JP7088582B1 - 通信装置、通信方法、およびマルチホップ中継システム - Google Patents

Abstract

【課題】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けるチャネルホッピングに有利な技術を提供すること。【解決手段】それぞれが複数のサブスロットを含む第１のフラッディングスロットと第２のフラッディングスロットとにおいてフラッディング方式を用いてパケットを送受信するマルチホップ中継システムの通信装置は、前記第１のフラッディングスロット内の第１のサブスロットと第２のサブスロットとで、パケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替え、前記第２のフラッディングスロット内ではパケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替えず、複数の前記第２のフラッディングスロット間でパケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替える。【選択図】 図９

Description

本発明は、フラッディング方式で通信を行う通信装置、通信方法、およびマルチホップ中継システムに関する。

センサノードを複数配置して、データ収集を行う場合、センサ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（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、もしくは固定遅延で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時または準同時で同じ無線信号を送出すること）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、同時または準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または準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、消費電力を低減できる利点がある。

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。（非特許文献２参照）。

Ｆ． Ｆｅｒｒａｒｉ ｅｔ ａｌ．， "Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｆｌｏｏｄｉｎｇ ａｎｄ Ｔｉｍｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｇｌｏｓｓｙ"， ＩＰＳＮ'１１， ２０１１ Ｃｈａｏ ＧＡＯ ｅｔ ａｌ．， "Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ－Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｆｌｏｏｄｉｎｇ ｉｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ"， 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

無線通信において、耐干渉性能を高めることを目的としてパケット送信に使用する周波数チャネルを切り替えるチャネルホッピング技術が知られている。チャネルホッピング技術によれば、他の無線システムなどによって特定チャネルが占有されている場合であっても、通信を継続しうるが、送信側と受信側とでパケット送信に使用する周波数チャネルの同期を取る必要がある。

本発明は、上述の課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、チャネルホッピングによる通信を行う無線通信システムにおいて、効率的な通信を行うのに有利な技術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通信装置は、
それぞれが複数のサブスロットを含む第１のフラッディングスロットと第２のフラッディングスロットとにおいてフラッディング方式を用いてパケットを送受信するマルチホップ中継システムの通信装置であって、
前記第１のフラッディングスロット内の第１のサブスロットと第２のサブスロットとで、パケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替え、
前記第２のフラッディングスロット内ではパケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替えず、複数の前記第２のフラッディングスロット間でパケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替える、
チャネル制御手段を有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通信方法は、
それぞれが複数のサブスロットを含む第１のフラッディングスロットと第２のフラッディングスロットとにおいてフラッディング方式を用いてノード間でパケットを送受信するマルチホップ中継システムの通信方法であって、
前記第１のフラッディングスロット内の第１のサブスロットと第２のサブスロットとで、パケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替えることと、
前記第２のフラッディングスロット内ではパケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替えず、複数の前記第２のフラッディングスロット間でパケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替えることと、
を含むことを特徴とする。

また、上記目的を達成するために本発明の一態様に係るマルチホップ中継システムは、
それぞれが複数のサブスロットを含む第１のフラッディングスロットと第２のフラッディングスロットとにおいてフラッディング方式を用いてノード間でパケットを送受信するマルチホップ中継システムであって、
前記第１のフラッディングスロット内の第１のサブスロットと第２のサブスロットとで、パケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替え、
前記第２のフラッディングスロット内ではパケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替えず、複数の前記第２のフラッディングスロット間でパケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替える、
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、チャネルホッピングによる通信を行う無線通信システムにおいて、効率的な通信を行うのに有利な技術を提供することができる。

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る通信のフラッディングスロットを示すシーケンス図。 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。 同期パケットの伝送用のフラッディングスロットの構造を示すタイミング図。 データパケットの伝送用のフラッディングスロットの構造を示すタイミング図。 （Ａ）はフラッディングスロットごとに使用されるチャネルの一例を示す図、（Ｂ）同期パケットの伝送用のフラッディングスロットにおいて使用されるチャネルの一例を示す図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴のうち二つ以上の特徴は任意に組み合わされてもよい。また、同一若しくは同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本実施形態に係る無線通信システム１００（マルチホップ中継システム）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１２０ａ～１２０ｅ（区別せずに中継ノード１２０と称する場合がある）を含む。無線通信システム１００においては、複数の中継ノード１２０が同時送信を行う必要があるため、無線通信システム１００内のノード間の同期が必要である。ノード間の同期をとるために、無線通信システム内の１台の送信ノード１１０は、同期パケットを定期的に送出し、当該同期パケットを受信した中継ノード１２０がフラッディング方式の通信によって同期パケットを転送することによって、無線通信システム１００内の全ノードに同期パケットを伝送する。

同期パケットを受信した各ノードは、同期パケットに含まれる時刻情報や同期パケットの転送回数から各ノードと送信ノード１１０との時刻のずれを計算して時刻同期を行う。ノードの再起動時など、中継ノードの時刻同期が外れた状態では、中継ノードは同期パケットの待受けを行い、同期パケットを受信してシステムクロックとの同期を取った後に無線通信システムに参加する。

