(57)【要約】【課題】本発明は、隠れ端末が存在する無線通信環境における端末の通信性能向上を図る無線通信装置及び無線通信方法を提供する。【解決手段】アクセスポイントが、通信タイミングの決定に用いる端末毎に同期状態に至るために用いるパラメータと隠れ端末が存在する場合に利用する通信タイミングの決定に用いるゆらぎパラメータを管理するとともに、端末が、データの衝突を検知して一定時間データを送信できなくなっていることを検知し、一定時間衝突が連続して発生し、端末がデータを送信できなくなった場合に通信タイミングを計算する式を変更する制御を行い、ゆらぎを付加した通信タイミングを計算し、通信タイミングの計算式にゆらぎを付加した場合に、データの送信・失敗に応じて通信タイミング計算手段用いるパラメータを動的に変更するゆらぎパラメータ動的制御を行うものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクセスポイントとこれに接続する複数の端末によって構成され、前記アクセスポイントを中継して前記端末間の情報通信を行う無線通信装置において、
前記アクセスポイントは、
通信タイミングの決定に用いる端末毎に同期状態に至らせるために用いる同期パラメータと隠れ端末が存在する場合に利用する通信タイミングの決定に用いるゆらぎパラメータを管理する機能、入力された端末数を元に同期パラメータを決定する機能、前記ゆらぎパラメータを決定する機能及び端末毎にIDを割り当てる機能を含むパラメータ決定手段と、
該パラメータ決定手段によって決定された同期パラメータ及びゆらぎパラメータをビーコン信号へ付加する機能及び該ビーコン信号を各端末へ送信する機能を含むパラメータ送信手段と、を備え、
前記端末は、
前記パラメータ送信手段から送信された前記ビーコン信号を受信するパラメータ受信手段と、
該パラメータ受信手段からの前記ビーコン信号を入力し、前記ビーコン信号から前記同期パラメータ取り出し、位相を計算するとともに、計算実行時間を管理し一定時間間隔毎に位相計算を実行する位相計算手段と、
該位相計算手段にて計算された位相情報を用いて通信タイミングを計算する第１通信タイミング計算手段と、
端末間におけるデータの衝突を検知して一定時間データを送信できなくなっていることを検知する衝突検知手段と、
該衝突検知手段で一定時間衝突が連続して発生し、前記端末がデータを送信できなくなった場合に、その検知信号を受けて通信タイミングを計算する式の変更を指示し、計算式変更指示信号を前記第１通信タイミング計算手段に入力する計算変更制御手段と、
前記第１通信タイミング計算手段にて計算された第１通信タイミング信号及び前記計算変更制御手段から前記第１通信タイミング計算手段に入力された計算式変更指示信号が入力され、前記位相計算手段からの位相情報に基づいてづいて前記第１通信タイミング計算手段にて計算されたタイミング信号にゆらぎを付加してそのタイミングを変更した第２通信タイミングを計算し算出する第２通信タイミング計算手段と、
該第２通信タイミング計算手段が前記第１通信タイミング計算手段からの計算式変更指示信号を受けて通信タイミングの計算式を変更する場合に、データの送信・失敗に応じて前記第２通信タイミング計算手段で用いるパラメータを動的に変更するゆらぎパラメータ動的制御手段と、
前記第１、第２通信タイミング計算手段からの第１、第２通信タイミング信号を入力し、これらの信号により送信データの入力を判定するとともにこれらの信号を用いてデータを送信するデータ送信手段と、を備えてなることを特徴とする無線通信装置。
【請求項２】
前記同期パラメータが、固有振動数、結合強度、初期位相、各端末のID、制御間隔、端末数よりなり、前記ゆらぎパラメータがゆらぎの初期値、ゆらぎの増加量、ゆらぎの減少量よりなることを特徴とする請求項１記載の無線通信装置
【請求項３】
前記ゆらぎパラメータが、前記第１通信タイミング計算手段による計算式をゆらぎ付加に変更しかつデータ送信に失敗したとき前記増加量パラメータによりゆらぎ範囲を増加させ、前記第１通信タイミング計算手段による計算式をゆらぎ付加に変更しかつデータ送信に成功したとき前記減少量パラメータによりゆらぎ範囲を減少させることを特徴とする請求項２記載の無線通信装置。
【請求項４】
アクセスポイントとこれに接続する複数の無線端末よりなり、前記アクセスポイントを中継して前記端末間の情報通信を行う通信方法において、
前記アクセスポイントが、
端末数を入力し、端末毎に同期状態に至らせるパラメータを管理するステップS1、
