JP5152187B2 - 無線通信システム及びその節電方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システムに関し、特にＺｉｇＢｅｅ等の無線ネットワークに適用して好適な無線通信システム及びその節電方法に関する。

近年、ビル管理や環境調査等のための無線ネットワークあるいは近距離通信等で用いる省電力無線通信システムとして、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronic Engineers）８０２．１５．４（通称、ＺｉｇＢｅｅ）が提唱されている。非特許文献１（IEEE 802.15.4 Wireless MAC and PHY Specifications for LR-WPANs, http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4-2003.pdf）には、このＩＥＥＥ８０２．１５．４のＭＡＣ（Media Access Control）レイヤ及びＰＨＹ（電気物理）レイヤの通信プロトコルが記載されている。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４では、ネットワークを構成する各ノードの消費電力を低減するために一定間隔で送信されるビーコン信号を利用する。ビーコン信号は、ネットワークコーディネータと呼ばれる親ノードからネットワーク内の各子ノードへ送信される。親ノード及び子ノードはビーコン信号を利用することで同期して動作する。この同期動作の単位となるスーパーフレームの構成を図１に示す。

図１は、非特許文献１の第５章の図４に記載されたスーパーフレームの構成を示している。

図１に示すように、親ノードから一定間隔で送信されるビーコン信号間はコンテンションアクセス期間（ＣＡＰ：Contention Access Period）と呼ばれる。ＩＥＥＥ８０２．１５．４では、このＣＡＰ内で、通信を希望するノードがＳｌｏｔｔｅｄ ＣＳＭＡ−ＣＡ（Carrier sense multiple access with collision avoidance）方式により通信することが規定されている。ＣＡＰは、図１に示すように、スロットと呼ばれる複数の固定周期（例えば８０ｍｓ毎）の区間で構成されている。Ｓｌｏｔｔｅｄ ＣＳＭＡ−ＣＡ方式では、データの送受信や後述するＣＣＡ等の各種の処理がこれらスロットに同期して実行される。

図２は、非特許文献１の第５章の図１０に記載された、ビーコン信号の送信に用いるビーコンフレームの構成を示している。

図２に示すように、ビーコンフレームには、ペンディングアドレスフィールド（Pending Address Fields）と呼ばれる領域を備えている。親ノードは、この領域を用いて通信を希望する相手ノード（子ノード）の識別符号を送信する。子ノードは、親ノードからビーコン信号を受信すると、そのペンディングアドレスフィールドに自ノードの識別符号が有るか否かを検知し、自ノードの識別符号が無ければ、次のビーコン信号の受信時刻まで動作を停止して休止状態に遷移する。このメカニズムにより子ノードは受信処理に必要な電力消費を低減できる。

Ｓｌｏｔｔｅｄ ＣＳＭＡ−ＣＡ方式では、子ノードは、データの送信予定がある場合、ビーコン信号を受信すると、まずデータの送信に用いる予め設定された所定の無線周波数帯域であるチャネルの空きがあるか否かをＣＡＰの２スロットに亘って検知する。この検知動作はＣＣＡ（Channel Clear Assignment）と呼ばれる。子ノードは、ビーコン信号を受信して最初に実行するＣＣＡを、０〜２^ＢＥ−１個のスロットに相当する時間だけランダムに遅延させる。このＣＣＡの遅延期間はバックオフと呼ばれ、ＢＥはバックオフエクスポネントと呼ばれる。ＣＣＡを子ノード毎にランダムに遅延させる理由は、コリジョン（２つ以上の子ノードが同時に送信する状態）の確率を減らすためである。子ノードは、ＣＣＡによって空きチャネルが無いと判断した場合、ＢＥの値を１つ増加させて再びバックオフに遷移する。

また、ＩＥＥＥ８０２．１５．４では、上記ビーコンフレームやデータの送信に用いるデータフレーム等の各種フレームの受信後にＩＦＳ（インターフレーム空間）と呼ばれる通信休止期間を設けることが規定されている。一般に、ノードは、他のノードからフレームを受信すると、該フレームに含まれるデータ等を処理するため、次の動作に遷移するまでに一定の期間を必要とする。その期間に他のフレームが送信されると、該フレームを正常に受信できない場合や該フレームに含まれるデータを適切に処理できない場合がある。上記ＩＦＳと呼ばれる通信休止期間は、このような問題を避けるために設けられている。ＩＦＳには、ＳＩＦＳ（Short IFS）とＬＩＦＳ（Long IFS）とがあり、長いフレームの受信後はＬＩＦＳ（例えば１６０ｍｓ）が設けられ、短いフレームの受信後はＳＩＦＳ（例えば４８ｍｓ）が設けられる。各ノードは、フレームの送受信が終了すると、上記ＩＦＳが経過した後、次のスロットからＳｌｏｔｔｅｄ ＣＳＭＡ方式で処理を開始する。