本実施形態に係る無線通信システム１００は、センサデータなどのデータを含むパケットを送信したいノードは、割り当てられたフラッディングスロットを使ってデータ送信する送信許可を割り当てられる。また、送信許可を与えられた無線通信ノードは、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を送信する。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。通信システムを同期させるために送信ノード１１０は、同期のための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各ノードを同期させるための同期パケットを送信する。中継ノード１２０は、送信ノード１１０または他の中継ノード１２０から受信した同期パケットを転送することで、システム全体に同期パケットをフラッディングさせてノード間の同期をとる。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つの宛先となる無線通信ノードへ、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、サブスロットの長さ（サブスロット長）は送信ノードによって送信されるパケット長などに依存し、フラッディングスロットごとに異なってもよい。

なお、図１では、１台の送信ノード１１０、及び複数の中継ノード１２０を含む無線通信システム１００を例に説明を行うが、無線通信システム１００は複数の送信ノード１１０を含んでもよい。

送信ノード１１０及び複数の中継ノード１２０は、時刻同期のためのフラッディングスロットを中継するときと、同期と異なる目的のフラッディングスロットでは、異なる役割を果たしてもよい。本実施形態では、送信ノード１１０は、後述するセンサデータの送信のためのフラッディングスロットにおいては、他のノードからセンサノードを収集するシンクノードとして動作するものとして説明を行うが、別例では、送信ノード１１０は、後述するセンサデータの送信のためのフラッディングスロットにおいては、他のノードが送信したセンサデータを含むパケットを中継する中継ノードとして動作してもよい。すなわち、ここでは図１の送信ノード１１０及び複数の中継ノード１２０は、時刻同期のためのフラッディングスロットの説明のための例を示すものであり、別の例えばデータ送信を行うためのフラッディングスロットにおいてはそれぞれのノードは別の役割を果たしてもよい。なお、本実施形態において、送信ノード１１０、中継ノード１２０、およびシンクノードを含む、無線通信システム内のノードを無線通信ノードと称する。

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、同期パケット生成部２０３、データ収集部２０４を備える。

無線通信部２０１は、無線信号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。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。なお、通信制御部２０２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、他の無線通信ノードからのデータを解析して、受信したパケットをフラッディング方式に従いブロードキャスト送信する中継処理を行ってもよい。

通信制御部２０２は、同期パケットを送信する周波数チャネルを決定するチャネル決定部２０２１を備える。チャネル決定部２０２１は、同期パケットの伝送のためのフラッディングスロットに含まれる複数のサブスロットごとに同期パケットを送信するチャネルを擬似ランダム関数に基づいて決定する。また、データパケットの伝送のためのフラッディングスロットごとにデータパケットを受信するチャネルを擬似ランダム関数に基づいて決定する。チャネル決定部２０２１の詳細については図７～図９を参照して後述する。

同期パケット生成部２０３は、所定の時間周期で同期パケットを生成し、通信制御部２０２に伝送する。一例では、同期パケット生成部２０３は、高精度なクロックを生成するために、水晶発振器などのクロックユニットを備える。

なお、送信ノード１１０はプロセッサを備え、当該プロセッサがストレージに格納されたプログラムをメモリに展開して実行することで無線通信部２０１、通信制御部２０２、および同期パケット生成部２０３の少なくともいずれかの機能を実現してもよい。

データ収集部２０４は、無線通信ノードの何れかからセンサデータを収集するシンクノードとしての機能を実現する。上述したように、本実施形態では送信ノード１１０がシンクノードとして機能するため、データ収集部２０４が送信ノード１１０に設けられる。一方、送信ノード１１０がシンクノードとして機能しなくてもよく、その場合にはデータ収集部２０４は他の無線通信ノードに設けられてもよい。

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、通信制御部３０２、時刻同期部３０３、およびデータ生成部３０４を備える。

中継ノード１２０の無線通信部３０１は、それぞれ送信ノード１１０の無線通信部２０１と同様の機能を有するため、説明を省略する。

通信制御部３０２は、同期パケットを受信および転送（中継）する周波数チャネルを決定するチャネル決定部３０２１を備える。チャネル決定部３０２１は、同期パケットの受信および転送のためのフラッディングスロットに含まれる複数のサブスロットごとに同期パケットを送信するチャネルを擬似ランダム関数に基づいて決定する。また、チャネル決定部３０２１は、データパケットの送信または中継のためのフラッディングスロットごとにデータパケットを受信するチャネルを擬似ランダム関数に基づいて決定する。チャネル決定部３０２１の詳細については図７～図９を参照して後述する。

時刻同期部３０３は、無線通信部３０１を介して受信した同期パケットに基づいて、中継ノード１２０のクロック補正を行う。

データ生成部３０４は、シンクノードが収集する対象のデータを生成する。中継ノード１２０がセンサから取得したデータを送信するセンサノードである場合には、データ生成部３０４はセンサであってもよいし、中継ノード１２０の外部のセンサに接続されるインタフェースであってもよい。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い。すなわち、中継ノード１２０は、追加で同期パケット生成部２０３に対応する構成を備えてもよい。

なお、中継ノード１２０はプロセッサを備え、当該プロセッサがストレージに格納されたプログラムをメモリに展開して実行することで無線通信部３０１、通信制御部３０２、時刻同期部３０３、およびデータ生成部３０４の少なくともいずれかの機能を実現してもよい。

