JP6194329B2

JP6194329B2 - 無線通信方法及び無線通信システム

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Publication number: JP6194329B2
Application number: JP2015049507A
Authority: JP
Inventors: 明洋山岸; 望月　伸晃; 伸晃望月; 原田　充; 充原田; 修一吉野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: JP2016171435A

Description

本発明は、無線通信方法及び無線通信システムに関する。

従来から、センサネットワーク、Ｍ２Ｍ（Machine to Machine）の分野においていくつかの具体的なアプリケーションが提案されている。その中でガスメータや水道メータのメータリングは商用電源を接続することが困難なため長時間における電池駆動が求められる。このような用途に対して現在ガス業界が中心となり設立されたＮＰＯ法人テレメータリング推進協議会において、Ｕバスエアというテレメータリング通信の標準方式が採用されている（例えば、非特許文献１参照）。

ここで、図１３を参照して、非特許文献１に記載のＵバスエアのアクセス方式について説明する。図１３は、Ｕバスエアのアクセス方式の処理動作を示すタイミングチャートである。Ｕバスエアの動作は、待ち受け時には各無線端末が無線端末を特定するＩＤを格納したビーコンの送信とその直後の短い受信を間欠的に繰り返している。そして、ある無線端末１から無線端末２にデータを送信する場合、無線端末１は連続的な受信を開始し、無線端末２からのビーコンの受信を待ち受ける。無線端末１は無線端末２のＩＤが書かれたビーコンを受信すると、無線端末２がビーコン送信直後の短い受信の時間に合わせてデータを転送する。

本方式は、待ち受け時の無線端末の動作が短いビーコンの送信と短い受信の間欠動作のため間欠間隔を長くすることで無線端末の低消費電力化を図ることができるという特徴がある。データの転送情報量が比較的少なく遅延要求も厳しくないＭ２Ｍ分野のアプリケーションにおいて本方式は低消費電力化に効果がある。

また、センサネットワークを実現するための、通信状態の変化に強い低消費電力型メッシュネットワークアクセス方式も提案されている（例えば、非特許文献２参照）。また、ノードを間欠的に動作させることによって、消費電力を抑制する受信端末駆動型のマルチホップ無線ネットワークが提案されている（例えば、非特許文献３参照）。

次に、図１４を参照して、１つの無線基地局（ＡＰ）と複数の無線端末（ＷＴ）とで構成するマルチホップ無線ネットワークの処理動作を説明する。図１４は、１つの無線基地局（ＡＰ）と複数の無線端末（ＷＴ）とで構成するマルチホップ無線ネットワークの間欠処理動作を示すフローチャートである。

まず、無線基地局（ＡＰ）は、送信を行うべきデータの送信が有るか否かを判定しながら、データの送信が有るまで待機する（ステップＳ２０１）。そして、無線基地局（ＡＰ）は、データの送信が有る場合、受信を開始する（ステップＳ２０２）。続いて、無線基地局（ＡＰ）は、データを届ける無線端末（ＷＴ）のビーコンを受信するまで待機する（ステップＳ２０３）。そして、無線基地局（ＡＰ）は、無線端末（ＷＴ）のビーコンを受信した時点で、データ送信を行い（ステップＳ２０４）、ステップＳ２０１に戻って処理を繰り返す。

この処理動作に対応して、無線端末（ＷＴ）は、ビーコンを送信するタイミングであるかを判定しながら、ビーコン送信タイミングになるまで待機する（ステップＳ２１１）。そして、ビーコン送信タイミングになった時点で、無線端末（ＷＴ）は、ビーコンを送信し（ステップＳ２１２）、直後に受信を開始する（ステップＳ２１３）。続いて、無線端末（ＷＴ）は、無線基地局（ＡＰ）からのデータを受信したかを判定する（ステップＳ２１４）。この判定の結果、データを受信しなかった場合、無線端末（ＷＴ）は、ステップＳ２１１に戻って処理を繰り返す。一方、データ受信した場合、無線端末（ＷＴ）は、データ受信を行い、ステップＳ２１１に戻って処理を繰り返す。

この間欠処理動作によって、無線端末（ＷＴ）は、間欠的に動作することになるため、無線端末の低消費電力化を図ることが可能になる。

畠内、星野、浅野、「超低消費電力通信方式によるテレメータリング技術」、富士時報Ｖｏｌ．８４Ｎｏ．４２０１１畠内、福山、石井、四蔵、「メッシュネットワークのためのポーリングによる低消費電力型アクセス方式の提案」、ＩＥＥＪＴｒａｎｓ．ＥＩＳ，Ｖｏｌ．１２８，Ｎｏ．１２，ｐｐ．１７６１−１７６６，２００８Ｄ．Ｃｈｕｌｕｕｎｓｕｒｅｎ、小南、菅野、村田、畠内、「受信端末駆動型無線マルチホップネットワークにおける長寿命化のための間欠周期制御手法の検討」、信学技報、ＩＮ２０１０−１６４、ｐｐ．１２１−１２６、２０１１

ところで、従来の技術では間欠動作によって無線端末の低消費電力化を実現しているため、間欠間隔を長くすればするほど低消費電力となるが、その一方でデータ転送時の遅延時間が伸びてしまうという問題がある。また、今後のＭ２Ｍ分野の進展によって無線端末数が増大した場合に各無線端末が間欠的にビーコンを送信するため、ビーコンの送信タイミングが衝突しやすくなり、キャリアセンスによってビーコンの送信ができなくなる。無線端末それぞれからのビーコンが送信のため空間が支配されているためデータ転送のための送信が行えなくなり、無線端末の収容を増やすことができなくなるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、多数の無線端末を収容可能であり、低消費電力化を図ることができる無線通信方法及び無線通信システムを提供することを目的とする。

