JP2016096450A - 無線通信装置および無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】 マルチホップ無線ネットワークにおいてブロードキャスト通信の衝突を簡易に回避し、パケットの不達を防止すること。
【解決手段】 実施形態によれば、無線通信装置は、他の無線通信装置とパケットを送受信可能である。この無線通信装置は、記憶部と、中継処理部とを具備する。記憶部は、受信したパケットの中継先となるノードの宛先を登録される経路情報を記憶する。中継処理部は、受信したパケットを、経路情報に登録される宛先に中継する。そして、中継処理部は、受信したブロードキャストパケットを、経路情報に宛先が登録されている場合に限り中継する。
【選択図】 図１４

Description

本発明の実施形態は、例えばマルチホップ無線ネットワークを形成して無線通信する無線通信装置および無線通信システムに関する。

マルチホップ無線ネットワークは、無線通信エリアを拡大可能なネットワークとして知られている。マルチホップ無線ネットワークは、例えばスマートメータに代表されるセンサからのセンシングデータを収集したり、上位システムから発行された制御コマンドを遠隔のインフラに送り届けるためなどに利用されようとしている。

マルチホップ無線ネットワークに属する複数の無線通信装置は、互いに直接通信するだけでなく、無線中継装置を経由してより遠方の装置と通信することもできる。以下、無線通信装置および無線中継装置をノードと総称する。

ところで、マルチホップ無線ネットワークにおいて各ノードが勝手に通信を始めると通信の衝突、つまりパケットの衝突が起こって正常な通信が妨げられる。全てのノードが宛先となるブロードキャスト送信においてはこのことが特に顕著である。例えば、複数の中継装置の送出タイミングが一致すると共通の電波到達範囲内に在る受信装置側でブロードキャストパケットが衝突し、受信処理が破たんする虞がある。

そこで、既存の中継装置は、ＣＳＭＡ（搬送波検知多重アクセス）方式により干渉信号の無いことを確認したうえでブロードキャストパケットを中継するようにしている。周知のようにＣＳＭＡ方式によれば、キャリアセンス（競合電波検出）技術により干渉の低減を期待できる（非特許文献１）。

これとは別に、全ノードに固有のタイムスロットをアサインし全ノードの送信タイミングを固定するという技術も考案され、発明者らにより特許出願されている。この出願された技術は、固定長の割当て時間帯に送受信タイミングを合わせることで通信タイミングの衝突を防止しようとする技術である。

ARIB標準規格 ARIB STD-T108 1.0版

ＣＳＭＡ方式では、たとえ信号の送信前に干渉が無くても送信時に干渉信号が現れる可能性を排除できない。タイムスロットを固定的にアサインする技術では各ノードに精密な時計を備える必要があり、それらを同期させる処理も必要である。さらに、パケットの送出タイミングを管理する機能を各ノードに設ける必要があるので全般にコストが高くなる。

目的は、マルチホップ無線ネットワークにおいてブロードキャスト通信の衝突を簡易に回避できるようにし、これによりパケットの不達を防止し得る無線通信装置および無線通信システムを提供することにある。

実施形態によれば、無線通信装置は、他の無線通信装置とパケットを送受信可能である。この無線通信装置は、記憶部と、中継処理部とを具備する。記憶部は、受信したパケットの中継先となるノードの宛先を登録される経路情報を記憶する。中継処理部は、受信したパケットを、経路情報に登録される宛先に中継する。そして、中継処理部は、受信したブロードキャストパケットを、経路情報に宛先が登録されている場合に限り中継する。

図１は、実施形態に係わるシステムの一例を示す図である。 図２は、実施形態に係る無線通信システムを適用可能な社会インフラ制御システムの一例を示す図である。 図３は、実施形態に係る無線通信システムの一例を示すシステム図である。 図４は、図３に示されるシステムの一例を示す図である。 図５は、図２に示される水処理インフラに、図４に示されるシステムを適用した形態の一例を示す図である。 図６は、第１の実施形態に係るノードの一例を示す機能ブロック図である。 図７は、ノードの他の例を示す機能ブロック図である。 図８は、ノードの他の例を示す機能ブロック図である。 図９は、宛先通信手順の一例を示すシーケンス図である。 図１０は、自ノード宛ての出力要求通信の一例を示すシーケンス図である。 図１１は、自ノード宛ての入力要求通信の一例を示すシーケンス図である。 図１２は、他ノード宛ての通信の一例を示すシーケンス図である。 図１３は、ブロードキャスト通信手順の一例を示すシーケンス図である。 図１４は、自ノード宛ての出力要求通信（ブロードキャスト）の一例を示すシーケンス図である。 図１５は、実施形態に係るブロードキャスト通信手順を説明するための図である。 図１６は、経路の重複が生じたケースにおいてブロードキャストパケットが衝突する虞のあることを示す図である。 図１７は、第２の実施形態における効果を説明するための図である。 図１８は、第３の実施形態に係るノードの一例を示す機能ブロック図である。 図１９は、第４の実施形態に係るノードの一例を示す機能ブロック図である。 図２０は、第５の実施形態に係るノードの一例を示す機能ブロック図である。 図２１は、第５の実施形態に係るノードの他の例を示す機能ブロック図である。 図２２は、第６の実施形態に係るノードの一の例を示す機能ブロック図である。 図２３は、メンテナンス端末６０のディスプレイに表示される画面の一例を示す図である。

