無線リレー伝送システム

【課題】情報を中継してリレー伝送する子機と親機を有するシステムにおいて、リレー伝送ルートを最適化して子機の消費電力を低減し、子機からの状態収集時間を短縮することのできる無線リレー伝送システムを提供する。
【解決手段】子機２０は、親機１０から末端子機２０までの中継順番が記録された経路構築電文を親機２０から受信し、次の中継先となる子機２０へ送信する電文中継手段と、他の子機２０が送信した経路構築電文が受信できるかどうかを判定し、受信できた場合にはその経路構築電文から通信可能な中継先情報を抽出する抽出手段と、を有し、親機１０から末端末機２０までの下り経路は、各子機が順次中継して経路構築電文を伝送し、末端子機２０から親機１０までの上り経路は、通信可能な中継先情報に基づいて下り経路と比べて中継回数の少ない経路を利用する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
中継順に並んだ複数の子機と、各子機が取得した情報を収集する親機と、を含み、子機が他の子機を介して情報を中継する無線リレー伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、センサを有する複数の子機により様々な情報を取得し、この情報を子機の並び方向に順次中継して子機列端の親機へ無線伝送することにより情報収集を行う目的で無線機を利用した無線リレー伝送システムが知られている。例えば、特許文献１には、無線機を利用して、送電線、電柱や電灯等の架空送電線の状態を監視する架空送電線鉄塔基別監視システムが開示されている。この監視システムは、鉄塔列内のいずれか１基の鉄塔の無線機（子機）が何らかの原因により通信不能となった時にリレー伝送が途絶えてしまうという問題を回避するため、鉄塔列の両端に情報収集局（親機）を配置し、いずれかの無線機にリレー伝送が不能な障害が生じた場合には、その障害を生じた前後の無線機から鉄塔列の先端及び後端へ向かう２方向のリレー伝送ルートを形成させ、先端へ向かうリレー伝送ルートにより、リレー伝送ルート上の各鉄塔のセンサの情報を情報収集局にて収集すると共に、後端へ向かうリレー伝送ルートにより、各鉄塔のセンサ情報を後端側の情報収集局で収集するものである。
【０００３】
上記システムは、ある無線機が故障してもリレー伝送が可能であるものの、単方向伝送のため、親機が子機の状態を随時収集するいわゆるポーリング方式ではなく、単方向から周期的に状態をリレー伝送する方式である。周期的にリレー伝送することにより、ほぼリアルタイムで状態を収集することが可能であるが、子機への余分な通信が発生する場合がある。一方、マルチホップ伝送が可能でポーリングを行える通信方式としては、非特許文献１に示すようなＡＯＤＶと呼ばれる通信プロトコルがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２２９７１５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ＡＯＤＶ（Ａｄ−ｈｏｃＯｎ−ＤｅｍａｎｄＤｉｓｔａｎｃｅＶｅｃｔｏｒＲｏｕｔｉｎｇ）：ＲＦＣ３５６１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１７は、親機１０１からの要求により子機１０２−１〜１０２−ｎまでの情報を収集する従来の無線リレー伝送システム１００を示している。この無線リレー伝送システム１００において、非特許文献１の伝送方式を用いて子機一台毎にポーリングをすると必然的に親機周辺の子機の送受信回数が増え消費電流が増加する。特に、太陽電池と二次電池で稼働するような子機１０２は、特定の子機１０２へのポーリングを行うことで親機１０１の近傍に配置された子機１０２−１の通信負荷が増加し、消費電流増加により子機１０２−１の稼働ができなくなる場合がある。また、各子機（１０２−１〜１０２−ｎ）にポーリングを行うと各子機１０２からの状態収集に時間を要する。一方、無線機の消費電力を低減するために間欠受信にて消費電力の低減は可能となるが、他方、間欠受信の子機に対してポーリングを行うとさらに時間を要することになる。
【０００７】
