JP6436144B2

JP6436144B2 - 無線通信方法、無線通信システム、及びプログラム

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Publication number: JP6436144B2
Application number: JP2016203444A
Authority: JP
Inventors: 吉満塩谷
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2016-10-17
Publication date: 2018-12-12
Anticipated expiration: 2032-03-21
Also published as: JP2017055414A

Description

本発明は、時分割多重通信(TDMA: Time Division Multiple Access)方式で通信を行う無線通信ネットワークにおいて、マルチキャスト転送を行う無線通信方法、無線通信システム、及びプログラムに関する。

近年では有線ネットワークの多くが無線ネットワークに置き換わり、無線通信技術は今後益々需要が増えると予想される。無線通信速度は飛躍的に向上して動画・音声データなどの大容量、かつリアルタイム性の必要な通信も無線で通信することが可能になり、家庭内の電子機器を無線ネットワークで接続するホーム無線ネットワークを構築することや、会社の会議室で複数のノートPC(Personal Computer)やプロジェクタなどを無線で通信する場面が増えてきている。

一般的に複数の無線通信装置で構成される無線通信ネットワークでは、受信局はデータフレームを正常に受信すると送信局に対して確認応答(ACK: Acknowledge)フレームを送信する。送信局はACKフレームを受信すると、データフレームを正常に送信できたと判断してデータフレームの送信を完了する。ACKフレームを一定期間以内に受信できない場合は、正常にデータフレームを送信できなかったと判断しデータフレームを再送して、ACKフレームを受信するか、もしくは再送回数が規定回数になるまで再送を繰り返す。この手法をARQ(Automatic Repeat Request)と呼び、無線通信の信頼性を向上させる。また、データフレームのライフタイム期間が終了するまで再送を繰り返す手法もある。

しかし一般的に定められている無線通信規格では、ARQ手法は送信局と受信局が単一の場合のユニキャスト通信のみに使用され、受信局が複数の場合のマルチキャスト通信には適用されない。よって例えば会議室内で複数のノートPCに配布資料を一度に送信したい場合や、あるノートPCから複数台のプロジェクタ装置にプレゼンテーションファイルを一度に送信したい場合などはマルチキャスト通信を行うことが想定されるが、送信局は複数の受信局が全て正常にデータを受信できたかどうかを確認することが出来ない。

この問題を解決するために様々な提案がなされている。即ち例えば特許文献１には、マルチキャスト転送の信頼性を高める目的で、RTS(Request to Send)フレームを送信して帯域を確保した後にマルチキャストフレームを送信すること、及びそのマルチキャストフレームにはACKフレームを送信するデバイスIDのリストが設定されていて、そのリストに設定された無線通信装置はACKフレームを送信する方法が開示されている。
また、特許文献２には、マルチキャスト転送の信頼性を高める目的で、マルチキャストフレームに対するACKフレーム送信時間をあらかじめ決めておき、マルチキャストフレームを受信した無線通信装置は指定された時間になるとそれまでに受信した全てのマルチキャストフレームに対するACKフレームを一度に送信する無線通信方法が開示されている。

しかし、特許文献１に記載された方法では、RTSフレームを事前に送信することで無線通信ネットワークのスループットを低下させてしまうという問題、及びデバイスIDリストをマルチキャストフレームの送信毎に作成しなければならないという問題がある。
また、特許文献２に記載された無線通信方法では、送信局は全ての受信局に割り当てた時間が終了するまでマルチキャストフレームの送信に成功したか否かを確認することが出来ない、よって送信を完了することが出来ないという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の無線通信装置を備えた無線通信ネットワークにおいて、スループットを低下させることなくマルチキャスト転送の信頼性を高めることである。

