JP4268487B2 - 無線通信装置及び無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の通信端末が無線によるデータ通信を行うための無線通信装置及びそれに関連する技術に関する。

近年、無線通信機能を備えた電子機器が普及している。なかでも、携帯用電子機器では、使用場所を選ばず、どこでもデータ通信ができるという利便性から無線通信機能を装備するものが増加している。

無線データ通信では、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronics Engineers）によって標準化が進められている無線ＬＡＮの方式（ＩＥＥＥ８０２．１１）が最も有力なプロトコルとなっている。

ＩＥＥＥ８０２．１１では、データ通信を開始する前に、マスタ端末局から、ＴＳＦＴＩＭＥＲ（Timing Syncronization Function TIMER）を含むビーコンフレームを送信することにより、データ通信を行う端末局間で時刻を同期する機能を有する。

ＩＥＥＥ８０２．１１によれば、ＴＳＦＴＩＭＥＲは、データ通信を行う端末局を管理するビーコンフレームやプローブレスポンスのＭＡＣ（Media Access Control）ヘッダにのみ配置可能であり、各端末局で動作するアプリケーションレベルでの利用はできない。そのため、送受信するデータが各端末局において発生した時刻を知ることはできない。

これを解決する方法として、専用の時刻同期プロトコルを構築し、ホストタイマ機能を利用して、アプリケーションレベルで時刻を同期すると共に、送信するデータフレーム内に時刻情報を付加する方法が考えられる。しかし、この方法では、時刻同期プロトコルの動作に係るオーバーヘッドが増大し、ネットワーク全体としての通信効率が低下するという問題がある。

そこで、この発明の課題は、ＭＡＣレベルで時刻同期情報を取り扱いながら、当該時刻情報をアプリケーションレベルでも利用する無線通信装置及びそれに関連する技術を提供することにある。

上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、ネットワークを構成し、無線によるデータ通信を行う無線通信方法であって、一の端末局において、前記ネットワークを構成する全ての端末局の時刻を同期する工程と、アプリケーション層で発生したデータと、前記アプリケーション層からＭＡＣ層に前記データの送信要求がなされた送信要求時刻と、を含むデータフレームを、前記ＭＡＣ層で生成する工程と、他の端末局において、前記ＭＡＣ層で、受信した前記データフレームから前記送信要求時刻を抽出する工程と、抽出した前記送信要求時刻を前記ＭＡＣ層から前記アプリケーション層へ通知する工程と、を備えることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の無線通信方法であって、前記送信要求時刻は、ＩＥＥＥ８０２．１１で規定されるデータフレームフォーマット内のＭＡＣヘッダ部に付加することを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の無線通信方法であって、前記送信要求時刻は、ＩＥＥＥ８０２．１１で規定されるデータフレームフォーマット内のフレームボディ部に付加することを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の無線通信方法であって、前記一の端末局および前記他の端末局において時刻を同期する工程をさらに備え、該工程は、ＩＥＥＥ８０２．１１で規定されるＴＳＦＴＩＭＥＲで実行され、前記送信要求時刻は、ＴＳＦＴＩＭＥＲに基づく時刻であることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、ネットワークを構成し、無線によるデータ通信を行う無線通信装置であって、アプリケーション層で発生したデータと、前記アプリケーション層からＭＡＣ層に前記データの送信要求がなされた送信要求時刻と、を含むデータフレームを、前記ＭＡＣ層で生成する手段と、前記ＭＡＣ層で、受信した前記データフレームから前記送信要求時刻を抽出する手段と、抽出した前記送信要求時刻を前記ＭＡＣ層から前記アプリケーション層へ通知する手段と、を備えることを特徴とするものである。

請求項１または請求項５に記載の発明によれば、アプリケーション層で発生したデータの送信要求がなされた時刻をデータと共に送信し、これを受信した端末局が時刻情報を抽出してアプリケーション層で利用することで、アプリケーションレベルで送受信するデータの発生タイミングを認識し、これを利用した動作を行うことが可能である。また、時刻情報の付加や抽出をＭＡＣ層で行うことで、アプリケーション層ではこれらの処理に係る負荷を生じることがないという効果も有する。

