JP5183689B2 - 無線通信システム，無線通信装置及び無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システム，無線通信装置及び無線通信方法に関し、特に、無線中継局を介して無線通信するのに好適な無線通信システム，無線通信装置及び無線通信方法に関する。

監視・制御等のネットワーク技術においては、ケーブルの敷設コストの削減、あるいは、機器の追加や機器の構成の変更といった運用に柔軟に対応することを目的として、無線通信技術が用いられるようになってきた。

無線通信距離が比較的に長くなりがちな、例えば、電力・交通などの社会インフラの産業事業分野やＦＡ（Factory Automation)・PA(Process Automation）などでは、通信を行う際に無線局としての中継局を利用してマルチホップにデータの授受を行う、いわゆるマルチホップ無線ネットワーク通信技術が注目されている。

しかしながら、無線通信がために通信が不安定となりがちであり、通信の遮断が起きると、例えば、他の無線中継局を探索するなどで、再び、無線通信ネットワークを構築するのに時間がかかっていた。

例えば、特開２００１−２３７８７５号公報には、予め、所定の中継局を介して無線通信を行うための主マルチホップルートと、それとは別の中継局を介して無線通信を行う迂回マルチホップルートの、２つのマルチホップルートを用意する技術が考え付かれた。

特開２００１−２３７８７５号公報

しかしながら、上記の従来技術には、主マルチホップルートの通信障害発生に引き続き、主マルチホップルートが復旧に至らないうちに、迂回マルチホップルートまでも通信障害が発生した場合には、マルチホップの無線通信が切断され、そのため、特に、産業分野で用いられる制御向け通信のように、一定時間内に通信処理を完了すべくリアルタイム性を重視する通信においては、問題となっていた。

本発明の目的は、無線通信経路で発生した通信障害に抗して通信の継続が可能な無線通信システム，無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。

上記目的を達成するためには、本発明では、第１の無線通信ルートと第２の無線通信ルートの一方に通信異常が生じた場合に、無線通信ルートの少なくとも一部を変更するための指示情報が、通信異常の箇所に対して第１のノードと第２のノードの一方側で供給され、他方の無線通信ルートを介して、第１のノードと第２のノードの他方側に、ルート変更に関する情報が伝達され、ルート変更に関する情報に基づいて、第１のノードと第２のノードの他方側で無線通信ルートの変更に対応した指示情報が供給されるように構成した。

本発明によれば、通信障害が起きた場合でも、該通信障害に対して速やかに復旧が可能となり、そのため、通信の継続が可能となる。特に、通信のリアルタイム性の確保が可能となる。

本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークの構成を示す図である。 本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークにおいて用いられる無線局の内部構成を示す図である。 本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークにおいて用いられる通信フレームの構成を示す図である。 本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークにおいて用いられるルーティングテーブルの構成を示す図である。 本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークに用いられる無線局のフレーム解析部の動作フローを示す図である。 本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークに用いられる無線局の経路制御部の動作フローを示す図である。 本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークにおいて用いられる受信管理テーブルの構成を示す図である。 本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークに用いられる無線局の経路切断判定部の動作フローを示す図である。 本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークに用いられる無線局の経路復旧部の動作フローを示す図である。本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークの通信経路が切断された場合に、経路切り替えを行うための動作フローを示す図である。 本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークの通信経路が切断された場合に、経路切り替えを行うための動作フローを示した図である。 本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークの通信経路が切断された場合に、経路切り替えを行うための動作を示したシーケンス図である。 本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークの通信経路が切断された場合に、経路切り替えを行うための動作を示したシーケンス図である。 本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークの通信経路が切断された場合に、経路切り替えを行うための動作フローを示す図である。 本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークの通信経路が切断された場合に、経路切り替えを行うための動作を示したシーケンス図である。 本発明の実施形態におけるマルチホップ無線ネットワークにおいて用いられる転送要求メッセージの構成を示す図である。

次に、本発明を実施するための最良の形態について、適宜図面を参照しながら詳細な説明を行う。

＜全体構成＞
図１を用いて、マルチホップ無線ネットワークの構成について説明する。当該ネットワークは、例えば、ある一定範囲内に存在する複数のフィールド機器を、複数の無線局を用いて、ネットワーク全体を統括する制御装置から監視，制御を行うことに用いられる。この無線ネットワークは、例えば無線ＬＡＮ（Local Area Network）や無線ＰＡＮに用いられる無線通信技術を用いて実現することが可能である。また、Bluetooth、あるいは、ＺｉｇＢｅｅなどの標準化されたセンサネット技術を用いることができる。

当該ネットワークは、図１に示すように、無線局の制御を行う制御装置１０１、前述制御装置１０１と有線による通信手段により接続される基地局１（１０２）、例えばセンサやアクチュエータなどのフィールド機器１０６、前述フィールド機器１０６と有線通信手段により接続される端局１（１０５）、基地局１（１０２）と端局１（１０５）との間をマルチホップに中継するための中継局１１（１０３），中継局２１（１０４），中継局１２（１０７），中継局２２（１０８）により構成される。前述の有線による通信手段としては、例えばＬＡＮケーブルやＲＳ−２３２といったケーブルを用いて実現が可能である。