そこで、本発明では、情報を中継してリレー伝送する子機と親機を有するシステムにおいて、リレー伝送ルートを最適化して子機の消費電力を低減し、子機からの状態収集時間を短縮することのできる無線リレー伝送システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上のような目的を達成するために、本発明に係る無線リレー伝送システムは、中継順に並んだ複数の子機と、各子機が取得した情報を収集する親機と、を含み、子機が他の子機を介して情報を中継する無線リレー伝送システムにおいて、子機は、親機から末端子機までの中継順番が記録された経路構築電文を親機から受信し、次の中継先となる子機へ送信する電文中継手段と、他の子機が送信した経路構築電文が受信できるかどうかを判定し、受信できた場合にはその経路構築電文から通信可能な中継先情報を抽出する抽出手段と、抽出手段によって抽出した中継先情報を記憶する記憶手段と、を有し、親機から末端末機までの下り経路は、各子機が順次中継して経路構築電文を伝送し、末端子機から親機までの上り経路は、記憶手段に記憶された通信可能な中継先情報に基づいて下り経路と比べて中継回数の少ない経路を利用することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る無線リレー伝送システムにおいて、子機は、通信可能な中継先の子機へ電文を送信した後、抽出手段によりその子機が次の子機へ電文を中継していないと判断した場合は、下り経路の場合には中継順番を１つ増やした子機、上り経路の場合には中継順番を１つ減らした子機に電文を送信することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る無線リレー伝送システムにおいて、子機は、下り経路において、記憶手段に記憶された中継先情報を使用しても末端子機まで中継ができないと判定した場合には、上り経路に電文を送信することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る無線リレー伝送システムにおいて、親機から末端子機までの下り経路の先に別の親機を配置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る無線リレー伝送システムを用いることにより、末端子機から親機へ送信する上り経路を下り経路より中継回数の少ない経路とすることで、中継しない子機の消費電力の低減が可能となり、電源不足を低減することが可能となる。また、上り経路の中継回数を減らすことにより送信時間の短縮が可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る親機と子機とを有する無線リレー伝送システムの構成を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る無線リレー伝送システムの通信タイミングを説明する説明図である。
【図３】図２の無線リレー伝送システムで使用される電文の内容を説明する説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る経路構築処理の概要を説明する説明図である。
【図５】図４に示した経路構築処理におけるルーティングテーブルの作成処理を説明する説明図である。
【図６】図５に示したルーティングテーブルを用いて少ない中継回数で上り経路の中継を行う処理を説明する説明図である。
【図７】図５に示したルーティングテーブルを用いて下り経路の途中で折り返し送信を行う場合の説明図である。
【図８】図４から図７に示した経路構築処理の流れを示すフローチャート図である。
【図９】本実施形態に係る状態収集処理の概要を説明する説明図である。
【図１０】図９に示した状態収集処理における中継不良が発生した場合の処理の流れを説明する説明図である。
【図１１】図９から１０の状態収集処理の流れを示すフローチャート図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る状態収集処理の概要を説明する説明図である。
【図１３】図１２に示した状態収集処理において、中継不良が発生した場合の処理の流れを説明する説明図である。
【図１４】図１３に示した状態収集処理において、中継ができず、折り返し送信の流れを説明する説明図である。