本発明は、無線基地局と、複数の無線端末とを備え、前記無線基地局と前記無線端末との間において無線で通信する無線通信システムが行う無線通信方法であって、前記無線基地局と、複数の前記無線端末とが、それぞれ定期的にビーコンを送信し、データを送信したい相手の前記ビーコンを受信し、受信した前記ビーコンに含まれる情報と受信したタイミングを利用して前記データの送受信を行うデータ送受信ステップと、前記無線端末が、前記ビーコンを所定の割合で間引いて送信するビーコン送信ステップと、前記無線基地局が、前記無線端末の間引かれた前記ビーコンの送信タイミングを管理するための送信タイミング管理情報を取得して内部に保持するタイミング管理ステップとを有することを特徴とする。

本発明は、前記無線基地局が、内部に保持した前記送信タイミング管理情報に基づき、前記間引かれた前記ビーコンの送信タイミングに合わせて一定の時間受信状態とすることにより、所定のタイミングで送信される前記無線端末の前記ビーコンを受信するビーコン受信ステップをさらに有することを特徴とする。

本発明は、前記タイミング管理ステップでは、前記無線基地局が、前記無線端末が所定のタイミングで実際に送信するビーコンを受信した時間に基づき計算した結果を得ることにより前記送信タイミング管理情報を取得することを特徴とする。

本発明は、前記タイミング管理ステップでは、前記無線基地局が、定期的に前記無線端末が実際に送信するビーコンの送信間隔より長い時間連続受信状態とすることで、前記無線端末が所定のタイミングで実際に送信する前記ビーコンを２回以上受信し、受信した時間それぞれにより前記送信タイミング管理情報を更新することを特徴とする。

本発明は、前記無線端末が、前記無線基地局に接続を開始するときに、接続を開始するための手続きが終了した直後に前記ビーコンを送信する接続開始ステップと、前記無線基地局が、前記ビーコンを受信するための受信状態とすることで、前記無線端末からの最初の前記ビーコンを受信する初回ビーコン受信ステップとをさらに有し、前記タイミング管理ステップでは、前記無線端末からの２回目の前記ビーコンを受信するための受信時間幅を３回目以降の前記受信時間幅よりも広くし、２回以上受信した前記ビーコンの時間間隔から次の前記ビーコンの受信タイミングを推定し、３回目以降の前記ビーコンの受信の際の前記受信時間幅は、前記２回目の前記ビーコンを受信するための前記受信時間幅よりも狭くすることを特徴とする。

本発明は、前記タイミング管理ステップでは、前記無線基地局が、前記無線端末からの前記ビーコンを受信するタイミングにおいて、前記受信時間幅内に前記ビーコンを受信することができなかった場合、次の対象無線端末の前記ビーコンを受信するタイミングにおいては、前記の受信することができなかった時の受信時間幅に比べて前記受信時間幅を広くすることを特徴とする。

本発明は、無線基地局と、複数の無線端末との間において無線通信を行う無線通信システムであって、前記無線端末は、定期的にビーコンを送信し、データを送信したい相手の前記ビーコンを受信し、受信した前記ビーコンに含まれる情報と受信したタイミングを利用して前記データの送受信を行う第１のデータ送受信手段と前記ビーコンを所定の割合で間引いて送信するビーコン送信手段とを備え、前記無線基地局は、定期的にビーコンを送信し、データを送信したい相手の前記ビーコンを受信し、受信した前記ビーコンに含まれる情報と受信したタイミングを利用して前記データの送受信を行う第２のデータ送受信手段と、前記無線端末の間引かれた前記ビーコンの送信タイミングを管理するための送信タイミング管理情報を取得して内部に保持するタイミング管理手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、Ｍ２Ｍ等の無線通信システムにおいて、多数の無線端末を収容可能であり、かつ低消費電力化を図ることができるという効果が得られる。

本発明の第１実施形態の装置構成を示すブロック図である。図１に示す無線通信システムの動作を示すタイミングチャートである。図１に示す無線基地局１と、ある無線端末２１の詳細動作を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態における無線通信システムの動作を示すタイミングチャートである。無線基地局１と、ある無線端末２１の詳細動作を示すフローチャートである。本発明の第３実施形態における無線通信システムの動作を示すタイミングチャートである。無線基地局１と、ある無線端末２１の詳細動作を示すフローチャートである。本発明の第５実施形態における無線通信システムの動作を示すタイミングチャートである。無線基地局１と、ある無線端末２１の詳細動作を示すフローチャートである。本発明の第６実施形態における無線通信システムの動作を示すシーケンス図である。無線基地局１と、ある無線端末２Ｎの詳細動作を示すフローチャートである。本発明の第７実施形態における無線通信システムの動作の詳細な動作を示すフローチャートである。Ｕバスエアのアクセス方式の処理動作を示すタイミングチャートである。１つの無線基地局（ＡＰ）と複数の無線端末（ＷＴ）とで構成するマルチホップ無線ネットワークの間欠処理動作を示すフローチャートである。

＜第１実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態による無線通信システムを説明する。図１は同実施形態の装置構成を示すブロック図である。この図に示すように、無線通信システムは１つの無線基地局（ＡＰ）１とＮ個（Ｎ：２以上の自然数）の無線端末（ＷＴ＃１〜ＷＴ＃Ｎ）２１〜２Ｎから構成され、無線端末２１〜２Ｎと無線基地局１間のみが通信を行うスター型のネットワーク構成を備えている。無線基地局１は、端末に対するビーコンのタイミングを管理する端末ビーコンタイミング管理部１１を内部に備えている。

次に、図２を参照して、図１に示す無線通信システムの動作を説明する。図２は、図１に示す無線通信システムの動作を示すタイミングチャートである。図２に示すように、無線基地局１、無線端末２１〜２Ｎのそれぞれが間欠的に自身のＩＤ（識別情報）を含むビーコンの送信とビーコン送信直後の短い受信の動作を行う。ビーコンの送信間隔（間欠間隔）は、無線基地局１、無線端末２１〜２Ｎにおいて予め決められている（図２に示すＡＰ間欠間隔及びＷＴ間欠間隔）。

