JP6236839B2 - 管理装置、管理方法、及び無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、無線ネットワークの管理を行う管理装置及び管理方法、並びに当該装置を備える無線通信システムに関する。

従来から、プラントや工場等においては、高度な自動操業を実現すべく、フィールド機器と呼ばれる現場機器（測定器、操作器）と、これらの制御を行う制御装置とが通信手段を介して接続された分散制御システム（ＤＣＳ：Distributed Control System）が構築されている。このような分散制御システムの基礎をなす通信システムは、有線によって通信を行うものが殆どであったが、近年においてはＩＳＡ１００．１１ａやＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）等の産業用無線通信規格に準拠した無線通信を行うものも実現されている。

これらの無線通信規格に準拠した無線通信システムは、システムマネージャ（或いは、ネットワークマネージャ）と呼ばれる管理装置を設けて無線ネットワークを介した無線通信を行うために必要となる通信リソース（チャネルやタイムスロット等）の管理を行っている。具体的に、管理装置は、無線ネットワークを介して行われる無線通信の各々に対して互いに異なるタイムスロット及びチャネルの割り当てを行った通信スケジュールを作成し、通信リソースの割り当てが重複しないように管理している。

以下の特許文献１，２には、従来の無線通信システムにおける通信リソースの管理方法の一例が開示されている。具体的に、以下の特許文献１には、スーパーフレーム（Superframe）と呼ばれる通信テンプレートを用いて通信リソースの割り当てを行うことにより、周期的な通信スケジュールを作成する方法が開示されている。また、以下の特許文献２には、無線ネットワークでの混信を軽減する方法が開示されている。

米国特許第７５２９２１７号明細書 特開２００９−８９３７９号公報

ところで、従来の管理装置が、無線ネットワークを介して行われる無線通信の各々に対して互いに異なる通信リソースの割り当てを行うのは、無線通信の干渉を防止するためである。このため、無線通信の干渉が生じ得る状況（例えば、狭いエリアに複数の無線機器が配置されていて互いに無線信号を送受信し得る状況）において、無線通信の干渉を確実に防止するためには、全ての無線通信に対して互いに異なる通信リソースを割り当てる必要があると考えられる。

しかしながら、従来の管理装置は、無線ネットワークを介して行われる全ての無線通信に対して機械的に互いに異なる通信リソースの割り当てを行うようにしている。このため、無線通信に用いられるアンテナの指向性、無線信号の送信強度や周波数、無線機器の物理的配置等によって無線通信の干渉が生じないことが明らかな場合であっても、管理装置によって異なる通信リソースの割り当てが行われることとなる。

ここで、無線通信システムで用いることのできる通信リソースの数は有限であり、割り当て可能な通信リソースの数によって無線ネットワークに参入することができる無線機器の総数や通信速度等が制限されてしまう。従来は、干渉が生じないことが明らかな場合であっても異なる通信リソースの割り当てが行われるため、通信リソースの枯渇が生じやすく、規模の大きな無線通信システムを構築し、或いは高速な無線通信を実現することが困難であるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも通信リソースを有効活用することができ、これにより無線ネットワークに参入することができる無線機器の総数や通信速度等を向上させることが可能な管理装置、管理方法、及び無線通信システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の管理装置は、複数の無線機器（１１〜１３、２１、２２、３１、３２）によって形成される無線ネットワーク（Ｎ１）の管理を行う管理装置（４０）において、前記無線機器間に設定すべき通信リンク毎に、無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定する干渉判定部（４３ａ）と、前記干渉判定部の判定結果に応じて、チャネル及びタイムスロットを複数の通信リンクに重複して割り当てるか否かを管理する管理部（４３ｂ）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、無線機器間に設定すべき通信リンク毎の無線通信の干渉が生ずる可能性の有無が干渉判定部によって判定され、干渉判定部の判定結果に応じて、チャネル及びタイムスロットを複数の通信リンクに重複して割り当てるか否かが管理部によって管理される。
また、本発明の管理装置は、前記干渉判定部が、前記無線機器の設置位置、前記無線機器から送信される無線信号の指向性、前記無線機器から送信される無線信号の強度、及び無線通信の通信品質を示す情報の少なくとも１つを含む干渉判定用情報（ＤＴ）を用いて、前記無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定することを特徴としている。
また、本発明の管理装置は、前記干渉判定用情報を格納する格納部（４２）を備えており、前記干渉判定部が、前記格納部から読み出した前記干渉判定用情報を用いて、前記無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定することを特徴としている。
また、本発明の管理装置は、前記干渉判定用情報を収集して前記格納部に格納させる収集部（４３ｃ）を備えることを特徴としている。
また、本発明の管理装置は、前記干渉判定部が、前記干渉判定用情報に含まれる前記無線機器の設置位置、前記無線機器から送信される無線信号の指向性、及び前記無線機器から送信される無線信号の強度を示す情報を用いて無線信号の到達領域を示す二次元データを作成し、該二次元データから前記通信リンク毎の干渉の有無を示す干渉マトリクス（Ｍ）を作成し、該干渉マトリクスに基づいて前記無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定することを特徴としている。
或いは、本発明の管理装置は、前記干渉判定部が、前記干渉判定用情報に含まれる前記無線通信の通信品質を示す情報から前記通信リンク毎の干渉の有無を示す干渉マトリクス（Ｍ）を作成し、該干渉マトリクスに基づいて前記無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定することを特徴としている。
また、本発明の管理装置は、前記管理部が、前記干渉判定部によって無線通信の干渉が生ずる可能性が無いと判定された複数の通信リンクには、チャネル及びタイムスロットを重複して割り当て可能であり、前記干渉判定部によって無線通信の干渉が生ずる可能性が有ると判定された複数の通信リンクには、少なくとも何れか一方が異なるチャネル及びタイムスロットを割り当てることを特徴としている。
或いは、本発明の管理装置は、前記管理部が、前記干渉判定部によって無線通信の干渉が生ずる可能性が無いと判定された通信リンクには、既に設定済みの通信リンクに割り当てられているチャネル及びタイムスロットを重複して割り当て可能であり、前記干渉判定部によって無線通信の干渉が生ずる可能性が有ると判定された通信リンクには、既に設定済みの通信リンクに割り当てられているチャネル及びタイムスロットと少なくとも一方が異なるチャネル及びタイムスロットを割り当てることを特徴としている。
本発明の管理方法は、複数の無線機器（１１〜１３、２１、２２、３１、３２）によって形成される無線ネットワーク（Ｎ１）の管理を行う管理方法であって、前記無線機器間に設定すべき通信リンク毎に、無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定する第１ステップ（Ｓ２１）と、前記第１ステップの判定結果に応じて、チャネル及びタイムスロットを複数の通信リンクに重複して割り当てるか否かを管理する第２ステップ（Ｓ２４）とを有することを特徴としている。
本発明の無線通信システムは、無線ネットワーク（Ｎ１）を介した無線通信が可能な無線通信システム（１）において、前記無線ネットワークの管理を行う上記の何れかに記載の管理装置（４０）と、前記管理装置によって設定される通信リンクを用いて前記無線ネットワークを介した無線通信を行う複数の無線機器（１１〜１３、２１、２２、３１、３２）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の無線通信システムは、前記無線ネットワークが、少なくとも１つの前記無線機器によって形成される複数の局所無線ネットワーク（ＳＴ０〜ＳＴ２）の間が無線通信によって互いに接続されるネットワークであることを特徴としている。

