの開始時刻から送信成功となった送信要求の発生時刻迄の期間を横軸にとり、送信成功となった送信要求を行った第二無線機102の延べ台数をヒストグラムと累積比で示している。実線のグラフは累積比を示し、右側の縦軸が累積比のスケールを示す。ヒストグラムに複数の山が現れるのは、再送により、送信が分散された結果、送信開始時のピークが、再送毎に現れていることを示す。
図7(b)では、送信成功の第二無線機102の台数が、再送回数ごとに少なくなっていることがわかる。これは、送信毎に成功する第二無線機102の数が増加して、失敗した第二無線機102の数が減少し、無線アクセスシステム100内のトラフィック量が減少することを示している。4回の再送でほぼすべての第二無線機102の送信が成功する。この時の送信成功率は、約99.965%と高い送信成功率を得ている。
ここで、CSMA−CAの仕組みだけでは、多数の第二無線機102からの送信データを信頼性良く転送できないことを説明する。例えば、MAC層にIEEE802.15.4のCSMA−CAアルゴリズムを使用する場合を考える。キャリアセンス時間は、8シンボル、バックオフ単位は20シンボルであり、バックオフ回数をデフォルト値の4回、バックオフ計算の指数の初期値を3、最大値を5とする。送信開始時(バックオフ0回目)、バックオフ最大時間は、(2^3−1)×20=140シンボルとキャリアセンス8シンボルの合計148シンボルである。バックオフ1回目では、バックオフ最大時間は、(2^4−1)×20=340シンボルとキャリアセンス8シンボルの合計308シンボルである。バックオフ2回目では、バックオフ最大時間は、(2^5−1)×20=620シンボルとキャリアセンス8シンボルの合計628シンボルである。バックオフ3回目と4回目は、バックオフ2回目と同じく、バックオフ最大時間は628シンボルである。従って、CSMA−CAアルゴリズムでは、最大2340シンボルの間に5回の送信の機会を待つことが出来る。但し、バックオフの計算は、ランダムで決定するので、期待値としては半分の1170シンボルの間に送信機会を持つことができる。
送信するフレーム長が133byte(バイト)であり、1シンボル1ビットの変調方式の場合は、1フレームで133×8=1064シンボルとなる。よって、1回のCSMA−CAでは、1フレーム〜2フレームは回避出来る可能性がある。つまり、同じ時間に3つの無線機が1フレームの送信要求を行った場合は、少なくとも1台は送信できないことになる。CSMA−CAでは、送信できない場合は、再送を行うことが出来る。再送回数を3回とすれば、1回のCSMA−CAアルゴリズムでは、最大2フレームは送信可能なため、再送回数を3回とすれば、6フレームは送信が可能となる。同じ時間に7台の無線機が1フレームの送信要求をおこなった場合は、少なくとも1台は送信できないことになる。このようにCSMA−CAの他の無線機との送信時間が競合する場合の回避時間は、各無線機から送信するフレーム長の数倍程度である。信頼性よく送信するためには、競合期間から離れるために、再送間隔を大きくする必要がある。
一方、本実施形態では、再送間隔Trdを利用することにより、競合期間から大きく離れて再送を行う仕組みを持つため、信頼性の良い無線通信が可能となる。また、トラフィック発生量を時間とともに低減する仕組みとなっているため、他のシステムとの干渉が発生した場合でも、他のシステムが、本実施形態の無線アクセスシステムにおいて低トラフィックの期間(例えば、所定回数目以降の再送期間や、送信開始期間内又は再送期間内においてトラフィックが低い期間)に送信する機会が発生するため、互いの干渉による送信失敗率を低減することができる。
上述したように、本実施形態の無線アクセスシステム100は、第一無線機101と、1台以上の第二無線機102とを有する。第二無線機102はそれぞれ、所定周期を複数に分割したタイムスロットのいずれかが割当てられた複数のグループのうちいずれかのグループに属する。第一無線機101は、第二無線機102から送信された無線信号を受信する第一無線インタフェース部112を備える。第二無線機102の第二送信タイミング生成部127は、自機が属するグループに割当てられたタイムスロットの一部期間において、自機と同じグループに属する第二無線機102からの無線信号の送信タイミングが正規分布となるように自機について決められた送信タイミングで送信トリガを出力する。送信タイミングは、タイムスロットを所定数に分割した期間のうち最初の期間内に含まれる。第二送信制御部123は、第二送信タイミング生成部127から出力された送信トリガに従って、第二無線インタフェース部122から無線信号を送信し、無線信号の送信が失敗した場合は、割当てられたタイムスロットにおいて所定の再送回数を限度として送信が成功するまで、所定の再送間隔を空けて第二無線インタフェース部122から無線信号の再送を繰り返すよう制御する。第二送信制御部123は、タイムスロットを所定数に分割した期間のうち最初の期間を除く各期間において無線信号の再送を行うよう制御する。これにより、多くの第二無線機102を収容し、高トラフィックの無線信号が発生する場合であっても、信頼性の高い無線通信を実現することができる。
(第2の実施形態)
本実施形態では、再送間隔Trdを、正規分布の標準偏差σよりも大きい値に設定する。σの場合は、第二無線機102の総数の約84%が送信開始を行い、2σの場合は、約97%が送信を開始する。再送間隔を、標準偏差よりも大きい値に設定する事で、第二無線機102同士の最初の送信と再送との競合を抑えることができる。
本実施形態では、再送間隔Trdを、正規分布の標準偏差σよりも大きい値に設定する。σの場合は、第二無線機102の総数の約84%が送信開始を行い、2σの場合は、約97%が送信を開始する。再送間隔を、標準偏差よりも大きい値に設定する事で、第二無線機102同士の最初の送信と再送との競合を抑えることができる。
(第3の実施形態)
再送を行うごとに、通信が成功した第二無線機102の数だけ、送信を行う第二無線機102の数が漸次減少する。この場合、無線アクセスシステム100のトラフィック量は、大きな再送回数の再送期間ほど減少する。そこで、再送ごとに再送の間隔を短くすることで、トラフィック量を増加させることなく、すべての第二無線機102の送信終了までの時間を短縮することができる。再送間隔を短くするには、一定の比率で短くしてもよい。一定の比率で短くする場合は、短すぎるとトラフィック量が増加して送信失敗率が増加してしまうので、規定の送信間隔以下にはならない様に制限を設けてもよい。具体的には、再送毎に一定の比率で再送間隔を短くし、規定の送信間隔にならない様に閾値を設けても良い。規定の送信間隔の値は、第二無線インタフェース部122のMAC層がCSMA−CAアルゴリズムを用いている場合は、CSMA−CAアルゴリズムのバックオフ最大時間と同じにしても良い。少なくとも最初の再送間隔は、正規分布の標準偏差よりも大きい値としてもよい。
