JP2018182522A - マルチホップ無線通信システム、中間集約装置、および無線端末 - Google Patents

Abstract

【課題】無線接続型のセンサネットワークシステムにおいて、システムの構成、用途や目的に柔軟に対応が可能な技術を提供する。【解決手段】中間集約装置と、中間集約装置と無線接続された複数の無線端末と、からなるマルチホップ無線通信システムである。この中間集約装置は、データを要求するデータ要求パケットに、当該データを送信するための通信要件を含め、中継端末となる無線端末を経由して、データ要求先端末となる無線端末に送信する。中継端末およびデータ要求先端末は、要求されたデータを含むデータパケットを、通信要件に従って、中間集約装置に送信する。【選択図】図８

Description

本発明は、無線ネットワークシステム、特にマルチホップ無線通信システムに係る技術に関する。

増加する天然資源需要への対応が国際的な課題となっており、資源探査の分野では、高感度な探査用センサ技術を安価に提供する必要性が増加している。資源探査システムは、システムの大規模化に向けた流れが加速しており、センサを稠密に配置することにより地下構造を高分解能で計測する重要度が増している。

例えば、資源探査で資源の埋蔵場所を特定するために用いられる主要な手法の一つに、反射法地震探査と呼ばれる手法がある。この手法は、地表面に配置した人工震源から発生された人工的な振動が、地中の各層(土壌層、水層、石油やガスを貯蔵する層、基盤岩層など)で反射して戻ってくる際の波を、地表面に配置した振動センサ(加速度センサ)で受信し、その信号波形を解析することにより地層構造や地殻構造を把握する手法である。

人工震源には、人工的に振動を発生させることのできる特殊な車両(起震車と呼ばれる)を用いることもある。反射法地震探査の場合、調査対象フィールドに、人工震源としての起震車、振動を検出すセンサ、取得された震動データを転送するセンサネットワークシステム(以下、「センサネットワーク」という)、取得された振動データを蓄積するデータセンタ(データ収集車)が必要となる。

しかし、有線接続型の構成では、同時に測定できるセンサの数に限界がある。また、同構成は、調査対象フィールド(森林、密林など)に存在する障害物(木、岩、河川など)により設置設計に制約がある。さらに、同構成は、各振動センサに電力を供給するための大容量の電源施設、大型のデータセンタ（データ収集車）などのフィールド設備が必要となる。いずれも、センサネットワークのコストを増加させる一因になっている。したがって、センサを稠密に配置しつつ配線を省略したシステムの構成が望まれる。

特許文献１には、小型無線センサノードを利用したネットワークの管理方式について記載があり、センサノードの動作間隔および動作開始位相の基準とするためのカウンタ値を、基地局とセンサノードで有し、これらを定期的に同期化させることが記載される。

再公表特許公報ＷＯ２００６／０９０４８０

センサを稠密に配置しつつ配線を省略したシステムのために、ケーブルレスシステムを用いた資源探査システムの構築が検討されている。ケーブルレスシステムを採用することにより、設置コストを大幅に削減することが可能になる。その一方で、ケーブルレスシステムの実現には、センサ端末のバッテリ駆動（すなわち低電力動作）、無線マルチホップ方式による複数種類のデータ（センサデータ、システム運用及び管理に必要な情報）の収集なども検討する必要がある。

従来の一般的なセンサネットワークでは、センサからサーバへの定期的なデータアップロードという規定ルーチンでシステムが制御されていた。しかし、例えば資源探査のように、測定対象の規模や条件、あるいは要求されるデータが多様化する場合、好ましい種々の通信要件が存在する。例えば、センサが配置されるフィールドの条件は多種多様であるし、センサデータや、システム運用及び管理に必要なデータでは、求められる通信要件が異なる。

また、従来の無線センサネットワークの時分割アクセス方式では、固定的なタイムスロットを無線センサ端末に書き込んで運用するため、ユーザからのオンデマンド要求で無線センサ端末に対しデータ送信トリガをかけるアプリケーションでは、データ要求が発生していないときでもセンサ端末が起動し、消費電力が増加してしまう。また、一度割り当てた無線帯域を他端末に再割当するのに時間がかかり、ダウンタイムが増加する。

そこで本発明の課題は、無線接続型のセンサネットワークシステムにおいて、システムの構成、用途や目的に柔軟に対応が可能な技術を提供することにある。

本発明の一側面は、中間集約装置と、中間集約装置と無線接続された複数の無線端末と、からなるマルチホップ無線通信システムである。この中間集約装置は、データを要求するデータ要求パケットに、当該データを送信するための通信要件を含め、中継端末となる無線端末を経由して、データ要求先端末となる無線端末に送信する。中継端末およびデータ要求先端末は、要求されたデータを含むデータパケットを、通信要件に従って、中間集約装置に送信する。

本発明の他の一側面は、複数の無線端末からのデータをマルチホップ無線通信によって集約する中間集約装置である。この装置は、データを要求するデータ要求パケットを生成し、中継端末となる無線端末を経由して、データ要求先端末となる無線端末に送信する。ここで、データ要求パケットは、中継端末となる無線端末、および、データ要求先端末となる無線端末の、当該データの送信および受信の少なくとも一つのタイミングを示すテンポラリタイムテーブルを含む。

本発明のさらに他の一側面は、マルチホップ無線通信システムに用いられる、データの送信元端末あるいは中継端末となる無線端末である。この端末は、データを要求するデータ要求パケットを、中継端末として受信した場合に、データ要求パケットに含まれる、無線端末の送信および受信のタイミングを示す情報を記憶し、送信および受信のタイミングに基づいて、要求されたデータの送受信を行う。

本発明によれば、無線接続型のセンサネットワークシステムにおいて、システムの用途や目的に柔軟に対応が可能な技術を提供することができる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

