(57)【要約】  特定の工業アプリケーションのために適切なようにチャネル・サイズを比較的小さくすることを可能にする、割り当てられた動作周波数帯域のソフトウェア定義された制御とチャネル・サイズのソフトウェア定義された制御とを与えることによって修正される、ＩＥＥＥ８０２．１１標準によって定義されたパラメータに基づく工業環境において使用するためのアプリケーション固有ワイヤレス通信ネットワーク。アプリケーション固有ワイヤレス通信ネットワークは、少なくとも、最適な送信機電力、受信機感度、送信レイテンシ、及びＡＣＫ再送信を、特定の工業アプリケーションのために適切な値に構成するために、上記標準によって定義された他のパラメータをさらに制御する。
2021531709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤレス通信システムであって、
ユーザと対話するための通信インターフェース、
特定の工業アプリケーションために選択された、アプリケーション固有動作周波数帯域及びアプリケーション固有チャネル・サイズを与えるために、ソフトウェア定義された制御を利用するＭＩＭＯトランシーバであって、前記ＭＩＭＯトランシーバが、前記特定の工業アプリケーションのために性能を最適化するために、選択されたＩＥＥＥ８０２．１１動作パラメータを修正するようにさらに構成され、修正のために利用可能なＩＥＥＥ８０２．１１動作パラメータのグループが、少なくとも、送信電力、受信機感度、ネットワーク・アーキテクチャ、通信レンジ、ＡＣＫタイミング・ウィンドウを含む、ＭＩＭＯトランシーバ、及び
前記ＭＩＭＯトランシーバに結合されたＭＩＭＯアンテナ構成
を含む、制御ステーションと、
ＭＩＭＯアンテナ構成、
前記制御ステーションＭＩＭＯトランシーバの特性を整合させるために、ソフトウェア定義された制御を利用するＭＩＭＯトランシーバ、
前記工業用デバイスに関連するコマンドを決定するための前記ＭＩＭＯトランシーバによって受信された信号に応答するプロセッサ、
前記プロセッサに応答して、前記少なくとも１つの工業用デバイスの活動を開始し、前記コマンドに応答して前記工業用デバイスによって収集されたデータを受信するための制御ユニット
を含む、少なくとも１つの工業用デバイスと
を備え
前記工業用デバイスＭＩＭＯトランシーバが、前記収集されたデータを前記制御ステーションに送信するようにさらに構成された、ワイヤレス通信システム。
【請求項２】
修正のために利用可能なＩＥＥＥ８０２．１１動作パラメータの前記グループが、レイテンシ、双方向制御プロトコル、ビデオ送信レートをさらに含む、請求項１に記載のワイヤレス通信システム。
【請求項３】
少なくとも１つの工業用デバイスが、前記制御ユニットからの命令に応答して、前記制御ステーションへの送信のための要求されたデータをキャプチャするための周辺構成要素をさらに備える、請求項１に記載のワイヤレス通信システム。
【請求項４】
前記周辺構成要素が、ビデオ・カメラを備える、請求項３に記載のワイヤレス通信システム。
【請求項５】
前記周辺構成要素が、複数のセンサーを備える、請求項４に記載のワイヤレス通信システム。
【請求項６】
前記制御ステーション・トランシーバが、ＲＦモデムに結合されたフロントエンド・サブシステムを備え、前記フロントエンド・サブシステムが、前記ＲＦモデムの出力の周波数帯域シフトを行う、請求項１に記載のワイヤレス通信システム。
【請求項７】
前記制御ステーション・トランシーバが、ソフトウェア定義された指定された周波数帯域において動作する特殊帯域トランシーバを備え、前記特殊帯域トランシーバが、前記指定された周波数帯域のソフトウェア定義されたチャネル・サイズ制御を行うための関連する処理デバイスに結合された、請求項１に記載のワイヤレス通信システム。
【請求項８】
前記制御ステーション・トランシーバが、処理及び送受信機能を含む一体化されたインテリジェント無線モジュールを備える、請求項１に記載のワイヤレス通信システム。
【請求項９】
前記ソフトウェア定義されたチャネル・サイズが、約１．２５ＧＨｚ〜４０ＧＨｚのレンジ内の選択された値であるように構成され、チャネル・サイズの選択が、前記特定の工業アプリケーションに基づいて決定される、請求項１に記載のワイヤレス通信システム。
【請求項１０】
前記ソフトウェア定義された動作周波数帯域が、少なくとも９００ＭＨｚ  ＩＳＭ帯域と、３．５ＧＨｚ  ＣＢＲＳ帯域と、ＴＶＷＳ帯域とを含む特殊周波数帯域のグループから選択される、請求項１に記載のワイヤレス通信システム。
【請求項１１】
前記制御ステーション及び前記少なくとも１つの工業用デバイスが、ＭＩＭＯトポロジーにおいて構成され、信号送信のためにＣＯＦＤＭ符号化を利用する、請求項１に記載のワイヤレス通信システム。
【請求項１２】
前記制御ステーションと前記少なくとも１つの工業用デバイスとの間のアップリンク・チャネルが、コマンド及び制御信号の送信における低レイテンシを維持するためにＵＲＬＬＣチャネルとして構成された、請求項１に記載のワイヤレス通信システム。
【請求項１３】
ＩＥＥＥ８０２．１１の標準の下で構成されたフレームの選択されたパラメータが、ＵＲＬＬＣを達成するために無効にされる、請求項１２に記載のワイヤレス通信システム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの工業用デバイスが、無人車両を備える、請求項１に記載のワイヤレス通信システム。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの工業用デバイスが、ロボティック・デバイスを備える、請求項１に記載のワイヤレス通信システム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの工業用デバイスが、複数の工業用デバイスを備え、すべての工業用デバイスが、同じアプリケーション固有周波数帯域内で動作し、同じチャネル・サイズを使用する、請求項１に記載のワイヤレス通信システム。
【請求項１７】
アプリケーション固有動作周波数帯域及びアプリケーション固有チャネル・サイズを介して、プライベート・ワイヤレス通信ネットワークにおいて複数の工業用デバイスとの通信を行うための制御ステーションであって、前記制御ステーションは、
前記複数の工業用デバイスを動作させるためのユーザからのコマンド及び制御信号を受信するための通信インターフェースと、
前記アプリケーション固有動作周波数帯域及びチャネル・サイズに送信及び受信を同調させるために、ソフトウェア定義された制御を利用するトランシーバであって、前記トランシーバが、前記アプリケーション固有動作周波数帯域及びチャネル・サイズにおいてアップリンク・コマンド及び制御信号を生成するための送信要素と、前記複数の工業車両から送信されたダウンリンク動作データを復元するための受信機要素とを含む、トランシーバと、
前記生成されたアップリンク・コマンド及び制御信号をブロードキャストし、戻りダウンリンク動作データ信号を受信するためのアンテナ・モジュールと
を備える、制御ステーション。
【請求項１８】
制御ステーションによってワイヤレス通信ネットワーク内で制御されるための通信及び計算機能を含む工業用デバイスであって、前記工業用デバイスは、
前記制御ステーションからアップリンク・コマンド及び制御信号を受信するためのアンテナ・モジュールと、
前記制御ステーションによって定義されたアプリケーション固有動作周波数帯域及びチャネル・サイズにおいて動作するように構成されたソフトウェア定義された通信周波数帯域内で、前記ソフトウェア定義された通信周波数帯域及びソフトウェア定義されたチャネル・サイズを利用するトランシーバであって、前記トランシーバが、前記制御ステーションによって送信されたアップリンク・コマンド及び制御信号を復元するために前記アンテナ・モジュールに結合された、トランシーバと、