基地局１（１０２）と端局との間の通信は２つの経路を用いて行われる。１つは、基地局１（１０２），中継局１１（１０３），中継局２１（１０４），端局１（１０５）から構成される経路であり、もう１つは基地局，中継局１２（１０７），中継局２２（１０８），端局から構成される経路である。２つの経路を用いて通信を行う理由は、２経路に同じデータ部を有する通信フレームを伝送させて通信を行うことにより、片方の経路を用いた通信が切断されたとしても、通信を継続することが可能となるためである。また、図１には中継局を２つ記載しているが、中継局数は２つに限定されない。

＜無線通信局の内部構成＞
当該ネットワークで用いられる無線局の内部構成について、図２を用いて説明する。

必要に応じて適宜、図３〜図９を用いる。無線局は、図１のネットワーク構成に示すように、基地局，中継局，端局と役割ごとに複数の種類があるが、いずれの無線局も同じ構成で実現することが可能である。

無線通信局２００は、有線通信部２１０，無線通信部２２０，情報記憶部２３０とその他の機能部から構成される。

有線通信部２１０は、図１の有線通信手段により接続される基地局，端局において用いられ、無線局と有線通信手段との通信において、送信，受信を行う。無線通信部２２０は、通信フレームの送信を行う送信手段２２１，通信フレームの受信を行う受信手段２２２，アンテナ２２３，送信手段２２１とアンテナ２２３との接続、または、受信手段２２２とアンテナ２２３との接続を行う切り替えスイッチ２２４を有する。

２つのアンテナを備えている理由は、無線通信時の電波干渉を抑えるために、異なる２つの無線局と通信する際に、通信を行う無線局毎に異なる通信周波数チャネルを使用して送受信するためである。

例えば、無線局間の距離が一定程度離れており、無線通信時の電波干渉を考慮しなくても通信が可能である場合には、単一の周波数チャネルを使用することで、無線ネットワークを構成する無線局間の通信を行うことが可能であるため、無線通信部に用いるアンテナは１つとし、送信手段，受信手段ともに同アンテナを使用することが可能である。

また、図２ではアンテナを２つ備えたものとなっているが、通信に使用する所望の周波数帯域用アンテナとして２つ以上の複数のアンテナを備えて、複数のアンテナの内、所望の数のアンテナを選択して用いても構わない。

周波数変更部２２５は、経路切断判定部２５１により経路の切断が発生したことを検出した場合に経路復旧部２５２により通知される、周波数チャネルの変更要求を示す、周波数チャネル情報２３１を受信して、通信に使用する周波数チャネルの変更を行う。

フレーム解析部２５３は、無線通信部の受信手段２２２により受信した通信フレームの解析を行い、自局が保持するルーティングテーブル２３２の情報から、自局が通信の始点となる無線局あるいは通信の終端となる無線局あるいは中継を行う無線局であるか判定を行う。

図１に示すマルチホップ無線ネットワークにおいて、通信を行う際に用いる通信フレームを図３に示す。通信フレーム３２０は、当該通信フレームの始まりを示すフレームヘッダ３２０ａ、当該通信フレームの最終的な送信宛先を示す送信宛先３２０ｂ、当該通信フレームの通信における最初の送信元を示す送信元３２０ｃ、通信フレームの識別ＩＤであるシーケンスＩＤ３２０ｄ，直近の送信宛先を示す３２０ｅ，直近の送信元を示す３２０ｆ，通信データ３２０ｇ，通信フレームの終わりを示すフレームエンド３２０ｈを有する。

ルーティングテーブル２３２は、通信フレーム３２０に記述された当該通信フレームの送信宛先を示す送信宛先３２０ｂ、当該通信フレームの送信元を示す送信元３２０ｃ，直近の送信宛先を示す３２０ｅ，直近の送信元を示す３２０ｆに基づいて、次に送信すべき宛先となる無線局を決定するために用いられる。

ルーティングテーブルについて図４を用いてさらに説明する。ルーティングテーブル４００は、図４に示すように、当該無線局が通信を行う可能性のある無線局に関する、送信宛先４１０，送信元４２０，直近の送信宛先４３０，直近の送信元４４０，経路ＩＤ４５０の情報の組合せから構成される。

フレーム解析部について、図５に示す動作フローも適宜用いて説明する。フレーム解析部２５３は、受信した通信フレームの送信元の情報３２０ｃと直近送信元の情報３２０ｆの比較、および、送信宛先の情報３２０ｂと直近送信宛先の情報３２０ｅの比較を行い、自局が通信の始点となる無線局あるいは通信の終端となる無線局に該当するかの判定を行う（５０５）。前述の判定において、該当の場合は通信フレームを冗長化処理部２５４に送出し、自局が通信の中継を行う無線局に該当する場合には、そのまま経路制御部２５５に送出する。

