JP6610355B2 - 通信端末、および、パケット転送方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサネットワークなど、空間に分散配置された多数の通信端末が、データ（パケット）を中継することで直接無線が到達しないエリアの端末と無線通信するシステムにおいて、通信端末、および通信端末を設置した対象（例：標識具）が転倒した場合に、アンテナ位置が変わることで、転倒以前の中継経路では通信できないときにも代理の中継先に転送することでロスなく中継を行う技術に関する。

マルチホップ無線ネットワークを使用したセンサネットワークの発明として、特許文献１に記載の発明がある。特許文献１の発明は、加速度センサを備えた道路標識具にマルチホップ通信が可能な無線通信機能を持たせることで、離れた位置にいる作業者に標識具が移動したこと（転倒したことも含む）を通知することを実現している。これによって、車両の衝突や強風によって標識具が転倒した場合でも、即座に作業員に転倒を通知することができ、転倒した標識具を放置してしまう危険性を低下させている。

特開２０１３−２３８０５８号公報

特許文献１に記載の発明では、標識具を転倒したことを遠方の作業者に通知する方法として、無線を用いてデータを中継するマルチホップ通信を用いている。しかしながら、車両衝突時には標識具は転倒しているため、設置させた通信端末のアンテナ高が低くなってしまい、無線で送信可能な距離が短くなってしまう。このため、転倒したことを通知するデータを送信しようと試みても、宛先端末まで無線が到達しにくいため、正しく送信できない可能性が高くなる。

そこで、上記事情に鑑みて、本発明では、複数の通信端末間でパケットを転送する際、特定の通信端末が転倒していても宛先の通信端末にパケットを確実に転送させることを目的とする。

前記課題を達成するため、本発明は、センサの値から自身の通信端末が転倒しているか否かを判定し、判定結果を出力する転倒判定部と、他の通信端末からの制御パケットを受信した場合、この制御パケットに記載されている情報を保持する端末情報保持部と、定期的に経路を維持するための制御パケットを出力し、前記転倒判定部から入力した判定結果、および、前記端末情報保持部が保持する情報、により中継先となる通信端末を選択する経路決定部と、パケットの受信とパケットの送信状況とを前記経路決定部に通知する無線部と、を備える、ことを特徴とする。

また、本発明は、複数の通信端末の間でパケットを転送するときのパケット転送方法であって、前記通信端末は、センサの値から自身の通信端末が転倒しているか否かを判定し、判定結果を出力する転倒判定ステップと、他の通信端末からの制御パケットを受信した場合、この制御パケットに記載されている情報を保持する端末情報保持ステップと、定期的に経路を維持するための制御パケットを出力し、前記転倒判定ステップにて出力された判定結果、および、前記端末情報保持ステップにて保持されている情報、により中継先となる通信端末を選択する経路決定ステップと、パケットの受信とパケットの送信状況を通知する通知ステップと、を実行する、ことを特徴とする。

本発明によれば、複数の通信端末間でパケットを転送する際、特定の通信端末が転倒していても宛先の通信端末にパケットを確実に転送させることができる。

本実施形態の通信端末の機能構成図である。 端末ｓ０〜ｓ９からなるマルチホップ通信の動作の説明図である。 端末ｓ５が有する近傍端末情報のデータ構造図である。

以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。

≪第１の実施例≫
本実施形態の通信端末は、例えば、マルチホップネットワーク構成し、各所に分散配置されている多数の通信端末のうちの１つである。なお、無線端末を、単に、「端末」と呼ぶ場合がある。
図１に示すように、本実施形態の通信端末は、転倒判定部１と、経路決定部２と、近傍端末情報保持部３（端末情報保持部）と、無線部４と、を機能部として備えている。

