JP6357796B2 - 無線通信装置、無線通信装置の同期方法、無線通信プログラム及び無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、無線通信装置、無線通信装置の同期方法、無線通信プログラム及び無線通信システムに関し、例えば、無線通信装置同士が自律的に同期を取って通信タイミングを定めてデータの送受信を行うシステムに適用し得るものである。

例えば、センサネットワークを構成するノードは、省電力通信を行うようになされている。省電力通信の代表的な方法として受信ノードが間欠動作する方法があり、例えば、ＣＳＬ（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ ｓａｍｐｌｅｄ ｌｉｓｔｅｎｉｎｇ）は、この受信ノードの間欠動作方法を採用している通信規格である（非特許文献１参照）。

図８は、ＣＳＬによるデータ通信動作の概略を示すタイミングチャートである。

受信周期（ＣＳＬＰｅｒｉｏｄ）、最大受信周期（ＣＳＬＭａｘＰｅｒｉｏｄ）、起動時間を各ノードに予め設定しておく。最大受信周期は、送信ノード側から見ればウェイクアップパケットの繰り返し送信時間となっている。また、起動時間は、受信ノードがウェイクアップしている受信待機時間になっている。

データを送信しようとする送信ノードＳは、まず、非同期送信モードでデータの送信動作を実行する。非同期送信モードの動作は、以下のようなものである。ウェイクアップパケットを最大受信周期の間、受信ノードＲに向けて繰り返し送信する。ウェイクアップパケットには、データ送信までの残り時間を表すランデブー時間（ＲＺＴｉｍｅ）を記述する。ランデブー時間は、ウェイクアップパケットを送信するごとに減少することになる。最大受信周期の間だけウェイクアップパケットを繰り返し送信したならば、引き続き、データ信号をノードＲに送信する。

ノードＲは、１受信周期の内、起動時間だけ受信待機状態となり、それ以外の時間は受信動作を行わないスリープ状態となっている。

ノードＲが受信待機状態Ｗ２において、ノードＳからのウェイクアップパケットＷＵ３を受信すれば、そのパケットＷＵ３中のランデブー時間を取得する。そして、ランデブー時間の直前まで受信動作を停止させ、ランデブー時間の直前になると受信待機状態Ｗ３にしてノードＳからのデータ信号Ｄ１を受信する。

ノードＲは、データ信号Ｄ１を受信すれば受信応答信号ＡＣＫ１をノードＳに返送する。受信応答信号ＡＣＫ１には、受信周期と、受信タイミングのずれ（受信待機状態Ｗ２及びＷ３間の時間と、受信周期とのずれ）を表すフェーズ（ＣＳＬＰｈａｓｅ）を挿入する。

ノードＳは、ノードＲから受信応答信号ＡＣＫ１を受信しなければ、次のデータ送信時も再び非同期送信モードでノードＲに対しウェイクアップパケットを繰り返し送信した後にデータ送信を行う。

ノードＳは、ノードＲから受信応答信号ＡＣＫ１を受信すれば同期送信モードになる。ノードＳは、受信応答信号ＡＣＫ１中の受信周期、フェーズを保持し、ノードＲとの同期の補正を行う。そして、ノードＳは、ノードＲへの次のデータ送信時に、補正後の送信タイミングでウェイクアップパケットＷＵ６を送信する。このような同期送信モードが確立されている間のウェイクアップパケットＷＵ６の送信は、２ノードＳ及びＲ間のタイマのクロック精度差等を考慮して行うもので、最大受信周期に比べ大幅に短い時間ＳＴだけ実行する（図８では１パケットのみ送信するように記載しているが、その短時間ＳＴの間に複数パケットを繰り返し送信しても良い）。

同期通信モードでも、受信応答信号ＡＣＫが受信ノードＲから返送されなければ、送信ノードＳは非同期送信モードに遷移し、次のデータ送信時に非同期送信モードでの送信動作を行う。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｅ ５．１．１１．１章

ところで、各ノードで時間を計時するためのクロックの精度は、各ノードが異なるタイマ（クロック発生装置）を搭載しているためにノード毎に異なっている。そのため、２ノード間で同期を取っても、時間の経過と共に同期ずれが発生することがある。同期ずれが発生して、受信ノードでデータを受信できないと、送信ノードはデータを再送することになる。また、同期ずれによって非同期送信モードになると、送信ノードは、受信ノードとの間で同期をとるために、ウェイクアップパケットを最大受信周期の間に繰り返し送信する。そのため、ネットワーク効率が下がるという問題が起きる。

そのため、２ノード間での同期を確保しつつ、ネットワーク効率を高くできる無線通信装置、無線通信装置の同期方法、無線通信プログラム及び無線通信システムが望まれている。

第１の本発明は、受信周期毎に間欠的に生じる起動時間の間だけスリープ状態から受信待機状態に変化して、ウェイクアップパケットに続いて、データ信号を受信し、データ信号の受信時に受信応答信号を対向する無線通信装置に返信する無線通信装置において、（１）データ信号の受信情報を用いて、データ信号の受信失敗若しくは失敗の恐れの有無を判定する延長必要性判定部と、（２）データ信号の受信失敗若しくは失敗の恐れがあると判定された場合に、次に起動する上記起動時間を、基本的な起動時間から延長させる起動時間延長部とを有し、（３）上記延長必要性判定部は、複数のデータ信号の受信情報を用いて、直近のデータ受信間隔若しくは平均データ受信間隔でなるデータ受信間隔情報を求め、求めたデータ受信間隔情報を閾値と比較して、データ信号の受信失敗の恐れの有無を判定することを特徴とする。

