JP7052545B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は無線通信システムに関する。

親機、及び親機に対して階層的に無線接続される複数段の子機からなる無線通信システムと、センタ装置とを有し、子機で取得された監視情報（ガスメータや水道メータの検針値、ガス漏れ警報や電池残量低下警報等）を親機経由でセンタ装置に通報する遠隔監視システムがある（特許文献１）。

この遠隔監視システムにおいて、センタ装置－親機間は無線や有線の商用通信回線を介して通信を行い、「親機，１段目子機，２段目子機，・・・，Ｎ段目子機」（Ｎは３以上の整数）により構成される無線通信システム内の無線通信は特定小電力無線などを用いて行う。

各子機にはガスメータ、水道メータ、ガス漏れ検知器等のセンサが接続されており、それらのセンサで生成された監視情報を取得し、その監視情報を含む電文を、１段目子機は直接親機に通報し、２段目子機，・・・，Ｎ段目子機は、上位（上段）の子機経由で、すなわち上位の子機を中継子機として親機に通報する多段中継通信を行う。

このような無線通信システムを構築する際、親機設置後に周辺に子機を順次設置していくことで、無線通信端末のネットワークエリアを広域的に構築することが一般的に行われている。

子機設置の際には、周囲の端末に端末検索電文（ルート検索電文）をブロードキャストし、周囲の端末（親機、子機）からの応答を受け取ることで周囲の端末の配下に接続可能なことを知る仕組みとなっている。この際に良好な通信状態を確保すべく、予め設定された一定以上の受信電界強度で応答した端末から優先的に選択する方法が一般的に知られている。

すなわち、子機を設置する際、子機は自端末の端末ＩＤ（端末識別情報）を付加した端末検索電文をブロードキャストし、所定時間内に周囲の端末（親機、子機）からの応答である端末応答電文（ルート応答電文）があるか否かチェックする。応答があった場合、端末応答電文に含まれている端末ＩＤ、受信電界強度（端末検索電文の受信電界強度）及び段数から、一定の閾値以上の受信電界強度の端末を上位端末候補とし、その端末ＩＤ及び段数を自端末の記憶部に格納する。

なお、このとき、端末検索電文の受信電界強度ではなく、端末検索電文の受信電界強度及び端末応答電文の子機での受信電界強度の双方に基づき、両者の平均値や低い方の値を採用することも知られている。つまり、端末検索電文の受信電界強度及び／又は端末応答電文の子機での受信電界強度を採用する。以下、本明細書では端末検索電文の受信電界強度及び端末応答電文の子機での受信電界強度の両者を含む概念の用語を通信電界強度と言う。

次に、この時に取得した通信電界強度や段数から、例えば段数が少なく、かつ通信電界強度の強い順に、第１通信ルート、第２通信ルートなどのルート番号を付ける。そして、これらの通信ルートの登録要求電文を第１通信ルート上の上位端末候補経由でセンタ装置に送信する。センタ装置は、登録要求の電文を受信し、通信ルートを登録して、登録完了電文を返信する。子機が登録完了電文を受信することで、上位端末候補が上位端末となり、通信ルートの登録が完了する。

また、設置後に周辺の通信環境の変化により、通信電界強度が下がり、通信が不安定になると、新たに周囲の端末を検索し、上位端末を再登録することで、ルートを再構築する仕組みも用いられている。

特開２０１０－８７７６１号公報

無線特性として周囲の端末と距離が長くなると通信電界強度が低くなり、周囲の通信環境の影響を受けやすくなる。一方で通信安定性を求めて高い通信電界強度の閾値を設定すると、周囲の端末との通信距離が短くなってしまい、通信エリアを拡大しにくいという課題を抱えている。

このような課題を抱えた中、親機を中心に子機を外側に向けて設置し、無線通信エリアを拡大していく際に、各子機の設置条件を一律に一定以上の通信電界強度を閾値とした場合に、高い通信電界強度の閾値による通信安定性を取るか、エリア拡大のため低い通信電界強度の閾値を設定し、通信安定性を犠牲にするか選択しなければならなかった。

また、ルート再構築により子機の段数が変動する可能性があるため、段数に制限があるシステムにおいては、中継子機の段数が下がったことにより、その配下の子機が段数制限を超えた場合に通信中継が行えなくなる恐れがある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、親機、及び親機に対して階層的に無線接続される複数段の子機からなる無線通信システムにおいて、親機周辺の通信の安定を保持しながら、子機の多段接続による通信エリアの拡大を可能とすることである。

