(57)【要約】管理サーバ、基地局、複数のノード端末で構成される無線通信システムにおいて、基地局とノード間に発生するビットエラーレート、パケットエラーレート、パケット再送回数、スループット／消費電力等の指標に基いて、適用すべき無線通信プロトコルを動的に切り替える。【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の無線通信プロトコルを用いて基地局との間で通信可能な複数個のノード装置と、該複数のノード装置と通信を行う基地局とを有する無線通信システムであって、
上記ノード装置と基地局が、該ノード装置と該基地局の間の通信効率の評価に基づいて選択された無線通信プロトコルを用いて通信を行うことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
請求項１記載の無線通信システムであって、
上記ノード装置が、送信パケットの再送回数に基づいて上記通信効率を評価することを特徴とする無線通信システム。
【請求項３】
請求項１記載の無線通信システムであって、
上記基地局が、該基地局の管理下にあるノード装置の台数に基づいて上記通信効率を評価することを特徴とする無線通信システム。
【請求項４】
請求項１記載の無線通信システムであって、
上記基地局が、該基地局の管理下にある上記複数のノード装置のパケット送信回数と該ノード装置が送信したパケットの受信回数とを用いて上記通信効率を評価することを特徴とする無線通信システム。
【請求項５】
請求項１記載の無線通信システムであって、
上記基地局が、上記複数のノード装置から受信されるパケットのエラーレートに基づいて上記通信効率を評価することを特徴とする無線通信システム。
【請求項６】
請求項１記載の無線通信システムであって、更に、
上記基地局と接続される管理サーバを有し、該管理サーバが、上記基地局の管理下にある複数のノード装置のパケット送信回数と、上記基地局におけるノード装置からのパケットの受信回数との組み合わせ、または上記基地局において上記複数のノード装置から受信されるパケットのエラーレートに基づいて、上記通信効率を評価することを特徴とする無線通信システム。
【請求項７】
請求項１記載の無線通信システムであって、
上記通信効率が、上記ノード装置における通信のための消費電力あたりの情報伝達量であることを特徴とする無線通信システム。
【請求項８】
複数の無線通信プロトコルを選択的に適用して基地局と通信するノード装置であって、
無線部と、通信処理部と、無線通信プロトコル選択部とを有し、上記基地局との間の通信効率の評価に基づいて選択された無線通信プロトコルを用いて、上記無線部から上記基地局へのパケット送信を制御することを特徴とするノード装置。
【請求項９】
請求項８記載のノード装置であって、
上記通信処理部が、送信パケットの再送回数を検出し、上記無線通信プロトコル選択部が、上記検出された再送回数に基づいて上記通信効率を評価し、使用する無線通信プロトコルを選択することを特徴とするノード装置。
【請求項１０】
請求項８記載のノード装置であって、
上記無線通信プロトコル選択部が、上記基地局から受信した無線通信プロトコル切替え情報に基づいて無線通信プロトコルを選択することを特徴とするノード装置。
【請求項１１】
請求項８記載のノード装置であって、
上記通信効率が、該ノード装置における通信のための消費電力当たりの情報伝達量であることを特徴とする無線通信システム。
【請求項１２】
複数の無線通信プロトコルを選択的に適用して複数のノード装置と通信する無線基地局であって、
無線部と、通信処理部と、無線通信プロトコル選択部とを有し、上記無線部が、上記ノード装置との間の通信効率の評価に基づいて選択された無線通信プロトコルを用いて上記ノード装置からのパケット受信を行うことを特徴とする基地局。
【請求項１３】
請求項１２記載の基地局であって、
データベース部を有し、該データベース部に該基地局の管理下にあるノード装置の台数と適用すべき無線通信プロトコルとを対応付けた上記通信効率の評価用のテーブルを格納し、
上記通信処理部が、該基地局の管理下にあるノード装置の台数を検出し、上記テーブルと上記検出されたノード装置の台数に基づいて無線通信プロトコルの選択し、上記無線通信プロトコル選択部にプロトコルの切り替えを指示することを特徴とする基地局。
【請求項１４】
請求項１２記載の基地局であって、
データベース部を有し、該データベース部に通信効率と適用すべき無線通信プロトコルとを対応付けたテーブルを格納し、上記無線通信プロトコル選択部が、上記テーブルを参照し、上記通信効率の評価に基づいて上記無線通信プロトコルの選択を行うことを特徴とする基地局。
【請求項１５】
請求項１４記載の基地局であって、
上記通信処理部が、該基地局における上記複数のノード装置からのパケット受信回数と、上記複数のノード装置から通知される該複数ノード装置からのパケット送信回数とに基づいて、上記通信効率を評価することを特徴とする基地局。
【請求項１６】
請求項１２記載の基地局であって、
管理サーバと通信をするための通信インタフェースを有し、該通信インタフェースを介して、該基地局の管理下にあるノード装置の台数または該基地局における上記複数のノード装置からのパケット受信回数と、上記複数のノード装置から通知される該複数ノード装置からのパケット送信回数とを上記管理サーバに通知し、上記管理サーバから通知される無線通信プロトコル切替え情報に基づいて、無線通信プロトコルを選択することを特徴とする基地局。
【請求項１７】
請求項１２記載の基地局であって、
上記選択された無線通信プロトコルの情報を無線通信プロトコル切替え情報として上記複数のノード装置に向けて送信することを特徴とする基地局。
【請求項１８】
請求項１２記載の基地局であって、
