JP2008228179A - 無線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的な中継処理を実現すること。
【解決手段】本発明は、複数の無線装置２０のうちの基幹装置１０を根元として、複数の無線装置によってツリー状に形成されたセンサネットワークシステムに関する。ネットワークを構成する無線装置２０ごとに、固有の送信タイミングを規定する。無線装置２０は、他の無線装置２０のデータを中継する場合、他の無線装置２０に割り当てられたタイミングを用いる。以上のような態様により、衝突を回避する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線技術に関し、特に、複数の無線装置によって形成されたマルチホップ無線ネットワークにおける無線装置に関する。

現在、複数の無線端末によってネットワークを構成し、隣接した無線端末間でパケットを中継することによって、直接電波の届かない無線端末同士間での通信を実現するマルチホップ無線ネットワーク方式が提案されている。しかしながら、ネットワークに参加する無線端末の数が多くなるにつれて、ネットワーク内における無線資源の利用領域が重なり合い、通信の衝突が多発するといった問題がある。従来、送信元の無線端末からの中継回数に応じて、送信すべきタイミングを決定することによって、衝突の発生を抑制していた（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００６−１５７６３７号公報

一般的に、マルチホップ無線ネットワークの応用例であるセンサネットワークの場合、消費電力の増大を回避できるような効率の良い中継処理が望まれる。本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、衝突を防止し、効率的な中継処理を実現できる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の無線装置は、複数の無線装置のうちの基幹装置を根元として、複数の無線装置によってツリー状に形成されたマルチホップ無線ネットワークにおいて、基幹装置との通信を要求する起点の無線装置からのパケットを基幹装置に向けて中継する無線装置であって、複数のサブスロットによって形成されたタイムスロットが連続し、各タイムスロットは無線装置から基幹装置に至るまでのホップ数に応じて割り当てられながら、すべてのタイムスロットにおいて複数のサブスロットと複数の無線装置とが共通して対応付けられるように規定されており、下層の無線装置に割り当てられたタイムスロットと起点の無線装置に対応付けられたサブスロットとによって特定されるタイミングにて、下層の無線装置から送信された起点の無線装置のパケットを受信する受信部と、本無線装置に割り当てられたタイムスロットと起点の無線装置に対応付けられたサブスロットとによって特定されるタイミングにて、受信部において受信したパケットを上層の無線装置に送信する送信部と、を備える。送信部は、連続した複数のサブスロットにて複数のパケットをそれぞれ送信する場合、複数のパケットを１つのパケットに集約する。

ここで、「複数のパケットを１つのパケットに集約する」とは、複数のパケットを連結するとともに、先頭以外のプリアンブルなどの制御信号を削除することによって、１つのパケットを形成することを含む。この態様によると、連続した複数のサブスロットにて複数のパケットをそれぞれ送信する場合、複数のパケットを１つのパケットに集約することによって、伝送効率を向上できるため、効率的な中継処理を実現できる。

送信部は、本無線装置が起点の無線装置となって基幹装置に向けてパケットを送信する場合であって、本無線装置に対応付けられたサブスロットと、受信部において中継すべきパケットを受信した際にもちいたサブスロットとが連続している場合、起点の無線装置として送信すべきパケットと、受信部において受信した中継すべきパケットとを１つのパケットに集約してもよい。

この場合、本無線装置が起点の無線装置として送信すべきパケットと、他の無線装置からの中継すべきパケットとを１つのパケットに集約することによって、伝送効率を向上できるため、効率的な中継処理を実現できる。

本発明の別の態様もまた、無線装置である。この装置は、複数の無線装置のうちの基幹装置を根元として、複数の無線装置によってツリー状に形成されたマルチホップ無線ネットワークにおいて、基幹装置との通信を要求する無線装置と、基幹装置との間の経路に含まれた無線装置であって、基幹装置に至るまでのホップ数を取得する第１取得部と、第１取得部によって取得されたホップ数に応じて、複数のタイムスロットのうちのいずれかを特定する第１特定部と、基幹装置との通信を要求する無線装置に対して固有に規定されたサブスロットであって、タイムスロットを形成する複数のサブスロットのうちのいずれかを取得する第２取得部と、第２取得部において取得したサブスロットと、第１特定部において特定したタイムスロットとの組み合わせによって、送信タイミングを特定する第２特定部と、第２特定部において特定した送信タイミングにて、基幹装置との通信を要求する無線装置についての信号を送信する送信部と、を備える。

ここで、「ツリー状」とは、木構造を含み、たとえば、親と子の関係が１対多の関係を有する階層構造を含む。また、「ホップ数」とは、基幹装置に至るまでの中継回数を示し、たとえば、基幹装置と無線装置との間に存在する中継装置の台数に１を加えた値を示す。この態様によると、ホップ数に応じて割り当てられたタイムスロットと、基幹装置との通信を要求する無線装置に対して固有に規定されたサブスロットとの組み合わせによって、送信タイミングを決定することによって、衝突を回避できる。

第１特定部において特定したタイムスロットとは異なるタイムスロットと、第２取得部において取得したサブスロットとの組み合わせによって、受信タイミングを特定する第３特定部と、第３特定部において特定した受信タイミングにて、基幹装置との通信を要求する無線装置についての信号を受信する受信部とをさらに備えてもよい。送信部は、受信部によって受信した信号を中継してもよい。ここで、「異なるタイムスロット」は、第１特定部において特定したタイムスロットに従属して決定されてもよく、たとえば、第１特定部において特定したタイムスロットから１を減じたタイムスロットであってもよい。この場合、送信タイミングに関連して受信するタイミングが規定されるため、効率的に中継できる。

