(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有向非巡回グラフ（ＤＡＧ）を構成するネットワーク内のソースノードから該ソースノードより高いランクを持つデスティネーションノードにメッセージをルーティングする方法であって、
前記ネットワーク内の前記ソースノードと前記デスティネーションノードの間の１つ以上の中間ノードを通して前記メッセージをフォワーディングすることを含み、
前記フォワーディングは、判定メトリックを参照して前記メッセージを最適経路探索によりフォワーディングすることを含み、
前記フォワーディングは、
前記フォワーディングノードに利用可能なノードから、チャネル・アクセス・タイマーに基づいていずれかのノードを選択すること、
前記チャネル・アクセス・タイマーによって管理されたチャネル・アクセスに基づいて前記ＤＡＧ内の共通ランクのノードが同時に前記メッセージのフォワーディングを試みること、
前記共通ランクのノードグループ中のノードが前記共通ランクの別のノードによるメッセージの正常フォワーディングを監視すること、
前記正常フォワーディングの検出に応じて前記メッセージを廃棄すること、を含み、
前記共通ランクのノードのそれぞれのチャネル・アクセス・タイマーは、前記ノードから前記ネットワークを通じてメッセージをフォワーディングすることに関するリンク品質メトリックに依存する、方法。
【請求項２】
前記リンク品質メトリックは、前記フォワーディングを行っているノードと前記フォワーディングされたメッセージの受信対象であるノードとの間の通信チャネルにおける信号対干渉・雑音比（ＳＩＮＲ）の指標を含む請求項１の方法。
【請求項３】
有向非巡回グラフ（ＤＡＧ）形式のネットワークにおけるノードを実装するための通信装置であって、
判定メトリックを参照してメッセージを最適経路探索によりフォワーディングするメッセージフォワーディング手段を具備し、
前記メッセージフォワーディング手段は、
前記ネットワークを通じてメッセージをフォワーディングする際のリンク品質メトリックに基づくチャネル・アクセス・タイマーの終了に応じて前記メッセージのフォワーディングを試みる手段と、
共通ランクを有する別のノードによるメッセージの正常なフォワーディングを監視する手段と、
前記正常フォワーディングの検出に応じて前記メッセージを廃棄する手段と、
を具備し、前記チャネル・アクセス・タイマーは、前記ネットワークを通じてメッセージをフォワーディングする際のリンク品質メトリックに依存する通信装置。
【請求項４】
メッセージをフォワーディングし得る利用可能なノードから前記リンク品質メトリックに基づいて特定ノードを選択するリンク選択手段をさらに具備する請求項３の装置。
【請求項５】
前記リンク品質メトリックは、前記装置と前記フォワーディングされたメッセージの受信対象であるノードとの間に定義された使用中の通信チャネルにおける信号対干渉・雑音比（ＳＩＮＲ）の指標を含む請求項３または４の装置。
【請求項６】
コンピューターを、請求項１または２の方法を遂行するように構成させるための計算機実行可能命令を具備するコンピュータープログラム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
この出願は、２０１０年１０月２２日提出の英国特許出願第１０１７９１９．０号を基礎とする優先権を主張するものであって、その全内容が参照により本明細書に組込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本明細書で説明する実施形態は、一般にセンサーネットワークのフォワーディングおよびルーティングに関する。
【背景技術】
【０００３】
将来のスマートグリッド・システム向けに想定されている構成要素の一つに高度メーター基盤（ＡＭＩ：Advanced Metering Infrastructure）がある。これは、ユーティリティが、消費者の電力使用を把握できることのみならず、消費者に最新の電気料金を通知し、遠隔のユーティリティ管理を行なえるリアルタイム方式の双方向通信を提供することが期待されている。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】先行技術および実施形態の説明に用いられるネットワークの物理トポロジー例を示す図
【図２】図１に示されたネットワークから得られた有向非巡回グラフ（ＤＡＧ）を示す図
【図３】ネットワークの特定ノードからのホップ数に基づいたネットワークトポロジ表現を示す図
【図４】本明細書で説明するスマートメーターの実施形態を示す図
【図５】図４に示されたスマートメーターの計算処理ユニットを示す図
【図６】本明細書で説明する実施形態に従ってパケットの優先度を管理する処理を示す図
【図７】本明細書で説明する実施形態に従ってパケットの優先度に対応する処理を示す図
【図８】本明細書で説明する実施形態に従うネットワーク内の第１ノードから第２ノードへの経路選択の一例を示す図
【図９】本明細書で説明する実施形態に従うパケットのフォワーディングを管理する処理およびその他の処理を示す図
【図１０】図２に示されたＤＡＧによるパケットのルーティングを示す図
【発明を実施するための形態】
【０００５】
