JP5930179B2 - モバイルアドホックネットワークにおける自律的衝突回避システム及び自律的衝突回避方法 - Google Patents

Description

本発明は、モバイルアドホックネットワークにおける自律的衝突回避システム及び自律的衝突回避方法に関する。

本発明者等は、先に、携帯端末を利用した児童見守りシステムを提案した（特許文献１）。小学校低学年等の低年齢の児童の登下校時に、児童を見守り、保護者に安心を与えるとともに、万一の異常事態の発生をいち早く検出するための見守りシステムである。このシステムは、図１に示すように、被観察者（児童）のグループ、例えばＡ、Ｂ、Ｃが所持する携帯端末１ａ、１ｂ、１ｃと、電柱等に設けられた無線タグ２ａ、２ｂ、２ｃと、データサーバ３と、観察者（例えば父兄、学校側担当者）が所持する携帯端末４と、管理サーバ５とから構成され、特定の被観察者が所持する携帯端末１ａと、データサーバ３、観察者が所持する携帯端末４、管理サーバ５とはネットワーク６を介して、接続されている。携帯端末１ａ、１ｂ、１ｃはアドホック通信機能を備え、隣接する携帯端末１ａ、１ｂ、１ｃ間で通信を行うことによりグループ化が行われる。携帯端末１ａ、１ｂ、１ｃにより、無線タグ２ａ、２ｂ、２ｃのうち近い位置にあるタグが読み出される。図１の例では、被観察者Ａ、Ｂ、Ｃが所持する携帯端末１ａ、１ｂ、１ｃで、アドホック通信を行うことにより、本人を含んだ（Ａ、Ｂ、Ｃ）というデータが得られ、自分（例えば、Ａ）の近くに、被観察者ＢとＣがいることがわかる。なお、アドホック通信は、Bluetooth（登録商標）を用いた近距離無線で行なわれ、アドホック通信を行うことにより、エリアを特定できるため、隣接した携帯端末同士のみが通信することができる。

複数の被観察者が所持する携帯端末のうち、一の携帯端末のみが収集した隣接する携帯端末情報及びタグ情報をデータサーバ３に送信し、このデータサーバ３が受信したタグ情報に基いて、収集した携帯端末情報を予め格納した地図に展開して位置情報を生成し、これを観察者４の所持する携帯端末に送信する。観察者の携帯端末がこの信号を受信して、位置情報を表示するのである。

特開２００９−２４５２９９号公報

かかる構成の見守りシステムにおいては、携帯電話網を用いたパケット通信を行うことによりサーバに見守り情報を送信するものであるため、被観察者（児童）の所持する携帯端末間でアドホックネットワークを構成する際、校門のような場所では、被観察者が一箇所に密集してしまう。このような状況ではアドホックネットワークが非常に大きくなってしまうため、一部の情報を収集できない場合が生じる。

本発明者らは、このような課題を解決するために、スマートフォンやタブレットPC等の携帯情報端末用ソフトウェアのプラットフォームであるアンドロイド（Android：登録商標）端末を使用し、かつ前記近距離無線通信として、数十ｍ程度の端末（以下「ノード」という）間で無線にて情報のやりとりを行うブルートゥース（Bluetooth 登録商標）通信を利用し、モバイル アドホック ネットワーク（Mobile Ad-hoc NETwork:以下MANETと略称する）を構成したものである。
本発明は、さらにかかるMANETにおいて発生するノード間の探索・コネクションの衝突という課題を解決するものである。

本発明は、基地局とこれらを結ぶ固定網を有さず、互いに自律分散的に動作する複数のノードが、近距離無線通信を介して直接データ交換を行うとともに、前記ノードが、携帯情報端末用ソフトウェアのプラットフォーム端末であり、かつ前記近距離無線通信が、数十ｍ程度のノード間で無線にて情報のやりとりを行う通信であり、前記ノードが、近接する他のノードの存在を検出するための探索信号を発信する探索時間と、他のノードが発信した探索信号を受信する被探索時間と、を所定周期で繰り返す、MANETにおける自律的衝突回避システムであって、前記ノードが、探索時間に探索信号を発信する探索処理手段と、被探索状態にあるときに他のノードからの探索信号を受信してコネクション受付信号を発信するコネクション受付手段と、前記探索処理手段による探索の結果、周囲にコネクト可能なノードが存在する場合に、そのうちの一つのノードにコネクト要求を行うコネクション確立手段と、を含み、Ｎ周期（但し、Ｎ≧２とする。）に１回の割合で探索時間を被探索時間に変更すること、及び／又は、前記コネクション確立手段が、前記コネクト要求が受け付けられなかった場合、相手ノードの探索時間待機後にもう一度コネクト要求を行うこと、によって、前記ノードと他のノード間のコネクションが確立しない衝突現象を回避することを特徴とするものである。

