JP2019134362A - 無線通信装置、プログラム及び方法、並びに、無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】下位ノードから自ノードまでの通信を考慮した最適な親ノードを選択することができる無線通信装置を提供する。【解決手段】下り通信期間と、上り通信期間を備えるマルチホップ無線ネットワークを構成する無線通信装置１０は、基地局又は他の無線通信装置とパケットの送受信を行う無線信号送受信部１０２と、下り通信期間において、基地局又は他の無線通信装置から受信したビーコンパケットを基に、自身の親ノードと成り得る親ノード候補の情報を記憶するネットワーク情報記憶部１０５と、他の無線通信装置から受信したパケットを中継する場合には、少なくとも、ネットワークにおいて下位に位置する他の無線通信装置の通信状況を考慮して、ネットワーク情報記憶手段に記憶された親ノード候補の内から、通信に適する親ノードを決定する送信先ノード決定部１０４とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信装置、プログラム及び方法、並びに、無線通信システムに関し、例えば、移動体を含む無線マルチホップセンサネットワークに適用し得る。

従来、基地局と移動体で構成される無線通信システムとしては、ノードが定期的に基地局にデータを送信するセンサネットワークシステムが知られている。なお、以下では、無線通信システムを構成する移動体（移動局）や基地局等の通信装置を総称して「ノード」とも呼ぶものとする。

従来、センサネットワークシステムのような無線通信システムは、省電力で長期間動作することが必要であり、低い送信電力で通信することが求められている。即ち、従来のセンサネットワークシステムでは、上記理由（他にも、使用する周波数帯の特性等）により、ノード間の通信距離が十分に確保できない場合が存在する。そのため、従来のセンサネットワークシステムでは、一つの基地局で管理されるエリア内のすべての移動局が、基地局と直接通信できるとは限らない。

そこで、従来のセンサネットワークシステムでは、各ノードは自ノード（自装置）と直接通信可能なエリア内に存在する他のノード（以下、「隣接ノード」とも呼ぶ）にデータを伝送し、さらに、そのデータを受信したノードが隣接ノードにデータを伝送するというマルチホップ通信でデータ伝送が行われる。

従来のマルチホップ無線通信が採用されたネットワークシステム（以下、「無線マルチホップネットワークシステム」とも呼ぶ）では、ルーティングアルゴリズムに従い自ノードのデータの送信先である親ノードを決定する必要がある。

移動局を含む無線マルチホップネットワークシステムでは、ノード（移動局）の移動に伴い、各ノード間の通信品質が激しく変動する。そのため、各ノードは、親ノード決定タイミングにおいて、複数存在する親ノード候補の内、特定の１台を親ノードとして決定していると、ノードの移動のために通信品質（通信路品質）が劣化した場合、通信に失敗する可能性が高くなる。

上記問題に対処するために、例えば、特許文献１では、各ノードは有線通信網と無線通信網の両方で親ノードを保持し、データ送信時の通信品質が良い親ノードにデータを送信する方式、即ち、親ノードを複数保持しておくことで、データ通信時に通信路品質が高い（良い）ノードにデータパケットを送信する方式を提案している。

特開２０１４−０９０４８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、下位ノードから自ノードまでの通信を考慮していない。

特許文献１に記載の技術は、基地局までのマルチホップの時間に余裕がある無線マルチホップネットワークシステムにおいては、マルチホップの回数や時間の制限が緩いため、有効な方式である。しかしながら、例えば、マルチホップの回数に制限がある無線マルチホップネットワークシステムや、時分割多元接続方式（ＴＤＭＡ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）などの通信方式のために通信時間に制限がある無線マルチホップネットワークシステムにおいては、下位ノードのホップ数が多い場合や、下位ノードから自ノードまでの通信に時間がかかっている場合に、ホップ数が多いノードや基地局までの通信に時間がかかるノードを親ノードとして選択してしまうことは、決められた時間内に基地局までデータを伝送することができなくなるという結果を招くことになる。

以上のような問題に鑑みて、下位ノードから自ノードまでの通信を考慮した最適な親ノードを選択することができる無線通信装置、プログラム及び方法、並びに、無線通信システムが望まれている。

第１の本発明は、ネットワークトポロジを構築するための下り通信期間と、基地局までパケットを伝送するための上り通信期間を備えるマルチホップ無線ネットワークを構成する無線通信装置において、（１）前記基地局又は他の無線通信装置とパケットの送受信を行う無線通信手段と、（２）前記下り通信期間において、前記基地局又は前記他の無線通信装置から受信したビーコンパケットを基に、自身の親ノードと成り得る親ノード候補の情報を記憶するネットワーク情報記憶手段と、（３）前記他の無線通信装置から受信したパケットを中継する場合には、少なくとも、ネットワークにおいて下位に位置する他の無線通信装置の通信状況を考慮して、前記ネットワーク情報記憶手段に記憶された前記親ノード候補の内から、通信に適する親ノードを決定する送信先ノード決定手段とを有することを特徴とする。

第２の本発明は、ネットワークトポロジを構築するための下り通信期間と、基地局までパケットを伝送するための上り通信期間を備えるマルチホップ無線ネットワークを構成する無線通信装置に搭載されるコンピュータを、（１）前記基地局又は他の無線通信装置とパケットの送受信を行う無線通信手段と、（２）前記下り通信期間において、前記基地局又は前記他の無線通信装置から受信したビーコンパケットを基に、自身の親ノードと成り得る親ノード候補の情報を記憶するネットワーク情報記憶手段と、（３）前記他の無線通信装置から受信したパケットを中継する場合には、少なくとも、ネットワークにおいて下位に位置する他の無線通信装置の通信状況を考慮して、前記ネットワーク情報記憶手段に記憶された前記親ノード候補の内から、通信に適する親ノードを決定する送信先ノード決定手段として機能させることを特徴とする。