前記復元されたアップリンク・コマンド及び制御信号に応答して、前記工業用デバイスによって実行されるべき動作を決定するためのプロセッサと、
前記プロセッサに応答して、前記工業用デバイスの動作活動を開始し、前記工業用デバイスによって収集されたデータを受信するための制御ユニットと
を備え、
前記トランシーバが、前記収集されたデータを前記制御ステーションに送信するために前記アプリケーション固有動作周波数帯域中のダウンリンク・チャネルを利用するようにさらに構成された、工業用デバイス。
【請求項１９】
関連がある動作パラメータのセットのプロファイルによって定義された特定の工業アプリケーションのための標準ＩＥＥＥ８０２．１１プロトコルに基づいてプライベート・ワイヤレス通信ネットワークをプロビジョニングする方法であって、前記方法は、
１００ＭＨｚ〜１００ＧＨｚのレンジ内で標準ＷｉＦｉ動作周波数帯域をターゲット帯域に周波数シフトすることであって、前記ターゲット帯域が、前記特定の工業アプリケーションのために好ましいものとして識別される、周波数シフトすることと、
前記チャネル・サイズを、ＩＥＥＥ８０２．１１において定義された標準２０／４０／８０／１６０ＭＨｚサイズから、前記特定の工業アプリケーションのデータ・スループットをサポートするのに十分な所定の値に縮小することと、
前記特定の工業アプリケーションに関連する前記関連がある動作パラメータの前記プロファイルをカスタマイズすることであって、関連がある動作パラメータの前記セットが、レイテンシ、双方向制御プロトコル、ビデオ送信レート、送信電力、受信機感度、ネットワーク・アーキテクチャ、通信レンジ、ＡＣＫタイミング・ウィンドウからなるＩＥＥＥ８０２．１１パラメータの前記グループから選択される、前記プロファイルをカスタマイズすることと
を含む、方法。
【請求項２０】
関連がある動作パラメータの前記セットが、レイテンシ、ネットワーク・アーキテクチャ、及び通信レンジのうちの１つ又は複数を含み、前記カスタマイズするステップが、
制御ステーションから少なくとも数ｋｍ延長するために、必要とされる通信レンジを定義することと、
前記ネットワーク・アーキテクチャをメッシュ・トポロジーとして定義することと、
制御ステーションにおいてコマンド及び制御チャネルを超高信頼低レイテンシ・チャネル（ＵＲＬＬＣ）として構成することと
を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ＵＲＬＬＣを構成することが、ソフトウェア再試行、ハードウェア再試行、フレーム・アグリゲーション、及びＨＴ機能というリンク設定のうちの１つ又は複数を無効にすることを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ネットワーク・アーキテクチャの前記メッシュ・トポロジーが、ノードツーノード送信においてスループットを維持するためにマルチ周波数メッシュ・ネットワークとして実装される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
関連がある動作パラメータの前記セットが、ビデオ送信レート、通信レンジ、及びＡＣＫ再送信のうちの１つ又は複数を含み、前記カスタマイズするステップが、
制御ステーションから少なくとも２０ｋｍ延長するために、必要とされる通信レンジを定義することと、
ビデオ送信レートを最適化するために、ビデオ・パケット再試行の回数を、ＩＥＥＥ８０２．１１において定義された標準から、３以下の値に減少させることと、
前記ＡＣＫタイミング・ウィンドウを、ＩＥＥＥ８０２．１１において定義された前記値から、前記定義された通信レンジのために適切な値に延長することと
を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記周波数シフトされた周波数帯域において動作し、ＣＯＦＤＭ変調方式を使用して作成された信号を通信するために所定の中心周波数及びチャネル・サイズを利用するように、制御ステーションにおいてＭＩＭＯトランシーバを構成することであって、前記構成が、前記標準ＩＥＥＥ８０２．１１動作パラメータを修正するために、ソフトウェア定義された技法を使用することによって実行される、ＭＩＭＯトランシーバを構成することと、
前記周波数シフトされた周波数帯域において動作し、前記所定の中心周波数及びチャネル・サイズを利用するために、前記制御ステーションとのネットワーク化通信において複数の工業用デバイスを構成することと
をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１８年７月２０日に出願され、参照により本明細書に組み込まれる、米国仮出願第６２／７０１，２０２号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、工業アプリケーションのために好適な特殊ワイヤレス通信構成に関し、より詳細には、特定の環境のニーズに対処するために標準ＩＥＥＥ８０２．１１プロトコルを修正するためのアプリケーション固有のソフトウェア定義された動作パラメータに関する。
【背景技術】
【０００３】
最適なワイヤレス接続性に対するニーズの多様なセットがある。基準の特定のセット（たとえば、レンジ、電力、速度）を最適化するために多くの技術が開発されてきた。図１は、主要なワイヤレス技術の各々についての例示的な好ましい利用を示す。各ワイヤレス・デバイス／アプリケーションが、データ・スループット、レイテンシ、レンジ、モビリティ、電力などに関して、それ自体の要件を有することを理解することは比較的簡単である。明らかに、異なる使用事例のすべてを満たす技術は１つもない。
【０００４】
図１を検討すると、（ＩＥＥＥ８０２．１１標準に基づく）ユビキタスＷｉ−Ｆｉは、認可フリー、高速ワイヤレスＬＡＮ（ＷＬＡＮ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ＬＡＮ）カテゴリーのための争う余地がない選択肢であることは明らかである。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ及びＩＥＥＥ８０２．１５．４のいくつかの変形態が、短距離、低データ・レート・アプリケーションのために検討されているが、ＬｏＲＡ、ＳＩＧＦＯＸ及びＮＢ−ＩｏＴは、超長距離、低電力、低スループットのセンサー接続性アプリケーションのための候補として議論される。研究及び開発の現在の分野は、工業用モノのインターネット（ＩＩｏＴ：Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）のための様々なワイヤレス接続性オプションに関連する。様々な定義の主題として、「モノのインターネット」（ＩｏＴ：Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）は、一般に、１つの「スマート」デバイスが人間の干渉なしに（すなわち、マシンツーマシン（Ｍ２Ｍ））別の「スマート」デバイスと通信することが可能であるという提案に関連する。スマート・オブジェクトは、環境がどのくらい複雑であり得るかにかかわらず、それらの現在の環境へのそれらの応答を合わせることがますます可能である。「工業用」ＩｏＴ（ＩＩｏＴ）は、センサー、コンピュータ、及びスマート・デバイスが一緒に稼働する必要がある製造／工業環境においてＭ２Ｍに焦点を当てられた、ＩｏＴの特殊な、また多産な部分であると考えられる。ＬＴＥ及び５Ｇ公衆ネットワークは、アクセスが容易であるので、ＩＩｏＴアプリケーションのための候補として、ますます検討される。しかしながら、これらの公衆セルラー・ネットワークは必要な価格性能比を与えない。すなわち、公衆ネットワークは意図的に多数のユーザの間で共有されるので、それらは、比較的低速度、低ＱｏＳ、及び高レイテンシを呈し、たいていの場合、毎月発生する高い料金でしか利用可能でない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、ＩＩｏＴに関連する様々なアプリケーション／環境の多様なニーズに対処するワイヤレス通信アーキテクチャのニーズが残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従来技術に残っているニーズは、工業アプリケーション（ＩＩｏＴなど）のために好適な特殊ワイヤレス通信構成に関し、より詳細には、特定の環境のニーズに対処するために（一般に様々なＷｉＦｉ用途のために実装される）標準ＩＥＥＥ８０２．１１プロトコルを修正することによって与えられる、アプリケーション固有のソフトウェア定義された動作パラメータの実装に関する、本発明によって対処される。
