JP2017216548A - 無線通信制御方法およびセンサ収容端末 - Google Patents
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Abstract
【課題】パケット衝突に起因するセッション接続断を低減する。
【解決手段】ロックメモリ13が、センサSとの無線通信に用いる通信路の使用可否を排他フラグにより記憶し、タイマカウンタ14が、無線通信によりセンサSにパケットを送信する際、通信開始から通信時間を計時し、予め設定されているロック時間が経過した時点で排他フラグをリセットして使用可とし、端末制御部12が、センサSにパケットを送信する際、排他フラグがリセットされていて通信路がロックされていない場合には、排他フラグをセットしてパケットの送信を開始し、排他フラグがセットされていて通信路がロックされている場合には、ロックが解除されるまでパケットの送信を待機する。
【選択図】 図1
【解決手段】ロックメモリ13が、センサSとの無線通信に用いる通信路の使用可否を排他フラグにより記憶し、タイマカウンタ14が、無線通信によりセンサSにパケットを送信する際、通信開始から通信時間を計時し、予め設定されているロック時間が経過した時点で排他フラグをリセットして使用可とし、端末制御部12が、センサSにパケットを送信する際、排他フラグがリセットされていて通信路がロックされていない場合には、排他フラグをセットしてパケットの送信を開始し、排他フラグがセットされていて通信路がロックされている場合には、ロックが解除されるまでパケットの送信を待機する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、無線通信技術に関し、特に複数のセンサと無線通信を行うことにより、これらセンサで検出したセンサデータをセンサ収容端末で取得するための無線通信制御技術に関する。
すべてのモノがインターネットに接続されるIoT(Internet of things)社会では、各種のセンサがネットワークに接続され、多種多量のデータを収集し、そのデータを解析することで人間の役に立つ情報を引き出すことが期待されている。図6は、IoTで用いられるセンサネットワークの構成例である。そのような中では様々なユースケース・ニーズにセンサを収容する端末が対応することが求められており、現在主流のスマートフォンのみでは運用に問題が生じる場合もある。
特に、スマートフォンでは多台数の同時接続に難があり、その対応策として、センサ収容端末のネットワークの構成をツリー型にすることにより、接続台数の向上が見込まれる図7は、一般的なセンサネットワークの構成例である(非特許文献1など参照)。特に、近距離無線通信技術の1つであるBluetooth(登録商標)を拡張したBLE(Bluetooth Low Energy)は、極低電力で通信が可能であり、センサとセンサ収容端末と間の無線通信方式として極めて有用な手法である。
しかし、この手法ではそれぞれのセンサ収容端末に時刻同期機能を実装していない場合、次のような2つの問題が生じる。1つ目の問題は、BLE受信機のハードウェア制約によって同時にセッションを維持可能な台数に制限が生じる点である。図8は、従来のセンサ接続台数と接続断の回数との関係を示すグラフである。今回の予備実験で使用したBLEドングルでは14セッションが限界値であった。
2つ目は収容する端末の台数が増加するにしたがって、パケットの衝突が起こる可能性が高まり、その再送やパケット紛失によってユーザの使用感が低下する点がある。図9は、接続断によるデータ紛失を示す説明図である。理想では、センサからのデータがセンサ収容端末で連続して受信されるはずであるが、セッションに接続断が発生すると、データが紛失して時系列的に途切れてしまうことになる。
「BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.2」、Core Version 4.2、Bluetooth SIG、Dec 02 2014、https://www.bluetooth.com/specifications/adopted-specifications
