JP7267581B2

JP7267581B2 - 無線通信システム、及び無線通信方法

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Publication number: JP7267581B2
Application number: JP2019051083A
Authority: JP
Inventors: 史秀児島
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: JP2020155864A

Description

本発明は、収集制御局と、収集制御局を根として２以上に亘り配置されたノードと、を含む複数のデバイス間におけるデータの送受信を行うツリー型ネットワークにおける無線通信システム、及び無線通信方法に関するものである。

近年、ワイヤレスネットワークにおいて、小型で安価であり、かつ低出力のデジタル無線通信を行うことのできる、IEEE802.15.4の規格に準拠する通信デバイスが用いられている。IEEE802.15.4の規格に準拠するネットワークでは、例えば図６に示すように、収集制御局であるＣＳ（Collection station）７１と、１つ以上のノード７２（図６ではノード７２－１～７２－４）とを含む複数のデバイスにより構成されたツリー型のトポロジが採用されている。ツリー型トポロジでは、より下位のノード７２が、より上位のノード７２やＣＳ７１に向けて、必要に応じてデータを伝送することが行われている（例えば特許文献１、非特許文献１参照）。

図７は、下位のノード７２－３、７２－４からのデータをＣＳ７１へ送信する場合におけるタイムチャートの例を示している。ＣＳ７１及び各ノード７２は、それぞれ基本間隔Ｔ（単位：時間ｔ）内においてアクティブ期間（通信期間Ｔ１（単位：時間ｔ））と、スリープ期間Ｔ２（単位：時間ｔ）とを含むスーパーフレームが割り当てられている。通信期間Ｔ１においては、無線通信を行うことが可能となり、スリープ期間Ｔ２においては、受信側がスリープ状態に移行することで、無線通信を行うことができなくなる。あえて基本間隔Ｔ内においてスリープ期間Ｔ２を設けることにより消費電力を節減することができ、ひいてはシステム全体の使用電力を抑えること可能となる。

例えばノード７２－３からＣＳ７１に向けてデータを送信する場合には、ノード７２－３からノード７２－１を介してＣＳ７１に送信される経路となる。かかる場合には、ノード７２－３とこれよりも上位にあるノード７２－１との間では、上位のノード７２－１がマスター、下位のノード７２－３がスレーブの関係となる。同様に、ノード７２－１とＣＳ７１との間では、上位のノードとしてのＣＳ７１がマスター、下位のノード７２－１がスレーブの関係となる。このようなマスターとスレーブとの関係において、より上位のマスターが基本間隔Ｔにおける通信期間Ｔ１のタイミングを決定し、より下位のスレーブが、このマスター側において決定された通信期間Ｔ１のタイミングに合わせてデータＤ８１～Ｄ８３を送信する。

このような規則の下で、図７において先ずノード７２－３は、タイミングｔ９１において生成したデータＤ８１を、タイミングｔ９２において開始するマスターとしてのノード７２－１の通信期間Ｔ１に合わせて送信する。このデータＤ８１を受信したノード７２－１は、タイミングｔ９３において開始するマスターとしてのＣＳ７１の通信期間Ｔ１に合わせて当該データＤ８１を送信する。これによりＣＳ７１は、このデータＤ８１を自ら設定した通信期間Ｔ１内において受信することが可能となる。

同様に、ノード７２－４からＣＳ７１に向けてデータを送信する場合には、ノード７２－４からノード７２－１を中継させてＣＳ７１の経路となる。ノード７２－４は、タイミングｔ９４において生成したデータＤ８２を、タイミングｔ９５において開始するマスターとしてのノード７２－１の通信期間Ｔ１に合わせて送信する。このデータＤ８２を受信したノード７２－１は、タイミングｔ９６において開始するマスターとしてのＣＳ７１の通信期間Ｔ１に合わせて当該データＤ８２を送信する。これによりＣＳ７１は、このデータＤ８２を自ら設定した通信期間Ｔ１内において受信することが可能となる。

ＣＳ７１は、上述した無線通信の処理動作方法に基づいて、ツリー型ネットワークにおける各ノード７２からのデータを全て収集することが可能となる。

上記のような無線通信技術は、ＩｏＴ時代において様々な分野で注目を集めている。例えば農業分野では、上記技術を用いることで、水管理業務の効率向上等が期待されている。農場等の広大なサービスエリアを確保するために、例えばＳＵＮ（Smart Utility Network）システムで活用されている無線電波を多段中継するマルチホップ通信等が、本分野への適用形態として重要な技術の１つとして挙げられる。

ＳＵＮは、ガス、水道、電気メータ等の検針データの収集を、それぞれのメータに取り付けられた無線機による無線通信を介して、効率的に行う技術である。例えば戸建て、又は集合住宅の各戸に上記無線通信型のメータが取り付けられ、それぞれの無線機から送信された検針データが、ＳＵＮサービスエリア内で収集制御局（ＣＳ７１）に集約される。

ＳＵＮの効用として、例えば従来の検針作業コストの軽減が考えられるが、自動化によって取りこぼしのない確実な検針プロセスが遂行されること、治安上の改善効果をもたらすこと等の効果も注目されている。さらには、ＳＵＮを双方向通信インフラとして活用することにより、消費量マネージメント等の付加的サービスを含む、より汎用的なネットワークマネジメントを支える手段として機能することも期待されている。

特開２０１８－７８３５６号公報

F. Kojima and H. Harada, "Superframe Division Multi-Hop Data Collection with Aggregation on Wi-SUN Profile for ECHONET Lite," Conf. Rec. 2014 IEEE Wireless Communications and Networking Conference Workshops, pp. 116-121

ここで、上述した特許文献１及び非特許文献１を含む従来のツリー型トポロジでは、マルチホップ通信網内で同一の通信方式（例えば周波数チャネル等）を用いる。このため、各ノード７２間で送受信される各データの衝突が懸念として挙げられている。