上記通信効率が、該ノード装置における通信のための消費電力当たりの情報伝達量であることを特徴とする無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、基地局とノード間の無線通信プロトコルの切替え装置に関するものである。
【背景技術】  従来の一般的な無線通信システム（移動体通信システム）は、第１図に示すように、移動通信交換機１０１、交換機１０２、位置情報登録サーバ１０３、基地局（ＢＳ）１０４、１０５と、ユーザが使用する携帯端末（ノード）１０６、１０７によって構成される。各ノードは、無線回線で基地局ＢＳに接続され、各基地局は有線回線で移動通信交換１０１に接続されている。また、一般電話回線に接続できるように、移動通信交換機１０１は、交換機１０２を介して固定電話網に接続されている。また、移動通信交換機１０１には、各ノードへの着信時に基地局を切り替えるハンドオーバー制御のために、位置情報登録サーバ１０３が接続されている。
移動体通信システムにおいては、基地局間およびノード間の電波干渉を低減するために、システム設計において、セルラーゾーンおよび各基地局とノード間の無線通信プロトコルの決定が重要となる。ここで、セルラーゾーンは、基地局毎のノード管理範囲を指しており、各基地局およびノードの送信電力と受信感度に密接な関係がある。一般に、各基地局は、隣接基地局との間の電波干渉が最小となるように設置される。
各セルラーゾーンでは、ゾーン（セル）内に位置した複数のノードが、所定の無線通信プロトコルで基地局と交信する。移動体通信システムでは、それぞれの要求仕様に最も適した特定の無線通信プロトコルを採用している。現在では、各基地局が複数のノードと無線通信を行うための各種の無線通信プロトコルが提案されているが、これらのプロトコルには、それぞれ長所と短所がある。従って、移動体通信システムにおける様々な稼動状況下において、要求仕様に基づいて定めた特定の無線通信プロトコルによって、常に高い効率（高スループット、低消費電力）が得られるとは限らない。
第３図に、パケット通信用の無線通信プロトコルとして代表的なＡＬＯＨＡ方式、ＣＳＭＡ方式、ＴＤＭＡ方式の特徴を示す。
ＡＬＯＨＡ方式は、図（Ａ）に示すように、基地局またはノードに呼が発生した場合、直ちにパケットを送出するマルチプルアクセス・パケット通信方式である。ＡＬＯＨＡ方式では、セル内に位置するノードの台数が多くなると、各ノードからの送信パケットが他のノードの送信パケットと衝突し、パケット損失となる確率が高くなり、システム全体のスループットが減少する。
ＣＳＭＡ方式は、図（Ｂ）に示すように、基地局またはノードに呼が発生した場合、キャリアセンス制御によって他の基地局またはノードからの送信状況を探知して、送信の可否を決定するマルチプルアクセス・パケット通信方式である。従って、ＣＳＭＡ方式は、パケット損失の確率が低く、システム全体のスループットが高いという特徴がある。尚、ＡＬＯＨＡ方式は、パケット損失発生時のパケット再送のための消費電力を考慮に入れなければ、上述したキャリアセンス制御を行っていないため、ＣＳＭＡ方式よりも消費電力が少なくなり、各ノードの電池寿命が長くなる。従って、セル内のノード台数が少ない場合、消費電力の観点では、ＣＳＭＡ方式よりもＡＬＯＨＡ方式のほうが優れている。逆に、ノード台数が多い場合は、パケット損失の少ないＣＳＭＡ方式のほうが、ＡＬＯＨＡ方式よりも優れている。
ＴＤＭＡ方式は、図（Ｃ）に示すように、基地局とノード間の通信期間（フレーム期間）を複数のタイムスロットに分割し、基地局と各ノードが予め割当てられたタイムスロットでパケットを送出する方式である。ＴＤＭＡ方式は、各ノードがそれぞれの割当てスロットで信号を送出するために基地局との時刻同期を必要としており、システム全体として高い時刻精度が求められ、複雑なシステム構成となる。ＴＤＭＡ方式は、理論的には衝突によるパケット損失は発生しないが、基地局と各ノード間で高い時刻精度を保つための制御信号の送受信が必要となるため、システム全体としての消費電力が高くなる。
従来、例えば、特開２００２−６４８７１号公報や特開２００２−２４７０４９号公報において、セル内のノード台数、ノイズレベル、あるいはスループット等の通信環境に応じて、データ伝送効率の高い移動体通信システムに切り替えることが提案されている。
通信環境をスループットのみで評価した場合、各ノードにおけるパケット再送回数を考慮する必要がなくなり、仮にパケットが衝突しても、パケット再送によって最終的に送信に成功すればスループットには影響がない。しかしながら、パケット再送が発生するとノードの消費電力が増加するため、ノード消費電力をできるだけ低減したい移動体通信システムに対しては、このようなスループットのみの評価は適切ではない。一方、通信環境をノイズレベルで評価する場合は、閾値の決定が難しい。また、基地局と各ノードにおいて、ノイズレベルを確認するための制御パケット送受信が必要となり、制御パケットの送受信による消費電力が発生する。
本発明の目的は、基地局とノード装置（移動体端末）との間で通信環境に適合した無線通信プロトコルを選択的に適用可能な無線通信システムを提供することにある。
本発明の他の目的は、無線通信システムにおける通信環境に応じて、適用すべき無線通信プロトコルを切り替え可能な基地局およびノード装置（移動体端末）を提供することにある。
【発明の開示】
上記目的を達成するために、本発明では、以下に述べる通信効率評価に基いて、基地局とノード装置（移動体端末）との間で使用すべき無線通信プロトコルを選択する。ここでは、無線通信システムの効率を評価する指標として、式（１）のＥｆを定義する。
Ｅｆ＝システム全体のスループット／システム全体の消費電力    …（１）
