JP5739794B2 - 無線通信システム、および、無線通信システムの通信経路制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システム、および、無線通信システムの通信経路制御方法に係り、特に、無線装置の中継機能を有するアドホックネットワークシステムであって、無線装置が移動しないときに、基地局までの安定して信頼性の高い通信経路を確保するのに好適な無線通信システム、および、無線通信システムの通信経路制御方法に関する。

近年、各家庭に太陽光発電システムが導入され、小型の発電設備が分散化する中で、電力を効率よく使用したいというスマートグリッドシステムが検討されている。

このようなシステムを実現するためには、電力会社からの商用電源と企業や個人が所有する発電設備による電力の発電側（供給側）と、消費側（需要側）との均衡を調整する必要がある。そこで、消費側（需要側）の情報をフィードバックし、近傍の発電側（供給側）から電力を供給してネットワークを構築する。例えば、各家庭に設置されている電力計に通信機能を持たせ、定期的に消費電力の情報をフィードバックさせる。

しかしながら、このようなネットワークを有線で新規配線するには膨大なコストがかかり、無線で実現する場合も携帯電話通信網などを利用すると通信のランニングコストが膨大となる。

そこで、独自のネットワークを無線で構築することが検討されている。特に、９１５ＭＨｚなどの９００ＭＨｚ帯の小電力無線を使用して、独自のネットワークを構築することが検討されている。このネットワークは、各家庭に通信機機能を持たせた電力計（無線装置）の情報を基地局まで、各無線装置が中継して伝送するアドホックネットワークシステムになる。

無線通信によるアドホックネットワークシステムの従来技術としては、例えば、特許文献１がある。この特許文献１には、無線装置間で直接電磁波が届く無線装置を中継（マルチホッピング）するアドホックネットワークにおいて、通信ルートの変更の頻度ができるだけ少なくなるようにするために、電源がオフされにくい無線装置や、移動されにくい無線装置をできるだけ含む通信ルートを選ぶような無線通信システムが開示されている（要約等参照）。

また、特許文献２には、各メンバ端末に、位置を測位するＧＰＳを備えて、隣接グループとの通信が途絶えたときに、そのグループに属するリーダ端末が、隣接グループまでの通信ルートを補正するアドホックネットワークシステムが開示されている。

特開２００６−０２０２２１号公報 特開２００９−１５９１１３号公報

上記従来技術の特許文献１、特許文献２では、ＧＰＳ測位手段を用いて絶対位置を取得して端末、中継機、基地局との位置関係と、電波強度の値からルーティングを決定していた。この通信経路の探索は一般に複雑な処理が必要であり、かつ時間がかかる。また、中継装置がネットワークから離脱したり参入したりする直後には、通信途中のデータパケットは、新たな送信先が見つかるまで、中継装置でバッファリングされることになる。中継装置のバッファが溢れると、パケットロスが発生することもある。

また、新たな通信ルートを探索する際には、大量のデータパケットの送信が必要になるため、トラヒックの増大によるパケットロスがさらに発生しやすくなる。またパケットロスによりアプリケーションレベルでのパケット再送処理が頻発し、さらに、むだなデータパケットが増大するという悪循環に陥る可能性もある。したがって、このようなネットワークにおいては、経路の再探索をできるだけ必要としないような経路を、予め選択しておくことが重要である。

一方、無線通信において、一般にアンテナが地表より高いところあるほど、電波伝搬距離が長い事が知られている。例えば、地上１ｍの高さにあるアンテナよりも、地上５ｍの高さにあるアンテナの方が電波伝搬距離は長い。これは、地面からの反射波などによる影響などのためである。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、移動しない各無線装置から他の無線装置を中継して基地局まで無線通信をおこなう無線通信システムにおいて、安定して、信頼性の高い通信経路により通信をおこなうことのできる無線通信システムを提供することにある。

本発明の無線通信システムは、移動しない複数の無線装置と基地局とからなり、各々の無線装置が他の無線装置を中継して基地局までの経路に従って通信をおこなう無線通信システムに関するものであり、各々の無線装置は、自身の位置情報を取得するＧＰＳなどの位置情報取得手段と、他の無線装置との通信品質に関する情報を取得する通信状態情報取得手段とを備えており、基地局は、各々の無線装置が取得した位置情報を受信する手段と、受信した位置情報を保持する位置情報テーブルと、各々の無線装置が取得した他の無線装置との通信品質に関する情報を受信する手段と、受信した他の無線装置との通信品質に関する情報を保持する通信状態情報集計テーブルと、無線装置間の経路を求める経路制御手段とを備えている。

そして、経路制御手段は、第一の無線装置から前記基地局までの経路を求めるときに、第一の無線装置を含む一定の大きさを有する三次元の探索空間であるｃｅｌｌの中にある無線装置を求め、通信状態情報集計テーブルに基づいて、ｃｅｌｌの中にある無線装置の中から、第一の無線装置との通信品質が一番よい第二の無線装置を選択する。

そして、通信状態情報集計テーブルに基づいて、探索空間の中にある無線装置の中から、第二の無線装置との通信品質の評価を比較して、一定の閾値内にあり、かつ、位置情報テーブルに基づいて、第二の無線装置よりも高さが高い第三の無線装置を選択し、選択された第三の無線装置を、経路における第一の無線装置の次に通信する無線装置とする。

また、他の無線システムの構成は、移動しない複数の無線装置と基地局とからなり、各々の無線装置が他の無線装置を中継して基地局までの経路に従って通信をおこなう無線通信システムに関するものであり、各々の無線装置は、自身の位置情報を取得するＧＰＳなどの位置情報取得手段と、他の無線装置の位置情報を受信し、自身の位置情報を送信する位置情報送受信手段と、取得した自身の位置情報と前記受信した他の無線装置の位置情報を保持する位置情報テーブルと、他の無線装置との通信品質に関する情報を取得する通信状態情報取得手段と、受信した他の無線装置との通信品質に関する情報を保持する通信状態情報テーブルと、無線装置から前記基地局の経路における次の中継をする無線装置を求める経路制御手段とを備えている。

