JP4627231B2 - 一対多通信方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は一対多通信方法および装置に係り、特に、ユニキャスト通信を利用して一対多通信のブロードキャストやマルチキャストを擬似的に実現する一対多通信方法および装置に関する。

メッセージやデータを一回の送信でネットワーク上の複数のノードに受信させる送信形態としてブロードキャストやマルチキャストが知られている。ネットワーク上でブロードキャスト等の一対多通信を実現するためには、各ノードにブロードキャスト用あるいはマルチキャスト用のプロトコルが予め実装されている必要がある。

一方、携帯電話、PDAなどのモバイル機器やその他、種々の電子機器同士を無線でつなぐ通信規格としてブルートゥース(Bluetooth：登録商標)が知られている。ブルートゥースは近距離無線データ通信技術の方式であって、ISMバンド（2.4GHz帯電波)を利用してスペクトラム拡散による無線送受信を行う。このブルートゥース では、ソフトウェアあるいは機器が無線通信を利用するための仕様がプロファイル(プロトコルスタック)として定義されている。特許文献１には、ブルートゥースデバイスを用いた通信システムが開示されている。
特開２００２−７７１８５号公報

ブルートゥースには多数のプロファイルが用意されており、無線通信を実現するプロファイルとしてSPP（Serial Port Profile）が用意されている。しかしながら、SPPはユニキャストのみに対応し、ブロードキャストやマルチキャストには対応していないので、ブルートゥースではブロードキャストやマルチキャストといった一対多通信を実現できない。このような技術課題はブルートゥースに限定されるものではなく、送信形態として一対一通信のみに対応し、一対多通信には対応していないネットワークの全てに共通する技術課題である。

なお、ブルートゥースでもピコネットによればマスタから複数のスレーブへ一対多通信が可能になるものの、ピコネットではマスタ／スレーブの属性を決定するためのネゴシエーションが必要であったり、また接続可能なスレーブ数が制限される等の制約があるために汎用性が高くない。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、ユニキャスト通信のみに対応した通信環境下で、ユニキャスト通信を利用して一対多のブロードキャスト通信やマルチキャスト通信を擬似的に実現する一対多通信方法および装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明は、ユニキャスト通信の環境下で一対多のブロードキャスト通信またはマルチキャスト通信を擬似的に実現する一対多通信方法および装置において、以下のような手順を設けたことを特徴とする。
(1)ネットワーク上の各無線ノードが自ノードに隣接する各隣接ノードのアドレスを識別する手順と、各無線ノードが各隣接ノードへ所定の順序でデータをユニキャストで順次に送信する手順と、データを受信した各無線ノードが各隣接ノードへ所定の順序でデータをユニキャストで順次に送信する手順とを含むことを特徴とする。
(2)各無線ノードは、自ノードにデータを送信した隣接ノードのアドレスを記憶し、その後、同一データを他の隣接ノードから受信すると、当該データを前記自ノードにデータを送信した隣接ノードへは送信しないことを特徴とする。
(3)各無線ノードは、各隣接ノードへデータをユニキャストで送信する際の順序をランダムに決定することを特徴とする。
(4)各無線ノードは、各隣接ノードへデータをユニキャストで送信する際の順序を規定した複数の送信規則を備え、受信データの属性を判定する手順と、前記判定結果に応じた送信規則を選択する手順と、受信データを各隣接ノードへ、前記選択された送信規則に応じた順序で順次に送信する手順とを含むことを特徴とする。
(5)前記複数の規則が、データを宛先アドレスの降順に送信する第１の規則と、データを宛先アドレスの昇順に送信する第２の規則とを含むことを特徴とする。
(6)各無線ノードが、送信データに隣接ノードのアドレスを登録する手順と、受信データにアドレスが登録されている隣接ノードへの送信を禁止する手順とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果が達成される。
上記した特徴(1)によれば、ユニキャスト通信の環境下でもブロードキャスト通信やマルチキャスト通信を擬似的に実現できる。
上記した特徴(2)によれば、データ転送の必要がない上位の隣接ノードへの冗長なデータ送信を防止できる。
上記した特徴(3)によれば、各無線ノードにおけるデータの宛先アドレスがランダムに選択されるので、特定の無線ノードにデータ転送が集中することを防止できる。
上記した特徴(4)、(5)によれば、各無線ノードにおけるデータの宛先アドレスが、当該データの属性に応じて昇順または降順に選択されるので、特定の無線ノードにデータ転送が集中することを防止できる。
上記した特徴(6)によれば、上位の隣接ノードによりデータが既に転送されている、あるいは転送される予定の隣接ノードへの冗長なデータ転送を未然に防止できる。

