JP5430481B2 - ゲートウエイおよび端末 - Google Patents

Description

本発明は、マルチホップ無線アドホックネットワーク、通信システム、情報収集・設定装置、情報端末および経路探索方法に関する。

情報収集や制御機器の操作のため、マルチホップ無線アドホックネットワークが注目されている。マルチホップ通信では、送信先との距離が長い、見通しがない、など直接通信ができない場合に、中間に存在する他のノードを中継して通信を行うことにより、広いエリアをカバーすることができる。マルチホップ通信のノードを実現するためには、無線通信技術やアドレス割当技術などの要素技術とともに、中継機能を実現するための経路制御技術が必要である。

また、経路制御プロトコルの多くは、ＩＥＴＦ（Internet Engineering TaskForce）のＭＡＮＥＴ（Mobile Adhoc Network）ワーキンググループで考案、策定が進められている。ＭＡＮＥＴの経路制御プロトコルは、経路情報の生成タイミングの観点から、大きくプロアクティブ型とリアクティブ型に分類される。プロアクティブ型は周期的な制御メッセージの交換により各ノードが経路情報を常に保持する方式である。リアクティブ型は、通信要求が生じた時だけに経路情報を取得するので、オーバーヘッドが比較的少ない方式である。

リアクティブ型の従来の代表的な経路探索プロトコルとしては、たとえば、オンデマンド型ルーティングプロトコルがある（非特許文献１参照）。

また、端末の消費電力削減を実現するためには、スリープモードの適用が考えられる。たとえば、マルチホップでない無線ネットワークでは、端末は自分宛／発の信号のみを考慮すればよいので比較的自由にスリープモードの導入が可能である。一方、マルチホップ無線アドホックネットワークでは、中継ノードとなった端末は、自分宛／発の信号以外の信号も中継する必要があるため、ネットワーク動作を考慮したスリープモードへの移行が必要となる。

ＩＥＴＦ ＲＦＣ３５６１ "Ａｄ Ｈｏｃ Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ（ＡＯＤＶ） Ｒｏｕｔｉｎｇ" "A survey of geocast routing protocols"， Communications Surveys & Tutorials， IEEE， vol.6， no.2， pp.32-42， Second Quarter 2004 "Efficient forwarding of symbolically addressed geocast messages" Computer Communications and Networks， 2005. ICCCN 2005. Proceedings. 14th International Conference on， vol.， no.， pp. 77- 83， 17-19 Oct. 2005 IETF（0Internet Engineering Task Force） RFC3561 「Ad hoc On−Demand Distance Vector （AODV） Routing」 http://www.ietf.org/よりRFC3561を検索、または、http://datatracker.ietf.org/doc/rfc3561/

従来のマルチホップ無線アドホックネットワークでは、中継ノードとなった端末は、自分宛／発の信号以外の信号も中継する必要があるが、ネットワーク動作を考慮したスリープモードへの移行処理が実現できていない、という問題があった。

また、消費電力を下げるためにはスリープ時間を長くする必要があるが、従来のマルチホップ無線アドホックネットワークでは、経路維持、構築などのネットワーク制御信号が多い、スリープ時間を長く取ることができない、等の問題があった。

また、ＣＳＭＡを適用した無線ネットワークでは、端末数が多くなると、無線信号の衝突が増加し、衝突により届かなかった信号の再送が多くなるため、スリープ時間を長く取ることができない、という問題があった。

一方、スリープモードでは、スリープ時間は通信ができず、システムスループットを削減して低消費電力化を実現するため、大容量ファイル転送などの高速通信が必要となった場合には低消費電力化を実現できない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、効率的なスリープモードを実現することにより低消費電力化を実現可能なマルチホップ無線アドホックネットワークを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ゲートウエイを親局とし、ツリー構造の無線ネットワークを構成するマルチホップ無線アドホックネットワークにおいて、ネットワーク内のすべての端末をゲートウエイへの経路の隣接端末に同期させ、全体がゲートウエイに同期したネットワークを構成し、全端末とゲートウエイが起動周期、起動位相、起動期間を合わせて起動とスリープの切り替え動作を行い、起動期間中は同期誤差範囲内での起動区間でデータ転送を実施し、スリープ期間中は最小限の部分を動作させ、同期動作を維持するためにゲートウエイからツリー構造に応じて再同期を実施する、ことを特徴とする。

本発明によれば、効率的なスリープモードを実現することにより低消費電力化を実現可能なマルチホップ無線アドホックネットワークを得ることができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１のマルチホップ無線アドホックネットワークの構成を示す図である。 図２は、新規端末の参入動作を説明するための図である。 図３は、同期動作を説明するための図である。 図４は、別の同期動作を説明するための図である。 図５は、スリープ動作を説明するための図である。 図６は、定期再同期シーケンスの動作を説明するための図である。 図７は、連続モードと低消費電力モードの切り替え動作を説明するための図である。 図８は、従来の通信システムのシステム構成を示す図である。 図９は、従来の通信システムの課題を説明するための図である。 図１０は、実施の形態４の通信システムの構成を示す図である。 図１１は、補正の一例を示す図である。 図１２は、補正の一例を示す図である。 図１３は、中継端末１台がカバーする情報端末の台数を３台以下として、図１０の初期状態に基づき通信経路を確立した場合の、システム構成例を示す図である。 図１４は、実施の形態４の情報収集・設定装置の機能ブロックを示す図である。 図１５は、実施の形態４の情報端末の機能ブロックを示す図である。 図１６は、実施の形態５の通信システムの初期状態の構成を示す図である。 図１７は、実施の形態５の通信システムの構成を示す図である。 図１８は、実施の形態６の情報端末の機能ブロックを示す図である。 図１９は、従来のローカル経路修復の動作を説明するための図である。 図２０は、ローカル経路修復に失敗する場合の動作を説明するための図である。 図２１は、実施の形態８のローカル経路修復の動作を説明するための図である。 図２２は、図２１に対応する処理を示すフローチャートである。 図２３は、実施の形態９のローカル経路修復の動作を説明するための図である。 図２４は、図２３に対応する処理を示すフローチャートである。 図２５は、実施の形態１０のローカル経路修復の動作を説明するための図である。 図２６は、図２５に対応する処理を示すフローチャートである。

