WO2018074585A1 - 通信装置 - Google Patents

Abstract

自己の識別子、および、階層構造における自己の階層を示す自己階層情報を記憶する階層記憶部と、隣接する隣接装置の識別子、階層構造における隣接装置の階層を示す隣接階層情報、隣接装置との間の通信品質情報、および、隣接装置に対するルーティング回数を示すカウント情報をそれぞれ複数含む隣接装置情報を記憶する隣接装置記憶部と、隣接装置情報に含まれる隣接装置それぞれの隣接階層情報および通信品質情報に基づいて、隣接装置の中からルーティング先候補たる候補装置を抽出する候補抽出部と、隣接装置情報に含まれる候補装置それぞれに対応するカウント情報に基づいて、ルーティング先たる装置を選択する装置選択部と、隣接装置情報における選択された装置に対応するカウント情報を更新する更新部とを具備する。

Description

通信装置

　本発明は、メッシュ構造でネットワークを構成する通信装置に関する。

　メッシュ構造をなすネットワークにおいては、ルート装置を頂点に、各装置が階層を構成する形態をとることがある。このような形態では、各装置は階層が１つ上位の親装置を有し、親子関係はそれぞれの該当する装置間での制御信号の交換により築かれる。ルート装置へ到達させるべき情報は、各装置からその親となる装置を順繰りに中継しながら（＝マルチホップして）パケット伝送される。

　一方、メッシュ構造のネットワーク通信においては、所定の通信品質や通信コスト、接続品質、経路コスト（接続成功率、受信パワー、ＳＮＲ）などに基づき、階層の上位および下位の通信相手を確定（経路を確定）させることでネットワークが完成する。通信相手が一旦確定すると、エラーが発生しない限り確定したルートを継続使用することで、安定した通信を可能としている。

　ところで、通信経路を経路コストなどにより決定した場合、通信経路が最適解に収束し、実質的にツリー構造となってしまう。ツリー構造のネットワークでは、自己よりも下位に接続される通信装置が多いほど、自己を通過して上位に流れる通信トラヒックが増加する。すなわち、自分宛でない通信トラヒックを中継する機会が増える。また、本来は通信可能な経路が複数あるにもかかわらず固定されてしまい、ネットワーク全体として、頻繁に通信トラヒックが発生する通信装置と、そうではない通信装置との間で電力消費に差が生じてしまう。これは、特に通信装置が電池などにより駆動する形態では、特定の通信装置の電源消費のみが増加することで、当該通信装置の電池残量減によるネットワーク切断等を引き起こし、ネットワーク全体の通信効率を下げる恐れがある。

特開２０１３－１９１３５８号公報

　このように、従来の通信装置では、メッシュ構造のネットワークを構成した場合に、通信装置相互間で電力消費に差が生ずるという問題がある。本発明はかかる問題を解決するためになされたもので、ネットワークを構成する通信装置相互間で電力消費を均一にすることのできる通信装置を提供することを目的とする。

　上記した課題を解決するため、実施形態の通信装置は、ルート装置を頂点とした階層構造をなすネットワークにおける通信装置であって、自己の識別子、および、階層構造における自己の階層を示す自己階層情報を記憶する階層記憶部と、隣接する隣接装置の識別子、階層構造における隣接装置の階層を示す隣接階層情報、隣接装置との間の通信品質情報、および、隣接装置に対するルーティング回数を示すカウント情報をそれぞれ複数含む隣接装置情報を記憶する隣接装置記憶部と、階層構造における自己よりも上位に位置する装置に対するルーティングイベントが発生した場合に、隣接装置情報に含まれる隣接装置それぞれの隣接階層情報および通信品質情報に基づいて、隣接装置の中からルーティング先候補たる候補装置を抽出する候補抽出部と、隣接装置情報に含まれる候補装置それぞれに対応するカウント情報に基づいて、ルーティング先たる装置を選択する装置選択部と、隣接装置情報における選択された装置に対応するカウント情報を更新する更新部とを具備する。

