JP4492722B2 - 無線通信装置、および無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、ネットワークを構築する無線通信装置、無線通信システム、および無線通信装置のネットワーク再構築方法に関する。

ネットワーク（例えば、マルチホップネットワーク）を構築する無線通信システムでは、ネットワークトポロジとしてツリー型を採用する場合がある。ツリー型のネットワークトポロジを採用する場合、ルーティング情報の管理が容易であるなどの点で他のネットワークトポロジを採用する場合に比べて有利である。

ネットワークトポロジとしてツリー型を採用する無線通信システムとして、例えば、ZigBee（Koninklijke Philips Electronics N.V.の登録商標である。）ネットワークシステムがある。このZigBeeネットワークでは、ネットワークに参加していない無線通信装置（以下「ノード」ともいう。）が、ネットワークを構成しているノードに対して、ネットワークに参加するための信号（以下「Ｊｏｉｎ信号」ともいう。）を発信することによってネットワークへの参加を開始する（例えば、特許文献１参照）。

"ZigBee Specification Document 053474r13",ZigBee Alliance,pp.323-352

しかしながら、上記のようなツリー型のネットワークは、あるノードが故障等の理由によって動作不能となると、当該ノードより下位層のノードが一斉にネットワークに参加していないノードとなる。その結果、ネットワークへ参加するためのＪｏｉｎ信号が同時に多量に発生することになり、コリジョンが多数発生し、ネットワーク再構築に時間がかかる、という問題点があった。
特に、ツリーの根元のノード（以下「根元ノード」という。）が故障等の理由によって動作不能となると、根元ノードより下位層のノードが一斉にネットワークに参加していないノードとなり、この問題点は顕著である。

また、ノードの動作不能によるネットワーク再構築が開始されると、各ノードがＪｏｉｎ信号を発信するタイミングによってツリー構造が構築されるため、ネットワーク再構築前と後とで、ツリー構造が大きく異なる場合がある、という問題点があった。
特に、ツリー構造がノードの物理的位置関係を元に構築されている場合には、この問題点は顕著である。

したがって、ネットワーク再構築にかかる時間を減少させることができ、ネットワーク再構築前と後とで、ツリー構造の維持の向上を図ることができる無線通信装置、無線通信システム、および無線通信装置のネットワーク再構築方法が望まれていた。

本発明に係る無線通信装置は、ツリー構造のネットワークを構成する無線通信装置であって、前記ツリー構造のネットワークから離脱した際、前記ツリー構造のネットワークを構成している他の無線通信装置に対して、ネットワークに参加するための信号を発信することによって、前記ツリー構造のネットワークへの参加を開始する無線通信装置において、当該無線通信装置が参加している前記ツリー構造のネットワークの根元端末から、当該無線通信装置までの通信に要するホップ数を検出する位置検出手段と、当該無線通信装置が参加している前記ツリー構造のネットワークの上位階層に位置する無線通信装置が、前記ツリー構造のネットワークから離脱したとき、当該無線通信装置の前記ネットワークからの離脱を検知する接続検知手段と、前記ネットワークに参加するための信号の発信タイミングを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記離脱が検知されたときから、前記ネットワークに参加するための信号を発信するまでの発信タイムアウト時間を、前記ホップ数が少ない程、短く設定するものである。

また、本発明に係る無線通信システムは、上記無線通信装置を複数備えたものである。

本発明は、ネットワークからの離脱が検知されたときから、ネットワークに参加するための信号を発信するまでの発信タイムアウト時間を、ホップ数が少ない程、短く設定するので、ネットワーク再構築にかかる時間を減少させることができ、ネットワーク再構築前と後とで、ツリー構造の維持の向上を図ることができる。

実施の形態１．
本実施の形態１における無線通信装置（以下「ノード」ともいう。）は、ネットワークトポロジとしてツリー型を採用する無線通信システム（例えば、マルチホップネットワーク）において、ノードが故障等により動作不能となったときに、ネットワークの再構築を短時間で最適に行うものである。

まず、本実施の形態１の構成・動作を説明する前に、従来のネットワーク再構築の動作について、図１を利用して説明する。

図１はツリー型ネットワークの構成を説明する図である。図１において、ノード１０００，１１００，１２００，１１１０，１１２０，１２１０，１１１１，１１２１の各ノード間の実線は、ルーティングを示しており、ノード１０００を根元ノードとするツリー構造のネットワークを構築している。このツリー構造は、階層的な関係を有し、例えばノード１１００は、ノード１０００の下位層に位置し、ノード１１１０，１１２０の上位層に位置し、ノード１２００と同じ階層に位置することとなる。

