JP6967896B2 - 通信装置及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、通信装置及びプログラムに関する。

近年、低消費電力型の広域ネットワーク技術の一つであるＬｏＲａ（Long Range）が注目されている。しかし、現状では、ＬｏＲａネットワークは、シングルホップのスター・トポロジで構成されており、用途が限定されている。このため、ＬｏＲａネットワークをマルチホップネットワークとして構成することが望まれている。

なお、ＬｏＲａとは異なるが、ZigBeeと呼ばれる近接通信規格（IEEE802.15.4）を用いて同時的伝送（ＣＴ：Concurrent Transmission）を行い、マルチホップネットワークを構成する例が、非特許文献１に開示されている。

F. Ferrari, et al., "Efficient network flooding and time synchronization with Glossy," in Proc. ACM/IEEE IPSN’11, pp.73-84, April 2011.

しかしながらＬｏＲａネットワークにおいて、同時的伝送をそのまま適用すると、内容が同一の信号間で衝突が発生し、伝送に支障があることがわかってきた。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、ＬｏＲａネットワークにおいてマルチホップネットワークを構成できる通信装置及びプログラムを提供することを、その目的の一つとする。

上記従来例の問題点を解決する本発明の一態様は、マルチホップ通信を行う通信装置であって、送信の対象となる情報を取得する取得手段と、前記取得した情報を表す送信対象信号を送信する送信手段と、前記送信手段を制御し、所定の方法で決定した遅延時間だけ遅延してから前記送信対象信号を送信開始させる送信制御手段と、を含むものである。

本発明の通信装置によれば、ＬｏＲａの規格に基づく通信を行う際に、信号間での衝突を抑制して、マルチホップネットワークを構成することができる。

本発明の実施の形態に係る通信装置１の構成、及び当該通信装置１を含むシステムの例を表すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る通信装置１の例を表す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態に係る通信装置１による通信タイミングの例を表すタイミングチャート図である。 本発明の実施の形態に係る通信装置１の動作例を表すフローチャート図である。 本発明の実施の形態に係る通信装置１による通信タイミングの別の例を表すタイミングチャート図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態に係る通信装置１は、図１に例示するように、制御部１１と、記憶部１２と、通信部１３と、を含んで構成され、他の通信装置１との間でマルチホップ通信を行って信号を送受する。すなわち、図１の例では、通信装置１ａがイニシエーターとして動作し、外部（例えば図示しないパーソナルコンピュータＰＣ等）から取得した情報を、当該通信装置１ａから通信可能な他の通信装置１ｂ，１ｃに対して送信する。また、通信装置１ｂ，１ｃは、それぞれ、通信装置１ａから受信した情報を、さらに他の通信装置１ｄ，１ｅ…に送信し…というように、各通信装置１が順次、他の通信装置１に情報を送信する。

各通信装置１（以下、通信装置１ａ，１ｂ…をそれぞれ区別しないときは総称して通信装置１と表記する）の制御部１１は、ＣＰＵ等のプログラム制御デバイスであり、記憶部１２に格納されたプログラムに従って動作する。本実施の形態では、この制御部１１は、送信の対象とする情報を取得し、当該取得した情報を通信部１３に出力して、所定の方法で符号化した送信対象信号を生成させる。

またこの制御部１１は、通信部１３を制御して、所定の方法で決定した遅延時間だけ遅延してから送信対象信号の送信を開始させる。この制御部１１の詳しい動作については後に説明する。

記憶部１２は、ＥＥＰＲＯＭ等のメモリデバイス等であり、制御部１１によって実行されるプログラムを保持する。このプログラムは、コンピュータ可読、かつ非一時的な記録媒体に格納されて提供され、この記憶部１２に格納されたものであってもよい。また、この記憶部１２は、制御部１１のワークメモリとして動作するＲＡＭ（Random Access Memory）を含んでもよい。

