JP5909159B2 - 制御装置および制御方法 - Google Patents
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Description
以下、図1〜図6に基づいて、本発明の実施形態1について説明する。本実施形態1は、複数ゲートウェイ通信システムにおいて、消費電力と遅延の二つの重要な指標を両立する実施形態である。
図1は本発明の実施形態1に係る複数ゲートウェイ通信システムの構成図である。
図1に示すように、実施形態1に係る複数ゲートウェイ通信システムは、二つ以上のゲートウェイ2〜7と少なくとも一つの制御装置8から構成されている。ここでのゲートウェイは端末1と通信可能な少なくとも一つの端末側ゲートウェイ2、最終的にサーバまたはインターネットなどその他の管理端に接続されるメインゲートウェイ7、およびデータ伝送経路を構成してデータ転送を行なうその他のいくつかのゲートウェイ3〜6を含む。ここで、ゲートウェイ2は端末と通信する端末側ゲートウェイであるが、これは一例に過ぎず、もちろんその他のゲートウェイ(例えばゲートウェイ3〜6)が端末と通信する端末側ゲートウェイになってもよい。
端末1はネットワークにおける端末装置であり、データの収集と送信を行ない、応用シーンを満たすデータ収集に必要なセンサーモジュールと送信機能に必要な有線あるいは無線通信モジュールとを備え、受信したコマンドに基づいて制御機能を実現できる必要がある。端末1は一つのネットワークにおいて複数あってもよく、応用シーンに適合した通信プロトコルに基づいて適切なゲートウェイアクセスを選択し、その後データの送受信を行なう。本シーンにおいて、端末1が属するゲートウェイは端末側ゲートウェイ2である。
端末側ゲートウェイ2はネットワークにおけるエッジゲートウェイ、即ち複数ゲートウェイ通信システムにおけるデータ伝送経路の先頭ゲートウェイであり、端末1により収集したデータを適切な経路を介してメインゲートウェイ7に送信する。端末側ゲートウェイ2は少なくとも端末1およびその他のゲートウェイ3〜6と通信する有線あるいは無線通信モジュールと、データ処理機能、端末にアクセスオン/オフする管理機能およびプロトコル変換機能を備える。端末側ゲートウェイ2は複数の端末1にアクセスされることが可能で、アクセスの数は当該ゲートウェイのハードウェア能力とプロトコル支持によって決められる。端末側ゲートウェイ2と端末1との間のネットワークは無線ネットワークでもよく、有線ネットワークでもよい。端末側ゲートウェイ2とその他のゲートウェイ3〜6およびメインゲートウェイ7との間のネットワークはマルチホップトポロジー構造を支持する無線ネットワークである。
ゲートウェイ3〜6は、本システムにおいて、転送ゲートウェイであり、データを端末側ゲートウェイの経路表に従って次のホップゲートウェイに転送する。ゲートウェイ3〜6におけるすべてのゲートウェイは少なくともその他のゲートウェイ3〜6および端末側ゲートウェイ2と通信する無線通信モジュール、およびデータ処理機能を備える必要がある。これにより、ゲートウェイ3〜6は端末側ゲートウェイ2からメインゲートウェイ7までの複数のデータ伝送経路を構成し、図1においてはそれぞれ、端末側ゲートウェイ2―ゲートウェイ3―メインゲートウェイ7、端末側ゲートウェイ2―ゲートウェイ4―ゲートウェイ5―メインゲートウェイ7、端末側ゲートウェイ2―ゲートウェイ5―メインゲートウェイ7、端末側ゲートウェイ2―ゲートウェイ6―メインゲートウェイ7の幾つかのデータ伝送経路である。また、端末側ゲートウェイ2―メインゲートウェイ7のデータ伝送経路も存在する。
メインゲートウェイ7はネットワークとサーバあるいはその他のネットワークとのエッジゲートウェイであり、受信したデータをサーバあるいはその他のネットワークに送信する。メインゲートウェイ7は少なくともネットワーク内のゲートウェイ3〜6と通信する無線通信モジュール、あるいは端末側ゲートウェイ2との通信能力、強いゲートウェイ性能(通信能力、データ処理能力、管理能力)を備える必要がある。同時に、サーバおよびその他のネットワークとのインターフェース、および対応するプロトコル変換機能を備える必要がある。