第３の本発明の無線通信方法は、ネットワークトポロジを構築するための下り通信期間と、基地局までパケットを伝送するための上り通信期間を備えるマルチホップ無線ネットワークを構成する無線通信装置に使用する無線通信方法おいて、無線通信手段、ネットワーク情報記憶手段、及び送信先ノード決定手段を有し、（１）前記無線通信手段は、前記基地局又は他の無線通信装置とパケットの送受信を行い、（２）前記ネットワーク情報記憶手段は、前記下り通信期間において、前記基地局又は前記他の無線通信装置から受信したビーコンパケットを基に、自身の親ノードと成り得る親ノード候補の情報を記憶し、（３）前記送信先ノード決定手段は、前記他の無線通信装置から受信したパケットを中継する場合には、少なくとも、ネットワークにおいて下位に位置する他の無線通信装置の通信状況を考慮して、前記ネットワーク情報記憶手段に記憶された前記親ノード候補の内から、通信に適する親ノードを決定することを特徴とする。

第４の本発明は、マルチホップネットワークを構成する無線通信装置を複数備える無線通信システムにおいて、前記無線通信装置として、第１の本発明の無線通信装置を適用したことを特徴とする。

本発明によれば、下位ノードから自ノードまでの通信を考慮した最適な親ノードを選択することができる。

実施形態に係る無線通信装置の機能的構成について示したブロック図である。 実施形態に係る無線通信システム（ネットワーク）の一例を示す全体構成図である。 実施形態に係る下り通信期間の一例を示す説明図である。 実施形態に係る無線通信システム（ネットワーク）で用いられるＴＤＭＡフレームの構造について示す説明図である。 実施形態に係る無線通信システム（ネットワーク）における、ネットワーク制御の一例（その１）を示す説明図である。 実施形態に係る無線通信システム（ネットワーク）における、ネットワーク制御の一例（その２）を示す説明図である。

（Ａ）主たる実施形態
以下、本発明による無線通信装置、プログラム及び方法、並びに、無線通信システムの一実施形態を、図面を参照しながら詳述する。

（Ａ−１）実施形態の構成
（Ａ−１−１）全体構成
図２は、実施形態に係る無線通信システム（ネットワーク）の一例を示す全体構成図である。

無線通信システム１には、無線マルチホップネットワークであるネットワークＮを構成するノードとして基地局２０（図２中の「ＢＳ」は基地局を示している）と無線通信装置１０が配置されているものとする。

基地局２０はネットワークＮ全体（各無線通信装置１０）を管理するノードであるものとする。無線通信システム１に配置される各装置の数は限定されないものであるが、この実施形態の無線通信システム１では、１個の基地局２０と、ｎ個の無線通信装置１０（１０−１〜１０−ｎ）が配置されているものとして説明する。また、図２において、各無線通信装置には、基地局２０までのホップ数が示されている（例えば、無線通信装置１０−３のホップ数は、「２」である）。

無線通信システム１内の各ノードが対応する無線通信の物理仕様については限定されないものであるが、例えば、種々の移動体通信網と同様の物理構成を適用することができる。また、無線通信システム１（ネットワークＮ）の各無線通信装置１０にはＴＤＭＡフレーム上のタイムスロットが割り当てられるものとして説明する。各無線通信装置１０は、定められたタイムスロットに基づいたタイミングで、データ送信タイミングを制御する。

なお、無線通信システム１（ネットワークＮ）の通信方式については、（Ａ−１−３）において、改めて述べる。

（Ａ−１−２）無線通信装置１０の詳細な構成
次に、無線通信装置１０の機能的構成について図１を用いて説明する。

図１は、実施形態に係る無線通信装置の機能的構成について示したブロック図である。

図１に示すように、無線通信装置１０は、アンテナ１０１、無線信号送受信部１０２、データ処理部１０３、送信先ノード決定部１０４、ネットワーク情報記憶部１０５、及びパケット生成部１０６を有している。また、無線通信装置１０は、外部システム３０に接続されている。

無線通信装置１０は、ハードウェア的な無線通信インタフェース（例えば、アンテナ１０１等）を除く他は、コンピュータにプログラム（実施形態に係る無線通信プログラム）をインストールすることにより実現するようにしてもよく、その場合でも機能的構成は、図１のように示すことができる。

無線通信装置１０は、外部システム３０から供給されたデータを、基地局２０宛に送信し、基地局２０を送信元とするパケットを受信した場合には、当該パケットのデータを外部システム３０に供給する。例えば、外部システム３０がセンサ（例えば、温度、湿度、人間の脈拍等のバイタルサインを検知するセンサ）である場合無線通信装置１０は、外部システム３０から検知結果（センサデータ）が供給されると、当該検知結果（センサデータ）を挿入したパケットを基地局２０宛に送信する。なお、無線通信装置１０において、外部システム３０（アプリケーション）の構成は限定されないものである。また、無線通信装置１０では、内部のコンピュータで実行されるアプリケーションで発生するデータの送信を行う構成としてもよい。