本発明の別の態様もまた、無線装置である。この装置は、複数の無線装置のうちの基幹装置を根元として、複数の無線装置によってツリー状に形成されたマルチホップ無線ネットワークにおいて、基幹装置との間で通信を実行する無線装置であって、基幹装置に至るまでのホップ数を取得する第１取得部と、第１取得部によって取得されたホップ数に応じて、複数のタイムスロットのうちのいずれかを特定する第１特定部と、当該無線装置に対して固有に規定されたサブスロットであって、タイムスロットを形成する複数のサブスロットのうちのいずれかを取得する第２取得部と、第２取得部において取得したサブスロットと、第１特定部において取得したタイムスロットとの組み合わせによって、送信タイミングを特定する第２特定部と、第２特定部において特定した送信タイミングにて、当該無線装置についての信号を送信する送信部と、を備える。この態様によると、当該無線装置において予め規定された固有のタイミングをもとに送信処理を実行することによって、衝突を回避できる。

送信タイミングを特定した後に、第１取得部によって新たにホップ数が取得された場合、第２取得部において新たにサブスロットを取得させることなく、第２特定部は、新たに取得されたホップ数と、第２取得部においてすでに取得されているサブスロットとにもとづいて、送信タイミングを再特定してもよい。この場合、ホップ数の変化により特定されるスロットが変化した場合であっても、サブスロットを割り当て直すことなく、送信タイミングを特定できる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、効率的な中継処理を実現できる。

本発明の実施形態を具体的に説明する前に、まず概要を述べる。本発明の実施形態は、センサネットワークシステムに関する。センサネットワークシステムは、さまざまなセンサが無線で自律的に情報を伝達しあい、収集したデータからその場に適したサービスを提供するためのシステムである。このシステムは、災害時の被災状況の把握、建築物の劣化診断、住宅内の防犯・防火装置などの多種多様な分野への応用が考えられている。

一般的に、センサネットワークシステムにおいては、マルチホップ無線ネットワークが形成される。通常、マルチホップ無線ネットワークにおいては、ネットワーク内の無線装置の数が増えるほど、同一の無線リソースが同時に使用される可能性が増え、無線パケットの衝突が多発することとなる。

また、各々の無線装置は、センサとしての機能と、取得したセンサ情報を送信したり、他の無線装置から通知されたセンサ情報を基幹装置に中継するための通信機能とを有する。このように、マルチホップ無線ネットワークにおける無線装置においては、自己の通信だけでなく、他の無線装置から送信されたデータを中継する必要があるため、消費電力が増大する。

一般的に、センサネットワークシステムに使用される無線装置には、電池で駆動されるタイプが多い。したがって、上述したような衝突の発生の防止や、消費電力の増大を回避できるような、効率の良い中継処理の実現が望まれる。

したがって、本発明の実施形態においては、ネットワークを構成する無線装置ごとに、固有の送信タイミングを規定することによって、衝突を回避することとした。このような態様をとることによって、効率の良い中継処理を実現できる。詳細は後述する。

図１は、本発明の実施形態にかかるセンサネットワークシステム１００の構成例を示す。センサネットワークシステム１００は、基幹装置１０と、無線装置２０で代表される第１無線装置２０ａ〜第５無線装置２０ｅとを含む。基幹装置１０はゲートノード（Ｇａｔｅ Ｎｏｄｅ）、それぞれの無線装置２０はセンサノード（Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｏｄｅ）である。図１においては、５台の無線装置２０を示したが、それ以外の台数の無線装置２０がネットワークシステムに参加していてもよい。また、基幹装置１０は、図示しない他のネットワークと接続されてもよい。

基幹装置１０は、たとえば、無線通信機能を有するコンピュータであってもよい。センサネットワークシステム１００の経路の確立、制御や、各々の無線装置２０から報告されるセンサ情報を管理する。基幹装置１０は、複数の無線装置２０との間における通信に先立って、無線装置２０の無線ネットワークへの参加処理を実行し、経路を形成する。図１に示すセンサネットワークシステム１００において、基幹装置１０は、第１無線装置２０ａと第３無線装置２０ｃとの間で経路を形成した状態となっている。

一方、第１無線装置２０ａと第３無線装置２０ｃ以外の第２無線装置２０ｂ、第４無線装置２０ｄ、第５無線装置２０ｅは、基幹装置１０との距離が遠く、基幹装置１０と直接通信することができない。したがって、第２無線装置２０ｂは、第１無線装置２０ａとの間の経路を形成し、第１無線装置２０ａを経由することによって、基幹装置１０との間で通信を実行できるようになる。同様に、第４無線装置２０ｄと第５無線装置２０ｅは、第３無線装置２０ｃをそれぞれ経由するように、経路が形成される。経路は、基幹装置１０を根元として、ツリー状に階層関係が構成される。

以下においては、２つの無線装置２０の間の直接的な経路において、基幹装置１０に近いほうの無線装置２０を親、上位、もしくは、上層と呼び、また、基幹装置１０から遠いほうの無線装置２０を子、下位、もしくは、下層と呼ぶ。たとえば、第１無線装置２０ａと第２無線装置２０ｂにおいては、第１無線装置２０ａが上位となり、第２無線装置２０ｂが下位となる。

また、ツリー状とは、親と子の関係が１対多の関係にあることを示す。いいかえると、基幹装置１０から任意の無線装置２０への経路は１以上存在し、逆に、任意の無線装置２０から基幹装置１０へ向かう上りの経路は１つのみ存在することとなる。このような態様により、上り通信においては、中継局数の増大による通信の爆発を回避できる。一方、上りの経路が１つのみとなるため、衝突などによる通信の失敗を極力回避しなければならないことになる。詳細は後述するが、本実施形態においては、個々の無線装置２０に固有の送信タイミングを設定することによって、衝突による通信の失敗を防止している。

それぞれの無線装置２０は、それぞれが有するセンサ機能によって、さまざまなセンサ情報を取得し、基幹装置１０に報告する。このような報告処理に先立って、無線装置２０は、まず、センサネットワークシステム１００に参加するために、参加処理を実行する。参加処理において、無線装置２０は、親子関係を形成すべき他の無線装置２０を選択する。他の無線装置２０ではなく、基幹装置１０を選択してもよい。また、この選択は、基幹装置１０との間に存在する他の無線装置２０の数が最小になるように実施される。なお、以下においては、「基幹装置１０との間に存在する他の無線装置２０の数」に１を加えた値を「ホップ数」という。