実施例に係る無線センサネットワークシステムの全体構成を示す模式平面図。 実施例に係る無線センサネットワークシステムの１セル内の構成を示す模式平面図。 実施例に係る無線センサ端末の内部構成を示すブロック図。 実施例に係るアグリゲータの内部構成を示すブロック図。 実施例において伝送されるデータのパラメータ等を示す表図。 実施例に係るマルチホップデータ伝送時のパケット伝送順番を説明する模式図。 実施例に係る要求パケット(下り)のパケットフォーマットを示す表図。 実施例に係る無線マルチホップ通信動作を示すタイムチャート図。 実施例に係るテンポラリタイムテーブルを示す表図。 実施例に係るアグリゲータの動作を示すフローチャート図。 実施例に係る無線センサ端末の動作を示すフローチャート図。 実施例に係るパケット伝送順番を説明する模式図。 実施例に係るマルチホップデータ伝送時の動作シーケンスを示すタイムチャート図。 実施例に係る無線センサ端末と起動専用受信機との接続、および起動専用受信機の構成を示すブロック図。 実施例に係る無線センサ端末の動作を示すフローチャート図。 実施例に係る起動専用受信機の動作を示すフローチャート図。 実施例に係る無線センサ端末がデータを送受信する(上り)タイミングを記載したテンポラリタイムテーブルを示す表図。 実施例に係る要求パケット(下り)のパケットフォーマットを示す表図。 実施例に係る、テンポラリタイムテーブルを削除する手順を含めた無線センサ端末の動作を示すフローチャート図。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明の実施の形態は、後述する実施例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。

以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。

本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数、順序、もしくはその内容を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

各実施例における状態遷移フローは、後述するように、マイクロコンピュータ(以下、「マイコン」又は「プロセッサ」という)を含む汎用コンピュータ上におけるソフトウェアの実行を通じて実装される場合を想定するが、専用ハードウェア又はソフトウェアとハードウェアの組み合わせで実装しても良い。また、以下の実施例にて使用する具体的な数値は、実施例の説明のための数値であり、以下の説明で使用する数値に限定しない。

同一あるいは同様な機能を有する要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、複数の要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

以下の実施例では、オンデマンドに発生する要求パケット(下り)内に当該セッションで有効で、無線センサ端末がデータを送受信する(上り)タイミングを記載した「テンポラリ」タイムテーブルを挿入し、センサに備えられたGPS等により正確な標準時刻を把握することで、テンポラリタイムテーブルに記載の時間でのパケット送受信を成立させる例を説明する。

さらに、低消費電力で受信待機可能な起動専用受信機を無線センサ端末と接続設置することで、上記オンデマンドに発生する要求パケット(下り)に先立ち、起動専用受信機に対し起動パケットを送付して、無線センサ端末を随時起動させたうえで、要求パケット(下り)を送付することで、常時スリープでもオンデマンドで通信を成立させる例を説明する。

（１−１）無線センサネットワークシステム
図１に、実施例に係る無線センサネットワークシステム１(以下、「システム１」などという)の全体構成を示す。システム１は、測定対象フィールドＦに配置された無線センサ端末ｓ_１〜ｓ_{１００００}と、これらのデータを集約するアグリゲータａ_１〜ａ_ｉ(ｉは任意の数値を代表する)と、データセンタＤに配置されるデータサーバｓｖによって構成される。

なお、狭義のシステム１は、測定対象フィールドＦに配置される無線センサ端末ｓ_１〜ｓ_{１００００}とアグリゲータａ_１〜ａ_ｉで構成される。アグリゲータａはそれぞれが１つのセルの集約点として機能し、複数セルが集合してシステム１を形成する。

本実施例におけるシステム１は、システム規模が大きく、かつ、無線センサ端末ｓが稠密に配置されている。本実施例の場合、１万個の無線センサ端末sを使用するが、その個数は任意である。従って、無線センサ端末ｓの個数はより多い場合もあれば、少ない場合もある。後述するように、無線センサ端末ｓは、各種のセンサと無線通信機能を搭載する。無線センサ端末ｓとアグリゲータａは例えば５〜１０ｍ間隔で配置されるが、間隔の設定も任意である。

アグリゲータ(すなわち、無線データ集約装置)ａは、個々の無線センサ端末ｓに搭載された各種のセンサによってセンシングされたデータ(以下「センサデータ」ともいう。)を、互いに無線接続された１又は複数台の無線センサ端末ｓを通じて、無線マルチホップ通信により集約する。ここで、無線マルチホップ通信とは、無線センサ端末ｓが送信したデータを、周囲の他の無線センサ端末ｓが受信して再送信する中継送信により、アグリゲータまでデータを送信する無線通信方式をいうものとする。すなわち、データの送信元である無線センサ端末とアグリゲータの間には、データを中継する１または複数の無線センサ端末が介在する。この方式により、広い範囲のデータ収集が可能である。

各アグリゲータａは、測定対象フィールドＦ内に所定間隔に配置され、それぞれが略１００〜１０００個の無線センサ端末ｓからのデータを集約する。勿論、この数値は一例である。なお、測定対象フィールドＦは屋外に限定せず、屋内であっても良いし、屋内と屋外が混在したフィールドであっても良い。

アグリゲータａは、集約したデータを、通信ケーブルＬを介してデータセンタＤ内のデータサーバｓｖに伝送する。本明細書において、データとは、各種センサが取得する物理量データだけでなく、システムの運用及び管理の一方又は両方に必要な情報も含むことができる。

なお、アグリゲータａから無線センサ端末ｓへ向かうデータあるいは通信を、「下り」データあるいは通信などと称し、無線センサ端末ｓからアグリゲータａへ向かうデータあるいは通信を、「上り」データあるいは通信などと称する。

（１−２）１セル内無線マルチホップ接続
図２を用いて、測定対象フィールドＦ内の１セル内の無線マルチホップ接続を説明する。なお、図２は、図１のうち測定対象フィールドＦの一部分を詳細に示すものである。図２において、一例として無線センサ端末の典型的な設置間隔は１０ｍ〜５０ｍ程度であり、無線による通信可能距離は５０ｍ〜１００ｍ程度と想定する。