ただし、無線端末２１〜２Ｎは予め設定された割合でビーコンの送信を行わずにビーコンの送信を間引き、直後の短い受信の動作のみを行う。図２においては、破線の矢印が間引いたビーコンであり、この間引かれたビーコンを仮想ビーコンという。また、実際に送受信されるビーコンを実ビーコンという。

無線基地局１は実際に受信された無線端末２１〜２Ｎからのビーコンを基準に間引かれたビーコンのタイミングを管理する端末ビーコンタイミング管理部１１を備えている。これを備えることで、無線基地局１から無線端末２１〜２Ｎに対してデータ送信が発生した時に、無線端末２１〜２Ｎからのビーコンを受信することなしに無線端末２１〜２Ｎが待ち受けている短い受信時間に合わせてデータの送信を行う。

次に、図３を参照して、図２に示す無線通信システムの動作の詳細な動作を説明する。図３は、無線基地局１と、ある無線端末２１の詳細動作を示すフローチャートである。まず、無線基地局１は、データの送信は有るか否かを判定しながら、データの送信が有るまで待機する（ステップＳ１）。そして、データの送信が有る場合、無線基地局１は、データを届ける端末の間引かれたビーコンのタイミングであるか否かを判定しながら、そのタイミングまで待機する（ステップＳ２）。無線基地局１は、データを届ける端末の間引かれたビーコンのタイミングになった時点でデータ送信を行い（ステップＳ３）、ステップＳ１に戻って処理を繰り返す。

一方、無線端末２１は、自己のビーコン送信のタイミングであるか否かを判定しながらビーコン送信のタイミングまで待機する（ステップＳ１１）。そして、無線端末２１は、ビーコン送信のタイミングになった時点で、このビーコンを間引くべきビーコンであるか否かを判定する（ステップＳ１２）。この判定の結果、間引くべきビーコンでなければ通常のビーコン送信を行う（ステップＳ１３）。

次に、無線端末２１は、受信を開始し（ステップＳ１４）、データを受信したか否かを判定する（ステップＳ１５）。この判定の結果、データを受信しなかった場合、無線端末２１は、ステップＳ１１に戻り処理を繰り返す。一方、データを受信した場合、データ受信を行い（ステップＳ１６）、ステップＳ１１に戻り処理を繰り返す。

この構成により、無線端末２１〜２Ｎは実際のビーコン送信の間隔を広げても遅延は間引かれたビーコンの間欠間隔によって決まるため遅延への影響は無い。また、無線端末２１〜２Ｎからのビーコンの全体の数を減らすことができるため、無線端末２１〜２Ｎの消費電力を低下させることができる。また、ビーコンの送信タイミングの衝突やビーコン送信により、空間を支配される時間を減らすことができるため、無線端末２１〜２Ｎの収容密度を大幅に上げることが可能となる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態による無線通信システムを説明する。第２実施形態における装置構成は、図１に示す構成と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

次に、図４を参照して、第２実施形態における無線通信システムの動作を説明する。図４は、第２実施形態における無線通信システムの動作を示すタイミングチャートである。第２実施形態における無線通信システムを実施する上では間引かれた無線端末のビーコンのタイミングを無線基地局で正確に管理することが重要なポイントとなる。そのためには無線基地局１は可能な限り毎回各無線端末が実際に送信するビーコンを受信することが望ましい。

そこで、図４に示すように、第２実施形態における無線基地局１は自身のビーコン送信や、無線端末２１〜２Ｎへのデータ送信などの送信時間以外は連続的に受信動作（これを連続受信という）を行い無線端末２１〜２Ｎが実際に送信するビーコンを可能な限り毎回受信する。

次に、図５を参照して、図４に示す無線通信システムの動作の詳細な動作を説明する。図５は、無線基地局１と、ある無線端末２１の詳細動作を示すフローチャートである。まず、無線基地局１は、受信を行う（ステップＳ２１）。続いて、無線基地局１は、データの送信は有るか否かを判定しながら（ステップＳ２２）、受信を継続する（ステップＳ２１）。この動作によって、連続受信が実現できる。

そして、データの送信が有る場合、無線基地局１は、データを届ける端末の間引かれたビーコンのタイミングであるか否かを判定しながら、そのタイミングまで待機する（ステップＳ２３）。無線基地局１は、データを届ける端末の間引かれたビーコンのタイミングになった時点でデータ送信を行い（ステップＳ２４）、ステップＳ２１に戻って処理を繰り返す。

一方、無線端末２１は、自己のビーコン送信のタイミングであるか否かを判定しながらビーコン送信のタイミングまで待機する（ステップＳ３１）。そして、無線端末２１は、ビーコン送信のタイミングになった時点で、このビーコンを間引くべきビーコンであるか否かを判定する（ステップＳ３２）。この判定の結果、間引くべきビーコンでなければ通常のビーコン送信を行う（ステップＳ３３）。

次に、無線端末２１は、受信を開始し（ステップＳ３４）、データを受信したか否かを判定する（ステップＳ３５）。この判定の結果、データを受信しなかった場合、無線端末２１は、ステップＳ３１に戻り処理を繰り返す。一方、データを受信した場合、データ受信を行い（ステップＳ３６）、ステップＳ３１に戻り処理を繰り返す。

この処理動作によって、無線基地局１は可能な限り毎回各無線端末２１〜２Ｎが実際に送信するビーコンを受信することができるようになる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態による無線通信システムを説明する。第３実施形態における装置構成は、図１に示す構成と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