式（１）の値Ｅｆは、システム全体のスループットが高く、同時にシステム全体の消費電力が低い場合に高い値を示す。本発明では、Ｅｆの値を各セル内のノード台数で評価し、管理サーバ、基地局、ノードの何れかに予めテーブルとして保持しておき、このテーブル値に基いて、無線通信プロトコルを選択的に切替える。式（１）を近似的に評価できるパラメータとしては、例えば、データの再送回数、ビットエラーレート（ＢＥＲ）、パケットエラーレート（ＰＥＲ）等がある。従って、実際の応用においては、これらのパラメータを用いて無線通信プロトコルを選択的に切替えることができる。
【図面の簡単な説明】  第１図は、従来の無線通信システムの概略図。
第２図は、本発明による無線通信システムの概略図。
第３図は、ＡＬＯＨＡ方式、ＣＳＭＡ方式、ＴＤＭＡ方式の特徴を比較するための図。
第４図は、ＡＬＯＨＡ方式、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式、ＴＤＭＡ方式のシステム全体の消費電力の比較結果を示す図。
第５図は、ＡＬＯＨＡ方式、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式、ＴＤＭＡ方式のシステム全体のスループットの比較結果を示す図。
第６図は、ＡＬＯＨＡ方式、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式、ＴＤＭＡ方式のシステム全体のスループット／システム全体の消費電力の比較結果を示す図。
第７図は、ノード台数によるプロトコル切替えテーブルの１例を示す図。
第８図は、ノード台数及び消費電力あたりの情報伝達量によるプロトコル切替えテーブルの１例を示す図。
第９図は、本発明が適用されるノード装置の構成図。
第１０図は、本発明が適用される基地局の構成図。
第１１図は、本発明が適用される管理サーバの構成図。
第１２図は、従来のノード装置の基本的なシステム動作を示すフローチャート。
第１３図は、従来の基地局の基本的システム動作を示すフローチャート。
第１４図は、本発明によるノード装置の基本的動作の１実施例を示すフローチャート。
第１５図は、本発明によるノード装置の基本的動作の他の実施例を示すフローチャート。
第１６図は、本発明による基地局の基本的動作の１実施例を示すフローチャート。
第１７図は、本発明によるノード装置の基本的動作の他の実施例を示すフローチャート。
第１８図は、本発明による基地局の基本的動作の他の実施例を示すフローチャート。
第１９図は、本発明による管理サーバの基本的動作の１実施例を示すフローチャート。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
本発明において、システムの効率評価の指標となる式（１）の値Ｅｆは、システム全体のスループットが高く、またシステム全体の消費電力が低い場合に高い値を示す。この評価値Ｅｆは、例えば、センサネットのように、消費電力の低減が必要となるシステムにおいて特に重要となる。
センサネットとは、センサ、電源、無線通信機能を備えた小型ノードを多数配置することによってネットワークを形成し、センシングした情報をネットワーク経由で管理システムやインターネットのＷｅｂサイトに伝達するネットワークシステムの総称であり、建造物モニタ、環境モニタ、セキュリティ、物流等の分野への適用が期待されている。
ここで、ノードの電源としては、電池、または自己発電であることが、多くのアプリケーションから求められている。例えば、電源として電池を使用した場合、ノードの電池を頻繁に交換することは、保守、運用上の問題となる。また、自己発電の場合、供給電力が少ないことが多く、低消費電力であることが必須となる。特に、ノードの消費電力の多くの割合を占める無線通信機能に対しては、低消費電力化が重要となる。
一方、各ノードは、センシング情報を基地局やネットワークに効率的に無線伝送する必要がある。従って、各ノードには、データ伝送の効率化と低消費電力化の両方が求められ、これを実現するための指標として、式（１）式で表される消費電力あたりの情報伝達量を示す値Ｅｆが重要となる。指標値Ｅｆが低い非効率的なシステムでは、ノードの電池寿命が非常に短くなり、適用可能なアプリケーションの範囲が狭まる。つまり、センサネットのようなシステムにおいては、高い指標値Ｅｆをもつ高効率の無線システムを構築することが重要となる。
本発明で選択可能な無線通信プロトコルとして、ここでは、ＡＬＯＨＡ方式とＣＳＭＡ方式とＴＤＭＡ方式を比較する。
基地局が管理するノード台数によって変化するシステム全体の消費電力のシミュレーション結果を第４図に、システム全体のシステムスループットのシミュレーション結果を第５図に示す。図６は、式（１）で評価した場合のシミュレーション結果を示す。第６図のシミュレーション結果から、管理対象となるノード台数によって、システム効率が変化することが分かる。
式（１）が示す指標値Ｅｆは、基地局が管理するノード台数と密接な関係がある。ノード台数が増加すると、それに比例してパケットの送信要求（オファードロード）が増加し、ノードのパケット損失確率が増加する。従って、予め式（１）をノード台数で評価しておき、管理サーバ、基地局、ノードの何れかに上記評価結果を示すテーブルを備えておき、このテーブルが示す値に基いて無線通信プロトコルを選択することができる。
式（１）の指標値は、例えば、再送回数、ＢＥＲ、ＰＥＲに置き換えることもできる。各ノード間の相互干渉が大きくなれば、ノイズ電力が大きくなり、結果的にＢＥＲやＰＥＲの値も上昇するため、ＢＥＲやＰＥＲで評価することが可能である。また、ＰＥＲの増加によって再送回数が増加するため、再送回数で評価することも可能である。これらの評価には、ノード主動、基地局主動、管理サーバ主動の３つのパターンが考えられる。再送回数、ＢＥＲ、ＰＥＲは、ノードと基地局のぞれぞれで計測可能である。また、基地局から管理サーバに再送回数、ＢＥＲ、ＰＥＲを伝送することによって、管理サーバにおいて、計測することの可能である。従って、適用すべき無線通信プロトコルは、ノード、基地局、管理サーバの何れかが主動役となって変更できる。
