JP6893631B2 - 無線装置 - Google Patents

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Description

本発明は、メッシュ構造でネットワークを構成する無線装置に関する。
メッシュ構造をもつネットワークの通信では、ネットワークを構成する無線装置を経由して目的とする無線装置までパケットを伝送する。このため、経由する無線装置をどのように選択するか、すなわちルーティング処理が重要になる。
一方、ネットワークによっては、電池駆動の無線装置により構成される場合がある。このようなネットワークでは、通信経済上の観点だけでなく、無線装置を駆動する電池残量の観点から、動的なルーティング処理が必要になることがある。しかし、電池駆動の無線装置は、電池容量の問題から、定期的に動作を休止するスリープ動作をすることが多く、隣接する無線装置の状況を把握して動的にルーティング処理を行うことが困難であった。
特開2013−191358号公報
このように、従来の無線装置では、電池駆動の無線装置によりメッシュ構造のネットワークを構成した場合に、動的なルーティング処理を行うことが困難であるという問題がある。本発明はかかる問題を解決するためになされたもので、隣接装置の状況を把握し動的なルーティング処理を可能とする無線装置を提供することを目的としている。
実施形態の無線装置は、所属する無線装置それぞれが、共通する時間間隔でビーコン信号を送信するとともに、ビーコン信号の送信間隔の間にそれぞれ所定の時間動作を休止するように構成されたネットワークにおいて、該ネットワークをなす無線装置であって、ネットワークに所属する他の無線装置の稼働状況を示す稼働情報を含むビーコン信号を受信する受信部と、受信したビーコン信号から他の無線装置の稼働情報を取得し、該稼働情報を他の無線装置の識別子と対応付けて管理する隣接情報管理部と、通信イベント発生時に、隣接情報管理部が管理する他の無線装置の稼働情報に基づいて、通信イベントにおけるデータを送信するためのルーティング先を決定する通信管理部とを備えている。
本発明によれば、隣接装置の状況を把握し動的なルーティング処理を可能とする無線装置を提供することができる。
実施形態に係る無線装置からなるメッシュ型ネットワークの例を示す図である。 実施形態に係る無線装置の構成を示すブロック図である。 実施形態に係る無線装置の隣接情報の例を示す図である。 実施形態に係る無線装置からなるネットワークにおけるビーコン電波送信およびルーティング動作を時系列的に示す概念図である。 実施形態に係る無線装置によるルーティング動作の例を示すフローチャートである。
(実施形態のネットワーク構成)
以下、図面を参照して実施形態に係る無線装置を詳細に説明する。図1は、実施形態の無線装置がなすネットワークの様子を示している。
図1に示すように、実施形態の無線装置がなすネットワークNWは、複数の無線装置からなるメッシュ構造を有している。ネットワークは、当該ネットワークを統括するルート装置R(図中「R」。以下同様。)と、他の無線装置A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,QおよびSとが存在する。ネットワークを構成する無線装置は、電池など電源容量が限られた状態で動作しており、それぞれルート装置Rを頂点とする「階層」(Depth)をなしている。無線装置の階層は、おおむねルート装置Rにパケットを伝送する際のホップ数を示す。しかし、無線装置間のルーティングは通信経済上の理由により動的に決定されるから、図1に示すようにルート装置Rの階層を「0」として、階層が「2」の無線装置Dであっても、直接ルート装置Rと通信可能な場合もあり得る。
図1において無線装置Gを例にとると、階層は「1」であり、隣接する無線装置(通信可能な無線装置)として、ルート装置R、無線装置B,D,F,H,L,Mが示されている。無線装置Gは、ルート装置R、無線装置B,D,F,H,L,Mからパケットの伝送を受けることができ、ルート装置R、無線装置B,D,F,H,L,Mへパケットを伝送する(ルーティングする)ことができる。
