(57)【要約】  クラスター・ネットワークと、クラスター・ヘッド・ネットワークに対して階層的に配置されたセンサー／アクチュエータ・ネットワークとを含む無線ネットワークが説明される。クラスター・ヘッド・ネットワークは少なくとも一つのクラスター・ヘッドを含み、センサー／アクチュエータ・ネットワークは複数のノード・レベルに配置された複数のセンサー／アクチュエータ・ノードを含む。
2005515695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線ネットワークであって、
少なくとも一つのクラスター・ヘッドを有するクラスター・ヘッド・ネットワークと、
前記クラスター・ヘッド・ネットワークに対して階層的に配置されるセンサー／アクチュエータ・ネットワークであって、複数のノード・レベルに配置される複数のセンサー／アクチュエータ・ノードを有し、自己編成するセンサー／アクチュエータ・ネットワークと、
を備える無線ネットワーク。
【請求項２】
請求項１記載の無線ネットワークであって、故障単点を含まない無線ネットワーク。
【請求項３】
請求項１記載の無線ネットワークであって、中央基地局を含まない無線ネットワーク。
【請求項４】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドが、他のクラスター・ヘッドと比較して前記無線ネットワークに関する重複した情報を含む無線ネットワーク。
【請求項５】
請求項４記載の無線ネットワークであって、前記重複した情報が、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドの任意の一つにおいてユーザーによりアクセス可能である無線ネットワーク。
【請求項６】
請求項５記載の無線ネットワークであって、前記ユーザーが前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドのうちの少なくとも一つ及び前記重複した情報と相互作用するよう構成される無線ネットワーク。
【請求項７】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドが、任意のクラスター・ヘッドによりタスクが実行されるために、前記センサー／アクチュエータ・ノードを制御又は管理するよう構成される無線ネットワーク。
【請求項８】
請求項１記載の無線ネットワークであって、ユーザーによる相互作用及び詳細な設計の少なくとも一つを必要とせずに構成可能な無線ネットワーク。
【請求項９】
請求項１記載の無線ネットワークであって、リンク障害及びセンサー／アクチュエータ・ノード障害のうちの少なくとも一つに関わらず再構成可能な無線ネットワーク。
【請求項１０】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記無線ネットワークの有効なライフタイムが最適化される無線ネットワーク。
【請求項１１】
請求項１記載の無線ネットワークであって、セキュリティ、ホーム・オートメーション、環境制御及び管理・制御のうちの少なくとも一つに適用される無線ネットワーク。
【請求項１２】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドが基地局を含む無線ネットワーク。
【請求項１３】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記センサー／アクチュエータ・ノードがセンサー要素を含む無線ネットワーク。
【請求項１４】
請求項１３記載の無線ネットワークであって、前記センサー要素が煙探知機、運動探知機、温度センサー及びドア／窓接触のうちの少なくとも一つを含む無線ネットワーク。
【請求項１５】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記センサー／アクチュエータ・ノードがアクチュエータを含む無線ネットワーク。
【請求項１６】
請求項１５記載の無線ネットワークであって、前記アクチュエータが、警告音発生器及びバルブ・アクチュエータの少なくとも一つを含む無線ネットワーク。
【請求項１７】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記センサー／アクチュエータ・ノードが電力線により電力供給されるノードを含む無線ネットワーク。
【請求項１８】
請求項１７記載の無線ネットワークであって、前記電力線により電力供給されるノードがマルチホップ・ポイントの役割を果たすよう構成される無線ネットワーク。
【請求項１９】
請求項１７記載の無線ネットワークであって、前記電力線により電力供給されるノードがバックアップ電源を含む無線ネットワーク。
【請求項２０】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記センサー／アクチュエータ・ノードが電池式ノードを含む無線ネットワーク。
【請求項２１】
請求項２０記載の無線ネットワークであって、前記電池式ノードが太陽電池及び圧電セラミック発電器の少なくとも一つを含む無線ネットワーク。
【請求項２２】
請求項２０記載の無線ネットワークであって、前記電池式ノードがマルチホップ・ポイントの役割を果たすよう構成される無線ネットワーク。
【請求項２３】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記センサー／アクチュエータ・ノードが、限られた能力を有する電池式ノードを含む無線ネットワーク。
【請求項２４】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記クラスター・ヘッドが、前記センサー／アクチュエータ・ノードと通信するための第1の無線通信モジュールと、他のクラスター・ヘッドと通信するための第２の無線通信モジュールとを含む無線ネットワーク。
【請求項２５】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドが、前記センサー／アクチュエータ・ノード及び他のクラスター・ヘッドと通信するための単一の無線通信モジュールを備える無線ネットワーク。
【請求項２６】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドが、標準的な有線の送受信機又は標準的な無線の送受信機の一つを備える無線ネットワーク。
【請求項２７】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドが、イーサネット（登録商標）及びブルートゥースの送受信機の少なくとも一つを備える無線ネットワーク。
【請求項２８】
請求項１記載の無線ネットワークであって、更に、前記クラスター・ヘッド・ネットワークに接続されたパネルを備える無線ネットワーク。
【請求項２９】
請求項２８記載の無線ネットワークであって、前記パネルが、ローカル・エリア・ネットワーク、専用有線リンク、及び専用無線リンクのうちの一つを介して前記クラスター・ヘッド・ネットワークに接続される無線ネットワーク。
【請求項３０】
請求項２８記載の無線ネットワークであって、前記パネルが、前記クラスター・ヘッド・ネットワーク及び前記センサー／アクチュエータ・ノード・ネットワークのうちの前記少なくとも一つを自動構成するためのソフトウェアを含む無線ネットワーク。
【請求項３１】
請求項２８記載の無線ネットワークであって、前記パネルがパーソナル・コンピュータを含む無線ネットワーク。
【請求項３２】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記センサー／アクチュエータ・ノードが省エネルギー・ポーリング・モードで動作するよう構成される無線ネットワーク。
【請求項３３】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記センサー／アクチュエータ・ノードが、標識信号を求めてチャンネルを走査するために、ビルト・インのタイマーにより起動されるよう構成される無線ネットワーク。
【請求項３４】
請求項３３記載の無線ネットワークであって、前記標識信号がＲＦトーン及び特別なシーケンスのうちの一つである無線ネットワーク。
【請求項３５】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッド及びセンサー／アクチュエータ・ノードが、一意の識別子を含む無線ネットワーク。
【請求項３６】
センサー／アクチュエータ・ノードを無線でネットワーク接続する方法であって、
クラスター・ヘッド・ネットワークを初期化するステップと、
統合された無線ネットワークを形成するようセンサー／アクチュエータ・ノード・ネットワークを初期化するステップであって、該センサー／アクチュエータ・ノードが複数のノード・レベルを形成するステップと、
前記統合された無線ネットワークを動作させるステップと、
を備える方法。
【請求項３７】
請求項３６記載の方法であって、前記クラスター・ヘッド・ネットワークを初期化するステップが、更に、
