JP5967584B2 - Wireless communication system and wireless communication method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、建設的干渉を利用したCI Flooding(Constructive-Interference Flooding:建設的干渉フラッディング)方式によって分散センサノードのデータ収集(共有)を無線によって行う無線ネットワークにおいて、同通信方式の利点を損なうことなく、データ通信の信頼性を向上させる無線通信システム及びその無線通信方法に関する。   The present invention impairs the advantages of the communication method in a wireless network that wirelessly collects (shares) data of distributed sensor nodes using the CI Flooding (Constructive-Interference Flooding) method using constructive interference. The present invention relates to a wireless communication system and a wireless communication method for improving the reliability of data communication.

フィールドに無線通信機能付きの複数のセンサノード(以下、無線ノードと記す)を分散配置し、無線ネットワークを通じて各無線ノードで得られたデータの収集を行う場合、各無線ノードの消費電力を抑え(フィールドではバッテリ動作となるため、消費電力を低くする必要があるため)、無線ノード間での電力消費のばらつきを防ぎ(電池交換のタイミングを揃える)かつ通信の成功確立を高める(フィールドに分散配置されているセンサノードへの無線での到達可能性を高める)ため、建設的干渉を利用したCI Floodingというブロードキャストと呼ばれる方式(以下、CI Flooding方式)が提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。   When a plurality of sensor nodes with wireless communication functions (hereinafter referred to as wireless nodes) are distributed in the field and data collected by each wireless node is collected through a wireless network, the power consumption of each wireless node is suppressed ( Because battery operation is performed in the field, it is necessary to reduce power consumption), thus preventing variation in power consumption between wireless nodes (aligning the timing of battery replacement) and increasing the probability of successful communication (distributed in the field) In order to increase the reachability of the sensor node by radio, a method called CI Flooding using constructive interference (hereinafter referred to as CI Flooding method) has been proposed (for example, Non-Patent Document 1). reference.).

CI Flooding方式では、分散配置された無線ノードのうちの1つがデータ送信を行った際、そのデータを受信した他の無線ノードが、データ受信後直ちに同じデータをブロードキャスト的に送信する。この場合、無線信号の建設的干渉(同じタイミングで全く同じ無線信号を送出することで、空間的に無線信号が強め合って、より多くの他のノードに到達する)を起こし、これを複数回繰り返すことで、無線ノード群全体にデータを共有させることを可能としている。この方式では送信信号が全く同じ無線信号となるため、複数の無線ノードから同時に送信されても復号が可能である。また、信号を受けたら即座に再送信をするため、バックオフ遅延を省略可能で、無線リンクのレイヤ実装が簡単になるという利点もある。   In the CI Flooding scheme, when one of the wireless nodes arranged in a distributed manner transmits data, another wireless node that has received the data transmits the same data in a broadcast manner immediately after receiving the data. In this case, constructive interference of radio signals (sending the exact same radio signal at the same timing to spatially strengthen the radio signals and reach more other nodes) is caused multiple times. By repeating, it is possible to share data with the entire wireless node group. In this method, since the transmission signals are exactly the same wireless signals, decoding is possible even if they are transmitted simultaneously from a plurality of wireless nodes. In addition, since retransmission is performed immediately upon reception of a signal, there is an advantage that back-off delay can be omitted and the layer implementation of the radio link is simplified.

ところで、CI Flooding方式には、通常方式とは別に拡張方式(非特許文献2)がある。通常の方式では、既に通信を行っている無線ノード群の中に、新たに無線ノードを投入して、参加/同期を行うためには、新たに参加する無線ノードを常に電源投入状態(待ち受け状態)にするか、ランダムに電源を投入して待ち受けるかで対応する。しかしながら、前者では長期間電源供給による待機消費電力の増加が問題であり、後者では既に稼動している無線ノードもスリープしながら間欠的に動作を行っているため、互いに発見する確率が期待できない。   Incidentally, the CI Flooding method includes an expansion method (Non-Patent Document 2) separately from the normal method. In the normal method, in order to join / synchronize a new wireless node in a group of already communicating wireless nodes, the newly joined wireless node is always in a power-on state (standby state). ) Or randomly turn on the power and wait. However, in the former, an increase in standby power consumption due to long-term power supply is a problem, and in the latter, since already operating wireless nodes operate intermittently while sleeping, the probability of discovering each other cannot be expected.

また、2台以上の無線ノードがお互いの通信可能領域に入った際に通信を開始するケースにおいて、互いが同時刻にスリープから復帰している状態を作るためのスケジューリングでは、長期間同期が成立しないことを避けるための基本的な方法と、同期頻度と待機消費電力との関係(基本的にはトレードオフ)を評価した研究が存在する(非特許文献3)。しかしながら、同提案は比較的短サイクルの同期(小規模なネットワークや出会い通信など)を想定しており、出荷前待機電力削減など、長期待機状態における省電力化は考慮されていない。   In addition, when two or more wireless nodes start communication when they enter each other's communicable area, long-term synchronization is established in scheduling to create a state in which they return from sleep at the same time. There is a research that evaluates the basic method for avoiding this and the relationship between the synchronization frequency and standby power consumption (basically a trade-off) (Non-Patent Document 3). However, this proposal assumes relatively short-cycle synchronization (such as a small network or encounter communication), and does not consider power saving in a long-term standby state such as standby power reduction before shipment.

F.Ferrari, “Efficient Network Flooding and Time Synchronization with Glossy”, IPSN’11, 2011.F. Ferrari, “Efficient Network Flooding and Time Synchronization with Glossy”, IPSN’11, 2011. Chao GAO et al, “Efficient Collection Using Constructive-Interference Flooding in Wireless Sensor Networks”, 信学ソ大2011.Chao GAO et al, “Efficient Collection Using Constructive-Interference Flooding in Wireless Sensor Networks”, IEICE 2011. Prabel Dutta et al, “Practical asynchronous neighbor discovery and rendezvous for mobile sensing applications, SenSys ’08 Proceedings of the 6th ACM conference on Embedded network sensor systems.Prabel Dutta et al, “Practical asynchronous neighbor discovery and rendezvous for mobile sensing applications, SenSys '08 Proceedings of the 6th ACM conference on Embedded network sensor systems.

