JP7199266B2 - 中継装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、中継装置に関する。

従来、基地局等の基盤ネットワークインフラに依存することなく、移動通信端末の間で一時的に無線ネットワークを構築できる無線アドホックネットワーク（Mobile Ad hoc Network）が周知である。移動通信端末は、例えば特定の無線通信機であり、ノードと呼ばれる場合がある。無線アドホックネットワークは、災害発生時に警察や消防等の通信網として有用であり、また、いわゆるＰ２Ｐ（Peer to Peer）通信を実現することが可能である。

無線アドホックネットワークでは、ノードの離脱・故障・移動などによりネットワーク構成が頻繁に変化する。またネットワークが狭帯域であった場合、ノード間の通信継続の不安定化を招き易くなり、また、通信継続を安定化するまでに時間を要する。

特開２０１４－３５３５号公報 特許第５５４４５７３号公報

そこで、目的は、無線アドホックネットワークにおいて、ネットワーク構成が変化する場合でも、ノード間の通信継続の安定化を実現できる中継装置を提供することにある。

本実施形態の中継装置は、送信対象のデータを含むパケットを受信する受信手段と、前記受信手段により受信したパケットを蓄積する蓄積手段と、前記蓄積手段によって蓄積されたパケットの復号処理を行い、復号処理されたパケットを前記蓄積手段に蓄積する復号手段と、前記蓄積手段から取り出したパケットを送信する送信手段と、無線通信環境に適応するための送信条件を設定し、当該送信条件に基づいて前記送信手段による送信を制御する設定制御手段とを具備する。前記送信条件は、前記受信手段により受信したパケットを含めて、前記蓄積手段に蓄積されているパケットの数が前記送信対象のデータを復元できる必要数に対して不足している場合には、前記受信手段により受信したパケットをそのまま転送し、前記受信手段によって受信されたパケットの数が前記必要数を満たしている場合には、前記復号手段が、前記受信手段によって受信され、前記蓄積手段に蓄積されたパケットの復号処理を実行し、前記復号処理されたパケットを前記蓄積手段に蓄積し、前記蓄積手段に蓄積されている複数のパケットから、前記必要数のパケットを選択することである、第１の送信条件を含む。

実施形態に関する通信機の構成を示すブロック図。 実施形態に関する設定制御部の構成を示すブロック図。 実施形態に関する無線ネットワークの仕様の一例を説明するための図。 実施形態に関するパケットの仕様の一例を説明するための図。 実施形態に関するノード間の通信動作の一例を説明するための図。 実施形態に関する送信ノードの動作を説明するためのフローチャート。 実施形態に関する設定制御部の動作を説明するためのフローチャート。 実施形態に関する送信ノードの通信動作の一例を説明するための図。 実施形態に関する送信ノードの通信動作の一例を説明するための図。 実施形態に関する送信条件を説明するための図。 実施形態に関する送信ノードの通信動作の一例を説明するための図。 実施形態に関する送信条件を説明するための図。 実施形態に関する中継ノードの動作を説明するためのフローチャート。 実施形態に関する中継ノードの通信動作の一例を説明するための図。 実施形態に関する中継ノードの通信動作の一例を説明するための図。 実施形態に関する受信ノードの通信動作の一例を説明するための図。

以下図面を参照して、実施形態を説明する。
［通信機の構成］
図１は、本実施形態の通信機１の構成を示すブロック図である。本実施形態では、通信機１は、例えば特定仕様の無線機や移動通信端末（スマートフォン等）である。なお、本実施形態では、通信機１をノードと表記する場合がある。具体的には、送信機として機能する場合には送信ノード、中継機として機能する場合には中継ノード、あるいは受信機として機能する場合には受信ノードと表記する場合がある。

図１に示すように、本実施形態の通信機１は、無線アドホックネットワークとして構築された無線ネットワーク２を経由して、他の複数のノード１と無線通信を実行する。通信機１は、本体１０と端末１６から構成されている。本体１０と端末１６は、一体化又は分離されていてもよい。本体１０と端末１６は、分離されている場合には、有線又は近距離無線により接続されている。