このようなツリー型ネットワークにおいて、例えば、根元ノードであるノード１０００が動作不能になると、他のノードは一斉にネットワークから離脱し、その結果、当該他のノードが一斉に、ネットワークに参加するための信号（以下「Ｊｏｉｎ信号」という。）を発信することとなる。これにより、コリジョンが多数発生してネットワーク再構築に非常に時間がかかる。また、ツリー構造の構築はＪｏｉｎ信号を発信するタイミングに依存するので、上記のように、当該他のノードが一斉にＪｏｉｎ信号を発信した結果、ネットワーク再構築前と後とで、ツリー構造が大きく異なる可能性がある。例えば、ノード１２００がノード１１００の下位層となる場合などが考えられる。
次に、ネットワークの再構築を短時間で最適に行う本実施の形態１の構成・動作について説明する。

図２は実施の形態１に係る無線通信装置の構成を示す図である。図２において、無線通信装置２００（以下「ノード」ともいう。）は、無線通信部２０１と、制御手段である制御部２０２と、位置検出手段であるネットワーク位置検出部２０３と、接続検知手段であるネットワーク接続検知部２０４と、タイマ２０５とから構成されている。

無線通信部２０１は、制御部２０２に接続されており、制御部２０２からの制御により無線通信を行う機能を持つものである。また後述する動作により、制御部２０２からの制御によりＪｏｉｎ信号を発信する。

制御部２０２は、無線通信部２０１、ネットワーク位置検出部２０３、ネットワーク接続検知部２０４、およびタイマ２０５に接続されており、無線通信部２０１を利用してマルチホップネットワーク通信を行う機能と、ネットワーク位置検出部２０３を利用してネットワーク上の位置に関する情報を取得する機能と、ネットワーク接続検知部２０４を利用して、当該無線通信装置２００がネットワークへ接続しているか否かの検知情報を取得する機能と、タイマ２０５を利用する機能とを有し、後述する動作により、離脱が検知されたときから、Ｊｏｉｎ信号を発信するまでの時間（以下「Ｊｏｉｎ信号発信タイムアウト時間」という。）を制御するものである。

ネットワーク位置検出部２０３は、制御部２０２と接続されており、当該無線通信装置２００のネットワーク上の位置に関する情報を検出する機能と、検知した結果を制御部２０２へ開示する機能を持つものである。ここでいう「ネットワーク上の位置に関する情報」とは、「根元ノード（根元端末）からのホップ数」で定義することができる。尚、ネットワーク位置検出部２０３は無線通信部２０１と接続されていても良い。

ネットワーク接続検知部２０４は、制御部２０２に接続されており、当該無線通信装置２００がネットワークへ接続しているか否かを検知し、ネットワークからの離脱を検知したとき、当該検知信号を制御部２０２に知らせる機能を持つものである。
ここで、当該無線通信装置２００がネットワークへ接続しているか否かの検知は、当該無線通信装置２００より根元ノードに近いノードが動作可能であるか否かによって判断することができる。つまり、ネットワークの上位階層に位置する無線通信装置２００が、ネットワークから離脱したとき、当該無線通信装置２００の離脱を検知することができる。

タイマ２０５は、制御部２０２に接続されており、制御部２０２からの制御によって動作し、通常のタイマの機能を持つものである。

このような構成により、本実施の形態１の無線通信装置２００は、Ｊｏｉｎ信号を授受してツリー型のネットワークを構築し、当該ネットワークから離脱した場合、Ｊｏｉｎ信号を発信するタイミングをネットワーク上の位置に応じて変化させる。具体的にはネットワーク上の位置が上位層に位置する程、Ｊｏｉｎ信号発信タイムアウト時間を短く設定する。このような動作の詳細について図３を用いて次に説明する。

図３は実施の形態１に係る無線通信装置の状態遷移図である。この状態遷移図は、制御部２０２の動作に関し、ネットワークからの離脱およびＪｏｉｎ信号を発信してネットワークに参加する動作（以下「Ｊｏｉｎ動作」ともいう。）を行う部分に関する状態遷移を示すものである。尚、制御部２０２は上記状態遷移の他、マルチホップネットワーク制御などを行う際には色々な状態を持つものであるが説明は省略する。

ネットワークへ接続している通常時において、制御部２０２は、ネットワーク接続検知部２０４からのネットワーク離脱検知信号の待ち状態である（Ｓ３０１）。ここで、「ネットワークからの離脱」とは、当該無線通信装置２００がネットワークから離脱するのに限らず、「当該無線通信装置２００より根元ノードに近いノード（上位層に位置するノード）が動作不能になった場合」としても良い。

