(57)【要約】  本開示は、分散型無線通信ネットワークを提供するための方法及びシステムに関する。第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイのそれぞれは、データの少なくとも一部を含む被変調信号を地理的に分散した複数のノードの第1ノードから別個に受信できる。これら被変調信号は、第1ノードから無線周波数(RF)信号として無線送信でき、このデータは第1位置において第1ノードによって収集又は生成される。サーバは、これら被変調信号を第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイから受信できる。このサーバはソフトウェア無線(SDR)ソフトウェアによって構成されており、上記データを回復するために、別個に受信した被変調信号を処理できる。この処理は、これら被変調信号の復調を含むことができる。
2016506122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分散型無線通信ネットワークを提供するためのシステムであって、
第1位置でデータを収集又は生成する地理的に分散した複数の第1ノードと、
前記第1ノードから前記データの少なくとも一部を含む被変調信号を別個に受信する第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイであって、前記被変調信号が前記第1ノードから無線周波数(RF)信号として無線送信される、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイと、
前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイから前記被変調信号を受け取るサーバであって、前記データを回復するために前記別個に受信された被変調信号を処理するようにソフトウェア無線(SDR)ソフトウェアによって構成されたサーバとを含み、前記処理は前記被変調信号の復調を含む、システム。
【請求項２】
前記第1ゲートウェイが、前記第1ゲートウェイにより受信された被変調信号を圧縮し、前記圧縮された被変調信号を前記サーバに伝達する、請求項1に記載のシステム。
【請求項３】
前記サーバは、シングル入力・マルチ出力(SIMO)及びマルチ入力・マルチ出力(MIMO)処理の少なくとも一方を含む処理を実行するようSDRソフトウェアによって構成される、請求項1に記載のシステム。
【請求項４】
前記第1ゲートウェイ、前記第2ゲートウェイ、及び前記サーバは、通信ネットワークにより接続されている、請求項1に記載のシステム。
【請求項５】
前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイの少なくとも一方は、電離層から反射されたRF信号の1つを受信する、請求項1に記載のシステム。
【請求項６】
前記第1ノードは、3メガヘルツと30メガヘルツ(MHz)との間の低電力RF信号を、前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイの少なくとも一方まで10キロメートルを上回る送信経路を介して送信する、請求項1に記載のシステム。
【請求項７】
前記SDRサーバは、信号フィルタリング、混信阻止、復元、暗号化、解読、前方誤り訂正(FEC)、符号化、復号化、ビーム形成、及びアンテナダイバーシティ処理のうち少なくとも1つを含む被変調信号の処理を実行する、請求項1に記載のシステム。
【請求項８】
前記サーバは、前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイから別個に受信された前記被変調信号を、当該被変調信号を組み合わせるため時刻同期する、請求項1に記載のシステム。
【請求項９】
前記サーバは、前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイから受信された前記被変調信号から干渉信号を除去する、請求項1に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイは、前記被変調信号を、前記第1ノードからの直接経路、地上波経路、及び電離層反射のうち少なくとも2つを介して送信されるRF信号として受信する、請求項1に記載のシステム。
【請求項１１】
分散型無線通信ネットワークを提供するための方法であって、
(a)地理的に分散した複数のノードの第1ノードからのデータの少なくとも一部を含み、前記第1ノードから無線周波数(RF)信号として無線送信された被変調信号を、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイのそれぞれによって別個に受信する段階であって、前記データが第1位置で前記第1ノードにより収集又は生成される、受信する段階と、
(b)前記被変調信号を前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイからサーバによって受信する段階と、
(c)ソフトウェア無線(SDR)ソフトウェアによって構成された前記サーバによって、前記データを回復するために前記別個に受信された被変調信号を処理する段階とを含み、前記処理が前記被変調信号の復調を含む、方法。
【請求項１２】
前記第1ゲートウェイによって、前記第1ゲートウェイにより受信された被変調信号を圧縮し、前記圧縮された被変調信号を前記サーバに伝達する段階をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
段階(c)は、シングル入力・マルチ出力(SIMO)及びマルチ入力・マルチ出力(MIMO)処理の少なくとも一方を含む処理を実行する段階をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１４】
前記第1ゲートウェイ、前記第2ゲートウェイ、及び前記サーバを、通信ネットワークを介して接続する段階をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１５】
段階(b)は、前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイの少なくとも一方により、電離層から反射された前記RF信号の1つを受信する段階を含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１６】
前記第1ノードにより、3メガヘルツと30メガヘルツ(MHz)との間の低電力RF信号を、前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイの少なくとも一方まで10キロメートルを上回る送信経路を介して送信する段階をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１７】
段階(c)は、信号フィルタリング、混信阻止、復元、暗号化、解読、前方誤り訂正(FEC)、符号化、復号化、ビーム形成、及びアンテナダイバーシティ処理のうち少なくとも1つを含む処理を実行する段階をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１８】
前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイから別個に受信された前記被変調信号を、当該被変調信号を組み合わせるために、前記サーバによって時刻同期する段階をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１９】
前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイから受信された前記被変調信号から干渉信号を、前記サーバによって除去する段階をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項２０】
