(57)【要約】【課題】無線ノードの時刻同期ネットワークと無線ノードを提供する。【解決手段】無線ネットワークは、マスタノードと無線通信して第１のスレーブ周波数で送信するチューナブルＲＦ送信機と、マスタノードと無線通信して第２のスレーブ周波数で受信するチューナブルＲＦ受信機と、第１及び第２のスレーブ周波数を決定して同調させるためにＲＦ発振器周波数をＲＦ受信機及びＲＦ送信機に伝達するＲＦ発振器とを含む。ＲＦ発振器は、時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含む較正情報を基準ノードから受信するように構成される。ＲＦ発振器のＲＦ発振器周波数は、基準ノードからの較正情報に基づいて同調されて、同調されたＲＦ発振器周波数でスレーブノードとマスタノードとの間の通信を可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスタクロックを使用してマスタ周波数を生成し、生成した前記マスタ周波数で送信するように構成されたマスタ無線周波（ＲＦ）送信機を備えるマスタノードと、
スレーブノードと、を備え、
前記スレーブノードは、
前記マスタノードと無線通信し、スレーブ周波数で受信するように構成されたチューナブルＲＦ受信機と、
前記チューナブルＲＦ受信機と通信するように構成されたＲＦ発振器であって、前記チューナブルＲＦ受信機にＲＦ発振器周波数を伝達して、前記スレーブ周波数を決定して同調させるように構成されたＲＦ発振器と、
前記チューナブルＲＦ受信機と通信するように構成された信号プロセッサと、を備え、
前記信号プロセッサは、あらかじめ定められたサーチ周波数帯域内で前記チューナブルＲＦ受信機の前記スレーブ周波数を同調させることによって前記マスタノードからの信号の受信を探索して初期検出マスタ周波数を提供するように前記チューナブルＲＦ受信機に指示するように更に構成され、
前記信号プロセッサは、前記マスタノードから前記初期検出マスタ周波数で較正信号を受信するように前記チューナブルＲＦ受信機に指示するように更に構成され、前記較正信号は時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含んでおり、
前記信号プロセッサは、前記較正信号からの情報と前記ＲＦ発振器からの対応する信号とを比較して、前記較正信号に対する前記ＲＦ発振器周波数の周波数誤差を提供することにより、前記ＲＦ発振器周波数を前記マスタ周波数に同調させて、前記スレーブノードと前記マスタノードとの間の前記同調されたＲＦ発振器周波数での通信を可能にするように更に構成される無線ネットワーク。
【請求項２】
前記マスタクロックは、水晶又は微小電気機械システム（ＭＥＭｓ）発振器を備える請求項１に記載の無線ネットワーク。
【請求項３】
前記ＲＦ発振器は、弛張発振回路とＬＣ回路の少なくとも一方又は両方を備える請求項１に記載の無線ネットワーク。
【請求項４】
前記チューナブルＲＦ受信機と前記ＲＦ発振器は、１つの半導体ダイ上のシングル・チップ半導体デバイスとして構成される請求項１から請求項３までのいずれかに記載の無線ネットワーク。
【請求項５】
前記シングル・チップ半導体デバイスは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）デバイスである請求項４に記載の無線ネットワーク。
【請求項６】
前記スレーブノードは、前記前記チューナブルＲＦ受信機に電気的に接続されたアンテナを更に備える請求項４に記載の無線ネットワーク。
【請求項７】
前記アンテナが、前記１つの半導体ダイ上の前記シングル・チップ半導体デバイス上に設けられた請求項６に記載の無線ネットワーク。
【請求項８】
前記スレーブノードが、前記チューナブルＲＦ受信機及び前記ＲＦ発振器に電気的に接続されて前記スレーブノードに電力を供給するための電気エネルギー源を更に備える請求項１から請求項７までのいずれかに記載の無線ネットワーク。
【請求項９】
前記電気エネルギー源は、前記１つの半導体ダイ上の前記シングル・チップ半導体デバイス上における更なる構成物である請求項８に記載の無線ネットワーク。
【請求項１０】
前記電気エネルギー源は、前記スレーブノードのローカル環境からエネルギーを抽出するエネルギー捕集構造を備える請求項９に記載の無線ネットワーク。
【請求項１１】
前記エネルギー捕集構造は光起電力セルである請求項１０に記載の無線ネットワーク。
【請求項１２】
前記スレーブノードは、前記電気エネルギー源に電気的に接続されたエネルギー蓄積構造を更に備える請求項８に記載の無線ネットワーク。
【請求項１３】
前記エネルギー蓄積構造は電池である請求項１２に記載の無線ネットワーク。
【請求項１４】
前記スレーブノードは、前記電気エネルギー源に電気的に接続されたエネルギー蓄積構造を更に備え、前記エネルギー蓄積構造は、前記シングル・チップ半導体デバイス上に印刷された薄膜電池である請求項８に記載の無線ネットワーク。
【請求項１５】
前記マスタ周波数で受信するように構成されたマスタＲＦ受信機を更に備える請求項１に記載の無線ネットワーク。
【請求項１６】
前記同調されたＲＦ発振器周波数を記憶するために前記信号プロセッサと通信するように構成されたメモリデバイスを更に備える請求項１に記載の無線ネットワーク。
【請求項１７】
前記マスタノードと無線通信し、スレーブ周波数で送信するように構成されたチューナブルＲＦ送信機を更に備える請求項１に記載の無線ネットワーク。
【請求項１８】
前記チューナブルＲＦ受信機の前記スレーブ周波数が、前記チューナブルＲＦ送信機の前記スレーブ周波数と実質的に同一である請求項１７に記載の無線ネットワーク。
【請求項１９】
前記ＲＦ発振器は、前記チューナブルＲＦ受信機と通信するように構成された第１のＲＦ発振器と、前記チューナブルＲＦ送信機と通信するように構成された第２のＲＦ発振器と、を備え、前記第１及び第２のＲＦ発振器は、前記チューナブルＲＦ受信機の前記スレーブ周波数と前記チューナブルＲＦ送信機の前記スレーブ周波数とを決定して同調させるために、前記チューナブルＲＦ送信機と前記チューナブルＲＦ受信機とに周波数情報を伝達するように構成される請求項１８に記載の無線ネットワーク。
【請求項２０】
前記信号プロセッサは、前記初期検出マスタ周波数よりも前記マスタ周波数により密接に一致する通信用周波数を計算するために、前記マスタノードからの前記較正信号からの情報と、前記ＲＦ発振器からの対応する信号とを比較することにより、前記ＲＦ発振器の周波数誤差を計算するように更に構成される請求項１に記載の無線ネットワーク。
【請求項２１】
前記スレーブノードは、前記チューナブルＲＦ受信機と通信して前記チューナブルＲＦ受信機にタイミング情報を提供するように構成されたローカルクロックを更に備える請求項１に記載の無線ネットワーク。
【請求項２２】
前記ローカルクロックは、前記マスタノードから較正信号を受信するように構成されており、前記較正信号は、前記ローカルクロックを前記マスタノードの前記マスタクロックに同調させるために、時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含む請求項２１に記載の無線ネットワーク。
【請求項２３】
前記ローカルクロックは、前記ＲＦ発振器の前記ＲＦ発振器周波数よりも低い周波数を有する低周波発振器を備える請求項２１に記載の無線ネットワーク。
【請求項２４】
前記較正信号は、前記マスタノードから前記スレーブノードに２つの異なる時点で送信される少なくとも２つのビーコン信号を含む請求項１に記載の無線ネットワーク。
【請求項２５】
マスタ周波数で送信するように構成されたマスタノードと無線通信し、スレーブ周波数で受信するように構成されたチューナブル無線周波（ＲＦ）受信機と、
前記チューナブルＲＦ受信機と通信するように構成されたＲＦ発振器であって、前記チューナブルＲＦ受信機にＲＦ発振器周波数を伝達して、前記スレーブ周波数を決定して同調させるように構成されたＲＦ発振器と、
前記チューナブルＲＦ受信機と通信するように構成された信号プロセッサと、を備え、
前記信号プロセッサは、あらかじめ定められたサーチ周波数帯域内で前記チューナブルＲＦ受信機の前記スレーブ周波数を同調させることによって前記マスタノードからの信号の受信を探索して初期検出マスタ周波数を提供するように前記チューナブルＲＦ受信機に指示するように更に構成され、
前記信号プロセッサは、前記マスタノードから前記初期検出マスタ周波数で較正信号を受信するように前記チューナブルＲＦ受信機に指示するように更に構成され、前記較正信号は時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含んでおり、
前記信号プロセッサは、前記較正信号からの情報と前記ＲＦ発振器からの対応する信号とを比較して、前記較正信号に対する前記ＲＦ発振器周波数の周波数誤差を提供することにより、前記ＲＦ発振器周波数を前記マスタノードの周波数に同調させて、前記スレーブノードと前記マスタノードとの間の前記同調されたＲＦ発振器周波数での通信を可能にするように更に構成される、無線ネットワークシステム用の無線スレーブノード。
【請求項２６】