無線装置Gは、隣接するルート装置Rおよび無線装置B,D,F,H,L,Mと通信するため、それぞれの稼働状態を常に把握しておく必要があるから、隣接する無線装置の稼働状態を示す情報を各々の無線装置から取得し管理している。それを実現するため、無線装置それぞれは、自己の稼働状態を示す情報(稼働情報)を含んだビーコン電波(ビーコン信号)を定期的に送信する。すなわち、無線装置Gは、ルート装置R、無線装置B,D,F,H,L,Mからのビーコン電波を受信し、それぞれの稼働状態を取得している。
無線装置によるビーコン電波の送信は、所定の時間間隔で行われる。ビーコン電波の送信間隔は、ルート装置Rを含めすべての無線装置が共通である。しかし、ビーコン電波を送信するタイミングは、ルート装置Rを含めすべての無線装置の間で同期されているとは限らない。
ところで、前述のとおり、実施形態のネットワークをなす無線装置は、電池など電源容量の限られた電源により駆動されることがある。したがって、ネットワーク全体を統括するルート装置Rを除き、無線装置AないしQおよび無線装置Sは、電源消費を抑えるための機能を備えている。電源消費を抑える機能の一つとして、無線装置の少なくとも一部の動作を休止状態とする休止機能が挙げられる。
休止状態では、無線装置の送受信機能が停止される。個々の無線装置は、共通の時間間隔でビーコン電波を送信しているが、そのタイミングは同期されていないから、自己が休止状態の間に送信される隣接する無線装置のビーコン電波(さらには伝送対象たるパケット自体)を受信することができない。そこで、実施形態の無線装置は、動作を休止状態とする休止機能を一定の時間間隔で止めるとともに、送信するビーコン電波に休止機能を止めるタイミングを示す情報を追加している。これにより、自己が全てのビーコン電波を受信できるタイミングを隣接する装置に通知することができる。
すなわち、無線装置Gを例にとると、少なくとも自己の休止機能を止めている間に、隣接するルート装置R、無線装置B,D,F,H,LおよびMからのビーコン電波を受信し、これらの休止状態のタイミングを取得して、どのタイミングでパケット伝送が可能かを判定する。併せて、無線装置Gは、自己の休止状態のタイミングをビーコン電波に載せて隣接するルート装置R、無線装置B,D,F,H,LおよびMに送信し、これらの無線装置が自己へパケットを伝送可能なタイミングを知らせている。これにより、無線装置Gは、隣接する無線装置が電波を受信可能なタイミングを知ることができるので、パケットを伝送する場合にどの無線装置へルーティングすればよいかを判定することが可能になる。
(実施形態の無線装置)
続いて、実施形態のネットワークにおいてルーティングを可能にする無線装置の機能構成を詳細に説明する。図2に示すように、実施形態の無線装置1は、メッシュ構造のネットワークNWを構成し、ルート装置に近い上位の親装置P、同じく下位の子装置C、および自己と同階層の兄弟装置Sと直接的に接続されている。無線装置1は、アンテナ15が接続された送受信部10、通信管理部20、自己情報管理部30、自己情報記憶部35、隣接情報管理部40、および隣接情報記憶部45を備えている。なお、親装置P、兄弟装置S、子装置Cは、それぞれ無線装置1と同様の構成を有している。
送受信部10は、実施形態の無線装置において電波を送信し受信する無線インタフェースである。送受信部10は、以下に説明するルーティング機能だけでなく、具体的なデータの送受信をも行う機能を有している。送受信部10は、所定の時間間隔でビーコンを送信する機能を有している。なお、隣接する無線装置との衝突を避けるため、いわゆるCSMA/CAの機能を備えてもよい。
通信管理部20は、ネットワークNWにおけるルーティング処理や、データの送受信管理を行う演算ブロックである。自己情報管理部30は、自己の稼働情報を設定または更新する演算ブロックである。自己情報記憶部35は、自己情報管理部30が設定し更新した稼働情報を記憶する。隣接情報管理部40は、隣接する無線装置それぞれの稼働情報を収集し更新する演算ブロックである。隣接情報記憶部45は、隣接する無線装置それぞれの稼働情報を記憶する。
