JP5306542B2 - 無線ボディエリアネットワークにおける通信方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、近距離無線通信に関し、特に、無線ボディエリアネットワーク（Wireless Body Area Network：以下、“ＷＢＡＮ”と称する）環境で複数のピコネットの共存のための通信方法及び装置に関する。

ＷＢＡＮは、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronic Engineers）８０２．１５．６ ＴＧ６ ＢＡＮという国際標準で標準化進行中である近距離無線通信を意味し、約３メートル内のボディエリアでの通信ネットワークを通してリモートヘルスケアのような医療サービス及びウェアラブルコンピューティング（Wearable Computing）のための着用装備やモーションセンサーを使用するエンターテイメントサービスを提供しようとする。

ＷＢＡＮにおいて、個人が１つのネットワーク、すなわち、ピコネットを構成する。ピコネットは、１つのコーディネータノード（coordinator node）及び複数のデバイスノード（device node）で構成され得る。このコーディネータノードは、移動電話であり得、このデバイスノードは、ボディに取り付けられた様々なタイプの個人デバイス（Personal Devices）であり得る。このようなＷＢＡＮは、センサーネットワークと類似した性能制約条件を要求し、そのために、様々な人が限定された空間に存在するか又は移動の間に複数のピコネット間の干渉による“衝突問題”を起こしやすい。したがって、ＷＢＡＮに対して特化されたメディアアクセス制御（ＭＡＣ）プロトコルの設計が要求される。

ＷＢＡＮに対して特化されたＭＡＣプロトコルを設計するためには、キャリア検知多重アクセス（Carrier Sense Multiple Access：ＣＳＭＡ）及び時分割多重アクセス（Time Division Multiple Access：ＴＤＭＡ）が考慮され得る。

ＣＳＭＡは、ノード間の時間同期を必要とせず、低いコンテンション（low contention）環境で高いチャネル利用率及び低い遅延性能を示す。しかしながら、干渉範囲内のノードの数が増加してコンテンションが高い環境（high contention）では、衝突の増加及びバックオフによる予測できない遅延の増加などにより性能低下が発生する。したがって、複数のピコネットが狭い空間に存在し、リアルタイム応答を要求する際にＣＳＭＡをＷＢＡＮに適用することが難しい。

ＴＤＭＡは、高いチャネル利用率、衝突減少、及び予測できない遅延除去などの長所を有するが、時間同期によるオーバーヘッドの問題を有する。一般的に、ＴＤＭＡは、時間同期のための基準ノード、すなわち、時間同期ルート（time synchronization root）及び新たなノードの進入及び移動の際に時間同期のために多くの時間及びエネルギーを消費する短所を有する。

したがって、ＷＢＡＮでは、上記した２つの方式の短所を克服することができるＣＳＭＡ及びＴＤＭＡのコンバージェンス形態のＭＡＣプロトコルに関する研究が要求される。

そこで、本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、ＷＢＡＮの高いコンテンション環境で高いチャネル利用率を提供することができる通信方法及び装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、ＷＢＡＮにおいて、複数のピコネットが隣接した場合にデータ送信衝突を減少させることができる通信方法及び装置を提供することにある。

本発明のまた他の目的は、ＷＢＡＮにおいて、複数のピコネットが隣接した場合にデータ送信遅延を低めることができる通信方法及び装置を提供することにある。

本発明のさらなる他の目的は、ＷＢＡＮにおいて、複数のピコネットが隣接した環境でもＴＤＭＡデータ送信の間に時間同期によるオーバーヘッドを減少させることができる通信方法及び装置を提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明の一態様によれば、無線ボディエリアネットワーク（ＷＢＡＮ）に含まれる第１のノードが隣接した少なくとも１つの第２のノードと通信を実行する通信方法は、時分割通信期間、時分割スケジュール案内メッセージ送信期間、及びコンテンションアクセス期間（ＣＡＰ）が順次に配列されるスーパーフレームを用いて上記時分割通信期間の間に上記第１のノードに接続された少なくとも１つのデバイスノードにデータを送信するか又は受信するステップと、上記スーパーフレーム内の上記時分割スケジュール案内メッセージ送信期間で上記第１のノードの時分割スケジュール案内メッセージを上記少なくとも１つの第２のノードにブロードキャスティングするステップと、上記スーパーフレーム内の上記コンテンションアクセス期間の間に上記第２のノードから時分割スケジュール案内メッセージを受信する際に、上記受信された時分割スケジュール案内メッセージを用いて上記第１のノードに接続された少なくとも１つのデバイスノードに対するデータ送信又は受信時間を調整するステップとを有することを特徴とする。

本発明の実施形態によると、ＷＢＡＮの高いコンテンション環境で高いチャネル利用率を提供し、複数のピコネットが相互に隣接した場合にデータ送信衝突を減少させることができ、データ送信遅延を防止することができ、ＴＤＭＡデータ送信の間に時間同期により発生するオーバーヘッドを減少させることができる。

本発明の一実施形態によるピコネット構造を示す図である。 本発明の一実施形態によるネットワーク装置の構造を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるタイムテーブル更新過程を示す図である。 本発明の一実施形態によるＡＤメッセージの構成を示す図である。 データ衝突の発生例を示す図である。 本発明の一実施形態によるフレーム構造を示す図である。 本発明の一実施形態によるフレーム構造を示す図である。 本発明の一実施形態によるフレーム構造を示す図である。 本発明の一実施形態によるフレーム構造を示す図である。 本発明の一実施形態によるフレーム構造を示す図である。 本発明の一実施形態によるコーディネータノードの動作過程を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態によるコーディネータノードの動作過程を示すフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施形態を、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の説明における具体的な特定事項は、本発明のより全般的な理解を助けるために提供されたもので、これら特定事項によって本発明が限定されるものではないことは、当該技術分野における通常の知識を持つ者にとっては明らかであるだろう。そして、下記の説明において、関連する公知機能或いは構成についての具体的な説明は、本発明の簡潔さのために適宜省略するものとする。