ここで、センサネットワークシステム１００におけるフレーム構成、および、スロットとサブスロットの関係について説明する。図２（ａ）は、図１のセンサネットワークシステム１００におけるフレームフォーマット２００の構成例を示す図である。図示するごとく、フレームフォーマット２００においては、１スーパフレームはFsec（Fは整数）として規定されてもよい。また、スーパフレームは、時分割（ＴｉｍｅＤｉｖｉｓｉｏｎＤｕｐｌｅｘ）され、１フレーム中の前半のｍスロット（ｍは整数）が下り通信用として割り当てられ、後半のｍスロットが上り通信用として割り当てられる。なお、下り通信用、上り通信用としてそれぞれ割り当てられるスロット数は、システムで許容する最大ホップ数によって決定されればよい。

図２（ｂ）は、図２（ａ）のスロットのスロットフォーマット２１０の例を示す図である。また、スロットは、１からｎまでのｎ個のサブスロット区間２１２と、予備区間２１４とを含む。サブスロット区間においては、データやハローパケットなどが送信される。なお、サブスロット区間２１２に存在するサブスロットの個数は、システムで許容するセンサノードの最大数によって決定されてもよい。データとは、それぞれのセンサノードに備えられたセンサによって測定されたセンサ情報が含まれる。ハローパケットは、経路を確立するための報知情報であって、報知元の無線装置２０を示す識別情報や、基幹装置１０から報知元の無線装置２０までのホップ数などが含められる。

図２（ｃ）は、図２（ｂ）のフレームに含まれるサブスロット内のパケットフォーマット２２０の例を示す図である。パケットフォーマット２２０は、プリアンブル区間２２２と、データ区間２２４とを含む。プリアンブル区間２２２は、既知の制御信号であるプリアンブルが送信されうる区間である。詳細は後述するが、プリアンブル区間２２２は、集約される際に削除されうる個所である。データ区間２２４は、センサデータなどのデータが送信される区間である。

ここで、（１）参加処理、（２）中継処理について具体的に説明する。図３は、図１のセンサネットワークシステム１００の第２の構成例を示す図である。第２の構成例においては、基幹装置１０は、第１無線装置２０ａと第３無線装置２０ｃとの間で、それぞれ経路を形成している。また、第１無線装置２０ａは第２無線装置２０ｂとの間で、また、第３無線装置２０ｃは第５無線装置２０ｅとの間でそれぞれ経路を形成している。以上の状況の下、第４無線装置２０ｄがセンサネットワークシステム１００に新たに参加する場合について説明する。

（１）参加処理
（１−１）送信スロットの特定
スロットは、図２（ｂ）に図示するごとく複数のサブスロットより構成される。したがって、各々の無線装置２０は、送信タイミングとして、スロットとサブスロットの双方を決定する必要がある。ここでは、送信スロットの特定について説明する。

第４無線装置２０ｄは、まず、基幹装置１０、もしくは、すでにネットワークに参加している無線装置２０から報知されたハローパケットを受信する。図示するごとく、第４無線装置２０ｄは、第３無線装置２０ｃから報知されたハローパケットＣと第５無線装置２０ｅから報知されたハローパケットＥとをそれぞれ受信する。受信したそれぞれのハローパケットには、そのハローパケットの報知元の無線装置２０を示す情報や、報知元の無線装置２０におけるホップ数が含まれる。

前述したように、経路の形成は、基幹装置１０との間に存在する他の無線装置２０の数が少なくなるように実行される。ここで、ハローパケットＣには、ホップ数として「１」が含まれており、ハローパケットＥには、ホップ数として「２」が含まれている。したがって、第４無線装置２０ｄは、取得したホップ数のうち、最小のホップ数「１」にかかるハローパケットを送信した第３無線装置２０ｃを選択する。このように選択することによって、第４無線装置２０ｄは、基幹装置１０との間の中継回数を低減でき、通信の確実性を向上できる。以上の場合、第３無線装置２０ｃを上位として経路が形成されるため、第４無線装置２０ｄにおけるホップ数は、第３無線装置２０ｃのホップ数に「１」を加えた「２」となる。

つぎに、第４無線装置２０ｄは、選択したホップ数を用いて、自己の送信スロットを特定する。ここで、第４無線装置２０ｄは、自己のホップ数「２」に応じて、たとえば、「２」に「１」を加えて、図２（ａ）の３スロット目を送信スロットとして特定する。このように、ホップ数に応じて送信スロットのタイミングを決定することによって、スムーズな通信が可能となる。

別の図を用いて、スロット割り当ての作用効果を示す。図４は、本発明の実施形態にかかるスロット割当ての例を示す図である。ここでは、基幹装置１０を根元として、最大ホップ数がｍホップからなるマルチホップ無線ネットワークが形成されているものと仮定している。図４において、縦軸は、任意のフレームにおけるスロット番号を示す。横軸は、それぞれの無線装置２０におけるホップ数を示す。なお、１ホップ目は、図３の基幹装置１０から無線装置２０へのホップに対応し、２ホップ目以上においては、図３の無線装置２０同士のホップに対応する。なお、図４においては、基幹装置１０や無線装置２０の図示を省略している。

タイムスロット１からｍにおいては、１ホップ目の基幹装置１０を起点として、２ホップ目の無線装置２０に下り信号を送信し、３ホップ目の無線装置２０、４ホップ目の無線装置２０の順で中継され、ｍホップ目の無線装置２０までデータが伝わる様子を示している。ここで、下り信号は、ハローパケットなどを含む。ハローパケットには、たとえば、経路を確立するための情報や、個々の無線装置２０に割り当てられるべきサブスロット番号などが含まれる。

タイムスロット（ｍ＋１）から２ｍにおいては、ｍホップ目の無線装置２０を起点として、上り信号が（ｍ−１）ホップ目の無線装置２０に送信され、順に中継されて、基幹装置１０まで伝わる様子を示している。上り信号には、モニタデータ、経路情報などや、サブスロット割当要求などの信号が含まれる。