「RPL based routing for advanced metering infrastructure in smart grid」（D. Wang et al., IEEE ICC, 2010）は、ＡＭＩで想定される機能を可能にする１つの有力な方法を説明している。この論文は、（何百、何千もの）多数の電気メーターをゲートウェイに接続し、該ゲートウェイが上述の管理をすべて統合する制御センターに接続されるマルチホップ無線メッシュネットワークの展開を提案している。
【０００６】
ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｇにおいても、スマートメータリングのためのマルチホップネットワークのソリューションが「PHY and MAC Proposals for low-power consumption SUN」（Fumihide Kojima and Hiroshi Harada, 802.15.4g proposal）において提案されている。この提案の原本は、現在、次のリンクで見つけることができる。
【０００７】
https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/09/15-09-0312-00-004g-phy-and-mac-proposals-for-low-power-consumption-sun.pdf
そのような無線メッシュを基礎としたＡＭＩネットワークにおいては、一般に２つのタイプのトラフィックがある。各メーターからゲートウェイに流れる内向きユニキャストトラフィック（例えば検針データ）と、ゲートウェイから各メーターに流れる外向きユニキャストトラフィック（例えばユーティリティ管理データ）である。
【０００８】
ＡＭＩネットワーク内のメーター・ノードは安定しているが、任意のノード組間の無線リンク品質はフェージング効果および信号干渉により不安定であって、時間とともに変化するのが一般的である。例えば、現実の８０２．１５．４ネットワーク内のリンク品質は時間とともに大幅に変化する。したがって、ＡＭＩの高信頼性および低遅延の要件を満たすために、ＡＭＩネットワークプロトコルは、リンク品質の変化を考慮に入れて適応性がなければならないし、同時に、プロトコルオーバーヘッドをわずかしか引き起こさないものでなければならない。
【０００９】
「RPL: IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks」(T. Winter et al., http://tools.ietf.org/html/draft-ietf-roll-rpl-07)に記載されているＲＰＬは、インターネット技術特別調査委員会（ＩＥＴＦ）のRouting Over Low power and Lossy networks (ROLL)ワーキング・グループによって作成された、低電力で損失的なネットワーク（ＬＬＮ：low power and Lossy networks）向けのルーティング・プロトコルである。ＲＰＬは、「Implementation of gradient routing in wireless sensor networks」(T. Watteyne et al., IEEE Globecom, 2009)で検討されているように、各ノードに（わかりやすくするために「高さ」として知られる）スカラー値が割り当てられるグラディエント・ルーティング・プロトコルの種類に属する。高さは、中央ノードからの距離につれて増加するように割り当てられる。距離は、累積コスト関数を用いて計算される。これは、ホップ数、エネルギー消費、残余のノード・エネルギー、あるいはその任意の組合せに基づいてもよい。フォワーディング処理は、最大のグラディエントを呈する近隣すなわち高さが最低の近隣を次のホップに選択する。
【００１０】
ワイヤレスセンサ・ネットワーク（ＷＳＮ）では、全トラフィックが単一のシンクノードに送られることが頻繁にある。この場合、（該シンクノードをルートとする）単一のグラディエントがネットワーク内に構築され、維持される。図３は、Ｗａｔｔｅｙｎｅの論文で提唱されたトポロジーを示している。このトポロジーでは、ホップ数に応じて計算された高さがノードに割り当てられる。高さ３のノードＹがメッセージを送る場合、該ノードはその近隣で最小の高さのノードＩに該メッセージを送る。同様に、ノードＩは該メッセージをノードＧに中継し、該ノードＧはこれをノードＡに中継する。
【００１１】
ＲＰＬでは、ネットワーク状態情報を維持するために有向非巡回グラフ（ＤＡＧ）が用いられる。ＤＡＧは、有向閉路のない有向グラフである。すなわち、ＤＡＧは頂点と有向エッジの集まりによって形成され、各エッジは一の頂点を別の頂点に接続する。ある頂点ｖから開始して一連のエッジを辿り、折り返して最終的に再び頂点ｖに帰ることはできない。ＲＰＬにおいて作成される各ＤＡＧは、ルートを持つ。ＤＡＧルートは、大体はＡＭＩネットワーク内のゲートウェイノードあるいはセンサーネットワークのシンクノードである。ＤＡＧ内のエッジはすべて、１つのルートノードに向かい、該ルートノードを終着とする経路に含まれる。ＤＡＧ内の各ノードには、ランク値（グラディエント・ルーティングにおける「高さ」）が関連付けられる。ＤＡＧルートへの任意の経路に沿ったノードのランクは、ルーティング・ループを避けるために単調に減少するべきである。