通信部１３は、制御部１１から入力される指示に従って、他の通信装置宛に信号を送出する。本実施の形態では、この通信部１３は、制御部１１から入力される送信対象情報を、３以上の信号点を有する周波数シフトキーイング、すなわちM-ary FSK（Frequency Shift Keying）により変調し、さらにアップチャープして、ＬｏＲａネットワークの規格で定められた送信対象信号を得る。この送信対象信号は、複数シンボル分の信号を符号化して連結して得たパケットである。なお、このパケットには、プリアンブルや、ヘッダ、フッタなどがさらに含まれてもよい。通信部１３は、制御部１１から入力される指示に従い、当該送信対象信号を送出する。

本実施の形態では、この通信部１３は、後に説明するように、制御部１１から送信対象信号の送信タイミングを表す指示を受けて、当該指示により表される送信タイミングで送信対象信号を送信する。この通信部１３の動作例については後に述べる。

またこの通信部１３は、他の通信装置１から受信する送信対象信号を復調して送信対象情報を得て、当該送信対象情報を制御部１１に出力する動作を行ってもよい。ここで通信部１３は、送信側でチャープ変調が行われている場合は、受信したダウンチャープし、さらに送信対象信号を復調して送信対象情報を得て、当該送信対象情報を制御部１１に出力する。

本実施の形態では、制御部１１は、機能的には、図２に例示するように、情報取得部２１と、送信制御部２２と、送信処理部２３と、を含んで構成されている。

情報取得部２１は、イニシエーターとして機能する通信装置１においては、外部（例えば図示しないパーソナルコンピュータＰＣ等）から通信部１３等を介して送信の対象となる送信対象情報を取得する。また、この情報取得部２１は、イニシエーターとは異なる通信装置１（以下、リレーとなる通信装置１と呼ぶ）においては、通信部１３が他の通信装置１から受信した送信対象信号を復号して送信の対象となる送信対象情報を取得する。

なお、本実施の形態においては、リレーとなる通信装置１には、複数の他の通信装置１からの送信対象信号が到来することがあるが、情報取得部２１は、そのうち、信号電力が最大のものを選択的に受信することとする。このような受信の方法は、広く知られた方法を採用することができるので、ここでの詳しい説明は省略する。

送信制御部２２は、送信対象信号の送信タイミングを決定する。具体的に、リレーとなる通信装置１において、この送信制御部２２は、通信部１３が生成する送信対象信号を送信するタイミングとして、所定の送信タイミングからの遅延時間を決定する。

送信処理部２３は、想定される送信対象信号の送信タイミングから送信制御部２２が決定した遅延時間が経過したタイミングで、送信対象信号を通信部１３に出力して１パケット分の信号の送信を指示する。

［動作］
本実施の形態の通信装置１は、以上の構成を備えており、次のように動作する。本実施の形態の一例として、リレーとなる通信装置１における送信制御部２２は、遅延時間を決定する所定の方法として、送信対象信号（パケット）の本来の送信開始のタイミングからランダムに遅延時間を決定する。ここでランダムな遅延時間は、予め定められたしきい値（ランダムに発行され得る値の最大値Ｒmax）を下回る値の一様乱数により定めればよい。

この例では、図３に例示するように、イニシエーターとして動作する通信装置１ａがパーソナルコンピュータＰＣから取得した送信対象情報を、ＬｏＲａネットワークの規格で定められた変調方式であるM-ary FSK（Frequency Shift Keying）により変調して送信対象信号を生成する。そしてこの通信装置１ａは当該送信対象信号を（チャープ変調して）無線にて送信する。図３では、１パケット分の信号（ＳＳ１ａ）が送信された状態を示している。本実施の形態では、各シンボルの信号を連結してパケットとしているので、シンボル長をＴｓとすると、１パケット分のパケット長Ｔｘは、このシンボル長Ｔｓの整数倍となる。図３における１パケット分の信号は、このパケット長Ｔｘの長さとなる。一般的にＴｘはＴｓの１０倍以上となるのが普通であるが、図３では、図示の都合上、Ｔｘの長さを極端に小さくして（例えばＴｘ＝Ｔｓの程度として）表記している。