図２に示すように、１セル内の無線マルチホップネットワークでは、アグリゲータａ_ｉをデータ要求/収集の集約点として、ツリー型の無線マルチホップネットワークを構成する。図２には無線マルチホップでのパケット伝送経路の一例を矢印２０１で示した。

１セルの領域範囲を示すＣは、理想的には図２のような円形であるが、本質的にはアグリゲータａ_ｉ、および無線センサ端末ｓが共通に保持する最大マルチホップ数パラメータにより決定される境界線である。

（１−３）無線センサ端末の構成
図３に、無線センサ端末ｓの内部構成例を示す。なお、図３に示す全ての構成要素が無線センサ端末に搭載されている必要は無く、その一部の構成要素のみを搭載する構成でも良いし、図示しない他の構成要素が追加された構成でも良い。

図３に示す無線センサ端末は、マイコン３０１、無線通信部３０２、タイマ３０３、センサ３０４、メモリ３０５、バッテリ制御部３０６、バッテリ３０７、GPS(Global Positioning System)信号受信部３０８、およびアンテナ３０９を有する。

マイコン３０１は、メモリ３０５あるいは内部メモリに記録された制御プログラムに従って、無線通信部３０２、タイマ３０３、センサ３０４、メモリ３０５、バッテリ制御部３０６、GPS信号受信部３０８の動作を制御し、当該制御を通じて端末全体の状態を制御する。マイコン３０１の内部構成は図示しないが、プロセッサ、メモリ、入力および出力のインターフェースを備えた汎用マイコンの構成である。メモリについては、マイコン３０１外のメモリ３０５を利用してもよい。無線センサ端末ｓは、基本的に外部からの給電がなくバッテリ３０７で駆動されることを想定している。低消費電力化が望ましいため、メモリ３０５は例えばフラッシュメモリのような不揮発性のメモリが望ましい。

センサ３０４は、マイコン３０１から受信したセンサ取得要求に応じてセンサ値をマイコン３０１に返す。センサ３０４は、例えば振動計であるが、温度計や湿度計など他のセンサでも良い。マイコン３０１は、取得したセンサ値をメモリ３０５（あるいはマイコン３０１内のメモリ）に格納する。

GPS信号受信部３０８は、無線センサ端末(自端末)の設置場所を特定する他、測定対象フィールドＦに大量に存在する各無線センサ端末ｓが取得するセンサデータの取得時刻の同期に用いられる。ただし一般には、GPS信号受信によるセンサデータ取得タイミングの同期ではなく、無線通信部３０２を用いた他無線センサ端末とのパケット情報交換により上記時刻同期を実現することもできる。

無線通信部３０２は、他端末(無線センサ端末ｓ)から受信した無線通知パケット又は無線通信パケットを受信(又は復調)し、マイコン３０１に転送する。また、無線通信部３０２は、マイコン３０１からの応答を無線通信パケットに変換(変調)し、アンテナ３０９を介して外部空間に送信する。なお、マイコン３０１は、タイマ３０３の使用により、無線制御が無線パケットエラーなどにより実現できなかった場合のバックアップやマイコン制御の時間管理のための状態遷移にも対応する。

（１−４）アグリゲータの構成
図４に、アグリゲータａの内部構成例を示す。なお、図４に示す全ての構成要素がアグリゲータａに搭載されている必要は無く、その一部の構成要素のみを搭載する構成でも良いし、図示しない追加の構成要素を搭載する構成でも良い。

アグリゲータａの一部の構成は、無線センサ端末ｓと同一でよいので、同様の要素には同じ符号を付して説明を省略する。相違点は、アグリゲータには、電源用インターフェース(ＩＦ)４０６と有線通信部４１０が追加されている点である。また、アグリゲータａにも、センサ３０４が搭載されており、当該センサ３０４により無線センサ端末としても機能する。

アグリゲータａは、無線センサ端末ｓとは異なり、電源用インターフェース(ＩＦ)４０６を通じて電力の供給を受けて動作する。電源用インターフェース(ＩＦ)４０６を通じて電力の供給を受けられるため、マイコン４０１には、無線センサ端末ｓ側のマイコン３０１よりも処理能力の高いＣＰＵを用いることができる。

マイコン４０１は、アンテナ３０９及び無線通信部３０２を通じて、各無線センサ端末ｓから集約されたセンサデータ(無線パケット)を有線パケットに変換すると、有線通信部４１０に出力する。外部機器とのインターフェースである有線通信部４１０は、通信ケーブルＬを介し、有線パケットをデータサーバｓｖに伝送する。

（１−５）取り扱うデータ種別と求められる仕様
ところで、本実施例では、センサデータや、システム運用及び管理に必要な情報の収集には、センサからサーバへの定期的なデータアップロードという規定ルーチンの実行だけでなく、以下に挙げる様々な通信要件が存在する。

まず、データを収集するための無線センサ端末は、給電ケーブルを持たないため、バッテリ動作で長期間例えば数十日以上の連続運用が望まれる。

また、無線センサ端末から得られるデータには用途に応じた複数の種類が想定されるため、複数のデータ種別を異なる条件で通信することができる構成が求められる。

さらに、無線センサ端末の低消費電力化を図るためには、ユーザからのオンデマンドのデータ要求（下り通信）をトリガとして、無線センサ端末がデータ送信する仕組みが求められる。

また、通信帯域を割り当てる無線センサ端末を動的に変更することができると、無線センサ端末の負荷分散が可能となる。

図５に、本実施例が想定するマルチデータ種別に関して、主要なものを例として記載する。ステータスはセンサの状態を示す情報であり、ヘルス状態、GPS情報、バッテリ残量等を含む。ノイズレベルは、ある時点における（無入力時の）センサデータのことである。起震車による起震で探査試験を開始する直前に環境ノイズを測定することで、探査試験の開始可否をユーザが判断するための情報である。データ（スナップショット）は、起震後にセンサが取得した反射波の生データのことである。

図５の＃１〜＃３のデータは、方向(オンデマンドで双方向通信)こそ同一であるものの、通信頻度やデータ量、遅延時間要求、取得対象範囲に及ぶまでそれぞれ要件が全く異なる。しかし、これらすべてを同一の無線マルチホップシステム構成で伝送できることが望ましい。

