JP4962576B2 - 無線通信方法及び無線通信装置 - Google Patents
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Description
さらに詳しくは、本発明は、各通信局がネットワーク情報などを記載したビーコンを所定のフレーム周期毎に報知し合うことにより自律分散型の無線ネットワークを形成する無線通信方法及び無線通信装置に係り、特に、各通信局が互いに送信するビーコンの衝突を回避しながら自律分散型の無線ネットワークを形成する無線通信方法及び無線通信装置に関する。
特開平8−98255号公報には、このようなビーコンを使用した無線通信処理の従来の一例についての開示がある。
・送信側に生じるデータの滞留
図29に従来のシステムにおいて、パケット伝送遅延が生じている様子を示す。
なお、図29(a)は、通信局STA1の上位レイヤから送られてくるパケットであり、図29(b)は、通信局STA1のMAC層で送受信されるパケット(ビーコンを含む)であり、図29(c)は、通信局STA1のMAC層で送受信されるパケットであり、図29(d)は、通信局STA1で受信して上位レイヤに送られるパケットである。また、図29(e)は、通信局STA1の受信部での受信動作状態を示したものである。通信局は、一旦、受信部をストップさせると、次回のビーコン送信時刻まで受信部を動作させない。したがって、例えば図29に示したように、通信局STA1から通信局STA0にデータを転送する際に、通信局STA1の上位レイヤから定期的に情報が落とされてくるような場合、一旦、受信部をストップさせた通信局STA0が次回受信部を動作させるのは、通信局STA1がビーコンを送信する時刻であり、この間に通信局STA1の上位レイヤから渡されたデータD1からデータD5は、通信局STA1内部にて滞留していることになる。この送信部内部でのデータの滞留は、送受信部間でのアプリケーションレベルでのラウンドトリップタイム(RTT)の増大(レイテンシの増大)を招き、スライディングウインドウを用いたARQが行われている場合には、スループットが頭打ちになる問題が生じる。また、オーバーフローを避けるためには、送信局である通信局STA1内部にデータ滞留に耐えうるだけの大きなバッファを必要としてしまい、ハードウェア的制限が大きくなるという問題も内包している。
次に受信側に生じるアイドル受信区間について、図30を用いて説明する。図30の(a)〜(e)は図29(a)〜(e)と同じであり、図30(f)は、アイドル区間を示す。
また、上記の問題を解決しようとした場合、従来では情報を受信した後も受信部を動作させておく方法が取られるが、この場合、例えば図30に示したように、受信部は常に動作していることになる。たしかに送信局STA1におけるデータの滞留は解消されるものの、受信側である通信局STA0においては、受信部を動作させてはいるものの実際にデータ受信を行わないアイドル区間(図30(f)に矢印で示す区間)が多く存在し、無駄に受信部を動作させてしまって消費電力の観点から問題が残る。
また、インフラモードにおいて送受信されるブロードキャスト情報については、通信局MTが何回かに一度しかビーコン情報を受信しなくても伝達することは可能ではあるものの、アクセスポイントAPが上位レイヤから渡されたデータをブロードキャストしたいなどという場合には、上位レイヤからデータを渡されてからカウントダウンが終了するまでブロードキャスト情報の送信を待たせる必要があり、実際にブロードキャスト情報が送信されるまでの遅延量が大きくなるという問題が生じている。
通信局は、スリープ状態に関する少なくとも2つの動作レベルを持ち、
第1の動作レベルでは、自己がビーコンを送信するタイミングと、そのタイミングの後の所定の時間だけ起動し、
第2の動作レベルでは、前記第1の動作レベルの動作に加えて、相手局のビーコンを受信するタイミングでも起動し、
第1の動作レベルでは、相手局とのネゴシエーションなしに相手局からのデータの受信を行い、
第2の動作レベルでは、相手局とのネゴシエーションを行った上で相手局からのデータの受信を行うことを特徴とする。