一方、通信装置１ｂ，１ｃは、それぞれ遅延時間を表すランダム値τ1，τ2を発行しておく。そして通信装置１ａからの無線の信号が到来する範囲に在圏する通信装置１ｂ，１ｃは、それぞれ、通信装置１ａが送出した１パケット分の信号（ＳＳ１ａ）を受信する。

通信装置１ｂ，１ｃは、予め定められた送信対象信号の基準送信タイミング（例えば、前段の通信装置１から送信対象信号の受信が完了したタイミング、あるいは当該タイミングから予め各通信装置１で共通に定められた時間Ｔｐだけ経過したタイミング。なお、ここで時間Ｔｐは、ランダムに発行され得る値の最大値Ｒmax以上としておいてもよい。図３の例では、前段の通信装置１から送信対象信号の受信が完了したタイミングとする）から、発行した値に対応する時間τ1，τ2だけそれぞれ遅延してから、受信した送信対象信号に対応する送信対象信号を送信する（ＳＳ１ｂ，ＳＳ１ｃ）。以下、この通信装置１ｂ，１ｃは、続いて受信される送信対象信号（ＳＳ２，ＳＳ３…）についても、それぞれ受信完了のタイミングから、発行した値に対応する時間τ1，τ2だけそれぞれ遅延してから、受信した送信対象信号に対応する送信対象信号を送信する。

さらに、通信装置１ｄ，１ｅがそれぞれ、通信装置１ｂまたは通信装置１ｃが送出した１パケット分の送信対象信号（ＳＳ１ｂまたはＳＳ１ｃ）のうち、それぞれ信号強度が強い信号を受信する。図３の例では、通信装置１ｄは、通信装置１ｂの送信対象信号を受信し、通信装置１ｅは、通信装置１ｃの送信対象信号を受信するものとする。ここで通信装置１ｄ，１ｅは、それぞれ遅延時間を表すランダム値τ3，τ4を発行しているものとする。

通信装置１ｄ，１ｅは、予め定められた送信対象信号の基準送信タイミング（ここでは前段の通信装置１から送信対象信号の受信が完了したタイミング）から、発行した値に対応する時間τ3，τ4だけそれぞれ遅延してから、受信した送信対象信号に対応する送信対象信号を送信する（ＳＳ１ｄ，ＳＳ１ｅ）。従って、ここでの例では、通信装置１ｄ，１ｅが送出する送信対象信号は、各通信装置１が前段の通信装置１から送信対象信号の受信が完了したタイミングですぐに送信対象信号を送出する場合に比べ、それぞれ時間τ1＋τ3，時間τ2＋τ4だけ遅延していることとなる。

なお、ここで送信制御部２２が発行するランダムな値の最大値Ｒmaxは、シンボル長Ｔｓに対応する値としておいてもよい。この場合、遅延時間は最大でも１シンボル分の時間となる。

［遅延時間の調整］
本実施の形態のここまでに説明した例では、ランダムに発行される値によっては、複数の経路で送信される同じ内容の信号が、互いに大きく異なる時刻に配信されることとなり得る。例えば上述の例において、τ1＞τ2、かつτ3＞τ4であると、τ1＋τ3＞＞τ2＋τ4となって、通信装置１ａ→通信装置１ｂ→通信装置１ｄの経路で送信される信号の遅延が、通信装置１ａ→通信装置１ｃ→通信装置１ｅの経路で送信される信号の遅延より著しく大きくなることがあり得る。

そこで、このような経路間の遅延差が大きくなることが好ましくない場合があることを考慮して、本実施の形態の通信装置１は、次のように動作してもよい。すなわち本実施の形態の別の例に係る通信装置１（リレーとなる通信装置１）では、制御部１１が、送信対象情報に対して、発行した、遅延時間を表すランダムな値の情報を含める。つまり本実施の形態のここでの例では、リレーとなる通信装置１は、送信する信号に、当該信号の送信に係る遅延時間の情報を含める。

またこの例の制御部１１は、前段の通信装置１から受信した送信対象信号を復調して得た送信対象情報に、遅延時間に係る情報が含まれるか否かを判断し、含まれる場合は、当該遅延時間に係る情報を用いて、自己が送信対象信号を送信する際の遅延時間を決定する。具体的にこの例の（リレーとなる通信装置１の）制御部１１は、図４に例示するように、前段の通信装置１から受信した送信対象信号を復調した送信対象情報を取得する（Ｓ１１）。