次に、図６を参照して、第３実施形態における無線通信システムの動作を説明する。図６は、第３実施形態における無線通信システムの動作を示すタイミングチャートである。第２実施形態において説明した無線基地局１を可能な限り連続的に受信動作を行う場合、無線基地局１は間欠的に動作するのではなく、連続的に動作するものになるため、消費電力が大きくなってしまう課題がある。

この課題を解決するために、無線基地局１の端末ビーコンタイミング管理部１１は間引かれた無線端末２１〜２Ｎのビーコンのタイミングを管理して内部に保持する。そして、次に無線端末２１〜２Ｎのいずれかから実際にビーコンが送信されるタイミングも合わせて管理する。図６に示すように、無線基地局１は、無線端末２１〜２Ｎが実際のビーコンを送信するタイミングに合わせて短い受信にすることで無線基地局１を間欠的に動作させ消費電力の低減を図る。

なお、本実施形態の場合、無線端末２１〜２Ｎが実ビーコンを送信する際にキャリアセンス等で送信できなかった場合には、次の実ビーコンの送信タイミングでビーコンの送信を行うものとする。この時、無線基地局は無線端末からの実ビーコンの送信のタイミングにおいては実ビーコンの受信を無線端末へのデータ送信など、他の処理に優先して実施することで無線基地局と無線端末間の同期維持を優先的に行う。

次に、図７を参照して、図６に示す無線通信システムの動作の詳細な動作を説明する。図７は、無線基地局１と、ある無線端末２１の詳細動作を示すフローチャートである。まず、無線基地局１は、無線端末２１が実ビーコンを送信するタイミングであるか否かを判定する（ステップＳ４１）。この判定の結果、実ビーコンを送信するタイミングであれば、無線基地局１は、ビーコン受信を行う（ステップＳ４２）。そして、無線基地局１は、間欠受信のタイミングを補正して（ステップＳ４３）、ステップＳ４１に戻って処理を繰り返す。

一方、実ビーコンを送信するタイミングでなければ、無線基地局１は、データの送信は有るか否かを判定しながら（ステップＳ４４）、ステップＳ４１〜Ｓ４３の処理を繰り返す。そして、データの送信が有る場合、無線基地局１は、データを届ける端末の間引かれたビーコンのタイミングであるか否かを判定しながら、そのタイミングまで待機する（ステップＳ４５）。無線基地局１は、データを届ける端末の間引かれたビーコンのタイミングになった時点でデータ送信を行い（ステップＳ４６）、ステップＳ４１に戻って処理を繰り返す。

一方、無線端末２１は、自己のビーコン送信のタイミングであるか否かを判定しながらビーコン送信のタイミングまで待機する（ステップＳ５１）。そして、無線端末２１は、ビーコン送信のタイミングになった時点で、このビーコンを間引くべきビーコンであるか否かを判定する（ステップＳ５２）。この判定の結果、間引くべきビーコンでなければ通常のビーコン送信を行う（ステップＳ５３）。

次に、無線端末２１は、受信を開始し（ステップＳ５４）、データを受信したか否かを判定する（ステップＳ５５）。この判定の結果、データを受信しなかった場合、無線端末２１は、ステップＳ５１に戻り処理を繰り返す。一方、データを受信した場合、データ受信を行い（ステップＳ５６）、ステップＳ５１に戻り処理を繰り返す。

この処理動作によって、無線基地局１の消費電力が大きくなってしまうという課題を解決しつつ、確実に実ビーコンの受信を行うことができるようになる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態による無線通信システムを説明する。第４実施形態における装置構成は、図１に示す構成と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

次に、第４実施形態における無線通信システムの動作を説明する。第４実施形態における動作は、図６、図７に示す動作と同様であるため、説明を簡単に行う。無線基地局１と無線端末２１〜２Ｎはそれぞれが持つ水晶発振器などの基準発振器により間欠間隔を測りビーコンの送信や短い受信窓のタイミングを決定する。しかし、それぞれが持つ基準発振器の周波数には差があるため、無線端末２１〜２Ｎのビーコンを間引く割合を大きくするとタイミングにずれを生じてしまう。

間引いたビーコンに合わせて無線基地局１からデータを送信しようとしたときに、タイミングずれによりデータ送信ができなくなることが起こる。また、水晶発振器は温度や経年変化により周波数が変化していくため、製造時や設置時などに合わせたとしても時間が経過するとずれてしまう。この変化に追従するために無線基地局１は同一無線端末から受信した２回のビーコンの時間間隔から無線端末の間引かれたビーコンの間隔を計算しこれを元に無線基地局１が持つ無線端末２１〜２Ｎのビーコンタイミングの管理を行う。この管理を行うことで時間変化に伴う無線基地局１と無線端末２１〜２Ｎ間の周波数差の変化に追従することで、誤差の少ないタイミングの管理が可能となる。

なお、図６においては第３実施形態の構成に第４実施形態を組合せた図としているが、第４実施形態は、第２実施形態に組合せることも可能である。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態による無線通信システムを説明する。第５実施形態における装置構成は、図１に示す構成と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

次に、図８を参照して、第５実施形態における無線通信システムの動作を説明する。図８は、第５実施形態における無線通信システムの動作を示すタイミングチャートである。第３実施形態（図６）において無線基地局１は間欠的に無線端末２１〜２Ｎが実際に送信するビーコンのタイミングに合わせて受信を行う。しかし、なんらかの原因により無線基地局１が無線端末２１〜２Ｎのビーコンのタイミングを見失う場合がある。この場合に備えて、無線基地局１は定期的に無線端末２１〜２Ｎが実際にビーコンを送信する時間より長い時間連続的に受信状態（連続受信）となり、見失ったビーコンのタイミングを再度捕捉する。そして、ビーコンを受信した間隔から間引かれるビーコンのタイミングの補正も同時に行う。