第２の本発明は、受信周期毎に間欠的に生じる起動時間の間だけスリープ状態から受信待機状態に変化して、ウェイクアップパケットに続いて、データ信号を受信し、データ信号の受信時に受信応答信号を対向する無線通信装置に返信する無線通信装置の同期方法において、（１）延長必要性判定部が、データ信号の受信情報を用いて、データ信号の受信失敗若しくは失敗の恐れの有無を判定し、（２）起動時間延長部が、データ信号の受信失敗若しくは失敗の恐れがあると判定された場合に、次に起動する上記起動時間を、基本的な起動時間から延長させ、（３）上記延長必要性判定部は、複数のデータ信号の受信情報を用いて、直近のデータ受信間隔若しくは平均データ受信間隔でなるデータ受信間隔情報を求め、求めたデータ受信間隔情報を閾値と比較して、データ信号の受信失敗の恐れの有無を判定することを特徴とする。

第３の本発明の無線通信プログラムは、受信周期毎に間欠的に生じる起動時間の間だけスリープ状態から受信待機状態に変化して、ウェイクアップパケットに続いて、データ信号を受信し、データ信号の受信時に受信応答信号を対向する無線通信装置に返信する無線通信装置に搭載されるコンピュータを、（１）データ信号の受信情報を用いて、データ信号の受信失敗若しくは失敗の恐れの有無を判定する延長必要性判定部と、（２）データ信号の受信失敗若しくは失敗の恐れがあると判定された場合に、次に起動する上記起動時間を、基本的な起動時間から延長させる起動時間延長部として機能させ、（３）上記延長必要性判定部は、複数のデータ信号の受信情報を用いて、直近のデータ受信間隔若しくは平均データ受信間隔でなるデータ受信間隔情報を求め、求めたデータ受信間隔情報を閾値と比較して、データ信号の受信失敗の恐れの有無を判定することを特徴とする。

第４の本発明は、受信側無線通信装置の受信待機状態に合わせて、ウェイクアップパケットを送信した後、データ信号を送信する送信側無線通信装置と、受信周期毎に間欠的に生じる起動時間の間だけスリープ状態から受信待機状態に変化して、ウェイクアップパケットに続いて、データ信号を受信し、データ信号の受信時に受信応答信号を対向する上記送信側無線通信装置に返信する上記受信側無線通信装置とを有する無線通信システムにおいて、上記受信側無線通信装置として、第１の本発明の無線通信装置を適用したことを特徴とする。

本発明によれば、２ノード間での同期を確保しつつ、ネットワーク効率を高くできる無線通信装置、無線通信装置の同期方法、無線通信プログラム及び無線通信システムを実現できる。

第１の実施形態の無線通信装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の無線通信装置（受信ノード）のデータ受信動作を示すフローチャートである。 第１の実施形態の無線通信装置（受信ノード）における起動時間が変化する第１の動作例を示すタイミングチャートである。 第１の実施形態の無線通信装置（受信ノード）における起動時間が変化する第２の動作例を示すタイミングチャートである。 第２の実施形態の無線通信装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態の無線通信装置（送信ノード）の動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態の送信側無線通信装置（送信ノード）が受信側無線通信装置（受信ノード）の起動時間を広げさせる動作例を示すタイミングチャートである。 ＣＳＬによるデータ通信動作の概略を示すタイミングチャートである。

（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による無線通信装置、無線通信装置の同期方法、無線通信プログラム及び無線通信システムの第１の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図１は、送信ノード若しくは受信ノードとなる、第１の実施形態の無線通信装置の構成を示すブロック図である。

第１の実施形態の無線通信装置は、ＲＦ受信部やＲＦ送信部を除いた部分をハードウェアで構成することも可能であり、また、ＣＰＵが実行するソフトウェア（無線通信プログラム）とＣＰＵとで実現することも可能であるが、いずれの実現方法を採用した場合であっても、機能的には図１で表すことができる。

図１において、無線通信装置１０は、ＲＦ受信部１１、データ解析部１２、制御部１３、起動時間変更部１４、受信タイミング制御部１５、送信タイミング制御部１６、データ生成部１７及びＲＦ送信部１８で構成する。

ＲＦ受信部１１は、ウェイクアップパケットやデータ信号パケット（以下、データ信号と呼ぶ）や受信応答信号パケット（以下、受信応答信号と呼ぶ）等の無線パケットを受信するものである。

データ解析部１２は、受信した無線パケットや、その無線パケットに挿入されているデータを解析し、適宜、解析結果を制御部１３に与えるものである。データ解析部１２は、受信した無線パケットが自ノード宛であるか否かを解析する。また、データ解析部１２は、自ノード宛である場合には、無線パケットがウェイクアップパケット、データ信号、受信応答信号など、どのような種類のパケットかを解析し、パケット種類に応じて、受信した無線パケットから必要な情報を取り出し、パケット種類や取り出した情報等を制御部１３へ与えるものである。

