JP6852792B2 - 無線網の制御装置，無線網の制御方法，及び通信システム - Google Patents

Description

本発明は、無線網の制御装置，無線網の制御方法，及び通信システムに関する。

近年、太陽光などの環境発電で動作する無線通信ノードにセンサを接続し、マルチホップ通信でセンシング情報を収集するワイヤレスセンサネットワーク(ＷＳＮ)システムが提案されている。センシングデータはマルチホップ通信でゲートウェイ(ＧＷ)に集約され、ＧＷからインターネットを経由してサーバに蓄積される。

マルチホップ通信を行う無線通信ノードは、通信の中継を行う中継状態と、通信の中継を行わない非中継状態とで動作する。非中継状態の無線通信ノード（非中継ノードと呼ぶ）は中継動作を行わない。無線通信ノードが中継ノードとして動作するか非中継ノードとして動作するかは、無線通信ノードの動作設定により行われる。

中継ノードの消費電力は非中継ノードの消費電力より大きい。このため、同条件で運用しても中継ノードの電池残量が非中継ノードの電池残量が枯渇する前に枯渇する可能性がある。そこで、以下のような技術がある。

例えば、サーバ側で各ノードの電池残量と周辺ノードとの通信品質情報（ＬＱＩ：Link Quality Indicator）を収集する。中継ノードの電池残量を予測し、電池残量が枯渇する前にサーバからの指示で中継ノードを非中継ノードに変更し、環境発電による電池残量の回復を図る。また、非中継ノードに変更する中継ノード周辺の非中継ノードをＬＱＩに基づいてサーバ側で選定して中継ノードに変更するよう指示することでネットワークを維持する（例えば、特許文献１を参照）。

国際公開第２０１６／１１３８８４号 特開２００７−０３６４２３号公報 特開２００９−１１１４５５号公報

上述した無線通信ノードを含む無線網でマルチホップ通信を行う場合に、電池残量が低下した無線通信ノードを非中継ノードに変更して電池残量を回復させる運用が考えられる。この場合に以下のような問題が生じるおそれがあった。

無線通信環境の悪化などの理由により、無線通信ノードが無線網から切断され、未接続状態となることがある。この場合、未接続状態の無線通信ノードは、接続要求を送信する。このとき、接続要求を受信した無線通信ノードが中継状態であれば接続要求に応じて接続要求元との接続を行い、非中継状態であれば電池残量回復のために接続要求に応じない運用とすることが考えられる。

ところが、接続要求を受信可能な範囲にある無線通信ノードの全てが非中継状態であると、接続要求に応じる無線通信ノードが存在しない状態となる。このため、未接続状態の無線通信ノードが無線網に接続できない状態となる。

本発明は、切断ノードの再接続を適正に行うことのできる無線網の制御装置、無線網の制御方法，及び通信システムを提供することを目的とする。

一つの態様は、各無線ノードが環境発電部と蓄電池とを有し、前記環境発電部及び前記蓄電池の少なくとも一方の電力を受けて駆動し、接続要求に応じて接続要求元との接続処理を行う第１の状態と、前記環境発電部により前記蓄電池の電池残量を回復可能であり、前記接続要求に応じない第２の状態とで動作する無線ノード群を含む無線網の制御装置において、
前記各無線ノードについて、前記蓄電池の電池残量を示す電池残量値と、周辺にある他の無線ノードとの通信品質を示す通信品質値と、中継状態か非中継状態かを示す情報を記憶する記憶部と、
前記無線網から切断された前記無線ノード群中の無線ノードである切断ノードを検出した場合に、前記記憶部の参照によって電池残量値が電池残量閾値を上回るとともに前記切断ノードとの通信品質値が通信品質閾値を上回る前記第２の状態の無線ノードを特定する処理と、特定した前記第２の状態の無線ノードを前記切断ノードからの接続要求に応じて前記切断ノードとの接続処理を行う前記第１の状態に変更する指示を送信する処理とを実行する制御部と
を含む無線網の制御装置である。

一側面では、切断ノードの再接続を適正に行うことができる。

図１は実施形態に係るワイヤレスセンサネットワーク（ＷＳＮ）システムの例を示す。 図２は無線通信ノードの構成例を示す。 図３はＧＷの構成例を示す。 図４はサーバの構成例を示す。 図５は各無線通信ノードの電池残量を記憶するテーブルＴ１のデータ構造例を示す。 図６は各無線通信ノードと対象ＩＤを有する無線通信ノードとの通信品質（ＬＱＩ）を示す情報を記憶するテーブルＴ２のデータ構造例を示す。 図７は各無線通信ノードのモード（状態）を示す情報を記憶するテーブルＴ３のデータ構造例を示す。 図８は切断ノードと候補ノードのリストとの対応関係を記憶するテーブルＴ４のデータ構造例を示す。 図９は通常時におけるサーバの処理例を示す。 図１０はノードの切断検出時におけるサーバの処理例を示す。 図１１は非中継ノードとの接続試行時におけるサーバの処理例を示す。 図１２は候補ノードとの接続試行時におけるサーバの処理例を示す。 図１３は具体例におけるシナリオ１の動作１を示す。 図１４は具体例におけるシナリオ１の動作２を示す。 図１５は具体例におけるシナリオ１の動作３を示す。 図１６は具体例におけるシナリオ１の動作４を示す。 図１７は具体例におけるシナリオ２の動作１を示す。 図１８は具体例におけるシナリオ２の動作２を示す。 図１９は具体例におけるシナリオ２の動作３を示す。 図２０は具体例におけるシナリオ２の動作４を示す。 図２１は具体例におけるシナリオ２の動作５を示す。 図２２は具体例におけるシナリオ２の動作５を示す。 図２３は具体例におけるシナリオ２の動作６を示す。 図２４は具体例におけるシナリオ３の動作４を示す。 図２５は具体例におけるシナリオ３の動作５を示す。 図２６は具体例におけるシナリオ３の動作５Ａを示す。 図２７は具体例におけるシナリオ３の動作６を示す。 図２８は具体例におけるシナリオ３の動作７を示す。 図２９は具体例におけるシナリオ３の動作７を示す。

以下、図面を参照して、実施形態に係る無線網の制御装置，無線網の制御方法，及び通信システムについて説明する。実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。

