(57)【要約】      （修正有）【課題】高度に密集した領域内の装置からの多数の別々のメッセージがあっても、ネットワーク全体の効率を低下させない方法を提供する。【解決手段】アドホックネットワークを形成するモバイルデータネットワークを形成する。セルラー通信ネットワーク内でのデータ通信方法では、セルラーネットワーク基地局のカバー領域内の、それぞれ前記基地局を介して前記セルラー通信ネットワークを用いて通信可能なノードの位置情報が取得される。選択されたノードがその位置に基づきプロキシノードとして指定され、その他のノードにより、前記プロキシノードを中心とするノードのアドホックネットワーククラスタが形成される。プロキシノードでは、前記プロキシノードのネットワーククラスタ内のノードから受信されたデータが集積され、セルラーネットワーク基地局に転送される。【選択図】図２
2013042502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルラー通信ネットワーク中のデータ通信方法であって、
セルラーネットワーク基地局のカバー領域内の、それぞれ前記基地局を介して前記セルラー通信ネットワークを用いて通信可能なノードの位置情報を取得し、
ノードの各グループが、前記カバー領域内の選択された地点からのセクターを含む前記セルラーネットワーク基地局のカバー領域の異なる領域内に位置するように、前記セルラーネットワーク基地局のカバー領域内の前記ノードを、前記取得した位置情報に基づきグループに分割し、
その位置に基づき、各グループ内の選択されたノードをプロキシノードとして指定し、
その他のノードにより、各グループの前記プロキシノードを中心とするノードのアドホックネットワーククラスタを形成し、
各グループの前記プロキシノードで、前記プロキシノードのネットワーククラスタ中のノードから受信したデータを集積して前記セルラーネットワーク基地局に転送し、
前記取得した位置情報が前記選択された地点からの各ノードの距離を演算するのに用いられ、各グループ内で選択されたノードをプロキシノードとして指定する工程は、前記演算された距離と前記セルラーネットワーク基地局により検出される前記ノードから前記セルラーネットワーク基地局に送信される信号の強度とに基づき、
グループ内の全ての前記ノードは、前記セルラーネットワーク基地局のカバー領域内の前記選択された地点までの前記演算された距離と、前記セルラーネットワーク基地局により検出された前記ノードの信号強度とに基づき順序づけられ、前記プロキシノードは順序づけられたリストから選択される
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
各グループ内で選択されたノードをプロキシノードとして指定する工程は、中核セルラーネットワークインフラストラクチャの一部である収集手段により行われる
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、
前記収集手段は、前記プロキシノード又は複数のプロキシノードからの前記集積されたデータを用いて、各グループ内で選択されたノードをプロキシノードとして指定する
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の方法であって、
クラスタ内のノードからプロキシノードが受信するデータは、センサ出力データと、前記ノードの識別子と、前記ノードの位置情報と、前記ノードの速度と、前記ノードの移動方向とを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の方法であって、
所定の閾値を超える速度を有するノードはプロキシノードとして指定されず、前記アドホックネットワーククラスタ形成工程中に含まれない
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の方法であって、
各グループ内の複数のノードがプロキシノードとして指定され、各グループの残りのノードから、前記グループの各プロキシノードを中心としてアドホックネットワーククラスタが形成される
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、
ｎが各ネットワーククラスタの所望のクラスタサイズを近似するものとしたとき、前記順序づけられたリスト中のｎ個毎のノードがプロキシノードとして選択される
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
セルラー通信ネットワークであって、
少なくとも一つのセルラーネットワーク基地局を含む中核ネットワークインフラストラクチャと、
前記少なくとも一つのセルラーネットワーク基地局の特定の一つを介してそれぞれ前記セルラー通信ネットワークを用いて通信可能な複数のノードと、を備え、
前記中核ネットワークインフラストラクチャは、
前記特定のセルラーネットワーク基地局のカバー領域内の、前記特定の基地局を介して前記セルラーネットワークを用いて通信するノードの位置情報を取得し、
ノードの各グループが、前記カバー領域内の選択された地点からのセクターを含む前記セルラーネットワーク基地局のカバー領域の異なる領域内に位置するように、前記セルラーネットワーク基地局のカバー領域内の前記ノードを、前記取得した位置情報に基づきグループに分割可能であり、かつ
その位置に基づき、各グループ内の選択されたノードをプロキシノードとして指定可能であり、
その他のノードが、各グループの前記プロキシノードを中心とするノードのアドホックネットワーククラスタを形成し、
各グループの前記プロキシノードは、前記プロキシノードのネットワーククラスタ内のノードから受信したデータを集積して、前記特定のセルラーネットワーク基地局に転送可能であり、
前記中核ネットワークインフラストラクチャは、前記位置情報を用いて前記選択された地点からの各ノードの距離を演算可能とされ、かつ前記演算された距離と前記セルラーネットワーク基地局により検出される前記ノードによって前記セルラーネットワーク基地局に送信される信号の強度とに基づき、各グループ内で選択されたノードをプロキシノードとして指定可能であり、
前記中核ネットワークインフラストラクチャは、グループ内の全ての前記ノードを、前記セルラーネットワーク基地局のカバー領域内の前記選択された地点までの前記演算された距離と、前記セルラーネットワーク基地局により検出された前記ノードの信号強度とに基づき順序づけ、前記プロキシノードを順序づけられたリストから選択可能である
ことを特徴とするセルラー通信ネットワーク。
【請求項９】
請求項８に記載のセルラー通信ネットワークであって、
前記中核ネットワークインフラストラクチャは、前記選択されたノードをプロキシノードとして指定可能な収集手段を有する
ことを特徴とするセルラー通信ネットワーク。
【請求項１０】
請求項９に記載のセルラー通信ネットワークであって、
前記収集手段は、前記プロキシノード又は複数のプロキシノードからの前記集積されたデータを用いて、各グループ内で選択されたノードをプロキシノードとして指定する
ことを特徴とするセルラー通信ネットワーク。
【請求項１１】
請求項８から１０のいずれか一項に記載のセルラー通信ネットワークであって、
ネットワーククラスタ内のノードからプロキシノードが受信するデータは、センサ出力データと、前記ノードの識別子と、前記ノードの位置情報と、前記ノードの速度と、前記ノードの移動方向とを含む
ことを特徴とするセルラー通信ネットワーク。
【請求項１２】
請求項８から１０のいずれか一項に記載のセルラー通信ネットワークであって、
所定の閾値を超える速度を有するノードはプロキシノードとしての指定にあたり考慮されず、かつアドホックネットワーククラスタに含まれない
ことを特徴とするセルラー通信ネットワーク。
【請求項１３】
請求項８から１２のいずれか一項に記載のセルラー通信ネットワークであって、
前記中核ネットワークインフラストラクチャは、各グループ内の複数のノードをプロキシノードとして指定可能であり、各グループの残りのノードから、前記グループの各プロキシノードを中心としてノードのアドホックネットワーククラスタが形成される
ことを特徴とするセルラー通信ネットワーク。
【請求項１４】
請求項１３に記載のセルラー通信ネットワークであって、
ｎが各ネットワーククラスタの所望のサイズを近似するものとしたとき、前記中核ネットワークインフラストラクチャは、前記順序づけられたリスト中のｎ個毎のノードをプロキシノードとして選択可能である
ことを特徴とするセルラー通信ネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モバイル通信ネットワークに関する。限定的ではないがより具体的には、コンテンションとオーバーヘッドとを低減しつつ、モバイルノードがネットワークキャパシティを共有可能とする移動体通信ネットワークにおけるアドホックネットワークの形成と動作に関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイル機器は、ますますモバイルデータネットワークを場所を問わずに使用できる存在となっている。将来のアプリケーションの多くが、粒度の高い情報の単位(すなわち、各々量が比較的少ないが、全体として多数の情報単位)が、装置とその関連するサービスプロバイダ又はクラウドインフラストラクチャとの間で適時に配信されることを要することになろう。