制御部１３は、データ信号、制御信号（ウェイクアップ信号や受信応答信号等）を送受信するための制御を行うものである。制御部１３は、データ信号や制御信号を受信する毎に、受信タイミング制御部１５に通知する。また、制御部１３は、起動時間変更部１４に受信時刻情報を入力する。さらに、制御部１３は、必要に応じて、受信情報を送信タイミング制御部１６に入力する。制御部１３は、送信データがある場合は、データ生成部１７にデータと付加情報（宛先等）を渡し、送信タイミング制御部１６に送信データがあることを通知する。

起動時間変更部１４は、第１の実施形態で特徴となる機能部である。起動時間変更部１４には、予め基本起動時間Ｔｒｐｂ、付加起動時間Ｔｒｐａが設定されている。起動時間Ｔｒｐ（Ｔｒｐｂ、若しくは、Ｔｒｐｂ＋Ｔｒｐａ）は、当該無線通信装置１０が無線パケットの受信を待ち受けている時間であり、この起動時間Ｔｒｐの間に到着したパケットのみを受信できる。例えば、ＲＦ受信部１１は、起動時間Ｔｒｐの間に受信可能とされ、それ以外の時間ではスリープ状態に制御され、省電力を達成するようになされている。基本起動時間Ｔｒｐｂは、起動時間Ｔｒｐの初期値である。付加起動時間Ｔｒｐａは、受信待ち時間を基本起動時間Ｔｒｐｂより長くするときの延長時間である。付加起動時間Ｔｒｐａの付加を行った際には、合計時間Ｔｒｐｂ＋Ｔｒｐａが起動時間Ｔｒｐとなる。

また、起動時間変更部１４は、パケット受信間隔を判定し、その判定結果に応じて、付加起動時間Ｔｒｐａを付加するか否かを決定するものである。起動時間変更部１４は、例えば、制御部１３からの情報を基に、送信元ノード毎に所定時間内の受信パケット数を計測し、受信パケット数が閾値を上回っていれば付加起動時間を付加すると判定し、起動時間Ｔｒｐを付加時間Ｔｒｐａだけ延長された時間Ｔｒｐｂ＋Ｔｒｐａにし、受信パケット数が閾値以下であれば付加起動時間を付加しないと判定し、起動時間Ｔｒｐを基本起動時間Ｔｒｐｂとする。起動時間変更部１４は、起動時間Ｔｒｐを変更したとき（延長したとき、若しくは、延長を止めたとき）には、受信タイミング制御部１５に変更した起動時間Ｔｒｐを通知する。

受信タイミング制御部１５は、ＲＦ受信部１１をオンオフ制御するためのタイミングを決定するものである。受信タイミング制御部１５には予め受信周期Ｔｐが設定されている。また、受信タイミング制御部１５は、起動時間変更部１４から通知された起動時間Ｔｒｐも保持する。受信タイミング制御部１５は、受信周期Ｔｐごとに、ＲＦ受信部１１をオン状態し、オン状態の開始時点から起動時間Ｔｒｐが経過すればＲＦ受信部１１をオフ状態にする。受信タイミング制御部１５は、当該無線通信装置１０が内蔵する図示しないタイマのクロックに基づいて起動時間を計時する。

送信タイミング制御部１６は、同期送信モードでのデータ送信用の送信タイミングを決定するものである。送信タイミング制御部１６には、予め基本送信周期Ｔｓ及び最大受信周期（ウェイクアップパケット送信時間）Ｔｍｐが設定されている。基本送信周期Ｔｓは、受信タイミング制御部１５に設定する受信周期Ｔｐと同一のものであっても良い。最大受信周期Ｔｍｐは、この間に繰り返し送信するウェイクアップパケットの少なくとも１つが受信ノードに到達することを保証できるように、受信周期Ｔｐと同一若しくは受信周期Ｔｐより僅かに長い時間に選定される。

送信タイミング制御部１６は、データ信号の送信に対する受信応答信号ＡＣＫを受信できたか否かでデータ送信先のノードとの同期判定を行う。送信タイミング制御部１６は、同期がとれていると判定した場合には、受信応答信号ＡＣＫの情報を用いてデータ送信先ノードへのデータ送信タイミングを補正する。送信タイミング制御部１６は、例えば、データ信号を送信した時点から受信応答信号ＡＣＫを受信した時点までの時間を２ノード間の往復伝搬時間（ＲＴＴ）としてとらえ、伝搬時間を考慮してデータ送信タイミングを補正する。

送信タイミング制御部１６は、基本送信周期Ｔｓと、同期通信の確立有無情報を用いて、ＲＦ送信部１８に、ウェイクアップパケット若しくはデータ信号の送信命令を出す。なお、送信タイミング制御部１６は、制御部１３から指示されたときに直ちにＲＦ送信部１８に受信応答信号の送信命令を出す。

データ生成部１７は、送信データにヘッダ等を付加してデータ信号を生成してＲＦ送信部１８に渡すものである。

ＲＦ送信部１８は、生成されたデータ信号やウェイクアップ信号や受信応答信号を、送信タイミング制御部１６からの命令タイミングで無線送信するものである。

第１の実施形態の無線通信システムは、図示は省略するが、図１に示す構成を有する無線通信装置１０を複数台配置したものであり、任意の２つの無線通信装置１０、１０間で無線通信を行うものである。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、第１の実施形態の無線通信装置１０の受信に関連する動作を、図面を参照しながら説明する。以下の説明において、無線通信装置を適宜「ノード」と呼ぶこととする。