本発明によると、無線ボディエリアネットワーク（Wireless Body Area Network：以下、“ＷＢＡＮ”と称する）は、移動性を有する複数の無線通信ノードで構成される。無線通信ノード（以下、“ノード”と称する）は、例えば、移動通信端末、ノート型パソコン、個人用デジタル補助装置（ＰＤＡ）、又はセンサーノードであり得るが、これに限定されない。このセンサーノードは、物理的な現象を観測するために必要なセンシング及び通信機能を有する装置を意味する。このセンサーノードは、無線センサーネットワークを構成する基本要素であり、スマートダスト（smart dust）が１つの例である。また、このセンサーノードは、ボディに挿入される医療装置であり得る。無線通信ノードは、１つの独立したノードとして動作するか又はマスターノード及びこのマスターノードに対する１つ以上のスレーブ（slave）ノードで構成された極小規模ネットワーク、すなわち、ピコネット（piconet）でマスターノード又はスレーブノードとして含まれ得る。独立したノードは、スレーブノードを有しないマスターノードとして見なされ得るので、以下、マスターノードは、スレーブノードを有しない独立ノードを含むものとして解釈され得る。ＷＢＡＮは、独立ノード又はピコネットが移動しつつ分離、統合、又は変更を繰り返し得る。以下、マスターノードに対応するノードをコーディネータノードと呼び、スレーブノードに対応するノードをデバイスノードと呼ぶ。

コーディネータノードは、自身のスレーブノード又は任意の通信範囲内の他のコーディネータノードと直接に通信することができる。上述した２つの場合において、本発明の方法に従ってＣＳＭＡ及びＴＤＭＡ方式をすべて使用し得る。規則的に発生し、送信遅延に敏感なトラフィックに対してはＴＤＭＡを使用し、不規則的に発生し、送信遅延に敏感でないトラフィックに対してはＣＳＭＡを使用することが有利である。

本発明の一実施形態に従って、ＴＤＭＡ送信スケジューリングは、コーディネータノード間の情報交換により実行され得、スレーブノードが他のコーディネータノードに同期して１つのコーディネータノードの指示に従って動作することが望ましい。

スレーブノードがＴＤＭＡ通信のためのタイムスロットを必要とする場合において、このスレーブノードがコーディネータノードにタイムスロットの割り当てを要請する場合に、このコーディネータノードは、隣接コーディネータノード又は独立ノードが使用するタイムスロットを考慮して要請されたタイムスロットを決定し、隣接した一定の範囲内のノードに通知し、このタイムスロットをスレーブノードに割り当てる。下記の説明において、ノードは、独立したノード又は１つのピコネットに属しているコーディネータノードを意味する。

ピコネットが占める物理的な空間が広くてコーディネータノードの干渉範囲とスレーブノードの干渉範囲間の大きな差がある場合には、このコーディネータノードがスロット予約を実行することができないので、スレーブノードは、１つの独立ノードと同様に動作し得る。

本発明は、ノードの移動性及びピコネット間の干渉回避をサポートするＣＳＭＡ／ＴＤＭＡコンバージェンス方式のＭＡＣプロトコルである分散（Distributed）ＴＤＭＡ ＭＡＣプロトコルを提供する。このような分散ＴＤＭＡ方式は、時間同期が複数のピコネット間で設定されないとしても、制御メッセージの交換を通して干渉を回避し、通信を可能にする。すなわち、分散ＴＤＭＡ方式において、すべてのノードは、特定のノードのタイマーに基づいて常に時間同期を調整せず、各ノードは、自身の時間基準をそのまま維持しつつ、他のノードのタイムスロットスケジュールを把握する。

次に、各コーディネータノードは、自身のタイマーと他のコーディネータノードのタイマー間の時間差を計算し、隣接ピコネットのコーディネータノードから受信された時間値に計算された時間差を適用し、この受信された時間値を自身のタイマーに基づく時間値に変換することにより、単一の基準時間なしに他の時間に関する情報を正確に交換することができる。

言い換えれば、分散ＴＤＭＡ方式において、コーディネータノードは、隣接ピコネットのコーディネータノードから隣接コーディネータノードのタイムスロット情報を受信し、このタイムスロット情報を使用して自身のタイマーと隣接コーディネータノードのタイマー間の時間オフセットを計算し、この計算された時間オフセットを用いて隣接コーディネータノードにより予約されるか又は使用されるタイムスロットの時間値を自身のタイマーに基づく時間値に変更する。したがって、このコーディネータノードは、特定の基準時間に対する同期化過程なしに隣接コーディネータノードに指定されたタイムスロット期間を正確に把握することができ、自身が使用するタイムスロット期間を指定することができる。

このために、コーディネータノードは、自身のノード又は他のノードのタイムスロット情報を格納するタイムテーブルを含み、隣接コーディネータノードは、自身のタイムスロット情報を交換するためにＴＤＭＡスケジュール案内メッセージ（以下、TDMA Schedule Advertisement message：以下、“ＡＤメッセージ”と称する）と呼ばれる制御メッセージを交換する。このようなＡＤメッセージの交換を通してＴＤＭＡ期間でのコーディネータノードの送信時間が隣接ピコネットの送信時間と重なると判定される場合に、このコーディネータノードは、データ送信期間をスーパーフレーム内の重ならない期間に変更することにより干渉を回避する。