自局が通信の始点となる無線局に該当する場合、冗長化処理部２５４は送られた通信フレームのデータ部の複製を行い、複製したデータ情報を経路制御部２５４へ送出する。経路制御部について、図６に示す動作フローを適宜用いて説明する。経路制御部２５４において、受信されたデータ情報は、ルーティングテーブル２３２の情報により決まる、２つの通信経路用の経路情報を付加され、通信フレーム２つが生成される（６１９）。

経路情報には、通信宛先３２０ｂ，送信元３２０ｃ，直近の送信宛先３２０ｅ，直近の送信元３２０ｆの情報、さらにフレームヘッダ３２０ａ，シーケンスＩＤ３２０ｄ，フレームエンド３２０ｈが含まれる。生成された２つの通信フレームは、送信手段２２１に対して、送出される（６２０）。

また、自局が通信の終点となる無線局に該当する場合、冗長化処理部２５４は受信手段２２２により受信される同じデータ部を持つ２つの通信フレームの後着のものを破棄する集約処理を行い、経路制御部２５５に送出する。

冗長化処理部２５４は、当該処理部が受信した通信フレームのシーケンスＩＤ、受信の完了情報を受信管理テーブル７００に記録する（図７）。受信管理テーブル７００に、受信した通信フレームのシーケンスＩＤと同じシーケンスＩＤを有する通信フレームの受信が記録されている場合には、当該受信の通信フレームは破棄する。

受信管理テーブルに、受信した通信フレームのシーケンスＩＤと同じシーケンスＩＤを有する通信フレームの受信記録がない場合には、当該受信の通信フレームは、先着の通信フレームであるため、経路制御部２５５により経路情報を付加して通信フレームを生成した（６１０）後、当該通信フレームは有線通信部２１０に送出され、有線により接続される機器に対して送出される（６１０）。

受信管理テーブル２３３は、パケットの到着状況を知るためのテーブルであり、前述のようにフレーム解析部２５３において自無線局が通信の終端の無線局であると判定した場合に、２つ到達する同じシーケンスＩＤを持つ通信フレームの集約や経路の切断判定に用いられる。

受信管理テーブル２３３は、図７の７００に示すように、受信パケットのシーケンスＩＤ７１０，受信経路ごとの受信の合否７１１，通信パケット未達回数７１２，経路切断判定情報７１３が記録される。

通信パケット未達回数７１２は、２つの通信経路を用いた通信における通信の終端となる無線局において、正常に２つの通信経路からの通信フレームが受信されているかの判定に用いられる。

受信経路ごとの受信の合否７１１において１つの経路あるいは２つの経路から通信フレームを受信されなかった場合に、当該回数に１加える。

前述の通信パケット未達回数７１２は、例えば、特定の通信経路から受信される通信フレームがシーケンスＩＤにおいて連続して受信されない場合に、通信フレーム未達回数に１加え、通信フレーム未達回数７１２が、設定された一定のしきい値（図７では例として２回）以上となった場合に経路の切断が発生したと判定することに用いられる。

その場合、経路切断が発生したフラグとして、経路切断判定情報７１３に１を記録する。以上のように、特定の経路を用いた通信が切断されたと判定するため、当該通信パケット未達回数がしきい値以上となった場合に、経路切断判定情報に切断判定を記録する。

当該経路切断判定情報７１３において切断発生が記録された場合には、図８の経路切断判定部の動作フローに示すように、経路切断判定部２５１が、経路復旧部２５２に切断の発生を通知する（８１０）。

切断の発生を受信した経路復旧部２５２は、図９の経路復旧部の動作フローに示すように、周波数チャネル情報２３１を取得し（９１０）、現在の周波数チャネル切断時に変更すべき周波数チャネルの情報、兼、周波数変更要求として周波数チャネル情報を、周波数変更部２２５に対して送出する（９２０）。周波数チャネル情報２３１は、自局と接続される可能性のある無線局と通信を行う際に使用される周波数チャネルを記述した情報である。

＜基本動作＞
図１に示す前述のマルチホップ無線ネットワークにおける制御装置１０１，無線局１１０の電源立ち上げ後に、無線局間の通信を確立する方法について説明する。

基地局１（１０２）は有線通信手段により接続される制御装置１０１から、周波数チャネル情報を取得し、使用する２つの周波数チャネルを設定する。例えば、図１に示す基地局１（１０２）は、周波数チャネルｆ１、周波数チャネルｆ４に設定する。

ここで、周波数チャネルｆｘは、それぞれの使用周波数チャネルを区別するための識別子であり、ｘが使用可能な周波数チャネル数を示すものではない。図１において周波数チャネルの識別子はｆ１２まで記載しているが、使用周波数チャネル数が１２以上確保できなければ、当該マルチホップ無線ネットワークを実現できないということではない（たとえば、ｆ１とｆ７が同じ周波数チャネルでもよい。）。

