JP2016054349A - 無線通信装置、無線通信システム、及びスロット割当て方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線メッシュネットワークにおける情報伝達時間を短縮することができる無線通信装置、無線通信方法、及び無線通信システム。【解決手段】一実施形態に係る無線通信装置は、送受信部と、送信スロット決定部とを備える。送受信部は、情報を送受信する。送信スロット決定部は、根ノードまでのホップ数に応じた自ノードのランク値に基づいて、複数のスロットに時分割されたフレームから、送受信部が情報を送信する送信スロットを決定する。フレームには、複数の連続するスロットを含むスロット群が複数設定される。各スロット群には、それぞれ異なるランク値が割当てられる。送信スロット決定部は、自ノードのランク値が割当てられたスロット群を選択し、選択したスロット群に含まれるスロットの中から送信スロットを決定する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、無線通信装置、無線通信システム、及びスロット割当て方法に関する。

従来、複数の無線ノードをメッシュ状に接続したメッシュネットワークが利用されている。この無線メッシュネットワークの通信方式として、例えば、時分割通信方式が採用されている。時分割通信方式では、各無線ノードをスリープさせるタイミングを容易に制御できるため、無線メッシュネットワークを省電力化することができる。

しかしながら、無線メッシュネットワークでは、各無線ノードが送信した情報は、複数の無線ノードにより中継され、根ノードまで送信されるため、根ノードまで情報を送信するために時間がかかるという問題があった。

特開２００９−２３９７７８号公報 特開２００８−２２５５８号公報

無線メッシュネットワークにおける情報伝達時間を短縮することができる無線通信装置、無線通信システム、及びスロット割当て方法。

一実施形態に係る無線通信装置は、送受信部と、送信スロット決定部とを備える。送受信部は、情報を送受信する。送信スロット決定部は、根ノードまでのホップ数に応じた自ノードのランク値に基づいて、複数のスロットに時分割されたフレームから、送受信部が情報を送信する送信スロットを決定する。フレームには、複数の連続するスロットを含むスロット群が複数設定される。各スロット群には、それぞれ異なるランク値が割当てられる。送信スロット決定部は、自ノードのランク値が割当てられたスロット群を選択し、選択したスロット群に含まれるスロットの中から送信スロットを決定する。

第１実施形態に係る無線通信システムの構成の一例を示す図。 図１をネットワークトポロジーの形態で示した図。 時分割通信方式を説明する図。 無線メッシュネットワークの一例を示す図。 無線メッシュネットワークの一例を示す図。 第１実施形態に係るスロット割当て方法を説明する図。 第１実施形態に係る無線通信装置の構成を示す図。 無線通信部のハードウェア構成を示すブロック図。 第１実施形態に係る無線通信装置の初期動作を示すフローチャート。 第１実施形態に係る無線通信装置の通常動作を示すフローチャート。 第２実施形態に係る無線通信システムの構成の一例を示す図。 第２実施形態に係る無線通信装置の構成を示す図。 第２実施形態係る無線通信装置の動作を示すフローチャート。 第３実施形態に係る無線通信システムの構成の一例を示す図。 第３実施形態に係る無線通信システムの構成の一例を示す図。 第３実施形態に係る無線通信システムの構成の一例を示す図。 第３実施形態に係る無線通信システムの構成の一例を示す図。 第４実施形態に係る無線通信システムの構成の一例を示す図。 第４実施形態に係る無線通信システムの構成の一例を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態に係る無線通信システムについて、図１〜図６を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る無線通信システムの構成の一例を示す図である。図１に示すように、この無線通信システムは、複数の無線通信装置１と、集約装置２と、を備える。無線通信システムは、無線通信装置１を無線ノード、集約装置２を根ノードとした無線メッシュネットワークを構成しており、時分割通信方式により通信する。

この無線通信システムにおいて、所定の範囲内に配置された無線通信装置１及び集約装置２は、互いに無線通信が可能である。無線通信装置１は、例えば、温度センサや加速度センサなどの任意のセンサを搭載し、センサにより測定した情報を無線で送信する。各無線通信装置１が送信した情報は、他の無線通信装置１を介して、或いは、直接的に集約装置２に送信される。集約装置２は、各無線通信装置１から送信された情報を集約する。集約装置は、例えば、無線通信機能を備えたサーバである。

図２は、図１の無線通信システムを模式的にネットワークトポロジーの形態で示した図である。図２において、アルファベットは各無線ノード（無線通信装置１）、根は根ノード（集約装置２）、矢印は情報の伝達経路を示す。矢印の元は情報の送信元であり、矢印の先は情報の送信先を示す。

以下の説明において、各無線通信装置１を無線ノードＸ、集約装置２を根ノードという。Ｘは、図中のアルファベットと対応する。また、無線ノードＸよりも根ノードに近い（根ノードまでのホップ数が小さい）側を上流側、根ノードから遠い（根ノードまでのホップ数が大きい）側を下流側という。さらに、無線ノードＸとの間で情報を送受信する上流側の無線ノード又は根ノードを親ノード、下流側の無線ノードを子ノードという。例えば、図２において、無線ノードＢの親ノードは根ノードであり、子ノードは無線ノードＥ，Ｆ，Ｇである。

またさらに、無線ノードＸが、子ノード（親ノード）から受信した情報を親ノード（子ノード）に送信することを中継という。中継には、受信した情報にセンサ情報などの無線ノードＸの情報を付加して送信することも含まれる。なお、本実施形態では、情報が下流側から上流側に送信される上りリンクについて説明する。