なお、送信側のノード（以下、符号１０Ｓを用いる）のデータ送信動作は、従来の無線通信装置のデータ送信動作と同様である。また、受信側のノード（以下、符号１０Ｒを用いる）におけるウェイクアップパケットを受信した後、データ信号を受信する点は、従来と同様である。第１の実施形態は、データ信号を受信した後に起動時間Ｔｒｐを見直す動作を行う点が従来と異なっており、以下、この動作を中心的に説明する。

図２は、受信ノード１０Ｒのデータ受信動作（データ受信方法）を示すフローチャートである。

受信タイミング制御部１５は、保持している受信周期Ｔｐ及び起動時間Ｔｒｐに基づいて、ＲＦ受信部１１をオンオフ制御し、受信周期Ｔｐごとに、ＲＦ受信部１１をオン状態に変化させ、その開始時点から起動時間Ｔｒｐの間だけオン状態を継続させ、起動時間Ｔｒｐが経過すればオフ状態にする（ステップＳ１００、Ｓ１０１、Ｓ１０８、Ｓ１０９）。なお、起動時間Ｔｒｐの間でも、ウェイクアップパケットを受信したならば、受信タイミング制御部１５は、データ信号の受信直前までＲＦ受信部１１をオフ状態にさせるようにしても良い。

ＲＦ受信部１１は、オン状態のときには、パケットが他ノードから到来するのを待ち受け、パケットが到来すると受信して、パケット内のデータ（パケットそのものであっても良い）などをデータ解析部１２に与える（ステップＳ１０３）。上述したように、ＲＦ受信部１１は、パケットが到来することなく、オン状態の継続時間が起動時間Ｔｒｐとなった場合にはオフ状態にする（ステップＳ１０８）。

データ解析部１２は、ＲＦ受信部１１から与えられたデータを解析し、解析結果に応じた情報を制御部１３へ与える（ステップＳ１０４）。データ解析部１２は、受信パケットがウェイクアップパケットの場合には、パケット中のランデブー時間Ｔｒｚを抽出して制御部１３に与え、受信パケットがデータ信号の場合には、抽出したデータと、受信時刻やシーケンス番号等のヘッダ情報を制御部１３に与える。ランデブー時間Ｔｒｚが与えられた制御部１３の動作は、従来と同様であり、その説明は省略する。図２のフローチャートもこの場合の流れを省略している。

制御部１３は、データ信号の受信時に所定情報が与えられた際には、起動時間変更部１４に、受信時刻や送信元ノードアドレス等の受信情報を与えて起動時間の見直し動作を指示し、このとき、起動時間変更部１４は、制御部１３から与えられた受信時刻やシーケンス番号や送信元ノードアドレス等の受信情報と、内部で保持している情報から、今回の送信元ノードについて起動時間Ｔｒｐの見直し動作を行う（ステップＳ１０５、Ｓ１０６）。第１の実施形態の場合、起動時間Ｔｒｐの見直しは、データ受信間隔に基づく見直しと、データ信号の欠落に基づく見直しとでなる。起動時間変更部１４は、過去の所定時間内の受信パケット数（データ信号のパケットを計数対象としている）から平均データ受信間隔を算出し（他の算出方法を適用しても良い）、算出した平均データ受信間隔が予め定められている閾値以下か否かを判定し、平均データ受信間隔が閾値以下の場合には起動時間Ｔｒｐを変更する（ステップＳ１０７）。また、起動時間変更部１４は、保存されている直近のシーケンス番号と今回のシーケンス番号の連続性に基づいて、データ信号に欠落があるか否かを判定し、欠落があると起動時間Ｔｒｐを変更する（ステップＳ１０７）。なお、今回のシーケンス番号は、次の判定時における直近のシーケンス番号として利用できるように保存される。起動時間変更部１４は、算出した平均データ受信間隔が閾値より長く、データ信号に欠落もない場合には、オン状態の継続時間が起動時間Ｔｒｐになるのを待ち受ける処理に移行する（ステップＳ１０８）。

平均データ受信間隔が閾値以下の場合は、送信元ノードのクロック周期が当該ノードのクロック周期より短い場合に相当する。すなわち、両ノードのクロック周期の相違により、両ノードが正しくＣＳＬの手順を実行しても、データ信号を受信できない状態にやがてなる可能性が高い場合であり、起動時間を延長することとした。一方、送信元ノードのクロック周期が当該ノードのクロック周期より長い場合は、受信ノード（当該ノード）における受信が後側にずれるが、後側のずれではウェイクアップパケットを受信できることがほとんどであり、ランデブー時間に基づいた調整を受信ノードが実行することができ、２ノード間のクロック精度の差はほとんど問題とはならない。但し、上述した閾値より大きい値の第２の閾値と平均データ受信間隔とを比較し、平均データ受信間隔が第２の閾値以上の場合（送信元ノードのクロック周期が当該ノードのクロック周期より長い場合）にも、起動時間を基本起動時間に付加時間を追加して延長させるようにしても良い。

また、データ信号に欠落が生じる場合は、通信路に障害がないのであれば、両ノードのクロック周期の相違に基づく欠落であるので、起動時間を延長することとした。

以上のような場合に起動時間Ｔｒｐを延長し（ステップＳ１０７）、その後のデータ信号を受信できる可能性を高めるようにしている。

起動時間Ｔｒｐを延長すると、受信タイミング制御部１５によるオン状態の継続時間が起動時間Ｔｒｐになるのを待ち受ける処理に移行する（ステップＳ１０８）。

なお、ステップＳ１０５において、平均データ受信間隔を求める代りに、直近のデータ受信間隔を求めて閾値と比較するようにしても良い。後述する図３は、この変形例の場合を示している。また、２ノードのクロック精度の差を捉えられる他の指標を算出し、閾値と比較するようにしても良い。以上のような閾値との比較を複数種類行って、起動時間Ｔｒｐを延長するか否か判定するようにしても良い。

