【コラム】

セカンド・オピニオン

164 バスのアーキテクチャ - 過去から未来へ(125)

 

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フィールドバスの色々(その26)ZigBee(その7)

さて、MAC層の提供するものについてもう少し説明したい。前回も触れたとおり、IEEE802.15.4ではCSMA/CDを転送方式として利用する。要するに一定時間の間チャネルを監視し、通信がなされていなければ(ランダムの待機時間後)通信を始めるという方法だ。ランダム、というのは複数のノードが同時にチャネル監視を行い、その後同時に送信を始めることを防ぐための対処で、これにより延々と送信失敗→再送信を繰り返すことを避けられる。

ただCSMA/CDの場合、Hidden Node問題が残されている。図1に示すように、Node A~Cがあり、AとBはお互いに十分離れている(1hopの距離以上ある)とする。IEEE802.15.4の場合、ここでNode AとBが同時に送信を開始しても、その事自体は問題がない。ただ、ここでNode AとBの両方から1hop以内の距離にあるNode Cにとっては、Node A/Bから同時に通信がくることになってしまい、ここで通信の衝突が発生する。この、Node AとBがお互いを認識できないでいる状況をHidden Nodeと呼ぶ。

図1

これを解決すべくIEEE802.15.4で実装されたのがSuperframeと呼ばれる方法である。まずIEEE802.15.4では、1回の通信単位(前回出てきたフレーム構造である)を一定の時間に定めると共に、このフレームを複数個まとめたSuperframeと呼ばれる構造を定めた。このSuperframeは

  • Beacon : Superframeの先頭1フレームは、IEEE802.15.4(というか、ZigBee)のコーディネータノードのみが出力できる、ネットワーク同期のためのフレームである。コーディネータは一定期間毎にこれを出力してノード間の同期を取ったり、さまざまな構成情報(その中にはSuperframeのを通知したりといったことを行う。このSuperframeのみ、CSMA/CDに従わずにいきなり送信が行われる。
  • CAP(Contention Access Period) : 日本語にすれば「競争アクセス期間」というあたりか。要するにこのCAPの間は、各ノードはCSMA/CDに従い、自由に通信を行う事ができる。ただ当然ながら競合があった場合はCAP期間中に送信しきれない(その場合、次のSuperFrameのCAP期間に持ち越しになる)ため、送信完了までの時間が保証されないというデメリットはある。
  • CFP(Contention Free Period):日本語ではさしずめ「無競争期間」。こちらは特定のノードに対してフレームが保証されており、逆にいえば勝手に利用できないフレームとなる。ちなみにここを利用するためには、コーディネータに対してリクエストを出さなければならない。このCFPのフレーム内に、さらにGTS(Guaranteed Time Slot)と呼ばれるものが作られる場合もある。こちらは名前のとおり帯域が保証されたタイムスロットで、コーディネータから指定されたノードのみが利用できるという仕組みだ。

さてこのSuperframeの実際の長さであるが、これがちょっとややこしい。まず基本スーパーフレーム幅というものがあり、これは16スロット(つまり図2の構成)である。で、実際のスーパーフレームの長さは

  • 基本スーパーフレーム長×2^SO (0≦SO≦14)

と定められている。SOというのはSuperframe Orderの略で、最小だとSO=0で16スロット、最大は16×2^14=262144スロットもの長さになる。1スロットの長さはおおよそ15.36msecと定められており、ここから計算するとSuperframeは15.36msec~約252secまでの範囲で柔軟に確保できるようになっている。さらにいえば、これに加えて不活性期間、つまり通信を行わない期間を別に設けることも可能だ。IEEE802.15.4ではSuperFrame Durationとは別にBO(Beacon Order)と呼ばれる期間があり、これがSuperframe Orderを上回っていると図3の様に無通信時間が生じることになる。活発なネットワークならばともかく、たとえば室温を毎秒数回もサンプリングしたところとであまり意味はないわけで、こうしたケースでは待機時間を長く取ることで省電力性を確保できるという訳だ。

図2

図3

ところでこの図2とか図3、どこかで見たことがあると思ったら、ここに出てきたこれに非常によく似ている。通信周期を定めた上で、その中を自由利用できる期間とスケジュールされる期間にわけるという方式で、さらに無通信時間があるあたりまで同じである。目的も割と似ており、Field Busとしては案外Typicalな方法論なのかもしれない。

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インデックス

連載目次
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第420回 MCUで遊ぼう Part2 (11)
第419回 MCUで遊ぼう Part2 (10)
第418回 MCUで遊ぼう Part2 (9)
第417回 MCUで遊ぼう Part2 (8)
第416回 MCUで遊ぼう Part2 (7)
第415回 MCUで遊ぼう Part2 (6)
第414回 MCUで遊ぼう Part2 (5)
第413回 MCUで遊ぼう Part2 (4)
第412回 MCUで遊ぼう Part2 (3)
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