次に、図９を参照して、図８に示す無線通信システムの動作の詳細な動作を説明する。図９は、無線基地局１と、ある無線端末２１の詳細動作を示すフローチャートである。まず、無線基地局１は、連続受信のタイミングであるか否かを判定する（ステップＳ６１）。この判定の結果、連続受信のタイミングであれば、無線基地局１は、ビーコン受信を行う（ステップＳ６２）。そして、無線基地局１は、間欠受信のタイミングを補正して（ステップＳ６３）、ステップＳ６１に戻って処理を繰り返す。続いて、無線基地局１は、無線端末２１が実ビーコンを送信するタイミングであるか否かを判定する（ステップＳ６４）。この判定の結果、実ビーコンを送信するタイミングであれば、無線基地局１は、ビーコン受信を行う（ステップＳ６５）。そして、無線基地局１は、間欠受信のタイミングを補正して（ステップＳ６６）、ステップＳ６４に戻って処理を繰り返す。

一方、実ビーコンを送信するタイミングでなければ、無線基地局１は、データの送信は有るか否かを判定しながら（ステップＳ６７）、ステップＳ６１〜Ｓ６６の処理を繰り返す。そして、データの送信が有る場合、無線基地局１は、データを届ける端末の間引かれたビーコンのタイミングであるか否かを判定しながら、そのタイミングまで待機する（ステップＳ６８）。無線基地局１は、データを届ける端末の間引かれたビーコンのタイミングになった時点でデータ送信を行い（ステップＳ６９）、ステップＳ６１に戻って処理を繰り返す。

一方、無線端末２１は、自己のビーコン送信のタイミングであるか否かを判定しながらビーコン送信のタイミングまで待機する（ステップＳ７１）。そして、無線端末２１は、ビーコン送信のタイミングになった時点で、このビーコンを間引くべきビーコンであるか否かを判定する（ステップＳ７２）。この判定の結果、間引くべきビーコンでなければ通常のビーコン送信を行う（ステップＳ７３）。

次に、無線端末２１は、受信を行い（ステップＳ７４）、データを受信したか否かを判定する（ステップＳ５５）。この判定の結果、データを受信しなかった場合、無線端末２１は、ステップＳ７１に戻り処理を繰り返す。一方、データを受信した場合、データ受信を行い（ステップＳ７６）、ステップＳ７１に戻り処理を繰り返す。

この処理動作によって、なんらかの原因により無線基地局１が無線端末２１〜２Ｎのビーコンのタイミングを見失った場合でも再びビーコンのタイミングの管理を継続することができるようになる。

＜第６実施形態＞
次に、本発明の第６実施形態による無線通信システムを説明する。第６実施形態における装置構成は、図１に示す構成と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

次に、図１０を参照して、第６実施形態における無線通信システムの動作を説明する。図１０は、第６実施形態における無線通信システムの動作を示すシーケンス図である。第３実施形態において、無線端末２Ｎが起動したときや新たに無線基地局１の電波が届く範囲に入ってきた場合に、初期状態としてこの無線端末２Ｎと無線基地局１の間でビーコンのタイミングを合わせる必要がある。本実施形態では、この場合の動作について説明する。

無線端末２Ｎを起動する（ステップＳ８１）と、まず無線基地局１の電波が受信できるかを確認するために連続的な受信状態となり無線基地局のビーコンの受信を試みる（ステップＳ８２）。そして、無線基地局１のビーコンを受信する（ステップＳ８３）。無線端末２Ｎは、そのビーコンに含まれる情報から無線端末２Ｎが無線基地局１に接続しても良いと判断した場合、無線端末２Ｎは無線基地局のビーコンのタイミングに合わせて接続登録の要求に必要な情報を送信する。これを契機として無線端末２Ｎと無線基地局１間で接続登録処理を実行し（ステップＳ８４）、終了直後に無線端末２Ｎはビーコンを送信する（ステップＳ８５、Ｓ８６）。

無線基地局１は、接続登録直後の無線端末のビーコン送信に備えて受信状態となり、無線端末ビーコン（実ビーコン）を受信する（ステップＳ８７）。その後、予め設定された間欠間隔で無線端末２Ｎはビーコンの間引き動作を開始し、無線基地局１もこれに合わせたビーコンタイミング管理を開始する。しかし、この時は実際のビーコンの受信は１回であり間欠間隔を算定することができないため無線基地局１は独自のタイミングでビーコンのタイミング管理を実施する。

無線端末２Ｎが２回目の実ビーコン送信タイミングでビーコンを送信するタイミングに合わせて無線基地局１は受信状態とするが、この時無線基地局１は独自のタイミングで実ビーコンの受信タイミングを管理しているため、受信窓幅は、両者の差が大きいことを考慮して比較的大きな値を設定する。受信の窓幅とは、ビーコン受信開始（ステップＳ９０）し、実ビーコンを受信（ステップＳ９１）し、ビーコン受信終了する（ステップＳ９２）までの時間幅のことである。

例えば、実ビーコンの送信間隔が１００ｓｅｃで無線基地局１と無線端末２Ｎの発振器の差が１００ｐｐｍ以下であるとすれば、受信窓幅は１０ｍｓｅｃ以上とする。これにより、２回目の実ビーコンを無線基地局が受信したところで１回目の実ビーコン受信との時間間隔から間引かれたビーコンの間欠間隔と、次回の実ビーコン受信タイミングを計算する。以降の実ビーコン受信タイミング（ステップＳ９３、Ｓ９４）においてはタイミングの補正がなされているため、無線基地局が受信するために開く受信窓幅（ステップＳ９５〜Ｓ９７）は２回目のビーコンの受信窓幅に比べて小さく設定する。例えば、補正により１ｐｐｍ以下に差が低減されるとすれば、受信窓幅は０．１ｍｓｅｃ以上と小さくすることが可能となる。

