JP6557619B2

JP6557619B2 - 無線通信端末機

Info

Publication number: JP6557619B2
Application number: JP2016047139A
Authority: JP
Inventors: 礼奈長山; 拓也川田
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2019-08-07
Anticipated expiration: 2036-03-10
Also published as: JP2017163396A

Description

本発明は、無線通信端末機に関する。

従来より、間欠的に無線通信可能なスリープ状態と常時無線通信可能なアクティブ状態とを切り替えて動作する複数のノードからなる無線メッシュネットワークシステムで用いられ、任意のノードで検出した事象に関する事象情報を他のノードへ無線で通知するノードであって、前記スリープ状態において、間欠的にビーコンを送信し、当該ビーコンに対する他ノードからのＡＣＫを受信するビーコン処理部と、前記アクティブ状態において、他ノードからのビーコンの受信に応じて、前記事象情報を付加したＡＣＫを返送する通信処理部と、前記ビーコン処理部における前記ＡＣＫの受信または前記事象発生に応じて、前記通信処理部を起動して前記アクティブ状態へ切り替え、前記通信処理部での前記ＡＣＫの送信から通信期間経過後に、前記ビーコン処理部を起動して前記スリープ状態へ切り替える動作切替部とを備えることを特徴とするノードがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−０８７５８３号公報

ところで、従来の無線通信用のノードは、ビーコン信号を受信してから、ビーコンを送信した他のノードとデータ通信を行う。このようにビーコン信号を用いたデータ通信は、宛先を特定して行うため、データ通信に必要な時間が長くなる。

例えば、即時性を要するデータを送信又は転送するような場合には、より短時間でデータ通信が行えることが望ましい。

そこで、短時間でデータ通信を行うことができる無線通信端末機を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の無線通信端末機は、無線通信ネットワークを構築する無線通信端末機であって、他の無線通信端末機と無線通信を行う通信部と、スリープモードとアウェイクモードを切り替えるモード切替部と、前記通信部に接続され、前記アウェイクモードにおいて前記他の無線通信端末機の通信信号を検出する検出部と、前記通信部に接続され、前記アウェイクモードにおいて前記他の無線通信端末機から送信される信号を受信する信号受信部と、前記通信部に接続され、ビーコン信号又はブロードキャスト信号を送信する信号送信部とを含み、前記信号受信部は、前記検出部によって検出される前記通信信号が前記他の無線通信端末機から送信されるブロードキャスト信号である場合は、当該ブロードキャスト信号を受信し、前記信号送信部は、前記検出部によって前記他の無線通信端末機の通信信号が検出されない場合に、前記ビーコン信号を送信し、前記モード切替部は、前記検出部によって検出される前記通信信号が前記他の無線通信端末機から送信されるブロードキャスト信号ではない場合は、前記アウェイクモードから前記スリープモードに切り替える。

短時間でデータ通信を行うことができる無線通信端末機を提供することができる。

実施の形態の無線通信端末機を示す図である。実施の形態の無線通信端末機を複数含むネットワークを概略的に示す図である。無線通信端末機の制御部が実行する処理を示すフローチャートである。ブロードキャストモードにおけるデータの流れを示すシーケンス図である。ユニキャストモードによるデータの流れを示すシーケンス図である。ブロードキャストモードによる通信とユニキャストモードによる通信との通信時間の比較結果を表す図である。

以下、本発明の無線通信端末機を適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態の無線通信端末機１００を示す図である。

無線通信端末機１００は、制御部１１０、測定部１１１、メモリ１１２、通信部１２０、モード切替部１３０、検出部１４０、信号受信部１５０、及び信号送信部１６０を含む。

ここでは一例として、無線通信端末機１００は、ガススマートメータである。無線通信端末機１００は、例えば、戸建ての住宅又は共同住宅の各住戸に設置され、無線通信ネットワークを構築する。

このような無線通信端末機１００は、図示を省略するバッテリを内蔵しており、長期間にわたってメンテナンスフリーで利用される。

制御部１１０は、無線通信端末機１００の内部での制御処理を統括する。また、制御部１１０は、測定部１１１によって測定されるガスの使用量等を表すデータと、他の無線通信端末機１００から受信したデータとをメモリ１１２に保存する。