以下、図面を参照して本発明の最良の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明が適用される無線ノードのブロック図であり、本発明の説明に不用な構成の図示は省略されている。ここでは、ユニキャスト通信の環境下でブロードキャスト通信を擬似的に実現する場合を例にして説明する。

無線ノード１は、ブルートゥースの通信規格に準拠した近距離無線通信をアンテナ１０を介して行うブルートゥースモジュール（以下、「BM」と表現する）１１と、無線ノード１の全体を制御する主制御部１２と、少なくともSPPを含む複数のプロファイル、およびデータを複数の隣接リンクへ順番に送信する際の規則等が記憶されたROM１３と、前記主制御部１２にワークエリアを提供するRAM１４と、各種のデータが不揮発に記憶されるSRAM１７と、操作部１５の操作を受け付けるI/Oインターフェース１６とを備えている。前記BM１１には、2.4GHz帯域をサポートする周波数ホッピング型のスペクトル拡散通信用のとしてのＲＦチップ１１ａや、ベース・バンド（ＢＢ）信号の送受信を制御するリンクコントローラとしてのＢＢチップ１１ｂ等が含まれる。

図２は、前記無線ノード１の機能ブロック図であり、主制御部１２およびBM１１がROM１３やSRAM１７に記憶されたプログラムあるいはデータ等に従って実行する処理を機能別に示している。

隣接ノード識別部２１は、自ノードの通信有効範囲内に位置している各隣接ノードのアドレスを認識して隣接ノードリスト２７に蓄積する。データ属性識別部２２は、送信するデータの属性として、当該データに登録されている自ノードに至るホップ数を識別する。送信規則記憶部２３には、自ノードがデータを各隣接ノードへ順番にユニキャストで送信する際の送信順序に関する複数の規則が登録されている。本実施形態では、アドレスが小さい隣接ノードから順に、すなわち昇順に送信する第１規則と、アドレスが大きい隣接ノードから順に、すなわち降順に送信する第２規則とが登録されている。

送信規則選択部２４は、前記データ属性識別部２２による識別結果に基づいて、前記第１または第２規則を選択する。転送禁止リスト２６には、データ転送が禁止されている隣接ノードのアドレスが登録されている。宛先選択部２５は、前記選択された送信規則にしたがって隣接ノードリスト２７から宛先のアドレスを順次に選択する。BM１１は、SPPに従って前記選択された宛先へデータをユニキャストで送信する。

次いで、前記データ属性識別部２２、送信規則記憶部２３および送信規則選択部２８の機能について説明する。

本実施形態では、以下に詳述するように、ユニキャスト通信を各隣接ノードとの間で順次に繰り返すことで一体多通信が擬似的に実現されるが、各無線ノードが多数の隣接ノードの中から宛先を順番に選択する際に同一の規則に基づいて選択が行われてしまうと、一部の隣接ノードにデータ送信が集中する可能性がある。

図１０は、データの転送先が一部の隣接ノードに集中する様子を模式的に示した図であり、図１１は、そのシーケンス図である。図１０において、各丸印は無線ノードを示し、丸印内の数字は各無線ノードに割り当てられているアドレスを示している。

ここでは、アドレス「３」の無線ノードがネットワーク上の全無線ノードへブロードキャストでデータを送信する場合を考え、各無線ノードでは、データを自ノードへ送信した隣接ノードへのデータ転送は禁止されているものとする。

