JP2012253652A - 無線通信ネットワークシステム、無線通信装置及び無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線通信手段を適切に選択する無線通信ネットワークシステムを提供する。
【解決手段】センサ計測データを無線通信によって送信するセンサ端末と、前記センサ計測データを受信する基地局とを備える無線通信ネットワークシステムにおいて、前記センサ端末は、前記センサ計測データを前記基地局へ無線通信で送信し、前記センサ計測データを送信した直後に、異なる無線通信手段を用いて通信品質計測信号を前記基地局へ送信し、前記基地局又は前記センサ端末は、前記センサ計測データ及び前記通信品質計測信号によって無線通信品質を計測し、前記計測された無線通信品質に基づいて、無線通信品質が良好な無線通信手段を選択し、前記センサ端末と前記基地局との間の無線通信を、前記選択された無線通信手段に変更することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、複数の無線通信端末装置と無線通信基地局装置とを有する無線通信ネットワークシステムに関し、特に、適切な無線通信手段に切り替える技術に関する。

計算機システムの分野では、性能向上の高い要求がある。それに伴い、計算機間を接続する通信ネットワークに要求される通信性能も向上している。従来は、有線ケーブルを用いた通信ネットワークが主流であったが、大規模な生産ラインを有する工場、多数の顧客データ管理システムなどの産業設備及びインフラ設備において、膨大な数量及び長さのネットワークケーブルが敷設されており、設置、管理及び保守の複雑化及び高コスト化という問題が生じている。

このような有線ケーブル使用にともなう問題の解決方法として、無線通信技術を用いた通信ネットワークが期待されている。しかし、これまで、無線通信は有線通信と比べてデータ伝送の品質の観点で信頼性が低かった。例えば、外乱への耐性や通信環境の変化への対応などの点で、無線通信は安定性が低く、障害発生確率が高い。つまり、無線通信ネットワークでは、ビットエラーレート（データ１ビットあたりの伝送エラー率）又はパケットエラーレート（データ伝送用の１パケットあたりの伝送エラー率）、レーテンシ（データ伝送の遅延時間）、スループット（データの伝送速度）などに表わされる通信性能が、電波環境の時間的、空間的な変化とともに劣化することがあり、データ伝送が不安定で、データ通信の信頼性が低下する。産業インフラ分野においては、高い品質のデータ伝送が要求されており、無線を用いた通信ネットワークを導入する障壁となっている。

このような無線通信ネットワークの不安定性を解決し、信頼性を向上する方法として、無線通信手段の通信品質を計測し、最適な通信手段を選択するための技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、無線ＬＡＮのユーザ端末（無線通信端末）とアクセスポイント（無線通信基地局）が、周囲の環境に応じて周波数チャネルを自動的に選択し、最適な通信を行う方法が開示されている。無線通信基地局は、定期的に使用チャネル以外の電波強度を計測し、通信チャネルに干渉がある場合、変更チャネルの周波数と変更タイミングを無線通信端末に通知して、一斉にチャネルを切り替える。

また、特許文献２には、無線通信端末と無線通信基地局との間に無線通信中継局が設けられているマルチホップ無線通信ネットワークにおいて、データ伝送の経路（マルチホップ経路）を最適化する方法が開示されている。この方法では、通常のデータ通信を妨げずに通信経路の通信品質を監視し、通信品質の低下を検出した場合に、最適な通信経路に切り替える。

さらに、特許文献３には、無線通信端末と無線通信基地局との間で通信品質（電波強度など）を計測し、品質が劣化した場合にテスト信号を用いて通信手段を切り替える方法が開示されている。

特開２００７−１５８４８５号公報 特開２０１０−３５０６８号公報 特開２０１０−１４７５１９号公報

複数の無線通信装置からなる無線通信ネットワークでは、装置間の無線通信データ伝送において、複数の通信手段を選択することができる。通信手段は、例えば、変調方式、周波数チャネル、通信速度、データ符号化方式、アンテナの選択、通信経路、通信タイミング（時間）など様々なものがある。これらの通信手段を、外乱及び通信環境に応じて最適化することによって、データ伝送の信頼性及び安定性を高めることができる。

このような無線通信の信頼性を向上する方法では、無線通信品質の計測方法と無線通信手段の変更（切替）方法が重要である。

従来の無線通信品質の計測方法としては、データを伝送するための無線通信時に通信品質を計測する方法、定期的に通信品質を計測する方法、及び、テスト信号を用いる方法が提案されている。データを伝送している無線通信手段だけにおいて通信品質を計測している場合、通信品質が劣化しても、切替先の通信手段を決められないので、データ伝送とは別に、他の通信手段の通信品質を計測する必要がある。しかし、他の全ての通信手段の品質が劣化している場合に対応できない。また、テスト信号を用いて通信品質を計測する場合、テスト信号の品質が保証されていなければ、計測された通信品質の精度が期待できない。また、テスト信号で品質を計測してから通信手段を切り替えるまでに長時間が必要となる。

また、通信手段の切替方法としては、無線基地局が切替先の通信手段と切替タイミング（時刻）を通知する方法、及び、テスト信号を用いて切り替える方法などが提案されている。しかし、これらの通信手段の切替方法では、切替の通知やテスト信号の伝送の通信品質が保証されていないことから、切り替えの通知が確実に伝達されるかが保証できない。