ところで、近年、無線ネットワーク上でCI Floodingを用いた無線ノードのデータ収集(共有)を行う場合に、新たな無線ノードを無線ノード群の中に追加する場合に、無線ノード群それぞれの新規無線ノードの追加完了まで時間がかかるだけでなく、その間の相互通信による消費電力も増大するという問題が生じている。   By the way, in recent years, when collecting (sharing) data of a wireless node using CI Flooding on a wireless network, when adding a new wireless node to the wireless node group, each new wireless node of the wireless node group Not only does it take time to complete the addition, but also there is a problem that power consumption due to mutual communication between them increases.

そこで、本発明は上記の点に鑑みて、新たな無線ノードを無線ノード群の中に有限時間内で確実に追加することができ、無線ノード毎に新たな無線ノードの追加が完了するまでの時間と消費電力とのトレードオフを設定することが可能な無線通信システム及び無線通信方法を提供することを目的とする。   Therefore, in view of the above points, the present invention can reliably add a new wireless node to the wireless node group within a finite time, and until the addition of a new wireless node is completed for each wireless node. An object of the present invention is to provide a wireless communication system and a wireless communication method capable of setting a trade-off between time and power consumption.

本発明に係る無線通信システムは、以下のような態様の構成とする。
(1)複数の無線ノードからなり、各無線ノードにデータを送信するためのタイムスロットを割当て、各無線ノードがタイムスロット内で自身のデータのブロードキャスト送信を行い、そのデータを受信した他の無線ノードが直ちに同じデータをブロードキャスト送信するという動作を繰り返すことにより、各無線ノードから送信されたデータを所定の無線ノードにて収集する無線通信システムにおいて、前記複数の無線ノードを既に通信動作を行っている既存無線ノード群と新たに通信動作に参加しようとする新規無線ノード群とに分け、前記既存無線ノード群に属する無線ノードは、全て同じ第1の時間間隔で定期的に送信し、次の通信スロットで受信し、前記新規無線ノード群に属する無線ノードは、それぞれ前記第1の時間間隔と互いに素の関係にある第2の時間間隔で定期的に受信し、前記既存無線ノード群に属する無線ノードの信号を受信できた場合に、次の通信スロットで自身の存在を示す信号を送信する態様とする。
The radio communication system according to the present invention has the following configuration.
(1) It is composed of a plurality of wireless nodes, and each wireless node is assigned a time slot for transmitting data, and each wireless node performs broadcast transmission of its own data within the time slot and receives other wireless data. In a wireless communication system that collects data transmitted from each wireless node at a predetermined wireless node by repeating the operation that the node immediately broadcasts the same data, the plurality of wireless nodes have already performed communication operations. The existing wireless node group and the new wireless node group to newly participate in the communication operation, and all the wireless nodes belonging to the existing wireless node group periodically transmit at the same first time interval, and The wireless nodes received in the communication slot and belonging to the new wireless node group are interchanged with the first time interval. When a signal of a wireless node belonging to the existing wireless node group can be received periodically at a second time interval that has a simple relationship, a signal indicating its presence is transmitted in the next communication slot. Let it be an aspect.

(2)(1)において、前記通信スロットの時間単位をTsとし、パラメータAを任意の整数として、TsとAは全ての無線ノードで統一されているとした時、パラメータKを前記既存無線ノード群毎に設定する任意の整数とし、パラメータLを前記新規無線ノード毎に設定する任意の整数とし、前記既存無線ノード群の無線ノードは (KA-1) Ts毎に信号を送信して次スロットで受信し、前記新規無線ノードは(A/L) Ts毎に受信する態様とする。   (2) In (1), when the time unit of the communication slot is Ts, the parameter A is an arbitrary integer, and Ts and A are unified in all wireless nodes, the parameter K is set to the existing wireless node. An arbitrary integer set for each group, a parameter L is an arbitrary integer set for each new radio node, and the radio nodes of the existing radio node group transmit a signal every (KA-1) Ts The new wireless node receives every (A / L) Ts.

また、本発明に係る無線通信方法は、以下のような態様の構成とする。
(3)複数の無線ノードからなり、各無線ノードにデータを送信するためのタイムスロットを割当て、各無線ノードがタイムスロット内で自身のデータのブロードキャスト送信を行い、そのデータを受信した他の無線ノードが直ちに同じデータをブロードキャスト送信するという動作を繰り返すことにより、各無線ノードから送信されたデータを所定の無線ノードにて収集する無線通信方法において、前記複数の無線ノードを既に通信動作を行っている既存無線ノード群と新たに通信動作に参加しようとする新規無線ノード群とに分け、前記既存無線ノード群に属する無線ノードは、全て同じ第1の時間間隔で定期的に送信し、次の通信スロットで受信し、前記新規無線ノード群に属する無線ノードは、それぞれ前記第1の時間間隔と互いに素の関係にある第2の時間間隔で定期的に受信し、前記既存無線ノード群に属する無線ノードの信号を受信できた場合に、次の通信スロットで自身の存在を示す信号を送信する態様とする。
The wireless communication method according to the present invention has the following configuration.
(3) It is composed of a plurality of wireless nodes, and each wireless node is assigned a time slot for transmitting data, and each wireless node performs broadcast transmission of its own data within the time slot and receives other wireless data. In a wireless communication method in which data transmitted from each wireless node is collected by a predetermined wireless node by repeating an operation in which the node immediately broadcasts the same data, the plurality of wireless nodes have already performed a communication operation. The existing wireless node group and the new wireless node group to newly participate in the communication operation, and all the wireless nodes belonging to the existing wireless node group periodically transmit at the same first time interval, and Radio nodes received in the communication slot and belonging to the new radio node group are mutually connected with the first time interval. A mode in which a signal indicating its presence is transmitted in a next communication slot when a signal of a wireless node belonging to the existing wireless node group can be received periodically at a second time interval having the relationship To do.

