無線通信端末、無線通信方法
【課題】マルチホップのネットワークにおいてビーコンモードでの動作を実現する。
【解決手段】無線通信端末が、階層構造において一つ上の階層の無線通信端末である上階層通信端末から、自身に割当てられる割当期間を示す情報が含まれるビーコン信号を受信し、受信したビーコン信号に含まれる情報が示す自身の割当期間内における期間を、階層構造において自身より下の階層の無線通信端末である下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成し、自身に割当てられた割当期間内に、ビーコン生成部によって生成されたビーコン信号を、下階層通信端末に送信する。
【解決手段】無線通信端末が、階層構造において一つ上の階層の無線通信端末である上階層通信端末から、自身に割当てられる割当期間を示す情報が含まれるビーコン信号を受信し、受信したビーコン信号に含まれる情報が示す自身の割当期間内における期間を、階層構造において自身より下の階層の無線通信端末である下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成し、自身に割当てられた割当期間内に、ビーコン生成部によって生成されたビーコン信号を、下階層通信端末に送信する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチホップの無線通信システムにおいて、制御信号の衝突を回避するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、センサネットワーク等での活用、普及が期待されるシステムとして、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）による無線通信ネットワークがある（非特許文献１、２）。この無線通信ネットワークでは、例えば二つのトポロジが利用できる。一のトポロジはスター型のトポロジであり、コーディネータと呼ばれる無線通信端末（ノード）を中心として、その周辺にエンドデバイスと呼ばれるノードが配置される。スター型のトポロジは１ホップのみのシンプルなネットワークである。他のトポロジは、ＰｔｏＰ（Ｐｅｅｒ ｔｏ Ｐｅｅｒ）型のトポロジであり、基本的にはノード間で一対一の通信を行うトポロジである。ＰｔｏＰ型のトポロジにおいては、すべてのノードがルータの機能を備えることで、マルチホップネットワークを構築することができる。例えばＰｔｏＰに基づくツリー型のトポロジでは、コーディネータと呼ばれるノードを頂点（ルート）として、中継機能を有するルータと呼ばれるノードと、中継機能を有さないエンドデバイスと呼ばれるノードとが配置される。中継機能とは、ルーティングテーブルを備えて、これに基づいてデータの転送を行う機能である。
【０００３】
この無線通信ネットワークでは、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）方式が採用されている。ＣＳＭＡ／ＣＡでは、ノードは、送信前にキャリアセンス（Carrier Sense）を行う。そして、ノードは、信号が無線チャネルに送出されていないことを確認してから送信する。そのため、ノードは、自らが信号を送信していないときでも、他ノードからの信号を受信するために待機している必要がある。そのため、消費電力が大きいという問題がある。
【０００４】
このような問題に対して、この無線通信ネットワークでは、スーパーフレーム構成を用いたビーコンモードが用意されている。ビーコンモードでは、ビーコン信号が送信されてから次のビーコン信号が送信されるまでの時間が、アクティブ（活性）期間とインアクティブ（不活性）期間とに分割される。コーディネータは、アクティブ期間とインアクティブ期間とを表す情報をビーコン信号に含めて送信する。アクティブ期間には、特定のノードにのみ通信を許可する割当期間（ＧＴＳ）を設けることができる。なお、ビーコン信号はキャリアセンスを行わず一定周期で強制的に送信される。活性期間では、信号の送受信が行われる一方、不活性期間では信号の送受信が行われない。したがって、不活性期間ではノードは他ノードの送信状況を把握する必要が無く、消費電力を低減できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１５．４”、[online]、[平成２２年１１月２５日検索]、インターネット<URL: http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html>
【非特許文献２】鄭立、「ＺｉｇＢｅｅ開発ハンドブック」、株式会社リックテレコム、２００６年２月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ビーコンモードはスター型ネットワークトポロジへの適用のみを考慮して規定されていた。そのため、ツリー型ネットワークトポロジに代表されるマルチホップネットワークへそのまま適用すると不具合が生じてしまう。例えば、マルチホップネットワークでは、全てのノードに対してビーコン信号を送信する必要があるため、ルータはビーコン信号を中継する。このとき、一つのネットワークに複数のルータが接続されていると、複数のルータが送信したビーコンが衝突してしまう可能性がある。したがって、全てのノードにビーコン信号を正常に受信させることが困難となる。ビーコン信号は、データ信号とは異なり、キャリアセンスを行わずに周期的に自動送信されるために上記のような問題が生じてしまう。ビーコン信号は、スーパーフレームを構成するための制御情報を含むため、これが衝突により失われると、ネットワークが破綻する。結果として、マルチホップのネットワークではビーコンモードが利用できないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明ではかかる問題を鑑みて、マルチホップのネットワークにおいてビーコンモードでの動作を実現するための技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明は、階層構造に接続された複数の無線通信端末が、定められたビーコン周期で出力されるビーコン信号の出力間隔のうち定められた活性期間内において自身に割当てられた割当期間内に、他の無線通信端末と通信を行う無線通信システムにおける無線通信端末であって、階層構造において一つ上の階層の無線通信端末である上階層通信端末から、自身に割当てられる割当期間を示す情報が含まれるビーコン信号を受信するビーコン信号受信部と、ビーコン信号受信部によって受信されたビーコン信号に含まれる情報が示す自身の割当期間内における期間を、階層構造において自身より下の階層の無線通信端末である下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成するビーコン生成部と、自身に割当てられた割当期間内に、ビーコン生成部によって生成されたビーコン信号を、下階層通信端末に送信するビーコン送信部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、上述の活性期間は、定められた基礎期間の２のべき乗によって示される期間であり、かつ、割当期間は、活性期間の１６分の１の期間であるタイムスロットを単位として割当てられることが定められており、ビーコン生成部は、自身の活性期間内に含まれる１６のタイムスロットのうち、１、２、４、８のうちいずれかの数のタイムスロットを、下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、階層構造に接続された複数の無線通信端末が、定められたビーコン周期で出力されるビーコン信号の出力間隔のうち定められた活性期間内において自身に割当てられた割当期間内に、他の無線通信端末と通信を行う無線通信システムにおける無線通信端末の無線通信方法であって、階層構造において一つ上の階層の無線通信端末である上階層通信端末から、自身に割当てられる割当期間を示す情報が含まれるビーコン信号を受信するステップと、受信したビーコン信号に含まれる情報が示す自身の割当期間内における期間を、階層構造において自身より下の階層の無線通信端末である下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成するステップと、自身に割当てられた割当期間内に、ビーコン生成部によって生成されたビーコン信号を、下階層通信端末に送信するステップと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、無線通信端末が、階層構造において一つ上の階層の無線通信端末である上階層通信端末から、自身に割当てられる割当期間を示す情報が含まれるビーコン信号を受信し、受信したビーコン信号に含まれる情報が示す自身の割当期間内における期間を、階層構造において自身より下の階層の無線通信端末である下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成し、自身に割当てられた割当期間内に、ビーコン生成部によって生成されたビーコン信号を、下階層通信端末に送信するようにしたので、マルチホップのネットワークにおいてビーコンモードでの動作を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による無線通信端末の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による通信ネットワークの構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による通信ネットワークのビーコンモードによる制御例を示す図である
【図４】本発明の一実施形態による通信ネットワークのビーコンモードによる制御例を示す図である
【図５】本発明の一実施形態によって割り当てるＧＴＳのスロット数の例を示す図である
【図６】本発明の一実施形態によって割り当てるＧＴＳの例を示す図である
【図７】本発明の一実施形態によってＧＴＳを割り当てるトポロジの例を示す図である
【図８】本発明の一実施形態による通信システムの動作例を示すフローチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による通信システムの動作例を示す図である。
【図１０】従来技術によるビーコンの衝突例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態による無線通信端末１０の構成を示すブロック図である。
無線通信端末１０は、複数の無線通信端末１０が階層構造に接続され、定められたビーコン周期で出力されるビーコン信号の出力間隔のうち定められた活性期間内において自身に割当てられた割当期間内に、他の無線通信端末１０と通信を行う無線通信ネットワーク（ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）ネットワーク）を形成する通信端末である。
【００１４】
図２は、無線通信端末１０が接続する通信ネットワーク１の例を示す図である。ここでは、ツリー型のトポロジによる通信ネットワーク１が形成され、通信ネットワーク１に接続される全ての無線通信端末をノードといい、階層構造の頂点である１台の無線通信端末１０をコーディネータという。コーディネータに接続され、中継機能を持つノードである無線通信端末１０をルータという。中継機能を持たないノードをエンドデバイスという。上階層、下階層とは、あるノードからみた相対的な関係をいう。例えば、あるノードから見て、自己が下階層として接続する、すなわち自己にとって上階層となるノードを上階層ノード（上階層通信端末）といい、自己を上階層ノードとして接続しているノードを下階層ノード（下階層通信端末）という。
【００１５】
この図では、コーディネータである無線通信端末１０−０の下階層に、ルータである無線通信端末１０−１−１と無線通信端末１０−２−１とが接続され、無線通信端末１０−１−１の下階層に、さらにルータである無線通信端末１０−１−２が接続され、無線通信端末１０−１−２の下階層に、エンドデバイスである２０−１が接続される。無線通信端末１０−２−１に下階層には、エンドデバイスである２０−２が接続される。ここで、無線通信端末１０−０、無線通信端末１０−１−１、通信ネットワーク１０−１−２、無線通信端末１０−２−１は同様の構成であり、特に区別する必要がない場合には無線通信端末１０として説明する。エンドデバイス２０は、無線通信端末１０と通信を行う無線通信端末である。エンドデバイス２０は、例えばセンサであり、センシングにより取得したデータを無線通信端末１０に送信する。
【００１６】
ここで、無線通信端末１０が通信ネットワーク１に接続する際には、他の無線通信端末１０を上階層ノードとして接続し、上階層ノードから通信ネットワーク１におけるアドレスが付与される。無線通信端末１０が通信ネットワーク１に接続する際に、上階層になり得る通信可能な複数のノードを検出したときは、検出した各ノードの送信するビーコン信号の受信電力を測定して、最も受信レベルの高いビーコン信号を送信するノードに対して接続することができる。
【００１７】
図３は、このような通信ネットワーク１のビーコンモードによる制御例を示す図である。ここでは、ビーコン信号が一定周期（Ｔｂ）毎に出力される。上述したように、あるビーコン信号が送信されてから次のビーコン信号が送信されるまでの時間（ビーコン周期）が、アクティブ（活性）期間とインアクティブ（不活性）期間とに分割される。コーディネータおよびルータは、ビーコン周期とアクティブ期間とを表す情報をビーコン信号に含めて送信する。インアクティブ期間は、ビーコン周期とアクティブ期間との差から算出される。ビーコン信号により開始される活性期間をスーパーフレームという。
【００１８】
このようなスーパーフレームは、１６のタイムスロットに分割される。タイムスロットは、必須のＣＡＰ（Contention Access Period）期間とオプションであるＣＦＰ（Contention Free Period）期間に分かれる。ＣＦＰ期間には通信可能ノードを一つに限定したＧＴＳ（Guaranteed Time Slot）（割当期間）を設ける。１つのＧＴＳは特定のノードに割当てられており、ＧＴＳを割当てられたノードは、そのＧＴＳにおいては、キャリアセンスをすることなく排他的に信号を送信することができる。最大ＧＴＳ数は７である。ＣＡＰ期間はＳｌｏｔｔｅｄ−ＣＳＭＡ／ＣＡによる多元接続であり、各ノードはキャリアセンスをして空きを確認してから送受信を行う。ＧＴＳは特定ノードに予め１または複数の専用タイムスロットを割当てるもので、衝突が発生しないためキャリアセンスの必要がない。各タイムスロット内においては、上階層ノードから下階層ノードおよび下階層ノードから上階層ノードへの上下双方向通信が行われる。
【００１９】
図１にもどり、無線通信端末１０は、受信処理部１１と、ビーコン生成タイミング算出部１２と、ビーコン生成部１３と、送信処理部１４と、スイッチ１５と、制御部１６と、データ処理部１７とを備えている。
受信処理部１１は、通信ネットワーク１に接続された他の無線通信端末１０またはエンドデバイス２０から送信される信号を受信する。例えば、受信処理部１１は、通信ネットワーク１の階層構造において一つ上の階層の無線通信端末１０である上階層ノードから、自身に割当てられるＧＴＳを示す情報が含まれるビーコン信号を受信する。ここで、ビーコン信号には、そのビーコン信号が出力されるビーコン周期を示す情報、スーパーフレーム長を示す情報、タイムスロットのＣＡＰ期間とＣＦＰ期間を示す情報、ＣＦＰ期間におけるＧＴＳの割当を示す情報などが含まれる。
【００２０】
ここで、受信処理部１１は、アンテナを介して受信した無線信号について、Ａ／Ｄ変換、周波数変換、復調等の処理を行い、ベースバンド信号を抽出する。ベースバンド信号は制御部１６に入力され、データ信号であった場合、データ処理部１７に出力される。それ以外の場合、例えばルータにおいて受信した信号がビーコン信号であった場合は、その中に含まれるスロットの割当情報等が抽出され、自局に割当てられたＧＴＳのタイムスロットのタイミングがビーコン生成タイミング算出部１２に出力される等、その信号に応じた処理が行われる。
