JP4446664B2 - 無線マスタ・スレーブ分散通信ネットワーク - Google Patents

無線マスタ・スレーブ分散通信ネットワーク Download PDF

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Description

本発明は無線マスタ・スレーブ分散通信ネットワークに関し、特に街灯を制御するネットワークなどのマルチホップ無線制御ネットワークやマルチホップ無線監視ネットワークに適用される無線マスタ・スレーブ分散通信ネットワークに関する。
マルチホップ無線ネットワークは典型的にはマスタデバイス(ノード)とスレーブデバイス(ノード)から構成され、マスタデバイス(ノード)は、自装置とスレーブデバイス(ノード)とのリンクを示すルーチングテーブルを格納する。通常このようなネットワークを適切に構築し、設定するのは困難であり、ネットワークとそのローディングに関する完全な知識が必要となる。また、このようなネットワークでは各スレーブデバイスにおいて当該スレーブデバイスのユーザーが必要とする通信路をすべて予めプログラムする必要がある。したがってネットワークの品質及びその設定はこの設置を行う者の能力に左右される。さらにネットワークを介して発信側からマスタデバイスへ送信されるメッセージは、マスタデバイスまでルーチングされるためのアドレッシング及びルーチング情報をすべて含む必要があり、このメッセージがいくつかのホップを介する場合はこのバーチャルルートに介在するすべてのスレーブノードのアドレスを含まなければならないためメッセージのデータパケットが非常に長くなってしまう。低パワーデータ伝送においては長いメッセージよりも短いメッセージがより確実にネットワーク内を中継されることが知られている。また、例えばスレーブノードの追加或いは撤去などによりネットワークが変更した場合この変更についての情報及びこれによるルーチングテーブルへの影響がすべてのスレーブノードにエントリーされなければならない。さらに、あるスレーブノードに障害が生じることにより、これによって定義されるルートが機能しなくなった場合、このスレーブノードの下位のスレーブノードはこの障害したスレーブノードが修理・補正されるかもしくは設置担当者によって新たなルートが設置されて問題が解決されるまでは孤立してしまう。後者の場合、新たなルートの品質は、設置担当者が有するそれぞれのスレーブ・デバイスへのルートに関する知識にゆだねられている。このような欠点によりマルチホップ無線ネットワークは従来あまり広く用いられてこなかった。しかし、多くの制御ネットワークや監視ネットワーク用の低価格無線手段の出現により、このようなマルチホップ無線ネットワークの利用に対する興味は高まっている。殊に上記の欠点が改善可能であれば、このネットワークに対する興味はさらに増すであろう。
本発明はマルチホップ無線ネットワークをネットワークに対する変更に適応可能にすることを目的とする。
また、本発明はスレーブノードが新たにマルチホップ無線ネットワークに参入するのを簡易化することを目的とする。
本発明の第一様相は、マスタノード及び複数のスレーブノードから構成されるマスタ・スレーブ分散通信ネットワークにおいて前記マスタノード及び前記複数のスレーブノードが相互に作動連結するネットワークであって、各スレーブノードは前記マスタノードへのメッセージを送信するためのルートにおける次のノードのアドレスを格納するための手段を有することを特徴とする。
本発明の第2様相は、マスタノード及び複数のスレーブノードから構成されるマスタ・スレーブ分散通信ネットワークにおいて前記マスタノード及び前記複数のスレーブノードが相互に作動連結するネットワークを管理する方法であって、前記マスタノードへデータパケットを送信することを望むスレーブノードは、前記スレーブノードに予め格納されている前記マスタノードへのメッセージのルートにおける次のノードのアドレスを前記データパケットに含めて前記データパケットを送信することを特徴とする。
各スレーブノードがルーチングプランにおける次のノードのアドレスを格納する構成によると、スレーブノードが追加或いは撤去された際、各スレーブノードが完全なルーチングプランを格納している場合のようにすべてのノードに対して更新を行わなくてもネットワークの修正が可能である。あるスレーブノードからマスタノードまでのルートは動的に設定され、よってネットワークはこれに影響を及ぼす変化などに柔軟に適応することができる。また、さらなる利点としては、マスタノードへ向かって発信されるメッセージは最初のホップにおいて最もデータパケットが短く、これはこのデータパケットの伝送が本質的により確実であることを意味する。
