(57)【要約】  無線インフラストラクチャ・ノードのシステムは、いくつかの内部電源のリーフノードに通信可能に結合される。リーフノードは、センサおよび／またはアクチュエータを有することができる。無線リーフノードは、デューティサイクルに従った時間に、データをインフラストラクチャ・ノードに送信する。衝突が生じた場合、データは、確認応答がインフラストラクチャ・ノードから受信されるまで、再送信される。デューティサイクル／サンプリング位相など、送信プロトコルパラメータの変更が、このような再送信で開始される。パラメータを変更する決定は、無線リーフノードそれ自体により、またはインフラストラクチャ・ノードにより行われる。リーフノードのいくつかは、各データパケットを何回も繰り返す送信専用デバイスとすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信システムであって、
パケットを送信し、確認応答（ＡＣＫ）を受信するための無線送受信装置を有することのできる複数の送受信装置ベースの無線デバイスと、
パケットを送信するための無線送信装置を有することのできる複数の送信装置ベースの無線デバイスと、
パケットを受信し、ＡＣＫを送信するための無線送受信装置を有することのできる複数のインフラストラクチャ無線デバイスとからなり、
各インフラストラクチャ無線デバイスは、いくつかの送受信装置無線デバイス、およびいくつかの送信装置無線デバイスに関連付けられることができ、
各関連付けられた送受信装置無線デバイスが、送信プロトコルパラメータを用いて、前記インフラストラクチャ無線デバイスにパケットを送信することができ、
各関連付けられた送信装置無線デバイスが、送信プロトコルパラメータを用いて、前記インフラストラクチャ無線デバイスにパケットを送信することができ、
各インフラストラクチャ無線デバイスが、各関連付けられた送受信装置および送信装置無線デバイスに対する前記送信プロトコルパラメータのリストを維持し、
各インフラストラクチャ無線デバイスが、前記送信プロトコルパラメータの前記リストを用いて、前記関連付けられた送受信装置および送信装置無線デバイスから、前記送信されたパケットを受信できる無線通信システム。
【請求項２】
前記送受信装置無線デバイスが、前記送信されたパケット中に、前記インフラストラクチャ無線デバイスにＡＣＫを要求するための指示を有し、
前記送信装置無線デバイスが、前記送信されたパケット中に、前記インフラストラクチャ無線デバイスにＡＣＫを要求しない指示を有し、
前記インフラストラクチャ無線デバイスが、受信されたパケット中の前記指示に注目し、ＡＣＫを送信するかまたは送信しないかを決定する機能を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記送受信装置無線デバイスが、他の無線デバイスの送信したパケットと、現在の前記送信されたパケットとの衝突を検出し、前記検出された衝突に基づき、次に続くパケットに対する送信プロトコルパラメータをシフトすることができ、
前記送信装置無線デバイスが、同じパケットを複数回送信し、
前記インフラストラクチャ無線デバイスが、現在の前記送信されたパケットの衝突を検出し、前記送受信装置無線デバイスによる前記送信プロトコルパラメータの前記シフトに合わせることができる、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
シフトされた前記送信プロトコルパラメータが、サンプリング位相／デューティサイクルを含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記送受信装置無線デバイスが、ＡＣＫが受信されないときパケットを再送信するモジュールを有する、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記モジュールが、各再送信中に、前記送信プロトコルパラメータの前記シフトを求める要求を含み、
前記モジュールが、前記要求に応じてＡＣＫを受信した前記再送信中の前記要求と一致する前記送信プロトコルパラメータをシフトする、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記インフラストラクチャ無線デバイスが、前記送信プロトコルパラメータの前記シフトを求める前記要求に応じて、前記ＡＣＫを送る応答モジュールを有し、
