WO2023162434A1 - メッシュネットワークシステム及び移動ノード - Google Patents

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WO2023162434A1
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達也 阿部
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株式会社日立国際電気
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • 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 mesh network system having an airborne mobile node connected to a wireless network and a plurality of fixed nodes forming the wireless network and also connected to a wired network.
  • robots are increasingly being used to solve various social issues.
  • Many of such robots are unmanned mobile objects such as unmanned aerial vehicles and autonomous vehicles.
  • An unmanned mobile body needs to be equipped with a communication system in order to transmit control instruction data for remote control and autonomous control, and video data captured by a camera or the like mounted on the unmanned mobile body.
  • the unmanned mobile object is not a machine that moves along a predetermined route along rails or the like, wireless communication suitable for movement is often used.
  • Patent Document 1 a mobile base station and a terminal station are equipped with a long-distance communication function for preparing short-distance communication and a short-distance communication function for data transmission. , an invention for scheduling the timing of short-range communication is disclosed.
  • Patent Document 2 in a relay system using an unmanned flying object, based on the communication quality of the relay, the scheduled relay time, and the state of the power supply of the unmanned flying object (amount of power that can be supplied), the relay of the unmanned flying object An invention for locating is disclosed.
  • a mesh network is one of the communication networks that can be used to communicate with unmanned mobile objects.
  • a mesh network is composed of a plurality of nodes, and by connecting adjacent communicable nodes, a net-like network is formed as a whole.
  • a wireless mesh network when the connection between nodes is performed wirelessly, it is called a wireless mesh network, and data is wirelessly transferred across a plurality of nodes in a bucket brigade manner.
  • a mesh network usually has multiple routes, and even if communication becomes impossible on one route, it can switch to an alternative route, so it is characterized by being more resistant to failures than other network topologies.
  • the presence of multiple routes also means that there are looped routes in the network.
  • IP packets are broadcast in such a network, a spanning tree protocol is generally applied in order to avoid repeated broadcasts even after the IP packets have gone around a looped path, causing a broadcast storm.
  • the spanning tree protocol uses the spanning tree algorithm to automatically block communication between specific nodes, making it possible to prevent loops. Also, when a failure occurs, it is possible to continue communication through an alternative route by canceling the blocking state.
  • FIG. 1 shows a configuration example of conventional example 1 regarding such a radio communication system. For example, when the UAV is flying beyond the visual line of sight, the system transfers images of the surroundings of the UAV from the UAV to a server so that the operator can check the images in real time.
  • a first fixed node 111, a second fixed node 112, a third fixed node 113, and an n-th fixed node are arranged along the flight path of the mobile node 101 including the UAV itself. 114 are placed on the ground.
  • a server 121 is also connected to the first fixed node 111 by wire.
  • the packet transmitted by the first fixed node 111 and the third fixed node 113 arranged on both sides of the second fixed node 112 cannot detect each other's carriers, the packet transmitted by the first fixed node 111 and the third fixed node 113 There is a risk of collision with the transmitted packet at the second fixed node 112 .
  • the signals collide with each other the so-called hidden terminal problem.
  • the throughput is further reduced.
  • Fig. 2 shows a configuration example of a wired and wireless mesh network (hereinafter referred to as "wired/wireless mesh network”) as Conventional Example 2.
  • wired/wireless mesh network a wired and wireless mesh network
  • a first fixed node 211, a second fixed node 212, a third fixed node 213, and an nth fixed node are arranged along the flight path of the mobile node 201 including the UAV body.
  • 214 are located on the ground, and a server 221 is wired to all fixed nodes.
  • wireless communication between fixed nodes is prohibited.
  • the MAC address of the second fixed node 212 the MAC address of the third fixed node 213, and the MAC address of the nth fixed node 214 are specified, and MAC address filtering is performed to Prohibit connection with fixed nodes. This allows first fixed node 211 to wirelessly connect only to mobile node 201 . Similar settings are made for other fixed nodes.
  • the system in FIG. 2 also differs from Conventional Example 1 in that the maximum number of hops is set to 1. This can be realized by setting TTL (Time To Live) in the IP header of the packet to be sent to 1. When a packet is transferred from a wireless node to a wireless node, 1 is subtracted from the TTL and immediately becomes 0. If the packet has not reached the destination node at this point, the packet is discarded. become a wireless network. In other words, since the route indicated by the dashed line in FIG. No blocking.
  • TTL Time To Live
  • the present invention has been made in view of the conventional circumstances as described above, and aims to provide a mesh network system capable of suppressing a drop in throughput due to the hidden terminal problem.
  • a mesh network system is configured as follows. That is, in a mesh network system having an airborne mobile node connected to a wireless network and a plurality of fixed nodes forming the wireless network and also connected to a wired network, each of the plurality of fixed nodes are adjacent to each other. It is characterized by using an antenna pattern with suppressed gain in the horizontal direction so that carriers cannot be detected between fixed nodes.