従って、無線通信の品質を計測結果を用いて、適切な無線通信手段に切り替えることによって、無線通信ネットワークの信頼性及び安定性を向上させるためには、無線通信品質を高速に計測し、無線通信手段を高速に切り替え、切り替えのための情報を確実に伝達し、さらに切替先の通信手段が選択できない場合にも対応する必要がある。

このため、本発明が解決しようとする課題は、無線通信ネットワークにおいて、外乱や通信環境の変化が生じても通信性能（例えば、ビットエラーレート（パケットエラーレート）、レーテンシ、スループットなど）を劣化させることなく、無線によるデータ伝送の信頼性及び安定性を向上することにある。

つまり、本発明の目的は、無線通信手段を適切に選択する無線通信ネットワークシステムを提供することである。

本願において開示される発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、センサが計測したセンサ計測データを無線通信によって送信する少なくとも一つのセンサ端末と、前記センサ端末が送信したセンサ計測データを受信する基地局と、を備える無線通信ネットワークシステムにおいて、前記センサ端末は、前記センサ計測データを必要に応じて又は定期的に前記基地局へ無線通信で送信し、前記センサ端末は、前記センサ計測データを送信した直後に、前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段と異なる無線通信手段を用いて、通信品質計測信号を前記基地局へ送信し、前記基地局及び前記センサ端末の少なくとも一方は、前記センサ計測データ及び前記通信品質計測信号によって前記各無線通信品質を計測し、前記基地局又は前記センサ端末は、前記計測された無線通信品質に基づいて、前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段より無線通信品質が良好な無線通信手段を選択し、前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段の通信品質が劣化した場合、前記基地局又は前記センサ端末は、前記センサ端末と前記基地局との間の無線通信を、前記選択された無線通信手段に変更することを特徴とする。

本発明の代表的な実施の形態によれば、無線通信ネットワークシステムにおけるデータ伝送の信頼性及び安定性を向上させることができる。

本発明の実施形態の無線通信ネットワークシステムの一例を示す構成図である。 本発明の実施形態の無線通信装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態の起動動作シーケンスを示す図である。 本発明の実施形態の運用動作シーケンスを示す図である。 本発明の実施形態の切替動作シーケンスを示す図である。 本発明の実施形態の端末追加動作シーケンスを示す図である。

まず、本発明の実施形態の概要について説明する。

本発明の実施形態の無線通信ネットワークシステムは、センサ端末及び基地局を備える。センサ端末は、センサ計測データを定期的に基地局へ無線によって伝送し、基地局との間の異なる無線通信手段における通信品質を定期的に計測する。基地局は、計測結果に基づいて適切な無線通信手段を選択する。センサ計測データの伝送に使用している無線通信手段の通信品質が劣化した場合、異なる無線通信手段のうち選択された無線通信手段に切り替える。

前述した無線通信手段の一例として、複数の周波数チャネルを用いる。通信品質を計測するための通信品質計測信号は、センサ計測データの伝送直後に連続して送信される。すなわち、センサ計測データの定期的な伝送の間に、他の無線通信手段の通信品質が計測される。

また、基地局は、複数の異なる無線通信手段のうち、所定数以上の無線通信手段の通信品質が所定の閾値より低い場合、アラームを発信する。さらに、基地局は、選択された無線通信手段に変更する場合、通信品質計測のために必要な通信と共に、無線通信手段を変更するためのコマンドを通知する。

変更すべき無線通信手段は優先順位を付けて選択してもよい。この優先順位は、通信品質によって付けても、過去に用いられた通信手段の時間的な順によって付けてもよい。無線通信ネットワークシステムが、基地局及び複数のセンサ端末を備え、センサ端末から基地局へセンサ計測データを伝送するための主となる通信手段が基地局に設定されている場合、複数の（例えば、全ての）センサ端末が通信手段を変更した後も、基地局は主となる通信手段において待ち受ける時間を持つ。

センサ端末が新規に追加される場合、該新規に追加されるセンサ端末は、この主となる通信手段を用いて接続を要求する。センサ計測データの伝送頻度及び通信品質計測データの伝送頻度が高くなり、基地局における主となる通信手段による待受時間が所定の時間より短くなる場合、通信品質を計測する頻度を下げる。また、センサ端末と基地局との間に中継局が設けられる場合、センサ端末と基地局の間と同様に、センサ端末と中継局の間及び中継局と基地局との間において、各区間の通信品質を計測し、各区間に適する無線通信手段を選択する。

センサ端末は、電源部、タイマ部、電源スイッチ、制御部、インタフェース部、センサ部、無線通信部及びメモリ部を備える。電源部はタイマ部に電源を供給する。また、電源部は、電源スイッチを介して、制御部、インタフェース部、センサ部、無線通信部及びメモリ部への電源の供給を制御する。無線通信部は送信パケットを生成し、受信パケットを解析し、通信品質を計測する。メモリ部は、通信品質を計測するタイミング及びセンサ計測データを通信するタイミング、通信手段の変更パタン及びデータを記憶する。制御部は、メモリに記憶されたデータに従って、センサ計測データを伝送し、無線通信品質を計測し、適切な無線通信手段へ変更する。また、センサ端末は、定期的な通信の間、装置が動作しない期間に、電源スイッチは、制御部、インタフェース部、センサ部、無線通信部及びメモリ部への電源供給を停止し、電力消費を削減する。

