WO2013031314A1 - 無線センサーネットワークシステム - Google Patents

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WO2013031314A1
WO2013031314A1 PCT/JP2012/063652 JP2012063652W WO2013031314A1 WO 2013031314 A1 WO2013031314 A1 WO 2013031314A1 JP 2012063652 W JP2012063652 W JP 2012063652W WO 2013031314 A1 WO2013031314 A1 WO 2013031314A1
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WO
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terminal
node
sensor
management terminal
communication
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PCT/JP2012/063652
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English (en)
French (fr)
Inventor
雅之 石▲ざき▼
Original Assignee
株式会社日立国際電気
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Publication date
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    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Definitions

  • the present invention relates to a wireless sensor network system, and more particularly to a wireless sensor capable of efficiently operating by suppressing an increase in traffic volume of the entire system to reduce delay time and preventing concentration of load on a specific terminal.
  • a wireless sensor network system and more particularly to a wireless sensor capable of efficiently operating by suppressing an increase in traffic volume of the entire system to reduce delay time and preventing concentration of load on a specific terminal.
  • the wireless sensor network system includes a plurality of sensor terminals, and is used as a system for monitoring equipment in a factory or a plant and collecting data on usage meters of electric power, gas, and water by wireless communication.
  • a wireless sensor network system in order to manage data collected from sensor terminals, it is often connected to a server or the like via a wired network.
  • a sensor terminal that has a function of connecting to a wired network and collectively transmits data from sensor terminals in the network to a server is called a gateway terminal (hereinafter referred to as a GW terminal).
  • a specific low power wireless device As a wireless terminal (sensor terminal) used in a wireless sensor network system, a specific low power wireless device is often used. Although the maximum wireless transmission output of the specific low-power radio is limited to 10 mW, raising the upper limit is being studied.
  • the number of sensor terminals in a single network may be thousands to tens of thousands. In order to reduce the interference and power consumption between sensor terminals, It is desirable to operate to suppress.
  • the sensor terminal does not perform the control to dynamically adjust the transmission power dynamically like a mobile phone or a wireless data module, but the communication quality of the propagation path is poor. Even in the case of communication, communication is performed with a wireless transmission output that allows for a margin to ensure communication.
  • the wireless transmission output is generally set when the sensor terminal is installed.
  • sensor terminals enter a network via neighboring terminals in an ad hoc manner, and sequentially form a network topology (communication path).
  • Each node sensor terminal performs communication by sequentially transferring (hopping) traffic to the next node.
  • hopping multi-hop communication
  • a terminal includes a narrow-band radio having a wide communication range and a wide-band radio having a narrow communication range, and when performing communication, destination information is transmitted from the narrow-band radio within a certain time.
  • the broadband information is used to communicate with the destination using the route information. This is intended to effectively use radio resources.
  • the conventional wireless sensor network system has a problem that delay due to an increase in the number of hops or concentration of traffic load on a specific terminal occurs depending on the arrangement of sensor terminals.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a wireless sensor network system that can prevent transmission delay and concentration of traffic load on a specific terminal and can efficiently operate the entire system. For the purpose.
  • the present invention for solving the problems of the above-described conventional example constructs a plurality of sensor terminals that are equipped with sensors and performs wireless communication, a communication path that communicates with the plurality of sensor terminals, and each sensor terminal based on the communication path
  • a wireless sensor network system having a sensor terminal and a management terminal as nodes, and when the sensor terminal enters the network, when the sensor terminal enters the network, an existing node
  • the management terminal receives the join request, the traffic load of the node on the received route is calculated, and if both the hop count and traffic load are within the allowable range, If the communication path of the sensor terminal is the received path and at least one of the number of hops and traffic load is outside the allowable range,
  • the second transmission output larger than the first transmission output outputs an instruction to directly connect to the management terminal or a specific node having a small traffic load to reconstruct the communication path, and the sensor terminal When received, when transmitting data to the management terminal, the data is transmitted to the management terminal or a specific node by the second
  • the present invention also provides a management terminal that configures a node of a wireless sensor network system together with a plurality of sensor terminals, constructs a communication path for communicating with each sensor terminal, and performs wireless communication with the sensor terminal based on the communication path.
  • a management terminal that configures a node of a wireless sensor network system together with a plurality of sensor terminals, constructs a communication path for communicating with each sensor terminal, and performs wireless communication with the sensor terminal based on the communication path.
  • the present invention is a sensor terminal that configures a node of a wireless sensor network system together with a management terminal and performs wireless communication based on an instruction from the management terminal.
  • An instruction to transmit a subscription request to a management terminal via an existing node and to connect directly to the management terminal or a specific node with a small traffic load with a second transmission output larger than the first transmission output from the management terminal When the data is received, when data is transmitted to the management terminal, the data is transmitted to the management terminal or the specific node by the second transmission output.
  • a plurality of sensor terminals that include sensors and perform wireless communication
  • a management terminal that establishes a communication path for communicating with the plurality of sensor terminals and performs wireless communication with each sensor terminal based on the communication path.
  • a wireless sensor network system having a sensor terminal and a management terminal as nodes, and when the sensor terminal enters the network, a subscription request is sent to the management terminal via the existing node at the first transmission output.
  • the management terminal receives the join request, the traffic load of the node on the received route is calculated.
  • the route of receiving the communication route of the sensor terminal If at least one of the number of hops and traffic load is out of the allowable range, the sensor terminal is larger than the first transmission output.
  • the second transmission output outputs an instruction to connect directly to the management terminal or a specific node with a low traffic load, reconfigures the communication path, and if the sensor terminal receives the instruction, the instruction is sent to the management terminal.
  • the terminal receives a request for joining the network transmitted from the sensor terminal with the first transmission output, it calculates the number of hops of the requesting sensor terminal based on the received path, and on the received path If the hop count and traffic load are both within the allowable range, the communication path of the sensor terminal is assumed to be the received route, and if at least one of the hop count and traffic load is outside the allowable range
  • the management terminal or traffic with a second transmission output greater than the first transmission output for the sensor terminal Since it is a management terminal that outputs an instruction to directly connect to a specific node with a small load and reconstructs the communication path, it instructs the sensor terminal about the appropriate transmission output and connection destination, and increases the number of hops There is an effect that the system can be efficiently operated by preventing load concentration on the node and
  • a sensor terminal that configures a node of a wireless sensor network system together with a management terminal and performs wireless communication based on an instruction from the management terminal, the first transmission when entering the network
  • a subscription request is transmitted to the management terminal via the existing node
  • the management terminal directly connects to the management terminal or a specific node having a small traffic load with a second transmission output larger than the first transmission output.
  • the GW terminal when the GW terminal according to the embodiment of the present invention receives a subscription request with route information from a sensor terminal, the GW terminal calculates the number of hops of the sensor terminal and the traffic load of a node on the route, Compared with the threshold value, if both the hop count and traffic load are within the allowable range, the sensor terminal is connected based on the route information, and if at least one of the hop count and traffic load is outside the allowable range, The sensor terminal is switched to the high output mode, the route is reconstructed so as to be directly connected to the GW terminal, and the sensor terminal is notified, and delay and concentration of load due to the increase in the number of hops can be prevented. Can be operated efficiently.
  • the sensor terminal includes a low output mode and a high output mode, and when joining the network, transmits a subscription request to the GW terminal via the neighboring sensor terminal in the low output mode.
  • switching from the terminal to the high output mode and the connection destination are specified, switching to the high output mode and reconnecting to the connection destination with high output to reconstruct the route. It prevents delays and concentration of loads and allows the entire system to be operated efficiently.
  • FIG. 1 is a schematic explanatory diagram illustrating a schematic configuration example of a wireless sensor network system according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless sensor network system according to the present embodiment includes a gateway terminal (GW terminal) and a plurality of sensor terminals.
  • the numbers in the figure represent the node numbers of the respective terminals, node 1 is a GW terminal, and nodes 2 to 11 are sensor terminals.
  • the GW terminal corresponds to the management terminal recited in the claims.
  • the GW terminal performs two-way wireless communication with a plurality of sensor terminals according to the constructed route information, and communicates with a server or the like by connecting to a wired network.
  • the sensor terminal performs only wireless communication.
  • a node 2 In the network topology of FIG. 1, a node 2, a node 5, and a node 8 are connected to the GW terminal (node 1). Further, nodes 3 and 4 are sequentially connected to the node 2, nodes 6 and 7 are sequentially connected to the node 5, and a node 9 is connected to the node 8. Furthermore, nodes 10 and 11 are connected to the node 9.
  • TSCH Time Slotted Channel Hopping
  • CSMA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
  • the control unit 2 is configured by a microcomputer or the like having a processing unit and a storage unit, and controls the entire sensor terminal.
  • As the processing unit an application management unit 21, a path management unit 22, and wireless communication access control. Unit 23 and a wireless communication interface unit 24.
  • each processing unit starts a program stored in the storage unit and performs a predetermined process.
  • the application management unit 21 receives sensing data from the sensor 1 and accumulates it together with the reception date and time. Further, when the timing of data transmission to the GW terminal is reached according to the set schedule, the sensing data is read and packet information is generated.
  • the route management unit 22 is a network (NW) layer function, and stores a routing table.
  • the routing table stores the address of the destination GW terminal and the address of the next node on the route from the sensor terminal to the GW terminal for the uplink direction.
  • the address of a node lower than the sensor terminal and the address of the next node on the route are stored.
  • the route management part 22 updates a routing table based on the instruction
  • the route management unit 22 stores an output mode that defines a transmission output for each destination in the routing table.
  • the output mode there are a low output mode used for ad hoc communication with low transmission power (about 10 mW) and a high output mode with high transmission power (about 1 W), and either one is stored for each destination.
  • the stored output mode is read and set according to the destination.
  • the path management unit 22 switches the transmission power in the wireless unit 3 according to the transmission mode. That is, when the low output mode is set, the wireless unit 3 is switched to low output, and when the high output mode is set, it is switched to high output.
  • the transmission output in the low output mode corresponds to the first transmission output recited in the claims
  • the transmission output in the high output mode corresponds to the second transmission output recited in the claims.
  • the high output mode can be set when the GW terminal in the uplink direction is the destination, and the low output mode can be set when communicating with the adjacent node destined for the lower node.
  • the route management unit 22 switches the output mode in accordance with an instruction from the GW terminal. Note that the route management unit 22 of the sensor terminal stores the low output mode as a default.
