JP4477022B2 - 無線基地局、無線ノード、無線通信システム、及び無線通信方法 - Google Patents

無線基地局、無線ノード、無線通信システム、及び無線通信方法 Download PDF

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Description

本発明は、搭載電力が限られた無線ノードからのランダムアクセス方式における、低消費電力化に対応したバックオフプロトコルにより動作する無線基地局装置、無線ノード、無線通信システム、及び無線通信方法の技術に関する。
一般的に、バックオフプロトコルとは、コンテンションウィンドウ(CW)値を用い、[0,CW)の範囲において一様に分布する乱数を発生させ、発生した数値に単位時間を乗算させることにより決定されるバックオフ時間を、任意のポリシーに従って減算させていき、減算結果がゼロになった時点にて、データの送信を行う方式である。
例えば、無線LAN(IEEE802.11)にて採用しているバックオフプロトコルにおいては、ランダム送信したパケットの不達を確認すると、送信しようとしている無線ノードが規定の範囲内で乱数を発生させ、その乱数値を基にしたバックオフ時間を設定する。このバックオフ時間の単位はスロットタイムであり、キャリアセンスの結果アイドルであればスロット毎に減算し、減算結果がゼロになったら、不達が確認されたパケットを再び送信する。
この無線LANにおける電力削減策として、EDA(Energy-efficient Distributed Access)方式が提案されている。本方式では、無線ノードは、バックオフ中はスリープ状態に遷移し、バックオフ時間はネットワーク媒体の状態に関わらず一定の割合で減算される。そして、バックオフ時間がゼロになった後は、一定時間(SIFS)に渡ってキャリアセンスし、ネットワーク媒体がアイドル状態であれば送信を行う。
一方、ZigBee(IEEE802.15.4)にて採用しているバックオフプロトコルにおいては、送信しようとしている無線ノードが規定の範囲内で乱数を発生させ、その乱数値を基にしたバックオフ時間を無線ノードに設定する。設定されたバックオフ時間は、無線ノードで、フレーム内のCAP(Contention Access Period)領城に基づき減算されていき、ゼロになった後は、無線ノードがキャリアセンスを行い、ネットワーク媒体がアイドル状態であれば送信を行う。また、無線ノードは、ネットワーク媒体がアイドル状態でなければ、バックオフ時間を再設定する。
このZigBeeにおける電力削減策として、BLE(Battery Life Extension)モードが存在する。本モードでは、バックオフ時間が短く制限され、長い期間バックオフすることによって電力を消費するのを抑制している。
IEEE Std. 802.15.4-2003, Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). Baiamonte,A. and Chiasserini,C.F., "An energy-efficient MAC layer scheme for 802.11-based WLANs", Proc IEEE Performance, Computing and Communications Conference (PCCC) 2004,pp.689-694,2004.
上記無線LAN(IEEE802.11)におけるバックオフプロトコルにおいては、無線ノードがネットワーク媒体の状態に応じて、バックオフ時間の減算を制御する必要があるため、無線ノードは、バックオフ中は常にキャリアセンスを行い、ネットワーク媒体の状態を監視する必要がある。従って、バックオフ期間は無線ノードを受信可能な状態で待機させる必要があるため、多くの電力を消費する。
この無線LANにおけるEDA方式においては、バックオフ中のバックオフ時間の減算割合がネットワーク媒体の状態に関わらず一定であるため、EDA方式によるバックオフ時間はネットワークが輻輳するに従って、本来のバックオフ時間との誤差が大きくなる。仮に、バックオフする前に、キャリアセンスを行ってネットワークの輻輳度を検出して、その結果に基づきバックオフ時間の減算割合を設定する場合、キャリアセンスの期間が長いほど検出されるネットワークの輻輳度は正確になるが、電力を多く消費することになるという問題がある。
一方、上記ZigBee(IEEE802.15.4)におけるバックオフプロトコルにおいては、無線ノードは、フレーム毎にバックオフ時間とフレーム内のバックオフ時間の減算対象期間(CAP領域)を比較し、バックオフ時間の方が大きければ、バックオフ時間から減算対象期間を減算して、次のフレームの減算対象期間を参照する。従って、無線ノードは、バックオフ中は前記フレーム内のバックオフ時間の減算対象期間を検出するために、フレーム周期毎にフレームの構成情報を受信する必要があるため、電力を消費する。
このZigBeeにおけるBLEモードでは、バックオフ時間を短く設定し、長い期間バックオフすることによって、無線ノードが電力を消費するのを抑制している。しかし、送信をする無線ノードが、多数存在するネットワークでは、送信の衝突率が上昇して、チャネルの伝送効率が低下するという問題がある。
また、フレーム単位でバックオフを行い、アクティブ状態に遷移した直後のフレームで送信した場合、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信システムにおいては、フレームによってランダムアクセスでパケットを送信できる期間が異なるため、フレーム間の衝突確率が不均一となり、チャネルの伝送効率が低下するという問題がある。
本発明は、上述の課題を鑑み、バックオフプロトコルにおいて、無線ノードの消費電力の低減を図れるようにした無線基地局、無線ノード、無線通信システム、及び無線通信方法を提供することを目的とする。
