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CN106134244B - 无线通信方法 - Google Patents

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CN106134244B
CN106134244B CN201580016007.5A CN201580016007A CN106134244B CN 106134244 B CN106134244 B CN 106134244B CN 201580016007 A CN201580016007 A CN 201580016007A CN 106134244 B CN106134244 B CN 106134244B
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China
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meter
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儿岛史秀
原田博司
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National Research Institute For Research In Human Communication
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Abstract

提供一种无线通信方法，能够消除多个数据冲突造成的拥塞效应。该无线通信方法是从下位终端向上位终端进行数据中继的无线通信方法，具有如下步骤：确定下位终端针对上位终端能够连接的数量；根据所确定的能够连接的数量进行下位终端与上位终端的连接；从所连接的下位终端对上位终端发送第1数据；上位终端接收从下位终端发送的第1数据；将上位终端所接收的第1数据与上位终端应该发送的第2数据结合而生成结合数据；以及上位终端向更上位终端发送结合数据。

Description

无线通信方法
技术领域
本发明涉及在包含多个无线终端的无线通信系统中，能够消除多个数据冲突造成的拥塞效应的无线通信方法。
背景技术
近年来，在无线网络中使用体积小低价且能够进行低输出的数字无线通信的、基于IEEE802.15.4标准的通信设备。
在基于IEEE802.15.4标准的网络中，采用由作为收集控制站的CS(Collectionstation)和1个以上的节点构成的树型的拓扑结构。
在树型拓扑结构中，下位节点朝向上位节点或CS根据需要将数据结合起来并且对数据进行中继。
在这样的数据中继中，在进行数据中继的节点中集中了多个数据，有时在数据间发生冲突而降低数据收集的成功率。
为了消除这样的问题，通过将所中继的多个数据结合起来并减少发送次数来降低冲突频度(参照非专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1:児島他、A Study on IEEE 802.15.4e Compliant Low-PowerMulti-Hop SUN with Frame Aggregation,Proc.ICC2013,2013年6月
发明内容
发明要解决的课题
通过上述的数据结合，虽然消除发送时的闭塞，但在所结合的数据从多个节点向相同的节点或CS中继的情况下，有时存在结合的数据彼此间发生冲突而依然发生拥塞效应的问题。
因此，本发明就是鉴于上述的问题点而完成的，其目的在于提供一种无线通信方法，该无线通信方法除了在作为发送侧的下位终端之外在作为接收侧的上位终端中也抑制数据彼此的冲突，能够有效地防止发生拥塞效应。
用于解决课题的手段
第1发明的无线通信方法是以收集控制站为根的树型的网络中的无线通信方法，其特征在于，具有如下步骤：对包含所述收集控制站在内的1个以上的上位终端分别确定能够关联的下位终端的最大数即最大关联数；对1个以上的所述上位终端分别确定用于与所述下位终端进行数据的发送接收的通信信道；根据所述最大关联数对所述上位终端分别关联1个以上的所述下位终端；与所述上位终端关联的1个以上的所述下位终端分别生成1个以上的数据，且使用所述通信信道向所述上位终端进行发送；以及所述上位终端接收从1个以上的所述下位终端发送的数据，并且在存在比所述上位终端更上位的终端的情况下，具有如下的步骤：在所述上位终端生成了数据的情况下，将所述上位终端生成的数据与从所述下位终端接收到的1个以上的数据结合起来，在所述上位终端没有生成数据的情况下，将从所述下位终端接收到的1个以上的数据结合起来；所述上位终端使用所述通信信道向所述更上位的终端发送包含结合后的所述数据在内的1个以上的数据；以及所述更上位的终端接收从所述上位终端发送的数据。
