特許 7506012 メッシュネットワークシステム及び通信制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-17

(45)【発行日】2024-06-25

(54)【発明の名称】メッシュネットワークシステム及び通信制御方法

(51)【国際特許分類】

   H04W 40/02 20090101AFI20240618BHJP

   H04W 92/20 20090101ALI20240618BHJP

   H04W 84/18 20090101ALI20240618BHJP

   H04W 84/22 20090101ALI20240618BHJP

【ＦＩ】

H04W40/02 110

H04W92/20 110

H04W84/18

H04W84/22

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021039778

(22)【出願日】2021-03-12

(65)【公開番号】P2022139408

(43)【公開日】2022-09-26

【審査請求日】2023-03-29

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、総務省、「無人航空機の目視外飛行における周波数の有効利用技術の研究開発」に係わる委託業務、産業技術力強化第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000001122

【氏名又は名称】株式会社日立国際電気

(74)【代理人】

【識別番号】100116687

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 爾

(74)【代理人】

【識別番号】100098383

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 純子

(74)【代理人】

【識別番号】100155860

【弁理士】

【氏名又は名称】藤松 正雄

(72)【発明者】

【氏名】阿部 達也

(72)【発明者】

【氏名】竹川 雅之

【審査官】青木 健

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２３６７６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１２４８１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２５２７８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０３４４６６７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１１２６３３７９（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０３３３２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】Mesh Working Group，Mesh Profile Revision: v1.0.1，Bluetooth Specification，2019年01月21日，17-45頁，Internet<URL:https://www.bluetooth.org/docman/handlers/downloaddoc.ashx?doc_id=457092>

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｗ ４／００ － ９９／００

Ｈ０４Ｂ ７／２４ － ７／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

無線ネットワークを形成する無線ノードとして、移動ノードと、複数の固定ノードとを有するメッシュネットワークシステムにおいて、
前記複数の固定ノードの各々は有線ネットワークにも接続されており、
前記移動ノードからのパケットが任意の固定ノードを通じて無線ネットワークの区間を１ホップで前記有線ネットワークに到達するように、前記複数の固定ノードの各々が他の固定ノードのＭＡＣアドレスを指定したＭＡＣアドレスフィルタリングにより他の固定ノードとの無線接続を禁止することで、通信経路が制御されることを特徴とするメッシュネットワークシステム。

【請求項2】

無線ネットワークを形成する無線ノードとして、移動ノードと、複数の固定ノードとを有するメッシュネットワークシステムにおいて、
前記複数の固定ノードの各々は有線ネットワークにも接続されており、
前記移動ノードからのパケットが任意の固定ノードを通じて無線ネットワークの区間を１ホップで前記有線ネットワークに到達するように、前記複数の固定ノードの各々が他の固定ノードから転送されたパケットを破棄することで、通信経路が制御されることを特徴とするメッシュネットワークシステム。

【請求項3】

無線ネットワークを形成する無線ノードとして、移動ノードと、複数の固定ノードとを有するメッシュネットワークシステムにおける通信制御方法において、
前記複数の固定ノードの各々は有線ネットワークにも接続されており、
前記無線ノードからのパケットが任意の固定ノードを通じて無線ネットワークの区間を１ホップで前記有線ネットワークに到達するように、前記複数の固定ノードの各々が他の固定ノードのＭＡＣアドレスを指定したＭＡＣアドレスフィルタリングにより他の固定ノードとの無線接続を禁止することで、通信経路が制御されることを特徴とする通信制御方法。

【請求項4】

無線ネットワークを形成する無線ノードとして、移動ノードと、複数の固定ノードとを有するメッシュネットワークシステムにおける通信制御方法において、
前記複数の固定ノードの各々は有線ネットワークにも接続されており、
前記無線ノードからのパケットが任意の固定ノードを通じて無線ネットワークの区間を１ホップで前記有線ネットワークに到達するように、前記複数の固定ノードの各々が他の固定ノードから転送されたパケットを破棄することで、通信経路が制御されることを特徴とする通信制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線ネットワークを形成する無線ノードとして、移動ノードと、複数の固定ノードとを有するメッシュネットワークシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年のロボット技術の進展は実に目覚しく、様々な社会課題の解決にロボットが利用されることも多くなっている。このようなロボットの多くは、無人航空機や自律運転車両等の無人移動体である。無人移動体は、遠隔操縦や自律制御のための制御指令データや、無人移動体に搭載したカメラ等で撮影した映像データを伝送するために、通信システムを具備する必要がある。このとき、無人移動体がレール等に沿った所定の経路を移動する機械でない場合には、移動に適した無線通信が利用されることが多い。

