JP5470652B2 - 無線通信システム、干渉防止方法 - Google Patents

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Description

複数のデバイスとコーディネータ間で無線通信を行う無線通信ネットワークの、互いに異なる物理層を有する2以上の無線通信ネットワーク間で通信干渉を防止する上で好適な無線通信システム、干渉防止方法を提供することにある。
無線LAN(Local Area Network)は、有線LANと比較して、ケーブルのためのスペースが削減されることや、ノート型パーソナルコンピュータ(ノートPC)等を始めとした携帯端末が、その携帯性を損なうことなくLANに接続できる等の利点がある。また無線LANそのものも高速化され、また安価になってきたため、無線LANに対する実用化が一段と加速している。このような背景から、無線LANの標準化がIEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineering)で進められている。
特に無線LANに代表される無線パケット通信システムにおいて、複数の端末間における無線リソースの競合が問題視されている。この無線リソースの競合を回避するためには、媒体アクセス制御(MAC:Medium Access Control)が必要となる。この無線LANにおけるMACプロトコルとしては、端末がパケットを送信する前に他端末の搬送波を検出する、いわゆるキャリアセンスを実行し、キャリアを捕捉できない場合に自身のパケットを送信するCSMA(Carrier Sense Multiple Access)方式が提案されている。また、このCSMA方式に対して、更にパケットの衝突回避の仕組みを付加したCSMA/CA方式(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)方式も提案されている。
このCSMA/CA方式では、通信を開始して、通信相手の無線ノードからACK(Acknowledge)信号の返信を受け取った場合には、通信が成功したものとみなし、ACK信号を受け取らなかった場合には、他の無線ノードとの通信衝突が発生したものとみなして、再びバックオフ時間を設けてパケットデータを再送信するシステムである。
特に近年において、このCSMA/CA方式は、IEEE802.15.4規格に準拠する場合が多くなっている。IEEE802.15.4規格は、868MHz、915MHz及び2.45GHz付近の周波数を利用する無線通信であって、特にZigbee(登録商標)等の家電向け近距離通信に利用されている。Zigbee(登録商標)は、IEEE802.15.4規格で規定されたPHY層及びMAC層を用い、その上位のネットワーク層、アプリケーション層を規格化したものである。このZigbee(登録商標)は、IEEE802.15.4規格の特徴を生かし、超低消費電力化、小型化、低コスト化を実現可能としている。
このように、IEEE802.15.4規格は、センサネットワークのみならず、ホームネットワーク、オフィスネットワーク、人体に装着した各種医療用機器との通信ネットワークに加え、将来的にはユビキタスネットワーク社会を実現するためのキーテクノロジーとしても注目されている。
IEEE802.15.4規格による無線通信では、図8に示すように、ネットワーク7を制御するNC(Network-Coordinator)71と、複数のED(End Device)72と間で無線通信を行うのが一般的である。ちなみに、このネットワーク7の例としては、スター型、ツリー型、メッシュ型といった多彩なネットワーク形態が選択可能である。
また、このIEEE802.15.4規格による無線通信では、ビーコンを使用したいわゆるスーパーフレーム構造を用いる。このスーパーフレーム構造は、ビーコン間隔を全てのED72がアクセス可能なCAP(Contention Access Period)、特定のED72が専有してアクセス可能なCFP(Contention Free Period)、全てのED72がアクセス禁止となるInactive期間に分割される。またCFPは、GTS(Guaranty time Slot)メカニズムにより7等分されて、通信を優先的に行いたいED72へ割り当てることが可能となる。
従来におけるこのIEEE802.15.4規格による無線パケット通信システムとしては、例えば、特許文献1、2等が提案されている。またCSMA/CA方式におけるパケットの衝突を最小限に抑える技術としては、例えば、特許文献3、4の開示技術が提案されている。
特開2005−102218号公報 特開2008−026310号公報 特開2004−242204号公報 特開2006−197177号公報
