JP5104144B2

JP5104144B2 - 無線ネットワーク通信システム、通信方法およびプログラム

Info

Publication number: JP5104144B2
Application number: JP2007237473A
Authority: JP
Inventors: 光良江尻; 広幸紙谷
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: JP2009071564A

Description

本発明は、送信元の情報を無線ネットワーク経由で送信先に送信する無線ネットワーク通信システム、通信方法およびこの方法のプログラムに関する。

監視制御システムの新しい通信形態として、図３に示すように、無線センサノードを利用した無線センサネットワークがある。無線センサネットワークは、無線通信機能とセンサＩ／Ｏを搭載した小型のマイコン（無線センサノード）を無線中継機とし、これらを複数個所に分散配置し、基地局とした無線センサノードとコンピュータ（ＰＣ）を接続し、無線センサノード間は無線ネットワークを構成して送信情報を無線センサ間で順次中継（マルチホップ）することによって基地局に情報を集約、または基地局から制御情報を指定した無線センサノードに順次中継する。

無線センサノードには、通信可能距離が７５ｍ程度の近距離用になるＺｉｇＢｅｅ（ジグビー）などを使用し、各ノードは電波の強さから決まる近隣のノードと通信し、最終的な送信先をルートとする木構造が自動的に構成される。

また、無線センサ同士がより最適な経路で中継できるよう、送信局から宛先局までの中継数を基に通信経路を決定する方法もある（例えば、特許文献１参照）。また、無線センサでの消費電力とネットワークの柔軟性を確保するため、無線センサを間欠的に送受信することで受信部の無駄な立ち上げを減らす方法もある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−２５２７４号公報特開２００５−２１７５４８号公報

前記の無線センサネットワーク通信方式では、ノードを適当な距離間隔でばら撒く（新規配置する）だけで自動的にネットワークを構成し、任意のノード間の通信ができるようになる。基本的には多数のノードのデータを１つの基地局に集約するように設計されている。

しかし、画像などの大量のデータを送信しようとした場合、通信速度２５０ｋｂｐｓ程度のＺｉｇＢｅｅなどを無線センサノードとするネットワークでは、通信速度が２５０ｋｂｐｓ程度に制約され、画像データ伝送に渋滞やオーバフローを伴い、画像データを送受信する監視制御システム等には適用できない。

また、送信元と送信先の通信経路が１本に制約されるネットワークでは、中継ノードの故障や電源ダウン等によって通信不能に陥るおそれがある。

本発明の目的は、低い通信速度かつ近距離通信用の無線センサを使用した無線ネットワークにおいて、画像などの大量データを伝送でき、中継ノードの故障や電源ダウン等にも通信経路を確保できる無線ネットワーク通信システム、通信方法およびプログラムを提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、送信元ノードと送信先ノードとは直接に通信できる複数の無線センサノードを基地局無線センサノードとして配置し、送信元ノードは送信データを分割して複数の基地局無線センサノードに割り当て、複数の基地局無線センサノードから複数の無線センサノードで選択的に形成する複数の通信経路を通して送信先ノードに送信し、送信先ノードは複数の通信経路で受信したデータを統合して元の送信データを復元できるようにしたもので、以下の通信システム、通信方法およびプログラムを特徴とする。

（システムの発明）
（１）送信元ノードと送信先ノードを含む通信エリア内に近距離通信機能をもつ多数の無線ノードを分散配置し、送信元ノードからの送信情報を無線ノード間で順次中継して送信先ノードに送信する無線ネットワーク通信システムであって、
送信元ノードと送信先ノードは、前記無線ノードのうち、直接に通信できる複数の無線ノードを基地局無線ノードとして配置する手段を設け、
送信元ノードは、送信データを分割して複数の前記基地局無線ノードに割り当て、前記複数の基地局無線ノードから送信する手段を設け、
複数の無線ノードは、前記複数の基地局無線ノードに送信データを中継する複数の通信経路を選択的に形成する手段であって、他の無線ノードに対して送信する候補のノードの送信先候補を調べ、送信先候補となっているノードは、当該ノードを送信先候補とした送信元ノードのうち送信先候補の数の少ないノードからの送信を受け付け、その後、前記送信元ノードは各ノードに対して送信先候補の状態を調べ、自分を受け付けるようになっているノードがあればそれを送信先として選択し、無ければ任意に送信先ノードを選択し、あるノードが複数から選択されている場合で送信先候補が複数ある場合は分けて送信する経路選択手段を設け、
送信先ノードは、前記複数の基地局無線ノードから受信したデータを統合して元の送信データを復元する手段を設けたことを特徴とする。