以下に、本発明にかかるマルチホップ無線アドホックネットワーク、通信システム、情報収集・設定装置、情報端末および経路探索方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１のマルチホップ無線アドホックネットワークの構成を示す図である。端末１〜１１は、分散配置され、それぞれが無線リンクで接続され、ゲートウエイ（以下、ＧＷ）１２と接続される。ＧＷ１２と直接無線接続できない端末は、他の端末の中継によりＧＷ１２と接続される。他のネットワークとの通信は、ＧＷ１２を介して行われる。

端末の低消費電力化を実現するためには、たとえば、端末にスリープモードを導入し、端末がデータを送受する時間のみ起動モードとし、それ以外の時間をスリープモードとし、スリープモードでの動作中は無線部の動作を停止させることが考えられる。しかしながら、マルチホップ無線アドホックネットワークにおいて、中継経路となった端末は、自局のデータ送受時間に加え、他の端末のデータを中継する時間も起動モードとして動作する必要がある。本実施の形態では、ＧＷ配下の全ての端末をＧＷの時間に同期させ、ＧＷと全端末が起動時間を合わせて起動時間内にデータの送受を行う。

図１において、マルチホップ無線アドホックネットワークの立ち上がり時、各端末は、周辺の端末およびＧＷ１２を探索し、ＧＷ１２への無線リンク数、無線信号強度等により最適な隣接端末を選択し接続する。このように動作することにより、自律的にＧＷ１２近くの端末からＧＷ１２に接続するリンクが形成され、順次外側へネットワークが拡大していく。

図２は、新規端末の参入動作を説明するための図である。新規端末の周辺端末探索では、周辺端末（参入済み端末）が低電力動作中（低消費電力モードで動作中）の場合、スリープ期間中のタイミングでは通信が不可能である。そのため、新規端末は、周辺端末を探索するための探索信号の送信（周辺端末探索）を短い周期で繰り返し実行する。周辺端末がスリープ状態（Ｓｌｅｅｐ）のときは探索信号が無視され、応答信号（周辺端末情報）が返信されず、周辺端末が起動状態（Ａｃｔｉｖｅ）となると、探索信号に対する応答信号が返信される。周辺端末は同期誤差範囲内で同時に起動モードとなっているため、ある端末から応答信号が返信された時刻から一定時間の受信信号を確認すれば、周辺端末の探索が完了する。新規端末は、周辺端末からの周辺端末情報（ＧＷへのホップ数、無線信号強度、等）に基づいて最適なＧＷ経路となる接続端末（またはＧＷ）に同期処理を実施する。

図３は、同期動作を説明するための図である。同期処理は、ＮＴＰ（Network Time Protocol）等で使用されている同期シーケンスを使用して実行される。たとえば、同期処理前は、タイムマスタ（例：ＧＷ１２）とスレーブ（例：端末１）は、独立の時計で動いている。この状態で、スレーブが、スレーブの送信時刻（Ｔ１）を設定した時刻同期要求信号を送出する。時刻同期要求信号を受信したタイムマスタは、時刻同期要求信号の受信時刻（Ｔ２）と時刻同期応答の送信時間（Ｔ３）を設定した時刻同期応答信号を返送する。時刻同期応答信号を受信したスレーブは、時刻同期応答信号の受信時刻（Ｔ４）を設定する。ここで、上り／下り伝送時間が等しいと仮定すると、伝送時間ｄは「ｄ＝（（Ｔ４−Ｔ１）−（Ｔ３−Ｔ２））／２」となり、タイムマスタとスレーブの時刻差Ｔoffsetは「Ｔoffset＝Ｔ４−Ｔ３−ｄ」となるので、スレーブは、Ｔoffset分だけ自局の時計を修正し、タイムマスタの時計に同期させる。なお、時刻同期要求信号、時刻同期応答信号は、遅延時間の測定に使用するため、無線ＭＡＣレイヤでの再送が発生すると誤差が大きくなる。そのため、これらの信号は、再送制御の発生しないマルチキャストパケットを使用して送信する。また、図２記載の周辺端末探索および周辺端末情報に、時刻同期の情報を載せて、周辺端末探索処理と同期処理とを同時に実行することとしてもよい。

また、図４は、別の同期動作を説明するための図である。ここでは、同期精度をさらに向上させることが可能な同期動作の例を示す。図３では、アドホックネットワークのレイヤの信号のみでの動作例を示したが、図４では、同期誤差を少なくするため、ＭＡＣレイヤの信号を活用した同期動作を示す。図４では、アドホックネットワークレイヤの時刻同期要求信号、時刻同期応答信号を無線ＭＡＣレイヤのユニキャスト信号で送信し、その応答として、無線ＭＡＣレイヤのＡｃｋ信号を受信し、上り下りの遅延時間がほぼ等しいことを前提に、通信遅延時間ｄ１を「ｄ１＝（Ｔ_c−Ｔ_a）／２」により求める。通信遅延時間ｄ１＋ｄ２は、「ｄ１＋ｄ２＝（Ｔ_e−Ｔ_a）−（Ｔ_d−Ｔ_b）」となり、通信遅延時間ｄ２を求めることができる。したがって、タイムマスタとスレーブの時刻差Ｔoffsetは、「Ｔoffset＝Ｔ_e−（Ｔ_d＋ｄ２）＝（Ｔ_a−２Ｔ_b＋Ｔ_c）／２」により求める。（図４において、スレーブの時刻Ｔ_a−Ｔ_cの中点と、タイムマスタの時刻Ｔ_bとの時刻差がオフセット量であることからも明らか。）