（転倒判定部１）
転倒判定部１は、加速度センサ、傾斜センサなどの各種センサの値から、自身の通信端末の設置状態が転倒状態であるかどうか（端的に、自身の通信端末が転倒しているか否か、と表現する場合がある）を判定する。判定の方法として、３軸の加速度センサを用いて判定する場合は、あらかじめ設置状態が正常なときに測定した重力加速度のベクトルと、所定時間経過後に測定した重力加速度のベクトルのなす角度が一定以上となったときに転倒と判定する方法がある。転倒判定部１は、こうして判定した無線端末の設置状態の情報を、判定結果として経路決定部２に通知する。

判定の方法として、加速度センサではなく、ジャイロセンサなどを使う場合は、測定した角速度から傾き量を計算して、傾き量が一定以上となったときには転倒と判定し、無線端末の設置状態の判定結果を経路決定部２に通知する。このように、本実施形態では、転倒を判定するセンサの種類は任意である。なお、無線端末は、加速度センサやジャイロセンサなどのセンサを備えている。

転倒判定部１が転倒と判定した場合には、経路決定部２で決定する経路に基づくマルチホップ通信で、加速度センサ、ジャイロセンサのセンシング情報や、転倒の判定結果（例えば、転倒状態）などを含むデータパケット（パケット）を、無線部４を介して他の通信端末に対して送信する。

（経路決定部２）
経路決定部２は、マルチホップ通信によって、宛先となる無線端末にパケットを送信するための経路を決定する。経路決定部２は、定期的に経路を維持するための制御パケット（以下、「Ｈｅｌｌｏパケット」と呼ぶ場合がある。）を出力する。Ｈｅｌｌｏパケットには、自端末のアドレス情報や、根（root）となる端末（「根ノード」「宛先端末」と呼ぶ場合がある。）まで中継するために必要な送信回数（「ホップ数」、「ホップカウント（ＨＣ（Hop Count）と呼ぶ場合がある）」）が記載されている。各端末はホップ数の最も小さい端末に中継することで、データパケットを根ノードに転送することができる。

以下の説明では、自身の通信端末の通信可能範囲内にあり、自身の無線端末が直接パケットを転送することができる端末を「近傍端末」と呼ぶ。また、近傍端末の中で最もホップ数の小さい端末を、「親端末」または、単に「親」と呼ぶ。親は複数存在する場合がある。親を選択するときには、上記のようなホップ数だけでなく、各ホップのリンク品質情報を考慮した値を用いてもよい。

経路決定部２は、パケットの中継先となる端末を選択する際のルールとして、転倒判定部１から入力した判定結果が通常状態であるときは、自身の無線端末に対して予め設定されている親端末を中継先として選択し、根ノード宛にデータ（パケット）を送信することで最短経路での中継を行う。
一方、転倒判定部１から入力した判定結果が転倒状態であるときは、（予め設定されている親端末ではなく、）近接端末の中で最も受信信号強度（以下、「ＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator）」と呼ぶ場合がある）が大きい端末（転倒状態の通信端末が最も強い信号を受信することができる端末）を中継先に選択する。

ただし、前記ルールとして、自身を親として選択している端末は、中継先の選択候補からは除外する。これは自身を親として選択している端末に中継すると、中継したデータパケットが自身に戻ってくる可能性が高いためである（ループ状態）。
また、前記ルールとして、直接は自身を親として選択していなくても、ホップ数が自身の端末より大きい端末へ中継した場合には、ループ状態になる可能性がある。このため、ＲＳＳＩ値が大きくても、ホップ数が自身より大きい端末については、中継先として選択する際の優先度を最も小さくする。

以上のルールで選択した中継先（もし複数存在する場合は１つをランダムに選択してもよい）に対して無線部４からデータを送信する。送信後、無線部４から送信失敗が通知された場合は、今回選択した中継先を除外して、再び中継先を選択して送信する動作を繰り返す。この繰り返しは送信が成功するか、送信先候補（中継先候補）が無くなるまで行う。