アンテナ１０１は、他のノード（他の無線通信装置１０及び基地局２０）との無線信号の送受信を行う。

無線信号送受信部１０２は、アンテナ１０１を用いて無線信号を送受信する処理を行う。具体的には、無線信号送受信部１０２はアンテナ１０１で受信した信号の復調とその信号に含まれるパケットの受信を行う。無線信号送受信部１０２は、受信したパケットに含まれるデータをデータ処理部１０３に送付する。また、無線信号送受信部１０２は、パケット生成部１０６から送られてきたパケットを変調して無線信号に変換し、アンテナ１０１を用いて当該無線信号の送信を開始する。

データ処理部１０３は、無線信号送受信部１０２で受信したパケット（受信した無線信号を復調して得られたパケット）を処理する。データ処理部１０３は、無線信号送受信部１０２で得られたパケットの種類を判別する処理を行う。また、データ処理部１０３は、例えば、受信したパケットのデータが、ルーティングに必要な情報（データ）であった場合には、当該データを送信先ノード決定部１０４に供給する。また、データ処理部１０３は、受信したパケットのデータが、外部システム３０に供給するデータ（例えば、基地局２０からのセンサデータ送信指示のコマンド）である場合には、当該データを外部システム３０に供給する。

送信先ノード決定部１０４は、データ処理部１０３から送付されたルーティング情報と、ネットワーク情報記憶部１０５に記憶されたルーティング情報とに基づき、パケットの送信先ノードを決定する。送信先ノード決定部１０４によるパケットの送信先（親ノード）の決定方法の詳細については後述する。また、送信先ノード決定部１０４は、決定した送信先ノードに関するルーティング情報をネットワーク情報記憶部１０５に送付する。

ネットワーク情報記憶部１０５は、送信先ノード決定部１０４から送付されたルーティング情報を記憶する。

パケット生成部１０６は、外部システム３０から供給されてきたデータを挿入したパケットを生成（供給されてきたデータのパケット化）し、送信先ノード決定部１０４から送付された送信先ノードを送信先として、生成したパケットを無線信号送受信部１０２に供給する。

（Ａ−１−３）無線通信システム１（ネットワークＮ）の通信方式ついて
次に、無線通信システム１（ネットワークＮ）における各ノード間の通信方式について説明する。

無線通信システム１（ネットワークＮ）では、基地局２０を起点としたマルチホップの最大数（以下、「最大ホップ数」と呼ぶものとする）が定められているものとする。以下では、予め無線通信システム１（ネットワークＮ）に適用される最大ホップ数を「ｋ」と表すものとする。

無線通信システム１（ネットワークＮ）における最大ホップ数を決定する方法は限定されないものであるが、例えば、基地局２０が管理するエリアのサイズやデータ送信周期等の通信条件に応じて予め設定（例えば、ネットワーク管理者等のオペレータにより各ノードに設定）するようにしてもよい。

また、無線通信システム１（ネットワークＮ）では、ネットワークに参加する無線通信装置１０は、自身の親ノードを決定するための期間（以下、「下り通信期間」と呼ぶ）を有する。図３は、実施形態に係る下り通信期間の一例を示す説明図である。図３では、下り通信期間は、時間で区切られ、スロット化（スロットＳＬ１〜スロットＳＬ３に分割）されている。図３において、スロットＳＬ１では、基地局２０は、ビーコンパケットの送信を行う。ビーコンパケットには、例えば、パスコストやリンクコスト等の親ノードの決定に必要な情報が含まれているものとする。以下、図２のネットワークＮの構成を例に挙げながら、各スロットＳＬにおける処理の概要を説明する。

スロットＳＬ１において、基地局２０からのビーコンパケットを受信したノード（無線通信装置１０−１、無線通信装置１０−２）は基地局２０を親ノードとし、自身は１ホップノードとなる。次に、１ホップノード（無線通信装置１０−１、無線通信装置１０−２）は、次のスロット（スロットＳＬ２）においてビーコンパケットの送信を行う。

スロットＳＬ２において、ビーコンパケットを受信したノード（無線通信装置１０−３、無線通信装置１０−４）は２ホップノードとなり、スロットＳＬ２の期間に受信したビーコンパケットの送信元ノードから親ノードを選択する。

以上の動作を繰り返すことで、ネットワークＮに参加する全てのノードが自身のホップ数と親ノードを決定することができる。

また、無線通信装置１０では、所定のアルゴリズム（ルーティング方式）により、それぞれの親ノード（基地局２０宛にデータ送信する際の直接の転送先のノード）が決定（トポロジが決定）される。なお、基地局２０と直接無線通信可能な無線通信装置１０の親ノードは基地局２０となる。また、各無線通信装置１０において、親ノードを決定するアルゴリズムについては限定されないものである。例えば、各無線通信装置１０は、到着が最も早いビーコンパケットの送信元ノードを親ノードにしてもよいし、ビーコンパケットの受信信号強度（ＲＳＳＩ：Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ）が高いノードを親ノードにしてもよい。

また、無線通信システム１（ネットワークＮ）では、ネットワークに参加する無線通信装置１０が、自身のデータ（例えば、温度や湿度などのセンサ情報）を基地局２０に送信する通信期間を「上り通信期間」と呼ぶこととする。なお、無線通信システム１（ネットワークＮ）の上り通信期間では、例えば、ＴＤＭＡなどの通信方式の制約により、ある無線通信装置１０のデータをマルチホップで基地局２０まで伝送するために費やせる時間は事前に定められているものとする。