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

送信元情報６０１は、送信ノード１１０の識別子を示す情報である。宛先情報６０２は、パケットの宛先を示す情報であり、時刻同期パケットでは宛先情報６０２はブロードキャスト又はエニーキャストを示す識別子に設定される。時刻情報６０３は、送信ノード１１０の同期パケット生成部２０３が同期パケットを生成した時刻、または送信ノード１１０の無線通信部２０１が同期パケットを送信する時刻に対応する時刻情報である。時刻情報６０３はタイムスタンプ情報とも呼ばれる。タイミング情報６０４は、同期パケットが送信されるサブスロットに対応する情報であり、同期パケットがフラッディング方式で転送される度に変更される。一例では、同期パケットを受信した中継ノード１２０は、次のサブスロットにおいてタイミング情報６０４を更新してパケットを再構成して送信することで同期パケットの転送処理を行う。

なお、一例では、宛先情報６０２は、上位レイヤで通知されてもよいし、スロット割当の時に作成したスケジュール情報を流用して通知されてもよい。この場合、宛先情報６０２は同期パケットのヘッダには含められずパケットペイロードに含められてもよい。

フラッディングスロット設定情報６０６は、同期パケットを受信した中継ノード１２０がフラッディングスロットまたはサブスロットのパラメータを取得することを可能にするためのパラメータである。フラッディングスロット設定情報６０６は、フラッディングスロットの時間的な長さ、サブスロットの時間的な長さ、同期パケットの送信周期、フラッディングスロット内での最大送信回数、同期回復処理を実行するまでに許容される同期パケットのパケットロス数を含む。

次に、図４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データ転送の一例を説明する。図４では、送信ノード１１０が同期パケットを送信する場合について説明する。またこの例ではノード間で同期がすでにとられているとして説明する。

図４は、図１に示す無線システムにおいて、各無線通信ノードのサブスロットの使用例を示している。図４に示すフラッディング方式では、無線システム内のノードは、１つのサブスロットでパケットを受信すると、以降のサブスロットでは受信したパケットに基づく送信を繰り返すものとして説明を行う。しかしながら、パケットの送信回数の上限が決められてもよいし、１回送信すると次のサブスロットで再度受信を行い、パケットを受信するとそのパケットの送信を行ってもよい。

まず、最初のサブスロット４０１において、送信ノード１１０は、同期パケットを送信する。送信ノード１１０からの同期パケットは、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂが受信するものとする。

例えば、サブスロット４０１において、送信ノード１１０は、タイミング情報６０４が「１」を示す情報を設定して同期パケットを送信する。送信ノード１１０から送信された同期パケットは、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂに受信される。

サブスロット４０１の次のサブスロット４０２において、送信ノード１１０、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂは、受信した同期パケットを転送する。１つのサブスロット内で、複数の無線通信ノードが送信した同期パケットは、データが同一であり、かつ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および１２０ｄは、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂから同時送信された２つの同期パケットを１つの同期パケットとして受信する。ここで、送信ノード１１０、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂは、タイミング情報６０４を「２」に増やして同期パケットの送信を行う。中継ノード１２０ａおよび１２０ｂからの同期パケットは、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４０２の次のサブスロット４０３において、送信ノード１１０、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂ、並びにサブスロット４０２で同期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６０４を「３」に設定して受信した同期パケットを転送する。送信ノード１１０、中継ノード１２０ａ～１２０ｄからの同期パケットは、中継ノード１２０ｅが受信するものとする。

続いて、サブスロット４０３の次のサブスロット４０４において、送信ノード１１０、中継ノード１２０ａ～１２０ｄ、並びにサブスロット４０３で同期パケットを受信した中継ノードｅは、タイミング情報６０４を「４」に設定して受信した同期パケットを転送する。

以降のサブスロット４０５、４０６においてもサブスロット４０４と同様に各ノードが同期パケットの送受信を行うことでネットワーク内の各ノードに同期パケットを送信することができる。

なお、この例では、サブスロット４０１では中継ノード１２０ｃ～１２０ｅも同期パケットを待受けている。しかしながら、中継ノード１２０ｃ～１２０ｅは送信ノード１１０から送信された同期パケットをサブスロット４０１では検出できないため、後続のサブスロット４０２でも同期パケットの待受けを継続する。すなわち、点線で示すように、フラッディングスロットが始まってから、中継ノード１２０ａ～１２０ｅは同期パケットを受信するために待受け処理を実行している。

また、中継ノード１２０は、同期パケットを受信し次第、時刻同期を行う。このため、図４の例では同期パケットのパケット長とサブスロット長とが同じものとして図示されているが、同期パケットのパケット長をサブスロット長よりも短くし、サブスロット内の同期パケットの送受信の後にオーバヘッドが設けられてもよい。

次に、図５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５は、送信ノード１１０が無線通信システム内の時刻同期を実行させ、いずれかの中継ノード１２０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。なお、図５においては、送信ノード１１０が中継ノード１２０からデータを収集するシンクノードであるものとして説明を行うが、無線通信システム１００は送信ノード１１０とは別にシンクノードを備えてもよい。

