JP6918286B2

JP6918286B2 - 中継ノード、制御方法、無線通信システム

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Publication number: JP6918286B2
Application number: JP2019089179A
Authority: JP
Inventors: 壮太郎大原; 鈴木　誠; 鈴木　　誠; 博之森川; 椿豪廖; ティラットサクデーシャヨン; 義哲成末; 桂兵朱
Original assignee: SONAS, INC.; University of Tokyo NUC
Current assignee: SONAS, INC.; University of Tokyo NUC
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2019-05-09
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2039-05-09
Also published as: WO2020226177A1; JP2020184730A

Description

本発明は、フラッディング方式で通信を行う中継ノード、制御方法、通信システムに関する。

センサノードを複数配置して、データ収集を行う場合、ノードの消費電力を抑え、データ収集の確率を高めるため、同時送信を利用したフラッディングというブロードキャスト方式が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

同時送信を利用したフラッディング方式では、１つのセンサノードがデータ送信を行った際、そのデータを受信した１つ以上の中継ノードが、データ受信後直ちに同じデータをブロードキャスト的に送信することで、無線信号の同時送信（複数の中継ノードが同じタイミングで同じ無線信号を送出することで、より広範囲に位置する他のノードに到達する）を起こし、これを複数回繰り返すことで、無線通信システム全体にデータを伝達することが可能である。同時送信を利用したフラッディング方式では、同時に同じデータが送信されるために、中継ノードが複数のノードから同時に信号を受信しても復号ができる。またルーティングも不要であり、実装も簡単化できる利点がある。

同様な方式には、各無線通信ノードにタイムスロットを割当て、タイムスロット内にフラッディング方式を用いて自ノードのデータを送信し、受信した中継ノードは割り当てられたタイムスロットでデータを中継する。これを繰り返すことで送信ノードから送信されたデータを中継し、最終的にデータ収集ノードに到達させる方式がある。（例えば、非特許文献２参照）。

Ｆ．Ｆｅｒｒａｒｉｅｔａｌ．， "ＥｆｆｉｃｉｅｎｔＮｅｔｗｏｒｋＦｌｏｏｄｉｎｇａｎｄＴｉｍｅＳｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｗｉｔｈＧｌｏｓｓｙ"，ＩＰＳＮ'１１，２０１１ＣｈａｏＧＡＯｅｔａｌ．， "ＥｆｆｉｃｉｅｎｔＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎＵｓｉｎｇＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ−ＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＦｌｏｏｄｉｎｇｉｎＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ"，電子情報通信学会ソサイエティ大会講演論文集，２０１１年＿通信（２），４２８，２０１１−０８−３０鈴木誠、長山智則、大原壮太郎、森川博之、"同時送信型フラッディングを利用した構造モニタリング"、電子情報通信学会論文誌Ｂ、Ｎｏ．１２、ｐｐ．９５２−９６０、２０１７

非特許文献１または２に記載の技術によれば、フラッディング方式で通信を行う１つの無線通信ネットワーク（フラッディングネットワーク）では同一のデータのパケットが同じタイミングで送信されることが保証されている。このため、このフラッディングネットワークに属する複数のノードが送信する同一のデータのパケットが衝突しても復号が可能である。しかしながら、同じ周波数帯で動作する他の無線通信ネットワークがある場合、当該他の無線通信ネットワークからのパケットは、フラッディングネットワークとは異なるデータまたは異なるタイミングでパケットを送信しうるため、互いに有害な干渉となりうる。

本発明は、上述の問題に鑑みて成されたものであり、フラッディング方式を用いる通信を行う無線通信システムにおいて、他システムとの干渉を抑制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中継ノードは、複数のサブスロットを含むフラッディングスロットにおいてデータを中継する、同時送信ネットワークに使用する中継ノードであって、前記中継ノードを制御する通信制御部と、前記複数のサブスロットのうちの第１のサブスロットにおいてデータを受信する受信部と、サブスロット内の、前記送信部によって前記データを送信する前のキャリアセンス期間でキャリアセンスを行う検出部と、前記第１のサブスロットに続く第２のサブスロット内の前記キャリアセンス期間において前記検出部が閾値以上の信号を検出しない場合に、前記第２のサブスロットにおいて、受信した前記データを送信し、前記第２のサブスロット内の前記キャリアセンス期間において前記検出部が閾値以上の信号を検出した場合に、前記第２のサブスロットで前記データを送信しない、送信部と、を有し、前記送信部が、前記第２のサブスロットにおいて前記データを送信しない場合、前記検出部は、前記第２のサブスロットに続く第３のサブスロット内の、前記送信部によって前記データを送信する前のキャリアセンス期間でキャリアセンスを行い、前記第３のサブスロット内のキャリアセンスの結果に応じて前記第３のサブスロットにおける送信を行い、前記通信制御部は、受信したデータに含まれる、データの送信時刻に対応するタイムスタンプ情報と、前記中継ノードがデータを送信するサブスロットに対応するタイミング情報とに基づいて、時刻同期を行うことを特徴とする。
また、上記目的を達成するために本発明の一態様に係る中継ノードは、複数のサブスロットを含むフラッディングスロットにおいてデータを中継する、同時送信ネットワークに使用する中継ノードであって、前記中継ノードを制御する通信制御部と、前記複数のサブスロットのうちの前記第１のサブスロットにおいてデータを受信する受信部と、サブスロット内の、前記送信部によって前記データを送信する前のキャリアセンス期間でキャリアセンスを行う検出部と、前記第１のサブスロットに続く第２のサブスロット内の前記キャリアセンス期間において前記検出部が閾値以上の信号を検出しない場合に、前記第１のサブスロットに続く前記第２のサブスロットにおいて、受信した前記データを送信し、前記第２のサブスロット内の前記キャリアセンス期間において前記検出部が閾値以上の信号を検出した場合に、前記第２のサブスロットで前記データを送信しない、送信部と、を有し、前記第２のサブスロットにおいて前記送信部が前記データを送信しない場合、前記通信制御部は、ノード間で同期した疑似ランダム変数に基づいて前記第２のサブスロットの後の前記フラッディングスロット内の第３のサブスロットまでの待機時間を決定し、前記送信部は、前記第３のサブスロットにおいて前記送信部による送信を試行する、ことを特徴とする。
また、上記目的を達成するために本発明の一態様に係る中継ノードは、複数のサブスロットを含むフラッディングスロットにおいてデータを中継する、同時送信ネットワークに使用する中継ノードであって、前記中継ノードを制御する通信制御部と、前記複数のサブスロットのうちの前記第１のサブスロットにおいてデータを受信する受信部と、前記フラッディングスロット内の前記第１のサブスロットより前のキャリアセンス期間でキャリアセンスを行う検出部と、前記第１のサブスロットに続く前記第２のサブスロットにおいて、受信した前記データを送信する送信部と、を有し、前記送信部は、前記キャリアセンス期間において前記検出部が閾値以上の信号を検出した場合に、前記第２のサブスロットで前記データを送信しない、ことを特徴とする。