次に、無線通信システム１（ネットワークＮ）を構成する各ノード間の送受信で用いられるＴＤＭＡフレームＦ（上り通信期間の構成例）について説明する。

図４は、実施形態に係る無線通信システム（ネットワーク）で用いられるＴＤＭＡフレームの構造について示す説明図である。

以下では、任意の識別子ｉ（ｉは１〜ｎのいずれか）の無線通信装置１０を無線通信装置１０−ｉと表すものとする。また、以下では、ホップ数がｋの無線通信装置１０−ｉから送信したパケットが基地局２０まで到達するまでの各ホップを、無線通信装置１０−ｉ側から順に、ホップｋ、ホップｋ−１、…、ホップ１と表すものとする。

図４では、１サイクル分のＴＤＭＡフレームＦ内部のスロット構成を左から右に時系列順に図示している。

ＴＤＭＡフレームＦにおいては、参加するノードはｎ台あり、ノードの最大ホップ数がｋホップであることが考慮された構造となっている必要がある。具体的には、図４に示すように、ＴＤＭＡフレームＦには、時系列順にｎ個のタイムスロットＴＳ（タイムスロットＴＳ１、ＴＳ２、…、ＴＳｎ）が設けられている。

例えば、ホップ数がｋの無線通信装置１０−ｉから送出されたパケットは、ホップｋ（無線通信装置１０−ｉから無線通信装置１０−ｉの親ノードへ送信）、ホップｋ−１（無線通信装置１０−ｉの親ノードからまたさらにその親ノードへ転送）、…、と繰り返し転送され、最終的にホップ１で最終目的先である基地局２０に転送される。

（Ａ−２）実施形態の動作
次に、以上のような構成を有するこの実施形態の無線通信システム１の動作（実施形態に係る無線通信装置が行う無線通信方法）を説明する。なお、この実施形態において、無線通信システム１（無線通信装置１０）では、下り通信期間及び上り通信期間内のそれぞれにおいて、特徴が存在するので、以下では、各通信期間内の動作について、具体例を挙げながら説明する。

（Ａ−２−１）下り通信期間内の動作
図５は、実施形態に係る無線通信システム（ネットワーク）における、ネットワーク制御の一例（その１）を示す説明図である。図５では、スロットＳＬ１〜ＳＬ３内の処理により、ネットワークＮ（Ｎ１〜Ｎ３）が形成される例が示されている。なお、図５において、各ノードを表す丸内の数字はそのノードのホップ数を表し、送受信ノードを結んだ線の添え字がそのノード間の通信品質（この例では、ＲＳＳＩ）を示している。図５では、マルチホップの最大ホップ数（ｋ）は、「３」とする。また、各無線通信装置１０は、親ノードを決定する方式として、ビーコンパケット受信時のＲＳＳＩが最も高いビーコンパケットの送信先ノードを親ノードとする方式を用いることを前提とする。勿論、親ノードを決定する方式は、これに限定されるものでは無い。以下では、無線通信装置１０−１を中心に、この実施形態の特徴部分の説明を行う。

スロットＳＬ１において、基地局２０がビーコンパケットの送信を行い、このビーコンパケットを受信した無線通信装置１０−１（及び無線通信装置１０−２）はビーコンパケットに記載された情報を、無線信号送受信部１０２からデータ処理部１０３に送付する。

データ処理部１０３では、送付されたデータのうち、ルーティングに必要な情報として送信元ノード（図５のネットワークＮ１では、基地局２０）と、データ受信時のＲＳＳＩを送信先ノード決定部１０４に送付する。送信先ノード決定部１０４では、ネットワーク情報記憶部１０５に記憶された親ノードに関する情報を参照する。ここで、初めてビーコンパケットを受信した段階（スロットＳＬ１の段階）では、ネットワーク情報記憶部１０５には情報が記載されていない。そこで、送信先ノード決定部１０４は、基地局２０を親ノードとして決定し、親ノードのアドレス、ＲＳＳＩ、及び基地局２０までのホップ数の情報をネットワーク情報記憶部１０５に送付する。ネットワーク情報記憶部１０５では、送付された各情報が記憶される。

上記手順を経て、無線通信装置１０−１は、基地局２０を親ノードとする１ホップノードとなる。

次に、スロットＳＬ２において、１ホップノードである無線通信装置１０−１（及び無線通信装置１０−２）はビーコンパケットの送信を行う。ビーコンパケットの送信の際、送信先ノード決定部１０４はネットワーク情報記憶部１０５に記憶されている自身のホップ数に関する情報と、送信先情報（下り通信期間では、ブロードキャスト）をパケット生成部１０６に送付する。パケット生成部１０６で生成されたビーコンパケットは無線信号送受信部１０２を介してブロードキャストされる。

無線通信装置１０−１からのビーコンパケットを受信した無線通信装置１０−３及び無線通信装置１０−４は、先と同様の手順（スロットＳ１で説明した無線通信装置１０−１の処理）を経て２ホップノードとなる。

また、無線通信装置１０−２のビーコンパケットの受信可能範囲内に無線通信装置１０−１が存在した場合、無線通信装置１０−１は、無線通信装置１０−２のビーコンパケットの受信を行う。先と同様に、データ処理部１０３は送信元ノード（無線通信装置１０−２）とＲＳＳＩの情報を送信先ノード決定部１０４に送付する。送信先ノード決定部１０４では、ネットワーク情報記憶部１０５に記憶されている情報とデータ処理部１０３から送付された情報との比較を行う。