  • the wireless communication access control unit 23 is a MAC (Media Access Control) layer function, and performs wireless communication control by an access method such as a CSMA / CA method or a TSCH method.
  • the output mode designated by the route management unit 22 is output to the wireless communication interface unit 24.
  • the wireless communication interface unit 24 is a physical (PHY) layer function, and generates and decomposes wireless frame data.
  • the wireless unit 3 includes a modem unit 31, a frequency conversion unit 32, and an antenna 33.
  • the modem unit 31 converts the radio frame data from the radio communication interface unit 24 into a baseband signal subjected to modulation processing.
  • the baseband signal from the frequency conversion unit 32 is demodulated, bit determination is performed, and reception data is output.
  • the frequency converting unit 32 converts the modulated baseband signal into a radio frequency signal and outputs the signal to the antenna 33.
  • the wireless unit 3 performs transmission with either a low output or a high output during transmission.
  • the transmission output is switched by the route management unit 22 of the control unit 2.
  • the radio frequency band signal received by the antenna 33 is converted into a baseband signal.
  • the antenna 33 includes an amplifying unit that amplifies the transmission signal, and amplifies the transmission signal converted into the radio frequency so as to be a transmission output instructed by the control unit and outputs the amplified signal in the air.
  • a radio frequency signal is received from the air and output to the frequency converter 32.
  • the radio unit 3 performs transmission with an output of about 10 mW when switched to a low output, transmits to a neighboring node, and transmits with an output larger than the low output, for example, an output of about 1 W, when switched to a high output. .
  • the communication range is widened, and direct communication with geographically distant GW terminals and other upper nodes becomes possible.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a GW terminal of the present system.
  • the GW terminal includes a control unit 4, a wireless communication processing unit 5, a wireless unit 6, and a wired communication processing unit 7.
  • the GW terminal basically has a configuration in which the wired communication processing unit 7 is added to the configuration of the sensor terminal shown in FIG. 2, but the configuration and operation of the control unit 4 are different from the sensor terminal. Also, the GW terminal performs communication by switching the transmission output to either high output or low output in the same manner as the sensor terminal.
  • the wireless communication processing unit 5 includes a wireless communication access control unit 51 and a wireless communication interface unit 52.
  • the wired communication processing unit 7 includes a wired communication access control unit 71 and a wired communication interface unit 72. Yes.
  • the control unit 4 includes an application management unit 41, a route management unit 42, a traffic load calculation unit 43, and a data transmission delay calculation unit 44.
  • the application management unit 41 of the control unit 4 converts information collected from each sensor terminal into data for wired communication, or converts control information from a server received via wired communication into wireless communication.
  • the route management unit 42 constructs route information for the entire network, and instructs to reconstruct the route and switch the output mode to the sensor terminal.
  • the route management unit 42 includes a routing table as route information of all sensor terminals connected to the GW terminal. The routing table of the GW terminal will be described later.
  • the route management unit 42 stores the output mode (high output mode / low output mode) for the sensor terminal directly connected to the GW terminal, and at the time of transmission to each sensor terminal, An instruction is output to the wireless unit 3 so as to switch the transmission output in accordance with the output mode corresponding to each sensor terminal. That is, the path management unit 42 performs control so that transmission is performed at a low output when transmitting to a terminal set with the low output mode, and transmission is performed at a high output when transmitting to a terminal set with the high output mode. To do.
  • the route management unit 42 generates a control packet for instructing the sensor terminal to change the network topology.
  • the control packet includes information for updating the routing table of each sensor terminal, and instructs to switch the output mode or change the connection destination.
  • the route management unit 42 stores an address of a server or the like that is a communication destination of wired communication.
  • the traffic load calculation unit 43 refers to the routing table when a new terminal enters the network and calculates the traffic load of the sensor terminal on the route.
  • the traffic load is calculated based on the number of slots assigned to each sensor terminal, and the load increases according to the number of lower-order sensor terminals connected directly or indirectly to the sensor terminal. Then, it is determined whether or not the calculated traffic load exceeds a traffic load threshold value stored in advance, and the result is notified to the route management unit 42.
  • the route management unit 42 of the GW terminal of this system determines whether there is a sensor terminal whose traffic load is concentrated due to the addition of the new terminal when the new sensor terminal joins the network. If there is a concentrated terminal, switch one of the lower nodes to high output mode so that the load is not concentrated, select the connection destination so that it does not go through the node where the load is concentrated, and reconstruct the route Is.
  • the data transmission delay calculation unit 44 refers to the routing table when a new terminal enters the network, calculates the number of hops of the new sensor terminal, calculates the data transmission delay amount, and stores a threshold value stored in advance. Compared with the above, it is determined whether or not the data transmission delay amount is within an allowable range, and the result is notified to the route management unit 42.
  • the route management unit 42 of the GW terminal of this system when the data transmission delay amount of the new terminal is out of the allowable range, the output mode of the new sensor terminal is switched to the high output mode, The route is reconstructed so that direct communication is performed.
  • the data transmission delay calculation unit 44 may determine only by the number of hops from the sensor terminal to the GW terminal without calculating the data transmission delay amount. In this case, a threshold value for the number of hops is stored, and the number of hops from the sensor terminal is compared with the threshold value. In some cases, it is outside the allowable range.
  • the wireless communication access control unit 51 is a function of the MAC layer, and controls the CSMA / CA method and the TSCH method of wireless access similarly to the wireless communication access control unit in the sensor terminal.
  • the wireless communication interface unit 52 is a function of the PHY layer, and generates and decomposes wireless frame data.
  • the wireless unit 6 includes a modulation / demodulation unit 61, a frequency conversion unit 62, and an antenna 63, and performs transmission and reception of wireless signals.
  • the configuration and operation of each unit of the radio unit 6 are the same as each unit of the radio unit 3 of the sensor terminal, and the antenna 63 includes an amplification unit that amplifies the transmission signal and corresponds to the transmission mode set by the path management unit 42.
  • the transmission signal is transmitted with the transmission output to be transmitted.
  • the transmission output of the GW terminal is the same as that of the sensor terminal, and is about 10 mW when the output is low and about 1 W when the output is high.
  • the wired communication processing unit 7 includes a wired communication access control unit 71 and a wired communication interface unit 72.
  • the wired communication access control unit 71 performs communication control based on a wired network access method.
  • the wired communication interface unit 72 transmits frame data of the wired network to a server or the like on the wired network via a communication cable, and receives frame data such as control information from the server.
  • TSCH resource management used in this system will be described with reference to FIG.
  • FIG. 4 is a schematic explanatory diagram illustrating resource management of the TSCH method.
  • the number of usable wireless channels is set to 7, and the wireless communication access control unit 51 of the GW terminal allocates usable time slots to each node.
  • the GW terminal assigns (reserves) a destination node (D), a source node (S), and a radio channel number, and performs multiplex communication. Control.
  • the sensor terminal since the transmittable time slot and the receivable time slot are determined in advance, the sensor terminal transmits and receives only the slot assigned to the own node. Then, slots that are not assigned to the own node cannot be transmitted / received, or can sleep during the time slot, thereby preventing interference and reducing power consumption.
  • the bandwidth reservation system such as the TSCH system can suppress the delay time and traffic load, and the system can be operated efficiently.
  • FIG. 5 is a schematic explanatory diagram illustrating a first operation example of the system.
  • the first operation example is route reconstruction when a data transmission delay occurs due to an increase in the number of hops.
  • FIG. 5 shows an example in which a sensor terminal is newly added to the network shown in FIG.
  • the upper limit of the number of hops is set to 3
  • 3 is set as the threshold value of the number of hops in the data transmission delay calculation unit 44 of the control unit 4 of the GW terminal.
  • node A is newly connected to node 7 and connected to GW.
  • transmission is performed in the default low output mode.
  • the node 7 is stored in the routing table of the node A as the next node when the destination is the GW terminal.
  • the join request from the node A received by the node 7 is received by the GW terminal via the nodes 7, 6, and 5 based on the already constructed route.
  • the control unit 4 obtains the route information of the node A (node A ⁇ node 7 ⁇ node 6 ⁇ GW terminal) from the received data, refers to the routing table of the route management unit 42, and determines the node A Find the number of hops.
  • the data transmission delay calculation unit 44 of the GW terminal reads the hop count of the node 7 that is the parent node of the node A from the routing table, and adds 1 to the hop count of the node A. . In the case of FIG. 5, the transmission delay calculation unit 44 determines that the number of hops of the node A is 4 and exceeds the upper limit of 3.
  • the node A can disconnect the connection with the node 7 and directly communicate with the GW terminal by high-power wireless communication. As a result, as shown in FIG. 5, the number of hops of the node A becomes 1, and an increase in delay time can be prevented. Then, the node A transmits a response to the control packet to the GW.
  • the route management unit 42 of the GW terminal when receiving a response to the control information from the node A, rewrites and updates the parent node of the node A from the node 7 to the GW terminal as route information corresponding to the node A of the routing table. . Further, the path management unit 42 stores that the communication is performed in the high output mode when communicating with the node A. When transmitting to node A, transmission is performed with high output.
  • the GW terminal when the number of hops of a newly entering sensor terminal exceeds the upper limit value and the data transmission delay time is expected to increase, the GW terminal newly enters the sensor terminal. Is switched to the high output mode, and the route is reconstructed so that direct communication with the GW terminal is performed, and an increase in the data transmission delay time can be prevented.
  • FIG. 6 is a schematic explanatory diagram illustrating a second operation example of the system.
  • the second operation example shows route reconstruction when an increase in traffic load occurs although the upper limit of the number of hops has not been exceeded.
  • the upper limit value of the number of hops is set to 10
  • 10 is set as the threshold value of the hop number in the data transmission delay calculation unit 44 of the control unit 4 of the GW terminal.
  • propagation delay calculation unit 44 of the GW terminal compares the number of hops of node A with a threshold and the number of hops is the upper limit.
  • the route management unit 32 registers the multihop route (GW terminal ⁇ node 5 ⁇ node 6 ⁇ node 7 ⁇ node A) as it is in the routing table.
  • nodes A1 and A3 are connected as child nodes of node A, and nodes A2, A4 and A5 are connected as grandchild nodes. Even in the grandchild node, the number of hops is 6, and the upper limit of the number of hops is not exceeded.