クラスター・ヘッドに前記クラスター・ヘッド・ネットワークのクラスター・ヘッドの識別子リストを提供するステップと、
問い合わせパケット及び前記識別子リストを交換することにより、前記クラスター・ヘッド間のリンクを検出するステップと、
経路テーブルのエントリを更新するステップと、
メッセージ遅延、ホップ数及び前記クラスター・ヘッド間の接続のうちの少なくとも一つに基づいて最適トポロジを決定するステップと、
を備える方法。
【請求項３８】
請求項３６記載の方法であって、前記センサー／アクチュエータ・ノード・ネットワークを初期化する前記ステップが、更に、
第一層のセンサー／アクチュエータ・ノードを起動しリンク情報を収集するために、クラスター・ヘッドから第一層のセンサー／アクチュエータ・ノードに標識信号及びリンク検出パケットを送信するステップと、
前記上位層ノードを起動し前記リンク情報を収集するために、前記下位層ノードから前記上位層ノードへ前記標識信号及びリンク検出パケットを連続的に送信するステップと、
経路検出パケットを前記センサー／アクチュエータ・ノードに送信するステップと、
前記リンク情報を含む経路登録パケットを前記クラスター・ヘッドに送信するステップと、
前記リンク情報を、前記クラスター・ヘッド・ネットワークの全クラスター・ヘッドで共有するステップと、
を備える方法。
【請求項３９】
請求項３６記載の方法であって、前記センサー／アクチュエータ・ノード・ネットワークを初期化する前記ステップが、更に、
前記センサー／アクチュエータ・ノードを起動しリンク情報を収集するために、前記ノード・レベルのそれぞれに対し標識信号及びリンク検出パケットを連続的に送信するステップと、
前記リンク情報を前記クラスター・ヘッド・ネットワークに送信することにより、前記センサー／アクチュエータ・ノードを登録するステップと、
前記リンク情報を、前記クラスター・ヘッド・ネットワークの全クラスター・ヘッドで共有するステップと、
を備える方法。
【請求項４０】
請求項３６記載の方法であって、前記統合された無線ネットワークを動作させるステップが、更に、
前記クラスター・ヘッド・ネットワークの前記クラスター・ヘッド間でリンク情報を継続的に共有するステップと、
前記センサー／アクチュエータ・ノードをエネルギー効率の良いモード動作させるステップと、
を備える方法。
【請求項４１】
請求項４０記載の方法であって、前記センサー／アクチュエータ・ノードを動作させるステップが、更に、
前記センサー／アクチュエータ・ノードを、標識信号の検出、自己試験を実行及びタスクの実行のいずれかのために、短いサイクルに渡り起動するステップ
を備える方法。
【請求項４２】
請求項３６記載の方法であって、更に、
リンク障害及びノード障害のいずれかの場合に、前記センサー／アクチュエータ・ネットワークを再構成するステップ
を備える方法。
【請求項４３】
請求項４２記載の方法であって、再構成する前記ステップが、更に、
センサー／アクチュエータ・ノードに格納されたリンク情報に従って代わりの経路を決定するステップ
を備える方法。
【請求項４４】
請求項４２記載の方法であって、再構成する前記ステップが、更に、
失われたセンサー／アクチュエータ・ノードの隣接のセンサー／アクチュエータ・ノードに対し、  失われたセンサー／アクチュエータ・ノードについて前記隣接のセンサー／アクチュエータ・ノードに格納されたリンク情報を取得するために、ＳＯＳメッセージを送信するステップ
を備える方法。
【請求項４５】
請求項４２記載の方法であって、再構成する前記ステップが、更に、
前記クラスター・ヘッドに格納された前記リンク情報に従って代わりの経路を決定するステップ
を備える方法。
【請求項４６】
請求項４２記載の方法であって、再構成する前記ステップが、更に、
前記統合された無線ネットワークを２つ以上のセグメントに分割するステップ
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連発明への相互参照
本出願は、２００２年１月１０日に出願された米国仮特許出願第６０／３４７、５６９号に基づく優先権を主張し、２００２年１１月２１日に出願された「セキュリティ及びビル・オートメーションのための信頼性の高い自己組織する低電力無線ネットワークのためのプロトコル」と題された出願に関連する。両出願は、参照により本明細書に援用される。
【０００２】
発明の分野
本発明は、管理及び制御のためのセンサー及びアクチュエータの無線ネットワーク、並びに該ネットワークの動作方法に関する。
【０００３】
背景
有線のネットワークは、セキュリティ・システム、ビル・オートメーション、環境制御、及び工場の制御・管理に適用され得る。そのようなネットワークは、例えば、ユーザー・インターフェースを備える中央ユニット（例えば、パネル又は基地局）により制御される、リング構成又はツリー構成に配置された多数のセンサー及びアクチュエータを含み得る。
【０００４】
そのようなシステムの実質的なコストの金額は、ネットワーク回線の設計及び設置のために増加し得る。更に、追加の装置の設置や既存の装置の位置変更といった再構成の際には、労働集約的なマニュアルの作業が必要とされ得る。
【０００５】
例えば米国特許第５、８５４、９９４号及び第６、２５５、９４２号に記載されているように、前述のセンサー及びアクチュエータの電池式のものが、ビルト・イン型無線送受信機とともに配備され得る。そのような装置群は、全装置の送信距離内に設置された専用のピックアップ／制御ユニットに報告し、又は該ユニットにより制御され得る。ピックアップ／制御ユニットは、より大きな有線ネットワークの一部であってもよいが、そうでなくてもよい。例えばマルチパス、大きな経路損失、及び干渉といったビル内に存在し得る条件下における電磁波のＲＦ伝達特性のために、装置及びそのピックアップ／制御ユニットの位置に関連する設置工程の最中又は後で、問題が発生し得る。そのため、設置工程における試行錯誤とともに、設置前の注意深い設計が必要とされ得る。更に、電池式装置に適用可能な低電力送受信機の距離に制限があるために、ピックアップ／制御ユニットごとのセンサー及びアクチュエータの数が制限され得る。更に、ピックアップ／制御ユニットの障害が起こった場合、それに続く全ての無線装置が動作不能になり得る。
【０００６】
発明の概要
本発明は、管理及び制御のためのセンサー及びアクチュエータの無線ネットワーク、及び該ネットワークの動作方法に関する。センサー及びアクチュエータは、例えば、煙探知機、運動探知機、温度センサー、ドア／窓接触、警告音発生器、又はバルブ・アクチュエータを含み得る。応用には、セキュリティ・システム、ホーム・オートメーション、環境制御及び工場の管理・制御が含まれ得るが、それらに限定されるものではない。システムは、階層型ネットワークにおいて自己編成することができる、様々な複雑さを有する装置をサポートし得る。更に、システムは、様々なＲＦ伝達特性を有し得る環境において最小の事前設計により柔軟な方法で配置され得、局所化された障害の場合にも大部分の装置の接続性を保証し得る。
【０００７】
本発明の例としての実施の形態によれば、ネットワークは２つの物理的な部分又は層を含み得る。第１の物理的な層は、無線基幹ネットワークを形成するよう、少数の比較的複雑な装置を接続し得る。第２の物理的な層は、多数の比較的複雑ではない低電力型の装置を相互に、及び基幹ノードと接続し得る。そのような二つの別個の物理的な層による構成は、ネットワークに対し、厳しくはないエネルギー制約を課し得る。
【０００８】
信頼性の高い動作及びスケーラビリティを可能とするため、障害単点（single point of failure）を回避するよう、中央基地局が取り除かれ得る。システムは、代わりに、基幹ノードにより分散された方法で制御され、全ネットワークに関する情報は、例えば任意の基幹ノードからいつでもアクセスされ得る。設置に際し、ネットワークはユーザーによる操作及び詳細な設計の必要なしに自己構成し得る（従って、いわゆる「アドホック・ネットワーク」の方法で動作する）。動作中にリンク障害又はノード障害が起きた場合、システムは接続性を保証するために自動的に再構成し得る。
【０００９】
従って、本発明の例としての実施の形態及び／又は例としての方法は、前述のアドホック・ネットワークの自己構成及び再構成の能力を維持しつつ、負荷分散を改善し、スケーラビリティ及び少ない遅延を保証し、故障単点を除去する。
【００１０】
詳細な説明
