JP5128353B2 - 無線ノードシステム、無線ノードおよび無線ノード同期方法 - Google Patents

Description

本発明は、システムに同期している無線ノード間で相互に情報交換が行われる無線ノードシステムに関し、特に、システムに同期していない無線ノードをシステムに同期させる技術に関するものである。

近年、無線機器における無線ハードウェアにおいて消費される電力の低減が、重要な要求事項となっている。無線通信システムにおいて、特に省電力メカニズムが必要とされるアプリケーションとしては、例えば、アクティブ電子タグシステムやセンサーネットワークシステムなどが挙げられる。これらのシステムにおけるセンサーノードには、携帯性や設置の容易性・柔軟性などが求められ、これらは通常、小型の電池式ノードである。また、これらのアプリケーションにおける特徴として、低トラフィックであることが挙げられる。アクティブ電子タグでは、通常、自らのＩＤを含む小さなデータの送信を行い、センサーノードでも小さなセンシングデータを間欠的に送信することが多い。

アクティブ電子タグシステムにおける情報の交換は、電子タグからのデータ送信をリーダが受信するという形で行われる。通常、アクティブ電子タグは、他のアクティブ電子タグとの関係性を持たない。そのため、リーダは、ランダムに送信されるアクティブ電子タグからの情報を受信するために、常時、受信装置を起動しておく必要がある。また、それぞれのアクティブ電子タグが独立に動作するため、データ送信時に衝突が発生するおそれがある。このアクティブ電子タグシステムは、電子タグからリーダへの片方向通信を行うことを想定したものである。したがって、このようなシステムを、タグ同士が双方向通信で相互に情報交換を行うシステムに単純に適用（例えば、電子タグとリーダを一つにしたようなノードを使用）しても、消費電力や衝突制御（アクセス制御）の面での課題が残る。

センターセットワーク等の低トラフィックネットワークにおいては、データの送受信がなく無線回路が使用されていない場合には、無線回路をオフ（スリープ状態）にして消費電力の低減が図られている。しかし、間欠送信を行う場合には、送信側と受信側のノードがともに無線回路をオフ（スリープ状態）にしてしまうと、相互に情報交換できなくなるという問題がある。そのため、送信と受信のタイミングを、送信ノードと受信ノードの間で同期するための技術が必要になる。

従来、無線通信システム内のノード間で通信を確立して維持する省電力メカニズムとして、ビーコンレス通信システムが提案されている（例えば特許文献１参照）。この従来のシステムでは、送信元ノードが、監視周期の期間にウェークアップ信号を出力し、受信ノードが、そのウェークアップ信号を自らの受信期間中に受信することによって、送信元ノードからデータが送信されたことを知る。
特開２００６−１４８９０６号公報

しかしながら、従来のシステムでは、送信元ノードは、受信ノードによる受信が行われるまでウェークアップ信号を送信し続ける必要がある。したがって、その期間、送信側ノードの電力が消費され続けることになるという問題があった。さらに、その期間、その送信元ノードからの送信によって無線チャネルが占有されてしまい、他の送信元ノードがウェークアップ信号を送信することの妨げになり、あるいは、他の進行中の伝送と衝突する等の通信障害が発生するおそれがあるという問題があった。特に、不特定多数の無線ノードが移動しながら相互に通信を行う場合には、ウェークアップ信号の送受信に長い時間がかかり、多くの電力が消費されるおそれがある。また、一つのノードから多数のノードに対して送信を行う場合（ブロードキャストを行う場合）にも、同様にウェークアップ信号の送信に多くの電力が消費されることになる。

しかも、従来のシステムでは、実際のデータ通信を行う前に、ウェークアップ信号によってその通信データの情報を通知して、受信ノードと送受信タイミングを同期させる。そうすると、低い頻度で小さなデータのやり取りを行う場合には、やり取りするデータに対してウェークアップ信号のデータが大きくならざるを得ず、データ通信が非効率になるという問題があった。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたもので、システムに同期していない無線ノードをシステムに同期させる際の電力消費を低減することができ、通信障害の発生を抑えることのできる無線ノードシステムを提供することを目的とする。

本発明の無線ノードシステムは、複数の無線ノードで構成され、システムに同期している無線ノード間で相互に情報交換が可能な無線ノードシステムにおいて、前記無線ノードは、前記システムに同期していない他の無線ノードに対して、無線通信の通信単位を構成するスーパーフレームに含まれるスリープ期間中に、前記システムと同期をとる同期タイミングの情報を含む同期広告フレームを送信する同期広告フレーム送信手段を備えた構成を有している。

この構成により、システムに同期している無線ノード（同期ノード）から、システムに同期していない無線ノード（非同期ノード）に対して、同期広告フレームが送信される。この同期広告フレームは、同期ノードのスリープ期間に送信される。非同期ノードは、同期ノードとスーパーフレーム（アクティブ期間やスリープ期間）のタイミングが異なるため、同期ノードのスリープ期間で送信された同期広告フレームを、自らのアクティブ期間で受信することができる。この場合、非同期ノードは、システムと同期をとるために電力消費を要する特別な制御を行う必要がない。したがって、従来のシステム（同期をとれるまでウェークアップ信号を送信し続ける必要があるシステム）に比べて、システムに同期する際の電力消費を低減することができ、通信障害の発生を抑えることができる。

また、本発明の無線ノードシステムでは、前記無線ノードは、前記システムに自分が同期しているか否かを判定する同期判定手段と、前記同期判定手段により、前記システムに同期していると判定された場合に前記同期広告フレームを送信し、前記システムに同期していないと判定された場合に前記同期広告フレームを送信しないように、前記同期広告フレームの送信制御を行う送信制御手段を備えた構成を有している。

この構成により、無線ノードは、システムに同期している場合にのみ同期広告フレームを送信し、システムに同期していない場合には同期広告フレームを送信しない。これにより、無線ノードは非同期状態のときの電力消費を低減することができる。

