JP2019121906A - 無線通信装置、無線通信方法およびコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】無線マルチホップネットワークにおける無線ノードの消費電力の増大を抑える。【解決手段】本発明の実施形態に係る無線通信装置は、無線マルチホップネットワークにおける無線通信装置であって、無線信号を送受信する無線インタフェース部と、送受信処理部とを備える。前記送受信処理部は、親ノードへ提供するデータと、前記無線マルチホップネットワークで報知するビーコン情報とを含む第１パケットを、前記無線インタフェース部を介して送信する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、無線通信装置、無線通信方法およびコンピュータプログラムに関する。

無線マルチホップネットワークにおいて、通信対象を探すために無線ノードが特定の無線周波数で受信待機をして、受信されたデータをもとに周囲にいる他の無線ノードを発見する方法が知られている。

Wi-Fiのアクセスポイントのように、自装置の存在を周囲に知らせるためにビーコンというパケットを定期的に送信する方法も知られている。新規参加を要求する無線ノードは、ビーコンを受信することで、ネットワークに参加するための情報を得ることができる。例えば、ビーコンで知らせる情報（ビーコン情報）の例としては、ビーコンの送信元無線ノードが新規参加を受け付けるために受信待機するタイミングなどがある。取得した情報に基づき、無線ノードは、ネットワークに参加できる。

このようなビーコンを送信する方法を無線マルチホップネットワークに用いた場合、既にネットワークに参加済みの無線ノードがデータの送信とは別にビーコンも送信する必要があるため、無線ノードにおける送信回数が増え、消費電力が増加するという課題が存在する。

国際公開第２０１６／１６３５４１号

本発明の実施形態は、無線マルチホップネットワークにおける無線ノードの消費電力の増大を抑えることを目的とする。

本発明の実施形態に係る無線通信装置は、無線マルチホップネットワークにおける無線通信装置であって、無線信号を送受信する無線インタフェース部と、送受信処理部とを備える。前記送受信処理部は、親ノードへ提供するデータと、前記無線マルチホップネットワークで報知するビーコン情報とを含む第１パケットを、前記無線インタフェース部を介して送信する。

第１の実施形態に係る無線通信システムを示す図。 第１の実施形態における無線通信装置（無線ノード）のブロック図。 パケットフォーマットの例を示す図。 第１の実施形態に係る送信動作例１を示す図。 第１の実施形態に係る送信動作例２を示す図。 第１の実施形態に係る動作のフローチャート。 第２の実施形態に係る無線ノードのブロック図。 第２の実施形態に係るチャネルホッピングによる送信例を示す図。 第２の実施形態に係るチャネルホッピングによる他の送信例を示す図。 第２の実施形態に係る動作のフローチャート。 第２の実施形態に係る動作のフローチャート。 第２の実施形態に係るマルチホップネットワークの基本的な動作を示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）

図１は、第１の実施形態に係る無線通信システムを示す。無線通信システムは、集約装置１０１と、複数の無線ノード１０２とを備えた無線マルチホップネットワークである。集約装置も、無線マルチホップネットワークのノードの１つである。集約装置が明示的に存在せず、無線ノードのみで構成されるシステムでもよい。

図における矢印付きの線は、矢印の元のノードから、矢印が指すノードの方向に無線信号を送信することを表している。無線信号は、一例としてパケットの形態を有する。矢印の元のノードは子ノード、矢印が指すノードは親ノードに相当する。

親ノードは、無線ノードがデータ送信の宛先とする、より集約装置に近い上位の無線ノードである。子ノードは、自ノードをデータ送信の宛先とする、より集約装置から遠い下位の無線ノードである。親ノードと子ノード間では事前に無線接続が行われている。無線接続とは接続処理を行って互いに通信を行うためのパラメータを交換した状態を指す。

各無線ノードで生成されたデータは、親ノードへ送信され、親ノードは、子ノードから受信したデータおよび自ノードで生成したデータをさらにその親ノードに送信する。子ノードから受信したデータを親ノードに送信することを中継と呼ぶ。このように各無線ノードがデータの中継を行うことにより、集約装置１０１に各無線ノード１０２で生成されたデータが集約される。

本ネットワークでは通信方式として時分割通信を想定する。時分割通信では、時間をフレームに分割し、さらにフレームをスロットに細分化する。各無線ノードは１つまたは複数の特定のスロットを占有し、フレーム周期で特定のスロットで無線信号を送信する。ただし、本実施形態は時分割通信に限定されず、任意の通信方式が適用可能である。送信する無線信号は、具体的にはパケットの形態を有する。パケットのフォーマットについては後述する。

図２は無線ノード１０２のブロック図である。無線ノード１０２は、アンテナ１１１と、無線インタフェース部１１２と、送受信処理部１１３と、データ生成部１１４と、中継制御部１１５と、処理選択部１１６とを備える。これらの各要素はＣＰＵ等のプロセッサまたは回路によって構成できる。また、これらの各要素がメモリ等のバッファを備えていてもよい。メモリは、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等の揮発性メモリでも、ＮＡＮＤ、ＦＲＡＭ、ＭＲＡＭ等の不揮発性メモリでもよい。また、本装置が、ハードディスク装置またＳＳＤなどのストレージ装置を備えていてもよい。