この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、バックオフプロトコルによりパケットの送受信を行い、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信システムにて用いられる無線基地局であって、前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視するスケジューリング部と、フレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出する減算レート算出部と、前記算出した減算レートを無線ノードに対して通知する送信部とを有することを特徴とする無線基地局である。
請求項2に記載の発明は、バックオフプロトコルによりパケットの送受信を行い、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信システムにて用いられる無線基地局であって、前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視するスケジューリング部と、フレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出する減算レート算出部と、前記減算レートに基づいてバックオフパラメータを算出するバックオフパラメータ算出部と、前記算出したバックオフパラメータを無線ノードに対して通知する送信部とを有することを特徴とする無線基地局である。
請求項3に記載の発明は、バックオフプロトコルによりパケットの送受信を行い、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信システムにて用いられる無線ノードであって、無線基地局から送出された前記減算レート、又は、バックオフパラメータを受信する受信部と、前記受信部が受信した減算レート、又は、バックオフパラメータに基づいて、バックオフ時間を算出するバックオフ時間算出部と、前記算出したバックオフ時間が予め定められた所定値より長ければ、前記算出したバックオフ時間に基づいて、機器をスリープ状態に設定し、前記バックオフ時間の経過を検出すると機器をアクティブ状態に設定する電源管理部と、前記バックオフ時間の経過後に、パケットを送信するように送信タイミングを制御する送信タイミング検出部と、前記パケットを前記無線基地局に送信する送信部とを有することを特徴とする無線ノードである。
請求項4に記載の発明は、前記バックオフ時間算出部は、前記バックオフ時間の経過後に、再度バックオフ時間を算出し、前記送信タイミング検出部は、前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間と前記バックオフ時間とを比較し、前記比較した結果が、前記バックオフ時間が前記減算対象期間より長ければ、前記バックオフ時間から前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を減算して、パケットの送信を待機し、前記バックオフ時間が前記減算対象期間より短いか又は等しければ、パケットを送信することを特徴とする請求項3に記載の無線ノードである。
請求項5に記載の発明は、前記送信タイミング検出部は、前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間の範囲で一様にランダムな送信タイミングを選択してパケットを送信することを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の無線ノードである。
請求項6に記載の発明は、無線基地局と無線ノードとからなり、バックオフプロトコルによりパケットの送受信を行い、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信システムであって、前記無線基地局は、前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視するスケジューリング部と、フレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出する減算レート算出部と、前記算出した減算レートを前記無線ノードに対して通知する送信部とを有し、前記無線ノードは、前記無線基地局から送出された減算レートを受信する受信部と、前記受信部が受信した減算レートに基づいて、バックオフ時間を算出するバックオフ時間算出部と、前記算出したバックオフ時間が予め定められた所定値より長ければ、前記算出したバックオフ時間に基づいて、機器をスリープ状態に設定し、前記バックオフ時間の経過を検出すると機器をアクティブ状態に設定する電源管理部と、前記バックオフ時間の経過後に、パケットを送信するように送信タイミングを制御する送信タイミング検出部と、前記パケットを前記無線基地局に送信する送信部とを有することを特徴とする無線通信システムである。
請求項7に記載の発明は、無線基地局と無線ノードとからなり、バックオフプロトコルによりパケットの送受信を行い、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信システムであって、前記無線基地局は、前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視するスケジューリング部と、フレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出する減算レート算出部と、前記減算レートに基づいてバックオフパラメータを算出するバックオフパラメータ算出部と、前記算出したバックオフパラメータを前記無線ノードに対して通知する送信部とを有し、前記無線ノードは、前記無線基地局から送出されたバックオフパラメータを受信する受信部と、前記受信部が受信したバックオフパラメータに基づいて、バックオフ時間を算出するバックオフ時間算出部と、前記算出したバックオフ時間が予め定められた所定値より長ければ、前記算出したバックオフ時間に基づいて、機器をスリープ状態に設定し、前記バックオフ時間の経過を検出すると機器をアクティブ状態に設定する電源管理部と、前記バックオフ時間の経過後に、パケットを送信するように送信タイミングを制御する送信タイミング検出部と、前記パケットを前記無線基地局に送信する送信部とを有することを特徴とする無線通信システムである。