各無線ノードにおける送信順序に関する規則が「アドレスの昇順」であると、最初の送信周期（ターン）では、図１０(a)に示したように、アドレス「３」の無線ノードは隣接ノードの中でアドレスが最小値「１」の無線ノードへ送信する。次の第２周期では同図(b)に示したように、アドレス「３」の無線ノードはアドレス「２」の無線ノードへ送信し、アドレス「１」の無線ノードも、隣接ノードの中でアドレスが最小値「２」の無線ノードへ送信する。

以下同様に、次の第３周期では同図(c)に示したように、アドレス「３」、「１」、「２」の無線ノードが全て、アドレス「４」の無線ノードへ送信するので、当該アドレス「４」の無線ノードにデータ転送が集中してしまう。次の第４周期では、同図(d)に示したように、アドレス「１」、「２」、「３」、「４」の無線ノードが全て、アドレス「５」の無線ノードへ送信するので、当該アドレス「５」の無線ノードにデータ転送が集中してしまう。

このような技術課題に対応すべく、本実施形態では、データ属性識別部２２、送信規則記憶部２３および送信規則選択部２８を設け、各無線ノードにおいてデータの送信順序が異なる規則に従って決定されるようにしている。

次いで、本実施形態の動作を図３のフローチャートに沿って説明する。ステップＳ１において、宛先がブロードキャストアドレスのデータが自ノードで生成されたことが検知されるとステップＳ４へ進み、それ以外はステップＳ２へ進む。ステップＳ２では、宛先がブロードキャストアドレスのデータが受信されたか否かが判定され、受信が検知されればステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、データを自ノードに転送した隣接ノードのアドレスが、当該データを一意に識別できる識別子と共に転送禁止リスト２６に登録される。ステップＳ４では、データに格納されるホップ数が新規登録あるいは更新登録（インクリメント）される

ステップＳ５では、前記データ属性識別部２２において、前記新規登録あるいは更新登録されたホップ数が属性情報として識別され、前記送信規則選択部２４において偶奇判定が行われる、ホップ数の識別結果が奇数であれば、ステップＳ６へ進んで第１規則が選択される。これに対して、ホップ数の識別結果が偶数であれば、ステップＳ７へ進んで第２規則が選択される。本実施形態では、第１規則としてアドレスが小さい隣接ノードから順（昇順）に送信する規則が、第２規則としてアドレスが大きい隣接ノードから順（降順）に送信する規則が、前記送信規則記憶部２３に登録されている。

ステップＳ８では、前記選択された送信規則に従って、隣接ノードリスト２７から宛先アドレスが一つだけ、前記宛先選択部２５により選択される。ステップＳ９では、選択された宛先アドレスが前記転送禁止リスト２６に登録されているか否かが判定される。転送禁止リスト２６に未登録であればステップＳ１０へ進み、宛先との間に固有の通信チャネルが確保される。ステップＳ１１では、前記確保された通信チャネルを利用してデータがユニキャストで送信される。

ステップＳ１２では、全ての隣接ノード（転送禁止リストに登録されている隣接ノードを除く）へのデータ転送が完了しているか否かが判定され、完了していなければステップＳ８へ戻り、前記選択された送信規則にしたがって、隣接ノードリスト２７から次の宛先アドレスが選択される。上記処理は、前記隣接ノードリスト２７に登録されている全ての隣接リンク（同上）へのユニキャストによるデータ転送が完了するまで繰り返される。

図８は、本実施形態の効果を模式的に示した図であり、図９は、そのシーケンス図である。図８において、各丸印は無線ノードを示し、丸印内の数字は各無線ノードに割り当てられているアドレスを示している。ここでは、アドレス「３」の無線ノードがネットワーク上の全無線ノードへブロードキャストでデータを送信する場合を考える。