図３は、時分割通信方式を説明する図である。時分割通信方式では、無線通信システムの１サイクル分の動作時間が予め設定されている。この動作時間をフレーム（frame）という。無線通信システムは、このフレームを繰り返すことにより動作する。

各フレームは、複数のスロット（slot）に時分割されている。各スロットは、１つ又は複数の無線ノードの動作時間として割当てられている。無線ノードは、割当てられたスロットの間に情報を送信する。例えば、図３では、１番目のスロットは無線ノードＣ、３番目のスロットは無線ノードＡ、５番目のスロットは無線ノードＢに割当てられている。この場合、無線ノードＣは、各フレームの１番目のスロットの間に情報を送信する。なお、フレームには、各無線ノードの動作時間として割当てられてないスロットが含まれてもよい。

図４及び図５は、時分割通信方式を採用した無線メッシュネットワークの一例を示す図である。図４の無線メッシュネットワークでは、フレームにおいて時間が早いスロット程、情報の伝達経路において後ろに位置する無線ノードに割当てられている。具体的には、無線ノードＶからの情報の伝達経路が無線ノードＶ，Ｒ，Ｎ，Ｌ，Ｉ，Ｅ，Ｂ、根ノードであるのに対して、スロットは、根ノード、無線ノードＢ，Ｅ，Ｉ，Ｌ，Ｎ，Ｒ，Ｖの順に割当てられている。

スロットがこのように割当てられた場合、無線ノードＶから送信された情報が無線ノードＲによって中継されるまでの待ち時間ｔ_１は約１フレームとなる。また、以降の各無線ノードでも、同様の待ち時間が発生する。このため、図４の無線メッシュネットワークでは、無線ノードＶが送信した情報が根ノードに伝達されるまでの情報伝達時間は、数フレームとなる。

これに対して、図５の無線メッシュネットワークでは、フレームにおいて時間が早いスロット程、情報の伝達経路において前に位置する無線ノードに割当てられている。具体的には、無線ノードＶからの情報の伝達経路が無線ノードＶ，Ｒ，Ｎ，Ｌ，Ｉ，Ｅ，Ｂ、根ノードであるのに対して、スロットは、無線ノードＶ，Ｒ，Ｎ，Ｌ，Ｉ，Ｅ，Ｂ、根ノードの順に割当てられている。

スロットがこのように割当てられた場合、無線ノードＶから送信された情報が無線ノードＲによって中継されるまでの待ち時間ｔ_１は１スロット群の時間程度となる。また、以降の各無線ノードでも、同様に待ち時間が１スロット群の時間程度となる。結果として、図５の無線メッシュネットワークでは、無線ノードＶが送信した情報が根ノードに伝達されるまでの情報伝達時間は１フレーム以内となる。

本実施形態に係る無線通信システムでは、図５の無線メッシュネットワークを構成するように、スロットが各無線ノードに割当てられる。すなわち、フレームにおいて時間が早いスロットほど、伝達経路において前に位置する無線ノードに割当てられる。上りリンクの場合、伝達経路において前に位置する無線ノードとは、下流側の無線ノードのことである。以下、スロット割当て方法について説明する。

図６は、本実施形態に係る無線通信システムにおけるスロット割当て方法を説明する図である。本実施形態では、各無線ノードに対して、ランク値Ｒを設定する。ランク値Ｒは、各無線ノードから根ノードまでのホップ数である。例えば、図６において、無線ノードＡは、ホップ数が１回であるからランク値１が設定され、無線ノードＤは、ホップ数が２回であるからランク値２が設定される。図６の無線通信システムにおける最大ホップ数はＮであるため、各無線ノードには、１〜Ｎのいずれかランク値Ｒが設定される。

また、本実施形態では、フレームに、複数のスロット群を設定する。スロット群とは、連続する複数のスロットを含む期間である。スロット群は、各スロット群が重複しないように、無線通信システムにおける最大ホップ数Ｎ個以上設定される。例えば、フレームが３００スロットに時分割され、最大ホップ数Ｎ＝１０である場合、連続する３０スロットを含むスロット群を１０個設定することができる。なお、各スロット群に含まれるスロットの数は同一であってもよいし、異なってもよい。また、フレームには、スロット群が設定されない期間があってもよい。

さらに、設定した各スロット群に、上述のランク値Ｒをそれぞれ割当てる。この際、フレームにおいて時間が早いスロット群ほど、大きなランク値Ｒを割当て、時間が遅いスロット群ほど、小さなランク値Ｒを割当てる。例えば、図６のフレームの１番目のスロット群には、ランク値Ｎが割当てられ、最後のスロット群には、ランク値１が割当てられている。

各スロットは、各スロットが含まれるスロット群に割当てられたランク値Ｒと同一のランク値を有する無線ノードに割当てられる。例えば、図６の１番目のスロット群（Ｒ＝Ｎ用スロット群）に含まれるスロットは、ランク値Ｎを設定された無線ノードＫ，Ｌ，Ｍにそれぞれ割当てられる。同様に、図６の最後のスロット群（Ｒ＝１用スロット群）に含まれるスロットは、ランク値１を設定された無線ノードＡ，Ｂ，Ｃにそれぞれ割当てられる。

このようにスロットを割当てることにより、フレームにおいて時間が早いスロットほど、下流側に位置する無線ノードに割当てられることになる。例えば、図６の無線ノードＩに着目すると、情報伝達経路は、下流側から無線ノードＩ，Ｅ，Ｂ、根ノードの順であり、スロットは前から順に無線ノードＩ，Ｅ，Ｂの順で割当てられている。すなわち、時間が早いスロットほど、下流側に位置する無線ノードに割当てられる。これは、他の無線ノードに着目した場合でも同様である。