本発明に係る無線通信システムは、第一の無線通信装置が複数の第二の無線通信装置にマルチキャストフレームを送信可能な無線通信システムであって、各無線通信装置は、ビーコンフレームを送信するビーコンフレーム送信手段と、ビーコンフレームを送信した順番を示す情報を取得するビーコンフレーム送信順番情報取得手段と、を備え、第二の無線通信装置は、第一の無線通信装置から送信されたマルチキャストフレームを受信した場合、当該マルチキャストフレームの前に第一の無線通信装置から送信されたビーコンフレームにより要求された確認応答フレームをビーコンフレーム送信順番情報取得手段により取得された順番で送信する確認応答フレーム送信手段を備え、第一の無線通信装置は、複数の第二の無線通信装置からの確認応答フレームを受信できなかった場合、マルチキャストフレームを再送し、一つの第二の無線通信装置からの確認応答フレームを受信できなかった場合、当該一つの第二の無線通信装置宛にユニキャストフレームを送信するフレーム再送手段を備え、スリープ状態になる第二の無線通信装置は、ビーコンフレームにより第一の無線通信装置及び第二の無線通信装置に対して自分がスリープ状態になることを通知し、スリープ状態になることを通知された第二の無線通信装置は、スリープ状態になる第二の無線通信装置の順番を飛ばして確認応答フレームを送信する無線通信システムである。

本発明によれば、複数の無線通信装置を備えた無線通信ネットワークにおいて、スループットを低下させることなくマルチキャスト転送の信頼性を高めることが出来る。

本発明の第１の実施形態に係る無線通信システムの構成を示す図である。図１における無線通信装置のブロック図である。図１における無線通信装置がビーコンフレームに設定する独自IEのフォーマットの一例を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る無線通信システムにおいて、ACKフレームによるフレーム受信確認を行うマルチキャスト転送の一例のタイミング図である。本発明の第１の実施形態に係る無線通信システムにおけるマルチキャストフレームの再送方法の一例のタイミング図である。本発明の第１の実施形態に係る無線通信システムにおいて、マルチキャスト転送の開始前にマルチキャストグループ中の無線通信装置がスリープ状態になる場合のマルチキャスト転送の一例のタイミング図である。本発明の第２の実施形態に係る無線通信システムにおいて、無線通信装置がビーコンフレームに設定する独自IEのフォーマットの一例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る無線通信システムにおいて、ACKフレームによるフレーム受信確認を行うマルチキャスト転送の一例のタイミング図である。本発明の第２の実施形態に係る無線通信システムおけるマルチキャストフレームとACKフレームとの関係の一例のタイミング図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
［第１の実施形態］
<無線通信システムの構成>
図１は本発明の第１の実施形態に係る無線通信システムの構成を示す図である。
この無線通信システムは、送信局（送信側）となる１台の無線通信装置１と、受信局（受信側）となる３台の無線通信装置２，３，４とで構成されており、無線通信装置１がマルチキャスト転送により無線通信装置２，３，４にマルチキャストフレームを転送することを示している。

<無線通信装置の構成>
図２は図１における無線通信装置のブロック図である。図１における各無線通信装置の構成は同じであり、送信局にも受信局にもなり得る。また、この図に示す構成は１例であり、本発明の機能を実現できるものであれば異なる構成でもよい。

図示のように、無線通信装置は、互いにデータ転送バス１０により接続されたCPU(Central Processing Unit)11、DMAC(Direct Memory Access Controller: DMAコントローラ、ダイレクトメモリアクセスコントローラ)12、RAM(Random Access Memory)13、及び無線通信処理部14を備えている。

無線通信処理部14は、MAC(Media Access Control)部14aと、MAC部14aに接続された信号処理部14bと、信号処理部14bに接続されたRF(Radio Frequency)部14cと、RF部14cに接続されたアンテナ14dと、MAC部14aに接続されたタイマー14eとを備えている。

RAM13にはCPU11が実行するプログラム、もしくはDMAC12が転送するDMA転送データが格納される。DMAC12はRAM13と無線通信処理部14内のMAC部14a間をDMA転送する。MAC部14aは無線通信プロトコル制御を行い、信号処理部14bは送受信フレームの変復調を行い、RF部14cは送信フレームを電波に変換してアンテナ14dから送信させ、アンテナ14dで受信した電波から受信フレームを取り出す。タイマー14eはフレームの送受信タイミングを決定して、マルチキャストフレームに対するACKフレームを送信する時間を示す情報の生成などを行う。

