JP6766892B2 - 無線通信システムの管理ノードおよび無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の通信ノードによって構成される無線通信システムの管理ノードおよび無線通信システムに関する。

従来、複数の通信ノードによって構成される無線通信システムがある（例えば、特許文献１）。特許文献１の無線通信システムは、２以上のノードによって構成される。無線通信システムは、当該無線通信システムを管理する管理ノード（コーディネータ）を含む。管理ノードは、無線通信システム内の他のノードにデータの転送を行なう中継ノード（コーディネータまたはルータ）ごとに、当該中継ノードと直接通信するノードとによって構成されるグループを設定し、無線通信システムの各ノードにおける通信強度を取得する。管理ノードは、無線通信システムのノードのうち、取得手段が取得した通信強度が所定の強度を下回ったノードが属する特定のグループのノードに、中継ノードへと機能を変更してネットワークを再構築する指示を出力する。

なお、本明細書では、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）規格での呼称に従い、センサやアクチュエータとして動作する終点無線ノードをエンドデバイス、情報を中継する無線ノードをルータ、情報を集約する無線ノードをコーディネータと称する。

特開２０１４−８６７７６号公報

特許文献１の無線通信システムに限らず一般的な無線通信システムでは、エンドデバイスから発信される無線通信について、受信可能距離には制限がある。このため、コーディネータが直接受信することができない場所に配置されたエンドデバイスから通信を受信するためには、エンドデバイスとコーディネータ間にルータを配置する必要がある。

従来、ルータは手動で設定することが一般的であったところ、受信可能距離は障害物の有無等、環境に左右されるため、適切なルータの配置場所、配置数を定めることは難しく、作業者のノウハウが必要となる。また、ルータは転送動作を伴うことから消費電力が大きくなるので、できるだけ少なくすることが望まれる。特に無線ノードを電池駆動とする場合にルータは短寿命となるので、その数が少なくなる方が管理やメンテナンスの上でも望ましい。

そこで、本発明は、できるだけ少ないルータを有し、ルータの配置場所、配置数が最適化された無線通信システムを自動的に構成する管理ノード、およびそのような管理ノードを含む無線通信システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る無線通信システムの管理ノードは、データを中継しない第１のモードとデータを中継する第２のモードとを指示に応じて切り替えて動作する複数の通信ノードで構成された無線通信システムの管理ノードであって、前記管理ノードからの無線通信距離がｎホップ（ｎは自然数）までの通信ノードが判明しているとき、無線通信距離がｎホップである通信ノードのうち、無線通信距離が判明している前記通信ノードに含まれない最多数の通信ノードと直接通信可能な通信ノードに対し、前記第２のモードで動作するよう指示する。

この構成によれば、コーディネータからｎホップまでの無線通信距離にある通信ノードが判明しているとき、まだ無線通信距離が判明していない（言い換えれば、ネットワークに未接続の）最多数の通信ノードと直接通信可能な通信ノードがルータに設定される。設定されるルータは、最多数の通信ノードを、無線通信距離がｎ＋１ホップの通信ノードとして無線通信システムに接続するので、できるだけ少ないルータを有し、ルータの配置場所、配置数が最適化された無線通信システムを自動的に構成することが可能になる。

また、前記管理ノードは、前記管理ノードと直接通信可能な通信ノードを、無線通信距離が１ホップの通信ノードとして分類する第１の処理を行った後、無線通信距離が分類されている中でホップ数が最大の１以上の通信ノードである第１通信ノードのうち、無線通信距離がまだ分類されていない最多数の第２通信ノードと直接通信可能な第１通信ノードに対し、前記第２のモードで動作するよう指示し、前記最多数の前記第２通信ノードを、無線通信距離が前記第１通信ノードのホップ数より大きいホップ数の通信ノードとして分類する第２の処理を、無線通信距離が分類されていない通信ノードがなくなるまで、実行してもよい。

この構成によれば、前述の処理を繰り返すことによって、無線通信距離ごとに最多数の通信ノードを無線通信システムに接続していくので、できるだけ少ないルータを有し、ルータの配置場所、配置数が最適化された無線通信システムを自動的に構成することができる。

また、前記管理ノードは、前記第１の処理において、ビーコン信号を発信し、前記ビーコン信号に応答した通信ノードを、無線通信距離が１ホップの通信ノードとして分類し、前記第２の処理において、前記１以上の第１通信ノードに対しビーコン信号の発信を指示し、前記１以上の第１通信ノードの各々から前記ビーコン信号に応答した通信ノードの一覧情報を取得し、前記一覧情報に含まれかつ無線通信距離がまだ分類されていない通信ノードの個数が最多の第１通信ノードに対し、前記第２のモードで動作するよう指示してもよい。

この構成によれば、直接通信可能か否かをビーコン信号で特定できるので、現場での伝搬状況を反映した適切な通信ノードが、ルータとして設定される。そのため、例えば、人手で伝搬状況を測定しながらルータを設定する作業と比べて、大幅な自動化および省力化が達成される。

また、前記第１通信ノードが複数あるとき、前記管理ノードは、１つの第１通信ノードに対しビーコン信号の発信を指示した後、前記ビーコン信号への応答信号を前記１つの第１通信ノードから受信してから、他の第１通信ノードに対しビーコン信号の発信を指示してもよい。