　本発明によれば、ネットワークを構成する通信装置相互間で電力消費を均一にすることのできる通信装置を提供することができる。

実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図である。 実施形態に係る通信装置の隣接装置情報の例を示す図である。 実施形態に係る通信装置による自律的ネットワーク構築動作を示すフローチャートである。 実施形態に係る通信装置による自律的ネットワーク構築を説明する図である。 実施形態に係る通信装置によるネットワーク構成の例を示す図である。 実施形態に係る通信装置におけるルーティング動作を示すフローチャートである。 実施形態に係る通信装置によるルーティング動作の様子を示す図である。

　以下、図面を参照して実施形態に係る通信装置を詳細に説明する。図１に示すように、実施形態の通信装置１は、メッシュ構造のネットワークＮＷを構成し、上位の親装置Ｐ、下位の子装置Ｃ、および自己と同階層の兄弟装置Ｓと直接的または間接的に接続されている。通信装置１は、アンテナ１５が接続された送受信部１０、ルーティング設定部２０、階層設定部３０、階層記憶部３５、隣接装置登録部４０、隣接装置記憶部４５および条件判定部５０を備えている。なお、親装置Ｐ、兄弟装置Ｓ、子装置Ｃは、それぞれ通信装置１と同様の構成を有している。

　送受信部１０は、実施形態の通信装置において電波を送信し受信する無線インタフェースである。送受信部１０は、以下に説明するルーティング機能だけでなく、具体的なデータの送受信をも行う機能を有している。

　ルーティング設定部２０は、ネットワークＮＷにおけるルーティング処理を実行する演算ブロックである。階層設定部３０は、ネットワークＮＷにおける通信装置１の階層を確定し更新する演算ブロックである。階層記憶部３５は、自己の識別子および自己のネットワークＮＷにおける階層を記憶する。以下の説明において、「階層」は、階層構造のトップに位置する通信装置Ｒを「０」とし、下位に下るにしたがって１ずつ値が増加する数値として表している。この階層の値は、すべての隣接装置のうち経路コストが最低となる隣接装置の階層に１を加えた値として定義することができる。

　隣接装置登録部４０は、ネットワークＮＷにおいて一つ上位にある親装置Ｐ、一つ下位にある子装置Ｃおよび同位にある兄弟装置Ｓを隣接装置情報として設定し更新する演算ブロックである。隣接装置記憶部４５は、隣接装置登録部４０が設定し更新した隣接装置情報を記憶する。

　図２は、隣接装置記憶部４５が記憶する隣接装置情報の一例である。図２に示すように、実施形態の通信装置では、隣接装置情報として、隣接装置それぞれのアドレス、隣接装置それぞれのネットワークＮＷにおける階層、隣接装置それぞれに対応する通信品質、および、隣接装置それぞれに設定したルーティングの回数を示すカウント値が対応付けられている。

　ここで、通信装置１の階層が「２」であるとすると、アドレスＲの通信装置（装置Ｒと称する。以下同様。）は階層が「０」であり、自己より上位かつ最上位であるから、自己の親装置であるとともに、ネットワークＮＷにおける頂点たるルータ装置であることが分かる。同様に、装置Ｂ、装置Ｃおよび装置Ｇは、階層が「１」であり自己より上位であるから、自己の親装置ということになる。装置Ｍは、階層が自己と同位の「２」であるから、兄弟装置、装置Ｉおよび装置Ｊは、階層がいずれも「３」であるから、自己より下位の子装置である。

　隣接装置情報における通信品質は、対応する装置との通信における通信品質であり、ＬＱＴ（Link Quality Threshold）とも呼ばれる。ＬＱＴは、リンク品質を示す数値であり、数値が小さいほど品質が良いことを表す。例えば、リンクを設定するＬＱＴを４と設定すると、ＬＱＴが４以下の装置を通信相手としたルーティングを行う。