【０００３】
例として、将来のアプリケーションは、例えば携帯電話機器などのモバイルセンサデバイスで、その所有者の主要な健康の指標(例:心拍数、血圧、白血球数)を継続的に監視し、インターネットを介してこれらのパラメータを各自の健康保険業者にアップロードすることを必要とするかもしれない。別の例を挙げれば、消費者の自動車が製造業者と継続的に通信して、その位置と主要な動作/安全パラメータ(例:ＡＢＳ/トラクション情報、タイヤ圧及び燃費)に関する情報をアップロードすることになるかもしれない。
【０００４】
モバイルデータアクセスネットワークは、競合通信媒体(ｃｏｎｔｅｎｄｅｄ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｍｅｄｉｕｍ)を実装する。機器は、ＦＤＭ(周波数分割多重化)ベースのネットワークでは周波数チャンネルで競合するし、ＴＤＭ(時分割多重化)ベースのネットワークではアクセスタイムスロットで競合することになる。上流回線の容量も、汎用ネットワークでは一般消費者の消費パターンに適合させるため、下流回線に合わせて制限される傾向にある。同時接続数と粒度の双方、及び結果としてセルラー基地局とのトランザクションの頻度を最小化することが、したがって望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７８２２３８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高度に密集した領域内の装置からの多数の別々のメッセージがあると、動作上の問題が起こる。モバイル機器は、一般に自身の必要な時間に送信し、当該ネットワークに適用されるＭＡＣ（Ｍｅｄｉｕｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）プロトコルに応じて、コリジョンが生じる可能性があり、再送信が必要となり、(しばしば著しく)ネットワーク全体の効率が低下し、これにより将来の検出及び/又はデータ共有アプリケーションの実効可能性が制限されることになる。
【０００７】
本発明は、時間的制限のある比較的小さな情報の単位をモバイルノードからサービスプロバイダの装置にインターネットで継続的にアップロードする必要があり、加えて同一のアクセス媒体を共有する別のモバイルデータアプリケーションが存在する任意のシステムに適用される。
【０００８】
特許文献１では、モバイル機器が、固定セルラーアクセスポイントの範囲内にあり、この固定セルラーアクセスポイントの範囲外の別のモバイル電子機器からの送信の中継機器として動作する他のモバイル機器との間で、アドホックネットワークを形成するモバイルデータネットワークが開示されている。
【０００９】
本発明の目的は、上述の問題点の少なくともいくつかを克服することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第一の特徴は、広くセルラー通信ネットワーク中のデータ通信方法であって、以下の工程を有するものといえる。
【００１１】
セルラーネットワーク基地局のカバー領域内の、それぞれ前記基地局を介して前記セルラー通信ネットワークを用いて通信可能なノードの位置情報を取得し、
その位置に基づき、選択されたノードをプロキシノードとして指定し、
その他のノードにより、前記プロキシノードを中心とするノードのアドホックネットワーククラスタを形成し、
前記プロキシノードにおいて、前記ネットワーククラスタ内のノードから受信したデータを集積し、前記セルラーネットワーク基地局に転送する。
【００１２】
この方法は、さらに以下の工程を有するのが好ましい。
【００１３】
前記セルラーネットワーク基地局のカバー領域内の前記ノードを前記取得した位置情報に基づきグループに分割し、
前記指定工程は、各グループ内のノードを当該グループのプロキシノードとして選択する工程を含み、
前記アドホックネットワーククラスタ形成工程は、各グループの前記プロキシノードを中心とするノードのアドホックネットワーククラスタを形成する工程を含み、
各グループの前記プロキシノードは、そのクラスタ内のノードから受信したデータを集積し、前記セルラーネットワーク基地局に転送する工程を行う。
【００１４】
各グループ内で選択されたノードをプロキシノードとして指定する工程は、中核セルラーネットワークインフラストラクチャの一部である収集手段により行われることが好ましい。
【００１５】
前記収集手段は、前記プロキシノード又は複数のプロキシノードからの前記集積されたデータを用いて、各グループ内で選択されたノードをプロキシノードとして指定することが好ましい。
【００１６】
クラスタ内のノードからプロキシノードが受信するデータは、センサ出力データと、前記ノードの識別子と、前記ノードの位置情報と、前記ノードの速度と、前記ノードの移動方向とを含むことが好ましい。
【００１７】
所定の閾値を超える速度を有するノードは、プロキシノードとして指定されず、前記アドホックネットワーククラスタ形成行程中に含まれないことが好ましい。
【００１８】
ノードの各グループは、カバー領域内の選択された地点からのセクターを含むセルラー基地局のカバー領域の異なる領域中に位置することが好ましい。
【００１９】
前記位置情報を用いて前記選択された地点からの各ノードの距離を演算し、各グループ内で選択されたノードをプロキシノードとして指定する工程は、演算された距離と、(オプションとして)前記セルラー基地局により検出される前記ノードによって前記セルラー基地局に送信される信号の強度とに基づくことが好ましい。
【００２０】
グループ内の全てのノードは、前記セルラー基地局のカバー領域内の選択された地点までの演算された距離と、セルラー基地局により検出された前記ノードの信号強度とに基づき順序づけられ、前記プロキシノードは順序づけられたリストから選択されることが好ましい。
【００２１】
ｎが各クラスタの所望のサイズを近似するものとしたとき、前記順序づけられたリスト中のｎ個毎のノードがプロキシノードとして選択されることが好ましい。
【００２２】
本発明の第二の特徴は、広くセルラー通信ネットワークであって、以下を有するものといえる。
少なくとも一つのセルラー基地局を含む中核ネットワークインフラストラクチャと、
前記少なくとも一つのセルラー基地局の特定の一つを介してそれぞれ前記セルラー通信ネットワークを用いて通信可能な複数のノードと、を備え、
前記中核ネットワークインフラストラクチャは、
前記特定のセルラーネットワーク基地局のカバー領域内の、前記特定の基地局を介して前記セルラーネットワークを用いて通信するノードの位置情報を取得し、
その位置に基づき、選択されたノードをプロキシノードとして指定し、
その他のノードにより、前記プロキシノードを中心とするノードのアドホックネットワーククラスタが形成され、
前記プロキシノードは、前記ネットワーククラスタ内のノードから受信したデータを集積し、前記特定のセルラーネットワーク基地局に転送する。
【００２３】
前記中核ネットワークインフラストラクチャは、さらに、
前記所定のセルラーネットワーク基地局のカバー領域内の、前記特定の基地局を介して前記セルラーネットワークを用いて通信するノードを、取得した位置情報に基づきグループに分割し、
各グループ内の選択されたノードをプロキシノードとして指定し、
その他のノードにより、各プロキシノードを中心とするノードのアドホックネットワーククラスタが形成され、
各プロキシノードは、前記クラスタ内のノードから受信したデータを集積し、特定のセルラーネットワーク基地局に転送するのが好ましい。
【００２４】
前記中核ネットワークインフラストラクチャは、さらに前記選択されたノードまたは複数のノードをプロキシノードとして指定する収集手段を有することが好ましい。
【００２５】
前記収集手段は、前記プロキシノード又は複数のプロキシノードからの前記集積されたデータを用いて、各グループ内で選択されたノードをプロキシノードとして指定することが好ましい。
【００２６】
クラスタ内のノードからプロキシノードが受信するデータは、センサ出力データと、前記ノードの識別子と、前記ノードの位置情報と、前記ノードの速度と、前記ノードの移動方向とを含むことが好ましい。
【００２７】
所定の閾値を超える速度を有するノードはプロキシノードとしての指定時に考慮されず、アドホックネットワーククラスタに含まれないことが好ましい。
【００２８】
ノードの各グループは、カバー領域内の選択された地点からのセクターを含む前記特定のセルラー基地局のカバー領域の異なる領域中に配置され、
前記位置情報を用いて各ノードの選択地点からの距離が演算され、