この構成によれば、ビーコン信号の発信および応答信号の受信を通信ノードごとに逐次に行うので、無線信号の輻輳が起こりにくくなる。

また、前記第１通信ノードが複数あるとき、前記管理ノードは、１つの第１通信ノードに対しビーコン信号の発信を指示した後、前記ビーコン信号への応答信号を前記１つの第１通信ノードから受信する前に、他の第１通信ノードに対しビーコン信号の発信を指示してもよい。

この構成によれば、ビーコン信号の発信および応答信号の受信を複数の通信ノードで並行して行うので、信号の送受信にかかる所要時間を短縮しやすくなる。

また、前記管理ノードは、所定の条件が満たされると、前記複数の通信ノードを前記第１のモードにした後、前記第２のモードを指示する処理を最初からやり直してもよい。

この構成によれば、一度設定したルーティングが、通信ノードの故障などにより、機能しなくなった場合に、ルーティングをやり直すことができる。

また、本発明の一態様にかかる無線通信システムは、データを中継しない第１のモードとデータを中継する第２のモードとを指示に応じて切り替えて動作する複数の通信ノードと、前記複数の通信ノードのうちの少なくとも１つに、前記第２のモードで動作するよう指示する前述した管理ノードと、を備える。

この構成によれば、管理ノードによって、無線通信距離ごとに最多数の通信ノードが無線通信システムに接続されていくことにより、できるだけ少ないルータを有し、ルータの配置場所、配置数が最適化された無線通信システムを自動的に構成することができる。

また、前記複数の通信ノードの各々は、周期的に起動し、起動時に前記管理ノードとの時刻同期を行うとともに、所定の接続待ち時間待機する間欠動作を行い、通常動作時の接続待ち時間をＡ、間欠動作の起動間隔をＢ、初期設定時および接続が切れたときの接続待ち時間をＣ、設置にかかる期間をＤ、クロック精度をＸとして、Ａ≧ＢＸ、および、Ｃ≧（Ｂ＋Ｄ）Ｘを満たしてもよい。

この構成によれば、初期状態（設置作業中でルーティングがなされる前）と、通常動作時（設置作業が完了しルーティングがなされた後）とで、それぞれ適した接続待ち時間を設けることにより各通信ノードの管理ノードとの時刻同期を適切に行うことができる。これにより、通信ノードを間欠動作させながら時刻同期を取ることができるので、通信ノードの省電力化を実現することができる。

本発明の無線通信システムの管理ノードおよび無線通信システムによれば、管理ノードからの無線通信距離ごとに最多数の通信ノードを無線通信システムに接続していく。これにより、できるだけ少ないルータを有し、ルータの配置場所、配置数が最適化された無線通信システムを自動的に構成できる。

図１は、一般的なノードの機能的な構成の一例を示すブロック図である。 図２は、一般的なコーディネータの機能的な構成の一例を示すブロック図である。 図３は、メッシュトポロジーの無線通信システムの一例を示す概念図である。 図４は、ツリートポロジーの無線通信システムの一例を示す概念図である。 図５は、ノードおよびコーディネータの配置例を示す模式図である。 図６Ａは、フラッディングによるルーティング結果の一例を示す図である。 図６Ｂは、人手によるルーティング結果の一例を示す図である。 図７は、実施の形態１に係るルーティング処理の一例を示すフローチャートである。 図８Ａは、実施の形態１に係るルーティング処理の一具体例を示すシーケンスチャートである。 図８Ｂは、実施の形態１に係るルーティング処理の一具体例を示すシーケンスチャートである。 図８Ｃは、実施の形態１に係るルーティング処理の一具体例を示すシーケンスチャートである。 図９Ａは、実施の形態１に係るルーティング処理の進行状況を示す模式図である。 図９Ｂは、実施の形態１に係るルーティング処理の進行状況を示す模式図である。 図９Ｃは、実施の形態１に係るルーティング処理の進行状況を示す模式図である。 図９Ｄは、実施の形態１に係るルーティング処理の進行状況を示す模式図である。 図９Ｅは、実施の形態１に係るルーティング処理の進行状況を示す模式図である。 図９Ｆは、実施の形態１に係るルーティング処理の進行状況を示す模式図である。 図９Ｇは、実施の形態１に係るルーティング処理の進行状況を示す模式図である。 図９Ｈは、実施の形態１に係るルーティング処理の進行状況を示す模式図である。 図９Ｉは、実施の形態１に係るルーティング処理の進行状況を示す模式図である。 図９Ｊは、実施の形態１に係るルーティング処理の進行状況を示す模式図である。 図９Ｋは、実施の形態１に係るルーティング処理の進行状況を示す模式図である。 図９Ｌは、実施の形態１に係るルーティング処理の進行状況を示す模式図である。 図１０は、実施の形態１に係るルーティング処理によって構成されるツリーネットワークの一例を示す図である。 図１１は、実施の形態１に係るルーティング処理によって構成されるメッシュネットワークの一例を示す図である。 図１２は、実施の形態１に係るルーティング処理によって故障ノードを除外して構成されたメッシュネットワークの一例を示す図である。 図１３は、実施の形態１に係るルーティング処理によって障害物を迂回して構成されたメッシュネットワークの一例を示す図である。 図１４Ａは、実施の形態２に係るルーティング処理の一具体例を示すシーケンスチャートである。 図１４Ｂは、実施の形態２に係るルーティング処理の一具体例を示すシーケンスチャートである。 図１５は、実施の形態２に係る効率化を実施したメッシュネットワークの一例を示す図である。 図１６は、実施の形態２に係る効率化を実施したメッシュネットワークの一例を示す図である。 図１７は、実施の形態２に係る効率化を実施したメッシュネットワークの一例を示す図である。 図１８Ａは、実施の形態３に係るノードの間欠動作を説明する図である。 図１８Ｂは、実施の形態３に係るノードの間欠動作を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、ステップ、及びステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面に示される構成要素の大きさ又は大きさの比は、必ずしも厳密ではない。