制御装置8は本実施形態1の重要装置であり、複数ゲートウェイ通信システム全体における端末側ゲートウェイ2および転送ゲートウェイ3〜6の情報に対して収集と分析を行ない、端末側ゲートウェイ2からメインゲートウェイ7までのデータ転送経路に対して最適化を行なう。制御装置8は少なくともゲートウェイのチャネル品質測定機能、ゲートウェイパラメータ採集機能、経路最適化に必要な計算、データ処理、およびストラテジー判断機能を備える必要がある。
図2は本発明の実施形態1に係る転送ゲートウェイ3のハードウェア構成図である。ゲートウェイ3は、基本的な無線通信送受信、経路表選択、および遅延の自己判断などの機能を実行するために、少なくとも図2に示すハードウェアモジュールを備える必要がある。ここでは、転送ゲートウェイ3のハードウェア構造ついて例示しているが、その他の転送ゲートウェイも少なくともそれに応ずる構造を有する。
無線通信インターファース301はネットワークにおけるその他のゲートウェイ2〜7および制御装置8と通信を行ない、データの交換を実現する。無線通信インターファース301の通信モジュールの能力はゲートウェイ2〜7と制御装置8が構成する無線ネットワークに使用されているプロトコルと技術要求によって決められる。
プロセッサ302は例えばCPU(中央処理装置)、MPU(マイクロプロセッサ)、シングルチップマイクロコンピュータなどであり、ソフトウェア機能モジュールとバッファ測定モジュールを実行する。ソフトウェア機能モジュールを実行することにより、転送ゲートウェイ3を作動させる。バッファ測定モジュールは本機のバッファを定期検査することにより、遅延時間を算出し、その結果を無線通信インターフェース301によって制御装置8に送信する。
メモリ303は、例えば内部記憶装置であり、定数およびリアルタイムに保守するゲートウェイ経路表を記憶し、本ゲートウェイがゲートウェイ経路表に基づいてデータを次のホップゲートウェイに転送するのに便利である。
電力供給モジュール304は転送ゲートウェイ3に電力を供給し、例えば、電源あるいは電池などの方式を利用することができる。本実施形態1に使用されるパラメータは電池の電気残存量に関係しないため、電源によって電力を供給するゲートウェイを含む複数ゲートウェイ通信システムにも適用可能である。
図3は本発明の実施形態1に係る制御装置のハードウェア構成図である。制御装置8はゲートウェイ情報収集と分析、経路表の保守などの機能を実現するために、少なくとも図3に示すハードウェアモジュールを備える必要がある。
チャネル品質測定モジュール801は複数ゲートウェイ通信システムに含まれているデータ伝送経路における隣接ゲートウェイ間の消費電力を収集する。具体的に、チャネル品質測定モジュール801は各ゲートウェイのチャネル品質指標CQIを測定し、これにより必要とする変調周波数と送信電力を選定する。それぞれのCQIは必要とするチャネル周波数に対応し、電力は予め設置された値であり、ゲートウェイと制御装置の物理層プロトコルに記憶されている。
通信インターフェース802はゲートウェイとデータ通信を行ない、データ伝送経路における各ゲートウェイのデータ遅延を収集する。具体的に、通信インターフェース802は少なくとも無線通信インターフェースを含み、ネットワークにおけるゲートウェイ2〜7あるいは備える可能性のあるその他の制御装置8と通信を行うことでデータのインタラクティブを実現する。
プロセッサ803は、後で説明するメモリ804に記憶されている消費電力とデータ遅延に基づいて、メモリ804に記憶されているゲートウェイ経路表における複数のデータ経路に優先度を付加する。具体的に、プロセッサ803は、例えばCPU(中央処理装置)、MPU(マイクロプロセッサ)、シングルチップマイクロコンピュータなどであり、基本計算、データ処理、ストラテジー判断などの機能を実現し、ソフトウェア機能モジュールを実行することにより制御装置8を作動させる。
メモリ804は複数のデータ伝送経路を含むゲートウェイ経路表、チャネル品質測定モジュール801により収集した消費電力、および通信インターフェース802により収集したデータ遅延を記憶する。具体的に、メモリ804は、例えば内部記憶装置であり、リアルタイムに保守するゲートウェイ経路表、電力パラメータテーブルおよび遅延パラメータテーブルを記憶する。
以下、本実施形態1に利用される消費電力とデータ遅延の二つのパラメータについて詳しく説明する。次の表1にはデータ遅延および消費電力の詳細状況が具体的に表示されている。
