JP7447033B2 - 無線通信装置、通信システム、無線通信方法及びプログラム - Google Patents

無線通信装置、通信システム、無線通信方法及びプログラム Download PDF

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Description

本発明の実施形態は無線通信装置、通信システム、無線通信方法及びプログラムに関する。
省電力性を考慮して時分割通信する無線センサネットワーク技術が従来から知られている。例えば、時分割通信方式で時分割されたスロットのうち、必要最小限の送受信スロットで通信を行いそれ以外スリープする無線センサが従来から知られている。また例えば、より多くのデータ量を伝送する際は、無線センサが、あらかじめ割り当てられたスロットを用いて、より多くのデータ通信を行う技術が従来から知られている。
特開2016―54349号公報 特許第6594365号公報 特許第6113917号公報
しかしながら従来の技術では、より多くのデータをより少ない時間で送受信することが難しかった。
実施形態の無線通信装置は、時分割通信でデータを多段中継するマルチホップネットワークに含まれる無線通信装置である。決定部は、前記無線通信装置にデータを送信する子ノードから受信された識別情報に基づいて追加スロットを決定する。通信処理部は、時分割通信のフレーム情報に基づいて割り当てられた基本スロットと、前記追加スロットと、を使用してデータを送受信する。前記識別情報は、前記マルチホップネットワークに含まれる1以上の前記子ノードを識別するIDである。前記フレーム情報は、前記ID毎に割り当てられた1以上のスロットを含むスロット群を示す情報を含む。前記決定部は、前記子ノードから受信された前記IDに割り当てられたスロットを、前記追加スロットに決定する。
第1実施形態の無線通信システムの装置構成の例を示す図。 図1の無線通信システムをネットワークトポロジーの形態で示した模式図。 第1実施形態のマルチホップネットワークの例を示す図。 図3Aのマルチホップネットワークにおけるスロット群の割り当ての例を示す図。 図3AのノードCの1フレーム内の送受信スロットの例を示す図。 図3AのノードCが複数のフレームで送受信する場合の送受信スロットの例を示す図。 第1実施形態の無線通信装置の機能構成の例を示す図。 第1実施形態の無線通信方法の例を示すフローチャート。 第1実施形態の送受信スロットの例(通常モードの場合)を示す図。 第1実施形態の送受信スロットの例(バーストモードの場合)を示す図。 第1実施形態のACK情報の返送方法の例1を示す図。 第1実施形態のACK情報の返送方法の例2を示す図。 第1実施形態の無線ノードの動作例を示す図。 図10の動作例における重複スロットを示す図。 第2実施形態の無線通信方法の例を示すフローチャート。 第2実施形態の無線ノードの動作例を示す図。 第3実施形態の無線ノードの動作例を示す図。 第3実施形態の無線通信方法の例を示すフローチャート。 第4実施形態の無線通信装置の機能構成の例を示す図。 第4実施形態のバーストモードの開始方法の例を示すフローチャート。 第4実施形態のバーストモードの終了方法の例を示すフローチャート。 第4実施形態のバーストモードの開始情報を受信した親ノードの動作方法の例1を示すフローチャート。 第4実施形態のバーストモードの開始情報を受信した親ノードの動作方法の例2を示すフローチャート。 第4実施形態のバーストモードの終了情報を受信した親ノードの動作方法の例1を示すフローチャート。 第4実施形態のバーストモードの終了情報を受信した親ノードの動作方法の例2を示すフローチャート。 第4実施形態のバーストモードの開始動作の例を示す図。 第4実施形態のバーストモードの終了動作の例を示す図。 第5実施形態の通信システムの装置構成の例を示す図。 第1乃至第5実施形態の無線通信装置及び集約装置のハードウェア構成の例1を示す図。 第1乃至第5実施形態の無線通信装置及び集約装置のハードウェア構成の例2を示す図。
以下に添付図面を参照して、無線通信装置、通信システム、無線通信方法及びプログラムの実施形態を詳細に説明する。
(第1実施形態)
はじめに、第1実施形態の無線通信システムの装置構成について説明する。
[装置構成の例]
図1は第1実施形態の無線通信システム100の装置構成の例を示す図である。第1実施形態の無線通信システム100は、無線通信装置10A~10P、及び、集約装置20を備える。以下、無線通信装置10A~10Pを区別しない場合は、単に無線通信装置10という。
無線通信システム100では、所定の範囲内に配置された無線通信装置10及び集約装置20は、互いに無線通信が可能である。各無線通信装置10により送信されたデータは、他の無線通信装置10を介して、または、直接、集約装置20に送信される。集約装置20は、各無線通信装置10から送信されたデータを集約する。
図2は、図1の無線通信システム100をネットワークトポロジーの形態で示した模式図である。アルファベットは無線通信装置10(無線ノード)を示し、根は集約装置20(根ノード)を示す。また、矢印は情報の伝送経路を示す。矢印の元は情報の送信元(子ノード)を示し、矢印の先は情報の送信先(親ノード)を示す。親ノードは、自ノードよりもホップ数が1小さいノードで、自ノードの送信先ノードである。子ノードは、自ノードよりもホップ数が1大きいノードで、送信先ノードを自ノードに決定しているノードである。以下、無線通信装置を無線ノード、データの送信元を子ノード、データの送信先を親ノードとして説明する。
図3Aは第1実施形態のマルチホップネットワークの例を示す図である。図3Aでは、説明のわかりやすさのため、図1及び図2と比べ無線ノードの数を少なくしている。以下、無線通信システム100を時分割通信のマルチホップネットワークで動作させた場合の無線ノードの動作例について説明する。
図3Aの例では、無線ノードA及びBのホップ数は1であり、無線ノードC及びDのホップ数は2であり、無線ノードE、F及びGのホップ数は3である。