ネットワーク接続検知部２０４は、ネットワークからの離脱を検知するとネットワーク離脱検知信号を制御部２０２に通知する。制御部２０２は当該検知信号により、ネットワークからの離脱を検知すると（Ｓ３０２）、ネットワーク位置検出部２０３を利用して、当該無線通信装置２００のネットワーク上の位置を検出する（Ｓ３０３）。ここでいう「ネットワーク上の位置」とは「根元ノード（根元端末）からのホップ数」で定義することができる。

ネットワーク上の位置を検知した後（Ｓ３０４）、制御部２０２は、当該ネットワーク上の位置に応じてＪｏｉｎ信号発信タイムアウト時間を算出し、当該時間をタイマ２０５に設定する（Ｓ３０５）。ここで、Ｊｏｉｎ信号発信タイムアウト時間は、ネットワーク上の位置が、根元ノードに近ければ短く設定し、遠ければ長く設定する。つまり、ネットワーク上の位置が上位層に位置する程、Ｊｏｉｎ信号発信タイムアウト時間を短く設定する。

Ｊｏｉｎ信号発信タイムアウト時間の設定完了後（Ｓ３０６）、制御部２０２はＪｏｉｎ信号発信タイムアウト待ち状態（Ｓ３０７）に状態遷移し、タイマ２０５がタイムアウトするまで待機する。制御部２０２は、タイマ２０５のタイムアウトを検知すると（Ｓ３０８）、Ｊｏｉｎ信号を発信し（Ｓ３０９）、Ｊｏｉｎ動作を行った後（Ｓ３１０）、ネットワーク接続検知部２０４を利用してネットワークへ接続（Ｊｏｉｎ）しているか否かを判断する（Ｓ３１１）。

ネットワークへ接続している場合（Ｓ３１２）、上述したネットワーク離脱検知信号の待ち状態（Ｓ３０１）に状態遷移する。一方、ネットワークから離脱している場合（Ｓ３１３）、再びＪｏｉｎ信号発信タイムアウト時間を算出し、当該時間をタイマ２０５に設定する（Ｓ３０５）。尚、Ｊｏｉｎ信号発信タイムアウト時間を再び設定する場合、前回に比べて時間を短くするようにすると、次回はネットワークへ接続しやすくなる。

以上のように本実施の形態においては、ツリー型ネットワークを構築する無線通信装置２００が、ネットワークからの離脱を検知したときから、Ｊｏｉｎ信号を発信するまでのＪｏｉｎ信号発信タイムアウト時間を、ネットワーク上の位置が上位層に位置する程、短く設定するので、複数のノードがネットワークから離脱し、当該各ノードがＪｏｉｎ信号を発信する際、ネットワーク上の位置が根元ノードに近い（ホップ数が少ない）ノードの方が、根元ノードから遠い（ホップ数が多い）ノードより、Ｊｏｉｎ信号を発信するタイミングが早くなる。その結果、ネットワーク再構築前に上位階層に位置していたノードから順にネットワークに参加してツリー構造を構築することになり、ネットワーク再構築前と後とで、ツリー構造の維持の向上を図ることができる。

また、ネットワーク上の位置によって、Ｊｏｉｎ信号を発信するタイミングが異なるので、コリジョンが発生する確率を低下させることができ、ネットワーク再構築にかかる時間を減少させることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、Ｊｏｉｎ信号発信タイムアウト時間を、ネットワーク上の位置（ホップ数）に応じて設定した。この場合、ネットワーク上の位置が同じであるノードは、Ｊｏｉｎ信号の発信タイミングがほぼ同じとなりコリジョンが発生する可能性がある。
本実施の形態２では、Ｊｏｉｎ信号発信タイムアウト時間の設定時間に所定の時間幅を持たせることにより、発信タイミングに揺らぎを持たせ、ネットワーク上の位置が同じであっても、コリジョンの発生を低下させる。尚、本実施の形態２の無線通信装置２００の構成は上記実施の形態１と同様である。

本実施の形態２に係る制御部２０２は、上述した実施の形態１と同様の動作により、ネットワークからの離脱を検知する（Ｓ３０１〜Ｓ３０４）。そして、Ｊｏｉｎ信号発信タイムアウト時間を算出する際（Ｓ３０５）、ネットワーク上の位置に応じて算出したＪｏｉｎ信号発信タイムアウト時間に、所定の時間幅でランダムに変化する時間を加算又は減算して、新たなＪｏｉｎ信号発信タイムアウト時間とし、当該時間をタイマ２０５に設定する。ここで、「所定の時間幅」は、ネットワーク上の位置により変化させる時間の幅より、短く設定するのが望ましい。ツリー構造の維持の向上を図るためである。
以降、制御部２０２は上述した実施の形態１と同様の動作によりＪｏｉｎ動作などを行う（Ｓ３０６〜Ｓ３１３）。