請求項8に記載の発明は、無線基地局と無線ノードとの間で、バックオフプロトコルによりパケットの送受信を行い、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信方法であって、前記無線基地局は、前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視し、前記フレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出し、前記算出した減算レートを前記無線ノードに対して通知し、前記無線ノードは、前記無線基地局から送出された減算レートを受信し、前記受信した減算レートに基づいて、バックオフ時間を算出し、前記算出したバックオフ時間が予め定められた所定値より長ければ、前記算出したバックオフ時間に基づいて、機器をスリープ状態に設定し、前記バックオフ時間の経過を検出すると機器をアクティブ状態に設定し、パケットを送信する、ことを特徴とする無線通信方法である。
請求項9に記載の発明は、無線基地局と無線ノードとの間で、バックオフプロトコルによりパケットの送受信を行い、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信方法であって、前記無線基地局は、前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視し、前記フレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出し、前記減算レートに基づいてバックオフパラメータを算出し、前記算出したバックオフパラメータを前記無線ノードに対して通知し、前記無線ノードは、前記無線基地局から送出されたバックオフパラメータを受信し、前記受信したバックオフパラメータに基づいて、バックオフ時間を算出し、前記算出したバックオフ時間が予め定められた所定値より長ければ、前記算出したバックオフ時間に基づいて、機器をスリープ状態に設定し、前記バックオフ時間の経過を検出すると機器をアクティブ状態に設定し、パケットを送信する、ことを特徴とする無線通信方法である。
本発明によれば、無線基地局がバックオフ時間の減算対象となるアクセス期間の割合を監視し、その割合を基にバックオフ時間の減算レートを算出し、その減算レート又は減算レートを基に算出したバックオフパラメータを各ノードに通知し、一方、各無線ノードは受信した減算レート又はバックオフパラメータを基に、バックオフの時間をフレーム単位で算出し、当該バックオフ時間はスリープ状態に遷移することができ、消費電力を従来例に比較して削減することができる。また、減算レートにはネットワーク媒体の輻輳度が反映されているため、本来のバックオフ時間との誤差が小さい。また、本発明によれば、各無線ノードに対して隠れ端末が多く存在して、各無線ノードによる自律的キャリアセンスによりネットワーク媒体の輻輳度が正確に把握できないシステムにおいても有効に機能する。
本発明によれば、ネットワーク媒体の状態などを監視しないと正確なバックオフ時間が決まらないシステムにおいて、バックオフ時間の減算を正確に行うことが可能となり、従来のバックオフプロトコルを使用したシステムに対して、各ノードの送信確率を的確に制御することができ、システムのスループットを低下させることを抑制する、又はバックオフ中スリープ状態に遷移しない従来のバックオフプロトコルと混在して使用した時に、得られるスループットに公平性を保つことができる。
また、本発明によれば、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信システムにおいて、バックオフを行った場合でも、再度バックオフを行いランダムアクセスでパケットを送信するフレームを調整することで、各フレームに対して無線ノードの送信を分散できる。
また、本発明によれば、フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間の範囲内で一様に分布する乱数で送信タイミングを決定することで、フレーム内のアクセス期間に対して無線ノードの送信を分散できる。
以下、本発明の第1の実施形態による無線通信システムにおける無線基地局及び無線ノードを図面を参照して説明する。
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態の無線システムにおける無線基地局1の構成例を示すブロック図であり、図2は、本発明の第1の実施形態の無線システムにおける無線ノード2の構成例を示すブロック図である。
図1において、無線基地局1は、受信部11a、11bと、送信部12a、12bと、転送部13と、スケジューリング部14と、減算レート算出部15と、バックオフパラメータ算出部16とを有している。ここで、受信部11aは無線ノード2からのパケットを受信し、送信部12aは無線ノード2に対してパケットを送信する。
受信部11bおよび送信部12bは、他の無線基地局または上位のサーバと、有線ネットワークまたは無線ネットワークを介して接続されている。
転送部13は、受信部11aから入力したパケットを加工処理(例えば、宛先アドレス変更など)し、送信部12bから送信する。
スケジューリング部14は、フレーム周期における上り回線時間を検出し、フレーム周期及び上り回線時間を減算レート算出部15へ出力する。すなわち、スケジューリング部14は、図3に示すフレーム構成において、フレーム周期Tにおける上り回線時間tを検出し、検出したフレーム周期T及び上り回線時間tの情報を減算レート算出部15へ出力する。ここで、上り回線は、例えば無線ノード2が無線基地局1へランダムにパケットを送信するアクセス領域である。本実施形態におけるバックオフプロトコルでは、図3における上り回線時間tをバックオフ時間の減算対象期間とする。
図1において、減算レート算出部15は、スケジューリング部14から出力されたフレーム周期T及び上り回線時間tの情報を受信し、受信した上り回線時間tを受信したフレーム周期Tにより除算することにより、減算レートRを算出する。そして、減算レート算出部15は、算出された減算レートRの値の情報を転送部13又はバックオフパラメータ算出部16へ出力する。