＜ＷＳＮシステム＞
図１は実施形態に係るワイヤレスセンサネットワーク（ＷＳＮ）システム（通信システム）の例を示す。ＷＳＮシステムは、複数の無線通信ノード（センサノードともいう：単に「ノード」と表記）１と、ゲートウェイ（ＧＷ）２と、ＧＷ２とネットワーク３を介して接続されるサーバ４とを含む。複数のノード１によってＧＷ２を頂点とする無線網が形成される。ノード１は「無線ノード」の一例であり、複数のノード１は「ノード群」の一例である。

ノード１はセンサ１７（図２）を有し、センサ１７によって得られたデータ（センシングデータ）は、マルチホップ通信でＧＷ２に送信される。ＧＷ２はノード１からのセンシングデータの集約を行い、ネットワーク３を介してサーバ４へ送る。サーバ４は、センシングデータの蓄積、解析等、所定の処理を行う。

ネットワーク３は、例えば、セルラー網，インターネットなどのＩＰ（Internet Protocol）網，セルラー網とＩＰ網との組み合わせなどである。但し、センシングデータをサーバ４へ送信できる限り、ネットワーク３の構成は適宜設定可能である。

ノード１は、通信（データ）の中継を行う中継モード（中継状態）と、通信（データ）の中継を行わない非中継モード（非中継状態）とで動作可能である。非中継状態のノード１を「非中継ノード」と呼び、中継状態のノード１を「中継ノード」と呼ぶ。中継状態は「第１の状態」の一例であり、非中継状態は「第２の状態」の一例である。

ノード１は、初期状態において、中継状態及び非中継状態の一方に設定されるとともに、未接続状態で、所定の位置に配置される。所定の位置は、例えば所望のセンシングデータを得るのに適した位置である。

未接続状態のノード１は、次のような初期設定を行う。すなわち、未接続状態のノード１は、定期的に探索信号をブロードキャストで発信する。中継状態で動作するノード１は探索信号を受信すると、探索信号の送信元のノード１へ探索応答を送信する。探索応答を受信したノード１は、探索応答の送信元のノード１に接続要求を送信する。接続要求を受信したノード１は接続要求の送信元のノード１へ接続応答を返す。これにより、ノード１間の接続が確立し、ノード１の状態“未接続”が状態“接続済み”に遷移する。

接続を確立した二つのノード１のうち、接続を受け入れたノード１が接続を要求したノードに対する親ノードとなり、接続を要求したノード１は親ノードに対する子ノードになる。親ノードは複数の子ノードを持つことができる。ＧＷ２が親ノードになる場合もある。

接続を要求したノード１が中継ノードである場合には、この接続を要求したノード１（中継ノード）は、その周辺にある未接続状態のノード１を受け入れる状態となる。このようなノード１間の接続が繰り返されることによって、図１に示すようなＧＷ２を頂点としたツリーが無線網に構築される。

なお、「中継」及び「非中継」はあくまでもノード１の動作モードである。このため、図１に示すように、中継ノードとして動作するノード１であっても子ノードを持たないこともある。

ＧＷ２はＷＳＮシステムで使用される近距離無線通信とネットワーク３の中継を行う通信機器である。ＧＷ２は、ノード１から送られてきたセンシングデータをサーバ４へネットワーク３を介して送信したり、サーバ４から送られてきたノード１の制御用のコマンドをノード１へ送信したりする。センシングデータやサーバ４からのコマンドなどは、ツリー上のネットワークに沿ってルーティングされ、ＧＷ２或いは宛先のノード１に届けられる。なお、近距離無線通信は、例えばBluetooth（登録商標）やZigBeeなどである。但し、通信規格はこれらの例示に制限されない。

＜無線通信ノードの構成例＞
図２は無線通信ノード（ノード１）の構成例を示す。ノード１は、電源部１Ａと制御部１Ｂとを含む。電源部１Ａは、環境発電素子１１と、蓄電池１２と、電源制御回路１３とを含む。環境発電素子１１は、例えば太陽電池であるが、太陽電池以外の光発電、振動発電や温度差発電によって発電するものであっても良い。環境発電素子１１は「環境発電部」の一例である。

制御部１Ｂは、通信線（バス）を介して接続されたCentral Processing Unit（ＣＰＵ）１４，Read Only Memory（ＲＯＭ）１５，Random Access Memory（ＲＡＭ）１６，センサ１７，無線回路１８を含む。無線回路１８にはアンテナ１９が接続されている。ＣＰＵ１４はマイクロコントローラ（ＭＣＵ）でも良い。

電源部１Ａでは、電源制御回路１３が環境発電素子１１に十分な発電量があれば制御部１Ｂに電源供給するとともに余剰電力を蓄電池１２に蓄電する。電力が不足する場合は電源制御回路１３は蓄電池１２から足りない分を補って制御部１Ｂに電源供給を行う。

制御部１Ｂでは、ＣＰＵ１４がＲＯＭ１５に記録されたプログラムをＲＡＭ１６にロードして実行することで、例えば、無線回路１８から受信されたサーバ４からのコマンドに基づく処理を行う。コマンドに基づく処理として、例えば、モードの変更指示のコマンドに応じて、ノード１のモードを「中継」から「非中継」に変更したり、「非中継」から「中継」に変更したりする処理を行う。或いはプログラムの実行によって、ＣＰＵ１４は、センサ１７を用いたセンシングデータの測定、蓄電池１２の電池残量の測定、通信品質の測定等を行う。ＣＰＵ２１は、各測定の結果を無線回路１８を介して送信する。

ＣＰＵ１４は、例えば蓄電池１２の端子電圧などを電源制御回路１３から取得することで、電池残量を測定することができる。また、ＣＰＵ１４は、例えば、周辺のノード１が発信した電波を受けた時の電波強度などを無線回路１８から取得することで通信品質を測定する。このため、ＣＰＵ１４は、受信可能な強度の電波が届くノード１の通信品質を親子関係の有無に関わらず測定することができる。

＜ＧＷの構成＞
図３はＧＷ２の構成例を示す図である。ＧＷ２は、通信線（バス）を介して相互に接続されたＣＰＵ２１，主記憶装置２２，補助記憶装置２３，及び通信インタフェース（通信ＩＦ）２４，無線回路２５を含む。無線回路２５にはアンテナ２６が接続されている。