請求項２に記載の発明に寄れば、時刻情報を、ＩＥＥＥ８０２．１１で規定されるフレームフォーマットのＭＡＣヘッダ部のフォーマットを変更して付加することで、ＭＡＣ層で管理する時刻情報を容易に送受信することが可能である。

請求項３に記載の発明によれば、時刻情報を、ＩＥＥＥ８０２．１１で規定されるフレームフォーマットのデータ部分のみを変更して付加することで、従来の方法で送受信されるデータとの互換性を維持し、フレームフォーマットに係るシステムやプロトコルの変更を最小限に留めることが可能である。

請求項４に記載の発明によれば、時刻情報にＩＥＥＥ８０２．１１で規定されるＴＳＦＴＩＭＥＲを利用することで、時刻情報の処理を別途行う必要がないため、時刻情報を管理するための新たなパラメータや当該パラメータを取り扱う新たなデータフレームの送受信を必要とせず、アプリケーションレベルでの時刻同期や時刻情報の送受信を行うことが可能である。

図１は、この発明の一の実施の形態に係る無線通信を行うネットワークの概略図を示している。４台の端末局（無線通信装置）ＳＴＡ１〜ＳＴＡ４によって、ＢＳＳ（Basic Service Set）と呼ばれる無線ＬＡＮの基本単位が形成されている。ただし、この構成は単なる一例であり、本発明においては、無線ネットワークを構成する端末局の数が４台に制限されるものではない。

４台の端末局のうち、端末局ＳＴＡ１はマスタ端末局であり、親局としての役割を有する。これに対し、ＳＴＡ２〜ＳＴＡ４は、それぞれスレーブ端末局、則ち子局である。各スレーブ端末局ＳＴＡ２〜ＳＴＡ４は、親局となるマスタ端末局ＳＴＡ１の制御に従ってＰＣＦ（Point Coordination Function）方式による無線データ通信により互いにデータ交換を行う。尚、全ての端末局は、専用のハードウェアおよびソフトウェアプログラムによって実現され、マスタ端末局およびスレーブ端末局の区別は、ソフトウェアプログラムの動作により区別される。則ち、一の端末局がソフトウェアプログラムの動作によって、マスタ端末局としても、スレーブ端末局としても動作することができる。

データ交換は、ＩＥＥＥ８０２．１１に従って行われる。マスタ端末局ＳＴＡ１は、ほぼ一定時間ごとにビーコンフレームを送信し、ビーコンフレームの送信後、次回のビーコンフレームを送信するまでの間に、スレーブ端末局とのデータ通信を行う。

ビーコンフレームのＭＡＣヘッダ部には、マスタ端末局において内部管理される時刻情報が、ＴＳＦＴＩＭＥＲとして含まれている。マスタ端末局ＳＴＡ１の送信するビーコンを受信したスレーブ端末局ＳＴＡ２〜ＳＴＡ４が、ＴＳＦＴＩＭＥＲを利用して時刻同期することにより、例えばビーコン送出タイミングを全ての端末局間で同期している。

図２は、各端末局がデータを送信するときの動作を説明するための階層モデルである。本発明では、ＭＡＣ層の上位に位置するアプリケーション層においても時刻情報を利用できる点が従来とは異なる。図３は、実際に時刻情報を利用したデータ通信を行うときに送受信されるデータの様子を示している。図３中、白地部分はデータを送信する状態を示し、網掛け部分は同じタイミングで他の端末局から送信されたフレームを受信する状態を示し、梨地部分はＡＣＫ信号を受信する状態を示している。

以下、このときの動作について、図２，３を用いて説明する。

まず、マスタ端末局ＳＴＡ１は、ＭＡＣヘッダ部にＴＳＦＴＩＭＥＲを含むビーコンフレームＢを送信する。これを受信した各スレーブ端末局ＳＴＡ２〜ＳＴＡ４は、得られた時刻情報に受信遅延分を加算して、各端末局内部の時刻情報を同期する。

各端末局ＳＴＡ１〜ＳＴＡ４内部では、アプリケーションレベルで、マスタ端末局ＳＴＡ１に対するデータ送信を必要とする状態が発生する。例えば、各端末局での利用者の操作を報知するため、関連するデータを送信する必要が生じる場合などがある。ここでは、図３に示すように、時刻ｔａに端末局ＳＴＡ２でデータＤ２を送信する必要が生じ、次に時刻ｔｂに端末局ＳＴＡ４でデータＤ４を送信する必要が生じ、時刻ｔｃで端末局ＳＴＡ３でデータＤ３を送信する必要が生じたものとする。

