JPWO2013111182A1 - 無線通信システム、制御装置、及び無線通信方法 - Google Patents

Abstract

中継局の選択等の最適な通信方法を希少な時間で選択することで、無線通信を用いて移動端末に対して低遅延で高い到達性を実現することを目的とする。端末又は中継装置は端末と中継装置との間の通信品質を計測し、計算装置は端末の複数の環境情報それぞれに対して通信品質情報に基づいて通信経路を算出する。制御装置は複数の環境情報それぞれと通信経路を対応づけておき、端末と通信を行うとき、端末の環境情報を取得し、その環境情報に対応する通信経路を検索し、検索された通信経路が示す中継端末を介して端末と通信を行う。

Description

本発明は、端末と、中継装置を介して端末と通信を行う制御装置とを有する無線通信システムに関する。

無線LANやRFIDの低コスト化や、ZigBeeなどのセンサネット技術の標準化に伴い、近年では産業分野における無線技術の応用事例が増えている。産業分野として、例えば社会インフラ事業やFA(Factory Automation)、PA(Plant Automation)等が挙げられる。

一方、移動端末へ通信サービスを提供するため、移動端末の行動範囲をカバーする複数の中継局を設置し、中継局を適宜選択する中継局選択方式がある。この様な移動体通信システムに関して、特許文献１や特許文献２に、移動体通信の中継局選択方式として記載されている。

特許文献１では、複数の中継局と接続される基地局が、移動体からの無線信号の受信レベルを表す電界情報に基づいて、中継局を選択する方法が開示されている。

また、特許文献２では、複数の中継ノードと接続されるセンタ局が、無線端末で計測された電界強度やビットエラーレート等の伝送品質情報を収集し、最適な中継局を選択する方法が開示されている。

特開平７−１９３８５８号公報 特開２０００−４４６９号公報

産業分野において無線技術を適用するには、通信データの一定遅延時間内での高い到達性が求められる。産業分野では、FAにおける搬送車等の移動端末への通信を無線化する要求も強い。そのため、移動端末への通信も他の固定端末と同様、低遅延での高い到達性が求められる。無線通信を用い移動端末に対して低遅延で高い到達性を実現するためには、端末の移動に応じて、中継局の選択等の最適な通信方法を選択する必要がある。

特許文献１、２は、移動端末の移動範囲に制限がなく、移動端末と中継局間の通信環境が人やモノの変動の影響で頻繁に変動しうる環境を対象としている。そして、無線端末の移動後に電波環境を計測し、その計測結果から伝送品質を算出して最適な中継局を選択するものである。そのため、最適な中継局の選択に時間がかかり、無線端末が移動してから通信環境が安定するまでに時間がかかるという問題がある。

これに対して本願発明では、産業分野における例えばエレベータや搬送車等の移動端末のように、限られた空間を予め決められた経路を移動する端末を対象とする。人やモノの変動の影響が少ない空間で移動に制限がある端末を対象とするため、通信環境の変動要因が小さく、かつ、移動範囲を特定しうる。そして、中継局の選択等の最適な通信方法を希少な時間で選択することで、無線通信を用いて移動端末に対して低遅延で高い到達性を実現することを目的とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。

端末と、端末と無線通信を行う複数の中継端末と、中継端末と端末との間の通信品質情報及び端末の状態を示す複数の環境情報を受信する受信部と、通信品質情報と複数の環境情報に基づいて複数の環境情報それぞれに対して中継端末と端末で構成される通信経路を対応づける分析部と、を有する計算装置と、環境情報と通信経路とを対応づける第１の制御管理テーブルを保持する記録部と、端末と通信を行うとき取得した環境情報に基づいて通信経路を第１の制御管理テーブルから検索する検索処理部とを有し、検索された通信経路を構成する中継端末を介して端末と通信を行う制御装置と、を備える無線通信システムである。

本発明によれば、無線通信を用いて移動端末に対して低遅延で高い到達性を実現することができる。

実施例１の無線通信システムの概略構成図である。 実施例１の制御装置の機能ブロック図である。 実施例１の中継端末の機能ブロック図である。 実施例１の無線端末の機能ブロック図である。 実施例１の計算装置の機能ブロック図である。 実施例１通信品質情報の取得処理を示したシーケンス図である。 実施例１の計算装置におけるネットワーク分析処理を説明した図である。 実施例１の制御管理テーブルを表す図である。 実施例１の制御管理テーブルを表す図である。 実施例２の状態遷移モデルを示す図である。 実施例３の制御装置の機能ブロック図である。 実施例３の制御管理テーブルを表す図である。 実施例１のパケットフォーマットを表す図である。 実施例１のパケットフォーマットを表す図である。 実施例１の制御装置、中継端末、無線端末のハードウェア構成を表す図である。 実施例１の計算装置１０５の動作を示したフローチャートである。

本発明の第一の実施の形態を図１から図８、及び図１２から図１４を用いて説明する。

図１は実施例１の無線通信システムのブロック図を示す。無線通信システムは、制御盤１０１、制御装置１０２、中継端末１０３、無線端末１０４、計算装置１０５を備える。これらの装置は有線もしくは無線で相互に接続される。

