(57)【要約】【課題】既存のＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線パケット通信システムに大きな改変を施すことなく、パケット廃棄率を低減させる。【解決手段】共通の無線チャネルを使用して無線パケット通信を行う無線基地局と無線端末間のデータパケット通信を行う無線パケット通信システムにおいて、所定回数に亘り通信衝突判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断された場合に、パケットを破棄する代わりにこれを保持し、上記通信衝突の有無を再度判定する再判定ステップと、再判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空け、上記再判定ステップに戻り通信衝突の有無を判定させる。【選択図】図３
2010041340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通の無線チャネルを使用して無線パケット通信を行う無線基地局と無線端末間のデータパケット通信の前に、使用すべき無線チャネル上の電波の有無又は受信電力を上記無線端末が検知し、それに応じて通信衝突の有無を判定する通信衝突判定ステップと、
上記通信衝突判定ステップにおいてデータパケット送信可と判断した後に０以上の所定の整数値以内で一様に発生する乱数値に応じた衝突回避期間の経過後に上記データパケットを送信する送信制御ステップと、
上記無線基地局が自局宛に送信されたデータパケットの受信に成功したときに、ＡＣＫパケットを送信元の無線端末へ送信するＡＣＫ送信ステップと、
上記通信衝突判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空け、上記通信衝突判定ステップに戻り通信衝突の有無を判定させるバックオフ制御ステップとを有する無線パケット通信方法において、
所定回数に亘り上記通信衝突判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断された場合に、パケットを破棄する代わりにこれを保持し、上記通信衝突の有無を再度判定する再判定ステップと、
上記再判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空け、上記再判定ステップに戻り通信衝突の有無を判定させ、上記再判定ステップにおいてデータパケット可と判断した場合には、上記送信制御ステップに移行すること
を特徴とする無線パケット通信方法。
【請求項２】
上記通信衝突判定ステップ及び上記再判定ステップにおける、上記通信衝突の有無の判定は、物理層のＣＣＡ（Clear Channel Assessment）を利用すること
を特徴とする請求項１記載の無線パケット通信方法。
【請求項３】
上記無線パケット通信のプロトコルは、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に準拠すること
を特徴とする請求項２記載の無線パケット通信方法。
【請求項４】
共通の無線チャネルを使用して無線パケット通信を行う無線基地局と無線端末間のデータパケット通信を行う無線パケット通信システムにおいて、
使用すべき無線チャネル上の電波の有無又は受信電力を検知し、それに応じて通信衝突の有無を判定する通信衝突判定手段と、上記通信衝突判定手段によりデータパケット送信可と判断された後に０以上の所定の整数値以内で一様に発生する乱数値に応じた衝突回避期間の経過後に上記データパケットを送信する送信制御手段と、上記通信衝突判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空け、上記通信衝突判定ステップに戻り通信衝突の有無を判定させるバックオフ制御ステップとを有する無線端末と、
自局宛に送信されたデータパケットの受信に成功したときに、ＡＣＫパケットを送信元の無線端末へ送信する無線基地局とを備え、
上記無線端末は、所定回数に亘り上記通信衝突判定手段によりデータパケット送信不可と判断した場合に、パケットを破棄する代わりにこれを保持し、上記通信衝突の有無を再度判定する再判定手段を更に備え、
上記再判定手段は、データパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空けて再度通信衝突の有無を判定し、データパケット可と判断した場合には、上記送信制御手段による上記動作を実行させること
を特徴とする無線パケット通信システム。
【請求項５】
上記通信衝突判定手段及び上記再判定手段における、上記通信衝突の有無の判定は、物理層のＣＣＡ（Clear Channel Assessment）を利用すること
を特徴とする請求項４記載の無線パケット通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共通の無線チャネルを使用して無線パケット通信を行う無線基地局と無線端末間のデータパケット通信を行う無線パケット通信方法及びシステムに関し、特にＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に基づく無線パーソナルエリア環境において、パケットの廃棄量を軽減する際に好適な無線パケット通信方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線ＬＡＮ（Local Area Network）は、有線ＬＡＮと比較して、ケーブルのためのスペースが削減されることや、ノート型パーソナルコンピュータ（ノートＰＣ）等を初めとした携帯端末が、その携帯性を損なうことなくＬＡＮに接続できる等の利点がある。また無線ＬＡＮそのものも高速化され、また安価になってきたため、無線ＬＡＮに対する実用化が一段と加速している。このような背景から、無線ＬＡＮの標準化がＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronics Engineering）で進められている。
【０００３】
特に無線ＬＡＮに代表される無線パケット通信システムにおいて、複数の端末間における無線リソースの競合が問題視されている。この無線リソースの競合を回避するためには、媒体アクセス制御（ＭＡＣ:Medium Access Control）が必要となる。この無線ＬＡＮにおけるＭＡＣプロトコルとしては、端末がパケットを送信する前に他端末の搬送波を検出する、いわゆるキャリアセンスを実行し、キャリアを検出できない場合に自身のパケットを送信するＣＳＭＡ（Carrier Sense Multiple Access）方式が提案されている。また、このＣＳＭＡ方式に対して、更にパケットの衝突回避の仕組みを付加したＣＳＭＡ／ＣＡ方式（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式も提案されている。
【０００４】
このＣＳＭＡ／ＣＡ方式では、通信を開始して、通信相手の無線ノードからＡＣＫ（Acknowledge）信号の返信を受け取った場合には、通信が成功したものとみなし、ＡＣＫ信号を受け取らなかった場合には、他の無線ノードとの通信衝突が発生したものとみなして、再びバックオフ時間を設けてパケットデータを再送信するシステムである。
【０００５】