また、上記目的を達成するために本発明の一態様に係る通信システムは、複数のサブスロットを含むフラッディングスロットにおいてフラッディング方式を用いて通信する、送信ノードと中継ノードとを含む、同時送信ネットワークに使用する通信システムであって、前記送信ノードは、送信すべきデータを取得し、前記フラッディングスロット内の第１のキャリアセンス期間においてキャリアセンスを行い、前記第１のキャリアセンス期間において閾値以上の信号を検出しなかった場合に、前記複数のサブスロット内の第１のサブスロットにおいて、前記データを送信し、複数の前記中継ノードは、前記第１のサブスロットにおいて前記送信ノードからのデータを受信し、前記フラッディングスロット内の第２のキャリアセンス期間においてキャリアセンスを行い、前記第２のキャリアセンス期間において閾値以上の信号を検出しなかった場合に、前記第１のサブスロットに続く第２のサブスロットにおいて、前記複数の中継ノード間で同期されたタイミングで前記データを送信し、受信したデータに含まれる、データの送信時刻に対応するタイムスタンプ情報と、前記中継ノードがデータを送信するサブスロットに対応するタイミング情報とに基づいて、時刻同期を行う、ことを特徴とする。

本発明によれば、フラッディング方式を用いる通信を行う無線通信システムにおいて、他システムとの干渉を抑制することができる。

一実施形態に係る無線通信システムの構成例を示す図。一実施形態に係る送信ノードの機能ブロック図。一実施形態に係る中継ノードの機能ブロック図。一実施形態に係るシンクノードの機能ブロック図。一実施形態に係るフラッディング方式を用いる通信のサブスロットを示すタイミング図。一実施形態に係るフラッディング方式を用いた通信で送受信されるパケットの構造の一例を示す図。一実施形態に係るフラッディング方式を用いる通信のフラッディングスロットを示すシーケンス図。第１の実施形態に係るフラッディング方式を用いた通信のサブスロットを示すタイミング図。第１の実施形態に係る中継ノードが実行する処理の一例を示すフローチャート図。一実施形態に係るフラッディング方式を用いた通信のサブスロットを示すタイミング図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る中継ノードを含む無線通信システム１００を示すブロック図である。

無線通信システム１００は、送信ノード１１０、中継ノード１２０、シンクノード１３０を含む。

本実施形態に係る無線通信システムは、センサデータなどを含むパケットを送信するためのフラッディングスロットを各無線通信ノードに割り当てる。また、各無線通信ノードは、自己に割当てられたフラッディングスロット内でセンサデータなどを含むパケットの送信を行い、そのパケットを受信した他のノードが直ちに同じパケットをフラッディング方式を用いてブロードキャスト送信するという動作を繰り返す。これにより、送信ノード１１０から送信されたセンサデータをシンクノード１３０が収集することができる。フラッディングスロットとは、１つの無線通信ノードから別の少なくとも１つの無線通信ノードへ、パケットを送信するために、フラッディング方式を用いるブロードキャスト送信を繰り返す１つのサイクルを指す。なお、フラッディングスロット内において、各ノードが送信または受信を行うためのタイムスロットはサブスロットと呼ぶ。

なお、図１では、１台の送信ノード１１０、複数の中継ノード１２０、および１台のシンクノード１３０を含む無線通信システムを例に説明を行うが、無線通信システムは複数の送信ノード１１０およびシンクノード１３０を含んでもよい。

また、本実施形態では、送信ノード１１０と中継ノード１２０とは別の無線通信ノードであるものとして説明を行うが、無線通信ノードが、後述するスケジュールに応じて、送信ノード１１０または中継ノード１２０として動作してもよい。本実施形態に係る無線通信システムの無線通信ノードとは、送信ノード１１０、中継ノード１２０、およびシンクノード１３０の何れかのノードを示す。

