JP4389670B2 - 無線機、無線通信システム、無線通信方法、プログラム - Google Patents

Description

本発明は、無線通信技術に関し、特に、無線通信システムおいて、消費電力を低下させるために受信動作を間欠的に行う無線機であって、更に、無線通信区間の負荷に応じて無線通信システム全体における消費電力を最適化する通信方法に関する。

従来の無線通信システムにおいて、無線機の消費電力を低下させるために、無線機中の受信機を間欠的に駆動するものがある。このような無線機の例として特許文献１のようなものがある。このシステムにおいて、送信側の無線機は、受信先の識別情報などからなる制御情報部が冗長に複数連続した起動電文と、送信データとからなるパケットを送信する。パケット中の起動電文を送信するのにかかる時間は、無線機中の受信機の駆動間隔以上であるため、受信側の無線機は、起動電文中のいずれかの制御情報部をキャリアセンスすることになる。キャリアセンスの結果、データの送信先が自局であると判断された場合、受信側の無線機の受信機は駆動状態となり、データを受信することができる。

このようなシステムでは、データを受信するまでにある一定の時間が必要となるが、常時受信機を起動状態にしている無線機と比較して、消費電力を低く抑えることが可能である。従って、このような無線通信システムは、受信側の無線機が電池で長時間駆動する小領域無線機、例えば、検針無線機、センサーネット無線機などに広く利用されており、またユビキタスコンピューティングが唱えられている今日、今後、環境に遍在する情報処理装置等に応用することも考えられる。
特開平１１−２７１９７号公報

上述のように従来の無線機では、受信機を間欠駆動させ、受信待ち受け時の消費電力を低下させている。このため、送信側の無線機の送信機は、受信側無線機の受信機が正確にパケットを受信できるように、受信機の駆動間隔以上の長さの起動電文を送信する必要がある。一般に、受信動作に必要な消費電流に対して送信動作に必要な消費電流は大きいと言われる。したがって、無線通信区間の負荷が増加するに従い、送信にかかる消費電流が増加するために、無線通信システム全体においては消費電力を抑えるという効果が著しく低下すると言える。

そこで、本発明の課題は、無線通信区間の負荷に応じて無線通信システム全体における消費電力を最適化する通信システムおよびその方法を提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明では、送信側の無線機に通信区間の負荷を計測する機能を設け、また、受信側の無線機のキャリアセンス時間を可変にすることで負荷に応じて送信側の無線機が送信する起動電文を間欠的に送信できるようにした。すなわち、通信区間が高負荷の場合は、冗長な制御情報部のうちいくつか間引くことで、実質的に起動電文長を短くし、送信機の駆動時間を短くすることができ、送信時の消費電力を低く抑えることができるようにした。

本発明の一態様は、受信側無線機の受信機が間欠キャリアセンスする無線通信システムにおける送信側無線機であって、パケットを送信する送信機と、データ受信を行う受信機と、自局が一定時間に前記送信機から送信するパケット数に基づいて、通信区間の負荷を計測する負荷計測手段と、前記負荷計測手段の計測結果に基づいて、通信区間の負荷に応じて、前記受信側無線機の受信機のキャリアセンス間隔は同一で、該受信機のキャリアセンス時間および送信側無線機が送信する制御情報部の送信休止間隔がそれぞれ異なる二つ以上の動作モードのうちいずれかの動作モードで送信側無線機および受信側無線機を動作させるかを決定する動作モード決定手段と、前記決定された動作モードに変更するように要求を相手局に前記送信機を介して送信し、前記受信機により相手局から応答を受信すると、自局の動作モードを変更する動作モード制御手段と、を備える。

また、本発明の一態様は、受信側無線機の受信機が間欠キャリアセンスをする無線通信システムにおける受信側無線機であって、パケットを送信する送信機と、間欠的に駆動され、キャリアセンスまたはデータ受信を行う受信機と、前記受信機により相手局から動作モード変更要求を受信すると、該要求に基づいて、前記受信機のキャリアセンス間隔は変えずに、キャリアセンス時間を変更するとともに、該相手局に応答を前記送信機を介して送信する動作モード制御手段と、を備える。

