JP6164001B2 - 無線ノード、マルチホップ無線ネットワーク及び無線ノードプログラム - Google Patents

Description

本発明は、無線ノード、マルチホップ無線ネットワーク及び無線ノードプログラムに関し、例えば、複数の無線ノードで構成されるマルチホップ無線ネットワークにおいて隣接ノードとの通信を行うための隣接テーブルへの登録方法に適用し得るものである。

マルチホップ無線ネットワークでは、パケット中継機能を有する複数の無線ノードでネットワークを構成し、隣接した無線ノード間で互いにパケットを中継することにより、直接電波の届かない無線ノードまでパケットを転送することができる。このマルチホップ無線ネットワークの代表的な通信方式として、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）アライアンスで標準化されたＺｉｇＢｅｅ ＩＰ方式（以下、ＺＩＰと呼ぶ；なお、９２０ＭＨｚに適用したものは９２０ＺＩＰを呼ばれることがある）が挙げられる（非特許文献１参照）。

図８は、ＺＩＰにおけるルータ（無線ノード）やコーディネータの動作を示すシーケンス図である（非特許文献２参照）。

（Ｓ１）接続先の探索
ネットワークに参加しようとするルータ（以下、新規参加ルータと呼ぶ）ＺＲ２は、周辺ノードに対してビーコン要求をブロードキャストで送信する。ビーコン要求を受信した周辺に位置するルータ（以下、周辺ルータと呼ぶ）ＺＲ１は自身の存在を知らせるためにビーコンを送信（応答）する。このとき、ビーコンペイロードにＺＩＰにおけるネットワークＩＤを記載する。これにより、新規参加ルータＺＲ２は、どのネットワークに加入すれば良いかを知ることができる。なお、周辺ルータがｎ個あれば、新規参加ルータＺＲ２はｎ個のビーコン応答を受信する。また、図８に記述の周辺ルータＺＲ１は、後述する所定の手続きにより、新規参加ルータＺＲ２の隣接テーブルに記述されるルータであり、記述された以降は隣接ノードと呼ぶこととする。

（Ｓ２）参加認証
新規参加ルータＺＲ２は、コーディネータＺＣへのＰＡＮＡ（Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ ｃａｒｒｙｉｎｇ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｃｃｅｓｓ）参加認証を開始するために、周辺ルータＺＲ１に対してＰＣＩ（ＰＡＮＡ Ｃｌｉｅｎｔ Ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ）を送信し、周辺ルータＺＲ１を介してＰＣＩを受信した認証サーバ機能を有するコーディネータが認証を行い、ネットワーク鍵等を含む認証結果が周辺ノードＺＲ１を介して新規参加ルータＺＲ２に返信される。上述したＰＣＩを受信した周辺ノードＺＲ１は、以降、新規参加ルータＺＲ２のＰＡＮＡ中継局として動作する。

（Ｓ３）ＭＡＣ暗号化
ＰＡＮＡによる参加認証が完了した新規参加ルータＺＲ２は、通知されたネットワーク鍵を用いてＭＡＣ層の暗号化通信を行うために、周辺ルータＺＲ１との間でカウンタ値の交換を行う。このカウンタ値の交換には、ノードとリンクのプロパティをノード間で授受するためのＵＤＰ上で動作するメッシュリンク確立プロトコルＭＬＥ（Ｍｅｓｈ Ｌｉｎｋ Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ）が用いられる。

（Ｓ４）ＩＰｖ６アドレスの取得
新規参加ルータＺＲ２は、自身のＩＰｖ６アドレスを決定するために、周辺ルータＺＲ１との間で、プレフィックスを要求するルータ要請ＲＳ（Ｒｏｕｔｅｒ Ｓｏｌｉｃｉｔａｔｉｏｎ）とプレフィックスを通知するルータ応答ＲＡ（Ｒｏｕｔｅｒ Ａｄｖｅｒｔｉｓｅｍｅｎｔ）とを送受することにより、周辺ルータＺＲ１からＩＰｖ６アドレスのプレフィックスを取得する。このとき、新規参加ルータＺＲ２のＩＰｖ６アドレスは、１６ビットのショートアドレス（ＳＡ）から生成されるが、この値はノード自身がランダムに決定するため、同じネットワーク内で重複する可能性がある。そこで、新規参加ルータＺＲ２は、近接要請ＮＳ（Ｎｅｉｇｈｂｏｒ Ｓｏｌｉｃｉｔａｔｉｏｎ）を周辺ルータＺＲ１に送出して周辺ルータＺＲ１からコーディネータＺＣへアドレス重複要求ＤＡＲ（Ｄｕｐｌｉｃａｔｅ Ａｄｄｒｅｓｓ Ｒｅｑｕｅｓｔ）を与えてコーディネータＺＣに過去に同じアドレスが使用されていないかチェックさせ、コーディネータＺＣから、周辺ノードＺＲ１へチェック結果を含むアドレス重複通知ＤＡＣ（Ｄｕｐｌｉｃａｔｅ Ａｄｄｒｅｓｓ Ｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｏｎ）へ送信させ、周辺ノードＺＲ１からのアドレス通知の近接応答ＮＡ（Ａｄｖｅｒｔｉｓｅｍｅｎｔ）を受信してショートアドレスの重複の有無を認識する。なお、アドレス重複要求ＤＡＲ及びアドレス重複通知ＤＡＣは、６ｌｏｗｐａｎ−ｎｄで規定されている。

