JP5283356B2 - ビーコン無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビーコンの受信を契機に通信を行なうビーコン無線通信装置に関する。

近年、無線LAN等の普及により、無線通信が盛んに行なわれているが、標準化されている無線通信方式に、ビーコンを受信したことを契機にデータの授受を行なう無線方式がある。そのような無線通信方式の１つに、IEEE 802.15.4で規定されたビーコン無線通信方式がある。IEEE 802.15.4のビーコン無線通信方式の詳細については、非特許文献１を参照されたい。

図７は、ビーコン無線通信方式の概要を説明する図である。
ビーコン無線通信は、コーディネータ１１と、複数のエンドデバイス００１〜１００（ED）との間で行なわれる。コーディネータ１１は、無線LANカードのような装置で、ＰＣ１０に接続されて用いられる。ここでは、１つのコーディネータ１１に１００台のエンドデバイスが通信可能としている。このように、ビーコン無線通信は、１つのコーディネータ１１に多数のエンドデバイスを接続することが出来るのが特徴である。エンドデバイスは、たとえば、工場の敷地内に設置された温度センサなどのような装置である。

また、親機となる１台のデータ配信端末(Coordinator、以下CN)と、複数の子機となる受信端末(End Device、以下ED)から、１対Ｎのスター型ネットワークを形成する。CＮは、一定のタイミングで同期信号(＝ビーコン)をブロードキャストで発信し、全ＥＤは、ビーコンを受信して、自分宛に情報があるか否かを解析する。

従来のビーコン無線通信方式には、大きく分けて、２つの方式がある。以下にその方式を説明する。

＜従来技術１＞
図８は、第１の従来技術を説明する図である。
全EDは、ビーコンを受信して、自分宛に情報があるか否かを解析し、自分宛に情報があった場合に、コーディネータと通信を開始する。例えば、識別番号を１〜１００番としたEDが100台あり、その中で、10, 20, 30, 40, 50番（計５台）のEDにデータを送信する場合、コーディネータは、ビーコンの中に、これらの５台のEDの識別番号を挿入して、ビーコンを発信する。EDは、ビーコンを受信して、自分宛のデータがある場合には、他の端末とCSMA-CA方式で衝突を回避して早いもの順にデータ通信を行う。ここで、CSMA-CA（=Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）とは、EDが、受信モードにおいて、外部の電波を検知しておき、送信時に他の端末から電波が送信された場合には、最小限の時間＋ランダムな時間だけ待機して、他の送信電波と衝突しないように送信する方法である。

次のビーコンでは、11, 21, 31, 41, 51番という違う番号が明記されており、対応するEDがデータ通信を行う。しかし、衝突を回避できずに、失敗する場合もある。もし、コーディネータがEDからのデータ取得に失敗した場合は、次のビーコンでリトライして通信する。図８は、11, 21, 31, 41, 51番に送信して、21番が失敗した例であるが、この場合、次のビーコン信号には、例えば、21, 12, 22, 32, 42番などと、前回失敗した21番を再度送信し、代わりに52番は次のビーコン周期に送信することとなる。

＜従来技術２＞
図９は、第２の従来技術を説明する図である。
時間割りを用いて、ＥＤ間の衝突を発生させない通信方法も提供されている。
１回目のビーコンに、10, 20, 30, 40, 50番宛にデータがあることを記述して、CNはビーコンを発信する。EDは、１回目のビーコンを受信して、自分の番号があれば、次のビーコンでCNへメッセージを問合せるための通信占有時間の予約(保障スロット確保依頼)を行う。５台のEDが予約依頼をする時には、通信時間が保障されていないので、他のEDとの衝突をCSMA-CA方式で回避して予約を行う。

２回目のビーコンでは、CNは、10, 20, 30, 40, 50番用の保障スロットが確保できたことを記述して、ビーコンを発信する。EDは、指定された保障スロットを使用してデータ通信を行う。３回目のビーコンでは、CNは２回目と同一ビーコンを発信し、EDは、保障スロットの開放依頼を行う。４回目のビーコンでは、開放依頼された番号は削除して、その他に配信したいEDがあれば、その番号（例えば、11, 21, 31, 41, 51番）を記載したビーコンを発信する。EDは、ビーコンを受信し、10, 20, 30, 40, 50番のEDは、自分宛ての番号が無いことで、保障スロットを開放できたことを確認する。また、11, 21, 31, 41, 51番のEDは、自分の番号があるので、メッセージ受信のための処理を行う。
ＩＥＥＥ802.15.4-2003, IEEE Standard for Part 15.4: Wireless Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)

