JP5105370B2 - 通信システム、端末装置、通信方法、ならびに、プログラム - Google Patents

Description

本発明は、アドホックに形成される通信ネットワークを構成するのに好適な通信システム、端末装置、通信方法、ならびに、これらをコンピュータにより実現するためのプログラムに関する。

従来から、無線通信機器がアドホックに通信ネットワークを動的形成する技術が利用されている。

このような技術には、通信ネットワークに参加する複数の機器のうち１台が親機となり、その他の機器が子機となって、親機が子機を管理し、通信ネットワークに新たな機器が参加する場合は、その情報が親機に通知され、通信ネットワークから親機が抜けた場合は、残された子機のうちいずれかが親機となることで、動的に通信ネットワークの管理を行うものがある。

たとえば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（商標）などで利用されるピコネット（Ｐｉｃｏｎｅｔ）では、このような動的な端末管理が行われている。このような通信技術については、後に掲げる文献に開示がされている。

ここで、特許文献１に開示の技術では、無線通信端末が、未定モード（通信ネットワークに参加していない状態に相当。）上位局モード（「親機」に相当。）もしくは下位局モード（「子機」に相当。）のいずれかのモードで動作し、動的に通信ネットワークを形成する際に、データ信号を伝送する際と制御信号を伝送する際とで、送信電力を変化させる技術が開示されている。

特許第３７９６５３７号公報

ここで、効率良くアドホックな通信ネットワークを形成するとともに、複数のノードからなるクラスタの間でデータを中継することで、多数の端末装置同士が通信できるようにしたいという要望がある。

一方で、このような端末装置において、消費電力をできるだけ抑制したい、という要望も大きい。

本発明は、上記のような課題を解決するためのもので、アドホックに形成される通信ネットワークを構成するのに好適な通信システム、端末装置、通信方法、ならびに、これらをコンピュータにより実現するためのプログラムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の原理にしたがい、以下の発明を開示する。

本発明の第１の観点に係る通信システムは、クラスタに含まれるノードとして機能することにより端末装置同士が通信し合う。

ここで、クラスタは、１つの上位ノードと、それ以外の下位ノードと、からなる。

一方、端末装置のそれぞれは、
（１）１つのクラスタに含まれ、当該クラスタの上位ノードとして機能するヘッドノード、
（２）１つのクラスタに含まれ、当該クラスタの下位ノードとして機能するノーマルノード、
（３）２つのクラスタに含まれ、一方のクラスタでは下位ノードとして機能し、他方のクラスタでは上位ノードとして機能するゲートウェイノード
のいずれかとして機能する。

そして、端末装置のそれぞれは、時刻設定部、センス部、送信部、受信部として機能する。

ここで、時刻設定部は、当該端末装置が
（１）ヘッドノードである場合、周期的な時刻を端末装置がヘッドノードとして含まれるクラスタに含まれるすべてのノードに設定し、
（２）ゲートウェイノードである場合、端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタに設定された周期的な時刻と重ならないように、周期的な時刻を、端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタに含まれるすべてのノードに設定する。

一方、センス部は、端末装置が含まれるクラスタのそれぞれに対して設定された周期的な時刻にキャリアセンスを行う。

さらに、送信部は、キャリアセンスの時刻に合わせて他のノードへデータを送信する。

そして、受信部は、キャリアセンスの時刻に合わせて他のノードからのデータを受信する。

また、本発明の通信システムにおいて、端末装置のそれぞれは、抑制部をさらに備え、抑制部は、キャリアセンスを行わず、送信を行わず、受信を行わない間、電力消費を抑制するように構成することができる。

また、本発明の通信システムにおいて、端末装置のそれぞれは、スキャン部、ノード設定部として機能する。

ここで、スキャン部は、他の端末装置をスキャンする。

一方、ノード設定部は、スキャンの結果、
（１）他の端末装置が発見できなかった場合、端末装置をヘッドノードとし、
（２）発見できた他の端末装置がヘッドノードである場合、端末装置を当該ヘッドノードを上位ノードとするクラスタの下位ノードとし、
（３）発見できた他の端末装置がゲートウェイノードである場合、端末装置を当該ゲートウェイノードを上位ノードとするクラスタの下位ノードとし、
（４）発見できた他の端末装置がノーマルノードである場合、他の端末装置をゲートウェイノードとし、端末装置を当該ゲートウェイノードを上位ノードとするクラスタの下位ノードとする。

また、本発明の通信システムにおいて、クラスタの上位ノードは、クラスタに含まれるノード同士ごとにデータの送受を両者間で直接行うべき周期的な時間帯を設定し、送信部および受信部は、当該設定された周期的な時間帯に、データの送信ならびにデータの受信を直接行うように構成することができる。

また、本発明の通信システムにおいて、端末装置のそれぞれは、中継部をさらに備え、以下のように構成することができる。

すなわち、送信部は、他のノードを最終宛先とするデータを送信する際に、
（１）端末装置がノーマルノードである場合、当該データを、端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタの上位ノードへ送信し、
（２）端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードであり、当該最終宛先までの経路に、端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタの下位ノードが含まれれば、当該他のノード宛のデータを当該下位ノードへ送信し、
（３）端末装置がゲートウェイノードであり、当該最終宛先までの経路に、端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタの上位ノードが含まれれば、当該他のノード宛のデータを当該上位ノードへ送信する。

一方、中継部は、受信部が他のノードを最終宛先とするデータを受信すると、当該データを、送信部に送信させる。

また、本発明の通信システムにおいて、端末装置のそれぞれにおいて、当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、中継部は、最終宛先が共通するデータを蓄積して連結してから中継し、当該端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタに含まれる下位ノードの数が多いほど、当該最終宛先が共通するデータを蓄積して連結する個数もしくはサイズを大きくするように構成することができる。

また、本発明の通信システムにおいて、端末装置のそれぞれにおいて、当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、当該端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタに含まれる下位ノードの数が多いほど、前記周期的な時刻として短い周期の時刻を設定するように構成することができる。

また、本発明の通信システムにおいて、端末装置のそれぞれにおいて、当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、中継部は、最終宛先が共通するデータを蓄積して連結してから中継し、最終宛先ごとに中継頻度を集計し、当該最終宛先までの経路に、端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタの下位ノードが含まれれば、当該最終宛先への中継頻度が高いほど、当該最終宛先へ中継するデータを蓄積して連結する個数もしくはサイズを大きくするように構成することができる。

また、本発明の通信システムにおいて、端末装置のそれぞれにおいて、当該端末装置がゲートウェイノードである場合、当該最終宛先までの経路に、端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタの上位ノードが含まれれば、当該最終宛先への中継頻度が低いほど、当該最終宛先へ中継するデータを蓄積して連結する個数もしくはサイズを大きくするように構成することができる。

また、本発明の通信システムにおいて、端末装置のそれぞれにおいて、当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、前記中継部は、データの中継頻度を集計し、集計された中継頻度が高いほど、前記周期的な時刻として短い周期の時刻を設定するように構成することができる。

また、本発明の通信システムにおいて、クラスタの上位ノードは、クラスタに含まれるノード同士の通信が他のノードと干渉しない指向性ビームを用いて直接送受することが可能な場合、データの送受を両者間で直接行うべき周期的な時間帯を他の干渉しないノードと重複させて設定するように構成することができる。

本発明のその他の観点に係る端末装置は、上記の通信システムにおける端末装置である。

本発明のその他の観点に係る通信方法は、クラスタに含まれるノードとして機能することにより端末装置同士が通信し合い、以下のように構成する。

すなわち、クラスタは、１つの上位ノードと、それ以外の下位ノードと、からなる。

一方、端末装置のそれぞれは、
（１）１つのクラスタに含まれ、当該クラスタの上位ノードとして機能するヘッドノード、
（２）１つのクラスタに含まれ、当該クラスタの下位ノードとして機能するノーマルノード、
（３）２つのクラスタに含まれ、一方のクラスタでは下位ノードとして機能し、他方のクラスタでは上位ノードとして機能するゲートウェイノード
のいずれかとして機能する。

さらに、通信方法は、時刻設定工程、センス工程、送信工程、受信工程を備え、当該各工程は、端末装置のそれぞれにおいて実行される。

ここで、時刻設定工程では、当該端末装置が
（１）ヘッドノードである場合、周期的な時刻を端末装置がヘッドノードとして含まれるクラスタに含まれるすべてのノードに設定し、
（２）ゲートウェイノードである場合、端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタに設定された周期的な時刻と重ならないように、周期的な時刻を、端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタに含まれるすべてのノードに設定する。

