JP5379529B2 - 無線通信システムおよび親ノード探索方法 - Google Patents

Description

本発明は、上位の通信機器である親ノードと下位の通信機器である子ノードとからなる無線通信システムに係り、特に子ノードが定常的に通信する親ノードを選定する技術に関するものである。

流量計や温湿度計などのセンサ機器では、省配線によるコストダウンや遠隔地からの監視・制御を行なうために、従来の有線接続に替わって、電波を利用したワイヤレス通信機能が利用されることがある（例えば特許文献１参照）。図８はこのようなワイヤレス通信機能を利用した従来のワイヤレス計測システムの構成を示すブロック図である。ワイヤレス計測システムは、一般に、リレーノードやゲートウェイノードなどの親ノードである情報処理機器１０１と、末端のリーフノード（子ノード）であるワイヤレス通信機器１０２とから構成される。ワイヤレス通信機器１０２から無線送信されるデータは、情報処理機器１０１を通じてデータベース１０３へ蓄積される。

ワイヤレス通信機器１０２は、ネットワークの末端にあるノードで、通信を行なう回数も情報処理機器１０１に比べて少ない。そのため、電力消費量も情報処理機器１０１に比べて小さいことが特長である。また、ワイヤレス計測機器に対しては信号線と同時に給電線もなくすことが望まれている。したがって、ワイヤレス通信機器１０２は、電源として電池を利用する構成となる場合が多い。図９（Ａ）、図９（Ｂ）はワイヤレス通信機器１０２の具体例を示す図である。図９（Ａ）の例では、センサ１０４と電池式ワイヤレス通信機器１０２ａとが別体となっている。図９（Ｂ）の例では、ワイヤレス通信機器はセンサを内部に備えたセンサ一体型電池式ワイヤレス通信機器１０２ｂとなっている。このように、ワイヤレス通信機器１０２は、電源として電池を利用していることが多い。このため、動作可能な時間に制約があった。

特開２００８−１４８０３２号公報

特許文献１に開示されたシステムでは、親ノードの候補が複数ある場合に、リーフノードから通信可能な親ノードを探す探索信号を送ると、この探索信号に応じて各親ノードが応答を返す。リーフノードは、応答の早い親ノードを選んで定常的に通信する関係を結ぶ。また、リーフノードは、親ノードとの直接接続が不能となった場合、親ノードとの定常的に通信する関係を解消することなく、他のノードを経由した迂回経路を通して親ノードとの間の通信を継続する。

特許文献１に開示されたシステムでは、リーフノードの接続先として応答の早い親ノードが選ばれているので、リーフノードの動作時間も短くなり、結果的にリーフノードの電池寿命にも有利になっているはずである。しかしながら、実際のフィールドでは、リーフノードの電池寿命が想定外に短くなるケースが発生するという問題点があった。つまり、特許文献１に開示されたシステムのように応答の早さを考慮しての親ノードの選定では、不十分と考えられる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、子ノードが親ノードを選定する場合において、子ノードの電池寿命が想定外に短くなる確率を低減することができる無線通信システムおよび親ノード探索方法を提供することを目的とする。

本発明の無線通信システムは、上位の通信機器である親ノードと、下位の通信機器である子ノードとを有し、前記親ノードは、前記子ノードから送信された親ノード探索信号を受信する親ノード探索信号受信手段と、前記親ノード探索信号を受信したときに、この親ノード探索信号を送信した子ノードとの間の無線リンクの強さを測定する測定手段と、前記無線リンクの強さが閾値以上の場合に、返信待ち時間を最小にして、前記親ノード探索信号の送信元の子ノードに応答信号を返信し、前記無線リンクが前記閾値より弱い場合は、前記応答信号を返信せずに処理を終了する返信手段とを備え、前記子ノードは、前記親ノード探索信号と共に前記閾値を前記親ノードに送信する送信手段と、前記応答信号を受信する応答信号受信手段と、前記親ノード探索信号を送信してから前記応答信号を受信するまでの待ち時間に基づいて、自ノードと定常的に通信する親ノードを選定し、この選定に際して前記応答信号を最も速く返信してきた親ノードを選定する親ノード選定手段と、前記親ノード探索信号の送信後に前記親ノードからの応答信号を受信できなかった場合に、前記閾値を現在値よりも小さい値に変更して、前記親ノード探索信号と変更後の閾値との再送信を前記送信手段に実行させる閾値変更手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の無線通信システムの１構成例において、前記測定手段は、前記無線リンクの強さを表す指標としてＲＳＳＩを測定することを特徴とするものである。