プロキシノードとしての指定は、前記演算された距離と、(オプションとして)前記セルラー基地局により検出される、前記ノードによって前記セルラー基地局に送信される信号の強度とに基づくことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
本発明の例を添付の図面を参照して以下に説明する。
【図１】本発明のデータ通信方法による複数のセルラー基地局のカバー領域を示す略図であり、このカバー領域の一つが拡大されてプロキシノードを中心とするアドホックなノードのクラスタを示す図。
【図２】本発明のデータ通信方法にかかるモバイルノードと、アプリケーション特定データ収集手段との間の通信を示す略図。
【図３】図２に類似の略図であり、本発明のデータ集積に関する特徴の詳細を示す略図。
【図４】本発明の実施形態にかかる、セル領域分割、プロキシノード選択、及びプロキシノードを中心とするノードの動的アドホッククラスタリングを示す略図。
【図５Ａ】図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄと合わせて、本発明にかかる通信ネットワークの異なる構成要素間の相互作用及びデータフローを示す略図を形成し、上から下の順に、非クラスタモードで動作するモバイルノード、クラスタに参加するモバイルノード、クラスタから離脱するモバイルノード及びプロキシノードになるモバイルノードを示す。
【図５Ｂ】図５Ａ、図５Ｃ、図５Ｄと合わせて、本発明にかかる通信ネットワークの異なる構成要素間の相互作用及びデータフローを示す略図を形成し、上から下の順に、非クラスタモードで動作するモバイルノード、クラスタに参加するモバイルノード、クラスタから離脱するモバイルノード及びプロキシノードになるモバイルノードを示す。
【図５Ｃ】図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｄと合わせて、本発明にかかる通信ネットワークの異なる構成要素間の相互作用及びデータフローを示す略図を形成し、上から下の順に、非クラスタモードで動作するモバイルノード、クラスタに参加するモバイルノード、クラスタから離脱するモバイルノード及びプロキシノードになるモバイルノードを示す。
【図５Ｄ】図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃと合わせて、本発明にかかる通信ネットワークの異なる構成要素間の相互作用及びデータフローを示す略図を形成し、上から下の順に、非クラスタモードで動作するモバイルノード、クラスタに参加するモバイルノード、クラスタから離脱するモバイルノード及びプロキシノードになるモバイルノードを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図面、特に図１を参照すると、多数のセルラー基地局又はセルラーブロードバンドアンテナ１が、それぞれのカバー領域(「セル」とも呼ばれる)を近似する円形領域２の中央に示される。携帯電話又は携帯電話(例、３Ｇ又は４Ｇ)アクセス機能を備えたパーソナルコンピュータなどの多数のモバイルノード３が、特定の基地局の各カバー領域内に位置して示される。特定のカバー領域２内の各モバイルノード３は、特定の基地局を介して携帯電話ネットワークと通信(音声及びデータ通信の双方)可能である。
【００３１】
各モバイルノードは、範囲内のセルラー基地局１との通信機能を有するのに加え、Ｗｉ−Ｆｉ（８０２．１１ｘ）、ＷＬＡＮ／ＷＰＡＮ（例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標））等の、他のモバイルノードと直接接続するための二次的通信機能も有する。
【００３２】
各モバイルノードは、例えばＧＰＳ（Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）アンテナと処理ハードウェア／ソフトウェアとを有することで、又はセルラーネットワークを介して固定された接続可能なセルラー基地局１の信号強度を用いた三角法によって、その位置を決定することもできる。
【００３３】
図１に示されるように、特定のセルラー基地局１のカバー領域２内のモバイルノード３の多くは、グループ４にクラスタ化される。各アドホックネットワーク４内で、モバイルノードの一つが、全てのノードがセル自体に接続するのに用いる第一次上流接続、すなわち、３Ｇ又は４Ｇ無線に加え、その周辺の他のモバイルノードがその二次的通信機能を通じて接続可能な二次的モバイルアドホック無線ネットワークを形成するプロキシ（又はマスタ）ノード５として選択される。このようなアドホックネットワークを形成することは、既存のＷｉ−Ｆｉ（８０２．１１ｘ）、ＷＬＡＮ／ＷＰＡＮ（例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標））規格の本質的な一部である。
【００３４】
各モバイルノード３は、例えば信号強度として表される最良の接続性を有するアドホックネットワーク、及び結果的に特定のプロキシノード５又はクラスタ４を選択する。カバー領域２内のモバイルノード３は、したがって、プロキシノード５、クラスタ化ノード６又は非クラスタ化ノード７に分類可能である。
【００３５】
プロキシノード５は、通信システム内のモバイルインターネットサービスプロバイダ（ＩＳＰ）等の信頼ある第三者のコントロール下にある調整システムによって（後述のように）選択される。
【００３６】
各プロキシノード５は、そのクラスタ４内の全てのノードを代理してセルラー基地局１を介してこの調整システム８にデータパケットを集積及びアップロードし、これによりセルラー基地局１での接続数及びトランザクションを劇的に低減する。すなわち、各クラスタ４のプロキシノード５のみがデータパケットをセルラー基地局１に送信する。
【００３７】
図２を参照すると、信頼ある第三者が、セルラーネットワークインフラストラクチャの一部（本ケースではＩＳＰネットワーク９の一部）である調整システム８として示される。調整システム８は、しかしながら、場合によってはセルラー基地局１を介して接続可能なより広い通信ネットワーク（例えば、インターネット１０）内のどこにあっても良い。
【００３８】
本発明が、以下により詳細に記載される。図３に示されるように、モバイルノード６は、例えば人が持ち歩いたり、車内にあったりしても良く、各種物理パラメータを監視する一つ以上のセンサ１６からセンサデータを受信するよう接続されても良い。
【００３９】
例えば、上述のように、センサデータは、人の心拍数、血圧、及び／又は白血球数、または車両のＡＢＳ／トラクション情報、タイヤ圧及び／又は燃料消費を含んでも良い。センサデータは、モバイルノード３内で処理されて、調整システム８を介して収集手段１１、１２及び１３等のデータ収集手段に送信され追加処理されるデータパケット１４になる。クラスタ４内のモバイルノード６は、関連するモバイルセンシングアプリケーションに応じて、異なるデータ収集手段をそのデータパケットの宛先としても良い。
【００４０】
モバイルノード３によってネットワークに送信されたデータパケット１４は、受信したセンサデータのみならず、ノードの位置、識別番号、速度、移動方向及びパケット宛先識別子（目標とする収集手段のＩＰアドレスなど）等の追加パラメータをも有する。
【００４１】
調整システム８は、全てのモバイルノード３のデータパケット１４を受信し、追加パラメータを監視することによりネットワーク内でのセルラー基地局１のカバー領域２内の全てのモバイルノードの位置と速度とを追跡する。
【００４２】
モバイルノード３が自律的かつ散在的な存在であることから、いくつかのモバイルノード３はクラスタ４に拘束されず、あるいは散発的かつ非常に高い頻度でクラスタ４に参加し、離脱する可能性がある。
【００４３】
例えば、相対速度及び位置がより安定し、したがって本発明にかかるモバイルデータ共有ネットワークの形成により適合する（モバイルノードを搭載する）他の車両よりも、著しく高速で高速道路を移動するオートバイを考える。これらの非クラスタ化ノード７は、そのデフォルト構成のように、プロキシノード５とその関連インフラストラクチャとを介在なしに、セルラー基地局１と直接通信しなくてはならない。非クラスタ化ノード７のモバイル特性が、クラスタ化に適するように変わった場合（例えば、上述のオートバイがスーパーマーケットの外に駐車した場合）、この非クラスタ化ノード７はクラスタに参加するかもしれない。
【００４４】
アドホック無線ネットワークを介してプロキシノード５に関連付けられると、クラスタ４の各モバイルノード６は、基地局１との専用通信チャンネルを用いてデータパケットを直接送信するのではなく、転送エージェントとしてのプロキシノード５を介して所望の受信者（例えば、アプリケーション特定収集手段１１、１２又は１３）に暗号化されたセンサ（又はその他の）データパケット１４を送信可能である。
【００４５】