また本発明は、基地局とこれらを結ぶ固定網を有さず、互いに自律分散的に動作する複数のノードが、近距離無線通信を介して直接データ交換を行うとともに、前記ノードが、携帯情報端末用ソフトウェアのプラットフォーム端末であり、かつ前記近距離無線通信が、数十ｍ程度のノード間で無線にて情報のやりとりを行う通信であり、前記ノードが、近接する他のノードの存在を検出するための探索信号を発信する探索時間と、他のノードが発信した探索信号を受信する被探索時間とを所定周期で繰り返す、MANETにおける自律的衝突回避方法であって、探索時間に探索信号を発信する探索処理ステップと、被探索状態にあるときに他のノードからの探索信号を受信してコネクション受付信号を発信するコネクション受付ステップと、前記探索処理ステップでの探索の結果、周囲にコネクト可能なノードが存在する場合に、そのうちの一つのノードにコネクト要求を行うコネクション確立ステップと、を含み、Ｎ周期（但し、Ｎ≧２とする。）に１回の割合で探索時間を被探索時間に変更すること、及び／又は、前記コネクション確立ステップで、前記コネクト要求が受け付けられなかった場合、相手ノードの探索時間待機後にもう一度コネクト要求を行うこと、によって、前記ノードと他のノード間のコネクションが確立しない衝突現象を回避することを特徴とするものである。

本発明によれば、一のノードによる探索信号が、近接する他のノードにより受信されてコネクションが確立しないとき、Ｎ周期（但し、Ｎ≧２とする。）に１回の割合で探索時間を被探索時間に変更すること、及び／又は、コネクト要求が受け付けられなかった場合、相手ノードの探索時間待機後にもう一度コネクト要求を行うことにより、いち早く、両者のコネクションを確立させることができ、コネクション確立時間を短縮することができる。

本発明が適用される見守りシステムの概略図である。 探索の衝突を説明するための概略図である。 コネクト要求の衝突を説明するための概略図である。 衝突回避を説明するための図である。 衝突回避を説明するための図である。 本発明実施の形態を説明するためのブロック図である。 本発明実施の形態を説明するためのフローチャートである。 実施例の結果を示すグラフである。

Bluetooth（登録商標）MANET
Bluetooth（登録商標）通信はコネクション指向であり、事前にペアリングとコネクション確立が必要である。ノードA とB （Bによる探索）におけるBluetooth （登録商標）通信は、以下の手順で行われる。
１. ノードAが被探索状態（発見可能状態）にある。
２.ノード B から探索を行う。
３. ノードB からノードA に対してコネクション要求を出す。
４. コネクション要求を受けたノードA が受諾しコネクション確立。
５. ノードA B 間のコネクションを用いて通信。

本システムでは、この手順を各ノードで周期的に行い、周辺ノードとコネクションを確立し、MANET を構築する。Bluetooth（登録商標）は、周波数帯の中を周波数チャネルに分け、ノイズの少ない周波数を選んで使用する周波数ホッピングという特徴があり、そのため、干渉に強い。

前述の手順において「２. ノードB から探索を行う」手順の探索負荷が大きく、検出の衝突が発生する可能性がある。すなわち、ノードA、Bはいずれも探索時間と被探索時間が一定周期で交互に繰り返されており、探索時間においては、他のノードからの探索信号を受け付けず、被探索時間にあるときのみ探索信号を受け付ける。したがって、図２に示すように、ノードBが探索時間内にあるときは、他のノードAからは発見されなくなる。また、図３ に示すように、探索時はコネクション要求の受付もできなくなる（ノードA）。すなわちノード間に衝突が生じるのである。

MANETでは、ノードが移動し、いつどのノードが通信を行うのかが予想できない。そのため、MANETを構成するためには、通信範囲内に移動してきたノードと通信できる状態にする必要がある。このように、Bluetooth（登録商標）はコネクション指向であるため、定期的な探索およびコネクション確立を行わなければならない。かかるノード間の衝突は、各ノードの探索タイミングをずらすことにより回避される。

探索状態である探索時間において、発見したノードに対してコネクト要求の送信を被探索状態である被探索時間に行う。探索時間と被探索時間を合わせたものを1 周期とする。この探索時間と被探索時間を各ノードで交互に繰り返し行う。最短の探索時間と被探索時間をともに6秒とする。このとき、周期をずらすために被探索時間を０〜５ 秒増加させる。この周期を用いて、以下の手法を行うBluetooth（登録商標）MANETを構成する。