図示するごとく、それぞれの無線装置２０の下り送信スロットのタイミングは、下層にいくにつれて、１スロットずつずれていく。そのため、下り信号が滞ることなく、ｍホップ目の無線装置２０まで到達している。上り送信についても同様である。このような態様により、いずれの無線装置２０においても、中継データを余分に長く保持する必要がないため、消費電力を低減できる。また、保有バッファ量を低減できるため、小型化を促進できる。

なお、図４のように、上り送信と下り送信とでスロットを異ならせる場合、一方を他方に従属させて特定してもよい。たとえば、前述した例の場合、第４無線装置２０ｄは、送信スロットとして３スロット目を特定している。この場合、上りスロットとして、（２ｍ−２）スロット目を特定してもよい。「（２ｍ−２）」という値は、図２（ａ）に示す１フレームあたりのスロット数の「２ｍ」から、ホップ数「２」を引くことによって得られる値である。

（１−２）サブスロットの割り当て
図３に戻る。サブスロットの割り当てにおいて、基幹装置１０は、無線装置２０ごとに、固有の値を設定する。サブスロット番号を無線装置２０に固有の値とすることで、同一ネットワーク内における衝突を完全に防止できる。また、無線装置２０が移動し同一ネットワーク上の他の経路に切り替わる場合においても、そのサブスロット番号を継続して使用できる。

具体的に説明する。スロットの割り当ての後、第４無線装置２０ｄは、第３無線装置２０ｃを介して、基幹装置１０との間で通信を実行できることとなる。ここで、第４無線装置２０ｄは、固有のサブスロット番号を基幹装置１０に要求する。基幹装置１０は、要求に応じて、第４無線装置２０ｄに対して固有のサブスロット番号、たとえば、Ｘを割り当てる。第４無線装置２０ｄは、割り当てられたサブスロット番号Ｘを記憶する。以後、第４無線装置２０ｄは、３スロット目のＸのサブスロットにおいて、送信処理を実行することとなる。参加処理が完了した後、第４無線装置２０ｄは、定期的に、ハローパケットを報知する。このハローパケットには、自己の識別情報や、自己のホップ数である２が含められる。また、第４無線装置２０ｄは、自己の送信処理や、他の無線装置２０から送信された信号の中継処理を実行する。

（２）中継処理
次に、中継処理について説明する。中継処理は、参加処理時において特定したスロットにおいて実行される。しかし、サブスロット番号は、自己に割り当てられてサブスロット番号ではなく、基幹装置１０との通信を要求する無線装置２０に割り当てられたサブスロット番号を用いる。基幹装置１０との通信を要求する無線装置２０とは、送信するデータを生成し、そのデータを基幹装置１０に向けて送信をした無線装置２０を示す。以後、説明の便宜上、このような無線装置２０を起点無線装置と呼ぶ。

中継処理の例について、図５（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図５（ａ）は、図１のセンサネットワークシステム１００における第１の中継処理の例を模式的に示す図である。第１の中継処理の例では、センサネットワークシステム１００における基本的な中継処理について示す。図５（ａ）においては、図１に示したセンサネットワークシステム１００において、個々の無線装置２０における送信タイミングの関係を示している。また、図５（ａ）においては、第２無線装置２０ｂと第４無線装置２０ｄとが、それぞれ起点無線装置となる。

ここで、第２無線装置２０ｂには、固有のサブスロット番号として、Ｘが割り当てられていると仮定する。また、第４無線装置２０ｄには、固有のサブスロット番号として、Ｙが割り当てられていると仮定する。また、第２無線装置２０ｂと第４無線装置２０ｄにおいては、（２ｍ−２）スロット目が上りスロットとして特定され、第１無線装置２０ａと第３無線装置２０ｃにおいては、（２ｍ−１）スロット目が上りスロットとして特定されているものとする。なお、それぞれの無線装置２０における受信タイミングは、図示を省略している。

この場合、第２無線装置２０ｂが基幹装置１０に対して上りデータを送信する場合、第２無線装置２０ｂは、（２ｍ−２）スロット目のＸのタイミングで第１無線装置２０ａに送信する。第２無線装置２０ｂからの上り信号を受信した第１無線装置２０ａは、自己の送信スロットタイミングである（２ｍ−１）スロット目において、起点無線装置である第２無線装置２０ｂのサブスロット番号であるＸのタイミングで基幹装置１０に中継する。

同様に、第４無線装置２０ｄは、（２ｍ−２）スロット目のＹのタイミングで第３無線装置２０ｃに送信する。第３無線装置２０ｃは、（２ｍ−１）スロット目のＹのタイミングで基幹装置１０に送信する。

このように、第１無線装置２０ａ〜第４無線装置２０ｄにおいて、同一のフレームにおいて複数の送信処理が実行されているが、それぞれの送信タイミングがずれているために、互いに衝突することはない。なお、第１無線装置２０ａは、起点無線装置である第２無線装置２０ｂのサブスロットを知っているものとする。第１無線装置２０ａは、第２無線装置２０ｂがセンサネットワークシステム１００に参加した後、第１無線装置２０ａに対して最初にデータを送信した際に、サブスロットを通知されてもよい。また、第１無線装置２０ａは、第２無線装置２０ｂに割り当てるべきサブスロット番号を中継する際に、そのサブスロット番号を読み取ってもよい。

図５（ｂ）は、第２の中継処理の例を模式的に示す図である。第２の中継処理の例では、集約処理を伴う中継処理について示す。図５（ｂ）においては、第１無線装置２０ａを上位の無線装置２０とし、第２無線装置２０ｂと第３無線装置２０ｃと第４無線装置２０ｄとを下位の無線装置２０として形成されたセンサネットワークシステムを想定している。また、ここでは、第２無線装置２０ｂと第３無線装置２０ｃと第４無線装置２０ｄのそれぞれが起点無線装置となる。

