パケット伝送方法

【課題】無線帯域の効率的な利用とデータ伝送の信頼性向上との両立が可能なパケット伝送方法を提供する。
【解決手段】送信端ノードから１回の送信での伝送データを受信した周囲の各中継ノードが、そのノードから宛先無線ノードまでの経路に沿ってデータを送信する。また各中継ノードから１回の送信での伝送データを受信した周囲の各中継ノードが、そのノードから宛先無線ノードまでの経路に沿ってデータを送信する。これを繰り返してデータを宛先無線ノードまで到達させることにより、擬似的な複数伝送経路を構成して冗長伝送を行う。さらに、データ欠落に対する補償のため、各ノードにてさらに伝送データを時系列で蓄積する機構を設ける。各ノードでは宛先無線ノードから与えられる受信完了データの発信時刻情報に基づき、その発信時刻以前の蓄積データを廃棄し、その発信時刻以降の伝送データを継続蓄積して送信することにより、効率的な補償を行う。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マルチホップ型の無線メッシュネットワークを形成する無線伝送システムにおけるパケット伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば事業所プラントなどにおいて各種の計測制御情報を収集するには、従来から有線媒体が用いられている。しかしながら近年の施設の肥大化、複雑化に伴って情報通信インフラの設置場所が制限されるようになってきており、このような設備を無線化することが要求されている。しかし従来の無線伝送技術は伝送の信頼性、すなわちデータ欠落に対する保証に重点を置いていないので、計測データの収集などにはそのまま適用することはできないのが現状である。
【０００３】
また、大規模災害地域、建設・工事現場、イベント会場などといった環境・状況下において、作業者間の連絡などのために、公衆網を介さずにプライベートかつテンポラリな通話網を構築したいという要求がある。このような用途に、マルチホップ型の無線メッシュネットワークを形成する無線伝送システムが注目されている。この種の用途に用いられる無線データ伝送の信頼性を向上させるため、送信端（データ発信）ノード〜受信端（データ集約）ノード間のマルチホップ（複数ノード経由）無線伝送において、重なり合わない伝送経路を複数設けて並行に冗長な伝送を行う手法、例えばＭＤＲ（Multipath on-Demand Routing）などが考案されている。
【非特許文献１】Reliable Splitted Multipath Routing for Wireless Sensor Networks: J. Wu, S. Dulman, P. Havinga; Building Intelligent Sensor Networks (BISON'04), Wuhan, China, October 2004）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら一般的な無線インタフェースは共有メディア型で半二重の通信を行うものが殆どであり、１回のパケット送信においてその周囲の受信可能ノード全てに対してデータ伝送する分の無線帯域が使用される。このような環境下で複数伝送経路による冗長伝送を行うと、さらに経路本数分の無線帯域が占有されることになる。このような状況のもとでは必要以上に冗長な帯域が使用されることになり通信の効率が著しく阻害されるので、何らかの改善策が求められている。
この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、無線帯域の効率的な利用とデータ伝送にかかる信頼性の向上との両立が可能なパケット伝送方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するためにこの発明の一態様によれば、複数の無線ノードにより形成される無線ネットワーク内に設定される伝送経路を介してパケットをマルチホップ伝送する無線伝送システムにおける前記パケットの伝送方法であって、前記パケットの送信端である無線ノードから送信された前記パケットを受信した無線ノードのそれぞれが、当該受信したパケットを前記伝送経路に沿って中継配信する第１ステップと、前記無線ノードから中継配信された前記パケットを受信した無線ノードのそれぞれが、当該受信したパケットを前記伝送経路に沿って中継配信する第２ステップとを具備し、前記第１および第２ステップを、前記パケットがその宛先無線ノードに到達するまで繰り返すことを特徴とするパケット伝送方法が提供される。
【０００６】
