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明細書 :無線通信システムおよび無線通信制御方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第6284199号 (P6284199)
公開番号 特開2016-144034 (P2016-144034A)
登録日 平成30年2月9日(2018.2.9)
発行日 平成30年2月28日(2018.2.28)
公開日 平成28年8月8日(2016.8.8)
発明の名称または考案の名称 無線通信システムおよび無線通信制御方法
国際特許分類 H04W  56/00        (2009.01)
H04W  16/14        (2009.01)
H04W  84/20        (2009.01)
H04W  84/10        (2009.01)
H04W  84/12        (2009.01)
H04W  88/06        (2009.01)
H04L   7/00        (2006.01)
H04L   7/10        (2006.01)
H04J   3/00        (2006.01)
FI H04W 56/00 130
H04W 16/14
H04W 84/20
H04W 84/10 110
H04W 84/12
H04W 88/06
H04L 7/00 930
H04L 7/10
H04J 3/00 H
請求項の数または発明の数 10
全頁数 19
出願番号 特願2015-018453 (P2015-018453)
出願日 平成27年2月2日(2015.2.2)
審査請求日 平成29年1月11日(2017.1.11)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
【識別番号】504132272
【氏名又は名称】国立大学法人京都大学
発明者または考案者 【氏名】村山 大輔
【氏名】杉山 隆利
【氏名】守倉 正博
【氏名】井上 文博
個別代理人の代理人 【識別番号】100072718、【弁理士】、【氏名又は名称】古谷 史旺
【識別番号】100151002、【弁理士】、【氏名又は名称】大橋 剛之
【識別番号】100201673、【弁理士】、【氏名又は名称】河田 良夫
審査官 【審査官】羽岡 さやか
参考文献・文献 特開2008-167149(JP,A)
特開2012-169740(JP,A)
米国特許出願公開第2010/0091731(US,A1)
井上 文博 Fumihiro INOUE,優先制御を用いた無線LANと無線センサネットワークの共存方式 Coexistence scheme of Wireless LAN and Wireless Sensor Network Employing Priority Control,電子情報通信学会技術研究報告 Vol.113 No.38 IEICE Technical Report,日本,一般社団法人電子情報通信学会 The Institute of Electronics,Information and Communication Engineers,2013年 5月,第113巻
井上 文博 他,無線LANと複数無線PANとの共存方式の提案,電子情報通信学会技術研究報告,2013年12月,Vol.113, No.356,P.13-18,SRW2013-40
井上 文博 Fumihiro INOUE,無線LANと多数無線PANの共存方式の提案 Proposal of Coexistence Scheme for Wireless LAN and Multiple Wireless PANs,電子情報通信学会技術研究報告 Vol.114 No.492 IEICE Technical Report,日本,一般社団法人電子情報通信学会 The Institute of Electronics,Information and Communication Engineers,2015年 2月25日,Vol.114,No.492,P.25-30,SRW2014-51
調査した分野 H04W 4/00-99/00
H04J 3/00
H04L 7/00
H04L 7/10
特許請求の範囲 【請求項1】
1つの無線LAN内にビーコンモードで動作する複数の無線PANが存在し、各無線PANはPANコーディネータの機能と無線LAN端末の機能をもつ統合端末を備え、各無線PANの統合端末のうち1つの代表統合端末が前記無線LANのチャネルを予約するチャネル予約信号を送信し、その無線LANのチャネルに対応する無線PANの複数のチャネルで複数の無線PANが同期して通信を行う無線通信システムにおいて、
前記統合端末は、
前記無線LANに存在する前記複数の無線PANのビーコン周期の情報を取得し、それぞれのビーコン周期が同一でビーコン送信タイミングを同期させる無線PANを選択して組を形成する第1の処理手段と、
前記組の前記代表統合端末として、前記組を形成する統合端末の1つを選択する第2の処理手段と、
記代表統合端末が同じ組の他の統合端末に対してビーコン送信を同期させ、かつ異なる組の間でビーコン送信タイミングをずらして設定する第3の処理手段と
を備えたことを特徴とする無線通信システム。
【請求項2】
請求項1に記載の無線通信システムにおいて、
前記統合端末の第2の処理手段は、前記代表統合端末として前記無線LANにおけるMACアドレスに基づいて1つの統合端末を選択する
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項3】
1つの無線LAN内にビーコンモードで動作する複数の無線PANが存在し、各無線PANはPANコーディネータの機能と無線LAN端末の機能をもつ統合端末を備え、各無線PANの統合端末のうち1つの代表統合端末が前記無線LANのチャネルを予約するチャネル予約信号を送信し、その無線LANのチャネルに対応する無線PANの複数のチャネルで複数の無線PANが同期して通信を行う無線通信システムにおいて、
前記統合端末は、
前記無線LANに存在する前記複数の無線PANのビーコン周期の情報を取得し、それぞれのビーコン周期に基づいてビーコン送信タイミングを同期させる無線PANを選択して組を形成し、さらに前記無線PANの複数のチャネルと、前記ビーコン周期が最短の無線PANのビーコン周期の時間帯の組合せをスロットと定義するとき、前記組を形成する無線PANをビーコン周期に応じてスロットを埋めるように配置する第1の処理手段と、