  • each of the plurality of fixed nodes can use an antenna pattern in which the gain in the sky direction is higher than the gain in the horizontal direction.
  • the mobile node can use an antenna pattern in which the gain in the ground direction is higher than the gain in the horizontal direction.
  • a mobile node is configured as follows. That is, in an airborne mobile node connected to a wireless network composed of a plurality of fixed nodes connected to a wired network, a first antenna pattern in which the gain in the horizontal direction is higher than the gain in the ground direction; a second antenna pattern in which the gain in the horizontal direction is suppressed and the gain in the ground direction is increased compared to the first antenna pattern, and the first antenna pattern is used when the flight altitude is less than a predetermined threshold; It is characterized by switching to use the second antenna pattern when the flight altitude is equal to or higher than the threshold.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a wireless mesh network according to Conventional Example 1;
  • FIG. FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of a wired/wireless mesh network according to Conventional Example 2;
  • 1 is a diagram showing a configuration example of a wired/wireless mesh network according to an embodiment of the present invention;
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a mobile node according to another embodiment of the present invention;
  • FIG. 3 shows a configuration example of a wired/wireless mesh network according to an embodiment of the present invention.
  • the wired/wireless mesh network of this example comprises a mobile node 301, a first fixed node 311, a second fixed node 312, a third fixed node 313, an nth fixed node 314, and a server 321.
  • the mobile node 301 is mounted on an unmanned UAV (unmanned aerial vehicle) or the like.
  • Fixed nodes 311-314 are, for example, located on the ground along the flight path of the UAV.
  • Mobile node 301 and fixed nodes 311 to 314 are wireless nodes capable of wirelessly communicating with each other. However, wireless communication between fixed nodes is prohibited.
  • all fixed nodes 311 to 314 are connected to a server 321 via a wired network.
  • the mobile node 301 uses an antenna pattern with high gain in the ground direction.
  • mobile node 301 uses an antenna pattern in which the gain in the ground direction is higher than the gain in the horizontal direction.
  • all of the fixed nodes 311 to 314 use antenna patterns with high gain in the sky direction and low gain in the horizontal direction.
  • the fixed nodes 311 to 314 have an antenna pattern in which the gain in the horizontal direction is suppressed so that the carrier cannot be detected between adjacent fixed nodes, and the gain in the sky direction is higher than the gain in the horizontal direction. to use.
  • the antenna patterns of mobile node 301 and fixed nodes 311 to 314 can be realized by providing dedicated antennas according to the role of each node. Alternatively, it may be realized by providing each node with a mechanism capable of controlling the antenna pattern to be used. As an example, each node is provided with a first antenna having a higher gain in the horizontal direction than in the vertical direction, and a second antenna having a higher gain in the vertical direction than in the horizontal direction. Any desired antenna pattern may be used. As another example, one of the first antenna or the second antenna described above may be provided at each node, and a desired antenna pattern may be used by changing the orientation of the antenna. As yet another example, each node is provided with an antenna unit capable of controlling antenna directivity, and a desired antenna pattern is used by adjusting the direction and width of the transmitted and received beams to change the antenna directivity. You may do so.
  • all the fixed nodes 311-314 are not only arranged along the flight path of the UAV, but also the antenna patterns with high gain in the sky direction overlap in the sky so that the mobile nodes in the flight path of the UAV. 301 is positioned to communicate with at least one or more fixed nodes.
  • the antenna patterns of all fixed nodes 311 to 314 have low gain in the horizontal direction, and are positioned so that carriers cannot be detected between adjacent fixed nodes.
  • the maximum number of hops is set to 1. This can be realized by setting TTL (Time to live) in the IP header of the packet to be sent to 1. In this case, when the packet is transferred from the wireless node to the wireless node, 1 is subtracted from the TTL and immediately becomes 0. If the packet has not reached the destination node at this point, the packet is discarded. becomes one wireless network.
  • TTL Time to live
  • the fixed nodes 311-314 connected to both the wireless network and the wired network have a MAC address filtering function so as not to form a loop between the wireless network and the wired network. equipped. Specifically, when a packet having a source address belonging to the wireless network is received from the wired network side, the packet is discarded to avoid a broadcast storm without blocking the route on the wired network side.
  • the packet is discarded.
  • the wireless network has a maximum hop count of 1. Therefore, it is not forwarded to other fixed nodes. It is assumed that a fixed node connected to both a wireless network and a wired network has different MAC addresses on the wireless side and the wired side.
  • data from mobile node 301 is wirelessly transmitted to first fixed node 311 in one hop, and then transferred to server 321 by wire.
  • first fixed node 311 there is a house near the first fixed node 311, and interference waves of the same frequency are leaking from the window of this house. Since the first fixed node 311 has an antenna pattern with a low gain in the horizontal direction, collisions between packets from the mobile node 301 and packets from houses are less likely to occur at the first fixed node 311 .