（Ｓ５）隣接ルータの探索
ショートアドレスが確定した新規参加ルータＺＲ２は、隣接ノードの探索を行うため、ＭＬＥリンク要求ＭＬＲ（ＭＬＥ Ｌｉｎｋ Ｒｅｑｕｅｓｔ）をマルチキャストアドレスで送信する。このメッセージを受信した隣接ノードＺＲ１は、自身の隣接テーブルに空きがあれば、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲ（ＭＬＥ Ｌｉｎｋ Ａｃｃｅｐｔ ａｎｄ Ｒｅｑｕｅｓｔ）を返信する。最後に、新規参加ルータＺＲ２は、ＭＬＥリンク受入ＭＬＡ（ＭＬＥ Ｌｉｎｋ Ａｃｃｅｐｔ）を返信することで隣接テーブルヘの登録を完了する。以降、新規参加ルータＺＲ２は、隣接テーブルに登録されたルータとの間のみ暗号化された通信を行う。

（Ｓ６）ＲＰＬ参加
次に、新規参加ルータＺＲ２は、マルチホップ経路を構築するために、ＩＰｖ６のルーティングプロトコルであるＲＰＬ（ＩＰｖ６ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ Ｌｏｗ−Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｌｏｓｓｙ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）の動作を開始する。

新規参加ルータＺＲ２は、周辺の経路情報を取得するために、宛先指向非循環有向グラフＤＯＤＡＧ（Ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ ＤＡＧ（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ａｃｙｃｌｉｃ Ｇｒａｐｈ））に関する情報要請ＤＩＳ（ＤＯＤＡＧ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｏｌｉｃｉｔａｔｉｏｎ）をマルチキャストで送信し、この情報要請ＤＩＳを受信した隣接ノードは、情報通知ＤＩＯ（ＤＯＤＡＧ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｏｂｊｅｃｔ）を返信することで、ツリートポロジー上の識別情報ＤＯＤＡＧ−ＩＤやＲＰＬインスタンスなどのＲＰＬ情報を通知する。新規参加ルータＺＲ２は、隣接ノードの中の優先親ノードとして最適なノードに対して、ユニキャストの情報要請ＤＩＳを送信し、返信された情報通知ＤＩＯによって経路情報を取得する。最後に、新規参加ルータＺＲ２は、親情報を宛先公告（ＤＡＯ；（Ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ Ａｄｖｅｒｔｉｓｍｅｎｔ Ｏｂｊｅｃｔ）メッセージとしてコーディネータＺＣに対して送信し、コーディネータＺＣを受信応答ＤＡＯ ＡＣＫを返信する。これにより、コーディネータＺＣは、各ノードの親子関係を知ることが可能となり、ソースルーティングによる下り経路を確立することができる。

（Ｓ７）リンク品質の測定
例えば、９２０ＺＩＰでは、経路を決定するメトリックとして、パケット受信率の逆数を用いており、パケット受信率は、メッシュリンク確立プロトコルＭＬＥに従った定期的な公告により隣接ノード間で測定される。また、各ノード（ルータ）のトップノード（ｒｏｏｔ；コーディネータが位置する）からの相対的な位置を表す指標であるランク（ｒａｎｋ）の値の算出には、ＭＲＨＯＦ（Ｔｈｅ Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｒａｎｋ ｗｉｔｈ Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ Ｏｂｊｅｃｃｔｉｖｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）と呼ばれる算出方法が用いられ、ヒステリシスな特性により、パケット受信率の変化に対して頻繁に経路が変更されないような工夫が施されている。

ＴＴＣ標準「ＪＪ−３００．１０ ＥＣＨＯＮＥＴ Ｌｉｔｅ向けホームネットワーク通信インタフェース」、第１版、２０１３年２月発行における「方式Ｂ」 岡庭勝広他著、「日本国内における９２０ＭＨｚ帯のＺｉｇＢｅｅ ＩＰ仕様」、ＯＫＩテクニカルレビュー第２２１号、７０〜７３頁、２０１３年５月

ところで、従来のＺＩＰ方式では、隣接ノード（隣接ルータ）との暗号化通信を行うため、特定の隣接ノードを自身のテーブルに登録する必要がある。そのため、従来のシーケンス段階がＳ５の「隣接ルータの探索」では、メッシュリンク確立プロトコルＭＬＥに従ったＵＤＰパケットを隣接ノードと交換することにより、隣接テーブルを作成している。

このようなときに、新規参加ノードは、上述したように、周辺ノードに対して、ＭＬＥリンク要求ＭＬＲをマルチキャスト（ブロードキャスト）で送信するが、隣接ノードがその応答を一斉に返信すると、パケットの衝突が発生し、ＭＬＥリンク要求ＭＬＲに対する応答を正常に受信できない場合がある。そのため、各隣接ノードは、ＭＬＥリンク要求ＭＬＲの受信後、ランダム時間が経過した後にＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを返信することで、パケットの衝突を回避することができる。但し、メッシュリンク確立プロトコルＭＬＥには、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを受信した新規参加ノードが、どの隣接ノードに対して、ＭＬＥリンク受入ＭＬＡを返信するかは規定されていない。

一般的には、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを受信したノードの先着順に、ＭＬＥリンク受入ＭＬＡを返信することが考えられるが、この返信するタイミングにはランダムな要素が含まれているため、必ずしも隣接ノードとして適したノードが選択される保証がない、という課題があった（後述する図３参照）。ここで、隣接ノードとして適している条件としては、コーディネータまでのランクが小さい、受信電界強度（ＲＳＳＩ）が大きいなどの条件が挙げられる。

また、従来における隣接テーブル作成方法では、隣接ノード数よりも、隣接テーブルに登録可能な上限数（最大登録数）が小さい場合、全ての隣接ノードを隣接テーブルに登録することができない。そのため、ユーザが意図的に中継ノードを設置した場合でも、必ずしも新規に設置した中継ノードが、所望するノードの隣接テーブルに登録されないことがある、という課題があった。

