JP5481345B2 - 無線局 - Google Patents
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Description
本発明は、無線マルチホップ通信における優先制御に関する。
無線ネットワークにおいて、無線の干渉、各無線局の送信タイミングの競合を回避するために、CAMA/CA（Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance）方式を用いることが一般的であり、CSMA/CAでは、ランダム時間待機した後に、無線チャネルの使用状況を観測し通信を行っている。このような無線ネットワークにおいて、音声や映像など許容できる時間の遅延がことなるパケットが転送される場合、優先制御を行う必要がある。
優先制御の実現する方法として、従来は、リアルタイム通信のパケットと他のデータパケットを区別し、前者を優先して送信することにより、優先制御を実現している。さらに、無線マルチホップネットワークにおける優先制御では、データの種類だけでなく、転送回数である通信ホップ数を考慮した優先制御を各無線局が自律的に判断し、パケット中継を行うことで、マルチホップ環境においても、優先制御を実現している（特許文献１）。
しかしながら、通信帯域が狭い無線マルチホップネットワークや、多端末から構成される大規模無線ネットワークにおいては、無線局が自律的に判断してパケット転送時の優先制御を行う方法では、最大遅延を保障した優先制御が困難である。つまり、大規模無線マルチホップネットワークにおいて、近隣の無線局が、自局が送信するパケットよりも優先度の低いパケットを先に送信し始めた場合、CSMA/CAによるランダム待ち時間が発生し、本来優先すべきパケットの転送待ち時間の方が長くなる可能性があり、ネットワーク全体の優先制御が困難となる課題がある。
しかしながら、通信帯域が狭い無線マルチホップネットワークや、多端末から構成される大規模無線ネットワークにおいては、無線局が自律的に判断してパケット転送時の優先制御を行う方法では、最大遅延を保障した優先制御が困難である。つまり、大規模無線マルチホップネットワークにおいて、近隣の無線局が、自局が送信するパケットよりも優先度の低いパケットを先に送信し始めた場合、CSMA/CAによるランダム待ち時間が発生し、本来優先すべきパケットの転送待ち時間の方が長くなる可能性があり、ネットワーク全体の優先制御が困難となる課題がある。
また、サービス品質（ＱｏＳ）技術を実現する優先制御方式がＩＥＥＥ８０２．１１ｅで提案されている。この方式では、２種類のアクセス制御方式が利用されている。一つは、ＥＤＣＡ（Enhanced Distributed Channel Access）と呼ばれるアクセス制御方式である。このアクセス制御方式は、送信するフレームを４種類のアクセス・カテゴリ（ＡＣ：Access Category）に分類し、カテゴリーごとに優先順位をつけた優先制御を行う方式である。もう一方のアクセス制御方式に、ＨＣＣＡ（HCF Controlled Channel Access）方式がある。この方式は、従来のＰＣＦ（Point Coordination Function）を拡張したポーリングによる制御を行う制御方式である。２つのアクセス制御方式に共通して使用されるパラメータに、ＴＸＯＰ（Transmission Opportunity）がある。ＴＸＯＰは、無線通信装置に対し一度の送信機会に与えられる送信可能期間を示すパラメータである。無線通信装置は、このＴＸＯＰ期間中、データ送信を行うことができる。しかしながら、送信側が送信するデータを優先するため、受信側からのデータ伝送に遅延が生じることになる。
この課題を解決するために、優先的に通信すべきパケットとそれ以外の通信時間をあらかじめ分け、優先的に通信すべき時間を確保する方法（特許文献２）がある。
しかし、特許文献２のように、常に優先通信する時間を確保しつづけることは無駄が多く、通信帯域の狭い無線ネットワークや、非常に多くの端末が通信する無線ネットワークでは、その無駄がより顕著に現れ、実現性に乏しい。
上記課題を解決するために、本発明では以下の構成を備える。
無線マルチホップネットワークにおいて、全ての無線局が時刻同期し、ある特定の端末であるゲートウェイが全無線局の通信タイミングを集中管理する。ゲートウェイでは、無線局が通信する時間を、無線マルチホップネットワークの最大ホップ数を考慮して、割当て、優先度の高いパケット伝送向けの時間帯を予め設けることはせず、通常は優先度の低いパケット伝送にそれらを割り当てる。優先度の高い通信が発生した場合は、パケット種別、あるいは、優先度の低い通信の開始時間を、優先度の高い通信の開始時間よりも遅くさせた通信スケジュールを定義する。これにより、一時的に、優先度の高いパケットが優先的にされるようになり、通信帯域の無駄を抑えた優先制御を実現する。
無線マルチホップネットワークシステムにおいて、通信帯域を効率よく利用した優先制御通信が実現可能である。
以下、第一の実施形態１を図１〜図１０を用いて説明し、第二の実施形態を図11〜18を用いて説明し、第三の実施形態を図１９と図２０を用いて説明する。
図1〜図7を用いて、無線通信システム構成および無線通信で利用する通信スケジュール構成、無線パケット構成について説明する。次に、図8〜図10を用いて、無線局、無線中継局、ゲートウェイでの処理手順、及び、無線通信システムにおけるゲートウェイからの優先制御通信が発生した場合の動作概略について説明する。
図1は本実施例にかかる無線通信システム構成図である。無線ネットワーク100は、ゲートウェイ(ノード１)101、無線中継局（ノード２）102、無線中継局（ノード3）103、無線中継局（ノード4）104、無線局（ノード５）105、無線局（ノード6）106、無線中継局（ノード7）107、無線局（ノード8）108、無線局（ノード9）109、無線中継局（ノード10）110、無線局（ノード11）111から構成されている。無線ネットワーク101において各無線局をつなぐ実線は無線通信可能な通信路を示すものである。