本実施の形態において想定している通信の伝播路は無線であり、かつ単一の伝送媒体(周波数チャネルによりリンクが分離されていない場合)を用いて、複数の機器間でネットワークを構築する場合としてある。但し、複数の周波数チャネルが伝送媒体として存在する場合であっても、同様のことがいえる。また、本実施の形態で想定している通信は蓄積交換型のトラヒックであり、パケット単位で情報が転送される。
データ・バッファ102は、インターフェース101経由で接続される機器から送られてきたデータや、無線伝送路経由で受信したデータをインターフェース101経由で送出する前に一時的に格納しておくために使用される。
無線送信部106及び無線受信部110における無線送受信方式は、例えば無線LANに適用可能な、比較的近距離の通信に適した各種の通信方式を適用することができる。具体的には、UWB(Ultra Wide Band)方式、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing:直交周波数分割多重)方式、CDMA(Code Division Multiple Access:符号分割多元接続)方式などを採用することができる。
また、ビーコンで送信される情報の一つとして、Neighboring Beacon Offset Information(NBOI)フィールドの記述例を図6に示す。NBOIには、自局が受信可能なビーコンの位置(受信時刻)を自局のビーコンの位置(送信時刻)からの相対位置(相対時間)でビットマップにて記載する。図6に示す例においては、最小間隔Bmin=5[msec]で、ビーコン送信位置が16種類しか存在できない場合を例にとっており、故にNBOIフィールド長が16ビットとなっているが、16ビットに限られるわけではない。
また、ここでは、NBOIフィールドと類似して、同じくビーコンで送信される情報の一つとして、Neighboring Beacon Activity Information(NBAI)フィールドを定義する。NBAIフィールドには、自局が実際に受信を行っているビーコンの位置(受信時刻)を自局のビーコンの位置からの相対位置でビットマップにて記載する。即ち、NBAIフィールドは、自局が受信可能なアクティブの状態にあることを示す。さらに、前記NBOIとNBAIの二つの情報により、スーパーフレーム内のそのビーコン位置で自局がビーコンを受信する情報を提供する。即ち、ビーコンに含まれるNBOI並びにNBAIフィールドにより、各通信局に関し、下記の2ビット情報を報知することになる。
図7には、新規に参入した通信局Aがスキャン動作により周辺局から受信したビーコンから得た各ビーコンのNBOIに基づいて自局のTBTTを設定するまでの様子を示している。
通信局は、スキャン動作によりスーパーフレーム内に3つの局0〜2からのビーコンが受信できたとする。
周辺局のビーコン受信時刻を自局の正規ビーコンに対する相対位置として扱い、NBOIフィールドはこれをビットマップ形式で記述している(前述)。そこで、通信局Aでは、周辺局から受信できた3つのビーコンのNBOIフィールドを各ビーコンの受信時刻に応じてシフトし、時間軸上でビットの対応位置を揃えた上で、各タイミングのNBOIビットのORをとることで、NBOIを統合して参照する。具体的にその手順を説明する、ビーコン1は、ビーコン0の送信タイミングを基準として3スロット遅れて受信されている。この情報を通信局はメモリなどに保持する。そして、ビーコン1に含まれるNBOIフィールドの後ろ3スロットを先頭にシフトさせ、この情報をメモリ等に保持する(図7第二段)。ビーコン2についても同様の処理を行う(図7第三段)。
このように、通信局が、新規にネットワークに参入する際には、各通信局から受信したビーコンから得たNBOIの和をとった結果、スペースのランレングスが最長となる区間の中心をビーコン送信タイミングとして定める。
即ち、通信局が、なんらかの情報を送信する際には、周辺通信局から送信されるビーコンを随時受信しておき、各通信局から受信したビーコンから得たNBAIフィールドの和(OR)をとった結果、マークされているタイミングのビーコン送信時刻においては、送信を行わないよう制御を行う。