そのため、上述した隣接ノードの登録の課題を解決することができる無線ノード、マルチホップ無線ネットワーク及び無線ノードプログラムが望まれている。

第１の本発明は、マルチホップ無線ネットワークの無線ノードにおいて、（１）隣接ノードの情報を記憶する隣接ノード情報記憶手段と、（２）上記隣接ノード情報記憶手段に情報を登録する隣接ノードを定めるため、周辺ノードと制御メッセージを交換する制御メッセージ授受手段と、（３）当該無線ノードの上記マルチホップ無線ネットワークの接続状態に応じて、他の無線ノードから到来した第１の制御メッセージに応答する第２の制御メッセージの返信タイミングを調整する返信タイミング調整手段と、（４）他の無線ノードから到来した第２の制御メッセージの到来順に基本的には基づいて、上記隣接ノード情報記憶手段に情報を登録する隣接ノードを定める登録ノード決定手段と、（５）上記隣接ノード情報記憶手段に登録したい隣接ノードの識別情報を入力して、上記隣接ノード情報記憶手段に事前登録させる外部入力インタフェース手段とを有し、（６）上記制御メッセージ授受手段は、上記隣接ノード情報記憶手段に識別情報が事前登録された全ての隣接ノードからの上記第２の制御メッセージを受信し、事前登録された全ての隣接ノードへ、上記第２の制御メッセージに応答する第３の制御メッセージを返信することを保証するように動作することを特徴とする。

第２の本発明は、複数の無線ノードを有するマルチホップ無線ネットワークにおいて、上記各無線ノードとして、第１の本発明の無線ノードを適用したことを特徴とする。

第３の本発明の無線ノードプログラムは、マルチホップ無線ネットワークの無線ノードに搭載されるコンピュータを、（１）隣接ノードの情報を記憶する隣接ノード情報記憶手段と、（２）上記隣接ノード情報記憶手段に情報を登録する隣接ノードを定めるため、周辺ノードと制御メッセージを交換する制御メッセージ授受手段と、（３）当該無線ノードの上記マルチホップ無線ネットワークの接続状態に応じて、他の無線ノードから到来した第１の制御メッセージに応答する第２の制御メッセージの返信タイミングを調整する返信タイミング調整手段と、（４）他の無線ノードから到来した第２の制御メッセージの到来順に基本的には基づいて、上記隣接ノード情報記憶手段に情報を登録する隣接ノードを定める登録ノード決定手段と、（５）上記隣接ノード情報記憶手段に登録したい隣接ノードの識別情報を入力して、上記隣接ノード情報記憶手段に事前登録させる外部入力インタフェース手段として機能させ、（６）上記制御メッセージ授受手段は、上記隣接ノード情報記憶手段に識別情報が事前登録された全ての隣接ノードからの上記第２の制御メッセージを受信し、事前登録された全ての隣接ノードへ、上記第２の制御メッセージに応答する第３の制御メッセージを返信することを保証するように動作することを特徴とする。

本発明によれば、隣接ノードとして適した周辺ノードを隣接ノード情報記憶手段に登録することができる。

第１の実施形態の無線ノードの構成を示す機能ブロック図である。 第１の実施形態のマルチホップ無線ネットワークの動作説明に供するツリートポロジーの例を示す説明図である。 図２のツリートポロジーにおける、従来技術におけるＭＬＥメッセージの送受信の様子を示すシーケンス図である。 図２のツリートポロジーにおける、第１の実施形態におけるＭＬＥメッセージの送受信の様子を示すシーケンス図である。 第２の実施形態の無線ノードの構成を示す機能ブロック図である。 第２の実施形態のマルチホップ無線ネットワークにおいて、事前登録の隣接ノードの必要性の説明に供するツリートポロジーの例を示す説明図である。 図６（Ｂ）のツリートポロジーにおける、第２の実施形態におけるＭＬＥメッセージの送受信の様子を示すシーケンス図である。 ＺＩＰにおけるルータ（無線ノード）やコーディネータの動作を示すシーケンス図である。

（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による無線ノード、マルチホップ無線ネットワーク及び無線ノードプログラムの第１の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

第１の実施形態のマルチホップ無線ネットワークの具体的な仕様等は、限定されるものではないが、第１の実施形態のマルチホップ無線ネットワークの以下の説明は、第１の実施形態のマルチホップ無線ネットワークの仕様などがＺＩＰに準じているとして行っている。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成
第１の実施形態のマルチホップ無線ネットワークは、第１の実施形態の無線ノード（ＺＩＰにおけるルータ相当）とトップノード（ＺＩＰにおけるコーディネータ相当）とを有するものである。

図１は、第１の実施形態における無線ノードの構成を示す機能ブロック図である。第１の実施形態における無線ノードは、ハードウェア的に各部を構成して接続して構築されたものであっても良く、また、その一部が、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを用いてプログラムを実行することで該当する機能を実現するように構築されたものであっても良く、いずれの構築方法が適用された場合であっても、機能的には、図１で表すことができる。

図１において、第１の実施形態の無線ノード１００は、アンテナ１０１、増幅器１０２、無線送受信部１０３、パケット受信部１０４、パケット判定部１０５、隣接テーブル１０６、ＲＳＳＩ測定部１０７、経路表１０８、ランダム時間算出部１０９、パケット生成部１１０、遅延処理部１１１、パケット送信部１１２及び有線送受信部１１３を有する。

なお、無線送受信部１０３及び有線送受信部１１３等の物理的な送受信構成と、信号処理構成（パケット受信部１０４、パケット判定部１０５、隣接テーブル１０６、ＲＳＳＩ測定部１０７、経路表１０８、ランダム時間算出部１０９、パケット生成部１１０、遅延処理部１１１及びパケット送信部１１２）とは、インタフェース１１５を介して接続されている。

アンテナ１０１は、周辺ノードと無線信号の送受信を行うものである。なお、図１では、送受共用アンテナを示しているが、送信アンテナと受信アンテナとが別個に設けられていても良い。