図3Bは図1のマルチホップネットワークにおけるスロット群の割り当ての例を示す図である。図3Cは、図1の無線ノードCの1フレーム内の送受信スロットの例を示す図である。第1実施形態では、1通信周期をスーパーフレームと呼ぶ。スーパーフレームは、1以上のフレームを含む(図3Cの例では、3つのフレームを含む。)。フレームは、1以上のスロット群を含む(図3Cの例では、4つのスロット群を含む。)。スロット群は、図3Bに示すように、無線通信システム100内に存在する無線ノード毎に独立なスロット(タイムスロット)を含む(図3Bの例では、8つのスロットを含む。)。以下、スーパーフレーム、フレーム、スロット群及びスロットを定義する情報を、時分割通信のフレーム情報という。
第1実施形態の無線通信装置10(無線ノード)では、時分割通信のフレーム情報に基づいてデータを送受信する通常モードと、通常モードで使用されるスロット(基本スロット)以外のスロット(追加スロット)でもデータを送受信するバーストモードと、が存在する。バーストモードの詳細については後述する。
通常モードでは、ホップ数と、フレーム内のスロット群の総数との剰余値で送信に使用されるスロット群が確定し、無線ノードの識別情報に基づいて、当該スロット群で送信に使用されるスロットが確定する。図3Cの無線ノードCの場合、ホップ数が2のため、ホップ数とスロット群数4との剰余が2のスロット群で無線ノードCに割り当てられたスロットで送信する。また、無線ノードCは子ノード(無線ノードE及びG)からのデータを受信するため、子ノードの送信スロットで受信する。また、ノードCは、無線ノードCの親ノード(無線ノードA)へデータが送信できたか否かを確認するため、親ノードの送信スロットで受信する。これより、データを中継伝送可能である。
また、1スーパーフレーム内に複数フレームあり、無線ノードに未送信の蓄積しているデータがある場合は、次のフレームでも送受信を行う。
図3Dは、図3AのノードCが複数のフレームで送受信する場合の送受信スロットの例を示す図である。図3Dに示すように、無線ノードCは、未送信データの送信が完了するまでスーパーフレーム内で送受信を継続してもよい。なお、1スーパーフレーム内のフレーム数は、複数に限らず、1スーパーフレーム内のフレーム数を1としてもよい。
[機能構成の例]
図4は第1実施形態の無線通信装置10の機能構成の例を示す図である。第1実施形態の無線通信装置10は、時分割通信でデータを多段中継する無線ノードである。無線通信装置10は、通信処理部1及び決定部2を備える。
通信処理部1は、他の無線ノードとデータを送受信する。送受信されるデータは任意でよい。送受信されるデータは、例えば、各無線ノードに備えられたセンサによって取得されたセンサデータを含む。
決定部2は、通常モードの場合、時分割通信のフレーム情報(例えば図3B及び3C参照)と、無線通信装置10(無線ノード)の識別情報とに基づいて、送受信に使用する基本スロットを決定する。識別情報は、例えばマルチホップネットワークに含まれる1以上の無線通信装置10(図1では、無線通信装置10A~10P)を識別するIDである。
また、決定部2は、バーストモードの場合、更に、他の無線ノードから受信された識別情報に基づいて、送受信に使用する追加スロットを決定する。バーストモードで使用される追加スロットについては、図7を用いて後述する。
第1実施形態では、例えば無線通信装置10の設定により、無線通信装置10の動作モード(通常モード又はバーストモード)が決定される。なお、動作モード(通常モード又はバーストモード)の動的な切り替え制御の詳細については第4実施形態で説明する。
図5は第1実施形態の無線通信方法の例を示すフローチャートである。まず、通信処理部1が、他の無線通信装置10(子ノード)から送信されたデータを受信する(ステップS1)。ステップS1の処理によって受信されたデータは、1以上の無線通信装置10の識別情報を含む。
次に、決定部2が、送受信に使用されるスロット(タイムスロット)を決定する(ステップS2)。具体的には、決定部2は、通常モードの場合、時分割通信のフレーム情報と、無線通信装置10の識別情報とに基づいて、送受信に使用する基本スロットを決定する。
図6は第1実施形態の送受信スロットの例(通常モードの場合)を示す図である。図6は、通常モードの場合(バーストモードでない場合)のID3(識別情報が3)の無線ノードの送受信スロットを示した図である。スロット群は、5つのスロットを含む。スロット群に含まれるスロットの各無線ノードへの割り当ては、図6に示す通りである。ID3の無線ノードは、ID3の無線ノードの送信に使用されるスロット群内で、ID3の無線ノードに割り当てられた送信スロットでデータを送信する。また、ID3の無線ノードは、子ノード(ID2及び4の無線ノード)の送信スロット、及び、親ノード(ID1の無線ノード)の送信スロットで、データを受信する。
また、決定部2は、バーストモードの場合、更に、他の無線ノードから受信された識別情報に基づいて、送受信に使用する追加スロットを決定する。
図7は第1実施形態の送受信スロットの例(バーストモードの場合)を示す図である。図7の例では、ID3の無線ノードがバーストモードで動作する場合を示す。スロット群のスロットの各無線ノードへの割り当て(基本スロットの割り当て)は図6と同じである。
決定部2は、ID3の無線ノードに接続する無線ノード(子ノード)の識別情報を更に用いて、送信に使用する追加スロットを決定する。図7に示すように、通信処理部1は、ID3無線ノードの送信に使用されるスロット群において、ID3の無線ノードに割り当てられたスロット(基本スロット)に加えて、子ノードのIDに割り当てられたスロット(図7では、ID2及び3のスロット)でも送信する。
また更に、子ノード(図7では、ID3の無線ノード)が追加スロットを使用して送信した場合、そのデータを受信する親ノード(図7では、ID1の無線ノード)は、子ノードが送信するスロット(ID2、3及び4に対応するスロット)で受信する。また、親ノードは、子ノードの識別情報(図7では、ID3の無線ノード)と、その子ノードに接続する無線ノード(図7では、ID2及び4の無線ノード)の識別情報とに基づいて送信に使用する追加スロット(図7では、ID2、3及び4に対応するスロット)を決定する。
図5に戻り、最後に、通信処理部1は、ステップS2の処理によって決定されたスロットでデータを送受信する(ステップS3)。