したがって、本実施形態に係るスロット割当て方法及び無線通信システムによれば、各無線ノードから根ノードまでの情報伝達時間を１フレーム以内に短縮することができる。

次に、本実施形態に係る無線通信システムを構成する無線通信装置１の構成について、図７を参照して説明する。本実施形態に係る無線通信装置１は、上記のようなスロット割当てを自動的に実現する。図７は、無線通信装置１の構成を示す図である。図７に示すように、この無線通信装置１は、送受信アンテナ１１と、無線通信部１２とを備える。

以下では、この無線通信装置１を自ノード、自ノードに情報を送信した無線ノードを送信元ノード、自ノードが情報を送信する無線ノードを送信先ノードという。また、ランク値Ｒが割当てられたスロット群を、スロット群Ｒという。

送受信アンテナ１１は、無線信号を送受信する。送受信アンテナ１１は、受信した無線信号を電気信号に変換して無線通信部１２に入力し、無線通信部１２から出力された電気信号を無線信号に変換して送信する。

無線通信部１２は、送受信部１３と、宛先判定部１４と、中継情報記憶部１５と、送信情報生成部１６と、送信先ノード決定部１７と、送信スロット決定部１８と、フレーム情報記憶部１９とを備える。

送受信部１３は、送受信アンテナ１１から入力された電気信号に所定の信号処理を施し、受信した無線信号から受信情報を取り出す。これにより、送受信部１３は、受信情報を受信する。受信情報には、送信元ノードの、ランク値、センサ情報、ノードＩＤ、中継情報、及び送信先ノードのノードＩＤが含まれる。ノードＩＤとは、無線通信システムを構成する各無線通信装置１の識別子である。中継情報とは、送信元ノードが中継した他の無線ノードからの情報である。受信情報に含まれる送信先ノードとは、送信元ノードが情報を送信する無線ノードであり、自ノードの送信先ノードとは限らない。信号処理には、ＡＤ変換や所定の通信プロトコルに従った復号化などの処理が含まれる。

また、送受信部１３は、送信情報生成部１６が生成した送信情報に所定の信号処理を施して電気信号に変換し、送受信アンテナ１１に出力する。これにより、送受信部１３は、送信情報を送信する。送信情報には、自ノードのランク値、センサ情報、ノードＩＤ、中継情報、及び送信先ノードのノードＩＤが含まれる。信号処理には、ＤＡ変換や所定の通信プロトコルに従った符号化などの処理が含まれる。

宛先判定部１４は、送受信部１３から受信情報を取得し、受信情報の送信先が自ノードであるか判定する。宛先判定部１４は、受信情報の送信先ノードのノードＩＤが自ノードのノードＩＤである場合、受信情報の宛先が自ノードであると判定する。

中継情報記憶部１５は、宛先判定部１４により自ノードが宛先と判定された受信情報を、中継情報として一時的に記憶する。

送信情報生成部１６は、中継情報記憶部１５に記憶された中継情報に基づいて、送信情報を生成する。送信情報は、中継情報に、自ノードのランク値、センサ情報、ノードＩＤ、及び送信先ノードのノードＩＤなどの情報を付加することにより生成される。送信情報生成部１６により生成された送信情報は、送受信部１３により送信される。

送信先ノード決定部１７は、送受信部１３が受信した受信情報に基づいて、送信情報の送信先ノードを決定する。上りリンクの場合、送信先ノードは親ノードとなる。送信先ノード決定部１７は、例えば、受信情報のランク値が自ノードのランク値より１小さい無線ノードの中で、無線信号の信号強度が最も大きい無線ノードを送信先ノードとして決定する。

また、送信先ノード決定部１７は、決定した送信先ノードに基づいて、自ノードのランク値を決定する。送信先ノード決定部１７は、例えば、上述の方法で送信先ノードを決定し、送信先ノードのランク値より１大きいランク値を自ノードのランク値として決定する。

送信スロット決定部１８は、フレーム情報に基づいて、自ノードが送信情報を送信するスロットである送信スロットを決定する。フレーム情報とは、上述のような、無線通信システムにおけるフレーム、スロット、及びスロット群などの設定情報である。フレーム情報は、無線通信装置１に予め登録されてもよいし、無線通信により登録及び更新されてもよい。フレーム情報は、フレーム情報記憶部１９に記憶される。

送信スロット決定部１８は、まず、送信先ノード決定部１７が決定した自ノードのランク値Ｒと、フレーム情報記憶部１９に記憶されたフレーム情報と、に基づいて、スロット群Ｒを選択する。次に、送信スロット決定部１８は、スロット群Ｒに含まれるスロットの中から、送信スロットを決定する。

送信スロットは、例えば、自ノードのノードＩＤを用いることにより、スロット群Ｒの中から決定される。この場合、各スロット群に含まれるスロットに、無線通信システムを構成する各無線ノードのノードＩＤを割当てておけばよい。例えば、無線通信システムがノードＩＤ１〜２０を有する２０個の無線ノードにより構成される場合、ノードＩＤ１〜２０を割当てられた２０個のスロットを含むように各スロット群を設定する。送信スロット決定部１８は、スロット群Ｒの中から自ノードのノードＩＤを割当てられたスロットを、送信スロットとして決定すればよい。なお、スロット群Ｒの中から送信スロットを決定する方法はこれにかぎられない。