図５の例においては、無線通信装置１０−１（送信先ノード決定部１０４）は、基地局２０との通信品質ＲＳＳＩ＝−１００ｄＢｍと、無線通信装置１０−２との通信品質ＲＳＳＩ＝−７５ｄＢｍの比較を行う。比較した結果、送信先ノード決定部１０４は、無線通信装置１０−２との通信が優れていると判断し、自身を２ホップノードでもあるとし、無線通信装置１０−２を第２の親ノードとする。なお、当然ではあるが、無線通信装置１０−１と無線通信装置１０−２の通信品質が、無線通信装置１０−１と基地局２０の通信品質よりも劣る場合、送信先ノード決定部１０４は、無線通信装置１０−２を第２の親ノードとする必要は無い。

無線通信装置１０−１（送信先ノード決定部１０４）は、無線通信装置１０−２を第２の親ノードとして決定した場合には、無線通信装置１０−２のアドレス、ＲＳＳＩ、及び基地局２０までのホップ数の情報を、ネットワーク情報記憶部１０５に送付する。結果として、無線通信装置１０−１は、基地局２０を親ノードとする１ホップノードであるが、無線通信装置１０−２を親ノードとする２ホップノードにもなる。図５では、無線通信装置１０−１は、基地局２０を親ノードとする１ホップノードであるが、２ホップノードにもなることを示すために、無線通信装置１０−１のホップ数を「１（２）」と示している。

そして、スロットＳＬ２において、無線通信装置１０−３、及び無線通信装置１０−４は、ビーコンパケットの送信を行う。無線通信装置１０−３からのビーコンパケットを受信した無線通信装置１０−５は、先と同様の手順（スロットＳ１で説明した無線通信装置１０−１の処理）を経て３ホップノードとなる。

（Ａ−２−２）上り通信期間内の動作
次に、下り通信期間内で形成されたネットワークＮ（図４のネットワークＮ３）の状態を前提として、上り通信期間内の無線通信装置１０の特徴動作を、無線通信装置１０−１を例に挙げて説明する。

上り通信期間において、無線通信装置１０−１が自身のデータパケットを送信する場合、送信先ノード決定部１０４は、ネットワーク情報記憶部１０５に記憶された情報を参照し、２ホップノードとして振る舞った方が、通信成功確率が高いと考え、データパケットの宛先を無線通信装置１０−２として、宛先アドレスと、ネットワークの情報として自ノードに到達するまでに費やしたホップ数（以下、「到達ホップ数情報」と呼ぶ）をパケット生成部１０６に送付する。なお、自ノードのデータを送信する場合には、到達ホップ数情報の値は「０」とする。

パケット生成部１０６は、送信先ノード決定部１０４から送付された宛先アドレスと到達ホップ数情報に外部システム３０から送付されたデータ（例えば、温度や湿度などのセンタ情報）を合わせてパケット化する。生成されたパケットは、無線信号送受信部１０２を介して、無線通信装置１０−２に送信される。

次に、無線通信装置１０−１が無線通信装置１０−３のデータパケットを中継する際の動作について説明する。

無線通信装置１０−３からのデータパケットを受信すると、無線通信装置１０−１のデータ処理部１０３は、パケット内に記載された到達ホップ数情報を送信先ノード決定部１０４に送付する。例えば、送信先ノード決定部１０４は、データ処理部１０３から送られてきた情報（到達ホップ数情報）から、無線通信装置１０−３から送られてきたデータパケットが１回の通信で自ノードに届けられたことを知る。

送信先ノード決定部１０４は、１回の送信で自ノードに到達したことと、ネットワークの最大ホップ数が３であることから、自身が２ホップノードとして振る舞っても最大ホップ数以上の通信回数にならないことを判断し、無線通信装置１０−３のデータの送信先を無線通信装置１０−２と決定する。

そして、送信先ノード決定部１０４は、無線通信装置１０−２のアドレスと到達ホップ数情報をパケット生成部１０６に送付する。パケット生成部１０６で生成されたパケットは、無線信号送受信部１０２を介して、無線通信装置１０−２に送信される。

以上のように、無線通信装置１０−３のデータを中継することで、無線通信装置１０−３は２ホップノードであるにも関わらず、データは、３ホップで基地局２０に届けられることになる。なお、無線通信装置１０−１が無線通信装置１０−４のデータを中継する際も、上記と同様の手順を行い、無線通信装置１０−２にデータパケットを送信する。

次に、無線通信装置１０−１が無線通信装置１０−５のデータパケットを中継する際の動作を説明する。

無線通信装置１０−５は、３ホップノードであることから、無線通信装置１０−５のデータパケットは無線通信装置１０−３の中継を経て無線通信装置１０−１に伝送されることになる。

無線通信装置１０−３から無線通信装置１０−５のデータパケットを受信すれば、無線通信装置１０−１のデータ処理部１０３は、パケット内に記載された到達ホップ数情報を送信先ノード決定部１０４に送付する。送信先ノード決定部１０４は、データ処理部１０３から送付された情報から無線通信装置１０−５から送られてきたデータパケットが２回の通信で自ノード（無線通信装置１０−１）に届けられたことを知る。

送信先ノード決定部１０４は、２回の送信で自ノードに到達したこととネットワークの最大ホップ数が３であることから自身が２ホップノードとして振る舞うと最大ホップ数以上の通信回数になると判断し、１ホップノードとして振る舞い、無線通信装置１０−５のデータの送信先を基地局２０と決定する。

送信先ノード決定部１０４は、送信先の基地局２０のアドレス、到達ホップ数情報をパケット生成部１０６に送付する。パケット生成部１０６で生成されたパケットは、無線信号送受信部１０２を介して、基地局２０に送信される。