【０００７】
本発明の原理によれば、ワイヤレス通信のための様々な工業アプリケーションは、ますます高速（現在１ギガビット・レートを超える）で比較的大きいサイズのチャネルのユビキタスＷｉＦｉパフォーマンス・ドライバによって最良にはサービスされないことがあることがわかっている。むしろ、工業アプリケーションは、（数ｋｍｓの程度、或いは最大２０ｋｍｓ以上の）送信レンジ、雑音の多い環境における通信、及び信頼性などの特徴に優先順位を付ける傾向がある。したがって、本発明は、特に、工業アプリケーションの特定のニーズに対処するために１次コアＩＥＥＥ８０２．１１機能を拡張することと、ケースバイケースで、各個々のアプリケーションのニーズを最も満たすプライベート通信ネットワークを構成することとを対象とする。たとえば、高速で移動する無人車両のネットワークの制御は制御ステーションと各車両との間の低レイテンシ通信を必要とする。監視、公共安全など、機密性の高いアプリケーションでは、特定の暗号化技法を利用する必要がある。多数の干渉源があるウェアハウス通信アプリケーションでは、適切な信号コーディングが必須である。したがって、すべての考えられるＩＩｏＴアプリケーションのための「万能（ｏｎｅ−ｓｉｚｅ−ｆｉｔｓ−ａｌｌ）」ワイヤレス通信ソリューションは実行可能な手法ではない。
【０００８】
本発明の様々な実施例では、より新しいＷｉＦｉシステムに関連する超高スループットは工業アプリケーションのための重要なパラメータではないので、ＩＥＥＥ８０２．１１標準における２０／４０／８０／１６０ＭＨｚの従来のチャネル・サイズの代わりに、比較的小さいチャネル・サイズ（たとえば、１．２５ＭＨｚほどの小ささであり、他の企図されるチャネル・サイズは、たとえば３〜５ＭＨｚの程度である）を利用することによって、システム及び方法が実装される。小さいサイズのチャネルの使用から導出される様々な恩恵について、以下で詳細に説明する。チャネル・サイズのほかに、本発明の様々な実施例は、特に、制御ステーションと工業用デバイス（ノード）との間に確立されるアップリンク及びダウンリンク・チャネルのプロパティを定義する。通信の意味で「ノード」として定義されるような通信機能を含む「工業用デバイス」は、たとえば、無人車両（たとえば、ドローン、地上ローバ）、ロボティック・デバイス、セキュリティ・デバイス、工業用センサーなどを含む。「工業用デバイス」のこれらの場合、制御ステーションは、現場において展開されるこれらのデバイス（たとえば、ドローン、無人地上車両、採掘車両など）にコマンドを送信するために使用されるので、制御ステーションから個々のデバイスへのアップリンク・コマンド及び制御通信のための「超高信頼低レイテンシ・チャネル」（ＵＲＬＬＣ：Ｕｌｔｒａ  Ｒｅｌｉａｂｌｅ  Ｌｏｗ  Ｌａｔｅｎｃｙ  Ｃｈａｎｎｅｌ）構成を実装することは、優先順位が高い。さらに、（自己復元と自己形成の両方を含む）マルチ周波数メッシュ・ネットワーク・アーキテクチャの利用は、基地局から所与のノードへの単一の「ホップ」における見通し内（ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ）送信が問題である、工業アプリケーションの通信レンジを延長する能力を促進し、また、メッシュ・ネットワークを通す異なる経路を介して同じコマンド／制御メッセージを送信することが可能であることによって信頼性を改善する。
【０００９】
好ましい実施例では、本発明は、制御ステーションと各工業用デバイス／ノードとの間のいくつかの動作パラメータを交換するために、双方向プロトコルを利用する。たとえば、米国のＦＣＣによる最近実装された「共有スペクトル」要件は、これらの特定のスペクトルにおいて送信を開始する前に、中央当局に「チャネル」及び「送信電力」許可を要求することを、プロバイダに要求している。双方向プロトコルは、所与のチャネル及び送信電力のための許可を取得している制御ステーションが、次いで、そのプライベート通信ネットワーク内の他のノード（工業用デバイス）とこの情報を共有する（必要に応じて、チャネル割当てと電力レベルとを更新する）ことが可能であるように、本発明的構成において利用される。
限定はしないが、「ＡＣＫ」タイミング・ウィンドウ、送信電力制御、チャネル選択、証明モードなどを含む、追加のパラメータにおける他の調整も、以下で詳細に説明するように、特定の工業アプリケーションのために個々に合わせられ得る。
【００１０】
別の言い方をすれば、本発明は、以下で「ブロードバンド工業用インターネット」（ＢＩＩ：Ｂｒｏａｄｂａｎｄ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）システム・アーキテクチャと時々呼ぶ、異なる工業アプリケーションの多様なニーズを満たすために動作パラメータに関して合わせることが可能である「アプリケーション固有の」ワイヤレス通信システムを提案する。
【００１１】
本発明のＢＩＩシステム・アーキテクチャは、長レンジ、高スループット通信のためのギャップを埋めるものとして企図される。以下で詳細に説明するように、ＩＥＥＥ８０２．１１標準の恩恵を維持しながら、耐干渉性のロバストなワイヤレス・ブロードバンド通信を達成するために、様々な物理及びＭＡＣレイヤ・パラメータが、各特定の工業アプリケーションのためにＢＩＩアーキテクチャにおいて個々に制御される。さらに、（本発明者らの同時係属出願第１５／９８６，９１３号に記載されているように、ソフトウェア制御の周波数シフトを介して）定義された通信リンクを別の帯域に周波数シフトする機能を活用することによって、隣接するチャネルとの干渉が回避される。
【００１２】
本発明の例示的な実施例は、制御ステーションと、制御ステーションからのコマンドに応答する少なくとも１つの「工業用デバイス」とを備えるワイヤレス通信システムの形態をとる。制御ステーション自体は、ユーザと対話するための通信インターフェースと、特定の工業アプリケーションのために選択されたアプリケーション固有動作周波数帯域及びアプリケーション固有チャネル・サイズを与えるために、ソフトウェア定義された制御を利用するＭＩＭＯトランシーバとを含む。ＭＩＭＯトランシーバは、特定の工業アプリケーションのために性能を最適化するために、選択されたＩＥＥＥ８０２．１１動作パラメータを修正するように構成され、修正のために利用可能なＩＥＥＥ８０２．１１動作パラメータのグループは、少なくとも、送信電力、受信機感度、ネットワーク・アーキテクチャ、通信レンジ及びＡＣＫタイミング・ウィンドウを含む。ＭＩＭＯ構成されたアンテナ構成は制御ステーションに含まれる。相応して、少なくとも１つの工業用デバイスは、制御ステーションとの適切な送信のためのＭＩＭＯアンテナ構成をも含む。少なくとも１つの工業用デバイスは、制御ステーションＭＩＭＯトランシーバの特性を整合させるために、ソフトウェア定義された制御を利用するＭＩＭＯトランシーバと、工業用デバイスに関連するコマンドを決定するためのＭＩＭＯトランシーバによって受信された信号に応答するプロセッサと、少なくとも１つの工業用デバイスの活動を開始し、コマンドに応答して工業用デバイスによって収集されたデータを受信するための（プロセッサに応答する）制御ユニットとをさらに備え、工業用デバイスＭＩＭＯトランシーバは、収集されたデータを制御ステーションに送信するようにさらに構成される。
