(57)【要約】  簡単な形でネットワーク要素個別のおよび／またはネットワーク全体の稼働時間の延長を可能にするための、ワイヤレスネットワークの動作方法が提供される。該ネットワークは、相互にワイヤレス通信を行うとともに１つのネットワーク要素から別のネットワーク要素へワイヤレスエネルギー転送を行うように構成された複数のネットワーク要素を含み、エネルギーは、ネットワーク要素個別のおよび／またはネットワーク全体のエネルギーのバジェットおよび／または寿命を最適化するためのネットワーク要素間のネゴシエーションに従って、１つのネットワーク要素から別のネットワーク要素へワイヤレスに転送される。また、好ましくは上記の方法を実行する、対応するネットワークが提供される。
2013545423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤレスネットワークの動作方法において、該ネットワークは、相互にワイヤレス通信を行うとともに１つのネットワーク要素から別のネットワーク要素へワイヤレスエネルギー転送を行うように構成された複数のネットワーク要素を含み、エネルギーは、ネットワーク要素個別のおよび／またはネットワーク全体のエネルギーのバジェットおよび／または寿命を最適化するためのネットワーク要素間のネゴシエーションに従って、１つのネットワーク要素から別のネットワーク要素へワイヤレスに転送されることを特徴とする、ワイヤレスネットワークの動作方法。
【請求項２】
ネゴシエーションが、所定のネットワーク要素のグループのメンバ間で協調的に実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ネゴシエーションが、すべてのネットワーク要素間で協調的に実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記最適化が、ネットワーク全体においてまたはネットワークの一部において利用可能なエネルギーの均衡化を含み、該一部は、いくつかの所定のまたはすべてのネットワーク要素の間で、いくつかの協調的なネットワーク要素によって規定されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記最適化が、計算および／または通信および／またはセンシングのタスクによって発生するネットワーク負荷の下で実行されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
エネルギープールがネットワーク内に形成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
エネルギープールが、いくつかの所定のまたはすべてのネットワーク要素の利用可能なエネルギーを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
エネルギーを緊急に必要としているネットワーク要素に対して、該ネットワーク要素の寿命またはネットワークの寿命を増大させるため、および／または、所定のタスクを遂行するために、エネルギーが転送されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
エネルギーが、ネットワーク要素に対して、少なくとも１つの別のネットワーク要素経由で転送されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
エネルギー転送を実行するのに適したネットワーク要素が、効果的な規模でエネルギーを転送するためにいつ地理的に十分に近づくかを推定するために、少なくとも１つのネットワーク要素の少なくとも１つのモビリティ機能が考慮されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
エネルギーの転送が、データ通信と同期的に実行されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
エネルギーの転送が、データ通信と同じ搬送波を介して実行されることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
エネルギーが、環境エネルギーの形態を電気エネルギーに変換することによって、少なくとも１つのネットワーク要素により収集されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
収集されたエネルギーがエネルギープールに提供されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
少なくともいくつかのネットワーク要素がエネルギーハーベスタ回路を有することを特徴とする請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
エネルギーハーベスタ回路を有するネットワーク要素のうちの少なくともいくつかがバッテリを有していないことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
少なくともいくつかのネットワーク要素が、エネルギーをワイヤレスに送受信するエネルギー送受信器を有することを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
１つのネットワーク要素が別のネットワーク要素に対して、自分に代わってタスクを実行するように要求することを特徴とする請求項１ないし１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記１つのネットワーク要素が、他の所定のネットワーク要素のうちから、最大量のエネルギーを収集することができるネットワーク要素を、要求したタスクを実行するネットワーク要素として選択することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