(4)(3)において、前記通信スロットの時間単位をTsとし、パラメータAを任意の整数として、TsとAは全ての無線ノードで統一されているとした時、パラメータKを前記既存無線ノード群毎に設定する任意の整数とし、パラメータLを前記新規無線ノード毎に設定する任意の整数とし、前記既存無線ノード群の無線ノードは (KA-1) Ts毎に信号を送信して次スロットで受信し、前記新規無線ノードは(A/L) Ts毎に受信する態様とする。   (4) In (3), when the time unit of the communication slot is Ts, the parameter A is an arbitrary integer, and Ts and A are unified in all wireless nodes, the parameter K is set to the existing wireless node. An arbitrary integer set for each group, a parameter L is an arbitrary integer set for each new radio node, and the radio nodes of the existing radio node group transmit a signal every (KA-1) Ts The new wireless node receives every (A / L) Ts.

本発明では、例えば既設置済みで相互通信を行っている無線ノード群の中に、工場出荷時状態など長期待機状態にある新しい無線ノードを投入した場合に、長期待機状態の無線ノードは間欠的にごく短時間スリープを解除し、周辺電波を受信可能な状態になることで、既に稼働中の無線ノードが通信を行っている電波を検知して、無線通信のグループ(既に稼動している無線ノード群)に参加する手順となる。   In the present invention, for example, when a new wireless node that is in a long-term standby state such as a factory-shipped state is introduced into a group of wireless nodes that have already been installed and are communicating with each other, the wireless node in the long-term standby state is intermittent By canceling sleep for a very short time and being able to receive surrounding radio waves, radio waves that are already in operation are detected, and wireless communication groups (wireless Node group).

本発明によれば、無線センサノードの製造時にバッテリを組み込み、出荷/利用開始までは大半の時間をスリープして電力の消費を極力抑えて(10年単位で動作可能なバッテリ消費)、計測現場に投入した段階で早期にスリープを自動解除して無線センサノードとして稼動開始可能なスリープのスケジューリングと通信の方式を実現する。   According to the present invention, a battery is incorporated at the time of manufacturing a wireless sensor node, and most of the time until sleep / shipping is started, and power consumption is suppressed as much as possible (battery consumption that can be operated in units of 10 years). The sleep scheduling and communication system that can automatically start sleep as soon as it is inserted and start operation as a wireless sensor node is realized.

その実現に際して、無線センサの製造〜出荷までの消費電力を極力抑えて(製造時から電源スイッチを排することで、出荷検査時や計測現場投入時の手動による電源投入/切断の手間や入り/切り忘れなどの人為的ミスを防ぐことができる)、計測現場に投入した際に早期に無線センサノードを発見し、活動させる。また、無線センサノードを物流のトラッキングに使用する場合など、センサノードの移動を考えた場合、物流ターミナル等の計測現場のみでスリープを自動解除し、その他、無線通信の必要がない移動中はスリープ時間を長くすることで、バッテリ消費(待機消費電力)を改善する応用にも使用できる。   In realizing this, power consumption from manufacture to shipment of wireless sensors is suppressed as much as possible (by removing the power switch from the time of manufacture, manual power-on / off / on / off / Human errors such as forgetting to cut can be prevented), and when a sensor is introduced to the measurement site, a wireless sensor node is discovered and activated at an early stage. In addition, when considering the movement of sensor nodes, such as when using wireless sensor nodes for logistics tracking, sleep is automatically canceled only at the measurement site such as a logistics terminal, and other times when sleep is not required for wireless communication. It can also be used for applications that improve battery consumption (standby power consumption) by lengthening the time.

以上のように、本発明によれば、新たな無線ノードを無線ノード群の中に有限時間内で確実に追加することができ、無線ノード毎に新たな無線ノードの追加が完了するまでの時間と消費電力とのトレードオフを設定することが可能な無線通信システム及び無線通信方法を提供することができる。   As described above, according to the present invention, a new wireless node can be reliably added to the wireless node group within a finite time, and the time until the addition of a new wireless node is completed for each wireless node. It is possible to provide a wireless communication system and a wireless communication method capable of setting a trade-off between power consumption and power consumption.

本発明に係る実施形態として、CI Flooding拡張方式による無線通信システムの一例を示す概念図。The conceptual diagram which shows an example of the radio | wireless communications system by CI Flooding expansion system as embodiment which concerns on this invention. 上記実施形態の無線ノードの構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the radio | wireless node of the said embodiment. 上記実施形態に係る無線通信システムの概略構成を示す概念図。The conceptual diagram which shows schematic structure of the radio | wireless communications system which concerns on the said embodiment. 上記実施形態の無線ノードのパラメータの設定による動作例(L=1の場合)を示す図。The figure which shows the operation example (when L = 1) by the setting of the parameter of the wireless node of the said embodiment. 上記実施形態の無線ノードのパラメータの設定による動作例(L=2の場合)を示す図。The figure which shows the operation example (in the case of L = 2) by the setting of the parameter of the wireless node of the said embodiment. 上記実施形態の既存無線ノード群の内の1ノードAと新規無線ノード1との間のデータ送受信の流れを示すシーケンス図。The sequence diagram which shows the flow of the data transmission / reception between 1 node A of the existing wireless node group of the said embodiment, and the new wireless node 1. FIG. 上記実施形態の具体的な目標値を実現するための特性解析によるパラメータ設定例を示す図。The figure which shows the example of parameter setting by the characteristic analysis for implement | achieving the specific target value of the said embodiment. 上記実施形態の具体的な目標値を実現するための特性解析による他のパラメータ設定例を示す図。The figure which shows the other parameter setting example by the characteristic analysis for implement | achieving the specific target value of the said embodiment.