再送を行うごとに、通信が成功した第二無線機102の数だけ、送信を行う第二無線機102の数が漸次減少する。この場合、無線アクセスシステム100のトラフィック量は、大きな再送回数の再送期間ほど減少する。そこで、再送ごとに再送の間隔を短くすることで、トラフィック量を増加させることなく、すべての第二無線機102の送信終了までの時間を短縮することができる。再送間隔を短くするには、一定の比率で短くしてもよい。一定の比率で短くする場合は、短すぎるとトラフィック量が増加して送信失敗率が増加してしまうので、規定の送信間隔以下にはならない様に制限を設けてもよい。具体的には、再送毎に一定の比率で再送間隔を短くし、規定の送信間隔にならない様に閾値を設けても良い。規定の送信間隔の値は、第二無線インタフェース部122のMAC層がCSMA−CAアルゴリズムを用いている場合は、CSMA−CAアルゴリズムのバックオフ最大時間と同じにしても良い。少なくとも最初の再送間隔は、正規分布の標準偏差よりも大きい値としてもよい。
(第4の実施形態)
本実施形態では、第二無線機102の送信タイミングを第一無線機101と同期させる。第二無線機102の送信タイミングを第一無線機101と同期させるためには、第一無線機101と同期した基準信号が必要である。例えば、第一無線機101から同期制御信号を第二無線機102に送信して基準信号を生成しても良い。具体的には、第二無線機102は、第二無線インタフェース部122で受信した同期制御信号フレームを第二受信選別部124に転送する。第二受信選別部124は、同期制御信号フレームを識別して、第二送信タイミング生成部127の基準信号用カウンタを用いて基準信号を生成する。これにより、第二送信タイミング生成部127は、第一無線機101からの同期制御信号フレームを受信したタイミングを基準とした送信開始タイミングを生成し、送信トリガを出力する。
本実施形態では、第二無線機102の送信タイミングを第一無線機101と同期させる。第二無線機102の送信タイミングを第一無線機101と同期させるためには、第一無線機101と同期した基準信号が必要である。例えば、第一無線機101から同期制御信号を第二無線機102に送信して基準信号を生成しても良い。具体的には、第二無線機102は、第二無線インタフェース部122で受信した同期制御信号フレームを第二受信選別部124に転送する。第二受信選別部124は、同期制御信号フレームを識別して、第二送信タイミング生成部127の基準信号用カウンタを用いて基準信号を生成する。これにより、第二送信タイミング生成部127は、第一無線機101からの同期制御信号フレームを受信したタイミングを基準とした送信開始タイミングを生成し、送信トリガを出力する。
図8は、第二無線機102による基準信号生成方法の一例を説明する図である。第二送信タイミング生成部127は、同図に示す基準信号用カウンタ201を備える。まず、第二送信タイミング生成部127は、第二グループ管理部128から取得した送信開始タイミング値を基準信号用カウンタ201にセットする。さらに、第二クロック部125からのクロックにより、基準信号用カウンタ201を動作させ、クロック数をカウントする。一方、第二無線機102の第二無線インタフェース部122は、第一無線機101からの同期制御信号フレームを受信して第二受信選別部124に転送する。第二受信選別部124は、同期制御信号フレームを識別し、基準信号用カウンタ201をリセットする信号を、第二送信タイミング生成部127に出力する。第二送信タイミング生成部127は、このリセット信号を受けて基準信号用カウンタ201をリセットする。これにより、第一無線機101と同期した基準信号を作成することができる。
なお、第一無線機101の第一制御信号生成部116は、同期制御信号を、周期Tの先頭のタイミングで生成して送信しても良いし、周期Tを分割したタイムスロットの先頭で生成して送信しても良い。タイムスロットの先頭で同期制御信号を生成する場合は、第一制御信号生成部116は、同期制御信号に、そのタイムスロット内で送信を開始する第二無線機102の無線機識別子を付与する。第二無線機102の第二受信選別部124は、付与されている無線機識別子が自機の無線機識別子と一致する同期制御信号のみを、第二送信タイミング生成部127に出力する。
図9は、本実施形態の第二受信選別部124の詳細な構成を示すブロック図である。第二受信選別部124は、フレーム解析部202と、制御信号解析部203とを備える。フレーム解析部202は、第二無線インタフェース部122からの受信フレームを受信する。フレーム解析部202は、受信フレームがセンサ機器に渡すデータの場合は、第二インタフェース部121に転送し、受信フレームが制御信号の場合は、制御信号解析部203に転送する。制御信号解析部203は、フレーム解析部202から受信した制御信号を解析する。制御信号解析部203は、制御信号が同期制御信号であると判断すると、その同期制御信号に自機の無線機識別子と同じ無線機識別子が付与されている場合、又は、無線機識別子の選別を無視する情報が付与されている場合は、第二送信タイミング生成部127へ同期のための同期制御信号を送出する。制御信号解析部203は、受信フレームが同期制御信号以外の制御信号であると判断した場合は、第二グループ管理部128へ転送する。
なお、同期制御信号の送信は、複数の第二無線機102に同時に伝えるのが良い。このため、第一無線機101は、ブロードキャストで同期制御信号を送信するのが良い。
なお、上記では第二クロック部125からのクロックにより基準信号用カウンタ201を動作させているが、第二クロック部125は、第二無線機102の周波数を決定するクロックも兼ねている。よって、第二無線機102にRTC(Real Time Clock)部を必要とせずに送信タイミングを決定することができる。
無線周波数の安定度として、ARIB STD−T108では、±20ppmが規定されている。よって、第二クロック部125の精度は、±20ppmであるため、第二無線機102間の同期誤差は最大40ppmとなる。1時間では、最大144msの誤差が生じる。例えば、タイムスロット幅を4s、標準偏差200msの分布で送信タイミングを生成し、再送間隔を500msとする場合は、再送間隔の30%程度の誤差である。再送をタイムスロット内で複数回行う仕組みとなっているため、標準偏差以下の同期ずれならば、動作に支障はない。また、1時間程度の周期で同期をとりなおせば標準偏差以内に誤差を納めることができる。よって、同期のための制御信号の送信を少なくできるため、無線アクセスシステム100内のスループットを上げることができる。
(第5の実施形態)
本実施形態では、第二無線機102が送信タイミングを設定するために必要な情報を、第一無線機101が送信制御情報として送信する。
本実施形態では、第二無線機102が送信タイミングを設定するために必要な情報を、第一無線機101が送信制御情報として送信する。
図10は、本実施形態による送信制御情報の例を示す図である。この送信制御情報は、第二無線機102の送信開始タイミングを決定するための情報であり、第一無線機101から第二無線機102に送付される。同図に示す送信制御情報には、定周期送信の周期、送信開始タイミング、再送回数、再送間隔、無線機識別子の情報が含まれる。定周期送信の周期、平均送信開始タイミング、及び、再送間隔は、第二無線機102が有する第二クロック部125のクロック数で与える。また、送信開始タイミングは、定周期の開始タイミングからのオフセット値で与える。
図11は、第一無線機101における送信制御情報の設定から送信までの動作を示すフロー図である。まず、ステップS501において、第一グループ管理部118に、第一無線機101に接続する第二無線機102の送信タイミングを決定するための情報を設定する。具体的には、定周期送信の周期、グループ数、タイムスロット期間、各グループに所属する第二無線機102の無線機識別子リスト、各タイムスロットの平均送信開始タイミング、送信開始タイミングの標準偏差、再送回数、再送間隔の情報が設定される。