ネットワーク要素のワイヤレスエネルギー転送能力および／またはエネルギーハーベスティング可能性が、クラスタヘッド選択における尺度として使用されることを特徴とする請求項１ないし１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記最適化が、ネットワーク要素のモビリティ特性および／またはワイヤレスエネルギー転送能力および／またはエネルギーハーベスティング可能性を考慮することにより、好ましくは、ネットワーク要素間の一様なエネルギー分配に近づくために、転送オーバーヘッドの最小化およびエネルギーハーベスティングの最大化を同時に行うことを特徴とする請求項１ないし２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
ネットワーク、好ましくは請求項１ないし２１のいずれか１項に記載のワイヤレスネットワークの動作方法を実行するネットワークにおいて、該ネットワークは、相互にワイヤレス通信を行うとともに１つのネットワーク要素から別のネットワーク要素へワイヤレスエネルギー転送を行うように構成された複数のネットワーク要素を含み、該ネットワーク要素は、ネットワーク要素個別のおよび／またはネットワーク全体のエネルギーのバジェットおよび／または寿命を最適化するためのネットワーク要素間のネゴシエーションに従って、１つのネットワーク要素から別のネットワーク要素へワイヤレスにエネルギーを転送する手段を備えたことを特徴とするネットワーク。
【請求項２３】
エネルギープーリングまたはエネルギープーリングシステムが、エネルギープールに参加するネットワーク要素であって、該ネットワーク要素によりエネルギー転送が決定され実行されるようなネットワーク要素間で実行される通信プロトコルの形態で、分散化されて実現されることを特徴とする請求項２２に記載のネットワーク。
【請求項２４】
エネルギープーリングまたはエネルギープーリング戦略が、集中化されたサービスの形態で集中的に実現されることにより、ネットワーク要素が、通信プロトコルを介して相互作用し、エネルギープールの現在のステータスについて該サービスに通知することで、該サービスは、エネルギープールにおいてどのエネルギー転送を実行すべきかを決定することができ、該決定は、影響を受けるネットワーク要素に通知され、該ネットワーク要素によって実行されることを特徴とする請求項２２または２３に記載のネットワーク。
【請求項２５】
エネルギープーリングまたはエネルギープーリング戦略が、請求項２３および２４に記載の分散化および集中化の実現を組み合わせた混成形態で実現されることにより、部分的に集中化され部分的に分散化されたエネルギープーリング戦略を実現することを特徴とする請求項２３および２４に記載のネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレスネットワークの動作方法に関する。該ネットワークは、相互にワイヤレス通信を行うとともに１つのネットワーク要素から別のネットワーク要素へワイヤレスエネルギー転送を行うように構成された複数のネットワーク要素を含み、エネルギーは、ネットワーク要素個別のおよび／またはネットワーク全体のエネルギーのバジェットおよび／または寿命を最適化するためのネットワーク要素間のネゴシエーションに従って、１つのネットワーク要素から別のネットワーク要素へワイヤレスに転送される。
【０００２】
また、本発明は、ネットワークに関する。該ネットワークは、相互にワイヤレス通信を行うとともに１つのネットワーク要素から別のネットワーク要素へワイヤレスエネルギー転送を行うように構成された複数のネットワーク要素を含み、該ネットワーク要素は、ネットワーク要素個別のおよび／またはネットワーク全体のエネルギーのバジェットおよび／または寿命を最適化するためのネットワーク要素間のネゴシエーションに従って、１つのネットワーク要素から別のネットワーク要素へワイヤレスにエネルギーを転送する手段を備える。
【背景技術】
【０００３】
相互にワイヤレス通信を行うように構成された複数のネットワーク要素を含むようなワイヤレスネットワークの動作方法および対応するネットワークは既知である。また、さまざまな種類の電子装置間でワイヤレスにエネルギーを転送することが既知であることも基本的に想定される。
【０００４】
特に、モバイル通信システムにおける携帯電話、ワイヤレスセンサネットワークにおけるセンサノード、あるいはモバイルアドホックネットワークを形成する移動ロボットのような、多くの種類の自律的な電子装置あるいはネットワーク要素が、ワイヤレス技術によって通信可能である。この技術は、通信の観点からはこれらの装置を自律的なものとしているが、装置のエネルギーバジェットが制限されているため、有限時間の後にはそれらのバッテリを再充電または交換する必要がある。例えば水中、野生生物、および軍事のような多くの閉鎖的状況では、このようなバッテリバジェットの取り扱いはきわめてコストがかかるか、さらには実行不可能な場合もある。このため、多くのネットワークは、物理的介入に依存していることにより、真にワイヤレスではない。
【０００５】
最近、環境エネルギー形態（例えば太陽光、電波、および動力学）を、電子装置によって消費可能な電気エネルギーに変換することにより、「真のワイヤレス」へ一歩進むための補完的技術として、エネルギーハーベスティング（energy harvesting, 環境発電）が提案されている。しかし、エネルギーハーベスティングは、単独の装置が適当なハーベスティング回路を備えている場合に、その装置のエネルギーバジェットだけは改善されるかもしれないが、ハーベスティングの可能性が十分である時間、例えば、太陽エネルギーを収集する場合には装置が実際に太陽光にさらされている時間に制限される。結果として、バッテリの再充電または交換を避ける可能性は、少数の最適な状況においてしか与えられない。
【０００６】
エネルギー消費最適化
