WO2013114465A1 - 無線マルチホップ通信装置及び通信制御方法 - Google Patents

無線マルチホップ通信装置及び通信制御方法 Download PDF

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WO2013114465A1
WO2013114465A1 PCT/JP2012/000725 JP2012000725W WO2013114465A1 WO 2013114465 A1 WO2013114465 A1 WO 2013114465A1 JP 2012000725 W JP2012000725 W JP 2012000725W WO 2013114465 A1 WO2013114465 A1 WO 2013114465A1
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packet
wireless multi
flooding
time
hop
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PCT/JP2012/000725
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Inventor
和也 門田
原田　諭
悠一 五十嵐
Original Assignee
株式会社日立製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W40/00—Communication routing or communication path finding
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/50—Service provisioning or reconfiguring

Definitions

  • the present invention relates to a node (wireless multihop communication apparatus) that transmits / receives and relays a packet in a wireless multihop network and a communication control method thereof, and more particularly to a packet transfer technique.
  • a sensor network system in which wireless terminals configure a wireless multi-hop network and send sensor data and the like to a server installed in a center via the wireless multi-hop network.
  • the sensor network system there is a request not only to collect sensor data from wireless terminals, but also to send the same data from a server to a plurality of wireless terminals, for example, firmware data.
  • there is a technique called flooding in which a terminal that has received data transmitted by a transmitting terminal transmits the same data again and repeats this to transmit the same data to a plurality of wireless terminals.
  • a transfer waiting time is set based on the radio wave intensity received at the receiving terminal (the transfer waiting time is shortened when the radio wave intensity is weak, and the transfer waiting time is lengthened when the radio wave strength is strong).
  • a method is disclosed in which the load applied to the network is reduced by stopping the transfer when the same packet transmitted by another wireless terminal is received during this period.
  • the present invention is for solving the above-described problem, a packet receiving unit that receives a packet related to flooding, a transmittable time storage unit that stores transmission timing of a packet related to flooding based on the number of hops from the gateway, and a reception Based on the number of hops stored in the received packet, the packet is transmitted at the stored transmission timing. Further, the packet transmission timing is assumed to be a timing determined in advance between the transmission timings of sensor data to be transmitted periodically.
  • FIG. 1 shows a system configuration example of a sensor network system.
  • the gateway 101 and the wireless terminals 102 to 111 constitute a wireless multi-hop network 100.
  • a line connected between the gateway 101 and the wireless terminal indicates that direct communication is possible.
  • the gateway 101 is connected to the external network 112 and can communicate with the data collection server 113 and the time management server 114.
  • the external network 112 may be a wired network using a priority LAN or optical communication, or may be a wireless network such as a mobile phone network.
  • the wireless terminals 102 to 111 divide application data such as sensor data into packets and transmit the packets to the data collection server 113.
  • the application data may be one packet or plural packets depending on the data length, but will be described as one packet. It is assumed that the gateway 101 and the wireless terminals 102 to 111 are synchronized with the time management server 114.
  • the server connected to the external network is not limited to the two servers.
  • distribution data is transmitted from the collection server.
  • the collection server transmits to all wireless terminals connected to the wireless multi-hop network 100 via the gateway 101. Depending on the wireless terminal, the distribution data may be unnecessary. In this case, after receiving, it may be determined whether it is necessary or not and discarded.
  • a method for constructing a wireless multi-hop network communication path will be described.
  • the communication path is constructed by the routing protocol that is being discussed for standardization by IETF (Internet Engineering Task Task Force) ROLL (Routing Over Low Low power power and Lossy network) WG, eg RPL (IPv6 Routing Protocol for low Low power power and The path can be built dynamically by using Lossy Networks). Other protocols may also be used.
  • FIG. 2 shows a hardware configuration example of the wireless terminal and the gateway.
  • Reference numeral 201 denotes a configuration example of a wireless terminal, in which a CPU 203, a wireless communication unit 204, a memory 205, and a timer 206 are connected to each other, and an antenna 202 is connected to the wireless communication unit 204.
  • the power source 207 supplies power to each unit of the wireless terminal 201. The power may be supplied from the outside or may be a battery.
  • the gateway 208 includes an external network communication unit 209 in addition to the configuration of the wireless terminal 201.
  • the external network communication unit only needs to be able to communicate with the collection server 113 and the time management server 114, and may be an interface for a wired network such as a wired LAN or light, or may be an interface for a wireless network such as a mobile phone module.
  • a wired network such as a wired LAN or light
  • a wireless network such as a mobile phone module.
  • Each function described in the present embodiment is implemented on the terminal by the CPU 203 executing a program stored in the memory 205. Further, at least a part of each function may be realized by hardware.
  • Each program may be stored in the memory 205 in advance, or a removable storage medium or communication medium (on a communication line or communication line including a wireless network) that can be used by the terminal when necessary. It may be introduced into the memory 205 via a carrier wave.
  • Fig. 3 shows the configuration of the processing units of the gateway and wireless terminal.
  • the gateway processing unit configuration 301 will be described.
  • the application processing unit 302 processes application data.
  • Application data is transmitted and received through the network processing unit 303.
  • the network processing unit 303 packetizes the application data by adding a header that enables communication of the application data through the network at the time of transmission.
  • the application processing unit 302 extracts the application data from the packet and passes it to the application processing unit 302. And transfer processing.
  • a data destination ID, transmission source ID, and data type are added to the packet.
  • the destination ID and source ID may be IP addresses.
  • the data type may be an IP packet number or a port number.
  • the transmission timing processing unit 304 determines whether or not the packet delivered from the network processing unit can be transmitted at the current time. If the packet can be transmitted, the packet is transmitted to the wireless communication processing unit 305 and transmitted.