特に近年において、このＣＳＭＡ／ＣＡ方式は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に準拠する場合が多くなっている。ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格は、８６８ＭＨｚ、９１５ＭＨｚ及び２．４５ＧＨｚ付近の周波数を利用する無線通信であって、特にＺｉｇｂｅｅ（登録商標）等の家電向け近距離通信に利用されている。Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格で規定されたＰＨＹ層（Physical Layer）及びＭＡＣ層を用い、その上位のネットワーク層、アプリケーション層を規格化したものである。このＺｉｇｂｅｅ（登録商標）は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格の特徴を生かし、超低消費電力化、小型化、低コスト化を実現可能としている。
【０００６】
このように、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格は、センサネットワークのみならず、ホームネットワーク、オフィスネットワーク、人体に装着した各種医療用機器との通信ネットワークに加え、将来的にはユビキタスネットワーク社会を実現するためのキーテクノロジーとしても注目されている。
【０００７】
ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線通信では、図７に示すように、ネットワーク７を制御するＮＣ(Network-Coordinator)７１と、複数のＥＤ(End Device)７２と間で近距離無線通信を行うのが一般的である。ちなみに、このネットワーク７の例としては、スター型、ツリー型、メッシュ型といった多彩なネットワーク形態が選択可能である。
【０００８】
また、このＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線通信では、ビーコン(beacon)を使用したいわゆるスーパーフレーム構造を用いる。このスーパーフレーム構造は、ビーコン間隔を全てのＥＤ７２がアクセス可能なＣＡＰ（Contention Access Period）、特定のＥＤ７２が専有してアクセス可能なＣＦＰ(Contention Free Period)、全てのＥＤ７２がアクセス禁止となるInactive期間に分割される。またＣＦＰは、ＧＴＳ（Guaranteed time Slot）メカニズムにより７等分されて、通信を優先的に行いたいＥＤ７２へ割り当てることが可能となる。
【０００９】
従来におけるこのＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線パケット通信システムとしては、例えば、特許文献１、２等が提案されている。またＣＳＭＡ／ＣＡ方式におけるパケットの衝突を最小限に抑える技術としては、例えば、特許文献３、４の開示技術が提案されている。
【特許文献１】特開２００５−１０２２１８号公報
【特許文献２】特開２００８−０２６３１０号公報
【特許文献３】特開２００４−２４２２０４号公報
【特許文献４】特開２００６−１９７１７７号公報
【非特許文献１】G. Lu, B. Krishnamachari and C. S. Raghavendra, “Performance evaluation of the IEEE 802.15.4 MAC for low-rate low power wireless networks,” in Proceedings of the IEEE International Performance Computing and Communication Conference (IPCCC’04), Phoenix, AZ, Apr. 2004, pp. 701-706.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、このようなＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線パケット通信システムでは、データ伝送時におけるパケットの廃棄(packet dropping)が問題となっている。図８は、従来におけるＥＤ７２からＮＣ７１へパケットを無線により送信する際のフローを示している。ＥＤ７２は、先ずパケットの伝送を試みる場合には、所定のバックオフ期間Ｂ１の間、ＮＣ７１におけるチャネルが空いているかをチェックする。このチャネルの空き状況は、ＰＨＹ層におけるＣＣＡ（Clear Channel Assessment）を利用すれば、ＭＡＣ層からもチャネルが空いているかの可否をチェックすることができる。このＣＣＡによるチャネルの空き状況のチェックにより、ＮＣ７１がビジー状態であると判断された場合には（Ｃ１）、データパケット送信不可と判断し、再びバックオフ期間Ｂ２の間、ＣＣＡによりチャネルの空き状況をチェックすることになる。
【００１１】
ＩＥＥＥ８０２．１５．４の仕様では、このようなチャネルの空き状況のチェックとＮＣ７１がビジー状態である旨の判断がチャネルアクセスのリトライ回数（macMaxCSMABackoffs）＋１回まで繰り返し行われてもＮＣ７１がビジー状態である場合には、ＮＣ７１へのアクセスに失敗したものと判断する。例えばmacMaxCSMABackoffsが４回である場合には、チャネルの空き状況のチェックとＮＣ７１がビジー状態である旨の判断が５回（Ｃ５）行われてもデータパケット送信不可と判断された場合には、ＮＣ７１へのアクセスに失敗したものと判断する。ＮＣ７１へのアクセスに失敗したものと判断された場合には、送信すべきパケットを廃棄することになる。
【００１２】
図９は、パケット廃棄率(packet dropping rate)と、ＥＤ７２の数との関係について、作動周期（duty cycle）が０．５である場合の例を示している。ここでパケット廃棄率は、上位層からの全てのパケットのうちＭＡＣ層より廃棄されたパケットの比率を表している。
【００１３】
図９のシミュレーションの結果より、ＥＤ７２の数が増加するにつれて、パケット廃棄率が増加することが示されている。また、ＥＤ７２の数が小さくなると、パケット廃棄率がほぼ０に近づくことも示されている。しかし、パケット廃棄率は０ではないことから、僅かながらパケットの廃棄が起きていることが分かる。
【００１４】
このため、このＥＤ７２自体の性能を特段向上させなくても、パケット廃棄率を向上させることが可能な方法が従来から望まれていた。
【００１５】
なお、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格において、パケット廃棄率を減少させるためのスキームは従来において提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。しかしながら、これらのスキームは、何れもＥＤ７２、ひいてはシステム全体の仕様につき大きく改変を施す必要があり、現時点において既に現在において稼働しているシステムに対する適用が困難になるという問題点があった。