具体的には、制御盤１０１、中継端末１０３、計算装置１０５は有線で制御装置１０２に接続し、無線端末１０４は中継端末１０３と無線で接続する。中継端末１０３は直接制御装置１０２と接続する方法に加え、他の中継端末１０３を介し接続してもよい。図１では、制御装置１０２に対して中継端末Ａが直接接続され、中継端末Ｂ、Ｃは中継端末Ａを介して制御装置１０２に接続される例を示している。

また、本実施例では、産業分野における例えばエレベータや搬送車等の移動端末のように、限られた空間を予め決められた経路を移動する端末を対象とする。人やモノの変動の影響が少ない空間で移動に制限がある端末を対象とするため、人やモノの変動要因が小さく、通信環境が端末位置など端末の状態に大きく依存することを特徴とする。さらに、端末の移動範囲が特定できることを特徴とする。

本実施例ではこのような環境であることを利用して、さまざまな端末の状態について、通信品質に基づいて最適な中継装置を対応づけておく。そして、制御装置が端末と通信する際には、管理されている端末の状態に応じて、上述した対応づけを用いて最適な中継装置を決定する。これにより、希少な時間で最適な中継装置を選択することができる。

制御盤１０１は無線通信システム内の各端末と通信をして情報の収集及び各端末（中継端末１０３、無線端末１０４）の制御を行う。各端末の制御は、端末の起動や停止、位置や移動の制御等が挙げられる。そのため、制御盤１０１は無線端末１０４の起動、停止、移動中などを示す状態や位置、速度等の環境情報を管理する。制御盤１０１は、各端末の環境情報を定期的に、あるいは端末を制御するための制御情報とともに制御装置１０２へと送信する。

制御装置１０２は、制御盤１０１と各端末間の通信を制御する。具体的には、制御盤１０１から端末へ宛てた通信を取得し、端末への通信経路選択等の通信制御を行う。同様に、端末から制御盤１０１へ宛てた通信を取得し、制御盤１０１へと転送処理を行う。また、制御装置１０２は無線通信システム内の環境情報を収集し、通信の制御を行う際、その環境情報を参照することで最適な通信制御を行う。ここで、環境情報とは端末の電源のON/OFF状態や無線端末１０４の位置、速度等の無線通信システム内の状況を表す情報である。

中継端末１０３と無線端末１０４は、制御盤１０１と制御装置１０２を介し通信を行う。これら端末は無線経由でパケットを受信した場合、受信リンクの伝送品質情報を取得し、パケットに付加して送信もしくは直接計算装置１０５へと送信する機構を備える。また、中継端末１０３は、制御装置１０２や無線端末１０４、他の中継端末１０３から送られてきたパケットの転送処理も行う。

計算装置１０５は、無線通信システムの環境情報と各無線通信リンクの伝送品質情報を収集し、環境毎に制御盤１０１と各端末間の通信が最適となる通信制御の方法を計算する。そして、計算した通信制御方法を制御装置１０２に設定することで、制御盤１０１と各端末間の通信を最適化する。

図１３は制御装置１０２、中継端末１０３、無線端末１０４のハードウェア構成図である。各端末はCPU（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１３０２、ワークメモリ１３０３、プログラムメモリ１３０４、論理回路１３０５、通信インタフェースI/F１３０６、無線回路RF１３０７、入出力装置１３１０から構成され、バス１３０８を介して相互に接続される。

ワークメモリ１３０３は各プログラムの処理中に一時的に用いられる記憶領域であり、プログラムメモリ１３０４では入出力プログラム１３１１や、パケット送受信プログラム１３１２等各種プログラムが記録される。CPU１３０２は、プログラムメモリに記録されているプログラムを読み出して実行することにより、各種機能を実現する。論理回路１３０５は論理演算処理を行う電子回路であり、ASICやFPGA、DSP、DRP等が用いられる。後述する図２〜４に示す各機能ブロックは、CPU１３０２やワークメモリ１３０３、プログラムメモリ１３０４、論理回路１３０５が協調動作することで実行される。なお、各機能を論理回路で実行するか、あるいはCPUで処理するかを適宜変更可能であることはいうまでもない。

通信インタフェースI/F１３０６や無線回路RF１３０７は、CPU１３０２やワークメモリ１３０３、プログラムメモリ１３０４、論理回路１３０５から供給されたデータを外部の機器に出力したり、外部の機器から供給されたデータをCPU１３０２等に供給したりする。通信インタフェースI/F１３０６は有線のインタフェースを表し、無線回路RF１３０７は無線のインタフェースを表す。入出力装置１３１０はキーボードやマウス、ディスプレイ等の装置であり、管理者はこれら装置を介し各端末の設定を行う。これら入出力装置１３１０はネットワークを介し接続しても良い。

図２は本発明の第一の実施の形態の制御装置１０２の機能ブロック図である。制御装置１０２は受信処理部２０１、送信処理部２０２と通信処理部２０３を備える。

通信処理部２０３は、パケット処理部２１１、検索処理部２１２、パケット解析部２１３、環境情報管理部２１４、送信パケット管理部２１５、制御部２１６、制御管理テーブルを保持する記録部２２１から構成される。

制御盤１０１宛の上り方向では、通信処理部２０３は複数の通信経路から受信する複数のパケットから通信品質情報を抽出し、複数のパケットを集約する処理を行う。また、無線端末１０４宛の下り方向では、パケットヘッダを基にした検索処理から制御情報を取得し、制御情報に基づいてパケット処理を行う。