  • the transmission timing processing unit 304 has a transmission queue, and the network processing unit 303 stores the packet in the transmission queue, thereby passing the packet to the transmission timing processing unit.
  • There are a plurality of types of transmission queues and in this embodiment, there are an immediate transmission queue, a distribution queue, and a collection queue.
  • the immediate transmission queue is mainly used for packet transfer.
  • the distribution queue is used to transmit distribution data packets.
  • the collection queue is used for transmission of sensor data packets.
  • the number of queues can be increased according to the application type and the communication type. In the present embodiment, the description will be made using the three queues.
  • the wireless communication processing unit 305 adds a MAC header necessary for wireless communication when transmitting a packet, and transmits the packet from the wireless communication unit 204.
  • the timing control unit receives a packet related to flooding, and transmits the packet at the transmission timing stored in the transmittable table based on the number of hops stored in the received packet.
  • the transmittable time storage unit stores the transmission timing of packets related to flooding based on the number of hops from the gateway, and the timing control unit stores the number of hops from the gateway stored in advance in the transmittable time storage unit of the wireless terminal.
  • the packet may be transmitted based on
  • the timing control unit periodically transmits sensor data.
  • a header defined by IEEE 802.15.4d or the like can be used.
  • the time management processing unit 306 performs a synchronization process of the time managed by the transmission timing own terminal, and sets the time in the timer 206.
  • the current time is acquired from the timer 206.
  • the gateway performs time synchronization through the external network using a known protocol such as the time management server 114 or NTP, or a time device such as GPS is connected to the wireless terminal, and synchronization processing is performed by acquiring time data from the time device. You may go.
  • the transmission processing unit 304 is notified of the time every predetermined time.
  • the transmission timing processing unit 304 performs transmission processing using the notified time.
  • the transmission process will be described later with reference to FIG.
  • the external network processing unit 307 performs communication processing with the collection server and the time management server connected to the external network communication unit 209.
  • the communication process is a transmission / reception process by adding a MAC header in accordance with the standard of the external network communication unit 209.
  • the external network communication processing unit 307 is omitted from the gateway processing unit configuration.
  • the time synchronization may be performed by synchronizing with the gateway, and may be performed by receiving a packet containing time data transmitted by the gateway via a wireless multi-hop network, or a time device such as GPS may be wirelessly connected.
  • the synchronization process may be performed by connecting to a terminal and acquiring time data from the time device.
  • Other processing units perform the same processing as the gateway.
  • Unicast communication is communication performed for one specific server or one wireless terminal, and is distinguished from flooding in this embodiment.
  • the distinction method is that a packet whose destination is a unicast address is determined to be unicast, and a packet whose destination is a multicast address or broadcast address is a specific address determined in advance. Can be distinguished by flooding.
  • the transmission of sensor data from the wireless terminal will be described.
  • the sensor data generated by the application processing unit 309 of the wireless terminal 201 is passed to the network processing unit 310 and packetized.
  • the packetized sensor data is put into the collection queue of the transmission timing processing unit 311.
  • the transmission timing processing unit 311 acquires the current time from the time management processing unit 313, determines whether transmission is possible, passes the packet to the wireless communication processing unit 312 if transmission is possible, and the wireless communication processing unit 312 receives from the wireless communication unit 204. Send.
  • a packet transmitted from a wireless terminal is received by another wireless terminal and transferred to the gateway. Next, reception processing and transfer processing will be described.
  • the wireless terminal that has received the packet performs reception processing by the wireless communication processing unit 312 and passes the packet to the transmission timing control unit 311.
  • the transmission timing control unit passes the packet to the network processing unit 310.
  • the network processing unit 310 determines whether the destination is the local terminal. If the packet is the local terminal, the application processing unit 309 To pass. If it is not the terminal itself, the packet is stored again in the immediate transmission queue of the transmission timing control unit 311.
  • the transmission timing processing unit 311 passes the packet in the immediate transmission queue to the wireless communication processing unit 312 and the packet is transmitted. The packet is transferred by the above processing.
  • the transmission processing and reception processing at the gateway are the same except for communication between the wireless terminal and the external network 112.
  • a packet from the external network 112 to the wireless terminal undergoes reception processing by the external network communication processing unit 307 and is sent to the network processing unit 302.
  • the processing of the network processing unit 302 is the same as the processing of the network processing unit 302 of the wireless terminal.
  • the destination of the received packet is checked by the network processing unit 302, and if the destination is via the external network 112, the packet is sent to the external network communication processing unit 307. Forward by sending.
  • the collection server packetizes the distribution data (hereinafter referred to as a flooding packet) and sends it to the gateway.
  • the gateway receives the packet at the external network communication unit 307 and then sends it to the network processing unit 303.
  • the network processing unit 303 determines whether the packet is a flooding packet. If the packet is a flooding packet, the distribution data is passed to the application processing unit 302 and the flooding packet is stored in the distribution queue of the transmission timing processing unit 311.
  • the transmission timing processing unit 311 obtains the current time from the time management processing unit 313, and if the current time is a time at which distribution data can be transmitted, the flooding packet is transferred to the wireless communication processing unit 312 and is transmitted by transmission. .
  • the wireless terminal that has received the flooding packet transferred by the gateway processes the flooding packet in the wireless communication processing unit 312 and then passes it to the transmission timing processing unit 311.
  • the transmission timing processing unit 311 passes the flooding packet to the network processing unit 310 and determines whether or not the own terminal transfers it. If it determines that it should be transferred, it puts the flooding packet in the distribution queue. If it is determined that the packet should not be transferred, the flooding packet is not placed in the distribution queue.
  • the transmission timing processing unit 311 obtains the current time from the time management processing unit 313, and sends the flooding packet in the distribution queue to the wireless communication processing unit 312 if it is possible to transmit the flooding packet, and transmits it to transmit it. Do.