図2は本実施例にかかる無線通信システムを構成する無線局及び無線中継局のハードウ
ェア構成図であり、無線局と無線中継局は無線マルチホップネットワークにおいて、ネッ
トワークトポロジによって、決定されるものである。
ェア構成図であり、無線局と無線中継局は無線マルチホップネットワークにおいて、ネッ
トワークトポロジによって、決定されるものである。
無線局/無線中継局201は無線局ゲートウェイとの無線通信機能を有する組込み機器であり、マイコン202、クロック生成回路209、電源回路210、RF周辺回路211、優先制御パターン記憶部212から構成されている。マイコン202はROM203、RAM208から構成されており、電源回路210、クロック生成回路209、RF周辺回路211と接続されている。ROM203は読み出し専用の半導体メモリなどから構成される記憶装置であり、中央制御部204、時刻同期制御部205、経路管理部206、無線通信処理部207、通信フレーム記憶部212から構成されており、RAM208と接続されている。中央制御部204はROMの内のプログラムの実行を制御するものであり、時刻同期制御部205、無線通信処理部207、経路管理部206と接続されている。時刻同期制御部205は時刻基準局である無線局ゲートウェイから送信される時刻と同期する機能を実現するであり、中央制御部204と接続されている。経路管理部206はネットワーク内端末間のマルチホップ通信における経路を管理するであり、中央制御部204と接続されている。
無線通信処理部207は、無線通信における送受信処理を実現するものである。具体的には、送信する場合の、送信あて先、ホップ数の指定などのパケット組立て処理、及び、受信する場合の、自己あて先パケットか否かの判断などのパケット解析処理を行うものであり、中央制御部204、通信フレーム記憶部212と接続されている。RAM208は書き換え可能な半導体メモリ素子などの記憶装置であり、無線通信における送受信バッファなどに利用するものであり、ROM203と接続されている。クロック生成回路209はマイコンやRF周辺回路で利用するクロックを生成する回路であり、電源回路210、マイコン202、RF周辺回路211と接続されている。電源回路210は無線局/無線中継局自体への電源を供給するものであり、クロック生成回路209、マイコン202、RF周辺回路211と接続されている。RF周辺回路211は無線信号の送信及び受信を行う回路であり、電源回路210、クロック生成回路209、マイコン202と接続されている。通信フレーム記憶部212は通信に利用する全ての通信フレーム構成を記憶するものである。なお、無線局/無線中継局201は、組み込み機器でなく独立した装置であってもよい。
図3は本実施例にかかる無線通信システムを構成する無線ゲートウェイのハードウェア構成図である。
ゲートウェイ無線局301は無線局/無線中継局との無線通信機能、及び、外部ネットワークに接続されている機器と通信を行い、無線ネットワークと外部ネットワークとの接続を実現する機器であり、無線局/無線中継局と同様のハードウェア構成に加え、外部ネットワーク接続回路312を有する装置である。外部ネットワーク接続回路312はEthernet（登録商標）、WiFi、光回線、電話網等の外部ネットワークを利用するための機能を実現する回路である。
図4は本実施例にかかる通信スケジュール構成図である。通信スケジュールは、時間軸に沿ったものであり、無線局、無線中継局、或いは、ゲートウェイが通信する送信開始時刻を規定するものである。
スーパーフレーム構成400は、無線ネットワークにおいて、全ての無線局、無線中継局、ゲートウェイが通信する全ての通信スケジュールを示すものであり、1つの無線局、無線中継局、ゲートウェイが送信する時刻を割り当てたタイムスロット403の集合から構成されるものである。
通信フレーム構成402は、無線ネットワークにおいて、全ての無線局、無線中継局が送信源となり、ゲートウェイまで転送するのに必要なタイムスロットの集合であり、例えば、無線局105用の通信フレーム404は、無線局105が無線中継局104に送信するタイムスロット、無線中継局104が無線中継局103に転送するタイムスロット、無線中継局103が無線中継局102に転送するタイムスロット、無線中継局10２がゲートウェイ101に転送するタイムスロットから構成されるものである。
タイムスロット構成406は、ある無線局、無線中継局、ゲートウェイが無線パケットを送信するために必要な処理の実施時間を考慮して決定されるものであり、例えば、無線送信前に実施するキャリアセンス時間（CS）407、データ送信時間408、ACK受信時間409が含まれるものである。
図5は本実施例にかかる無線パケット構成図である。
ヘッダ501は、あて先アドレス504、送信元アドレス505、パケット長506、優先度507から構成される。優先度507は、無線ネットワークにおけるパケットの優先送信順序を格納するものであり、例えば、優先度の高いパケットを優先度１、優先度の低いパケットを優先度２として送信するものである。無線パケットの受信者は、優先度507を利用して優先度を判断することができる。具体的には、無線通信処理部207がパケットを解析し、優先度507を確認することもできる。確認後は、それぞれの優先度に従い後述の処理により優先度に応じたパケット送信を行なう。
ペイロード502は、送信するアプリケーションデータが格納するものである。
誤り訂正用データ503は、受信したパケットが無線ネットワーク上のノイズ等の影響により、ヘッダやペイロード内の情報に変更がないかどうかを確認する、あるいは訂正するための情報を格納するものであり、例えば、CRCなどチェック情報を格納する。
