説明

産業用途のためのOFDMAに基づく媒体アクセス制御およびフレーム構造設計

ネットワークが、サブキャリアにおいて直交周波数分割多重(OFDM)および時分割多元接続(TDMA)シンボルを通信するマスターとスレーブのセットとを含む。マスターは、スレーブのセットに、ダウンリンクおよびサブキャリアの全てを用いて、各スレーブへのデータパケット、および該スレーブへのサブキャリア割り当てを含むブロードキャストポーリングパケットをブロードキャストする。各スレーブは、ダウンリンクポーリングパケットの受信に応答して、マスターに、アップリンクおよび割り当てられたサブキャリアを用いて応答パケットを同時に送信する。次に、マスターは、スレーブのセットに、ダウンリンクおよびサブキャリアの全てを用いて、グループ肯定応答パケットをブロードキャストする。ブロードキャストポーリングパケット、応答パケット、およびグループ肯定応答パケットは、1つの通信サイクルに1つのスーパーフレームを含み、ダウンリンクでのブロードキャストおよびアップリンクでの送信は、時間において重ならない。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、包括的には無線ネットワークに関し、詳細には、複数のスレーブを制御するマスターノードを有する無線ネットワークに関する。
【背景技術】
【0002】
直交周波数分割多重(OFDM)は、離散マルチトーン変調を用いる。OFDMによれば、トーンは、たとえば、あるm値の直交振幅変調(QAM)または位相偏移変調を用いて、多数の等間隔のサブキャリアにおいて変調される。OFDMは、任意の所与の時点において1つのチャネル上に1人のユーザ(送受信局)しか許可せず、多数のユーザを受け入れるためには、OFDMシステムは、時分割多元接続(TDMA)または周波数分割多元接続(FDMA)を用いなくてはならない。
【0003】
直交周波数分割多元接続(OFDMA)は、複数ユーザが同じチャネルに同時にアクセスすることを可能にする、OFDMのマルチユーザ版であり、チャネルは、等間隔のサブキャリアのグループを含む。OFDMAは、ユーザ(送受信機)間でサブキャリアを分配し、複数のユーザが複数のサブチャネル上の同じ単一のRFチャネル内で送受信する(TDD)か、または異なるRFチャネル内で送受信する(FDD)ことができるようにする。サブチャネルは、狭帯域「トーン」のグループにさらに分割される。通常、サブチャネル内のトーン数は、サブチャネルの総帯域幅に依拠する。
【0004】
従来のスター型ネットワークは、1つのマスターノードと複数のスレーブノードとを含む。マスターは、スレーブノードの全てと通信し、スレーブノードは、マスターノードとしか通信しない。そのようなネットワークは、直交周波数分割多元接続(OFDMA)および時分割多元接続(TDMA)シンボルを用いることができる。
【0005】
ファクトリーオートメーション等の、比較的低いレイテンシで高い信頼性を要求する用途において、全てのスレーブからのデータを所与のレイテンシ制約(遅延)内でリトリーブする必要がある。レイテンシ制約は、通信サイクルに等しい。
【0006】
スレーブを1つずつポーリングすることは、用途のレイテンシ要件を満たさない場合がある。
【0007】
また、スレーブノードからの送信が失敗する場合、その特定のスレーブは、レイテンシ制約に違反することなく要求される送信信頼性を満たすために、再送信の機会を与えられるべきである。
【発明の概要】
【0008】
したがって、本発明の実施の形態によれば、ダウンリンク(マスターノードからスレーブノード)およびアップリンク(スレーブノードからマスターノード)の送信は、時分割多元接続(TDMA)を介して分離される。
【0009】
スレーブノードは、スレーブノード送信の直交性に起因して、衝突を生じることなく同時に送信する。
【0010】
本発明では、アップリンク送信およびダウンリンク送信の双方が所与のレイテンシ制約下で通信信頼性を高めるための適応的な再送信方法についても説明する。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の実施の形態による、1つのマスターノードおよびN個のスレーブノードを含むスター型ネットワーク100の概略図である。
【図2】本発明の1つの実施の形態による、ダウンリンク送信の時分割スケジューリングのブロック図である。