従来技術１では、ビーコンに連動して、対象となるEDが同時刻に一斉にデータ取得を行うため、電波衝突が発生する。これを回避するために、CSMA-CAで衝突を回避している。
EDが電波を送信する時に、他のEDが電波を発信していると、EDは一定時間待ち、再び、電波の空き状況を確認する。ここで、IEEE802.15.4-2003で規定されているCSMA-CAの待機可能回数はmacMaxCSMABackoff値より規定されている。この値の設定可能最大値は５であることから、最大待機可能回数は６回であり、６回待機して送信に失敗した場合は、リトライを行う。リトライの回数は、IEEE802.15.4-2003で、aMaxFrameRetries値より３回に規定されている。１回の送信に加えて３回リトライした、計４回の送信の場合でも、具体的な通信時間は約40〜50ｍｓ程度であって、100ms以下である。よって、例えば、ビーコン周期が約500msとした場合、最初の0〜100msの間だけEDはデータの取得を試みるが、残りの400msは何の処理も行わない。最初の100msの間にデータを取得できなければ、失敗扱いとなる。

ここで、失敗したデータを次のビーコン周期で送るよりは、１回のビーコン周期内で何もしない時間となる400ms(ビーコン周期の約80%)を流用してデータを送信した方が、利用効率は断然、高くなる。また、電波衝突が発生するということは、無駄なデータ送信が頻繁に行われており、無線リソースの利用効率が悪いという問題がある。

従来技術２では、EDは、ＣＮよりメッセージを受信するために、少なくとも３ビーコン周期必要（確認を入れると４ビーコン周期必要）であるため、情報伝達にビーコン２回分の遅延が発生する問題がある。

本発明の課題は、衝突要因を排除して、１回のビーコンで、情報伝達を効率よく行うことのできるビーコン無線通信装置を提供することである。

本発明のビーコン無線通信装置は、１台の親機と複数のビーコン無線通信装置が無線を
通じて通信するビーコン無線通信方式におけるビーコン無線通信装置において、受信したビーコン信号に、自ビーコン無線通信装置の識別番号が記載されている場合に、自ビーコン無線通信装置が該親機にアクセスすべき時刻を計算するアクセス時刻計算手段と、該計算されたアクセス時刻に該親機にアクセスするアクセス手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、EDの衝突要因を排除しつつ、情報伝達効率がよいビーコン無線通信装置を提供することが出来る。

本発明の実施形態は、IEEE 802.15.4の無線通信規格に準拠した、ビーコン通信方法に関するものである。
ED間の電波送信の衝突が発生するのは、ビーコン信号を受け取り、EDが信号を解釈して、該当したEDが一斉にデータ取得（CNとの通信）を試みるためである。ビーコン信号には、ビーコン周期(T)（例えば、500ms）と、送信リスト（例えば、10, 20, 30, 40, 50番）が明記されているので、例えば、30番のEDであれば、送信リストに記載された順番から、３番目(N)にデータを取得すればよく、対象となるEDは５台(S)あることがわかる。

ビーコン信号の送信時間B（１ｍｓ程度：ビーコン信号の継続時間）は、予め決められているので、送信間隔αと、送信すべき時間ＡＴは、
α＝（Ｔ−Ｂ）／Ｓ ＝ ( 500 - 1 ) / 5 = 99.8 ms
ＡＴ＝Ｂ＋（Ｎ−１）×α ＝ 200.6ms → ＥＤ30番は、200.6から300.4msの間を利用
と算出することが可能であり、対象EDがビーコン受信後に本計算を行い、算出された時間にアクセスすればよい。本方式を用いれば、衝突要因を排除することが可能であり、１回のビーコン周期で効率よくデータ送信を行うことが可能となる。

図１は、コーディネータとエンドデバイスの内部構成を説明するブロック図である。
エンドデバイス２７は、アンテナ１５から信号を送信したり、アンテナ１５が受信した電波を復調したりするための無線周波ユニット１６と、信号の解析等を行なうMCU１７と、MCU１７を動作させるためのソフト１８が設けられ、たとえば、１つのモジュールとされる。ソフト１８は、基本ソフトのほか、アプリケーションソフトや通信プロトコルプログラム等を含む。センサ１９は、エンドデバイス２７が温度などの計測装置である場合に設けられるもので、コーディネータ２８に送信すべきデータの取得を行なう。また、エンドデバイス２７は、電池２０からの電力で駆動する。アンテナ１５以外の以上の構成がマザーボードに搭載される。