ここでは、スレーブが、Ｔoffset分だけ自局の時計を修正し、タイムマスタの時計に同期させる。ＭＡＣレイヤでの再送が発生した場合は、通信が完了したときの無線ＭＡＣ送信信号時間、Ａｃｋ受信時間を使用し、ｄ１、ｄ２を算出する。

図５は、スリープ動作を説明するための図である。ＧＷとの時計の同期が完了した新規端末は、あらかじめ設定されている起動周期（起動・スリープを３秒周期で繰り返す等）、起動位相（どのタイミングから起動・スリープ周期動作を始めるか）、起動期間（起動：スリープ＝１：５ 等）に従い、端末の起動・スリープ動作を開始する。複数の端末が同様の動作を実施しているが、それぞれの端末に同期誤差がある。端末は、起動時間（アクティブスロット）の始めと終わりにあらかじめ設定されている同期誤差に対する保護時間（図中ハッチング部：想定時刻誤差）以外の時間（図中の起動時間中の中央の白い部分：送信可能時間）で信号を送信する。受信側は起動時間全体で受信が可能となるように動作し、端末間の起動時間のずれを見込んだ、端末間の通信を可能とする。

図６は、定期再同期シーケンスの動作を説明するための図である。各端末は、それぞれ独立の時計源信により動作するため、時間経過とともに同期がずれてくる。したがって、端末間同期を維持するためには、定期的な再同期処理が必要となる。再同期処理では、たとえば、ＧＷ１２は、全端末の経路情報に基づき同期させる端末の制御順を決定する。端末の同期制御は同期誤差が含まれるため、同期誤差の影響が最低となるように、各木構造の経路毎にＧＷ１２に近い順から実施する。今回の例では、まず、端末１の含まれる経路で、１→７→１１→１０（１０と１１はどちらが先でも同様）の順で同期させ、つぎに、端末２の経路に進み、同様の動作を繰り返す。ＧＷ１２からの同期指示を受けた端末は、ＧＷ１２への経路の１つ上位の端末またはＧＷ１２（端末１はＧＷ１２、端末７は端末１に同期）との同期処理を実施し、自局を同期させる。

なお、本実施の形態では、ＧＷ１２が同期させる端末の制御順を決定する形態で説明したが、ＧＷ１２に他ネットワークで接続されているネットワーク管理装置等の別装置にて実施することも可能である。この場合、ＧＷ１２の保有する全端末の経路情報をネットワーク管理装置に通知し、ネットワーク管理装置が、同期させる端末の制御順を決定し、ＧＷ１２に同期指示送出要求を通知する。そして、同期指示送出要求を受けたＧＷ１２が、上記動作と同様に端末に同期指示を送出する。また、同期指示の代わりに、あらかじめ再同期実施時間情報をＧＷ１２から端末に渡しておき、設定時刻のタイミングで端末からの動作で上位局に再同期をかけるように構成してもよい。

このように、本実施の形態においては、効率的なスリープモードを実現することにより低消費電力化を実現可能なマルチホップ無線アドホックネットワークを得ることができる。

実施の形態２．
低消費電力モード（低消費電力化を実現するためのモード）では、起動時間を短くし、スリープ時間を長くすることにより、端末の消費電力をより低減できる。起動時間を短くするためには、端末が送受する信号の削減を図る必要がある。従来のＡＯＤＶ等のオンデマンド型のアドホックプロトコルは、送受する信号が少ないと言われているが、本実施の形態では、ＡＯＤＶに対して更なる信号削減を図る。

従来のＡＯＤＶでは、通信が発生する毎に経路探索を実施している。たとえば、ファイル転送の場合は、ファイル転送の開始前に経路探索を実施して経路を確立し、その後、ファイル転送（複数信号）を実施する。また、一定期間をおいて次のファイル転送を同一の宛先に実施する場合も、経路探索から再度実施する。一方、本実施の形態では、ＧＷ１２をルートとする木構造の特徴を生かし、同一の宛先（たとえばＧＷ１２）であれば、前回の経路を使用し通信を試みる。無線状態の変化等により前回の経路が使用できない場合のみ再度経路探索を実行する。

また、従来のＡＯＤＶの経路探索は、経路探索元からの経路探索信号をネットワーク全体に通知（フラッディング）し、そのＡｃｋにより経路を確立する。一方、本実施の形態では、ＧＷ１２をルートとする木構造の特徴を生かし、フラッディングを行わず、経路探索元の隣接端末のみに探索信号を送出し、隣接端末からのＡｃｋ信号によるＧＷ１２までのホップ数と、無線信号強度の情報から、ＧＷ１２へのルートの最適隣接端末を選択する。