図１は、実施形態に係わるシステムの一例を示す図である。図１は、いわゆるスマートグリッドとして知られるシステムの一例を示す。既存の電力網（grid）では原子力、火力、水力などの既存発電所と、一般家庭や、ビル、工場といった多種多様な需要家とが電力網によって接続される。次世代の電力系統（Power grid）ではこれらに加えて太陽光発電（Photovoltaic Power Generation：ＰＶ）システムや風力発電装置などの分散型電源や蓄電装置、新交通システムや充電スタンドなどが電力系統に接続される。これら多種多様な要素は通信グリッドを介して通信することが可能である。

エネルギーを管理するシステムは、エネルギーマネジメントシステム（Energy Management System：ＥＭＳ）と総称される。ＥＭＳはその規模などに応じて幾つかに分類される。例えば一般家庭向けのＨＥＭＳ（Home Energy Management System）、ビルディング向けのＢＥＭＳ（Building Energy Management System）などがある。このほか、集合住宅向けのＭＥＭＳ（Mansion Energy Management System）、コミュニティ向けのＣＥＭＳ（Community Energy Management System）、工場向けのＦＥＭＳ（Factory Energy Management System）などがある。これらのシステムが連携することできめ細かなエネルギー最適化制御が実現される。

これらのシステムによれば既存の発電所、分散型電源、太陽光や風力などの再生可能エネルギー源、および需要家の相互間で高度な協調運用が可能になる。これにより自然エネルギーを主体とするエネルギー供給システムや、需要家と事業者との双方向連携による需要家参加型のエネルギー需給といった、新規かつスマートな形態の電力供給サービスが生み出される。

社会システムは、上記スマートグリッドに代表される社会インフラにより社会生活に快適さや便利さを提供する。これからの社会システムは情報処理技術や通信技術などを利用して、多種多様な社会インフラを有機的に結合させることで、省エネルギー化などの社会的な目標を達成できるようにすることを求められている。以下ではこのような課題を解決可能な実施形態に係る社会インフラ制御システムにつき、説明する。

図２は、実施形態に係る無線通信システムを適用可能な社会インフラ制御システムの一例を示す図である。図２において、社会インフラの例として電力インフラ１１０、新エネルギーインフラ１２０、道路交通インフラ１３０、鉄道インフラ１４０、水処理インフラ１５０、および通信インフラ１６０が示される。社会インフラはこれに限らず熱供給インフラ、医療インフラ、ビル（ビルディング）インフラなど多種多様に存在する。

電力インフラ１１０は発電所および発電プラント、送配電網などを含むことができる。新エネルギーインフラ１２０は蓄電ＳＣＡＤＡ（Supervisory Control And Data Acquisition）、ＰＶ（Photovoltaic）システムなどの、再生可能エネルギーに係わるインフラである。道路交通インフラ１３０は信号機や高速道路網、一般道路網などを含むことができる。

鉄道インフラ１４０は鉄道網、車両、チケット予約センタなどを含むことができる。水処理インフラ１５０は上下水道、浄水場などを含むことができる。通信インフラ１６０はインターネットやＷｅｂサービス、ＳＭＳ（Short Message Service）、ツイッタなどを含むことができる。各インフラ（社会インフラ）はいずれも、それぞれ固有の制御対象を備える。以下、各インフラの制御対象を被制御対象と総称する。

各インフラは光通信ネットワーク１７に接続される。クラウドコンピューティングシステム１０００は、ゲートウェイ（ＧＷ）１００を介して光通信ネットワーク１７に接続される。実施形態では、ギャランティ型ネットワークの一例として光通信ネットワーク１７を採りあげる。つまり実施形態では、クラウドコンピューティングシステム１０００と各インフラとは、通信帯域を保証可能なネットワークを介して接続される。光通信技術を応用した専用回線のほか、この種のネットワークとしては、例えばＩＰ（Internet Protocol）ネットワークに形成されるＶＰＮ（Virtual Private Network）もある。

クラウドコンピューティングシステム１０００は、サーバ１８とデータベース１９とを備える。サーバ１８は、単体のコンピュータ、又は複数のコンピュータの総体として構成されることが可能である。データベース１９は一つのコンピュータに備えられていても、複数のコンピュータに分散して配置されていてもよい。実施形態ではサーバ１８およびデータベース１９が複数備わる形態を考える。このような形態ではサーバ１８はクラウド通信網３００を介して相互に接続される。なお例えば或るサーバ１８にメンテナンス端末６０を接続しても良い。メンテナンス端末６０は、例えばＳＣＭＳ（Smart Community Management System）サーバとして機能することが可能である。

各インフラ１１０〜１６０はローカル制御装置３１を備える。ローカル制御装置３１は、必要に応じてそれぞれのインフラ１１０〜１６０をローカルで制御することが可能である。つまりローカル制御装置３１は、被制御対象をインフラごとに制御するための、固有の制御機能を備える。

例えば電力インフラ１１０においては、ローカル制御装置３１は、需要者ごとの電力の分配を制御する機能を備える。新エネルギーインフラ１２０においては、ローカル制御装置３１は、ＰＶシステムの発電量を気象情報に基づいて予測する機能を備える。道路交通インフラ１３０においては、ローカル制御装置３１は、道路の交通管制を行う機能を備える。