なお、この実施形態では、直前のフレーム構成により減算レートRを算出しているが、隣接するフレーム間にて急激にフレームにおける上り回線時間tの比率が急激に変化する場合には、直前の減算レートと直前のフレーム構成による減算レートRとの加算平均をとるようにして、減算レートRを算出するようにしても良い。又は、スライディングウィンドウ方式によりウィンドウ内の上り回線時間の平均を用いて減算レートRを算出しても構わない。
バックオフパラメータ算出部16は、それまでのバックオフパラメータを減算レートRにより除算することにより、新たなバックオフパラメータPを算出し、転送部13へ出力する。
転送部13は、送信部12aを介して、上記減算レートR又は上記バックオフパラメータPを各無線ノード2にフレーム周期で送出する。
図2において、無線ノード2は、受信部21と、送信部22と、データ生成部23と、バックオフ時間算出部24と、電源管理部25と、送信タイミング検出部26とクロック部27とを有している。
受信部21は、無線基地局1からのパケットを受信する。送信部22は、無線基地局1に対してパケットを送信する。データ生成部23は、無線基地局1へ送信するパケットを生成する。
前述したように、無線基地局1からは減算レートR又はバックオフパラメータPがフレーム周期に送出されており、受信部21は、この減算レートR又はバックオフパラメータPを受信し、バックオフ時間算出部24に送信する。
バックオフ時間算出部24は、受信した減算レートR又はバックオフパラメータPを用いて、バックオフ時間を算出する。すなわち、受信した減算レートRを用いてバックオフ時間を算出する場合には、バックオフ時間算出部24は、既に保持しているバックオフパラメータと再送回数に基づいてバックオフパラメータを算出し、この算出したバックオフパラメータに対して、受信した減算レートRで除算することにより、バックオフ時間を算出する。また、バックオフパラメータPを用いてバックオフ時間を算出する場合には、バックオフ時間算出部24は、受信したバックオフパラメータPと再送回数に基づいて、バックオフ時間を算出する。
バックオフ時間算出部24は、無線ノード2をアクティブ状態からスリープ状態へ遷移するか否かを判定するための予め定められた比較値を有している。そして、バックオフ時間算出部24は、バックオフ時間と予め定められた比較値とを比較し、バックオフ時間が予め定められた比較値より大きいことを検出した場合、電源管理部25にスリープ指示を送出する。そして、バックオフ時間算出部24は、バックオフ時間のカウントダウンを行い、バックオフ時間のカウント値がゼロになると、電源管理部25にアクティブ指示を、送信タイミング検出部26に送信指示を送出する。
つまり、バックオフ時間算出部24は、バックオフ時間が予め定められた比較値より大きいことを検出した場合、バックオフ時間として指定された期間、無線ノード2をスリープ状態に設定し、バックオフ時間の経過を検出すると、無線ノード2をアクティブ状態に遷移させ、送信タイミング検出部26に送信指示を送る。
電源管理部25は、バックオフ時間算出部24からのアクティブ指示又はスリープ指示に基づいて、無線ノード2の電源を管理することにより、無線ノード2をアクティブ状態とスリープ状態とに設定できる。ここで、アクティブ状態とは、各部に電源が供給され、各部が通常動作を行える状態であり、スリープ状態とは、少なくとも、受信部21、送信部22、バックオフ時間算出部24、送信タイミング検出部26への電源の供給を停止し、その動作を停止させた状態であり、また加えて、クロック部27に対してコマンドを送出し、クロックの周波数を低く設定した状態である。このスリープ状態においては、無線ノードの消費電力は低くなっている。
送信タイミング検出部26は、バックオフ時間算出部24からの送信指示が入力されると、受信したフレーム情報に基づき、送信タイミングを検出する。送信タイミング検出部26は、送信タイミングを検出すると、データ生成部23に対してパケットの送信を指示する送信制御信号を出力する。これにより、データ生成部23は、送信部22を介して、無線基地局1に対して、パケットを送信する。
次に、図4を用いて、本発明の第1の実施形態の無線通信システムにおけるパケットの送受信の流れについて説明する。ここでは、無線基地局1と、2つの無線ノード2a、2bとの間のバックオフプロトコルを用いた場合における、パケットの送受信の流れについて説明する。
図4において、無線ノード2aは、時刻ta0でパケットを生起し(ステップS1001)、時刻ta1で、無線基地局1からの減算レートR1又はバックオフパラメータP1を受信すると(ステップS1002)、減算レートR1又はバックオフパラメータP1を用いて、バックオフ時間を算出する(ステップS1003)。
ここでは、この結果、バックオフ時間が予め定められた比較値より長くなったものとして説明する。バックオフ時間が予め定められた比較値より長いことが検出されると、無線ノード2aは、バックオフ時間の間、スリープ状態に設定される(ステップS1004)。そして、無線ノード2aは、バックオフ時間が経過した時刻ta2で、スリープ状態からアクティブ状態に遷移し(ステップS1005)、時刻ta2から後に、パケットを送信する(ステップS1006)。
これに対して、無線ノード2bにおいては、時刻tb0でパケットを生起し(ステップS1007)、時刻tb1で減算レートR2又はバックオフパラメータP2を受信すると(ステップS1008)、減算レートR2又はバックオフパラメータP2を用いて、バックオフ時間を算出する(ステップS1009)。
ここでは、この結果、バックオフ時間が予め定められた比較値より短くなったものとして説明する。バックオフ時間が予め定められた比較値より短い場合には、無線ノード2bは、アクティブ状態のまま維持される。そして、無線ノード2bは、バックオフ時間が経過した時刻tb2以降に、パケットを送信する(ステップS1010)。
次に、図5のシーケンス図を用いて、図4に示した無線基地局1と無線ノード2a、2bとから構成される、本発明の第1の実施形態の無線通信システムのパケットの送受信における動作について説明する。
