JP2018046455A - 無線通信装置、無線通信プログラム及び無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パケット到達率の測定精度が悪化することを補った上で、自己と隣接する無線通信装置とのリンクコストを求めることができる無線通信装置を提供する。【解決手段】無線通信装置１０は、無線リンクごとに測定期間の総送信パケット個数に対する実際に受信したパケット個数の割合を求めることにより、パケット到達率を実測するパケット到達率測定部１０３と、無線リンクごとに受信したパケットの受信電力値から無線リンクのパケット到達率を推定するパケット到達率推定部１０４と、パケット到達率測定部１０３により実測されたパケット到達率である実測パケット到達率、又はパケット到達率推定部１０４により推定されたパケット到達率である推定パケット到着率のいずれかを選択してリンクコストを計算するリンクコスト計算部１０５とを有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信装置、無線通信プログラム及び無線通信方法に関し、例えば、無線マルチホップネットワークを構成する無線通信装置に適用し得る。

パケット中継機能を有する複数の無線通信装置によってネットワークを構成し、互いに隣接している無線通信装置間で相互にパケットを中継する無線マルチホップネットワークが知られている。無線通信装置間でパケットを順次中継することにより、電波が直接届かない無線通信装置へパケットを転送することができる。

無線マルチホップネットワークでは、パケットを所望の無線通信装置に中継するためには、送信元の無線通信装置からどの無線通信装置を中継して宛先の無線通信装置まで転送されるかの通信経路を決定するルーティングプロトコルが必要とされる。無線マルチホップネットワーク向けのルーティングプロトコルとしては、例えば、ＡＯＤＶ（Ａｄ Ｈｏｃ Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ）方式やメニートゥーワン（Ｍａｎｙ ｔｏ Ｏｎｅ）方式が知られている。これらのルーティングプロトコルでは、宛先アドレスまでの最適な通信経路を求めるために、パスコスト及びリンクコストを計算している。パスコストはネットワーク上における任意の２つの無線通信装置間で他の無線通信装置で中継することを考慮した論理的な距離を表す指標である。また、リンクコストはネットワーク上におけるノード間で直接通信する場合の論理的な距離を表す指標である。

例えば、メニートゥーワン方式は、ネットワークを構成する複数の無線通信装置から特定の無線通信装置へデータを収集するための通信経路を構築する方式である。このメニートゥーワン方式では、データを収集する無線通信装置までの経路を持つ無線通信装置が、定期的にデータを収集する無線通信装置までのパスコストを隣接する無線通信装置にブロードキャストすることにより通知する。パスコストを通知された無線通信装置は、通知された隣接する無線通信装置までのパスコストにその無線通信装置とのリンクコストを足した値が最も小さくなる隣接無線通信装置を転送先として選択し、選択した無線通信装置を経由する最小パスコストを隣接する無線通信装置にブロードキャストで通知する。これを繰り返すことにより、すべての無線通信装置からデータを収集する無線通信装置までの通信経路を構築することができる。

従来、リンクコストとして隣接する無線通信装置とのパケット到達率を実測し、リンクコストを計算する方法が開示されている（特許文献１参照）。特許文献１では、パケット到達率を実測する具体的な方法として、パケットヘッダ部に含まれるシーケンス番号からパケット到達率を算出する例が示されている。例えば、シーケンス番号が１のパケットを受信してから、到達率算出時点までに受信したパケットの個数が８０個で、当該パケットのシーケンス番号が１００のである場合、パケット到達率は０．８（＝８０／１００）となる。さらに、パケット到達率からリンクコストを算出する方法として、「リンクコスト＝１０−パケット到達率×１０」として算出する例が示されている。

また、パスコストとしては、通信経路を構成する無線リンクに対して上記方法で求めたリンクコストをすべて累積した値とする例が示されている。

特開２０１０−１７８１４５号公報

しかしながら、パケット到達率の実測値からリンクコストを求める場合、パケット到達率の実測を開始してから十分なパケットが送信されるまでの期間（言い換えれば、総パケット送信数が少ない間）は、パケット到達率の測定精度が悪化するという問題が存在する。例えば、平均のパケット到達率が０．９の無線リンクで総送信パケットが１００個の場合、平均９０個のパケットを受信することになるが、平均より１個少なくパケットを受信した場合の実測値は０．８９（＝８９／１００）で誤差は０．０１である。これに対し、総送信パケット数が１０個の場合、平均９個のパケット受信に対して、１個少なくパケットを受信すると、実測値は０．８（＝８／１０）で誤差０．１となる。このように総パケット送信数が少ない間は、パケット到達率の誤差が大きくなってしまう。