図6は本実施例にかかる優先度を定義するための優先情報管理テーブルである。この優先情報管理テーブルを優先制御パターンとして優先制御パターン記憶部212に格納する。
列601は優先度を格納するものであり、列602はタイムスロット長を格納するものであり、列603はキャリアセンス（CS）開始までの待ち時間を格納するものであり、列604は、CSを実行する時間を格納するものであり、列605は優先度パケットの用途例を格納するものである。
列601は優先度を格納するものであり、列602はタイムスロット長を格納するものであり、列603はキャリアセンス（CS）開始までの待ち時間を格納するものであり、列604は、CSを実行する時間を格納するものであり、列605は優先度パケットの用途例を格納するものである。
各行は、優先度ごとの、パケットのタイムスロット長、CS待ち時間、CS時間、用途を定義するために利用する。例えば、行601は、優先度が１のパケットは、タイムスロット長が1000msecであり、CS待ち時間が0msecであり、CS時間が10msecであり、用途が、ゲートウェイから無線局あるいは無線中継局を制御あるいは操作するために利用することを表している。
図7は、優先度別の無線パケット送信の動作スケジュールを定義するものである。
優先度１パケットを無線局、無線中継局、ゲートウェイが送信する際の動作スケジュール701は、CS703、データ送信704、ACK受信705、空き時間からなる。
優先度2パケットを無線局、無線中継局、ゲートウェイが送信する際の動作スケジュール702は、CS待ち時間706、CS703、データ送信708、ACK受信705、空き時間からなる。上記全ての占有時間は、前記優先情報管理テーブルで定義されている情報に従う。優先度別に無線パケットの通信開始時刻を変えることにより、無線パケットの受信者は、受信時刻によって優先度を判断することが可能になる。具体的には、優先度２パケットは優先度１パケットよりもCS開始時刻がCS待ち時間603である50msec遅いため、受信側でも優先度２パケットの受信時刻が50msec以上遅れるため、判断が可能になる。このように判断する場合は、パケットを解析することで優先度を判定する処理は不要になる。
次に、図8〜図11を用いて、ゲートウェイから無線局、無線中継局への優先制御処理、及び、前期優先制御の確認応答を行う際の、無線局、無線中継局、ゲートウェイでの処理手順の動作概略を説明する。
図8は、送信スロット内における、無線局、無線中継局、ゲートウェイが優先度１のパケットを送信あるいは無線中継局が中継送信する際の動作処理を示すものである。
ステップ801は、CS開始する処理である。
ステップ802は、無線キャリアを検知したかどうか調べる処理である。本ステップにおいて、送信端末周辺で無線通信が発生しているか否かを調べる。もし無線キャリアを検知すれば、ステップ803へ進む。もし無線キャリアを検知しなければ、ステップ804へ進む。
ステップ803は、無線送信を中止する処理である。本ステップにおいて、他の無線システムなどとの無線干渉を防止する。
ステップ804は優先度１パケットを開始する処理である。
ステップ805は、優先度１パケットのACKパケットを受信するかどうか調べる処理である。本ステップにおいて、優先度１パケットが送信先に到達したか否か確認する。
もしACKを受信すれば、終了する。もしACK受信でなければ、ステップ806へ進む。
もしACKを受信すれば、終了する。もしACK受信でなければ、ステップ806へ進む。
ステップ806は再送を準備する処理である。本ステップにおいて、送信先が前期優先度１パケットを受信できなかったことを確認でき、無線パケット到達率の向上を目的に、再送の準備に入る。再送の際は、本動作処理と同様の処理を行う。
図9は送信スロット内における、無線局、無線中継局、ゲートウェイが優先度2のパケットを送信あるいは中継送信する際の動作処理を示すものである。本処理において、
ステップ804は優先度2パケットを開始する処理である。
ステップ804は優先度2パケットを開始する処理である。
ステップ901は、ステップ801と同様の処理である。
ステップ902は、ステップ802と同様の処理である。もし無線キャリアを検知すれば、ステップ903へ進む。もし無線キャリアを検知しなければ、ステップ904へ進む。
ステップ903は、無線送信を中止する処理である。本ステップにおいて、他の無線システムとの無線干渉、及び、本システムの優先度１パケットとの無線干渉を防止する。
ステップ904は優先度2パケットを開始する処理である。
ステップ905はステップ805と同様である。もしACKを受信すれば、終了する。もしACK受信でなければ、ステップ906へ進む。
ステップ906は優先度２パケットの送信を中止する処理である。本ステップにおいて、優先度２パケットの送信を中止し、優先度１パケットを優先的に再送することを可能にする。
ステップ903は、無線送信を中止する処理である。本ステップにおいて、他の無線システムとの無線干渉、及び、本システムの優先度１パケットとの無線干渉を防止する。
ステップ904は優先度2パケットを開始する処理である。
ステップ905はステップ805と同様である。もしACKを受信すれば、終了する。もしACK受信でなければ、ステップ906へ進む。
ステップ906は優先度２パケットの送信を中止する処理である。本ステップにおいて、優先度２パケットの送信を中止し、優先度１パケットを優先的に再送することを可能にする。
図10は、図６の優先情報管理テーブル及び図7の優先度別の無線パケット送信の動作スケジュールに従って、送信スロット内における、無線局、無線中継局、ゲートウェイが優先度2のパケットを送信あるいは中継送信する際の動作処理を示すものである。