一方、センス工程では、端末装置が含まれるクラスタのそれぞれに対して設定された周期的な時刻にキャリアセンスを行う。

さらに、送信工程では、キャリアセンスの時刻に合わせて他のノードへデータを送信する。

そして、受信工程では、キャリアセンスの時刻に合わせて他のノードからのデータを受信する。

また、本発明の通信方法は、抑制工程をさらに備え、端末装置のそれぞれにおいて、抑制工程では、キャリアセンスを行わず、送信を行わず、受信を行わない間、電力消費を抑制するように構成することができる。

また、本発明の通信方法は、スキャン工程、ノード設定工程、をさらに備え、当該各工程は、端末装置のそれぞれにおいて実行され、以下のように構成することができる。

ここで、スキャン工程では、他の端末装置をスキャンする。

一方、ノード設定工程では、スキャンの結果、
（１）他の端末装置が発見できなかった場合、端末装置をヘッドノードとし、
（２）発見できた他の端末装置がヘッドノードである場合、端末装置を当該ヘッドノードを上位ノードとするクラスタの下位ノードとし、
（３）発見できた他の端末装置がゲートウェイノードである場合、端末装置を当該ゲートウェイノードを上位ノードとするクラスタの下位ノードとし、
（４）発見できた他の端末装置がノーマルノードである場合、他の端末装置をゲートウェイノードとし、端末装置を当該ゲートウェイノードを上位ノードとするクラスタの下位ノードとする。

また、本発明の通信方法において、クラスタの上位ノードは、クラスタに含まれるノード同士ごとにデータの送受を両者間で直接行うべき周期的な時間帯を設定し、送信工程および受信工程では、当該設定された周期的な時間帯に、データの送信ならびにデータの受信を直接行うように構成することができる。

また、本発明の通信方法は、中継工程をさらに備え、当該工程は、端末装置のそれぞれにおいて実行され、以下のように構成することができる。

すなわち、送信工程では、他のノードを最終宛先とするデータを送信する際に、
（１）端末装置がノーマルノードである場合、当該データを、端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタの上位ノードへ送信し、
（２）端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードであり、当該最終宛先までの経路に、端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタの下位ノードが含まれれば、当該他のノード宛のデータを当該下位ノードへ送信し、
（３）端末装置がゲートウェイノードであり、当該最終宛先までの経路に、端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタの上位ノードが含まれれば、当該他のノード宛のデータを当該上位ノードへ送信する。

一方、中継工程では、受信工程にて他のノードを最終宛先とするデータが受信されると、当該データを、送信工程にて送信させる。

また、本発明の通信方法において、端末装置のそれぞれにおいて、当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、中継工程では、最終宛先が共通するデータを蓄積して連結してから中継し、当該端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタに含まれる下位ノードの数が多いほど、当該最終宛先が共通するデータを蓄積して連結する個数もしくはサイズを大きくするように構成することができる。

また、本発明の通信方法において、端末装置のそれぞれにおいて、当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、当該端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタに含まれる下位ノードの数が多いほど、前記周期的な時刻として短い周期の時刻を設定するように構成することができる。

また、本発明の通信方法において、端末装置のそれぞれにおいて、当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、中継工程では、最終宛先が共通するデータを蓄積して連結してから中継し、最終宛先ごとに中継頻度を集計し、当該最終宛先までの経路に、端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタの下位ノードが含まれれば、当該最終宛先への中継頻度が高いほど、当該最終宛先へ中継するデータを蓄積して連結する個数もしくはサイズを大きくするように構成することができる。

また、本発明の通信方法において、端末装置のそれぞれにおいて、当該端末装置がゲートウェイノードである場合、当該最終宛先までの経路に、端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタの上位ノードが含まれれば、当該最終宛先への中継頻度が低いほど、当該最終宛先へ中継するデータを蓄積して連結する個数もしくはサイズを大きくするように構成することができる。

また、本発明の通信方法において、端末装置のそれぞれにおいて、当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、中継工程では、データの中継頻度を集計し、集計された中継頻度が高いほど、周期的な時刻として短い周期の時刻を設定するように構成することができる。

また、本発明の通信方法において、クラスタの上位ノードは、クラスタに含まれるノード同士の通信が他のノードと干渉しない指向性ビームを用いて直接送受することが可能な場合、データの送受を両者間で直接行うべき周期的な時間帯を他の干渉しないノードと重複させて設定するように構成することができる。

また、本発明の通信システム、通信方法、ならびに、端末装置において、各端末装置からゲートウェイノードの機能を省略するように構成することができる。

したがって、本発明において端末装置により形成されるのは、独立したクラスタであり、ある端末装置は、１つのクラスタに属するのみのスター形のネットワークが形成されることになる。

本態様は、端末装置同士が指向性ビームによって直接通信可能な場合に好適であり、少なくとも端末Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを含むクラスタに対して設定される周期内において、端末Ａ、Ｂが指向性ビームにより通信する時間帯と、端末Ｃ、Ｄが指向性ビームにより通信する時間帯と、を、重複させることで、通信効率を向上させることが可能となる。

なお、指向性ビームを利用できない場合には、端末装置同士に時分割によってデータを送受する時間を割り当てても良いし、ヘッドノードを経由する中継によってデータを送受することも可能であるし、ゲートウェイを備える態様の技術の一部を、本態様に適用することも可能である。

本発明のその他の観点に係るプログラムは、ソフトウェアラジオや無線通信が可能なコンピュータ（ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を含む。）を、上記の端末装置の各部として機能させるように構成する。

当該プログラムは、コンピュータ読取可能な情報記録媒体（コンパクトディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ディジタルビデオディスク、磁気テープ、または、半導体メモリを含む。）に記録することができる。

そして、上記の情報記録媒体は、コンピュータとは独立して配布、販売することができるほか、インターネット等のコンピュータ通信網を介して上記のプログラムそのものを配布、販売することができる。

本発明によれば、アドホックに形成される通信ネットワークを構成するのに好適な通信システム、端末装置、通信方法、ならびに、これらをコンピュータにより実現するためのプログラムを提供することができる。

以下に本発明の実施形態を説明する。なお、以下にあげる実施形態は、説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であれば、これらの各要素または全要素を、これと均等なものに置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も、本発明の範囲に含まれる。

なお、本願の図面では、理解を容易にするため、適宜符号を省略することがある。

図１は、本実施形態における１つのクラスタと複数の端末装置の関係を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

本図に示すように、１つのクラスタ１０１は、複数の端末装置１２１によって構成される。端末装置１２１には、上位ノード（本図では「Ｐ」と表記している。）と下位ノード（本図では「Ｃ」と表記している。）の２種類があり、１つのクラスタ１０１には、上位ノードＰが必ず１個だけ含まれ、残りはすべて下位ノードＣとなる。

本図に示す状態は、いわゆるスター結合に相当するもので、クラスタ１０１内の上位ノードＰが下位ノードＣに対して、各種の設定を行う。

このクラスタ１０１は、いわゆるピコネット構造においては、ピコネットコーディネータ（ＰＮＣ）が上位ノードＰに、デバイス（ＤＥＶ）が下位ノードＣに、それぞれ相当する。

本実施形態では、いわゆる時分割通信を行うための時刻割り当てを行う。

Ｎ台の端末装置１２１が１つのクラスタ１０１に含まれる場合、送信・受信の向きは、一般には、Ｎ（Ｎ−１）通りとなる。そこで、典型的な時分割通信においては、時刻割り当ての周期をＮ（Ｎ−１）に分割し、分割された各時間帯に、クラスタ１０１内のある端末装置１２１から別の端末装置１２１への通信時間を割り当てる。

また、Ｎ台の端末装置１２１同士の通信を、必ず上位ノードＰが中継する場合には、送信・受信の向きは、２（Ｎ−１）通りとなる。

この場合には、時刻割り当ての周期を２（Ｎ−１）に分割し、分割された各時間帯に、クラスタ１０１内のある下位ノードＣから上位ノードＰへの通信時間、もしくは、上位ノードＰからある下位ノードＣへの通信時間を割り当てる。

また、この周期において分割された各時間帯の先頭には、短時間だけ、上位ノードＰから全下位装置Ｃへの設定信号を送信するものとする。この設定信号は、最も単純には、全端末装置１２１での同期をとるための同期信号とするが、設定信号に周期の変更、端末の個数の変更、時間帯割当の変更などの情報や、その情報を別途送信する旨の予告を入れることとしても良い。