また、本発明の無線ノードシステムでは、前記同期判定手段は、前記システムに同期している他の無線ノードとの所定の判定基準期間における無線通信の有無に応じて、前記システムに同期しているか否かを判定する構成を有している。

この構成により、所定の判定基準期間における他の無線ノードとの無線通信の有無に応じて、無線ノードの同期状態が判定される。例えば、他の無線ノードとの無線通信が無かった場合に、無線ノードが非同期状態であると判定される。

また、本発明の無線ノードシステムでは、前記同期判定手段は、前記システムに同期してからの経過時間を示す同期鮮度に基づいて、前記システムに同期しているか否かを判定する構成を有している。

この構成により、同期鮮度に基づいて、無線ノードの同期状態が判定される。例えば、同期鮮度が所定の閾値を超えた場合に、無線ノードが非同期状態であると判定される。

また、本発明の無線ノードシステムでは、前記無線ノードは、前記同期鮮度を所定のタイミングで更新する更新制御手段を備えた構成を有している。

この構成により、同期鮮度が所定のタイミングで更新される。例えば、他の無線ノードや同期基準装置（例えばゲートウェイ）との無線通信が行われたタイミングで、同期鮮度が更新される。

また、本発明の無線ノードシステムでは、前記送信制御手段は、前記スリープ期間においてランダムに決定した送信タイミングで、前記同期広告フレームを送信するように、前記同期広告フレームの送信制御を行う構成を有している。

この構成により、同期広告フレームは、スリープ期間にランダムに送信される。これにより、様々にスーパーフレーム（アクティブ期間やスリープ期間）のタイミングが異なる非同期ノードに対して、一様に同期の機会が与えられる。

また、本発明の無線ノードシステムでは、前記送信制御手段は、前記スリープ期間において、前記スーパーフレームに含まれるアクティブ期間に近いほど送信頻度が高くなるような送信頻度分布を有する送信タイミングで、前記同期広告フレームを送信するように、前記同期広告フレームの送信制御を行う構成を有している。

この構成により、同期広告フレームは、スリープ期間においてアクティブ期間に近いほど高い頻度で送信される。これにより、僅かにスーパーフレーム（アクティブ期間やスリープ期間）のタイミングが異なる非同期ノード（例えば、クロック誤差によるズレの蓄積で非同期になった無線ノードなど）に対して、高い確率で同期の機会が与えられる。

また、本発明の無線ノードシステムでは、前記更新制御手段は、前記同期鮮度を、前記システムに同期してからの経過時間に応じて増加させ、前記無線ノードが受信した受信フレームに基づいて所定の基準値に戻すように、前記同期鮮度の更新を行う構成を有している。

この構成により、同期鮮度は、システムに同期してからの経過時間に応じて増加し、受信フレームを受信すると基準値に戻るように更新される。これにより、システムに同期してからの経過時間が、同期鮮度に適切に反映される。

また、本発明の無線ノードシステムでは、前記更新制御手段は、前記スーパーフレームに含まれるアクティブ期間に前記同期鮮度の更新を行う構成を有している。

この構成により、無線ノードの同期鮮度の更新が、スーパーフレームのアクティブ期間に行われる。例えば、システムの同期タイミングの基準を提供する同期基準装置（例えばゲートウェイ）からの同期基準フレームはアクティブ期間に送信される。そのような場合に、同期基準装置（例えばゲートウェイ）から受信する同期基準フレームを優先することにより、同期鮮度の更新が適切に行われる。

また、本発明の無線ノードシステムでは、前記受信フレームは、前記アクティブ期間において、前記システムの同期タイミングの基準を提供する同期基準装置から送信された同期基準フレームであり、前記基準値は、前記同期鮮度の初期値として設定された最小基準値である構成を有している。

この構成により、同期ノードがアクティブ期間に同期基準装置（例えばゲートウェイ）から同期基準フレームを受信すると、同期鮮度が初期値（最小基準値）に戻される。例えば、無線ノードがゲートウェイとのすれ違い通信を行うと、同期鮮度が初期値にクリアされる。これにより、システムに同期してからの経過時間が、同期鮮度に適切に反映される。

また、本発明の無線ノードシステムでは、前記受信フレームは、前記アクティブ期間において、他の無線ノードから送信され前記他の無線ノードの同期鮮度の情報を含むＩＤ広告フレームであり、前記基準値は、前記他の無線ノードの同期鮮度と自ノードの同期鮮度とを比較して小さいと判定された同期鮮度である比較決定値である構成を有している。

この構成により、同期ノードがアクティブ期間に他の同期ノードからＩＤ広告フレームを受信すると、同期鮮度が小さい方の値（比較決定値）に戻される。例えば、無線ノードが他の無線ノードとすれ違い通信を行うと、同期鮮度が小さい方の値にあわせられる。これにより、システムに同期してからの経過時間が、同期鮮度に適切に反映される。

本発明の無線ノードは、複数の無線ノードで構成され、システムに同期している無線ノード間で相互に情報交換が可能な無線ノードシステムで用いられる無線ノードであって、前記システムに同期していない他の無線ノードに対して、無線通信の通信単位を構成するスーパーフレームに含まれるスリープ期間中に、前記システムと同期をとる同期タイミングの情報を含む同期広告フレームを送信する同期広告フレーム送信手段を備えた構成を有している。

この構成によっても、上記と同様に、システムに同期している無線ノード（同期ノード）から、システムに同期していない無線ノード（非同期ノード）に対して、同期広告フレームが送信される。この同期広告フレームは、同期ノードのスリープ期間に送信される。非同期ノードは、同期ノードとスーパーフレーム（アクティブ期間やスリープ期間）のタイミングが異なるため、同期ノードのスリープ期間で送信された同期広告フレームを、自らのアクティブ期間で受信することができる。この場合、非同期ノードは、システムと同期をとるために電力消費を要する特別な制御を行う必要がない。したがって、従来のシステム（同期をとれるまでウェークアップ信号を送信し続ける必要があるシステム）に比べて、システムに同期する際の電力消費を低減することができ、通信障害の発生を抑えることができる。