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、ノード間で送受信される各データの衝突を防ぐことができる無線通信システム、及び無線通信方法を提供することにある。

本発明者らは、上述した問題点を解決するために、収集制御局と、収集制御局を根として２以上に亘り配置されたノードと、を含む複数のデバイス間におけるデータの送受信を行うツリー型ネットワークにおける無線通信システム、及び無線通信方法を開発した。無線通信システムは、第１設定手段と、第２設定手段と、第１送受信手段と、第２送受信手段とを備えることを特徴とする。第１設定手段は、複数のデバイスに含まれる第１デバイス及び第２デバイスの間における通信のタイミングに関する第１スーパーフレーム、及びデータの第１通信方式を、第１デバイスの上位に配置された第２デバイスが設定する。第２設定手段は、第１設定手段のあと、第１通信方式に基づき、第１デバイス、及び複数のデバイスに含まれる第３デバイスの間における通信のタイミングに関する第２スーパーフレーム、及び第１通信方式とは異なる第２通信方式を、第３デバイスの上位に配置された第１デバイスが設定する。第１送受信手段は、第１デバイス及び第２デバイスが、第１通信方式を介して、データを送受信する。第２送受信手段は、第１デバイス及び第３デバイスが、第１通信方式とは異なる第２通信方式を介して、データを送受信する。第１設定手段は、第１デバイスから受信した接続の要求に関する第１接続情報に基づき、第１スーパーフレーム及び第１通信方式を設定する。第２設定手段は、第３デバイスから受信した接続の要求に関する第２接続情報に基づき、第２スーパーフレーム及び第２通信方式を設定する。

請求項１に記載の無線通信システムは、収集制御局と、前記収集制御局を根として２以上に亘り配置されたノードと、を含む複数のデバイス間におけるデータの送受信を行うツリー型ネットワークにおける無線通信システムであって、複数の前記デバイスに含まれる第１デバイス及び第２デバイスの間における通信のタイミングに関する第１スーパーフレーム、及び前記データの第１通信方式を、前記第１デバイスの上位に配置された前記第２デバイスが設定する第１設定手段と、前記第１設定手段のあと、前記第１通信方式に基づき、前記第１デバイス、及び複数の前記デバイスに含まれる第３デバイスの間における通信のタイミングに関する第２スーパーフレーム、及び前記第１通信方式とは異なる第２通信方式を、前記第３デバイスの上位に配置された前記第１デバイスが設定する第２設定手段と、前記第１デバイス及び前記第２デバイスが、第１通信方式を介して、前記データを送受信する第１送受信手段と、前記第１デバイス及び前記第３デバイスが、前記第２通信方式を介して、前記データを送受信する第２送受信手段と、を備え、前記第１設定手段は、前記第１デバイスから受信した接続の要求に関する第１接続情報に基づき、前記第１スーパーフレーム及び前記第１通信方式を設定し、前記第２設定手段は、前記第３デバイスから受信した接続の要求に関する第２接続情報に基づき、前記第２スーパーフレーム及び前記第２通信方式を設定することを特徴とする。

請求項２に記載の無線通信システムは、請求項１記載の発明において、前記第１スーパーフレームは、前記第１デバイス及び前記第２デバイスの間における前記データの送受信を実行できる第１通信期間を有し、前記第２スーパーフレームは、前記第１デバイス及び前記第３デバイスの間における前記データの送受信を実行できる第２通信期間を有し、前記第２通信期間は、前記第１通信期間と離間する期間を示すことを特徴とする。

請求項３に記載の無線通信システムは、請求項１又は請求項２記載の発明において、前記第３デバイスから受信したデータに基づき、前記第１デバイスが、前記第２通信方式を、前記第２通信方式とは異なる第３通信方式に変更する変更手段をさらに備えることを特徴とする。

請求項４に記載の無線通信システムは、請求項３記載の発明において、前記変更手段は、前記第１デバイスよりも上位の前記デバイスにより設定された１つ以上の通信方式のうち１つが、前記第２通信方式に変更されたとき、前記第１デバイス及び前記第３デバイスの間における通信に設定された前記第２通信方式を、前記第１デバイスが前記第３通信方式に変更することを特徴とする。

請求項５に記載の無線通信システムは、請求項１～請求項４の何れかに記載の発明において、前記第２設定手段のあと、前記第１通信方式及び前記第２通信方式のうち１つ以上に基づき、前記第３デバイス、及び複数の前記デバイスに含まれる第４デバイスの間における通信のタイミングに関する第３スーパーフレーム、並びに、前記第１通信方式及び前記第２通信方式のうち１つ以上とは異なる第４通信方式を、前記第４デバイスの上位に配置された前記第３デバイスが設定する第３設定手段と、前記第３デバイス及び前記第４デバイスが、前記第４通信方式を介して、前記データを送受信する第３送受信手段と、をさらに備えることを特徴とする。

請求項６に記載の無線通信方法は、収集制御局と、前記収集制御局を根として２以上に亘り配置されたノードと、を含む複数のデバイス間におけるデータの送受信を行うツリー型ネットワークにおける無線通信方法であって、複数の前記デバイスに含まれる第１デバイス及び第２デバイスの間における通信のタイミングに関する第１スーパーフレーム、及び前記データの第１通信方式を、前記第１デバイスの上位に配置された前記第２デバイスが設定する第１設定ステップと、前記第１設定ステップのあと、前記第１通信方式に基づき、前記第１デバイス、及び複数の前記デバイスに含まれる第３デバイスの間における通信のタイミングに関する第２スーパーフレーム、及び前記第１通信方式とは異なる第２通信方式を、前記第３デバイスの上位に配置された前記第１デバイスが設定する第２設定ステップと、前記第１デバイス及び前記第２デバイスが、前記第１通信方式を介して、前記データを送受信する第１送受信ステップと、前記第１デバイス及び前記第３デバイスが、前記第２通信方式を介して、前記データを送受信する第２送受信ステップと、を備え、前記第１設定ステップは、前記第１デバイスから受信した接続の要求に関する第１接続情報に基づき、前記第１スーパーフレーム及び前記第１通信方式を設定し、前記第２設定ステップは、前記第３デバイスから受信した接続の要求に関する第２接続情報に基づき、前記第２スーパーフレーム及び前記第２通信方式を設定することを特徴とする。