（実施の形態１）
実施の形態１に係る無線通信システムは、管理ノード（コーディネータ）と、初期状態がエンドデバイス（データの中継を行わない第１のモード）である複数の通信ノード（単にノードとも言う）とから構成された無線通信ネットワークである。エンドデバイスは、指示に応じて、ルータ（データの中継を行う第２のモード）に切り替わって動作することができる。

コーディネータは、コーディネータからのホップ数で表される無線通信距離ごとに、より遠くにある最多数のノードと直接接続可能なノードをルータに設定していくことで、ルータの配置場所、配置数が最適化された無線通信システムを自動的に構成する。

以下では、便宜のため、一般的な無線通信システムおよびノードの構成について説明し、その後、コーディネータによる特徴的なルーティング処理について詳細に説明する。

図１は、一般的なノードの機能的な構成の一例を示すブロック図である。図１に示されるように、ノード１０は、通信回路１１、アンテナ１６、およびＩ／Ｆ（インタフェース）１７を備え、エンドデバイスおよびルータの何れとしても動作することができる。

ノード１０は、例えば、センサやアクチュエータ等の外部機器の通信アダプタとして、測定結果や制御用のデータの送受信に用いられる。

通信回路１１は、送受信部１２、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１３、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１４、およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１５を有している。

送受信部１２は、例えば、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）等の無線通信規格に従って、アンテナ１６を用いて、無線信号（無線周波数の電磁波）を送受する。

ＣＰＵ１３に接続されたＲＯＭ１４には、通信回路制御プログラムが書き込まれている。ＲＡＭ１５は通信回路制御プログラムが動作するためのメモリ領域である。ＲＡＭ１５には、ノード１０がエンドデバイスおよびルータの何れとして動作するかを指定する動作モード情報が保持されていてもよい。通信回路制御プログラムは、ＲＡＭ１５に保持される動作モード情報に従って、ノード１０をエンドデバイスまたはルータとして動作させる。

Ｉ／Ｆ１７は、例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）等の有線または無線通信規格に従って、センサやアクチュエータ等の外部機器との間で、データの送受信を行う。

図２は、一般的なコーディネータの機能的な構成の一例を示すブロック図である。図２に示されるように、コーディネータ２０は、ノード１０のＩ／Ｆ１８を変更し、かつ網制御部２１を追加して構成される。

コーディネータ２０は、例えば、外部機器の測定結果や制御用のデータを、ノード１０とインターネットやサーバとの間で中継するゲートウェイとして用いられる。

Ｉ／Ｆ１８は、例えば、イーサネット（登録商標）等の有線または無線通信規格に従って、インターネットまたはサーバとの間で、データを送受信する。

網制御部２１は、コーディネータ２０を含む無線通信ネットワークと、インターネットまたはサーバとの間でデータを中継するブロードバンドルータである。

複数のノード１０およびコーディネータ２０を用いることにより、大出力、高感度な基地局やアクセスポイントを配置せず、小出力の通信機で大規模な無線通信システムを構築することができる。そのような無線通信システムは、メッシュやツリーのトポロジー構成のマルチホップネットワークとして構築される。

図３は、メッシュトポロジーの無線通信システムの一例を示す概念図である。

図４は、ツリートポロジーの無線通信システムの一例を示す概念図である。

図３、４では、通信経路を２つのノード１０を結ぶ実線で表している。また、エンドデバイスとして動作するノード１０を白色の矩形で表し、ルータとして動作するノード１０を薄い灰色の矩形で表し、コーディネータ２０を濃い灰色の矩形で表している。エンドデバイス、ルータ、およびコーディネータのこのような色分けは、他の図でも適宜用いられる。図３、４の無線通信システム１、２は、例えば、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）等の無線通信規格に従って構成される。

ノード１０は、例えば、センサやアクチュエータの通信アダプタとして、センサの測定結果やアクチュエータの制御用のデータの送受信に用いられる。ノード１０は、コーディネータ２０からの指示に従って、データを中継しないエンドデバイス（第１のモード）と、データを中継するルータ（第２のモード）とを切り替わって動作することができる。

コーディネータ２０は、無線通信システム１、２における通信経路（図３、４のノード１０間の実線）を設定し、設定した通信経路を表す経路表を、各ノード１０へ配布する。ルータとして動作するノード１０は、経路表に従って、データを中継する。