　隣接装置情報におけるカウント値は、対応する装置宛のルーティングを何回行ったかを示す数値情報である。図２に示す例では、通信装置１は、カウント値として自然数を用いており、装置Ｒに対して１０１回、装置Ｂに対して１００回、装置Ｃに対して９９回のルーティング設定を行ったことを示している。

　条件判定部５０は、通信装置１がルーティングすべき相手装置を決定する演算ブロックである。条件判定部５０は、隣接装置情報の階層、通信品質およびカウント値を用いてルーティングの相手装置を決定する。

　続いて、図１ないし４を参照して、実施形態の通信装置１のネットワーク構築動作を説明する。実施形態におけるネットワークＮＷは、階層の最上位たるルータ装置Ｒを頂点とした階層構造をなしている。そのため、ネットワーク構築は装置Ｒがハローパケットをブロードキャスト送信することにより開始される。以下、実施形態の通信装置１は、図４における装置Ｄであるものとして説明する。

　図３に示すように、送受信部１０は上位たる装置Ｃからブロードキャスト送信されたハローパケットを受信する（ステップ１００。以下「Ｓ１００」のように称する。）。

　ルーティング設定部２０は、受信したパケットから相手の識別子と階層情報を取り出す。ここで、初期状態においては、通信装置１の階層は設定されていないから（Ｓ１０５のＮｏ）、階層設定部３０は、ルーティング設定部２０が取り出した相手の階層情報に１を加算した値を自己の階層として設定し、階層記憶部３５に記憶させる（Ｓ１１０）。

　また、受信したパケットを送信したのは少なくとも自己よりも上位の装置であるから、隣接装置登録部４０は、ルーティング設定部２０が取り出した識別子の相手装置を親装置として設定し、隣接装置記憶部４５に記憶させる（Ｓ１１５）。これにより、当該受信したパケットを送信した装置Ｃは装置Ｄの親装置であることが確定する。

　すでに自己階層が設定してある場合（Ｓ１０５のＹｅｓ）、ルーティング設定部２０が取り出した階層情報と階層記憶部３５に記憶された自己の階層と同じであれば（Ｓ１２０のＹｅｓ）、隣接装置登録部４０は、受信した識別子の相手装置を自己と同位の兄弟装置として設定し、隣接装置記憶部４５に記憶させる（Ｓ１２５）。例えば、図４に示す装置Ｍからのハローパケットを受信した場合を考えると、相手の階層は「２」であるから装置Ｄと同位である。したがって、装置Ｍは装置Ｄの兄弟装置ということになる。

　さらに、ルーティング設定部２０が取り出した階層情報と階層記憶部３５に記憶された自己の階層とを比較した場合に（Ｓ１３０）、自己の階層の値の方が大きければ（Ｓ１３０のＹｅｓ）、隣接装置登録部４０は、受信した識別子の相手装置を親装置として設定し、隣接装置記憶部４５に記憶させる（Ｓ１３５）。例えば、図４に示す装置Ｂからのハローパケットを受信した場合を考えると、相手の階層は「１」であるから通信装置１よりも上位である。したがって、装置Ｂは装置Ｄの親装置ということになる。

　ルーティング設定部２０が取り出した階層情報と階層記憶部３５に記憶された階層とを比較した場合に（Ｓ１３０）、自己の階層の方が小さければ（Ｓ１３０のＮｏ）、隣接装置登録部４０は、受信相手を子装置として設定し、隣接装置記憶部４５に記憶させる（Ｓ１４０）。例えば、図４に示す装置Ｊからのハローパケットを受信した場合を考えると、相手の階層は「３」であるから自己よりも下位である。したがって、装置Ｊは装置Ｄの子装置ということになる。

　自己および相手装置の階層が確定すると、ルーティング設定部２０は、受信した相手装置との通信品質情報を取得し（Ｓ１４５）、隣接装置登録部４０は、当該通信品質情報を相手装置のアドレス、階層、通信品質と対応付けて隣接装置記憶部に記憶させる（Ｓ１５０）。