ステップ1000はキャリアセンス待ちをする処理である。本ステップにおいて、例えば、CS待ち706である50msec間、キャリアセンス処理の実行開始待ちをする。本ステップ以降の処理、ステップ1101〜ステップ1106は、ステップ901〜ステップ906と同様の処理である。
ステップ1000はキャリアセンス待ちをする処理である。本ステップにおいて、例えば、CS待ち706である50msec間、キャリアセンス処理の実行開始待ちをする。本ステップ以降の処理、ステップ1101〜ステップ1106は、ステップ901〜ステップ906と同様の処理である。
図11は、連続する2つの通信フレームにおいて、ゲートウェイから無線局、無線中継局への優先制御処理、及び、前期優先制御の確認応答を行う動作概略を説明する。
通信フレーム1101は、無線局105からゲートウェイまでデータを送信するために予め割り当てられている通信フレームであり、本フレームでは、優先度２パケットである定期通信を実施する。
通信フレーム1102は、無線局106からゲートウェイまでデータを送信するために予め割り当てられている通信フレームであり、本フレームでは、優先度２パケットである定期通信を実施する。
通信フレーム利用例1103は、無線局、無線中継局、ゲートウェイが優先度２パケットである定期通信のみを実施している際の、パケット中継例を示す。本利用例において、通信フレーム1101の1番目のタイムスロットでは、無線局（ノード5）105が無線中継局（ノード4）104に優先度２パケットを送信し、2番目のタイムスロットでは、無線中継局（ノード4）104が無線中継局（ノード3）103に優先度２パケットを転送し、3番目のタイムスロットでは、無線中継局（ノード3）103が無線中継局（ノード2）102に優先度２パケットを転送し、4番目のタイムスロットでは、無線中継局（ノード2）102がゲートウェイ（ノード1）101に優先度２パケットを転送することを表している。
通信フレーム利用例1104及び通信フレーム利用例1105では、通信フレーム利用例1103と同様に、無線局(ノード5)105が、無線局105からゲートウェイ(ノード)101までデータを送信すると同時に、ゲートウェイ(ノード)101から無線中継局(ノード4)104まで優先度１パケットである制御コマンドを送信し、無線中継局(ノード4)104を制御する動作概要を示す。本利用例において、2番目のタイムスロットで定期通信用無線パケットと制御通信無線パケットが衝突し、パケットロスが発生する。その際、無線中継局(ノード4)104及び無線中継局(ノード2)102は確認応答が受信できない。無線中継局(ノード4)104はステップ806に従って3番目のスロットで再送し、無線中継局(ノード2)102はステップ906に従い、3番目スロットでパケット送信を中止する。前記動作により、優先度1パケットの転送を無線ネットワーク内で優先的に行うことが可能となる。
第１の実施例は、無線ネットワーク内の全ての端末であるゲートウェイ、無線中継局、無線局が時刻同期し、予め決定された通信スケジュールに従って、優先度の低い通信を定期的に送信する間に優先度の高い通信が発生した場合でも、端末が優先度の高いパケットを自律的に判断し、優先制御通信を実現する本発明の実施形態であった。
第２の実施例では、ゲートウェイ端末が無線ネットワーク100のネットワークトポロジと通信スケジュールを把握している環境における優先制御通信を実現する本発明の実施形態について説明する。
まず、本実施例にかかる無線通信システム構成および無線通信で利用する通信スケジュール構成、無線パケット構成について説明する。次に、無線局、無線中継局、ゲートウェイでの処理手順、及び、無線通信システムにおけるゲートウェイからの優先制御通信が発生した場合の動作概略について説明する。
本実施例にかかる無線通信システム（図１）、端末のハードウェア構成（図2及び3）、スーパーフレーム構成（図4）、通信フレーム構成（図4）、タイムスロット構成（図4）、優先度管理テーブル（図5）は、実施例１と同様である。
図12は、本実施例にかかる無線パケット構成図である。
ヘッダ1201は、あて先アドレス504、送信元アドレス505、パケット長506、送信待ち情報1107から構成される。送信待ち情報1207は、優先度１パケットの送信開始タイミングを指定するものであり、通信フレームの開始タイムスロットから待機すべきタイムスロット数を格納するものである。優先度2パケットを送信する場合は、前記送信待ち情報1207には0を指定する。
次に、図8、及び、図13〜図15を利用して、本実施例にかかる無線局、無線中継局、ゲートウェイでの処理手順、及び、無線通信システムにおけるゲートウェイからの優先制御通信が発生した場合の動作概略について説明する。本実施例において、送信スロット内における、無線局、無線中継局、ゲートウェイが優先度１のパケットを送信あるいは中継送信する際の動作処理は、図8の動作処理と同様である。
図13は、本実施例にかかる図6の優先情報管理テーブル及び図7の優先度別の無線パケット送信の動作スケジュールに従って、送信スロット内における、無線局、無線中継局、ゲートウェイが優先度2のパケットを送信あるいは中継送信する際の動作処理を示すものである。
ステップ1300は、ステップ1000と同様の処理である。
ステップ1301は、ステップ1001と同様の処理である。
ステップ1302は、ステップ1002と同様の処理である。本ステップにおいて、もし無線キャリアを検知すれば、図7の優先度別の無線パケット送信動作スケジュールに従った、優先度1パケットの送信を検知することになり、ステップ1303へ進む。もし無線キャリアを検知しなければ、ステップ1304へ進む。
ステップ1303は、ステップ1003と同様の処理である。
ステップ1304は、ステップ1004と同様の処理である。