以下、本発明に係る無線通信装置および無線通信ネットワーク装置について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態の無線通信ネットワークシステムの一例を示す構成図である。

本発明の実施形態の無線通信ネットワークシステム１００は、センサ端末１１０ａ〜１１０ｄ、中継局１２０、基地局１３０、インターネット・公衆網１４０及び管理サーバ１５０を備える。

無線通信ネットワークシステム１００では、様々なセンサ機能を有するセンサ端末１１０（図中１１０ａ〜１１０ｄ）が、計測したセンシングデータを、センサ計測データとして基地局１３０へ無線で伝送する。この無線伝送は、中継局１２０を経由して基地局１３０へ伝送する場合と、センサ端末１１０から基地局１３０へ直接伝送する場合とを含む。中継局１２０及び基地局１３０は、複数のセンサ端末１１０及び複数の中継局１２０の無線伝送データを受け取ることができる。

無線通信ネットワークシステム１００が、複数の中継局１２０を有し、該複数の中継局１２０を経由した無線伝送によって基地局１３０へデータを伝送してもよい。また、センサ端末１１０が中継局１２０と同じ働きをし、他のセンサ端末からのセンサ計測データと、自センサ端末のセンサ計測データを無線伝送してもよい。

センサ端末１１０、中継局１２０及び基地局１３０の各無線通信装置は、直接無線で繋がるリンク１６０（図中１６０ａ〜１６０ｅ）を形成する。

各リンク１６０では、センサ計測データが伝送される、また、各リンク１６０における無線通信の状態、環境又は性能が通信の品質として計測される。通信品質は、受信した無線電波の電力強度を示す「ＲＳＳＩ」（Received Signal Strength Indicator）、データがリンク先の無線通信装置に届くまで繰り返された送信回数を示す「再送回数」、無線送信を開始する前に、同じ電波が他の無線通信装置に使われていないかを確認（キャリアセンス）し。該電波が使われていれば送信を中止する処理が行われた回数を示す「ＣＣＡ回数」（Channel Clear Assessment）、リンク先の無線通信装置がデータを受信したことを示すアクノレッジ信号を返信した回数を示す「アクノレッジ回数」、一定周期で送信されるデータをリンク先の無線通信装置が受信する遅れ時間を示す「レーテンシ」、受信データの誤り率を示す「ビットエラーレート（ＢＥＲ）」、「パケットエラーレート（ＰＥＲ）」等の指標を、通信品質データとして計測できる。

リンクの送信側の無線通信装置では、再送回数、ＣＣＡ回数、アクノレッジ回数を計測することができる。リンクの受信側の無線通信装置では、ＲＳＳＩ、レーテンシ、ＢＥＲ／ＰＥＲを計測することができる。

センサ端末１１０から中継局１２０を経て基地局１３０へデータが伝送される方向がアップリンクであり、逆に、基地局１２０から中継局１２０を経てセンサ端末１１０へデータが伝送される方向がダウンリンクである。

アップリンクでは、センサ計測データ及び通信品質データを伝送し、ダウンリンクでは基地局１３０からの命令である通信コマンド、無線通信ネットワーク内の全無線通信装置の時刻を同期するための時刻コマンド、及び通信品質データが伝送される。

基地局１３０は、外部インタフェースを備え、インターネット・公衆網１４０と接続することが可能である。基地局１３０とインターネット・公衆網１４０との間は、有線又は無線の回線１７０ａで接続されている。さらに、管理サーバ１５０とインターネット・公衆網１４０との間は、有線又は無線の回線１７０ｂで接続されている。よって、基地局１３０は、インターネット・公衆網１４０を介して管理サーバ１５０と通信する。管理サーバ１５０を用いた構成によって、遠隔地のセンサデータを収集し、監視することができる。

図２に、本発明の実施形態の無線通信装置の構成例を示すブロック図である。

前述した様に、本実施形態では、センサ端末１１０、中継局１２０及び基地局１３０が無線通信装置２００である。無線通信装置２００は、電源部２１０、タイマ部２２０、電源スイッチ２３０、制御部２４０、インタフェース部２５０、センサ部２６０、無線通信部２８０及びメモリ部２７０を備える。

電源部２１０は、ＤＣ（直流）を出力する電源装置又は電池などを用いることができる。電源部２１０は、タイマ部２２０及び電源スイッチ２３０に電力を供給する。タイマ部２２０には、常に電力が供給されている。電源スイッチ２３０は、タイマ部２２０以外の無線通信装置２００の各部に電源を供給するかを切り替え、電力消費を調整する。具体的には、電源スイッチ２３０は、制御部２４０、インタフェース部２５０、センサ部２６０、無線通信部２８０及びメモリ部２７０への電力供給を調整する。