中継局１１（１０３），中継局１２（１０７）は、電源立ち上げ時に事前に保持しておいた周波数チャネル情報に記載の周波数チャネルに設定し、通信の接続要求信号を送出する。無線局の電源立ち上げ前にネットワークの構成は把握できるため、当該ネットワーク構成に適した周波数チャネル配置を事前に決定することができ、各無線局に当該周波数チャネル情報を持たせて、電源立ち上げ時の周波数チャネルを設定することが可能である。

または、当該マルチホップ無線ネットワークにおいて使用する全周波数チャネルを巡回設定し、接続要求信号を送信して通信を確立することを確認できた周波数チャネルを用いても構わない。

中継局が接続要求信号を送出した周波数チャネルが、基地局の使用する周波数チャネルと同一であれば、基地局は当該接続要求信号を受信することができる。基地局は、受信した接続要求信号の送信元情報をルーティングテーブルの情報と比較し、自局が接続すべき相手であるかの判定を行う。

当該判定において、接続すべき相手であることが確認されると、当該接続要求信号に対する応答である接続要求許可信号を中継局に対して送出する。そうでなければ、基地局は中継局に対して、当該接続要求信号に対する拒否応答である接続要求拒否信号を中継局に対して送出し、当該中継局の送信元情報を接続拒否相手として登録することで、当該中継局から再度受信した通信フレームについては、破棄することができる。

送信元の情報は、たとえば、ＭＡＣアドレス，ＩＰアドレス，種々の通信規格における通信局の識別子により実現される。中継局は、当該接続要求許可信号を受信したことを受けて、基地局との接続確立が完了する。

中継局１１（１０３）と中継局２１（１０４）との間の通信において、中継局１１（１０３）の端局側のアンテナの周波数、中継局２１（１０４）の基地局側のアンテナで使用する周波数はｆ２に設定されているため、前述のように、中継局１１（１０３）は中継局２１（１０４）から受信した接続要求信号に対する、接続要求許可信号を中継局２１（１０４）に対して送出することで中継局１１（１０３）と中継局２１（１０４）との間の通信を確立することができる。

当該ホップにおける通信を確立することができたら、次に中継局２１（１０４）と端局１（１０５）との間の通信を前述の方法により通信を確立する。

また、２経路通信における、もう一方の通信経路である、基地局１（１０２），中継局１２（１０７），中継局２２（１０８），端局１（１０５）の通信経路においても、前述の方法で通信経路の構築を行い、マルチホップ無線ネットワークの通信経路の構築を行うことが可能である。

通信経路の構築後、基地局と端局との間でデータ通信が開始される。基地局１（１０２）が制御装置から、端局１（１０５）に送出すべき通信データを受信し、受信した送信データを端局１（１０５）に対して送信する。２つの通信経路を用いてそれぞれ伝送される通信フレーム２つを生成，送出し、各通信経路において中継局により中継して伝送された後、端局で先着の通信フレームを残して破棄し、端局は所望の通信データの受信を行うことができる。

また、フィールド機器１０６から制御装置宛てのセンサ情報を端局１（１０５）が受信した場合、端局１（１０５）から基地局１（１０２）に対して、データ通信が２つの通信経路を用いて行われ、基地局１（１０２）において通信フレームの集約を行うことで、所望の通信データの受信を行うことができる。

以上のように、データ通信が開始された後で、通信経路の切断が発生した場合に、通信経路の切断を検出し、当該通信において使用していた通信経路とは異なる通信経路に対して、通信経路の切り替えを行うことによって、切断された通信経路の復旧を行う方法について説明を行う。

図１０に、データ通信の開始後、片方の通信経路で通信の切断が発生した際の無線局全体の動作フローを示す。図１０において、無線局が通信パケットを受信（１００１）した場合、通信の終端の無線局であるかの判定を行う（１００２）。

当該無線局が終端の無線局であるかの判定は、図２で示したフレーム解析部２５３で行われる。通信の終端の無線局でないと判定した場合には、通信の始点の無線局であるか、中継を行う無線局であるが、いずれにしても、自局が保持する経路制御部の処理に従い、受信した通信パケットは送信手段に送出される（１０１２）。

そうでなければ、自局が当該通信の終端の無線局であるので、自局が保持する冗長化処理部の処理に従い、受信管理テーブルに受信した当該通信フレームのシーケンスＩＤが記録される。その結果、受信管理テーブルにおいて、経路切断判定情報が更新される（１００４）。

その後、受信管理テーブル内の経路切断判定情報において切断発生が記録されていないか、自局が保持する経路切断判定部における監視により切断判定を行う（１００５）。受信管理テーブルにおいて更新された経路切断判定情報に切断発生が記録されていないことを確認したならば、再び通信パケットを待ち受ける。更新された経路切断判定情報から切断発生の記録が確認されたならば、通信周波数の変更による経路切り替え動作に移る。