図5において、無線ノード2aのデータ生成部23がパケットを生成する(ステップS1)。無線基地局1は、減算レートR1又はバックオフパラメータP1を報知し、無線ノード2aの受信部21は、無線基地局1が報知した減算レートR1又はバックオフパラメータP1を受信する(ステップS2)。そして、無線ノード2aのバックオフ時間算出部24は、バックオフ時間を算出し(ステップS3)、算出したバックオフ時間が予め定められた比較値より長いかどうかを検出する。
ここでは、予め定められた比較値よりバックオフ時間が長いことが検出されるため、無線ノード2aがスリープ状態に遷移する(ステップS4)。
次に、無線ノード2bのデータ生成部23がパケットを生成する(ステップS5)。無線基地局1は、減算レートR2又はバックオフパラメータP2を報知し、無線ノード2bの受信部21は、無線基地局1が報知した減算レートR2又はバックオフパラメータP2を受信する(ステップS6)。そして、無線ノード2bのバックオフ時間算出部24は、バックオフ時間を算出し(ステップS7)、算出したバックオフ時間が予め定められた比較値より長いかどうかを検出する。
ここでは、予め定められた比較値よりバックオフ時間が短いことが検出されるため、無線ノード2bは、アクティブ状態のままである。無線ノード2bの送信タイミング検出部26は、パケットの送信時間となったことを検出すると、無線ノード2bのデータ生成部23に対して制御信号を出力することにより、無線ノード2bの送信部22を介し、生成したパケットが無線基地局1に対してランダムアクセス方式で送信する(ステップS8)。
次に、無線ノード2bのバックオフ時間算出部24がバックオフ時間が経過したことを検出して、無線ノード2aをアクティブ状態に遷移させる(ステップS9)。アクティブ状態に遷移した後、無線ノード2aの送信タイミング検出部26は、パケットの送信時間となったことを検出し、無線ノード2aのデータ生成部23に対して制御信号を出力することにより、無線ノード2aの送信部22を介し、生成したパケットを無線基地局1に対してランダムアクセス方式で送信する(ステップS10)。
<第2の実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態による無線通信システムを説明する。なお、本発明の第2の実施形態において、無線基地局1及び無線ノード2の構成については、第1の実施形態と同様の構成について同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。以下、第1の実施形態と異なる構成及び動作のみについて説明する。
本発明の第2の実施形態では、バックオフ時間が経過するまでスリープ状態に遷移している無線ノード2のバックオフ時間算出部24は、アクティブ状態に遷移した後、再度、バックオフ時問を設定して、送信タイミングを制御するようにしている。
すなわち、本発明の第2の実施形態では、バックオフ時間算出部24は、バックオフ時間の経過時に、無線ノード2をアクティブ状態に遷移させ、バックオフ時間を再計算する。
バックオフ時間算出部24は、既に保持しているバックオフパラメータに基づきバックオフ時間を算出する。ここでは、スロッテッド・アロハに基づくRA(Random Access)スロットを通じて行うランダムアクセスとしているため、スロットを単位とするバックオフ時間を算出しているが、ピュア・アロハに基づくランダムアクセスでは、シンボルなどを単位とするバックオフ時間を算出する。
バックオフ時間算出部24は、上記バックオフ時間の長さに関わらず、無線ノード2をスリープ状態に遷移させず、アクティブ状態を保持して、送信タイミング検出部26に送信指示を送信する。
送信タイミング検出部26は、バックオフ時間算出部24からの送信指示コマンドが入力されると、受信したフレーム情報と上記バックオフ時間に基づき、送信タイミングを検出する。すなわち、送信タイミング検出部26において、受信したフレーム情報からフレーム内のバックオフ減算対象期間、すなわちフレーム内の上り回線時間を参照し、上記フレーム内のバックオフ減算対象期間と上記バックオフ時間とを比較する。
送信タイミング検出部26は、比較した結果が、上記バックオフ時間の方が長い場合には、バックオフ時間から上記フレーム内のバックオフ減算対象期間を減算して、次のフレームまで待機する。逆に、送信タイミング検出部26は、比較した結果が、上記バックオフ時間の方が短い場合には、当該フレーム内でパケットを送信することを決定する。
当該フレーム内でパケットを送信することを決定した送信タイミング検出部26は、フレーム内のバックオフ減算対象期間の範囲内で一様ランダムに送信タイミングを決定する。送信タイミングを検出すると、データ生成部23に対してパケットの送信を指示する送信制御指示を出力する。データ生成部23は、上記送信制御信号が入力されると、無線基地局1に対して、送信部22を介してパケットを送信する。
次に、図6を用いて、本発明の第2の実施形態の無線通信システムにおいて、無線基地局1と、無線ノード2との間のバックオフプロトコルを用いた場合の、パケットの送受信の流れについて説明する。
図6において、無線ノード2は、時刻ta100でパケットを生起し(ステップS2001)、時刻ta101で減算レートR1又はバックオフパラメータP1を受信すると(ステップS2002)、減算レートR1又はバックオフパラメータP1を用いて、バックオフ時間を算出する(ステップS2003)。この結果、バックオフ時間が予め定められた比較値より長くなったとする。バックオフ時間が予め定められた比較値より長いことが検出されると、無線ノード2は、バックオフ時間の間、スリープ状態に設定される(ステップS2004)。
無線ノード2のバックオフ時間算出部24は、時刻ta102で、バックオフ時間が経過すると、無線ノード2をアクティブ状態に遷移させる(ステップS2005)。無線基地局1は、減算レートRm又はパラメータPmと共にフレーム内のRAスロット数をフレーム周期で報知し、無線ノード2は、無線基地局1からのフレーム情報を受信し(ステップS2006)、無線ノード2のバックオフ時間算出部24は、バックオフ時間を算出する(ステップS2007)。無線ノード2の送信タイミング検出部26は、受信したRAスロット数とバックオフ時間とを比較する。ここでは、バックオフ時間の方が長かったものとして説明する。バックオフ時間の方が長ければ、無線ノード2の送信タイミング検出部26は、バックオフ時間からRAスロット数を引いた値をバックオフ時間に設定し、次のフレームまで待機する。