図１は、短距離無線送受信機を有する多数の電池式装置の自己構成型（アドホック）無線ネットワークを示す。米国特許第６、０７８、２６９号、第５、５５３、０７６号及び第６、２０８、２４７号に論じられるように、自己構成型無線ネットワークは全てのノードに対する最適経路を決定可能であり得るため、リンク障害又はノード障害の際に自己を再構成し得る。データ圧縮技術や各装置のデューティ・サイクルを低くすることで電池寿命を長くさせながら、中間ノードを介して、リモート・センサーから中央制御ユニット（基地局、図１を参照）への、又は中央制御ユニットからリモート・アクチュエータへの、短いホップでのデータ中継がそれぞれ起こり得る。しかし、何百、更には何千ものノードを有する大規模システムでは、多くの装置に対するマルチホップ・ポイントとなり得る、基地局に近い方のノードの負荷（例えば、電池の消耗）が増大し得る。そのため、全システムの有効な寿命が減少し得る。更に、大規模ネットワークでは、ネットワークの周縁部にあるノードからのメッセージが多数のホップをする結果となり得るため、ネットワークを通過するメッセージに深刻な遅延が起こる可能性があるだけではなく、メッセージごとの平均エネルギー消費が増大することになり得る。しかし、そのような遅延は、例えばセキュリティ及び制御のシステムを含む時間が重視されるアプリケーションにおいては許容され得ない。更に、中央基地局が故障単点を形成する場合、基地局障害の場合には全ネットワークが機能し得なくなる。
【００１１】
（１）装置タイプ
図２は、中央制御ユニットのない階層型アドホック・ネットワークの概略図である。ネットワークは、様々な複雑さ及び機能を有する異なるタイプの装置を含み得る。詳細には、ネットワークは、電池式センサー／アクチュエータ・ノード（クラス１ノードともいう）、電力線式センサー／アクチュエータ・ノード（クラス０ノードともいう）、限られた能力を有する電池式センサー／アクチュエータ・ノード（クラス２ノードともいう）、クラスター・ヘッド及びパネルを含み得る。ネットワークは、また、例えば、限られた能力を有する電池式のノード又は入力装置（例えば、キーフォブ（ｋｅｙ  ｆｏｂ））を含み得るが、該ノード又は入力装置（クラス３ノードともいう）は、実際のネットワーク・トポロジ又はＲＦ送受信装置の「固定された」部分でなくてもよい。個々の装置タイプについて、以下において、より詳細に説明する。
【００１２】
（１−１）電池式センサー／アクチュエータ・ノード（クラス１ノード）
クラス１センサー／アクチュエータ・ノードは、一つ又は複数の物理量を感知するセンサー要素又は所望の動作を実行するアクチュエータを含む、電池式装置であり得る。電池は、例えば太陽電池又は圧電セラミック（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｃｅｒａｍｉｃ）発電器のような自律的な電源により支援又は置換され得る。
【００１３】
センサー又はアクチュエータは、データ・インターフェースを介して低電力のマイクロコントローラに接続され、それぞれ、未加工のセンサー信号を処理し、又はアクチュエータに所望の制御情報を提供する。更に、マイクロコントローラは、ネットワーク・プロトコルを処理し、データを揮発性又は不揮発性のメモリに格納し得る。クラス１ノードは、例えばマルチホップ・ポイントとして役立ち得るような、全ての機能を備えるネットワーク・ノードであり得る。
【００１４】
マイクロコントローラは、更に、低電力の（例えば、短距離から中距離の）ＲＦ無線送受信モジュールに接続され得る。代わりに、センサー又はアクチュエータは、ネットワーク・プロトコルを処理し無線装置とのインターフェースをとるために、専用のネットワーク・ノード・コントローラとのインターフェースを有する自身のマイクロコントローラを含み得る。個々のセンサー／アクチュエータ・ノードには、工場にて一意の装置ＩＤがプログラムされる。
【００１５】
（１−２）電力線式センサー／アクチュエータ・ノード（クラス０ノード）
クラス０ノードは、クラス１ノードと同様の一般的な構造を有し得る。即ち、一つ又はそれ以上のマイクロコントローラ、センサー又はアクチュエータ装置、及びインターフェース回路を備え得るが、クラス１ノードと異なり、クラス０ノードは電池ではなく電力線により電力供給され得る。更に、クラス０ノードは、電力線障害の際に限られた動作を可能とするバックアップ電源を備え得る。
【００１６】
クラス０ノードは、クラス１ノードと同様のタスクを実行し得るだけではなく、電池式装置の負荷が軽減され得るよう、ネットワーク・ツリーにおいて優先的なマルチホップ・ポイントを形成し得る。加えて、クラス０ノードは、大きな電力を要するタスクを実行するアクチュエータにとって有効であり得る。更に、センサー又はアクチュエータ装置を備えず、単に専用のマルチホップ・ポイントを形成するクラス０ノードもあり得る。
【００１７】
（１−３）限られたネットワーキング能力を有する電池式センサー／アクチュエータ・ノード（クラス２ノード）
クラス２ノードは、クラス０及びクラス１のノードと同様の一般的な構造を有し得る。しかし、クラス２ノードは、コスト及びサイズの制限に制約される応用装置を含み得る。クラス２ノードは、例えば、ドア／窓接触、窓接触及び温度センサーなどの装置に適用され得る。そのような装置は、より小さな電池と、低電力であるが故に例えばより経済的なマイクロコントローラとを備え得る。クラス２ノードは、限られたネットワーキング能力しか与えられていないため、ネットワーク・ツリーの周縁部（即ち、末端）に配置され得る。例えば、クラス２ノードは、マルチホップ・ポイントを形成することができなくてもよい。
【００１８】
（１−４）永久にネットワーク・トポロジのメンバーではない電池式ノード（クラス３ノード）
クラス３ノードは、クラス０及びクラス１ノードと同様の一般的な構造を有し得る。しかし、クラス３ノードは、例えばコスト及びサイズに制約され得る応用装置を含み得る。更に、クラス３ノードは、ＲＦ送受信機ではなくＲＦ送信機のみに特化し得る。クラス３ノードは、例えばキーフォブ、非常ボタン又は位置選定サービス装置のような装置に適用され得る。これらの装置は、一層小さな電池とともに、低電力であるが故に一層経済的なマイクロコントローラを備え得る。クラス３ノードは、ネットワーク・トポロジの非永続的な部分として構成され得る（例えば、クラス３ノードは管理されず、また、マルチホップ・ポイントを形成するには不適格であり得る）。しかし、クラス３ノードは、ネットワークの他のノードが受信して転送したメッセージを発行することが可能であってよい。
【００１９】
（１−５）クラスター・ヘッド
クラスター・ヘッドは、専用のネットワーク制御ノードである。クラスター・ヘッドは、更にセンサー又はアクチュエータの機能をも実行し得るが、それらの機能は必須ではない。クラスター・ヘッドは、いくつかの特性においてクラス０、１及び２のノードと異なり得る。第１に、クラスター・ヘッドは、他のノードよりかなり電力消費の大きいコントローラ、及びかなり多くの自由に利用できるメモリを備え得る。第２に、クラスター・ヘッドは、エネルギー資源について、クラス１及び２のノードのように制限されてはいない。例えば、クラスター・ヘッドは、商用（ＡＣ）電源とともに、オプションとして、停電の際に限られた時間（例えば、７２時間）利用できるバックアップ電池を備え得る。
【００２０】
クラスター・ヘッドは、更に、センサー／アクチュエータ・ノードと通信するための短距離又は中距離の無線通信モジュール（「無線装置１」）を含み得る。クラスター・ヘッドは、更に、他のクラスター・ヘッドとの通信のために一層大きな帯域幅及び／又は一層長い通信距離を有する第２のＲＦ送受信機（「無線装置２」）を含み得る。第２のＲＦ送受信機は、例えば無線装置１とは異なる周波数帯域を利用してもよいが、必ずしもそうでなくてもよい。
【００２１】
代わりの例としての構成において、クラスター・ヘッドは、センサー／アクチュエータ・ノード及び他のクラスター・ヘッドの両方と通信可能な１つだけの無線通信モジュールを備え得る。この無線装置は、センサー／アクチュエータ・ノードのものと比較して、延長された通信距離を提供し得る。
【００２２】
クラスター・ヘッドのマイクロコントローラは、例えばクロック速度及びメモリ容量の点において、センサー／アクチュエータ・ノードのマイクロコントローラより有能であり得る。例えば、クラスター・ヘッドのマイクロコントローラは、（例えばクラスター・ヘッド・ネットワークの要求に従って）他のクラスター・ヘッドとの通信を調整し、センサー／アクチュエータ・ネットワークを制御し、センサー及び他のクラスター・ヘッド（データベース）から取得された情報を解釈し格納する幾つかのソフトウェア・プログラムを実行し得る。加えて、クラスター・ヘッドは、同一のインターフェースで任意の固定型、移動型又は携帯型のコンピュータ（「パネル」）と接続するために、例えばイーサネット（登録商標）又はブルートゥースの送受信機のような標準的な有線又は無線の送受信機を含み得る。この機能は、無線通信モジュールの一つにより無線で実行されてもよい。個々のクラスター・ヘッドには、工場にて一意の装置ＩＤがプログラムされ得る。
【００２３】
（１−６）パネル
最上位レベルの装置は、例えばユーザー・インターフェース（「パネル」）を含むソフトウェア・プログラムを備える固定型、移動型又は携帯型のコンピュータを含み得る。パネルは、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）又は専用の有線又は無線リンクを介して、上記の送受信機経由で一つのクラスター・ヘッドに接続され得る。
【００２４】
（２）設置