【００１３】
本発明の別の例示的な実施例は、関連がある動作パラメータのセットのプロファイルによって定義された特定の工業アプリケーションのための標準ＩＥＥＥ８０２．１１プロトコルに基づいて、プライベート・ワイヤレス通信ネットワークをプロビジョニングする方法の形態をとる。本方法は、１００ＭＨｚ〜１００ＧＨｚのレンジ内で標準ＷｉＦｉ動作周波数帯域をターゲット帯域に周波数シフトすることであって、ターゲット帯域が特定の工業アプリケーションのために好ましいものとして識別される、周波数シフトすることと、チャネル・サイズを、ＩＥＥＥ８０２．１１において定義された標準２０／４０／８０／１６０ＭＨｚサイズから、特定の工業アプリケーションのデータ・スループットをサポートするのに十分な所定の値に縮小することと、特定の工業アプリケーションに関連する関連がある動作パラメータのプロファイルをカスタマイズすることであって、関連がある動作パラメータのセットが、レイテンシ、双方向制御プロトコル、ビデオ送信レート、送信電力、受信機感度、ネットワーク・アーキテクチャ、通信レンジ、ＡＣＫタイミング・ウィンドウからなるＩＥＥＥ８０２．１１パラメータのグループから選択される、プロファイルをカスタマイズすることとを含む。
【００１４】
本発明の他の及びさらなる態様及び利点は、以下の説明の過程で、添付の図面を参照することによって明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】データレンジ対信号レンジの関数としてプロットされた、様々なワイヤレス通信サービス提供の描写である。
【図２】従来の先行技術２×２ＭＩＭＯアーキテクチャを示す図である。
【図３】ソフトウェア定義されたチャネル割当て及び関係するパラメータによって許可される、（たとえば）１００ＭＨｚ〜１００ＧＨｚにわたる、本発明によるＢＩＩの例示的な動作レンジを示す図である。
【図４】特に、標準ＲＦモデムの出力を別の動作周波数帯域に周波数シフトするために、ソフトウェア定義されたフロントエンド・サブシステム・モジュールを使用することに基づいて、無人空中車両（ＵＡＶ／ドローン）の制御など、工業アプリケーションのために構成されたこの特定の例における、本発明の例示的なアプリケーション固有ＢＩＩシステムのブロック図である。
【図５】システム中のノード間の信頼できる接続を構成するために、ＩＥＥＥ８０２．１１のＭＩＭＯ及びＣＯＦＤＭ属性を利用して、ソフトウェア定義された動作帯域周波数選択及びチャネル・サイズを与えるために、コンピュータ制御「特殊帯域」トランシーバを使用するこのケースにおける、アプリケーション固有ＢＩＩシステムの代替実施例のブロック図である。
【図６】完全一体化代替例を作成するために、特殊帯域トランシーバをもつ一般的なモジュール内に処理機能を組み込んだこのケースにおける、本発明のまた別の実施例のブロック図である。
【図７】本発明に従って形成された例示的なアプリケーション固有プライベート・ネットワークの通信レンジを延長するための、ノード間のホッピングの利用を示す簡略図である。
【図８】本発明に従って形成されたアプリケーション固有通信ネットワーク内で使用される、例示的な制御ステーションと工業用デバイス（たとえば、無人車両、ロボティック・デバイスなど）との間のアップリンク・チャネル及びダウンリンク・チャネルにおける周波数ダイバーシティの利用を示す簡略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明のワイヤレス、ブロードバンドＷＡＮ技術は、ユビキタスＷｉ−Ｆｉの最先端の多入力多出力（ＭＩＭＯ）性能を活用し、その使用を所望の周波数帯域に拡張し、それにより、特定の工業環境において信頼性と高スループットと（たとえば、比較的長いレンジ（ｋｍｓ）にわたる、又は無線干渉などの複数の発生源をもつウェアハウスなど、雑音の多いロケーションにおける、信頼できる動作）を必要とするアプリケーションのためのプライベート・ワイヤレス・ネットワークを実装するためのコスト効果的なソリューションを与える。この発明的ワイヤレス技術を以下で「工業用インターネットのためのブロードバンド」、又は単にＢＩＩと呼ぶ。
【００１７】
そのコアにおいて、ＢＩＩは、ワイヤレス通信のためのＩＥＥＥ８０２．１１標準において指定されているものと同じＭＩＭＯ／ＣＯＦＤＭ技術を使用する。「多入力多出力」を指す「ＭＩＭＯ」は、複数の送信アンテナを介して複数のワイヤレス信号を送るために単一の送信機を利用する。関連する受信機も複数のアンテナ要素を利用し、その組合せが、マルチパス伝搬を活用することによって、同じ無線チャネルを介して２つ以上のデータ信号を同時に送信及び受信することを可能にする。図２は２×２ＭＩＭＯ構成を示す。このマルチ信号ＭＩＭＯ構成は、両方の方向に送信されるワイヤレス信号のための符号化方式として、コーディングされた直交周波数分割多重（ＣＯＦＤＭ：ｃｏｄｅｄ  ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）の好ましい使用と結合される。ＣＯＦＤＭは、高いレベルのマルチパス伝搬と、送信機構成要素と受信機構成要素との間の可変遅延とを処理するその能力でよく知られている変調方式であり、工業用無線通信アプリケーションの動的態様は、このタイプの符号化を使用することによって役立つ。
【００１８】
本発明の原理によれば、ＭＩＭＯ物理的トポロジーを維持し、ＣＯＦＤＭ変調を使用しながら、特定の工業アプリケーションのために耐干渉性でロバストなワイヤレス通信を達成するために、ＩＥＥＥ８０２．１１標準の様々な物理パラメータ及びＭＡＣレイヤ・パラメータが微調整される。特に、本発明のＢＩＩアーキテクチャは、ソフトウェア定義された動作周波数帯域選択、チャネル・サイズ及び中心周波数のための拡張を組み込んでいる。ＢＩＩ波形は任意の周波数帯域において動作することが可能である。この周波数フレキシビリティは、発明的方法論が様々な国において使用されること、並びに、任意の工業固有の周波数帯域において展開されることを可能にする。その上、帯域選択とともに利用可能な周波数アジリティは、非常に多くの失敗が検出される場合に送信成功率とチャネル再割当てとをリアルタイムで監視することを可能にする。チャネル・サイズは、たとえば、当技術分野でよく知られているダウンクロッキング技法を使用することによって調整され得る。
【００１９】
ＩＩｏＴアプリケーションは、要求がより厳しくなっているので、より洗練されたネットワーキング機能を必要とする。単一のワイヤレス・ネットワーキング・ソリューションを利用することを試みる代わりに、本発明のＢＩＩ手法は、各アプリケーションのために最も好適な関数セットを作成するために、以下で説明するソフトウェア定義されたパラメータを使用する、アプリケーション固有のワイヤレス通信構成の作成を可能にする。特に、これらのパラメータは、チャネル・サイズ、レイテンシ制御、ビデオ・ストリーミング要件、マルチ周波数メッシュ・ネットワーキング、動作パラメータを通信するための双方向プロトコル、ＡＣＫタイミング・ウィンドウの調整、送信電力調整、動的チャネル選択、自動化されたテスト・モード機能などから選択される、様々な組合せを含む。周波数シフト、帯域フィルタ処理、及びチャネル・フィルタ処理を行う能力と結合されたとき、本発明によって与えられるコアＩＥＥＥ８０２．１１機能へのこれらの拡張は、パラメータのアプリケーション固有のセットが異なる工業アプリケーションのために定義されることを可能にする。以下のパラグラフは、様々な工業アプリケーションのための最適化されたワイヤレス通信ソリューションを与えるために本発明に従って修正されたパラメータ／拡張に関する追加の詳細を与える。
