(57)【要約】  複数のノードを含む無線ネットワークにおいて、通信スケジュールの各周期的アナウンスメントサイクルが、１組の管理タイムスロット、１組のビーコンタイムスロット及び１組のスーパーフレームタイムスロットを含む１組のタイムスロットに分割される。ビーコンを規定するために、管理スロット中に管理フレームが報知される。スーパーフレームタイムスロット中にスーパーフレームを送信する時点を規定するために、ビーコンスロット中にビーコンが送信される。
2011514691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のノードを含む無線ネットワークにおいて通信するための方法であって、
通信スケジュールの各周期的アナウンスメントサイクルを１組の管理タイムスロット、１組のビーコンタイムスロット及び１組のスーパーフレームタイムスロットを含む１組のタイムスロットに分割すること、
前記管理スロット中に管理フレームを報知することであって、該管理フレームはビーコンを規定する、報知すること、
前記ビーコン−スロット中に前記ビーコンを報知することであって、該ビーコンはスーパーフレームを特定する、報知すること、及び
前記スーパーフレームタイムスロット中に前記スーパーフレームを送信すること
を含む、方法。
【請求項２】
前記ネットワークは複数の星状ネットワークを含み、各星状ネットワークは１つの中央親ノードと、複数のリーフノードとを含み、前記中央ノードは有線バックボーンである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記リーフノードはセンサを含み、前記中央ノードは該センサによって収集されるデータを総計する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記送信することは、周波数チャネルホッピングを用いる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ネットワークは移動ノードを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記報知すること、及び前記送信することは、アナウンスメントチャネルを用いる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記送信することは、前記アナウンスメントチャネルとは異なるチャネルを用いる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記アナウンスメントサイクルの時間長は前記ネットワークの種々の部分において変動可能である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記タイムスロットは分散プロセスを用いて選択され、予約される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記アナウンスメントサイクルの時間長は動的に変動する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ノードは前記アナウンスメントサイクルの最後のビーコンタイムスロット後に同時に前記スーパーフレームを送信し始め、前記ノードは異なるチャネルを用いるか、又はチャネルホッピング系列を用いる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記スーパーフレームは異なるサイズを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ビーコンは、スーパーフレームタイムスロットのサイズを特定するためのフィールドを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ビーコンは、前記スーパーフレームのためのチャネルインデックスを特定するためのフィールドを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記ビーコンはビーコンペイロードデータのためのフィールドを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記管理フレームはビーコン−スロット要求を含み、該ビーコン−スロット要求は、特定のビーコンタイムスロットを予約し、使用しようとする意図をアナウンスするために特定のノードによって用いられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記管理フレームはビーコン−スロット応答フレームを含み、該ビーコン−スロット応答フレームは、前記使用し、予約しようとする意図が前記ネットワークに対して問題を引き起こす原因となることを示すために用いられる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記スーパーフレームタイムスロットは、ＧＴＳフレームを送信するための保証タイムスロット（ＧＴＳ）を含み、該ＧＴＳフレームは付加的なデータフレームを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
特定のリーフノードが複数の中央親ノードを同時に有する、請求項２に記載の方法。
【請求項２０】
前記スーパーフレームは、前記スーパーフレームが受信された直後に肯定応答されるべきであるか否かの指示を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記ネットワークは、複数のホップを介して前記ノードと通信するためのメッシュトポロジを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記ネットワークの資源は分散形態で割り当てられる、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記資源は時間及び周波数を含む、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は包括的には無線通信ネットワークにおけるビーコン信号に関し、より詳細には、ＩＥＥＥ８０２．１５．４−２００６標準規格に従って設計されるネットワークに関する。