  • the mesh network system of this example comprises an airborne mobile node 301 connected to a wireless network, and a plurality of fixed nodes 311 to 314 that constitute the wireless network and are also connected to a wired network.
  • each of the plurality of fixed nodes 311-314 uses an antenna pattern with reduced horizontal gain to prevent carrier detection between adjacent fixed nodes.
  • by suppressing the horizontal gain interference from surrounding residential areas can also be suppressed.
  • each of the plurality of fixed nodes 311 to 314 uses an antenna pattern in which the gain in the sky direction is higher than the gain in the horizontal direction. This enables each fixed node 311 to 314 to perform stable communication with the mobile node 301 flying in the sky.
  • the mobile node 301 uses an antenna pattern in which the gain in the ground direction is higher than the gain in the horizontal direction. As a result, the mobile node 301 can maintain stable communication with the fixed nodes 311 to 314 on the ground while maintaining a flight altitude at which the influence of interference from residential areas can be suppressed.
  • blocking on the wired network side is prevented by not forming a loop with the maximum hop count setting on the wireless network side and the MAC address filtering setting on the wired network side. This makes it possible to build a fault-tolerant network while maintaining high throughput and low latency.
  • FIG. 4 shows a configuration example of a mobile node according to another embodiment of the present invention.
  • Mobile node 401 in this example is a wireless node mounted on an unmanned UAV (unmanned aerial vehicle) or the like, and can be used in place of mobile node 301 described above.
  • the mobile node 401 comprises a first antenna 411 , a second antenna 412 , an antenna switcher 413 , a radio processor 414 and an altimeter 415 .
  • the first antenna 411 is an antenna having a first antenna pattern in which the gain in the horizontal direction is higher than the gain in the ground direction.
  • the second antenna 412 has a second antenna pattern in which the gain in the horizontal direction is suppressed and the gain in the ground direction is higher than in the first antenna pattern (for example, an antenna pattern in which the gain in the ground direction is higher than the gain in the horizontal direction).
  • the wireless processing unit 414 uses the first antenna 411 or the second antenna 412 to perform processing related to wireless communication.
  • Altimeter 415 is a sensor that measures the flight altitude of mobile node 401 .