アドレス「３」の無線ノードでは、送信データのホップ数が初期値「１」であり、送信規則として「昇順」が選択されている。したがって、最初の送信周期では、図８(a)に示したように、アドレス「３」の無線ノードからアドレス「１」の無線ノードへデータがユニキャストで送信される。アドレス「１」の無線ノードでは、送信するデータのホップ数が「２」に更新されているので、送信規則として「降順」が選択される。したがって、次の第２周期では同図(b)に示したように、アドレス「３」の無線ノードからはアドレス「２」の無線ノードへ送信され、アドレス「１」の無線ノードからはアドレス「５」の無線ノードへ送信される。

アドレス「２」、「５」の各無線ノードでは、送信データのホップ数が「３」に更新されているので、送信規則として「昇順」が選択される。したがって、次の第３周期では同図(c)に示したように、アドレス「３」の無線ノードからはアドレス「４」の無線ノードへ送信され、アドレス「１」の無線ノードからはアドレス「４」の無線ノードへ送信され、アドレス「２」の無線ノードからはアドレス「５」の無線ノードへ送信され、アドレス「５」の無線ノードからはアドレス「３」の無線ノードへ送信される。

このように、本実施形態によれば、ユニキャスト通信の環境下でもブロードキャスト通信を擬似的に実現できるようになる。また、本実施形態では各無線ノードにおけるデータの宛先アドレスが、当該データの属性に応じて昇順または降順に選択されるので、特定の無線ノードにデータ転送が集中することを防止できる。

なお、上記した第１実施形態では２つの送信規則からデータの属性に応じて無線ノードごとに一方の送信規則が選択されるものとして説明したが、３つ以上の送信規則を用意し、データの属性に応じていずれか一つの送信規則が選択されるようにしても良い。

図４は、本発明に係る一対多通信機能を備えた無線ノードの第２実施形態の機能ブロック図あり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。本実施形態では、前記データ属性識別部２２、送信規則記憶部２３および送信規則選択部２８に代えて乱数発生部２８を設け、宛先選択部２５が宛先アドレスを前記隣接ノードリスト２７からランダムに選択するようにした点に特徴がある。

図５は、本実施形態の動作を示したフローチャートであり、前記と同一または同等の処理が実行される手順には同一の符号が併記されている。

ステップＳ２１において、宛先がブロードキャストアドレスのデータが自ノードで生成されたことが検知されるとステップＳ２４へ進み、それ以外はステップＳ２２へ進む。ステップＳ２２では、宛先がブロードキャストアドレスのデータが受信されたか否かが判定され、受信が検知されればステップＳ２３へ進む。ステップＳ２３では、データを自ノードに転送した隣接ノードのアドレスが転送禁止リスト２６に登録される。ステップＳ２４では、データに格納されるホップ数が新規登録あるいは更新登録（インクリメント）される

ステップＳ２５では、乱数発生部２８で発生された乱数に基づいて、隣接ノードリスト２７から宛先アドレスが一つだけ、前記宛先選択部２５により選択される。ステップＳ２６では、選択された宛先アドレスが前記転送禁止リスト２６に登録されているか否かが判定される。転送禁止リスト２６に未登録であればステップＳ２７へ進み、宛先との間に固有の通信チャネルが確保される。ステップＳ２８では、前記確保された通信チャネルを利用してデータがユニキャストで送信される。

ステップＳ２９では、全ての隣接ノード（転送禁止リストに登録されている隣接ノードを除く）へのデータ転送が完了しているか否かが判定され、完了していなければステップＳ２５へ戻り、隣接ノードリスト２７から次の宛先アドレスがランダムに選択される。上記処理は、前記隣接ノードリスト２７に登録されている全ての隣接リンク（同上）へのユニキャストによるデータ転送が完了するまで繰り返される。