本発明によれば、無線機器間に設定すべき通信リンク毎に、無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定し、この判定結果に応じて、既に設定済みの通信リンクに割り当てられているチャネル及びタイムスロットを、設定すべき通信リンクに重複して割り当てるか否かを管理装置が管理しているため、従来よりも通信リソースを有効活用することができ、これにより無線ネットワークに参入することができる無線機器の総数や通信速度等を向上させることが可能であるという効果がある。

本発明の一実施形態による無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による管理装置としてのシステムマネージャの要部構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態で用いられる干渉判定用データの一例を示す図である。 本発明の一実施形態における干渉マトリクス作成動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態で行われる二次元マップの作成原理を説明するための図である。 本発明の一実施形態で作成される二次元マップの一例を示す図である。 本発明の一実施形態で作成される干渉マトリクスの一例を示す図である。 本発明の一実施形態における通信リソース割当動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態で割り当てられる通信リソースの一例を示す図である。 本発明の一実施形態において割り当て可能な通信リソースを模式的に示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による管理装置、管理方法、及び無線通信システムについて詳細に説明する。

〈無線通信システムの全体構成〉
図１は、本発明の一実施形態による無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の無線通信システム１は、無線デバイス１１〜１３（無線機器）、無線ルータ２１，２２（無線機器）、バックボーンルータ３１，３２（無線機器）、システムマネージャ４０（管理装置）、及び端末装置５０を備えており、無線ネットワークＮ１を介した無線通信及びバックボーンネットワークＮ２を介した有線通信が可能である。この無線通信システム１は、例えばプラントや工場等（以下、これらを総称する場合には、単に「プラント」という）に構築される。

無線ネットワークＮ１は、プラントの現場に設置された無線機器（無線デバイス１１〜１３、無線ルータ２１，２２、及びバックボーンルータ３１，３２）によって実現されて、システムマネージャ４０によって管理される無線通信ネットワークである。尚、無線ネットワークＮ１を形成する無線デバイス、無線ルータ、及びバックボーンルータの数は任意である。

ここで、無線ネットワークＮ１は、少なくとも１つの無線機器によって形成される複数のサイトＳＴ０〜ＳＴ２（局所無線ネットワーク）に区分されている。例えば、サイトＳＴ１，ＳＴ２は、主に各種測定データ（例えば、温度、流量、圧力等の測定データ）の送信を行うための局所無線ネットワークであり、サイトＳＴ０は、主にサイトＳＴ１，ＳＴ２から送信される各種測定データを収集するための局所無線ネットワークである。つまり、無線ネットワークＮ１は、サイトＳＴ０を中央と見立てた場合に、サイトＳＴ０の周辺に配置されるサイトＳＴ１，ＳＴ２から送信される各種測定データを中央のサイトＳＴ０で収集可能に構成されている。

尚、図１に示す例において、サイトＳＴ０は、２つのバックボーンルータ３１，３２によって形成される。これに対し、サイトＳＴ１は、１つの無線デバイス１１と及び１つの無線ルータ２１とによって形成され、サイトＳＴ２は、２つの無線デバイス１２，１３と１つの無線ルータ２２とによって形成される。無線ネットワークＮ１は、このようなサイトＳＴ０〜ＳＴ２間が無線通信によって互いに接続されることによって形成される。

バックボーンネットワークＮ２は、無線通信システム１の基幹となる有線ネットワークであり、バックボーンルータ３１，３２、システムマネージャ４０、及び端末装置５０が接続される。尚、本実施形態では、バックボーンネットワークＮ２が有線ネットワークで実現されている例について説明するが、バックボーンネットワークＮ２は、無線ネットワークＮ１と同様に無線通信ネットワークで実現されていても良い。

