(57)【要約】      （修正有）【課題】上位ネットワークとの無線ゲートウェイと末端の無線端末との間で、無線ノードがツリー状に無線中継される無線ネットワークにおいて、簡便な経路制御で通信を行える無線通信ネットワークシステム及び無線通信装置を提供する。【解決手段】無線ノードを無線親局９と無線子局８で構成し、無線親局９には接続無線子局数、回線使用率、ラウンドトリップタイム及び中継数等の経路情報を検知し報知する手段を設け、他の無線ノードの無線子局８が複数の無線親局の報知する経路情報を収集して接続する無線親局９を決定する。接続した無線親局９を決定後も、定期的に経路情報を収集して無線子局８が接続する無線親局９を自動的に変更する。【選択図】図１
2009302694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有線ネットワークに接続される無線ゲートウェイと、該無線ゲートウェイと複数の無線ノードを無線中継して無線端末との間で通信する無線通信ネットワークシステムであって、前記無線ノードは有線で接続される無線親局と無線子局で構成され、前記無線ノードと他の無線ノード間は前記無線ノード内に無線親局と前記他の無線ノード内の無線子局とが無線通信することを特徴とする無線通信ネットワークシステム。
【請求項２】
前記無線ノードの無線親局は、該無線親局と通信する他の無線ノードの無線子局の数、該無線親局が通信する通信チャンネルの回線使用率、前記無線ノードの無線親局から前記無線ゲートウェイとの間の、又は前記無線ゲートウェイと前記有線ネットワークにて接続された通信制御装置との間のパケットデータ伝送時間、前記無線ノードの前記無線ゲートウェイからの無線中継数の経路情報を検知して、他の無線ノードに報知するものであって、前記無線ノードの無線子局は、前記他の無線ノードの無線親局が報知する前記経路情報を受信して、複数の他の無線ノードの無線親局の経路情報から接続する無線ノードの無線親局を選択することを特徴とする請求項１に記載の無線通信ネットワークシステム。
【請求項３】
前記無線ノードの無線親局が報知する経路情報は、無線親局が定期的に送信するビーコン情報に付加して送信されるものであって、他の無線ノードの無線子局からの送信要求に従い前記経路情報を送信することを特徴とする請求項２に記載の無線通信ネットワークシステム。
【請求項４】
前記無線ノードの無線子局に、複数の他の無線ノードの無線親局から受信した前記経路情報から接続すべき無線親局を順位付けする手段を設け、該順位付けする手段により順位付けされた順位情報を、前記経路情報を取得する毎に更新する手段を設け、前記順位情報に基づき無線親局を選択する手段とを設けたことを特徴とする請求項２又は３に記載の無線通信ネットワークシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線親局と子局を有する無線ノードが複数存在する無線通信ネットワークシステム及び無線通信装置に係わり、特に無線ノード間で通信経路制御を行う無線通信ネットワークシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＥＥＥ８０２.１１規格で定められた無線ＬＡＮでは、上位ネットワークと有線で接続された無線通信親局と、複数の通信子局との間で同一の通信チャンネルを用いて通信する。このため、広い通信エリアを確保するためには、複数の無線通信親局を配置するための有線ネットワークが必要である。
【０００３】
複数の無線ノードが情報を中継し、有線ネットワークを用いないで通信エリアを拡大できるマルチホップ又はメッシュネットワークが注目されている。これらのネットワークにおいては、無線経路制御が重要であり、いろいろな方式が提案されている。
【０００４】
マルチホップネットワークは、〔特許文献１〕に記載のように、各無線ノードが自律的に経路制御する自律分散方式と、ネットワーク管理装置が経路を集中制御する方式に大別され、両方式を組合せた方式も検討されている。
【０００５】
自律分散方式では、送信局は、全ノードが受信可能なブロードキャストモードにて受信局までの経路を探索するパケットを送信し、受信局に届いた探索パケットを送信局へ返信することで経路を確定させる方式がある。また、複数経路が存在する場合に全経路に対してパケット応答時間ＲＴＴ（ラウンドトリップタイム）を計測して、経路を決定する方式もある。
【０００６】