制御部１１は、取得した送信対象情報に遅延時間を表す情報が含まれているか否かを調べ（Ｓ１２）、含まれていなければ（Ｓ１２：Ｎｏ）、上述の例と同様に、予め定められたしきい値（ランダムに発行され得る値の最大値Ｒmax）を下回るランダムな値を発行して（Ｓ１３）、処理Ｓ１７に移行する。

また制御部１１は、取得した送信対象情報に遅延時間を表す情報が含まれていると判断したときには（Ｓ１２：Ｙｅｓ）、予め送信対象信号を送信する時間として定められている時間Ｔ（実際に１パケット分の信号を送信するのに要する時間Ｔｘに、所定長のガードタイムを加算した時間。ここでガードタイムは、少なくとも、後に説明する遅延時間Ｔ′以上の時間、例えば遅延時間としてランダムに発行され得る値の最大値Ｒmaxに相当する時間としておく）から、処理Ｓ１１で取得した情報に含まれる遅延時間τpを差引きした時間Ｔ′を求める（Ｓ１４）。

制御部１１は、さらに、予め定められたしきい値（ランダムに発行され得る値の最大値Ｒmax）を下回るランダムな値を発行し（Ｓ１５）、このランダムな値が表す時間τc′と、処理Ｓ１４で求めた時間Ｔ′とを加算して、遅延時間τc＝τc′＋Ｔ′を求める（Ｓ１６）。

制御部１１は、送信対象情報を生成する（Ｓ１７）。ここで送信対象情報は、処理Ｓ１２において、取得した送信対象情報に遅延時間を表す情報が含まれていないと判断されたときには、処理Ｓ１１で取得した送信対象情報に、処理Ｓ１３で発行した値に対応する遅延時間の情報を含めて、新たな送信対象情報として生成する。

また制御部１１は、処理Ｓ１２において、取得した情報に遅延時間を表す情報が含まれていると判断したときには、処理Ｓ１１で取得した送信対象情報のうち、遅延時間に係る情報（前段の通信装置１の遅延時間に係る情報）を除き、処理Ｓ１６で求めた遅延時間の情報を含めて、新たな送信対象情報とする。

制御部１１は、さらに、予め定められたシンボルの基準送信タイミング（例えば前段の通信装置１から送信対象信号の受信が完了したタイミング）から、処理Ｓ１３で発行した値に対応する遅延時間、または処理Ｓ１７で求めた遅延時間だけ遅れた時間で、処理Ｓ１７で生成した送信対象情報を符号化して得た送信対象信号を送出する（Ｓ１８）。

本実施の形態のここでの例によれば、図５に例示するように、イニシエーターとして動作する通信装置１ａがパーソナルコンピュータＰＣから取得した送信対象情報を、ＬｏＲａネットワークの規格で定められた変調方式であるM-ary FSK（Frequency Shift Keying）により変調して送信対象信号を生成する。そしてこの通信装置１ａは当該送信対象信号を（チャープ変調して）無線にて送信する。図５では、送信対象信号（ＳＳ１ａ）が送信された状態を示している。

一方、通信装置１ａからの無線の信号が到来する範囲に在圏する通信装置１ｂ，１ｃは、それぞれ、通信装置１ａが送出した送信対象信号（ＳＳ１ａ）を受信する。ここで当該通信装置１ａが送出する送信対象信号が表す送信対象情報には、遅延時間に係る情報が含まれないので、通信装置１ｂ，１ｃは、受信した送信対象信号に対応する送信対象情報に、それぞれの遅延時間τ1，τ2を表す情報を含めた新たな送信対象情報を生成し、当該新たな送信対象情報を符号化して得た送信対象信号（ＳＳ１ｂ，ＳＳ１ｃ：遅延時間信号を含む送信対象信号）を生成する。そして通信装置１ｂ，１ｃはそれぞれ、予め定められた基準送信タイミング（ここでは前段の通信装置１ａから送信対象信号の受信が完了したタイミング）から、発行した値に対応する時間τ1，τ2だけそれぞれ遅延してから、生成した送信対象信号（ＳＳ１ｂ，ＳＳ１ｃ）を送出する。