（近傍端末情報保持部３）
近傍端末情報保持部３は、近傍端末からのＨｅｌｌｏパケットを受信した際に、Ｈｅｌｌｏパケットに記載されている、送信元アドレス（パケットを送信した近傍端末に割り当てられているアドレス）、パケットを送信した近傍端末から根ノードに到達するまでのホップ数、近傍端末に対して設定されている親端末のアドレス、近傍端末のＲＳＳＩを保存（登録）する。経路決定部２は、パケットの中継先を決定する際に、近傍端末情報保持部３の情報（近傍端末情報）を参照することができる。

（無線部４）
無線部４は、近傍端末からのパケットの受信を経路決定部２に通知する。また、パケットの送信を行った場合は、そのパケットを正しく宛先端末に送信できたかを示す送信状況を経路決定部２に通知する。パケットの送信が成功したか否かの判定方法は、送信先（自身の端末からのパケットを受信した端末）から到達確認パケット（Ａｃｋパケット）を返信してもらうことで行う。Ａｃｋパケットが返信されない場合は、再送を行い、指定回数再送しても、Ａｃｋパケットの応答がない場合は、送信が失敗したと判断する。

[動作]
第１の実施例の動作を図２および図３で説明する。図２に示すように、マルチホップネットワークを構成する端末ｓ０〜ｓ９が分散して配置されている。端末ｓ０〜ｓ９は、図１に示す各種機能部を備えた標識具である。端末ｓ０〜ｓ９にはそれぞれ、アドレス0000〜0009が割り当てられている。また、図２には、端末ｓ０〜ｓ９のＨＣが示されている。端末ｓ０はマルチホップネットワークの根となる端末であり、それ以外の端末ｓ１〜ｓ９はセンシングした情報を端末ｓ０宛に送信する。以下では、アドレス0005が割り当てられた端末ｓ５を対象として動作を説明する。図３には、端末ｓ５の近傍端末情報保持部３に保持されている近傍端末情報の詳細が示されている。

図２中の破線の楕円は、端末ｓ５が無線で直接通信できる範囲、つまり通信可能範囲Ｅを示しており、端末ｓ５の近傍端末は、通信可能範囲Ｅ内に存在する端末ｓ２〜ｓ４，ｓ６〜ｓ８となる。また、図３に示すように、端末ｓ５の（近傍端末情報保持部３に保持されている）近傍端末情報には、通信可能範囲Ｅ内にある端末ｓ２〜ｓ４，ｓ６〜ｓ８について、「アドレス」と、「ＨＣ」と、「ＲＳＳＩ」と、「親」と、「優先順位」とが登録されている。

「アドレス」には、端末ｓ２〜ｓ４，ｓ６〜ｓ８の各々に割り当てられているアドレスが格納されている。
「ＨＣ」には、端末ｓ２〜ｓ４，ｓ６〜ｓ８の各々から宛先となる端末ｓ０までのホップ数が格納されている。
「ＲＳＳＩ」には、端末ｓ２〜ｓ４，ｓ６〜ｓ８の各々の受信信号強度の値が格納されている。
「親」には、端末ｓ２〜ｓ４，ｓ６〜ｓ８の各々に対して設定されている親端末に割り当てられているアドレスの値が格納されている。
「優先順位」には、端末ｓ５が転倒状態になったときに、端末ｓ５から転送されるパケットの中継先となる端末に設定された優先度が格納される。優先度の数値が小さいほど優先順位が高いことを示す。

端末ｓ５は、近傍端末とＨｅｌｌｏパケットを交換して、近傍端末の中で最もホップカウントの小さい端末ｓ３（ＨＣ＝１）を親として選択する。ここで、端末ｓ２もホップカウントは１で端末ｓ３と同じであるが、ＲＳＳＩ値がより大きな値を示す端末ｓ３を親として決定する。なお、ＨＣが同じであれば、端末ｓ５がＨｅｌｌｏパケットを受信することの先着順で親を決定してもよい。例えば、端末ｓ２からのＨｅｌｌｏパケットが、端末ｓ３からのＨｅｌｌｏパケットよりも早く端末ｓ５に到達すれば、端末ｓ２を親としてもよい。