鉄道インフラ１４０においては、ローカル制御装置３１は、鉄道の運行管理などを行う機能を備える。水処理インフラ１５０においては、ローカル制御装置３１は、上水道の流量を制御したり、灌漑用水やダムの貯水量を制御する機能を備える。通信インフラ１６０においては、ローカル制御装置３１は、ＩＰ（Internet Protocol）ネットワークのフロー制御やルーティング制御、あるいはＩＳＤＮ（Integrated Service Digital Network）の呼接続制御などの機能を備える。

またローカル制御装置３１は光通信ネットワーク１７に接続される。ローカル制御装置３１は、光通信ネットワーク１７を介してサーバ１８と相互に情報通信したり、データベース１９から各種データを取得したり、サーバ１８を介してデータベース１９に各種データを蓄積したりすることが可能である。つまりローカル制御装置３１とサーバ１８とは、光通信ネットワーク１７を介して接続されて相互に情報通信することが可能である。

サーバ１８は、ローカル制御装置３１に被制御対象を制御するための各種の制御指示（コマンド、制御データを含む）を与える機能を備える。つまりサーバ１８は、ローカル制御装置３１、あるいは各インフラ１１０〜１６０に対して上位層の位置づけにある。

データベース１９は、社会インフラに係わるセンシングデータを蓄積する。センシングデータの例としては、スマートメータ、各種センサ、ネットワーク監視装置、ＭＤＭＳ（Meter Data Management System）、基幹システム（Billing System）などの各種監視制御システムからのメータデータ、センシングデータ、トラフィック、ＧＰＳ（Global Positioning System）データ、ライフログなどが挙げられる。つまり、センシングデータは、何らかの計測手段により計測可能な量である。これらのデータは、膨大な量に及ぶことから、クラウドコンピューティングの関係する分野ではBigData（ビッグデータ）とも称される。

社会インフラを制御するにあたり、超大量のデータ処理、リアルタイム処理、耐障害性（ロバスト性）、冗長化、通用継続保証、災害対策、高セキュリティ、個人情報保護、データ保証、各国法制度／規則対応、各国通信事情対応、地域毎ＳＬＡ（Service Level Agreement）などを考慮する必要がある。

図３は、実施形態に係る無線通信システムの一例を示すシステム図である。この無線通信システムは、マルチホップ無線ネットワークを形成する複数のノード（無線中継装置）Ａ〜Ｈを備える。各ノードＡ〜Ｈは、例えばＯＬＳＲやＡＯＤＶなどのルーティングプロトコルに基づいて、互いの電波到達範囲内に存在するノード同士で情報を交換することによりマルチホップ型の無線通信経路を自律的に形成する。ノードＡは、さらに、マルチホップ無線ネットワークとは異なる外部ネットワーク３０に接続される。すなわちノードＡは集約装置として機能する。集約装置としてのノードＡと、集約装置とは異なる他のノードは互いに区別される位置付けにある。

外部ネットワーク３０は、外部システム４０およびメンテナンス端末６０に接続される。外部システム４０は、外部ネットワーク３０およびノードＡを介してマルチホップ無線ネットワークに接続され、ノードＡ、およびノードＢ〜Ｈと通信可能である。メンテナンス端末６０も同様である。

なお、図３は、アドホックモードで構築されるマルチホップ無線ネットワークの一例をし示す。これに限らず、マルチホップ無線ネットワークをインフラストラクチャモードで構築することも可能である。また、図３は、ノードＡを中心とするツリー型のネットワークトポロジを有するマルチホップ無線ネットワークの一例を示す。これに限らず、各ノードＡ〜Ｈを複数の通信経路で互いに接続して、メッシュ型トポロジのマルチホップ無線ネットワークを構築することもできる。以下の説明は、どのような形態のマルチホップ無線ネットワークにも適用することが可能である。

図４は、図３に示されるシステムの一例を示す図である。外部システム４０は複数の制御装置を含むことができる。マルチホップ無線ネットワークを利用するこの種のシステムは、例えば、社会インフラ分野の制御システムとして用いられることが可能である。各ノードＡ〜Ｈは、入出力装置５０に接続されることが可能である。

複数の入出力装置５０は、有線通信路７０を介してカスケード状に接続されても良い。例えば、１つのノードに複数の入出力装置５０を接続することができる。このケースでは、例えば有線通信路７０におけるＯＳＩ参照モデルの物理層にＲＳ−４８５（ＥＩＡ−４８５）を、データリンク層以上にＭｏｄｂｕｓなどの通信プロトコルをそれぞれ適用可能である。

入出力装置５０は、センサ、モータ、あるいはアクチュエータなどと、電気信号ケーブルを介して電気信号を授受する。電気信号は、例えば外部システム４０からセンサ、モータ、あるいはアクチュエータなどに発報される制御信号、あるいは、センサから外部システム４０に逆方向で通知されるセンシングデータなどを含むことができる。

外部システム４０の各制御装置は、センサで取得されたセンシングデータを、入出力装置５０からその上位のノードＡ〜Ｈ、および外部ネットワーク３０を経由して収集可能である。収集されたセンシングデータに基づいて外部システム４０により生成された制御信号は、外部ネットワーク３０、ノードＡおよびマルチホップ無線ネットワークを経由してノードＢ〜Ｈにまで送信される。各ノードＡ〜Ｈは、制御信号に基づいてコマンドを生成し、そのコマンドを配下のアクチュエータなどに投入することで制御対象を制御する。