前記応答モジュールが、前記要求と一致する前記送信プロトコルパラメータをシフトし、前記送信プロトコルパラメータの前記リストを更新する、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記モジュールが、各再送信中に、衝突を示すフラグを設定し、再送信に対するＡＣＫにおいて受信されたコマンドと一致する前記送信プロトコルパラメータをシフトする、請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記インフラストラクチャ無線デバイスが、衝突を示すフラグを有する再送信を受信した後、前記ＡＣＫを送る応答モジュールを有し、
前記ＡＣＫが、次に続くパケットに対する前記送信プロトコルパラメータをシフトするコマンドを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記インフラストラクチャ無線デバイスが、その他のすべての送信装置および送受信装置無線デバイスに対する前記送信プロトコルパラメータの前記リストに基づき、前記送信プロトコルパラメータをシフトする、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記応答モジュールが、前記コマンドと一致する前記送信プロトコルパラメータをシフトし、前記送信プロトコルパラメータの前記リストを更新する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
リーフノードおよびインフラストラクチャ・ノードを有する通信システムにおけるリーフノードであって、
現在のパケットと他のリーフノードとの衝突を検出し、前記検出された衝突に応じて、次に続くパケットに対する送信プロトコルパラメータをシフトする無線送受信装置を備えるリーフノード。
【請求項１３】
シフトされた前記送信プロトコルパラメータが、サンプリング位相／デューティサイクルを含む、請求項１２に記載のリーフノード。
【請求項１４】
前記リーフノード無線送受信装置が、前記インフラストラクチャ・ノードから、送信に応じた確認応答（ＡＣＫ）を受信し、
前記リーフノード無線送受信装置が、ＡＣＫを受信しない場合はパケットを再送信するモジュールを有する、請求項１２に記載のリーフノード。
【請求項１５】
前記モジュールが、各再送信中に、前記送信プロトコルパラメータの前記シフトを求める要求を含み、ＡＣＫを受信した前記再送信中の前記要求と一致する前記送信プロトコルパラメータをシフトする、請求項１４に記載のリーフノード。
【請求項１６】
前記リーフノードモジュールが、各再送信中に、衝突を示すフラグを設定し、再送信に対するＡＣＫにおいて受信されたコマンドと一致する前記送信プロトコルパラメータをシフトする、請求項１４に記載のリーフノード。
【請求項１７】
リーフノードおよびインフラストラクチャ・ノードを有する通信システム中のリーフノードで実施されるパケットを送信する方法であって、
リーフノードが生成したパケットを送信するステップと、
前記送信されたパケットの確認応答が受信されていないと判定するステップと、
将来のパケット送信のために、新しい送信プロトコルパラメータを使用する要求を有する前記リーフノードの生成したパケットを再送信するステップと、
確認応答を受信するステップと、
前記新しい送信プロトコルパラメータを用いて将来のパケットを送信するステップと
を含む方法。
【請求項１８】
前記送信プロトコルパラメータが、サンプリング位相／デューティサイクルを含む、請求項１７に記載のリーフノード。
【請求項１９】
前記受信された確認応答が、将来のパケットを送信するために、前記新しい送信プロトコルパラメータを使用する許可を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記受信された確認応答が、将来のパケットを送信するために前記新しい位相を使用することに許可を与えない限り、前記新しい送信プロトコルパラメータが使用されることはない、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システムに関し、詳細には、衝突回避プロトコルを有する無線通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線センサは、通常、バッテリにより電力が供給される。