また、ステップＳ１０５やＳ１０６による判定処理を、送信元ノードからのデータ信号の到来頻度が高いときのみ行うようにしても良い。例えば、所定時間内に到来したパケット数が、閾値パケット数を越えることを条件にしてステップＳ１０５やＳ１０６による判定処理を行うようにしても良い。起動時間Ｔｒｐとして、基本起動時間Ｔｒｐｂではなく、基本起動時間Ｔｒｐｂに付加時間Ｔｒｐａを付加した時間Ｔｒｐｂ＋Ｔｒｐａを適用することは、付加時間Ｔｒｐａだけスリープ時間が短くなり、省電力化の度合いを弱めることになるので、送信元ノードからのデータ信号の到来頻度が高いときのみ、起動時間Ｔｒｐを延長させるようにしても良い。

起動時間Ｔｒｐを、基本起動時間Ｔｒｐｂに付加時間Ｔｒｐａを付加して延長した後に基本起動時間Ｔｒｐｂに戻す方法は、限定されるものではない。例えば、平均データ受信間隔が閾値を越えるように変化した場合に基本起動時間Ｔｒｐｂに戻すようにしても良い。また例えば、その送信元ノードからのデータ信号が、受信周期の所定倍の期間内に１つの受信できなくなった場合に戻すようにしても良い。さらに例えば、データ受信間隔が１０周期以上というように、データ受信間隔が閾値以上になれば基本起動時間に戻すようにしても良い。

第１の実施形態の無線通信システムでは、受信ノードが上述のように起動時間Ｔｒｐを適宜変更しながらデータ信号を受信する。

図３は、受信ノード１０Ｒにおける起動時間Ｔｒｐが変化する第１の動作例を示すタイミングチャートである。図３は、受信ノード１０Ｒの起動時間変更部１４に、受信周期Ｔｐの２倍の時間内にデータ信号を受信することを１条件として、起動時間Ｔｒｐを長くするという設定にしているものとする。この条件は、データ信号の到来頻度に係る条件であり、具体的な変更判断は、上述したステップＳ１０５（やＳ１０６）の方法による。なお、この条件を満たすだけで起動時間Ｔｒｐを長くする変更を行うようにしても良い。

送信ノード１０Ｓは、受信ノード１０Ｒにおける図３における１番目、５番目、７番目、９番目の起動時間ｒ１、ｒ５、ｒ７、ｒ９のタイミングでデータ信号を送信しているとする。

５番目の起動時間ｒ５でのデータ信号ｓ２の受信時には、前の１番目の起動時間ｒ１でのデータ信号ｓ１の受信時から４受信周期だけ経っているので、６番目以降の起動時間ｒ６、…として基本起動時間Ｔｒｐｂを継続する。

７番目の起動時間ｒ７でのデータ信号ｓ３の受信時には、前の５番目の起動時間ｒ５でのデータ信号ｓ２の受信時から２受信周期だけ経っているので、起動時間の変更条件を満たすならば、８番目以降の起動時間ｒ８、…として、基本起動時間Ｔｒｐｂに付加時間Ｔｒｐａを追加した時間Ｔｒｐｂ＋Ｔｒｐａに変更する。例えば、付加時間Ｔｒｐａの追加は、基本起動時間Ｔｒｐｂの前後それぞれに付加時間Ｔｒｐａの半分の時間を追加する方法を採用する。

９番目の起動時間ｒ９でのデータ信号ｓ４の受信時には、図３で塗り潰している付加時間Ｔｒｐａだけ起動時間Ｔｒｐが長くなっているので、５番目や７番目の起動時間ｒ５、ｒ７で受信できていなかったウェイクアップパケットが受信できる確率が高くなる。図３の９番目の起動時間ｒ９は、延長していなければデータ信号ｓ４を受信できない場合を示しており、このように、起動時間を延長することにより、データ信号を受信できる確率は当然に高くなる。また、図３では受信応答信号ＡＣＫを省略しているが、データ信号を受信できる確率が高くなって送信ノード１０Ｓとの間で同期がとれやすくなっているので、送信ノード１０Ｓがデータ信号の再送を行う確率が減少する。

例えば、上述したように、データ受信間隔が１０周期以上になれば起動時間Ｔｒｐを基本起動時間Ｔｒｐｂに戻す。

２ノード間のクロック精度の差等により、データ受信間隔が２受信周期程度でも同期ずれが起こることがあるので、このように起動時間Ｔｒｐを広げることでウェイクアップパケットやデータ信号を受信し易くなる。

図４は、受信ノード１０Ｒにおける起動時間Ｔｒｐが変化する第２の動作例を示すタイミングチャートである。図４は、データ信号の欠落に基づいて起動時間を延長する場合を示している。