従来技術においては、装置のエネルギー消費を低減することによって、装置のエネルギー効率を向上させることを目標とする方法が検討されている（非特許文献１参照）。これまで提案された方法はさまざまなレイヤで作用する。例えば、よりエネルギー効率の良い電子回路（非特許文献２参照）およびネットワークプロトコル（非特許文献１参照）が、それぞれハードウェアおよびネットワーク／トランスポートのレイヤで設計されている。他の研究として、より大容量のバッテリの開発を目的としたものがある。小型の電子装置において、このようなバッテリ技術の事実上の制約は、小さいサイズが要求されることであり、これはバッテリのパフォーマンスに上限を課する。エネルギー消費を最適化するすべての手法において、装置のエネルギーバジェットは常に制限され、バッテリの再充電または交換によって補充することしかできない。
【０００７】
エネルギーハーベスティング、エネルギースカベンジング
エネルギーハーベスティングあるいはエネルギースカベンジング（energy scavenging）技術は、太陽光、音、および動力学のような外部エネルギー源を利用して、これらのエネルギー形態を、個々の電子装置の全エネルギー容量を増大させるために使用可能な電気エネルギーに変換する。この分野における研究開発は、エネルギーハーベスティング技術を改良し、新たな形態の自然エネルギーを利用する方法を見出すことを目的としている。例えば、非特許文献３では、悪天候条件下であっても太陽エネルギーのハーベスティングを最大化する回路を考案している。
【０００８】
また、従来の研究は、自律的ノードのハーベスティング可能性に基づいてタスク配分を最適化することも目標としている。非特許文献４では、センサネットワークに対する分散フレームワークを考案している。この分散フレームワークでは、（ｉ）配備地域にわたるエネルギー供給の時空間的性質を適応的に学習し、（ｉｉ）学習した情報を共有し、（ｉｉｉ）環境エネルギー利用可能性の詳細な特性に基づいてノード間でのタスク割当てに対するローカライズされたスケジューリングアルゴリズムを提供する。想定されるタスクとしては、負荷分散、クラスタリングのためのリーダー（ヘッド）選出、およびエネルギーアウェア通信が挙げられる。この背後にある主要な原理は、ネットワークノードにおいて利用可能なエネルギーに従ってタスク割当てを変更することによって、システム寿命を延ばすことができることである。
【０００９】
センサノードのエネルギーハーベスティングおよびバッテリ再充電の組合せが非特許文献５で考察されている。非特許文献５では、移動ロボットに対して、特定の位置へ移動し、そこで太陽エネルギーを収集し、再充電してから、太陽光が十分に当たらないエリアに配置された静止センサノードにそのエネルギーを配達するように指示することが提案されている。
【００１０】
エネルギーハーベスティングは、ハーベスティングの可能性が十分に高い安定した環境条件下では考慮に値する。しかし、エネルギーハーベスティングは、個々の装置に制限され、自然エネルギー源の利用可能性に強く依存する。非特許文献５に記載されているように、ハーベスティング可能性を有していないノードや、適当な自然エネルギー源が利用可能でないためハーベスティングが不可能な場所に配置されたノードは、利用可能なバッテリ容量でやりくりするか、あるいはバッテリの再充電または交換に戻らなければならない。
【００１１】
エネルギーハーベスティングが機能しても、通信ネットワーク内のすべての装置の全体的なエネルギー容量が、ネットワーク内のどの場所でも必要に応じて十分にフレキシブルには利用可能でないという問題が依然として残る。
【００１２】
ワイヤレスエネルギー転送
さらに最近は、ある特定の種類の電子装置を再充電する目的で、ワイヤレスエネルギー伝送技術が利用可能になってきている。この目的のため、特許文献１（発明者：Chun-Kil Jung、発明の名称：Wireless power charging system、公開日：２００９年６月４日）に記載されているような近接場ワイヤレスエネルギー転送技術が使用される。この技術では、装置を電源コンセントに差し込むことはもはや不要である。この構成では、ワイヤレス充電ステーションの近くにモバイル装置を手動で置くことは依然として必要であるが、配線がなくなるために追加的な便宜が得られる。近接場ワイヤレスエネルギー転送は、ワイヤレスセンサネットワークや移動ロボットの場合のような本発明で考慮するネットワークの状況には適していない。
【００１３】
また、従来技術では、ワイヤレスエネルギー転送の考え方を遠距離場転送に拡張することも検討されている。この場合、エネルギーは比較的長距離、例えば１０〜２０メートルを介してワイヤレスに転送され、ワイトリシティ（WiTricity）と呼ばれることがある。遠距離場転送のために提案されている関連技術の選択肢として、特許文献２（発明者：Arthur Charych、発明の名称：System and method for wireless electrical power transmission、発行日：２００４年９月２８日）で用いられている超音波伝送と、特許文献３（発明者：Gunjan Porwal、発明の名称：Wireless energy transfer、公開日：２００９年４月３０日）における、１対の装置間での電磁波によるワイヤレスエネルギー転送がある。例えば携帯電話およびセンサノードのリモート再充電方法が、それぞれノキア（非特許文献６参照）およびパワーキャスト（非特許文献７参照）によって検討されている。前者は、環境電波からエネルギーを収集することにより携帯電話のエネルギーを増大させる。当技術分野において、モバイル装置にワイヤレスエネルギー充電サービスを提供することが可能な基地局の構想を指すために、「ワイトリシティ・ホットスポット」（WiTricity hotspot）という用語が用いられている。
【００１４】
上記の技術によれば、相当の距離を介してマイクロワットやミリワット程度の電力でワイヤレスにエネルギーを転送することは実現可能であるが、提案されているどの考え方も単独の装置の観点を仮定しているため、すべての解決法は個別の装置に重点を置いたものになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０１４０６９０Ａ１号明細書