【００１６】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは既存のＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線パケット通信システムに大きな改変を施すことなく、パケット廃棄率を低減可能な無線パケット通信方法及びシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る無線パケット通信方法は、上述した課題を解決するために、共通の無線チャネルを使用して無線パケット通信を行う無線基地局と無線端末間のデータパケット通信の前に、使用すべき無線チャネル上の電波の有無又は受信電力を上記無線端末が検知し、それに応じて通信衝突の有無を判定する通信衝突判定ステップと、上記通信衝突判定ステップにおいてデータパケット送信可と判断した後に０以上の所定の整数値以内で一様に発生する乱数値に応じた衝突回避期間の経過後に上記データパケットを送信する送信制御ステップと、上記無線基地局が自局宛に送信されたデータパケットの受信に成功したときに、ＡＣＫパケットを送信元の無線端末へ送信するＡＣＫ送信ステップと、上記通信衝突判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空け、上記通信衝突判定ステップに戻り通信衝突の有無を判定させるバックオフ制御ステップとを有する無線パケット通信方法において、所定回数に亘り上記通信衝突判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断された場合に、パケットを破棄する代わりにこれを保持し、上記通信衝突の有無を再度判定する再判定ステップと、上記再判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空け、上記再判定ステップに戻り通信衝突の有無を判定させ、上記再判定ステップにおいてデータパケット可と判断した場合には、上記送信制御ステップに移行することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る無線パケット通信システムは、上述した課題を解決するために、共通の無線チャネルを使用して無線パケット通信を行う無線基地局と無線端末間のデータパケット通信を行う無線パケット通信システムにおいて、使用すべき無線チャネル上の電波の有無又は受信電力を検知し、それに応じて通信衝突の有無を判定する通信衝突判定手段と、上記通信衝突判定手段によりデータパケット送信可と判断された後に０以上の所定の整数値以内で一様に発生する乱数値に応じた衝突回避期間の経過後に上記データパケットを送信する送信制御手段と、上記通信衝突判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空け、上記通信衝突判定ステップに戻り通信衝突の有無を判定させるバックオフ制御ステップとを有する無線端末と、自局宛に送信されたデータパケットの受信に成功したときに、ＡＣＫパケットを送信元の無線端末へ送信する無線基地局とを備え、上記無線端末は、所定回数に亘り上記通信衝突判定手段によりデータパケット送信不可と判断した場合に、パケットを破棄する代わりにこれを保持し、上記通信衝突の有無を再度判定する再判定手段を更に備え、上記再判定手段は、データパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空けて再度通信衝突の有無を判定し、データパケット可と判断した場合には、上記送信制御手段による上記動作を実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
上述した構成からなる本発明では、既存のＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線パケット通信システムに大きな改変を施すことなく、パケット廃棄率を低く抑えることができ、ひいては、平均消費電力も低く抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に基づく無線パーソナルエリア環境に適用される無線パケット通信方法及びシステムについて、図面を参照しながら詳細に説明をする。
【００２１】
本発明を適用した無線パケット通信システム１は、例えば図１に示すように、複数の無線端末２と、ネットワーク全体を制御する無線基地局３とを備えている。無線パケット通信システム１は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４標準に基づく低速ＷＰＡＮ(Wireless Personal Area Network)である。なお、無線パケット通信システム１は、図１に示すようなスター型に限定されるものではなく、ツリー型やメッシュ型等いかなるネットワーク形態を適用してもよい。
【００２２】
無線端末２は、例えば、ノート型のパーソナルコンピュータ（ノートＰＣ）や、携帯電話等を初めとした各種携帯情報端末等で構成される。この無線端末２は、少なくともＷＰＡＮにおいて無線基地局３との間で無線パケット通信を行うことができ、更には無線基地局３を介して他の無線端末２との間で無線パケット通信を行うことができる。以下では、無線端末２から無線基地局３へパケットデータを無線により送信する場合を例にとり説明をする。
【００２３】
無線基地局３も同様に上述した携帯情報端末と構成を同一とするものであってもよい。この無線基地局３は、コーディネータとしての役割を担う。そして、この無線基地局３は、無線端末２から送信されてくるビーコンを取得し、また無線端末２をそれぞれＷＰＡＮに接続させるために、これらを互いに同期化させる役割を担う。
【００２４】
ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に基づく無線パケット通信システム１は、例えば図２に示すように、ビーコン２１を使用したいわゆるスーパーフレーム構造を用いる。スーパーフレームの最小周期は１５．３６ｍｓであり、衝突通信期間と呼ばれるＣＡＰ（Contention Access Period）２２に対して最小２４０バイトの区間を保つ必要がある。さらに、２つのビーコン２１間の時間は、スーパーフレームの周期に関係なく、同じ間隔の１６個のタイムスロットに分けられる。タイムスロットの間では、無線端末２と無線基地局３との間でいつでもデータを送受信可能であるが、次のビーコン２１の送信前にデータの送受信を完了しなければならない。
【００２５】
また、このスーパーフレームでは、上述したＣＦＰ(Contention Free Period)２３の後に、特定の無線端末２のみが専有してアクセス可能なＣＦＰ２３、全ての無線端末２がアクセス禁止となるInactive期間２４が続くことになる。
【００２６】
無線端末２は、無線基地局３に対するチャネルアクセス権を得るために互いに競合し、無線基地局３は、通信を優先的に行いたい無線端末２に対してタイムスロットを割当てることができる。この割当てられたタイムスロットをＧＴＳ（Guaranteed Time Slot）といい、競合なしに割当てられるＧＴＳの個数は、最大７個である。
【００２７】
次に、本発明を適用した無線パケット通信システム１の動作について説明をする。
【００２８】
本発明では、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格において最も標準的なアクセス制御方法としてのＣＳＭＡを適用する。上述した一連の動作をバックオフ制御という。このバックオフ制御は、チャネルアクセスのリトライ回数（macMaxCSMABackoffs）＋１回まで繰り返される。（チャネルアクセスのリトライ回数は、送信が成功するかあらかじめパラメータとして決められている。）
【００２９】
なお上述したバックオフ制御における、チャネルがアイドルか否かの空き状況のチェックは、ＰＨＹ層におけるＣＣＡ（Clear Channel Assessment）を利用する。このＣＣＡによれば、ＭＡＣ層からもチャネルが空いているかの可否をチェックすることができる。
【００３０】
