JP4936786B2

JP4936786B2 - 無線通信装置および無線通信システムの無線通信制御方法

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Publication number: JP4936786B2
Application number: JP2006131775A
Authority: JP
Inventors: 智和湯淺
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-05-10
Filing date: 2006-05-10
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2026-05-10
Also published as: US20070263582A1; JP2007306244A; US7720033B2

Description

この発明は、例えばＵＷＢ（Ultra WideBand）規格に準拠した無線通信を効率的に行うための無線通信制御技術に関する。

近年、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置の多くが、無線通信機能を搭載するようになってきている。例えばオフィスでは、リソースの共有等を目的にＬＡＮ（Local Area Network）が敷設されることも多く、ケーブルレスで通信を行えれば、オフィス内のレイアウト変更も簡単に行えるようになる。

この種の情報処理装置で実行される無線通信の一手法として、予め定められた周波数帯を複数の情報処理装置で時分割して共有する手法が存在する。これに関連して、有限のリソースである周波数帯を使った無線通信をいかに効率的に実行するかという提案もこれまで種々なされている（例えば特許文献１等参照）。
特開２００５−２４５０４０号公報

この特許文献１の無線通信システムでは、あるネットワーク（親ネットワーク）に属する（無線基地局の機能を備えた）無線通信装置が自機器に割り当てられたリソースの範囲内で別のネットワーク（子ネットワーク）を構築可能としている。本提案によれば、親ネットワークと子ネットワークとが互いに妨害を与えることがないため、同一周波数帯上に複数のネットワークを共存させることができる。

ここで、あるネットワーク上で無線通信装置Ａが無線通信装置Ｂとの間の無線通信を開始しようとしている場合を想定する。また、この無線通信を行うためには、リソースの割り当てを別途受けなければならないが、その割り当てが受けられない状況にネットワークがあるものと想定する。

特許文献１の無線通信システムでは、無線通信装置Ａが自装置に割り当て済みのリソース内で無線通信装置Ｂとの間の無線通信が実行可能である場合、および、無線通信装置Ａが不足分のリソースの割り当てを別途受けられる場合、無線通信装置Ｂとの間の無線通信を即時に開始することができる。しかしながら、ネットワークがリソース不足に陥った場合、この特許文献１の無線通信システムを含む既存の無線通信システムでは、不足分のリソースが解放されるまで待機しなければならない。

この発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、リソース不足の状況下においても無線通信を効率的に行うことを可能とするリソース管理を実現する無線通信装置および無線通信システムの無線通信制御方法を提供することを目的とする。

実施形態によれば、無線通信装置は、周期的に形成されるビーコン期間での調整によりグループ内で時分割に共有される通信可能期間内に自装置の通信用に占有する予約期間を確保する予約期間確保手段と、前記予約期間確保手段が確保した予約期間を用いて無線通信する無線通信手段と、前記予約期間確保手段が予約期間の確保に失敗した場合、前記ビーコン期間と時間的に重複せずに周期的にビーコン期間が形成される新たなグループを作成するグループ作成手段と、前記グループ作成手段が作成した新たなグループの通信可能期間内に、元のグループのビーコン期間と時間的に重複しないように、前記予約期間確保手段に予約期間を確保させる制御手段と、元のグループのビーコン期間は元のグループに所属し、新たなグループのビーコン期間は新たなグループに所属するように所属先を切り替えるグループ切替手段と、を具備する。

この発明によれば、リソース不足の状況下においても無線通信を効率的に行うことを可能とするリソース管理を実現する無線通信装置および無線通信システムの無線通信制御方法を提供できる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。ここでは、本発明の無線通信装置は、ＵＷＢ規格に準拠した無線通信を実行するＵＷＢ機器として実現されているものと想定する。

ＵＷＢでは、各ＵＷＢ機器がＴＦＣ(Time-Frequency Code)ナンバー（チャネルのホッピングパターン）で定められた共有周波数を利用することでグループを作成し、そのグループへ属することでグループ内の通信を行う。通信は時間単位で管理されており、参加しているすべてのＵＷＢ機器が、ビーコン期間中に他のＵＷＢ機器からの信号を受信し、現在の通信状況の把握を行う。通信状況には、どのＵＷＢ機器がそのグループに所属しているのかや、ＭＡＳ（medium access slots）と呼ばれる、ＵＷＢ機器同士が通信を行う際に占有する予約期間の確保状況などが挙げられる。