制御部１１０は、定期的に、メモリ１１２に保存されたデータを通信部１２０を介して他の無線通信端末機１００に送信する。制御部１１０は、例えば、マイクロコンピュータ又はＣＰＵ(Central Processing Unit)チップ等のコンピュータによって構成される。

測定部１１１は、ガスの使用量等を測定するメータ又は測定装置であり、測定で得られたデータを制御部１１０に出力する。測定部１１１は、制御部１１０によって制御が行われてガスの使用量等の測定処理を行う。

メモリ１１２は、測定で得られたデータと、他の無線通信端末機１００から受信したデータとを保存する。保存されたデータは、制御部１１０によって定期的に他の無線通信端末機１００に送信される。メモリ１１２は、制御部１１０として用いられるマイクロコンピュータ又はＣＰＵチップに内蔵されていてもよい。

通信部１２０は、他の無線通信端末機１００又は基地局等とパケット形式での無線通信を行う。通信部１２０には、アンテナ１２１が接続されている。通信部１２０は、例えば、９２０ＭＨｚ帯のマルチホップ通信を行うことができるモデムである。通信部１２０には、検出部１４０、信号受信部１５０、及び信号送信部１６０が接続されている。

モード切替部１３０は、無線通信端末機１００のモードを切り替える制御部である。無線通信端末機１００のモードは、休止状態となるスリープモードと、アウェイクモードとがある。モード切替部１３０は、基本的にはスリープモードを選択し、定期的にアウェイクモードに切り替える。例えば、１秒〜５秒毎にアウェイクモードに切り替える。

モード切替部１３０は、例えば、マイクロコンピュータ又はシーケンサ等で構成される。モード切替部１３０は、制御部１１０として用いられるコンピュータに含まれていてもよい。

検出部１４０は、通信部１２０に接続されており、通信部１２０を介してキャリアセンスを行う。検出部１４０がキャリアセンスによってキャリアを検出しない場合は、信号送信部１６０がビーコン信号を送信する。

また、検出部１４０がキャリアセンスによってキャリアを検出した場合において、検出されたキャリアが他の無線通信端末機１００によって送信されたブロードキャスト信号である場合は、信号受信部１５０がブロードキャスト信号を受信する。なお、ブロードキャスト信号には、送信元の無線通信端末機１００のＩＤが含まれる。

信号受信部１５０は、検出部１４０が他の無線通信端末機１００によって送信されたブロードキャスト信号を検出すると、そのブロードキャスト信号を受信する。

また、信号受信部１５０は、検出部１４０が他の無線通信端末機１００によって送信されたビーコン信号を検出した場合に、そのビーコン信号を受信する。

信号送信部１６０は、信号受信部１５０がブロードキャスト信号を受信すると、そのブロードキャスト信号を他の無線通信端末機１００に送信する。

また、信号送信部１６０は、検出部１４０がビーコン信号を検出した場合に、制御部１１０が他の無線通信端末機１００に送信する必要のあるデータがメモリ１１２に保存されていると判定すると、そのデータをビーコン信号によって特定される他の無線通信端末機１００に送信する。

図２は、実施の形態の無線通信端末機１００を複数含むネットワークを概略的に示す図である。

図２において、端末機Ｘ１〜Ｘ１５の各々は、無線通信端末機１００によって構成される。例えば、破線の矢印で示すように、データは、端末機Ｘ１から端末機Ｘ２、Ｘ７、及びＸ１２に送信される。そして、端末機Ｘ２は、データを端末機Ｘ３、Ｘ４、及びＸ５に送信し、端末機Ｘ７は、データを端末機Ｘ６、Ｘ８、Ｘ９、及びＸ１０に送信する。また、端末機Ｘ１２は、データを端末機Ｘ１１、Ｘ１３、Ｘ１４、及びＸ１５に送信する。

このようにして、データは、マルチホップ形式ですべての無線通信端末機１００に送信される。

図３は、無線通信端末機１００の制御部１１０が実行する処理を示すフローチャートである。

ステップＳ１のスリープモードで所定時間が経過して、モード切替部１３０がアウェイクモードに切り替えると、制御部１１０は、検出部１４０にキャリアセンスを行わせる（ステップＳ１０）。