送信ノード１０Ｓは、受信ノード１０Ｒにおける図４における１番目、４番目、６番目、９番目の起動時間ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ９のタイミングでデータ信号を送信し、受信ノード１０Ｒでは、起動時間ｒ４のタイミングを考慮して送信されたデータ信号ｓ２を受信できなかったとする。また、図４の例では、データ送信（データ受信）に失敗しても、次のデータ送信時に非同期送信モードにするのではなく、データ送信が複数回（例えば３回以上）失敗した後に非同期送信モードに変化させるようになっているとする。図４におけるｓ１〜ｓ４は「データ信号」を表すと共に「シーケンス番号」をも表しているものとして説明する。

受信ノード１０Ｒは、１番目の起動時間ｒ１で受信したデータ信号ｓ１のシーケンス番号ｓ１を記録しておく。

４番目の起動時間ｒ４を考慮して送信されたデータ信号ｓ２は、受信ノード１０Ｒに到達しない。そのため、受信ノード１０Ｒが記録しているシーケンス番号ｓ１は継続して記録されている。

６番目の起動時間ｒ６で受信したデータ信号ｓ３のシーケンス番号はｓ３である。記録しているシーケンス番号はｓ１であるので、前回受信したデータ信号以降に送信されているデータ信号が欠落している（受信できなかった）と判定する。その結果、受信ノード１０Ｒは、７番目以降の起動時間ｒ７、…を、基本起動時間Ｔｒｐｂに付加時間Ｔｒｐａを追加した時間Ｔｒｐｂ＋Ｔｒｐａに変更する。

９番目の起動時間ｒ９で受信したデータ信号ｓ４のシーケンス番号はｓ４であって、記録しているシーケンス番号ｓ３との差は１であるので、前回受信したデータ信号ｓ３以降に送信されているデータ信号が欠落していないと判定する。

データ信号の欠落により延長した起動時間を基本起動時間Ｔｒｐｂへ戻す方法は、データ受信間隔に基づいて延長した起動時間を基本起動時間Ｔｒｐｂへ戻す方法と同じあっても異なっていても良い。例えば、上述したデータ受信間隔が１０周期以上になれば起動時間Ｔｒｐを基本起動時間Ｔｒｐｂに戻すという方法を適用することができる。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
第１の実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。

第１の実施形態によれば、２ノード間のクロック精度の差等により、データ信号の受信失敗の恐れが強い場合や失敗があった場合には、受信ノードの起動時間を長くするようにしたので、２ノード間のクロック精度の差等があっても、パケットを受信し易くなり同期送信モードを維持し易くなる。

また、第１の実施形態によれば、送信ノードによる再送を減少させることができるので、ネットワーク効率を上げることができるようになる。なお、起動時間の延長によりデータ信号の受信確率を高くできるので、同期通信中にウェイクアップパケットの送信回数を減少させてもデータ信号を受信させることができ、このようにした場合には、ウェイクアップパケットを減少させることにより、ネットワーク効率を上げることができる。例えば、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）毎のデータ信号のうち、最初のデータ信号の送信時にのみ先立ってウェイクアップパケットを送信するようにしても良い。

さらに、第１の実施形態によれば、同期ずれが発生したと検知したときに受信ノードの起動時間を長くしたので同期外れが少なくなり、非同期送信モードの動作機会、言い換えると、ウェイクアップパケットの送信回数を減少させることができる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明による無線通信装置、無線通信装置の同期方法、無線通信プログラム及び無線通信システムの第２の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（Ｂ−１）第２の実施形態の構成
図５は、送信ノード若しくは受信ノードとなる、第２の実施形態の無線通信装置の構成を示すブロック図であり、第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。

図５において、第２の実施形態の無線通信装置１０Ａは、ＲＦ受信部１１、データ解析部１２、制御部１３Ａ、受信タイミング制御部１５Ａ、送信タイミング制御部１６Ａ、データ生成部１７及びＲＦ送信部１８に加え、ウェイクアップパケット追加送信判定部１９を有する。第２の実施形態の無線通信装置１０Ａは、第１の実施形態の無線通信装置１０とは異なり、起動時間変更部１４を備えていない。

第２の実施形態の送信構成は、第１の実施形態の送信構成にウェイクアップパケット追加送信判定部１９を追加したものである。

ウェイクアップパケット追加送信判定部１９は、通常のデータ送信前のウェイクアップパケットの送信以外にウェイクアップパケットを追加送信させるか否かを判定し、ウェイクアップパケットを追加送信させる場合に、送信タイミング制御部１６Ａにウェイクアップパケットの送信を指示するものである。ウェイクアップパケット追加送信判定部１９は、ＣＳＬの同期送信モードにおける一般的なウェイクアップパケット及びデータ信号の連続的な送信時に、受信ノードからの応答確認信号ＡＣＫが、データ信号の送信時点から所定時間以内に到達したかを確認し、所定時間以内に到達しないと認識したときに直ちに、ウェイクアップパケットを追加送信させるものである。追加させるウェイクアップパケットには、次の送信タイミングでデータ信号を送信する時刻に係るランデブー時間が挿入されている。

第２の実施形態の無線通信装置１０Ａにおける受信構成、すなわち、ＲＦ受信部１１、データ解析部１２、制御部１３Ａ内の受信制御構成及び受信タイミング制御部１５Ａは、概ねＣＳＬに従った一般的なデータ受信動作を実行するものである。但し、制御部１３Ａ内の受信制御構成は、追加送信されたウェイクアップパケットの受信時には、挿入されているランデブー時間に基づいて、次の送信タイミングで送信されるデータ信号を受信すべく、次の起動時間を延長する命令を受信タイミング制御部１５Ａに指示する。以下では、起動時間を延長する場合を説明するが、追加送信されたウェイクアップパケットに挿入されているランデブー時間に基づいて、起動時間のタイミングをずらすようにしても良い。