（２）前記各無線ノードは、近隣のノードとのリンクを形成するためにＩＤをブロードキャスト送信し、これを受信した無線ノードは電波強度と共に元のノードに向けて返信し、これを元の無線ノードが受信することにより、電波強度を伴う近隣ノード情報を得て基地局間を結ぶグラフを形成し、このグラフから対応する基地局を結ぶ、独立（点素）した通信経路を見つける手段を設けたことを特徴とする。

（方法の発明）
（３）送信元ノードと送信先ノードを含む通信エリア内に近距離通信機能をもつ多数の無線ノードを分散配置し、送信元ノードからの送信情報を無線ノード間で順次中継して送信先ノードに送信する無線ネットワーク通信方法であって、
送信元ノードと送信先ノードは、前記無線ノードのうち、直接に通信できる複数の無線ノードを基地局無線ノードとして配置しておき、
送信元ノードは、送信データを分割して複数の前記基地局無線ノードに割り当て、前記複数の基地局無線ノードから送信する手順を設け、
複数の無線ノードは、前記複数の基地局無線ノードに送信データを中継する複数の通信経路を選択的に形成する手順であって、他の無線ノードに対して送信する候補のノードの送信先候補を調べ、送信先候補となっているノードは、当該ノードを送信先候補とした送信元ノードのうち送信先候補の数の少ないノードからの送信を受け付け、その後、前記送信元ノードは各ノードに対して送信先候補の状態を調べ、自分を受け付けるようになっているノードがあればそれを送信先として選択し、無ければ任意に送信先ノードを選択し、あるノードが複数から選択されている場合で送信先候補が複数ある場合は分けて送信する経路選択手順を設け、
送信先ノードは、前記複数の基地局無線ノードから受信したデータを統合して元の送信データを復元する手順を設けたことを特徴とする。

（４）前記各無線ノードは、近隣のノードとのリンクを形成するためにＩＤをブロードキャスト送信し、これを受信した無線ノードは電波強度と共に元のノードに向けて返信し、これを元の無線ノードが受信することにより、電波強度を伴う近隣ノード情報を得て基地局間を結ぶグラフを形成し、このグラフから対応する基地局を結ぶ、独立（点素）した通信経路を見つける手順を設けたことを特徴とする。

（プログラムの発明）
（５）コンピュータを上記（１）又は（２）に記載の各手段として機能させるプログラムとしたことを特徴とする。

（６）コンピュータに上記（３）又は（４）に記載の各手順を実行させるプログラムとしたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、送信元ノードと送信先ノードとは直接に通信できる複数の無線センサノードを基地局無線センサノードとして配置し、送信元ノードは送信データを分割して複数の基地局無線センサノードに割り当て、複数の基地局無線センサノードから複数の無線センサノードで選択的に形成する複数の通信経路を通して送信先ノードに送信し、送信先ノードは複数の通信経路で受信したデータを統合して元の送信データを復元できるようにしたため、低い通信速度かつ近距離通信用の無線センサノードを使用した無線ネットワークにおいて、画像などの大量データを伝送でき、中継ノードの故障や電源ダウン等にも通信経路を確保できる。

図１は、本発明の実施形態を示す無線ネットワーク通信システムの構成例である。無線センサノードＮ１〜Ｎ２３は、図３のものと同様に、無線通信機能とセンサＩ／Ｏを搭載した小型のマイコンで構成され、既存のＺｉｇＢｅｅ（ジグビー）などの近距離通信機能をもち、送信元コンピュータＰＣ１と送信先コンピュータＰＣ２を含む通信エリア内に分散配置される。

これら無線センサノードＮ１〜Ｎ２３のうち、例えば４つの無線センサノードＮ１〜Ｎ４は送信元コンピュータＰＣ１と直接に通信できる基地局無線センサノードとして配置する。同様に、４つの無線センサノードＮ２０〜Ｎ２３は送信先コンピュータＰＣ２と直接に通信できる基地局無線センサノードとして配置する。他の無線センサノードＮ５〜Ｎ１９は、少なくとも２つの近隣の無線センサの送信電波を受信できる距離間隔で分散配置される。