図２は、上記送信ノード１１０の構成を示すブロック図である。この送信ノード１１０は、無線通信部２０１と、通信制御部２０２と、スケジュール管理部２０３と、時刻生成部２０４と、データ保持部２０５と、センサ入力部２０７とを備える。通信制御部２０２は、送信処理部２０２１と、転送処理部２０２２と、信号検出部２０２３を備える。この例ではセンサ２０６は送信ノード１１０のセンサ入力部２０７に接続されているが、送信ノード１１０は、センサ２０６を備えてもよい。

上記センサ２０６は、設置個所における所定のセンシングを行い、センシングしたデータを送信ノード１１０へ送信する。無線通信部２０１は、無線通信の送受信部として動作するモジュールであり、他の中継ノード１２０との間で無線通信部２０１が備えるアンテナまたは外部のアンテナ（不図示）を介して無線によりデータの送受信を行う。上記通信制御部２０２は、無線通信部２０１の通信状態を管理し、決められたシーケンスに従って送信・転送処理を実行させる。

ここで、通信制御部２０２の転送処理部２０２２は、他の無線通信ノードからのパケットを受信すると共に、他の無線ノードからのデータを解析して、受信したパケットをブロードキャスト送信する中継処理を担当する。また、転送処理部２０２２は、中継処理において、後述するタイミング情報を変更する。送信処理部２０２１は、必要なセンサデータを無線通信部２０１へ送出する。送出するデータは、図６を参照して後述する。信号検出部２０２３は所定の信号の信号強度を検出する。

上記データ保持部２０５は、センサ２０６のセンサデータを時刻と対応させて保持するメモリを備える。上記センサ入力部２０７は、センサ２０６からの送信データを受け取ってデータ保持部２０５に送る。上記スケジュール管理部２０３は、サブスロットを含む送信ノード１１０の送受信タイミングの管理を行う。また、スケジュール管理部２０３は、フラッディングスロット長や、サブスロット長、フラッディングスロットにおける最大送信回数などの、フラッディング方式の通信に必要なパラメータを保持する。上記時刻生成部２０４は、時計であり、各処理部の制御タイミング設定に用いられる。

図３は、上記中継ノード１２０の構成を示すブロック図である。この中継ノード１２０は、無線通信部３０１と、通信制御部３０２と、スケジュール管理部３０３と、時刻生成部３０４とを備える。通信制御部３０２は、転送処理部３０２２と、信号検出部３０２３とを備える。

中継ノード１２０の無線通信部３０１、スケジュール管理部３０３、および時刻生成部３０４は、それぞれ送信ノード１１０の無線通信部２０１、スケジュール管理部２０３、および時刻生成部２０４と同様の機能を有するため、説明を省略する。中継ノードの通信制御部３０２は、送信処理部を有していないこと以外は送信ノードの通信制御部２０２と同様の機能を有するため説明を省略する。なお、中継ノード１２０は随意に送信ノード１１０と同様の構成を備えてもよく、センサノードとしての機能を持っていてもよい。

図４に、シンクノード１３０の構成例を示す。シンクノード１３０は、無線通信部４０１と、通信制御部４０２と、データ収集部４０３と、スケジュール管理部４０４と、時刻生成部４０５と、を備える。通信制御部４０２は、受信処理部４０２１と、再送処理部４０２２と、同期処理部４０２３と、信号検出部４０２４とを備える。

無線通信部４０１は、無線通信の送受信部として動作するモジュールであり、無線通信部４０１が備えるアンテナまたは外部のアンテナ（不図示）を介して無線によりデータの送受信を行う。受信処理部４０２１は、受信データをデータ収集部４０３に格納する。同期処理部４０２３は、系全体のスケジュールを作成管理する。スケジュール管理部４０４は、自己のサブスロットの管理を行う。また、スケジュール管理部４０４は、フラッディングスロット長や、サブスロット長、フラッディングスロットにおける最大送信回数などの、フラッディング方式の通信に必要なパラメータを保持する。時刻生成部４０５は、時計である。

同期処理部４０２３は、系全体のスケジュールを作成管理するため、各送信ノード１１０および中継ノード１２０に対して、定期的に時刻同期パケットを送信する。シンクノード１３０が自己のサブスロットに送出するパケットを用いて他の送信ノード１１０および中継ノード１２０に同期を促す。時刻同期パケットは、他の通信と同様に、フラッディング方式でリレーされる。信号検出部４０２４は、無線通信部が所定の信号強度以上の信号を検出する。

一例では、シンクノード１３０は、収集したデータを、外部装置に送信するための通信部またはそのような通信装置に接続するインタフェースを随意に有してもよい。通信部は、セルラ通信などの広域無線通信ネットワーク、Ｗｉ−Ｆｉなどの無線ローカルエリアネットワーク、および有線ネットワークの少なくとも何れかを含む通信ネットワークと通信を行う。

次に、図５を参照して、図１の構成の無線通信システムが行うフラッディング方式による通信の一例を説明する。

図５は、図１のノード構成において、各無線ノードのサブスロットの使用例を示している。なお、図５に示すフラッディング方式では、無線通信ノードが１つのフラッディングスロット内で送信を行う回数を規定する、最大送信回数は２回であるものとして説明を行う。

まず、最初のサブスロット５０１において、送信ノード１１０は、パケットを送信する。送信ノード１１０からのパケットは、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂが受信するものとする。