段階(a)は、前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイによって、前記被変調信号を、前記第1ノードからの直接経路、地上波経路、及び電離層反射のうち少なくとも2つを介して送信されるRF信号として受信する段階をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、2012年11月30日付けで提出された「分散型無線通信ネットワークの方法及びシステム(METHODS AND SYSTEMS FOR A DISTRIBUTED RADIO COMMUNICATIONS NETWORK)」と題した米国特許出願第 13/690,602号の利益及び優先権を主張し、その全体はここに引用して援用する。
【０００２】
技術分野
本開示は、概してデータの分散収集の方法及びシステムに関する。特に、本開示は、分散型無線通信ネットワークの方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
無線センサネットワーク(WSN)などの従来のデータ収集ネットワークは、典型的には低コスト且つ/又は低電力を目指したセンサノードを用いて分散型モニタリングを実現する。こうしたネットワークの地理学的距離は限られることがあり、メッシュ網などでは多くのノードを介した多重反射伝搬を用いることがある。データ収集ネットワークによっては、動作不能ノード及び/又は低信号対雑音比のため、時としてネットワーク機能障害に陥るものがある。さらに、ある種の従来型データ収集ネットワークは、当該ネットワークをサポートするために配置されるノードの数、データを集め若しくは処理するための専用ハードウェア、並びに/又はこれら遠隔ノードの維持/アップグレードによってそのコストが増大してしまう。農業、天気予報、災害管理、及び国土安全保障を含む多数の産業において、広範囲にわたるリアルタイムの環境データ収集は成功の鍵である。しかし、セルラー式又は衛星メッシュネットワークを含む既存の無線技術は、モニタリング用途で普及するための距離を備えていないか、コスト高になりすぎる。
【発明の概要】
【０００４】
幾つかの態様において、本願は、分散型無線通信ネットワークを提供するための方法及びシステムに関する。こうしたネットワークは、広汎性（pervasive）無線センサネットワーク又はマシン間（M2M）ネットワークを含むことができる。分散型無線通信ネットワークの幾つかの実施形態は、ソフトウェア無線(SDR)を用いて実装できる。SDRは、通常は無線ハードウェアで実現される機能(例えば、ミキシング、フィルタリング、増幅、変調/復調、検波、復号化、及び符号化)をソフトウェアで実装できる。無線周波数(RF)信号は、デジタル領域へ或いはデジタル領域からアナログ・デジタル(A/D)変換器及びデジタル・アナログ(D/A)変換器を介して変換できる。SDRを使用することで、アンテナにより受信されたRF信号は、A/D変換器によるサンプリングの前に、フィルタリング及び/又は増幅できる。ソフトウェアアプリケーションを実行するプロセッサは、このA/D変換器からのサンプルを処理でき、送信された情報を再構築できる。反対の処理を行えば、送信される情報を用いて、D/A変換器に印加される送信波形のサンプルを構築できる。すると、このD/A変換器の出力は、アンテナに印加される前にフィルタリング且つ増幅できる。デジタル又はアナログ周波数変換のための諸ステップを用いて、サンプルを所望の動作周波数に又は所望の動作周波数から変換できる。幾つかの無線通信応用例では、一部又はすべての受信機機能を、アンテナ及びRF電子機器回路から遠く離れた位置で実行するのが望ましいことがある。これは、幾つかの受信機能の複雑性によって高価な処理システム(例えば、MIMO/MISO/SIMO用途)が必要とされる場合に起こりうる。これらの機能を受信機で実行するよりは、RF情報のサンプルを収集し、それらをネットワークを介して中央位置のようなSDR処理が配置され且つ/又は多数の無線/アンテナ間で共有できる位置に送信することが有利となる場合がある。
【０００５】
幾つかの態様において、本明細書で開示されたように、幾つかのSDRの特徴は、分散型無線通信ネットワーク内で動作する特定の装置に集中させてもよいし、それら装置に選択的に割当て且つ/又は分担させてもよい。幾つかの実施形態では、特定のSDR機能の更新は、ネットワークを介して異なる位置に配布するのでなく、これらSDR機能をホストする1つの中央装置(又は複数の装置)に差し向けることができる。こうした更新は、ネットワークを介して送信でき、場合によっては無線送信できる。そうしたSDR構成によって、例えば、専用ハードウェア又はすべてのノードで全機能を備えたSDRを導入することに比べると、より管理が容易な維持及び更新が可能となりうる。本開示は、電離層伝搬に関連したドップラー及び多重通路などの障害に対処し、多数の位置で受信されたデータを組み合わせることで通信リンクマージンを向上させうるシステム及び方法も記載する。
【０００６】
一態様において、本開示は、センサノードが低コストの送受信用電子機器回路及び小型で非効率的なアンテナである無線センサネットワーク(WSN)を実現するために、分散型無線通信ネットワークを実現するシステムを記載する。ノードには、気温、湿度、若しくは他の気象条件、例えば河川の水量若しくは水質、温度、含水率、塩分濃度、又は他のパラメータのような土壌若しくは他の地質学的構成要素の特性などの環境の諸側面を測定する様々なセンサを装備できる。記載した分散型無線通信ネットワークは、多数のアンテナを協力しあう方式で使用することで、その送信を単一のアンテナ及び単一の受信機では検波できないようなノードからのノード送信を受信できる。同様に、送信は、任意の1つのゲートウェイアンテナからの低電力送信を用いつつ多数のゲートウェイアンテナからの非常に低い電力の信号を用いることで、ネットワークから任意ノードまで送ることができる。別の態様では、本開示は、地上波及び電離層伝搬が可能な30 MHz未満の周波数をノード送信が利用する分散型無線通信ネットワークの方法を記載する。電離層伝搬には、近垂直入射天空電波(NVIS)又は長光路上空波モードが関わることがある。分散アンテナのネットワークを使用することによって、ノード送信が行われ、さらに特定の伝搬モードを促進する送信ノードから様々な距離に配置できるゲートウェイアンテナの分散的性質によって、こうしたノード送信は1つ又は多数のノードで同時に受信できる。
【０００７】
さらに別の態様において、本開示は、分散型無線通信ネットワークを提供するための方法に関する。この方法は、データの少なくとも一部を含む被変調信号を地理的に分散した複数のノードの第1ノードから、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイのそれぞれによって別個に受信する段階を含むことができる。これら被変調信号は、第1ノードから無線周波数(RF)信号として無線送信でき、このデータは第1位置において第1ノードによって収集又は生成される。サーバは、これら被変調信号を第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイから受信できる。このサーバはソフトウェア無線(SDR)ソフトウェアによって構成されており、上記データを回復するために、別個に受信した被変調信号を処理できる。この処理は、これら被変調信号の復調を含むことができる。
【０００８】