例えば、無線通信装置２００がセンサ端末１１０である場合、センサ端末１１０は、定期的に、センサ計測データ及び通信品質計測信号を送信するが、それ以外の時間は動作しないため、電源を遮断してスリープ状態にすることができる。しかし、スリープ状態においても、タイマ部２２０は時間を測る必要がある。このため、電源スイッチ２３０は、タイマ部２２０以外の各部の電源を遮断する。この様な構成によって、無線通信装置２００は、低電力で動作することができる。また、センサ端末１１０がセンサ計測データの値に応じて動作する場合は、破線で示すように、タイマ部２２０ではなく、センサ部２６０に常に電源を供給することによって、それ以外の各部をスリープ状態にすることができる。

無線通信部２８０は、送信パケット生成部２８０ａ、受信パケット解析部２８０ｂ及び品質計測部２８０ｃを備える。通信の品質は、ＲＳＳＩ値、キャリアセンスを行った回数（ＣＣＡ回数）、再送回数などによって計測することができる。

メモリ部２７０は、品質計測の間隔２７０ａ、品質計測パタン（品質計測の順序）２７０ｂ、品質計測データ２７０ｃ、データ通信間隔２７０ｄ、データ通信切替パタン（最適手段の選択結果）２７０ｅ、データ取得の時間間隔２７０ｆ及びセンシングデータ２７０ｇなどのデータを格納する。

制御部２４０は、タイマ部２２０が計測した時刻に合わせて無線通信装置２００を動作させる。無線通信装置２００がセンサ端末１１０である場合、基地局１３０からの時刻情報を用いてタイマ部２２０の時刻を補正する。また、制御部２４０は、メモリ部２７０に格納されているデータを用いて無線通信部２８０を制御し、通信品質を計測する。

インタフェース部２５０は、インターネット・公衆網１４０などと通信接続するためのインタフェースで、イーサネットコネクタなどである（「イーサネット」は登録商標である。）。例えば、切り替えるべき全ての無線通信手段の通信品質が劣化している場合、アラーム通知がインタフェース部２５０を介して管理サーバ１５０へ伝えられる。

センサ部２６０は、アプリケーションで必要となる各種センサであり、温度、加速度などの物理量を測定する。

無線通信装置２００がセンサ端末１１０である場合、タイマ部２２０が計測した時間に合わせて、センサ部２６０がセンシングデータを取得する。制御部２４０は、センシングデータをメモリ部２７０に格納する。さらに、タイマ部２２０が計測した時間に従って、無線通信部２８０は、制御部２４０がメモリ部２７０から読み出したセンサデータを送信パケットに取り込んで、送信パケットを生成する。

無線通信部２８０は、基地局１３０にパケット送信し、基地局１３０からのアクノレッジ信号を受信した後、メモリ部２７０に格納された品質計測パタン２７０ｃに従って、通信品質を計測する。また、無線通信部２８０は、センサ計測データを通信する際にも、通信品質を計測する。無線通信部２８０は、通信品質が劣化した場合、メモリ部２７０から品質計測データ２７０ｃを読み出し、最適な通信手段を選択する。

本実施形態の無線通信ネットワークシステム１００において、各無線通信装置２００が採用しうる異なる無線通信手段は、周波数チャネル、無線変調方式、無線通信メディア、無線電力、通信速度、通信タイミング（時間）、データ符号化方式、アンテナの選択、通信経路（特に、中継局１２０を用いる場合）などの違いがある。

図３は、本発明の実施形態の起動動作シーケンス３１０を示す図である。

図３には、１台の基地局１３０及び１台のセンサ端末１１０間の通信の例を示すが、複数台の基地局１３０及びセンサ端末１１０がある場合も同様である。

基地局１３０は、ある通信手段、例えば周波数チャネルの１（ｃｈ１）が主通信手段に設定されている場合、起動時にｃｈ１においてセンサ端末１１０からの信号を待ち受ける（３１０ｃ）。

センサ端末１１０は、通信手段ｃｈ１を用いてリクエスト信号３１０ａを基地局１３０に送信する。基地局１３０は、リクエスト信号３１０ａを受信した後、受信確認を通知するのためのアクノレッジ信号３１０ｂを返信する。

このシーケンスによって、基地局１３０は、センサ端末１１０がシステムに参加したことを認識し、運用が可能な状態となる。主となる通信手段は、例えば、無線基地局１３０を設置する際に周囲の無線環境を計測し、最も良い通信性能が得られる通信手段を予め選べばよい。

基地局１３０は、基地局１３０の時刻情報をアクノレッジ信号３１０ｂに含めて送ってもよい。また、センサ端末１１０が定期的にセンサ計測データを送る場合、基地局１３０から送信される時刻情報を用いてセンサ端末１１０が時刻を合わせることによって、基地局１３０はセンサ端末１１０から信号が送信される時刻を予測することができる。

また、複数台のセンサ端末１１０がある場合、各センサ端末１１０がセンサ計測データを送信する時刻が重ならないように調整する必要がある。このため、基地局１３０の時刻情報に基づいて、各センサ端末１１０が送信タイミングを調整することによって、複数台のセンサ端末１１０と基地局１３０との無線通信が可能となる。

図４は、本発明の実施形態の運用動作シーケンス３２０を示す図であり、センサ端末１１０が定期的にセンサ計測データを基地局１３０に送信する例を示す。

基地局１３０は、主となる通信手段（ｃｈ１）で待ち受け３２０ｋを開始する。

センサ端末１１０は、所定の時刻になると、センサ部２６０を駆動して計測をし、計測データ３２０ａをｃｈ１を用いて基地局１３０へ送信する。基地局１３０は、センサデータを受信した後、ｃｈ１を用いてアクノレッジ信号３２０ｂを返信する。