ここで、図６を参照して、送信ノード１１０が送信するパケットフォーマットの一例を説明する。

送信元６０１は、送信ノード１１０の識別子を示す情報である。宛先６０２は、シンクノード１３０の識別子を示す情報である。センサデータ６０３は、送信ノード１１０のセンサ２０６が取得したセンサデータに基づいて生成される情報である。パケットタイプ６０４は、時刻同期パケット、データパケット、またはスリープパケットなどの、送信ノード１１０が送信するセンサのパケットタイプを示す情報である。認証コード６０５は、送信ノード１１０が無線通信システム内の正当な送信ノード１１０であることを検証するために用いられる情報である。タイミング情報６０６は、パケットが送信されるタイミングを示すサブスロット番号に対応する情報である。

中継ノード１２０は、図５に示すように、パケットを中継する場合に、少なくとも送信元６０１、宛先６０２、センサデータ６０３、およびパケットタイプ６０４を変更することなく送信する。一方で、少なくともタイミング情報６０６を変更して送信する。

例えば、サブスロット５０１において、送信ノード１１０は、タイミング情報６０６が「１」を示す情報を設定してパケットを送信する。送信ノード１１０から送信されたパケットは、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂに受信される。

サブスロット５０１の次のサブスロット５０２において、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂは、受信したパケットを転送する。１つのサブスロット内で、複数の無線ノードが送信したパケットは、データが同一であり、および送信時刻が同期されているため、衝突しても問題なく復号される。このため、中継ノード１２０ｃは、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂから同時送信されたパケットを１つのパケットとして受信する。ここで、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂは、タイミング情報６０６を「２」に増やしてパケットの送信を行う。中継ノード１２０ａおよび１２０ｂからのパケットは、送信ノード１１０ならびに中継ノード１２０ｃおよび１２０ｄが受信するものとする。

続いて、サブスロット５０２の次のサブスロット５０３において、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂからのパケットを受信した送信ノード１１０ならびに中継ノード１２０ｃおよび１２０ｄは、タイミング情報６０６を「３」に設定して受信したパケットを転送する。送信ノード１１０ならびに中継ノード１２０ｃおよび１２０ｄからのパケットは、中継ノード１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｅ、および１２０ｆ、ならびにシンクノード１３０が受信するものとする。送信ノード１１０は、最大送信回数である２回送信を行ったため、以降のサブスロットでは受信も送信も行わない。

続いて、サブスロット５０３の次のサブスロット５０４において、送信ノード１１０ならびに中継ノード１２０ｃおよび１２０ｄからのパケットを受信した中継ノード１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｅおよび１２０ｆは、タイミング情報６０６を「４」に設定して受信したパケットを転送する。中継ノード１２０ｅおよび１２０ｆからのパケットは、中継ノード１２０ｃおよび１２０ｄ、並びにシンクノード１３０が受信する。中継ノード１２０ａ、１２０ｂは、２回送信を行ったため、以降のスロットでは受信も送信も行わない。

続いて、サブスロット５０４の次のサブスロット５０５において、中継ノード１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｅおよび１２０ｆからのパケットを受信した中継ノード１２０ｃおよび１２０ｄは、タイミング情報６０６を「５」に設定して受信したパケットを転送する。中継ノード１２０ｃおよび１２０ｄは、２回送信を行ったため、以降のサブスロットでは受信も送信も行わない。中継ノード１２０ｃおよび１２０ｄからのパケットは、中継ノード１２０ｅおよび１２０ｆならびにシンクノード１３０が受信する。

続いて、サブスロット５０５の次のサブスロット５０６において、中継ノード１２０ｃおよび１２０ｄからのパケットを受信した中継ノード１２０ｅおよび１２０ｆは、タイミング情報６０６を「６」に設定して受信したパケットを転送する。中継ノード１２０ｅおよび１２０ｆからのパケットは、シンクノード１３０が受信する。

なお、シンクノード１３０が、後述する時刻同期などのために時刻同期パケット（時刻同期信号）を送信する場合も、図５に示すようなフラッディング方式の通信と同様に無線通信システム内の無線ノードに送信される。

また、この例では、サブスロット５０１では中継ノード１２０ｃ〜１２０ｆおよびシンクノード１３０はパケットを検出しなくても受信を行っている。また、サブスロット５０２でも、中継ノード１２０ｅ〜１２０ｆおよびシンクノード１３０は受信を行っている。すなわち、フラッディングスロットが始まってから、中継ノード１２０ａ〜１２０ｆおよびシンクノード１３０はパケットを受信するために受信を行っている。

次に、図７を参照して、本実施形態に係る無線通信システムが実行する処理の一例を説明する。

図７は、シンクノード１３０が無線通信システム内の時刻同期を実行させ、送信ノード１１０からデータを収集するまでの処理のシーケンス図を示す。

各フラッディングスロットは、フラッディングによるデータ転送の期間を表す。１つのフラッディングスロットは、シンクノード１３０から、送信ノード１１０および中継ノード１２０のうちの少なくとも１台のノードを宛先とした送信（ダウンリンク）、または送信ノード１１０および中継ノード１２０のうちの少なくとも１台の無線通信ノードからシンクノード１３０への送信（アップリンク）に割当てられる期間を表す。

なお、アップリンクおよびダウンリンクの両方において、図５で説明したようなフラッディング方式の通信が用いられる。

まず、フラッディングスロット７０１は、シンクノード１３０が時刻同期パケットを送信し、フラッディング方式でネットワーク内の各ノードに時刻同期に必要な情報、例えばタイムスタンプ情報、を無線通信システム内の無線ノードに通知するためのフラッディングスロットである。