しかしながら、例えば図9に示すように、2以上のネットワーク7、7´が共存する場合もある。ネットワーク7は、NC71と、複数のED72からなり、ネットワーク7´は、NC71´とED72´とからなるが、それぞれ異なる物理層を介して無線通信を行うものである。
しかしながら、このように2以上のネットワーク7、7´が共存する場合には、互いに通信干渉が生じる場合がある。即ち、ネットワーク7におけるNC71とED72との間における通信が、他のネットワーク7´におけるNC71´とED72´との間で行われている通信により干渉を受ける場合がある。これは、それぞれのネットワーク7、7´における中央制御ユニットとしての役割を担うNC71、NC71´との間で何らやり取りがなされていないことによるものであり、それぞれ互いに存在を無視して独立した物理層を介して無線通信を行うためである。
このため、このような互いに異なる物理層を有する2以上のネットワーク7、7´が共存する無線通信システムにおいて、通信干渉を防止することができる干渉防止方法を案出する必要性が特に近年において高まりつつあった。
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、互いに異なる物理層を有する2以上の無線通信ネットワークが共存し、上記各無線通信ネットワークは複数のデバイスとコーディネータ間で無線通信を行う無線通信システムにおいて、かかる無線通信ネットワーク間で通信干渉を防止することが可能な無線通信システム及び干渉防止方法を提供することにある。
本発明に係る無線通信システムは、上述した課題を解決するために、互いに異なる物理層を有する2以上の無線通信ネットワークが共存し、上記各無線通信ネットワークは、一以上のデバイスとコーディネータ間で無線通信を行う無線通信システムにおいて、各無線通信ネットワークにおけるコーディネータは、電源投入直後の最初のスーパーフレーム前において、他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータから発信された共存通知信号を所定期間に亘りスキャニングするため上記スーパーフレームの長さ以上からなるスキャニング期間を設けるとともに、自らの共存通知信号を一又は複数のスーパーフレームにつき1回発信し、上記スキャニング期間において他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータから発信された上記共存通知信号を取得した場合には、当該他の無線通信ネットワークとの間で通信干渉を防止するための制御を行うことを特徴とする。
本発明に係る無線通信システムは、上述した課題を解決するために、互いに異なる物理層を有する2以上の無線通信ネットワークが共存し、上記各無線通信ネットワークは複数のデバイスとコーディネータ間で無線通信を行う無線通信システムにおいて、 各無線通信ネットワークにおけるコーディネータは、電源投入直後において、他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータから発信された共存通知信号を所定期間に亘りスキャニングするため共存通知信号の送信間隔以上の長さのスキャニング期間を設けるとともに、自らの共存通知信号を少なくとも間隔をおいて順次発信し、上記スキャニング期間において他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータから発信された上記共存通知信号を取得した場合には、当該他の無線通信ネットワークとの間で通信干渉を防止するための制御を行うことを特徴とする。
本発明に係る干渉防止方法は、上述した課題を解決するために、一以上のデバイスとコーディネータ間で無線通信を行う無線通信ネットワークの、互いに異なる物理層を有する2以上の無線通信ネットワーク間で通信干渉を防止する干渉防止方法において、各無線通信ネットワークにおけるコーディネータにより、電源投入直後の最初のスーパーフレーム前に、他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータから発信された共存通知信号を所定期間に亘りスキャニングするため上記スーパーフレームの長さ以上からなるスキャニング期間を設けるとともに、自らの共存通知信号を一又は複数のスーパーフレームにつき1回発信し、上記スキャニング期間において他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータから発信された上記共存通知信号を取得した場合には、当該他の無線通信ネットワークとの間で通信干渉を防止するための制御を行うことを特徴とする。
本発明に係る干渉防止方法は、上述した課題を解決するために、複数のデバイスとコーディネータ間で無線通信を行う無線通信ネットワークの、互いに異なる物理層を有する2以上の無線通信ネットワーク間で通信干渉を防止する干渉防止方法において、