図4は本発明の実施形態1に係る制御装置に利用される制御方法のフローチャートである。図4に示すように、制御装置8に利用される制御方法は以下のステップを含む。
消費電力収集ステップS401において、データ伝送経路における隣接ゲートウェイ間の消費電力を収集する。具体的な収集方法は上述と同じで、ここでは説明を省略する。
データ遅延収集ステップS402において、データ伝送経路における各ゲートウェイのデータ遅延を収集する。具体的な収集方法は上述と同じで、ここでは説明を省略する。消費電力収集ステップS401とデータ遅延収集ステップS402の順序は交換してもよい。
経路表最適化ステップS403において、消費電力収集ステップS401で収集した消費電力とデータ遅延収集ステップS402で収集したデータ遅延に基づいて、ゲートウェイ経路表における複数のデータ伝送経路に優先度を付加する。具体的に、データ伝送経路の優先度は数2で計算する。
図5は本発明の実施形態1に係る端末側ゲートウェイの動作のフローチャートである。図5に示すように、端末側ゲートウェイ2は先ず端末側ネットワークを更新し、アクセスオンまたはオフになっている端末装置があるかをチェックする。端末1がアクセスオンになっている場合は、端末1からデータを受信する。データを受信した後に、ゲートウェイ経路表を参照する。このとき、ゲートウェイ経路表は制御装置8に要求して取得してもよく、制御装置8から取得した直前のゲートウェイ経路表を使用してもよい。最後に、端末側ゲートウェイ2はゲートウェイ経路表において優先度の最も高いデータ伝送経路を利用してデータを転送する。
図6は本発明の実施形態1に係る転送ゲートウェイの動作のフローチャートである。図6に示すように、端末側ゲートウェイ2とは異なり、転送ゲートウェイ3〜6は先ずコマンドを監視する。コマンドがある場合はコマンドを実行し、コマンドがない場合はデータ監視に進む。データがある場合はデータを受信し、データヘッダの情報に基づいてデータパケットの大きさを計算する。これによりバッファ内データの大きさを取得し、式に基づいて本ゲートウェイの遅延時間を計算し、その結果を制御装置8に送信する。その後データ転送機能を完了する。データが監視されなかった場合は監視を継続する。
本発明の実施形態1によると、複数ゲートウェイ通信システムにおけるデータ伝送の消費電力を低減するとともにデータの遅延を減少することができ、消費電力と遅延の最適化の両立を実現し、これによりネットワーク全体の性能を向上させることができる。
以下、図7に基づいて本発明の実施形態2について説明する。本実施形態2は実施形態1に有効コードレートを追加した実施形態である。
図7は本発明の実施形態2に係る制御装置のハードウェア構成図である。図7に示すように、制御装置8’は少なくとも以下のハードウェアモジュールを備える。
チャネル品質測定モジュール801’は、実施形態1と同様に、複数ゲートウェイ通信システムに含まれているデータ伝送経路における隣接ゲートウェイ間の消費電力を収集するほか、さらにデータ伝送経路の有効コードレートを収集する。具体的に、チャネル品質測定モジュール801’は各ゲートウェイのチャネル品質指標CQIを測定し、CQIに基づいて有効コードレートを確定する。有効コードレートについては後で詳しく説明する。
通信インターフェース802は実施形態1と同じであり、ここでは説明を省略する。
プロセッサ803’と実施形態1のプロセッサ803との異なる点は、後述するメモリ804’に記憶されている消費電力、データ遅延および有効コードレートに基づいて、メモリ804’に記憶されているゲートウェイ経路表における複数のデータ伝送経路に対して優先度を付加することである。
メモリ804’は、実施形態1と同様に、複数のデータ伝送経路を含むゲートウェイ経路表、チャネル品質測定モジュール801’により収集した消費電力、および通信インターフェース802により収集したデータ遅延を記憶するほか、さらにチャネル品質測定モジュール801’により収集した有効コードレートを記憶する。具体的に、メモリ804’は例えば内部記憶装置であり、リアルタイムに保守するゲートウェイ経路表、電力パラメータテーブル、遅延パラメータテーブルおよび有効コードレートを記憶する。
以下、本実施形態2に追加されたパラメータである有効コードレートについて詳しく説明する。下の表2には本実施形態2に利用されるデータ遅延、消費電力および有効コードレートの三つのパラメータの詳しい状況が具体的に示されている。そのなか、データ遅延と消費電力は実施形態1と同じであるため、ここでは説明を省略する。