ステップS502において、第一グループ管理部118は、ステップS501において設定された情報を元に、第二無線機102それぞれの送信開始タイミングを生成する。つまり、第一グループ管理部118は、各グループにおける送信開始タイミングの平均が、そのグループについて設定された平均送信開始時刻を中心とし、設定された標準偏差の正規分布となるように、各第二無線機102の送信開始タイミングを決定する。ステップS503において、第一グループ管理部118は、送信制御情報の送信先となる第二無線機102それぞれの定周期送信の周期、送信開始タイミング及び無線機識別子を、第一制御信号生成部116に送付する。ステップS504において、第一制御信号生成部116は、第一グループ管理部118から送付された情報を元に、図10に示す送信制御情報が設定された送信制御情報フレームを生成する。第一制御信号生成部116は、無線機識別子に一致する宛先を指定して第一無線インタフェース部112に送信制御情報フレームを送付する。ステップS505において、第一無線インタフェース部112は、指定の宛先の第二無線機102にユニキャストで、送信制御情報フレームを送信する。
ステップS506において、第一無線インタフェース部112は、全ての第二無線機102に制御フレームを送信したか否かを確認する。第一無線機101は、第一無線インタフェース部112が全ての第二無線機102への送信が終了したと判断した場合は、図11の処理を終了し、まだ送信が終了していない第二無線機102があると判断した場合は、ステップS503〜ステップS505の処理を繰り返す。
図12は、第二無線機102が、図11に示す処理で送信された送信制御情報を受信して設定するまでの動作を示すフロー図である。ステップS601において、第二無線機102の第二無線インタフェース部122は、第一無線機101からの送信制御情報フレームを受信し、第二受信選別部124に転送する。なお、ユニキャストで送信されたフレームは、第二無線インタフェース部122におけるMAC層のフィルタリング処理により、設定されている無線識別子が自機の無線識別子と一致する場合に、第二受信選別部124に転送される。ステップS602において、第二受信選別部124のフレーム解析部202は、受信したフレームが制御フレームであると判断した後、制御信号解析部203にその制御フレームである送信制御情報フレームを転送する。制御信号解析部203は、制御フレームが送信制御情報フレームの場合、第二グループ管理部128に転送する。
ステップS603において、第二グループ管理部128は、受け取った送信制御情報フレームから、定周期送信の周期、送信開始タイミング、再送回数、再送間隔の情報を取り出して保存する。ステップS604において、第二グループ管理部128は、定周期送信の周期と、送信開始タイミング情報を第二送信タイミング生成部127に送付し、送信回数と再送間隔情報を第二送信制御部123に送付する。これにより、第二グループ管理部128は、送信制御情報に設定されている情報に基づいて送信開始タイミングと再送のタイミングとを設定する設定部として動作する。ステップS605において、第二送信タイミング生成部127は、定周期送信の周期を基準信号用カウンタ201に設定し、再送回数を図13に示す再送回数カウンタ206に設定し、再送間隔を図13に示す再送間隔カウンタ205に設定する。
図13は、本実施形態の第二送信制御部123の詳細な構成を示すブロック図である。第二送信制御部123は、フレーム送出制御部204と、再送間隔カウンタ205と、再送回数カウンタ206と、判定部207とを備える。フレーム送出制御部204は、第二送信タイミング生成部127からの送信トリガ、又は、再送間隔カウンタ205からの送信トリガを受けて、送信フレームのコピーを第二無線インタフェース部122に出力する。また、フレーム送出制御部204は、判定部207からの指示を受け、保持していた送信フレームを削除する。再送間隔カウンタ205は、第二クロック部125からのクロック信号に基づき、信号再送までの時間をカウントする。再送回数カウンタ206は、再送回数を計数する。判定部207は、第二無線インタフェース部122からフレームの送信成功又は送信失敗のいずれが通知されたかを判定する。判定部207は、送信成功が通知されたと判定した場合はフレーム送出制御部204にフレームの削除を指示し、送信失敗が通知されたと判定した場合は、再送間隔カウンタ205の開始と、再送回数カウンタ206の更新を指示する。
図14及び図15は、第二無線機102における送信制御情報設定処理の動作を示すフロー図である。この動作フローに従って、図13に示す第二送信制御部123の処理を説明する。まず、図14のステップS701において、第二送信制御部123は、第二グループ管理部128からの再送回数と再送間隔をそれぞれ、再送回数カウンタ206と再送間隔カウンタ205に設定する。ステップS702において、第二インタフェース部121は、送信データをフレーム送出制御部204に転送する。ステップS703において、フレーム送出制御部204は、受信した送信データに付加情報を付加し、送信フレームを生成する。ステップS704において、第二送信タイミング生成部127の基準信号用カウンタ201のカウンタ値が送信開始タイミング値に到達し、フレーム送出制御部204へ送信トリガを出力する。
ステップS705において、フレーム送出制御部204は、送信トリガを受けて、送信フレームのコピーを第二無線インタフェース部122に転送する。ステップS706において、第二無線インタフェース部122は、送信フレームの送信を試行する。ステップS707において、判定部207は、第二無線インタフェース部122から送信成功又は送信失敗の通知を受信する。
図15のステップS708において、判定部207は、第二無線インタフェース部122からの通知が送信成功であるか送信失敗であるかを判定する。判定部207は、送信成功と判定した場合は、ステップS709の処理を行い、送信失敗と判定した場合は、ステップS710の処理を行う。
ステップS709において、判定部207は、フレーム送出制御部204へ送信フレーム削除を指示する。その後、第二送信制御部123は、ステップS717の処理を行った後、図14及び図15の処理を終了する。
ステップS710において、判定部207は、再送回数カウンタ206と、再送間隔カウンタ205に送信失敗を通知する。ステップS711において、再送間隔カウンタ205は、カウンタ値をクリアし、カウントを開始する。ステップS712において、再送回数カウンタ206は、現在のカウンタ値に1を加算する。ステップS713において、再送回数カウンタ206は、更新後のカウンタ値が最大再送回数を超えたか否かを判定する。再送回数カウンタ206は、超えないと判定した場合は、ステップS714の処理を行い、超えたと判定した場合は、ステップS715の処理を行う。
ステップS714において、再送間隔カウンタ205は、第一クロック部115からのクロックをカウントアップし、カウンタ値が設定値に到達すると、フレーム送出制御部204に送信トリガを出力する。その後、第二送信制御部123は、図14のステップS705以降の処理を行う。