受信処理部２０１は、受信したパケットをパケット処理部２１１に送信し、送信処理部２０２は、パケット処理部２１１からパケットを受信するとパケットを出力ポートに送信する。

パケット処理部２１１は、受信したパケットをバッファに蓄積し、パケットの複製をパケット解析部２１３に、パケットのヘッダ情報を検索処理部２１２に送信する。パケット処理部２１１は、検索処理部２１２から検索結果を受信すると、検索結果に含まれる制御情報に基づきパケット処理を行い、送信処理部２０２へパケットを送信する。パケットの送信にあたり、送信パケット管理部２１５から受信したパケット識別子をパケットに付加する。また、無線端末宛の下り方向の通信において、検索結果に通信品質の計測指示が含まれている場合、通信品質計測フラグを立てて送信処理部２０２へ送信する。

無線端末１０４宛の下り方向において、検索処理部２１２は、パケット処理部２１１からヘッダ情報を受信すると、制御管理テーブルを検索し、検索処理の結果をパケット処理部２１１に送信する。検索結果には、パケットの処理方法を記述した制御情報が含まれる。また、検索処理は、パケットヘッダに含まれる宛先に加え、環境情報管理部２１４から受信した環境情報も用いる。制御管理テーブルの一例を図８に示す。図８（ａ）は、計算装置によって、各端末の各環境情報について適切な制御情報が対応づけられている制御管理テーブルの例を示す。また、図８（ｂ）は、計算装置による計算開始時の制御管理テーブルの例を示す。

制御管理テーブルは宛先８０１、環境情報８０２、制御情報８０３から構成される。環境情報８０２として無線端末１０４の位置情報が挙げられる。あるいは、端末の速度情報、加速度情報、端末電源のON/OFF状態、その他センサ情報でもよいし、それらの組み合わせでもよい。

制御情報８０３は、経路情報（８３１、８３２）、制御項目８３３からなる。経路情報は通常の通信で用いる通信経路に加え、バックアップ用の予備経路を保持してもよい。通信経路に複数の経路が存在する場合、パケットを複製し各経路に送信する。また、制御項目８３３は送信に関して、追加で制御する項目が記載される。制御項目８３３として、無線区間の送信回数や、誤り訂正符合で付加する冗長ビット数、誤り訂正の方式等を指定できる。このように制御項目を追加することで、最適な中継装置の選択のみならず、無線端末の各環境情報に応じた最適な通信制御が可能となる。また、該当する環境において無線通信路の通信品質情報が収集できていない場合、通信品質を計測指示する制御も指定できる。なお、通信路の時間変動に追随するため、この通信品質の計測指示を定期的に出すこともできる。通信品質の計測を指示する際、オプションで予備経路を含め送るようにしても良い。予備経路にも送信することで予備経路の通信品質も計測でき、最適経路の見直しをすることができる。

検索処理部２１２での制御管理テーブルの検索は、宛先と環境情報をキーとして実施する。検索は、宛先８０１、環境情報８０２の順で行い、環境情報８０２が複数存在する場合は事前に指定した優先順に従い検索する。本実施例では、宛先８０１で検索後、無線端末Aの位置８２１、無線端末Bの位置８２２と検索していく。

例えば、位置X2にいる無線端末A１０４に送信する場合、宛先８０１として無線端末Aの行を選択し、無線端末Aの位置X2でさらに行を絞る。無線端末Bの位置はワイルドカードとなっているため、上から2番目のエントリが選択される。そのため、制御装置から無線端末Aへの通信は、通信経路（１）（２）つまり中継端末A、Bを介して行われ、誤り訂正符号で付加する冗長ビット数Ｎとなる。

また、無線端末B１０４を検索する場合も同様、無線端末Aの位置、無線端末Bの位置で検索する。この例では、無線端末AがX5にいる場合、経路（２）（３）で送信することになる。このように、宛先以外の端末の位置も環境情報に含め検索することで、端末の移動により通信路の遮蔽が起こり通信環境が悪くなる場合にも対応できる。なお、検索時の環境情報の優先順位は宛先毎に設定することもできる。

また、環境情報が複数存在する場合の検索方法の他の形態として、一致している項目の多いエントリを検索結果とする方法や、さらに項目に重みを付け評価し最も一致度が高いエントリを検索結果とする方法を用いてもよい。

パケット解析部２１３は、パケット処理部２１１からパケットの複製を受信すると、受信したパケットの解析を行う。受信パケットが制御盤１０１宛で、通信品質計測フラグが付加されており、パケットに無線の通信品質が含まれている場合、パケットに含まれるパケット識別子と無線の通信品質を取り出し、これら情報を計算装置１０５へと送信する。計算装置１０５への送信は、該当パケット受信毎に送信してもよく、蓄積し定期的に送信してもよい。

また、受信したパケットが制御盤１０１から制御装置１０２へ宛てられた環境情報を含むパケットである場合、環境情報を環境情報管理部２１４へと送信する。

環境情報管理部２１４はパケット解析部２１３から受信した環境情報を管理し、定期的に、もしくは環境情報が一定以上変化した場合や検索処理部２１２から要求が届いた場合に検索処理部２１２へ環境情報を通知する。同様に、送信パケット管理部２１５から環境情報の取得要求が届いた場合、送信パケット管理部２１５へ環境情報を通知する。端末の状態を示す環境情報は、制御盤から定期的にあるいは制御信号とともに制御装置へ送付されて環境情報管理部２１４で管理される。