上述したＣＣＡを利用した最初のバックオフ制御を図３に示すＳ１とする。このバックオフ制御Ｓ１を終了後、チャンネルがビジーである場合には、チャネルアクセスのリトライを行う。即ち、２度目のバックオフ制御Ｓ２に入ることになる。２度目のバックオフ制御Ｓ２を終了後、チャンネルがビジーである場合には、チャネルアクセスのリトライを行う。即ち、３度目のバックオフ制御Ｓ３に入ることになる。これらのフローを繰り返し行う。仮にチャネルアクセスのリトライ回数（macMaxCSMABackoffs）が４回である場合、全部でバックオフ制御Ｓ５を終了してもチャンネルがビジーである場合、即ちチャネルアクセスのリトライに失敗した場合、一般的なＩＥＥＥ８０２．１５．４の仕様では、無線端末２から送信すべきパケットは廃棄される。しかしながら、本発明では、パケットを破棄する代わりにこれを保持し、通信衝突の有無を再度判定する再判定ステップＳ１１と、再判定ステップＳ１１においてデータパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空け、再判定ステップＳ１１に戻り通信衝突の有無を判定させ、再判定ステップＳ１１においてデータパケット可と判断した場合には、送信制御ステップＳ１２に移行する。
【００３１】
この送信制御ステップＳ１２においては、パケットデータを無線端末２から無線基地局３へと送信する。無線基地局３は、無線端末２からかかるパケットデータを受け取った場合に、ＡＣＫ（Acknowledge）信号を送信する。無線端末２は、かかるＡＣＫ信号を受け取った場合に、通信が成功したものとみなす。
【００３２】
上述した本発明のコンセプトは、以下の調査結果から生まれてきたものである。図４は、廃棄時点における伝送回数毎の脱落したパケットの比率を示している。この図４の解析例では、無線端末２の数が１０であり、作動周期（duty cycle）が０．５である場合を示しており、平均パケット廃棄率が３１．８９％である場合であり、バッファのオーバーフローが生じない場合の例である。
【００３３】
この図４から特筆すべき点は、殆どのケースにおいて、バックオフ制御Ｓ５終了後、再送することなくパケットを廃棄していることであり、その比率は、６５．７２％にも及ぶ。
【００３４】
このため、パケット廃棄率を減少させるために、上述した本発明のフローを案出した。即ち、バックオフ制御Ｓ５を終了してもチャンネルがビジーである場合、即ちチャネルアクセスのリトライに失敗した場合、パケットを破棄する代わりにこれを保持し、上述したステップＳ１１のプロセスを繰り返し実行することにより再送を実現する。
【００３５】
このような本発明を適用した無線パケット通信方法によれば、以下に説明するような効果を得ることができる。
【００３６】
図５は、無線端末２の数Ｎに対するパケット廃棄率のシミュレーション結果を示している。この図５において、ＤＣは、作動周期（＝１、０．５、０．２５）を示しており、本発明例におけるパケット廃棄率に加え、従来のＩＥＥＥ８０２．１５．４仕様におけるパケット廃棄率を比較のために示している。
【００３７】
いずれの場合においても、無線端末２の数Ｎが増加するにつれてパケット廃棄率は増加していた。また、本発明例は、従来仕様と比較してパケット廃棄率が低くなっていた。特に無線端末２の数Ｎが大きい場合において、従来仕様と比較したそのパケット廃棄率の格差が一段と大きくなる傾向も示されていた。またＤＣが減少するにつれて、パケット廃棄率が高くなる傾向も表れていた。
【００３８】
図６は、無線端末２の数Ｎに対する平均遅れ時間（ｍｓ）のシミュレーション結果を示している。いずれの場合においても無線端末２の数Ｎが増加するにつれて平均遅れは増加していた。ちなみに、本発明例では、アクセス失敗時においてもパケットの廃棄量することなく、バッファにこれを格納して再送を試みる。このため、本発明例は、従来仕様と比較して、僅かではあるがそのパケット送信に至るまでの平均遅れ時間が増加していた。
【００３９】
図７は、無線端末２の数Ｎに対する規格化されたスループット(Normalized throughput)の関係を示している。無線端末２の数Ｎが増加するにつれて、換言すればネックワーク上の情報の伝送量が増加するにつれて、スループットは最大値まで上昇し、その後下降していた。また、本発明例では、特にＤＣが１、０．５、０．２５のとき、スループットの最大値は、順に０．２７５、０．１７９、０．０９６であり、そのときの無線端末２の数Ｎは、順に２１、１２、６であった。
【００４０】
特に本発明によれば、既存のＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線パケット通信システムに大きな改変を施すことなく、パケット廃棄率を低く抑えることができる。このため、本発明では、何れも無線端末２、ひいてはシステム１全体の仕様につき大きく改変を施す必要もなく、現時点において既に現在において稼働しているシステムに対する適用も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明を適用した無線パケット通信システムにおけるシステム構成を示す図である。
【図２】スーパーフレーム構造を示す図である。
【図３】本発明を適用した無線パケット通信システムの制御フローを示す図である。
【図４】廃棄時点における異なる伝達回数において脱落したパケットの比率を示す図である。
【図５】無線端末の数Ｎに対するパケット廃棄率のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】無線端末の数Ｎに対する平均遅れ時間（ｍｓ）のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】一般的なＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線通信ネットワークを示す図である。
【図８】従来における無線パケット通信フローを示す図である。
【図９】パケット廃棄率について示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  無線パケット通信システム
２  無線端末
３  無線基地局
２１  ビーコン
２２  ＣＡＰ
２３  ＣＦＰ
２４  Inactive期間
【図１】
2010041340.tif 000003
【図２】
2010041340.tif 000004
【図３】
2010041340.tif 000005
【図４】
2010041340.tif 000006
【図５】
2010041340.tif 000007
【図６】
2010041340.tif 000008
【図７】
2010041340.tif 000009
【図８】
2010041340.tif 000010
【図９】
2010041340.tif 000011
【外国語明細書】
[Title of the Invention] A wireless packet communication method and system 
[Technical Field]
【０００１】
The present invention relates to a wireless packet communication method
and system that execute data packet communication between a wireless base
station and a wireless terminal which carry out wireless packet communication
using a common wireless channel, and, more particularly, to a wireless packet
communication method and system suitable for reducing the amount of packets
dropped in the wireless personal area environment based on the standards of
IEEE802.15.4.