本発明の親ノード探索方法は、下位の通信機器である子ノードが、親ノード探索信号と共に閾値を上位の通信機器である親ノードに送信する送信手順と、前記親ノードが、前記子ノードから送信された親ノード探索信号を受信する親ノード探索信号受信手順と、前記親ノードが、前記親ノード探索信号を受信したときに、この親ノード探索信号を送信した子ノードとの間の無線リンクの強さを測定する測定手順と、前記親ノードが、前記無線リンクの強さが閾値以上の場合に、返信待ち時間を最小にして、前記親ノード探索信号の送信元の子ノードに応答信号を返信し、前記無線リンクが前記閾値より弱い場合は、前記応答信号を返信せずに処理を終了する返信手順と、前記子ノードが、前記応答信号を受信する応答信号受信手順と、前記子ノードが、前記親ノード探索信号を送信してから前記応答信号を受信するまでの待ち時間に基づいて、自ノードと定常的に通信する親ノードを選定し、この選定に際して前記応答信号を最も速く返信してきた親ノードを選定する親ノード選定手順と、前記子ノードが、前記親ノード探索信号の送信後に前記親ノードからの応答信号を受信できなかった場合に、前記閾値を現在値よりも小さい値に変更して、前記親ノード探索信号と変更後の閾値との再送信を実行する閾値変更手順とを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、親ノードが、子ノードから親ノード探索信号を受信したときに、親ノード探索信号を送信した子ノードとの間の無線リンクの強さを測定し、無線リンクの強さに応じた返信待ち時間だけ待機した後に、親ノード探索信号の送信元の子ノードに応答信号を返信し、子ノードが、親ノード探索信号を送信してから応答信号を受信するまでの待ち時間に基づいて、自ノードと定常的に通信する親ノードを選定するようにしたことにより、子ノードは通信の安定性を考慮して親ノードを選定することができる。その結果、本発明では、通信のやり直しが増える確率を低減することができ、子ノードの電池寿命が想定外に短くなる確率を低減することができる。また、本発明では、子ノード側の探索処理負荷を軽減することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る無線通信システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る無線通信システムの子ノードの動作を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係る無線通信システムの親ノードの動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る無線通信システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る無線通信システムの親ノードの動作を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係る無線通信システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る無線通信システムの子ノードの動作を示すフローチャートである。 従来のワイヤレス計測システムの構成を示すブロック図である。 図８のワイヤレス計測システムのワイヤレス通信機器の具体例を示す図である。

［発明の原理１］
子ノードの電池寿命が想定外に短くなる要因は、通信が不安定な親ノード（リンクが弱い親ノード）が選定された場合に、通信のやり直しが増えることにあると、発明者は特定した。子ノードから通信可能な親ノードの探索信号が送られた場合に、親ノードは特に一定のルールもなくハードウェアなどに依存した任意の速度で返信する。このような返信の仕方の改善が有効であることに着眼した。

そこで、発明者は、子ノードとのリンクの強さ（ＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator）：受信信号の強度を示す数値）に基づいて親ノードが返信待ち時間を変化させるようにすればよいこと、より具体的にはリンクの強さが強いほど早く返信させ、弱いほど遅く返信させるようにすればよいことに想到した。子ノードは、返信の順番によって親ノードとのリンクの強さの順位を知ることができるので、通信の安定性を考慮して親ノードを選定することができる。つまり、子ノードは、最も速く返信してきた親ノードを選べばよい。このような方法により、子ノード側の探索処理負荷も軽減することができる。

［発明の原理２］
また、発明者は、子ノードとのリンク強さ（ＲＳＳＩ）が閾値以上の親ノードが最速で返信すればよいこと、すなわちリンクの強さが閾値以上のものが早く返信すればよいことに想到した。子ノードは、返信してきた親ノードが自ノードとのリンクの強さが特定の強さ以上のノードであり、その中でどれが最短時間で通信が可能であるかを知ることができるので、通信の安定性と通信の早さの両面を考慮して親ノードを選定することができる。つまり、子ノードは、最も速く返信してきた親ノードを選べばよい。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る無線通信システムの構成を示すブロック図である。本実施の形態は、上記発明の原理１に基づくものである。
無線通信システムは、上位の通信機器である親ノード１と、例えば親ノード１に計測データを送信するセンサ機器などの下位の通信機器である子ノード（リーフノード）２とから構成される。