幾つかの実施形態では、第1ゲートウェイは、当該第1ゲートウェイにより受信された被変調信号を圧縮でき、その圧縮された被変調信号をサーバに伝達することができる。このサーバは、シングル入力・マルチ出力(SIMO)及びマルチ入力・マルチ出力(MIMO)処理の少なくとも一方を含む処理を実行できる。このサーバは、信号フィルタリング、混信阻止、復元、暗号化、解読、前方誤り訂正(FEC)、符号化、復号化、ビーム形成、及びアンテナダイバーシティ処理のうち少なくとも1つを含む処理を実行できる。幾つかの実施形態では、これら第1ゲートウェイ、第2ゲートウェイ、及びサーバは、通信ネットワークを介して接続されている。
【０００９】
幾つかの実施形態では、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイの少なくとも一方は、電離層から反射されたRF信号の1つを受信できる。第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイは、被変調信号を、第1ノードからの直接経路、地上波経路、及び電離層反射のうち少なくとも2つを介して送信されるRF信号として受信できる。第1ノードは、3メガヘルツ(MHz)と30メガヘルツとの間の低電力RF信号を、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイの少なくとも一方まで10キロメートルを上回る送信経路を介して送信できる。サーバは、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイから別個に受信された被変調信号を、これら被変調信号を組み合わせるため時刻同期できる。サーバは、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイから受信された被変調信号から干渉信号を識別且つ除去できる。
【００１０】
さらに別の態様において、本開示は、分散型無線通信ネットワークを提供するためのシステムに関する。このシステムは、地理的に分散した複数のノードの第1ノードを含むことができる。第1ノードは、第1位置でデータを収集又は生成できる。第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイは、このデータの少なくとも一部を含む被変調信号を第1ノードから別個に受信できる。これら被変調信号は、第1ノードから無線周波数(RF)信号として無線送信すればよい。幾つかの実施形態では、サーバは、これら被変調信号を第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイから受信できる。このサーバは、データを回復するために別個に受信した被変調信号を処理するようソフトウェア無線(SDR)ソフトウェアによって構成できる。この処理は、これら被変調信号の復調を含むことができる。
【００１１】
幾つかの実施形態では、第1ゲートウェイは、当該第1ゲートウェイにより受信された被変調信号を圧縮し、その圧縮された被変調信号を前記サーバに伝達できる。このサーバは、シングル入力・マルチ出力(SIMO)及びマルチ入力・マルチ出力(MIMO)処理の少なくとも一方を含む処理を実行するようSDRソフトウェアによって構成できる。幾つかの実施形態では、これら第1ゲートウェイ、第2ゲートウェイ、及びサーバは、通信ネットワークにより接続されている。第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイの少なくとも一方は、電離層から反射されたRF信号の1つを受信できる。第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイは、被変調信号を、第1ノードからの直接経路、地上波経路、及び電離層反射のうち少なくとも2つを介して送信されるRF信号として受信できる。
【００１２】
幾つかの実施形態では、第1ノードは、3メガヘルツ(MHz又はメガHz)と30メガヘルツとの間の低電力RF信号を、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイの少なくとも一方まで10キロメートルを上回る送信経路を介して送信する。サーバは、信号フィルタリング、混信阻止、復元、暗号化、解読、前方誤り訂正(FEC)、符号化、復号化、ビーム形成、及びアンテナダイバーシティ処理のうち少なくとも1つを含む被変調信号の処理を実行できる。このサーバは、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイから別個に受信された被変調信号を、これら被変調信号を組み合わせるため時刻同期できる。幾つかの実施形態では、このサーバは、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイから受信された被変調信号から干渉信号を識別且つ除去する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本開示の上述及びその他の目的、側面、特徴、並びに利点は、添付の図面と共に次の説明を参照すればより良く理解できるはずである。
【図１】図1Aは、リモートマシンと通信するクライアントマシンを含むネットワーク環境の一実施形態を示すブロック図である。  図1B及び1Cは、本明細書に記載された方法及びシステムに関連して有用な計算装置の実施形態を示すブロック図である。
【図２】図2Aは、分散型無線通信ネットワークの一実施形態を示すブロック図である。  図2Bは、複数のゲートウェイからの信号を合成するよう適用された幾つかのステップの一例を示すフローチャートである。  図2Cは、干渉信号の影響を除去するよう適用された幾つかのステップの一例を示すフローチャートである。  図2Dは、無線センサノードの一実施形態を示すブロック図である。  図2Eは、無線センサノードの別の実施形態を示すブロック図である。  図2F及び2Gは、ノード送信を受信し且つ処理するためのゲートウェイの実施形態のブロック図である。  図2Hは、SDRサーバの一実施形態のブロック図を示す。  図2Iは、エンドユーザアプリケーションのデータフローチャートの一実施形態を示す。  図2Jは、分散型無線通信ネットワークの方法に関するフローチャートの一実施形態を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
下記の様々な実施形態の説明を読むにあたり、明細書の各節の次の説明及びそれぞれの内容が役に立つことがある。
【００１５】
・A節は、本明細書で記載する実施形態を実施するのに有用となりうるネットワーク環境及び計算環境の説明である。
【００１６】
・B節は、分散型無線通信ネットワークの方法及び装置の実施形態の説明である。
【００１７】
A. 計算及びネットワーク環境
本解決策の具体的な実施形態を説明する前に、動作環境と本明細書で説明する方法及びシステムに関する関連したシステム構成要素(例えば、ハードウェア要素)の諸側面を説明すると有益かもしれない。図1Aを参照すると、ネットワーク環境の一実施形態が図示されている。概説すると、ネットワーク環境は、1つ又は複数のサーバ106a〜106n (概して1つ又は複数のサーバ106、1つ又は複数のノード106又は1つ又は複数のリモートマシン106とも呼ぶ)と、1つ又は複数のネットワーク104を介して通信する、1つ又は複数のクライアント101a〜101n(概して1つ又は複数のローカルマシン101、1つ又は複数のクライアント101、1つ又は複数のクライアントノード101、1つ又は複数のクライアントマシン101、1つ又は複数のクライアントコンピュータ101、1つ又は複数のクライアント装置101、1つ又は複数の端点101、又は1つ又は複数の端点ノード101とも呼ぶ)を含む。幾つかの実施形態では、クライアント101は、サーバにより与えられるリソースにアクセスを求めるクライアントノードとして、さらにホストされたリソースを他のクライアント101a〜101nに提供するサーバとして機能する能力を備えている。