環境情報が制御盤１０１から制御信号とともに送付されてその制御信号を端末へ送付する場合や、環境情報が定期的に送付される場合であってその送信間隔が十分短くリアルタイム性を担保できる場合、環境情報をそのまま他機能ブロック（検索処理部２１２や送信パケット管理部２１５）へと送信する。また、速度や加速度等の変化の情報を環境情報に加えることで、状況を細かく分類することができ、通信品質の向上を図ることができる。

一方、環境情報が制御盤１０１から定期的に送付される場合であって環境情報の送信間隔が長い場合、無線端末の移動により環境情報管理部で管理されている環境情報と最新の環境情報との相違が顕著になり、最適な中継端末が選択できないおそれがある。そこで、環境情報管理部２１４では環境情報の変化から、現在時刻の環境情報を予測し、その予測値を他機能ブロックへと送信する。環境情報の予測は線型近似や、その他の近似方法を用い算出する。環境情報が位置情報の場合、移動速度や加速度等から予測値を算出してもよい。

送信パケット管理部２１５は、制御盤１０１から各端末へ送られる送信パケットを一意に識別するパケット識別子、及び通信品質計測ログを管理する。識別子のサイズを小さくするため、パケット識別子に宛先アドレス等他のヘッダ値と組み合わせることで一意となるようパケット識別子を設定してもよい。また、通信品質計測ログは、パケット識別子と環境情報を管理するログであり、パケット識別子で識別されるパケット送信時の環境情報が記録される。これは、通信品質計測結果を受信したときに、環境情報と通信品質計測結果を対応づけるためである。パケット処理部はパケットを送る際、送信パケット管理部からパケット識別子を受け取りパケットに付加し送信する。

送信パケット管理部は、通信品質計測フラグの立つパケットに対しパケット識別子を払い出すと、環境情報管理部から環境情報を受け取り、パケット識別子とパケット送信時の環境情報を括り付け通信品質計測ログとして保持する。通信品質計測ログは定期的に計算装置１０５へと送信する。

制御部２１６は制御装置１０２の各機能ブロックと接続し、パラメータや動作モード、制御管理テーブルの設定及び更新を行う。計算装置１０５等の外部の機器から制御装置１０２の設定変更を行う際、制御部２１６を介し各機能ブロックの設定が変更される。

管理端末２０４は、制御部２１６に接続される。管理者は、管理端末２０４を介して各機能ブロックに設定されている各種パラメータや制御管理テーブルを変更できる。なお、管理端末２０４は、ネットワークを介して制御部２１６に接続されても良い。

図３は実施例１の中継端末１０３の機能ブロック図である。中継端末１０３は制御装置又は他の中継端末と有線においてデータを送受信する有線送信処理部３０４、有線受信処理部３０３と、無線において無線端末とデータを送受信する無線送信処理部３０２、無線受信処理部３０１と、受信データの転送処理を実施する通信処理部３０５から構成される。

通信処理部３０５は、無線受信処理部３０１から通信品質情報を受け取るインタフェース機能をもち、無線受信処理部３０１から通信品質計測フラグをもつパケットを受信すると、通信品質情報を受信パケットに付加し転送処理を行う。通信品質情報は、受信電解強度、ビットエラーレートやそれら情報から算出した値である。

図４は実施例１の無線端末１０４の機能ブロック図を示す。無線端末１０４は無線において中継端末とデータを送受信する無線送信処理部４０２、無線受信処理部４０１と、受信データの処理を行う通信処理部４０３から構成される。通信処理部４０３は、無線受信処理部４０１から通信品質情報を受け取るインタフェース機能をもつ。また、無線受信処理部４０１から通信品質計測フラグをもつパケットを受信すると、受信したパケット識別子と無線受信処理部４０１からの通信品質情報とをセットで保持し、返信パケットにこれら情報を付加する。返信パケットは、通信品質計測フラグが付加され、全中継端末１０３に宛てて送信される。

図５は実施例１の計算装置１０５の機能ブロック図である。計算装置１０５はCPU（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）５０２、ワークメモリ５０３、プログラムメモリ５０４、ストレージ装置５０５、通信I/F５０６、入出力装置５０７から構成され、バス５０８を介して相互に接続される。

ワークメモリ５０３は各プログラムの処理中に一時的に用いられる記憶領域である。プログラムメモリ５０４は、入出力プログラム５１１、パケット送受信プログラム５１２、データベース管理プログラム５１３、通信品質情報解析プログラム５１４、通信品質計測ログ解析プログラム５１５、ネットワーク分析プログラム５１６、ネットワーク情報表示プログラム５１７、及び制御装置設定変更プログラム５１８を行う各種プログラムが記録される。CPU５０２は、プログラムメモリ５０４に記録されている各種プログラムを読み出して実行することにより、各種機能を実行する。