第１発明～第５発明によれば、第１送受信手段は、第１デバイス及び第２デバイスが、第１通信方式を介して、データを送受信する。また、第２送受信手段は、第１デバイス及び第３デバイスが、第２通信方式を介して、データを送信する。このため、異なる通信方式を介して、各デバイス間においてデータを送受信することができる。これにより、ノード間で送受信される各データの衝突を防ぐことが可能となる。

また、第１発明～第５発明によれば、第２設定手段は、第１設定手段のあと、第２スーパーフレーム、及び第２通信方式を、第３デバイスの上位に配置された第１デバイスが設定する。このため、第１デバイスは、第１設定手段で設定された第１通信方式との衝突を考慮して、第２通信方式を設定することができる。これにより、各データの衝突を防ぐための通信方式を、容易に設定することが可能となる。

特に、第２発明によれば、第２通信期間は、第１通信期間と離間する期間を示す。このため、第１デバイスは、各通信方式を介して送受信される各データを、異なるタイミングで送受信することができる。これにより、通信に用いるノードの数の増加や、ノードに新たな機能を付与させることなく、ノード間で送受信される各データの衝突を防ぐことが可能となる。

特に、第３発明によれば、変更手段は、第２通信方式を、第３通信方式に変更する。このため、第１デバイス及び第３デバイス間の通信環境が変更した場合や、第３デバイスと送受信するデータの種類が変更した場合等に応じて、通信方式を変更することができる。これにより、外部環境の変化等が発生した場合においても、ノード間で送受信される各データの衝突を継続して防ぐことが可能となる。

特に、第４発明によれば、変更手段は、第１デバイスよりも上位のデバイスにより設定された１つ以上の通信方式のうち１つが、第２通信方式に変更されたときに実行される。このため、上位側のデバイスに設定された通信方式が、下位デバイスに対して設定した通信方式と同様の方式に変更された場合においても、下位デバイスに対して設定した通信方式を円滑に変更することができる。これにより、通信方式の変更に伴う各データの衝突を、容易に防ぐことが可能となる。

特に、第５発明によれば、第３設定手段は、第１通信方式及び第２通信方式に基づき、第４通信方式を第３デバイスが設定する。このため、第３デバイスは、直接設定された第２通信方式を考慮して第４通信方式を設定するほか、直接設定されていない上位側の第１通信方式についても考慮した上で、第４通信方式を設定することもできる。これにより、各デバイスの接続される階層が増加した場合においても、各データの衝突を防ぐことが可能となる。

第６発明によれば、第１送受信ステップは、第１デバイス及び第２デバイスが、第１通信方式を介して、データを送受信する。また、第２送受信ステップは、第１デバイス及び第３デバイスが、第２通信方式を介して、データを送信する。このため、異なる通信方式を介して、各デバイス間においてデータを送受信することができる。これにより、ノード間で送受信される各データの衝突を防ぐことが可能となる。

また、第６発明によれば、第２設定ステップは、第１設定ステップのあと、第２スーパーフレーム、及び第２通信方式を、第３デバイスの上位に配置された第１デバイスが設定する。このため、第１デバイスは、第１設定ステップで設定された第１通信方式との衝突を考慮して、第２通信方式を設定することができる。これにより、各データの衝突を防ぐための通信方式を、容易に設定することが可能となる。

図１は、本発明が適用される無線通信システムの例を示す模式図である。図２は、１つのノードを被制御端末として割り当てた場合における制御支援端末の特定例を示す図である。図３（ａ）は、デバイス間におけるデータの送受信時の一例を示すタイムチャートであり、図３（ｂ）は、ノードの通信状態の一例を示すタイムチャートである。図４（ａ）は、デバイス間におけるデータの送受信時の他の例を示すタイムチャートであり、図４（ｂ）は、ノードの通信状態の他の例を示すタイムチャートである。図５は、本発明が適用される無線通信システムの動作の一例を示すタイミングチャートである。図６は、IEEE802.15.4の規格に準拠するネットワークの一例を示す図である。図７は、従来技術について説明するための図である。

（実施形態：無線通信システム）
以下、本発明の実施形態としての無線通信システム１について詳細に説明する。図１は、本実施形態の無線通信システム１の例を示す模式図である。無線通信システム１は、収集制御局（Collection Station：以下ＣＳという。）２と、ＣＳ２を根として２以上に亘り配置された無線端末のノード３（３－１、３－２、・・・３－ｎ（ｎは整数））とを含む複数のデバイス２、３を備え、いわゆるツリー型のトポロジ（ツリー型ネットワーク）が採用されている。この無線通信システム１では、より下位のノード３が、より上位のノード３やＣＳ２に向けて上りデータ通信を行う。また無線通信システム１では、より上位のノード３やＣＳ２が、より下位のノード３に向けて下りデータ通信する。

ＣＳ２は、最上位のマスターデバイスであり、各ノード３から上りデータ通信により送信されてくるデータを収集する。また、ＣＳ２は、この無線通信システム１全体を制御するための中央制御部としての役割も担い、ある特定のノード３に対して制御系のデータを下りデータ通信する。

ノード３は、データの発信や中継等を始めとしたデータの送受信を行うことが可能なデバイスの総称であり、例えばIEEE802.15.4の規格に準拠する通信デバイスである。ノード３は、所定のデータをセンシングし、取得したデータを無線により送信するセンサとして具現化されるほか、例えば携帯電話、スマートフォン、タブレット型端末、ウェアラブル端末、ノート型のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等のような無線通信が可能な端末装置として具現化されてもよい。またこのノード３はアクチュエータのような制御系を含むものでもよい。