実施形態2に係る制御装置8’に利用される制御方法の各ステップは実施形態1とほぼ同様で、異なる点は、有効コードレート収集ステップを追加し、データ伝送経路の有効コードレートを収集することである。そのなか、消費電力収集ステップ、データ遅延収集ステップおよび有効コードレート収集ステップの順序は任意である。具体的な収集方法は前述のとおりで、ここでは説明を省略する。
本発明の実施形態2によると、複数ゲートウェイ通信システムにおけるデータ伝送の消費電力を低減し、データの遅延を減少する同時に、有効コードレートを向上させることができ、消費電力、遅延および有効コードレートの同時考慮を実現し、これによりネットワーク全体の性能を向上させる。
以下、図8〜図12に基づいて本発明の実施形態3について説明する。実施形態3は実施形態1にデータ遅延閾値を追加した実施形態である。
前述のように、幾つかの応用シーンにおいて、遅延時間は厳格に規定されている。例えば、端末により収集したデータがインテリジェントビル制御における火災警報のような緊急なデータである場合、データ伝送経路における消費電力と遅延だけを収集して経路最適化を行なうことは不十分である。このときはデータソースの遅延要求を考えなければならない。そのため、端末側ゲートウェイ2は端末1により収集したデータに対して優先度分類を行なう必要があり、分類の基準は異なる応用要求に必要な遅延閾値に基づいて区分する必要がある。
図9は本発明の実施形態3に係る端末側ゲートウェイの動作のフローチャートである。
図10は本発明の実施形態3に係る制御装置に利用される制御方法のフローチャートである。
以下、複数ゲートウェイ通信システムにおけるメッセージ時系列についてさらに説明する。
図11は本発明の実施形態3に係る複数ゲートウェイ通信システムの代表的ネットワーク初期化/メッセージ更新の時系列図である。
図12は本発明の実施形態3に係る複数ゲートウェイ通信システムの代表的データ転送メッセージの時系列図である。
本実施形態3によると、データ伝送経路の先頭ゲートウェイから重要なデータと緊急なデータ(例えばインテリジェントビル制御における火災警報データなど)を受信したときに、要求される遅延閾値に基づいて伝送を行なうことが可能で、重要なデータと緊急なデータの適時伝送を確保できる。
以下、図13に基づいて本発明の実施形態4について説明する。実施形態4は実施形態3に有効コードレートを追加した実施形態である。
以下、図14〜図18に基づいて本発明の二つの実施例について詳しく説明する。
本実施例1は上記の実施形態3に基づくものである。
本実施例2は実施形態4に基づくものである。実施形態3に基づいた実施例1から分るように、端末側ゲートウェイ2がメインゲートウェイ7と直接通信可能な場合、その他のゲートウェイの遅延がないため、当該直接経路は常に高い優先度を有する。しかし、端末側ゲートウェイ2がメインゲートウェイ7から遠く離れた場合、一定のデータ信頼性を満たすために、大量の前方誤り訂正符号が必要になり、通信効率が下がり、通信時間が増えることになる。そのため、本実施例2においてはもう一つのパラメータである有効コードレートCRを加えてゲートウェイ経路表をさらに最適化する。
実施例1の表6と実施例2の表9を比較すると、条件が同じである場合、CR値を加えた後に優先度の順位に変化が生じたことが分る。端末側ゲートウェイ2からメインゲートウェイ7の間の直接経路1の優先度が下がり、最も高い優先度から最も低い優先度に変わり、これにより端末側ゲートウェイ2とメインゲートウェイ7が遠く離れることによって発生する通信効率の低下を防止することができる。
Claims (4)
- ゲートウェイを経由してデータを伝送する、先頭ゲートウェイからのデータ伝送経路が複数存在する複数ゲートウェイ通信システム用の制御装置であって、
複数のゲートウェイのそれぞれのチャネル品質指標を測定し、データ伝送経路における隣接ゲートウェイ間の通信に係る送信電力を収集するチャネル品質測定モジュールと、
ゲートウェイとデータ通信を行ない、データ伝送経路における各ゲートウェイのデータ処理遅延を収集する通信インターフェースと、
複数のデータ伝送経路を含むゲートウェイ経路表、前記チャネル品質測定モジュールにより収集した送信電力、および前記通信インターフェースにより収集したデータ処理遅延を記憶するメモリと、