本発明によれば、無線通信区間が高負荷の場合、送信側の無線機が起動電文を間欠的に送信することが可能であり、これにより送信にかかる消費電力を低減することが可能となる。また、通信区間が低負荷の場合は従来どおり受信の消費電力を抑えた通信が可能となっており、通信区間の負荷に応じて無線通信システム全体の消費電力を最適化することができるといえる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態の無線通信システムを構成する無線機の内部構成例を示すものである。無線機は、受信機１、送信機２、データ処理および無線機制御の処理などを行うＣＰＵ３、通信区間の負荷を計測する負荷計測部６、負荷計測の結果に基づいて無線機の通信動作モードを決定する動作モード決定部５、無線機の動作モードの切り替え制御する動作モード制御部４、アンテナ７から成る。当該無線機は、双方向通信が可能であり、送信側にも受信側にも成りうる。しかしながら、以下説明を判りやすくするために、送信側無線機、受信側無線機はそれぞれ、送信側、受信側のみにしかならないとして説明を進めることにする。

図１において、送信側無線機は、ＣＰＵ３により起動電文およびデータとからなるパケットが生成され、該パケットは負荷計測部６を経て送信機２に送られ、送信機２からアンテナ７を経て相手局（受信側）へ送信される。負荷計測部６は、一定時間に送信されたパケット数をカウントしており、カウント結果を動作モード決定部５に伝達する。動作モード決定部５では、該カウント結果とあらかじめ決められた閾値とを比較して通信区間の負荷が高いか否かを判断する。例えば負荷が高いと判断された場合、高負荷モード通信をするという決定をし、また、負荷が低いと判断された場合、低負荷モード通信をするという決定をする。そして、その結果を動作モード制御部４に伝達する。動作モード制御部４では、動作モード決定部５の決定に基づき、相手局に動作モード変更に関わる情報を送信機２を介して送信し、その後、受信機１を介して相手局から応答を受信すると、自局の動作モードを変更する。

また、受信側無線機では、受信機１が間欠駆動されている。受信機１により、相手局から動作モード変更に関わる情報が受信されると、該情報は動作モード制御部４に伝達され、それに基づいて受信機１の動作モードの変更が行われる。そして、動作モード変更が終わると送信機２を介して相手局（送信側）へ応答を送信する。

以下、通信区間の負荷が低い場合と高い場合に合わせて、低負荷モードあるいは高負荷モードで動作する無線通信システムを例に、本発明の動作等をより詳細に説明する。
図２に通信区間の負荷が低い場合（低負荷モード）の通信を説明する図を示す。

低負荷の場合は、従来方式と同様な通信をする。送信側は制御情報部が連続的に繋がる起動電文とデータ部からなるパケットを送信する。制御情報部は、図３に示すように、ビット同期３０１、フレーム同期３０２、送信先ＩＤ３０３、受信先ＩＤ３０４、制御情報部の通し番号３０５、とから成る。起動電文は、制御情報部の通し番号３０５のみが異なり、他の部分は同一の制御情報部が連続的につながったものであり、その電文を送信するのにかかる時間は、（受信側のキャリアセンス間隔Ｔ＋制御情報部を送信するのにかかる時間Ｔａ）以上になるようにする。受信側は、キャリアセンス間隔Ｔで間欠的に受信機１を起動し、ｔ１時間の間、制御情報部の検出を行う。このとき、キャリアセンス時間ｔ１は、制御情報部を送信するのにかかる時間Ｔａの二倍（すなわち２Ｔａ）以上になるようにする。

キャリアセンスにより、図３に示した制御部情報の受信先ＩＤ３０４が自局のＩＤと一致する、すなわち自局がデータの受信先であることが検出されると、図２の受信側Ａに示すように、制御情報部の通し番号３０５によりデータ部が送信されるまで受信待機時間を計算し、その時間だけ待機し、データ部が送信されるタイミングで再度受信機を駆動し、データ受信を行う。データ受信の後は、キャリアセンス間隔Ｔで受信機１を間欠的に駆動する、通常の受信動作に移行する。これにより、受信側は受信機を間欠駆動し、受信待機時の消費電力を低減することができる。尚、キャリアセンスによって自局がデータの受信先ではないと検出された場合は、図２の受信側ＢおよびＣのようにキャリアセンス間隔Ｔで受信機１を間欠的に駆動する通常の受信動作を継続する。