なお、ノードが半２重動作の物理層に対応している場合、該ノードは送信処理と受信処理の切り替えに一定の時間を必要とする。その最大時間をaTurnaroundTime（例えば４８ｍｓ）とすると、上記ＳＩＦＳはaTurnaroundTime以上でなければならない。つまり、aTurnaroundTime≦Ｔａｃｋ≦ＳＩＦＳ＜ＬＩＦＳの関係になる。ここで、Ｔａｃｋはフレームを受信してから後述するＡＣＫを返送するまでに要する時間である。

また、ＩＥＥＥ８０２．１５．４によれば、フレームを送信するノードは、該フレームを受信するノードに対して、正常にフレームを受信したか否かを通知させるためのＡＣＫ（Acknowledgment）と呼ばれる確認信号を返送するよう要求できる。

フレームを送信するノードは、フレームを送信した後、ある一定期間（例えば２１６ｍｓ）内にＡＣＫを受信できなかった場合は該フレームが正常に受信されなかったとみなして再送等の処理を行う。ＡＣＫは、フレームを受信してから一定期間内に返送しなければならず、また他のノードがフレームの送信を開始しないように、通常、他のフレームよりも優先して送信される。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４では、aTurnaroundTime≦Ｔａｃｋ＜aTurnaroundTime＋aUnitBackoffPeriod（例えば４８ｍｓ≦Ｔａｃｋ＜１２８ｍｓ）の期間内でＡＣＫを返送することが規定されている。なお、aUnitBackoffPeriodは、バックオフの最小単位時間である。

ＡＣＫの返送要求は、１対１通信に限られ、ビーコン信号のような１対多通信で用いることはできない。これは、複数のノードからＡＣＫが同時に返送されると、それらが衝突して正しく受信できないためである。

図３は、非特許文献１の第５章の図１１に記載されているデータフレームの構成を示している。

図３に示すように、データの送信に用いるデータフレームは、フレームコントロール（Frame Control）と呼ばれる領域（フィールド）を備えている。フレームコントロールフィールドは、ビーコン信号の送信に用いるビーコンフレームやＡＣＫの送信に用いるＡＣＫフレームも備えている。

図４は、非特許文献１の第７章の図３５に記載された、フレームコントロールフィールドのフォーマットを示している。

図４に示すように、フレームを送信するノードは、フレームコントロールフィールドの６番目のビット（ビット５：Ack request）を利用して、該フレームを受信するノードにＡＣＫを要求する。フレームを受信したノードは、該フレームのAck request（ＡＣＫリクエスト）が「１」であれば、ＡＣＫを返送しなければならない。

また、フレームを送信するノードは、フレームコントロールフィールドの５番目のビット（ビット４：Frame pending）を利用して、該フレームを受信するノードに送信すべきデータが有るか（残っているか）否かを通知する。データを送信するノードは、送信すべきデータが有る場合はデータフレームのFrame pending（フレームペンディング）を「１」にセットし、送信すべきデータが無い場合は、最後のデータを含むデータフレームのフレームペンディングを「０」にセットする。フレームを受信したノードは、該フレームのフレームペンディングの値を確認することで全てのデータの受信が完了したか否かを判断できる。

上述したＩＥＥＥ８０２．１５．４では、ビーコン信号を受信する子ノードの消費電力を低減する手法については規定しているが、ビーコン信号を送信する親ノードの消費電力を低減する手法については何も規定していない。そのため、親ノードを休止状態に遷移させて消費電力を低減することができないという問題がある。

図５はＩＥＥＥ８０２．１５．４を採用した無線通信システムの通信動作の一例を示す模式図である。なお、図５はネットワークが親ノードＣＨ１及び子ノードＣＭ１で構成された例を示している。図５に示す「ＲＸ」はノードが受信状態にあることを示し、「ＴＸ」はノードが送信状態にあることを示し、「ＩＤＬＥ」はノードが休止状態にあることを示している。また、図５に示す「ｓ」はＳＩＦＳの期間であり、「ｔ」は送信状態と受信状態の切り替えに要する期間（ターンアラウンド期間）であり、「ｗ」はノードが休止状態から送受信状態に遷移するのに要する起動時間である。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４を適用した無線通信システムでは、例えば子ノードＣＭ１から親ノードＣＨ１に対するデータの送信予定がある場合、図５の（ａ）に示すように、子ノードＣＭ１は、親ノードＣＨ１に対するデータの送信を終了し、親ノードＣＨ１からＡＣＫを受信すると休止状態（ＩＤＬＥ）に遷移する。このとき、親ノードＣＨ１は、子ノードＣＭ１が休止状態であっても、次のビーコン信号の送信時刻まで受信状態を維持しているため、不要な受信の待ち受け期間が生じている。

また、図５の（ｂ）に示すように子ノードＣＭ１及び親ノードＣＨ１共にデータの送信予定がない場合、子ノードＣＭ１は、受信したビーコン信号のペンディングアドレスフィールドに自ノードの識別符号が無ければ、次のビーコン信号の受信時刻まで休止状態（ＩＤＬＥ）に遷移する。このとき、親ノードＣＨ１は、子ノードＣＭ１が休止状態であっても、次のビーコン信号の送信時刻まで受信状態を維持しているため、ＣＡＰの全期間で不要な受信の待ち受け期間が生じている。