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
図1は、本実施形態に係る通信システムの一例を示す。本実施形態に係る通信システムは、データを収集し無線送信するセンサ機能を有する複数の既存無線ノードN11〜N1n(nは2以上の自然数)とは別に新規に1または複数の無線ノードN21〜N2m(mは任意の自然数)を追加する(以下、既存無線ノード群(固定ネットワーク)をF、新規無線ノード群をM、個々の無線ノードをNiと記す)。これらの無線ノードNiは、いずれもCI Flooding方式を用いて信号を送受信する。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiment described below is an example of the configuration of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment.
FIG. 1 shows an example of a communication system according to the present embodiment. In the communication system according to the present embodiment, one or more wireless nodes N21 to N2m are newly provided separately from a plurality of existing wireless nodes N11 to N1n (n is a natural number of 2 or more) having a sensor function of collecting and transmitting data. (M is an arbitrary natural number) is added (hereinafter, an existing wireless node group (fixed network) is denoted as F, a new wireless node group is denoted as M, and individual wireless nodes are denoted as Ni). Each of these wireless nodes Ni transmits and receives signals using the CI Flooding method.

ここで、本実施形態では、各無線ノードNiがデータを送信するためのタイムスロットを持ち、「各ノードがタイムスロット内でセンサデータの送信を行い、そのセンサデータを受信した他の無線ノードが(タイムスロットとは無関係に)直ちに同じセンサデータをCI Flooding方式を用いてブロードキャスト送信する」という動作を繰り返すことにより、各無線ノードNiから送信されたセンサデータが収集される。   Here, in this embodiment, each wireless node Ni has a time slot for transmitting data, and “each node transmits sensor data in the time slot and other wireless nodes that have received the sensor data By repeating the operation of “broadcast transmission of the same sensor data using the CI Flooding method immediately (regardless of time slot)”, the sensor data transmitted from each wireless node Ni is collected.

無線ノードNiは、送信データにシーケンス番号を対応付けて保持するとともに、タイムスロット内で、該データをシーケンス番号に従って送信する。そして、無線ノードNiは、送信許可を受信すると、イムスロット内で、指示されたシーケンス番号のセンサデータを送信する。   The wireless node Ni holds the transmission data in association with the sequence number and transmits the data according to the sequence number within the time slot. When the wireless node Ni receives the transmission permission, the wireless node Ni transmits the sensor data of the instructed sequence number in the imslot.

図2は、上記無線ノードNiの構成を示すブロック図である。この無線ノードNiは、センサ10と、無線通信部11と、通信制御部12と、データ保持部13と、センサ入力部14と、スケジュール管理部15と、時刻生成部16とを備える。通信制御部12は、送信処理部17と、転送処理部18とを備える。   FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the wireless node Ni. The wireless node Ni includes a sensor 10, a wireless communication unit 11, a communication control unit 12, a data holding unit 13, a sensor input unit 14, a schedule management unit 15, and a time generation unit 16. The communication control unit 12 includes a transmission processing unit 17 and a transfer processing unit 18.

上記センサ10は、設置個所における所定のセンシングを行い、データ化して送信する。上記無線通信部11は、無線通信のモジュールであり、他の無線ノードとの間で無線によりデータの送受信を行う。上記通信制御部12は、無線通信部11の通信状態を管理し、決められたシーケンスに従って送信・転送処理を実行させる。
ここで、通信制御部12の転送処理部18は、パケットのリレーを担当する。また、送信処理部17は、他の無線ノードからのデータを解析して、必要なセンサデータを無線通信部11へ送出する。送出するデータは、シーケンス番号とそのシーケンス番号が付与されているセンサデータ、これに加えてIDなどのノード識別情報である。
The sensor 10 performs predetermined sensing at the installation location, converts it into data, and transmits it. The wireless communication unit 11 is a wireless communication module, and wirelessly transmits and receives data to and from other wireless nodes. The communication control unit 12 manages the communication state of the wireless communication unit 11 and executes transmission / transfer processing according to a predetermined sequence.
Here, the transfer processing unit 18 of the communication control unit 12 is in charge of packet relay. In addition, the transmission processing unit 17 analyzes data from other wireless nodes, and sends necessary sensor data to the wireless communication unit 11. The data to be transmitted is a sequence number, sensor data to which the sequence number is assigned, and node identification information such as an ID in addition to this.

上記データ保持部13は、センサ10のセンサデータを時刻に対応するシーケンス番号とともに保持するデータベースを備える。データベースはセンサデータを記録すると共に、無線ノードが固定ネットワークに参加済みの場合には、固定ネットワーク参加済み無線ノードのリストも記録する。尚、データ保持部13は、パケット落ちに備えて、ある程度のセンサデータを保持することが好ましい。上記センサ入力部14は、センサ10からの送信データを受け取ってデータ保持部13に送る。上記スケジュール管理部15は、タイムスロットの管理を行う。上記時刻生成部16は、時計であり、各処理部の制御タイミング設定に用いられる。   The data holding unit 13 includes a database that holds sensor data of the sensor 10 together with a sequence number corresponding to time. The database records sensor data and also records a list of wireless nodes that have joined the fixed network if the wireless node has joined the fixed network. The data holding unit 13 preferably holds a certain amount of sensor data in preparation for packet dropping. The sensor input unit 14 receives the transmission data from the sensor 10 and sends it to the data holding unit 13. The schedule management unit 15 manages time slots. The time generation unit 16 is a clock and is used for setting the control timing of each processing unit.

上記構成において、その運用について図3に示す概念図、図4及び図5に本実施形態の動作例を示して説明する。
図3は、本実施形態に係る通信システムの概略構成を示すもので、(a)はすでに稼動(通信)を行っている無線ノード群F(N11〜N16)に新規参加の無線ノードN21を追加設定する様子を示している。同図(b)は稼働中無線ノードの間欠的な動作を示す波形図、同図(c)は新規参加の無線ノードにおいて、すでに稼働中の無線ノード群の電波を検知して同期を開始するために、間欠的にスリープを解除する様子を示している。
The operation of the above configuration will be described with reference to the conceptual diagram shown in FIG. 3, and the operation example of this embodiment shown in FIGS.
FIG. 3 shows a schematic configuration of the communication system according to the present embodiment. FIG. 3A shows a newly added wireless node N21 added to the already operating (communication) wireless node group F (N11 to N16). The state of setting is shown. FIG. 4B is a waveform diagram showing the intermittent operation of the active wireless node, and FIG. 4C shows the synchronization of the newly participating wireless node by detecting the radio waves of the already operating wireless node group. Therefore, the state of intermittently releasing the sleep is shown.