親ノード１は、無線リンクを介して子ノード２から信号を受信する信号受信部１０と、子ノード２から親ノード探索信号を受信したときに、この親ノード探索信号を送信した子ノード２との間の無線リンクの強さを表す指標であるＲＳＳＩを測定するＲＳＳＩ測定部１１と、無線リンクの強さに応じて返信待ち時間を決定する返信待ち時間決定部１２と、無線リンクの強さに応じた返信待ち時間だけ待機した後に、親ノード探索信号の送信元の子ノード２に応答信号を返信する返信待ち時間待機処理部１３と、無線リンクを介して子ノード２に信号を送信する信号送信部１４とから構成される。返信待ち時間待機処理部１３と信号送信部１４とは、応答信号を返信する返信手段を構成している。

子ノード２は、無線リンクを介して親ノード１に信号を送信する信号送信部２０と、無線リンクを介して親ノード１から信号を受信する信号受信部２１と、親ノード探索信号を送信してから応答信号を受信するまでの待ち時間に基づいて、自ノードと定常的に通信する親ノードを選定する親ノード選定部２２と、親ノード選定部２２が選定した親ノード１のアドレスを記憶する親ノード記憶部２３と、子ノード２の各構成に電力を供給する電池２４とから構成される。

子ノード２が温度や湿度、流量などの状態量を計測するセンサ機器である場合、子ノード２の信号送信部２０は、図示しないセンサ部から動作周期毎に計測データを取得し、取得した計測データを無線リンクを介して親ノード１に送信する。
親ノード１の信号受信部１０は、子ノード２から無線リンクを介してデータを受信すると、このデータを図示しないデータベースに格納する。データベースに格納されたデータは、必要に応じて処理される。親ノード１が例えば制御機器である場合、親ノード１は、子ノード２から受信したデータ（状態量）に基づいて、温度制御、湿度制御、流量制御などを行う。

次に、子ノード２が行う親ノード探索処理について説明する。図２は子ノード２の動作を示すフローチャート、図３は親ノード１の動作を示すフローチャートである。
最初に、定常的に通信する親ノード１を探索したい子ノード２の親ノード選定部２２は、信号送信部２０に親ノード探索信号を無線送信させる（図２ステップＳ１００）。このとき、子ノード２は、複数の親ノード１の中から通信の安定した親ノード１を探索したいのであるから、親ノード探索信号を全ての親ノード１に向けてマルチキャスト送信する。

一方、各親ノード１の信号受信部１０は、子ノード２からの親ノード探索信号を受信すると（図３ステップＳ２００においてＹＥＳ）、この親ノード探索信号をＲＳＳＩ測定部１１に渡す。
ＲＳＳＩ測定部１１は、親ノード探索信号の強度を測定することにより、ＲＳＳＩを測定する（ステップＳ２０１）。このＲＳＳＩは、親ノード探索信号を送信した子ノード２との間の無線リンクの強さを表している。

親ノード１の返信待ち時間決定部１２には、ＲＳＳＩと返信待ち時間との関係が予め登録されている。この関係は、反比例の関係、すなわちＲＳＳＩが強いほど返信待ち時間が短くなり、ＲＳＳＩが弱いほど返信待ち時間が長くなるように設定されている。この予め登録された関係に基づいて、返信待ち時間決定部１２は、ＲＳＳＩに応じた返信待ち時間を決定する（ステップＳ２０２）。

返信待ち時間待機処理部１３は、決定された返信待ち時間だけ待機した後に（ステップＳ２０３）、信号送信部１４に対して応答信号の送信を指示する。この指示に応じて、信号送信部１４は、親ノード探索信号の送信元の子ノード２に応答信号を無線送信する（ステップＳ２０４）。子ノード２から送信された親ノード探索信号には送信元アドレスとして子ノード２のアドレスが添付されているので、信号送信部１４は、この送信元アドレスを有する子ノード２宛に応答信号を送信することが可能である。
親ノード探索信号を受信した各親ノード１は、以上のような処理を行う。

次に、子ノード２の信号受信部２１は、各親ノード１からの応答信号を受信すると（図２ステップＳ１０１においてＹＥＳ）、この応答信号を親ノード選定部２２に渡す。親ノード選定部２２は、親ノード探索信号を送信してから応答信号を受信するまでの待ち時間に基づいて、自ノードと定常的に通信する親ノード１を選定する（ステップＳ１０２）。親ノード選定部２２は、待ち時間が最も短い親ノード１、すなわち応答信号を最も速く返信してきた親ノード１を選び、この親ノード１が返信してきた応答信号に含まれる送信元アドレスを親ノード記憶部２３に格納する。こうして、選定された親ノード１と子ノード２との間に定常的に通信する関係が結ばれる。
以後、子ノード２の信号送信部２０は、定常的に通信する関係を結んだ親ノード１宛に計測データを送信する。