一方、ネットワーク管理装置が経路を集中制御する方式では、ネットワーク管理装置がルーティングテーブルを作成し、各無線ノードにテーブルを送信することで、送信局は隣接する無線ノードに送信すれば、ルーティングテーブルに従い次の無線ノードに中継し、最終的には受信局にパケットを中継することが出来るようになっている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３６３６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来技術の自律分散方式は、経路探索までの通信手順が複雑で有り、集中管理方式は、通信状態の変化に伴ってルーティングテーブルを各無線ノードに送信する必要が有るため、経路制御のための通信量が増えてスループットが低下する問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、上位ネットワークとの無線ゲートウェイと末端の無線端末との間で、無線ノードがツリー状に無線中継される無線ネットワークにおいて、簡便な経路制御で通信を行える無線通信ネットワークシステム及び無線通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の無線通信ネットワークシステムは、上位ネットワークに接続される無線ゲートウェイと、パケットを中継する無線ノードと、機器の情報を送受信する無線端末を備え、無線ノードは有線で接続された無線親局と無線子局で構成され、互いの情報は有線通信にて送受信するようにしたものである。無線ノード内の無線親局と他の無線ノード内の無線子局とが、無線にて通信し、無線ノード内では有線にて中継することにより、無線ノード間通信は無線親局と無線子局との通信形態であり、無線ＬＡＮで広く使われているインフラストラクチャーモードでの通信である。
【００１１】
無線ノード内の無線親局では、無線ゲートウェイからの中継数を検知し、それを報知する手段を設けているため、無線ノードの無線子局が経路探索時には、上記親局の中継数を受信することによって、無線ゲートウェイまでの中継数が少ない無線ノード（親局）を選択することが出来る。
【００１２】
無線ノード内の無線親局では、通信している無線子局数、無線通信チャンネルの回線使用率を計測、報知する手段を設けているため、無線ノードの無線子局が経路探索時には上記無線親局の無線子局数、無線通信チャンネルの回線使用率を受信することによって、一番送信待ち時間の少ない無線ノード（親局）を選択することが出来る。
【００１３】
無線ノード内の無線親局では、無線ゲートウェイ、又は上位の通信管理装置との間でのパケット到達時間であるラウンドトリップタイム（ＲＴＴ）を計測、報知する手段を設けているため、無線ノードの無線子局が経路探索時には上記親局のＲＴＴを受信することによって、無線ゲートウェイまでのパケット到達時間が短い無線ノード（親局）を選択することが出来る。
【００１４】
無線ノード内の子局では、接続する無線ノードの無線親局を選択した後、選択した無線親局の中継数，無線子局接続数，回線使用率、及びＲＴＴを受信すると共に、他の無線ノードの無線親局に上記情報を収集する手段を設けているため、適切な無線ノードを決定することが出来る。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、無線ノードが親局と子局で構成され、親局が経路選択する上で有意な情報である中継数，回線使用率，ＲＴＴを計測し報知するため、他の無線ノード子局はそれらの情報から容易に接続する無線ノード親局を選択することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の一実施例を図１から図６を用いて説明する。図１は、本実施例の無線通信ネットワークの構成図であり、図１には無線親局から報知する経路選択に用いる情報も示している。
【００１７】
図１に示すように、制御装置１は、無線通信ネットワークを介して無線端末４に接続されたセンサ等の機器５との間で通信し、例えばプラントの監視制御を行う。制御装置１は、有線ネットワーク６を介して無線ゲートウェイ２（以下、無線ＧＷ２という）に接続され、無線ＧＷ２によりパケットデータを無線情報に変換して通信する。
【００１８】
無線ノード３は、無線親局９と無線子局８で構成され、お互いは有線７により接続されて通信が可能となっている。無線ノード３は、他の無線ノード３又は無線端末４との間で無線中継する。