増幅器１０２は、送信電波（送信無線信号）の強度（パワー）を高めるものである。送信電波パワーの上限は、例えば、法律等で規定されている。

無線送受信部１０３は、電気信号と無線信号の相互変換や、変復調や周波数変換処理などを行うことで無線信号の送受信を行うものである。

パケット受信部１０４は、無線信号送受信部１０３からの受信信号に含まれているパケットを受信（抽出）するものである。

パケット判定部１０５は、受信したパケットを解析してデータパケットや制御パケットなどの識別を行うものである。パケット判定部１０５は、制御パケットを受信した場合には、内部データの解析を行い、必要に応じて隣接テーブル１０６や経路表１０８を更新すると共に、中継が必要な制御パケットをパケット送信部１１２に与え、応答する制御パケット（以下、このような制御パケットを応答制御パケットと呼ぶこともある）を生成した上で送信することを要するときには、信号線の図示は省略しているが、パケット生成部１１０に該当する応答制御パケットの生成を指示する。応答制御パケットは、ユニキャストで到来した制御パケットに応答する第１の応答制御パケットと、ブロードキャスト（若しくはマルチキャスト）で到来した制御パケットに応答する第２の応答制御パケットとに区別できる。パケット判定部１０５は、生成させる応答制御パケットが第２の応答制御パケットの場合には、ランダム時間算出部１０９に第２の応答制御パケットのランダムな送信待ち時間の算出を指示するものである。また、パケット判定部１０５は、特定の制御パケットを受信したときには、その受信時の受信電界強度に基づき、その特定制御パケットに応答する第１の応答制御パケットを返信するか否かも決定するものである。さらに、パケット判定部１０５は、データパケットを受信し、それが自ノード宛であれば、信号線の図示は省略しているが、データパケットからデータを取り出して有線送受信部１１３に与え、中継するデータパケットであればパケット送信部１１２に与えるものである。

隣接テーブル１０６は、自ノードの隣接ノードとの接続状態、隣接ノードからのパケット受信時の受信電界強度（ＲＳＳＩ）、隣接ノードからのパケットのパケット受信率、隣接ノードのランク値などを、隣接ノード毎に保持するものである。上述したパケット判定部１０５の機能説明では不足していたが、隣接テーブル１０６の各項目の内容は、パケット判定部１０５が編集、管理する。

ＲＳＳＩ測定部１０７は、パケット受信時の受信電界強度を測定するものである。図１では、パケット受信部１０４に関連してＲＳＳＩ測定部１０７が設けられているように記載しているが、無線送受信部１０３に関連してＲＳＳＩ測定部１０７が設けられていても良い。

経路表１０８は、隣接ノードからの制御パケットに記載されたランク値や、隣接ノードとのリンク品質の測定結果から算出される親情報等が記述されているものである。上述したパケット判定部１０５の機能説明では不足していたが、経路表１０８の各項目の内容は、パケット判定部１０５が編集、管理する。

ランダム時間算出部１０９は、自ノードのランク値などに応じた異なる範囲内で、第２の応答制御パケットを返信までのランダムな送信待ち時間を算出するものである。ランダム時間算出部１０９は、例えば、ランク値が大きいほど（トップノードとの間のホップ数が大きいほど）送信待ち時間が長くなるように送信待ち時間を算出するものである。具体的な算出方法の一例については、動作の項の説明で明らかにする。

パケット生成部１１０は、自ノードからのデータパケットや制御パケットを生成するものである。パケット生成部１１０は、例えば、信号線の図示は省略しているが、有線送受信部１１３を介して外部から与えられたデータからデータパケットを生成する。また、パケット生成部１１０は、自ノードが主導権を持って制御パケットを生成することもあれば、応答制御パケットを生成することもある。パケット生成部１１０は、生成した第２の応答制御パケットを遅延処理部１１１に与え、信号線の図示は省略しているが、他の生成パケットをパケット送信部１１２に与えるものである。

遅延処理部１１１は、ランダム時間算出部１０９によって決定された送信待ち時間（遅延時間）だけ、第２の応答制御パケットの送信タイミングを遅延させるものである。

パケット送信部１１３は、自ノードが生成した各種のパケットや自ノードが中継する各種のパケットに対して、経路表１０８を適宜参照しながら該当する宛先（ブロードキャストやマルチキャストのこともあり得る）に向けた送信処理を施して無線送受信部１０３に与え、無線空間に放射させるものである。

有線送受信部１１３は、当該無線ノード１００に関連して設けられている装置（例えば、無線ネットワークがセンサネットワークであればセンサ本体）との間で、有線を介してデータ等を授受するものである。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、以上のような構成を有する第１の実施形態の無線ノード１００を複数有する、第１の実施形態のマルチホップ無線ネットワークの動作を、図面を参照しながら説明する。

以下では、説明の簡単化のため、第１の実施形態のマルチホップ無線ネットワークにおけるツリートポロジーが、図２に示すようなツリートポロジーである場合を例に、第１の実施形態のマルチホップ無線ネットワークの動作を説明する。

図２において、符号ＺＣで表すノードがコーディネータであり、マルチホップ無線ネットワークにおけるツリートポロジーの頂点のノードとなっている。コーディネータＺＣの配下には、第１の実施形態の無線ノード１００であるルータＺＲ−１〜ＺＲ−６がマルチホップで接続されており、ルータＺＲ−Ｎが新規ノードとしてこの無線ネットワークに参加しようとしている。図２は、新規参加ルータＺＲ−Ｎが、当該新規参加ルータＺＲ−Ｎからの無線信号が他の全てのルータＺＲ−１〜ＺＲ−６に届く位置に設けられた場合を示している。

また、以下の説明においては、新規参加ルータＺＲ−Ｎの隣接テーブル１０６−Ｎ（以下同様に、ルータの構成要素を区別する場合には、図１の符号に「−１」〜「−６」、「−Ｎ」を負荷する）の上限数が６とし、その半分の３ノード分を参加（Ｊｏｉｎ）時に登録する場合を説明する。この新規参加時に隣接テーブル１０６−Ｎヘの登録数を制限するのは、後から参加するノードに対して隣接テーブル１０６−Ｎの空きを確保するためである。これは新規参加時に隣接テーブル１０６−Ｎの上限数まで登録してしまうと、後から参加したノードを隣接テーブル１０６−Ｎに加える余地が全くなくなるためである。