ストレージ装置５０５には、制御装置１０２や各端末から受信した通信品質計測ログや通信品質情報等を管理する統計情報データベースが格納される。通信インタフェースI/F５０６はCPU５０２やメモリから供給されたデータを外部の機器に出力したり、外部の機器から供給されたデータをCPU５０２やメモリに供給したりする。入出力装置５０７はキーボードやマウス、ディスプレイ等の装置であり、管理者はこれら装置を介し計算装置１０５の設定を行う。これら入出力装置５０７はネットワークを介し接続しても良い。

計算装置１０５の基本処理の流れを図１４のフローチャートに示す。計算装置１０５の処理はネットワーク構築時に動作を開始する。ここで、ネットワーク構築時の初期状態の制御管理テーブルの一例を図８（ｂ）に示す。初期状態の制御管理テーブルは、宛先８０１毎の制御情報８０３のみを記載しており、環境情報８０２に関する条件は無い。そして、経路は取りうる全ての経路とすることで、無線端末１０４への到達性を最大に設定する。同時に、制御管理テーブルを作成するために通信品質の計測を指定することで、学習に必要な統計情報の収集を行う。つまり、初期状態では、各無線端末に対して、全ての中継端末を介して通信品質計測の要求を送信することになる。

計算装置１０５は動作開始後、統計情報の蓄積を行う（ステップ１４０１）。ここで、統計情報とは通信品質情報と通信品質計測ログを指す。一定期間、もしくは一定数の統計情報が蓄積されると、計算装置１０５はネットワーク分析処理を実施する。ネットワーク分析処理により、最適制御を実現する制御管理テーブルを作成する（ステップ１４０２）。新たに作成した制御管理テーブルと過去の制御管理テーブルを比較し（ステップ１４０３）、更新箇所がある場合、制御管理テーブルを制御装置１０２に設定する（ステップ１４０４）。その後、作成した制御管理テーブルと過去の制御管理テーブルを比較し、制御管理テーブルの学習が安定したかを判断する（ステップ１４０５）。学習が安定していると判断した場合、該当する無線通信システムの制御方法が確定したと判断し、計算装置１０５の動作を終了する。学習が安定していないと判断された場合は、ステップ１４０１に戻る。

学習が安定しているか否かの判断は、過去数回分の制御管理テーブルの変化で評価する。具体的には、各無線端末の各環境情報に対する通信経路に変化がなければ安定していると判断する。あるいは、各無線端末の各環境情報での通信品質の変化が所定値以下の場合に安定していると判断する。計算装置１０５の動作が終了した場合、計算装置１０５を本無線通信システムから切り離し運用することができる。

なお、無線通信環境が時々刻々と変化しうる環境や、端末異常による環境変化に迅速に対応する必要がある場合、ステップ１４０５で常に”学習が安定していない”と判断し、計算装置１０５を常時動作するようにしてもよい。また、ネットワークの通信品質をリアルタイムで把握するために、計算装置１０５を常時動作させ、統計情報を常時収集してもよい。

本実施例では、計算装置１０５が直接制御装置１０２と有線接続するシステム構成例を示したが、ネットワークを介して制御装置に接続される構成でもよい。また、計算装置１０５をデータセンタ内に配置することもできる。さらに、制御管理テーブルを作成する初期段階では直接制御装置１０２と有線接続する構成とし、制御管理テーブル設定後の運用段階ではデータセンタ内に配置して常時動作する構成とすることもできる。

入出力プログラム５１１を実行することにより、入出力装置５０７からのデータ送受信処理を行う。パケット送受信プログラム５１２を実行することにより通信インタフェースI/F５０６を介したパケットの送受信処理を行う。データベース管理プログラム５１３を実行することにより統計情報データベースを管理する。通信品質情報解析プログラム５１４を実行することにより、制御装置１０２もしくは中継端末１０３や無線端末１０４から送られてきた通信品質情報を受信し、データベース管理プログラム５１３を通し統計情報データベースに格納する。通信品質計測ログ解析プログラム５１５を実行することにより制御装置１０２から送られてきた通信品質計測ログを受信し、データベース管理プログラム５１３を通し統計情報データベースに格納する。ネットワーク分析プログラム５１６を実行することにより、統計情報データベースに格納された、通信品質情報と通信品質計測ログを分析し制御装置１０２における最適な制御方法を分析し、制御装置１０２に格納される制御管理テーブルを生成する。分析方法の一例については図７を用いて後述する。

ネットワーク情報表示プログラム５１７を実行することにより、無線通信ネットワークに含まれる端末、その端末への通信経路、及び各通信リンクの通信品質を出力装置に表示する。

制御装置設定変更プログラム５１８を実行することによりネットワーク分析プログラム５１６で分析し得られた制御管理テーブルを制御装置１０２の制御部２１６を介し制御装置１０２に設定する。

図６は、通信品質情報の収集処理、及び通信品質計測ログの作成方法を示すシーケンス図である。図６では、無線端末A１０４が特定の位置にいて、中継端末AとBとの間の通信品質を計測する場合の例を示す。例えば、図８（ｂ）に示す初期状態の制御管理テーブルから学習が進み、特定の位置に対して経路（１）（２）が対応づけられている場合である。

通信品質情報の収集は、通常の制御盤１０１から無線端末１０４への通信を利用し行われる。制御盤１０１からの通信６０１を制御装置制御装置１０２が転送処理する際、通信品質計測フラグとパケット識別子を付加し転送を行う（ステップ６２１）。