そして、下位ノードＣが周期的に信号をセンスする時間を、Ｈｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄと呼び、センスする周期をＨｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌと呼ぶ。Ｈｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄの時間長は、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌの時間長以下である。

また、一旦、通信時間割が割り当てられれば、上位ノードＰについても、他のノードからの通信をセンスする期間が用意され、下位ノードＣと同様にＨｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌとＨｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄが定義される。

上位ノードＰが送信する制御信号を周期的に送信する場合には、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌは、この周期と一致するが、一旦通信時間割がクラスタ１０１内で共有された後は、キャリアセンスの周期がクラスタ１０１内で共有された後は、必ずしも、同期用の制御信号を周期的に送信する必要はない。たとえば、各種の設定情報が変更された場合にのみ、上位ノードＰから、キャリアセンス周期に合わせて制御信号を送信する、という手法を採用しても良い。

いずれの場合であっても、上位ノードＰおよび下位ノードＣは、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌ内のＨｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄにおいてキャリアセンスを行う。

すなわち、各下位ノードＣは、定期的に上位ノードＰが送信する（可能性がある）設定信号のキャリアセンスを定期的に行うことで、クラスタ１０１における各種設定が変更されていないかを確認する。

なお、上位ノードＰが周期的に制御信号を送信しない態様では、このクラスタ１０１が現在も存続していることを確認するためには、上位ノードＰがキャリアセンスを行う時間帯に、制御信号を送るよう、下位ノードＣから依頼する信号を送信すれば良い。

このような構成を採用することで、端末装置１２１は、自身が信号を送信する必要がなく、自身が信号を受信する必要もない時間帯を把握することができる。

そこで、本実施形態では、送受の必要がない時間帯には、端末装置１２１が自律的に省電力モードに移行することとし、キャリアセンスをするときや、自身が受信する時間帯となったとき、自身が送信する時間帯となったときには、通常電力モードに復帰することとする。このようにして、各端末装置１２１の電力消費を抑制し、運用可能時間を長くすることとする。

本願に係る技術は、このようなスター形のネットワークであっても適用することができるが、複数のクラスタを連結する態様に拡張することも可能である。

図２は、複数のクラスタをゲートウェイが連結する様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

本図に示すように、複数のクラスタ１０１のそれぞれには、複数の端末装置１２１が含まれているが、中には、２つのクラスタ１０１に属する端末装置１２１が存在する。

このように、２つのクラスタ１０１に属する端末装置１２１は、ゲートウェイノードと呼ばれ、本図では、記号Ｇで示している。

ゲートウェイノードＧが属するクラスタ１０１は２つであるが、一方のクラスタでは、ゲートウェイノードＧは図１における下位ノードＣに相当し、他方のクラスタでは、ゲートウェイノードＧは図２における上位ノードＰに相当する。

一方、１つのクラスタ１０１に属する端末装置１２１であって、そのクラスタ１０１において上位ノードＰとして機能するものは、ヘッドノードと呼ばれ、本図では、記号Ｈで示している。

それ以外の端末装置１２１は、１つのクラスタ１０１に属し、そのクラスタ１０１において下位ノードＣとして機能する。このような端末装置１２１は、ノーマルノードと呼ばれ、本図では、記号Ｎで示している。

このような構成では、ヘッドノードＨやゲートウェイノードＧを介して、全端末装置１２１がツリー上に連結される。したがって、各端末装置１２１の間の通信は、このツリーをたどることによって可能となる。

上記のように、あるクラスタ１０１における上位ノードＰは、そのクラスタ１０１における時分割通信の時間割を管理する。

ゲートウェイノードＧは、他のゲートウェイノードＧもしくはヘッドノードＨから、自身が下位ノードＣとして参加するクラスタ１０１の時分割通信の時間割を設定される。

一方、ゲートウェイノードＧは、自身が上位ノードＰとして参加するクラスタ１０１の時分割通信の時間割を自身で設定する。

そこで、ゲートウェイノードＧは、２つの時間割ができるだけ重ならないように、特に、両者のキャリアスキャンを行うべき時刻が重ならないように設定するのが好適である。このように構成した場合には、１つのゲートウェイノードＧを介して２つのクラスタ１０１が近接したとしても、互いに通信が干渉し合わないようにすることもできる。

なお、実用的には、ゲートウェイノードＧが、その上位ノードとは独立に通信時間割を設定するだけで十分である。この場合、両者のキャリアスキャンの時刻が偶然重なってしまうこともありうる。

図３は、本実施形態に係る端末装置１２１の概要構成を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

端末装置１２１は、スキャン部２０１、ノード設定部２０２、送信部２０３、受信部２０４、センス部２０５、抑制部２０６、時刻設定部２０７、中継部２０８を備える。

スキャン部２０１は、たとえば電源投入時等に、受信部２０４を連続して駆動して、他の端末装置１２１が存在するか否かを調べる。

すでにクラスタ１０１が形成されていれば、そのクラスタ１０１の上位ノードＰからキャリアセンス用の制御信号が放送されているはずであるから、これを検知することとなる。

また、スター形だけではなく、ツリー形のネットワークを形成できるようにするためには、下位ノードＣであっても、自身に割り当てられた送信時間帯に、自身の存在を放送する制御信号を送信することとするのが典型的である。この場合には、下位ノードＣが送信する制御信号を検知することとなる。

このスキャン結果に基づいて、ノード設定部２０２は、
（１）他の端末装置１２１が発見できなければ、自身をヘッドノードＨに設定し、
（２）発見できた他の端末装置１２１がヘッドノードＨであれば、自身を当該ヘッドノードＨの下位ノードＣとなるように、当該ヘッドノードＨへ登録を申し込み、
（３）発見できた他の端末装置１２１がゲートウェイノードＧであれば、自身を当該ゲートウェイノードＧの下位ノードＣとなるように、当該ゲートウェイノードＧへ登録を申し込み、
（３）発見できた他の端末装置１２１がノーマルノードＮであれば、当該ノーマルノードＮの動作モードをゲートウェイノードＧに移行させ、自身を当該ゲートウェイノードＧの下位ノードＣとなるように、当該発見された他の端末装置１２１へ登録を申し込む。

なお、この申し込みは、送信部２０３を介して行う。

センス部２０５は、自身が属するクラスタ１０１が持続していることを確認するため、自身の上位ノードＰによって設定された周期的な時刻に、受信部２０４を介してキャリアセンスを行う。

抑制部２０６は、送信部２０３や受信部２０４の電力消費を制御するもので、クラスタ１０１内で共有される時間割に基づいて、自身の送信の必要がない時間帯には送信部２０３を省電力モードとし、自身の受信の必要がない時間帯には受信部２０４を省電力モードとすることで、端末装置１２１全体の消費電力を抑制する。また、このような時間帯に合わせて、適宜、他の各部の電力消費を抑制するように設定するのが典型的である。

中継部２０８は、当該端末装置１２１が上位ノードＰとして機能している場合に、他の端末装置１２１同士の通信を中継するもので、受信部２０４ならびに送信部２０３と協調動作する。

ある端末装置１２１が、あるデータを他の端末装置１２１（同じクラスタ１０１に属しているとは限らない。）を最終宛先として伝送したい場合に、送信部２０３は、以下のように動作するのが典型的である。
（１）当該端末装置がノーマルノードＮである場合、そのデータに最終宛先を指定したまま、自身が属するクラスタ１０１の上位ノードＰに送信する。
（２）当該端末装置がヘッドノードＨもしくはゲートウェイノードＧである場合、最終宛先までの経路を調べ、その経路に、当該端末装置が上位ノードＰとして含まれるクラスタ１０１の下位ノードＣがあれば、そのデータに最終宛先を指定したまま、当該下位ノードＣへ送信する。
（３）当該端末装置がゲートウェイノードＧである場合、最終宛先までの経路を調べ、その経路に、当該端末装置が下位ノードＣとして含まれるクラスタ１０１の上位ノードＰがあれば、そのデータに最終宛先を指定したまま、当該上位ノードＰへ送信する。

受信部２０４があるデータを受信すると、中継部２０８が受信されたデータを監視しているため、以下のような処理が実行される。
（１）受信したデータの最終宛先が自身であれば、当該データを、伝送されたデータとして、他の処理に渡す。
（２）受信したデータの最終宛先が自身でなければ、当該データに最終宛先を指定したまま、送信部２０３に処理させる。