すでに稼動している無線ノード群Fでは、図3(b)に示すように、大半はスリープ状態とする間欠的な通信動作を行っており、フィールド等に配置して長時間稼動させたいセンサ等に利用可能である。ここで、図3(c)に示すように、新規参加の無線ノードにおいて、すでに稼働中の無線ノード群の電波を検知して同期を開始するために、間欠的にスリープを解除するようにすれば、新規参加において、自動的に参加をする場合でも、手動による電源スイッチ操作が不要であり、常時電源ON(待ち受け)によるバッテリ消費、ランダム電源ONによる出会い確率の低さの問題を改善することができる。   As shown in FIG. 3 (b), the wireless node group F that is already in operation performs intermittent communication operations, most of which are in a sleep state. Is available. Here, as shown in FIG. 3 (c), in the newly joining wireless node, in order to detect the radio wave of the already operating wireless node group and start synchronization, the sleep should be intermittently released. For example, even in the case of automatic participation, there is no need for manual power switch operation, and the problem of low battery encounters due to constant power-on (standby) and low encounter probability due to random power-on will be improved. Can do.

図4及び図5は、それぞれ上記無線ノードのパラメータの設定による動作例を示すもので、図4はL=1のとき、図5はL=2の場合を示している。
ここで、上記無線ノードのパラメータ設定項目は、一般的には以下の通りに設定される。
Ts:スロット時間,固定値
A:任意の整数,固定値
K:任意の整数,固定ネットワークFに設定された値
L:任意の整数,ノードごとに設定
F:(KA-1)Tsごとに送信,次の通信スロットで受信
M:(A/L)Tsごとに受信
より具体的には、sを通信スロット番号として、
(s mod A) = int(mA/L) (※int(X)はXの小数点以下を切捨てる事を意味する)
但し、mは0≦m<L/Aを満たす整数
とする。
FIG. 4 and FIG. 5 show examples of operations by setting the parameters of the wireless node. FIG. 4 shows a case where L = 1 and FIG. 5 shows a case where L = 2.
Here, the parameter setting items of the wireless node are generally set as follows.
Ts: Slot time, fixed value
A: Arbitrary integer, fixed value
K: Arbitrary integer, value set for fixed network F
L: Arbitrary integer, set for each node
F: Sent every (KA-1) Ts, received at the next communication slot
M: Received every (A / L) Ts
More specifically, s is a communication slot number,
(s mod A) = int (mA / L) (* int (X) means truncation after the decimal point of X)
Where m is an integer satisfying 0 ≦ m <L / A
And

図4では、(a)はA=5,K=3,L=1、(b)はA=5,K=4,L=1とした場合の各無線ノードの通信スロット使用例を示している。図4(a)では、既存無線ノード群FはKA−1(=14)周期で信号を送信し、新規無線ノード群MはA/L(=5)周期で信号を受信する。新規無線ノード群Mは、新規ノード1から5で構成され、それぞれ別の受信タイミングを持っている。新規無線ノードMがAスロット毎に受信しようとし、その時ちょうど既存無線ノード群Fが信号を送信していた場合、新規無線ノードMはノード群Fの信号を受信し、次のスロットで既存無線ノード群Fに参加することができる。図4では、スロット=0の時に新規ノード1が、スロット=15の時に新規ノード5がそれぞれ「発見」され、既存無線ノード群Fに参加できる。新規ノード2から4も、この後の通信スロットのどこかの時点で発見される。同様に、図4(b)の場合、既存無線ノード群FはKA−1(=19)周期で信号を送信し、新規無線ノード群MはA/L(=5)周期で信号を受信する。このためスロット=0の時に新規ノード1が、スロット=19の時に新規ノード5がそれぞれ「発見」され、既存無線ノード群Fに参加できる。   In FIG. 4, (a) shows an example of communication slot usage of each wireless node when A = 5, K = 3, L = 1, and (b) shows A = 5, K = 4, and L = 1. Yes. In FIG. 4A, the existing wireless node group F transmits a signal with a KA-1 (= 14) period, and the new wireless node group M receives a signal with an A / L (= 5) period. The new wireless node group M is composed of new nodes 1 to 5, each having a different reception timing. If the new wireless node M tries to receive every A slot, and the existing wireless node group F is transmitting a signal at that time, the new wireless node M receives the signal of the node group F, and the existing wireless node group F in the next slot. Can participate in Group F. In FIG. 4, the new node 1 is “discovered” when the slot = 0 and the new node 5 is “discovered” when the slot = 15, and can participate in the existing wireless node group F. New nodes 2 to 4 are also discovered at some point in the subsequent communication slot. Similarly, in the case of FIG. 4B, the existing wireless node group F transmits a signal with a KA-1 (= 19) period, and the new wireless node group M receives a signal with an A / L (= 5) period. . Therefore, the new node 1 is “discovered” when the slot = 0, and the new node 5 is “discovered” when the slot = 19, and can join the existing wireless node group F.

図5では、(a)はA=5,K=3,L=2、(b)はA=5,K=4,L=2とした場合の各無線ノードの通信スロット使用例を示している。この例では、図5(a)の場合、既存無線ノード群Fは、KA−1(=14)周期で信号を送信し、新規無線ノード群MはA/L(=2.5)周期で信号を受信する。Mの実際の受信間隔は通信スロットに合わせて調整される。この結果、スロット=0の時に新規ノード1と新規ノード4が、スロット=14の時に新規ノード3と新規ノード5がそれぞれ「発見」される。図5(b)の場合、既存無線ノード群Fは、KA−1(=19)周期で信号を送信し、新規無線ノード群MはA/L(=2.5)周期で信号を受信する。この結果、スロット=0の時に新規ノード1と新規ノード4が、スロット=19の時に新規ノード3と新規ノード5がそれぞれ「発見」される。   In FIG. 5, (a) shows an example of communication slot usage of each wireless node when A = 5, K = 3, L = 2, and (b) shows A = 5, K = 4, and L = 2. Yes. In this example, in the case of FIG. 5A, the existing wireless node group F transmits a signal with a KA-1 (= 14) period, and the new wireless node group M has an A / L (= 2.5) period. Receive a signal. The actual reception interval of M is adjusted according to the communication slot. As a result, new node 1 and new node 4 are “discovered” when slot = 0, and new node 3 and new node 5 are respectively discovered when slot = 14. In the case of FIG. 5B, the existing wireless node group F transmits a signal with a KA-1 (= 19) period, and the new wireless node group M receives a signal with an A / L (= 2.5) period. . As a result, new node 1 and new node 4 are “discovered” when slot = 0, and new node 3 and new node 5 are respectively discovered when slot = 19.