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、送信ノード１１０及び中継ノード１２０を含む通信ノードのうちの１台から、他の通信ノード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）、または他の通信ノードのうちの少なくとも１台の無線通信ノードから送信ノード１１０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４を参照して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５０１は、送信ノード１１０が同期パケットを送信し、フラッディング方式に従いネットワーク内の各通信ノードに時刻同期に必要な情報を無線通信システム内の通信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５０２において、送信ノード１１０に送信すべきデータを有している中継ノード１２０は、送信ノード１１０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５０２では、送信すべきデータを有している１つ以上の中継ノード１２０が、擬似ランダム関数を用いて生成したランダム時間だけ待機し、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中継ノード１２０であって、送信要求パケットを送信する前に他の中継ノード１２０から送信要求パケットを受信した中継ノード１２０は、当該他の中継ノード１２０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。これによって、擬似ランダム関数を用いて生成したランダム時間が短い中継ノード１２０が送信要求パケットを送信することができる。このように、フラッディングスロット５０２において、送信ノード１１０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５０３において、送信ノード１１０は、次のフラッディングスロット５０４におけるデータ送信を許可する中継ノード１２０を宛先情報６０２に設定し、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５０４において、送信許可パケットで指定された中継ノード１２０は、当該スロットで送信を開始する。すなわち、送信元情報６０１をその中継ノード１２０の識別子に設定し、宛先情報６０２を送信ノード１１０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５０４においてセンサデータを正常に受信したと判断した送信ノード１１０は、フラッディングスロット５０５において他の中継ノード１２０にも、送信許可を送信する。一例では、フラッディングスロット５０６以降は、送信ノード１１０によって送信を許可された中継ノード１２０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、送信ノード１１０は全ての中継ノード１２０からのデータ収集が完了したと判定すると、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で事前に設定された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。

＜チャネル制御＞
他の無線装置による干渉に対する耐性を高めることを目的として、同期パケットやデータパケットなどのパケットを送信する周波数チャネル（以降、チャネルと称する）を変えて送受信を行うチャネルホッピング技術が存在する。チャネルホッピング技術によれば、特定の周波数ノイズが発生している状態でも、ノイズの周波数以外を使用して通信を行うことで干渉に対する耐性を高めることができる。一方、受信ノードは、いずれのタイミングでいずれのチャネルを使用してパケットが送信されるのかを特定しないと、パケットを受信することができない。このため、チャネルホッピング技術を適用する場合には、送受信間でパケットの送信に使用されるチャネルの同期が取れている必要がある。

無線通信システム１００においてチャネルホッピング技術を適用することを検討すると、以下の課題が生じる。

中継ノード１２０が起動し、無線通信システム１００に参加する場合、中継ノード１２０は時刻同期が外れた状態であるため、同期パケットがいずれのタイミングでいずれの周波数で送信されるのかを特定することができない。このため、中継ノード１２０は時刻同期が取れるまで１つの周波数で時刻同期パケットを待ち受けてＬｉｓｔｅｎ状態でいる必要がある。

また、ある中継ノード１２０がデータ伝送用のフラッディングスロットにおいてデータパケットを待ち受ける場合、その中継ノード１２０はネットワークトポロジを把握していないため、データパケットを送信する中継ノードからデータパケットを待ち受けている中継ノード１２０までのホップ数を特定することができない。また、データ伝送用のフラッディングスロットでは、データパケットのサイズが可変である可変パケット長でデータ伝送が行われる場合がある。このため、中継ノード１２０は中継すべきデータパケットがいずれのタイミングでいずれの周波数チャネルで送信されるのかを特定することができない。

以上の課題を鑑みて、本実施形態におけるチャネル制御について説明する。

図７に、時刻同期のためのフラッディングスロット７００および７１０（例えば図５のフラッディングスロット５０１）における同期パケットの送受信について説明する。なお、図７の例では、中継ノード１２０ｄがノードの再起動に伴い、時刻同期が外れており、同期パケットを特定のチャネル、例えばｆ１で待ち受けているものとする。時刻同期が外れている中継ノード１２０ｄが同期パケットを待ち受けるチャネルは、システムごとに設定されてもよいし、最小のチャネル番号を有するチャネルで待ち受けてもよい。また、図７の例では中継ノード１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｅは、以前、同期パケットを受信しており、送信ノード１１０からのチャネルｆ１～ｆ６を使用するチャネルホッピングによる同期パケットの送信タイミングとチャネルとを決定しているものとする。

まず、フラッディングスロット７００の一番目のサブスロット７０１において、送信ノード１１０は同期パケットをチャネルｆ１とは異なるチャネル（例えばチャネルｆ２）で送信する。中継ノード１２０ａ、１２０ｂは送信ノード１１０に同期しているので、送信ノード１１０から送信された同期パケットを受信する。図７に示すように、中継ノード１２０ｃ、１２０ｅも送信ノード１１０が同期パケットを送信するチャネルを決定しているため、サブスロット７０１において同期パケットが送信されるチャネルにおいて同期パケットの待受けを行うものとする。また、中継ノード１２０ｄは、サブスロット７０１において同期パケットが送信されるチャネルとは異なるチャネルで待ち受けを行っているため同期パケットを受信できない。

なお、本実施形態において、同期パケットのパケット長は、サブスロット７０１の長さよりも短い。これは、送受信を行うチャネルを変更するためのオーバヘッドのためであり、受信においてもサブスロットの長さよりも短い期間同期パケットの待受けを行ってもよい。また、一例では、中継ノード１２０は、同期パケットの待受け中に同期パケットを検出し次第、待受けを終了してもよい。