次のフレームにおける時刻ta103で、無線基地局1は減算レートRm+1又はパラメータPm+1と共にフレーム内のRAスロット数をフレーム周期で報知し、無線ノード2は、無線基地局1からのフレーム情報を受信する(ステップS2008)。無線ノード2の送信タイミング検出部26は、受信したRAスロット数とバックオフ時間とを比較する。ここでは、バックオフ時間の方が短かったものとして説明する。バックオフ時間の方が短ければ、無線ノード2の送信タイミング検出部26は、当該フレームで無線ノード2がパケットを送信することを決定する。
無線ノード2は、受信したRAスロット数の範囲内で一様ランダムにパケットを送信するためのスロットを選択し、選択したスロットを送信タイミングとし、送信タイミングの時刻ta104において、パケットをランダム送信する(ステップS2009)。
次に、図7のシーケンス図を用いて、図6に示した無線基地局1と無線ノード2とから構成される無線通信システムのパケットの送受信における動作について説明する。
図7において、無線ノード2のデータ生成部23がパケットを生成する(ステップS101)。無線基地局1は、減算レートR1又はバックオフパラメータP1を報知し、無線ノード2の受信部21は、無線基地局1が報知した減算レートR1又はバックオフパラメータP1を受信する(ステップS102)。そして、無線ノード2のバックオフ時間算出部24は、バックオフ時間を算出し(ステップS103)、バックオフ時間算出部24は、算出したバックオフ時間が予め定められた比較値より長いかどうかを検出する。ここでは、予め定められた比較値よりバックオフ時間が長いことが検出されるため、無線ノード2がスリープ状態に遷移する(ステップS104)。
次に、無線ノード2のバックオフ時間算出部24が、バックオフ時間が経過したことを検出して、無線ノード2をアクティブ状態に遷移させ(ステップS105)、バックオフ時間を算出する(ステップS106)。無線基地局1が減算レートRm又はバックオフパラメータPmと共に報知した当該フレームのRA、スロット数を無線ノード2の受信部21が受信し(ステップS107)、送信タイミング検出部26がバックオフ時間からRAスロット数を減算し、受信したRAスロット数より長いかどうかを検出する(ステップS108)。ここでは、前記バックオフ時間が受信したRAスロット数より長いため、バックオフ時間からRAスロット数を減算し、その減算した値をバックオフ時間に設定する。
次のフレームでも同様に、無線基地局1が減算レートRm+1又はバックオフパラメータPm+1と共に報知した当該フレームのRA、スロット数を無線ノード2の受信部21が受信し(ステップS109)、送信タイミング検出部26がバックオフ時間からRAスロット数を減算し、受信したRAスロット数より長いかどうかを検出する(ステップS110)。
ここでは、前記バックオフ時間が受信したRAスロット数より短い又は等しい、すなわちバックオフ時間からRAスロット数を減算した値がゼロ以下になったため、前記RAスロット数の範囲内で一様ランダムにスロットを1つ選択し、無線ノード2の送信タイミング検出部26がパケットの送信時間となったことを検出し、無線ノード2のデータ生成部23に対して制御信号を出力することにより、送信部22を介し、生成したパケットを無線基地局1に対してランダムアクセス方式で送信する(ステップS111)。
以上説明したように、本実施形態によれば、無線基地局がバックオフ時間の減算対象となるアクセス期間の割合を監視し、その割合を基にバックオフ時間の減算レートを算出し、その減算レート又は減算レートを基に算出したバックオフパラメータを各ノードに通知し、一方、各無線ノードは受信した減算レート又はバックオフパラメータを基に、バックオフの時間を算出し、当該バックオフ時間はスリープ状態に遷移することができ、消費電力を従来例に比較して削減することができる。また、減算レートにはネットワーク媒体の輻輳度が反映されているため、本来のバックオフ時間との誤差が小さい。また、本実施形態によれば、隠れ端末が多く存在して、各端末による自律的キャリアセンスによりネットワーク媒体の輻輳度が正確に把握できないシステムにおいても有効に機能する。
次に、これまでに説明した従来の方法であるIEEE802.11に準拠したバックオフプロトコル、IEEE802.15.4に準拠したバックオフプロトコルと本発明による方法による無線ノードの送受信の動作概念図を図8に示す。
図8(A)に示すように、本発明の実施形態の無線基地局は、Tsで示す期間送信状態になり、フレーム情報を無線ノードに送信している。このフレーム情報に、減算レート、RAスロット数が含められる。そして、Traで示す期間で、無線基地局は受信状態となる。
IEEE802.11に準拠した無線ノードは、図8(B)に示すように、フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間は常に受信状態でキャリアセンスを行い、Trbで示す期間が受信状態になる。また、IEEE802.15.4に準拠した無線ノードは、図8(C)に示すように、Trcで示す期間、フレーム周期にフレーム情報を受信する状態となる。
一方、本発明の実施形態では、図8(D)に示すように、始めのTrd1で示す期間、フレーム情報を受信する状態となるが、その後、バックオフ間のフレーム情報を受信せず、受信による電力消費を抑制できる。但し、本発明による方法では、フレーム情報内に減算レート等ネットワーク媒体の状態を反映した情報が含まれているため、ネットワーク輻輳の状態に応じてバックオフ期間を調整することができる。