前記組の前記代表統合端末として、前記組を形成する統合端末のうち前記ビーコン周期が最短の統合端末の1つを選択する第2の処理手段と、
記代表統合端末が同じ組の他の統合端末に対してビーコン送信を同期させ、かつ異なる組の間でビーコン送信タイミングをずらして設定する第3の処理手段と
を備えたことを特徴とする無線通信システム。
【請求項4】
請求項に記載の無線通信システムにおいて、
前記統合端末の第2の処理手段は、前記ビーコン周期が最短の統合端末が複数あれば、前記代表統合端末として前記無線LANにおけるMACアドレスに基づいて1つの統合端末を選択する
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項5】
請求項1または3に記載の無線通信システムにおいて、
前記統合端末は、さらに、
前記組ごとに、前記代表統合端末と同等の機能を有する1つまたは複数の準代表統合端末を選択し、該準代表統合端末は前記チャネル予約信号を受信しないときに、代わりに前記チャネル予約信号を送信する第4の処理手段を備えた
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項6】
1つの無線LAN内にビーコンモードで動作する複数の無線PANが存在し、各無線PANはPANコーディネータの機能と無線LAN端末の機能をもつ統合端末を備え、各無線PANの統合端末のうち1つの代表統合端末が前記無線LANのチャネルを予約するチャネル予約信号を送信し、その無線LANのチャネルに対応する無線PANの複数のチャネルで複数の無線PANが同期して通信を行う無線通信システムの無線通信制御方法において、
前記統合端末は、
前記無線LANに存在する前記複数の無線PANのビーコン周期の情報を取得し、それぞれのビーコン周期が同一でビーコン送信タイミングを同期させる無線PANを選択して組を形成する第1の処理ステップと、
前記組の前記代表統合端末として、前記組を形成する統合端末の1つを選択する第2の処理ステップと、
記代表統合端末が同じ組の他の統合端末に対してビーコン送信を同期させ、かつ異なる組の間でビーコン送信タイミングをずらして設定する第3の処理ステップと
を有することを特徴とする無線通信制御方法。
【請求項7】
請求項に記載の無線通信制御方法において、
前記統合端末の第2の処理ステップは、前記代表統合端末として前記無線LANにおけるMACアドレスに基づいて1つの統合端末を選択する
ことを特徴とする無線通信制御方法。
【請求項8】
1つの無線LAN内にビーコンモードで動作する複数の無線PANが存在し、各無線PANはPANコーディネータの機能と無線LAN端末の機能をもつ統合端末を備え、各無線PANの統合端末のうち1つの代表統合端末が前記無線LANのチャネルを予約するチャネル予約信号を送信し、その無線LANのチャネルに対応する無線PANの複数のチャネルで複数の無線PANが同期して通信を行う無線通信システムの無線通信制御方法において、
前記統合端末は、
前記無線LANに存在する前記複数の無線PANのビーコン周期の情報を取得し、それぞれのビーコン周期に基づいてビーコン送信タイミングを同期させる無線PANを選択して組を形成し、さらに前記無線PANの複数のチャネルと、前記ビーコン周期が最短の無線PANのビーコン周期の時間帯の組合せをスロットと定義するとき、前記組を形成する無線PANをビーコン周期に応じてスロットを埋めるように配置する第1の処理ステップと、
前記組の前記代表統合端末として、前記組を形成する統合端末のうち前記ビーコン周期が最短の統合端末の1つを選択する第2の処理ステップと、
記代表統合端末が同じ組の他の統合端末に対してビーコン送信を同期させ、かつ異なる組の間でビーコン送信タイミングをずらして設定する第3の処理ステップと
を有することを特徴とする無線通信制御方法。
【請求項9】
請求項に記載の無線通信制御方法において、
前記統合端末の第2の処理ステップは、前記ビーコン周期が最短の統合端末が複数あれば、前記代表統合端末として前記無線LANにおけるMACアドレスに基づいて1つの統合端末を選択する
ことを特徴とする無線通信制御方法。
【請求項10】
請求項6または8に記載の無線通信制御方法において、
前記統合端末は、さらに、
前記組ごとに、前記代表統合端末と同等の機能を有する1つまたは複数の準代表統合端末を選択し、該準代表統合端末は前記チャネル予約信号を受信しないときに、代わりに前記チャネル予約信号を送信する第4の処理ステップを有する
ことを特徴とする無線通信制御方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、国際標準規格 IEEE 802.11準拠の無線LAN(WLAN:Wireless Local area network )と、IEEE 802.15.4 準拠の無線PAN(WPAN:Wireless Personal Area network)が共存する無線通信システムおよび無線通信制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
図1は、WLANとWPANが共存する無線通信システムの構成例を示す(特許文献1、非特許文献1)。
【0003】
図1において、1つのWLAN10内に複数のWPAN20が存在する。WLAN10は、1つのアクセスポイント(AP)11と、1以上のWLAN端末(STA)12により構成される。WPAN20は、PANコーディネータの機能とWLANのSTAの機能をもつ統合端末(H-STA)21と、多数のWPAN端末(ND)22により構成される。すなわち、WLAN10では、STA12とH-STA21が対等に動作する。
【0004】
WPAN20は、H-STA21の主導によるビーコンモードで動作し、図13に示すビーコンとビーコンの間のアクティブ期間中にH-STA21とND22が通信を行い、インアクティブ期間は通信を行わず無線チャネルを開放する。なお、アクティブ期間には、非競合アクセス期間および競合アクセス期間が設定されるがここでは説明を省略する。WPANの規格では、ビーコン周期は 15.36ms×2BO (0≦BO≦14、BOはビーコンオーダー)で与えられ、WPANごとにビーコン周期(BOの値)が決められている。
