JP5380356B2 - マルチホップ通信システム - Google Patents

Description

本発明は工場内での製造システムや無線センサネットワークなどに使用されるマルチホップ通信システムに関する。

従来より、例えば特許文献に示すようなマルチホップ通信システムもしくはこれを使用した無線センサネットワーク（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ＷＳＮ）が知られている。

特開２００９−２７８３６７号公報

マルチホップ通信を使用した製造システムや無線センサネットワークシステムにおいては、各ノードに関する情報をネットワーク全体で共有する必要がある。しかし、従来のポイント・ツー・ポイント・ルーター・アルゴリズムによりマルチホップ通信システムを構築するときは、データ共有の要請に適切に対応することが難しい、ネットワーク・トポロジーを動的に構成するため高コストのダイナミック・ルーター（ダイナミック・ルーター・テーブル）が必要となる、などの問題があった。そして、このような従来のマルチホップ通信システムは、プロセスが複雑になるので、シンプルな無線センサネットワークの能力や記憶容量によっては充分にサポートすることができないという問題があった。

本発明はこのような従来技術の問題点に着目してなされたものであって、高コストのダイナミック・ルーターを必要とすることなく、ネットワーク中の全ての各ノードが互いに各ノードに関する情報をシンプルな構成で且つ低コストで交換・共有することができる、マルチホップ通信システムを提供することを目的とする。

このような課題を解決するための本発明によるマルチホップ通信システムは、複数の各ノード（ノード端末）により構成されるマルチホップ通信システムであって、前記各ノードは、少なくとも、前記の全ての各ノードのＩＤと、「各ノードに関する情報であって全てのノードが互いに共有すべき情報」（以下「各ノードに関する情報」という）と、前記各ノードについてその情報が更新された回数を示す回数情報とを、互いに対応付けて記録しておく記録手段と、前記記録手段に記録されている自ら（ノード）に関する情報を更新すると共に、自ら（ノード）に関する情報に関する前記回数情報を更新する第１更新手段と、前記記録手段に記録されている、自らを含む全ての各ノードに関する情報及び前記回数情報を、近傍の他のノードに無線送信するための無線送信手段と、近傍の他のノードから無線送信された前記全ての各ノードに関する情報及び前記回数情報を受信するための受信手段と、前記近傍の他のノードからの各ノードに関する情報及び回数情報を受信したとき、自らの記録手段に既に記録されている全ての各ノードに関する回数情報と前記受信した全ての各ノードに関する回数情報とをそれぞれ各ノード毎に比較する比較手段と、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記受信した或るノードに関する回数情報が自らの記録手段に既に記録されている該当するノードに関する回数情報より大きいとき、自らの記録手段に記録されている前記該当するノードに関する情報と回数情報を、前記受信した情報に基づいて更新する第２更新手段と、前記各ノードから近傍の他のノードへの、各ノードの前記記録手段に記録されている全ての各ノードに関する情報及び回数情報の送信が、定期的に所定のタイミングで行われるように、前記無線送信手段を制御するための送信制御手段とを備えたものであり、前記送信制御手段は、各ノードが、他のノードが前記の全ての各ノードに関する情報及び回数情報を送信していないことを検出し、その後各ノード毎に互いに異なる所定の待ち時間が経過するのを待ち、その後さらに他のノードが前記の全ての各ノードに関する情報及び回数情報を送信していないことを検出してから、自らの記録手段に記録されている前記の全ての各ノードに関する情報及び回数情報を近傍の他のノードへ送信するように、前記無線送信手段を制御するものである。

また、本発明によるマルチホップ通信システムにおいては、前記無線送信手段は、前記記録手段に記録された全ての各ノードに関する情報及び回数情報を、送信する情報に関するデータ長及びデータ種別から成るフレーム・ヘッドと対応付けて、近傍の他の各ノードに無線送信するものである、ことが望ましい。

本発明によるマルチホップ通信システムは、各ノードが自らの情報を含むデータ共有フレーム（ｄａｔａ ｓｈａｒｉｎｇ ｆｒａｍｅ）を定期的に周囲に発信することを内容とするダイナミック・マルチホップ・データ共有アルゴリズムを含むものである。本発明は、ネットワーク中の各ノードが前記データ共有フレームを読み取り及び書き込むことにより、ネットワーク中の各ノードに関する情報の他の全てのノードとのデータ交換とこれによる動的なマルチホップ通信を実現させるものである。