キャリアセンスは、検出部１４０と通信部１２０が協働して、アンテナ１２１で受信するキャリアがあるかどうかを確認する処理である。キャリアとしては、他の無線通信端末機１００が発信するビーコン信号、ブロードキャスト信号、データ、又はその他の信号がある。

次いで、制御部１１０は、検出部１４０がキャリアを検出したかどうかを判定する（ステップＳ２０）。

制御部１１０は、検出部１４０がキャリアを検出した（Ｓ２０：ＹＥＳ）と判定すると、検出したキャリアがブロードキャスト信号であるかどうかを判定する（ステップＳ３０）。

制御部１１０は、ブロードキャスト信号である（Ｓ３０：ＹＥＳ）と判定すると、ステップＳ３０で受信したブロードキャスト信号の送信元である他の無線通信端末機１００に、転送完了を表す信号を送信する（ステップＳ４０）。なお、送信元の無線通信端末機１００の特定は、ブロードキャスト信号に含まれるＩＤを用いて行えばよい。

次いで、制御部１１０は、ブロードキャストモードを実行する（ステップＳ５０）。ブロードキャストモードでは、制御部１１０は、信号受信部１５０にブロードキャスト信号を受信させ、さらに、信号送信部１６０に、受信したブロードキャスト信号を他の無線通信端末機１００に送信させる。

制御部１１０は、ステップＳ５０の処理が終了すると、フローをステップＳ１にリターンする。この結果、モード切替部１３０は、アウェイクモードからスリープモードに切り替える。

制御部１１０は、ステップＳ２０において、検出部１４０がキャリアを検出していない（Ｓ２０：ＮＯ）と判定すると、ビーコン信号を送信させる（ステップＳ６０）。なお、ビーコン信号が他の信号に干渉した場合は、一連の処理の中でフローが次にステップＳ６０に進行した場合に、ビーコン信号を送信すればよい。

制御部１１０は、ステップＳ６０の処理が終了すると、フローをステップＳ１にリターンする。この結果、モード切替部１３０はアウェイクモードからスリープモードに切り替える。

制御部１１０は、ステップＳ３０でブロードキャスト信号ではない（Ｓ３０：ＮＯ）と判定すると、フローをステップＳ１にリターンする。この結果、モード切替部１３０はアウェイクモードからスリープモードに切り替える。

以上の一連の処理が繰り返し実行される。

なお、検出部１４０がビーコン信号を検出した場合に、制御部１１０が他の無線通信端末機１００に送信する必要のあるデータがメモリ１１２に保存されていると判定した場合は、そのデータをビーコン信号によって特定される他の無線通信端末機１００に送信する。

このようにして他の無線通信端末機１００に送信されるデータは、例えば、ガスの使用量等を表すデータである。この送信処理は、制御部１１０がデータの送信が必要と判断したときに、図３には表示されていない割り込み処理として実行される。

図４は、ブロードキャストモードにおけるデータの流れを示すシーケンス図である。図４において、横軸方向には、端末機Ｘ１２から、端末機Ｘ１１、Ｘ１４、Ｘ１５へのデータの流れを示す。縦軸は、時間軸であり、上から下に向かって時間の経過を表す。

ブロードキャストモードでは、上述したように、信号受信部１５０がブロードキャスト信号を受信し、受信したブロードキャスト信号を信号送信部１６０が他の無線通信端末機１００に送信する。

このため、端末機Ｘ１２から送信されるブロードキャスト信号が、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４において、それぞれ、端末機Ｘ１１、Ｘ１３、Ｘ１４、Ｘ１５によって受信される。この結果、端末機Ｘ１１、Ｘ１３、Ｘ１４、Ｘ１５は、それぞれ、時刻ｔ５、ｔ６、ｔ７、ｔ８において、転送完了を表す信号を端末機Ｘ１２に送信する。

なお、各端末機は、ブロードキャスト信号を受信したときに、キャリアセンスを行うようにしてもよい。図４では、ブロードキャスト信号を示す矢印の先端に四角い印でキャリアセンスを示す。