例としてのシステムは、監視及び／又は制御されるべきサイトに分散された多数の（例えば、数百までの）クラスター・ヘッドを含み得る（図２参照）。設置者は、クラスター・ヘッド間の距離が個々の無線送受信機の送信距離（例えば、「無線装置２」は５０から５００メートルで動作し得る）を超えないよう用心することが必要であり得る。クラスター・ヘッドはＡＣ電力線に接続され得る。設置に際し、クラスター・ヘッドは問い合わせモードで動作するよう設定され得る。このモードにおいて、無線送受信機は、通信リンクを確立するために他のクラスター・ヘッドからのデータ・パケットを受信するよう、チャンネルを連続的に走査し得る。
【００２５】
クラスター・ヘッド間又はその周辺に、（数千までの、典型的にはクラスター・ヘッドの１０〜５００倍の）所望のセンサー／アクチュエータ・ノードが設置され得る。例えば様々なセンサー種別及びアクチュエータのような異なる機能を有する装置が混在してもよい。
【００２６】
設置の際、設置者は２つの一般的な法則に従わなければならない。第１に、個々のセンサー・アクチュエータ・ノード間の距離、及びノードと少なくとも一つのクラスター・ヘッドとの間の距離は、センサー・アクチュエータ・ノード及びクラスター・ヘッドの無線装置の最大送信距離を超えてはならない（クラスター・ヘッドの「無線装置１」は、例えば１０〜１００メートルの距離内で動作し得る）。第２に、ネットワークの深さ、即ちネットワークの周縁部のノードから最寄りのクラスター・ヘッドに到達するためのホップ数は、現在のアプリケーションの遅延要件（例えば、１〜１０ホップ）により制限されなければならない。
【００２７】
設置に際して、全てのセンサー／アクチュエータ・ノードは、省エネルギー・ポーリング・モードで動作するよう設定され得る。このモードにおいて、センサー／アクチュエータ・ノードのコントローラ及び他の全ての要素は、省電力モード又はスリープ・モードにとどまる。無線装置及びネットワーク・コントローラは、チャネルの標識信号（例えば、ＲＦトーン又は特別のシーケンス）を走査するために、決められた時間間隔で、ビルト・インのタイマーにより極めて短時間に起動され得る。
【００２８】
設置期間に、例えば各装置のバーコードを読み取り、各装置からの無線又は有線インターフェースを介したＩＤ送信をトリガし、又は設定ツールを用いてマニュアルで装置ＩＤを入力することにより、全てのセンサー／アクチュエータ・ノードの一意のＩＤとともに、クラスター・ヘッド（又は個々の無線通信モジュール）の一意のＩＤが公知にされ得る。一度知られると、一意のＩＤは、例えば予め決められたセキュリティ・ゾーン又は対応する装置の位置のような他の関連情報とともに、記録及び／又は格納され得る。この情報は、ネットワークの初期化期間にネットワーク・トポロジを導出し、登録された装置のみをネットワークに参加可能とすることを保証するために必要とされ得る。
【００２９】
（３）初期化
全ノードの設置後、少なくとも一つのパネルがクラスター・ヘッドの一つに接続され得る。これは、例えばローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）、直接イーサネット（登録商標）接続、他の有線リンク又は無線リンクを介して達成され得る。全てのクラスター・ヘッド間のネットワークをセットアップするため、パネル・ソフトウェアのユーザー・インターフェースを介して、クラスター・ヘッドのコントローラ上で自動構成を実行するソフトウェア・プログラムが始動され得る。構成の進行はユーザー・インターフェースに表示され、該インターフェースは、ユーザーが進行を中断する選択肢を含み得る。例えば、ユーザー・インターフェースは、個々の装置間の望ましい接続を決定するオプションを含み得る。
【００３０】
第１のステップにおいて、パネルに接続されたクラスター・ヘッドに、実際のネットワークの一部である全クラスター・ヘッドのＩＤ（即ち、許可されたＩＤ）のリストが提供される。その後、許可されたＩＤを有する全クラスター・ヘッド間の全てのリンクの検出が、（例えば「無線装置２」送受信機を用いて）当該クラスター・ヘッドから開始される。これは、隣接ノード間で問い合わせパケット及び許可されたＩＤリストを連続的に交換することにより実現され得る。他のクラスター・ヘッドへのリンクが確立されると、全クラスター・ヘッドのルーティング・テーブルのエントリが、新たに問い合わせを受けたノード又は既存ノードへの新しいリンクについて定期的に更新され得る。リンク検出プロセスは、設置された任意の２つのクラスター・ヘッド間に少なくとも一つの経路が発見され、新たなリンクが検出されず、且つ各クラスター・ヘッドのルーティング・テーブルが最新状態に更新されたときに終了される。
【００３１】
次に、全てのクラスター・ヘッドを接続する信頼性の高い通信ネットワークを確立するために最適なルーティング・トポロジが決定される。最適化アルゴリズムは、メッセージ遅延と、ホップ数と、個々のクラスター・ヘッドからの／個々のクラスター・ヘッドへの接続数（「負荷」）とを含むがそれらに限定されないコスト係数に基づき得る。関連付けられたルーチンが、パネル、又はパネルに接続されたクラスター・ヘッドで実行され得る。特定のアルゴリズムは、例えば物理層又はリンク層の制限、及び実際のアプリケーションの要件に依存し得る。
【００３２】
リンク検出及びルーティングは、例えばブルートゥース、ＩＥＥＥ８０２．１１又はＩＥＥＥ８０２．１５を含む標準化された層構造のプロトコルを用いて実行され得る。特に、リンク検出及びルーティングは、標準化された通信プロトコル・スタックの下位層のサービスにより支持されるアプリケーションとして実現され得る。下位層には、例えばメディア・アクセス・コントロール（ＭＡＣ）層及び物理層が含まれ得る。
【００３３】
標準化されたプロトコルを利用することにより、「無線装置２」として標準化された無線送受信機を利用し得る。更に、標準化されたプロトコルの利用は、例えば、ルーティング・アルゴリズムにおいて利用され得るマスター／スレーブ・モードの動作を含む特別な特性及び／又はサービスを提供し得る。
【００３４】
クラスター・ヘッド・ネットワークが確立されると、隣接ノード間で交換されるメッセージを管理することにより接続性を保証するために、全てのアクティブなリンクが継続的に監視され得る。加えて、クラスター・ヘッドは、時間同期された方法でタスクを実行し得るよう、内部クロックを同期させ得る。
【００３５】
次のステップにおいて、センサー／アクチュエータ・ノードとクラスター・ヘッド・ネットワークとの間にアド・ホックなマルチホップ・ネットワークが確立される。マルチホップのクラスター・ヘッド・ネットワークを確立するには、例えば非集中化手法及び集中化手法を含む幾つかの代わりの手法があり得る。無線ネットワークへの権限のない侵入を防ぐため、クラスター・ヘッド間の及びセンサー／アクチュエータ・ノード間の全てのリンクは、例えば公開鍵を用いる暗号化及び／又はメッセージ認証コード（ＭＡＣ）により保護され得る。
【００３６】
（３−１）ａ．非集中化手法１
第一の例としての非集中化手法によれば、クラスター・ヘッドはまず、自らの送信距離内のセンサー／アクチュエータ・ノード（「第一層ノード」）を上記のポーリング・モードから起動するために、標識信号（例えば、ＲＦトーン又は１−０−１−０−１・・・といった固定シーケンス）をブロードキャストする。その後、クラスター・ヘッドは、プリアンブル付きヘッダと、ノードＩＤと、ノードのクラス及びタイプと、受信者が内部クロックを同期させられるようにするタイプ・スタンプとの全て又はサブセットを含むメッセージ（「リンク検出パケット」）を、予め決められた回数だけブロードキャストする。クラスター・ヘッドが送信を終えた後、第一層のノードが標識信号をブロードキャストすることにより始動し、更に「リンク検出パケット」をブロードキャストする。標識は、センサー／アクチュエータ・ノードの第二層のノード、即ち、第一層のノードのブロードキャスト距離内のノードであってクラスター・ヘッドからのメッセージを直接受信できないノードを起動する。このように標識及びリンク検出パケットを連続送信する手順は、センサー／アクチュエータ・ノードの最後の層に到達するまで発生し得る（許容される層の最大数は、ユーザーにより規定される制約であり得る）。
【００３７】
最終的に、全てのノードがクラスター・ヘッド・ネットワークに同期され得る。そのため、或る特定の層のノードのみが送信するタイム・スロットが存在し得る。全ての他の起動されたノードは、自らの送信距離内のセンサー／アクチュエータ・ノードのリストと、クラスター・ヘッドのリストと、関連付けられたリンクを介して各クラスター・ヘッドに到達するために必要とされる平均コストとを受信し構築し得る。コスト（例えば、ホップ数、待ち時間など）は、例えば信号強度、パケット損失率、ノードでの電力保有量、及びノードのネットワーキング能力（ノード・クラス０、１、２参照）などの測定値に基づいて計算され得る。平均リンク・コストの閾値が存在し、該閾値を超えると隣接のノードがリストに保持され得なくなる。
【００３８】