本発明は、それぞれが端末である親機、及び親機に対して階層的に無線接続される複数段の子機からなる無線通信システムであって、各端末は、端末検索電文を受信したとき、自端末の段数及び前記端末検索電文の受信電界強度を含む端末応答電文を送信する端末応答電文送信手段を有し、各子機は、周囲の端末に対して、端末検索電文をブロードキャストする端末検索電文送信手段と、前記端末検索電文に対する周囲の端末からの端末応答電文を受信する端末応答電文受信手段と、前記端末応答電文受信手段により受信された端末応答電文に含まれている受信電界強度及び／又は当該端末応答電文の自端末での受信電界強度からなる通信電界強度に基づいて、当該通信電界強度が所定の閾値以上の端末を上位端末候補として登録する上位端末候補登録手段と、を有し、前記閾値は前記段数が少ない程高い、無線通信システムである。

本発明によれば、親機、及び親機に対して階層的に無線接続される複数段の子機からなる無線通信システムにおいて、親機周辺の通信の安定を保持しながら、子機の多段接続による通信エリアの拡大が可能となる。

本発明の実施形態に係る遠隔監視システムの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおける子機設置時の通信電界強度の設定について説明するための図である。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおける第１の電界強度閾値テーブル及び第２の電界強度閾値テーブルの一例を示す図である。 新たに設置される端末に対して周囲の複数の端末が応答している状態の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおける子機の概略構成を示すブロック図である。 子機における第１の設置判定処理を示すフローチャートである。 子機における第２の設置判定処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
〈遠隔監視システムの概略構成〉
図１は、本発明の実施形態に係る遠隔監視システムの概略構成を示す図である。

この遠隔監視システムは、例えば、ガスメータや水道メータの自動検針に用いられるものであって、センタ装置１と、親機２及び親機に対して階層的に無線接続される複数段の子機（１段目子機Ａ～Ｇ、２段目子機Ｈ～Ｎ、３段目子機Ｏ～Ｑ）からなる本発明の実施形態に係る無線通信システムとを有する。

親機２とセンタ装置１との間の通信は携帯電話回線などの商用通信回線を介して行う。また、親機２、１段目の子機Ａ～Ｇ、２段目の子機Ｈ～Ｎ、３段目子機Ｏ～Ｑにより構成される無線通信システム内の通信は特定小電力無線などを用いて行う。

各子機にはガスメータ、水道メータ、ガス漏れ検知器などのセンサが接続されており、それらのセンサで生成された監視情報を取得し、上位の子機経由で、即ち上位の子機を中継子機として親機２に通知する。なお、以下の説明では、各子機を区別しないときは子機３とする。また、親機と子機を区別しないときは端末とする。

なお、図１では無線通信システム内の子機の段数を３段としたが、４段以上の構成もある。また、図１では子機間の接続を１対１、すなわち各子機が１つの上位端末を有する構成としたが、複数の上位端末を有する構成もある。

〈段数に応じた通信電界強度閾値の設定〉
図２は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおける子機設置時の通信電界強度の設定について説明するための図である。この図において、矢印の太さは通信電界強度の強さを表す。また、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、親機２を中心として半径が段階的に長くなる同心円である。

子機３を設置する際、子機３は周囲の端末に端末検索電文をブロードキャストし、周囲の端末からの端末応答電文を受け取り、上位端末候補として登録する。このとき、一般的には各子機３の設置条件を一律に一定以上の通信電界強度の閾値とする。そのため、円の中心部も外側も同じ通信安定性となるが、一定の通信安定性を求める場合、設置エリアを拡大できない。一方で設置エリアの拡大を求め、通信電界強度の閾値を下げてしまうと通信安定性が低下してしまう。特に親機２の周辺の周囲の通信環境の悪化時は配下の子機に大きな影響を与えてしまう。