【００２１】
ビーコン生成タイミング算出部１２は、自身がビーコン信号を出力するタイミングを算出する。例えば、コーディネータである無線通信端末１０（無線通信端末１０−０）におけるビーコン生成タイミング算出部１２は、予め定められたビーコン周期で、ビーコン生成部１３にビーコンの生成を指示する信号を出力する。一方、ルータである無線通信端末１０（無線通信端末１０−１−１、無線通信端末１０−１−２、無線通信端末１０−２−１）におけるビーコン生成タイミング算出部１２は、自局に割当てられたＧＴＳのタイミングが制御部１６により入力されると、そのＧＴＳのタイミングに応じて、ビーコン生成部１３にビーコンの生成を指示する信号を出力する。このように、ビーコン生成タイミング算出部１２は、他の無線通信端末１０と重ならずに自身がビーコンを出力するタイミングを算出する。
【００２２】
ここで、ビーコン生成タイミング算出部１２が算出するタイミングについて図を参照して説明する。図４は、ビーコン生成タイミング算出部１２が算出するタイミングを示す図である。このように、上階層ノードと下階層ノードとの関係において、上階層ノードのスーパーフレームにおける１つのＧＴＳに、そのＧＴＳを割当てられた下階層ノードの活性期間が含まれるように、下階層ノードのビーコン生成タイミングが算出される。このように、下階層ノードのスーパーフレームは、上階層ノードのＧＴＳを細分化して構成されることとなる。
【００２３】
図１にもどり、ビーコン生成部１３は、ビーコン生成タイミング算出部１２によって算出されたタイミングに応じて、ビーコン信号を生成する。ここで、ビーコン生成部１３は、受信処理部１１によって受信されたビーコン信号に含まれる情報が示す自身のＧＴＳ内における期間を、階層構造において自身より下の階層の無線通信端末１０である下階層ノードに割当てるＧＴＳとして示す情報を含むビーコン信号を生成する。ここで、ビーコン生成部１３は、自局に接続しているルータが存在する場合には、そのルータに対して少なくとも１つのＧＴＳを割当てた上で、各ルータに対するＧＴＳのタイミングをビーコン信号によって報知する。これにより、下階層ノードは、自局に割当てられたＧＴＳスロットのタイミングを知ることができる。
【００２４】
ここで、下階層ノードに割当てられるスロット数（ＧＴＳを構成するスロット数）は、自身に接続するノード数、下階層ルータに接続するノード数、または、その下階層ノードが扱うトラヒック量などの追加の条件に基づいて決定される。また、下階層ノードは割当てられたＧＴＳをさらに１６スロットに分割し、ＣＡＰまたはＣＦＰとして割り振りを行う。すなわち、上階層のスーパーフレームのタイムスロットが１つで構成されるＧＴＳを割当てられた下階層のルータが生成するスーパーフレームと，上階層のスーパーフレームのタイムスロットが２つ以上で構成されるＧＴＳを割当てられた下階層のルータが生成するスーパーフレームのタイムスロット長は異なり、後者の方が前者と比較して長いタイムスロットが生成される。
【００２５】
ここで、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）ネットワークにおいては、活性期間は、定められた基礎期間の２のべき乗によって示される期間であり、かつ、ＧＴＳは、活性期間の１６分の１の期間であるタイムスロットを単位として割当てられることが定められている。そこで、ビーコン生成部１３は、自身の活性期間内に含まれる１６のタイムスロットのうち、１、２、４、８のうちいずれかの数のタイムスロットを、下階層ノードに割当てるＧＴＳとして示す情報を含むビーコン信号を生成する。
【００２６】
具体的には、スーパーフレーム長ＳＤは、ＢＳＤ（基本となるスーパーフレーム長）に対して、以下式（１）のように２の冪乗倍で表現することと定められている。
ＳＤ＝ＢＳＤ×２ＳＯ ・・・（１）
ここでＳＯは実質的にＳＤを規定するための変数であり、ビーコン信号により下階層ノードへ通達される。下階層ノードに割当てられるＧＴＳの最小単位はＳＤの１／１６の長さであるため、割当てるスロット数は、図５のように、１、２、４、８のいずれかの数とする。ここで、上階層のスーパーフレームは１６分割され、これらのうちから自分にフレームが割当てられるため、親フレーム（相対的に１つ上階層のフレーム）の長さに対して自分に割当てられるフレームの長さは、１／１６となり、指数としては−４の値となる。これにより、例えば、３つのタイムスロットをＧＴＳとして下階層に割当てても、上記式（１）を満たさず、２つ割当てたときと同じ長さでしか利用できない。同様に、例えば、ＧＴＳへの割当てスロット数が４〜７の場合は、いずれも同じ子スーパーフレーム（相対的に１つ下階層のスーパーフレーム）長となる。すなわち、ＢＳＤに対して２の冪乗倍で表現不可能な部分のスロットについては使用できず、切り捨てられる。図６は、このような割当て例を示す図である。
【００２７】
ここで、式（１）のＳＯは、規格上、１４が最大値であることが規定されている。すなわち、式（１）中の２の指数が０になると、スーパーフレームの基本長（最短長）となるため、それ以上のＧＴＳを活用したビーコン中継は不可能となる。このときのＧＴＳ割当て例を図７に示す。タイムスロット８個で構成されるＧＴＳを子ルータ、孫ルータと割当てていくと、最大で中継段数は１４段中継が可能となる。一方で、１ルータあたり接続可能な子ルータ数はＧＴＳの設定可能数に依存し、７である。
【００２８】
送信処理部１４は、通信ネットワーク１に接続された他の無線通信端末１０に信号を受信する。送信処理部１４は、ビーコン生成部１３により入力されたビーコン信号や、制御部１６を介してデータ処理部１７により入力されたデータ信号について、変調、Ｄ／Ａ変換、周波数変換等の処理を行い、スイッチ、アンテナを介して無線信号として送信する。例えば、送信処理部１４は、自身に割当てられたＧＴＳ内に、ビーコン生成部１３によって生成されたビーコン信号を、下階層ノードに送信する。
【００２９】
スイッチ１５は、アンテナを介して行われる受信処理部１１による受信処理と送信処理部１４による送信処理とを切替える。
制御部１６は、無線通信端末１０が備える各部を制御する。
データ処理部１７は、ＣＡＰ期間に行われる他の無線通信端末１０とのデータ通信処理などを行う。
【００３０】
次に、本実施形態による無線通信端末１０の動作例を説明する。図８は、無線通信端末１０によるビーコン送信処理の動作例を示すフローチャートである。
図８は、本実施形態によるルータである無線通信端末１０のビーコン信号の生成処理および送信処理を示す。まず、ビーコン生成タイミング算出部１２が、ビーコン生成部１３にビーコン生成の指示を入力すると、ビーコン生成部１３は、１６に対して、配下のルータが中継処理を行っているかどうかを問い合わせる（ステップＳ１）。
【００３１】
ここで、配下のルータが中継処理を行っているかどうかは、配下のルータに他のノードが接続したときに、当該配下のルータが当該ルータに対して、他のノードが接続した旨（すなわち、中継処理を開始する旨）を通知することによって把握することができる。配下のルータが中継処理を行っていない場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、ステップＳ３に進み、制御情報等を含むビーコン信号を生成して、自らに割当てられたＧＴＳの先頭でそのビーコンを送信する。
【００３２】
一方、配下のルータが中継処理を行っている場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、そのルータに対して自らの構成するスーパーフレームについて少なくとも１スロットのＧＴＳを割当てて（ステップＳ２）、その情報を含むビーコンを生成して（ステップＳ３）、自らに割当てられたＧＴＳの先頭でそのビーコンを送信する（ステップＳ４）。なお、上述したように、ＧＴＳを構成するタイムスロット数は、そのＧＴＳを割当てる配下のルータが扱うトラヒック量等を考慮して決定するが、ここでは少なくとも１つのタイムスロットを割当てれば、その配下のルータも中継処理を行うことができる。