【0005】
WLANとWPANは、図14に示す共通の 2.4GHz帯の周波数帯域を利用するため、干渉問題を解決する必要がある。そのために、WPANのH-STAがビーコン送信に先立ち、WLANのチャネル予約信号(RTSフレーム)を送信して無線チャネルの予約(NAV設定)を行い、ビーコンとアクティブ期間を含むスーパーフレームの期間中にWLANの通信を停止させることにより、両者の干渉問題を解決している。その処理手順を図15を参照して説明する。
【0006】
H-STAのRTSフレーム生成部は、ビーコン送信時刻から所定の保護手順試行期間だけ早くWLANのAP宛のRTSフレームを生成し、CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access /Collision Avoidance )プロトコルに従って送信する。図15では、DIFSのみを記述してバックオフ制御動作は省略しているが、RTSフレームの衝突が発生した場合には、CTSタイムアウト後にランダムなバックオフ時間を設定してRTSフレームが再送される。APは、RTSフレームを正常に受信するとCTSフレームを返信する。WLANのSTAは、RTSフレームまたはCTSフレームを受信するとNAV(送信停止期間)を設定し、APはそのNAVの期間は送信を停止する。なお、RTS/CTSフレームにより設定されるNAV期間の長さは、各フレームの送信時刻からWPANのスーパーフレームの終了時刻までとする。これにより、WPANでは、スーパーフレームの期間にWLANの干渉を受けずに通信が可能となる。
【0007】
ところで、複数のWPANのH-STAがそれぞれ独立にRTSフレームを送信してWLANにNAVを設定すると、WLANの送信停止期間が長くなり、スループット特性が劣化する。そこで、1つのWLAN内に存在する複数のWPANが互いのビーコン送信を同期させ、WLANに対して共通のNAVを設定して複数のWPANがスーパーフレーム通信を同時に行うことにより、WLANのスループット特性を改善する手法が提案されている(非特許文献1)。
【0008】
本提案では、複数のH-STAがビーコン送信の同期をとり、WLANに対して共通のNAVを設定する場合、 図14に示すようにWLANの1チャネルの帯域幅にWPANの4チャネルが存在するので、WLANのNAV期間中にこの4チャネルを用いて同時に最大4つのWPANがスーパーフレーム通信できることを利用している。ただし、複数(最大4つ)のH-STAがRTSフレームを同時に送信すると衝突が発生するので、RTSフレームを送信するH-STAを1台のみとし、これを代表統合端末としている。
【0009】
ここで、各WPANのビーコン周期は 15.36ms×2BO (0≦BO≦14)で与えられるので、図16に示すように、1つのWLAN内の複数(最大4つ)のWPAN間で一度ビーコン送信の同期を行うと、各WPANのビーコン周期が異なる場合でも、それぞれのビーコン送信時刻はビーコン周期が最短のWPANのビーコン送信時刻と重なる。図16では、チャネル1を利用するWPAN1およびチャネル2を利用するWPAN2がBO=kとしたとき、チャネル3を利用するWPAN3がBO=k+1であり、チャネル4を利用するWPAN4がBO=k+2であり、ビーコン周期が最短のWPAN1のH-STAが代表統合端末となる場合を示している。
【0010】
したがって、WPAN間の同期をとり、かつビーコン周期が最短の代表統合端末からRTSフレームを送信することにより、WLAN内のWPANのスーパーフレーム期間中にWLANの送信を停止させることができる。このとき、代表統合端末がRTSフレームによりWLANに設定されるNAV期間の長さは、各WPANの中で最長のスーパーフレームを収容できるように設定される。
【0011】
また、代表統合端末を決める条件として、ビーコン周期が最短のH-STAが複数台存在する場合は、以前に代表統合端末であったかどうか、MACアドレスの大小、WLANのRSSIが高いかどうかなどを基準としてもよい。
【0012】
代表統合端末の決定/交代手順および同期手順の一例について以下に説明する(非特許文献1)。
【0013】
WPANのH-STAは、WLAN内におけるMACアドレス、WPANビーコン周期(BOの値) 、スーパーフレーム長、使用するWPANチャネルを記載するテーブルをもつ。H-STAは、自身がWLANに新しく加わったときに、自身のテーブルの情報をWLANのAPを介してマルチキャストする。他のH-STAのテーブル情報を受け取ったH-STAは、自身のテーブルの情報と比較して差分があればそれをテーブルに追加し更新する。その後、更新したテーブル情報を、WLANのAPを介してマルチキャストする。これを繰り返すことでそれぞれのH-STAがWLAN内の全てのH-STAの情報を有することになる。各H-STAは、テーブルの情報をもとに、自身のビーコン周期が最短かつMACアドレスが最小などの代表統合端末を決める条件を満たすか否かを判断し、条件を満たす1つのH-STAが代表統合端末となる。
【0014】
また、WLANに新規に加わったH-STAは、ビーコン周期の情報等をWLANのAPを介してマルチキャストすることにより、既存のH-STAはその情報を取り込み、代表統合端末のビーコン周期よりも短い場合には代表統合端末の交代を行う。また、各H-STAにおいて、代表統合端末からのRTSフレームが数ビーコン周期連続して受信されないなど、代表統合端末がWLANから離脱したと判断される場合には、各H-STAは代表統合端末の情報を削除するとともに、上記の手順に従って新たな代表統合端末を決定する処理を行う。
【0015】
代表統合端末は、同期するビーコン送信時刻を示すTSF(Timing synchronization function )タイマ値、および各WPANで使用すべきチャネルを、WLANのAPを介して各H-STAにマルチキャストする。これを受信したH-STAは、指定されたビーコン送信時刻を示すTSFタイマとチャネルでビーコン送信を行うことで、WPAN間のビーコン送信の同期・位相の調整が完了する。その後、代表統合端末はビーコン送信時点に先立ってWLANのRTSフレームを送信する。代表統合端末および他のH-STAは、指定されたTSFタイマの値の時刻にビーコン信号を送信し、スーパーフレーム通信を行う。
【先行技術文献】
【0016】