続いて、フラッディングスロット７０２において、シンクノード１３０に送信すべきデータを有している送信ノード１１０は、シンクノード１３０を宛先に、送信すべきデータの送信を希望する送信要求パケットを送信する。

一例では、フラッディングスロット７０２では、送信すべきデータを有している送信ノード１１０が、疑似ランダム関数を用いて生成したランダム時間またはランダム数のサブスロットだけ待機し、送信要求パケット（送信要求信号）を送信する、ランダムバックオフベースのフラッディング方式の通信を行う。この場合、送信すべきデータを有している送信ノード１１０であって、送信要求パケットを送信する前に他の送信ノードから送信要求パケットを受信した送信ノード１１０は、当該他の通信ノードからの送信要求パケットを中継し、自身の送信要求パケットは送信しない。このように、フラッディングスロット７０２において、シンクノード１３０はデータの送信を許可するノードを把握することができる。

続いて、フラッディングスロット７０３において、シンクノード１３０は、所定の送信ノード１１０を宛先６０２に設定し、次のフラッディングスロット７０４における送信を許可する送信許可パケットを送信する。

続いて、フラッディングスロット７０４において、送信許可パケットで指定された送信ノード１１０は、当該スロットで送信を開始する。すなわち、送信元６０１をその送信ノード１１０の識別子に設定し、宛先６０２をシンクノード１３０に設定し、センサデータを送信する。

続いて、フラッディングスロット７０４においてセンサデータを正常に受信したと判断したシンクノード１３０は、フラッディングスロット７０５において他の送信ノード１１０にも、送信許可を送信する。フラッディングスロット７０６以降は、シンクノード１３０によって送信を許可された送信ノード１１０の数に対応するフラッディングスロット数だけセンサデータのアップリンク送信が行われる。その後、フラッディングスロットＮにおいて、全ての送信ノード１１０からのデータ収集が完了したと判定したシンクノード１３０は、スリープを指示するスリープパケット（スリープ信号）を送信する。スリープパケットを受信した無線通信システム内の無線通信ノードは、フラッディングスロットＮの終了後、所定の時刻までスリープ状態に遷移する。所定の時刻とは、１０００ミリ秒などの無線通信ノードで共通の時刻であってもよいし、スリープパケットに含まれる情報に基づいて特定されてもよい。

＜衝突回避＞
続いて、図８を参照して、他システムとの干渉を抑制する、フラッディング方式を用いる無線通信システムを説明する。

図８は、図１の構成の無線通信システムにおける、１つのデータ送信フラッディングスロット内での各無線ノードのサブスロットの使用例を示している。なお、図８に示すフラッディング方式では、図１と同様のノード配置であり、フラッディングスロット内の最大送信回数は２回であるものとして説明を行う。

図８に示すように、送信ノード１１０、中継ノード１２０、およびシンクノード１３０は、各自が送信を行うサブスロットにおいて、送信前にキャリアセンスを行う。

まず、最初のサブスロット８０１において、シンクノードからセンサデータの送信を許可された送信ノード１１０はキャリアセンス期間８０１１においてキャリアセンスを行う。すなわち、信号検出部２０２３が閾値以上の信号を検出したか否かを判定する。そして、キャリアセンス期間８０１１において閾値以上の信号を検出しない場合、キャリアセンス期間８０１１に続く送信期間８０１２でパケットを送信する。送信ノード１１０からのパケットは、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂが受信するものとする。

サブスロット８０１の次のサブスロット８０２において、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂは、受信したパケットを転送する。すなわち、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂは、キャリアセンス期間８０２１においてキャリアセンスを行い、所定の強度以上の信号を検出しない場合に、続く送信期間８０２２でパケットを送信する。ここで、サブスロット８０２で送信を試行する中継ノードは、同じタイミングでキャリアセンスを行うため、無線通信システム１００内のノードは信号を送信しておらず、システム外の信号を検出することができる。中継ノード１２０ａおよび１２０ｂからのパケットは、送信ノード１１０ならびに中継ノード１２０ｃおよび１２０ｄが受信するものとする。

続いて、サブスロット８０２の次のサブスロット８０３において、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂからのパケットを受信した送信ノード１１０ならびに中継ノード１２０ｃおよび１２０ｄは、受信したパケットを転送しようとする。

ここで、中継ノード１２０ｄがキャリアセンス期間８０３１においてキャリアセンスを行った結果、閾値以上の信号を検出したと仮定する。この場合、中継ノード１２０ｄは、キャリアセンス期間８０３１の次の送信期間８０３２ではパケットを送信しない。これによって、中継ノード１２０ｄの周辺に、無線通信システム１００が通信で使用する周波数と同じ周波数を用いて通信を行うシステムが存在する場合であっても、システム間の干渉を抑制することができる。

サブスロット８０３で送信される、送信ノード１１０および中継ノード１２０ｃからのパケットは、中継ノード１２０ａ、１２０ｂ、および１２０ｅ、ならびにシンクノード１３０が受信する。