続く二番目のサブスロット７０２において、送信ノード１１０、中継ノード１２０ａ、および１２０ｂが同期パケットをチャネルｆ１とは異なるチャネル（例えばチャネルｆ４）で送信し、中継ノード１２０ｃが同期パケットを受信する。図７に示すようにこの例では、サブスロット７０２では、サブスロット７０１において同期パケットが送信されたチャネル（ｆ２）とは異なるチャネル（ｆ４）で送信される。一方、中継ノード１２０ｄは、サブスロット７０２で同期パケットが送信されるチャネルとは異なるチャネルｆ１で同期パケットの待受けを行っているため、同期パケットを受信できない。

続く三番目のサブスロット７０３において、送信ノード１１０、中継ノード１２０ａ、１２０ｂ、および１２０ｃが同期パケットをチャネルｆ１とは異なるチャネル（例えばチャネルｆ６）で送信し、中継ノード１２０ｅが同期パケットを受信する。図７の例では、サブスロット７０３では、サブスロット７０１、７０２において同期パケットが送信されたチャネル（チャネルｆ２、ｆ４）とは異なるチャネル（ｆ６）で送信される。一方、中継ノード１２０ｄは、サブスロット７０３で同期パケットが送信されるチャネルとは異なるチャネルｆ１で同期パケットの待受けを行っているため、同期パケットを受信できない。

続く四番目のサブスロット７０４において、送信ノード１１０、中継ノード１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｅが同期パケットをチャネルｆ１で送信し、中継ノード１２０ｄが同期パケットを受信する。中継ノード１２０ｄは、同期パケットに含まれる時刻情報６０３および、タイミング情報６０４に基づいて、時刻同期を行い、無線通信システム１００に参加することができる。また、時刻情報６０３およびシーケンス番号情報６０５の少なくともいずれか、タイミング情報６０４、並びに受信を待機していたチャネル番号に基づいて、次のサブスロット７０５において同期パケットの送信に使用されるチャネルを特定することができる。同期パケットの送受信に使用されるチャネルの決定については後述する。

続いて、五番目および六番目のサブスロット７０５、７０６において、送信ノード１１０、中継ノード１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、および１２０ｅが例えば五番目のサブスロット７０５ではチャネルｆ５で、六番目のサブスロット７０６ではｆ３で同期パケットを送信する。すなわち、中継ノード１２０ｄは同期が取れ、無線通信システム１００に参加すると後続のパケット転送に参加する。以上のようにしてフラッディングスロット７００においてノード間の同期をとることができる。

フラッディングスロット７００の後、次の時刻同期のためのフラッディングスロット７１０までの間に、データパケットの伝送のためのフラッディングスロットなどが設けられる（不図示）。一例では、無線通信システム１００では、所定の時間間隔（例えば６０秒おき）で時刻同期のためのフラッディングスロットが設けられる。

フラッディングスロット７００に続くフラッディングスロット７１０の一番目のサブスロット７１１において、送信ノード１１０は例えばチャネルｆ５で同期パケットを送信し、中継ノード１２０ａ、１２０ｂが同期パケットを受信する。中継ノード１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅは同期パケットの受信はできないが、同期パケットの送信に使用されるチャネルの決定を行い、チャネルｆ５で同期パケットの待受けを行う。続いて、フラッディングスロット７１０の二番目のサブスロット７１１において、送信ノード１１０、中継ノード１２０ａおよび１２０ｂが同期パケットをチャネルｆ４で送信し、中継ノード１２０ｃおよび１２０ｄが同期パケットの受信を行う。以下は同様に、無線通信システム１００の各ノードが同期パケットを受信するように、チャネルを切り替えながら同期パケットの転送を行う。

ここで、中継ノード１２０ｄは、フラッディングスロット７００では四番目のサブスロット７０４で同期パケットの受信を行ったが、フラッディングスロット７１０では２番目のサブスロット７１２で同期パケットの受信を行う。このため、中継ノード１２０ｄは、フラッディングスロット７１０では三番目のサブスロット７１３において同期パケットの送信を行う。

なお、無線通信システム１００の配置の動的な変化、時間経過に従い変化する干渉信号や、周波数選択性の伝搬チャネルなどに起因し、中継ノード１２０が同期パケットを受信できるサブスロット番号は変化しうる。このため、本実施形態における中継ノード１２０は、同期が外れた場合は、同期パケットを受信するまで待ち受けを継続する。

このように、フラッディングスロット内の複数のサブスロットにおいて、同期パケットを送信するチャネルを切り替えることで、高い耐干渉性能を得ることができる。

なお、本実施形態に係る同期パケットは固定長のパケットを使う。このため、無線通信ノードは、それぞれのサブスロットの開始時刻を判定することができる。

また、図７では、時刻同期が取れた中継ノード１２０は、全てのサブスロットにおいて同期パケットの待受けを行うものとして説明を行った。しかしながら、過去の時刻同期のためのフラッディングスロットにおける同期パケットを受信したタイミングに関する情報に基づいて、中継ノード１２０は同期パケットの待受けを開始するサブスロット番号を決定してもよい。例えば、中継ノード１２０ｅは、フラッディングスロット７００の三番目のサブスロット７０３で同期パケットを受信したことに基づいて、フラッディングスロット７１０において、三番目のサブスロット７１３から同期パケットの待受けを行い、サブスロット７１１および７１２では同期パケットの待受けを行わなくてもよい。これによって、中継ノード１２０による同期パケットの待受けに係る消費電力を削減することができる。