ここで、第２無線装置２０ｂには、固有のサブスロット番号として、Ｘが割り当てられて、パケットαを送信する。また、第３無線装置２０ｃには、（Ｘ−１）が割り当てられ、パケットβを送信し、また、第４無線装置２０ｄには、Ｚが割り当てられて、パケットγを送信する。また、第２無線装置２０ｂと第３無線装置２０ｃと第４無線装置２０ｄにおいては、（２ｍ−２）スロット目が上りスロットとして特定され、第１無線装置２０ａにおいては、（２ｍ−１）スロット目が上りスロットとして特定されているものとする。なお、それぞれの無線装置２０における受信タイミングは、図示を省略している。

図示するごとく、第２無線装置２０ｂは、（２ｍ−２）スロット目のＸのタイミングで、パケットαを送信する。また、第３無線装置２０ｃは、（２ｍ−２）スロット目の（Ｘ−１）のタイミングで、パケットβを送信する。第４無線装置２０ｄは、（２ｍ−２）スロット目のＺのタイミングで、パケットγを送信する。

以上の状況の下、第１無線装置２０ａは、パケットαとパケットβとパケットγを受信する。ここで、第１無線装置２０ａは、中継すべきパケットを送信するタイミングを解析する。前述したように、中継処理においては、自己に割り当てられたサブスロット番号ではなく、起点無線装置に割り当てられたサブスロット番号を用いる。ここでは、パケットαとパケットβを中継すべきサブスロット番号がＸと（Ｘ−１）とで連続している。したがって、第１無線装置２０ａは、パケットαとパケットβとを集約してから送信する。一方、パケットγを中継すべきサブスロット番号はＺであり、他のパケットのサブスロット番号Ｘもしくは（Ｘ−１）のいずれとも連続していないため、第１無線装置２０ａは、他のパケットと集約することなく、Ｚのタイミングで、パケットγを送信する。

ここで、集約について例を用いて説明する。パケットαが、図２（ｃ）のように、プリアンブルＰと、データＤαから構成され、パケットβが、プリアンブルＰと、データＤβから構成されているものとする。ここで、パケットαとパケットβが集約された場合、集約されたパケットは、プリアンブルＰ、データＤα、データＤβの順に連結された構成されることとなる。いいかえると、集約においては、１つのプリアンブルを除き他のプリアンブルを削除しながら、先頭のパケットに続いて、後続のパケットのデータ部分を送信すべき順番で連結すればよい。このように、集約することによって、制御信号の量を低減でき、伝送効率を向上できるため、効率の良い中継処理を実現できる。また、制御信号を低減するため、制御信号に応じて返答される返答信号もあわせて減少できるため、ネットワーク全体の通信量を低減でき、衝突の可能性を低減できる。

図５（ｃ）は、第３の中継処理の例を模式的に示す図である。第３の中継処理の例では、集約処理を伴う別の中継処理について示す。図５（ｃ）において、図５（ｂ）との相違は、第４無線装置２０ｄに割り当てられたサブスロット番号が（Ｘ−３）である点と、第１無線装置２０ａが起点無線装置となって送信するパケットδが存在する点と、第１無線装置２０ａに割り当てられたサブスロット番号が（Ｘ−２）である点とである。その他の箇所については、図５（ｂ）と同様であるため、同一の符号を用いて、説明を簡略化する。

第１無線装置２０ａは、ホップ数によって定められたスロット（２ｍ−１）のタイミングで、第２無線装置２０ｂ、第３無線装置２０ｃ、第４無線装置２０ｄからのパケットα、パケットβ、パケットγを基幹装置１０に中継するとともに、自己の送信データであるパケットγを送信する。ここで、第１無線装置２０ａは、中継すべきパケットと送信するパケットのタイミングを解析する。

図５（ｃ）においては、図示するごとく、４つのパケットのサブスロット番号が連続している。したがって、第１無線装置２０ａは、４つのパケットを集約してから、送信する。このように、中継するパケットだけでなく、自ら起点無線装置となって送信するパケットにおいても、サブスロット番号が連続している場合、集約の対象とすることによって、制御信号を低減し、中継の効率化を図ることとしている。

図６は、図１のセンサネットワークシステム１００の無線装置２０の構成例を示す図である。無線装置２０は、受信部２２と、解析部２４と、タイミング割当部２６と、記憶部２８と、タイミング設定部３０と、送信制御部３２と、送信部３４と、センサ３６とを含む。以下においては、参加処理時、および、自己のセンサ３６による測定結果についての送信処理、他の無線装置２０による送信データの中継処理のそれぞれの場合に分けて説明する。

まず、参加処理時の場合について説明する。参加処理時において、受信部２２は、基幹装置１０または他の無線装置２０から報知されたハローパケットを受信する。解析部２４は、ハローパケットを受信部２２から受け取った場合、ハローパケットから、ホップ数と報知元の無線装置２０を示す識別情報を読み取ってタイミング割当部２６に通知する。その後、一定期間の間に受信されるハローパケットについても、同様にホップ数を通知する。

タイミング割当部２６は、解析部２４から通知されたホップ数のうち、最小のホップ数を検索する。つぎに、タイミング割当部２６は、「検索したホップ数を含むハローパケットを報知した無線装置２０の識別情報」を記憶部２８に記憶する。さらに、タイミング割当部２６は、検索したホップ数に１を加えた値を自己の下り送信スロットの番号として特定し、記憶部２８に記録してもよい。また、タイミング割当部２６は、１フレーム中のスロット数から、下り送信スロットの番号を引いた値を上り送信スロットの番号として、記憶部２８に記録してもよい。

つぎに、タイミング割当部２６は、送信制御部３２に対して、自己のサブスロット番号の割り当てを要求させる。また、タイミング割当部２６は、サブスロット番号の割当要求の送信タイミングとして、タイミング設定部３０に対して、設定した上り送信スロット番号と、所定のサブスロット番号とを通知する。この段階においては、まだ、固有のサブスロット番号を割り当てられていないため、所定のサブスロット番号は、他の無線装置２０に割り当てられていないサブスロット番号が設定される。通信妨害を防止するためである。