但し、ＡＬＯＨＡ方式、ＣＳＭＡ方式、ＴＤＭＡ方式を比較した場合、ＴＤＭＡ方式への切替えは、基地局主動で行う必要がある。これは、ＴＤＭＡ方式の場合、基地局が各ノードにタイムスロットを割り当てる必要があり、ノードが自律的にプロトコルを切り替えることができないからである。一方、ＣＳＭＡ方式、ＡＬＯＨＡ方式への切替えは、ノード、基地局の何れが行ってもよい。これは、ＣＳＭＡ方式とＡＬＯＨＡ方式の違いか、基本的にはキャリアセンスを行うか否かにあり、例えば、ノードが自律的にプロトコルを切り替えても、システム全体として動作を維持できるからである。以下、主導装置を異にした３種類の無線通信プロトコルの切替える方法について実施形態を述べる。
【実施例１】  第１実施例として、ノード装置主動の無線通信プロトコルの切替え方式について説明する。ここでは、切替え可能な無線通信プロトコルとして、システム全体として複数のノード装置が一斉に切替えることを必要としないＡＬＯＨＡとＣＳＭＡをを用意する。ＡＬＯＨＡとＣＳＭＡは、各ノード装置が、基地局からの指示を受けることなく、独自にスケジューリング可能な方式となっている。
第２図に示す無線通信システムは、管理サーバ２０１と、複数の基地局（２０２、２０３）と、ノード（２０４、２０５、２０６）とから構成される。各ノードからの送信データは、無線で基地局に送信され、各基地局は管理サーバ２０１に受信データを伝達する。管理サーバ２０１は、基地局からの受信データをインターネット上のＷｅｂサイトに伝達する。
ノード主動で無線通信プロトコルを切替える場合、任意のノードが、基地局との通信に適用すべきプロトコルとして、ＡＬＯＨＡとＣＤＭＡの何れかを選択し、選択したプロトコルで通信を開始すれば済むため、プロトコルの切り替えによるオーバーヘッドは全くない。
ノード主動のプロトコル切り替えに式（１）が示す指標値Ｅｆをそのまま適用しようとすると、各ノードが指標値Ｅｆを把握できるように、基地局が指標値Ｅｆに関する情報をノードに通知する必要がある。なぜなら、システムのスループットに関する情報は、ノード単体では把握困難な情報だからである。この場合、基地局とノード間で上記スループット情報通信によるオーバーヘッドが発生し、結果的に指標値Ｅｆが悪くなるという不都合が発生する。
従って、第１実施例では、式（１）と比較して、より簡潔に周囲の通信状況を把握できるパラメータが必要となる。このようなパラメータとして、例えば、各ノードにおけるパケットの再送回数、キャリアセンスによって検知された通信中の他ノードの検出回数（ビジー検出回数）などが考えられる。パケットの再送回数は、各ノードにおいて独自にカウント可能なパラメータ値である。同様に、キャリアセンスによるビジー検出回数も、各ノードで独自に計測可能なパラメータ値であり、基地局からの手助けを必要としない。これらのパラメータ値は、基地局側でも計測できるため、プロトコルの切り替えを基地局主動で行うことも可能である。
ここでは、式（１）が示す消費電力当りのスループットの評価尺度として、ノードで計測したパケット再送回数を採用した場合について説明する。パケットの再送回数は、パケット損失と比例している。パケット損失の発生理由としては、ノードと基地局との距離が離れてたことによる伝搬損失と、複数ノードから同時に送信されたパケットの衝突による損失の二通りが考えられる。
前者のパケット損失は、周辺に存在するノード台数には依存しないため、一定の損失確率となるが、後者のパケット損失は、周辺に存在するノード台数に依存しており、時間的に変化する。従って、パケット再送回数の時間的な変化を監視することによって、パケット損失の原因を推測することができ、例えば、ＡＬＯＨＡ方式で動作していたノードが、衝突によるパケット損失の増加を検知した時、プロトコルをＣＳＭＡ方式に切り替えることによって、システム効率を改善することができる。
第９図は、ノード（２０４〜２０６）の構成図を示す。
ノードは、無線部９０１と、無線通信プロトコル選択部９０２と、データベース部９０３と、通信処理部９０４を備える。無線部９０１は、このとき、無線通信プロトコル選択部９０２が選択した無線通信プロトコルで、基地局とデータを送受信する。無線通信プロトコル選択部９０２には、無線部９０１や通信処理部９０４をＡＬＯＨＡとＣＤＭＡで選択的に動作させるための制御プログラムが格納されている。通信処理部９０４は、無線部９０１からの受信情報やパケット再送頻度（一定期間内の再送回数）、データベース部９０３に格納されているプロトコル切り替えの条件などに基づいて、無線通信プロトコル選択部９０２にプロトコルの切り替え（プログラム切替え）の指示を出す。データベース部９０３には、例えば、再送回数とプロトコルとの対応関係、例えば、パケット再送頻度が閾値を超えたらＡＬＯＨＡからＣＳＭＡに切替える等の切替え条件が格納されている。通信処理部９０４は、パケット再送頻度を計測し、データベースを参照することによって、適用すべき無線通信プロトコルを決定することができる。
第１２図は、３セル繰り返し配列の移動通信システムにおける従来のノードにおけるＣＳＭＡの基本的動作フローチャートに示す。
ノードは、起動時にスタンバイ状態（１２０１）に入り、一定周期毎に起動される（１２０２）。使用可能な３チャネルの周波数の内、１つの周波数を選択し（１２０３）、他ノードの送信状態を確かめるためにキャリアセンスを行って、データ送信の可否を判定する（１２０４）。キャリアセンスの結果、他ノードが送信中でビジー状態にあることが判った場合は、ランダムな時間経過を待った（１２０９）後、再びデータ送信可否の判定（１２０４）を行う。