そして、経路制御手段は、無線装置から次の中継をする無線装置を求めるときに、無線装置を含む一定の大きさを有する三次元の探索空間であるｃｅｌｌの中にある無線装置を求め、通信状態情報テーブルに基づいて、探索空間の中にある無線装置の中から、無線装置との通信品質が一番よい無線装置を選択し、通信状態情報テーブルに基づいて、探索空間の中にある無線装置の中から、無線装置との通信品質が一番よい無線装置との通信品質の評価を比較して、一定の閾値内にあり、かつ、位置情報テーブルに基づいて、無線装置との通信品質が一番よい無線装置より、高さが高い無線装置を、無線装置から中継する無線装置として選択し、中継する無線装置として選択された無線装置を、経路における無線装置の次に通信する無線装置とする。

このように、本発明では、電波はアンテナが地面より高い位置にあるほどに遠くに飛ぶ性質を利用して、高さ方向を優先にしてルーティングする
本発明は、スマートメータによる電力消費情報の収集や、太陽光発電などの発電制御のためのマルチホップ（多段中継）、アドホックな無線通信において、各無線装置が中継装置を介することによって相互通信が可能となるような無線通信において用いられ、通信経路の再探索の頻度が少なく、十分に安定した、信頼性の高い通信ネットワークとなる。

本発明によれば、移動しない各無線装置から他の無線装置を中継して基地局まで無線通信をおこなう無線通信システムにおいて、安定して、信頼性の高い通信経路により通信をおこなうことのできる無線通信システムを提供することができる。

本発明の第一の実施形態に係る無線通信システムの構成を示す図である。 本発明の第一の実施形態に係る無線装置の構成を示す図である。 本発明の第一の実施形態に係る基地局の構成を示す図である。 無線装置１０１の記憶部２０２ａに格納される位置情報テーブル２７０の例を示す図である。 無線装置１０１と基地局１０２でやり取りされるメッセージの例を示す図である。 無線装置１０１の記憶部２０２ａに格納される通信状態情報テーブル２８１の例を示す図である。 基地局１０２の記憶部２０２ｂに格納される位置情報テーブル２８０の例を示す図である。 基地局１０２の記憶部２０２ｂに格納される通信状態情報集計テーブル２８１の例を示す図である。 基地局１０２の記憶部２０２ｂに格納される経路制御テーブル２８２の例を示す図である。 無線装置から基地局までの経路を求める処理を説明するための概念図である。 ある無線装置から次の経路となる無線装置の探索空間となるｃｅｌｌの例を示した図である（その一）。 ある無線装置から次の経路となる無線装置の探索空間となるｃｅｌｌの例を示した図である（その二）。 無線装置から基地局までの経路を求める処理を示すフローチャートである。 本発明の第二の実施形態に係る無線装置の構成を示す図である。 本発明の第二の実施形態に係る基地局の構成を示す図である。 無線装置１０１の記憶部２０２ｃに格納される位置情報テーブル２７５の例を示す図である。 本発明の第二の実施形態に係る無線通信システムにおいて、ある無線装置から周りの無線装置を中継のために求める処理を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る一実施形態を、図１ないし図１６を用いて説明する。

〔実施形態１〕
以下、本発明の第一の実施形態に係る無線通信システムを、図１ないし図１２を用いて説明する。
先ず、図１ないし図３を用いて本発明の第一の実施形態に係る無線通信システムの構成について説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態に係る無線通信システムの構成を示す図である。
図２は、本発明の第一の実施形態に係る無線装置の構成を示す図である。
図３は、本発明の第一の実施形態に係る基地局の構成を示す図である。

本実施形態では、基地局が各無線装置の位置情報を取得し、通信経路を決定して、各無線装置に、通信経路情報を送信する例を説明する。

本発明の第一の実施形態に係る無線通信システム１００は、図１に示されるように、無線装置１０１，１１１，１２１、基地局１０２、ネットワーク１０３からなる。

そして、基地局１０２は、電柱１０４に、無線装置１０１は、戸建住宅１０５に、無線装置１１１は、戸建住宅１１５に、無線装置１２１は、集合住宅１０６にそれぞれ設置されている。

無線装置１０１は、基地局１０２と無線通信し、基地局１０２に電波が直接届かない場合は、他の無線装置１１１，１２１などを介して、センサの測定情報を送信する装置である。例えば、各家庭の電力を測定し、かつ時には電気料金の計算の元となる検針情報を無線で送信する電力メータである。

ここでは、測定するセンサ情報は、電力メータを例とするが、ガスや水道などを測定してもよいし、太陽光発電システムの発電量を計測するものでもよい。

基地局１０２は、複数の無線装置１０１，１１１，１２１と無線通信で接続し、無線装置１０１が測定したセンサ情報を収集して、図示していないが、複数の基地局からのデータを収集しているデータセンタにデータを送信する。

ネットワーク１０３は、複数の基地局と接続し、データセンタ（図示せず）と接続するものである。

電柱１０４は、基地局１０２が設置された木製または鉄筋コンクリート製の柱であり、例えば、地表より数ｍの高さに基地局１０２が電柱１０４に設置されている。

住宅１０５は、例えば、戸建住宅であり、無線装置１０１が設置されている。
同様に、戸建住宅１１５は、無線装置１１１が設置されている。

集合住宅１０６は、例えば、高層マンションであり、各フロアには、複数の家族が分譲された個室に住んでいる。各家庭に、無線装置１０１が設置されている。

無線装置１０１（他の無線装置なども同様）は、図２に示されるように、ＣＰＵ２０１、記億部２０２ａ、クロック部２０３、位置情報取得部２０４、電力計測部２０５、アンテナ２０６、無線部２２０から構成される。

ＣＰＵ２０１は、無線装置の各部の動作を制御し、かつ、記憶部２０２ａに格納されるプログラムを実行し処理する演算処理装置である。図示はしないが、内容を変更できるが電源を切ると内容が消えてしまう不揮発性の半導体メモリを内包する。半導体メモリにはプログラムを一時的に呼び出したり、変数やテーブル情報を保持する。