端末ｓ５が転倒していない状態（通常状態）で端末ｓ０宛にセンシングデータ（パケット）を送信する場合には、端末ｓ５の経路決定部２は、親である端末ｓ３を中継先として選択して送信する。また、端末ｓ３は、さらに端末ｓ０に中継する（図２の破線の曲線矢印で示すルート参照）。

一方、端末ｓ５が転倒している場合には、転倒判定部１が転倒状態を通知しているため、端末ｓ５は、近傍端末情報保持部３を参照して、親である端末ｓ３にデータを送信せずにＲＳＳＩ値が最も高い端末ｓ４にデータを送信する。端末ｓ４に正しく送信できた場合は、端末ｓ４は転倒状態ではないため、中継先として（端末ｓ４にとっての）親端末である端末ｓ１に送信し、端末ｓ１も同様に（端末ｓ１にとっての）親である端末ｓ０に中継する（図２の実線の曲線矢印で示すルート参照）。

このときに、端末ｓ５から端末ｓ４への送信が失敗した場合には、経路決定部２は、近傍端末情報保持部３を参照して、次の中継先として、端末ｓ４の次にＲＳＳＩの高い（端末ｓ４の１つ下の優先順位をとる）端末ｓ６に送信する。

端末ｓ６宛の送信も失敗した場合には、図３によれば、ＲＳＳＩのみに注目して、ＲＳＳＩの高い順で判断すると端末ｓ７を中継先としてしまう。しかし、端末ｓ７のホップカウント（ＨＣ＝２）は、端末ｓ５のホップカウント（ＨＣ＝２）よりも大きいため、優先度を下げて（優先順位は５）中継先を選択する。結果的には、端末ｓ３，ｓ２，ｓ７の順で中継先を選択する。なお、図３によれば、端末ｓ８は、自身の端末ｓ５を親として選択しており、端末ｓ８を中継先としても自身の端末ｓ５にパケットが戻ってきてしまうため、選択肢から除外している。

第１の実施例によれば、センサでの通信端末の転倒状態を判定して、転倒状態であるときは中継経路を切り替えてマルチホップ通信するように制御する。これにより、転倒によってアンテナ高が低くなり、無線の有効通信範囲が狭くなることで、転倒前の経路では通信できない状況においても、正常にマルチホップ通信することが可能となる。そのため、標識具の転倒情報など、緊急性の高いデータを送信する場合に有効である。
このように、複数の通信端末間でパケットを転送する際、特定の通信端末が転倒していても宛先の通信端末にパケットを確実に転送させることができる。

≪第２の実施例≫
本発明の第２の実施例の動作を示す。第２の実施例では、第１の実施例との相違点について主に説明する。第２の実施例は、第１の実施例と経路決定部２の動作が異なる。

経路決定部２が、Ｈｅｌｌｏパケットに基づき根ノードまでの中継経路を作成する動作、および、転倒判定部１からの通知が転倒状態でないときの動作は、第１の実施例と同じである。