本実施形態の無線通信システム１では、例えば屋外農業無線網等のシステムとして用いられる。かかる場合には、バルブを停止する制御を行ったり、農業用ロボットの制御を行ったり、ガスを停止するための制御を行うことを可能とするデバイスとして具現化される。ノード３が制御系を含むアクチュエータ等として具現化されるものであれば、ＣＳ２から他のノード３を介して下りデータ通信されてくる制御用のデータに基づき、各種制御動作を実行していくこととなる。

本実施形態の無線通信システム１は、例えば図１に示すように、ＣＳ２の下位（下位リンク）として複数のノード３（図１ではノード３－１、３－２、３－３、３－４、３－５、３－６）が配置される。なお、ＣＳ２の下位に配置されるノード３は、ＣＳ２にデータを収集させるものであれば、いかなる枝分かれのパターンで構成されるツリー構造とされてもよく、また１以上のいかなる数のノード３が配置されてもよい。

本実施形態の無線通信システム１では、例えばＣＳ２及び被制御端末、並びにこれらの経路上に配置された全てのノード３を制御支援端末として特定してもよい。図２に示す例では、ノード３－４を被制御端末として割り当てた場合、ＣＳ２、ノード３－１、ノード３－４を制御支援端末として特定されることとなる。

図３は、各デバイス２、３間におけるデータＤの送受信時の一例を示し、図３（ａ）は、ノード３－３からノード３－１を中継させてＣＳ２へデータＤを送信する一例を示すタイムチャートであり、図３（ｂ）は、ノード３－１の通信状態の一例を示すタイムチャートである。なお、例えばＣＳ２からノード３－１を中継させてノード３－３へデータＤを送信する場合、基本的な動作は図３（ａ）及び下記説明と同様のため、説明を省略する。

例えばノード３－３からＣＳ２に向けてデータＤを送信する場合には、ノード３－３とノード３－１との間では、上位のノード３－１がマスター、下位のノード３－３がスレーブの関係となる。同様に、ノード３－１とＣＳ２との間では、上位のＣＳ２がマスター、下位のノード３－１がスレーブの関係となる。

このようなマスターとスレーブとの関係において、より上位のマスターが、マスター及びスレーブ間における通信のタイミングに関するスーパーフレームＳＦを設定する。即ち、スーパーフレームＳＦは、上位のデバイス２、３により生成され、下位のデバイス３との通信接続を確立する際に設定される。

スーパーフレームＳＦは、基本間隔Ｔと、通信期間Ｔ１とを有し、公知の構成を示す。このため、スレーブがマスター側において割り当てられた通信期間Ｔ１のタイミングに合わせて、データＤを送信することとなる。

図３（ａ）に示すように、ＣＳ２及びノード３－１の間には、第１スーパーフレームＳＦ１が設定され、ノード３－１及びノード３－３の間には、第２スーパーフレームＳＦ２が設定される。

第１スーパーフレームＳＦ１は、第１基本間隔Ｔｃｓと、第１通信期間Ｔ１ｃｓとを有する。第１スーパーフレームＳＦ１は、ＣＳ２により生成され、ＣＳ２及びノード３－１の間の通信条件として設定される。ＣＳ２及びノード３－１の間の同期方法として、例えば同期信号Ｂｃｓが用いられる。同期信号Ｂｃｓは、ＣＳ２から生成され、ノード３－１に対して周期的に送信される。

第２スーパーフレームＳＦ２は、第２基本間隔Ｔｄ１と、第２通信期間Ｔ１ｄ１とを有する。第２スーパーフレームＳＦ２は、ノード３－１により生成され、ノード３－１及びノード３－３の間の通信条件として設定される。ノード３－１及びノード３－３の間の同期方法として、例えば同期信号Ｂｄ１が用いられる。同期信号Ｂｄ１は、ノード３－１から生成され、ノード３－３に対して周期的に送信される。

図３（ａ）に示したデータ通信の一例では、先ずノード３－３は、タイミングｔ１においてデータＤを生成し、マスターとしてのノード３－１に設定された第２通信期間Ｔ１ｄ１に合わせて、データＤを送信する。その後、データＤを受信したノード３－１は、マスターとしてのＣＳ２に設定された第１通信期間Ｔ１ｃｓに合わせて、データＤを送信する。これにより、ＣＳ２は、第１通信期間Ｔ１ｃｓに基づいて、データＤを受信することが可能となる。

本実施形態の無線通信システム１は、デバイス２、３間における通信毎に、異なる通信方式Ｍを介してデータＤの送受信を行うことができる。例えばＣＳ２及びノード３－１の間において、第１通信方式Ｍ１を介して、データＤが送受信される。また、ノード３－１及びノード３－３の間において、第１通信方式Ｍ１とは異なる第２通信方式Ｍ２を介して、データＤが送受信される。

ＣＳ２は、例えば第１スーパーフレームＳＦ１を設定するタイミングと同時に、第１通信方式Ｍ１を設定する。ノード３－１は、例えば第２スーパーフレームＳＦ２を設定するタイミングと同時に、第２通信方式Ｍ２を設定する。