このネットワークは元々マスターノードから構築されるが、マスタノードはすべてのスレーブノードと直接通信を行えるわけではない。したがってあるスレーブノードがネットワークに追加されるもしくはそこから撤去された場合、当該スレーブノードの近隣にあるスレーブノードだけがルーチング設定に関与する。
本発明の第3様相は、マスタノード及び複数のスレーブノードから構成されるマスタ・スレーブ分散通信ネットワークにおいて前記スレーブノードとして用いられるスレーブステーションであって、前記マスタノード及び前記複数のスレーブノードのうちの少なくとも1つと通信を行うための送受信手段、前記スレーブステーションのアドレスを格納する第1記憶手段、前記マスタノードへのルートにおける次のノードのアドレスを格納する第2記憶手段、及び前記送受信手段、前記第1記憶手段、及び前記第2記憶手段に連結され、前記次のノードのアドレスを前記マスタノードへ送信されるデータパケットに付加するための処理手段から構成されることを特徴とする。
本発明の第4様相は、マスタステーション及び複数のスレーブステーションから構成されるマスタ・スレーブ分散通信ネットワークにおいて用いられる前記マスタステーションであって、前記複数のスレーブステーションと通信を行うための送受信手段、ルーチングデータを格納する記憶手段、及び前記格納されたルーチングデータに基づいて宛先スレーブステーションのアドレス及び場合によっては中間スレーブステーションのアドレスを含むルーチング情報を収集し、前記収集したルーチング情報をデータパケットに付加するための処理手段から構成されることを特徴とする。
図1に示されるマルチホップ無線ネットワークは、マスタデバイス(ノード)10及びリンクVLによって直接的或いは間接的にこのマスタデバイス10に作動連結する複数のスレーブデバイス(ノード)12〜22から構成される。マスタデバイス10にはスレーブノード12〜22及びこれらのリンクVLの構成を示すルーチングテーブルが格納される。この図に示されるネットワークは例えば街灯の制御ネットワークを構成しうる。同図に示されるように、スレーブノード12,13,14および15はマスタデバイス10と直接通信を確立することができるのに対し、スレーブノード16,17,18およびスレーブノード19はそれぞれ第1ホップでスレーブノード13か15と通信を確立してからでないとマスタデバイス10と通信を行うことができない。
マスタデバイス10はアドレス#0を有し、スレーブノード12〜22はそれぞれアドレス#1〜アドレス#11を有す。便宜上スレーブノード12,13,14及び15からマスタデバイス10へのリンクはルート#0と称し、ここで#0はマスタデバイス10のアドレスに対応する。また、スレーブノード16,17,18からスレーブノード13へのリンクはルート#2と称、ここで#2はスレーブノード13のアドレスに対応する。同様にスレーブノード19からスレーブノード15へのリンクはルート#4と称し、スレーブノード20及び21からスレーブノード16へのリンクはルート#5と称し、スレーブノード18からスレーブノード22へのリンクはルート#7と称する。
本発明の方法によると、スレーブノード12〜22のそれぞれはマスタデバイス10へデータパケットを送信する際に用いる1つのルーチング情報を格納する構成となり、ここでの1つのルーチング情報はマスタデバイス10へのメッセージがルーチングプランにおいて次に転送されるべきノードのアドレスに相当する。これによりルーチング情報の格納が分散され各スレーブノードにおけるルーチング情報を格納するためのメモリが少量で済む。伝送されるメッセージの発信元(ソース)であるスレーブノードは、ルーチングテーブルにおける次のノードのアドレスを含むデータパケットにヘッダーを挿入する。しかしメッセージがノードからノードへと進んでいくにつれ、ヘッダーはルーチングテーブルにおけるノードのアドレスを次々と蓄積していくためどんどん長くなっていく。