【００３３】
図９は、図２に示したネットワーク構成について本実施形態を適用した場合の動作例を示す図である。ここで、ＣＡＰ期間については、便宜上短く記載している。コーディネータである無線通信端末１０−０のスーパーフレームは、ビーコン信号により開始され、ＣＡＰ、ＣＦＰ、不活性期間により構成される。ＣＦＰは複数のＧＴＳによって構成される。ここでは、ＧＴＳが２つの場合について示している。送信されたビーコン信号は、下階層のルータである無線通信端末１０−１−１と無線通信端末１０−２−１により受信され、各ルータは、ＣＡＰ期間において、コーディネータである無線通信端末１０−０との間でデータの送受信を行う。
【００３４】
また、ルータである無線通信端末１０−１−１は、コーディネータである無線通信端末１０−０のスーパーフレームにおいて自らに割当てられたＧＴＳ１において、コーディネータのスーパーフレームと同様の構成によるスーパーフレームを構成する。この無線通信端末１０−１−１のスーパーフレームにおけるビーコン信号は、さらに下階層のルータである無線通信端末１０−１−２により受信され、ＣＡＰ期間において、無線通信端末１０−１−１と無線通信端末１０−１−２との間でデータの送受信が行われる。
【００３５】
ここで、下階層のルータである無線通信端末１０−１−２は、無線通信端末１０−１−１のスーパーフレームにおけるＧＴＳにおいてスーパーフレームを構成する。このスーパーフレームにおけるビーコン信号は、エンドデバイス２０−１により受信され、ＣＡＰ期間において、無線通信端末１０−１−２とエンドデバイス２０−１との間でデータが送受信される。この例では、エンドデバイス２０−１の配下には他のノードが接続していないため、無線通信端末１０−１−２はＧＴＳを設定していない。例えば、エンドデバイス２０−１がＶｏＩＰ等の帯域保証が必要となるアプリケーションを利用している場合などには、ＧＴＳの１つをノード１に割当ててもよい。このように、各ルータは、配下のノードが中継処理を行うか否か、及び帯域補償が必要か否かに基づいてＧＴＳを割当てるかどうかを判断する。ＧＴＳを割当てることによって、ビーコンの衝突を回避しつつ中継することが可能となる。
【００３６】
一方、無線通信端末１０−０から送信されたビーコン信号を受信したルータである無線通信端末１０−２−１は、コーディネータのスーパーフレームにおいて自らに割当てられたＧＴＳ２において、コーディネータのスーパーフレームと同様の構成によるスーパーフレームを構成する。無線通信端末１０−２−１のスーパーフレームにおけるビーコン信号は、エンドデバイス２０−２により受信され、ＣＡＰ期間において、無線通信端末１０−２−１とエンドデバイス２０−１との間でデータの送受信が行われる。エンドデバイス２０−１の配下には他のノードが接続していないため、無線通信端末１０−２−１はＧＴＳを設定していない。
【００３７】
これにより、従来技術によりツリー型トポロジの通信ネットワークにおいてビーコンモードの制御を行おうとする場合には、図１０に示すようにビーコン信号が衝突して制御情報を取得できないことが考えられるが、本実施形態によれば、ビーコン信号が衝突することがない。すなわち、本実施形態によれば、ツリートポロジにおいて、コーディネータに接続する下階層ルータが送信するビーコン信号が、コーディネータのスーパーフレームにおける下階層ルータに割当てられたＧＴＳの先頭において送信されることにより、コーディネータと各下階層ルータ間においてビーコンが衝突することがなくなる。また、下階層ルータのスーパーフレームとそのさらに下階層のスーパーフレームとの関係は、コーディネータのスーパーフレームと下階層コーディネータのスーパーフレームとの関係と同じであり、同様にこれらの送信するビーコン信号の間でも衝突が生じない。このような入れ子構造が繰り返されて、それぞれのルータにおけるスーパーフレームが構成されることとなることから、ビーコンの衝突が生じることなく、ツリートポロジにおいても中継が可能となる。
【００３８】
また、本実施形態によれば、全ての無線通信端末１０が自律分散的に、ビーコン信号が衝突しないように制御することができる。さらに、コーディネータが不活性期間として指定した区間はいずれのノードも無線通信しないので、例えば他の規格の無線通信システムと共存させる場合にも、不活性期間に他の規格の無線通信システムに通信を行わせるようにすれば、規格の異なる無線通信システムを共存させることが可能となる。また、本実施形態によれば、ツリー型トポロジにおいて下階層のノードの方が割当てられるＧＴＳが短いということになるが、例えば通信ネットワーク１におけるエンドデバイスがセンサである場合には、エンドデバイスからアップリンクで情報が上っていく構成である場合が多いため、上階層であるほど情報が集まってきてより多くの帯域が必要となることが想定される。すなわち、下階層のノードの方が割当てられるＧＴＳが短い構成は、このような通信ネットワーク１に適した構成であると考えられる。
【００３９】
なお、本発明における処理部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより無線通信の制御を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
【００４０】
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【符号の説明】
【００４１】
１ 通信ネットワーク
１０ 無線通信端末
１１ 受信処理部
１２ ビーコン生成タイミング算出部
１３ ビーコン生成部
１４ 送信処理部
１５ スイッチ
１６ 制御部
１７ データ処理部
２０ エンドデバイス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチホップの無線通信システムにおいて、制御信号の衝突を回避するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、センサネットワーク等での活用、普及が期待されるシステムとして、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）による無線通信ネットワークがある（非特許文献１、２）。この無線通信ネットワークでは、例えば二つのトポロジが利用できる。一のトポロジはスター型のトポロジであり、コーディネータと呼ばれる無線通信端末（ノード）を中心として、その周辺にエンドデバイスと呼ばれるノードが配置される。スター型のトポロジは１ホップのみのシンプルなネットワークである。他のトポロジは、ＰｔｏＰ（Ｐｅｅｒ ｔｏ Ｐｅｅｒ）型のトポロジであり、基本的にはノード間で一対一の通信を行うトポロジである。ＰｔｏＰ型のトポロジにおいては、すべてのノードがルータの機能を備えることで、マルチホップネットワークを構築することができる。例えばＰｔｏＰに基づくツリー型のトポロジでは、コーディネータと呼ばれるノードを頂点（ルート）として、中継機能を有するルータと呼ばれるノードと、中継機能を有さないエンドデバイスと呼ばれるノードとが配置される。中継機能とは、ルーティングテーブルを備えて、これに基づいてデータの転送を行う機能である。
【０００３】
この無線通信ネットワークでは、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）方式が採用されている。ＣＳＭＡ／ＣＡでは、ノードは、送信前にキャリアセンス（Carrier Sense）を行う。そして、ノードは、信号が無線チャネルに送出されていないことを確認してから送信する。そのため、ノードは、自らが信号を送信していないときでも、他ノードからの信号を受信するために待機している必要がある。そのため、消費電力が大きいという問題がある。
【０００４】