送信スロット決定部１８は、送信スロットを決定する前に、同期処理を行ってもよい。同期処理とは、自ノードでカウントしている時刻を、他の無線ノードとの間で同期させる処理である。

送信スロット決定部１８は、例えば、送受信部１３が受信した受信情報に含まれる送信元ノードのランク値及びノードＩＤと、フレーム情報と、に基づいて、送信元ノードの送信時刻（送信スロット）を取得する。送信スロット決定部１８は、この送信時刻に自ノードの送受信部１３による信号処理時間を加算した時刻と、自ノードでカウントしている時刻と、を比較することにより同期処理を行うことができる。この際、送信元ノードからの無線信号の伝播に要する時間を加算して同期処理を行ってもよい。

次に、無線通信部１２のハードウェア構成について、図８を参照して説明する。無線通信部１２は、図８に示すように、コンピュータ装置１００により構成される。コンピュータ装置１００は、ＣＰＵ１０１と、入力インターフェース１０２と、グラフィック処理装置１０３と、通信インターフェース１０４と、主記憶装置１０５と、外部記憶装置１０６とを備え、これらはバス１０７により相互に接続されている。

ＣＰＵ（中央演算装置）１０１は、主記憶装置１０５上で、無線通信プログラムを実行する。無線通信プログラムとは、無線通信装置１の上述の各機能構成を実現するプログラムのことである。ＣＰＵ１０１が、無線通信プログラムを実行することにより、無線通信部１２の各機能構成は実現される。

入力インターフェース１０２は、キーボードやマウスなどの入力装置の操作信号を、無線通信装置１に入力するための装置である。なお、コンピュータ装置１００は、入力インターフェース１０２を備えない構成も可能である。

グラフィック処理装置１０３は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、ＣＲＴ（ブラウン管）、及びＰＤＰ（プラズマディスプレイ）などのディスプレイに、ＣＰＵ１０１により生成された映像信号や画像信号に基づいて、映像や画像を表示させる装置である。なお、コンピュータ装置１００は、グラフィック処理装置１０３を備えない構成も可能である。

通信インターフェース１０４は、無線通信装置１が他の無線ノードと無線通信するための装置である。送受信部１３の機能構成は、無線通信インターフェース１０４により実現される。

主記憶装置１０５は、無線通信プログラムの実行の際に、無線通信プログラム、無線通信プログラムの実行に必要なデータ、及び無線通信プログラムの実行により生成されたデータなどを記憶する。無線通信プログラムは、主記憶装置１０５上で展開され、実行される。主記憶装置１０５は、例えば、ＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭであるが、これに限られない。主記憶装置１０５は、無線通信プログラム、中継情報、フレーム情報、ノードＩＤ、ランク値Ｒ、親ノード、及び子ノードなどの情報を記憶することができる。また、主記憶装置１０５は、コンピュータ装置１００のＯＳ、ＢＩＯＳ、及び各種のミドルウエアを記憶してもよい。

外部記憶装置１０６は、無線通信プログラム、無線通信プログラムの実行に必要なデータ、及び無線通信プログラムの実行により生成されたデータなどを記憶する。これらのプログラムやデータは、無線通信プログラムの実行の際に、主記憶装置１０５に読み出される。外部記憶装置１０６は、例えば、ハードディスク、光ディスク、フラッシュメモリ、及び磁気テープであるが、これに限られない。外部記憶装置１０６は、無線通信プログラム、中継情報、フレーム情報、ノードＩＤ、ランク値Ｒ、親ノード、及び子ノードなどの情報を記憶することができる。

なお、無線通信プログラムは、コンピュータ装置１００に予めインストールされていてもよいし、無線通信により無線通信装置１に送信され、コンピュータ装置１００にインストールされてもよい。

次に、本実施形態に係る無線通信装置１の動作について説明する。図９は、無線通信装置１の初期動作、すなわち、電源投入時の動作を示すフローチャートである。以下の説明において、無線通信装置１は、フレーム情報及びノードＩＤを予め記憶しているものとする。

ステップＳ１において、送受信部１３は、受信処理を開始し、電源投入から１フレームが経過したか判定する。１フレームが経過するまで、送受信部１３は、受信処理を継続する。なお、送受信部１３による判定は、１フレームに限られない。１フレームが経過する前に（ステップＳ１のＮＯ）、送受信部１３が受信情報を受信した場合（ステップＳ２のＹＥＳ）、処理はステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、送信先ノード決定部１７は、送受信部１３が受信した受信情報を取得し、当該受信情報の送信元ノードのノードＩＤ、ランク値、及び無線信号の信号強度（ＲＳＳＩ）を記憶する（ステップＳ３）。

無線通信装置１は、以上のステップＳ１〜Ｓ３の動作を、電源投入から１フレームが経過するまで繰り返す。１フレームが経過すると（ステップＳ１のＹＥＳ）、処理はステップＳ４に進む。

ステップＳ４において、送信先ノード決定部１７は、記憶した送信元ノードのノードＩＤ、ランク値、及び無線信号の信号強度に基づいて、送信先ノード（親ノード）を決定する（ステップＳ４）。送信先ノード決定部１７は、上述の通り、ランク値が最も小さく、信号強度が最も大きい送信元ノードを送信先ノード（親ノード）に決定する。また、送信先ノード（親ノード）のランク値より１大きいランク値を、自ノードのランク値として決定する。

図１０は、無線通信装置１の１フレーム分の通常動作を示すフローチャートである。以下では、上述のステップＳ４により、自ノードのランク値はＲに決定されたものとする。また、ランク値Ｒ及び自ノードのノードＩＤに基づいて、送信スロット決定部１８により、送信スロットが決定されているものとする。