無線インタフェース部１１２は、アンテナ１１１を介して、無線信号の送受信を行う。無線インタフェース部１１２は、例えばLAN（Local Area Network）やPAN（Personal Area Network）に適用可能な無線規格に準拠した通信を行う。具体例として、IEEE 802.11.a/b/g/n/acや、Bluetooth（登録商標）、Zigbee（登録商標）、920MHz帯無線通信などがある。

送受信処理部１１３は、無線インタフェース部１１２を介して、他の無線ノードからパケットを受信する。送受信処理部１１３は、受信したパケットを復調し、復調したパケットに含まれるデータまたは情報を抽出する。他の無線ノードは、子ノード、親ノード、または、新規参加を要求するノードがある。

データ生成部１１４は、自ノードのデータ、および無線マルチホップネットワーク内に報知するビーコン情報を生成する。データ生成部１１４にはセンサが接続されている。センサは、一例として、温度または傾きなどの情報を測定する。データ生成部１１４は、自ノードのデータの一例として、センサの計測情報を含むデータを生成する。ただし、生成するデータはこれに限定されない。例えば、自装置のＣＰＵの負荷状態を表すデータでもよい。ビーコン情報は、一例として、新規参加を受け付けるために必要な情報を含む。そのような情報の例として、自ノードが、新規参加を受け付けるために受信待機するタイミング（スロット）の情報などがある。この場合、当該ビーコン情報を受信した新規参加を希望する他の無線ノードは、ビーコン情報に基づき、自ノードへ新規参加の要求を送信できる。

処理選択部１１６は、データとビーコン情報とをそれぞれ別々のパケットで送信する処理（分離送信処理）と、データとビーコン情報とを１つのパケットに統合して送信する処理（統合送信処理）とを切り換える。処理選択部１１６は、生成したデータとビーコン情報とを１つに統合するかを判断し、統合する場合は統合送信処理を選択し、統合しないと判断した場合は、分離送信処理を選択する。統合送信処理は、一例として本実施形態に係る第１送信処理に対応する。分離送信処理は、一例として本実施形態に係る第２送信処理に対応する。

中継制御部１１５は、無線マルチホップネットワークへの新規参加を行うための処理（例えば、他の無線ノードからビーコン情報を受信して複数の親ノード候補を見つけ、これらの親ノード候補から親ノードを決定し、親ノードと無線接続を行う）を行い、中継先となる親ノードのＩＤ、自ノードのスロット位置など、中継を行うために必要な情報を、送受信処理部１１３に通知する。

送受信処理部１１３は、データ生成部１１４により生成されたデータおよびビーコン情報を取得する。送受信処理部１１３は、データおよびビーコン情報を、処理選択部１１６で選択された処理で送信する。

分離送信処理が選択された場合は、送受信処理部１１３は、データを含むパケット（以下、データパケット）と、ビーコン情報を含むパケット（ビーコンパケット）を生成する。送受信処理部１１３は、データ送信用のスロット（以下、データスロット）で、データパケットを送信する。送受信処理部１１３は、ビーコンパケットを、ビーコン情報送信用のスロット（以下、制御スロット）で送信する。データパケットは、一例として、本実施形態に係る第２パケットに対応する。ビーコンパケットは、一例として、本実施形態に係る第３パケットに対応する。すなわち、分離送信処理（第２送信処理）では、データパケット（第２パケット）をデータスロット（第１スロット）で送信し、ビーコンパケット（第３パケット）を制御スロット（第２スロット）で送信する。

統合送信処理が選択された場合は、送受信処理部１１３は、データとビーコン情報と１つに統合した統合パケットを生成し、統合パケットを送信する。送受信処理部１１３は、統合パケットを、上記データスロットで送信する。この場合、ビーコンパケットの送信は行わない。すなわち、上記制御スロットでは、ビーコンパケットの送信は行わない。統合パケットは、一例として本実施形態に係る第１パケットに対応する。すなわち、統合送信処理（第１送信処理）では、第１パケットをデータスロット（第１スロット）で送信する。

図３にパケットフォーマットの例を示す。図３（Ａ）は、データパケットと、ビーコンパケットを別々に生成する場合に使用するフォーマットの一例を示す。データパケットの場合、ペイロードにデータが格納される。ペイロードには、その他、子ノードから受信した中継用のデータなど、他のデータまたは情報が格納されてもよい。ヘッダには、送信先ＩＤとして親ノードのＩＤおよび送信元ＩＤとして自ノードのＩＤなどの情報が格納される。ビーコンパケットを送信する場合、ペイロードにビーコン情報が格納される。ヘッダには、送信先ＩＤとしてブロードキャスト用のＩＤおよび送信元として自ノードのＩＤなどが格納される。ただし、ビーコンパケットを送信する場合、ヘッダにビーコン情報を格納し、ペイロードを省略することも可能である。