【００１８】
図1Aは、クライアント104とサーバ106との間にネットワーク104 が存在していることを示しているが、クライアント101及びサーバ106は同一のネットワーク104上に存在していてもよい。ネットワーク104は、企業イントラネットのようなローカルエリアネットワーク（LAN）、都市域ネットワーク(MAN)、インターネット又はワールドワイドウェブのようなワイドエリアネットワーク（WAN）、でよい。幾つかの実施形態では、クライアント101とサーバ106との間には多数のネットワーク104が存在する。これらの実施形態のうちの1つでは、ネットワーク104’(図示しない)は私設ネットワークでよく、ネットワーク104は公衆ネットワークでよい。これらの実施形態のうちの他のものでは、ネットワーク104は私設ネットワークでよく、ネットワーク104’は公衆ネットワークでよい。これらの実施形態のうちさらに別のものでは、ネットワーク104及び104’は両方とも私設ネットワークでよい。
【００１９】
ネットワーク104は、任意種類及び/又は形式のネットワークでよく、2地点間ネットワーク、同報ネットワーク、ワイドエリアネットワーク、ローカルエリアネットワーク、遠隔通信ネットワーク、データ通信ネットワーク、コンピュータネットワーク、ATM(非同期伝送モード)ネットワーク、SONETネットワーク（同期光通信ネットワーク）、SDH(周期デジタルハイアラーキ)ネットワーク、無線ネットワーク、及び有線ネットワークのうち任意のものを含むことができる。幾つかの実施形態では、ネットワーク104は、赤外線チャンネル又はサテライトバンドなどの無線リンクを含むことができる。ネットワーク104のトポロジーは、バス、スター、又はリングネットワークトポロジーでよい。ネットワーク104は、本明細書に記載した動作をサポート可能な通常の技能を備えた当業者に既知の任意ネットワークトポロジーでよい。このネットワークは、AMPS、TDMA、CDMA、GSM（登録商標）、GPRS、UMTS、WiMAX、3G、又は4Gを含む携帯デバイス間の通信に用いられる任意の1つ又は複数のプロトコル又は規格を利用する携帯電話ネットワークを含むことができる。幾つかの実施形態では、異なる種類のデータを異なるプロトコルを介して送信してよい。他の実施形態では、同じ種類のデータを異なるプロトコルを介して送信してよい。
【００２０】
幾つかの実施形態では、このシステムは、多数の、論理的にグループ分けされたサーバ106を含むことができる。これらの実施形態の1つでは、このサーバ論理グループは、サーバファーム38又はマシンファーム38と呼ぶことができる。これら実施形態の別のものでは、サーバ106は地理的に分散していてもよい。他の実装例では、マシンファーム38は単一の実体として管理できる。さらに別の実施形態では、マシンファーム38は複数のマシンファーム38を含んでいる。各マシンファーム38内のサーバ106は異種のものとしてよく、すなわち、1つ又は複数のサーバ106又はマシン106は、一種類のオペレーティングシステム・プラットフォーム(例えば、ワシントン州レッドモンド所在のマイクロソフト社が製造するウィンドウズ（登録商標）)に従って動作できるものとし、1つ又は複数の他のサーバ106は別の種類のオペレーティングシステム・プラットフォーム(例えば、ユニックス又はリナックス（登録商標）)に従って動作できるものとしてもよい。
【００２１】
一実施形態では、マシンファーム38のサーバ106は、関連した格納システムと共に高密度ラックシステム内に格納し、企業データセンター内に配置してもよい。この実施形態では、サーバ106をこのように集約すると、サーバ106及び高性能格納システムを局所的高性能ネットワーク上に配置することで、システムの管理性、データ安全性、システムの物理的安全性、及びシステムの性能を向上させられる。サーバ106及び格納システムを集中化し、それらを高度システム管理ツールと組み合わせることで、サーバリソースがより効率的に使用できるようになる。
【００２２】
各サーバマシンファーム38のサーバ106は、同一マシンファーム38内の別のサーバ106と物理的に近接している必要はない。よって、マシンファーム38として論理的にグループ化されたサーバ106のグループは、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）接続又は都市域ネットワーク(WAN)接続を用いて相互接続すればよい。例えば、マシンファーム38は、異なる大陸、又は1つの大陸、国、州、市、キャンパス、若しくは部屋の異なる部分に物理的に配置されたサーバ106を含むことができる。サーバ106が、ローカルエリアネットワーク（LAN）接続又はなんらかの形式の直接接続を用いて接続されていれば、マシンファーム38内のサーバ106間のデータ通信速度は高速化できる。また、異種マシンファーム38は、一種類のオペレーティングシステムに従って動作する1つ又は複数のサーバ106を含むことができる一方、1つ又は複数の他のサーバ106は、オペレーティングシステムでなく、1つ又は複数種類のハイパーバイザーを実行する。これらの実施形態では、ハイパーバイザーを用いて仮想ハードウェアをエミュレートし、物理ハードウェアを区切り、物理ハードウェアを仮想化し、計算環境へのアクセスを実現する仮想マシンを実行できる。ハイパーバイザーはカリフォルニア州パロアルト所在のVMウェア(VMWare)社によって製造されているもの、その開発がシトリックスシステムズ(Citrix Systems)社により管理されているゼン(Xen)ハイパーバイザー、及びマイクロソフト社又は他社から提供されるバーチャルサーバ(VirtualServer)又は仮想PCハイパーバイザーを含むことができる。
【００２３】
マシンファーム38を管理するため、マシンファーム38内のサーバ106の性能の少なくとも1つの側面をモニタすべきである。典型的には、各サーバ106に掛かる負荷又は各サーバ106上で実行されるセッションの状態がモニタされる。幾つかの実施形態では、集中サービスがマシンファーム38の管理を実現できる。この集中サービスは、複数のサーバ106に関する情報を収集且つ格納し、サーバ106がホストするリソースへのアクセス要求に応答し、クライアントマシン101とサーバ106との間の接続を確立可能とすることができる。
【００２４】
マシンファーム38の管理は非集中化してよい。例えば、1つ又は複数のサーバ106は、マシンファーム38の1つ又は複数の管理サービスをサポートするための構成要素、サブシステム、及びモジュールを含むことができる。これら実施形態の1つでは、1つ又は複数のサーバ106は、フェイルオーバー、データ複製を含む動的データの管理、及びマシンファーム38の頑強性増大に関わる機能を提供する。各サーバ106は永続ストアと通信でき、幾つかの実施形態では動的ストアと通信できる。 
【００２５】
サーバ106は、ファイルサーバ、アプリケーションサーバ、ウェブサーバ、プロキシサーバ、アプライアンス、ネットワークアプライアンス、ゲートウェイ、ゲートウェイ、ゲートウェイサーバ、仮想化サーバ、デプロイメントサーバ、SSL VPNサーバ、又はファイアウォールでよい。一実装例では、サーバ106はリモートマシン又はノードと呼ぶことができる。別の実施形態では、複数のノード290が任意の2つの通信サーバの間の経路に配置されていてもよい。
【００２６】