ここで、IEEE802.15.4のバックオフプロトコルのように、バックオフ期間はフレーム周期でフレームの構成情報を受信する従来の方法と、本発明による方法における、無線ノード2から無線基地局1への到達トラヒックあたりの無線ノード2の消費電力量を計算する。本計算では、バックオフプロトコルによりランダムアクセスが成功した後、無線基地局1から帯域が割当てられ、無線ノード2は割当てられた帯域を用いて、ユーザデータを送信するアクセスシーケンスを仮定する。ランダムアクセス及びユーザデータのパケットサイズをそれぞれ37bits、40bytesとし、最大送信回数を8回として、最大送信回数まで送信したにもかかわらず、成功しなかった場合は、送信を諦めて、当該ユーザデータを破棄するものとする。チャネル容量で規格化した各無線ノード2の発生トラヒック量を0.001として、端末(無線ノード)数を変化させて、無線基地局1に到着するユーザデータ量に対する無線ノード2における消費電力を測定する。無線消費電力量を送信時に30mW、受信時に35mW、アイドル時に0.7mW、スリープ時に0.1μWとする。
図9は、計算機シミュレーションにより評価した結果を示す。図9において、横軸が端末数を示し、縦軸がトラヒック当たりの消費電力を示す。図9において、A1が従来方法の場合の消費電力を示し、A2が本発明の方法による場合の消費電力である。図9に示す結果から明らかなように、端末数が多くなるほどバックオフ時間が長くなるため、従来方法では、フレーム周期でフレーム情報を受信するため受信を繰り返すため無線ノード2における消費電力は増加するが、本発明による方法では、その期間はスリープ状態に遷移してほとんど電力を消費しないため、無線ノード2における消費電力はほとんど変わらない。
以上説明したように、本発明に実施形態によれば、無線基地局がバックオフ時間の減算対象となるアクセス期間の割合を監視し、その割合を基にバックオフ時間の減算レートを算出し、その減算レート又は減算レートを基に算出したバックオフパラメータを各ノードに通知し、一方、各無線ノードは受信した減算レート又はバックオフパラメータを基に、バックオフの時間を算出し、当該バックオフ時間はスリープ状態に遷移することができ、消費電力を従来例に比較して削減することができる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
本発明の実施形態による無線基地局の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態による無線ノードの構成例を示すブロック図である。 無線通信システムにより用いられるフレーム構成を示す概念図である。 本発明の第1の実施形態における無線通信システムの動作例を示す概念図である。 本発明の第1の実施形態における無線通信システムによるフレームの送受信を説明するシーケンス図である。 本発明の第2の実施形態における無線通信システムの動作例を示す概念図である。 本発明の第2の実施形態における無線通信システムによるフレームの送受信を説明するシーケンス図である。 従来技術と本発明方法による無線ノードとの送受信動作の比較を示す概念図である。 従来技術と本発明方法による無線ノードにおけるトラヒックに対する電力効率の計算結果を示すグラフである。
符号の説明
1:無線基地局
2:無線ノード
11a,11b:受信部
12a,12b:送信部
13:転送部
14:スケジューリング部
15:減算レート算出部
16:バックオフパラメータ算出部
21:受信部
22:送信部
23:データ生成部
24:バックオフ時間算出部
25:電源管理部
26:送信タイミング検出部
27:クロック部

Claims (9)

  1. バックオフプロトコルによりパケットの送受信を行い、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信システムにて用いられる無線基地局であって、
    前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視するスケジューリング部と、
    フレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出する減算レート算出部と、
    前記算出した減算レートを無線ノードに対して通知する送信部と
    を有することを特徴とする無線基地局。
  2. バックオフプロトコルによりパケットの送受信を行い、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信システムにて用いられる無線基地局であって、
    前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視するスケジューリング部と、
    フレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出する減算レート算出部と、
    前記減算レートに基づいてバックオフパラメータを算出するバックオフパラメータ算出部と、
    前記算出したバックオフパラメータを無線ノードに対して通知する送信部と
    を有することを特徴とする無線基地局。
  3. バックオフプロトコルによりパケットの送受信を行い、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信システムにて用いられる無線ノードであって、
    無線基地局から送出された減算レート、又は、バックオフパラメータを受信する受信部と、
    前記受信部が受信した減算レート、又は、バックオフパラメータに基づいて、バックオフ時間を算出するバックオフ時間算出部と、
    前記算出したバックオフ時間が予め定められた所定値より長ければ、前記算出したバックオフ時間に基づいて、機器をスリープ状態に設定し、前記バックオフ時間の経過を検出すると機器をアクティブ状態に設定する電源管理部と、
    前記バックオフ時間の経過後に、パケットを送信するように送信タイミングを制御する送信タイミング検出部と、
    前記パケットを前記無線基地局に送信する送信部と
    を有することを特徴とする無線ノード。
  4. 前記バックオフ時間算出部は、前記バックオフ時間の経過後に、再度バックオフ時間を算出し、