そこで、本発明は、子ノード及び親ノードの電力消費を低減できる無線通信システム及びその節電方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の無線通信システムは、１対多通信であるビーコン信号を一定周期毎に送信する親ノード及び前記ビーコン信号を受信する子ノードを備え、前記親ノード及び子ノードが前記ビーコン信号により同期して動作する無線通信システムであって、
前記子ノードは、
前記ビーコン信号間の予め設定された所定の期間内で、前記親ノードに対するデータの送信予定の有無を通知するための予定通知信号を送信し、
前記親ノードは、
前記所定の期間の受信電力強度を測定することで前記予定通知信号の有無を判別し、
前記所定の期間内で前記予定通知信号を確認できない場合、次のビーコン信号の送信時刻まで休止状態に遷移し、
前記予定通知信号が有ると判断した場合は、該予定通知信号を確認した子ノードとの通信が終了しても休止状態へ遷移しない構成である。

一方、本発明の無線通信システムの節電方法は、１対多通信であるビーコン信号を一定周期毎に送信する親ノード及び前記ビーコン信号を受信する子ノードを備え、前記親ノード及び子ノードが前記ビーコン信号により同期して動作する無線通信システムの節電方法であって、
前記ビーコン信号間の予め設定された所定の期間内で、前記子ノードから前記親ノードへデータの送信予定の有無を通知するための予定通知信号を送信し、
前記親ノードが、前記所定の期間の受信電力強度を測定することで前記予定通知信号の有無を判別し、
前記所定の期間内で前記予定通知信号を確認できない場合、次のビーコン信号の送信時刻まで休止状態に遷移し、
前記予定通知信号が有ると判断した場合は、該予定通知信号を確認した子ノードとの通信が終了しても休止状態へ遷移しない方法である。

図１は、非特許文献１に記載されたスーパーフレームの構成を示す模式図である。 図２は、非特許文献１に記載されたビーコンフレームの構成を示す模式図である。 図３は、非特許文献１に記載されたデータフレームの構成を示す模式図である。 図４は、非特許文献１に記載されたフレームコントロールフィールドのフォーマットを示す模式図である。 図５は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４を採用した無線通信システムの通信動作の一例を示す模式図である。 図６は、無線通信システムの一構成例を示すブロック図である。 図７は、図６に示したノードの一構成例を示すブロック図である。 図８は、第１の実施の形態の無線通信システムの通信動作の一例を示す模式図である。 図９は、図６に示したノードの通信時における状態の遷移を示す状態遷移図である。 図１０は、第２の実施の形態の無線通信システムの通信動作の一例を示す模式図である。 図１１は、第３の実施の形態の無線通信システムの通信動作の一例を示す模式図である。 図１２は、第３の実施の形態の無線通信システムの通信動作の一例を示す模式図である。

次に本発明について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図６は無線通信システムの一構成例を示すブロック図である。

図６に示す無線通信システムは、ノードＣＨ１を親ノードとする第１のネットワーク１と、ノードＣＨ２を親ノードとする第２のネットワーク２とを有する構成である。第１のネットワーク１は子ノードＣＭ１〜ＣＭ４を備え、第２のネットワーク２は子ノードＣＭ５〜ＣＭ７を備えている。第１のネットワーク１の子ノードＣＭ４は、第２のネットワーク２の親ノードＣＨ２としても動作する。図６では第１のネットワーク１が４台の子ノードを備え、第２のネットワーク２が３台の子ノードを備えた例を示しているが、各ネットワークの子ノードの数は何台であってもよい。

図７は図６に示したノードの一構成例を示すブロック図である。

図７に示すように、ノードは、アンテナ装置１１、無線通信部１２、電源装置１３、メモリ１４、ＣＰＵ１５及びセンサ１６を備えている。

ＣＰＵ１６は、例えばメモリ１４に格納されたプログラムにしたがってノード全体の動作を制御する。

メモリ１４は自ノードから送信すべきデータあるいは他のノードから受信したデータが格納される。

センサ１６は、例えば本発明の無線通信システムを環境調査で利用する場合、各ノードの周辺環境（気温、湿度、気圧、位置等）を測定するために用いられる。センサ１６は、無線通信システムの利用環境に応じて適宜設けられるものであり、無くてもかまわない。