図３（Ｂ）および図３（Ｃ）に、データとビーコン情報を１つのパケットに統合する場合に使用するパケットフォーマットの例を示す。図３（Ｂ）の例では、ヘッダの一部としてビーコン情報が格納される。図３（Ｃ）の例では、ビーコン情報は、ペイロードの一部として格納される。データは、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）のいずれの場合も、ペイロードに格納される。ヘッダには送信先ＩＤとして親ノードＩＤを設定し、さらに、ビーコン情報が格納されていることを示すフラグを設定（例えばフラグを１にする）してもよい。これにより、親ノード以外のノード（例えば新規参加を要求する無線ノード）が統合パケットを受信した場合に、ヘッダに設定されたフラグから、ヘッダ（図３（Ｂ）の場合）またはペイロード（図３（Ｃ）の場合）にビーコン情報が存在していることを把握し、ビーコン情報を読み出すことができる。

図４は、本実施形態に係るパケット送信の基本的なシーケンス例を示す。無線ノードが、生成したデータとビーコン情報とを毎フレーム、別々のパケットで送信する（すなわち分離送信処理を行う）例を示す。無線ノードは、１番目のフレームにおいて、データの生成Ｄ１とビーコン情報の生成Ｂ１とを行う。そして、生成したデータを含むデータパケット１１とビーコン情報を含むビーコンパケット１２との送信を行う。具体的には、データパケット１１を１番目のフレーム内の予め定めたデータスロットで送信し、ビーコンパケット１２を、１番目のフレーム内の予め定めた制御スロットで送信する。同様にして、無線ノードは、２番目のフレームにおいて、データの生成Ｄ２とビーコン情報の生成Ｂ２とを行う。そして、データを含むデータパケット１３を２番目のフレーム内の予め定めたデータスロットで送信し、ビーコン情報を含むビーコンパケット１４を、２番目のフレーム内の予め定めた制御スロットで送信する。同様にして、無線ノードは、３番目のフレームにおいて、データの生成Ｄ３とビーコン情報の生成Ｂ３とを行う。そして、データを含むデータパケット１５を３番目のフレーム内の予め定めたデータスロットで送信し、ビーコン情報を含むビーコンパケット１６を、３番目のフレーム内の予め定めた制御スロットで送信する。

図４の例では、データスロットと制御スロットの配置は、データスロットが先で、制御スロットが後であったが、この順番は逆でもよい。すなわち、制御スロットが先で、データスロットが後でもよい。また、図４の例では、毎フレーム、データの送信とビーコン情報の送信が１回ずつ行われている。すなわち、データを生成する回数とビーコン情報を生成する回数が１対１の割合である。この割合は一例であり、他の割合でもよい。例えば、データの送信１回に対して、ビーコン情報の送信が複数回でもよい。逆に、データの送信が複数回に対して、ビーコン情報の送信が１回でも良い。また、図４の例では、毎フレーム、データの生成タイミング（Ｄ１〜Ｄ３）が同じであり、ビーコン情報の生成タイミング（Ｂ１〜Ｂ３）も同じであるが、データの生成タイミングが毎フレーム同じでなくてもよい。また、ビーコン情報の生成タイミングも毎フレーム同じでなくてもよい。

図５（Ａ）は、本実施形態に係るパケット送信のシーケンス例を示す。無線ノードが、生成したデータとビーコン情報を毎フレーム、１つのパケットに統合して送信する（すなわち統合送信処理を行う）。無線ノードは、１番目フレームにおいて、データの生成Ｄ１とビーコン情報の生成Ｂ１とを行い、データとビーコン情報とを含む統合パケット１１Ａを生成する。そして、統合パケット１１Ａを、１番目のフレーム内における自ノードのデータスロットで送信する。同様に、２番目フレームにおいて、データの生成Ｄ２とビーコン情報の生成Ｂ２とを行い、生成したデータとビーコン情報とを含む統合パケット１３Ａを生成する。生成した統合パケット１３Ａを、２番目のフレーム内における自ノードのデータスロットで送信する。同様に、３番目フレームにおいて、データの生成Ｄ３とビーコン情報の生成Ｂ３とを行い、生成したデータとビーコン情報とを含む統合パケット１５Ａを生成する。生成した統合パケット１５Ａを、３番目のフレーム内における自ノードのデータスロットで送信する。

図５（Ｂ）は、本実施形態に係るパケット送信のシーケンスの他の例を示す。１番目のフレームと３番目のフレームでは統合送信処理（データとビーコン情報を１つに統合した統合パケット１１Ａ、１５Ａで送信）しているが、２番目のフレームでは分離送信処理（データとビーコン情報を別々のデータパケット１３およびビーコンパケット１４で送信）している。

図５（Ａ）および図５（Ｂ）の例では、データを生成する回数とビーコン情報を生成する回数が１対１の割合である。この割合は一例であり、他の割合でもよい。例えば、データの送信１回に対して、ビーコン情報の送信が複数回でもよい。逆に、データの送信が複数回に対して、ビーコン情報の送信が１回でも良い。データを生成する回数とビーコン情報を生成する回数が２対１の割合の場合は、一例として、図５（Ｂ）においてビーコンパケット１４の送信を省略したシーケンスになる。