送信元コンピュータＰＣ１は、送信データが画像データなどの大量データになる場合はそれを分割して４つの基地局無線センサノードＮ１〜Ｎ４に割り当て、４つの基地局無線センサノードＮ１〜Ｎ４から自動的に形成する４つの通信経路を通して送信先コンピュータＰＣ２の基地局無線センサノードＮ２０〜Ｎ２３に送信する。送信先コンピュータＰＣ２は、基地局無線センサノードＮ２０〜Ｎ２３から受信したデータを統合することで元の送信データを復元する。

なお、図１では、無線センサノードの個数は２３個とするが、これに限らない。また、基地局としたノードの数も４個とするが、これに限らない。

以上の通信システムによれば、各無線センサノードＮ１〜Ｎ２３が電波の強さから決まる近隣の無線センサノードとデータを送受信することで、送信元コンピュータＰＣ１から送信先コンピュータＰＣ２に至る４通信経路（例えば、Ｎ１→Ｎ６→Ｎ１１→Ｎ１５→Ｎ２０）が自動的に形成され、送信元コンピュータＰＣ１から送信先コンピュータＰＣ２への通信速度を等価的には約４倍に増大できる。また、故障や電源ダウンなどの中継機能を喪失した無線センサノードが存在する場合、当該無線センサノードを迂回して通信経路が形成され、当該無線センサノードを回避した通信経路を確保できる。

以上の無線ネットワーク通信システムにおける高速伝送と通信経路の自動形成の具体例を説明する。

（１）災害や無線センサの機能喪失などで通信環境の一部または全部が破壊された場合、無線ネットワークを早期に構築するために、通信環境が破壊された領域に複数の無線センサノードをばら撒く（新規配置する）ことで無線センサネットワークを自動形成し、通信環境を復旧させる。

このとき、画像通信などで送信元と送信先が１対１である場合、多数ノードをばら撒いても利用されないノード（経路）が多い。そこで、並列に通信経路を構成して同時に使用することにより、高速にデータ送信することができる。

（２）送信元と送信先にはあらかじめ基地局を複数接続しておく。基地局は送信元と送信先で１対ずつ対応させる。送信元は送信するデータを基地局の数だけ分割し、各基地局に分配する。各基地局は無線センサネットワークを通して対応する基地局に分割されたデータを送信する。送信先は基地局で受信したデータを統合し、元の送信データを復元する。

なお、送信元でデータを分割する際にはデータにラベルを付け、送信先ノードがデータに付されたラベルを基に統合して送信データを元に戻せるようにする。これにより、画像データなどの大量データを複数経路で並列に送信することができ、通信速度を高くすることができる。また、常時は無線センサネットワークとして環境モニタリングを行い、災害時には非常用通信路として機能させるようにあらかじめノードを配置しておくことも考えられる。

（３）各無線センサノードは近隣のノードとのリンクを形成するためにＩＤをブロードキャスト送信し、これを受信した無線センサノードは電波強度と共に元のノードに向けて返信する。これを元の無線センサノードが受信することにより、近隣ノード情報が電波強度を伴って得られる。これにより基地局間を結ぶグラフが形成されるが、ここから対応する基地局を結ぶなるべく独立（点素）（必ず点素な経路を見つけることはできない）した経路を見つけられると、分割した通信が混信しないため効率よく送信できる。

（４）中間のノード同士がある程度距離が離れている場合は自然と点素に近い経路群が形成される。そのため各ノードは単に送信先基地局を目指して送信を行うことで済む。

（５）図２は通信経路の選択例を示す。経路選択は、なるべく点素な経路を見つけるため、複数の経路選択肢がある場合になるべく交差しない経路を見つけたい。そこで、あるノードに対して送信する候補のノードの送信先候補を調べ（図２の（ａ））、送信先候補の数の少ないノードからの送信を受け付けるようにする。

その後、各ノードに対して送信先候補の状態を調べ、自分を受け付けるようになっているノードがあればそれを送信先として選択する（図２の（ｂ））。無ければ任意に送信先ノードを選択する。送信先ノードは選択された旨を保持する。