  • the antenna switcher 413 switches the antenna used for wireless communication based on the flight altitude measured by the altimeter 415 .
  • the first antenna 411 is connected to the wireless processing unit 414 when the flight altitude is less than the predetermined threshold. That is, when the flight altitude is low, the first antenna pattern, which has a higher gain in the horizontal direction than in the ground direction, is used for wireless communication.
  • the second antenna 411 is connected to the radio processing section 414 . That is, when the flight altitude becomes higher to some extent, antenna switching is performed so as to use the second antenna pattern in which the gain in the horizontal direction is suppressed and the gain in the ground direction is higher than that of the first antenna pattern for wireless communication.
  • the present invention can be provided not only as devices such as those mentioned in the above description and systems configured with these devices, but also as methods executed by these devices and functions of these devices by a processor. It is also possible to provide a program for implementation, a storage medium storing such a program in a computer-readable manner, and the like.
  • the present invention can be used in a mesh network system having an airborne mobile node connected to a wireless network and a plurality of fixed nodes forming the wireless network and also connected to a wired network.

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Abstract

課題：　隠れ端末問題によるスループットの低下を抑えることが可能なメッシュネットワークシステムを提供する。　解決手段：　本例のメッシュネットワークシステムは、無線ネットワークに接続される飛行型の移動ノード３０１と、無線ネットワークを構成すると共に有線ネットワークにも接続される複数の固定ノード３１１～３１４とを備え、複数の固定ノード３１１～３１４の各々は、隣接する固定ノード間でキャリアを検知できないように水平方向のゲインを抑えたアンテナパターンを使用する。

Description

メッシュネットワークシステム及び移動ノード
　本発明は、無線ネットワークに接続される飛行型の移動ノードと、無線ネットワークを構成すると共に有線ネットワークにも接続される複数の固定ノードとを有するメッシュネットワークシステムに関する。
　近年のロボット技術の進展は実に目覚しく、様々な社会課題の解決にロボットが利用されることも多くなっている。このようなロボットの多くは、無人航空機や自律運転車両等の無人移動体である。無人移動体は、遠隔操縦や自律制御のための制御指令データや、無人移動体に搭載したカメラ等で撮影した映像データを伝送するために、通信システムを具備する必要がある。このとき、無人移動体がレール等に沿った所定の経路を移動する機械でない場合には、移動に適した無線通信が利用されることが多い。
　例えば、特許文献１には、移動基地局と端末局が、近距離通信を準備するための長距離通信機能と、データ伝送用の近距離通信機能を備え、長距離通信機能を用いた通信により、近距離通信を行うタイミングをスケジューリングする発明が開示されている。また、特許文献２には、無人飛行体を用いた中継システムにおいて、中継の通信品質、予定の中継時間、無人飛行体の電源の状態（電力供給可能量）に基づいて、無人飛行体の中継位置を探索する発明が開示されている。
国際公開第２０１７／０１８０２１号 特開２０１９－１６９８４８号公報
　無人移動体との通信に使用され得る通信ネットワークの一つにメッシュネットワークがある。メッシュネットワークは複数のノードから構成され、隣接する通信可能なノード同士を接続することで、全体で網の目状のネットワークを形成する。特に、ノード間の接続が無線で行われる場合は無線メッシュネットワークと呼ばれ、複数のノードに渡ってバケツリレー式にデータが無線転送される。