図１は、このような分散ＴＤＭＡ方式が適用されるＷＢＡＮで複数のピコネットの一例を示す図である。図１は、相互に隣接する第１のピコネット１０及び第２のピコネット２０を示す。第１のピコネット１０は、コーディネータノード１１及び複数のデバイスノード１２、１３、１４、１５、及び１６で構成され、第２のピコネット２０は、コーディネータノード２１及び複数のデバイスノード２２、２３、２４、及び２５で構成される。
コーディネータノード１１及び１２のそれぞれに含まれるネットワーク装置の構成の一例を図２に示す。本発明の一実施形態によるネットワーク装置は、プロセッサ１１０、送受信部１２０、及びメモリ１３０を含む。

プロセッサ１１０は、ＷＢＡＮでノードの通信動作に従って送受信部１２０及びメモリ１３０を制御する。プロセッサ１１０は、時間をカウントするタイマーを含む。

送受信部１２０は、プロセッサ１１０の制御の下に、ノード間に形成される通信リンクを通してデータの送信又は受信を行い、この送信及び受信が行われたデータを処理する。

メモリ１３０は、ＷＢＡＮにおいてノードが通信を実行するのに必要な各種情報を格納し、ＴＤＭＡ通信のためのタイムスロット情報を格納する。このタイムスロット情報は、ノード自身のタイムスロットに関する情報と隣接ノードのそれぞれのタイムスロットに関する情報とを含む。本発明の一実施形態によると、このタイムスロット情報は、タイムテーブルの形態で格納される。

本発明の一実施形態によると、プロセッサ１１０は、メモリ１３０に格納されたタイムスロット情報を送受信部１２０を通してブロードキャスティングし、隣接ノードからタイムスロット情報を受信する際に、プロセッサ１１０は、この隣接ノードのタイムスロット情報を用いて自身のタイマーと隣接ノードのタイマー間の時間オフセットを計算する。その後に、プロセッサ１１０は、この計算された時間オフセットを用いて隣接ノードから受信されたタイムスロット情報に含まれた時間値を自身のタイマーに基づく時間値に補正する。この際に、タイムスロットの長さは、訂正されない。

このタイムスロット情報は、ＴＤＭＡ方式によりデータを送受信するためにノードにより割り当てられるか又は使用されているタイムスロットに関する情報を示す。対応するノードの識別情報及び１つのフレームで対応するノードに対応して指定された各タイムスロットの開始時間及び長さ情報を含む。このようなタイムスロット情報を示すタイムテーブルに格納されるエントリーは、下記の表１に示す。

タイムテーブルでの各エントリーは、任意のノードに指定されたタイムスロットに対応する。１つのノードが複数の分離されたタイムスロットを使用する場合には、同一のノードに対する複数のエントリーが１つのテーブルに含まれ得る。表１において、ノードアドレスは、対応するエントリーがどのノードに関する内容であるかを示すために対応するスロットを予約したノードのアドレスを示し、ノードの識別情報として使用され得る。ホップ数は、隣接ノードがノード自身から幾ホップ距離にあるかを示し、対応するノードのホップ数は、０である。時間オフセットは、ノード自身のタイマーと隣接ノードのタイマー間の時間差を示す。タイムスロット開始時間は、エントリーに対応するタイムスロットがフレームの開始点に基づいてどの時点から始まるかを示す。タイムスロットの長さは、対応するタイムスロットの長さ、すなわち、時間期間を示す。バージョン情報は、エントリーに含まれた情報の更新程度を示し、各エントリー情報がどのくらい最新の情報であるかを示す。コンテンションアクセス期間（Contention Access Period：以下、“ＣＡＰ”と称する）情報は、対応するノードに設定されたＣＡＰに関する情報を示し、開始時点及びＣＡＰの長さを示す。

コーディネータノードが最初に起動された際に、上述したタイムテーブルは、何のエントリーも含まない。しかしながら、このコーディネータノードがブーティングの後に他のノードからタイムスロット情報を受信するか又は対応するノードで使用されるタイムスロットを予約する場合に、プロセッサ１１０は、これに対応するテーブルエントリーを生成する。すなわち、このタイムスロットテーブルの各エントリーは、対応するノードにより使用されるタイムスロットに関する情報を含む。このタイムスロットテーブルのエントリーが生成される場合に、プロセッサ１１０は、周期的に又はランダムに現在のタイムスロットテーブルの内容に対応するタイムスロット情報を反復してブロードキャストする。

このようなタイムスロットテーブルの構成、更新、及び格納過程に関する一例を図３及び図４を参照して説明する。図３において、３つのコーディネータノードＡ、Ｂ、及びＣは、複数のピコネットのコーディネータノードである。スーパーフレーム３１０、３２０、及び３３０は、コーディネータノードＡ、Ｂ、及びＣのそれぞれに対応する。

コーディネータノードＡ、Ｂ、及びＣのそれぞれは、図２に示すネットワーク装置を含む。各コーディネータノードは、自身のスーパーフレーム内の任意の位置でＴＤＭＡ送信期間を有する。このＴＤＭＡ送信期間内で、各コーディネータノードは、各デバイスノードに対してデータ送信期間に対するスケジューリングを実行する。ＴＤＭＡ送信期間を除いた他の期間は、ＣＳＭＡを使用する。コーディネータノードＡ、Ｂ、及びＣ は、１ホップにより相互に接続され得る。