各プロキシノード５は、暗号化されたセンサデータをその接続されたモバイルノード６の各々から集め、集積センサデータ１７を形成し、これがセルラー基地局１と調整システム８とを介して、所定の間隔又はその他の別のタイミングルーチンにしたがってインターネット１０にアップロードされる。
【００４６】
各プロキシノード５は、メッセージのバッチ１７を転送する責任を負い、又は通信システムの周縁又は中核ネットワーク内で動作する調整システム８にアップロードする。数百にも上る可能性のあるモバイルノード（例えば、駐車場、交通渋滞又は市街地中央内で買い物をする人々の場合）を代理してメッセージ１４を集積し、転送することにより、個別メッセージの総数が低減し、プロトコルのオーバーヘッドが最小化され、したがってスループットが最大化され、又は、通常はセルのリソースの使用で競合する可能性のある別のサービスのために単純に解放される。
【００４７】
否認防止及び信頼維持目的で、ＰＫＩ（Ｐｕｂｌｉｃ  Ｋｅｙ  Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：公開鍵インフラストラクチャ）をシステムに組み込み、モバイルノード６から送信されるパケット１４が暗号化され、デジタル署名されるようにされても良い。
【００４８】
モバイルノード６から送信されるデータの所望の受信者（例えば、収集手段１１）は、秘密鍵１８を有し、公開鍵１９を、本発明のモバイルデータ共有ネットワークに参加しようと希望する参加モバイルノードに配信する。モバイルノード６は、この公開鍵１９を使ってペイロード（センサデータ１６）を暗号化可能であり、加えて、所有する秘密鍵２０を使って、暗号化されていないメッセージ１４全体にわたって署名ベースのチェックサムを生成可能である。
【００４９】
これら二つの単純な方法により、各モバイルノード６とデータ収集手段１１、１２及び１３の間で送信されるデータについて否認防止が確保され、プライバシーと完全性が維持される。
【００５０】
図３に示されるように、モバイルノード６によって送信されるデータパケットのＩＤフィールド２８は以下のフィールドを含む：
・モバイルノードの一義的な識別子（ＩＤ）；
・モバイルノードの最後に記録された位置（例えば、ＧＰＳ座標）；
・モバイルノードの移動速度；及び
・モバイルノードの移動方向。
【００５１】
これらの追加パラメータにより、どのように各セルラー基地局１のカバー領域２内のプロキシノード５が選択されるかが精緻化される。これらの追加パラメータにより、非クラスタ化ノード７を、プロキシノード選択過程中で所定のものとし、フィルタで排除することも選択的に可能である。
【００５２】
ＩＤとペイロードとに加え、各メッセージは、調整システム８が集積メッセージ１７をその個別成分パケット１４に解凍して、その意図した受信者に発送可能とするための宛先（「Ｄｅｓｔ．」）インジケータを含む。
【００５３】
（通常は、コアネットワークインフラストラクチャのより非競合的な部分に存在する）調整システム８は、その選択した各種プロキシノード５からメッセージのバッチ１７を受信し、高性能サーバ装置を使って一覧表にする。
【００５４】
個別メッセージ１４は分離された後、各目的とされるデータ収集手段１１、１２又は１３（例えば、自動車製造業者の車両監視アプリケーション又は健康保険／監視会社の早期警戒システム）に送信される。
【００５５】
所定のアプリケーション又はサービスに関連付けられた秘密鍵１８を有する収集手段１１、１２又は１３のみがメッセージ１４のペイロードを復号化し、処理することができる。これにより、個人のプライバシーを維持し、クラスタ内のノード間で必要とされる共同作業を実際に機能させることができる。
【００５６】
クラスタ４を動的に構成可能とするため、プロキシノード５は、セル２によってカバーされるモバイルノード３の集合の中から指定されなくてはならない。
【００５７】
以下の説明は、特定のセル２中のモバイルノード３をプロキシノード５として指定するための例示的方法の一つの概要を示す図４に関する。
【００５８】
最初に、カバー領域２内のモバイルノード３の組が、以下にしたがってセグメント２１に分割される。
ａ）特定のセルラー基地局１のＧＰＳ位置（すなわち、セルラー基地局周囲の地形の知識）、及び
ｂ）セルラー基地局１のカバー領域２内のモバイルノード３の相対的位置の知識。
これらの情報が得られれば、選ばれた原線（例えば、セルラー基地局１の位置）からの各モバイルノードの角度が、この選ばれた原線からのユークリッド距離Δｎとともに演算可能となる。
【００５９】
その後、セル２内のモバイルノード３は、分割スキーマにしたがってグループ化される。セル２内でのモバイルノード３の密度及び分散に応じ、最終的に所望のクラスタ４のサイズを得る補助とするため、各種のセグメント２１のサイズを選択可能である。
【００６０】
図４に示される例では、全てのセグメント２１は、同じ形状及びサイズのセクターである。しかし、特定のセルラー基地局のカバー領域２中のセグメント２１の形状及びサイズは、上述の要件（ａ）及び（ｂ）に応じて異なっても良い。
【００６１】
各セグメント内で、原線からの距離Δｎで（セルラー基地局１によって検出される）信号強度がＳ（ｎ）である各モバイルノード３は、以下の関数によってモバイルノードの半順序（ｐａｒｔｉａｌ  ｏｒｄｅｒｉｎｇ）２２にマッピング可能である。
【００６２】
【数１】
2013042502.tif 000003
【００６３】
以上の式において、ｆ（ｎ−１）＜＝ｆ（ｎ）であり、ｗ’とｗ’’は、セルの地形、特定のセグメントサイズ又はその他の環境的要因に応じて調整可能なアプリケーションに特有の重み付けである。
【００６４】
多くの異なる経験則により、この半順序２２から、セグメントにおけるプロキシノード５の数及び選択を決定可能である。例えば、簡単な方法としては、ｎを最終的に所望のクラスタサイズに近似するものとした場合、半順序２２中のｎ個毎のノードをプロキシノードとして選択することが挙げられる。
【００６５】
モバイルノード３が調整システム８によってプロキシノード５として指定されると、このモバイルノード３はこの事実を公表し、（当該モバイルノード３を唯一のプロキシノードと判断するか、又は最大信号強度を有するプロキシノードと判断する）その周囲のモバイルノードが接続してクラスタ４を形成する二次的モバイルアドホック無線ネットワークを確立する。
【００６６】
最初は、プロキシノード５は、異なる（場合により任意の）方法により指定されても良く、その後、上述の理論的な方法を用いて継続的にプロキシノード５の指定を精緻化し、セルラー基地局１での接続数とトランザクションとを低減しても良い。
【００６７】
図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ及び５Ｄは、合わせてモバイルノード３（非クラスタ化ノード７として、及びプロキシノード５としての双方の場合）と、通信ネットワークのその他の構成要素との間の例示的なデータフロー及び相互作用を詳細に示す略図を構成する。略図は、以下のセクションを含む。
Ａ−モバイルノードの起動、
Ｂ−モバイルノードの非クラスタ化動作（プロキシノードを介在させることなくセルラー基地局と直接通信するノード）、
Ｃ−モバイルアドホックネットワーククラスタに参加するモバイルノード、
Ｄ−非クラスタ化動作に戻る（アドホックネットワーククラスタを離脱する）モバイルノード、
Ｅ−プロキシノードとして選択され、アドホックネットワークを構成し、それ自身のセンサデータを有する他のクラスタ化されたノードからセンサデータを集積し、集積されたデータを調整システムに提出するモバイルノード。
【００６８】
したがって、本発明により、モバイルノード３の動的かつ適応的な結合による装置のクラスタ４形成が容易になり、モバイルデータネットワークのセルラー基地局１にアップロードされる前に、特に選択されたプロキシノード５によりトラフィックが集積されることになる。
【００６９】
この方法は、一連の通信中のいずれの点においても、物理的又はＭＡＣネットワーク層の特別な施設を要さず、したがって全ての将来のモバイルネットワークで動作可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、モバイル通信ネットワークに関し、限定的ではないがより具体的に、移動体通信ネットワーク内にアドホックネットワークを形成して動作させ、コンテンションとオーバーヘッドとを低減しつつモバイルノードがネットワークキャパシティを共有可能とすることに関する。
【符号の説明】
【００７１】
１   セルラー基地局
２   カバー領域
３   モバイルノード
４   クラスタ
５   プロキシノード
６   モバイルノード
７   非クラスタ化モバイルノード
８   調整システム
９   ＩＳＰネットワーク
１０ インターネット
１１ データ収集手段
１２ データ収集手段
１３ データ収集手段
１４ データパケット
１６ センサ
１７ センサデータ
１８ 私有鍵
１９ 公開鍵
２０ 私有鍵
２１ セグメント
２２ 半順序
【図１】
2013042502.tif 000004
【図２】