以下、この通信装置１ｂ，１ｃは、続いて受信される送信対象信号（ＳＳ２，ＳＳ３…）についても、それぞれ受信完了のタイミングから、発行した値に対応する時間τ1，τ2だけそれぞれ遅延してから、受信した送信対象信号に対応する送信対象信号（それぞれに遅延時間の情報を含んでもよい）を送信する。

さらに、通信装置１ｄ，１ｅがそれぞれ、通信装置１ｂまたは通信装置１ｃが送出した送信対象信号（ＳＳ１ｂまたはＳＳ１ｃ）のうち、それぞれ信号強度が強い送信対象信号を受信する。図５の例では、通信装置１ｄは、通信装置１ｂの送信対象信号を受信し、通信装置１ｅは、通信装置１ｃの送信対象信号を受信するものとする。

通信装置１ｄが受信した送信対象信号に対応する送信対象情報には、通信装置１ｂによる遅延時間τ1を表す情報が含まれる。そこで通信装置１ｄは、遅延時間を表すランダムな値τ3を発行し、予め定められている時間Ｔｓ（ランダムな値として発行され得る値の最大値Ｒmaxが表す時間以上の時間としておく）から、上記受信したシンボルに含まれる情報で表される遅延時間τ1を差し引いて得た時間（Ｔｓ−τ1）に、発行したランダムな値が表す時間τ3を加算した遅延時間（（Ｔｓ−τ1）＋τ3）を得る。

同様に、通信装置１ｅが受信した送信対象信号に対応する送信対象情報には、通信装置１ｃによる遅延時間τ2を表す情報が含まれる。そこで通信装置１ｅは、遅延時間を表すランダムな値τ4を発行し、予め定められている時間Ｔｓから、上記受信した送信対象信号に含まれる情報で表される遅延時間τ２を差し引いて得た時間（Ｔｓ−τ2）に、発行したランダムな値が表す時間τ４を加算した遅延時間（（Ｔｓ−τ2）＋τ4）を得る。

また通信装置１ｂ，１ｃが送出する送信対象信号が表す情報には、遅延時間に係る情報が含まれるので、通信装置１ｄ，１ｅは、受信した送信対象信号に対応する送信対象情報から当該遅延時間の情報を除き、それぞれが発行した遅延時間τ3，τ4を表す情報を含めた送信対象情報を生成し、これを符号化して送信対象信号（ＳＳ１ｄ，ＳＳ１ｅ：遅延時間信号を含む送信対象信号）を生成する。

そして通信装置１ｄ，１ｅは、それぞれ、前段の通信装置１ｂまたは通信装置１ｃから送信対象信号の受信が完了したタイミングから、上記の方法で得たそれぞれの遅延時間（（Ｔｓ−τ1）＋τ3），（（Ｔｓ−τ2）＋τ4）だけそれぞれ遅延してから、それぞれ生成した送信対象信号を送信する（ＳＳ１ｄ，ＳＳ１ｅ）。従って、ここでの例では、通信装置１ｄ，１ｅが送出する送信対象信号は、各通信装置１が前段の通信装置１から送信対象信号の受信が完了したタイミングですぐに送信対象信号を送出する場合に比べ、それぞれ時間τ1＋（Ｔｓ−τ1）＋τ3＝Ｔｓ＋τ3，時間τ2＋（Ｔｓ−τ2）＋τ4＝Ｔｓ＋τ4だけ遅延していることとなる。

この例によると、通信装置１ｄ，１ｅが送出する送信対象信号の遅延時間の差は、高々｜τ4−τ3｜（ここで、｜ｘ｜はｘの絶対値を意味する）となり、前段までの遅延時間によらず、基準となる時間Ｔｓ（パケットの送信時間を含めれば、前段からの信号の受信後、Ｔｘ＋Ｔｓが基準時間となる）からの遅延時間で定められるので、伝搬経路によって遅延時間に大きな差が生じることがない。

