JP6372215B2 - 無線送信装置、無線受信装置、無線送信プログラム、無線受信プログラム及び無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、無線送信装置、無線受信装置、無線送信プログラム、無線受信プログラム及び無線通信システムに関し、例えば、間欠受信型の無線通信装置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通信装置（以下、「送信装置」又は「受信装置」とも呼ぶ）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通信装置が間欠動作する方法があり、例えば、ＣＳＬ（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ Ｓａｍｐｌｅｄ Ｌｉｓｔｅｎｉｎｇ）は、この通信装置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を参照）。

ＣＳＬを採用する通信装置には、ＣＳＬ受信周期（ＣＳＬＰｅｒｉｏｄ）、最大ＣＳＬ受信周期（ＣＳＬＭａｘＰｅｒｉｏｄ）、ウェークアップフレームを間欠受信することができる起動時間（ウェークアップ受信時間）等を通信装置毎に設定しておく。

データを送信しようとする送信装置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。非同期送信モードとは以下のようなものである。送信装置Ｓは、ウェークアップフレームを最大ＣＳＬ受信周期、受信装置Ｒに対し連続送信する。ウェークアップフレームにはデータ送信までの残り時間を表すランデブー時刻（ＲＺＴｉｍｅ）を記述する。ウェークアップフレームを、１最大ＣＳＬ受信周期、送信し終われば、引き続きデータフレームを受信装置Ｒに送信する。

受信装置Ｒは、１回のＣＳＬ受信周期の内、起動時間の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。受信待機中に送信装置Ｓからのウェークアップフレームを受信すれば、フレーム中のランデブー時刻を取得する。そして、ランデブー時刻の直前までスリープした後起動し（受信待機状態）、送信装置Ｓからデータフレームを受信する。

受信装置Ｒは、データフレームを受信すれば、受信応答信号（ＡＣＫ）を送信装置Ｓに返送する。ＡＣＫには受信周期と、ウェークアップフレーム中の同期情報の時刻と受信時刻とのずれを表すフェーズ（ＣＳＬＰｈａｓｅ）を挿入する。

送信装置Ｓは、送信装置ＲからＡＣＫを受信しなければ、次のデータフレーム送信時も再び非同期送信モードで受信装置Ｂに対しウェークアップフレーム、データフレームの送信を実行する。

送信装置Ｓは、受信装置ＲからＡＣＫを受信すれば同期送信モードとなる。送信装置Ｓは、ＡＣＫ中の受信周期、フェーズを保持し受信装置Ｒとの同期の補正を行う。そして、次のデータフレーム送信時において、送信装置Ｓは、補正後の送信タイミングでウェークアップフレーム、及びデータフレームの送信を実行する。同期送信モードのウェークアップフレーム送信時間（又は送信回数）は、同期補正可能な時間だけで良い。非同期送信モードに比べ、この送信時間（又は送信回数）は、１０分の１から１００分の１程度と、大幅に短縮できる。

ここで、送信装置Ｓ以外の送信装置が無線送信すると、送信装置Ｓの送信と干渉し、受信装置Ｒは、ウェークアップフレームを受信できなくなる。このような衝突を回避する方法として、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ｗｉｔｈ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）が存在する。

例えば、非特許文献２に記載のＣＳＭＡ／ＣＡは、以下のようなアルゴリズムである。図１１は、ＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムを示すフローチャートである。

送信装置Ｓは、パーソナルエリアネットワーク情報ベース（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｌｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｂａｓｅ：以下、「ＰＩＢ」とも呼ぶ）と呼ばれる通信制御にかかわる管理情報の内、バックオフ指数（Ｂａｃｋｏｆｆ Ｅｘｐｏｎｅｎｔ：以下、「ＢＥ」とも呼ぶ）の最小値（ｍａｃＭｉｎＢＥ）について、例えば、５と予め設定しておく。バックオフ指数（ＢＥ）は、後述する関数ｒａｎｄｏｍに用いられるパラメータである。

また、送信装置Ｓは、バックオフの最大回数（ｍａｃＭａｘＣＳＭＡＢａｃｋｏｆｆ）も、例えば、４と予め設定しておく。ＮＢは、後述するＣＣＡの失敗回数をカウントするカウンタである。また、ｒａｎｄｏｍは、入力値に対してランダムな値を出力する関数である。

送信装置Ｓは、フレーム送信要求があれば、まず、ＮＢに０、ＢＥにはｍａｃＭｉｎＢＥの値をセットする（Ｓ００１）。

送信装置Ｓは、バックオフの単位時間（ａ Ｕｎｉｔ Ｂａｃｋｏｆｆ Ｐｅｒｉｏｄ）にｒａｎｄｏｍ（２^BE−１）の出力結果を乗じた時間だけ遅延を与える（Ｓ００２）。

送信装置Ｓは、クリア・チャネル・アセスメント（Ｃｌｅａｒ Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ、以下「ＣＣＡ」とも呼ぶ）を行い、該当ＣＨが使用中かどうかを調べる（Ｓ００３）。