ステップ1305は、優先度1パケットを受信する処理である。本ステップにおいて、予め決定している通信スケジュールにおいて、優先度2パケットを送信するタイムスロットで優先度1パケットを受信することを可能にする。
図14は、本実施例にかかる図６の優先情報管理テーブル及び図7の優先度別の無線パケット送信の動作スケジュールに従って、ゲートウェイが優先度1のパケットを送信する際の動作処理を示すものである。
ステップ1401は、送信する無線パケット内の送信待ち情報1207に待機すべきタイムスロット数を格納する処理である。本ステップにおいて、ある通信フレームに送信する、優先度1パケットの最終あて先である無線局、無線中継局のゲートウェイからのホップ数と、前記通信フレームの次の通信フレームに割り当てられた無線局、無線中継局のゲートウェイからのホップ数が一致しているか否かを調べる。一致した場合は、ステップ1402に進み、一致していない場合はステップ１403に進む。
ステップ1402は、送信待ち情報に１を格納する処理である。本ステップにおいて、１を格納することにより、優先度1パケットの最終あて先からの応答通信時における、隠れ端末問題によるパケット衝突を回避することを可能にする。
ステップ1403は、送信待ち情報に0を格納する処理である。
ステップ1404は、ゲートウェイが送信する通信フレームに割り当てられた無線局、無線中継局のホップ数を調査する処理である。本ステップにおいて、ゲートウェイからの優先度1パケットの送信タイミングを決定する。前記ホップ数が偶数である場合は、ステップ1505に進み、奇数である場合は、ステップ1506に進む。
ステップ1405は、ゲートウェイが送信すべきタイムスロットまで待機する処理である。本ステップにおいて、ゲートウェイが1タイムスロット分待機する。これにより、ゲートウェイから最終あて先までの優先度１パケットと、本通信フレームに割り当てられた無線局、無線中継局からの優先度2パケットのパケット衝突を回避可能となる。
ステップ1406は、ステップ801と同様の処理である。
ステップ1407は、ステップ802と同様の処理である。
ステップ1408は、ステップ803と同様の処理である。
ステップ1409は、ステップ804と同様の処理である。
図15は、本実施例にかかるゲートウェイからの優先度1パケットを受信した最終あて先である無線局、無線中継局が、優先度1パケットに返信する際の動作処理を示すものである。
ステップ1501は、ゲートウェイから受信した優先度1パケット内の送信待ち情報1207の値を調べる処理である。本ステップにおいて、前記優先度1パケットに返信する際の通信フレーム開始から待機すべきタイムスロット数を調べる。前記送信待ち情報1207が0の場合は、ステップ1503に進み、それ以外の場合は、ステップ1502に進む。
ステップ1502は、前記無線局、無線通信局が返信パケットを送信すべきタイムスロットまで待機する処理である。本ステップにおいて、ゲートウェイから指定されたタイムスロット分だけ待機する。具体的には、１タイムスロット分だけ待機することになる。これにより、本通信フレームにおいて送信する優先度2パケットとのパケット衝突を回避可能となる。
ステップ1503は、ステップ801と同様の処理である。
ステップ1504は、ステップ802と同様の処理である。
ステップ1505は、ステップ803と同様の処理である。
ステップ1506は、ステップ804と同様の処理である。
次に、図16〜図18を用いて、本実施例にかかる連続する2つの通信フレームにおいて、ゲートウェイから無線局、無線中継局への優先制御処理、及び、前期優先制御の確認応答を行う動作概略を説明する。
図16は、本実施例にかかる無線局、無線中継局からゲートウェイに送信される優先度2パケットの無線局、無線中継局、あるいは、ゲートウェイの送受信処理とパケットの送受信シーケンスを示すものである。
ここで、符号1601はノード1であり、符号1602はノード2であり、符号1603はノード3であり、タイムスロットtとタイムスロットt+1の連続する2タイムスロットについて示したものである。
まず、タイムスロットtのシーケンスについて説明する。
最初に、ノード1601はデータ受信待ちする処理1604を行う。次に、ノード1602はデータ受信待ちする処理1605を行う。
次に、ノード1603は優先度2パケットを送信するために図６の優先情報管理テーブル及び図7の優先度別の無線パケット送信の動作スケジュールに従い、キャリアセンス（CS）待ちする処理1606を行う。次に、ノード1603はCSする処理1607を行う。次に、ノード1603はデータ送信する処理1608を行う。次に、ノード1603は、データ1609をノード1602へ送信する。
次に、ノード1602はデータ受信する処理1610を行う。次に、ノード1602はACK送信する処理1611を行う。次に、ノード1603はACK受信する処理1613を行う。
続いて、タイムスロットt+1のシーケンスについて説明する。該タイムスロットでは、前記タイムスロットtの優先度2パケットをノード1602がノード1601に転送する。
最初に、ノード1602はCS待ちする処理1614を行う。次に、ノード1602はCSする処理1615を行う。次に、ノード1602はデータ送信する処理1616を行う。次に、ノード1602は、データ1617をノード1601へ送信する。
次に、ノード1601はデータ受信する処理1618を行う。次に、ノード1601はACK送信する処理1619を行う。次に、ノード1601は、ACK1620をノード1602へ送信する。最後に、ノード1602はACK受信する処理1621を行う。
図17は、本実施例にかかる無線局、無線中継局からゲートウェイに送信される優先度2パケットの無線局、無線中継局、あるいは、ゲートウェイの送受信処理とパケットの送受信シーケンス、及び、優先度1パケットが存在した場合の無線局、無線中継局、あるいは、ゲートウェイの送受信処理とパケットの送受信シーケンスを示すものである。