このような問題に対して、この無線通信ネットワークでは、スーパーフレーム構成を用いたビーコンモードが用意されている。ビーコンモードでは、ビーコン信号が送信されてから次のビーコン信号が送信されるまでの時間が、アクティブ（活性）期間とインアクティブ（不活性）期間とに分割される。コーディネータは、アクティブ期間とインアクティブ期間とを表す情報をビーコン信号に含めて送信する。アクティブ期間には、特定のノードにのみ通信を許可する割当期間（ＧＴＳ）を設けることができる。なお、ビーコン信号はキャリアセンスを行わず一定周期で強制的に送信される。活性期間では、信号の送受信が行われる一方、不活性期間では信号の送受信が行われない。したがって、不活性期間ではノードは他ノードの送信状況を把握する必要が無く、消費電力を低減できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１５．４”、[online]、[平成２２年１１月２５日検索]、インターネット<URL: http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html>
【非特許文献２】鄭立、「ＺｉｇＢｅｅ開発ハンドブック」、株式会社リックテレコム、２００６年２月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ビーコンモードはスター型ネットワークトポロジへの適用のみを考慮して規定されていた。そのため、ツリー型ネットワークトポロジに代表されるマルチホップネットワークへそのまま適用すると不具合が生じてしまう。例えば、マルチホップネットワークでは、全てのノードに対してビーコン信号を送信する必要があるため、ルータはビーコン信号を中継する。このとき、一つのネットワークに複数のルータが接続されていると、複数のルータが送信したビーコンが衝突してしまう可能性がある。したがって、全てのノードにビーコン信号を正常に受信させることが困難となる。ビーコン信号は、データ信号とは異なり、キャリアセンスを行わずに周期的に自動送信されるために上記のような問題が生じてしまう。ビーコン信号は、スーパーフレームを構成するための制御情報を含むため、これが衝突により失われると、ネットワークが破綻する。結果として、マルチホップのネットワークではビーコンモードが利用できないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明ではかかる問題を鑑みて、マルチホップのネットワークにおいてビーコンモードでの動作を実現するための技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明は、階層構造に接続された複数の無線通信端末が、定められたビーコン周期で出力されるビーコン信号の出力間隔のうち定められた活性期間内において自身に割当てられた割当期間内に、他の無線通信端末と通信を行う無線通信システムにおける無線通信端末であって、階層構造において一つ上の階層の無線通信端末である上階層通信端末から、自身に割当てられる割当期間を示す情報が含まれるビーコン信号を受信するビーコン信号受信部と、ビーコン信号受信部によって受信されたビーコン信号に含まれる情報が示す自身の割当期間内における期間を、階層構造において自身より下の階層の無線通信端末である下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成するビーコン生成部と、自身に割当てられた割当期間内に、ビーコン生成部によって生成されたビーコン信号を、下階層通信端末に送信するビーコン送信部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、上述の活性期間は、定められた基礎期間の２のべき乗によって示される期間であり、かつ、割当期間は、活性期間の１６分の１の期間であるタイムスロットを単位として割当てられることが定められており、ビーコン生成部は、自身の活性期間内に含まれる１６のタイムスロットのうち、１、２、４、８のうちいずれかの数のタイムスロットを、下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、階層構造に接続された複数の無線通信端末が、定められたビーコン周期で出力されるビーコン信号の出力間隔のうち定められた活性期間内において自身に割当てられた割当期間内に、他の無線通信端末と通信を行う無線通信システムにおける無線通信端末の無線通信方法であって、階層構造において一つ上の階層の無線通信端末である上階層通信端末から、自身に割当てられる割当期間を示す情報が含まれるビーコン信号を受信するステップと、受信したビーコン信号に含まれる情報が示す自身の割当期間内における期間を、階層構造において自身より下の階層の無線通信端末である下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成するステップと、自身に割当てられた割当期間内に、ビーコン生成部によって生成されたビーコン信号を、下階層通信端末に送信するステップと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、無線通信端末が、階層構造において一つ上の階層の無線通信端末である上階層通信端末から、自身に割当てられる割当期間を示す情報が含まれるビーコン信号を受信し、受信したビーコン信号に含まれる情報が示す自身の割当期間内における期間を、階層構造において自身より下の階層の無線通信端末である下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成し、自身に割当てられた割当期間内に、ビーコン生成部によって生成されたビーコン信号を、下階層通信端末に送信するようにしたので、マルチホップのネットワークにおいてビーコンモードでの動作を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による無線通信端末の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による通信ネットワークの構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による通信ネットワークのビーコンモードによる制御例を示す図である
【図４】本発明の一実施形態による通信ネットワークのビーコンモードによる制御例を示す図である
【図５】本発明の一実施形態によって割り当てるＧＴＳのスロット数の例を示す図である
【図６】本発明の一実施形態によって割り当てるＧＴＳの例を示す図である
【図７】本発明の一実施形態によってＧＴＳを割り当てるトポロジの例を示す図である
【図８】本発明の一実施形態による通信システムの動作例を示すフローチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による通信システムの動作例を示す図である。
【図１０】従来技術によるビーコンの衝突例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態による無線通信端末１０の構成を示すブロック図である。
無線通信端末１０は、複数の無線通信端末１０が階層構造に接続され、定められたビーコン周期で出力されるビーコン信号の出力間隔のうち定められた活性期間内において自身に割当てられた割当期間内に、他の無線通信端末１０と通信を行う無線通信ネットワーク（ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）ネットワーク）を形成する通信端末である。
【００１４】
図２は、無線通信端末１０が接続する通信ネットワーク１の例を示す図である。ここでは、ツリー型のトポロジによる通信ネットワーク１が形成され、通信ネットワーク１に接続される全ての無線通信端末をノードといい、階層構造の頂点である１台の無線通信端末１０をコーディネータという。コーディネータに接続され、中継機能を持つノードである無線通信端末１０をルータという。中継機能を持たないノードをエンドデバイスという。上階層、下階層とは、あるノードからみた相対的な関係をいう。例えば、あるノードから見て、自己が下階層として接続する、すなわち自己にとって上階層となるノードを上階層ノード（上階層通信端末）といい、自己を上階層ノードとして接続しているノードを下階層ノード（下階層通信端末）という。
