JP4974026B2 - 無線ネットワークシステム - Google Patents

Description

本発明は、時分割多元接続方式（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ＜以下ＴＤＭＡと略す＞）を用いた無線ネットワークシステムに関するものである。

無線ネットワークシステムを構築する場合、無線通信の多重化の方式としてＴＤＭＡがある。このＴＤＭＡの方式では中央制御局のビーコンによりネットワーク全体の時間同期を行うものである。

一方、無線ネットワークシステムでは、高速・広域化が求められ、そのため無線周波数の高周波化が進んでいるが、無線周波数が高くなると、伝送距離に対する受信強度の減衰が大きくなるため、１つの局当たりの通信エリアが小さくなるため、中央制御局と、移動局との間に中継局を設け、マルチホップする無線ネットワークシステムが提供されている（例えば、特許文献１）。
特開２００１−２３７７６４号公報

ところで、上述のＴＤＭＡの方式において、中央制御局に認証された移動局だけが許可されたタイムスロットの中で通信する中央制御方法を用いる場合、未認証移動局の認証手順としてランダムアクセスによるアクセス制御を行うのであるが、この場合でもキャリアセンスなどにより衝突回避機能が要求される。例えば図７に示すようにタイムスロット＃１…＃Ｎで構成されるコンテンションフリー区間ＣＦの後ろに、キャリアセンスして、チャンネルが空いていたら送信できる区間若しくは別の周波数（制御チャンネル）を設けたスーパーフレームＳＦを用いる必要がある。このような方法を採用するのは主にシングルホップの場合であるが、マルチホップするシステムを構築する場合には異なる周波数帯又は異なるメディア（無線でなく有線系で結ぶ）を用いて実現しているのが通常である。また、ＧＰＳを用いた広域の同期制御を有するシステムもあるが、屋内のシステムや小型のセンサネットなどには適さない。ＺｉｇＢｅｅ（ジグビー）のようなセンサネットにおいても、ビーコンを用いた通信モードでは、移動局が移動すると、中央制御局での通信ルート管理が複雑になり通信品質を保てない場合ある。

本発明は、上述の点に鑑みて為されたもので、その目的とするところはＴＤＭＡの方式を用いる無線ネットワークシステムにおいて、時間同期のための機能を移動局に必要とせずにマルチホップするネットワークを構築することができる無線ネットワークシステムを提供することにある。

上述の目的を達成するために、請求項１の発明では、中央制御局と、中継局と、移動局とをネットワーク内に備え、時分割多元接続方式を用いて、前記移動局から定期的に前記中央制御局に対してデータ通信をマルチホップにより行う無線ネットワークシステムに用いられ、前記移動局はネットワークに参加時に前記中央制御局に対して参加手続きのデータを送信し、該参加手続き後に前記中央制御局から指定されたオフセット時間が経過するとデータ通信を開始し、以後中央制御局から指定されたスロット周期で定期的にデータ通信を行う手段を備え、前記中継局は、ネットワークに参加時に前記中央制御局に対して参加手続きのデータを送信し、該参加手続き後に前記中央制御局から指定されたオフセット時間が経過すると自局の送信すべきデータの通信を開始し、以後前記中央制御局から指定されたスロット周期で自局の送信すべきデータの通信を行う手段を備え、前記中央制御局は、前記参加手続きのデータを受信すると、該データを送信した移動局に対して最初のデータ通信のための前記オフセット時間とスロット長及びスロット周期のデータを応答データとして送信する手段とを備えていることを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記中央制御局及び前記各移動局には通信の時間管理用の計時手段を夫々備え、前記中央制御局は、前記各移動局のデータ通信開始時に当該移動局から送信要求信号を受信すると、該中央制御局の計時手段の計時に基づき、次回のデータ通信開始時点を当該移動局の計時手段の計時によって決めるための計時時間を算出し、この計時時間データを当該移動局との間のデータ通信中に当該移動局に送信し、当該移動局は、計時時間データを受信した時点から自己の計時手段の計時によって計時時間データが示す時間を計時した時点を次回の通信開始時点とすることを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、前記中央制御局は、中継局に割り当てるスロット数を設定し、システム内の中継局数が割当スロット数より少ない場合に、余剰スロットを用いて中継局に複数のスロットを割り当てることを特徴とする。