そのため、パケット到達率の測定精度が悪化することを補った上で、自己と隣接する無線通信装置とのリンクコストを求めることができる無線通信装置、無線通信プログラム及び無線通信方法が望まれている。

第１の本発明は、自己と隣接する複数の無線通信装置との間の無線リンクのパケット到達率から計算したリンクコストを利用して通信経路を特定するルーティングプロトコルを用いた無線マルチホップネットワークを構成する無線通信装置であって、（１）前記無線リンクごとに測定期間の総送信パケット個数に対する実際に受信したパケット個数の割合を求めることにより、パケット到達率を実測するパケット到達率実測手段と、（２）前記無線リンクごとに受信したパケットの受信電力値から前記無線リンクのパケット到達率を推定するパケット到達率推定手段と、（３）前記パケット到達率実測手段により実測されたパケット到達率である実測パケット到達率、又は前記パケット到達率推定手段により推定されたパケット到達率である推定パケット到着率のいずれかを選択してリンクコストを計算するリンクコスト計算手段とを有することを特徴とする。

第２の本発明の無線通信プログラムは、自己と隣接する複数の無線通信装置との間の無線リンクのパケット到達率から計算したリンクコストを利用して通信経路を特定するルーティングプロトコルを用いた無線マルチホップネットワークを構成する無線通信装置に搭載されるコンピュータを、（１）前記無線リンクごとに測定期間の総送信パケット個数に対する実際に受信したパケット個数の割合を求めることにより、パケット到達率を実測するパケット到達率実測手段と、（２）前記無線リンクごとに受信したパケットの受信電力値から前記無線リンクのパケット到達率を推定するパケット到達率推定手段と、（３）前記パケット到達率実測手段により実測されたパケット到達率である実測パケット到達率、又は前記パケット到達率推定手段により推定されたパケット到達率である推定パケット到着率のいずれかを選択してリンクコストを計算するリンクコスト計算手段として機能させることを特徴とする。

第３の本発明は、自己と隣接する複数の無線通信装置との間の無線リンクのパケット到達率から計算したリンクコストを利用して通信経路を特定するルーティングプロトコルを用いた無線マルチホップネットワークを構成する無線通信装置に用いる無線通信方法であって、パケット到達率実測手段、パケット到達率推定手段、及びリンクコスト計算手段を有し、（１）前記パケット到達率実測手段は、前記無線リンクごとに測定期間の総送信パケット個数に対する実際に受信したパケット個数の割合を求めることにより、パケット到達率を実測し、（２）前記パケット到達率推定手段は、前記無線リンクごとに受信したパケットの受信電力値から前記無線リンクのパケット到達率を推定し、（３）前記リンクコスト計算手段は、前記パケット到達率実測手段により実測されたパケット到達率である実測パケット到達率、又は前記パケット到達率推定手段により推定されたパケット到達率である推定パケット到着率のいずれかを選択してリンクコストを計算することを特徴とする。

本発明によれば、パケット到達率の測定精度が悪化することを補った上で、自己と隣接する無線通信装置のリンクコストを求めることができる。

この実施形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図である。 この実施形態に係る無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。 この実施形態に係る無線通信装置の制御パケット受信時の処理を示すフローチャートである。 この実施形態に係る無線通信装置の制御パケット送信時の処理を示すフローチャートである。

（Ａ）主たる実施形態
以下では、本発明に係る無線通信装置、無線通信プログラム及び無線通信方法の一実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

（Ａ−１）実施形態の構成
（Ａ−１−１）全体構成
図２は、この実施形態に係る無線通信システム１の全体構成を示すブロック図である。無線通信システム１は、メニートゥーワン方式の無線マルチホップネットワークである。なお、図２では、説明を容易にするために、無線通信システム１が、１０台の無線通信装置１０（１０−１〜１０−１０）を有する場合を例示する。勿論、無線通信装置１０の数は特に限定されるものではない。無線通信装置１０−１〜１０−１０の各々は、自身に隣接する無線通信装置１０−１〜１０−１０との間で無線通信によりパケットを交換できる。図２中において点線で結ばれている無線通信装置同士が相互にパケットを交換できる。

また、無線通信システム１において、無線通信装置１０−２〜１０−１０はデータ（例えば、センサデータ）を生成する無線通信装置であり、無線通信装置１０−１は、無線通信装置１０−２〜１０−１０で生成されたデータを集約する無線通信装置（データ収集装置）である。なお、この実施形態において、パスコストは、無線通信装置１０−１からそれ以外の各無線通信装置１０−２〜１０−１０までのリンクコストの累積値である。リンクコストは隣接する各無線通信装置１０−１〜１０−１０間（無線リンク）の品質を示す値である。