第2发明的无线通信方法，其特征在于，在第1发明中，所述上位终端与所述下位终端的关联如下进行：从希望关联的所述下位终端向所述上位终端通知关联希望，所述上位终端按照接收到所述关联希望的顺序批准所述下位终端，使得处于所述最大关联数以下。
第3发明的无线通信方法，其特征在于，在第1发明中，所述上位终端与所述下位终端的关联如下进行：从希望关联的所述下位终端向所述上位终端通知关联希望，所述上位终端按照所述关联希望的发送功率的顺序批准所述下位终端，使得处于所述最大关联数以下。
第4发明的无线通信方法，其特征在于，在第1至第3发明的任意一个中，所述上位终端与所述下位终端的关联如下进行：从所述上位终端向所述下位终端定期地通知所述最大关联数与当前正在关联的所述下位终端的数量之间的差即当前能够关联的所述下位终端的数量，在当前能够关联的数量是1以上的情况下，接收到所述通知的所述下位终端向所述上位终端发送关联希望。
第5发明的无线通信方法，其特征在于，在第1至第4发明的任意一个中，所述最大关联数的确定通过预先在所述上位终端侧设定所述最大关联数来进行的。
第6发明的无线通信方法，其特征在于，在第1至第4发明的任意一个中，所述最大关联数的确定是通过如下方式来进行的：所述下位的无线通信终端向所述上位终端通知所述第1数据的容量，所述上位终端以使所通知的所述第1数据的容量总和为规定阈值以下的方式确定所述最大关联数。
发明效果
根据上述的结构构成的本发明，除了作为发送侧的下位终端之外在作为接收侧的上位终端中也抑制数据彼此的冲突，并能够有效地防止发生拥塞效应。
附图说明
图1是示出应用本发明的无线通信系统的例子的示意图。
图2是示出构筑实施方式的数据发送接收方法中的网络拓扑结构的情况的时序图。
图3是示出实施方式的数据发送接收方法中的数据中继的情况的图。
图4是示出在实施方式的无线通信系统中数据结合的情况的示意图。
图5是示出对实施方式的无线通信系统执行本发明的无线通信方法的情况进行说明的示意图，(a)是示出各仪表直接中继数据的情况的示意图，(b)是示出上位的仪表结合数据进行中继的情况的示意图，(c)是示出限制能够与上位的仪表关联的下位的仪表的数量并且结合数据进行中继的情况的示意图。
具体实施方式
以下对作为本发明的实施方式的无线通信方法进行详细地说明。
图1是示出应用本发明的无线通信系统1的例子的示意图。
无线通信系统1中，作为无线通信终端，由收集控制站CS(Collection Station)和仪表M1、仪表M2、仪表M3以及仪表M4的4个仪表构成。
收集控制站CS是最上位的主设备，仪表M1和M2是针对收集控制站CS的从设备，仪表M3和仪表M4是针对仪表M1的从设备。
在此，关于基于IEEE802.15.4标准的网络，大致区分为由FFD(Full FunctionDevice：全功能设备)和RFD(Reduced Function Device：简化功能设备)2种设备构成。
FFD相当于本实施方式的收集控制站CS和仪表M1，该FFD是具有对要加入自身所属的个人局域网(PAN)的新设备向PAN的加入批准功能、以及在与其它的设备的通信中所使用的超帧或通信信道(频率和时间)的定义功能的全功能装配型设备。
将这样的FFD中的在各网络中存在1个、还具有确定网络整体的ID的功能的设备称为“PAN协调器”，在本实施方式中，收集控制站CS相当于该“PAN协调器”。
另一方面，RFD是不具有FFD所具有的上述加入批准功能和超帧的定义功能的设备，除了不具有这些功能以外，是具有与FFD相同功能的功能限制型设备。在本实施方式中，仪表M2、M3以及M4相当于该功能限制型设备。
接着，对该无线通信系统1中的网络拓扑结构的构筑进行说明。图2是示出构筑实施方式的数据发送接收方法中的网络拓扑结构的情况的时序图。
首先，接通收集控制站CS的电源，收集控制站CS通过进行主动扫描而开始(步骤S1)。
接着，收集控制站CS定义PANID和自身的超帧，并启动PAN(步骤S2)。
接着，接通仪表M1的电源，进行仪表M1的主动扫描(步骤S3)。