バッテリは、限られた、またデータを送信するのに必要な回数だけ結合されるセンサの送信電力に応じた有用な寿命を有する。いくつかのセンサネットワークでは、センサからのデータ送信は、他のセンサからの送信と衝突することがある。その場合、センサは、データが適正に受信されるように、追加した回数でデータを再送信することができる。これらのセンサのいくつかは、各データパケットを何回も送信する送信専用のデバイスとすることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
リーフノードと呼ばれる無線センサ、または他のタイプの無線ノードに必要な送信数を低減する無線センサネットワークが求められている。メンテナンスコストを下げるために、無線リーフノードのバッテリ寿命を延ばすことが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
無線リーフノードは、デューティサイクルに従った時間にインフラストラクチャ・ノードにデータを送信する。衝突が生じたとき、インフラストラクチャ・ノードから確認応答が受信されるまでデータは再送信される。デューティサイクル／サンプリング位相など、送信プロトコルパラメータの変更は、このような再送信で開始される。パラメータを変更する決定は、無線リーフノードそれ自体により、またはインフラストラクチャ・ノードにより行われる。
【０００５】
一実施形態では、リーフノードのいくつかは、各データパケットを何回も繰り返す送信専用デバイスとすることができる。送受信装置リーフノードのためのパラメータは、その将来の送信が送信専用リーフノードからの送信と衝突しないような方法で変更され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本明細書で述べられる機能またはアルゴリズムは、ソフトウェアで、または一実施形態では、ソフトウェアと人が実施する手順の組合せで実施される。ソフトウェアは、メモリまたは他のタイプの記憶デバイスなどのコンピュータ可読媒体に記憶されるコンピュータ実行可能命令を含む。用語「コンピュータ可読媒体」はまた、ソフトウェアが送信される搬送波を示すためにも使用される。さらに、このような機能は、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェアまたはそれらの任意の組合せであるモジュールに相当する。複数の機能が、所望に応じて１つまたは複数のモジュールで実施され、前述の諸実施形態はその数例に過ぎない。ソフトウェアは、パーソナルコンピュータ、サーバまたは他のコンピュータシステムなどのコンピュータシステム上で動作する、デジタル信号プロセッサ、ＡＳＩＣ、マイクロプロセッサ、または他のタイプのプロセッサで実行される。
【０００７】
無線センサおよびアクチュエータは、設置および配線の容易さと、人件費の節約により非常に魅力的なものとなってきた。一実施形態では、図１にブロック図形式で示されたシステム１００などの無線通信システムは、所望の位置に無線デバイスを展開することを可能にし、全体の通達領域を広げることができる。
【０００８】
一実施形態におけるインフラストラクチャ・ノードは、工場や、領域をカバーするフィールドなど、様々な場所に配置され得る送受信装置であり、インフラストラクチャ・ノードは、無線または有線リンクを介して互いにリンクされる。一実施形態では、インフラストラクチャ・ノード（Ｉノード）は、インフラストラクチャ・ノードの通信範囲内に位置する複数のリーフノードからの無線通信を捕捉することができる。リーフノードは、内部電源またはバッテリ電源の無線センサおよびアクチュエータとすることができる。様々な通信プロトコルを実装することができ、ノード間の無線通信を可能にする。一実施形態では、周波数拡散／周波数ホッピングプロトコルを使用することができる。
【０００９】
一実施形態では、少なくとも２つのタイプのリーフノードがある。リーフノードの１つのタイプは、１１９で示されたＴＸリーフノードと呼ばれるものであり、Ｉノード１１３と通信している。ＴＸリーフノード１１９は、送信専用リーフノードであり、Ｉノード１１３に信号を送信する。ＴＸリーフノード１１９は、一実施形態では、確実に受信されるように、同じ情報を有する信号を数回送信することができる。それは受信装置を有していないので、いずれの種類の確認応答もＩノード１１３から受信することができない。