ＭＡＳは、１スーパーフレーム（Superframe）中に２５６個存在し、それをグループに属しているＵＷＢ機器同士で時分割により共有（シェア）する。もし、あるＵＷＢ機器がいくつかのＭＡＳを要求した際に空きが無かった場合、何らの対処も施さなければ、そのＵＷＢ機器はＭＡＳを確保できずに通信を開始することができなくなる。そこで、本実施形態のＵＷＢ機器は、このような状況下においても通信を即時に開始することを可能とする仕組みを備えたものであり、以下、この点について詳述する。

図１は、本実施形態の無線通信装置１０のブロック回路図である。図示のように、本実施形態の無線通信装置１０は、装置全体の動作制御を司る制御部１１、ＵＷＢの帯域で使用可能な無線部１２およびアンテナ１３、自装置の通信に使用する通信期間を管理するＭＡＳ管理部１４、互いに通信する装置同士で構成するグループへの自装置の所属先を切り替えるGroup切替部１５を有している。

図２に、ＵＷＢのプロトコル関係図を示す。図示のように、ＵＷＢは、WirelessＵＳＢ１０１ａ，ＩＰ(WiNet)１０１ｂ，Bluetooth（登録商標）１０１ｃ，Wireless1394 １０１ｄ等のいくつものアプリケーションで使用することができる非常に有効な無線技術である。ＵＷＢシステムを使用するにあたって、まず、各ＵＷＢ機器は、通信を行う先のＵＷＢ機器とグループを作成し、そのグループ内のＵＷＢ機器同士で定められた通信可能時間のリソースをシェアする。この通信可能時間の割り当ては、図２内のWiMedia UWB MAC １０２で行われる。

図３に、スーパーフレームの構造を示す。一般的に、スーパーフレーム（６５５３６μsec）の先頭には、グループ内の全員が現在の状態を把握するためのビーコン期間が設けられる。このビーコン期間から次のビーコン期間までがＵＷＢ機器同士でシェアできる通信可能時間となる。通信可能時間は、２５６μsecを１MASとしてＭＡＳ単位で管理されている(即ち、１Superframeは２５６MASで構成される)。

図４は、スーパーフレームをＭＡＳ単位で示した概念図である。通常、スーパーフレームは、図示のように、縦１６×横１６の２次元（２Ｄ）構造で表現される。図５に、具体的なMAS Allocationの一例を示す。各ＵＷＢ機器は、自機器の通信用に必要となるＭＡＳを予約する。要求した通信期間（ＭＡＳ）の確保に成功した場合、その期間に対して、StreamIndexと呼ぶ管理番号を付加し、その期間のＭＡＳを占有する。１つのグループにつきStreamIndexは最大で８つまで割り当てることができる。基本的に、既に他のＵＷＢ機器に予約されているＭＡＳは、当該他のＵＷＢ機器がそのＭＡＳを解放するまでは使用することはできない。

図６に、ＵＷＢが使用するBandGroup Allocationを示す。ＵＷＢが使用する周波数帯域は３．１GHz〜１０．６GHzの間で、１Bandあたり５２８MHzで分割される。これらを３つで１グループ（BandGroup5を除く）にしたものをBandGroupと称し、このBandGroup単位で通信に使用する。複数のＵＷＢ機器で作成される各グループは、それぞれBandGroupを１つ選び、後述するＴＦＣ（TimeFrequencyCodes）ナンバーに基づいた周波数ホッピングを行って通信する。この周波数ホッピングにより、同一のBandGroupを選んだ他のグループとの通信衝突を回避する。

図７に、ＴＦＣナンバーの一構成例を示す。例えばBandGroup1のグループがＴＦＣナンバー１を使用すると、band1，band2，band3，band1，…と周波数ホッピングを行って通信することになる。図示のように、ＴＦＣナンバー毎に通信に使用するBandのホッピングパターンが異なるので、（同一BandGroupの）他のグループとの周波数干渉を避けることができる。