【図１５】図１２から図１４の状態収集処理の流れを示すフローチャート図である。
【図１６】本発明の変形例に係る状態収集処理の概要を説明する説明図である。
【図１７】従来の無線リレー伝送処理の流れを説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態で使用した親機１０と複数の子機２０とを有する無線リレー伝送システム１を示している。親機１０は、管理用のコンピュータ（ＰＣ）に接続された無線機であり、ＰＣと接続するための変換部１４と、無線通信をするための無線部１２と、無線部１２に接続されたアンテナ１１と、無線部１２と変換部１４の制御を司り、ＣＰＵ，ＲＡＭ及びＲＯＭを有する制御部１３と、外部から供給されたＤＣ電源にて親機に電力を供給する電源部１５と、を有している。また、子機２０は、農地の気温、湿度、日照及び雨量を測定するセンサを有し、親機１０へ測定データを送信する農業用環境測定機の無線機を構成する。子機２０は、各種センサからの入力をデジタルデータに変換する変換部２４と、無線通信をするための無線部２２と、無線部２２に接続されたアンテナ２１と、太陽光により電力を発生する太陽電池２６と、太陽電池２６で発電した電力を蓄える蓄電池２７と、ＤＣ電源入力、太陽電池及び蓄電池２７を制御する充電制御部を有する電源部２５と、無線部２２と変換部２４と電源部２５の制御を司り、ＣＰＵ，ＲＡＭ及びＲＯＭを有する制御部２３と、を有している。
【００１６】
本実施形態で使用した無線は、見通し距離にて伝送が可能で消費電力の少ない特定小電力無線（４００ＭＨｚ帯、９５０ＭＨｚ帯など）を利用し、送受信するデータ量に応じて通信速度が１２００ｂｐｓ，４８００ｂｐｓ程度であれば４００ＭＨｚの周波数帯を使用し、通信速度が５０ｋｂｐｓ，１００ｋｂｐｓ程度であれば９５０ＭＨｚの周波数帯を使用した。
【００１７】
本実施形態では、農地の区画に子機２０を所定間隔で順番に並べて配置し、各区画の情報を親機１０に接続された管理用のコンピュータにて収集する構成とした。このため、子機２０にはＤＣ電源を接続することができず、太陽電池の電力で駆動する必要がある。そこで、子機２０の消費電力を低減させる目的で図２に示すような間欠受信による通信タイミングを採用した。図２の横軸は時間軸であり、上側に受信側、下側に送信側の送受信タイミングを示している。本実施形態では受信処理における消費電力を低減させるために、例えば、Ｎ＝５００ｍｓで受信動作を実行させ、その他はスリープ状態とすることで消費電力の低減を図っている。また、送信処理では、実電文を送信する前にプリアンブルをＮｍｓｅｃ以上繰り返し送信することで、間欠受信であってもプリアンブルの後に送信される電文を受信可能にした。
【００１８】
図３には実電文のデータ構成を示している。プリアンブルでは、ビット同期、フレーム同期、システムＩＤ、送信先ＩＤ、送信元ＩＤ及びエラーチェック用のＣＲＣを繰り返し送信し、受信側の準備が整った後にビット同期、フレーム同期、システムＩＤ，送信元ＩＤ，送信先ＩＤ、電文種別、データ長、データ及びＣＲＣを送信することになる。なお、電文種別には、後述する経路構築電文と状態収集電文がある。
【００１９】
（第１の実施形態）：第１の実施形態では、経路構築構文を利用して各子機のルーティングテーブルを作成することで、子機の中継回数の削減と、消費電力削減を目指した。図８には経路構築処理の流れを示すフローチャートを示し、以下、図４〜図７を用いて経路構築処理の流れを説明する。
【００２０】
図８のステップＳ１０を実行すると、親機１０から子機２０に対して中継順番が送信される。この処理は、親機１０の指示をトリガにして子機の通信状況を確認すると共に個々の子機への中継情報を調査するものである。図４に示すように、親機１０は、通常運用を開始する前に一度、親機１０に近い先頭子機２０−１から末端子機２０−ｎまでの中継順番を格納した「経路構築電文」を先頭子機２０−１から末端子機２０−ｎまで中継させる。無線リレー伝送システムでは、親機１０から見通し距離毎に子機２０を配置する際、予め設定されている子機ＩＤと配置順番が分かっていることから、この情報を管理用コンピュータに記憶し、配置順番を元にして経路構築電文３１を親機１０から子機２０−１へ送信する。