【特許文献２】米国特許第６７９８７１６号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００９／０１０８６７９Ａ１号明細書
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】D.V. Giang, T. Taleb, K. Hashimoto, N. Kato, and Y. Nemoto, "A fair and lifetime-maximum routing algorithm for wireless sensor networks", in Proc. IEEE Globecom'07, Washington DC, USA, Dec. 2007
【非特許文献２】T. Otsuji, Y. M. Meziani, T. Nishimura, T. Suemitsu, W. Knap, E. Sano, T. Asano and V. V. Popov, "Emission of terahertz radiation from dual grating gate plasmon-resonant emitters fabricated with InGaP/InGaAs/GaAsmaterial systems", J. Phys.: Condens. Matter 20 (2008) 384206 (11pp)
【非特許文献３】C. Alippi and C. Galperti, "An adaptive system for optimal solar energy harvesting in wireless sensor network nodes", IEEE Trans. Circuits and Systems, Vol. 55, No. 6, Jul. 2008
【非特許文献４】A. Kansal and M. Srivastava: An Environmental Energy Harvesting Framework for Sensor Networks. CENS Technical Report, Center for Embedded Network Sensing (CENS), January 2003
【非特許文献５】M. Rahimi, H. Shah, G.S. Sukhatme, H. Heideman, and D. Estrin, "Studying the feasibility of energy harvesting in a mobile sensor network", in Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Taipei, Taiwan, September 2003
【非特許文献６】Nokia getting energy off the air, from existing EM transmission
【非特許文献７】True wireless power by Powercasthttp://www.powercastco.com/
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
したがって、本発明の目的は、ワイヤレスネットワークの動作方法および対応するネットワークにおいて、簡単な形でネットワーク要素個別のおよび／またはネットワーク全体の稼働時間の延長を可能にするような改良およびさらなる展開を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明によれば、上記の目的は、請求項１の構成を備えた方法および請求項２２の構成を備えたネットワークによって達成される。
【００１９】
本発明によって認識されたこととして、ネットワーク要素間の通信およびワイヤレスエネルギー転送に関する既知の技術は、自律的ネットワーク要素のおよび／またはネットワーク全体のエネルギーバジェットおよび／または寿命を最適化するために使用可能である。具体的には、エネルギーは、エネルギーのバジェットおよび／または寿命を最適化するためのネットワーク要素間のネゴシエーションに従って、１つのネットワーク要素から別のネットワーク要素へワイヤレスに転送される。従来技術には、ネットワーク要素間のこのようなネゴシエーションの考え方が全くない。したがって、本発明に基づいて、ネットワーク要素個別のおよび／またはネットワーク全体の稼働時間の延長が簡単な形で可能となる。
【００２０】
好ましくは、ネゴシエーションは、所定のネットワーク要素のグループのメンバ間でまたはすべてのネットワーク要素間で協調的に実行されてもよい。従来技術には、ネットワーク要素どうしの間での協調的なワイヤレスエネルギー容量のネゴシエーションを考慮する考え方は全くない。協調的ネゴシエーションにより、ネットワーク要素個別のエネルギー容量が、１つのネットワーク要素から別のネットワーク要素へのエネルギーのワイヤレス転送に関して考慮されることが可能である。
【００２１】
好ましい実施形態において、前記最適化は、ネットワーク全体においてまたはネットワークの一部において利用可能なエネルギーの均衡化を含んでもよい。該ネットワークの一部は、いくつかの所定のまたはすべてのネットワーク要素の間で、いくつかの協調的なネットワーク要素によって規定される。このようなエネルギーの均衡化によれば、高いエネルギー容量を有するネットワーク要素が、そのエネルギーの一部を低いエネルギー容量を有するネットワーク要素に転送することにより、両方のネットワーク要素がエネルギー容量の問題なしに必要なタスクを実行することができる。
【００２２】
好ましくは、前記最適化は、計算および／または通信および／またはセンシングのタスクによって発生するネットワーク負荷の下で実行されてもよい。これにより、最適化手続きは、実際の適用場面に基づくことが可能である。
【００２３】