電源装置１３は、ノードが備える各装置（無線通信部１２、メモリ１４、ＣＰＵ１５及びセンサ１６等）に対して所要の電源電圧を供給する。

無線通信部１２は、送信するデータを変調してＲＦ（無線周波数）信号に周波数変換し、送信に必要な電力まで増幅する送信する送信部１２１と、受信したＲＦ信号を増幅し、ベースバンド信号に周波数変換して復調する受信部１２２と、データの送信時は送信部１２１からのＲＦ信号をアンテナ装置１１へ出力し、データの受信時はアンテナ装置１１で受信したＲＦ信号を受信部１２２へ出力する切替部１２３と、送信部１２１及び受信部１２２で実施する周波数変換に必要なローカル信号を生成する発振器１２４と、送受信するデータに対して所要の処理（符号化や復号化、誤り訂正処理等）を実行すると共に、上述したＳｌｏｔｔｅｄ ＣＳＭＡ−ＣＡ方式にしたがって無線通信部１２の通信動作を制御する通信制御部１２５と、送信部１２１、受信部１２２、発振器１２４及び通信制御部１２５対する電力供給を制御する電源制御部１２６とを有する構成である。

送信部１２１は、周知の変調回路や周波数変換で用いるミキサ、ＲＦ信号を増幅する電力増幅器等で構成される。また、受信部１２２は、周知の復調回路や周波数変換で用いるミキサ、受信したＲＦ信号を増幅する低雑音増幅器等で構成される。通信制御部１２５は、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器やＤ／Ａ（Digital to Analog）変換器、メモリ、各種の論理回路等から成るＬＳＩやＤＳＰによって構成される。電源制御部１２６は、各種の論理回路を組み合わせることで実現できる。なお、Ａ／Ｄ変換やＤ／Ａ変換を除く通信制御部１２５の機能や電源制御部１２６の機能は、ＣＰＵ１４がプログラムにしたがって実行する処理で実現することも可能である。

一般に、無線通信システムが備える各ノードでは、データを送受信している期間だけでなくデータの受信を待ち受けている期間でも、上記受信部１２２、発振器１２４及び通信制御部１２５に電源電圧が供給されているため電力を消費する。そのため、上述したＩＥＥＥ８０２．１５．４では子ノードに休止状態の期間を設けることで子ノードの電力消費を低減している。

本実施形態では、ビーコン信号間の予め設定された所定の期間内で、子ノードからデータの送信予定の有無を通知するための予定通知信号を親ノードに送信する。予定通知信号は、データの送信予定がある場合にのみ子ノードから親ノードに送信してもよく、データの送信予定がある場合と無い場合の両方で子ノードから親ノードに送信してもよい。但し、送信予定がある場合の予定通知信号と送信予定が無い場合の予定通知信号とは、ＣＡＰ内の異なるスロットに同期して送信する。

親ノードは、ビーコン信号の送信が終了すると、予め設定された所定期間だけ子ノードから送信される予定通知信号を待ち受け、予定通知信号を受信すると、該予定通知信号に基づいて各子ノードからのデータの送信予定の有無を判別する。そして、自ノードが管理するネットワーク内の全ての子ノードからのデータの送信予定が無く、また自ノードから子ノードへのデータの送信予定も無い場合に休止状態に遷移する。

図６に示すノードＣＨ２のように、親ノード及び子ノードの両方として動作するノードは、親ノードとして動作する第２のネットワーク２の各子ノードＣＭ５〜ＣＭ７からのデータの送信予定が無く、自ノードの送信予定が無く、さらに子ノードとして動作する第１のネットワーク１の親ノードＣＨ１からのデータの送信予定が無い場合に休止状態に遷移すればよい。

ここで、ノード（親ノード及び子ノード）の休止状態とは、例えば図７に示したＣＰＵ１５からの指示にしたがって、電源制御部１２６の制御により無線通信部１２が備える送信部１２１、受信部１２２、発振器１２４及び通信制御部１２５に対する電力供給が全て停止している状態を指す。休止状態では、送信部１２１、受信部１２２、発振器１２４及び通信制御部１２５だけでなく、センサ１６に対する電力供給も停止してよい。また、個別のタイマー等を備えている場合は、ＣＰＵ１５に対する電力供給も停止してよい。休止状態において電力供給を停止する構成要素は、本実施形態の無線通信システムの利用環境や装置構成に応じて適宜設定すればよい。

子ノードから送信する予定通知信号には、例えば図３に示したデータフレームと同様のフレーム構成を用いる。但し、予定通知信号では、図３に示したデータペイロード（Data Payload）が不要であるため、該データペイロードの領域に予定通知信号を送信する子ノードを識別するための識別符号を格納してもよい。その場合、親ノードは、予定通知信号を送信した子ノードを識別できるため、該子ノードとの通信が終了した時点で休止状態に遷移できる。ネットワーク内に子ノードが１台しかない場合は、予定通知信号に子ノードの識別符号を含める必要はない。また、後述するように親ノードが予定通知信号の有無のみを判断する場合も予定通知信号に子ノードの識別符号を含める必要はない。

次に第１の実施の形態の無線通信システムの通信動作について図８を用いて説明する。以下に説明するノードの通信動作は、無線通信部１２が備える通信制御部１２５及び電源制御部１２６により実行されるものとする。同様に、後述する第２の実施の形態及び第３の実施の形態おいても、ノードの通信動作については無線通信部１２が備える通信制御部１２５及び電源制御部１２６により実行されるものとする。