  • the transmission timing processing unit determines the transmittable time.
  • the transmittable time will be described with reference to FIG.
  • the basic frame configuration 400 will be described.
  • the basic frame length 401 is defined as a certain time (for example, 10 minutes).
  • the basic frame 400 is a combination of frames for each communication type.
  • the basic frame 400 has a frame configuration in which the distribution frame 402 and the collection frame 403 are combined. Sensor data is collected in the collection frame, and distribution data is distributed in the distribution frame. It is also possible to divide the frame for each communication type into time slots. It is assumed that the time slot length (for example, 100 milliseconds) is predetermined. In the present embodiment, description will be made assuming that the time slot is divided. It is assumed that the wireless terminal and the gateway are synchronized in time, and the basic frame 400 and the frame for each communication type are also synchronized.
  • the distribution frame 404 in the basic frame 400 will be described.
  • the distribution frame length 402 is assumed to be a predetermined length (for example, 1.4 seconds).
  • the distribution frame 404 is divided into designated areas 406 to 410 in which several time slots are bundled.
  • the designated areas 406 to 410 are assumed to be a time zone in which the wireless terminal can transmit the flooding packet according to the number of hops from the gateway.
  • the designated area 406 is a time zone in which the gateway can transmit.
  • the designated area 407 is a time zone in which a wireless terminal with a hop number 1 from the gateway can transmit
  • the designated area 408 is a time zone in which a wireless terminal with a hop number 2 from the gateway can transmit
  • the designated area 409 is from the gateway.
  • the designated area 410 is a time zone in which a wireless terminal with 4 hops can transmit
  • the designated area 410 is a time zone in which a wireless terminal with 4 hops from the gateway can transmit.
  • a value obtained by dividing the time slot length as a unit time and the basic frame length by the time slot length is held as a basic frame length, and the current time is set to 0 to the basic frame length.
  • the frame configuration shown in FIG. 4 can be managed by a counter. For example, it is possible to determine which frame type the current time is by storing the combination of the time counter width and the frame type, such as the time counters 0 to 13 as distribution frames and the time counters 14 to 40 as collection frames. is there.
  • the transmission timing control unit stores the frame configuration.
  • the number of hops of the wireless terminal may be acquired from a routing protocol that establishes a communication path of the wireless multi-hop network, and may be stored in the hop number storage unit held by the transmission timing control unit. It is also possible to acquire the number of hops from the received packet by adding an area for recording the number of hops and counting up each time transfer processing is performed.
  • the hop number acquired by the network processing unit is stored in the hop number storage unit held by the transmission timing control unit.
  • the description is acquired from the routing protocol, and it is assumed that the hop count is stored in advance in the hop count storage unit.
  • the gateway transmission timing processing unit 304 and the wireless terminal transmission timing processing unit perform the same processing.
  • the process will be described with reference to a flowchart of FIG.
  • the transmission timing processing units 304 and 311 obtain the current time from the time management processing units 306 and 313, respectively, and first check whether there is a packet in the immediate transmission queue (step 501). If there is a packet in the immediate transmission queue (when a packet in the immediate transmission queue is received) (YES in step 501), the process proceeds to step 507, where the packet is deleted from the queue, and packet transmission processing (step 508) is performed. As a packet transmission process, the packet is passed to the wireless communication processing unit 305, and the process ends.
  • step 501 If there is no packet in the immediate transmission queue (NO in step 501), the frame configuration stored in the transmission timing control unit is compared with the current time to determine which frame is currently present (step 502). Whether there is a packet in the queue for the current frame is checked (step 503), and if there is no packet (NO in step 503), the process ends. If there is a packet (YES in step 503), but the current frame is not a distribution frame (NO in step 504), the process proceeds to step 507. If there is a packet and the current frame is a delivery frame (YES in step 504), a transmission enable check process (step 505) is performed. The transmission check process will be described later with reference to FIG. If transmission is possible as a result of the transmission check process (YES in step 506), the process proceeds to step 508, and if transmission is not possible (NO in step 506), the process ends.
  • the transmittable check process performed in step 505 will be described with reference to FIG. It is checked whether the transmission time is set for the packet (step 601).
  • the transmission time may be held as attached information in the packet stored in the queue.
  • the transmission time is not set.
  • the transmission possible time table is referred to (step 602).
  • a transmission available time table is shown in FIG.
  • the column 70 stores the number of hops
  • the column 71 stores a designated area that is a transmittable time zone for each hop number.
  • the row 72 stores the number of hops 0, that is, the transmittable time zone of the gateway, and the rows 73 to 75 store the transmittable time zones of the wireless terminals of each hop count from the gateway. That is, the transmission possible time table stores packet transmission timings related to the flooding determined in advance based on the number of hops from the gateway acquired and stored by a separate method.
  • the transmittable time table compares the transmittable time zone corresponding to the number of hops of the terminal with the current time. If the current time is not the transmittable time zone (NO in step 603), the process is terminated and transmittable. If it is a time zone (YES in step 603), a transmission waiting time is set in order to prevent the transmission of radio terminals having the same hop number from radio wave interference and packet loss.
  • the transmission waiting time may be determined randomly at a time that does not exceed the transmittable time zone from the current time.
  • the time added to the determined waiting time is set as the transmission time in the packet stored in the queue (step 604). If it is not in the transmittable time zone (NO in step 603), the process is terminated. If the packet transmission time is set (YES in step 601 or after step 604), it is checked whether the current time is the transmission time (step 606). If it is not the transmission time (NO in step 606), the process is terminated. If it is the transmission time (YES in step 606), the number of packet transmissions is counted up. The number of packet transmissions can increase the arrival rate of packets by changing the number of transmissions of the same packet according to the number of hops.