なお、センサネットワークシステム１００において、いずれの無線装置２０に対しても割り当てられることのないサブスロット番号（以下、「臨時サブスロット番号」と表記する。）を予め複数用意し、任意の無線装置２０における割当要求、もしくは、その中継の際に、用意した臨時サブスロット番号のいずれかを使用させるようにしてもよい。このような態様は、基幹装置１０において、いずれの無線装置２０に対しても、臨時サブスロット番号を割り当てることが禁止され、センサネットワークシステム１００に参加している無線装置２０において、臨時サブスロット番号が認識されることによって実現される。このような態様をとることによって、システム内の既存の無線装置２０に対する通信妨害を防止できる。

送信制御部３２は、タイミング割当部２６からの指示にしたがって、送信部３４を介して、サブスロット番号の割当要求を基幹装置１０に向けて送信する。ここで、タイミング割当部２６において検索されたホップ数が２以上の場合、当該無線装置２０と基幹装置１０との間に他の無線装置２０が存在するため、宛先は、他の無線装置２０となる。なお、他の無線装置２０は、記憶部２８に記憶された「検索したホップ数を含むハローパケットを報知した無線装置２０の識別情報」によって識別される。

割当要求後、受信部２２は、自己の無線装置２０に割り当てられたサブスロット番号を受信する。なお、一定期間を経過しても受信できなかった場合、割当要求を再送してもよい。解析部２４は、自己の無線装置２０に固有に割り当てられたサブスロット番号を受信部２２から通知された場合、タイミング割当部２６に転送し、記憶部２８に記憶させる。

タイミング設定部３０は、通知されたタイミングに従って、送信部３４、または、受信部２２を制御する。通知されるタイミングは、上り送信スロット番号と、サブスロット番号である。タイミング設定部３０は、通知された上り送信スロット番号から、下り送信スロット番号を導出する。また、タイミング設定部３０は、上り送信スロット番号、下り送信スロット番号から、１を引くことによって、上り受信スロット番号、下り受信スロット番号をそれぞれ導出する。なお、タイミング設定部３０は、上り／下り送信スロット番号、上り／下り受信スロット番号の全てを通知されてもよい。なお、このタイミング設定部３０の処理は、参加処理、送信処理、中継処理にかかわらず、共通の処理となる。

つぎに、送信処理時の場合について説明する。ここでの送信処理とは、自己の無線装置２０が主体的に送信する場合の送信処理を指す。上り送信処理においては、センサ３６からの送信要求を契機として、開始される。センサ３６は、温度や湿度などのセンサデータを観測し、定期的に、送信制御部３２に対して、観測したセンサデータの送信を要求する。タイミング割当部２６は、タイミング設定部３０に対し、特定した送信スロット番号と、当該無線装置２０に固有に割り当てられたサブスロット番号とを通知して、タイミングを設定させる。送信制御部３２は、送信すべきデータを送信部３４を介して、基幹装置１０に向けて送信する。なお、同一のタイムスロットにおいて、本無線装置２０が起点無線装置となって送信するデータと、他の無線装置２０からの中継すべきデータとが同時に存在する場合、それぞれのサブスロット番号を考慮する。詳細は中継処理についての説明において述べる。

下り送信処理においては、タイミング割当部２６は、タイミング設定部３０に対し、特定した下り送信スロット番号と、自己のサブスロット番号とを通知する。また、送信制御部３２は、自己の識別番号やホップ数を含ませたハローパケットを送信部３４に報知させる。

つぎに、中継処理時の場合について説明する。まず、上り中継処理について説明する。まず、受信部２２は、１つ下の層の無線装置２０から中継すべきデータを受信して、解析部２４に通知する。ここでの中継すべきデータは、たとえば、起点無線装置において観測されたセンサ情報やサブスロット割当要求信号などである。解析部２４は、中継すべきデータから、起点無線装置を割り出して、データと共にタイミング割当部２６に通知する。

中継すべき上りデータがサブスロット割当要求である場合、起点無線装置においてサブスロットは未割当のため、タイミング割当部２６は、臨時サブスロット番号をタイミング設定部３０に通知する。他の無線装置２０への干渉を低減するためである。また、図２（ｂ）のサブスロット区間２１２に示す複数のサブスロットにおいて、サブスロット割当要求のための専用のサブスロットを予め規定しておき、そのサブスロットを用いてもよい。

一方、中継すべき上りデータがサブスロット割当要求以外の情報、たとえば、センサ情報である場合、タイミング割当部２６は、記憶部２８から、起点無線装置に対応付けて記憶されているサブスロット番号を読み出して、タイミング設定部３０に通知する。ここで、タイミング割当部２６は、解析部２４から通知された中継すべきデータを送信制御部３２に転送する。送信制御部３２は、転送されたデータを送信部３４に送信させる。

複数の他の無線装置２０からの中継すべきデータが同一のタイムスロットにおいて存在する場合、たとえば、図５（ｂ）のような場合、タイミング割当部２６は、それぞれのデータを中継すべきタイミングであるサブスロット番号を解析する。解析した中に、サブスロット番号が連続しているデータが含まれている場合、タイミング割当部２６は、連続しているデータを送信制御部３２に通知する。送信制御部３２は、通知されたデータを集約し、集約したデータを送信部３４に通知して、送信させる。また、他の無線装置２０からの中継すべきデータと、本無線装置２０が起点無線装置となって送信するデータとが同一のタイムスロットにおいて存在する場合、たとえば、図５（ｃ）のような場合も、送信制御部３２は、上記と同様に、連続しているサブスロット番号にかかるデータ同士を集約する。

つぎに、下り中継処理について説明する。まず、受信部２２は、１つ上の層の無線装置２０から中継すべきデータを受信して、解析部２４に通知する。ここでの中継すべきデータは、たとえば、起点無線装置に割り当てられるべきサブスロット番号である。

タイミング割当部２６は、中継すべきサブスロット番号と、そのサブスロット番号が割り当てられる起点無線装置を示す識別番号とを対応づけて、記憶部２８に記憶する。すなわち、上位の無線装置２０は、下位における１以上の無線装置２０のサブスロット番号を管理することとなる。