本発明は、ＴＤＭＡの方式を用いる無線ネットワークシステムにおいて、時間同期のための機能を移動局に必要とせずにマルチホップする無線ネットワークシステムを実現することができるという効果がある。

以下本発明を実施形態により説明する。
（実施形態１）
図１は、本実施形態の無線ネットワークシステムの構成を示しており、図示するようにシステムエリア内に中央制御局１と、中継局２（２_１〜２_４）と、移動局３（３_１〜３_ｉ）とが配されてシステムが構築される。

この本実施形態では、移動局３（３_１〜３_ｉ）は、例えば被験者の生体情報（血圧等）を発信するための端末から構成され、中央制御局１は、各移動局３からの生体情報を定期的に受け取り、各移動局に対応した被験者の状態を収集管理する管理装置から構成され、全体として生体情報収集システムを構成しており、上述のシステムエリアは限定的な広さからなり、中継局２は固定配置的或いは僅かに移動可能に配置されている。

一方、移動局３は被験者が携行するため、その位置は被験者の移動に伴って変化し、移動局３が通信可能な範囲に存在する中継局２は移動位置によって変わるようになっている。尚図１中Ａ１は中央制御局１の通信可能範囲、Ａ２は各中継局２（２_１〜２_４）における通信可能範囲を示す。

中央制御局１は、図２（ａ）に示すように自局全体の制御処理と移動局３から受信するデータの処理とを担う制御部１０と、データ送信を行う無線送信部１１と、データ送信を行う受信部１２と、後述するタイムスロットの管理を行うためのスロット管理部１３とで構成され、制御部１０にはデータ送受信のための時間管理を行う計時手段たるタイマ部１０を備えている。

中継局２は、図２（ｂ）に示すように自局全体の制御処理を担う制御部２０と、移動局３と中央制御局１との間のデータ通信の中継を行うための無線送信部２１及び無線受信部２２とで構成され、制御部２０にはデータの中継送受信のための時間管理を行う計時手段たるタイマ２０ａを内蔵している。

移動局３は、図２（ｃ）に示すように自局全体の情報処理と制御処理とを担う制御部３０と、データを送信する無線送信部３１と、送信されてくるデータを受信する無線送信部３２とで構成され、制御部３０はデータ通信の制御の他に、上述の生体情報を図示しないセンサ部４から取り込み、所定形式のデータに変換する機能及びデータ送受信のための時間管理を行う計時手段たるタイマ３０ａを内蔵している。

次に本実施形態の動作を説明する。

而して、中央制御局１が起動し、ネットワークエリアの中に中継局２が設置され、中央制御局１及び中継局２以外の全ての移動局３がネットワークに参加していない初期状態において、ネットワークに参加しようとする移動局３は、まず最初にネットワークへの参加のための参加手続きを開始する。尚中継局２は後述する移動局３の参加手続きと同様な手続きを行って既に中継通信のためのタイムスロットが中央制御局１から割り当てられているものとする。

この参加手続きのデータを受信することで、中央制御局１は新たな移動局３がネットワークに参加しようとすることをこの参加手続きで検知する。

参加手続きを検知した中央制御局１の制御部１０はスロット管理部１３が備えている管理テーブル（表１に示す）を参照して参加手続きを行おうとしている移動局３の端末ＩＤとタイムスロット番号とを１対１に関係付ける処理を行う。

尚表１では１スロット周期(T_S)で収容できる無線端末（中継局２と移動局３）の最大数をＮ台としてある。

ところで参加手続き中の移動局３と中央制御局１とは時間同期が取れていないので、次回の割り当てられたタイムスロットでの通信を開始するまでのオフセット時間を計算する必要がある。このオフセット時間は参加を許可する応答データ送信の予定時間（T_Tx_i）から割り当てたタイムスロット＃ｉのスタート時間（T_i）との差（T_Adj_i）である。