各通信局は、ビーコンを一定間隔で送信しているが、本例では、ビーコンを送信した後しばらくの間は、該ビーコンを送信した局に送信の優先権を与える。ビーコン送信局に優先送信権が与えられる様子を図9に示す。図9では、この送信優先区間として480[usec]が与えられる場合の例を示している。この優先区間をTransmission PrioritizedPeriod(TPP)と定義する。TPPは、ビーコン送信直後に開始し、TBTTからT_TGP経過した時刻に終了する。各通信局はスーパーフレームごとにビーコンを送信するため、基本的には各通信局に対して、同時間率のTPPが配布される形となる。一の通信局のTPPが満了すると、他の通信局がビーコンを送信するまでの間がFairly Access Period(FAP)となる。Fairly Access Period(FAP)では、通常のCSMA/CA方式(若しくは、後述するPSMA/CA方式)による公平なメディア獲得競合が行なわれる。
データの送受信が行われない場合には、自動的にパワーセーブが行われ、データの送受信を行う場合には、相応の処理手順が動作する。送受信データの有無により、MACレイヤの間欠動作率は変動する。
動作レベル2では、スーパーフレーム毎に送信されるビーコンの送信時刻の合間に離散的に送信トリガを生成し、送信トリガがかかった時点においてもデータの送受信を行う状態である。送受信すべきデータ量が動作レベル2でハンドルするには多量になってきたと判断される場合には、動作レベル3へと変遷する。
各動作レベルにおいて、送信すべきデータ量が少量になってきたと判断される時間が十分長くなったと判断される場合(例えばタイマーで管理)には、一つ下の動作レベルへと変遷する。
図12は、本実施の形態における近隣局リストの一部を示す図である。
各通信局は、隣接局情報を局単位で保持しており、この情報を近隣局リストという形で管理している。近隣局リストには、局単位で、ビーコンの送信タイミングや自局との間の伝播路の状態などが格納されている。
図14は、動作レベル0の場合の送受信手順を示す図である。図では、通信局STA0と通信局STA1に関しての説明を行っている。図14(a)は、通信局STA0での受信動作状態であり、図14(b)は、通信局STA0での送信状態であり、図14(c)は、通信局STA1での送信状態であり、図14(d)は、通信局STA1での受信動作状態である。受信動作状態については、ハイレベルが受信動作中を示し、ローレベルが受信動作停止中を示す(図15以降の図における受信動作状態も同じ)。以降、同様の図を用いて説明を行っていく。
・スーパーフレーム周期(T_SF)ごとのビーコンの送信動作
・ビーコン送信後Listen Window間の受信動作
・T_SCANごとにスーパーフレーム周期(T_SF)にわたって行われるスキャン動作
上記の動作レベル0の送受信処理の過程で、送信あるいは受信すべきデータが存在する場合には、動作レベル1へと変遷する。
図15は、動作レベル1の場合の送受信手順を示す図である。動作レベル1では、動作レベル0の動作に加え、周辺局のビーコンを受信する状態であり、周辺局数に応じて消費電力が変動する。動作レベル1においては、下記の動作を行う。
・スーパーフレーム周期(T_SF)ごとのビーコン送信動作
・ビーコン送信後Listen Window間の受信処理動作
・自局が認識している周辺局のビーコンの受信処理動作
・T_SCANごとにスーパーフレーム周期(T_SF)にわたって行われるスキャン動作
動作レベル2では、動作レベル1の動作に加え、定期的に送受信機を動作させる状態であり、データを送受信しながらも間欠送受信による低消費電力動作をするモードである。
動作レベル2においては、下記の動作を行う。
・スーパーフレーム周期T_SFごとのビーコン送信動作
・ビーコン送信後Listen Window間の受信処理動作
・自局が認識している周辺局のビーコンの受信処理動作
・指定した(または指定された)時刻における受信処理動作(必要に応じて送信処理動作も行なう)
・T_SCANごとのスーパーフレーム周期T_SFにわたって行われるスキャン動作