このような手段を講じることにより、複数の伝送経路が擬似的に形成される。すなわち送信端ノードから放射された無線パケットは１ホップ下流側の複数のノードに受信されたのち、各ノードから個々の伝送系路上に向けて再放射される。これが繰り返されることによって、送信端から宛先まで単一のルートではなく、複数のルートを確保することが可能になる。従って通信の信頼性を高められるとともに、各ノードごとに予め予備ルートを形成しておく必要がない。従って無線帯域の利用効率を飛躍的に高めることが可能になる。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、無線帯域の効率的な利用とデータ伝送にかかる信頼性の向上との両立が可能なパケット伝送方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、この発明に係わる無線伝送システムの実施の形態を示すシステム図である。このシステムは複数の無線端末１１〜１７を備えてマルチホップ型の無線メッシュネットワークを形成する。特に、無線端末１１〜１７間での通信経路の設定や同期処理などは各無線端末１１〜１７の互いの自立分散処理により実施され、そのためのサーバを要しないアドホックネットワークが形成される。
【０００９】
無線端末１１〜１７間の通信経路は両矢印により示される。この通信経路は固定的ではなく時間の経過、および個々の無線端末１１〜１７の移動に応じて、ルーティングプロトコルのもとで更新設定される。この種のネットワークでは、無線パケットがその送出元から宛先まで１または複数の無線端末を経由するマルチホップ伝送が行われる。
【００１０】
［第１の実施形態］
図２は、図１のシステムのもとで形成される無線ネットワークの一例を示す図である。図２において各ノードに符号Ａ〜Ｇを付して示す。パケットの送信端ノードをノードＡとし、ノードＡからのパケットの宛先無線ノードをノードＤとする。各ノードごとに、無線パスによる伝送リンクの設定可能なノードを周辺ノードと称する。例えばノードＡの周辺ノードはノードＢ，Ｇ，Ｅである。伝送リンクを設定可能であるか否かは、主としてノード間の電波状態による。
【００１１】
図２において、各ノードを中心とする点線の円が各ノードからの電波の到達圏である。例えばノードＡの電波圏内にはノードＢ，Ｇ，Ｆが在り、ノードＡから送出されたパケットはノードＢ，Ｇ，Ｆにより受信されたのち、それぞれ中継配信される。点線矢印は各ノードに対しルーティングプロトコルにより設定される伝送経路であり、例えばテーブル化されて各ノードに記憶される。なお各ノードを結ぶ白抜きの線はノード間の最短距離を模式的に示すもので、物理的実体はない。図２以降において、パケットの送信タイミングをＴで示す。Ｔ＝０の時点からパケットの送出が開始されたとし、いずれかのノードにおいてパケットが中継配信されるたびにＴの値が増えるとする。
【００１２】
図２において、各ノードはそれぞれＴ＝０における各自の伝送データを記憶している。例えばPacket:として示す四角いマス目にＡ０とあるのは、Ｔ＝０におけるノードＡの伝送データパケットを示す。この状態から図３に示すようにＴ＝１においてノードＡからパケットが送出されると、ノードＢ，Ｇ，ＦにおいてＡ１が記憶される。Ａ１は、ノードＡがＴ＝１で送出したパケットを示す。次にＴ＝２では、図４に示すようにノードＧから中継配信されたパケットＡ１がノードＣ，Ｄ，Ｅに達し、これらのノードでパケットＡ１が記憶される。この段階で１つの伝送経路が確保されている。
【００１３】
一方、Ｔ＝３では図５に示すように、ノードＢから中継配信されたパケットＡ１がノードＣ，Ｇに達し、これらのノードでパケットＡ１が記憶される。次のＴ＝４では図６に示すように、ノードＣから中継配信されたパケットＡ１がノードＤ（Ｂ，Ｇ）に達する。ここで、２つ目の伝送経路が確保される。さらに、Ｔ＝５（図７）ではノードＣ、Ｔ＝６（図８）ではノードＥ、Ｔ＝７（図９）ではノードＥ、Ｔ＝８（図１０）ではノードＥを経由して、Ｔ＝９（図１１）ではノードＧを経由して、いずれもパケットＡ１が中継配信される。以上のように、ノードＡからが送信されたパケットＡ１は、図４，図１１でノードＧが中継し、ノードＤに届く。同様に図５，図６，図７でノードＢからノードＣを中継して、図９，図１０，図１１で及びノードＦからノードＥを中継して、いずれもノードＤに届くこととなる。このようにして、ノードＡから送信したパケットＡ１は、Ａ→Ｇ→Ｄ、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ、およびＡ→Ｆ→Ｅ→Ｄの３つの経路を経由してノードＤに届く。従って複数の経路による冗長伝送が実現される。なお図２〜図１１においては、伝送されるパケットの内容、および各ノードで蓄積されるデータは単一時刻のものであり、パケットを受信したノードは受信後直ちに、あるいはタイマなどで設定された周期的な送信タイミングのたびごとに中継配信を行う。次に、異なる実施形態を説明する。