ノード３－１は、例えば設定された第１通信方式Ｍ１に基づき、第１通信方式Ｍ１に対して障害が発生し難い通信方式Ｍを、第２通信方式Ｍ２として設定することができる。通信方式Ｍは、無線通信で用いられる公知の通信方法を示し、例えばＡＳＫ（Amplitude-Shift Keying）、ＰＳＫ（Phase-Shift Keying）、ＦＳＫ（Frequency Shift-Keying）、及びＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）等の変調方式を含む。通信方式Ｍは、例えば変調時に用いられるチャネル等を示し、例えば周波数チャネル、コードチャネル、時間チャネル、ＰＮ符号（Pseudo Noise）、及び周波数ホッピングパターンの少なくとも何れかを含んでもよい。特に、通信方式Ｍとして周波数チャネルが用いられる場合、通信に影響する雑音を考慮した設定ができるため、他の通信方式を用いる場合に比べて通信環境の向上を図ることが可能となる。第１通信方式Ｍ１及び第２通信方式Ｍ２は、例えば予め設定された基本通信方式Ｍｓに含まれ、ノード３の端末機種、送受信されるデータＤの種類や取得頻度、ノード３の位置、ノード３の通信環境等のようなノード３の通信条件に応じて任意に設定できる。

例えば図３（ｂ）に示すように、ノード３－１の通信状態として、第１通信可能期間Ｔａ、第２通信可能期間Ｔｂ、及びスリープ期間Ｔｓが割り当てられる。第１通信可能期間Ｔａは、ＣＳ２とのデータＤの送受信が可能な期間を示す。第２通信可能期間Ｔｂは、ノード３－３とのデータＤの送受信が可能な期間を示す。

第１通信可能期間Ｔａが割り当てられるタイミングは、第１通信期間Ｔ１ｃｓの開始するタイミングに対応する。第２通信可能期間Ｔｂが割り当てられるタイミングは、第２通信期間Ｔ１ｄ１の開始するタイミングに対応する。

例えば、各通信期間Ｔ１ｃｓ、Ｔ１ｄ１の期間を超えてデータＤの送受信が必要となる場合は、各通信可能期間Ｔａは、各通信期間Ｔ１ｃｓ、Ｔ１ｄ１の期間よりも長くてもよい。この場合、例えば第１通信可能期間Ｔａは第１送受信期間Ｔａｄを有し、第２通信可能期間Ｔｂは第２送受信期間Ｔｂｄを有する。

スリープ期間Ｔｓは、ＣＳ２及びノード３－３とのデータＤの送受信を行わない期間を示す。スリープ期間Ｔｓを設けることで、消費電力を節減することができ、ひいてはシステム全体の使用電力を抑えること可能となる。

本実施形態の無線通信システム１では、１つのデバイス（例えばノード３－１）において、異なる通信方式Ｍ１、Ｍ２を介してデータＤを送受信する際、時間で分割される。即ち、第１通信可能期間Ｔａ及び第２通信可能期間Ｔｂは、時間で分割され、互いに重なる時間を有しない。このため、第２通信期間Ｔ１ｄ１は、第１通信期間Ｔ１ｃｓと離間する期間を示し、ノード３－１及びノード３－３の間の通信が、ノード３－１及びＣＳ２の間の通信とは異なる時間に行われる。このため、ノード３－１は、各通信方式Ｍ１、Ｍ２の切替を行うことで、容易にＣＳ２及びノード３－３のそれぞれとのデータＤの送受信を容易に実現することができる。

なお、例えば図４に示すように、スリープ期間Ｔｓが割り当てられなくてもよい。この場合においても、第２通信期間Ｔ１ｄ１は、第１通信期間Ｔ１ｃｓと離間する期間を示し、ノード３－１及びノード３－３の間の通信が、ノード３－１及びＣＳ２の間の通信とは異なる時間に行われる。このため、ノード３－１は、各通信方式Ｍ１、Ｍ２の切替を行うことで、容易にＣＳ２及びノード３－３のそれぞれとのデータＤの送受信を容易に実現することができる。

（実施形態：無線通信システムの動作）
次に、本実施形態の無線通信システム１における動作の一例について、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態における無線通信システム１におけるタイミングチャートの一例を示す。

本実施形態の無線通信システム１は、第１設定手段Ｓ１０１と、第２設定手段Ｓ１０２と、第１送受信手段Ｓ１１０と、第２送受信手段Ｓ１２０とを備える。

＜第１設定手段Ｓ１０１＞
第１設定手段Ｓ１０１は、例えばノード３－１（第１デバイス）及びＣＳ２（第２デバイス）の間における第１スーパーフレームＳＦ１、及び第１通信方式Ｍ１を、ノード３－１の上位に配置されたＣＳ２が設定する。ＣＳ２は、例えばノード３－１から接続の要求に関する接続情報を受信する。ＣＳ２は、接続情報に基づき、第１スーパーフレームＳＦ１の生成、及び第１通信方式Ｍ１を選択し、第１スーパーフレームＳＦ１及び第１通信方式Ｍ１に関する情報をノード３－１に送信する。これにより、ＣＳ２及びノード３－１の間における通信条件を設定することができる。

＜第１送受信手段Ｓ１１０＞
第１送受信手段Ｓ１１０は、ノード３－１及びＣＳ２が、第１通信方式Ｍ１を介して、データＤを送受信する。ノード３－１及びＣＳ２は、第１スーパーフレームＳＦ１の有する第１通信期間Ｔ１ｃｓ内に、第１通信方式Ｍ１を介してデータＤの送受信を実行する。

＜第２設定手段Ｓ１０２＞
第２設定手段Ｓ１０２は、例えば第１設定手段Ｓ１０１のあと、ＣＳ２が設定した第１通信方式Ｍ１に基づき実行される。第２設定手段Ｓ１０２は、ノード３－１及びノード３－３（第３デバイス）の間における第２スーパーフレームＳＦ２、及び第２通信方式Ｍ２を、ノード３－３の上位に配置されたノード３－１が設定する。ノード３－１は、例えばノード３－３から接続の要求に関する接続情報を受信する。ノード３－１は、接続情報に基づき、第２スーパーフレームＳＦ２の生成、及び第２通信方式Ｍ２を選択し、第２スーパーフレームＳＦ２及び第２通信方式Ｍ２に関する情報をノード３－３に送信する。これにより、ノード３－１及びノード３－３の間における通信条件を設定することができる。