【００１９】
無線ＧＷ２は無線親局となり、無線ノード３ｂ，３ｃ，３ｄの無線子局８と通信し、無線親局９は、同一の無線ノード３ｂ，３ｃ，３ｄの無線親局９に無線ＧＷ２からのパケットを転送し、無線ノード３ｂの無線親局９は、無線ノード３ａ，３ｇの無線子局８と通信するツリー上のネットワーク構成である。
【００２０】
このように、無線ノードが親局と子局からなり、無線ノード間も親局と子局間の通信となるため、子局と親局を組合わせることにより、マルチホップネットワークを構成することが出来る。なお、最終段の無線端末４には無線子局８はあるが、無線親局９は設けられていない。
【００２１】
図１では、親局１台，子局１台で無線ノードを構成しているが、親局，子局のいずれか一方を複数台にするか、親局，子局の両方を複数台にして無線ノードを構成してもよい。
【００２２】
図１に示す無線ＧＷ２と無線端末４ｃとの間で通信する場合には、無線ノード３ｄ，３ｅ，３ｌにてパケットを無線中継する。有線ＧＷ２を起点とすると、無線ノード３ｄは中継数１、無線ノード３ｅは中継数２、無線ノード３ｌは中継数３の位置にある。
【００２３】
図１に示す無線親局９から定期的に送信するビーコン情報として、中継数を格納して送信することにより、ビーコン情報を受信した無線ノード内の子局は無線ＧＷ２からの中継数が判別できるために、容易に中継すべき親局の選択が可能となる。
【００２４】
無線親局９から報知する、無線ＧＷあるいは上位の通信管理装置との間でのパケット到達時間であるラウンドトリップタイム（ＲＴＴ）は、無線親局９から無線ＧＷ２又は上位の制御装置１へパケット送信され、再び無線親局９に返信されるまでの応答時間である。
【００２５】
無線親局９から無線ＧＷ２へ送信するＲＴＴ計測用のパケットは、有線で接続された同一の無線ノード内にある無線子局８に転送され、無線子局８から中継する無線ノード３へ無線通信する。その後は、通常のパケット通信と同じく無線ノード３にて中継され無線ＧＷ２に到着する。無線ＧＷ２では、ＲＴＴ計測用のパケットを受信すると、パケットの送信アドレスと受信アドレスを交換して送信元の無線ノードの無線親局９に返信する。
【００２６】
ＲＴＴ計測用のパケットの送信元親局では、送信時刻と返信されてきたＲＴＴ計測用のパケットの受信時刻との差からＲＴＴを計測することができる。このように、ＲＴＴは、無線ノードから無線ＧＷまでのパケット応答時間であり、中継経路の通信状態を把握するには優位な情報である。
【００２７】
中継数には、時間的要素が入らないが、ＲＴＴは、時間的要素が入る計測値で、電波状況や他の無線ノード間での通信量により時間的に変動する量であり、このＲＴＴの情報から、通信状況に即した経路制御が可能となる。
【００２８】
なお、親局からＲＴＴ計測用のパケットを送信する例を説明したが、無線ＧＷ２からＲＴＴ計測用のパケットを送信し、無線ＧＷ２で計測したＲＴＴを、該当する無線ノードにＲＴＴ情報を通知することで実現することも出来る。又、無線通信ネットワーク全体で時刻同期が取られていれば、送信時刻と受信時刻との差からＲＴＴを計測することが可能である。
【００２９】
図１に示すように、無線ノード親局から報知する情報として、子局接続数と回線使用率がある。ＲＴＴが、無線ノードから先の通信状態を把握する情報であるのに対して、子局接続数と回線使用率は、無線ノード親局とそれと通信する他無線ノード子局との通信状態を示す情報である。
【００３０】
回線使用率とは、親局で送受信する通信時間と、同一の通信チャンネル（以下、通信ＣＨという）を利用する他の無線ノードより、或いは電波ノイズにより通信不可となる時間の和であり、この時間の和が小さい程、送信待ち時間が少なくてパケットを送信できる。
【００３１】
従って、ＲＴＴと回線使用率の両方で評価することにより、より正確な経路選択が可能となる。子局接続数と回線使用率は比例することが多いが、１つの子局から多量のパケットが送信される場合もあるため、回線使用率を計測，報知する効果がある。
【００３２】
無線通信のＣＨ数は限られており、複数の無線親局９で同一の無線通信ＣＨを使用する場合も多く、このような場合は、相互に干渉して通信性能が低下する。そのため、無線通信では、キャリアセンスして、送信している無線局がないことを確認した後に送信するＣＳＭＡ方式のアクセス方式が採用される例が多い。このキャリアセンス機能により、他の無線ノードや電波ノイズにより通信できない時間を計測することは容易である。