前記ＲＦ発振器は、弛張発振回路とＬＣ回路の少なくとも一方又は両方を備える請求項２５に記載の無線スレーブノード。
【請求項２７】
前記チューナブルＲＦ受信機と前記ＲＦ発振器は、１つの半導体ダイ上のシングル・チップ半導体デバイスとして構成される請求項２５又は請求項２６に記載の無線スレーブノード。
【請求項２８】
前記シングル・チップ半導体デバイスは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）デバイスである請求項２７に記載の無線スレーブノード。
【請求項２９】
前記スレーブノードは、前記前記チューナブルＲＦ受信機に電気的に接続されたアンテナを更に備える請求項２７に記載の無線スレーブノード。
【請求項３０】
前記アンテナが、前記１つの半導体ダイ上の前記シングル・チップ半導体デバイス上に設けられた請求項２９に記載の無線スレーブノード。
【請求項３１】
前記スレーブノードが、前記チューナブルＲＦ受信機及び前記ＲＦ発振器に電気的に接続されて前記スレーブノードに電力を供給するための電気エネルギー源を更に備える請求項２５から請求項３０までのいずれかに記載の無線スレーブノード。
【請求項３２】
前記電気エネルギー源は、前記１つの半導体ダイ上の前記シングル・チップ半導体デバイス上における更なる構成物である請求項３１に記載の無線スレーブノード。
【請求項３３】
前記電気エネルギー源は、前記無線スレーブノードのローカル環境からエネルギーを抽出するエネルギー捕集構造を備える請求項３２に記載の無線スレーブノード。
【請求項３４】
前記エネルギー捕集構造は光起電力セルである請求項３３に記載の無線スレーブノード。
【請求項３５】
前記電気エネルギー源に電気的に接続されたエネルギー蓄積構造を更に備える請求項３１に記載の無線スレーブノード。
【請求項３６】
前記エネルギー蓄積構造は電池である請求項３５に記載の無線スレーブノード。
【請求項３７】
前記電気エネルギー源に電気的に接続されたエネルギー蓄積構造を更に備え、前記エネルギー蓄積構造は、前記シングル・チップ半導体デバイス上に印刷された薄膜電池である請求項３１に記載の無線スレーブノード。
【請求項３８】
前記同調されたＲＦ発振器周波数を記憶するために前記信号プロセッサと通信するように構成されたメモリデバイスを更に備える請求項２５に記載の無線スレーブノード。
【請求項３９】
前記マスタノードと無線通信し、スレーブ周波数で送信するように構成されたチューナブルＲＦ送信機を更に備える請求項２５に記載の無線スレーブノード。
【請求項４０】
前記チューナブルＲＦ受信機の前記スレーブ周波数が、前記チューナブルＲＦ送信機の前記スレーブ周波数と実質的に同一である請求項３９に記載の無線スレーブノード。
【請求項４１】
前記ＲＦ発振器は、前記チューナブルＲＦ受信機と通信するように構成された第１のＲＦ発振器と、前記チューナブルＲＦ送信機と通信するように構成された第２のＲＦ発振器と、を備え、前記第１及び第２のＲＦ発振器は、前記チューナブルＲＦ受信機の前記スレーブ周波数と前記チューナブルＲＦ送信機の前記スレーブ周波数とを決定して同調させるために、前記チューナブルＲＦ送信機と前記チューナブルＲＦ受信機とに周波数情報を伝達するように構成される請求項４０に記載の無線スレーブノード。
【請求項４２】
前記信号プロセッサは、前記初期検出マスタ周波数よりも前記マスタ周波数により密接に一致する通信用周波数を計算するために、前記マスタノードからの前記較正信号からの情報と、前記ＲＦ発振器からの対応する信号とを比較することにより、前記ＲＦ発振器の周波数誤差を計算するように更に構成される請求項２５に記載の無線スレーブノード。
【請求項４３】
前記スレーブノードは、前記チューナブルＲＦ受信機と通信して前記チューナブルＲＦ受信機にタイミング情報を提供するように構成されたローカルクロックを更に備える請求項２５に記載の無線スレーブノード。
【請求項４４】
前記ローカルクロックは、前記マスタノードから較正信号を受信するように構成されており、前記較正信号は、前記ローカルクロックを前記マスタノードのマスタクロックに同調させるために、時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含む請求項４３に記載の無線スレーブノード。
【請求項４５】
前記ローカルクロックは、前記ＲＦ発振器の前記ＲＦ発振器周波数よりも低い周波数を有する低周波発振器を備える請求項４３に記載の無線スレーブノード。
【請求項４６】
前記較正信号は、前記マスタノードから前記スレーブノードに２つの異なる時点で送信される少なくとも２つのビーコン信号を含む請求項２５に記載の無線スレーブノード。
【請求項４７】
マスタノードと無線通信し、第１のスレーブ周波数で送信するように構成されたチューナブルＲＦ送信機と、
前記マスタノードと無線通信し、第２のスレーブ周波数で受信するように構成されたチューナブルＲＦ受信機と、
前記チューナブルＲＦ受信機及び前記チューナブルＲＦ送信機と通信するように構成されたＲＦ発振器であって、前記チューナブルＲＦ送信機及び前記チューナブルＲＦ受信機にＲＦ発振器周波数を伝達して、前記第１及び第２の前記スレーブ周波数を決定して同調させるように構成されたＲＦ発振器と、
前記ＲＦ発振器は、時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を備える較正情報を基準ノードから受信するように構成され、前記ＲＦ発振器の前記ＲＦ発振器周波数が前記基準ノードからの前記較正情報に基づいて同調されて、前記スレーブノードと前記マスタノードとの間の前記同調されたＲＦ発振器周波数での通信を可能にするように構成される、無線ネットワークシステム用の無線スレーブノード。
【請求項４８】
前記基準ノードからの前記較正情報は、前記マスタノードからの較正情報、ＧＰＳ信号からの較正情報、移動セルラ信号からの較正情報、ＦＭラジオ信号からの較正情報、テレビ信号からの較正情報、原子時計信号からの較正情報、又はそれらの任意の組合せを含む請求項４７に記載の無線スレーブノード。
【請求項４９】
前記第１のスレーブ周波数が、前記第２のスレーブ周波数と実質的に同一である請求項４８に記載の無線スレーブノード。
【請求項５０】
スレーブノードの通信周波数をマスタノードの通信周波数に同調させる方法であって、前記マスタノードはマスタ周波数で送信するように構成されたマスタ無線周波（ＲＦ）送信機を備え、前記マスタ周波数はマスタクロックを使用して前記マスタノードによって生成され、
前記方法は、
前記スレーブノードによって、あらかじめ定められたサーチ周波数帯域内で前記スレーブノードのチューナブルＲＦ受信機のスレーブ周波数を同調させることによって前記マスタノードからの信号の受信を探索し、初期検出マスタ周波数を提供するステップであって、前記スレーブ周波数は、前記スレーブノードにおけるＲＦ発振器により提供されるＲＦ周波数に対応したステップと、
前記スレーブノードによって、前記マスタノードから前記初期検出マスタ周波数で較正信号を受信するステップであって、前記較正信号は時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含むステップと、
前記スレーブノードによって、時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含む前記較正信号と前記スレーブ周波数との間の周波数誤差を決定するステップと、
前記スレーブノードによって、前記周波数誤差に基づいて前記スレーブ周波数を前記マスタノードの周波数に同調させて、前記スレーブノードと前記マスタノードとの間の前記同調されたスレーブ周波数での通信を可能にするステップと、を備える方法。
【請求項５１】
前記較正信号と前記スレーブ周波数との間の前記周波数誤差を決定するステップは、前記初期検出マスタ周波数よりも前記マスタ周波数により密接に一致する通信用周波数を計算するために、前記マスタノードからの前記較正信号からの情報と、前記ＲＦ発振器からの対応する信号とを比較することにより、前記ＲＦ発振器の周波数誤差を計算するステップを備える請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記スレーブ周波数を前記マスタノードの周波数に同調させるステップは、前記較正信号と前記スレーブ周波数との間の前記周波数誤差を補正するステップを備える請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
マスタノードからＲＦ較正情報を送信するステップと、
あらかじめ選択された周波数帯域内でスレーブノードのＲＦ受信機を同調させて、前記マスタノードから前記ＲＦ較正情報を受信するステップと、
前記マスタノードからの前記ＲＦ較正情報を使用して前記スレーブノードのＲＦ送信機を同調させるステップと、
前記ＲＦ送信機を同調させるステップに続いて前記スレーブノードからローカル情報を送信するステップであって、少なくとも前記マスタノード又は少なくとも１つの他のスレーブノードが前記ローカル情報を受信することができるようにするステップと、を備え、