本発明のマルチホップ通信システムによるときは、極めてシンプルなアルゴリズムでネットワーク内の全ての各ノードが互いにそれぞれの固有の情報を共有することができるので、従来のマルチホップ通信システムにおいて使用されていた高価なダイナミック・ルーター・テーブルが不要になるので、シンプルな構成で且つ低コストで、動的なマルチホップネットワークを構築することができる。また、特に本発明のマルチホップ通信システムによるときは、それぞれがデータを送信する各ノードを分散管理できるので、センターのサーバーで一元管理する従来の方式に比べてサーバーへの負荷が軽減され、システム全体の低コスト化を実現することができる。
また、さらに、本発明においては、各ノードは、前記送信制御手段により、搬送波を検出して他のノードが前記の全ての各ノードに関する情報及び回数情報を送信していないことを検出し、その後、各ノード間で互いに異なる所定の待ち時間が経過するのを待ち、その後さらに、搬送波を検出して他のノードが前記の全ての各ノードに関する情報及び回数情報を送信していないことを検出してから、自らのメモリに記録している前記の全ての各ノードに関する情報及び回数情報を無線送信するように制御されているので、各ノードからの無線信号が同じチャネル内で衝突（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ）し又は混信してしまう確率を低減することができる。すなわち、もし各ノードが、他のノードによる前記の全ての各ノードに関する情報及び回数情報の送信がないことを検出したときは直ちに自らの記録手段に記録されている全ての各ノードに関する情報及び回数情報を送信するようにしたときは、複数のノードが同時に前記情報を送信してしまい、前記複数の各ノードからの無線信号が同じチャネル内で衝突又は混信してしまう恐れがあるところ、本発明においては、前記の検出の後に各ノード毎に互いに異なる待ち時間が経過するのを待ち、その後さらに他のノードが前記情報を送信していないことを再度検出するというように「計２回のキャリアセンス（上記の２回のキャリアセンスの間には各ノードで互いに異なるＷａｉｔが入れられている。図４及び図５参照）」を行った後に初めて前記情報の送信を行なうようにしているので、複数の各ノードからの無線信号が同じチャネル内で衝突又は混信してしまうことを有効に回避することができるようになる。

本発明の実施形態によるマルチホップ通信システムのネットワーク構成を概念的に示す模式図である。 本実施形態におけるデータ共有フレームのデータ構造を示す図である。 本実施形態におけるマルチホップ通信を行う無線ユニットの一例を示すブロック図である。 本実施形態における同じチャネルを流れる信号の混信を防ぐための仕組みを説明するための無線通信タイミングチャートである。 本実施形態における無線送受信の動作を示すフローチャートである。 本実施例１において各ノードにおいてまだ情報の更新もデータ送信も行われていないときの状態を示す図である。 本実施例１において或るノードの内部で情報の更新が行われたときの状態を示す図である。 本実施例１において前記或るノードがデータ（データ共有フレーム）を他のノードに送信するときの状態を示す図である。 本実施例１において前記或るノードからのデータを受信した他のノードにおいて内部の情報を更新するときの状態を示す図である。 本実施例１において前記図６Ｄにおいて更新された情報を含むデータをさらに他のノードに送信するときの状態を示す図である。 本実施例１において前記図６Ｅにおいてデータを受信した他のノードにおいて内部の情報を更新するときの状態を示す図である。

図１は本発明の一実施形態によるマルチホップ通信システムのネットワーク構成を概念的に示す模式図である。本実施形態では、各ノードは、共有データを定期的にブロードキャストすることにより、マルチホップ通信を実現する。共有データは、例えば３２０Ｂｙｔｅとする。各ノードは受信した共有データが更新されていれば、自らが持っているデータ（他のノードに関する情報とその更新の回数情報）を最新のものに更新し、ブロードキャストする。

本実施形態が採用しているダイナミック・マルチホップ・データ共有（ｄｙｎａｍｉｃ ｍｕｌｔｉ−ｈｏｐ ｄａｔａ ｓｈａｒｉｎｇ）アルゴリズムにおいては、各ノード間で共有されるデータを各ノードが記録する仕組みとして、図２に示すような、データ共有フレーム（ｄａｔａ ｓｈａｒｉｎｇ ｆｒａｍｅ）と呼ぶデータ構造を採用している。このデータ共有フレームは、ネットワーク内の各ノード（各ノード端末）の状態などを示す各ノードに関する情報を他の全てのノードに一斉に伝送することにより、ネットワーク内の全てのノードが互いの情報を共有することを可能にするためのものである。