2013042502.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
2013042502.tif 000008
【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
2013042502.tif 000011
【外国語明細書】
TITLE OF INVENTION 
MOBILE DATA SHARING NETWORKS
FIELD OF THE INVENTION
This invention relates to mobile communications networks and more particularly, though not solely, to the formation and operation of ad-hoc networks in cellular communications networks for enabling mobile nodes to share network capacity while reducing contention and overheads.
RELATED ART
Mobile devices are increasingly becoming ubiquitous users of mobile data networks. A number of future applications will depend on the distribution of highly granular units of information (that is, a large total number of information units which are each relatively small in volume) in a timely manner between devices and their associated service provider or cloud infrastructure. By way of example, a future application could for example require a mobile sensor device, such as a mobile phone device to continuously monitor its owner’s key health indicators, such as heart-rate, blood pressure, white-cell count and upload those parameters to that individual's health-insurance provider via the Internet. Another example might be a consumer's car contacting its manufacturer continuously, in order to upload information concerning its location and key operational/safety parameters, such as ABS/traction information, tyre pressure and fuel consumption.
Mobile data access networks implement a contended communication medium. Devices contend for frequency channels in the case of a FDM (Frequency-Division Multiplexing) based network, or for access time slots in the case of a TDM (Time-Division Multiplexing) based networks. Upstream capacity also tends to be restricted in general purpose networks in favour of downstream capacity in order to match the consumption patterns of the typical consumer. Minimising both the number of concurrent connections and the granularity and therefore frequency of transactions with a cellular base station are therefore desirable. 
PROBLEMS(S) TO BE SOLVED
Large numbers of discrete messages from devices within a highly populated cell presents an operational problem. Mobile devices typically send whenever they want and, depending on the MAC (Medium Access Control) protocol that applies to the network, collisions can occur that require resends reducing overall network efficiency - often prohibitively - thereby limiting the viability of future sensing and/or data sharing applications.
This invention applies to any system in which relatively small units of time-sensitive information need to be uploaded from mobile nodes to service provider machinery on the Internet on a continual basis, and moreover in the presence of other mobile data applications sharing the same access medium.
US7822384B discloses a mobile data network in which mobile devices form an ad-hoc network with one of the mobile devices, which is in range of a fixed cellular access point, acting as a relay for transmissions from other mobile electronic devices that are out of range of the fixed cellular access point.
It is an object of this invention to go at least some way towards overcoming at least some of the above disadvantages.
SUMMARY OF THE INVENTION
Accordingly, in a first aspect, the invention may broadly be said to consist in a method for data communications in a cellular communications network comprising the steps of:
obtaining position information for nodes, within the coverage area of a cellular network base station, which are each capable of communicating using the cellular communications network via the base station;
appointing a selected node as a proxy node based upon its position; 
forming, from the remaining nodes, an ad-hoc network cluster of nodes about the proxy node; and
aggregating, at the proxy node, data received from nodes in the network cluster for onward transmission to the cellular network base station.