具体的には、エネルギーを必要とするすべてのネットワーク要素にエネルギーを提供するエネルギープールがネットワーク内に形成されてもよい。エネルギープールは、高いエネルギー容量または多くのエネルギーを有するネットワーク要素によってエネルギーを充填されてもよい。あるいは、エネルギープールは、高いエネルギー容量を有するネットワーク要素から構成されてもよい。
【００２４】
好ましい実施形態において、エネルギープールは、いくつかの所定のまたはすべてのネットワーク要素の利用可能なエネルギーを含んでもよい。所定のネットワーク要素は、高いエネルギー容量または高いエネルギーリソースを有するネットワーク要素であってもよい。この場合、低いエネルギーリソースを有するネットワーク要素または過剰のリソースを有していないネットワーク要素は、エネルギープールにエネルギーを提供する必要はない。
【００２５】
別の好ましい実施形態において、エネルギーを緊急に必要としているネットワーク要素に対して、そのネットワーク要素の寿命またはネットワークの寿命を増大させるため、および／または、所定のタスクを遂行するために、エネルギーが転送されてもよい。これにより、ネットワーク要素の障害のリスクが回避される。
【００２６】
個々の状況に応じて、エネルギーは、ネットワーク要素に対して、少なくとも１つの別のネットワーク要素経由で転送されてもよい。少なくとも１つの別のネットワーク要素経由でのこのような転送により、エネルギーは、２つのネットワーク要素間のみでのエネルギーの直接転送によっては到達できない距離に位置するネットワーク要素にも転送可能である。
【００２７】
別の好ましい実施形態において、エネルギー転送を実行するのに適したネットワーク要素が、効果的な規模でエネルギーを転送するためにいつ地理的に十分に近づくかを推定するために、少なくとも１つのネットワーク要素の少なくとも１つのモビリティ機能が考慮されてもよい。換言すれば、ネットワーク要素間で非常に効果的なエネルギー転送を提供するために、エネルギー転送は、所定の時刻および位置で実行されてもよい。
【００２８】
好ましくは、エネルギーの転送は、データ通信と同期的に実行されてもよい。この場合、それぞれのネットワーク要素がすでに通信状況にあるので、エネルギーの非常に効果的な転送が可能である。
【００２９】
さらに好ましくは、エネルギーの転送は、データ通信と同じ搬送波を介して実行されてもよい。これにより、非常に効果的なエネルギー転送が可能となる。
【００３０】
ネットワーク要素個別のおよび／またはネットワーク全体の稼働時間の非常に効果的な延長に関して、エネルギーは、環境エネルギーの形態を電気エネルギーに変換することによって、少なくとも１つのネットワーク要素により収集されてもよい。このような収集（ハーベスティング）手続きにより、ネットワーク全体のエネルギーバジェットは非常に簡単な形で増強可能である。具体的には、収集されたエネルギーを追加的なエネルギーが必要なネットワーク要素に提供するためのエネルギープールに、収集されたエネルギーを提供してもよい。
【００３１】
このようなエネルギーハーベスティングを簡単に実現するため、少なくともいくつかのネットワーク要素は、エネルギーハーベスタ（energy harvester）回路を有してもよい。非常に特殊かつ簡単な場合において、エネルギーハーベスタ回路を有するネットワーク要素のうちの少なくともいくつかはバッテリを有していなくてもよい。この場合、このようなネットワーク要素は、エネルギーハーベスタ回路によって、および／または、他のネットワーク要素からもしくはエネルギープールからのエネルギーの伝送によって、必要なエネルギーを集めることができるので、バッテリは必ずしも必要ではない。エネルギーハーベスタ回路を備えることにより、環境エネルギーからエネルギーを収集する非常に環境に配慮したネットワーク要素が実現可能である。
【００３２】
別の具体的実施形態において、少なくともいくつかのネットワーク要素は、非常に簡単な形でエネルギーをワイヤレスに送受信するエネルギー送受信器を有してもよい。
【００３３】
ネットワーク容量の非常に効果的な使用およびそれによる稼働時間の延長に関して、１つのネットワーク要素が別のネットワーク要素に対して、自分に代わってタスクを実行するように要求してもよい。選択されるネットワーク要素は、要求側のネットワーク要素よりも高いエネルギー容量を有するネットワーク要素であってもよい。
【００３４】
別の状況において、前記１つのネットワーク要素は、他の所定のネットワーク要素のうちから、最大量のエネルギーを収集することができるネットワーク要素を、要求したタスクを実行するネットワーク要素として選択してもよい。別法として、前記１つのネットワーク要素は、エネルギー転送のためのオーバーヘッドが最小のネットワーク要素を選択してもよい。
【００３５】
別の好ましい実施形態において、ネットワーク要素のワイヤレスエネルギー転送能力および／またはエネルギーハーベスティング可能性が、クラスタヘッド選択における尺度として使用されてもよい。例えば、最良のエネルギー転送能力を有するネットワーク要素および／または最良のエネルギーハーベスティング可能性を有するネットワーク要素がクラスタヘッドとして選択されてもよい。
【００３６】
エネルギー転送によるネットワーク要素間の最適化されたエネルギー均衡化に関して、前記最適化は、ネットワーク要素のモビリティ特性および／またはワイヤレスエネルギー転送能力および／またはエネルギーハーベスティング可能性を考慮してもよい。これにより、好ましくは、ネットワーク要素間の一様なエネルギー分配に近づくために、転送オーバーヘッドの最小化およびエネルギーハーベスティングの最大化を同時に行う。
【００３７】
好ましい実施形態において、エネルギープーリング（energy pooling）またはエネルギープーリングシステムが、分散化された形態で実現されてもよい。例えば、エネルギープールに参加するネットワーク要素であって、当該ネットワーク要素によりエネルギー転送が決定され実行されるようなネットワーク要素間で実行される通信プロトコルの形態で実現されてもよい。
【００３８】