ステップＳ５において、無線通信装置１は、自ノードのランク値Ｒより１大きいランク値Ｒ＋１を割当てられたスロット群Ｒ＋１が終了したか判定する。スロット群Ｒ＋１が終了するまで、送受信部１３は、受信処理を継続する。

スロット群Ｒ＋１が終了する前に（ステップＳ５のＮＯ）、送受信部１３が自ノード宛ての受信情報を受信した場合（ステップＳ６のＹＥＳ）、処理はステップＳ７に進む。受信情報が自ノード宛て、すなわち、受信情報の送信先ノードが自ノードであるかの判定は、宛先判定部１４により行われる。

ステップＳ７において、中継情報記憶部１５は、自ノード宛ての受信情報を、中継情報として記憶する。無線通信装置１は、以上のステップＳ５〜Ｓ７の動作を、スロット群Ｒ＋１が終了するまで繰り返し、送信元ノード（子ノード）の送信情報（中継情報）を受信する。そして、スロット群Ｒ＋１が終了すると（ステップＳ５のＹＥＳ）、処理はステップＳ８に進む。ここでは、スロット群Ｒ＋１が終了すると同時に、スロット群Ｒが開始するものとして説明するが、スロット群Ｒ＋１とスロット群Ｒとの間には、ランク値を割当てられていない期間があってもよい。

ステップＳ８において、送信情報生成部１６は、中継情報記憶部１５に記憶された中継情報に、自ノードのノードＩＤ、センサ情報、及びランク値Ｒなどの情報を付加して送信情報を生成する。送信情報生成部１６が送信情報を生成した後、中継情報記憶部１５に記憶された情報は消去される。

ステップＳ９において、無線通信装置１は、送信スロット決定部１８が決定した送信スロットが開始されるまで待機する。この待機期間中、送受信部１３は、受信処理を継続してもよいし、停止してもよい。送信スロットが開始されると、処理はステップＳ１０に進む。なお、スロット群Ｒの開始と同時に送信スロットが開始される場合には、ステップＳ９は省略される。

ステップＳ１０において、送受信部１３は、送信情報生成部１６が生成した送信情報を、送信先ノード決定部１７が決定した送信先ノード（親ノード）に送信する。送受信部１３により送信された送信情報は、無線信号に変換され、送受信アンテナ１１を介して送信先ノードに送信される。以上のステップＳ５〜Ｓ１０により、送信元ノード（子ノード）からの受信情報を送信先ノード（親ノード）へ中継することができる。送信スロットが終了すると、処理はステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１において、無線通信装置１は、スロット群Ｒが終了するまで待機する。この待機期間中、送受信部１３は、受信処理を行ってもよいし、停止してもよい。スロット群Ｒが終了すると、処理はステップＳ１２に進む。なお、スロット群Ｒの終了と同時に送信スロットが終了する場合には、ステップＳ１１は省略される。

ステップＳ１２において、無線通信装置１は、自ノードのランク値Ｒより１小さいランク値Ｒ−１を割当てられたスロット群Ｒ−１が終了したか判定する。スロット群Ｒ−１が終了するまで、送受信部１３は、受信処理を継続する。

スロット群Ｒ−１が終了する前に（ステップＳ１２のＮＯ）、送受信部１３がランク値Ｒ−１の受信情報を受信した場合（ステップＳ１２のＹＥＳ）、処理はステップＳ１４に進む。受信情報のランク値がＲ−１であるかの判定は、送信スロット決定部１８により行われる。

ステップＳ１４において、送信スロット決定部１８は、受信情報の送信元ノードのランク値Ｒ−１、ノードＩＤ、及び無線信号の信号強度を記憶する。無線通信装置１は、以上のステップＳ１２〜Ｓ１４の動作を、スロット群Ｒ−１が終了するまで繰り返し、送信先ノード（親ノード）の送信情報を受信する。そして、スロット群Ｒ−１が終了すると（ステップＳ１２のＹＥＳ）、処理はステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５において、送信先ノード決定部１７は、記憶したノードＩＤ、ランク値、及び信号強度に基づいて、送信先ノード（親ノード）を決定する。例えば、送信先ノード決定部１７は、信号強度が最も大きい無線ノードを送信先ノードに決定する。

以上のステップＳ１２〜Ｓ１５により、１フレーム毎に、信号強度が最大の無線ノードに送信先ノード（親ノード）を更新することができる。したがって、無線通信システムに新たな無線ノードが加わった場合であっても、無線通信装置１は、最適な親ノードに対して送信情報を送信することができる。なお、送信先ノードを更新しない場合には、ステップＳ１２〜Ｓ１５は省略されてもよい。

以上説明した通り、本実施形態に係る無線通信装置は、自ノードのランク値とフレーム情報とに基づいて、上述のスロット割当て方法を実現するように、送信スロットを自動的に決定することができる。したがって、この無線通信装置は、１フレーム以内に根ノードまで情報を伝達することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る無線通信システムについて、図１１を参照して説明する。図１１は、この無線通信システムの構成の一例を示す図である。この無線通信システムでは、無線通信システムを構成する各無線ノードが、所定の期間スリープ状態となる。他の構成は、第１実施形態と同様である。

スリープ状態とは、無線通信部１２が演算処理や通信機能を停止させ、時間のカウントのみを行う状態である。スリープ状態では、情報の送受信が行われないため、無線通信装置１の消費電力が低くなる。以下では、無線ノードが、情報の送受信を可能な状態を起床状態という。また、無線通信部１２が起床状態からスリープ状態に移行することを、「スリープする」といい、スリープ状態から起床状態に移行することを「起床する」という。