Preferably, the method further comprises the step of:
segmenting the nodes within the coverage area of the cellular network base station into groups based upon the obtained position information; wherein
the step of appointing comprises selecting a node within eachgroup as a proxy node for that group;
the step of forming ad-hoc network clusters comprises forming an ad-hoc network cluster of nodes about the proxy node of each group; and
the proxy node of each group carries out the step of aggregating the data received from nodes in its cluster for onward transmission to the cellular network base station.
Preferably, the step of appointing selected nodes within each group as a proxy node is carried out by a collector device which is part of the core cellular network infrastructure.
Preferably, the collector device appoints a selected node within each group as a proxy node using the aggregated data from the proxy node or nodes.
Preferably, the data received at a proxy node from a node in its cluster includes sensor output data, an identifier of the node, the position information of the node, the node’s speed and the node’s direction of movement.
Preferably, nodes having a speed above a predetermined threshold are not appointed as proxy nodes and are not included in the step of forming ad-hoc network clusters. 
Preferably, each group of nodes is located within a different region of the cellular base station’s coverage area comprising a sector from a chosen point within the coverage area.
Preferably, the position information is used to calculate the distance of each node from the chosen point, and wherein the step of appointing a selected node within each group as a proxy node is based upon the calculated distance and, optionally, the strength of a signal transmitted by the node to the cellular base station, as detected by the cellular base station.
Preferably, all of the nodes in a group are ordered based upon both the calculated distance to the chosen position within the cellular base station’s coverage area and also the node’s signal strength, as detected by the cellular base station, and wherein proxy nodes are selected from the ordered list.
Preferably, every nth node in the ordered list is selected as a proxy node, wherein napproximates a desired size for each cluster.
In a second aspect, the invention may broadly be said to consist in a cellular communications network comprising:
core network infrastructure including at least one cellular base station; and
a plurality of nodes that are each capable of communicating using the cellular communications network via a particular one of the at least one cellular base station; 
wherein the core network infrastructure:
obtains position information for nodes within the coverage area of the particular cellular network base station which communicate using the cellular network via the particular base station; and
appoints a selected node as a proxy node based upon its position; 
wherein, from the remaining nodes, an ad-hoc network cluster of nodes is formed about the proxy node; and
wherein the proxy node aggregates data received from nodes in the network cluster for onward transmission to the particular cellular network base station.
Preferably, the core network infrastructure furthermore:
segments the nodes within the coverage area of the particular cellular network base station, which communicate using the cellular network via the particular base station, into groups based upon the obtained position information; and
appoints a selected nodes within each group as a proxy node; 
wherein, from the remaining nodes, ad-hoc network clusters of nodes are formed about each proxy node; and
wherein each proxy node aggregates data received from nodes in its cluster for onward transmission to the particular cellular network base station.
Preferably, the core network infrastructure further comprises a collector device which appoints the selected node or nodes as proxy nodes.
Preferably, the collector device appoints a selected node within each group as a proxy node using the aggregated data from the proxy node or nodes.
Preferably, the data received at a proxy node from a node in its cluster includes sensor output data, an identifier of the node, the position information of the node, the node’s speed and the node’s direction of movement.
Preferably, nodes having a speed above a predetermined threshold are not considered for appointment as a proxy node and are not included in an ad-hoc network cluster. 
Preferably, each group of nodes is located within a different region of the particular cellular base station’s coverage area comprising a sector from a chosen point within the coverage area,
wherein the position information is used to calculate the distance of each node from the chosen point, and
wherein the appointment of a proxy node is based upon the calculated distance and, optionally, based upon the strength of a signal transmitted by the node to the cellular base station, as detected by the cellular base station.
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWING(S)
An example of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which:
Figure 1 is a schematic diagram showing the coverage areas of plural cellular base stations, one of which has been enlarged to illustrate ad-hoc clusters of nodes about proxy nodes in accordance with the data communications method of the present invention;
Figure 2 is a diagram demonstrating communications between mobile nodes and application-specific data collectors in accordance with the data communications method of the present invention
Figure 3 is a diagram similar to Figure 2, showing details of the data aggregation feature of the present invention;
Figure 4 is a diagram illustrating cell coverage segmentation, proxy node selection and dynamic ad-hoc clustering of nodes about the proxy nodes in accordance  with an embodiment of the present invention; and
Figures 5A, 5B, 5C and 5D combine to form a diagram illustrating interactions and dataflows between different components of the communications network according to the present invention illustrating, in order from top to bottom, the mobile node operating in an unclustered mode, joining a cluster, leaving a cluster, and becoming a proxy node.
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS(S)
With reference to the drawings and in particular Figure 1, a number of cellular base stations or cellular broadband antennas 1 are shown at the centre of circular regions 2 approximating their respective coverage areas (also referred to as a “cell”). A number of mobile nodes 3 such as cellular telephones or personal computers with cellular telephone (e.g. 3G or 4G) access capability are shown positioned within the respective coverage areas of particular base stations.  Each mobile node 3 within a particular coverage area 2 is capable of communicating (both voice and data communications) in the cellular telephone network via the particular base station.
Each mobile node, in addition to having the capability of communicating with an in-range cellular base station 1, is also provided with a secondary communications capability such as Wi-Fi (802.11x), WLAN/WPAN (for example, BluetoothTM or ZigBee(R)) for directly connecting with other mobile nodes. Each mobile node also has the capability to determine its location, for example by incorporating a GPS (Geographic Positioning System) antenna and processing hardware/software, or via the cellular network through triangulation of the signal strengths of fixed contactable cellular base stations 1.
As is shown in Figure 1, many of the mobile nodes 3 within the coverage area 2 of a particular cellular base station 1, are clustered into groups 4. Within each ad-hoc network 4, one of the mobile nodes is selected as a proxy (or master) node 5 which establishes a secondary mobile ad-hoc wireless network to which other mobile nodes in their vicinity can connect via their secondary communications capability, in addition to the primary upstream connection that all nodes use to connect to the cell itself, i.e. the 3G or 4G radio. The formation of such ad-hoc networks is an intrinsic part of existing Wi-Fi (802.11x), WLAN/WPAN (BluetoothTM or ZigBee(R)) standards. Individual mobile nodes 3 choose the ad-hoc network, and hence the specific proxy node 5 or cluster 4, to which they have the best connectivity expressed as a function of signal strength, for example. The mobile nodes 3 within the coverage area 2 may therefore be categorised as either proxy nodes 5, clustered nodes 6, or unclustered nodes 7. 
Proxy nodes 5 are elected (as will be described below) by a coordinating system which is under the control of an authoritative party such as the mobile Internet Service Provider (ISP) within the communications system. Each proxy node 5 is tasked with aggregating and uploading data packets to the coordinating system 8 via the cellular base station 1 on behalf of all of the nodes in its cluster 4, thereby dramatically reducing the number of connections and the transaction rate at the cellular base station 1. That is, only the proxy node 5 of each cluster 4 transmits data packets to the cellular base station 1.
With reference now to Figure 2, the authoritative party is shown as a coordinating system 8 which is part of the cellular network infrastructure, in this case, part of ISP network 9. The coordinating system 8 could however conceivably be anywhere within the wider communications network contactable via cellular base station 1, including for example the Internet 10.
