JP5945817B2 - クラスタ・ツリーネットワーク及びアドレス更新方法 - Google Patents

Description

本発明は、クラスタ・ツリーネットワークに関し、より詳しくは、網管理サーバを頂点として複数のノードがツリー状に接続され、各ノードのアドレスが当該ノードまでの経路情報を含むクラスタ・ツリーネットワーク、及びアドレス更新方法に関するものである。

従来、複数のノードと網管理サーバとを接続するネットワークとして、クラスタ・ツリーネットワークが知られている。図１３は、クラスタ・ツリーネットワークの構成を示すネットワーク構成図である。図１３の例では、網管理サーバ１００を頂点として、ノード１〜１０がツリー状に接続されている。各ノード１〜１０は他の１つ又は複数のノードと接続されるが、その接続には方向が定義されている。即ち、各ノード１〜１０は、接続されるノードについて親ノードか子ノードかを区別する。ノード１〜１０の各々は、１つの親ノードを有する。複数のノードのうち、ブランチノードは、１つ又は複数の子ノードを有し、リーフノードは、子ノードがなく、親ノードのみを有する。

このようなクラスタ・ツリーネットワークは、例えば、センサネットワ.ークとして応用され得る。この場合には、ノード１〜１０にそれぞれセンサが接続される。クラスタ・ツリーネットワーク構造を用いることで、各ノード１〜１０がセンサの検出値を網管理サーバ１００に送信して、網管理サーバ１００で各ノードにおけるセンサ検出値を一括管理するというセンサネットワークを構成できる。例えば、センサとして、電気やガスの検針をするセンサを採用し、ノード１〜１０を住戸とすれば、各住戸における電気やガスの使用料の情報を網管理サーバ１００で一括収集でき、検針員が各住戸を廻って検針をする必要がなくなる。

このようなクラスタ・ツリーネットワークでは、各ノードのアドレスとして、親ノードのアドレスを一部に含むアドレスを採用できる（例えば、特許文献１を参照）。図１４は、アドレスの具体例を示す図である。図１４の例において、アドレスは、８桁である。図１４の例のアドレス１０００において、「００」でない最も下位の数字１００１が親ノードから見た自ノードアドレスの特徴部分である。それより上位の部分１００２は、親ノードのアドレスを示す部分である。また、親ノードのアドレスを示す部分１００２の最下位を除く部分１００３はその親ノードのさらに親のノードのアドレスを示す部分である。

具体的には、「００」でない最も下位の数字「０２」が親ノードから見た自ノードアドレスの特徴部分であり、それより上位の部分「０１：０２：０１：０１」は、親ノードのアドレスの実効部分であり、親ノードのアドレスを示す部分「０１：０２：０１：０１」の最下位「０１」を除く部分「０１：０２：０１」はその親ノードのさらに上位のノードのアドレスの実効部分である。なお、本願の明細書及び図面において、アドレスの記載をする際の「：」は、上記のようなノードの経路を示すための便宜上の表記であり、実際のアドレスに「：」に相当する何らかの情報が含まれるわけではない。また、アドレスの記載では、１６進数表記をする。１６進数表記では、通常は「０ｘ０１」のように先頭に「０ｘ」を付すが、本願の明細書及び図面では、この「０ｘ」を省略して表記する。

このようなアドレス体系によれば、各ノードのアドレスには、その上位のノードのアドレス情報が含まれており、その上位のノードのアドレス情報には、さらにその上位のノードのアドレス情報が含まれているので、各ノードのアドレスは、即ち、網管理サーバから当該ノードへの経路情報を示していることになる。

網管理サーバ１００には、すべての子ノードのアドレスが記憶されている。また、各ノードには、自己の親ノードのアドレス及び子ノードのアドレスが記憶されている。網管理サーバ１００は、特定のノードにデータを送信する場合には、最上位ノードに対して宛先の子ノードのアドレスを特定して送信する。図１５は、網管理サーバ１００からアドレス「０１：０２：０１：０１：０２：００：００：００」を有するノード１０にデータを送信する例を示している。図１５の例において、網管理サーバ１００は、ノード１０のアドレス「０１：０２：０１：０１：０２：００：００：００」を送信アドレスとして、データを送信する。

ノード１は、送信アドレスとしてアドレス「０１：０２：０１：０１：０２：００：００：００」を含む送信データを受信して、自アドレス「０１：００：００：００：００：００：００：００」と比較して、送信アドレスに自アドレスが含まれているので、この送信データを送信する。ノード１の子ノードであるノード２及びノード３は、送信アドレス「０１：０２：０１：０１：０２：００：００：００」と自アドレスを比較する。ノード２では、自アドレスが「０１：０１：００：００：００：００：００：００」であるところ、送信アドレスにはこのアドレスが含まれていないので、ノード２はこの受信した送信データを破棄する。ノード３では、自アドレスが「０１：０２：００：００：００：００：００：００」であるところ、送信アドレスにはこのアドレスが含まれているので、ノード３はこのデータをさらに転送すべく送信する。

以下同様にして、ノード６、ノード８、及びノード１０が順に転送された送信データを受信する。送信データがノード１０に辿り着くと、ノード１０は、送信データに含まれる送信アドレスと自アドレスとが一致するので、この送信データを自分宛のデータとして受領する。

このように、アドレスに経路情報を含めるというアドレス体系によれば、各ノードは、自己の子ノードのアドレスを管理するだけでよく、各ノードがすべてのノードのルーティングテーブルを記憶しておく必要がなくなるので、各ノードのアドレス付与やルーティング時の負荷を軽減できる。

上記のようなアドレス体系では、最大許容ホップ数（許容される最大ホップ数）を多くすると１つのブランチノード（子ノードを有することができるノード）に接続可能な子ノードが制限される。即ち、図１４に示したアドレスの各「：」で区切ったそれぞれを位として、各位が１バイトであるとすると、このアドレスは８位なので、８バイトとなる。そして、アドレス中の位の個数は、最大許容ホップ数であるので、図１４のアドレス体系の最大許容ホップ数は７ホップである。また、各位は１バイト（０〜２５５）であるので、１つのブランチノードは、２５４の子ノード（１つは自ノード用、１つはブロードキャスト用）を有することができる。この８バイトのアドレスにおいて、最大許容ホップ数を例えば１５に増やすと、全体として８バイトを維持するために、各位は０〜１５となり、ブランチノードは最大で１４の子ノードしか持ち得なくなる。