無線通信システム１、２は、ゲートウェイとしてのコーディネータ２０を介してインターネット４０またはサーバ３０に接続され、センサの測定データを収集するセンサネットワークや、アクチュエータの駆動制御を行う制御ネットワークとして用いられる。なお、サーバ３０は、無線通信システム１、２内に配置するようにしてもよい。

図５は、ノード１０およびコーディネータ２０の配置例を示す模式図である。図５では、個々のノード１０を英字Ａ〜Ｌで区別している。図５を参照して、コーディネータ２０によって従来行われている一般的なルーティング処理を、比較例として説明する。

例えば、センサネットワークにおいて一般的に行われる、フラッディングによるルーティングでは、コーディネータ２０は、調査用信号をブロードキャスト送信する。調査用信号は、直接通信可能なノード１０間で転送されていき（フラッディング）、無線通信ネットワーク全体に行き渡る。ノード１０は、受信した調査用信号の送信元のノード１０をルータとして記録することにより、ルーティングが行われる。ノード１０は、記録されたルータへセンサデータを送信することで、センサデータは、調査用信号の経路を逆方向に転送されてコーディネータ２０へ到達する。

図６Ａは、フラッディングによるルーティング結果の一例を示す図である。図６Ａに示されるように、フラッディングによるルーティングを行った場合、調査用信号を転送したノード１０が全てルータとなるため、ルータが過剰に設定され易く、ホップ数が少ない効率的な経路を得ることが難しい。

手作業によってルータ数を削減することは可能であるが、ルータとして動作させるノードの選定や配置には、現場での伝搬状況確認などのノウハウが必要となり、定型的な手順はない。

図６Ｂは、人手によるルーティング結果の一例を示す図である。図６Ｂに示されるように、人手による場合、無線接続の安定性を重視して、コーディネータ２０からノード１０へ至る経路の途中に全てルータを配置することが多い。ルータをさらに削減するためには、無線接続の安定性が維持されるように現場での伝搬状態の確認が必要になるなど、複雑で困難な作業が必要となる。

このような事情に鑑み、本発明者らは鋭意検討の結果、できるだけ少ないルータを有し、ルータの配置場所、配置数が最適化された無線通信システムを自動的に構成できるルーティング処理、およびそのようなルーティング処理を実行するコーディネータを考案した。

図７は、実施の形態に係るルーティング処理の一例を示すフローチャートである。図７のフローチャートは、コーディネータ２０からのホップ数で表される無線通信距離ごとに、より遠くにある最多数のノードと直接接続可能なノードをルータとして設定していく処理を表している。

当該ルーティング処理は、例えば、第１の処理と第２の処理とで構成されてもよい。

第１の処理では、コーディネータ２０と直接通信可能な通信ノードが、無線通信距離が１ホップの通信ノードとして分類される。

第２の処理では、無線通信距離が分類されている中でホップ数が最大の１以上の通信ノードである第１通信ノードのうち、無線通信距離がまだ分類されていない最多数の第２通信ノードと直接通信可能な第１通信ノードが、第２のモードで動作するよう指示される。また、前記最多数の前記第２通信ノードは、無線通信距離が前記第１通信ノードのホップ数より大きいホップ数の通信ノードとして分類される。第２の処理は、無線通信距離が分類されていない通信ノードがなくなるまで実行される。

直接接続可能なノードの判定には、例えば、調査用のビーコン信号が用いられる。なお、以下の説明および図示では、簡潔のため、無線通信距離を短く距離と言い、無線通信距離の単位であるホップを省略することがある。

図８Ａ〜図８Ｃは、図７のルーティング処理の一具体例を、図５のノード配置に対応して示すシーケンスチャートである。図８Ａ〜図８Ｃでは、図の上から下へ向かって時間の経過を表している。

図９Ａ〜図９Ｌは、図７のルーティング処理の進行状況を、図５のノード配置に対応して示す模式図である。図９Ａ〜図９Ｌでは、ビーコン信号の到達範囲を太破線で示し、距離が判明していないノードを点線円で示し、距離が判明しているノードを、距離ごとに異なる線種の円で示している。また、エンドポイントとして動作するノード１０を白色の円で示し、ルータとして動作するノード１０を薄い灰色の円で示し、コーディネータ２０を濃い灰色の円で示している。

図７、図８Ａ〜図８Ｃ、図９Ａ〜図９Ｌを参照しながら、説明を続ける。

まず、コーディネータ２０と直接通信可能なノードを特定し（図７のＳ１１）、特定されたノードを、距離が１のノードとして分類する（図７のＳ１２）。ここで、図７のＳ１１〜Ｓ１２の処理が、第１の処理の一例である。

具体例として、コーディネータ２０は、調査用のビーコン信号をブロードキャスト送信する（図８ＡのＳ１１）。ビーコン信号は、ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅで受信され（図９Ａ）、ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅは、ビーコン信号に対する返答信号を送信する。ここで、返答信号のセットがビーコン信号に応答したノードの一覧情報の一例である。

返答信号は、単純に、ビーコン信号が正常に受信できたことの確認でもよい。また、ビーコン信号が所定の受信信号品質を有していること（例えば信号強度ＲＳＳＩや信号対雑音比Ｓ／Ｎが所定の値以上であることなど）を判定して返答信号を送信してもよい。また、返答信号には、返答信号を送信するノードの識別子を含み、さらに受信信号品質などの追加情報を付加してもよい。