主記憶装置２２はプログラムの展開領域、ＣＰＵ２１の作業領域、データやプログラムの記憶領域、通信データのバッファ領域などとして使用される。主記憶装置２２は、例えばRandom Access Memory（ＲＡＭ）、ＲＡＭとRead Only Memory（ＲＯＭ）との組み合わせで形成される。

補助記憶装置２３はデータやプログラムの記憶領域として使用される。補助記憶装置２３は、例えば、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、Solid State Drive（ＳＳＤ）、フラッシュメモリ、Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory（ＥＥＰＲＯＭ）などの不揮発性記憶媒体で形成される。主記憶装置２２及び補助記憶装置２３のそれぞれは、「記憶装置」、「記憶媒体」、「メモリ」、「記憶部」の一例である。

通信ＩＦ２４は、ネットワーク３と接続され、サーバ４との通信に使用される。通信ＩＦ２４は例えばネットワークインタフェースカード（ＮＩＣ）である。ＣＰＵ２１は、主記憶装置２２及び補助記憶装置２３の少なくとも一方に記憶されたプログラムを実行することによって、ＧＷ２としての動作を行う。例えば、ＣＰＵ２１は、各ノード１から受信されるデータや情報をサーバ４（ネットワーク３）へ送信するためのプロトコル変換等、サーバ４へのデータ中継のための処理などを行う。或いは、ＣＰＵ２１は、サーバ４から受信されたデータ（コマンドなど）を、宛先のノード１へ送信する処理を行う。無線回路２５は、ＧＷ２と各ノード１との無線通信に使用される。

＜サーバの構成＞
図４はサーバ４の構成例を示す。図４に示すように、サーバ４は、通信線（バス）を介して相互に接続されたＣＰＵ４１，主記憶装置４２，補助記憶装置４３，通信ＩＦ４４を含む。主記憶装置４２，補助記憶装置４３，通信ＩＦ４４として主記憶装置２２，補助記憶装置２３，通信ＩＦ２４と同様のものを適用できる。通信ＩＦ４４は、ノード１から送信されたデータを受信し、受信されたデータは補助記憶装置４３に記憶される。

ＣＰＵ４１は、主記憶装置４２及び補助記憶装置４３の少なくとも一方に記憶されたプログラムを実行することによって、サーバ４としての様々な処理を行う。例えば、ＣＰＵ４１は、所定のタイミング（例えば、定期的に、或いはイベント発生時に）で、各ノード１からセンシングデータを含む様々な情報を収集し、情報の蓄積や加工を行う。

実施形態に係るサーバ４のＣＰＵ４１は、各ノード１で測定される電池残量と周辺ノードから受信される電波に基づき生成される通信品質（ＬＱＩ）とを定期的に収集する処理を行う。ＣＰＵ４１は、収集した情報を主記憶装置４２及び補助記憶装置４３の少なくとも一方に記憶する処理を行う。サーバ４のＣＰＵ４１は、切断ノードの検出時に、切断ノードと接続させる非中継状態のノード１を特定し、特定したノードへ中継状態への変更指示を送信する処理を行う。

なお、上記したＣＰＵ４１は、「制御装置」、「制御部」、「コントローラ」の一例である。ＣＰＵ４１は、ＭＰＵ（Microprocessor）、プロセッサとも呼ばれる。ＣＰＵ４１は、単一のプロセッサに限定される訳ではなく、マルチプロセッサ構成であってもよい。また、単一のソケットで接続される単一のＣＰＵがマルチコア構成を有していても良い。ＣＰＵ４１で行われる処理の少なくとも一部は、マルチコア又は複数のＣＰＵで実行されても良い。ＣＰＵ４１で行われる処理の少なくとも一部は、ＣＰＵ以外のプロセッサ、例えば、Digital Signal Processor(ＤＳＰ)、Graphics Processing Unit（ＧＰＵ）、数値演算プロセッサ、ベクトルプロセッサ、画像処理プロセッサ等の専用プロセッサで行われても良い。

また、ＣＰＵ４１によって行われる処理の少なくとも一部は、集積回路（ＩＣ）、その他のディジタル回路で行われても良い。また、集積回路やディジタル回路はアナログ回路を含んでいても良い。集積回路は、ＬＳＩ、Application Specific Integrated Circuit（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）を含む。ＰＬＤは、Field-Programmable Gate Array(ＦＰＧＡ)を含む。ＣＰＵ４１で行われる処理の少なくとも一部は、プロセッサと集積回路との組み合わせにより実行されても良い。組み合わせは、例えば、マイクロコントローラ（ＭＣＵ）、ＳｏＣ（System-on-a-chip）、システムＬＳＩ、チップセットなどと呼ばれる。

＜テーブルの構成＞
図５は各ノードの電池残量を示す情報を記憶するテーブルＴ１のデータ構造例を示す。図６は各ノードと対象ＩＤのノードとの通信品質（ＬＱＩ）を示す情報を記憶するテーブルＴ２のデータ構造例を示す。図７は、各ノードのモードを示す情報を記憶するテーブルＴ３のデータ構造例を示す。テーブルＴ１,Ｔ２及びＴ３は主記憶装置４２及び補助記憶装置４３の少なくとも一方に記憶され、テーブルＴ１,Ｔ２及びＴ３に対するデータの読み書きはＣＰＵ４１によって行われる。なお、後述するテーブルＴ４も同様である。

図５及び図６に示すテーブルＴ１及びテーブルＴ２において、「ＩＤ」は、データの送信元のノード１のＩＤ、つまり電池残量や通信品質の測定を行ったノード１のＩＤ（識別子）を示す。図６の「対象ＩＤ」は通信品質を測定したときの電波の送信元ノードであるノード１を指す。

テーブルＴ１の「電池残量」は、電池残量を示す値（電池残量値の一例）である。電池残量の値は、端子電圧でも良く、端子電圧を百分率に換算した値でも良い。テーブルＴ２の「ＬＱＩ」は、対象ＩＤを有するノード１からの受信電波から求めた通信品質値（ＬＱＩ値）を示す。