各無線通信ネットワークにおけるコーディネータにより、電源投入直後に、他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータから発信された共存通知信号を所定期間に亘りスキャニングするため共存通知信号の送信間隔以上の長さのスキャニング期間を設けるとともに、自らの共存通知信号を少なくとも間隔をおいて順次発信し、上記スキャニング期間において他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータ発信された上記共存通知信号を取得した場合には、当該他の無線通信ネットワークとの間で通信干渉を防止するための制御を行うことを特徴とする。
上述した構成からなる本発明によれば、共存通知信号をスキャニングしたコーディネータが、自らの近辺において他のコーディネータ、ひいてはその無線通信ネットワークが存在していることを識別することが可能となる。そして、この共存通知信号を取得したコーディネータは、当該他の無線通信ネットワークとの間で通信干渉を防止するための制御を行うことが可能となる。
本発明を適用した無線通信システムの構成例を示す図である。 本発明を適用した無線通信システムの通信に使用されるスーパーフレーム構造を示す図である。 本発明を適用した干渉防止方法について説明するための図である。 本発明を適用した干渉防止方法について説明するための他の図である。 実際の干渉防止のためのプロセスを示すフローチャートである。 スーパーフレーム構造を採用しないシステムにおける干渉防止方法について説明するための図である。 実際の干渉防止のためのプロセスを示す他のフローチャートである。 従来のNCと、複数のEDとからなる無線通信システムを示す図である。 従来技術の問題点について説明するための図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明をする。
図1は、本発明を適用した無線通信システム1の構成例を示している。この無線通信システム1は、2つの無線通信ネットワーク10a、10bから構成されている。無線通信ネットワーク10aは、複数のデバイス2aと、ネットワーク全体を制御するコーディネータ3aとを備えている。また、無線通信ネットワーク10bは、複数のデバイス2bと、ネットワーク全体を制御するコーディネータ3bとを備えている。
上述した図1に示す無線通信システム1では、あくまで2つの無線通信ネットワーク10a、10bから構成されている場合を例示しているが、これに限定されるものではなく、3以上の無線通信ネットワーク10からなるものであってもよい。
これら無線通信ネットワーク10は、例えばIEEE802.15.4g標準に基づくPAN(Personal Area Network)である。なお、無線通信ネットワーク10は、図1に示すようなスター型に限定されるものではなく、ツリー型やメッシュ型等いかなるネットワーク形態を適用してもよい。
デバイス2は、例えば、ノート型のパーソナルコンピュータ(ノートPC)や、携帯電話等を初めとした各種携帯情報端末等で構成される。デバイス2は、少なくともWPANにおいてコーディネータ3との間で無線パケット通信を行うことができ、更にはコーディネータ3を介して他のデバイス2との間で無線パケット通信を行う。
コーディネータ3も同様に上述した携帯情報端末と構成を同一とするものであってもよい。このコーディネータ3は、中央制御ユニットとしての役割を担う。そして、このコーディネータ3は、デバイス2から送信されてくるビーコンを取得し、またデバイス2をそれぞれWPANに接続させるために、これらを互いに同期化させる役割を担う。
これら2つの無線通信ネットワーク10a、10bは、それぞれ独自の物理層を介してコーディネータ3とデバイス2間において無線通信を行う。これは、これら2つの無線通信ネットワーク10a、10bは、互いに異なる物理層を介してコーディネータ3とデバイス2間の無線通信を行っていることを意味するものである。
本発明を適用した無線通信システム1は、例えば図2に示すように、ビーコン21を使用したいわゆるスーパーフレーム構造を用いる。スーパーフレームは、ビーコン21の後にCAP(Contention Access Period)22と、CFP(Contention Free Period)23とを有している。2つのビーコン21間の時間は、スーパーフレームの周期に関係なく、所定数のスロットに分けられる。ちなみに、このスーパーフレーム構造において、CFP23を構成するスロット数は可変としており、CAP22を構成するスロット数は固定としている。CAP22は、全てのデバイス2がアクセス可能な期間であり、CFP23は、特定のデバイス2が専有してアクセス可能な期間である。