送信装置Ｓは、アイドル即ち無線キャリアを検知しなければ成功として、フレーム送信を行うことができる（Ｓ００４）。

送信装置Ｓは、無線キャリアを検知したならば、ＮＢを１だけインクリメン卜する。ま た、送信装置Ｓは、ＢＥも１インクリメントする（Ｓ００５）。

送信装置Ｓは、ＮＢがバックオフの最大回数を超えたならば、失敗とみなし、送信を行わない（Ｓ００６）。

送信装置Ｓは、ＮＢがバックオフの最大回数を超えていなければ、再度ステップＳ００２の処理に戻り、後続のステップ処理を実行する。送信装置Ｓは、無線キャリアを検知するとＢＥの値が大きくなるので１回あたりの遅延量が大きくなる確率が高くなる。

受信装置Ｒのウェークアップ受信を行う起動時間は、複数送信されたウェークアップフレームの何れかを受信できる時間あれば良い。起動時間は短いほど省電力効果があるが、短くするとウェークアップフレームを受信しにくくなる。

図１２は、複数の送信装置が同時に送信要求を出した場合を示した説明図である。

送信装置Ｓ１は、受信装置Ｒに対して、ＣＳＬモードでデータ送信を行っている。送信装置Ｓ２は、送信装置Ｓ１及び受信装置Ｒ以外の通信装置に対して、通常モード（ＣＳＬモード以外の通信モードを「通常モード」と呼ぶ）でデータ送信を行っている。

時刻ｔ１１において、送信装置Ｓ１は、ウェークアップフレーム２１の送信、送信装置Ｓ２は、データフレーム１１の送信を行おうとしているとする。

先述したステップＳ００２の処理で計算されるバックオフによる遅延時間は、乱数値を乗じるため送信装置Ｓ１又は送信装置Ｓ２の遅延時間のどちらが長くなるか不明である。送信装置Ｓ２の方がバックオフによる遅延時間が短いと、送信装置Ｓ１でＣＣＡを実施している間は、送信装置Ｓ１は、送信装置Ｓ２の送信を無線キャリア検知することになる。よって、送信装置Ｓ２がデータフレーム１１を送信完了後、送信装置Ｓ１は、ウェークアップフレーム２１の送信を行うことになる。

受信装置Ｒは、送信装置Ｓ１からのウェークアップフレーム２２の送信タイミングが遅れると、起動時間３３において、ウェークアップフレーム２２を受信することができない。

このように、受信装置Ｒは、送信装置Ｓ１と正しく同期が取れていたとしてもＣＳＭＡ／ＣＡによりウェークアップフレームの送信遅延や、送信間隔が広がることにより起動時間内でウェークアップフレームを受信できないことがある。受信装置Ｒは、ウェークアップフレームを受信しないと、データ受信時に受信待機状態にならないため、データフレームについては受信エラーとなる。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｅ ＩＥＥＥ８０２．１５．４

以上のように、受信装置は、送信装置とウェークアップフレームの送信タイミングがずれることで受信エラーが発生する。

受信装置は、ウェークアップフレームの送信遅延、送信間隔の揺らぎを考慮し受信できるようにするには、ウェークアップ受信時間を長くすれば良いが、起動時間が長くなり省電力化をはかれないという問題が発生する。

また、受信装置は、同期通信ができなければ非同期通信モードとなる。非同期通信時においては、同期通信時よりウェークアップフレームの送信回数が非常に多くネットワークを占有する時間が長くなり、ネットワーク負荷が増加するという問題が生じる。

そのため、省電力化を図りつつ同期通信を効率的に行うことができる無線送信装置、無線受信装置、無線送信プログラム、無線受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、上位レイヤ処理部からのフレームの送信要求に対し、下位レイヤ処理部が、フレーム送信前に第１のランダムな遅延を挿入する無線送信装置であって、（１）上位レイヤ処理部からのフレーム送信要求があった際に、フレームを送信するフレーム送信方法手段と、（２）上位レイヤ処理部からのフレーム送信要求があった際に、対向する無線受信装置の受信待機状態に合わせて、１種又は２種以上のフレームを含むフレーム群を送信するフレーム群送信方法手段と、（３）フレーム群送信方法手段が上記フレーム群を送信する前に、上記フレーム群の内、２番目以降のフレーム送信前に挿入する第２のランダム遅延が、フレーム送信方法手段がフレームを送信する前に挿入する上記第１のランダム遅延と異な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、１種又は２種以上のフレームを含むフレーム群を受信し、所定のフレームの受信時に受信応答フレームを返信する無線受信装置であって、所定期間連続して受信信号強度の測定を実施し、上記受信信号強度が所定値以上である場合に、周囲でフレーム群が送信されていると判断するフレーム群受信推定手段とを有し、上記所定期間は、無線送信装置が上記フレーム群を送信する前の遅延時間に基づいて定められることを特徴とする。