本体１０は、データ送信部１１、データ受信部１２、設定制御部１３、データ蓄積部１４、及び符号化／復号部１５を含む。データ送信部１１は、後述するように、送信対象のデータを含むパケットを無線で送信（ブロードキャスト）する。データ受信部１２は、無線ネットワーク２を経由してブロードキャストされたパケットを受信する。

設定制御部１３は、本実施形態の要部であり、後述するように、無線通信環境に適応するための複数の送信条件に基づいて、データ送信部１１による送信動作を制御する。データ蓄積部１４は、送信対象のパケットまたはデータ受信部１２により受信したパケットを格納して蓄積する記憶装置である。符号化／復号部１５は、送信対象のパケットのデータを符号化し、後述するように、補償パケットを生成する。さらに、符号化／復号部１５は、受信したパケット（後述する補償パケットを含む）から受信対象のデータを復号する。なお、通信機１はプロセッサを含み、当該プロセッサが特定のソフトウェアを実行することで、設定制御部１３及び符号化／復号部１５の機能を実現する構成でもよい。

端末１６は、データ生成部１７及びデータ表示部１８を有する。データ生成部１７は、データを作成するための入力部を含み、作成されたデータ（ペイロード）から送信対象のパケットを生成する。データ表示部１８は、データ生成部１７により作成されたデータや、復号された受信対象のデータをディスプレイ上に表示する。

図２は、設定制御部１３の構成を示す図である。図２に示すように、設定制御部１３は、送信条件を設定し、当該送信条件に基づいてデータ送信部１１による送信動作を制御するために、符号設定制御部２０、時間設定制御部２１、及びチャネル選択部２２を含む。

図３は、本実施形態の無線ネットワークの仕様の一例を示す図である。図３に示すように、仕様のパラメータとして、例えば、「ノード数」、「他のノード数」、「ペイロードパケット数」、「補償パケット送信倍率」、「チャネル数」、及び「ランダム時間幅」が設定される。本実施形態では、ノード数は、ノードＡ～Ｆの「６」とする（図５を参照）。通信はブロードキャストのため、ノード数のうち隣接ノード数分だけ受信確率が向上する。他のノード数は、本実施形態の無線ネットワーク外と別の通信をしている、他ノード１，２の「２」とする（図５を参照）。

さらに、有効な送信パケット数は「２」とする。なお、１パケットのサイズは任意である。補償パケット送信倍率は「１」とし、状況に応じて動的に変動可能な符号制御部パラメータである。具体的には、符号化／復号部１５は、データ生成部１７により生成されたペイロード（送信対象データ）のパケット（ペイロードパケット）の数値倍（ここでは２倍）の補償パケットを生成する。チャネル数は「８」とし、チャネル制御部用パラメータである。ランダム時間幅は「１００msec」とし、隣接ノード数に応じて動的に変動可能な送信時刻制御部用パラメータである。

図４は、本実施形態の符号制御部用パラメータに関するパケットの仕様の一例を示す図である。即ち、データ生成部１７により生成された２個のペイロードパケットＰ１，Ｐ２に対して、符号化/復号部１５は４個の補償パケットＰ３～Ｐ６を生成する。符号制御部２０はＰ１～Ｐ６のうち何個のパケットを送信するか決定する。受信ノードは、これらのパケットＰ１～Ｐ６から全体として２個のパケットを受信できれば、符号化／復号部１５により受信対象のデータを復号して、送信対象データを復元できる。
［通信動作］
以下、図５から図１５を参照して、本実施形態の通信機１及び無線ネットワーク２による通信動作を説明する。図５に示すように、本実施形態は、例えば６個のノードＡ～Ｆにより、送信ノードＡから送信したパケットを、受信ノードＦが受信するまでの通信動作である。ノードＢ～Ｅは、それぞれ中継ノードとして機能する。また、各ノードＡ～Ｆはそれぞれ、図１に示す通信機１により構成される。