  • the traffic load calculation unit 43 of the GW terminal calculates the traffic load of a node on the path from the new sensor terminal to the GW terminal. Although it is not necessary to calculate the traffic load for all the nodes on the route, in this case, the largest load on the route from the GW terminal to the nodes A to A5 is caused by many lower nodes. It is the node 5 of the highest node connected, and at least the node 5 calculates the traffic load.
  • the path management unit 42 sets the node A to the high output mode in order to reduce the traffic load of the node 5. Switching, updating the routing table so as to directly communicate with the GW terminal, and transmitting the control packet to the node A as in the first operation example.
  • Node A rewrites its own routing table and directly communicates with the GW terminal in the high output mode. Thereby, the connection between the node A and the node 7 is disconnected, the number of lower nodes of the node 5 is 2, and the traffic load on the node 5 is greatly reduced. Further, the node A communicates with the lower A1 and A3 in the low output mode as before.
  • the GW terminal when a traffic load of a higher-order node is expected to be increased due to the addition of a new sensor terminal, the GW terminal is connected to a sensor terminal at an appropriate position on the route. By switching to the high output mode and reconstructing the route so as to directly communicate with the GW terminal, it is possible to prevent concentration of traffic load on a specific node.
  • the sensor terminal that is permitted to the high output mode switches only the communication with the GW terminal to the high output mode and uses the low output mode for the communication with the lower node as in the past.
  • the sensor terminal that is permitted to the high output mode switches only the communication with the GW terminal to the high output mode and uses the low output mode for the communication with the lower node as in the past.
  • Node A and Node 2 rewrite their own routing table based on the control packet, and Node A and Node 2 are connected by high-power mode communication.
  • the node 2 and the GW terminal continue to communicate in the low output mode.
  • FIG. 7 is a schematic explanatory diagram illustrating a third operation example of the system.
  • the third operation example shows route reconstruction when the node to be switched to high output is not a high output compatible model.
  • the upper limit value of the number of hops is 10, and 10 is set as the threshold value of the hop number in the data transmission delay calculation unit 44 of the control unit 4 of the GW terminal.
  • node B is connected to node 7 and newly joins the network. Thereafter, node A and node A1 are sequentially added under node B.
  • the traffic load calculation unit 43 of the GW terminal calculates the traffic load applied to the node 5 and detects that the traffic load of the node 5 exceeds the threshold value
  • the path management unit 42 is the same as in the second operation example.
  • it is attempted to perform direct communication by switching the node B to the high power mode.
  • the route management unit 42 of the GW terminal first makes an inquiry to the node B as to whether or not the model is compatible with high output. Then, when receiving a response “not high-power compatible” from the node B, the route management unit 42 refers to the routing table and responds to the node A connected to the lower level of the node B. Inquire whether it is a model of.
  • the route management unit 42 of the GW terminal When receiving a response indicating that “high output is supported” from the node A, the route management unit 42 of the GW terminal switches to the high output mode for the node A and directly communicates with the GW terminal. A control packet is transmitted so as to be under node A. Further, the route management unit 42 of the GW terminal transmits a control packet to the node B so as to be under the node A.
  • the GW terminal stores in the routing table information corresponding to high output / non-correspondence of each sensor terminal found by the inquiry. As a result, it is not necessary to repeatedly inquire at the time of subsequent route reconstruction, and the route can be efficiently reconstructed.
  • the high output support / non-support information may be set in advance from the outside, or the sensor terminal may notify the GW terminal itself when joining the network.
  • node A and node B rewrite their own routing tables and reconstruct the route.
  • the next node corresponding to the uplink GW terminal is updated as the node A, and the connection with the node 7 is disconnected.
  • node B becomes a child node of node A, and the parent-child relationship is reversed.
  • the node A communicates directly with the GW terminal in the high output mode, and communicates with the lower node B and the node A1 in the low output mode.
  • a GW terminal switches an arbitrary sensor terminal to the high output mode in accordance with the topology change, it inquires whether or not the terminal is compatible with high output and is not compatible with high output. In this case, the lower node of the high power non-compliant terminal is switched to the high power mode and directly communicates with the GW terminal, and the route is re-established so that the high power non-compliant terminal becomes the lower node of the high power compatible terminal.
  • the node A immediately below the node B is a terminal that supports high output
  • the lower node here, A1
  • FIG. 8 is a schematic explanatory diagram illustrating downlink communication in the fourth operation example of the system
  • FIG. 9 is a schematic explanatory diagram illustrating uplink communication in the fourth operation example of the system.
  • the above-described first to third operation examples show bidirectional communication routes, and the same route is used for uplink and downlink. However, when the chance of wireless communication at high output increases, there is a risk of interference with other terminals in the same network and interference with adjacent networks.
  • node B is a sensor terminal that does not support the high output mode
  • node A corresponds to the high output mode. It is a sensor terminal.
  • a route including node B which is a terminal that does not support high output, is in the low output mode during downlink communication, and is connected to GW terminal ⁇ node 5 ⁇ node 7 ⁇ node B ⁇ node A ⁇ node A1.
  • data is transmitted by low-output multi-hop communication without using high-output communication.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating an example of the routing table of the GW terminal.
  • the routing table of the GW terminal manages routes for all the sensor terminals under the GW terminal, and corresponds to the number of parent nodes and child nodes corresponding to the node ID. Whether high output is supported, the output mode, and the number of hops are stored in a matrix.
  • the routing table of FIG. 10 shows a table corresponding to the network topology of FIG.
  • the node ID is identification information of a sensor terminal that has joined the network.
  • the parent node is an upper node that is directly connected to the node.
  • the number of child nodes is the number of lower nodes connected directly or indirectly to the node.
  • Whether or not high-output correspondence is possible is information indicating whether or not the sensor terminal of the node is capable of high-power communication. May be acquired by the GW terminal, or as described in the third operation example, the GW terminal may inquire each sensor terminal. The number of hops is the number of hops from the GW terminal to the node.
  • the “parent node” is the GW terminal, and the node A1 and the node B are the child nodes. Since it is connected, “the number of child nodes” is 2, 2 “possibility of high output correspondence” is possible (indicated as “ ⁇ ” in the figure), and 1 is stored as the “hop number”.
  • node B As for node B, “parent node” is node A, “number of child nodes” is 0, “high output capability” is not possible (denoted as “x” in the figure), and “hop count” is 2. Is remembered.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating an example of the routing table of the sensor terminal.
  • the example of FIG. 11 is a routing table of the node A in the network topology shown in FIG.
  • the routing table of the sensor terminal stores the destination, the next node corresponding to the destination, and the output mode.
  • the GW terminal node 1
  • the GW terminal is stored as the corresponding next node
  • the output mode is stored as high output. . That is, it is stored that the node A performs communication by directly connecting to the GW terminal in the high output mode.
  • next nodes are stored corresponding to the destinations A1 to A5, which are lower nodes of the node A, and low output is stored as the output mode.
  • the node A1 and the node A3 are directly connected to the node A
  • the node 2 is on the route via the node A1
  • the nodes A4 and 5 are on the route via the node A3. Is stored in the downstream direction to communicate in the low output mode.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating processing when a new sensor terminal enters the GW terminal.
  • the control unit of the GW terminal receives a request for joining the network from the new sensor terminal, and receives the new terminal when it enters (100).
  • the number of hops of the new sensor terminal is obtained, and it is determined whether the number of hops is within the set upper limit value (102).
  • the GW terminal calculates the traffic load of the node on the route of the new sensor terminal, and determines whether the traffic load is within the threshold (104) If it is within the threshold value (if Yes), the multi-hop route is determined and stored in the routing table (106).
  • the GW terminal Reconstructs the route as shown in the operation example (108).
  • the GW terminal constructs a new route
  • the GW terminal transmits known data to the sensor terminal on the new route using the new route (110).
  • the new route is determined and the routing table is updated (114). In this way, processing in the GW terminal of this system is performed.
  • a wireless sensor network system includes a GW terminal and a plurality of sensor terminals that are directly or indirectly connected to the GW terminal.
  • a high output mode with a higher transmission output and when joining a network, connect to a neighboring sensor terminal in the low output mode, access the GW terminal using an existing multi-hop route, and the GW terminal.
  • the number of hops of the newly joined terminal in the route and the traffic load of the node on the route are calculated. If both the number of hops and the traffic load are within a preset upper limit, the route of the terminal is changed to the multi-hop route.
  • the sensor terminal Switching to the high power mode and outputting a command to directly communicate with the GW terminal to reconstruct the route.
  • the data transmission delay due to the increase in the number of hops and the load concentration on a specific node can be reduced. It is possible to suppress the increase in the traffic amount of the entire network and to effectively operate the system.
  • the GW terminal designate the connection destination of the terminal switched to the high output mode not only as the GW terminal but also as a terminal with a small traffic load, thereby making the entire system more efficient. There is an effect that can be used.
  • the node that the GW terminal wants to switch to the high output mode is not compatible with the high output mode when reconstructing the route, Since the system reconstructs the route so that the sensor terminal supporting the output mode is switched to the high output mode and communicates directly with the GW terminal, the degree of freedom of the route construction is increased and the data due to the increase in the number of hops There is an effect that the system can be operated efficiently by suppressing transmission delay and concentration of load on a specific node.
  • the sensor terminal since the sensor terminal stores the output mode for each destination, even when communicating with the GW terminal in the high output mode, the lower order node performs the ad hoc communication in the low output mode. Therefore, there is an effect that the occurrence of interference can be suppressed to the minimum without unnecessarily increasing the power consumption.
  • the output mode has two stages of the high output mode and the low output mode has been described.
  • transmission according to the distance from the designated connection destination is performed.
  • the output may be set, or the transmission output may be gradually increased to set the transmission output that allows normal transmission / reception with the connection destination.
  • the present invention is particularly suitable for a wireless sensor network system that suppresses an increase in traffic volume of the entire system, shortens a delay time, prevents concentration of load on a specific terminal, and enables efficient operation.