ＣＰＵ２０１は、記億部２０２ａとメモリバスにより接続され、クロック部２０３とは信号線で接続されている。位置情報取得部２０４は、必ずしも無線装置１０１に内包される必要はないが、内包される場合はシリアル通信インターフェースなどで接続される。内包されない場合は、例えば近距離の無線通信、例えば、ブルートゥースインターフェースなどにより接続される。電力計測部２０５とは例えば、ＣＴなどによって接続される。無線部２２０とは、例えば、ＳＰＩなどのクロック同期方式などのシリアル通信インターフェースによって接続される。

記億部２０２ａは、処理プログラムを長期間保存する不揮発性の半導体メモリや、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）である。記億部２０２ａは、例えば、受信処理プログラム２１１、送信処理プログラム２１２、位置情報テーブル２７０、通信状態情報テーブル２７１、位置情報通信プログラム２１３、通信状態管理プログラム２１４、中継処理プログラム２１５、電力情報処理プログラム２１６を保持している。

さらに、受信処理プログラム２１１は、ＬＱＩ計算部２１６、復号化部２１７を有する。

送信処理プログラム２１２は、キャリアセンス部２１８、符号化部２１９を有する。

クロック部２０３は、水晶振動子または水晶発振器などから構成され、ＣＰＵ２０１の動作の指針となるクロック信号を与える装置である。例えば、２４ＭＨｚでパルスの信号をＣＰＵ２０１与える。

位置情報取得部２０４は、無線装置１０１が設置された地球上での位置を取得する部分である。例えば、全天衛星測位システムのグローバルナビゲーションサテライトシステムなどによって、位置を取得できるシステムであり、地球上での、緯度・経度・高度を測位し、緯度・経度・高度情報を記憶部２０２ａに保存する。必ずしも、緯度・経度・高度である必要はなく、地球上での絶対位置または、基地局と、他の無線装置との相対位置を取得する装置であればよい。位置情報取得部２０４は、実用上、誤差数メートルでの分解能があればよい。

また、位置情報取得部２０４は、前述したように、必ずしも内蔵される必要はなく、外付けの装置であってもよい。位置情報取得部２０４は、特に高度においては、気圧センサなどを用いてもよい。気圧は天候によって変化することがあるが、一定の天候であれば、標高が上がれば、気圧が下がり、１６ビットＡＤ変換による気圧センサなどであれば、フロア１階、２階などの階数を識別することができる。

また、例えば、既知の位置基準となっている無線装置１０１、基地局１０２などから、ＴＤＯＡやＡＯＡなどの無線測位技術によって測位し、緯度経度高さに変換するようにしてもよい。例えば、光学やレーザ、超音波などによって測位し、緯度経度高さに変換するようにする。

電力計測部２０５は、例えば、クランプと呼ばれるものであり、電力線に流れる電流を計測したり、また、図示はしないが、別の手段において電圧を測定して、電力を計測する部分である。計測したデータは、例えば、Ａ／Ｄ変換によってデジタルデータとして、ＣＰＵ２０１に与えるようにする。

アンテナ２０６は、無線部２２０と例えば同軸ケーブルで５０オームのインピーダンスで接続したものであり、他の無線装置１１１，１２１との間での間で無線通信による送受信をおこなうための装置である。無線通信は、電波や赤外線等の電磁波で通信するものであるが、ここでは、例えば、ＵＨＦ帯の９２０ＭＨｚ無線とする。図２では、アンテナ２０６は、２本表示しているが、１本でもよいし、４本などの複数でもよい。

ただし、アンテナ２０６が複数ある場合は、各アンテナの種類や設置位置が異なっているものとする。例えば、片方のアンテナが内蔵アンテナであれば、他方のアンテナは外部アンテナとする。例えば、両方外部アンテナであっても、一方が水平に設置されていたら、他方は垂直に設置する。また、内蔵アンテナとして、積層チップアンテナとした場合は、ある積層チップアンテナが基板上で水平に設置されていたら、別の積層チップアンテナは垂直に設置する。

基準信号生成部２１０は、例えば、無線部２２０が無線信号を送受信するための基準信号を生成する例えば、水晶振動子や水晶発振器などから構成され、例えば、３２ｋＨｚや１０ＭＨｚなどの基準信号を生成する。

無線部２２０は、送受信機切替スイッチ２２１、受信部２２２、送信部２２３、アンテナスイッチ２２４、インピーダンスマッチング回路２２５、フィルタ２２６から構成される。また、前述したが、ＣＰＵ２０１とは、例えば、ＳＰＩ、クロック同期方式のシリアル通信インタフェースなどで接続される。また、基準信号生成部２１０とは、信号線で接続される。

送受信機切替スイッチ２２１は、受信部２２２、送信部２２３と接続され、例えば、通常は、受信処理部２２５と信号線で接続し、送信処理部２２６とは切断している、送信処理部２２６が送信するときに、図示はしないが送信処理部２２６からの指示などにより、スイッチを切り替えて、送信処理部２２３とアンテナ２０６を接続する。

フィルタ２２２は、例えば、ＳＡＷや帯域通過フィルタなどであり、不要輻射を防ぐ部分である。

インピーダンスマッチング回路２２３は、例えば、抵抗、コンデンサ、インダクタンスなどから構成され、無線部２２０とアンテナ２０６との接続のインピーダンスを例えば、５０オームに調整する部分である。

アンテナスイッチ２２４は、アンテナ２０６が複数ある場合は、どのアンテナから出力するか切り替える部分である。切替は手動であったり、ＣＰＵ２０１からの命令によって変更する。

受信部２２５は、アンテナ２０６から受信した無線信号を受信処理し、ＣＰＵ２０１にデータを渡す部分である。受信部２２５は、復調処理部２２４、ＲＳＳＩ測定部２２５を有する。

復調処理部２３１は、アンテナ２０６から受信した無線信号の例えば電波からデータを復調する部分であり、基準信号生成部２１０から搬送波と比較するための基準波を生成し、予め指定されている変調方式と比較して、データを取り出す部分である。

ＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator）測定部２３２は、受信したときの受信電力を測定し、電波強度（ＲＳＳＩ）を、例えば、ｄＢｍや、Ｃ／Ｎ０などの値に変換してＣＰＵ２０１に渡す部分である。

送信部２２６は、ＣＰＵ２０１にデータをアンテナ２０６へ送信処理する部分である。
送信部２２６は、搬送波生成部２３３、変調処理部２３４を有する。

搬送波生成部２３３は、基準信号生成部２１０から搬送波を生成する部分であり、例えば、ＰＬＬ周波数シンセサイザなどを含み、搬送波として、例えば、９２０ＭＨｚを生成する。

変調処理部２３４は、９２０ＭＨｚの電波にのせるデータのための変調処理をおこなう。例えば、ＰＳＫ（Phase Shift Keying）やＦＳＫ（Frequency-Shift Keying）により変調処理をおこなう部分である。

次に、記憶部２０２ａに保持される受信処理プログラム２１１と、送信処理プログラム２１２、位置情報通信プログラム２１３、通信状態管理プログラム２１４、中継処理プログラム２１５、電力情報処理プログラム２１６について説明する。

受信処理プログラム２１１は、ＣＰＵ２０１上で動作するプログラムであり、無線部２２０からＳＰＩなどのシリアル通信インターフェースを経由して、受信部２２５の受信データを取得し、それをビット列に復号化したり、自分のアドレス宛てのメッセージか否かを確認し、後述するペイロード部を取得するプログラムである。

ＬＱＩ（Link Quality Indicator）計算部２１６は、それをビット列に復号化したり、後述するパリティ計算などをする過程で、受信した無線信号の品質（Quality）を算出する部分である。

復号化部２１７は、受信部２２５の受信データを取得し、それをビット列に復号化する。

送信処理プログラム２１８は、自身が送信してもよいタイミングか否かを判断し、送信してよければ、予め生成したメッセージを符号化して、無線部２２０の送信部２２５にデータを渡すプログラムである。

キャリアセンス部２１８は、例えば、受信部２２５のＲＳＳＩ測定部２３２などから、アンテナ２０６での受信電力を測定し、受信電力が弱ければ、他の無線装置１１１，１２１や基地局１０２などが送信中ではない事を確認する部分である。

符号化部２１９は、予め生成したメッセージを符号化して、無線部２２０の送信部２２５にデータを渡す部分である。

位置情報通信プログラム２１３は、基地局１０２から送られてくる基地局１０２の位置情報を、位置情報テーブル２７０に格納するプログラムである。

通信状態管理プログラム２１４は、この無線装置１０１の周りの通信できる無線装置の通信状態を収集し、通信状態情報テーブルに格納するプログラムである。

中継処理プログラム２１５は、ＣＰＵ２０１上で動作するプログラムであり、無線装置１０１，１１１，１２１などが基地局１０２からの経路の指示に従って、宛先となる他の無線装置を求めて、送信処理プログラムに指示するプログラムである。

電力情報処理プログラム２１６は、ＣＰＵ２０１上で動作するプログラムであり、電力計測部２０５からＡＤ変換などを経由して、電力情報を取得し、基地局に対して電力情報を送信するプログラムである。

基地局１０２は、図３に示されるように、ＣＰＵ２０１、記億部２０２ｂ、クロック部２０３、位置情報取得部２０４、アンテナ２０６、無線部２２０から構成される。

基地局１０２は、無線装置１０１，１１１，１２１のゲートウェイとして、各無線装置から電力情報を収集し、データセンタにネットワーク１０３を介して報告する機能を有する。また、各々の無線装置の経路を求めて、経路情報を送信する。

基地局１０２は、クロック部２０３、位置情報取得部２０４、アンテナ２０６、無線部２２０については、無線装置１０１，１１１，１２１と同様の構成であるが、電力計測部２０５を有しないこと、また、記億部２０２に格納されているプログラムとデータの内容が異なる。

基地局１０２の記憶部２０２ｂには、位置情報テーブル２８０、通信状態情報集計テーブル２８１、経路制御テーブル２８２、受信処理プログラム２１１と、送信処理プログラム２１２、位置情報通信プログラム２９０、経路制御処理プログラム２９１、電力情報集計プログラム２９５が格納されている。

位置情報通信プログラム２１３は、各無線装置から送られてくる位置情報を、位置情報テーブル２８０に格納するプログラムである。

経路制御処理プログラム２９１は、各無線装置の経路を計算し、各無線装置に経路情報を送信するプログラムである。この経路制御処理プログラム２９１の処理は、後に詳細に説明する。

電力情報集計プログラム２９５は、各無線装置の電力計測部２０５で計測され、電力情報処理プログラム２１６によって処理された電力情報を集計して、ネットワーク１０３でデータセンタに送信するプログラムである。

次に、図４ないし図９を用いて本発明の第一の実施形態に係る無線通信システムのデータ構造について説明する。
図４は、無線装置１０１の記憶部２０２ａに格納される位置情報テーブル２７０の例を示す図である。
図５は、無線装置１０１と基地局１０２でやり取りされるメッセージの例を示す図である。
図６は、無線装置１０１の記憶部２０２ａに格納される通信状態情報テーブル２８１の例を示す図である。
図７は、基地局１０２の記憶部２０２に格納される位置情報テーブル２８０の例を示す図である。
図８は、基地局１０２の記憶部２０２ｂに格納される通信状態情報集計テーブル２８１の例を示す図である。
図９は、基地局１０２の記憶部２０２ｂに格納される経路制御テーブル２８２の例を示す図である。

無線装置１０１の記憶部２０２に格納される位置情報テーブル２５０は、図４に示されるように、自身の無線装置１０１の位置情報と、基地局１０２の位置情報を保持するものである。