第３の本発明の無線送信プログラムは、上位レイヤ処理部からのフレームの送信要求に対し、下位レイヤ処理部が、フレーム送信前に第１のランダムな遅延を挿入する無線送信装置に搭載されるコンピュータを、（１）上位レイヤ処理部からのフレーム送信要求があった際に、フレームを送信するフレーム送信方法手段と、（２）上位レイヤ処理部からのフレーム送信要求があった際に、対向する無線受信装置の受信待機状態に合わせて、１種又は２種以上のフレームを含むフレーム群を送信するフレーム群送信方法手段と、（３）フレーム群送信方法手段が上記フレーム群を送信する前に、上記フレーム群の内、２番目以降のフレーム送信前に挿入する第２のランダム遅延が、フレーム送信方法手段がフレームを送信する前に挿入する上記第１のランダム遅延と異なることとして機能させることを特徴とする。

第４の本発明の無線受信プログラムは、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、１種又は２種以上のフレームを含むフレーム群を受信し、所定のフレームの受信時に受信応答フレームを返信する無線受信装置に搭載されるコンピュータを、所定期間連続して受信信号強度の測定を実施し、上記受信信号強度が所定値以上である場合に、周囲でフレーム群が送信されていると判断するフレーム群受信推定手段として機能させ、上記所定期間は、無線送信装置が上記フレーム群を送信する前の遅延時間に基づいて定められることを特徴とする。

第５の本発明は、１又は２以上の無線送信装置と、１又は２以上の無線受信装置とを備える無線通信システムにおいて、（１）上記無線送信装置が第１の本発明の無線送信装置であり、（２）上記無線受信装置が第２の本発明の無線受信装置であることを特徴とする。

フレーム送信前の遅延をフレームの送信方法によって調整することで、省電力化を図りつつ同期通信を効率的に行うことができる

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（送信側）の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（送信側）が２台存在する場合の動作を示す説明図である。 第１の実施形態の無線通信装置（受信側）の間欠受信動作を示す説明図である。 第１の実施形態の無線通信装置（受信側）の動作を示すフローチャートである。 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（送信側）の動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態の無線通信装置（送信側）がＣＳＬモードと通常モードのデータ送信を連続して実行した場合の動作を示す説明図である Ｘ−ＭＡＣに従い動作する無線通信装置を示す説明図である。 ＢｏＸ−ＭＡＣｓに従い動作する無線通信装置を示す説明図である。 ＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムを示すフローチャートである。 従来技術における複数の送信装置が同時に送信要求を出した場合を示した説明図である

（Ａ）第１の実施形態
以下に、本発明に係る無線送信装置、無線受信装置、無線送信プログラム、無線受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詳述する。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図１は、無線送信装置若しくは無線受信装置となる、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。

図１において、無線通信装置１は、無線受信部１１、無線送信部１２、送信要求部１３、送信モード判定部１４、同期判定部１５、制御情報格納部１６及び通信制御部１７を有する。

第１の実施形態の無線通信装置は、無線受信部や無線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（無線送信プログラム及び無線受信プログラム）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。

無線受信部１１は、無線信号を電気信号に変換し、受信信号を送信制御部１７に入力する機能を持つ。無線送信部１２は、送信信号を無線に変換し送信する機能を持つ。送信要求部１３は、データ送信要求を受け付け、通信制御部１７に中継する機能を持つ。

送信モード判定部１４は、送信先の無線通信装置に対してＣＳＬモードで送信するか、又は通常モードで送信するかを決定する機能を持つ。判断方法は種々様々の方法を用いることができる。例えば、送信モード判定部１４は、送信先アドレス毎にＣＳＬモード又は通常モードを決定することができる。

同期判定部１５は、同期情報保存部１５ａに同期情報を保存する。同期判定部１５は、送信先と同期通信が確保されれば、同期情報保存部１５ａに送信先アドレス、位相差、最終送信時刻等の情報を記述しておき、ＡＣＫを受信するごとにその内容を更新する。そして、同期判定部１５に送信先アドレスを入力すると、同期情報保存部１５ａに該当送信先アドレスが存在するかを検索し、マッチすれば、同期情報を返答する。

制御情報格納部１６は、共通ＰＩＢ１６ａ、通常モード用ＰＩＢ１６ｂ及びＣＳＬモード用ＰＩＢ１６ｃを構成要素として含む。共通ＰＩＢ１６ａには、通信モードに関わらず共通する通信制御に関する情報が格納される。通常モード用ＰＩＢ１６ｂは、通常モードに関する通信制御に関する情報が格納される。例えば、通常モード用のバックオフ時間の初期値であるｍａｃＭｉｎＢＥｎｏｒｍａｌが格納されている。ＣＳＬモード用ＰＩＢ１６ｃは、ＣＳＬモードにについて通信制御に関する情報が格納される。例えば、ＣＳＬモード用のバックオフ時間の初期値であるｍａｃＭｉｎＢＥｃｓｌが格納されている。

なお、上記のｍａｃＭｉｎＢＥｎｏｒｍａｌとｍａｃＭｉｎＢＥｃｓｌは、従来は通信モード毎に分けられておらず、共通ＰＩＢ１６ａ内に、共通のバックオフ時間の初期値として格納されていた。

通信制御部１７は、送信要求があると、制御情報格納部１６内の格納情報、無線受信部１１からのキャリア検知情報を用い、送信フレームの作成と送信タイミングを決定する通信制御を行う。また、ＣＳＬモードの場合は、通信制御部１７は、制御情報格納部１６と同期判定部１５での判定結果も用い通信制御を行う。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
図２は、第１の実施形態の無線通信装置（送信側）の動作を示すフローチャートである。