処理選択部１１６が、統合送信処理を行うか否か（データとビーコン情報を１つのパケットに統合するか否か）の判断基準の例について説明する。

（第１の判断基準）一例として、統合送信処理の回数と分離送信処理の回数との比率が所定の比率になるようにする。例えば統合送信処理を行う確率が、予め指定した確率になるようにしてもよい。具体的には、０以上１以下の範囲で乱数を生成し、乱数が閾値以上であれば、分離送信処理を選択し、閾値未満であれば、統合送信処理を選択する。この場合、閾値が、上記の予め指定した確率に対応する。確率の指定は、本システムの管理者の操作端末または集約装置１０１から通信を介して指定してもよいし、予め本装置のメモリ内に設定されていてもよい。別の方法として、連続してＭ回統合送信処理を行ったら、その後のＮ回は分離送信処理を行うようにしてもよい。

（第２の判断基準）他の例として、新規参加を要求する無線ノードから、新規参加の要求を受信した場合、その要求を受信してから一定期間は分離送信処理を選択してもよい。

（第３の判断基準）さらに他の例として、新規参加を要求する無線ノードからの新規参加の要求を連続して受信しなかった時間の長さに応じて、統合送信処理の回数と分離送信処理の回数との比率を変動してもよい。具体的には、新規参加の要求を連続して受信しなかった時間の長さが大きいほど、統合送信処理の回数の比率を上げてもよい。

判断基準について、いくつかの例を説明したが、これらに限定されるものではない。例えば、複数の判断基準の中で状況に応じて一つを選択しても良い。例えば装置のバッテリの残量が一定量を下回ったら、第１の判断基準を用い、バッテリの残量が一定量以上であれば、第２または第３の判断基準を選択してもよい。装置のバッテリの残量に応じて、第１の判断基準の閾値を変更してもよい。例えばバッテリの残量が少ないほど、閾値を高くしてもよい。

または、複数の判断基準を用いて、統合送信処理を行うか否かを判断してもよい。例えば複数の判断基準のいずれでも統合送信処理を行うことが決定された場合にのみ統合送信処理を選択する。いずれか１つの判断基準でも分離送信処理が決定された場合は、分離送信処理を選択する。

図６は、無線ノード１０２における動作の一例に関するフローチャートである。
無線ノード１０２のデータ生成部１１４は、自ノードのデータを生成し（Ｓ１０１）、ビーコン情報を生成する（Ｓ１０２）。データの生成をビーコン情報の生成よりも先に行っているが、生成の順序は逆でもよい。

処理選択部１１６は、生成したデータと、ビーコン情報とを１つのパケットに統合するか否かを判断（統合判断処理）する（Ｓ１０３）。すなわち、生成したデータと、ビーコン情報を、統合送信処理と分離送信処理のいずれで送信するかを判断する。統合判断処理は、データとビーコン情報を生成した後、かつデータの送信スロット（データスロット）およびビーコンの送信スロット（制御スロット）前であれば、任意のタイミングで実施できる。

統合判断処理の結果、データとビーコン情報を統合する（統合送信処理を行う）と判断された場合は（Ｓ１０３のＹＥＳ）、送受信処理部１１３は、データとビーコン情報とを含む一つのパケット（統合パケット）を生成する（Ｓ１０４）。そして、生成した統合パケットを、フレーム内のデータスロットで送信する（Ｓ１０５）。なお、自ノードのデータの他、子ノードから受信した中継用のデータがあれば、そのデータも親ノードへ提供するデータとして統合パケットのペイロードに格納する。

一方、データとビーコン情報を統合しない（分離送信処理を行う）と判断された場合は（Ｓ１０３のＮＯ）、送受信処理部１１３は、データを含むパケット（データパケット）と、ビーコン情報を含むパケット（ビーコンパケット）を別々に生成する（Ｓ１０６）。そして、データパケットをデータスロットで送信し、ビーコンパケットを、制御スロットで送信する（Ｓ１０７）。

以上、第１の実施形態によれば、ネットワークに接続済みの無線ノードは、送信するデータとビーコン情報とを一つのパケットに統合して送信することにより、パケットの送信回数を減らすことができ、無線ノードの消費電力を抑えることができる。

（第２の実施形態）
図７は、無線マルチホップネットワークにおける無線ノード１０２のブロック図である。無線ノード１０２は、アンテナ１１１、無線インタフェース部１１２、送受信処理部１１３、データ生成部１１４、中継制御部１１５、処理選択部１１６およびチャネル決定部１１７を備える。第１の実施形態の無線ノードに対して、チャネル決定部１１７が追加されている。これらの各要素はＣＰＵ等のプロセッサまたは回路によって構成できる。また、これらの各要素がメモリ等のバッファを備えていてもよい。メモリは、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等の揮発性メモリでも、ＮＡＮＤ、ＦＲＡＭ、ＭＲＡＭ等の不揮発性メモリでもよい。また、本装置が、ハードディスク装置またＳＳＤなどのストレージ装置を備えていてもよい。