ここで、符号1701はノード1であり、符号1702はノード2であり、符号1703はノード3であり、タイムスロットtとタイムスロットt+1の連続する2タイムスロットについて示したものである。
図17は、本実施例にかかる無線局、無線中継局からゲートウェイに送信される優先度2パケットの無線局、無線中継局、あるいは、ゲートウェイの送受信処理とパケットの送受信シーケンス、及び、優先度1パケットが存在した場合の無線局、無線中継局、あるいは、ゲートウェイの送受信処理とパケットの送受信シーケンスを示すものである。
ここで、符号1701はノード1であり、符号1702はノード2であり、符号1703はノード3であり、タイムスロットtとタイムスロットt+1の連続する2タイムスロットについて示したものである。
まず、タイムスロットtのシーケンスについて説明する。
最初に、ノード1701は優先度1パケット転送待ちをする処理1704を行う。これは、ノード1701がゲートウェイである場合に、図14内のステップ1405において1タイムスロット分待機している場合に起こる処理である。
最初に、ノード1701は優先度1パケット転送待ちをする処理1704を行う。これは、ノード1701がゲートウェイである場合に、図14内のステップ1405において1タイムスロット分待機している場合に起こる処理である。
本シーケンス1705〜1713は、図16の1605〜1613と同様であり、ノード1703からノード1702に優先度2パケットが送信される。
続いて、タイムスロットt+1のシーケンスについて説明する。該タイムスロットでは、前記タイムスロットtの優先度2パケットをノード1602がノード1601に転送する処理と、優先度1パケットをノード1601がノード1602に転送する処理が同タイムスロット内で生じた場合のシーケンスを説明する。
まず、ノード1701は優先度1パケットをノード1702に送信するために、CSする処理1715を行う。次に、ノード1702は優先度2パケットをノード1701に送信するために、図６の優先情報管理テーブル及び図7の優先度別の無線パケット送信の動作スケジュールに従い、CS待ちする処理1716を行う。次に、ノード1702はCSする処理1717を行う。
次に、ノード1701は優先度1パケットを送信する処理1718を行う。次に、ノード1701は、優先度1パケット1719をノード1702へ送信する。
次に、ノード1702はキャリア検出する処理1720を行う。
次に、ノード1702は送信中止する処理1721を行う。これにより、本来は優先度2を送信するタイムスロットt+1において、優先度1パケットを優先的に通信させることが可能になる。
次に、ノード1702は優先度1パケットを受信する処理1722を行う。次に、ノード21702はACK送信する処理1723を行う。次に、ノード21702は、ACK1724をノード11701へ送信する。最後に、ノード11701はACK受信する処理1725を行う。
図18は、連続する2つの通信フレームにおいて、ゲートウェイから無線局、無線中継局への優先制御処理、及び、前期優先制御の確認応答を行う動作概略を説明する。
通信フレーム1801は、無線局105からゲートウェイまでデータを送信するために予め割り当てられている通信フレームであり、無線ネットワーク100の最大ホップ数＋１個のタイムスロットからなる。本通信フレームでは、優先度２パケットである定期通信を実施する。
通信フレーム1802は、無線中継局(ノード7)107からゲートウェイまでデータを送信するために予め割り当てられている通信フレームであり、無線ネットワーク100の最大ホップ数＋１個のタイムスロットからなる。本通信フレームでは、優先度２パケットである定期通信を実施する。
通信フレーム利用例1803は、無線局、無線中継局、ゲートウェイが優先度２パケットである定期通信のみを実施している際のパケット中継例を示す。本利用例において、通信フレーム1801の1番目のタイムスロットでは、無線局（ノード5）105が無線中継局（ノード4）104に優先度２パケットを送信し、2番目のタイムスロットでは、無線中継局（ノード4）104が無線中継局（ノード3）103に優先度２パケットを転送し、3番目のタイムスロットでは、無線中継局（ノード3）103が無線中継局（ノード2）102に優先度２パケットを転送し、4番目のタイムスロットでは、無線中継局（ノード2）102がゲートウェイ（ノード1）101に優先度２パケットを転送することを表している。
通信フレーム利用例1804及び通信フレーム利用例1805では、通信フレーム利用例1803と同様に無線局(ノード5)105からゲートウェイ(ノード)101までデータを送信すると同時に、ゲートウェイ(ノード)101から無線中継局(ノード4)104まで優先度１パケットである制御コマンドを送信し、無線中継局(ノード4)104を制御する動作概要を示す。本利用例において、本通信フレームはホップ数４の無線局（ノード5）105に割り当てられたものであるため、1番目のタイムスロットで、ゲートウェイは優先度１パケットの送信を待機する。また、無線中継局(ノード4)104と次通信フレームに割り当てられた無線中継局(ノード7)107のホップ数が等しいため、優先度1パケット内の送信待ち情報1207に１を格納して送信する。3番目のタイムスロットで無線中継局（ノード3）103と無線中継局（ノード2）102間で優先度2パケットと優先度１パケットの双方を送信しようとした場合、優先度1パケットである制御コマンドが優先して送信される。4番目のタイムスロット以降、優先度２パケットである定期通信は中止される。次に、通信フレーム1802では、1番目のスロットにおいて、無線中継局(ノード4)104は、受信した前記無線パケット内の送信待ち情報1207に従い、待機する。2番目のタイムスロットにおいて、無線中継局（ノード4）104と無線中継局（ノード3）103間で優先制御が実施され、無線中継局（ノード4）104から無線中継局（ノード3）103に優先度1パケットが送信される。