あるノードが複数から選択されている場合、送信先候補が複数ある場合は分けて送信するようにする（図２の（ｃ））。これによりある程度点素に近い経路群が形成される。

なお、本発明は、図１，２に示したシステム、処理手順の一部又は全部の処理機能をプログラムとして構成してコンピュータに実行させることができる。

本発明の実施形態を示す無線ネットワーク通信システムの構成図。通信経路の選択例。無線センサネットワークの例。

符号の説明

ＰＣ１送信元コンピュータ
ＰＣ２送信先コンピュータ
Ｎ１〜Ｎ２３無線センサノード

Claims

送信元ノードと送信先ノードを含む通信エリア内に近距離通信機能をもつ多数の無線ノードを分散配置し、送信元ノードからの送信情報を無線ノード間で順次中継して送信先ノードに送信する無線ネットワーク通信システムであって、
送信元ノードと送信先ノードは、前記無線ノードのうち、直接に通信できる複数の無線ノードを基地局無線ノードとして配置する手段を設け、
送信元ノードは、送信データを分割して複数の前記基地局無線ノードに割り当て、前記複数の基地局無線ノードから送信する手段を設け、
複数の無線ノードは、前記複数の基地局無線ノードに送信データを中継する複数の通信経路を選択的に形成する手段であって、他の無線ノードに対して送信する候補のノードの送信先候補を調べ、送信先候補となっているノードは、当該ノードを送信先候補とした送信元ノードのうち送信先候補の数の少ないノードからの送信を受け付け、その後、前記送信元ノードは各ノードに対して送信先候補の状態を調べ、自分を受け付けるようになっているノードがあればそれを送信先として選択し、無ければ任意に送信先ノードを選択し、あるノードが複数から選択されている場合で送信先候補が複数ある場合は分けて送信する経路選択手段を設け、
送信先ノードは、前記複数の基地局無線ノードから受信したデータを統合して元の送信データを復元する手段を設けたことを特徴とする無線ネットワーク通信システム。
前記各無線ノードは、近隣のノードとのリンクを形成するためにＩＤをブロードキャスト送信し、これを受信した無線ノードは電波強度と共に元のノードに向けて返信し、これを元の無線ノードが受信することにより、電波強度を伴う近隣ノード情報を得て基地局間を結ぶグラフを形成し、このグラフから対応する基地局を結ぶ、独立（点素）した通信経路を見つける手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の無線ネットワーク通信システム。
送信元ノードと送信先ノードを含む通信エリア内に近距離通信機能をもつ多数の無線ノードを分散配置し、送信元ノードからの送信情報を無線ノード間で順次中継して送信先ノードに送信する無線ネットワーク通信方法であって、
送信元ノードと送信先ノードは、前記無線ノードのうち、直接に通信できる複数の無線ノードを基地局無線ノードとして配置しておき、
送信元ノードは、送信データを分割して複数の前記基地局無線ノードに割り当て、前記複数の基地局無線ノードから送信する手順を設け、
複数の無線ノードは、前記複数の基地局無線ノードに送信データを中継する複数の通信経路を選択的に形成する手順であって、他の無線ノードに対して送信する候補のノードの送信先候補を調べ、送信先候補となっているノードは、当該ノードを送信先候補とした送信元ノードのうち送信先候補の数の少ないノードからの送信を受け付け、その後、前記送信元ノードは各ノードに対して送信先候補の状態を調べ、自分を受け付けるようになっているノードがあればそれを送信先として選択し、無ければ任意に送信先ノードを選択し、あるノードが複数から選択されている場合で送信先候補が複数ある場合は分けて送信する経路選択手順を設け、
送信先ノードは、前記複数の基地局無線ノードから受信したデータを統合して元の送信データを復元する手順を設けたことを特徴とする無線ネットワーク通信方法。
前記各無線ノードは、近隣のノードとのリンクを形成するためにＩＤをブロードキャスト送信し、これを受信した無線ノードは電波強度と共に元のノードに向けて返信し、これを元の無線ノードが受信することにより、電波強度を伴う近隣ノード情報を得て基地局間を結ぶグラフを形成し、このグラフから対応する基地局を結ぶ、独立（点素）した通信経路を見つける手順を設けたことを特徴とする請求項３に記載の無線ネットワーク通信方法。
コンピュータを請求項１又は２に記載の各手段として機能させるプログラム。
コンピュータに請求項３又は４に記載の各手順を実行させるプログラム。