【００２１】
図８のステップ１２において、子機２０−１は親機１０から受信した経路構築電文の中継順番を参照して、中継先が子機２０−２（識別子：子機２ＩＤ）であることを抽出して子機２０−２へ経路構築電文３１を送信する。同様にして子機２０−２から子機２０−３・・・子機２０−ｎ−１から末端子機２０−ｎ中継されることになる。この時、子機２０では、経路構築電文３１の情報及び、自装置近傍の子機からの無線通信が受信できるかどうかを試すことになる。
【００２２】
図５の子機２０−５は、経路構築電文３１から上り経路３２のルーティングテーブルと下り経路３３のルーティングテーブルとを抽出し、間欠受信により受信可能な電界強度を有する送信信号を受信することで自装置（子機２０―５）近傍の子機の通信状況を調べる。このルーティングテーブルから、自装置から遠いのは子機２０−２（子機２ＩＤ）と子機２０−７（子機７ＩＤ）であることが分かる（図８のステップＳ１４）。
【００２３】
図８のステップＳ１６において、末端子機２０−ｎまで中継が行われたかどうかを判定し、末端まで中継が出来ていない場合には、中継を継続する。末端機２０−ｎまで中継が終わること、子機（２０−３，２０−５，２０−７）は図６のルーティングテーブル３４，３５，３６を得ることができる。図８のステップＳ１８において、例えば、子機２０−７（子機７ＩＤ）が上り経路で経路構築文伝送を行う場合には、ルーティングテーブル３６の上り経路にて子機２０−５（子機５ＩＤ）を選択し、ステップＳ２０において、遠い子機へ経路構築電文を送信することになる。同様に、子機２０−５（子機５ＩＤ）はルーティングテーブル３４の上り経路にて子機２０−３（子機３ＩＤ）を選択して経路構築電文を送信し、子機２０−３（子機３ＩＤ）はルーティングテーブル３５の上り経路にて子機２０−１（子機１ＩＤ）を選択して経路構築電文を送信する。最後に、子機２０−１（子機１ＩＤ）は親機１０へ経路構築電文を送信した後、図８のステップＳ２２において親機１０まで中継したと判定して一連の処理が終了する。よって、図６に示すように上り経路では、下り経路に比べて少ない中継回数（２回）にて親機１０に経路構築電文が返信されることになる。
【００２４】
次に、子機に何らかの通信不良が発生した場合の処理について説明する。図７はルーティングテーブルを用いて下り経路の途中で折り返し送信を行う場合を示している。日照不足やデータ中継の増加に伴い蓄電池の電力が低下する場合には、通信不良が発生する。そこで、図７の子機２０−５（子機５ＩＤ）は子機２０−６（子機６ＩＤ）又は子機２０−７（子機７ＩＤ）へ中継を試みるものの、子機２０−６（子機６ＩＤ）又は子機２０−７（子機７ＩＤ）が次の子機に通信を行っていないと判断した場合には、下り経路における中継不良と判断し、経路構築電文を上り経路に切り替えて親機方向へ中継する。この処理により、親機１０は子機２０−５までのルーティングテーブル作成完了を認識できる。このように「経路構築電文」を通常運用をする前または子機の追加または削除による経路構成の変更があった場合などに利用することで、通信状況のモニタとして活用できる。
【００２５】
次に、状態収集電文による情報の収集について、図１１のフローチャートと図９〜図１２を用いて説明する。状態収集を開始すると、図１１のステップＳ３０において、子機からのセンサ情報を取得して状態収集電文のデータ部に各子機の状態データを追加すべく、親機１０は、図９の状態収集電文４１に送信元を親機１０、送信先を末端子機２０−ｎと設定して状態収集電文４１を子機２０−１（子機１ＩＤ）に送出する。さらに、子機２０−１は子機２０−２へ中継を行うことになる（ステップＳ３２）。
【００２６】
子機２０−１は、ルーティングテーブルを有し、下り経路において、状態収集電文４１は子機２０−１の下り経路のルーティングテーブルにおいて一番近い子機２０−２へ送信する。次に、子機２０−２は自装置の状態を状態収集電文４１に格納すると共に、自装置のルーティングテーブルを参照して、下り経路で自装置に一番近い子機（ステップＳ３４）に状態収集電文を送信する（ステップＳ３８）。もし、一番近い子機に電文を送信できない場合はその次に自装置に近い子機に状態収集電文を送信する（ステップＳ３６）。
【００２７】