【背景技術】
【０００２】
数多くの産業環境及び商業環境において無線センサネットワーク（ＷＳＮ）が展開されている。産業環境における適用は、これらのタイプのネットワークにとって非常に大きな事業の可能性を提供する。機械が故障するかなり前に点検のために機械を手順通りに停止するコストに比べて、検出されないまま機械が故障する場合には、多額の費用が発生する可能性がある。
【０００３】
しかしながら、拡張性、信頼性及び待ち時間が難しい課題である。信頼性が高く、且つ待ち時間が少ないことから、そのような応用例の場合には一般的に、有線センサネットワークが用いられる。しかしながら、そのようなネットワークはコストが高く、複雑であり、自由度がない。ネットワークトポロジの変更によって、有線バックボーンの再設置に繋がることがある。それは費用対効果があるはずはなく、長期にわたるダウンタイムを余儀なくする可能性がある。
【０００４】
このため、再構成可能であり、コストが低く、設置に要する負担が小さく、産業用としての要件を満たすセンサネットワーキング技術が必要とされている。実行可能な解決策は無線センサネットワークを用いることである。これらのネットワークは、設置手順が相対的に簡単、且つ迅速であるから、設置コストが安いだけでなく、トポロジ変更に対して自由度もある。しかしながら、有線ネットワークによって提供されるのと同程度の信頼性及び待ち時間を提供することに課題がある。センサノードが一般的に利用できる資源が限られることから、順方向誤り訂正符号又は他の計算に関して負担がかかる手法を実際には使用することはできない。
【０００５】
種々の環境において無線データネットワークが使用されてきた。たとえば、無線セルラーネットワーク、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＷｉＭａｘ及びＲＦはいずれも、その個々の適用領域に適している。マルチホップ無線メッシュネットワークにおけるＭＡＣ及び物理層の場合、産業上の制御及び自動化において適用するのに最も適した候補技術は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４標準規格によって定義される仕様である。しかしながら、現在のＩＥＥＥ８０２．１５．４−２００６標準規格は、産業展開のために必要な待ち時間及び信頼性性能のための厳しい要件を満たすことができない。
【０００６】
キャリアセンス多重アクセス（ＣＳＭＡ）、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）及び周波数ホッピング（ＦＨ）を含む、多くのＭＡＣタイプが知られている。ハイブリッドＭＡＣタイプは、ＣＳＭＡ、ＴＤＭＡ及びＦＨの組み合わせを用いる。
【０００７】
ＩＥＥＥ８０２．１５．４標準規格は、低速の無線パーソナルエリアネットワーク（ＬＲ−ＷＰＡＮ）の下位層のための物理層及び媒体アクセス制御（ＭＡＣ）を規定する。この標準規格は、ＺｉｇＢｅｅ及びＭｉＷｉ仕様のための基礎であり、その仕様は、その標準規格によって網羅されない上位層のためのネットワーキングソリューションを提供する。
【０００８】
ＩＥＥＥ８０２．１５．４標準規格は、１つのタイプの無線パーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ）の根底を成す下位ネットワーク層を提供し、ＷＰＡＮは、Ｗｉ−Ｆｉのようなエンドユーザ志向の強い他の手法とは対照的に、低コスト、低速のデバイス間のユビキタス通信に重点を置いている。基礎を成すインフラストラクチャをほとんど、又は全く用いることなく、近接するデバイス同士の非常に低コストの通信が重要視されており、さらには、これを利用して消費電力を少なくすることを意図している。
【０００９】
無線センサネットワークにおいて通信チャネルにアクセスするために、一般的には３つの手法が使用されている。第１の手法は、ＴＤＭＡと呼ばれ、時間軸をスロットに分割し、その後、これらのタイムスロットを関与するノードに割り当てて、競合することなくチャネルにアクセスできるようにする。その手法は、タイムスロット、チャネル及び通信信号電力などのネットワーク資源が中央エンティティによって管理される、無線セルラー電話網等のようなシングルホップネットワークにおいて非常に有用である。
【００１０】
中央管理手法は、チャネル条件が頻繁に変化する可能性があり、経路に信頼性がない可能性があり、且つネットワークトポロジが利用できない可能性がある、大きなマルチホップ無線センサネットワークには、一般的にあまり適していない上に、拡張性もない。そのようなネットワークにおいて、ネットワーク資源を効率的に管理すること、及び資源割り当ての中央リポジトリを更新し続けることは、簡単又は実行可能な作業ではない。
【００１１】
さらに重要なのは、ＴＤＭＡに基づくシステムは、再送のための機会を提供することができないため、無線センサネットワークにおいて一般的である、送信の失敗に対処するのに要求される自由度を欠いていることである。さらに、タイムスロットは一般的に静的に、非適応的に割り当てられるので、それらのシステムは通常、バーストトラフィックに対処するための準備が不十分である。いくつかの手法は、そのようなネットワーク内の資源割当ての責任を上位層に委任する。その結果として、２つの望ましくない要因が生じる可能性がある。第一に、そのネットワークは非効率的になる。無線センサネットワークが通常動作する予測困難な動作環境内の変化に対応する際に待ち時間が生じることによって、そのネットワークの適応性が低下する。第二に、下位のネットワーク構成要素に関連する課題及び問題への精通が限られるので、アプリケーションネットワーク設計を含む、上位層の設計が難しくなる。
【００１２】