【００１４】
［第２の実施形態］
図１２に示すように、図２と同様の伝送経路が設定されているとする。この状態から図１３に示すようにＴ＝１においてノードＡからパケットＡ１が送出されると、Ｔ＝２で図１４に示すようにノードＧにより中継配信され、ノードＤに届く。このときノードＢ，ＦにおいてもパケットＡ１が受信されている。
【００１５】
次に、Ｔ＝３において、ノードＢが自ノードを送信端とするパケットＢ３を送出するとする。その際ノードＢは図１５に示すように、ノードＡから受信したパケットＡ１を併せて送出する。この状態では図１６に示すように、Ｔ＝４でパケットＡ１，Ｂ３がノードＣに記憶される。さらに、Ｔ＝５で、ノードＣが自ノードを送信端とするパケットＣ５を送出するとき、それに併せて図１７に示すようにノードＣは、パケットＡ１，Ｂ３，Ｃ５をノードＤに中継配信する。
【００１６】
同様にして、Ｔ＝７では図１８に示すように、ノードＥが自ノードを送信端とするパケットＥ７を送出するとき、それに併せて図１８に示すようにパケットＡ１，Ｅ７が送出される。Ｔ＝８（図１９）では、ノードＦからパケットＡ１，Ｅ７，Ｆ８がまとめて送出され、Ｔ＝９（図２０）でノードＥを経由してこれらのパケットがノードＤに届く。さらにＴ＝１０では、ノードＧからのパケットＧ１０が、パケットＡ１，Ｂ３，Ｃ５，Ｅ７，Ｆ８とともにノードＤに届けられる。このように各ノードにおいて受信したパケットを、そのノード自信を発信元とするパケットの送信タイミングと併せて中継配信するようにしても良い。次に、異なる実施形態を説明する。
【００１７】
［第３の実施形態］
図２２に示すように、図２と同様の伝送経路が設定されているとする。各ノードＡ〜Ｇは伝送パケットを時系列で格納する機構を持つ。図２３（Ｔ＝１）でノードＡが送信したデータ時系列は、図２４（Ｔ＝２）でノードＧを中継して、ノードＤに達する。併せて、その時点でのノードＧの送信データ時系列もノードＤに送信される。
【００１８】
次に、図２５（Ｔ＝２）でノードＡからのデータ時系列を受信したノードＤは、ノードＡに対してAcknowledgementメッセージを返送する。このメッセージは、ノードＤが受信完了したデータの発信時刻を示す。図２５には、ノードＡの時刻Ｔ＝１までのデータ、ノードＤのＴ＝０、ノードＧのＴ＝０までのデータが、ノードＤに蓄積されていることが示される。
【００１９】
Acknowledgementメッセージを受信したノードＡはこれ以降、ノードＡの時刻Ｔ＝１、ノードＤのＴ＝０、ノードＧのＴ＝０までの蓄積データを廃棄し、ノードＡの時刻Ｔ＝２、ノードＤのＴ＝１、ノードＧのＴ＝１以降のデータ時系列を受信した際、これを蓄積する。
【００２０】
同様に、図２３（Ｔ＝１）でノードＡが送信したデータ時系列は、図２６（Ｔ＝３）でノードＢ、図２７（Ｔ＝４）でノードＣを中継して、ノードＤに達する。そうするとＴ＝４の時点で、AcknowledgementメッセージがノードＤからノードＣ，Ｂを経由してノードＡに返送される。図２９はノードＧのデータ時系列送信に対するAcknowledgementメッセージの返送が完了した状態を示す。
【００２１】
ここで、図３０（Ｔ＝８）でノードＦが送信したデータ時系列がノードＥを経由する際（図３１（Ｔ＝９））、無線伝送の障害などにより周辺ノード（ここではノードＧ）へ届かなかったとする。この場合、引き続くＴ＝１０（図３２）でノードＧがデータ時系列を送信する際、合わせてノードＦから送信されたデータ時系列がノードＤに届けられる。従って図３０でのノードＦにおける送信データ時系列の受信欠落を補償することができる。
【００２２】
この実施形態では、上流からのパケットを受信した各ノードにおいて、受信したパケットの時系列を蓄積し、自ノードの送信タイミングと併せて、蓄積したパケットを中継配信する。パケットが最終的に宛先ノードに達すると、宛先ノードはAcknowledgmentを送出してパケットの受信完了を各ノードに通知する。Acknowledgmentには受信したパケットの発信時刻を記すことで、各ノードはその発信時刻以前の蓄積パケットの時系列を廃棄するとともに、その発信時刻以降のパケットの時系列を継続蓄積し、次の送信タイミングで送信するようにしている。このようにしたので、パケット喪失に対する耐性を高めることができる。