図２は上記の本実施形態において採用されたデータ共有フレーム（各ノード間で共有される共有データのフレーム）のデータ構造を説明するためのものである。図２に示すように、前記データ共有フレームは、フレーム・ヘッドとそれ以外とに分かれている。フレーム・ヘッドはデータ長（ｌｅｎｇｔｈ）とデータ種別（ｄａｔａ ｃｌａｓｓ）から構成されている。フレーム・ヘッド以外の部分は、ネットワーク内の全ての各ノードに関する情報により構成されている。この全ての各ノードに関する情報は、各ノードに関する共有情報（各ノードに関する情報であって全てのノードが互いに共有すべき情報）と、各ノード毎にそのノードに関する情報がそれぞれ更新された回数を示す連続番号（ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｎｕｍｂｅｒ（Ｓｅｑ Ｎｏ）。回数情報）との２つの部分、から構成されている。

なお、前記フレーム・ヘッドを構成するデータ長（ｌｅｎｇｔｈ）は、無線でデータ共有フレームを送信するときのその１単位（１パケット）全体のサイズが何バイトかを示す値である。また、前記フレーム・ヘッドを構成するデータ種別（ｄａｔａ ｃｌａｓｓ）は、本実施形態では、全ての各ノードに関する情報をひとまとめにして送信する方式により送信するデータであることを示すデータ（他の方式ではないこと、すなわち、全ての各ノードについての共通の設定データを送信する方式により送信するデータではないことを示すデータ）である。

また、前記データ共有フレーム中の「各ノードに関する情報であって全てのノードが互いに共有すべき共有情報」（「各ノードに関する情報」）とは、各ノードの状態や動作を示す情報であって他のノードが使用する可能性のある情報である。すなわち、「各ノードに関する情報」は、各ノードに関する情報であって、他のノードが使用する可能性のある情報、つまり各ノードが共有するのが適当であるような情報であれば、どのような情報でもよい。この各共有情報には、例えば次のようなものが含まれる。例えば、或るノードがセンサであるときは、そのセンサが測定して得られた測定データ、そのセンサが正常に作動しているかどうかを示すデータ、などが含まれる。また、或るノードがモーターであるときは、そのモーターが正常に動作しているかどうかを示すデータ、そのモーターが回転中であるか停止中であるかを示すデータ、そのモーターの回転速度を示すデータ、そのモーターが加速中であるか減速中であるかを示すデータ、などが含まれる。また、或るノードが工場の製造システムに含まれるロボットであるときは、そのロボットが正常に作動しているかどうかを示すデータ、そのロボットが動作中であるか停止中であるかを示すデータ、そのロボットが作業者がリモコンで操作するマニュアル動作モード中であるか自動で動作する自動モード中であるかを示すデータ、そのロボットが移動中であるときの現在位置を示すデータ、そのロボットが移動中であるときの目的地を示すデータ、などが含まれる。

ネットワーク内の各ノードは、ダイナミック・マルチホップ・ネットワークを形成するために、前記データ共有フレームを定期的に周囲の他のノードに送信（ｂｒｏａｄｃａｓｔ）する。前記データ共有フレームが前記ネットワーク内に送信されたとき、このデータ共有フレームを受信した各ノードは他のノードに関する情報を認識もしくは取得しそれを自らのメモリに記録する。

また、各ノードは自らの特有の情報を伝送・送信する前に、必要があるとき、前記データ共有フレーム中の各ノードに関する情報中の自らに対応する部分の情報（回数情報を含む）を更新する（更新された情報は自らのメモリに記録する）。この前記データ共有フレーム中の各ノードに関する情報中の自らに対応する部分の情報を更新したノードは、その後の所定のタイミングで、前記更新情報を含むデータ共有フレームを他のノードに送信する。これにより、各ノードは自らが更新した自らの最新の情報（回数情報を含む）を、他のノードに知らせることができる。

図３はこのようなマルチホップ通信を行う無線ユニットの一例を示すブロック図である。この無線ユニットは、ＲＳ２３２Ｃインターフェースによる外部装置とのシリアル通信機能、及び、微弱無線規格によるマルチホップ通信機能を備えている。