以上のように本実施の形態においては、上記実施の形態１の効果に加え、Ｊｏｉｎ信号発信タイムアウト時間の設定時間に所定の時間幅を持たせることにより、ネットワーク上の位置が同じノードであっても、Ｊｏｉｎ信号を発信するが発信するタイミングが異なるので、コリジョンが発生する確率を低下させることができ、ネットワーク再構築にかかる時間を減少させることができる。

実施の形態３．
上記実施の形態２で説明したように、ネットワーク上の位置が同じであるノード数が増加する程、Ｊｏｉｎ信号のコリジョンが発生する可能性は高くなる。
本実施の形態３では上記実施の形態２の構成に加え、ネットワーク上の位置が同じ位置（同じ階層）のノード数（端末数）を検出する階層端末検知手段（図示せず）を備え、制御部２０２は、ネットワーク上の位置が同じ位置のノード数が増加するに従い、上述した所定の時間幅を長く設定する。

これにより本実施の形態３においては、上記実施の形態１および２の効果に加え、ネットワーク上の位置が同じ位置のノード数が多い場合、Ｊｏｉｎ信号発信タイムアウト時間のランダムに変化する時間幅を長く設定することができ、更にコリジョンが発生する確率を低下させることができ、ネットワーク再構築にかかる時間を減少させることができる。

実施の形態４．
本実施の形態４では上記実施の形態２の構成に加え、物理的位置が、当該無線通信装置２００の所定距離範囲内に位置するノード数（端末数）を検出する周辺端末検知手段（図示せず）を備え、制御部２０２は、所定距離範囲内に位置するノード数が増加するに従い、上述した所定の時間幅を長く設定する。

これにより本実施の形態４においては、上記実施の形態１および２の効果に加え、物理的に周辺に位置するノード数が多い場合、Ｊｏｉｎ信号発信タイムアウト時間のランダムに変化する時間幅を長く設定することができ、更にコリジョンが発生する確率を低下させることができ、ネットワーク再構築にかかる時間を減少させることができる。特に、ツリー構造がノードの物理的位置関係を元に構築されている場合には、有用である。

ツリー型ネットワークの構成を説明する図である。 実施の形態１に係る無線通信装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る無線通信装置の状態遷移図である。

符号の説明

１０００ ノード、１１００ ノード、１２００ ノード、１１１０ ノード、１１２０ ノード、１２１０ ノード、１１１１ ノード、１１２１ ノード、２００ 無線通信装置、２０１ 無線通信部、２０２ 制御部、２０３ ネットワーク位置検出部、２０４ ネットワーク接続検知部、２０５ タイマ。

Claims (5)

1. ツリー構造のネットワークを構成する無線通信装置であって、前記ツリー構造のネットワークから離脱した際、前記ツリー構造のネットワークを構成している他の無線通信装置に対して、ネットワークに参加するための信号を発信することによって、前記ツリー構造のネットワークへの参加を開始する無線通信装置において、
   当該無線通信装置が参加している前記ツリー構造のネットワークの根元端末から、当該無線通信装置までの通信に要するホップ数を検出する位置検出手段と、
   当該無線通信装置が参加している前記ツリー構造のネットワークの上位階層に位置する無線通信装置が、前記ツリー構造のネットワークから離脱したとき、当該無線通信装置の前記ネットワークからの離脱を検知する接続検知手段と、
   前記ネットワークに参加するための信号の発信タイミングを制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記離脱が検知されたときから、前記ネットワークに参加するための信号を発信するまでの発信タイムアウト時間を、前記ホップ数が少ない程、短く設定することを特徴とする無線通信装置。
2. 前記制御手段は、
   所定の時間幅でランダムに変化する時間を、前記発信タイムアウト時間に加算又は減算することを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
3. 当該無線通信装置が位置する階層と同じ階層に位置する端末数を検出する階層端末検知手段を更に備え、
   前記制御手段は、
   前記同じ階層に位置する端末数が増加するに従い、前記所定の時間幅を長く設定することを特徴とする請求項２記載の無線通信装置。
4. 当該無線通信装置の所定距離範囲内に位置する端末数を検知する周辺端末検知手段を更に備え、
   前記制御手段は、
   前記所定距離範囲内に位置する端末数が増加するに従い、前記所定の時間幅を長く設定することを特徴とする請求項２記載の無線通信装置。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の無線通信装置を複数備えたことを特徴とする無線通信システム。

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