上述の通り、ランク値Ｒの無線ノードは、スロット群Ｒ＋１及びスロット群Ｒ−１の間、受信処理を行い、スロット群Ｒに含まれる送信スロットの間、送信処理を行う。本実施形態において、無線ノードは、これらの送受信処理を行う間を除き、スリープ状態となる。すなわち、無線ノードは、フレームが開始されてからスロット群Ｒ＋１が開始されるまでと、スロット群Ｒ＋１が終了してから送信スロットが開始されるまでと、送信スロットが終了してからスロット群Ｒ−１が開始されるまでと、スロット群Ｒ−１が終了してからフレームが終了するまでと、の期間スリープ状態となる。

例えば、ランク値３の無線ノードＩの場合、スロット群Ｎからスロット群５までの間スリープ状態となり、スロット群４の間受信処理を行い、スロット群３が開始されてから送信スロットが開始されるまでの間スリープ状態となり、送信スロットの間送信処理を行い、送信スロットが終了してからスロット群２が開始されるまでの間スリープ状態となり、スロット群２の間受信処理を行い、スロット群１の間スリープ状態となる。

なお、送信先ノード（親ノード）を更新しない場合には、スロット群Ｒ−１において受信処理を行わなくてもよいため、無線ノードはスロット群Ｒ−１の間スリープ状態であってもよい。

次に、本実施形態に係る無線通信装置１について、図１２を参照して説明する。図１２は、本実施形態に係る無線通信装置１の構成を示す図である。図１２に示すように、この無線通信装置１の無線通信部１２は、スリープ制御部２０を更に備える。他の構成は第１実施形態と同様である。

スリープ制御部２０は、電源を投入されている間、無線通信部１２の動作状態に関わらず機能する。スリープ制御部２０は、時間をカウントし、カウントした時間と、送信先ノード決定部１７により決定された自ノードのランク値と、フレーム情報記憶部１９に記憶されたフレーム情報と、に基づいて、無線通信部１２の動作状態を、スリープ状態と起床状態との間で制御する。

具体的には、スリープ制御部２０は、無線通信部１２を、スロット群Ｒ＋１の開始、送信スロットの開始、及びスロット群Ｒ−１の開始のタイミングで起床させ、スロット群Ｒ＋１の終了、送信スロットの終了、及びスロット群Ｒ−１の終了のタイミングでスリープさせる。

次に、本実施形態に係る無線通信装置１の動作について、図１３を参照して説明する。図１３は、本実施形態に係る無線通信装置１の１フレーム分の通常動作を示すフローチャートである。図１３では、動作の開始時点において、無線通信部１２はスリープ状態であるものとする。

ステップＳ１６において、スリープ制御部２０は、カウントしている時間と、自ノードのランク値Ｒと、フレーム情報と、に基づいて、スロット群Ｒ＋１が開始されたか判定する。スリープ制御部２０は、スロット群Ｒ＋１が開始されるまで、当該判定を繰り返す（ステップＳ１６のＮＯ）。スロット群Ｒ＋１が開始されると、処理はステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７において、スリープ制御部２０は、無線通信部１２を起床させる。これにより、送受信部１３が受信処理を開始する。以降、ステップＳ５〜Ｓ８までは、図１０のフローチャートと同様である。

ステップＳ８において、送信情報生成部１６が送信情報を生成すると、処理はステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８において、スリープ制御部２０は、無線通信部１２をスリープさせる。その後、スリープ制御部２０は、送信スロットが開始されると、無線通信部１２を起床させる。無線通信部１２が起床状態に移行すると、送受信部１３は、送信先ノード（親ノード）に送信情報を送信する。送信スロットが終了すると、処理はステップＳ１９に進む。

ステップＳ１９において、スリープ制御部２０は、無線通信部１２をスリープさせる。その後、スリープ制御部２０は、スロット群Ｒが終了し、スロット群Ｒ−１が開始すると、無線通信部１２を起床させる。これにより、送受信部１３が受信処理を開始する。以降、ステップＳ１２〜Ｓ１５までは、図１０のフローチャートと同様である。

ステップＳ１５において、送信先ノード（親ノード）が更新されると、スリープ制御部２０は、無線通信部１２をスリープさせる。以上で無線通信装置１の１フレーム分の通常動作が終了する。

以上説明した通り、本実施形態に係る無線通信装置１は、情報を送受信しない間、スリープ状態となる。したがって、無線通信装置１の消費電力を低減することができる。また、この無線通信装置１により無線通信システムを構成することにより、無線通信システム全体の消費電力を低減することができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る無線通信システムについて、図１４〜図１７を参照して説明する。図１４〜図１７は、本実施形態に係る無線通信システムの構成の一例を示す図である。第１実施形態及び第２実施形態では、下流側から上流側への情報の送信（上りリンク）だけが行われたが、本実施形態では、上流側から下流側への情報の送信（下りリンク）も同時に行われる。本実施形態において、無線通信装置１は、第１実施形態と同様である。

下りリンクの場合、上述の上りリンクのスロット割当て方法によってスロットを割当てると、情報伝達時間が数スロットかかるため非効率である。そこで、本実施形態では、上りリンク用のスロット割当てと、下りリンク用のスロット割当てと、をそれぞれ設定する。