本発明の無線ノードは、前記システムに自分が同期しているか否かを判定する同期判定手段と、前記同期判定手段により、前記システムに同期していると判定された場合に前記同期広告フレームを送信し、前記システムに同期していないと判定された場合に前記同期広告フレームを送信しないように、前記同期広告フレームの送信制御を行う送信制御手段と、を備えた構成を有している。

この構成により、無線ノードは、システムに同期している場合にのみ同期広告フレームを送信し、システムに同期していない場合には同期広告フレームを送信しない。これにより、無線ノードは非同期状態のときの電力消費を低減することができる。

本発明の無線ノードでは、前記同期判定手段は、前記システムに同期している他の無線ノードとの所定の判定基準期間における無線通信の有無に応じて、前記システムに同期しているか否かを判定する構成を有している。

この構成により、所定の判定基準期間における他の無線ノードとの無線通信の有無に応じて、無線ノードの同期状態が判定される。例えば、他の無線ノードとの無線通信が無かった場合に、無線ノードが非同期状態であると判定される。

本発明の無線ノードでは、前記同期判定手段は、前記システムに同期してからの経過時間を示す同期鮮度に基づいて、前記システムに同期しているか否かを判定する構成を有している。

この構成により、同期鮮度に基づいて、無線ノードの同期状態が判定される。例えば、同期鮮度が所定の閾値を超えた場合に、無線ノードが非同期状態であると判定される。

本発明の無線ノードは、前記同期鮮度を所定のタイミングで更新する更新制御手段を備えた構成を有している。

この構成により、同期鮮度が所定のタイミングで更新される。例えば、他の無線ノードや同期基準装置（例えばゲートウェイ）との無線通信が行われたタイミングで、同期鮮度が更新される。

本発明の無線ノードでは、前記送信制御手段は、前記スリープ期間においてランダムに決定した送信タイミングで、前記同期広告フレームを送信するように、前記同期広告フレームの送信制御を行う構成を有している。

この構成により、同期広告フレームは、スリープ期間にランダムに送信される。これにより、様々にスーパーフレーム（アクティブ期間やスリープ期間）のタイミングが異なる非同期ノードに対して、一様に同期の機会が与えられる。

本発明の無線ノードでは、前記送信制御手段は、前記スリープ期間において、前記スーパーフレームに含まれるアクティブ期間に近いほど送信頻度が高くなるような送信頻度分布を有する送信タイミングで、前記同期広告フレームを送信するように、前記同期広告フレームの送信制御を行う構成を有している。

この構成により、同期広告フレームは、スリープ期間においてアクティブ期間に近いほど高い頻度で送信される。これにより、僅かにスーパーフレーム（アクティブ期間やスリープ期間）のタイミングが異なる非同期ノード（例えば、クロック誤差によるズレの蓄積で非同期になった無線ノードなど）に対して、高い確率で同期の機会が与えられる。

本発明の無線ノードでは、前記更新制御手段は、前記同期鮮度を、前記システムに同期してからの経過時間に応じて増加させ、前記無線ノードが受信した受信フレームに基づいて所定の基準値に戻すように、前記同期鮮度の更新を行う構成を有している。

この構成により、同期鮮度は、システムに同期してからの経過時間に応じて増加し、受信フレームを受信すると基準値に戻るように更新される。これにより、システムに同期してからの経過時間が、同期鮮度に適切に反映される。

本発明の無線ノードでは、前記更新制御手段は、前記スーパーフレームに含まれるアクティブ期間に前記同期鮮度の更新を行う構成を有している。

この構成により、無線ノードの同期鮮度の更新が、スーパーフレームのアクティブ期間に行われる。例えば、システムの同期タイミングの基準を提供する同期基準装置（例えばゲートウェイ）からの同期基準フレームはアクティブ期間に送信される。そのような場合に、同期基準装置（例えばゲートウェイ）から受信する同期基準フレームを優先することにより、同期鮮度の更新が適切に行われる。

本発明の無線ノードでは、前記受信フレームは、前記アクティブ期間において、前記システムの同期タイミングの基準を提供する同期基準装置から送信された同期基準フレームであり、前記基準値は、前記同期鮮度の初期値として設定された最小基準値である構成を有している。

この構成により、同期ノードがアクティブ期間に同期基準装置（例えばゲートウェイ）から同期基準フレームを受信すると、同期鮮度が初期値（最小基準値）に戻される。例えば、無線ノードがゲートウェイとのすれ違い通信を行うと、同期鮮度が初期値にクリアされる。これにより、システムに同期してからの経過時間が、同期鮮度に適切に反映される。

本発明の無線ノードでは、前記受信フレームは、前記アクティブ期間において、他の無線ノードから送信され前記他の無線ノードの同期鮮度の情報を含むＩＤ広告フレームであり、前記基準値は、前記他の無線ノードの同期鮮度と自ノードの同期鮮度とを比較して小さいと判定された同期鮮度である比較決定値である構成を有している。

この構成により、同期ノードがアクティブ期間に他の同期ノードからＩＤ広告フレームを受信すると、同期鮮度が小さい方の値（比較決定値）に戻される。例えば、無線ノードが他の無線ノードとすれ違い通信を行うと、同期鮮度が小さい方の値にあわせられる。これにより、システムに同期してからの経過時間が、同期鮮度に適切に反映される。

本発明の無線ノード同期方法は、複数の無線ノードで構成され、システムに同期している無線ノード間で相互に情報交換が可能な無線ノードシステムにおいて用いられる無線ノード同期方法であって、一の無線ノードが無線通信の通信単位を構成するスーパーフレームを送信することと、前記一の無線ノードが、前記システムに同期していない他の無線ノードに対して、前記スーパーフレームに含まれるスリープ期間中に、前記システムと同期をとる同期タイミングの情報を含む同期広告フレームを送信することと、を含んでいる。