テーブルＴ３は、各ノード１の現在のモードが中継状態と非中継状態とのいずれであるかを示す情報を記憶する。テーブルＴ３に記憶される情報として、各ノード１が所定位置に配置された時点では、各ノード１の初期状態（「中継」及び「非中継」の一方）が記憶される。その後、各ノード１がモードを切り替える毎に更新される。

＜動作例＞
以下、動作例を説明する。前提として、サーバ４による各ノード１のモード制御について説明する。サーバ４は、各ノード１の電池残量と周辺ノードとの通信品質情報（ＬＱＩ）を収集し、中継ノードの電池残量を予測する。予測された電池残量が所定の閾値を下回る中継ノードに対し、サーバ４は非中継状態への変更指示を送信する。中継ノードはモードを「非中継」に変更することで非中継ノードとなる。

非中継状態では消費電力が抑えられ、環境発電素子１１で発電された電力を蓄電池１２に蓄電可能な状態となる。これによって電池残量の回復が図られる。また、サーバ４は、非中継ノードに変更されるノード１の周辺にある非中継ノードから中継状態へ変更させるノード１をＬＱＩに基づいて選択し、選択したノード１へ中継状態への変更指示を送る。これによって、無線網を維持する。

動作例として、ノード１が切断された場合の動作について説明する。無線網に接続（配置）されたノード１は、一定間隔でアライブ（Alive）信号をブロードキャストで周囲に送信する。ノード１は、以下の場合に親ノードとの接続が切断されたとみなし、未接続状態に遷移する。
（ｉ）親ノードからのアライブ信号が一定期間受信できない場合。
（ｉｉ）親ノードからの電波の通信品質（ＬＱＩ）が予め設定された通信品質の閾値（通信品質閾値）以下になった場合。
通信品質閾値として、安定して通信可能な最低限の通信品質を示す値が予め決定される。

親ノードとの接続が切断されたと判定したノード１（切断ノードと称する）が子ノードを有する場合には、未接続状態になる前に、全ての子ノードに対し、切断を示す通知（切断通知）を送信する。切断通知を受信した子ノードは、自身が有する子ノードに切断通知を送信し、未接続状態に遷移する。

未接続状態になったノード１は、初期設定と同じ手順で再接続先の親ノード（ＧＷ２又は接続済みの中継ノード）を探索し、親ノードとの接続が完了すると、サーバ４に接続通知を送信する。

未接続状態に遷移したノード１はアライブ信号の送信を停止する。親ノードは子ノードから定期的に送信されるアライブ信号を監視している。未接続状態に遷移したノード１の親ノードは、子ノードからのアライブ信号を受信されない時間が一定期間を超えることを以て、子ノードの切断を検出する。子ノードの切断を検出した親ノードは、サーバ４に切断検出通知を送信する。

サーバ４は、切断検出通知を受信することで無線網（親ノード）から切断されたノード１である切断ノードを検出する。切断検出通知を受信したサーバ４は、切断検出通知に対応するノード１（無線網から切断されたノード）およびその子孫のノード１が親ノード以外のノード１に接続するのを一定期間待つ。一定期間として、未接続状態のノード１が探索信号を送信する周期に基づいて接続試行を行うのに十分な期間が設定される。

一定期間が経過しても接続状態に遷移しない（接続通知を受信できない）ノード１がある場合、サーバ４は、接続状態に遷移しないノード１（切断ノード）に関して以下の処理を行う。すなわち、サーバ４は、テーブルＴ１及びテーブルＴ２に記録された切断ノードに係る通信品質及び電池残量に基づいて、切断ノードと適正に通信可能な電池残量及び通信品質を有する非中継ノードを抽出する。

具体的には、サーバ４は、切断ノードと当該非中継ノードとの通信品質が通信品質の閾値以上であり、当該非中継ノードの電池残量が電池残量の閾値（電池残量閾値）以上であり、さらに非中継ノードとして記録されているノードを抽出する。ここで、電池残量閾値として、中継ノードとして安定して動作するのに十分な電池残量の値が使用される。

接続可能な非中継ノードを抽出すると、サーバ４は、抽出した非中継ノードに対し、モードを「中継」に変更するコマンドを送信する。非中継ノードが中継ノードとなり、切断ノードが中継ノードに接続すると、切断ノードは接続状態となり、接続通知をサーバ４に送信する。サーバ４は、接続通知の受信によって、切断ノードが接続されたとみなすことができる。

切断ノードの全てが接続状態となった場合、及び接続試行を行うのに十分な期間を待機した後に、サーバ４は以下のような処理を行う。すなわち、サーバ４は、中継ノードに変更したノード１のうち切断ノードが接続しなかったノード１を非中継ノードに戻すコマンドを送信する。また、サーバ４は、切断ノードが接続したノード１は中継ノードとしてテーブルＴ３に記録して中継ノードのままにする。

なお、上記した動作例では、抽出したノード１のモードを一斉に「中継」に変更する例を説明した。これに代えて、例えば電池残量の多い順や通信品質が高い順などの優先順位を決定し、優先順位に従って抽出したノード１を１つずつ中継ノードへ変更し、接続試行を行っても良い。

接続可能な非中継ノードが抽出できない場合、接続試行を行っても切断ノードが残る場合には、サーバ４は以下の処理を行う。すなわち、切断ノードとの通信品質が通信品質閾値を上回り（切断ノードの周辺にいる）で、かつ、電池残量が電池残量閾値未満（所定量に満たない）の非中継ノードを、切断ノードに対する候補ノードに決定する。候補ノードの情報は、例えば、図８に示すテーブルＴ４に記憶される。テーブルＴ４は、切断ノードのＩＤに対応する、候補ノードのＩＤのリストを記憶する。

サーバ４は、電池残量を受信したノード１が候補ノードとしてテーブルＴ４に記録されており、かつ、受信した電池残量が電池残量閾値を上回っている場合は、このノード１に対し、モードを「中継」に変更するコマンドを送信する。

その後、サーバ４は切断ノードからの接続通知を受け取った場合は、モードを「中継」に変更したノード１を中継ノードとしてテーブルＴ３に記録するとともに、接続通知を受け取った切断ノードに関する候補ノードをテーブルＴ４から消去する。接続試行を行うのに十分な時間が経過しても接続通知を受信できなかった場合は、サーバ４はモードを「中継」に変更したノード１のモードを「非中継」に戻すコマンドを送信する。