　通常、メッシュネットワークには複数の経路が存在し、ある経路で通信不能になっても代替経路に切り替えることができるため、他のネットワークトポロジと比較して障害に強いという特徴がある。但し、複数の経路が存在するということは、ネットワークにループ状の経路が存在することも意味する。このようなネットワークにＩＰパケットをブロードキャストする場合、ＩＰパケットがループ状の経路を一周してからもブロードキャストを繰り返してブロードキャストストームを引き起こすことを避けるため、一般的にスパニングツリープロトコルが適用される。
　スパニングツリープロトコルではスパニングツリーアルゴリズムを使用し、自動的に特定のノード間の通信をブロッキング状態にすることで、ループを防ぐことが可能である。また、障害が発生した際は、ブロッキング状態を解除することによって、代替経路による通信を継続することが可能である。
　しかしながら、このようなメッシュネットワークは、特定の優先度の高いノードによる集中制御で経路を決定するのではなく、全てのノードが対等な関係で経路を決定するため、集中制御方式と比較して効率が低下する。特に、高スループットや低遅延が要求されるケースでは、耐障害性の高いメッシュネットワークを採用できない恐れがある。
　耐障害性に加えて、高スループットと低遅延が要求されるユースケースとして、無人航空機ＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ　Ａｅｒｉａｌ　Ｖｅｈｉｃｌｅ）の遠隔操縦に係る映像伝送を行う無線通信システムが考えられる。図１には、そのような無線通信システムに関する従来例１の構成例を示してある。同システムは、例えば、ＵＡＶの目視外飛行において、ＵＡＶの周辺状況を撮影した映像をＵＡＶからサーバに転送し、操縦者がリアルタイムで映像を確認できるようにするものである。
　図１に示した従来例１の無線メッシュネットワークでは、ＵＡＶ本体を含む移動ノード１０１の飛行経路に沿って、第１固定ノード１１１、第２固定ノード１１２、第３固定ノード１１３、第ｎ固定ノード１１４が地上に配置されている。また、サーバ１２１が、第１固定ノード１１１に有線で接続されている。なお、以降の説明では、移動ノードか固定ノードかを問わず、２台のノード間で無線通信が行われた場合を１ホップ、３台連なったノード間で無線通信が行われた場合を２ホップといったように、通信が行われたノード数から１を減算した値をホップ数と定義する。
　移動ノード１０１が第１固定ノード１１１の上空を飛行している場合は、移動ノード１０１と第１固定ノード１１１との間で１ホップの通信が行われ、サーバ１２１まで最短の経路でデータが転送される。次に、移動ノード１０１が第２固定ノード１１２の上空に移動し、第１固定ノード１１１と直接通信できなくなると、移動ノード１０１から第２固定ノード１１２を経由して第１固定ノード１１１まで２ホップの通信が行われる。同様にして、移動ノード１０１が第３固定ノード１１３の上空に移動すると３ホップの通信になり、第ｎ固定ノード１１４の上空に移動するとｎホップの通信になる。そして、ホップ数の増大に伴ってスループットが低下していき、遅延時間も増大してしまう。
　また、例えば、第２固定ノード１１２の両隣に配置された第１固定ノード１１１と第３固定ノード１１３が互いにキャリアを検知できない場合、第１固定ノード１１１が送信したパケットと第３固定ノード１１３が送信したパケットとが第２固定ノード１１２で衝突する恐れがある。このように、互いに相手の通信を検知できない関係にある複数のノードが同じノードに向けて同時に信号を送信した場合に、それら信号の衝突が発生してしまう問題（いわゆる、隠れ端末問題）により、スループットが更に低下するという問題もあった。
　図２には、従来例２として、有線と無線によるメッシュネットワーク（以下、「有線／無線メッシュネットワーク」と称する）の構成例を示してある。図２のシステムでは、図１のシステムと同様に、ＵＡＶ本体を含む移動ノード２０１の飛行経路に沿って、第１固定ノード２１１、第２固定ノード２１２、第３固定ノード２１３、第ｎ固定ノード２１４が地上に配置され、更にサーバ２２１が全ての固定ノードと有線で接続されている。但し、固定ノード同士の無線通信は禁止されている。
　具体的には、第１固定ノード２１１には、第２固定ノード２１２のＭＡＣアドレスと、第３固定ノード２１３のＭＡＣアドレスと、第ｎ固定ノード２１４のＭＡＣアドレスを指定し、ＭＡＣアドレスフィルタリングによりこれら固定ノードとの接続を禁止する。これにより、第１固定ノード２１１は、移動ノード２０１とだけ無線接続することが可能になる。他の固定ノードにも同様な設定がなされている。
　また、図２のシステムは、ホップ数の最大値が１に設定されている点も、従来例１と異なっている。これは、送信するパケットのＩＰヘッダ内にあるＴＴＬ（Ｔｉｍｅ　Ｔｏ　Ｌｉｖｅ）を１に設定することで実現可能である。パケットが無線ノードから無線ノードへ転送された際に、ＴＴＬから１が減算されて直ちに０になり、この時点で宛先ノードに到達していなければパケットは破棄されるので、最大ホップ数が１の無線ネットワークになる。つまり、図２の破線で示した経路を１回しか通過できないため、無線ネットワークと有線ネットワークが複数のノードで接続されていてもループが形成されず、特定の固定ノードとサーバ２２１との間でブロッキングされることはない。
　このように、無線ネットワーク側で所定のホップ数を超えた場合は強制的にパケットを破棄してループを形成させないことによって、有線ネットワーク側のブロッキングが発生しないようにする。更に、無線ネットワークから所定のホップ数以内で必ず有線ネットワークに到達できるように経路を設定することによって、移動ノード２０１がどの固定ノードと接続されていても常に最短の経路で通信が行われるようにする。これにより、高スループットと低遅延が得られるネットワークを構築することが可能となる。
　しかしながら、例えば、第２固定ノード２１２との間ではキャリアを検知できるが、移動ノード２０１との間ではキャリアを検知できない通信機器が外部に存在する場合には、移動ノード２０１が送信したパケットと外部の通信機器が送信したパケットとが第２固定ノード２１２で衝突する恐れがある。つまり、図２に示した従来例２のシステムであっても、隠れ端末問題によるスループットの低下が起こり得る。