１. コネクト要求が受け付けられなかった場合、相手ノードの探索時間後にもう一度コネクト要求を出す。
２. 探索回数N 回に１回の確率で探索をしない。

手法１は、コネクト要求の失敗が、相手ノードが探索時間にあることによるものであれば、相手ノードの探索時間分待つことで、相手ノードの探索が終わる。よって、相手ノードの被探索時間にコネクト要求を送信できる。図５に示すように、手法１では、ノードAが相手ノードBの探索時間後にコネクト要求を出す。もし、自分の探索が始まる時間であっても、被探索時間を延長してコネクション処理を行う。

手法２では、図４に示すように、ノードAとノードBの周期が重なっている場合、ノードAが探索しないことで、他のノードBによってノードAを発見可能とする。このとき、コネクト要求を送る時間も十分確保される。探索回数Nは固定とする。

図６はノードA、Bのそれぞれの構成を示し、近接する他のノードの存在を検出するための探索信号を発信する探索時間と、他のノードが発信した探索信号を受信する被探索時間とを所定周期で繰り返し、探索時間に探索信号を発信する探索処理手段７と、被探索状態にあるときに他のノードからの探索信号を受信してコネクト受信信号を発信するコネクション受付手段８と、探索信号を発信して他のノードを探索するコネクション確立手段９と、ノードから探索信号を発信したにもかかわらず、他のノードからのコネクト要求信号が受信されないとき、探索時間・被探索時間周期を変更する周期変更手段１０と、を含む。コネクション受付手段８は受動的に、コネクション確立手段９は能動的に動作する。

次に係る構成の自律的衝突回避システムの処理方法を、図７を参照して順に説明する。

ステップS1：探索
周辺端末の存在を確認するために探索を行う。
ステップS2：コネクト要求受信
周辺端末からのコネクト要求を受信したかどうかを判断する。
ステップS3：要求受信処理（返信）
周辺端末からのコネクト要求を受信した際に返信を行う。
ステップS4：被探索時間終了
自身の被探索時間が終了したかどうかを判断する。
ステップS5：探索・被探索変更判断
被探索時間が終わったのち，次の周期の探索時間を被探索時間に置き換えるかどうかの判断を行う。この置き換えは，N周期に1回の割合で探索時間を被探索時間に変更する。
ステップS6：コネクト可能端末あり
ステップS１にて探索した結果、周囲にコネクト可能端末が存在するかどうかを判断する。
ステップS7：周囲にコネクト可能端末が存在する場合に、そのうちの一つの端末にコネクト要求を行う。
ステップS8：返信あり
コネクト要求を行った端末から、返信を受けたかどうかを判断する。
ステップS9：探索時間待機
コネクト要求を行った端末から返信がない場合、その端末とのコネクションを確立するために、探索時間待機する。
ステップS10：接続完了

コネクト要求を行った端末から返信を受け取り、通信が可能な状況になる。
図４及び図５において、(a)〜(g)のタイミングは、以下の状態を示す。
(a)：探索時間が終了
(b)：周辺端末からコネクト要求を受信
(c)：発見した端末へコネクト要求を行う
(d)：コネクト要求を行った端末から返信を受信した場合
(e)：被探索時間が終了する
(f)：コネクト要求を行った端末から返信を受信しない場合
(g)：待機時間が終了したので，再度コネクト要求を行う

ステップS1は、探索処理手段７にて、ステップS2,S3は、コネクション受付手段８にて、ステップS6〜S10はコネクション確立手段９にて、ステップS5は探索・被探索周期変更手段１０にて実行される。これらはコンピュータにて構成され処理される。

以下実施例につき説明する。実施環境を表１に示す。

探索にかかる時間は1〜4 秒と想定し、コネクト完了時間は2 秒とした。また、探索中は他ノードから発見されず、コネクト要求も受け付けない。ノードを１００個（10 × 10 の格子状）に10m の間隔で配置し、Bluetooth（登録商標）通信の手順に従いコネクションの確立を行った。移動は行わない。通信可能範囲内に存在するすべてのノードに対してコネクションを確立完了するまでの時間を比較した。前述の手法１、２ の処理を行った場合と行わなかった場合の結果を図８ に示す。