コーディネータ２０は、ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅからの返答信号を受信する。コーディネータ２０は、返答信号に基づいて、コーディネータ２０とノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅとが直接通信可能であると特定する。

コーディネータ２０は、ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅを、距離が１のノードとして分類する（図８ＡのＳ１２）。ここで、分類するとは、ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅの識別子を距離値１と対応付けて、コーディネータ２０のＲＡＭ１５に記録することであってもよい。図９Ａ〜図９Ｌでは、距離が１のノードを太実線円で示している。

次に、ループカウンタｉが１に初期化され（図７のＳ１３）、ループ処理が実行される（図７のＳ１４〜Ｓ１９）。ここで、図７のＳ１４〜Ｓ１９の処理が、第２の処理の一例である。

ループ処理では、まず、距離がｉのノード（つまり、無線通信距離が分類されている中でホップ数が最大の第１通信ノード）の各々と直接通信可能なノードが特定される（図７のＳ１４）。

ループ処理の１回目のイテレーションにおける具体例として、コーディネータ２０は、距離が１であるノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅの各々に、ビーコン発信を指示する（図８ＢのＳ１４）。ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅの各々は、ビーコン発信指示を受信すると、調査用のビーコン信号をブロードキャスト送信する。

ノードＡが発信したビーコン信号は、ノードＢ、Ｄ、Ｅで受信され（図９Ｂ）、ノードＢ、Ｄ、Ｅは、ビーコン信号が受信されたことを示す返答信号を送信する。ノードＡは、ノードＢ、Ｄ、Ｅから返答信号を受信し、コーディネータ２０へ転送する。コーディネータ２０は、ノードＡから転送された返答信号に基づいて、ノードＡとノードＢ、Ｄ、Ｅとが直接通信可能であると特定する。

同様に、ノードＢのビーコン信号は、ノードＡ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆで受信され（図９Ｃ）、ノードＣのビーコン信号は、ノードＢ、Ｅ、Ｆで受信され（図９Ｄ）、ノードＥのビーコン信号は、ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉで受信される（図９Ｅ）。ノードＢ、Ｃ、Ｅは、それぞれのビーコン信号に対する返答信号を受信し、コーディネータ２０へ転送する。

コーディネータ２０は、転送された返答信号に基づいて、ノードＢとノードＡ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆとが直接通信可能であり、ノードＣとノードＢ、Ｅ、Ｆとが直接通信可能であり、ノードＥとノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉとが直接通信可能であると特定する。

次に、距離がｉのノードの各々について、前記ノードと直接通信可能なノードのうち、距離がまだ分類されていないノード（つまり、第２通信ノード）の個数である追加接続数が計数される（図７のＳ１５）。

１回目のイテレーションでは、ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅが距離１のノードとして分類されている。そのため、ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅの各々について、調査用のビーコン信号に返答したノードからノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅを除いたノードの個数が追加接続数として計数される（図８ＢのＳ１５）。その結果、ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅの追加接続数は、それぞれ１、２、１、５と求まる。

最多の追加接続数が０であれば（図７のＳ１６でＹＥＳ）、それ以上無線通信ネットワークに接続させるノードがない（言い換えれば、距離が分類されていないノードがなくなった）ので、ルーティング処理を終了する。

最多の追加接続数が０でなければ（図７のＳ１６でＮＯ）、最多の追加接続数が求まったノードに対し第２のモードを指示し（図７のＳ１７）、当該ノードと直接通信可能でかつ距離がまだ分類されていないノードを、距離がｉ＋１のノードとして分類する（図７のＳ１８）。

具体例では、コーディネータ２０は、最多の追加接続数５が計数されたノードＥへ第２のモードへの切替指示を送信し、ノードＥがルータになる（図８ＢのＳ１７）。このとき、コーディネータ２０は、ノードＥに対し、ルータとしてノードＤ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉと接続するよう指示する。この指示は、通信経路を表す経路表に対応する。

コーディネータ２０は、ノードＤ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉを、距離が２のノードとして分類する（図８ＢのＳ１８）。ここで、分類するとは、ノードＤ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉの識別子を距離値２と対応付けて、コーディネータ２０のＲＡＭ１５に記録することであってもよい。図９Ｆ〜図９Ｌでは、距離が２のノードを二重円で示している。

また、図示はしていないが、ノードＡ、Ｂ、Ｃのいずれかが、ノードＥと直接通信可能でないノードＺと直接通信可能な場合があり得る。その場合、ノードＥに加えて、ノードＺと直接通信可能なノードノードＡ、Ｂ、またはＣもルータに設定することで、ノードＺへの信号経路を確保できる。

ループカウンタｉがインクリメントされ（図７のＳ１９）、ループ処理が続行される。

ループ処理の２回目のイテレーションにおける具体例として、コーディネータ２０は、距離が２であるノードＤ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉの各々に、ビーコン発信を指示する（図８ＣのＳ１４）。１回目のイテレーションと同様に、ノードＤ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉは、調査用のビーコン信号をブロードキャスト送信し（図９Ｇ〜図９Ｋ）、返答信号により、ノードＤ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉの各々と直接通信可能なノードが特定される。