（Ｂ−２）第２の実施形態の動作
次に、第２の実施形態の無線通信装置１０Ａの送信に関連する動作を、図面を参照しながら説明する。第１の実施形態では起動時間の延長を受信ノードが自律的に行っていたが、この第２の実施形態では、受信ノードにおける起動時間の延長を、送信ノードの動作で促すようにしていることを特徴としている。

図６は、第２実施形態での送信ノード１０Ｓの動作を示すフローチャートである。

送信ノード１０Ｓは、受信ノード１０Ｒに対して、データを送信しようとする際には先立ってウェイクアップパケットを連続的に送信する（ステップＳ２０１）。送信ノード１０Ｓは、受信ノード１０Ｒと同期がとれている場合には（同期送信モードの場合には）、受信ノード１０Ｒの起動時間Ｔｒｐ以内の時間、同期がとれていない場合には（非同期送信モードの場合には）、最大受信周期Ｔｍｐの時間だけ送信する。

送信ノード１０Ｓは、受信ノード１０Ｒに対して、上述のようにウェイクアップパケットを所定の時間だけ連続して送信したならばデータ信号を送信する（ステップＳ２０２）。

送信ノード１０Ｓは、受信ノード１０Ｒに対してデータ信号を送信すると、予め定まっている所定時間内に受信応答信号ＡＣＫが受信ノード１０Ｒから返信されたか否かを確認する（ステップＳ２０３）。

送信ノード１０Ｓは、受信応答信号ＡＣＫが受信した場合には、ステップｓ２０１に戻り、受信ノード１０Ｒの次若しくはその後の起動時間を考慮したウェイクアップパケットの送信に移行する。

これに対して、送信ノード１０Ｓは、所定時間内に受信応答信号ＡＣＫを受信できないと判定した場合には、受信ノード１０Ｒの今回の起動時間を考慮して直ちにウェイクアップパケットを追加送信し（ステップＳ２０４）、その後、上述したステップＳ２０１に移行する。追加送信するウェイクアップパケットに挿入するランデブー時間は、送信ノード１０Ｓで計算している、受信ノード１０Ｒの次の起動時間でデータ信号を受信できるようにする（次の起動時間と同期する）送信までの待ち時間である。

ウェイクアップパケットの追加送信時間は特に限定されないが、例えば、基本起動時間Ｔｒｐｂの間だけウェイクアップパケットを連続して送信する。

受信ノード１０Ｒでは、追加送信されたウェイクアップパケットに挿入されているランデブー時間に基づいて、次の起動時間を長くする。

図７は、送信ノード１０Ｓが受信ノード１０Ｒの起動時間を広げさせる動作例である。

送信ノード１０Ｓは、受信ノード１０Ｒにおける３番目の起動時間ｒ３を考慮した送信タイミングｓ２のデータの送信動作時において、ウェイクアップパケット及びデータ信号を順次送信した。しかし、２ノード間のクロック精度の差により、受信ノード１０Ｒから見て送信タイミングが早く、受信ノード１０Ｒはウェイクアップパケットもデータ信号も受信できず、当然に、受信応答信号（ＡＣＫ）パケットを返信しない。送信ノード１０Ｓは、受信応答信号が返信されてこないと判定したときには、ウェイクアップパケットを繰り返し送信する。この際に送信されるウェイクアップパケットのランデブー時間には、次の送信タイミングｓ３におけるデータ信号の送信時刻までの時間が記述される。

追加送信されたウェイクアップパケットの送信タイミングは当初の送信タイミングより遅く、送信ノード１０Ｓが考慮した起動時間ｒ３で受信ノード１０Ｒが受信し、受信ノード１０Ｒは、ウェイクアップパケット中のランデブー時間を参照し、このランデブー時間でデータを受信できるように、次の４番目の起動時間ｒ４を延長する。この際の延長は、基本起動時間の前側のみに行うようにしても良く、また、基本起動時間の前側及び後側の双方に行うようにしても良い。図７は、後者の場合を示している。

送信ノード１０Ｓは、受信ノード１０Ｒにおける４番目の起動時間を考慮した送信タイミングにおいて、ウェイクアップパケット及びデータ信号を送信するが（新たなデータ信号の送信であっても良く、また、送信が失敗したデータ信号の再送であっても良い）、データ信号の送信は、予めランデブー時間で受信ノード１０Ｒに通知していた時刻に行う。

そのため、受信ノード１０Ｒは、４番目の延長した起動時間ｒ４内でデータ信号を受信でき、受信応答信号を返信する。

送信ノード１０Ｓは、受信応答信号を受信すると、そのパケット中の受信周期やフェーズを基に、受信ノード１０Ｒへの送信タイミングを補正する。

以上のようなシーケンスにより、データ信号の送信失敗が生じてもその後、同期送信モードを継続したまま通信を適切に行うことができる。

（Ｂ−３）第２の実施形態の効果
第２の実施形態によっても、２ノード間のクロック精度の差等により、データ信号の受信失敗の恐れが強い場合や失敗があった場合には、受信ノードの起動時間を長くするようにしたので、２ノード間のクロック精度の差等があっても、パケットを受信し易くなり同期送信モードを維持し易くなる。