図３において、スーパーフレーム３１０、３２０、及び３３０でコーディネータノードＡ、Ｂ、及びＣにより占有されたタイムスロット期間は、コーディネータノードＡ、Ｂ、及びＣを示すパターンと同一のパターンにより示される。スーパーフレーム３１０、３２０、及び３３０は、対応するノード間でスケジューリングされた時点での各ノードで開始される。言い換えれば、ＴＤＭＡ通信のためのスーパーフレームの期間は、すべてのノードで同一であり、スーパーフレームの開始時間も各ノードで同一である。例えば、スーパーフレームの期間が１０秒である場合に、スーパーフレームの開始時間は、各ノードのタイマーに基づいて毎分の０秒、１０秒、２０秒、３０秒、４０秒、又は５０秒であり得る。すべてのノードのタイマーが同一の時点に基づいてカウンティングを開始する場合に、ノード間の時間同期化を実行する必要がない。しかしながら、各ノードのタイマーが異なる時点に基づいてカウンティングを開始することができるので、ノードのタイマー間の時間差が発生し得る。すなわち、このスーパーフレームが定められた時間に開始されるとしても、各ノードのスーパーフレームの開始時点は、実質的に異なり得る。

図３において、コーディネータノードＡ、Ｂ、及びＣに対応するスーパーフレーム３１０、３２０、及び３３０は、実質に異なる開始時点を有する。すなわち、コーディネータノードＡ、Ｂ、及びＣの各タイマーは、相互に異なる時間基準を有する。各コーディネータノードでのタイムスロットの開始時間は、各スーパーフレームの開始時点に基づいてＳＴＡ、ＳＴＢ、ＳＴＣであり、各タイムスロットの長さは、ＤＡ、ＤＢ、ＤＣである。図３に示すスーパーフレーム構造は、タイムテーブルの構成を説明するための構造である。

上記の通りに構成される各コーディネータノードが起動した後に他のコーディネータノードからタイムスロット情報を受信するか又はコーディネータノード自身により使用されるタイムスロットを予約する場合に、このコーディネータノードは、タイムテーブルのエントリーを生成する。その後に、このコーディネータノードは、表１のエントリー情報を含むＡＤメッセージを構成しブロードキャストすることによりタイムスロット情報をブロードキャストする。このＡＤメッセージの一例を図４に示す。図４を参照すると、ＡＤメッセージ２００は、ノードアドレス２１０、ホップ数２２０、バージョン情報２３０、タイムスロット開始時間２４０、タイムスロット長さ２５０、ノード時間情報２６０、及びＣＡＰ情報２７０を含む。ＡＤメッセージ２００に含まれるＣＡＰ情報２７０は、ＡＤメッセージ２００の送信の後に最も早く設定されるＣＡＰに関連した開始時点情報及び長さ情報を含む。タイムスロット開始時間２４０及びタイムスロット長さ２５０は、対応するノードで使用される時間期間に関する情報を示す。

ノード時間情報２６０は、ＡＤメッセージ２００を送信したノードで使用されるタイマー値に関する情報を示し、ノード間の時間オフセットを計算する際に使用される情報である。ノード時間情報２６０に含まれるタイマー値は、ＡＤメッセージ２００が送信される時点のタイマー値に基づいて決定される。ノード時間情報２６０がＡＤメッセージ２００に含まれて送信される場合を例を挙げて説明したが、ノード時間情報２６０は、付加のメッセージとしてブロードキャストされ得る。

図３を参照して、コーディネータノードＢ及びＣのタイムスロットテーブルにおいて、コーディネータノードＡに対する時間オフセットは、それぞれ−Ｔ１及び−Ｔ２である。このような時間オフセットは、ＡＤメッセージ２００に含まれたノードＡに対するノード時間情報２６０を使用して計算される。

より詳細に、時間オフセットは、他のノードによりメッセージを受信する時点に基づいて導出されたタイマー値からメッセージを送信するノードのタイマー値を減算することにより得られた値である。例えば、ＡＤメッセージ２００の送信時点がノード時間情報として使用される場合に、ノードＢ及びノードＣの時間オフセット値は、ノードＢ及びノードＣによるＡＤメッセージの受信時間からＡＤメッセージの送信時間を減算することにより得られる。したがって、ノードＢのタイムスロットテーブルにおいて、任意の時点でノードＡに対する時間オフセット−Ｔ１をノードＡのタイマー値に加算することにより得られる。

コーディネータノードＡ、Ｂ、及びＣは、ＡＤメッセージ２００を送受信することにより表２、表３、及び表４に示すようなタイムテーブルを格納する。すなわち、表２、表３、及び表４は、コーディネータノードＡ、Ｂ、及びＣのタイムテーブルをそれぞれ示す。

コーディネータノードがタイムテーブルを用いてＴＤＭＡタイムスロットをスケジューリングするために、タイムテーブルの構成及び更新は、ノード間通信で重要である。

このタイムテーブルの構成及び更新を行うために送受信されるＡＤメッセージ２００は、ビーコン（beacon）の一部として周期的にブロードキャストされるか又はランダムにブロードキャストされ得る。

ＡＤメッセージがビーコンに含まれて送信される場合に、ピコネットのコーディネータノードは、常にアクティブ状態を保持しなければならない。したがって、このコーディネータノードの送受信部１２０は、常に受信待機状態にある。しかしながら、この受信待機状態がパケット送信の間に消耗されるものと類似した電力を消耗するために、このコーディネータノードの電力寿命は、非常に短縮される。このコーディネータノードがエネルギーの消耗によりターンオフ状態となる場合に、全ピコネットは、通信することができない。

さらに、認識されないピコネットグループがコーディネータノードにアクセスする場合に、初期衝突を回避できなければならない。分散ＴＤＭＡ方式は、ＴＤＭＡ期間が重なる場合に、ＡＤメッセージ２００の交換を通してＴＤＭＡ期間を再配置することにより衝突を回避する。したがって、ＴＤＭＡ期間の再配置の前にＴＤＭＡ期間が重なる場合に、衝突が発生し、再送信の必要性によりエネルギー浪費が発生し得る。