そのため、ノードの設置密度が高くなると、ノードをこのクラスタ・ツリーネットワークに接続するために、多くのブランチノードが必要となり、その結果、ブランチノード間の干渉が発生して、ブランチノードの周辺に存在するノードをクラスタ・ツリーネットワークに接続できない状況が生じる。

このような課題に対して、特許文献２のネットワークでは、ＺｉｇＢｅｅのメッシュネットワークにおいて、１ホップ先、２ホップ先の隣接ノード情報に基づいて自ノードの周囲のノードの設置密度を類推し、密度が高ければパケットの送信間隔を延ばすようにしている。

特開２０１０−１１０８４号公報 特開２０１１−５５３９４号公報

しかしながら、上記の特許文献２の技術によれば、ノードの設置密度が高くに従い、パケットの送信間隔が長くなるので、その結果、同じ量のデータを送信するのに必要な通信時間が長くなってしまうという問題がある。上記の特許文献２の技術は、上述のようにメッシュネットワークに関するものであるが、これをクラスタ・ツリーネットワークに適用すれば、設置密度が高くなるに従ってデータを時分割で送信する際の割り当てが少なくなることになり、やはり、データの送信に要する通信時間が長くなるという問題が生じることになる。

そこで、本発明は、ノードの設置密度に柔軟に対応できるクラスタ・ツリーネットワークを提供することを目的とする。

本発明のクラスタ・ツリーネットワークは、網管理サーバを頂点として複数のノードがツリー状に接続され、各ノードのアドレスが当該ノードまでの経路情報を含むクラスタ・ツリーネットワークであって、前記ノードの増加によって満たすことになるアドレス体系変更条件を満たすか否かを判断する変更条件判断部と、前記アドレス体系変更条件を満たすと判断したときに、最大許容ホップ数を減少させるように、前記アドレスの体系を変更するアドレス体系変更部と、変更された前記アドレス体系に従って前記ノードのアドレスを更新するアドレス更新部とを備えた構成を有している。

この構成によれば、ノードが増加した際に、アドレス体系を変更することで、接続可能なノードの数を増加させるので、接続可能なノードの数を増加させるために時分割送信における分割数を増やすことはなく、よって、通信速度の遅延を伴うことなく接続可能なノードの数を増加させることができる。

上記のクラスタ・ツリーネットワークにおいて、前記アドレス体系変更条件は、前記ノードの設置密度が所定の閾値を上回ることであってよい。

この構成によれば、ノードの設置密度が高くなって、それ以上子ノードを持つことができないブランチノード等が生じることにより、新たに接続可能なノードの数が制限される場合にも、アドレス体系を変更することで、接続可能なノードの数を増加させることができる。

上記のクラスタ・ツリーネットワークにおいて、前記ノードの設置密度は、前記網管理サーバに直接接続されるノードである中継器のフィールド内における単位面積あたりの前記ノードの設置台数であってよい。

この構成によれば、簡単な計算でノードの設置密度を求めることができる。

上記のクラスタ・ツリーネットワークにおいて、前記ノードの設置密度は、複数の前記中継器のフィールド内にある前記ノードについては、他の中継器とシェアされている割合に応じた台数をカウントして求められてよい。

この構成によれば、複数の中継器のフィールドが一部において重複する場合にも適切にノードの設置密度を求めることができる。

上記のクラスタ・ツリーネットワークにおいて、前記ノードの設置密度は、前記ノードごとに求められてよい。

この構成によれば、クラスタ・ツリーネットワークを構成する複数のノードの一部のみのアドレス体系を変更して、アドレスを更新することができる。

上記のクラスタ・ツリーネットワークにおいて、前記ノードごとに求められる前記ノードの設置密度は、網管理サーバに直接接続される中継器のフィールド内における単位面積あたりの前記ノードの設置台数と、当該ノードの接続済み子ノード数とに基づいて求められてよい。

この構成によれば、中継器以下のネットワークの全体の設置密度と、当該ノードの周りの設置密度とに基づいて、アドレス体系を変更するか否かを判断できる。

上記のクラスタ・ツリーネットワークにおいて、前記ノードごとに求められる前記ノードの設置密度は、当該ノード通信半径内における単位面積あたりの前記ノードの設置台数に基づいて求められてよい。

この構成によれば、当該ノードの周りの設置密度に基づいてアドレス体系を変更するか否かを判断できる。

上記のクラスタ・ツリーネットワークにおいて、前記アドレス体系変更条件は、前記網管理サーバに直接接続されるノードである中継器の子ノードの数が閾値を上回ることであってよい。

この構成によれば、非常に簡単にアドレス体系を変更するか否かを判断できる。

上記のクラスタ・ツリーネットワークにおいて、前記アドレス体系変更条件は、前記網管理サーバが、前記ノードから新規のノードを追加できなかった旨の通知を受けることであってよい。

この構成によれば、各ノードにおいて実際に新規のノードを追加できない場合に、アドレス体系を変更することができる。

上記のクラスタ・ツリーネットワークにおいて、前記アドレス体系変更部は、前記ノードのアドレスの一部の位のビット数を増加させるよう前記アドレス体系を変更し、前記アドレス更新部は、前記ノードのアドレスの前記一部の位のビット数を増加させ、当該一部の位のビットを下位にビットシフトし、前記アドレスの最下位のビットを削除するよう、前記アドレスを更新し、最大許容ホップ数の前記ノードの前記アドレス更新部は、その親ノードを変更することで、そのアドレスを更新する。

この構成によれば、最大許容ホップ数が減少するとともに、アドレスの一部の位のビット数が増加するので、全体として、接続可能なノードの数を増加できる。

上記のクラスタ・ツリーネットワークにおいて、前記アドレス体系変更部は、前記ノードごとに求められる前記ノードの設置密度が前記閾値を上回るノード及びそれより下位のノード、又は新規のノードを追加できなかった旨の通知をしたノード及びそれより下位のノードの前記アドレス体系を変更してよい。

この構成によれば、クラスタ・ツリーネットワークにおいて接続可能なノードを増加させるために必要な一部においてのみアドレス体系を変更することができる。

上記のクラスタ・ツリーネットワークにおいて、前記アドレス体系変更部は、新規のノードを追加できなかった旨の通知をしたノードが複数ある場合に、そのうちの設置密度の低いノード及びそれより下位のノードのアドレス体系を変更してよい。