    前記送信タイミング検出部は、前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間と前記バックオフ時間とを比較し、前記比較した結果が、前記バックオフ時間が前記減算対象期間より長ければ、前記バックオフ時間から前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を減算して、パケットの送信を待機し、
    前記バックオフ時間が前記減算対象期間より短いか又は等しければ、パケットを送信する
    ことを特徴とする請求項3に記載の無線ノード。
  5. 前記送信タイミング検出部は、前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間の範囲で一様にランダムな送信タイミングを選択してパケットを送信することを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の無線ノード。
  6. 無線基地局と無線ノードとからなり、バックオフプロトコルによりパケットの送受信を行い、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信システムであって、
    前記無線基地局は、
    前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視するスケジューリング部と、
    フレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出する減算レート算出部と、
    前記算出した減算レートを前記無線ノードに対して通知する送信部とを有し、
    前記無線ノードは、
    前記無線基地局から送出された減算レートを受信する受信部と、
    前記受信部が受信した減算レートに基づいて、バックオフ時間を算出するバックオフ時間算出部と、
    前記算出したバックオフ時間が予め定められた所定値より長ければ、前記算出したバックオフ時間に基づいて、機器をスリープ状態に設定し、前記バックオフ時間の経過を検出すると機器をアクティブ状態に設定する電源管理部と、
    前記バックオフ時間の経過後に、パケットを送信するように送信タイミングを制御する送信タイミング検出部と、
    前記パケットを前記無線基地局に送信する送信部とを有する
    ことを特徴とする無線通信システム。
  7. 無線基地局と無線ノードとからなり、バックオフプロトコルによりパケットの送受信を行い、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信システムであって、
    前記無線基地局は、
    前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視するスケジューリング部と、
    フレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出する減算レート算出部と、
    前記減算レートに基づいてバックオフパラメータを算出するバックオフパラメータ算出部と、
    前記算出したバックオフパラメータを前記無線ノードに対して通知する送信部とを有し、
    前記無線ノードは、
    前記無線基地局から送出されたバックオフパラメータを受信する受信部と、
    前記受信部が受信したバックオフパラメータに基づいて、バックオフ時間を算出するバックオフ時間算出部と、
    前記算出したバックオフ時間が予め定められた所定値より長ければ、前記算出したバックオフ時間に基づいて、機器をスリープ状態に設定し、前記バックオフ時間の経過を検出すると機器をアクティブ状態に設定する電源管理部と、
    前記バックオフ時間の経過後に、パケットを送信するように送信タイミングを制御する送信タイミング検出部と、
    前記パケットを前記無線基地局に送信する送信部とを有する
    ことを特徴とする無線通信システム。
  8. 無線基地局と無線ノードとの間で、バックオフプロトコルによりパケットの送受信を行い、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信方法であって、
    前記無線基地局は、
    前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視し、
    前記フレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出し、
    前記算出した減算レートを前記無線ノードに対して通知し、
    前記無線ノードは、
    前記無線基地局から送出された減算レートを受信し、
    前記受信した減算レートに基づいて、バックオフ時間を算出し、
    前記算出したバックオフ時間が予め定められた所定値より長ければ、前記算出したバックオフ時間に基づいて、機器をスリープ状態に設定し、
    前記バックオフ時間の経過を検出すると機器をアクティブ状態に設定し、パケットを送信する、
    ことを特徴とする無線通信方法。
  9. 無線基地局と無線ノードとの間で、バックオフプロトコルによりパケットの送受信を行い、各フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間が動的に変動する無線通信方法であって、
    前記無線基地局は、
    前記フレームにおけるバックオフ時間の減算対象期間を監視し、
    前記フレームの周期及び前記減算対象期間からバックオフ時間の減算レートを算出し、
    前記減算レートに基づいてバックオフパラメータを算出し、
    前記算出したバックオフパラメータを前記無線ノードに対して通知し、
    前記無線ノードは、
    前記無線基地局から送出されたバックオフパラメータを受信し、
    前記受信したバックオフパラメータに基づいて、バックオフ時間を算出し、
    前記算出したバックオフ時間が予め定められた所定値より長ければ、前記算出したバックオフ時間に基づいて、機器をスリープ状態に設定し、
    前記バックオフ時間の経過を検出すると機器をアクティブ状態に設定し、パケットを送信する、
    ことを特徴とする無線通信方法。
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