図８には、あるグループが、図５に示したMAS Allocationで無線通信する様子が示されている。より具体的には、４台の無線通信装置１０が、Group1を作成し、４つのStreamIndex（StreamIndex1-4）を使って相互に無線通信している。この時点で、Group1における未割り当て（空き）のＭＡＳは、４列分となっている。

ここで、図９に示すように、このGroup1内の無線通信装置１０に対する無線通信を、ある無線通信装置１０（網掛け）が新たに６列分のＭＡＳ（streamIndex5）を使って開始しようとした場合を想定する。即ち、リソースの不足が発生した場合を考える。このような場合、従来であれば、他のいずれかの無線通信装置１０が不足分以上のリソースを解放するのをただ待機せざるを得なかった。そこで、本実施形態の無線通信装置１０では、このようなリソース不足の状況下においても無線通信を即時的に開始できるように、図１０に示すように、新たなGroup2の作成を伴うMAS Allocation管理を行う。

つまり、新たにStreamIndex5として６列分のＭＡＳを要求しようとした際、ビーコン期間に得た情報により現状のＭＡＳ状況では当該要求を満たすことはできないと認識した時点で、本実施形態の無線通信装置１０は、通信を行いたい相手に対して新規Group参加のネゴシエーションを行い、既存のGroup1とは異なるＴＦＣナンバーを使った新たなGroup２を作成する。これにより、使用可能なＭＡＳのリソースが増えるので、図１１に示すように、このGroup２のＭＡＳリソースを使用して即時に通信を開始することができる。なお、Group２のビーコン期間は、元々所属していたGroup１のビーコン期間（図５参照）と重複しないように設けられる。

ネゴシエーションは、Group1において必要最小限のＭＡＳを確保し、このＭＡＳを使って相手と通信することによって実現する方法や、Group1のビーコン期間に所望の相手を含むグループ内のすべてのＵＷＢ機器向けに、当該所望の相手に新規Group参加を要請する信号をブロードキャスト送信することによって実現する方法等、所期の目的を達成できるものであれば、いずれの方法も適用可能である。

この際、相手の無線通信装置１０は、元に参加していたGroup１のビーコンも聞いておき（このために、Group2のビーコン期間は、Group1のビーコン期間と重複しないように設けられる）、Group２での通信が終了した後、もしくはGroup２での通信と平行してGroup１のＭＡＳの確保および通信を継続してもよい。また、Group２は通信終了後に破棄しても良いし、そのまま存続させて通信を行ってもよい。もちろん他の無線通信装置１０のGroup２への参加も問題ない。

図１２に、２つのGroupに属した無線通信装置１０に関わるMAS Allocationを示す。前述のように、Group２のビーコン期間は、元々所属していたGroup１のビーコン期間と重複しないように設けられる。そして、図１０に示したように、割り当てるＭＡＳのリソースがないために新規にGroup２を立ち上げた結果、２つのGroupに参加することになった無線通信装置１０は、双方のビーコン期間および自装置用に予約済みのＭＡＳが２つのGroup間で重複しないようにMAS Allocationを行う。

そのままGroup１の予約ＭＡＳを解放しないのであれば、それらのＭＡＳと重複しないようなＭＡＳの予約をGroup２のＭＡＳ内で行う。これにより、元々所属していたGroup１と新しく立ち上げたGroup２への同時参加を実現する。これらの作業は、ＭＡＳ管理部１４が実行する。また、ＭＡＳが重複なく予約完了した後に通信を開始するが、その際、Group切替部１５により、予約した時間に適切なGroupに属して通信を行う。この場合の例で言えば、Group切替部１５は、Group1のビーコン期間およびStreamIndex4期間はGroup1に属し、Group2のビーコン期間およびStreamIndex1期間はGroup2に属すように、自装置１０の所属先を適宜に切り替える。

ところで、ここでは、元のグループとＴＦＣナンバーを変更して新規グループを作成する例を挙げたが、BandGroupを変更することによってこれを実現しても良い。また、１つのGroupについて管理できるStreamIndexは最大で８つまでであるため、ＭＡＳの空きは存在するがStreamIndexが既に８つ使用済みという事態も考えられるが、このようなパターンのリソース不足においても、新たなGroupを立ち上げることによって通信を開始することができるようになる。