この方法によれば、システムに同期している無線ノード（同期ノード）から、システムに同期していない無線ノード（非同期ノード）に対して、同期広告フレームが送信される。この同期広告フレームは、同期ノードのスリープ期間に送信される。非同期ノードは、同期ノードとスーパーフレーム（アクティブ期間やスリープ期間）のタイミングが異なるため、同期ノードのスリープ期間で送信された同期広告フレームを、自らのアクティブ期間で受信することができる。この場合、非同期ノードは、システムと同期をとるために電力消費を要する特別な制御を行う必要がない。したがって、従来のシステム（同期をとれるまでウェークアップ信号を送信し続ける必要があるシステム）に比べて、システムに同期する際の電力消費を低減することができ、通信障害の発生を抑えることができる。

本発明の無線ノード同期方法は、前記一の無線ノードが前記システムに同期しているか否かを判定することと、前記システムに同期していると判定された場合には、前記一の無線ノードが前記同期広告フレームを送信し、前記システムに同期していないと判定された場合には、前記一の無線ノードが前記同期広告フレームを送信しないように、前記同期広告フレームの送信制御を行うことと、を含んでいる。

この方法によれば、無線ノードは、システムに同期している場合にのみ同期広告フレームを送信し、システムに同期していない場合には同期広告フレームを送信しない。これにより、無線ノードは非同期状態のときの電力消費を低減することができる。

本発明は、スーパーフレームのスリープ期間に同期広告フレームを送信する同期広告フレーム送信手段を設けることにより、システムに同期していない無線ノードをシステムに同期させる際の電力消費を低減することができ、通信障害の発生を抑えることができるという効果を有する無線ノードシステムを提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態の無線ノードシステムについて、図面を用いて説明する。本実施の形態では、無線ノードが無線通信ネットワークの小型の電池式ノードであり、特に、交換するデータの小さい電子タグシステム等である場合を例示する。

本実施の形態の無線ノードシステムの構成を図１および図２を用いて説明する。図１は、無線ノードの構成を示すブロック図であり、図２は、無線ノードシステムの概念図である。ここでは、まず図２を参照して、無線ノードシステムの構成について説明する。

図２に示すように、本実施の形態の無線ノードシステム１は、複数の無線ノード２（無線ノードＡ〜Ｅ）で構成されている。無線ノード２のタイプには、ユーザによって所持される移動タイプの無線ノード２と、所定の場所に設置される固定タイプの無線ノード２がある。図１の例では、移動タイプの無線ノード２（無線ノードＢ、Ｃ、Ｄ）が移動する方向が矢印によって図示されている。なお、図では、説明の便宜のため、５つの無線ノード２のみが図示されているが、無線ノード２の数はこれに限定されるものではない。

また、これらの無線ノード２は、無線通信によって相互に情報交換を行う機能を備えている。例えば、無線ノード２は、他の無線ノード２とすれ違ったときに互いのＩＤ情報（交差履歴情報）を交換し、自ノードのメモリに蓄積しておく機能を備えている。図１の例では、無線ノード２に記憶された交差履歴情報が、吹き出しの中に模式的に示されている。なお、この無線ノード２は、双方向にデータをやり取りすることが可能であり、Ｐ２Ｐタグであるともいえる。

このように、移動タイプの無線ノード２がシステム内を移動して、すれ違った無線ノード２が相互にＩＤを交換・蓄積することによって、お互いの交差履歴（すれ違い履歴ともいえる）が各無線ノード２に保持される。その結果、移動タイプの無線ノード２には、その無線ノード２を所持するユーザの行動履歴が蓄積される。また、固定タイプの無線ノード２には、その無線ノード２が設置された地点におけるユーザの通過履歴が蓄積される。

また、図２に示すように、無線ノードシステム１には、外部ネットワーク３（例えばインターネット）と通信（有線通信または無線通信）するためのゲートウェイ４が設けられている。このゲートウェイ４は、システムの同期タイミングの基準となる基準クロック（図示せず）を備えている。また、このゲートウェイ４は、無線ノード２に電力を供給する機能を備えている。

例えば、本実施の形態の無線ノードシステム１の具体的なアプリケーションの一例として、街中での人々の行動や交差履歴を取得するシステム等が挙げられる。そのようなアプリケーションでは、外部ネットワーク３への接続と電源を確保できる場所にゲートウェイ４を設置し、街中の各所に多数の固定タイプの無線ノード２を設置し、移動タイプの無線ノード２を人々に所持させると、街中での人々の行動や交差履歴を取得することができる。

また、無線ノード２によって自己のＩＤを単に交換し、交差履歴を残しておくというアプリケーションの場合には、送信側の無線ノード２が受信側の無線ノード２を特定する必要がない。したがって、そのような場合には、それぞれの無線ノード２が、自己のＩＤをブロードキャストして、それを受信した他の無線ノード２がその情報を蓄積しておけばよい。

つぎに、図１に戻って、無線ノード２の構成について詳しく説明する。図１に示すように、無線ノード２は、フレームの送受信を行うためのフレーム送受信部５と、フレームの送受信の制御を行うための送信制御部６を備えている。また、無線ノード２は、システムと同期状態であるか否かを判定する同期判定部７と、同期判定に用いられる同期鮮度の情報を記憶する同期鮮度メモリ８と、その同期鮮度を更新する更新制御部９を備えている。さらに、無線ノード２は、システムとの同期（タイミングの調整）を行う同期処理部１０と、他の無線ノード２との交差履歴を記憶する交差履歴メモリ１１を備えている。

フレーム送受信部５は、スーパーフレームのアクティブ期間に、他の同期ノードにＩＤ広告フレームを送信するＩＤ広告送信部１２と、スーパーフレームのスリープ期間に、非同期ノードに同期広告フレームを送信する同期広告送信部１３を備えている。このＩＤ広告フレームと同期広告フレームには、システムに同期するための同期タイミングの情報が含まれている。