＜サーバにおける処理＞
次に、サーバにおける処理について図９〜図１２を用いて説明する。図９〜図１２の処理は、例えばサーバ４のＣＰＵ４１によって行われる。図９は通常時におけるサーバの処理例を示す。

図９に示す処理は、例えば、定期的に行われる。但し、何らかのトリガ（イベント発生）に応じて実施される場合もあり得る。００１において、サーバ４は、無線網を形成する全てのノード１からデータ収集を行う。収集対象のデータは、センシングデータ，電池残量，通信品質（ＬＱＩ）を含む。電池残量はテーブルＴ１に、通信品質（ＬＱＩ）はテーブルＴ２に記憶される。ノード１は、モードが中継か非中継かに関わらず、データ収集の周期に応じて電池残量及びＬＱＩの測定を行う。収集対象のデータは、サーバ４からの要求に応じてノード１が送信しても良く、ノード１が定時に自発的に送信しても良い。

００２では、サーバ４は、データの送信元にテーブルＴ４に記録された候補ノードが含まれているか否かを判定する。候補ノードがないと判定される場合には、処理が００３に進み、次回の周期（電池残量や通信品質を収集する周期）まで待機する。これに対し、候補ノードがあると判定される場合には、サーバ４は候補ノードと切断ノードとの接続試行を行う。その後、処理が００３に進む。

００３では、上述したように、サーバ４は候補ノードにコマンドを送って候補ノードを中継ノードに変更し、切断ノードが中継ノードに接続するようにする。その後、切断ノードからの接続通知を受信した場合、サーバ４はモードを「中継」に変更したノード１をテーブルＴ３に記録し、切断ノードに関する候補ノードをテーブルＴ４から消去する。接続試行を行うのに十分な時間が経過しても切断ノードから接続通知を受信できなかった場合は、サーバ４は中継ノードのモードを「非中継」に戻すコマンドを中継ノードに送信する。

図１０はノードの切断検出時におけるサーバの処理例を示す。図１０に対する処理は、切断検出通知に対応するノード１（無線網から切断されたノード１）およびその子孫のノード１を対象に行われる。例えば、切断検出通知には、親ノードが切断を検出した子ノード及びその子孫ノードのＩＤを含み、ツリーから切断されたノード又はノード群をサーバ４が認識可能となっている。

図１０に示す各処理（オペレーション）は、切断されたノード１（切断ノード）毎に実行されても良く、各オペレーションが切断された複数のノード１に対してまとめて実行されても良い。以下の説明は、切断検出通知に対応する１つのノード１に関する処理を例示する。

０１１では、サーバ４は切断検出通知に対応するノード１が親ノード以外のノード１に接続するのを一定期間待つ（０１１）。一定期間内にノード１から接続通知を受信できた場合には（０１２のＹｅｓ）、図１０の処理が終了する。これに対し、一定期間が経過してもノード１から接続通知を受信できない場合には（０１２のＮｏ）、処理が０１３に進む。

０１３では、サーバ４は、テーブルＴ１，テーブルＴ２，及びテーブルＴ３を参照し、ノード１との通信品質が通信品質閾値を上回るとともに電池残量が電池残量閾値を上回り、モードが「非中継」のノード１を抽出（特定）する。

０１４では、０１３で抽出された非中継ノードとノード１との接続を試行する処理を行う。すなわち、サーバ４は、非中継ノードを中継ノードに変更し、ノード１が中継ノードと接続した旨の接続通知の受信を一定期間待つ。

０１５では、接続が成功したか否かを判定する。一定期間内に接続通知が受信できた場合にはサーバ成功と判定し（０１５のＹｅｓ）、そうでなければ失敗（０１５のＮｏ）と判定する。

失敗と判定される場合、サーバ４は、テーブルＴ１，テーブルＴ２及びテーブルＴ３を参照し、電池残量が電池残量閾値未満（以下でも良い）であり、且つ通信品質が通信品質閾値以上の非中継ノードを抽出（特定）する（０１６）。

サーバ４は、０１６で抽出した非中継ノードを、ノード１（切断ノード）に対する候補ノードとしてテーブルＴ４に記録する（０１７）。その後、図１０の処理が終了する。

図１１は非中継ノードとの接続試行時におけるサーバの処理例を示し、０１４の処理の詳細を示す。図１１の処理は、切断ノード毎に実行される。０２１において、サーバ４は、０１６で抽出した非中継ノードに対し、中継状態への変更指示（モードを「中継」に変更する指示）を送信する。

０２２では、サーバ４は一定期間待機する。０２３では、サーバ４は一定期間内に切断ノードが接続されたか、すなわち、切断ノードからの接続通知が受信されたかを判定する。切断ノードが接続されたと判定される場合には処理が０２４に進み、そうでない場合には処理が０２５に進む。

０２４では、サーバ４は、テーブルＴ３において、切断ノードの接続先のノード１のモードの内容を「中継」にする。すなわち、サーバ４は、中継状態か非中継状態を示す情報の内容を中継状態に変更する。例えば、接続通知には、接続先のノード１のＩＤが含まれており、テーブルＴ３において、当該ＩＤに対応するモードを「中継」に設定する。これによって、実際のノード１のモード（状態）と、サーバ４で管理するノード１のモード（状態）とに矛盾が生じるのを回避することができる。

０２５では、０２１の処理で中継状態に変更されたノード１を非中継状態に戻すコマンドをサーバ４は送信する。その後、図１１の処理が終了する。このように、サーバ４のＣＰＵ４１（制御部）は、変更指示によって中継状態に変更されたノード１と前記切断ノードとの接続を示す接続通知が受信されない場合に、中継状態に変更されたノード１を非中継状態に変更する変更指示を送信する処理を行う。このようにして、ノード１が非中継状態に戻すことで、実際のノード１のモード（状態）と、サーバ４で管理するノード１のモード（状態）とに矛盾が生じるのを回避することができる。また、電池残量がフルでない場合には電池残量を回復させることもできる。

図１２は候補ノードとの接続試行時におけるサーバの処理例であり、図９の００４の処理の詳細を示す。図１２の処理は、図９にも示しているように、定期的に実施されるテーブルＴ１及びテーブルＴ２の更新（電池残量の更新）を契機に開始される。０３１において、サーバ４は、切断ノードに対応する候補ノードのリスト（テーブルＴ４）から、電池残量が電池残量閾値を超える候補ノードを選択する。