上りリンク用のスロット割当てでは、第１実施形態と同様に、フレームにおいて時間が早いスロット群ほど、大きなランク値を割当て、時間が遅いスロット群ほど、小さなランク値を割当てる。これにより、フレームにおいて時間が早いスロットほど、下流側に位置する無線ノードに割当てる。

これに対して、下りリンク用のスロット割当てでは、フレームにおいて時間が早いスロット群ほど、小さなランク値を割当て、時間が遅いスロット群ほど、大きなランク値を割当てる。これにより、フレームにおいて時間が早いスロットほど、上流側に位置する無線ノードに割当てる。

これにより、上りリンク及び下りリンクの両方で、フレームにおいて時間が早いスロット程、情報の伝達経路において前に位置する無線ノードに割当てられることになる。したがって、本実施形態に係る無線通信システムによれば、上りリンク及び下りリンクの両方で情報伝達時間を１フレーム以内に短縮することができる。

さらに、本実施形態では、任意のランク値Ｒについて、上りリンクのランク値Ｒ＋１と、下りリンクのランク値Ｒ−１と、が同一のスロット群に割当てられないように、スロット群にランク値を割当てる。同様に、任意のランク値Ｒについて、上りリンクのランク値Ｒ−１と、下りリンクのランク値Ｒ＋１と、が同一のスロット群に割当てられないように、スロット群にランク値を割当てる。これにより、フレームの中央部分に位置するスロット群は、上りリンクのランク値Ｒ＋１，Ｒ−１、下りリンクのランク値Ｒ＋１，Ｒ−１の、いずれか１つのみを割当てられる。

このため、図１４の３番目のスロット群は、上りリンクのランク値５のみが割当てられ、４番目のスロット群は、下りリンクのランク値３のみが割当てられている。また、図１４の７番目のスロット群は、上りリンクのランク値３のみが割当てられ、８番目のスロット群は、下りリンクのランク値５のみが割当てられている。これにより、ランク値が２離れた無線ノード間の無線信号の干渉を防ぐことができる。

例えば、フレームの１番目のスロット群では、ランク値７の無線ノードとランク値１の無線ノードとが同時に無線信号を送信する。しかしながら、ランク値７の無線ノードとランク値１の無線ノードとは離れているため、これらの無線信号は干渉しない。

これに対して、フレームの３番目のスロット群で、ランク値５の無線ノードとランク値３の無線ノードとが同時に無線信号を送信した場合、ランク値５の無線ノードとランク値３の無線ノードとは近接しているため、これらの無線信号が干渉する恐れがある。

しかしながら、本実施形態のようにスロット群にランク値を割当てると、ランク値５の無線ノードとランク値３の無線ノードとが交互に無線信号を送信するため、無線信号の干渉を防ぐことができる。

このようなランク値の割当ては、図１４のように、ランク値の数が奇数（７個）の場合だけでなく、図１５に示すように、ランク値の数が偶数（８個）の場合であっても同様に可能である。

また、ランク値が３離れていても無線信号が干渉する恐れがある場合には、任意のランク値Ｒについて、上りリンクらのランク値Ｒ＋１（Ｒ−１）と、下りリンクのランク値Ｒ−２（Ｒ＋２）と、が同一のスロット群に割当てられないように、ランク値をスロット群に割当ててもよい。例えば、図１５の無線通信システムの３番目のスロット群は、上りリンクのランク値６のみを割当てられ、４番目のスロット群は、下りリンクのランク値３のみを割当てられている。これにより、ランク値が３離れた無線ノード間の無線信号の干渉を防ぐことができる。

さらに、図１４及び図１５では、上りリンクのランク値Ｒと、下りリンクのランク値Ｒと、が同一のスロット群に割当てられないように、スロット群にランク値を割当ている。しかしながら、図１６及び図１７に示すように、上りリンクのランク値Ｒと、下りリンクのランク値Ｒと、が同一のスロット群に割当てられるように、スロット群にランク値を割当ててもよい。

この場合、上りリンク及び下りリンクのランク値Ｒを割当てられたスロット群では、上りリンク及び下りリンクの送信が同時に行われる。例えば、図１６の場合、ランク値４の無線ノードＬは、送信スロットにおいて、無線ノードＩへの上りリンクの送信と、無線ノードＮ，Ｏへの下りリンクの送信と、を同時に行う。このように、上りリンクと下りリンクのランク値Ｒを同一のスロット群に割当てることにより、スロット群の数を減らし、フレームを短縮することができる。

以上説明した通り、本実施形態に係る無線通信システムによれば、上りリンク及び下りリンクの情報伝達時間を、いずれも１フレーム以内に短縮することができる。また、無線信号の干渉を防ぎ、情報の伝達精度を向上させることができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態に係る無線通信システムについて、図１８及び図１９を参照して説明する。図１８及び図１９は、本実施形態に係る無線通信システムの構成の一例を示す図である。この無線通信システムは、第３実施形態に係る無線通信システムを、第２実施形態に係る無線通信装置１により構成したものである。すなわち、無線通信装置１は、上りリンク及び下りリンクの送信を行うとともに、所定の期間スリープ状態となる。

具体的には、ランク値Ｒの無線ノードは、上りリンクのスロット群Ｒ＋１，Ｒ−１及び送信スロットの間、送受信を行うと共に、下りリンクのスロット群Ｒ＋１，Ｒ−１及び送信スロットの間、送受信を行う。