＜第２送受信手段Ｓ１２０＞
第２送受信手段Ｓ１２０は、ノード３－１及びノード３－３が、第２通信方式Ｍ２を介して、データＤを送受信する。ノード３－１及びノード３－３は、第２スーパーフレームＳＦ２の有する第２通信期間Ｔ１ｄ１内に、第２通信方式Ｍ２を介してデータＤの送受信を実行する。

なお、第２通信期間Ｔ１ｄ１は、第１通信期間Ｔ１ｃｓと離間する期間を示し、例えばノード３－１は、各通信方式Ｍ１、Ｍ２を各通信期間Ｔ１ｃｓ、Ｔ１ｄ１毎に切り替えることで、ＣＳ２及びノード３－１とデータＤを送受信する時間を分割することができる。また、例えば各スーパーフレームＳＦ１、ＳＦ２は、例えばスリープ期間Ｔｓを有してもよい。

＜変更手段Ｓ１０３＞
本実施形態の無線通信システム１は、例えば変更手段Ｓ１０３を備えてもよい。変更手段Ｓ１０３は、ノード３－１及びノード３－３の間に用いられる第２通信方式Ｍ２を、第３通信方式Ｍ３に変更する。第３通信方式Ｍ３は、第２通信方式Ｍ２とは異なり、例えば第１通信方式Ｍ１とも異なるように設定してもよい。

ノード３－１は、例えばノード３－３から受信したデータＤや接続情報等に基づき、ノード３－３とのデータＤの送受信に用いる第２通信方式Ｍ２を第３通信方式Ｍ３に変更し、設定する。変更手段Ｓ１０３を実行したあと、例えば第３送受信手段Ｓ１３０として、ノード３－１及びノード３－３は、第３通信方式Ｍ３を介して、データＤの送受信を実行する。なお、変更手段Ｓ１０３では、第２スーパーフレームＳＦ２は変更しなくてもよい。

変更手段Ｓ１０３は、例えばＣＳ２及びノード３－１の間における通信に設定された第１通信方式Ｍ１を、ＣＳ２が第２通信方式Ｍ２に変更したときに実行されてもよい。この場合、例えば第１通信方式Ｍ１から第２通信方式Ｍ２へ変更する情報をノード３－１が取得する。そして、取得した情報に基づいて、ノード３－１及びノード３－３の間における通信に設定された第２通信方式Ｍ２を、ノード３－１が第３通信方式Ｍ３に変更する。

なお、変更手段Ｓ１０３は、例えば特定のデバイス３よりも上位側のデバイス２、３により設定された１つ以上の通信方式Ｍのうち１つが、特定のデバイス３が設定した通信方式Ｍと同様の通信方式Ｍに変更されたときに実行されてもよい。この場合、変更手段Ｓ１０３では、特定のデバイス３及び下位デバイス３の間における通信に設定された通信方式Ｍを、特定のデバイス３が他の通信方式に変更することができる。即ち、変更手段Ｓ１０３は、特定のデバイス３と直接接続されていない上位のデバイス２、３が設定した通信方式Ｍについても考慮することができる。

これにより、本実施形態の無線通信システム１の動作は終了する。なお、上述した各送受信手段Ｓ１１０、Ｓ１２０、Ｓ１３０の実行される回数は、任意である。また、各手段Ｓ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０３において説明した「接続情報」とは、例えば各ノード３の端末機種に関する情報、ノード３が取得するデータＤの種類や取得頻度に関する情報、ノード３の位置情報、ノード３の通信環境に関する情報等のようなノード３の通信条件を含んでもよく、スーパーフレームＳＦ及び通信方式Ｍを設定するために必要な情報を含む。

なお、上述した各設定手段Ｓ１０１、Ｓ１０２と同様に、例えばノード３－３の下位に配置されたノード３（図１のノード３－６：第４デバイス）に対して、設定手段（第３設定手段）を実施してもよい。この場合、第３設定手段は、第２設定手段Ｓ１０２のあと、ＣＳ２及びノード３－１が設定した各通信方式Ｍ１、Ｍ２のうち１つ以上に基づき、ノード３－３及びノード３－６の間におけるスーパーフレームＳＦ（第３スーパーフレーム）、及び通信方式Ｍ（第４通信方式）を、ノード３－６の上位に配置されたノード３－３が設定する。この場合、第４通信方式は、第１通信方式Ｍ１及び第２通信方式Ｍ２のうち１つ以上とは異なる。このため、ノード３－３は、ノード３－１により直接設定された第２通信方式Ｍ２に加え、直接設定されていない上位側の第１通信方式Ｍ１についても考慮した上で、第４通信方式を設定することができる。即ち、本実施形態の無線通信システム１では、ノード３間の通信方式Ｍを設定する際、上位側で設定された１つ以上の通信方式Ｍを考慮して設定することができる。なお、第１通信方式Ｍ１に関する情報は、例えば第２通信方式Ｍ２を介して、ノード３－１からデータＤとして取得する。

上記のほか、例えば第３設定手段では、ノード３－１が設定した第２通信方式Ｍ２のみに基づき、第３スーパーフレーム及び第４通信方式が設定されてもよい。この場合、ノード３－３が第１通信方式Ｍ１に関する情報を取得する必要が無いため、容易に第４通信方式等を設定することができ、第４通信方式を設定する際の自由度を高めることが可能となる。

なお、上述した各設定手段Ｓ１０１、Ｓ１０２のまえに、例えば下位デバイスから上位デバイス（例えばノード３－１からＣＳ２、又はノード３－３からノード３－１）に対する生存確認情報等を送信してもよい。生存確認情報は、例えば下位のデバイスが存在することを上位デバイスに知らせるための情報である。この場合、生存確認情報を取得した上位デバイスから下位デバイス（例えばＣＳ２からノード３－１、又はノード３－１からノード３－３）に対して、同期信号Ｂｃｓ、Ｂｄ１等が送信されてもよい。