以上のように中継することで、無線通信装置１０−５のデータは基地局２０まで届けられることになる。

ここまでの説明では、１ホップノードである無線通信装置１０−１を例に挙げて、本発明の実施形態の特徴を説明したが、次に、図６を例に挙げて２ホップノードの説明を行う。

図６は、実施形態に係る無線通信システム（ネットワーク）における、ネットワーク制御の一例（その２）を示す説明図である。図６では、スロットＳＬ１〜３内の処理により、ネットワークＮ（Ｎ４〜Ｎ６）が形成される例が示されている。

下り通信期間内で形成されるネットワークの制御については、先述の図５で説明した手順と同様である。例えば、スロットＳＬ２において、無線通信装置１０−３は、無線通信装置１０−１からのビーコンパケットを受信し、２ホップノードとなっている。また、スロットＳＬ３において、無線通信装置１０−５は無線通信装置１０−３からのビーコンパケットを受信し、無線通信装置１０−３を親ノードとする３ホップノードとなる。スロットＳＬ３において、無線通信装置１０−３が無線通信装置１０−４からのビーコンパケットを受信することができ、かつ、無線通信装置１０−３との通信品質が良い場合、先と同様の手順により、無線通信装置１０−３は無線通信装置１０−４を第２の親ノードとする。

以下では、形成されたネットワークＮ（Ｎ６）を前提として、上り通信期間内の２ホップノードの処理を、無線通信装置１０−３を例に挙げて、説明する。

上り通信期間において、無線通信装置１０−３が自身のデータパケットを送信する場合、送信先ノード決定部１０４は、ネットワーク情報記憶部１０５に記憶された情報を参照し、３ホップノードとして振る舞った方が、通信成功確率が高いと考え、データパケットの宛先を無線通信装置１０−４として、宛先のアドレスと到達ホップ数情報をパケット生成部１０６に送る。パケット生成部１０６で生成されたパケットは、無線信号送受信部１０２を介して、無線通信装置１０−４に送信される。

一方、無線通信装置１０−５からのデータパケットを受信した場合には、無線通信装置１０−３のデータ処理部１０３はパケット内に記載された到達ホップ数情報を、送信先ノード決定部１０４に送付する。送信先ノード決定部１０４はデータ処理部１０３から送付された情報（到達ホップ数情報）から自身までのホップ数が分かる。

この場合には、先と同様に、無線通信装置１０−３は自身が３ホップノードとして振る舞うことが出来ないので、２ホップノードして振る舞う。そのため、送信先ノード決定部１０４は無線通信装置１０−１のアドレスと到達ホップ数情報をパケット生成部１０６に送付する。パケット生成部１０６で生成されたパケットは、無線信号送受信部１０２を介して、無線通信装置１０−１に送信される。

（Ａ−３）実施形態の効果
この実施形態によれば、以下のような効果を奏することができる。

この実施形態の無線通信システム１（ネットワークＮ）では、無線通信装置１０は、パケットを送信（中継）する際に、通信品質、自身から基地局２０までのホップ数（自ノードのホップ数）、及び自身に到達するまでに費やしたホップ数（到達ホップ数情報）等に基づき、親ノードを選択している。

仮に、上記実施形態の無線通信システム１（ネットワークＮ）において、無線通信装置１０が、上記のような親ノード選択処理を行わない場合を想定する。例えば、図５のネットワークＮ３において、無線通信装置１０−３のデータパケットを無線通信装置１０−１が中継する際に、通信品質が悪いにも関わらず、直接基地局２０を宛先としてしまい、通信に失敗する可能性が高くなる。また、データ送信時に下位ノードを考慮せず親ノードを決定する方式を用いていた場合、無線通信装置１０−５のデータパケットを無線通信装置１０−１が中継する際に、無線通信装置１０−２を宛先としてしまい、無線マルチホップネットワークで定められている最大ホップ数を超えてしまう。

一方、上記実施形態の無線通信システム１（ネットワークＮ）においては、無線通信装置１０は、自身のデータを送信する際や他のノードのデータを中継する際に、上位ノードとの通信品質だけでなく、下位ノードから自ノードまでの通信を考慮することで、無線マルチホップネットワークの通信回数や通信時間などの制約に余裕がある場合には、ホップ数が多くなるルートであっても通信品質が高いノードを宛先としてデータパケットを送信することで、通信成功確率を高めることが可能となる。

また、上記実施形態の無線通信システム１（ネットワークＮ）においては、通信品質の悪いノードからのビーコンパケットであっても、親ノード候補として保持しておき、そのノードを親ノードとした場合の自身のホップ数を定め、所定のタイミングでビーコンパケットを送信することで、そのノードを親ノードとせず、次のスロットにおいて別のノードからのビーコンパケットの受信した場合と比べて、自身のホップ数が少ない段階でビーコンパケットを送信することが可能となる。

例えば、図５のネットワークＮ３において、無線通信装置１０−５は、無線通信装置１０−３からのビーコンパケットを受信できなければネットワークＮ３に参加することができない。つまり、無線通信装置１０−１が無線通信装置１０−２を親ノードとする２ホップノードになった場合、無線通信装置１０−３は３ホップノードになるため、ビーコンパケットを送信できなくなり、無線通信装置１０−５は孤立ノードとなる。

しかし、この実施形態の無線通信装置１０−１は、下位ノードの通信を考慮し、１ホップノードとして振る舞うため、無線通信装置１０−５はネットワークＮ３に参加することが可能となる。すなわち、上記実施形態の無線通信システム１（ネットワークＮ）では、結果としてどのノードとも接続できない孤立ノードの数を減らすことが可能となる。