また、タイミング割当部２６は、タイミング設定部３０に、下り送信スロット番号と、中継すべきサブスロット番号そのものを中継時のサブスロット番号として通知する。衝突を防止するためである。送信制御部３２は、送信部３４を介して、サブスロット番号を要求した起点無線装置に向けて、起点無線装置に割り当てられるべきサブスロット番号を中継する。

また、上り送信／下り送信において、任意の無線装置２０における受信タイミングは、自己の送信タイミングの１スロット前となる。いいかえると、自己の送信タイミングを基準に、受信タイミングが規定されるため、タイミング管理が容易となる。

上述したこれらの構成は、ハードウエア的には、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、その他のＬＳＩで実現でき、ソフトウエア的にはメモリにロードされたプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。

図７は、図１のセンサネットワークシステム１００における動作シーケンスの例を示す図である。この動作シーケンスの例は、図３を用いて説明した例に基づいている。すなわち、第３無線装置２０ｃと第５無線装置２０ｅは、すでに、基幹装置１０を根元とするセンサネットワークシステム１００に参加しているものとする。なお、以下においては、第４無線装置２０ｄにおいて受信されるハローパケット以外のハローパケットについては、図示を省略している。

まず、第３無線装置２０ｃは、ハローパケットを報知する（Ｓ１０）。このハローパケットには、「ホップ数＝１」を示す情報が含まれているものとする。第５無線装置２０ｅは、ハローパケットを報知する（Ｓ１２）。このハローパケットには、「ホップ数＝２」を示す情報が含まれているものとする。第４無線装置２０ｄは、第３無線装置２０ｃと第５無線装置２０ｅから報知されたハローパケットをそれぞれ受信する。

第４無線装置２０ｄは、受信したそれぞれのハローパケットに含まれるホップ数のうち、最小のホップ数を検索する（Ｓ１４）。ここでは、「ホップ数＝１」が最小となる。つぎに、第４無線装置２０ｄは、検索した最小ホップ数に１を加えて、自己のホップ数を２と設定する。さらに、自己のホップ数にしたがって、上り送信スロットを特定する（Ｓ１８）。

ここで、第４無線装置２０ｄは、特定した送信スロットのタイミングで、基幹装置１０に対して、サブスロット番号の割り当てを要求する（Ｓ２０）。この要求は、第３無線装置２０ｃにおいて受信される。ここで、第３無線装置２０ｃは、自己の上り送信スロットを設定して（Ｓ２２）、基幹装置１０に割当要求に係る信号を中継する（Ｓ２４）。Ｓ２０の送信処理とＳ２４の中継処理とにおいて使用されるサブスロット番号は、基幹装置１０が割り当てることのない臨時サブスロット番号が用いられる。このため、これらの処理は、既存の無線装置２０における中継処理に干渉することはない。基幹装置１０は、第３無線装置２０ｃによって中継された割当要求を受信したことを契機として、第４無線装置２０ｄに対して、固有のサブスロット番号を割り当てる（Ｓ２６）。

基幹装置１０は、割り当てたサブスロット番号を送信するために、自己の下り送信スロットを設定して（Ｓ２８）、第３無線装置２０ｃに対して、サブスロット番号を通知する（Ｓ３０）。第３無線装置２０ｃは、受信したサブスロット番号を送信するために、自己の下り送信スロットを設定して（Ｓ３２）、第４無線装置２０ｄに対して、サブスロット番号を中継する（Ｓ３４）。第３無線装置２０ｃは、中継の際に、第４無線装置２０ｄのサブスロット番号と、第４無線装置２０ｄを示す情報とを対応づけて記憶してもよい。第４無線装置２０ｄは、第３無線装置２０ｃから受信したサブスロット番号を記憶する（Ｓ３６）。

図８は、図５の無線装置２０における参加処理時の動作例を示すフローチャートである。この処理は、無線装置２０の電源がオンされた場合や、経路が切断され、新たに経路を確立する場合に開始されてもよい。

まず、無線装置２０は、他の無線装置２０から報知されたハローパケットを受信する（Ｓ５０）。ハローパケットの受信は、所定時間が経過するまで、繰り返される（Ｓ５２のＮ）。所定時間を経過した場合（Ｓ５２のＹ）、無線装置２０は、受信したハローパケットに含まれるホップ数のうち、最小のホップ数を検索する（Ｓ５４）。つぎに、無線装置２０は、検索したホップ数に１を加えて、自己の送信スロットを特定する（Ｓ５６）。

ここで、無線装置２０は、割り当てた送信スロットで、サブスロット番号の割り当てを基幹装置１０に要求する（Ｓ５８）。この送信処理において使用されるサブスロット番号は、基幹装置１０が割り当てることのない臨時サブスロット番号が用いられる。このため、既存の無線装置２０における中継処理に干渉することはない。ここで、所定時間経過してもサブスロット番号を受信できなかった場合（Ｓ６０のＮ）、受信できるまで、Ｓ５８の処理を繰り返す。サブスロット番号を受信した場合（Ｓ６０のＹ）、無線装置２０は、受信したサブスロット番号を記憶する（Ｓ６２）。

図９は、図５の無線装置２０における中継処理時の動作例を示すフローチャートである。このフローチャートは、図８に示した参加処理が完了した後に実施される処理である。この処理は、送信すべきデータが発生した場合や、他の無線装置２０からの中継すべきデータを受信したことを契機として開始されてもよい。

まず、無線装置２０は、他の無線装置２０のための中継処理、あるいは、自己の無線装置２０のための送信処理のいずれであるかを判定する（Ｓ８０）。中継処理である場合（Ｓ８０のＹ）、無線装置２０は、起点無線装置のサブスロット番号を読み出して、タイミングの設定をする（Ｓ８２）。中継データがサブスロット番号の割り当て要求の場合、任意のサブスロット番号を設定する。一方、中継処理でない場合（Ｓ８０のＮ）、無線装置２０は、自己に割り当てられた固有のサブスロット番号を送信タイミングとして設定する（Ｓ８４）。