【図3】本発明の実施の形態によるブロードキャストポーリングダウンリンク送信パケットのブロック図である。
【図4】本発明の実施の形態によるスレーブ応答アップリンク送信パケットのブロック図である。
【図5】本発明の実施の形態によるグループ肯定応答(GACK)1パケットおよびGACK2パケットのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
図1に示すように、本発明の実施の形態による通信ネットワーク100は、マスターノード(マスター)110とN個のスレーブノード(スレーブ)120のセットとを含む。マスター110は、無線リンク(チャネル)105上の全ての通信のコーディネーターであり、各スレーブは、識別情報(ID)を有する。マスターとスレーブ120との間のリンク(105a〜105N)は、対称である。換言すれば、マスター120がスレーブ120への送信に成功し得る場合、スレーブ120もマスター110への送信に成功し得る。したがって、各ノードは、無線送受信機(送信機および受信機)を備える。
【0013】
1つの実施の形態では、スレーブは、産業用途、たとえば、製造工場または化学工場においてセンサーを備える。
【0014】
マスターとスレーブとの間の通信方法によって、各通信サイクルにおいてマスター110が全ての稼動中のスレーブ120から、センサーデータのコピーを取得することが保証される。
【0015】
本発明の実施の形態は、以下の仮定を行う。
全てのスレーブが、直交周波数リソースを用いるので、同時に送信することができる。スレーブが用いるリソースは、以下のうちの1つを含む。
a.異なる周波数サブキャリア
b.異なる直接シーケンススペクトラム拡散コード(DSSS)、または、
c.(a)および(b)の双方。
マスターは、サブキャリアの数、いずれのサブキャリアを用いるか、および/またはいずれのDSSSコードを用いるかを含めて、各スレーブに、該スレーブが用いる通信リソースを割り当てる。
スレーブからマスターへの送信は、アップリンク送信である。
マスターからスレーブへの送信は、ダウンリンク送信であり、全ての利用可能な通信リソース、すなわち、サブキャリアを用いる。
ダウンリンク送信およびアップリンク送信は、時分割多元接続により分離される。換言すれば、アップリンク送信およびダウンリンク送信は、時間領域において重ならない。
【0016】
本発明の1つの実施の形態によれば、図2は、スーパーフレーム280と呼ばれる1つの通信サイクル内の、時間領域290におけるダウンリンク送信およびアップリンク送信のスケジューリングを示している。各サイクル内のスーパーフレーム280は、最大で3つのアップリンク送信および3つのダウンリンク送信を含む。
【0017】
ダウンリンク送信は、ブロードキャストポーリングパケット200と、グループ肯定応答(GACK−1)パケット220と、GACK−2パケット240とを含む。アップリンク送信は、スレーブ応答210と、第1のスレーブ応答再送信(Retx−1)パケット230と、第2のスレーブ応答再送信(Retx−2)パケット250とを含む。これらの6つの送信の順序は、図2に示すように、ブロードキャストポーリングパケット200、スレーブ応答210、GACK−1パケット220、Retx−1パケット230、GACK−2パケット240、そしてRetx−2パケット250である。2つの連続した送信間に、ターンアラウンドタイム295と呼ばれる固定の時間間隔が存在し、これによって、送受信機が送信モードと受信モードとを切り換えることが可能になる。
【0018】
スーパーフレーム280は、マスター110によるダウンリンクブロードキャストポーリングおよびリソース配分パケット200のブロードキャストから開始する。このパケット200は、理想的なチャネルの場合に全てのスレーブがパケットの復号に成功し得るように、通信リソースを用いて送信される。たとえば、マルチキャリア通信システムの場合、ブロードキャストポーリングパケット200は、全てのサブキャリアを用いることができる。ダウンリンク送信に全てのリソースを用いることによって、該送信がスレーブによって確実に受信される確率が高まる。
【0019】
図3に示すように、ブロードキャストパケットは、プリアンブル205と、物理層制御ヘッダー280と、ペイロード285とを含む。