中継された状態収集電文４１が末端子機２０−ｎまで到達しない場合にはステップＳ４０にて折り返す。末端子機２０−ｎまで到達した場合にはステップＳ４２に移り、上り経路は中継回数が少なくなるように、上り経路用ルーティングテーブルの中で、一番遠い子機２０−６を選択し、ステップＳ４４において状態収集電文４１を送信するようにする。なお、ステップＳ４４において、一番遠い子機に送信できない場合は、次に遠い子機（手前側）に電文を送信して親機１０まで状態収集電文を送信する。つまり、子機２０が経路構築電文に基づいてルーティングテーブルを作成し、子機２０の近傍の通信状況の確認と共にルーティングテーブルに基づいて中継回数を削減することによりその後の状態収集電文による各子機の情報を収集においても中継回数を削減することが可能となる。なお、親機まで中継された場合には一連の処理を終了する（ステップＳ４６）。
【００２８】
（第２の実施形態）：第２の実施形態は、第１の実施形態で行っていた経路構築電文と状態収集電文を分けて送信することなく、子機の中継順番に従って状態収集電文の送信において通信可能な子機を探すことで末端子機から親機までの上り経路において中継回数の削減を実現するものである。このような処理により経路構築電文と状態収集電文を１回の電文送信で済ませることが可能であり、ルーティングテーブルも使用しない。さらに、末端子機の先に別の親機を通信可能な距離に配置することにより経路構築電文を利用せず、親機の位置を随時変更できる。
【００２９】
状態収集電文による情報の収集について、図１５のフローチャートと図１２〜１４を用いて説明する。図１２は第２の実施形態に係る状態収集処理の概要を示している。図１２の中継順番と状態情報が記録された複合電文４２には、子機の中継先ＩＤと子機の状態を記憶させることができることから、この複合電文４２を使用して中継と状態収集が可能となる。図１５の状態収集が開始されると、ステップＳ５０において、親機１０は末端子機までの中継順番と状態情報を複合電文４２に格納して子機２０−１に送信する。次に、ステップＳ５２において、子機は状態収集電文中の中継順番を参照し、子機の状態を複合電文４２にセットして次の子機２０−２に送信する（ステップＳ５４）。子機はステップＳ５６にて次の子機２０−２が送信する電文の受信を試みて、子機２０−２が中継をするかどうかを判定する。もし、子機２０−２が中継を行った場合には電文に情報が付加（ステップＳ５８）され、ステップＳ６４にて末端子機まで中継が終了していない場合にはステップＳ５２に戻る。
【００３０】
次に、通信不良が発生した場合の処理について図１３を用いて説明する。図１３には、子機２０−３（子機３ＩＤ）が通信不良の状況を示している。図１５のステップＳ５６において、子機２０−２から子機２０−３への送信を確認する。ステップＳ５６で間欠受信の数周期にわたり子機２０−３がなんら送信していない「Ｎｏ」と子機２０−２が判断すると、ステップＳ６０の次の次の子機２０−４へ送信を行い、正常に送信された場合には複合電文に情報が追加される（ステップＳ６２）。この場合、子機２０−３（子機３ＩＤ）の状態収集が「エラー：Ｘ」つまり、複合電文に情報が追加されなかったことを記録して以下処理を継続することになる。このような処理をすることで、通信不良が発生した子機を飛び越えて中継が継続可能となる。次に、図１４を用いて子機２０−４，２０−５が通信不良となった場合の処理の流れを説明する。
【００３１】
図１５のステップ５６において、子機２０−３（子機３ＩＤ）から子機２０−４（子機４ＩＤ）への通信が失敗し、さらに、ステップＳ６０において子機２０−５（子機５ＩＤ）への通信が失敗した場合、下り経路への中継ができない。ここで、子機２０−３（子機３ＩＤ）は、子機２０−２、子機２０−１への複合電文４２が受信できたとする。上り経路で親機１０に電文を送る場合は、子機２０−２より最も遠い子機２０−１に送信した方が親機１０までの中継回数が少ないことから、ステップＳ６６において、上り経路で複合電文４２を遠い子機である子機２０−１へ送信を行い、ステップＳ７０において、親機１０まで中継を繰り返し行うことになる。このように子機２０は上り経路の中継回数の少なくなる最も遠い中継先子機を複合電文と対にして記録することで、ルーティングテーブル相当の機能を実現することが可能となる。なお、図１４において、子機２０−６、子機２０−７から末端子機２０−ｎまでの状態収集が困難となることから、本実施形態の応用例を図１６に示す。