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Abstract

課題　伝達遅延や特定の端末へのトラフィック負荷の集中を防ぐことができ、システム全体を効率よく運用することができる無線センサーネットワークシステムを提供する。 解決手段　センサー端末が、第１の送信出力で既存のノードを介して管理端末に加入要求を送信し、管理端末が、加入要求の受信経路上のノードのトラフィック負荷を算出し、ホップ数とトラフィック負荷が共に許容範囲内ならば、当該センサー端末の通信経路を当該受信経路とし、ホップ数と負荷の少なくとも一方が許容範囲外であれば、センサー端末に、第１よりも大きい第２の送信出力で、管理端末又はトラフィック負荷の小さい特定のノードに直接接続する指示を出力して通信経路を再構築し、センサー端末が、当該指示を受信した場合には、管理端末宛のデータ送信時に、第２の送信出力で管理端末又は特定のノードに送信する無線センサーネットワークシステムとしている。

Description

無線センサーネットワークシステム
　本発明は、無線センサーネットワークシステムに係り、特にシステム全体のトラフィック量の増加を抑制して遅延時間を短縮し、特定の端末への負荷の集中を防いで効率的な運用を可能とする無線センサーネットワークシステムに関する。
［先行技術の説明］
　無線センサーネットワークシステムは、複数のセンサー端末を備え、工場やプラントにおける機器監視や、電力、ガス、水道の使用量メータのデータを無線通信によって収集するシステムとして用いられている。
　無線センサーネットワークシステムでは、センサー端末から収集したデータを管理するために、有線ネットワークを介してサーバ等と接続されることが多い。有線ネットワークと接続する機能を備え、ネットワーク内のセンサー端末からのデータをまとめてサーバに送信するセンサー端末をゲートウェイ端末（以下、ＧＷ端末とする）と呼ぶ。
　無線センサーネットワークシステムで用いられる無線端末（センサー端末）としては、特定小電力無線機が用いられることが多い。特定小電力無線機の最大無線送信出力は、１０ｍＷに制限されているが、上限を上げることが検討されている。
　また、無線センサーネットワークシステムでは、１つのネットワークでセンサー端末の台数が数千～数万台になる場合も想定され、センサー端末相互の干渉及び消費電力を抑えるため、無線送信出力や無線送信頻度を抑えるよう動作することが望ましい。
　そこで、センサー端末では、無線通信品質の信頼性を確保するために、携帯電話機や無線データモジュールのようにダイナミックに送信電力を微調整する制御を行うのではなく、伝搬路の通信品質が劣悪の場合でも確実に通信できるようマージンを見込んだ無線送信出力で通信を行う。無線送信出力は、センサー端末の設置時に設定されるのが一般的である。
　無線センサーネットワークシステムでは、センサー端末がアドホック的に近隣の端末を介してネットワークに参入し、順次ネットワークトポロジ（通信経路）を形成していく。
そして、各ノード（センサー端末）がトラフィックを次のノードに順次転送（ホップ）することにより通信を行う。マルチホップ通信を行うことで、広いエリアをカバーすることが可能となる。
　しかし、ＧＷ端末からのホップ数が多くなると伝送遅延が大きくなり、また、センサー端末の配置によっては、特定のセンサー端末にトラフィック負荷が集中して、当該端末を介したデータ伝達遅延が大きくなることがある。
［関連技術］
　尚、無線センサーネットワークシステムに関する技術としては、特開２００９－２９６２６２号公報「無線通信装置」（株式会社日立国際電気、特許文献１）がある。
　特許文献１には、端末が、通信範囲の広い狭帯域無線機と通信範囲の狭い広帯域無線機とを備え、通信を行う際に、宛先情報を狭帯域無線機から送信させ、一定時間以内に狭帯域無線機で宛先ノードから経路情報を受信し、当該経路情報が記憶している情報と一致した場合に、広帯域無線機を用いて当該経路情報を用いて宛先との通信を行うものであり、無線リソースの有効利用を図るものである。
特開２００９－２９６２６２号公報
　しかしながら、従来の無線センサーネットワークシステムでは、センサー端末の配置によってはホップ数の増大による遅延や、特定の端末へのトラフィック負荷の集中が生じてしまうという問題点があった。
　本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、伝達遅延や特定の端末へのトラフィック負荷の集中を防ぐことができ、システム全体を効率よく運用することができる無線センサーネットワークシステムを提供することを目的とする。
　上記従来例の問題点を解決するための本発明は、センサーを備え無線通信を行う複数のセンサー端末と、複数のセンサー端末と通信する通信経路を構築し、通信経路に基づいて各センサー端末との無線通信を行う管理端末とを備え、センサー端末と管理端末とをノードとする無線センサーネットワークシステムであって、センサー端末が、ネットワークに参入する際に、第１の送信出力で、既存のノードを介して管理端末に加入要求を送信し、管理端末が、加入要求を受信すると、受信した経路上のノードのトラフィック負荷を算出し、ホップ数とトラフィック負荷が共に許容範囲内であれば、当該センサー端末の通信経路を受信した経路とし、ホップ数とトラフィック負荷の少なくとも一方が許容範囲外であれば、当該センサー端末に対して、第１の送信出力よりも大きい第２の送信出力で、管理端末又はトラフィック負荷の小さい特定のノードに直接接続するよう指示を出力して通信経路を再構築し、センサー端末が、指示を受信した場合には、管理端末宛にデータを送信する際に、第２の送信出力で管理端末又は特定のノードに送信することを特徴としている。
　また、本発明は、複数のセンサー端末と共に無線センサーネットワークシステムのノードを構成し、各センサー端末と通信する通信経路を構築して、通信経路に基づいてセンサー端末との無線通信を行う管理端末であって、センサー端末から第１の送信出力で送信された、ネットワークへの加入要求を受信すると、受信した経路に基づいて要求元のセンサー端末のホップ数を算出すると共に、受信した経路上のノードのトラフィック負荷を算出し、ホップ数とトラフィック負荷が共に許容範囲内であれば、当該センサー端末の通信経路を受信した経路とし、ホップ数とトラフィック負荷の少なくとも一方が許容範囲外であれば、当該センサー端末に対して、第１の送信出力よりも大きい第２の送信出力で、管理端末又はトラフィック負荷の小さい特定のノードに直接接続するよう指示を出力して通信経路を再構築することを特徴としている。
　また、本発明は、管理端末と共に無線センサーネットワークシステムのノードを構成し、管理端末からの指示に基づいて無線通信を行うセンサー端末であって、ネットワークに参入する際に、第１の送信出力で、既存のノードを介して管理端末に加入要求を送信し、管理端末から、第１の送信出力よりも大きい第２の送信出力で、管理端末又はトラフィック負荷の小さい特定のノードに直接接続する指示を受信した場合には、管理端末宛にデータを送信する際に、第２の送信出力で管理端末又は当該特定のノードに送信することを特徴としている。
　本発明によれば、センサーを備え無線通信を行う複数のセンサー端末と、複数のセンサー端末と通信する通信経路を構築し、通信経路に基づいて各センサー端末との無線通信を行う管理端末とを備え、センサー端末と管理端末とをノードとする無線センサーネットワークシステムであって、センサー端末が、ネットワークに参入する際に、第１の送信出力で、既存のノードを介して管理端末に加入要求を送信し、管理端末が、加入要求を受信すると、受信した経路上のノードのトラフィック負荷を算出し、ホップ数とトラフィック負荷が共に許容範囲内であれば、当該センサー端末の通信経路を受信した経路とし、ホップ数とトラフィック負荷の少なくとも一方が許容範囲外であれば、当該センサー端末に対して、第１の送信出力よりも大きい第２の送信出力で、管理端末又はトラフィック負荷の小さい特定のノードに直接接続するよう指示を出力して通信経路を再構築し、センサー端末が、指示を受信した場合には、管理端末宛にデータを送信する際に、第２の送信出力で管理端末又は特定のノードに送信する無線センサーネットワークシステムとしているので、ホップ数の増大によるデータ伝達遅延や、いずれかのノードへの負荷の集中を防ぎ、ネットワーク全体のトラフィック量の増加を抑制して、システムを効率的に運用することができる効果がある。
　また、本発明によれば、複数のセンサー端末と共に無線センサーネットワークシステムのノードを構成し、各センサー端末と通信する通信経路を構築して、通信経路に基づいてセンサー端末との無線通信を行う管理端末であって、センサー端末から第１の送信出力で送信された、ネットワークへの加入要求を受信すると、受信した経路に基づいて要求元のセンサー端末のホップ数を算出すると共に、受信した経路上のノードのトラフィック負荷を算出し、ホップ数とトラフィック負荷が共に許容範囲内であれば、当該センサー端末の通信経路を受信した経路とし、ホップ数とトラフィック負荷の少なくとも一方が許容範囲外であれば、当該センサー端末に対して、第１の送信出力よりも大きい第２の送信出力で、管理端末又はトラフィック負荷の小さい特定のノードに直接接続するよう指示を出力して通信経路を再構築する管理端末としているので、センサー端末に対して適切な送信出力及び接続先を指示して、ホップ数の増大やノードへの負荷集中を防ぎ、ネットワーク全体のトラフィック量の増加を抑制して、システムを効率的に運用することができる効果がある。
　また、本発明によれば、管理端末と共に無線センサーネットワークシステムのノードを構成し、管理端末からの指示に基づいて無線通信を行うセンサー端末であって、ネットワークに参入する際に、第１の送信出力で、既存のノードを介して管理端末に加入要求を送信し、管理端末から、第１の送信出力よりも大きい第２の送信出力で、管理端末又はトラフィック負荷の小さい特定のノードに直接接続する指示を受信した場合には、管理端末宛にデータを送信する際に、第２の送信出力で管理端末又は当該特定のノードに送信するセンサー端末としているので、管理端末の指示に基づいて適切な出力及び接続先で通信を行って、効率的に運用可能なシステムを構築できる効果がある。