コーディネータ２８は、無線LANカードのような装置であり、アンテナ２１からの無線周波の送信や受信を行なう無線周波ユニット２２、信号処理を行なうMCU２３、MCU２３を動作させるソフト２４を備え、モジュールとされる。また、電池２５もこれらに含めて、マザーボードに搭載される。そして、コーディネータ２８は、データ送信受信装置であるＰＣ２６に接続される。

図２は、本発明の第１の実施形態を説明する図である。
ビーコン信号を受けたEDは、ビーコン信号から、自分がアクセスすべき時刻を算出する。30番のEDであれば、200.6〜300.4msの間にアクセスすればよいので、不要な0〜200.6ms間はスリープさせておく。また、データ通信を行った後は、次のビーコンまでスリープさせておく。

図２のフローチャートは、EDのMCUが実行するソフトのED側アクセス時刻算出方法のフローチャートである。ステップＳ１０において、ビーコン解析を開始する。今の場合、ED
の識別番号は、ビーコン信号内の３番目に記述された030であるとしている。ステップＳ１１において、ビーコン信号内のEDリストに書かれた順番を算出する。今の場合、３番目なので、N=3である。ステップＳ１２において、通信時間間隔αを(T-B)/Sとして計算する。ここで、Tは、ビーコン周期、Bは、ビーコン信号の送信時間、Sは、EDリストに記載されているEDの台数である。そして、ステップＳ１３で、先に述べた計算方法で、アクセス時刻を計算する。

図３は、ビーコン信号のフレームフォーマットを説明する図である。
図３において、MAC層フレームの内のMAC層ペイロードに本発明の実施形態で使うEDリストが記述される。MAC層ペイロードの内、スーパ・フレームは、２バイトのフィールドで、スーパ・フレームとビーコンを定義する情報が記述される。GTSは、定義されたGTS（Guaranteed Time Slot）の数を示す。GTSが定義される場合、それぞれGTSのデータ伝送方向、アサインされたノードのアドレス、開始のスロット及び使用されるスロット数などの定義情報が含まれる。ペンディングは、CNがペンディングにしているメッセージの数及びその宛て先アドレスを示す。データがペンディングされている場合、それぞれのアドレス・リストが含まれる。すなわち、本発明の実施形態では、このペンディングフィールドに、EDの識別番号が、EDリストとして順番に記述される。本発明の実施形態の場合、記述の順番にも意味があり、記述の順番に従って、通信区間の計算をする。ビーコン・ペイロードは、IEEE 802. 15. 4では、使い方を特には規定していない。

図４は、コーディネータとエンドデバイスとの間の通信の様子を示すシーケンス図である。
コーディネータ（CN）からビーコン信号が送信され、エンドデバイスに受信されると、エンドデバイスは、自エンドデバイスの識別番号が、EDリストにあるか否かを調べ、EDリストに自識別番号がある場合には、自エンドデバイスのアクセス時刻に、コーディネータに対し、データ要求を行なう。コーディネータは、データ要求を受け取ると、Ackをエンドデバイスに送り、その後、要求されたデータをエンドデバイス宛に送る。エンドデバイスは、データを受信すると、Ackをコーディネータに送る。ここでは、コーディネータからエンドデバイスにデータを送る場合を示したが、コーディネータからエンドデバイスにデータ要求を出すことにより、エンドデバイスからコーディネータにデータを送る場合も同様のシーケンスとなる。

図５は、エンドデバイスのMCUが実行する処理のフローチャートである。
スタート前はスリープ状態であり、スタートと同時に起床する(ステップS15)。起床は、ビーコンが到着する数ｍｓ（＝δT）前とする。ステップS16ではタイマを始動する。ステップS17でビーコン信号を受信し、この時刻をT1として基準時刻とする。このタイマは、ビーコン信号を受信してからの時間を計時するものである。すなわち、EDが自分で計算するアクセス時刻を、ビーコン受信時刻から計時して、特定するためのものである。ステップＳ18において、自EDの識別番号がビーコン信号に含まれているか否かを判断する。ステップＳ18の判断がＮｏの場合には、ステップS25でスリープ時間を算出する。現在時刻をT3とすると、ビーコン受信後の経過時間は、T3-T1となる。ビーコン周期をTとして、EDはビーコンが到着するδT前に起床する必要があるので、スリープ時間は、T-(T3-T1)-δTと算出することができる。ステップS26では、次のビーコンが来るまで算出した時間だけスリープする。