第２の実施例では、自身の通信端末が転倒状態と判定された場合は、近傍端末情報保持部３の情報によらず、次の中継先の宛先をブロードキャストアドレスに設定して送信する点が異なる。
また、他の通信端末から中継されるパケット（中継パケット）の受信時の動作に関しても、ブロードキャストアドレスでの中継パケットを受信した場合には、経路決定部２は、送信元アドレスが割り当てられた通信端末のホップカウントを近傍端末情報保持部３から参照し、自端末のホップカウントとの差によってランダムジッタを加えて中継を行う。
具体的には、送信元の通信端末のホップカウントが自身の通信端末のホップカウント以上である場合にはランダムジッタを短く設定し、逆に、自身の通信端末のホップカウントよりも小さい場合にはランダムジッタを長く設定する。これにより、最終宛先である根ノードに近い端末が先に中継できるようになる。
もし、ランダムジッタを設定しない場合には、送信元の通信端末からパケットを受信した複数の通信端末は、根ノードへ同時に中継を行い、その結果、中継したパケット同士が衝突してロスが発生する確率が高くなるという問題がある。そこで、送信元の通信端末からパケットを受信した複数の通信端末は、根ノードへの中継に対して乱数を用いて意図的に待ち時間を決定する。
各通信端末のホップカウントは、根ノードからの距離に相当するので、送信元の通信端末とのホップカウントの差に基づいて、根ノードに近い通信端末が先に送信するように、中継パケットを送信するまでのランダムジッタを設定する。
送信元の通信端末よりもホップカウントが大きくなる通信端末は、根ノードから遠い位置にある。そのため、送信元の通信端末よりもホップカウントが同じかそれよりも小さくなる通信端末が中継を行うよりも、根ノードまでパケットを送信する遅延は長くなる。
そこで、送信元の通信端末よりもホップカウントが大きくなる通信端末については、待ち時間の乱数の幅を長くし、待ち時間が長めになるようにランダムジッタを長く設定する。また、送信元の通信端末よりもホップカウントが同じかそれよりも小さくなる通信端末については、待ち時間の乱数の幅を短くし、待ち時間が短めになるようにランダムジッタを短く設定する。これにより、送信元の通信端末よりもホップカウントが同じかそれよりも小さくなる通信端末が根ノードへの中継を先に行い、その中継が失敗したとしても、送信元の通信端末よりもホップカウントが大きくなる通信端末による中継が後で実行されるという動作が期待され、根ノードへの通信を確実に実現することができる。

もし、ブロードキャストに反応して中継を行う端末が多く存在する場合には、ホップカウントが自端末よりも小さい端末からのパケットを中継しないようにすることで、中継を行う端末の数を減らすことができ、通信が衝突するリスクをより低減させることができる。

[動作]
第２の実施例の動作を図２および図３で説明する。第２の実施例の動作において、端末ｓ５が転倒していないときの動作は第１の実施例の場合と同様である。

端末ｓ５が転倒している場合には転倒判定部１が転倒状態を通知しているため、端末ｓ０宛のパケットの中継先としてブロードキャストアドレスを選択して送信する。
端末ｓ５から送信されたパケットは、端末ｓ５が転倒状態でなければ、端末ｓ２〜ｓ８が受信可能であるが、転倒によってアンテナ高が低くなっているため、通信可能範囲Ｅのうち有効に通信を行うことができるエリアが小さくなり、結果的には、端末ｓ４，ｓ６，ｓ７がこのブロードキャストを受信したとする。

図３に示すように、端末ｓ５（送信元の通信端末）のホップカウントは２であるため、ホップカウントが２である端末ｓ４，ｓ６（送信元の通信端末よりもホップカウントが同じかそれよりも小さくなる通信端末）は、短いランダムジッタの後にこのデータを中継し、ホップカウントが３である端末ｓ７（送信元の通信端末よりもホップカウントが大きくなる通信端末）は、長いランダムジッタの後にデータを中継する。つまり、端末ｓ７よりも端末ｓ４，ｓ６が早く中継を行うことになる。ここで、第１の実施例と比較して、中継する通信端末が非常に多くなる環境では、ホップカウントの大きい端末ｓ７は、送信自体を控える動作としてもよい。

第１の実施例の場合と異なり、第２の実施例では複数の通信端末が中継を行うため、最終宛先となる端末ｓ０には同じパケットが複数届くことになる。この重複したパケットを判別したい場合には、端末ｓ５が送信するパケットに対し、送信ごとにインクリメントするシーケンスナンバを付与することで、重複したパケットであるかどうかを判別できる。

第１の実施例では、転倒状態においても中継できる端末を順に探す動作となっていたが、第２の実施例によれば、一度のブロードキャストで送信し、受信できた端末が中継を行うため、中継可能な端末を探すために発生する遅延を小さくできる。