つぎに図４に通信区間の負荷が高い場合（高負荷モード）の通信を説明する図を示す。
高負荷の場合は、起動電文として制御情報部を、送信休止時間Δｔを挟み間欠的に送信する。このとき、起動電文を送信するのにかかる時間は低負荷の場合と同様に（受信側のキャリアセンス起動間隔Ｔ＋制御情報部を送信するのにかかる時間Ｔａ）以上になるようにする。一方、受信側は、低負荷の場合と同様にキャリアセンス間隔Ｔで間欠的に受信機１を起動するが、キャリアセンス時間をｔ２に変更し、制御部情報の検出を行う。キャリアセンス時間ｔ２は、（２×制御情報部を送信するのにかかる時間Ｔａ＋送信休止時間Δｔ）以上となるようにする。これにより、間欠的に送信される制御情報部が受信側の受信機１によって受信されることが可能となる。受信側においては、受信機のキャリアセンス時間をΔｔだけ長くするため消費電力が増加してしまうが、送信側においては制御情報部を間欠的に送信する、すなわちこのことは、起動電文における制御情報部を間引くことに相当し、実質の起動電文長を短くすることができるため、送信機を駆動する時間が減少し、送信にかかる消費電力を低減することができる。前述したように、送信動作にかかる消費電流のほうが受信動作にかかるそれよりも大きいため、通信システム全体としての消費電力の低減効果は大きいといえる。

尚、高負荷モードの場合も、キャリアセンスにより自局がデータの受信先であると検出されると、低負荷モードの場合と同様に動作し、データ部を受信する。
図２、４を用いて低負荷モード、高負荷モード通信について説明したが、これらの通信動作の切り替えについて図５、図６を用いて説明する。

図５に、負荷に基づいて動作モードを変更するフローを示す。図５は、低負荷モードから高負荷モードに動作を切り替える場合について説明している。
通常無線機は低負荷モードで動作する。無線機は、一定時間あたりの自局の送信パケット数を常時計測し、これを負荷情報として無線機内部に保存している（Ｓ１）。これは図１における送信側無線機の負荷計測部６による処理である。このとき、送信側無線機の動作モード決定部５において、無線通信区間の負荷が無線機内部にあらかじめ記憶されている負荷の閾値を超えたと判断された場合（Ｓ２）、動作モード制御部４は、通信相手局の無線機へ動作モードを高負荷モードに変更を指示するための電文を送信機から送信させ、動作モードの変更を指示する（Ｓ３）。この電文を受信した無線機は、動作モードを高負荷に変更するとともに、応答電文を送信元の無線機に返送する。送信側の無線機は応答電文を受信すると（Ｓ４）、動作モード制御部４が自局の動作モードを変更して、一連の動作モード変更処理を終了する。

尚、これとは逆に負荷が閾値を下回った場合は、同様に動作モード変更指示の電文を送受信して、動作モードを高負荷モードから低負荷モードに変更する。
図６には、動作モードを変更する場合のシーケンスを示す。

送信側無線機が電文１から４を図２で説明した低負荷モードで、順次、受信側無線機に送信している。負荷判定の結果、動作モードの変更が必要と決定されると、動作モード変更要求電文が送信側から受信側に送信される。これに対応して、受信側で動作モード変更が行われると、受信側から送信側に動作モード変更応答電文が送信される。送信側で、該動作モード変更応答電文を受信されると、電文５からは図４で説明した高負荷モードで電文が送受信される。また特に図６には図示していないが、高負荷モードから低負荷モードに変更される場合も同様なシーケンスで動作モードが変更される。

以上、本発明の無線通信システムの実施例を詳細に説明した。
本発明によれば、無線通信区間の負荷が高いときに動作モードを切り替え、送信側の起動電文を間欠的に送信することができるため、高負荷で送信頻度が高い場合に、送信側の無線機の消費電力を従来のものよりも低減させることができる。更に、低負荷の場合は従来どおり受信の消費電力を抑えた通信が可能となっており、通信区間の負荷に応じて通信システム全体の消費電力の最適化を図ることが可能である。

尚、上記の説明では、無線機の動作モード決定部５、動作モード制御部４が、それぞれ低負荷モード、高負荷モードのいずれかに、決定もしくはそのように動作変更するような機能を備えると説明したが、動作モードとして２つ以上のモードが存在しても構わないし、もしくは、動作モード決定部５が、最適な送信側の送信休止時間および受信側のキャリアセンス時間を算出し、動作モード制御部４が該決定した時間になるように無線通信動作を制御するような構成でも構わない。