図８は、複数の子ノードのうち、１台の子ノードのみＣＡＰ内でデータを送信する例である。図８は、図６に示した第１のネットワーク１が備える親ノードＣＨ１及び子ノードＣＭ１を例にして本実施例の無線通信システムの通信動作を示しているが、各ＣＡＰ内でデータを送信する子ノードが１台のみであれば、他の親ノードやその配下の子ノードにも適用できる。

図８に示す「ＲＸ」はノードが受信状態にあることを示し、「ＴＸ」はノードが送信状態にあることを示し、「ＩＤＬＥ」はノードが休止状態にあることを示している。また、図８に示す「ｃ」はノードがＣＣＡを実行している状態を示し、「ＢＯ」はノードがバックオフ状態であることを示している。また、図８に示す「ｓ」はＳＩＦＳの期間であり、「ｔ」は送信状態と受信状態の切り替えに要する期間（ターンアラウンド期間）であり、「ｗ」はノードが休止状態から送受信状態に遷移するのに要する起動時間である。

まず、子ノードＣＭ１から親ノードＣＨ１に対するデータの送信予定がある場合の通信動作について図８の（ａ）を用いて説明する。

図８の（ａ）に示すように、子ノードＣＭ１は、受信状態において親ノードＣＨ１からビーコン信号を受信すると、送信状態に遷移してデータの送信予定を通知するための予定通知信号を送信する。

親ノードＣＨ１は、ビーコン信号の送信が終了すると、受信状態に遷移して予め設定された所定の期間だけ子ノードから送信される予定通知信号を待ち受ける。ここでは、子ノードＣＭ１から予定通知信号を受信するため、受信状態を維持して子ノードＣＭ１から続いて送信されるデータを待ち受ける。

子ノードＣＭ１は、予定通知信号を送信するとバックオフ状態に遷移し、バックオフ期間が経過するとＣＣＡを実行し、空きチャネルがある場合は送信状態に遷移してデータを送信する。

親ノードＣＨ１は、受信したデータフレームにＡＣＫの返送要求が含まれているか否かを検知し、ＡＣＫの返送要求が含まれている場合は送信状態に遷移して該データフレームを送信した子ノードＣＭ１にＡＣＫを返送する。

子ノードＣＭ１は、送信すべきデータが無くなった時点で受信状態に遷移し、ＡＣＫを受信して親ノードＣＨ１によるデータフレームの受信成功を確認した後、休止状態に遷移する。このとき、子ノードＣＭ１は休止状態を次のビーコン信号の受信時刻まで継続する。

親ノードＣＨ１は、予定通知信号に含まれる識別符号によりその送信元（子ノードＣＭ１）を判別し、該子ノードＣＭ１からのさらなるデータ送信が無いと判断した時点で休止状態に遷移する。このとき、親ノードＣＨ１は休止状態を次のビーコン信号の送信時刻まで継続する。子ノードＣＭ１からのデータ送信の有無は、上述したように子ノードＣＭ１から受信したデータフレームのフレームコントロールフィールドのフレームペンディング（Frame pending）の値で判別できる（図４参照）。

次に、子ノードＣＭ１及び親ノードＣＨ１共にデータの送信予定がない場合の通信動作について図８の（ｂ）を用いて説明する。

図８の（ｂ）に示すように、子ノードＣＭ１は、親ノードＣＨ１から受信したビーコン信号のペンディングアドレスフィールド（Pending Address Field）に自ノードの識別符号が有るか否かを検知する。そして、ペンディングアドレスフィールドに自ノードの識別符号が無く、自ノードへの送信予定が無いと判断したとき、休止状態に遷移する。このとき、子ノードＣＭ１は休止状態を次のビーコン信号の受信時刻まで継続する。

親ノードＣＨ１は、ビーコン信号の送信が終了すると、受信状態に遷移して予め設定された所定の期間だけ子ノードから送信される予定通知信号を待ち受ける。ここでは、子ノードＣＭ１からの予定通知信号が確認できないため、上記所定の期間が経過した時点で親ノードは休止状態に遷移する。このとき、親ノードＣＨ１は休止状態を次のビーコン信号の送信時刻まで継続する。

本実施形態の無線通信システムによれば、親ノードに休止状態の期間を設けることが可能になるため、親ノードの電力消費を低減できる。

以上説明した親ノード及び子ノードＣＭ１の通信時における状態遷移を示すと図９のようになる。

図９に示すように、ノードが送信状態（ＴＸ）にあるとき、無線通信部１２では、発振器１２４、通信制御部１２５及び送信部１２１がオンしている（電源電圧が供給されている）。また、ノードが受信状態（ＲＸ）にあるとき、あるいはＣＣＡを実行しているとき、無線通信部１２では、発振器１２４、通信制御部１２５及び受信部１２２がオンしている。また、ノードがバックオフ状態（ＢＯ）あるいは休止状態からの起動状態にあるとき（ｗ）、無線通信部１２では、発振器１２４及び通信制御部１２５がオンしている。ノードが休止状態（ＩＤＬＥ）にあるとき、無線通信部１２では、発振器１２４、通信制御部１２５、送信部１２１及び受信部１２２がすべてオフしている。