続いて、図８を参照して、データパケットを伝送するためのフラッディングスロット８００、８１０におけるデータパケットの送受信について説明する。なお、図８の例では、送信ノード１１０、及び中継ノード１２０の時刻同期は取れているものとする。また、フラッディングスロット８００においては中継ノード１２０ｅが送信ノード１１０へデータパケットの送信を行い、フラッディングスロット８００においては中継ノード１２０ｄが送信ノード１１０へデータパケットの送信を行うものとして説明する。また、本実施形態では送信ノード１１０がシンクノードとして機能するものとして説明する。

また、フラッディングスロット８００では、所定のチャネル（例えばチャネルｆ２）を用いてデータ伝送が行われる。そして、後続のフラッディングスロット８１０では、フラッディングスロット８００とは異なるチャネル（例えばチャネルｆ１）を用いてデータ伝送が行われる。

フラッディングスロット８００の一番目のサブスロット８０１において中継ノード１２０ｅは、センサデータなどを含むデータパケットを送信ノード１１０宛に送信し、中継ノード１２０ｃがデータパケットを受信する。続いて、二番目のサブスロット８０２において、中継ノード１２０ｅおよび１２０ｃがサブスロット８０１においてデータパケットの送信に使用されたチャネルと同じチャネルにおいてデータパケットを送信し、中継ノード１２０ａ、１２０ｂ、および１２０ｄがデータパケットを受信する。

なお、図８に示すように、サブスロット８０１および８０２では同じチャネルを使用してデータパケットの送信が行われるため、中継ノード１２０はデータパケットを受信するまで、複数のサブスロットにわたって継続的にデータパケットを待ち受けうる。

また、図８では、サブスロット８０１および８０２とは、データパケットの伝送に使用されるチャネルの切替が必要ないため、サブスロット長とパケット長が同じものとして図示されているが、データパケットの更新や無線送受信回路の切替を目的として適宜オーバヘッドが設けられてもよい。

以降、三番目のサブスロット８０３において中継ノード１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、および１２０ｅがデータパケットの送信を行い、送信ノード１１０がデータパケットを受信する。以降、サブスロット８０４、８０５、８０６でデータパケットの送信が行われ、フラッディングスロット８００を終了する。なお、シンクノードである送信ノード１１０は、データパケットの受信のみを行い、送信は行わなくてもよい。

続いて、フラッディングスロット８００に続く、データ伝送のためのフラッディングスロット８１０の一番目のサブスロット８１１において中継ノード１２０ｄは、センサデータなどを含むデータパケットを送信ノード１１０宛に送信する。ここで、中継ノード１２０ｂおよび１２０ｃは受信に失敗するものとする。このため、二番目のサブスロット８１２においても中継ノード１２０ｄがデータパケットの送信を行う。サブスロット８１２において中継ノード１２０ｂおよび１２０ｃがデータパケットの受信を行う。

続くサブスロット８１３において、中継ノード１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄがデータパケットの送信を行い、送信ノード１１０、中継ノード１２０ａ、および１２０ｅがデータパケットの受信を行う。以降、サブスロット８１４および８１５において送信ノード１１０および中継ノード１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、および１２０ｅがデータパケットの送信を行う。

なお、本実施形態に係るデータ伝送用のフラッディングスロットでは、図８に示すように、複数のデータ伝送用のフラッディングスロット８００と８１０とで異なるパケット長のデータパケットが伝送される。また、データパケットを中継する中継ノード１２０には、データ伝送用のフラッディングスロットにおいて伝送されるデータパケットのパケット長に関する情報は予め通知されない。このため、データパケットを受信していない中継ノード１２０は、サブスロットのスロット長を特定することができない。

しかし、データ伝送用のフラッディングスロット内ではデータパケットの伝送に使用されるチャネルは切り替えられないため、中継ノード１２０は、そのチャネルでパケット検出を試行し続けることで、パケット長に関する情報を有しなくても可変長のデータパケットの伝送を実現することができる。

また、本実施形態に係る無線通信システム１００では、中継ノード１２０はネットワークトポロジを把握していない。このため、データ伝送用のフラッディングスロットにおいて、データパケットを送信するノードからのホップ数を把握していない。このような場合であっても、フラッディングスロットにおいて使用されるチャネルでデータパケットの待受けを行えば、データパケットを送信するノードからのホップ数が分からなくても中継ノード１２０はデータパケットを受信することができる。

また、データ伝送用の１つのフラッディングスロット内ではチャネルは切り替えられないため、チャネルを切り替えるためのガードタイムをデータパケット間に設ける必要がなく、データ伝送用のフラッディングスロット内でのオーバヘッドを削減することができる。

また、複数のデータ伝送用のフラッディングスロットでは、異なるチャネルを用いてデータ伝送が行われる。これによって、データ伝送用のフラッディングスロットの耐干渉性能を高めることができる。

＜チャネル決定方法＞
次に、送信ノード１１０および送信ノードと時刻同期の取れた中継ノード１２０による同期パケットの送信チャネルおよびデータパケットの送信チャネルの決定方法について説明する。