また、ＧＷ１２を親局とし、木構造の無線ネットワークを構成するマルチホップ無線アドホックネットワークにおいて、下り（ＧＷ１２→端末）信号は、ＧＷ１２にてスケジューリングを実施し、上り（端末→ＧＷ１２）信号は、ＧＷ１２からのタイミング信号通知により端末の上り信号送信時間を制御することにより、マルチホップ無線アドホックネットワーク内の無線信号衝突を削減し、不要トラヒック増加を抑制する。ＧＷ１２からのタイミング信号通知は、データ送信毎のポーリング動作や、ＧＷ１２からあらかじめ端末に送信開始時刻を指定しその時刻毎に端末が上りデータを送出するなどの動作、が考えられる。

本実施の形態では、これらの動作を実施し、トラヒックを最小化し、スリープ時間を拡大する。

実施の形態３．
前述した、起動・スリープを周期的に切替える低消費電力モードでは、スリープ時間は通信ができないため、システムスループットは、起動・スリープの比率に応じて低下する。一方で、システムを低消費電力化する要求条件と並行し、必要な時は物理媒体の持つ最大性能で使いたいという要求条件も存在する。これらの要求条件を満足させるため、本実施の形態では、連続モードと低消費電力モードの切り替え動作を実現する。

図７は、連続モードと低消費電力モードの切り替え動作を説明するための図である。大量ファイル転送等の実行のため、連続動作モードへ移行したいと希望する端末は、低消費電力モードの起動時間中に、連続モードへ移行するための連続モード移行情報をヘッダに付加した信号を、通信相手に送出し、連続動作モードに切り替える。また、この信号を転送する中継端末は、中継時にヘッダを確認し、連続モード移行情報がセットされている場合に、自局を連続動作モードに切り替える。その後、最終的に到達した局（本例ではＧＷ１２）において同様の動作が実施され、連続モードへの切り替えが行われる。

本実施の形態の動作により、連続モード移行情報がセットされた信号が転送された経路の端末およびＧＷが連続動作モードに移行し、無線媒体の最大速度でのデータ通信が可能となる。そして、以降の通信では、データのヘッダに連続モード情報をセットし続けることにより、連続モードでの通信を維持する。その後、大量ファイル転送が終了し、連続モード移行情報を一定期間以上にわたって受信しなかった場合、各端末は、連続モードを終了し、低消費電力モードへ戻る。

実施の形態４．
まず、本実施の形態の通信システムにおける構成および動作を説明する前に、従来の通信システムについて説明する。

複数の通信端末をネットワーク化し、ネットワーク網を、論理的な接続だけでなく、端末の実際の位置情報と関連付けて管理する手法が、従来から研究されてきた。その後、ＧＰＳ（Global Positioning System）の普及により、情報端末が位置情報を取得することが容易になり、位置が固定でなく、情報端末が移動する場合の経路探索の研究も進められている。

経路を探索する方法は、以下の２つの手法に大別される。１つ目は、対象とする情報端末の位置方向にのみ問い合わせ情報であるFloodingを行うＬＢＭ（Location Based Multicast）に代表される方法と、この方法に基づき論理的に形成された通信経路と地図情報とを結びつけて最短距離となるようにする方法がある。通信経路と地図情報とを結びつけて最短距離となるようにする方法としては、Ｖｏｒｏｎｏｉ図を用いたものや、Ｍｅｓｈを構築するもの、地形をＧＲＩＤ化したＧｅｏＧＲＩＤ（非特許文献２参照）と呼ばれるものがある。

２つ目は、対象とする情報端末の位置情報により、Floodingを必要とせずに経路を構築する手法である。例として、ＵＲＡＤ（Unicast Routing with Area Delivery）と呼ばれる方法や、ＧｅｏＮｏｄｅと呼ばれる方法である。

上記従来の各手法により、各端末は、直接通信のできない情報端末に対して、位置情報を関連させて通信経路を確立することができ、この経路を利用して情報の伝達を行うことができる。

また、情報効率を高めるには、通信経路探索を頻繁に行わないようにする必要がある。これを実現するために、ネットワークに属する情報端末は、ネットワーク経路（トポロジー）を内部に記憶する必要がある。しかしながら、ネットワークに収容される情報端末が増大した場合には、情報端末で管理するべき台数が増加し、メモリやＣＰＵ等のコストが上がってしまう。そのため、従来から、エリアの代表を設けるなど、ネットワークを階層化することが提案されている（非特許文献３参照）。

図８は、従来の通信システムのシステム構成を示す図である。この通信システムは、複数のセンサーや外部機器等からの情報収集を目的とした情報端末（４１，４２等）と、それらの情報端末の中でエリアを代表した中継端末（３１〜３５等）と、端末に数値を設定することを簡易的に行うために無線通信を利用した情報収集・設定装置（２１）からなる。情報端末と中継端末は、同一でもよく、また、中継端末の方が高性能であってもよい。

ここでは、位置情報を２次元的にエリア分割し、Ｘ軸をＸ１〜Ｘ５とし、Ｙ軸をＹ１〜Ｙ４として均等に区分けを行い、従来技術であるＧｅｏＧＲＩＤタイプで、情報収集・設定装置２１が情報端末４１と情報のやり取りを行う場合について説明する。経路を矢印にて示す。

情報収集・設定装置２１は、全ての端末の位置情報を記憶する。各中継端末は、自端末がカバーするエリアの情報端末を記憶するが、他のエリアの情報端末については記憶しない。また、各中継端末は、中継端末間の接続情報を記憶する。これにより、情報収集・設定装置２１から情報端末４１に宛てられた情報は、中継端末３１、３２、３３、３４を経由している間は、中継端末３４宛てで伝達され、中継端末３４が、受け取った情報を情報端末４１宛てに伝達する。このような動作により、各中継端末は、記憶するべき情報端末の数の削減している。