ステップS715において、再送回数カウンタ206は、フレーム送出制御部204へ送信フレーム削除を指示し、自身のカウンタの停止とクリアを行う。さらに再送回数カウンタ206は、再送間隔カウンタ205の停止とクリアを指示する。ステップS716において、再送間隔カウンタ205と再送回数カウンタ206は停止し、カウンタ値をクリアする。ステップS717において、フレーム送出制御部204は、送信フレームを削除する。ステップS717の処理を行った後、第二送信制御部123は、図14及び図15の処理を終了する。
このように、第二無線機102に送信制御情報を送付し、設定する事で、第二無線機102が同期制御信号を定周期の先頭で受信すると、基準信号用カウンタ201が定周期の先頭でカウントを開始する。よって、第一無線機101で設定した送信開始タイミングで第二無線機102は定周期の送信を行うことができる。
(第6の実施形態)
第5の実施形態では、第一無線機101は、送信制御情報をユニキャストにより第二無線機102に送信していた。本実施形態では、第一無線機101は、送信制御情報をブロードキャストする。
第5の実施形態では、第一無線機101は、送信制御情報をユニキャストにより第二無線機102に送信していた。本実施形態では、第一無線機101は、送信制御情報をブロードキャストする。
図16は、本実施形態の送信制御情報の例を示す図である。この送信制御情報は、第二無線機102の送信開始タイミングを決定するための情報であり、第一無線機101から第二無線機102に送付される。同図に示す送信制御情報には、定周期送信の周期、グループ数、タイムスロット期間、平均送信開始タイミング、送信開始タイミングの標準偏差、再送回数、再送間隔、各グループのグループ識別子及び各グループに所属する第二無線機102の無線機識別子のリストが含まれる。定周期送信の周期、スロット期間、平均送信開始タイミング、標準偏差、再送間隔は、第二無線機102が有する第二クロック部125のクロック数で与える。また、平均送信開始タイミングは、各タイムスロットの開始タイミングからのオフセット値で与える。
図17は、第一無線機101における送信制御情報の設定から送信までの動作を示すフロー図である。まず、ステップS511において、第一グループ管理部118に、第一無線機101に接続する第二無線機102の送信タイミングを決定するための情報を設定する。具体的には、定周期送信の周期、グループ数、タイムスロット期間、各グループに所属する第二無線機102の無線機識別子リスト、各タイムスロットの平均送信開始タイミング、送信開始タイミングの標準偏差、再送回数、再送間隔の情報である。
ステップS512において、第一グループ管理部118は、ステップS511において設定された周期、グループ数、タイムスロット期間、各タイムスロットの平均送信開始タイミング、送信開始タイミングの標準偏差、再送回数、再送間隔、各グループに所属する第二無線機102の無線機識別子リストの情報を第一制御信号生成部116に送付する。ステップS513において、第一制御信号生成部116は、第一グループ管理部118から送付された情報を元に、図16に示す送信制御情報を設定した送信制御情報フレームを生成する。第一制御信号生成部116は、宛先をブロードキャストにして、生成した送信制御情報フレームを第一無線インタフェース部112に送付する。ステップS514において、第一無線インタフェース部112は、第二無線機102にブロードキャストで送信制御情報フレームを送信する。
図18は、第二無線機102が、図17に示す処理で送信された送信制御情報を受信して設定するまでの動作を示すフロー図である。ステップS611において、第二無線機102の第二無線インタフェース部122は、第一無線機101からの送信制御情報フレームを受信し、第二受信選別部124に転送する。ステップS612において、第二受信選別部124のフレーム解析部202は、受信したフレームが制御フレームであると判断した後、制御信号解析部203にその制御フレームである送信制御情報フレームを転送する。
ステップS613において、第二グループ管理部128は、受け取った送信制御情報フレームに設定されている情報のうち、定周期送信の周期、グループ数、タイムスロット期間、各タイムスロットの平均送信開始タイミング、及び、送信開始タイミングの標準偏差と、自機に関係するグループ識別子とを取得し、自機の送信制御情報として保存する。ステップS614において、第二グループ管理部128は、保存した送信制御情報に基づいて、自機の送信開始タイミングを生成する。自機がk番目のグループに属する場合、タイムスロットの開始タイミングは、定周期送信の周期の開始タイミングから、(k−1)×タイムスロット期間が経過したタイミングとして算出される。タイムスロット期間は、定周期送信の周期をグループ数で除算することでも得られる。第二グループ管理部128は、自機が属するグループにおけるタイムスロット期間において、平均送信開始時刻を中心とし、設定された標準偏差の正規分布となるよう確率で、自機の送信開始タイミングを決定する。
ステップS615において、第二グループ管理部128は、定周期送信の周期と、送信開始タイミングを、第二送信タイミング生成部127に送付し、再送回数及び再送間隔情報を第二送信制御部123に送付する。ステップS616において、第二送信タイミング生成部127は、定周期送信の周期を基準信号用カウンタ201に設定し、再送回数を再送回数カウンタ206に設定し、再送間隔を再送間隔カウンタ205に設定する。
本実施形態の第二送信制御部123の動作は、図14及び図15に示す第5の実施形態の第二送信制御部123の動作と同様である。
このように、第二無線機102に送信制御情報を送付し、設定する事で、第二無線機102が同期制御信号を定周期の先頭で受信すると、基準信号用カウンタ201が定周期の先頭でカウントを開始する。よって、第一無線機101で設定した送信開始タイミングで第二無線機102は定周期で送信を行うことができる。
(第7の実施形態)
第6の実施形態では、第一無線機101が、定周期の先頭で同期制御信号を送信する場合の送信制御情報の送信について示した。本実施形態では、第一無線機101が、同期制御信号をタイムスロットの先頭で送信する場合の送信制御情報の送信について説明する。
第6の実施形態では、第一無線機101が、定周期の先頭で同期制御信号を送信する場合の送信制御情報の送信について示した。本実施形態では、第一無線機101が、同期制御信号をタイムスロットの先頭で送信する場合の送信制御情報の送信について説明する。
図19は、本実施形態の送信制御情報の例を示す図である。この送信制御情報は、第二無線機102の送信開始タイミングを決定するための情報であり、第一無線機101から第二無線機102に送付される。同図に示す送信制御情報には、定周期送信の周期、平均送信開始タイミング、送信開始タイミングの標準偏差、再送回数、及び、再送間隔の情報が含まれる。定周期送信の周期、平均送信開始タイミング、標準偏差、及び、再送間隔は、第二無線機102が有する第二クロック部125のクロック数で与える。また、平均送信開始タイミングは、各タイムスロットの開始タイミングからのオフセット値で与える。
図20は、第一無線機101における送信制御情報の設定から送信までの動作を示すフロー図である。まず、ステップS521において、第一グループ管理部118に、第一無線機101に接続する第二無線機102の送信タイミングを決定するための情報を設定する。具体的には、定周期送信の周期、グループ数、タイムスロット期間、各グループに所属する第二無線機102の無線機識別子リスト、各タイムスロットの平均送信開始タイミング、送信開始タイミングの標準偏差、再送回数、再送間隔の情報である。