このようにすることで、端末装置１２１間のデータの伝送が可能となる。

なお、スター形のネットワークが構成できれば十分である場合には、ゲートウェイノードとしての処理を適宜省略すれば良い。

図４は、複数の端末装置の動作を示す説明図である。本図に示す例では、Ｎｏｄｅ １、Ｎｏｄｅ ２、Ｎｏｄｅ ３の３つの端末装置１２１がやりとりをする状況を考えている。以下では、本図を参照して説明する。

まず、Ｎｏｄｅ ２に電源が入れられる。Ｎｏｄｅ ２はスキャンを行うが、他の端末装置１２１は存在しないので、Ｎｏｄｅ ２はヘッドノード（Ｃｌｕｓｔｅｒ ｈｅａｄ）として機能することとなる。

次に、Ｎｏｄｅ １に電源が入れられる（Ｐｏｗｅｒ ｏｎ）。Ｎｏｄｅ １がスキャン（Ｓｃａｎ）を行って、周囲の他の端末装置１２１を探すと、既にＮｏｄｅ ２がヘッドノード（Ｃｌｕｓｔｅｒ ｈｅａｄ）として機能しているので、これが発見される。

すると、Ｎｏｄｅ １は、Ｎｏｄｅ ２に対しアソシエーション（Ａｓｓｏｃ.）を行い、Ｎｏｄｅ ２の定める通信時間割に従うこととなる。

したがって、Ｎｏｄｅ １は、Ｎｏｄｅ ２が上位ノードＰであるクラスタ１０１の下位ノードＣとなる。また、Ｎｏｄｅ １は、ノーマルノード（Ｎｏｒｍａｌ ｎｏｄｅ）として機能することとなる。

次にＮｏｄｅ ３が立ち上がる。Ｎｏｄｅ ３は同様にスキャンを行った結果、Ｎｏｄｅ ２は検知できなかったが、Ｎｏｄｅ １が検知できたものとすると、Ｎｏｄｅ ３は、Ｎｏｄｅ １へアソシエーションを行う。

この要求に対して、Ｎｏｄｅ １は、ゲートウェイノードＧとしての機能を開始（Ｓｔａｒｔ）するため、自身が上位ノードＰとなる新たなクラスタ１０１を形成し、自身が下位ノードＣであるクラスタ１０１とはできるだけ重複しない時間帯に通信を行う通信時間割を、新たに形成されたクラスタ１０１で共有するように設定する。

このようにして、Ｎｏｄｅ ２とＮｏｄｅ １からなるクラスタ１０１と、Ｎｏｄｅ １とＮｏｄｅ ３からなるクラスタ１０１と、の、２つのクラスタ１０１が階層的に構成される。

Ｎｏｄｅ ３からＮｏｄｅ １へ、Ｎｏｄｅ １からＮｏｄｅ ３へ、のデータ伝送は、Ｎｏｄｅ ２が中継するが、Ｎｏｄｅ ２とＮｏｄｅ １の間で通信（Ｓｔｒｅａｍ）する通信時間割は、Ｎｏｄｅ ２が設定したものであり、Ｎｏｄｅ １とＮｏｄｅ ３の間で通信する通信時間割は、Ｎｏｄｅ １が設定したものである。

ここで、上位ノードＰがシャットダウンされる場合等には、その通信時間割は廃止され、当該クラスタ１０１は消滅することなる。

たとえば、Ｎｏｄｅ ２が停止（Ｓｔｏｐ）したり、Ｎｏｄｅ ３からＮｏｄｅ １へ離脱（Ｄｉｓａｓｓｏｃ.）要求がされた場合である。

図５は、端末装置における状態遷移図である。以下、本図を参照して説明する。

本図に示すように、端末装置１２１には、状態（Ｓｔａｔｕｓ）が６種類ある。すなわち、
（１）Ｐｏｗｅｒ ｏｆｆは、電源ｏｆｆの状態を表す。
（２）Ｄｉｓａｓｓｏｃｉａｔｅｄは、いずれのクラスタ１０１にも属さず、各パラメータが初期値にある状態を表す。
（３）Ｓｃａｎｎｅｄは、いずれのクラスタ１０１にも属さないが、他ノードの存在等情報を有する状態を表す。
（４）Ｎｏｒｍａｌ ｎｏｄｅは、あるクラスタ１０１に、下位ノードＣとして参加しており、そのクラスタ１０１の上位ノードの定める通信時間割に従う状態を表す。
（５）Ｃｌｕｓｔｅｒ ｈｅａｄは、自身がヘッドノードとなってクラスタ１０１を管理し、通信時間割を独自に定めて動作している状態を表す。
（６）Ｇａｔｅｗａｙは、自身がゲートウェイノードとなって２つのクラスタ１０１に参加し、一方のクラスタ１０１では、自身が上位ノードＰとなって通信時間割を定めるが、他方のクラスタ１０１では自身が上位ノードＣとなって設定された通信時間割にしたがう状態を表す。

また、本図に示すように、端末装置１２１には、状態遷移を行うための手続（Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）が９種類ある。
（１）Ｒｅｓｅｔは、クラスタ１０１に関する情報等、各種パラメータを初期化する。
（２）Ｓｃａｎは、他ノードの存在を調べる。
（３）Ｓｔａｒｔは、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌを設定する。
（４）Ａｓｓｏｃｉａｔｅ （Ａｓｓｏｃ.）は、あるノードの下位ノードになりたい旨を通知する。当該あるノードがヘッドノードＨやゲートウェイノードＧである場合には、そのままその下位ノードとなるが、当該あるノードがノーマルノードＣである場合には、当該あるノードの状態が変化する。
（５）Ｓｔｒｅａｍは、特定のノードに対し、データパケットを送信する。
（６）Ｃｈａｎｇｅは、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌを変更する。
（７）Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅ （Ｓｙｎｃ.）は、上位ノードＰに対して、下位ノードＣが、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌの再同期を要求する。
（８）Ｄｉｓａｓｓｏｃｉａｔｅ （Ｄｉｓａｓｓｏｃ.）は、上位ノードＰに対して、下位ノードＣが、クラスタ１０１から離脱することを通知する。
（９）Ｓｔｏｐは、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌを廃止し、自身の下位ノードである端末装置１２１に、これを通知する。

また、各端末装置１２１が管理する情報の一例を以下に示す。
（１）全ノードについて、ノードＩＤ（８ビット）。
（２）全ノードについて、現在のモードがＣｌｕｓｔｅｒ ｈｅａｄ／Ｇａｔｅｗａｙ／Ｎｏｒｍａｌ ｎｏｄｅのいずれであるか（２ビット）。
（３）全ノードについて、当該ノードが果たすことのできる機能が、Ｎｏｒｍａｌ ｎｏｄｅのみか、それともＣｌｕｓｔｅｒ ｈｅａｄやＧａｔｅｗａｙとして動作しうるか（１ビット）。
（４）全ノードについて、周波数や変調方式などの物理パラメータ（４０ビット程度）。
（５）全ノードについて、当該ノードの優先順位（０−２５５、８ビット）。
（６）上位ノードについて、設定されたＨｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌ（０−６５５３５μｓ、１６ビット）。
（７）上位ノードについて、クラスタ内ノード数（０−２５５、８ビット）。
（８）上位ノードについて、クラスタ内ノードＩＤ（８ビット×０−２５５ノード、計２０４８ビット）。
（９）上位ノードについて、クラスタ内ノード別正規化トラヒック（１／２５６−２５６／２５６ｅｒｌ×０−２５５ノード、計２０４８ビット）。
（１０）下位ノードについて、キャリアセンス周期（０−６５５３５μｓ、１６ビット）。
（１０）下位ノードについて、参加するクラスタの上位ノードのノードＩＤ（８ビット）。

伝送されるフレームの構造は、典型的には、プリアンブル部、ヘッダ部、ペイロード部からなる。フレームには、以下の９種類がある。
（１）Ｓｃａｎ ｒｅｑｕｅｓｔは、ヘッドノードもしくはゲートウェイノードに対して、そのクラスタに参加しようとする要求である。
（２）Ｓｃａｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅは、Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｅｓｔへの応答で、キャリアセンス周期を割り当てる。
（３）Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｅｓｔは、ノーマルノードに対して、「ゲートウェイノードになってクラスタを形成」するよう求め、形成されたクラスタに参加しようとする要求である。
（４）Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅは、Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｅｓｔへの応答で、キャリアセンス周期を割り当てる。
（５）Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｅｓｔは、上位ノードに対して、キャリアセンス周期の再同期を要求する。
（６）Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅは、Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｅｓｔへの応答である。
（７）Ａｎｎｏｕｎｃｅは、ノード間で特定の情報を伝達する。
（８）Ｄａｔａは、通常データである。
（９）Ａｃｋは、いわゆる確認応答（Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｍｅｎｔ）である。