The invention will now be described in more detail. As shown in Figure 3, a mobile node 6 may be located on a person or in a vehicle, for example, and be connected to receive sensor data from one or more sensors 16 which monitor various physical parameters. For example, as mentioned above, sensor data may comprise a person’s heart-rate, blood pressure, and/or white-cell count or a vehicle’s ABS/traction information, tyre pressure and/or fuel consumption. The sensor data is processed into data packets 14 within a mobile node 3 for transmission on to a data collector, such as collectors 11, 12 and 13 for further processing, via the coordinating system 8. Mobile nodes 6 within a cluster 4 may of course address their data packets to different data collectors, depending upon the mobile sensing application that they are involved in.
The data packets 14 transmitted by a mobile node 3 to the network include not only the received sensor data but also additional parameters such as the node’s position, identification, speed, direction of movement, and a packet destination identifier (such as the IP address of the targeted collector). The coordinating system 8 receives the data packets 14 of all mobile nodes 3 and tracks the location and speed of all mobile nodes in the coverage areas 2 of cellular base stations 1 within the network by monitoring the additional parameters.
Due to the autonomous and sporadic nature of mobile nodes 3, some may not bind to a cluster 4; or may join and leave clusters 4 intermittently and very often. For example, consider a motorbike traversing a motorway at significantly higher speed than other vehicles (containing mobile nodes) whose relative speed and positions are more stable and thus more amenable to the formation of a mobile data sharing network according to the present invention. These unclustered nodes 7 must communicate with the cellular base station 1 directly, just as they would in their default configuration, without the intermediation of a proxy node 5 and its associated infrastructure. Should the mobile characteristics of an unclustered node 7 change to favour clustering, for example if the aforementioned motorbike is parked up outside a supermarket, then it may become join a cluster.
Once associated to a proxy node 5 via its ad-hoc wireless network, each mobile node 6 of a cluster 4 may send encrypted sensor or other data packets 14 to their intended recipient (for example, an application-specific collector 11, 12 or 13) via the proxy node 5 as a forwarding agent, rather than sending the data packets to the recipient directly using its own dedicated communication channel with the base station 1. Each proxy node 5 aggregates the encrypted sensor data from each of its connected mobile nodes 6 to form aggregated sensor data 17 which is uploaded to the Internet 10 via the cellular base station 1 and coordinating system 8 at predetermined intervals or in accordance with some other preset timing routine. 
Each proxy node 5 is responsible for forwarding the batches 17 of messages or uploads 14 to the coordinating system 8 running within the edge or core network of the communications system. By aggregating and forwarding messages 14 on behalf of potentially hundreds of mobile nodes (for example, in the case of a parking lot or traffic jam or for people shopping within a city centre) the total number of discrete messages is reduced, protocol overhead is minimised and therefore throughput is maximised, or simply freed for other services that may normally contend for usage of the cell's resources. 
For the purposes of non-repudiation and trust, PKI (Public Key Infrastructure) may be incorporated into the system such that packets 14 transmitted from the mobile nodes 6 are both encrypted and digitally signed. The intended recipient of the data sent by a mobile node 6 (for example, collector 11) will possess a private key 18 and have distributed a public key 19 to participating mobile nodes that wish to participate in the mobile data sharing network according to this invention. The mobile nodes 6 may use this public key 19 to encrypt the payload (sensor data 16), and in addition may use their own private key 20 to generate a signature-based checksum over the entire unencrypted form of the message 14. These two simple measures ensure non-repudiation, privacy and integrity are maintained for data sent between individual mobile nodes 6 and data collectors 11, 12 and 13.
As shown in Figure 3, the ID field 28 of the data packets sent by a mobile node 6 incorporates the following fields: 
・  A unique identifier (ID) for the mobile node; 
・  the mobile node’s last recorded position (for example, GPS coordinates); 
・  the mobile node’s speed of motion; and 
・  the mobile node’s direction of movement.
These additional parameters allow for refinements in how the proxy nodes 5 within the coverage area 2 of each cellular base station 1 are selected. These additional parameters also optionally allow for unclustered nodes 7 to be pre-determined and filtered out during the proxy node selection process. 
In addition to the ID and payload, each message contains a destination (“Dest.”) indicator, which allows for the coordinating system 8 to unpack each of the aggregated messages 17 into their separate component packets 14 for dispatch to their intended recipient. 
The coordinating system 8, typically residing in a less contended part of the core network infrastructure, receives batches 17 of messages from the various proxy nodes 5 it has elected, which it enumerates over using high-powered server equipment. Individual messages 14 are isolated and then dispatched to their target data collector 11, 12 or 13 (for example, the vehicle monitoring application of a car manufacturer or the early-warning system of a health-insurance/monitoring company). Only the collectors 11, 12 or 13 which have the secret private key 18 associated with a given application or service can decode and process the payload of the messages 14; thus preserving individual privacy and enabling the required cooperation between nodes within a cluster to work in practice.
In order that clusters 4 can be dynamically configured, proxy nodes 5 must be appointed from within the collection of mobile nodes 3 covered by a cell 2. The following description relates to Figure 4 which provides an overview of one exemplary method for appointing mobile nodes 3 in a particular cell 2 as proxy nodes 5.
Firstly, the set of mobile nodes 3 within the cell coverage area 2 are segmented into segments 21 according to:
a) the GPS location of the particular cellular base station 1 (that is, knowledge of the terrain surrounding the cellular base station); and 
b) knowledge of the relative positions of mobile nodes 3 within the coverage area 2 of the cellular base station 1.
With this information available, each mobile node's angle from a chosen polar axis (such as the position of the cellular base station 1) can be calculated along with its Euclidean distance, Δn, from the chosen polar axis. 
Mobile nodes 3 within the cell 2 are then grouped according to a segmentation scheme. Depending on the density and distribution of mobile nodes 3 within the cell 2, various segment 21 sizes may be chosen in order to ultimately assist in achieving a desirable cluster 4 size. In the example shown in Figure 4 all of the segments 21 are sectors of the same shape and size. However, the shapes ands sizes of the segments 21 in any particular cellular base station coverage area 2 may be different, dependent upon requirements (a) and (b) referred to above.
Within each segment, each mobile node 3 with signal strength S(n) (as detected by the cellular base station 1) at a distance Δn from the polar axis may be mapped to a partial ordering 22 of mobile nodes, according to the function:
2013042502.tif 000012
wherein f(n-1) <= f(n) and w' and w'' are application-specific weights that may be tuned according to the cell’s terrain, specific segment size or other environmental factors. Many different heuristics can dictate the number and selection of proxy nodes 5 for the segment from the partial ordering 22. For example, one simple method is to select every nth node in the partial ordering 22 as a proxy node, where n approximates the ultimately desired cluster size.
Once a mobile node 3 is appointed by the coordinating system 8 as a proxy node 5, it advertises this fact and establishes its secondary mobile ad-hoc wireless network which mobile nodes in its vicinity (seeing it as the only proxy node or the proxy node with the strongest signal strength) connect to form a cluster 4. Initially, proxy nodes 5 may be appointed by a different, perhaps arbitrary, method and then the above reasoned method may be used to continually refine the appointment of proxy nodes 5 to reduce the number of connections and the transaction rate at the cellular base station 1.