更に、本発明を適用した無線通信システムでは、コーディネータ3が自らの存在を通知するための共存通知信号(CB)27を順次発信する。このCB27は、いわゆるビーコンとして構成するようにしてもよいし、複数のフレームからなる通常の信号として構成するようにしてもよい。CB27は、例えば物理層として、正弦波に対してディジタル信号で変調を行う周波数変換式変調方式としてのFSK(Frequency Shift Keying)、直交周波数分割多重方式としてのOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)、直接拡散方式としてのDSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)等の物理層の各仕様に基づくようにしてもよい。なお、これらFSK、OFDM、DSSSは一例であって、他のいかなる物理層の仕様を用いるようにしてもよい。
表1は、このCB27の物理層における各パラメータの一例を示す。
Figure 0005470652
このCB27は、所定間隔で、又はランダムな間隔で発信を行うが一以上のスーパーフレームにつき1回は発信することが必要となる。また、1スーパーフレームにつき少なくとも1回はCB27を発信することが望ましい。このCB27は、CAP22、CFP23の何れに属すものであってもよい。また電源投入直後の最初のスーパーフレーム前においてスキャニング期間26が設けられている。スキャニング期間26は、他の無線通信ネットワーク10におけるコーディネータ3から発信されたCB27をスキャニングしてこれを取り込むための期間である。このスキャニング期間26は、少なくとも隣接する2つのCB27間の期間以上、又はスーパーフレームの長さ以上からなる期間としてもよい。
次に、本発明を適用した無線通信システム1により、互いに異なる物理層を有する2以上の無線通信ネットワーク2a、2b間で通信干渉を防止する干渉防止方法について詳細に説明をする。
先ず、図3に示すように、無線通信ネットワーク10aにおけるコーディネータ3aが動作しており、上述したスーパーフレーム構造の下で、デバイス2aとの間で無線通信を行っているものとする。また、コーディネータ3aは、その間において一又は複数のスーパーフレームにつき1回以上CB27を発信する。その後、この無線通信ネットワーク10aとは異なる物理層を持つ他の無線通信ネットワーク10bのコーディネータ3bの電源が投入されたものとする。その結果、コーディネータ3bにおいて、電源投入直後の最初のスーパーフレーム前において、スキャニング期間26が開始されることになる。
このコーディネータ3bにおけるスキャニング期間26は、例として、図3に示すように、スーパーフレームの長さ以上からなる。このため、コーディネータ3aから1スーパーフレームにつき1回の割合でCB27を発信することにより、コーディネータ3bにおいてそのCB27をスキャニングし、これを捉えることが可能となる。
このCB27をスキャニングしたコーディネータ3bは、自らの近辺において他のコーディネータ3a、ひいてはその無線通信ネットワーク10aが存在していることを識別することが可能となる。コーディネータ3bは、このCB27を取得した場合には、当該他の無線通信ネットワーク10bとの間で通信干渉を防止するための制御を行う。コーディネータ3bは、通信干渉を防止するための制御として、同期化、通信の中段、又は別チャネルの通信の開始を行うようにしてもよい。
またコーディネータ3bも同様に、例として、図4に示すように、CB27を1スーパーフレームにつき1回以上は発信する。その結果、他のコーディネータ3cが新たに干渉域において電源投入された場合には、当該他のコーディネータ3cによるスキャニング期間26においてそのCB27が捕捉されることとなる。そして、このコーディネータ3cは、この捕捉したCB27に基づいて他のコーディネータ3bとの間で通信干渉を防止するための各種制御を実行することとなる。
各コーディネータ3は、以下の図5に示すフローチャートに基づいて動作することになる。
先ずステップS11において、コーディネータ3の電源がONされた後、ステップS12においてスキャニング期間26においてスキャニングを行う。その結果、ステップS13において、他のコーディネータ3からCBを捕捉することができた場合には、ステップS15へ、また捕捉できなかった場合にはステップS14へ移行する。
ステップS14に移行した場合には、他のコーディネータ3が周囲に存在しないことを意味している。かかる場合には、自らのCB27を所定間隔で或いは任意間隔で発信する。これと同時にスーパーフレームに領域を割り当てた上で、デバイス2との間で通信を行うようにしてもよい。