　自己の階層が確定すると、送受信部１０は、自己の識別子および階層を階層記憶部３５から読みだしてハローパケットとして送信する（Ｓ１５５）。送信したハローパケットを受信した隣接する装置は、上記した手順により各々の階層を決定していく。

　これらのステップを、最上位のルータ装置Ｒから順次行っていくことで、それぞれの装置の通信圏内の装置との間で親子関係、兄弟関係を確定させることができ、ネットワークＮＷを構築することができる。

　なお、ネットワークＮＷの上位・下位関係は、図３にて説明した自律動作だけで決める必要はない。通信品質や経路コストを基準として上位・下位関係を適宜設定しても構わない。

　次に、実施形態の通信装置１におけるルーティング動作を詳細に説明する。

　前述のように構築されたメッシュ構造のネットワークにおいて、どの親装置に対してルーティングを行うかについて、様々な方法が提案されているが、一般に、より高い効率で経済的に通信を実現するルーティングが採用されている。しかし、経路コストを追求すると、ルーティングの最適解は一つに収斂されるから、複数の選択肢があるにもかかわらず通信経路は一つに収束してしまう。

　図５は、メッシュ構造を持つネットワークの一例であり、「０」（ルータ装置Ｒ）から「４」（装置Ｎ）までの５つの階層を持っている。装置Ｄを例にとると、親装置Ｂ、ＣおよびＧ、兄弟装置Ｍ、子装置ＩおよびＪと接続されており、互いに通信可能な状態にある。さらに、図５に示す例では、装置Ｄから直接ルータ装置Ｒにも通信経路が設定された状態にある。かかる状態で、経路コストを優先して最低の階層数かつ所定の通信品質（例えばＬＱＴが４以下）を満たすことを条件にルーティングすると、太線にて示すルートに収斂する。すなわち、装置Ｄからのパケットは親装置ＢやＣを経由せず直接装置Ｒにルーティングされている。

　装置Ｄは、下位に装置ＩおよびＪを擁しているから、自己を通過する通信トラヒックも上位の装置に送信しなければならない。一方、装置Ｂや装置Ｃは、自己の通信トラヒック以外に下位から送られてくる通信ルートが存在しない（太線で示されるルーティングが存在しない）から、装置Ｄと比較して電力消費量は少なくて済む状態である。そうすると、図５に示すネットワーク全体としては、特定の装置（通信トラヒックの多い装置）の電池の消耗が早くなって切断される可能性が高くなってしまう。実施形態の通信装置１は、ルーティング先を、通信品質を満たす隣接する装置の中から順次変更して、ネットワークの装置それぞれの電力消費を同等にすることで、ネットワーク全体の稼働時間を長くすることを可能にしている。

　具体的には、実施形態の通信装置１は、隣接装置記憶部４５に記憶させる隣接装置情報として、ルーティング先の装置と、対応する通信品質およびルーティング回数（カウント値）を対応付けて管理する（図２）。そして、ルーティング設定部２０が、ルーティング回数が均一となるようルーティング先を決定している。

　以下、図６および７を参照して、実施形態の通信装置１のルーティング動作を説明する。以下の説明において、通信装置１は、図７に示すネットワーク上の装置Ｄであるものとする。最初の段階において、装置Ｄは装置Ｒをルーティング先として設定している（図７中太線）。

　通信装置１において通信トラヒックが発生する等、ルーティングイベントが発生すると（Ｓ３００）、条件判定部５０は、隣接装置記憶部４５から隣接装置情報を読み出し、ルーティング先の候補となる装置を抽出する。すなわち、階層が自己よりも上で所定の通信品質が満たされる装置を抽出する。図２および図７に示す例では、装置Ｒ（アドレスＲ）、装置Ｂ（同Ｂ）、装置Ｃ（同Ｃ）および装置Ｇ（同Ｇ）が該当する。すなわち、階層が１または０であり、通信品質が４以下の値をとる装置が抽出される。