基地局１０２の位置情報は、基地局１０２から送信されてくる情報である。自身の無線装置１０１の位置情報は、位置情報取得部２０４により取得した情報である。

図４では（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）と図示しているが、例えば（緯度、経度、高度）であるが、必ずしも、緯度・経度・高度である必要はなく、地球上での絶対位置または、基地局と、他の無線装置との相対位置を誤差数メートルでの分解能があればよい。例えば、（緯度、経度、海抜）、（緯度、経度、標高）、（緯度、経度、海抜、フロア階数）、（緯度、経度、標高、フロア階数）（緯度、経度、気圧値）などであってもよい。

例えば、（緯度、経度、高度）は、（北緯３５．６９８７１０、東経１４０．７２４２、高度１００ｍ）となる。

（緯度、経度、海抜）は、（北緯３５．６９８７１０、東経１４０．７２４２、海抜１００ｍ）でもよいし、または、で（北緯３５．６９８７１０、東経１４０．７２４２、海抜１００ｍ、フロア３階）などフロア情報が付加されてもよい。

海抜の値は、例えば、緯度、経度情報と、国土地理院が整備する日本国の地図データ（海抜・標高データ付）と照合して生成する。照合方法はネットワーク１０３などを利用して取得する。

さらには、（緯度、経度、気圧値）などでもよい。

または、（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）は、例えば、国土地理院が提案している１２８ビットの「場所情報コード」などでもよい。

次に、無線装置１０１と基地局１０２が送受信する無線信号のメッセージデータについて説明する。

メッセージ４００は、図５（ａ）に示される無線信号として、無線装置間、無線装置と基地局間で送受信されるビット列のデータであリ、プリアンブル４０１、宛先アドレス４０２、送信元アドレス４０３、ペイロード（１）４０４、パリティ４０５から構成される。

プリアンブル４０１は、Ｍ系列ＧＯＬＤ符号など、例えば、「１０１１１」などのビット列であり、雑音ノイズのデータから、無線信号を見つけるためのビット列である。

宛先アドレス４０２や送信元アドレス４０３は、無線装置１０１，１１１，１２１、基地局１０２などが保持する固有のアドレスであり、例えば、４８ビットのＭＡＣアドレスや、ＥＵＩ−６４などの６４ビットなど、国際的にグローバルでユニークに管理されているアドレスである。

ペイロード４０４はデータを格納する領域であり、例えば、図５（ｂ）に示されるように、メッセージタイプ４１１と、メッセージデータ４１２が格納される。

パリティ４０５は、例えば、宛先アドレス４０２、送信元アドレス４０４、ペイロード４０４などのビット列を、例えば、ＣＲＣ１６などの計算式によって、計算して値を格納する領域である。また、ＬＱＩ計算部２１６などの計算に利用される。

無線装置１０１の記憶部２０２ａに格納される位置情報テーブル２８０は、図６に示されるように、基地局１０２の位置情報と無線管理区域の無線装置１０１の全ての位置情報を保持するものである。ここで、各無線装置の装置ＩＤを、００１〜とし、基地局の装置ＩＤを０００としている（以下、「基地局０００、無線装置００１、無線装置００２、…などと書く」）。

無線装置１０１の記憶部２０２ａに格納される通信状態情報テーブル２７１は、図６に示されるように、各無線装置とその周りの通信品質情報を保持しており、この例では、通信品質は、ＲＳＳＩで評価されている。測定しているのが無線装置０００とすると、無線装置００２とのＲＳＳＩ値が、−７３．０［ｄＢｍ］であったことを示している。

基地局１０２の記憶部２０２ｂに格納される位置情報テーブル２８０には、図７に示されるように、基地局１０２の位置情報と通信管理区域内の全ての無線装置の位置情報が格納される。基地局１０２の位置情報は、自身の位置情報取得部２０４により取得した情報である。無線装置の位置情報は、各装置ＩＤの無線装置の位置情報から位置情報取得部２０４により取得され、無線装置から基地局に送信されてくる情報である。

基地局１０２の記憶部２０２ｂに格納される通信状態情報集計テーブル２８１は、図８に示されるように、各無線装置から送られてくる周りの無線装置との通信品質情報を保持するテーブルであり、測定元の無線装置ＩＤと、測定対象となった無線装置ＩＤのペアに対して、ＲＳＳＩが記録されている。

基地局１０２の記憶部２０２ｂに格納される経路制御テーブル２８２は、図９に示されるように、各装置ＩＤを有する無線装置から、基地局までの経路を表したテーブルであり、経路データとしては、各無線装置のアドレスが格納される。ここで、ａｄ（００ｉ）は、装置ＩＤ＝００ｉの無線装置００ｉのアドレスを表し、例えば、２番目のエントリは、装置ＩＤ＝００２の無線装置００２から基地局０００までの経路は、基地局０００←無線装置００１←無線装置００２の経路であることを示している。この経路情報テーブル２７０の情報は、各装置ＩＤの無線装置に送信されものであり、例えば、２番目のエントリは、装置ＩＤ＝００２の無線装置００２に送信される。

次に、図１０ないし図１２を用いて本発明の第一の実施形態に係る無線通信システムにおいて、無線装置から基地局までの経路を計算する処理について説明する。
図１０は、無線装置から基地局までの経路を求める処理を説明するための概念図である。
図１１Ａ，図１１Ｂは、ある無線装置から次の経路となる無線装置の探索空間となるｃｅｌｌの例を示した図である。
図１２は、無線装置から基地局までの経路を求める処理を示すフローチャートである。

本実施形態での処理は、図１０に示されるように、ある基地局の電波管理区域内にある無線装置から基地局の経路となる無線装置を順次求めていくものである。

この処理は、基地局１０２の経路制御処理プログラム２９１がＣＰＵ２０１によって実行されることにより、おこなわれるものである。

先ず、基地局は、各無線装置から位置情報を収集し、図６に示した位置情報テーブル２７０に格納しておく（Ｓ０１）。

次に、基地局は、各無線装置から隣の無線装置の通信品質情報を収集し、それを基地局に報告して、図８に示した通信品質情報集計テーブル２８１に格納しておく（Ｓ０２）。

各無線装置から隣の無線装置の通信品質情報を送るときは、あまりに、通信品質が悪い無線装置は、予め候補から除外して送らないようにすればよい。例えば、図６において、−８５［ｄＢｍ］より通信品質の悪い無線装置００８，無線装置００９は、基地局に情報を送らないようにする。