図５は、図２に示される水処理インフラ１５０に、図４に示されるシステムを適用した形態の一例を示す図である。水処理インフラ１５０において、例えば貯水池に備わる水量メータ１で水量低下が検出されるとモータ２が起動され、ポンプ３が稼動して貯水池に水が流入する。その水量はフローメータ４により測定される。水処理インフラ１５０の上位の制御装置は、フローメータ４により測定される水量を一定とすべく、モータ２の回転数をインバータ５によって調整する。

この一連の処理は、水量メータ１、モータ２、ポンプ３、フローメータ４およびインバータ５と、制御装置との、外部ネットワーク３０及びノードＡ〜Ｅを経由する情報通信により制御される。

ノードＡ〜Ｅは、被制御対象に装着されるセンサの情報収集機能、および、アクチュエータに対する制御機能を提供する。センサおよびアクチュエータも被制御対象の一例である。ノードＡ〜Ｅに接続される入出力装置５０（図４）は、定められた順序で機器を順番に運転するシーケンス制御機能を備える。入出力装置５０は、例えばインバータ５の回転数などを数百ミリ秒以下の時定数で制御して、アナログ値を目標値に近づけるループ制御機能も有する。さらに、入出力装置５０は、故障信号をインターロック信号として取り込み、故障発生時に被制御対象の機器を確実に停止させる機能なども有する。

制御装置は、水処理インフラのノードＡ〜Ｅからアップロードされるプロセスデータを受信し、１秒程度の定められた周期でオペレータに監視状況を提供する。オペレータの制御操作を下位のノードＡ〜Ｅに渡すことで、制御装置は、水処理インフラの運用をリアルタイムで調整することが可能となる。このように、インフラをクラウドコンピューティングシステム１０００から制御するには、両者の情報通信が重要となる。実施形態では、この種の用途に適用可能な無線通信システム及びノードについて詳しく開示する。次に、上記構成を基礎として、複数の実施形態につき詳しく説明する。

［第１の実施形態］
図６は、第１の実施形態に係るノードの一例を示す機能ブロック図である。図６に示される構成は、図４に示されるノードＢ〜ＦおよびＨに適用可能である。つまり図６は、有線通信路７０を介して入出力装置５０と接続可能なノードの一例を示す。有線通信路７０のプロトコルにはイーサネット（登録商標）やＲＳ４８５などを適用可能である。

図６に示されるノードは、無線部１１と、制御部１２と、入出力装置インタフェース部１３と、アンテナ部１５とを有する。
無線部１１は、自ノードの電波到達範囲内に存在する他ノードとの間で、アンテナ部１５を介して無線信号を送受信する。無線信号は、各種のデータを含むパケットを含むことができる。入出力装置インタフェース部１３は、出力データを入出力装置５０に送信し、入力データを入出力装置５０から受信する。

制御部１２は、その処理機能として中継処理部１２１と、入出力データ処理部１２４と、経路情報記憶部１２５とを備える。このうち経路情報記憶部１２５は、マルチホップ無線ネットワークにおける無線通信経路に関する情報（経路情報）を記憶する。この経路情報は、自ノードから見て下流側にある、パケットの中継先となるノードのＩＤ（IDentification）情報などである。つまり経路情報には、自ノードが受信したパケットの中継先となるノードの宛先が登録される。

経路情報は、上記ルーティングプロトコルに基づくノード間の協調動作により自律的に決められる情報でもよいし、システムマネージャにより予め設定される情報であっても良い。

中継処理部１２１は、無線部１１で受信された無線信号から受信パケット（受信データ）を復元し、この受信パケットから入出力装置５０向けの出力データを抽出する。抽出された出力データは入出力データ処理部１２４を経由して入出力装置５０に出力される。また中継処理部１２１は、入出力データ処理部１２４から取得した入力データ等から送信パケット（送信データ）を作成する。作成された送信パケットは無線部１１およびアンテナ部１５を介してマルチホップ無線ネットワークに送信される。

さらに中継処理部１２１は、復元されたパケットから当該パケットに記載された送信元アドレスおよび宛先アドレスを抽出する。中継処理部１２１は、これらの情報に基づいて経路情報記憶部１２５に記憶される経路情報を書き換える。これにより経路情報に登録される宛先が最新の情報に書き換えられる。つまり経路情報は、更新される。

入出力データ処理部１２４は、入出力装置インタフェース部１３の処理可能なデータ形式と、無線部１１から無線送受信されるデータ形式との間での相互変換を行う。なお、先に述べた無線ネットワーク形成機能（マルチホップ無線ネットワークを自律的に形成する機能）は、無線部、制御部１２および入出力装置インタフェース部１３のいずれにインプリメントされても良い。

図７は、ノードの他の例を示す機能ブロック図である。図７に示されるノードは入出力装置５０と直接接続されることが可能であり、図４に示されるノードＧとして適用可能である。図７において入出力装置５０は、内部バス６を介して入出力装置インタフェース部１３に接続される。内部バス６はシリアルバスまたはパラレルバスのいずれであっても良い。このような構成により入出力装置５０は、スロットなどを介してノードに直結されるか、あるいは、ノードと共通の筐体に内包されることができる。