なお、上記説明では、データの送信予定が有る場合にのみ子ノードＣＭ１から親ノードＣＨ１へ予定通知信号を送信する例を示しているが、送信予定がある場合と送信予定が無い場合の両方で子ノードＣＭ１から親ノードＣＨ１へ予定通知信号を送信しても同様の効果が得られる。
（第２の実施の形態）
図１０は第２の実施の形態の無線通信システムの通信動作の一例を示す模式図である。

第２の実施の形態の無線通信システムは、データの送信予定がある子ノードが複数存在し、それら複数の子ノードから親ノードに予定通信信号が同時に送信される例である。図１０は、説明を簡単にするために、２台の子ノードＣＭ１及びＣＭ２でデータの送信予定があり、それら子ノードＣＭ１及びＣＭ２から親ノードＣＨ１に同時に予定通信信号が送信される例を示している。

第１の実施の形態と同様に、図１０に示す「ＲＸ」はノードが受信状態にあることを示し、「ＴＸ」はノードが送信状態にあることを示し、「ＩＤＬＥ」はノードが休止状態にあることを示している。また、図１０に示す「ｃ」はノードがＣＣＡを実行している状態を示し、「ＢＯ」はノードがバックオフ状態であることを示している。また、図１０に示す「ｓ」はＳＩＦＳの期間であり、「ｔ」は送信状態と受信状態の切り替えに要する期間（ターンアラウンド期間）であり、「ｗ」はノードが休止状態から送受信状態に遷移するのに要する起動時間である。

データの送信予定がある子ノードが複数存在する場合、１対多通信であるビーコン信号の受信を契機に各子ノードから予定通知信号を送信すると、それらの予定通知信号が衝突し、親ノードでは送信された予定通知信号の内容を判別することができない。そのため、第２の実施の形態では、親ノードは受信電力強度を測定することで子ノードからの予定通知信号の有無のみを判別する。そして、予定通知信号が有ると判断した場合は、受信したデータフレームのフレームペンディングの値により子ノードで送信すべきデータが無くなったことを検知しても、休止状態に遷移することなく次のビーコン信号の送信時刻まで受信状態を維持する。一方、予定通知信号が確認できない場合は、予定通知信号が送信されるべき所定の期間が経過した時点で休止状態に遷移する。本実施形態は、データの送信予定が有る場合にのみ子ノードから親ノードへ予定通知信号を送信する場合にのみ適用できる。

ノードの構成及びノードの状態遷移は、第１の実施の形態と同様であるため、その説明は省略する。

図１０に示すように、子ノードＣＭ１及びＣＭ２から親ノードＣＨ１に対するデータの送信予定がある場合、子ノードＣＭ１及びＣＭ２は、受信状態において親ノードＣＨ１からビーコン信号を受信すると、送信状態に遷移してデータの送信予定を通知するための予定通知信号を送信する。

親ノードＣＨ１は、ビーコン信号の送信が終了すると、受信状態に遷移して予め設定された所定の期間だけ子ノードから送信される予定通知信号を待ち受ける。ここでは、子ノードＣＭ１及び子ノードＣＭ２からの予定通知信号が衝突するため、親ノードＣＨ１は予定通知信号の内容を判別できない。

親ノードＣＨ１は、ビーコン信号の送信が終了すると、予め設定された所定の期間の受信電波強度を測定し、該受信電波強度の値によって子ノードからの予定通知信号の有無を判別する。

親ノードＣＨ１は、受信電波強度の値によって予定通知信号が有ることを検知すると、受信状態を維持して子ノードＣＭ１及びＣＭ２から送信されるデータを待ち受ける。

子ノードＣＭ１は、予定通知信号を送信するとバックオフ状態に遷移し、バックオフ期間が経過するとＣＣＡを実行し、空きチャネルがある場合は送信状態に遷移してデータを送信する。

親ノードＣＨ１は、受信したデータフレームにＡＣＫの返送要求が含まれているか否かを検知し、ＡＣＫの返送要求が含まれている場合は送信状態に遷移して該データフレームを送信した子ノードＣＭ１にＡＣＫを返送する。

子ノードＣＭ１は、送信すべきデータが無くなった時点で受信状態に遷移し、ＡＣＫを受信して親ノードＣＨ１によるデータフレームの受信成功を確認した後、休止状態に遷移する。このとき子ノードＣＭ１は休止状態を次のビーコン信号の受信時刻まで継続する。

子ノードＣＭ２は、予定通知信号を送信するとバックオフ状態に遷移し、バックオフ期間が経過するとＣＣＡを実行し、空きチャネルがある場合は送信状態に遷移してデータを送信する。

親ノードＣＨ１は、受信したデータフレームにＡＣＫの返送要求が含まれているか否かを検知し、ＡＣＫの返送要求が含まれている場合は送信状態に遷移して該データフレームを送信した子ノードＣＭ２にＡＣＫを返送する。