そこで、本実施形態では、親機２を中心にして子機３の段数に応じて、通信電界強度の閾値を下げる。この結果、親機２に近い子機３は、高い通信電界強度閾値で設置を許可するため、通信距離は短くなるものの、周囲の通信環境の影響を受けにくくなる。ただし、親機２から外側に向かって段階的に通信電界強度閾値を低く設定することにより、段階的に周辺の通信環境の影響を受けやすくなる。しかし、外側に向かうに従い、上位子機が増えることから、通信ルートを多く確保することができ、通信ルートの切り替えによる通信安定性の確保が可能となる。この段階的な通信電界強度閾値の設定は、以下に述べる電界強度閾値テーブルを子機３に設けることで実現する。

〈電界強度閾値テーブル〉
図３は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおける第１の電界強度閾値テーブル及び第２の電界強度閾値テーブルの一例を示す図である。ここで、図３Ａは第１の電界強度閾値テーブルであり、図３Ｂは第２の電界強度閾値テーブルである。

第１の電界閾値テーブル３２１には、上位端末の段数（親機は０段目）と通信電界強度閾値との対応関係が記述されている。具体的には、親機＝９、１段目＝７、２段目＝４である。つまり、端末検索電文に対して応答した周囲の端末（以下、応答端末と言う）が親機の場合、その通信電界強度が１０段階で９以上であれば上位端末候補として登録する。また、応答端末が１段目子機、２段目子機の場合、通信電界強度が７以上、４以上であれば、上位端末候補として登録する。

しかし、設置端末周辺の通信環境事情により、設置時に予め設定した通信電界強度が取得できない場合が想定される。このような場合、複数の端末と通信ができるのであれば、予め設定した通信電界強度を下回っても設置を認めることで、複数ルート確保により通信安定性を犠牲にすることなく設置を行うことができ、配下に端末を接続しても安定した通信を提供することが可能となる。第２の電界閾値テーブル３２２は、このような場合に用いるものである。

図示のように、第２の電界閾値テーブル３２２には、閾値条件に適合する応答端末数が１台から５台の場合について、上位端末の段数毎の通信電界強度閾値が記述されている。

具体的には、１台適合の場合は、親機＝９、１段目＝７、２段目＝４であり、第１の電界強度閾値テーブル３２１と同じである。これに対し、２台適合の場合は、親機＝８、１段目＝６、２段目＝４、３台適合の場合は、親機＝７、１段目＝５、２段目＝３、４台適合の場合は、親機＝６、１段目＝４、２段目＝３、５台適合の場合は、親機＝５、１段目＝４、２段目＝３である。つまり、適合する応答端末の数が多い程、代替ルートが確保できることから、上位端末候補として登録する基準となる通信電界強度を低く設定することができる。

〈複数の応答端末がある場合の上位端末候補の登録〉
図４は、新たに設置される端末に対して周囲の複数の端末が応答している状態の一例を示す図である。

この場合、応答端末の中に親機はなく、１段目子機が５台あるので、第２の電界強度閾値テーブル３２２の１段目の欄を参照して、下記(i)～(iv)の手順を実行する。
(i)通信電界強度７以上の応答端末は０台であるため、テーブル条件に適合しない。
(ii) 通信電界強度６以上の応答端末は１台であるため、テーブル条件に適合しない。
(iii) 通信電界強度５以上の応答端末は３台であるため、テーブル条件に適合する。
(iv)「１段目／３台適合／５以上」の条件に適合するため、３台の応答端末（子機Ｂ、子機Ｄ、子機Ｅ）を上位端末候補として登録する。

「１台適合」の条件ほど通信電界強度は高くないが、３台の上位端末が見つかったことで通信安定性が見込めるため、設置を許可できる。

なお、第２の電界強度閾値テーブル３２２のどの条件にも適合しない場合、電界強度閾値より低くても設置を認めてしまうと、設置後の通信環境変化で配下端末への影響が懸念されるため、設置のみ認め、配下接続を認めない（端末検索電文に応答しないなど）手段を持つようにする。ただし、その後、通信状態が改善され、再度の端末検索でテーブル条件に適合するようになれば、配下接続を認めるように構成することもできる。

〈子機の概略構成〉
図５は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおける子機の概略構成を示すブロック図である。

図示のように、子機３は、制御部３１と、それぞれが制御部３１に接続された記憶部３２、無線送受信部３３、外部Ｉ／Ｆ（インタフェース）部３４、表示部３５、及び操作入力部３６を備えている。無線送受信部３３にはアンテナ３７が接続されている。