図８は、ノードの他の例を示す機能ブロック図である。図８に示されるノードは、図４に示されるノードＡとして適用可能である。図８に示されるノードは、図６に示される入出力装置インタフェース部１３に代えて外部ネットワーク接続インタフェース部１４を備える。また、入出力データ処理部１２４に代えてネットワークデータ処理部１２６備える。

外部ネットワーク接続インタフェース部１４は、外部ネットワーク３０に接続され、各種のデータを含むパケットを外部システム４０と授受する。外部ネットワーク接続インタフェース部１４は、入出力装置インタフェース部１３は、入出力装置５０に送信すべき出力データのもととなる出力用データを外部システム４０から受信する。また外部ネットワーク接続インタフェース部１４は、入力データを入出力装置５０から受信した入力データを外部ネットワーク３０に送信する。

ネットワークデータ処理部１２６は、外部ネットワーク接続インタフェース部１４の処理可能なデータ形式と、無線部１１から無線送受信されるデータ形式との間での相互変換を行う。次に、上記構成による作用を、システム内における２通りの通信手順を例として説明する。一方は、宛先通信手順と称され、他方は、ブロードキャスト通信手順と称される。いずれの手順も、集約装置（実施形態ではノードＡ）が外部ネットワーク３０からパケットを受信することにより開始される。

＜宛先通信手順＞
宛先通信手順は、パケットの宛先となる１つのノードを指定して実施される通信手順である。
図９は、宛先通信手順の一例を示すシーケンス図である。図９に示されるシーケンスでは集約装置（ノードＡ）が主体となる。外部ネットワーク３０から他ノード宛てのパケットを受信すると、ノードＡは、このパケットを他ノード宛てに無線送信（中継）する。

中継されたパケットは、通信範囲内の他ノードを経由して、宛先ノードに到着する。この宛先ノードはノードＡ宛ての応答パケットを作成し、ノードＡに向け送信する。ノードＡは、受信した応答パケットを外部ネットワーク３０に送信可能な形式に変換し、外部ネットワーク３０宛てにこの応答パケットを無線送信する。

次に、図１０〜図１２を参照して、集約装置でないノード（実施形態ではノードＢ〜Ｈ）における宛先通信手順を説明する。これらのノードにおける処理手順は、自ノード宛ての出力要求通信、自ノード宛ての入力要求通信、および他ノード宛ての通信の３通りに大別される。

｛自ノード宛ての出力要求通信｝
図１０は、自ノード宛ての出力要求通信の一例を示すシーケンス図である。図１０ではノードＨを主体として説明するが、ノードＢ〜Ｇでも同様である。ノードＨが他ノード（例えばノードＥ）から出力要求パケットを受信すると、ノードＨの中継処理部１２１は、このパケットが自ノード宛てであるか否かを判定する。

自ノード宛ての出力要求パケットであれば、入出力データ処理部１２４は、入出力装置５０宛ての出力要求データを抽出し、出力要求及び出力データを入出力装置５０にドロップする。ドロップが完了すると、中継処理部１２１はノードＡ宛ての応答パケットを作成し、この応答パケットをノードＥに無線送信する。

｛自ノード宛ての入力要求通信｝
図１１は、自ノード宛ての入力要求通信の一例を示すシーケンス図である。図１１でもノードＨを主体として説明するが、ノードＢ〜Ｇでも同様である。ノードＨが他ノード（例えばノードＥ）から入力要求パケットを受信すると、ノードＨの中継処理部１２１は、このパケットが自ノード宛てであるか否かを判定する。

自ノード宛ての入力要求パケットであれば、入出力データ処理部１２４は、入出力装置５０宛ての入力要求データを抽出し、入力要求データを入出力装置５０にドロップする。これに応じて入出力装置５０は、センシングデータなどの入力データをノードＨに返送する。入出力装置５０からの入力データの取得が完了すると、中継処理部１２１は、入力データを含むノードＡ宛ての応答パケットを作成し、この応答パケット（入力データ含む）をノードＥに無線送信する。

｛他ノード宛ての通信｝
図１２は、他ノード宛ての通信の一例を示すシーケンス図である。図１２ではノードＣを主体として説明するが、ノードＢ，Ｄ〜Ｈでも同様である。ノードＣが他ノード（例えばノードＡ）から他ノード（例えばノードＦ）宛てのパケットを受信すると、ノードＣの中継処理部１２１は、このパケット（受信パケット）の宛先が自ノードではないことを判定する。そうすると中継処理部１２１は、経路情報記憶部１２５を参照し、このパケットが中継対象であるか否かを判定する。

受信パケットの宛先（ノードＦ）が経路情報記憶部１２５に登録されていれば、または、宛先がノードＡ（集約装置）であれば、受信パケットが中継対象であることをノードＣは認識する。そうすると、ノードＣは受信パケットをノードＦに向け無線送信（中継）する。

一方、経路情報記憶部１２５に、受信パケットの宛先（ノードＦ）が登録されていないのであれば、ノードＣは受信パケットを中継対象外と認識する。そうするとノードＣは受信パケットを廃棄し、このパケットを中継しない。

＜ブロードキャスト通信手順＞
次に、ブロードキャスト通信手順について説明する。ブロードキャスト通信手順は、システム内の全てのノードに一括でパケットを送信する通信手順である。ブロードキャスト用のパケットは、ブロードキャスト用であることを明示するための識別子（インジケータ）を記載するためのフィールドを備える。実施形態では、ブロードキャスト通信手順において中継されるパケットの衝突を回避可能な新規の技術について説明する。