この構成によれば、クラスタ・ツリーネットワークにおいて接続可能なノードを増加させるために必要な一部においてのみアドレス体系を変更することができる。

本発明の別の態様は、網管理サーバを頂点として複数のノードがツリー状に接続され、各ノードのアドレスが当該ノードまでの経路情報を含むクラスタ・ツリーネットワークにおけるアドレス更新方法であって、このアドレス更新方法は、前記ノードの増加によって満たすことになるアドレス体系変更条件を満たすか否かを判断する変更条件判断ステップと、前記変更条件判断ステップにて前記アドレス体系変更条件を満たすと判断したときに、最大許容ホップ数を減少させるように、前記アドレスの体系を変更するアドレス体系変更ステップと、変更された前記アドレスの体系に従って前記ノードのアドレスを更新するアドレス更新ステップとを含んでいる。

この構成によっても、ノードが増加した際に、アドレス体系を変更することで、接続可能なノードの数を増加させるので、接続可能なノードの数を増加させるために時分割送信における分割数を増やすことはなく、よって、通信速度の遅延を伴うことなく接続可能なノードの数を増加させることができる。

本発明によれば、ノードが増加した際に、アドレス体系を変更することで、接続可能なノードの数を増加させるので、接続可能なノードの数を増加させるために時分割送信における分割数を増やすことはなく、よって、通信速度の遅延を伴うことなく接続可能なノードの数を増加させることができる。

本発明の実施の形態における網管理サーバの構成を示すブロック図 干渉を考慮した接続シミュレーションの結果（ノードの設置密度が低い場合）を示す図 干渉を考慮した接続シミュレーションの結果（ノードの設置密度が高い場合）を示す図 干渉を考慮した接続シミュレーションの結果（ノードの設置密度が高い場合）の部分拡大図 本発明の実施の形態におけるノード管理テーブルの具体例を示す図 本発明の実施の形態におけるノードの構成を示すブロック図 （ａ）本発明の実施の形態におけるアドレス体系変更条件の判断例１の具体例を示す図 （ｂ）本発明の実施の形態におけるアドレス体系変更条件の判断例２の具体例を示す図 （ａ）本発明の実施の形態におけるアドレス体系の変更の具体例（変更前）を示す図 （ｂ）本発明の実施の形態におけるアドレス体系の変更の具体例（変更後）を示す図 （ａ）本発明の実施の形態におけるアドレス体系の変更によるアドレス更新の具体例（変更前）を示す図 （ｂ）本発明の実施の形態におけるアドレス体系の変更によるアドレス更新の具体例（変更後）を示す図 本発明の実施の形態におけるアドレス体系の変更に伴う代替えを説明する図 本発明の実施の形態の変形例におけるノードの構成を示すブロック図 アドレス情報の具体例を示す図 クラスタ・ツリーネットワークの構成を示すネットワーク構成図 アドレスの具体例を示す図 網管理サーバから特定のノードにデータを送信する例を示すネットワーク構成図

以下、本発明の実施の形態のクラスタ・ツリーネットワークについて、図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態のクラスタ・ツリーネットワークは、従来のものと同様に、網管理サーバを頂点として、その下にツリー状に複数のノードが接続された構成を有する。

以下の説明では、ノード間の接続をリンクともいう。以下の実施の形態では、ノード同士は無線で接続され、最上位のノード（中継器）と網管理サーバとは有線で接続されるが、本発明はこれに限られず、一部又は全部のノード同士が有線で接続されていてもよく、最上位のノードと網管理サーバが無線で接続されてもよい。また、以下の説明では、網管理サーバからノードへの送信を下り送信といい、ノードから網管理サーバに向けた送信を上り送信という。

また、以下の説明において、子ノード及び親ノード、上位及び下位という用語は、あるノード又は網管理サーバから見た相対的な概念である。従って、あるノードは、その１つ上位のノードから見ると子ノードとなり、その１つ下位のノードから見ると親ノードとなる。また、網管理サーバからあるノードへ、又はあるノードから網管理サーバにデータを送信する際の各ノードにおけるデータの転送をホップともいい、送信元からの転送の回数をホップ数ともいう。クラスタ・ツリーネットワークは、複数回のホップによってデータを伝達するマルチホップネットワークの一種である。また、子ノードを有するノードをブランチノードといい、子ノードを有しないノードをリーフノードという。

以下では、まず、ノードの設置密度が高くなるとノードをクラスタ・ツリーネットワークに接続できなくなる状況を分析した後に、その問題を解決する本発明の実施の形態を説明する。

図２及び図３は、干渉を考慮した接続結果を示す図である。図４は、図３の部分拡大図である。図２及び図３では干渉を避けるために数種類の周波数帯を使用しており、実線と鎖線と一点鎖線と二点鎖線とは、それぞれ異なる周波数帯が割り当てられることを示している。

図２は、ノードの設置密度が低い（たとえばノードの設置密度が３６０個／ｋｍ２）状態で且つ予め最大許容ホップ数を８と設定した場合であり、一方、図３はノードの設置密度が高い（たとえば、ノードの設置密度が６４０個／ｋｍ²）状態で且つ１段ホップ〜４段ホップまでの各位の最大子ノード数を２５４個とし、５段ホップ以降の各位の最大子ノード数を１４とし、最大許容ホップ数を９と設定した場合である。

図２では図中の１０００個のノードについて、９９７個のノードは接続できたが、左上の丸印で囲った３つのノードが接続できていないことを示している。これらのノードの周辺のノードがすでに最大許容ホップ数になってしまっていたからと考えられる。また、図３では、図中の１０００個のノードについて、９９７個のノードは接続できたが、左下の丸印で囲った３つのノードが接続できていないことを示している。これは、これらのノードの周囲のノードがすでに最大子ノード数の子ノードを有してしまっていたからと考えられる。

これら図２及び図３のように、ノード設置密度ごとの最大許容ホップ数と接続可能なノードの数との関係においては、アドレスのサイズを変えずにホップを伸ばすと１ブランチノードに接続可能な子ノード数が減少する。そのため、ノード設置密度が高くなるにつれてブランチノードが増加し、最終的に利用可能な周波数を使い果たしてしまう。その結果、接続可能な距離にあるノードでも接続ができないノードが現れる。