ステップS15に移行した場合には、他のコーディネータ3が周囲に存在することを意味している。かかる場合には、他のチャネルで通信を開始するか否かを決定する。他のチャネルで通信を開始する旨を決定しなかった場合には、ステップS16へ移行し、他のコーディネータとの間で同期を行いつつデバイス2と通信を開始するか、又は通信の中止を行う。これに対して、他のチャネルで通信を開始する旨を決定しなかった場合には、ステップS17へ移行し、空のチャネルで他のデバイス2と通信を開始する。
このようにして、互いに異なる物理層を有する2以上の無線通信ネットワーク10が共存する場合においても、コーディネータ3間においてネゴシエーションを行うことにより、互いに通信干渉が生じるのを防止することが可能となる。
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば図6に示すように、ビーコンを送信せずビーコンレスネットワーク、いわゆるスーパーフレーム構造を構成しないコーディネータ3においても同様に通信干渉を防止することができる。
先ず、図6に示すように、無線通信ネットワーク10aにおけるコーディネータ3aが動作して、デバイス2aとの間で無線通信を行っているものとする。また、コーディネータ3aは、その間においてCB27を間隔をおいて順次発信しているものとする。その後、この無線通信ネットワーク10aとは異なる物理層を持つ他の無線通信ネットワーク10bのコーディネータ3bの電源が投入されたものとする。その結果、コーディネータ3bにおいて、電源投入直後のスキャニング期間26が開始されることになる。
このコーディネータ3bにおけるスキャニング期間26は、CBの送信間隔以上の長さ以上からなる。このため、コーディネータ3aからある一定の送信間隔でCB27を発信することにより、コーディネータ3bにおいてそのCB27をスキャニングし、これを捉えることが可能となる。
このCB27をスキャニングしたコーディネータ3bは、自らの近辺において他のコーディネータ3a、ひいてはその無線通信ネットワーク10aが存在していることを識別することが可能となる。コーディネータ3bは、このCB27を取得した場合には、当該他の無線通信ネットワーク10bとの間で通信干渉を防止するための制御を行うことが可能となる。
かかるビーコンレスネットワークにおける各コーディネータ3は、以下の図7に示すフローチャートに基づいて動作することになる。
先ずステップS21において、コーディネータ3の電源がONされた後、ステップS22においてスキャニング期間26においてスキャニングを行う。その結果、ステップS23において、他のコーディネータ3からCBを捕捉することができた場合には、ステップS25へ、また捕捉できなかった場合にはステップS24へ移行する。
ステップS24に移行した場合には、他のコーディネータ3が周囲に存在しないことを意味している。かかる場合には、自らのCB27を所定間隔で或いは任意間隔で発信する。これと同時にデバイス2との間で通信を行うようにしてもよい。
ステップS25に移行した場合には、他のコーディネータ3が周囲に存在することを意味している。かかる場合には、他のチャネルで通信を開始するか否かを決定する。他のチャネルで通信を開始する旨を決定しなかった場合には、ステップS26へ移行し、他のコーディネータとの間で同期を行いつつデバイス2と通信を開始するか、又は通信の中止を行う。これに対して、他のチャネルで通信を開始する旨を決定しなかった場合には、ステップS27へ移行し、空のチャネルで他のデバイス2と通信を開始する。
1 無線通信システム
2 デバイス
3 コーディネータ
10 無線通信ネットワーク
21 ビーコン
22 CAP
23 CFP
26 スキャニング期間
27 CB

Claims (8)

  1. 互いに異なる物理層を有する2以上の無線通信ネットワークが共存し、上記各無線通信ネットワークは、一以上のデバイスとコーディネータ間で無線通信を行う無線通信システムにおいて、
    各無線通信ネットワークにおけるコーディネータは、電源投入直後の最初のスーパーフレーム前において、他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータから発信された共存通知信号を所定期間に亘りスキャニングするため上記スーパーフレームの長さ以上からなるスキャニング期間を設けるとともに、自らの共存通知信号を一又は複数のスーパーフレームにつき1回発信し、上記スキャニング期間において他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータから発信された上記共存通知信号を取得した場合には、当該他の無線通信ネットワークとの間で通信干渉を防止するための制御を行うこと