[Background Art]
【０００２】
Wireless LAN (Local Area Network) is advantageous over cable LAN in that
the space for cables is eliminated, and portable terminals including a notebook
type personal computer (notebook PC) can be connected to the LAN without
sacrificing the portability.  The wireless LAN itself becomes faster and
cheaper, so that an attempt of making the wireless LAN practical is accelerated.
In this situation, standardization of wireless LAN is set forward in the IEEE
(Institute of Electrical and Electronics Engineering).
【０００３】
In a wireless packet communication system typified by the wireless LAN,
particularly, contention of wireless resources among a plurality of terminals
becomes an issue.  Avoiding the contention of wireless resources needs MAC
(Medium Access Control).  As the MAC protocol in the wireless LAN, a CSMA
(Carrier Sense Multiple Access) system is proposed that executes so-called
carrier sensing in which before a local terminal transmits a packet, a carrier
of another terminal is detected, and a packet of the local terminal is
transmitted when the carrier cannot be detected.  A CSMA/CA (Carrier Sense
Multiple Access with Collision Avoidance) system which is the CSMA system added
with a packet collision avoiding technique is also proposed.
【０００４】
In the CSMA/CA system, when communication is initiated and an ACK
(Acknowledge) signal returned from a communication counterpart wireless node is
received, the communication is considered to be construed successfully, whereas
when ACK signal is not received, it is construed that a communication collision
with another wireless node has occurred, so that a backoff time is provided
again to retransmit packet data.
【０００５】
Particularly in recent years, it is often the case where the CSMA/CA
system is compatible with the IEEE802.15.4 standards.  The IEEE802.15.4
standards define wireless communication which uses frequencies of around 868
MHz, 915 MHz and 2.45 GHz, and is used particularly in close-range communication
for home electric appliance, such as Zigbee (registered trademark).  Zigbee
(registered trademark) uses a PHY layer (Physical Layer) and MAC layer, both
defined by the IEEE802.15.4 standards, to standardize a network layer and an
application layer positioned higher than the PHY layer and MAC layer.  The
Zigbee (registered trademark) makes the good use of the characteristics of the
IEEE802.15.4 standards to ensure very low power consumption, miniaturization and
cost reduction.
【０００６】
The IEEE802.15.4 standards are drawing attention to a key technology to
achieve a ubiquitous network society in future in addition to a sensor network,
home network and a communication network with various medical devices mounted on
human bodies.
【０００７】
Wireless communication compatible with the IEEE802.15.4 standards
generally carries out close-range communication between a NC (Network-Coordinator) 71 which controls a network 7, and a plurality of EDs (End Devices)
72 as shown in Fig. 7.  As an example of the network 7, various network modes,
such as the star type, tree type and mesh type, are selectable.
【０００８】
The wireless communication compatible with the IEEE802.15.4 standards uses
a so-called superframe structure using beacons.  The superframe structure
separates the beacon interval into a CAP (Contention Access Period) in which
every ED 72 is accessible, a CFP (Contention Free Period) in which a specific ED
72 is exclusively accessible, and an inactive period in which the access of
every ED 72 is inhibited.  The CFP is equally divided into seven slots by a GTS
(Guaranteed Time Slot) mechanism, which are assigned to EDs 72 which have higher
priority to perform communication.
【０００９】
Conventional wireless packet communication systems compatible with the
IEEE802.15.4 standards are proposed in, for example, Patent documents 1, 2 and
the like.  In addition, as techniques of minimizing packet collision in the
CSMA/CA system, technologies disclosed in, for example, patent documents 3 and 4
are proposed.
[Patent document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-102218
[Patent document 2] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-026310.
[Patent document 3] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-242204
[Patent document 4] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-197177.
[Non-patent document 1] G. Lu. B. Krishnamachari and C. S. Raghavendra,
“Performance evaluation of the IEEE 802.15.4 MAC for low-rate low power
wireless networks,” in Proceedings of the IEEE International Performance
Computing and Communication Conference (IPCCC’04), Phoenix, AZ, Apr. 2004, pp.
701-706.
[Disclosure of the Invention]
[Problems to be Solved by the Invention]
【００１０】
The wireless packet communication system compatible with the IEEE802.15.4
standards has a problem of packet dropping in data transmission.  Fig. 8 shows a
flow of conventional radio transmission of a packet to the NC 71 from an ED 72.
In attempting to transmit a packet, the ED 72 first checks if there is a free
channel in the NC 71 for a predetermined backoff time B1.  With regard to the
free state of a channel, using CCA (Clear Channel Assessment) in the PHY layer
makes it possible to check from the MAC layer if a channel is free.  When it is
determined that the NC 71 is busy as a consequence of the CCA-based check on the
channel free state (C1), it is determined that transmission of a data packet is
not possible, and CCA-based check on a free channel state is carried out again
for a backoff time B2.