無線デバイス１１〜１３は、例えば流量計や温度センサ等のセンサ機器、流量制御弁や開閉弁等のバルブ機器、ファンやモータ等のアクチュエータ機器、その他のプラントや工場に設置される無線フィールドデバイスであり、インダストリアル・オートメーション用無線通信規格であるＩＳＡ１００．１１ａに準拠した無線通信を行う。これら無線デバイス１１〜１３は、無指向性のアンテナ１１ａ〜１３ａをそれぞれ備えており、アンテナ１１ａ〜１３ａを用いて無線通信をそれぞれ行う。

無線ルータ２１，２２は、上記の無線通信規格ＩＳＡ１００．１１ａに準拠した無線通信が可能であり、無線ネットワークＮ１を介して通信されるデータを中継する。具体的に、無線ルータ２１は、バックボーンルータ３１に向けられた指向性を有するアンテナ２１ａと無指向性のアンテナ２１ｂとを備えており、無線デバイス１１とバックボーンルータ３１との間で送受信されるデータを中継する。同様に、無線ルータ２２は、バックボーンルータ３２に向けられた指向性を有するアンテナ２２ａと無指向性のアンテナ２２ｂとを備えており、無線デバイス１２，１３とバックボーンルータ３２との間で送受信されるデータを中継する。尚、これら無線ルータ２１，２２は、システムマネージャ４０の制御の下で、広告（新たな無線デバイスを無線ネットワークＮ１に参入させるために必要となる情報）を定期的に送信する。

バックボーンルータ３１，３２は、無線ネットワークＮ１とバックボーンネットワークＮ２とを接続し、例えば無線デバイス１１〜１３とシステムマネージャ４０との間で送受信される各種データの中継を行う。尚、バックボーンルータ３１，３２も上記の無線通信規格ＩＳＡ１００．１１ａに準拠した無線通信が可能である。バックボーンルータ３１は、無線ルータ２１に向けられた指向性を有するアンテナ３１ａを備えており、バックボーンルータ３２は、無線ルータ２２に向けられた指向性を有するアンテナ３２ａを備えている。

システムマネージャ４０は、無線通信システム１の管理制御を統括して行う。例えば、システムマネージャ４０は、無線ネットワークＮ１に接続される無線機器（無線デバイス１１〜１３、無線ルータ２１，２２、及びバックボーンルータ３１，３２）間に設定すべき通信リンクに対し、通信リソース（チャネル及びタイムスロット）の割り当てを行って、無線ネットワークＮ１を介したＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access：時分割多元接続）による無線通信を実現する。また、システムマネージャ４０は、新たな無線デバイスを無線ネットワークＮ１に参入させるか否かの処理も行う。尚、システムマネージャ４０の詳細は後述する。

端末装置５０は、例えば無線通信システム１の管理者（システム管理者）によって操作され、システム管理者の操作に応じた設定（例えば、システムマネージャ５０が上記の通信リソースの割り当てを行う上で必要となる情報の設定）等を行う。この端末装置５０は、例えばキーボードやポインティングデバイス等の入力装置、液晶表示装置等の表示装置を備えるパーソナルコンピュータやワークステーションにより実現される。

〈システムマネージャ４０の構成〉
図２は、本発明の一実施形態による管理装置としてのシステムマネージャの要部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、システムマネージャ４０は、通信部４１、格納部４２、及び制御部４３を備える。通信部４１は、制御部４３の制御の下で、バックボーンネットワークＮ２を介した通信を行う。

格納部４２は、例えばハードディスク等の外部記憶装置で実現され、干渉判定用データＤＴ（干渉判定用情報）及び干渉マトリクスＭ等を格納する。ここで、上記の干渉判定用データＤＴは、無線ネットワークＮ１に接続される無線機器（無線デバイス１１〜１３、無線ルータ２１，２２、及びバックボーンルータ３１，３２）間で行われる無線通信の干渉が生ずる可能性を判定する材料として用いられるデータである。また、上記の干渉マトリクスＭは、上記の干渉判定用データＤＴを用いて生成され、無線ネットワークＮ１に接続される無線機器の組み合わせ毎（アンテナの組み合わせ毎）の無線通信の干渉の有無を示すテーブルである。

図３は、本発明の一実施形態で用いられる干渉判定用データの一例を示す図である。図３（ａ）に示す干渉判定用データＤＴは、「デバイス」毎に、「座標情報」、「ＧＰＳ位置情報」、「アンテナ」、「アンテナ指向性情報」、「送信強度情報」が規定されたデータである。上記「デバイス」は、無線ネットワークＮ１に接続される無線機器を特定する情報である。尚、図３（ａ）中の「ＢＢＲ」はバックボーンルータを意味し、「ＲＴ」は無線ルータを意味する。また、図３（ｂ）中の「ＤＥＶ」は無線デバイスを意味する。

上記「座標情報」及び「ＧＰＳ位置情報」は、無線機器の設置位置を示す情報である。具体的に、上記「座標情報」は、無線機器が設置された座標（予め設定されたＸＹ座標系における設計上の座標）を示す情報であり、上記「ＧＰＳ位置情報」は、ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）で得られる無線機器が設置された位置（緯度及び経度）を示す情報である。尚、本実施形態において、上記ＸＹ座標系の原点は、便宜上、バックボーンルータ３１，３２の設置位置の中点に設定されているものとする。