【００１５】
この図では、コーディネータである無線通信端末１０−０の下階層に、ルータである無線通信端末１０−１−１と無線通信端末１０−２−１とが接続され、無線通信端末１０−１−１の下階層に、さらにルータである無線通信端末１０−１−２が接続され、無線通信端末１０−１−２の下階層に、エンドデバイスである２０−１が接続される。無線通信端末１０−２−１に下階層には、エンドデバイスである２０−２が接続される。ここで、無線通信端末１０−０、無線通信端末１０−１−１、通信ネットワーク１０−１−２、無線通信端末１０−２−１は同様の構成であり、特に区別する必要がない場合には無線通信端末１０として説明する。エンドデバイス２０は、無線通信端末１０と通信を行う無線通信端末である。エンドデバイス２０は、例えばセンサであり、センシングにより取得したデータを無線通信端末１０に送信する。
【００１６】
ここで、無線通信端末１０が通信ネットワーク１に接続する際には、他の無線通信端末１０を上階層ノードとして接続し、上階層ノードから通信ネットワーク１におけるアドレスが付与される。無線通信端末１０が通信ネットワーク１に接続する際に、上階層になり得る通信可能な複数のノードを検出したときは、検出した各ノードの送信するビーコン信号の受信電力を測定して、最も受信レベルの高いビーコン信号を送信するノードに対して接続することができる。
【００１７】
図３は、このような通信ネットワーク１のビーコンモードによる制御例を示す図である。ここでは、ビーコン信号が一定周期（Ｔｂ）毎に出力される。上述したように、あるビーコン信号が送信されてから次のビーコン信号が送信されるまでの時間（ビーコン周期）が、アクティブ（活性）期間とインアクティブ（不活性）期間とに分割される。コーディネータおよびルータは、ビーコン周期とアクティブ期間とを表す情報をビーコン信号に含めて送信する。インアクティブ期間は、ビーコン周期とアクティブ期間との差から算出される。ビーコン信号により開始される活性期間をスーパーフレームという。
【００１８】
このようなスーパーフレームは、１６のタイムスロットに分割される。タイムスロットは、必須のＣＡＰ（Contention Access Period）期間とオプションであるＣＦＰ（Contention Free Period）期間に分かれる。ＣＦＰ期間には通信可能ノードを一つに限定したＧＴＳ（Guaranteed Time Slot）（割当期間）を設ける。１つのＧＴＳは特定のノードに割当てられており、ＧＴＳを割当てられたノードは、そのＧＴＳにおいては、キャリアセンスをすることなく排他的に信号を送信することができる。最大ＧＴＳ数は７である。ＣＡＰ期間はＳｌｏｔｔｅｄ−ＣＳＭＡ／ＣＡによる多元接続であり、各ノードはキャリアセンスをして空きを確認してから送受信を行う。ＧＴＳは特定ノードに予め１または複数の専用タイムスロットを割当てるもので、衝突が発生しないためキャリアセンスの必要がない。各タイムスロット内においては、上階層ノードから下階層ノードおよび下階層ノードから上階層ノードへの上下双方向通信が行われる。
【００１９】
図１にもどり、無線通信端末１０は、受信処理部１１と、ビーコン生成タイミング算出部１２と、ビーコン生成部１３と、送信処理部１４と、スイッチ１５と、制御部１６と、データ処理部１７とを備えている。
受信処理部１１は、通信ネットワーク１に接続された他の無線通信端末１０またはエンドデバイス２０から送信される信号を受信する。例えば、受信処理部１１は、通信ネットワーク１の階層構造において一つ上の階層の無線通信端末１０である上階層ノードから、自身に割当てられるＧＴＳを示す情報が含まれるビーコン信号を受信する。ここで、ビーコン信号には、そのビーコン信号が出力されるビーコン周期を示す情報、スーパーフレーム長を示す情報、タイムスロットのＣＡＰ期間とＣＦＰ期間を示す情報、ＣＦＰ期間におけるＧＴＳの割当を示す情報などが含まれる。
【００２０】
ここで、受信処理部１１は、アンテナを介して受信した無線信号について、Ａ／Ｄ変換、周波数変換、復調等の処理を行い、ベースバンド信号を抽出する。ベースバンド信号は制御部１６に入力され、データ信号であった場合、データ処理部１７に出力される。それ以外の場合、例えばルータにおいて受信した信号がビーコン信号であった場合は、その中に含まれるスロットの割当情報等が抽出され、自局に割当てられたＧＴＳのタイムスロットのタイミングがビーコン生成タイミング算出部１２に出力される等、その信号に応じた処理が行われる。
【００２１】
ビーコン生成タイミング算出部１２は、自身がビーコン信号を出力するタイミングを算出する。例えば、コーディネータである無線通信端末１０（無線通信端末１０−０）におけるビーコン生成タイミング算出部１２は、予め定められたビーコン周期で、ビーコン生成部１３にビーコンの生成を指示する信号を出力する。一方、ルータである無線通信端末１０（無線通信端末１０−１−１、無線通信端末１０−１−２、無線通信端末１０−２−１）におけるビーコン生成タイミング算出部１２は、自局に割当てられたＧＴＳのタイミングが制御部１６により入力されると、そのＧＴＳのタイミングに応じて、ビーコン生成部１３にビーコンの生成を指示する信号を出力する。このように、ビーコン生成タイミング算出部１２は、他の無線通信端末１０と重ならずに自身がビーコンを出力するタイミングを算出する。
【００２２】
ここで、ビーコン生成タイミング算出部１２が算出するタイミングについて図を参照して説明する。図４は、ビーコン生成タイミング算出部１２が算出するタイミングを示す図である。このように、上階層ノードと下階層ノードとの関係において、上階層ノードのスーパーフレームにおける１つのＧＴＳに、そのＧＴＳを割当てられた下階層ノードの活性期間が含まれるように、下階層ノードのビーコン生成タイミングが算出される。このように、下階層ノードのスーパーフレームは、上階層ノードのＧＴＳを細分化して構成されることとなる。
【００２３】
図１にもどり、ビーコン生成部１３は、ビーコン生成タイミング算出部１２によって算出されたタイミングに応じて、ビーコン信号を生成する。ここで、ビーコン生成部１３は、受信処理部１１によって受信されたビーコン信号に含まれる情報が示す自身のＧＴＳ内における期間を、階層構造において自身より下の階層の無線通信端末１０である下階層ノードに割当てるＧＴＳとして示す情報を含むビーコン信号を生成する。ここで、ビーコン生成部１３は、自局に接続しているルータが存在する場合には、そのルータに対して少なくとも１つのＧＴＳを割当てた上で、各ルータに対するＧＴＳのタイミングをビーコン信号によって報知する。これにより、下階層ノードは、自局に割当てられたＧＴＳスロットのタイミングを知ることができる。
【００２４】
ここで、下階層ノードに割当てられるスロット数（ＧＴＳを構成するスロット数）は、自身に接続するノード数、下階層ルータに接続するノード数、または、その下階層ノードが扱うトラヒック量などの追加の条件に基づいて決定される。また、下階層ノードは割当てられたＧＴＳをさらに１６スロットに分割し、ＣＡＰまたはＣＦＰとして割り振りを行う。すなわち、上階層のスーパーフレームのタイムスロットが１つで構成されるＧＴＳを割当てられた下階層のルータが生成するスーパーフレームと，上階層のスーパーフレームのタイムスロットが２つ以上で構成されるＧＴＳを割当てられた下階層のルータが生成するスーパーフレームのタイムスロット長は異なり、後者の方が前者と比較して長いタイムスロットが生成される。
【００２５】
ここで、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）ネットワークにおいては、活性期間は、定められた基礎期間の２のべき乗によって示される期間であり、かつ、ＧＴＳは、活性期間の１６分の１の期間であるタイムスロットを単位として割当てられることが定められている。そこで、ビーコン生成部１３は、自身の活性期間内に含まれる１６のタイムスロットのうち、１、２、４、８のうちいずれかの数のタイムスロットを、下階層ノードに割当てるＧＴＳとして示す情報を含むビーコン信号を生成する。