ここで、「対象端末」は通信対象となる無線センサ端末ｓの数である。対象端末欄の「５台/セル」という概念は、数万〜１０万個以上の無線センサ端末ｓで構成される大規模なセンサネットワークを複数のセルで分割した場合の、１セルあたりの対象無線センサ端末数のことを意味する。

また、＃１〜＃３のデータ種別をセンサから取得する場合には、ユーザからのオンデマンドに発生する要求パケット(下り)に応答する形で、無線センサ端末がデータを送信する(上り)。

さらに、低消費電力化と通信条件の要件を満たすために、「対象端末」で「５台/セル」となっている「＃２：ノイズレベル」、「＃３：データ(スナップショット)」に関しては、毎回特定の５台を使ってデータ取得するのではなく、回次ごとに異なる５台にて持ち回りで運用する方式の方が好ましい。従って、通信帯域を割当てる無線センサ端末を運用中に動的に変更することが必要となる。

従来の無線センサネットワークの通信方法では、上記要件に対し、時分割アクセス方式により、専用の送受信タイムスロット(msオーダ)を固定的に割り当ててスケジューリングすることで、干渉を回避した専用通信帯域を確保する方式を採る。従来方式ではきめ細かな間欠動作により低消費電力化が可能である点がメリットであるが、以下２つの大きな課題を有する。第一には、データ要求が発生していないときでも無線センサ端末が起動し、消費電力が増加することである。第二には、一度割り当てた無線帯域を他端末に再割当するのに時間がかかり、ダウンタイムが増加することである。なお、ここでは課題の具体的提示のため資源探査システムの場合を例に課題の説明をしたが、この技術課題は、同様の要件を採る無線センサネットワークに共通する。

（１−６）テンポラリタイムテーブルによる無線マルチホップ通信
次に本実施例における、テンポラリタイムテーブルを用いた通信方法について説明する。

図６に、テンポラリタイムテーブルを用いた通信方式での、マルチホップデータ伝送時のパケット伝送順番を示す。図６では説明のため、図２の１セル内の無線マルチホップ接続のうち、アグリゲータａ_ｉまで到達する経路のうちの１つだけを抽出して図示している。

ここでは、アグリゲータａ_ｉにて、当該セッション(１つのデータ要求パケットをトリガとする一連のデータ送信のシーケンスのこと)のみ有効なテンポラリタイムテーブルを作成し、タイムテーブル付きデータ要求パケット６０１として、データ要求先無線センサ端末ｓ_(k+7)までマルチホップ伝送する。

図７にアグリゲータａ_ｉから発送されるデータ要求パケット６０１の内容を示す。データ要求パケット６０１は、一般的なデータパケットの構成に従い、あて先を示すパケットヘッダ７０１、上りのパケットか下りのパケットかを識別するパケット識別子７０４、どのようなデータを要求するかを示す要求データ種別７０５、確立されたセッションを特定するセッションＩＤ７０６、データの本体であるデータペイロード７０７等を含む。

本実施例では、データ要求パケット６０１は、テンポラリタイムテーブル７０３とマルチホップ経路情報７０２を含んでいる。マルチホップ経路情報７０２は、どの無線センサ端末ｓをどのような順序で経由してパケットが転送されるかを示す。マルチホップ経路情報７０２は、例えば転送先のセンサ端末ｓのＩＤ等を含む。なお、テンポラリタイムテーブル７０３とマルチホップ経路情報７０２の格納位置は、図７の例に限定されるものではない。

図６に示すように、データ要求パケット６０１は、アグリゲータａ_ｉから無線センサ端末ｓ_ｋ〜ｓ_(k+6)を経由して無線センサ端末ｓ_(k+7)までマルチホップ伝送される。データ要求パケット６０１を受信した、マルチホップの中継局となる各無線センサ端末ｓ_ｋ〜ｓ_(k+6)は、パケット転送時に受信したデータ要求パケット６０１のタイムテーブル６０３を、メモリ３０５に格納して登録する。

そして、同一のセッションにおいては、テンポラリタイムテーブル７０３に記載の時刻および周期に基づいて起動し、パケットの送受信を行う。データ要求先無線センサ端末ｓ_(k+7)では、データ要求パケット６０１を受信すると、要求データ種別７０５で要求されたデータを生成する。また、受信したデータ要求パケット６０１のテンポラリタイムテーブル７０３を、メモリ３０５に格納して登録する。

そして、無線センサ端末ｓ_(k+7)は、データ要求パケット６０１に添付されていたテンポラリタイムテーブル７０３とマルチホップ経路情報７０２(の逆順)の記載に従い、定められたタイミングにて、定められた宛先に対して、要求されたデータパケット６０２の送信を行う。

データ要求パケット６０１は、例えばアグリゲータａのマイコン（あるいはプロセッサ）４０１が、メモリ３０５に格納されているデータを元に生成し、無線通信部３０２からアンテナ３０９を介して無線センサ端末ｓに送信される。

図８に上記通信シーケンスのタイムチャートを示す。無線センサ端末はｓ_ｋ、ｓ_ｊ、ｓ_ｌの３つに単純化しているが個数（ホップ数）は任意である。処理Ｓ８０１では、アグリゲータａ_ｉのマイコン４０１は、テンポラリタイムテーブル７０３を作成し、メモリ３０５に格納する。なお、マイコン４０１がテンポラリタイムテーブル７０３を作成するのではなく、アグリゲータａ_iの外部から有線通信部４１０経由でテンポラリタイムテーブル７０３を受信してもよい。

作成したテンポラリタイムテーブル７０３はデータ要求パケット６０１に含められ、無線センサ端末ｓ_ｋ、ｓ_ｊ、を経由しｓ_ｌに到達する。各無線センサ端末ｓは、テンポラリタイムテーブル７０３の必要な部分のコピーをメモリ３０５に格納する。