さらに好ましくは、エネルギープーリングまたはエネルギープーリング戦略は、集中化されたサービスの形態で集中的に実現されてもよい。これにより、ネットワーク要素は通信プロトコルを介して相互作用し、エネルギープールの現在のステータスについて該サービスに通知することで、該サービスは、エネルギープールにおいてどのエネルギー転送を実行すべきかを決定することができる。決定は、影響を受けるネットワーク要素に通知され、そのネットワーク要素によって実行される。
【００３９】
別の好ましい組合せ形態において、エネルギープーリングまたはエネルギープーリング戦略は、上記の集中化形態および分散化形態による分散化および集中化の実現を組み合わせた混成形態で実現することにより、部分的に集中化され部分的に分散化されたエネルギープーリング戦略を実現してもよい。このような混成形態は、さまざまな状況に適応可能な非常にフレキシブルなネットワークあるいはシステムを提供することが可能である。
【００４０】
本発明は、ネットワーク要素間のエネルギーを均衡化させるためにワイヤレスエネルギー転送技術を活用することを提案する。モバイル通信、ワイヤレスセンサネットワーク、および移動自律ロボットの場合のような、自律的な電子ネットワーク要素のネットワークにおいて「エネルギープール」を形成することが可能である。このようなエネルギープールに基づいて、本発明は、エネルギーを緊急に必要としている可能性のあるネットワーク要素があれば、自律的なネットワーク要素間でそのようなネットワーク要素にエネルギーを転送することによって、ネットワーク全体のエネルギーバジェットを最適化することを提案する。これにより、ネットワーク全体の寿命を最適化したり、ネットワーク要素がそれぞれのタスクを実行することを支援したりする。このようなエネルギープーリングは、ネットワーク要素間の協調を促進するためにも使用可能である。
【００４１】
また、本発明は、各ネットワーク要素のエネルギーバジェットを向上させ、結果としてネットワーク全体のエネルギープールの容量あるいはエネルギーバジェットを向上させるために、エネルギーハーベスティングを補完的な技術として考慮することを提案する。ワイヤレスエネルギー転送技術により、個別に収集されたエネルギーを自律的なネットワーク要素間で転送することで、ネットワークの寿命を全体としてさらに延ばすことも可能であり、その結果として、ネットワーク要素のバッテリの再充電や交換を減少または完全に回避することが可能である。
【００４２】
本発明は、ワイヤレスエネルギー転送を可能にする技術により、自律的なネットワーク要素のネットワークにおいてエネルギーを協調的にプーリングするシステムを提供する。結果として、協調的なネットワーク要素間のネットワークのエネルギープールにおいて利用可能なエネルギーを均衡化させることにより、ネットワーク寿命が延びる。
【００４３】
例えば、エネルギーを使い果たしそうになっており、かつエネルギーを収集できない別のネットワーク要素を支援するために、良好なハーベスティング可能性をも有する高充電されたネットワーク要素における利用可能なエネルギーを使用することで、ネットワーク要素個別のエネルギーバジェットを最適化し、および／または、ネットワークの寿命をさらに改善するのが望ましい。しかし、このような形態の「エネルギープーリング」をサポートするフレキシブルなエネルギー分配メカニズムは、当技術分野では現在考慮されていない。
【００４４】
ネットワーク要素は、ネットワーク要素のおよび／またはネットワークのエネルギーバジェットを最適化し寿命を延長することを目的として、ワイヤレス通信を介して協調する。換言すれば、協調するネットワーク要素が、ネットワーク要素のおよび／またはネットワークのエネルギーバジェットを最適化するために、エネルギーのワイヤレス転送について交渉する。収集されたエネルギーを共有し、協調的に形成されたエネルギープールに注入することによるエネルギーハーベスティング技術の統合は、ネットワーク要素のおよび／またはネットワークの寿命をさらに延ばす。
【００４５】
本発明を好ましい態様で実施するにはいくつもの可能性がある。このためには、一方で請求項１に従属する諸請求項を参照しつつ、他方で図面により例示された本発明の好ましい実施形態についての以下の説明を参照されたい。図面を用いて本発明の好ましい実施形態を説明する際には、本発明の教示による好ましい実施形態一般およびその変形例について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態による２つのネットワーク要素を示す図である。
【図２】ワイヤレスネットワーク要素を含むネットワーク配置の実施形態を示す図である。
【図３】本発明の別の実施形態による拡張エネルギーハーベスティング・蓄積・転送（Harvesting-Storage-Transfer, ＨＳＴ）モデルを示す図である。
【図４】部分的にエネルギーハーベスティングをサポートした、協調的に動作するワイヤレスネットワーク要素を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
図１は、本発明の実施形態による基本的システムを示している。ノードの形態のネットワーク要素がエネルギー送受信器を備え、エネルギー送受信器は、利用可能なワイヤレスエネルギー転送技術のいずれかを用いて、他のネットワーク要素あるいはノードとの間でワイヤレス手段によりエネルギーを「送信」および「受信」することができる。エネルギーは、例えばバッテリ、キャパシタ、あるいはエネルギーハーベスタを介して、エネルギー送受信器に供給される。エネルギー送受信器から受信されたエネルギーは、ノードのエネルギーコンシューマ（例えばＣＰＵ、ＷＬＡＮのようなコンポーネント）によって使用されるか、またはノードのバッテリに蓄積される。
【００４８】