なお、時分割通信のスロット構成が図6に示す構成と異なる場合も、決定部2は、図6の場合と同様に、通知される識別情報を用いて、通信するスロットを決定する。また図7に示すように、識別情報は、子ノードの識別情報や、子ノードにさらに接続する子ノードの識別情報でもよい。すなわち、決定部2は、自装置のホップ数よりも大きいホップ数を有する無線ノードの識別情報を用いて、追加スロットを決定する。
通信スロットが増えた場合のデータの送達確認の方法(ACK情報の返送方法)は任意でよい。例えば、親ノードへのデータ送信に使用した通信スロット分のACK情報を親ノードの送信スロットで受信し判定する方法を用いてもよい(図8参照)。また例えば、ユニキャスト通信を実施し、送信直後に送達確認のACK情報を返送する方法を使用してもよい(図9参照)。
図8は第1実施形態のACK情報の返送方法の例1を示す図である。図8は通信スロット分のACK情報を親ノードから受信する方法を示す。図8の上段が親ノードの送受信スロット、下段は親ノードに接続する子ノードの送受信スロットである。はじめに、子ノードが、送信に使用する3つのスロットで、それぞれ異なるデータA、B及びCを親ノードに送信する(ステップS11)。
次に、親ノードが、受信可否(受信成功又は受信失敗)をスロット毎に記録する(ステップS12)。次に、親ノードが、基本スロット(図8では、ID1に対応するスロット)で、スロット毎のACK情報(受信可否情報)を送信する(ステップS13)。例えば、親ノードは、受信成功(ACK)を1として、ID1~5に対応するスロットを含むスロット群(5,4,3,2,1)に対応するビット列(0,1,0,1,0)を子ノードに送信する。
次に、子ノードは、受信成功したスロットでは未送信のデータを送信し、送信失敗したスロットではデータを再送する(ステップS14)。図8の場合は、子ノードは、データBのみ再送し、それ以外は新しいデータ(データD及びE)を送信する。
図9は第1実施形態のACK情報の返送方法の例2を示す図である。図9はデータをユニキャスト通信する場合の送達確認方法を示す。はじめに、子ノードが、基本スロット(図9では、ID3に対応するスロット)では、データをマルチキャスト送信又はブロードキャスト送信をし、追加スロット(図9では、ID2及び4に対応するスロット)では、データをユニキャスト送信する(ステップS21)。ユニキャスト送信の場合、直後にACK情報が親ノードより返送される(ステップS22)。
図9では、ID4に対応する追加スロットではデータ送信に成功するものの、ID2及び3に対応するスロットで通信に失敗する。この時、基本スロットの送達確認は親ノードの送信情報から得る(ステップS23)。なお、基本スロットでもユニキャスト通信を使用してもよい。
次に、子ノードは、送信成功したスロットでは未送信データを送信し、それ以外のスロットでは再送データを送信する(ステップS24)。以上のように、追加スロットを利用しながら、送達確認を行い、未送信データを送信していく。
以上、説明したように、第1実施形態の無線通信装置10では、決定部2が、無線通信装置10にデータを送信する子ノードから受信された識別情報に基づいて追加スロットを決定する。そして、通信処理部1が、時分割通信のフレーム情報に基づいて割り当てられた基本スロット(例えば図3B参照)と、追加スロットと、を使用してデータを送受信する。
これにより第1実施形態の無線通信装置10によれば、追加スロットにより、時分割通信における通信スロットが拡張されるので、より多くのデータをより少ない時間で送受信することができる。すなわち、第1実施形態の無線通信装置10によれば、未使用のスロットを効率的に使用することにより通信タイミングをさらに増やすことができるので、単位時間当たりにより多くのデータ量を送信することができる。例えば、第1実施形態の無線通信装置10によれば、より多くのデータ量を1通信期間内(例えば、1スーパーフレーム内)で通信可能になる効果が得られる。
従来技術では、時分割通信において通信する際は、あらかじめ割り当てられた固有スロットのみ用いて送受信を行うことから、必要な送受信以外は無線機がスリープでき、消費電流量を低減できるが、送信データ量が多い場合、全てのデータ量を送信し終えるまでに多くの時間を要するという問題があった。
また、従来技術では、送信するスロットを増やす場合も、スロットの共用による干渉を回避しながらスロットを追加するために、使用してもよいスロットを記録するリストを生成する必要がある。リストを生成することにより、空きスロットを判断できるが、リストを生成するまで多くのデータ送受信や時間を要するという問題があった。
一方、第1実施形態の無線通信装置10では、通常の送受信でやりとりされる他の無線通信装置10(子ノード)から受信された識別情報に基づいて、追加スロットを決定することにより、多くのデータの送受信や時間を要することなく、単位時間当たりに送信できるデータ量を増やすことができる。
(第2実施形態)
次に第2実施形態について説明する。第2実施形態の説明では、第1実施形態と同様の説明については省略し、第1実施形態と異なる箇所について説明する。第2実施形態では、送信タイミングが重複しても干渉が発生しないようにする構成について説明する。
まず、第1実施形態を適用した場合に、多段中継によって干渉が発生する例について説明する。
図10は第1実施形態の無線ノードの動作例を示す図である。図10は、第1実施形態を適用した場合の集約装置20から6ホップ目までの無線ノードの動作を示す。図10の例では、スロット群に10個のスロットが含まれる。スロット群のスロットは、左から順番にID1~9の無線ノード及び根ノード(集約装置20)の基本スロットに割り当てられている。
基本スロットと追加スロットの決定方法は、第1実施形態の説明と同様である。例えば、ID5の無線ノードは、バーストモードを開始するとき、子ノード(図10では、ID6及び9の無線ノード)の基本スロットも送信スロットとして使用し、親ノードにバーストモードに突入したことを送信する(図10中の1)。
ID4の無線ノードは、バーストモードのデータを子ノード(図10では、ID5及び8の無線ノード)から受信した場合、子ノードの送信スロットで受信し、自身もバーストモードを開始する(図10中の2-1)。
同様に、ID3の無線ノードは、子ノード(図10では、ID4のの無線ノード)が送信に使用しているスロットを追加スロットとして使用して、送信スロットを増やす(図10中の2-2)。