センサ端末１１０は、センサ計測データを基地局１３０へ所定期間毎に送信するが、次のデータ送信までの期間、具体的には、図４に示すシーケンスでは、センサデータ通信に対するアクノレッジ信号を受信した直後に、他の無線通信手段（例えば、異なるチャネル（ｃｈ２））を用いて、通信品質を計測する。このため、センサ端末１１０は計測信号３２０ｃを基地局１３０へ送信し、基地局１３０はアクノレッジ信号３２０ｄを返信する。

いずれの無線信号３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃ又は３２０ｄを用いても、通信品質を計測することができる。通信品質は、前述したように、「ＲＳＳＩ」「再送回数」「ＣＣＡ回数」「レーテンシ」「ＢＥＲ／ＰＥＲ」などを計測することによって取得する。基地局１３０は、データ送信信号３２０ａを用いることによって、現在データ伝送に用いている通信手段（ｃｈ１）におけるセンサ端末１１０から基地局１３０へのアップリンクの通信品質を計測できる。また、センサ端末１１０は、アクノレッジ信号３２０ｂを用いることによって、ｃｈ１におけるダウンリンクの通信品質を計測できる。基地局１３０は、通信品質計測信号３２０ｃを用いることによって、現在データ伝送に用いていない他の無線通信手段（ｃｈ２）におけるアップリンクの通信品質を計測できる。センサ端末１１０は、アクノレッジ信号３２０ｄを用いることによって、ｃｈ２におけるダウンリンクの通信品質を計測できる。

また、それぞれの送信信号を用いて、センサ端末１１０及び基地局１３０は、お互いに通信品質計測結果のデータを共有することもできる。

また、通信品質計測信号３２０ｃを送信する際に、データ送信信号３２０ａと同じセンサ計測データを送信してもよい。すなわち、同一のデータを異なる手段で複数回送信することによって、データ伝送の信頼性を向上することができる。

図４に示す例では、所定のタイミングでセンサ計測データ及びアクノレッジ信号を通信する直後に、通信品質計測信号が通信されている。通信品質の計測は、毎回異なる通信手段（ｃｈ２、ｃｈ３など）が用いられる。通信品質を計測する通信手段は、選びうる全ての手段を順に選択してもよく、通信手段をランダムに選択してもよく、通信品質の良い通信手段を高い頻度で選択してもよい。

前述したように、通信品質の計測は、センサ計測データ３２０ａ及びアクノレッジ信号３２０ｂの伝送の直後に（例えば、連続して）１回行うことが望ましい。これは、センサ端末１１０を起動させるタイマの動作が複雑にならず、センサ端末１１０が休止するスリープ状態の時間を長くすることができ、消費電力を低減することができるからである。なお、通信品質の計測は、センサ計測データ３２０ａ及びアクノレッジ信号３２０ｂの伝送の直後に行わなくても、複数の通信手段をまとめて通信品質を計測したり、センサ計測データの伝送とは独立に（例えば、ランダムなタイミングで）通信品質を計測してもよい。同様に、センサ計測データも定期的ではなく、ランダム時間で伝送してもよく、また、センサ計測値に応じて（すなわち、センサデータが所定値となった場合や、センサデータが所定量変化した場合）伝送してもよい。

また、センサ計測データ及びアクノレッジ信号の伝送直後に通信品質を計測する場合、次のセンサ計測データ３２０ｅ及びアクノレッジ信号３２０ｆの伝送の後、さらに異なる通信手段で通信品質計測信号３２０ｇ及びアクノレッジ信号３２０ｈを送信して、通信品質を計測する。この規則で通信を繰り返すと、複数の通信手段において通信品質を計測することができる。通信品質が計測される通信手段は、順番に選ばれても、数回ずつ選ばれても、ランダムに選ばれてもよい。又は、通信品質が良い通信手段の計測頻度を高めるように選択してもよい。

センサ端末１１０は、センサ計測データを一定期間毎（例えば、１分毎、１０分毎など）に基地局１３０へ送信する場合、１回の通信に必要な時間は１秒未満であるため、ほとんどの時間は待受状態となる。基地局１３０及びセンサ端末１１０共に、無線通信もせず、センサによる計測もしない期間は動作する必要がない。そのため、スリープ状態となって電力消費を抑制することが可能である。新規のセンサ端末を任意のタイミングで追加するためには、基地局１３０は主となる通信手段で待ち受けている必要がある。このため、基地局１３０は、スリープしない。

以上の運用動作シーケンスを繰り返すことによって、複数の通信手段の無線通信品質を計測できる。基地局１３０又はセンサ端末１１０は、センサ計測データを伝送する前に、計測結果に基づいて最適な通信手段を判断することができる。そのため、現在センサ計測データを伝送している通信手段（図４ではｃｈ１）の無線環境などが変化して通信品質が劣化した場合に、すぐに別の通信手段を選択することが可能となる。