制御装置１０２における転送処理は制御管理テーブルから経路（１）及び経路（２）を選択し、各経路に送信する（６０２，６０３）。経路（１）では、中継端末A１０３を経由し無線端末A１０４に到達する。無線通信路を経由しパケットを受信した無線端末A１０４は、通信品質計測フラグが付与されているため、パケット受信時の通信品質を算出し、受信したパケットに含まれるパケット識別子と共に保持する（ステップ６２２）。経路（２）では、中継端末B１０３を経由し無線端末A１０４に到達する。

無線端末A１０４は、経路（１）と同様、通信品質計測フラグが付与されているため、パケット受信時の通信品質を算出し、受信したパケットに含まれるパケット識別子と共に保持する（ステップ６２３）。続いて、無線端末A１０４は、制御盤１０１への返信パケットを作成する（ステップ６２４）。返信パケットは、制御盤１０１から受信したパケットのパケット識別子を用い、経路（１）で受信した通信品質情報と経路（２）で受信した通信品質情報を加え、通信環境計測フラグを立てて送信する（６０４）。

返信パケットは、全中継端末１０３が受信可能なマルチキャストを用い、制御盤１０１宛に送信される。この返信パケットを受信した中継端末A１０３及びBは、計測した通信品質をパケットに付加し（ステップ６２５、６２６）、制御装置１０２へそれぞれ転送する（６０５、６０６）。中継端末C１０３も返信パケットを受信できた場合、通信品質をパケットに付加し制御装置１０２へと転送する。中継端末での通信品質計測結果を追加することにより、計測点数を増やして、通信品質計測精度を向上することができる。

制御装置１０２では、複数中継端末１０３から受信した返信パケットから各通信路のパケット識別子と通信品質情報を抽出する（ステップ６２７）。返信パケットはパケット識別子を基に複数の返信パケットを一つに集約し制御盤１０１へ転送する（６０７）。また、抽出したパケット識別子と通信品質情報は、その都度、もしくは一定数蓄積し計算装置１０５へと送信する（６０８）。通信品質計測ログは定期的に計算装置１０５へと送信する（６０９）。なお、通信品質計測ログは計測装置で分析する際に必要となるため、分析の頻度に応じて送信すればよい。上述したように計算装置を常時動作させて、統計情報を常時収集する場合には、定期的に送信する必要がある。

なお、通信品質情報の収集方法として、パケット識別子と通信品質情報の組を中継端末１０３及び無線端末１０４それぞれで保持し、定期的に直接計算装置１０５へ送信してもよい（６１１、６１２、６１３）。

制御装置１０２が制御盤１０１からの通信を転送する際のパケットの構成例を図１２（ａ）に示す。パケット１２０１はヘッダ１２１１とデータ１２１２からなり、ヘッダ１２１１には宛先アドレス１２２１や送信元アドレス１２２２、中継端末アドレス１２２３、通信品質計測フラグ１２２４、パケット識別子１２２５等のネットワークの転送等で必要となる制御情報が含まれる。データ１２１２には制御盤１０１から無線端末１０４へ送信される制御情報が格納される。

無線端末からの返信パケットの構成例を図１２（ｂ）に示す。返信パケット１２０２には、各経路の通信品質情報１２１３を付加した構成となる。通信品質情報１２１３には、通信リンクと受信端末を識別する情報とその通信品質情報が含まれる。

図７は、計算装置１０５が、通信品質情報と通信品質計測ログを分析して、通信品質に基づいて端末の各環境情報に応じて最適な中継装置を決定する方法の例を示すものである。通信品質計測ログと通信品質情報をパケット識別子で関連付け、無線端末A１０４の端末位置を軸にとり通信品質をプロットした図である。

ネットワーク分析プログラム５１６を実行することにより、位置を一定区間、もしくは通信品質値を基に可変長の区間で分割し、各区間で通信品質の良い経路の選択を行う。例えば、端末位置Ｘ２のとき、通信品質が閾値を超える経路（１）と（２）が、経路として設定される例を示している。なお、端末位置Ｘ１、Ｘ３、Ｘ５の場合のように予備経路を設定することも可能である。

本実施例では、通信品質のレベルを二つに分割した例を示したが、複数のレベルに分割し、各レベルに応じ制御方法を変えても良い。

また、図７では位置を横軸として通信品質を分析した例を示したが、速度や加速度、電源のON/OFF等を加え多次元上で通信品質を評価するようにしてもよい。例えば、速度情報を加えることで、移動速度の速い無線端末１０４には広域な通信エリアをもつ中継端末１０３を経由するように制御可能となる。

なお、本実施例では、制御装置１０２と計算装置１０５と分けて記述したが、装置点数を減らすため、制御装置１０２と計算装置１０５を一つの装置に統合してもよい。その際の構成は、計算装置１０５のプログラムメモリ５０４に制御装置１０２の通信処理部２０３に相当する処理プログラムが追加動作する形態となる。

本発明の第二の実施の形態を図９を用いて説明する。本発明の第二の実施の形態は、制御装置１０２における環境情報の取得方法が異なる。第一の実施例では制御盤１０１から環境情報を取得する例を示した。第二の実施例では、各種端末への制御通信を制御装置１０２内のパケット解析部２１３で解析することで環境を推定する。無線端末１０４の動きが本無線通信ネットワークを介し制御されている場合に適用可能である。