本実施形態によれば、各無線ノードにおいて宛先アドレスがランダムに選択されるので、特定の無線ノードにデータ転送が集中することを防止できる。

表１ないし表４は、１０台の端末を４００ｍ×４００ｍの正方形フィールド内にランダムに配した第１配置パターン（表１、表２）と、１２０台の端末を１０００ｍ×２５０ｍの長方形フィールド内にランダムに配した第２配置パターン（表３、表４）とに関して、フラッディング完了までの送信ターン数を送信規則ごとに測定した結果である。ここでは、第１実施形態の送信規則（端末ごとにホップ数の偶奇に応じて「昇順」または「降順」が選択される）を採用した場合と、第２実施形態の送信規則（端末ごとに送信順序がランダムに決定される）を採用した場合と、送信順序が全ての端末においてホップ数の昇順に固定される場合とに関して、各フィールド内での端末の配置を２パターン用意して測定した。各端末の電波伝搬距離は２５０メートルである。

いずれの条件下でも、第１実施形態および第２実施形態の送信規則を採用することにより、送信順序が全ての端末において固定される場合よりも少ないターン数でフラッディングを完了できることが判る。

図６は、本発明に係る一対多通信機能を備えた無線ノードの第３実施形態の機能ブロック図あり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。本実施形態では、前記第１実施形態の構成に加えて、送信データに自ノードの隣接ノードリストを登録する隣接ノードリスト登録部３０と、受信データに登録されている前記隣接ノードリストを抽出して転送禁止リスト２６へ登録する隣接ノードリスト抽出部２９とを備えている点に特徴がある。

図７は、本実施形態の動作を示したフローチャートであり、前記と同一または同等の処理が実行される手順には同一の符号が併記されている。

ステップＳ４１において、宛先がブロードキャストアドレスのデータが自ノードで生成されたことが検知されるとステップＳ４５へ進み、前記隣接ノードリスト２７に登録されている隣接ノードのアドレスが、前記隣接ノードリスト登録部３０によって当該データに登録され、その後、ステップＳ４６へ進む。一方、ステップＳ４２において、宛先がブロードキャストアドレスのデータが受信されたことが検知されるとステップＳ４３へ進み、当該データに登録されている隣接ノードアドレスが、前記隣接ノードリスト抽出部２９により抽出される。ステップＳ４４では、データを自ノードに転送した隣接ノードのアドレス、および受信データから抽出された上位ノードの隣接ノードアドレスが転送禁止リスト２６に登録される。ステップＳ４６では、データに格納されるホップ数が新規登録あるいは更新登録（インクリメント）される。

ステップＳ４７では、前記データ属性識別部２２において、前記新規登録あるいは更新登録されたホップ数が属性情報として識別され、前記送信規則選択部２４において偶奇判定が行われる。ホップ数の識別結果が奇数であれば、ステップＳ４８へ進んで第１規則が選択される。これに対して、ホップ数の識別結果が偶数であれば、ステップＳ４９へ進んで第２規則が選択される。

ステップＳ５０では、前記選択された送信規則に従って、隣接ノードリスト２７から宛先アドレスが一つだけ、前記宛先選択部２５により選択される。ステップＳ５１では、選択された宛先アドレスが前記転送禁止リスト２６に登録されているか否かが判定される。転送禁止リスト２６に未登録であればステップＳ５２へ進み、宛先との間に固有の通信チャネルが確保される。ステップＳ５３では、前記確保された通信チャネルを利用してデータがユニキャストで送信される。

ステップＳ５４では、全ての隣接ノード（転送禁止リストに登録されている隣接ノードを除く）へのデータ転送が完了しているか否かが判定され、完了していなければステップＳ５０へ戻り、前記選択された送信規則にしたがって、隣接ノードリスト２７から次の宛先アドレスが選択される。上記処理は、前記隣接ノードリスト２７に登録されている全ての隣接リンク（同上）へのユニキャストによるデータ転送が完了するまで繰り返される。

本実施形態によれば、データを隣接ノードへ転送する各無線ノードは自ノードの隣接ノードリストをデータに登録して送信し、これを受信した各隣接ノードでは、受信データに登録されている隣接ノードリストを転送禁止リストに登録されるので、上位の隣接ノードによりデータが既に転送されている、あるいは転送される予定の隣接ノードへの冗長なデータ転送を未然に防止できるようになる。