各端末局ＳＴＡ２〜ＳＴＡ４では、送信する必要のあるデータが発生すると、アプリケーション層からＭＡＣ層に対して、データの送信要求がなされる。これを受けたＭＡＣ層では、アプリケーション層から受け取ったデータに対し、必要な情報をＭＡＣヘッダとして付加する。このとき付加する情報の中に時刻情報が含まれる。ここで時刻情報とは、先にビーコンフレームの受信によって同期した時刻に基づいて、アプリケーション層からデータの送信要求が発生した時刻を示す送信要求時刻のことを言う。

端末局ＳＴＡ２のＭＡＣ層では、アプリケーション層から渡されたデータＤ２に対し、時刻情報ｔａを含むＭＡＣヘッダが付加されたデータフレームｕｄ２が生成される。このとき、時刻情報の付加は、ＭＡＣヘッダ部のデータフォーマットを変更して付加してもよいし、その他、例えば図４に示すように、ＩＥＥＥ８０２．１１に準拠するフレームフォーマットにおいて、フレームボディ部分の先頭部分を８オクテット小さくして、この８オクテット分をタイムスタンプ部とし、ここにＴＳＦＴＩＭＥＲに基づく時刻情報を付加してもよい。他の端末局ＳＴＡ３，ＳＴＡ４でも同様に、ＭＡＣ層において、時刻ｔｃに係る情報が付加されたデータＤ３を含むデータフレームｕｄ３、時刻ｔｂに係る情報が付加されたデータＤ４を含むデータフレームｕｄ４、がそれぞれ生成される。

こうして生成されたデータフレームｕｄ２〜ｕｄ４は、マスタ端末局ＳＴＡ１からのポーリング要求があるまで、各端末局内部にバッファリングされる。

マスタ端末局ＳＴＡ１では、時刻Ｔ１にビーコンフレームＢを送信した後、ポーリングフレームＰｏｌｌを端末局ＳＴＡ２に送信する。端末局ＳＴＡ２は、このポーリングフレームＰｏｌｌを受信することにより、データフレームの送信権を得る。そして、端末局ＳＴＡ２は、マスタ端末局ＳＴＡ１に対してデータフレームｕｄ２を送信する。これにより、端末局ＳＴＡ２で発生したデータＤ２に加えて、データＤ２の送信が必要となった送信要求時刻ｔａをマスタ端末局ＳＴＡ１に通知することが可能となる。

マスタ端末局ＳＴＡ１は、端末局ＳＴＡ２より送信されたデータフレームｕｄ２を受信後、端末局ＳＴＡ３に対してポーリングフレームＰｏｌｌを送信する。端末局ＳＴＡ３は、このポーリングフレームＰｏｌｌを受信することにより、データフレームの送信権を得る。そして、端末局ＳＴＡ３は、データフレームｕｄ３を送信する。これにより、端末局ＳＴＡ３で発生したデータＤ３に加えて、データＤ３の送信が必要となった送信要求時刻ｔｃをマスタ端末局ＳＴＡ１に通知することが可能となる。

端末局ＳＴＡ３に送信されるポーリングフレームＰｏｌｌには、端末局ＳＴＡ２に対するデータフレームｕｄ２に係る応答信号であるＡＣＫ信号が含まれている。したがって、端末局ＳＴＡ２は、このポーリングフレームＰｏｌｌをモニタすることにより、正常にデータフレームｕｄ２が受信されたことを知ることができる。

そして、マスタ端末局ＳＴＡ１が、端末局ＳＴＡ４に対しても同様の動作を繰り返すことで、端末局ＳＴＡ４で発生したデータＤ４と、データＤ４の送信が必要となった送信要求時刻ｔｂとを、マスタ端末局ＳＴＡ１で認識することが可能となり、端末局ＳＴＡ３は、ポーリングフレームＰｏｌｌをモニタすることにより、正常にデータフレームｕｄ３が受信されたことを知ることができる。