要求されたデータパケット６０２は、テンポラリタイムテーブル７０３のスケジュールに基づいて、無線センサ端末ｓ_ｌから無線マルチホッピング通信によりアグリゲータａ_ｉに送信される。

各無線センサ端末ｓは、自己が持つテンポラリタイムテーブル７０３（のコピー）のスケジュールに基づいて送信、受信のタイミングを知ることができるので、送信あるいは受信が必要ない期間はスリープ状態に移行することにより、消費電力を低減することができる。すなわち、送受信を行う期間の直前にスリープ状態から起動し、直後にスリープ状態に戻る。ここで、スリープ状態とは、例えば回路の一部の機能をオフとしたり、クロック周波数を低下することで、消費電力を低減できる状態であり、どの回路をオフ等にするかは用途により様々があり得る。本実施例では、スリープ状態ではタイマ３０３など時間管理を行う回路を動作させ、マイコン３０１の一部や無線通信部３０２はオフとする。

図９には図６および図８に記載のシーケンスを実現するためのテンポラリタイムテーブル７０３の具体例を記載する。テンポラリタイムテーブル７０３には送信端末ＩＤ、受信端末ＩＤ、送受信の開始時刻と終了時刻が「時：分：秒」で明記されている。各枠９０１の上段は送受信の開始時刻を、下段は終了時刻を示している。

データ要求パケット６０１を受信した各無線センサ端末ｓは、少なくとも自端末が送受信を行うタイミングの開始および終了に関する情報をメモリ３０５に格納し、このタイミングにより送受信を行う。もっとも、テンポラリタイムテーブル７０３の単なるコピーをメモリ３０５に格納してもよい。このほうが、メモリの消費は多いが、処理は簡単である。

テンポラリタイムテーブル７０３では、アグリゲータａおよび各無線センサ端末ｓの送信および受信のタイミングを定義している。たとえば、開始時刻「01:05:01.000」、終了時刻「01:05:01.100」の時間枠で、アグリゲータａ_iが送信を行い、無線センサ端末ｓ_kが受信を行う。なお、時間単位は任意であり、絶対時間でも相対時間でもよい。無線センサ端末ｓを、このような通信時刻に基づいて時系列順に並べれば、それはすなわちマルチホッピングのルートと等価である。

テンポラリタイムテーブル７０３は自由に定義できるので、どの端末をどのタイミングで通信させるかなどの、通信要件あるいは通信条件を自由に定めることができる。通信条件としては、使用する端末の個数や個体の指定、マルチホッピングのルート、送受信時間の長さや間隔も自由に設定することができる。従って、要求するデータの種類に応じて、最適なテンポラリタイムテーブル７０３を準備することで、効率的かつ柔軟なシステムの運用が可能である。

図９のテンポラリタイムテーブル７０３は、図６のマルチホッピングのルートを示すが、１つの無線センサ端末ｓは複数のマルチホッピングのルートに組み込まれる場合もある。その場合は、無線センサ端末ｓはマルチホッピングのルートごと複数のテンポラリタイムテーブル７０３を持つ。また、図９に示すテンポラリタイムテーブル７０３は、図５に示したデータ種別ごとに適したものを作成することができる。その場合も、無線センサ端末ｓはデータ種別ごとに複数のテンポラリタイムテーブル７０３を持つ。

複数のテンポラリタイムテーブル７０３は、送受信が相互に干渉しないように設定すれば、同時に使用することが可能である。この場合、センサ端末ｓは、メモリ３０５に複数のテンポラリタイムテーブル７０３を格納することになる。

また、「繰り返し周期」の値により、本テンポラリタイムテーブルを繰り返し実行する周期を与えている。これにより、テンポラリタイムテーブル受信時に、テーブル記載の時刻が過去の時刻であったとしても、次回以降の通信タイミングを知ることができる。例えば、図９の例では、下りと上りのデータの往復に１．６秒かかるため、タイムテーブルに記載の時刻を開始時刻として１．６秒周期で繰り返すことができる。繰り返し周期を定義することにより、１回目のデータ送信がエラーになった場合でも、１周期後に自動的に２回目のデータ送信を行うことができる。なお、図９の例では、下り通信と上り通信が対称（一対一）になっているが、非対称にしてもよい。例えば、１回の下り通信（例えばデータ要求）に対し、上り通信（例えばデータ送信）に繰り返し周期を適用し、複数回送信するようにしても良い。

なお、本タイムテーブルを用いた同期通信の実行には、別手段で無線センサ端末間の時刻同期が必要であるが、資源探査システムの場合には、センサにGPSを保持しているため、GPSの時刻同期機能による無線センサ端末間時刻同期を活用できる。ただし、別途、有線通信部４１０や無線通信部３０２を用いて時刻同期を実現しても良い。

（１−７）アグリゲータの動作
図１０にアグリゲータａ_ｉの動作フローチャートを示す。アグリゲータａ_ｉは電源ＯＮ（Ｓ１００１）後、受信待機状態に移行し（Ｓ１００２）、無線パケットの受信があれば（Ｓ１００３のＹ）有線通信部４１０を用いて、有線区間に対しパケット転送処理を実行する（Ｓ１００４）。

しかし、無線パケット受信がなく（Ｓ１００３のＮ）、かつアプリケーションやデータサーバｓｖからデータ要求があった場合には（Ｓ１００５）、テンポラリタイムテーブルを作成（Ｓ１００６）し、データ要求パケット内に含めて、所望のデータ種別の要求パケットとして送信する（Ｓ１００７）。

ここで、テンポラリタイムテーブル７０３の作成は、アグリゲータａ_ｉのマイコン４０１にて行い、作成後はメモリ３０５に格納する。あるいは、データサーバｓｖが作成し、アグリゲータに与えても良い。作成時には、一時的な時分割アクセス方式が実現できるように、１セル内では同一タイムスロットに複数の送受信を含めないように、かつ短時間でデータ転送できるように作成する。また、同時に複数の無線センサ端末に対し、データ要求を発行する（ブロードキャストまたはマルチキャスト）場合には、当該セッションで必要な全ての通信タイミング（全てのデータ要求/データ返信の通信タイミング）が時間的に被らないようにタイムテーブルを作成する必要がある。