続いて、サブスロット８０３の次のサブスロット８０４において、中継ノード１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｅおよび中継ノード１２０ｄは、受信したパケットを転送する。すなわち、中継ノード１２０ｄは、サブスロット８０３で送信を中止したパケットを、その次のサブスロット８０４のキャリアセンス期間８０４１でキャリアセンスを行い、閾値以上の信号を検出しない場合に、続く送信期間８０４２においてパケットを送信する。なお、この場合、中継ノード１２０ｄは、タイミング情報６０６を「４」に設定する。これによって、中継ノード１２０ｄは、同じサブスロット８０４で送信する中継ノード１２０ａ、１２０ｂ、および１２０ｅと同じパケットを送信する。中継ノード１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｅおよび１２０ｄからのパケットは、中継ノード１２０ｃおよび１２０ｆ、並びにシンクノード１３０が受信する。

次に、図９を参照して、本実施形態に係る中継ノード１２０が実行する処理を説明する。図９の処理は、データ収集フラッディングスロット開始時に、中継ノード１２０の通信制御部３０２が実行する。

まず、Ｓ９０１で、通信制御部３０２は、送信すべきデータがあるか否かを判定する。一例では、通信制御部３０２は、直前のサブスロットでパケットを受信した場合に、送信すべきデータがあると判定する。送信すべきデータがあると判定した場合（Ｓ９０１でＹｅｓ）は処理をＳ９０２に進め、送信すべきデータがないと判定した場合（Ｓ９０１でＮｏ）はＳ９０１の処理を繰り返す。

Ｓ９０２では、通信制御部３０２は、信号検出部３０２３にキャリアセンスを実行させる。続いて、Ｓ９０３に処理を進め、通信制御部３０２は、キャリアセンス期間において、信号検出部３０２３が閾値以上の信号を検出したか否かを判定する。キャリアセンス期間に閾値以上の信号を検出したと判定した場合（Ｓ９０３でＹｅｓ）、通信制御部３０２は処理をＳ９０４に進め、他システムとの干渉を抑制するために送信すべきデータの送信を行わないと判定する。続いて、通信制御部３０２は処理をＳ９０５に進め、まだ送信サブスロットがあり、送信の試行が可能か否かを判定する。一例では、フラッディングスロットの最後である場合には、送信サブスロットがないと判定する。送信の試行が可能であると判定すると（Ｓ９０５でＹｅｓ）、処理をＳ９０２に戻し、送信の試行が可能ではないと判定すると（Ｓ９０５でＮｏ）、図９の処理を終了する。キャリアセンス期間に閾値以上の信号を検出しなかったと判定した場合（Ｓ９０３でＮｏ）、通信制御部３０２は処理をＳ９０６に進め、送信すべきデータの送信を行い、処理をＳ９０７に進める。

Ｓ９０７では、通信制御部３０２は、パケットの送信回数がフラッディングスロットにおける最大送信回数以上であるか否かを判定する。パケットの送信回数が最大送信回数未満であると判定した場合（Ｓ９０７でＮｏ）、通信制御部３０２は処理をＳ９０１に戻す。パケットの送信回数が最大送信回数以上であると判定した場合（Ｓ９０７でＹｅｓ）、通信制御部３０２は図９の処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態に係る無線通信ノードによれば、送信前にキャリアセンスを行い、キャリアセンスで閾値以上の信号を検出した場合には送信を行わないことで、他システムとの干渉を抑制することができる。

また、以上説明したように、本実施形態に係る無線通信システムによれば、送信前にキャリアセンスを行い、キャリアセンスで閾値以上の信号を検出した場合には送信を行わないことで、ノードのパケット転送の同時性を保ちつつ、他システムとの干渉を抑制することができる。

＜変形例＞
第１の実施形態では、各無線通信ノードは、全ての送信前にキャリアセンスを行う。しかしながら、一例では、無線通信ノードは、フラッディングスロットの開始時に１回キャリアセンスを行うだけであってもよい。図１０に、フラッディングスロットの開始時に全ての無線通信ノードがキャリアセンスを行う無線通信システムのタイミング図を示す。

図１０において、全てのノードがフラッディングスロット開始時にキャリアセンスを行った結果、中継ノード１２０ｄが閾値以上の信号を検出したとする。この場合、中継ノード１２０ｄは信号を検出したフラッディングスロット内では送受信を行わない。一例では、キャリアセンスで閾値以上の信号を検出した中継ノード１２０ｄは、送信のみを行わず、受信は行ってもよい。

また、第１の実施形態では、キャリアセンスで閾値以上の信号を検出した中継ノードは、次のサブスロットで送信を再度試行するものとして説明を行った。しかしながら、送信を再度試行するまでの時間は、スケジュール管理部３０３によって決定されたサブスロットであればよい。一例では、通信制御部３０２は、信号検出部３０２３が閾値以上の信号を検出したサブスロットから所定の数のサブスロット後のサブスロットで送信を再度試行してもよい。

または、通信制御部３０２は、ランダム数に対応する分だけ後のサブスロットで送信を再度試行してもよい。例えば、スケジュール管理部３０３は、疑似ランダム数生成部を備え、キャリアセンス期間の長さまたは送信を再度試行するまでに待機するサブスロット数を疑似ランダム数生成部が生成した疑似ランダム変数に基づいて決定してもよい。

例えば、疑似ランダム数生成部が１〜１００のうちの１つの疑似ランダム変数をスケジュール管理部３０３に提供し、スケジュール管理部３０３は、受け取った疑似ランダム変数に基づいて送信を再度試行するスケジュールを決定してもよい。この場合、スケジュール管理部３０３は、疑似ランダム変数が１以上４０未満であれば１つ、４０以上７０未満であれば２つ、７０以上９０未満であれば３つ、９０以上１００以下であれば４つのサブスロット後に送信を試行するようスケジュールを決定してもよい。