図６は、送信ノードＡの動作を説明するためのフローチャートである。図６に示すように、送信ノードＡは、データ生成部１７により、送信対象のデータであるペイロードを含むパケットを生成する（Ｓ１）。本実施形態では、データ生成部１７は、図４に示すように、２個のペイロードパケットＰ１，Ｐ２を生成する。

次に、送信ノードＡは、符号化／復号部１５により、２個のペイロードパケットＰ１，Ｐ２に含まれるデータを符号し、４個の補償パケットＰ３～Ｐ６を生成する（Ｓ２）。本実施形態では、受信ノードは、パケットＰ１～Ｐ６から全体として２個のパケットを受信できれば、符号化／復号部１５により送信対象のデータを復元できる。送信ノードＡは、生成されたパケットＰ１～Ｐ６をデータ蓄積部１４に格納して蓄積する（Ｓ３）。

送信ノードＡは、データ蓄積部１４に格納しているパケットＰ１～Ｐ６に対して、設定制御部１３により送信条件を設定する（Ｓ４）。設定制御部１３は、設定した送信条件に基づいてデータ送信部１１による送信動作を制御する。送信ノードＡは、データ送信部１１から送信対象のパケットをブロードキャストで送信する（Ｓ５）。

図７は、設定制御部１３の動作を説明するためのフローチャートである。図７に示すように、設定制御部１３において、符号制御部２０は、送信条件として、データ蓄積部１４から２個の送信パケットを選択する（Ｓ１０）。送信パケットの選択は、通信環境等により任意に変更可能である。ここでは、図８に示すように、符号制御部２０は、パケットＰ１～Ｐ６から、例えばパケットＰ３及びＰ４を選択する。

次に、設定制御部１３において、送信時刻制御部２１は、送信条件として、送信タイミングを選択する（Ｓ１１）。具体的には、送信時刻制御部２１は、任意の時間幅内でランダムに送信タイミングを選択する。

ここで、図９に示すように、例えば、ノードＢが他ノード１との通信時、及びノードＣが他ノード２との通信時には、送信ノードＡからのブロードキャストで送信されるパケットを受信できない状態である。そこで、送信時刻制御部２１は、送信条件として、図１０に示すように、ランダムに待ち時間を確保して送信ノードＡの送信タイミング（時刻）を設定する。

さらに、設定制御部１３において、チャネル制御部２２は、送信条件として、送信（通信）チャネルを選択する（Ｓ１２）。チャネル制御部２２は、任意の複数の送信チャネルの選択が可能である。

ここで、図１１に示すように、例えば、ノードＢが、通信チャネルとして、４チャネル（4ch）を使用して他ノード１との通信を実行している状態とする。また、ノードＣが、通信チャネルとして、６チャネル（6ch）を使用して他ノード２との通信を実行している状態とする。そこで、チャネル制御部２２は、図１２に示すように、送信ノードＡの送信チャネルとして、例えば２チャネル（2ch）を設定する。チャネルの分割方法は、周波数やスペクトラム拡散の拡散コード等の通信リソースをチャネルに分割できるものであれば適用可能である。この場合、ノードＢ，Ｃは、通信チャネル（4ch,6ch）が送信ノードＡの送信チャネル（2ch）と重複していないため、送信ノードＡから送信されるパケットを受信できる。

図７に戻って、送信ノードＡは、設定制御部１３の符号制御部２０、送信時刻制御部２１及びチャネル制御部２２により設定された送信条件に基づいて、データ送信部１１から送信対象のパケット（ここではＰ３，Ｐ４）を、送信チャネル（2ch）を使用してブロードキャストで送信する（Ｓ１３）。

図１３は、送信ノードＡから送信されたパケットを中継する中継ノードの動作を説明するためのフローチャートである。ここでは、ノードＢ，Ｃが中継ノードとして動作する場合を説明する。