注意すべき重要な点であるが、ワイヤレスエネルギー転送は一般的に、エネルギーがノード間で転送されている間に損失を伴う。例えば、エネルギーバジェットがそれぞれＸおよびＹである２つのネットワーク要素あるいはノードＮ１およびＮ２から構成されたネットワークを考える。さらに、Ｎ２は追加的なエネルギーを必要としており、これはＮ１からＮ２へ転送可能であり、Ｎ２はεの追加的エネルギーを受け取り、Ｎ１はγのエネルギーを失うと仮定する。ワイヤレスエネルギー転送前のネットワークの全体的なエネルギーバジェットは（Ｘ＋Ｙ）である。エネルギー転送後のネットワーク全体のエネルギーバジェットは（Ｘ−γ）＋（Ｙ＋ε）である。ワイヤレスエネルギー転送中の損失により、一般的に、（Ｘ＋Ｙ）＞（Ｘ＋Ｙ−γ＋ε）、すなわち、γ＞εが成り立つ。したがって、いかなるワイヤレスエネルギー転送も、補償されなければ、ノード個別のエネルギーバジェットを向上させることはできても、ネットワーク全体のエネルギー容量を減少させる。
【００４９】
図２は、任意の想定可能なワイヤレスエネルギー転送機能の形態のエネルギー送受信器をそれぞれ有する複数のネットワーク要素あるいはノードからなるワイヤレスネットワークを示している。矢印で示すように、エネルギーは、１対のノード間で、また、さらに離れたノードへ複数のホップを介して、ワイヤレスに転送される。
【００５０】
方法およびネットワークの詳細
一般的なシステムあるいはネットワークは、ネットワークにおけるノードの形態の各ネットワーク要素が、計算、通信、あるいはセンシングに関連する何らかのタスクの実行によりエネルギーを消費することを考慮する。実行されるタスクのダイナミクスにより、エネルギー消費も変化する。各ノードは、任意の時刻において、その残留エネルギー容量によって特徴づけることができる。残留エネルギー容量は、ノードがエネルギー蓄積能力（例えばバッテリ）を有する場合には正とすることが可能であり、ノードがエネルギーを蓄積することはできないが、とりわけエネルギー転送により、瞬時にエネルギーを取得することだけはできる場合には、ゼロとすることが可能である。なお、ノードの残留エネルギーに対するゼロの値は理論値であり、一般的な場合（一部の例外の可能性を除いて）には、ノードが少なくとも最小限の動作能力を有することを保証するために、実際のシステムでは回避すべきである。
【００５１】
ほとんどの一般的な構成において、ネットワーク内の各ノードによってタスクを実行するために要求される瞬間的電力および各ネットワークノードにおいて利用可能なエネルギーバジェットは、ネットワーク個別のおよび／またはネットワーク全体のエネルギーバジェットが最適化されるようにするにはエネルギーをどのように転送すればよいかを決定するのに十分である。例えば、ノードのエネルギーが低い場合、隣接するノードと交渉して、エネルギー転送機能を介してそれらのノードからエネルギーを受信することにより、自己の寿命を十分に延ばして、ネットワーク全体の寿命の延長を達成することができる。
【００５２】
前に説明したように、エネルギー転送はエネルギーの損失を伴うので、単一の転送あるいは複数のノード間でのより複雑な転送パターンの前に、トレードオフ計算を実行する計算を行わなければならない。例えば、計算は、あるノードから別の隣接ノードへ単一ホップでエネルギーを転送するのは十分に有益であるが、複数ホップでは、十分な量のエネルギーの転送はもはや不可能な累積エネルギー損失のためエネルギー転送は有益でないと判定することが可能である。
【００５３】
モバイルネットワークでは、相互にまたはグループレベルでエネルギー転送を実行するのに適したノードが、十分に効果的な規模でワイヤレスにエネルギーを転送することができるように地理的に十分に近づくのはいつかを推定するために、モビリティを考慮することができる。このような場合、ノードが再び相互に離れる前に最も近づくと期待される時刻のような、エネルギーを転送するのに最良の時刻を予測することができる。
【００５４】
具体的な特徴として、データ通信と同期したエネルギー転送が考えられる。この構成では、電波により行われるデータ通信中に、エネルギーは、同じ搬送波を介して同時に転送され、受信側の装置あるいはネットワーク要素によって捕捉されることが可能である。
【００５５】
エネルギーハーベスティングのサポート
本発明の方法およびネットワークの拡張として、図３は、エネルギー送受信器のほかにエネルギーハーベスタ回路をも備えた電子ネットワーク要素のさらに詳細な内部構造を示している。矢印はエネルギーのフローを示し、一部のフローはオプションとすることが可能である。好ましい一実施形態において、ネットワーク要素はバッテリを有していない。その場合、収集されたエネルギーは直接にノードによって消費されるか、あるいは隣接ノードに給電するために送受信器によって使用される。また、ネットワーク要素がその環境に再び入った後（例えば、環境モニタリングの場合にセンサノードが再配備されたとき）、ワイヤレスエネルギー転送に利用可能となったエネルギーでバッテリの外部充電がサポートされることも可能である。
【００５６】
図４は、ネットワーク要素のサブセットにとってエネルギーハーベスティング機能が利用可能であるような図２の変形例を示している。エネルギーは、ワイヤレス転送技術により、ネットワーク全体のエネルギープールにとって利用可能とされる。前述のように、ワイヤレスエネルギー転送は常にエネルギーの損失を伴う。ハーベスティングは、ワイヤレスエネルギー転送によるエネルギー損失を補償することができるシステムあるいはネットワークの重要な部分である。一般的に、収集されたエネルギーは、ネットワークで利用可能な全体的エネルギーバジェットを増大させ、あるいは、ネットワーク負荷が重い場合（センシング、計算、通信）、ネットワークの寿命をさらに延ばす。
【００５７】
他の実施形態
上記の手法は、以下のような他の状況において適用可能である。
【００５８】
１．相手側あるいはネットワーク要素のエネルギーハーベスティング／転送能力に基づく協調的通信のためのパートナー選択
協調的通信において、モバイルネットワーク要素は、別のモバイルネットワーク要素に対して、自分に代わってタスク（例えばハンドオーバー開始、データ中継等）を実行するように要求することができる。協調的通信における主要な制限は、エネルギーに関するものである。すなわち、ユーザは、他に代わって「無益な」動作を実行するために自分のエネルギーを「浪費」しようとはしない。この場合、エネルギーハーベスティングと組み合わせたワイヤレスエネルギー転送は、以下のように役立つ可能性がある。