【0020】
プリアンブルP205。各プリアンブルは、3つのOFDMシンボルで構成され、35.7μsに等しい固定時間間隔を占める。プリアンブルは、信号検出、周波数オフセット除去、時間同期、およびチャネル推定に用いられる。
【0021】
物理層制御ヘッダー(PCH)280。PCHは、局状態情報ST1 210およびST2 215と、アクティブなスレーブおよび再送信スレーブのビットマッピング220と、電力制御インジケーション(PCI)221と、一時メッセージインジケーションフラグ(T)222とを含む。PCH情報は、ブロードキャストポーリングパケット200のPHY制御ヘッダーの巡回冗長検査CRC0 225を含むことによって、高い信頼性のために、高い冗長性レベルで符号化される。各PCHは、65情報ビット(符号化前)を含む。ビットマップフィールド220は、いずれのスレーブがブロードキャストポーリングパケット200に応答するように要求されるかを示すのに用いられる。N個のスレーブが存在する場合、ビットマップフィールドは、少なくともN個のビットを含み、各ビットは、その対応するスレーブの応答要求フラグとしての役割を果たす。たとえば、ID5を有するスレーブは、ビットマップ220内の5番目のビットをチェックして、ブロードキャストポーリングパケットに応答する必要があるか否かを判断することができる。フィールドST1またはST2において、マスターID、スーパーフレームサイクルのタイプ(たとえば、アソシエーションサイクル、リフレッシュサイクル、定期ポーリングサイクル等)を含むいくつかの情報を埋め込むことができる。
【0022】
ブロードキャストパケット220は、CRC235および245を有するダウンリンクスレーブデータ230および240と、CRC255を有するダウンリンク一時データ250と、CRC265を有するリソース配分260とを含むペイロード部分285も含む。特に、ブロードキャストパケット200のペイロード内のフィールドは、以下のように特定される。
【0023】
スレーブ1データ230:スレーブ1のデータは、このフィールド内で搬送される。
【0024】
CRC1 225:スレーブ1データ230の巡回冗長検査。
【0025】
スレーブNデータ240:スレーブNのデータは、このフィールド内で搬送される。
【0026】
CRC N245:スレーブNデータ240の巡回冗長検査。
【0027】
一時データ250:ブロードキャストポーリングパケット200は、特定のスレーブのための一時メッセージを搬送する。このフィールドは、一時メッセージを含む。一時メッセージ250は、マスター110が特定のスレーブに、バルクデータ、制御および構成コマンド、並びに他の状況ではポーリングパケット200のスレーブデータ部分230に収容するにはあまりに大きい他のデータを送信する機会を提供する。
【0028】
CRC T245:一時データ250の巡回冗長検査。
【0029】
リソース配分(スレーブ1〜N用)260:このフィールドは、スレーブの応答パケット210送信のための通信リソース、たとえば、周波数サブキャリアを各スレーブに伝達するのに用いられる。
【0030】
CRC265:リソース配分データ260のための巡回冗長検査。
【0031】
スレーブデータ毎に別個のCRCが存在するので、特定のスレーブは、ブロードキャストポーリングパケットをヒアリングした後に、自身のデータ部分のCRCを検証するだけでよい。スレーブは、ヘッダーのCRCチェックおよび自身のデータ部分のCRCチェックが正しい限り、ブロードキャストポーリングパケットの受信に成功したとみなす。
【0032】
MACパケットのペイロード長は、アクティブなスレーブおよび再送信スレーブの数、並びに一時メッセージがパケット内に含まれるか否かに依拠して変動する場合がある。特定の実施態様では、PHY制御ヘッダー230設定は、表1に示す通りである。
【0033】
【表1】

【0034】
マスターは、スレーブ応答期間の終了を示すために、タイマー205も設定する。図4に示すように、各スレーブは、ブロードキャストポーリングパケット200を受信した後、応答パケット210をマスターに送信する。各スレーブ応答パケット310は、図4に示すように、以下のフィールドを含む。
【0035】