稼働情報は、その無線装置の稼働状況を示す複数の要素により構成されている。自己情報記憶部35が記憶する自己情報は自己の稼働情報であり、隣接情報記憶部45が記憶する隣接情報は隣接する無線装置の稼働情報である。自己情報と隣接情報の内容は、隣接情報が対応する無線装置のアドレスを含んでいる点を除いて、それぞれ共通である。
図3は、隣接情報記憶部45が記憶する隣接情報(隣接装置の稼働情報)の一例を示している。図3に示すように、稼働情報は、たとえばその無線装置の階層、稼働期間、全稼働期間のビーコン間隔、全稼働期間までのビーコン回数を、隣接する無線装置単位で含んでいる。
実施形態の送受信部10は、動的なルーティングを可能にするため、所定の間隔で、自己の稼働情報を含むビーコン電波を送信する。ビーコン電波を受信した無線装置は、ビーコン電波に含まれる稼働情報に基づき当該ビーコン電波を送信した無線装置が休止状態となるタイミングなどの情報を取得してルーティング処理の参考情報とする。
前述したとおり、ビーコン電波を送信する時間間隔は無線装置間で共通するが、ビーコン電波を送信するタイミングは、無線装置間で同期しているとは限らない。したがって、隣接する無線装置全てのビーコン電波を受信するときは、一定期間受信状態を継続する必要がある。そこで、稼働情報は、対応する無線装置がどのタイミングで休止状態(休止機能)を止めているか(継続的な受信状態にあるか)を示す情報を含んでいる。
図3を参照して稼働情報について詳細に説明する。階層とは、対応する隣接装置において、ネットワークNW上の最上位に位置するルート装置Rからのメトリックによる相対距離を示す情報であり、その値が大きいほどルート装置までに要するメトリックによるコストが大きい多いことを示す。図3に示す例では、隣接装置として装置R,B,F,H,L、Mがリストされ、それぞれのネットワーク上の階層が0,1,1,2,2,2であることが示されている。階層が0である装置Rは、最上位のルート装置である。
稼働期間とは、その無線装置が送信するビーコンの送信間隔(期間)のうち、当該無線装置が稼働状態にある期間(休止状態ではない期間)を示す情報である。稼働期間は、たとえば、ビーコンの送信間隔のうちどれくらいの割合を稼働(または休止)しているかを示す数値で表すことができる。この例において稼働期間が「0.5」であれば、ビーコンの送信間隔のうち半分(1/2)の期間のみ稼働しており、残りの期間は休止状態であることを示している。無線装置の休止状態では、受信動作などの諸機能が停止しているから、電池の消耗を抑えることが可能になる。なお、稼働期間をどのように表すかについてはこの例に限定されない。具体的な時間の単位で表してもよい。
全稼働期間のビーコン間隔とは、その無線装置が送信するビーコンの送信間隔のうち、休止状態を含まない期間(継続して受信可能な期間)が現れる頻度を示す情報である。図3に示す例では、その頻度をビーコン電波の回数を用いて表している。すなわち、図3の無線装置Bは、全稼働期間のビーコン間隔が「3」であるが、これは、ビーコン電波の送信が3回あればそのうち1回の送信後次のビーコンまでは休止状態とはならないことを示している。同様に、装置Rは全稼働期間のビーコン間隔が「1」であるが、これはビーコン送信1回のうち1回は休止状態とはならないこと、すなわち休止状態が存在しないことを表している。
全稼働期間までのビーコン回数は、その稼働情報が含まれたビーコン電波の後、休止機能が解除されるまでのビーコン電波の回数を示している。たとえば、無線装置Bの全稼働期間までのビーコン回数は「2」であるが、これは、ビーコン電波をあと2回送信した後に休止状態を含まない期間が現れることを示している。同様に、ルート装置Rの全稼働期間までのビーコン回数は「0」であるが、これは休止状態とはならないことを表している。
なお、稼働情報には、当該無線装置が次に稼働する時刻を示す次回稼働時刻や、同じく次に休止状態となる時刻を示す次回休止時刻を含んでもよい。この「時刻」は、時分に限らず秒単位(さらにはミリセコンド単位)としてもよい。次回稼働時刻や次回休止時刻は、ビーコン電波に含めてもよいが、ビーコン電波を受信した時刻と、全稼働期間のビーコン間隔と、全稼働期間までのビーコン回数とがあれば計算が可能であるから、受信した無線装置自らが計算しても構わない。
(実施形態のネットワークにおけるビーコン電波)