制御部３１は、例えばマイクロプロセッサ及びその周辺回路などで構成され、子機３全体の制御や演算処理等を行う。また、制御部３１は、記憶部３２内に記憶されているプログラム及びデータを処理することにより実現される手段として、通信電界強度取得手段３１１、閾値条件判断手段３１２、及び上位端末候補登録手段３１３を備えている。これらの手段の詳細については後述する。

さらに、制御部３１は、記憶部３２に記憶されているプログラム及びデータを処理し、無線送受信部３３を制御することにより、本発明に係る端末検索電文送信手段、端末検索電文受信手段、端末応答電文送信手段、端末応答電文受信などを実現する。

記憶部３２は、ＲＯＭなど不揮発性メモリ（書換可能なものも含む）、ＲＡＭなどの揮発性メモリからなる。そして、ＲＯＭには子機３を動作させるために必要な制御プログラムや、各種設定データなどが記憶されている。また、ＲＡＭには制御部３１が実行中の各プログラムや、それらの実行に必要な情報（端末ＩＤ、無線チャネル、通信電界強度、自端末の段数）が記憶される。ここでは、記憶部３２に記憶されている設定データとして、第１の電界強度閾値テーブル３２１及び第２の電界強度閾値テーブル３２２を図示した。

無線送受信部３３は、特定小電力無線などにより、他の子機３や親機２との間で無線通信を行う。外部Ｉ／Ｆ部３４にはガスメータ、水道メータ等の外部機器が接続される。表示部３５は、ＬＥＤなどで構成されており、子機３の動作状態などを表示するユーザＩ／Ｆである。操作入力部３６は、ボタンやスイッチ等からなり、子機３に対する所定の設定を入力するためのユーザＩ／Ｆである。

通信電界強度取得手段３１１は、子機３から周囲の端末にブロードキャストされた端末検索電文に対して、周囲の端末が応答した端末応答電文に含まれている受信電界強度及び／又はその端末応答電文の無線送受信部３３での受信電界強度から通信電界強度を取得する。この通信電界強度は、端末検索電文の受信電界強度、又は端末応答電文の受信電界強度、又両者のうちの低い方、又は両者の平均値などである。

閾値条件判断手段３１２は、端末応答電文に含まれている段数と、通信電界強度取得手段３１１により取得された通信電界強度と、第１の電界強度閾値テーブル３２１又は第２の電界強度閾値テーブル３２２を参照して、その端末応答電文を送信した端末を上位端末候補として登録するための閾値条件に適合するか否かを判断する。

上位端末候補登録手段３１３は、閾値条件判断手段３１２により閾値条件に適合すると判断された応答端末の端末ＩＤ及び段数を記憶部３２に登録（格納）する。

〈第１の設置判定処理〉
図６は、子機における第１の設置判定処理を示すフローチャートである。この処理は、第１の電界強度閾値テーブル３２１を参照して実行される。

子機３を新規に設置する際、操作入力部３６の所定のボタンの押下に応じて、記憶部３２から端末検索電文が読み出され、無線送受信部３３とアンテナ３７により、周囲の端末にブロードキャストされる（ステップＳ１）。

子機３は、端末検索電文をブロードキャストした後、応答端末があるか否か、すなわち、制御部３１は無線送受信部３３が所定時間内に検索応答電文を受信したか否かを判断する（ステップＳ２）。応答端末がなかった場合は（ステップＳ２：No）、そのまま第１の設置判定処理を終了させる。

応答端末があった場合は（ステップＳ２：Yes）、応答端末の通信電界強度を取得する（ステップＳ３、図５：通信電界強度取得手段）。そして、段数の低い応答端末から順に通信電界強度と第１の電界強度閾値テーブル３２１の通信電界強度閾値とを比較し、条件に適合するか否かを判断する（ステップＳ４，Ｓ５、図５：閾値条件判断手段）。

判断の結果、条件に適合する場合は（ステップＳ５：Yes）、応答端末を上位端末候補として記憶部３２に登録（格納）し（ステップＳ６）、第１の設置判定処理を終了させる。条件に適合しない場合は（ステップＳ５：No）、そのまま第１の設置判定処理を終了させる。

以後、子機３は、従来のシステムと同様に通信ルートの登録要求電文をセンタ装置１に送信し、センタ装置１から登録完了電文を受信することで、上位端末候補が上位端末となり、通信ルートの登録が完了する。後述する第２の設置判定処理についても同様である。