他ノードの送信中でないと判断した場合、無線によってデータ送信（１２０５）を行い、送信パケットに対する基地局からのＡＣＫパケットの受信を待つ（１２０６）。所定時間内にＡＣＫパケットを受信できなかった場合は、パケット再送回数をカウントアップし、再送回数が所定の閾値Ｎ以下であれば、再度、データ送信可否の判定する（１２０４）。再送回数が所定の閾値Ｎを超えた場合、ステップ１２０３で適用周波数を切り替えて、データ送信可否の判定する（１２０４）。所定時間内にＡＣＫパケットを受信した場合は、ノードから基地局へのデータ送信が完了したため、スタンバイ（１２０１）モードに戻る。
尚、ノードにおけるＡＬＯＨＡ方式の基本的動作フローは、上記第１２図から、キャリアセンスによるデータ送信可否の判定（１２０４）と、ビジー状態検出時の待ち動作（１２０９）を除外したものとなる。
次に、本発明の第１実施例におけるノードの基本的動作について、第１４図を参照して説明する。ノードは、起動時にスタンバイ状態（１４０１）に入り、一定周期毎に起動される（１４０２）。３チャネルの周波数の内、１つの周波数を選択し（１４０３）、他ノードの送信状態を確かめるためにキャリアセンスを行って、データ送信の可否を判定する（１４０４）。キャリアセンスの結果、ビジー状態にあった場合は、ランダムな時間経過を待つ（１４０９）。本実施例では、ランダム時間が経過した時、ビジー状態で時間待ちとなった回数をカウント（１４１０）してから、データ送信可否の判定ステップ１４０４に戻る。
他ノードが送信中でないと判断した場合は、無線によりデータ送信（１４０５）を行い、基地局からのＡＣＫパケットの受信を待つ（１４０６）。所定時間内にＡＣＫパケットを受信できなかった場合は、パケット再送回数をカウントアップし（１４０８）、所定の閾値Ｎ以下であれば、再度、データ送信可否を判定する（１４０４）。再送回数が閾値Ｎを超えた場合は、それまでカウントしていたキャリアセンス待ち回数をクリアし（１４１１）、ステップ１４０３で使用周波数を切り替えて、データ送信可否を判定する（１４０４）。
ＡＣＫパケットを受信した場合は、ノードから基地局に対するデータの送信が完了したため、スタンバイ（１４０１）モードとなる。この時、データ送信の再送回数とキャリアセンス待ち回数をそれぞれ通信処理部が所定の値と比較し（１４１２、１４１３）、プロトコル切替え判断の指示を無線通信プロトコル選択部に指示を出す（１４１４、１４１５）。
ＣＳＭＡ方式は、ＡＬＯＨＡ方式に比較して、様々な環境下においてスループット特性が概ね良好となる。しかしながら、ＡＬＯＨＡ方式は、キャリアセンス制御を行わないため、消費電力という観点からは、ＣＳＭＡ方式よりもシステム効率がよい。ノード台数が少ない場合は、ＡＬＯＨＡ方式とＣＳＭＡ方式は、スループット特性に大きな違いはないが、ノード台数が増加するにつれて、ＡＬＯＨＡ方式はパケット損失が多くなり、スループットが低下する。また、パケットの再送回数の増加に伴う消費電力が、キャリアセンスをしなかったことによって節約されていた電力を上回る可能性がある。従って、
キャリアセンス制御による消費電力＜パケット再送による消費電力
となった時、ＡＬＯＨＡ方式からＣＳＭＡ方式に切り替えた方がシステム効率を改善できる。逆に、ＣＳＭＡ方式で通信中に通信環境が改善され、ＡＬＯＨＡ方式で発生するパケット再送による消費電力が、キャリアセンス制御のための消費電力を下回る可能性もある。
キャリアセンス制御による消費電力＞パケット再送による消費電力
この場合は、逆に、ＣＳＭＡ方式からＡＬＯＨＡ方式に切り替えた方がシステム効率を改善できる。
従って、このようなプロトコルの切り替えを実現するために、通信処理部７０４が、データベース部７０３から計算に必要なパラメータを読み出し、これらのパラメータと、キャリアセンス回数、再送回数から、上記キャリアセンス制御およびパケット再送による消費電力を計算し、計算結果をもとに無線通信プロトコル選択部７０２にプロトコル切替えの指示を出し、無線通信プロトコル選択部が、予め用意されているＣＳＭＡ用、ＡＬＯＨＡ用の通信プロトコルプログラムの中から、上記指示されたプロトコルに対応するプログラムを選択するようにしてもよい。
第１０図は、基地局（２０２、２０３）の構成図を示す。基地局は、無線部１００１と、無線通信プロトコル選択部１００２と、通信処理部１００４と、データベース部１００３と、有線インターフェース部１００５とから構成される。
第１３図は、基地局の基本的動作のフローチャートを示す。
基地局は、常時、受信状態（１３０１）にある。ノードからパケットを受信すると（１３０２）、基地局は、受信の成否を判定するために、受信パケットのＣＲＣ（Ｃｙｃｌｉｃ  Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ  Ｃｈｅｃｋ）チェックを行う（１３０３）。ＣＲＣエラーが発生した場合、パケットは破棄される。ＣＲＣにエラーがなければ、基地局は、パケット送信元ノードに対して、ＡＣＫパケットを送信（１３０４）した後、有線インターフェースを通して、管理サーバに受信データを送信する（１３０５）。ノード主動で適用プロトコル（ＡＬＯＨＡ方式とＣＳＭＡ方式）を切替える場合、基地局側ではプロトコルを切替える必要はない。
第１１図は、管理サーバ２０１の構成を示す。
管理サーバは、有線インターフェース部１１０１と、データベース部１１０３を備える。管理サーバは、有線インターフェース部１００１を介して、基地局からデータを受信すると、受信データをデータベース部１００３に格納、または、ネットワークを介して接続された別の装置に送信する。
本実施例のように、ノード主動で無線通信プロトコルを切り替える場合、適用可能なプロトコルは、ＡＬＯＨＡ方式、ＣＳＭＡ方式のように、ノードが自律的に切替え可能なプロトコルに限られる。