次に、図１１を参照して、図１０に示す無線通信システムの動作の詳細な動作を説明する。図１１は、無線基地局１と、ある無線端末２Ｎの詳細動作を示すフローチャートである。まず、無線基地局１は、ビーコン送信を行う（ステップＳ１０１）。一方、無線端末２Ｎは、受信を開始し（ステップＳ１２０）、無線基地局のビーコンを受信したか否かを判定しながら、ビーコン受信まで待機する（ステップＳ１２１）。続いて、無線端末２Ｎは、無線基地局に接続可能か否かを判定する（ステップＳ１２２）。この判定の結果、接続可能でなければ、無線端末２Ｎは、ステップＳ１２１に戻り処理を繰り返す。

一方、接続可能であれば、無線端末２Ｎは、接続登録要求を送信する（ステップＳ１２３）。これを受けて、無線基地局１は、この接続登録要求を受信する（ステップＳ１０２）。続いて、無線基地局１は、接続登録承認を送信する（ステップＳ１０３）。これを受けて、無線端末２Ｎは、この接続登録承認を受信する（ステップＳ１２４）。そして、無線基地局１と無線端末２Ｎは、お互いに接続登録を終了する（ステップＳ１０４）。

次に、無線端末２Ｎは、１回目のビーコン送信を行う（ステップＳ１２５）。これを受けて、無線基地局１は、１回目のビーコンを受信する（ステップＳ１０５）。続いて、無線基地局１は、無線端末２Ｎが実ビーコンを送信するタイミングであるか否かを判定しながら待機する（ステップＳ１０６）。

一方、無線端末２Ｎは、ビーコン送信のタイミングであるか否かを判定しながらビーコン送信のタイミングまで待機する（ステップＳ１２６）。そして、ビーコン送信のタイミングになった時点で、無線端末２Ｎは、送信すべきビーコンを間引くか否かを判定する（ステップＳ１２７）。この判定の結果、ビーコンを間引くのであれば、無線端末２Ｎは、ステップＳ１２６に戻って処理を繰り返す。一方、ビーコンを間引かないのであれば、無線端末２Ｎは、２回目のビーコン送信を行う（ステップＳ１２８）。

これを受けて、無線基地局１は、２回目のビーコンを受信する（ステップＳ１０７）。そして、無線基地局１は、１回目と２回目のビーコン受信間隔により間欠タイミングを補正する（ステップＳ１０８）。続いて、無線基地局１は、端末ビーコン受信窓を短縮する（ステップＳ１０９）。

最後に、無線基地局１と無線端末２Ｎのそれぞれは、図３等に示す処理動作をそれぞれ実行する（ステップＳ１１０、Ｓ１２９）。

＜第７実施形態＞
次に、本発明の第７実施形態による無線通信システムを説明する。第７実施形態における装置構成は、図１に示す構成と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

次に、第７実施形態における無線通信システムの動作を説明する。第３実施形態において無線端末２１〜２Ｎの実ビーコンの送信がキャリアセンスで行えなかった場合や無線伝搬路の変化などにより無線端末２１〜２Ｎからビーコンは送信されているが、無線基地局１でビーコンを受信できなかった場合について説明する。この場合、次の実ビーコンを受信するタイミングでは無線端末２１〜２Ｎのビーコン送信タイミングのずれが大きくなるため、これに合わせて無線基地局１の実ビーコン受信窓の幅を広げることにより実ビーコンの受信確率を上げる。

例えば、実ビーコンの送信間隔が１００ｓｅｃで無線基地局１と無線端末２１〜２Ｎの発振器の差が１００ｐｐｍ以下である場合、実ビーコンの受信窓幅は１０ｍｓｅｃ以上必要である。この時、実ビーコンを１回受信できなかった場合、次の受信タイミングまで２００ｓｅｃ開くため、受信窓幅を２０ｍｓｅｃ以上に広げ、さらに実ビーコンの受信に失敗した場合はその回数に応じて受信窓幅を広げることにより、実ビーコンの受信確率を維持する。

次に、図１２を参照して、第７実施形態における無線通信システムの動作の詳細な動作を説明する。図１２は、無線基地局１の詳細動作を示すフローチャートである。まず、無線基地局１は、無線端末２１〜２Ｎが実ビーコンを送信するタイミングであるか否かを判定する（ステップＳ１３１）。この判定の結果、実ビーコンを送信するタイミングであれば、無線基地局１は、ビーコン受信を行う（ステップＳ１３２）。そして、無線基地局１は、ビーコンを受信したか否かを判定する（ステップＳ１３３）。この判定の結果、ビーコンを受信したのであれば、無線基地局１は、間欠受信のタイミングを補正して（ステップＳ１３４）、ステップＳ１３１に戻って処理を繰り返す。一方、ビーコンを受信できなければ、無線基地局１は、実ビーコン受信時間を延伸して（ステップＳ１３５）、ステップＳ１３１に戻って処理を繰り返す。

一方、ステップＳ１３１において、実ビーコンを送信するタイミングでなければ、無線基地局１は、データの送信は有るか否かを判定しながら（ステップＳ１３６）、ステップＳ１３１〜Ｓ１３５の処理を繰り返す。そして、データの送信が有る場合、無線基地局１は、データを届ける端末の間引かれたビーコンのタイミングであるか否かを判定しながら、そのタイミングまで待機する（ステップＳ１３７）。無線基地局１は、データを届ける端末の間引かれたビーコンのタイミングになった時点でデータ送信を行い（ステップＳ１３８）、ステップＳ１３１に戻って処理を繰り返す。

この処理動作によって、実ビーコンの受信に失敗した場合はその回数に応じて受信窓幅を広げることにより、実ビーコンの受信確率を維持することができる。

以上説明したように、１つの無線基地局と複数の無線端末が通信を行うスター型のネットワーク構成の無線通信システムにおいて、無線端末が送信するビーコンを一定の割合で間引くことにより、空間に送信される無線電波の時間を削減する。無線端末が送信しない間引かれたビーコン（仮想ビーコン）は無線基地局でそのタイミングを管理することで実際のビーコンを受信することなしにデータ転送が可能となる。