第２の手法は、ＣＳＭＡと呼ばれ、ノードがフレームを送信する必要がある度に、全てのノードがチャネルにアクセスしようと試みることができる。しかしながら、その送信が既に送信しているノードを妨害することのないようにするために、送信を開始する前に、そのノードはそのチャネルで「リスン（listen）」する。この手法は、最小限の資源割当てを必要とする。しかしながら、送信間の衝突に起因して、スループットが劣化する。
【００１３】
チャネルアクセス及びネットワーク資源管理のための第３の手法はハイブリッドネットワークを使用することであり、そのネットワークは、ＭＡＣスーパーフレームと呼ばれる明確に定義された構造を使用することによって、競合に基づくＣＳＭＡチャネルアクセス、及び競合のないＴＤＭＡチャネルアクセスの両方を可能にする。ＴＤＭＡ部分におけるトラフィックは、割り当てられたタイムスロット内でノードによって送信されるフレームによって生じる。ＣＳＭＡ部分のネットワークトラフィックは、非同期通信のための要求を満たすように意図され、それらの通信は、管理フレーム、タイムスロット割当て要求、通常のデータフレームの送信、及び失敗したＴＤＭＡデータフレームの再送によって生成される。
【００１４】
チャネルアクセス時間は、ＭＡＣスーパーフレームの形で規定され、ビーコンにおいて周期的にアナウンスされる。各完全機能デバイス（ＦＦＤ）は、一般的に、１つのスーパーフレームを「所有する」。ＩＥＥＥ８０２．１５．４−２００６標準規格は、このハイブリッド手法に準拠する。
【００１５】
図１は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４標準規格によるスーパーフレーム１６０を示す。横軸１０５は時間を示す。ネットワーク内の各コーディネータはビーコン１００を周期的に送信する。そのビーコンは、同期及び資源割当てのために用いられる。２つの連続したビーコン間の時間間隔がビーコン時間間隔１２０である。
【００１６】
スーパーフレームは、ＣＳＭＡを使用する競合アクセス期間（ＣＡＰ）１５０を含み、当該競合アクセス期間（ＣＡＰ）１５０には、ＴＤＭＡを使用する非競合期間（ＣＦＰ）が続く。ＣＦＰ１４０は保証タイムスロット（ＧＴＳ）１４５を含む。各タイムスロット１４５は、競合することなくチャネルにアクセスする必要があるデバイスに割り当てられ、その送信と他の送信との衝突の確率を最小にする。通常、ＣＦＰは、時間内に終了しなければならないより重要なトラフィックに使用される。
【００１７】
ＣＡＰ１５０及びＣＦＰ１４０は、スーパーフレーム１６０のアクティブ部分１１０を形成し、それに、はるかに長い非アクティブ期間１３０が続く。非アクティブ期間は、他のコーディネータが使用することができる一方、このスーパーフレームのコーディネータデバイスはアイドル状態であり、他のコーディネータによる送信用のチャネルを「リスン（listen）」する。子コーディネータ１１は、自身の親コーディネータ１２のスーパーフレーム１６０の非アクティブ部分１３０中に、自身のスーパーフレーム１７０を開始することができる。リーフノードは、自身の親コーディネータ１０のスーパーフレーム１６０のアクティブ部分１１０中にのみ、自身の親コーディネータと通信する。非アクティブ期間は数秒とすることができる。
【００１８】
しかしながら、ＩＥＥＥ８０２．１５．４−２００６標準規格は、拡張性、信頼性及び待ち時間の課題を含む、産業用として展開するための性能要件を満たすことができない。
【００１９】
さらに、より高い信頼性及びより良好なチャネル効率を得るために、望ましくは、周波数チャネルホッピングが使用されるべきである。また、失敗した送信を再送するためにチャネルを動的に割り当てることが望ましく、データトラフィックの突然の増加に十分に対処するために、同じスーパーフレーム上で要求に応じて、付加的なチャネルアクセスが動的に提供されなければならない。
【発明の概要】
【００２０】
本発明の実施形態は、トランシーバノードからなるネットワークにおいて分散形態で動作するプロトコルを提供し、そのプロトコルは、本質的に分散形であり、且つ拡張可能である自動資源管理機構を提供する。そのプロトコルは、周期的なアナウンスメントサイクルを用いて、ノードのために通信スケジュールを特定する。
【００２１】
そのネットワークは非常に信頼性の高い通信サービスを提供する。そのネットワークは、同じスーパーフレームにおいて、失敗したデータフレームを再送するための機会を与えることによって、少ない待ち時間を提供する。そのネットワークは、データフレームが同じスーパーフレームにおいて送達されることになるという意味において、或る程度の決定論を提供する。すなわち、スーパーフレーム持続時間が、１ホップ送信のための最大送信遅延を定義する。そのネットワークは、データの到着が異常であるノードがコーディネータノードから付加的な帯域幅を要求することができるという意味において、バーストトラフィックに適応する。この帯域幅は同じスーパーフレームにおいて動的に割り当てられる。そのプロトコルは、チャネルアクセス管理のために、ネットワークプロトコルスタック内の上位層からの支援を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ＩＥＥＥ８０２．１５．４−２００６標準規格による従来のＭＡＣフレーム構造のブロック図である。
【図２】本発明の実施形態によるＭＡＣフレーム構造のブロック図である。
【図３】複数のＥＣＦＰ、ＧＡＣＫ２及びＥＣＡＰフィールドを有する拡張ＭＡＣフレーム構造のブロック図である。
【図４】本発明の実施形態を用いる１組の星状ネットワークの概略図である。
【図５】本発明の実施形態によるアナウンスメントサイクルのブロック図である。
【図６】チャネル切替を有するスーパーフレームのブロック図である。
【図７】同時スーパーフレームのブロック図である。
【図８】本発明の実施形態によって用いられるビーコンのブロック図である。
【図９】本発明の実施形態によって用いられるＧＡＣＫのブロック図である。
【図１０】本発明の実施形態によって用いられるビーコン−スロット要求フレームのブロック図である。
【図１１】本発明の実施形態によって用いられるビーコン−スロット応答フレームのブロック図である。