図6は、既存無線ノード群Fの内の1ノードAと新規無線ノード1との間のデータ送受信の流れを示すシーケンス図である。図6において、既存ノードAは、無線送信部A1、無線受信部A2、通信管理部A3、データ格納部(データベース)A4、センサA5を備え、新規ノードMは少なくとも無線送信部M1、無線受信部M2、通信管理部M3を備えるものとする。   FIG. 6 is a sequence diagram showing the flow of data transmission / reception between one node A in the existing wireless node group F and the new wireless node 1. In FIG. 6, the existing node A includes a wireless transmission unit A1, a wireless reception unit A2, a communication management unit A3, a data storage unit (database) A4, and a sensor A5. The new node M includes at least the wireless transmission unit M1 and the wireless reception unit. Assume that M2 and a communication management unit M3 are provided.

図6において、既存ノードAでは、データ格納部A4において、センサA5からセンサデータを、センサデータ取得周期で繰り返し取得してデータベースに記録している。この状態で、通信管理部A3から(KA−1)Ts周期で繰り返し送信指示が出される。無線送信部A1は、通信管理部A3からの送信指示を受けると、データ格納部A4にデータベースのセンサデータを要求する。この要求を受けて、データ格納部A4からセンサデータが提供されると、無線送信部A1はセンサデータを受け取ってブロードキャストでパケット送信する。尚、センサデータを送信せず、新規ノード追加のためだけの空パケットを送信するようにしてもよい。   In FIG. 6, in the existing node A, in the data storage unit A4, sensor data is repeatedly acquired from the sensor A5 at a sensor data acquisition cycle and recorded in the database. In this state, a transmission instruction is repeatedly issued from the communication management unit A3 at a (KA-1) Ts cycle. When receiving the transmission instruction from the communication management unit A3, the wireless transmission unit A1 requests the sensor data of the database from the data storage unit A4. When the sensor data is provided from the data storage unit A4 in response to this request, the wireless transmission unit A1 receives the sensor data and transmits the packet by broadcast. It is also possible to transmit an empty packet only for adding a new node without transmitting sensor data.

一方、新規無線ノードMは、無線受信部M2において、(A/L)Ts周期で繰り返しスリープを解除してパケット受信可能状態にしており、既存無線ノードAのセンサデータ送信を受信できた場合には、通信管理部M3に受信したことを通知する。通信管理部M3は、無線送信部M1にネットワーク参加信号の送信を指示し、無線送信部M1はその指示に従ってネットワーク参加信号を送信する。   On the other hand, when the new wireless node M has received the sensor data transmission of the existing wireless node A, the wireless receiving unit M2 has repeatedly released the sleep in the (A / L) Ts cycle and is in a packet receivable state. Notifies the communication manager M3 of the reception. The communication management unit M3 instructs the wireless transmission unit M1 to transmit a network participation signal, and the wireless transmission unit M1 transmits a network participation signal according to the instruction.

既存無線ノードAでは、通信管理部A3において、センサデータ送信指示後に所定のタイムスロットを指定して受信指示が無線受信部A2に送られており、無線受信部A2はその指示に従って受信可能な状態となる。その状態で新規無線ノード1から送信されるネットワーク参加信号を受信すると、無線受信部A2はネットワーク参加信号の受信通知を通信管理部A3に送る。通信管理部A3は無線ノードMの参加処理を行い、データ格納部A4のデータベースに無線ノードMの参加を登録する。データ格納部A4は、無線ノードMの参加をデータベースのリストに新規登録し、一連の処理を終了する。   In the existing wireless node A, the communication management unit A3 designates a predetermined time slot after sending the sensor data transmission instruction, and the reception instruction is sent to the wireless reception unit A2. The wireless reception unit A2 can receive according to the instruction. It becomes. When receiving the network participation signal transmitted from the new wireless node 1 in this state, the wireless reception unit A2 sends a reception notification of the network participation signal to the communication management unit A3. The communication management unit A3 performs the participation process of the wireless node M, and registers the participation of the wireless node M in the database of the data storage unit A4. The data storage unit A4 newly registers the participation of the wireless node M in the database list and ends the series of processes.

上記実施形態において、具体的な目標値を実現するための特性解析によるパラメータ設定例を図7及び図8に示す。図7及び図8において、DFは送信側デューティーサイクルで、DF = 2/(KA-1) で表される。2 は送信後のスロットで受信するためである。K を大きくすることで、省電力化が可能である。DMは受信側デューティーサイクルで、DM = (Tp/Ts)(L/A)で表される。L を大きくすることで高速化が可能である。TRは発見までの最大時間で、TR = (K/L)A2Tsで表されるが、KA-1 = KAと近似することができる。これらのパラメータをまとめると、DF・DM・TR = 2Tp(Tp = 0.25ms程度)となる。図7及び図8はそれぞれA,Tsの特性解析による選定例を示すもので、DM = 0.1%を実現するには、ATs = 250ms、DM = 0.2%を実現するには、ATs = 125msとするとよいことがわかる。 In the above embodiment, examples of parameter setting by characteristic analysis for realizing a specific target value are shown in FIGS. In FIG. 7 and FIG. 8, D F is a transmission-side duty cycle and is represented by D F = 2 / (KA-1). 2 is for receiving in the slot after transmission. Power saving can be achieved by increasing K. D M is a receiving-side duty cycle, and is represented by D M = (Tp / Ts) (L / A). The speed can be increased by increasing L. T R is the maximum time until discovery and is expressed by T R = (K / L) A2Ts, and can be approximated as KA-1 = KA. Summing up these parameters, D F · D M · T R = 2Tp (Tp = about 0.25ms). FIGS. 7 and 8 show examples of selection based on the characteristic analysis of A and Ts, respectively. To realize D M = 0.1%, ATs = 250 ms, and to realize D M = 0.2%, ATs = 125 ms. You can see that