以下、各手続の詳細について説明する。

まず、Ｒｅｓｅｔ手続は、ノード内のパラメータを初期化する。

次に、Ｓｃａｎ手続は、以下のように行われる。図６は、Ｓｃａｎ手続の流れを示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

実行ノード（Ｎｏｄｅ １）が、Ｓｃａｎ ｒｅｑｕｅｓｔ コマンドフレームを送信すると、本コマンドをセンスしたノード（Ｎｏｄｅ ２，Ｎｏｄｅ ３）は、フレーム終了までキャリアセンスを継続する。

そして、センスしたノードは、フレーム終了時のＢａｃｋｏｆｆ時間後に、Ｓｃａｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅコマンドを返信する。

Ｓｃａｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅコマンドには、Ｓｃａｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅを送信したノードが、上位ノードとなれるかどうか、上位ノードとなった場合のＨｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌに関する情報が含まれる。

さらに、Ｓｔａｒｔ手続は、ノードのモードや、上位ノード自身が設定するＨｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌ、下位ノードが設定されるキャリアセンス周期（これは、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌに等しい。）、その他のノード内パラメータを設定する。

そして、Ａｓｓｏｃｉａｔｅ手続は、以下のように行われる。図７は、Ａｓｓｏｃｉａｔｅ手続の流れを示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

Ｎｏｄｅ １は、Ｓｃａｎ結果に基づいて、特定のノード（Ｎｏｄｅ ３）に対してアソシエーションを要求する際に、そのノード（Ｎｏｄｅ ３）が設定しているＨｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌに従って、Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｅｓｔ コマンドフレームを送信する。

受信ノード（Ｎｏｄｅ ３）は、Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅコマンドを返信する。

一方、Ｓｔｒｅａｍ手続は、クラスタ内の他のノードに対してデータを送信するもので、図８は、Ｓｔｒｅａｍ手続の流れを示す説明図である。

本図に示すように、クラスタ内で共有される通信時間割周期（Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌ）にしたがって、データの伝送が行われる。

さらに、Ｃｈａｎｇｅ手続は、クラスタ内パラメータの変更をクラスタ内に周知するものである。図９は、Ｃｈａｎｇｅ手続の流れを示す説明図である。

本図に示すように、Ａｎｎｏｕｎｃｅコマンドフレームのマルチキャストによって、情報の周知が実現される。

そして、Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅ手続は、上位ノードに対して、クラスタ内の下位ノードがＨｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌ の再度通知を要求するものである。図１０は、Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅ手続の流れを示す説明図である。

本図に示すように、Ｓｙｎｃ．ｒｅｑｕｅｓｔを送信したＮｏｄｅ １において、Ｒｅｎｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅｏｕｔ ｐｅｒｉｏｄの中でＳｙｎｃ．ｒｅｓｐｏｎｓｅが受信される。Ｒｅｎｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅｏｕｔ ｐｅｒｉｏｄが終了した後に、Ｎｏｄｅ １における再同期がなされる（図示せず）。

Ｄｉｓａｓｓｏｃｉａｔｅ手続は、上位ノードに対して、下位ノードが、以降はＨｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌ に従わないことを通知する。ものである。図１１は、Ｄｉｓａｓｓｏｃｉａｔｅ手続の流れを示す説明図である。

本図に示すように、この手続は、上位ノードに対してＡｎｎｏｕｎｃｅ コマンドフレームを送信することで実現される。

Ｓｔｏｐ手続は、上位ノードが、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌを廃止することをクラスタ内の他ノードに通知するものである。図１２は、Ｓｔｏｐ手続の流れを示す説明図である。

本図に示すように、Ｓｔｏｐ手続は、Ａｎｎｏｕｎｃｅコマンドフレームのマルチキャストによって実現される。

本実施形態は、上記実施形態において、上位ノードが通信時間割を適切に設定する技術を提案するものである。

すなわち、上位ノードＰは、自身が管理するクラスタ１０１に参加している下位ノードＣの個数に応じて、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌ（キャリアセンス周期）の時間長、データ伝送に利用可能な時間帯の時間長を変化させるものである。

ここで、ある端末装置１２１におけるＨｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄは、制御信号の送受信のほか、データ伝送そのものに利用することも可能である。Ｈｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄにキャリアセンスによって自分宛の信号を検知した場合には、Ｈｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ終了の後も、そのまま受信を継続することによって、データを受け付けるようにすることもできる。

したがって、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌに対するＨｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄの割合が高くなれば、各端末装置１２１における消費電力は増大するが、伝送キャパシティも大きくなる。したがって、下位ノードＣの個数が多い場合に好適である。

逆に、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌに対するＨｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄの割合が低くなれば、各端末装置１２１における消費電力は低減できるが、伝送キャパシティは低くなる。したがって、下位ノードＣの個数が少ない場合に好適である。

図１３は、ヘッドノードとゲートウェイノードが割り当てるＨｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌとＨｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄの様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

本図に示すように、Ｎｏｄｅ １によって設定されたＨｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄと、Ｎｏｄｅ ２によって設定されるＨｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄは、できるだけ互いに重複しないように設定されている。これは、ゲートウェイノードであるＮｏｄｅ ２が、重複を避けるように、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌおよびＨｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄを設定するからである。

また、本図においては、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌに対するＨｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄの割合も異なっている。これは、クラスタ１０１内の下位ノードＣの個数や、伝送流量を考慮したものである。

本実施形態は、上記実施形態において、同じ最終宛先に伝送されるデータを上位ノードにおいて連結することによって、ヘッダが重複するオーバヘッド冗長性を低下させるとともに、短いデータ同士が衝突することを抑制して、通信効率を向上させるものである。

本実施形態では、受信部２０４が受信したデータの最終宛先を、中継部２０８が監視して、同じ最終宛先のデータについては、あらかじめ決定したデータ連結サイズになるまで蓄積して、これらを連結してから送信部２０３に送信させる。ここで、データ連結サイズを決定する際には、ネットワークの形状を考慮する必要がある。

すなわち、上流にいるか否か（ヘッドノードに近いか否か）、ならびに、下位ノードの数が多いか否か、である。

図１４は、ツリー形のネットワークにおいて、各端末装置がヘッドノードに対してデータを伝送した場合に、各ノードが処理するデータの数を示す説明図である。

本図に示すように、伝送すべきデータの量には偏りがあるので、ゲートウェイノードにおける好適なデータ連結サイズ（Ｐｒｅｆｅｒａｂｌｅ ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ ｓｉｚｅ ａｔ ｅａｃｈ ｒｅｌａｙｉｎｇ ｎｏｄｅ）は互いに異なる。

すなわち、当該端末装置１２１の下位ノードの個数が多ければ多いほど、データ連結サイズは大きくし、少なければ少ないほど、データ連結サイズは小さくする。

この場合、さらに、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌを短くし、Ｈｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄの割合を高くすることで、より一層の通信効率向上を図ることができる。

この手法では、自分の下流にいるすべてのノードの総数の近似として、自分の下位ノードの個数のみによってデータ連結サイズを決めているが、以下の手法と組み合わせることで、より一層通信の実態に合わせた調整が可能となる。

すなわち、中継部２０８は、最終宛先ごとにデータを中継した頻度を集計する。

そして、最終宛先が自分の下位ノード側（下流、ヘッドノードから遠い側）にある場合には、当該最終宛先への中継頻度が高ければ高いほど、データ連結サイズを大きくし、低ければ低いほど、データ連結サイズを小さくする。これは、当該中継部２０８を有する端末装置１２１が、ヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合に相当する。

一方、最終宛先が自分の上位ノード側（上流、ヘッドノードに近い側）にある場合には、当該最終宛先への中継頻度が高ければ高いほど、データ連結サイズを小さくし、低ければ低いほど、データ連結サイズを大きくする。これは、当該中継部２０８を有する端末装置１２１が、ゲートウェイノードである場合に相当する。

この際に、Ｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌの長さやＨｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄの割合は、上記の場合と同様に調整可能である。

図１５は、データの連結を行った場合の伝送性能シミュレーションの結果を示すグラフである。本図に示すように、データの連結を行うと、データ同士の衝突が低減され、通信効率が向上することがわかる。