図１３は、ブロードキャスト通信手順の一例を示すシーケンス図である。図１３に示されるシーケンスでは集約装置（ノードＡ）が主体となる。外部ネットワーク３０からブロードキャスト出力要求パケットを受信すると、ノードＡは、このブロードキャスト出力要求パケットを他ノード宛てに無線送信（中継）する。

この中継されたパケットは、通信範囲内の他ノードを経由して各ノードに到達する。一方、各ノードからノードＡ（集約装置）宛ての応答パケットは、ノードＡに返送される場合とされない場合との両方がある。いずれの場合でも、通常、ブロードキャスト出力要求パケットの伝送過程で経路情報記憶部１２５の経路情報が更新されることはない。

図１４は、自ノード宛ての出力要求通信（ブロードキャスト）の一例を示すシーケンス図である。図１４において、例えばノードＥが他ノード（例えばノードＢ）からブロードキャスト出力要求パケットを受信すると、入出力データ処理部１２４はこのパケットから出力要求データを抽出し、出力要求及び出力データを入出力装置５０にドロップする。ドロップが完了すると、中継処理部１２１はノードＡ宛ての応答パケットを作成し、この応答パケットをノードＢに無線送信する。なお応答なしの場合もある。

次に、ノードＥの中継処理部１２１は、経路情報記憶部１２５に記憶される経路情報に宛先が登録されているか否かを確認する。少なくとも１件の宛先が登録されていれば（Ｙｅｓ）、ノードＥは受信したパケットを中継対象と認識し、下流側ノード（ノードＨ）に向けブロードキャスト出力要求パケットを無線送信（中継）する。

一方、ノードＨ，Ｆ，Ｇのように、経路情報に登録される宛先を持たない（Ｎｏ）ノードは、受信されたブロードキャスト出力要求パケットを中継対象外と認識し、廃棄する。これにより、これ以降の中継はストップすることとなる。

図１５は、実施形態に係るブロードキャスト通信手順を説明するための図である。図１５において、ルーティングプロトコルにより、ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅの相互間にマルチホップ無線ネットワークが形成されている。このマルチホップ型無線ネットワークのトポロジに基づく宛先ノードが登録される経路情報が、ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅそれぞれの経路情報記憶部１２５に記憶される。

例えばノードＡの経路情報記憶部１２５に記憶される経路情報にはノードＢ，Ｃ，Ｅが登録される。ノードＢの経路情報記憶部１２５に記憶される経路情報にはノードＥがそれぞれ登録される。これに対しノードＣとノードＥの経路情報記憶部１２５に記憶される経路情報には何も登録されず、宛先は（無し）となる。

図１５において、ノードＡからブロードキャスト出力要求パケットが無線送信されると、当該パケットはノードＡの電波到達範囲内にあるノードＢとノードＣとに同時に受信される。ノードＢの経路情報記憶部１２５にノードＥが登録されているので、ノードＢはブロードキャスト出力要求パケットを中継する。一方、ノードＣの経路情報記憶部１２５には登録された宛先が１件も無いので、ノードＣはブロードキャスト出力要求パケットを廃棄し、このパケットを中継しない。つまり、このパケットがたとえブロードキャスト用途であっても、ノードＣはブロードキャストを停止する。

以上の作用により、ノードＢにより中継されたブロードキャスト出力要求パケットだけがノードＥに到達する。仮に、ノードＢとノードＣとにブロードキャスト出力要求パケットが同時に到着したとしても、ノードＣは中継をしないので、共通の電波到達範囲にあるノードＥではパケットの衝突が生じない。

以上述べたように第１の実施形態によれば、ブロードキャストパケットの衝突を回避できるようになり、従って、衝突や再送による到達時間の遅れを防止することができる。これによりブロードキャストパケットの発生からネットワーク全体に到達するまでに要する時間を、長くともマルチホップ中継段数に比例する一定の時間内に留めることが可能になる。

しかも第１の実施形態によれば、各ノードにおける精密な時刻同期処理を必要としない。これらのことから第１の実施形態によれば、マルチホップ無線ネットワークにおいてブロードキャスト通信の衝突を簡易に回避できるようになり、これによりパケットの不達を防止し得る無線通信システムおよび無線通信装置を提供することが可能になる。

［第２の実施形態］
第１の実施形態においては、ノード毎に記憶される経路情報に、それぞれのノードから見た宛先ノードＩＤが登録されることを説明した。第２の実施形態では、登録された宛先へのパケットの中継が一定の期間にわたって実行されなければ、その宛先の登録を抹消するようにする。

第２の実施形態において、図６，図７，図８に示される中継処理部１２１は、経路情報記憶部１２５の経路情報に登録された宛先を宛先とするパケットが規定期間、または既定受信回数にわたって受信されなければ、経路情報におけるその宛先を削除する。つまり、経路情報に登録された宛先への入力または出力要求パケットが一定時間、または一定受信回数の間受信できない状態が継続すると、中継処理部１２１は、その宛先の登録を経路情報から抹消する。

例えば図１５のノード配置において、ノードＥ周辺の電波状態の変化、無線部１１による自律的な通信経路形成（ルーティングプロトコル）、ユーザによる操作などにより、システムの運用中にノードＥとノードＡとを結ぶ通信経路がノードＢ経由からノードＣ経由に変化する場合がある。このようなケースでは、ノードＣの経路情報およびノードＢの経路情報の双方に、宛先としてノードＥが登録される。