このような従来技術における問題への対策として、BLEではパケット再送制御が仕様化されているが、パケット再送が多くなると通信路が輻輳してしまい、改善効果は限定的になるという問題点があった。
図10は、パケット衝突を示す説明図である。通常、センサからセンサデータを取得する際、センサ収容端末からセンサに対してセンサデータのセンシングを指示する下りパケットが送信され、センシング所要時間だけ待機した後、センシングしたセンサデータが上りパケットにより返送される。
したがって、下りパケットから上りパケットまでの1つの通信シーケンスが時間的にオーバーラップしていても、実際に送受信される下りパケットや上りパケットが時間的にずれている場合には、パケットの衝突が発生せず、正常な動作が維持される。
したがって、下りパケットから上りパケットまでの1つの通信シーケンスが時間的にオーバーラップしていても、実際に送受信される下りパケットや上りパケットが時間的にずれている場合には、パケットの衝突が発生せず、正常な動作が維持される。
しかし、下りパケットと上りパケットが時間的に重なった場合や、下りパケット同士が時間的に重なった場合には、パケットの衝突により接続断が発生する。図10の例では、センサ接続台数が8台以下のケース1では、パケット紛失期間がそれほど連続していないが、9台以上のケース2では、パケット紛失が長期間にわたって連続している。
このため、パケットの再送制御が行われることになるが、再送制御によりパケットが増加するため、結果として通信路が輻輳することになる。
このため、パケットの再送制御が行われることになるが、再送制御によりパケットが増加するため、結果として通信路が輻輳することになる。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、パケット衝突に起因するセッション接続断を低減できる無線通信制御技術を提供することを目的としている。
このような目的を達成するために、本発明にかかる無線通信制御方法は、複数のセンサと無線通信を介してパケットを送受信することにより、前記センサで得られたセンサデータを取得するセンサ収容端末で用いられる無線通信制御方法であって、ロックメモリが、前記センサとの無線通信に用いる通信路の使用可否を排他フラグにより記憶するステップと、タイマカウンタが、前記無線通信により前記センサにパケットを送信する際、通信開始から通信時間を計時し、予め設定されているロック時間が経過した時点で前記ロックメモリの排他フラグをリセットして使用可とするステップと、端末制御部が、前記センサにパケットを送信する際、前記排他フラグがリセットされていて前記通信路がロックされていない場合には、前記排他フラグをセットして前記パケットの送信を開始し、前記排他フラグがセットされていて前記通信路がロックされている場合には、ロックが解除されるまで前記パケットの送信を待機するステップとを備えている。
また、本発明にかかる他の無線通信制御方法は、複数のセンサと無線通信を介してパケットを送受信することにより、前記センサで得られたセンサデータを取得するセンサ収容端末で用いられる無線通信制御方法であって、時刻同期部が、端末親機に接続されている他のセンサ収容端末との間で内部時刻を同期するステップと、タイマカウンタが、前記無線通信により前記センサにパケットを送信する際、通信開始から予め設定されているロック時間が経過した時点までを計時するステップと、端末制御部が、前記センサにパケットを送信する際、前記時刻同期部で同期させた内部時刻に基づいて、予め自端末に割り当てられた通信割当期間を特定し、前記通信割当期間内に、前記パケットの送信を開始するとともに、前記タイマカウンタでの計時完了ごとに予め設定されている順序で後続するセンサへ、パケットを順次送信することにより、前記他のセンサ収容端末との間で前記無線通信に用いる通信路を時分割で共用するステップとを備えている。
また、本発明にかかる無線通信制御方法の一構成例は、前記端末制御部が、前記センサのそれぞれとパケット送受信を行う際、前記無線通信で用いるコネクションリソースを共用するステップをさらに備えている。