一実施形態では、サーバ106がウェブサーバの機能を実現する。別の実施形態ではサーバ106aはクライアント101から要求を受け取り、それら要求を第2サーバ206bに転送し、クライアント101からの要求にサーバ106bからの要求への応答で応答する。さらに別の実施形態では、サーバ106は、クライアント101が利用できるアプリケーションの目録と、そのアプリケーションの目録で識別されたアプリケーションをホストするサーバ106’に関連付けられたアドレス情報とを入手する。さらに別の実施形態では、サーバ106はウェブインターフェースを用いてクライアント101に要求への応答を提示する。一実施形態では、クライアント101は、識別されたアプリケーションにアクセスするためサーバ106と直接通信する。別の実施形態では、クライアント101は、識別されたアプリケーションのサーバ106上での実行によって生成される表示データのような出力データを受け取る。
【００２７】
クライアント101及びサーバ106は、任意種類及び形式のネットワーク上で通信し且つ本明細書に記載した動作を実行可能な、コンピュータ、ネットワークデバイス、又はアプライアンスなどの任意種類及び形式の計算装置として配置且つ/又はそうしたデバイス上で実行できる。図1B及び1Cは、クライアント101又はサーバ106の一実施形態を実施するのに有用な計算装置100のブロック図を示す。図1B及び1Cに示したように、各計算装置100は中央演算処理装置121及び主メモリユニット122を含んでいる。図1Bに示したように、計算装置100は、記憶装置128と、インストール装置116と、ネットワークインターフェース118と、入出力制御装置123と、表示装置124a〜101nと、キーボード126と、マウスなどのポインティングデバイス127とを含むことができる。記憶装置128は、要求側プラットフォームのオペレーティングシステムと、ソフトウェアと、ソフトウェアとを含むことができるが、それらに限定されない。図1Cに示したように、各計算装置100は、さらにメモリポート103と、ブリッジ170と、1つ又は複数の入出力装置130a〜130n (概して参照番号130を用いて示す)と、中央演算処理装置121と通信するキャッシュメモリ140などの付加的なオプション要素を含むことができる。
【００２８】
中央演算処理装置121は、主メモリユニット122から取りだした命令に応答し、それらを処理する任意の論理回路でよい。多くの実施形態で、中央演算処理装置121は、カリフォルニア州マウンテンビュー所在のインテル社により製造されるもの、イリノイ州ショウムバーグ所在のモトローラ社、ニューヨーク州ホワイトプレーンズ在住のインターナショナルビジネスマシーンにより製造されるもの、又はカリフォルニア州サニーベール所在のアドバンストマイクロデバイスにより製造されるものなどのマイクロプロセッサユニットにより実現される。計算装置100は、これらプロセッサの何れか又は本明細書に記載された動作が可能な他の任意プロセッサに基づくものとすればよい。
【００２９】
主メモリユニット122は、スタティックRAM(SRAM)、バーストSRAM又はシンクバーストSRAM(BSRAM)、ダイナミックRAM(DRAM)、高速ページモードDRAM (FPM DRAM)、エンハンストDRAM (EDRAM)、拡張データ出力RAM (EDO RAM), 拡張データ出力DRAM (EDO DRAM)、バースト拡張データ出力DRAM (BEDO DRAM)、エンハンストDRAM (EDRAM)、シンクロナスDRAM(SDRAM)、JEDEC SRAM、PC 100 SDRAM、ダブルデータレート方式SDRAM (DDR SDRAM)、エンハンストSDRAM (ESDRAM)、シンクリンクDRAM(SLDRAM)、ダイレクトラムバスDRAM (DRDRAM)、強誘電RAM(FRAM（登録商標）)、NANDフラッシュ、NORフラッシュ、及びソリッドステートドライブ(SSD)などのデータを格納し且つマイクロプロセッサ121による任意の記憶位置への直接アクセスを可能とする1つ又は複数のメモリチップでよい。主メモリ122は、上述のメモリチップの何れか又は本明細書に記載された動作が可能な他の入手可能な任意メモリチップに基づくものとすればよい。図1Bに示した実施形態では、プロセッサ121は、システムバス150を介して主メモリ122と通信する(後に詳述する)。図1Cは、内部でプロセッサがメモリポート103を介して主メモリ122と直接通信する、計算装置100の一実施形態を示す。たとえば、図1Cでは、主メモリ122はDRDRAMである。
【００３０】
図1Cは、主プロセッサ121が、バックサイドバスと呼ばれることもある二次バスを介してキャッシュメモリ140と直接通信する実施形態を示す。他の実施形態でも、主プロセッサ121は、システムバス150を用いてキャッシュメモリ140と通信する。キャッシュメモリ140は、典型的には主メモリ122よりも高速な応答時間を備え、典型的にはSRAM、BSRAM、又はEDRAMによって実現される。図1Cに示した実施形態では、プロセッサ121は、ローカルシステムバス150を介して入出力装置130と通信する。VESA VLバス、ISAバス、EISAバス、マイクロチャンネルアーキテクチャ(MCA)バス、PCIバス、PCI-Xバス、PCIエクスプレスバス、又はNuBusを含む様々なバスを使用して中央演算処理装置121を入出力装置130の何れかに接続できる。入出力装置がビデオ表示装置124である実施形態では、プロセッサ121は、アドバンストグラフィックスポート(AGP)を用いて表示装置124と通信すればよい。図1Cは、プロセッサ121が例えばHYPERTRANSPORT、RAPIDIO、又はINFINIBAND通信技術を介して入出力装置130bと直接通信できる、計算装置100の一実施形態を示す。図1Cは、ローカルバスと直接通信が混在した、すなわち、プロセッサ121がローカル相互接続バスを用いて入出力装置130aと通信する一方、入出力装置130bと直接通信する一実施形態を示している。
【００３１】
多種多様な入出力装置130〜130nが、計算装置100に含まれることがある。入力装置には、キーボードと、マウスと、トラックパッドと、トラックボールと、マイクロフォンと、ダイアルと、タッチパッドと、作図タブレットとが含まれる。出力装置には、ビデオ表示装置と、スピーカと、インクジェットプリンタと、レーザプリンタと、プロジェクタと、昇華型プリンタが含まれる。入出力装置は、図1Bに示したように入出力制御装置123により制御できる。この入出力制御装置は、キーボード126及びマウス又は光学ペンのようなポインティングデバイス127などの1つ又は複数の入出力装置を制御できる。さらに、入出力装置は、計算装置100に記憶機構及び/又はインストール媒体116を提供できる。
さらに別の実施形態では、計算装置100は、カリフォルニア州ロスアラモイトス所在のツインテックインダストリ社が製造するUSBフラッシュドライブ装置などの手持ちUSB記憶装置を収容するUSB接続部(図示しない)を備えている。
【００３２】
図1Bを再び参照すると、計算装置100は、ディスクドライブ、CD-ROMドライブ、CD-R/RWドライブ、DVD-ROMドライブ、フラッシュメモリドライブ、様々なフォーマットのテープドライブ、USBドライブ、ハードドライブ、又はソフトウェア及びプログラムのインストールに適した他の任意適切な装置などの任意適切なインストール装置116をサポートできる。計算装置100は、オペレーティングシステム及び他の関連したソフトウェアを記憶したり、要求側プラットフォームのソフトウェア120に関連した任意プログラムなどのアプリケーション・ソフトウェアプログラムを記憶したりするための1つ又は複数のハードディスドライブ又は独立ディスクの冗長アレイのような記憶装置をさらに含んでもよい。オプションで、インストール装置116の何れかをこの記憶装置として使用してもよい。さらに、これらオペレーティングシステム及びソフトウェアは、例えばブート可能なCDのようなブート可能な媒体から走らせることができる。
【００３３】