（Ｂ）他の実施形態
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するような変形実施形態も挙げることができる。

（Ｂ−１）上記の実施形態では、送信先ノード決定部１０４が親ノードを決定するための基準として、ＲＳＳＩを用いたリンクメトリックを採用したが、ＲＳＳＩが基準である必要はなく、例えば、過去の通信から求めたパケット誤り率でもよいし、ノードの位置情報を用いたメトリックを用いても良く、また、リンクメトリックである必要はなく、基地局２０までのパスコストで判断してもよい。また、変形例として、無線通信装置１０は親ノードを決定するための基準をビーコンパケットに記載して送信する機能を搭載してもよい。

（Ｂ−２）上記の実施形態では、対象とする無線マルチホップネットワーク（ネットワークＮ）に、スロット化された下り通信期間とＴＤＭＡで制御される上り通信期間を用いる例を示したが、本発明を適用するネットワークはこのような無線マルチホップネットワークに限定するものではなく、例えば、あるノードがビーコンパケットを受信し、一度親ノードを決定し、ビーコンパケットの送信を行った後に、別のビーコンパケットを受信する可能性がある無線マルチホップネットワークであり、上り通信において、マルチホップの回数や、基地局までの伝送時間に制限がある無線マルチホップネットワークであればよい。

（Ｂ−３）上記の実施形態では、送信先ノード決定部１０４が下位ノードから受信したデータパケットを中継する際の基準としてホップ数を用いたが、ホップ数である必要はなく、例えば、あるノードから基地局２０までの通信にかけられる時間を基準として、データ発生元ノードから自ノードまでの通信にかかった時間と自ノードから親ノードを経由して基地局２０にデータが届くまでの時間を対象とする無線マルチホップネットワークで許容されている通信に費やしてもよい時間とを比較して親ノードを決定する仕組みにしてもよい。

（Ｂ−４）上記の実施形態では、ある特定のノード（図５の無線通信装置１０−１、図６の無線通信装置１０−３）に本発明を適用する例を示したが、対象とするネットワークＮに参加するすべてのノードが本発明を適用してもよく、その際に、特定のノード間でデータパケットが往来するループが発生するのを防ぐために、過去の送信経路をデータパケットに記載し、自身が送信、中継したデータパケットの履歴をネットワーク情報記憶部１０５に記録する機能を無線通信装置１０に搭載してもよい。

１…無線通信システム、１０（１０−１〜１０−ｎ）…無線通信装置、２０…基地局、３０…外部システム、１０１…アンテナ、１０２…無線信号送受信部、１０３…データ処理部、１０４…送信先ノード決定部、１０５…ネットワーク情報記憶部、１０６…パケット生成部、Ｆ…ＴＤＭＡフレーム、Ｎ（Ｎ１〜Ｎ６）…ネットワーク、ＳＬ（ＳＬ１〜ＳＬ６）…スロット。

第１の本発明は、ネットワークトポロジを構築するための下り通信期間と、基地局までパケットを伝送するための上り通信期間を備えるマルチホップ無線ネットワークを構成する無線通信装置において、（１）前記基地局又は他の無線通信装置とパケットの送受信を行う無線通信手段と、（２）前記下り通信期間において、前記基地局又は前記他の無線通信装置から受信したビーコンパケットを基に、自身の親ノードと成り得る親ノード候補の情報を記憶するネットワーク情報記憶手段と、（３）前記他の無線通信装置から受信したパケットを中継する場合には、少なくとも、ネットワークにおいて下位に位置する他の無線通信装置の通信状況を考慮して、前記ネットワーク情報記憶手段に記憶された前記親ノード候補の内から、通信に適する親ノードを決定する送信先ノード決定手段とを有し、（４）前記下位に位置する他の無線通信装置とは、自身の子ノード及び孫ノード、並びに、前記孫ノード以下の子孫ノードを含むことを特徴とする。

第２の本発明は、ネットワークトポロジを構築するための下り通信期間と、基地局までパケットを伝送するための上り通信期間を備えるマルチホップ無線ネットワークを構成する無線通信装置に搭載されるコンピュータを、（１）前記基地局又は他の無線通信装置とパケットの送受信を行う無線通信手段と、（２）前記下り通信期間において、前記基地局又は前記他の無線通信装置から受信したビーコンパケットを基に、自身の親ノードと成り得る親ノード候補の情報を記憶するネットワーク情報記憶手段と、（３）前記他の無線通信装置から受信したパケットを中継する場合には、少なくとも、ネットワークにおいて下位に位置する他の無線通信装置の通信状況を考慮して、前記ネットワーク情報記憶手段に記憶された前記親ノード候補の内から、通信に適する親ノードを決定する送信先ノード決定手段として機能させ、（４）前記下位に位置する他の無線通信装置とは、自身の子ノード及び孫ノード、並びに、前記孫ノード以下の子孫ノードを含むことを特徴とする。

第３の本発明の無線通信方法は、ネットワークトポロジを構築するための下り通信期間と、基地局までパケットを伝送するための上り通信期間を備えるマルチホップ無線ネットワークを構成する無線通信装置に使用する無線通信方法おいて、無線通信手段、ネットワーク情報記憶手段、及び送信先ノード決定手段を有し、（１）前記無線通信手段は、前記基地局又は他の無線通信装置とパケットの送受信を行い、（２）前記ネットワーク情報記憶手段は、前記下り通信期間において、前記基地局又は前記他の無線通信装置から受信したビーコンパケットを基に、自身の親ノードと成り得る親ノード候補の情報を記憶し、（３）前記送信先ノード決定手段は、前記他の無線通信装置から受信したパケットを中継する場合には、少なくとも、ネットワークにおいて下位に位置する他の無線通信装置の通信状況を考慮して、前記ネットワーク情報記憶手段に記憶された前記親ノード候補の内から、通信に適する親ノードを決定し、（４）前記下位に位置する他の無線通信装置とは、自身の子ノード及び孫ノード、並びに、前記孫ノード以下の子孫ノードを含むことを特徴とする。