また、図１では、負荷計測部６、動作モード決定部５、動作モード制御部４はＣＰＵ３の外部に存在するように示したが、それぞれプログラムで実現され、ＣＰＵ３上で実現する構成にしても構わない。

すなわち、本発明は以上に述べた実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々の構成または形状をとることができる。

本発明の無線機の構成を示す図である。 低負荷の場合の通信を説明する図である。 制御情報部のデータ構造を示す図である。 高負荷の場合の通信を説明する図である。 負荷に基づき動作モードを変更するフローを示す図である。 動作モードを変更する場合のシーケンスを示す図である。

符号の説明

１ 受信機
２ 送信機
３ ＣＰＵ
４ 動作モード制御部
５ 動作モード決定部
６ 負荷計測部
７ アンテナ
３０１ ビット同期
３０２ フレーム同期
３０３ 送信先ＩＤ
３０４ 受信先ＩＤ
３０５ 制御部通し番号

Claims (11)

1. 受信側無線機の受信機が間欠キャリアセンスする無線通信システムにおける送信側無線機であって、
   パケットを送信する送信機と、
   データ受信を行う受信機と、
   自局が一定時間に前記送信機から送信するパケット数に基づいて、通信区間の負荷を計測する負荷計測手段と、
   前記負荷計測手段の計測結果に基づいて、通信区間の負荷に応じて、前記受信側無線機の受信機のキャリアセンス間隔は同一で、該受信機のキャリアセンス時間および送信側無線機が送信する制御情報部の送信休止間隔がそれぞれ異なる二つ以上の動作モードのうちいずれかの動作モードで送信側無線機および受信側無線機を動作させるかを決定する動作モード決定手段と、
   前記決定された動作モードに変更するように要求を相手局に前記送信機を介して送信し、前記受信機により相手局から応答を受信すると、自局の動作モードを変更する動作モード制御手段と、
   を備えることを特徴とする無線機。
2. 受信側無線機の受信機が間欠キャリアセンスをする無線通信システムにおける受信側無線機であって、
   パケットを送信する送信機と、
   間欠的に駆動され、キャリアセンスまたはデータ受信を行う受信機と、
   前記受信機により相手局から動作モード変更要求を受信すると、該要求に基づいて、前記受信機のキャリアセンス間隔は変えずに、キャリアセンス時間を変更するとともに、該相手局に応答を前記送信機を介して送信する動作モード制御手段と、
   を備えることを特徴とする無線機。
3. 請求項１または請求項２記載の無線機であって、
   前記動作モードには、低負荷モードまたは高負荷モードがあり、
   低負荷モードの場合、送信側無線機は起動電文を構成する制御情報部を、送信休止間隔０で連続的に送信し、受信側無線機はキャリアセンス間隔Ｔで、キャリアセンス時間が該制御情報部を送信するのにかかる時間の二倍以上になるように受信機を駆動してキャリアセンスを行い、
   高負荷モードの場合、送信側無線機は起動電文を構成する制御情報部を、送信休止間隔Δｔで間欠的に送信し、受信側無線機はキャリアセンス間隔Ｔを保持したままキャリアセンス時間が該制御情報部を送信するのにかかる時間の二倍＋Δｔ以上になるように受信機を駆動してキャリアセンスを行う、
   ことを特徴とする無線機。
4. 受信側無線機の受信機が間欠駆動する無線通信システムであって、
   前記無線通信システムを構成する送信側無線機は、
   パケットを送信する送信機と、
   データ受信を行う受信機と、
   自局が一定時間に前記送信機から送信するパケット数に基づいて、通信区間の負荷を計測する負荷計測手段と、
   前記負荷計測手段の計測結果に基づいて、通信区間の負荷に応じて、前記受信側無線機の受信機のキャリアセンス間隔は同一で、該受信機のキャリアセンス時間および送信側無線機が送信する制御情報部の送信休止間隔がそれぞれ異なる二つ以上の動作モードのうちいずれかの動作モードで送信側無線機および受信側無線機を動作させるかを決定する動作モード決定手段と、
   前記決定された動作モードに変更するように要求を相手局に前記送信機を介して送信し、前記受信機により相手局から応答を受信すると、自局の動作モードを変更する動作モード制御手段と、
   を備え、