プリアンブルP400:チャネル推定に用いられる時間領域パイロットまたはトレーニング信号。本発明の特定の実施態様では、1つのOFDMシンボルが11.9μsに等しい固定時間間隔を有する時間領域パイロットに用いられる。
【0036】
ペイロードデータ410:スレーブ毎のアップリンク応答パケット210のペイロードは、Rx420と、RWr430と、メッセージ440と、CRC450とを含む。本発明による特定の実施態様では、これらのフィールドの設定が、表2に与えられる。
【0037】
【表2】

【0038】
パケット200をブロードキャストした後、マスター110は、応答期間タイマー205が満了するのを待つ。タイマー205が満了すると、マスターは、受信に成功したスレーブ応答210を処理する。マスターは、GACK220をブロードキャストする。
【0039】
マスターは、第2のタイマー215も設定する。第2のタイマー215は、GACK期間タイマーである。スレーブIDは、直交送信リソース(周波数サブキャリア等)に起因してマスターノードに暗黙的に知られている。したがって、スレーブIDは、アップリンクパケット210、230、250において搬送されない。
【0040】
ダウンリンクGACK220{220、240}パケットは、図5に示すように、以下のフィールドを含む。
【0041】
プリアンブルP500:各プリアンブルは、ある特定の数のOFDMシンボルからなり、固定の時間間隔を占める。プリアンブルは、信号検出、周波数オフセット除去、時間同期、およびチャネル推定に用いられる。本発明の1つの実施態様では、3つのOFDMシンボルがプリアンブルに用いられ、結果として、35.7μsのプリアンブル長となる。
【0042】
物理層制御ヘッダー(PCH)580:PCHは、局状態情報ST1 510およびST2 515と、アクティブ/再送信スレーブのビットマッピング520と、一時メッセージがこのパケット{220、240}内で送信されていることをスレーブに通知するのに用いられる一時メッセージインジケーションフラグ(T)525とを含む。PCH情報は、高い信頼性のために、高い冗長性レベルで符号化される。換言すれば、PCH580は、CRC0 526で終了する。
【0043】
PCH580は、ある特定の数の情報ビット(符号化前)を含む。特定の実施態様では、PCHの長さは、65ビットである。ビットマップフィールド520は、いずれのスレーブが該スレーブのデータを再送信する必要があるのかを示すのに用いられる。N個のスレーブが存在する場合、ビットマップフィールドは、少なくともNビットを含み、各ビットは、該ビットの対応するスレーブのための再送信要求フラグとしての役割を果たす。たとえば、ID5を有するスレーブは、ビットマップ520内の5番目のビットをチェックして、自身のデータをマスターに再送信する必要があるか否かを知ることができる。
【0044】
CRC0 526は、GACK1 220およびGACK2 240パケットのPHY制御ヘッダーの巡回冗長検査である。フィールドST1またはST2において、マスターID、スーパーフレームサイクルのタイプ(たとえば、アソシエーションサイクル、リフレッシュサイクル、定期ポーリングサイクル等)を含むいくつかの情報を埋め込むことができる。
【0045】
いくつかの実施態様では、ST1若しくはST2、または双方を省略することが可能である。ST1 510およびST2 515は、GACKパケット{220、240}を別のネットワーク内の任意の他のマスターまたは同じネットワーク内のスタンドバイマスターから送信されるパケットから区別するためのマスターIDを搬送するのに用いることができる。
【0046】
ダウンリンク再送信データ{530〜540}:ブロードキャストポーリングパケット300において、データがスレーブ120にブロードキャストされる。マスターが、応答期間305において、応答を予期するスレーブが応答の送信に失敗した場合、マスター110は、これらのスレーブがブロードキャストポーリングパケット300において、該スレーブのデータを受信しなかったと仮定する。したがって、ブロードキャストポーリングパケットにおけるこれらのスレーブに対するデータはコピーされ、この割り当てられたフィールド820においてGACKパケット320内で再送信される。
【0047】