０３２において、サーバ４は０３１にて候補ノードが選択できたか否かを判定する。候補ノードが選択できたと判定される場合には、処理が０３３に進み、そうでない場合には図１２の処理が終了する。

０３３では、サーバ４は、リストから選択されたノード１（選択ノードと称する）を、候補ノードのリストから削除する。０３４では、サーバ４は、選択ノードに対し、中継モードへの変更指示を送信する。

０３５では、サーバ４は接続通知の受信を待つため一定期間待機する。０３６ではサーバ４は切断ノードが選択ノードに接続したか否か（接続通知が受信されたか否か）を判定する。切断ノードが選択ノードに接続したと判定される場合には、処理が０３７に進み、そうでない場合には処理が０３９に進む。

０３７では、サーバ４は接続ノード（選択ノードに接続し、接続通知を送信したノード１）に対応する候補ノードのリスト（全ての候補ノード）を削除する。０３８では、サーバ４は選択ノードのモード“中継”をテーブルＴ３に記憶する。０３９に処理が進んだ場合には、サーバ４は選択ノードへ非中継状態への変更指示を送信する。その後、図１２の処理が終了する。

次に、通信システムの具体的な動作例を示す。
＜＜シナリオ１＞＞
（動作１）
図１３は、シナリオ１に係る通信システムを示す。図１３に示す例では、ＧＷ２と１０個のノード１によって無線網が形成されている。無線網は、ＧＷ２を頂点とし、番号“１”のノード１（「ノード＃１」と表記する）がＧＷ２に繋がるツリーと、番号“２”のノード１（ノード＃２）がＧＷ２に繋がるツリーとが形成されている。

ここで、ノード＃１に接続されているノード＃４の子ノードであるノード＃８に注目する。ノード＃８は、親ノードであるノード＃８からの電波のＬＱＩが閾値以下となった場合、ノード＃４から切断されたと判定する（みなす）。

ノード＃４はノード＃８からアライブ信号が一定期間受信されないことを以て、子ノードであるノード＃８の切断を検出する。ノード＃４は、サーバ４宛てに、切断検出通知を送信する。切断検出通知は、ノード＃１及びＧＷ２を経てサーバ４に受信される。サーバ４は、切断検出通知を受けて図１０に示した処理を開始する。

（動作２）
図１４に示すように、ノード＃４から切断されたノード＃８（切断ノード）は、再接続要求のメッセージ（信号）をノード＃８の周囲にブロードキャストで送信する。サーバ４では、ノード＃８がノード＃４以外のノード１と接続したことを示す接続通知の受信を一定期間待機する。

（動作３）
図１５に示すように、再接続要求を受信したノード１のうち、中継状態のノード１であるノード＃５及びノード＃９は、接続応答のメッセージを未接続状態のノード＃８へ送信する。

（動作４）
図１６に示すように、ノード＃８は、接続応答を受信したノード１（ノード１が複数の場合、所定の優先順位に従って選択したノード１）と再接続手順を行い、再接続する。優先順位は、例えば、接続応答の受信の早い順や、通信品質が良い順などに基づいて決定される。再接続手順は、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１５．４に規定される手順等、既存の手順で行われる。

図１６に示す例では、ノード＃８はノード＃５と再接続手順を行いノード＃５に接続する。ノード＃８は接続通知を送信する。接続通知はノード＃５，ノード＃２，及びＧＷ２を経てサーバ４に到達する。接続通知を受信したサーバ４は、一定期間内に接続通知を受信できたので、図１０に示す処理を終了する。

＜＜シナリオ２＞＞
（動作１）
図１７はシナリオ２に係る通信システムを示す。図１７において、無線網のツリー構成は、図１３（シナリオ１）と同様である。但し、シナリオ２では、ノード＃５，ノード＃７，ノード＃８，ノード＃９及びノード＃１０が非中継ノード（非中継状態のノード１）となっている。

図１７において、シナリオ１と同様に、ノード＃８がノード＃４から切断されると、ノード＃４からの切断検出通知がサーバ４で受信され、サーバ４が図１０に示した処理を開始する。

（動作２）
図１８に示すように、ノード＃４から切断されたノード＃８（切断ノード）は、再接続要求のメッセージ（信号）をノード＃８の周囲にブロードキャストで送信する。サーバ４では、ノード＃８がノード＃４以外のノード１と接続したことを示す接続通知の受信を一定期間待機する。

（動作３）
ところが、シナリオ２では、再接続要求を受信するノード＃４以外のノード１は全て非中継ノードである。非中継ノードは接続応答を送信しないため、ノード＃８は接続応答を受信できない。その結果、ノード＃８は、定期的に再接続要求をブロードキャストで送信する状態となる（図１９）。一方、サーバ４では、０１１の一定期間内に接続通知を受信できないので、０１３以降の処理を行う。

（動作４）
図２０に示すように、サーバ４は、テーブルＴ１，テーブルＴ２及びテーブルＴ３を参照する。サーバ４は、テーブルＴ３を参照して、非中継状態のノード１を特定する。結果、ノード＃７，ノード＃５，ノード＃９，及びノード＃１０が特定される。

サーバ４は、テーブルＴ１及びテーブルＴ２から、ノード＃７，ノード＃５，ノード＃９，及びノード＃１０の電池残量と、ノード＃８を対象ＩＤとする場合のＬＱＩとを抽出する。ＬＱＩの値としてノード＃８が切断される前に測定された値が用いられる。

図２０に示すように、ノード＃７について電池残量“５”及びＬＱＩ“１８”が取得され、ノード＃５について電池残量“２０”及びＬＱＩ“２５”が取得された場合を仮定する。また、ノード＃９については電池残量“２５”及びＬＱＩ“２０”が取得され、ノード＃１０については電池残量“２０”及びＬＱＩ“３”が取得されたと仮定する。

ここで、サーバ４が電池残量閾値“１５”と通信品質閾値“１０”とを有していると仮定する。この場合、サーバ４は電池残量及びＬＱＩのそれぞれが対応する閾値を超える非中継ノードとして、ノード＃５及びノード＃９を抽出する。