【図１２】ノード間の同期のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明者らは最初にスーパーフレーム構造を記述し、その後、ネットワークを効率的に用いることができる種々の構成又はシナリオを記述する。
【００２４】
スーパーフレーム構造
スーパーフレームは、時間、チャネルアクセスのモード、チャネルにアクセスすることができるノード、及びチャネルにアクセスするために用いられ得るモードを特定する。
【００２５】
図２に示されるように、１ビーコン間隔（期間）に対してスーパーフレーム２００は以下のフィールドを含む。
【００２６】
ビーコン２１０：ビーコンはスーパーフレームにおいて送信される最初のフィールドである。ビーコンはそのスーパーフレームの所有者ノードを認証し、ネットワーク及び所有者ノードについての付加情報を有することができる。ビーコンは、スーパーフレームの全長、アクティブ期間２１１、競合アクセス期間（ＣＡＰ）２１２及び非競合期間（ＣＦＰ）２１３の開始時刻、及び保証タイムスロット（ＧＴＳ）２１４に関する情報を特定する。また、ビーコンはチャネルホッピング情報も含むことができる。また、ビーコンは送信側コーディネータノードと隣接ノード及び子ノードとの時間同期のためにも用いられる。
【００２７】
ＣＡＰ２１２：この期間によって、チャネルにアクセスするために、隣接するノードが競合に基づくＣＳＭＡ／ＣＡを使用できるようになる。この期間中に、ノードが、データフレームをコーディネータノードに送信することができる。また、ノードが、スーパーフレームの所有者ノードによるＧＴＳの割当て要求を送信することもできる。チャネルアクセスに成功することを条件（前提）として、ＣＡＰにおいて、そのノードは、コーディネータノードから予め如何なる許可も受けることなく、そのフレームを送信することができる。
【００２８】
ＣＦＰ２１３：この期間は、スーパーフレームの管理される部分である。その期間は通常、複数のタイムスロットに分割され、要求に応じて隣接するノードに割り当てられる。任意の所与のタイムスロット中に、１つのノードだけがそのチャネルにアクセスすることを許されるので、チャネルアクセスは概ねいつでも保証される。それゆえ、これらのタイムスロットはＧＴＳ２１４とも呼ばれる。コーディネータは、要求側ノードに対するスーパーフレーム内のタイムスロットの割当てを制御する。
【００２９】
コーディネータノードは、受信したＧＴＳフレームに個別に肯定応答（acknowledge）することはできない。フレームに個別に肯定応答することは、ＡＣＫフレームのための送信オーバーヘッドとは別に、ＲｘモードとＴａｘモードとの間を交互に切り替えることに関する著しいオーバーヘッドを生じさせる。送信機ノードは、そのデータフレームヘッダにおいて、そのフレームに直ちに肯定応答することを望むか否かを指示することができる。さもなければ、その肯定応答は、グループ肯定応答（ＧＡＣＫ）フレーム２２０の一部として後に送信される。また、送信機ノードは、現在送信しているＧＴＳフレームのヘッダにおいてフラグを設定することによって、付加的なＧＴＳを要求することができる。たとえば、ノードがいくつかのバーストデータ到着を有する場合には、付加的なＧＴＳを用いて、さらに多くのデータフレームを送信することができる。コーディネータノードは、同じスーパーフレームの拡張ＣＦＰ（ＥＣＦＰ）２３０において、要求側ノードに対して１つ又は複数の付加的なタイムスロットを割り当てることができる。
【００３０】
ＧＡＣＫ１（グループ肯定応答１）：ＣＦＰが終了した後に、コーディネータによってＧＡＣＫフレームが送信される。ＧＡＣＫフレームはビットマップを含み、そのビットマップは、どのＧＴＳ送信を受信するのに成功したかを示す。また、ＧＡＣＫフレームは、それぞれの送信機ノードが失敗したＧＴＳフレームを再送するためのＥＣＦＰ内の新たなＧＴＳ割当ても特定する。また、ＧＡＣＫフレームは、より高いパケット到着率に対処するために、要求側ノードに対する付加的な帯域幅の割当て、すなわちＥＣＦＰ内のタイムスロットの割当てに関する情報を有することができる。
【００３１】
ＥＣＦＰ（拡張ＣＦＰ）：この期間は、ＣＦＰにおいて最初に割り当てられたタイムスロットにおいて送信するのに失敗したＧＴＳフレームの再送を試みるために、且つバーストデータトラフィックに起因して到着した付加的なデータフレームを送信するために、ＧＡＣＫ１フレームにおいて特定されるように要求側ノードに対して割り当てられた０又は１以上のタイムスロットを含む。ＣＦＰにおいてそのデータフレームを送信しながら、ノードが、ＥＣＦＰ内の１つ又は複数の付加的なタイムスロットを要求することができる。ＣＦＰにおいて全てのデータフレームの送信に成功し、且ついずれのノードも付加的なＧＴＳ割当てを要求しなかった場合には、ＥＣＦＰは必要とされない。
【００３２】
ＧＡＣＫ２（グループ肯定応答２）：このフレームはＧＡＣＫ１フレームと同様であり、ＥＣＦＰ内のどのフレームを受信するのに成功したかを示すビットマップを含む。また、そのフレームは、同じスーパーフレーム内で後続のＥＣＦＰのために割り当てられる任意の新たなタイムスロットを示す。
【００３３】
ＥＣＡＰ２４０（拡張競合アクセス期間）：この期間はＣＡＰと同様であるが、スーパーフレーム内の時間が利用可能であることを条件（前提）とする。再送される場合には、その持続時間が、コーディネータによってＧＡＣＫ１又はＧＡＣＫ２において示される。ＥＣＡＰは、競合に基づくチャネルアクセスを可能にするので、ノードが、データフレームを送信（又は再送）するために、次のスーパーフレームにおいて、ＧＴＳ割当て要求を送信することに参加する（関係する）ことができる。
【００３４】
ＥＣＦＰ、ＧＡＣＫ２、ＥＣＡＰは合わせて、図３に示されるようなスーパーフレーム内に０又は１回以上出現する可能性のあるフィールドのグループ３００を形成することが指摘される必要がある。このグループがそのように現れる度に、３つの構成要素、すなわちＥＣＦＰ、ＧＡＣＫ２及びＥＣＡＰのうちのいずれか１つ又は２つが存在し、又は存在しない可能性がある。