前記スレーブノードの前記ＲＦ送信機を同調させるステップは、前記スレーブノードのＲＦ発振器を同調させるステップを備える、無線ネットワークを介して通信する方法。
【請求項５４】
前記マスタノードから前記ＲＦ較正情報を受信するために、前記あらかじめ選択された周波数帯域内で第２のスレーブノードのＲＦ受信機を同調させるステップであって、前記第２のスレーブノードの前記ＲＦ送信機を同調させるステップは、前記第２のスレーブノードのＲＦ発振器を同調させるステップであるステップと、
前記対応するＲＦ送信機を同調させるステップに続いて、前記第１に述べたスレーブノード又は前記第２のスレーブノードのうちの少なくとも１つからローカル情報を送信するステップであって、ローカル情報がそれらの間で送信されるようにするステップと、を更に備える請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記ＲＦ発振器を同調させるステップは、前記マスタノードからの前記ＲＦ較正情報に基づいて前記ＲＦ発振器の周波数を同調させて、少なくとも前記スレーブノードと前記マスタノードとの間の前記同調されたＲＦ発振器周波数での通信を可能にするステップを備える請求項５３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年２月２６日に出願された米国仮出願第６２／３００，６４６の優先権利益を主張し、その開示内容は参照によりその全体が本出願に組み込まれる。本出願は、「Crystal Free Radio」という発明の名称で２０１６年５月９日に出願された米国仮出願第６２／３３３，５０６に関するものであり、その開示内容も参照によりその全体が本出願に組み込まれる。背景技術及び発明を実施するための形態の欄を含む本明細書に引用される全ての文献は、参照によりそれぞれが個々に本出願に組み込まれる。
【０００２】
政府支援の声明
本発明は、アメリカ国防高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）によって授与された助成金ＨＲ００１１−１４−２−０００１号による政府援助によって成された。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
１．分野
本出願は、ネットワーク全般に関し、特に、無線ノードの時刻同期ネットワークと、ネットワークにおける無線ノードとに関する。
【０００４】
２．背景
今日現在、規格準拠の無線システムのほとんど全ては、正確なタイミング及び周波数の基準のためにクオーツ技術を用いている。水晶（Ｘｔａｌ）は嵩張ったオフチップ部品であり、小型化に限界があり、センサノードの部品表（ＢＯＭ）コストが増加する。したがって、無線システムにおける正確なタイミング及び周波数の基準のために、改善されたシステム及び方法が必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示の一態様は、無線ネットワークを提供することである。無線ネットワークは、マスタクロックを使用してマスタ周波数を生成し、生成した前記マスタ周波数で送信するように構成されたマスタ無線周波（ＲＦ）送信機を備えるマスタノードと、スレーブノードと、を含む。スレーブノードは、マスタノードと無線通信し、スレーブ周波数で受信するように構成されたチューナブルＲＦ受信機と、チューナブルＲＦ受信機と通信するように構成されたＲＦ発振器であって、チューナブルＲＦ受信機にＲＦ発振器周波数を伝達して、スレーブ周波数を決定して同調させるように構成されたＲＦ発振器と、を含む。スレーブノードはまた、チューナブルＲＦ受信機と通信するように構成された信号プロセッサを含む。信号プロセッサは、あらかじめ定められたサーチ周波数帯域内でチューナブルＲＦ受信機のスレーブ周波数を同調させることによってマスタノードからの信号の受信を探索して初期検出マスタ周波数を提供するようにチューナブルＲＦ受信機に指示するように更に構成される。信号プロセッサは、マスタノードから初期検出マスタ周波数で較正信号を受信するようにチューナブルＲＦ受信機に指示するように更に構成され、較正信号は時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含んでいる。信号プロセッサは、較正信号からの情報とＲＦ発振器からの対応する信号とを比較して、較正信号に対するＲＦ発振器周波数の周波数誤差を提供することにより、ＲＦ発振器周波数をマスタ周波数に同調させて、スレーブノードとマスタノードとの間の同調されたＲＦ発振器周波数での通信を可能にするように更に構成される。
【０００６】
本開示の別の態様は、無線ネットワークシステム用の無線スレーブノードを提供することである。スレーブノードは、マスタ周波数で送信するように構成されたマスタノードと無線通信し、スレーブ周波数で受信するように構成されたチューナブル無線周波（ＲＦ）受信機と、チューナブルＲＦ受信機と通信するように構成されたＲＦ発振器であって、チューナブルＲＦ受信機にＲＦ発振器周波数を伝達して、スレーブ周波数を決定して同調させるように構成されたＲＦ発振器と、を含む。スレーブノードはまた、チューナブルＲＦ受信機と通信するように構成された信号プロセッサを含む。信号プロセッサは、あらかじめ定められたサーチ周波数帯域内でチューナブルＲＦ受信機のスレーブ周波数を同調させることによってマスタノードからの信号の受信を探索して初期検出マスタ周波数を提供するようにチューナブルＲＦ受信機に指示するように更に構成される。信号プロセッサは、マスタノードから初期検出マスタ周波数で較正信号を受信するようにチューナブルＲＦ受信機に指示するように更に構成され、較正信号は時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含んでいる。信号プロセッサは、較正信号からの情報とＲＦ発振器からの対応する信号とを比較して、較正信号に対するＲＦ発振器周波数の周波数誤差を提供することにより、ＲＦ発振器周波数をマスタノードの周波数に同調させて、スレーブノードとマスタノードとの間の同調されたＲＦ発振器周波数での通信を可能にするように更に構成される。
【０００７】
本開示のさらなる態様は、無線ネットワークシステム用の無線スレーブノードを提供することである。無線スレーブノードは、マスタノードと無線通信し、第１のスレーブ周波数で送信するように構成されたチューナブルＲＦ送信機と、マスタノードと無線通信し、第２のスレーブ周波数で受信するように構成されたチューナブルＲＦ受信機と、を含む。スレーブノードは、チューナブルＲＦ受信機及び前記チューナブルＲＦ送信機と通信するように構成されたＲＦ発振器であって、チューナブルＲＦ送信機及びチューナブルＲＦ受信機にＲＦ発振器周波数を伝達して、第１及び第２の前記スレーブ周波数を決定して同調させるように構成されたＲＦ発振器を更に備える。ＲＦ発振器は、時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を備える較正情報を基準ノードから受信するように構成され、ＲＦ発振器のＲＦ発振器周波数が基準ノードからの較正情報に基づいて同調されて、スレーブノードとマスタノードとの間の同調されたＲＦ発振器周波数での通信を可能にするように構成される。
【０００８】
本開示の別の態様は、スレーブノードの通信周波数をマスタノードの通信周波数に同調させる方法であって、マスタノードはマスタ周波数で送信するように構成されたマスタ無線周波（ＲＦ）送信機を備え、マスタ周波数はマスタクロックを使用してマスタノードによって生成される。この方法は、スレーブノードによって、あらかじめ定められたサーチ周波数帯域内でスレーブノードのチューナブルＲＦ受信機のスレーブ周波数を同調させることによってマスタノードからの信号の受信を探索し、初期検出マスタ周波数を提供するステップであって、スレーブ周波数は、スレーブノードにおけるＲＦ発振器により提供されるＲＦ周波数に対応したステップと、スレーブノードによって、マスタノードから初期検出マスタ周波数で較正信号を受信するステップであって、較正信号は時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含むステップと、スレーブノードによって、時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含む較正信号とスレーブ周波数との間の周波数誤差を決定するステップと、スレーブノードによって、周波数誤差に基づいてスレーブ周波数をマスタノードの周波数に同調させて、スレーブノードとマスタノードとの間の同調されたスレーブ周波数での通信を可能にするステップと、を含む。
【０００９】
本開示の更に別の態様は、無線ネットワークを介して通信する方法を提供することである。この方法は、マスタノードからＲＦ較正情報を送信するステップと、あらかじめ選択された周波数帯域内でスレーブノードのＲＦ受信機を同調させて、マスタノードから前記ＲＦ較正情報を受信するステップと、マスタノードからのＲＦ較正情報を使用してスレーブノードのＲＦ送信機を同調させるステップと、ＲＦ送信機を同調させるステップに続いてスレーブノードからローカル情報を送信するステップであって、少なくともマスタノード又は少なくとも１つの他のスレーブノードがローカル情報を受信することができるようにするステップと、を含む。スレーブノードのＲＦ送信機を同調させるステップは、スレーブノードのＲＦ発振器を同調させるステップを備える。