本発明の実施の形態に係る無線センサーネットワークシステムの概略構成例を示す模式説明図である。 本システムのセンサー端末の概略構成図である。 本システムのＧＷ端末の概略構成図である。 ＴＳＣＨ方式のリソース管理を示す模式説明図である。 本システムの第１の運用例を示す模式説明図である。 本システムの第２の運用例を示す模式説明図である。 本システムの第３の運用例を示す模式説明図である。 本システムの第４の運用例の下り方向の通信を示す模式説明図である。 本システムの第４の運用例の上り方向の通信を示す模式説明図である。 ＧＷ端末のルーティングテーブルの例を示す説明図である。 センサー端末のルーティングテーブルの例を示す説明図である。 ＧＷ端末における新規センサー端末の参入時の処理を示すフローチャートである。
　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。
［実施の形態の概要］
　本発明の実施の形態に係る無線センサーネットワークシステムは、センサー端末及びＧＷ端末（管理端末）が、アドホック通信を行う１０ｍＷ程度の低出力モードと、それより高出力で広範囲の通信を行う高出力モードとを備え、ネットワーク加入時には、低出力モードで近隣のセンサー端末を介してＧＷ端末にアクセスし、ＧＷ端末が、受信経路における当該センサー端末のホップ数と、受信経路上の各ノードのトラフィック負荷を算出して、ホップ数とトラフィック負荷が許容範囲内であれば当該新加入のセンサー端末の通信経路を当該受信経路で決定し、少なくとも一方が許容範囲外であれば、当該センサー端末に、高出力モードに切り替えて、ＧＷ端末に直接接続するよう指示して、通信経路の再構築を行うものであり、ホップ数の増大による遅延や負荷の集中を防ぐことができ、システムを効率的に運用することができるものである。
　また、本発明の実施の形態に係るＧＷ端末は、センサー端末から、経路情報を付した加入要求を受信すると、当該センサー端末のホップ数と、経路上のノードのトラフィック負荷を算出して、それぞれしきい値と比較し、ホップ数及びトラフィック負荷が共に許容範囲内であれば、当該経路情報に基づいて当該センサー端末を接続し、ホップ数とトラフィック負荷の少なくとも一方が許容範囲外であれば、当該センサー端末を高出力モードに切り替え、ＧＷ端末と直接接続するよう経路を再構築して当該センサー端末に通知するものであり、ホップ数の増大による遅延や負荷の集中を防ぐことができ、システムを効率的に運用することができるものである。
　また、本発明の実施の形態に係るセンサー端末は、低出力モードと高出力モードとを備え、ネットワーク加入時には、低出力モードで近隣のセンサー端末を介して加入要求をＧＷ端末に送信し、ＧＷ端末から高出力モードへの切り替えと接続先とが指定されると、高出力モードに切り替えて、高出力で当該接続先に接続して経路の再構築を行うものであり、ホップ数の増大による遅延や負荷の集中を防ぎ、システム全体を効率的に運用することができるものである。
［実施の形態に係る無線センサーネットワークシステムの概略構成：図１］
　本発明の実施の形態に係る無線センサーネットワークシステムの概略構成例について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る無線センサーネットワークシステムの概略構成例を示す模式説明図である。
　図１に示すように、本実施の形態に係る無線センサーネットワークシステムは、ゲートウェイ端末（ＧＷ端末）と、複数のセンサー端末とを備えている。
　図中の数字は、各端末のノード番号を表しており、ノード１はＧＷ端末であり、ノード２～１１はセンサー端末である。尚、ＧＷ端末は、請求項に記載した管理端末に相当する。
　ＧＷ端末は、構築された経路情報に従って複数のセンサー端末と双方向無線通信を行うと共に、有線ネットワークに接続してサーバ等との通信を行う。
　また、センサー端末は、無線通信のみを行う。
　図１のネットワークトポロジでは、ＧＷ端末（ノード１）には、ノード２、ノード５、ノード８が接続している。
　更に、ノード２には、ノード３，４が順次接続し、ノード５には、ノード６，７が順次接続し、ノード８にはノード９が接続している。そして更に、ノード９にはノード１０及び１１が接続している。
　本システムでは、ＧＷ端末によって無線リソースの割り当てが行われるＴＳＣＨ（Time Slotted Channel Hopping）方式を用いているが、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式でも可能である。
　また、本システムのネットワークトポロジーはツリー型としているが、メッシュ型にも適用可能である。
［センサー端末の構成：図２］
　次に、センサー端末の構成について図２を用いて説明する。図２は、本システムのセンサー端末の概略構成図である。
　図２に示すように、センサー端末は、センサー１と、制御部２と、無線部３とを備えた無線通信端末である。
　［センサー１］
　センサー１は、例えば電力メータ等の、センシングデータを取得するものであり、センシングしたデータ（例えば消費電力量の値）を制御部２に出力する。
　［制御部２］
　制御部２は、処理部及び記憶部を備えたマイコン等で構成され、センサー端末全体の制御を行うものであり、処理部として、アプリケーション管理部２１と、経路管理部２２と、無線通信アクセス制御部２３と、無線通信インタフェース部２４とを備えている。
　制御部２では、各処理部が記憶部に記憶されたプログラムを起動して所定の処理を行う。
　　［制御部２の各部］
　制御部２の各部について説明する。
　　［アプリケーション管理部２１］
　アプリケーション管理部２１は、センサー１からのセンシングデータを受信して受信日時と共に蓄積する処理を行う。また、設定されているスケジュールに従って、ＧＷ端末へのデータ送信のタイミングになると、センシングデータを読み出して、パケット情報を生成する。
　　［経路管理部２２］
　経路管理部２２は、ネットワーク（ＮＷ）層の機能であり、ルーティングテーブルを記憶している。ルーティングテーブルには、上り方向用として、宛先となるＧＷ端末のアドレスと、当該センサー端末からＧＷ端末への経路上にある次ノードのアドレスを記憶している。また、下り方向用として、当該センサー端末より下位のノードのアドレスと、経路上にある次ノードのアドレスを記憶している。
　そして、経路管理部２２は、ＧＷ端末からの指示に基づいてルーティングテーブルを更新して、経路情報を変更する。経路の変更については後述する。
　更に、本システムの特徴として、経路管理部２２は、ルーティングテーブルに、宛先毎に送信出力を規定する出力モードを記憶している。
　出力モードとしては、送信電力が小さく（１０ｍＷ程度）アドホック通信に用いられる低出力モードと、送信電力が大きい（１Ｗ程度）高出力モードがあり、宛先毎にいずれかを記憶している。そして、データ送信時には、宛先に応じて記憶している出力モードを読み出して、設定する。
　そして、本システムの特徴として、経路管理部２２は、送信モードに応じて無線部３における送信電力の切り替えを行う。つまり、低出力モードが設定されると無線部３を低出力に切り替え、高出力モードが設定されると高出力に切り替える。
　低出力モードにおける送信出力は、請求項に記載した第１の送信出力に相当し、高出力モードにおける送信出力は、請求項に記載した第２の送信出力に相当している。
　これにより、例えば、上り方向のＧＷ端末を宛先とする場合には高出力モードとし、下位ノードを宛先とする隣接ノードへの通信では低出力モードとすることが可能となる。
　また、経路管理部２２は、ＧＷ端末からの指示に従って出力モードの切り替えを行う。尚、センサー端末の経路管理部２２は、デフォルトとして低出力モードを記憶している。
　　［無線通信アクセス制御部２３］
　無線通信アクセス制御部２３は、ＭＡＣ（Media Access Control）層の機能であり、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式やＴＳＣＨ方式等のアクセス方式による無線通信制御を行う。そして、送信時には、経路管理部２２から指定された出力モードを無線通信インタフェース部２４に出力する。
　　［無線通信インタフェース部２４］
　無線通信インタフェース部２４は、物理（ＰＨＹ）層の機能であり、無線フレームデータの生成及び分解を行う。
　［無線部３］
　無線部３は、変復調部３１と、周波数変換部３２と、アンテナ３３とを備えている。
　　［変復調部３１］
　変復調部３１は、送信時には、無線通信インタフェース部２４からの無線フレームデータを変調処理を施したベースバンド信号に変換する。
　また、受信時には、周波数変換部３２からのベースバンド信号を復調し、ビット判定を行い、受信データを出力する。
　　［周波数変換部３２］
　周波数変換部３２は、送信時には、変調されたベースバンド信号を、無線周波数の信号へ変換し、アンテナ３３に出力する。
　特に、本システムのセンサー端末では、無線部３は、送信時には低出力又は高出力のいずれかの出力で送信を行う。送信出力の切り替えは、制御部２の経路管理部２２によって行われる。
　受信時には、アンテナ３３で受信された無線周波数帯の信号をベースバンド信号へ変換する。
　アンテナ３３は、送信信号を増幅する増幅部を備え、無線周波数に変換された送信信号を、制御部から指示された送信出力となるよう増幅して空中に出力する。
　また、空中から無線周波数信号を受信して、周波数変換部３２に出力する。
　無線部３は、低出力に切り替えられると１０ｍＷ程度の出力で送信を行い、近隣のノードに送信し、高出力に切り替えられると、低出力よりも大きい出力、例えば１Ｗ程度の出力で送信を行う。高出力モードが設定されている場合には通信範囲が広くなり、地理的に離れているＧＷ端末や他の上位ノードと直接通信が可能となる。
［ＧＷ端末の構成：図３］
　次に、ＧＷ端末の構成について図３を用いて説明する。図３は、本システムのＧＷ端末の概略構成図である。
　図３に示すように、ＧＷ端末は、制御部４と、無線通信処理部５と、無線部６と、有線通信処理部７とを備えている。ＧＷ端末は、基本的には図２に示したセンサー端末の構成に有線通信処理部７を付加した構成であるが、制御部４の構成及び動作がセンサー端末とは異なっている。
　また、ＧＷ端末も、センサー端末と同様に送信出力を高出力又は低出力のいずれかに切り替えて通信を行うものである。
　そして、無線通信処理部５は、無線通信アクセス制御部５１と、無線通信インタフェース部５２とを備え、有線通信処理部７は、有線通信アクセス制御部７１と、有線通信インタフェース部７２とを備えている。
　各部について説明する。
　［制御部４］
　制御部４は、アプリケーション管理部４１と、経路管理部４２と、トラフィック負荷算出部４３と、データ伝達遅延算出部４４とを備えている。