本実施形態に係る無線通信システム１００は、ノード間で同期した擬似乱数に対応したチャネルを使用してフラッディングスロットごとに送信チャネルを決定する。ここでは、以下の通り、線形合同法による擬似乱数に対応するチャネルを使用してデータパケットを送信する例を説明する。

Ｘ_ｎ＋１ ＝（Ａ×Ｘ_ｎ＋Ｂ） ｍｏｄ Ｍ
ここで、Ｘ_ｎは擬似乱数値である。ｎ＝０の場合のＸ_ｎ（Ｘ_０）はシードと呼ばれる定数である。Ｍはネットワーク内で使用するチャネルの総数であり、ＡおよびＢはＭに応じて定められる定数である。一例では、ＡおよびＢは、ＢがＭと互いに素となり、Ａ－１がＭの持つすべての素因数で割り切ることができる数が選ばれる。

例えば、中継ノード１２０は、デバイスの製造時、またはファームウェアの書き込み時に、参加する無線ネットワーク１００に関する事前情報として、無線ネットワークの識別子や、送信ノード１１０またはシンクノードの識別子を取得している。

これらの事前情報をシードとしてＸ_０を特定し、定数ＡおよびＢを特定し、擬似乱数の数列を生成する。そして、同期パケットに含まれるシーケンス番号ｎから、それぞれのフラッディングスロットに対応するチャネルを特定することができる。

ここで、図９（Ａ）および図９（Ｂ）を参照して、フラッディングスロット間でのチャネルの関係について説明する。図９（Ａ）には、データ伝送用のフラッディングスロット９００、９０１、９０４～９０９、９１２、および９１３、制御信号伝送用のフラッディングスロット９０３および９１１、ならびに同期信号伝送用のフラッディングスロット９０２および９１０が示されている。フラッディングスロット９００のシーケンス番号はｋ番目であり、伝送に使用されるチャネル番号はＸ_ｋであるものとする。また、図９（Ｂ）にはフラッディングスロット９０２に含まれるサブスロット９２０～０２７が示されている。

図９（Ｂ）に示すように、同期信号伝送用のフラッディングスロットのサブスロット９２０～９２７では上述したようにチャネルを切り替えながら同期パケットを伝送する。なお、図９（Ｂ）の例ではＹ_０＝Ｘ_ｋ＋２である。

本実施形態において、同期信号伝送用のフラッディングスロットにおいては、ノード間で同期してフラッディングスロット内のサブスロット単位でチャネルの切替を行う。例えば上述のように、線形合同法による擬似乱数に対応するチャネルを使用してサブスロットごとにチャネルを切り替えながら同期パケットを送信してもよい。

Ｙ_ｎ＋１ ＝（Ｃ×Ｙ_ｎ＋Ｄ） ｍｏｄ Ｓ
ここで、Ｙ_ｎは擬似乱数値、ｎ＝０の場合のＹ_ｎ（Ｙ_０）はシードと呼ばれる定数である。Ｓは同期信号伝送用のフラッディングスロットに含まれるサブスロットの総数であり、ＣおよびＤはＳに応じて定められる定数である。一例では、ＣおよびＤは、ＤがＳと互いに素となり、Ｃ－１がＳの持つすべての素因数で割り切ることができる数が選ばれる。

すなわち、フラッディングスロットごとのチャネル番号を特定するための擬似ランダム関数とは異なる擬似ランダム関数を使用して疑似乱数を生成し、サブスロットごとに使用するチャネルを切り替えるようにＹ_ｎが決められてもよい。

あるいは、チャネル番号をＹ_ｎ＋１＝（Ｙ_ｎ＋１） ｍｏｄ Ｍというように増やすなど、チャネルは所定のルールに基づいて切り替えられてもよい。あるいは、フラッディングスロットごとのチャネル番号を特定するための擬似ランダム関数を用いて以下のようにＹ_ｎが決められてもよい。

Ｙ_ｎ＋１ ＝（Ａ×Ｙ_ｎ＋Ｂ） ｍｏｄ Ｍ
例えば、時刻同期が外れた中継ノード１２０が同期パケットの待受けを行った結果、図９（Ｂ）に示すサブスロット９２３で同期パケットを受信したものとする。

この場合、同期パケットを受信した中継ノード１２０は、事前情報をシードとしてＸ_０を特定し、同期パケットに含まれるシーケンス番号情報６０５から、数列をＸ_ｋ＋２まで生成することで、フラッディングスロット９０２における初期チャネルＹ_０を特定することができる。続いて、上述したように、初期チャネルＹ_０に基づいて、サブスロット９２３の次のサブスロット９２４で同期パケットの送信に使用するチャネルを特定することができる。

このため、時刻同期が外れた中継ノード１２０は、同期パケットを受信した後、時刻同期を行うことで同期パケットの転送に参加することができる。

続いて、中継ノード１２０はＸ_ｋ＋２を特定しているため、ｋ＋３以降のフラッディングスロットにおいて、擬似ランダム関数を用いて擬似乱数を生成することによって制御パケットやデータパケットの伝送に参加することができる。

このように、図９（Ａ）に示すように、各フラッディングスロットでパケットの伝送に使用される周波数チャネルＸ_ｋ～Ｘ_ｋ＋１３を切り替えることによって、耐干渉性能を向上することができる。

