JP2020195084A - リレーノード、信号中継方法、および通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】ランダム値や製造番号に基づいて送信タイミングを制御することは、レイテンシを低減させることができないという問題がある。【解決手段】信号を受信する送受信部と、前記信号を受信した時の受信信号強度を測定する受信信号評価部と、前記受信信号強度に応じて、前記信号を転送するまでの遅延時間を決定する信号リレー制御部と、を備えた各リレーノードでリレー動作を行うまでの待ち時間を減らすことで、送信元ノードから宛先ノードまでの信号通信にかかるレイテンシを低減させる。【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信機器間の通信方式に関し、特にメッシュネットワークに配置されたリレーノードおよび通信システムに関する。

送信元ノードから到達可能なすべてのノードに、無線マルチホップ配送によって信号を配送する技術を、フラッディングと称す。フラッディング技術を用いたメッシュネットワークでは、送信元ノードから発信された信号を、複数のリレーノードが中継して宛先ノードまで届ける通信方式、いわゆるバケツリレー方式が採用されている。

下記に示す特許文献１には、複数の無線端末で存在通知パケットの送信タイミングが一致しないように制御する。これにより、複数の無線端末が送信する電波の干渉を回避し、存在通知パケットの受信を滞りなく行う技術が開示されている。より詳細には、ランダム値や、各無線端末の製造番号に基づいて算出した値を用いて、送信タイミングが一致しないように制御している。

特開２０００−１３３７６号公報

ランダム値や製造番号に基づいて送信タイミングを制御することは、電波の干渉を避け、信号の衝突確率を低減させることができる。しかしながら、送信タイミングを必要以上に遅らせてしまうと、信号を中継する無線端末が信号を受信してから送信するまでの時間、処理を余計に待ち合わせることになる。その結果、送信元ノードから宛先ノードへの信号送信に要す時間が長くなってしまう。即ち、レイテンシが大きくなってしまうという問題がある。本願の課題は、この問題を解決することにある。

その他の課題と新規な特徴は、本願明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

リレーノードが信号を受信した際の受信信号強度に応じて、該信号をリレーするまでの遅延時間を決定する。

実施の形態によれば、レイテンシを低減することができる。

図１は、実施の形態１にかかるリレーノードの構成の一例を示すブロック図である。 図２は、実施の形態１にかかる受信信号強度と遅延時間のテーブルの一例を示す図である。 図３は、ノード間距離と受信信号強度との関係を示す図である。 図４は、メッシュネットワークの通信システムの構成例を示す図である。 図５は、実施の形態１にかかるリレーノードにおけるリレー動作の一例について示すフローチャートである。 図６は、受信信号強度と遅延時間（レイテンシ）の関係を示す図である。 図７は、実施の形態１にかかる受信信号強度と遅延時間（レイテンシ）の関係を示す図である。 図８は、実施の形態２にかかるリレーノードの構成の一例を示すブロック図である。 図９は、実施の形態２にかかる受信信号強度と遅延時間（レイテンシ）の関係を示す図である。 図１０は、実施の形態２にかかる受信信号強度と遅延時間のテーブルの一例を示す図である。 図１１は、実施の形態３にかかるリレーノードの構成の一例を示すブロック図である。 図１２は、実施の形態３にかかるリレーノードにおけるリレー動作の一例について示すフローチャートである。 図１３は、実施の形態３にかかるメッシュネットワークの通信システムの構成例を示す図である。

説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

＜実施の形態１＞
次に、実施の形態の詳細について説明する。図１は、実施の形態１にかかるリレーノード１の構成の一例を示すブロック図である。リレーノード１は、図１に示すように、アンテナ部２と、送受信部３と、受信信号評価部４、信号リレー制御部５と、を有する。