（Ａ−１−２）無線通信装置１０の詳細な構成
図１は、この実施形態に係る無線通信装置１０−１〜１０−１０の構成を示すブロック図である。なお、無線通信装置１０−１〜１０−１０の各構成は同一であるため、以下では、符号の枝番を省略して説明する。

図１において、無線通信装置１０は、制御パケット処理部１００、送信部１０１、及び受信部１０２を有する。無線通信装置１０は、例えば、プロセッサ及びメモリを有するコンピュータにプログラム（実施形態に係る無線通信プログラム）をインストールすることにより構築するようにしても良い。また、無線通信装置１０は、一部又は全部をハードウェア（例えば、専用の半導体チップや電気回路等）を用いて構成するようにしても良い。なお、図１では、特徴部分である制御パケットを処理する構成を中心に図示している（例えば、データパケットを処理する構成については既存の構成と同一のために省略している）。

送信部１０１は、後述する制御パケット生成部１０７で生成された制御パケットを他の無線通信装置１０へ送信するものである。

受信部１０２は、他の無線通信装置１０が送信した制御パケットを受信するものである。なお、制御パケットは、自身に隣接している他の無線通信装置１０からのパケット到達率やリンクコスト及びパスコストを算出するためのパケットであって、隣接する無線通信装置１０と周期的に送受信される。

また、受信部１０２は、パスコスト計算・記憶部１０６に制御パケットの情報を通知する。さらに、受信部１０２は、パケット到達率推定部１０４に制御パケット受信時に測定した受信電力値を通知する。

パケット到達率測定部１０３は、受信した制御パケットの送信元の無線通信装置１０毎にパケット到達率を実測するものである。パケット到達率の実測方法は、例えば、受信したパケットのヘッダに含まれるシーケンス番号から受信を開始してから現時点までの総送信パケット個数を計算し、その間に受信したパケット個数の割合を計算する方法を適用できる。また、パケット到達率測定部１０３は、制御パケットの送信間隔が判明している場合には、総送信パケット数をパケット到達率を測定している期間から算出しても良い。

パケット到達率推定部１０４は、受信部１０２から通知された制御パケットの受信電力値からパケット到達率を推定するものである。受信電力値とパケット到達率には相関があることが知られおり、無線通信の方式、伝搬路や装置で付加される雑音の特性、パケットサイズなどが定まれば、受信電力値から平均到達率を計算で求める式も明らかにされている。パケット到達率推定部１０４は、この関係を元に受信電力値からパケット到達率を推定しても良いし、予め測定した受信電力値とパケット到達率の関係を使用してパケット到達率を推定しても良い。

リンクコスト計算部１０５は、パケット到達率測定部１０３で実測した実測パケット到達率とパケット到達率推定部１０４で推定した推定パケット到達率のどちらか一方を選択しリンクコストを計算し、計算したリンクコストをパスコスト計算・記憶部１０６に通知するものである。リンクコスト計算部１０５は、リンクコストを計算する基となるパケット到達率を選択する方法として、例えば、パケット到達率の実測における総送信パケット個数に閾値を設け、閾値以下の場合はパケット到達率推定部１０４で推定した推定値を選択し、閾値以上の場合は実測値を選択するようにしても良い。また、リンクコスト計算部１０５は、実測値と推定値について、良い値（大きい値）又は悪い値（小さい値）のパケット到達率を選択するようにしても良い。リンクコスト計算部１０５は、リンクコストの計算について、例えば、先に述べたように、「リンクコスト＝１０−パケット到達率×１０」として算出することができる。

パスコスト計算・記憶部１０６は、受信した制御パケットから送信元の無線通信装置までのパスコストを抽出し、抽出したパスコストにリンクコスト計算部１０５から通知されたリンクコストを加算し、制御パケットの送信元の無線通信装置を経由した場合のパスコストとして記憶するものである。

制御パケット生成部１０７は、パスコスト計算・記憶部１０６が記憶しているパスコストから最小のパスコストを抽出し、抽出したパスコストを含む制御パケットを生成するものである。

（Ａ−２）実施形態の動作
次に、以上のような構成を有するこの実施形態の無線通信システム１の動作を、図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態では、無線通信システム１を構成する各無線通信装置１０の制御パケットの処理について特徴が存在するので、以下では、無線通信装置１０の制御パケットの処理について説明を行う。