図17は、動作レベル2の場合の送受信手順を示す図である。図17(a)は、通信局STA0での受信動作状態であり、図17(b)は、通信局STA0での送信トリガ信号の生成状態を示し、図17(c)は、通信局STA0でのパケットの送受信状態であり、図17(d)は、通信局STA1でのパケットの送受信状態であり、図17(e)は、通信局STA1での受信動作状態である。また、図8(a)の上側に、通信局STA0での受信(Rx)動作レベル及び送信(Tx)動作レベルを、図17(e)の下側に、通信局STA1での受信(Rx)動作レベル及び送信(Tx)動作レベルを示してある。図17では、通信局STA0から通信局STA1にデータが送信される場合の例を示しており、ビーコン間に発生する送信トリガが2回発生する場合を例にとっている。
以降、同様の処理を、次回の通信局STA0の送信ビーコン(B0−16)が発生するまで繰り返す。
動作レベル2を定義する目的は、ビーコン間隔であるT SFを補完し、より短いレイテンシを提供しつつ、とはいえ若干のレイテンシは許容してもらいながら間欠動作も併用し、消費電力を削減することにある。かつ、この送信トリガ発生時刻は、他局の送信パケットとの衝突を避け、MACレベルでのパフォーマンスを向上させる目的から、通信局毎に互いに重ならないことが望ましい。
特にネットワークに収容されている通信局数が少ない場合に、上記の事項を極力満足させることを念頭におき、動作レベル2においては、送信局は、自局のビーコン送信時刻あるいはTBTTのようなビーコン送信時刻を決定する基準時刻を基準に、T AL2 i毎に送信動作を開始できるように送信トリガを発生する。T AL2 i(i=1,2,....)は、下記の式で与える。
(N AL2 STEP+AL2 TBL[i])*T Bmin
+ N AL2 TRX STT OFFSET
+ N AL2 TRX STT OFFSET STEP*i
ただし、
AL2 TBL[i]=[0,−1,0,0,0,1]
である。
T AL2[0]=TBTT
T AL2[1]=TBTT+5.625[msec]+190[usec]
T AL2[2]=TBTT+10.625[msec]+200[usec]
T AL2[3]=TBTT+16.250[msec]+210[usec]
T AL2[4]=TBTT+21.875[msec]+220[usec]
T AL2[5]=TBTT+27.500[msec]+230[usec]
T AL2[6]=TBTT+33.750[msec]+240[usec]
と設定され、およそ6.25[msec]おきに送信可能時刻が出現する。
TBTT=8,56 ×1回
TBTT=20,28,36,44 ×1回
TBTT=10,18,26,38,46,54 ×2回
TBTT=17,19,27,29,35,37,45,47 ×2回
TBTT=9,55 ×4回
となる。
さらに、動作レベル2を複数段階定義し、動作レベル2−1では3つの送信トリガ時刻を生成し、動作レベル2−2では6つの送信トリガ時刻を生成するような処理も本発明から想像できる範囲内である。
図18は、動作レベル2から動作レベル1への変遷を示す図である。図18(a)は、通信局STA0での受信動作状態であり、図18(b)は、通信局STA0での送信トリガ信号の生成状態を示し、図18(c)は、通信局STA0でのパケットの送受信状態であり、図18(d)は、通信局STA1でのパケットの送受信状態であり、図18(e)は、通信局STA1での受信動作状態である。また、図18(a)の上側に、通信局STA0での受信(Rx)動作レベル及び送信(Tx)動作レベルを、図18(e)の下側に、通信局STA1での受信(Rx)動作レベル及び送信(Tx)動作レベルを示してある。図18では、通信局STA1からの要求に応じて変遷する場合を例にとっている。
図18の初期状態では、通信局STA0、STA1とも互いに関する送受信レベルはレベル2となっている状態でデータの送受信が行われており、通信局STA0のビーコンあるいは送信トリガの発生を送信を皮切りに、通信局STA0からSTA1へデータの送受信が行われている。
動作レベル3では、動作レベル1の動作に加え、アイドルの時間帯においても定常的に受信動作を行う状態であり、連続的に他の通信局が送信するキャリア(若しくはプリアンブル)の検出動作を行う。消費電力の低減効果は小さいが、提供可能な限りの広い帯域と短いLatencyを提供するモードである。
動作レベル3においては、下記の動作を行う。
・スーパーフレーム周期T_SFごとのビーコン送信動作
・ビーコン送信後Listen Window間の受信処理動作
・連続的な受信処理動作