　　［アプリケーション管理部４１］
　制御部４のアプリケーション管理部４１は、各センサー端末から収集した情報を有線通信用にデータ変換したり、有線通信を介して受信したサーバからの制御情報等を無線通信用に変換する。
　　［経路管理部４２］
　経路管理部４２は、ネットワーク全体の経路情報を構築するものであり、経路の再構築やセンサー端末に対する出力モードの切り替えの指示を行う。そして、経路管理部４２は、ＧＷ端末に接続される全てのセンサー端末の経路情報として、ルーティングテーブルを備えている。ＧＷ端末のルーティングテーブルについては、後述する。
　更に、本システムの特徴として、経路管理部４２は、ＧＷ端末と直接接続しているセンサー端末について出力モード（高出力モード／低出力モード）を記憶しており、各センサー端末への送信時には、各センサー端末に対応した出力モードに合わせて、送信出力を切り替えるよう無線部３に指示を出力する。
　つまり、経路管理部４２は、低出力モードが設定されている端末に送信する場合は低出力で送信し、高出力モードが設定されている端末に送信する場合には高出力で送信するよう制御する。
　そして、経路管理部４２は、ネットワークトポロジの変更をセンサー端末に指示するための制御パケットを生成する。具体的には、制御パケットは各センサー端末のルーティングテーブルを更新するための情報を含み、出力モードの切り替えや、接続先の変更を指示するものである。
　また、経路管理部４２は、有線通信の通信先となるサーバ等のアドレスを記憶している。
　そして、新規端末の加入時に、後述するトラフィック負荷算出部４３及びデータ伝達遅延算出部４４からの算出結果に基づいて、必要な場合には経路の再構築を行って自己のルーティングテーブルを更新し、該当するセンサー端末に制御パケットを送信する。経路管理部４２の動作については後述する。
　　［トラフィック負荷算出部４３］
　トラフィック負荷算出部４３は、新規端末のネットワーク参入時に、ルーティングテーブルを参照して、経路上のセンサー端末のトラフィック負荷を計算する。トラフィック負荷は、各センサー端末に割り当てられているスロット数に基づいて計算され、当該センサー端末に直接又は間接的に接続されている下位のセンサー端末の数に応じて負荷が大きくなる。そして、算出されたトラフィック負荷が予め記憶されているトラフィック負荷のしきい値を超えているか否かを判断し、その結果を経路管理部４２に通知する。
　これにより、本システムのＧＷ端末の経路管理部４２では新規センサー端末がネットワークに加入する際に、当該端末の追加によってトラフィック負荷が集中してしまうセンサー端末があるかどうかを判断し、トラフィック負荷が集中する端末がある場合、負荷が集中しないように下位ノードのいずれかを高出力モードに切り替えて、負荷が集中しているノードを経由しないよう接続先を選択して、経路の再構築を行うものである。
　　［データ伝達遅延算出部４４］
　また、データ伝達遅延算出部４４は、新規端末のネットワーク参入時に、ルーティングテーブルを参照して、当該新規センサー端末のホップ数を求め、データ伝達遅延量を算出し、予め記憶されているしきい値と比較して、データ伝達遅延量が許容範囲内であるか否かを判断し、結果を経路管理部４２に通知する。
　これにより、本システムのＧＷ端末の経路管理部４２では、新規端末のデータ伝達遅延量が許容範囲外となった場合には、新規センサー端末の出力モードを高出力モードに切り替えて、ＧＷ端末と直接通信を行うよう、経路の再構築を行うものである。
　尚、データ伝達遅延算出部４４では、データ伝達遅延量を算出せずに当該センサー端末からＧＷ端末までのホップ数のみで判断してもよい。この場合にはホップ数のしきい値が記憶されており、当該センサー端末からのホップ数をしきい値と比較して、しきい値以内であれば許容範囲内とし、しきい値を超えた場合には許容範囲外とする。
　［無線通信処理部５］
　　［無線通信アクセス制御部５１］
　無線通信アクセス制御部５１は、ＭＡＣ層の機能であり、センサー端末における無線通信アクセス制御部と同様に、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式やＴＳＣＨ方式の無線アクセス方式の制御を行う。
　［無線通信インタフェース部：５２］
　無線通信インタフェース部５２は、ＰＨＹ層の機能であり、無線フレームデータの生成及び分解を行う。
　［無線部６］
　無線部６は、変復調部６１と、周波数変換部６２と、アンテナ６３とを備え、無線信号の送受信を行う。無線部６の各部の構成及び動作は、センサー端末の無線部３の各部と同様であり、アンテナ６３は、送信信号を増幅する増幅部を備え、経路管理部４２によって設定された送信モードに対応する送信出力で送信信号を送信する。
　また、ＧＷ端末の送信出力は、センサー端末と同様であり、低出力時には１０ｍＷ程度、高出力時には例えば１Ｗ程度とする。
　［有線通信処理部７］
　有線通信処理部７は、有線通信アクセス制御部７１と、有線通信インタフェース部７２とを備えている。
　　［有線通信アクセス制御部７１］
　有線通信アクセス制御部７１は、有線ネットワークのアクセス方式に基づいて通信制御を行う。
　　［有線通信インタフェース部７２］
　有線通信インタフェース部７２は、有線ネットワークのフレームデータを通信ケーブルを介して有線ネットワーク上のサーバ等に送信し、また、サーバからの制御情報等のフレームデータを受信する。
［ＴＳＣＨ方式のリソース管理：図４］
　次に、本システムで用いられているＴＳＣＨ方式のリソース管理について図４を用いて説明する。図４は、ＴＳＣＨ方式のリソース管理を示す模式説明図である。
　ここでは、使用可能な無線チャネル数を７としており、ＧＷ端末の無線通信アクセス制御部５１が、各ノードに使用可能なタイムスロットを割り当てる。
　具体的には、ＧＷ端末は、タイムスロット毎に、送信先ノード（Ｄ）と、送信元ノード（Ｓ）と、無線チャネル番号とを指定して割り当て（予約）を行い、多重通信を行うよう制御する。
　このように、送信可能なタイムスロット及び受信可能なタイムスロットが予め決められるために、センサー端末では、自ノードに割り当てられたスロットのみを送受信する。
　そして、自ノードに割り当てられていないスロットは送受信しない、若しくは当該タイムスロット時間はスリープすることができ、干渉の発生を防ぎ、消費電力の低減を図ることができるものである。
　ＣＳＭＡ／ＣＡ方式でも本システムを実現することは可能であるが、ＴＳＣＨ方式のような帯域予約制のほうが、遅延時間やトラフィック負荷を抑えることができ、システムを効率的に運用可能となる。
［本システムの第１の運用例：図５］
　次に、本システムの第１の運用例について図５を用いて説明する。図５は、本システムの第１の運用例を示す模式説明図である。
　第１の運用例は、ホップ数の増大によりデータ伝達遅延が発生してしまう場合の経路再構築である。
　図５では、図１に示したネットワークに新たにセンサー端末が追加される場合の例を示している。
　ここではホップ数の上限を３としており、ＧＷ端末の制御部４のデータ伝達遅延算出部４４にホップ数のしきい値として３が設定されている。
　図５に示すように、まず、ＧＷ端末（ノード１）と、複数のセンサー端末（ノード２～１１）から成るネットワークが構築されている状態で、新たにノードＡがノード７に接続してＧＷ端末宛に加入要求を送信する。この場合にはデフォルトである低出力モードで送信を行う。この時点でノードＡのルーティングテーブルには、宛先をＧＷ端末とする場合の次ノードとしてノード７が記憶される。
　そして、ノード７で受信されたノードＡからの加入要求は、既に構築されている経路に基づいて、ノード７，６，５を介してＧＷ端末に受信される。
　ＧＷ端末では、制御部４が、受信したデータからノードＡの経路情報（ノードＡ→ノード７→ノード６→ＧＷ端末）を取得して、経路管理部４２のルーティングテーブルを参照して、ノードＡのホップ数を求める。
　具体的には、ＧＷ端末のデータ伝達遅延算出部４４は、ルーティングテーブルから、ノードＡの親ノードとなっているノード７のホップ数を読み取り、それに１を加算してノードＡのホップ数とする。そして、図５の場合、伝達遅延算出部４４が、ノードＡのホップ数は４であり、上限値の３を超えていると判断する。
　そこで、ＧＷ端末の経路管理部４２は、ノードＡに対して、出力モードを高出力モードに切り替え、ＧＷ端末と直接通信を行う許可を与える経路再構築を行う。
　具体的には、経路管理部４２が、ノードＡに対して、出力モードを低出力モードから高出力モードに切り替え、通信先をＧＷ端末とする指示を含む制御パケットを生成して、加入要求を受信したマルチホップ経路の逆経路でノードＡに送信する。この場合、ＧＷ端末は制御パケットを低出力で送信する。
　当該制御情報は、ノード５，６，７を介してノードＡに受信される。
　ノードＡでは、受信したＧＷ端末からの制御情報に基づいて、ルーティングテーブルを更新する。具体的には、上り通信について、宛先がＧＷ端末の場合の次ノードをＧＷ端末として、他のノードを介さずにＧＷ端末と直接通信を行うように設定する。これにより、ノードＡとノード７との接続は切断される。それと共に、ノードＡでは、上り通信に対応する出力モードを高出力モードに設定する。
　これにより、ノードＡは、ノード７との接続を切断し、高出力無線通信によってＧＷ端末と直接通信を行うことが可能となる。
　その結果、図５に示すように、ノードＡのホップ数は１となり、遅延時間が増大するのを防ぐことができるものである。
　そして、ノードＡはＧＷ宛に制御パケットに対する応答を送信する。
　また、ＧＷ端末の経路管理部４２は、ノードＡから制御情報に対する応答を受信すると、ルーティングテーブルのノードＡに対応する経路情報として、ノードＡの親ノードをノード７からＧＷ端末に書き換えて更新する。
　また、経路管理部４２は、ノードＡとの通信時には高出力モードで通信する旨記憶する。そして、ノードＡに送信する際には高出力で送信を行う。
　このように、本システムの第１の運用例では、新規参入するセンサー端末のホップ数が上限値を超えてデータ伝達遅延時間が大きくなると予想される場合に、ＧＷ端末が、新規参入するセンサー端末を高出力モードに切り替えて、ＧＷ端末と直接通信を行わせるよう経路を再構築するものであり、データ伝達遅延時間の増大を防ぐことができるものである。
［本システムの第２の運用例：図６］
　次に、本システムの第２の運用例について図６を用いて説明する。図６は、本システムの第２の運用例を示す模式説明図である。
　第２の運用例は、ホップ数の上限は超えていないものの、トラフィック負荷の増大が発生する場合の経路再構築を示している。