　本発明は、上記のような従来の事情に鑑みて為されたものであり、隠れ端末問題によるスループットの低下を抑えることが可能なメッシュネットワークシステムを提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するために、本発明の一態様に係るメッシュネットワークシステムは、以下のように構成される。
　すなわち、無線ネットワークに接続される飛行型の移動ノードと、無線ネットワークを構成すると共に有線ネットワークにも接続される複数の固定ノードとを有するメッシュネットワークシステムにおいて、複数の固定ノードの各々は、隣接する固定ノード間でキャリアを検知できないように水平方向のゲインを抑えたアンテナパターンを使用することを特徴とする。
　ここで、本発明に係るメッシュネットワークシステムシステムにおいて、複数の固定ノードの各々は、水平方向のゲインより上空方向のゲインの方が高いアンテナパターンを使用し得る。
　また、本発明に係るメッシュネットワークシステムシステムにおいて、移動ノードは、水平方向のゲインより地上方向のゲインの方が高いアンテナパターンを使用し得る。
　また、本発明の別の態様に係る移動ノードは、以下のように構成される。
　すなわち、有線ネットワークに接続された複数の固定ノードで構成された無線ネットワークに接続される飛行型の移動ノードにおいて、地上方向のゲインより水平方向のゲインの方が高い第１のアンテナパターンと、第１のアンテナパターンよりも水平方向のゲインを抑える一方で地上方向のゲインを高くした第２のアンテナパターンとを有し、飛行高度が所定の閾値未満の場合は第１のアンテナパターンを使用し、飛行高度が閾値以上の場合は第２のアンテナパターンを使用するように切り替えることを特徴とする。
　本発明によれば、隠れ端末問題によるスループットの低下を抑えることが可能なメッシュネットワークシステムを提供することができる。
従来例１に係る無線メッシュネットワークの構成例を示す図である。 従来例２に係る有線／無線メッシュネットワークの構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る有線／無線メッシュネットワークの構成例を示す図である。 本発明の別の実施形態に係る移動ノードの構成例を示す図である。
　本発明の一実施形態について、以下に図面を参照して説明する。
　図３には、本発明の一実施形態に係る有線／無線メッシュネットワークの構成例を示してある。本例の有線／無線メッシュネットワークは、移動ノード３０１と、第１固定ノード３１１と、第２固定ノード３１２と、第３固定ノード３１３と、第ｎ固定ノード３１４と、サーバ３２１とを備えている。移動ノード３０１は、無人で飛行するＵＡＶ（無人航空機）などに搭載される。固定ノード３１１～３１４は、例えば、ＵＡＶの飛行経路に沿って地上に配置される。移動ノード３０１と固定ノード３１１～３１４は、互いに無線通信することが可能な無線ノードである。但し、固定ノード同士の無線通信は禁止されている。また、全ての固定ノード３１１～３１４は、有線ネットワークを介してサーバ３２１と接続されている。
　移動ノード３０１は、地上方向へのゲインが高いアンテナパターンを使用する。ここでは、移動ノード３０１は、水平方向のゲインより地上方向へのゲインの方が高いアンテナパターンを使用する。
　また、固定ノード３１１～３１４はいずれも、上空方向へのゲインが高く水平方向へのゲインが低いアンテナパターンを使用する。ここでは、固定ノード３１１～３１４は、隣接する固定ノード間でキャリアを検知できないように水平方向のゲインを抑えたアンテナパターンであって、水平方向のゲインより上空方向のゲインの方が高いアンテナパターンを使用する。
　なお、移動ノード３０１及び固定ノード３１１～３１４の各々のアンテナパターンは、各ノードの役割に応じた専用アンテナを設けることで実現することができる。あるいは、使用するアンテナパターンを制御可能な機構を各ノードに設けることで実現してもよい。一例として、垂直方向より水平方向のゲインが高い第１アンテナと、水平方向より垂直方向のゲインが高い第２アンテナとを各ノードに設けておき、ノードの役割に応じてアンテナを切り替えることで、所望のアンテナパターンを使用するようにしてもよい。別の例として、上述した第１アンテナ又は第２アンテナの一方を各ノードに設けておき、そのアンテナの向きを変化させることで、所望のアンテナパターンを使用するようにしてもよい。更に別の例として、アンテナ指向性を制御可能なアンテナユニットを各ノードに設けておき、送受信するビームの向きや幅を調整してアンテナ指向性を変化させることで、所望のアンテナパターンを使用するようにしてもよい。
　以下、図３を参照して、本例の有線／無線メッシュネットワークの動作を説明する。図３に示すように、全ての固定ノード３１１～３１４はＵＡＶの飛行経路に沿って配置されるだけでなく、上空方向にゲインの高いアンテナパターンが上空で重なり合って、ＵＡＶの飛行経路において移動ノード３０１が少なくとも１つ以上の固定ノードと通信できるように置局がなされている。一方、全ての固定ノード３１１～３１４のアンテナパターンは水平方向のゲインが低く、隣接する固定ノード間でキャリアを検知できないように置局がなされている。
　また、本例の有線／無線メッシュネットワークでは、ホップ数の最大値が１に設定されている。これは、送信するパケットのＩＰヘッダ内にあるＴＴＬ（Ｔｉｍｅ　ｔｏ　ｌｉｖｅ）を１に設定することで実現可能である。この場合、パケットが無線ノードから無線ノードへ転送された際に、ＴＴＬから１が減算されて直ちに０になり、この時点で宛先ノードに到達していなければパケットは破棄されるので、最大ホップ数が１の無線ネットワークになる。
　更に、本例の有線／無線メッシュネットワークでは、無線ネットワークと有線ネットワークの両方に接続される固定ノード３１１～３１４は、無線ネットワークと有線ネットワークの間でループを形成しないように、ＭＡＣアドレスフィルタリング機能を具備している。具体的には、無線ネットワークに属する送信元アドレスを有するパケットを有線ネットワーク側から受信した場合は、そのパケットを破棄することで、有線ネットワーク側の経路をブロッキングすることなくブロードキャストストームを回避する。