さらに、予め複数の通信手段の無線通信品質を計測しておくことによって、全ての通信手段が品質劣化していることを判定することができる。全ての通信手段が品質劣化している場合、現在使用中の通信手段から変更ができず、無線によって一切通信することができない可能性がある。そのような場合に備えて、複数の通信手段のうち、所定数以上の通信手段の通信品質が所定の閾値以下になった場合（例えば、全ての通信手段で通信品質が最低になった場合）、基地局１３０がインターネット・公衆網１４０を介して管理サーバ１５０にアラームを通知する。このようにすることによって、管理サーバ１５０は、センサ計測データの伝送が途切れる前に通信状況の劣化を把握することが可能となる。

図５は、本発明の実施形態の切替動作シーケンス３３０を示す図である。

センサ端末１１０は、チャネルｃｈ１において、定期的にセンサ計測データ３３０ａを基地局１３０に送信する。基地局１３０は、アクノレッジ信号３３０ｂをセンサ端末１１０に返信する。センサ計測データ３３０ａ又はアクノレッジ信号３３０ｂの信号の伝送、又は過去の通信履歴によって、ｃｈ１の通信品質が劣化していると判断された場合、通信手段が切り替えられる。例えば、ＲＳＳＩ値が所定の閾値以下になる、又は再送回数、ＣＣＡ回数又はＰＥＲ／ＢＥＲが所定の閾値以上になった場合、通信品質が劣化したと判断される。判定に用いる所定の閾値は、固定値でもよいが、他の通信手段の通信品質を用いて、通信手段間で通信品質を比較してもよい。

センサ計測データ３３０ａを伝送した後の、異なる通信手段（図５では周波数チャネルｃｈ２）における通信品質の計測において、例えば、センサ端末１１０は、計測信号３３０ｃを基地局１３０へ送信する。基地局１３０は、アクノレッジ信号及び通信手段を切り替えるためのコマンド３３０ｄを同時に送信する。センサ端末１１０は、コマンドに対するアクノレッジ及びセンサ計測データ３３０ｅ送信する。基地局１３０は、センサ端末１１０にアクノレッジ信号３３０ｆを返信する。

このセンサ計測データの送信を含むシーケンスは、直前のｃｈ１で送信されたセンサ計測データが届いていない可能性を考慮して、センサ計測データを再送するものである。なお、図５に示す場合、センサ計測データ３３０ｇ及びアクノレッジ信号３３０ｈを次に送信する通信手段をｃｈ２へ切り替えている。

この方法によって、センサ計測データの通信に用いている通信手段が品質劣化した場合に、切り替えるべき通信手段が既に選択されているため、直ちに切り替えが可能となる。また、品質が劣化した通信手段ではなく、通信品質を計測する他の通信手段で、切り替えのためのコマンドを通知するので、確実にコマンドを伝えることが可能となる。なお、切り替えコマンドの伝送確率を高めるため、通信品質が劣化しているｃｈ１でのセンサ計測データに対するアクノレッジ信号３３０ｂと共に切り替えコマンドを送信してもよい。

通信手段を切り替えた後、新しい通信手段（図５ではｃｈ２）を用いて定期的なセンサ計測データを通信し、切替先の通信手段（ｃｈ２）以外の全ての通信手段の通信品質を計測する。切替前の通信手段（ｃｈ１）の品質も計測することによって、切替前の通信手段の環境が以前の状況に戻ったこと検出することができる。

切り替える通信手段の選択に優先順位をつけてることができる。通信品質計測の結果に基づいて、品質が良い順に順位を付けてもよく、過去に用いた通信手段を時系列順に順位を付けてもよい。

基地局１３０が新規センサ端末追加のために待ち受ける通信手段は、起動時に設定した主となる通信手段（図５ではｃｈ１）を用いることが望ましいが、通信品質の測定によって最適と計測された通信手段を用いてもよい。

以上、図５を用いて、基地局１３０が、通信品質を判定し、切替先の通信手段を選択する例について説明したが、センサ端末１１０が、通信品質を判定し、切替先の通信手段を選択してもよい。この場合、センサ端末１１０は、基地局１３０から送信される下りの信号を用いて通信品質を測定してもよい。また、センサ端末１１０は、基地局１３０が上りの信号を用いて測定した通信品質を共有し、該共有された通信品質を用いて切替先の通信手段を選択してもよい。

図６は、本発明の実施形態の端末追加動作シーケンス３４０を示す図である。

基地局１３０の主となる通信手段がｃｈ１に設定されている場合、センサ端末１１０は、チャネルｃｈ１において、センサ計測データ３４０ａを基地局１３０に送信し、基地局１３０は、アクノレッジ信号３４０ｂをセンサ端末１１０に返信する。その後、異なる通信手段（ｃｈ２）において、センサ端末１１０は、計測信号３４０ｃを基地局１３０へ送信し、基地局１３０は、アクノレッジ信号３４０ｄをセンサ端末１１０に送信する。

追加されるセンサ端末１１０ａは、主となる通信手段（ｃｈ１）でリクエスト３４０ｅを基地局１３０に送信し、基地局１３０は、アクノレッジ信号及びセンサ端末１１０ａが用いるべき通信手段の情報（チャネル情報）３４０ｆを送信することによって、センサ端末の追加が可能となる。

なお、基地局１３０の主となる通信手段が設定されておらず、通信品質の計測結果から最適な通信手段を選ぶ場合、追加されるセンサ端末１１０ａが複数の通信手段を用いてリクエスト信号を送信することによって、センサ端末１１０ａを追加することができる。