更に、計算装置100は、標準電話回線、LAN又はWANリンク(例えば、802.11、T1、T3、56kb、X.25、SNA、DECNET)、ブロードバンド接続(例えば、ISDN、フレームリレー、ATM、ギガビットイーサネット（登録商標）、イーサネット（登録商標）オーバーSONET)、ワイヤレス接続、又は上述のいずれか若しくはすべての組み合わせを含む様々な接続を介してネットワーク104のインターフェースとなるネットワークインターフェース118を含むことができる。接続は、様々な通信プロトコル(例えば、TCP/IP、IPX、SPX、NetBIOS、イーサネット（登録商標）、ARCNET、SONET、SDH、光ファイバ分散データインタフェース(FDDI)、RS232、IEEE 802.11、IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n、CDMA、GSM（登録商標）、WiMax、及び直接非同期接続)を用いて確立できる。一実施形態では、計算装置100は、セキュアソケットレイヤー(SSL)又はトランスポートレイヤー・セキュリティ(TLS)或いはフロリダ州フォートローダーデールに所在のシトリックスシステムズ社が製造するシトリックスゲートウェイ・プロトコルなどの任意種類且つ/又は形式のゲートウェイ又はトンネリング・プロトコルを介して他の計算装置100’と通信する。ネットワークインターフェース118は、計算装置100を、通信能力を備え且つ本明細書に記載した動作を実行できる任意種類のネットワークにインターフェース接続するのに適した内蔵式ネットワークアダプタ、ネットワーク・インターフェースカード、PCMCIAネットワークカード、カードバス・ネットワークアダプタ、ワイヤレスネットワークアダプタ、USBネットワークアダプタ、モデム若しくは他の任意装置を含むことができる。
【００３４】
幾つかの実施形態によれば、計算装置100は、それぞれが同一又は異なる種類及び/又は形式でよい多数の表示装置124a〜124nを含んでもよいし、或いはそれらに接続されていてもよい。従って、任意の入出力装置130a〜130n及び/又は入出力装置123は、計算装置100による多数の表示装置124a〜124nの接続又は使用をサポートし、そうした接続又は使用を可能とし、実現するための任意種類及び/又は形式の適切なハードウェア、ソフトウェア、ハードウェアとソフトウェアの組合せを含むことができる。例えば、計算装置100は、表示装置124a〜124nとインターフェースをとり、通信し、接続し、それ以外の様態でそれら装置を使用する任意種類及び/又は形式のビデオアダプタ、ビデオカード、ドライバ、及び/又はライブラリを含むことができる。一実施形態では、ビデオアダプタは、多数の表示装置124a〜124nとインターフェースをとるための多数のコネクタを含むことができる。他の実施形態では、計算装置100は多数のビデオアダプタを含むことができ、それぞれのビデオアダプタが表示装置124a〜124nのうち1つ又は複数に接続される。幾つかの実施形態では、計算装置100のオペレーティングシステムの任意部分は、多数の表示装置124a〜124nを使用するために構成できる。他の実施形態では、表示装置124a〜124nのうち少なくとも1つは、例えばネットワークを介して計算装置100に接続された計算装置100a及び100bなどの1つ又は複数の他の計算装置が提供してもよい。これら実施形態は、別のコンピュータの表示装置を計算装置100の第2表示装置124aとして使用するよう設計且つ構成された任意種類のソフトウェアを含むことができる。通常の技能を備えた当業者であれば、多数の表示装置124a〜124nを備えるように計算装置100を構成できる様々な方法及び実施形態を認め且つ理解するはずである。
【００３５】
別の実施形態では入出力装置130は、システムバス150と、USBバス、アップルデスクトップバス、RS-232直列接続、SCSIバス、ファイヤーワイヤーバス、ファイヤーワイヤー800バス、イーサネット（登録商標）バス、アップルトークバス、ギガビットイーサネット（登録商標）バス、非同期転送モードバス、ファイバーチャンネルバス、シリアルアタッチド小型コンピュータシステムインタフェースバス、又はHDMI（登録商標）バスなどの外部通信バスとの間のブリッジとしてもよい。
【００３６】
図1B及び1Cに示した種類の計算装置100は、典型的にはタスクのスケジューリング及びシステムリソースへのアクセスを制御するオペレーティングシステムの制御下で動作する。計算装置100は、マイクロソフトのウィンドウズ（登録商標）オペレーティングシステムの任意バージョン、ユニックス及びリナックス（登録商標）オペレーティングシステムの様々なリリース、マッキントッシュコンピュータ用のマックOSの任意バージョン、任意の埋込オペレーティングシステム、任意のリアルタイムオペレーティングシステム、任意のオープンソース・オペレーティングシステム、任意の所有権を主張できるオペレーティングシステム、モバイル計算装置用の任意のオペレーティングシステム、又は当該計算装置上で実行可能且つ本明細書に記載する動作を実行可能な他の任意のオペレーティングシステムを実行するものでよい。典型的なオペレーティングシステムは、グーグル社が製造するアンドロイド、ワシントン州レッドモンド所在のマイクロソフト社が製造するウィンドウズ（登録商標）7及び8、カリフォルニア州キューパーティーノ所在のアップルコンピュータが製造するマックOS、リサーチインモーション(RIM)が製造するウェブOS、ニューヨーク州アーモンク所在のインターナショナルビジネスマシーンが製造するOS/2、ユタ州ソルトレイクシティ所在のカルデラ社が配布する無料で入手可能なオペレーティングシステムであるリナックス（登録商標）、又は任意種類及び/若しくは形式のユニックスオペレーティングシステムなどを含むが、それらには限定されない。
【００３７】
コンピュータシステム100は、任意のワークステーション、電話、デスクトップコンピュータ、ラップトップ若しくはノートブックコンピュータ、サーバ、手持ち型コンピュータ、携帯電話若しくは他の携帯型遠距離通信装置、メディア演奏装置、ゲーミングシステム、携帯型計算装置、又は通信能力を備えた任意種類及び/若しくは形式の計算、遠距離通信、若しくはメディア装置でよい。コンピュータシステム100は、本明細書に記載された動作を実行するのに十分なプロセッサ能力及び記憶容量を備えている。例えば、コンピュータシステム100は、カリフォルニア州キューパーティーノ所在のアップルコンピュータが製造するIP AD又はアイポットファミリの装置、日本国東京所在のソニー株式会社が製造するプレイステーションファミリの装置、日本国京都所在の任天堂株式会社が製造するニンテンドウ/ウィーファミリの装置、又はワシントン州レッドモンド所在のマイクロソフト社が製造するエックスボックス装置を含むことができる。
【００３８】
幾つかの実施形態では、計算装置100は、当該装置と整合性がある異なるプロセッサ、オペレーティングシステム、及び入力装置を備えていればよい。例えば、一実施形態では、計算装置100はスマートフォン、携帯型装置、タブレット又は携帯情報端末である。さらに別の実施形態では、計算装置100は、アンドロイドに基づく携帯型装置、カリフォルニア州キューパーティーノ所在のアップルコンピュータが製造するスマートフォンであるアイフォン、又はリサーチインモーション社が製造する装置のようなブラックベリー手持ち若しくはスマートフォンである。更に、計算装置100は、通信能力を備えると共に本明細書に記載した動作を実行するのに十分なプロセッサ能力及び記憶容量を備えたワークステーション、デスクトップコンピュータ、ラップトップ若しくはノートブックコンピュータ、サーバ、手持ち式コンピュータ、携帯電話、任意の他のコンピュータ、若しくは他の形式の計算装置若しくは通信装置でよい。
【００３９】