手法２で用いる探索回数N は２とする。図中、縦軸は、100 ノードすべてのノードが、コネクション可能な隣接ノード全てとコネクションを確立完了した時間である。図からわかるように、手法１及び２を行った場合、全てのコネクションが最も早く確立している。また、手法１及び２の両方を行った場合と手法２のみのときの差は小さい。これは、手法２ がコネクション要求の衝突も回避するため、手法１ が効果的な環境が少なくなったためである。

本発明は、前述した児童見守りシステムのほか、軍事の用途、例えば戦場における歩兵、戦車、戦艦、戦闘機間の通信に使用できる。また災害時、例えば火事、地震、台風、津波等の災害により、固定基地局や有線網が使用不可能となったときの捜索、救出、緊急通報、避難誘導、被害情報の収集手段として使用できる。またセンサネットワークと組合せて、津波や地震への早期警告に使用することも可能である。また、車と車の間で交通事故や渋滞情報の交換を行うことができる。また車・車間のみでなく、沿道の店舗情報やサービスエリアのサービス情報の取得に用いることもできる。さらに、限られた範囲の簡易ネットワークに有効であり、アミューズメントパークやスタジアムにおける売店、レストラン等のサービス情報の取得、アトラクションの待ち時間や待ち人数等の情報取得に使用できる。さらに、共同作業の支援、例えば遺跡発掘や洞窟探検等、固定基地局の設置や利用が困難である場合の通信手段として有効である。

１a、１b、１c 被観察者が所持するノード
２a、２b、２c 無線タグ
３ データサーバ
４ 観察者が所持するノード
５ 管理サーバ
６ ネットワーク
７ 探索処理手段
８ コネクション受付手段
９ コネクション確立手段
１０ 探索・被探索周期変更手段

Claims (2)

1. 基地局とこれらを結ぶ固定網を有さず、互いに自律分散的に動作する複数のノードが、近距離無線通信を介して直接データ交換を行うとともに、前記ノードが、携帯情報端末用ソフトウェアのプラットフォーム端末であり、かつ前記近距離無線通信が、数十ｍ程度のノード間で無線にて情報のやりとりを行う通信であり、前記ノードが、近接する他のノードの存在を検出するための探索信号を発信する探索時間と、他のノードが発信した探索信号を受信する被探索時間と、を所定周期で繰り返す、モバイルアドホックネットワークにおける自律的衝突回避システムであって、
   前記ノードが、
   探索時間に探索信号を発信する探索処理手段と、
   被探索状態にあるときに他のノードからの探索信号を受信してコネクション受付信号を発信するコネクション受付手段と、
   前記探索処理手段による探索の結果、周囲にコネクト可能なノードが存在する場合に、そのうちの一つのノードにコネクト要求を行うコネクション確立手段と、を含み、
   Ｎ周期（但し、Ｎ≧２とする。）に１回の割合で探索時間を被探索時間に変更すること、及び／又は、前記コネクション確立手段が、前記コネクト要求が受け付けられなかった場合、相手ノードの探索時間待機後にもう一度コネクト要求を行うこと、によって、前記ノードと他のノード間のコネクションが確立しない衝突現象を回避することを特徴とするモバイルアドホックネットワークにおける自律的衝突回避システム。
2. 基地局とこれらを結ぶ固定網を有さず、互いに自律分散的に動作する複数のノードが、近距離無線通信を介して直接データ交換を行うとともに、前記ノードが、携帯情報端末用ソフトウェアのプラットフォーム端末であり、かつ前記近距離無線通信が、数十ｍ程度のノード間で無線にて情報のやりとりを行う通信であり、前記ノードが、近接する他のノードの存在を検出するための探索信号を発信する探索時間と、他のノードが発信した探索信号を受信する被探索時間とを所定周期で繰り返す、モバイルアドホックネットワークにおける自律的衝突回避方法であって、
   探索時間に探索信号を発信する探索処理ステップと、
   被探索状態にあるときに他のノードからの探索信号を受信してコネクション受付信号を発信するコネクション受付ステップと、
   前記探索処理ステップでの探索の結果、周囲にコネクト可能なノードが存在する場合に、そのうちの一つのノードにコネクト要求を行うコネクション確立ステップと、を含み、
   Ｎ周期（但し、Ｎ≧２とする。）に１回の割合で探索時間を被探索時間に変更すること、及び／又は、前記コネクション確立ステップで、前記コネクト要求が受け付けられなかった場合、相手ノードの探索時間待機後にもう一度コネクト要求を行うこと、によって、前記ノードと他のノード間のコネクションが確立しない衝突現象を回避することを特徴とするモバイルアドホックネットワークにおける自律的衝突回避方法。

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