〈第２の設置判定処理〉
図７は、子機における第２の設置判定処理を示すフローチャートである。この図において、ステップＳ１１～Ｓ１３は第１の判定処理（図６）におけるステップＳ１～Ｓ３と同じである。

次に複数の応答端末を段数別に分け、段数の低い応答端末から順に応答端末の通信電界強度と第２の電界強度閾値テーブル３２２の適合数とを比較し、条件に適合するか否かを判断する（ステップＳ１４，Ｓ１５、図５：閾値条件判断手段）。

判断の結果、条件に適合する場合は（ステップＳ１５：Yes）、複数の応答端末を上位端末候補として記憶部３２に登録（格納）し（ステップＳ１６）、第２の設置判定処理を終了させる。

条件に適合しない場合は（ステップＳ１５：No）、複数の応答端末を上位端末候補として記憶部３２に登録（格納）するが、配下端末の接続は認めないように設定し（ステップＳ１７）、第２の設置判定処理を終了させる。ここで、ステップＳ１７を子機３が独自に設定する代わりに、センタ装置１からの登録完了電文の受信に応じて設定するように構成してもよい。

以上詳細に説明したように、本発明の実施形態に係る無線通信システムによれば、応答端末の段数に応じて段階的に通信電界強度の閾値を下げて行くため、親機周辺に設置された子機は高い通信電界強度で設置されるため通信が安定し、その子機の配下に設置される子機は親機と強固な通信でつながった複数の子機の配下に接続される。
つまり、段階的に通信電界強度の閾値を下げて子機の設置を容認しても、安定した多くの通信ルートが確保できるため、エリア全体に安定した通信を確保することができる。

〈発明の実施形態の変形例〉
設置後の通信環境の変化により、通信が不安定になり再度端末検索を行ったとき、設置時にある段数（例えば１段目）の端末から取得できた通信電界強度がその段数の端末から取得できず、自端末の段数が下がってしまう恐れがある。

そこで、電界強度閾値テーブル内の通信電界強度閾値を端末検索の回数の増加に応じて段階的に下げていき、以前と同じ段数の上位端末を掴みやすくすることで、配下端末の段数を下げることなく通信安定化につなげることを可能にする。

以上の実施形態では、新規に設置された子機３は、「上位端末候補の登録→センタ装置１への通信ルートの登録要求電文の送信→センタ装置１からの通信ルートの登録完了電文の受信→上位端末（通信ルート）の登録完了」の手順を実行しているが、子機３がセンタ装置１と通信ルート登録のためのやりとりを行うことなく、子機３のみの判断で上位端末を登録するように構成してもよい。この構成の場合、図６のステップＳ６、図７のステップＳ１６，Ｓ１７において登録される「上位端末候補＝上位端末」となる。

２…親機、３…子機、３１…制御部、３２…記憶部、３３…無線送受信部、３４…外部Ｉ／Ｆ部、３５…表示部、３６…操作入力部、３７…アンテナ、３１１…通信電界強度取得手段、３１２…閾値条件判断手段、３１３…上位端末候補登録手段、３２１…第１の電界強度閾値テーブル、３２２…第２の電界強度閾値テーブル。

Claims (2)

1. それぞれが端末である親機、及び親機に対して階層的に無線接続される複数段の子機からなる無線通信システムであって、
   各端末は、端末検索電文を受信したとき、自端末の段数及び前記端末検索電文の受信電界強度を含む端末応答電文を送信する端末応答電文送信手段を有し、
   各子機は、周囲の端末に対して、端末検索電文をブロードキャストする端末検索電文送信手段と、前記端末検索電文に対する周囲の端末からの端末応答電文を受信する端末応答電文受信手段と、前記端末応答電文受信手段により受信された端末応答電文に含まれている受信電界強度及び／又は当該端末応答電文の自端末での受信電界強度からなる通信電界強度に基づいて、当該通信電界強度が所定の閾値以上の端末を上位端末候補として登録する上位端末候補登録手段と、を有し、前記閾値は前記段数が少ない程高い、無線通信システム。
2. 請求項１に記載された無線通信システムにおいて、
   端末検索電文のブロードキャストの回数の増加に応じて、前記閾値を段階的に低下させる手段を有する、無線通信システム。

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