  • the maximum number of transmissions can be set by holding a combination of the number of hops and the maximum number of transmissions in a table.
  • the number of packet transmissions may be 1 for the same packet.
  • the packet is deleted from the distribution queue (step 609). If the maximum number of transmissions has not been reached, a waiting time is set for transmission again (step 610). After step 609 or 610, the packet is set to be transmittable (step 605), and the transmittable check process is terminated.
  • the transmission timing processing unit checks whether the packet is a flooding packet (step 801). If the packet is not a flooding packet (NO in step 801), the packet is sent to the network processing unit as a packet reception process (step 804). .
  • step 801 it is determined whether or not the terminal should relay the flooding packet (step 802). If it should be relayed (YES in step 802), the packet is stored in the distribution queue. (Step 803).
  • the topology information of the wireless multi-hop network can be used to determine whether the terminal itself should relay the flooding packet. If there is a wireless terminal that has selected its own terminal as a one-hop route to the gateway, that is, a so-called parent terminal, it may be determined to relay. In this way, only the parent terminal relays the flooding packet, so that the flooding packet can be delivered to all the wireless terminals while reducing the number of relay terminals.
  • the transmission time zone is set according to the number of hops as shown in FIG. 7, but there is a margin in the wireless communication band, and relaying is performed.
  • the designated area corresponding to the number of hops is not necessarily set, and the designated area may be set independent of the number of hops.
  • 101 Gateway, 102 to 111: Wireless terminal, 113: Data collection server, 114: Time management server, 202: Antenna, 203: CPU, 204: Wireless communication unit, 205: Memory, 206: Timer, 207: Power supply

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Abstract

　無線マルチホップネットワークのフラッディング通信において、ネットワーク負荷を抑え、所定の終了時刻までに通信を終了させる。 本発明の無線マルチホップ通信装置及びその通信制御方法は、フラッディング通信において、フラッディングパケットを中継する無線マルチホップ通信装置においてホップ数に応じた送信可能時間帯を設定し、送信可能時間帯にのみフラッディングパケットの送信を行うことにより、ネットワーク負荷を抑え、所定の終了時刻までに通信を終了させる。

Description

無線マルチホップ通信装置及び通信制御方法
本発明は、無線マルチホップネットワークにおいてパケットの送受信および中継するノード（無線マルチホップ通信装置）とその通信制御方法に係り、特にパケットの転送技術に関する。
　無線端末が無線マルチホップネットワークを構成し、センサデータなどを無線マルチホップネットワーク経由でセンターに設置されているサーバに送るセンサネットワークシステムがある。センサネットワークシステムでは無線端末からのセンサデータの収集だけでなく、サーバから複数の無線端末に対し同一のデータの配信、たとえばファームウェアデータなどを送る要求がある。この要求に対し、送信端末が送信したデータを受信した端末が再び同一のデータを送信し、これを繰り返すことで複数の無線端末に同一のデータを送るフラッディングと呼ばれる手法がある。例えば特許文献１に記載の技術では、受信端末において受信した電波強度に基づいて転送待ち時間を設定（電波強度が弱ければ転送待ち時間を短く、強ければ転送待ち時間を長く）し、転送待ち時間の間に別の無線端末が送信した同一パケットを受信した場合に転送を中止することにより、ネットワークにかける負荷を下げる方法が開示されている。