入力された端末数を元に同期パラメータを決定し、かつ端末毎にIDを割り振るステップS2、
事前に決められたゆらぎパラメータを決定するステップS3、
前記同期パラメータ及びゆらぎパラメータをビーコン信号へ付加するとともにビーコン信号を各端末へ送信するステップS4、よりなる処理を行い、
前記端末が、 
前記アクセスポイントから送信された前記同期パラメータ及びゆらぎパラメータを付加したビーコン信号を受信するステップS5、
前記ビーコン信号受信後、前記ビーコン信号から前記同期パラメータを抜き出し、計算実行時間を管理し、一定時間経過したかどうかを判断するステップS6、
ステップS6により一定時間経過したと判断されたとき、前記同期パラメータを用いて位相の時間変化を計算するステップS7、
位相計算されたとき、送信データが存在するかどうかを判断するステップS8、
位相計算され、前記送信データが存在すると判断されたとき、第１通信タイミングを計算するステップS9、
前記第１通信タイミングでデータを送信するステップS10、
前記第１通信タイミングの計算式を、ゆらぎを付加した式に変更しているかどうかを判断するステップS11、
ステップS11において、前記第１通信タイミングの計算式がゆらぎを付加した式に変更されていないと判断された場合において、フレーム送信に一定時間連続して失敗しているかどうかを判断するステップS12、
ステップS12において、フレームの送信に一定時間連続して失敗していると判断された場合に、第１通信タイミング計算式をゆらぎ付加の式に変更するステップS13、
ステップS11において、第１通信タイミング計算式をゆらぎ付加に変更済みと判断された場合において、データの送信に失敗したかどうかを判定するステップS14、
第１通信タイミング計算式をゆらぎ付加に変更し、かつデータの送信に失敗した場合に、ゆらぎの範囲を増加させるステップS15、
第１通信タイミング計算式をゆらぎ付加に変更し、かつステップS14においてデータの送信に成功したと判断された場合に、ゆらぎの範囲を減少させるステップS16、
ステップS6において、一定時間が経過していないと判断された場合において、送信データが存在するとき、送信データを第１通信タイミング計算ステップS9へ送り、第１通信タイミングを計算するステップS17、
よりなる処理を行うことを特徴とする無線通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、隠れ端末が存在する無線通信環境における無線端末の通信性能を向上する無線通信装置及び無線通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイル端末の急速な普及や無線通信技術の飛躍的な向上に伴い、IEEE802.11 規格に基づいた無線LAN (Local Area Network)（非特許文献1） が日常の様々な場面で用いられている。IEEE802.11無線LAN では、メディアアクセス制御としてCSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 方式が一般的に利用されている。CSMA/CA方式は、フレーム衝突を回避するために規定された範囲内で乱数値(Contention Window: CW)を生成し、得られた乱数値を利用してランダムな待ち時間で通信タイミング(バックオフ時間)を決定する（特許文献1）。
【０００３】
CSMA/CA 方式では、チャネルがアイドル状態になった場合、IFS(Inter Frame Space) 時間経過した後、ランダムな通信タイミングを設定し送信を待機する。通信タイミングが経過するまでチャネルがアイドル状態であり続けた場合、無線端末（以下単に端末という）はデータフレームを送信する。なお、通信タイミングBackoffは次の数式1に基づき端末ごとに計算される。
【数１】
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【０００４】
数式1 において、Random()は区間[0,CW]の一様分布に従って生成されるランダムな整数値、SlotTimeはIEEE802.11で規定されたスロットタイムをそれぞれ示す。ここで、CW は最小値CWmin、最大値CWmaxとなる区間内の整数値である。フレームの衝突が発生した場合、各端末は数式1 を用いて再び通信タイミングを設定する。この時、再送ごとにCWの範囲を2倍に増加させることでフレームが再衝突する確率を低減させる。なお、再送の上限回数は通常7回となっており、上限回数まで再送を試みても送信が失敗した場合には端末は当該データフレームを廃棄する。