このような状況を踏まえて、本実施の形態では、ノードの増加によって満たすことになるアドレス体系変更条件を満たすか否かによって、最大許容ホップ数を変更するように、アドレス体系を変更する。以下、本発明の実施の形態のクラスタ・ツリーネットワークを具体的に説明する。

図１は、本発明の実施の形態の網管理サーバの構成を示すブロック図である。網管理サーバ１１０は、送受信部１１と、ノード管理テーブル記憶部１２と、変更条件判断部１３と、アドレス体系変更部１４とを備えている。送受信部１１は、中継器との間でデータの送受信をする。送受信部１１は、通常時には、ツリー内のノードから上り送信で送られてくるデータ（例えば、検針情報等のセンサ検出値）を受信する。また、送受信部１１は、下り送信において、ツリー内の全ノード又は特定の一部のノードに対して送信データ（例えば、後述するアドレス体系変更の指示等）を送信する。特定のノードにデータを送信する場合は、送受信部１１は、送信データに送信アドレスとして当該特定のノードのアドレスを付加して送信する。送信データは、ヘッダ部とデータ部からなり、送信アドレスは送信データのヘッダ部に付与される。

ノード管理テーブル記憶部１２は、ノード管理テーブルが保存されている。ノード管理テーブルでは、クラスタ・ツリーネットワーク内のノードのノードＩＤとアドレスとが対応付けられている。図５は、ノード管理テーブルの具体例を示す図である。この例では、アドレスは、各位が１バイトで、最大許容ホップ数は７ホップであるアドレス体系を示している。

変更条件判断部１３は、アドレス体系変更条件を満たすか否かを判断する。アドレス体系変更条件については、後述する。アドレス体系変更部１４は、変更条件判断部１３にてアドレス体系変更条件を満たすと判断されたときに、一部又は全てのノードのアドレス体系を変更する。具体的には、アドレス体系変更部１４は、設置密度が高くなると、最大許容ホップ数を減少させるように、アドレス体系を変更する。アドレス体系の変更についての詳細は後述する。

図６は、ノードの構成を示すブロック図である。ノード２１０は、送受信部２１と、受信判断部２２と、アドレス更新部２３と、自アドレス記憶部２４とを備えている。送受信部２１は、下り送信の場合には、親ノードから送信データを受信して、必要な情報を抽出し、上り送信の場合には、子ノードから送信データを受信して、必要な情報を抽出する。自アドレス記憶部２４には、そのノードのアドレスが記憶されている。

受信判断部２１３は、下り送信の場合に、親ノードから受信した送信データのヘッダ部のデータに基づいて、自アドレス記憶部２１２に記憶された自己のアドレスを参照して、送信先を判断する。具体的には、自アドレスが、送信データのヘッダ部のデータのうちの上位の部分と一致しているか否か（即ち、ヘッダ部のデータに自アドレスが含まれているか否か）によって、その送信データを受信するか否かを判断する。受信判断部２１３は、自アドレスが、送信データのヘッダ部のデータのうちの上位の部分と一致している場合には、そのデータをさらに転送し、自アドレスが送信データのヘッダ部のデータと完全に一致している場合には、その送信データを自分宛のデータとして受領し、自アドレスが、送信データのヘッダ部のデータのうちの上位の部分と一致していない場合（送信データのヘッダ部に自アドレスが含まれていない場合）には、受信したデータを破棄する。

アドレス更新部２３は、自アドレス記憶部２４に記憶されている自アドレスを更新する。アドレス更新部２３によるアドレス更新については、後述する。

上述のように、本実施の形態のクラスタ・ツリーネットワークでは、アドレス体系変更条件を満たすか否かの判断に基づいて、アドレス体系を変更する。そこで、まず、変更条件判断部１３における、アドレス体系変更条件及びその条件を満たすか否の判断について説明する。

（アドレス体系変更条件の判断例１）
この例では、網管理サーバ１１０に接続される各中継器について、そのフィールドが定められる。このフィールドの情報は、ノード管理テーブル記憶部１２に記憶される。変更条件判断部１３は、中継器ごとに、ノード管理テーブル記憶部１２に記憶されたフィールドのサイズと、ノード管理テーブル記憶部１２に記憶されたノード管理テーブルに含まれるノードの台数、即ちノード設置台数とに基づいて、下式（１）によってノードの設置密度を算出する。
設置密度＝ノード設置台数／フィールドサイズ ・・・（１）
図７（ａ）は、判断例１の具体例を示す図である。図７（ａ）の例では、フィールドサイズが１ｋｍ×１ｋｍであり、ノード設置台数は４台であるので、設置密度は４台／ｋｍ²となる。なお、中継器はノードとしてはカウントしない。

変更条件判断部１３は、設置密度の閾値を保持している。変更条件判断部１３は、上式（１）によって計算した設置密度が、設置密度の閾値を上回ったときに、アドレス体系変更条件を満たしたと判断して、アドレス体系変更部１４に対してそれを通知し、アドレス体系変更部１４はアドレス体系を変更する。

（アドレス体系変更条件の判断例２）
この例は、上記判断例１の変形例であり、複数の中継器のフィールドが一部重複している場合の設置密度の判断を適切に行うものである。図７（ｂ）は、判断例２の具体例を示す図である。図７（ｂ）の例では、中継器Ｘ１のフィールドには８台のノードが含まれているが、そのうちの４台のノードは、中継器Ｘ２のフィールドにも属している。図７（ｂ）に示すように、複数の中継器のフィールドが一部重複している場合には、フィールドごとの設置台数も考慮して、下式（２）によってノードの設置密度を算出する。
設置密度＝（非重複ノード設置台数／フィールドサイズ）＋（重複ノード設置台数／重複数／フィールドサイズ） ・・・（２）

ここで、非重複ノード設置台数とは、１つの中継器のフィールドにのみ属しているノードの設置台数であり、重複ノード設置台数とは、複数の中継器のフィールドに属しているノードの設置台数である。即ち、複数の中継器のフィールドに属しているノードについては、１個のノードとはカウントせずに、他の中継器とシェアしている割合（本実施の形態では均等とする。）に応じた台数をカウントする。図７（ｂ）の例では、中継器Ｘ１のフィールドに含まれるノードのうちの４個のノードは中継器Ｘ２のフィールドにも属しており、合計２個の中継器のフィールドに属しているので、１／２個としてカウントする。