図９は、パケット解析部２１３での環境情報の推定方法の一例を示した図であり、無線端末A１０４の状態遷移モデルを示す。この例は、無線端末１０４が中継端末ABC１０３の前を左右往復する例をモデル化した。状態S1は左端での停止状態（９０１）を、状態S3は右端での停止状態を表し（９０３）、状態S2,S4は移動中の状態を表す（９０２、９０４）。例えば、無線端末A１０４が状態S1であり、無線端末A１０４を右へ移動させる時、制御盤１０１から無線端末A１０４へ「右へ移動」という制御メッセージが送信される。制御装置１０２はこの制御パケットの受信を契機に、状態がS1、つまり左端に停車していることを認識できる。また、無線端末A１０４から制御盤１０１への受信確認を示す応答メッセージを解析することで、実際に制御が行われるか否かを判定することができ、確実に状態遷移を把握することができる。状態がS2に遷移し、移動が開始されると、制御装置１０２では、速度aと経過時間tから端末位置を推定することができる（９２１）。このような状態遷移図を制御装置１０２内のパケット解析部２１３にもち、制御装置１０２を通過するパケットを解析することで、状態遷移の検出、及び環境情報の推定が可能となる。

また、環境情報の他の取得方法として、中継端末１０３や無線端末１０４で取得したセンサ情報を用いても良い。センサ情報の一例として、GPSを用いた位置情報、速度情報、カメラ画像、カメラ画像を解析した特徴量などが挙げられる。GPS等のセンサ機器は図１３に示した端末のバス１３０８に接続し、中継端末１０３や無線端末１０４はセンサ機器を用いてセンサ情報を取得する。中継端末１０３や無線端末１０４は取得したセンサ情報を制御装置１０２へと送信する。送信方法は返信パケット作成時に付加する方法や、定期的に環境情報を搭載したパケットを生成する方法がある。

制御装置１０２の環境情報管理部２１４は、各端末から受信した環境情報を保持し検索処理に活用する。また、環境情報管理部２１４では、リアルタイム性の担保が難しい場合には、必要に応じて環境情報の計測時刻を基に現在の環境情報を推定する。推定方法の一例として、端末速度と計測時刻からの経過時間から位置情報を推定する方法や、定期的に送られてくる位置情報を基に線型近似する方法等がある。

なお、その他の環境情報として、制御盤１０１からの特定のコマンド受信後の経過時間を採用してもよい。例えば機器へ送信した電源ON指示後の経過時間を環境情報とすることで、端末起動時に発生するノイズを考慮するような制御、つまり制御後一定期間に生ずる現象も考慮したネットワーク制御が実現できる。

なお、環境情報の取得は、第一実施例、及び第二実施例で示した方法を組合せ用いてもよい。

本発明の第三の実施の形態を図１０、１１を用いて説明する。本発明の第三の実施の形態は、制御装置１０２の通信処理部で行うパケット転送処理時の検索方法が異なる。

図１０は、本発明の第三の実施形態の制御装置１０２の機能ブロック図である。第一の実施形態に制御管理テーブル更新処理部１００１を加えた形態となる。制御管理テーブル更新処理部１００１は環境情報に応じた複数の制御管理テーブル１００２を保持する。そして、制御管理テーブル更新処理部１００１は環境情報管理部２１４から環境情報を取得し、環境情報の変化に応じて制御管理テーブル１００２を切り替える。

本実施例で用いる制御管理テーブル１００２は、第一の実施例で示した図８の制御テーブルに加え、図１１に示した制御管理テーブル１１０２を用いても良い。

図１１は、本実施例における制御管理テーブルの最小構成を示した図である。制御管理テーブル１１０２は、宛先１１０１毎に制御情報１１０３を記載した表である。図８と比較して環境情報を含まない点が異なる。そのため、制御装置１０２の検索処理部２１２は宛先をキーとした検索を行う。このように制御管理テーブルを小さく抑え、検索キーを減らすことで、第一の実施形態に比べ検索処理にかかる時間を短縮することができる。

すなわち、第一の実施形態では、全ての環境情報に対応した制御情報を制御管理テーブル内にもつのに対し、本実施形態では、現在の環境情報に対応した制御情報を制御管理テーブル内にもつ。そして、本実施形態では、環境情報が変化する度に制御テーブルを切り替えることで、環境情報毎に適した通信制御を可能とする。

つまり、環境情報を、制御管理テーブル内の条件に含める環境情報と、制御テーブル内には含めず制御管理テーブル更新処理部１００１で状態変化を監視する環境情報とに分けて管理する。

環境情報をどちらの方法で管理するかの具体例として、時間的変化が小さい環境情報（例えば、端末の起動・停止状態を示す環境情報や、移動の少ない端末の位置情報）は、図１０に示す制御管理テーブル更新処理部１００１で状態変化を監視し、時間的変化が大きい環境情報は、図８に示す制御管理テーブル内に含める方法が挙げられる。その他の機能ブロックについては第一実施形態と同様である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形実施可能であり、上述した各実施形態を適宜組み合わせることが可能であることは当業者に理解されよう。