センサー／アクチュエータ・ノードの最後の層に到達すると、即ち、全てのノードがそれぞれの隣接ノードのリストを構築すると、クラスター・ヘッドは決められた回数に渡り、プリアンブル付きヘッダと、ノードＩＤと、ノードのクラス及びタイプと、最寄りのクラスター・ヘッドに到達するためのコスト（例えば、ゼロ・コストに設定される）と、当該クラスター・ヘッドに到達するためのホップ数（例えば、ゼロ・コストに設定される）と、最寄りのクラスター・ヘッドのＩＤとの全て又はサブセットを含み得る他のメッセージ・タイプ（「経路検出パケット」）をブロードキャストする。クラスター・ヘッドが送信を終えると、センサー／アクチュエータ・ノードは、以下の方法で経路検出パケット（現在ではコスト＞０、ホップ数＞０）をブロードキャストする。
【００３９】
０より大きい、即ち１、２、３・・・最大値である可能なコストのそれぞれに対して、一つのタイム・スロットが存在する。各タイム・スロット内に、この特定のコストで最寄りのクラスター・ヘッドに到達する経路を有する全てのノードが、幾つかの経路検出パケットをブロードキャストする。全ての他のノードは受信し、新しいコスト関数を用いて自らのクラスター・ヘッド・リストを更新する。この新しいコスト関数は、ノードが特定のクラスター・ヘッドからのメッセージを受信するためのコストと、当該クラスター・ヘッドに到達するための合計ホップ数と、受信ノードと送信ノードとの間の（先に構築された隣接ノード・リストからの）リンクのコストとを含み得る。これまでクラスター・ヘッドへの直接リンクを持っていなかったノードは、クラスター・ヘッド・リストの構築を開始し得る。更に、既知の経路よりホップ数は多いがコストが低い新しい経路が利用可能になり得る。更に、全てのノードは、これらのノードの経路検出パケットを用いて、隣接ノードの層を連続的に決定する。
【００４０】
各ノードがクラスター・ヘッドに到達するための最低コストに関連付けられたタイム・スロットが近づくと、該ノードは経路検出パケットのブロードキャストを開始し、クラスター・ヘッド・リストの更新を中止し、一つ高次の層であるｎ＋１層のみに属する隣接ノードの新しいリストを構築する。この手順は、各ノードがクラスター・ヘッドへの可能な最小コストを有する経路を受信し、各ノードが属する論理的な層ｎを知り、一つ上のｎ＋１層にある直近のノードのリストを有することを保証し得る。
【００４１】
経路検出パケットのための最後のタイム・スロットに達すると、全てのノードが、中間ノードをマルチホップ・ポイントとして利用することにより、「経路登録パケット」をそれぞれのクラスター・ヘッドに送信し始め得る。リンク・レベル承認パケットは、これらの送信の信頼性を保証し得る。この段階において、ノードは、自らをマルチホップ・ポイントとして利用するｎ＋１層の隣接ノードを追跡し得る。これらのノードからの管理パケットは、以後の正常動作モードの期間に確認されるべきであり得る。経路登録パケットは、プリアンブル付きヘッダと、送信ノードＩＤと、一つ上の層の直近のノードのリスト（オプションとして、関連付けられたリンクのコストを含む）と、パケットを転送した全ノードのＩＤとの全て又はサブセットを含み得る。
【００４２】
クラスター・ヘッドは、各センサー／アクチュエータ・ノードに対する逆の経路で送信される承認パケット（オプションとして、再同期のためのタイム・スタンプを含む）により応答する。リンク・レベルの承認がない場合、経路登録パケットは、関連付けられたクラスター・ヘッドからの有効な承認が受信されるまで、センサー／アクチュエータ・ノードにより周期的に再送信され得る。
【００４３】
クラスター・ヘッドは、全ての登録されたノードに関する情報を互いに交換及び更新する。そのため、センサー／アクチュエータ・ネットワークの完全なトポロジが、各クラスター・ヘッドにて取得され得る。
【００４４】
全ノードにおいて有効な承認が受信され、全クラスター・ヘッドがネットワーク・トポロジについて同じ情報を保持し、登録されたセンサー／アクチュエータ・ノードの数量及びＩＤがクラスター・ヘッドにおいて設置時から知られている情報と一致すると、初期化が終了する。一致しない場合には、各パネルにおいてエラー・メッセージが生成され、初期化プロセスが繰り返される。初期化が終了すると、センサー／アクチュエータ・ノードが正常動作の省電力モードになる（下記参照）。
【００４５】
（３−２）ｂ．非集中化手法２
マルチホップのクラスター・ヘッド・ネットワークを確立する第２の例としての非集中化手法によれば、クラスター・ヘッドは第１のタイム・スロットに、自らの送信距離内のセンサー／アクチュエータ・ノード（「第一層ノード」）をポーリング・モードから起動するために標識信号をブロードキャストし得る。クラスター・ヘッドは、次に、プリアンブル付きヘッダと、ＩＤと、受信側が内部クロックを同期させることを可能にするタイム・スタンプとの全て又はサブセットを含む予め決められた数の「リンク検出パケット」をブロードキャストする。全ての起動されたノードは、各リンクの平均コストとともに、クラスター・ヘッドのリストを受信し構築し得る。コストは、信号強度及びパケット損失率に基づいて計算され得る。
【００４６】
クラスター・ヘッドが送信を停止すると、第２のタイム・スロットにおいて、第一層ノードが標識及びリンク検出パケットのそれぞれのブロードキャストを開始する。標識は、それまでにクラスター・ヘッドにより起動されていなかった第二層のセンサー／アクチュエータ・ノードを起動する。ＩＤ及びタイム・スタンプに加えて、センサー／アクチュエータ・ノードにより送信されるリンク検出パケットには、センサー／アクチュエータ・ノードの層と、ノード・クラス並びにタイプと、先に受信された他のノードのリンク検出パケットから取得された、「最寄り」の（即ち、最低コストで）クラスター・ヘッドに到達するために必要なコストとが含まれ得る。全ての起動されたノードは、各リンクへの平均コストとともに、自らの送信距離内のノード及びクラスター・ヘッドのリストを受信し構築し得る。コストは、例えばホップ数、信号強度、パケット損失率、ノードにおける電力保有量、及びノードのネットワーキング能力に基づいて計算され得る（ノード・クラス０、１、２の以下の説明参照）。このプロセスは、最上層の（クラスター・ヘッドから最も遠い）ノードが起動され、それぞれのタイム・スロットにメッセージをブロードキャストし、それぞれのノード・リストを構築するまで続き得る。
【００４７】
ｎ層のノードは、先にブロードキャストされたｎ−１層の（よりクラスター・ヘッドに近い）ノードの決定に基づいて、最寄りのクラスター・ヘッドを決定し得る。追加の１経路を含む新しい経路のコストがより低い場合、ノードは、その後のタイム・スロットにリンク検出パケットを再度ブロードキャストする。即ち、ノードは一つ高いｎ＋１層に移される。これは、他のノードに対する「最寄りのクラスター・ヘッド」の変更をもたらし得る。しかし、影響を受けるノードは、層が変更された場合、再度ブロードキャストするだけでよい。
【００４８】
最上層のノードがクラスター・ヘッドの一つに対する最低コストの経路を決定すると、全てのノードが、最寄りと決定されたクラスター・ヘッドに対し、中間ノードをマルチホップ・ポイントとして用いて、経路登録パケットの送信を開始し得る。これらの送信は、リンク・レベル承認により信頼性の高いものにされ得る。この段階において、ノードは、自らをマルチホップ・ポイントとして利用するｎ＋１層の隣接ノードを追跡し得る。これらのノードからの管理パケットは、初期化に続く正常動作モード期間に確認され得る。経路登録パケットは、プリアンブル付きヘッダと、送信元ノードのＩＤと、一つ高い層の隣接ノードのリスト（オプションとして、関連づけられたリンクのコストを含む）と、パケットを転送した全ノードのＩＤとを含む。
【００４９】
クラスター・ヘッドは、経路登録パケットが通ったのと反対の経路に沿って個々のセンサー／アクチュエータ・ノードに送信される承認パケット（オプションとして、再同期のためのタイム・スタンプを含む）で応答し得る。リンク・レベルの承認がない場合、各クラスター・ヘッドからの有効な承認が受信されるまで、センサー／アクチュエータ・ノードにより経路登録パケットが周期的に再送信され得る。
【００５０】
クラスター・ヘッドは、全ての登録されたノードに関する情報を互いに交換し更新し得る。そのため、センサー／アクチュエータ・ネットワークの完全なトポロジが、各クラスター・ヘッドにおいて取得され得る。全ノードにおいて有効な承認が受信され、全てのクラスター・ヘッドがネットワーク・トポロジに関して同様の情報を持ち、全ての登録されたセンサー／アクチュエータ・ノードの数量及びＩＤが設置時からクラスター・ヘッドにおいて知られている情報と一致したとき、初期化が終了する。一致しない場合、パネルにおいてエラー・メッセージが生成され、初期化プロセスが繰り返され得る。初期化が終了すると、センサー／アクチュエータ・ノードは正常動作の省電力モードになり得る。
【００５１】
（３−３）ｃ．集中化手法１