上記「アンテナ」は、無線機器に設けられるアンテナを特定する情報である。尚、図３中の「ＡＮＴ」はアンテナを意味する。上記「アンテナ指向性情報」は、無線機器に設けられるアンテナの指向性を示す情報である。具体的に、この「アンテナ指向性情報」は、北を０°とした方位角及びアンテナの利得情報を含む情報である。上記「送信強度情報」は、無線機器から送信される無線信号の送信強度を示す情報である。

上記「座標情報」は、例えば無線通信システム１の管理者が端末装置５０を操作することによって設定される。上記「ＧＰＳ位置情報」は、無線ネットワークＮ１を介した無線通信によってＧＰＳ測位機能を有する無線機器から収集される。上記「アンテナ指向性情報」、「送信強度情報」は、上記「座標情報」と同様に端末装置５０により設定され、或いは上記「ＧＰＳ位置情報」と同様に無線ネットワークＮ１を介した無線通信によって各無線機器から収集される。

図３（ｂ）に示す干渉判定用データＤＴは、「送信デバイス」と「受信デバイス」との組み合わせ毎に、無線通信に用いられている「周波数（Ｃｈ）」と「通信品質情報」とが規定されたデータである。上記「送信デバイス」は、無線信号の送信元の無線機器を特定する情報であり、上記「受信デバイス」は、無線信号の送信先の無線機器を特定する情報である。上記「周波数（Ｃｈ）」は、無線通信に用いるチャネルを示す情報である。

上記「通信品質情報」は、無線通信の通信品質を示す情報である。この「通信品質情報」としては、ＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator：受信信号強度）、ＲＳＱＩ（Received Signal Quality Indicator）、ＰＥＲ（Packet Error Rate）等を用いることができる。この「通信品質情報」は、無線ネットワークＮ１を介した無線通信によって受信品質測定機能を有する無線機器から収集される。尚、受信品質測定機能を有する無線機器は、例えば、無線ルータ２１，２２から送信される広告の受信品質を測定することによって上記の「通信品質情報」を得る。

制御部４３は、システムマネージャ４０の動作を統括して制御する。例えば、無線ネットワークＮ１を介したＴＤＭＡによる無線通信を実現するために、無線ネットワークＮ１を介して無線通信を行う無線機器間に設定すべき通信リンクに対し、通信リソース（チャネル及びタイムスロット）の割り当て制御を行う。また、制御部４３は、無線ネットワークＮ１へのジョイン要求（参入要求）があった場合には、そのジョイン要求を行った無線デバイスを無線ネットワークＮ１に参入させる処理を行う。

この制御部４３は、干渉判定部４３ａ、管理部４３ｂ、及びデータ収集部４３ｃを備える。干渉判定部４３ａは、無線ネットワークＮ１を介して無線通信を行う無線機器間に設定すべき通信リンク毎に、無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定する。この干渉判定部４３ａは、格納部４２に格納された干渉判定用データＤＴを読み出し、この干渉判定用データＤＴから干渉マトリクスＭを作成し、作成した干渉マトリクスＭに基づいて無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定する。

具体的に、干渉判定部４３ａは、図３（ａ）に示す干渉判定用情報ＤＴに含まれる「座標情報」又は「ＧＰＳ位置情報」、「アンテナ指向性情報」、及び「送信強度情報」を用いて無線信号の到達領域を示す二次元マップ（二次元データ）を作成する。そして、作成した二次元マップから干渉マトリクスＭを作成し、干渉マトリクスＭに基づいて無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定する。或いは、干渉判定部４３ａは、図３（ｂ）に示す干渉判定用情報ＤＴに含まれる「通信品質情報」から直接干渉マトリクスＭを作成し、干渉マトリクスＭに基づいて無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定する。尚、上記の二次元マップ及び干渉マトリクスＭの具体的な作成方法については後述する。

管理部４３ｂは、干渉判定部４３ａの判定結果に応じて、チャネル及びタイムスロットを複数の通信リンクに重複して割り当てるか否かを管理する。具体的に、管理部４３ｂは、干渉判定部４３ａによって無線通信の干渉が生ずる可能性が無いと判定された複数の通信リンクには、チャネル及びタイムスロットを重複して割り当て可能である。これに対し、干渉判定部４３ａによって無線通信の干渉が生ずる可能性が有ると判定された複数の通信リンクには、少なくとも何れか一方が異なるチャネル及びタイムスロットを割り当てる。

例えば、管理部４３ｂは、干渉判定部４３ａの判定結果に応じて、既に設定済みの通信リンクに割り当てられているチャネル及びタイムスロットを、設定すべき通信リンクに重複して割り当てるか否かを管理する。具体的に、管理部４３ｂは、干渉判定部４３ａによって無線通信の干渉が生ずる可能性が無いと判定された通信リンクには、既に設定済みの通信リンクに割り当てられているチャネル及びタイムスロットを重複して割り当て可能である。これに対し、干渉判定部４３ａによって無線通信の干渉が生ずる可能性が有ると判定された通信リンクには、既に設定済みの通信リンクに割り当てられているチャネル及びタイムスロットと少なくとも一方が異なるチャネル及びタイムスロットを割り当てる。管理部４３ｂがこのような割り当てを行うのは、従来よりも通信リソースを有効活用するためである。

データ収集部４３ｃは、無線ネットワークＮ１を介した無線機器との無線通信によって各種データを収集する。例えば、データ収集部４３ｃは、図３（ａ）に示す干渉判定用データＤＴに含まれる「ＧＰＳ位置情報」、「アンテナ指向性情報」、「送信強度情報」を収集する。或いは、データ収集部４３ｃは、図３（ｂ）に示す干渉判定用データＤＴに含まれる「通信品質情報」を収集する。