マスタノード10がスレーブノードにメッセージを送ろうとする際、マスタノード10は宛先スレーブノードまでのルートにおいて通過するスレーブノードすべてのアドレスをメッセージのデータパケットに含める。このメッセージのデータパケットがスレーブノードからスレーブノードへと進むにつれ伝送先スレーブノードとしてのアドレスは削除されていき、ヘッダーはどんどん短くなり、データパケットの信頼性はより高くなる。
図2は、リンクVLを介してマスタデバイスへ送信されるデータパケットの一例としてのデータパケット24を示す。このデータパケット24は8つのフィールドを有する。これらはパケット識別情報PID、パケット長LGTH、最終宛先アドレスAddr#FD(図1のネットワークの場合ではマスタデバイス10のアドレスAddr#0)、発信ソース(S)ノードのアドレスAddr#S、次の宛先(D)ノードのアドレスAddr#D、データパケットが通過してきたスレーブノードのアドレスを示す履歴HIST、周期的冗長性チェックCRCビット、及びデータ・フィールドDAである。ここでCRCフィールドはデータ・フィールドDAの後に配置されてもよい。以下において、スレーブノード20がデータパケットをマスタデバイス10へアップリンク送信し、マスタデバイスがこれに対する応答としてメッセージのダウンリンク送信を行う場合を例にとる。まず、第一アップリンク・ホップでは、マスタアドレス・フィールドはAddr#0であり、発信ソースノード・アドレスはAddr#9であり、宛先ノード・アドレスはAddr#5であり、履歴フィールドHISTは空である。スレーブ・デバイス16では、宛先ノード・アドレスがAddr#2に変更され、Addr#5が履歴フィールドHISTに挿入されてデータパケットは次のアップリンク・ホップに伝送される。スレーブノード13では宛先ノード・アドレスはAddr#0に変更され、Addr#2はHISTフィールドのコンテンツに追加されて、データパケットはマスタデバイス10に転送される。各々のメッセージは通過したスレーブノードにおいて局部的にハンドシェイクされる。
図3はマスタデバイスからスレーブノードへ送信されるデータパケットの一例としてのパケットデータ26を示す。このデータパケット26は8つのフィールドを有し、これらのフィールドは、HISTフィールドに代わって完全フューチャールートCFRフィールドが設けられる以外はすべて図2に示されるアップリンク・データパケットと同じであるためこれら同一フィールドの説明は省略する。CFRフィールドは、マスタデバイス10に格納されるルーチング・テーブルから得られるダウンリンク伝送で使用されるすべてのスレーブノードのアドレスを含む。マスタデバイス10がデータパケットをスレーブノード20に向かって送信する場合、ここでの最終宛先アドレスAddr#FDはAddr#9となり、ソースアドレスAddr#SはマスタデバイスのアドレスAddr#0となり、次の宛先アドレスAddr#Dは次のホップのアドレスであるAddr#2となり、CFRフィールドはAddr#5とAddr#9を含む。スレーブノード13ではAddr#2がAddr#5に変更され、CFRフィールドからAddr#5は削除される。スレーブノード16では、Addr#5がAddr#9に変更され、CFRフィールドからAddr#9が削除され、よってCFRフィールドは空となる。
したがって本実施例が街灯の故障を中央制御ステーションに通知するための無線ネットワークに適用された場合、各街灯はスレーブノードによって監視され、ある街灯に不具合が生じたという情報はネットワークを介してマスタデバイスにリップルして伝わる。
各スレーブノードはそれぞれ固有のアドレスを有する。ネットワークがアドレス・サーバを有する場合、設定に際してユーザーが固有アドレスをもっと使いやすいユーザフレンドリーな固有無線アドレスに変更することが可能である。これにより固有アドレスを短くすることが可能で、伝送量の節約にもなる。
街灯などのスレーブノードがネットワークに追加されたり撤去されたりする変化に応じてネットワークを動的に順応させるためにはさまざまな対策がある。
新たなスレーブノードが設置され、このノードに自己の固有アドレス以外のルーチング情報が予め格納されていない場合、この新たなスレーブノードは近隣のスレーブデバイスすべてに対して各々のマスタデバイス10へのルーチングに関する情報を要請するメッセージを送信する。近隣のスレーブデバイスはこのメッセージに対する応答としてそれぞれのマスタデバイスへのルートにおける最初のホップに関する情報を返す。この応答に含まれる情報としては他にもデータパケットがマスタデバイスに到達するまでにさらにたどるホップ数や、マスタデバイスへのルートに対するローディング、マスタデバイスへのルートの信頼性や、例えば当該スレーブノードが電池によって駆動しているため電力の節約上メッセージの伝送のなどに使用されたくないなどスレーブノード自身に直接関わる要素及びメッセージの伝送ルートへの適用に対する要望などを含むことができる。