ステップS522において、第一グループ管理部118は、ステップS521において設定された周期、各タイムスロットの平均送信開始タイミング、送信開始タイミングの標準偏差、再送回数、及び、再送間隔の情報を第一制御信号生成部116に送付する。ステップS523において、第一制御信号生成部116は、第一グループ管理部118から送付された情報を元に、図19に示す送信制御情報が設定された送信制御情報フレームを生成し、宛先をブロードキャストにして、第一無線インタフェース部112に送付する。ステップS524において、第一無線インタフェース部112は、第二無線機102にブロードキャストで、送信制御情報フレームを送信する。
図21は、第二無線機102が、図20に示す処理で送信された送信制御情報を受信して設定するまでの動作を示すフロー図である。ステップS621において、第二無線機102の第二無線インタフェース部122は、第一無線機101からの送信制御情報フレームを受信し、第二受信選別部124に転送する。ステップS622において、第二受信選別部124のフレーム解析部202は、受信したフレームが制御フレームであると判断した後、制御信号解析部203にその制御フレームを転送する。制御信号解析部203は、制御フレームが同期制御信号ではないので、その制御フレームを第二グループ管理部128に転送する。
ステップS623において、第二グループ管理部128は、受け取った送信制御情報フレームから送信制御情報を取得し、保存する。ステップS624において、第二グループ管理部128は、保存した送信制御情報に基づいて、自機の送信開始タイミングを生成する。ステップS625において、第二グループ管理部128は、定周期送信の周期と、送信開始タイミングを第二送信タイミング生成部127に送付し、再送回数と、再送間隔情報を第二送信制御部123に送付する。ステップS626において、第二送信タイミング生成部127は、定周期送信の周期を基準信号用カウンタ201に設定し、再送回数を再送回数カウンタ206に設定し、再送間隔を再送間隔カウンタ205に設定する。
本実施形態の第二送信制御部123の動作は、図14及び図15に示す第5の実施形態の第二送信制御部123の動作と同様である。
このように、第一無線機101が送信制御情報を送付し、第二無線機102に設定する事で、第二無線機102が同期制御信号をタイムスロットの先頭で受信すると、基準信号用カウンタ201がタイムスロットの先頭でカウントを開始する。よって、第一無線機101において設定した送信開始タイミングで、第二無線機102は定周期で送信することができる。
(第8の実施形態)
以上の実施形態では、第二無線機102から第一無線機101に定周期で信号を送信する場合について述べた。本実施形態では、第一無線機から第二無線機へ通信が必要な場合は、タイムスロット内で第二無線機から第一無線機への無線通信のトラフィックが多い期間をはずして信号を送信することが可能である。本実施形態の無線アクセスシステム100は、第一無線機101に代えて、後述する図23に示す第一無線機101aを有する。
以上の実施形態では、第二無線機102から第一無線機101に定周期で信号を送信する場合について述べた。本実施形態では、第一無線機から第二無線機へ通信が必要な場合は、タイムスロット内で第二無線機から第一無線機への無線通信のトラフィックが多い期間をはずして信号を送信することが可能である。本実施形態の無線アクセスシステム100は、第一無線機101に代えて、後述する図23に示す第一無線機101aを有する。
図22は、第一無線機101aから第二無線機102への送信期間を示す図である。同図は、図7(b)の再掲である。複数のピークを有するグラフ301は、4秒のタイムスロットに対して1万回試行時の、第二無線機102から第一無線機101aへの送信成功回数を示している。グラフ301の第1のピーク302は、平均送信開始タイミングであり、第二無線機102から第一無線機101aへの送信発生確率が高いことを示している。本実施形態では、第二無線機102から第一無線機101aへの送信発生確率が低くなる第1のピーク302以降に、第一無線機101aに送信機会を与える。具体的には、第1のピーク302以降に第一無線機101aに送信開始タイミングを与えることで、実現する。
例えば、グラフ301における第4のピーク、つまり、再送回数3回目のピーク303の期間に、第一無線機101aの送信開始タイミングを与えることで、第二無線機102からの送信と競合する確率を低減し、信頼性の高い無線通信ができる。第一無線機101aからの送信は、再送を行っても良い。また、第一無線機101aにおける再送期間と回数は、送信開始タイミングから使用しているタイムスロットの終了に収まる様に設定してもよい。また、第一無線機101aからの送信は、ブロードキャスト通信でも、ユニキャスト通信でも良い。なお、第一無線機101aからの送信データ量に応じて、第一無線機101aの送信開始タイミングを決定してもよい。例えば、送信データ量が多いほど、第1のピーク302以降における送信開始タイミングを早くする。
図23は、本実施形態の第一無線機101aの構成を示すブロック図である。同図において、図2に示す第1の実施形態による第一無線機101と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。同図に示す第一無線機101aが、図2に示す第一無線機101と異なる点は、第一送信制御部113、第一送信タイミング生成部117及び第一グループ管理部118に代えて、第一送信制御部113a、第一送信タイミング生成部117a及び第一グループ管理部118aを備える点である。第一送信制御部113a、第一送信タイミング生成部117a及び第一グループ管理部118aの各部の機能は、図2に示す第一送信制御部113、第一送信タイミング生成部117及び第一グループ管理部118の各部の機能に対して、さらに以下の機能を追加したものである。
第一グループ管理部118aは、第一無線インタフェース部112の送信タイミング情報を保持し、この情報を第一送信制御部113aと、第一送信タイミング生成部117aに送付する。送信タイミング情報は、具体的には、送信周期、送信開始タイミング、再送回数、再送間隔である。第一送信タイミング生成部117aは、第一グループ管理部118aから受信した第一無線機101の送信周期と送信開始タイミングの情報に基づいて、第一送信制御部113aに対して送信開始タイミングを指示する。第一送信制御部113aは、第一無線インタフェース部112から送信失敗の通知を受信した時には、第一グループ管理部118aからの第一無線機101の再送回数と再送間隔に基づいて再送を指示する。第一送信制御部113aは、送信成功時と最大再送回数に到達した場合は、対象の送信フレームを破棄する。
なお、第一無線機101aの動作は、図14及び図15と同様であり、第二無線機102の送信動作を、送信開始タイミングと再送回数、再送間隔の情報を変更して実現可能である。
(第9の実施形態)