　例えば、無線ネットワークに属する移動ノード３０１から送信されたパケットが第２固定ノード３１２に到達し、更に有線ネットワークを介して他の固定ノード３１１，３１３，３１４に到達した際に、そのパケットが破棄される。これに対し、有線ネットワークに属するサーバ３２１から送信されたパケットが第２固定ノード３１２に到達し、更に無線ネットワークを介して移動ノード３０１に到達した場合は、最大ホップ数が１の無線ネットワークであるため、他の固定ノードに転送されることはない。なお、無線ネットワークと有線ネットワークの両方に接続されている固定ノードは、無線側と有線側で異なるＭＡＣアドレスを有しているものとする。
　ここで、移動ノード３０１は第１固定ノード３１１の上空を飛行しており、第１固定ノード３１１だけが移動ノード３０１と無線接続されているものとする。この状態で移動ノード３０１から映像情報などのデータをサーバ３２１へ初めて送信する場合、通常はサーバ３２１のＩＰアドレスは既知であるものの、サーバ３２１のＭＡＣアドレスが不明なため、ＡＲＰ要求パケットがブロードキャストで送信される。ＡＲＰ要求パケットは第１固定ノード３１１を介した経路だけでサーバ３２１に到達し、サーバ３２１は自身のＭＡＣアドレスをＡＲＰ応答パケットに載せて移動ノード３０１に返すことで、アドレス解決がなされる。一方、第１固定ノード３１１から有線ネットワークを介して他の固定ノード３１２，３１３，３１４に到達したＡＲＰ要求パケットは、ＭＡＣアドレスフィルタリング機能により破棄される。
　アドレス解決後、移動ノード３０１からのデータは、１ホップで第１固定ノード３１１に無線で送信された後、有線でサーバ３２１に転送される。ところで、図３では、第１固定ノード３１１の近傍に住宅が存在し、この住宅の窓から同一周波数の干渉波が漏れている様子を示している。なお、第１固定ノード３１１は水平方向へのゲインが低いアンテナパターンを有しているため、第１固定ノード３１１において移動ノード３０１からのパケットと住宅からのパケットの衝突が起こりにくくなっている。
　同様に、第１固定ノード３１１において移動ノード３０１からのパケットと第２固定ノード３１２からのパケットの衝突も起こりにくくなっている。また、住宅の窓から漏れている干渉波は上空方向への放射レベルが低いため、移動ノード３０１の飛行高度が十分に高ければ、移動ノード３０１において第１固定ノード３１１からのパケットと住宅からのパケットの衝突が起こりにくくなっている。なお、図３には明記していないが、他の固定ノードにおいても第１固定ノード３１１と同様に近傍の住宅からの干渉波が存在しうる。しかしながら、全ての固定ノードが水平方向へのゲインが低いアンテナパターンを有しているため、第１固定ノード３１１と同様にパケットの衝突を抑えることが期待できる。
　次に、移動ノード３０１が第２固定ノード３１２の上空に近づくにつれて、移動ノード３０１と第２固定ノード３１２との間で無線接続ができるようになり、移動ノード３０１は第１固定ノード３１１及び第２固定ノード３１２と接続された状態になる。その後、更に移動ノード３０１が移動して第１固定ノード３１１との通信ができなくなると、移動ノード３０１はサーバ３２１に対してＡＲＰ要求パケットを再度ブロードキャストする。このＡＲＰ要求パケットは第２固定ノード３１２を経由する経路でサーバ３２１に到達し、サーバ３２１はＡＲＰ応答パケットを返して再度アドレス解決がなされる。
　同様にして、移動ノード３０１が第３固定ノード３１３の上空に近づくにつれて、移動ノード３０１と第３固定ノード３１３との間で無線接続ができるようになる。その後、更に移動ノード３０１が移動して第２固定ノード３１２との通信ができなくなると、移動ノード３０１はサーバ３２１に対してＡＲＰ要求パケットを再度ブロードキャストする。このＡＲＰ要求パケットは第３固定ノード３１３を経由する経路でサーバ３２１に到達し、サーバ３２１はＡＲＰ応答パケットを返して再度アドレス解決がなされる。
　このように、移動ノード３０１が最終目的地の近傍に配置された第ｎ固定ノード３１４に到達するまで、同様の経路切替制御が行われる。
　以上のように、本例のメッシュネットワークシステムは、無線ネットワークに接続される飛行型の移動ノード３０１と、無線ネットワークを構成すると共に有線ネットワークにも接続される複数の固定ノード３１１～３１４とを備え、複数の固定ノード３１１～３１４の各々は、隣接する固定ノード間でキャリアを検知できないように水平方向のゲインを抑えたアンテナパターンを使用している。これにより、固定ノード間でのパケットの衝突を回避できるため、隠れ端末問題によるスループットの低下を抑えることが可能である。また、水平方向のゲインを抑えたことで、周辺の住宅地などからの干渉も抑制できるようになる。
　また、本例のメッシュネットワークシステムでは、複数の固定ノード３１１～３１４の各々は、水平方向のゲインより上空方向のゲインの方が高いアンテナパターンを使用している。これにより、各固定ノード３１１～３１４は、上空を飛行する移動ノード３０１との間で安定した通信を行うことが可能となる。
　また、本例のメッシュネットワークシステムでは、移動ノード３０１は、水平方向のゲインより地上方向のゲインの方が高いアンテナパターンを使用している。これにより、移動ノード３０１は、住宅地からの干渉の影響を抑えられる飛行高度を保ちながら、地上の固定ノード３１１～３１４との間で安定した通信を行うことが可能となる。
　更に、本例のメッシュネットワークシステムでは、無線ネットワーク側における最大ホップ数の設定と有線ネットワーク側におけるＭＡＣアドレスフィルタリングの設定でループを形成させないことにより、有線ネットワーク側のブロッキングを阻止している。これにより、高スループットと低遅延を維持しつつ、障害にも強いネットワークを構築することが可能となる。