また、たとえば、中継端末３２に障害が起きた場合には、情報端末４１宛ての経路探索を行う必要は無く、中継端末３１と中継端末３３を結ぶ経路（図では、３１⇔３５⇔３３）を確立するだけでよい。これにより、通信経路復旧にかかる時間を削減することができる。

しかしながら、上記従来の通信システムは、以下のような課題がある。図９を用いて、説明する。一例として、図９の通信システムは、複数の情報端末と中継端末３１〜３９と情報収集・設定装置２１からなるものとする。
（１）たとえば、ネットワーク形態が一次元的な場合において、中継端末３２が故障した際には、別の情報端末を中継端末にするなど、代替ルートを探索する必要がある。
（２）無線通信では、高層ビル等による電波の遮蔽（図示のＯ１）や、同一周波数を使った別システムによる干渉（Ｉ１）により、地理的な距離と無線の品質が一致しない場合がある。
（３）一つの中継端末が収容する無線端末が過剰になり、中継端末の処理能力や記憶容量を超える場合がある（図では中継端末３６が最大８台の管理を超えて９台目が参入している）。

つづいて、本実施の形態の通信システムについて説明する。図１０は、実施の形態４の通信システムの構成を示す図である。情報収集・設定装置２１は、傘下に属する全ての情報端末（５１〜６３）を把握し、各情報端末の位置情報を保持しているものとする。なお、ここでは、位置情報の精度は必要でなく、初期状態として使用する。図１０では、情報収集・設定装置２１が保持する初期状態の一例を示している。

情報収集・設定装置２１は、初期状態から、各情報端末の接続関係として距離的に不可能なものを削減し、論理的な接続を仮作成する。その際に、各情報端末において、送信出力や受信性能、伝送速度が異なる場合には、条件ごとに論理的な接続を切断してもよい。なお、初期状態においては、中継端末と情報端末の区別は無い。

また、本実施の形態では、情報端末間の距離をＬとし、たとえば、情報収集・設定装置２１と情報端末６０の距離はＬ（２１−６０）のように表し、情報収集・設定装置２１と情報端末５１の距離はＬ（２１−５１）のように表し、情報端末５１と情報端末５２の距離はＬ（５１−５２）のように表す。また、通信が明らかに不可能な距離の場合には、接続から除外する。

また、図１１、図１２に示すように、２次元的な地図情報に基づき電波を遮蔽するものが存在する場合には、距離を加算する補正や、接続関係の補正を行うこととしてもよい。図１１および図１２は、補正の一例を示す図である。

そして、情報収集・設定装置２１では、残った接続関係から、以下の観点で中継端末を抽出する。
（１）中継端末同士の通信品質が所望の値以上を期待される。
（２）中継端末の台数を少なく設定できる。
（３）中継端末がカバーする情報端末が一定数を超えない。
（４）中継端末が故障時に、代替となるルートを確立できる。
なお、中継端末を抽出する場合は、上記（１）〜（４）を全て満たす必要はなく、一部を満たす場合であってもよい。

図１３は、中継端末１台がカバーする情報端末の台数を３台以下として、図１０の初期状態に基づき通信経路を確立した場合の、システム構成例を示す図である。実線が論理的な接続を表しており、点線が障害時の代替経路である。図１３では、一例として、５５、５６、５８、５９が中継端末として抽出されている。

つづいて、本実施の形態の通信システムに含まれる各装置の構成を具体的に説明する。図１４は、本実施の形態の情報収集・設定装置２１の機能ブロックを示す図である。情報収集・設定装置２１は、管理者からの情報を入力する処理、および管理者への通信管理情報や情報収集のための情報を出力する処理を行う表示Ｉ／Ｆ部７１と、情報端末の通信経路の管理や、情報端末への情報収集の指示および設定を行う制御部７２と、情報端末と無線通信を行うための無線通信部７３から構成される。

制御部７２は、情報端末の通信経路の計算を行う通信経路制御部８１と、情報端末からの情報を収集および設定する情報収集・設定部８２からなる。また、通信経路制御部８１は、収容される情報端末の位置情報を管理する端末位置情報管理部９１と、地図情報・地形情報を管理する地図情報・地形情報管理部９２と、情報端末の位置情報と地図から情報端末の論路的な接続関係を計算する通信経路演算部９３と、演算した通信経路を保持する通信経路保持部９４から構成される。

管理者は、表示Ｉ／Ｆ部７１を介して、通信経路制御部８１に対して、情報端末の追加や地図情報・地形情報の追加、通信経路を求めるためのアルゴリズムの更新、を行うことができ、また、演算された通信経路を表示させることが可能である。

情報収集・設定部８２は、通信時に、通信経路制御部８１から、情報端末までの経路を参照可能である。また、情報収集・設定部８２は、無線信号への変復調および通信制御を行う無線通信部７３との間で所定のやり取りを行う。無線通信部７３は、外部の無線端末と無線信号のやり取りを行う。

図１５は、本実施の形態の情報端末の機能ブロックを示す図である。情報端末（５１〜６３）は、外部から収集された入力情報や外部への設定情報を出力する外部Ｉ／Ｆ部１０１と、情報端末の通信経路の管理や情報端末への情報収集の指示および設定を行う制御部１０２と、他の情報端末や情報収集・設定装置２１と無線通信を行う無線通信部１０３から構成される。

また、制御部１０２は、周辺と経路に存在する情報端末の管理を行う端末情報管理部１２１および通信経路を記憶する通信経路保持部１２２からなる通信経路制御部１１１と、情報端末からの情報の収集および設定を行う情報収集・設定部１１２とからなる。