【００２０】
チャネル・サイズに関して、標準ＩＥＥＥ８０２．１１  ２０／４０／８０／１６０ＭＨｚチャネル・サイズから１．２５ＭＨｚほどの小ささのチャネル・サイズを作成するために、様々なダウンクロッキング／アンダークロッキング技法が使用され得る（後述のように、フレキシブルな、小さいチャネル・サイズを定義する能力は、以前はアクセス可能でなかった周波数帯域においてＩＩｏＴワイヤレス通信ネットワークを実装する可能性を開く）。
ワイヤレス通信ネットワークのための様々な工業アプリケーションは、比較的「低い」スループット要件（たとえば、ストリーミング・ビデオの送信のために使用される、１〜１００Ｍｂｐｓの程度のデータ・スループット）を有する限り、小さいチャネル・サイズで十分である（実際、標準チャネル・サイズを使用する帯域幅のかなりの部分を「浪費」するよりもスペクトル効率的である）。小さいチャネル・サイズを使用すると、したがって、より多くのチャネルが所与の帯域における使用のために利用可能になり、チャネル間の干渉の機会が減り、ネットワークがより多くの工業用デバイス（すなわち、「ノード」）をサポートすることが可能になる。また、チャネル・サイズが小さくなると、受信機感度が高くなり、通信レンジが拡張される。たとえば、１．２５ＭＨｚチャネルは、２０ＭＨｚの「標準」ＷｉＦｉチャネル・サイズよりも約１６倍長いレンジを有する。上述のように、より小さいチャネル・サイズはまた、標準のより大きいサイズのＷｉＦｉチャネルを採用することができないであろういくつかの帯域（６ＭＨｚの最大チャネル・サイズを有する「ＴＶホワイト・スペース」、ＴＶＷＳ帯域、など）を利用する可能性を開く。
【００２１】
実際、本発明の重要な態様は、送信のために使用される周波数帯域と、選択された帯域のフレキシブルなチャネル・サイズの両方が、ソフトウェア定義された要素であることである。本発明者らの同時係属出願１５／９８６，９１３は、周波数シフトを行うための例示的な手法を詳細に記載しており、これは参照により本明細書に組み込まれる。本発明のＢＩＩシステムによって構成されるアプリケーション固有の波形は、図３に示されているように、たとえば１００ＭＨｚと１００ＧＨｚとの間の周波数帯域において動作することができる。
【００２２】
チャネル・サイズ自体は、１．２５ＭＨｚ（一般に利用可能でない狭い帯域）と（たとえば）約４０ＭＨｚの広い帯域との間のどこかの値を有するようにさらに本発明に従ってソフトウェア定義され、チャネル・サイズの選択は特定のアプリケーションのスループット要件に基づく。ビット・コーディング・レートを自動調整することと結合された、チャネル・サイズを定義する能力は、ＢＩＩシステムの各アプリケーション固有の実装が、スペクトル効率的であり、そのアプリケーションのための可能な最大の信号対雑音比（ＳＮＲ）において動作することを可能にする。以下で説明するように、いくつかの国際市場は、少量の利用可能なスペクトルしか有しない。チャネル・サイズを収縮させる能力は、これらの市場においてＩＩｏＴアプリケーションのためのワイヤレス通信構成を作成する可能性を開く。
【００２３】
本発明者らの同時係属出願において詳細に記載されているように、他の帯域への周波数シフトは、標準ＷｉＦｉ周波数を、しばしば「ターゲット帯域」と呼ばれる別の（ソフトウェア定義された）帯域にシフトするために、外部ヘテロダイン・ミキサを使用することによって行われ得る。ターゲット帯域における干渉を回避するために追加の帯域・フィルタが含まれ得る。比較的長いレンジは、送信ＲＦ電力を増幅し、受信機損失を補償するために低雑音増幅器（ＬＮＡ）のセットを使用することによって達成される。比較的長い距離（たとえば、数キロメートル）にわたって通信リンクを維持する能力は、航空、公共安全、鉱業、農業などの分野において、多くのＩＩｏＴアプリケーションのために重要である。
【００２４】
いくつかのフレーム／パケット・プロトコルを無効にすることによって、発明的ＢＩＩアーキテクチャの様々な工業アプリケーションにおいて、選択された通信のレイテンシを著しく低減することが可能であることがわかっている。たとえば、急速に移動している車両は、車両の動作を監督する制御ステーションからの、信頼できる低レイテンシの「コマンド及び制御」通信を必要とする。本発明によれば、様々なデフォルトＷｉＦｉ設定は比較的短い「コマンド及び制御」メッセージの送信のために最適でないことを理解することによって、レイテンシは従来技術の標準よりも著しく低減され、したがって、これらの設定を無効にすると、送信されるメッセージ長が短くなる。結果として、制御ステーションと各車両（ノード）との間のアップリンク・チャネルは、以下のリンク設定、すなわち、ソフトウェア再試行、ハードウェア再試行、フレーム・アグリゲーション、ＨＴ機能、特定のＭＣＳ（及びレガシー）レートのうちの１つ又は複数を無効にするによって、「超高信頼低レイテンシ・チャネル」（ＵＲＬＬＣ：Ｕｌｔｒａ  Ｒｅｌｉａｂｌｅ  Ｌｏｗ  Ｌａｔｅｎｃｙ  Ｃｈａｎｎｅｌ）送信チャネルとして構成される。たいていの工業アプリケーションでは信頼性が重要であるので、マルチパス送信、前方誤り訂正、及びＡＣＫ再送信に関係するＭＩＭＯの態様は、この目的で容易に利用可能である。
【００２５】
本発明のＢＩＩアプリケーション固有のワイヤレス通信システムは、メッシュ・ネットワーク中のノード間のいくつかの動作パラメータを交換するための双方向プロトコルを実装する。有利には、ＩＥＥＥ８０２．１１において定義されているフレーム・パケットは、フレーム・ビーコン中にメッセージを含める機構を含む。そのように定義されているが、これらのビーコン・メッセージはまれにしか使用されない。したがって、この先在する機能における選択された周波数シフトされた帯域及び選択された帯域のチャネル・サイズに関するソフトウェア定義された情報を送信することによって、ＢＩＩシステムは、その機能を、所与のＩＩｏＴアプリケーション内で通信し得る他のワイヤレス・ノードに効率的にブロードキャストする。
【００２６】
特に、このＢＩＩ「制御プロトコル」は、現在ＦＣＣによって提案されている共有スペクトル・アプリケーションにおいて有利である。これらの状況では、ＦＣＣは、いくつかの認可帯域（たとえば、３．５ＧＨｚ市民帯域無線サービス（ＣＢＲＳ：Ｃｉｔｉｚｅｎ’ｓ  Ｂａｎｄ  Ｒａｄｉｏ  Ｓｅｒｖｉｃｅ）帯域及びサブＧＨｚ  ＴＶＷＳ帯域）中の追加のスペクトル帯域を解放しており、それにより認可ユーザと無認可ユーザとの間で周波数帯域を「共有」する。エンティティは、これらの「共有」周波数を使用するために、最初に、ＦＣＣによって管理される中央データベースから特定の周波数において（及び指定された最大電力で）通信するための許可を取得しなければならない。本発明によれば、したがって、制御ステーションは、識別されたチャネル及び送信電力についての許可を取得し、その後、この情報をネットワーク中のすべての他のノード（すなわち、工業用デバイス）に効率的な様式で通信し得る。
【００２７】