【０００５】
しかしながら、CSMA/CA方式は同一のアクセスポイント(Access Point: AP)に接続する端末数の増加に伴って、データフレーム衝突が頻発してしまい、その結果としてAPに接続する全端末の合計スループットが大きく減少する問題がある。これは、APに接続する端末数が増加すると、通信タイミングが同一になる可能性が高くなることが原因である。
【０００６】
上記の問題に対して、データフレームの衝突を回避することで端末の合計スループットの向上を目指した結合振動子の同期現象(非特許文献2) に基づくメディアアクセス制御(SP-MAC方式) (特許文献2、非特許文献3)が提案されている。SP-MAC方式は、通信タイミングの設定に結合振動子の同期現象モデル(蔵本モデル) で得られる位相(非特許文献2)を利用する。また、特定の環境においてSP-MAC 方式はCSMA/CA方式よりも大きくスループットを獲得可能なことが示されている(非特許文献3)。
【０００７】
ここで、無線通信を行う際に、端末間の距離が離れている、又は端末間に電波を通さない障害物が存在するなどの端末が互いのチャネル利用状況を判別できない環境では、相手のチャネル利用状況に依らず通信タイミングを減少させてしまうため、フレームを同時に送信してしまう危険がある(「隠れ端末問題」と呼ばれる)。従って、CSMA/CA方式及びSP-MAC方式は、隠れ端末が存在する環境では衝突回避のための性能を発揮することが難しい(非特許文献4)。
【０００８】
図１０は、お互いが隠れ端末となっている2 台の端末a,bとアクセスポイントAPが存在する環境での通信例を示す。区間(1)では端末aがデータフレームDataを送信しているにも関わらず、端末bもデータフレームDataを送信している。前述の通り、これは、お互いのチャネル利用状況を検知できないために発生する衝突である。また、区間(2)では、端末b が送信したデータフレームdataに対してアクセスポイントAP が送信したACK フレームと、端末aが送信したデータフレームdataが衝突を引き起こしている。SP-MAC方式を用いる場合、端末間の通信タイミングが結合振動子の位相の時間変化によって決められるため、時刻によっては端末間の通信タイミングの差が非常に短くなる可能性がある(具体的にはSIFS+ACKフレームを送信する時間以下)。ここで、DIFSはデータフレーム送信の際に設定する送信待機時間を、SIFSはACKフレーム送信の際に設定する送信待機時間を示す。
【０００９】
隠れ端末問題の代表的な解決法としてRTS（送信リクエスト）/CTS（送信可）が知られているが、欠点として、RTS (CTS) フレームがデータフレームと衝突してしまうことが挙げられる(非特許文献5)。従って、できるだけ余分な制御フレームを利用せずに隠れ端末問題を解決することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開2009-182644号
【特許文献２】特開2015-154470号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】IEEE Standard, “Wireless LAN medium access control(MAC) and physical layer (PHY) specifications,” ANSI/IEEE Std 802.11,2012.
【非特許文献２】Y.Kuramoto, Chemical oscillations, Waves, and turbulence, Springer, 1984.
【非特許文献３】濱本亮、小畑博靖、高野知佐、石田賢治、山田幸太郎、“無線LAN 環境における結合振動子の同期現象に基づいたメディアアクセス制御方式,”信学技報, IN2013-157, 2014.
【非特許文献４】C. Thorpe and L. Murphy, “A survey of adaptive carriersensing mechanisms for IEEE 802. 11 wireless networks, ”IEEE Commun. Surveys & Tutorials, 16, 3, pp.1266−1293, 2014.