衝突が発生する場合の一例を図５に示す。図５において、参照符号４１０は、第１のピコネット１０及び第２のピコネット２０がビーコンモードで動作する状況を示す。状況４１０において、ＡＤメッセージ２００は、ビーコンの一部としてブロードキャストされる。ＡＤメッセージ２００は、第１のピコネット１０及び第２のピコネット２０のＴＤＭＡ期間の間に送信される。その後に、衝突が発生し、失われたデータが復元されることができない。

参照符号４２０は、第１のピコネット１０及び第２のピコネット２０がノンビーコンモード（non-beacon mode）で動作する状況を示す。分散ＴＤＭＡ方式において、ＡＤメッセージは、ＣＳＭＡ／衝突回避（ＣＡ）でＣＡＰの間に送信される。ＣＡＰが隣接ピコネットのＴＤＭＡ期間と重なる場合に、ＴＤＭＡ期間が終了するまでＡＤメッセージを送信することができず、これにより、望ましくない遅延を引き起こす。

また、分散ＴＤＭＡ方式において、コーディネータノードが電力消費を減少させるためにインアクティブモードにスイッチングする場合に、このコーディネータノードは、隣接コーディネータノードのＡＤメッセージ２００を受信することができない。

したがって、必要であれば、コーディネータノードがアクティブ期間及びインアクティブ期間を設定することができるようにＡＤメッセージの送受信を行うことが好ましい。また、スーパーフレームがＩＥＥＥ８０２．１５．６ ＢＡＮ標準に提案された“ポーリングアクセス（polling access）”モードのようなノンビーコンモード（non-beaconmode）にある場合にも、適時にＡＤメッセージの交換に成功するための方法が必要である。

本発明によると、上述したように、ピコネットは、アクティブ期間及びインアクティブ期間を含み、ビーコンモード又はノンビーコンモードが設定されるかに関係なくＡＤメッセージの送受信に成功することにより衝突又は遅延なしにデータを送受信するために、下記の表５のように構成されるスーパーフレーム構造を提案する。

ピコネット間の衝突を感知するために提案したスーパーフレーム構造において、表５に示すように、最初の開始時点及び最後の終了時点にチャネル感知期間を配置し、ＴＤＭＡ期間の後に、ＡＤメッセージをブロードキャスティングするＡＤメッセージ送信期間を配置する。ＡＤメッセージのブロードキャスティングの後には常にＣＡＰを設定し、ＣＡＰの後にはチャネル感知期間を設定する。

チャネル感知期間は、通信チャネルを使用するピコネットがあるか否かを確認するための期間を意味する。チャネル感知期間の間に、コーディネータノードの送受信部１２０は、所定値以上の強度を有する信号がＷＢＡＮにより使用される周波数帯域で受信されるか否かを確認する。この際に、受信される信号に対する符号化は実行されない。所定値以上の強度を有する信号が受信される場合に、これは、隣接した位置に他のピコネットが存在し、現在のデータを送受信していることを示す。上述した方式でチャネルを感知することが難しい場合に、衝突により損失されるパケットの数を感知することによりチャネル感知の役割を置き換え得る。本発明において、チャネル感知を説明したが、他の方法は、隣接ピコネットとの衝突が発生するか否かを確認するために使用され得る。例えば、チャネル感知期間の間にダミーパケットを用いて損失程度を確認することにより隣接チャネルが使用されるか否かが判定され得る。連続的なパケットエラーがダミーパケットの送信の間に検出されるか、又はプリアンブルエラーが検出される場合に、ピコネット衝突が予想されるものと判定される。あるいは、測定される信号対雑音比（ＳＮＲ）に従ってチャネルが存在するか否かを決定し得る。すなわち、ＳＮＲが予め定められた基準値以上である場合に、データを送受信している隣接ピコネットが存在するものと判定され得る。

本発明で提案するスーパーフレーム構造は、コーディネータノード間の情報の交換のためにＴＤＭＡ期間の後にＡＤメッセージ送信期間を含み、ＡＤメッセージ送信期間の後のＣＡＰを含むことにより、衝突が感知された場合の問題点を解決する。このように、ＣＡＰの間にコーディネータノードがブロードキャスティングするＡＤメッセージを受信した任意のコーディネータノードから任意のコーディネータノードのＡＤメッセージを受信することができるようにするために、ＡＤメッセージ期間は、ＴＤＭＡ期間とＣＡＰ間に存在する。すなわち、この任意のコーディネータノードは、ＡＤメッセージを受信した後に、コーディネータノードのＡＤメッセージに含まれたＣＡＰを確認することができ、確認されたＣＡＰの間に自身のＡＤメッセージを送信することができる。この際に、本発明で提案するスーパーフレーム構造は、ＡＤメッセージ送信期間の直後にＣＡＰを含み、任意のコーディネータノードは、コーディネータノードのＡＤメッセージを受信した後に同一の送信期間内で自身のＡＤメッセージを送信することができる。

図５の状況４１０と同様に、ＡＤメッセージがビーコンに含まれて送信される場合に、特定のコーディネータノードがＡＤメッセージを送信した直後にＴＤＭＡ期間の間にデータを送受信するために、この特定のコーディネータノードのＡＤメッセージを受信した隣接コーディネータノードは、自身のＡＤメッセージをこの特定のコーディネータノードのＴＤＭＡ期間が終了した後に送信することができる。したがって、他のコーディネータノードは、次の送信期間の後に自身のＡＤメッセージを送信するか、又は次の期間の間にも自身のＡＤメッセージを送信しない場合がある。このように、複数のコーディネータノードは、円滑にＡＤメッセージを送受信することができず、いずれか１つのコーディネータノードで送信遅延が発生するか、又は頻繁なデータ衝突が発生し得る。特に、ＷＢＡＮにおいて、データ送信期間がその特性により増加され得るために、重要な情報の損失を防止するためには、１つの期間内でＡＤメッセージを送受信することが好ましい。