マルチホップのクラスター・ヘッド・ネットワークを確立するための第1の例としての集中化手法によれば、クラスター・ヘッドは、自らの送信距離内のセンサー／アクチュエータ・ノード（即ち、「第一層ノード」）をポーリング・モードから起動するための標識信号をブロードキャストする。その後、クラスター・ヘッドは、予め決められた回数に渡り、プリアンブル付きヘッダと、ＩＤと、受信者が内部クロックを同期させることを可能とするタイム・スタンプとを含むメッセージ（「リンク検出パケット」）をブロードキャストする。クラスター・ヘッドが送信を停止した後、第一層のノードは、標識と、ノードのクラス及びタイプとを更に含むリンク検出パケットのブロードキャストを開始し得る。標識は、次の層のセンサー／アクチュエータ・ノードを起動する。標識及びリンク検出パケットを連続送信するこの手順は、最後の層のセンサー／アクチュエータ・ノードに到達するまで発生し得る。最終的に、全てのノードが起動され、クラスター・ヘッド・ネットワークに同期される。
【００５２】
起動されたノードは、関連付けられたリンクの平均コストとともに、自らの送信距離内のセンサー／アクチュエータ・ノード及びクラスター・ヘッドのＩＤ及びクラス／タイプを含むリストを受信し構築し得る。コストは、信号強度、パケット損失率、ノードにおける電力保有量、及びノードのネットワーキング能力に基づいて計算され得る。平均リンク・コストの閾値が存在し得、該閾値を超えると隣接ノードがリストに保持されなくなる。
【００５３】
最後の層のノードが起動されると、全ノードが、より低い層のノードを介して、クラスター・ヘッドのうちの任意の一つに対しリンク登録パケットを送信する。これらの送信は、リンク・レベルの承認により信頼性の高いものにされ得る。これらのパケットは、ブリアンブル付きのヘッダと、送信元ノードのＩＤと、関連するリンク・コストを含む全ての直近のノードのリストと、特定のパケットを転送した全ノードのＩＤのリストとを含む。クラスター・ヘッドは、登録パケットが通ったのとは逆の経路で個々のセンサー／アクチュエータ・ノードに承認パケットを送信することにより応答し得る。
【００５４】
各クラスター・ヘッドで受信された情報は、他の全てのクラスター・ヘッドと常に共有され更新され得る。設置された全てのセンサー／アクチュエータ・ノードからのリンク登録パケットが受信されると、全センサー／アクチュエータ・ネットワークのグローバル・ルーティング・トポロジが、パネル又はパネルに接続されたクラスター・ヘッドにおいて決定され得る。決定されたグローバル・ルーティング・トポロジは、遅延と、ネットワークにおける均等な負荷分散との観点から最適化され得る。このアルゴリズムでは、様々なノード・クラス０、１、２の能力の違いも考慮され得る。そのため、センサー・アクチュエータ・ノードにおけるオーバーヘッドの低減、及びネットワーク内のより均等な負荷分散が、集中化手法の特徴に含まれ得る。理想的な状況において、各クラスター・ヘッドはほぼ同じサイズのノード・クラスターに接続され、クラスター内の各ノードもまた、ほぼ同数のノードのためのマルチポイント・ホップとなり得る。
【００５５】
最終的に、クラスター・ヘッドから個々のノードに対し、プリアンブル付きヘッダと、ノードの層ｎと、一層高いｎ＋１層の隣接ノードと、メッセージ転送に用いられるｎ−１層の隣接ノードと、報告先のクラスター・ヘッドと、再同期のためのタイム・スタンプとの全て又はサブセットを含む「経路定義パケット」が送信され得る。経路定義パケットは、発行元のクラスター・ヘッドが各センサー／アクチュエータ・ノードから有効な承認パケットを受信するまで、周期的に再送信され得る。交換の信頼性は、各ホップにおけるリンク・レベルの承認により増加され得る。承認されると、この情報はクラスター・ヘッド間で継続的に共有され更新され得る。
【００５６】
クラスター・ヘッドにおいて全センサー／アクチュエータ・ノードからの有効な承認パケットが受信され、全クラスター・ヘッドがネットワーク・トポロジについて同じ情報を持ち、全ての登録されたノードの数量及びＩＤが設置時から知られている情報と一致したとき、初期化が完了し得る。一致しない場合、パネルにおいてエラー・メッセージが生成され得、初期化プロセスが繰り返される。初期化が終了すると、センサー／アクチュエータ・ノードは正常動作の省電力モードに留まる。
【００５７】
（４）動作
（４−１）クラスター・ヘッド・ネットワーク
故障単点となる中央基地局を除去し、ホップ数（メッセージの再送）が多過ぎず且つ遅延の少ない複雑で大きなネットワーク・トポロジを可能とするため、全てのクラスター・ヘッドは、全ネットワークに関する一貫した情報を保持し得る。特に、クラスター・ヘッドは、全ての他のクラスター・ヘッド、及びそれらに関連付けられたセンサー／アクチュエータ・ノードについて一貫した情報を保持し得る。そのため、各クラスター・ヘッドのデータベースは、隣接のクラスター・ヘッドとデータ・パケットを交換することにより常に更新され得る。更に、例えば２つ以上のクラスター・ヘッドにおける同一のセンサー／アクチュエータ・ノードに関する情報のような重複する情報が、メッセージを確認するために利用され得る。
【００５８】
全てのクラスター・ヘッドにおいて全ネットワークの状態に関する情報が保持されるため、ユーザーは、幾つかのクラスター・ヘッドに接続された複数のパネルにて全ネットワークを同時に監視することができ、異なるタイプのパネルを同時に利用することが可能である。一つの例としての実施の形態によれば、幾つかのクラスター・ヘッドは既存のローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）に接続され得るため、パネル・ソフトウェアがインストールされた任意のＰＣからのアクセスが可能である。代わりに、例えばセキュリティを確保されたインターネット接続を介した遠隔制御が実行され得る。
【００５９】
ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）又はインターネット・サーバが故障単点を表し得る可能性があるため、少なくとも一つの専用パネル・コンピュータがクラスター・ヘッドの一つに直接接続され得る。この装置は、また、外部ネットワーク又はオペレータへのゲートウェイを提供し得る。更に、移動型又は携帯型のコンピュータを持ち運ぶ人は、近くにある任意のクラスター・ヘッドと無線接続でリンクすることが可能である。そのため、ネットワークは、事実上、クラスター・ヘッドの通信距離内の任意の場所から制御され得る。
【００６０】
（４−２）センサー／アクチュエータ・ネットワーク
正常動作期間に、センサー／アクチュエータ・ノードは、非常に低いデューティ・サイクルを有するエネルギー効率の良いモードで動作し得る。送受信機及びマイクロコントローラは、主に省電力モード又はスリープ・モードであり得る。センサー／アクチュエータ・ノードは、ＲＦ標識信号を検出し、各装置の機能に応じた自己試験及び他のタスクを実行するために、特定の間隔（例えば、１０ミリ秒〜数分ごと）で、非常に短いサイクル（例えば、数十マイクロ秒〜数十ミリ秒）に渡り起動し得る。ＲＦ標識信号が検出されると、コントローラは、後に続くメッセージのプリアンブル及びヘッダを検査する。該特定のノードにとって有効なメッセージである場合、全メッセージが取得される。メッセージが受信されない又は無効なメッセージが受信された場合、これらの各ステップのタイムアウトにより、ノードは電力を失わないよう省電力モードに戻ることができる。有効なメッセージが受信された場合、例えばタスクの実行又はメッセージの転送のような所望のアクションがとられる。センサー又は自己試験回路が警告状態を検知する場合、警告メッセージが生成されブロードキャストされ得る。該メッセージは、中間ノードによりクラスター・ヘッドに中継され得る。実際の応用によっては、隣接のノード又はクラスター・ヘッドの一つからの確認、或いはクラスター・ヘッドからの制御メッセージが受信されるまで、警告を生成したノードが起動したままになり得る。この「統制フラッディング」の仕組みを利用することにより、警告メッセージは、中間ノードを介するマルチホップ動作によりクラスター・ヘッドの一つ又はそれ以上に転送され得る。これは、緊急警告メッセージの冗長性及び迅速な転送を保証し得る。代わりに、それほど時間が重要ではない応用において、及び、クラスター・ヘッドから各ノードに送信される制御メッセージについては、ネットワーク・トラフィックを低く保つために、パケットがノードからノードへとユニキャストされ得る。
【００６１】
各センサー／アクチュエータ・ノード及びそれらの間のリンクの状態を追跡するため、全ノードが管理メッセージの交換のために同時に（例えば、数分〜数時間の時間間隔内に）起動され得る。ネットワーク・トラフィックを低く保ち、ノードにエネルギーを残しておくために、データ圧縮機構が配備され得る。
【００６２】
一つの例としての実施の形態によれば、クラスター・ヘッドに近い方のノード（即ち、下の方の層のノード）は、一つのメッセージに情報を整理統合するため、クラスター・ヘッドから遠い方のノード（即ち、上の方の層のノード）からの状態メッセージを待機し得る。パケット・サイズを小さくするため、「非ＯＫ状態」の情報のみが明示的に転送されてもよい。各クラスター・ヘッドにおいて全ネットワーク・トポロジが保持されるため、この情報のみでも、明示的なＯＫメッセージなしに各ノードの状態を暗黙的に取得するには充分であり得る。そうすることにより、最小のパケット・サイズを有する最小の数のメッセージが生成され得る。最適なケースにおいては、ノードごとに一つの短いＯＫメッセージのみが生成され得る。