（動作５）
図２１に示すように、サーバ４は、動作４で抽出したノード＃５及びノード＃９に対し、中継状態への変更指示を送信して一定期間待機する（図１１の０２１、０２２）。ノード＃５及びノード＃９が中継ノードとなった結果、ノード＃８は、ノード＃５及びノード＃９から接続応答を受けることができる。そして、図２２に示すように、ノード＃８は、ノード＃５及びノード＃９から選択したノード＃５と再接続手順を行い、ノード＃５に接続する。この結果、ノード＃８からの接続通知をサーバ４が受信する。

（動作６）
図２３に示すように、接続通知を受信したサーバ４、接続先のノード１（ノード＃５）以外のノード１（ノード＃９）に対し、非中継状態への変更指示を送信する。ノード＃９は、変更指示を受けて非中継状態になる。

＜＜シナリオ３＞＞
図２４は、シナリオ３の動作４を示す。シナリオ３の動作１，動作２，及び動作３は、シナリオ２の動作１〜３（図１７〜図１９）と同じであるので説明を省略する。

図２４において、サーバ４は、図１０の０１３以降の処理を行い、テーブルＴ１〜Ｔ３を参照して、電池残量及びノード＃８とのＬＱＩが閾値を超える非中継ノードの抽出を行う。但し、シナリオ３では、電池残量及びノード＃８とのＬＱＩが閾値を超える非中継ノードを抽出できない。このため、サーバ４は、電池残量が閾値を超えないがＬＱＩが閾値を超える非中継ノードとして、ノード＃５，ノード＃７及びノード＃９を抽出する。サーバ４は、ノード＃８のＩＤに対応する候補ノードのリスト（テーブルＴ４）にノード＃５，ノード＃７及びノード＃９のＩＤを記録する。

（動作５）
図２５に示すように、サーバ４は、候補ノードを含む各ノード１から電池残量を含むデータの収集を定期的に行う。候補ノードの電池残量が電池残量閾値を超えない場合、サーバ４は特に処理を行わない。

（動作５Ａ）
これに対し、図２６に示すように、候補ノードの電池残量が電池残量閾値を超えた場合を仮定する。図２６の例では、候補ノードであるノード＃５及びノード＃９の電池残量が電池残量閾値を超えたとする。

（動作６）
すると、サーバ４は、ノード＃５及びノード＃９をテーブルＴ４の候補ノードのリストから消去し、ノード＃５及びノード＃９に中継状態への変更指示を送信する。ノード＃５及びノード＃９は、変更指示を受けて中継状態（中継ノード）となる。

これによって、ノード＃８は、再接続要求の送信によって、ノード＃５及びノード＃９からの接続応答を受信する。そして、図２８に示すように、ノード＃８は、ノード＃５及びノード＃９から選択したノード＃５と再接続手順を行い、ノード＃５に接続するとともに、接続通知をサーバ４へ送信する。

（動作７）
接続通知を受け取ったサーバ４は、ノード＃９に非中継状態への変更指示を送信し、ノード＃９を非中継状態に遷移させる。また、ノード＃８に対応する候補ノードをテーブルＴ４から消去し、ノード＃７を候補ノードから外す。なお、ノード＃７は候補ノードとして抽出される前の非中継ノードとして扱われる。

＜実施形態の作用効果＞
実施形態では、無線網は、各ノード１が以下の構成を有するノード群（複数のノード１）を含む。
（i）環境発電素子１１と蓄電池１２とを有する。
（ii）環境発電素子１１及び蓄電池１２の少なくとも一方の電力を受けて駆動可能である。
（iii）接続要求に応じて接続要求元との接続処理を行う第１の状態（中継状態）と、前記環境発電素子１１により蓄電池１２の電池残量を回復可能であり、接続要求に応じない第２の状態（非中継状態）とで動作する。

サーバ４は、無線網の制御装置として動作する。ＧＷ２は、制御装置と無線ノードとの間の通信を中継する中継装置として動作する。無線網を形成する各ノード１は、定期的に電池残量と周辺ノードとの通信品質を測定し、測定結果をＧＷ２を介してサーバ４に送信する。サーバ４は定期的に各ノード１の電池残量と周辺ノードとの通信品質を示す情報を収集してテーブルＴ１及びテーブルＴ２に記憶する。また、サーバ４は、テーブルＴ３を用いて各ノード１のモード（中継又は非中継）を管理する。

サーバ４は、無線網から切断されたノード１（切断ノード）を検出した場合には、テーブルＴ１〜Ｔ３を用い、切断ノードとのＬＱＩが閾値を上回るとともに電池残量が閾値を上回る非中継状態のノード１を抽出する。抽出されるノード１は、切断ノードと接続可能な通信品質を有するとともに中継状態に変更可能な電池残量を持つ非中継状態のノード１（非中継ノード）である。サーバ４は、抽出した非中継ノードを中継状態に変更し、接続試行（すなわち、切断ノードが再接続手順によって中継状態に変更されたノード１（無線網）に接続するかどうかを試す）を行う。中継状態に変更されたノード１が切断ノードからの接続要求に応答し、再接続処理を行うことで、切断ノードは適正な（好適な電池残量及び通信品質を有する）ノード１との接続を以て、無線網に再接続されることができる。

接続試行によって切断ノードが中継状態に変更されたノード１（無線網）に接続されない場合には、サーバ４は、中継状態に変更したノード１を非中継状態に戻す。テーブルＴ４にて管理している中継及び非中継状態との矛盾をなくすためである。

接続試行によって切断ノードが中継状態に変更されたノード１（無線網）に接続されない場合には、サーバ４は候補ノードを抽出し、テーブルＴ４に記憶する。候補ノードは、切断ノードと接続可能な通信品質を有する（切断ノードとのＬＱＩが閾値を上回る）が中継状態に変更するには電池残量が足りない（電池残量が閾値を満たない）非中継状態のノード１である。

定期的なテーブルＴ１（電池残量）の更新時に候補ノードの電池残量が中継状態に変更可能な値（閾値を上回る値）に達した場合には、サーバ４は候補ノードのモードを中継状態に変更して接続試行を行う。実施形態によれば、切断ノードの周辺に切断ノードと接続可能な中継ノードがない場合に、適正な（好適な電池残量及び通信品質を有する）非中継ノードを中継ノードに変更して再接続を行わせることができる。すなわち、無線網を維持することが可能になる。