無線中継局（ノード3）103から無線中継局（ノード2）102に送信するはずの優先度2パケットは、送信が中止される。
無線中継局（ノード3）103から無線中継局（ノード2）102に送信するはずの優先度2パケットは、送信が中止される。
前記動作により、優先度1パケットの転送を無線ネットワーク内で優先的に行うことが可能となる。また、本実施例では、固定数のタイムスロットからなる通信フレームを利用した優先制御をおこなったことで、通信帯域が狭い無線マルチホップネットワークにおいて、優先制御の最大遅延を保障することが可能となる。
第１、第2の実施例では、優先度の高い通信を優先するために、優先度の低い通信を中止し、次回以降の通信時に中止した情報を再度送信する必要がある。優先度の低いパケット送信を中止することなく優先度の高い通信は効率的に行う、本発明の実施形態について説明する。これにより、無線ネットワーク100内の端末数の増加や通信頻度の増加した場合でも通信帯域を効率的に利用することが可能となる。
まず、本実施例にかかる無線通信システム構成および無線通信で利用する通信スケジュール構成、無線パケット構成について説明する。次に、無線局、無線中継局、ゲートウェイでの処理手順、及び、無線通信システムにおけるゲートウェイからの優先制御通信が発生した場合の動作概略について説明する。
本実施例にかかる無線通信システム（図１）、端末のハードウェア構成（図2及び3）、スーパーフレーム構成（図4）、通信フレーム構成（図4）、タイムスロット構成（図4）、優先度管理テーブル（図5）は、無線パケット構成図(図12)は、実施例2と同様である。
次に、本実施例にかかる無線局、無線中継局、ゲートウェイでの処理手順、及び、無線通信システムにおけるゲートウェイからの優先制御通信が発生した場合の動作概略について説明する。本実施例において、送信スロット内における、無線局、無線中継局、ゲートウェイが優先度１のパケットを送信あるいは中継送信する際の動作処理、ゲートウェイが優先度1のパケットを送信する際の動作処理、ゲートウェイからの優先度1パケットを受信した最終あて先である無線局、無線中継局が、優先度1パケットに返信する際の動作処理は実施例2と同様である。
図19に、本実施例にかかる図6の優先情報管理テーブル及び図7の優先度別の無線パケット送信の動作スケジュールに従って、送信スロット内における、無線局、無線中継局、ゲートウェイが優先度2のパケットを送信あるいは中継送信する際の動作処理を示す。
図19に、本実施例にかかる図6の優先情報管理テーブル及び図7の優先度別の無線パケット送信の動作スケジュールに従って、送信スロット内における、無線局、無線中継局、ゲートウェイが優先度2のパケットを送信あるいは中継送信する際の動作処理を示す。
ステップ1901は、ステップ1300と同様である。
ステップ1902は、ステップ1301と同様である。
ステップ1903は、ステップ1302と同様である。キャリアを検知した場合は、ステップ1904に進み、検知しなかった場合は、ステップ1908に進む。
ステップ1904は、ステップ1300と同様である。
ステップ1905は、ステップ1305と同様である。
ステップ1906は、優先度1パケットの受信を終了する処理である。本ステップにおいて、受信した優先度1パケットの転送処理を実施し、優先度2パケット送信中の優先度1パケット受信及び転送処理を終了し、優先度2パケットの送信準備を行う。
ステップ1907は、送信処理を2タイムスロット分待機する処理である。本ステップにおいて、即時に送信せず、2タイムスロット分の時間、優先度2パケットの送信処理を待機させる。これにより、隠れ端末問題による優先度1パケットと優先度2パケットのパケット衝突を回避可能となる。
ステップ1908はステップ1304と同様である。
次に図20を用いて、連続する2つの通信フレームにおいて、ゲートウェイから無線局、無線中継局への優先制御処理、及び、前期優先制御の確認応答を行う動作概略を説明する。
通信フレーム2001は、無線局105からゲートウェイまでデータを送信するために予め割り当てられている通信フレームであり、無線ネットワーク100の最大ホップ数＋3個のタイムスロットからなる。本通信フレームでは、優先度２パケットである定期通信を実施する。
通信フレーム2002は、無線中継局(ノード7)107からゲートウェイまでデータを送信するために予め割り当てられている通信フレームであり、無線ネットワーク100の最大ホップ数＋3個のタイムスロットからなる。本通信フレームでは、優先度２パケットである定期通信を実施する。
通信フレーム利用例2003は、無線局、無線中継局、ゲートウェイが優先度２パケットである定期通信のみを実施している際のパケット中継例を示す。本利用例において、通信フレーム2001の1番目のタイムスロットでは、無線局（ノード5）105が無線中継局（ノード4）104に優先度２パケットを送信し、2番目のタイムスロットでは、無線中継局（ノード4）104が無線中継局（ノード3）103に優先度２パケットを転送し、3番目のタイムスロットでは、無線中継局（ノード3）103が無線中継局（ノード2）102に優先度２パケットを転送し、4番目のタイムスロットでは、無線中継局（ノード2）102がゲートウェイ（ノード1）101に優先度２パケットを転送することを表している。