本実施形態では、既設置済みで相互通信を行っている無線ノード群の中に、工場出荷時状態など長期待機状態にある新しい無線ノードを投入した場合に、長期待機状態の無線ノードは間欠的にごく短時間スリープを解除し、周辺電波を受信可能な状態になることで、既に稼働中の無線ノードが通信を行っている電波を検知して、無線通信のグループ(既に稼動している無線ノード群)に参加する手順となる。   In this embodiment, when a new wireless node that is in a long-term standby state such as a factory-shipped state is introduced into a group of wireless nodes that are already installed and are communicating with each other, the wireless node in the long-term standby state is intermittent. By canceling sleep for a very short time and being able to receive surrounding radio waves, radio waves that are already in operation are detected, and wireless communication groups (wireless Node group).

本実施形態の課題は、(1)無線ノード群の中に新規無線ノードを追加する際に、有限時間内に追加されることを保証すること、(2)マルチホップの無線ノード群内であれば、どこでも新規ノードが追加できること、(3)センサを様々な分野の業務に応用できるようにするため、無線ノード毎に消費電力と発見時間(新規ノードの追加が完了するまでの時間)のトレードオフを設定できること、(4)消費電力効率を向上させることである。   The problem of this embodiment is that (1) when a new wireless node is added to the wireless node group, it is guaranteed to be added within a finite time, and (2) within the multi-hop wireless node group. For example, a new node can be added anywhere, and (3) a trade-off between power consumption and discovery time (time until the addition of a new node is completed) for each wireless node so that the sensor can be applied to business in various fields. It is possible to set off, and (4) to improve power consumption efficiency.

本実施形態の通信システムでは、例えば、無線センサノードの製造時にバッテリを組み込み、出荷/利用開始までは大半の時間をスリープして電力の消費を極力抑えて(10年単位で動作可能なバッテリ消費)、計測現場に投入した段階で早期にスリープを自動解除して無線センサノードとして稼動開始可能なスリープのスケジューリングと通信の方式を実現する。   In the communication system according to the present embodiment, for example, a battery is incorporated at the time of manufacturing a wireless sensor node, and most of the time until sleep / shipping is started to suppress power consumption as much as possible (battery consumption that can be operated in units of 10 years). ), The sleep scheduling and communication system that can automatically start sleep as soon as it is introduced to the measurement site and start operation as a wireless sensor node is realized.

このシステムでは、無線ノードの製造〜出荷までの消費電力を極力抑えて(製造時から電源スイッチを排することで、出荷検査時や計測現場投入時の手動による電源投入/切断の手間や入り/切り忘れなどの人為的ミスを防ぐことができる)、計測現場に投入した際に早期に無線ノードを発見し、活動させる。また、無線ノードを物流のトラッキングに使用する場合など、無線ノードの移動を考えた場合、物流ターミナル等の計測現場のみでスリープを自動解除し、その他、無線通信の必要がない移動中はスリープ時間を長くすることで、バッテリ消費(待機消費電力)を改善する応用にも使用できる。   In this system, the power consumption from manufacturing to shipping of the wireless node is minimized (by removing the power switch from the time of manufacture, it is possible to manually turn on / off the power at the time of shipping inspection or at the measurement site, and to enter / It is possible to prevent human error such as forgetting to cut), and to discover and activate wireless nodes at an early stage when they are introduced to the measurement site. In addition, when considering the movement of a wireless node, such as when using a wireless node for logistics tracking, sleep is automatically canceled only at the measurement site such as a distribution terminal, and during other movements where wireless communication is not required, the sleep time By extending the length, it can also be used for applications that improve battery consumption (standby power consumption).

特に、非特許文献3では、全ての無線ノードを対等に扱っていたが、本実施形態では、既存無線ノード群(固定ネットワーク)と新規無線ノード(移動ノード)を分離して、移動ノードと固定ネットワーク間の発見のみを対象とすることにより、効率化を実現している。また、固定ネットワークおよび,移動ノードごとに、消費電力と発見時間のトレードオフを設定できるようなスケジューリング方式を設計している。   In particular, in Non-Patent Document 3, all wireless nodes are treated equally, but in the present embodiment, the existing wireless node group (fixed network) and the new wireless node (mobile node) are separated and fixed to the mobile node. Efficiency is achieved by targeting only discovery between networks. In addition, a scheduling scheme is designed so that a trade-off between power consumption and discovery time can be set for each fixed network and mobile node.

以上のように、本実施形態の通信システムによれば、新たな無線ノードを無線ノード群の中に有限時間内で確実に追加することができ、無線ノード毎に新たな無線ノードの追加が完了するまでの時間と消費電力とのトレードオフを設定することが可能となる。   As described above, according to the communication system of this embodiment, a new wireless node can be reliably added to the wireless node group within a finite time, and the addition of a new wireless node is completed for each wireless node. It is possible to set a trade-off between time to power consumption and power consumption.

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成を削除してもよい。さらに、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some configurations may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different example embodiments may be combined as appropriate.

本発明は情報通信産業に適用することができる。   The present invention can be applied to the information communication industry.