上記の例においては、送信側である通信局STA0が、「STA1宛ての送信データが許容値を超えて滞留したと判断したこと」に起因して動作レベルをレベル2に変遷させることを決定したが、このほか、「滞留している送信データを送信トリガから送信し始めたとして、ある時間内に送信しきれないと判断したこと」に起因する場合や、「動作レベル2の範疇で行った受信局の呼出しに対する応答が受けられなかったこと」に起因する場合などがある。
図20は、動作レベル3から動作レベル2への変遷を示す図である。図20(a)は、通信局STA0での受信動作状態であり、図20(b)は、通信局STA0での送信トリガ信号の生成状態を示し、図20(c)は、通信局STA0でのパケットの送受信状態であり、図20(d)は、通信局STA1でのパケットの送受信状態であり、図20(e)は、通信局STA1での受信動作状態である。また、図20(a)の上側に、通信局STA0での受信(Rx)動作レベル及び送信(Tx)動作レベルを、図20(e)の下側に、通信局STA1での受信(Rx)動作レベル及び送信(Tx)動作レベルを示してある。図では、通信局STA1からの要求に応じて変遷する場合を例にとっている。
上記の例においては、通信局STA1は、「データの送受信が許容値を超えて離散的にしか行われていないこと」を理由に動作レベルをレベル2へと変更したが、より具体的には、「受信動作レベル2でも十分受信できる量のデータしか送受信が行われなかったこと」を理由に変更する場合もある。
また、上記の例においては、受信側である通信局STA1が「動作レベルをレベル3からレベル2へと変更する」旨を決定したが、送信側である通信局STA0が決定し、受信側がこれに追従する場合もある。この場合の手順は、上記で説明した手順と類似するため、とりたてて説明は行わない。
上記で説明したように、各通信局は、データの送受信を行わない状態においては、送受信レベルはレベル0になっており、省電力化が行われることになる。
一方、ネットワーク全体に伝達するブロードキャスト情報を送信する際には、例えば図21A,B,Cに示すような形で順に伝達され、各通信局は隣接する通信局に対して、受信したブロードキャスト情報を伝達していき、ネットワーク内の全ての通信局に伝送する形態がとられる。
そこで、ブロードキャスト情報が発生した場合には、自局の動作状態をACT−1allとして、全ての隣接通信局に関する受信動作レベルをレベル1に設定した後に、隣接通信局に対して「動作状態をACT−1allに変更する旨のリクエスト」を送信しながら、各通信局に関する送信動作レベルを変更していき、近隣局リストに登録されている送信動作レベルが1になるまで、自局の送信ビーコン内部あるいはビーコン送信の直後に送信するパケットにおいて、ブロードキャスト情報を報知する。また、送信ビーコンや上記のリクエスト情報には、自局の動作状態を記載する。
図22の初期状態である時刻T0においては、各通信局とも動作レベル0であり、自局のビーコンの送信とその直後のリッスンウィンドウ(LW)にわたる受信処理しか行っていない。このとき、図23に示したとおり、各局の近隣局リストの項目は全て動作レベル0(ACT−0)になっている。
上記の説明で、動作状態をビーコンに記載するという説明を行ったが、ビーコン記載情報に関してもう少し詳細に説明を行う。
図24は、本システムにおけるビーコン記載情報の一部の例を示す図である。ビーコンには、少なくとも送信局のアドレス(STA−ID)、受信可能なビーコンの受信時刻を示すフィールド(NBOI)、受信動作レベル1以上で実際に受信を行っているビーコンの受信時刻を示すフィールド(NBAI)、そして、該通信局の動作状態を示すフィールド(Activity Status)が存在する。
ACT−0all:受信動作レベルがレベル0となっている隣接局が一つ以上存在する。
ACT−1all:全ての隣接局の受信動作レベルがレベル1以上となっている。
ACT−3all:一つ以上の隣接局に関する動作レベルが3になっている。
ここまでは、通信局が自局の動作レベルの変遷の決定を、ビーコン信号によって通信相手局に伝える実施の形態について説明したが、次に、ビーコン信号以外のメッセージの送信をトリガにして、動作レベルを変更する手順について説明する。