ステップS18の判断がＹｅｓの場合には、ステップＳ19において、EDリストにある全ED数、自EDの識別番号のEDリスト内での順番をビーコン信号から取得する。ステップＳ20において、自EDアクセス時刻を、前述の方法で算出する。

ステップS21において、スリープ時間を算出する。現在時刻をT2とすると、ビーコン受信後の経過時間は、T2-T1となる。アクセス時刻をATとすると、スリープ時間は、AT-(T2-T1)と算出できる。ステップS22では、自EDのアクセス時刻までスリープし、ステップS23で起床し、ステップS24でコーディネータと通信する。通信終了後は、ステップS25でスリープ時間を算出して、ステップS26で、次のビーコンが到着するまでスリープし処理を完了する。

図６は、本発明の第２の実施形態を説明する図である。
予めの決め事として、存在しないED番号（ダミーのED番号）、例えば、900〜999番号までを決めておく。そして、CNは、ビーコン信号に、ダミーのED番号を含めて送信するようにする。EDが自分のアクセス時間を計算する時には、今度は、総数６台(ED 10, 20, 30, 40, 50, 999番)でアクセス時間を算出するので、最後の１スロットが余る。このスロットは、他のEDが上位CNへの通信に自由に使えるものとする。

この時、例えば、ED89, 99番が次回のビーコンで通信したい旨を、CNに対し、スロット確保依頼として行う。次回のビーコンには、CNが、ED 89と99番をリストに追加することにより、ED 89,99番は、データ通信を行うことが可能となる。

なお、ダミーのED番号は、ビーコン信号内に複数設定しても良い。そのようにすると、EDがCNにアクセスする時間を長くすることが出来、より多くのEDに、CNへの通信を可能とさせることが出来る。

従来技術１では、衝突が発生するが、本発明の実施形態においては、衝突を抑制しているため、より信頼性が高い通信が可能となる。また、従来技術２では、３ビーコン周期、例えば、周期を500msとすると、データ送信に1.5秒要するが、本発明の実施形態では、伝達時間を１／３に短縮でき、１ビ−コン周期＝0.5秒でデータ送信が可能となる。

コーディネータとエンドデバイスの内部構成を説明するブロック図である。 本発明の第１の実施形態を説明する図である。 ビーコン信号のフレームフォーマットを説明する図である。 コーディネータとエンドデバイスとの間の通信の様子を示すシーケンス図である。 エンドデバイスのMCUが実行する処理のフローチャートである。 本発明の第２の実施形態を説明する図である。 ビーコン無線通信方式の概要を説明する図である。 第１の従来技術を説明する図である。 第２の従来技術を説明する図である。

符号の説明

１５、２１ アンテナ
１６、２２ 無線ユニット
１７、２３ MCU
１８、２４ ソフト
１９ センサ等
２０、２５ 電池
２６ ＰＣ

Claims (3)

1. １台の親機と複数のビーコン無線通信装置が無線を通じて通信するビーコン無線通信方式におけるビーコン無線通信装置において、
   受信したビーコン信号に、自ビーコン無線通信装置の識別番号が記載されている場合に、自ビーコン無線通信装置が該親機にアクセスすべきビーコンからの相対時間を計算するアクセス時刻計算手段と、
   該計算された時間に該親機にアクセスするアクセス手段と、
   を備え、
   ビーコン信号に、ダミーのビーコン無線通信装置の識別番号が記載され、前記親機にアクセスしたいビーコン無線通信装置は、該ダミーの識別番号に対応するアクセス時間に該親機にアクセスすることを特徴とするビーコン無線通信装置。
2. 前記ダミーの識別番号は、ビーコン信号内に複数設定可能であることを特徴とする請求項１に記載のビーコン無線通信装置。
3. １台の親機と複数のビーコン無線通信装置が無線を通じて通信するビーコン無線通信方式における親機へのアクセス方法であって、
   ビーコン無線通信装置は、
   受信したビーコン信号に、自ビーコン無線通信装置の識別番号が記載されている場合に、自ビーコン無線通信装置が該親機にアクセスすべきビーコンからの相対時間を計算し、
   該計算された時間に該親機にアクセスし、
   ビーコン信号に、ダミーのビーコン無線通信装置の識別番号が記載され、前記親機にアクセスしたいビーコン無線通信装置は、該ダミーの識別番号に対応するアクセス時間に該親機にアクセスする
   ことを特徴とするアクセス方法。

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