また、本発明にかかるセンサ収容端末は、複数のセンサと無線通信を介してパケットを送受信することにより、前記センサで得られたセンサデータを取得するセンサ収容端末であって、前記センサとの無線通信に用いる通信路の使用可否を排他フラグにより記憶するロックメモリと、前記無線通信により前記センサにパケットを送信する際、通信開始から通信時間を計時し、予め設定されているロック時間が経過した時点で前記ロックメモリの排他フラグをリセットして使用可とするタイマカウンタと、前記センサにパケットを送信する際、前記排他フラグがリセットされていて前記通信路がロックされていない場合には、前記排他フラグをセットして前記パケットの送信を開始し、前記排他フラグがセットされていて前記通信路がロックされている場合には、ロックが解除されるまで前記パケットの送信を待機する端末制御部とを備えている。
また、本発明にかかる他のセンサ収容端末は、複数のセンサと無線通信を介してパケットを 複数のセンサと無線通信を介してパケットを送受信することにより、前記センサで得られたセンサデータを取得するセンサ収容端末であって、端末親機に接続されている他のセンサ収容端末との間で内部時刻を同期する時刻同期部と、前記無線通信により前記センサにパケットを送信する際、通信開始から予め設定されているロック時間が経過した時点までを計時するタイマカウンタと、前記センサにパケットを送信する際、前記時刻同期部で同期させた内部時刻に基づいて、予め自端末に割り当てられた通信割当期間を特定し、前記通信割当期間内に、前記パケットの送信を開始するとともに、前記タイマカウンタでの計時完了ごとに予め設定されている順序で後続するセンサへ、パケットを順次送信することにより、前記他のセンサ収容端末との間で前記無線通信に用いる通信路を時分割で共用する端末制御部とを備えている。
本発明によれば、各センサへの下りパケットが衝突することなく、センサ収容端末から各センサへ送信される。これにより、センサごとの通信シーケンスが時間的に多重化されることになり、結果として、パケット衝突に起因するセッション接続断を低減することが可能となる。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
[第1の実施の形態]
まず、図1を参照して、本発明の第1の実施の形態にかかるセンサネットワークシステム1について説明する。図1は、第1の実施の形態にかかるセンサネットワークシステムの構成を示すブロック図である。
[第1の実施の形態]
まず、図1を参照して、本発明の第1の実施の形態にかかるセンサネットワークシステム1について説明する。図1は、第1の実施の形態にかかるセンサネットワークシステムの構成を示すブロック図である。
[センサネットワークシステム]
図1に示すように、本実施の形態にかかるセンサネットワークシステム1は、各種のセンサSを無線接続する複数のセンサ収容端末10と、これらセンサ収容端末10と無線接続された端末親機20とから構成されている。
図1に示すように、本実施の形態にかかるセンサネットワークシステム1は、各種のセンサSを無線接続する複数のセンサ収容端末10と、これらセンサ収容端末10と無線接続された端末親機20とから構成されている。
センサ収容端末10は、全体として無線中継端末からなり、BLEを用いた通信路により配下にある複数のセンサSと無線通信を行うことにより、各センサSから無線送信されたセンサデータを受信して端末親機20へ無線送信する機能を有している。
端末親機20は、全体として無線アクセスポイント(AP)からなり、各センサ収容端末10からのセンサデータを受信し、通信回線Lを介して上位装置30へ転送する機能を有している。
上位装置30は、全体としてサーバ装置からなり、端末親機20から転送されたセンサデータを蓄積して一連の時系列データを生成し、ユーザに提供する機能を有している。
上位装置30は、全体としてサーバ装置からなり、端末親機20から転送されたセンサデータを蓄積して一連の時系列データを生成し、ユーザに提供する機能を有している。
本発明は、センサSとセンサ収容端末10との間の通信シーケンスにおいては、占有時間の大半がセンシングによる待ち時間であることに着目し、ボトルネックとなる通信路を多重化することによって無線の利用効率を向上させるようにしたものである。加えて、コネクションリソースを多数のセンサSで共用することによって見かけ上の接続台数を向上させるようにしたものである。