上記では、第二無線機から第一無線機への定周期の送信について述べた。しかし、第二無線機からは、定周期通信の送信に加えて、即時送信通信(イベント通信)を行う場合がある。例えば、空調制御において、リモコンに温度センサと温度設定機能を設けた場合、温度センサのデータを定周期で空調制御機器に無線で送信し、温度設定の変更時は温度設定を行うイベント時に、即時送信通信(イベント通信)で無線送信を行う。本実施形態の無線アクセスシステム100は、第二無線機102に代えて、図24に示す第二無線機102aを有する。
上記では、第二無線機から第一無線機への定周期の送信について述べた。しかし、第二無線機からは、定周期通信の送信に加えて、即時送信通信(イベント通信)を行う場合がある。例えば、空調制御において、リモコンに温度センサと温度設定機能を設けた場合、温度センサのデータを定周期で空調制御機器に無線で送信し、温度設定の変更時は温度設定を行うイベント時に、即時送信通信(イベント通信)で無線送信を行う。本実施形態の無線アクセスシステム100は、第二無線機102に代えて、図24に示す第二無線機102aを有する。
図24は、第二無線機102aの構成を示すブロック図である。同図において、図3に示す第1の実施形態による第二無線機102と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。同図に示す第二無線機102aが、図3に示す第二無線機102と異なる点は、第二インタフェース部121、第二無線インタフェース部122、第二送信制御部123及び第二グループ管理部128に代えて、第二インタフェース部121a、第二無線インタフェース部122a、第二送信制御部123a及び第二グループ管理部128aを備える点である。以下では、図3に示す第二無線機102と異なる点について説明する。
第二インタフェース部121aは、図示しない他のネットワークや制御装置からのメッセージを受信する。第二インタフェース部121aは、第二送信制御部123aに、受信したメッセージから抽出した送信データを転送するとともに、送信データが定周期通信であるかイベント通信であるかを特定する情報であるフレーム識別情報を送付する。第二インタフェース部121aが定周期通信であるかイベント通信であるかの判別に用いる判別情報は、図示しない制御機器から送信データと共に提供を受けても良いし、送信データの規定のフィールドに定周期通信であるかイベント通信であるかの識別子が付加されていてもよい。
第二無線インタフェース部122aは、第二無線インタフェース部122が有するCSMA−CA機能のバックオフ関係のパラメータを第二送信制御部123aより受信し、このバックオフ関係のパラメータを送信フレーム毎に変更して送信する点が、第二無線インタフェース部122と異なる点である。
第二送信制御部123aは、第二インタフェース部121aから送信データと共にフレーム識別情報を受けて、定周期送信とイベント送信で、異なるフレーム送出制御を行う。第二送信制御部123aの詳細については、後述する図25を用いて説明する。第二グループ管理部128aは、第二グループ管理部128の機能に加えて、イベント通信に関する再送回数、再送間隔、イベント通信時及び定周期通信時のバックオフパラメータの情報を保持し、第二送信制御部123aに送付する。
図25は、第二送信制御部123aの詳細な構成を示すブロック図である。同図において、図13に示す第二送信制御部123と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。第二送信制御部123aは、フレーム群送出制御部224と、再送間隔カウンタ群225と、再送回数カウンタ群226と、判定部207と、設定管理部210と、切替部211と、フレーム判別部212とを備える。フレーム群送出制御部224は、定周期通信用フレーム送出制御部204aと、イベント通信用フレーム送出制御部204bを備える。再送間隔カウンタ群225は、定周期通信用再送間隔カウンタ205aと、イベント通信用再送間隔カウンタ205bとを備える。再送回数カウンタ群226は、定周期通信用再送回数カウンタ206aと、イベント通信用再送回数カウンタ206bとを備える。
フレーム判別部212は、第二インタフェース部121aから受信した送信データを、受信したフレーム識別情報を元に、フレーム群送出制御部224の定周期通信用フレーム送出制御部204a又はイベント通信用フレーム送出制御部204bに転送する。フレーム判別部212は、フレーム識別情報が定周期通信を示していれば定周期通信用フレーム送出制御部204aに、イベント通信を示していればイベント通信用フレーム送出制御部204bに転送する。
フレーム群送出制御部224は、設定管理部210からフレーム識別情報に応じたフレーム送出制御に用いられるバックオフパラメータを読み出す。フレーム識別情報が定周期通信を示していれば、定周期通信用フレーム送出制御部204aが定周期通信用フレームのフレーム送出制御を行う。具体的には、定周期通信用フレーム送出制御部204aは、送信データに定周期通信用のバックオフパラメータと、送信に必要な宛先や制御信号との識別子等の付加情報を加えて送信フレームを作成する。定周期通信用フレーム送出制御部204aは、定周期通信の送信フレームのコピーを、第二送信タイミング生成部127からの送信トリガ、又は、再送間隔カウンタ群225内の定周期通信用再送間隔カウンタ205aからの送信トリガに従って第二無線インタフェース部122aに転送する。また、定周期通信用フレーム送出制御部204aは、再送回数カウンタ群226内の定周期通信用再送回数カウンタ206aからの信号により、内部に保持していた送信フレームを削除する。
一方、フレーム識別情報がイベント通信を示していれば、イベント通信用フレーム送出制御部204bがイベント通信用フレームの送出制御部を行う。具体的には、イベント通信用フレーム送出制御部204bは、送信データにイベント通信用のバックオフパラメータと、送信に必要な宛先や、制御信号を示す識別子等の付加情報を加えて送信フレームを作成する。イベント通信用フレーム送出制御部204bは、フレーム判別部212から送信データの受信後は直ちに送信フレームを生成してそのコピーを第二無線インタフェース部122aに転送する。以後は、イベント通信用フレーム送出制御部204bは、再送間隔カウンタ群225内のイベント通信用再送間隔カウンタ205bからの送信トリガに従って、イベント通信の送信フレームのコピーを第二無線インタフェース部122aに転送する。また、イベント通信用フレーム送出制御部204bは、再送回数カウンタ群226内のイベント通信用再送回数カウンタ206bからの信号により、内部に保持していた送信フレームを削除する。
フレーム群送出制御部224は、第二無線インタフェース部122aへの定周期通信用又はイベント通信用の送信フレームのコピーの転送と共に、転送したフレームのフレーム識別情報を切替部211に送付する。
切替部211は、フレーム群送出制御部224から受信したフレーム識別情報に応じて、判定部207からの送信失敗情報の転送先を選択する。切替部211は、フレーム識別情報が定周期通信を示す場合は、送信失敗情報を、再送回数カウンタ群226内の定周期通信用再送回数カウンタ206aと再送間隔カウンタ群225内の定周期通信用再送間隔カウンタ205aへ転送する。また、切替部211は、フレーム識別情報がイベント通信を示す場合は、送信失敗情報を、再送回数カウンタ群226内のイベント通信用再送回数カウンタ206bと再送間隔カウンタ群225内のイベント通信用再送間隔カウンタ205bへ転送する。