【００３５】
上記の送信は全て、次の周期の開始前に、すなわちスーパーフレームの終了前に完了しなければならない。
【００３６】
全てのスーパーフレームにおいて少なくともＣＡＰ又はＣＦＰが送信されなければならないという条件で、全てのフィールドはオプションである。ビーコンは、そのスーパーフレームの開始直前にコーディネータによって送信され、ＣＡＰ又はＣＦＰが存在しないか否かを示す。ＣＦＰが存在する場合には、ＧＡＣＫ１、ＥＣＦＰ及びＧＡＣＫ２の存在は、任意のＧＴＳ送信が失敗したか、及び／又は任意のノードが付加的なタイムスロットを要求したかという事実によって動的に決まる。ＥＣＡＰの存在は、スーパーフレーム内の空き時間が利用可能であることによって決まる。
【００３７】
ＣＡＰ、ＣＦＰ、ＥＣＦＰ及びＥＣＡＰのサイズは、１つのスーパーフレームと次のスーパーフレームとの間で異なり得るが、これらの期間は全て、等しいサイズのタイムスロットに分割される。これらの期間内のこれらのタイムスロットの全数及びスロットサイズは一定である。これらの構成パラメータのための値は、コーディネータが起動するときに設定される。
【００３８】
ＣＡＰ又はＣＡＰ２内で行なわれるＧＴＳ割当て要求は、次のスーパーフレームにおいて割り当てられるタイムスロットに向けられる。その割当ては一時的で、或る特定の数のスーパーフレームに対してのみ有効にすることができるか、又は永続的にすることができる。すなわち、割り当てられたノードは、ＣＦＰにおいて、その同じＧＴＳを永続的に使用することになる。ノードは、現在割り当てられているＧＴＳの割当てを解除するために、後に要求を送信することができる。
【００３９】
ネットワーク展開シナリオ
ＭＡＣスーパーフレームの構造を記述したので、本発明者らは、種々のシナリオにおいて、この構造を如何に実効的に使用するかを記述する。たとえば、ファクトリオートメーションの応用例は、極めて信頼性が高く、極めて待ち時間が少ない通信を必要とする。一方、工業プロセス自動化の応用例は、高い信頼性を要求するが、待ち時間に関する要件は緩和される。建物内の資産追跡、ＨＶＡＣ及び空気調和システム、並びに環境監視のような他の一般的な目的用途では、待ち時間及び信頼性に対する性能要件はそれほど厳しくはない。本発明者らのフレーム構造は、これらの全ての適用領域のための要件を満たすことができる。
【００４０】
クラスタ化無線センサネットワーク
極めて少ない待ち時間及び高い信頼性
ファクトリオートメーションにおける応用例は無線センサネットワークからの最も厳しい性能要件を有するので、シングルホップ無線通信しか十分に対応することができない。
【００４１】
図４に示されるように、無線センサネットワークがクラスタ４００の集合（４つ）を含む場合があり、各クラスタは、クラスタヘッドと呼ばれる１つの中央親ノード４０１と、１組の無線リーフノード４０２とを有する。全てのクラスタヘッドは、アクセスポイントを通して、ＩＥＥＥ８０２．１１ｘネットワーク等、イーサネット（登録商標）又は無線で高性能有線バックボーン４１０に接続される。クラスタヘッドは、バックボーンネットワークへのアクセスポイントとしての役割を果たすデュアルスタックデバイスとすることができる。本発明の実施形態によれば、リーフノードは、異なるクラスタ内の多数の親ノードを同時に有することができるようになる。
【００４２】
各クラスタ内の全ての無線ノードは、その指定された１つ又は複数のクラスタヘッドノードと、１ホップ無線通信を介して通信することができる。１つのクラスタが、そのクラスタ内のノードに対して指定されるか、又はそのクラスタ内のノードが利用可能である２つ以上のアクセスポイントを有することができることに留意されたい。それらのノードのうちの１つのノードだけがクラスタヘッドとしての役割を果たすことができる。
【００４３】
一方、センサノードは、２つ以上のクラスタヘッドに関連付けることができる。各アクセスポイントが、その関連するクラスタ内の全てのセンサノードからデータを収集し、おそらく受信したデータを総計し、それをバックボーンネットワーク上で転送する。各クラスタは、近隣にある他のクラスタから独立している星状ネットワークとすることができるか、全てのクラスタは、１つの論理無線ネットワークの一部とすることができ、それにより、単一のアドレス空間を共用することができる。さらに、全てのクラスタは、同じ周波数チャネル上で動作することができるか、又は全てのクラスタが、異なる周波数チャネルを用いて衝突を回避することができる。
【００４４】
第３の動作方法は、チャネル使用を分散するために、且つチャネル干渉に対してさらに大きな抵抗力を提供するために、全てのクラスタにおいて周波数チャネルホッピングを用いることである。その場合、全てのクラスタ内のノードは、ローカル（クラスタ内）チャネルホッピング系列、又はグローバルチャネルホッピング系列に従うことができる。チャネルホッピングは、タイムスロット毎に、又はフィールド（すなわち、ＣＡＰ、ＣＦＰ、ＥＣＦＰ、ＥＣＡＰなど）毎に、或いはそれらを組み合わせて実施することができる。クラスタヘッドはスーパーフレームを所有し、そのクラスタに対するコーディネータとしての役割を果たし、一方、そのクラスタ内の他の全てのノードはコーディネータの子ノードとしての役割を果たす。
【００４５】
本発明のスーパーフレーム構造は、産業環境においてごく一般的である移動ノードを可能にする。たとえば、ノードは、組立ラインのステージ間を移動することができる。動き回るノードは、クラスタヘッドに接続解除要求を送信することによって、その現在のクラスタからの接続を解除する（又はログオフする）ことができる。そのノードは別のクラスタの送信範囲内に移動した後に、新たなクラスタのクラスタヘッドによって送信されるビーコンを待つ。
【００４６】