[センサ収容端末]
次に、図1を参照して、本実施の形態にかかるセンサ収容端末10の構成について詳細に説明する。
センサ収容端末10には、主な回路部として、無線通信部11、端末制御部12、ロックメモリ13、およびタイマカウンタ14が設けられている。
次に、図1を参照して、本実施の形態にかかるセンサ収容端末10の構成について詳細に説明する。
センサ収容端末10には、主な回路部として、無線通信部11、端末制御部12、ロックメモリ13、およびタイマカウンタ14が設けられている。
無線通信部11は、配下のセンサSと無線通信を行う機能と、無線LANなどの通信方式に基づいて端末親機20と無線通信を行う機能を有している。
端末制御部12は、無線通信部11による各センサSとの無線通信を制御する機能と、センサSから受信したセンサデータを統合して無線通信部11から端末親機20へ無線送信する機能とを有している。
端末制御部12は、無線通信部11による各センサSとの無線通信を制御する機能と、センサSから受信したセンサデータを統合して無線通信部11から端末親機20へ無線送信する機能とを有している。
ロックメモリ13は、配下のセンサSと無線通信を行う無線通信部11の使用可否を排他フラグにより記憶するメモリ(レジスタ)である。
タイマカウンタ14は、センサ収容端末10から任意のセンサSに対する下り無線通信について、通信開始から通信時間を計時し、予め設定されているロック時間が経過した時点でロックメモリ13の排他フラグをリセットして使用可とするカウンタである。
タイマカウンタ14は、センサ収容端末10から任意のセンサSに対する下り無線通信について、通信開始から通信時間を計時し、予め設定されているロック時間が経過した時点でロックメモリ13の排他フラグをリセットして使用可とするカウンタである。
センサSとセンサ収容端末10との間の通信シーケンスで用いるBLEでは、通信速度が1Mbpsと高速であり、かつ、1パケット当たりのペイロードが20byteに制限されていることから、前述の図10に示したように、実際にパケットの送受信に使用している時間は非常に短い。つまり、大半は下りパケットから上りパケットまでの待ち時間であり、この待ち時間の間、通信路を占有し続ける状況はスループット向上の観点から望ましくない。しかしながら、通常、BLEでは、同時にリソースを求められることがないよう、ロック機構を使って排他制御を行っているため、通信路の占有が生じている。
図2は、第1の実施の形態にかかる通信シーケンスを示す説明図である。本発明では、下りパケットから上りパケットまでの待ち時間の間に、他のセンサSとの通信シーケンスを入れて多重化するようにしたものである。
具体的には、任意のセンサSからセンサデータを取得する場合、端末制御部12は、ロックメモリ13の排他フラグを確認し、排他フラグがリセットされていて通信路がロックされておらず未使用状態であることを示している場合、この排他フラグをセットして、無線通信部11から下りパケットの送信を開始する。これにより、通信路はロックされて他のセンサSとの通信には使用できない排他状態となる。
また、排他フラグがセットされていて通信路がロックされていて使用状態であることを示している場合、端末制御部12は、排他フラグがリセットされるまで、下りパケットの送信を待機する。
この後、下りパケットの送信開始に応じて、タイマカウンタ14がカウント動作を開始し、下りパケットの送信開始からロック時間だけ経過した時点、すなわち下りパケットの送信が終了した時点で、ロックメモリ13の排他フラグがリセットされる。これにより通信路のロックが解除されて未使用状態となり、任意のセンサSからのセンサデータの取得に用いることができる。
ロック時間については、例えば、BLE物理層の最大パケットサイズ46オクテットを1Mbpsで送信可能な368usと一定のガードタイムとの和を取ったものとすればよい。なお、ロック時間は、上位装置30からの指示に応じて任意に設定変更できるようにしてもよい。
これにより、図2に示すように、各センサS#1〜#4への下りパケットが衝突することなく、センサ収容端末10から各センサS#1〜#4へ送信される。なお、各センサS#1〜#4の待ち時間はほぼ一定であるため、上りパケットの衝突も回避される。これにより、センサSごとの通信シーケンスが時間的に多重化されることになり、結果として、パケット衝突に起因するセッション接続断を低減することが可能となる。