［実施形態の効果］
本実施の形態によると、同じ内容の送信対象情報を含む送信対象信号が複数のノードから送信される際に、一般にそれぞれ互いに異なる遅延時間だけ遅延されて送信されることで、干渉の可能性を低減できる。すなわち、本実施の形態の例のＬｏＲａネットワークの規格に基づく通信のようにM-ary FSKが用いられる場合に、同じ信号を送信する複数の通信装置１が出力する通信信号のエネルギー分布（１シンボル時間分の通信信号電力の累算値）間の比（ある通信装置１の信号を受信している間の、当該信号の信号強度と、他の通信装置１が送出している信号の信号強度との累算値の比）は、当該複数の通信装置１が一斉に（互いに遅延時間なく）信号を送出する際に比べて、遅延時間分だけずれていることで、相対的に大きくなり、特定の通信装置１からの信号を選択的に受信しやすくなる。

これにより、ＬｏＲａネットワークの規格に基づく通信においても、効率的に、同時的伝送（ＣＴ：Concurrent Transmission）を行い、マルチホップネットワークを構成することが可能となる。

１ 通信装置、１１ 制御部、１２ 記憶部、１３ 通信部、２１ 情報取得部、２２ 送信制御部、２３ 送信処理部。

Claims (6)

1. マルチホップ通信を行う通信装置であって、
   送信の対象となる情報を取得する取得手段と、
   前記取得した情報を表す送信対象信号を送信する送信手段と、
   前記送信手段を制御し、所定の方法で決定した遅延時間だけ遅延してから前記送信対象
   信号を送信開始させる送信制御手段と、
   を含み、
   前記送信手段は、前記送信制御手段が決定した遅延時間を表す遅延時間信号を、前記取
   得した送信対象信号とともに送信する通信装置。
2. 請求項１に記載の通信装置であって、
   前記送信制御手段は、前記所定の方法としてランダムに前記遅延時間を決定する通信装
   置。
3. 請求項１に記載の通信装置であって、
   前記取得手段は、他の通信装置から、当該他の通信装置において決定された遅延時間を
   表す遅延時間信号と、送信の対象となる送信対象信号とを取得し、
   前記送信制御手段は、前記取得した遅延時間信号が表す遅延時間に基づいて定められる
   基準時間から、前記所定の方法で決定した遅延時間だけ遅延してから、前記送信手段に前
   記送信対象信号を送信開始させる通信装置。
4. マルチホップ通信を行う通信装置であって、
   送信の対象となる情報を取得する取得手段と、
   前記取得した情報を表す送信対象信号を送信する送信手段と、
   前記送信手段を制御し、所定の方法で決定した遅延時間だけ遅延してから前記送信対象
   信号を送信開始させる送信制御手段と、
   を含み、
   前記取得手段は、他の通信装置から、当該他の通信装置において決定された遅延時間を
   表す遅延時間信号と、送信の対象となる送信対象信号とを取得し、
   前記送信制御手段は、前記取得した遅延時間信号が表す遅延時間に基づいて定められる
   基準時間から、前記所定の方法で決定した遅延時間だけ遅延してから、前記送信手段に前
   記送信対象信号を送信開始させ、
   前記送信手段は、前記送信制御手段が決定した遅延時間を表す遅延時間信号を、前記取
   得した送信対象信号とともに送信する通信装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の通信装置であって、
   前記送信手段は、前記送信対象信号を、３以上の信号点を有する周波数シフトキーイン
   グにより変調して送信する通信装置。
6. マルチホップ通信を行う通信装置を、
   送信の対象となる情報を取得する取得手段と、
   前記取得した情報を表す送信対象信号を送信する送信手段と、
   前記送信手段を制御し、所定の方法で決定した遅延時間だけ遅延してから前記送信対象
   信号を送信開始させる送信制御手段と、
   として機能させ、
   前記送信手段として機能させる際には、前記送信制御手段が決定した遅延時間を表す遅延時間信号を、前記取得した送信対象信号とともに送信させるプログラム。
   
   

Images