ここで、図３を用いて、スーパーフレームについて説明する。図３に示すように、無線通信の通信単位には、複数のスーパーフレーム（ＳＦ）が含まれており、各スーパーフレームには、複数のサブスーパーフレーム（ＳＳＦ）が含まれている。この図３の例では、最初のサブスーパーフレームが、アクティブ期間であり、残りのサブスーパーフレームが、スリープ期間である。つまり、各スーパーフレームには、アクティブ期間とスリープ期間が含まれているともいえる。各サブスーパーフレームには、複数のタイムスロット（ＴＳ）が含まれており、このタイムスロットでフレームの送受信が行われる。

つぎに、図４を参照して、無線ノード２が送受信するフレーム（ＩＤ広告フレームや同期広告フレームなど）のフォーマットについて説明する。図４に示すように、無線ノード２が送受信するフレームには、そのフレームがどのタイミングで送信されたのかを示すＳＳＦ番号（ＳＳＦ（１）、ＳＳＦ（２）など）やＴＳ番号（ＴＳ（１）、ＴＳ（２）など）のフィールドと、その無線ノード２のステータス（同期状態／非同期状態、同期鮮度など）を示すステータスのフィールドと、その無線ノード２のタイプ（移動タイプ、固定タイプなど）を示すタイプのフィールドと、その無線ノード２のＩＤ（ＩＤ：１、ＩＤ：２など）を示すＩＤのフィールドが含まれている。

送信制御部６は、同期判定部７の判定結果に基づいて、システムに同期しているときには同期広告フレームを送信し、システムに同期していないときに同期広告フレームを送信しないように、同期広告フレームの送信制御を行う。また、この送信制御部６は、スーパーフレームのスリープ期間における同期広告フレームの送信タイミングを制御する機能を備えている。例えば、送信制御部６は、一つのスーパーフレームのスリープ期間において、１回だけ同期広告フレームを送信するように送信タイミングを制御する。なお、スリープ期間に同期広告フレームを送信する回数はこれに限れられるものではなく、一つのスリープ期間に２回以上送信されてもよい。

例えば、送信制御部６は、スリープ期間においてランダムに決定した送信タイミングで、同期広告フレームを送信するように送信タイミングを制御する。具体的には、スーパーフレームのスリープ期間において、サブスーパーフレーム（ＳＳＦ）とタイムスロット（ＴＳ）をランダムに選択して、同期広告フレームを送信する。この場合、どの送信タイミングで送信されるかが一様にランダムであるので、どのタイミングで起動した無線ノード２（非同期ノード）に対しても同期の機会が同様に与えられる。

また、送信制御部６は、スリープ期間において、アクティブ期間に近いほど送信頻度が高くなるような送信頻度分布を有する送信タイミングで、同期広告フレームを送信するように送信タイミングを制御する。例えば、アクティブ期間を中心とした正規分布に従った送信タイミングで、同期広告フレームを送信する。一旦、同期した無線ノード２が非同期になる原因の一つとしては、クロック誤差によるズレの蓄積が考えられる。その場合、アクティブ期間の近くにタイミングがズレている非同期ノードが多く存在すると考えられる。したがって、アクティブ期間を中心とした正規分布で同期広告フレームを送信することにより、多くの非同期ノードを効率よく再同期させることができる。

同期判定部７は、所定の判定基準期間における他の無線ノード２との無線通信の有無に応じて、システムに同期しているか否かを判定する。例えば、所定の規定回数（Ｌ回）のスーパーフレームの期間に、他の無線ノード２からの受信がまったく無かった場合には、無線ノード２が非同期であると判定する。無線ノード２は、同期広告フレームまたはＩＤ広告フレームの中のステータスで、自ノードが同期状態であるか非同期状態であるかを通知する。

また、同期判定部７は、同期鮮度に基づいて、システムに同期しているか否かを判定する。例えば、同期鮮度が所定の閾値を超えた場合には、無線ノード２が非同期であると判定する。この同期鮮度は、システムに同期してからの経過時間を示す情報であり、更新制御部９によって更新される。この場合、同期鮮度の更新は、アクティブ期間に行われる。

更新制御部９は、システムに同期してからの経過時間に応じて、同期鮮度を徐々に増加させる。例えば、スーパーフレームの期間が一つ経過するごとに、同期鮮度の値を一つ増加させる。そして、無線ノード２がゲートウェイ４の近くを通過して、ゲートウェイ４から送信されたフレーム（同期基準フレーム）を受信すると、同期鮮度の値をゼロに戻す（クリアする）。また、無線ノード２が他の無線ノード２とすれ違って、他の無線ノード２から送信されたＩＤ広告フレームを受信すると、お互いの同期鮮度を比較して小さい方の値にあわせる。

つまり、本実施の形態の無線ノード２では、同期タイミングの基準となるゲートウェイ４と通信してからの経過時間を同期鮮度として管理する。同期鮮度は、ゲートウェイ４と通信すると初期値（ゼロ）となる。この同期鮮度は、システムに同期してからの経過時間を表すため、スーパーフレーム（ＳＦ）が更新されるたびに増加する。無線ノード２は、ＩＤ広告フレームの中のステータスで、自ノードがフレームを送信するときの同期鮮度を通知する。

また、無線ノード２は、システムとの同期状態において、アクティブ期間に他の無線ノード２から受信するＩＤ広告フレームに基づいて、同期鮮度の更新（同期の再調整）を行う。具体的には、他の無線ノード２とすれ違ったときに、受信したＩＤ広告フレームの中で最も同期鮮度が小さいフレームに対して同期調整を行う。この場合、自ノードの同期鮮度が最も小さい場合には、同期調整は行わない。なお、ゲートウェイ４の同期鮮度はゼロである。

以上のように構成された本実施の形態の無線ノードシステム１について、図面を用いてその動作を説明する。

ここでは、まず、本実施の形態の無線ノードシステム１の全体の動作について、図５を用いて説明する。図５は、無線ノードシステム１の全体の動作を説明するための図である。図５では、システムに同期している無線ノード２（同期ノードＡ、Ｂ、Ｃ）が、スリープ期間に同期広告フレームをそれぞれ一回だけ送信した例が示されている。