【非特許文献５】C.-K. Toh, Ad hoc mobile wireless networks: Protocols andsystems, Pearson Education, 2002.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、隠れ端末が存在する環境においてアクセスポイントAPに接続している全端末の合計スループットの向上を目指した結合振動子の同期現象と振動のゆらぎを利用した無線LANにおける無線通信装置無線及び通信方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る無線通信装置は、アクセスポイントとこれに接続する複数の端末によって構成され、前記アクセスポイントを中継して前記端末間の情報通信を行う無線通信装置において、前記アクセスポイントは、通信タイミングの決定に用いる端末毎に同期状態に至らせるために用いる同期パラメータと隠れ端末が存在する場合に利用する通信タイミングの決定に用いるゆらぎパラメータを管理する機能、入力された端末数を元に同期パラメータを決定する機能、前記ゆらぎパラメータを決定する機能及び端末毎にIDを割り当てる機能を含むパラメータ決定手段と、該パラメータ決定手段によって決定された同期パラメータ及びゆらぎパラメータをビーコン信号へ付加する機能及び該ビーコン信号を各端末へ送信する機能を含むパラメータ送信手段と、を備え、前記端末は、前記パラメータ送信手段から送信されたビーコン信号を受信するパラメータ受信手段と、該パラメータ受信手段からのビーコン信号を入力し、ビーコン信号から同期パラメータ取り出し、位相を計算するとともに、計算実行時間を管理し一定時間間隔毎に位相計算を実行する位相計算手段と、該位相計算手段にて計算された位相情報を用いて通信タイミングを計算する第１通信タイミング計算手段と、端末間におけるデータの衝突を検知して一定時間データを送信できなくなっていることを検知する衝突検知手段と、該衝突検知手段で一定時間衝突が連続して発生し、端末がデータを送信できなくなった場合に、その検知信号を受けて通信タイミングを計算する式の変更を指示し、計算式変更指示信号を前記第１通信タイミング計算手段に入力する計算変更制御手段と、前記第１通信タイミング計算手段にて計算された第１通信タイミング信号及び前記計算変更制御手段から前記第１通信タイミング計算手段に入力された計算式変更指示信号が入力され、前記位相計算手段からの位相情報に基づいて前記第１通信タイミング計算手段にて計算されたタイミング信号にゆらぎを付加してそのタイミングを変更した第２通信タイミングを計算し算出する第２通信タイミング計算手段と、前記第２通信タイミング計算手段が前記第１通信タイミング計算手段からの計算式変更指示信号を受けて通信タイミングの計算式を変更する場合に、データの送信・失敗に応じて前記第２通信タイミング計算手段で用いるパラメータを動的に変更するゆらぎパラメータ動的制御手段と、前記第１、第２通信タイミング計算手段からの第１、第２通信タイミング信号を入力し、これらの信号により送信データの入力を判定するとともにこれらの信号を用いてデータを送信するデータ送信手段と、を備えてなるものである。
【００１４】
また本発明は、前記同期パラメータが、固有振動数、結合強度、初期位相、各端末のID、制御間隔、端末数よりなり、前記ゆらぎパラメータがゆらぎの初期値、ゆらぎの増加量、ゆらぎの減少量よりなるものである。
【００１５】
さらに本発明は、前記ゆらぎパラメータが、前記第１通信タイミング計算手段による計算式をゆらぎ付加に変更しかつデータ送信に失敗したとき前記増加量パラメータによりゆらぎ範囲を増加させ、前記第１通信タイミング計算手段による計算式をゆらぎ付加に変更しかつデータ送信に成功したとき前記減少量パラメータによりゆらぎ範囲を減少させるものである。
【００１６】
本発明に係る無線通信方法は、アクセスポイントとこれに接続する複数の無線端末よりなり、前記アクセスポイントを中継して前記端末間の情報通信を行う通信方法において、前記アクセスポイントが、端末数を入力し、端末毎に同期状態に至らせるパラメータを管理するステップS1、入力された端末数を元に同期パラメータを決定し、かつ端末毎にIDを割り振るステップS2、事前に決められたゆらぎパラメータを決定するステップS3、前記同期パラメータ及びゆらぎパラメータをビーコン信号へ付加するとともにビーコン信号を各端末へ送信するステップS4、よりなる処理を行い、前記端末が、前記アクセスポイントから送信された前記同期パラメータ及びゆらぎパラメータを付加したビーコン信号を受信するステップS5、前記ビーコン信号受信後、前記ビーコン信号から同期パラメータを抜き出し、計算実行時間を管理し、一定時間経過したかどうかを判断するステップS6、ステップS6により一定時間経過したと判断されたとき、前記同期パラメータを用いて位相の時間変化を計算するステップS7、位相計算されたとき、送信データが存在するかどうかを判断するステップS8、位相計算され、前記送信データが存在すると判断されたとき、第１通信タイミングを計算するステップS9、前記第１通信タイミングでデータを送信するステップS10、前記第１通信タイミングの計算式を、ゆらぎを付加した式に変更しているかどうかを判断するステップS11、ステップS11において、前記第１通信タイミングの計算式がゆらぎを付加した式に変更されていないと判断された場合において、フレーム送信に一定時間連続して失敗しているかどうかを判断するステップS12、ステップS12において、フレームの送信に一定時間連続して失敗していると判断された場合に、第１通信タイミング計算式をゆらぎ付加の式に変更するステップS13、ステップS11において、第１通信タイミング計算式をゆらぎ付加に変更済みと判断された場合において、データの送信に失敗したかどうかを判定するステップS14、第１通信タイミング計算式をゆらぎ付加に変更し、かつデータの送信に失敗した場合に、ゆらぎの範囲を増加させるステップS15、第１通信タイミング計算式をゆらぎ付加に変更し、かつステップS14においてデータの送信に成功したと判断された場合に、ゆらぎの範囲を減少させるステップS16、ステップS6において、一定時間が経過していないと判断された場合において、送信データが存在するとき、送信データを第１通信タイミング計算ステップS9へ送り、第１通信タイミングを計算するステップS17、よりなる処理を行うものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、隠れ端末が存在する環境において結合振動子の同期現象によって得られる通信タイミングに振動のゆらぎを付加することによって、従来のCSMA/CA方式、及びSP-MAC方式に比べてフレームの衝突を大幅に低下させることができ、それゆえ全端末の合計スループットを飛躍的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明実施形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明実施形態に係る２台の端末における通信タイミング信号を示す波形図である。
【図３】本発明実施形態に係る無線通信方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】ネットワークモデル1を説明する図である。
【図５】ネットワークモデル2を説明する図である。
【図６】各フロー数(端末数)における本発明実施形態、CSMA/CA方式、SP-MAC方式と各端末の合計スループットとゆらぎの増加量αの関係を示すグラフである(ネットワークモデル1)。
【図７】各フロー数(端末数)における本発明実施形態、CSMA/CA方式、SP-MAC方式と各端末のデータフレームの合計衝突回数とゆらぎの増加量αの関係を示すグラフである(ネットワークモデル1)。
【図８】各フロー数(端末数)における本発明実施形態、CSMA/CA方式、SP-MAC方式と各端末の合計スループットとゆらぎの増加量αの関係を示すグラフである(ネットワークモデル２)。
【図９】各フロー数(端末数)における本発明実施形態、CSMA/CA方式、SP-MAC方式と各端末のデータフレームの合計衝突回数とゆらぎの増加量αの関係を示すグラフである(ネットワークモデル２)。
【図１０】隠れ端末が存在する環境における従来のCSMA/CA方式を用いた通信例において、衝突が発生する場合を示す信号波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係る実施の形態にあっては、結合振動子の同期現象と振動のゆらぎを利用して通信タイミングを決定する。同期現象とは、異なる周期を持つ複数のリズム(ほぼ一定の周期で同じ出来事を繰り返す現象) がある相互作用、または一方的な作用によって、完全に、もしくはほぼ一致した振動周期を持つ現象である。ここでは、リズムを生み出す1 つのシステム(メトロノーム等) を振動子と呼ぶ。同期現象が発生する場合は一方の振動子が他方の振動子に影響を与えるため、振動子同士が結合していると考えることができる。この様に、振動子が複数個非線形結合したものを結合振動子と呼ぶ。
【００２０】
これまで、結合振動子の同期現象モデルに関する様々な研究が行われており、代表的な数理モデルとして蔵本モデル(大域結合振動子系) が知られている。蔵本モデルを用いてN個の振動子の同期現象を考え、かつi 番目の振動子は固有振動数(角速度) ωi を持ち他の全ての振動子と等しく相互作用している、即ち全ての振動子が互いに結合していると考える。このとき、i 番目の振動子の位相θi (0 <θi≦2π) の時間変化は、以下の数式2で求められる。
【数２】
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【００２１】
数式2において、K(>0)は振動子間の結合強度を示し、右辺第２項を相互作用項と呼ぶ。Nは端末数である。なお、右辺第２項は、係数K/Nによって相互作用項の大きさがNに依存しないように規格化されている。
【００２２】