   前記無線通信システムを構成する受信側無線機は、
   パケットを送信する送信機と、
   間欠的に駆動され、キャリアセンスまたはデータ受信を行う受信機と、
   前記受信機により相手局から前記動作モード変更要求を受信すると、該要求に基づいて、前記受信機のキャリアセンス間隔は変えずに、キャリアセンス時間を変更するとともに、該相手局に応答を前記送信機を介して送信する動作モード制御手段と、
   を備えることを特徴とする無線通信システム。
5. 受信動作を間欠的に行う無線通信方法であって、
   キャリアセンスの起動間隔を保持したまま、受信側におけるキャリアセンス時間を変化させ、前記キャリアセンス時間の変化に応じて送信側では制御情報部の送信休止間隔を変化させることを特徴とする無線通信方法。
6. 請求項５記載の無線通信方法において、前記受信側を起動するために前記送信側から送られるパケットヘッダの情報を間欠的に送信することを特徴とする無線通信方法。
7. 請求項５記載の無線通信方法において、前記送信側と受信側との間の通信負荷に応じて前記キャリアセンス時間と前記制御情報部の送信休止間隔を決定することを特徴とする無線通信方法。
8. 受信側無線機の受信機が間欠キャリアセンスをする無線通信方法であって、
   通信区間の負荷に応じて、受信側無線機の受信機のキャリアセンス間隔は変更せずに、キャリアセンス時間および、送信側無線機が送信する起動電文を構成する制御情報部を間欠的に送信するか否かを決定し、更に制御部情報を間欠的に送信する場合はその間隔を決定し、
   前記決定されたキャリアセンス時間および制御部情報の間欠間隔になるように受信側および送信側無線機を動作制御する、
   ことを特徴とする無線通信方法。
9. 受信側無線機の受信機が間欠キャリアセンスを行う無線通信方法であって、
   前記無線通信を行う送信側の無線機は、
   自局が一定時間に送信するパケット数に基づいて、通信区間の負荷を計測し、
   前記計測された結果に基づいて、通信区間の負荷に応じて、前記受信側無線機の受信機のキャリアセンス間隔は同一で、該受信機のキャリアセンス時間および送信側無線機が送信する制御情報部の送信休止間隔がそれぞれ異なる二つ以上の動作モードのうちいずれかの動作モードで送信側無線機および受信側無線機を動作させるかを決定し、
   前記決定された動作モードに変更するように要求を相手局に前記送信機を介して送信し、前記受信機のより相手局から応答を受信すると、自局の動作モードを変更し、
   前記無線通信を行う受信側の無線機は、
   前記受信機により相手局から前記動作モード変更要求を受信すると、該要求に基づいて、前記受信機のキャリアセンス間隔は変えずに、キャリアセンス時間を変更するとともに、該相手局に応答を送信機を介して送信する、
   ことを特徴とする無線通信方法。
10. 受信側無線機の受信機が間欠キャリアセンスを行う無線通信システムにおける送信側の無線機に実行させるためのプログラムであって、
    自局が一定時間に前記送信機から送信するパケット数に基づいて、通信区間の負荷を計測する機能と、
    前記負荷計測手段の計測結果に基づいて、通信区間の負荷に応じて、前記受信側無線機の受信機のキャリアセンス間隔は同一で、該受信機のキャリアセンス時間および送信側無線機が送信する制御情報部の送信休止間隔がそれぞれ異なる二つ以上の動作モードのうちいずれかの動作モードで送信側無線機および受信側無線機を動作させるかを決定する機能と、
    前記決定された動作モードに変更するように要求を相手局に前記送信機を介して送信し、受信機により相手局から応答を受信すると、自局の動作モードを変更する機能と、
    を含んでなるプログラム。
11. 受信側無線機の受信機が間欠キャリアセンスを行う無線通信システムにおける受信側無線機に実行させるためのプログラムであって、
    送信側無線機から送信される、通信区間の負荷に応じた無線機の動作変更情報に基づいて、キャリアセンス間隔は変更せずに、キャリアセンス時間を変更する機能と、
    前記送信側無線機に、前記動作変更要求を受信し動作を変更したことを示す応答を送信する機能と、
    を含んでなるプログラム。

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