【００１２】
Wang et alではＲＰＬの動作について簡潔に説明されており、Winter et alではプロトコルの詳細を知ることができる。ＤＡＧを構築するために、ゲートウェイノードはＤＡＧ情報オブジェクト（ＤＩＯ：DAG Information Object）と呼ばれる制御メッセージを発行する。ＤＩＯメッセージは、ＤＡＧに関する情報を伝えるものであって、次のものを含んでいる。
【００１３】
・ＤＡＧルートから供給されるＤＡＧの識別に用いられるＤＡＧＩＤ
・ＤＡＧ内の諸ノードの位置を互いに判定するために諸ノードによって用いられるランク情報
・オブジェクティブ・コード・ポイント（ＯＣＰ：Objective Code Point）によって識別されるオブジェクティブ・ファンクション。これは、ＤＡＧ内で用いられるメトリックおよびＤＡＧランクを計算する方法を指定する。
【００１４】
ＤＩＯメッセージを受信し、まだＤＡＧに加入しておらず、そうすることを望む他のノード（すなわちクライアントノード）は、その親リストにＤＩＯセンダー（これを介してＤＩＯが渡された前のノード）を加え、（親ノードに関連付けて）自身のランクをＯＣＰに従い計算し、最新のランク情報を持ったＤＩＯメッセージを渡すべきである。
【００１５】
既にＤＡＧに加入したノードがＤＩＯメッセージを受信すると、
１．このＤＩＯをＲＰＬによって推奨される種々の終了基準に基づいて廃棄し、
２．このＤＩＯを処理して既存ＤＡＧ内の位置を維持し、あるいは、
３．ＯＣＰと現在の経路コストに応じて該ノードの位置を（低ランクを得ることによって）改善する、
というオプションがありえる。
【００１６】
ＤＡＧが構築された後、各クライアントノードは、次のホップのノードとして、該ノードの親に対し（ゲートウェイあての）任意の内向きトラフィックをフォワーディングすることが可能になる。
【００１７】
（例えば制御目的のために）ゲートウェイからクライアントノードへの外向きトラフィックをサポートするためには、クライアントノードは、デスティネーション広告オブジェクト（ＤＡＯ：Destination Advertisement Object）と呼ばれる制御メッセージを発行すべきである。ＤＡＯメッセージで伝えられる情報は次のものを含んでいる。
【００１８】
・デスティネーション（ＤＡＯメッセージを出すクライアントノード）はどれくらい遠く離れているかを判定するのにノードが用いるランク情報
・外向きの経路に沿ってアクセスしたノードを記録するための逆経路情報
ＤＡＧにより示された内向きの経路によってクライアントノードからゲートウェイにこのＤＡＯメッセージを渡す際に、すべての中間ノードは、ＤＡＯメッセージからの逆経路情報を記録するので、ゲートウェイからクライアントノードへの完全な外向きの経路が確立される。
【００１９】
ＲＰＬの動作を要約すると、内向きユニキャストトラフィックについて、ゲートウェイをあて先とする内向きのデータパケットを生成または受信するメーター・ノードは、そのデフォルト親へこのパケットをフォワーディングするべきである。ノードのデフォルト親は該ノードの親リスト中に存在し、該親リストにおけるすべてのノードのなかで最低のランクを持つ。外向きユニキャストトラフィックについて、メーター・ノードをあて先とする外向きのデータパケットを生成または受信するノードは、デスティネーションリストからデスティネーションノードを含むエントリーを検索し、該エントリーによって示された次のホップのノードへパケットをフォワーディングするべきである。
【００２０】
図１は、Winter et alにより提案されたＬＬＮ物理トポロジーの例を示す。図示の構成は、リンクによって共に接続された複数のノードを含む。この例において、図示のリンクは使用可能なすべてのＬ２リンクである。すべてのリンクは同等に使用可能であること、インプリメンテーション特有のポリシー機能は、シンプルにホップを最小限にすることを仮定している。ヘッドノードは、当該技術分野においてＬＢＲ（低消費電力で損失的なネットワークの境界ルーター）として知られるゲートウェイノードを含む。残りのノードはスマートメーターである。これは、計算能力および無線通信能力を持った電力供給メーターである。
【００２１】
このＬＬＮ物理トポロジーは、図２に示されるＤＡＧを与える。図示のリンクはＤＡＧ親へのエッジである。グラディエントを示さないエッジは除外している。このトポロジーは、ランク１のＬＢＲノードをルートとする１つのＤＡＧを含んでいる。ノード（１１）、（１２）、（１３）はそれらの唯一の親としてランク２でＤＡＧに付属された（ＬＢＲ）を指定し、これらのノードは周期的にＤＩＯをマルチキャストする。ノード（２２）は、そのＤＡＧ親集合においてノード（１１）および（１２）を選択しており、ランク３で自己を広告している。このようにノード（２２）はＤＡＧ親｛（１１），（１２）｝を持ち、また兄弟｛（（２１），（２３）｝を持つ。図示のリンクは図１に示した物理トポロジーの上に載せたＤＡＧにおける有向リンクを表わすことに読者は留意されたい。このため、図示のエッジは、ノードとそれらのＤＡＧ親の関係を表わし、図示のエッジはすべて、ＤＡＧルート（ＬＢＲ）に導かれ、これを指向する（すなわち図示のようにページの上端に向く）。ＤＡＧは、ＬＬＮ内にデフォルト経路を提供することができ、例えばデスティネーション広告機構を通じてＲＰＬが更なるルーティング構造を構築する基礎として働く。