〈無線通信システムの動作〉
次に、以上説明した無線通信システム１における通信リソースの割り当て動作について説明する。前述した通り、デバイスマネージャ４０の管理部４３ｂは、干渉判定部４３ａの判定結果に応じて、通信リソースの重複した割り当てを行うか否かを管理している。このため、通信リソースの割り当てに先だって、干渉判定部４３ａの判定に用いられる干渉マトリクスＭを作成する動作（以下、「干渉マトリクス作成動作」という）が行われ、干渉マトリクスＭの作成が完了した後に、通信リソースを実際に割り当てる動作（以下、「通信リソース割当動作」という）が行われる。以下、これらの動作を順に説明する。

《干渉マトリクス作成動作》
図４は、本発明の一実施形態における干渉マトリクス作成動作を示すフローチャートである。尚、図４に示すフローチャートの処理は、例えば無線ネットワークＮ１が構築されるタイミング、無線ネットワークＮ１が変更されるタイミング、無線ネットワークＮ１に参入する無線機器が変更されるタイミング等で開始される。

図４に示すフローチャートの処理が開始されると、まずシステムマネージャ４０に設けられた格納部４２に格納された干渉判定用データＤＴを干渉判定部４３ａに読み出す処理が制御部４３によって行われる（ステップＳ１１）。尚、ここでは、図３（ａ）に示す干渉判定用データＤＴに含まれる「デバイス」、「座標情報」、「アンテナ」、「アンテナ指向性情報」、「送信強度情報」の読み出しが行われるものとする。

次に、格納部４２から読み出された干渉判定用データＤＴを用いて無線信号の到達領域を示す二次元マップを作成する処理が干渉判定部４３ａで行われる（ステップＳ１２）。図５は、本発明の一実施形態で行われる二次元マップの作成原理を説明するための図である。無線機器から送信される無線信号の平面的な到達領域は、無線機器に設けられるアンテナの指向性によって大きく変化する。

具体的に、無線機器に設けられるアンテナが無指向性アンテナである場合には、図５（ａ）に示す通り、無線信号の到達領域は、無線機器Ｄを中心とした円形の領域で表される。これに対し、無線機器に設けられるアンテナが指向性アンテナである場合には、図５（ａ）に示す通り、無線信号の到達領域は、おおむね焦点の一方に無線機器Ｄが配置された楕円形の領域で表され、指向性が高くなるにつれて楕円率（長軸の長さと短軸の長さとの比）が大きくなる。

また、無線信号の到達距離は、無線機器から送信される無線信号の送信強度が高いほど長くなる。このため、例えば無線機器に設けられるアンテナが指向性アンテナである場合には、図５（ｂ）に示す通り、楕円形の領域で表される無線信号の到達領域は、無線信号の送信強度が高くなるにつれて大きくなる。尚、図示は省略しているが、無線機器に設けられるアンテナが無指向性アンテナである場合の無線信号の到達領域（円形の領域）も、無線信号の送信強度が高くなるにつれて大きくなる。

干渉判定部４３ａは、以上の原理を用いて、無線通信システム１に設けられる無線機器（無線デバイス１１〜１３、無線ルータ２１，２２、及びバックボーンルータ３１，３２）の各々について二次元マップを作成する処理を行う。図６は、本発明の一実施形態で作成される二次元マップの一例を示す図である。尚、図６（ａ）は、バックボーンルータ３１についての二次元マップを示す図であり、図６（ｂ）は、バックボーンルータ３２についての二次元マップを示す図である。また、図６（ｃ）は、無線ルータ２１についての二次元マップを示す図であり、図６（ｄ）は、無線ルータ２２についての二次元マップを示す図である。尚、無線デバイス１１〜１３についての二次元マップは、説明の簡単化のために図示を省略している。

二次元マップの作成処理が開始されると、まず格納部４２から読み出された干渉判定用データＤＴに含まれる「座標情報」に基づいて、「デバイス」で特定される無線機器をＸＹ座標系上に配置する処理が干渉判定部４３ａで行われる。具体的には、図６に示す通り、バックボーンルータ３１をＸ軸上の正側、バックボーンルータ３２をＸ軸上の負側、無線ルータ２１をＸＹ座標系の第３象限、無線ルータ２２をＸＹ座標系の第４象限にそれぞれ配置する処理が行われる。

次に、格納部４２から読み出された干渉判定用データＤＴに含まれる各無線機器の「アンテナ指向性情報」及び「送信強度情報」に基づいて、各無線機器から送信される無線信号の到達領域を示す二次元マップを作成する処理が干渉判定部４３ａで行われる。具体的には、図５を用いて説明した原理によって形状及び大きさが決定される無線信号の到達領域が、無線機器の配置されたＸＹ座標系上に配置されることによって二次元マップが作成される。

例えば、バックボーンルータ３１については、図６（ａ）に示す通り、バックボーンルータ３１から無線ルータ２１に向けて伸びる楕円形の到達領域Ｒ１が配置された二次元マップが作成される。同様に、バックボーンルータ３２については、図６（ｂ）に示す通り、バックボーンルータ３２から無線ルータ２２に向けて伸びる楕円形の到達領域Ｒ２が配置された二次元マップが作成される。