このような場合、図１６に示されるように、ノードＢとノードＣにブロードキャスト出力要求パケットが到達すると、いずれのノードの経路情報にも宛先が登録されているので、ノードＢ，Ｃはこのパケットを中継する。このためノードＥにおいてパケットが衝突するおそれがあった。

これに対し第２の実施形態では、ノードＥ→ノードＢ→ノードＡの通信経路、または、ノードＥ→ノードＣ→ノードＡの通信経路のうち、使用されなくなった通信経路の登録が抹消される。これにより、図１６におけるノードＢとノードＣにおいては、宛先が削除されない側のノードだけがパケットを中継することになるので、ノードＥにおけるパケットの衝突が起こらない。

さらに第２の実施形態では、中継処理部１２１は、ブロードキャストパケットの受信から送信までの間にバックオフ期間を挿入する。
図１７に示されるように、ブロードキャスト出力要求パケットが到来すると、ノードＢ，Ｃはこのパケットを受信してから中継（送信）するまでの間に、それぞれバックオフ期間を個別に挿入する。これにより、複数ノードにおいて中継のタイミングが衝突する事を避けることができ、受信側のノードＥにおけるパケットの衝突を回避することができる。

このように第２の実施形態によれば、自律的な通信経路形成やユーザの操作などにより通信経路がダイナミックに変化するケースにおいても、ブロードキャストパケットの衝突を回避することができる。これによりブロードキャスト到達時間の遅れを回避でき、ネットワーク全体へのブロードキャスト到達を、マルチホップ中継段数に比例する一定時間内に完了できるようになる。

［第３の実施形態］
図１８は、第３の実施形態に係るノードの一例を示す機能ブロック図である。図１８において図６と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。図１８に示されるノードは、範囲内端末情報記憶部１２７を備える。範囲内端末情報記憶部１２７は、現時点における経路情報への登録の有無に関わらず、宛先として登録された履歴を持つノードを記憶する。つまり範囲内端末情報記憶部１２７は、経路情報に登録された宛先の履歴を記憶する。

範囲内端末情報記憶部１２７への宛先の記録は、経路情報記憶部１２５の経路情報に登録された宛先へのパケットが一定時間、または一定受信回数の間受信できない場合に、経路情報から登録を抹消される宛先を、範囲内端末情報記憶部１２７に移し替えることで実現される。これにより各ノードは、かつて通信経路として登録されていた周辺ノードの情報を継続して記憶できるようになる。

さらに、経路情報記憶部１２５に登録される宛先を有するノードのうち、範囲内端末情報記憶部１２７に１件でも宛先が登録されているノードは、ブロードキャストパケットの受信から中継までの間に、バックオフ期間を挿入することも可能である。

第３の実施形態によれば、当該宛先ノードへの通信経路が自ノード経由から他ノード経由に変化しても、範囲内端末情報記憶部１２７には宛先が継続して登録される。経路変化は自ノードの近傍に他ノードの存在する可能性が高いことを意味する。よって、範囲内端末情報記憶部１２７に宛先が１件でも登録されているノードが、ブロードキャスト出力要求パケットの受信から中継までの間に、バックオフ期間を挿入してから中継することで、該当宛先への中継経路となっている他ノードとの中継衝突を回避する事ができる。

［第４の実施形態］
図１９は、第４の実施形態に係るノードの一例を示す機能ブロック図である。図１９において図１８と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。図１９に示されるノードは、乱数を発生する乱数発生部１２３を備える。中継処理部１２１は、乱数発生部１２３により発生された乱数に基づいてバックオフ期間を設定する。これによりバックオフ期間はランダムな値になる。

また、乱数生成用の初期値としてノード毎に固有のノードＩＤを乱数発生部１２３に与えるようにしても良い。
えるようにしても良い。無線通信システムにおいて各ノードに設定されるノードＩＤは、無線通信システム内で一意な値が設定される。そこで、ノードＩＤを初期値とすることで乱数のランダムさを向上させることができ、ひいては、ブロードキャストパケットの中継時に、他ノードとの衝突をさらに確実に回避することができるようになる。

［第５の実施形態］
図２０は、第５の実施形態に係るノードの一例を示す機能ブロック図である。図２０において図７と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。図２０に示されるノードは、経路情報転送部１２８を備える。経路情報転送部１２８は、経路情報記憶部１２５に記憶される経路情報を集約装置としてのノードＡに転送する。経路情報転送部１２８は、例えば図９〜図１１に示されるノードＡ宛ての応答パケットに経路情報を格納することで、例えば定期的に経路情報をノードＡに送信する。

図２１は、第５の実施形態に係るノードの他の例を示す機能ブロック図である。図２１において図８と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。図２１に示されるノードは、経路情報収集記憶部１２９を備える。経路情報収集記憶部１２９は、各ノードから収集した経路情報を記憶する。
第５の実施形態において、ノードＡは各ノードから収集したノードＡ宛ての応答パケットから各ノードの経路情報を抽出し、経路情報収集記憶部１２９に格納する。