【特許文献1】特許第544573号公報
【0017】

【非特許文献1】井上文博他, “WLANと複数WPANとの共存方式の提案,”信学技報,vol.113 ,no.356,SRW2013-40,pp.13-18、Dec 2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0018】
従来のWLANとWPANが共存する無線通信システムでは、WLANのスループット低下を抑えるために、複数のWPANのビーコン周期を同期させる方法が提案されているが、WLANの1チャネルのNAV設定期間中に同時に送信できるのは最大4つのWPANに限定されていた。
【0019】
図17は、4チャネルを用いて同時に送信するWPAN1~WPAN4のビーコン周期が等しい場合の共存例を示す。非特許文献1では、5以上のWPANの共存は検討されていなかった。さらに、4チャネルを用いて同時に送信するWPAN1~WPAN4のビーコン周期が異なる場合は、図16に示すように同期は可能であるが、ビーコン周期が長いWPANに割り当てたチャネルの空きスロットが多くなりリソースの利用効率が低下する。
【0020】
また、従来のWLANとWPANが共存する無線通信システムでは、同期する複数(最大4つ)のWPANのH-STAのうち、1つの代表統合端末がWLANに対してRTSフレームを送信してチャネル予約(NAV設定)を行い、この複数(最大4つ)のWPANが同時に通信を行っている。しかし、代表統合端末が故障や移動などの原因でWLANから離脱した場合、他のH-STAが代表統合端末の離脱を検知し、新しい代表統合端末が動作するまでの期間はWPANの通信期間のためのチャネル予約が行われず、各WPANはWLANからの干渉を受けてスループット特性が低下する問題があった。
【0021】
本発明は、WLANとWPANが共存する無線通信システムにおいて、WLANのスループット特性の低下を防ぎながら5以上のWPANの共存を可能とするとともに、代表統合端末の離脱(故障または移動)があっても速やかにWLANのチャネル予約を可能としてWPANのスループット特性の低下を防ぐことができる無線通信システムおよび無線通信制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0022】
第1の発明は、1つのWLAN内にビーコンモードで動作する複数のWPANが存在し、各WPANはPANコーディネータの機能とWLAN端末の機能をもつ統合端末を備え、各WPANの統合端末のうち1つの代表統合端末がWLANのチャネルを予約するチャネル予約信号を送信し、そのWLANのチャネルに対応するWPANの複数のチャネルで複数のWPANが同期して通信を行う無線通信システムにおいて、統合端末は、WLANに存在する複数のWPANのビーコン周期の情報を取得し、それぞれのビーコン周期が同一でビーコン送信タイミングを同期させるWPANを選択して組を形成する第1の処理手段と、組代表統合端末として、組を形成する統合端末の1つを選択する第2の処理手段と、代表統合端末が同じ組の他の統合端末に対してビーコン送信を同期させ、かつ異なる組の間でビーコン送信タイミングをずらして設定する第3の処理手段とを備える。
第1の発明の無線通信システムにおいて、統合端末の第2の処理手段は、代表統合端末としてWLANにおけるMACアドレスに基づいて1つの統合端末を選択する。
【0023】
第2の発明は、1つのWLAN内にビーコンモードで動作する複数のWPANが存在し、各WPANはPANコーディネータの機能とWLAN端末の機能をもつ統合端末を備え、各WPANの統合端末のうち1つの代表統合端末がWLANのチャネルを予約するチャネル予約信号を送信し、そのWLANのチャネルに対応するWPANの複数のチャネルで複数のWPANが同期して通信を行う無線通信システムにおいて、統合端末は、WLANに存在する複数のWPANのビーコン周期の情報を取得し、それぞれのビーコン周期に基づいてビーコン送信タイミングを同期させるWPANを選択して組を形成し、さらにWPANの複数のチャネルと、ビーコン周期が最短のWPANのビーコン周期の時間帯の組合せをスロットと定義するとき、組を形成するWPANをビーコン周期に応じてスロットを埋めるように配置する第1の処理手段と、組の代表統合端末として、組を形成する統合端末のうちビーコン周期が最短の統合端末の1つを選択する第2の処理手段と、代表統合端末が同じ組の他の統合端末に対してビーコン送信を同期させ、かつ異なる組の間でビーコン送信タイミングをずらして設定する第3の処理手段とを備える。
【0024】
第2の発明の無線通信システムにおいて、統合端末の第2の処理手段は、ビーコン周期が最短の統合端末が複数あれば、代表統合端末としてWLANにおけるMACアドレスに基づいて1つの統合端末を選択する。
【0025】
第1の発明または第2の発明の無線通信システムにおいて、統合端末は、さらに、組ごとに、代表統合端末と同等の機能を有する1つまたは複数の準代表統合端末を選択し、該準代表統合端末はチャネル予約信号を受信しないときに、代わりにチャネル予約信号を送信する第4の処理手段を備える。
【0026】
第3の発明は、1つのWLAN内にビーコンモードで動作する複数のWPANが存在し、各WPANはPANコーディネータの機能とWLAN端末の機能をもつ統合端末を備え、各WPANの統合端末のうち1つの代表統合端末がWLANのチャネルを予約するチャネル予約信号を送信し、そのWLANのチャネルに対応するWPANの複数のチャネルで複数のWPANが同期して通信を行う無線通信システムの無線通信制御方法において、統合端末は、WLANに存在する複数のWPANのビーコン周期の情報を取得し、それぞれのビーコン周期が同一でビーコン送信タイミングを同期させるWPANを選択して組を形成する第1の処理ステップと、組代表統合端末として、組を形成する統合端末の1つを選択する第2の処理ステップと、代表統合端末が同じ組の他の統合端末に対してビーコン送信を同期させ、かつ異なる組の間でビーコン送信タイミングをずらして設定する第3の処理ステップとを有する。
第3の発明の無線通信制御方法において、統合端末の第2の処理ステップは、代表統合端末としてWLANにおけるMACアドレスに基づいて1つの統合端末を選択する。
【0027】
第4の発明は、1つのWLAN内にビーコンモードで動作する複数のWPANが存在し、各WPANはPANコーディネータの機能とWLAN端末の機能をもつ統合端末を備え、各WPANの統合端末のうち1つの代表統合端末がWLANのチャネルを予約するチャネル予約信号を送信し、そのWLANのチャネルに対応するWPANの複数のチャネルで複数のWPANが同期して通信を行う無線通信システムの無線通信制御方法において、統合端末は、WLANに存在する複数のWPANのビーコン周期の情報を取得し、それぞれのビーコン周期に基づいてビーコン送信タイミングを同期させるWPANを選択して組を形成し、さらにWPANの複数のチャネルと、ビーコン周期が最短のWPANのビーコン周期の時間帯の組合せをスロットと定義するとき、組を形成するWPANをビーコン周期に応じてスロットを埋めるように配置する第1の処理ステップと、組の代表統合端末として、組を形成する統合端末のうちビーコン周期が最短の統合端末の1つを選択する第2の処理ステップと、代表統合端末が同じ組の他の統合端末に対してビーコン送信を同期させ、かつ異なる組の間でビーコン送信タイミングをずらして設定する第3の処理ステップとを有する。
【0028】
第4の発明の無線通信制御方法において、統合端末の第2の処理ステップは、ビーコン周期が最短の統合端末が複数あれば、代表統合端末としてWLANにおけるMACアドレスに基づいて1つの統合端末を選択する。
【0029】
第3の発明または第4の発明の無線通信制御方法において、統合端末は、さらに、組ごとに、代表統合端末と同等の機能を有する1つまたは複数の準代表統合端末を選択し、該準代表統合端末はチャネル予約信号を受信しないときに、代わりにチャネル予約信号を送信する第4の処理ステップを有する。
【発明の効果】
【0030】
本発明は、複数のWPANからビーコン周期に基づいて同期させるWPANを選択して組を形成し、組ごとに、チャネル予約信号(RTSフレーム)を送信する1つの代表統合端末を選択し、組ごとに、代表統合端末がビーコン送信を同期させ、かつ組ごとのビーコン送信タイミングをずらして設定することにより、チャネル予約するWLANのチャネルに対応するWPANのチャネル数以上の複数のWPANが同期して通信を行うことができる。
【0031】
また本発明は、組ごとに、準代表統合端末がチャネル予約信号(RTSフレーム)を受信しないときに、代わりにチャネル予約信号(RTSフレーム)を送信することにより、代表統合端末の離脱があっても速やかにWLANのチャネル予約を可能としてWPANのスループット特性の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】WLANとWPANが共存する無線通信システムの構成例を示す図である。
【図2】本発明による5以上のWPANの収容例1を示すタイムチャートである。
【図3】本発明による5以上のWPANの収容例2を示すタイムチャートである。
【図4】WLANと共存するWPANのビーコン周期テーブルを示す図である。
【図5】ビーコン送信を同期するWPANの選択手順例を示すフローチャートである。
【図6】同期WPANに割り当てるスロットの選択手順例を示すフローチャートである。
【図7】平常時の代表統合端末におけるRTSフレーム送信動作例を示すタイムチャートである。
【図8】代表統合端末離脱時におけるRTSフレーム送信動作例を示すタイムチャートである。
【図9】本発明による準代表統合端末のRTSフレーム送信手順例を示すフローチャートである。
【図10】WLANおよびWPANのスループット特性の改善効果を示す図である。
【図11】定常状態におけるWPAN保護失敗率を示す図である。
【図12】過渡状態におけるWPAN保護失敗率を示す図である。
【図13】WPANのスーパーフレームの構成を示す図である。
【図14】2.4 GHz帯におけるWLANとWPANのチャネル配置を示す図である。
【図15】WLANとWPANが共存するための送信手順を示すタイムチャートである。
【図16】4つのWPANの共存例(ビーコン周期が異なる場合)を示すタイムチャートである。
【図17】4つのWPANの共存例(ビーコン周期が等しい場合)を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0033】
本発明におけるWLANとWPANが共存する無線通信システムは、図1に示す無線通信システムと同様の構成である。ただし、同期させる最大4つのWPANを複数組収容可能とし、かつ1組を構成するWPANのビーコン周期が異なる場合に5以上のWPANを収容可能とし、合わせてWLAN内で5以上のWPANの共存を可能とする。