ここで、図4を参照して、実施形態のネットワークにおける各無線装置のビーコン電波の送信態様を説明する。図4は、図1に示すネットワークにおけるルート装置R、無線装置A〜D,F〜H,LおよびMそれぞれのビーコン電波の送信タイミング例を示している。
図4に示すように、ネットワークNWにおいて、ルート装置Rおよび無線装置それぞれは、一定時間間隔でビーコン電波を送信する。例えばルート装置Rは、参照時刻t=0のときにビーコン電波Txrを送信すると、t=t1,t2,t3,t4…のように一定間隔でビーコン電波Txrを送信する。同様に、無線装置Aは、ルート装置Rと同期はしていないが、一定の時間間隔ti(t1とt2の間)でビーコン電波Txaを送信する。他の無線装置も同様である。
図4に示すように、t=0においてルート装置Rがビーコン電波Txrを送信すると、無線装置A,B,C,D,GおよびFが当該ビーコン電波を受信している(図中Rxa)。すなわち、無線装置A,B,C,D,GおよびFは、ルート装置Rの隣接装置であるから、装置Rのビーコン電波を受信することが可能である。同様に、無線装置R,B,D,F,H,LおよびMは、無線装置Gのビーコン電波Txgを受信可能である。
なお、無線装置Aのビーコン電波Txaは、ルート装置Rおよび無線装置Bに届いているが、同じタイミングで無線装置Hのビーコン電波Txhが無線装置GおよびMに届いている。これらは互いにビーコン電波が届かない位置関係にあることになる。
図4において、破線は無線装置それぞれが稼働状態である期間を示している。すなわち、ルート装置Rは全期間稼働状態にあり(休止状態がない)、無線装置Aは、ビーコン電波Txaを送信した直後から次のビーコン電波Txa送信までの期間の1/2だけ稼働状態にある。これは、図3に示す稼働情報のうちルート装置Rの稼働期間が1(全期間稼働)、同じく無線装置Aの稼働期間が0.5(ビーコン間隔のうち1/2だけ稼働)であることに対応している。
図4において、FIAF(Full Interval Awake Frequency)とは、図3に示す稼働情報における全稼働期間のビーコン間隔に対応する。例えば、ルート装置Rは、全稼働期間のビーコン間隔が「1」であるが、これは休止状態が存在しないこと(常に全稼働期間であること)を示している。同様に、無線装置Bは、ビーコン電波3回のうち1回はその後の休止状態がなく全稼働期間となっていることを示している。すなわち、図4における無線装置BのB1から数えて、3回のビーコン電波送信(B1,B2,B3)のうち3回目のビーコン電波Txb(B3)の送信後は休止期間がなく(破線で示される期間が継続)、続く4回目のビーコン電波Txb(B4)の後から休止状態が生じている。
図4において破線で囲まれていない期間は、ビーコン電波が届いていても受信することができない。例えば、無線装置Bのビーコン電波Txbは、B1において装置Aに届いているが、装置Aの破線で示される期間ではないから、受信はされない。B3において装置Aは受信することができる。
すなわち、すべての無線装置は、ビーコン電波を所定回数送信すると、続くビーコン電波までの間を休止状態とせず継続して稼働状態を維持するように構成される。したがって、どの無線装置もビーコン電波間の全期間を受信可能となる機会があるから、受信可能な隣接装置のビーコン電波すべてを受信することが可能になる。
(実施形態の無線装置の動作)
続いて、図1ないし5を参照して、この実施形態のネットワークにおける無線装置の動作について詳細に説明する。以下の説明は、図1および4における無線装置Gの動作例である。
自己情報管理部30は、自己情報記憶部35に記憶された自己の稼働情報を参照し、休止状態とすべきタイミングおよび休止状態とする休止機能を止めるべき期間を通信管理部20に与える。ここで、図4に示すように、無線装置Gの「全稼働期間のビーコン間隔」(FIAF)は「5」であるから、ビーコン電波の送信5回のうち1回は、その次のビーコン電波送信まで休止状態とはならず、全期間稼働状態となる。