設定管理部210は、第二グループ管理部128aからの定周期通信用及びイベント通信用の各々の再送間隔、再送回数及びバックオフパラメータリストの情報を保持する。設定管理部210は、定周期通信用の再送間隔を再送間隔カウンタ群225内の定周期通信用再送間隔カウンタ205aに、定周期通信用の再送回数を再送回数カウンタ群226の定周期通信用再送回数カウンタ206aに、定周期通信用のバックオフパラメータをフレーム群送出制御部224の定周期通信用フレーム送出制御部204aに設定する。また、設定管理部210は、イベント通信用の再送間隔を再送間隔カウンタ群225内のイベント通信用再送間隔カウンタ205bに、イベント通信用の再送回数を再送回数カウンタ群226のイベント通信用再送回数カウンタ206bに、イベント通信用のバックオフパラメータをフレーム群送出制御部224のイベント通信用フレーム送出制御部204bに設定する。
本実施形態の動作は、図14の動作を定周期通信、及び、イベント通信に割当てたものであり、イベント通信が最初の送信のみ、フレーム群送出制御部224における処理後に、第二制御信号生成部126との競合が無い場合に即座に第二無線インタフェース部122aに出力される点と、第二無線インタフェース部122aに、CSMA−CAのバックオフパラメータの情報を付加する点が異なる。再送時の動作は、再送回数と再送間隔の情報が異なるだけであり、定周期通信もイベント通信も同じ動作で機能を達成することができる。上記のような仕組みにより、定周期通信を行いつつ、イベント通信を実施することができる。
図26は、本実施形態の無線アクセスシステム100を用いたイベント通信の遅延時間をシミュレーションにて確認した結果を示す図である。遅延時間は、第二無線機102aの送信開始タイミングから、送信が成功して終了する迄の時間と定義する。定周期通信では、タイムスロット幅4s内で、50台の第二無線機102aが、平均送信開始タイミング500ms、再送間隔500ms、再送回数4回、標準偏差200msの正規分布で、CSMA−CAのバックオフ回数を4回として1回送信を開始する。イベント通信は、平均送信発生率が20回/s、再送間隔100msとして、CSMA−CAのバックオフ回数を4回、5回、8回と変えた。同図は、この条件において、送信が成功した時の累積比を、遅延時間を横軸にプロットしたものである。符号401は、バックオフ回数が4回の場合、符号402はバックオフ回数が5回、符号403はバックオフ回数が8回のときを示している。バックオフ回数が多くなるに従って、遅延時間が400msよりも少ない場合の累積比が改善していることがわかる。
以上のように、イベント通信の信号を無線信号で送信するときには、定周期通信の信号を無線信号で送信するときよりもバックオフ回数を多くし、かつ、イベント通信の信号を無線信号で送信するときの再送間隔を、定周期通信の信号を無線信号で送信するときの再送間隔よりも短くすることで、遅延時間を短くすることが可能となる。
上記では、定周期通信が1つの周期の場合のみを記載したが、2つ以上の異なる周期でも、本実施形態を適宜変更することで、対応可能である。また、イベント通信と定周期通信を第一無線機101に適用しても、同様な方法で対応可能である。
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、第二無線機が第二送信タイミング生成部及び第二送信制御部を持つことにより、第二無線機は、自機が属するグループに割当てられたタイムスロットの一部期間において、自機と同じグループに属する第二無線機が正規分布したタイミングで無線信号を送信するように自機について決められた送信タイミングで第一無線機に無線信号を送信し、送信が失敗したときには、自機に割当てられたタイムスロットにおいて所定の再送回数を限度として送信が成功するまで、所定の再送間隔を空けて無線信号の再送を繰り返すことができる。従って、無線アクセスシステムは、コーディネータ以外の無線機の処理が少なく、コーディネータである無線機とコーディネータ以外の無線機との同期精度が緩い場合でも、コーディネータ以外の無線機でRTCなどのコストアップとなる部品を用いずに、多くの無線機を収容し、かつ、データの欠落を抑えた信頼性の高い無線通信を実現することができる。また、無線機に用いられる水晶発振器と同等の精度の同期を簡易な処理で行うことができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
100…無線アクセスシステム、101…第一無線機、101a…第一無線機、102…第二無線機、102a…第二無線機、111…第一インタフェース部、112…第一無線インタフェース部、113…第一送信制御部、113a…第一送信制御部、114…第一受信選別部、115…第一クロック部、116…第一制御信号生成部、117…第一送信タイミング生成部、117a…第一送信タイミング生成部、118…第一グループ管理部、118a…第一グループ管理部、121…第二インタフェース部、121a…第二インタフェース部、122…第二無線インタフェース部、122a…第二無線インタフェース部、123…第二送信制御部、123a…第二送信制御部、124…第二受信選別部、125…第二クロック部、126…第二制御信号生成部、127…第二送信タイミング生成部、128…第二グループ管理部、128a…第二グループ管理部、201…基準信号用カウンタ、202…フレーム解析部、203…制御信号解析部、204…フレーム送出制御部、204a…定周期通信用フレーム送出制御部、204b…イベント通信用フレーム送出制御部、205…再送間隔カウンタ、205a…定周期通信用再送間隔カウンタ、205b…イベント通信用再送間隔カウンタ、206…再送回数カウンタ、206a…定周期通信用再送回数カウンタ、206b…イベント通信用再送回数カウンタ、207…判定部、210…設定管理部、211…切替部、212…フレーム判別部、224…フレーム群送出制御部、225…再送間隔カウンタ群、226…再送回数カウンタ群
Claims (14)
- 第一無線機と、1台以上の第二無線機とを有する無線アクセスシステムであって、
前記第二無線機はそれぞれ、所定周期を複数に分割したタイムスロットのいずれかが割当てられた複数のグループのうちいずれかの前記グループに属しており、
前記第一無線機は、
前記第二無線機から送信された無線信号を受信する第一無線インタフェース部を備え、
前記第二無線機は、
無線信号を送信する第二無線インタフェース部と、
自機が属する前記グループに割当てられた前記タイムスロットの一部期間において、自機と同じ前記グループに属する前記第二無線機からの無線信号の送信タイミングが正規分布となるように自機について決められた送信タイミングで送信トリガを出力する送信タイミング生成部と、
前記送信タイミング生成部が出力した前記送信トリガに従って前記第二無線インタフェース部から無線信号を送信し、前記無線信号の送信が失敗した場合は、割当てられた前記タイムスロットにおいて所定の再送回数を限度として送信が成功するまで、所定の再送間隔を空けて前記第二無線インタフェース部から前記無線信号の再送を繰り返すよう制御する送信制御部とを備える、
無線アクセスシステム。 - 前記送信タイミングは、前記タイムスロットを所定数に分割した期間のうち最初の期間内に含まれ、
前記送信制御部は、前記タイムスロットを所定数に分割した前記期間のうち最初の期間を除く各期間において前記無線信号の再送を行うよう制御する、