図11は図10の動作例における重複スロットを示す図である。図11に示すように、ID5の無線ノードの送信タイミングが、ID2の無線ノードの送信タイミングと重複する。また、ID4の無線ノードの送信タイミングが、ID1の無線ノードの送信タイミングと重複する。また、ID6の無線ノードの送信タイミングが、ID3の無線ノードの送信タイミングと重複する。
送信タイミングが重複することにより、干渉が発生することから、干渉を回避する必要がある。第2実施形態では、干渉を回避するべく送受信に使用する周波数を変更して、データの送受信を行う構成について説明する。
第2実施形態の無線通信装置10(無線ノード)では、通信処理部1が、データ送信時の周波数を、無線ノードのホップ数と、1フレーム内のサブフレーム数と、に基づいて設定する。
図12は第2実施形態の無線通信方法の例を示すフローチャートである。ステップS31及びS32の説明は、第1実施形態と同じなので省略する(図5参照)。
次に、通信処理部1が、無線通信装置10(無線ノード)のホップ数と、時分割通信のフレーム情報とに基づいて使用周波数を決定する(ステップS33)。具体的には、通信処理部1は、使用周波数を決定する上で無線通信装置10のホップ数と、時分割通信のフレーム情報とに基づいて無線ノードをグループ分けした後に、グループ毎に周波数を割り当てる。IDをAとする無線ノードの集約装置20からのホップ数をHAとし、1フレーム内のスロット群数をSGとし、%を剰余演算子とした場合、HA%SG=0以外のとき、HAをSGで除算した値の小数点を切り捨てた値をグループ番号とする。HA%SG=0のとき、HAをSGで除算した値から1減算した値をグループ番号とする。
例えば、ID1の無線ノードのホップ数が5で、1フレーム内のスロット群数が3の場合、5%3=2、5/3=1.666‥‥となる。この場合、5%3が0でないので、通信処理部1は、5/3の小数点以下を切り捨て、ID1の無線ノードをグループ1に分類し、ID1の無線ノードの使用周波数を、グループ1に割り当てられた周波数に決定する。
最後に、通信処理部1は、ステップS32の処理によって決定されたスロットで、ステップS33の処理によって決定された使用周波数を用いてデータを送受信する(ステップS34)。
図13は第2実施形態の無線ノードの動作例を示す図である。図13はグループX(X=0,1,2,3)の使用する周波数をFXとした場合の送信スロットに使用される使用周波数を示す。図13の送信に対応する受信スロットも同じ使用周波数を使用する。
以上説明したように、第2実施形態では、通信処理部1が、ホップ数とフレーム情報とに基づいて使用周波数を設定する。これにより第2実施形態によれば、データ通信時の干渉を回避しながら単位時間当たりに多くのデータを送信することが可能となる。
(第3実施形態)
次に第3実施形態について説明する。第3実施形態の説明では、第1及び第2実施形態と同様の説明については省略し、第1及び第2実施形態と異なる箇所について説明する。上述の図13に示すように、無線ノード毎に異なる使用周波数を用いると、新しくネットワークに参加したい無線ノードが接続先である親ノードを探索する際にどの周波数を受信すればよいか判断することができない。
そこで、第3実施形態の無線通信装置10(無線ノード)では、通信処理部1が、上述の基本スロット(追加スロットではないスロット)では、所定の基本周波数(共通の周波数)を使用して送受信する。
基本周波数は、例えば無線通信装置10に予め設定された所定の周波数でもよいし、他の無線通信装置10(子ノード又は親ノード)より通知された周波数でもよい。
図14は第3実施形態の無線ノードの動作例を示す図である。例えば、ID1の無線ノードは、子ノード(図14では、ID2の無線ノード)からのデータを受信する基本スロット、当該子ノードへデータを送信する基本スロット、及び、親ノード(図14では、根ノード)からのデータを受信する基本スロットで、基本周波数を使用する。
図14に示すように、基本スロットで使用する周波数を、基本周波数にすることによって、新しくネットワークに参加する無線ノードがその基本周波数を探索すれば、ネットワーク内の全無線ノードのデータを受信でき、接続先を選定することが可能となる。
図15は第3実施形態の無線通信方法の例を示すフローチャートである。ステップS41~S43の説明は、第2実施形態と同じなので省略する(図12参照)。通信処理部1は、追加スロットではステップS43の処理により決定された使用周波数を用い、基本スロットではホップ数に依らず基本周波数を使用して、ステップS42の処理により決定されたスロットでデータの送受信を行う(ステップS44)。
以上説明したように、第3実施形態の無線通信装置10では、基本スロットでは基本周波数を使用した送受信を行うことで、新しくネットワークに参加する無線ノードが接続先を選択しやすい状態で単位時間当たりに多くのデータを送信することが可能となる。
(第4実施形態)
次に第4実施形態について説明する。第4実施形態の説明では、第1乃至第3実施形態と同様の説明については省略し、第1乃至第3実施形態と異なる箇所について説明する。第4実施形態では、動作モード(通常モード又はバーストモード)の動的な切り替え制御を備える構成について説明する。
[機能構成の例]
図16は第4実施形態の無線通信装置10-2の機能構成の例を示す図である。無線通信装置10-2は、通信処理部1、決定部2及び制御部3を備える。第4実施形態では、第1乃至第3実施形態の無線通信装置10の構成に、更に制御部3が追加されている。
制御部3は、バーストモードの開始及び終了を制御する。
図17は第4実施形態のバーストモードの開始方法の例を示すフローチャートである。はじめに、制御部3が、スロットの追加を開始(バーストモードを開始)するか否かを判定する(ステップS51)。例えば、バーストモードを開始するか否かは、所定のパラメータを閾値で判定することによって制御される。