変更条件判断部１３は、設置密度の閾値を保持している。変更条件判断部１３は、上式（２）によって計算した設置密度が、設置密度の閾値を上回ったときに、アドレス体系変更条件を満たしたと判断して、アドレス体系変更部１４に対してそれを通知する。

（アドレス体系変更条件の判断例３）
この例では、ノードごとに設置密度を求める。具体的には、ノードごとに、判断例１又は判断例２による設置密度に、重み付けとして、当該ノードの接続済みの子ノード数の定数倍を付加する。即ち、変更条件判断部１３は、下式（３）によって、各ノードの設置密度を計算する。
各ノードの設置密度＝判断例１又は判断例２の設置密度＋α（接続済みの子ノード数） ・・・（３）
ここで、αは定数である。

変更条件判断部１３は、各ノードについて式（３）により設置密度を求めて、それをアドレス体系変更条件として付与されている閾値と比較する。変更条件判断部１３は、設置密度が閾値を上回るノードがあるときに、アドレス体系変更条件を満たしたと判断して、アドレス体系変更部１４に対してそれを通知する。

（アドレス体系変更条件の判断例４）
この例でも、ノードごとに設置密度を求める。具体的には、各ノードの通信半径内に含まれるノードの数から、下式（４）によって設置密度を算出する。
各ノードの設置密度＝通信半径内に含まれるノード数／通信半径 ・・・（４）
ここで、通信半径は各ノードに共通であってよく、この場合には密度判断部１３がその通信半径の情報を有していてよい。また、通信半径はノードごとに異なっていてもよく、この場合には、ノード管理テーブルにおいて、各ノードＩＤに通信半径の情報が対応付けられる。

変更条件判断部１３は、各ノードについて式（４）により設置密度を求めて、それをアドレス体系変更条件として付与されている閾値と比較する。変更条件判断部１３は、設置密度が閾値を上回るノードがあるときに、アドレス体系変更条件を満たしたと判断して、アドレス体系変更部１４に対してそれを通知する。

（アドレス体系変更条件の判断例５）
この例では、各中継器に接続されているノードの数、即ち、各中継器の子ノード数によってアドレス体系変更条件を満たすか否かを判断する。変更条件判断部１３は、ノード管理テーブル記憶部１２に記憶されたノード管理テーブルを参照することで、各中継器についてその子ノード数を取得する。そして、変更条件判断部１３は、取得した子ノード数を所定の閾値と比較する。変更条件判断部１３は、子ノード数が閾値を上回る中継器があるときに、アドレス体系変更条件を満たしたと判断して、アドレス体系変更部１４に対してそれを通知する。

次に、アドレス体系変更部１４におけるアドレス更新の処理について説明する。上述のように、本実施の形態のクラスタ・ツリーネットワークでは、最大許容ホップ数を変更するように、アドレス体系を変更する。アドレス体系変更部１４は、変更条件判断部１３がアドレス体系変更条件を満たしたと判断してその旨を通知してきたときに、アドレス体系を変更する。以下、いくつかの例を示す。

図８は、本実施の形態におけるアドレス体系の変更を示す図である。図８（ａ）は変更前のアドレス体系を示しており、図８（ｂ）は変更後のアドレス体系を示している。図８（ａ）に示すように、変更前は、各位に１バイトずつ均等にビット数が割り当てられていたが、アドレス体系変更条件を満たしたことで、アドレス体系変更部１４は、図８（ｂ）に示すように、アドレスの第２位（中継器の直下の位）を２バイトに変更する。これによって、最大許容ホップ数は１つ減ることとなり、図８（ａ）に示す変更前に７ホップであった最大許容ホップ数は６ホップに減少する。

送受信部１１は、アドレス体系変更部１４にて変更されたアドレス体系とともにアドレス更新の指示を該当する中継器を介してその下位のノードに配信する。このアドレス更新の指示を受けたノード２１０のアドレス更新部２３は、アドレスを更新して、新たなアドレスを網管理サーバ１１０に通知する。網管理サーバ１１０では、送受信部１１にてこの通知を受けて、ノード管理テーブルを更新する。

図９は、アドレス体系の変更によるアドレス更新の具体例を示す図である。図９（ａ）は変更前のアドレスを示し、図９（ｂ）は変更後のアドレスを示している。図８の例では中継器の直下の第２位のビット数が増加されたので、１段ホップ目のノードのアドレス「０１：０１：００：００：００：００：００：００」は、「０１：０００１：００：００：００：００：００」に変更される。そして、それ以下のノードについても同様に、第２位の「０１」が「０００１」に変更されるとともに、最後の位が削除される。

図１０は、アドレス体系の変更に伴う代替えを説明する図である。上記のように、アドレス体系の変更によって、各ノードの最後の位が削除されるので、このアドレス更新によって、最大許容ホップ数のノードは、その親ノードのアドレスと同じになってしまう。これを避けるために、この例のクラスタ・ツリーネットワークでは、以下のようにして、アドレスを更新する。

アドレス体系変更部１４は、全ノードに対して、ホップ数を減らすアドレス体系変更の指示を配信する。指示を受けたノード２１０のアドレス更新部２３は、次のようにしてアドレスを更新する。まず、最大許容ホップ数から２段目より上位のノード、即ち、最大許容ホップ数が７ホップであるときの６段ホップ目より上位のノード（１段ホップ目〜５段ホップ目のノード）は、図８に示すようにビットシフトして最後の位は削除することで、アドレスを更新する。

最大許容ホップ数から２段目（６段ホップ目）のノードがリーフノード（子ノードを有しないノード）である場合は、上位のノードと同様にビットシフトして最後の位を削除することで、アドレスを更新する。最大許容ホップ数から２段目（６段ホップ目）のノードがブランチノード（子ノードを有するノード）である場合は、そのノードは、元の親ノードよりも上位のノードであって接続可能な周囲のノードを探索する。