所与の工業アプリケーションのために修正され得る他のパラメータ／拡張は、通信自体の態様を制御することに関連する。たとえば、ＡＣＫ送信のための「タイミング・ウィンドウ」は、「長レンジ」環境において動作する工業アプリケーションのために修正され得ることが企図される。従来のＷｉＦｉアプリケーションでは、ＡＣＫタイミング・ウィンドウは、約２００メートルの送信レンジに適応するように構成される。明らかに、選択された工業アプリケーションのための１０ｋｍのレンジは、著しくより長いウィンドウを必要とし、本発明のシステムは、リモートに位置するノードからのＡＣＫ応答の飛行時間が、それが制御ステーションに到達するのに十分であることを保証するために、このタイミング・ウィンドウが調整されることを可能にする。
【００２８】
本発明の例示的なアプリケーション固有のプライベート通信ネットワーク中のノード（工業用デバイス）は、さらに、ネットワーク中の近隣ノードからの受信信号電力（受信信号強度インジケータ（ＲＳＳＩ：Ｒｅｃｅｉｖｅｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈ  Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ））を常時監視し、必要に応じて「電力調整」コマンドを送るように構成され得る。他のノードの極近傍内のノードは、良好な通信を維持するために、このようにして「ちょうど十分な」電力を送信し、隣接するノードによって受信される雑音を低減することによってネットワーク品質を改善する。制御ステーションはまた、割り当てられた周波数帯域内のすべての利用可能なチャネルにわたって走査し、干渉が最小であるチャネルを選択し、動作環境が変化するにつれてチャネル選択を更新する（上記で説明したように、チャネル更新はネットワーク中のすべてのノードに送信される）ように構成され得る。
【００２９】
網羅的なリスティングではないが、本発明に従って形成されたアプリケーション固有のワイヤレス通信システムを使用することによって恩恵を受け得るＩＩｏＴシステムの例示的なタイプは、航空、防衛、無人車両（空中及び／又は地上）、公共安全、エネルギー・システム（油、ガス又は電気）、及び「農業」（鉱業及び林業を含む）を含む。これらの各々は、その実装に固有である要件のセットを含み、本発明による物理及びＭＡＣレイヤ・パラメータを微調整する能力は、したがって、各ケースのための最適な解決策を与える。
【００３０】
たとえば、無人空中車両（ＵＡＶ、ドローンとも呼ばれる）とのワイヤレス通信を行うことは、一般的な明確な「見通し線」（ＬＯＳ）を利用することができ、これは、したがって、少量のマルチパス反射のみを呈し、小さいチャネル・サイズを使用して信頼できる通信を容易に行い得る。比較的長い距離にわたる通信を維持する能力は重要であり得るので、発明的ＢＩＩアーキテクチャの小さいチャネル・サイズ（或いは、異なる帯域にシフトされる動作周波数）は、基地局と所与のドローンとの間の使用可能なレンジを拡張する。さらに、ドローンへのアップリンク接続は、低レイテンシで信頼できる必要があり、上記で説明したＵＲＬＬＣ機能を利用することは、したがって、本出願のために好適である。
【００３１】
でこぼこの地勢にわたって配設される複数の車両、機器、及び人員からなる現場作業（たとえば、鉱業、エネルギー、農業）では、一定の信頼できる接続性を与える通信システムが優先事項である。ここでは、高電力の長距離リンクを優先させるようにＢＩＩシステムを構成することが、他の考慮事項に優先する。
【００３２】
前述のように、ＣＯＦＤＭチャネル・サイズを調整するためにダウンクロッキング技法が使用され得、帯域幅は、一般に、特定のアプリケーションのスループット要件のために定義される。ＣＯＦＤＭビット・レートを自動調整することと結合された、チャネル・サイズを定義する能力は、発明的ＢＩＩシステムがスペクトル効率的であり、可能な最大のＳＮＲにおいて動作することを可能にする。実際、これらの拡張は多くの新しい可能性を開き、ＢＩＩを万能なワイヤレス技術にする。
【００３３】
図４は、特に「無人空中車両」（ＵＡＶ：ｕｎｍａｎｎｅｄ  ａｅｒｉａｌ  ｖｅｈｉｃｌｅ）アプリケーションのために構成された、ＢＩＩ通信システム１０の例示的な実装のブロック図である。以下で詳細に説明するように、本出願は、１つ又は複数のＵＡＶ１４（ドローンなど）の動きと動作とを制御するために使用される「地上」制御ステーション１２（又は場合によっては、メッシュ・トポロジーにおいてネットワーク化された複数の制御ステーション）からなり、ＵＡＶは、時々以下で「工業用デバイス」又は「ノード」とも呼ばれる。需要の高まりによって刺激されて、ＵＡＶ製造業者は、レンジ及び機能に関してそれらのシステムの性能を急速に改善している。しかしながら、これらのシステムが長い距離から又は雑音の多い環境において十分な機能を維持することを可能にする通信波形を見つけることに問題が残っている。本出願にとって重要な項目は、順不同で、たいてい「ニアＬＯＳ」（ＮｒＬＯＳ：ｎｅａｒ−ＬＯＳ）環境における比較的小型／軽量及び長レンジの通信機能、並びに、とりわけ、周波数アジリティ、拡張機能、暗号化の使用を含む。
【００３４】
図４に示されている本発明の特定の実施例において、制御ステーション１２は、従来のＲＦモデム１８とアンテナ２０との間の「アプリケーション固有」インターフェースとして機能するフロントエンド・サブシステム（ＦＥＳ：ｆｒｏｎｔ−ｅｎｄ  ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ）１６を利用するように構成される。この例では、ＦＥＳ１６は、このアプリケーションのための割り当てられた帯域への（ソフトウェア定義された）従来のＷｉＦｉ帯域から離れた周波数帯域シフトを行う。ＦＥＳ１６はまた、「ダウンクロッキング」などソフトウェアベースの技法を使用することによって関連するチャネル・サイズを定義する。動作中、システム・ユーザは、通信インターフェース２２を介して制御ステーション１２内のコンピュータ処理システム２４にコマンドを入力することによって特定のＵＡＶ１４（たとえば、ＵＡＶ１４−１）の動作を制御することが可能である。
【００３５】
たとえば、ユーザは、ＵＡＶ１４−１に、ユーティリティ・サブステーションにおいて送電線の検査を実行させることを望むことがある。ユーザは、この動作のための適切なコマンドを入力し、ＵＡＶ１４−１を、検査を実行するための工業用デバイスとして識別する。コンピュータ処理システム２４は、ＵＡＶ１４−１のＩＤを認識し、ＲＦモデム１８を通してコマンドをＦＥＳ１６に転送する。上述のように、ＦＥＳ１６は、ＵＡＶ１４−１と通信するために選択された特定の動作周波数及びチャネル・サイズを定義するようにソフトウェアによって構成され、ユーザからの制御コマンドは、次いで、選択された動作周波数においてＵＡＶ１４−１に送信される（含まれているアンテナ構成を介してＲＦ信号波として送信される）。本発明のこの特定の実施例の態様は、フロントエンド・サブシステム１６が、ＵＡＶ１４−１と最良に通信するために、必要とされる周波数シフト及びチャネル・サイズ決定を（ソフトウェアを介して）実行するように機能することである。
【００３６】
ＵＡＶ１４−１（並びに例示的な工業用通信ネットワーク内で展開されるＵＡＶ１４−２及び他のＵＡＶ）は、コマンド信号を復元するように機能する（同じ動作周波数帯域において動作し、同じチャネル・サイズを使用する）同様のフロントエンド・サブシステム１６Ｕを含むものとして示されており、コマンド信号は、その後、含まれているコンピュータ処理ユニット２４Ｕによって解釈される。ここで、「コマンド」は、ＵＡＶ１４−１を移動する／リダイレクトすること、並びにビデオ・ストリームを記録するようにＵＡＶ１４−１に要求することなどの項目を含み得る。コンピュータ処理ユニット２４Ｕは、したがって、ＵＡＶ１４−１の「飛行制御」を与えるように含まれているデバイス・コントローラ２６に命令し、ユーティリティ・サブステーションにおいてビデオを記録するように含まれているカメラ２８に命令する。ビデオは、その後、ＵＡＶ１４−１と制御ステーション１２との間に作成されたダウンリンク・チャネルを介して送られる。一般に、各ＵＡＶ（又は他のアプリケーションにおける工業用デバイス）は、カメラに加えて（又はその代わりに）１つ又は複数の周辺機器を含み得、周辺機器は、異なるタイプの環境センサー、又はネットワークのユーザ／オーナーのために有用な情報を収集するために適切な要素を含み得ることを理解されたい。