このような無線ユニットによるデータ共有更新プロセス（ｄａｔａ ｓｈａｒｉｎｇ ｕｐｄａｔｅ ｐｒｏｃｅｓｓ）を次に説明する。このプロセスは、他のノードからのデータ共有フレームを新しく受信したときに開始される。前記データ共有フレーム中の連続番号（Ｓｅｑ Ｎｏ。図２参照）は、各ノードが自らの情報を更新した回数を示す回数情報である。前記データ共有フレーム中の連続番号（Ｓｅｑ Ｎｏ）は、各連続番号に対応する各ノードに関する情報が新しく更新されたものか従前からのものかを各ノードが判断するために使用される。すなわち、他のノードから前記データ共有フレームを受信した或るノードは、新しく受信した前記データ共有フレーム中の各ノードの連続番号（Ｓｅｑ Ｎｏ）を読み取ると共に、自らのメモリに記録されていたデータ共有フレーム中の各ノードの連続番号（Ｓｅｑ Ｎｏ）を読み取って、それらを互いに比較し、新しく受信した前記データ共有フレーム中の各ノードの連続番号が既にメモリに記録されていた連続番号よりも大きいときはそのノードに関する情報が更新されていると判断して自らのメモリの該当部分を更新する。他方、前者が後者より小さいときはそのノードに関する情報は更新されていないと判断して自らのメモリの該当部分を更新しないままとする。前記の更新されたデータ共有フレームは、次の工程で他のノードに向けて送信される。

すなわち、本実施形態においては、各ノードは、自らが他のノードに前記データ共有フレームを送信する間を除き、他のノードから前記データ共有フレームを受信可能な状態に保持される。或るノードが他のノードから前記データ共有フレームを新たに受信したとき、そのノードは、その受信したことに基づいて自らのメモリを更新するためのデータ更新プロセス（ｄａｔａ ｕｐｄａｔｅ ｐｒｏｃｅｓｓ）を行う。さらに、或るノードが送信時間（ｂｒｏａｄｃａｓｔ ｔｉｍｅ）に達すると、そのノードは、まず、ＣＳＭＡ／ＣＡ（搬送波感知多重アクセス／衝突回避方式）のプロセスに入ってチャネル（通信経路）が一定時間以上継続して空いていることを確認してから、自らのメモリに記録されているデータ共有フレームをネットワーク内に送信（ブロードキャスト）する。

また、本実施形態では、前記のデータ共有更新プロセスにおいて、前記メモリ中の前記データ共有フレーム中の特定のノードに関する情報を更新したときは、前記メモリ中の前記データ共有フレーム中の該当するノードの連続番号（Ｓｅｑ Ｎｏ。回数情報）を１だけ加算する。これにより、他のノードからのデータ共有フレームを受信したノードは、その受信したデータ共有フレーム中の各ノードの連続番号と予め自らのメモリに記録しているデータ共有フレーム中の該当のノードの連続番号とを比較することにより、受信したデータ共有フレーム中の各ノードに関する情報がそれぞれ更新されたものかどうかを判断することができる。

図４は本実施形態における同じチャネルを流れる信号の衝突（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ）を回避するための仕組みを説明するための無線通信タイミングチャートである。本実施形態では、各ノードは、自らのメモリに記録している前記データ共有フレームを送信する前に、それを送信するかどうかを決めるために、搬送波を検出する。そして、各ノードが同時にデータ共有フレームを送信することのないように、各ノードは、それぞれが独自のＩＤに対応した互いに異なる待ち時間を経過した後に前記データ共有フレームを送信するように、予め設定されている。

すなわち、図４に示すように、ノード０がデータ送信した後は、チャネルが空き状態となるのでノード１とノード２は同時にチャネルの使用が可能になるが、ノード１とノード２は、それぞれ、まずチャネルの空き状態を確認してから互いに異なる所定の待ち時間（ｗａｉｔ ｔｉｍｅ）が経過した後に、再度、チャネルの空き状態を確認するように設定されている。そして、図４に示すように、ノード２の待ち時間はノード１の待ち時間よりも長く設定されている。したがって、本実施形態では、ノード１がまずそのチャネルでデータを送信し、ノード１の送信が終了してからノード２が同じチャネルでデータを送信するように調整される。以上のように、本実施形態では、本来はキャリアが無くなった時点でノード１，２がデータを送信してしまうところ、そのようにしないで２度のキャリアセンスとＷａｉｔを入れることにより、無線の混信が生じてしまう確率を下げるようにしている。

図５は、本実施形態における無線送受信のフローチャートである。本実施形態では、前述のように、各ノードが共有データを送信する前にキャリアセンスを行うことにより無線の混信を少なくするようにしている。また、本実施形態では、各ノードは各自振り分けられたＩＤにより共有データのブロードキャストの間隔を変化させ、同じタイミングでデータが送信されてしまうのを防ぐようにしている。このように、本実施形態においては、キャリアセンス時に他のノードが共有データ（データ共有フレーム）を送信していた場合、送信が完了した時に他のノードが一斉に送信しないように、各ノード毎に異なるＷａｉｔを置き再度キャリアセンスを行うことにより、混信を防ぐようにしている。なお、図５の「共有データの更新」のステップにおいては、各ノードの情報で自分が持っている各ノードの情報より新しいもののみを更新するようにしている（また、自分自身の共有情報は更新しない）。