特開２００５－３４１３４１号公報
　特許文献１記載の技術では、フラッディング方法以外の通信についての記載がない。センサネットワークシステムでは無線端末が定期的にセンサデータを送信するため、センサデータを送信するのと、ファームウェアデータをフラッディング手法で送信するのとが混在する場合がある。その場合、フラッディング手法ではデータの送信が短時間に集中するためセンサデータが電波干渉により失われる可能性が高い。
　本発明は、上記課題を解決するためのものであり、フラッディングに関するパケットを受信するパケット受信部と、ゲートウェイからのホップ数に基づくフラッディングに関するパケットの送信タイミングを記憶する送信可能時間記憶部と、受信したパケットに記憶されたホップ数に基づいて、記憶された送信タイミングに前記パケットを送信する。さらに、パケット送信タイミングとは、定期的に送信するセンサデータの送信タイミングの間に予め決められたタイミングであるとする。
　本発明によれば、定期的なセンサデータの配信とフラッディングによるファームウェアデータの配信との電波干渉を防ぐことが可能となる。
センサネットワークシステムのシステム構成例 無線端末およびゲートウェイのハードウェア構成例 ゲートウェイおよび無線端末の処理部構成 フレームの構成例 送信タイミング処理部のフローチャート例 送信可能チェック処理のフローチャート例 送信可能時間テーブル例 送信タイミング処理部の受信処理のフローチャート例
　以下、本発明の実施形態を説明する。図１にセンサネットワークシステムのシステム構成例を示す。ゲートウェイ１０１と無線端末１０２～１１１は無線マルチホップネットワーク１００を構成している。前記ゲートウェイ１０１および無線端末間で結ばれている線は直接通信可能であることを示している。ゲートウェイ１０１は外部ネットワーク１１２と接続され、データ収集サーバ１１３および時刻管理サーバ１１４と通信可能である。ここで外部ネットワーク１１２とは優先ＬＡＮや光通信を使用した有線ネットワークでもよいし、携帯電話網のような無線ネットワークでもよい。無線端末１０２～１１１はセンサデータなどのアプリケーションデータをパケットに分割し、データ収集サーバ１１３に送信する。アプリケーションデータはデータ長によっては１パケットの場合もあれば複数パケットの場合もあるが、１パケットとして説明を行う。ゲートウェイ１０１および無線端末１０２～１１１は時刻管理サーバ１１４と時刻同期が取れているものとする。外部ネットワークに接続するサーバを前記２つのサーバに限定するものではない。また、収集サーバから配信データが送信されるとして説明する。収集サーバはゲートウェイ１０１を経由し無線マルチホップネットワーク１００に接続しているすべての無線端末宛に送信する。無線端末によっては前記配信データが不要な場合もあるが、その場合は受信後、要か不要かの判断を行い破棄すればよい。
　無線マルチホップネットワークの通信経路構築方法について説明する。センサネットワークにおいて、通信経路の構築は、IETF（Internet Engineering Task Force）のROLL（Routing Over Low power and Lossy networks） WGにて標準化が議論されているルーティングプロトコル、例えばRPL(IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy Networks)を使用することにより動的に経路を構築することができる。また、その他のプロトコルを使用してもよい。
　図２に無線端末およびゲートウェイのハードウェア構成例を示す。２０１は無線端末の構成例であり、ＣＰＵ203、無線通信部204、メモリ205、及びタイマ206が相互に接続され、無線通信部204にアンテナ202が接続された構成である。電源207は、無線端末201の各部に電源を供給している。電源は外部から供給されても良いし、バッテリとしてもよい。ゲートウェイ２０８は無線端末２０１の構成に加え、外部ネットワーク通信部２０９を備えている。外部ネットワーク通信部は収集サーバ１１３および時刻管理サーバ１１４と通信可能であればよく、有線ＬＡＮ、光、などの有線ネットワーク用のインターフェースでもよいし、携帯電話モジュールなどの無線ネットワーク用のインターフェースでもよい。

本実施形態で説明する各機能は、ＣＰＵ２０３がメモリ２０５に格納されたプログラムを実行することにより、上記端末上に具現化される。また、各機能の少なくとも一部をハードウェアによって実現しても良い。
　各プログラムは、あらかじめ、上記メモリ２０５に格納されていても良いし、必要なときに、当該端末が利用可能な、着脱可能な記憶媒体または通信媒体（無線ネットワークを含む通信回線または通信回線上の搬送波）を介して、上記メモリ２０５に導入されてもよい。
　図３にゲートウェイおよび無線端末の処理部構成を示す。ゲートウェイの処理部構成３０１を説明する。アプリケーション処理部３０２は、アプリケーションデータの処理を行う。アプリケーションデータはネットワーク処理部３０３を通じて送受信を行う。ネットワーク処理部３０３は送信時にはアプリケーションデータをネットワークを通じて通信可能にするヘッダーの付加などを行うパケット化を行い、受信時にはパケットからアプリケーションデータを取り出しアプリケーション処理部３０２に渡し、また、転送の必要性判定を行い転送処理を行う。さらに、パケットの送信時にはパケットにデータの宛先ＩＤと送信元ＩＤおよびデータ種別が付加を行う。前記宛先ＩＤおよび送信元ＩＤはＩＰアドレスとしてもよい。データ種別はＩＰのパケット番号やポート番号としてもよい。送信タイミング処理部３０４はネットワーク処理部から渡されたパケットが現在時刻において送信可能かどうかを判別し、送信可能であったらパケットを無線通信処理部３０５に渡し、送信を行う。送信タイミング処理部３０４は送信キューを持ち、ネットワーク処理部３０３はパケットを前記送信キューに格納することにより、パケットを送信タイミング処理部に渡す。前記送信キューには複数の種類があり、本実施の形態では即時送信キューと配信キューと収集キューを持つ。即時送信キューは、主にパケットの転送に用いられる。