【００１０】
第２のタイプのリーフノード１２０は、ＴＲＸリーフノードと呼ばれ、送受信装置を含むので、Ｉノード１１５との間で双方向通信ができる。一実施形態では、通信接続は無線であり、ＩノードはＴＲＸリーフノードからデータを受信することができ、またＴＲＸリーフノードはＩノードから確認応答を受信することができる。
【００１１】
図１では、複数のＩノードおよび様々なリーフノードが示されている。他の諸実施形態では、このようなノードの数は大きく変わり得る。例示のシステム１００は、ＴＸリーフノード１１９に結合されたＩノード１１３と、ＴＲＸリーフノード１２０、およびＴＸリーフノード１２１、１２２に結合されたＩノード１１５とを有する。Ｉノード１１７は、ＴＲＸリーフノード１２３、１２４と、ＴＸリーフノード１２５に結合される。Ｉノード１１６は、ＴＲＸリーフノード１２６とＴＸリーフノード１２７に結合され、Ｉノード１１５はＴＲＸリーフノード１２８に結合される。
【００１２】
一実施形態では、インフラストラクチャ・ノードは、リーフノードからのセンサデータを、制御室、中央局、および／またはコンピュータ１３３など、データ受信者ハードウェアに転送する。インフラストラクチャ・ノード１１３および１１４は、バスに配線接続されたゲートウェイノードとすることができるが、あるいは無線で接続され得る。１つだけのインフラストラクチャ・ゲートウェイ・ノードとすることも、このようなノードが２つを超えるようにすることもできる。
【００１３】
インフラストラクチャ・ノード１１５、１１６、および１１７は、ライン電源とすることができ、かなりの無線到達範囲が可能であり、また高い信頼性の情報伝達が可能である。しかし、所望する配線コストを節約し、センサ（リーフノード）の配置に柔軟性を得るためには、リーフノード１１９〜１２８などの無線センサの使用をほぼ必要とする。これらのリーフノードは、低電力、低コスト、およびバッテリ電源で動作する複雑性の低い無線装置とすることができる。
【００１４】
図２は、Ｉノード２１０と通信するリーフノード２０５、２０６、２０７、２０８、および２０９の代替の一構成を示すブロック図である。ＴＸリーフノード２０５および２０６は送信専用リーフノードであるが、ＴＲＸリーフノード２０７、２０８、および２０９は送受信装置リーフノードである。リーフノードの各タイプは、送信プロトコルパラメータに従ってパケットを送信することができる。Ｉノードは、通信するリーフノードごとに送信プロトコルパラメータを保管することができる。一実施形態では、送信プロトコルパラメータは、サンプリング位相／デューティサイクルを含む。
【００１５】
一実施形態では、Ｉノード２１０は、ＴＲＸリーフノードに確認応答（ＡＣＫ）を送るだけである。ＴＲＸリーフノードは、送信されるパケット中に、ＩノードにＡＣＫを要求する指示を含めることができる。ＴＸリーフノードは、その送信されるパケット中に、ＡＣＫをＩノードに要求しない指示を有することができる。他の諸実施形態では、リーフノードの一方のタイプだけがＡＣＫを求めるそのプリファレンスを示し、他のリーフノードに対して、Ｉノードは、反対のプリファレンスを示す注記を推定する。さらに他の実施形態では、Ｉノードは、どのリーフノードがＡＣＫを受信すべきであるかを追跡し、それに従って応答する。Ｉノードは、受信されたパケット中の指示に注目する機能を有し、ＡＣＫを送信するか、送信しないかを決定することができる。
【００１６】
ＴＲＸリーフノードは、ＡＣＫが受信されないとき、パケットを再送信する再送信モジュールを有する。再送信モジュールは、各再送信中に、送信プロトコルパラメータのシフトを求める要求を含めることができる。再送信モジュールは、その要求に応じてＡＣＫを受信した再送信中の要求と一致する送信プロトコルパラメータをシフトする。
【００１７】
一実施形態では、Ｉノードは、送信プロトコルパラメータのシフトを求める要求に応じて、ＡＣＫを送る応答モジュールを有する。応答モジュールは、その要求と一致する送信プロトコルパラメータをシフトし、送信プロトコルパラメータのリストを更新する。
【００１８】