本実施の形態では、子ノード２は通信の安定性を考慮して親ノード１を選定することができる。その結果、本実施の形態では、通信のやり直しが増える確率を低減することができ、子ノードの電池寿命が想定外に短くなる確率を低減することができる。
なお、図２、図３の処理は１度だけとは限らず、定期的に行うようにしてもよい。これにより、最新の通信状況に応じた適切な親ノードを選定することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は本発明の第２の実施の形態に係る無線通信システムの構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態は、上記発明の原理２に基づくものである。
本実施の形態の無線通信システムは、親ノード１ａと、子ノード２とから構成される。

親ノード１ａは、信号受信部１０と、ＲＳＳＩ測定部１１と、信号送信部１４と、無線リンクの強さが閾値以上の場合に、返信待ち時間を最小にして、親ノード探索信号の送信元の子ノード２に応答信号を返信し、無線リンクが閾値より弱い場合は、応答信号を返信せずに処理を終了するＲＳＳＩ閾値判定部１５とから構成される。本実施の形態では、信号送信部１４とＲＳＳＩ閾値判定部１５とが返信手段を構成している。子ノード２の構成は、第１の実施の形態と同じである。

次に、子ノード２が行う親ノード探索処理について説明する。図５は親ノード１ａの動作を示すフローチャートである。
第１の実施の形態で説明したとおり、定常的に通信する親ノード１ａを探索したい子ノード２は、親ノード探索信号を送信する（図２ステップＳ１００）。

第１の実施の形態と同様に、各親ノード１ａの信号受信部１０は、子ノード２からの親ノード探索信号を受信すると（図５ステップＳ２００においてＹＥＳ）、この親ノード探索信号をＲＳＳＩ測定部１１に渡す。
ＲＳＳＩ測定部１１は、親ノード探索信号の強度を測定することにより、ＲＳＳＩを測定する（ステップＳ２０１）。

親ノード１ａのＲＳＳＩ閾値判定部１５は、ＲＳＳＩ測定部１１が測定したＲＳＳＩと予め規定された閾値とを比較し、ＲＳＳＩが閾値以上である場合のみ（ステップＳ２０５においてＹＥＳ）、信号送信部１４に対して応答信号の送信を指示する。この指示に応じて、信号送信部１４は、親ノード探索信号の送信元の子ノード２に応答信号を無線送信する（ステップＳ２０６）。このステップＳ２０６の処理は、第１の実施の形態において返信待ち時間を最小（０）にして応答信号を返信することに相当する。
各親ノード１ａからの応答信号を受信した子ノード２の動作は、第１の実施の形態で説明したとおりである。

こうして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、第１の実施の形態と同様に、図２、図５の処理は１度だけとは限らず、定期的に行うようにしてもよい。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、ＲＳＳＩとの比較に使用される閾値を予め規定されたものとしたが、子ノードから親ノードに閾値を送るようにしてもよい。図６は本発明の第３の実施の形態に係る無線通信システムの構成を示すブロック図であり、図１、図４と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の無線通信システムは、親ノード１ａと、子ノード２ａとから構成される。

親ノード１ａの構成は、第２の実施の形態と同じである。子ノード２ａは、信号送信部２０ａと、信号受信部２１と、親ノード選定部２２ａと、親ノード記憶部２３と、電池２４と、ＲＳＳＩとの比較に使用される閾値の現在値を記憶する閾値記憶部２５とから構成される。親ノード選定部２２ａと閾値記憶部２５とは、閾値変更手段を構成している。

次に、子ノード２ａが行う親ノード探索処理について説明する。図７は子ノード２ａの動作を示すフローチャートである。
子ノード２ａの親ノード選定部２２ａは、親ノード探索信号と閾値記憶部２５に記憶されている閾値とを信号送信部２０ａに無線送信させる（図７ステップＳ１０３）。

親ノード探索信号と閾値とを受信した親ノード１ａの動作は、第２の実施の形態と同様である。親ノード１ａのＲＳＳＩ閾値判定部１５は、信号受信部１０が受信した閾値をステップＳ２０５の判定で使用すればよい。
次に、子ノード２ａの親ノード選定部２２ａは、親ノード１ａからの応答信号を受信できない場合（ステップＳ１０４においてＮＯ）、閾値が高過ぎたと判断し、閾値記憶部２５に記憶されている閾値を所定の変更幅だけ小さくして（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０３に戻る。

こうして、少なくとも１つの親ノード１ａから応答信号を受信できるまで、ステップＳ１０３〜Ｓ１０５の処理が繰り返し行われる。
親ノード選定部２２ａは、少なくとも１つの親ノード１ａから応答信号を受信できた場合（ステップＳ１０４においてＹＥＳ）、自ノードと定常的に通信する親ノード１ａを選定する（ステップＳ１０６）。このステップＳ１０６の処理は、図２のステップＳ１０２と同じである。