前記メモリに記憶されている送信電力とデータ処理遅延に基づいて、前記メモリに記憶されているゲートウェイ経路表におけるデータ伝送経路に対して優先度を付加するプロセッサと、を備え、
前記通信インターフェースは、データ伝送経路の先頭ゲートウェイから当該先頭ゲートウェイにより収集したデータに要求されたデータ遅延閾値を受信し、
前記プロセッサは、前記通信インターフェースから受信したデータ遅延閾値に基づいて、前記メモリに記憶されているゲートウェイ経路表から遅延合計が当該データ遅延閾値より大きいデータ伝送経路を削除し、ゲートウェイ経路表に残されているデータ伝送経路に対して優先度を付加し、
前記先頭ゲートウェイにより収集したデータは、前記データ遅延閾値によって、拡張タイプと固定タイプに分類され、
前記プロセッサは、固定タイプのデータに対して、優先度が付加されたゲートウェイ経路表を予め確立し、
前記プロセッサは、拡張タイプのデータに対して、前記先頭ゲートウェイから前記通信インターフェースに送信するネットワーク経路表要求におけるデータ遅延閾値に基づいて、予め確立された前記ゲートウェイ経路表から遅延合計が当該データ遅延閾値より大きいデータ伝送経路を削除し、ゲートウェイ経路表に残されているデータ伝送経路に対して優先度を新たに付加し、前記通信インターフェースを介して優先度が新たに付加されたゲートウェイ経路表を前記先頭ゲートウェイに送信することを特徴とする制御装置。 - 前記チャネル品質測定モジュールはさらに、データ伝送経路の有効コードレートを収集し、
前記メモリはさらに、前記チャネル品質測定モジュールにより収集した有効コードレートを記憶し、
前記プロセッサは、前記メモリに記憶されている送信電力、データ処理遅延および有効コードレートに基づいて、前記メモリに記憶されているゲートウェイ経路表におけるデータ伝送経路に対して優先度を付加することを特徴とする請求項1に記載の制御装置。 - ゲートウェイ経由でデータを伝送する、先頭ゲートウェイからのデータ伝送経路が複数存在する複数ゲートウェイ通信システム用の制御方法であって、
データ伝送経路における隣接ゲートウェイ間の通信に係る送信電力を収集する消費電力収集ステップと、
データ伝送経路における各ゲートウェイのデータ処理遅延を収集するデータ遅延収集ステップと、
前記消費電力ステップで収集した送信電力と前記データ遅延収集ステップで収集したデータ処理遅延に基づいて、複数のデータ伝送経路を含むゲートウェイ経路表におけるデータ伝送経路に対して優先度を付加する経路表最適化ステップと、
データ伝送経路の先頭ゲートウェイから当該先頭ゲートウェイにより収集したデータに要求されたデータ遅延閾値を受信するデータ遅延閾値受信ステップと、を含み、
前記経路表最適化ステップは、前記データ遅延閾値受信ステップで受信したデータ遅延閾値に基づいて、複数のデータ伝送経路を含むゲートウェイ経路表から遅延合計が当該データ遅延閾値より大きいデータ伝送経路を削除し、ゲートウェイ経路表に残されているデータ伝送経路に対して優先度を付加し、
前記先頭ゲートウェイにより収集したデータは、前記データ遅延閾値によって、拡張タイプと固定タイプに分類され、
前記経路表最適化ステップは、固定タイプのデータに対して、優先度が付加されたゲートウェイ経路表を予め確立し、
前記経路表最適化ステップはさらに、拡張タイプのデータに対して、データ遅延閾値受信ステップで受信した前記先頭ゲートウェイからのネットワーク経路表要求におけるデータ遅延閾値に基づいて、予め確立された前記ゲートウェイ経路表から遅延合計が当該データ遅延閾値より大きいデータ伝送経路を削除し、ゲートウェイ経路表に残されているデータ伝送経路に対して優先度を新たに付加し、優先度が新たに付加されたゲートウェイ経路表を前記先頭ゲートウェイに送信することを特徴とする制御方法。 - データ伝送経路の有効コードレートを収集する有効コードレート収集ステップをさらに含み、
前記経路表最適化ステップは、前記消費電力収集ステップで収集した送信電力、前記データ遅延収集ステップで収集したデータ処理遅延、および前記有効コードレート収集ステップで収集した有効コードレートに基づいて、複数のデータ伝送経路を含むゲートウェイ経路表におけるデータ伝送経路に対して優先度を付加することを特徴とする請求項3に記載の制御方法。
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