所定のパラメータは、電源起動前に設定されても、他の無線通信装置より通知されてもよい。また、所定のパラメータを判定する閾値は、電源起動前に設定される数値、他の無線通信装置より通知される数値でもよい。また、制御部3は、所定のパラメータが閾値以上又は閾値未満の場合にバーストモードを開始すると判定して良い。所定のパラメータは、無線通信装置10の子ノード又は親ノードから受信された受信データの量、無線通信装置10の子ノード又は親ノードへ送信される送信データの量、無線通信装置10内の未送信のデータ量、無線通信装置10の消費電流量、並びに、無線通信装置10の電池残量の少なくとも1つを含む。またこれらのデータ量や消費電流量は特定の期間内に計測されたものでもよい。例えば、送信データの量は、1回の送信機会で送信可能なデータ量でもよい。
例えば、制御部1は、子ノード又は親ノードへ送信するデータ量が閾値以上の場合、送信データ量が多いのでバーストモードを開始すると判定する。また例えば、無線ノードの電池残量が閾値以上の場合、電池残量に余裕があるためバーストモードを開始すると判定する。
バーストモードを開始しない場合(ステップS51,No)、データの送信に追加スロットを使用しない。
バーストモードを開始する場合(ステップS51,Yes)、通信処理部1は、データの送り先(親ノード)へ、バーストモードの開始情報を含むデータを送信する(ステップS52)。開始情報は、例えばバーストモードの開始を示すフラグと、追加スロットを特定する特定情報(例えば無線ノードのID等)とを含む。
開始情報が受信された場合(ステップS53,Yes)、基本スロットだけでなく追加スロットも使用してデータ送信を行う(ステップS54)。開始情報が受信されたか否かは、例えば親ノードからACK情報が受信されたか否かにより行われる。開始情報が受信されなかった場合(ステップS53,No)、ステップS52の処理に戻る。
図18は第4実施形態のバーストモードの終了方法の例を示すフローチャートである。はじめに、制御部3が、スロットの追加を終了(バーストモードを終了)するか否かを判定する(ステップS61)。例えば、バーストモードを終了するか否かは、上述の所定のパラメータによって判定される。
例えば、制御部1は、子ノード又は親ノードへ送信するデータ量が閾値未満の場合、送信データ量が少ないのでバーストモードを終了すると判定する。また例えば、無線ノードの電池残量が閾値未満の場合、電池残量に余裕がないためバーストモードを終了すると判定する。
バーストモードを終了しない場合(ステップS61,No)、追加スロットの使用を継続する。
バーストモードを終了する場合(ステップS61,Yes)、通信処理部1は、データの送り先(親ノード)へ、バーストモードの終了情報を含むデータを送信する(ステップS62)。終了情報は、例えばバーストモードの終了を示すフラグと、追加スロットを特定する情報(例えば無線ノードのID等)とを含む。なお、追加スロットを特定する特定情報は、開始情報に含まれているので、終了情報には含まれていなくてもよい。
終了情報が受信された場合(ステップS63,Yes)、追加スロットを使用したデータ送信を停止する(ステップS64)。終了情報が受信されたか否かは、例えば親ノードからACK情報が受信されたか否かにより行われる。終了情報が受信されなかった場合(ステップS63,No)、ステップS62の処理に戻る。
なお、バーストモードを開始及び終了を示す情報は、バーストモードの開始及び終了を示すフラグでもよいし、フラグ以外の任意の情報でもよい。また、使用する追加スロットを示す情報は、無線ノードのIDでもよいし、スロット毎に割り当てられた数値でもよい。また、追加スロットが事前に特定できる場合(マルチホップネットワークのネットワークトポロジが特定できている場合)は、開始情報及び終了情報に、使用する追加スロットを示す情報が含まれていなくてもよい。
図19Aは第4実施形態のバーストモードの開始情報を受信した親ノードの動作方法の例1を示すフローチャートである。はじめに、通信処理部1が、バーストモードの開始情報(第1の開始情報)を受信したか否かを判定する(ステップS71)。
開始情報を受信していない場合(ステップS71,No)、データの受信に追加スロットを使用しない。
開始情報を受信した場合(ステップS71,Yes)、通信処理部1は、開始情報を送信した無線ノードのスロットでデータ受信ができるよう、追加スロットで受信を行う(ステップS72)。次に、通信処理部1は、自身も追加スロットを使用した送信を開始するため、データの送り先(親ノード)へ、バーストモードの開始情報(第2の開始情報)を含むデータを送信する(ステップS73)。
通信処理部1は、開始情報が受信された場合(ステップS74,Yes)、基本スロットだけでなく追加スロットも使用してデータ送信を行う(ステップS75)。開始情報が受信されなかった場合(ステップS74,No)、ステップS72の処理に戻る。
なお、開始情報を受信した親ノードが、バーストモードを開始するか否かを判定するようにしてもよい。
図19Bは、第4実施形態のバーストモードの開始情報を受信した親ノードの動作方法の例2を示すフローチャートである。図19Bでは、図19Aのフローチャートに更にステップS72-2が追加されている。
図19Bでは、開始情報を受信した場合(ステップS71,Yes)、通信処理部1は、開始情報を送信した無線ノードのスロットでデータ受信ができるよう、追加スロットで受信を行った後(ステップS72)、図16の制御部3が、スロットの追加を開始(バーストモードを開始)するか否かを判定する(ステップS72-2)。ステップS72-2の判定処理は、上述のステップS51と同様である(図17参照)。判定した結果、バーストモードを開始する場合(ステップS72-2,Yes)、通信処理部1は、自身も追加スロットを使用した送信を開始するため、データの送り先(親ノード)へ、バーストモードの開始情報(第2の開始情報)を含むデータを送信する(ステップS73)。バーストモードを開始しない場合(ステップS72-2,No)、追加スロットでの受信を継続するが、バーストモードの開始情報(第2の開始情報)を含むデータを送信しない。
図20Aは第4実施形態のバーストモードの終了情報を受信した親ノードの動作方法の例1を示すフローチャートである。はじめに、通信処理部1が、バーストモードの終了情報(第1の終了情報)を受信したか否かを判定する(ステップS81)。
終了情報を受信していない場合(ステップS81,No)、追加スロットを使用したデータの受信を継続する。