また、 無線ルータ２１については、図６（ｃ）に示す通り、無線ルータ２１からバックボーンルータ３１に向けて伸びる楕円形の到達領域Ｒ３ａ（アンテナ２１ａによるもの）と無線ルータ２１を中心とした円形の到達領域Ｒ３ｂ（アンテナ２１ｂによるもの）とが配置された二次元マップが作成される。同様に、無線ルータ２２については、図６（ｄ）に示す通り、無線ルータ２２からバックボーンルータ３２に向けて伸びる楕円形の到達領域Ｒ４ａ（アンテナ２２ａによるもの）と無線ルータ２２を中心とした円形の到達領域Ｒ４ｂ（アンテナ２２ｂによるもの）とが配置された二次元マップが作成される。

続いて、各無線機器について作成された二次元マップから、無線機器の組み合わせ毎の無線通信の干渉の有無を示すテーブルである干渉マトリクスＭを作成する処理が干渉判定部４３ａで行われる（ステップＳ１３）。具体的には、各無線機器について作成された二次元マップにおける無線信号の到達領域に他の無線機器が含まれるか否かに応じて無線通信の干渉の有無が判断され、この判断結果に基づいて干渉マトリクスＭが作成される。

図７は、本発明の一実施形態で作成される干渉マトリクスの一例を示す図である。図７に示す通り、干渉マトリクスＭは、「送信デバイス」（無線デバイス１１〜１３、無線ルータ２１，２２、及びバックボーンルータ３１，３２）と「受信デバイス」（無線デバイス１１〜１３、無線ルータ２１，２２、及びバックボーンルータ３１，３２）との組み合わせに応じて干渉の有無を示すテーブルである。

図６（ａ）の二次元マップを参照すると、楕円形の到達領域Ｒ１には、バックボーンルータ３１以外に無線ルータ２１が含まれている。このため、図７の干渉マトリクスＭでは、「送信デバイス」がバックボーンルータ（ＢＢＲ）３１である場合に、「受信デバイス」が無線ルータ（ＲＴ）２１のときには『干渉有り』とされており、他の無線機器のときには『干渉無し』とされている。同様に、図６（ｂ）の二次元マップを参照すると、楕円形の到達領域Ｒ２には、バックボーンルータ３２以外に無線ルータ２２が含まれている。このため、図７の干渉マトリクスＭでは、「送信デバイス」がバックボーンルータ（ＢＢＲ）３２である場合に、「受信デバイス」が無線ルータ（ＲＴ）２２のときには『干渉有り』とされており、他の無線機器のときには『干渉無し』とされている。

また、図６（ｃ）の二次元マップを参照すると、楕円形の到達領域Ｒ３ａには、無線ルータ２１以外にバックボーンルータ３１が含まれている。尚、図６（ｃ）では図示を省略しているが、円形の到達領域Ｒ３ｂには、無線ルータ２１以外に無線デバイス１１が含まれている。このため、図７の干渉マトリクスＭでは、「送信デバイス」が無線ルータ（ＲＴ）２１である場合に、「受信デバイス」がバックボーンルータ（ＢＢＲ）３１又は無線デバイス（ＤＥＶ）１１であるときには『干渉有り』とされており、他の無線機器のときには『干渉無し』とされている。

また、図６（ｄ）の二次元マップを参照すると、楕円形の到達領域Ｒ４ａには、無線ルータ２２以外にバックボーンルータ３２が含まれている。尚、図６（ｄ）では図示を省略しているが、円形の到達領域Ｒ４ｂには、無線ルータ２１以外に無線デバイス１２，１３が含まれている。このため、図７の干渉マトリクスＭでは、「送信デバイス」が無線ルータ（ＲＴ）２２である場合に、「受信デバイス」がバックボーンルータ（ＢＢＲ）３２又は無線デバイス（ＤＥＶ）１２，１３であるときには『干渉有り』とされており、他の無線機器のときには『干渉無し』とされている。

《通信リソース割当動作》
図８は、本発明の一実施形態における通信リソース割当動作を示すフローチャートである。尚、図８に示すフローチャートの処理は、上述した干渉マトリクスＭが作成された後で、制御部４３から通信リンクの設定要求があったタイミングで開始される。尚、以下では、理解を容易にするために、無線デバイス１２，１３、無線ルータ２２、及びバックボーンルータ３２間の通信リンクが既に設定されている状態で、制御部４３から無線ルータ２１とバックボーンルータ３１との間の通信リンク（バックボーンルータ３１から無線ルータ２１に無線信号を送信する通信リンク）の設定要求があった場合を例に挙げて説明する。

図８に示すフローチャートの処理が開始されると、まずシステムマネージャ４０に設けられた格納部４２に格納されている干渉マトリクスＭを参照して、設定要求のあった通信リンクについて無線通信の干渉の有無を判定する処理が干渉判定部４３ａで行われる（ステップＳ２１：第１ステップ）。具体的には、図７に示す干渉マトリクスＭが干渉判定部４３ａによって参照されて、「送信デバイス」がバックボーンルータ（ＢＢＲ）３１であって、無線機器（無線デバイス１１〜１３、無線ルータ２１，２２、及びバックボーンルータ３１，３２）の各々が「受信デバイス」であるときの干渉の有無が判定される。尚、図７に例示する干渉マトリクスＭの場合には、無線ルータ（ＲＴ）２１については「干渉有り」と判定され、他の無線機器については「干渉無し」と判定される。

次に、ステップＳ２１の判定結果に基づいて、設定すべき通信リンクと干渉が生じない無線機器を抽出する処理が管理部４３ｂで行われる（ステップＳ２２）。ここで、ステップＳ２１では、無線ルータ２１のみが「干渉有り」と判定され、無線ルータ２１以外の無線機器については「干渉無し」と判定されているため、無線ルータ２１以外の無線機器（無線デバイス１１〜１３、無線ルータ２２、及びバックボーンルータ３１，３２）が管理部４３ｂによって抽出される。