アンテナ部２は、リレーノードの電波到達範囲内に存在する他のノードと信号の送受信処理を行う。アンテナ部２は、送受信部３と電気的に接続されている。

送受信部３は、アンテナ部２が受信した受信信号が入力され、該信号から情報部分を抽出する。また、送受信部３は、他のノードから受信した受信信号からアドレス部分を抽出し、該信号を他のノードに転送する際、送信信号の情報部分やアドレス部分の編集処理を行う。

受信信号評価部４は、信号を受信したことを送受信部３から通知されたとき、例えば、受信信号強度（ＲＳＳＩ：Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）を測定して、信号リレー制御部５に通知する。受信信号評価部４は、送受信部３と電気的に接続されている。

ここで、受信信号強度（ＲＳＳＩ）の代わりに、特定のパターンの信号との相関関係との相関度を用いても構わない。より詳細には、予め用意された信号パターン(例えばプリアンブル)と受信した信号との相関計算(自己、相互相関の一方または組み合わせでも可能)した結果から受信した信号の送信元である前段ノードとの距離を推定してもよい。あるいは、受信信号強度と相関度を併用して、前段ノードとの距離を推定しても構わない。便宜上、実施の形態は、受信信号強度を用いて説明する。

信号リレー制御部５は、受信信号評価部４から通知された受信信号強度に応じて、電波到達範囲内のリレーノードに送信するまでの遅延時間の長さを制御するブロックである。信号リレー制御部５は、送受信部３および受信信号評価部４と電気的に接続されている。

信号リレー制御部５は、信号リレー遅延時間制御部６を備える。信号リレー遅延時間制御部６は、遅延時間として、所定の時間を決定するブロックである。

受信信号強度を通知された信号リレー制御部５は、受信信号強度に基づき、遅延時間を得る。尚、遅延時間の導出方法については、後述する。

図２を用いて、受信信号強度から遅延時間を決定する仕組みを説明する。図２は、受信信号強度に応じた遅延時間を定義したテーブルである。各リレーノードが、図２に示すテーブルを保有し、他のノードから信号を受信する度に、このテーブルを参照し、リレー動作を行うまでの遅延時間を取得する。ここで、各リレーノードが保有するテーブルは同一のテーブルであっても、リレーノード毎に異なるテーブルを保有してもよい。また、複数のリレーノードが同一のテーブルを保有する形態であっても構わない。

前段のノードからの距離と受信信号強度との間には、図３に示すような関係がある。即ち、信号を受信したリレーノードにおける受信信号強度は、前段のノード（リレーノードが受け取った信号を送信したノード）との距離が離れているほど、小さくなる。

また、図２に示すテーブルは、受信信号強度に応じた遅延時間を定義している。受信信号強度の大小と遅延時間の長短の関係は、任意に設定して構わないが、受信信号強度が小さいほど、遅延時間が短くなるように定義されていることが望ましい。

例えば、図２において受信信号強度には、ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ＜ｅという関係があり、遅延時間には、ｐ＜ｑ＜ｒ＜ｓ＜ｔという関係があるものとする。これにより、前段のノードとの距離が離れたリレーノードが優先してリレー動作を行うことができ、送信元ノードから宛先ノードに信号を伝達するまでにリレー動作を行うリレーノードの数を減らすことができる。好適には、広いネットワーク内での通信に適していると言える。

図２においては、受信信号強度を０から所定の値（図２においては、ｅ）までを５つの区間に分けているが、ｅより大きな値を含むよう「ｄ〜ｅ」ではなく「ｄ〜」としても構わない。また、図２においては、受信信号強度を５つに分けているが、５つに限らず、任意の区間に分けてもよい。

また、各区間の受信信号強度の幅は均等であってもよいし、各リレーノードにおける受信信号強度の分布をふまえ、各区間の受信信号強度の幅に差異を持たせてもよい。例えば、ネットワーク内の各ノードにおいて、信号受信時に測定する受信信号強度の値を採取したデータの値に基づいて、データ数が均等になるように各区間の幅を決定してもよい。また、受信信号強度の値が集中する区間を細分化するなどの傾斜をつけてもよい。