SP-MAC方式を利用する端末は、データを送信する場合通信タイミングBackoffの決定に数式2によって得られる位相(全振動子の位相がずれて同期した状態)を利用する(数式3)。ただし数式3において、SlotTimeはIEEE802.11で規定されたスロットタイムを示す。また、νは位相から得られた値を正規化する係数である。なお、数式3を計算するために、アクセスポイントAPは、接続する端末に対して固有振動数ωi、結合強度K、各端末に対応するID i、初期位相θi(0)、制御時間間隔Δt、端末数Nをビーコン信号により通知する。各端末は制御パラメータ受信後にΔt毎に数式2を計算する。 
【数３】
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【００２３】
SP-MAC方式は蔵本モデルで得られる同期した位相に基づいて通信タイミングを設定するため、各端末に非常に近い通信タイミングを設定してしまう可能性がある。そのため、ある端末がデータを送信する際に、チャネルの利用状況を知り得ない隠れ端末がデータをすぐに送信してしまい、データ同士の衝突が頻発してしまう。この問題を解決するために、本発明ではSP-MAC方式が設定する通信タイミングに対して乱数によるゆらぎを与える。
【００２４】
本発明実施形態における通信タイミングの設定式を数式4に示す。数式4においてNは端末数、SlotTimeはIEEE802.11で規定されたスロットタイムを示す。また、νは位相から得られた値を正規化する係数であり、本発明では100とした。さらにξ(σ)は区間[0,σ]の一様乱数を意味する。ただしσはアクセスポイントAPによって事前に初期値σinitが決められており、アクセスポイントAPが送信するビーコンにより通知され、本発明実施形態では15≦σ≦1023を満たすものとする。また、通信タイミングBackoffの決定式を数式4に変更した場合、データの送信に失敗する度に初期値σをα倍(α>1)、データの送信に成功する度にσをβ倍(0<β<1)に変更する。ゆらぎの増加量αとゆらぎの減少量βについても、アクセスポイントAPが送信するビーコンに付加するものとする。
【数４】
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【００２５】
図１は、アクセスポイントAPを中継して端末間の情報通信を行う無線通信装置を示す（図にはAPと１台の端末の構成例を示す）。
【００２６】
アクセスポイントAP：
図中、１は端末からの接続端末情報が入力されるパラメータ決定手段であり、通信タイミングの決定に用いる端末毎に同期状態に至らせるために用いる同期パラメータと隠れ端末が存在する場合に利用する通信タイミングの決定に用いるゆらぎパラメータ(ゆらぎの初期値、ゆらぎの増加量α、ゆらぎの減少量β)を管理する機能、入力された端末数を元に同期パラメータを決定する機能、ゆらぎパラメータを決定する機能及び端末毎にIDを割り当てる機能を含み、同期パラメータ及びゆらぎパラメータを制御パラメータとして出力する。
【００２７】
２はパラメータ送信手段であり、パラメータ決定手段1によって決定された制御パラメータである同期パラメータとゆらぎパラメータをビーコン信号へ付加する機能、及びこの２つのパラメータが付加されたビーコン信号を各端末へ送信する機能を含む。アクセスポイントAPは、これらパラメータ決定手段１及びパラメータ送信手段２を内蔵する。
【００２８】
端末：
３は、アクセスポイントAPのパラメータ送信手段２から送信されたビーコンを受信するパラメータ受信手段、4は、このパラメータ受信手段３からのビーコン信号を入力し、ビーコン信号から同期パラメータ取り出し、位相を計算するとともに、計算実行時間を管理し一定時間間隔毎に位相計算を実行する位相計算手段である。この位相計算手段４から送信される位相情報は各端末に割り当てられたIDiの位相である。
【００２９】
５は、位相計算手段４にて計算された位相情報を用いて通信タイミングを計算する第１通信タイミング計算手段、６は端末間におけるデータの衝突を検知して一定時間データを送信できなくなっていることを検知する衝突検知手段、７は、衝突検知手段６で一定時間衝突が連続して発生し、端末がデータを送信できなくなった場合に、その検知信号を受けて通信タイミングを計算する式の変更を指示する計算変更制御手段であり、この制御手段7からの計算式変更指示信号は第１通信タイミング計算手段５に入力される。
【００３０】
８は、第１通信タイミング計算手段５にて計算された第１通信タイミング信号及び計算変更制御手段７からこの通信タイミング計算手段７に入力された計算式変更指示信号が入力される第２通信タイミング計算手段である。この第２通信タイミング計算手段８は、位相計算手段４からの位相情報に基づいて第１通信タイミング計算手段５にて計算されたタイミング信号にゆらぎを付加してそのタイミングを変更した第２通信タイミングを計算し算出する。
【００３１】