中央制御局１は参加手続きの応答信号としてオフセット時間（T_Adj_i）とスロット長（T_#i）、スロット周期（T_S）を含む応答データを参加手続きの移動局３に対し送信する。

上述の応答信号を受信した参加手続き中の移動局３は指定されたオフセット時間（T_Adj_i）を経過した後、データ通信を開始する。以後は指定されたスロット周期（T_S）毎にデータ通信を自立的に開始する。

図３はスロット周期（T_S）と各タイムスロット＃１〜＃Ｎと、スタート時間（T_i）と、予定時間（T_Tx_i）と、スタート時間（T_i）と予定時間（T_Tx_i）との差（T_Adj_i）及びスロット長（T_#ｉ）の関係を示す。

次にネットワークに参加後の移動局３の定期的なデータ通信について説明する。

まず、割り当てられたタイムスロット＃ｉは、図４に示すようにデータ送信要求区間Ｔａと、問い合わせ区間Ｔｂと、コンテンションフリー区間Ｔｃとで構成される。

データ送信要求区間Ｔａは、各移動局３が制御部３０のタイマ３０ａの計時で送信を開始すべき時点になったと判断すると、データ送信要求信号を送信する区間である。

問い合わせ区間Ｔｂは、データ送信要求信号の送信が終わったと判断される時間になったら中央制御局１がネットワーク内の全ての中継局２に対してデータ送信要求信号を受信したかどうかを問い合わせる区間である。

コンテンションフリー区間Ｔｃは、中央制御局１がデータ送信要求信号を送信した移動局３に対して通信ルートを決定しデータ要求を開始する区間である。

上述のように移動局３の参加手続きが完了した後の移動局３の定期的なデータ通信の動作を、図１の移動局３_１から中央制御局１へのデータ通信を行う場合を例として以下に説明する。

まず移動局３_１の制御部３０はタイマ３０ａがタイムスロットのデータ送信要求区間Ｔａのデータ送信要求信号ＲＱを出すべき時点を計時すると、無線送信部３１にデータ送信要求信号ＲＱを図５のシーケンス図に示すように送信させる。この場合ブロードキャストにより送信される。

このデータ送信要求信号ＲＱは移動局３_１の通信範囲内に存在する中継局２_１…（図５では３台の中継局２_１〜２_３のみを示す）を介して中央制御局１の無線受信部１２により受信される。このデータ送信要求信号ＲＱの送信時間は予め設定できる値であり、中央制御局１は自局の制御部１０の中のタイマ１０ａにより移動局３_１がデータ送信要求信号ＲＱを送信し終えたであろう時間を見計らい、問い合わせ区間Ｔｂにおいて問い合わせ信号ＡＫを無線送信部１１から図５に示すように各中継局２_１…に順次送信させて問い合わせる。

無線受信部２２を通じて問い合わせ信号ＡＫを受信した中継局２_１…は移動局３_１のデータ送信要求信号ＲＱを受信したか否かを示す信号を問い合わせ応答として中央制御局１に返信する。

中央制御局１は制御部１０の制御の下で、上述の問い合わせをネットワーク内の全ての中継局２_１…に対してポーリングによって行う。そして全ての中継局２_１…への問い合わせを終えた中央制御局１の制御部１０は適宜な方法で移動局３_１への通信パスを決定する。

ここで通信パスを決定する方法としては、例えばＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator）値が大きい値となっているものを選んだり、ホップ数が少ないものを選んだりすることになる。本発明ではこの選択方法について特に規定するものではない。

而して中央制御局１の制御部１０が移動局３_１に対するデータ要求信号ＤＲを送信する通信パスを決定すると、指定された通信パスに沿ってコンテンションフリー区間Ｔｃにおいて、データ要求信号ＤＲを中央制御局１の制御部１０は無線送信部１１から送信させ、移動局３_１に伝達する。図１のトポロジでは中央制御局１から中継局２_１→中継局２_３の通信パスによりデータ要求信号ＤＲが移動局３_１へ送られることになる。