（Ａ−２−１）無線通信装置１０の制御パケット受信時の処理
図３は、この実施形態に係る無線通信装置の制御パケット受信時の処理を示すフローチャートである。

受信部１０２は、他の隣接する無線通信装置１０から制御パケットを受信すると、受信した制御パケットの情報をパケット到達率測定部１０３及びパスコスト計算・記憶部１０６に通知する（Ｓ１１）。また、受信部１０２は、制御パケット受信時に測定した制御パケットの受信電力値をパケット到達率推定部１０４に通知する。

パケット到達率測定部１０３は、通知された制御パケットの情報(例えば、シーケンス番号)を基に、パケット到達率を実測する（Ｓ１２）。また、パケット到達率測定部１０３は、実測したパケット到達率をリンクコスト計算部１０５に通知する。

パケット到達率推定部１０４は、通知された制御パケットの受信電力値からパケット到達率を推定する（Ｓ１３）。パケット到達率推定部１０４は、例えば、先にも説明した通り、受信電力値とパケット到達率の相関により導かれる既存の計算式より制御パケットのパケット到達率を推定する。また、パケット到達率推定部１０４は、推定したパケット到達率をリンクコスト計算部１０５に通知する。

リンクコスト計算部１０５は、通知された実測したパケット到達率と推定した到達率から、リンクコストを算出する基となるいずれかのパケット到達率を選択する（Ｓ１４）。リンクコスト計算部１０５は、例えば、パケット到達率の実測において用いた総パケット個数が予め決められた閾値より小さい場合には推定した到達率(推定値)を、閾値より大きい場合には実測したパケット到達率(実測値)を選択する。また、リンクコスト計算部１０５は、推定値と実測値を比較して、大きい値（又は小さい値）のパケット到達率を選択しても良い。さらに、リンクコスト計算部１０５は、制御パケットを受信できる（隣接する）無線通信装置１０の数や、通信経路の候補となる無線リンク数、すなわち、隣接する無線通信装置で自身が送信するパスコストよりも小さいパスコストの無線通信装置１０の数によって切り替えても良い。

リンクコスト計算部１０５は、先述のステップＳ１４の処理により選択されたパケット到達率（実測値又は推定値）から、リンクコストを算出する（Ｓ１５）。

パスコスト計算・記憶部１０６は、受信した制御パケットから送信元の無線通信装置１０までのパスコストを抽出し、抽出したパスコストにリンクコスト計算部１０５から通知されたリンクコストを加算した値を、制御パケットの送信元の無線通信装置１０毎に記憶する（Ｓ１６）。

（Ａ−２−２）無線通信装置１０の制御パケット送信時の処理
図４は、この実施形態に係る無線通信装置の制御パケット送信時の処理を示すフローチャートである。

制御パケット生成部１０７は、予め設定された例えば数秒〜数十秒間隔などの周期的な制御パケット送信タイミングが到来したか否かを判別し（Ｓ２１）、当該タイミングが到来したときに制御パケットを生成する（Ｓ２２）。このとき、制御パケット生成部１０７は、パスコスト計算・記憶部１０６に記憶されている、隣接する無線通信装置１０毎のパスコストのうち最小のパスコストを含めた制御パケットを生成する。

送信部１０１は、制御パケット生成部１０７により生成された制御パケットを、隣接する無線通信装置１０へ送信する（Ｓ２３）。

以上のように、各無線通信装置１０が制御パケットの処理を行うことにより、メニートゥーワン方式等による通信経路の構築が可能となり、無線マルチホップネットワークでの通信が可能となる。

（Ａ−３）実施形態の効果
この実施形態によれば、以下の効果を奏する。

無線通信装置１０は、パケット到達率の実測値に加えて、受信電力値から推定したパケット到達率を併用することにより、総送信パケット個数が少ない場合にパケット到達率の測定精度が悪化することを補うことができる。例えば、無線通信装置１０（リンクコスト計算部１０５）は、他の無線通信装置からの総送信パケット個数が閾値以下の場合にパケット到達率の推定値を用いることにより、パケット到達率を実測値以上の精度とすることが可能となる。

また、無線通信装置１０は、リンクコスト計算部１０５により、パケット到達率の推定値と実測値の良い方（パケット到着率が大きい方）を選択した場合には、無線リンクが実際より悪く評価（リンクコストが大きくなる）され、通信経路を構築する無線リンクの候補が少なくなってしまうことを防ぐことができる。

さらに、無線通信装置１０は、リンクコスト計算部１０５により、パケット到達率の推定値と実測値の悪い方（パケット到着率が小さい方）を選択した場合には、実際にはパケット到達率が悪い無線リンクを通信経路として選択してしまうことを防ぐことできる。

（Ｂ）他の実施形態
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するような変形実施形態も挙げることができる。