ＴＲＸリーフノードの再送信モジュールは、各再送信中に、衝突を示すフラグを設定することができる。再送信モジュールは、再送信に対するＡＣＫ中で受信されたコマンドと一致する送信プロトコルパラメータをシフトする。さらに他の実施形態では、Ｉノード応答モジュールは、衝突を示すフラグを有する再送信を受信した後、ＡＣＫを送る。そのＡＣＫは、次に続くパケットに対する送信プロトコルパラメータをシフトするコマンドを含む。応答モジュールは、そのコマンドと一致する送信プロトコルパラメータをシフトし、送信プロトコルパラメータのリストを更新する。
【００１９】
典型的な無線センサネットワークでは、複数のリーフノードは、各インフラストラクチャ・ノードと関連付けられることができる。その複雑性を低減することによって電力を保存するために、リーフノードは、互いに、または関連するインフラストラクチャ・ノードと時間同期されていない可能性がある。このように同期化の欠如により、異なるリーフノード送信の相互間で衝突の起きる可能性が高い。衝突が生じた場合、インフラストラクチャ・ノードはＡＣＫを送信することはなく、したがって、ＴＲＸリーフノードは、インフラストラクチャ・ノードからＡＣＫを受け取るまで同じデータを再送信する。このような再送信は、さらなるバッテリ電力消費を必要とし、したがって、バッテリ電源のリーフノード全体の寿命をかなり低下させる。
【００２０】
媒体アクセス制御は、２つの干渉するＴＲＸリーフノードが同時に繰り返し送信しないように、衝突を回避するために使用される技法である。衝突回避は、必要な再送信の数を大幅に減らすことができる。このような衝突回避は、リーフノードにおけるバッテリ電力を節約し、したがって、無線センサネットワークの寿命全体を延ばすことができる。媒体アクセス制御技法は、以下でさらに詳細に説明される。
【００２１】
図３Ａおよび図３Ｂに示された例示の一実施形態では、Ｉノード３１０は、２つのＴＲＸリーフノード３１２、３１３とＴＸリーフノード３１４に結合される。図３Ａは、通信状態のＩノードおよびリーフノードを示すブロック図である。図３Ｂは、さらなる衝突を回避するために、媒体アクセス制御の使用を含むリーフノードとＩノードの間の通信のためのタイミング図を示す。
【００２２】
図３Ｂでは、ＴＲＸリーフノード３１２が、第１のリーフノード・サンプリング位相／デューティサイクル中に、３２０で示すパケットを送信する。ＴＲＸリーフノード３１２は、Ｉノード３１０からＡＣＫ３２１を受信することになる。次いで、ＴＲＸリーフノード３１３が、パケット３２２を送信し、ＡＣＫ３２３を受信する。次に、ＴＸリーフノード３１４が、３２４で、データの送信を開始する。ＡＣＫは何も送信されないか、あるいは一実施形態では受信できないので、同じデータが数回送信されることに留意されたい。データの３度目の送信中に、ＴＲＸリーフノード３１２は、データ３２５の送信を開始する。送信が重複することにより衝突が生ずる。データ３２５の送信に応じたＡＣＫが受信されないので、３２６で、ＴＲＸリーフノード３１２は、再送信フラグを設定してデータを再送信し、３２７で、新しい送信プロトコル値を有するＡＣＫを受信する。
【００２３】
次いで、３３０で、ＴＲＸリーフノード３１３は、次のその位相中にパケットを送ってＡＣＫを受信し、また３３１で、ＴＸリーフノード３１４がデータを数回送信する。ＴＲＸリーフノード３１２は、新しい送信プロトコル値を含む、前のＡＣＫ３２７を受信している。それは、その送信を新しい位相に変更し、データ３３３を送信する。データ３３３は、ＴＸリーフノード３１４からのデータ３３１と衝突しなかったので、データ３３３は、Ｉノードにより受信され、ＡＣＫ３３４がＩノードにより送信され、ＴＲＸリーフノード３１２により受信される。Ｉノード３１０に結合されたリーフノードからの完全なデータ転送サイクルが行われ、さらなる送信プロトコル値の変更はない。しかし、いくつかのＴＸリーフノードは、比較的送信頻度が少なく、異なるリーフノード中のクロック値は変わり得るので、後で媒体アクセス制御のプロセスを繰り返す必要があり得る。
【００２４】