子ノードＣＭ２は、送信すべきデータが無くなった時点で受信状態に遷移し、ＡＣＫを受信して親ノードＣＨ１によるデータフレームの受信成功を確認した後、休止状態に遷移する。このとき子ノードＣＭ２は休止状態を次のビーコン信号の受信時刻まで継続する。

親ノードＣＨ１は、子ノードＣＭ１及びＣＭ２から送信されたデータフレームのフレームペンディングの値により子ノードＣＭ１及びＣＭ２で送信すべきデータが無くなったことを検知できる。しかしながら、ここでは子ノードＣＭ１及びＣＭ２から送信された予定通知信号の内容を判別できていないため、休止状態に遷移することなく次のビーコン信号の送信時刻まで受信状態を維持する。

子ノードＣＭ１、子ノードＣＭ２及び親ノードＣＨ１共にデータの送信予定がない場合、子ノードＣＭ１及びＣＭ２は、親ノードＣＨ１から受信したビーコン信号のペンディングアドレスフィールド（Pending Address Field）に自ノードの識別符号が有るか否かを検知する。そして、ペンディングアドレスフィールドに自ノードの識別符号が無く、自ノードへの送信予定が無いと判断したとき、休止状態に遷移する。このとき子ノードＣＭ１及びＣＭ２は休止状態を次のビーコン信号の受信時刻まで継続する。

親ノードＣＨ１は、ビーコン信号の送信が終了すると、受信状態に遷移して予め設定された所定の期間だけ子ノードから送信される予定通知信号を待ち受ける。ここでは、子ノードＣＭ１及びＣＭ２からの予定通知信号が無いため、上記所定の期間が経過した時点で親ノードは休止状態に遷移する。このとき親ノードＣＨ１は休止状態を次のビーコン信号の送信時刻まで継続する。

なお、複数の子ノードから予定通知信号を同時に送信することで衝突が発生しても、子ノードの電波強度の違いによって親ノードでいずれか１つの子ノードの予定通知信号を確認できてしまうことがある。その場合、第１の実施の形態のように予定通知信号を確認した子ノードとの通信が終了した時点で親ノードが休止状態に遷移すると、データの送信予定がある他の子ノードでは次のビーコン信号を受信するまで親ノードと通信できない通信遅延が発生する。

本実施形態では、親ノードが受信電波強度の値により予定通知信号の有無のみ判別し、予定通知信号が有る場合は予定通知信号を確認した子ノードとの通信が終了しても休止状態に遷移しない。そのため、データの送信予定があり、かつ親ノードで予定通知信号が確認されなかった子ノードでも通信遅延が発生することなく親ノードにデータを送信できる。

本実施形態の無線通信システムによれば、データの送信予定がある子ノードが複数存在し、それら複数の子ノードから親ノードに予定通信信号が同時に送信される場合でも、第１の実施の形態と同様に、親ノードに休止状態の期間を設けることが可能になるため、親ノードの電力消費を低減できる。
（第３の実施の形態）
図１１及び図１２は第３の実施の形態の無線通信システムの通信動作の一例を示す模式図である。

第３の実施の形態の無線通信システムは、第１の実施の形態や第２の実施の形態で示したノードと背景技術で示したノードが混在する例である。

ノードの構成及びノードの状態遷移は、第１の実施の形態と同様であるため、その説明は省略する。

図１１は、親ノードＣＨ１のみが第１の実施の形態や第２の実施の形態で示したノードであり、子ノードＣＭ１及びＣＭ２が背景技術で示したノードである場合の各ノードの通信動作例を示している。

また、図１２は、親ノードＣＨ１及び子ノードＣＭ２が第１の実施の形態や第２の実施の形態で示したノードであり、子ノードＣＭ１が背景技術で示したノードである場合の各ノードの通信動作例を示している。図１２に示す例では、ビーコン信号の受信終了後、子ノードＣＭ１で最初に発生するバックオフが０スロットに相当する期間となっている。

図１１で示すように動作するシステム構成では、子ノードＣＭ１及びＣＭ２から予定通知信号が送信されず、親ノードＣＨ１は予定通知信号を確認することができない。

また、図１２で示すように動作するシステム構成では、子ノードＣＭ１でデータの送信予定が有り、子ノードＣＭ２でデータの送信予定が無い場合、子ノードＣＭ２からの予定通知信号が無いために親ノードがビーコン信号を送信した直後に休止状態に遷移すると、子ノードＣＭ１は親ノードへデータを送信できなくなってしまう。

したがって、本実施形態の無線通信システムでは、以下に示す３つの対処方法のいずれかを採用する。
（１）親ノードは、子ノードからの予定通知信号の有無にかかわらず休止状態に遷移しない。この場合、背景技術で示した無線通信システムと同様に動作する。
（２）背景技術で示した子ノードと通信するための専用のスロットを設け、該子ノードとの通信はその専用スロットを用いて実行する。親ノードは、子ノードからの予定通知信号が無い場合でも該専用スロットの期間では休止状態に遷移しない。他のスロットの期間では子ノードからのデータの送信予定が無ければ休止状態に遷移する。
（３）親ノードＣＨ１は、子ノードからの予定通知信号が無い場合、ビーコン信号の送信終了後、予め設定した一定期間が経過した後に休止状態に遷移する。背景技術で示した子ノードはその一定期間内に親ノードへデータを送信することで通信が可能になる。