【0003】

例えば、特許文献１には、移動基地局と端末局が、近距離通信を準備するための長距離通信機能と、データ伝送用の近距離通信機能を備え、長距離通信機能を用いた通信により、近距離通信を行うタイミングをスケジューリングする発明が開示されている。また、特許文献２には、無人飛行体を用いた中継システムにおいて、中継の通信品質、予定の中継時間、無人飛行体の電源の状態（電力供給可能量）に基づいて、無人飛行体の中継位置を探索する発明が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１７／０１８０２１号

【文献】特開２０１９－１６９８４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

無人移動体との通信に使用され得る通信ネットワークの一つにメッシュネットワークがある。メッシュネットワークは複数のノードから構成され、隣接する通信可能なノード同士を接続することで、全体で網の目状のネットワークを形成する。特に、ノード間の接続が無線で行われる場合は無線メッシュネットワークと呼ばれ、複数のノードに渡ってバケツリレー式にデータが無線転送される。

【0006】

通常、メッシュネットワークには複数の経路が存在し、ある経路で通信不能になっても代替経路に切り替えることができるため、他のネットワークトポロジと比較して障害に強いという特徴がある。ただし、複数の経路が存在するということは、ネットワークにループ状の経路が存在することも意味する。このようなネットワークにＩＰパケットをブロードキャストする場合、ＩＰパケットがループ状の経路を一周してからもブロードキャストを繰り返してブロードキャストストームを引き起こすことを避けるため、一般的にスパニングツリープロトコルが適用される。

【0007】

スパニングツリープロトコルではスパニングツリーアルゴリズムを使用し、自動的に特定のノード間の通信をブロッキング状態にすることで、ループを防ぐことが可能である。また、障害が発生した際は、ブロッキング状態を解除することによって、代替経路による通信を継続することが可能である。

【0008】

しかしながら、このようなメッシュネットワークは、特定の優先度の高いノードによる集中制御で経路を決定するのではなく、全てのノードが対等な関係で経路を決定するため、集中制御方式と比較して効率が低下する。特に、高スループットや低遅延が要求されるケースでは、耐障害性の高いメッシュネットワークを採用できない恐れがある。

【0009】

耐障害性に加えて、高スループットと低遅延が要求されるユースケースとして、無人航空機ＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）の遠隔操縦に係る映像伝送を行う無線通信システムが考えられる。図１には、そのような無線通信システムの従来例を示してある。同システムは、ＵＡＶの目視外飛行において、ＵＡＶの周辺状況を撮影した映像をＵＡＶからサーバに転送し、操縦者がリアルタイムで映像を確認できるようにするものである。

【0010】

図１に示した従来の無線メッシュネットワークでは、ＵＡＶ本体を含む移動ノード１０１の飛行経路に沿って、第１固定ノード１１１、第２固定ノード１１２、第３固定ノード１１３、第ｎ固定ノード１１４が地上に配置されている。また、サーバ１２１が、第１固定ノード１１１に有線で接続されている。なお、以降の説明では、移動ノードか固定ノードかを問わず、２台のノード間で無線通信が行われた場合を１ホップ、３台連なったノード間で無線通信が行われた場合を２ホップといったように、通信が行われたノード数から１を減算した値をホップ数と定義する。