自局が当該通信の終端の無線局であると判定した無線局は、切断されたことを検出した通信経路が２つの通信経路の内のどちらであるか、受信管理テーブルを参照することによって、知ることができる。

当該無線局は、通信が切断されていない通信経路も消去法により知ることができるため、切断を受けていない通信経路を使用して、通信の始点となる無線局に対して、周波数変更要求を送出する（１００６）。当該周波数変更要求を送出後、自局の周波数変更を実施する（１００７）。周波数の変更処理は、自局が保持する経路復旧部により開始される。

経路復旧部は、使用する周波数チャネル切断時に変更すべき周波数チャネルの情報が記載された周波数チャネル情報を参照し、周波数チャネルの変更要求を示す、変更する周波数チャネルの情報である周波数チャネル情報を、無線通信部内の周波数変更部に対して送付する。周波数チャネルの情報を受信した当該周波数変更部により、切断された通信経路に属する無線局との通信に使用されていた通信周波数チャネルは変更される。

例えば、図１において、基地局１（１０２）と端局１（１０５）との間の通信に用いられていた、基地局１（１０２），中継局１２（１０７），中継局２２（１０８），端局１（１０５）の通信経路において通信の切断が発生したとすると、基地局１（１０２）で使用していた周波数チャネルｆ４をｆ７、端局１（１０５）で使用していた周波数チャネルｆ６をｆ９へと変更を行うことにより、基地局１（１０２），中継局１３（１１３），中継局２３（１１４），端局１（１０５）から構成される通信経路へと経路切り替えが行われる。

通信の終点となる無線局において、経路切り替えにより通信パスが変更されたために新規のルーティングテーブルを配布し、また、当該ルーティングテーブルの受信により通信経路の切り替えが行われたかの確認ができるように、通信の始点の無線局は周波数切り替えを完了後、通信の終点の無線局から受信応答があるまで、一定周期で周波数切り替え完了信号を意味する新規のルーティングテーブルを、通信の終点の無線局に対して送出し続ける。

当該ルーティングテーブル、兼、周波数切り替え完了信号を、通信の終点の無線局が受信することによって、通信が切断された経路の切り替え動作が完了する（１００８）。

図１１には、図１のマルチホップ無線ネットワークを用いて、図１０で説明した復旧動作を行った場合のシーケンス図を示している。図１において基地局１（１０２），中継局１１（１０３），中継局２１（１０４），中継局１２（１０７），中継局２２（１０８），端局１（１０５）から構成される２つの通信経路を用いて、基地局１（１０２）と端局１（１０５）間で通信を行われており、基地局１（１０２）から端局１（１０５）に対する方向への通信フレームの送信中に、中継局１２（１０７），中継局２２（１０８）が属する通信経路において通信の切断が発生した場合を示している。

当該通信の終点の無線局である端局１（１０５）は、自局が備える経路切断判定部により経路の切断が発生したことを検知し（１１０１）、通信の切断が発生していない通信経路である基地局１（１０２），中継局１１（１０３），中継局２１（１０４），端局１（１０５）から構成される通信経路を用いて周波数変更要求１１１０を送出する。

そして、経路の切断を通信の始点の無線局である基地局１（１０２）に対して報告する。その後、端局１（１０５）は、自局が通信の切断を受けた通信経路に属する無線局との通信に使用していた通信周波数の変更を行う（１１０２）。

周波数チャネルの変更１１０２を行った後、通信の終点である端局１（１０５）は、通信の始点の無線局が周波数チャネルの変更を行った結果送信される、周波数切り替え完了信号１１２０を待ち受ける。

一方、周波数変更要求１１１０を受信した基地局１（１０２）は、自局が保持する経路復旧部により、使用する周波数チャネルを、通信が切断された通信経路に属する無線局である中継局１２（１０７）との通信に使用していた周波数チャネルから、自局が保持する周波数チャネル情報を参照して、周波数チャネルの変更を行う（１１０５）。

そして、周波数チャネルの変更の完了通知、兼、経路切り替え後のネットワークにおける新規のルーティングテーブルを送付するため、当該通信の終端の無線局である端局に対して、周波数切り替え完了信号１１２０を送出する。

当該周波数切り替え完了信号１１２０を受信した、当該通信の終端の無線局である端局１（１０５）は、当該通信の始点の無線局である基地局１（１０２）に対して、周波数切り替え完了確認信号１１３０を送出する。基地局１（１０２）は、端局１（１０５）から送出される周波数切り替え完了確認信号１１３０の受信を確認することで経路切り替えの完了を確認する（１１０６）。

＜経路切り替え後の周波数チャネル情報のメンテナンス＞
以上により、無線局が使用する周波数チャネル情報が変更を行い、通信経路の経路切り替えが行われる。当該変更後、無線局が保持する周波数チャネル情報は最新の周波数チャネル使用状況に即したものとなっていない可能性がある。