第１の実施の形態と同様に、図５、図７の処理は１度だけとは限らず、定期的に行うようにしてもよい。この場合、親ノード選定部２２ａは、親ノードの選定が終了した時点で閾値を初期値に戻すようにしてもよい。

第１〜第３の実施の形態の親ノード１，１ａの信号受信部１０と信号送信部１４とを除く構成は、ＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。親ノード１，１ａのＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１〜第３の実施の形態で説明した処理を実行する。
同様に、第１〜第３の実施の形態の子ノード２，２ａの信号送信部２０，２０ａと信号受信部２１と電池２４とを除く構成は、ＣＰＵおよび記憶装置を備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。子ノード２，２ａのＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１〜第３の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、無線通信システムにおいて、子ノードが親ノードを選定する技術に適用することができる。

１，１ａ…親ノード、２，２ａ…子ノード、１０…信号受信部、１１…ＲＳＳＩ測定部、１２…返信待ち時間決定部、１３…返信待ち時間待機処理部、１４…信号送信部、１５…ＲＳＳＩ閾値判定部、２０，２０ａ…信号送信部、２１…信号受信部、２２，２２ａ…親ノード選定部、２３…親ノード記憶部、２４…電池、２５…閾値記憶部。

Claims (4)

1. 上位の通信機器である親ノードと、下位の通信機器である子ノードとを有し、
   前記親ノードは、
   前記子ノードから送信された親ノード探索信号を受信する親ノード探索信号受信手段と、
   前記親ノード探索信号を受信したときに、この親ノード探索信号を送信した子ノードとの間の無線リンクの強さを測定する測定手段と、
   前記無線リンクの強さが閾値以上の場合に、返信待ち時間を最小にして、前記親ノード探索信号の送信元の子ノードに応答信号を返信し、前記無線リンクが前記閾値より弱い場合は、前記応答信号を返信せずに処理を終了する返信手段とを備え、
   前記子ノードは、
   前記親ノード探索信号と共に前記閾値を前記親ノードに送信する送信手段と、
   前記応答信号を受信する応答信号受信手段と、
   前記親ノード探索信号を送信してから前記応答信号を受信するまでの待ち時間に基づいて、自ノードと定常的に通信する親ノードを選定し、この選定に際して前記応答信号を最も速く返信してきた親ノードを選定する親ノード選定手段と、
   前記親ノード探索信号の送信後に前記親ノードからの応答信号を受信できなかった場合に、前記閾値を現在値よりも小さい値に変更して、前記親ノード探索信号と変更後の閾値との再送信を前記送信手段に実行させる閾値変更手段とを備えることを特徴とする無線通信システム。
2. 請求項１記載の無線通信システムにおいて、
   前記測定手段は、前記無線リンクの強さを表す指標としてＲＳＳＩを測定することを特徴とする無線通信システム。
3. 下位の通信機器である子ノードが、親ノード探索信号と共に閾値を上位の通信機器である親ノードに送信する送信手順と、
   前記親ノードが、前記子ノードから送信された親ノード探索信号を受信する親ノード探索信号受信手順と、
   前記親ノードが、前記親ノード探索信号を受信したときに、この親ノード探索信号を送信した子ノードとの間の無線リンクの強さを測定する測定手順と、
   前記親ノードが、前記無線リンクの強さが閾値以上の場合に、返信待ち時間を最小にして、前記親ノード探索信号の送信元の子ノードに応答信号を返信し、前記無線リンクが前記閾値より弱い場合は、前記応答信号を返信せずに処理を終了する返信手順と、
   前記子ノードが、前記応答信号を受信する応答信号受信手順と、
   前記子ノードが、前記親ノード探索信号を送信してから前記応答信号を受信するまでの待ち時間に基づいて、自ノードと定常的に通信する親ノードを選定し、この選定に際して前記応答信号を最も速く返信してきた親ノードを選定する親ノード選定手順と、
   前記子ノードが、前記親ノード探索信号の送信後に前記親ノードからの応答信号を受信できなかった場合に、前記閾値を現在値よりも小さい値に変更して、前記親ノード探索信号と変更後の閾値との再送信を実行する閾値変更手順とを含むことを特徴とする親ノード探索方法。
4. 請求項３記載の親ノード探索方法において、
   前記測定手順は、前記無線リンクの強さを表す指標としてＲＳＳＩを測定することを特徴とする親ノード探索方法。

Images