ノードＡの制御部１２は、経路情報収集記憶部１２９に記憶される各ノードの経路情報に基づいて、各ノードにおいて中継時に衝突を生じないバックオフ期間を計算する。そして、例えば宛先通信手順を用いて、決定したバックオフ期間を各ノードに転送する。各ノードの中継処理部１２１は、ノードＡから受信したバックオフ期間の値を元に、ブロードキャスト出力要求パケットの受信から中継までの間に挿入するバックオフ期間を決定する。

このような構成であるから、集約装置としてのノードＡにおいて、他のノードＢ〜Ｈごとのバックオフ期間を集約的に決定することができる。つまり、中継時に衝突可能性のある各ノードについて、バックオフ期間に別々の値を指定することができる。従って、他ノードとの中継衝突をさらに確実に回避することが可能になる。

［第６の実施形態］
図２２は、第６の実施形態に係るノードの一例を示す機能ブロック図である。図２２において図２１と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。図２２に示されるノードは、監視出力部１２２を備える。監視出力部１２２は、メンテナンス端末６０（図３）のディスプレイに、図２３に示されるような画面（監視出力画面）を表示する。

監視出力部１２２は、例えばＨＴＴＰｄ（Ｗｅｂサーバ）やそれに類する機能としてインプリメントされる。この種の技術によれば、ノードＡはメンテナンス端末６０に対するＷｅｂサーバとして機能する。メンテナンス端末６０はブラウザソフトを立ち上げ、専用のページにアクセスすることでノードＡから各種の情報を取得することができる。図２３に示される画面はＷｅｂサイトの一例である。

図２３は、メンテナンス端末６０の画面に表示される画面の一例を示す図である。監視画面を用いてユーザが装置ＩＤ（ノードＩＤ）を入力すると、このＩＤに対応するノードの経路情報、および範囲内端末情報が監視画面に表示される。経路情報は経路情報収集記憶部１２９から、範囲内端末情報は範囲内端末情報記憶部１２７からそれぞれ読み出される。

このようにすることで、ユーザは宛先通信手順およびブロードキャスト中継手順における中継用情報が各端末にどのように登録されているかを確認でき、通信時における各ノードの挙動を容易に把握することが可能になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…水量メータ、２…モータ、３…ポンプ、４…フローメータ、５…インバータ、６…内部バス、１１…無線部、１２…制御部、１３…入出力装置インタフェース部、１４…外部ネットワーク接続インタフェース部、１５…アンテナ部、１７…光通信ネットワーク、１８…サーバ、１９…データベース、３０…外部ネットワーク、３１…ローカル制御装置、４０…外部システム、５０…入出力装置、６０…メンテナンス端末、７０…有線通信路、１００…ゲートウェイ、１１０〜１６０…インフラ、１１０…電力インフラ、１２０…新エネルギーインフラ、１２１…中継処理部、１２２…監視出力部、１２３…乱数発生部、１２４…入出力データ処理部、１２５…経路情報記憶部、１２６…ネットワークデータ処理部、１２７…範囲内端末情報記憶部、１２８…経路情報転送部、１２９…経路情報収集記憶部、１３０…道路交通インフラ、１４０…鉄道インフラ、１５０…水処理インフラ、１６０…通信インフラ、３００…クラウド通信網、１０００…クラウドコンピューティングシステム、Ａ〜Ｈ…ノード

Claims (8)

1. 他の無線通信装置とパケットを送受信可能な無線通信装置において、
   受信したパケットの中継先となる無線通信装置の宛先を登録される経路情報を記憶する記憶部と、
   前記受信したパケットを、前記経路情報に登録される宛先に中継する中継処理部とを具備し、
   前記中継処理部は、受信したブロードキャストパケットを、前記経路情報に前記宛先が登録されている場合に限り中継することを特徴とする、無線通信装置。
2. 前記中継処理部は、前記経路情報に登録された宛先を宛先とするパケットが規定期間、または既定受信回数にわたって受信されなければ、前記経路情報における当該宛先を削除することを特徴とする、請求項１に記載の無線通信装置。
3. さらに、前記経路情報に登録された宛先の履歴を記憶する履歴記憶部を具備することを特徴とする、請求項２に記載の無線通信装置。
4. 前記中継処理部は、ブロードキャストパケットの受信から送信までの間にバックオフ期間を挿入することを特徴とする、請求項１に記載の無線通信装置。
5. さらに、乱数を発生する乱数発生部を備え、
   前記中継処理部は、前記乱数に基づいて前記バックオフ期間を設定することを特徴とする、請求項４に記載の無線通信装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の前記無線通信装置を複数有し、マルチホップ無線ネットワークを介して前記無線通信装置間で通信をすることを特徴とする無線通信システム。
7. 前記複数の無線通信装置は、集約装置と、この集約装置とは異なる無線通信装置とに区別され、
   前記集約装置とは異なる無線通信装置は、前記経路情報を前記集約装置に送信する経路情報送信部を備え、
   前記集約装置は、
   前記送信された経路情報を記憶する経路情報記憶部と、
   前記経路情報記憶部に記憶される経路情報に基づいて無線通信装置毎に決定したバックオフ期間を各無線通信装置に通知する手段とを備えることを特徴とする、請求項６に記載の無線通信システム。
8. 前記集約装置は、ユーザにより指定された無線通信装置の経路情報を前記経路情報記憶部から読み出し、前記ユーザに表示する監視出力部を備えることを特徴とする、請求項７に記載の無線通信システム。

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