そのため、無線局の統括を行う制御装置により管理される最新の周波数チャネル情報を更新する必要がある。

周波数の変更情報を、当該通信の始点の無線局である基地局は、端局の変更した周波数チャネル情報と、自局が変更した周波数チャネル情報とを合わせた周波数チャネル変更情報を、制御装置に対して送出する（図１１の１１０７）。受信した制御装置は、自身が管理する無線局の周波数チャネル情報の変更箇所の修正を行い、周波数チャネル情報の更新を行う（図示なし）。

データ通信の始点となる通信局が端局１（１０５）、終点となる通信局が基地局の場合の経路切り替え動作を示した動作フローを図１２に記す。基地局１（１０２）で経路切断通知後、周波数チャネルの切り替え要求を示す、ルーティングテーブル１２１０を通知し、基地局１（１０２）は自局の周波数チャネルの変更を行い、端局１（１０５）の周波数切り替え要求応答１２３０を待ち受ける。

一方、基地局１（１０２）から周波数切り替え要求１２１０を受信した端局１（１０５）は、基地局１（１０２）に対して、周波数切り替え要求応答１２３０を送信する。基地局１（１０２）は、端局１（１０５）から周波数切り替え要求応答１２３０を受信することによって、当該通信の始点となる無線局における周波数切り替え処理と終点となる無線局における周波数切り替え処理が無事に行われたことを確認することができ、周波数切り替え処理を終了する。

そして基地局１（１０２）は制御装置に対して、基地局１（１０２）と端局１（１０５）における使用周波数の変更情報１２０７を通知する。使用周波数の変更情報１２０７を受信した制御装置は、自身が保持する周波数チャネル情報が最新のものとなるように更新するため、周波数チャネル情報における基地局１（１０２）と端局１（１０５）の該当の周波数チャネル情報について修正を行う。

＜他基地局によるデータ転送＞
前述の経路切り替え方法において、基地局と代替経路に属する中継局との接続が一定時間経過後に完了しておらず、代替経路に属する中継局から端局までの接続が完了している場合、基地局と代替経路に属する中継局との通信の代わりに、代替経路に属する基地局と同経路に属する中継局間の通信ホップを使用し、当該代替経路に属する基地局から、所望の基地局に代理で転送させることで、２経路通信を復旧する経路切り替え方法について、図１３に示す動作フローチャートを用いて説明する。

図１３の動作フローチャートにおける１３０１において、通信の始点の無線局から切り替え先の通信経路を用いて通信フレームが受信されるまで待機する。しかし、一定時間を経過しても受信されない場合、基地局と代替経路の中継局間において、周波数切り替えが成功していないことが考えられる。

このとき、端局と代替経路の中継局間での周波数切り替えが成功していれば、代替経路の中継局に転送要求メッセージを送出する（１３０２）ことにより、代替経路の中継局に転送通信パスとなっていることを認識させ、代替経路の中継局から代替経路の基地局を経て所望の通信経路の基地局に対して通信パスを確立し、２経路通信を復旧させることが可能である。

転送要求メッセージを中継局に通知したにもかかわらず、代替経路から通信フレームの受信が確認されない場合には、代替経路において、通信障害が発生していることが考えられるため、再度周波数変更要求を通信の始点となる無線局に対して周波数変更要求を送出し、再度経路切り替えを試みる（１３１０）。

図１４に前述の通信動作の詳細について示す。端局１（１０５）が周波数切り替え１４５０を実施後、一定の待機時間を経過してもルーティングテーブルの配布がなされないことを確認する（１４５３）と、中継局１０３と基地局１０２との周波数切り替えが成功しなかった場合に用いる転送要求メッセージ１５００を通知する（１４５２）ことで転送経路に該当することを認識した通信経路を用いることにより、ルーティングテーブルの配布を行い（１４５４）、ルーティングテーブル受信応答を１４５５により行う。

図１５に転送要求メッセージ１５００を示す。転送要求メッセージは、当該メッセージを受信した無線局に対して、本来自局の通信経路ではない無線局との通信を行うことを通知するものである。

以上では、端局１（１０５）で経路切断を検知する構成としたが、例えば、各中継局１１（１０３），１２（１０７），２１（１０４），２２（１０８）が所定時間毎（例えば２sec毎）に通信に異常がないかを確認するための通信を通信経路の両となりと行うことによって経路切断を検知する構成としても良い。この場合、例えば、３回リトライしてもアクノレッジ応答がなければ中継局の異常と判断できる。

例えば、中継局１２（１０７）が中継局２２（１０８）との間で通信経路切断を検知した場合に、中継局１２（１０７）−中継局２３（１１４）−端局１（１０５）の経路と変更しても良い。

この場合、中継局１２（１０７）は周波数をｆ８に変更する。一方、端局１（１０５）には、基地局１（１０２）−中継局１１（１０３）−中継局２１（１０４）−端局１（１０５）の経局を介して、端局１（１０５）の通信相手が中継局２２（１０８）から中継局２３（１１４）に変更され、周波数をｆ９に変更するよう指示情報を送信する。この指示情報によって端局１（１０５）は通信周波数を変更する。