上記実施形態では、通信時間割において、クラスタ１０１内の各端末装置１２１の通信が互いに衝突しないようにするために、端末装置１２１の対の間の送受ごと、もしくは、各下位ノードと上位ノードの間の送受ごとに、通信時間帯から１コマを割り当てていた。以下では、通信時間割における「コマ」を、「通信チャネル」と呼ぶこととする。

ここで、クラスタ１０１内の全端末装置１２１同士が互いに任意に通信可能とするのではなく、一部の端末装置１２１同士だけが通信可能とすることとしても良い。

図１６は、上位ノードと下位ノードに割り当てられる通信チャネルの様子を示す説明図である。本図においては、上位ノードは「Ｍａｓｔｅｒ」、下位ノードは「Ｓｌａｖｅ」と表記されている。

本図においては、Ｍａｓｔｅｒから全Ｓｌａｖｅへの通信チャネル（Ｍａｓｔｅｒ ｔｏ ａｌｌ）、Ｓｌａｖｅ １からＭａｓｔｅｒへの通信チャネル（Ｓｌａｖｅ １ ｔｏ Ｍａｓｔｅｒ）、Ｓｌａｖｅ ２からＳｌａｖｅ １への通信チャネル（Ｓｌａｖｅ ２ ｔｏ Ｓｌａｖｅ １）の３つの通信チャネルが、時分割されて互いに重複しないように設定されている。

Ｍａｓｔｅｒから全Ｓｌａｖｅへの通信チャネルでは、常に、もしくは、必要に応じて、通信チャネル割当の制御信号が送信される。

また、個々の端末装置１２１同士がデータのやりとりをするための通信チャネルとしては、Ｓｌａｖｅ １ ｔｏ Ｍａｓｔｅｒと、Ｓｌａｖｅ ２ ｔｏ Ｓｌａｖｅ １のみが想定されている。このような前提では、Ｓｌａｖｅ ２とＭａｓｔｅｒ間のデータの送受や、逆向きのデータの送受に対して通信チャネルを割り当てないことで、通信効率の向上を図ることができる。

通信チャネルの割り当ては、必要になった時点でＳｌａｖｅからＭａｓｔｅｒへ要求することを契機に行われるのが一般的であるが、データの伝送の方向が変化しない場合には、あらかじめ定めておくことも可能である。

このほか、端末装置１２１が指向性ビームを用いて通信を行うことが可能な場合には、この割り当ての手法を変更することが可能である。すなわち、ビームの指向性の条件によっては、通信時間割の中で、本来は異なる時間帯を割り当てるべきであった送受を、同じ時間帯に行うことが可能である。

図１７、図１８は、指向性ビームを用いた通信時間割の設定を示す説明図である。

本図に示す例では、各下位ノード（Ｓｌａｖｅ）は、ビームの指向性として４方向を備えている。

そして、上位ノード（Ｍａｓｔｅｒ）は、各下位ノードのビーム指向性の方向と、その方向がどの下位ノードに向かっているかの情報を管理している。

この状況下で、各下位ノードは、必要に応じて、上位ノードへ、データの宛先を指定して通信チャネルの割り当てを要求する。

すると、上位ノードでは、割り当て要求に指定されている発信元とその宛先の送受に適したビーム指向性の組を列挙する。

そして、送受の組が互いに干渉しないように、各割り当て要求を分類する。

ここで、「複数の送受が干渉しない」とは、当該複数の送受の発信元および宛先として、同じノードが重複して出現しないこと、すなわち、その通信チャネルにおいて、あるノードは、他の１つのノードからの受信のみを行うか、他の１つのノードへの送信のみを行う状況であること、を意味する。

図１７に示す例では、Ｓｌａｖｅ １からＳｌａｖｅ ２への通信と、Ｓｌａｖｅ ３からＳｌａｖｅ ４への通信は、互いに干渉し合わない状況となっている。

このため、これらについては、同じ時間帯に通信チャネルを割り当てることができる。

図１８に示す例では、Ｓｌａｖｅ ３からＳｌａｖｅ １への通信と、Ｓｌａｖｅ １からＳｌａｖｅ ２への通信は、Ｓｌａｖｅ １が送受を同時に行う構成となってしまうので、干渉し合う。したがって、同時に通信チャネルの割り当てが要求されても、拒絶される。

なお、送受のビーム指向性の組は、上位ノードから下位ノードに、通信チャネル割当を告知する際に知らせるのが一般的である。

割り当てられた通信チャネルの時間帯となると、各下位端末は、送信用の指向性の方向、あるいは、受信用の指向性の方向を、上位ノードから送信された制御信号に指定される情報に基づいて設定して、データの送受を行うのである。

なお、上記の例は、いずれも指向性ビームの範囲が互いに重ならない状況を考えたものである。

したがって、「複数の送受が干渉しない」ことの条件に、当該送受における指向性ビームの範囲が重ならないことを加えて、輻輳を生じにくくすることとしても良い。

ただし、各ノードの指向性ビームの範囲を他のノードがすべて含まれるように設定し、全ノードから全ノードへの通信チャネルを、同時に割り当てるような態様を採用しても良い。

図１９は、このような状況下で、全ノードで同じ時間帯の通信チャネルを共有する様子を示す説明図である。

このような状況下では、各ノード自身が他のノードへの指向性を管理して、自身の指向性設定が適切な場合のみにデータを送信することとするのが好適である。

以上説明したように、本発明によれば、アドホックに形成される通信ネットワークを構成するのに好適な通信システム、端末装置、通信方法、ならびに、これらをコンピュータにより実現するためのプログラムを提供することができる。

本実施形態における１つのクラスタと複数の端末装置の関係を示す説明図である。 複数のクラスタをゲートウェイが連結する様子を示す説明図である。 本実施形態に係る端末装置の概要構成を示す説明図である。 複数の端末装置の動作を示す説明図である。 端末装置における状態遷移図である。 Ｓｃａｎ手続の流れを示す説明図である。 Ａｓｓｏｃｉａｔｅ手続の流れを示す説明図である。 Ｓｔｒｅａｍ手続の流れを示す説明図である。 Ｃｈａｎｇｅ手続の流れを示す説明図である。 Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅ手続の流れを示す説明図である。 Ｄｉｓａｓｓｏｃｉａｔｅ手続の流れを示す説明図である。 Ｓｔｏｐ手続の流れを示す説明図である。 ヘッドノードとゲートウェイノードが割り当てるＨｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌとＨｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄの様子を示す説明図である。 ツリー形のネットワークにおいて、各端末装置がヘッドノードに対してデータを伝送した場合に、各ノードが処理するデータの数を示す説明図である。 データの連結を行った場合の伝送性能シミュレーションの結果を示すグラフである。 上位ノードと下位ノードに割り当てられる通信チャネルの様子を示す説明図である。 指向性ビームを用いた通信時間割の設定を示す説明図である。 指向性ビームを用いた通信時間割の設定を示す説明図である。 全ノードで同じ時間帯の通信チャネルを共有する様子を示す説明図である。

符号の説明

１０１ クラスタ
１２１ 端末装置
２０１ スキャン部
２０２ ノード設定部
２０３ 送信部
２０４ 受信部
２０５ センス部
２０６ 抑制部
２０７ 時刻設定部
２０８ 中継部

Claims (34)