図１２に示すように動作するシステム構成では、ビーコン信号の受信直後に子ノードＣＭ２から予定通知信号が送信されれば、子ノードＣＭ１はＣＣＡによりチャネルが使用中であることを検知し、再びバックオフ状態へ戻る。

したがって、ビーコン信号の送受信が終了してから２スロット以内に予定通知信号の送信を開始すれば、第１の実施の形態や第２の実施の形態で示したノードと背景技術で示したノードが混在しても不都合が生じることはない。親ノードの電力消費を低減する観点から、子ノードによるデータの送信予定が無い場合は、親ノードＣＨ１をビーコン信号の送信終了後できるだけ早く休止状態に遷移させることが好ましい。その点からも予定通知信号はビーコン信号の送受信が終了してから２スロット以内に送信するのが好ましい。

本実施形態の無線通信システムによれば、本発明のノードと背景技術で示したノードが混在する場合でも、上記（２）または（３）で示した方法を採用することで、第１の実施の形態と同様に、親ノードに休止状態の期間を設けることが可能になるため、親ノードの電力消費を低減できる。

なお、第１の実施の形態〜第３の実施の形態では、ＩＥＥＥ８０２．１５．４を適用した無線通信システムを例にして本発明の無線通信システムの通信動作を説明したが、本発明はＩＥＥＥ８０２．１１等のＩＥＥＥ８０２．１５．４以外の通信プロトコルを採用する無線通信システムに適用しても同様の効果を得ることができる。

この出願は、２００７年７月２４日に出願された特願２００７−１９２０２０号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (8)

1. １対多通信であるビーコン信号を一定周期毎に送信する親ノード及び前記ビーコン信号を受信する子ノードを備え、前記親ノード及び子ノードが前記ビーコン信号により同期して動作する無線通信システムであって、
   前記子ノードは、
   前記ビーコン信号間の予め設定された所定の期間内で、前記親ノードに対するデータの送信予定の有無を通知するための予定通知信号を送信し、
   前記親ノードは、
   前記所定の期間の受信電力強度を測定することで前記予定通知信号の有無を判別し、
   前記所定の期間内で前記予定通知信号を確認できない場合、次のビーコン信号の送信時刻まで休止状態に遷移し、
   前記予定通知信号が有ると判断した場合は、該予定通知信号を確認した子ノードとの通信が終了しても休止状態へ遷移しない無線通信システム。
2. 前記ビーコン信号間が、前記親ノード及び前記子ノードが同期して動作するための、固定周期からなる複数のスロットで構成され、
   前記所定の期間は、
   前記ビーコン信号を受信してから２スロット以内に相当する期間である請求項１記載の無線通信システム。
3. 前記予定通知信号は、
   前記子ノードを識別するための識別符号を含む請求項１記載の無線通信システム。
4. 前記親ノードは、
   前記予定通知信号に含まれる前記子ノードの識別符号を確認した場合、該識別符号が付与された子ノードからのデータの送信が終了後、次のビーコン信号の送信時刻まで休止状態に遷移する請求項３記載の無線通信システム。
5. １対多通信であるビーコン信号を一定周期毎に送信する親ノード及び前記ビーコン信号を受信する子ノードを備え、前記親ノード及び子ノードが前記ビーコン信号により同期して動作する無線通信システムの節電方法であって、
   前記ビーコン信号間の予め設定された所定の期間内で、前記子ノードから前記親ノードへデータの送信予定の有無を通知するための予定通知信号を送信し、
   前記親ノードが、前記所定の期間の受信電力強度を測定することで前記予定通知信号の有無を判別し、
   前記所定の期間内で前記予定通知信号を確認できない場合、次のビーコン信号の送信時刻まで休止状態に遷移し、
   前記予定通知信号が有ると判断した場合は、該予定通知信号を確認した子ノードとの通信が終了しても休止状態へ遷移しない無線通信システムの節電方法。
6. 前記ビーコン信号間が、前記親ノード及び前記子ノードが同期して動作するための、固定周期からなる複数のスロットで構成され、
   前記所定の期間は、前記ビーコン信号を受信してから２スロット以内に相当する期間である請求項５記載の無線通信システムの節電方法。
7. 前記予定通知信号に前記子ノードを識別するための識別符号を含む請求項５記載の無線通信システムの節電方法。
8. 前記親ノードが、前記予定通知信号に含まれる前記子ノードの識別符号を確認した場合、該識別符号が付与された子ノードからのデータの送信が終了後、次のビーコン信号の送信時刻まで休止状態に遷移する請求項７記載の無線通信システムの節電方法。

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