【００１１】
According to the specification of IEEE802.15.4, when the NC 71 is still
busy even after the CCA-based check on a channel free state and determination
that the NC 71 is busy are repeated by the retry of channel access number
(macMaxCSMABackoffs) + 1 times, it is determined that access to the NC 71 has
failed.  In a case where macMaxCSMABackoffs is 4, for example, when it is
determined that transmission of the data packet is not possible even after the
check on a channel free state and determination that the NC 71 is busy are
performed five times (C5), it is determined that access to the NC 71 has failed.
When it is determined that access to the NC 71 has failed, a packet to be
transmitted is dropped.
【００１２】
Fig. 9 shows an example of the relationship between a packet dropping rate
and the number of EDs 72 when a duty cycle is 0.5.  The packet dropping rate
represents the ratio of packets dropped from the MAC layer to all packets from
an upper rank layer.
【００１３】
The result of the simulation in Fig. 9 shows that as the number of the EDs
72 increases, the packet dropping rate increases.  The result also shows that as
the number of the EDs 72 becomes smaller, the packet dropping rate approaches
approximately 0.  Because the packet dropping rate is not 0, however, it is
apparent that there is slight packet dropping.
【００１４】
In this respect, there has been a demand of a method capable of improving
the packet dropping rate without particularly improving the performance of the
ED 72 itself.
【００１５】
The IEEE802.15.4 standards has proposed schemes of reducing the packet
dropping rate (e.g., see non-patent document 1.).  However, those schemes each
need to significantly modify the specification of the ED 72 and eventually the
specification of the overall system, and thus have a difficulty in their
adaptation to systems which are currently in operation.
【００１６】
Accordingly, the present invention has been made to overcome the foregoing
problems and it is an object of the present invention to provide a wireless
packet communication method and system that can reduce the packet dropping rate
without significantly modifying an existing wireless packet communication system
compatible with the specification of IEEE802.15.4.
[Means for Solving the Problems]
【００１７】
To achieve the object, a wireless packet communication method according to
the invention, comprises a communication collision determining step of, before
data packet communication between a wireless base station and a wireless
terminal which carry out wireless packet communication using a common wireless
channel, causing the wireless terminal to detect presence or absence of a radio
wave on a wireless channel to be used, or received power, and determining
whether there is a communication collision according to that detection; a
transmission control step of transmitting a data packet after a collision
avoidance period according to a random value which is generated uniformly within
a predetermined integer equal to or greater than 0 after it is determined in the
communication collision determining step that transmission of the data packet is
possible; an ACK transmission step of transmitting an ACK packet to a sender
wireless terminal when the wireless base station has succeeded reception of the
transmitted data packet addressed thereto; a backoff control step of returning
to the communication collision determining step to determine whether there is a
communication collision after elapse of a predetermined backoff time, when it is
determined in the communication collision determining step that transmission of
the data packet is not possible; a re-determining step of holding a data packet
instead of dropping the data packet when it is determined over a predetermined
number of times in the communication collision determining step that
transmission of the data packet is not possible, and determining again whether
there is the communication collision; and a step of returning to the
re-determining step to determine whether there is a communication collision
after elapse of a predetermined backoff time, when it is determined in the
re-determining step that transmission of the data packet is not possible, and
returning to the transmission control step when it is determined in the
re-determining step that transmission of the data packet is possible.
【００１８】
To achieve the object, according to the invention, there is provided a
wireless packet communication system that executes data packet communication
between a wireless base station and a wireless terminal which carry out wireless
packet communication using a common wireless channel, and comprises a wireless
terminal having communication collision determining means for detecting presence
or absence of a radio wave on a wireless channel to be used, or received power,
and determining whether there is a communication collision according to that
detection, transmission control means for transmitting a data packet after a
collision avoidance period according to a random value which is generated
uniformly within a predetermined integer equal to or greater than 0 after the
communication collision determining has determined that transmission of the data
packet is possible, and backoff control means for causing the communication
collision determining means to determine whether there is a communication
collision after elapse of a predetermined backoff time, when the communication
collision determining means has determined that transmission of the data packet
is not possible; and a wireless base station that transmits an ACK packet to a
sender wireless terminal when reception of the transmitted data packet addressed
to the wireless base station is successful, the wireless terminal further
including re-determining means for holding a data packet instead of dropping the
data packet when the communication collision determining means has determined
over a predetermined number of times that transmission of the data packet is not
possible, and determining again whether there is the communication collision,
the re-determining means determining again whether there is a communication
collision after elapse of a predetermined backoff time when having determined
that transmission of the data packet is not possible, and allowing the
transmission control means to execute the foregoing operation thereof when
having determined that transmission of the data packet is possible.
[Effect of the Invention]
【００１９】
The present invention with the above configuration can reduce the packet
dropping rate without significantly modifying an existing wireless packet
communication system compatible with the standards of IEEE802.15.4.
[Best Mode for Carrying out the Invention]
【００２０】
A wireless packet communication method and system which are adapted to a
wireless personal area environment based on the IEEE802.15.4 standards as the
best mode of carrying out the present invention will be elaborated referring to
the accompanying drawings.
【００２１】
A wireless packet communication system 1 to which the present invention is
adapted has a plurality of wireless terminals 2 and wireless base station 3
which performs the general control of the network as shown in Fig. 1, for
example.  The wireless packet communication system 1 is a low-rate WPAN
(Wireless Personal Area Network) based on the IEEE802.15.4 standards.  The
wireless packet communication system 1 is not limited to a star type as shown in
Fig. 1, and may be adapted to any network mode, such as a tree type or mesh
type.
【００２２】
The wireless terminals 2 include various kinds of portable information
terminals including a notebook type personal computer (notebook PC) and a
cellular phone.  The wireless terminal 2 can execute wireless packet
communication with the wireless base station 3 in at least the WPAN, and can
also execute wireless packet communication with another wireless terminal 2 via
the wireless base station 3.  The following description will be given of a case
where packet data is radio-transmitted from the wireless terminal 2 to the
wireless base station 3.