　配信キューには配信データのパケットの送信に用いられる。収集キューはセンサデータのパケットの送信に用いられる。キューの種類はアプリケーション種別や通信種別に応じて増やすことが可能であるが、本実施形態では前記３つのキューを用いて説明する。無線通信処理部３０５は、パケットの送信時には無線通信に必要なＭＡＣヘッダを付加し、無線通信部２０４から送信する。タイミング制御部は、フラッディングに関するパケットを受信し、受信したパケットに記憶されたホップ数に基づいて、送信可能テーブルに記憶された送信タイミングでパケットを送信する。また、送信可能時間記憶部は、ゲートウエイからのホップ数に基づき、フラッディングに関するパケットの送信タイミングを記憶し、タイミング制御部は、無線端末の送信可能時間記憶部にあらかじめ記憶されたゲートウエイからのホップ数に基づいて、パケットを送信しても良い。
　さらに、タイミング制御部は、定期的にセンサデータを送信する。付加するＭＡＣヘッダはＩＥＥＥ８０２．１５．４ｄ等で規定されるヘッダが使用可能である。受信時はＭＡＣヘッダを解釈し受信処理を行い、送信タイミング制御部にパケットを渡す。時刻管理処理部３０６は送信タイミング自端末が管理する時刻の同期処理を行いタイマ２０６に時刻を設定する。また現在時刻をタイマ２０６から取得する。ゲートウェイは時刻管理サーバ１１４とＮＴＰなどの既知のプロトコルを用いて外部ネットワークを通じ時刻同期を行うか、ＧＰＳ等の時刻デバイスを無線端末に接続し、時刻データを時刻デバイスから取得することで同期処理を行ってもよい。時刻管理処理は定められた時間毎に送信処理部３０４に時刻を通知する。送信タイミング処理部３０４は通知された時刻を用い送信処理を行う。送信処理については図６を用いて後ほど説明する。外部ネットワーク用処理部３０７は外部ネットワーク通信部２０９につながれた収集サーバ、時刻管理サーバとの通信処理を行う。前記通信処理とは外部ネットワーク通信部２０９の規格に合わせたＭＡＣヘッダの付加等による送受信処理のことである。
　無線端末の処理部構成３０８についてはゲートウェイの処理部構成において、外部ネットワーク用通信処理部３０７が省かれている。また、時刻同期はゲートウェイとの同期がとれていればよく、ゲートウェイが送信した時刻データの入ったパケットを無線マルチホップネットワーク経由で受信することで行ってもよいし、ＧＰＳ等の時刻デバイスを無線端末に接続し、時刻データを時刻デバイスから取得することで同期処理を行ってもよい。それ以外の処理部についてはゲートウェイと同様の処理を行う。
　ユニキャスト通信の送信および受信の流れについて説明する。ユニキャスト通信とは特定のサーバ1台もしくは無線端末1台に対して行われる通信であり、本実施形態ではフラッディングとは区別する。区別の方法はパケットの宛先がユニキャストアドレスとなっているパケットをユニキャストと判別し、パケットの宛先がマルチキャストアドレスもしくはブロードキャストアドレスとなっているものの中で、事前に定めた特定のアドレスであるパケットをフラッディングとすることで区別可能である。
　無線端末からのセンサデータの送信について説明する。無線端末２０１のアプリケーション処理部３０９により生成されたセンサデータはネットワーク処理部３１０に渡されパケット化される。パケット化されたセンサデータは送信タイミング処理部３１１の収集キューに入れる。送信タイミング処理部３１１は時刻管理処理部３１３から現在時刻を取得し、送信可否判定を行い、送信可であれば無線通信処理部３１２にパケットを渡し、無線通信処理部３１２は無線通信部２０４から送信を行う。
　無線マルチホップネットワークでは無線端末が送信したパケットを別の無線端末が受信、転送することによりゲートウェイまでパケットを届ける。次に、受信処理および転送処理について説明する。
　パケットを受信した無線端末は無線通信処理部３１２により受信処理を行い、送信タイミング制御部３１１にパケットを渡す。送信タイミング制御部はパケットをネットワーク処理部３１０に渡す。ネットワーク処理部３１０ではパケットが収集サーバのような特定のサーバもしくは無線端末宛のパケットであった場合、宛先が自端末であるかどうかの判定を行い、自端末であった場合はアプリケーション処理部３０９に渡す。自端末でなかった場合はパケットを再び送信タイミング制御部３１１の即時送信キューに格納する。送信タイミング処理部３１１は即時送信キューに入ったパケットを無線通信処理部３１２に渡しパケットは送信される。以上の処理によりパケットは転送される。
　ゲートウェイでの送信処理、受信処理は無線端末と外部ネットワーク１１２との通信を除き同様である。外部ネットワーク１１２から無線端末へのパケットは外部ネットワーク通信処理部３０７で受信処理を行い、ネットワーク処理部３０２へと送られる。ネットワーク処理部３０２の処理は無線端末のネットワーク処理部３０２の処理と同様である。無線ネットワーク１００からのパケットを外部ネットワーク１１２へパケットを転送する場合は、受信したパケットの宛先をネットワーク処理部３０２で調べ、宛先が外部ネットワーク１１２経由であればパケットを外部ネットワーク用通信処理部３０７へと送ることで転送する。
　フラッディングについて説明する。まずゲートウェイでの受信処理および転送処理について説明する。収集サーバは配信データをパケット化（以下、フラッディングパケット）しゲートウェイに送り、ゲートウェイでは外部ネットワーク通信部３０７で前記パケットを受信処理をした後、ネットワーク処理部３０３に送る。ネットワーク処理部３０３ではフラッディングパケットであるかどうかの判定を行い、フラッディングパケットであればアプリケーション処理部３０２に配信データを渡すとともに、送信タイミング処理部３１１の配信キューにフラッディングパケットを格納する。送信タイミング処理部３１１は時刻管理処理部３１３から現在時刻を取得し、現在時刻が配信データを送信可能な時刻であれば、無線通信処理部３１２にフラッディングパケットを渡し、送信することで転送を行う。
　次に、無線端末での受信処理および転送処理について説明する。ゲートウェイが転送したフラッディングパケットを受信した無線端末は無線通信処理部３１２でフラッディングパケットの処理を行った後、送信タイミング処理部３１１に渡す。送信タイミング処理部３１１は、フラッディングパケットをネットワーク処理部３１０に渡すとともに、自端末が転送するかどうかの判定を行い、転送すべきと判定した場合、配信キューにフラッディングパケットを入れる。転送すべきでないと判定した場合、フラッディングパケットは配信キューには入れない。送信タイミング処理部３１１は時刻管理処理部３１３から現在時刻を取得し、フラッディングパケットの送信可能時刻であれば配信キューに入っているフラッディングパケットを無線通信処理部３１２に送り、送信することで転送を行う。