また、本実施の形態において、1つのコネクションリソースを異なる複数のセンサSとのパケット送受信で共用してもよい。BLEは理論上232の台数を同時接続することが可能であるが、実際はコネクションを形成する際にメモリを必要とすることからメモリによって接続台数の上限が決定される。この状況下では、各センサSがどのようなセンサデータをセンシングするかによって優先度を設定することで、リソースの共用を図ることができる。
図3は、コネクションリソースの共用例である。通常、心電位、筋電位、加速度、音に関するセンサSは、これらセンサデータを高頻度でセンシングする必要があるため、これらセンサSとセンサ収容端末10との間で、常時、コネクションを保持し続ける必要がある。逆に、温度についてはセンサデータが頻繁に変化するわけではないため、コネクション確立→センシングおよび通信→コネクション断を各センサSごとに繰り返すことで、コネクションを常時保持し続ける必要がなくなる。このため、コネクションリソースを複数のセンサSで共用することが可能となるため、見かけ上の接続台数を増やすことが可能である。
図4は、第1の実施の形態にかかるセンサ接続台数と接続断の回数との関係を示すグラフである。本実施の形態によれば、センサSごとの通信シーケンスが時間的に多重化されるため、パケット衝突に起因するセッション接続断を低減することが可能となる。また、コネクションリソースの共用を適用した場合、メモリにより制限される接続台数の限界値を超えた範囲まで、見かけ上の接続台数を増やすことが可能となる。
[第2の実施の形態]
次に、図5を参照して、本発明の第2の実施の形態にかかるセンサネットワークシステム1について説明する。図5は、第2の実施の形態にかかるセンサネットワークシステムの構成を示すブロック図である。
次に、図5を参照して、本発明の第2の実施の形態にかかるセンサネットワークシステム1について説明する。図5は、第2の実施の形態にかかるセンサネットワークシステムの構成を示すブロック図である。
本実施の形態は、図5に示すように、センサ収容端末10に、ロックメモリ13に代えて、異なるセンサ収容端末10間と内部時刻の同期をとるための時刻同期部15を設け、この時刻同期部15で同期させた内部時刻に基づいて、端末制御部12が、予め自端末に割り当てられた通信割当期間を特定し、通信割当期間内に、配下のセンサSに下りパケットの送信を開始するとともに、タイマカウンタ14での計時完了ごとに、予め設定されている順序で後続する配下のセンサSへ、パケットを順次送信することにより、他のセンサ収容端末10との間でBLEの通信路を時分割で共用するようにしたものである。
時刻同期部15は、周知の時刻同期手法に基づいて、異なるセンサ収容端末10との間で、端末親機20を介して同期パケットをやり取りすることにより、センサ収容端末10計時している自己の内部時刻を同期させる機能を有している。
これにより、任意のセンサ収容端末10が配下のセンサSと送受信するパケットと、他のセンサ収容端末10が配下のセンサSと送受信するパケットとの衝突を精度よく回避でき、第1の実施の形態で述べたロック時間に必要となるガードタイムを極力短くすることが可能となる。したがって、各センサ収容端末10の配下に多数のセンサSが接続されている場合でも、センサ収容端末10間でのパケット衝突や複数発生を極めて効果的に抑制して、効率よくセンサデータを収集することが可能となる。
また、本実施の形態において、任意のセンサ収容端末10が配下のセンサSと無線通信を行う際、第1の実施の形態の図3と同様にして、1つのコネクションリソースを異なる複数のセンサSで共用してもよい。これにより、各センサ収容端末10内において、コネクションリソースを配下のセンサS間で共用することができ、見かけ上の接続台数を増やすことが可能となる。
[実施の形態の拡張]
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