他の例として、図５の状況４２０と同様に、ＴＤＭＡ期間の完了後に、ＣＡＰ期間を行い、ＣＡＰが完了した後にＡＤメッセージを送信する場合にも、他のコーディネータノードからデータを受信することができる期間が存在しないために、状況４１０と類似した問題点が発生し得る。

しかしながら、本発明のスーパーフレーム構造において、ＴＤＭＡ期間の後にＡＤメッセージ送信期間が続き、その後に、ＣＡＰが続くために、上述した問題点を解決することかできる。

ＡＤメッセージ２００は、一種のブロードキャスティングメッセージであるので、特定のノードを指定せず予め知られているブロードキャスティング認識コードで送信される。

表５は、基本的なスーパーフレーム構造を示す。このスーパーフレーム構造は、本発明の動作過程に従って変更され得る。例えば、このスーパーフレーム構造は、図６における状況４３０で示すように、チャネル感知期間なしに、ＴＤＭＡ期間、ＡＤメッセージ送信期間、及びＣＡＰ期間で構成され得る。このようにスーパーフレームを構成する場合にも、従来の方法に比べて、ＡＤメッセージは、隣接コーディネータノード間で円滑に送受信されることができ、したがって、チャネル衝突を効率的に防止することができる。しかしながら、ＡＤメッセージを正確に送受信し、チャネル衝突の発生率をさらに減少させるためにチャネル感知間隔を付加し得る。

上述したスーパーフレームを使用してＡＤメッセージを送信する過程は、図６乃至図１２を参照して説明する。図６乃至図１０は、本発明の一実施形態によるフレーム構造を示す。図１１及び図１２は、本発明の実施形態に従ってプロセッサ１１０により行われるコーディネータノードの動作過程を示す。

２つの隣接ピコネットがデータ送信の間に相互に異なる時間期間を使用する場合に、データ衝突は発生しない。この場合に、各ピコネットのコーディネータノードの動作過程は、次のようである。

図１１及び図１２を参照すると、コーディネータノードのプロセッサ１１０は、現在の時点が予め定められたスケジュールに従ってアクティブ期間開始時点であるか否かを確認する（ステップ５０１）。アクティブ期間開始時点である場合に、プロセッサ１１０は、予め定められたチャネル感知期間の間に送受信部１２０を通してチャネル感知を実行する（ステップ５０３）。２つの隣接ピコネットがデータ送信の間に相互に異なる時間期間を使用するために、チャネル感知期間の間にチャネルが感知されず、したがって、衝突が感知されない。その後に、コーディネータノードのプロセッサ１１０は、ＴＤＭＡ期間の間にデータを送信し、ＴＤＭＡ期間が完了する際にＡＤメッセージ２００をブロードキャスティングする（ステップ５０５及びステップ５０７）。次に、プロセッサ１１０は、ＣＡＰに進み（ステップ５１９）、ＣＡＰの間にＡＤメッセージ２００が受信されるか否かを確認する（ステップ５２１）。ＣＡＰの間にＡＤメッセージ２００が受信されない場合に、プロセッサ１１０は、インアクティブ期間に進む（ステップ５２７及びステップ５２９）。

２つの隣接ピコネットがデータ送信の間に重複する時間期間を共有する場合に、データ衝突が発生する。図６、図７、及び図８は、データ衝突が発生し、このようなデータ衝突の問題を解決するためのフレーム構造を示す。図６及び図７は、ＴＤＭＡ送信期間が重なる場合を示し、図８は、ＣＡＰがＴＤＭＡ期間と重なる場合を示す。

図６において、状況４３０は、第１のピコネット１０で送信したＡＤメッセージ２００が第２のピコネット２０のＴＤＭＡ期間と衝突が発生し、第２のピコネット２０のコーディネータノード２１が第１のピコネット１０のＴＤＭＡ期間を認識していない場合を示す。第１のピコネット１０がすでにインアクティブ期間に進入したので、第２のピコネット２０のＡＤメッセージは送信されず、第１のピコネット１０のコーディネータノード１１は、第２のピコネット２０のＴＤＭＡ期間を認識することができない。

このような衝突は、図７の状況４４０のように解決され得る。まず、第１のピコネット１０のコーディネータノード１１がアクティブ期間に進入し、チャネル感知期間の間にチャネルが感知されないために、衝突が感知されないものと判定し、ＴＤＭＡ期間に進入することによりパケットを送信する（図１１のステップ５０１、ステップ５０３、及びステップ５０５）。

一方、図１１に戻って参照すると、第２のピコネット２０のコーディネータノード２１は、アクティブ期間の開始時点に進入し（ステップ５０１）、衝突がチャネル感知期間の間に発生したか否かを判定する（ステップ５０３）。この際に、第２のピコネット２０のコーディネータノード２１は、第１のピコネット１０のコーディネータノード１１のＴＤＭＡデータ送信によるチャネルの使用を感知することにより衝突を感知し（ステップ５０３）、受信待機状態に進入する。第２のピコネット２０のコーディネータノード２１は、既知のフォーマットのＡＤメッセージ２００が受信されることを待機する（ステップ５０９）。

第１のピコネット１０でＴＤＭＡ期間が終了するため、第１のピコネット１０のコーディネータノード１１は、ＡＤメッセージ２００をブロードキャストする（ステップ５０５及びステップ５０７）。