　第２の運用例では、ホップ数の上限値を１０としており、ＧＷ端末の制御部４のデータ伝達遅延算出部４４にホップ数のしきい値として１０が設定されている。
　図６に示すように、まず、ノードＡがノード７に接続して新規追加されると、ＧＷ端末の伝達遅延算出部４４はノードＡのホップ数をしきい値と比較してホップ数が上限を超えていないと判断し、経路管理部３２は、そのままのマルチホップ経路（ＧＷ端末→ノード５→ノード６→ノード７→ノードＡ）をルーティングテーブルに登録する。
　その後、ノードＡの子ノードとしてノードＡ１及びＡ３が接続され、更に孫ノードとしてノードＡ２，Ａ４，Ａ５が接続される。孫ノードでもホップ数は６であり、ホップ数の上限は超えていない。
　一方、ＧＷ端末のトラフィック負荷算出部４３は、新規端末が追加される度に、当該新規センサー端末からＧＷ端末への経路上にあるノードのトラフィック負荷を計算する。
　尚、経路上の全てのノードについてトラフィック負荷を計算しなくてもよいが、この場合には、ＧＷ端末からノードＡ～Ａ５への経路上で最も負荷が大きくなるのは、多くの下位ノードが接続されている最上位ノードのノード５であり、少なくともノード５についてはトラフィック負荷の算出を行う。
　そして、トラフィック負荷算出部４３が、ノード５のトラフィック負荷がしきい値を超えたことを検出すると、経路管理部４２は、ノード５のトラフィック負荷を軽減するために、ノードＡを高出力モードに切り替え、ＧＷ端末と直接通信を行うようルーティングテーブルを更新し、第１の運用例と同様にノードＡに制御パケットを送信する。
　ノードＡでは、自己のルーティングテーブルを書き換えて、ＧＷ端末とは高出力モードで直接通信を行う。
　これにより、ノードＡとノード７との接続は切断され、ノード５の下位ノードの数は２となってノード５にかかるトラフィック負荷は大幅に低減されるものである。
　また、ノードＡは、下位のＡ１，Ａ３との通信については今まで通り低出力モードで通信を行う。
　このように、第２の運用例では、新規センサー端末の加入によって、より上位にあるノードのトラフィック負荷の増大が予想される場合に、ＧＷ端末が、経路上の適当な位置にあるセンサー端末を高出力モードに切り替えて、ＧＷ端末と直接通信を行わせるよう経路を再構築するものであり、特定のノードへのトラフィック負荷の集中を防ぐことができるものである。
　また、第２の運用例では、高出力モードを許可されたセンサー端末が、ＧＷ端末との通信のみを高出力モードに切り替え、下位のノードとの通信には従来通り低出力モードを用いることにより、電力の浪費を防ぐと共に干渉の発生を防ぐことができるものである。
　［接続先の選択］
　また、ノードＡを高出力に切り替えた場合に、接続先をＧＷ端末に限定せず、別の負荷の小さいノードを接続先として選択し、当該ノードにノードＡとＧＷ端末との通信を中継させるルートを構築してもよい。
　図６の場合、例えばノードＡの接続先をノード２とすると、ＧＷ端末は、ノードＡに対して上り方向の宛先をＧＷ端末とし、それに対応する次ノードをノード２とし、更に高出力モードで送信するよう指示する。
　また、ＧＷ端末は、ノード２に対して、下り方向のノードＡ及びその下位ノードを宛先とする場合の次ノードをノードＡとし、高出力モードで通信するよう指示する。
　ノードＡ及びノード２は、制御パケットに基づいて自己のルーティングテーブルを書き換え、ノードＡとノード２とが高出力モードの通信で接続されることになる。尚、ノード２とＧＷ端末とは引き続き低出力モードで通信を行う。
　また、ＧＷ端末が、負荷の小さい複数のノードを中継ノードの候補として選択し、実際に高出力モードを用いて、ノードＡとの間で候補ノードを介した既知データの通信を行ってみて、最も通信品質のよかった経路に決定する、というようにしてもよい。
　［経路の確定］
　更に、本システムでは、経路の再構築を行った場合には、新しいルートに基づいて、ＧＷ端末から既知のデータを送信し、宛先のセンサー端末から当該データを正常に受信した旨の応答を受信した場合に、新しいルートを確定してルーティングテーブルを更新するようにしている。新しい経路での送受信が正常にできない場合には、再度、経路の再構築を行う。
　これにより、ルーティングテーブルには、確実に通信できる経路が記憶されることなり、通信の信頼性を確保することができるものである。
［本システムの第３の運用例：図７］
　次に、本システムの第３の運用例について図７を用いて説明する。図７は、本システムの第３の運用例を示す模式説明図である。
　第３の運用例では、高出力に切り替えたいノードが、高出力対応の機種ではなかった場合の経路再構築を示す。
　第３の運用例では、ホップ数の上限値を１０としており、ＧＷ端末の制御部４のデータ伝達遅延算出部４４にホップ数のしきい値として１０が設定されている。
　まず、ノードＢがノード７に接続されて新たにネットワークに加入する。
　その後、ノードＡ、ノードＡ１がノードＢの配下に順次追加される。
　ＧＷ端末のトラフィック負荷算出部４３が、ノード５にかかるトラフィック負荷を算出し、ノード５のトラフィック負荷がしきい値を超えたことを検出すると、経路管理部４２は、第２の運用例と同様に、現在のトポロジから効率的に負荷を分散するために、ノードＢを高出力モードに切り替えて直接通信を行うことを試みる。
　ＧＷ端末の経路管理部４２は、まず、ノードＢに対して、高出力対応の機種であるかどうかの問い合わせを行う。
　そして、ノードＢから「高出力対応ではない」旨の応答を受信すると、経路管理部４２は、ルーティングテーブルを参照して、ノードＢの下位に接続されているノードＡに対して、高出力対応の機種であるかどうかの問い合わせを行う。
　ノードＡから「高出力対応である」旨の応答を受信すると、ＧＷ端末の経路管理部４２は、ノードＡに対して、高出力モードに切り替えてＧＷ端末と直接通信を行うと共に、ノードＢをノードＡの配下とするよう制御パケットを送信する。
　また、ＧＷ端末の経路管理部４２は、ノードＢに対して、ノードＡの配下となるよう制御パケットを送信する。
　ＧＷ端末では、問い合わせによって判明した各センサー端末の高出力対応／非対応の情報をルーティングテーブルに記憶しておく。これにより、後の経路再構築時に何度も問い合わせずに済み、経路の再構築を効率的に行うことが可能となる。
　尚、高出力対応／非対応の情報は、予め外部から設定されるものであってもよいし、センサー端末がネットワーク加入時に自らＧＷ端末に通知してもよい。
　そして、ノードＡ及びノードＢは自己のルーティングテーブルを書き換え、経路を再構築する。
　ノードＢでは、上り方向のＧＷ端末宛に対応する次ノードはノードＡとして更新し、ノード７との接続は切断される。これにより、ノードＢはノードＡの子ノードとなり、それまでと親子関係が逆転する。
　ノードＡは、ＧＷ端末とは高出力モードで直接通信し、下位のノードＢ、ノードＡ１とは低出力モードで通信を行う。
　このように、第３の運用例では、ＧＷ端末が、トポロジ変更に伴い任意のセンサー端末を高出力モードに切り替える場合に、当該端末宛に高出力対応か否かを問い合わせ、高出力対応ではなかった場合に、当該高出力非対応端末の下位のノードを高出力モードに切り替えてＧＷ端末と直接通信を行い、高出力非対応の端末を、高出力対応端末の下位ノードとするよう経路を再構築して、トラフィック負荷の増大を防ぐと共に経路構築の自由度を増大させることができるものである。
　尚、ここでは、ノードＢの直下のノードＡが高出力対応の端末であった場合について説明したが、ノードＡも非対応であった場合には、更に下位のノード（ここではＡ１）について高出力対応か否かを問い合わせ、高出力対応であったノードを親として経路を再構築することも可能である。
［本システムの第４の運用例：図８，９］
　次に、本システムの第４の運用例について図８、図９を用いて説明する。図８は、本システムの第４の運用例の下り方向の通信を示す模式説明図であり、図９は、本システムの第４の運用例の上り方向の通信を示す模式説明図である。
　上述した第１～第３の運用例は、双方向通信の経路を示しており、上りと下りで同一の経路を用いている。しかしながら、高出力での無線通信の機会が増えると、同一ネットワークの他の端末への干渉や、隣接するネットワークへの干渉の恐れが生ずる。
　そこで、第４の運用例では、高出力での通信の回数をできるだけ少なくするため、遅延時間の制約に応じて、下り方向と上り方向とで異なるルートを構築するようにしている。
　図８，９は、図７に示したものと同じセンサー端末でのネットワーク構成を示しており、ノードＢは高出力モードに対応していないセンサー端末であり、ノードＡは高出力モードに対応したセンサー端末である。
　一般に、ＧＷ端末からセンサー端末宛の下り方向の通信では、制御情報等が伝送され、遅延の制約は厳しくない。そのため、ホップ数が増大してもあまり影響はないと考えられる。
　そこで、図８に示すように、高出力非対応の端末であるノードＢを含む経路を、下り通信時には、低出力モードで、ＧＷ端末→ノード５→ノード７→ノードＢ→ノードＡ→ノードＡ１とする。
　このように、ある程度の遅延が許容される下り通信では、高出力通信を用いず、低出力のマルチホップ通信でデータを伝送する。
　一方、上り通信では、センサー端末でセンシングしたデータを伝達するため、遅延の制約が厳しい場合が多い。
　そのため、図９に示すように、上り方向の通信では、ノードＡを高出力モードに切り替え、ノードＢをノードＡの配下とする経路の再構築を行う。
　これにより、ノードＢ、ノードＡ、ノードＡ１は１ホップ又は２ホップでＧＷ端末に接続でき、遅延時間を少なくすることができるものである。
［ＧＷ端末のルーティングテーブル例：図１０］
　次に、ＧＷ端末の経路管理部４２に記憶されているルーティングテーブルの例について図１０を用いて説明する。図１０は、ＧＷ端末のルーティングテーブルの例を示す説明図である。
　図１０に示すように、ＧＷ端末のルーティングテーブルは、当該ＧＷ端末の配下にある全てのセンサー端末についての経路を管理するものであり、ノードＩＤに対応して、親ノード、子ノードの数、高出力対応の可否、出力モード、ホップ数をマトリクス状に記憶しているものである。
　図１０のルーティングテーブルは、図７のネットワークトポロジに対応したテーブルを示している。
　ノードＩＤは、ネットワークに加入しているセンサ端末の識別情報である。
　親ノードは、当該ノードに直接接続する上位ノードである。
　子ノードの数は、当該ノードに直接又は間接に接続する下位ノードの数である。