通信フレーム利用例2004及び通信フレーム利用例2005では、通信フレーム利用例2003と同様に無線局(ノード5)105からゲートウェイ(ノード)101までデータを送信すると同時に、ゲートウェイ(ノード)101から無線中継局(ノード4)104まで優先度１パケットである制御コマンドを送信し、無線中継局(ノード4)104を制御する動作概要を示す。本利用例において、本通信フレームはホップ数４の無線局（ノード5）105に割り当てられたものであるため、1番目のタイムスロットで、ゲートウェイは優先度１パケットの送信を待機する。また、無線中継局(ノード4)104と次通信フレームに割り当てられた無線中継局(ノード7)107のホップ数が等しいため、優先度1パケット内の送信待ち情報1207に１を格納して送信する。3番目のタイムスロットで無線中継局（ノード3）103と無線中継局（ノード2）102間で優先度2パケットと優先度１パケットの双方を送信しようとした場合、優先度1パケットである制御コマンドが優先して送信される。4番目、５番目のタイムスロットでは、優先度２パケットである定期通信は待機される。次に、通信フレーム2002では、1番目のスロットにおいて、無線中継局(ノード4)104は、受信した前記無線パケット内の送信待ち情報1207に従い、待機する。2番目のタイムスロットにおいて、無線中継局（ノード4）104と無線中継局（ノード3）103間で優先制御が実施され、無線中継局（ノード4）104から無線中継局（ノード3）103に優先度1パケットが送信される。無線中継局（ノード3）103から無線中継局（ノード2）102に送信するはずの優先度2パケットの通信パケットの、3番目4番目のタイムスロットを待機した後、再開される。
前記動作により、優先度1パケットの転送を無線ネットワーク内で優先的に送信すると同時に、優先度２パケットの転送を継続することが可能となる。
１００…無線ネットワーク、１０１…ゲートウェイ（ノード１）、１０２…無線中継局（ノード）、１０３…無線中継局（ノード３）、１０４…無線中継局（ノード４）、１０５…無線局（ノード５）、１０６…無線局（ノード６）、１０７…無線中継局（ノード７）、１０８…無線局（ノード８）、１０９…無線局（ノード９）、１１０…無線中継局（ノード１０）、１１１…無線局（ノード１１）、
２０２…マイコン、２０３…ＲＯＭ、２０４…中央制御部、２０５…時刻同期制御部、２０６…経路管理部、２０７…無線通信処理部、２０８…ＲＡＭ、２０９…クロック生成回路、２１０…電源回路、２１１…ＲＦ周辺回路、２１２…優先制御パターン記憶部、３０１…ゲートウェイ無線局、３１２…外部ネットワーク接続回路、
４００…スーパーフレーム構成、４０１…スーパーフレーム、４０２…通信フレーム構成、４０３…タイムスロット、４０６…タイムスロット構成、４０７…キャリアセンス時間、４０８…データ送信、４０９…ＡＣＫ受信時間、
５０１…無線パケットのヘッダ部分、５０２…無線パケットのペイロード部分、５０３…無線パケットの誤り訂正用データ部分、５０４…あて先アドレス、５０５…送信元アドレス、５０６…パケット長、５０７…優先度、５０８…アプリケーションデータ、５０９…ＣＲＣ
６０１…優先度管理テーブルの優先度格納列、６０２…優先度管理テーブルのタイムスロット長格納列、６０３…優先度管理テーブルのＣＳ開始までの待ち時間格納列、６０４…優先度管理テーブルのＣＳ実行時間格納列、６０５…優先度管理テーブルの優先別アプリケーション用途格納列、６０６…優先度管理テーブルの優先度１の例、６０６…優先度管理テーブルの優先度２の例
７０１…優先度１パケット送信時の各端末のタイムスロット内動作スケジュール、７０２…優先度２パケット送信時の各端末のタイムスロット内動作スケジュール、
１２１７…優先度1パケット送信のための待ち時間格納エリア
２０２…マイコン、２０３…ＲＯＭ、２０４…中央制御部、２０５…時刻同期制御部、２０６…経路管理部、２０７…無線通信処理部、２０８…ＲＡＭ、２０９…クロック生成回路、２１０…電源回路、２１１…ＲＦ周辺回路、２１２…優先制御パターン記憶部、３０１…ゲートウェイ無線局、３１２…外部ネットワーク接続回路、
４００…スーパーフレーム構成、４０１…スーパーフレーム、４０２…通信フレーム構成、４０３…タイムスロット、４０６…タイムスロット構成、４０７…キャリアセンス時間、４０８…データ送信、４０９…ＡＣＫ受信時間、
５０１…無線パケットのヘッダ部分、５０２…無線パケットのペイロード部分、５０３…無線パケットの誤り訂正用データ部分、５０４…あて先アドレス、５０５…送信元アドレス、５０６…パケット長、５０７…優先度、５０８…アプリケーションデータ、５０９…ＣＲＣ
６０１…優先度管理テーブルの優先度格納列、６０２…優先度管理テーブルのタイムスロット長格納列、６０３…優先度管理テーブルのＣＳ開始までの待ち時間格納列、６０４…優先度管理テーブルのＣＳ実行時間格納列、６０５…優先度管理テーブルの優先別アプリケーション用途格納列、６０６…優先度管理テーブルの優先度１の例、６０６…優先度管理テーブルの優先度２の例
７０１…優先度１パケット送信時の各端末のタイムスロット内動作スケジュール、７０２…優先度２パケット送信時の各端末のタイムスロット内動作スケジュール、
１２１７…優先度1パケット送信のための待ち時間格納エリア
Claims (1)
- 無線パケットを通信する無線局において、
他の無線局と時刻同期をとる時刻同期制御部と、
無線局間で優先度制御を行うために、送信する無線パケットの優先度の高い順に送信開始時間を早くすることを記憶する優先制御パターン記憶部と、を備え、
優先度の低いパケットを送信する無線局が、優先度の高いパケットを検知した場合、当該タイムスロットを含めて3つの連続するタイムスロットで、優先度の低い無線パケット通信を待機し、当該タイムスロットから数えて4つ後のタイムスロットで、当該優先度の低い無線パケットの送信を再開することを特徴とする無線局。
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