【0011】

移動ノード１０１が第１固定ノード１１１の上空を飛行している場合は、移動ノード１０１と第１固定ノード１１１との間で１ホップの通信が行われ、サーバ１２１まで最短の経路でデータが転送される。次に、移動ノード１０１が第２固定ノード１１２の上空に移動し、第１固定ノード１１１と直接通信できなくなると、移動ノード１０１から第２固定ノード１１２を経由して第１固定ノード１１１まで２ホップの通信が行われる。同様にして、移動ノード１０１が第３固定ノード１１３の上空に移動すると３ホップの通信になり、第ｎ固定ノード１１４の上空に移動するとｎホップの通信になる。そして、ホップ数の増大に伴ってスループットが低下していき、遅延時間も増大してしまう。

【0012】

図２には、別の従来例として、有線と無線によるメッシュネットワーク（以下、「有線／無線メッシュネットワーク」と称する）の構成例を示してある。図２のシステムでは、図１のシステムと同様に、ＵＡＶ本体を含む移動ノード２０１の飛行経路に沿って、第１固定ノード２１１、第２固定ノード２１２、第３固定ノード２１３、第ｎ固定ノード２１４が地上に配置され、更にサーバ２２１が全ての固定ノードと有線で接続されている。

【0013】

従って、一見すると移動ノード２０１がどの固定ノードと接続されていても、サーバ２２１との間で１ホップの通信が実現できるように見える。しかしながら、有線ネットワークと無線ネットワークとの間でループが形成されているため、いずれか１つの固定ノードとサーバ２２１との間でのみ有線回線での通信が許可され、残りの全ての固定ノードへの有線回線はブロッキングされる。

【0014】

つまり、第１固定ノード２１１とサーバ２２１との間だけがブロッキングされていない状態で、移動ノード２０１が第１固定ノード２１１の上空から第２固定ノード２１２の上空に移動し、第１固定ノード２１１と直接通信できなくなると、移動ノード２０１から第２固定ノード２１２を経由して第１固定ノード２１１まで２ホップの通信が行われ、サーバ２２１と接続されることになる。

【0015】

また、ループ検知は一般的にループ検知用のパケットをブロードキャストして行うため、ネットワークの規模が大きい場合や通信負荷が大きい場合、ループを検知するまでに長時間を要する恐れがある。更に、ループ検知機能そのものによりネットワーク負荷を増大させるため、可能な限りループを形成しないネットワークを構築すべきである。

【0016】

本発明は、上記のような従来の事情に鑑みて為されたものであり、移動ノードと固定ノードを有するメッシュネットワークにおいて、移動ノードの移動に伴って通信経路が変更されても、高スループットと低遅延を維持できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0017】

上記目的を達成するために、本発明では無線通信システムを以下のように構成した。
すなわち、無線ネットワークを形成する無線ノードとして、移動ノードと、複数の固定ノードとを有するメッシュネットワークシステムにおいて、複数の固定ノードの各々は有線ネットワークにも接続されており、移動ノードからのパケットが任意の固定ノードを通じて所定のホップ数以内で有線ネットワークに到達するように通信経路が制御されることを特徴とする。

【0018】

ここで、複数の固定ノードの各々は、移動ノードとの無線通信が許可される一方で他の固定ノードとの無線通信が禁止される構成であってもよい。

【0019】

また、無線ネットワークに対して、所定のホップ数を超えたパケットを破棄するように設定された構成であってもよい。

【0020】

また、無線ネットワークに対して、所定のホップ数として１が設定された構成であってもよい。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、移動ノードと固定ノードを有するメッシュネットワークにおいて、移動ノードの移動に伴って通信経路が変更されても、高スループットと低遅延を維持できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】従来の無線メッシュネットワークの構成例を示す図である。

【図2】従来の有線／無線メッシュネットワークの構成例を示す図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る有線／無線メッシュネットワークの構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本発明の一実施形態について、以下に図面を参照して説明する。
図３には、本発明の一実施形態に係る有線／無線メッシュネットワークの構成例を示してある。本例の有線／無線メッシュネットワークは、移動ノード３０１と、移動ノード３０１との間でのみ無線通信を許可された第１固定ノード３１１と、移動ノード３０１との間でのみ無線通信を許可された第２固定ノード３１２と、移動ノード３０１との間でのみ無線通信を許可された第３固定ノード３１３と、移動ノード３０１との間でのみ無線通信を許可された第ｎ固定ノード３１４と、全ての固定ノードと有線で接続されたサーバ３２１とを備えている。本例では、移動ノード３０１としてＵＡＶを想定しているが、列車や自動車に搭載された無線機や、人が携帯可能な無線機など、任意の移動無線機を適用することができる。