【００３２】
図１６は、末端機２０−ｎと通信可能な距離に親機Ａを配置したものである。親機Ａ（１０Ａ）は子機１Ａから末端機２０Ａ−ｎまでの状態収集を行うものであるが、必要に応じて子機２０−６、子機２０−７から末端子機２０−ｎまでの状態収集を行うことも可能である。通常、親機１０と親機Ａ（１０Ａ）は管理用のコンピュータを介して通信が可能であることから、親機Ａ（１０Ａ）は親機１０からの不具合通報により残りの子機２０−７から末端子機２０−ｎまでの状態収集を収集することが可能である。
【００３３】
以上、上述したように、本実施形態に係る無線リレー伝送システムを用いることにより、次のような５つの効果がある。（１）下り経路を順次リレー、上り経路を中継回数の少ない経路とすることで最短時間で各子機の情報を収集できる。これにより各子機の消費電流も低減できる。（２）一時的な電波障害や、特定子機の異常も代替え経路で通信できる。（３）代替経路は自動的に設定されているので各子機への通信経路設定を不要にできる。（４）親機から末端の子機まで中継伝送が不可能な場合でも、途中で折り返すことができるので縮小運転が可能となる。（５）図１６の場合は、親機の位置を変えても通信が可能となる。これを利用することで万一、子機の異常により末端子機までの状態を収集できない場合でも、逆サイドから状態を収集すれば、異常子機を除いた各子機の状態を収集することも可能となる。
【００３４】
なお、本実施形態では、農業用センサからの情報収集に関するシステムについて説明したが、これに限定するものではなく、電柱、街灯などの状態を監視するシステムに応用しても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１，１００無線リレー伝送システム、１０，１０１親機、１１，２１アンテナ、１２，２２無線部、１３，２３制御部、１４，２４変換部、１５，２５電源部、２０，２０Ａ，１０２子機、２６太陽電池、２７蓄電池、３１経路構築電文、３２子機上り経路、３３子機下り経路、３４，３５，３６ルーティングテーブル、４１状態収集電文、４２複合電文。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
中継順に並んだ複数の子機と、各子機が取得した情報を収集する親機と、を含み、子機が他の子機を介して情報を中継する無線リレー伝送システムにおいて、
子機は、
親機から末端子機までの中継順番が記録された経路構築電文を親機から受信し、次の中継先となる子機へ送信する電文中継手段と、
他の子機が送信した経路構築電文が受信できるかどうかを判定し、受信できた場合にはその経路構築電文から通信可能な中継先情報を抽出する抽出手段と、
抽出手段によって抽出した中継先情報を記憶する記憶手段と、
を有し、
親機から末端末機までの下り経路は、各子機が順次中継して経路構築電文を伝送し、末端子機から親機までの上り経路は、記憶手段に記憶された通信可能な中継先情報に基づいて下り経路と比べて中継回数の少ない経路を利用することを特徴とする無線リレー伝送システム。
【請求項２】
請求項１に記載の無線リレー伝送システムにおいて、
子機は、通信可能な中継先の子機へ電文を送信した後、抽出手段によりその子機が次の子機へ電文を中継していないと判断した場合は、
下り経路の場合には中継順番を１つ増やした子機、上り経路の場合には中継順番を１つ減らした子機に電文を送信することを特徴とする無線リレー伝送システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の無線リレー伝送システムにおいて、
子機は、下り経路において、記憶手段に記憶された中継先情報を使用しても末端子機まで中継ができないと判定した場合には、上り経路に電文を送信することを特徴とする無線リレー伝送システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の無線リレー伝送システムにおいて、
親機から末端子機までの下り経路の先に別の親機を配置することを特徴とする無線リレー伝送システム。

【図１】