【0034】
本発明の特徴は、WLAN10内で5以上のWPAN20の共存を可能とするために、WPAN20の統合端末(H-STA)21の制御部において、次の処理を行うところにある。
(1) 複数のWPANからビーコン周期に基づいて同期させるWPANを選択して組を形成する。
(2) 組ごとに、チャネル予約信号(RTSフレーム)を送信する1台の代表統合端末を選択する。
(3) 組ごとに、代表統合端末がWLANのTSFタイマの時刻情報に基づいてビーコン送信を同期させ、かつ組ごとのビーコン送信タイミングをずらして設定する。
(4) 組ごとに、代表統合端末と同等の機能を有する1台または複数台の準代表統合端末を選択し、準代表統合端末がチャネル予約信号(RTSフレーム)を受信しないときに、代わりにチャネル予約信号(RTSフレーム)を送信する。
以下、(1) ~(3) について実施例1として説明し、(4) について実施例2として説明する。

【0035】
(実施例1)
図2は、本発明による5以上のWPANの収容例1を示す。ここでは、ビーコン周期が等しい4つのWPANを組とし、複数組を収容する例を示す。

【0036】
図2において、各WPANのH-STAの制御部は、ビーコン周期が等しく、WPANの4チャネル(Ch.1~Ch.4)を用いて同時通信する4つのWPANの組を作り、組ごとにビーコン送信タイミングを同期させながら、異なる組のWPAN同士はスーパーフレーム期間が重ならないようにビーコン送信タイミングをずらす制御を行う。図2に示す例では、ビーコン周期(BO=k)が等しいWPAN1~4の組と、ビーコン周期(BO=k+1)が等しいWPAN5~7の組を構成し、組ごとにランダムに代表統合端末によって同期制御を行うことにより、異なる組のWPAN同士のビーコン送信タイミングをずらすことが可能である。なお、異なる組のWPAN同士のビーコン送信タイミングが重なって衝突した場合には、再度組ごとにランダムに同期制御を行うことにより衝突しないタイミングの設定が可能である。