【００６３】
各管理期間において、各ノードの状態が少なくとも一つのクラスター・ヘッドに送信されることを保証するため、状態メッセージは、下位層の受信ノードにより受信確認され得る。受信確認パケットは、また、タイム・スタンプを含み得るため、各センサー／アクチュエータ・ノードの内部クロックを、クラスター・ヘッド・ネットワークに連続的に再同期させることが可能となる。
【００６４】
更に、ノードは、受信距離内にある全ての下位層のノードの状態情報（例えば、非ＯＫ情報のみ）、即ち、他のノードから受信確認を受信し更にそれを他のクラスター・ヘッドに報告するノードの状態情報をも、暗黙的に自身のメッセージに含み得る。これは、クラスター・ヘッドが受信する状態情報の高い冗長性をもたらし得る。各クラスター・ヘッドにおいて全ネットワーク・トポロジが保持され得るため、この情報は、リンク障害とノード障害とを区別し、障害警告の数を減らすために利用され得る。クラスター・ヘッド又は隣接のノードからの確認メッセージは、センサー／アクチュエータ・ノードのクロックの再同期にも利用され得る。
【００６５】
（５）再構成
センサー／アクチュエータ・ネットワークにおいて各ノード又はリンクに障害が起きた場合、ネットワークは、ユーザーの介入なしに、残されたネットワークの全ての動作可能なノードへのリンクが再確立されるよう再構成し得る。
【００６６】
例としての非集中化手法においては、このタスクは、個々のセンサー／アクチュエータ・ノードにて取得されローカルに格納された、クラスター・ヘッドの一つへの代替の（「二番目に良い」）経路に関する情報を用いて実行され得る。加えて、失われたノードは、「ＳＯＳ」メッセージを用いて隣接ノードの一つから有効な経路を取得し得る。
【００６７】
代わりに、例としての集中化手法においては、クラスター・ヘッドは、切断されたセンサー／アクチュエータ・ノードに、クラスター・ヘッドに保持されている可能な経路のリストから選ばれた新しい経路を提供し得る。更に、再構成の速度を上げ、小さなローカルでの事故の場合に必要とされるパケットのオーバーヘッドを減らすために、一つのシステムにおいて両手法の組合せが実現され得る。
【００６８】
いずれに手法においても、幾つかのノードの深刻な障害の場合には、幾つか又は全てのクラスター・ヘッドが、新しい経路更新パケットを送信することにより、センサー／アクチュエータ・ネットワークの部分的又は完全な再構成を開始し得る。
【００６９】
クラスター・ヘッド・ネットワーク内のリンク障害の場合、全クラスター・ヘッドが全ての可能なリンクのテーブルを保持する場合には、代わりの経路がすぐに確立され得る。しかし、一つ又はそれ以上のクラスター・ヘッドの障害の場合には、センサー／アクチュエータ・ノードを残されたクラスター・ヘッドのネットワークに再統合するために、対応するセンサー／アクチュエータ・ノードの再構成が必要とされ得る。全てのクラスター・ヘッドが全ネットワーク・トポロジに関する完全な知識を持つよう構成されるため、幾つかのクラスター・ヘッド又はリンクの障害にも関わらず、ネットワークは２つ又はそれ以上の部分に区分することにより、大半が動作可能であり続け得る。この状況においても、それぞれの区分にあるノードに関する情報は、当該区分にある任意のクラスター・ヘッドにおいて利用可能であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】図１は、従来のアドホックな無線センサー・ネットワークの該略図である。
【図２】図２は、中央制御ユニットを持たない階層型アドホック・ネットワークの該略図である。
【図１】
2005515695.tif 000003
【図２】
2005515695.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成16年9月14日(2004.9.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線ネットワークであって、
複数のクラスター・ヘッドを有するクラスター・ヘッド・ネットワークと、
前記クラスター・ヘッド・ネットワークに対して階層的に配置されるセンサー／アクチュエータ・ネットワークであって、複数のノード・レベルに配置される複数のセンサー／アクチュエータ・ノードを有し、自己編成するセンサー／アクチュエータ・ネットワークと、
を備え、全センサー／アクチュエータ・ネットワーク・トポロジに関する情報が、前記クラスター・ヘッドのそれぞれにおいて時間同期された方法で保持され、全センサー／アクチュエータ・ノードが前記クラスター・ヘッド・ネットワークについて同期される無線ネットワーク。
【請求項２】
請求項１記載の無線ネットワークであって、故障単点を含まない無線ネットワーク。
【請求項３】
請求項１記載の無線ネットワークであって、中央基地局を含まない無線ネットワーク。
【請求項４】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドが、他のクラスター・ヘッドと比較して前記無線ネットワークに関する重複した情報を含む無線ネットワーク。
【請求項５】
請求項４記載の無線ネットワークであって、前記重複した情報が、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドの任意の一つにおいてユーザーによりアクセス可能である無線ネットワーク。
【請求項６】
請求項５記載の無線ネットワークであって、前記ユーザーが前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドのうちの少なくとも一つ及び前記重複した情報と相互作用するよう構成される無線ネットワーク。
【請求項７】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドが、任意のクラスター・ヘッドによりタスクが実行されるために、前記センサー／アクチュエータ・ノードを制御又は管理するよう構成される無線ネットワーク。
【請求項８】
請求項１記載の無線ネットワークであって、ユーザーによる相互作用及び詳細な設計の少なくとも一つを必要とせずに構成可能な無線ネットワーク。
【請求項９】
請求項１記載の無線ネットワークであって、リンク障害及びセンサー／アクチュエータ・ノード障害のうちの少なくとも一つに関わらず再構成可能な無線ネットワーク。
【請求項１０】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記無線ネットワークの有効なライフタイムが最適化される無線ネットワーク。
【請求項１１】
請求項１記載の無線ネットワークであって、セキュリティ、ホーム・オートメーション、環境制御及び管理・制御のうちの少なくとも一つに適用される無線ネットワーク。
【請求項１２】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドが基地局を含む無線ネットワーク。
【請求項１３】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記センサー／アクチュエータ・ノードがセンサー要素を含む無線ネットワーク。
【請求項１４】
請求項１３記載の無線ネットワークであって、前記センサー要素が煙探知機、運動探知機、温度センサー及びドア／窓接触のうちの少なくとも一つを含む無線ネットワーク。
【請求項１５】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記センサー／アクチュエータ・ノードがアクチュエータを含む無線ネットワーク。
【請求項１６】
請求項１５記載の無線ネットワークであって、前記アクチュエータが、警告音発生器及びバルブ・アクチュエータの少なくとも一つを含む無線ネットワーク。
【請求項１７】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記センサー／アクチュエータ・ノードが電力線により電力供給されるノードを含む無線ネットワーク。
【請求項１８】
請求項１７記載の無線ネットワークであって、前記電力線により電力供給されるノードがマルチホップ・ポイントの役割を果たすよう構成される無線ネットワーク。
【請求項１９】
請求項１７記載の無線ネットワークであって、前記電力線により電力供給されるノードがバックアップ電源を含む無線ネットワーク。
【請求項２０】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記センサー／アクチュエータ・ノードが電池式ノードを含む無線ネットワーク。
【請求項２１】
請求項２０記載の無線ネットワークであって、前記電池式ノードが太陽電池及び圧電セラミック発電器の少なくとも一つを含む無線ネットワーク。
【請求項２２】