無線通信部１０３は、外部の無線端末と無線信号のやり取りを行う。通信経路にかかわる情報については、通信経路制御部１１１とやり取りを行い、情報端末から収集した情報や設定にかかわる情報については、情報収集・設定部１１２とやり取りを行う。また、情報収集・設定部１１２は、外部Ｉ／Ｆ部１０１を介して、情報の収集および設定を行う。

なお、本実施の形態における距離計算の手法は、上記に限らず、たとえば、ボロノイ図（Voronoi Diagram）やドロネー図（Delaunay Diagram）等、距離の最小総和を求めるアルゴリズムと組み合わせることとしてもよい。

以上のように、本実施の形態では、適用される無線通信ネットワークの形態や、地理的要因を考慮した通信トポロジーを作成し、代表となる中継端末を選定することとした。これにより、情報端末は、把握するべき端末数を削減することができるので、低コスト化を実現することができ、さらに、ネットワークの形態をシンプルに把握することができるので、障害時の早期復旧を実現することができる。

実施の形態５．
本実施の形態では、前述した実施の形態４と異なる点について説明する。本実施の形態では、情報収集・設定装置２１は、傘下に属する全ての情報端末の接続関係を把握する場合に、管理者からの入力ではなく、情報端末同士が通信を介して検出した、隣接する情報端末との接続関係、を利用する。

図１６は、本実施の形態の通信システムの初期状態の構成を示す図である。ここでは、各情報端末（５１〜６７）によって収集された接続関係の初期状態が示されている。この状態において、たとえば、情報端末５５は、自身の配下に接続される情報端末５８、５９、６２、６３、６６、６７をすべて把握する必要がある。この際、情報端末５５は、内部の管理テーブルに、たとえば、情報端末６２、６３、６６、６７宛ての無線信号は端末５９に向けて中継すること、という情報を記憶しておく必要がある。そして、図１６の状態においては、管理テーブルの増大により、新たな情報端末を接続することができなくなる可能性がある。また、障害時の情報端末の経路探索方法にも課題が残る。

そこで、本実施の形態においては、情報収集・設定装置２１が、図１６に示す通信経路（初期状態）を、たとえば、図１７のように、特定の情報端末（５２、５９）を中継装置として設定した通信経路に変更する。これにより、情報端末５５は、情報端末５８と中継端末５９のみを把握すればよいことになる。そして、中継端末５９が、自身のエリアに存在する４台の情報端末（６２、６３、６６、６７）を把握することとなる。

また、新たに情報端末が検出された場合には、新たな情報端末を検出した周辺の情報端末または中継端末が情報収集・設定装置２１に対してネットワークが拡大された旨を通知する。そして、情報収集・設定装置２１は、必要に応じて、中継端末を新たに設定する処理を行う。

以上のように、本実施の形態では、ネットワークの運用の際に管理者の入力を必要とすることなく、各情報端末が把握するべき端末数を削減することができるので、さらなる低コスト化を実現することができる。また、ネットワークの形態をシンプルに把握することが可能となることから、障害時の早期復旧を実現することもできる。

実施の形態６．
本実施の形態では、前述した実施の形態４と異なる点について説明する。本実施の形態では、情報収集・設定装置２１が設定した経路が最適な経路かどうかを検証する仕組みを追加する。

情報収集・設定装置２１は、通信経路を各情報端末に通知し、初期の通信経路を確立後、特定の情報端末や全情報端末から、周辺の情報端末の通信品質の測定結果を収集する。通信品質としては、ＳＮＲやＲＳＳＩ、ＳＩＮＲ等である。

図１８は、本実施の形態の情報端末の機能ブロックを示す図である。本実施の形態の制御部１０２ａの通信経路制御部１１１ａは、前述した通信経路制御部１１１と比較すると、各情報端末との通信品質を測定する通信性能測定部１２３ａとその測定結果を保持する通信性能保持部１２４ａが追加されており、通信性能測定部１２３ａは、情報収集・設定装置２１からの指示により他の情報端末との通信性能の測定し、その測定結果を情報収集・設定装置２１に報告する機能を有する。

以上のように、本実施の形態では、各情報端末にて測定した通信品質をネットワークに反映させることができるので、実環境に即した通信経路を構築することができる。

実施の形態７．
本実施の形態では、前述した実施の形態４と異なる点について説明する。本実施の形態では、使用する無線通信の種類が、たとえば、ＩＳＭバンドや特定小電力無線のように、使用する周波数を別の無線システムと共用する場合を想定する。ここで、周波数を共用する別の無線システムとしては、たとえば、オフィス環境での無線通信において、昼間の使用率が高く、夜間の使用率が低い、といった無線システムが考えられる。

このように、時間帯や季節、曜日等により通信環境が異なることを、管理者側の測定により、または、情報端末から得られる通信品質情報から、把握できる場合には、それらの情報を通信経路演算部９３に反映させてもよい。また、情報収集・設定装置２１および各情報端末における通信経路保持部では、複数の通信経路を保持し、時間帯や季節、曜日等に応じて通信経路を切り替えて使用することとしてもよい。

以上のように、本実施の形態では、同一の周波数を用いた別システムがネットワーク内に存在する場合に、外部から入力された別システムの運用状況、または、測定により把握した結果を、通信経路に反映させることとした。これにより、前述した実施の形態４と比較して、さらに安定した通信経路を構築することができる。