第２のピコネット２０のコーディネータノード２１は、受信待機期間の間にＡＤメッセージを受信し、肯定確認（ＡＣＫ）を第１のピコネット１０のコーディネータノード１１に送信し（ステップ５１１）、タイムテーブルを更新する（ステップ５１３）。この際に、ＡＤメッセージ２００が第１のピコネット１０のＣＡＰ情報２７０を含むために、第２のピコネット２０のコーディネータノード２１は、第１のピコネット１０のＣＡＰがいつ終了されるかを認識することができ、第２のピコネット２０のＣＡＰ期間の間にＡＤメッセージ２００をブロードキャスティングする（ステップ５１５）。第１のピコネット１０のコーディネータノード１１からＡＤメッセージ２００に対するＡＣＫを受信する際に、第２のピコネット２０のコーディネータノード２１は、ＡＤメッセージの送信に成功したものと判定し（ステップ５１７）、ＣＡＰに進入する（ステップ５１９）。第２のピコネット２０のコーディネータノード２１がＡＤメッセージ２００をブロードキャスティングし、ＣＡＰに進入する理由は、ブロードキャストＡＤメッセージ２００を受信した第３のピコネットが自身のＡＤメッセージを送信することができるためである。

また、ＡＤメッセージ２００が第１のピコネット１０のタイムスロット開始時間２４０及びタイムスロット長さ２５０に関する情報を含むために、第２のピコネット２０のコーディネータノード２１は、第１のピコネット１０のデータ送信期間を認識することができ、ＡＤメッセージ２００の送信時点を認識することができる。したがって、第２のピコネット２０のコーディネータノード２１は、第１のピコネット１０のデータ送信期間の間にデータ送信を回避することができ、第１のピコネット１０のＡＤメッセージ２００の送信時点にアクティブ状態を設定することによりＡＤメッセージ２００を受信することができる（ステップ５３１、ステップ５３３、及びステップ５３５）。

ＡＤメッセージがＣＡＰの間に受信されない場合に（ステップ５２１）、第２のピコネット２０のコーディネータノード２１は、チャネル感知期間を設定することによりデータ衝突が発生するか否かを感知する（ステップ５２７）。データ衝突が感知されない場合に、第２のピコネット２０のコーディネータノード２１は、インアクティブ期間に進入する（ステップ５２９）。

一方、第１のピコネット１０のコーディネータノード１１は、第２のピコネット２０のコーディネータノード２１からＣＡＰの間にＡＤメッセージを受信し（ステップ５１９及びステップ５２１）、タイムテーブルを更新する（ステップ５２３）。ＣＡＰが終了する場合に（ステップ５２５）、第１のピコネット１０のコーディネータノード１１は、チャネル感知期間を設定することによりデータ衝突が発生するか否かを感知する（ステップ５２７）。データ衝突が感知されない場合に、第１のピコネット１０のコーディネータノード１１は、インアクティブ期間に進入する（ステップ５２９）。

図７の例では、第１のピコネット１０で第１のスーパーフレームが完了した後にインアクティブ期間に進入する場合を示すが、第１のピコネット１０がインアクティブ期間に進入する前にチャネルが感知される場合を図８に示す。

図８において、状況４５０は、本発明を適用しなかった際に第１のピコネット１０のＣＡＰと第２のピコネット２０のＴＤＭＡ期間とが相互に衝突する場合を示す。この場合に、２つのピコネット間のＡＤメッセージを交換することができない。

図８において、状況４６０は、本発明が状況４５０に適用される場合を示す。

第１のピコネット１０のコーディネータノード１１は、対応するスーパーフレーム期間が終了する際にチャネル感知を実行するか又はＣＡＰの間のパケット損失状態に従って衝突が発生するか否かを判定する（次のステップ５０１、５０３、５０５、５０７、５１９、５２１、５２５、及び５２７）。第１のピコネット１０の送受信に影響を与える要因があると判定される場合に、第１のピコネット１０のコーディネータノード１１は、インアクティブモードに直接に進入せず、その代わりに、この受信待機状態に進入して既知のフォーマットのＡＤメッセージ２００が受信されることを待機する（ステップ５０９）。次の動作は、図９の場合と同一である。

第２のピコネット２０のＴＤＭＡ期間が終了し（ステップ５０１、ステップ５０３、及びステップ５０５）、第２のピコネット２０のコーディネータノード２１がＡＤメッセージをブロードキャストする（ステップ５０７）。

第１のピコネット１０のコーディネータノード１１は、ＡＤメッセージ２００を受信し、タイムテーブルを更新し（ステップ５１１及びステップ５１３）、第２のピコネット２０のＣＡＰの間に第１のピコネット１０のＡＤメッセージ２００を送信する（ステップ５１５及びステップ５１７）。この際に、第１のピコネット１０のコーディネータノード１１が第２のピコネット２０のＡＤメッセージ２００をすでに受信したので、第２のピコネット２０のＣＡＰが終了した際にＡＤメッセージ２００に含まれている情報を通して認識することができる。

図６、図７、及び図８におけるように、２つのピコネットが衝突する場合にＡＤメッセージ２００を受信することができる動作方法について説明した。ＡＤメッセージ２００を受信する場合に、ピコネットのＴＤＭＡ期間を認識することができ、隣接ピコネットのＴＤＭＡ期間の終了の後に送信されるＡＤメッセージの送信時点がわかる。したがって、最新のＡＤメッセージは、継続して受信されることができる。

本発明は、３つ以上のピコネットが衝突する場合にも動作が可能である。その理由は、ＡＤメッセージが隣接ピコネットのＣＡＰに送信され、したがって、ＡＤメッセージは、コンテンション方式により自然に送信されるためである。まれに、複数のピコネットが同時に衝突する場合に、ＣＡＰの期間を適切に増加させる必要がある。図９は、状況４７０及び４８０で示すように、３つのピコネットが衝突し、衝突問題を解決する場合を示す。