図１３に示すように、中継ノードＢ，Ｃはそれぞれ、データ受信部１２において、送信ノードＡから送信されたパケットを受信する（Ｓ２０）。中継ノードＢ，Ｃは、受信したパケットをデータ蓄積部１４に格納して蓄積する（Ｓ２１）。

中継ノードＢ，Ｃは、データ蓄積部１４から受信したパケットを取り出して、符号化／復号部１５によりデータの復号を実行する準備に入る（Ｓ２２）。ここで、中継ノードＢ，Ｃは、受信したパケットに基づいて、復号に必要なパケット数（ここでは２個のパケット）が不足しているか否かを判定する（Ｓ２３）。

中継ノードＢ，Ｃは、復号に必要なパケット数が不足している場合には（Ｓ２３のＹＥＳ）、当該受信したパケットをそのまま（復号せずに）転送する（Ｓ２４）。中継ノードＢ，Ｃは、当該受信したパケットを破棄せずにデータ蓄積部１４に保存する。

中継ノードＢ，Ｃは、前述したように、設定制御部１３の送信時刻制御部２１及びチャネル制御部２２により、再度の送信条件を設定して、データ送信部１１から当該パケットをブロードキャストで送信する。この場合、送信ノードＡとは、符号制御部２０による送信条件が異なる。即ち、送信ノードＡの場合には、当該送信条件として、データ蓄積部１４から２個の送信パケットが選択される。また、送信ノードＡの場合には、当該送信条件として、送信チャネルとして、２チャネル（2ch）が選択されている。

一方、図１４に示すように、中継ノードＢ，Ｃは、復号に必要なパケット数を満たして、２個のパケット（ここではＰ３，Ｐ４）を受信している場合には（Ｓ２３のＮＯ）、データ蓄積部１４から符号化／復号部１５に当該データを送出する。

図１３に戻って、符号化／復号部１５は復号処理を実行して、復号されたデータのパケット（ここではＰ１、Ｐ２，Ｐ５，Ｐ６）をデータ蓄積部１４に蓄積する（Ｓ２６）。次に、中継ノードＢ，Ｃはそれぞれ、データ蓄積部１４からランダムに転送対象のパケットを選択して、次のノード（ここではノードＤ，Ｅ）に転送する（Ｓ２７）。

図１５に示すように、例えば、中継ノードＢはパケットＰ５を転送する。また、例えば、中継ノードＣはパケットＰ４を転送する。中継ノードＢ，Ｃが別のパケットを送信することにより、中継ノードＢ，Ｃがそれぞれ２個のパケットＰ４，Ｐ５を送信するよりも、送信速度は２倍となる。

なお、中継ノードＢ，Ｃは、前述したように、設定制御部１３の符号制御部２０、送信時刻制御部２１及びチャネル制御部により設定した送信条件に基づいて、データ送信部１１から当該パケットをブロードキャストで送信する。この場合、前述したように、送信ノードＡの場合とは、符号制御部２０による送信条件が異なる。

さらに、図１６に示すように、ノードＤ，Ｅが中継ノードとして動作することで、受信ノードＦは、中継ノードＤ，Ｅから転送されたパケット（ここではＰ１、Ｐ６）を受信する。即ち、中継ノードＤ，Ｅはそれぞれ、中継ノードＢ，Ｃと同様の動作により、パケット（Ｐ１、Ｐ６）を受信ノードＦに転送する。

受信ノードＦは、中継ノードＤ，Ｅから、復号に必要な２個のパケット（Ｐ１，Ｐ６）を受信すると、符号化／復号部１５により復号処理を実行する。即ち、受信ノードＦは、復号されたデータのパケット（Ｐ２～Ｐ５）をデータ蓄積部１４に蓄積する。受信ノードＦは、復号されたパケット（Ｐ２～Ｐ５）から２個のパケットを使用して、送信ノードＡからの送信対象である元データを復元する。受信ノードＦは、復元した元データを、データ表示部１８によりディスプレイ上に表示できる。

