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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