また、無線基地局は各無線端末が実際に送信するビーコン（実ビーコン）を受信することによって、無線端末との間でタイミングを維持するため、無線端末から送信される実ビーコンを高い確率で受信することが必要となる。

これを実現するために、無線基地局は例えば自身のビーコンの送信やデータの送信の時間以外の時間は可能な限り受信状態となることで無線端末の実ビーコンを受信する確率を高くする。または、無線基地局は、管理している各端末のビーコンのタイミングから次に端末がビーコンを送信するタイミングを推定し、これに合わせて受信状態となることで実ビーコンの受信確率を高くする。この方法は無線基地局の間欠動作を可能とするため、無線基地局の低消費電力化に効果がある。

また、無線基地局は管理している各端末のビーコンタイミングの精度を上げるために受信した実ビーコンの間隔から常にタイミングに補正をかけることで間引かれたビーコンに対する応答の時間精度を維持し、実ビーコンの受信確率を高くする。

また、無線端末が無線基地局に最初に接続する場合、無線基地局は無線端末のビーコンのタイミング情報を持っておらず、また、実ビーコンを複数回受信することによって得られる補正値も持たない。そのため無線端末は無線基地局に接続する手続きが終了した直後に実ビーコンを送信し、無線基地局はこれを受信するための受信状態となることで最初のビーコンを受信する。２回目のビーコンを受信するときは補正値を持たないため、ビーコンの受信のための受信時間は比較的長く設定する必要があるが、３回目以降は補正値を持つためビーコン受信のための受信時間は短くすることができる。

また、上記の処理動作を行ったとしても、キャリアセンスにより無線端末からタイミング通りにビーコンを送信できなかったり、無線伝搬路の変化により無線基地局でビーコンを受信することができなかったりする場合がある。その際には無線基地局は該当の無線端末からのビーコンをこれまで保持している補正値を用いて受信タイミングを推定するが、タイミングのずれ幅は大きくなる。これを補償するために、無線基地局は実ビーコンの受信ができなかった場合、該当の無線端末からの次のビーコンを受信するときには受信のための時間を２倍以上広くすることにより、実ビーコンを受信する確率を高くする。

この構成によれば、無線端末が間欠的に送信するビーコンを一定の割合で間引くことにより、無線端末の送信時間を削減することができるため、無線端末の低消費電力化に効果がありながらビーコン送信間隔を延ばすことによる遅延の増加が解消されるという効果がある。また、多数の無線端末から送信されるビーコンによる収容限界の向上を図ることができる。

前述したように、無線基地局によって配下の無線端末のタイミング情報を管理するため、複数の無線基地局により複数のセルによりエリア形成される場合、セル間を無線端末が移動すると管理情報の書き換えが発生するため、無線端末は固定的に設置されている利用方法においてより高い効果を発揮することができる。

このように、本発明はセンサネットワーク、Ｍ２Ｍ通信に使用される無線通信システムにおいて、特に多数の無線端末を収容可能であり、低消費電力が求められる無線通信システムに適用が可能である。

前述した実施形態における無線基地局の全部または一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されるものであってもよい。

以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明してきたが、上記実施の形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行ってもよい。