【００３３】
図２から図６を用いて本実施例を実現するための具体的な各部の動作について説明する。図２は、無線ノードを構成する無線親局９の構成図であり、図３は無線ノードを構成する無線子局８の構成図である。
【００３４】
無線ノード３に設けられる無線親局９と無線子局８は、それぞれの外部インターフェース１９により有線７にて接続されており、無線親局９で無線受信されたパケットは、有線７を介して無線子局８に転送されて無線子局８から無線にてパケットを送信して中継している。
【００３５】
図２に示すように、無線親局９のアンテナ１４を介して無線信号が送受信され、送信時には無線送信部１７からスイッチ１５を介して送信され、受信時にはスイッチ１５から無線受信部１６にて受信される。
【００３６】
無線受信部１６にて受信処理された無線信号は、デジタルデータに変換されて、主制御部１８においてパケットとして組立てられる。主制御部１８に接続された受信電力計測部２１では、受信されたパケットの送信元であるパケット毎に受信電力を計測して記録する。
【００３７】
主制御部１８に接続された回線使用率計測部２２は、単位時間当たりに送信或いは受信される時間と、同一の通信ＣＨを利用する他の無線機器の通信によって使用できない時間の合計時間を計測する。この回線使用率は、無線親局９が通信するＣＨにおいて、通信に利用している割合を示しており、本親局と新たに接続を検討する他無線ノード子局にとっては、その可否を判断する情報となる。すなわち、回線使用率が低いほど、新規子局に割当てられる通信時間の確保が容易であるため、子局の送信待ち時間が短くなる。
【００３８】
無線親局９の主制御部１８においては、無線で送受信されるパケットを解読，生成するため、何台の子局と無線接続しているかを計測して記録できる。親局では中継数を、無線子局８で検出した他無線ノード親局の中継数に関する情報を、有線７により無線親局９に転送することで、検出できる。例えば、無線子局８から転送された中継数が１であれば、無線親局９でさらに中継するため中継数は１を加算した２となる。
【００３９】
以上説明した子局接続数，回線使用率，ＲＴＴ，中継数等の情報は、無線親局９が定期的に送信するビーコン情報として送信することにより、この情報を受信した他無線ノード子局は、接続するのに適した親局を選択することができる。
【００４０】
図４は、ビーコン情報の構成図であり、無線ＬＡＮ規格のビーコン情報と本実施例のビーコン情報を比較して示している。従来の無線ＬＡＮ規格のビーコン情報では、親局（無線ＬＡＮのアクセスポイント）の識別情報，暗号化及び速度等の利用可能な通信パラメータはあるが、本実施例のように、無線マルチホップネットワークで経路制御に利用できる中継数，回線使用率等の情報は含まれてはいない。図４（ｂ）に示す本実施例のビーコン情報では、従来のビーコン情報の他に、子局接続数１０，回線使用率１１，ＲＴＴ１２，中継数１３の各情報をビーコン情報としている。
【００４１】
上述したように、ビーコン情報は親局から定期的に送信されるものであり、その周期は無線ＬＡＮでは１００ｍｓ程度である。このため、親局を探索中の子局においては、ビーコン情報が送信されるまで、待つ必要がある。通信可能な親局が１台の場合には、この待ち時間は長くはならないが、複数台の場合には待ち時間が長くなるため、子局からのビーコン送信要求に対して、親局からビーコン情報を不定期に送信するモードを設けることにより、経路制御のための情報収集時間を短くすることができる。
【００４２】
無線子局８は、図３に示すように、アンテナ１４に接続されるスイッチ１５，スイッチ１５に接続される無線受信部１６，無線送信部１７，無線受信部１６及び無線送信部１７に接続される主制御部１８，主制御部１８に接続される回線使用率計測部２２，受信電力計測部２１，無線ノード親局選択部２６，ビーコン情報収集部２７，主制御部１８に接続される外部インターフェース１９で構成される。
【００４３】
ビーコン情報収集部２７は、親局から定期的に送信されるビーコン情報を収集するものであり、通常通信している他無線ノード親局以外の無線ノード親局のビーコン情報も収集する。ここで、ビーコン情報とは、本実施例の子局接続数１０，回線使用率１１，ＲＴＴ１２，中継数１３の各情報を含む情報である。無線ノード親局選択部２６では、ビーコン情報収集部２７で収集した各親局の情報から親局を選択する。
【００４４】