【0037】
以上の組ごとの同期制御により、各組の代表統合端末は、それぞれ異なるタイミングでRTS/CTSフレームを送受信し、WLANにNAVを設定した後に、各組が異なるタイミングでビーコンを送信し、衝突を回避して通信を行うことができる。なお、ビーコン周期に比べてスーパーフレーム長が短い場合には、1組のビーコン周期の間に2組以上のWPANを収容することも可能である。これにより、WPANの4チャネル(Ch.1~Ch.4)を用いて、5以上のWPANとWLANを共存させることができる。

【0038】
図3は、本発明による5以上のWPANの収容例2を示す。ここでは、各WPANのビーコン周期が異なるものを組み合わせるものとする。

【0039】
図3において、WPANの4チャネル(Ch.1~Ch.4)と、ビーコン周期が最短のWPANのビーコン周期の時間帯の組合せをスロットS(a,b)と定義するとき、各WPANのH-STAの制御部は、このスロットを最大限埋めるようにWPANを選択して配置する。以下、ビーコン周期が最短のWPANに同期するWPANを選択し、各スロットに割り当てる手順について、図3~図6を参照して説明する。ここでは、図4に示すように、各WPANのビーコン周期をビーコンオーダーBOで表し、WPAN1~2のビーコン周期をBO=k、WPAN3~5のビーコン周期をBO=k+1、WPAN6~9のビーコン周期をBO=k+2、WPAN10~11のビーコン周期をBO=k+3とする。

【0040】
図5は、ビーコン送信を同期するWPANの選択手順例を示す。
図5において、各WPANのH-STAの制御部は、WLAN内におけるMACアドレスやWPANビーコン周期(BO)を記載したテーブルをもっており、それに基づきBOの値の昇順にWPANiをソートする。iは、WPANの識別番号である。BOが同値の場合は、MACアドレスの昇順にソートする(S1)。WPANをBOおよびMACアドレスの昇順にソートしたテーブルを図4に示す。

【0041】
次に、WPANの識別番号n(BOが最小の識別番号1)から昇順に、BOを用いてWPANiのチャネル占有率Ri を次式に基づいて算出する(S2,S3)。
Ri =1/2BO

【0042】
さらに、チャネル占有率Ri の合計Rsum が閾値A×(1/2k) を超えない範囲の最大のWPANの識別番号Nを求める(S4~S7)。ここでは、WLANの1チャネルの帯域幅でWPANの4チャネルが同時送信可能であるので、A=4とする。なお、例えばWLANの2チャネルにNAVを設定する場合には、A≧5とすることができる。これにより、識別番号nからNまでのWPANを同期させるWPANの組として選択することができる。図4に示すテーブルでは、1組目の同期WPANはWPAN1~WPAN7となり、2組目以降の同期WPANを求める際には、前組のNを用いてN+1からBOの最小値をkとして同様の処理を行えばよい。

【0043】
図6は、同期WPANに割り当てるスロットの選択手順例を示す。
図6において、まず図5の処理により選択された組のWPANn~Nのビーコン周期(BO)から、WPANn~Nに割り当てるスロット(A,2k(N)-k(n)) を算出する(S11)。ここで、k(i) はWPANiのBOである。スロットは行列で表され、A個の行は周波数成分(Ch.1~Ch.4)を表し、2k(N)-k(n)個の列は時間方向成分を表す。例えば、同期WPANの組としてWPAN1~7が選択されると、2k(7)-k(1) =22 =4となり、4チャネル×4列の合計16個のスロットが算出される。ここで、列方向のスロット数4は、ビーコン周期が最小のWPAN1のビーコン周期 15.36ms×2k の倍数を示し、ビーコン周期が最大のWPAN7のビーコン周期 15.36ms×2k+2 に対応する。

【0044】
次に、WPANの識別番号順に、空きスロットの最若番を先頭に、それぞれのBOに応じた周期 2k(i)で空きスロットを選択していく。これを組を構成するWPANn~Nについて繰り返す(S12~S16)。

【0045】
図3に示すWPANの収容例2は、図4に示すテーブルに基づいて、図5に示す手順に従って同期WPANの組となるWPAN1~7を選択し、図6に示す手順に従って各スロットに割り当てた状態を示す。すなわち、同期WPANの組としてWPAN1~7に対して、4チャネル×4列の合計16個のスロット割り当てとなる。BOが最小のkとなるWPAN1はスロット(1,1)~(1,4)に割り当て、WPAN2はスロット(2,1)~(2,4)に割り当てる。次にBOがk+1となるWPAN3はスロット(3,1)、(3,3)に割り当て、WPAN4はスロット(3,2)、(3,4)に割り当て、WPAN5はスロット(4,1)、(4,3)に割り当てる。次にBOがk+2となるWPAN6はスロット(4,2)に割り当て、WPAN7はスロット(4,4)に割り当てる。これにより、全スロットを余すことなく割り当てることができる。

【0046】
ここで、ビーコン周期(BO)が最小のWPAN1のH-STAを代表統合端末として、WPAN2~WPAN7に対してビーコン送信時刻を通知して同期をとり、かつWLANとの間でRTS/CTSフレームを送受信し、WLANにNAVを設定する。その後、WPAN1~WPAN7のH-STAがそれぞれビーコンを送信し、配下のWPAN端末(ND)とスーパーフレーム通信を行うことができる。なお、ビーコン周期(BO)が最小のWPANが複数あれば、代表統合端末として以前に代表統合端末であったH-STA、またはMACアドレスが最小(最大)のH-STA、またはWLANのRSSIが最大のH-STAなどが選択される。