〈ビーコンフレームのフォーマット〉
図３は図１における無線通信装置１がビーコンフレームに設定する独自IEのフォーマットの一例を示す図である。このビーコンフレームはマルチキャストフレームを送信する前に送信される。なお、このフォーマットはそれぞれの１例であり、同様の機能を実現するフォーマットであれば形式は問わない。

このフォーマットは、IEEE802.11規格により定められる無線LANにより通信を行う場合に使用するベンダースペシフィック(Vendor Specific)IEである。図示のように、このフォーマットは、要素(Element)IDフィールド、長さ(Length)フィールド、OUI(Organization Unique Identifier）フィールド、及びベンダースペシフィックコンテント(Vendor Specific Content)フィールドを備えている。このベンダースペシフィックコンテントフィールドにマルチキャストアドレス(Multicast Address)と、マルチキャスト転送の開始時間(Start Time)と終了時間(End Time)を設定する。ここで設定するマルチキャストアドレスを使用したマルチキャスト転送を上記開始時間と終了時間の間で行うことを示す。

〈マルチキャスト転送〉
図４は本実施形態に係る無線通信システムにおいて、ACKフレームによるフレーム受信確認を行うマルチキャスト転送の一例のタイミング図である。

マルチキャストフレームの送信局である無線通信装置１は、マルチキャストフレームを送信する前に図３に示すIEを含めたビーコンフレーム101を送信することで、マルチキャストグループを構成している受信局である無線通信装置２，３，４に対して、マルチキャストフレームを受信したときにACKフレームを送信するように通知する。

本実施形態に係る無線通信システムでは、無線通信装置１，２，３，４が無線LANのアドホックモードで動作し、CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)プロトコルを使用して通信を行う。

CSMA/CAプロトコルでは、無線通信装置は送信すべきパケットが発生すると、キャリアセンスによって無線チャンネルの状態を調べる。キャリアセンスした際、無線チャンネルが使用状態（ビジー状態）であれば、無線チャンネルが空き状態（アイドル状態）になるまで待ち、空き状態になってからDIFS(Distributed Inter Frame Space)の時間空き状態が続いた後、バックオフ時間TBの計時動作に入る。そして、バックオフ時間TBの経過後、パケットを送信する。バックオフ時間TB中に無線チャンネルが使用状態になるとバックオフ時間TBの計時動作を一旦停止し、無線チャンネルの空き状態を再び検出してDIFSの時間空き状態が続いた後に、バックオフ時間TBの計時動作を再開する。バックオフ時間TBはランダムな値に設定される。

図１における無線通信装置１，２，３，４はTBTTがスタートすると、それぞれが上述した手順でキャリアセンスを行い、キャリアが検知されないときにビーコンフレームを送信する。図４では無線通信装置１，２，３，４の順番で、それぞれビーコンフレーム101,102,103,104を送信している。

送信局である無線通信装置１は、他の無線通信装置２，３，４からのビーコンフレーム102,103,104の送信が終了すると、所定のタイミングでマルチキャストフレーム111を送信する。マルチキャストフレーム111におけるMACヘッダの存続時間（Duration）値は無線通信装置２，３，４が全てACKフレームを送信するまでの時間になる。

受信局である無線通信装置２，３，４はマルチキャストフレーム111を受信すると、SIFS(Short Inter Frame Space)間隔で、それぞれACKフレーム121,122,123を送信する。ACKフレームを送信する順番はビーコンフレームを送信した順番と同じであり、無線通信装置２，３，４の順番になる。ここで、各無線通信装置はTBTTがスタートした後、自分がビーコンフレームを送信した時刻を示す情報、及びその前後に他の無線通信装置から送信されたビーコンフレームを受信した時刻を示す情報をRAM13で保持しているので、CPU11はそれらの時刻情報を基に自装置がビーコンフレームを送信した順番を示す情報を取得することが出来る。