具体的には、第２の実施形態によれば、受信応答信号が返らず送信エラーとなれば、データ信号の送信後にもウェイクアップパケットを送信し、受信ノードにおける次回の起動時間を延長させるようにしたので、次回の起動時間においてウェイクアップパケットやデータ信号を検知できる確率が高くなり、同期送信モードを維持できる確率が高くなる。その結果、ネットワーク効率を上げることが期待できる。

（Ｃ）他の実施形態
上記各実施形態の説明においても種々変形実施形態に言及したが、さらに、以下に例示するような変形実施形態を挙げることができる。

上記各実施形態の説明で用いたブロック図（図１、図５）は、同期通信に必要な最小限の機能を記述したものであり、無線通信装置は、同期通信機能以外の機能の実行構成を備えていても良いことは勿論である。

上記各実施形態では、起動時間の延長が１段階であるものを示したが、２段階以上であっても良い。例えば、平均データ受信間隔と比較する閾値を２つ設け、平均データ受信間隔が大きい方の閾値以下で小さい方の閾値より大きいときの延長時間を、平均データ受信間隔が小さい方の閾値以下のときの延長時間より短くするようにしても良い。

上記各実施形態では、無線通信装置がデータ信号の送信構成も受信構成も備えるものを示したが、受信専用の無線通信装置や送信専用の無線通信装置を構築しても良い。

上記説明では、センサネットワークを構成するノードに言及したが、本発明による無線通信装置の用途は、センサネットワークに限定されるものではない。

１０、１０Ａ…無線通信装置、１１…ＲＦ受信部、１２…データ解析部、１３…制御部、１４…起動時間変更部、１５…受信タイミング制御部、１６…送信タイミング制御部、１７…データ生成部、１８…ＲＦ送信部、１９…ウェイクアップパケット追加送信判定部。

Claims (5)

1. 受信周期毎に間欠的に生じる起動時間の間だけスリープ状態から受信待機状態に変化して、ウェイクアップパケットに続いて、データ信号を受信し、データ信号の受信時に受信応答信号を対向する無線通信装置に返信する無線通信装置において、
   データ信号の受信情報を用いて、データ信号の受信失敗若しくは失敗の恐れの有無を判定する延長必要性判定部と、
   データ信号の受信失敗若しくは失敗の恐れがあると判定された場合に、次に起動する上記起動時間を、基本的な起動時間から延長させる起動時間延長部とを有し、
   上記延長必要性判定部は、複数のデータ信号の受信情報を用いて、直近のデータ受信間隔若しくは平均データ受信間隔でなるデータ受信間隔情報を求め、求めたデータ受信間隔情報を閾値と比較して、データ信号の受信失敗の恐れの有無を判定する
   ことを特徴とする無線通信装置。
2. 上記延長必要性判定部は、データ信号に挿入されているシーケンス番号の連続性を確認し、過去のデータ信号の受信失敗の有無を判定することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 受信周期毎に間欠的に生じる起動時間の間だけスリープ状態から受信待機状態に変化して、ウェイクアップパケットに続いて、データ信号を受信し、データ信号の受信時に受信応答信号を対向する無線通信装置に返信する無線通信装置の同期方法において、
   延長必要性判定部が、データ信号の受信情報を用いて、データ信号の受信失敗若しくは失敗の恐れの有無を判定し、
   起動時間延長部が、データ信号の受信失敗若しくは失敗の恐れがあると判定された場合に、次に起動する上記起動時間を、基本的な起動時間から延長させ、
   上記延長必要性判定部は、複数のデータ信号の受信情報を用いて、直近のデータ受信間隔若しくは平均データ受信間隔でなるデータ受信間隔情報を求め、求めたデータ受信間隔情報を閾値と比較して、データ信号の受信失敗の恐れの有無を判定する
   ことを特徴とする無線通信装置の同期方法。
4. 受信周期毎に間欠的に生じる起動時間の間だけスリープ状態から受信待機状態に変化して、ウェイクアップパケットに続いて、データ信号を受信し、データ信号の受信時に受信応答信号を対向する無線通信装置に返信する無線通信装置に搭載されるコンピュータを、
   データ信号の受信情報を用いて、データ信号の受信失敗若しくは失敗の恐れの有無を判定する延長必要性判定部と、
   データ信号の受信失敗若しくは失敗の恐れがあると判定された場合に、次に起動する上記起動時間を、基本的な起動時間から延長させる起動時間延長部として機能させ、
   上記延長必要性判定部は、複数のデータ信号の受信情報を用いて、直近のデータ受信間隔若しくは平均データ受信間隔でなるデータ受信間隔情報を求め、求めたデータ受信間隔情報を閾値と比較して、データ信号の受信失敗の恐れの有無を判定する
   ことを特徴とする無線通信プログラム。
5. 受信側無線通信装置の受信待機状態に合わせて、ウェイクアップパケットを送信した後、データ信号を送信する送信側無線通信装置と、受信周期毎に間欠的に生じる起動時間の間だけスリープ状態から受信待機状態に変化して、ウェイクアップパケットに続いて、データ信号を受信し、データ信号の受信時に受信応答信号を対向する上記送信側無線通信装置に返信する上記受信側無線通信装置とを有する無線通信システムにおいて、
   上記受信側無線通信装置として、請求項１又は２に記載の無線通信装置を適用したことを特徴とする無線通信システム。

Images