図１３は、本実施形態の無線通信装置１０の通信手順を示すフローチャートである。なお、ここでは、Group1内で新たな通信を開始する場合を想定する。

通信を開始する際、制御部１１は、他に参加しているＵＷＢ機器の認識や、自分が通信可能な予約時間を確保するために、Group1内のビーコンを受信する（ステップＡ１）。そして、制御部１１は、Group1内で通信を行うために、他のＵＷＢ機器と重複しない通信期間をＭＡＳ管理部１４に予約させる（ステップＡ２のＹＥＳ）。

ＭＡＳ管理部１４による予約期間の確保が成功した場合（ステップＡ３のＹＥＳ）、制御部１１は、そのままGroup1内での通信を開始する（ステップＡ４）)。もし、確保できない場合は（ステップＡ３のＮＯ）、制御部１１は、通信したい相手に新グループへの参加を要請し、相手から参加可能かどうかの是非を問い合わせる（ステップＡ５）。

もし、参加不可能であれば（ステップＡ５のＮＯ）、Groupを作成しないためＭＡＳの確保はできず、通信は失敗することになる（ステップＡ６）。この場合、他のＵＷＢ機器がＭＡＳを開放して要求したＭＡＳ数が確保できるまで通信を延期する。一方、参加の了承を得た場合には（ステップＡ５のＹＥＳ）、制御部１１は、新規グループを作成し（ステップＡ７）、その新規グループ内でのＭＡＳリソースの確保をＭＡＳ管理部１４に行わせて通信を開始する（ステップＡ８）。

この通信終了後、制御部１１は、そのまま継続してGroup2を使用しても良いし（ステップＡ９のＮＯ）、解放しても良い（ステップＡ９のＹＥＳ）。最初に所属していたGroup1のビーコンは常に受信しているため、いつでも通信可能であり、再びGroup1での通信を開始することもできる（パラレルで通信継続をしていてももちろん良い）（ステップＡ１０のＹＥＳ）。そして、すべての通信が終了したら（ステップＡ１０のＮＯ）、この処理を終了する。

以上のように、本実施形態の無線通信装置によれば、リソース不足の状況下においても無線通信を効率的に行うことを可能とするリソース管理を実現する。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施形態に係る無線通信装置のブロック回路図ＵＷＢ（Ultra WideBand）のプロトコル関係図ＵＷＢが使用するスーパーフレームの構造を示す図図３のスーパーフレームをＭＡＳ単位で示した概念図図４の概念図を用いてスーパーフレームの具体的なMAS Allocationの一例を示した図ＵＷＢが使用するBandGroup Allocationを示す図ＵＷＢが使用するＴＦＣナンバーの一構成例を示す図図５に示したMAS Allocationで無線通信する様子を示す図図８に示した状態から利用可能な量以上のリソースを用いた無線通信を開始しようとする様子を示す図図９に示した状態から無線通信を即時に開始するために行う、新たなグループの作成を伴うMAS Allocation管理を示す図図１０に示したMAS Allocation管理によって新たに作成されるグループでのMAS Allocationの一例を示す図２つのGroupに属した無線通信装置に関わるMAS Allocationを示す図同実施形態の無線通信装置の通信手順を示すフローチャート