（１−８）無線センサ端末の動作
図１１に無線センサ端末ｓ_ｋ、ｓ_ｊ、ｓ_ｌの動作フローチャートを示す。無線センサ端末は電源ＯＮ（Ｓ１１０１）後、受信待機状態（Ｓ１１０２）に移行し、無線パケットを受信しなければそのまま受信待機状態を維持する。

無線パケットを受信した場合（Ｓ１１０３）は、それがデータパケット（上り）であれば（Ｓ１１０４の２）、登録済みのテンポラリタイムテーブルを参照（Ｓ１１０８）して、所定のタイミングでパケット送信する（Ｓ１１０９）。

一方、受信した無線パケットがデータ要求パケット（下り）であった場合（Ｓ１１０４の１）、データ要求パケット内のテンポラリタイムテーブル７０３を自端末のメモリに登録する（Ｓ１１０５）。さらに、当該パケットが自端末宛てでない場合（Ｓ１１０６のＮ）は、タイムテーブルに従ってパケット送信（転送）を行う。一方、自端末宛てであった場合（Ｓ１１０６のＹ）は、要求データ種別７０５で要求されたデータパケットを生成し（Ｓ１１０７）、作成したデータパケットについて、タイムテーブルに従って送信する（Ｓ１１０８、Ｓ１１０９）。

実施例１においては、テンポラリタイムテーブル７０３を導入し、主に不要な無線電波送信の回避と、干渉回避を主眼にした通信制御方法の具体例を説明した。しかし、実際の無線マルチホップでは受信待機時の電力消費も大きな割合を占める。そこで、本実施例では、起動専用受信機を用いたオンデマンド起動方式の導入により、不要な起動を無くすことで低消費電力を実現しつつ、ユーザからのオンデマンド要求で、複数のデータ種別のデータを取得可能な無線マルチホップネットワークの具体例を記載する。

図１２に、テンポラリタイムテーブル７０３、および起動専用受信機ｗを用いた通信方式での、マルチホップデータ伝送時のパケット伝送順番を示した。図中の矢印はパケットの伝送方向を示し、矢印に付加される数字はパケットの送出順序を示している。

起動専用受信機ｗは、各無線センサ端末ｓに付随して設けられている。起動専用受信機ｗを用いた場合、起動専用受信機ｗは常時受信待機状態での運用であるが、無線センサ端末sに関しては全て、デフォルトをスリープ状態にすることができる。起動専用受信機ｗは無線センサ端末ｓに比べると、機能を省略するなどして受信待機状態での消費電力が比較的小さい設計となっている。

図１２にあるように、起動専用パケット１２０１のホップ先への送信から通信が開始される。起動専用パケット１２０１がホップ先の起動専用受信機ｗ_k〜ｗ_(k+7)に順番に届くことにより、起動専用受信機ｗは自分が担当する無線センサ端末ｓを起動させる。その結果、無線センサ端末ｓ_k〜ｓ_(k+7)が順次スリープ状態から起動し、受信待機状態に移行する。

無線センサ端末ｓが受信待機状態に移行した後、テンポラリタイムテーブル付きデータ要求パケット６０１を受信する。図１２では、無線センサ端末ｓ_kがテンポラリタイムテーブル付データ要求パケット６０１を受信してから、起動専用受信機ｗ_(k+1)が起動専用パケット１２０１を受信するシーケンスであるが、この順序は逆でも良い。

本手順にてテンポラリタイムテーブル付データ要求パケット６０１が、データ要求先である無線センサ端末ｓ_(k+7)に到達すると、無線センサ端末ｓ_(k+7)は、要求されたデータパケット６０２を作成し、テンポラリタイムテーブルに記載のタイミングに従って、データパケット６０２を送信する。

この際、下り通信（アグリゲータから遠ざかる方向の通信）では起動専用受信機ｗによる逐次起動を実施するが、上り方向通信（アグリゲータに近づく通信）に関しては、テンポラリタイムテーブルを配信済みであるため、テーブルに記載のタイミングで送受信し、起動専用受信機ｗによる起動は実施しない。

図１３に上記通信シーケンスのタイムチャートを示す。実施例１（図８）と比較すると、無線センサ端末ｓは本質的に通信に必要なタイミングだけ起動し、それ以外のタイミングでは常時スリープ（Ｓ１３０１、Ｓ１３０４）することで低消費電力化を実現する。

起動専用受信機ｗは基本的に常時受信待機状態であり、起動専用パケット１２０１を受信すると、無線センサ端末ｓに対して起動指示１３０２を送信し、無線センサ端末ｓをスリープ（Ｓ１３０１）から、起動／受信待機状態（Ｓ１３０３）に遷移させる。その他の基本的な動作は、図８と同様である。

無線センサ端末ｓ_kと起動専用受信機ｗ_kを例に説明すると、無線センサ端末ｓ_kは、デフォルトではスリープ状態（Ｓ１３０１）である。起動専用パケット１２０１を受信した起動専用受信機ｗ_kは、無線センサ端末ｓ_kに対して起動指示１３０２を送信し、無線センサ端末ｓ_kを起動／受信待機状態（Ｓ１３０３）に遷移させる。

起動した無線センサ端末ｓ_kは、その後送信されるテンポラリタイムテーブル付データ要求パケット６０１を受信すると、テンポラリタイムテーブル７０３を登録する（Ｓ８０２）。その後、無線センサ端末ｓ_kは、テンポラリタイムテーブル７０３のスケジュールに従って、送信および受信を行う。送信および受信のタイミング以外では、スリープ状態（Ｓ１３０４）に遷移し、タイマなどで時間のモニタのみを行い、送受信のタイミングで起動することにより、消費電力を削減することができる。なお、テンポラリタイムテーブル７０３に基づいて、送信および受信のタイミング以外で、スリープ状態（Ｓ１３０４）に移行する制御は、実施例１でも同様に可能である。