【００３７】
本発明のこの特定の実施例は、制御ステーション中にＲＦモデムの出力（従来のＷｉＦｉでは、ＲＦモデム出力は、ネットワークを介して送信される実際の信号である）においてフロントエンド・サブシステムを組み込むことによって、レガシーＷｉＦｉネットワークがアプリケーション固有のＢＩＩシステムに変換されることを可能にする。
【００３８】
たいていの現実世界のＵＡＶアプリケーションは、「クリーンで、干渉フリーの、ＬＯＳ環境」から遠く離れている。代わりに、これらのＵＡＶアプリケーションは、常に変化するリンク状態により、重要なＲＦの課題になる傾向がある。たとえば、変動する方位、チルトアンドロール（ｔｉｌｔ−ａｎｄ−ｒｏｌｌ）、マルチパス反射、アンテナ・シャドーイングなどの影響は、基地局と各個々のリモートＵＥとの間のリンク品質をすべて劇的に変化させ得る。
【００３９】
ＩＥＥＥ８０２．１１標準のコア・パラメータのうちの１つであるＭＩＭＯ技術は、限定はしないが、パケットごとのレート適応、ＲＦ電力制御、畳み込み符号化、前方誤り訂正、ＡＣＫ再送信、最大比合成（ｍａｘｉｍａｌ  ｒａｔｉｏ  ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）、空間多重化、及び時空間ブロック・コーディングを含む先進機能のセットによって、これらの危険を軽減する。図２に関連して上記で説明したように、２×２ＭＩＭＯアーキテクチャは、アンテナ・ダイバーシティを与え、したがって、ＵＡＶのロール及びピッチによって引き起こされる動的リンク状態に対処する。小さいチャネル・サイズを使用する能力は受信機を最適化する。高レベルの受信機感度及びＳＮＲにより、システムは干渉を処理し、長距離において動作することが可能になる。
【００４０】
図５は、ＢＩＩワイヤレス通信システム５０が、ＵＡＶアプリケーションのこれらの特定の工業上の課題に対処するためにＭＩＭＯ及びＣＯＦＤＭ機能を利用する、本発明の代替実施例を示す。この実施例では、システム５０は、ソフトウェア定義された動作周波数とソフトウェア定義されたチャネル・サイズとを与える「特殊帯域」トランシーバ５４を利用する制御ステーション５２を備える。ユーザによって与えられた「コマンド及び制御」信号の形態での特殊帯域トランシーバ５４への入力は、通信インターフェース５６を介して、制御ステーション５２の計算システム５８に与えられる。特定のＵＡＶ６０（たとえば、図５に示されているＵＡＶ６０−１）のためのコマンドは、計算システム５８によって認識され、特殊帯域トランシーバ５４に転送される。特殊帯域トランシーバ５４は、ネットワーク内のすべてのＵＡＶ６０と通信するために選好される特定の動作周波数帯域及びチャネル・サイズを定義するためにソフトウェア制御を利用し、したがって、ユーザコマンドを定義された動作周波数においてＵＡＶ６０−１に送信する（含まれているアンテナ構成を介してＲＦ信号波として送信される）ように機能する。各ＵＡＶ６０はまた、特殊帯域トランシーバ５４Ｕを含み、適切な動作周波数帯域及びチャネル・サイズのソフトウェア定義された割当てを使用する機能は、制御ステーションと各ＵＡＶとの間の信頼できる通信を与える。本発明のこの実施例の態様は、通信ネットワークのユーザが、異なる周波数帯域においてネットワークを動作させることを後で決定する場合、特殊帯域トランシーバ５４Ｕは、異なる定義された周波数帯域において動作するように構成されたトランシーバの別のセットと単に「スワップ・アウト」され、本発明のこの特定の実施例とともにプラグアンドプレイ機能を与え得ることである。
【００４１】
ＵＡＶアプリケーションにとっての別の優先事項は、通信システムのサイズと重量とを最小にする能力である。したがって、すべての通信ニーズを処理するためにＵＡＶ上で単一の「インテリジェント無線」を使用する能力は、現在必要とされているように、複数のデータ・リンクを使用する実装の複雑さを緩和する。図６は、本発明のまた別の実施例を示し、この場合、単一の無線構成要素が、制御ステーションと各ＵＡＶの両方の中に含まれ、ＵＡＶの動作を効果的に制御するために双方向通信を行う。ここで、システム７０は、通信インターフェース７６を介してユーザによって制御される、インテリジェントなプログラマブル特殊帯域トランシーバ７４を含む、制御ステーション７２を含む。各ＵＡＶ７８はまた、（アップリンク・チャネルを介して）制御ステーション８２からコマンド及び制御信号を受信するとともに、収集されたデータ（すなわち、センサー・データ、一般にライブ・ストリーム・ビデオ）をダウンリンク・チャネル上で制御ステーション７２に送信するために使用される、インテリジェント・トランシーバ７４Ｕを含む。ＵＡＶ７８へのアップリンク「コマンド及び制御」は、低いレイテンシで大いに信頼でき（一般に、これのためにＢＩＩシステムＵＲＬＬＣを使用する）、最高優先度レベルにおいて通信を行い、非常に雑音の多い環境においてさえも信頼できる通信を保証するＲＦパラメータを可能にする必要がある。
【００４２】
所与のＵＡＶ７８から制御ステーション７２へのダウンリンクは、しばしば、大量のセンサー・データを搬送する。ストリーミング４Ｋビデオは約２０Ｍｂｐｓのスループットを必要とするが、低解像度ビデオの場合には約１Ｍｂｐｓのスループットで十分である。これらのレートにおいて長い距離にわたって送信するために、最適化されたストリーミング・センサー・チャネルが使用され得る。本発明の原理によれば、１つの例示的な「最適化」されたチャネルは、失敗したパケットのための「再試行」の回数を制限するように意図的に構成される。標準ＷｉＦｉ送信は、失敗したパケットのための３０回の再試行を利用することがデフォルトになっている。再試行のこの回数を（たとえば）５回未満、又はさらにはたった２回に減らすことによって、長い距離にわたる連続ストリーミング送信が達成されることがわかっている。本発明の工業アプリケーションの場合、ビデオ／センサー・データ送信における時々のパケット損失はあまり重要ではなく、通信レンジを拡張するために達成される恩恵は、時々のパケットの損失を補償して余りあることが決定されている。
【００４３】
発明的ＢＩＩ技術はまた、自動送信電力制御（ＡＴＰＣ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｔｒａｎｓｍｉｔ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）機能を実装し得る。ここで、送信機は、受信信号強度の指示を取得するために受信機をポーリングする。送信機は、相応してその送信電力を調整するために、この情報を使用することが可能である。結果として、送信機は適切な通信のためにちょうど十分な電力を使用しているので、「雑音汚染」が回避される。有利には、送信電力を制御する能力により、送信デバイスが近くのノードに通信しており、比較的低い送信機電力で十分である状況では、ＤＣ電力消費が下がる。この特徴は、１つ又は複数のＵＡＶが任意の所与の時点において基地局の近くにあり得る可能性がある、ＵＡＶ工業アプリケーションにおいて特に有用である。オンボード・バッテリー電力が制限されるので、ＤＣ電力保存はドローンのために重要である。
【００４４】