新たなスレーブノードに備わるプロセッサは,自身のメッセージレートを考慮しつつホップ数、所望の信頼性、及び効果的なローディングなどに基づいて所望のマスタデバイスへのルートを選択することができる。しかしこの新たなスレーブノードが局所的に格納しなければならない情報はマスタデバイス10へのルートにおいてここから次の転送先であるスレーブノードのアドレスだけであり、希望により更なるスレーブノードがネットワークに追加される際に同様な方法でルートを選択できるようルートに関する更なる情報を含むことができる。新たなスレーブノードが所望のマスタデバイス10へのルーチングを設定すると、これでこの新たなスレーブデバイスもマスタデバイスへのルートを提供できる立場となる。
また別の対策として、スレーブノードは自装置からマスタデバイス10へのルートを見直し、他のスレーブノードが追加されたり撤去されたことによりそのルートが最適でなくなった場合は再設定を行うようにすることが可能である。
ネットワークの変更に際しては、ネットワーク変更メッセージが放送され、このメッセージを受信したスレーブノードはこの新たな情報に基づいて自装置のルーチング設定を見直すことができる。このモードにおいてスレーブノードは設定を自由に変更することが可能である。スレーブノードがマスタデバイスへのルートを変更すると決断した場合、ルーチングに関して当該スレーブノードに依存するすべてのスレーブノードにこの意向を通知し、これらのスレーブノードがそれぞれのルーチングを見直せるようにする。この継続的な見直しの処理によってネットワークはある期間において構造が変化しているにもかかわらず維持されることが可能である。
新たなるスレーブノードが設置される際、まずこのスレーブノードは「マスタへのルート要請」メッセージを発信する。最初はホップの数をゼロに指定してこのメッセージを送信する。これに対して応答できるノードはマスタデバイスだけである。そしてこの新たなスレーブノードがマスタデバイスの直下に設置されていない限り上記メッセージに対する応答は1つも受信されない。次にこの新たなスレーブノードはホップの指定数を増やして再度「マスタへのルート要請」メッセージを発信し、これに対してネットワーク内のスレーブノードであって指定条件を満たすものがあれば当該スレーブノードがこのメッセージに対する応答を送信する。このプロセスの実行は応答が得られるまで続けられる。このメッセージに対する応答は新たなスレーブノードからの最初のホップとして用いられるスレーブノードのアドレスを通知する。次にマスタデバイスへのルートを確認し、マスタデバイスへ新たなスレーブノードの存在を通知するために、この新たなスレーブノードは自装置の固有アドレスを用いてマスタデバイスに対して典型的には48ビットの長さを有する「ピン」を発信する。マスタデバイスはこれに応じてルーチング・テーブルを更新し、ルートの有効性及び1以上のマスタデバイスあるいはネットワークが存在する場合は通信相手となるべきマスタデバイスのアドレスを確認するための「ポン」を返信する。これによりこの「ポン」を受信した新たなスレーブノードは自装置にマスタデバイスへの有効なルートが登録されていることを確認することができ、割り当てられたマスタデバイスとの接続を試みることができるようになる(ここではこの2つが同一デバイスでないことが前提となる)。次に新たなスレーブノードはこの新たなノードの設立を通知する「マスタへのルート表示」メッセージを近隣のスレーブノードに発信し、マスタデバイスへのルートを提供できる立場になる。この新たなスレーブノードの近隣にいるスレーブノードは、「マスタへのルート表示」メッセージを受信して自装置のマスタデバイスへのルートを見直すことができる。
あるスレーブノードがルートを変更すると決断した場合、このスレーブノードはマスタデバイスに「ピン」を送信することにより新たなルートの確認をとる。このプロセスは上述の方法同様に実施される。一旦新たなスレーブノードがネットワークに加わるとこのスレーブノードは自らマスタデバイスへのルートを提供できる立場になる。