【００１０】
本開示、並びに、構造の関連要素及び部品の組合せの動作及び機能の方法や製造の経済性は、全てが本明細書の一部を形成する添付の図面を参照して、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を考慮することによってより明らかになるであろう。同様の参照番号は、様々な図における対応する部品を示す。しかしながら、図面は例示及び説明の目的のみのものであり、本発明の範囲の定義を意図するものではないことを明確に理解されたい。本明細書及び特許請求の範囲で使用されているように、「a」、「an」及び「the」の単数形は、文脈がそうでないことを明確に指示しない限り、複数の指示対象を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本開示のいくつかの実施形態による、無線ネットワークの概略図を示す。
【００１２】
【図２】図２は、本開示のいくつかの実施形態による、無線ネットワークシステム用の無線スレーブノードの概略図である。
【００１３】
【図３】図３は、本開示の一実施形態による、ＲＦ（ＬＣ／リング）発振器のオンチップ周波数測定のための簡単なカウンタを使用してそれらの周波数を同調させることができるモノのインターネット（ＩｏＴ）センサノードにおけるカウンタ１の数Ｎ１カウントによって規定される測定間隔Ｔを示す。
【００１４】
【図４】図４は、本開示の一実施形態による、第１の実験のための測定構成を示す図である。
【００１５】
【図５Ａ】図５Ａは、本開示の一実施形態による、２３℃の一定温度で１２時間にわたって測定されたＲＣ発振器周波数のプロットである。
【００１６】
【図５Ｂ】図５Ｂは、本開示の一実施形態による、推定された周波数誤差対時間のプロットである。
【００１７】
【図５Ｃ】図５Ｃは、本開示の一実施形態による、較正されたＲＣ発振器周波数のプロットである。
【００１８】
【図６Ａ】図６Ａは、本開示の一実施形態による、温度傾斜特性を示すプロットである。
【００１９】
【図６Ｂ】図６Ｂは、本開示の一実施形態による、弛張発振器の測定周波数を示すプロットである。
【００２０】
【図６Ｃ】図６Ｃは、本開示の一実施形態による、比較のためにＦＰＧＡ上で生成された１０ＭＨｚのＸｔａｌ基準周波数を示すプロットである。
【００２１】
【図７Ａ】図７Ａは、本開示の一実施形態による、ＲＣ発振器周波数に対する温度傾斜の影響を示す図である。
【００２２】
【図７Ｂ】図７Ｂは、本開示の一実施形態による、推定された周波数誤差を示す。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本開示の一実施形態による、ＲＣ発振器周波数における較正された残留誤差を示す。
【００２３】
【図８Ａ】図８Ａは、本開示の一実施形態による、ＦＩＲフィルタ有りで測定された較正されたＲＣ発振器周波数基準を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本開示の一実施形態による、ＦＩＲフィルタ無しで測定された較正されたＲＣ発振器周波数基準を示す。
【００２４】
【図９】図９は、本開示の一実施形態による、室温での異なる同期間隔を調べるための測定構成を示す図である。
【００２５】
【図１０】図１０は、本開示の一実施形態による、ＦＩＲフィルタ有り及び無しの各同期間隔に対応する標準偏差のプロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明のいくつかの実施形態を以下に詳細に説明する。実施形態を説明する際には、明確化のために特定の用語を使用する。しかしながら、本発明は、そのように選択された特定の用語に限定されることを意図しない。当業者は、本発明の広範な概念から逸脱することなく他の等価な構成要素を使用することができ、他の方法を開発できることを認識するであろう。
【００２７】
図１は、本開示のいくつかの実施形態による無線ネットワークの概略図を示す。一実施形態では、無線ネットワーク１００は、マスタノード１０２及びスレーブノード１１０，１１２を含む。マスタノード１０２は、マスタ周波数で送信するように構成されたマスタ無線周波（ＲＦ）送信機１０４を含む。マスタ周波数は、マスタクロック１０８を使用してマスタノード１０２によって生成される。一実施形態では、マスタクロック１０８は、水晶又は微小電気機械システム（ＭＥＭｓ）発振器を備える。
【００２８】
以下の段落では、スレーブノード１１０を参照して無線ネットワーク１００を説明する。ただし、スレーブノード１１２についても同様の記述が可能であることは言うまでもない。スレーブノード１１０は、マスタノードと無線通信し、スレーブ受信周波数で受信するように構成されたチューナブルＲＦ受信機１１６を含む。一実施形態では、スレーブノード１１０は、マスタノード１０２と無線通信し、スレーブ送信周波数で送信するように構成されたチューナブルＲＦ送信機１１４を更に含むことができる。一実施形態では、チューナブルＲＦ受信機１１６のスレーブ受信周波数は、チューナブルＲＦ送信機１１４のスレーブ送信周波数と実質的に同一である。ただし、スレーブ受信周波数とスレーブ送信周波数も異なる場合がある。例えば、スレーブ送信周波数とスレーブ受信周波数との間には、数ＭＨｚ（例えば、２．５ＭＨｚ）の差が存在し得る。
【００２９】
スレーブノード１１０はまた、チューナブルＲＦ受信機１１６と通信するように構成されたＲＦ発振器１１８を含む。ＲＦ発振器は、チューナブルＲＦ送信機１１４と通信するように構成することもできる。ＲＦ発振器１１８は、少なくともチューナブルＲＦ受信機１１６にＲＦ発振器周波数を伝達して、スレーブ周波数を決定して同調させるように構成される。一実施形態では、ＲＦ発振器１１８は、ＲＦ発振器周波数をチューナブルＲＦ送信機１１４及びチューナブルＲＦ受信機１１６の両方に伝達するように構成される。別の実施形態では、ＲＦ発振器１１８は、チューナブルＲＦ受信機１１６と通信するように構成された第１のＲＦ発振器と、チューナブルＲＦ送信機１１４と通信するように構成された第２のＲＦ発振器とを含むことができる。ＲＦ発振器１１８の第１及び第２のＲＦ発振器は、チューナブルＲＦ受信機１１６及びチューナブルＲＦ送信機１１４に周波数情報をそれぞれ伝達して、チューナブルＲＦ受信機１１６のスレーブ周波数とチューナブルＲＦ送信機１１４のスレーブ周波数を決定して同調させるように構成される。
【００３０】
スレーブノード１１０は、チューナブルＲＦ受信機１１６と通信するように構成された信号プロセッサ１２０も含む。信号プロセッサ１２０は、デジタル回路又はアナログ回路とすることができる。一実施形態では、信号プロセッサは、チューナブルＲＦ送信機１１４と通信するように構成することもできる。一実施形態では、信号プロセッサ１２０は、あらかじめ定められたサーチ周波数帯域内でチューナブルＲＦ受信機１１６のスレーブ周波数を同調させることによってマスタノード１０２からの信号の受信を探索して初期検出マスタ周波数を提供するようにチューナブルＲＦ受信機１１６に指示するように更に構成される。一実施形態では、信号プロセッサ１２０は、マスタノード１０２から初期検出マスタ周波数で較正信号を受信するようにチューナブルＲＦ受信機１１６に指示するように更に構成される。較正信号は、時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含むことができる。例えば、一実施形態では、較正信号は、２つの異なる時点で送信される２つのビーコン信号の形態の時間情報を含むことができる。２つのビーコン信号は、同じ周波数を有することができる。別の実施形態では、較正信号は、第１の時点で送信された第１の周波数の第１の信号と、第２の時点で送信された第２の周波数の第２の信号とを含むことができる。第１の時点及び第２の時点は、同じでも異なっていてもよい。
【００３１】
信号プロセッサ１２０は、較正信号からの情報とＲＦ発振器１１８からの対応する信号とを比較して、較正信号に対するＲＦ発振器周波数の周波数誤差を提供することにより、ＲＦ発振器周波数をマスタノード１０２の周波数に同調させて、スレーブノード１１０とマスタノード１０２との間の同調されたＲＦ発振器周波数での通信を可能にするように更に構成される。一実施形態では、ＲＦ発振器１１８の周波数誤差は、マスタノード１０２からの較正信号からの情報をＲＦ発振器１１８からの対応する信号と比較することによって信号プロセッサ１２０によって計算することができる。計算された周波数誤差は、初期検出マスタ周波数よりもマスタ周波数により密接に一致又は近づく通信周波数を計算するために使用することができる。
【００３２】