図５の例では、同期ノードＡが、Ｎ−１番目のスーパーフレームの２番目のサブスーパーフレームで（ＳＦ（Ｎ−１）のＳＳＦ（２）で）同期広告フレームを送信しており、同期ノードＢが、Ｎ−１番目のスーパーフレームの３番目のサブスーパーフレームで（ＳＦ（Ｎ−１）のＳＳＦ（３）で）同期広告フレームを送信している。また、同期ノードＣが、Ｎ−１番目のスーパーフレームのＭ番目のサブスーパーフレームで（ＳＦ（Ｎ−１）のＳＳＦ（Ｍ）で）同期広告フレームを送信している。

そして、図５では、このような同期ノードから送信された同期広告フレームをシステム全体についてまとめた図が、全同期ノードとして図示されている。非同期ノードＤは、Ｎ−１番目のスーパーフレームのアクティブ期間で、これらの全同期ノードから送信された同期広告フレームのいずれか一つを受信することができる。つまり、この場合、非同期ノードＤのアクティブ期間は、同期ノードＡ〜Ｃのアクティブ期間とはタイミングがズレており（アクティブ期間に送信されたＩＤ広告フレームは受信できないが）、非同期ノードＤは、同期ノードＡ〜Ｃのスリープ期間に送信された同期広告フレームを受信することができる。図５の例では、非同期ノードＤは、同期ノードＢから送信された同期広告フレームを受信している。これにより、非同期ノードＤは、次のスーパーフレームから、システムに同期することができる。

この場合、非同期ノードＤは、同期広告フレームを受信するために特別な制御を行う必要がなく、従来のシステムに比べて大幅に消費電力を低減することができる。なお、同期ノードＡ〜Ｃは、同期広告フレームを送信するために電力を消費することになるが、その消費電力の増加は、従来のシステムの非同期ノードの電力消費に比べると僅かである。

より詳細に説明すると、同期ノードの消費電力の増加率は、下記の式によって示される。
消費電力の増加率（％）＝Ａ×Ｎ÷ＴＳ
ここで、Ａ（％）は、システムのDuty Cycle（１スーパーフレームに対するアクティブ期間の占める割合）であり、Ｎ（回）は、スリープ期間中に同期広告フレームを送信する回数であり、ＴＳ（個）は、一つのサブスーパーフレーム（ＳＳＦ）に含まれるＴＳの数である。

例えば、システムのDuty Cycleが１％（Ａ＝１）であり、スリープ期間中に同期広告フレームを送信する回数を１回（Ｎ＝１）、ＳＳＦに含まれるＴＳの数を１０（ＴＳ＝１０）とすると、各同期ノードは、僅かに０．１％だけ消費電力が増加する。このように、本実施の形態の無線ノード２システム１では、各同期ノードが少しだけ電力を消費しあうことで、システム全体で非同期ノードの再同期を助けることができる。

この場合、無線ノード２の密度が高い場所では、非常に多くの同期広告フレームが送信される。したがって、非同期ノードが、同期ノードからの同期広告フレームによって再同期した後（同期ノードとなった後）、他の非同期ノードに対して同期広告フレームを送信することにより、他の非同期ノードの再同期の確率を上げることができる。

つぎに、各無線ノード２の動作の流れについて、図６〜図８を用いて説明する。

図６は、各スーパーフレームごとに、無線ノード２が同期広告フレームを送信する動作の流れを示すフロー図である。図６に示すように、無線ノード２は、まず、自ノードが同期状態であるか否かの判断を行う（Ｓ１）。同期状態の判断の結果、自ノードが同期状態であると判定された場合には（Ｓ２）、スリープ期間中における同期広告フレームの送信タイミングを決定する（Ｓ３）。その後、その送信タイミングまでスリープ状態となり（Ｓ４）、その送信タイミングになるとフレーム送受信部５を起動し、同期広告フレームを送信する（Ｓ５）。同期広告フレームの送信が完了すると、次のアクティブ期間までスリープする（Ｓ６）。

図７は、同期状態であるか否かの判断処理の一例を示したフロー図である。図７に示すように、無線ノード２が同期状態の判断を行う場合には、例えば、自ノードの同期鮮度Ｆが閾値Ｌが小さいか否かを判断する（Ｓ１０）。そして、同期鮮度Ｆが閾値Ｌより小さい場合には、その無線ノード２は同期状態であると判断される（Ｓ１１）。一方、同期鮮度Ｆが閾値Ｌより大きい場合には、その無線ノード２は非同期状態であると判断される（Ｓ１２）。

図８は、同期鮮度の更新処理の一例を示したフロー図である。図８に示すように、無線ノード２が同期鮮度の更新を行う場合には、例えば、ゲートウェイ４や他の無線ノード２からの受信フレームの同期鮮度と、自ノードの同期鮮度を比較する（Ｓ２０）。同期鮮度を比較した結果、受信フレームの同期鮮度の方が自ノードの同期鮮度よりも小さいと判定された場合には、自ノードの同期調整を行うとともに（Ｓ２１）、自ノードの同期鮮度を受信フレームの同期鮮度（小さい方の同期鮮度）にあわせる処理を行う（Ｓ２２）。

このような本実施の形態の無線ノードシステム１によれば、スーパーフレームのスリープ期間に同期広告フレームを送信する同期広告フレーム送信手段を設けることにより、システムに同期していない無線ノード２をシステムに同期させる際の電力消費を低減することができ、通信障害の発生を抑えることができるという効果を有する無線ノードシステム１を提供することができる。