図３は、図２のツリートポロジーにおける、従来技術におけるＭＬＥメッセージの送受信の様子を示すシーケンス図である。

図３に示すＭＬＥリンク要求ＭＬＲ、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲ及びＭＬＥリンク受入ＭＬＡのＭＬＥメッセージはそれぞれ、図１の構成の説明で「制御パケット」と呼んだものに該当し、さらに、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲが「第２の応答制御パケット」に該当し、ＭＬＥリンク受入ＭＬＡが「第１の応答制御パケット」に該当する。しかし、図３は従来技術を示しているため、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲに対するランダムな送信待ち時間は、制御パケット（ＭＬＥリンク要求ＭＬＲ）受信時の受信電界強度や自ノードのランク値等を考慮することなく定められる。

新規参加ルータＺＲ−ＮがＭＬＥリンク要求ＭＬＲをマルチキャストで周辺ノードに送信し、その応答として、ルータＺＲ−４、ＺＲ−６及びＺＲ−３から、受信を有効とするＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲが返信される様子を示している。

なお、仮に、各ノード（ルータＺＲ−１〜ＺＲ−６）の隣接テーブル（１０６−１〜１０６−６）が既に上限数に達している場合は、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを返信しない。

各ルータＺＲ−１〜ＺＲ−６はそれぞれ、単純に定めたランダムのタイミングで、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを返信しており、新規参加ルータＺＲ−Ｎは、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを受信した順にＭＬＥリンク受入ＭＬＡを返信し、隣接テーブル（１０６−Ｎ）にルータＺＲ−４、ＺＲ−６、ＺＲ−３を登録する。このとき、図２に示すように、ルータＺＲ−３及びＺＲ−６はそれぞれ、コーディネータＺＣから３ホップ目の位置に接続しているため、ルータＺＲ−３又はＺＲ−６を親ノードとして選択すると、新規参加ルータＺＲ−Ｎはさらに１ホップ先のノードとなり、コーディネータＺＣから４ホップ目に接続することとなる。また、ルータＺＲ−４は、コーディネータＺＣから１ホップ目の位置に接続しているが、新規参加ルータＺＲ−Ｎとは物理的に距離が離れているため、無線のリンク品質が悪く安定した通信を行うことができない恐れがある。

以上、上述した従来の課題を、具体例を挙げて説明した。第１の実施形態は、このような課題を解決するため、各ルータ（無線ノード）ＺＲ−１〜ＺＲ−６におけるランダム時間算出部１０９−１〜１０９−６の送信待ち時間の算出方法を、従来から変更したものである。

第１の実施形態のマルチホップ無線ネットワークでは、各ルータＺＲ−１〜ＺＲ−６がＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを返信するタイミングを完全なランダムにするではなく、基本的には、当該ルータ（自ノード）のランク値に基づいて、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを返信するタイミングを決定する（後述するように、決定に、受信電界強度も２次的に考慮する）。具体的には、例えば、ルータＺＲ−１〜ＺＲ−６におけるランダム時間算出部１０９−１〜１０９−６は、ランク値から、当該ルータからコーディネータＺＣへのホップ数を算出し、ホップ数に応じた範囲内の送信待ち時間を算出し、遅延処理部１１１−１〜１１１−６によって、その送信待ち時間だけ、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲの送信を遅延させる。ここで、ホップ数が少ないほど早いタイミングでＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを返信できるように、ホップ数に応じた送信待ち時間の範囲が定められている。これにより、ホップ数が大きいルータ（無線ノード）を隣接ノードとして、隣接テーブル１０６−Ｎに登録することを抑制することができる。

図４は、図２のツリートポロジーにおける、第１の実施形態におけるＭＬＥメッセージの送受信の様子を示すシーケンス図である。

図４において、新規参加ルータＺＲ−ＮがＭＬＥリンク要求ＭＬＲをマルチキャストで周辺ノードに送信したとする。このとき、ＭＬＥリンク要求ＭＬＲが到来した各ルータＺＲ−１〜ＺＲ−６におけるランダム時間算出部１０９−１〜１０９−６は、ランク値から求めた当該ルータからコーディネータＺＣへのホップ数に応じた範囲内の送信待ち時間を算出する。図２のツリートポロジーの場合、ルータＺＲ−１及びルータＺＲ−４がホップ数が１で、ルータＺＲ−２及びルータＺＲ−５がホップ数が２で、ルータＺＲ−３及びルータＺＲ−６がホップ数が３である。

ホップ数が１のルータＺＲ−１及びＺＲ−４が、最も小さい値側の範囲内で送信待ち時間を算出するため、他のルータＺＲ−２、ＺＲ−３、ＺＲ−５、ＺＲ−６よりも早いタイミングで、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを新規参加ルータＺＲ−Ｎに返信し、次に、ホップ数が２のルータＺＲ−２及びＺＲ−５が、中間の範囲内で送信待ち時間を算出するため、他のルータＺＲ−３、ＺＲ−６よりも早いタイミングで、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを新規参加ルータＺＲ−Ｎに返信し、最後に、ホップ数が３のルータＺＲ−３及びＺＲ−６が、最も大きい値側の範囲内で送信待ち時間を算出するため、最も遅いタイミングで、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを新規参加ルータＺＲ−Ｎに返信する。

返信タイミングをホップ数で変更する方法としては、乱数から返信タイミング（送信待ち時間）を生成する際に、当該ルータ（自ノード）のホップ数に応じたオフセット値を加える方法を挙げることができる。例えば、最大待ち時間が９秒の場合、ホップ数が１となるルータＺＲ−１及びＺＲ−４は、乱数を利用して０〜３秒の間で送信待ち時間を生成し、ホップ数が２となるルータＺＲ−２及びＺＲ−５は、乱数を利用して０〜３秒の間で定めた時間にオフセット値３秒を加えることで送信待ち時間を生成し、ホップ数が３となるルータＺＲ−３及びＺＲ−６は、乱数を利用して０〜３秒の間で定めた時間にオフセット値６秒を加えることで送信待ち時間を生成する。