【００２２】
センサーネットワークのルーティングおよび最適化について当該分野では多くの研究がなされてきた。しかしながら、その研究の多くは一般的なセンサーネットワーク応用に関するものである。本明細書で説明する実施形態の少なくとも１つのインプリメンテーションは、スマートメータリング・ネットワークに適用されるＲＰＬプロトコルの拡張を提案するものである。
【００２３】
一実施形態によれば、有向非巡回グラフ（ＤＡＧ）を構成するネットワーク内のソースノードから該ソースノードより高いランクを持つデスティネーションノードにメッセージをルーティングする方法であって、前記ネットワーク内の前記ソースノードと前記デスティネーションノードの間の１つ以上の中間ノードを通して前記メッセージをフォワーディングすることを含み、前記フォワーディングは、判定メトリックを参照して前記メッセージを最適経路探索（opportunistically: オポチュニスティック）によりフォワーディングすることを含む方法が提供される。
【００２４】
前記フォワーディングは、前記フォワーディングノードに利用可能なノードから、チャネル・アクセス・タイマーに基づいていずれかのノードを選択することを含むことができる。前記チャネル・アクセス・タイマーはリンク品質メトリックに依存する。
【００２５】
前記リンク品質メトリックは、前記フォワーディングを行っているノードと前記フォワーディングされたメッセージの受信対象であるノードとの間の通信チャネルにおける信号対干渉・雑音比（ＳＩＮＲ）の指標とすることができる。
【００２６】
前記フォワーディングは、チャネル・アクセス・タイマーによって管理されたチャネル・アクセスに基づいて前記ＤＡＧ内の共通ランクのノードが同時に前記メッセージのフォワーディングを試みることを含み、前記共通ランクのノードのそれぞれのチャネル・アクセス・タイマーは、問題の前記ノードから前記ネットワークを通じてメッセージをフォワーディングすることに関するリンク品質メトリックに依存する。
【００２７】
上記の方法は、共通ランクのノードグループ中のノードが別の共通ランクのノードによるメッセージの正常フォワーディングを監視すること、かかるフォワーディングの検出に応じて前記メッセージを廃棄することを含むことができる。
【００２８】
第２の実施形態によれば、有向非巡回グラフ（ＤＡＧ）を構成するネットワーク内のソースノードからデスティネーションノードへのメッセージのルーティングを確立する方法であって、ノードからデスティネーションノードまでの前記ＤＡＧ内の可能な経路を含む情報と、前記経路を前記経路性能メトリックの点でランク付けすることができ、ソースノードからデスティネーションノードへメッセージがフォワーディングされる必要がある場合に選好順位で経路選択することができるように、各経路について該経路の経路性能メトリックを判定するための十分な情報とを前記ノードにおいて記録することを含む方法が提供される。
【００２９】
第２の実施形態の方法は、前記ネットワーク内のノード間で定義されたリンクに関するリンク品質情報を記憶することを含むことができる。
【００３０】
該方法は、ノードからの複数の経路を表す情報を該ノードにおいて記録することを含むことができる。
【００３１】
該方法は、経路を表す前記情報とともに前記経路の経路性能メトリックを表す情報を記憶することを含むことができる。
【００３２】
前記経路性能メトリックは、前記ルートの予想伝送数を含む。
【００３３】
第３の実施形態によれば、第２の実施形態の方法の実行によって準備されたメッセージをノードからフォワーディングする方法であって、前記記憶した情報および前記選好順位に基づいて前記ノードからのルートを選択すること、前記ネットワークにおいてたどるべき次のノードに前記メッセージを前記選択されたルートでフォワーディングすること、前記フォワーディングが失敗の場合に前記選好順位に基づいてさらに別の経路を選択できるように前記フォワーディングの結果を監視すること、を含む方法が提供される。
【００３４】
該方法は、フォワーディングの結果を表す情報を記憶すること、およびそれに従い、記憶された経路性能メトリックを表す情報を更新すること、をさらに含むことができる。
【００３５】
第４の実施形態によれば、有向非巡回グラフ（ＤＡＧ）形式のネットワークにおけるノードを実装するための通信装置は、判定メトリックを参照してメッセージを最適経路探索によりフォワーディングするメッセージフォワーディング手段を具備する。
【００３６】
前記メッセージフォワーディング手段は、リンク品質メトリックに基づいてチャネル・アクセス・タイマーを定義するチャネルアクセスタイミング手段を具備してもよく、前記メッセージフォワーディング手段は前記チャネル・アクセス・タイマーの終了に応じてメッセージのフォワーディングを試みる。
【００３７】
該装置は、メッセージをフォワーディングし得る利用可能なノードからリンク品質メトリックに基づいて特定ノードを選択するリンク選択手段をさらに具備することができる。
【００３８】
前記リンク品質メトリックは、前記装置と前記フォワーディングされたメッセージの受信対象であるノードとの間に定義された使用中の通信チャネルにおける信号対干渉・雑音比（ＳＩＮＲ）の指標を含むことができる。