次に、ｉ←０とする（Ｓ０３）。

次に、ｒｓ（ｉ）←始点の無線装置とする（Ｓ０３）。ここで、ｒｓ（ｉ）は、ｉ番目の無線装置を表している。

次に、ｒｓ（ｉ）が基地局であるか否かを判断する（Ｓ０５）。

ｒｓ（ｉ）が基地局であった場合は、探索は終了であり、ｒｓ（０）＝始点の無線装置，ｒｓ（１），…，ｒｓ（ｉ−１），ｒｓ（ｉ）＝基地局のアドレスを、図９に示した経路制御テーブルに格納し（Ｓ１２）、処理を終了する。

ｒｓ（ｉ）が基地局でなかった場合は、ｃｅｌｌ（ｉ）を設定する（Ｓ０６）。ここで、ｃｅｌｌ（ｉ）は、ｉ番目のｃｅｌｌを表している。ｃｅｌｌは、ｒｓ（ｉ）からｒｓ（ｉ＋１）の経路として最適な無線装置を見つけるときの探索空間である（図１０）。ｃｅｌｌのモデルとしては、図１１Ａに示されるように、ｒｓ（ｉ）から基地局に直線を引き、そこから水辺面に、−π／４〜π／４［ｒａｄ］（すなわち、９０度）の間で、ｒｓ（ｉ）を中心とする球形（３次元空間で、ｒｓ（ｉ）から一定の距離以内にある点）を切り取った形状（スイカを切ったときの形状）を用いる。また、図１１Ｂに示されるように、ｒｓ（ｉ）から基地局に直線を引き、そこから水辺面に、−π／４〜π／４の間で、柱体を切り取った形状でもよい。このように、ｃｅｌｌの形状を定めるのは、基地局の方向に向かうの無線装置を探索することと、ｒｓ（ｉ）から離れすぎている無線装置を次の経路の無線装置の候補から予め除外する意味がある。ここで、どちらタイプのｃｅｌｌでも、基地局の方向からの切り取る角度は、広げてもよいし狭めてもよい。一般に、探索空間の中で、候補となる無線装置が多いほど、切り取る角度を狭くし、候補となる無線装置が多いほど、切り取る角度を広くすればよい。

次に、ｃｅｌｌ（ｉ）の中で、無線装置があるか否かを判定する（Ｓ０７）。

ｃｅｌｌ（ｉ）の中で、無線装置がなかったときには、エラーとして（Ｓ１３）、探索空間であるｃｅｌｌの大きさを広げる再設定をし、経路を求める処理を再施行する。

ｃｅｌｌ（ｉ）の中で、無線装置があったときには、その中で、最も通信品質の高いもの（すなわち、ＲＳＳＩの大きいもの）を、ｒｓ_Ｑとする（Ｓ０８）。

そして、ＲＳＳＩ（ｒｓ_Ｑ）−ＲＳＳＩ（ｒｓ）＜ε、であり、かつ、ｈｅｉｇｈｔ（ｒｓ）が最も大きいｃｅｌｌ（ｉ）の中の無線装置ｒｓを選択する（Ｓ０９）。ここで、ＲＳＳＩ（ｒｓ）は、無線装置ｒｓのＲＳＳＩ値であり、εは、予め定めておいた一定の閾値である。また、ｈｅｉｇｈｔ（ｒｓ）は、位置情報から評価される無線装置ｒｓの高さである。

次に、ｉ←ｉ＋１とする（Ｓ１０）。

次に、ｒｓ（ｉ）←選択されたｒｓとし（Ｓ１１）、Ｓ０５に戻り、処理を繰り返す。

なお、本実施形態では、無線装置間の通信品質は、ＲＳＳＩ値で評価したが、他の指標、例えば、ＬＱＩ値で評価してもよい。

このように本実施形態による無線通信システムでは、無線装置間の経路を選択する際に、単に、隣接する電波強度でなく、高さも考慮して、基地局までの中継する装置を決めるため、電波の減衰が少なく、安定した、信頼性の高い通信品質を得ることができる。

〔実施形態２〕
以下、本発明の第二の実施形態に係る無線通信システムを、図１３ないし図１５を用いて説明する。
先ず、図１３ないし図１５を用いて本発明の第二の実施形態に係る無線通信システムの構成について説明する。
図１３は、本発明の第二の実施形態に係る無線装置の構成を示す図である。
図１４は、本発明の第二の実施形態に係る基地局の構成を示す図である。
図１５は、無線装置１０１の記憶部２０２ｃに格納される位置情報テーブル２７５の例を示す図である。

第一の実施形態では、基地局が各無線装置の位置情報を取得し、通信経路を決定する例を説明した。本実施形態では、各無線装置が周りの無線装置から位置情報を収集して、次の経路となる無線装置を決定する例である。

無線装置１０１と、基地局１０２のハードウェア構成は、第一の実施形態と同様なので、異なった所を中心に説明する。

無線装置１０１の記憶部２０２ｃには、図１３に示されるように、受信処理プログラム２１１、送信処理プログラム２１２、位置情報テーブル２７５、通信状態情報テーブル２７１、位置情報通信プログラム２８５、経路制御処理プログラム２８６、中継処理プログラム２１５、電力情報処理プログラム２１６を保持している。

この内で、受信処理プログラム２１１、送信処理プログラム２１２、通信状態情報テーブル２７１、中継処理プログラム２１５、電力情報処理プログラム２１６は、第一の実施形態と同様である。

位置情報通信プログラム２８５は、第一の実施形態の位置情報通信プログラムとは異なり、基地局の位置情報を位置情報テーブル２７５に設定することに加えて、自身の無線装置の周りの無線装置から送られてくる位置情報を、位置情報テーブル２７５に格納するプログラムである。