【0047】
さらに、次の同期WPANの組となるWPAN8以降は、図2に示すように、WPAN1~7のスーパーフレーム期間と重ならないように、現在のスロットの隙間に配置され、同様にWPAN8のH-STAを代表統合端末として、同期WPANの組となる複数のWPANが同期してスーパーフレーム通信を行うことができる。

【0048】
(実施例2)
代表統合端末は、複数のWPANのビーコン送信を同期させ、ビーコン送信に先立ってRTSフレームを送信して無線チャネルを予約する。しかし、他のH-STAは、代表統合端末からのRTSフレームを受信しないときに、代表統合端末が故障や移動などの原因でWLANから離脱したものと判断し、速やかに代表統合端末を決定してRTSフレームを送信し、WLANからの干渉を回避してスーパーフレーム通信を行う必要がある。

【0049】
そこで、WLANと共存するWPANが複数存在する際には、代表統合端末に加えて、予めRTSフレームの送信を行う機能を有する準代表統合端末を設定しておく。準代表統合端末には、上記の代表統合端末の条件を2番目以降に満たす順に、1台あるいは複数台を選ぶ。準代表統合端末は、代表統合端末との競合を避けるために、RTSフレームの発生からビーコン送信時刻までの保護手順試行期間を短く設定する。また、準代表統合端末が複数ある場合は、順番に保護手順試行期間を短く設定する。すなわち、準代表統合端末は、RTSフレームの発生時刻を代表統合端末より順次遅らせる。

【0050】
図7は、平常時の代表統合端末におけるRTSフレーム送信動作例を示す。
図7において、代表統合端末が正常に動作している場合、RTSフレーム生成部はビーコン送信時刻TB より保護手順試行期間T0 だけ早くRTSフレームを生成し、CSMA/CAプロトコルに従って送信する。このとき、準代表統合端末1,2のRTSフレーム生成部は、順次短い保護手順試行期間T1 ,T2 に応じてRTSフレームを生成することになっているが、代表統合端末から送信されるRTSフレームを受信することにより、自らはRTSフレームを送信せず、通常のH-STAとして代表統合端末に同期するビーコン送信時刻にビーコンを送信し、スーパーフレーム通信を行う。

【0051】
図8は、代表統合端末離脱時におけるRTSフレーム送信動作例を示す。
図8において、代表統合端末が故障または通信エリアから移動した場合に、代表統合端末からRTSフレームが送信されず、WLANのチャネル予約ができない状態になる。準代表統合端末1,2のRTSフレーム生成部は、代表統合端末より遅れて順次RTSフレームを生成するが、代表統合端末からのRTSフレームを受信しないとき、あるいは数ビーコン周期連続して受信しないときに、代表統合端末の離脱(故障または移動)と判断し、準代表統合端末1がRTSフレームをCSMA/CAプロトコルに従って送信する。このとき、準代表統合端末2は、さらに遅れてRTSフレームを生成するが、準代表統合端末1により送信されるRTSフレームを受信することにより、RTSフレームの送信は行わない。準代表統合端末1がRTSフレームを送信しない場合は、同様の手順により準代表統合端末2がRTSフレームを送信する。

【0052】
これにより準代表統合端末1,2が、代表統合端末と競合することを防ぎつつ、代表統合端末がRTSフレームを送信できないときに、代わりにチャネル予約を行うことが可能となる。

【0053】
図3に示す例では、WPAN1が代表統合端末であり、WPAN2~7が準代表統合端末としたときに、WPAN2~7がWPAN1のRTSフレームを受信しない場合に、WPAN2が代わりにRTSフレームを送信する。WPAN2とWPAN1は同じビーコン周期なので、WPAN3~7はRTSフレームによってWLANに設定されるNAVの期間にビーコンを送信し、スーパーフレーム通信を行うことができる。また、WPAN3~7がWPAN1,2のRTSフレームを受信しない場合に、WPAN3が代わりにRTSフレームを送信する。WPAN3のビーコン周期は、WPAN1,2のビーコン周期の2倍なので、そのままではWPAN4,6,7がビーコンを送信するときにはWLANにNAVが設定されていないことになる。そのため、WPAN3は、WPAN1,2と同じ周期でRTSフレームを送信するように制御する。WPAN4~7がRTSフレームを送信する場合も同様である。なお、WPAN1~7は、代表統合端末および準代表統合端末の順位およびそれぞれのビーコン周期がわかっており、当該制御を行うことが可能である。

【0054】
図9は、本発明による準代表統合端末のRTSフレーム送信手順例を示す。
図9において、まず着目する準代表統合端末kについて、その保護手順試行期間長Tk を決定する(S21)。次のビーコン送信時刻をTB としたとき、現在時刻tが準代表統合端末kのRTSフレームを送信する時刻(TB-Tk)になった時点で(S22:Yes )、代表統合端末または上位の準代表統合端末のRTSフレームを受信したか否かを判断する(S23)。ここで、RTSフレームを受信すれば(S23:Yes )、代表統合端末または上位の準代表統合端末がチャネル予約処理を行っているので、準代表統合端末kはRTSフレームを送信せず、ビーコン送信時刻TB になった時点でビーコンを送信し、スーパーフレーム通信を行う(S24,S25)。一方、RTSフレームを受信しない場合、あるいは数ビーコン周期連続して受信しない場合に(S23:No)、代表統合端末または上位の準代表統合端末が離脱していると判断し、ビーコン送信時刻TB になる前の保護手順試行期間内であれば(S26:Yes )、準代表統合端末kがRTSフレームを送信する(S27)。

【0055】
ここで、n台の準代表統合端末のうちk番目にRTSフレーム送信を行う準代表統合端末kにおける保護手順試行期間長Tk の決定方法を示す。代表統合端末の保護手順試行期間長をT0 とする。T0 は代表統合端末が1台しか存在しない場合(準代表統合端末を用意できない場合)に、WPAN保護失敗率(ビーコン送信時刻までに代表統合端末が無線チャネルの予約に失敗する割合) が目標値を達成する最短の値が選ばれる。