また、各フラッディングスロット内でパケットの伝送に使用される周波数チャネルを擬似ランダム関数を用いて生成することで、複数の無線通信システム１００が使用するチャネルが重なり続け、通信に失敗し続けることを防ぐことができる。

＜その他の実施形態＞
発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、発明の要旨の範囲内で、種々の変形・変更が可能である。

例えば、図７および図９（Ｂ）では、同期パケットの伝送用のフラッディングスロットではサブスロット１つおきに同期パケットの送受信に使用するチャネルが切り替えられるものとして説明を行った。しかしながら、サブスロット２つおきや、３つおきなど、所定の個数の連続したサブスロットを同じチャネルを用いて送信してもよい。すなわち、同期パケットの伝送用のフラッディングスロットでは、スロット内でチャネルの切替が行われればよく、サブスロットごとにチャネルの切替が行われる必要はない。

本実施形態では、同期パケットの伝送用のフラッディングスロットでは、６つのサブスロットが含まれるものとして図示しているが、フラッディングスロットに含まれるサブスロットの数はフラッディングスロットの長さや、同期パケットのパケット長、あるいはサブスロット内のガードタイムを変更することで任意に設定することができる。一例では、サブスロットの数は、無線通信システム１００が使用可能なチャネル数以上の数である。これによって、１つの同期パケットの伝送用のフラッディングスロットにおいて、無線通信システム１００が使用可能なチャネルの全てで同期パケットが送信されることができ、時刻同期が外れて１つのチャネルで同期パケットを待機している中継ノード１２０が同期パケットを受信する確率を高めることができる。一例では、無線通信システム１００が使用可能なチャネル数は１６であり、同期パケットの伝送用のフラッディングスロットに含まれるサブスロットの数は１６である。

また、本実施形態では、データパケット伝送用のフラッディングスロットにおいては可変長のパケットが伝送されるものとして説明を行ったが、固定長のパケットが伝送されてもよい。

１００：無線通信システム、１１０：送信ノード、１２０：中継ノード

Claims (12)

1. それぞれが複数のサブスロットを含む第１のフラッディングスロットと第２のフラッディングスロットとにおいてフラッディング方式を用いてパケットを送受信するマルチホップ中継システムの通信装置であって、
   前記第１のフラッディングスロット内の第１のサブスロットと第２のサブスロットとで、パケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替え、
   前記第２のフラッディングスロット内ではパケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替えず、複数の前記第２のフラッディングスロット間でパケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替える、
   チャネル制御手段を有することを特徴とする通信装置。
2. 前記チャネル制御手段は、前記第１のフラッディングスロットにおいてサブスロットごとに第１のホッピングパターンに従って前記周波数チャネルを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
3. 前記第１のホッピングパターンは、ノード間で同期した擬似乱数に基づいて決定されることを特徴とする請求項２に記載の通信装置。
4. 前記チャネル制御手段は、複数の前記第２のフラッディングスロットごとに第２のホッピングパターンに従ってパケットの送受信に使用する前記周波数チャネルを切り替えることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の通信装置。
5. 前記第１のフラッディングスロット内で受信したパケットのパラメータに基づいて前記第２のホッピングパターンを特定する特定手段を有することを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
6. 前記第２のホッピングパターンは、ノード間で同期した擬似乱数に基づいて決定されることを特徴とする請求項４または５に記載の通信装置。
7. 前記第１のフラッディングスロット内では固定長のパケットが送受信されることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の通信装置。
8. 前記第２のフラッディングスロットのそれぞれの先頭のサブスロットにおいてセンサから取得したセンサデータを送信する送信手段をさらに有することを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の通信装置。
9. 前記第１のフラッディングスロットでは、タイムスタンプ情報を含む同期パケットが送受信されることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の通信装置。
10. 前記チャネル制御手段は、第１のフラッディングスロット内の前記第１のサブスロットにおいてパケットを受信した場合に、前記第２のサブスロットにおいてパケットの送受信に使用する周波数チャネルを特定し、
    前記第１のサブスロットにおいて受信したパケットを前記第２のサブスロットにおいて転送する転送手段をさらに有することを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の通信装置。
11. それぞれが複数のサブスロットを含む第１のフラッディングスロットと第２のフラッディングスロットとにおいてフラッディング方式を用いてノード間でパケットを送受信するマルチホップ中継システムの通信方法であって、
    前記第１のフラッディングスロット内の第１のサブスロットと第２のサブスロットとで、パケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替えることと、
    前記第２のフラッディングスロット内ではパケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替えず、複数の前記第２のフラッディングスロット間でパケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替えることと、
    を含むことを特徴とする通信方法。
12. それぞれが複数のサブスロットを含む第１のフラッディングスロットと第２のフラッディングスロットとにおいてフラッディング方式を用いてノード間でパケットを送受信するマルチホップ中継システムであって、
    前記第１のフラッディングスロット内の第１のサブスロットと第２のサブスロットとで、パケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替え、
    前記第２のフラッディングスロット内ではパケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替えず、複数の前記第２のフラッディングスロット間でパケットの送受信に使用する周波数チャネルを切り替える、
    ことを特徴とするマルチホップ中継システム。

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