　送信タイミング処理部は送信可能時間の判定を行うが、送信可能時間について図4を用いて説明する。
　まず、基本フレーム構成４００を説明する。基本フレーム長４０１はある一定の時間（たとえば10分）として定義する。また、基本フレーム４００は通信種別ごとのフレームの組み合わせになっており、本実施形態では配信フレーム４０２と収集フレーム４０３を組み合わせたフレーム構成としている。収集フレームではセンサデータの収集が行われ、配信フレームでは配信データの配信が行われる。さらに通信種別ごとのフレームをタイムスロットに分割することも可能である。タイムスロット長（たとえば100ミリ秒）はあらかじめ定まっているとする。本実施の形態ではタイムスロットに分割しているとして説明する。無線端末およびゲートウェイでは時刻同期がとれており、基本フレーム４００および通信種別ごとのフレームも同期がとれているとする。
　次に基本フレーム４００の中の配信フレーム４０４について説明する。配信フレーム長４０２はあらかじめ定められた一定の長さ（たとえば１．４秒）であるとする。ここで、配信フレーム４０４の時間の中でフラッディングが終了していないと、収集フレームが始まり、センサデータのパケットと電波干渉が発生し、パケット損失につながる。よって、配信フレーム４０４をいくつかのタイムスロットを束ねた指定領域４０６～４１０に区切る。指定領域４０６～４１０はゲートウェイからのホップ数に応じた無線端末がフラッディングパケットを送信可能な時間帯であるとする。たとえば、指定領域４０６はゲートウェイが送信可能な時間帯。指定領域４０７はゲートウェイからのホップ数が1である無線端末が送信可能な時間帯、指定領域４０８はゲートウェイからのホップ数が２である無線端末が送信可能な時間帯、指定領域４０９はゲートウェイからのホップ数が３である無線端末が送信可能な時間帯、指定領域４１０はゲートウェイからのホップ数が４である無線端末が送信可能な時間帯とする。
　ゲートウェイおよび無線端末の時刻管理処理部の時刻管理方法として、タイムスロット長を単位時間とし基本フレーム長をタイムスロット長で割った値を基本フレーム長として保持し、現在時刻を０～基本フレーム長の時刻カウンタとしてもつことで現在時刻が基本フレーム内のどこであるか管理することが可能である。
　また、図４に示すフレーム構成もカウンタで管理することが可能である。たとえば、時刻カウンタ０～１３を配信フレーム、時刻カウンタ１４～４０を収集フレームのように時刻カウンタの幅とフレーム種別の組み合わせを記憶することにより、現在時刻がどのフレーム種別であるか判別が可能である。フレーム構成は送信タイミング制御部が記憶する。　また、無線端末のホップ数は無線マルチホップネットワークの通信経路を構築するルーティングプロトコルより取得し、送信タイミング制御部で保持するホップ数記憶部に記憶しておいてもよいし、ネットワーク処理部においてパケットにホップ数を記録する領域を追加し、転送処理を行うたびにカウントアップすることで受信パケットよりホップ数を取得することも可能である。受信パケットより取得する場合、ネットワーク処理部で取得したホップ数を送信タイミング制御部で保持するホップ数記憶部に記憶させる。以降、説明はルーティングプロトコルより取得し、あらかじめホップ数はホップ数記憶部に格納されているものとして説明する。
　ゲートウェイの送信タイミング処理部３０４と無線端末の送信タイミング処理部は同じ処理を行う。前記処理をフローチャートを図５を用いて説明する。送信タイミング処理部３０４、３１１はそれぞれ時刻管理処理部３０６、３１３から現在時刻を取得し、まず即時送信キューにパケットがあるかチェックを行う（ステップ５０１）。即時送信キューにパケットがあれば（即時送信キューのパケットを受信した場合）（ステップ５０１でＹＥＳ）ステップ５０７に進み、キューから当該パケットを削除し、パケット送信処理（ステップ５０８）を行う。パケット送信処理として無線通信処理部３０５にパケットを渡して終了する。即時送信キューにパケットがなかった場合（ステップ５０１でＮＯ）、送信タイミング制御部が記憶しているフレーム構成と現在時刻の比較を行い、現在どのフレームであるかの判別を行う（ステップ５０２）。現在のフレーム用のキューにパケットがあるかチェックし（ステップ５０３）、パケットがなければ（ステップ５０３でＮＯ）終了する。パケットがあるが（ステップ５０３でＹＥＳ）、現在のフレームが配信フレームでなければ（ステップ５０４でＮＯ）ステップ５０７に進む。パケットがあり、現在のフレームが配信フレームであれば（ステップ５０４でＹＥＳ）送信可能チェック処理（ステップ５０５）を行う。送信可能チェック処理については図６を用いて後ほど説明する。送信可能チェック処理の結果送信可能であった場合（ステップ５０６でＹＥＳ）ステップ５０８に進み、送信可能でなかった場合（ステップ５０６でＮＯ）終了する。
　次に、ステップ５０５で行った送信可能チェック処理を図6を用いて説明する。パケットに送信時刻が設定されているかのチェックを行う（ステップ６０１）送信時刻は、キューに格納されているパケットに付属情報として保持していればよい。パケットが最初にキューに格納されたときには送信時刻は設定されていない。送信時刻が設定されていない場合（ステップ６０１でＮＯ）、送信可能時間テーブルを参照する（ステップ６０２）。送信可能時間テーブルを図７に示す。列７０にはホップ数、列７１は各ホップ数に対する送信可能時間帯である指定領域を格納する。行７２はホップ数０、つまりゲートウェイの送信可能時間帯を格納し、行７３～７５はゲートウェイからの各ホップ数の無線端末の送信可能時間帯を格納する。つまり、送信可能時間テーブルには、別途の方法で取得し記憶しているゲートウェイからのホップ数に基づいて、予め決められた前記フラッディングに関するパケットの送信タイミングが記憶されている。
　さらに、パケット送信タイミングを、定期的に送信するセンサデータの送信タイミングの間に予め決められたタイミングとすることで、定期的なセンサデータの配信とフラッディングによるファームウェアデータの配信とのフレームが異なる。そのため、異なるタイミングで配信することが出来、電波干渉を防ぐことが可能となる。送信可能時間テーブルを参照し、自端末のホップ数に対応する送信可能時間帯と現在時刻を比較し、現在時刻が送信可能時間帯でなければ（ステップ６０３でＮＯ）処理を終了し、送信可能時間帯であれば（ステップ６０３でＹＥＳ）、同一ホップ数の無線端末の送信が電波干渉し、パケットが損失することを防ぐため、送信待ち時間を設定する。