上記の実施形態は、本発明を好適に実施するための例であり、本発明の要旨を変更しない範囲において、種々変形することが可能である。

また、本実施形態で説明した種々の技術を適宜組み合わせた技術を実現することもできる。また、本実施形態で説明したソフトウェア構成をハードウェアとして実現することもできる。その他、ハードウェア、ソフトウェア等の具体的な構成について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

１ 転倒判定部
２ 経路決定部
３ 近傍端末情報保持部（端末情報保持部）
４ 無線部

Claims (9)

1. センサの値から自身の通信端末が転倒しているか否かを判定し、判定結果を出力する転倒判定部と、
   他の通信端末からの制御パケットを受信した場合、この制御パケットに記載されている情報を保持する端末情報保持部と、
   定期的に経路を維持するための制御パケットを出力し、前記転倒判定部から入力した判定結果、および、前記端末情報保持部が保持する情報、により中継先となる通信端末を選択する経路決定部と、
   パケットの受信とパケットの送信状況とを前記経路決定部に通知する無線部と、を備える、
   ことを特徴とする通信端末。
2. 請求項１に記載の通信端末であって、
   前記判定結果が転倒状態である場合には、前記経路決定部は、前記端末情報保持部が保持する情報である、前記他の通信端末の受信信号強度、宛先端末までのホップカウント、親端末のアドレス情報のうち少なくとも１つに基づいて、前記経路の優先順位を決定する、
   ことを特徴とする通信端末。
3. 請求項２に記載の通信端末であって、
   前記経路決定部は、前記受信信号強度の最も大きい通信端末を優先して選択する、
   ことを特徴とする通信端末。
4. 請求項２に記載の通信端末であって、
   前記経路決定部は、前記自身の通信端末のホップカウントよりも大きい通信端末の優先度を下げて、前記中継先となる通信端末を選択する、
   ことを特徴とする通信端末。
5. 請求項２に記載の通信端末であって、
   前記経路決定部は、前記自身の通信端末を前記親端末として選択している通信端末を除いて、前記中継先となる通信端末を選択する、
   ことを特徴とする通信端末。
6. 請求項１に記載の通信端末であって、
   前記判定結果が転倒状態である場合には、前記経路決定部は、根ノードとなる通信端末宛のパケットの前記中継先のアドレスをブロードキャストアドレスとする、
   ことを特徴とする通信端末。
7. 請求項６に記載の通信端末であって、
   前記ブロードキャストアドレスを中継先のアドレスとするパケットを受信した場合には、前記経路決定部は、前記端末情報保持部が保持する情報である送信元となる通信端末のホップカウントに応じてランダムジッタの長さを設定したり、または、パケットを中継するか否かを判定したりする、
   ことを特徴とする通信端末。
8. 請求項７に記載の通信端末であって、
   前記経路決定部は、前記端末情報保持部が保持する情報である送信元の通信端末のホップカウントが、前記端末情報保持部が保持する情報である自身の通信端末のホップカウント以上であるときは前記ランダムジッタを短く設定し、前記自身の通信端末のホップカウントよりも小さいときは前記ランダムジッタを長く設定する、
   ことを特徴とする通信端末。
9. 複数の通信端末の間でパケットを転送するときのパケット転送方法であって、
   前記通信端末は、
   センサの値から自身の通信端末が転倒しているか否かを判定し、判定結果を出力する転倒判定ステップと、
   他の通信端末からの制御パケットを受信した場合、この制御パケットに記載されている情報を保持する端末情報保持ステップと、
   定期的に経路を維持するための制御パケットを出力し、前記転倒判定ステップにて出力された判定結果、および、前記端末情報保持ステップにて保持されている情報、により中継先となる通信端末を選択する経路決定ステップと、
   パケットの受信とパケットの送信状況を通知する通知ステップと、を実行する、
   ことを特徴とするパケット転送方法。

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