チャネル決定部１１７は、複数の周波数チャネル（以下、チャネル）からデータ送信用のチャネル（以下、データチャネル）およびビーコン情報送信用のチャネル（以下、制御チャネル）を選択する。データチャネルの選択は、一例としてホッピングパターンに従って行う。制御チャネルの選択も、一例としてホッピングパターンに従って行う。ホッピングパターンは、他の無線ノードまたは集約装置１０１からホッピングパターンに関する情報を受信してもよい。ホッピングパターンに関する情報は、ホッピングパターンそのもの、もしくはホッピングパターンの識別子でも良いし、各無線ノードがホッピングパターンを計算するための情報でも良い。ホッピングパターンは、通信相手となる親ノードとの間で共有している必要がある。

第１の実施形態と同様、本ネットワークでは通信方式として時分割通信を行う場合を想定する。時分割通信では、時間をフレームに分割し、さらにフレームをスロットに細分化する。各無線ノードは、１フレームあたり１つまたは複数の特定のスロットを占有し、特定のスロットで無線信号を送信する。ただし、本実施形態では、ホッピングパターンに従って、送信するスロット毎に、使用するチャネルを切り換えるチャネルホッピング方式を用いる。

図８は、本実施形態に係るチャネルホッピングの基本的な動作を説明する図である。７個のチャネルを用いてチャネルホッピングを行う。ここでは１フレーム（データおよびビーコン情報の送信周期）が６個のスロットを含む。無線ノード（無線ノードＡがとする）２番目のスロットと、５番目のスロットを割り当てられている。なお、図の“Ａ”は無線ノードの識別子である。

無線ノードＡは、２番目のスロットで、複数のチャネルから選択したチャネルでデータパケットを送信し、５番目のスロットでビーコンパケットを送信する。ただし、フレーム毎に使用するチャネルを遷移（ホッピング）させる。なお、他の無線ノードは、無線ノードＡと同じスロット２、５でも、使用するチャネルが無線ノードＡと異なれば、当該スロット２、５を使用可能である。

例えば、無線ノードＡは、チャネル１、４、７の順でチャネルの遷移を定義したデータチャネル用のホッピングパターンを設定する。これに従って、１回目のフレームの２番目のスロットで、チャネル１を用いてデータパケットを送信し、続いて２回目のフレームの２番目のスロットで、チャネル４を用いてデータパケットを送信し、３回目のフレームの２番目のスロットでは、チャネル７を用いてデータパケットを送信する。このように、フレームごとにチャネルを遷移させながら、送信を行う。これにより、電波の伝搬環境が劣化したチャネルが発生しても、通信の途絶を防止（通信を継続）することが可能となる。

また無線ノードＡは、チャネル２、４、６の順でチャネルの遷移を定義した制御チャネル用のホッピングパターンを設定する。これに従って、１回目のフレームの５番目のスロットで、チャネル２を用いてビーコンパケットを送信し、続いて２回目のフレームの５番目のスロットで、チャネル４を用いてビーコンパケットを送信し、３回目のフレームの５番目のスロットでは、チャネル６を用いてビーコンパケットを送信する。新規参加を要求する無線ノードはチャネル２、４そして６の中の一つを選択し、選択したチャネルで受信待機することで無線ノードＡを発見し、無線ノードＡと接続処理を行うことで、ネットワークへ参加できる。

図８に示した方式では、毎フレーム、データの送信に加えてに、ビーコン情報の送信を行う必要がある。そのため、無線ノードＡの送信回数が増え、消費電力が増大する。一方、消費電力を削減するためにビーコン情報の送信回数を減らすと、新規参加を要求するノードが、親ノード候補である無線ノードＡを探す時間が長くなるという問題がある。

図９は、本実施形態に係る無線通信の動作を説明する図である。図８と同じ説明は適宜省略する。

無線ノードＡは、フレーム（データおよびビーコン情報の送信周期）内の２番目のスロットで定期的にデータを送信することに加えて、定期的に（毎フレーム）、ビーコン情報を送信する。ここではデータの送信周期とビーコン情報の送信周期が同じ（１フレーム）場合を例とするが、これに限定されるものではない。データの送信周期がビーコン情報の送信周期より長くても良いし、データの送信周期がビーコン情報の送信周期より短くても良い。また、ここではデータの送信周期が始まる時刻とビーコン情報の送信周期が始まる時刻が同じ場合を例として説明するが、これに限定されるものではない。

無線ノードＡは、チャネル１、４、７の順でチャネルの遷移を定義したデータチャネル用のホッピングパターンを設定する。また、無線ノードＡは、チャネル２、４、６の順でチャネルの遷移を定義した制御チャネル用のホッピングパターンを設定する。