これらのデータフレームの無線電波への変調や送信、無線電波の受信や復調などの動作は、物理層によって行われる。

データフレームを受信したマスタ端末局では、物理層で受信した無線電波から復調したデータがＭＡＣ層へ渡される。これを受けたＭＡＣ層では、データＤ２〜Ｄ４および送信要求時刻ｔａ〜ｔｃを抽出し、これをアプリケーション層へ引き渡す。こうして、アプリケーションレベルで、データＤ２〜Ｄ４に加えデータの送信要求時刻ｔａ〜ｔｃを認識することができる。

データ通信により、マスタ端末局ＳＴＡ１が受信するデータフレームはｕｄ２，ｕｄ３，ｕｄ４の順となる。そのため、アプリケーションレベルで時刻情報を利用する機能を持たない従来の無線通信であれば、マスタ端末局ＳＴＡ１は、データをＤ２，Ｄ３，Ｄ４の順に受信したことしか認識できない。しかし、上述した方法で無線通信を行えば、送信するデータに各データが発生し送信要求が行われた送信要求時刻に係る情報が含まれているため、これを受信したマスタ端末局ＳＴＡ１は、データを受信した順だけではなく、各データの発生順がＤ２，Ｄ４，Ｄ３であることを認識することが可能である。

以上のような本発明に係る無線通信方法は、産業用途、公共用途、娯楽用途などあらゆる方面で有効に利用することができる。

具体的には、例えば、携帯ゲーム機で、対戦ゲームを行うときに、各端末局で行った操作の順を認識することで、早押しなど、各操作の優先順位を反映した動作をすることが可能となる。また、複数の監視装置で撮像した監視映像を送受信するときに、各監視装置で撮像した映像を、監視映像を受信した順ではなく、撮像した時刻歴に基づいて表示することが可能となる。その他、複数の端末局間で、ＩＰ電話による通話を行うときに、受信した音声データを発生時刻に従って再生することで、受信遅延を原因とする通話の混乱を回避することも可能である。

尚、本実施例では、ＰＣＦ方式でデータ通信を行う場合について説明を行ったが、本発明はこれに限らず、ＤＣＦ（Distribution Coordination Function）方式など他の通信方法で利用する態様であっても構わない。

この発明の無線ネットワークの概略を示す図である。 この発明の無線通信方法を実現する階層モデルを示す図である。 この発明の時刻情報の送受信の状態を示す図である。 この発明の時刻情報を含むデータのフレームフォーマットを示す図である。

Claims (5)

1. ネットワークを構成し、無線によるデータ通信を行う無線通信方法であって、
   一の端末局において、
   アプリケーション層で発生したデータと、前記アプリケーション層からＭＡＣ層に前記データの送信要求がなされた送信要求時刻と、を含むデータフレームを、前記ＭＡＣ層で生成する工程と、
   他の端末局において、
   前記ＭＡＣ層で、受信した前記データフレームから前記送信要求時刻を抽出する工程と、
   抽出した前記送信要求時刻を前記ＭＡＣ層から前記アプリケーション層へ通知する工程と、
   を備えることを特徴とする無線通信方法。
2. 請求項１に記載の無線通信方法であって、
   前記送信要求時刻は、ＩＥＥＥ８０２．１１で規定されるデータフレームフォーマット内のＭＡＣヘッダ部に付加することを特徴とする無線通信方法。
3. 請求項１に記載の無線通信方法であって、
   前記送信要求時刻は、ＩＥＥＥ８０２．１１で規定されるデータフレームフォーマット内のフレームボディ部に付加することを特徴とする無線通信方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の無線通信方法であって、
   前記一の端末局および前記他の端末局において時刻を同期する工程をさらに備え、該工程は、ＩＥＥＥ８０２．１１で規定されるＴＳＦＴＩＭＥＲで実行され、
   前記送信要求時刻は、前記ＴＳＦＴＩＭＥＲに基づく時刻であることを特徴とする無線通信方法。
5. ネットワークを構成し、無線によるデータ通信を行う無線通信装置であって、
   アプリケーション層で発生したデータと、前記アプリケーション層からＭＡＣ層に前記データの送信要求がなされた送信要求時刻と、を含むデータフレームを、前記ＭＡＣ層で生成する手段と、
   前記ＭＡＣ層で、受信した前記データフレームから前記送信要求時刻を抽出する手段と、
   抽出した前記送信要求時刻を前記ＭＡＣ層から前記アプリケーション層へ通知する手段と、
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
   
   

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