【００２３】
The wireless base station 3 may have a configuration similar to the
configurations of the aforementioned portable information terminals.  The
wireless base station 3 serves as a coordinator.  The wireless base station 3
also serves to acquire beacons transmitted from the wireless terminals 2 and
synchronize the wireless terminal 2 with one another to be connected to the
wireless terminals 2 the WPAN.
【００２４】
The wireless packet communication system 1 based on the IEEE802.15.4
standards uses a so-called superframe structure using beacons 21 as shown in
Fig. 2, for example.  The minimum cycle of the superframe is 15.36 ms, which
makes it necessary to keep a segment of a minimum of 240 bytes for a CAP
(Contention Access Period) 22 called a collision communication period.  Further,
the time between two beacons 21 is divided into 16 identical time slots
regardless of the cycle of the superframe.  While, in a time slot, data
transmission and reception are possible between a wireless terminal 2 and the
wireless base station 3 any time, data transmission and reception should be
completed before transmitting a next beacon 21.
【００２５】
In the superframe, a CFP (Contention Free Period) 23 in which only a
specific wireless terminal 2 is exclusively accessible and an inactive period 24
in which the access of every wireless terminal 2 is inhibited follows the CFP
23.
【００２６】
The wireless terminals 2 can have contention with one another to obtain a
channel access right to the wireless base station 3, and can assign a time slot
to the wireless terminal 2 which has higher priority to perform communication.
The assigned time slot is called GTS (Guaranteed Time Slot), and the maximum
number of GTSs which are assigned without contention is 7.
【００２７】
Next, the operation of the wireless packet communication system 1 to which
the present invention is adapted will be described.
【００２８】
The present invention adopts the CSMA as the most standard access control
scheme in the specification of IEEE802.15.4.The foregoing sequence of operations
is called backoff control.  The backoff control is repeated the retry of channel
access number (macMaxCSMABackoffs) + 1 times (the retry of channel access 
number is determined beforehand as a parameter which indicates whether
transmission is successful.
【００２９】
The check on the free state to indicate if a channel is idling in the
foregoing backoff control is carried out using CCA (Clear Channel Assessment) in
the PHY layer.  The CCA can allow the check on the free state of the channel to
be carried out from the MAC layer.
【００３０】
Let first backoff control using the CCA be S1 shown in Fig. 3.  When the
channel is busy after the backoff control S1 is terminated, the retry of channel
access is performed.  That is, second backoff control S2 takes place.  When the
channel is busy after the second backoff control S2 is terminated, the retry of
channel access is performed.  That is, third backoff control S3 takes place. 
Those flows are repeated.  If the maximum the retry of channel access number
(macMaxCSMABackoffs) is 4, when the channel is busy after the last backoff
control S5 is completed, i.e., when the retry of channel access has failed, a
packet to be transmitted from the wireless terminal 2 is dropped according to
the general specification of IEEE802.15.4.  According to the present invention,
however, the flow proceeds to a re-determining step S11 of holding a data packet
instead of dropping the data packet and determining again whether there is the
communication collision, and returns to the re-determining step S11 to determine
whether there is a communication collision after elapse of a predetermined
backoff time, when it is determined in the re-determining step S11 that
transmission of the data packet is not possible, and proceeds to a transmission
control step S12 when it is determined in the re-determining step S11 that
transmission of the data packet is possible.
【００３１】
In the transmission control step S12, packet data is transmitted to the
wireless base station 3 from the wireless terminal 2.  When receiving the packet
data from the wireless terminal 2, the wireless base station 3 sends an ACK
(Acknowledge) signal.  When receiving the ACK signal, the wireless terminal 2
construes that communication has succeeded.
【００３２】
The concept of the present invention comes from the following examination
results.  Fig. 4 shows the ratio of the dropped packets in case of different
transmitting numbers at the point of discarding.  The analysis example in Fig. 4
shows an example where the number N of wireless terminals 2 is 10, the duty
cycle is 0.5, the average packet dropping rate 31.89%, and buffer overflow does
not occur.
【００３３】
It should be noted from Fig. 4 that in most cases, packets are dropped
without retransmission after termination of the backoff control S5, and the
ratio is as high as 65.72%.
【００３４】
In this respect, the flow of the present invention is conceived to reduce
the packet dropping rate.  That is, when the channel is busy even after the
backoff control S5 is terminated, i.e., the retry of channel access has failed,
a packet is held instead of being dropped, and the process of the step S11 is
repeatedly executed to achieve retransmission.
【００３５】
According to the wireless packet communication method to which the present
invention is adapted, the following effects can be obtained.
【００３６】
Fig. 5 shows the result of simulation of the packet dropping rate vs. the
number N of wireless terminals 2.  In Fig. 5, DC represents the duty cycle (= 1,
0.5, 0.25), and also shows the packet dropping rate according to the
conventional specification IEEE802.15.4 in comparison with the packet dropping
rate in the present invention.
【００３７】
In either case, as the number N of wireless terminals 2 increases, the
packet dropping rate increases.  In the example of the present invention, the
packet dropping rate becomes lower than the one achieved by the conventional
specification.  When the number N of wireless terminals 2 is large,
particularly, the difference between the packet dropping rates with that
achieved by the conventional specification is likely to increase considerably.
As the DC decreases, the packet dropping rate is likely to increase.
【００３８】
Fig. 6 shows the result of simulation of the average delay time (ms) vs.
the number N of wireless terminals 2.  In either case, as the number N of
wireless terminals 2 increases, the average delay increases.  In the example of
the present invention, even in case of an access failure, a packet is not
dropped, but is stored in the buffer and retransmission thereof is attempted.
In the present example, therefore, the average delay time until transmission of
a packet increases slightly as compared with that achieved by the conventional
specification.