次に、信号が送信元ノードから宛先ノードまで伝達される手順を、図４に示す簡単なメッシュネットワークの通信システムを用いて説明する。図４の通信システム１０において、ノードＡが送信元ノード、ノードＢが宛先ノードである。ノードＣ〜Ｅは送信元ノードＡから宛先ノードＢ宛の信号を送出した後、その経路上で、該信号を転送するリレーノードを示している。

送信元ノードＡが送信した信号を受信したリレーノードＣにおける受信信号強度が、ｄ〜ｅの範囲内にあり、図２に示すテーブルを参照し、遅延時間として、ｔを設定する。同様に、送信元ノードＡが送信した信号を受信したリレーノードＤにおける受信信号強度が、ａ〜ｂの範囲内にあり、図２に示すテーブルを参照し、遅延時間として、ｑを設定する。

次に、送信元ノードＡから信号を受けたリレーノードＣとリレーノードＤにおける動作を説明する。リレーノードＣおよびＤにおける受信信号強度および図２に示すテーブルに基づき、それぞれ、遅延時間としてｔ、ｑが設定される。これにより、リレーノードＤがリレーノードＣより先に、送信元ノードから受信した信号を転送する。

ここで、リレーノードＤによる信号転送動作により、宛先ノードＢに信号が到達する。従い、送信元ノードＡから送信された信号は、宛先ノードＢに届けられ、信号の伝達が完了する。しかしながら、メッシュ内ネットワーク内では、転送処理に伴う信号のやりとりが継続する。

具体的には、リレーノードＤによる信号転送動作により信号を受信したリレーノードＥは、受信信号強度がｃ〜ｄであることから、テーブルに基づき遅延時間ｓを索引し、宛先ノードＢに送信する。

一方、送信元ノードＡから送信された信号は、リレーノードＤおよびリレーノードＥが受信する。その後、受信時点の受信信号強度に応じて、テーブルを参照して送信タイミングを決定した後、転送動作を行う。

特許文献１に開示された技術は、複数の無線端末における送信タイミングが一致しないよう、ランダム値や、各無線端末の製造番号に基づいて算出した値を用いて、送信タイミングを制御している。

特許文献１に対し、実施の形態１は、上述の通り、受信信号強度に応じた遅延時間を設定することで、受信信号強度が異なるノードにおける遅延時間に差を設ける。即ち、前段の送信ノード（リレーノードあるいは送信元ノード）からの距離に応じて遅延時間を決定してリレー動作を行うことで、待ち合わせ時間を無駄に費やすことなく、信号の衝突を回避することができる。

次に、図５に示すフローチャートを用いて、リレーノードにおける動作（信号中継方法）を説明する。まず、アンテナ部２が他のノードからの信号を受信し、送受信部３が信号を受け取る（ステップＳ１０１）（受信ステップとも称す）。次に、送受信部３が受信信号評価部４に対し、信号を受信したことを通知する。そして、この通知をトリガーとして、受信信号評価部４が受信信号強度を測定し、送受信部３に通知する（ステップＳ１０２）（測定ステップとも称す）。

次に信号リレー制御部５は、送受信部３が受信した信号のアドレス部を参照し、宛先アドレスが該リレーノード自身のものであるか否かを確認する（ステップＳ１０３）。宛先アドレスが自身のアドレスでないと判定した場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、送受信部３が受信した該信号を所定のバッファに格納する（ステップＳ１０４）。また、宛先アドレスが自身のアドレスであると判定した場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、リレー処理を終了する。

次に信号リレー遅延時間計算部６は、受信信号評価部４から通知された受信信号強度と図２に示すテーブルに基づいて、遅延時間を決定する(ステップＳ１０５)（決定ステップとも称す）。次に信号リレー制御部５は、送受信部３から信号を受けた後、ステップＳ１０５で決定した遅延時間が経過した後、ステップＳ１０４でバッファに格納した信号を送信する（ステップＳ１０６、ステップＳ１０７）。