〈フレーム再送〉
次にマルチキャストフレームの再送方法について説明する。図５は本実施形態に係る無線通信システムにおけるマルチキャストフレームの再送方法の一例のタイミング図である。この図において、図４と同一又は対応する構成要素には図４と同じ参照符号が付されている。

１回目のマルチキャスト転送では、無線通信装置１は無線通信装置２，３，４の中で無線通信装置２からのACKフレーム121のみ受信できているので、無線通信装置３，４への送信は失敗したと判断する。

複数の無線通信装置３，４に再送する必要があるので、MACヘッダのリトライ(RETRY)ビットを１に設定してマルチキャストフレーム111を再送している。この２回目のマルチキャスト転送では、無線通信装置１は無線通信装置２，４からのACKフレーム121,123を受信できているが、無線通信装置２からのACKフレーム121は１回目のマルチキャスト転送時に受信済みなので今回は無視する。

しかし、今回も無線通信装置３からのACKフレームを受信できなかったので、無線通信装置３に再送する必要があると判断する。次回は無線通信装置３のみに再送するので、無線通信装置１は無線通信装置３宛にユニキャストフレーム112を送信する。

この３回目の転送では、無線通信装置１は無線通信装置３からのACKフレーム122を受信できているので、一連のマルチキャスト転送を終了する。再送回数については送信フレームのライフタイムが終了するまで、または指定回数に到達するまでなど様々な設定が可能である。

〈スリープ状態になっている無線通信装置があるときのマルチキャスト転送〉
図６は本実施形態に係る無線通信システムにおいて、マルチキャスト転送が開始する前にマルチキャストグループ中の無線通信装置がスリープ状態になる場合のマルチキャスト転送の一例のタイミング図である。この図において、図４と同一又は対応する構成要素には図４と同じ参照符号が付されている。

図示のように、無線通信装置１，２，３，４はこの順番でそれぞれビーコンフレーム101,102,103,104を送信する。図４を用いて説明したように、無線通信装置１はビーコンフレーム101を送信することで、無線通信装置２，３，４に対して、マルチキャストフレームを受信したときにACKフレームを送信するように通知する。また、無線通信装置３は、無線通信装置１がマルチキャストフレーム111を送信する前にスリープ状態になるため、そのことをビーコンフレーム103により無線通信装置１，２，４に通知する。

マルチキャストフレーム111を受信した無線通信装置２，４は、それぞれACKフレーム121,123をSIFS間隔で送信する。このとき、無線通信装置４がACKフレーム123を送信する本来の順番はビーコンフレームの送信順と同じであり、無線通信装置３の次である。しかし無線通信装置３は無線通信装置１がマルチキャストフレーム111を送信する前にスリープ状態になっており、当然、ACKフレームを送信しない。そこで、無線通信装置４は無線通信装置３の順番を飛ばしてACKフレーム123を送信する。

以上詳細に説明したように、本発明の第１の実施形態に係る無線通信システムによれば、受信側の無線通信装置はマルチキャストフレームを受信した後、直ちにSIFS間隔でビーコンフレームを送信した順にACKフレームを送信するので、マルチキャストフレームに対するACKフレームを送信するタイミングなどを予め決めておく従来方法と比べると、送信側の無線通信装置はマルチキャストフレームの送信が成功したか否かを早急に確認し、マルチキャスト送信を完了することが出来る。
また、マルチキャストフレームを受信した無線通信装置に対してACKフレームを送信することをビーコンフレームにより要求するので、無線通信ネットワークのスループットを低下させることなく、ACKフレームを送信することを送信側の無線通信装置が受信側の無線通信装置に要求することが出来る。

［第２の実施形態］
次に本発明の第２の実施形態に係る無線通信システムについて説明する。本実施形態に係る無線通信システムの構成、及び無線通信装置のブロック構成は第１の実施形態（図１、図２）と同じであり、無線LANではなくUWB(Ultra Wide Band)通信を用いることが主な相違点である。よって、本実施形態に関する説明は、主としてこの相違点について行う。