探索の結果、２段ホップ以上の子ノードを接続可能なノードがあれば、最大許容ホップ数から２段目のブランチノードは、当該接続可能なノードを新たな親ノードとする代替えを行なう。新たな親ノードは、代替えをしたノードに対して新たなアドレスを発行し、代替えをしたノードは、発行された新たなアドレスを自アドレス記憶部２４に保存する。代替えをしたノードは、子ノードに対して新たな自アドレスを通知する。通知を受けた子ノードは、代替えをした親ノードのアドレスを含むように自アドレスを更新し、自アドレス記憶部２４に保存する。

探索の結果、２段ホップ以上の子ノードを接続可能なノードがなければ、最大許容ホップ数から２段目のブランチノードは、子ノードを切り離して、自アドレスのみ、ビットシフトして最後の位を削除することで、アドレスを更新する。図１０の例では、６段ホップ目のノードＢ６は、周囲に２段ホップ以上の子ノードを接続可能なノードがなかったため、子ノードである７段ホップ目のノードＢ７を切り離して、自アドレスは、ビットシフトさせて最後の位の「００」を削除することで更新している。

探索の結果、２段ホップ以上の子ノードを接続可能なノードがない場合には、最大許容ホップ数のノード、即ち、最下位のノードは、接続可能な周囲のノードを探索し、発見した接続可能なノードを新たな親ノードとする代替えを行なう。新たな親ノードは、代替えをした最下位のノードに対して新たなアドレスを発行し、代替えをした最下位のノードは、発行された新たなアドレスを自アドレス記憶部２４に保存する。図１０の例では、最下位の７段ホップ目のノードＢ７は、接続可能な周囲のノードを探索して、５段ホップ目のノードＡ５が接続可能であったので、このノードＡ５に代替えをしている。

以上のようにして、ノードの設置密度が大きくなる等のアドレス体系変更条件を満たした場合に、最大許容ホップ数を減少させるようにアドレス体系を変更することで、接続可能なノードを増加させている。上記のようにしてアドレス体系の変更を行なった後に、さらにノード数が増加したことにより、接続できないノードが発生した場合には、最大許容ホップ数をさらに減少させるようにアドレス体系を変更する。図８の例の変更の後に、さらに最大許容ホップ数を減少させる場合には、２段ホップ目のビット数を２バイトとして、最下位である６段ホップ目を削除するように、アドレス体系を変更する。以下、同様にして、ノードの設置密度の増大に応じてアドレス体系を変更する。

以上のように、本実施の形態のクラスタ・ツリーネットワークによれば、ノードの設置密度が増大した等のアドレス体系変更条件を満たしたときに、アドレス体系を変更することで、接続可能なノードの数を増加させるので、接続可能なノードの数を増加させるために時分割送信における分割数を増やすことはなく、よって、通信速度の遅延を伴うことなく接続可能なノードの数を増加させることができる。

上記の実施の形態では、設置密度の判断例として、５つの例を説明した。以下では、設置密度の判断の更なる変形例を説明する。

（アドレス体系変更条件の判断の変形例）
変形例では、接続できない子ノードを親ノードが見つけて、網管理サーバ１１０に通知することで、網管理サーバ１１０がアドレス体系を変更する。図１１は、変形例におけるノードの構成を示すブロック図である。変形例のノード２２０は、上記の実施の形態のノード２１０の構成に加えて、子アドレス記憶部２５と更新判断部２６とを備えている。子アドレス記憶部２５には、全ての子ノードのノードＩＤとアドレスとを対応付けた子アドレステーブルが記憶されている。子アドレス記憶部２５及び子ノード追加判断部２６は、新規に追加されるノード（新規ノード）から、当該新規ノードの親ノードとなるよう要請を受けた場合、即ちノードが親ノード候補となった場合に、用いられる。

本変形例では、自アドレス記憶部２４に、自アドレスの他、アドレス情報として、自アドレスを構成する８バイトについて、「自アドレスの特徴部分開始ビット」、「自アドレスの特徴部分のビット数」、及び「子ノードのアドレスの特徴部分のビット数」が記憶されている。図１２は、アドレス情報の具体例を示す図である。図１２の例において、ノードＡ１のアドレスは、「０１：０００１：００：００：００：００：００」であり、このうちの自アドレスの特徴部分（親ノードと相違する部分）は、第２位の「０００１」である。このノードＡ１は、子ノードとしてノードＡＡ１及びノードＡＢ１を有している。

ノードＡＡ１のアドレスは、親ノードであるノードＡ１のアドレスの実効部分（ゼロでない上位の部分）を全て含む「０１：０００１：０１：００：００：００：００」である。このノードＡＡ１の自アドレスの特徴部分は、第３位の「０１」であるので、「自アドレスの特徴部分開始ビット」は、２５ビット目（８ビット×３桁＋１）である。また、「自アドレスの特徴部分のビット数」は、第３位「０１」の８ビットであり、「子ノードのアドレスの特徴部分のビット数」は、第４位「００」の８ビットである。よって、ノードＡＡ１の自アドレス記憶部２４には、自アドレスの特徴部分開始ビット：２５、自アドレスの特徴部分のビット数：８、子ノードのアドレスの特徴部分のビット数：８という情報が記憶されている。

同様に、ノードＡＢ１のアドレスは、親ノードであるノードＡ１のアドレスの実効部分（ゼロでない上位の部分）を全て含む「０１：０００１：０２：０００：００：００：０」である。このノードＡＢ１の自アドレスの特徴部分は、第３位の「０２」であるので、「自アドレスの特徴部分開始ビット」は、２５ビット目である。また、「自アドレスの特徴部分のビット数」は、第３位「０２」の８ビットであり、「子ノードのアドレスの特徴部分のビット数」は、第４位「０００」の１２ビットである。よって、ノードＡＢ１の自アドレス記憶部２４には、自アドレスの特徴部分開始ビット：２５、自アドレスの特徴部分のビット数：８、子ノードのアドレスの特徴部分のビット数：１２という情報が記憶されている。

ここで、子ノードのアドレスの特徴部分のビット数は、即ち、そのノードが持つことのできる子ノードの数（子ノード最大収容数）を表している。子ノード追加判断部２６は、アドレス更新部２３が新規ノードから親ノードとなるよう要請を受けた場合、即ち自ノードが親ノード候補となった場合に、子アドレス記憶部２５に記憶された子アドレステーブル及び自アドレス記憶部２４に記憶されたアドレス情報を参照して、新規ノードを子ノードとして追加するか否かを判断する。