基本的な動作は図８と同様であるが、本例では、同じフレーム内でデータチャネルと制御チャネルが同一の場合は、処理選択部１１６は、統合送信処理を選択し、送受信処理部１１３は統合送信処理を実行する。すなわち、データ生成部１１４は、データとビーコン情報を１つのパケットに統合する。そして、送受信処理部１１３は、当該統合パケットを、当該フレーム内のデータスロットで、データチャネルを用いて送信する。制御スロットでは何ら送信を行わない。一方、同じフレーム内でデータチャネルと制御チャネルが異なる場合は、処理選択部１１６は、分離送信処理を選択し、送受信処理部１１３は分離送信処理を実行する。すなわち、データ生成部１１４は、データを含むデータパケットと、ビーコン情報を含むビーコンパケットを生成する。そして、送受信処理部１１３は、データパケットを、当該フレーム内のデータスロットで、データチャネルを用いて送信する。また、ビーコンパケットを、当該フレーム内の制御スロットで、ビーコン情報チャネルを用いて送信する。

例えば、無線ノードＡは、２回目のフレームでは２番目のスロットで、チャネル４を用いてデータパケットを送信し、その後、無線ノードＡは、本来であれば、５番目のスロットで、同じチャネル４を用いてビーコンパケットを送信する予定である。しかしながら、制御チャネルがデータチャネルと同じであるため、無線ノードＡは、データとビーコン情報を統合してパケットを生成し、２番目のスロット（データスロット）で、チャネル４を用いて統合パケットを送信する。この場合、２回目のフレームの５番目のスロットでは、ビーコンパケットを送信しない。そうすることで、無線ノードＡは、パケットの送信回数を減らしつつも、ビーコン情報を定期的に（例えば毎フレーム）送信できる。よって、無線ノードＡの消費電力を削減しつつ、新規参加を要求する無線ノードに、図７の例と同等の頻度でビーコン情報を報知できる。

図１０は、第２の実施形態に係る無線ノードの動作の第１の例のフローチャートを示す。

まず、無線ノードのチャネル決定部１１７は、対象となるフレーム（例えば現在時刻が含まれるフレーム）で使用する、データチャネルと制御チャネルを決定する（Ｓ２０１）。一例として、データ送信時に使用するチャネルのホッピングパターンと、ビーコン情報の送信に使用するチャネルのホッピングパターンとに従って、これらのチャネルを決定する。

次に、データ生成部１１４が、自ノードのデータ（親ノードへ提供するデータ）を生成し（Ｓ１０１）、また、ビーコン情報を生成する（Ｓ１０２）。ステップＳ１０１とＳ１０２は、第１の実施形態と同様なため説明を省略する。

ここでは、チャネルの決定、自ノードのデータの生成そしてビーコン情報の生成の順で行ったが、この順序は変更されても良い。例えば、自ノードのデータを生成した後に、チャネル決定を行っても良い。あるいは、ビーコン情報を生成した後に、チャネル決定を行っても良い。

次に、処理選択部１１６が、データチャネルが、制御チャネルと同じかを判断する（Ｓ２０２）。

これらのチャネルが同じ場合は（Ｓ２０２のＹＥＳ）、処理選択部１１６は、統合送信処理を選択する。すなわち、データとビーコン情報とを１つのパケットに統合することを決定する。送受信処理部１１３は、データとビーコン情報とを含む統合パケットを生成する（Ｓ１０４）。送受信処理部１１３は、生成した統合パケットを、データスロットで、データチャネルを用いて送信する（Ｓ１０５）。

一方、これらのチャネルが異なる場合は（Ｓ２０２のＮＯ）、処理選択部１１６は、分離送信処理を選択する。すなわち、データとビーコン情報とを別々のパケットで送信することを決定する。この場合、送受信処理部１１３は、データを含むデータパケットと、ビーコン情報を含むビーコンパケットとを生成する（Ｓ１０６）。送受信処理部１１３は、データパケットを、データスロットで、データチャネルを用いて送信し、ビーコンパケットを、制御スロットで、制御チャネルを用いて送信する（Ｓ２０３）。

図１１は、第２の実施形態に係る無線ノードの動作の第２の例のフローチャートを示す。図６および図１０のフローチャートと同一または同等の処理については適宜説明を省略する。

まず、無線ノードのチャネル決定部１１７は、データチャネルと、制御チャネルを決定する（Ｓ２０１）。

データ生成部１１４は、自ノードのデータを生成し（Ｓ１０１）、ビーコン情報を生成する（Ｓ１０２）。データの生成をビーコン情報の生成よりも先に行っているが、生成の順序は逆でもよい。

処理選択部１１６は、生成したデータと、ビーコン情報を１つのパケットに統合するか否かの統合判断処理を行う（Ｓ１０３）。すなわち、統合送信処理と分離送信処理のいずれを行うかを決定する。

データとビーコン情報を統合しない（分離送信処理を行う）と判断された場合は（Ｓ１０３のＮＯ）、送受信処理部１１３は、データを含むデータパケットと、ビーコン情報を含むビーコンパケットとを別々に生成する（Ｓ１０６）。そして、データパケットをデータスロットで、データチャネルを用いて送信する（Ｓ２０３）。ビーコンパケットを、制御スロットで、制御チャネルを用いて送信する（同Ｓ２０３）。

一方、データとビーコン情報を統合する（統合送信処理を行う）と判断された場合は（Ｓ１０３のＹＥＳ）、送受信処理部１１３は、データとビーコン情報とを用いて一つのパケットを生成する（Ｓ１０４）。