　送信待ち時間は現在時刻から送信可能時間帯を超えない時刻でランダムに決定すればよい。決定した待ち時間を足した時刻を送信時刻としてキューに格納されているパケットに設定する（ステップ６０４）。送信可能時間帯でなければ（ステップ６０３でＮＯ）処理を終了する。パケットの送信時刻が設定されていれば（ステップ６０１でＹＥＳもしくはステップ６０４の後）、現在時刻が送信時刻かチェックする（ステップ６０６）送信時刻でなければ（ステップ６０６でＮＯ）処理を終了する。送信時刻であれば（ステップ６０６でＹＥＳ）パケットの送信回数をカウントアップする。パケットの送信回数とは、ホップ数に応じて同一パケットの送信回数を変化させることでパケットの到達率をあげることが可能である。よって、ホップ数に応じて最大送信回数を設定し、同一パケットを複数回送信することが可能である。最大送信回数の設定はホップ数と最大送信回数の組み合わせをテーブルで保持すればよい。パケットの送信回数は同一パケットに対しては１としてもよい。ステップ６０７で送信回数をカウントアップすると最大送信回数に達したかチェックする（ステップ６０８）。
　最大送信回数に達していれば、当該パケットを配信キューから削除する（ステップ６０９）、最大送信回数に達していなければ再度送信するために待ち時間を設定する（ステップ６１０）。ステップ６０９もしくはステップ６１０の後に、パケットを送信可能に設定し（ステップ６０５）、送信可能チェック処理を終了する。
　次に、無線端末の送信タイミング処理部の受信処理を図8に示す。パケットを受信すると送信タイミング処理部はパケットがフラッディングパケットかどうかのチェックを行い（ステップ８０１）、フラッディングパケットでなければ（ステップ８０１でＮＯ）パケット受信処理（ステップ８０４）としてネットワーク処理部にパケットを渡す。
　フラッディングパケットであれば（ステップ８０１でＹＥＳ）、自端末がフラッディングパケットを中継するべきかどうかを判定し（ステップ８０２）、中継すべきであれば（ステップ８０２でＹＥＳ）パケットを配信キューに格納する（ステップ８０３）。ステップ８０２で自端末がフラッディングパケットを中継すべきかどうかの判定には、無線マルチホップネットワークのトポロジー情報が使用できる。自端末をゲートウェイへの1ホップの経路として選んでいる無線端末がある状態、いわゆる親端末と呼ばれる状態になっている場合は、中継すると判定してよい。このように親端末だけがフラッディングパケットを中継することで、中継端末数を減らしながらも、すべての無線端末にフラッディングパケットを届けることが可能となる。
　本実施形態ではパケットにシーケンス番号を付与し、重複受信のチェックと重複受信をした場合のパケットの破棄については説明を省略しているが、特許文献１記載の技術と同様に実施することが必要である。
　また、本実施形態では中継する無線端末数を減らすために送信可能時間帯を図7に示すようにホップ数に応じて指定領域を設定しているが、無線通信帯域に余裕があり、中継する無線端末数を減らす必要がない場合などでは、ホップ数に応じた指定領域を必ず設定しなければならないわけではなく、指定領域をホップ数に非依存に設定してもよい。送信可能時間帯の指定領域を設定することで、終了時間は担保され、フラッディング以外の通信を妨害することはない。
　本実施形態によって、フラッディングパケットとそれ以外のパケットの通信時間帯を分けることが可能となり、電波干渉によるパケット損失が減らすことができる。
１０１：ゲートウェイ、１０２～１１１：無線端末、１１３：データ収集サーバ、１１４：時刻管理サーバ、２０２：アンテナ、２０３：ＣＰＵ、２０４：無線通信部、２０５：メモリ、２０６：タイマ、２０７：電源

Claims (6)

  1. 　複数のノードから受信したフラッディングに関するパケットを他の複数のノードに送信し、更に定期的にセンサデータをデータ収集サーバに向けて送信する無線マルチホップ通信装置であって、
    　前記フラッディングに関するパケットを受信するタイミング制御部と、
    　ゲートウエイからのホップ数に基づく前記フラッディングに関するパケットの送信タイミングを記憶する送信可能時間記憶部とを備え、
    　前記タイミング制御部は、前記送信可能時間記憶部にあらかじめ記憶されたゲートウエイからのホップ数に基づく送信タイミングに前記パケットを送信する無線マルチホップ通信装置。
  2. 　請求項１に記載の無線マルチホップ通信装置において、
    　前記送信可能時間記憶部に記憶された、パケット送信タイミングとは、定期的に送信するセンサデータの送信タイミングの間に予め決められたタイミングである無線マルチホップ装置。
  3. 　請求項１又は２に記載の無線マルチホップ通信装置において、
    　更にパケット送信タイミングの時刻同期をする時刻管理処理部を備える無線マルチホップ装置。
  4. 　複数のノードから受信したフラッディングに関するパケットを他の複数のノードに送信し、更に定期的にセンサデータをデータ収集サーバに向けて送信する無線マルチホップ通信装置における無線マルチホップ通信方法であって、
    　前記無線マルチホップ通信装置は、前記フラッディングに関するパケットを受信するステップと、
    　ゲートウエイからのホップ数に基づいて、決められた前記フラッディングに関するパケットの送信タイミングを記憶するステップと、
    　受信した前記パケットに記憶された前記ホップ数に基づいて、前記記憶された送信タイミングに前記パケットを送信するステップと、
    を備える無線マルチホップ通信方法。
  5. 　請求項４に記載の無線マルチホップ通信方法において、
    　前記送信可能時間記憶部に記憶された、パケット送信タイミングとは、定期的に送信するセンサデータの送信タイミングの間に予め決められたタイミングである無線マルチホップ方法。
  6. 　請求項４又は５に記載の無線マルチホップ通信方法において、
    　更にパケット送信タイミングの時刻同期をするステップを備える無線マルチホップ方法。
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