上記では、ランク値からホップ数を算出しているが、直接、ランク値に乱数を掛けてＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲの返信タイミングを決定するようにしても良い。また、ランク値を最大待ち時間で正規化するなどの手法により、ランク値が小さいほどＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを返信するタイミングを早めるようにしても良い。

但し、ホップ数が小さいルータ（無線ノード）だけを優先して隣接テーブル１０６−Ｎに登録すると、リンク品質の悪いノードを選択してしまう場合がある。そのため、新規参加ルータＺＲ−Ｎでは、受信したＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲの受信時の受信電界強度を参照し、例えば、受信電界強度が−９５ｄＢｍより小さい場合など、受信電界強度が所定レベルに達していないＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを送信した周辺ルータに対しては、ＭＬＥリンク受入ＭＬＡを返信しない。図４は、ルータＺＲ−４からのＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲに対して、新規参加ルータＺＲ−Ｎは、受信電界強度不足により、ＭＬＥリンク受入ＭＬＡを返信していない場合を示している。

なお、受信電界強度の充足、不足は、リンクの両端ノードのいずれでも判断できるため、図４とは異なり、ＭＬＥリンク要求ＭＬＲを受信したルータＺＲ−４が、受信電界強度不足により、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを返信しないようにしても良い。

図４は、ルータＺＲ−５からのＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを受信したときに、新規参加ルータＺＲ−Ｎの隣接テーブル１６−Ｎの登録数が上限数に達したので、それ以降に到来したルータＺＲ−３及びＺＲ−６からのＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを受信しても、新規参加ルータＺＲ−Ｎが、ＭＬＥリンク受入ＭＬＡを返信していない場合を示している。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
第１の実施形態によれば、周辺ノードとの間で制御パケットを授受して隣接テーブルを作成する際に、ホップ数（やランク値）が小さい周辺ノード、当該ノードとの間のリンクが受信電界強度が強いリンクである周辺ノードを優先的に隣接テーブルに登録することが可能となり、従来に比べて、安定したマルチホップ無線ネットワークを構築することができる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明による無線ノード、マルチホップ無線ネットワーク及び無線ノードプログラムの第２の実施形態を、図面を参照しながら説明する。以下では、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

（Ｂ−１）第２の実施形態の構成
図５は、第２の実施形態における無線ノードの構成を示す機能ブロック図であり、第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。

図５において、第２の実施形態の無線ノード１００Ａは、第１の実施形態と同様なアンテナ１０１、増幅器１０２、無線送受信部１０３、パケット受信部１０４、パケット判定部１０５Ａ、隣接テーブル１０６、ＲＳＳＩ測定部１０７、経路表１０８、ランダム時間算出部１０９、パケット生成部１１０、遅延処理部１１１、パケット送信部１１２及び有線送受信部１１３に加え、外部入力インタフェース１１４を有する。また、パケット判定部１０５Ａの機能も、第１の実施形態のものから多少異なっている。

外部入力インタフェース１１４は、外部（例えば、保守端末）から特定の隣接ノードの識別情報を入力し、隣接テーブル１０６にその識別情報を登録することを可能とするものである。

第２の実施形態のパケット判定部１０５Ａは、制御パケットの授受を通じて隣接ノードの情報を隣接テーブル１０６に登録する際でも、外部入力インタフェース１１４を介して、隣接テーブル１０６に登録された隣接ノードの情報を有効とするように作用するものである。パケット判定部１０５Ａのこのような機能については、後述する動作説明で明らかにする。

なお、第２の実施形態の場合、隣接テーブル１０６に登録された隣接ノードの情報に、外部入力インタフェース１１４を介して登録されたものであるか否かを区別できる情報をも記述するようにしておけば良い。

（Ｂ−２）第２の実施形態の動作
第１の実施形態では、ホップ数（若しくはランク値）が小さいノードを優先的に隣接テーブル１０６に登録することができる。しかし、メッシュリンク確立プロトコルＭＬＥの各ＭＬＥメッセージは無線で送受信されるため、パケットの衝突などにより、宛先ノードに届く保証はない。また、隣接テーブル１０６には上限数があるため、ユーザが所望する周辺ノードが隣接テーブル１０６に登録されるとは限らない。

第２の実施形態は、隣接テーブル１０６に登録したい隣接ノードの識別情報を、外部入力インタフェース１１４を通じて、隣接テーブル１０６に事前に登録することにより、上述した課題を解決しようとしたものである。

図６は、第２の実施形態により上記課題を解決できることの説明図である。

図６（Ａ）は、ルータＺＲ−Ｎを無線ネットワークに追加（新規参加）させる前の状態を示しており、この状態では、ルータＺＲ−１及びルータＺＲ−２のリンク品質が悪く、そのため、これらルータＺＲ−１及びルータＺＲ−２間のデータ転送を中継することを意図して、図６（Ｂ）に示すような位置に新規なルータＺＲ−Ｎをユーザが設置したとする。このとき、新規参加ルータＺＲ−Ｎが、隣接ノードとして、ルータＺＲ−１、ＺＲ−４及びＺＲ−５を隣接ノードとして登録してしまうと、ルータＺＲ−１及びルータＺＲ−２間の中継機としては機能せず、設置した意図が損なわれてしまう。

そこで、第２の実施形態では、ルータＺＲ−Ｎの起動時には、当該新規参加ルータＺＲ−Ｎがデータ転送を中継することを意図したリンクに係るルータＺＲ−１及びルータＺＲ−２の識別情報を予め隣接テーブル１０６−Ｎに登録し、当該新規参加ルータＺＲ−Ｎが、ルータＺＲ−１及びルータＺＲ−２間の中継機として動作するようにした。