実施形態では、サーバ４が各ノード１のモード（中継・非中継）を制御する無線網の制御装置として動作する例を説明したが、ＧＷ２が無線網の制御装置として動作しても良い。すなわち、無線網の制御装置は、各ノード１から送信されるデータを収集する収集装置（サーバ４）に実装されても良く、各ノード１から送信されるデータを上記収集装置に中継する中継装置（ＧＷ２）に実装されても良い。

ＧＷ２が無線網の制御装置として動作する場合、サーバ４のＣＰＵ４１が行っていた処理（図９〜図１２に示す処理）は、ＧＷ２のＣＰＵ２１が行う。ＧＷ２の主記憶装置２２及び補助記憶装置２３の少なくとも一方には、テーブルＴ１〜Ｔ４が記憶される。実施形態にて説明した構成は例示であり、適宜組み合わせることができる。

１・・・無線通信ノード
２・・・ゲートウェイ
４・・・サーバ
２１，４１・・・ＣＰＵ
２２，４２・・・主記憶装置
２３，４３・・・補助記憶装置

Claims (6)

1. 各無線ノードが環境発電部と蓄電池とを有し、前記環境発電部及び前記蓄電池の少なくとも一方の電力を受けて駆動し、接続要求に応じて接続要求元との接続処理を行う第１の状態と、前記環境発電部により前記蓄電池の電池残量を回復可能であり、前記接続要求に応じない第２の状態とで動作する無線ノード群を含む無線網の制御装置において、
   前記各無線ノードについて、前記蓄電池の電池残量を示す電池残量値と、周辺にある他の無線ノードとの通信品質を示す通信品質値と、前記第１の状態か前記第２の状態かを示す情報を記憶する記憶部と、
   前記無線網から切断された前記無線ノード群中の無線ノードである切断ノードを検出した場合に、前記記憶部の参照によって電池残量値が電池残量閾値を上回るとともに前記切断ノードとの通信品質値が通信品質閾値を上回る前記第２の状態の無線ノードを特定する処理と、特定した前記第２の状態の無線ノードを前記切断ノードからの接続要求に応じて前記切断ノードとの接続処理を行う前記第１の状態に変更する指示を送信する処理とを実行する制御部と
   を含み、
   前記第１の状態はデータの中継を行う動作モードであり、前記第２の状態は、データの中継を行わない動作モードである
   無線網の制御装置。
2. 前記指示によって前記第１の状態に変更された無線ノードと前記切断ノードとの接続を示す通知が受信されない場合に、前記指示によって前記第１の状態に変更された無線ノードを前記第２の状態に変更する指示を送信する処理を前記制御部は行う
   請求項１に記載の無線網の制御装置。
3. 前記指示によって前記第１の状態に変更された無線ノードと前記切断ノードとの接続を示す通知が受信されない場合に、前記記憶部の参照によって前記切断ノードとの通信品質値が前記通信品質閾値を上回るが電池残量値が所定量に満たない前記第２の状態の無線ノードを候補ノードとして特定し、前記候補ノードの情報を前記記憶部に記憶する処理を前記制御部は行い、前記候補ノードにおける電池残量値が前記所定量を上回る場合に前記候補ノードを前記第１の状態に変更する指示を送信する処理を前記制御部は行う
   請求項１又は２に記載の無線網の制御装置。
4. 前記指示によって前記第１の状態に変更された無線ノードと前記切断ノードとの接続を示す通知が受信された場合に、前記指示によって前記第１の状態に変更された無線ノードに関して前記記憶部に記憶されている前記第１の状態か前記第２の状態を示す情報の内容を前記第１の状態にする処理を前記制御部は行う
   請求項１から３のいずれか１項に記載の無線網の制御装置。
5. 各無線ノードが環境発電部と蓄電池とを有し、前記環境発電部及び前記蓄電池の少なくとも一方の電力を受けて駆動し、接続要求に応じて接続要求元との接続処理を行う第１の状態と、前記環境発電部により前記蓄電池の電池残量を回復可能であり、前記接続要求に応じない第２の状態とで動作する無線ノード群を含む無線網の前記各無線ノードについて、前記蓄電池の電池残量を示す電池残量値と、周辺にある他の無線ノードとの通信品質を示す通信品質値と、前記第１の状態か前記第２の状態かを示す情報を記憶し、
   前記無線網から切断された前記無線ノード群中の無線ノードである切断ノードを検出した場合に、前記記憶部の参照によって電池残量値が電池残量閾値を上回るとともに前記切断ノードとの通信品質値が通信品質閾値を上回る前記第２の状態の無線ノードを特定する処理と、特定した前記第２の状態の無線ノードを前記切断ノードからの接続要求に応じて前記切断ノードとの接続処理を行う前記第１の状態に変更する指示を送信する処理とを実行することを含み、
   前記第１の状態はデータの中継を行う動作モードであり、前記第２の状態は、データの中継を行わない動作モードである
   無線網の制御方法。
6. 各無線ノードが環境発電部と蓄電池とを有し、前記環境発電部及び前記蓄電池の少なくとも一方の電力を受けて駆動し、接続要求に応じて接続要求元との接続処理を行う第１の状態と、前記環境発電部により前記蓄電池の電池残量を回復可能であり、前記接続要求に応じない第２の状態とで動作する無線ノード群を含む無線網と、
   前記無線網の制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記各無線ノードについて、前記蓄電池の電池残量を示す電池残量値と、周辺にある他の無線ノードとの通信品質を示す通信品質値と、前記第１の状態か前記第２の状態かを示す情報を記憶する記憶部と、
   前記無線網から切断された前記無線ノード群中の無線ノードである切断ノードを検出した場合に、前記記憶部の参照によって電池残量値が電池残量閾値を上回るとともに前記切断ノードとの通信品質値が通信品質閾値を上回る前記第２の状態の無線ノードを特定する処理と、特定した前記第２の状態の無線ノードを前記切断ノードからの接続要求に応じて前記切断ノードとの接続処理を行う前記第１の状態に変更する指示を送信する処理とを実行する制御部とを含み、
   前記第１の状態はデータの中継を行う動作モードであり、前記第２の状態は、データの中継を行わない動作モードである
   ことを特徴とする通信システム。

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