本実施形態の無線通信システム１によれば、第１送受信手段Ｓ１１０は、ノード３－１（第１デバイス）及びＣＳ２（第２デバイス）が、第１通信方式Ｍ１を介して、データＤを送受信する。また、第２送受信手段Ｓ１２０は、ノード３－１及びノード３－３（第３デバイス）が、第２通信方式Ｍ２を介して、データＤを送信する。このため、異なる通信方式Ｍ１、Ｍ２を介して、各デバイス２、３間においてデータＤを送受信することができる。これにより、ノード３間で送受信される各データＤの衝突を防ぐことが可能となる。

また、本実施形態の無線通信システム１によれば、第２設定手段Ｓ１０２は、第１設定手段Ｓ１０１のあと、第２スーパーフレームＳＦ２、及び第２通信方式Ｍ２を、ノード３－３の上位に配置されたノード３－１が設定する。このため、ノード３－１は、第１設定手段Ｓ１０１で設定された第１通信方式Ｍ１との衝突を考慮して、第２通信方式Ｍ２を設定することができる。これにより、各データＤの衝突を防ぐための通信方式Ｍを、容易に設定することが可能となる。

また、本実施形態の無線通信システム１によれば、第２通信期間Ｔ１ｄ１は、第１通信期間Ｔ１ｃｓと離間する期間を示す。このため、ノード３－１は、各通信方式Ｍ１、Ｍ２を介して送受信される各データＤを、異なるタイミングで送受信することができる。これにより、通信に用いるノード３の数の増加や、ノード３に新たな機能を付与させることなく、ノード３間で送受信される各データＤの衝突を防ぐことが可能となる。

また、本実施形態の無線通信システム１によれば、変更手段Ｓ１０３は、第２通信方式Ｍ２を、第３通信方式Ｍ３に変更する。このため、ノード３－１及びノード３－３間の通信環境が変更した場合や、ノード３－３と送受信するデータＤの種類が変更した場合等に応じて、通信方式Ｍを変更することができる。これにより、外部環境の変化等が発生した場合においても、ノード３間で送受信される各データＤの衝突を継続して防ぐことが可能となる。

また、本実施形態の無線通信システム１によれば、変更手段Ｓ１０３は、特定のデバイス３（第１デバイス）よりも上位のデバイス２、３により設定された１つ以上の通信方式Ｍのうち１つが、第２通信方式Ｍ２に変更されたときに実行される。このため、上位側のデバイス２、３に設定された通信方式Ｍが、下位デバイス３に対して設定した通信方式Ｍと同様の方式に変更された場合においても、下位デバイス３に対して設定した通信方式Ｍを円滑に変更することができる。これにより、通信方式Ｍの変更に伴う各データＤの衝突を、容易に防ぐことが可能となる。

また、本実施形態の無線通信システム１によれば、第３設定手段は、第１通信方式Ｍ１及び第２通信方式Ｍ２に基づき、第４通信方式をノード３－３が設定する。このため、ノード３－３は、直接設定された第２通信方式Ｍ２を考慮して第４通信方式を設定するほか、直接設定されていない上位側の第１通信方式Ｍ１についても考慮した上で、第４通信方式を設定することもできる。これにより、各デバイス２、３の接続される階層が増加した場合においても、各データＤの衝突を防ぐことが可能となる。

なお、例えば図１に示すように、ＣＳ２の下位に複数のノード（図１ではノード３－１、３－２）が配置される場合、第１設定手段Ｓ１０１において、各ノード３－１、３－２に対して同一の第１スーパーフレームＳＦ１、及び第１通信方式Ｍ１を、ＣＳ２が設定してもよい。

また、上記の場合、第２設定手段Ｓ１０２において、ノード３－２の下位に配置されたノード３－５に対して、各スーパーフレームＳＦ１、ＳＦ２とは異なるスーパーフレームＳＦ、及び各通信方式Ｍ１、Ｍ２とは異なる通信方式Ｍを、ノード３－２が設定してもよいほか、例えば第２スーパーフレームＳＦ２、及び第２通信方式Ｍ２を、ノード３－２が設定してもよい。

上記に加え、第２設定手段Ｓ１０２において、ノード３－１に配置された複数のノード（図１ではノード３－３、３－４）に対して同一の第２スーパーフレームＳＦ２、及び第２通信方式Ｍ２を、ノード３－１が設定してもよい。

上記のように、本実施形態の無線通信システム１では、１つの上位デバイス２、３に対して、複数の下位デバイス３が配置されたツリー型ネットワークにおいて、階層毎に異なる通信方式Ｍを設定できる。このため、例えば階層毎に条件の異なる多重化方式を実現できるほか、階層毎に種類の異なる多重化方式を実現することができ、各データＤの衝突を容易に防ぐことが可能となる。なお、多重化方式として、例えばＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access）、ＦＤＭＡ（Frequency Division Multiple Access）、ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）等が挙げられる。

本実施形態の無線通信方法として、上述した第１設定手段Ｓ１０１と、第２設定手段Ｓ１０２と、第１送受信手段Ｓ１１０と、第２送受信手段Ｓ１２０との代わりに、第１設定ステップと、第２設定ステップと、第１送受信ステップと、第２送受信ステップとを備えることで、上述した内容と同様に、異なる通信方式Ｍ１、Ｍ２を介して、各デバイス２、３間においてデータＤを送受信することができる。これにより、ノード３間で送受信される各データＤの衝突を防ぐことが可能となる。