２回目のイテレーションでは、ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅが距離１のノードとして分類され、ノードＤ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉが距離２のノードとして分類されている。そのため、ノードＤ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉの各々について、調査用のビーコン信号に返答したノードからノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉを除いたノードの個数が追加接続数として計数される（図８ＣのＳ１５）。その結果、ノードＤ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉの追加接続数は、それぞれ０、０、２、３、２と求まる。

コーディネータ２０は、最多の追加接続数３が計数されたノードＨへ第２のモードへの切替指示を送信し、ノードＨがルータになる（図８ＣのＳ１７）。このとき、コーディネータ２０は、ノードＨに対し、ルータとしてノードＪ、Ｋ、Ｌと接続するよう指示する。この指示は、通信経路を表す経路表に対応する。

コーディネータ２０は、ノードＪ、Ｋ、Ｌを、距離が３のノードとして分類する（図８ＣのＳ１８）。ここで、分類するとは、ノードＪ、Ｋ、Ｌの識別子を距離値３と対応付けて、コーディネータ２０のＲＡＭ１５に記録することであってもよい。図９Ｌでは、距離が３のノードを細実線円で示している。

ノードＡ〜ノードＬが無線通信ネットワークを構成するすべてのノードであるとあらかじめ分かっている場合、この時点でルーティング処理を終了してもよい。図７のフローチャートに従う場合、３回目のイテレーションにおいて、ノードＪ、Ｋ、Ｌと直接通信可能なノードを特定し、ノードＪ、Ｋ、Ｌの追加接続数を求め、最多の追加接続数が０であることによって、ルーティング処理を終了してもよい。

以上の手順を経て、図１０に示すツリーネットワークが構成される。

以上説明したルーティング処理によれば、コーディネータ２０からｎホップまでの無線通信距離にある通信ノードが判明しているとき、まだ無線通信距離が判明していない（言い換えれば、ネットワークに未接続の）最多数の通信ノードと直接通信可能なノード１０がルータに設定される。設定されるルータは、最多数の通信ノードを、無線通信距離がｎ＋１ホップの通信ノードとして無線通信システムに接続するので、できるだけ少ないルータを有し、ルータの配置場所、配置数が最適化された無線通信システムを自動的に構成することが可能になる。

また、直接通信可能か否かを調査用のビーコン信号で特定するので、現場での伝搬状況を反映した適切な通信ノードが、ルータとして設定される。そのため、例えば、人手で伝搬状況を測定しながらルータを設定する作業と比べて、大幅な自動化および省力化が達成される。

また、１つのノードに対しビーコン信号の発信を指示した後、前記ビーコン信号への応答信号を前記１つのノードから受信してから、他のノードに対しビーコン信号の発信を指示するので、ビーコン信号および応答信号の輻輳が起こりにくくなる。

なお、上述のルーティング処理は、次のような変形が可能である。

例えば、図７のＳ１７において、第２のモードを指示したノードに対し、メッシュネットワークを構成するための接続を指示してもよい。

具体例では、１回目のイテレーション（図８ＢのＳ１７）において、コーディネータ２０は、ノードＥに対し、ノードＤ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉに加えて、ノードＡ、Ｂ、Ｃと接続するよう指示してもよい。

また、２回目のイテレーション（図８ＣのＳ１７）において、コーディネータ２０は、ノードＨに対し、ノードＪ、Ｋ、Ｌに加えて、ノードＤ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｉと接続するよう指示してもよい。

これらにより、図１１に示すメッシュネットワークを構成することができる。

また、上述のルーティング処理は、ノードの故障や障害物がある環境においても、ルータの配置場所、配置数が最適化された無線通信システムを自動的に構成できる。

コーディネータ２０は、センサデータの欠損や、アクチュエータ設定への応答検知により、ノードおよびその接続先からの応答がないことを検知することができる。

コーディネータ２０は、ノードおよびその接続先からの応答の途絶を検知すると、自身から直接接続できるノードおよびそのときにルータに設定されているノードを全てエンドデバイス（つまり、第１のモード）に設定した上で、上述のルーティング処理を再度最初から行ってもよい。これにより、応答が途絶したノードを除外して適切な信号経路が再設定される。ここで、ノードおよびその接続先からの応答の途絶は、ルーティング処理を最初からやり直すための条件の一例である。

例えば、図５の配置例において、ノードＥおよびその接続先からの応答がないことをコーディネータ２０が検知した場合を考える。この場合、ルーティング処理を再度最初から行うことで、図１２のような、ノードＥを除外したメッシュネットワークを自動的に構成することができる。

また、図５の配置例において、ノードＤおよびノードＥとノードＧおよびノードＨとの直接通信を妨げる壁などの障害物が存在する場合を考える。この場合でも、上記のルーティング処理によれば、調査用のビーコン信号を用いて、ノードＤおよびノードＥとノードＧおよびノードＨとが直接通信可能でないことを特定できる。そのため、図１３のような、障害物５１を迂回したメッシュネットワークを自動的に構成することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２では、直接通信可能なノードを特定するための調査用のビーコン信号の発信方法の変形について説明する。