【００３９】
第５の実施形態によれば、第4の実施形態に従う通信装置のネットワークが提供される。各装置は該ネットワークのノードを形成しており、該ネットワークは有向非巡回グラフ（ＤＡＧ）形式であって複数のランクを具備し、前記ランクの少なくとも１つが２以上のノードを含んでおり、２以上のノードを含むランクにおける前記装置内の前記メッセージフォワーディング手段の各々がチャネル・アクセス・タイマーによって管理されたチャネル・アクセスに基づいてメッセージをフォワーディングするのを同時に試みるように動作し、前記の共通ランクのノードのそれぞれのチャネル・アクセス・タイマーは、問題のノードから前記ネットワークを通じてメッセージをフォワーディングする際のリンク品質メトリックに依存する。
【００４０】
2以上のノードを含むランクにおける前記装置の各々は、別の共通ランクのノードによるメッセージの正常なフォワーディングを監視し、そのようなフォワーディングの検出に応じて前記装置において前記メッセージを廃棄する監視手段を備えることができる。
【００４１】
第６の実施形態によれば、有向非巡回グラフ（ＤＡＧ）形式のネットワークにおけるノードを実装するための通信装置が提供される。該装置は、ノードからデスティネーションノードへの前記ＤＡＧ内の可能な経路を含む情報と、前記経路を前記経路性能メトリックの点でランク付けすることができ、ソースノードからデスティネーションノードへメッセージがフォワーディングされる必要がある場合に選好順位で経路選択することができるように、各経路について該経路の経路性能メトリックを判定するための十分な情報とを前記ノードにおいて記録する情報記憶手段を具備する。
【００４２】
前記装置が組み込まれて使用中のネットワーク内のノード間に定義されたリンクのリンク品質を表す情報を記憶するリンク品質情報記憶手段を含むことができる。
【００４３】
ネットワークに組み入れられて使用中の前記装置からの複数の経路を表す情報を記憶するルート情報記憶手段を設けてもよい。
【００４４】
上記態様、以下で説明するような実施形態、あるいは本開示に照らして読者が想定するものは、ハードウェア実装、ソフトウェア実装、あるいはこれらの複合物の形式とすることができる。望ましい態様でコンピューターを構成することができるように、１つ以上の実施形態の遂行をそのまま構成することができる一連の計算機実行可能命令として、あるいは、コンピューター上に先在して動作可能なソフトウェアコンポーネントに連動する一連の命令として、コンピュータープログラムが実施形態の具体化に関与してもよい。
【００４５】
コンピュータープログラムがどのような形式をとる場合であっても、それは、磁気もしくは光記憶媒体や半導体素子のようなプログラマブルな電子機器記憶媒体、または無線通信チャネル上の信号のように、これによってコンピュータープログラムをコンピューターに導入することのできるコンピューター読取り可能な信号のような、コンピューター可読な記憶媒体で具体化することができる。コンピュータープログラムは、そのまま実行可能であるかもしれないし、実行可能な状態となるまでにデコード、解凍、またはコンパイルのようなローカル処理が必要な場合もある。想定される実施形態のインプリメンテーションとしての汎用装置の構成をもたらす方法は、全面的に読者によって考慮されるべきことである。
【００４６】
以下で説明する実施形態では、一貫性を維持するため、図１を参照して上述した例を用いる。図４に示すように、各ノードはスマートメーター１０を含む。スマートメーター１０は、従来構造の電力消費メーター１２を含む。一般にそのようなメーターは、測定点での瞬間電圧および電流を測定し、瞬時電力消費量の測定値を決定する。時間がたつと、一期間あたりの電力消費の測定値を求めることができる。
【００４７】
電力消費メーター１２は電力消費信号を計算処理ユニット１４へ渡す。計算処理ユニット１４は望ましい方法で電力消費信号を処理する。この処理の一部は課金目的のエネルギー消費量のモニタリングが中心であるが、スマートメーターには、高頻度で「スタンバイ」状態の接続機器や低需要期に使用可能な接続機器（夜間蓄熱ヒーターの充電や、洗浄機、皿洗い機などのような大型の屋内電気器具の使用）を識別することにより、電力消費を削減または管理するためにユーザーにより変更されうるアクティビティを識別するという仕事もある。このように計算処理ユニット１４によって判定できる情報は、のちに説明するように適切なディスプレイによってユーザーに伝えられる。また、スマートメーター１２は、インライン通信、あるいは、電源供給プラグに埋め込まれていたり電源供給プラグとソケットの間のインラインの装置の形式の制御装置により、電源に接続されたデバイスを制御するためのメッセージを伝達する能力を持ち得ることが想定される。この機能は無線であってもよいし、電源それ自体による変調（電力線通信）であってもよい。本開示は、そのような取り決めには直接的には関係がなく、上記の記述は背景（context）として提供される。
【００４８】
またスマートメーター１０は、のちに説明するようにゲートウェイへの情報の通信に携わる無線通信ユニット１６を含む。また無線通信ユニット１６は、このようなゲートウェイから、（例えば支払請求期間中にエネルギー消費量をユーザーに提示できるようにするための）価格に関する情報を受信し、ソフトウェア更新などを受信することが可能である。図５に、計算処理ユニット１４を詳細に示す。