このようにして、ブロードキャストモードによるデータの転送が行われる。ブロードキャストモードでは、受信先を特定しないブロードキャスト（同報通信）でデータが送信されるため、ビーコン信号を用いて受信先（宛先）を特定する通信方法に比べると、データ転送の所要時間を大幅に短縮できる。

なお、図４には一例として、端末機Ｘ１１、Ｘ１３、Ｘ１４、Ｘ１５がそれぞれキャリアセンスを行うタイミングが異なることにより、端末機Ｘ１２から送信されるブロードキャスト信号を端末機Ｘ１１、Ｘ１３、Ｘ１４、Ｘ１５が受信するタイミングが異なる場合のシーケンスを示す。しかしながら、端末機Ｘ１１、Ｘ１３、Ｘ１４、Ｘ１５のうちのいずれか２つ以上が同時にキャリアセンスを行った場合には、同時にキャリアセンスを行った２つ以上の端末機が同時にブロードキャスト信号を受信することになる。

図５は、ユニキャストモードによるデータの流れを示すシーケンス図である。図５に示すユニキャストモードによる通信方法は、図３のステップＳ６０でビーコン信号を送信した後に、ビーコン信号を受信した無線通信端末機１００が、他の無線通信端末機１００に送信する必要のあるデータがメモリ１１２に保存されている場合に、他の無線通信端末機１００にデータを送信するために実行する処理である。

換言すれば、例えば、図３のステップＳ６０で端末機Ｘ１１がビーコン信号を送信した後に、ビーコン信号を受信した端末機Ｘ１２が、端末機Ｘ１１に送信する必要のあるデータがメモリ１１２に保存されている場合に、端末機Ｘ１１にデータを送信するために実行する処理である。

端末機Ｘ１２は、他の端末機からビーコン信号を受信すると、ビーコン信号に含まれるＩＤを用いて、ビーコン信号を送信した端末機（相手側の端末機）を特定する。端末機Ｘ１２は、ビーコン信号による転送要求を受け取ったことを表す信号（転送要求）を相手側の端末機に送信する。この信号（転送要求）は、ユニキャスト信号を送信する合図となる信号である。

そして、端末機Ｘ１２は、ユニキャスト信号を相手側の端末機に送信する。相手側の端末機から転送が完了したことを表す信号を受信すると、端末機Ｘ１２と相手側の端末機とのユニキャストモードによるデータ通信は終了する。

このため、図５に示す通信方法で端末機Ｘ１２から端末機Ｘ１１、Ｘ１３、Ｘ１４、Ｘ１５にデータを送信する場合には、具体的には次のようになる。

まず、端末機Ｘ１２が端末機Ｘ１１にデータを送信する場合には、端末機Ｘ１２は、端末機Ｘ１１からビーコン信号を受信すると、ビーコン信号に含まれるＩＤを用いて、ビーコン信号を送信した端末機Ｘ１１を特定する。端末機Ｘ１２は、ビーコン信号による転送要求を受け取ったことを表す信号（転送要求）を端末機Ｘ１１に送信する。

そして、端末機Ｘ１２は、ユニキャスト信号を端末機Ｘ１１に送信する。端末機Ｘ１１から転送が完了したことを表す信号（転送完了）を受信すると、端末機Ｘ１２と端末機Ｘ１１とユニキャストモードによるデータ通信は終了する。

このような通信処理は、図５に示すように、端末機Ｘ１２が端末機Ｘ１３にデータを送信する場合と、端末機Ｘ１２が端末機Ｘ１４にデータを送信する場合と、端末機Ｘ１２が端末機Ｘ１５にデータを送信する場合とにおいて、同様に行われる。

ここで、図５に示す通信方法で端末機Ｘ１２から端末機Ｘ１１、Ｘ１３、Ｘ１４、Ｘ１５にデータを送信する時間と、図４に示すブロードキャストモードで端末機Ｘ１２から端末機Ｘ１１、Ｘ１３、Ｘ１４、Ｘ１５にデータを送信する時間とを比較する。