経路制御処理プログラム２８６は、この無線装置の周りにある無線装置の中で次の経路となる無線装置を選択するプログラムである。

位置情報テーブル２７５は、第一の実施形態の位置情報テーブル２７０とは異なったものであり、図１５に示されるように、基地局の位置情報、自身の位置情報のほかに、周辺にある無線装置の位置情報も保持するものである。

本実施形態では、他の無線装置と互いに位置情報を交換するプロトコルを設けておき、経路制御処理プログラム２８６は、受信した無線装置の位置情報を、位置情報テーブル２７５に格納するものとする。

基地局１０２の記憶部２０２ｄには、図１４に示されるように、位置情報通信プログラム２９０、電力情報集計プログラム２９５を保持している。

位置情報通信プログラム２９０と電力情報集計プログラム２９５は、第一の実施形態で説明したものと同様である。また、本実施形態では、無線装置側で経路を決定するため、基地局側には、経路処理プログラムは、必要ない。

次に、図１６を用いて本発明の第二の実施形態に係る無線通信システムにおいて、ある無線装置から周りの無線装置を中継のために求める処理について説明する。
図１６は、本発明の第二の実施形態に係る無線通信システムにおいて、ある無線装置から周りの無線装置を中継のために求める処理を示すフローチャートである。

この処理は、無線装置１０１の経路制御処理プログラム２８６がＣＰＵ２０１によって実行されることにより、おこなわれるものである。

先ず、基地局は、周りの無線装置から位置情報を収集し、図１５に示した位置情報テーブル２７５に格納しておく（Ｓ２０）。

次に、周りの無線装置の通信品質情報を収集され、図７に示した通信品質情報テーブル２７１に設定する（Ｓ２１）。

次に、自身を中心として、ｃｅｌｌを設定する（Ｓ２２）。ｃｅｌｌについての考え方は、第一の実施形態と同様である。

次に、ｃｅｌｌの中で、無線装置があるか否かを判定する（Ｓ２３）。

ｃｅｌｌの中で、無線装置がなかったときには、エラーとして（Ｓ２７）、探索空間であるｃｅｌｌの大きさを広げる再設定をし、経路を求める処理を再施行する。

ｃｅｌｌの中で、無線装置があったときには、その中で、最も通信品質の高いもの（すなわち、ＲＳＳＩの大きいもの）を、ｒｓ_Ｑとする（Ｓ２４）。

そして、ＲＳＳＩ（ｒｓ_Ｑ）−ＲＳＳＩ（ｒｓ）＜ε、であり、かつ、ｈｅｉｇｈｔ（ｒｓ）が最も大きいｃｅｌｌの中の無線装置ｒｓを選択する（Ｓ２５）。記号の意味は、第一の実施形態と同様である。

そして、ｒｓを送信先（中継する無線装置）として決定し（Ｓ２６）、処理を終了する。

本実施形態では、第一の実施形態に比べて、経路の選択を各無線装置でおこなうので、基地局の処理の負担が少なくなるという特徴がある。

１０１…無線装置
１０２…基地局
１０３…ネットワーク
１０４…電柱
１０５…住宅
１０６…集合住宅
２０１…ＣＰＵ
２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄ…記億部
２０３…クロック部
２０４…位置情報取得部
２０５…電力計測部
２０６…アンテナ
２０７…アンテナスイッチ
２０８…インピーダンスマッチング回路
２０９…フィルタ
２１０…基準信号生成部
２２０…無線部
２２１…送受信機切替スイッチ
２２２…受信部
２２３…送信部
２２４…アンテナスイッチ
２２５…インピーダンスマッチング回路
２２６…フィルタ

Claims (4)