Claims (9)

1. ネットワークトポロジを構築するための下り通信期間と、基地局までパケットを伝送するための上り通信期間を備えるマルチホップ無線ネットワークを構成する無線通信装置において、
   前記基地局又は他の無線通信装置とパケットの送受信を行う無線通信手段と、
   前記下り通信期間において、前記基地局又は前記他の無線通信装置から受信したビーコンパケットを基に、自身の親ノードと成り得る親ノード候補の情報を記憶するネットワーク情報記憶手段と、
   前記他の無線通信装置から受信したパケットを中継する場合には、少なくとも、ネットワークにおいて下位に位置する他の無線通信装置の通信状況を考慮して、前記ネットワーク情報記憶手段に記憶された前記親ノード候補の内から、通信に適する親ノードを決定する送信先ノード決定手段と
   を有することを特徴とする無線通信装置。
2. 前記ネットワーク情報記憶手段に記憶される前記親ノード候補の情報には、自身と前記親ノード候補間の通信品質に関する情報が含まれており、
   前記送信先ノード決定手段は、前記他の無線通信装置から受信したパケットを中継する場合には、送信元の無線通信装置から自身に至るまでの通信ホップ数である到達ホップ数と、前記マルチホップ無線ネットワークにおいて事前に定められている最大ホップ数との比較を行い、前記最大ホップ数から前記到達ホップ数を差し引いたホップ数内で、自身から前記基地局までパケットを中継できる前記親ノード候補の内、通信品質が最も優れている前記親ノード候補を親ノードとして決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記ネットワーク情報記憶手段に記憶される前記親ノード候補の情報には、自身と前記親ノード候補間の通信品質に関する情報が含まれており、
   前記送信先ノード決定手段は、前記他の無線通信装置から受信したパケットを中継する場合には、送信元の無線通信装置から自身に至るまでの到達通信時間と、前記マルチホップ無線ネットワークにおいて許容されている送信元の無線通信装置から前記基地局に至るまでの通信にかけられる最大通信時間との比較を行い、前記最大通信時間から前記到達通信時間を差し引いた通信時間内で、自身から前記基地局までパケットを中継できる前記親ノード候補の内、通信品質が最も優れている前記親ノード候補を親ノードとして決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
4. 前記ビーコンパケットには、前記ビーコンパケットを送信した前記他の無線通信装置のアドレス情報、前記ビーコンパケットを送信した前記他の無線通信装置から前記基地局に至る通信に関する情報、及び自身と前記ビーコンパケットを送信した前記他の無線通信装置との間の通信品質の情報が含まれていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の無線通信装置。
5. 前記ビーコンパケットを送信した前記他の無線通信装置から前記基地局に至る通信に関する情報とは、通信ホップ数であることを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
6. 前記ビーコンパケットを送信した前記他の無線通信装置から前記基地局に至る通信に関する情報とは、通信にかかる時間であることを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
7. ネットワークトポロジを構築するための下り通信期間と、基地局までパケットを伝送するための上り通信期間を備えるマルチホップ無線ネットワークを構成する無線通信装置に搭載されるコンピュータを、
   前記基地局又は他の無線通信装置とパケットの送受信を行う無線通信手段と、
   前記下り通信期間において、前記基地局又は前記他の無線通信装置から受信したビーコンパケットを基に、自身の親ノードと成り得る親ノード候補の情報を記憶するネットワーク情報記憶手段と、
   前記他の無線通信装置から受信したパケットを中継する場合には、少なくとも、ネットワークにおいて下位に位置する他の無線通信装置の通信状況を考慮して、前記ネットワーク情報記憶手段に記憶された前記親ノード候補の内から、通信に適する親ノードを決定する送信先ノード決定手段と
   して機能させることを特徴とする無線通信プログラム。
8. ネットワークトポロジを構築するための下り通信期間と、基地局までパケットを伝送するための上り通信期間を備えるマルチホップ無線ネットワークを構成する無線通信装置に使用する無線通信方法おいて、
   無線通信手段、ネットワーク情報記憶手段、及び送信先ノード決定手段を有し、
   前記無線通信手段は、前記基地局又は他の無線通信装置とパケットの送受信を行い、
   前記ネットワーク情報記憶手段は、前記下り通信期間において、前記基地局又は前記他の無線通信装置から受信したビーコンパケットを基に、自身の親ノードと成り得る親ノード候補の情報を記憶し、
   前記送信先ノード決定手段は、前記他の無線通信装置から受信したパケットを中継する場合には、少なくとも、ネットワークにおいて下位に位置する他の無線通信装置の通信状況を考慮して、前記ネットワーク情報記憶手段に記憶された前記親ノード候補の内から、通信に適する親ノードを決定する
   ことを特徴とする無線通信方法。
9. マルチホップネットワークを構成する無線通信装置を複数備える無線通信システムにおいて、前記無線通信装置として、請求項１〜６のいずれかに記載の無線通信装置を適用したことを特徴とする無線通信システム
   

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