終了情報を受信した場合(ステップS81,Yes)、通信処理部1は、追加スロットでの受信を停止する(ステップS82)。次に、通信処理部1は、自身も追加スロットを使用した送信を終了するため、データの送り先(親ノード)へ、バーストモードの終了情報(第2の終了情報)を含むデータを送信する(ステップS83)。
通信処理部1は、終了情報が受信された場合(ステップS84,Yes)、追加スロットを使用したデータ送信を停止する(ステップS85)。終了情報が受信されなかった場合(ステップS84,No)、ステップS82の処理に戻る。
なお、終了情報を受信した親ノードが、バーストモードを終了するか否かを判定するようにしてもよい。
図20Bは、第4実施形態のバーストモードの終了情報を受信した親ノードの動作方法の例2を示すフローチャートである。図20Bでは、図20Aのフローチャートに更にステップS82-2が追加されている。
図20Bでは、終了情報を受信した場合(ステップS81,Yes)、通信処理部1は、追加スロットでの受信を停止し(ステップS82)、図16の制御部3が、スロットの追加を終了(バーストモードを終了)するか否かを判定する(ステップS82-2)。ステップS72-2の判定処理は、上述のステップS61と同様である(図18参照)。判定した結果、バーストモードを終了する場合(ステップS82-2,Yes)、通信処理部1は、自身も追加スロットを使用した送信を終了するため、データの送り先(親ノード)へ、バーストモードの終了情報(第2の終了情報)を含むデータを送信する(ステップS83)。バーストモードを終了しない場合(ステップS82-2,No)、追加スロットでの受信を停止するが、終了情報(第2の終了情報)を含むデータを送信しない。
図21は第4実施形態のバーストモードの開始動作の例を示す図である。はじめに、バーストモードを開始するID3の無線ノードが、開始情報をID1の送信先の無線ノードに送信する(ステップS91)。開始情報は、バーストモードの開始を示すフラグと、追加スロットを特定に使用されるノードID(図21では、ID2及び4)とを含む。
次に、ID1の無線ノードが、バーストモードの開始情報を受信できたことを送信する(ステップS92)。
次に、ID3の無線ノードは、自身に接続する無線ノードのスロットも含めた追加スロットで送信を開始し(ステップS93)、ID1はその追加スロットでもデータを受信する(ステップS94)。
次に、ID1の無線ノードは、自身もバーストモードの開始情報を親ノードへ送信する(ステップS95)。この時、自身に接続するID3の無線ノードに加えて、ID3の無線ノードが追加送信に使用するスロット情報に該当するID2及び4の情報も追加して送信する。そして次の送信機会からID1も送信スロット数を増やしてデータ送信する。
図22は第4実施形態のバーストモードの終了動作の例を示す図である。はじめに、ID2の無線ノードが、バーストモードの終了情報を送信する(ステップS101)。次に、その終了情報を受信したID1の無線ノードは、終了情報を受信できたことをID3の無線ノードに送信する(ステップS102)。次に、ID3の無線ノードは、次の送信機会で追加送信スロットでの送信を停止する(ステップS103)。次に、ID1の無線ノードは、ID3の追加送信スロットの受信を停止する(ステップS104)。次に、ID1の無線ノードは、自身もバーストモードの終了情報を親ノードに送信する(ステップS105)。
なお、図21及び22では、基本スロットで、バーストモードの開始情報及び終了情報の送受信をしているが、バーストモードの開始情報及び終了情報の送受信する新たなスロット(開始終了情報専用スロット)を通信周期内に設けてもよい。その場合、この開始終了情報専用スロットは1スーパーフレームの最終フレームに設けてもよい。最終フレームの各スロットが各無線ノードのスロットに該当し、開始又は終了を指示したい無線ノードは、指示の送り先の無線ノードが対応するスロットに開始情報又は終了情報を送信する。この時ブロードキャスト送信では干渉が発生する恐れがあるため、ユニキャスト通信で開始情報又は終了情報を送受信してもよい。
以上説明したように、第4実施形態の無線通信装置10-2では、例えば単位時間当たりの送受信量を増やしたい場合にバーストモードを開始できる。また例えば、データの送受信に要する消費電流量を抑えたい場合に、バーストモードを終了できる。これにより第4実施形態によれば、例えば、送受信データ量と消費電流量とを考慮しながら単位時間当たりに多くのデータを送信することが可能となる。
(第5実施形態)
次に第5実施形態について説明する。第5実施形態の説明では、第1乃至第4実施形態と同様の説明については省略し、第1乃至第4実施形態と異なる箇所について説明する。第5実施形態では、集約装置20により集約されたデータを受信するサーバ装置を更に備える通信システムについて説明する。
[装置構成の例]
図23は第5実施形態の通信システム200の装置構成の例を示す図である。第5実施形態の通信システム200は、無線通信装置10A~10P、集約装置20、ネットワーク300及びサーバ装置400を備える。
集約装置20は、各無線通信装置10から送信されたデータを集約し、集約されたデータを、ネットワーク300を介してサーバ装置400に送信する。
ネットワーク300の通信方式は、有線方式でもよいし、無線方式でもよい。また、ネットワーク300は、有線方式と無線方式とを組み合わせて構成されていてもよい。
サーバ装置400は、集約装置20から送信されたデータを受信すると、当該データの記憶、及び、当該データに所定の処理(例えばデータの集計、及び、データに対する閾値判定等)を行うアプリケーションの実行等を行う。サーバ装置400は、例えばネットワーク300上のクラウドサーバである。
最後に第1乃至第5実施形態の無線通信装置10(10-2)及び集約装置20のハードウェア構成の例について説明する。
[ハードウェア構成の例1]
図23は第1乃至第5実施形態の無線通信装置10(10-2)及び集約装置20のハードウェア構成の例1を示す図である。図23の例1では、無線通信装置10(10-2)及び集約装置20は、CPU(Central Processing Unit)101、主記憶装置102、外部記憶装置103、通信インターフェース104及び無線装置105を備える。CPU101、主記憶装置102、外部記憶装置103、通信インターフェース104及び無線装置105は、バス120により接続されている。