【００４９】
計算処理ユニット１４は、コンピュータープログラム形式のような計算機実行可能命令を実行するプロセッサ１２０を含む。プロセッサ１２０は、バス１３０を介して動作可能なように作業メモリ１２４に接続される。作業メモリ１２４は、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のコンポーネントを含んでいる。またプロセッサ１２０には、バス１３０経由で、あるいは直接的に、大容量記憶装置１３２が接続される。大容量記憶装置１３２は、ディスクドライブのような磁気データ記録装置、ＦＬＡＳＨメモリのようなソリッドステート・メモリデバイス、あるいは他の適切なデバイスなど、１つ以上の補助記憶装置を包含する。通常、スマートメーターからのデバイスの取外しはできないが、データもしくはプログラムの情報を導入しあるいはデータを抽出するためにメモリーカード等が接続される設備が存在しうることが予想される。
【００５０】
通信ユニット１３２はスマートメーター１０の他の部分との入出力を確立するために提供される。ユーザー入力ユニット１３６は、１つ以上の押しボタンの形式とするのを想定するが、これに限定されない。ユーザー出力装置１３８はＬＣＤまたはＬＥＤのディスプレイなどによるユーザーへの表示出力を提供する。
【００５１】
図示のように、通信コントローラープログラム１２８と共に多数の作業アプリケーション・プログラム１２６が作業メモリ１２４内にインスタンス化されている。その意図は、作業メモリに記憶された命令を参照してプロセッサ１２０がコンピュータープログラムを実行するのを示すことである。これは、本開示をそのような構成に限定するものではなく、一度に１つのプログラムのみがメモリ中にインスタンス化される可能性をも含むこと、あるいは、計算処理ユニット１４が効率的に動作するようコンピュータープログラムの全体が作業メモリに記憶されるのを避け、使いやすさのために１つ以上のプログラム部分（例えばプログラム関数のライブラリ）がインスタンス化されること、を読者なら理解するであろう。
【００５２】
ここで、図１に示したようにネットワーク構成内の他のスマートメーター１０とともにスマートメーター１０が作動する方法を説明する。
【００５３】
この説明では、８０２．１５のような標準規格で規定された既存のＰＨＹおよびＭＡＣプロトコルを使用することに同意する。以下で説明するルーティングおよびフォワーディングのプロトコルは、そのようなプロトコル上で動作することを目的としており、ＰＨＹおよびＭＡＣプロトコルの何らかの特定の機能に依存しない。言うまでもなく、パケット構造は想定のものである。
【００５４】
トラフィック分類／優先順位付け
（機械的に繰り返されるメーター測定値取得のような）通常のネットワーク動作に関して、そのトラフィックは前述のようなデフォルトパスをたどる。図６は、パケットの送信に備えて送信ノードで実行される方法を示す。ステップＳ１−２では、標準優先度のパケットであるか、それとも該パケットは緊急性または重要性を有するものであるかの判定がなされる。ステップＳ１−４において、該パケットがルーチン・トラフィックである場合、該パケットのヘッダー中の優先度ビットは０にする。これは、該パケットはデフォルト通信路で通信される通常のパケットとして扱われるべきものであることを当該パケットを扱うノードに知らせる。
【００５５】
該パケットは重要なものであるとして分類される場合、ステップＳ１−６が実行され、優先度ビットがレベル１にセットされる。優先度ビットが１に設定されたパケットは、高優先度なものとして扱われ、宛て先（デスティネーション）に高信頼性かつ低遅延で配信されることになる。
【００５６】
図７に示すように、最初の送出またはルーティング状態のパケットを処理するノードは、該パケットのヘッダーに含まれた優先度ビットに基づいて該パケットを処理するであろう。ステップＳ２−２において、優先度ビットがチェックされる。
【００５７】
該優先度ビットが０に設定された場合、ステップＳ２−４において、該パケットはデフォルトパスで伝送される。該優先度ビットが１に設定された場合、該パケットは最も信頼できるとされる経路で（低遅延のために）できるだけ早く送信するよう優先される。最も信頼できる経路は、当該ノードにより以前の送信の成功に基づいて識別される。送信の成功は、パケット受信ノードから肯定応答を受信することで判定される。
【００５８】
マルチパス・ルーティング
「A high-throughput path metric for multi-hop wireless routing」（D. De Couto et al., ACM Mobicom, 2003）は、ルーティング・メトリックとしての予想伝送数（ＥＴＸ）として知られる概念を説明する。これはリンク品質／信頼性メトリックであり、ＲＰＬへの採用に向けて審議中である。ＥＴＸは、デスティネーションへパケットを正常に運ぶためにノードが行うと予想される送信の数を表す。例えば、実装では次の式を用いることができる。
【００５９】
ETX = 1 / (Df * Dr)