具体的には、子ノード追加判断部２６は、子アドレステーブルに含まれる子ノードの数が、「子ノードのアドレスの特徴部分のビット数」によって定まる子ノード最大収容数に達しているか否かを判断する。子アドレステーブルに含まれる子ノードの数が子ノード最大収容数に達しており、新規ノードに発行できるアドレスがない場合、即ち、子ノード橙収容数の制約により新規の子ノードを追加できない場合には、アドレス更新部２３に、新規ノードを子ノードとして追加できない旨の通知をする。アドレス更新部２３は、子ノード追加部２６から子ノードの追加ができない旨の通知を受けた場合は、送受信部２１を用いて、網管理サーバ１１０に、新規ノードを子ノードとして追加できない旨を通知する。

網管理サーバ１１０の変更条件判断部１３は、この通知を受けたときに、アドレス体系変更条件を満たしたと判断して、アドレス体系変更部１４に対してそれを通知する。

一方、子ノード追加判断部２６は、子アドレス記憶部２５に記憶された子アドレステーブル及び自アドレス記憶部２４に記憶されたアドレス情報を参照して、新規ノードに発行できるアドレスがある場合には、そのアドレスを子アドレステーブルに追加するとともに、アドレス更新部２３にそのアドレスを通知する。この場合に、アドレス更新部２３は、送受信部２１を用いて、発行したアドレスを当該新規ノードに通知するとともに、網管理サーバ１１０に当該新規ノードのノードＩＤと発行したアドレスを通知する。網管理サーバ１１０の送受信部１１はこの通知を受けてノード管理テーブル記憶部１２のノード管理テーブルにこの新規ノードのアドレスを追加する。

以上のように、本変形例では、アドレス体系変更条件は、新規ノードからの親ノードの要請を親ノード候補が断ったことの通知を受けることである。このように、網管理サーバ１１０の変更条件判断部１３は、ノードから受けた通知に基づいてアドレス体系変更条件を満たすと判断してもよい。

なお、上記の実施の形態では、ノードの設置密度が高くなった場合に、該当する中継器以下の全てのノードのアドレス体系を一律に変更した。本発明はこれに限られず、クラスタ・ツリーネットワークにおけるノードの設置密度が高い一部分のみのアドレス体系を変更してもよい。即ち、上記の判断例３及び判断例４では、ノードごとに設置密度が閾値を越えたか否かを判断するので、あるノードの設置密度が閾値を超えた場合には、そのノード及びそのノードより下位のノードのアドレス体系を変更することができる。また、上記の判断の変形例では、親ノード候補から、新規ノードを子ノードとして追加できない旨の通知とともに、当該新規ノードのノードＩＤを受けることで、当該親ノード候補及びその親ノード候補より下位のノードのアドレス体系を変更することができる。

既出の図１１の例は、このようにして部分的にアドレス体系が変更された例が示されている。図１１の例において、ノードＡＡ１とノードＡＢ１とは共通の親ノードを有するが、子ノードのアドレスの特徴部分のビット数は、ノードＡＡ１が２であるのに対して、ノードＡＢ１は３である。これは、判断例３又は判断例４によってノードＡＢ１の設置密度が閾値を超えると判断されて、ノードＡＢ１及びそれより下位のノードアドレス体系が変更された結果、又は判断の変形例によってノードＡＢ１が新規ノードを子ノードとして追加できなかったことにより、ノードＡＢ１及びそれより下位のノードのアドレス体系が変更された結果である。

また、上記のように一部分のアドレス体系のみを変更する場合には、アドレス体系を変更する候補が複数上げられることがある。例えば、上記の判断の変形例において、新規ノードがある親ノード候補に親ノードとなることを断られた後に、他の親ノード候補に親ノードとなるよう要請をして、当該他の親ノード候補にも親ノードとなることを断られた場合には、それぞれの親ノード候補が網管理サーバ１１０に対して新規ノードの追加ができなかった旨の通知を送ることになる。

このような場合に、網管理サーバ１１０のアドレス体系変更部１４は、アドレス体系変更条件を満たした全てのノード及びそれより下位のノードについて、アドレス体系を変更することもできるが、アドレス体系変更条件を満たした複数のノードのいずれかを選択してアドレス体系を変更してもよい。例えば、アドレス体系変更条件を満たした複数のノードのうちの、設置密度が低いノードを選択して、アドレス体系を変更してよい。

なお、上記の説明では、ノード数が増加して設置密度が高くなるとアドレス体系を変更する例を説明したが、これと同時に、ノード数が減少して設置密度が低くなる場合にも、そのような設置密度の低下に応じてアドレス体系を変更してもよい。例えば、ノードが取り除かれる場合や、新たな中継器が設置されて、それに伴ってアドレスが更新される場合に、ノード数が減少することが考えられる。これらの場合には、例えば、ノードの設置密度が所定の閾値を下回ったときに、最大許容ホップ数を増加させるように、アドレス体系を変更してよい。また、この場合に、最大許容ホップ数を増加させるようにアドレス体系を変更か否かの判断として、上記の判断例１ないし５の判断を行なうことができる。

即ち、判断例１ないし４については、中継器以下のノードの設置密度又はノードごとの設置密度が閾値を下回った場合に、最大許容ホップ数を増加させるためのアドレス体系変更条件を満たしたと判断して、アドレス体系を変更してよい。判断例５については、中継器の直下の子ノードの数が閾値を下回った場合に、最大許容ホップ数を増加させるためのアドレス体系変更条件を満たしたと判断して、アドレス体系を変更してよい。但し、アドレス体系が頻繁に変更されることを回避するという観点からは、最大許容ホップ数を増加させるためのアドレス体系変更条件としての閾値は、最大許容ホップ数を減少させるためのアドレス体系変更条件の閾値よりも低くすることが望ましい。

なお、上記の実施の形態では、網管理サーバ１１０がノード２１０に変更されたアドレス体系及びアドレス更新の指示を送り、各ノードのアドレスの更新は各ノードで行なったが、これらのノードのアドレス更新の一部の処理を網管理サーバ１１０にて行なって、更新されたアドレスをノードに通知してもよい。例えば、上記で説明したように、一部のノードは、代替えの可能性に関係なく、ビットシフト及び最下位の削除によってアドレスを更新できるので、これらのアドレス更新は網管理サーバ１１０で行なってよい。また、網管理サーバ１１０が親ノード候補から新規ノードの追加ができなかった旨の通知を受けた場合にも、網管理サーバ１１０にて親ノード候補のアドレス体系を変更した上で、新規のノードに対して当該親ノード候補の異なるようにアドレスを付与してもよい。