この端局１（１０５）に対する通信周波数の変更を指示する指示情報は、中継局１２（１０７）が作成して送信しても良いし、また、中継局１２（１０７）が中継局２２（１０８）との間で経路切断が生じたことを基地局１（１０２）を介して制御装置１０１に送信して、この情報に基づいて制御装置１０１が生成して基地局１（１０２）を介して送信するようにしても良い。

また、変更した通信周波数の情報は、例えば基地局といった特定の無線局に送信して各通信局間で使用される通信周波数の情報を集約しておいてもよい。この理由は、変更した通信周波数が周囲で使用する通信周波数と重複していた場合、通信における干渉を受ける可能性があるためである。当該の集約された通信周波数の情報をもとに通信周波数の割り当てを最適化することができる。すなわち、例えば、個々の無線局間で周波数を変える場合、周囲の通信周波数との重複に注意して干渉の少ない通信周波数を選ぶ。

ここで、中継局１２（１０７）が中継局２２（１０８）との間で通信経路切断を検知した場合に、中継局１２（１０７）が中継局２２（１０８）との間で通信が継続できるように、中継局１２（１０７）と中継局２２（１０８）との間の周波数チャネルを周波数チャネルｆ２から他の周波数チャネルに切り替えても良い。このように経路切り替え（あるいは無線通信ルートの変更等とも称する）とは、中継局を変更することのみならず、中継局をそのままにして、その変更しない中継局の周波数チャネルを切り替えることを含む概念と規定する。

当該転送要求メッセージを受信した無線局は、自身が保持するルーティングテーブルに対して、転送要求メッセージ１５００に記載の転送元１５００ｆから受信した通信フレームは転送宛先１５００ｅに対してルーティングするように、新たにルーティング情報の追記を行う。そして、ルーティングテーブル受信応答を受信した基地局１１２は、本来の端局１（１０５）の通信相手である基地局１（１０２）に対して、ルーティングテーブル受信応答１４５６を転送する。

また、基地局１１２は、制御装置に対してもルーティングテーブル受信応答１４５７を転送することで、制御装置は、端局１（１０５）から基地局１（１０２）への通信経路の１つが、端局１（１０５），中継局２３（１１４），中継局１３（１１３），基地局２（１１２），有線通信手段，基地局１（１０２）で構成される通信経路となったことを認識することができ、２つの通信経路を用いたデータ通信を継続することが可能となる。

経路切り替えでは、異なる２つの無線局間で通信において、当該通信を中継する複数の無線局と前述の２つの無線局から構成される通信経路を複数用いて、同じデータ部を持つ通信フレームを複数の経路に送出して、並列にデータ通信を行う多重マルチホップ通信を行う。

以上説明したとおり、本実施例では、通信の終端となる無線局で通信の切断を検出し、切断を受けていない通信経路を用いて、通信の始点となる無線局に対して、切断情報の通知を行う。切断の発生を検知した通信の始点となる無線局及び通信の終点となる無線局は、通信の切断を受けた通信経路を構成する無線局との通信に使用していた周波数の変更を行うことで、当該データ通信に用いられた通信経路とは別の通信経路に対して経路切り替えを行う。

このように、通信の信頼性確保のために２経路冗長通信を行う、マルチホップ無線ネットワークにおいて、通信経路の切断が発生した場合、一意に定まる通信経路を用いて、通信の切断通知、兼、経路切り替え要求である周波数切り替え要求を送出することによって経路の切り替えを行うために、経路切り替え時間の推定が容易となり、一定時間内に処理を完了させるリアルタイム性を確保した経路切り替えを行うことが可能となる。

１０１ 制御装置
１０２ 基地局１
１０３ 中継局１１
１０４ 中継局２１
１０５ 端局１
１０６ フィールド機器（センサ、アクチュエータ）
１０７ 中継局１２
１０８ 中継局２２
２００ 無線通信局
２２０ 無線通信部
２３０ 情報記憶部
２３２ ルーティングテーブル
２３３ 受信管理テーブル
２５１ 経路切断判定部
２５２ 経路復旧部
２５３ フレーム解析部
２５５ 経路制御部

Claims (10)

