JP2019004516A - 無線通信制御方法およびセンサ収容端末 - Google Patents

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無線通信制御方法及びセンサ収容端末を提供する。【解決手段】時刻同期部１５が、端末親機２０に接続されている他のセンサ収容端末１０との間で内部時刻を同期し、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し、端末制御部１２が、センサにパケットを送信する際、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、通信割当期間内にパケットの送信を開始するとともに、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との間で無線通信に用いる通信路を時分割で共用する。【選択図】図５

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。

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、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 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。

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の実施の形態にかかる通信シーケンスを示す説明図である。 コネクションリソースの共用例である。 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。 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。 ＩｏＴで用いられるセンサネットワークの構成例である。 一般的なセンサネットワークの構成例である 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。 接続断によるデータ紛失を示す説明図である。 パケット衝突を示す説明図である。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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 (3)

1. 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。
2. 請求項１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。
3. 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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