前段のノードからの距離と受信信号強度との間には、前述のように、図３に示すような関係がある。即ち、受信信号強度が弱いノードは、前段のノードからの距離が遠い。従い、図６に示すように、受信信号強度が弱いほど、リレー動作遅延時間を短くすることで、より離れたノード間での通信が多く選択され、送信元ノードと受信ノードとの間で、より少ないリレーノード数で信号を送達することが可能である。

言い換えると、送信元ノードから宛先ノードに送信されるまでに経由するリレーノードの数を減らすこと、即ち、ホップ数を抑えることができる。受信信号強度が弱いということは、信号を送信したノードからの距離が離れていることを意味しており、このような遠距離にあるノードを選択して宛先ノードまでのパスを選択することで、経由するノードの数を抑制することができる。

以上、実施の形態１について説明した。実施の形態１にかかるリレーノードでは、信号を受信した際の受信信号強度に応じて、遅延時間を決定する。より詳細には、受信信号が小さい場合ほど、即ち、前段ノードからの距離が遠いほど、リレー処理を早く行うよう、各リレーノードが動作する。これにより、各リレーノードでリレー動作を行うまでの待ち時間を減らすことができ、ひいては、送信元ノードから宛先ノードまでの信号通信にかかる遅延時間を減らすことができる。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２について説明する。図７に示すように、前段のノード（信号送信元ノードあるいはリレーノード）から信号を受信するリレーノード１〜４が、前段のノードから信号を受信した時の受信信号強度が略等しかった場合、共通テーブルを用いて決定する遅延時間も同等の値となり、各リレーノードにおける信号送信時に、衝突（コリジョン）の発生が懸念される。これは、前段ノードからリレーノード１〜４夫々との距離に大きな差がなかった場合、遅延時間が等しくなるためである。

本実施の形態では、各リレーノードがそれぞれ乱数生成部を備えた構成を採り、信号送信元のノードからの距離が概ね等しい場合であっても、リレー遅延時間に差を設けることで、信号の衝突を回避する。

図８を用いて、実施の形態２におけるリレーノードのブロック構成を説明する。実施の形態２に係るリレーノード１は、図８に示すように、アンテナ部２と、送受信部３と、信号リレー制御部５と、受信信号評価部４と、を有する。信号リレー制御部５は、信号リレー遅延時間計算部６と、乱数生成部７と、を有する。実施の形態１との違いは、リレーノード１が乱数生成部７を備えるという点である。乱数生成部７は、予め指定された範囲内の数字からランダムに数字を選択し、出力する機能を備える。より具体的には、実施の形態２において、信号リレー遅延時間計算部６は、乱数生成部７が出力した乱数値に応じたオフセット遅延値を、遅延時間に加算する。

図９を用いて、より具体的に説明する。受信信号に対する受信信号強度が図７に示すケースのように略等しい値であった場合、実施の形態１の手順では、共通テーブルを用いた制御により、前段ノードから同じ信号を受信したノード１、ノード２共に、黒矢印に示すように、同じ遅延時間を設定してしまう。

そこで、実施の形態２においては、白矢印に示すように、乱数に基づくオフセット遅延を遅延時間に加算することで、ノード１ならびにノード２におけるオフセット遅延時間に差を設け、信号の衝突を回避する。

次に、図１０を用いて、実施の形態２における、受信信号強度から遅延時間を決定する仕組みを、より具体的に説明する。各リレーノードが、図１０に示すように、受信信号強度に応じた遅延時間を定義した共通テーブルを備える。例えば、実施の形態１における図３に示すテーブルを用いた場合、送信元ノードＡから送信された信号を受信したリレーノードＢ、およびリレーノードＣにおける受信信号強度が共に「ａ〜ｂ」に該当するとした場合、遅延時間が共にｑとする。