そのノードがビーコンを受信した後に、そのノードはローカルスーパーフレームと同期する。その後、そのノードはＣＡＰ又はＥＣＡＰにおいて非同期通信フレームを送信することによって、クラスタヘッドに接続要求を送信しようと試みる。そのノードは、必要に応じて、複数回接続しようと試みることができる。そのノードは、そのクラスタに加わるときに、又は加わった後にＧＴＳ割当てを要求し、そのクラスタに、スーパーフレームの非競合ＣＦＰにおいてより確実にセンサデータを送信することができる。クラスタ間を動き回る間にさらに多くのデータを蓄積した場合には、そのノードは、付加的なタイムスロットを要求することもできる。
【００４７】
無線メッシュネットワーク
極めて高い信頼性
これらのネットワークはメッシュトポロジをとり、それぞれが自らのスーパーフレームを有する数多くのコーディネータノードを含むことができる。これらのノードは完全機能デバイス（ＦＦＤ）と呼ばれることがあり、センサノードは、低減機能デバイスと呼ばれ、一般的にはネットワークトポロジ内のリーフノードである。コーディネータノードは、センサデータを収集するために、又はコマンドを送信するために、その子ＲＦＤノードと通信することができ、且つピア・ツー・ピア通信のために隣接するコーディネータノードと通信することができる。
【００４８】
それには、本明細書において記述されるようなスケジューリング機構を定義する必要がある。全てのＦＦＤノードは、その子ノードとして、多数のＲＦＤ及びＦＦＤノードを有することができる。メッシュ無線ネットワークは、一般的には、マルチホップ通信を可能にする。すなわち、データフレームが、ネットワーク内の複数のホップを介して、ソースノードから宛先ノードまで進むことができる。
【００４９】
全てのコーディネータ（すなわち、ＦＦＤノード）は、そのコーディネータが通信することができる隣接するＦＦＤノードのスーパーフレームを知らなければならない。それは、効率的なピア・ツー・ピア通信を促進するために必要とされるだけでなく、隣接するＦＦＤノードのアクティブ期間中にその通信における干渉を回避するか、又は最小限に抑えるためにも必要とされる。
【００５０】
図５に示されるように、本発明は、所定のアナウンスメントチャネル５１０においてビーコンタイムスロットを用いることによって、全てのＦＦＤノードがそのビーコンＢａｎ５０１を周期的に送信する機構を用いる。これにより、ＦＦＤノードは、隣接するノードによって送信されるビーコンを監視し、受信できるようになる。さらに、アナウンスメントチャネルはいくつかの予約された管理タイムスロットＭｋ５０２を有することができ、それらのタイムスロットは、ネットワークに加わるノードによってビーコン−スロットを予約するか、又はネットワークから離れるノードによってビーコン−スロットを解放するためのアナウンスメントのような管理の目的のために用いることができる。さらに、アナウンスメントチャネル５００は、以下に記述されるように、スーパーフレーム間隔５０３中に、データフレームを含むスーパーフレームの報知伝送（broadcast transmissions）を行うためにも用いることができる。
【００５１】
アナウンスメントサイクルの時間長は、ネットワークの種々の部分において異なることがある。このサイクルのための最小及び最大サイズは構成可能である。分散プロセスを用いて、タイムスロットが選択され、予約される。
【００５２】
アナウンスメントチャネルにおけるビーコンのスケジューリングは、本発明の焦点ではない。アナウンスメントチャネルは、ネットワークの構成又は再構成時に静的に選択される固定チャネルとすることができる。代替的には、干渉及び他の要因に起因する伝送品質が劣化するのを避けるために、アナウンスメントチャネルを周期的に、且つ体系的に変更することができる。簡単な手順でスーパーフレーム毎にアナウンスメントチャネルの変更を行い、良好なチャネルのリストから次のチャネルを選択することができる。このリストは、分散形態で構成し、更新することができる。
【００５３】
或るノードがアナウンスメントチャネル上でビーコンを送信した後に、２つの取り得る方法がある。
【００５４】
図６に示されるように、ビーコン、たとえばＢ１の送信後に、ＦＦＤノードは、別のチャネル６２０上の別のノードからの送信と直に衝突しないように、別のチャネル６１０に直ちに切り替わり（６００）、スーパーフレーム間隔５０３中に、そのスーパーフレーム６０１のアクティブ期間を開始する。このスーパーフレームは、ビーコンＢｎのスーパーフレーム６０２よりも長いことにも留意されたい。
【００５５】
そのために、各ノードがそのスーパーフレームのために特定のチャネルを用いるか、又は複数のノードが１つのチャネルホッピング系列に従う。前者の場合、２つの隣接するノードが異なるチャネルを選択するのを確実にするために、チャネルが体系的に選択される。そのための１つの方法は、ビーコンスケジューリング過程中にチャネルを選択し、予約することである。
【００５６】
別の方法は、各ノードが未使用のチャネルを選択するだけの十分に長い時間にわたって隣接するノードを監視することである。別の方法は、良好な推測を用いてチャネルを選択し、その後、衝突が検出される場合には、それを変更することである。ネットワークがチャネルホッピングを可能にする場合には、ＦＦＤノードは、ビーコンを送信した直後に、チャネルホッピング系列に従うことによって、そのアクティブ期間を開始する。この系列は、隣接するノードがこのノード、すなわち、このスーパーフレームに関連付けられるノードとの通信に加わることができるように、予め特定され、隣接するノードに通知されなければならない。チャネルホッピングは、スーパーフレーム内のスロット毎又はスロットのグループ毎に（たとえば、ＣＡＰ、ＣＦＰ、ＥＣＦＰ及びＥＣＡＰのようなフィールド毎に）行なうことができる。
【００５７】
上記の方式によれば、次のアナウンスメントサイクルの開始前に、全てのノードがその通信を終了する。しかしながら、この方式によれば、ノードは異なるサイズのスーパーフレームを有することができるようになる。たとえば、ビーコン−スロットＢ１を用いるノードは、そのビーコンを送信するためにＢ２を用いるノードのスーパーフレームよりも長いスーパーフレームを有することができる。スーパーフレームが可変サイズであることによって、よりビジーなノード、たとえば、データ受信側に近いノードほど、チャネルアクセスのために長い時間を有するようになる。