図１４は、本実施例に係る無線センサ端末ｓと起動専用受信機ｗとの接続、および起動専用受信機ｗの構成を示すブロック図である。

ここで、無線センサ端末ｓと起動専用受信機ｗは一対一で接続され、起動専用受信機ｗは、受信した起動専用パケット１２０１に含まれる起動先アドレス情報の判別だけを実施すればよい。このため、起動専用受信機ｗは機能を簡略化した、低消費電力の構成とすることができる。アドレス情報が自端末ＩＤである、またはアドレス情報がブロードキャストＩＤの場合、起動専用受信機ｗは、接続されている無線センサ端末ｓに対し、起動指示１３０２を送信し、無線センサ端末ｓを起動する。一例として、アドレス情報は起動専用パケット１２０１のビット長とすることができる。

図１４では上記同様に、アドレス情報をパケットのビット長とする場合の、起動専用受信機ｗの構成例を示した。アンテナ１４０１で受信した無線パケットをアンプ１４０２で増幅、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４０３で帯域外ノイズを除去した上で、包絡線検出部１４０４で処理する。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４０５で信号を平準化し、アナログ/デジタル変換器（ＡＤＣ）１４０６でデジタル出力し、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）１４０７にてビットカウントを行うものである。

カウントした値が、ＭＣＵに登録されたアドレス情報と一致すれば、起動指示１３０２を生成して無線センサ端末ｓを起動し、一致しなければ何も実行しない。

図１５には本実施例における、無線センサ端末のｓの動作フローチャートを示す。実施例１の図１１と比較すると、常時スリープ状態（Ｓ１５０１）に移行するステップ、および起動専用受信機ｗからの起動信号をチェックし（Ｓ１５０２）、起動信号を受信した場合には無線センサ端末ｓを起動状態にするステップ（Ｓ１５０３）が追加されている。

また、データ要求パケットが自端末宛で無かった場合には、データ要求パケットのあて先となる無線センサ端末までのマルチホップ経路を起動させるために、起動用パケットを生成して（Ｓ１５０４）送信する。アグリゲータから、あるデータ要求パケットが送信され、それに対して要求されたデータパケット(センサデータ)がアグリゲータに到達するまで(当該セッション)の間、または、あるデータ要求パケットが送信されてからタイマ等でカウントする一定時間の間、他のデータ要求をアグリゲータが発行しないように保護する、または下り通信用のテンポラリタイムテーブル(送信タイミングだけを記載)を用いる等により、起動専用パケット１２０１同士の干渉を回避することができる。また、テンポラリタイムテーブルで、起動専用パケット１２０１の送信が終了するタイミングで通信が開始するように設定しておけば、センサデータとの干渉を避けることができる。

図１６は、起動専用受信機ｗの動作を示すフローチャート図である。電源ＯＮ（Ｓ１６０１）後、受信待機状態（Ｓ１６０２）に入り、無線パケットを受信すると（Ｓ１６０３）、ビット長カウントを行う（Ｓ１６０４）。ビット長が自端末のＩＤを示すものでなければ、無視して受信待機に戻る。

ビット長が自端末ＩＤあるいはブロードキャストである場合には（Ｓ１６０５）、起動パケットを生成し、無線センサ端末に送信して（Ｓ１６０６）、無線センサ端末ｓをスリープ状態から起動させる。

図１７には本実施例におけるテンポラリタイムテーブル７０３−２の一例を示す。各枠１７０１の上段は送受信の開始時刻を、下段は終了時刻を示している。本実施例では、下り通信は起動専用パケット１２０１によるオンデマンド起動/通信により、任意のタイミングで実現するため、テンポラリタイムテーブル７０３−２には上り通信に関するタイミング指示のみが含まれる。

図１８に本実施例におけるテンポラリタイムテーブルを含むデータパケット(上り通信)６０１−２のパケット内容を示す。実施例１の図７と共通部分の説明は省略し、特徴点を説明する。本実施例は、テンポラリタイムテーブルの削除手順が含まれる。

実施例１または実施例２において、テンポラリタイムテーブルを含むパケットのデータ部にはパケット終了フラグ１８０１を挿入し、データパケット生成元（すなわち、データ要求パケットの送付先）にて当該パケットが当該セッションにおいて最終のパケットであるか否かのフラグビットとして活用する。

マルチホップ経路内の各無線センサ端末ｓは、転送パケットのパケット終了フラグ１８０１を確認して、ＯＮであれば、当該セッションにおける自身の役割は完了したと判断し、テンポラリタイムテーブル７０３あるいは７０３−２を削除する。また必要に応じて、直ちにスリープモードに移行する。パケット終了フラグ１８０１がＯＦＦであれば、当該セッションにおける自身の役割は未完と判断し、テンポラリタイムテーブルを継続使用する。

図１９はテンポラリタイムテーブルの削除手順を含む無線センサ端末のｓの動作フローチャートを示す。図１５との差異は、無線パケット受信（Ｓ１８０６（図１５のＳ１１０３に対応））後の、データ要求パケットorデータパケット受信時の処理フローの中にある。すなわち、データ要求パケット受信の場合、かつ自端末宛て要求パケットであった場合（Ｓ１８０９）、当該セッションの最終パケットの場合にはパケット終了フラグをＯＮにする（Ｓ１８１５）、データパケットの場合は、パケット終了フラグを確認（Ｓ１８１６）後、フラグがＯＮである場合には、タイムテーブルを参照（Ｓ１８１７）してパケット転送（Ｓ１８１８）完了後に、テンポラリタイムテーブルを破棄する（Ｓ１８２０）処理である。また、図１８のパケット終了フラグ１８０１の代替手段として、テーブル有効期限情報を挿入し、これをタイムテーブル削除時刻を示すものとして使用し、無線センサ端末ｓでは、当該削除時刻にタイムテーブルを削除するようにしても良い。

前述した各実施例の機能は、マイコン３０１あるいは４０１が、メモリ３０５等に格納されたソフトウェアのプログラムコードを実行することで、他のハードウェアを制御することにより実現できる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体により、ソフトウェアをシステム又は装置に提供することができる。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施例の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、及びそれを記憶した記憶媒体は本実施例を構成することになる。