    を特徴とする無線通信システム。
  2. 互いに異なる物理層を有する2以上の無線通信ネットワークが共存し、上記各無線通信ネットワークは複数のデバイスとコーディネータ間で無線通信を行う無線通信システムにおいて、
    各無線通信ネットワークにおけるコーディネータは、電源投入直後において、他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータから発信された共存通知信号を所定期間に亘りスキャニングするため共存通知信号の送信間隔以上の長さのスキャニング期間を設けるとともに、自らの共存通知信号を少なくとも間隔をおいて順次発信し、上記スキャニング期間において他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータから発信された上記共存通知信号を取得した場合には、当該他の無線通信ネットワークとの間で通信干渉を防止するための制御を行うこと
    を特徴とする無線通信システム。
  3. 上記電源投入直後のコーディネータと、他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータのいずれか一方又は双方は、通信干渉を防止するための制御として、同期化、通信の中段、又は別チャネルの通信の開始を行うこと
    を特徴とする請求項1又は2記載の無線通信システム。
  4. 上記共存通知信号を、FSK(Frequency Shift Keying)、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)、DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)の物理層の各仕様に基づいて発信すること
    を特徴とする請求項1〜3のうち何れか1項記載の無線通信システム。
  5. 一以上のデバイスとコーディネータ間で無線通信を行う無線通信ネットワークの、互いに異なる物理層を有する2以上の無線通信ネットワーク間で通信干渉を防止する干渉防止方法において、
    各無線通信ネットワークにおけるコーディネータにより、電源投入直後の最初のスーパーフレーム前に、他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータから発信された共存通知信号を所定期間に亘りスキャニングするため上記スーパーフレームの長さ以上からなるスキャニング期間を設けるとともに、自らの共存通知信号を一又は複数のスーパーフレームにつき1回発信し、上記スキャニング期間において他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータから発信された上記共存通知信号を取得した場合には、当該他の無線通信ネットワークとの間で通信干渉を防止するための制御を行うこと
    を特徴とする干渉防止方法。
  6. 複数のデバイスとコーディネータ間で無線通信を行う無線通信ネットワークの、互いに異なる物理層を有する2以上の無線通信ネットワーク間で通信干渉を防止する干渉防止方法において、
    各無線通信ネットワークにおけるコーディネータにより、電源投入直後に、他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータから発信された共存通知信号を所定期間に亘りスキャニングするため共存通知信号の送信間隔以上の長さのスキャニング期間を設けるとともに、自らの共存通知信号を少なくとも間隔をおいて順次発信し、上記スキャニング期間において他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータ発信された上記共存通知信号を取得した場合には、当該他の無線通信ネットワークとの間で通信干渉を防止するための制御を行うこと
    を特徴とする干渉防止方法。
  7. 上記電源投入直後のコーディネータと、他の無線通信ネットワークにおけるコーディネータのいずれか一方又は双方は、上記通信干渉を防止するための制御として、同期化、通信の中段、又は別チャネルの通信の開始を行うこと
    を特徴とする請求項5又は6記載の干渉防止方法。
  8. 上記共存通知信号を、FSK(Frequency Shift Keying)、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)、DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)の物理層の各仕様に基づいて発信すること
    を特徴とする請求項5〜7のうち何れか1項記載の干渉防止方法。
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