請求項1に記載の無線アクセスシステム。 - 少なくとも最初の前記再送間隔は、前記正規分布の標準偏差よりも大きい値である、
請求項1又は請求項2に記載の無線アクセスシステム。 - 前記再送間隔は、再送回数が大きいほど所定の閾値を限度として短くなる、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の無線アクセスシステム。 - 前記送信タイミング生成部は、前記第一無線機からの同期制御信号を受信したタイミングを基準として前記送信タイミングを生成する、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の無線アクセスシステム。 - 前記第一無線インタフェース部は、前記所定周期の先頭のタイミングにおいて、前記同期制御信号をブロードキャストで送信する、
請求項5に記載の無線アクセスシステム。 - 前記第一無線インタフェース部は、前記第二無線機に対して、少なくとも前記所定周期の情報と、前記第二無線機の送信タイミングの情報と、前記再送回数の情報と、前記再送間隔の情報と、前記第二無線機の識別情報とを含む送信制御情報をユニキャストで送信し、
前記第二無線機は、前記送信制御情報に基づいて前記送信タイミングと再送のタイミングとを設定する設定部をさらに備える、
請求項6に記載の無線アクセスシステム。 - 前記第一無線インタフェース部は、前記第二無線機に対して、少なくとも前記所定周期の情報と、前記グループの数の情報と、前記タイムスロットの期間の情報と、前記タイムスロット内における平均送信開始タイミングの情報と、前記正規分布における標準偏差の情報と、前記再送回数の情報と、前記再送間隔の情報と、前記グループと前記グループに所属する前記第二無線機との関係を示す情報を含む送信制御情報をブロードキャストで送信し、
前記第二無線機は、前記送信制御情報に設定されている前記情報に基づいて前記送信タイミングと再送のタイミングとを設定する設定部をさらに備える、
請求項6に記載の無線アクセスシステム。 - 前記第一無線インタフェース部は、前記タイムスロットの先頭のタイミングにおいて、当該タイムスロットにおいて送信を行う前記第二無線機の識別情報を付加した前記同期制御信号をブロードキャストで送信し、
前記送信タイミング生成部は、自機の識別情報が設定された前記同期制御信号を受信したタイミングを基準として前記送信タイミングを生成する、
請求項5に記載の無線アクセスシステム。 - 前記第一無線インタフェース部は、前記第二無線機に対して、少なくとも前記所定周期の情報と、前記グループの数の情報と、前記タイムスロットの期間の情報と、前記タイムスロット内における平均送信開始タイミングの情報と、前記再送回数の情報と、前記再送間隔の情報とを設定した送信制御情報をブロードキャストで送信し、
前記第二無線機は、前記送信制御情報に設定されている前記情報に基づいて前記送信タイミングと再送のタイミングとを設定する設定部をさらに備える、
請求項9に記載の無線アクセスシステム。 - 前記第一無線インタフェース部が前記第二無線機への信号の送信を開始するタイミングは、前記タイムスロットにおける前記第二無線機の前記送信タイミングよりも後である、
請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の無線アクセスシステム。 - 前記第二無線インタフェース部は、CSMA−CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)により無線信号を送信し、
前記第二無線インタフェース部がイベント通信の信号を無線信号で送信するときのCSMA−CAのバックオフ回数は、前記第二無線インタフェース部が前記所定周期で発生する定周期通信の信号を無線信号で送信するときのCSMA−CAのバックオフ回数よりも多く、
前記イベント通信の無線信号の前記再送間隔は、前記定周期通信の無線信号の再送間隔よりも短い、
請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の無線アクセスシステム。 - 無線信号を送信する無線インタフェース部と、
所定周期を複数に分割したタイムスロットのいずれかが割当てられた無線機のグループのうち自機が属する前記グループに割当てられた前記タイムスロットの一部期間において、自機と同じ前記グループに属する無線機からの無線信号の送信タイミングが正規分布となるように自機について決められた送信タイミングで送信トリガを出力する送信タイミング生成部と、
前記送信タイミング生成部が出力した前記送信トリガに従って前記無線インタフェース部から無線信号を送信し、前記無線信号の送信が失敗した場合は、割当てられた前記タイムスロットにおいて所定の再送回数を限度として送信が成功するまで、所定の再送間隔を空けて前記無線インタフェース部から前記無線信号の再送を繰り返すよう制御する送信制御部と、
を備える無線機。 - 第一無線機と、1台以上の第二無線機とを有する無線アクセスシステムが実行する無線通信方法であって、
前記第二無線機はそれぞれ、所定周期を複数に分割したタイムスロットのいずれかが割当てられた複数のグループのうちいずれかの前記グループに属しており、
前記第二無線機は、
自機が属する前記グループに割当てられた前記タイムスロットの一部期間において、自機と同じ前記グループに属する前記第二無線機からの無線信号の送信タイミングが正規分布となるように自機について決められた送信タイミングで送信トリガを出力する送信タイミング生成ステップと、
前記送信タイミング生成ステップにおいて出力された前記送信トリガに従って無線信号を送信する無線信号送信ステップと、
前記無線信号の送信が失敗した場合は、割当てられた前記タイムスロットにおいて所定の再送回数を限度として送信が成功するまで、所定の再送間隔を空けて前記無線信号の再送を繰り返す再送ステップと、
前記第一無線機が、
前記第二無線機から送信された前記無線信号を受信する無線受信ステップと、
を有する無線通信方法。
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JP2017053611A JP2018157428A (ja) | 2017-03-17 | 2017-03-17 | 無線アクセスシステム、無線機及び無線通信方法 |
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Cited By (2)
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WO2020230537A1 (ja) * | 2019-05-10 | 2020-11-19 | 株式会社東海理化電機製作所 | ノード装置 |
JPWO2020105129A1 (ja) * | 2018-11-20 | 2021-02-15 | 三菱電機株式会社 | 中継装置、通信システム、通信方法、および通信プログラム |
-
2017
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WO2020230537A1 (ja) * | 2019-05-10 | 2020-11-19 | 株式会社東海理化電機製作所 | ノード装置 |
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