　図４には、本発明の別の実施形態に係る移動ノードの構成例を示してある。本例の移動ノード４０１は、無人で飛行するＵＡＶ（無人航空機）などに搭載された無線ノードであり、上述した移動ノード３０１に代えて使用することが可能である。移動ノード４０１は、第１アンテナ４１１と、第２アンテナ４１２と、アンテナ切替器４１３と、無線処理部４１４と、高度計４１５とを備えている。
　第１アンテナ４１１は、地上方向のゲインより水平方向のゲインの方が高い第１アンテナパターンを有するアンテナである。第２アンテナ４１２は、第１アンテナパターンよりも水平方向のゲインを抑える一方で地上方向のゲインを高くした第２アンテナパターン（例えば、水平方向のゲインより地上方向のゲインの方が高いアンテナパターン）を有するアンテナである。無線処理部４１４は、第１アンテナ４１１又は第２アンテナ４１２を使用して無線通信に関わる処理を行う。高度計４１５は、移動ノード４０１の飛行高度を計測するセンサーである。
　アンテナ切替器４１３は、高度計４１５により計測された飛行高度に基づいて、無線通信に使用するアンテナを切り替える。本例では、飛行高度が所定の閾値未満の場合は、第１アンテナ４１１を無線処理部４１４に接続する。つまり、飛行高度が低い場合は、地上方向のゲインより水平方向のゲインの方が高い第１アンテナパターンを無線通信に使用する。一方、飛行高度が所定の閾値以上の場合は、第２アンテナ４１１を無線処理部４１４に接続する。つまり、飛行高度がある程度高くなった場合に、第１アンテナパターンよりも水平方向のゲインを抑える一方で地上方向のゲインを高くした第２アンテナパターンを無線通信に使用するようにアンテナ切り替えを行う。
　このように、移動ノードの飛行高度に応じて固定ノードとの位置関係が変化することを考慮してアンテナの切り替えを行うことで、固定ノードとの無線通信をより安定的に実施できるようになる。なお、図４の例では、２つのアンテナを切り替える構成となっているが、３つ以上のアンテナを切り替え可能に備えてもよい。また、物理的に異なる複数のアンテナを切り替えて使用するのではなく、アンテナ指向性を動的に変更することが可能なアンテナ（例えば、アレイアンテナ）を使用してもよい。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記の実施形態は例示に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。本発明は、その他の様々な実施形態をとることが可能であると共に、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、省略や置換等の種々の変形を行うことができる。これら実施形態及びその変形は、本明細書等に記載された発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　また、本発明は、上記の説明で挙げたような装置や、これら装置で構成されたシステムとして提供することが可能なだけでなく、これら装置により実行される方法、これら装置の機能をプロセッサにより実現させるためのプログラム、そのようなプログラムをコンピュータ読み取り可能に記憶する記憶媒体などとして提供することも可能である。
　この出願は、２０２２年２月２２日に出願された日本出願特願２０２２－０２６１７８を基礎として優先権の利益を主張するものであり、その開示の全てを引用によってここに取り込む。
　本発明は、無線ネットワークに接続される飛行型の移動ノードと、無線ネットワークを構成すると共に有線ネットワークにも接続される複数の固定ノードとを有するメッシュネットワークシステムに利用することが可能である。
　１０１，２０１，３０１，４０１：移動ノード、　１１１，２１１，３１１：第１固定ノード、　１１２，２１２，３１２：第２固定ノード、　１１３，２１３，３１３：第３固定ノード、　１１４，２１４，３１４：第ｎ固定ノード、　１２１、２２１，３２１：サーバ、　４１１：第１アンテナ、　４１２：第２アンテナ、　４１３：アンテナ切替器、　４１４：無線処理部、　４１５：高度計 

Claims (5)

  1. 　無線ネットワークに接続される飛行型の移動ノードと、前記無線ネットワークを構成すると共に有線ネットワークにも接続される複数の固定ノードとを有するメッシュネットワークシステムにおいて、
    　前記複数の固定ノードの各々は、隣接する固定ノード間でキャリアを検知できないように水平方向のゲインを抑えたアンテナパターンを使用することを特徴とするメッシュネットワークシステム。
  2. 　請求項１に記載のメッシュネットワークシステムシステムにおいて、
    　前記複数の固定ノードの各々は、水平方向のゲインより上空方向のゲインの方が高いアンテナパターンを使用することを特徴とするメッシュネットワークシステム。
  3. 　請求項１に記載のメッシュネットワークシステムシステムにおいて、
    　前記移動ノードは、水平方向のゲインより地上方向のゲインの方が高いアンテナパターンを使用することを特徴とするメッシュネットワークシステム。
  4. 　請求項２に記載のメッシュネットワークシステムシステムにおいて、
    　前記移動ノードは、水平方向のゲインより地上方向のゲインの方が高いアンテナパターンを使用することを特徴とするメッシュネットワークシステム。
  5. 　有線ネットワークに接続された複数の固定ノードで構成された無線ネットワークに接続される飛行型の移動ノードにおいて、
    　地上方向のゲインより水平方向のゲインの方が高い第１のアンテナパターンと、
    　前記第１のアンテナパターンよりも水平方向のゲインを抑える一方で地上方向のゲインを高くした第２のアンテナパターンとを有し、
    　飛行高度が所定の閾値未満の場合は第１のアンテナパターンを使用し、飛行高度が前記閾値以上の場合は第２のアンテナパターンを使用するように切り替えることを特徴とする移動ノード。 
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