１０１：制御盤１０２：制御装置１０３：中継端末１０４：無線端末１０５：計算装置２０１：受信処理部２０２：送信処理部２０３：通信処理部２０４：管理端末２１１：パケット処理部２１２：検索処理部２１３：パケット解析部２１４：環境情報管理部２１５：送信パケット管理部２１６：制御部２２１：記録部３０１：無線受信処理部３０２：無線送信処理部３０３：有線受信処理部３０４：有線送信処理部３０５：通信処理部４０１：無線受信処理部４０２：無線送信処理部４０３：通信処理部５０２：ＣＰＵ５０３：ワークメモリ５０４：プログラムメモリ５０５：ストレージ装置５０６：Ｉ／Ｆ５０７：入出力装置５１１：入出力プログラム５１２：パケット送受信プログラム５１３：データベース管理プログラム５１４：通信品質情報解析プログラム５１５：通信品質計測ログ解析プログラム５１６：ネットワーク分析プログラム５１７：ネットワーク情報表示プログラム５１８：制御装置設定変更プログラム

Claims (15)

1. 端末と、
   前記端末と無線通信を行う複数の中継端末と、
   前記中継端末と前記端末との間の通信品質情報及び前記端末の状態を示す複数の環境情報を受信する受信部と、前記通信品質情報と前記複数の環境情報に基づいて前記複数の環境情報それぞれに対して前記中継端末と前記端末で構成される通信経路を対応づける分析部と、を有する計算装置と、
   前記環境情報と前記通信経路とを対応づける第１の制御管理テーブルを保持する記録部と、前記端末と通信を行うとき取得した前記環境情報に基づいて前記通信経路を前記第１の制御管理テーブルから検索する検索処理部と、を有し、前記検索された通信経路を構成する前記中継端末を介して前記端末と通信を行う制御装置と、を備える無線通信システム。
2. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記端末は予め決められた経路を移動する無線通信システム。
3. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記環境情報は、前記端末の位置情報である無線通信システム。
4. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記制御装置は、前記端末を制御する制御盤から前記環境情報を取得する無線通信システム。
5. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記制御装置は、前記端末の状態遷移モデルを保持し、前記状態遷移モデルを用いて前記端末を制御する制御盤から送信される制御情報を解析することで、前記環境情報を推定する解析部を有する無線通信システム。
6. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記制御装置は、前記複数の環境情報それぞれに対して前記通信品質の計測を要求する要求信号を前記端末へ送信し、
   前記要求信号を受信した前記端末は、前記複数の中継端末それぞれと前記端末との間の前記通信品質を計測し、
   前記分析部は、前記複数の環境情報それぞれに対して前記計測された通信品質が所定の閾値を超える通信経路を算出する無線通信システム。
7. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   制御装置は、前記環境情報を含まず前記端末と前記通信経路を対応づける第２の制御管理テーブルを保持し、前記環境情報の変化に応じて前記第１の制御管理テーブルと前記第２の制御管理テーブルを切り替える更新処理部を有する無線通信システム。
8. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記制御装置は、前記取得した環境情報から最新の環境情報を予測する環境情報管理部をさらに有し、
   前記検索処理部は、前記最新の環境情報を用いて前記通信経路を検索する無線通信システム。
9. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記受信部は、前記通信品質情報及び前記環境情報を定期的に受信し、
   前記分析部は、定期的に受信した前記通信品質情報及び前記環境情報を用いて前記第１の制御管理テーブルを更新する無線通信システム。
10. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
    前記制御装置と前記計算装置が、１の装置で構成される無線通信システム。
11. 複数の中継端末それぞれと端末との間の通信品質情報及び前記端末の状態を示す複数の環境情報に基づいて、前記複数の環境情報それぞれに対して前記中継端末と前記端末で構成される通信経路が対応づけられた第１の制御管理テーブルを保持する記録部と、
    前記端末と通信を行うとき取得した前記環境情報に基づいて前記通信経路を前記第１の制御管理テーブルから検索する検索処理部と、を有し、
    前記検索された通信経路を構成する前記中継端末を介して前記端末と通信を行う制御装置。
12. 請求項１１に記載の制御装置において、
    前記環境情報は、予め決められた経路を移動する端末の位置情報である制御装置。
13. 請求項１１に記載の制御装置において、
    前記制御装置は、前記端末を制御する制御盤から前記環境情報を取得する制御装置。
14. 請求項１１に記載の制御装置において、
    前記取得した環境情報から最新の環境情報を予測する環境情報管理部をさらに有し、
    前記検索処理部は、前記最新の環境情報を用いて前記通信経路を検索する制御装置。
15. 端末と、前記端末と無線通信を行う複数の中継端末と、前記複数の中継端末を介して前記端末と通信を行う制御装置と、前記制御装置と接続される計算装置とを有する無線通信システムにおける無線通信方法であって、
    前記端末又は前記中継装置は、前記端末と前記中継装置との間の通信品質を計測し、
    前記計算装置は、前記端末の複数の位置情報それぞれに対して、前記通信品質が所定値を超える通信経路を算出し、
    前記制御装置は、前記複数の位置情報それぞれと前記通信経路との対応づけを予め保持し、前記端末と通信を行うとき、前記端末の特定の位置情報を取得し、前記特定の位置情報に対応する通信経路を前記対応づけから検索し、前記検索された通信経路が示す中継端末を介して前記端末と通信を行う無線通信方法。

Images