Figures 5A, 5B, 5C and 5D together form a diagram showing exemplary detailed dataflows and interactions between mobile nodes 3 (both as an unclustered node 7 and as a proxy node 5) and the other components of the communications network. The diagram includes the following sections:
A - mobile node startup,
B - unclustered operation of a mobile node (node communicating directly with the cellular base station without the intermediary of a proxy node),
C - mobile node joining a mobile ad-hoc network cluster,
D - mobile node returning to unclustered operation (leaving the ad-hoc network cluster), and
E - mobile node elected as a proxy node, establishing an ad-hoc network, aggregating sensor data from other clustered nodes with its own sensor data and submitting the aggregated data to the coordination system.
Accordingly, the present invention facilitates the dynamic and adaptive bonding of mobile nodes 3 together to form clusters 4 of devices, whose traffic is aggregated by specially elected proxy nodes 5 prior to being uploaded to a cellular base station 1 of the mobile data network. The method does not depend on specific facilities of the physical or MAC network layers at any point in the chain of communication and therefore may operate on all future mobile networks.
INDUSTRIAL APPLICABILITY
This invention relates to mobile communications networks and more particularly, though not solely, to the formation and operation of ad-hoc networks in cellular communications networks for enabling mobile nodes to share network capacity while reducing contention and overheads.
EXPLANATION OF CODES
1 cellular base station
2 coverage area
3 mobile node
4 cluster
5 proxy node
6 mobile node
7 unclustered mobile node
8 coordinating system
9 ISP network
10 Internet
11 data collector
12 data collector
13 data collector
14 data packet
16 sensor
17 sensor data
18 private key
19 public key
20 private key
21 segment
22 partial ordering
1.     A method for data communications in a cellular communications network comprising the steps of:
obtaining position information for nodes, within the coverage area of a cellular network base station, which are each capable of communicating using the cellular communications network via the base station;
segmenting the nodes within the coverage area of the cellular network base station into groups based upon the obtained position information, wherein each group of nodes is located within a different region of the cellular network base station’s coverage area comprising a sector from a chosen point within the coverage area;
appointing a selected node within each group as a proxy node based upon its position; 
forming, from the remaining nodes, an ad-hoc network cluster of nodes about the proxy node of each group; and
aggregating, at the proxy node of each group, data received from nodes in the proxy node’s network cluster for onward transmission to the cellular network base station,
wherein the obtained position information is used to calculate the distance of each node from the chosen point, and wherein the step of appointing a selected node within each group as a proxy node is based upon the calculated distance and the strength of a signal transmitted by the node to the cellular network base station, as detected by the cellular network base station, and
wherein all of the nodes in a group are ordered based upon both the calculated distance to the chosen position within the cellular network base station’s coverage area and also the node’s signal strength, as detected by the cellular network base station, and wherein the proxy node is selected from the ordered list.
2.     The method according to claim 1, wherein the step of appointing a selected node within each group as a proxy node is carried out by a collector device which is part of the core cellular network infrastructure.
3.     The method according to claim 2, wherein the collector device appoints a selected node within each group as a proxy node using the aggregated data from the proxy node or nodes.
4.     The method according to any one of the preceding claims, wherein the data received at a proxy node from a node in its cluster includes sensor output data, an identifier of the node, the position information of the node, the node’s speed and the node’s direction of movement.
5.     The method according to any one of the preceding claims, wherein nodes having a speed above a predetermined threshold are not appointed as proxy nodes and are not included in the step of forming ad-hoc network clusters. 
6.     The method according to any one of the preceding claims, wherein plural nodes within each group are appointed as proxy nodes and, from the remaining nodes in each group, ad-hoc network clusters of nodes are formed about each proxy node in the group.
7.     The method according to claim 6, wherein every nthnode in the ordered list is selected as a proxy node, wherein n approximates a desired size for each network cluster.
8.     A cellular communications network comprising:
core network infrastructure including at least one cellular network base station; and
a plurality of nodes that are each capable of communicating using the cellular communications network via a particular one of the at least one cellular network base station; 
wherein the core network infrastructure is adapted to:
obtain position information for nodes within the coverage area of the particular cellular network base station which communicate using the cellular network via the particular base station; 
segment the nodes within the coverage area of the cellular network base station into groups based upon the obtained position information, wherein each group of nodes is located within a different region of the cellular network base station’s coverage area comprising a sector from a chosen point within the coverage area; and
appoint a selected node within each group as a proxy node based upon its position; 
wherein, from the remaining nodes, an ad-hoc network cluster of nodes forms about the proxy node of each group; 
wherein the proxy node of each group is adapted to aggregate data received from nodes in the proxy node’s network cluster for onward transmission to the particular cellular network base station;
wherein the core network infrastructure is adapted to use the position information for calculating the distance of each node from the chosen point, and to appoint a selected node within each group as a proxy node based upon the calculated distance and the strength of a signal transmitted by the node to the cellular network base station, as detected by the cellular network base station; and
wherein the core network infrastructure is adapted to order all of the nodes in a group based upon both the calculated distance to the chosen position within the cellular network base station’s coverage area and also upon the node’s signal strength, as detected by the cellular network base station, and to select the proxy node from the ordered list.
9.     The cellular communications network according to claim 8, wherein the core network infrastructure comprises a collector device which is adapted to appoint the selected nodes as proxy nodes.
10.    The cellular communications network according to claim 9, wherein the collector device is adapted to appoint a selected node within each group as a proxy node using the aggregated data from the proxy node or nodes.
11.    The cellular communications network according to any one of claims 8 to 10, wherein the data received at a proxy node from a node in its network cluster includes sensor output data, an identifier of the node, the position information of the node, the node’s speed and the node’s direction of movement.
12.    The cellular communications network according to any one claims 8 to 10, wherein nodes having a speed above a predetermined threshold are not considered for appointment as a proxy node and are not included in an ad-hoc network cluster. 
13.    The cellular communications network according to any one of claims 8 to 12, wherein the core network infrastructure is adapted to appoint plural nodes within each group as proxy nodes and, from the remaining nodes in each group, ad-hoc network clusters of nodes form about each proxy node in the group.
14.    The cellular communications network according to claim 13, wherein the core network infrastructure is adapted to select every nthnode in the ordered list as a proxy node, wherein n approximates a desired size for each network cluster.
A method for data communications in a cellular communications network obtains position information for nodes, within the coverage area of a cellular network base station, which are each capable of communicating using the cellular communications network via the base station.  A selected node is appointed as a proxy node based upon its position, and from the remaining nodes, an ad-hoc network cluster of nodes about the proxy node is formed.
At the proxy node, data received from nodes in the network cluster is aggregated for onward transmission to the cellular network base station.
【図１】
2013042502.tif 000013
【図２】
2013042502.tif 000014
【図３】
2013042502.tif 000015
【図４】
2013042502.tif 000016
【図５Ａ】
2013042502.tif 000017
【図５Ｂ】
2013042502.tif 000018
【図５Ｃ】
2013042502.tif 000019
【図５Ｄ】
2013042502.tif 000020