図４〜図６はＵＡＶアプリケーションのための特定の実施例を示すが、特定の工業アプリケーションに関連があるアプリケーション固有のソフトウェア定義されたパラメータとともに、同様の構成要素構成が他の工業アプリケーション（例示的な他の工業アプリケーションは、無人地上車両（ＵＧＶ）、遠隔操作ロボット、セキュリティ／監視、軍隊などを含むのために利用され得ることを理解されたい。
【００４５】
発明的ＢＩＩシステムは、信頼性、通信レンジなど、特定の工業上の要件に関する追加の利点を与えるために、さらにプロビジョニングされ得る。特に、（いくつかのネットワーク・トポロジー中で利用可能な）ノード間の通信を許可することは、さもなければ「見通し内」（ＬＯＳ）機能が制限されていることがある所与の工業アプリケーションにおいて通信レンジをさらに拡張する。すなわち、所与の送信が１つのネットワーク・ノード（すなわち、ＵＡＶ）から次のネットワーク・ノードにホップすることを可能にすることによって、制御ステーションは、リモートに位置する工業用デバイス（無人車両など）、又は「雑音の多い」製造ロケーションにあるロボティック・デバイスと通信することが可能である。図７は、この原理を示す簡略図であり、制御ステーション８０が、ＵＡＶ８２（ネットワーク中の１つの識別されたノード）にコマンド／制御信号を送信することを試みている。この場合、ＵＡＶ８２は、たまたま制御ステーション８０のＬＯＳを越えて配置される。示されているネットワークは、追加のＵＡＶ／ノード８２ａ及び８２ｂをも含むものとして示されており、ノード８２ａは制御ステーション８０の比較的極近傍にある。ＵＡＶ８２に宛てられたコマンド送信は、したがって、ノード８２ａ及び８２ｂを通して「ホッピング」され得、制御ステーション８０からかなりの距離にあり得るＵＡＶ８２によって確実に復元され得る。
【００４６】
その上、本発明の原理によるソフトウェア定義された周波数シフト及びチャネル割当ての使用によって、発明的ＢＩＩシステムは、個々のノードが（冗長／自己修復（ｓｅｌｆ−ｈｅａｌｉｎｇ）目的のために周波数を再利用する機能とともに）アップリンク及びダウンリンクのための異なる周波数を使用して通信することを可能にする。周波数ダイバーシティの使用はネットワーク回復力（ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｙ）をさらに改善することが知られている。図８は、制御ステーション９０とＵＡＶ（ノード）９２との間の送信における周波数ダイバーシティの適用を示す。
【００４７】
ＢＩＩのＭＡＣは、そのフラットＩＰアーキテクチャをもつ機能豊富なＩＥＥＥ８０２．１１に完全に準拠する。ＭＡＣレイヤは、限定はしないが、様々なワイヤレス・ネットワーク・トポロジーを実装するための、インフラストラクチャ、アドホック、及びメッシュ動作モードを含む、多数の高度なネットワーク特徴をサポートする。ＭＡＣレイヤは、ワイヤレス・データ・セキュリティの懸念に対処するために２５６ビットＡＥＳ暗号化をサポートする。さらに、ＭＡＣレイヤは、遅延敏感なアプリケーションのためのレイテンシを低減するために、マルチメディア・トラフィック及びＱｏＳ機構のためのキューを与える。
【００４８】
周波数帯域（及びチャネル・サイズ）シフトする能力の結果として、ＢＩＩは、本発明によれば、たとえば、（米国では９０２〜９２８ＭＨｚにわたる）９００ＭＨｚ帯域において動作するように適応され得る。９００ＭＨｚにおけるＲＦ信号は、（２．４ＧＨｚ又は５ＧＨｚにおいて動作する）それらの従来のＷｉ−Ｆｉカウンターパートよりも遠い距離を伝搬する能力を有するので、この特定の周波数帯域は多くのアプリケーションのために有利である。９００ＭＨｚ帯域は、「工業」、「科学」、及び「医学」を表す、ＩＳＭ帯域と呼ばれる。より長いレンジは、透過と回折という２つの異なる機構を介して達成される。「透過」は、建築物壁、植生、及び他の障害物を透過する９００ＭＨｚ波の能力を指す。実際、９００ＭＨｚにおいて動作する信号は複数の建築物壁を通って伝搬することができるので、この周波数帯域は、送信側と受信側との間の直接の「見通し線」（ＬＯＳ）を有しないアプリケーションのための優れた選定になる。「回折」は、その伝搬方向への物体及び他の障害を迂回する９００ＭＨｚ波の能力を指す。これらの送信特性の結果として、９００ＭＨｚ帯域におけるブロードバンド通信は、レンジ、透過及びスループットの良好なバランスを達成するために大いに望ましい。
【００４９】
９００ＭＨｚ帯域は、ＩＴＵのリージョン２及び世界中のいくつかの他の国では認可フリーである。米国では、ＦＣＣ  Ｐａｒｔ１５で認定された無線は、この帯域での無認可の動作について許可されている。したがって、この認可フリー帯域において実装されたプライベートＷＢＷＡＮは、発明的ＢＩＩ技術を使用することによって、パブリック・セルラー・ネットワークの毎月発生するコストを回避する。
【００５０】
周波数シフト、チャネル・サイズを定義／制御すること、及びビーコン・スタッフィング（ｂｅａｃｏｎ  ｓｔｕｆｆｉｎｇ）を使用することの機能を組み合わせることによって、本発明のＢＩＩシステムは、最先端のＩＥＥＥ８０２．１１技術の恩恵を、様々な工業のために予約された「共有スペクトル帯域」のいずれか１つにもたらすことが可能であり、ブロードバンド通信が実際的でなかった周波数帯域においてブロードバンド通信が使用されることを可能にする。
【００５１】
米国では、上記で説明した９００ＭＨｚ  ＩＳＭ帯域のほかに、これらの共有スペクトル帯域のうちのいくつかは、３．５ＧＨｚ  ＣＢＲＳ帯域、連邦帯域、ＷＭＴＳ及びＭｅｄＲａｄｉｏ帯域、情報収集をテレビ局にアップロードするための放送補助サービス及びローカルＴＶ送信、ＮＡＴＯ、ＤｏＤ、及び連邦政府によって使用される４．４〜５．０ＧＨｚ帯域を含む。
【００５２】
要約すると、最先端のＲＦ性能を与える発明的ＢＩＩシステムの重要な特徴は、長レンジ及び高スループット、図３に示されている１００ＭＨｚ〜１００ＧＨｚ周波数レンジにわたる利用可能性、困難なＲＦ環境での改善されたリンク品質のための耐干渉性のＣＯＦＤＭ／ＭＩＭＯ、ＮｒＬＯＳ妨害のための例外的なマルチパス性能、（動的環境においてリンク性能を最大にするための連続的なパケットごとの最適化とともに）ＢＰＳＫから６４ＱＡＭまでの適応無線変調、効率的なスペクトル再利用のためのフレキシブルなソフトウェア定義されたチャネル・サイズ、グローバル・アプリケーションのためのソフトウェア定義された動作周波数（及び周波数シフト）、双方向トラフィックのための時分割複信（ＴＤＤ：ｔｉｍｅ  ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｄｕｐｌｅｘｉｎｇ）、ロバストなデータ送信のためのＭＩＭＯ特徴、雑音の多いスペクトル問題に適応するための自動チャネル選択、動的アンテナ・ダイバーシティ、及びモバイル・アプリケーションのための高速ハンドオフを含む。
【００５３】
ネットワーク性能に関して、本発明の原理に従って形成されたＢＩＩワイヤレス通信システムは、「コマンド及び制御」のための超高信頼低レイテンシ・チャネル（ＵＲＬＬＣ）、並びに、同じ無線リンクを介した最適化されたビデオ・ストリーミング・チャネル、ユニキャスト・ビデオ・トラフィックとマルチキャスト・ビデオ・トラフィックの両方のためのエンドツーエンドＩＰアーキテクチャ、オーバージエア・データのための２５６ビットＡＥＳ暗号化、マルチ周波数メッシュ、及び共有周波数帯域動作において中央周波数コーディネータと協調する能力の使用を可能にする。
【図１】
2021531709.tif 000003
【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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【国際調査報告】
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