動作レベルは、トラヒックの存在しない状態においては0であるが、ある通信局のMACレイヤに他の通信局宛てのトラヒックが届けられると、リンクのActivityを上げる処理が起動される。その後、さらに多くのトラヒックが送信側のMACレイヤに届けられるに従い、Active Levelが上げられていく。
図示したように、全てのActive Levelへの上方向の変遷に関して、同様の手順が適用可能である。
なお、Active Level_0→ActiveLevel_1への変遷のトリガは、送信データの発生である。
動作レベルは、上げられたもののトラヒックの送受信が途切れてしまった場合に下げる処理が必要になる。トラヒックの送受がない時間を監視するタイマーを保持しておき、このタイマーが満了することをトリガにActive Levelを下げる。このとき、Tx.Active Levelを下げるタイマーとRx.Active Levelを下げるタイマーを別に設定する必要があり、Tx.Active Levelを下げるタイマーに設定する時間をRx.Active Levelを下げるタイマーよりも短く設定しておくことによりマージンをもたせ、「送信したものの受信機が受信していない」という無駄なトラヒックの発生を抑えることができる。
2 ‥‥‥ アンテナ共用器
3 ‥‥‥ 受信処理部
4 ‥‥‥ 送信処理部
5 ‥‥‥ ベースバンド部
6 ‥‥‥ インターフェース部
7 ‥‥‥ MAC(メディアアクセスコントロール)部
8 ‥‥‥ DLC(データリンクコントロール)部
100 ‥‥‥ 無線通信装置
101 ‥‥‥ インターフェース
102 ‥‥‥ データ・バッファ
103 ‥‥‥ 中央制御部
104 ‥‥‥ ビーコン生成部
106 ‥‥‥ 無線送信部
107 ‥‥‥ タイミング制御部
109 ‥‥‥ アンテナ
110 ‥‥‥ 無線受信部
112 ‥‥‥ ビーコン解析部
113 ‥‥‥ 情報記憶部
Claims (5)
- 制御局と被制御局の関係を有しない複数の通信局からなるネットワークにおいて無線通信動作を行うための無線通信装置であって、
スリープ状態に関する少なくとも2つの動作レベルを持ち、
第1の動作レベルでは、自己がビーコンを送信するタイミングと、そのタイミングの後の所定の時間だけ起動し、
第2の動作レベルでは、前記第1の動作レベルの動作に加えて、相手局のビーコンを受信するタイミングでも起動し、
第1の動作レベルでは、相手局とのネゴシエーションなしに相手局からのデータの受信を行い、
第2の動作レベルでは、相手局とのネゴシエーションを行った上で相手局からのデータの受信を行う、
ことを特徴とする無線通信装置。 - 請求項1記載の無線通信装置において、
送信すべきデータに関する情報、又は、受信すべきデータに関する情報に基づいて、前記第1の動作レベルから第2の動作レベルに変更する、
ことを特徴とする無線通信装置。 - 制御局と被制御局の関係を有しない複数の通信局からなるネットワークにおいて無線通信動作を行うための無線通信方法であって、
前記通信局は、スリープ状態に関する少なくとも2つの動作レベルを持ち、
第1の動作レベルでは、自己がビーコンを送信するタイミングと、そのタイミングの後の所定の時間だけ起動し、
第2の動作レベルでは、前記第1の動作レベルの動作に加えて、相手局のビーコンを受信するタイミングでも起動し、
第1の動作レベルでは、相手局とのネゴシエーションなしに相手局からのデータの受信を行い、
第2の動作レベルでは、相手局とのネゴシエーションを行った上で相手局からのデータの受信を行う、
ことを特徴とする無線通信方法。 - 請求項3記載の無線通信方法において、
送信すべきデータに関する情報、又は、受信すべきデータに関する情報に基づいて、前記第1の動作レベルから第2の動作レベルに変更する、
ことを特徴とする無線通信方法。 - 制御局と被制御局の関係を有しない複数の通信局からなるネットワークにおいて無線通信動作を行うための無線通信方法であって、
通信局は、ネットワークに関する情報を記述したビーコンを送信するステップと、
前記ビーコンの送信に前後する時間帯に受信動作を行う状態を設定するステップと、
を具備することを特徴とする無線通信方法。
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