すなわち、本実施の形態では、システムに同期している無線ノード２（同期ノード）から、システムに同期していない無線ノード２（非同期ノード）に対して、同期広告フレームが送信される。この同期広告フレームは、同期ノードのスリープ期間に送信される。非同期ノードは、同期ノードとスーパーフレーム（アクティブ期間やスリープ期間）のタイミングが異なるため、同期ノードのスリープ期間で送信された同期広告フレームを、自らのアクティブ期間で受信することができる。この場合、非同期ノードは、システムと同期をとるために電力消費を要する特別な制御を行う必要がない。したがって、従来のシステム（同期をとれるまでウェークアップ信号を送信し続ける必要があるシステム）に比べて、システムに同期する際の電力消費を低減することができ、通信障害の発生を抑えることができる。

また、本実施の形態では、無線ノード２は、システムに同期している場合にのみ同期広告フレームを送信し、システムに同期していない場合には同期広告フレームを送信しない。これにより、無線ノード２は非同期状態のときの電力消費を低減することができる。

また、本実施の形態では、所定の判定基準期間における他の無線ノード２との無線通信の有無に応じて、無線ノード２の同期状態が判定される。例えば、他の無線ノード２との無線通信が無かった場合に、無線ノード２が非同期状態であると判定される。

また、本実施の形態では、同期鮮度に基づいて、無線ノード２の同期状態が判定される。例えば、同期鮮度が所定の閾値を超えた場合に、無線ノード２が非同期状態であると判定される。

また、本実施の形態では、同期鮮度が所定のタイミングで更新される。例えば、他の無線ノード２やゲートウェイ４との無線通信が行われたタイミングで、同期鮮度が更新される。

また、本実施の形態では、同期広告フレームは、スリープ期間にランダムに送信される。これにより、様々にスーパーフレーム（アクティブ期間やスリープ期間）のタイミングが異なる非同期ノードに対して、一様に同期の機会が与えられる。

また、本実施の形態では、同期広告フレームは、スリープ期間においてアクティブ期間に近いほど高い頻度で送信される。これにより、僅かにスーパーフレーム（アクティブ期間やスリープ期間）のタイミングが異なる非同期ノード（例えば、クロック誤差によるズレの蓄積で非同期になった無線ノード２など）に対して、高い確率で同期の機会が与えられる。

また、本実施の形態では、同期鮮度は、システムに同期してからの経過時間に応じて増加し、受信フレームを受信すると基準値に戻るように更新される。これにより、システムに同期してからの経過時間が、同期鮮度に適切に反映される。

また、本実施の形態では、無線ノード２の同期鮮度の更新が、スーパーフレームのアクティブ期間に行われる。例えば、システムの同期タイミングの基準を提供するゲートウェイ４からの同期基準フレームはアクティブ期間に送信される。そのような場合に、ゲートウェイ４から受信する同期基準フレームを優先することにより、同期鮮度の更新が適切に行われる。

また、本実施の形態では、同期ノードがアクティブ期間にゲートウェイ４から同期基準フレームを受信すると、同期鮮度が初期値（最小基準値）に戻される。例えば、無線ノード２がゲートウェイ４とのすれ違い通信を行うと、同期鮮度が初期値にクリアされる。これにより、システムに同期してからの経過時間が、同期鮮度に適切に反映される。

また、本実施の形態では、同期ノードがアクティブ期間に他の同期ノードからＩＤ広告フレームを受信すると、同期鮮度が小さい方の値（比較決定値）に戻される。例えば、無線ノード２が他の無線ノード２とすれ違い通信を行うと、同期鮮度が小さい方の値にあわせられる。これにより、システムに同期してからの経過時間が、同期鮮度に適切に反映される。

以上、本発明の実施の形態を例示により説明したが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではなく、請求項に記載された範囲内において目的に応じて変更・変形することが可能である。

以上のように、本発明にかかる無線ノードシステムは、システムに同期していない無線ノードをシステムに同期させる際の電力消費を低減することができ、通信障害の発生を抑えることができるという効果を有し、交換するデータの小さい電子タグシステム等として有用である。

本実施の形態における無線ノードの構成を示すブロック図 本実施の形態における無線ノードシステムを説明するための概念図 本実施の形態における送信単位の説明図 本実施の形態におけるフレームフォーマットの説明図 本実施の形態における同期広告フレームの送受信を説明するための図 本実施の形態における同期広告フレームの送信処理のフロー図 本実施の形態における同期判断処理のフロー図 本実施の形態における同期鮮度の更新処理のフロー図

符号の説明

１ 無線ノードシステム
２ 無線ノード
４ ゲートウェイ
５ フレーム送受信部
６ 送信制御部
７ 同期判定部
８ 同期鮮度メモリ
９ 更新制御部
１０ 同期処理部
１１ 交差履歴メモリ
１２ ＩＤ広告送信部
１３ 同期広告送信部

Claims (24)