このデータ要求信号ＤＲを無線通信部３２で受信した移動局３_１の制御部３０は、割り当てられたタイムスロットの時点をタイマ３０ａが計時すると、センサ部４から取り込んでいる生体情報を端末ＩＤとともにデータＤＡとして無線送信部３１より送信させる。

この送信されたデータＤＡは中継局２_３→中継局２_１の通信パスを介して中央制御局１へ送られ、中央制御局１の制御部１０は無線受信部１２で受信したデータＤＡを、データＤＡに含まれる端末ＩＤから移動局３_１を認識してデータＤＡの生体情報を移動局３_１に対応付けて処理を行う。そしてデータ通信に必要な回数のデータ要求を中央制御局１から移動局３_１に行い最終データＤＡの受信が終了すると、中央制御局１はＡＣＫ信号を無線送信部１１より移動局３_１に送信して通信を完了する。

そしてガードタイムを経過した頃に、次の移動局３がデータ送信要求信号ＲＱを送信することになり、以降、上述の通信手順によってデータ送信が移動局３から為される。

このように全ての移動局３（３_１〜３_ｉ）が送信可能なタイムスロットを一意に割り当てられるため、マルチホップするネットワークであっても他の移動局３のデータ通信との衝突なしに通信することができるのである。

ところで、移動局３の制御部３０のタイマ３０ａの計時時間と、中央制御局１の制御部１０ａのタイマ１０ａの計時時間とのずれによる不都合を無くすために、時間同期信号なしで、移動局３でのデータ送信時点を以下のように補正するようになっている。

つまり、例えば図６（ａ）に示すタイムスロット＃２でデータ通信を行う移動局３の制御部３０がタイマ３０ａの計時に基づいてデータ送信要求信号ＲＱを無線送信部３１から図６（ｃ）に示すように送信させる送信要求区間Ｔａが始まったとする。

一方、中央制御局１の制御部１０では、当該移動局３から送信されたデータ送信要求信号ＲＱを受信した時点（送信時からｔｘ時間経過後）に基づき、当該移動局３に対して次回のデータ送信要求信号ＲＱを送信して欲しい時点を示す時間データT_NEXTを自己のタイマ１０ａの計時と、システムで想定する最大のマルチホップ数を考慮して計算して求める。

而して上述の問い合わせ区間Ｔｂを経て、中央制御局１からコンテンションフリー区間Ｔｃにおいて当該移動局３にデータ要求信号ＲＤを送信する際に、上述の時間データT_NEXTを送信する。

移動局３の制御部３０はデータ要求信号ＲＤと共に受信した時間データT_NEXTに基づき、受信時から時間データT_NEXTが示す時間をタイマ３０ａが計時するとその時点でデータ送信要求信号ＲＱを中央制御局１宛に送信する。

この送信時点は、図６（ｃ）に示すように前回のデータ送信要求信号ＲＱの送信時点から１スロット周期T_Sを経過した時点ではなく、更に時間ｔｘ’が経過した時点となる。つまり中央制御局１のタイマ１０ａの計時に合わせた送信時点となる。

このようにして毎回のスロット周期（T_S）で移動局３のタイマ１０ａの計時時間と、中央制御局１のタイマ３０ａの計時時間とのずれを補正できるので、移動局３に時間同期機能がなくてもネットワーク内の同期を保つことが可能になり、ネットワーク内で衝突の少ない通信が実現できる。

尚中継局２が、ネットワークに参加する時は、中継局２は制御部２０の制御の下で、中央制御局１に対して参加手続きのデータを無線送信部２１から送信し、この参加手続き後に中央制御局１から指定されたオフセット時間が経過して自局の送信すべきデータの通信を開始し、以後中央制御局１から指定されたスロット周期で自局の送信すべきデータの通信を行うようなっている。

また図１に示す如く、移動局３ｘのようにその位置が中央制御局１と直接通信できる範囲にある場合には中継局２を介さず直接データを送信することもある。
（実施形態２）
ところで、実施形態１ではネットワーク内の中継局２，移動局３の最大収容可能数の範囲内で参加手続き順にタイムスロットを割り当てるようになっているが、本実施形態では、予め中継局２に対する最大収容可能数（割当可能数）を設定し、ネットワーク内での稼動中の中継局数が最大収容可能数（割当可能数）より少ない場合には、１スロット周期（T_S）において余剰タイムスロット数の範囲で、１台の中継局２に複数のタイムスロットを割り当てることを可能とした点に特徴がある。