図５に示す通信方法で端末機Ｘ１２から端末機Ｘ１１、Ｘ１３、Ｘ１４、Ｘ１５にデータを送信する場合には、図４に示すブロードキャストモードで端末機Ｘ１２から端末機Ｘ１１、Ｘ１３、Ｘ１４、Ｘ１５にデータを送信する場合に比べて、通信時間が大幅に長くなる。

換言すれば、図４に示すブロードキャストモードで端末機Ｘ１２から端末機Ｘ１１、Ｘ１３、Ｘ１４、Ｘ１５にデータを送信する場合のトータルの通信時間は、図５に示す通信方法で端末機Ｘ１２から端末機Ｘ１１、Ｘ１３、Ｘ１４、Ｘ１５にデータを送信する場合のトータルの通信時間よりも、大幅に短縮化される。

これは、主に、ビーコン信号を用いたデータ通信は宛先を特定して行う必要があるのに対して、ブロードキャストモードでは、宛先を特定する必要がなく、かつ、同報通信であるため、同時に複数の端末機に送信できるからである。

ビーコン信号を用いて宛先を特定して行うデータ通信（ユニキャスト通信）は、ガスの使用量のデータのように即時性を必要としないデータを低消費電力化を図りながら確実に転送する際に非常に有効的である。

また、上述のようなブロードキャストモードによるデータ通信は、特に、即時性の必要があるデータを送信する場合に非常に有効的である。

例えば、感震器に連動してガスの供給を停止させるシステム（連動感震遮断システム）に無線通信端末機１００を組み合わせ、地震発生時にブロードキャストモードを利用して、多数の無線通信端末機１００によって構築されるネットワークを通じて、各住宅等のガス供給管の遮断弁を遮断する（閉じる）指令を表すデータを送信すれば、ネットワークに含まれる多数の無線通信端末機１００に対応する遮断弁を短時間ですべて遮断することができる。

図６は、ブロードキャストモード（図４参照）による通信と、ユニキャストモード（図５参照）による通信との通信時間の比較結果を表す図である。図６において、横軸は端末数（ネットワークに含まれる無線通信端末機１００の数）を表し、縦軸は、トータルの通信時間（秒）を表す。

ここで、ユニキャストモード（図５参照）における１シーケンスあたりの通信時間を２０ミリ秒とする。従って、端末数Ｎ（Ｎは任意の正の整数）のネットワークでは、任意の端末機がデータ送信側となる端末機とデータ通信を行う際に、他のすべての端末機のビーコン信号と干渉しない確率Ｐは、次式（１）で表される。

ここで、式（１）における通信時間は、１シーケンスあたりの通信時間であり、間欠時間は、スリープモードからアウェイクモードに切り替える期間（スリープモードの期間）を表す。

端末数Ｎが増えると、無線通信の干渉による通信エラーが生じて、再送処理が発生するため、トータルの通信時間は指数関数的に増大することが想定される。間欠時間を１秒、２秒、３秒の３段階で設定した場合に、端末数が約１００未満では、間欠時間が長い方が通信時間が長いが、端末数が約１００を超えると、間欠時間が短い方が通信時間が長くなっている。これは、無線通信の干渉による通信エラーが生じて、再送処理が発生するためであると考えられる。なお、ここでいう無線通信には、ビーコン信号、転送要求、ユニキャスト信号、転送完了が含まれる。

これに対して、ブロードキャストモードによるトータルの通信時間は、間欠時間を１秒、２秒、３秒の３段階で設定した場合に、端末数Ｎが増大しても、トータルの通信時間の増大は微増であり、ユニキャストモード（図５参照）に比べて、大幅な短縮化が得られていることが分かる。

以上、実施の形態によれば、ユニキャストモードの通信機能を備えつつ、即時性を要するデータを送信又は転送する場合に有効的なブロードキャストモードによる通信機能を備える無線通信端末機１００を提供することができる。

例えば、ガスの使用量のように、即時性を要しないデータは、ユニキャストモードの通信機能を利用して送信又は転送すればよい。この通信機能は、従来の間欠送信と同様である。