別の実施形態では、周波数誤差を計算する必要はない。この場合、例えば、周波数誤差は、「ビットチャージポンプ」として符号化することができる方向若しくは符号「＋」又は符号「−」の形態で提供することができる。したがって、スレーブ周波数が、マスタ周波数よりも大きい場合は「＋」であり、又はマスタ周波数よりも小さい場合は「−」であるという情報として誤差を提供することができる。スレーブ周波数は、スレーブ周波数がマスタ周波数よりも大きい場合はその周波数を減少させることができ、スレーブ周波数がマスタ周波数よりも小さい場合は周波数を増加させることができ、スレーブ周波数がマスタ周波数に同調するまでこの動作を複数回繰り返すことができる。
【００３３】
一実施形態では、ＲＦ発振器１１８は、弛張発振回路とＬＣ回路（ＬＣタンク）の少なくとも一方又は両方を含む。一実施形態では、チューナブルＲＦ受信機１１６及びＲＦ発振器１１８は、１つの半導体ダイ上のシングル・チップ半導体デバイスとして構成されている。別の実施形態では、チューナブルＲＦ受信機１１６、チューナブルＲＦ送信機１１４、及びＲＦ発振器１１８は、１つの半導体ダイ上のシングル・チップ半導体デバイスとして構成されている。例えば、シングル・チップ半導体デバイスは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）デバイスである。一実施形態では、スレーブノード１１０は、チューナブルＲＦ受信機１１６に電気的に接続されたアンテナを含むこともできる。アンテナは、チューナブルＲＦ送信機１１４に接続することもできる。あるいは、別個のアンテナをチューナブルＲＦ送信機１１４に接続することができる。アンテナは、１つの半導体ダイ上のシングル・チップ半導体デバイス上に設けることができる。一実施形態では、スレーブノード１１０は、スレーブノード１１０に電力を供給するために、チューナブルＲＦ受信機１１６及びＲＦ発振器１１８に電気的に接続された電気エネルギー源を更に含む。別の実施形態では、電気エネルギー源は、スレーブノード１１０に電力を供給するために、チューナブルＲＦ受信機１１６、チューナブルＲＦ送信機１１４、及びＲＦ発振器１１８に電気的に接続されている。一実施形態では、電気エネルギー源は、１つの半導体ダイ上のシングル・チップ半導体デバイス上における更なる構成物である。一実施形態では、電気エネルギー源は、無線スレーブノードのローカル環境からエネルギーを抽出するエネルギー捕集構造を含むことができる。エネルギー捕集構造は、例えば光起電力セルであってもよい。一実施形態では、スレーブノード１１０は、電気エネルギー源に電気的に接続されたエネルギー蓄積構造を更に含む。エネルギー蓄積構造は、例えば、電池であり得る。一実施形態では、スレーブノード１１０は、電気エネルギー源に電気的に接続されたエネルギー蓄積構造を更に含む。エネルギー蓄積構造は、例えば、シングル・チップ半導体デバイス上に印刷された薄膜電池とすることができる。
【００３４】
一実施形態では、スレーブノード１１０は、同調されたＲＦ発振器周波数を記憶するために信号プロセッサ１２０と通信するように構成されたメモリデバイスを含むこともできる。一実施形態では、スレーブノードは、チューナブルＲＦ受信機１１６と通信してチューナブルＲＦ受信機１１６にタイミング情報を提供するように構成されたローカルクロック１１９も含むことができる。一実施形態では、ローカルクロック１１９は、チューナブルＲＦ送信機１１４と通信してチューナブルＲＦ送信機１１４にタイミング情報を提供することもできる。一実施形態では、ローカルクロック１１９は、マスタノード１０２から較正信号を受信するように構成されている。較正信号は、ローカルクロック１１９をマスタノードのマスタクロック１０８に同調させるために、時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含むことができる。一実施形態では、ローカルクロック１１９は、ＲＦ発振器１１８のＲＦ発振器周波数よりも低い周波数を有する低周波発振器を含む。
【００３５】
図２は、本開示のいくつかの実施形態による、無線ネットワークシステム用の無線スレーブノードの概略図を示す。スレーブノード２００は、マスタノードと無線通信し、スレーブ受信周波数で受信するように構成されたチューナブルＲＦ受信機２０４を含む。一実施形態では、スレーブノード２００は、マスタノードと無線通信し、スレーブ送信周波数で送信するように構成されたチューナブルＲＦ送信機２０２を更に含むことができる。一実施形態では、チューナブルＲＦ受信機２０４のスレーブ受信周波数は、チューナブルＲＦ送信機２０２のスレーブ送信周波数と実質的に同一である。しかしながら、スレーブ受信周波数とスレーブ送信周波数も異なる可能性がある。例えば、スレーブ送信周波数とスレーブ受信周波数との間には、数ＭＨｚ（例えば、２．５ＭＨｚ）の差が存在し得る。
【００３６】
スレーブノード２００はまた、チューナブルＲＦ受信機２０４と通信するように構成されたＲＦ発振器２０６を含む。ＲＦ発振器２０６は、チューナブルＲＦ送信機２０２と通信するように構成することもできる。ＲＦ発振器２０６は、少なくともチューナブルＲＦ受信機２０４にＲＦ発振器周波数を伝達して、スレーブ周波数を決定し同調させるように構成される。一実施形態では、ＲＦ発振器２０６は、ＲＦ発振器周波数をチューナブルＲＦ送信機２０２とチューナブルＲＦ受信機２０４の両方に伝達するように構成される。別の実施形態では、ＲＦ発振器２０６は、チューナブルＲＦ受信機２０４と通信するように構成された第１のＲＦ発振器と、チューナブルＲＦ送信機２０２と通信するように構成された第２のＲＦ発振器とを含む。ＲＦ発振器２０６の第１及び第２のＲＦ発振器は、チューナブルＲＦ受信機２０４及びチューナブルＲＦ送信機２０２に周波数情報をそれぞれ伝達して、チューナブルＲＦ受信機２０４のスレーブ周波数とチューナブルＲＦ送信機２０２のスレーブ周波数を決定して同調させるように構成される。
【００３７】
スレーブノード２００はまた、チューナブルＲＦ受信機２０４と通信するように構成された信号プロセッサ２０８を含む。信号プロセッサ２０８は、デジタル回路又はアナログ回路とすることができる。一実施形態では、信号プロセッサ２０８は、チューナブルＲＦ送信機２０２と通信するように構成することもできる。一実施形態では、信号プロセッサ２０８は、あらかじめ定められたサーチ周波数帯域内でチューナブルＲＦ受信機２０４のスレーブ周波数を同調させることによってマスタノードからの信号の受信を探索して初期検出マスタ周波数を提供するようにチューナブルＲＦ受信機２０４に指示するように更に構成される。一実施形態では、信号プロセッサ２０８は、マスタノードから初期検出マスタ周波数で較正信号を受信するようにチューナブルＲＦ受信機２０４に指示するように更に構成される。較正信号は、時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含むことができる。例えば、一実施形態では、較正信号は、２つの異なる時点で送信される２つのビーコン信号の形態の時間情報を含むことができる。２つのビーコン信号は、同じ周波数を有することができる。別の実施形態では、較正信号は、第１の時点で送信された第１の周波数の第１の信号と、第２の時点で送信された第２の周波数の第２の信号とを含むことができる。第１の時点及び第２の時点は、同じでも異なっていてもよい。
【００３８】
信号プロセッサ２０８は、較正信号からの情報とＲＦ発振器２０６からの対応する信号とを比較して、較正信号に対するＲＦ発振器周波数の周波数誤差を提供することにより、ＲＦ発振器周波数をマスタノードの周波数に同調させて、スレーブノード２００とマスタノードとの間の同調されたＲＦ発振器周波数での通信を可能にするように更に構成される。一実施形態では、ＲＦ発振器２０６の周波数誤差は、マスタノードからの較正信号からの情報をＲＦ発振器２０６からの対応する信号と比較することによって信号プロセッサ２０８によって計算することができる。計算された周波数誤差は、初期検出マスタ周波数よりもマスタ周波数により密接に一致又は近づく通信周波数を計算するために使用することができる。
【００３９】
別の実施形態では、周波数誤差を計算する必要はない。この場合、例えば、周波数誤差は、「ビットチャージポンプ」として符号化することができる方向若しくは符号「＋」又は符号「−」の形態で提供することができる。したがって、スレーブ周波数が、マスタ周波数よりも大きい場合は「＋」であり、又はマスタ周波数よりも小さい場合は「−」であるという情報として誤差を提供することができる。スレーブ周波数は、スレーブ周波数がマスタ周波数よりも大きい場合はその周波数を減少させることができ、スレーブ周波数がマスタ周波数よりも小さい場合は周波数を増加させることができ、スレーブ周波数がマスタ周波数に同調するまでこの動作を複数回繰り返すことができる。
【００４０】