尚システム構成及び中央制御局１，中継局２，移動局３の構成は実施形態１と同じであるので図示及び説明は省略する。

而して、ネットワーク内の、中継局２，移動局３からなる無線端末の最大収容可能数をＮ個とし、その内で移動局３の最大収容可能数をＬ台とし、残りのＮ−Ｌ台を中継局２の最大収容可能数として予め設定しておく。

そして表２に示すように管理テーブルでは移動局３のタイムスロットと中継局２のタイムスロットとを交互に配置し、ネットワークに最大中継局収容台数（Ｎ−Ｌ）未満の中継局２しか稼動していない場合に、中継局２のタイムスロットをスロット周期（T_S）の中で１回だけ割り当てるのではなく、まだ割り当てられていない中継局２用のタイムスロットを使って複数回割り当てることにより、中継局２の通信可能な周期をスロット周期（T_S）より短い周期になる。

このようにすることで、本実施形態では、新たにネットワークに参加しようとする移動局３を中央制御局１が早く認識することができることになり、その結果参加手続きに必要な時間を短くできる。

実施形態１のシステム構成例図である。 （ａ）は実施形態１に用いる中央制御局の構成図、（ｂ）は中継局の構成図、（ｃ）は移動局の構成図である。 実施形態１でのスロット周期とタイムスロットの説明図である。 実施形態１でのタイムスロットの構成説明図である。 実施形態１の移動局の定期的データの送信動作説明用シーケンス図である。 実施形態１における中央制御局と移動局のタイマの計時ずれの補正処理の説明図である。 ＴＤＭＡでの従来のフレーム構成図である。

符号の説明

１ 中央制御局
２_１〜２_４ 中継局
３_１〜３_ｉ 移動局
Ａ１，Ａ２ 通信範囲

Claims (3)

1. 中央制御局と、中継局と、移動局とをネットワーク内に備え、時分割多元接続方式を用いて、前記移動局から定期的に前記中央制御局に対してデータ通信をマルチホップにより行う無線ネットワークシステムに用いられ、
   前記移動局はネットワークに参加時に前記中央制御局に対して参加手続きのデータを送信し、該参加手続き後に前記中央制御局から指定されたオフセット時間が経過するとデータ通信を開始し、以後中央制御局から指定されたスロット周期で定期的にデータ通信を行う手段を備え、
   前記中継局は、ネットワークに参加時に前記中央制御局に対して参加手続きのデータを送信し、該参加手続き後に前記中央制御局から指定されたオフセット時間が経過すると自局の送信すべきデータの通信を開始し、以後前記中央制御局から指定されたスロット周期で自局の送信すべきデータの通信を行う手段を備え、
   前記中央制御局は、前記参加手続きのデータを受信すると、該データを送信した移動局に対して最初のデータ通信のための前記オフセット時間とスロット長及びスロット周期のデータを応答データとして送信する手段とを備えていることを特徴とする無線ネットワークシステム。
2. 前記中央制御局及び前記各移動局には通信の時間管理用の計時手段を夫々備え、前記中央制御局は、前記各移動局のデータ通信開始時に当該移動局から送信要求信号を受信すると、該中央制御局の計時手段の計時に基づき、次回のデータ通信開始時点を当該移動局の計時手段の計時によって決めるための計時時間を算出し、この計時時間データを当該移動局との間のデータ通信中に当該移動局に送信し、
   当該移動局は、計時時間データを受信した時点から自己の計時手段の計時によって計時時間データが示す時間を計時した時点を次回の通信開始時点とすることを特徴とする請求項１記載の無線ネットワークシステム。
3. 前記中央制御局は、中継局に割り当てるスロット数を設定し、システム内の中継局数が割当スロット数より少ない場合に、余剰スロットを用いて中継局に複数のスロットを割り当てることを特徴とする請求項１又は２記載の無線ネットワークシステム。

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