【００５８】
図６は、１つの展開シナリオを示しており、ＦＦＤノードが、その割り当てられたビーコン−スロットにおいてビーコンを送信し、別のチャネル６１０に直ちに切り替わり（６００）、そのスーパーフレームを開始する。ノードは、そのスーパーフレーム中にチャネルホッピングを用いることができる。また、いくつかのノードは、他のノードよりも長いスーパーフレームを有することができる。ビーコン−スロットＢ１においてビーコンを送信したノードは、Ｂ２、又はそれ以降においてスーパーフレームを送信した他のノードよりも長いスーパーフレームを有することができる。
【００５９】
他の取り得る方法では、図７に示されるように、全てのＦＦＤノードが、ビーコンを送信した後に、全ての隣接するＦＦＤノードがビーコンを送信するまで待つ。その後、異なるチャネル上で、全てのノードがそのスーパーフレームのアクティブ期間を同時に開始する。
【００６０】
これにより、全てのノードが、全ての隣接するノードから、そのノードが現在のスーパーフレーム間隔中に通信することができるスーパーフレームについての情報を得るために、ビーコンを受信できるようになる。全てのノードのスーパーフレームは、次のアナウンスメントサイクルの開始前に完了する。ノードが管理フレームを送信中でなければ、全てのノードは管理スロット５０２（Ｍ１〜Ｍ４）中にリスン（listen）する。同様に、全てのノードが、隣接するノードからのビーコン５０１をリスンする。全てのノードが、そのスーパーフレームを同時に開始する。各ノードは異なるチャネルを使用するか、又は１つのチャネルホッピング系列に従う。ピアノードは、ＣＡＰ、ＣＦＰ、ＥＣＥＰ又はＥＣＦＰを用いることによって、所有者ノードと通信する。チャネル及びＧＴＳ割当てのための上位層の介入は、最小限に抑えられるか、又は不要である。
【００６１】
或るノードが隣接するノードからビーコンを受信できた後に、そのノードは、他のノードとピア・ツー・ピア通信を実行することができる。ＦＦＤノードは、自身のアクティブ期間中に自身の（おそらく休止状態の）子ノードと通信することもできる。ピアＦＦＤノード又は子ＲＦＤノードは、ＣＡＰ又はＥＣＡＰ中に、ＧＴＳ割当て要求を送信することができる。
【００６２】
代替的には、或るノードが、ＣＡＰ又はＥＣＡＰ中にデータフレームを所有者ＦＦＤノードに送信することに決めることができる。ＣＡＰ又はＥＣＡＰではチャネルアクセスにおいてＣＳＭＡ／ＣＡが用いられるので、衝突に起因して、送信が失敗する可能性がある。ＧＴＳ割当て要求を送信するのに成功する場合には、受信側ＦＦＤノードが要求側ノードにＧＴＳを割り当て、それを次のビーコンにおいてアナウンスすることができる。
【００６３】
アナウンスメントサイクルの時間長は、ネットワークの種々の部分において変動することがある。このサイクルのための最小及び最大サイズは構成可能である。分散プロセスを用いて、ビーコンタイムスロットが選択される。最初の数個のタイムスロットが管理メッセージ５０２及び報知のために用いられる。この時間中に、チャネルアクセスのためにＣＳＭＡ／ＣＡが用いられる。
【００６４】
図８はビーコン８００のフィールド８０１〜８１２をそれぞれ示す。
フレーム制御８０１：ＩＥＥＥ８０２．１５．４仕様書において定義される。
シーケンス番号８０２：送信されるビーコンのシリアル番号を示す。各ビーコンの送信後に１だけインクリメントされる。
ＰＡＮ  ＩＤ８０３：ＰＡＮを特定する。
ソースＩＤ８０４：ビーコンを送信しているノードのアドレスを含む。
ビーコン時間間隔８０５：１つのノードによる連続したビーコン間の時間間隔を特定する。
スーパーフレーム時間間隔８０６：スーパーフレームのアクティブ期間の長さを特定する。このフィールドはビーコン時間間隔の長さ以下でなければならない。
タイムスロットサイズ８０７：スーパーフレーム内の各タイムスロットのミリ秒単位のサイズを特定する。スーパーフレーム時間間隔によって特定されるような、スーパーフレーム内のアクティブ期間の長さをタイムスロットサイズで割ることによって、スーパーフレーム内のタイムスロットの全数が与えられる。すなわち、ＩＥＥＥ８０２．１５．４仕様書とは対照的に、スロット数は１６に固定される。
チャネルインデックス８０８：スーパーフレーム中に通信するために従うべきホッピング系列を特定する。
利用可能仮想タイムスロット８０９：このフィールドは、スーパーフレーム内のタイムスロットの全数を特定する。このフィールドは、アクティブ期間がスーパーフレーム時間間隔パラメータによって特定される期間よりも延長された長さを有する場合にのみ用いられる。
ＧＴＳデバイスリスト８１０：ＣＦＰ又はＥＣＦＰにおいて保証タイムスロットを割り当てられたノードのリストを特定する。
ＧＴＳインデックス８１１：デバイスリスト内と同じ順序で、隣接するノードに対して割り当てられたＧＴＳの境界を特定する。
ＧＴＳ方向８１２：割り当てられたＧＴＳが所有者コーディネータノードによってＲｘのために用いられることになるか、Ｔａｘのために用いられることになるかを特定する。
ビーコンペイロードデータ８１３。
【００６５】
このフレーム内の基本的なフィールドだけがここで列挙されている。しかしながら、必要であるときには、ビーコンにさらに多くのフィールドが含まれることができる。ＩＥＥＥ８０２．１５．４標準規格ビーコンは、さらに利用することができるいくつかの他のフィールドも提供する。
【００６６】
図９は、以下のフィールド９０１〜９０１を含むＧＡＣＫフレームを示す。
ＰＡＮ  ＩＤ９０１：送信側ノードのＰＡＮを認証する。
ソースＩＤ９０２：送信側ノードを認証する。
グループＡＣＫフラグ９０４：ＣＦＰ又はＥＣＦＰ中にコーディネータノードによって受信されるＧＴＳフレームの状態を指示するビットマップである。
ＣＡＰチャネルインデックス９０４：存在する場合には、後続のＥＣＡＰにおいて従うべきホッピング系列を特定する。ＧＡＣＫフレームにＥＣＦＰが後続する場合も、しない場合もある。さらに、ＥＣＦＰ又はＧＡＣＫフレーム（ＥＣＦＰが存在しない場合）にＥＣＡＰが続く場合もある。ＥＣＡＰが存在しない場合には、ＣＡＰチャネルインデックスフィールドは存在しない。ＥＣＡＰが存在するが、ＣＡＰチャネルインデックスフィールドが見当たらない場合には、ビーコンにおいて特定されるホッピング系列に従うことになる。