なお、疑似ランダム数生成部が生成する疑似ランダム変数は、ノード間で同期した疑似ランダム変数であってもよい。すなわち、疑似ランダム変数を生成するために用いるランダム関数や、シードなどのパラメータは、無線通信システム１００内の無線通信ノードで共通であってもよい。このようなパラメータは、あらかじめ中継ノード１２０を制御するためのプログラムに設定されていてもよく、シンクノード１３０から各無線通信ノードに通知されてもよい。この場合、無線通信システム１００は、ノード間で同期した疑似ランダム変数に基づくキャリアセンス（ランダムバックオフ）を行うことができる。

また、本実施形態において、シンクノード１３０は受信のみを行うものとして説明を行った。しかしながら、一例では、シンクノード１３０も中継ノード１２０と同様に受信したパケットを送信する転送処理を行ってもよい。その場合は、シンクノード１３０も図９に示すものと同様の処理を行ってもよい。

また、本実施形態では、中継ノード１２０は、受信したパケットを送信した後は、再度パケットを受信するまで待機し、再度パケットを受信してから再度送信を行う。一例では、中継ノード１２０はパケットを受信すると、そのフラッディングスロット内で送信を繰り返してもよい。図５の例では、サブスロット５０１でパケットを受信した中継ノード１２０ａは、以降のサブスロット５０２〜５０６の全てでパケットのタイミング情報６０６を変更しながら送信してもよい。

また、本実施形態では、フラッディングスロット７０４の前に各ノードがサブスロット長に関する情報を持っているものとして説明を行ったが、一例では、各ノードは、フラッディングスロット７０４においてパケットを受信するまでサブスロット長に関する情報を持たなくてもよい。この場合、送信ノード１１０は、任意のパケット長のパケットを送信し、パケットを受信した中継ノード１２０は、受信したパケットのパケット長に基づいて、サブスロット長を判定する。すなわち、中継ノード１２０は、フラッディングスロット７０１の開始後、受信処理を開始した後、パケットを検出した後にサブスロット長を判定してもよい。このため、例えば図８において、中継ノード１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ、および１２０ｆはサブスロット８０１を認識しなくてもよいし、中継ノード１２０ｅおよび１２０ｆはサブスロット８０２を認識しなくてもよい。