〈ビーコンフレームのフォーマット〉
図７は本実施形態における無線通信装置１がビーコンフレームに設定する独自IEのフォーマットの一例を示す図である。このビーコンフレームはマルチキャストフレームを送信する前に送信される。なお、このフォーマットはそれぞれの１例であり、同様の機能を実現するフォーマットであれば形式は問わない。

このフォーマットは、WiMedia-MAC、もしくはECMA規格に従い無線通信を行う場合に使用するASIE(Application Specific Information Element)である。ここで、WiMedia-MACとはWiMedia Allianceが規格化したMACプロトコルであり、ECMA(European Computer Manufacturer Association)規格とはECMA InternationalがWiMedia Allianceと共同で規格化したWiMedia-MACを基に機能拡張したMACプロトコルである。

また、このフォーマットは、要素(Element)IDフィールド、長さ(Length)フィールド、指定子（Specifier）IDフィールド、及びアプリケーションスペシフィックデータ(Application Specific Data)フィールドを備えている。このアプリケーションスペシフィックデータフィールドにマルチキャストアドレス(Multicast Address)とゾーンビットマップ(Zone Bitmap)値、MAS(Media Access Slot)ビットマップ(MAS Bitmap)値の組み合わせを複数設定できるようにしている。ここで設定するマルチキャストアドレスを使用したマルチキャスト転送をゾーンビットマップ値、MASビットマップ値で指定したタイムスロットで行うことを示す。

〈マルチキャスト転送〉
図８は本発明の第２の実施形態に係る無線通信システムにおいて、ACKフレームによるフレーム受信確認を行うマルチキャスト転送の一例のタイミング図である。

WiMedia-MACでは、所定の期間を１つのスーパーフレーム期間とし、その期間内にビーコン期間と、ビーコン期間に続くデータ転送期間とを設けている。無線通信ネットワークに参加している各無線通信装置には、ビーコン期間及びデータ転送期間にタイムスロットが割り当てられ、ビーコンフレーム及びデータフレームを送信することが出来る。タイムスロットの割り当ては、例えば無線通信ネットワークに最初に参加した無線通信装置が行う。本実施形態では送信局である無線通信装置１が行うものとした。

本実施形態は、マルチキャストフレームの送信局である無線通信装置１は、マルチキャストフレームを送信する前に図７に示すIEを含めたビーコンフレームを送信することで、マルチキャストグループを構成している受信局である無線通信装置２，３，４に対して、マルチキャストフレームを受信したときにACKフレームを送信するように通知する。

図８に示すように、無線通信装置１，２，３，４は、スーパーフレームの開始を示すBPST(Beacon Period Start Time:ビーコン期間開始時刻)になると、それぞれビーコンスロット#1,#2,#4,#3でビーコンフレームを送信し、無線通信装置１はビーコンフレームで指定したタイムスロット期間（マルチキャストフレーム転送予約期間）でマルチキャストフレームを送信する。

図９はマルチキャストフレームとACKフレームとの関係の一例のタイミング図である。図示のように、無線通信装置１はマルチキャストフレーム211を送信し、それを受信した無線通信装置２，３，４は使用しているビーコンスロット番号が小さい順番、即ち無線通信装置２，４，３の順にSIFS間隔でACKフレーム221,223,222を送信している。

以上詳細に説明したように、本発明の第２の実施形態に係る無線通信システムによれば、第１の実施形態に係る無線通信システムと同様に、受信側の無線通信装置はマルチキャストフレームを受信した後、直ちにSIFS間隔でビーコンフレームを送信した順にACKフレームを送信するので、マルチキャストフレームに対するACKフレームを送信するタイミングなどを予め決めておく従来方法と比べると、送信側の無線通信装置はマルチキャストフレームの送信が成功したか否かを早急に確認し、マルチキャスト送信を完了することが出来る。
また、マルチキャストフレームを受信した無線通信装置に対してACKフレームを送信することをビーコンフレームにより要求するので、無線通信ネットワークのスループットを低下させることなく、ACKフレームを送信することを送信側の無線通信装置が受信側の無線通信装置に要求することが出来る。