一実施形態では、ＲＦ発振器２０６は、弛張発振回路とＬＣ回路（ＬＣタンク）の少なくとも一方又は両方を含む。一実施形態では、チューナブルＲＦ受信機２０４及びＲＦ発振器２０６は、１つの半導体ダイ上のシングル・チップ半導体デバイスとして構成されている。別の実施形態では、チューナブルＲＦ受信機２０４、チューナブルＲＦ送信機２０２、及びＲＦ発振器２０６は、１つの半導体ダイ上のシングル・チップ半導体デバイスとして構成されている。例えば、シングル・チップ半導体デバイスは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）デバイスである。一実施形態では、スレーブノード２００は、チューナブルＲＦ受信機２０４に電気的に接続されたアンテナも含むことができる。アンテナは、チューナブルＲＦ送信機２０２に接続されてもよい。別法として、別個のアンテナがチューナブルＲＦ送信機２０２に接続されてもよい。アンテナは、１つの半導体ダイ上のシングル・チップ半導体デバイス上に設けることができる。一実施形態では、スレーブノード２００は、スレーブノード２００に電力を供給するために、チューナブルＲＦ受信機２０４及びＲＦ発振器２０６に電気的に接続された電気エネルギー源を更に含む。別の実施形態では、電気エネルギー源は、スレーブノード２００に電力を供給するために、チューナブルＲＦ受信機２０４、チューナブルＲＦ送信機２０２、及びＲＦ発振器２０６に電気的に接続されている。一実施形態では、電気エネルギー源は、１つの半導体ダイ上のシングル・チップ半導体デバイス上における更なる構成物である。一実施形態では、電気エネルギー源は、無線スレーブノードのローカル環境からエネルギーを抽出するエネルギー捕集構造を含むことができる。エネルギー捕集構造は、例えば光起電力セルであってもよい。一実施形態では、スレーブノード２００は、電気エネルギー源に電気的に接続されたエネルギー蓄積構造を更に含む。エネルギー蓄積構造は、例えば、電池であり得る。一実施形態では、スレーブノード２００は、電気エネルギー源に電気的に接続されたエネルギー蓄積構造を更に含む。エネルギー蓄積構造は、例えば、シングル・チップ半導体デバイス上に印刷された薄膜電池とすることができる。
【００４１】
一実施形態では、スレーブノード２００は、同調されたＲＦ発振器周波数を記憶するために信号プロセッサ２０８と通信するように構成されたメモリデバイスを含むこともできる。一実施形態では、スレーブノード２００は、チューナブルＲＦ受信機２０４と通信してチューナブルＲＦ受信機２０４にタイミング情報を提供するように構成されたローカルクロック２０７も含むことができる。一実施形態では、ローカルクロック２０７は、チューナブルＲＦ送信機２０２と通信してチューナブルＲＦ送信機２０２にタイミング情報を提供することもできる。一実施形態では、ローカルクロック２０７は、マスタノードから較正信号を受信するように構成されている。較正信号は、ローカルクロック２０７をマスタノードのマスタクロックに同調させるために、時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含むことができる。一実施形態では、ローカルクロック２０７は、ＲＦ発振器２０６のＲＦ発振器周波数よりも低い周波数を有する低周波発振器を含む。
【００４２】
上記段落では、較正信号又は較正情報がマスタノードによって提供されると記載されている。しかしながら、較正信号又は較正情報は、基準ノードによって提供され得ることを理解されたい。基準ノードは、マスタノードであり得るか、又はそれに限定されないが、ＧＰＳ衛星、移動セルラタワー、ＦＭラジオ、テレビ、及び／又は原子時計を含む他の基準ノードであり得る。したがって、較正情報又は較正信号は、マスタノードからの較正情報、ＧＰＳ信号からの較正情報、移動セルラ信号からの較正情報、ＦＭラジオ信号からの較正情報、テレビ信号からの較正情報、原子時計信号からの較正情報、又はそれらの任意の組合せを含む。
【００４３】
上記の段落から理解されるように、本開示の一実施形態によれば、スレーブノード（例えばスレーブノード１１０）の通信周波数をマスタノード（例えばマスタノード１０２）の通信周波数に同調させる方法もまた提供され、マスタノード１０２はマスタ周波数で送信するように構成されたマスタＲＦ送信機１０４を有し、マスタ周波数はマスタクロック１０８を使用してマスタノード１０２によって生成される。この方法は、スレーブノード１１０によって、あらかじめ定められたサーチ周波数帯域内でスレーブノード１１０のチューナブルＲＦ受信機１１６のスレーブ周波数を同調させることによってマスタノード１０２からの信号の受信を探索し、初期検出マスタ周波数を提供するステップを含み、スレーブ周波数は、スレーブノード１１０におけるＲＦ発振器１１８により提供されるＲＦ周波数に対応している。この方法は、スレーブノード１１０によって、マスタノード１０２からの初期検出マスタ周波数で較正信号を受信するステップであって、較正信号は時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含むステップと、スレーブノード１１０によって、時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含む較正信号とスレーブ周波数との間の周波数誤差を決定するステップと、を更に含む。この方法はまた、スレーブノード１１０によって、周波数誤差に基づいてスレーブ周波数をマスタノード１０２の周波数に同調させて、スレーブノード１１０とマスタノード１０２との間の同調されたスレーブ周波数での通信を可能にするステップを含む。
【００４４】
一実施形態では、較正信号とスレーブ周波数との間の周波数誤差を決定するステップは、初期検出マスタ周波数よりもマスタ周波数により密接に一致する通信用周波数を計算するために、マスタノード１０２からの較正信号からの情報と、ＲＦ発振器１１８からの対応する信号とを比較することにより、ＲＦ発振器１１８の周波数誤差を計算するステップを含む。一実施形態では、スレーブ周波数をマスタノード１０２の周波数に同調させるステップは、較正信号とスレーブ周波数との間の周波数誤差を補正するステップを備える。
【００４５】
上記の段落から理解されるように、本開示の一実施形態による、無線ネットワークを介して通信する別の方法が更に提供される。この方法は、マスタノード１０２からＲＦ較正情報を送信するステップと、あらかじめ選択された周波数帯域内でスレーブノード１１０のＲＦ受信機１１６を同調させて、マスタノード１０２からＲＦ較正情報を受信するステップと、を含む。この方法は、マスタノード１０２からの較正情報を使用してスレーブノードのＲＦ送信機１１４を同調させるステップと、ＲＦ送信機１１４を同調させるステップに続いてスレーブノード１１０からローカル情報を送信するステップであって、少なくともマスタノード１０２又は少なくとも１つの他のスレーブノード１１２が前記ローカル情報を受信することができるようにするステップと、を更に含む。スレーブノード１１０のＲＦ送信機１１４を同調させるステップは、スレーブノード１１０のＲＦ発振器１１８を同調させるステップを含む。
【００４６】
一実施形態では、この方法は、マスタノード１０２からＲＦ較正情報を受信するために、あらかじめ選択された周波数帯域内で第２のスレーブノード１１２のＲＦ受信機を同調させるステップを更に含む。第２のスレーブノード１１２のＲＦ送信機を同調させるステップは第２のスレーブノードのＲＦ発振器を同調させるステップを含む。一実施形態では、この方法は、対応するＲＦ送信機を同調させるステップに続いて、第１に述べたスレーブノード１１０又は第２のスレーブノード１１２のうちの少なくとも１つからローカル情報を送信するステップであって、ローカル情報がそれらの間で送信されるようにするステップも含む。一実施形態では、ＲＦ発振器を同調させるステップは、マスタノード１０２からの較正情報に基づいてＲＦ発振器の周波数を同調させて、少なくともスレーブノード１１０，１１２とマスタノード１０２との間の同調されたＲＦ発振器周波数での通信を可能にするステップを備える。
【００４７】
以下の段落は、上記の無線ネットワークの実施の様々な例と、スレーブノードの様々な実施を記載する。しかしながら、本開示は、本明細書に記載された実施形態に限定されず、他の構成を包含することを理解されたい。「マスタノード」という用語は、ルートノード、水晶基準を有するノード、又は時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含む較正信号を送信するノードを含むが、これに限定されない広範な解釈を意図する。「スレーブノード」という用語は、無線センサノードを含むがこれに限定されない広範な解釈を意図している。「スレーブノード」という用語は、専用デジタル論理、マイクロプロセッサ、電子プロセッサ、又はソフトウェアに格納されたコマンドを実行するように構成されたプロセッサなどを含むが、これに限定されない広範な解釈を意図している。
【００４８】
以下の段落から理解され得るように、水晶基準がない場合に設計された水晶フリーセンサノードが提供される。本開示の一実施形態では、無線ネットワーク内のノードは、水晶基準を有するネットワーク内の少なくとも１つのノードを有する時間同期メッシュプロトコル（Time-Synchronized Mesh Protocol：ＴＳＭＰ）で動作する。(K. Pister and Lance Doherty, "TSMP: Time synchronized mesh protocol," in IASTED Distributed Sensor Networks, 2008, pp. 391-398.)