ここで、隣接テーブル１０６−Ｎに事前登録する隣接ノードの数は２個に限定されるものではなく、１個でも３個以上であっても良い。

新規参加ルータＺＲ−Ｎのパケット判定部１０５Ａ−Ｎは、事前に登録した全ての隣接ノード（ルータ）ＺＲ−１、ＺＲ−２からのＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを受信し、それら事前登録隣接ノードＺＲ−１、ＺＲ−２にＭＬＥリンク受入ＭＬＡを返信することを保証するように動作する。パケット判定部１０５Ａ−Ｎは、登録可能な残り数を管理し、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲが到来していない事前登録隣接ノードの数が、登録可能な残り数より少ないうちは、事前登録以外の隣接ノードからのＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを有効としてＭＬＥリンク受入ＭＬＡを返信させ、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲが到来していない事前登録隣接ノードの数が、登録可能な残り数と同じになった以降は、事前登録以外の隣接ノードからのＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを無効としてＭＬＥリンク受入ＭＬＡを返信させない。

図７は、図６（Ｂ）に示すような、ルータＺＲ−１及びＺＲ−２間の中継器として、新規参加ルータＺＲ−Ｎが設けられ、当該新規参加ルータＺＲ−Ｎの隣接テーブル１０６−Ｎに外部入力インタフェース１１４−Ｎを介して、ルータＺＲ−１及びＺＲ−２が隣接ノードとして事前登録された以降に実行される、ＭＬＥメッセージの送受信の様子を示すシーケンス図である。

まず、ルータＺＲ−１からのＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲが到来したときには、新規参加ルータＺＲ−Ｎ（のパケット判定部１０５Ａ−Ｎ）は、そのルータＺＲ−１の情報が隣接テーブル１０６−Ｎに事前登録されているので、ＭＬＥリンク受入ＭＬＡを返信させる。このとき、隣接テーブル１０６−Ｎの登録可能な残り数は２となる。

次に、ルータＺＲ−４からのＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲが到来したときには、第１の実施形態と同様に、受信電界強度が悪いため、新規参加ルータＺＲ−Ｎは、隣接テーブル１０６−Ｎに隣接ノードとして登録せず、ＭＬＥリンク受入ＭＬＡを返信させない。

次に、ルータＺＲ−６からのＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲが到来したときには、事前登録以外の隣接ノードの登録が可能であるため、新規参加ルータＺＲ−Ｎは、隣接テーブル１０６−Ｎに隣接ノードとして登録し、ＭＬＥリンク受入ＭＬＡを返信させる。これにより、隣接テーブル１０６−Ｎの登録可能な残り数は２となる。

この時点では、事前登録したルータＺＲ−２からのＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲを受信していない。

そのため、次に、事前登録していないルータＺＲ−５からのＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲが到来したときには、受信電界強度が良好であっても、新規参加ルータＺＲ−Ｎは、隣接テーブル１０６−Ｎに隣接ノードとして登録せず、ＭＬＥリンク受入ＭＬＡを返信させない。すなわち、事前登録したルータＺＲ−２からのＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲの到来を待ち受ける状態を継続する。

その後、事前登録したルータＺＲ−２からのＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲが到来したときには、新規参加ルータＺＲ−Ｎは、そのルータＺＲ−１の情報が隣接テーブル１０６−Ｎに事前登録されているので、ＭＬＥリンク受入ＭＬＡを返信させる。このとき、隣接テーブル１０６−Ｎの登録可能な残り数は０となる。

そのため、これ以降、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲが到来しても、隣接テーブル１０６−Ｎに登録することもなく、ＭＬＥリンク受入ＭＬＡを返信することもない。

上記では、新規に設置するノードだけに隣接ノードの情報を事前登録する場合を示したが、既に設置しているルータＺＲ−１及びＺＲ−２の隣接テーブル１０６−１及び１０６−２にも、新規参加ルータＺＲ−Ｎの情報を確実に登録することにより、新規な中継経路に係る全てのルータＺＲ−１、ＺＲ−２及びＺＲ−Ｎの隣接テーブル１０６−１、１０６−２及び１０６−Ｎに登録することができ、より確実にユーザが所望する中継を実現させることができる。

このような登録を実現する具体的な方法として、以下の方法を挙げることができる（上述した図７に代えて、かかる方法を適用しても良い）。

新規参加ルータＺＲ−Ｎのパケット生成部１１０−Ｎ及びパケット送信部１１２−Ｎは、マルチキャストでＭＬＥリンク要求ＭＬＲを送信する前に、事前登録している各ルータＺＲ−１、ＺＲ−２のそれぞれに対してユニキャストでＭＬＥリンク要求ＭＬＲを送信させる。これにより、ルータＺＲ−１及びＺＲ−２以外のルータからのＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲの送信タイミングと、ルータＺＲ−１及びＺＲ−２からのＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲの送信タイミングとが衝突することなく、メッシュリンク確立プロトコルＭＬＥの制御メッセージ交換の成功率を向上させることができる。

なお、上記では、事前登録したノード間でのユニキャストでのＭＬＥリンク要求ＭＬＲの送信は、通常のマルチキャストのＭＬＥリンク要求ＭＬＲの送信前に行っているが、通常のメッシュリンク確立プロトコルＭＬＥの制御メッセージの交換の後に実施するようにしても良い。この場合、隣接テーブル登録の上限値から、事前に登録した隣接ルータの数の情報を削減することで、隣接テーブルの上限値を調整する。

（Ｂ−３）第２の実施形態の効果
第２の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加え、以下の効果を奏することができる。すなわち、第２の実施形態によれば、新規に設置するノードの隣接テーブルに、中継が必要となるノード情報を確実に登録することができ、ユーザが所望するネットワーク構成を構築することができる。