ここで、Ｄｆは近隣によってパケットが受信される測定確率、Drは肯定応答パケットが正常に受信される測定確率である。したがって、ＥＴＸはパケット配信率の逆数と見なすことができる（図１参照）。ＥＴＸの測定には様々な方法がある。De Couto et alの論文で述べられているように、ＥＴＸを決定する１つの方法は、平均周期（例えば１秒の平均周期）で各ノードが固定サイズのリンク・プローブパケットをブロードキャストすることである。すべてのノードは、（平均プローブ間期間の複数の）特定期間において受信したプローブパケットを記録する情報を格納する。これより、センダーからの配信率を問題のノードは計算することができる。この方法による経路のＥＴＸは、その経路中のノードのリンク・メトリックの和である。
【００６０】
マルチパス・ルーティングは、信頼性を増加させる複数の経路を維持することを意図する。ＲＰＬにおいて、ＤＩＯメッセージに埋め込まれたＥＴＸ情報とともに、各ノードには異なるＥＴＸ値を持つ複数の親が存在し得る。「Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing」（C. Perkins et al., RFC 3561, 2003）に記載されたAd hoc On-Demand Distance Vector (AODV)ルーティングのような他のルーティング・プロトコルについて、これは、経路応答パケットにＥＴＸを組み込んで更新することにより、実現してもよい。経路応答がソースによって受信されると、同じデスティネーションへの経路がすでに存在する場合であっても、ルーティング・テーブルに新しい経路が加えられる。このようにして利用可能な多数の経路が維持される。ソースは、次のホップおよびＥＴＸの値を記憶する。
【００６１】
従って、同じデスティネーションに関して、さまざまなＥＴＸ値によってランク付けされた、（アベイラビリテイを左右する）複数の経路を構築することができる。重要なメッセージはまず、（最小のホップを持った経路ではなく）最良のＥＴＸメトリック値を持つ経路に沿って伝送される。（ネットワーク輻輳またはノード障害などにより）重要なメッセージが失われ、再送達される必要がある場合、かつての経路とは異なる次善の経路で伝送される。こうしてリンク変動およびネットワーク障害に対処し、重要または緊急トラフィックの信頼できる配信を保証するための冗長性が構築される。
【００６２】
図８に示すように、ソースノードＡは、ノードＢ、ノードＣおよびノードＤをそれぞれ経由するシンクＧへの３つの可能な経路（この状態をＲＰＬで表現するならば３つの親）を持っている。各ノードのＥＴＸメトリックで経路はランク付けがなされる。説明の便宜上、Ａ−Ｂ−Ｇが最良であり、Ａ−Ｃ−ＧおよびＡ−Ｄ−Ｇがこれに続く。重要なメッセージがＡ−Ｂ−ＧではＧまで到達しない（例えばＡＣＫ受信がない）場合、ソースはＡ−Ｃ−Ｇなどを試みる。このようにして経路多様性を実現することができる。
【００６３】
実際のケースでは、異なる経路が完全にはバラバラではないかもしれない。また、いくつかの経路が中間リンクを共有するかもしれない。しかしながら、ＤＡＧ構造は上述したような閉路の無い通信を保証するべきである。
【００６４】
各ノードは、フォワーディングされたメッセージがとりえる、次の可能なホップに関する情報（すなわちＤＡＧ内のその親のリスト）をＥＴＸ値とともに、ＥＴＸ値の順序で維持する。メッセージがリンク失敗によってロストになると、これは、迂回経路に沿って直ちに再送され得る。
【００６５】
最適経路探索によるパケットフォワーディング
この方法において、各ＤＡＧランクのソースは、（ＳＩＮＲのような）選択されたリンク品質メトリックを用いることにより、その親へ受信パケットをフォワーディングする。このメトリックは、同じＤＡＧランクのノードに異なるチャネル・アクセス優先度を割り当てるのに用いられる。この場合、すべての受信親ノードは、大体が図９のフローチャートに従う方法を実行する。第１ステップＳ３−２において、選択されたリンク品質メトリックにより指示された初期値でチャネル・アクセス・タイマーが開始される。チャネル・アクセス・タイマーは、ノードがチャネルへのアクセスを試みないスタンドオフ期間の制約を与える。スタンドオフ期間において、ノードは、同じランクの別のノードによるアクセス・アクティビティをリッスンしている（ステップＳ３−６）。これが起こる場合、ノードは、この問題のノードがチャネルへのアクセスを獲得する機会を持つ以前に別のノードによってフォワーディングされたものとしてメッセージを廃棄する（ステップＳ３−８）。
【００６６】
別の兄弟ノードがそれを先取りすることなくチャネル・アクセス・タイマーが終了すると（ステップＳ３−４）、ノードは、無線チャネルへのアクセスを獲得する（ステップＳ３−１０）。アクセスを獲得すると、ノードはその親ノードへ受信パケットをフォワーディングする（Ｓ３−１０）。次に、該ノードは、所定時間にわたり受信肯定応答をリッスンする（ステップＳ３−１４）。肯定応答が受信されない場合、このことは失敗として扱われ、下級ランクのノードに報告される（ステップＳ３−１８）。これは最新のＥＴＸ計算で示されるだろう（ステップＳ３−１６）。いずれにしても、受信ＡＣＫは、パケットを出したノードに返され（ステップＳ３−２２）、リンク品質情報の更新に用いることができ、該リンク品質情報に基づいてノードの今後のランキングを行うことができる（ステップＳ３−２０）。