【００５９】
例えば、タスクＡ１がパートナーＰに対してエネルギーＢ１を要求すると仮定する。このパートナーは、エネルギーＢ２を収集することができる位置にある。パートナーＰは、端末が量Ｂ３のエネルギー（すなわち協力報酬）をＰに転送するのであれば、要求側ネットワーク要素に代わってタスクＡ１を実行してもかまわないとする。直観的には、Ｂ３はＢ１の一部分でよく、Ｂ２が高いほど、その一部分は小さくなる。このような場合、端末は、多くの利用可能な端末のうちから、最大量のエネルギーを収集することができ、最小量のエネルギーを補償として要求し、エネルギー転送のためのオーバーヘッドが最小のパートナーをパートナーとして選択することが可能である。
【００６０】
２．他のネットワーク要素あるいはノードと共有すべきエネルギー量に基づくクラスタヘッド選択
文献にはすでに、例えば、ネットワーク要素あるいはノードのトポロジカルな位置、ネットワーク要素あるいはノードのパフォーマンス能力等に基づいた多くのクラスタヘッド選択戦略がある。ワイヤレスエネルギー転送能力および／またはエネルギーハーベスティング可能性は、クラスタヘッド選択における尺度とみなすことも可能である。例えば、最良のエネルギー転送能力を有するネットワーク要素あるいはノードおよび／または最良のエネルギーハーベスティング可能性を有するネットワーク要素あるいはノードがクラスタヘッドとして選択される。
【００６１】
３．エネルギー転送によるモバイルネットワーク要素あるいはノード間のエネルギー均衡化
ネットワークの寿命を最適化／最大化する１つの方法は、一様なエネルギー分配に迅速に近づけるために、ネットワーク要素あるいはノードのモビリティ機能、それらのワイヤレスエネルギー転送機能、およびそれらのエネルギーハーベスティング能力を組み合わせて、転送オーバーヘッドを最小化すると同時にハーベスティングを最大化するようにすることである。
【００６２】
４．エネルギー転送／ハーベスティングに基づくモバイルネットワーク要素選択
ネットワーク要素の選択は、ワイヤレスエネルギー転送／ハーベスティングに基づいて最適化することも可能である。例えば、モバイルネットワーク要素は、Ｎ個のモバイルネットワーク要素で利用可能なデータコンテンツ（例えば動画）をそれらのＮ個のモバイルネットワーク要素のセットから同時に受信したい場合がある。端末は、どのモバイルネットワーク要素からデータを受信すべきかのガイダンスを、集中化エンティティ／サーバに要求する。例えば、ガイダンスは、モバイルネットワーク要素のエネルギーバジェット（収集されるエネルギーを含めて）および／またはモバイルネットワーク要素間のＥ２Ｅ（End-to-End, エンドツーエンド）経路に基づいた、Ｎ個のモバイルネットワーク要素の順序リストの形態であることが可能である。別法として、モバイルネットワーク要素は、関連する情報が交換される場合に各モバイルネットワーク要素が有するエネルギーバジェットおよび／または収集可能なエネルギーバジェットに基づいて、Ｎ個のモバイルネットワーク要素を優先順位付けする。ネットワーク要素へデータを送信するためには、ネットワーク要素は、自己のエネルギーの一部を使用しなければならないので、ネットワーク要素に対して補償を要求してもよい。このような場合、最小のオーバーヘッドでエネルギーをワイヤレスに転送可能な転送先のネットワーク要素を選択することができる。
【００６３】
重要な側面
１）自律的な電子ネットワーク要素のネットワークにおいてエネルギーのプールを形成するためにワイヤレスエネルギー転送技術を活用すること。計算、通信、およびセンシングによりエネルギーを消費する負荷がかかっているネットワークにおいて、ネットワーク要素は、動作を実行するため、ネットワーク要素個別のエネルギーバジェットを増大させるため、および／またはネットワーク全体のエネルギーバジェット／寿命を最適化するために、エネルギーを緊急に必要としているネットワーク要素を支援する目的で、ワイヤレス通信を介して協調する。
【００６４】
２）自律的なネットワーク要素のネットワークのエネルギープールを増強するために環境エネルギー源を利用するネットワーク要素個別のエネルギーハーベスティング能力を考慮し、各ネットワーク要素の収集されたエネルギーをネットワーク内の他のすべてのネットワーク要素（主として、エネルギーハーベスティング能力に関して不利なネットワーク要素）で利用可能にすること。
【００６５】
本発明に基づいて、ネットワーク内のすべてのネットワーク要素のエネルギーバジェットあるいは容量によって形成されるエネルギープールからエネルギーを引き出すことにより、各ネットワーク要素の寿命を増大させることが可能である。また、寿命が重要視される機能を維持することができるようなネットワーク全体にわたるエネルギープーリングによって、ネットワーク全体の寿命を増大させることができる。別の側面によれば、エネルギーハーベスティングは、ネットワーク要素個別のハーベスティングだけでなく、ネットワーク全体のエネルギープールを介して他のネットワーク要素にも利用可能にすることができる。
【００６６】
上記の説明および添付図面の記載に基づいて、当業者は本発明の多くの変形例および他の実施形態に想到し得るであろう。したがって、本発明は、開示した具体的実施形態に限定されるものではなく、変形例および他の実施形態も、添付の特許請求の範囲内に含まれるものと解すべきである。本明細書では特定の用語を用いているが、それらは総称的・説明的意味でのみ用いられており、限定を目的としたものではない。
【図１】
2013545423.tif 000003
【図２】
2013545423.tif 000004
【図３】
2013545423.tif 000005
【図４】
2013545423.tif 000006
【国際調査報告】
2013545423.tif 000007
2013545423.tif 000008
2013545423.tif 000009