請求項２０記載の無線ネットワークであって、前記電池式ノードがマルチホップ・ポイントの役割を果たすよう構成される無線ネットワーク。
【請求項２３】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記センサー／アクチュエータ・ノードが、限られた能力を有する電池式ノードを含む無線ネットワーク。
【請求項２４】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記クラスター・ヘッドが、前記センサー／アクチュエータ・ノードと通信するための第1の無線通信モジュールと、他のクラスター・ヘッドと通信するための第２の無線通信モジュールとを含む無線ネットワーク。
【請求項２５】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドが、前記センサー／アクチュエータ・ノード及び他のクラスター・ヘッドと通信するための単一の無線通信モジュールを備える無線ネットワーク。
【請求項２６】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドが、標準的な有線の送受信機又は標準的な無線の送受信機の一つを備える無線ネットワーク。
【請求項２７】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッドが、イーサネット（登録商標）及びブルートゥースの送受信機の少なくとも一つを備える無線ネットワーク。
【請求項２８】
請求項１記載の無線ネットワークであって、更に、前記クラスター・ヘッド・ネットワークに接続されたパネルを備える無線ネットワーク。
【請求項２９】
請求項２８記載の無線ネットワークであって、前記パネルが、ローカル・エリア・ネットワーク、専用有線リンク、及び専用無線リンクのうちの一つを介して前記クラスター・ヘッド・ネットワークに接続される無線ネットワーク。
【請求項３０】
請求項２８記載の無線ネットワークであって、前記パネルが、前記クラスター・ヘッド・ネットワーク及び前記センサー／アクチュエータ・ノード・ネットワークのうちの前記少なくとも一つを自動構成するためのソフトウェアを含む無線ネットワーク。
【請求項３１】
請求項２８記載の無線ネットワークであって、前記パネルがパーソナル・コンピュータを含む無線ネットワーク。
【請求項３２】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記センサー／アクチュエータ・ノードが省エネルギー・ポーリング・モードで動作するよう構成される無線ネットワーク。
【請求項３３】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記センサー／アクチュエータ・ノードが、標識信号を求めてチャンネルを走査するために、ビルト・インのタイマーにより起動されるよう構成される無線ネットワーク。
【請求項３４】
請求項３３記載の無線ネットワークであって、前記標識信号がＲＦトーン及び特別なシーケンスのうちの一つである無線ネットワーク。
【請求項３５】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記少なくとも一つのクラスター・ヘッド及びセンサー／アクチュエータ・ノードが、一意の識別子を含む無線ネットワーク。
【請求項３６】
センサー／アクチュエータ・ノードを無線でネットワーク接続する方法であって、
複数のクラスター・ヘッドを有するクラスター・ヘッド・ネットワークを初期化するステップと、
統合された無線ネットワークを形成するようセンサー／アクチュエータ・ノード・ネットワークを初期化するステップであって、該センサー／アクチュエータ・ノードが複数のノード・レベルを形成するステップと、
前記統合された無線ネットワークを動作させるステップと、
を備え、全センサー／アクチュエータ・ネットワーク・トポロジに関する情報が、前記クラスター・ヘッドのそれぞれにおいて時間同期された方法で保持され、全センサー／アクチュエータ・ノードが前記クラスター・ヘッド・ネットワークについて同期される方法。
【請求項３７】
請求項３６記載の方法であって、前記クラスター・ヘッド・ネットワークを初期化するステップが、更に、
クラスター・ヘッドに前記クラスター・ヘッド・ネットワークの前記クラスター・ヘッドの識別子リストを提供するステップと、
問い合わせパケット及び前記識別子リストを交換することにより、前記クラスター・ヘッド間のリンクを検出するステップと、
経路テーブルのエントリを更新するステップと、
メッセージ遅延、ホップ数及び前記クラスター・ヘッド間の接続のうちの少なくとも一つに基づいて最適トポロジを決定するステップと、
を備える方法。
【請求項３８】
請求項３６記載の方法であって、前記センサー／アクチュエータ・ノード・ネットワークを初期化する前記ステップが、更に、
第一層のセンサー／アクチュエータ・ノードを起動しリンク情報を収集するために、前記クラスター・ヘッドから第一層のセンサー／アクチュエータ・ノードに標識信号及びリンク検出パケットを送信するステップと、
前記上位層ノードを起動し前記リンク情報を収集するために、前記下位層ノードから前記上位層ノードへ前記標識信号及びリンク検出パケットを連続的に送信するステップと、
経路検出パケットを前記センサー／アクチュエータ・ノードに送信するステップと、
前記リンク情報を含む経路登録パケットを前記クラスター・ヘッドに送信するステップと、
前記リンク情報を、前記クラスター・ヘッド・ネットワークの全クラスター・ヘッドで共有するステップと、
を備える方法。
【請求項３９】
請求項３６記載の方法であって、前記センサー／アクチュエータ・ノード・ネットワークを初期化する前記ステップが、更に、
前記センサー／アクチュエータ・ノードを起動しリンク情報を収集するために、前記ノード・レベルのそれぞれに対し標識信号及びリンク検出パケットを連続的に送信するステップと、
前記リンク情報を前記クラスター・ヘッド・ネットワークに送信することにより、前記センサー／アクチュエータ・ノードを登録するステップと、
前記リンク情報を、前記クラスター・ヘッド・ネットワークの全クラスター・ヘッドで共有するステップと、
を備える方法。
【請求項４０】
請求項３６記載の方法であって、前記統合された無線ネットワークを動作させるステップが、更に、
前記クラスター・ヘッド・ネットワークの前記クラスター・ヘッド間でリンク情報を継続的に共有するステップと、
前記センサー／アクチュエータ・ノードをエネルギー効率の良いモード動作させるステップと、
を備える方法。
【請求項４１】
請求項４０記載の方法であって、前記センサー／アクチュエータ・ノードを動作させるステップが、更に、
前記センサー／アクチュエータ・ノードを、標識信号の検出、自己試験を実行及びタスクの実行のいずれかのために、短いサイクルに渡り起動するステップ
を備える方法。
【請求項４２】
請求項３６記載の方法であって、更に、
リンク障害及びノード障害のいずれかの場合に、前記センサー／アクチュエータ・ネットワークを再構成するステップ
を備える方法。
【請求項４３】
請求項４２記載の方法であって、再構成する前記ステップが、更に、
センサー／アクチュエータ・ノードに格納されたリンク情報に従って代わりの経路を決定するステップ
を備える方法。
【請求項４４】
請求項４２記載の方法であって、再構成する前記ステップが、更に、
失われたセンサー／アクチュエータ・ノードの隣接のセンサー／アクチュエータ・ノードに対し、  失われたセンサー／アクチュエータ・ノードについて前記隣接のセンサー／アクチュエータ・ノードに格納されたリンク情報を取得するために、ＳＯＳメッセージを送信するステップ
を備える方法。
【請求項４５】
請求項４２記載の方法であって、再構成する前記ステップが、更に、
前記クラスター・ヘッドに格納された前記リンク情報に従って代わりの経路を決定するステップ
を備える方法。
【請求項４６】
請求項４２記載の方法であって、再構成する前記ステップが、更に、
前記統合された無線ネットワークを２つ以上のセグメントに分割するステップ
を備える方法。
【請求項４７】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記クラスター・ヘッド・ネットワーク及び前記センサー／アクチュエータ・ネットワークが、各センサー／アクチュエータ・ノードの内部クロックの連続的な再同期を可能とするよう構成される無線ネットワーク。
【請求項４８】
請求項１記載の無線ネットワークにおいて、前記クラスター・ヘッドが、時間同期された方法でタスクを実行するために、前記クラスター・ヘッドの内部クロックを同期させるよう構成された無線ネットワーク。
【請求項４９】
請求項１記載の無線ネットワークであって、前記センサー／アクチュエータ・ノードがノード・クラスに従って配置される無線ネットワーク。
【請求項５０】
請求項４９記載の無線ネットワークであって、前記ノード・クラスが電力制約能力を有する無線ネットワーク。
【国際調査報告】
2005515695.tif 000005
2005515695.tif 000006