【0024】

図３に示すように、本例の有線／無線メッシュネットワークでは、固定ノードと固定ノードの間は無線による直接接続を禁止している。例えば、第１固定ノード３１１には、第２固定ノード３１２のＭＡＣアドレスと、第３固定ノード３１３のＭＡＣアドレスと、第ｎ固定ノード３１４のＭＡＣアドレスを指定し、ＭＡＣアドレスフィルタリングによりこれら固定ノードとの接続を禁止する。これにより、第１固定ノード３１１は、移動ノード３０１とだけ無線接続することが可能になる。他の固定ノードにも同様な設定がなされている。

【0025】

また、図３に示す有線／無線メッシュネットワークでは、ホップ数の最大値が１に設定されている。これは、送信するパケットのＩＰヘッダ内にあるＴＴＬ（Ｔｉｍｅ Ｔｏ Ｌｉｖｅ）を１に設定することで実現可能である。パケットが無線ノードから無線ノードへ転送された際に、ＴＴＬから１が減算されて直ちに０になり、この時点で宛先ノードに到達していなければパケットは破棄されるので、最大ホップ数が１の無線ネットワークになる。

【0026】

以下、移動ノード３０１の移動に伴う通信経路の切り替え制御について説明する。
まず、移動ノード３０１は第１固定ノード３１１の上空を飛行しており、第１固定ノード３１１だけが移動ノード３０１と無線接続されているものとする。この状態で移動ノード３０１から映像情報などのデータをサーバ３２１へ初めて送信する場合、通常はサーバ３２１のＩＰアドレスは既知であるものの、サーバ３２１のＭＡＣアドレスが不明なため、ＡＲＰ要求パケットがブロードキャストで送信される。ＡＲＰ要求パケットは第１固定ノード３１１を介した経路だけでサーバ３２１に到達し、サーバ３２１は自身のＭＡＣアドレスをＡＲＰ応答パケットに載せて移動ノード３０１に返すことで、アドレス解決がなされる。以後、移動ノード３０１からのデータは、１ホップで第１固定ノード３１１に無線で送信された後、有線でサーバ３２１に転送される。なお、前述したように、無線ネットワークではホップ数の最大値を１に設定していることによりループが形成されないので、任意の固定ノードとサーバ３２１との間でブロッキングされることはない。

【0027】

次に、移動ノード３０１が第２固定ノード３１２の上空に近づくにつれて、移動ノード３０１と第２固定ノード３１２との間で無線接続ができるようになり、移動ノード３０１は第１固定ノード３１１及び第２固定ノード３１２と接続された状態になる。この状態で移動ノード３０１がサーバ３２１に対してＡＲＰ要求パケットを再度ブロードキャストすると、ＡＲＰ要求パケットは第１固定ノード３１１を経由する経路と第２固定ノード３１２を経由する経路の両方でサーバ３２１に到達する。サーバ３２１は、ＡＲＰ要求パケットの到着順にＡＲＰ応答パケットを返す。この２つのＡＲＰ応答パケットは、それぞれ第１固定ノード３１１を経由する経路と第２固定ノード３１２を経由する経路で移動ノード３０１に到達する。移動ノード３０１は、ＡＲＰ応答パケットのＭＡＣヘッダ内にある送信機アドレス（ＴＡ）を調べれば、ＡＲＰ応答パケットがどの固定ノードを経由したかを判別することができる。

【0028】

ここで、メッシュネットワークでは一般に、経路毎に通信コストを算出し、最小の通信コストの経路を選択するように制御される。例えば、無線ＬＡＮのメッシュネットワークの標準規格であるＩＥＥＥ ８０２．１１ｓでは、通信コストとして下記のメトリック値Ｃａが算出される。
Ｃａ＝［０＋Ｂｔ／ｒ］／（１－ｅｆ）
ここで、０はチャネルアクセスオーバーヘッド、Ｂｔは８１９２（テストフレームのｂｉｔサイズ）、ｒはデータレート（Ｍｂｉｔ／ｓｅｃ）、ｅｆはフレームエラーレートである。