９は、第２通信タイミング計算手段８が第１通信タイミング計算手段５からの計算式変更指示信号を受けて通信タイミングの計算式を変更する場合に、データの送信・失敗に応じて第２通信タイミング計算手段８で用いるパラメータを動的に変更するゆらぎパラメータ動的制御手段である。
【００３２】
１０は、第１、第２通信タイミング計算手段５、８からの第１、第２通信タイミング信号を入力し、これらの信号により送信データの入力を判定するとともにこれらの信号を用いてデータを送信するデータ送信手段である。このデータ送信手段１０は、それぞれ第１、第２通信タイミング手段５，８に通信タイミング問い合わせ信号を送り、いずれの通信タイミングを用いるか判定する。このデータ送信手段１０からのデータ送信信号は他の端末のデータ送信手段10にて受信される。端末は、上記各手段を内蔵する。
【００３３】
図２において、曲線a、bは、本発明実施形態に係る２台の端末a.bの第２通信タイミング信号波形を示し、緩やかなサインカーブ波形（同期パラメータによる第１通信タイミング）上に細かいランダムな波形（ゆらぎパラメータによる）が重なった第２通信タイミング波形信号となる。
【００３４】
図３は、アクセスポイントAPとこれに接続する複数の端末よりなり、アクセスポイントAPを中継して端末間の情報通信を行う通信方法の処理ステップをアクセスポイントAP及び端末ごとに示すものである。
【００３５】
アクセスポイントAPは以下のステップS1からS4に示す処理を行う。
S1: 端末数Nを入力し、端末毎に同期状態に至るパラメータを管理する。
S2: 入力された端末数Nを元に同期パラメータを決定し、かつ端末毎にIDを割り振る。
S3: 事前に決められたゆらぎパラメータを決定する。
S4: ステップS2、S3で決められた同期パラメータ及びゆらぎパラメータをビーコン信号へ付加するとともにビーコン信号を各端末へ送信する。
【００３６】
端末では以下のステップS5からS17に示す処理を行う。
S5: アクセスポイントAPにおけるステップS4で送信されたパラメータを付加したビーコン信号を受信する。
S6: ビーコン信号受信後、ビーコン信号から同期パラメータを抜き出し、計算実行時間を管理し、一定時間経過したかどうかを判断する。
S7: ステップS6により一定時間経過したと判断されたとき、同期パラメータを用いて位相の時間変化を計算する（位相計算）。
S8: 位相計算されたとき、送信データが存在するかどうかを判断する。
S9: 位相計算され、送信データが存在すると判断されたとき、第１通信タイミングを計算する。
S10: 第１通信タイミングでデータを送信する。
S11: 第１通信タイミングの計算式を、ゆらぎを付加した式に変更しているかどうかを判断する。
S12: ステップS11において、第１通信タイミングの計算式がゆらぎを付加した式に変更されていないと判断された場合において、フレーム送信に一定時間連続して失敗しているかどうかを判断する。
S13: ステップS12において、フレームの送信に一定時間連続して失敗していると判断された場合に、第１通信タイミング計算式をゆらぎ付加の式に変更する。
S14: ステップS11において第１通信タイミング計算式をゆらぎ付加に変更済みと判断された場合において、データの送信に失敗したかどうかを判定する。
S15: 第１通信タイミング計算式をゆらぎ付加に変更し、かつデータの送信に失敗した場合に、ゆらぎの範囲をα倍に増加させる。
S16:第１通信タイミング計算式をゆらぎ付加に変更し、かつステップS14においてデータの送信に成功したと判断された場合に、ゆらぎの範囲をβ倍に減少させる。
S17:ステップS6において一定時間が経過していないと判断された場合において、送信データが存在するとき、送信データを第１通信タイミング計算ステップS9へ送り、第１通信タイミングを計算する。
ステップS8, 12, 17において、NO（否）と判断されたときは、ステップS6に戻る。
【００３７】
本発明実施形態では以下の前提条件が設定されている。
（1）通信開始後、端末数は変化しない。
（2）端末は移動しない。
（3）全ての端末は本発明に係る無線通信装置を導入している。
（4）RTS/CTSフロー制御は利用しない。
【００３８】
データフレームの衝突が発生した場合、再度数式4によって第２通信タイミングを計算し直す。なお、第２通信タイミング計算以外の制御は、従来のCSMA/CA方式と同様に行われる。アクセスポイントAPから位相を計算するための情報と振動のゆらぎに関する情報を受信した後は、各端末は自律的に動作する。
【００３９】
次に、本発明に係る無線通信方法と従来方式であるCSMA/CA方式及びSP-MAC方式との性能比較をネットワークシミュレータによって端末の合計スループット及びデータフレームの衝突回数の観点から評価した場合につき説明する。表１は、使用したシミュレーションパラメータを示す。
【表１】
2017098687.tif 000007
【００４０】