前述の通り、リレータイミングが一致してしまうと、信号の衝突発生が懸念される。実施の形態２においては、例えば、リレーノードＢに対しては遅延時間ｑに、オフセット遅延値として乱数値αを加算して調整後遅延時間とし、リレーノードＣに対しては遅延時間ｑに、オフセット遅延値として乱数値γを加算して調整後遅延時間とすることで、リレータイミングが一致しないように制御する。

このように、前段ノードから信号を受信したとき、前段ノードからの距離が略等しい距離にあり、かつ前段ノードからの信号受信時に受信信号強度が略等しい場合に、乱数値に基づく遅延時間を加算することで、送信タイミングに差を設けることで、信号の衝突（コリジョン）を回避することができる。

以上、実施の形態２について説明した。実施の形態２にかかるリレーノードでは、信号を受信したときの受信信号強度が近い値を示したリレーノード間で、コリジョンが発生しないようリレー時間を決定する。より詳細には、実施の形態１に開示した受信信号強度に応じた制御に加え、乱数に基づく時間をオフセット遅延として加算することで、送信元ノードや前段のリレーノードからの距離が略等しい場所にある複数のリレーノードそれぞれにおける送信タイミングが一致しないように制御することができる。その結果、信号の衝突（コリジョン）の発生を抑制することができる。

＜実施の形態３＞
図１１に実施の形態３にかかるリレーノードのブロック構成図を示す。実施の形態３に係るリレーノード１は、図１１に示すように、アンテナ部２と、送受信部３と、受信信号評価部４、信号リレー制御部５と、を有する。信号リレー制御部５は、信号リレー遅延時間計算部６と、信号リレーキャンセル判定部８と、を有する。実施の形態３のリレーノード１のブロック構成と、図１に示す実施の形態１のリレーノード１の構成との差異は、宛先ノードが、信号を受信したことを送信元ノードに対して通知するためのＡｃｋ信号を送信した場合に、対応する信号（宛先ノードが受信した信号）のリレーを行わないように制御する信号リレーキャンセル判定部８を設けている点である。

各リレーノードが、送信元ノードからの信号を受信する前に、他のノードから該信号に対するＡｃｋ信号を受信した場合、信号リレーキャンセル判定部８にて、Ａｃｋ信号に対応する信号のリレー動作を行わないように制御する。

実施の形態３における制御により、既にリレー処理を行った信号について、再度リレー処理を回避することができる。ひいては、メッシュネットワーク内で処理される信号数を低減することができ、ネットワークが輻輳状態に陥ってしまうことを回避できる。

次に、図１２に示すフローチャートを用いて、リレーノードにおける動作を説明する。まず、アンテナ部２にて信号を受信する（ステップＳ３０１）。次に、送受信部３が受信信号評価部４に対し、信号を受信した時点の受信信号強度を通知する（ステップＳ３０２）。

次に信号リレー制御部５は、送受信部３が受信した信号のアドレス部を参照し、宛先アドレスが該リレーノード自身のものでないことを確認する（ステップＳ３０３）。信号がリレー対象である（即ち、宛先アドレスが自身のアドレスでない）と判定した場合（ステップＳ３０３：ＹＥＳ）、送受信部３が受信した該信号を所定のバッファに格納する（ステップＳ３０４）。

次に信号リレー遅延時間計算部６は、受信信号評価部４から通知された受信信号強度と図２に示すテーブルに基づいて、遅延時間を決定する(ステップＳ３０５)。次に信号リレーキャンセル判定部８は、リレー対象の信号に対するＡｃｋ信号を受信しているか否か確認する（ステップＳ３０６）。

Ａｃｋ信号を受信していた場合（ステップＳ３０６：ＹＥＳ）、リレー待ちの信号を削除する。（ステップＳ３０９）また、リレー対象の信号に対するＡｃｋ信号を受信していない場合（ステップＳ３０６：Ｎｏ）、リレー遅延時間が経過した後（ステップＳ３０７）、信号をリレーする処理を行う（ステップＳ３０８）。