ＥＧＴＳデバイスリスト９０５：ＥＣＦＰにおいてタイムスロットを割り当てられた隣接ノードを特定する。
ＥＧＴＳインデックス９０６：デバイスリストフィールドにおいて従うのと同じ順序においてノードに割り当てられたタイムスロットを特定する。
ＥＧＴＳ方向９０７：割り当てられた各ＥＧＴＳ中にコーディネータがデータフレームを受信することになるか、送信することになるかを特定する。
【００６７】
以下の手順例は、ビーコン−スロットを得るために用いることができる。ＰＡＮに加わる前に、ノードが、アナウンスメントサイクルのサイズを決定するだけの十分な時間にわたってネットワークを走査し、空きスロット又はそれ以外の利用可能なビーコンスロット５０１を決定する。そのノードは、データ通信するためにどのチャネルが良好であるかを決定し、その隣接ノードのそれぞれの隣接グループ（ＮＧ）を得る。
【００６８】
そのノードは、受信したＮａｇｓから拡張隣接グループ（ＥＮＧ）を構成する。そのノードはＥＮＧにおいて利用可能な最も低い空きスロットを選択し、次のアナウンスメントサイクルの管理フレームにおいて、その選択されたスロットを送信する。また、そのノードは、そのスーパーフレームのために使用することになるチャネルも宣言する。
【００６９】
ここで、図１０は、ビーコン−スロット要求フレーム１０００の構造を示し、それは、その意図をアナウンスして、そのビーコンを送信するためのアナウンスメントサイクルにおける特定のビーコンタイムスロットを予約し、使用するためにノードによって用いられる。そのフレームは以下のものを含む。
ＰＡＮ及び送信側ノードを認証するためのＰＡＮ  ＩＤ１００１及びソースＩＤ１００２；
ビーコン−スロットＩＤ１００３は、アナウンス側ノードがそのビーコンのために占有することを意図するスロット番号Ｂｉを特定する；
アナウンスメントカウントは、ビーコンＢｉのためのアナウンスメントが既に何回行なわれているかを示す。ノードがビーコンＢｉを使用し始める前に、そのノードは「ｋ」回アナウンスメントを行なうように要求される場合がある。ただし、ｋ≧１である。ｋの値は構成パラメータとすることができる。
再試行カウントは、このノードによって他のビーコン−スロットの試行に何回失敗したかを特定する。ノードが何からの理由でビーコンタイムスロットＢｉ５０１を予約し損ねた後に、そのノードは、そのアナウンスメントフレームにおいて再試行カウントをインクリメントしながら、別のビーコンタイムスロットを予約しようと試みる。
【００７０】
上記の２つのカウンタのうちの一方又は両方を用いて、競合時に他方のノードよりも一方のノードを優先させることができる。
【００７１】
「アナウンス側」ノードは、そのアナウンスメントを行なった後に、現在のアナウンスメントサイクルにおける残りの管理スロット及び全てのビーコンフレームをリスン（listen）する。
【００７２】
図１１は、別のノードＮｒによって送信されるビーコン−スロット要求フレームに応答して、ノードＮｓによって送信されるビーコン−スロット応答フレーム１１００のフレーム構造を示す。そのフレームは、ビーコン−スロット要求フレームにおいて特定されるような、ノードＮｒがビーコン−スロットを予約しようとする試みが、そのネットワークに対して問題を引き起こす原因になることを示すために用いられる。このフレームは、管理スロットＭｉ中に送信される。そのフレームは以下のものを含む。
ＰＡＮ及び送信側ノードを認証するためのＰＡＮ  ＩＤ１１０１及びソースＩＤ１１０２；
ターゲットＩＤ１１０３は、ビーコン−スロット要求フレームを事前に送信したノードのアドレスである。
ビーコン＿スロットＩＤ１０４はアナウンス側ノードがそのビーコンのために予約する意図があるスロット番号Ｂｉを特定する。
エラーコード１１０５は、要求されるビーコン−スロットを占有することが問題を引き起こすことになる理由を特定する。
【００７３】
ノードがビーコン−スロット要求フレームにおける問題を確認する場合には、そのノードは、その問題をアナウンス側ノードに通知するための２つのオプションを有する。１つは、上記のようなビーコン−スロット応答フレームを使用することである。もう一つのオプションは、そのビーコンフレームを用いて、アナウンス側ノードにエラーコードを搬送することである。ビーコンフレーム８００のビーコンペイロードフィールド８１３に、ターゲットＩＤ、ビーコン−スロットＩＤ及びエラーコードを入れることができる。
【００７４】
図１２は、ノード間の同期を示す。任意のエリア内で全てのビーコン−スロットを使用できるとは限らないことに留意されたい。ノードは、いくつかのビーコン−スロット中にアクティブを観測することが一切できない。たとえば、スロットＢ５においてそのビーコンを送信するノードは、ビーコン−スロットＢ８においてのみ無線アクティブを観測する。Ｂ８スロットにおいてそのビーコンを送信するノードは、Ｂ１及びＢ５においてのみ、他のノードからビーコンを受信する。同様に、Ｂ２ビーコン−スロットにおいてそのビーコンを送信するノードは、スロットＢ５、Ｂ８及びＢ９においてのみ、ビーコンを受信する。このことにより、ノードが互いの無線範囲外にある場合には、ビーコン−スロットを異なるノードによって同時に使用できるようになる。
【００７５】
本発明が或る特定の好ましい実施形態を参照しながら説明されてきたが、本発明の精神及び範囲内で種々の他の改変及び変更を行なうことができることは理解されたい。それゆえ、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神及び範囲に入るような全ての変形及び変更を包含することである。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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