また本実施例中、ソフトウェアで構成した機能と同等の機能は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのハードウェアでも実現できる。そのような態様も本願発明の範囲に含まれる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

以上説明した実施例によれば、ユーザからのオンデマンドな通信要求に対し、一時的な時分割通信を実現することができる。よって、不要な無線センサ端末の起動を回避することができるため、低消費電力な無線センサネットワークを提供可能である。また、ユーザからのオンデマンドな通信要求が発生するたびに最適な時分割通信を確保できるため、マルチデータ種別にも対応可能であり、かつ無線センサ端末への明示的な事前の無線帯域割当が不要になるため、ダウンタイムを低減することができる。

Ｆ…測定対象フィールド
Ｄ…データセンタ
ｓ…無線センサ端末
ａ…アグリゲータ(無線データ集約装置)
ｓｖ…データサーバ
Ｌ…通信ケーブル
３０１、４０１…マイコン
３０５…メモリ

Claims (15)

1. 中間集約装置と、前記中間集約装置と無線接続された複数の無線端末と、からなるマルチホップ無線通信システムであって、
   前記中間集約装置は、
   データを要求するデータ要求パケットに、当該データを送信するための通信要件を含め、中継端末となる前記無線端末を経由して、データ要求先端末となる前記無線端末に送信し、
   前記中継端末および前記データ要求先端末は、
   要求された前記データを含むデータパケットを、前記通信要件に従って、前記中間集約装置に送信する、
   マルチホップ無線通信システム。
2. 前記通信要件は、
   前記無線端末の送信および受信のタイミングを示すタイミング要件を含み、
   前記中継端末は、
   前記タイミング要件に従って前記データパケットの送受信を行うことにより、マルチホップ無線通信を行う、
   請求項１記載のマルチホップ無線通信システム。
3. 前記中間集約装置は、
   前記タイミング要件を表すテンポラリタイムテーブルを、前記データ要求パケットに含めて送信し、
   前記中継端末は、
   前記データ要求パケットの中の、前記テンポラリタイムテーブルの少なくとも一部を保存して、前記テンポラリタイムテーブルに基づく前記タイミング要件に従って、前記データパケットの送受信を行う、
   請求項２記載のマルチホップ無線通信システム。
4. 前記データ要求パケットは、
   要求する前記データのデータ種別を含み、
   前記データ要求先端末は、
   前記データ種別に対応したデータを前記中間集約装置に送信する、
   請求項３記載のマルチホップ無線通信システム。
5. 前記データ要求パケットは、
   前記テンポラリタイムテーブルの繰り返し周期情報を含む、
   請求項３記載のマルチホップ無線通信システム。
6. 前記中継端末は、
   前記テンポラリタイムテーブルに基づく前記タイミング要件に従って、スリープ状態と前記データパケットの受信待機状態の間を遷移する、
   請求項３記載のマルチホップ無線通信システム。
7. 前記無線端末は対となる起動専用受信機と接続され、
   前記起動専用受信機は、
   起動専用パケットを受信すると、起動指示を対となる前記無線端末に送信し、
   前記無線端末は、
   前記起動指示をスリープ状態で待ちうけ、起動指示を受信すると前記データパケットの受信待機状態に遷移する、
   請求項３記載のマルチホップ無線通信システム。
8. 前記中継端末および前記データ要求先端末は、
   前記データを前記中間集約装置に送信後、保存した前記テンポラリタイムテーブルの少なくとも一部を破棄する、
   請求項３記載のマルチホップ無線通信システム。
9. 前記データを送信するためのデータパケットは、
   パケット終了フラグを備え、
   前記データ要求先端末は、
   前記データの要求に対して最後のデータパケットを送信する際に、前記パケット終了フラグにデータ送信の終了を表示し、
   前記最後のデータパケットの中継端末となる前記無線端末は、
   前記パケット終了フラグを確認し、確認した結果に基づいて、自身の保存した前記テンポラリタイムテーブルの少なくとも一部を廃棄する、
   請求項８記載のマルチホップ無線通信システム。
10. 前記データを送信するためのデータ要求パケットは、
    テーブル有効期限情報を備え、
    前記中継端末および前記データ要求先端末は、
    前記データ要求パケットを受信時に、前記テンポラリタイムテーブルと同時に前記テーブル有効期限情報を取得し、前記テーブル有効期限情報に基づいて、自身の保存した前記テンポラリタイムテーブルの少なくとも一部を廃棄する、
    請求項８記載のマルチホップ無線通信システム。
11. 複数の無線端末からのデータをマルチホップ無線通信によって集約する中間集約装置であって、
    前記データを要求するデータ要求パケットを生成し、中継端末となる前記無線端末を経由して、データ要求先端末となる前記無線端末に送信し、
    前記データ要求パケットは、
    前記中継端末となる前記無線端末、および、前記データ要求先端末となる前記無線端末の、当該データの送信および受信の少なくとも一つのタイミングを示すテンポラリタイムテーブルを含む、
    中間集約装置。
12. 前記データ要求パケットは、
    前記データ要求先端末に要求する要求データ種別を含む、
    請求項１１記載の中間集約装置。
13. マルチホップ無線通信システムに用いられる、データの送信元端末あるいは中継端末となる無線端末であって、
    前記データを要求するデータ要求パケットを、前記中継端末として受信した場合に、
    前記データ要求パケットに含まれる、前記無線端末の送信および受信のタイミングを示す情報を記憶し、
    前記送信および受信のタイミングに基づいて、要求された前記データの送受信を行う、
    無線端末。
14. 前記データ要求パケットに含まれる、前記無線端末の送信および受信のタイミングの周期を示す情報を記憶し、
    前記送信および受信のタイミングの周期に基づいて、前記データの送受信を行う、
    請求項１３記載の無線端末。
15. 前記送信および受信のタイミングに基づいて、
    スリープ状態と前記データの受信の待ち受け状態の切り替えを行う、
    請求項１３記載の無線端末。

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