以上の説明では、プロトコルの切替え判断の指標として、パケットの再送回数を利用したが、消費電力当たりの情報伝達量や基地局の管理下にあるノード数を直接的、間接的に推定可能なパラメータであれば、例えば、ＲＳＳＩ（Ｒｅｃｅｉｖｅ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈ  Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）、ＢＥＲ（Ｂｉｔ  Ｅｒｒｏｒ  Ｒａｔｅ）、ＰＥＲ（Ｐａｃｋｅｔ  Ｅｒｒｏｒ  Ｒａｔｅ）、送信成功回数と送信失敗回数の比など、パケットの再送回数以外の指標を採用できる。ＢＥＲとＰＥＲの値は、物理層の無線通信方式よる計算式で算出する。
【実施例２】  次に、第２の実施例として、基地局主導のプロトコル切り替えについて説明する。基地局主動でプロトコルを切替える場合、適用可能なプロトコルの種類が増える。例えば、ＴＤＭＡ方式、ＢＴＭＡ方式、ＩＳＭＡ方式のように、各ノードが、基地局からの指示または同期情報に従ってパケット送信を行う無線通信プロトコルを選択対象に加えることができる。
この場合、プロトコル切替え時に、基地局から各ノードにプロトコル切り替えを指示する必要があり、その分、オーバーヘッドが発生するが、システム全体としては高度な制御ができるようになる。なぜならば、基地局が主動の場合、システム全体の統計情報を扱うことができるからである。
本実施例の基地局は、第１実施例と同様、第１０図に示すように、無線部１００１、無線通信プロトコル選択部１００２、データベース部１００３、通信処理部１００４、有線インターフェース部１００５を備える。無線部１００１は、無線通信プロトコル選択部１００２が備える各無線通信プロトコル対応のプログラムのうち、現在選択されている無線通信プロトコルのプログラムに従って、データの送受信を行う。
無線通信プロトコル選択部１００２には、無線部１００１や通信処理部１００４を異なる無線通信プロトコルで選択的に動作させるための複数のプロトコルプログラムが用意されている。通信処理部１００４は、受信情報や管理下にあるノードの数、データベース部１００３に格納されているプロトコル切り替えの条件などに基づいて、無線通信プロトコル選択部１００２にプロトコルの切り替え（プログラム切替え）指示を出す。データベース部１００３は、無線通信プロトコルの切替え条件等が格納されており、通信処理部１００４は、データベース部１００３を参照することによって、適用すべきプロトコルを決定できる。
本実施例におけるノードの基本的動作を示すフローチャートを第１５図に、基地局の基本的動作を示すフローチャートを第１６図に示す。
各ノードは、第１５図に示すように、スタンバイ状態（１５０１）から、一定周期毎に起動される（１５０２）。使用可能な３チャネルの周波数の内、１つの周波数を選択して（１５０３）、基地局が送信するパイロット信号の受信を試みる（１５０４）。パイロット信号を受信すると、受信パイロット信号が指示するプロトコルを選択して（１５０５）、データを送信し（１５０６）、電源をシャットダウンし（１５０７）、再度、スタンバイ状態に戻る。
ここで、データ送信（１５０６）は、選択されたプロトコルに従って実行される。基地局は、無線通信プロトコルの効率を図る尺度として、式（１）が示す消費電力あたりの情報伝達量を利用できる。
第６図は、基地局が管理しているノードの台数を横軸、式（１）による指標値Ｅｆを縦軸にして、ＡＬＯＨＡ（６０１）、ＣＳＭＡ（６０２）、ＴＤＭＡ（６０３）の情報伝達効率のシミュレーション結果を示す。この評価結果に基いて、基地局に管理下にあるノードの台数に応じた最適な無線通信プロトコルと、プロトコル切替え閾値となるノード台数を決定し、プロトコル切り替えテーブルを作成できる。
プロトコル切り替えテーブルの１例を第７図、第８図に示す。
第７図は、ノード台数に応じて適用プロトコルを切替えるためのテーブルを示している。このプロトコル切り替えテーブルは、第６図のシミュレーション結果から、ノード台数が１０００以下の範囲内において、ノード台数が０〜２５０台の場合はＡＬＯＨＡ方式、２５０〜５５０台の場合はＣＳＭＡ方式、５５０〜１０００台の場合はＴＤＭＡ方式を選択すべきことを示している。
第８図は、現在適用中のプロトコルと、ノード台数と、消費電力当りのスループットの指標Ｅｆとに応じて、無線通信プロトコルを切替えるためのテーブルを示している。このテーブルは、第６図のシミュレーション結果から、ノード台数が１０００台以下の範囲内において、現在適用中のプロトコルがＡＬＯＨＡ方式の場合、ノードの台数が０〜２５０台でＥｆ値が１．８５Ｅ−４〜１．７Ｅ−４の場合はＡＬＯＨＡ方式を維持し、２５０〜５５０台でＥｆ値が１．７Ｅ−４〜１．５Ｅ−４の場合はＣＳＭＡ方式、５５０〜１０００台でＥｆ値が１．５Ｅ−４以下の場合はＴＤＭＡ方式に切り替えるべきことを示している。同様に、現在適用中のプロトコルがＣＳＭＡ方式の場合と、ＴＤＭＡ方式の場合についても、ノード台数とＥｆ値に応じて選択すべき無線通信プロトコルを指定している。従って、このテーブルを参照することによって、現在使用中のプロトコルについて、他のプロトコルへの切り替えの要否と、選択すべきプロトコルを判定できる。
基地局は、通信処理部１００４において、管理下にあるノード台数を把握するために、各ノードから通知される端末ＩＤをデータベース部１００３に記憶する。データベース部１００３には、第７図に示したプロトコル切り替えテーブルが予め保持されている。通信処理部１００４は、端末ＩＤから判明するノード数に応じて、上記プロトコル切り替えテーブルから、ノードとの通信に適用すべき最適な無線通信プロトコルを決定する。
通信処理部１００４は、決定した無線通信プロトコルを無線通信プロトコル選択部１００２に通知する。基地局から各ノードへのプロトコル切り替え指示は、例えば、ノードが基地局に対してアクセスしてきた時、返信すべきＡＣＫパケット中にプロトコルの切り替えを指示情報を設定すればよい。ＡＣＫパケットを受信した各ノードは、通信処理部９０４においてプロトコル切り替え指示を解析し、基地局からの指示に従ったプロトコルを選択するように、無線通信プロトコル選択部９０２に切り替え指示を出す。