また、連動感震遮断システムによる遮断弁を遮断する（閉じる）指令を表すデータのように即時性を有するデータの場合には、ブロードキャストモードによる通信機能を利用して送信又は転送すればよい。

また、ガスの自動検針システム等に用いられる無線通信システムでは、端末機の低消費電力化を図るために、間欠受信方式又は間欠送信方式を採用している。

間欠受信方式は、各端末機が定期的に短い期間だけオン（アウェイクモード）になり、自端末を呼び出す信号の有無を判定し、アウェイクモードになる期間以外は、スリープモードになることで、低消費電力化を図る方式である。

間欠受信方式は、単一の相手（端末機）を指定して呼び出すユニキャスト通信や、周囲のすべての端末機を呼び出すブロードキャスト通信には適しているが、特定のアドレスを指定して呼び出す、１対複数のマルチキャスト通信は困難である。

また、間欠送信方式は、各端末機が定期的にビーコン信号を送信し、ビーコン信号を送信しないときはスリープモードになることで、低消費電力化を図るシステムである。

間欠送信方式は、単一の相手（端末機）を指定して呼び出すユニキャスト通信や、特定のアドレスを指定して呼び出す、1対複数のマルチキャスト通信は適しているが、ブロードキャスト通信には適していない。

実施の形態の無線通信端末機１００は、上述の間欠送信方式の機能に、キャリアセンスを行った上でブロードキャスト通信（受信と送信）を行う機能を追加し、かつ、間欠受信方式としての機能を有する。

このため、即時性を要しないデータについては、ユニキャストモードの通信機能を利用して送信又は転送することができる。また、連動感震遮断のように即時性を有するデータの場合には、ブロードキャストモードによる通信機能を利用して送信又は転送することができる。

なお、ブロードキャストモードによる通信機能は、連動感震遮断以外の即時性を有するデータに用いても有効的である。

また、以上では、測定部１１１がガスの使用量を測定する形態について説明したが、ガスに限らず、水素、水、電気等を測定する場合でも利用可能である。

以上、本発明の例示的な実施の形態の無線通信端末機について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１００無線通信端末機
１１０制御部
１１１測定部
１１２メモリ
１２０通信部
１３０モード切替部
１４０検出部
１５０信号受信部
１６０信号送信部

Claims

無線通信ネットワークを構築する無線通信端末機であって、
他の無線通信端末機と無線通信を行う通信部と、
スリープモードとアウェイクモードを切り替えるモード切替部と、
前記通信部に接続され、前記アウェイクモードにおいて前記他の無線通信端末機の通信信号を検出する検出部と、
前記通信部に接続され、前記アウェイクモードにおいて前記他の無線通信端末機から送信される信号を受信する信号受信部と、
前記通信部に接続され、ビーコン信号又はブロードキャスト信号を送信する信号送信部と
を含み、
前記信号受信部は、前記検出部によって検出される前記通信信号が前記他の無線通信端末機から送信されるブロードキャスト信号である場合は、当該ブロードキャスト信号を受信し、
前記信号送信部は、前記検出部によって前記他の無線通信端末機の通信信号が検出されない場合に、前記ビーコン信号を送信し、
前記モード切替部は、前記検出部によって検出される前記通信信号が前記他の無線通信端末機から送信されるブロードキャスト信号ではない場合は、前記アウェイクモードから前記スリープモードに切り替える、無線通信端末機。
前記信号送信部は、前記信号受信部によって受信された前記ブロードキャスト信号を前記他の無線通信端末機とは異なる他の無線通信端末機に送信する、請求項１記載の無線通信端末機。
前記検出部によって検出される前記通信信号が前記他の無線通信端末機から送信されるビーコン信号であり、他の無線通信端末機に送信するデータがメモリに保存されている場合は、前記信号送信部は、前記データを前記ビーコン信号によって特定される他の無線通信端末機に送信する、請求項１又は２記載の無線通信端末機。
前記検出部は、キャリアセンスを行うことによって前記通信信号を検出し、
前記信号送信部は、前記検出部の前記キャリアセンスによってキャリアが検出されない場合に、前記ビーコン信号を送信する、請求項１乃至３のいずれか一項記載の無線通信端末機。