続いて、ステップＳ２２で抽出した無線機器の間に設定済みの通信リンクが有るか否かが管理部４３ｂで判断される（ステップＳ２３）。前述の通り、ここでは無線デバイス１２，１３、無線ルータ２２、及びバックボーンルータ３２間の通信リンクが既に設定されているとしているため、ステップＳ２３の判断結果は「ＹＥＳ」になる。すると、これら無線デバイス１２，１３、無線ルータ２２、及びバックボーンルータ３２間に設定されている通信リンクに割り当てられているチャネル及びタイムスロットを、設定すべき通信リンクに重複して割り当てる処理が管理部４３ｂで行われる（ステップＳ２４：第２ステップ）。

これに対し、仮にステップＳ２２で抽出した無線機器の間に設定済みの通信リンクが無いと判断された場合には、従来の同様の方法で設定すべき通信リンクに対してチャネル及びタイムスロットを割り当てる処理が管理部４３ｂで行われる（ステップＳ２５）。具体的には、既に設定されている通信リンクに割り当てられているチャネル及びタイムスロットと重複しないように、設定すべき通信リンクに対してチャネル及びタイムスロットを割り当てる処理が行われる。

図９は、本発明の一実施形態で割り当てられる通信リソースの一例を示す図である。ここで、通信リソース割当動作が開始される前においては、図９中の３つの通信リソースＱ１〜Ｑ３が既に割り当てられているものとする。尚、通信リソースＱ１は、バックボーンルータ３２から無線ルータ２２に無線信号を送信する通信リンクに割り当てられた通信リソースであり、通信リソースＱ２は、無線ルータ２２から無線デバイス１２に無線信号を送信する通信リンクに割り当てられた通信リソースであり、通信リソースＱ３は、無線デバイス１３から無線ルータ２２に無線信号を送信する通信リンクに割り当てられた通信リソースである。

図８に示すステップＳ２４の処理が行われることにより、設定すべき通信リンク（バックボーンルータ３１から無線ルータ２１に無線信号を送信する通信リンク）に対して、通信リソースＱ１〜Ｑ３の何れか（図９に示す例では、通信リソースＱ３）が重複して割り当てられる。尚、上記の通信リソースＱ１〜Ｑ３のように、重複して割り当て可能な通信リソースが複数存在する場合には、予め定められた割り当て規則や優先度に従って通信リソースの割り当てが行われる。

ここで、図１を参照すると、設定すべき通信リンク（バックボーンルータ３１から無線ルータ２１に無線信号を送信する通信リンク）と、通信リソースＱ３が先に割り当てられている通信リンク（無線デバイス１３から無線ルータ２２に無線信号を送信する通信リンク）とは物理的に離間している。このため、設定すべき通信リンクに通信リソースＱ３を重複して割り当てても無線信号の干渉が生じ得ないのが理解できる。尚、図８に示すステップＳ２５の処理が行われると、既に割り当てられている通信リソースＱ１〜Ｑ３と重複しない通信リソース（例えば、図９中の通信リソースＱ４）が設定すべき通信リンクに対して割り当てられる。

図１０は、本発明の一実施形態において割り当て可能な通信リソースを模式的に示す図である。前述の通り、本実施形態では、既に設定されている通信リンクに割り当てられているチャネル及びタイムスロットを、設定すべき通信リンクに対して重複して割り当てることが可能である。これは、図１０に示す通り、本来割り当て可能な通信リソース（図１０中の通信リソースＲＳ１）に対して、割り当て可能な通信リソース（図１０中の通信リソースＲＳ２，ＲＳ３）が新たに追加されたことと同義であるため、従来よりも通信リソースを有効活用することができる。

以上の通り、本実施形態では、無線機器間に設定すべき通信リンク毎に、無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定し、この判定結果に応じて、既に設定済みの通信リンクに割り当てられているチャネル及びタイムスロットを、設定すべき通信リンクに重複して割り当てるか否かをシステムマネージャ４０で管理している。このため、従来よりも通信リソースを有効活用することができ、これにより無線ネットワークＮ１に参入することができる無線機器の総数や通信速度等を向上させることが可能である。

つまり、本実施形態では、図１０を用いて説明した通り、本来の通信リソースＲＳ１に対して、いわば割り当て可能な通信リソースＲＳ２，ＲＳ３が新たに追加される。このため、通信リソースＲＳ１のみを用いる場合よりも多くの通信リソースＲＳ２，ＲＳ３が利用可能であり、より多くの無線機器を無線ネットワークＮ１に参加させることができる可能性がある。また、例えば本来の通信リソースＲＳ１に加えて通信リソースＲＳ２，ＲＳ３を１つの無線機器に割り当てるといった具合に、複数の通信リソースを１つの無線機器に割り当てることも可能になるため、通信速度を向上させることも可能である。

以上、本発明の一実施形態による管理装置、管理方法、及び無線通信システムについて説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、図３（ａ）に示す干渉判定用データＤＴを用いて二次元マップを作成し、この二次元マップから干渉マトリクスＭを作成する例について説明したが、図３（ｂ）に示す干渉判定用データＤＴから干渉マトリクスＭを直接作成することも可能である。また、図５，図６に示す二次元マップを作成するのではなく、無線信号の到達領域を示す二次元データ（例えば、座標データ等）を作成するようにしても良い。