在仪表M1的主动扫描中，首先，仪表M1广播扫描请求(步骤S4)。
然后，作为处于能够接收从仪表M1广播的扫描请求的范围内的FFD的收集控制站CS向仪表M1单播针对所接收的扫描请求的应答(扫描应答)(步骤S5)。
在该扫描应答中包含关于当前能够关联的仪表的数量的信息，该信息是对收集控制站CS能够关联的仪表的最大数量即最大关联数与当前正在关联的仪表的数量之差。最大关联数预先设定于收集控制站CS中。
接着，通过仪表M1接收该扫描应答，仪表M1发现收集控制站CS。然后，在当前能够与收集控制站CS关联的仪表的数量不是0的情况下，识别出收集控制站CS是有可能成为针对本机的主设备的设备，仪表M1的主动扫描结束。
接着，仪表M1开始向收集控制站CS的PAN进行关联(步骤S6)。
在仪表M1的关联中，首先，仪表M1对能够成为主设备的收集控制站CS单播关联请求(步骤S7)。
接着，接收了来自仪表M1的关联请求的收集控制站CS比较预先设定于自身的最大关联数与当前正在连接的仪表的数量，并计算当前能够关联的仪表的数量。
在当前能够关联的仪表的数量是1以上的情况下，收集控制站CS向仪表M1单播关联应答(步骤S8)。在当前能够关联的仪表的数量是0的情况下，不发送关联应答。
在发送了关联应答的情况下，通过仪表M1接收该关联应答，从而完成将收集控制站CS作为主设备的仪表M1向PAN的关联。
这样，收集控制站CS与仪表M1之间完成关联，由此能够在两者间进行数据的发送接收(步骤S9)。
接着，接通仪表M2的电源，进行仪表M2的主动扫描(步骤S11)。
在仪表M2的主动扫描中，首先，仪表M2广播扫描请求(步骤S12)。
然后，当作为处于能够接收从仪表M2广播的扫描请求的范围的FFD的收集控制站CS和仪表M1接收到扫描请求时，向仪表M2单播扫描应答(步骤S13)。
该扫描应答中也包含关于收集控制站CS或者仪表M1的最大关联数与当前正在关联的仪表的数量之差即当前能够关联的仪表的数量的信息。关于仪表M1也预先设定有最大关联数。
在仪表M2接收该扫描应答并且当前能够与收集控制站CS和仪表M1关联的仪表的数量不是0的情况下，仪表M2发现收集控制站CS和仪表M1作为能够成为主设备的设备。
在能够成为主设备的设备存在多个的情况下，设备基于规定的基准识别成为主设备的优先级高的设备。在本实施方式中，仪表M2基于规定的基准识别能够成为主设备的2个仪表中的收集控制站CS是更高优先级的设备。这样，结束仪表M2的主动扫描。
该优先级根据到收集控制站CS的距离、来自发出了扫描请求的设备的距离、或者发送了扫描应答的顺序等规定的基准来确定。在本实施方式中，根据到收集控制站CS的距离确定来优先级，收集控制站CS自身成为最高优先级的设备。这样，通过根据规定的基准来确定优先级，从而能够迅速进行PAN的构筑。
接着，仪表M2开始向收集控制站CS的PAN进行关联。
在仪表M2的关联中，首先，仪表M2向作为上述优先级较高的设备的收集控制站CS单播关联请求(步骤S15)。
接着，接收了来自仪表M2的关联请求的收集控制站CS比较预先设定于自身的最大关联数与当前正在连接的仪表的数量。
然后，在当前能够关联的仪表的数量是1以上的情况下，收集控制站CS向仪表M2单播关联应答(步骤S16)。在当前能够关联的仪表的数量是0的情况下，不发送关联应答。
在发送了关联应答的情况下，通过仪表M2接收该关联应答，从而完成将收集控制站CS作为主设备的仪表M2的向PAN的关联。
这样，通过在收集控制站CS与仪表M2之间完成关联，从而能够在两者间进行数据的发送接收(步骤S17)。
接着，分别接通仪表M3的电源，进行仪表M3的主动扫描(步骤S21)。
在仪表M3的主动扫描中，首先，仪表M3广播扫描请求(步骤S22)。
然后，当处于能够接收从仪表M3广播的扫描请求的范围内的仪表M1接收扫描请求时，向仪表M3单播扫描应答(步骤S23)。
在该扫描应答中也包含关于对仪表M1能够关联的仪表的最大数即最大关联数与当前正在关联的仪表的数量之差即当前能够关联的仪表的数量的信息。
然后，在仪表M3接收该扫描应答并且当前能够与仪表M1关联的仪表的数量不是0的情况下，仪表M3发现作为能够成为主设备的设备的仪表M1，并结束仪表M3的主动扫描。
接着，仪表M3开始向收集控制站CS的PAN进行关联。
在仪表M3的关联中，首先，仪表M3向能够作为主设备的仪表M1单播关联请求(步骤S25)。
接着，接收了来自仪表M3的关联请求的仪表M1比较预先设定于自身的最大关联数与当前正在连接的仪表的数量。