実施の形態８．
まず、本実施の形態のローカル経路修復の動作を説明する前に、従来のローカル経路修復の動作について説明する。

センサー値を収集するアプリケーションなどでは、各ノードからゲートウエイへの経路がツリー上に構成される。ツリー型のトポロジーでは、全てのノードがゲートウエイへの経路を保持することから、中継ノードがゲートウエイに向けたパケットの転送を失敗した場合、ローカル経路修復（Local Repair）と呼ばれる機能により、効率よく経路を再探索することが可能である。ローカル経路修復では、転送ホップ数を限定した（たとえば、転送ホップ数＝１）ＲＲＥＱ（Route Request）メッセージをブロードキャスト送信することにより、隣接ノードに経路を問い合わせ、経路を再探索する（非特許文献４参照）。

図１９は、従来のローカル経路修復の動作を説明するための図である。図１９において、２０１〜２０６はノードであり、３０１はゲートウエイ（Ｇａｔｅ Ｗａｙ）であり、実線は、経路テーブルに登録されている転送経路を示し、点線は、無線伝送は可能であるが経路テーブルとして登録されていない経路を示している。たとえば、ノード２０４でリンクエラーが発生した場合（ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３）、ノード２０４は、転送ホップ数を限定した（たとえば、転送ホップ数＝１）ＲＲＥＱメッセージをブロードキャスト送信することにより、隣接ノードに経路を問い合わせる。宛先への経路を知っているノード２０６は、ＲＲＥＰメッセージを返信する（ステップＳ４）。そして、ＲＲＥＰメッセージを受信したノード２０４は、データをノード２０６へ転送し（ステップＳ５）、ノード２０６経由でゲートウエイ３０１にデータが到達する（ステップＳ６）。

図２０は、ローカル経路修復に失敗する場合の動作を説明するための図である。図２０において、ノード２０３がリンクエラーを検出した場合（ステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３）、ノード２０３は、隣接問い合わせによるローカル経路探索を行うが、ゲートウエイ３０１への経路を持つ隣接ノードが無く、ローカル経路修復に失敗する（ステップＳ１４）。この場合、ノード２０３は、ＲＥＲＲメッセージを送信（ステップＳ１５）し、経路テーブルからゲートウエイ３０１への経路を削除する。そして、ＲＥＲＲメッセージを受信したノード２０２は、経路テーブルからゲートウエイ３０１への経路を削除し、さらに、ＲＥＲＲメッセージをノード２０１に送信する（ステップＳ１６）。

このとき、ノード２０１の近隣のノードは、ゲートウエイ３０１へのルートを持っておらず、転送ホップ数を限定したＲＲＥＱメッセージでは経路を発見することができない。経路を発見するためには、転送ホップ数を限定しないＲＲＥＱメッセージにより広範囲な経路探索が必要となり、制御トラフィック量が増大する。

つづいて、本実施の形態のローカル経路修復の動作を説明する。図２１は、本実施の形態のローカル経路修復の動作を説明するための図である。また、図２２は、図２１に対応する処理を示すフローチャートである。

図２１および図２２において、ノード２０３は、リンクエラーを検出した場合（ステップＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３）、隣接問い合わせによるローカル経路探索を行うが応答が無く、ローカル経路修復に失敗する（ステップＳ２４）。この場合、ノード２０３は、ローカル経路修復フラグ（ＬＲ：Local Repair）を付けたＲＥＲＲ（経路エラー）メッセージを送信する（ステップＳ２５）。

ノード２０２は、ローカル経路修復フラグの付いたＲＥＲＲメッセージを受信した場合に、隣接問い合わせによるローカル経路探索を実施し、ゲートウエイ３０１へのルートを探索しておく（ステップＳ２６）。また、発信ノードにデータ転送が失敗したことを知らせるため、ＲＥＲＲメッセージを送信する（ステップＳ２７）。ただし、このとき、ＲＥＲＲメッセージに経路非削除フラグ（Ｎ＝１： No delete)を付けておく。

そして、経路非削除フラグのついたＲＥＲＲメッセージを受信したノード２０１は、ゲートウエイ３０１への経路を削除しない。データを再送する場合、ノード２０１は、ゲートウエイ３０１への経路を保持しているため、ノード２０２にデータを送信する。ノード２０２は、ローカル経路修復によりゲートウエイ３０１へのルートを持っているため、データをノード２０４へ転送することができる。

実施の形態９．
図２３は、本実施の形態のローカル経路修復の動作を説明するための図である。また、図２４は、図２３に対応する処理を示すフローチャートである。

図２３および図２４において、ノード２０３は、リンクエラーを検出した場合（ステップＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３）、隣接問い合わせによるローカル経路探索を行うが応答が無く、ローカル経路修復に失敗する（ステップＳ２４）。この場合、ノード２０３は、ローカル経路修復フラグを付けたＲＥＲＲメッセージを送信する（ステップＳ２５）。

ノード２０２は、ローカル経路修復フラグの付いたＲＥＲＲを受信した場合に、隣接問い合わせによるローカル経路探索を実施し、ゲートウエイ３０１へのルートを探索しておく（ステップＳ２６）。また、発信ノードにデータ転送が失敗したことを知らせるため、ＲＥＲＲメッセージ（Ｎ＝０）を送信する（ステップＳ２８）。

ＲＥＲＲメッセージを受信したノード２０１は、データを再送することが考えられる。このとき、ノード２０１は、ゲートウエイ３０１への経路を持っていないため、転送ホップ数を限定したＲＲＥＱメッセージを送信し、経路探索を行う。ノード２０２がＲＲＥＱメッセージを受信した場合は、ゲートウエイ３０１へのルートを持っているため、ＲＲＥＰをメッセージ応答することができ、ノード２０１は、ゲートウエイ３０１への経路を発見できる。