再送信するスレーブのためのリソース配分830:このフィールドにおいて、スレーブの再送信のために該スレーブにリソース配分が報告される。自身の応答の送信に成功したスレーブは、自身の通信リソース(たとえば、OFDMサブキャリア、周波数チャネル等)を、失敗したスレーブが該スレーブの再送信において使用するために解放する。マスター110は、利用可能なリソースを失敗したスレーブ間に分配して、該スレーブが第1のGACK期間215および第2のGACK期間225において再送信に成功するチャンスを増加させる。
【0048】
CRC560:信頼性のために、巡回冗長検査がリソース配分フィールドに付加される。
【0049】
スレーブは、ダウンリンクGACKパケット220を受信した後、まず、ビットマップフィールド520および自身に対応するビットの値をチェックする。ビットがその特定のスレーブからの再送信が必要であることを示す場合、該スレーブは、「Rtx−1応答」パケット230を送信する。該「Rtx−1応答」パケット230は、その元の応答210のコピーである。GACK期間215中、マスターは、受信に成功したスレーブ応答の自身の記録を更新し続ける。
【0050】
マスター110は、GACK期間タイマーが満了した後、第2のGACK240を準備し送信することによって、再送信が失敗したスレーブからの第2の再送信を要求し、次に、GACK2期間満了タイマー225を設定する。第2のGACK240の構造は、第1のGACK220の構造と同じである。
【0051】
GACK間隔215内で再送信したスレーブは、第2のGACK240を受信すると、GACK2パケット240のビットマップ510をチェックして、自身の再送信が第1のGACK間隔215中にマスターによる受信に成功したか否かを判断する。ビットマップ520がこれらのスレーブが該スレーブのデータを二度目に再送信することが必要であることを示す場合、該スレーブは、自身の応答パケット210を再送信する(250)。
【0052】
GACK2期間225の終了時に、マスター110は、以下の情報を所有する。現在のスーパーフレーム内からの応答の送信に成功したスレーブの識別情報。ヒアリングに成功したスレーブによって送信されたデータ。
【0053】
がスレーブi(ただし、1≦i≦N)を表すものとする。ここで、Nは、スレーブの総数である。Sが、メインマスターが応答の受信に成功したスレーブのセットを表し、Sが、ネットワーク内の全てのスレーブのセットを表すものとする。GACKパケット220において、マスターは、ビットマップ520において、セットSに属するスレーブが再送信する必要があることを示す。ここで、
={s∈(S−S)、ただし、1≦i≦N}
である。
【0054】
GACK−1間隔215の終了時に、いくつかのスレーブが自身の応答210を送信するのに失敗している場合がある。SR2が失敗したスレーブのセットを表すものとする。このとき、マスターは、第2のGACKのビットマップにおいて、セットSR2に属するスレーブを示す。このとき、スレーブs∈SR2(ただし、1≦i≦N)は、自身の元の応答210を再送信する(250)。
【0055】
本発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、本発明の精神および範囲内で様々な他の適応および変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲内に入る全ての変形および変更を包含することである。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
マスターとスレーブのセットとを含むネットワークにおける通信のための方法であって、前記通信は、サブキャリアにおいて直交周波数分割多重(OFDM)および時分割多元接続(TDMA)シンボルを用い、該方法は、
前記マスターから前記スレーブのセットに、ダウンリンクおよび前記サブキャリアの全てを用いて、各前記スレーブのデータパケット、および該スレーブのサブキャリア割り当てを含むブロードキャストポーリングパケットをブロードキャストすること、
各前記スレーブから前記マスターに、アップリンクおよび前記割り当てられたサブキャリアを用いて、前記ブロードキャストポーリングパケットを受信した後に応答パケットを同時に送信すること、並びに