処理選択部１１６またはチャネル決定部１１７は、データチャネルが、制御チャネルが同じかを判断する（Ｓ２０４）。これらのチャネルが同じ場合は（Ｓ２０４のＹＥＳ）、データとビーコン情報とを含む統合パケットを、データスロットで、データチャネルを用いて送信する（Ｓ１０５）。

一方、これらのチャネルが同じでない場合は（Ｓ２０４のＮＯ）、送受信処理部１１３は、ビーコン情報を含むビーコンパケットを生成する（Ｓ２０５）。データとビーコン情報とを含む統合パケットを、データスロットで、データチャネルを用いて送信する（Ｓ２０６）。また、ビーコンパケットを、制御スロットで、制御チャネルを用いて送信する（同Ｓ２０６）。すなわち、ビーコン情報が異なるパケットを介して、同じフレーム内で２回送信される。

以上、第２の実施形態によれば、チャネルホッピングを行う無線通信システムにおいて、無線ノードがパケット送信を行う回数を減らし、無線ノードの消費電力増大を抑えながら、新規参加を要求する無線ノードのサーチ時間の増加を抑えることが可能である。

（第２の実施形態の変形例）
第２の実施形態では、各無線ノードに制御スロットが割り当てられていたが、各無線ノードにどのようにして制御スロットを割り当てるかについて説明する。

図１２は、本実施形態に係る時分割通信を示す図である。親子関係にある無線ノード同士（中継経路）が矢印付きの線で接続されている。例えば、無線ノードＩは無線ノードＧの親ノードであり、無線ノードＤは無線ノードＧの子ノードである。時間をスロットという単位に分割し、スロットを束ねたフレームの周期で、無線ノードから集約装置１０１方向（上り方向）の通信を行う。

集約装置１０１からの中継数（ホップ数）に応じて、スロットをグループ化し、グループ化したものをスロット群と呼ぶ。中継数Ｎ（Ｎは１以上の整数）が大きい順番に、時間的に早いスロット群が割り当てられる。各グループは１０個のスロットを含む。各無線ノードには、各フレーム内で１つのデータスロットが割り当てられている。

各無線ノードは、自ノードのホップ数に対応するスロット群内においては、自ノードに割り当てられたデータスロットで送信を行う。また、各無線ノードは子ノードのデータを中継するために、子ノードのデータスロット（自ノードの受信用スロット）で受信待機する。各無線ノードは、親ノードと時刻同期をとるためや、自ノードが送信したデータが親ノードで正しく中継されているか否かを確認するために、親ノードのデータスロット（自ノードの受信用スロット）で受信待機をする。親ノードがさらにその親ノードに送信するデータを含むデータパケットを検査することで、自ノードが送信したデータが親ノードで正しく中継されているか否かを確認できる。

例えば、無線ノードＧは中継数２に対応するスロット群の６番目のスロットを、データスロットとして割り当てられている。無線ノードＧの子ノードＤは、中継数３に対応するスロット群の５番目のスロットを、データスロットとして割り当てられている。無線ノードＧの親ノードＩは中継数１に対応するスロット群の１番目のスロットを、データスロットとして割り当てられている。したがって、無線ノードＧは、中継数３に対応するスロット群の５番目のスロットで、子ノードＤからの受信を待機する。また、無線ノードＧは、中継数２に対応するスロット群の６番目のスロットで自ノードによる送信を行う。無線ノードＧは、中継数１に対応するスロット群の１番目のスロットで親ノードからの受信待機を行う。

ここで、各無線ノードに制御スロットの割り当てる方法としては、自ノードに対応するスロット群（以下、自スロット群）内のデータスロット以外のスロットを割り当てる方法がある。

一例として、データスロットの番号にオフセット値を追加した値を、自スロット群内のスロット数で割り算した際の余りを計算し、自スロット群において当該余りの値の番号のスロットを、チャネル情報送信用スロット（制御スロット）とする。チャネル情報送信用チャネル（制御チャネル）は、当該制御スロットと同じスロットを、データスロットとする無線ノードが存在する場合は、当該無線ノードがホッピングパターンに応じて当該スロットで使用するチャネルと同じにならないように制御チャネルを決定する。そのような制御チャネルは、例えば、自スロット群でデータを送信する無線ノードは全て同じホッピングパターンでデータを送信するように定めることで、見つけることができる。これにより、無線ノードは、他の無線ノードの送信と衝突せずに、ビーコン情報を送信できる。

上記の例では自スロット群内から制御スロットを特定したが、自スロット群以外のスロット群を１つ特定し、特定したスロット群において、上記余りの値のスロット番号のスロットを制御スロットとしてもよい。制御チャネルは、上記と同様に、決定すればよい。これにより、無線ノードは、他の無線ノードの送信と衝突せずにビーコン情報を送信できる。自スロット群以外のスロット群としてどのスロット群を選択するかに関しては、例えば各無線ノードがランダムに他の複数のスロット群から、スロット群を選択してもよい。

その他の例として、集約装置１０１からの中継数に応じて、無線ノードグループごとにスロット群を決めてもよい。または、集約装置１０１が２つ以上のスロット群を事前に決め、その中の一つを無線ノードが選択してもよい。