実施の形態１０．
図２５は、本実施の形態のローカル経路修復の動作を説明するための図である。また、図２６は、図２５に対応する処理を示すフローチャートである。

図２５および図２６において、ノード２０３が、リンクエラーを検出した場合（ステップＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３）、隣接問い合わせによるローカル経路探索を行うが応答が無く、局地的経路修復に失敗する（ステップＳ２４）。ノード２０３は、ローカル経路修復フラグ（ＬＲ：Local Repair）を付けたＲＥＲＲメッセージを送信する（ステップＳ２９）。このとき、ＲＥＲＲメッセージには転送データを付加しておく。

ノード２０２は、ローカル経路修復フラグの付いたＲＥＲＲメッセージを受信した場合に、隣接問い合わせによるローカル経路探索を実施し、ゲートウエイ３０１へのルートを探索しておく（ステップＳ２６）。さらに、ノード２０２は、発見した経路を用いて、ノード２０４にデータを転送する（ステップＳ３０）。

ノード２０４は、ノード２０５にデータを転送し、これにより、ノード２０５経由でゲートウエイ３０１にデータを転送することができる（ステップＳ３１）。

以上のように、本発明にかかるマルチホップ無線アドホックネットワークは、効率的なスリープモードの実現を図る場合に有用である。

１〜１１ 端末
１２ ゲートウエイ（ＧＷ）

Claims (13)

1. ゲートウエイを親局とし、複数の端末がツリー構造をとって無線ネットワークを構成するマルチホップ無線アドホックネットワークにおける前記ゲートウエイであって、
   ネットワーク内のすべての端末と同期して、全体が自身に同期したネットワークを構成し、
   全端末と起動周期、起動位相、起動期間を合わせて起動とスリープの切り替え動作を行い、
   起動期間中は同期誤差範囲内での起動区間でデータ転送を実施し、
   スリープ期間中は最小限の部分を動作させ、
   同期動作を維持するためにツリー構造に応じて再同期を実施する、
   ことを特徴とするゲートウエイ。
2. 同期処理にマルチキャスト信号を使用する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のゲートウエイ。
3. 無線ＭＡＣレイヤの信号を活用した時刻同期処理を行う、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のゲートウエイ。
4. 再同期処理において、
   自身をルートとするツリー構造に応じて、自身をタイミングマスタとして隣接端末と同期動作を行う、
   ことを特徴とする請求項１，２または３に記載のゲートウエイ。
5. オンデマンド型のアドホックネットワーク方式を用いる場合において、
   下り信号は、親局として動作する自身でスケジューリングを実施し、
   上り信号は、自身からのタイミング信号通知に基づき端末の上り信号送信時間を制御することにより、アドホックネットワーク内の無線信号衝突を削減し、不要トラヒック増加を抑制し、
   アドホックネットワーク用制御信号を削減することによりスリープ時間を拡大する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のゲートウエイ。
6. 間欠的にスリープする低消費電力モードとスリープしない連続モードとを有し、
   間欠モードで動作中の端末が送信信号に連続モード設定情報をのせて送信した場合に、その信号を宛先局として検出したときは連続モードに移行する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のゲートウエイ。
7. ゲートウエイを親局とし、複数の端末がツリー構造をとって無線ネットワークを構成するマルチホップ無線アドホックネットワークにおける前記端末であって、
   ネットワーク内のすべての端末が、前記ゲートウエイへの経路の隣接端末と同期し、全体が当該ゲートウエイに同期したネットワークを構成し、
   他の端末および前記ゲートウエイと起動周期、起動位相、起動期間を合わせて起動とスリープの切り替え動作を行い、
   起動期間中は同期誤差範囲内での起動区間でデータ転送を実施し、
   スリープ期間中は最小限の部分を動作させ、
   同期動作を維持するために前記ゲートウエイをルートとするツリー構造に応じて再同期を実施する、
   ことを特徴とする端末。
8. 新規端末として参入する場合、周辺端末探索信号中に同期処理に必要な信号を重畳し、周辺端末探索と同期処理を同時実行する、
   ことを特徴とする請求項７記載の端末。
9. 同期処理にマルチキャスト信号を使用する、
   ことを特徴とする請求項７または８に記載の端末。
10. 無線ＭＡＣレイヤの信号を活用した時刻同期処理を行う、
    ことを特徴とする請求項７，８または９に記載の端末。
11. 再同期処理において、
    前記ゲートウエイをルートとするツリー構造に応じて、当該ゲートウエイへの経路の次段の端末をタイミングマスタとして同期動作を行い、ネットワーク全体を同期させる、
    ことを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１つに記載の端末。
12. オンデマンド型のアドホックネットワーク方式を用いる場合において、
    立ち上がり時に経路構築動作を実施し、通信可能であれば経路を維持し、通信不可能な場合に経路構築動作を行い、
    経路探索時に隣接端末のゲートウエイまでの経路情報と受信電力情報に基づいて、フラッディングを行わずに、ゲートウエイへの最適隣接端末を決定し、
    ゲートウエイからのタイミング信号通知に基づいて、上り信号送信時間を制御することにより、アドホックネットワーク内の無線信号衝突を削減し、不要トラヒック増加を抑制し、
    アドホックネットワーク用制御信号を削減することによりスリープ時間を拡大する、
    ことを特徴とする請求項７に記載の端末。
13. 間欠的にスリープする低消費電力モードとスリープしない連続モードとを有し、
    間欠モードで動作中に、送信信号に連続モード設定情報をのせて送信し、その信号を検出した中継局、宛先局が、連続モードに移行する、
    ことを特徴とする請求項７に記載の端末。

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