1…センサネットワークシステム、10…センサ収容端末、11…無線通信部、12…端末制御部、13…ロックメモリ、14…タイマカウンタ、15…時刻同期部、20…端末親機、30…上位装置、S…センサ。
Claims (5)
- 複数のセンサと無線通信を介してパケットを送受信することにより、前記センサで得られたセンサデータを取得するセンサ収容端末で用いられる無線通信制御方法であって、
ロックメモリが、前記センサとの無線通信に用いる通信路の使用可否を排他フラグにより記憶するステップと、
タイマカウンタが、前記無線通信により前記センサにパケットを送信する際、通信開始から通信時間を計時し、予め設定されているロック時間が経過した時点で前記ロックメモリの排他フラグをリセットして使用可とするステップと、
端末制御部が、前記センサにパケットを送信する際、前記排他フラグがリセットされていて前記通信路がロックされていない場合には、前記排他フラグをセットして前記パケットの送信を開始し、前記排他フラグがセットされていて前記通信路がロックされている場合には、ロックが解除されるまで前記パケットの送信を待機するステップと
を備えることを特徴とする無線通信制御方法。 - 複数のセンサと無線通信を介してパケットを送受信することにより、前記センサで得られたセンサデータを取得するセンサ収容端末で用いられる無線通信制御方法であって、
時刻同期部が、端末親機に接続されている他のセンサ収容端末との間で内部時刻を同期するステップと、
タイマカウンタが、前記無線通信により前記センサにパケットを送信する際、通信開始から予め設定されているロック時間が経過した時点までを計時するステップと、
端末制御部が、前記センサにパケットを送信する際、前記時刻同期部で同期させた内部時刻に基づいて、予め自端末に割り当てられた通信割当期間を特定し、前記通信割当期間内に、前記パケットの送信を開始するとともに、前記タイマカウンタでの計時完了ごとに予め設定されている順序で後続するセンサへ、パケットを順次送信することにより、前記他のセンサ収容端末との間で前記無線通信に用いる通信路を時分割で共用するステップと
を備えることを特徴とする無線通信制御方法。 - 請求項1または請求項2に記載の無線通信制御方法において、
前記端末制御部が、前記センサのそれぞれとパケット送受信を行う際、前記無線通信で用いるコネクションリソースを共用するステップをさらに備えることを特徴とする無線通信制御方法。 - 複数のセンサと無線通信を介してパケットを送受信することにより、前記センサで得られたセンサデータを取得するセンサ収容端末であって、
前記センサとの無線通信に用いる通信路の使用可否を排他フラグにより記憶するロックメモリと、
前記無線通信により前記センサにパケットを送信する際、通信開始から通信時間を計時し、予め設定されているロック時間が経過した時点で前記ロックメモリの排他フラグをリセットして使用可とするタイマカウンタと、
前記センサにパケットを送信する際、前記排他フラグがリセットされていて前記通信路がロックされていない場合には、前記排他フラグをセットして前記パケットの送信を開始し、前記排他フラグがセットされていて前記通信路がロックされている場合には、ロックが解除されるまで前記パケットの送信を待機する端末制御部と
を備えることを特徴とするセンサ収容端末。 - 複数のセンサと無線通信を介してパケットを送受信することにより、前記センサで得られたセンサデータを取得するセンサ収容端末であって、
端末親機に接続されている他のセンサ収容端末との間で内部時刻を同期する時刻同期部と、
前記無線通信により前記センサにパケットを送信する際、通信開始から予め設定されているロック時間が経過した時点までを計時するタイマカウンタと、
前記センサにパケットを送信する際、前記時刻同期部で同期させた内部時刻に基づいて、予め自端末に割り当てられた通信割当期間を特定し、前記通信割当期間内に、前記パケットの送信を開始するとともに、前記タイマカウンタでの計時完了ごとに予め設定されている順序で後続するセンサへ、パケットを順次送信することにより、前記他のセンサ収容端末との間で前記無線通信に用いる通信路を時分割で共用する端末制御部と
を備えることを特徴とするセンサ収容端末。
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