幾つかの実施形態では、計算装置100はデジタルオーディオプレーヤーである。これら実施形態のうちの１つでは、計算装置100は、カリフォルニア州キューパーティーノ所在のアップルコンピュータが製造するアップルアイパッド（登録商標）のようなタブレット、又はアップルアイポッド（登録商標）装置のようなデジタルオーディオプレーヤーである。これら実施形態の別のものでは、このデジタルオーディオプレーヤーは、携帯型メディアプレーヤー及び大容量記憶装置として機能できる。他の実施形態では、計算装置100は、MP3プレーヤーのようなデジタルオーディオプレーヤーである。さらに別の実施形態では、計算装置100は、MP3、WAV、M4A/AAC、WMA保護AAC、AIFF、オーディブルオーディオブック、アップル・ロスレスオーディオファイル形式、並びに.mov、.m4v、及び.mp4 MPEG-4 (H.264/MPEG-4 AVC)ビデオファイル形式を含むがそれらに限定されないファイル形式をサポートする携帯型メディアプレーヤー又はデジタルオーディオプレーヤーである。
【００４０】
幾つかの実施形態では、通信装置101は、デジタルオーディオプレーヤー又は携帯型メディアプレーヤーと組み合わせた携帯電話などの複数装置の組合せを含む。さらに別の実施形態では、通信装置101は、例えば、アップルコンピュータが製造するアイフォン又はリサーチインモーション社が製造するブラックベリー装置のようなスマートフォンである。さらに別の実施形態では、通信装置101は、ウェブブラウザと電話通信ヘッドセットなどのマイク・スピーカシステムとを搭載したラップトップ又はデスクトップコンピュータである。これらの実施形態では、通信装置101はウェブに対応しており、通話を受信し且つ開始できる。
【００４１】
幾つかの実施形態では、ネットワーク104における1つ又は複数のマシン101、106の状態は、概してネットワーク管理の一貫としてモニタリングされる。これらの実施形態の1つでは、任意マシンの状態は、負荷情報(例えば、マシン上のプロセッサの数、ＣＰＵ及びメモリ利用)、ポート情報（例えば、利用可能な通信ポートの数及びポートアドレス）、又はセッション状態（例えば、プロセスの持続時間及び種類、並びにプロセスが活動中か停止中か）の識別を含むことができる。これらの実施形態の別のものでは、この情報は複数の基準値により識別され、これら複数の基準値は少なくとも一部は、負荷分散、ネットワークトラフィック管理、及びネットワーク障害回復の判断に適用でき、本明細書に記載された解決策の動作の諸側面の判断にも適用できる。上述の動作環境及び構成要素の諸側面は、本明細書に記載したシステム及び方法の文脈で明確になるはずである。
【００４２】
B. 分散型無線通信ネットワーク
本解決策の具体的な実施形態を説明する前に、ソフトウェア無線（SDR）の諸側面を、本明細書で説明する方法及びシステムとの関連で説明すると有益かもしれない。SDRは、通常は無線ハードウェアで実現される機能(例えば、ミキシング、フィルタリング、増幅、変調/復調、検波、復号化、符号化)をソフトウェアで実装できる。一例として、SDRソフトウェアは、無線周波フィルタリング、可聴周波フィルタリング、及び/又は信号の増強（例えば、等化及び両耳分離聴）を実行できる。SDRでは、一定量の信号処理は、専用ハードウェアでなく、例えば汎用プロセッサにより実行できる。従って、様々な機能が、図1A〜1Cに関連して説明したもののような計算装置におけるソフトウェア構成を介して実装できる。
【００４３】
SDRにより構成できるハードウェアは、例えば、埋込み型システム及び利用者書き込み可能グリッドアレイ(FPGA)デバイスを組み込んだシステムを含む。幾つかの応用例及び実装例では、例えばアナログ・デジタル変換器など、本明細書に記載したSDR装置の幾つかの構成要素又は機能は、ハードウェアのままとしてよい。本明細書に記載したSDRソフトウェアは特定目的及び/又は構成可能としてよい。従って、SDRは、様々な無線又は通信プロトコルを送受信できるように構成できる。SDRサーバ107は、Ｃ、アセンブリ言語、パイソン、ジャバ、ベーシック、又は他の言語などの様々なコンピュータ言語で書くことができる。
【００４４】
無線周波数(RF)信号は、デジタル領域へ或いはデジタル領域からアナログ・デジタル(A/D)変換器及びデジタル・アナログ(D/A)変換器を介して変換できる。SDRにおいては、アンテナにより受信されたRF信号は、A/D変換器（例えば、1つ又は複数のソフトウェアディファインド・ハードウェア構成要素）によるサンプリングの前に、（例えば、1つ又は複数のソフトウェアディファインド・ハードウェア構成要素によって）フィルタリング及び増幅できる。ソフトウェアアプリケーションを実行するプロセッサは、このA/D変換器からのサンプルを処理でき、送信された情報を再構築できる。反対の処理を行えば、送信される情報を用いて、D/A変換器（例えば、1つ又は複数のソフトウェアディファインド・ハードウェア構成要素によって実装される）に印加される送信波形のサンプルを構築できる。すると、このD/A変換器の出力は、アンテナに印加される前に（例えば、1つ又は複数のソフトウェアディファインド・ハードウェア構成要素によって）フィルタリング且つ/又は増幅できる。デジタル又はアナログ周波数変換のための諸ステップを用いて、サンプルを所望の動作周波数に又は所望の動作周波数から変換できる（例えば、1つ又は複数のソフトウェアディファインド・ハードウェア構成要素内で）。
【００４５】
本方法及びシステムに関連してここで記載したもののような分散型無線通信ネットワーク構成では、SDRソフトウェア及び/又は関連したアプリケーションは1つ又は複数のネットワークデバイスに導入できる。この分散型無線通信ネットワークは、ワイドエリア若しくは広汎性（pervasive）無線センサネットワーク(WSN)又はマシン間（M2M）ネットワークを含むことができる。こうしたネットワークは、水、天候、及び/又はエネルギーに関する情報をモニタリングし且つ/又は農業、行政、及び防衛分野の顧客に提供するよう構成できる。こうしたネットワークは、生成されたデータを処理及び/又は組合せのために集中ノードに送ることができる。幾つかの実施形態では、このネットワークは、低コストの電池式センサからデータを収集又は受信するクラウドベース・センサネットワーク(以下、「無線クラウド」とも呼ぶ)を含むことができる。複数ゲートウェイからなるネットワークを(例えば、無線クラウドの一部として)配置して、センサ送信を処理センター又はクラウドベースアプリケーションへ中継できるこうした送信は、例えば無線又はそれ以外でもよいIPネットワークを介して中継すればよい。クラウドベース・ウェブサービスプラットフォームにより、エンドユーザは、センサ送信から回復されたデータにアクセス可能となる。
【００４６】
幾つかの実施形態では、分散型無線通信ネットワークのかなりの部分がSDRを用いて実装できる。例えば、幾つかのセンサ、ゲートウェイ、又はそれらの組合せは、専用のSDRソフトウェア及びアプリケーションを使って実装できる。従来のSDRは、典型的にはフロントエンド、デジタル変換、及びソフトウェア機能を単一の装置に組み込むが、この場合、ネットワークのすべての装置が必要なハードウェア及びソフトウェア機能を備えていることに加え、これらすべての構成要素に電力供給する電源を備えることも必要となる。本明細書に記載したSDR解決手段は、特定の装置(例えば中央サーバ)を構成することができ、特定の機能を実現するがすべてを必要とするわけではない。
【００４７】