【0029】

このように、複数の経路でＡＲＰ応答パケットが返ってきた場合は、通信コストの最も小さい経路を選択することで、無線回線品質の良い経路が選択される。従って、移動ノード３０１の移動に伴って、移動ノード３０１と第１固定ノード３１１との間で無線通信が行えなくなる前に第２固定ノード３１２を経由する経路に切り替わり、安定した通信を継続することが可能となる。

【0030】

同様にして、移動ノード３０１が第３固定ノード３１３の上空に近づくにつれて、移動ノード３０１と第３固定ノード３１３との間で無線接続ができるようになる。そして、第２固定ノード３１２を経由する経路の通信コストよりも第３固定ノード３１３を経由する経路の通信コストが小さくなると、第３固定ノード３１３を経由する経路に切り替えられる。その後、移動ノード３０１が最終目的地の近傍に配置された第ｎ固定ノード３１４に到達するまで、同様の経路切り替え制御が行われる。

【0031】

このように、無線と有線の両方で構成された有線／無線メッシュネットワークでデータ伝送を行う場合に、無線ネットワーク側で所定のホップ数を超えた場合は強制的にパケットを破棄してループを形成させないことによって、有線ネットワーク側のブロッキングが発生しないようにする。更に、無線ネットワークから所定のホップ数以内で必ず有線ネットワークに到達できるように経路を設定することによって、高スループットと低遅延を維持しつつ、障害にも強いネットワークを構築することが可能となる。

【0032】

以上のように、本例の有線／無線メッシュネットワークシステムでは、固定ノード３１１～３１４の全てが有線ネットワークにも接続されており、移動ノード３０１からのパケットが任意の固定ノードを通じて所定のホップ数以内で有線ネットワークのサーバ３２１に到達するように通信経路が制御される。これにより、移動ノードの移動に伴って通信経路が変更されても、高スループットと低遅延を維持できるようになる。

【0033】

また、本例の有線／無線メッシュネットワークシステムでは、固定ノード３１１～３１４の全てについて、移動ノード３０１との無線通信を許可する一方で他の固定ノードとの無線通信を禁止している。これにより、移動ノード３０１から有線ネットワークに至る通信経路を簡単に制限することができる。

【0034】

また、本例の有線／無線メッシュネットワークシステムでは、無線ネットワークに対して、所定のホップ数を超えたパケットを強制的に破棄するように設定されている。これにより、ループの形成を簡単に防止することができ、ブロッキング状態の発生が抑制される。

【0035】

また、本例の有線／無線メッシュネットワークシステムでは、無線ネットワークに対して、所定のホップ数として１が設定されている。これにより、移動ノード３０１からのパケットが固定ノード間で無断に通信されることを抑制することができる。なお、ホップ数を２以上に設定して、無線ネットワーク内の通信経路に或る程度の自由度を持たせても構わない。

【0036】

以上、本発明について一実施形態に基づいて説明したが、本発明はここに記載された構成に限定されるものではなく、他の構成のシステムに広く適用することができることは言うまでもない。
また、本発明は、例えば、上記の処理に関する技術的手順を含む方法や、上記の処理をプロセッサにより実行させるためのプログラム、そのようなプログラムをコンピュータ読み取り可能に記憶する記憶媒体などとして提供することも可能である。

【0037】

なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。更に、本発明の範囲は、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。

【産業上の利用可能性】

【0038】

本発明は、無線ネットワークを形成する無線ノードとして、移動ノードと、複数の固定ノードとを有するメッシュネットワークシステムに利用することが可能である。

【符号の説明】

【0039】

１０１，２０１，３０１：移動ノード、 １１１，２１１，３１１：第１固定ノード、 １１２，２１２，３１２：第２固定ノード、 １１３，２１３，３１３：第３固定ノード、 １１４，２１４，３１４：第ｎ固定ノード、 ２２１，３２１：サーバ

【図1】

【図2】

【図3】