CPU101は、外部記憶装置103等の記憶媒体からプログラムを読み出し、当該プログラムを主記憶装置102上で実行する。
主記憶装置102は、プログラム、当該プログラムの実行に必要なデータ、及び、当該プログラムの実行により生成されたデータ等を記憶する。主記憶装置102は任意でよい。主記憶装置102は、例えばRAM(Random Access Memory)、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、及び、SRAM(Static Random Access Memory)等である。
主記憶装置102は、プログラム、中継情報、フレーム情報、ノードID、ホップ数、親ノード及び子ノード等の情報を記憶する。中継情報は、例えば他のノードから受信したデータである。具体的には、中継情報は、例えば他のノードにより取得されたセンサ情報等である。親ノードは、自ノードよりもホップ数が1小さいノードで、自ノードの送信先ノードである。子ノードは、自ノードよりもホップ数が1大きいノードで、送信先ノードを自ノードに決定しているノードである。
また、主記憶装置102は、OS(Operating System)、BIOS(Basic Input Output System)、及び、各種のミドルウェア等を記憶してもよい。
外部記憶装置103は、プログラム、当該プログラムの実行に必要なデータ、及び、当該プログラムの実行により生成されたデータ等を記憶する。これらのプログラム及びデータは、当該プログラムの実行の際に、主記憶装置102に展開される。外部記憶装置103は任意でよい。外部記憶装置103は、例えばハードディスク、光ディスク、フラッシュメモリ及び磁気テープ等である。外部記憶装置103は、プログラム、中継情報、フレーム情報、ノードID、ホップ数、親ノード及び子ノード等の情報を記憶する。
なお、無線通信装置10(10-2)及び集約装置20で実行されるプログラムは、例えば外部記憶装置103に予めインストールされていてもよい。また例えば、外部記憶装置103が、別の有線又は無線ネットワークにより他の装置から集約装置20に送信されたプログラムを記憶することにより、外部記憶装置103に当該プログラムをインストールしてもよい。
通信インターフェース104は、外部のデバイスと通信するための汎用I/Fである。通信インターフェース104は、例えばUART、I2C、SPI、CAN、RS232及びEthernet(登録商標)ポート等である。
無線装置105は、無線通信装置10及び集約装置20が、他の装置と無線通信するための装置である。また、無線通信装置10及び集約装置20は、複数の無線装置105を備えていてもよい。無線通信装置10及び集約装置20が、例えば2つの無線装置105を備える場合、第2の無線装置105が、第1の無線装置105により収集されたデータを送信してもよい。なお、第2の無線装置105は、第1の無線装置105と異なる無線周波数を使用する装置であれば任意でよい。第2の無線装置105は、例えばセルラー通信及びWi-Fi等である。
次に第1乃至第5実施形態の無線通信装置10(10-2)及び集約装置20のハードウェア構成の例2について説明する。
[ハードウェア構成の例2]
図25は第1乃至第5実施形態の無線通信装置10(10-2)及び集約装置20のハードウェア構成の例2を示す図である。図25の例2では、無線通信装置10(10-2)及び集約装置20は、CPU101、主記憶装置102、外部記憶装置103、通信インターフェース104、入力インターフェース106及びグラフィック処理装置107を備える。CPU101、主記憶装置102、外部記憶装置103、通信インターフェース104、入力インターフェース106及びグラフィック処理装置107は、バス120を介して接続されている。
また、図25の例2では、センサ108及び無線通信モジュール109が、通信インターフェース104に接続されている。入力装置110が、入力インターフェース106に接続されている。また、ディスプレイ111が、グラフィック処理装置107に接続されている。
CPU101、主記憶装置102、外部記憶装置103及び通信インターフェース104の説明は、上述の図24と同じなので省略する。
入力インターフェース106は、入力装置110により受け付けられた入力操作に応じた操作信号を、入力装置110から受け付ける。入力装置110は任意でよい。入力装置110は、例えばキーボード及びマウス等である。
グラフィック処理装置107は、CPU101により生成された映像信号及び画像信号等に基づいて、ディスプレイ111に映像又は画像を表示させる装置である。ディスプレイ111は任意でよい。ディスプレイ111は、例えばLCD(液晶ディスプレイ)、CRT(ブラウン管)、及び、PDP(プラズマディスプレイ)等である。
センサ108は任意でよい。センサ108は、例えば照度センサ、温湿度センサ、加速度センサ及び角速度センサ等である。また、センサ108は、擬似的なセンサでもよい。疑似的なセンサは、例えばデータを出力する別のコンピュータ装置である。なお、集約装置20は、無線通信装置10(10-2)からのデータを集約する装置なので、センサ108を備えていなくてもよい。
無線通信モジュール109は、上述の図24の無線装置105の役割を果たす。無線通信モジュール109は、必ずしも上述の無線装置105とハードウェア構成が同一ではない。また、無線通信装置10及び集約装置20は、図24の無線装置105と同様に、無線通信モジュール109を複数備えていてもよい。
なお上述の図24及び図25のハードウェアの電源は任意でよい。上述の図24及び図25のハードウェアの電源は、例えばバッテリ、発電機、発電モジュール及び商用電源等である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1 通信処理部
2 決定部
3 制御部
10 無線通信装置(無線ノード)
20 集約装置
100 無線通信システム
200 通信システム
300 ネットワーク
400 サーバ装置

Claims (13)

  1. 時分割通信でデータを多段中継するマルチホップネットワークに含まれる無線通信装置であって、
    前記無線通信装置にデータを送信する子ノードから受信された識別情報に基づいて追加スロットを決定する決定部と、