第１の実施形態では、バックオフ時間の初期値について、ｍａｃＭｉｎＢＥｎｏｒｍａｌ（通常モード用）は、デフォルト値の３と設定し、一方、ｍａｃＭｉｎＢＥｃｓｌ（ＣＳＬモード用）は、設定可能範囲の最小値である０と設定するものとする。設定する値は、上記以外の値でも良いが、ｍａｃＭｉｎＢＥｃｓｌの値は、ｍａｃＭｉｎＢＥｎｏｒｍａｌより小さくなるように設定する。言い換えれば、バックオフ時間ができるだけＣＳＬ通信モードで短くなるように設定する。

通信制御部１７は、送信要求部１３から送信要求があると、まず送信先やデータの種類を送信モード判定部１４に入力する。通信制御部１７は、送信モード判定部１４からの出力結果を基にして、通常モード、又はＣＳＬ通信モードの何れで送信するかを判定する（Ｓ１０１）。

通信制御部１７は、ＣＳＬモードならば、後述するステップＳ１０２の処理を実行し、一方、通常モードならば、後述するステップＳ１０８の処理を実行する。

通信制御部１７は、ＣＳＬモードでの送信要求であれば、ウェークアップフレームの送信の前に、以下の手順でキャリア検知を行う（Ｓ１０２）。

まず、通信制御部１７は、送信先アドレスを同期判定部１５に入力し、同期判定部１５の出力結果から送信先アドレスと同期がとれているかを判定する。また、通信制御部１７は、制御情報格納部１６から共通ＰＩＢ１６ａ及ぶＣＳＬモード用ＰＩＢ１６ｃを抽出する。通信制御部１７は、ＣＳＭＡ／ＣＡでのＢＥ、つまり、バックオフ時間の初期値であるｍａｃＭｉｎＢＥｃｓｌを参照し、バックオフ時間の初期値（ＢＥ）を０とセットする。なお、他の設定する値は、従来のＣＳＭＡ／ＣＡと変わらないので、その説明を省略する。

そして、通信制御部１７は、以下のＣＳＭＡ／ＣＡ処理を実行する。

まず、通信制御部１７は、ｒａｎｄｏｍ（２^BE−１）時間のバックオフ期間経過後にキャリア検知を行う。ＢＥは０であるので、通信制御部１７は、１回目はすぐにキャリアを検知することになる。

アイドル状態であれば、通信制御部１７は、ＣＳＭＡ／ＣＡとして次の処理に進む。アイドル状態でなければ、通信制御部１７は、ＢＥの値を１加算した後、バックオフ時間を決定し、このバックオフ時間だけ待機する。そして、通信制御部１７は、アイドル状態であるかを調べる。通信制御部１７は、この一連の処理をアイドル状態と検知するか、又はバックオフ回数の最大値に達し、ＣＳＭＡ／ＣＡが失敗と判定するまで行う。

この実施形態では、バックオフ時間の初期値は、固定値としているが可変値としても良い。例えば、ＡＣＫ未受信が連続したら、バックオフ時間の初期値は、０に設定するようにしても良い。

通信制御部１７が実行するＣＳＭＡ／ＣＡ処理が成功と判定すれば、無線送信部１２は、ウェークアップフレームの送信を行う（Ｓ１０３）。なお、この処理が失敗と判定すれば、無線送信部１２は、ウェークアップフレームの送信を行わない。

通信制御部１７は、ウェークアップフレームの送信が全て完了したかを判定する（Ｓ１０４）。通信制御部１７は、予め設定した送信回数、又は送信時間を超えていれば送信完了とし、後述するステップＳ１０５の処理を実行する。ウェークアップフレームの送信が全て完了していなければ、通信制御部１７は、先述のステップＳ１０２の処理を再実行する。再実行するステップＳ１０２の処理においては、ＢＥは０にリセットしてキャリア検知を行うので（つまり、バックオフ時間の初期値は０）、ウェークアップフレームの送信間隔は、最短になり易くなる。

ウェークアップフレームの送信が完了したならば、無線送信部１２は、引き続きデータフレームの送信を行う（Ｓ１０５）。このときもＢＥを０とすることで、ウェークアップフレームのランデブー時間ＲＺＴｉｍｅで指定した時刻において無線通信装置１は、送信され易くなる。無線通信装置（受信側）は、ウェークアップフレームは受信したが、データフレームが受信エラーとなる確率が減少する。

通信制御部１７は、データフレームの送信後、所定時間ＡＣＫ受信待ちを実行する（Ｓ１０６）。通信制御部１７は、ＡＣＫを受信すれば、ＡＣＫ中の情報を取り込む。

同期判定部１５は、ＡＣＫを受信したならば、同期情報保存部１５ａの内容を更新する（Ｓ１０７）。同期判定部１５は、該当送信先アドレスが存在しなければ、同期情報保存部１５ａに、該当送信先アドレスを新たに追加する。同期判定部１５は、ＡＣＫの受信待ちがタイムアウトとなれば、同期情報保存部１５ａの内容を破棄する。同期判定部１５は、１回でもＡＣＫの受信待ちが失敗すれば、即破棄するということに限定はせず、例えば、Ｎ回連続してＡＣＫの受信待ちが失敗したら、同期情報保存部１５ａの内容を破棄するようにしても良い。