また、本実施形態の無線通信方法として、上述した各手段Ｓ１０３、Ｓ１３０の代わりに、各ステップを備えることで、上述した効果を得ることもできる。

なお、上述した各デバイス２、３として、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、保存部と、送受信部とを備え、各構成が内部バスに接続される公知の電子機器が用いられてもよい。ＣＰＵは、デバイス２、３における動作や、設定されたスーパーフレームＳＦに基づくデータＤの送受信等を制御する。ＲＯＭは、ＣＰＵの動作コードを格納する。ＲＡＭは、ＣＰＵの動作時に使用される作業領域である。保存部は、データＤ等の各種情報が保存される。保存部として、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）や、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の公知の記憶媒体が用いられる。送受信部は、アンテナ等を介して他のデバイス２、３に対してデータＤを送受信する。各デバイスに２、３より実行される送受信部等の各機能は、ＣＰＵが、ＲＡＭを作業領域として、保存部等に記憶されたプログラムを実行することにより実現することができる。

１：無線通信システム
２、７１：ＣＳ（デバイス）
３、７２：ノード（デバイス）
Ｂｃｓ、Ｂｄ１：同期信号
Ｄ、Ｄ８１、Ｄ８２：データ
Ｓ１０１：第１設定手段
Ｓ１０２：第２設定手段
Ｓ１０３：変更手段
Ｓ１１０：第１送受信手段
Ｓ１２０：第２送受信手段
Ｓ１３０：第３送受信手段
Ｍ：通信方式
ＳＦ：スーパーフレーム
Ｔ：基本間隔
Ｔ１：通信期間
Ｔ２、Ｔｓ：スリープ期間
Ｔａ：第１通信可能期間
Ｔｂ：第２通信可能期間

Claims

収集制御局と、前記収集制御局を根として２以上に亘り配置されたノードと、を含む複数のデバイス間におけるデータの送受信を行うツリー型ネットワークにおける無線通信システムであって、
複数の前記デバイスに含まれる第１デバイス及び第２デバイスの間における通信のタイミングに関する第１スーパーフレーム、及び前記データの第１通信方式を、前記第１デバイスの上位に配置された前記第２デバイスが設定する第１設定手段と、
前記第１設定手段のあと、前記第１通信方式に基づき、前記第１デバイス、及び複数の前記デバイスに含まれる第３デバイスの間における通信のタイミングに関する第２スーパーフレーム、及び前記第１通信方式とは異なる第２通信方式を、前記第３デバイスの上位に配置された前記第１デバイスが設定する第２設定手段と、
前記第１デバイス及び前記第２デバイスが、前記第１通信方式を介して、前記データを送受信する第１送受信手段と、
前記第１デバイス及び前記第３デバイスが、前記第２通信方式を介して、前記データを送受信する第２送受信手段と、
を備え、
前記第１設定手段は、前記第１デバイスから受信した接続の要求に関する第１接続情報に基づき、前記第１スーパーフレーム及び前記第１通信方式を設定し、
前記第２設定手段は、前記第３デバイスから受信した接続の要求に関する第２接続情報に基づき、前記第２スーパーフレーム及び前記第２通信方式を設定すること
を特徴とする無線通信システム。
前記第１スーパーフレームは、前記第１デバイス及び前記第２デバイスの間における前記データの送受信を実行できる第１通信期間を有し、
前記第２スーパーフレームは、前記第１デバイス及び前記第３デバイスの間における前記データの送受信を実行できる第２通信期間を有し、
前記第２通信期間は、前記第１通信期間と離間する期間を示すこと
を特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
前記第３デバイスから受信したデータに基づき、前記第１デバイスが、前記第２通信方式を、前記第２通信方式とは異なる第３通信方式に変更する変更手段をさらに備えること
を特徴とする請求項１又は２記載の無線通信システム。
前記変更手段は、前記第１デバイスよりも上位の前記デバイスにより設定された１つ以上の通信方式のうち１つが、前記第２通信方式に変更されたとき、前記第１デバイス及び前記第３デバイスの間における通信に設定された前記第２通信方式を、前記第１デバイスが前記第３通信方式に変更すること
を特徴とする請求項３記載の無線通信システム。
前記第２設定手段のあと、前記第１通信方式及び前記第２通信方式のうち１つ以上に基づき、前記第３デバイス、及び複数の前記デバイスに含まれる第４デバイスの間における通信のタイミングに関する第３スーパーフレーム、並びに、前記第１通信方式及び前記第２通信方式のうち１つ以上とは異なる第４通信方式を、前記第４デバイスの上位に配置された前記第３デバイスが設定する第３設定手段と、
前記第３デバイス及び前記第４デバイスが、前記第４通信方式を介して、前記データを送受信する第３送受信手段と、
をさらに備えること
を特徴とする請求項１～４の何れか１項記載の無線通信システム。
収集制御局と、前記収集制御局を根として２以上に亘り配置されたノードと、を含む複数のデバイス間におけるデータの送受信を行うツリー型ネットワークにおける無線通信方法であって、
複数の前記デバイスに含まれる第１デバイス及び第２デバイスの間における通信のタイミングに関する第１スーパーフレーム、及び前記データの第１通信方式を、前記第１デバ
イスの上位に配置された前記第２デバイスが設定する第１設定ステップと、
前記第１設定ステップのあと、前記第１通信方式に基づき、前記第１デバイス、及び複数の前記デバイスに含まれる第３デバイスの間における通信のタイミングに関する第２スーパーフレーム、及び前記第１通信方式とは異なる第２通信方式を、前記第３デバイスの上位に配置された前記第１デバイスが設定する第２設定ステップと、
前記第１デバイス及び前記第２デバイスが、前記第１通信方式を介して、前記データを送受信する第１送受信ステップと、
前記第１デバイス及び前記第３デバイスが、前記第２通信方式を介して、前記データを送受信する第２送受信ステップと、
を備え、
前記第１設定ステップは、前記第１デバイスから受信した接続の要求に関する第１接続情報に基づき、前記第１スーパーフレーム及び前記第１通信方式を設定し、
前記第２設定ステップは、前記第３デバイスから受信した接続の要求に関する第２接続情報に基づき、前記第２スーパーフレーム及び前記第２通信方式を設定すること
を特徴とする無線通信方法。