衝突を回避することは、バッテリ電源のリーフノードの必要な再送信数を減らすのに役立つことができる。それは、バッテリ寿命の実質的な延長をもたらす結果となり、メンテナンスコストを低下させる。センサノードなどのＴＲＸリーフノードがＡＣＫを受信しない場合、そのパケットを再度、送信することになる。その送信プロトコルを変更しない場合、このシーケンスは、ＡＣＫを受信するために、常にパケット単位で２つの送信を必要とするプロトコルに従って、センサが起動する（wake-up）ごとに、データ送信を繰り返す必要がある。デューティサイクル／サンプリング位相などのその送信プロトコルパラメータをシフトすることによってこれらの反復される衝突を回避することにより、パケットごとに１つだけの送信を用いて、将来のパケットを送ることができる。プロトコルパラメータを変更する決定は、センサそれ自体により、または関連するインフラストラクチャ・ノードにより行われる。バッテリ電力消費が低減され、したがって、無線センサネットワークの寿命全体が延びる。
【００２５】
いくつかの例では、パケットの第１の再送信がさらに、他のリーフノードからのパケットと衝突することになる。この場合、ｎ番目の送信がＡＣＫおよび変更の許可を受信するまで、パケットの再送信を繰り返す。これは、現在のサンプリング位相を使用する最も早期の衝突のない送信に相当するはずである。ｎ番目の送信は、古いサイクルのｎ番目の送信に対応するパケットおよび要求された新しい位相を含む。インフラストラクチャ・ノードは、新しい位相では将来、衝突する可能性がある場合、または他のリーフノードも同じ位相に従うことに関心がある場合、許可を与えることはない。
【００２６】
サンプリング位相の変更がインフラストラクチャ・ノードにより開始される場合、リーフノードは、再送信されたパケット中の前の衝突フラグを更新する。周波数ホッピング通信プロトコルが使用される場合、インフラストラクチャ・ノードは、周波数ホッピングシーケンスおよびデューティサイクルに従い、衝突について知る。このことは、受信された再送信パケット中の衝突フラグにより繰り返される。インフラストラクチャ・ノードは、他の関連するリーフノードのすべての位相を考慮しながら、リーフノードに対する新しい位相を提案する。インフラストラクチャ・ノードは、ＡＣＫを含むこの新しい位相提案を送信する。リーフノードは、その提案を受信し、そのサンプリング位相を変更し、確認のＡＣＫをインフラストラクチャ・ノードに送り返すことができる。リーフノードは、新しい衝突が検出されるまで、次のパケットから先は新しい位相に従う。この時点で、位相変更プロセスを繰り返すことができる。
【００２７】
リーフノードは、一般に、固定されたアプリケーション・デューティサイクルを有する必要がない。リーフノードは、インフラストラクチャ・ノードに、次の起動時間を送ることにより、起動ごとにアプリケーション・デューティサイクルを動的に変更するように選ぶことができ、あるいは、インフラストラクチャ・ノードが、ＡＣＫ中にリーフノードに対する次の起動時間を指示することもできる。この情報は、インフラストラクチャ・ノードによるリーフノードの活動の追跡に十分なものであり得る。
【００２８】
本発明は、少なくとも１つの例示的な実施形態に関して述べられてきたが、本明細書を読めば、多くの変形形態および変更形態が、当業者にとって明らかとなろう。様々な通信プロトコルが使用され得る。同じネットワーク中の異なるタイプのリーフノード、または単一タイプのリーフノードを使用するネットワークを含む、インフラストラクチャおよびリーフノードの多くの異なる構成を使用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、従来技術を考慮して、このような変形形態および変更形態のすべてを含めるように、可能な限り広く解釈されるべきであることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の例示的な実施形態による無線通信システムのブロック図である。
【図２】本発明の代替の例示的な実施形態による無線通信システムのブロック図である。
【図３Ａ】本発明の例示的な実施形態による無線通信システムのブロック図である。
【図３Ｂ】本発明の例示的な実施形態による無線通信システムのタイミング図である。
【図１】
2008537871.tif 000003
【図２】
2008537871.tif 000004
【図３Ａ】
2008537871.tif 000005
【図３Ｂ】
2008537871.tif 000006
【国際調査報告】
2008537871.tif 000007
2008537871.tif 000008
2008537871.tif 000009