1. 第１のノードと第２のノードとの間で、第１の無線通信ルートを介して通信すると共に、前記第１の無線通信ルートの中継ノードとは異なる中継ノードを少なくとも一部に含む第２の無線通信ルートを介して通信するように構成される無線通信システムにおいて、
   前記第１の無線通信ルートと前記第２の無線通信ルートの一方に通信異常が生じたことを、前記第１のノードと前記第２のノードの一方のノードが検知すると、
   前記一方のノードは、前記一方の無線通信ルートで用いる周波数チャネルを変更するための第一の指示情報を、他方の無線通信ルートを介して他方のノードへ送信するとともに、前記一方の無線通信ルートで用いる周波数チャネルを変更し、
   前記他方のノードは、前記第一の指示情報を受信すると、前記一方の無線通信ルートで用いる周波数チャネルを変更し、周波数チャネルを変更したことを示す第二の指示情報を、変更後の周波数チャネルを用いる新たな無線通信ルートを介して前記一方のノードへ送信し、
   前記一方のノードは、前記第二の指示情報の受信を確認して、前記無線通信ルートに関する情報が規定されたルーティングテーブルを更新することを特徴とする無線通信システム。
2. 請求項１において、前記第一の指示情報は、
   前記第１のノードと前記第２のノードの一方が、前記通信異常が生じた前記無線通信ルートを構成する中継ノードとは異なる中継ノードに通信するように指示するものであり、
   前記第二の指示情報は、前記第１のノードと前記第２のノードの他方が、前記通信異常が生じた前記無線通信ルートを構成する中継ノードとは異なる中継ノードに通信するように指示するものであることを特徴とする無線通信システム。
3. 請求項１において、前記変更後の無線通信ルートが予め決められており、前記通信異常が生じた場合に、前記予め決められた無線通信ルートとなるように、前記第１の指示情報及び前記第２の指示情報が生成されることを特徴とする無線通信システム。
4. 請求項３において、前記第１のノード及び前記第２のノードは前記ルーティングテーブルを有し、前記ルーティングテーブルには各々の中継ノードについて次に無線送信するノードを規定され、中継ルート変更に際して、前記ルーティングテーブルのうち、
   所定の中継ノードの次に無線送信するノードの情報を変更することを特徴とする無線通信システム。
5. 請求項１において、前記第１のルートと前記第２のルートの両方にデータが送信され、
   前記データのいずれかが受信されない場合に、前記中継ルート変更を行うことを特徴とする無線通信システム。
6. 請求項５において、前記第１のノードから前記データが送信され、前記第２のノードが前記データを受信し、前記第２のノードで前記通信異常を判断し、前記第１のノードに対して、前記第２の指示情報を送信することを特徴とする無線通信システム。
7. 請求項６において、前記ルーティングテーブルは前記周波数を含んで前記ルートを管理しており、前記中継ノードを変更すると、前記ルーティングテーブルを書き換えることを特徴とする無線通信システム。
8. 請求項１において制御装置に接続される複数の基地局を有し、前記基地局の各々が複数の無線通信ルートを介して対応する終端局に通信可能に構成され、前記通信異常が生じた場合に、異なる基地局を介して、対応する終端局に通信することを特徴とする無線通信システム。
9. 第１のノードと第２のノードとの間で、第１の無線通信ルートを介して通信すると共に、前記第１の無線通信ルートの中継ノードとは異なる中継ノードを少なくとも一部に含む第２の無線通信ルートを介して通信するように構成される無線通信システムの障害を制御する無線通信装置において、
   前記第１の無線通信ルートと前記第２の無線通信ルートの一方に通信異常が生じたことを、前記第１のノードと前記第２のノードの一方のノードが検知すると、
   前記一方のノードは、前記一方の無線通信ルートで用いる周波数チャネルを変更するための第一の指示情報を、他方の無線通信ルートを介して他方のノードへ送信するとともに、前記一方の無線通信ルートで用いる周波数チャネルを変更し、
   前記他方のノードは、前記第一の指示情報を受信すると、前記一方の無線通信ルートで用いる周波数チャネルを変更し、周波数チャネルを変更したことを示す第二の指示情報を、変更後の周波数チャネルを用いる新たな無線通信ルートを介して前記一方のノードへ送信し、
   前記一方のノードは、前記第二の指示情報の受信を確認して、前記無線通信ルートに関する情報が規定されたルーティングテーブルを更新することを特徴とする無線通信装置。
10. 第１のノードと第２のノードとの間で、第１の無線通信ルートを介した通信を制御すると共に、前記第１の無線通信ルートの中継ノードとは異なる中継ノードを少なくとも一部に含む第２の無線通信ルートを介した通信を制御する無線通信方法において、
    前記第１の無線通信ルートと前記第２の無線通信ルートの一方に通信異常が生じたことを、前記第１のノードと前記第２のノードの一方のノードが検知すると、
    前記一方のノードは、前記一方の無線通信ルートで用いる周波数チャネルを変更するための第一の指示情報を、他方の無線通信ルートを介して他方のノードへ送信するとともに、前記一方の無線通信ルートで用いる周波数チャネルを変更し、
    前記他方のノードは、前記第一の指示情報を受信すると、前記一方の無線通信ルートで用いる周波数チャネルを変更し、周波数チャネルを変更したことを示す第二の指示情報を、変更後の周波数チャネルを用いる新たな無線通信ルートを介して前記一方のノードへ送信し、
    前記一方のノードは、前記第二の指示情報の受信を確認して、前記無線通信ルートに関する情報が規定されたルーティングテーブルを更新する無線通信方法。

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