1. 一つ以上の無線装置と基地局とからなり、各々の無線装置が他の無線装置を中継して前記基地局までの経路に従って通信をおこなう無線通信システムにおいて、
   前記各々の無線装置は、
   自身の位置情報を取得する位置情報取得手段と、
   他の無線装置との通信品質に関する情報を取得する通信状態情報取得手段とを備え、
   前記基地局は、
   前記各々の無線装置が取得した位置情報を受信する手段と、
   前記受信した位置情報を保持する手段と、
   前記各々の無線装置が取得した他の無線装置との通信品質に関する情報を受信する手段と、
   前記受信した他の無線装置との通信品質に関する情報を保持する手段と、
   前記無線装置間の経路を求める経路制御手段とを備え、
   前記経路制御手段は、
   第一の無線装置から前記基地局までの経路を求めるときに、
   前記第一の無線装置を含む一定の大きさを有する三次元の探索空間の中にある無線装置を求め、
   前記各々の無線装置が取得した他の無線装置との通信品質に関する情報に基づいて、前記探索空間の中にある無線装置の中から、前記第一の無線装置との通信における通信品質が一番よい第二の無線装置を選択し、
   前記各々の無線装置が取得した他の無線装置との通信品質に関する情報に基づいて、前記探索空間の中にある無線装置の中から、前記第二の無線装置との通信品質の評価が比較して、一定の閾値内にあり、かつ、前記受信した位置情報に基づいて、前記第二の無線装置よりも高さが高い第三の無線装置を選択し、
   前記選択された第三の無線装置を、前記経路における前記第一の無線装置の次に通信する無線装置とすることを特徴とする無線通信システム。
2. 一つ以上の無線装置と基地局とからなり、各々の無線装置が他の無線装置を中継して前記基地局までの経路に従って通信をおこなう無線通信システムの通信経路制御方法において、
   前記各々の無線装置は、
   自身の位置情報を取得する位置情報取得手段と、
   他の無線装置との通信品質に関する情報を取得する通信状態情報取得手段とを備え、
   前記基地局は、
   前記各々の無線装置が取得した位置情報を受信する手段と、
   前記受信した位置情報を保持する位置情報テーブルと、
   前記各々の無線装置が取得した他の無線装置との通信品質に関する情報を保持する通信状態情報集計テーブルと、
   前記受信した他の無線装置との通信品質に関する情報を保持する通信手段と、
   前記無線装置間の経路を求める経路制御手段とを備え、
   前記各々の無線装置が、前記位置情報取得手段により、前記自身の位置情報を取得するステップと、
   前記各々の無線装置が、前記取得した前記自身の位置情報を送信し、前記基地局が、前記位置情報を受信するステップと、
   前記基地局が、受信した前記位置情報を、前記位置情報テーブルに保持するステップと、
   前記各々の無線装置が、前記通信状態情報取得手段により、他の無線装置との通信品質に関する情報を取得するステップと、
   前記各々の無線装置が、前記取得した前記他の無線装置との通信品質に関する情報を送信し、前記基地局が、前記他の無線装置との通信品質に関する情報を受信するステップと、
   前記基地局が、受信した前記他の無線装置との通信品質に関する情報を、前記通信状態情報集計テーブルに保持するステップと、
   前記経路制御手段が、第一の無線装置から前記基地局までの経路を求めるときに、前記第一の無線装置を含む一定の大きさを有する三次元の探索空間の中にある無線装置を求めるステップと、
   前記経路制御手段が、前記通信状態情報集計テーブルに基づいて、前記探索空間の中にある無線装置の中から、前記第一の無線装置との通信における通信品質が一番よい第二の無線装置を選択するステップと、
   前記経路制御手段が、前記通信状態情報集計テーブルに基づいて、前記探索空間の中にある無線装置の中から、前記第二の無線装置との通信品質の評価が比較して、一定の閾値内にあり、かつ、前記受信した位置情報に基づいて、前記第二の無線装置よりも高さが高い第三の無線装置を選択するステップと、
   前記経路制御手段が、前記選択された第三の無線装置を、前記経路における前記第一の無線装置の次に通信する無線装置とするステップと、
   前記基地局が、前記第一の無線装置に前記第三の無線装置のアドレスを含む経路情報を送信するステップとを有することを特徴とする無線通信システムの通信経路制御方法。
3. 一つ以上の無線装置と基地局とからなり、各々の無線装置が他の無線装置を中継して前記基地局までの経路に従って通信をおこなう無線通信システムにおいて、
   前記各々の無線装置は、
   自身の位置情報を取得する位置情報取得手段と、
   他の無線装置の位置情報を受信し、自身の位置情報を送信する位置情報送受信手段と、
   前記取得した自身の位置情報と前記受信した他の無線装置の位置情報を保持する位置情報を保持する手段と、
   他の無線装置との通信品質に関する情報を取得する通信状態情報取得手段と、
   前記受信した他の無線装置との通信品質に関する情報を保持する手段と、
   前記無線装置から前記基地局の経路における次の中継をする無線装置を求める経路制御手段とを備え、
   前記経路制御手段は、
   前記無線装置から次の中継をする無線装置を求めるときに、
   前記無線装置を含む一定の大きさを有する三次元の探索空間の中にある無線装置を求め、
   前記他の無線装置との通信品質に関する情報に基づいて、前記探索空間の中にある無線装置の中から、前記無線装置との通信における通信品質が一番よい無線装置を選択し、
   前記他の無線装置との通信品質に関する情報に基づいて、前記探索空間の中にある無線装置の中から、前記無線装置との通信における通信品質が一番よい無線装置との通信品質の評価を比較して、一定の閾値内にあり、かつ、前記受信した位置情報に基づいて、前記無線装置との通信品質が一番よい無線装置より、高さが高い無線装置を、前記無線装置から中継する無線装置として選択し、
   前記中継する無線装置として選択された無線装置を、前記経路における前記無線装置の次に通信する無線装置とすることを特徴とする無線通信システム。
4. 一つ以上の無線装置と基地局とからなり、各々の無線装置が他の無線装置を中継して前記基地局までの経路に従って通信をおこなう無線通信システムの通信経路制御方法において、
   前記各々の無線装置は、
   自身の位置情報を取得する位置情報取得手段と、
   他の無線装置の位置情報を受信し、自身の位置情報を送信する位置情報送受信手段と、
   前記取得した自身の位置情報と前記受信した他の無線装置の位置情報を保持する位置情報テーブルと、
   他の無線装置との通信品質に関する情報を取得する通信状態情報取得手段と、
   前記取得した通信品質に関する情報を保持する通信状態情報テーブルと、
   前記無線装置から前記基地局の経路における次の中継をする無線装置を求める経路制御手段とを備え、
   前記無線装置が、前記位置情報取得手段により、前記自身の位置情報を取得するステップと、
   前記無線装置が、前記取得した前記自身の位置情報を、前記位置情報テーブルに保持するステップと、
   前記無線装置が、前記位置情報送受信手段により、前記他の無線装置の位置情報を受信するステップと、
   前記無線装置が、前記受信した前記他の無線装置の位置情報を、前記位置情報テーブルに保持するステップと、
   前記無線装置が、前記通信状態情報取得手段により、他の無線装置との通信品質に関する情報を取得するステップと、
   前記無線装置が、前記取得した通信品質に関する情報を、前記通信状態情報テーブルに保持するステップと、
   前記無線装置が、前記自身の位置情報を、前記位置情報テーブルに保持するステップと、
   前記無線装置が、次の中継をする無線装置を求めるときに、前記経路制御手段が、前記無線装置を含む一定の大きさを有する三次元の探索空間の中にある無線装置を求め、
   前記経路制御手段が、前記通信状態情報テーブルに基づいて、前記探索空間の中にある無線装置の中から、前記無線装置との通信における通信品質が一番よい無線装置を選択し、
   前記経路制御手段が、前記通信状態情報テーブルに基づいて、前記探索空間の中にある無線装置の中から、前記無線装置との通信品質が一番よい無線装置との通信品質の評価を比較して、一定の閾値内にあり、かつ、前記受信した位置情報に基づいて、前記無線装置との通信における通信品質が一番よい無線装置より、高さが高い無線装置を、前記無線装置から中継する無線装置として選択するステップと、
   前記中継する無線装置として選択された無線装置を、前記経路における前記無線装置の次に通信する無線装置とするステップとを有することを特徴とする無線通信システムの通信経路制御方法。

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