ＴＤＭＡ方式では、基地局が、同期に必要なＰｉｌｏｔ信号を常時送信している。従って、適用中のプロトコルをＴＤＭＡ方式に切替える場合、基地局の動作をＰｉｌｏｔ信号を送信するＴＤＭＡモードに切替え、各ノードが上記Ｐｉｌｏｔ信号を受信して同期を確立し、その後は、基地局と同期してパケットを送受信するうようにする。尚、管理サーバ２０１は、実施例１と同様、本実施例に関して特別の動作を実行する必要はない。
消費電力当たりの情報伝達量や基地局の管理下にあるノード数を直接的、間接的に推定するための他の評価方法として、次のようなものがある。尚、以下で説明するものは、プロトコルの切替え判断のために行う検出動作と評価方法に相違があるが、基地局から各ノードへのプロトコルの切替え指示は、上記と同様に行えばよい。
基地局は、通信処理部８０２において、各ノードからの受信パケットに基づいて、ノードのパケット送信回数（再送回数も含む）とパケット受信回数、基地局における受信パケットの総和を示すデータを取得し、これを基に、式（１）が示すノード全体の消費電力とノード全体のスループットをリアルタイムに計算する。例えば、
全ノードのスループット＝基地局の受信パケットの総和／Σ送信回数
全ノードの消費電力＝送信電力×Σ送信回数＋受信電力×Σ受信回数
とすることができる。
基地局は、式（１）の値Ｅｆと、自分が管理しているノード台数から、データベース部１００３に予め保持してある第８図に示したテーブルに従って、適用すべき無線通信プロトコルを判定する。プロトコル切り替えが必要となった場合は、パイロット信号やＡＣＫパケットによって、選択した無線通信プロトコルへの切り替え指示を各ノードに通知する。この時、基地局の通信処理部１００２において、各種パラメータ（送信回数、受信回数）を取得し、データベース部１００３に格納する。
次に、基地局がＢＥＲを基に無線通信プロトコルを切り替える例について説明する。通信処理部１００２において、受信パケットデータから抽出した各ノードの送信電力と、ＲＦ部１００１から取得した基地局の無線信号受信レベルの値に基いてＳ／Ｎ比を求める。ＢＥＲの計算式は、式（２）から各通信方式毎に予め導出しておく。通信処理部１００２は、この計算式を基にＢＥＲの値を求め、ＢＥＲが予め決められた閾値を超えた時、最適な無線通信プロトコルを選択し、無線通信プロトコル選択部１００４と各ノードにプロトコルの切り替えを指示する。
2005086373.tif 000002
次に、ＰＥＲを用い評価した場合の例について説明する。
ＰＥＲに基いて無線通信プロトコルを切替える場合、ＰＥＲは、ＢＥＲとパケット長から求めることができる。よって、予めＰＥＲの計算式を導出しておき、通信処理部１００２は、上記ＢＥＲの場合と同様、ノードからの受信パケットデータの中から抽出した各ノードの送信電力と、ＲＦ部１００１から取得した基地局の信号受信レベルの値を基に、信号電力対雑音電力比（Ｓ／Ｎ）を計算することによって、ＰＥＲの値を求めることができる。通信処理部１００２は、ＰＥＲの値が予め決められた閾値以上となった時、無線通信プロトコルを選択し、無線通信プロトコル選択部１００４と各ノードにプロトコルの切り替えを指示する。
【実施例３】  次に、本発明の第３の実施例として、管理サーバ主動で無線通信プロトコルを切替える場合について説明する。無線通信プロトコルの切り替えを管理サーバ主動で行った場合、基地局の負荷を軽減できる。本実施例におけるノード、基地局、管理サーバの基本的動作のフローチャートを第１７図、第１８図、第１９図に示す。
基地局は、通信処理部１００２において、各ノードにおけるパケット送信回数（再送回数も含む）とパケット受信回数、基地局における受信パケットの総和を示すデータを取得し、インターフェース部１００５を通して、これらのデータを管理サーバに通知する。管理サーバは、これらのデータをインターフェース部１１０１で受信し、通信処理部１１０２において、受信データを基に式（１）が示すノード全体の消費電力とノード全体のスループットをリアルタイムに計算する。例えば、
全ノードのスループット＝受信したパケットの総和／Σ送信回数、
全ノードの消費電力＝送信電力×Σ送信回数＋受信電力×Σ受信回数、
とすることができる。
式（１）の値と基地局が管理しているノード台数から、図６に示した結果に基いて無線通信プロトコルを切り替える。実施例２と同様に、管理サーバは、図６の結果をデータベース部１１０３にテーブル形式で予め保持しておく。その後、選択した無線通信プロトコルをインターフェース部１１０１を介して通知信号として基地局に通知する。
基地局は、インタフェース部１００５を介して無線通信プロトコル通知を受信すると、無線通信プロトコル選択部１００２で上記無線通信プロトコルに対応するプログラムを選択し、これを起動して無線通信プロトコルを切替える。また、実施例２と同様の方法で、プロトコルの切替えを各ノードに通知する。
尚、消費電力あたりの情報伝達量や基地局管理下のノード数を直接的、間接的に推定するための評価方法として、例えば、基地局とノード間のＢＥＲ（Ｂｉｔ  Ｅｒｒｏｒ  Ｒａｔｅ）またはＰＥＲ（Ｐａｃｋｅｔ  Ｅｒｒｏｒ  Ｒａｔｅ）を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】  本発明による無線通信システムは、通信環境の変化に応じて無線通信プロトコルを動的に切り替えることによって、高いシステムスループットと低消費電力の無線通信を実現できる。
【図１】
2005086373.tif 000003
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2005086373.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年9月21日(2006.9.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の無線通信プロトコルを用いて基地局との間で通信可能な複数個のノード装置と、該複数のノード装置と通信を行う基地局とを有する無線通信システムであって、