上記実施形態では、本発明の無線通信装置を、メニートゥーワン方式の無線マルチホップネットワークを構成する無線通信装置１０に適用する例について説明したが、これに限らず、種々様々な通信方式により通信を行う無線通信装置に適用することができる。

１…無線通信システム、１０（１０−１〜１０−１０）…無線通信装置、１０−１…無線通信装置、１０−２…無線通信装置、１００…制御パケット処理部、１０１…送信部、１０２…受信部、１０３…パケット到達率測定部、１０４…パケット到達率推定部、１０５…リンクコスト計算部、１０６…パスコスト計算・記憶部、１０７…制御パケット生成部。

Claims (8)

1. 自己と隣接する複数の無線通信装置との間の無線リンクのパケット到達率から計算したリンクコストを利用して通信経路を特定するルーティングプロトコルを用いた無線マルチホップネットワークを構成する無線通信装置であって、
   前記無線リンクごとに測定期間の総送信パケット個数に対する実際に受信したパケット個数の割合を求めることにより、パケット到達率を実測するパケット到達率実測手段と、
   前記無線リンクごとに受信したパケットの受信電力値から前記無線リンクのパケット到達率を推定するパケット到達率推定手段と、
   前記パケット到達率実測手段により実測されたパケット到達率である実測パケット到達率、又は前記パケット到達率推定手段により推定されたパケット到達率である推定パケット到着率のいずれかを選択してリンクコストを計算するリンクコスト計算手段と
   を有することを特徴とする無線通信装置。
2. 前記リンクコスト計算手段は、前記総送信パケット個数が所定の値より小さい場合には前記推定パケット到着率を選択し、それ以外の場合には前記実測パケット到達率を選択することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記リンクコスト計算手段は、前記推定パケット到着率と前記実測パケット到達率とを比較して、大きい値の前記推定パケット到着率又は前記実測パケット到達率を選択することを特徴する請求項１に記載の無線通信装置。
4. 前記リンクコスト計算手段は、前記推定パケット到着率と前記実測パケット到達率とを比較して、小さい値の前記推定パケット到着率又は前記実測パケット到達率を選択することを特徴する請求項１に記載の無線通信装置。
5. 前記リンクコスト計算手段は、前記推定パケット到着率と前記実測パケット到達率とを比較し、隣接する無線通信装置の数に応じて、大きい値、又は小さい値の前記推定パケット到着率又は前記実測パケット到達率を選択することを特徴する請求項１に記載の無線通信装置。
6. 前記リンクコスト計算手段は、前記推定パケット到着率と前記実測パケット到達率とを比較し、前記通信経路の転送先の候補となり得る無線通信装置の数に応じて、大きい値、又は小さい値の前記推定パケット到着率又は前記実測パケット到達率を選択することを特徴する請求項１に記載の無線通信装置。
7. 自己と隣接する複数の無線通信装置との間の無線リンクのパケット到達率から計算したリンクコストを利用して通信経路を特定するルーティングプロトコルを用いた無線マルチホップネットワークを構成する無線通信装置に搭載されるコンピュータを、
   前記無線リンクごとに測定期間の総送信パケット個数に対する実際に受信したパケット個数の割合を求めることにより、パケット到達率を実測するパケット到達率実測手段と、
   前記無線リンクごとに受信したパケットの受信電力値から前記無線リンクのパケット到達率を推定するパケット到達率推定手段と、
   前記パケット到達率実測手段により実測されたパケット到達率である実測パケット到達率、又は前記パケット到達率推定手段により推定されたパケット到達率である推定パケット到着率のいずれかを選択してリンクコストを計算するリンクコスト計算手段と
   して機能させることを特徴とする無線通信プログラム。
8. 自己と隣接する複数の無線通信装置との間の無線リンクのパケット到達率から計算したリンクコストを利用して通信経路を特定するルーティングプロトコルを用いた無線マルチホップネットワークを構成する無線通信装置に用いる無線通信方法であって、
   パケット到達率実測手段、パケット到達率推定手段、及びリンクコスト計算手段を有し、
   前記パケット到達率実測手段は、前記無線リンクごとに測定期間の総送信パケット個数に対する実際に受信したパケット個数の割合を求めることにより、パケット到達率を実測し、
   前記パケット到達率推定手段は、前記無線リンクごとに受信したパケットの受信電力値から前記無線リンクのパケット到達率を推定し、
   前記リンクコスト計算手段は、前記パケット到達率実測手段により実測されたパケット到達率である実測パケット到達率、又は前記パケット到達率推定手段により推定されたパケット到達率である推定パケット到着率のいずれかを選択してリンクコストを計算する
   ことを特徴とする無線通信方法。
   

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