複数のセンサ端末が動作する場合、例えば、各センサ端末がセンサ計測データの送信と通信品質の計測を１０分（６００秒）に１回行う場合、１台のセンサ端末の通信時間が合わせて１秒未満であれば、理論的には６００台のセンサ端末１１０が基地局１３０と通信できる。数１０台程度のセンサ端末であれば、センサ端末を追加する場合に無線通信が重なり合う確率は低い。なお、センサ端末を追加するためのリクエスト信号が他の端末の通信と重なって基地局に届かなかった場合、ランダムな時間の後に該リクエストを再送するとよい。

その後、センサ端末１１０は、チャネルｃｈ１において、センサ計測データ３４０ｇを基地局１３０に送信し、基地局１３０は、アクノレッジ信号３４０ｈをセンサ端末１１０に返信する。その後、さらに異なる通信手段（ｃｈ３）において、センサ端末１１０は、計測信号３４０ｉを基地局１３０へ送信し、基地局１３０は、アクノレッジ信号３４０ｊをセンサ端末１１０に送信する。

また、センサ端末１１０ａは、チャネルｃｈ１において、センサ計測データ３４０ｋを基地局１３０に送信し、基地局１３０は、アクノレッジ信号３４０ｌをセンサ端末１１０に返信する。その後、さらに異なる通信手段（ｃｈ３）において、センサ端末１１０は、計測信号３４０ｍを基地局１３０へ送信し、基地局１３０は、アクノレッジ信号３４０ｎをセンサ端末１１０に送信する。

基地局１３０に接続されているセンサ端末１１０の数が多く、主となる無線通信手段において基地局１３０がセンサ端末を追加するために用意されている待受時間が一定時間以上確保できない場合、通信品質計測の頻度を下げてもよく、センサ計測データの通信頻度を下げてもよい。

センサ端末１１０から中継局１２０を経由して基地局１３０にセンサ計測データを伝送する場合、以上説明した通信品質を向上させる方法を、センサ端末１１０と中継局１２０間での無線通信、及び中継局１２０と基地局１３０間での無線通信にそれぞれ適応することによって、各区間での通信品質の劣化を抑制することができる。

以上に説明したように、本発明の実施形態によると、無線通信ネットワークシステムで適切な無線通信手段を選択するので、通信の信頼性及び安定性を向上できる。また、通信品質を高速に計測し、通信手段を高速に切り替え、通信手段の切り替えを確実に通知し、また、事前通知によって、通信手段の切り替えの通知が不可能となった場合にも、通信手段を切り替えることができる。また、切替先の通信手段が選択できない場合にアラームを通知するので、センサ計測データの伝送が途切れる前に、さらに通信手段を変更する等の対応を行うことができる。

例えば、データ伝送を行う無線通信手段が環境の変化などで劣化した場合に、通信手段を高速に切り替え、通信手段の切り替えを確実に通知することができる。

１１０ａ〜ｄ センサ端末
１２０ 中継局
１３０ 基地局
１４０ インターネット・公衆網
１５０ 管理サーバ
１６０ａ〜ｅ リンク

Claims (15)