上記ノード装置と基地局が、該ノード装置における通信のための消費電力あたりの情報伝達量で表される該ノード装置と該基地局の間の通信効率の評価に基づいて選択された無線通信プロトコルを用いて通信を行うことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
請求項１に記載の無線通信システムであって、
上記ノード装置が、送信パケットの再送回数に基づいて、上記通信効率を評価することを特徴とする無線通信システム。
【請求項３】
請求項１に記載の無線通信システムであって、
上記基地局が、該基地局の管理下にあるノード装置の台数に基づいて、上記通信効率を評価することを特徴とする無線通信システム。
【請求項４】
請求項１に記載の無線通信システムであって、
上記基地局が、該基地局の管理下にある上記複数のノード装置のパケット送信回数と該ノード装置が送信したパケットの受信回数とを用いて、上記通信効率を評価することを特徴とする無線通信システム。
【請求項５】
請求項１に記載の無線通信システムであって、
上記基地局が、上記複数のノード装置から受信されるパケットのエラーレートに基づいて、上記通信効率を評価することを特徴とする無線通信システム。
【請求項６】
請求項１に記載の無線通信システムであって、更に、
上記基地局と接続される管理サーバを有し、該管理サーバが、上記基地局の管理下にある複数のノード装置のパケット送信回数と、上記基地局におけるノード装置からのパケットの受信回数との組み合わせ、または上記基地局において上記複数のノード装置から受信されるパケットのエラーレートに基づいて、上記通信効率を評価することを特徴とする無線通信システム。
【請求項７】
複数の無線通信プロトコルを選択的に適用して基地局と通信するノード装置であって、
無線部と、通信処理部と、無線通信プロトコル選択部とを有し、
上記通信処理部が、該ノード装置における通信のための消費電力当たりの情報伝達量で表される上記基地局との間の通信効率の評価に基づいて、上記無線通信プロトコル選択部に無線通信プロトコルの切り替えを指示し、
上記無線通信プロトコル選択部が、上記通信処理部から指示された無線通信プロトコルで、上記無線部から上記基地局へのパケット送信を制御することを特徴とするノード装置。
【請求項８】
請求項７に記載のノード装置であって、
上記通信処理部が、送信パケットの再送回数を検出し、上記検出された再送回数に基づいて上記通信効率を評価し、使用すべき無線通信プロトコルを決定することを特徴とするノード装置。
【請求項９】
請求項７に記載のノード装置であって、
上記通信処理部が、上記基地局から受信した無線通信プロトコル切替え情報に基づいて、上記無線通信プロトコル選択部に無線通信プロトコルの切り替えを指示することを特徴とするノード装置。
【請求項１０】
複数の無線通信プロトコルを選択的に適用して複数のノード装置と通信する無線基地局であって、
無線部と、通信処理部と、無線通信プロトコル選択部とを有し、
上記通信処理部が、上記各ノード装置における通信のための消費電力当たりの情報伝達量で表される通信効率の評価に基づいて、無線通信プロトコルを決定し、
上記無線通信プロトコル選択部が、上記通信処理部からの指示に従って、上記無線部に適用すべき無線通信プロトコルを切替え、
上記無線部が、上記線通信プロトコルに従って、該ノード装置からのパケットを受信することを特徴とする基地局。
【請求項１１】
請求項１０に記載の基地局であって、
該基地局の管理下にあるノード装置の台数と適用すべき無線通信プロトコルとの対応関係を示す通信効率評価用のテーブルが格納されたデータベース部を有し、
上記通信処理部が、該基地局の管理下にあるノード装置の台数を検出し、上記テーブルと上記検出されたノード装置の台数とに基づいて、適用すべき無線通信プロトコルを決定し、上記無線通信プロトコル選択部にプロトコルの切り替えを指示することを特徴とする基地局。
【請求項１２】
請求項１０に記載の基地局であって、
通信効率と適用すべき無線通信プロトコルとの対応関係を示すテーブルが格納されたデータベース部を有し、
上記通信処理部が、上記テーブルを参照し、上記通信効率の評価に基づいて上記無線通信プロトコルを決定することを特徴とする基地局。
【請求項１３】
請求項１２に記載の基地局であって、
上記通信処理部が、該基地局における上記複数のノード装置からのパケット受信回数と、上記複数のノード装置から通知される該複数ノード装置からのパケット送信回数とに基づいて、上記通信効率を評価することを特徴とする基地局。
【請求項１４】
請求項１０に記載の基地局であって、
管理サーバと通信をするための通信インタフェースを有し、該通信インタフェースを介して、該基地局の管理下にあるノード装置の台数または該基地局における上記複数のノード装置からのパケット受信回数と、上記複数のノード装置から通知される該複数ノード装置からのパケット送信回数とを上記管理サーバに通知し、
上記通信処理部が、上記管理サーバから通知される無線通信プロトコル切替え情報に基づいて、上記無線通信プロトコル選択部に無線通信プロトコルの切り替えを指示することを特徴とする基地局。
【請求項１５】
請求項１０に記載の基地局であって、
上記選択された無線通信プロトコルの情報を無線通信プロトコル切替え情報として上記複数のノード装置に向けて送信することを特徴とする基地局。
【国際調査報告】
2005086373.tif 000022
2005086373.tif 000023
2005086373.tif 000024
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