然后，在当前能够关联的仪表的数量是1以上的情况下，仪表M1向仪表M3单播关联应答(步骤S26)。在当前能够关联的仪表的数量是0的情况下，不发送关联应答。
在发送了关联应答的情况下，通过仪表M3接收该关联应答，从而完成将仪表M1作为主设备的仪表M3向PAN的关联。
这样，通过在仪表M1与仪表M3之间分别完成关联，从而能够进行两者间的数据的发送接收。仪表M1与仪表M4的关联也与仪表M1与仪表M3的关联同样地进行。
在上述的本实施方式中，作为上位终端的协调器按照先到顺序即从作为先发送了关联请求的下位终端的仪表开始依次进行连接直到达到最大关联数为止。
接着，对本实施方式的数据发送接收方法中的数据中继的例子进行说明。图3是示出本实施方式的数据发送接收方法中的数据中继的情况的图。
如图3所示，在本实施方式的数据发送接收方法中，作为主设备的收集控制站CS与作为针对该主设备的从设备的仪表M1或者M2之间的数据的发送接收，除了由收集控制站CS规定的超帧之外，也按照在该超帧中规定的通信信道(频率、时间)来进行。
另外，作为主设备的仪表M1与作为针对该仪表M1的从设备的仪表M3或者M4之间的数据的发送接收，除了由仪表M1规定的超帧之外，也按照在该超帧中规定的通信信道(频率、时间)来进行。
在上述的收集控制站CS与仪表M1或者M2之间的数据的发送接收、以及仪表M1与作为从设备的仪表M3或者M4之间的数据的发送接收中，激活期间被定义为超帧长度(Superframe Duration、SD)，该激活期间由竞争接入期间(Contention Access Period、CAP)和无竞争接入期间(Contention Free Access Period、CFP)构成。
CAP是在主设备与能够进行通信的所有的从设备之间允许信息的发送接收的期间。
另一方面，CFP是仅对主设备分配的唯一的从设备允许信息的发送接收的期间。在CFP内，各从设备仅在作为分配给自身的时隙的GTS(Guaranteed Time Slot)内能够进行向主设备的信息的发送接收。
设备间的数据帧的发送接收仅在所有上述的CAP或者CFP内进行。
在本实施方式的数据发送接收方法中，数据帧的发送接收在CAP内开始，另一方面，不需要在CAP内完成，在数据帧的发送接收未在CAP内完成的情况下，CAP结束后也继续进行数据的发送接收直到其完成为止。
由此，能够使CAP比以往的数据发送接收方法短，能够使激活期间变短，相应地，使去激活期间即设备为休眠模式的期间变长，因此能够有效地抑制设备的功耗。
另外，仅在基于信标间隔的主/从之间的同步建立时从主设备发送信标信号，当同步建立后，停止信标信号的发送。
因此，能够有效地抑制同步建立后的由不需要的信标信号的发送接收造成的功耗。
此外，信标信号的发送在未保证同步的情况下等，也可以根据需要而再次开始。
接着，对在上述的无线通信系统1中进行的数据的结合进行说明。图4是示出在本实施方式的无线通信系统1中数据结合的情况的示意图。
为了容易理解地说明数据结合的情况，图4所示的无线通信系统1与图1所示的无线通信系统1不同，由收集控制站CS和仪表M1～M10这10个仪表构成。仪表M1～M10分别发送的自身的生成的数据表示为与仪表M1～M10相同的号码即数据1～10。
在本实施方式的数据发送接收方法中，在上述的第1实施方式的数据发送接收方法中，每当数据从最下位的仪表朝向收集控制站CS依次被中继而收集时，都重新制作同步部和头部，并且在这些数据中结合来自各仪表的有效载荷。
由此，能够削减同步部或头部等的冗余部，能够削减数据发送接收所需要的时间。
另外，通过削减数据发送接收所需要的时间，关于CAP结束后进行数据发送接收的设备也能够更早地成为休眠模式，能够抑制功耗。
接着，对上述的无线通信系统1执行本发明的无线通信方法的情况进行说明。
图5是示出对本实施方式的无线通信系统1执行本发明的无线通信方法的情况进行说明的示意图，(a)是示出各仪表直接中继数据的情况的示意图，(b)是示出上位仪表结合数据而进行中继的情况的示意图，(c)是示出限制能够与上位仪表关联的下位仪表的数量并且结合数据进行中继的情况的示意图。
在图5(a)所示的状态下，同时刻向收集控制站CS发送多个数据1、2、3、4、5、6、7。这些数据相互冲突，产生拥塞效应。
另外，在图5(b)所示的状态下，在上位仪表中将从下位仪表发送的数据进行结合，从而减少数据的发送数量，但在收集控制站CS的接收时还是会发生拥塞效应。