すなわち、図4において無線装置Gのビーコン電波Txgの送信は5回示されているが(G1〜G5)、そのうち最初の1回目のビーコン電波Txg(G1)の送信後は休止状態がなく、次のビーコン電波Txg(G2)送信まで破線で示される稼働状態が継続している。通信管理部20は、例えば図4にて破線で示されるタイミングで送受信部10の動作をオンオフ制御している。送受信部10は、少なくともG1〜G2に示されるような全稼働期間中において、隣接する無線装置すべてのビーコン電波を受信することができる(ステップ100のYes。以下「S100のYes」のように称する。)。
送受信部10は、隣接するルート装置R,無線装置B,F,H,LおよびMのビーコン電波を受信して復号し、無線装置それぞれの稼働情報を隣接情報管理部40に渡す(S105)。
隣接情報管理部40は、送受信部10から受け取った無線装置それぞれの稼働情報を、当該無線装置のアドレスと対応付け、隣接情報として隣接情報記憶部45に記憶させる(S110)。例えば、無線装置Gは、図4中1回目のビーコン電波Txg(G1)を送信後に、まず無線装置Hのビーコン電波Txhを受信する(Y点)。図3に示すように、無線装置Hのビーコンに含まれる稼働情報によれば、全稼働期間のビーコン間隔が「4」、全稼働期間までのビーコン回数は「4」である。これは、図4のY点において無線装置Hのビーコン電波Txhを受信したとすると、ビーコン4回(H1〜H4)のうち1回は休止状態がない期間を含むことを示し、また、Y点から数えて4回目のビーコン電波Txh(H4)の後に休止状態を含まない期間が現れること(破線で示す領域がその次のビーコン電波発射まで継続すること)が示されていることに対応する。すなわち、無線装置Hの稼働状態(1)〜(3)の後には休止状態が現れ、稼働状態(4)は休止状態が現れないまま次のビーコン(H5)が送信される。
同様に、無線装置Gは、無線装置Hのビーコンに続いてX点において無線装置Lからのビーコン電波Txlを受信する。図3に示すように、無線装置Lの全稼働期間のビーコン間隔が「3」、全稼働期間までのビーコン回数は「3」である。これは、図4のX点において無線装置Lのビーコン電波Txl(L1)を受信したとすると、ビーコン3回のうち1回は休止状態がないことを示し、またX点(L1)から数えて3回目のビーコン電波Txl(L3)発射の後に休止状態を含まない期間が現れることに対応する。
他の無線装置についても同様であり、隣接情報管理部40は、図3に示すような隣接情報を隣接情報記憶部45に記憶させる。
通信イベントが発生しない場合(S115のNo)、送受信部10は、隣接する無線装置からのビーコン電波を受信し、隣接情報管理部40は、図3に示す隣接情報を更新する(S100〜S110)。
通信イベントが発生した場合(S115のYes)、通信管理部20は、通信経済などの観点でパケットを伝送すべき相手方たる無線装置をルーティング先候補として選定する(S120)。例えば、図4のa点の通信イベントについて、ルーティング先候補として無線装置Fを選定したものと仮定する。
通信管理部20は、隣接情報管理部40を介して隣接情報記憶部45に記憶された隣接情報を参照し、無線装置Fの稼働情報を用いて無線装置Fが受信可能であるか(稼働状態であるか)を判定する(S125)。具体的には、図3に示す隣接情報(稼働情報)をもとに、図4に示すようなタイミングチャートを内部的に生成して、対象となる無線装置が稼働状態であるかを判定する。
無線装置Fが稼働中であれば(S125のYes)、通信管理部20は、ルーティング先たる無線装置を無線装置Fに確定し(S130)、通信データたるパケットを送信する(S135)。図4に示す例では、図中aにおいて無線装置Fは破線で示される稼働状態にあるから、無線装置Fをルーティング先として確定する。その後、無線装置Fは、ルート装置Rへパケットを転送する(図中b)。
無線装置Fが稼働中でない場合(S125のNo)、通信管理部20は、伝送対象のパケットが通信遅れを許容する内容であるかを判定する(S140)。図4に示す例では、c点において無線装置Fが稼働していない。
伝送対象パケットが通信遅れを許容する場合(S140のYes)、通信管理部20は、無線装置Fが稼働状態となるまで送信を待機する(S145)。すなわち、図中cにおいて無線装置Fが稼働状態ではなかったので、通信管理部20は、図中dまで送信を待機させる。そして、無線装置Fが稼働状態となったd点のタイミングで、通信管理部20は、無線装置Fをルーティング先として確定し(S130)、通信データたるパケットを送信する(S135)。図4に示す例では、図中dにおいて無線装置Fは破線で示される稼働状態にあるから、無線装置Fをルーティング先として確定する。その後、無線装置Fは、ルート装置Rへパケットを転送する(図中e)。