図１３は、実施の形態３にかかるメッシュネットワークの通信システムの構成例を示す図である。図１３の通信システム１０において、ノードＡが送信元ノード、ノードＢが宛先ノードである。ノードＣ〜Ｅは送信元ノードＡから宛先ノードＢ宛の信号を送出した後、その経路上で、該信号を転送するリレーノードを示している。

以上、実施の形態３について説明した。実施の形態３にかかるリレーノードでは、各リレーノードが、他のノードからＡｃｋ信号を受信した場合、信号リレーキャンセル判定部にて、Ａｃｋ信号に対応する信号のリレーを行わないように制御することで、メッシュネットワーク内における信号数を減らすことができ、コリジョンの発生を抑制することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１ リレーノード
２ アンテナ部
３ 送受信部
４ 受信信号評価部
５ 信号リレー制御部
６ 信号リレー遅延時間計算部
７ 乱数生成部
８ 信号リレーキャンセル判定部
１０ 通信システム

Claims (15)

1. 信号を送受信する送受信部と、
   前記信号を受信した時の受信信号強度を測定する受信信号評価部と、
   前記受信信号強度に応じて、前記信号を転送するまでの信号リレー遅延時間を決定する信号リレー制御部と、を備えたリレーノード。
2. 前記信号リレー制御部は、前記受信信号強度が弱いほど前記信号リレー遅延時間を短くする、請求項１に記載のリレーノード。
3. 前記受信信号評価部は、前記送受信部が前記信号を受信したことを通知した時に、測定する、請求項１に記載のリレーノード。
4. 乱数生成部をさらに備え、
   前記信号リレー遅延時間に前記乱数生成部が出力する乱数に基づく遅延時間を加算する、請求項１に記載のリレーノード。
5. 前記信号を受信する前に、他のノードから前記信号と同じ信号を受信していた場合、前記信号を破棄する、請求項１に記載のリレーノード。
6. リレーノードにおける信号中継方法であって、
   信号を受信する受信ステップと、
   前記信号を受信したときの受信信号強度を測定する測定ステップと、
   前記受信信号強度に応じて信号リレー遅延時間を決定する決定ステップと、
   前記信号を受信した後、前記信号リレー遅延時間経過後に、前記信号を他のノードに送信するステップと、
   を含む、信号中継方法。
7. 前記決定ステップは、前記受信信号強度が弱いほど前記信号リレー遅延時間を短くする、請求項６に記載の信号中継方法。
8. 前記受信信号強度は、前記リレーノードが前記信号を受信したときに測定して得られる、請求項６に記載の信号中継方法。
9. 乱数生成部をさらに備え、
   前記信号リレー遅延時間に前記乱数生成部が出力する乱数に基づく遅延時間を加算する、請求項６に記載の信号中継方法。
10. 前記信号を受信する前に、他のノードから前記信号と同じ信号を受信していた場合、前記信号を破棄する、請求項６に記載の信号中継方法。
11. 信号を送信する送信ノードと、
    前記信号を他のノードに中継する複数のリレーノードと、
    前記信号の宛先である受信ノードと、を備えた通信システムであって、
    前記複数のリレーノードは、前記信号を受信したときの受信信号強度に応じて信号リレー遅延時間を決定し、信号受信から前記信号リレー遅延時間の経過後に前記信号を前記他のノードに送信する、通信システム。
12. 前記複数のリレーノードは、前記受信信号強度が弱いほど、前記信号リレー遅延時間を短くする、請求項１１に記載の通信システム。
13. 前記受信信号強度は、前記リレーノードが前記信号を受信したときに測定して得られる、請求項１１に記載の通信システム。
14. 乱数生成部をさらに備え、
    前記信号リレー遅延時間に前記乱数生成部が出力する乱数に基づく遅延時間を加算する、請求項１１に記載の通信システム。
15. 前記信号を受信する前に、前記他のノードから前記信号と同じ信号を受信していた場合、前記信号を破棄する、請求項１１に記載の通信システム。

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