なお、以上の説明では、第１の実施形態をIEEE802.11規格により定められる無線LANにより通信を行う無線通信システムとし、第２の実施形態をWiMedia-MACにより通信を行う無線通信システムとしたが、本発明は、これらの双方を兼備し、手動あるいは自動で切り換え可能な無線通信システムに適用することも可能である。

１，２，３，４…無線通信装置、11…CPU、13…RAM、14…無線通信処理部、14a…MAC部、14b…信号処理部、14c…RF部、14e…タイマー、101,102,103,104…ビーコンフレーム、111,211…マルチキャストフレーム、112…ユニキャストフレーム、121,122,123,221,222,223…ACKフレーム。

特許第４１５２８８０号公報特開２００８−１７３０６号公報

Claims

第一の無線通信装置が複数の第二の無線通信装置にマルチキャストフレームを送信可能な無線通信システムであって、
各無線通信装置は、ビーコンフレームを送信するビーコンフレーム送信手段と、ビーコンフレームを送信した順番を示す情報を取得するビーコンフレーム送信順番情報取得手段と、を備え、
第二の無線通信装置は、第一の無線通信装置から送信されたマルチキャストフレームを受信した場合、当該マルチキャストフレームの前に第一の無線通信装置から送信されたビーコンフレームにより要求された確認応答フレームをビーコンフレーム送信順番情報取得手段により取得された順番で送信する確認応答フレーム送信手段を備え、
第一の無線通信装置は、複数の第二の無線通信装置からの確認応答フレームを受信できなかった場合、マルチキャストフレームを再送し、一つの第二の無線通信装置からの確認応答フレームを受信できなかった場合、当該一つの第二の無線通信装置宛にユニキャストフレームを送信するフレーム再送手段を備え、
スリープ状態になる第二の無線通信装置は、ビーコンフレームにより第一の無線通信装置及び第二の無線通信装置に対して自分がスリープ状態になることを通知し、
スリープ状態になることを通知された第二の無線通信装置は、スリープ状態になる第二の無線通信装置の順番を飛ばして確認応答フレームを送信する無線通信システム。
請求項１に記載された無線通信システムにおいて、
ビーコンフレーム送信手段は、ランダムなタイミングでビーコンフレームを送信する無線通信システム。
請求項１に記載された無線通信システムにおいて、
各無線通信装置は、ビーコンフレームを送信する順番を決定する手段を備えた無線通信システム。
第一の無線通信装置が複数の第二の無線通信装置にマルチキャストフレームを送信する無線通信方法であって、
各無線通信装置がビーコンフレームを送信するビーコンフレーム送信工程と、
各無線通信装置がビーコンフレームを送信した順番を示す情報を取得するビーコンフレーム送信順番情報取得工程と、
第二の無線通信装置が、第一の無線通信装置から送信されたマルチキャストフレームを受信した場合、当該マルチキャストフレームの前に第一の無線通信装置から送信されたビーコンフレームにより要求された確認応答フレームをビーコンフレーム送信順番情報取得工程で取得された順番で送信する確認応答フレーム送信工程と、
第一の無線通信装置が、複数の第二の無線通信装置からの確認応答フレームを受信できなかった場合、マルチキャストフレームを再送し、一つの第二の無線通信装置からの確認応答フレームを受信できなかった場合、当該一つの第二の無線通信装置宛にユニキャストフレームを送信するフレーム再送工程と、
を備え、
スリープ状態になる第二の無線通信装置は、ビーコンフレームにより第一の無線通信装置及び第二の無線通信装置に対して自分がスリープ状態になることを通知し、
スリープ状態になることを通知された第二の無線通信装置は、スリープ状態になる第二の無線通信装置の順番を飛ばして確認応答フレームを送信する無線通信方法。
請求項４に記載された無線通信方法において、
ビーコンフレーム送信工程は、ランダムなタイミングでビーコンフレームを送信する無線通信方法。
請求項４に記載された無線通信方法において、
一つの無線通信装置がビーコンフレームを送信する順番を決定する工程を備えた無線通信方法。
請求項４乃至６のいずれか１項に記載された無線通信方法を無線通信装置に実行させるためのプログラム。