伝送対象パケットが通信遅れを許容しない場合(S140のNo)、例えば、当該パケットが緊急通信に係るフラグを有している場合、通信管理部20は、ルーティング先候補として無線装置Fをあきらめ、他のルーティング候補を選定する(S150)。通信管理部20は、新たなルーティング候補が稼働中であるか否かを判定し(S125)、稼働中でなければ通信遅れを許容するか否かを判定し(S140)、ルーティング先候補が確定するまで処理を継続する。図4に示す例では、図中fで無線装置Bを他の候補として選定し、無線装置Bは稼働中であるからルーティング先として無線装置Bを確定させ、通信データを送信している。その後、無線装置Bは、ルート装置Rへパケットを転送する(図中g)。
このように、実施形態の無線装置によれば、自己の稼働情報を定期的なビーコン電波として送信するとともに隣接する無線装置からのビーコン電波を受信して当該無線装置の稼働情報を取得するので、ネットワークを構成する無線装置それぞれが同期されていなくても、当該無線装置それぞれの稼働状況を互いに把握することが可能になる。すなわち、無線装置それぞれが電池などで駆動され休止状態を有するものであっても、無線装置相互で互いの稼働状況を取得して、ルーティング先として適当かどうか判定することができる。これにより、動的なルーティング処理を可能にすることができる。
また、実施形態の無線装置によれば、各無線装置が独自のFIAFや稼働期間を設定できるので、装置が電池駆動などの場合に稼働可能な時間を長くすることができ、ネットワーク全体をより安定化することができる。
1…無線装置、10…送受信部、15…アンテナ、20…通信管理部、30…自己情報管理部、35…自己情報記憶部、40…隣接情報管理部、45…隣接所法記憶部。

Claims (4)

  1. 所属する無線装置それぞれが、共通する時間間隔でビーコン信号を送信、前記ビーコン信号の送信間隔の間にそれぞれ所定の時間動作を休止するとともに、前記ビーコン信号を所定回数送信するごとに1回、前記ビーコン信号の送信間隔の間継続して動作するように構成されたネットワークにおいて、該ネットワークをなす無線装置であって、
    前記ネットワークに所属する他の無線装置の稼働状況を示す稼働情報を含む前記ビーコン信号を受信する受信部と、
    前記受信したビーコン信号から前記他の無線装置の稼働情報を取得し、該稼働情報を前記他の無線装置の識別子と対応付けて管理する隣接情報管理部と、
    通信イベント発生時に、前記隣接情報管理部が管理する前記他の無線装置の稼働情報に基づいて、前記通信イベントにおけるデータを送信するためのルーティング先を決定する通信管理部と
    を備え
    前記ビーコン信号は、前記継続して動作する送信間隔がどれくらいの頻度で発生するかを示す情報と、前記継続して動作する期間が発生するビーコン信号の送信タイミングを示す情報を含むことを特徴とする無線装置。
  2. 前記通信管理部は、前記通信イベント発生時に前記他の無線装置が休止している場合、前記通信イベントの実行を待機させることを特徴とする請求項に記載の無線装置。
  3. 前記通信管理部は、前記通信イベント発生時に前記他の無線装置が休止している場合、前記通信イベントが通信の遅延を許容するか否かを判定し、許容されない場合にルーティング先の選定を繰り返すことを特徴とする請求項1または2に記載の無線装置。
  4. 前記通信管理部は、さらに、前記継続して動作する送信間隔がどれくらいの頻度で発生するかを示す情報および前記継続して動作する期間が発生するビーコン信号の送信タイミングを示す情報に基づいて前記ルーティング先を決定することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の無線装置。
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