【００４９】
水晶発振器が存在しない場合、オンチップ弛張発振器が周波数基準として使用される。周波数基準の場合、周波数基準の周波数安定性と精度が求められる。発振器の発振信号の公称発振周波数からの周波数変動に寄与するいくつかの要因が存在する。これらの要因は、短期間（約数秒以内）及び長期間（約数時間以内）に大別することができる。発振器の周波数変動は、ランダムノイズ、決定的な環境効果、及び経年変化のために発生する。環境効果には、温度、振動、衝撃、電源変動、湿度、応力などが含まれる。これらの影響は、異なる時間スケールで発生することに注意する価値がある。興味深い要因は、所与のパワーバジェットに対する弛張発振器の短期周波数安定性であり、純粋なランダムノイズに起因する固有周波数安定性を制限する。
【００５０】
文献では、アラン偏差によって直接的に時間領域で測定された弛張発振器の短期周波数安定性は、１８．５ＫＨｚ（A. Paidimarri, D. Griffith, A. Wang, A.P. Chandrakasan, and G. Burra, "A 120nW 18.5kHz RC oscillator with comparator offset cancellation for ±0.25% temperature stability," in Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC), 2013 IEEE International, Feb. 2013, pp. 184-185）と３３ＫＨｚ（D. Griffith, P.T. Roine, J. Murdock, and R. Smith, "A 190nW 33kHz RC oscillator with ±0.21% temperature stability and 4ppm long-term stability," in Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC), 2014 IEEE International, Feb. 2014, pp. 300-301）のｎＷ電力において、ＲＣ発振器の２０ｐｐｍよりも良好な周波数安定性が１秒を超え、ＲＣ発振器の１１Ｈｚの１００ｐｐｍ未満が１００秒を超える（Seokhyeon Jeong, Inhee Lee, D. Blaauw, and D. Sylvester, "A 5.8 nW CMOS Wake-Up Timer for Ultra-Low-Power Wireless Applications," Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol. 50, no. 8, pp. 1754-1763, Aug. 2015）ことを示している。弛張発振器の周波数安定性は、純粋なランダムノイズによって制限されないが、実際には、環境要因、例えば、温度及び電源電圧の感度に影響される。１ボルト当たり９００ｐｐｍ及び６００ｐｐｍの電圧精度に対して、測定された温度精度が±２１００ｐｐｍ（−２０℃〜９０℃）及び±１０００ｐｐｍ（−２０℃〜１００℃）であることが報告されている（D. Griffith, P.T. Roine, J. Murdock, and R. Smith, "A 190nW 33kHz RC oscillator with ±0.21% temperature stability and 4ppm long-term stability," in olid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC), 2014 IEEE International, Feb. 2014, pp. 300-301 and Keng-Jan Hsiao, "A 32.4 ppm/°C 3.2-1.6V self-chopped relaxation oscillator with adaptive supply generation," in in VLSI Circuits (VLSIC), 2012 Symposium on, June 2012, pp. 14-15）。したがって、環境要因に対する感度は、弛張発振器の周波数精度の下限を設定することができる。
【００５１】
一実施形態では、静的誤差、例えば、プロセス変動を較正した後に、弛張発振器の約１％（すなわち、約１００００ｐｐｍ）の初期周波数精度を環境要因を考慮して達成することができる。例えば、無線ネットワークにおいて、１つのノード（例えば、図１に示すマスタノード１０２）がクロック（ルートクロックと呼ばれる）として使用される水晶基準発振器を有する場合、ネットワークの他の全てのノードは、パケットを交換し、水晶クロックに対するクロックドリフトを追跡するためにタイムスタンプ情報を使用することによって、それらのローカル基準クロック（弛張発振器）をルートクロックに同期させる（Tengfei Chang, Thomas Watteyne, Kris Pister, and Qin Wang, "Adaptive synchronization in multi-hop TSCH networks," Computer Networks, vol. 76, pp. 165-176, Jan. 2015）。しかしながら、このアプローチの問題は、ノードが最初にルートノードに通信（リッスン）して時間情報を得るためには、正確な水晶ベースの周波数基準を使用してオンチップ位相ロックループ（ＰＬＬ）で達成できる正確なＲＦ周波数（通常は１００ｐｐｍ未満の精度）に、リスニングノードがそれらのローカル発振器（ＬＯ）を同調させる必要があることである。
【００５２】
センサノードが不正確な周波数基準（−１００００ｐｐｍ）でルートノードと通信することを可能にするアルゴリズムが実装される。ルートノード（例えば、マスタノード１０２）との通信が確立され、時間情報が交換されると、この初期周波数精度は改善され（１００ｐｐｍ未満）、原則として、アラン偏差及び時間同期アルゴリズムの精度によって定量化される、所与の電力に対する弛張発振器のノイズによってのみ制限される。
【００５３】
モノのインターネット（ＩｏＴ）センサノードは、図３に示すように、ＲＦ（ＬＣ／リング）発振器のオンチップ周波数測定のための簡単なカウンタを使用してそれらの周波数を同調させることができる。図３に示すように、測定間隔Ｔは、「カウンタ１」の数Ｎ１カウントによって規定される。式（１）を用いてＲＦ周波数ｆＲＦを推定することができる。
【数１】
2019511860.tif 000003
ここで、Ｎ２は、間隔Ｔに対する「カウンタ２」のカウント値である。Ｎは、ＲＦ周波数の分周値である。ＲＦ周波数ｆＲＦを求めることのできる精度は、基準周波数ｆＲＥＦの精度によって決まる。精度は当初約１％と仮定することができる。２．４ＧＨｚのＩＳＭバンドの帯域幅は約８３ＭＨｚであり、これは２４５０ＭＨｚの帯域中心周波数の３．４％に相当する。周波数精度が１％の場合、ネットワーク内の全てのノードは２．４ＧＨｚのＩＳＭバンドを見つけることが保証され、図３に示すようにローカル発振器すなわちＬＯを所望のチャネルの約１％（すなわち約２４．５ＭＨｚ以内）に同調させることができる。
【００５４】
通信チャネル帯域幅（マスタノード１０２とスレーブノード１１０，１１２との間の通信）に応じて、周波数分解能（ΔＲ）が選択されて、ＩｏＴセンサノード（スレーブノード）のＲＦ周波数が同調されることにより、２４．５ＭＨｚのサーチ周波数帯域（ＳＢ）におけるルートノード（マスタノード１０２）の送信周波数を適切な時間内に見つけることが保証される。したがって、サーチ周波数帯域ＳＢを周波数分解能ΔＲ（すなわち、ＳＢ／ΔＲ）で除算することにより、探索する可能性のあるＲＦチャネルの数が計算される。例えば、ルートノード（マスタノード１０２）が、あらかじめ定められたＲＦチャネル上で期間ＴＢ秒ごとにビーコン信号を送信する場合、ＩｏＴノード（スレーブノード１１０）は、可能性のある各ＲＦチャネル上でその周波数のビーコン信号を見つけることを保証するためには、少なくとも１．０２０２×ＴＢ秒の間リッスンする必要がある。期間ＴＢは、水晶クロック（マスタノード１０２におけるマスタクロック１０８）に関して定義され、係数１．０２０２は、マスタノード１０２におけるルートノードのマスタクロック１０８に関する初期近似１％（１００００ｐｐｍ）クロック誤差を考慮している。したがって、ＩｏＴノードがルートノード（マスタノード１０２）を見出すのに要する最大時間（ＴＦ）は、以下の不等式（２）によって制限される。ＳＢ／ΔＲを探索する可能性のあるＲＦチャネルの数は、ＩｏＴが上限又は境界を定義するためにリッスンする必要がある期間１．０２０２×ＴＢ秒を掛けられる。
【数２】
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【００５５】