また、上記実施形態では、理解を容易にするために、無線デバイス１２，１３、無線ルータ２２、及びバックボーンルータ３２間の通信リンクが既に設定されている状態で、新たな通信リンク（無線ルータ２１とバックボーンルータ３１との間の通信リンク）に対してチャネル及びタイムスロットを重複して割り当てる例について説明した。しかしながら、本発明は、例えば無線通信システム１全体を新規に構築する場合のように、複数の通信リンクに対してチャネル及びタイムスロットを同時に重複して割り当てるといったことも可能である。

また、上記実施形態では、バックボーンルータ３１，３２及びシステムマネージャ４０がそれぞれ別々の装置として実現されている例について説明した。しかしながら、これらのうちの任意の２つ以上の装置を１つの装置として実現することも可能である。また、信頼性を高めるために、システムマネージャ４０は、現用系のものと待機系のものとに二重化されていても良い。また、上記実施形態では、ＩＳＡ１００．１１ａに準拠した無線通信を行う無線通信システムを例に挙げて説明したが、本発明はＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）に準拠した無線通信を行う無線通信システムにも適用することができる。

１ 無線通信システム
１１〜１３ 無線デバイス
２１，２２ 無線ルータ
３１，３２ バックボーンルータ
４０ システムマネージャ
４２ 格納部
４３ａ 干渉判定部
４３ｂ 管理部
４３ｃ データ収集部
ＤＴ 干渉判定用情報
Ｍ 干渉マトリクス
Ｎ１ 無線ネットワーク
ＳＴ０〜ＳＴ２ サイト

Claims (9)

1. 無線ネットワークへの参入が許可された無線機器が前記無線ネットワークを介した無線通信を行うために必要なチャネル及びタイムスロットの割り当ての管理を行う管理装置において、
   前記無線ネットワークに参入している前記無線機器間に設定すべき通信リンク毎に、無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定する干渉判定部と、
   前記干渉判定部の判定結果に応じて、チャネル及びタイムスロットを複数の通信リンクに重複して割り当てるか否かを管理する管理部と
   を備え、
   前記管理部は、前記干渉判定部によって無線通信の干渉が生ずる可能性が無いと判定された通信リンクには、既に設定済みの通信リンクに割り当てられているチャネル及びタイムスロットを重複して割り当て、前記干渉判定部によって無線通信の干渉が生ずる可能性が有ると判定された通信リンクには、既に設定済みの通信リンクに割り当てられているチャネル及びタイムスロットと少なくとも一方が異なるチャネル及びタイムスロットを割り当てる
   ことを特徴とする管理装置。
2. 前記干渉判定部は、前記無線機器の設置位置、前記無線機器から送信される無線信号の指向性、前記無線機器から送信される無線信号の強度、及び無線通信の通信品質を示す情報の少なくとも１つを含む干渉判定用情報を用いて、前記無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定することを特徴とする請求項１記載の管理装置。
3. 前記干渉判定用情報を格納する格納部を備えており、
   前記干渉判定部は、前記格納部から読み出した前記干渉判定用情報を用いて、前記無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定することを特徴とする請求項２記載の管理装置。
4. 前記干渉判定用情報を収集して前記格納部に格納させる収集部を備えることを特徴とする請求項３記載の管理装置。
5. 前記干渉判定部は、前記干渉判定用情報に含まれる前記無線機器の設置位置、前記無線機器から送信される無線信号の指向性、及び前記無線機器から送信される無線信号の強度を示す情報を用いて無線信号の到達領域を示す二次元データを作成し、該二次元データから前記通信リンク毎の干渉の有無を示す干渉マトリクスを作成し、該干渉マトリクスに基づいて前記無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定することを特徴とする請求項２から請求項４の何れか一項に記載の管理装置。
6. 前記干渉判定部は、前記干渉判定用情報に含まれる前記無線通信の通信品質を示す情報から前記通信リンク毎の干渉の有無を示す干渉マトリクスを作成し、該干渉マトリクスに基づいて前記無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定することを特徴とする請求項２から請求項４の何れか一項に記載の管理装置。
7. 無線ネットワークへの参入が許可された無線機器が前記無線ネットワークを介した無線通信を行うために必要なチャネル及びタイムスロットの割り当ての管理を行う管理方法であって、
   前記無線ネットワークに参入している前記無線機器間に設定すべき通信リンク毎に、無線通信の干渉が生ずる可能性の有無を判定する第１ステップと、
   前記第１ステップの判定結果に応じて、チャネル及びタイムスロットを複数の通信リンクに重複して割り当てるか否かを管理する第２ステップと
   を有し、
   前記第２ステップは、前記第１ステップで無線通信の干渉が生ずる可能性が無いと判定された通信リンクには、既に設定済みの通信リンクに割り当てられているチャネル及びタイムスロットを重複して割り当て、前記第１ステップで無線通信の干渉が生ずる可能性が有ると判定された通信リンクには、既に設定済みの通信リンクに割り当てられているチャネル及びタイムスロットと少なくとも一方が異なるチャネル及びタイムスロットを割り当てる
   ことを特徴とする管理方法。
8. 無線ネットワークを介した無線通信が可能な無線通信システムにおいて、
   前記無線ネットワークの管理を行う請求項１から請求項６の何れか一項に記載の管理装置と、
   前記管理装置によって設定される通信リンクを用いて前記無線ネットワークを介した無線通信を行う複数の無線機器と
   を備えることを特徴とする無線通信システム。
9. 前記無線ネットワークは、少なくとも１つの前記無線機器によって形成される複数の局所無線ネットワークの間が無線通信によって互いに接続されるネットワークであることを特徴とする請求項８記載の無線通信システム。

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