1. センサが計測したセンサ計測データを無線通信によって送信する少なくとも一つのセンサ端末と、前記センサ端末が送信したセンサ計測データを受信する基地局と、を備える無線通信ネットワークシステムにおいて、
   前記センサ端末は、前記センサ計測データを必要に応じて又は定期的に前記基地局へ無線通信で送信し、
   前記センサ端末は、前記センサ計測データを送信した直後に、前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段と異なる無線通信手段を用いて、通信品質計測信号を前記基地局へ送信し、
   前記基地局及び前記センサ端末の少なくとも一方は、前記センサ計測データ及び前記通信品質計測信号によって前記各無線通信品質を計測し、
   前記基地局又は前記センサ端末は、前記計測された無線通信品質に基づいて、前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段より無線通信品質が良好な無線通信手段を選択し、
   前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段の通信品質が劣化した場合、前記基地局又は前記センサ端末は、前記センサ端末と前記基地局との間の無線通信を、前記選択された無線通信手段に変更することを特徴とする無線通信ネットワークシステム。
2. 前記異なる無線通信手段は、異なる周波数チャネルであることを特徴とする請求項１に記載の無線通信ネットワークシステム。
3. 前記センサ端末は、前記センサ計測データの送信間隔の間に、前記通信品質計測信号を複数回送信することを特徴とする請求項１に記載の無線通信ネットワークシステム。
4. 前記通信品質が計測された無線通信手段のうち、通信品質が所定の閾値より低い無線通信手段が所定数以上である場合、前記基地局はアラームを生成することを特徴とする請求項１に記載の無線通信ネットワークシステム。
5. 前記基地局は、前記無線通信手段を変更するための指示を、前記無線通信品質計測信号に対する応答信号とともに、前記選択された無線通信手段を用いて送信することを特徴とする請求項１に記載の無線通信ネットワークシステム。
6. 前記基地局は、設定された優先順位に従って、前記無線通信手段を選択することを特徴とする請求項１に記載の無線通信ネットワークシステム。
7. 前記優先順位は、前記無線通信品質の計測結果に基づいて設定されることを特徴とする請求項６に記載の無線通信ネットワークシステム。
8. 前記優先順位は、前記無線通信手段が前記センサ計測データの送信に過去に用いられた順に基づいて設定されることを特徴とする請求項６に記載の無線通信ネットワークシステム。
9. 前記基地局には、主となる無線通信手段が設定されており、
   前記基地局は、
   前記主となる無線通信手段を用いて、前記センサ端末との前記センサ計測データの通信を開始し、
   前記センサ端末との前記センサ計測データの送信に用いる無線通信手段を変更した後でも、前記主となる無線通信手段で待ち受けることを特徴とする請求項１に記載の無線通信ネットワークシステム。
10. 前記基地局には、主となる無線通信手段が設定されており、
    前記基地局と前記センサ端末との間の通信を新たに設定する場合、前記センサ端末は前記主となる無線通信手段を用いて接続要求を送信することを特徴とする請求項１に記載の無線通信ネットワークシステム。
11. 前記基地局には、主となる無線通信手段が設定されており、
    前記基地局と前記センサ端末との通信によって、前記主となる無線通信手段において前記基地局が待ち受ける時間が所定の閾値より短い場合、前記通信品質を計測するための通信の頻度を低くすることを特徴とする請求項１に記載の無線通信ネットワークシステム。
12. 前記無線通信ネットワークシステムは、さらに、前記センサ端末と前記基地局との間の通信を中継する中継局を備え、
    前記センサ端末と前記中継局の間の無線通信において、
    前記センサ端末は、前記センサ計測データを送信した直後に、前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段と異なる無線通信手段を用いて、通信品質計測信号を前記中継局へ送信し、
    前記中継局及び前記センサ端末の少なくとも一方は、前記通信品質計測信号によって無線通信品質を計測し、
    前記中継局又は前記センサ端末は、前記計測された無線通信品質に基づいて、前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段より無線通信品質が良好な無線通信手段を選択し、
    前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段の通信品質が劣化した場合、前記中継局又は前記センサ端末は、前記センサ端末と前記中継局との間の無線通信を、前記選択された無線通信手段に変更し、
    前記中継局と前記基地局との間の無線通信において、
    前記中継局は、前記センサ計測データを送信した直後に、前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段と異なる無線通信手段を用いて、通信品質計測信号を前記基地局へ送信し、
    前記基地局及び前記中継局の少なくとも一方は、前記通信品質計測信号によって無線通信品質を計測し、
    前記基地局又は前記中継局は、前記計測された無線通信品質に基づいて、前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段より無線通信品質が良好な無線通信手段を選択し、
    前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段の通信品質が劣化した場合、前記基地局又は前記中継局は、前記中継局と前記基地局との間の無線通信を、前記選択された無線通信手段に変更することを特徴とする請求項１に記載の無線通信ネットワークシステム。
13. センサ部、制御部及び無線通信部を備え、センサ部が計測したセンサ計測データを無線通信で送信する無線通信装置において、
    前記無線通信部は、前記センサ計測データを必要に応じて又は定期的に前記基地局へ無線通信で送信し、
    前記無線通信部は、前記センサ計測データを送信した直後に、前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段と異なる無線通信手段を用いて、通信品質計測信号を前記基地局へ送信し、
    前記無線通信部は、前記センサ計測データ及び前記通信品質計測信号によって前記各無線通信品質を計測し、
    前記制御部は、前記計測された無線通信品質に基づいて、前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段より無線通信品質が良好な無線通信手段を選択し、
    前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段の通信品質が劣化した場合、前記無線通信部は、前記センサ端末と前記基地局との間の無線通信を、前記選択された無線通信手段に変更することを特徴とする無線通信装置。
14. 前記無線通信装置は、前記センサ部、前記制御部及び前記無線通信部への電源の供給のオンオフを切り替える電源スイッチと、前記電源スイッチの動作を制御するタイマ部をさらに備え、
    前記電源スイッチは、前記タイマ部から出力されるタイミングに基づいて、前記センサの、前記制御部及び無線通信部への電源供給を停止することを特徴とする請求項１３に記載の無線通信装置。
15. センサが計測したセンサ計測データを無線通信によって送信する少なくとも一つのセンサ端末と、前記センサ端末が送信したセンサ計測データを受信する基地局と、を備える無線通信ネットワークシステムにおける無線通信方法であって、
    前記センサ端末は、前記センサ計測データを必要に応じて又は定期的に前記基地局へ無線通信で送信し、
    前記センサ端末は、前記センサ計測データを送信した直後に、前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段と異なる無線通信手段を用いて、通信品質計測信号を前記基地局へ送信し、
    前記基地局及び前記センサ端末の少なくとも一方は、前記センサ計測データ及び前記通信品質計測信号によって前記各無線通信品質を計測し、
    前記基地局又は前記センサ端末は、前記計測された無線通信品質に基づいて、前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段より無線通信品質が良好な無線通信手段を選択し、
    前記センサ計測データの送信に用いられた無線通信手段の通信品質が劣化した場合、前記基地局又は前記センサ端末は、前記センサ端末と前記基地局との間の無線通信を、前記選択された無線通信手段に変更することを特徴とする無線通信方法。

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