前記マスターから前記スレーブのセットに、前記ダウンリンクおよび前記サブキャリアの全てを用いて、グループ肯定応答パケットをブロードキャストすることを含み、前記ブロードキャストポーリングパケット、前記応答パケット、および前記グループ肯定応答パケットは、1つの通信サイクルに1つのスーパーフレームを含み、前記ダウンリンクで前記ブロードキャストすることおよび前記アップリンクで前記送信することは、時間において重ならない、方法。
【請求項2】
各前記スレーブは、一意の識別情報(ID)を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
各前記スレーブは、センサーを備え、産業用途において動作する、請求項1に記載の方法。
【請求項4】
前記ブロードキャストポーリングパケットは、前記OFDMおよびTDMAシンボルのうちの3つで構成されるプリアンブルと、物理層制御ヘッダーと、ペイロードとをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項5】
前記物理層制御ヘッダーは、マスターおよびスレーブ状態情報と、いずれのスレーブが前記ブロードキャストポーリングパケットに応答するように要求されるかを示すビットマップフィールドと、電力制御インジケーターフィールドと、一時メッセージインジケーターフィールドと、巡回冗長検査とをさらに含む、請求項4に記載の方法。
【請求項6】
前記一時メッセージインジケーターフィールドは、一時メッセージインジケーターフィールドと、前記一時メッセージが応答される前記スレーブの前記IDとを含む、請求項5に記載の方法。
【請求項7】
前記ブロードキャストポーリングパケットの前記ペイロードは、アクティブな前記スレーブ毎のスレーブデータと、該スレーブデータ毎の巡回冗長検査と、一時メッセージと、前記一時メッセージの巡回冗長検査と、前記スレーブのリソース配分と、前記リソース配分ビットの巡回冗長検査とを含む、請求項4に記載の方法。
【請求項8】
前記マスターは、スレーブ応答期間の終了を示すタイマーを設定する、請求項1に記載の方法。
【請求項9】
各前記応答パケットは、パイロット信号とペイロードデータとを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項10】
前記スーパーフレームは、前記ブロードキャストポーリングパケットへの応答に失敗したスレーブの第1の再送信データと、該再送信データに対応する第1の再送信応答パケットと、該第1の再送信パケットのグループ肯定応答パケットとをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項11】
前記スーパーフレームは、前記第1の再送信データへの応答に失敗したスレーブの第2の再送信データと、前記第1の再送信データに対応する第2の再送信応答パケットとをさらに含む、請求項8に記載の方法。
【請求項12】
前記グループ肯定応答パケットは、物理層制御ヘッダーと、前記スレーブのセットのダウンリンク再送信データと、リソース配分情報と、巡回冗長検査とをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項13】
前記物理層制御ヘッダーは、マスターおよびスレーブ状態情報(ST1、ST2)と、アップリンク再送信が必要とされる前記スレーブのインデックスを示すビットマップと、一時メッセージ再送信フィールドと、巡回冗長検査とを含む、請求項12に記載の方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公表番号】特表2012−510734(P2012−510734A)
【公表日】平成24年5月10日(2012.5.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−523632(P2011−523632)
【出願日】平成21年12月8日(2009.12.8)
【国際出願番号】PCT/JP2009/070927
【国際公開番号】WO2010/076868
【国際公開日】平成22年7月8日(2010.7.8)
【出願人】(597067574)ミツビシ・エレクトリック・リサーチ・ラボラトリーズ・インコーポレイテッド (484)
【住所又は居所原語表記】201 BROADWAY, CAMBRIDGE, MASSACHUSETTS 02139, U.S.A.
【Fターム(参考)】