【００６７】
同じＤＡＧランクの他のノードは同じ処理を行なうので、問題のノードがアクセスを獲得する場合、それらが何を行うかを考慮することは有用である。同時に、正常なフレーム・ハンドオーバをオーバーヒヤする(overhear)する同じＤＡＧランクの他のノードは、フォワーディングされたパケットのローカルコピーをドロップ(drop)する（ステップＳ３−８）。同処理は、シンクノードに到達するまで繰り返される。この方法は、各ＤＡＧランクにおける親リンクの数に関する多様性(diversity)を提供し、選択されたリンク品質メトリックに基づいて受信フレームを選択的にフォワーディングすることによって、より多くの信頼できる通信リンクを作成することができる。
【００６８】
図１０は、図９に示した方法を用い、図２に示したＤＡＧの一部分の使用の例をランク３以上から示している。このシナリオでは、ノード（３１）が重要情報パケットをシンクノード（ＬＢＲ）へフォワーディングする。すなわち、優先度ビットは「１」にセットされる。この例に関しては、選択されたリンク品質メトリックはＳＩＮＲ（信号対干渉・雑音比）（例えばＺｉｇｂｅｅ（登録商標）ベースのセンサー）である。ノード（３１）は２つの親を持ち、これらの親の両方へパケットをフォワーディングする。ここで、最適経路探索によるフォワーディングに関して、シンクへの最良のＳＩＮＲを持ったノードだけがフレームをフォワーディングするだろう。親ノード（（２１），（２２））はフレームを受信し、それらの親ノードへの最良のＳＩＮＲを用いてバック・オフ・タイマーを開始する−ＳＩＮＲが大きいほど、バックオフタイムは小さい。この例において、ノード（２２）はその親に大きなＳＩＮＲ値を持っており、そのデータを伝送するための無線チャネルへのアクセスを獲得する。ひとたびノード（２２）がその親へパケットをフォワーディングすると、ノード（２１）は同じデータのローカルコピーを廃棄する。ノード（１１）および（１２）が低ランクのノードからのパケットを受信する場合も同様に、最適経路探索によりフォワーディングが行なわれてノード（１２）がシンクノード（ＬＢＲ）へ着信パケットをフォワーディングする。
【００６９】
ここで説明した実施形態は、特にその実施において、選択的なフォワーディングを用いることによりソースノードからシンクノードへ重要なデータパケットをフォワーディングする効率的な方法を提供することができる。その副作用は、デフォルトパス上の正規のフォワーディングよりセンサノードでのエネルギー消費が若干多くなるかもしれないということである。これは、対象とするデスティネーションへフレームがフォワーディングされるのを確かめるための協調的なフォワーディング処理の間、各ＤＡＧランクレベルのセンサノードがリッスン期間を（スリープに戻る前に）延長しなければならないことが理由である。幸いなことに、この動作モードは重要なトラフィックについてのみ必要である−ルーチン・トラフィックはＤＡＧ内のデフォルト経路に続くことができる。
【００７０】
ここで、最適経路探索によるフォワーディングの恩恵について、簡易分析を述べる。例えば、図８において、ノードＡは、シンクへの３つの可能な次ホップＢ、ＣおよびＤを持つ。各リンクの送信成功確率がｐであるとすると、リンクの１つをあらかじめ選択することによって、選ばれたノードがパケットを受信しない確率（再送信確率とも表現される）は１−ｐである。しかしながら、最適経路探索によるフォワーディングに関して、予期される中継の少なくとも１つがパケットを受信する確率は１−（１−ｐ）３であり、該パケットの再送信確率は（１−ｐ）３でしかない。
【００７１】
ＲＰＬのためのフレームワークは関連するワーキング・グループによって確立されたが、ＲＰＬの具体的な技術的の詳細は研究開発中である。今現在のところＲＰＳにはマシン同士（Ｍ２Ｍ）の通信にとって望ましい多くの特徴があるが、スマートメータリングまたはＡＭＩの厳格な要件を満たすためにどのようにＲＰＬを実施し向上させるべきかについては今のところ不明である。
【００７２】
上記実施形態の開示を提供した１つの意図は、ＡＭＩネットワーク内の重要なデータあるいは緊急の業務データを配信する際の信頼性およびＱｏＳを向上させるためのメカニズムを提供することにより、この問題に対処することのできる実装の方向に読者をリードすることである。上記開示における暗黙のプロトコル拡張はＲＰＬと互換性をもち、オーバーヘッドは最小である（例えば、ＳＩＮＲ情報は、Ｚｉｇｂｅｅハードウェアから容易に利用可能である）。
【００７３】
いくつかの実施形態を説明したが、これら実施形態はほんの一例として示したものであって発明の範囲を制限することは意図されない。実際のところ、本明細書で説明した新規な方法およびシステムは他の様々な形式で具体化することができる。また、本明細書で説明した方法およびシステムの形式における様々な省略、置換および変更が発明の趣旨を逸脱しない範囲でなされてもよい。添付のクレームおよびその均等物は、発明の趣旨および範囲の中となる形式あるいは変更に及ぶことが意図される。
【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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