なお、上記した各実施形態では、本発明を擬似的なブロードキャスト通信を例にして説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、擬似的なマルチキャスト通信にも同様に適用できる。

本発明が適用される無線ノードのブロック図である。 本発明に係る無線ノードの第１実施形態の機能ブロック図である。 第１実施形態の動作を示したフローチャートである。 本発明に係る無線ノードの第２実施形態の機能ブロック図である。 第２実施形態の動作を示したフローチャートである。 本発明に係る無線ノードの第３実施形態の機能ブロック図である。 第３実施形態の動作を示したフローチャートである。 本発明の第１実施形態の効果を模式的に示した図である。 本発明の第１実施形態の効果を示したシーケンス図である。 ユニキャスト通信を利用した擬似的なブロードキャスト通信に固有の技術課題を模式的に示した図である。 ユニキャスト通信を利用した擬似的なブロードキャスト通信に固有の技術課題を示したシーケンス図である。

符号の説明

１１…ブルートゥースモジュール，２１…隣接ノード識別部，２２…データ属性識別部，２３…送信規則記憶部，２４…送信規則選択部，２５…宛先選択部，２６…転送禁止リスト，２７…隣接ノードリスト

Claims (6)

1. ユニキャスト通信の環境下で一対多のブロードキャスト通信またはマルチキャスト通信を擬似的に実現する一対多通信方法において、
   ネットワーク上の各無線ノードが、
   自ノードと無線リンクで接続される各隣接ノードのアドレスを識別する手順と、
   隣接ノードからユニキャストで送信されたデータを受信する手順と、
   前記受信データが自ノードへ至るまでのホップ数に応じた値を判定する手順と、
   前記判定結果に基づいて、データを宛先アドレスの昇順に送信する第１の規則および降順に送信する第２の規則のいずれかを選択する手順と、
   前記受信データを前記選択された送信規則に応じた順序で各隣接ノードへユニキャストで順次に送信する手順とを含むことを特徴とする一対多通信方法。
2. 前記各無線ノードは、自ノードにデータを送信した隣接ノードのアドレスを記憶し、その後、同一データを他の隣接ノードから受信すると、当該データを前記自ノードにデータを送信した隣接ノードへは送信しないことを特徴とする請求項１に記載の一対多通信方法。
3. 前記各無線ノードが、
   送信データに隣接ノードのアドレスを登録する手順と、
   受信データにアドレスが登録されている隣接ノードへの送信を禁止する手順とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の一対多通信方法。
4. ユニキャスト通信の環境下で一対多のブロードキャスト通信またはマルチキャスト通信を擬似的に実現する通信装置において、
   各無線ノードが、
   自ノードと無線リンクで接続される各隣接ノードのアドレスを識別する手段と、
   各隣接ノードへデータをユニキャストで送信する際の順序を決定する送信規則として、データを宛先アドレスの昇順に送信する第１の規則および降順に送信する第２の規則を記憶する手段と、
   隣接ノードからユニキャストで送信されたデータを受信する手段と、
   前記受信データが自ノードへ至るまでのホップ数に応じた値を判定する手段と、
   前記判定結果に基づいて、前記第１および第２の規則のいずれかを選択する手段と、
   前記受信データを前記選択された送信規則に応じた順序で各隣接ノードへユニキャストで順次に送信する手段とを含むことを特徴とする一対多通信装置。
5. 自ノードにデータを送信した隣接ノードのアドレスを記憶する手段を具備し、
   同一データを他の隣接ノードから受信すると、当該データを前記自ノードにデータを送信した隣接ノードへは送信しないことを特徴とする請求項４に記載の一対多通信装置。
6. 送信データに隣接ノードのアドレスを登録する手段と、
   受信データにアドレスが登録されている隣接ノードへの送信を禁止する手段とを含むことを特徴とする請求項４または５に記載の一対多通信装置。

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