また、本発明は、ピコネットがノンビーコンモードで動作し、ＴＤＭＡ期間が再送信により増加する場合にも何の問題なく動作が可能である。図１０において、第２のピコネット２０のコーディネータノード２１は、第１のピコネット１０のＴＤＭＡ期間の終りでＡＤメッセージ２００を受信するようにスケジューリングされるが（ステップ５３１、ステップ５３３、及びステップ５３５に示すように）、ＡＤメッセージ２００は、第１のピコネット１０のＴＤＭＡ期間の可変的な増加により遅延される。この際に、ＡＤメッセージ２００がスケジューリングされた時点で受信されない場合に（ステップ５３５）、第２のピコネット２０は、システムで予想が可能であるか又は予め定められた最大ＴＤＭＡ遅延時間まで待機しつつＡＤメッセージ２００が受信されることを待機する（ステップ５３９）。ＡＤメッセージが受信されない場合に、第２のピコネット２０は、第１のピコネット１０が離れて衝突状況から外れていると判定する。タイムテーブル内の第１のピコネット１０のＴＤＭＡ期間情報を削除する（ステップ５４１）。ＡＤメッセージ２００が受信される場合には、上述した手順が行われる（ステップ５３７）。

以上、本発明を具体的な実施形態を参照して詳細に説明してきたが、添付した特許請求の範囲によって規定されるような本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、様々な変更、付加、及び代替が可能であることは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。例えば、ＡＤメッセージを受信する際に、ＡＤメッセージ２００が対応するピコネットで最初に受信されるメッセージである場合に、このピコネットのコーディネータノードは、応答として自身のＡＤメッセージを送信するが、そうでない場合に、このコーディネータノードは、自身のＡＤメッセージを送信しないこともある。したがって、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものの範囲内で定められるべきである。

１０ 第１のピコネット
１１ コーディネータノード
１２、１３、１４、１５、１６ デバイスノード
２０ 第２のピコネット
２１ コーディネータノード
２２、２３、２４、２５ デバイスノード
１１０ プロセッサ
１２０ 送受信部
１３０ メモリ

Claims (12)

1. 無線ボディエリアネットワークに含まれる第１のノードが隣接した少なくとも１つの第２のノードと通信を実行する通信方法であって、
   時分割通信期間、時分割スケジュール案内メッセージ送信期間、及びコンテンションアクセス期間が順次に配列される１つのスーパーフレームで前記時分割通信期間に含まれるタイムスロットの中の少なくとも１つのタイムスロットを前記第１のノードに接続された少なくとも１つのデバイスノードに割り当てるステップと、
   前記スーパーフレームの前記時分割スケジュール案内メッセージ送信期間に挿入するための前記第１のノードの時分割スケジュール案内メッセージを生成するステップと、
   前記スーパーフレームの前記コンテンションアクセス期間の間に前記隣接した少なくとも１つの第２のノードから前記時分割スケジュール案内メッセージを受信するステップと
   を有することを特徴とする通信方法。
2. 前記受信された時分割スケジュール案内メッセージを用いて前記第１のノードに接続された少なくとも１つのデバイスノードに対するデータ送信又は受信時間を調整するステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の通信方法。
3. 前記時分割スケジュール案内メッセージは、対応するノードが使用する時分割通信期間に関する情報及び前記対応するノードのコンテンションアクセス期間に関する情報を含むことを特徴とする請求項１に記載の通信方法。
4. 前記時分割通信期間の間に前記少なくとも１つのデバイスノードに割り当てられたタイムスロットを通して順次にデータを送信するか又は受信するステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の通信方法。
5. 前記生成された時分割スケジュール案内メッセージを前記時分割スケジュール案内メッセージ送信期間の間に前記隣接した少なくとも１つの第２のノードにブロードキャスティングするステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の通信方法。
6. 前記タイムスロットに関連した時間情報が格納されるタイムテーブルを更新するステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の通信方法。
7. 無線ボディエリアネットワークに含まれる隣接した少なくとも１つの第２のノードと通信を実行する第１のノードであって、
   送受信部と、
   メモリと、
   時分割通信期間、時分割スケジュール案内メッセージ送信期間、及びコンテンションアクセス期間が順次に配列される１つのスーパーフレームで前記時分割通信期間に含まれるタイムスロットの中の少なくとも１つのタイムスロットを前記第１のノードに接続された少なくとも１つのデバイスノードに割り当て、前記スーパーフレームの前記時分割スケジュール案内メッセージ送信期間に挿入するための前記第１のノードの時分割スケジュール案内メッセージを生成し、前記スーパーフレームの前記コンテンションアクセス期間の間に前記隣接した少なくとも１つの第２のノードから前記送受信部を介して前記時分割スケジュール案内メッセージを受信するプロセッサと
   を有することを特徴とする第１のノード。
8. 前記プロセッサは、前記受信された時分割スケジュール案内メッセージを用いて前記第１のノードに接続された少なくとも１つのデバイスノードに対する送信時間又は受信時間を調整することを特徴とする請求項７に記載の第１のノード。
9. 前記時分割スケジュール案内メッセージは、対応するノードが使用する時分割通信期間に関する情報及び前記対応するノードのコンテンションアクセス期間に関する情報を含むことを特徴とする請求項７に記載の第１のノード。
10. 前記プロセッサは、前記送受信部を介して前記時分割通信期間の間に前記少なくとも１つのデバイスノードに割り当てられるタイムスロットを通して順次にデータの送信又は受信を行うことを特徴とする請求項７に記載の第１のノード。
11. 前記プロセッサは、前記生成した時分割スケジュール案内メッセージを前記時分割スケジュール案内メッセージ送信期間の間に前記少なくとも１つの第２のノードにブロードキャスティングすることを特徴とする請求項７に記載の第１のノード。
12. 前記プロセッサは、前記メモリに記憶された前記タイムスロットに関連した時間情報を含むタイムテーブルを更新することを特徴とする請求項７に記載の第１のノード。