次に、前記本実施形態を具体化した実施例１によるマルチホップ通信システムを説明する。図６Ａ〜６Ｆは本実施例１の各ノード間におけるデータ共有フレームの送信及びデータ更新によるデータ共有の動作を説明するための図である。すなわち、図６Ａは各ノードにおいてまだ情報の更新もデータ送信も行われていないときの状態を示す図、図６Ｂは或るノードの内部で情報の更新が行われたときの状態を示す図、図６Ｃは前記或るノードがデータ（データ共有フレーム）を他のノードに送信するときの状態を示す図、図６Ｄは前記或るノードからのデータを受信した他のノードにおいて内部の情報を更新するときの状態を示す図、図６Ｅは前記図６Ｄにおいて更新された情報を含むデータをさらに他のノードに送信するときの状態を示す図、図６Ｆは前記図６Ｅにおいてデータを受信した他のノードにおいて内部の情報を更新するときの状態を示す図、である。

本実施例１によるダイナミック・マルチホップ通信システムによるときは、従来のシステムにおけるようにダイナミック・ルーター・テーブルを必要としないので、シンプルな構成となりコンピュータ・コストが小さくて済むようになる。本実施例１によれば、各ノードが共有データの送信を行うときの無線の混信を防ぐことができる。本実施例１によるダイナミック・マルチホップ通信ネットワークを採用するときは、上記のような利点から、無線センサネットワークや工場の製造システムなどにおいてシンプルで低コストのマルチホップ通信システムを提供することが可能になる。

以上、本発明の各実施例について説明したが、本発明は前記の各実施例として述べたものに限定されるものではなく、様々な修正及び変更が可能であることはもちろんである。

Claims (2)

1. 複数のノードにより構成されるマルチホップ通信システムであって、
   前記各ノードは、
   少なくとも、全ての各ノードのＩＤと、「各ノードに関する情報であって全てのノードが互いに共有すべき情報」（以下「各ノードに関する情報」という。）と、各ノードに関してその情報が更新された回数を示す回数情報とを、互いに対応付けて記録しておく記録手段と、
   前記記録手段に記録されている自らに関する情報を更新すると共に、自らに関する情報に関する前記回数情報を更新する第１更新手段と、
   前記記録手段に記録されている、自らを含む全ての各ノードに関する情報及び前記回数情報を、近傍の他のノードに無線送信するための無線送信手段と、
   近傍の他のノードから無線送信された前記全ての各ノードに関する情報及び前記回数情報を受信するための受信手段と、
   近傍の他のノードからの各ノードに関する情報及び回数情報を受信したとき、自らの記録手段に既に記録されている全ての各ノードに関する回数情報と前記受信した全ての各ノードに関する回数情報とをそれぞれ各ノード毎に比較する比較手段と、
   前記比較手段による比較結果に基づいて、前記受信した或るノードに関する回数情報が自らの記録手段に既に記録されている該当するノードに関する回数情報より大きいとき、自らの記録手段に記録されている前記該当するノードに関する情報と回数情報を、前記受信した情報に基づいて更新する第２更新手段と、
   前記各ノードから近傍の他のノードへの、各ノードの前記記録手段に記録されている全ての各ノードに関する情報及び回数情報の送信が、所定のタイミングで行われるように、前記無線送信手段を制御する送信制御手段と、を備えており、
   前記送信制御手段は、各ノードが、他のノードが前記の全ての各ノードに関する情報及び回数情報を送信していないことを検出し、その後各ノード毎に互いに異なる所定の待ち時間が経過するのを待ち、その後さらに他のノードが前記の全ての各ノードに関する情報及び回数情報を送信していないことを検出してから、自らの記録手段に記録されている前記の全ての各ノードに関する情報及び回数情報を近傍の他のノードへ送信するように、前記無線送信手段を制御するものである、ことを特徴とするマルチホップ通信システム。
2. 請求項１において、
   前記無線送信手段は、前記記録手段に記録された全ての各ノードに関する情報及び回数情報を、送信する情報に関するデータ長及びデータ種別から成るフレーム・ヘッドと対応付けて、近傍の他の各ノードに無線送信するものである、ことを特徴とする、マルチホップ通信システム。
   

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