　次いで、条件判定部５０は、選択した４つの装置のうち、カウント値が最も小さい装置を選択する（Ｓ３０５）。図２に示す例では、装置Ｃが該当する。

　ルーティング候補として装置Ｃが選択されると、ルーティング設定部２０は、ルーティング先として装置Ｃを設定する（Ｓ３１０）。これにより、通信トラヒックのルーティング先は装置Ｒから装置Ｃに変更されることになる。

　ルーティング先が装置Ｃに決定すると、隣接装置登録部４０は、隣接装置記憶部４５に記憶された隣接装置情報のうち装置Ｃのカウント値に「１」を加算する（Ｓ３１５）。すなわち、図２中「９９」に「１」を加算する。

　カウント値の加算処理が終わると、隣接装置登録部４０は、更新した隣接装置情報を隣接装置記憶部４５に記憶させる（Ｓ３２０）。なお、カウント値が上限に達した場合（例えば０からカウントして２５５）、カウント値をリセットして再び「０」からカウントすれば、引き続き同様の動作を継続することができる。

　このような動作により、図７における装置Ｄは、ルーティング先として装置Ｒだけでなく装置Ｂ、装置Ｃおよび装置Ｇも選択するようになる（図７中破線）。ネットワークを構成する装置すべてにおいてこの動作を行うことで、ルーティング先が満遍なく分散され、個々の装置それぞれの電力消費を均一化することができる。

　以上説明した通り、実施形態の通信装置１は、隣接装置のアドレス、階層、通信品質、ルーティング回数を示す情報を対応付けて管理するので、ルーティング先の装置を固定させることなく、階層と通信品質などのルーティング先の要件を満たす装置すべてについて、満遍なくルーティング先として設定することができる。

　１…通信装置、１０…送受信部、２０…ルーティング設定部、３０…階層設定部、３５…階層記憶部、４０…隣接装置登録部、４５…隣接装置記憶部、５０…条件判定部、Ｐ…親装置、Ｓ…兄弟装置、Ｃ…子装置、ＮＷ…ネットワーク。

Claims (3)

1. 　ルート装置を頂点とした階層構造をなすネットワークにおける通信装置であって、
   　自己の識別子、および、前記階層構造における自己の階層を示す自己階層情報を記憶する階層記憶部と、
   　隣接する隣接装置の識別子、前記階層構造における前記隣接装置の階層を示す隣接階層情報、前記隣接装置との間の通信品質情報、および、前記隣接装置に対するルーティング回数を示すカウント情報をそれぞれ複数含む隣接装置情報を記憶する隣接装置記憶部と、
   　前記階層構造における自己よりも上位に位置する装置に対するルーティングイベントが発生した場合に、前記隣接装置情報に含まれる前記隣接装置それぞれの前記隣接階層情報および前記通信品質情報に基づいて、前記隣接装置の中からルーティング先候補たる候補装置を抽出する候補抽出部と、
   　前記隣接装置情報に含まれる前記候補装置それぞれに対応する前記カウント情報に基づいて、ルーティング先たる装置を選択する装置選択部と、
   　前記隣接装置情報における前記選択された装置に対応する前記カウント情報を更新する更新部と
   を具備した通信装置。
2. 　前記候補抽出部は、前記隣接装置のうち自己よりも前記階層が上位に位置し、かつ対応する前記通信品質情報が所定の基準を満たす装置を前記候補装置として抽出することを特徴とする請求項１記載の通信装置。
3. 　前記隣接装置情報は、前記カウント情報として自然数の値を含み、
   　前記更新部は、前記装置選択部が前記選択された装置をルーティング先として選択するごとに前記カウント情報に１を加算し、
   　前記装置選択部は、前記候補装置のうち対応する前記カウント情報が最も小さい値である装置を選択すること
   を特徴とする請求項１または２記載の通信装置。

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