【００２３】
［第４の実施形態］
図３３に示すように、図２と同様の伝送経路が設定されているとする。この状態から図３４（Ｔ＝１）において、で宛先無線ノードＤから送信端ノードＡに対してトークンメッセージが返送される。このメッセージには、既にノードＤにおいて受信が完了したパケットの発信時刻が示される。図３４のトークンメッセージでは、ノードＡからのＴ＝０（データ収集開始以前）以降のデータ時系列の送信を要求している。
【００２４】
図３５，図３６ではこのトークンメッセージに対応し、ノードＡがノードＧを中継してノードＤにＴ＝１でのデータ時系列を送信している。図３６のネットワーク状態は、図２４と同様である。ノードＢ以降のデータ時系列送信後のネットワーク状態も、図２５以降と同様となる。
【００２５】
この実施形態では、宛先ノードからトークンメッセージにより、複数の中継ノードのいずれかを指定して送信権を与えるとともに、既に受信完了したパケットの発信時刻を通知する。送信権を得たノードは、トークンメッセージ内の発信時刻以前の蓄積パケットの時系列を廃棄し、その発信時刻以降の伝送パケットの時系列を継続蓄積する。そして、その継続蓄積したパケットの時系列を送信した後、宛先無線ノードに向けて送信済みメッセージを返送する。以上の手順を繰り返すことにより、パケットの送信権を順次１ノードずつに割り当てるようにしている。
【００２６】
以上述べたように上記各実施形態では、送信端ノードから１回の送信での伝送データを受信した周囲の各中継ノードが、そのノードから宛先無線ノードまでの経路に沿ってデータを送信する。また各中継ノードから１回の送信での伝送データを受信した周囲の各中継ノードが、そのノードから宛先無線ノードまでの経路に沿ってデータを送信する。これを繰り返してデータを宛先無線ノードまで到達させることにより、擬似的な複数伝送経路を構成して冗長伝送を行うようにした。さらに、データ欠落に対する補償のため、各ノードにてさらに伝送データを時系列で蓄積する機構を設けるようにする。各ノードでは宛先無線ノードから与えられる受信完了データの発信時刻情報に基づき、その発信時刻以前の蓄積データを廃棄し、その発信時刻以降の伝送データを継続蓄積して送信することにより、効率的な補償を行うようにしている。これらのことから、無線帯域の効率的な利用とデータ伝送にかかる信頼性の向上との両立が可能なパケット伝送方法を提供することが可能となる。
【００２７】
なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明に係わる無線伝送システムの実施の形態を示すシステム図。
【図２】第１の例示ネットワークを示す図。
【図３】ノードＡがパケットを送信した状態を示す図。
【図４】ノードＡに引き続きノードＧがパケットを中継配信した状態を示す図。
【図５】ノードＢがパケットを中継配信した状態を示す図。
【図６】ノードＢに引き続きノードＣがパケットを中継配信した状態を示す図。
【図７】ノードＣがパケットを中継配信した状態を示す図。
【図８】ノードＥがパケットを中継配信した状態を示す図。
【図９】ノードＦがパケットを中継配信した状態を示す図。
【図１０】ノードＦに引き続きノードＥがパケットを中継配信した状態を示す図。
【図１１】ノードＧがパケットを中継配信した状態を示す図。
【図１２】第２の例示ネットワークを示す図。
【図１３】ノードＡがパケットを送信した状態を示す図。
【図１４】ノードＧがパケットを中継配信した状態を示す図。
【図１５】ノードＢがパケットを中継配信した状態を示す図。
【図１６】ノードＣがパケットを中継配信した状態を示す図。
【図１７】ノードＣがパケットを送信した状態を示す図。
【図１８】ノードＥがパケットを送信した状態を示す図。
【図１９】ノードＦがパケットを送信した状態を示す図。
【図２０】ノードＥがパケットを中継配信した状態を示す図。
【図２１】ノードＧがパケットを送信した状態を示す図。
【図２２】第３の例示ネットワークを示す図。
【図２３】ノードＡがパケットを送信した状態を示す図。
【図２４】ノードＧがパケットを中継配信した状態を示す図。
【図２５】ノードＤがノードＡにAcknowledgementメッセージを送信した状態を示す図。
【図２６】ノードＢがパケットを送信した状態を示す図。
【図２７】ノードＣがパケットを中継配信した状態を示す図。
【図２８】ノードＤがノードＢにＡcknowledgementメッセージを送信した状態を示す図。
【図２９】ノードＤがノードＧにAcknowledgementメッセージを送信した状態を示す図。