先述のステップＳ１０１の処理でＣＳＬモード以外（つまり、通常モード）だった場合には、通信制御部１７は、制御情報格納部１６から通常モード用ＰＩＢ１６ｂを抽出し、ｍａｃＭｉｎＢＥｎｏｒｍａｌを参照し、バックオフ時間の初期値（ＢＥ）を３とセットする（Ｓ１０８）。これ以外の処理についてはステップＳ１０２の処理と同様であるので、その説明を省略する。

次に、通信制御部１７は、ＣＳＭＡ／ＣＡによるキャリア確認を行う（Ｓ１０９）。バックオフ時間は、０〜７にａＵｎｉｔＢａｃｋｏｆｆＰｅｒｉｏｄを乗じた時間となるため、ＣＳＬモードでの通信より長くなる確率が高くなる。

通信制御部１７は、バックオフの最大回数（ｍａｃＭａｘＣＳＭＡＢａｃｋｏｆｆ）をＣＳＬモード、通常モード共に３とし、通常モードでのバックオフ時間の初期値を０と設定しても良い。また、バックオフ時間は、例えば、次の式のようにしても良い。
（ｒａｎｄｏｍ（２^BE−１）＋３）×ａＵｎｉｔＢａｃｋｏｆｆＰｅｒｉｏｄ
即ち、ＣＳＬモードではバックオフ時間は０〜２、通常モードでは３〜５までの値が選択される。この方法ではＣＳＬモードの方が通常モードより必ずバックオフ時間は短くなる。

ＣＳＭＡ／ＣＡの判定に成功すれば、無線送信部１２は、通常モードのフレーム送信を行う（Ｓ１０９）。なお、ＣＳＭＡ／ＣＡの判定に失敗すれば、無線送信部１２は、フレーム送信は行わない。無線送信部１２は、例えば、送信エラーを通信制御部１７に通知する等をして送信処理を完了する。

図３は、第１の実施形態の無線通信装置（送信側）が２台存在する場合の動作について示した説明図である。

無線通信装置１−２は、無線通信装置１−３とＣＳＬ同期通信を行っているものとする。無線通信装置１−１は、無線通信装置１−２及び無線通信装置１−３以外の無線通信装置に対し通常モードでデータ送信を行っているものとする。

無線通信装置１−２は、ウェークアップフレーム２２を送信しようとし、一方、無線通信装置１−１は、データフレーム１１を同時に送信しようとしているものとする。

ＣＳＬモードではＢＥの初期値は０、通常モードではＢＥの初期値は３であるので、バックオフ時間は、ウェークアップフレーム２２の方が短くなり易い。つまり、ウェークアップフレーム２２は、データフレーム１１より先に送信され易くなる。

次に、無線通信装置１−１は、バックオフ遅延後、データフレーム１１を送信しようとしても、ＣＣＡでアイドル状態ではないと検知すれば、さらにＢＥを１足してバックオフ時間を計算し遅延する。無線通信装置１−２は、ウェークアップフレーム２２の送信後、ＢＥを０即ち、バックオフ時間を０にしてウェークアップフレーム２３の送信処理を行うので、フレーム送信完了から次のフレーム送信開始までの時間は非常に短い。つまり、無線通信装置１−１は、２回目のＣＣＡでもアイドル状態とならない確率が高い。このため、ウェークアップフレーム２３は、データフレーム１１より先に送信され易くなる。

また、データフレーム２２は、無線通信装置１−１が送信しようとしているデータフレーム１１より先に送信され易くなる。さらに、ウェークアップレーム２１、ウェークアップフレーム２２、ウェークアップフレーム２３、データフレーム２２は、間隔が最小で連続して送信され易くなる。結果として、無線通信装置１−１から送信しようとするデータフレーム１１は、無線通信装置１−２からのデータフレーム２２の送信後に、データフレーム１１‘として送信されることになる。

以上のように、ウェークアップフレームは、最小間隔で送信されやすくなるので、無線通信装置１−３との同期補正した時刻通りに、無線通信装置１−２は、ウェークアップフレームを送信する。

図４は、第１の実施形態の無線通信装置（受信側）の間欠受信動作を示す説明図である。

図４（Ａ）は、従来の無線通信装置の間欠動作を示している。無線通信装置は、ウェークアップフレーム１１を送信後、ウェークアップフレーム２２を送信する前に、バックオフをする必要がある。無線通信装置は、バックオフ時間Ｂ1後にＣＣＡをしても他の無線通信装置がデータ送信を行っているため（データ送信時間Ｄ１１）、ウェークアップフレーム２２を送信することができない。よって、無線通信装置は、再度バックオフを行うことになるが、タイミングによっては、データ送信時間Ｄ１１とバックオフ時間Ｂ２の時間を足した時間、ウェークアップフレーム２２の送信が待たされる可能性がある。