以上のようにして本実施形態によれば、無線アドホックネットワークとして構築された無線ネットワーク２により、複数のノード間でパケットを通信することが可能となる。具体的には、複数のノードが送信ノード、中継ノード、受信ノードとして動作し、送信ノードから送信（ブロードキャスト）されたパケットを、中継ノードにより中継して受信ノードまで転送できる。

本実施形態によれば、送信ノード及び中継ノードは、パケットを送信する場合に、設定制御部１３により設定した複数の送信条件に基づいて、送信動作を制御する。従って、無線ネットワーク２での通信環境に応じて、確実にパケットを送信または転送することが可能となる。具体的には、複数の送信条件として、送信タイミング及び送信チャネルの選択により、通信環境に適応したパケットの送信または転送を制御できる。

さらに、設定制御部１３の符号制御部２０による送信条件として、送信ノードは、補償パケットを含む複数のパケットから元データの復元が必要な個数以上のパケットを任意に選択して送信する。これにより、送信ノードから復元が必要な個数以上のパケットを受信したノード（中継ノード又は受信ノード）は、当該パケットから確実に元データの復元を実現できる。

一方、復元が必要な個数のパケットを受信できないノードは、符号制御部２０による送信条件として、受信したパケットをそのまま他のノードに転送する。この場合、当該ノードは、当該受信したパケットを破棄せずにデータ蓄積部１４に保存する。

従って、本実施形態によれば、ノードが離脱・故障・移動などにより、ネットワーク構成が頻繁に変化する場合でも、複数の送信条件に基づいてパケットの送信や中継を制御できるため、ノード間の通信継続の安定化を実現できる。これにより、本実施形態を適用する無線ネットワークであれば、災害発生時に警察や消防等の通信網や、Ｐ２Ｐ通信を構築する場合に有用である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…通信機、２…無線ネットワーク、
１０…本体、１１…データ送信部、１２…データ受信部、
１３…設定制御部、１４…データ蓄積部、
１５…符号化／復号部、１６…端末、１７…データ生成部、
１８…データ表示部。

Claims (4)

1. 送信対象のデータを含むパケットを受信する受信手段と、
   前記受信手段により受信したパケットを蓄積する蓄積手段と、
   前記蓄積手段によって蓄積されたパケットの復号処理を行い、復号処理されたパケットを前記蓄積手段に蓄積する復号手段と、
   前記蓄積手段から取り出したパケットを送信する送信手段と、
   無線通信環境に適応するための送信条件を設定し、当該送信条件に基づいて前記送信手段による送信を制御する設定制御手段と
   を具備し、
   前記送信条件は、前記受信手段により受信したパケットを含めて、前記蓄積手段に蓄積されているパケットの数が前記送信対象のデータを復元できる必要数に対して不足している場合には、前記受信手段により受信したパケットをそのまま転送し、前記受信手段によって受信されたパケットの数が前記必要数を満たしている場合には、前記復号手段が、前記受信手段によって受信され、前記蓄積手段に蓄積されたパケットの復号処理を実行し、前記復号処理されたパケットを前記蓄積手段に蓄積し、前記蓄積手段に蓄積されている複数のパケットから、前記必要数のパケットを選択することである、第１の送信条件を含む、中継装置。
2. 前記送信条件はさらに、前記送信手段による送信時の送信タイミングを選択することである、第２の送信条件を含む、請求項１に記載の中継装置。
3. 前記送信条件はさらに、前記送信手段による送信時の送信チャネルを選択することである、第３の送信条件を含む、請求項１または２に記載の中継装置。
4. 複数の通信装置の間でパケットを無線で通信する無線ネットワークを構成し、
   前記受信手段は、送信側の通信装置から送信されたパケットを受信し、
   前記送信手段は、前記設定制御手段による制御に基づいて、前記蓄積手段から取り出したパケットを他方の通信装置に対してブロードキャストで送信する、請求項１から３のいずれか１項に記載の中継装置。

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