1. クラスタに含まれるノードとして機能することにより端末装置同士が通信し合う通信システムであって、
   （ａ）前記クラスタは、１つの上位ノードと、それ以外の下位ノードと、からなり、
   （ｂ）前記端末装置のそれぞれは、
   （１）１つのクラスタに含まれ、当該クラスタの上位ノードとして機能するヘッドノード、
   （２）１つのクラスタに含まれ、当該クラスタの下位ノードとして機能するノーマルノード、
   （３）２つのクラスタに含まれ、一方のクラスタでは下位ノードとして機能し、他方のクラスタでは上位ノードとして機能するゲートウェイノード
   のいずれかとして機能し、
   （ｃ）前記端末装置のそれぞれは、
   当該端末装置が
   （１）ヘッドノードである場合、周期的な時刻を前記端末装置がヘッドノードとして含まれるクラスタに含まれるすべてのノードに設定し、
   （２）ゲートウェイノードである場合、前記端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタに設定された周期的な時刻と重ならないように、周期的な時刻を、前記端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタに含まれるすべてのノードに設定する
   時刻設定部、
   前記端末装置が含まれるクラスタのそれぞれに対して設定された周期的な時刻にキャリアセンスを行うセンス部、
   前記キャリアセンスの時刻に合わせて他のノードへデータを送信する送信部、
   前記キャリアセンスの時刻に合わせて他のノードからのデータを受信する受信部
   を備えることを特徴とする通信システム。
2. 請求項１に記載の通信システムであって、
   前記端末装置のそれぞれは、
   前記キャリアセンスを行わず、前記送信を行わず、前記受信を行わない間、電力消費を抑制する抑制部
   をさらに備えることを特徴とする通信システム。
3. 請求項１または２に記載の通信システムであって、
   前記端末装置のそれぞれは、
   他の端末装置をスキャンするスキャン部、
   前記スキャンの結果、
   （１）他の端末装置が発見できなかった場合、前記端末装置をヘッドノードとし、
   （２）発見できた他の端末装置がヘッドノードである場合、前記端末装置を当該ヘッドノードを上位ノードとするクラスタの下位ノードとし、
   （３）発見できた他の端末装置がゲートウェイノードである場合、前記端末装置を当該ゲートウェイノードを上位ノードとするクラスタの下位ノードとし、
   （４）発見できた他の端末装置がノーマルノードである場合、前記他の端末装置をゲートウェイノードとし、前記端末装置を当該ゲートウェイノードを上位ノードとするクラスタの下位ノードとする
   ノード設定部
   をさらに備えることを特徴とする通信システム。
4. 請求項３に記載の通信システムであって、
   前記クラスタの上位ノードは、前記クラスタに含まれるノード同士ごとに、データの送受を両者間で直接行うべき周期的な時間帯を設定し、
   前記送信部および前記受信部は、当該設定された周期的な時間帯に、データの送信ならびにデータの受信を直接行う
   ことを特徴とする通信システム。
5. 請求項３に記載の通信システムであって、前記端末装置のそれぞれにおいて、
   前記送信部は、他のノードを最終宛先とするデータを送信する際に、
   （１）前記端末装置がノーマルノードである場合、当該データを、前記端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタの上位ノードへ送信し、
   （２）前記端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードであり、当該最終宛先までの経路に、前記端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタの下位ノードが含まれれば、当該他のノード宛のデータを当該下位ノードへ送信し、
   （３）前記端末装置がゲートウェイノードであり、当該最終宛先までの経路に、前記端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタの上位ノードが含まれれば、当該他のノード宛のデータを当該上位ノードへ送信し、
   前記受信部が他のノードを最終宛先とするデータを受信すると、当該データを、前記送信部に送信させる中継部
   をさらに備えることを特徴とする通信システム。
6. 請求項５に記載の通信システムであって、前記端末装置のそれぞれにおいて、
   当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、前記中継部は、最終宛先が共通するデータを蓄積して連結してから中継し、
   当該端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタに含まれる下位ノードの数が多いほど、当該最終宛先が共通するデータを蓄積して連結する個数もしくはサイズを大きくする
   ことを特徴とする通信システム。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の通信システムであって、前記端末装置のそれぞれにおいて、
   当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、当該端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタに含まれる下位ノードの数が多いほど、前記周期的な時刻として短い周期の時刻を設定する
   ことを特徴とする通信システム。
8. 請求項５から７のいずれか１項に記載の通信システムであって、前記端末装置のそれぞれにおいて、
   当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、前記中継部は、最終宛先が共通するデータを蓄積して連結してから中継し、最終宛先ごとに中継頻度を集計し、
   当該最終宛先までの経路に、前記端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタの下位ノードが含まれれば、当該最終宛先への中継頻度が高いほど、当該最終宛先へ中継するデータを蓄積して連結する個数もしくはサイズを大きくする
   ことを特徴とする通信システム。
9. 請求項８に記載の通信システムであって、前記端末装置のそれぞれにおいて、
   当該端末装置がゲートウェイノードである場合、当該最終宛先までの経路に、前記端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタの上位ノードが含まれれば、当該最終宛先への中継頻度が低いほど、当該最終宛先へ中継するデータを蓄積して連結する個数もしくはサイズを大きくする
   ことを特徴とする通信システム。
10. 請求項５から９のいずれか１項に記載の通信システムであって、前記端末装置のそれぞれにおいて、
    当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、前記中継部は、データの中継頻度を集計し、前記集計された中継頻度が高いほど、前記周期的な時刻として短い周期の時刻を設定する
    ことを特徴とする通信システム。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の通信システムであって、
    前記クラスタの上位ノードは、前記クラスタに含まれるノード同士の通信が他のノードと干渉しない指向性ビームを用いて直接送受することが可能な場合、前記設定された時刻の周期内において、データの送受を両者間で直接行うべき周期的な時間帯を他の干渉しないノードと重複させて設定する
    ことを特徴とする通信システム。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の通信システムにおける端末装置。
13. クラスタに含まれるノードとして機能することにより端末装置同士が通信し合う通信方法であって、
    （ａ）前記クラスタは、１つの上位ノードと、それ以外の下位ノードと、からなり、
    （ｂ）前記端末装置のそれぞれは、
    （１）１つのクラスタに含まれ、当該クラスタの上位ノードとして機能するヘッドノード、
    （２）１つのクラスタに含まれ、当該クラスタの下位ノードとして機能するノーマルノード、
    （３）２つのクラスタに含まれ、一方のクラスタでは下位ノードとして機能し、他方のクラスタでは上位ノードとして機能するゲートウェイノード
    のいずれかとして機能し、
    （ｃ）前記端末装置のそれぞれにおいて、
    当該端末装置が
    （１）ヘッドノードである場合、周期的な時刻を前記端末装置がヘッドノードとして含まれるクラスタに含まれるすべてのノードに設定し、
    （２）ゲートウェイノードである場合、前記端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタに設定された周期的な時刻と重ならないように、周期的な時刻を、前記端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタに含まれるすべてのノードに設定する
    時刻設定工程、
    前記端末装置が含まれるクラスタのそれぞれに対して設定された周期的な時刻にキャリアセンスを行うセンス工程、
    前記キャリアセンスの時刻に合わせて他のノードへデータを送信する送信工程、
    前記キャリアセンスの時刻に合わせて他のノードからのデータを受信する受信工程
    を備えることを特徴とする通信方法。
14. 請求項１３に記載の通信方法であって、
    前記端末装置のそれぞれにおいて、
    前記キャリアセンスを行わず、前記送信を行わず、前記受信を行わない間、電力消費を抑制する抑制工程
    をさらに備えることを特徴とする通信方法。
15. 請求項１３または１４に記載の通信方法であって、
    前記端末装置のそれぞれにおいて、
    他の端末装置をスキャンするスキャン工程、
    前記スキャンの結果、
    （１）他の端末装置が発見できなかった場合、前記端末装置をヘッドノードとし、
    （２）発見できた他の端末装置がヘッドノードである場合、前記端末装置を当該ヘッドノードを上位ノードとするクラスタの下位ノードとし、
    （３）発見できた他の端末装置がゲートウェイノードである場合、前記端末装置を当該ゲートウェイノードを上位ノードとするクラスタの下位ノードとし、
    （４）発見できた他の端末装置がノーマルノードである場合、前記他の端末装置をゲートウェイノードとし、前記端末装置を当該ゲートウェイノードを上位ノードとするクラスタの下位ノードとする
    ノード設定工程
    をさらに備えることを特徴とする通信方法。
16. 請求項１５に記載の通信方法であって、
    前記クラスタの上位ノードは、前記クラスタに含まれるノード同士ごとに、データの送受を両者間で直接行うべき周期的な時間帯を設定し、