つぎに、無線装置２０は、上り送信か下り送信かを判定する（Ｓ８６）。下り送信である場合（Ｓ８６のＮ）、下り送信スロット番号を読み出して、タイミングの設定をする。タイミングの設定後、無線装置２０は、下り送信処理を実行する（Ｓ８８）。一方、上り送信である場合（Ｓ８６のＹ）、無線装置２０は、Ｓ８２、Ｓ８４の処理において設定されたサブスロット番号を解析する（Ｓ９０）。

ここで、Ｓ８２、Ｓ８４のいずれか、もしくは、双方の処理において設定された複数のサブスロット番号のうち、互いに連続しているサブスロット番号の組が存在する場合（Ｓ９０のＹ）、互いに連続しているサブスロット番号の組に対応する複数のデータを集約する（Ｓ９２）。一方、互いに連続しているサブスロット番号の組が存在しない場合（Ｓ９０のＮ）、Ｓ９４の処理に移る。つぎに、無線装置２０は、記憶されている上り送信スロット番号を読み出して、タイミングの設定をする（Ｓ９４）。タイミングの設定後、無線装置２０は、上り送信処理を実行する。

本実施形態によれば、ホップ数に応じて割り当てられたスロットを形成する複数のサブスロットのうち、基幹装置１０との通信を要求する無線装置２０に対して割り当てられたサブスロット番号示されたサブスロットにおいて、送信処理を実行することによって、衝突を回避できる。基幹装置１０との間に存在する他の無線装置２０の数が少なくなるように経路を選択することによって、中継回数を低減でき、通信の確実性を向上できる。自己の送信タイミングを基準に、受信タイミングを規定できるため、間欠受信等の制御を効果的に実行できる。また、以上のタイミング設定のもとで、連続した複数のサブスロットにて複数のパケットをそれぞれ送信する場合、複数のパケットを１つのパケットに集約することによって、衝突を回避しながら、伝送効率を向上できるため、効率的な中継処理を実現できる。また、連続した複数のサブスロットのみを集約する対象とするため、集約処理を簡易に実現できる。

また、集約することによって無線パケットの送信処理時間が１サブスロット時間の幅より長くなる可能性があるが、連続したサブスロット番号のパケットのみを集約の対象とすることによって、他の無線装置から送信された後続の無線パケットとの衝突が起こることはない。たとえば、２つの無線パケットを集約した場合の無線パケット長が１．５サブスロット分の長さを有する場合であって、かつ、１サブスロット目と３サブスロット目の無線パケットを集約して１サブスロット目の先頭から送信した場合、他の無線装置から送信された２サブスロット目の無線パケットとの間で衝突する可能性があるが、１サブスロット目と２サブスロット目のように、連続したサブスロット間の無線パケットについてのみ集約することによって、他の無線装置から送信された後続の３サブスロット目の無線パケットとの衝突を回避できる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本発明の実施形態にかかるセンサネットワークシステムの構成例を示す図である。 図２（ａ）は、図１のセンサネットワークシステムにおけるフレームフォーマットの構成例を示す図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のフレームに含まれるスロットのスロットフォーマットの例を示す図である。図２（ｃ）は、図２（ｂ）のフレームに含まれるサブスロット内のパケットフォーマットの例を示す図である。 図１のセンサネットワークシステムの第２の構成例を示す図である。 本発明の実施形態にかかるスロット割当ての例を示す図である。 図１のセンサネットワークシステム１００における第１の中継処理の例を模式的に示す図である。 図１のセンサネットワークシステム１００における第２の中継処理の例を模式的に示す図である。 図１のセンサネットワークシステム１００における第３の中継処理の例を模式的に示す図である。 図１のセンサネットワークシステムの無線装置の構成例を示す図である。 図１のセンサネットワークシステムにおける動作シーケンスの例を示す図である。 図５の無線装置における参加処理時の動作例を示すフローチャートである。 図５の無線装置における中継処理時の動作例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 基幹装置、 ２０ 無線装置、 ２２ 受信部、 ２４ 解析部、 ２６ タイミング割当部、 ２８ 記憶部、 ３０ タイミング設定部、 ３２ 送信制御部、 ３４ 送信部、 ３６ センサ、 １００ センサネットワークシステム、 ２００ フレームフォーマット、 ２１０ スロットフォーマット、 ２１２ サブスロット区間、 ２１４ 予備区間、 ２２０ パケットフォーマット、 ２２２ プリアンブル区間、 ２２４ データ区間。

Claims (2)

1. 複数の無線装置のうちの基幹装置を根元として、前記複数の無線装置によってツリー状に形成されたマルチホップ無線ネットワークにおいて、基幹装置との通信を要求する起点の無線装置からのパケットを基幹装置に向けて中継する無線装置であって、
   複数のサブスロットによって形成されたタイムスロットが連続し、各タイムスロットは無線装置から基幹装置に至るまでのホップ数に応じて割り当てられながら、すべてのタイムスロットにおいて複数のサブスロットと複数の無線装置とが共通して対応付けられるように規定されており、下層の無線装置に割り当てられたタイムスロットと起点の無線装置に対応付けられたサブスロットとによって特定されるタイミングにて、下層の無線装置から送信された起点の無線装置のパケットを受信する受信部と、
   本無線装置に割り当てられたタイムスロットをもちいて、前記受信部において受信したパケットを上層の無線装置に送信する送信部と、
   を備え、
   前記送信部は、連続した複数のサブスロットにて複数のパケットをそれぞれ送信する場合、複数のパケットを１つのパケットに集約することを特徴とする無線装置。
2. 前記送信部は、本無線装置が起点の無線装置となって基幹装置に向けてパケットを送信する場合であって、本無線装置に対応付けられたサブスロットと、前記受信部において中継すべきパケットを受信した際にもちいたサブスロットとが連続している場合、起点の無線装置として送信すべきパケットと、前記受信部において受信した中継すべきパケットとを１つのパケットに集約することを特徴とする請求項１に記載の無線装置。

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