因此，在本发明中，如图5(c)所示那样，进行将下位仪表向作为协调器的收集控制站CS或上位的仪表的最大关联数限制为规定数以下的控制。在图5(c)的例子中，设定最大关联数为2。
因此，能够与收集控制站CS连接的仪表仅是2个，在图5(c)中，连接有2个仪表M1、M2。
另外，作为协调器且连接多个仪表的仪表中的与仪表M1连接的仅是1个仪表M4，与仪表M2连接的仅是2个仪表M3、M5，与仪表M4连接的仅是2个仪表M6、M7。
而且，如图5(c)所示，从下位仪表发送的数据在上位协调器中结合。由此，也能够削减上位仪表同时接收的数据的数量。
这样，通过上位协调器将从下位仪表发送来的数据结合起来进行中继并且限制能够与协调器连接的下位仪表的数量，从而除了作为发送侧的下位终端之外也在作为接收侧的上位终端中抑制数据彼此的冲突，能够有效地防止拥塞效应的发生。
此外，在上述实施方式中，从发送了关联请求的仪表开始按顺序进行协调器与下位仪表的连接。
但是，在本发明中不限于此，也可以按照关联请求的发送功率顺序进行连接直到达到能够关联的数量为止。
另外，在上述的实施方式中，在作为上位终端的协调器侧预先设定最大关联数。
但是，在本发明中也不限于此，最大关联数的确定也可以通过下位仪表向上位协调器通知从自身发送的数据的容量，协调器从各下位的仪表通知的数据的容量的总和达到规定的阈值以下的方式来确定最大关联数。
另外，在上述的无线通信系统1中，在进行中继的各仪表在本机中未生成数据的情况下，也可以成为如下方式：进行从下位仪表接收到的1个以上的数据的结合，并将该结合的数据发送给更上位的仪表。另外，各仪表每次生成并发送的数据的数量不限于1个，也可以是2个以上。
标号说明
1：无线通信系统；CS：收集控制站；M1、M2、M3、M4：仪表；M5、M6、M7、M8：仪表。

Claims (5)

1.一种以收集控制站为根的树型的网络中的无线通信方法，其特征在于，该无线通信方法具有如下步骤：
对包含所述收集控制站在内的1个以上的上位终端分别确定能够关联的下位终端的最大数即最大关联数；
对1个以上的所述上位终端分别确定用于与所述下位终端进行数据的发送接收的通信信道；
根据所述最大关联数对所述上位终端分别关联1个以上的所述下位终端；
与所述上位终端关联的1个以上的所述下位终端分别生成1个以上的数据，且使用所述通信信道向所述上位终端进行发送；以及
所述上位终端接收从1个以上的所述下位终端发送的数据，并且
在存在比所述上位终端更上位的终端的情况下，具有如下的步骤：
在所述上位终端生成了数据的情况下，将所述上位终端生成的数据与从所述下位终端接收到的1个以上的数据结合起来，在所述上位终端没有生成数据的情况下，将从所述下位终端接收的1个以上的数据结合起来；
所述上位终端使用所述通信信道向所述更上位的终端发送包含结合后的所述数据在内的1个以上的数据；以及
所述更上位的终端接收从所述上位终端发送的数据，
所述上位终端与所述下位终端的关联如下进行：从所述上位终端向所述下位终端定期地通知所述最大关联数与当前关联的所述下位终端的数量之间的差即当前能够关联的所述下位终端的数量，在当前能够关联的数量是1以上的情况下，接收到所述通知的所述下位终端向所述上位终端发送关联希望。
2.根据权利要求1所述的无线通信方法，其特征在于，
所述上位终端与所述下位终端的关联如下进行：从希望关联的所述下位终端向所述上位终端通知关联希望，所述上位终端按照接收到所述关联希望的顺序批准所述下位终端，使得处于所述最大关联数以下。
3.根据权利要求1所述的无线通信方法，其特征在于，
所述上位终端与所述下位终端的关联如下进行：从希望关联的所述下位终端向所述上位终端通知关联希望，所述上位终端按照所述关联希望的发送功率的顺序批准所述下位终端，使得处于所述最大关联数以下。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的无线通信方法，其特征在于，
所述最大关联数的确定是通过预先在所述上位终端侧设定所述最大关联数来进行的。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的无线通信方法，其特征在于，
所述最大关联数的确定是通过如下方式来进行的：所述下位的无线通信终端向所述上位终端通知第1数据的容量，所述上位终端以使所通知的所述第1数据的容量总和为规定阈值以下的方式确定所述最大关联数。
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