新たなスレーブノードをネットワークに加えるプロセスとは関係なく、ネットワークにおけるすべてのスレーブノードはそれぞれマスタデバイスへのルートの最初のホップを格納している。したがってマスタデバイスへのメッセージは、ネットワークで介するスレーブノードに格納されるルーチング情報に基づいてスレーブノードからスレーブノードへとリップル送信されていく。マスタデバイスへ至るまでの完全なルート履歴を含まなければならないネットワーク管理メッセージに対して、上記データパケットに関してはこのような情報が含まれる必要がなく、短いメッセージで済む。
「完全フューチャールート」(CFR)を構築することによりマスタデバイスはネットワークにおけるどのスレーブノードにもメッセージを送ることが可能になる。マスタデバイスはルーチングテーブルからCFRを構築し、これに基づいてメッセージを送信する。
新たなデバイスの通信相手となるべきマスタデバイスがアドレスサーバのものとは異なる場合、この新たなデバイスは再度「マスタへのルート要請」メッセージを発信するが、今度は実際に求めているマスタアドレスを通知する。このプロセスは上述と同様の方法で実行される。
図4を参照すると、マスタデバイス10は一方でアンテナ32と連結され、もう一方でプロセッサ34と連結されるトランシーバ30から構成され、このプロセッサ34はROM36に格納されるソフトに応じてマスタデバイス10の動作を制御する。RAM38はルーチングデータを格納し、このデータをスレーブノードが参入もしくは退去し、故障や修理などを含むネットワークの変更に応じて新たな最適ルートを設定するのに伴って動的に更新されるネットワークの現時点での構造に応じて適宜プロセッサ34に供給する。
図5を参照すると、スレーブノードは一方でアンテナ42に連結され他方でマイクロプロセッサ44に連結されるトランシーバ40から構成され、マイクロプロセッサ44はROM46に格納されたソフトに応じてスレーブノードの動作を制御する。このスレーブノードに更に装備されるROM48は当該スレーブノードのアドレスを格納し、マイクロプロセッサ44に連結される。またRAM50はマスタデバイス10へのルートにおける次のスレーブノードのアドレスあるいはこのスレーブノードがルートにおける最終ノードである場合はマスタデバイス10のアドレスを格納する。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、同業者であればここからさまざまな変形例を構想することが可能であろう。このような変形例はマスタ・スレーブ分散通信ネットワークあるいはこれを構成する要素の設計、生産及び適用において上述の特性の代わり或いはこれに加えて他の既存特性を導入しうる。
無線マスタ・スレーブ分散通信ネットワーク
本発明の一実施形態によるマルチホップ無線ネットワークの構成図である。 スレーブノードによって送信されるデータパケットの構成図である。 マスタ・ノードによって送信されるデータパケットの構成図である。 マスタデバイスの構成の概略を示すブロック図である。 スレーブ・デバイスの構成の概略を示すブロック図である。

Claims (10)

  1. マスタノード及び複数のスレーブノードを有するマスタ・スレーブ分散通信ネットワークにおいて、前記マスタノード及びそれぞれの前記スレーブノードが動作可能に相互接続し、少なくとも1つの前記スレーブノードが前記マスタノードに直接的に相互接続し、少なくとも第2の前記スレーブノードが前記第2のスレーブノードと前記マスタノードとの間で少なくとも第3の前記スレーブノードを使用して前記マスタノードに間接的に相互接続するネットワークであって、
    それぞれの前記スレーブノードは前記マスタノードへのメッセージのルートにおける次のノードのアドレスのみをアップリンクルーチング情報として格納する手段と、スレーブノードからのアップリンクデータパケットの受信に応じて、前記格納する手段から次のノードのアドレスを読み出し、前記データパケットの宛先フィールド内の次のノードのアドレスを置換し、前記データパケットを前記次のノードに転送する手段と、前記マスタノードへのメッセージのルートを見直し、既存のルートが最適でなくなった場合は再設定を行う手段と、前記データパケットから前記スレーブノードのアドレスを削除する手段とを有することを特徴とするネットワーク。
  2. アップリンクでデータパケットを受信した前記スレーブノードのアドレスは、前記データパケットの履歴フィールドに配置される請求項1記載のネットワーク。