【００２６】
具体的には、スーパーフレーム長ＳＤは、ＢＳＤ（基本となるスーパーフレーム長）に対して、以下式（１）のように２の冪乗倍で表現することと定められている。
ＳＤ＝ＢＳＤ×２ＳＯ ・・・（１）
ここでＳＯは実質的にＳＤを規定するための変数であり、ビーコン信号により下階層ノードへ通達される。下階層ノードに割当てられるＧＴＳの最小単位はＳＤの１／１６の長さであるため、割当てるスロット数は、図５のように、１、２、４、８のいずれかの数とする。ここで、上階層のスーパーフレームは１６分割され、これらのうちから自分にフレームが割当てられるため、親フレーム（相対的に１つ上階層のフレーム）の長さに対して自分に割当てられるフレームの長さは、１／１６となり、指数としては−４の値となる。これにより、例えば、３つのタイムスロットをＧＴＳとして下階層に割当てても、上記式（１）を満たさず、２つ割当てたときと同じ長さでしか利用できない。同様に、例えば、ＧＴＳへの割当てスロット数が４〜７の場合は、いずれも同じ子スーパーフレーム（相対的に１つ下階層のスーパーフレーム）長となる。すなわち、ＢＳＤに対して２の冪乗倍で表現不可能な部分のスロットについては使用できず、切り捨てられる。図６は、このような割当て例を示す図である。
【００２７】
ここで、式（１）のＳＯは、規格上、１４が最大値であることが規定されている。すなわち、式（１）中の２の指数が０になると、スーパーフレームの基本長（最短長）となるため、それ以上のＧＴＳを活用したビーコン中継は不可能となる。このときのＧＴＳ割当て例を図７に示す。タイムスロット８個で構成されるＧＴＳを子ルータ、孫ルータと割当てていくと、最大で中継段数は１４段中継が可能となる。一方で、１ルータあたり接続可能な子ルータ数はＧＴＳの設定可能数に依存し、７である。
【００２８】
送信処理部１４は、通信ネットワーク１に接続された他の無線通信端末１０に信号を受信する。送信処理部１４は、ビーコン生成部１３により入力されたビーコン信号や、制御部１６を介してデータ処理部１７により入力されたデータ信号について、変調、Ｄ／Ａ変換、周波数変換等の処理を行い、スイッチ、アンテナを介して無線信号として送信する。例えば、送信処理部１４は、自身に割当てられたＧＴＳ内に、ビーコン生成部１３によって生成されたビーコン信号を、下階層ノードに送信する。
【００２９】
スイッチ１５は、アンテナを介して行われる受信処理部１１による受信処理と送信処理部１４による送信処理とを切替える。
制御部１６は、無線通信端末１０が備える各部を制御する。
データ処理部１７は、ＣＡＰ期間に行われる他の無線通信端末１０とのデータ通信処理などを行う。
【００３０】
次に、本実施形態による無線通信端末１０の動作例を説明する。図８は、無線通信端末１０によるビーコン送信処理の動作例を示すフローチャートである。
図８は、本実施形態によるルータである無線通信端末１０のビーコン信号の生成処理および送信処理を示す。まず、ビーコン生成タイミング算出部１２が、ビーコン生成部１３にビーコン生成の指示を入力すると、ビーコン生成部１３は、１６に対して、配下のルータが中継処理を行っているかどうかを問い合わせる（ステップＳ１）。
【００３１】
ここで、配下のルータが中継処理を行っているかどうかは、配下のルータに他のノードが接続したときに、当該配下のルータが当該ルータに対して、他のノードが接続した旨（すなわち、中継処理を開始する旨）を通知することによって把握することができる。配下のルータが中継処理を行っていない場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、ステップＳ３に進み、制御情報等を含むビーコン信号を生成して、自らに割当てられたＧＴＳの先頭でそのビーコンを送信する。
【００３２】
一方、配下のルータが中継処理を行っている場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、そのルータに対して自らの構成するスーパーフレームについて少なくとも１スロットのＧＴＳを割当てて（ステップＳ２）、その情報を含むビーコンを生成して（ステップＳ３）、自らに割当てられたＧＴＳの先頭でそのビーコンを送信する（ステップＳ４）。なお、上述したように、ＧＴＳを構成するタイムスロット数は、そのＧＴＳを割当てる配下のルータが扱うトラヒック量等を考慮して決定するが、ここでは少なくとも１つのタイムスロットを割当てれば、その配下のルータも中継処理を行うことができる。
【００３３】
図９は、図２に示したネットワーク構成について本実施形態を適用した場合の動作例を示す図である。ここで、ＣＡＰ期間については、便宜上短く記載している。コーディネータである無線通信端末１０−０のスーパーフレームは、ビーコン信号により開始され、ＣＡＰ、ＣＦＰ、不活性期間により構成される。ＣＦＰは複数のＧＴＳによって構成される。ここでは、ＧＴＳが２つの場合について示している。送信されたビーコン信号は、下階層のルータである無線通信端末１０−１−１と無線通信端末１０−２−１により受信され、各ルータは、ＣＡＰ期間において、コーディネータである無線通信端末１０−０との間でデータの送受信を行う。
【００３４】
また、ルータである無線通信端末１０−１−１は、コーディネータである無線通信端末１０−０のスーパーフレームにおいて自らに割当てられたＧＴＳ１において、コーディネータのスーパーフレームと同様の構成によるスーパーフレームを構成する。この無線通信端末１０−１−１のスーパーフレームにおけるビーコン信号は、さらに下階層のルータである無線通信端末１０−１−２により受信され、ＣＡＰ期間において、無線通信端末１０−１−１と無線通信端末１０−１−２との間でデータの送受信が行われる。
【００３５】
ここで、下階層のルータである無線通信端末１０−１−２は、無線通信端末１０−１−１のスーパーフレームにおけるＧＴＳにおいてスーパーフレームを構成する。このスーパーフレームにおけるビーコン信号は、エンドデバイス２０−１により受信され、ＣＡＰ期間において、無線通信端末１０−１−２とエンドデバイス２０−１との間でデータが送受信される。この例では、エンドデバイス２０−１の配下には他のノードが接続していないため、無線通信端末１０−１−２はＧＴＳを設定していない。例えば、エンドデバイス２０−１がＶｏＩＰ等の帯域保証が必要となるアプリケーションを利用している場合などには、ＧＴＳの１つをノード１に割当ててもよい。このように、各ルータは、配下のノードが中継処理を行うか否か、及び帯域補償が必要か否かに基づいてＧＴＳを割当てるかどうかを判断する。ＧＴＳを割当てることによって、ビーコンの衝突を回避しつつ中継することが可能となる。
【００３６】
一方、無線通信端末１０−０から送信されたビーコン信号を受信したルータである無線通信端末１０−２−１は、コーディネータのスーパーフレームにおいて自らに割当てられたＧＴＳ２において、コーディネータのスーパーフレームと同様の構成によるスーパーフレームを構成する。無線通信端末１０−２−１のスーパーフレームにおけるビーコン信号は、エンドデバイス２０−２により受信され、ＣＡＰ期間において、無線通信端末１０−２−１とエンドデバイス２０−１との間でデータの送受信が行われる。エンドデバイス２０−１の配下には他のノードが接続していないため、無線通信端末１０−２−１はＧＴＳを設定していない。
【００３７】
これにより、従来技術によりツリー型トポロジの通信ネットワークにおいてビーコンモードの制御を行おうとする場合には、図１０に示すようにビーコン信号が衝突して制御情報を取得できないことが考えられるが、本実施形態によれば、ビーコン信号が衝突することがない。すなわち、本実施形態によれば、ツリートポロジにおいて、コーディネータに接続する下階層ルータが送信するビーコン信号が、コーディネータのスーパーフレームにおける下階層ルータに割当てられたＧＴＳの先頭において送信されることにより、コーディネータと各下階層ルータ間においてビーコンが衝突することがなくなる。また、下階層ルータのスーパーフレームとそのさらに下階層のスーパーフレームとの関係は、コーディネータのスーパーフレームと下階層コーディネータのスーパーフレームとの関係と同じであり、同様にこれらの送信するビーコン信号の間でも衝突が生じない。このような入れ子構造が繰り返されて、それぞれのルータにおけるスーパーフレームが構成されることとなることから、ビーコンの衝突が生じることなく、ツリートポロジにおいても中継が可能となる。