N11〜N1n…既存無線ノード、
N21〜N2m…新規無線ノード、
F…既存無線ノード群、
M…新規無線ノード群、
Ni…個々の無線ノード、
10…センサ、
11…無線通信部、
12…通信制御部、
13…データ保持部、
14…センサ入力部、
15…スケジュール管理部、
16…時刻生成部、
17…送信処理部、
18…転送処理部。
N11 to N1n ... existing wireless nodes,
N21 to N2m ... New wireless node,
F ... Existing wireless nodes,
M ... New wireless node group,
Ni: Individual wireless node,
10 ... sensor,
11 ... wireless communication unit,
12 ... Communication control unit,
13: Data holding unit,
14 ... sensor input section,
15 ... Schedule management department,
16: Time generation unit,
17 ... transmission processing unit,
18: Transfer processing unit.

Claims (4)

複数の無線ノードからなり、各無線ノードにデータを送信するためのタイムスロットを割当て、各無線ノードがタイムスロット内で自身のデータのブロードキャスト送信を行い、そのデータを受信した他の無線ノードが直ちに同じデータをブロードキャスト送信するという動作を繰り返すことにより、各無線ノードから送信されたデータを所定の無線ノードにて収集する無線通信システムにおいて、
前記複数の無線ノードを既に通信動作を行っている既存無線ノード群と新たに通信動作に参加しようとする新規無線ノード群とに分け、
前記既存無線ノード群に属する無線ノードは、全て同じ第1の時間間隔で定期的に送信し、次の通信スロットで受信し、
前記新規無線ノード群に属する無線ノードは、それぞれ前記第1の時間間隔と互いに素の関係にある第2の時間間隔で定期的に受信し、前記既存無線ノード群に属する無線ノードの信号を受信できた場合に、次の通信スロットで自身の存在を示す信号を送信することを特徴とする無線通信システム。
It consists of a plurality of wireless nodes, assigns a time slot for transmitting data to each wireless node, each wireless node performs broadcast transmission of its own data within the time slot, and other wireless nodes receiving the data immediately In a wireless communication system that collects data transmitted from each wireless node at a predetermined wireless node by repeating the operation of broadcasting the same data,
Dividing the plurality of wireless nodes into an existing wireless node group that is already performing communication operation and a new wireless node group that is newly participating in communication operation,
All wireless nodes belonging to the existing wireless node group periodically transmit at the same first time interval, and receive at the next communication slot,
The wireless nodes belonging to the new wireless node group periodically receive at a second time interval that is relatively prime to the first time interval, and receive signals of the wireless nodes belonging to the existing wireless node group If possible, a radio communication system that transmits a signal indicating its presence in the next communication slot.
前記通信スロットの時間単位をTsとし、パラメータAを任意の整数として、TsとAは全ての無線ノードで統一されているとした時、
パラメータKを前記既存無線ノード群毎に設定する任意の整数とし、
パラメータLを前記新規無線ノード毎に設定する任意の整数とし、
前記既存無線ノード群の無線ノードは (KA-1) Ts毎に信号を送信して次スロットで受信し、
前記新規無線ノードは(A/L) Ts毎に受信することを特徴とする請求項1記載の無線通信システム。
When the time unit of the communication slot is Ts, the parameter A is an arbitrary integer, and Ts and A are unified in all wireless nodes,
Parameter K is an arbitrary integer set for each existing wireless node group,
Parameter L is an arbitrary integer set for each new wireless node,
The wireless node of the existing wireless node group transmits a signal every (KA-1) Ts and receives it in the next slot,
The wireless communication system according to claim 1, wherein the new wireless node receives each (A / L) Ts.
複数の無線ノードからなり、各無線ノードにデータを送信するためのタイムスロットを割当て、各無線ノードがタイムスロット内で自身のデータのブロードキャスト送信を行い、そのデータを受信した他の無線ノードが直ちに同じデータをブロードキャスト送信するという動作を繰り返すことにより、各無線ノードから送信されたデータを所定の無線ノードにて収集する無線通信方法において、
前記複数の無線ノードを既に通信動作を行っている既存無線ノード群と新たに通信動作に参加しようとする新規無線ノード群とに分け、
前記既存無線ノード群に属する無線ノードは、全て同じ第1の時間間隔で定期的に送信し、次の通信スロットで受信し、
前記新規無線ノード群に属する無線ノードは、それぞれ前記第1の時間間隔と互いに素の関係にある第2の時間間隔で定期的に受信し、前記既存無線ノード群に属する無線ノードの信号を受信できた場合に、次の通信スロットで自身の存在を示す信号を送信することを特徴とする無線通信方法。
It consists of a plurality of wireless nodes, assigns a time slot for transmitting data to each wireless node, each wireless node performs broadcast transmission of its own data within the time slot, and other wireless nodes receiving the data immediately In a wireless communication method of collecting data transmitted from each wireless node by a predetermined wireless node by repeating the operation of broadcasting the same data,
Dividing the plurality of wireless nodes into an existing wireless node group that is already performing communication operation and a new wireless node group that is newly participating in communication operation,
All wireless nodes belonging to the existing wireless node group periodically transmit at the same first time interval, and receive at the next communication slot,
The wireless nodes belonging to the new wireless node group periodically receive at a second time interval that is relatively prime to the first time interval, and receive signals of the wireless nodes belonging to the existing wireless node group A radio communication method characterized by transmitting a signal indicating its presence in the next communication slot if it can be.
前記通信スロットの時間単位をTsとし、パラメータAを任意の整数として、TsとAは全ての無線ノードで統一されているとした時、
パラメータKを前記既存無線ノード群毎に設定する任意の整数とし、
パラメータLを前記新規無線ノード毎に設定する任意の整数とし、
前記既存無線ノード群の無線ノードは (KA-1) Ts毎に信号を送信して次スロットで受信し、
前記新規無線ノードは(A/L) Ts毎に受信することを特徴とする請求項3記載の無線通信方法。
When the time unit of the communication slot is Ts, the parameter A is an arbitrary integer, and Ts and A are unified in all wireless nodes,
Parameter K is an arbitrary integer set for each existing wireless node group,
Parameter L is an arbitrary integer set for each new wireless node,
The wireless node of the existing wireless node group transmits a signal every (KA-1) Ts and receives it in the next slot,
4. The wireless communication method according to claim 3, wherein the new wireless node receives every (A / L) Ts.
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