符号の説明

１０…無線通信装置、１１…制御部、１２…無線部、１３…アンテナ、１４…ＭＡＳ管理部、１５…Group切替部。

Claims

周期的に形成されるビーコン期間での調整によりグループ内で時分割に共有される通信可能期間内に自装置の通信用に占有する予約期間を確保する予約期間確保手段と、
前記予約期間確保手段が確保した予約期間を用いて無線通信する無線通信手段と、
前記予約期間確保手段が予約期間の確保に失敗した場合、前記ビーコン期間と時間的に重複せずに周期的にビーコン期間が形成される新たなグループを作成するグループ作成手段と、
前記グループ作成手段が作成した新たなグループの通信可能期間内に、元のグループのビーコン期間と時間的に重複しないように、前記予約期間確保手段に予約期間を確保させる制御手段と、
元のグループのビーコン期間は元のグループに所属し、新たなグループのビーコン期間は新たなグループに所属するように所属先を切り替えるグループ切替手段と、
を具備する無線通信装置。
前記グループ作成手段は、元のグループの通信可能期間内に自装置の通信用に確保した予約期間および通信相手の通信用に確保した予約期間と時間的に重複せずに周期的にビーコン期間が形成される新たなグループを作成し、
前記制御手段は、元のグループの通信可能期間内に自装置の通信用に確保した予約期間および通信相手の通信用に確保した予約期間と時間的に重複しないように、新たなグループの通信可能期間内に予約期間を確保させる
請求項１記載の無線通信装置。
前記グループ切替手段は、さらに、元のグループの通信可能期間内に自装置の通信用に確保した予約期間は元のグループに所属し、新たなグループの通信可能期間内に自装置の通信用に確保した予約期間は新たなグループに所属するように所属先を切り替える請求項２記載の無線通信装置。
前記無線通信手段は、自装置が所属するグループに割り当てられた複数の周波数帯間を単位時間毎に予め定められたパターンでホッピングしながら無線通信を実行し、
前記グループ作成手段は、元のグループに割り当てられた複数の周波数帯間を当該元のグループとは異なるパターンでホッピングするグループを新たなグループとして作成する請求項１記載の無線通信装置。
前記グループ作成手段は、元のグループに割り当てられた周波数帯間とは異なる周波数帯が割り当てられるグループを新たなグループとして作成する請求項１記載の無線通信装置。
前記グループ作成手段は、元のグループのビーコン期間において当該元のグループの通信可能期間内から必要最小限の予約期間を確保し、この予約期間を用いて新たなグループへの参加を要請するための信号を通信相手に送信する請求項１記載の無線通信装置。
前記グループ作成手段は、新たなグループへの参加を通信相手に要請するための信号を元のグループのビーコン期間においてブロードキャスト送信する請求項１記載の無線通信装置。
複数の無線通信装置でグループを構成し、周期的に形成されるビーコン期間での調整により通信可能期間をグループ内で時分割に共有する無線通信システムの無線通信制御方法であって、
前記通信可能期間内に空き期間が無い場合、前記ビーコン期間と時間的に重複せずに周期的にビーコン期間が形成される新たなグループを作成し、
この新たなグループの通信可能期間内から元のグループのビーコン期間と時間的に重複しないように予約期間を確保し、
元のグループのビーコン期間は元のグループに所属し、新たなグループのビーコン期間は新たなグループに所属するように所属先を切り替える
無線通信制御方法。
さらに、元のグループの通信可能期間内において既に確保された予約期間と時間的に重複せずに周期的にビーコン期間が形成される新たなグループを作成し、元のグループの通信可能期間内に既に確保された予約期間と時間的に重複しないように新たなグループの通信可能期間内に予約期間を確保する請求項８記載の無線通信制御方法。
元のグループに割り当てられた複数の周波数帯間を当該元のグループとは異なるパターンでホッピングするグループを新たなグループとして作成する請求項８記載の無線通信制御方法。
元のグループに割り当てられた周波数帯間とは異なる周波数帯が割り当てられるグループを新たなグループとして作成する請求項８記載の無線通信制御方法。
元のグループのビーコン期間において当該元のグループの通信可能期間内から必要最小限の予約期間を確保し、この予約期間を用いて新たなグループへの参加を要請するための信号を通信相手に送信する請求項８記載の無線通信制御方法。
新たなグループへの参加を通信相手に要請するための信号を元のグループのビーコン期間においてブロードキャスト送信する請求項８記載の無線通信制御方法。
周期的に形成されるビーコン期間での調整によりグループ内で時分割に共有される通信可能期間を用いた無線通信処理を情報処理装置に実行させるプログラムであって、
前記情報処理装置を、
前記通信可能期間内に自装置の通信用に占有する予約期間を確保する予約期間確保手段、
前記予約期間確保手段が確保した予約期間を用いて無線通信する無線通信手段、
前記予約期間確保手段が予約期間の確保に失敗した場合、前記ビーコン期間と時間的に重複せずに周期的にビーコン期間が形成される新たなグループを作成するグループ作成手段、
前記グループ作成手段が作成した新たなグループの通信可能期間内に、元のグループのビーコン期間と時間的に重複しないように、前記予約期間確保手段に予約期間を確保させる制御手段、
元のグループのビーコン期間は元のグループに所属し、新たなグループのビーコン期間は新たなグループに所属するように所属先を切り替えるグループ切替手段
として機能させることを特徴とするプログラム。