図４（Ｂ）は、第１の実施形態に係る無線通信装置を導入した場合の無線通信装置の間欠受信動作を示す説明図である。

第１の実施形態に係る無線通信装置１を導入すれば、ＣＳＬモードの送信が優先されることになるので、ウェークアップフレーム１１とウェークアップフレーム２１の間隔が、図４（Ａ）に比べて短くなる。言い換えれば、他の無線通信装置が割り込むことを考慮しなくても受信できる確率が高いので、無線通信装置１は、起動時間を大幅に短縮できることなった。また、無線通信装置１は、ウェークアップフレーム１１とウェークアップフレーム２１の２回の送信が最小間隔で送信された場合の所要時間（図４（Ｂ）のパターン１）だけ起動するだけでもウェークアップフレームを受信され易くなる。従来の図４（Ａ）のように他の無線通信装置の送信が割り込むことを考慮しなくても受信できる確率が高いので、無線通信装置１は、起動時間を大幅に短縮できる。

無線通信装置１の起動時間は、ウェークアップフレーム１１の送信時間（ｔ２１からｔ２２）までより、ウェークアップフレーム１１の送信終了時刻から次のウェークアップフレーム２１の送信時刻までの時間（ｔ２２からｔ２３）の方が大幅に短くなる確率が高い。このため、図５に示す方法を用いることで、起動時間をさらに短くすることができる。

図５は、第１の実施形態の無線通信装置（受信側）の動作を示すフローチャートである。

無線通信装置１は、起動後、ＲＳＳＩ（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）を測定する（Ｓ１５１）。

無線通信装置１は、ＲＳＳＩがしきい値以上ならば、後述するステップＳ１５２の処理を行い、しきい値未満ならば受信スリープ状態に戻る。

無線通信装置１は、ＲＳＳＩがしきい値以上ならば、ウェークアップフレームを受信するために起動時間を延長し受信待ち状態にする（Ｓ１５２）。

無線通信装置１は、自無線通信装置宛てのウェークアップフレームを受信すれば、後述するステップＳ１５４の処理を実行し、受信しなければ受信スリープ状態に戻る（Ｓ１５３）。

無線通信装置１は、ウェークアップフレーム中のランデブータイムＲＺＴｉｍｅを参照し、起動時間を決定し、データフレームを受信する（Ｓ１５４）。無線通信装置１は、データフレームを受信すれば、ＡＣＫを返送する。無線通信装置１は、ＡＣＫ送信後、受信スリープ状態に戻る。

この方法だと、無線通信装置１の起動時間は、ｔ２２からｔ２３の時間にマージン時間を足した時間（パターン２）までの時間にしていても受信可能である。ここで、マージン時間とは、ｔ２３の後、ＲＳＳＩがしきい値を超える状態になるまでの時間である。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
ＣＳＬ等の同期通信用のＣＳＭＡ／ＣＡにおけるバックオフ時間の初期値を最小にすることで、無線通信装置は、ウェークアップフレームの送信間隔を狭めることができる。つまり、同期通信用のウェークアップフレームを、その他のフレームより優先して無線送信することで、ウェークアップフレームの間隔が広くなる確率が減少する。無線通信装置は、同期補正したタイミングよりウェークアップフレームを遅延送信する確率も小さくなる。

また、受信側の無線通信装置の起動時間を短くしても、無線通信装置は、長時間起動しているのと同程度に受信確率を保つことができ、省電力化を図ることができる。

さらに、非同期モードに陥る確率が低いので、ウェークアップフレームの送信回数を減少でき、ネットワークの負荷を抑えることができるという効果が得られる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明に係る無線送信装置、無線受信装置、無線送信プログラム、無線受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６は、無線送信装置若しくは無線受信装置となる、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６において、無線通信装置１Ａは、無線受信部１１、無線送信部１２、送信要求部１３、送信モード判定部１４、同期判定部１５、制御情報格納部１６及び通信制御部１７に加え、通常モード用キュー１８ａ及びＣＳＬモード用キュー１８ｂを有する。

第２の実施形態の無線通信装置の構成は、第１の実施形態の無線通信装置の構成に通常モード用キュー１８ａ及びＣＳＬモード用キュー１８ｂを追加したものである。

第１の実施形態の無線通信装置も図示しないフレーム送信待ちのキューを有していたが、第２の実施形態の無線通信装置は、フレーム送信待ちのキューがＣＳＬ用キューと通常モード用キューとに分かれている点に特徴がある。

通常モード用キュー１８ａは、通常モードにおいて、通信制御部１７が決定した送信時刻になるまで、フレーム送信を待機させる。ＣＳＬモード用キュー１８ｂは、ＣＳＬモードにおいて、通信制御部１７が決定した送信時刻になるまで、フレーム送信を待機させる。