例えば、２ＭＨｚの通信チャネル帯域幅を仮定すると、ΔＲ＝０．５ＭＨｚの周波数分解能が許容可能であり、ビーコン間隔がＴＢ＝１秒の場合、ＩｏＴノード（スレーブノード１１０）がルートノード（マスタノード１０２）の送信周波数を見出すのに要する最大時間は、５０秒未満（＜５０秒）であろう。ルートノード（マスタノード１０２）との通信が確立されると、ＩｏＴノード（スレーブノード１１０又は１１２）は、少なくとも２つの時刻の時間情報を含む較正信号を受信することによってその周波数誤差を計算することができる。いくつかの実施形態によれば、本発明の実施形態はこの例に限定されないが、較正信号は、ＴＢ秒で時間的に分離されたルートノードからの２つのビーコン信号とすることができる。いくつかの実施形態によれば、各ビーコンパケットは、ルートノードのクロックのカウンタ値ｃＲ（ｔ）に関して正確なタイムスタンプを含む。次に、ＩｏＴノードは、このカウンタ値をそれ自身のカウンタ値ｃＮ（ｔ）と比較して、文献（Thomas Schmid, Roy Shea, Zainul Charbiwala, and and Mani B. Srivastava Jonathan Firedman, "On the Interaction of Clocks, Power, and Synchronization in Duty-Cycled Embedded Sensor Nodes," ACM Transactions on Sensor Networks (TOSN), vol. 7, no. 3, Sept. 2010）から導くことができる式（３）を使用して、現在の平均相対周波数誤差を推定することができる。
【数３】
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【００５６】
周波数誤差推定のための最小分解能は、以下の式（４）によって与えられる。
【数４】
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ここで、ｆＲＥＦはデジタルカウンタに使用されるクロック周波数であり、ＴＢは２つのノード間の同期に使用される時間間隔である。周波数誤差推定の精度は、期間ＴＢの間に環境要因が変化する速度によって制限される。したがって、周波数誤差分解能と、期間ＴＢにわたる環境要因によって導入された誤差との間にはトレードオフが存在する。パラメータ又は係数ＴＢは、特定の環境条件に対して動的に適合させることができる。以下の不等式（５）によって表されるように、同期間隔ＴＢは、所望の平均フラクショナル周波数精度の仕様を満たすために十分に長くなければならない一方で、比較的ゆっくりと変化する環境要因を較正するために十分に短くなければならない。
【数５】
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その結果生じる周波数誤差の推定値は、式（１）を使用して改善された精度でＲＦ発振器周波数を較正及び同調させるために使用することができる。
【００５７】
市販のハードウェアプラットフォームであるＯｐｅｎＭｏｔｅ（スペインのOpenMote Technologies社製）を使用して、周波数較正アルゴリズムの実行可能性を検証した。第１の実験のための測定構成を図４に示す。３つのモートがある。１つは送信機（Ｔｘ）として構成され、他の２つのモート（ＲＣモートとＲｘモート）は水晶フリーの無線ノードをエミュレートする。市販のハードウェアプラットフォームは、Ｘｔａｌ発振器が動作していない状態で無線装置に通信を許可しないため、水晶フリーの無線ノードをエミュレートするには２つのモートが必要である。したがって、１つのモートはＴｘモートと通信する受信機（Ｒｘ）として構成され、もう１つのモートは弛張発振器が動作しているＲＣ（Ｘｔａｌ発振器無効）として構成される。３つのモートは、温度に依存する周波数変動を排除するために温度チャンバの内部に配置される。Ｔｘモートは、ネットワークの時間基準として機能する水晶クロックによって定義される１００ｍｓの時間間隔（同期間隔）でＲＦパケットを周期的に送信するように構成されている。水晶フリーノード（ＲｘとＲＣ）は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）に接続されている。弛張発振器の周波数を測定するために、ＦＰＧＡにカウンタが設定されている。Ｒｘノードは、ＴｘからＲＦパケットを受信すると、ＦＰＧＡに割り込みを送信する。ＦＰＧＡは現在の値を記録し、カウンタをリセットし、測定が繰り返される。
【００５８】
図５Ａは、本開示の一実施形態による、２３℃の一定温度で１２時間にわたって測定されたＲＣ発振器周波数のプロットである。カウンタ値は１００ｍＳごとに記録され、理想値と比較され、周波数誤差が推定される。図５Ｂは、本開示の一実施形態による、推定された周波数誤差対時間のプロットである。計算された誤差は、ＲＣ発振器周波数を較正するために使用される。図５Ｃは、本開示の一実施形態による、較正されたＲＣ発振器周波数のプロットである。最大残留周波数誤差は、ランダムノイズのために１０００ｐｐｍ未満である。ＲＣ発振器周波数が環境要因に対して較正できることを実証するために、高速な温度傾斜を０℃〜７０℃の範囲で９℃／分の勾配で設定した。同期間隔は１００ｍＳである。
【００５９】
図６Ａは、本開示の一実施形態による、温度傾斜特性を示すプロットである。図６Ｂは、本開示の一実施形態による、弛張発振器の測定周波数を示すプロットである。図６Ｃは、本開示の一実施形態による、比較のためにＦＰＧＡ上で生成された１０ＭＨｚのＸｔａｌ基準周波数を示すプロットである。ＦＰＧＡは温度チャンバの内部に配置されておらず、温度傾斜を受けていないことに注意すべきである。
【００６０】
本開示の一実施形態によれば、図７ＡはＲＣ発振器周波数に対する温度傾斜の影響を示し、図７Ｂは推定された周波数誤差を示し、図７ＣはＲＣ発振器周波数における較正された残留誤差を示す。温度傾斜によってもたらされた約２５，０００ｐｐｍの周波数偏差は、ランダムノイズによって制限される１０００ｐｐｍ未満に較正された。残留誤差の標準偏差は１３４ｐｐｍである。有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタを使用して残留周波数誤差をフィルタリングした。ＦＩＲフィルタは、累積移動平均（ＭＡＶＧ）を計算するように設計され、フィルタリングされた応答は、下のプロットの残留周波数誤差の上にプロットされる。ＦＩＲフィルタは、標準偏差を約７０ｐｐｍに減少させた。
【００６１】
図８Ａ及び図８Ｂは、本開示の一実施形態による、それぞれＦＩＲフィルタ有り及びＦＩＲフィルタ無しで測定された較正されたＲＣ発振器周波数基準を示す。今度は、２つのＸｔａｌフリーノード上のＲＣ発振器がこの精度で較正されている場合、９９．７％（３σ）のケースでは、２つのモートは周波数が４２０ｐｐｍだけずれている。これは、２．４ＧＨｚのＩＳＭバンドで約１ＭＨｚに相当する。受信機取得範囲が１ＭＨｚよりも大きくなるように設計されている場合、２つの水晶フリーモートは通信することができる。
【００６２】
図９は、本開示の一実施形態による、室温での異なる同期間隔を調べるための測定構成を示す。Ｔｘと水晶フリーモート（ＲＣとＲｘ）は、１ｍの視線（ＬｏＳ）距離に配置されている。Ｔｘは、ステップサイズを１００ｍｓとした１００ｍｓから１０００ｍｓまでの同期間隔、及び、１０秒と１００秒の同期間隔で、周期的なＲＦパケットを送信するようにプログラムされている。残留周波数誤差は、室温でより長い同期間隔のランダム雑音処理によってのみ制限された１０００ｐｐｍ未満である。
【００６３】
図１０は、本開示の一実施形態による、ＦＩＲフィルタ有り及び無しの各同期間隔に対応する標準偏差のプロットを示す。実線はＲＣ較正に対応し、破線は有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタで計算されたＲＣ較正の累積移動平均（ＭＡＶＧ）に対応する。エラーバーは、データ点数の平方根の逆数として計算される。
【００６４】
上記の段落から理解され得るように、時間同期メッシュネットワークにおける水晶フリー無線通信のためのシステム解決法が提供される。水晶基準（マスタクロック１０８）を有するルートノード（マスタノード１０２）と時間情報を交換することにより、オンチップＲＣ発振器に対して環境効果による周波数誤差を推定し、したがって較正することができる。これにより、２つの水晶フリーノード間の無線通信が可能になる。
【００６５】
本明細書に図示され検討された実施形態は、当業者に本発明をどのように製造し使用するかを教示することのみを意図している。本開示の実施形態を説明する際には、明確化のために特定の用語を使用する。しかしながら、本開示は、そのように選択された特定の用語に限定されることを意図しない。本開示の上記の実施形態は、上記の教示に照らして当業者によって理解されるように、本発明から逸脱することなく、変更又は変更され得る。したがって、特許請求の範囲及びその等価物の範囲内で、本発明は、具体的に記載されたものとは別の方法で実施され得ることが理解されるべきである。例えば、本開示は、可能な限り、任意の実施形態の１つ又は複数の特徴を任意の他の実施形態の１つ又は複数の特徴と組み合わせることができることを意図することを理解されたい。
【符号の説明】
【００６６】
１００  無線ネットワーク
１０２  マスタノード
１０４  マスタＲＦ送信機
１０８  マスタクロック
１１０，１１２，２００  スレーブノード
１１４，２０２  チューナブルＲＦ送信機
１１６，２０４  チューナブルＲＦ受信機
１１８，２０６  ＲＦ発振器
１１９，２０７  ローカルクロック
１２０，２０８  信号プロセッサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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