  3. マスタノード及び複数のスレーブノードを有するマスタ・スレーブ分散通信ネットワークを動作させる方法であり、前記マスタノード及び前記複数のスレーブノードが動作可能に相互接続し、少なくとも1つの前記スレーブノードが前記マスタノードに直接的に相互接続し、少なくとも第2の前記スレーブノードが前記第2のスレーブノードと前記マスタノードとの間で少なくとも第3の前記スレーブノードを使用して前記マスタノードに間接的に相互接続する方法であって、
    前記マスタノードへデータパケットを送信することを望む各スレーブノードは、前記マスタノードへのメッセージのルートにおける次のノードのアドレスのみをアップリンクルーチング情報として記憶手段に格納し、スレーブノードからのアップリンクデータパケットの受信に応じて、前記記憶手段から次のノードのアドレスを読み出し、前記データパケットの宛先フィールド内の次のノードのアドレスを置換し、前記データパケットを前記次のノードに転送し、各スレーブノードは、前記マスタノードへのルートを定期的に見直し、既存のルートが最適でなくなった場合は再設定を行い、各スレーブノードは、前記ルートにおける前のノードのアドレスを削除することを特徴とする方法。
  4. データパケットを受信した前記スレーブノードは、前記データパケットを送信する前に、前記格納された前記マスタノードへのルートにおける次のノードのアドレスを前記データパケットに含めることを特徴とする請求項3記載の方法。
  5. 前記マスタノードは宛先スレーブノードへのルートにおけるスレーブノードのアドレスを送信するデータパケットに含めることを特徴とする請求項3又は4記載の方法。
  6. 前記スレーブノードは、データパケットを受信し、前記データパケットから自らのアドレスを削除してから、前記変更されたデータパケットを送信することを特徴とする請求項5記載の方法。
  7. 前記ネットワークの変更後、スレーブノードは前記マスタノードへのルートを再検討し、前記ルートが所定のルーチング条件を満たさないとスレーブノードが見極めた場合、前記スレーブノードは、前記ルートにおける次のノードのアドレスを前記記憶手段に格納することにより新たなルートを設定することを特徴とする請求項3乃至6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 新たなスレーブノードが所定の最小値に設定されたホップ数とともに「マスタへのルート要請」メッセージを送信し、前記メッセージに対する応答が受信されなかった場合、前記ホップ数を増加して前記「マスタへのルート要請」メッセージを送信する処理を繰り返すことを特徴とする請求項3,4、又は5のいずれか一項に記載の方法。
  9. マスタノード及び複数のスレーブノードを有するマスタ・スレーブ分散通信ネットワークにおいて前記スレーブノードとして用いられるスレーブノードであり、少なくとも1つの前記スレーブノードが前記マスタノードに直接的に相互接続し、少なくとも第2の前記スレーブノードが前記第2のスレーブノードと前記マスタノードとの間で少なくとも第3の前記スレーブノードを使用して前記マスタノードに間接的に相互接続するスレーブノードであって、
    前記マスタノード及び前記複数のスレーブノードのうちの少なくとも1つと通信を行うための送受信手段、
    前記マスタノードへのメッセージのルートにおける次のノードのアドレスのみをアップリンクルーチング情報として格納する手段、
    スレーブノードからのアップリンクデータパケットの受信に応じて、前記格納する手段から次のノードのアドレスを読み出し、前記データパケットの宛先フィールド内の次のノードのアドレスを置換し、前記データパケットを前記次のノードに転送する処理手段
    前記マスタノードへのメッセージのルートを見直し、既存のルートが最適でなくなった場合は再設定を行う手段、及び
    前記格納する手段から前記ルートにおける前のノードのアドレスを削除する手段、
    を有することを特徴とするスレーブノード。
  10. 前記処理手段は、前記マスタノードから発信され、前記スレーブノードによって受信されたデータパケットに存在する前記スレーブノードのアドレスを削除することを特徴とする請求項9記載のスレーブノード。
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