図５，図６を用いて子局での経路選択手順を説明する。図５は、無線子局８の経路選択フローチャートである。図５に示す例では、無線通信のためのＣＨは、ＣＨ１〜ＣＨ４の４つとして説明する。ステップ３０で、通信ＣＨをＣＨ１に設定して、ステップ３２で、ＣＨ１を使用している他無線ノード親局からのビーコン情報を収集する。ステップ３３で、ＣＨ１からＣＨ２に変更して、同じくビーコン情報を収集し、これらの収集をＣＨ４まで繰り返して図６に示すビーコン情報一覧表を作成する。
【００４５】
図６に示す例では、ＣＨ１，ＣＨ２及びＣＨ４に親局が存在しており、従来の無線装置では受信強度が高いほど通信が安定するため、受信強度順に優先度を付けていた。本実施例では、子局接続数１０，回線使用率１１，ＲＴＴ１２，中継数１３の情報を取得し、受信強度に加えてこれらの情報から親局を選択する。中継数は少ない程、回線使用率は低い程、ＲＴＴは短い程、中継すべき親局として適している。
【００４６】
何故なら、受信強度が高くても中継数が多ければ、パケットが無線ＧＷに到着するまでの時間が長くなるのは明らかである。このようにして、他無線ノード親局に優先順を付与し、高い順から親局に対して接続要求を送信し、親局の許可があればその親局と接続することを決定する。不許可の場合には、次の優先度の親局に対して接続要求を実施し、経路選択を実現する。
【００４７】
図５に示すフローチャートでは、初期の手順を示したが、一端、接続する親局を決定しパケット通信を行っている途中においても、無線子局８のビーコン情報収集部２７では、定期的に他の無線親局９についてビーコン情報の収集を行い、図６に示したビーコン情報一覧表の更新を行う。このようにすることで適切な経路制御が子局にて可能となる。無線通信の場合には、受信強度の変動やノイズによる通信性能劣化が起こる場合が多く、このように、ビーコン情報一覧表の更新することで、上述した通信不良に短時間で対応することが出来る。
【００４８】
なお、通常通信していた親局との間で通信不能となった場合には、ビーコン情報一覧表で、次の優先度の親局に経路を切り替えることが可能であり、通信不良発生後に新たに親局探索をする必要は無い。
【００４９】
以上説明したように、本実施例によれば、無線中継を複数行い通信するマルチホップ無線通信ネットワークシステムにおいて、無線中継する無線ノードを親局と子局からなる構成とし、親局では子局接続数，回線使用率，ＲＴＴ，中継数等の経路制御情報を検知して報知する手段を設け、子局では上記経路制御情報から接続する親局を選択することで、無線ノードが自律的に正確な経路制御を実現することが出来る。又、通信管理装置が情報を収集し各無線ノードの経路を決定する方式に比べて、経路制御に関する制御情報量が少なくて済むために、パケット通信に利用できる時間が増えるために、実効的な通信速度を向上させることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、無線ノードの経路制御を効率的に行うマルチホップ無線通信ネットワークシステムに適用される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施例である無線通信ネットワーク構成図。
【図２】本実施例の無線ノード親局の装置構成図。
【図３】本実施例の無線ノード子局の装置構成図。
【図４】ビーコン情報を示す図。
【図５】本実施例の子局の経路制御の流れ図。
【図６】本実施例の子局の経路選択テーブルを示す図。
【符号の説明】
【００５２】
１  制御装置
２  有線ＧＷ（無線親局）
３  無線ノード
４  端末装置
５  センサ
６  有線ネットワーク
７  有線
８  無線子局
９  無線親局
１０  子局接続数
１１  回線使用率
１２  ラウンドロビンタイム
１３  中継数
１４  アンテナ
１５  スイッチ
１６  無線受信部
１７  無線送信部
１８  主制御部
１９  外部インターフェース
２０  送受信パケットデータ
２１  受信電力計測部
２２  回線使用率計測部
２３  ＲＴＴ計測部
２４  ビーコン生成部
２５  無線ＣＨ選択部
２６  無線ノード親局選択部
２７  ビーコン情報収集部
【図１】
2009302694.tif 000003
【図２】
2009302694.tif 000004
【図３】
2009302694.tif 000005
【図４】
2009302694.tif 000006
【図５】
2009302694.tif 000007
【図６】
2009302694.tif 000008