【0056】
k は次の方法(i) 、(ii)のどちらか、あるいは併用により決定される。
(i) Tk =Tk-1 -Td
準代表統合端末は、先にRTSフレームを送信する代表統合端末または準代表統合端末の保護手順試行期間よりTd だけ短い保護手順試行期間に設定する。すなわち、Td だけ遅れてRTSフレームを送信する。例えば、Td の時間長は 0.5~2ms程度とする。

【0057】
(ii) Tk =α・Tk-1 (0<α<1)
準代表統合端末は、先にRTSフレームを送信する代表統合端末または準代表統合端末の保護手順試行期間長のα倍となる保護手順試行期間長に設定する。例えば、αは 0.5~0.8 程度とする。

【0058】
(本発明によるWLANおよびWPANのスループット特性の改善例)
計算機シミュレーションにより、1つのWLAN内にn個のWPANが共存している場合の結果を示す。WLANは、1台のWLANアクセスポイント(AP)と10台のWLAN端末(STA)とn台の統合端末(H-STA)からなる。それぞれのWPANは1台の統合端末(H-STA)と、2台のWPAN端末(ND)からなる。WPANのWPAN端末(ND)は、スーパーフレームの非競合アクセス期間に保証タイムスロットが割り当てられるものとする。シミュレーション諸元を表1に示す。

【0059】
【表1】
JP0006284199B2_000002t.gif

【0060】
WLANの物理層パラメータはIEEE 802.11g規格に従う。統合端末(H-STA)は、WPANのビーコン送信時点から5msだけ先立ってWLANのRTSフレームを送信キューに発生させる。同じ周波数を利用する無線端末は全て互いに干渉し、隠れ端末の関係にある無線端末は存在しないものとする。従来方式では、WPANがWLANにNAVを設定している間に、複数のWPANはランダムアクセス方式により送信を行う。

【0061】
図10(a) は、WLANのスループット特性を示す。1回の試行のシミュレーション時間は 100秒であり、10回の試行の平均値を示す。この結果より、提案方式はビーコン周期が等しい4台ごとにWPANの同期をとっているので、WPANの数が増加すると従来方式よりWLANのスループット特性が高くなっており、周波数利用効率が改善されていることがわかる。

【0062】
図10(b) は、WPANのスループット特性を示す。複数存在するWPANのなかで、最低のスループットの値を取るものを示す。なお、1回の試行のシミュレーション時間は 100秒であり、10回の試行の最低値を示す。この結果より、提案方式はビーコン周期が等しい4台ごとにWPANの同期をとっているので、WPANの数が増加して5以上になると、従来方式よりWPANのスループット特性が著しく高くなっており、周波数利用効率が改善されていることがわかる。

【0063】
(代表統合端末および準代表統合端末によるWPAN保護失敗率)
計算機シミュレーションにより、WLANの中に複数のWPANが共存している場合において、統合端末(H-STA)によるWPAN保護失敗率(ビーコン送信時刻までに統合端末が無線チャネルの予約に失敗する割合)を示す。WLANは、1台のWLANアクセスポイント(AP)と10台のWLAN端末(STA)と2台の統合端末(H-STA)からなる。WLANの物理層パラメータはIEEE 802.11g規格に従う。シミュレーション諸元を表2に示す。

【0064】
【表2】
JP0006284199B2_000003t.gif

【0065】
図11は、代表統合端末がWLAN内に存在し機能している場合(定常状態)におけるWPAN保護失敗率を示す。図12は、代表統合端末がWLANから離脱してから、新しく代表統合端末が決定され動作するまでの期間(過渡状態)におけるWPAN保護失敗率を示す。

【0066】
提案方式では、代表統合端末および準代表統合端末の2台がRTSフレーム送信によりWPANの通信のためのチャネル予約を行う。準代表統合端末の保護手順試行期間長は、代表統合端末の保護手順試行期間長の 0.7倍(上記のα=0.7 )とする。従来方式では、代表統合端末1台のみがRTSフレームを送信する。この結果により、定常状態、代表統合端末が離脱時の過渡状態のいずれにおいても、提案方式の方が、保護失敗率が低くなっていることがわかる。

【0067】
なお、本発明の無線通信システムにおける統合端末(H-STA)の機能については、国際標準規格IEEE 802.11 およびIEEE 802.15.4 に準拠しており、使用するパラメータ等も規格内に定義されている。統合端末(H-STA)に対して、上記の代表統合端末および準代表統合端末の機能を実装するのみで本発明は実現可能である。

【0068】
また、本発明の無線通信システムの利用形態としては、例えば老人ホームなどにおいて、WPAN端末(ND)として無線センサ端末を用いたメディカルケアでは、心電計、血圧計、体温計、加速時計などの様々なセンサを身につけた人が多数存在する状況が考えられる。この状況では、無線センサ端末を身につけたそれぞれの人が1つのWPANを形成するため、1つのWLANに多数のWPANが収容されることになる。そのため、多数のWPANの無線センサ端末が、それぞれのビーコン周期でアクセスを試みることにより、WLANのスループット特性が大きく劣化する恐れがある。その際に、本発明を用いることにより、WLANに多数(5以上)のWPANを収容して同期制御を可能とし、WLANおよびWPANのスループット特性の低下を防ぐことが可能である。
【符号の説明】
【0069】
10 WLAN
11 アクセスポイント(AP)
12 WLAN端末(STA)
20 WPAN
21 統合端末(H-STA)
22 WPAN端末(ND)
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8
【図10】
9
【図11】
10
【図12】
11
【図13】
12
【図14】
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【図15】
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【図16】
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【図17】
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