例えば、図１８において、ランク値７の無線ノードＵに着目した場合、無線ノードＵは、１番目のスロット群で上りリンクの中継情報を受信し、２番目のスロット群の送信スロットで当該中継情報を中継し、３番目のスロット群で受信した無線信号に基づいて上りリンクの送信先ノード（親ノード）を決定し、９番目のスロット群で下りリンクの中継情報を受信し、１０番目のスロット群の送信スロットで当該中継情報を中継し、１１番目のスロット群で受信した無線信号に基づいて下りリンクの送信先ノード（子ノード）を決定する。そして、無線ノードＵは、それ以外の期間、すなわち、４番目〜８番目のスロット群と、２番目及び１０番目のスロット群のうち送信スロット以外の期間と、ではスリープ状態となる。

これにより、上りリンク及び下りリンクの情報伝達時間をいずれも１フレーム以内に短縮しつつ、無線通信装置１及び無線通信システムの消費電力を低減することができる。

図１９は、図１８の無線通信システムの変形例である。図１９において、ランク値Ｒの無線ノードは、上りリンクのスロット群Ｒ＋１及び送信スロットの間、送受信を行うと共に、下りリンクのスロット群Ｒ＋１及び送信スロットの間、送受信を行う。すなわち、図１８の無線通信システムと異なり、上りリンク及び下りリンクのランク値Ｒ−１を割当てられたスロット群の間、無線ノードはスリープ状態となる。

例えば、図１９において、ランク値７の無線ノードＵに着目した場合、無線ノードＵは、１番目のスロット群で上りリンクの中継情報を受信し、２番目のスロット群の送信スロットで当該中継情報を中継し、９番目のスロット群で下りリンクの中継情報を受信し、１０番目のスロット群の送信スロットで当該中継情報を中継する。そして、無線ノードＵは、１番目のスロット群で受信した無線信号に基づいて下りリンクの送信先ノード（子ノード）を決定し、９番目のスロット群で受信した無線信号に基づいて上りリンクの送信先ノード（親ノード）を決定する。そして、無線ノードＵは、それ以外の期間、すなわち、４〜８，１１番目のスロット群と、２番目及び１０番目のスロット群のうち送信スロット以外の期間と、ではスリープ状態となる。

これにより、図１８の無線通信システムよりも無線通信装置１がスリープ状態となる期間がスロット群２個分長くなるため、無線通信装置１及び無線通信システムの消費電力をさらに低減することができる。

なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、各実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１：無線通信装置、２：集約装置、１１：送受信アンテナ、１２：無線通信部、１３：送受信部、１４：宛先判定部、１５：中継情報記憶部、１６：送信情報生成部、１７：送信先ノード決定部、１８：送信スロット決定部、１９：フレーム情報記憶部、２０：スリープ制御部、１００：コンピュータ装置、１０１：ＣＰＵ、１０２：入力インターフェース、１０３：グラフィック処理装置、１０４：通信インターフェース、１０５：主記憶装置、１０６：外部記憶装置、１０７：バス

Claims (10)

1. 情報を送受信する送受信部と、
   根ノードまでのホップ数に応じた自ノードのランク値に基づいて、複数のスロットに時分割されたフレームから、前記送受信部が前記情報を送信する送信スロットを決定する送信スロット決定部と、
   を備え、
   前記フレームには、複数の連続する前記スロットを含むスロット群が複数設定され、
   前記各スロット群には、それぞれ異なる前記ランク値が割当てられ、
   前記送信スロット決定部は、前記自ノードの前記ランク値が割当てられたスロット群を選択し、選択した前記スロット群に含まれる前記スロットの中から前記送信スロットを決定する
   無線通信装置。
2. 前記フレームにおいて時間が早い前記スロット群ほど大きな前記ランク値が割当てられる
   請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記送受信部は、前記自ノードの前記ランク値より１大きい前記ランク値が割当てられた前記スロット群において、前記情報を受信する
   請求項１又は請求項２に記載の無線通信装置。
4. 前記送受信部による前記情報の送受信処理を停止させるスリープ制御部を更に備える
   請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の無線通信装置。
5. 前記フレームにおいて時間が遅い前記スロット群ほど小さな前記ランク値が割当てられる
   請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の無線通信装置。
6. 前記送受信部は、前記自ノードの前記ランク値より１小さい前記ランク値を割当てられた前記スロット群において、前記情報を受信する
   請求項５に記載の無線通信装置。
7. 前記スロット群は、上りリンクのための前記ランク値と、下りリンクのための前記ランク値と、がそれぞれ割当てられ、前記上りリンクのための前記ランク値Ｒ＋１と、前記下りリンクのための前記ランク値Ｒ−１は、異なる前記スロット群に割当てられる
   請求項５又は請求項６に記載の無線通信装置。
8. 前記送受信部は、前記上りリンクのための前記ランク値Ｒ＋１が割当てられた前記スロット群、及び前記下りリンクのための前記ランク値Ｒ−１が割当てられた前記スロット群において、前記情報を受信する
   請求項７に記載の無線通信装置。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の前記無線通信装置と、
   前記無線通信装置からの前記情報を集約する集約装置と、
   を備える無線通信システム。
10. 根ノードと、複数の無線ノードとからなる無線通信システムにおいて、
    フレームを複数のスロットに時分割し、
    前記フレームに、複数の連続する前記スロットを含むスロット群を複数設定し、
    前記フレームにおいて時間が早い前記スロット群ほど大きくなるように、前記無線ノードから前記根ノードまでのホップ数に応じたランク値を割当て、
    前記スロット群に含まれる前記スロットを、前記スロット群に割当てられた前記ランク値と同一の前記ランク値の前記無線ノードに割当てる
    スロット割当て方法。

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