上記以外の点については、第１の実施形態の無線通信装置と同様の構成であるので、その説明を省略する。

（Ｂ−２）第２の実施形態の動作
次に、以上のような構成を有する第２の実施形態の無線通信装置１Ａの送信に関連する動作を、図面を参照しながら説明する。

図７は、第２の実施形態の無線通信装置（送信側）の動作を示すフローチャートである。

通信制御部１７は、ＣＳＬモードであるかを判定する（Ｓ２０１）。

通信制御部１７は、ＣＳＬモードならば、後述するステップＳ２０２の処理を実行し、通常モードならば、後述するステップＳ２０８の処理を実行する。

通信制御部１７は、ＣＳＬモードならば、送信先アドレスを参照し、同期通信とするかを判定する（Ｓ２０２）。通信制御部１７は、同期通信ならば、後述するステップＳ２０３の処理を実行し、非同期通信ならば後述するステップＳ２０４の処理を実行する。

通信制御部１７は、同期がとれていれば、送信予約タイマーをセットし、送信データをＣＳＬモード用キュー１８ｂに格納する（Ｓ２０３）。タイマー開始はウェークアップフレームの送信時刻の直前からデータフレーム送信完了予定時刻までである。そして、通信制御部１７は、送信時刻まで待機する。

無線送信部１２は、ウェークアップフレームの送信を行う（Ｓ２０４）。詳しい内容については、図２のステップＳ１０２〜ステップＳ１０４の処理内容と同様であるのでその説明を省略する。

無線送信部１２は、データフレームの送信を行う（Ｓ２０５）。詳しい内容については、図２のステップＳ１０５と同様の処理内容であるのでその説明を省略する。

通信制御部１７は、ＡＣＫ受信待ちを実行する（Ｓ２０６）。詳しい内容については、図２のステップＳ１０６からステップＳ１０７までの処理と同様の処理内容であるのでその説明を省略する。

通信制御部１７は、Ｓ２０３でセットした送信予約タイマーが起動中であれば、タイマー解除を行う（Ｓ２０７）。

通信制御部１７は、通常モードならば、ＣＳＬモード通信における先述のステップＳ２０３でセットした送信予約タイマーが起動しているかを調べる（Ｓ２０８）。通信制御部１７は、送信予約タイマーが起動していれば、後述するステップＳ２０９の処理を実行し、起動していなければ、後述するステップＳ２１０の処理を実行する。

通信制御部１７は、送信予約解除されるまで送信待機を実行する（Ｓ２０９）。

無線送信部１２は、送信タイミングになれば、送信処理を実行する（Ｓ２１０）。

図８は、第２の実施形態の無線通信装置がＣＳＬモードと通常モードのデータ送信を連続して実行した場合の動作を示す説明図である。

無線通信装置Ａ−１は、時刻ｔ１において、ＣＳＬモードの送信要求があると、次回無線通信装置Ａ−２との同期時刻前後に送信予約を入れる。

無線通信装置Ａ−１は、時刻ｔ２において、通常モードの送信があれば予約期間内であるのでＣＳＬモードのデータ送信が完了するまで待機する。こうすることで、無線通信装置Ａ−１は、ウェークアップ送信すべき時刻において通常モードの送信をおこなう確率を減少させることができる。

無線通信装置Ａ−１は、時刻ｔ４において、通常モードの送信要求があれば予約期間外であるので、ＣＳＬモードの送信に先立って通常モードのデータ送信を行う。無線通信装置Ａ−１は、時刻ｔ４からすぐに通常モードの送信を行っても、ウェークアップフレーム１１の送信を行うべき時刻にかかる確率は低いからである。

（Ｂ−３）第２の実施形態の効果
無線通信装置が、通常モードでの送信よりも、ＣＳＬモードの送信を優先することにより、ウェークアップフレームの送信時刻がずれる確率が低くなり、受信側の無線通信装置においてウェークアップフレームを効率的に受信できるようになる。

（Ｃ）他の実施形態
上記の実施形態に加えて、さらに、以下に例示するような変形実施形態も挙げることができる。

（Ｃ−１）上記の実施形態において、無線通信装置が、ＣＳＬモードと通常モードの両方切り替えて通信できる装置について説明しているが、ＣＳＬモードのみ、若しくは通常モードのみの通信を行う無線通信装置が存在しても良い。無線ネットワーク内において、ＣＳＬモードで通信する無線通信装置が少なくても２台あれば、本発明の効果を発揮することができる。

（Ｃ−２）上記の実施形態において、ＣＳＬモードは常に優先するように説明したが、非同期通信は通常モードの扱いとし、同期通信時にのみ優先するようにしても良い。

（Ｃ−３）上記の実施形態において、同期通信の方式はＣＳＬだけを例に挙げて説明したが、例えば、データフレーム送信以外に同期用フレーム（ＡＣＫ）の返送を行う他の同期通信の方式にも適用することができる。例えば、ウェークアップフレームの送信について、所定の回数又は時間送信するのではなく、図９のようにＡＣＫが送信先の無線通信装置から返送される同期通信の方式にも適用することができる。図９は、このような同期通信の方式の一例であるＸ−ＭＡＣ（Ａ Ｓｈｏｒｔ Ｐｒｅａｍｂｌｅ ＭＡＣ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ Ｄｕｔｙ−Ｃｙｃｌｅd Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）に従い動作する無線通信装置を示した説明図である。