　高出力対応の可否は、当該ノードのセンサー端末が、高出力での通信が可能であるか否かを示す情報であり、センサー端末がネットワーク加入時に加入要求に付して送信して、その情報をＧＷ端末で取得するようにしてもよいし、第３の運用例に記載したように、ＧＷ端末が各センサー端末に問い合わせてもよい。
　また、ホップ数は、ＧＷ端末から当該ノードまでのホップ数である。
　図１０の例では、例えば、ノードＡは、高出力モードに切り替わってＧＷ端末（ノード１）と直接通信を行っているので、「親ノード」はＧＷ端末、子ノードとしてノードＡ１とノードＢが接続されているので、「子ノードの数」は２、また「高出力対応の可否」は可（図では「○」と記載）、「ホップ数」は１が記憶されている。
　また、ノードＢについては、「親ノード」はノードＡ、「子ノードの数」は０、また「高出力対応の可否」は不可（図では「×」と記載）、「ホップ数」は２が記憶されている。
［センサー端末のルーティングテーブル：図１１］
　次に、センサー端末のルーティングテーブルの例について図１１を用いて説明する。図１１は、センサー端末のルーティングテーブルの例を示す説明図である。
　図１１の例は、図６に示したネットワークトポロジにおけるノードＡのルーティングテーブルである。
　図１１に示すように、センサー端末のルーティングテーブルには、宛先と、それに対応する次ノード及び出力モードが記憶されている。
　図６のネットワークトポロジにおけるノードＡのルーティングテーブルの場合、上り方向について、ＧＷ端末（ノード１）を宛先として、それに対応する次ノードとしてＧＷ端末が記憶され、出力モードは高出力が記憶されている。
　つまり、ノードＡは、高出力モードでＧＷ端末に直接接続して通信を行うことが記憶されている。
　また、下り方向については、ノードＡの下位ノードである宛先Ａ１～Ａ５に対応して、それぞれ次ノードが記憶され、出力モードとして低出力が記憶されている。
　このルーティングテーブルでは、ノードＡ１とノードＡ３はノードＡに直接接続され、ノード２はノードＡ１を経由する経路上にあり、また、ノードＡ４，５はノードＡ３を経由する経路上にあり、ノードＡは下り方向については全て低出力モードで通信を行うことが記憶されているものである。
［ＧＷ端末の処理：図１２］
　次に、ＧＷ端末の制御部における新規端末参入時の処理について図１２を用いて説明する。図１２は、ＧＷ端末における新規センサー端末の参入時の処理を示すフローチャートである。
　図１２に示すように、ＧＷ端末の制御部（以下、単に「ＧＷ端末」とする）は、新規センサー端末からネットワークへの加入要求を受信して、新規端末が参入すると（１００）、受信した加入要求に付された経路情報と記憶しているルーティングテーブルに基づいて、当該新規センサー端末のホップ数を求め、ホップ数が設定されている上限値以内であるかどうかを判断する（１０２）。
　ホップ数が上限以内であれば（Yesの場合）、ＧＷ端末は、新規センサー端末の経路上にあるノードのトラフィック負荷を算出し、トラフィック負荷がしきい値以内であるかどうかを判断し（１０４）、しきい値以内であれば（Yesの場合）、当該マルチホップの経路を確定し、ルーティングテーブルに記憶する（１０６）。
　また、処理１０２で、新規参入端末のホップ数が上限を超えていた場合（Noの場合）と、処理１０４でトラフィック負荷がしきい値を超えていた場合（Noの場合）には、ＧＷ端末は、運用例に示したような経路の再構築を行う（１０８）。
　そして、ＧＷ端末は、新経路を構築すると、当該新経路を用いて既知データを新経路上のセンサー端末宛に送信する（１１０）。
　そして、送信先のセンサー端末から当該データを正常に受信した旨示す応答を受信すると、当該新経路を確定してルーティングテーブルを更新する（１１４）。
　このようにして、本システムのＧＷ端末における処理が行われる。
［実施の形態の効果］
　本発明の実施の形態に係る無線センサーネットワークシステムは、ＧＷ端末と、ＧＷ端末に直接又は間接的に接続する複数のセンサー端末とを備え、センサー端末が、送信出力が小さい低出力モードと、それより送信出力が大きい高出力モードとを備え、ネットワーク加入時には、低出力モードで近隣のセンサー端末に接続して、既存のマルチホップ経路を用いてＧＷ端末にアクセスし、ＧＷ端末が、当該マルチホップ経路における当該新規加入端末のホップ数と、当該経路上のノードのトラフィック負荷を算出して、ホップ数とトラフィック負荷が共に予め設定された上限以内であれば、当該端末の経路を当該マルチホップ経路で確定し、ホップ数とトラフィック負荷の少なくとも一方が上限を超えている場合には、当該センサー端末に対して、高出力モードに切り替えて、ＧＷ端末と直接通信を行うよう指示を出力して経路の再構築を行うシステムとしており、ホップ数の増大によるデータ伝達遅延や特定のノードへの負荷の集中を抑えることができ、ネットワーク全体のトラフィック量の増加を抑制して、システムを効率的に運用することができる効果がある。
　また、本システムによれば、ＧＷ端末が、高出力モードに切り替えた端末の接続先を、ＧＷ端末に限らずトラフィック負荷の小さい端末に指定することも可能であり、システム全体をより効率的に運用できる効果がある。
　また、本システムによれば、ＧＷ端末が、経路の再構築の際に、高出力モードに切り替えたいノードが高出力モードに対応していないセンサー端末の場合には、当該ノードの下位ノードで高出力モードに対応しているセンサー端末を高出力モードに切り替えてＧＷ端末と直接通信を行うよう、経路を再構築するシステムとしているので、経路構築の自由度を増大させ、ホップ数の増大によるデータ伝達遅延や特定のノードへの負荷の集中を抑え、システムを効率的に運用することができる効果がある。
　また、本システムによれば、ＧＷ端末からセンサー端末への下り方向の通信については、マルチホップの経路を用いて通信を行い、上り方向の通信については、ホップ数が少なくなるよう、一部のセンサー端末を高出力モードに切り替えた経路を用いて通信を行うようにしているので、なるべく高出力通信を行わなくて済むよう、許容される遅延時間に応じて上りと下りとでホップ数を変えた経路として、消費電力の増大及び干渉の発生を最低限に抑えることができる効果がある。
　また、本システムによれば、センサー端末が、宛先毎に出力モードを記憶しているので、ＧＷ端末と高出力モードで通信を行う場合でも、下位のノードとは低出力モードでアドホック通信を行うことができ、無駄に消費電力を増大させず、干渉の発生を最低限に抑えることができる効果がある。
　また、上述した例では、出力モードが高出力モードと低出力モードの２段階である場合について説明したが、センサー端末の位置がわかる場合には、指定された接続先からの距離に応じた送信出力を設定するようにしてもよいし、また、少しずつ送信出力を上げていって、接続先との正常な送受信が可能な送信出力を設定するようにしてもよい。
　本発明は、特にシステム全体のトラフィック量の増加を抑制して遅延時間を短縮し、特定の端末への負荷の集中を防いで効率的な運用を可能とする無線センサーネットワークシステムに適している。
　１...センサー、　２，４...制御部、　３，６...無線部、　５...無線通信処理部、　７...有線通信処理部、　２１，４１...アプリケーション管理部、　２２，４２...経路管理部、　２３，５１...無線通信アクセス制御部、　２４，５２...無線通信インタフェース部、　７１...有線通信アクセス制御部、　７２...有線通信インタフェース部

Claims (3)

  1. 　センサーを備え無線通信を行う複数のセンサー端末と、前記複数のセンサー端末と通信する通信経路を構築し、前記通信経路に基づいて前記各センサー端末との無線通信を行う管理端末とを備え、前記センサー端末と前記管理端末とをノードとする無線センサーネットワークシステムであって、
    　センサー端末が、ネットワークに参入する際に、第１の送信出力で、既存のノードを介して前記管理端末に加入要求を送信し、
    　前記管理端末が、前記加入要求を受信すると、前記受信した経路上のノードのトラフィック負荷を算出し、前記ホップ数と前記トラフィック負荷が共に許容範囲内であれば、前記センサー端末の通信経路を前記受信した経路とし、前記ホップ数と前記トラフィック負荷の少なくとも一方が許容範囲外であれば、前記センサー端末に対して、前記第１の送信出力よりも大きい第２の送信出力で、前記管理端末又はトラフィック負荷の小さい特定のノードに直接接続するよう指示を出力して通信経路を再構築し、
    　前記センサー端末が、前記指示を受信した場合には、前記管理端末宛にデータを送信する際に、前記第２の送信出力で前記管理端末又は前記特定のノードに送信することを特徴とする無線センサーネットワークシステム。
  2. 　複数のセンサー端末と共に無線センサーネットワークシステムのノードを構成し、前記各センサー端末と通信する通信経路を構築して、前記通信経路に基づいて前記センサー端末との無線通信を行う管理端末であって、
    　センサー端末から第１の送信出力で送信された、ネットワークへの加入要求を受信すると、受信した経路に基づいて要求元のセンサー端末のホップ数を算出すると共に、前記受信した経路上のノードのトラフィック負荷を算出し、前記ホップ数と前記トラフィック負荷が共に許容範囲内であれば、前記センサー端末の通信経路を前記受信した経路とし、前記ホップ数と前記トラフィック負荷の少なくとも一方が許容範囲外であれば、前記センサー端末に対して、前記第１の送信出力よりも大きい第２の送信出力で、前記管理端末又はトラフィック負荷の小さい特定のノードに直接接続するよう指示を出力して通信経路を再構築することを特徴とする管理端末。
  3. 　管理端末と共に無線センサーネットワークシステムのノードを構成し、前記管理端末からの指示に基づいて無線通信を行うセンサー端末であって、
    　ネットワークに参入する際に、第１の送信出力で、既存のノードを介して前記管理端末に加入要求を送信し、前記管理端末から、前記第１の送信出力よりも大きい第２の送信出力で、前記管理端末又はトラフィック負荷の小さい特定のノードに直接接続する指示を受信した場合には、前記管理端末宛にデータを送信する際に、前記第２の送信出力で前記管理端末又は前記特定のノードに送信することを特徴とするセンサー端末。
PCT/JP2012/063652 2011-09-02 2012-05-28 無線センサーネットワークシステム WO2013031314A1 (ja)

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