自スロット群以外のスロット群から制御スロットを選択する場合、無線ノードにおけるデータ送信からビーコン情報送信までの送信間隔が長くなり、新規参加を要求する無線ノードが、周囲の無線ノードを発見できるまでの時間を短縮できる場合がある。よって、新規参加を要求する無線ノードの消費電力を削減することが可能となる。

ビーコン情報を送信するスロットの選択方法について、いくつかの例を説明したが、こられに限定されるものではない。また、複数の選択方法の中で状況に応じて一つを選択してもよい。

各無線ノードは、送信用スロット（データスロットと制御スロット）と、自ノードの受信用スロット以外ではスリープする。これにより、各無線ノードの消費電力を抑えることができる。

なお、各実施形態の無線ノード（無線通信装置）は、例えば、汎用のコンピュータ装置を基本ハードウェアとして用いることでも実現することが可能である。すなわち、無線ノード（無線通信装置）における各ブロックは、上記のコンピュータ装置に搭載されたプロセッサにプログラムを実行させることにより実現することができる。このとき、無線ノード（無線通信装置）は、上記のプログラムをコンピュータ装置にあらかじめインストールすることで実現してもよいし、ＣＤ−ＲＯＭなどの記憶媒体に記憶して、あるいはネットワークを介して上記のプログラムを配布して、このプログラムをコンピュータ装置に適宜インストールすることで実現してもよい。また、無線ノード（無線通信装置）における記憶部は、上記のコンピュータ装置に内蔵あるいは外付けされたメモリ、ハードディスクもしくはＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−Ｒなどの記憶媒体などを適宜利用して実現することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０１：集約装置
１０２：無線ノード（無線通信装置）
１１１：アンテナ
１１２：無線インタフェース部
１１３：送受信処理部
１１４：データ生成部
１１５：中継制御部
１１６：処理選択部
１１７：チャネル決定部

Claims (11)

1. 無線マルチホップネットワークにおける無線通信装置であって、
   無線信号を送受信する無線インタフェース部と、
   親ノードへ提供するデータと、ビーコン情報とを含む第１パケットを、前記無線インタフェース部を介して送信する送受信処理部と、
   を備えた無線通信装置。
2. 前記送受信処理部は、前記データを含む第２パケットを送信し、前記ビーコン情報を含む第３パケットを送信し、
   前記第１パケットを送信する第１送信処理と、前記第２パケットおよび前記第３パケットを送信する第２送信処理とを切り換える処理選択部を備える、
   請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記送受信処理部は、前記第２送信処理では、前記第２パケットを第１スロット、前記第３パケットを第２スロットで送信し、
   前記第１送信処理では、前記第１パケットを前記第１スロットで送信し、前記第２スロットでは何も送信しない
   請求項２に記載の無線通信装置。
4. 前記処理選択部は、前記第１送信処理の回数および前記第２送信処理の回数が所定の比率になるよう制御する
   請求項２または３に記載の無線通信装置。
5. 前記処理選択部は、無線ノードから新規参加の要求を受信した場合、前記要求を受信してから一定期間の間は前記第１送信処理を選択し、前記一定期間以外の期間では前記第２送信処理を選択する
   請求項２または３に記載の無線通信装置。
6. 前記処理選択部は、新規参加の要求を連続して受信しなかった時間の長さに応じて、前記第１送信処理の回数と前記第２送信処理の回数との比率を変動させる
   請求項２または３に記載の無線通信装置。
7. 第１ホッピングパターンに従って複数のチャネルから第１チャネルを選択し、第２ホッピングパターンに従って前記複数のチャネルから第２チャネルを選択するチャネル決定部を備え、
   前記処理選択部は、前記第１チャネルが前記第２チャネルと異なるときは、前記第１送信処理を選択し、前記第１チャネルが前記第２チャネルと同じときは、前記第２送信処理を選択し、
   前記送受信処理部は、前記第１送信処理が選択されたときは、前記第２パケットを前記第１チャネルで送信し、前記第３パケットを第２チャネルで送信し、
   前記送受信処理部は、前記第２送信処理が選択されたときは、前記第１パケットを前記第１チャネルで送信する
   請求項２ないし６のいずれか一項に記載の無線通信装置。
8. 前記ビーコン情報は、前記無線マルチホップネットワークへノードが新規参加するために必要な情報を含む
   請求項１ないし７のいずれか一項に記載の無線通信装置。
9. 前記親ノードへ提供するデータは、自装置で生成したデータおよび子ノードから受信したデータの少なくとも一方を含む
   請求項１ないし８のいずれか一項に記載の無線通信装置。
10. 無線マルチホップネットワークにおける無線ノードが実行する無線通信方法であって、
    親ノードへ提供するデータと、ビーコン情報とを含む第１パケットを、無線インタフェース部を介して送信する
    無線通信方法。
11. 無線マルチホップネットワークにおける親ノードへ提供するデータと、ビーコン情報とを含む第１パケットを、無線インタフェース部を介して送信するステップ
    を無線マルチホップネットワークにおける無線ノードが備えるコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。

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