【図３０】ノードＦがパケットを送信した状態を示す図。
【図３１】ノードＥがパケットを中継配信失敗した状態を示す図。
【図３２】ノードＧからのパケット送信によりノードＦからの送信データも補償した状態を示す図。
【図３３】第４の例示ネットワークを示す図。
【図３４】ノードＤがノードＡにTokenメッセージを送信した状態を示す図。
【図３５】ノードＡがパケットを送信した状態を示す図。
【図３６】ノードＧがパケットを中継配信した状態を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
１１〜１７…無線端末、Ａ〜Ｇ…ノード

【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の無線ノードにより形成される無線ネットワーク内に設定される伝送経路を介してパケットをマルチホップ伝送する無線伝送システムにおける前記パケットの伝送方法であって、
前記パケットの送信端である無線ノードから送信された前記パケットを受信した無線ノードのそれぞれが、当該受信したパケットを前記伝送経路に沿って中継配信する第１ステップと、
前記無線ノードから中継配信された前記パケットを受信した無線ノードのそれぞれが、当該受信したパケットを前記伝送経路に沿って中継配信する第２ステップとを具備し、
前記第１および第２ステップを、前記パケットがその宛先無線ノードに到達するまで繰り返すことを特徴とするパケット伝送方法。
【請求項２】
前記パケットを受信した無線ノードは、この受信したパケットを受信後直ちに中継配信することを特徴とする請求項１に記載のパケット伝送方法。
【請求項３】
前記パケットを受信した無線ノードは、この受信したパケットを規定の送信周期ごとに中継配信することを特徴とする請求項１に記載のパケット伝送方法。
【請求項４】
前記パケットを受信した無線ノードは、自ノードが前記送信端となるパケットの送出とともに前記受信したパケットを中継配信することを特徴とする請求項１に記載のパケット伝送方法。
【請求項５】
前記宛先無線ノードが、いずれかの無線ノードに対し当該無線ノードにパケットの送出を許可する送信許可情報を含むトークンメッセージを送出する第３ステップと、
このトークンメッセージを受信した無線ノードが、前記パケットを中継配信するとともに前記宛先無線ノードに向け送信済みメッセージを返送する第４ステップとをさらに具備し、
前記第３および第４ステップを繰り返して前記複数の無線ノードのそれぞれにパケット送信の機会を与えることを特徴とする請求項１に記載のパケット伝送方法。
【請求項６】
複数の無線ノードにより形成される無線ネットワーク内に設定される伝送経路を介してパケットをマルチホップ伝送する無線伝送システムにおける前記パケットの伝送方法であって、
前記パケットの送信端である無線ノードから送信された前記パケットの時系列を受信した無線ノードのそれぞれが、当該受信したパケットの時系列を記憶する第１ステップと、
前記パケットの時系列を受信した無線ノードのそれぞれが、前記記憶したパケットの時系列を前記伝送経路に沿って中継配信する第２ステップと、
前記無線ノードから中継配信された前記パケットの時系列を受信した無線ノードのそれぞれが、当該受信したパケットの時系列を前記伝送経路に沿って中継配信する第３ステップとを具備し、
前記第１乃至第３ステップを、前記パケットがその宛先無線ノードに到達するまで繰り返すことを特徴とするパケット伝送方法。
【請求項７】
前記パケットの時系列を受信した無線ノードは、この受信したパケットの時系列を受信後直ちに中継配信することを特徴とする請求項６に記載のパケット伝送方法。
【請求項８】
前記パケットの時系列を受信した無線ノードは、この受信したパケットの時系列を規定の送信周期ごとに中継配信することを特徴とする請求項６に記載のパケット伝送方法。
【請求項９】
前記パケットの時系列を受信した無線ノードは、自ノードが前記送信端となるパケットの送出とともに前記受信したパケットの時系列を中継配信することを特徴とする請求項６に記載のパケット伝送方法。
【請求項１０】
前記宛先無線ノードが、いずれかの無線ノードに対し当該無線ノードにパケットの送出を許可する送信許可情報を含むトークンメッセージを送出する第４ステップと、
このトークンメッセージを受信した無線ノードが、前記パケットの時系列を中継配信するとともに前記宛先無線ノードに向け送信済みメッセージを返送する第５ステップとをさらに具備し、
前記第４および第５ステップを繰り返して前記複数の無線ノードのそれぞれにパケット送信の機会を与えることを特徴とする請求項６に記載のパケット伝送方法。

【図１】