Ｍ２Ｍ等の無線通信システムにおいて、多数の無線端末を収容可能であり、かつ低消費電力化を図ることが不可欠な用途に適用できる。

１・・・無線基地局（ＡＰ）、１１・・・端末ビーコンタイミング管理部、２１、２２、２Ｎ・・・無線端末（ＷＴ＃１、ＷＴ＃２、ＷＴ＃Ｎ）

Claims

無線基地局と、複数の無線端末とを備え、前記無線基地局と前記無線端末との間において無線で通信する無線通信システムが行う無線通信方法であって、
前記無線基地局と、複数の前記無線端末とが、それぞれ定期的にビーコンを送信し、データを送信したい相手のビーコンを受信し、受信した該ビーコンに含まれる情報と受信したタイミングを利用して前記データの送受信を行うデータ送受信ステップと、
前記無線端末が、前記ビーコンを所定の割合で間引いて送信するビーコン送信ステップと、
前記無線基地局が、前記無線端末の間引かれた前記ビーコンの送信タイミングを管理するための送信タイミング管理情報を取得して内部に保持するタイミング管理ステップと
を有し、
前記タイミング管理ステップでは、
前記無線基地局が、前記無線端末が所定のタイミングで実際に送信するビーコンを受信した時間に基づき計算した結果を得ることにより前記送信タイミング管理情報を取得することを特徴とする無線通信方法。
無線基地局と、複数の無線端末とを備え、前記無線基地局と前記無線端末との間において無線で通信する無線通信システムが行う無線通信方法であって、
前記無線基地局と、複数の前記無線端末とが、それぞれ定期的にビーコンを送信し、データを送信したい相手のビーコンを受信し、受信した該ビーコンに含まれる情報と受信したタイミングを利用して前記データの送受信を行うデータ送受信ステップと、
前記無線端末が、前記ビーコンを所定の割合で間引いて送信するビーコン送信ステップと、
前記無線基地局が、前記無線端末の間引かれた前記ビーコンの送信タイミングを管理するための送信タイミング管理情報を取得して内部に保持するタイミング管理ステップと
を有し、
前記タイミング管理ステップでは、
前記無線基地局が、定期的に前記無線端末が実際に送信するビーコンの送信間隔より長い時間連続受信状態とすることで、前記無線端末が所定のタイミングで実際に送信する前記ビーコンを２回以上受信し、受信した時間それぞれにより前記送信タイミング管理情報を更新することを特徴とする無線通信方法。
無線基地局と、複数の無線端末とを備え、前記無線基地局と前記無線端末との間において無線で通信する無線通信システムが行う無線通信方法であって、
前記無線端末が、前記無線基地局に接続を開始するときに、接続を開始するための手続きが終了した直後に最初のビーコンを送信する接続開始ステップと、
前記無線基地局が、前記最初のビーコンを受信するための受信状態とすることで、前記無線端末からの前記最初のビーコンを受信する初回ビーコン受信ステップと、
前記無線基地局と、複数の前記無線端末とが、それぞれ定期的にビーコンを送信し、データを送信したい相手のビーコンを受信し、受信した該ビーコンに含まれる情報と受信したタイミングを利用して前記データの送受信を行うデータ送受信ステップと、
前記無線端末が、前記ビーコンを所定の割合で間引いて送信するビーコン送信ステップと、
前記無線基地局が、前記無線端末の間引かれた前記ビーコンの送信タイミングを管理するための送信タイミング管理情報を取得して内部に保持するタイミング管理ステップと
を有し、
前記タイミング管理ステップでは、
前記無線端末からの２回目の前記ビーコンを受信するための受信時間幅を３回目以降の前記受信時間幅よりも広くし、２回以上受信した前記ビーコンの時間間隔から次の前記ビーコンの受信タイミングを推定し、３回目以降の前記ビーコンの受信の際の前記受信時間幅は、前記２回目の前記ビーコンを受信するための前記受信時間幅よりも狭くすることを特徴とする無線通信方法。
前記タイミング管理ステップでは、
前記無線基地局が、前記無線端末からの前記ビーコンを受信するタイミングにおいて、前記受信時間幅内に前記ビーコンを受信することができなかった場合、次の対象無線端末の前記ビーコンを受信するタイミングにおいては、前記の受信することができなかった時の受信時間幅に比べて前記受信時間幅を広くする
ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信方法。
前記無線基地局が、内部に保持した前記送信タイミング管理情報に基づき、前記間引かれた前記ビーコンの送信タイミングに合わせて一定の時間受信状態とすることにより、所定のタイミングで送信される前記無線端末の前記ビーコンを受信するビーコン受信ステップをさらに有する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無線通信方法。
無線基地局と、複数の無線端末との間において無線通信を行う無線通信システムであって、
前記無線端末は、
定期的にビーコンを送信し、データを送信したい相手のビーコンを受信し、受信した該ビーコンに含まれる情報と受信したタイミングを利用して前記データの送受信を行う第１のデータ送受信手段と
前記ビーコンを所定の割合で間引いて送信するビーコン送信手段とを備え、
前記無線基地局は、
定期的にビーコンを送信し、データを送信したい相手のビーコンを受信し、受信した該ビーコンに含まれる情報と受信したタイミングを利用して前記データの送受信を行う第２のデータ送受信手段と、
前記無線端末の間引かれた前記ビーコンの送信タイミングを管理するための送信タイミング管理情報を取得して内部に保持するタイミング管理手段と
を備え、
前記タイミング管理手段は、
前記無線端末が所定のタイミングで実際に送信するビーコンを受信した時間に基づき計算した結果を得ることにより前記送信タイミング管理情報を取得することを特徴とする無線通信システム。
無線基地局と、複数の無線端末との間において無線通信を行う無線通信システムであって、
前記無線端末は、
定期的にビーコンを送信し、データを送信したい相手のビーコンを受信し、受信した該ビーコンに含まれる情報と受信したタイミングを利用して前記データの送受信を行う第１のデータ送受信手段と
前記ビーコンを所定の割合で間引いて送信するビーコン送信手段とを備え、
前記無線基地局は、
定期的にビーコンを送信し、データを送信したい相手のビーコンを受信し、受信した該ビーコンに含まれる情報と受信したタイミングを利用して前記データの送受信を行う第２のデータ送受信手段と、
前記無線端末の間引かれた前記ビーコンの送信タイミングを管理するための送信タイミング管理情報を取得して内部に保持するタイミング管理手段と
を備え、
前記タイミング管理手段は、
定期的に前記無線端末が実際に送信するビーコンの送信間隔より長い時間連続受信状態とすることで、前記無線端末が所定のタイミングで実際に送信する前記ビーコンを２回以上受信し、受信した時間それぞれにより前記送信タイミング管理情報を更新することを特徴とする無線通信システム。
無線基地局と、複数の無線端末との間において無線通信を行う無線通信システムであって、
前記無線端末は、
前記無線基地局に接続を開始するときに、接続を開始するための手続きが終了した直後に最初のビーコンを送信する接続開始手段と、
定期的にビーコンを送信し、データを送信したい相手のビーコンを受信し、受信した該ビーコンに含まれる情報と受信したタイミングを利用して前記データの送受信を行う第１のデータ送受信手段と
前記ビーコンを所定の割合で間引いて送信するビーコン送信手段とを備え、
前記無線基地局は、
前記最初のビーコンを受信するための受信状態とすることで、前記無線端末からの前記最初のビーコンを受信する初回ビーコン受信手段と、
定期的にビーコンを送信し、データを送信したい相手のビーコンを受信し、受信した該ビーコンに含まれる情報と受信したタイミングを利用して前記データの送受信を行う第２のデータ送受信手段と、
前記無線端末の間引かれた前記ビーコンの送信タイミングを管理するための送信タイミング管理情報を取得して内部に保持するタイミング管理手段と
を備え、
前記タイミング管理手段は、
前記無線端末からの２回目の前記ビーコンを受信するための受信時間幅を３回目以降の前記受信時間幅よりも広くし、２回以上受信した前記ビーコンの時間間隔から次の前記ビーコンの受信タイミングを推定し、３回目以降の前記ビーコンの受信の際の前記受信時間幅は、前記２回目の前記ビーコンを受信するための前記受信時間幅よりも狭くすることを特徴とする無線通信システム。