（Ｃ）他の実施形態
上記各実施形態の説明においても、種々変形実施形態に言及したが、さらに、以下に例示するような変形実施形態を挙げることができる。

上記各実施形態においては、リンクの通信品質を示す指標として受信電界強度を適用したものを示したが、他の指標を適用するようにしても良い。例えば、電波の反射による経路の変更がないようなマルチホップ無線ネットワークであれば、各ノードで位置情報を交換し、リンクの物理的な距離をリンクの通信品質を示す指標として用いるようにしても良い。また、制御パケットのプリアンブル期間の信号レベルの変化からＳＮ比を求めて、リンクの通信品質を示す指標として用いるようにしても良い。

上記各実施形態では、リンクの受信電界強度を、隣接ノードとして登録するものか否かの判定に直接用いるものを示したが、隣接ノードとして登録するものか否かの判定に間接的に影響させるものであっても良い。例えば、受信電界強度の大小に応じたオフセット時間を、基本的な送信待ち時間にさらに追加するようにして、隣接ノードとして登録するものか否かの判定に間接的に影響させるようにしても良い。このような場合であっても、受信電界強度がある閾値以下の場合には、登録しないように判定させるようにしても良い。

上記第１の実施形態では、リンクの受信電界強度を隣接ノードとして登録するものか否かの判定に用いるものを示したが、周辺ノードのホップ数（やランク値）のみが隣接ノードとして登録されるか否かを規定するものであっても良い。言い換えると、ＭＬＥリンク受入要求ＭＬＡＲの到来順序のみが、隣接ノードとして登録するか否かを決定するものであっても良い。なお、受信電界強度を用いなくても距離が離れているノードとは通信ができず、上述のようにしても、通信を確保することができる。

上記各実施形態では、隣接ノードの登録のためのプロトコルが、メッシュリンク確立プロトコルＭＬＥである場合を示したが、同種のプロトコルを適用しているマルチホップ無線ネットワークに本発明を適用することができる。

１００、１００Ａ…無線ノード、１０１…アンテナ、１０２…増幅器、１０３…無線送受信部、１０４…パケット受信部、１０５、１０５Ａ…パケット判定部、１０６…隣接テーブル、１０７…ＲＳＳＩ測定部、１０８…経路表、１０９…ランダム時間算出部、１１０…パケット生成部、１１１…遅延処理部、１１２…パケット送信部、１１３…有線送受信部、１１４…外部入力インタフェース。

Claims (5)

1. マルチホップ無線ネットワークの無線ノードにおいて、
   隣接ノードの情報を記憶する隣接ノード情報記憶手段と、
   上記隣接ノード情報記憶手段に情報を登録する隣接ノードを定めるため、周辺ノードと制御メッセージを交換する制御メッセージ授受手段と、
   当該無線ノードの上記マルチホップ無線ネットワークの接続状態に応じて、他の無線ノードから到来した第１の制御メッセージに応答する第２の制御メッセージの返信タイミングを調整する返信タイミング調整手段と、
   他の無線ノードから到来した第２の制御メッセージの到来順に基本的には基づいて、上記隣接ノード情報記憶手段に情報を登録する隣接ノードを定める登録ノード決定手段と、
   上記隣接ノード情報記憶手段に登録したい隣接ノードの識別情報を入力して、上記隣接ノード情報記憶手段に事前登録させる外部入力インタフェース手段とを有し、
   上記制御メッセージ授受手段は、上記隣接ノード情報記憶手段に識別情報が事前登録された全ての隣接ノードからの上記第２の制御メッセージを受信し、事前登録された全ての隣接ノードへ、上記第２の制御メッセージに応答する第３の制御メッセージを返信することを保証するように動作する
   ことを特徴とする無線ノード。
2. 上記制御メッセージ授受手段は、マルチキャストで上記第１の制御メッセージを送信する前に、事前登録された上記各隣接ノードとの間で、ユニキャストで上記第１及び第２の制御メッセージを交換することを特徴とする請求項１に記載の無線ノード。
3. 上記制御メッセージ授受手段は、マルチキャストで上記第１の制御メッセージを送信したことに基づく一連の制御メッセージの交換後、事前登録された上記各隣接ノードとの間で、ユニキャストで上記第１及び第２の制御メッセージを交換することを特徴とする請求項１に記載の無線ノード。
4. 複数の無線ノードを有するマルチホップ無線ネットワークにおいて、
   上記各無線ノードとして、請求項１〜３のいずれかに記載の無線ノードを適用したことを特徴とするマルチホップ無線ネットワーク。
5. マルチホップ無線ネットワークの無線ノードに搭載されるコンピュータを、
   隣接ノードの情報を記憶する隣接ノード情報記憶手段と、
   上記隣接ノード情報記憶手段に情報を登録する隣接ノードを定めるため、周辺ノードと制御メッセージを交換する制御メッセージ授受手段と、
   当該無線ノードの上記マルチホップ無線ネットワークの接続状態に応じて、他の無線ノードから到来した第１の制御メッセージに応答する第２の制御メッセージの返信タイミングを調整する返信タイミング調整手段と、
   他の無線ノードから到来した第２の制御メッセージの到来順に基本的には基づいて、上記隣接ノード情報記憶手段に情報を登録する隣接ノードを定める登録ノード決定手段と、
   上記隣接ノード情報記憶手段に登録したい隣接ノードの識別情報を入力して、上記隣接ノード情報記憶手段に事前登録させる外部入力インタフェース手段として機能させ、
   上記制御メッセージ授受手段は、上記隣接ノード情報記憶手段に識別情報が事前登録された全ての隣接ノードからの上記第２の制御メッセージを受信し、事前登録された全ての隣接ノードへ、上記第２の制御メッセージに応答する第３の制御メッセージを返信することを保証するように動作する
   ことを特徴とする無線ノードプログラム。

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