【００３９】
Particularly, the present invention can suppress the packet dropping rate
low without significantly modifying an existing wireless packet communication
system compatible with the specification of IEEE802.15.4.  Therefore, the
present invention need not significantly modify the specification of any
wireless terminal 2 or eventually the specification of the entire system 1, and
can be adapted to systems which are currently in operation.
[Brief Description of the Drawings]
【００４０】
Fig. 1 is a diagram showing the system configuration of a wireless packet
communication system to which the present invention is adapted.
Fig. 2 is a diagram showing a superframe structure.
Fig. 3 is a diagram illustrating the control flow of the wireless packet
communication system to which the present invention is adapted.
Fig. 4 is a diagram showing the ratio of the dropped packets in case of
different transmitting numbers at the point of discarding.
Fig. 5 is a diagram showing the result of simulation of the packet
dropping rate vs. the number N of wireless terminals.
Fig. 6 is a diagram showing the result of simulation of an average delay
time (ms) vs. the number N of wireless terminals.
Fig. 7 is a diagram showing a general wireless communication network
compatible with the IEEE802.15.4 standards.
Fig. 8 is a diagram illustrating a conventional wireless packet
communication flow.
Fig. 9 is a diagram showing the packet dropping rate.
[Description of Reference Symbols]
【００４１】
1   wireless packet communication system
2   wireless terminal
3   wireless base station
21  beacon
22  CAP
23  CFP
24  inactive period
[Claim 1]
A wireless packet communication method comprising:
a communication collision determining step of, before data packet
communication between a wireless base station and a wireless terminal which
carry out wireless packet communication using a common wireless channel, causing
the wireless terminal to detect presence or absence of a radio wave on a
wireless channel to be used, or received power, and determining whether there is
a communication collision according to that detection;
a transmission control step of transmitting a data packet after a
collision avoidance period according to a random value which is generated
uniformly within a predetermined integer equal to or greater than 0 after it is
determined in the communication collision determining step that transmission of
the data packet is possible;
an ACK transmission step of transmitting an ACK packet to a sender
wireless terminal when the wireless base station has succeeded reception of the
transmitted data packet addressed thereto;
a backoff control step of returning to the communication collision
determining step to determine whether there is a communication collision after
elapse of a predetermined backoff time, when it is determined in the
communication collision determining step that transmission of the data packet is
not possible;
a re-determining step of holding a data packet instead of dropping the
data packet when it is determined over a predetermined number of times in the
communication collision determining step that transmission of the data packet is
not possible, and determining again whether there is the communication
collision; and
a step of returning to the re-determining step to determine whether there
is a communication collision after elapse of a predetermined backoff time, when
it is determined in the re-determining step that transmission of the data packet
is not possible, and returning to the transmission control step when it is
determined in the re-determining step that transmission of the data packet is
possible.
[Claim 2]
The wireless packet communication method according to claim 1, wherein
determination of presence or absence of a communication collision in the
communication collision determining step and the re-determining step is executed
using a physical layer of CCA (Clear Channel Assessment).
[Claim 3]
The wireless packet communication method according to claim 2, wherein a
protocol of the wireless packet communication conforms to standards of
IEEE802.15.4.
[Claim 4]
A wireless packet communication system that executes data packet
communication between a wireless base station and a wireless terminal which
carry out wireless packet communication using a common wireless channel, the
wireless packet communication system comprising:
a wireless terminal having communication collision determining means for
detecting presence or absence of a radio wave on a wireless channel to be used,
or received power, and determining whether there is a communication collision
according to that detection, transmission control means for transmitting a data
packet after a collision avoidance period according to a random value which is
generated uniformly within a predetermined integer equal to or greater than 0
after the communication collision determining has determined that transmission
of the data packet is possible, and backoff control means for causing the
communication collision determining means to determine whether there is a
communication collision after elapse of a predetermined backoff time, when the
communication collision determining means has determined that transmission of
the data packet is not possible; and
a wireless base station that transmits an ACK packet to a sender wireless
terminal when reception of the transmitted data packet addressed to the wireless
base station is successful,
the wireless terminal further including re-determining means for holding a
data packet instead of dropping the data packet when the communication collision
determining means has determined over a predetermined number of times that
transmission of the data packet is not possible, and determining again whether
there is the communication collision,
the re-determining means determining again whether there is a
communication collision after elapse of a predetermined backoff time when having
determined that transmission of the data packet is not possible, and allowing
the transmission control means to execute the foregoing operation thereof when
having determined that transmission of the data packet is possible.
[Claim 5]
The wireless packet communication system according to claim 4, wherein
determination of presence or absence of a communication collision in the
communication collision determining means and the re-determining means is
executed using a physical layer of CCA (Clear Channel Assessment).
[Abstract]
[Object]    To reduce a packet dropping rate without significantly modifying an
existing wireless packet communication system compatible with the standards of
IEEE802.15.4.
[Means for Solution]  In a wireless packet communication system that executes
data packet communication between a wireless base station and a wireless
terminal which carry out wireless packet communication using a common wireless
channel, when it is determined over a predetermined number of times in a
communication collision determining step that transmission of the data packet is
not possible, a re-determining step holds a data packet instead of dropping the
data packet and determines again whether there is the communication collision,
and when it is determined in the re-determining step that transmission of the
data packet is not possible, the re-determining step determines whether there is
a communication collision after elapse of a predetermined backoff time.
[Selected drawing]  Fig. 3
[Fig.1]
2010041340.tif 000012
[Fig.2]
2010041340.tif 000013
[Fig.3]
2010041340.tif 000014
[Fig.4]
2010041340.tif 000015
[Fig.5]
2010041340.tif 000016
[Fig.6]
2010041340.tif 000017
[Fig.7]
2010041340.tif 000018
[Fig.8]
2010041340.tif 000019
[Fig.9]
2010041340.tif 000020