本発明は、通信速度の遅延を伴うことなく接続可能なノードの数を増加させることができるという効果を有し、網管理サーバを頂点として複数のノードがツリー状に接続され、各ノードのアドレスが当該ノードまでの経路情報を含むクラスタ・ツリーネットワークにおける網管理サーバ等として有用である。

１１０ 網管理サーバ
１１ 送受信部
１２ ノード管理テーブル記憶部
１３ 変更条件判断部
１４ アドレス体系変更部
２１０ ノード
２１ 送受信部
２２ 受信判定部
２３ アドレス更新部
２４ 自アドレス記憶部
２２０ ノード
２５ 子アドレス記憶部
２６ 子ノード追加判断部

Claims (12)

1. 網管理サーバを頂点として複数のノードがツリー状に接続され、各ノードのアドレスが当該ノードまでの経路情報を含むクラスタ・ツリーネットワークであって、
   前記ノードの増加によって満たすことになるアドレス体系変更条件を満たすか否かを判断する変更条件判断部と、
   前記アドレス体系変更条件を満たすと判断したときに、最大許容ホップ数を減少させるように、前記アドレスの体系を変更するアドレス体系変更部と、
   変更された前記アドレス体系に従って前記ノードのアドレスを更新するアドレス更新部と、
   を備え、
   前記アドレス体系変更条件は、前記ノードの設置密度が所定の閾値を上回ることであることを特徴とするクラスタ・ツリーネットワーク。
2. 前記ノードの設置密度は、前記網管理サーバに直接接続されるノードである中継器のフィールド内における単位面積あたりの前記ノードの設置台数であることを特徴とする請求項１に記載のクラスタ・ツリーネットワーク。
3. 前記ノードの設置密度は、複数の前記中継器のフィールド内にある前記ノードについては、他の中継器とシェアされている割合に応じた台数をカウントして求められることを特徴とする請求項２に記載のクラスタ・ツリーネットワーク。
4. 前記ノードの設置密度は、前記ノードごとに求められることを特徴とする請求項１に記載のクラスタ・ツリーネットワーク。
5. 前記ノードごとに求められる前記ノードの設置密度は、網管理サーバに直接接続される中継器のフィールド内における単位面積あたりの前記ノードの設置台数と、当該ノードの接続済み子ノード数とに基づいて求められることを特徴とする請求項４に記載のクラスタ・ツリーネットワーク。
6. 前記ノードごとに求められる前記ノードの設置密度は、当該ノード通信半径内における単位面積あたりの前記ノードの設置台数に基づいて求められることを特徴とする請求項４に記載のクラスタ・ツリーネットワーク。
7. 網管理サーバを頂点として複数のノードがツリー状に接続され、各ノードのアドレスが当該ノードまでの経路情報を含むクラスタ・ツリーネットワークであって、
   前記ノードの増加によって満たすことになるアドレス体系変更条件を満たすか否かを判断する変更条件判断部と、
   前記アドレス体系変更条件を満たすと判断したときに、最大許容ホップ数を減少させるように、前記アドレスの体系を変更するアドレス体系変更部と、
   変更された前記アドレス体系に従って前記ノードのアドレスを更新するアドレス更新部と、
   を備え、
   前記アドレス体系変更条件は、前記網管理サーバに直接接続されるノードである中継器の子ノードの数が閾値を上回ることであることを特徴とするクラスタ・ツリーネットワーク。
8. 網管理サーバを頂点として複数のノードがツリー状に接続され、各ノードのアドレスが当該ノードまでの経路情報を含むクラスタ・ツリーネットワークであって、
   前記ノードの増加によって満たすことになるアドレス体系変更条件を満たすか否かを判断する変更条件判断部と、
   前記アドレス体系変更条件を満たすと判断したときに、最大許容ホップ数を減少させるように、前記アドレスの体系を変更するアドレス体系変更部と、
   変更された前記アドレス体系に従って前記ノードのアドレスを更新するアドレス更新部と、
   を備え、
   前記アドレス体系変更条件は、前記網管理サーバが、前記ノードから新規のノードを追加できなかった旨の通知を受けることであることを特徴とするクラスタ・ツリーネットワーク。
9. 前記アドレス体系変更部は、前記ノードのアドレスの一部の位のビット数を増加させるよう前記アドレス体系を変更し、
   前記アドレス更新部は、前記ノードのアドレスの前記一部の位のビット数を増加させ、当該一部の位のビットを下位にビットシフトし、前記アドレスの最下位のビットを削除するよう、前記アドレスを更新し、
   最大許容ホップ数の前記ノードの前記アドレス更新部は、その親ノードを変更することで、そのアドレスを更新する
   ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のクラスタ・ツリーネットワーク。
10. 前記アドレス体系変更部は、前記ノードごとに求められる前記ノードの設置密度が前記閾値を上回るノード及びそれより下位のノード、又は新規のノードを追加できなかった旨の通知をしたノード及びそれより下位のノードの前記アドレス体系を変更することを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のクラスタ・ツリーネットワーク。
11. 前記アドレス体系変更部は、新規のノードを追加できなかった旨の通知をしたノードが複数ある場合に、そのうちの設置密度の低いノード及びそれより下位のノードのアドレス体系を変更することを特徴とする請求項８に記載のクラスタ・ツリーネットワーク。
12. 網管理サーバを頂点として複数のノードがツリー状に接続され、各ノードのアドレスが当該ノードまでの経路情報を含むクラスタ・ツリーネットワークにおけるアドレス更新方法であって、
    前記ノードの増加によって満たすことになるアドレス体系変更条件を満たすか否かを判断する変更条件判断ステップと、
    前記変更条件判断ステップにて前記アドレス体系変更条件を満たすと判断したときに、最大許容ホップ数を減少させるように、前記アドレスの体系を変更するアドレス体系変更ステップと、
    変更された前記アドレスの体系に従って前記ノードのアドレスを更新するアドレス更新ステップと、
    を含み、
    前記アドレス体系変更条件は、前記ノードの設置密度が所定の閾値を上回ることであることを特徴とするアドレス更新方法。

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