    時分割通信のフレーム情報に基づいて割り当てられた基本スロットと、前記追加スロットと、を使用してデータを送受信する通信処理部と、を備え、
    前記識別情報は、前記マルチホップネットワークに含まれる1以上の前記子ノードを識別するIDであり、
    前記フレーム情報は、前記ID毎に割り当てられた1以上のスロットを含むスロット群を示す情報を含み、
    前記決定部は、前記子ノードから受信された前記IDに割り当てられたスロットを、前記追加スロットに決定する、
    無線通信装置。
  2. 前記通信処理部は、データ通信に使用する使用周波数を、前記無線通信装置のホップ数と、前記フレーム情報とに基づいて決定する、
    請求項1に記載の無線通信装置。
  3. 前記通信処理部は、前記基本スロットでは所定の基本周波数を使用して前記データを送受信し、前記追加スロットでは前記使用周波数を使用して前記データを送受信する、
    請求項に記載の無線通信装置。
  4. 前記基本周波数は、前記無線通信装置に設定された所定の周波数、または、前記無線通信装置のデータの送り先である親ノード又は子ノードから通知される周波数である、
    請求項に記載の無線通信装置。
  5. 前記無線通信装置は、前記基本スロットを使用する通常モードと、前記基本スロット及び前記追加スロットの両方を使用するバーストモードとを有し、
    所定のパラメータを閾値で判定することによって、前記バーストモードの開始及び終了を制御する制御部を更に備える、
    請求項1乃至のいずれか1項に記載の無線通信装置。
  6. 前記所定のパラメータは、前記無線通信装置の子ノード又は親ノードから受信された受信データの量、前記無線通信装置の子ノード又は親ノードへ送信される送信データの量、前記無線通信装置内の未送信のデータ量、前記無線通信装置の消費電流量、並びに、前記無線通信装置の電池残量の少なくとも1つを含む、
    請求項に記載の無線通信装置。
  7. 前記通信処理部は、前記バーストモードを開始する場合、前記バーストモードの開始情報を前記無線通信装置の親ノードへ送信し、前記親ノードから前記開始情報の受信を確認した場合、前記基本スロット及び前記追加スロットの両方を使用してデータを送受信する、
    請求項又はに記載の無線通信装置。
  8. 前記通信処理部は、前記バーストモードを終了する場合、前記バーストモードの終了情報を前記無線通信装置の親ノードへ送信し、前記親ノードから前記終了情報の受信を確認した場合、前記追加スロットの使用を停止する、
    請求項乃至のいずれか1項に記載の無線通信装置。
  9. 前記通信処理部は、前記無線通信装置の子ノードから、前記子ノードのバーストモードの開始を示す第1の開始情報を受信した場合、前記子ノードのバーストモードで使用される前記追加スロットで受信処理を開始した後、前記無線通信装置のバーストモードの開始を示す第2の開始情報を前記無線通信装置の親ノードへ送信する、
    請求項乃至のいずれか1項に記載の無線通信装置。
  10. 前記通信処理部は、子ノードから、前記無線通信装置の子ノードのバーストモードの終了を示す第1の終了情報を受信した場合、前記無線通信装置の子ノードのバーストモードで使用される前記追加スロットの受信処理を終了した後、前記無線通信装置のバーストモードの終了を示す第2の終了情報を前記無線通信装置の親ノードへ送信する、
    請求項乃至のいずれか1項に記載の無線通信装置。
  11. 時分割通信でデータを多段中継するマルチホップネットワークを構成する1以上の無線通信装置と、
    前記1以上の無線通信装置から送信されたデータを集約する集約装置と、
    集約されたデータを前記集約装置から受信するサーバ装置と、を備え、
    前記1以上の無線通信装置は、
    前記無線通信装置にデータを送信する子ノードから受信された識別情報に基づいて追加スロットを決定する決定部と、
    時分割通信のフレーム情報に基づいて割り当てられた基本スロットと、前記追加スロットと、を使用してデータを送受信する通信処理部と、を備え、
    前記識別情報は、前記マルチホップネットワークに含まれる1以上の前記子ノードを識別するIDであり、
    前記フレーム情報は、前記ID毎に割り当てられた1以上のスロットを含むスロット群を示す情報を含み、
    前記決定部は、前記子ノードから受信された前記IDに割り当てられたスロットを、前記追加スロットに決定する、
    通信システム。
  12. 時分割通信でデータを多段中継するマルチホップネットワークに含まれる無線通信装置の無線通信方法であって、
    前記無線通信装置にデータを送信する子ノードから受信された識別情報に基づいて追加スロットを決定するステップと、
    時分割通信のフレーム情報に基づいて割り当てられた基本スロットと、前記追加スロットと、を使用してデータを送受信するステップと、を含み、
    前記識別情報は、前記マルチホップネットワークに含まれる1以上の前記子ノードを識別するIDであり、
    前記フレーム情報は、前記ID毎に割り当てられた1以上のスロットを含むスロット群を示す情報を含み、
    前記決定するステップは、前記子ノードから受信された前記IDに割り当てられたスロットを、前記追加スロットに決定する、
    無線通信方法。
  13. 時分割通信でデータを多段中継するマルチホップネットワークに含まれる無線通信装置を、
    前記無線通信装置にデータを送信する子ノードから受信された識別情報に基づいて追加スロットを決定する決定部と、
    時分割通信のフレーム情報に基づいて割り当てられた基本スロットと、前記追加スロットと、を使用してデータを送受信する通信処理部、として機能させ、
    前記識別情報は、前記マルチホップネットワークに含まれる1以上の前記子ノードを識別するIDであり、
    前記フレーム情報は、前記ID毎に割り当てられた1以上のスロットを含むスロット群を示す情報を含み、
    前記決定部は、前記子ノードから受信された前記IDに割り当てられたスロットを、前記追加スロットに決定する、
    プログラム。
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