図１４Ａ、図１４Ｂは、図７のルーティング処理の一具体例を、図５に対応して示すシーケンスチャートである。図１４Ａ、図１４Ｂのシーケンスチャートは、それぞれ図８Ｂ、図８Ｃに示されるシーケンスチャートを次のように変更してなる。すなわち、図１４Ａ、図１４ＢのＳ１４ａが、１つのノードに対しビーコン信号の発信を指示した後、前記ビーコン信号への応答信号を前記１つのノードから受信する前に、他のノードに対しビーコン信号の発信を指示するように変更される。

なお、各ノードは、例えばＣＳＭＡ／ＣＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ／Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）などの混信防止機能を用いた調停のもとにビーコン信号および返答信号を送信するものとする。

これにより、ビーコン信号の発信および応答信号の受信を複数のノードで並行して行うことが可能となり、ビーコン信号による直接通信可能か否かの特定に要する時間を短縮しやすくなる。

図１４Ａ、図１４Ｂのシーケンスチャートに従って、ビーコン信号の発信および応答信号の受信を複数のノードで並行して行っても、実施の形態１と同一のネットワークが得られる。例えば、図５の配置例に対応して、具体的に、図１０に示したツリーネットワークや、図１１に示したメッシュネットワークが構成される。

コーディネータ２０は、各接続情報に基づいて、ネットワークを効率化することができる。ここで、効率化とは、ネットワーク中の通信経路を削除して、より効率的な構成のネットワークを得ることを言う。以下では、コーディネータ２０によるネットワークの効率化の一例について説明する。

図１５は、効率化を実施したメッシュネットワークの接続の一例を示す図である。これによると、例えばノードＡからルータＥを経由してコーディネータに至るルートを用いないなど、ルータが故障した場合に接続ができなくなる、すなわち冗長さに意味の無いルートを除去している。

図１６は、ノードＥが故障した場合のルーティングの一例である図１２のルーティングを効率化したものであり、図１２からルータ数を削減するとともに冗長ルートを排除することで、ツリーネットワークが構築できている。

図１７は、壁などの障害物があった場合のルーティングの一例である図１３のルーティングを効率化したものであり、図１３から冗長ルートを排除することで構成されている。

なお、実施の形態１および実施の形態２では、ネットワークの構築制御を行うコントローラ機能を全てコーディネータ２０に持たせたが、この例には限られない。例えば、コントローラ機能の一部または全部をコーディネータ２０と直接または間接に接続するサーバで行ってもよい。特に、インターネットを経由したクラウドサーバにルーティングの最適化機能など、柔軟なアップデートを行いたい機能を持たせることで、アルゴリズムの発展に対応したシステムを構築することが可能になる。

（実施の形態３）
実施の形態３では、ノード１０の間欠動作について説明する。

ノード１０を電池駆動する場合の消費電力の低減を目的として、全てのノード１０を同期して間欠的に動作させることがある。例えば、センサネットワークにおいて、ネットワーク内のすべてのノードを、周期的に設けられるセンサデータの収集期間にのみ動作させる場合が該当する。ネットワーク全体を間欠的に動作させる場合、すべてのノードが同期して、同時に動作する必要があることから、ノード間の時刻同期が検討される。

ノード１０には、ＲＴＣ（リアルタイムクロック）等の時刻機構があり、ルーティングが完了した時点で全てのノード１０の時刻は一致していると考える。また、ノード１０の時刻には、クロック精度Ｘを限度とする誤差が生じると考える。

間欠動作の起動周期をＢとすると、ノード１０の時刻は間欠動作の１周期あたり最大でＢＸずれる。例えば、起動周期Ｂが１日（＝８６４００秒）で、クロック精度Ｘが±５０ｐｐｍの場合、１つのノード１０で生じ得る時刻の誤差は±４．３２秒、ノード１０間での最大ずれ幅は８．６４秒になる。

間欠動作の１回あたりの通信は通常１０ミリ秒以下で完了すると考える。この通信時間内にノード１０はコーディネータ２０との時刻同期を行うことができるものとする。

このとき、起動周期Ｂおよびクロック精度Ｘに対し、間欠動作の各回の起動時にノード１０が接続待ちをするための接続待ち時間Ａを、Ａ≧ＢＸを満たすように設定する。

図１８Ａに示すように、上述の条件を満たせば、間欠動作の１周期のうちに２つのノード１０の時刻が最大限ずれたとしても、間欠動作の次の周期においてすべてのノード１０が同時に接続待ちをしている期間Ｔ（図１８Ａの灰色で示した期間、Ｔ＝Ａ−ＢＸ）が存在するので、ネットワーク全体での接続を確立することができる。

次に、初期設定時、および接続が切れた場合の再設定時について考える。

初期設定（設置施工）または故障修理（メンテナンスを含む）にかかる最大の期間をＤとすると、ノード１０の時刻は、期間Ｄあたり最大でＤＸずれる。例えば、期間Ｄが１０日間（＝８６４０００秒）で、クロック精度が±５０ｐｐｍの場合、１つのノード１０で生じ得る時刻の誤差は±４３．２秒、ノード１０間での最大ずれ幅は８６．４秒になる。

図１８Ｂに示すように、同期が取れているネットワークへ、未接続のまま期間Ｄが経過した端末が接続するには、上述と同様の考え方に基づき、未接続端末の接続待ち時間Ｃを、Ｃ≧Ａ＋ＤＸを満たすように設定すればよい。Ａ≧ＢＸを用いて、Ｃ≧（Ｂ＋Ｄ）Ｘを満たすとしてもよい。具体的には、Ｃの値は９５．０４秒以上、丸めると９６秒以上になる。