【００３８】
また、本実施形態によれば、全ての無線通信端末１０が自律分散的に、ビーコン信号が衝突しないように制御することができる。さらに、コーディネータが不活性期間として指定した区間はいずれのノードも無線通信しないので、例えば他の規格の無線通信システムと共存させる場合にも、不活性期間に他の規格の無線通信システムに通信を行わせるようにすれば、規格の異なる無線通信システムを共存させることが可能となる。また、本実施形態によれば、ツリー型トポロジにおいて下階層のノードの方が割当てられるＧＴＳが短いということになるが、例えば通信ネットワーク１におけるエンドデバイスがセンサである場合には、エンドデバイスからアップリンクで情報が上っていく構成である場合が多いため、上階層であるほど情報が集まってきてより多くの帯域が必要となることが想定される。すなわち、下階層のノードの方が割当てられるＧＴＳが短い構成は、このような通信ネットワーク１に適した構成であると考えられる。
【００３９】
なお、本発明における処理部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより無線通信の制御を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
【００４０】
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【符号の説明】
【００４１】
１ 通信ネットワーク
１０ 無線通信端末
１１ 受信処理部
１２ ビーコン生成タイミング算出部
１３ ビーコン生成部
１４ 送信処理部
１５ スイッチ
１６ 制御部
１７ データ処理部
２０ エンドデバイス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
階層構造に接続された複数の無線通信端末が、定められたビーコン周期で出力されるビーコン信号の出力間隔のうち定められた活性期間内において自身に割当てられた割当期間内に、他の前記無線通信端末と通信を行う無線通信システムにおける前記無線通信端末であって、
前記階層構造において一つ上の階層の前記無線通信端末である上階層通信端末から、自身に割当てられる前記割当期間を示す情報が含まれるビーコン信号を受信するビーコン信号受信部と、
前記ビーコン信号受信部によって受信された前記ビーコン信号に含まれる前記情報が示す自身の割当期間内における期間を、前記階層構造において自身より下の階層の前記無線通信端末である下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成するビーコン生成部と、
自身に割当てられた前記割当期間内に、前記ビーコン生成部によって生成された前記ビーコン信号を、前記下階層通信端末に送信するビーコン送信部と、
を備えることを特徴とする無線通信端末。
【請求項２】
前記活性期間は、定められた基礎期間の２のべき乗によって示される期間であり、かつ、前記割当期間は、当該活性期間の１６分の１の期間であるタイムスロットを単位として割当てられることが定められており、
前記ビーコン生成部は、自身の活性期間内に含まれる１６のタイムスロットのうち、１、２、４、８のうちいずれかの数のタイムスロットを、前記下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信端末。
【請求項３】
階層構造に接続された複数の無線通信端末が、定められたビーコン周期で出力されるビーコン信号の出力間隔のうち定められた活性期間内において自身に割当てられた割当期間内に、他の前記無線通信端末と通信を行う無線通信システムにおける前記無線通信端末の無線通信方法であって、
前記階層構造において一つ上の階層の前記無線通信端末である上階層通信端末から、自身に割当てられる前記割当期間を示す情報が含まれるビーコン信号を受信するステップと、
受信した前記ビーコン信号に含まれる前記情報が示す自身の割当期間内における期間を、前記階層構造において自身より下の階層の前記無線通信端末である下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成するステップと、
自身に割当てられた前記割当期間内に、前記ビーコン生成部によって生成された前記ビーコン信号を、前記下階層通信端末に送信するステップと、
を備えることを特徴とする無線通信方法。
【請求項１】
階層構造に接続された複数の無線通信端末が、定められたビーコン周期で出力されるビーコン信号の出力間隔のうち定められた活性期間内において自身に割当てられた割当期間内に、他の前記無線通信端末と通信を行う無線通信システムにおける前記無線通信端末であって、
前記階層構造において一つ上の階層の前記無線通信端末である上階層通信端末から、自身に割当てられる前記割当期間を示す情報が含まれるビーコン信号を受信するビーコン信号受信部と、
前記ビーコン信号受信部によって受信された前記ビーコン信号に含まれる前記情報が示す自身の割当期間内における期間を、前記階層構造において自身より下の階層の前記無線通信端末である下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成するビーコン生成部と、
自身に割当てられた前記割当期間内に、前記ビーコン生成部によって生成された前記ビーコン信号を、前記下階層通信端末に送信するビーコン送信部と、
を備えることを特徴とする無線通信端末。
【請求項２】
前記活性期間は、定められた基礎期間の２のべき乗によって示される期間であり、かつ、前記割当期間は、当該活性期間の１６分の１の期間であるタイムスロットを単位として割当てられることが定められており、
前記ビーコン生成部は、自身の活性期間内に含まれる１６のタイムスロットのうち、１、２、４、８のうちいずれかの数のタイムスロットを、前記下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信端末。
【請求項３】
階層構造に接続された複数の無線通信端末が、定められたビーコン周期で出力されるビーコン信号の出力間隔のうち定められた活性期間内において自身に割当てられた割当期間内に、他の前記無線通信端末と通信を行う無線通信システムにおける前記無線通信端末の無線通信方法であって、
前記階層構造において一つ上の階層の前記無線通信端末である上階層通信端末から、自身に割当てられる前記割当期間を示す情報が含まれるビーコン信号を受信するステップと、
受信した前記ビーコン信号に含まれる前記情報が示す自身の割当期間内における期間を、前記階層構造において自身より下の階層の前記無線通信端末である下階層通信端末に割当てる割当期間として示す情報を含むビーコン信号を生成するステップと、
自身に割当てられた前記割当期間内に、前記ビーコン生成部によって生成された前記ビーコン信号を、前記下階層通信端末に送信するステップと、
を備えることを特徴とする無線通信方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１４７１６５（Ｐ２０１２−１４７１６５Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２９６１（Ｐ２０１１−２９６１）
【出願日】平成２３年１月１１日（２０１１．１．１１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１１日（２０１１．１．１１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
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