1. 複数の無線ノードで構成され、システムに同期している無線ノード間で相互に情報交換が可能な無線ノードシステムにおいて、
   無線通信の通信単位を構成するスーパーフレームには、アクティブ期間とスリープ期間とが含まれており、
   前記無線ノードは、
   前記システムに同期していない他の無線ノードに対して、前記スリープ期間中に、前記システムと同期をとる同期タイミングの情報を含む同期広告フレームを送信する同期広告フレーム送信手段を備えたことを特徴とする無線ノードシステム。
2. 前記無線ノードは、
   前記システムに自分が同期しているか否かを判定する同期判定手段と、
   前記同期判定手段により、前記システムに同期していると判定された場合に前記同期広告フレームを送信し、前記システムに同期していないと判定された場合に前記同期広告フレームを送信しないように、前記同期広告フレームの送信制御を行う送信制御手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線ノードシステム。
3. 前記同期判定手段は、
   前記システムに同期している他の無線ノードとの所定の判定基準期間における無線通信の有無に応じて、前記システムに同期しているか否かを判定することを特徴とする請求項２に記載の無線ノードシステム。
4. 前記同期判定手段は、
   前記システムに同期してからの経過時間を示す同期鮮度に基づいて、前記システムに同期しているか否かを判定することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の無線ノードシステム。
5. 前記無線ノードは、
   前記同期鮮度を所定のタイミングで更新する更新制御手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載の無線ノードシステム。
6. 前記送信制御手段は、
   前記スリープ期間においてランダムに決定した送信タイミングで、前記同期広告フレームを送信するように、前記同期広告フレームの送信制御を行うことを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の無線ノードシステム。
7. 前記送信制御手段は、
   前記スリープ期間において、前記スーパーフレームに含まれるアクティブ期間に近いほど送信頻度が高くなるような送信頻度分布を有する送信タイミングで、前記同期広告フレームを送信するように、前記同期広告フレームの送信制御を行うことを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれかに記載の無線ノードシステム。
8. 前記更新制御手段は、
   前記同期鮮度を、前記システムに同期してからの経過時間に応じて増加させ、前記無線ノードが受信した受信フレームに基づいて所定の基準値に戻すように、前記同期鮮度の更新を行うことを特徴とする請求項５に記載の無線ノードシステム。
9. 前記更新制御手段は、前記スーパーフレームに含まれるアクティブ期間に前記同期鮮度の更新を行うことを特徴とする請求項８に記載の無線ノードシステム。
10. 前記受信フレームは、前記アクティブ期間において、前記システムの同期タイミングの基準を提供する同期基準装置から送信された同期基準フレームであり、
    前記基準値は、前記同期鮮度の初期値として設定された最小基準値であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の無線ノードシステム。
11. 前記受信フレームは、前記アクティブ期間において、他の無線ノードから送信され前記他の無線ノードの同期鮮度の情報を含むＩＤ広告フレームであり、
    前記基準値は、前記他の無線ノードの同期鮮度と自ノードの同期鮮度とを比較して小さいと判定された同期鮮度である比較決定値であることを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載の無線ノードシステム。
12. 複数の無線ノードで構成され、システムに同期している無線ノード間で相互に情報交換が可能な無線ノードシステムで用いられる無線ノードであって、
    無線通信の通信単位を構成するスーパーフレームには、アクティブ期間とスリープ期間とが含まれており、
    前記システムに同期していない他の無線ノードに対して、前記スリープ期間中に、前記システムと同期をとる同期タイミングの情報を含む同期広告フレームを送信する同期広告フレーム送信手段を備えたことを特徴とする無線ノード。
13. 前記システムに自分が同期しているか否かを判定する同期判定手段と、
    前記同期判定手段により、前記システムに同期していると判定された場合に前記同期広告フレームを送信し、前記システムに同期していないと判定された場合に前記同期広告フレームを送信しないように、前記同期広告フレームの送信制御を行う送信制御手段と、
    を備えたことを特徴とする請求項１２に記載の無線ノード。
14. 前記同期判定手段は、
    前記システムに同期している他の無線ノードとの所定の判定基準期間における無線通信の有無に応じて、前記システムに同期しているか否かを判定することを特徴とする請求項１３に記載の無線ノード。
15. 前記同期判定手段は、
    前記システムに同期してからの経過時間を示す同期鮮度に基づいて、前記システムに同期しているか否かを判定することを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の無線ノード。
16. 前記同期鮮度を所定のタイミングで更新する更新制御手段を備えたことを特徴とする請求項１５に記載の無線ノード。
17. 前記送信制御手段は、
    前記スリープ期間においてランダムに決定した送信タイミングで、前記同期広告フレームを送信するように、前記同期広告フレームの送信制御を行うことを特徴とする請求項１３ないし請求項１６のいずれかに記載の無線ノード。
18. 前記送信制御手段は、
    前記スリープ期間において、前記スーパーフレームに含まれるアクティブ期間に近いほど送信頻度が高くなるような送信頻度分布を有する送信タイミングで、前記同期広告フレームを送信するように、前記同期広告フレームの送信制御を行うことを特徴とする請求項１３ないし請求項１７のいずれかに記載の無線ノード。
19. 前記更新制御手段は、
    前記同期鮮度を、前記システムに同期してからの経過時間に応じて増加させ、前記無線ノードが受信した受信フレームに基づいて所定の基準値に戻すように、前記同期鮮度の更新を行うことを特徴とする請求項１６に記載の無線ノード。
20. 前記更新制御手段は、前記スーパーフレームに含まれるアクティブ期間に前記同期鮮度の更新を行うことを特徴とする請求項１９に記載の無線ノード。
21. 前記受信フレームは、前記アクティブ期間において、前記システムの同期タイミングの基準を提供する同期基準装置から送信された同期基準フレームであり、
    前記基準値は、前記同期鮮度の初期値として設定された最小基準値であることを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の無線ノード。
22. 前記受信フレームは、前記アクティブ期間において、他の無線ノードから送信され前記他の無線ノードの同期鮮度の情報を含むＩＤ広告フレームであり、
    前記基準値は、前記他の無線ノードの同期鮮度と自ノードの同期鮮度とを比較して小さいと判定された同期鮮度である比較決定値であることを特徴とする請求項１９ないし請求項２１のいずれかに記載の無線ノード。
23. 複数の無線ノードで構成され、システムに同期している無線ノード間で相互に情報交換が可能な無線ノードシステムにおいて用いられる無線ノード同期方法であって、
    無線通信の通信単位を構成するスーパーフレームには、アクティブ期間とスリープ期間とが含まれており、
    一の無線ノードが、前記システムに同期していない他の無線ノードに対して、前記スリープ期間中に、前記システムと同期をとる同期タイミングの情報を含む同期広告フレームを送信することと、
    を含むことを特徴とする無線ノード同期方法。
24. 前記一の無線ノードが前記システムに同期しているか否かを判定することと、
    前記システムに同期していると判定された場合には、前記一の無線ノードが前記同期広告フレームを送信し、前記システムに同期していないと判定された場合には、前記一の無線ノードが前記同期広告フレームを送信しないように、前記同期広告フレームの送信制御を行うことと、
    を含むことを特徴とする請求項２３に記載の無線ノード同期方法。