これにより、ノード１０を起動する時にコーディネータ２０との時刻合わせを行う無線ノード設定機器を用いるとともに、通信接続時にタイミング同期を取るとすれば、上記ＡおよびＣだけの接続待ち時間を持たせることによって通信を確立することができ、ルータを含む間欠動作が可能になる。

なお、以上では簡単のためＲＴＣ等による時刻同期を前提としたが、動作間隔に対応する接続待ち時間が確保されればよいので、例えば、内部クロックを用いたカウンタをリセットする方法によって同期を図ってもよい。すなわち、この方法によれば、時刻を保持する回路を持たなくても同期した間欠動作をすることができる。

（変形例）
以上、本発明の実施の形態に係る無線通信システムの管理ノード及び無線通信システムについて説明したが、本発明は、個々の実施の形態には限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つ又は複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

本発明は、無線通信システムの管理ノード及び無線通信システムとして、センサネットワークやアクチュエータの制御ネットワークなどの各種用途の無線ネットワークに広く利用できる。

１、２ 無線通信システム
１０ ノード
１１ 通信回路
１２ 送受信部
１３ ＣＰＵ
１４ ＲＯＭ
１５ ＲＡＭ
１６ アンテナ
１７、１８ Ｉ／Ｆ
２０ コーディネータ
２１ 網制御部
３０ サーバ
４０ インターネット
５１ 障害物

Claims (7)

1. データを中継しない第１のモードとデータを中継する第２のモードとを指示に応じて切り替えて動作する複数の通信ノードで構成された無線通信システムの管理ノードであって、
   前記管理ノードからの無線通信距離がｎホップ（ｎは自然数）までの通信ノードが判明しているとき、無線通信距離がｎホップである通信ノードのうち、無線通信距離が判明している前記通信ノードに含まれない最多数の通信ノードと直接通信可能な通信ノードに対し、前記第２のモードで動作するよう指示し、
   前記管理ノードと直接通信可能な通信ノードを、無線通信距離が１ホップの通信ノードとして分類する第１の処理を行った後、
   無線通信距離が分類されている中でホップ数が最大の１以上の通信ノードである第１通信ノードのうち、無線通信距離がまだ分類されていない最多数の第２通信ノードと直接通信可能な第１通信ノードに対し、前記第２のモードで動作するよう指示し、前記最多数の前記第２通信ノードを、無線通信距離が前記第１通信ノードのホップ数より大きいホップ数の通信ノードとして分類する第２の処理を、無線通信距離が分類されていない通信ノードがなくなるまで、実行する、
   無線通信システムの管理ノード。
2. 前記管理ノードは、
   前記第１の処理において、ビーコン信号を発信し、前記ビーコン信号に応答した通信ノードを、無線通信距離が１ホップの通信ノードとして分類し、
   前記第２の処理において、前記１以上の第１通信ノードに対しビーコン信号の発信を指示し、前記１以上の第１通信ノードの各々から前記ビーコン信号に応答した通信ノードの一覧情報を取得し、前記一覧情報に含まれかつ無線通信距離がまだ分類されていない通信ノードの個数が最多の第１通信ノードに対し、前記第２のモードで動作するよう指示する、
   請求項１に記載の無線通信システムの管理ノード。
3. 前記第１通信ノードが複数あるとき、
   前記管理ノードは、１つの第１通信ノードに対しビーコン信号の発信を指示した後、前記ビーコン信号への応答信号を前記１つの第１通信ノードから受信してから、他の第１通信ノードに対しビーコン信号の発信を指示する、
   請求項２に記載の無線通信システムの管理ノード。
4. 前記第１通信ノードが複数あるとき、
   前記管理ノードは、１つの第１通信ノードに対しビーコン信号の発信を指示した後、前記ビーコン信号への応答信号を前記１つの第１通信ノードから受信する前に、他の第１通信ノードに対しビーコン信号の発信を指示する、
   請求項２に記載の無線通信システムの管理ノード。
5. 前記管理ノードは、所定の条件が満たされると、前記複数の通信ノードを前記第１のモードにした後、前記第２のモードを指示する処理を最初からやり直す、
   請求項１から４の何れか１項に記載の無線通信システムの管理ノード。
6. データを中継しない第１のモードとデータを中継する第２のモードとを指示に応じて切り替えて動作する複数の通信ノードと、
   前記複数の通信ノードのうちの少なくとも１つに、前記第２のモードで動作するよう指示する請求項１から５の何れか１項に記載の管理ノードと、
   を備える無線通信システム。
7. 前記複数の通信ノードの各々は、周期的に起動し、起動時に前記管理ノードとの時刻同期を行うとともに、所定の接続待ち時間待機する間欠動作を行い、
   通常動作時の接続待ち時間をＡ、間欠動作の起動間隔をＢ、初期設定時および接続が切れたときの接続待ち時間をＣ、設置にかかる期間をＤ、クロック精度をＸとして、Ａ≧ＢＸ、および、Ｃ≧（Ｂ＋Ｄ）Ｘを満たす、
   請求項６に記載の無線通信システム。

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