本発明におけるネットワークモデルを図４及び図５に示す。このネットワークでは無線LAN規格としてIEEE802.11gを全端末に適用している。図４は、４台の端末11をアクセスポイントAPを中心としアクセスポイントAPの通信可能距離を半径とした円周上に等間隔に配置した例を示し、図５は２台の端末11のうち１台のみ他の端末からみて隠れ端末となる位置に配置した例を示す。なお、端末の通信半径はアクセスポイントAPと同様であり、図４、図５には簡単化のため記載していないがアクセスポイントAPは有線LANによってルータと接続しており、ルータと受信端末が有線LANによって接続されているものとする。
【００４１】
本発明実施形態において、各制御パラメータは以下のように設定した。まず同期パラメータである結合強度K、初期位相θi、及び固有振動数ωiは、それぞれ同期条件をみたすように4π-1+1、(0,1)の範囲において端末間で重複しない値、[0,2]の範囲において端末間で重複しない値とした。また、制御時間間隔Δtは10msとし、通信中の端末数Nは固定し、各端末は移動しないものとした。さらに、ゆらぎパラメータとして、σinitは15とし(CSMA/CA方式との比較のため)、ゆらぎの増加量αは1.1から5.0まで変化させ、ゆらぎの減少量βは0.5に固定した。
【００４２】
本発明実施形態では、端末を送信端末とし、180秒間のConstant Bit Rate(CBR)トラヒック(30Mbps)を発生させることとした。なお、１端末１フローのみ発生するものとし、シミューレーション結果は10回試行の平均値を示す。
【００４３】
図６に示すように、ネットワークモデル１において各MAC方式に対する合計スループットの変化については、本発明実施形態のどのフロー数においても従来のCSMA/CA方式 及び通常のSP-MAC方式 に比べて飛躍的にスループットが向上していることがわかる。特に本発明実施形態で最もスループットが向上したα=1.1に着目すると、フロー数（N）5本、10 本、20 本の場合でそれぞれ3 Mbps、5 Mbps、4 Mbps 程度、CSMA/CA方式よりも向上している。同様にフロー数（N）5 本、10 本、20 本の場合に8 Mbps、13 Mbps、15 Mbps 通常のSP-MAC方式よりも向上している。これは、乱数によって位相によって各端末に設定されたフレームの送信時間にある程度ばらつきを与えることができたためである。また、蔵本モデルによって得られる位相の時間変化を第１通信タイミング設定に利用することで、隠れ端末ではない端末同士の衝突も回避できているためである。
【００４４】
また、図７に示すように、ネットワークモデル１におけるデータフレームの平均衝突回数については、本発明実施形態では、通常のSP-MAC 方式に比べてデータフレームの衝突回数を大きく削減できていることがわかり、CSMA/CA方式と比べても衝突回数が大きく削減されていることがわかる。なお、係数αを増加させることで衝突回数が減少しているが、これは係数αの増加に伴って本発明実施形態で設定される通信タイミング時間が増加したことにより、送信端末が送信するフレーム数が減少したためである。
【００４５】
図８に示すように、ネットワークモデル２において各αに対する合計スループットの変化については、フロー数(N)が5 本、10 本の場合は本発明実施形態におけるスループットが通常のSP-MAC方式よりも30Mbps 程度向上していることがわかる。なお、同図には、図６と同様にCSMA/CA方式と通常のSP-MAC方式の結果を合わせて示している。図８に示す結果から、フロー数(N)が20 本の場合は、通常のSP-MAC方式より27Mbps程度高いスループットが得られていることがわかる。すなわち本発明実施形態では、隠れ端末が少ない環境であっても通常のSP-MAC 方式と同程度かそれ以上のスループットが得られることがわかる。さらに、本発明実施形態ではどのフロー数においてもCSMA/CA方式と比べて飛躍的にスループットが向上していることがわかる。その理由は、SP-MAC方式の特性である結合振動子の同期現象に基づいて設定した通信タイミングによって、キャリアセンス範囲内に存在する端末間で発生するフレーム衝突を回避できたためである。
【００４６】
図９に示すように、データフレームの平均衝突回数については、本発明実施形態では通常のSP-MAC方式に比べてフロー数が少ない場合(N={5,10}) にデータフレームの衝突を大きく削減できていることがわかる。一方でフロー数が多い(N=20) 場合は、通常のSP-MAC方式と本発明実施形態は同程度の性能になっていることがわかる。
【符号の説明】
【００４７】
AP   アクセスポイント
１    パラメータ決定手段
２    パラメータ送信手段
３    パラメータ受信手段
４    位相計算手段
５    第１通信タイミング計算手段
６    データ衝突検知手段
７    計算変更制御手段
８    第２通信タイミング計算手段
９    ゆらぎパラメータ動的制御手段
１０   データ送信手段
a,b,１１  端末
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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