１００：無線通信システム、１１０：送信ノード、１２０：中継ノード、１３０：シンクノード

Claims

複数のサブスロットを含むフラッディングスロットにおいてデータを中継する、同時送信ネットワークに使用する中継ノードであって、
前記中継ノードを制御する通信制御部と、
前記複数のサブスロットのうちの第１のサブスロットにおいてデータを受信する受信部と、
サブスロット内の、前記データを送信する前のキャリアセンス期間でキャリアセンスを行う検出部と、
前記第１のサブスロットに続く第２のサブスロット内の前記キャリアセンス期間において前記検出部が閾値以上の信号を検出しない場合に、前記第２のサブスロットにおいて、受信した前記データを送信し、
前記第２のサブスロット内の前記キャリアセンス期間において前記検出部が閾値以上の信号を検出した場合に、前記第２のサブスロットで前記データを送信しない、
送信部と、
を有し、
前記送信部が前記第２のサブスロットにおいて前記データを送信しない場合、前記検出部は、前記第２のサブスロットに続く第３のサブスロット内の、前記送信部によって前記データを送信する前のキャリアセンス期間でキャリアセンスを行い、前記送信部は、前記第３のサブスロット内のキャリアセンスの結果に応じて前記第３のサブスロットにおける前記データの送信を行い、
前記通信制御部は、受信したデータに含まれる、データの送信時刻に対応するタイムスタンプ情報と、前記中継ノードがデータを送信するサブスロットに対応するタイミング情報とに基づいて、時刻同期を行う
ことを特徴とする中継ノード。
複数のサブスロットを含むフラッディングスロットにおいてデータを中継する、同時送信ネットワークに使用する中継ノードであって、
前記中継ノードを制御する通信制御部と、
前記複数のサブスロットのうちの第１のサブスロットにおいてデータを受信する受信部と、
サブスロット内の、前記データを送信する前のキャリアセンス期間でキャリアセンスを行う検出部と、
前記第１のサブスロットに続く第２のサブスロット内の前記キャリアセンス期間において前記検出部が閾値以上の信号を検出しない場合に、前記第２のサブスロットにおいて、受信した前記データを送信し、
前記第２のサブスロット内の前記キャリアセンス期間において前記検出部が閾値以上の信号を検出した場合に、前記第２のサブスロットで前記データを送信しない、
送信部と、
を有し、
前記第２のサブスロットにおいて前記送信部が前記データを送信しない場合、前記通信制御部は、ノード間で同期した疑似ランダム変数に基づいて、前記第２のサブスロットの後の前記フラッディングスロット内の第３のサブスロットまでの待機時間を決定し、前記送信部は、前記第３のサブスロットにおいて前記送信部による前記データの送信を試行する、
ことを特徴とする中継ノード。
複数のサブスロットを含むフラッディングスロットにおいてデータを中継する、同時送信ネットワークに使用する中継ノードであって、
前記中継ノードを制御する通信制御部と、
前記複数のサブスロットのうちの第１のサブスロットにおいてデータを受信する受信部と、
前記フラッディングスロット内の前記第１のサブスロットより前のキャリアセンス期間でキャリアセンスを行う検出部と、
前記第１のサブスロットに続く第２のサブスロットにおいて、受信した前記データを送信する送信部と、
を有し、
前記送信部は、前記キャリアセンス期間において前記検出部が閾値以上の信号を検出した場合に、前記第２のサブスロットで前記データを送信しない、
ことを特徴とする中継ノード。
前記通信制御部は、受信したデータに含まれる、データの送信時刻に対応するタイムスタンプ情報と、前記中継ノードがデータを送信するサブスロットに対応するタイミング情報とに基づいて、時刻同期を行うことを特徴とする請求項２または３に記載の中継ノード。
前記受信部は、複数の他ノードから同時に送信されたデータを受信することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の中継ノード。
前記キャリアセンス期間の長さは、ノード間で同期した疑似ランダム変数に基づいて決定されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の中継ノード。
複数のサブスロットを含むフラッディングスロットにおいてデータを中継する、同時送信ネットワークに使用する中継ノードの制御方法であって、
前記複数のサブスロットのうちの第１のサブスロットにおいてデータを受信する受信工程と、
サブスロット内の、前記データを送信する前のキャリアセンス期間でキャリアセンスを行う検出工程と、
前記第１のサブスロットに続く第２のサブスロット内の前記キャリアセンス期間において前記検出工程で閾値以上の信号を検出しない場合に、前記第２のサブスロットで受信した前記データを送信し、
前記第２のサブスロット内の前記キャリアセンス期間において前記検出工程で閾値以上の信号を検出した場合に、前記第２のサブスロットにおいて前記データを送信しない、
送信工程と、
受信したデータに含まれる、データの送信時刻に対応するタイムスタンプ情報と、前記中継ノードがデータを送信するサブスロットに対応するタイミング情報とに基づいて、時刻同期を行う同期工程と、
を有し、
前記送信工程において、前記第２のサブスロットにおいて前記データを送信しない場合、前記第２のサブスロットに続く第３のサブスロット内の、前記データを送信する前のキャリアセンス期間でキャリアセンスを行い、前記第３のサブスロット内のキャリアセンスの結果に応じて前記第３のサブスロットにおける送信を行う、
ことを特徴とする制御方法。
複数のサブスロットを含むフラッディングスロットにおいてデータを中継する、同時送信ネットワークに使用する中継ノードの制御方法であって、
前記複数のサブスロットのうちの第１のサブスロットにおいてデータを受信する受信工程と、
サブスロット内の、前記データを送信する前のキャリアセンス期間でキャリアセンスを行う検出工程と、
前記第１のサブスロットに続く第２のサブスロット内の前記キャリアセンス期間において前記検出工程で閾値以上の信号を検出しない場合に、前記第２のサブスロットで受信した前記データを送信し、
前記キャリアセンス期間において前記検出工程で閾値以上の信号を検出した場合に、前記第２のサブスロットにおいて前記データを送信しない、
送信工程と、
前記データを送信するサブスロットを決定する制御工程と、
を有し、
前記第２のサブスロットにおいて前記データを送信しない場合、前記制御工程において、ノード間で同期した疑似ランダム変数に基づいて前記第２のサブスロットの後の前記フラッディングスロット内の第３のサブスロットまでの待機時間が決定され、前記第３のサブスロットにおいて、前記送信工程における送信が試行される、
ことを特徴とする制御方法。
複数のサブスロットを含むフラッディングスロットにおいてデータを中継する、同時送信ネットワークに使用する中継ノードの制御方法であって、
前記複数のサブスロットのうちの第１のサブスロットにおいてデータを受信する受信工程と、
前記フラッディングスロット内の前記第１のサブスロットより前のキャリアセンス期間でキャリアセンスを行う検出工程と、
前記第１のサブスロットに続く第２のサブスロットで受信した前記データを送信する送信工程と、
を有し、
前記キャリアセンス期間において前記検出工程で閾値以上の信号を検出した場合に、前記第２のサブスロットにおいて前記送信工程で前記データを送信しない、
ことを特徴とする制御方法。
複数のサブスロットを含むフラッディングスロットにおいてフラッディング方式を用いて通信する、送信ノードと中継ノードとを含む、同時送信ネットワークに使用する通信システムであって、
前記送信ノードは、
送信すべきデータを取得し、
前記フラッディングスロット内の第１のキャリアセンス期間においてキャリアセンスを行い、
前記第１のキャリアセンス期間において閾値以上の信号を検出しなかった場合に、前記複数のサブスロットのうちの第１のサブスロットにおいて、前記データを送信し、
複数の前記中継ノードは、
前記第１のサブスロットにおいて前記送信ノードからのデータを受信し、
前記フラッディングスロット内の第２のキャリアセンス期間においてキャリアセンスを行い、
前記第２のキャリアセンス期間において閾値以上の信号を検出しなかった場合に、前記第１のサブスロットに続く第２のサブスロットにおいて、前記複数の中継ノード間で同期されたタイミングで前記データを送信し、
受信したデータに含まれる、データの送信時刻に対応するタイムスタンプ情報と、前記中継ノードがデータを送信するサブスロットに対応するタイミング情報とに基づいて、時刻同期を行う、
ことを特徴とする通信システム。
前記第１のキャリアセンス期間は前記第１のサブスロットに含まれ、前記第２のキャリアセンス期間は前記第２のサブスロットに含まれることを特徴とする請求項１０に記載の通信システム。
前記第１のキャリアセンス期間および前記第２のキャリアセンス期間は、前記第１のサブスロットより前の期間であることを特徴とする請求項１０に記載の通信システム。