また、データフレームがウェークアップフレームを兼用し、図１０のようにデータフレームを連続送信し、ＡＣＫが送信先の無線通信装置から返送される同期通信の方式にも適用することができる。図１０は、このような同期通信の方式の一例であるＢｏＸ−ＭＡＣｓ（Ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ Ｌｉｎｋ Ｌａｙｅｒ Ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ ｉｎ Ｌｏｗ−Ｐｏｗｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ）に従い動作する無線通信装置を示した説明図である。

１、１Ａ…無線通信装置、１１…無線受信部、１２…無線送信部、１３…送信要求部、１４…送信モード判定部、１５…同期判定部、１５ａ…同期情報保存部、１６…制御情報格納部、１６ａ…共通ＰＩＢ、１６ｂ…通常モード用ＰＩＢ、１６ｃ…ＣＳＬモード用ＰＩＢ、１７…通信制御部、１８ａ…通常モード用キュー、１８ｂ…ＣＳＬモード用キュー。

Claims (11)

1. 上位レイヤ処理部からのフレームの送信要求に対し、下位レイヤ処理部が、フレーム送信前に第１のランダムな遅延を挿入する無線送信装置であって、
   上位レイヤ処理部からのフレーム送信要求があった際に、フレームを送信するフレーム送信方法手段と、
   上位レイヤ処理部からのフレーム送信要求があった際に、対向する無線受信装置の受信待機状態に合わせて、１種又は２種以上のフレームを含むフレーム群を送信するフレーム群送信方法手段と、
   フレーム群送信方法手段が上記フレーム群を送信する前に、上記フレーム群の内、２番目以降のフレーム送信前に挿入する第２のランダム遅延が、フレーム送信方法手段がフレームを送信する前に挿入する上記第１のランダム遅延と異なることを特徴とする無線送信装置。
2. 上記第２のランダム遅延が上記第１のランダム遅延に比べて短くすることを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
3. 第２のランダムな遅延が第１のランダム遅延の内の最小の遅延に、対向する無線受信装置からの受信応答フレームの最大待ち時間を加えた遅延であることを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
4. フレーム群送信方法手段が送信するフレームがこれからデータフレームを送信することを対向する無線受信装置に予め通知するフレームを含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の無線送信装置。
5. フレーム群送信方法手段がこれからデータフレームを送信することを対向する無線受信装置に予め通知するフレームとデータフレームとを１種類のフレームとして送信することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の無線送信装置。
6. 上記フレーム群送信方法手段が送信しようとする前に所定時間送信予約タイマーを設定する送信予約タイマー設定手段を有し、
   上記フレーム送信方法手段がフレーム送信する前に上記送信予約タイマーが設定されていた場合には、上記送信予約タイマーが解除されたことを条件として、フレーム送信をすることを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
7. 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、１種又は２種以上のフレームを含むフレーム群を受信し、所定のフレームの受信時に受信応答フレームを返信する無線受信装置であって、
   所定期間連続して受信信号強度の測定を実施し、上記受信信号強度が所定値以上である場合に、周囲でフレーム群が送信されていると判断するフレーム群受信推定手段とを有し、
   上記所定期間は、無線送信装置が上記フレーム群を送信する前の遅延時間に基づいて定められる
   ことを特徴とする無線受信装置。
8. 上記フレーム群受信推定手段が、周囲でフレーム群が送信されていると判定した場合には、受信待機状態に変化することを特徴とする請求項７に記載の無線受信装置。
9. 上位レイヤ処理部からのフレームの送信要求に対し、下位レイヤ処理部が、フレーム送信前に第１のランダムな遅延を挿入する無線送信装置に搭載されるコンピュータを、
   上位レイヤ処理部からのフレーム送信要求があった際に、フレームを送信するフレーム送信方法手段と、
   上位レイヤ処理部からのフレーム送信要求があった際に、対向する無線受信装置の受信待機状態に合わせて、１種又は２種以上のフレームを含むフレーム群を送信するフレーム群送信方法手段と、
   フレーム群送信方法手段が上記フレーム群を送信する前に、上記フレーム群の内、２番目以降のフレーム送信前に挿入する第２のランダム遅延が、フレーム送信方法手段がフレームを送信する前に挿入する上記第１のランダム遅延と異なることと
   して機能させることを特徴とする無線送信プログラム。
10. 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、１種又は２種以上のフレームを含むフレーム群を受信し、所定のフレームの受信時に受信応答フレームを返信する無線受信装置に搭載されるコンピュータを、
    所定期間連続して受信信号強度の測定を実施し、上記受信信号強度が所定値以上である場合に、周囲でフレーム群が送信されていると判断するフレーム群受信推定手段として機能させ、
    上記所定期間は、無線送信装置が上記フレーム群を送信する前の遅延時間に基づいて定められる
    ことを特徴とする無線受信プログラム。
11. １又は２以上の無線送信装置と、１又は２以上の無線受信装置とを備える無線通信システムにおいて、
    上記無線送信装置が請求項１〜６のいずれかに記載の無線送信装置であり、
    上記無線受信装置が請求項７〜８のいずれかに記載の無線受信装置であることを特徴とする無線通信システム。

Images