    前記送信工程および前記受信工程では、当該設定された周期的な時間帯に、データの送信ならびにデータの受信を直接行う
    ことを特徴とする通信方法。
17. 請求項１５に記載の通信方法であって、
    前記端末装置のそれぞれにおいて、
    前記送信工程では、他のノードを最終宛先とするデータを送信する際に、
    （１）前記端末装置がノーマルノードである場合、当該データを、前記端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタの上位ノードへ送信し、
    （２）前記端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードであり、当該最終宛先までの経路に、前記端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタの下位ノードが含まれれば、当該他のノード宛のデータを当該下位ノードへ送信し、
    （３）前記端末装置がゲートウェイノードであり、当該最終宛先までの経路に、前記端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタの上位ノードが含まれれば、当該他のノード宛のデータを当該上位ノードへ送信し、
    前記受信工程にて他のノードを最終宛先とするデータが受信されると、当該データを、前記送信工程にて送信させる中継工程
    をさらに備えることを特徴とする通信方法。
18. 請求項１７に記載の通信方法であって、前記端末装置のそれぞれにおいて、
    当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、前記中継工程では、最終宛先が共通するデータを蓄積して連結してから中継し、
    当該端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタに含まれる下位ノードの数が多いほど、当該最終宛先が共通するデータを蓄積して連結する個数もしくはサイズを大きくする
    ことを特徴とする通信方法。
19. 請求項１３から１８のいずれか１項に記載の通信方法であって、前記端末装置のそれぞれにおいて、
    当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、当該端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタに含まれる下位ノードの数が多いほど、前記周期的な時刻として短い周期の時刻を設定する
    ことを特徴とする通信方法。
20. 請求項１７または１８に記載の通信方法であって、前記端末装置のそれぞれにおいて、
    当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、前記中継工程では、最終宛先が共通するデータを蓄積して連結してから中継し、最終宛先ごとに中継頻度を集計し、
    当該最終宛先までの経路に、前記端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタの下位ノードが含まれれば、当該最終宛先への中継頻度が高いほど、当該最終宛先へ中継するデータを蓄積して連結する個数もしくはサイズを大きくする
    ことを特徴とする通信システム。
21. 請求項２０に記載の通信方法であって、前記端末装置のそれぞれにおいて、
    当該端末装置がゲートウェイノードである場合、当該最終宛先までの経路に、前記端末装置が下位ノードとして含まれるクラスタの上位ノードが含まれれば、当該最終宛先への中継頻度が低いほど、当該最終宛先へ中継するデータを蓄積して連結する個数もしくはサイズを大きくする
    ことを特徴とする通信方法。
22. 請求項１７、１８、２０、または、２１のいずれか１項に記載の通信方法であって、前記端末装置のそれぞれにおいて、
    当該端末装置がヘッドノードもしくはゲートウェイノードである場合、前記中継工程では、データの中継頻度を集計し、前記集計された中継頻度が高いほど、前記周期的な時刻として短い周期の時刻を設定する
    ことを特徴とする通信方法。
23. 請求項１３から２２のいずれか１項に記載の通信方法であって、
    前記クラスタの上位ノードは、前記クラスタに含まれるノード同士の通信が他のノードと干渉しない指向性ビームを用いて直接送受することが可能な場合、データの送受を両者間で直接行うべき周期的な時間帯を他の干渉しないノードと重複させて設定する
    ことを特徴とする通信方法。
24. ソフトウェアラジオもしくは通信機能を有するコンピュータを、請求項１２に記載の端末装置として機能させることを特徴とするプログラム。
25. クラスタに含まれるノードとして機能することにより端末装置同士が通信し合う通信システムであって、
    （ａ）前記クラスタは、１つの上位ノードと、それ以外の下位ノードと、からなり、
    （ｂ）前記端末装置のそれぞれは、
    （１）１つのクラスタに含まれ、当該クラスタの上位ノードとして機能するヘッドノード、
    （２）１つのクラスタに含まれ、当該クラスタの下位ノードとして機能するノーマルノード、
    のいずれかとして機能し、
    （ｃ）前記端末装置のそれぞれは、
    当該端末装置がヘッドノードである場合、周期的な時刻を前記端末装置がヘッドノードとして含まれるクラスタに含まれるすべてのノードに設定する時刻設定部、
    前記端末装置が含まれるクラスタのそれぞれに対して設定された周期的な時刻にキャリアセンスを行うセンス部、
    前記キャリアセンスの時刻に合わせて他のノードへデータを送信する送信部、
    前記キャリアセンスの時刻に合わせて他のノードからのデータを受信する受信部
    を備え、
    前記クラスタの上位ノードは、前記クラスタに含まれるノード同士ごとに、データの送受を両者間で直接行うべき周期的な時間帯を設定し、
    前記送信部および前記受信部は、当該設定された周期的な時間帯に、データの送信ならびにデータの受信を直接行い、
    前記時刻設定部は、前記クラスタに含まれるノード同士の通信が他のノードと干渉しない指向性ビームを用いて直接送受することが可能な場合、前記設定された時刻の周期内において、データの送受を両者間で直接行うべき周期的な時間帯を他の干渉しないノードと重複させて設定する
    ことを特徴とする通信システム。
26. 請求項２５に記載の通信システムであって、
    前記端末装置のそれぞれは、
    前記キャリアセンスを行わず、前記送信を行わず、前記受信を行わない間、電力消費を抑制する抑制部
    をさらに備えることを特徴とする通信システム。
27. 請求項２５または２６に記載の通信システムであって、
    前記端末装置のそれぞれは、
    他の端末装置をスキャンするスキャン部、
    前記スキャンの結果、
    （１）他の端末装置が発見できなかった場合、前記端末装置をヘッドノードとし、
    （２）発見できた他の端末装置がヘッドノードである場合、前記端末装置を当該ヘッドノードを上位ノードとするクラスタの下位ノードとし、
    （３）発見できた他の端末装置がノーマルノードである場合、前記端末装置をヘッドノードとする
    ノード設定部
    をさらに備えることを特徴とする通信システム。
28. 請求項２５から２７のいずれか１項に記載の通信システムであって、前記端末装置のそれぞれにおいて、
    当該端末装置がヘッドノードである場合、当該端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタに含まれる下位ノードの数が多いほど、前記周期的な時刻として短い周期の時刻を設定する
    ことを特徴とする通信システム。
29. 請求項２５から２８のいずれか１項に記載の通信システムにおける端末装置。
30. クラスタに含まれるノードとして機能することにより端末装置同士が通信し合う通信方法であって、
    （ａ）前記クラスタは、１つの上位ノードと、それ以外の下位ノードと、からなり、
    （ｂ）前記端末装置のそれぞれは、
    （１）１つのクラスタに含まれ、当該クラスタの上位ノードとして機能するヘッドノード、
    （２）１つのクラスタに含まれ、当該クラスタの下位ノードとして機能するノーマルノード、
    のいずれかとして機能し、
    （ｃ）前記端末装置のそれぞれにおいて、
    当該端末装置がヘッドノードである場合、周期的な時刻を前記端末装置がヘッドノードとして含まれるクラスタに含まれるすべてのノードに設定する時刻設定工程、
    前記端末装置が含まれるクラスタのそれぞれに対して設定された周期的な時刻にキャリアセンスを行うセンス工程、
    前記キャリアセンスの時刻に合わせて他のノードへデータを送信する送信工程、
    前記キャリアセンスの時刻に合わせて他のノードからのデータを受信する受信工程
    を備え、
    前記クラスタの上位ノードは、前記クラスタに含まれるノード同士ごとに、データの送受を両者間で直接行うべき周期的な時間帯を設定し、
    前記送信工程および前記受信工程では、当該設定された周期的な時間帯に、データの送信ならびにデータの受信を直接行い、
    前記時刻設定工程では、前記クラスタに含まれるノード同士の通信が他のノードと干渉しない指向性ビームを用いて直接送受することが可能な場合、前記設定された時刻の周期内において、データの送受を両者間で直接行うべき周期的な時間帯を他の干渉しないノードと重複させて設定する
    ことを特徴とする通信方法。
31. 請求項３０に記載の通信方法であって、
    前記端末装置のそれぞれにおいて、
    前記キャリアセンスを行わず、前記送信を行わず、前記受信を行わない間、電力消費を抑制する抑制工程
    をさらに備えることを特徴とする通信方法。
32. 請求項３０または３１に記載の通信方法であって、
    前記端末装置のそれぞれにおいて、
    他の端末装置をスキャンするスキャン工程、
    前記スキャンの結果、
    （１）他の端末装置が発見できなかった場合、前記端末装置をヘッドノードとし、
    （２）発見できた他の端末装置がヘッドノードである場合、前記端末装置を当該ヘッドノードを上位ノードとするクラスタの下位ノードとし、
    （３）発見できた他の端末装置がノーマルノードである場合、前記端末装置をヘッドノードとする
    ノード設定工程
    をさらに備えることを特徴とする通信方法。
33. 請求項３０から３２のいずれか１項に記載の通信方法であって、前記端末装置のそれぞれにおいて、
    当該端末装置がヘッドノードである場合、当該端末装置が上位ノードとして含まれるクラスタに含まれる下位ノードの数が多いほど、前記周期的な時刻として短い周期の時刻を設定する
    ことを特徴とする通信方法。
34. ソフトウェアラジオもしくは通信機能を有するコンピュータを、請求項２９に記載の端末装置として機能させることを特徴とするプログラム。

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