幾つかの実施形態では、この分散型無線通信ネットワークは、例えば干渉などの機能障害に関するネットワーク規模のデータを中央位置に収集するよう構成されている。この分散型無線通信ネットワークは、多数の位置（例えばゲートウェイ）で受け取られたデータを組み合わせることで通信リンクマージンを向上させることができる。ネットワークにおいて、SDR機能への更新は、コンピュータ媒体（例えば、CD-ROM）の物理的な配布を必要としたり、又は通信ネットワークを介したファイルの多数のダウンロードを必要としたりすることがある。SDRを使用するこの分散型無線通信ネットワークの実施形態は、アンテナダイバーシティ、マルチ入力・マルチ出力(MIMO)、マルチ入力・シングル出力(MISO)、又はシングル入力・マルチ出力(SIMO)などの計算集約型技法を、ネットワーク内の一部又はすべての無線(例えば、センサ又はゲートウェイ)から、ネットワーク内の中心処理ノードへ、又は1つ若しくは複数位置にホストされた特定のアプリケーションへ先送り又は移動させうる。従って、ネットワーク内のすべての無線が、こうした計算集約型技法を扱うための計算ハードウェア及び完全なソフトウェア機能を内蔵している必要はない。
【００４８】
幾つかの無線通信応用例では、一部の受信機機能を、アンテナ及び/又はRF電子機器回路から遠く離れた特定の位置で実行するのが望ましいことがある。これは、幾つかの受信機能の複雑性によって高価な処理システム(例えば、MIMO/MISO/SIMO用途)が必要とされる場合に起こりうる。これらの機能を各受信機（例えば、ゲートウェイ又は中間ノード）で実行するよりは、RF情報のサンプルを収集し、それらをネットワークを介してSDR処理が集中化されるか多数の無線間で共有できる遠隔位置に送信することが有利となる場合がある。
【００４９】
例示目的で、図2Aは、複数のノード(100、101)及び複数のゲートウェイ(102、103)を備えた分散型無線通信ネットワークの一実施形態を示す。ノード100、101は、1つ又は複数のゲートウェイ（102、103）を備えた1つ又は複数の無線チャンネルを介して通信できる。各ゲートウェイ（102、103）は、それぞれの有線又は無線通信リンク116、117及びネットワーク104を介して1つ又は複数のSDRサーバ107に接続できる。
【００５０】
各ゲートウェイは、アンテナと、「フロントエンドモジュール」と、A/D変換器と、D/A変換器と、デジタルアップコンバータと、デジタルダウンコンバータと、ネットワークインターフェースとを含むことができる。SDRサーバ107上で実行する1つ又は複数のソフトウェアモジュール、アプリケーション、又は他の実行可能コードは、ゲートウェイ（102、103）から受け取ったデジタルサンプルを処理したり、ゲートウェイ（102、103）から各ノードへ送信されるサンプルを生成したりできる。少なくとも1人の、場合によっては複数のユーザ（105、106）がネットワーク104に接続できる。ユーザはSDRサーバ107上のモジュールにアクセスして、ノード（100、101）からの情報を閲覧、生成、且つ/又は取り出すことができる。ユーザ105は、ノード100、101により送信されたデータにアクセスできる。非限定的な一例として、ノード100、101は、環境からの幾つかのパラメータ（例えば、水位、気温、湿度、圧力、火災を検出するための赤外線レベル、位置、放射能、騒音レベル、地学的活動など）を測定する無線センサでよい。このネットワークはこうしたデータを収集し、そのデータの一部又は全部をウェブページ、マップ、アプリケーションインターフェース、ブロードキャストなどを介してユーザに提供できる。さらに、ユーザ105は、例えば、閾値を超過すると警告を発する警報レベル（例えば水温）を設定することでモジュール108及びノード100、101と対話できる。ノード100、101は、WSNで使用される従来のセンサ、特注且つ/又は特別構成センサノードなどの、ネットワークを介して情報を送信且つ/又は受信する任意の装置でよい。無線クラウドシステムの幾つかの実施形態は、データを送る送信専用ノードを含むことがあり、他の実施形態は、データを送信することに加え、命令、更新、構成、及び再通信用データを含む通信を受け取るノードを含むことができる。
【００５１】
続けて図2Aを参照すると、ノード100及び101はハードウェア無線及び/又はソフトウェア無線を含むことができる。これらノードは、無線周波数(RF)チャンネルを介して情報を送受信できる。ノードは、単一の(100)又は複数の(101)アンテナを搭載できる。ノード100への且つノード100からの通信112は、ゲートウェイ(102、103)に、地上波伝搬を介して直接的に伝搬し又は達したり、地球の電離層109から反射110、111されたりして高周波(HF)無線ネットワークを形成できる。地上又は表面波伝搬において、無線波は、大気により反射又は屈折されることなく地球表面近くを移動できる。地上波伝播においては、周波数に依存するが、HF信号は強く回折され、地球の湾曲に沿って数十キロメートルの距離まで到達することがある。こうした地上波伝搬は、低周波数における主伝搬モード(dominant propagation mode)を持つことができる。ノードは、見通し内通信方式を使ってデータを送ることもでき、この方式では、無線波は直線的に移動し、高周波において主モードを持つ。
【００５２】
幾つかの側面では、ノードは、データを1つ又は複数のゲートウェイに上空波を介して送信できる。上空波伝搬は、無線スペクトルの上中周波(MF)及び高周波(HF)部分すべてを含む短波無線周波数で発生することがある。上空波伝搬では、電離層から地球に向けて反射又は屈折した無線波の伝搬を活用する。地球の電離層の性質により、HF領域の信号は反射され、長い距離を移動できる。上空波伝搬を用いることで、地球の湾曲にもかかわらず、データを地平線を超えた受信機に大陸間領域まで中継できる。上空波伝搬は、信号が電離層から高い(近垂直入射天空電波)又は低い(長光路)入射角で反射するときに発生する。具体的には、単一の低角度反射を伴う長光路伝搬は、数千キロメートルの送信経路を実現できる。
【００５３】
幾つかの側面では、ノードは、データを1つ又は複数のゲートウェイに近垂直入射天空電波(NVIS)を介して送信でき、NVISは、地上波の通信距離と上空波の距離との間の通信距離をサポートできる(約50〜650km)。NVIS無線波は、1.8 MHz〜15 MHzの周波数を使用できる。NVISの動作は、電離層から反射可能な動作周波数の選択を含むことができ、電離層には太陽放射線のイオン化作用によって日周変化が起きる。NVISの利点としては、対応するRF経路損失が非常に低いため、低出力送信機の使用が可能になることと、NVIS領域を超えた伝搬が大きく減衰されて周波数の再利用に繋がる可能性があることなどがある。ノードがＮＶＩＳを介して送信を行うと、無線波は上方に向かって電離層まで到達し、無線波はそこで下方に屈折され、一定領域内で送信機から650kmまで受信可能である。
【００５４】
電離層伝搬は、RF信号に多くの障害をもたらすことがあり、それらにはドップラー遅延スプレッド、伝搬の時間変化に起因する多重通路、稲妻などの自然の源からの干渉、世界の他の地域における同一又は近いスペクトルを共有する送信機からの干渉が含まれる。本システム及び方法は、電離層反射及び干渉に関連したドップラー及び多重通路などの障害に対処でき、多数の位置で受信されたデータを組み合わせることで通信リンクマージンを向上させうる。
【００５５】
HFスペクトルのWSNへの使用には、地球の電離層の日周変化、自然及び人工雑音、及び世界の他の地域における同一スペクトルを共有する送信機からの干渉を含む幾つかの問題が存在する。この無線クラウドシステムは、HF伝搬及び低い自由空間損失を利用する一方で、こうした問題も克服する。SDR技術及び電力効率がよい変調を利用することで、両方のHF伝搬モードを用いて土壌水分モニタリングや、地理学的範囲が広く少量のデータを含む低頻度の報告が必要なより広い環境データモニタリングのような用途に対してWSNを最適化できる。さらに、この無線クラウドシステムは、表面及びNVIS伝搬モードを利用するよう設計されており、ノード及びゲートウェイの提案された位置を用いて各ノードの相対性能を特定できる。
【００５６】
高周波数(例えば、3〜30 MHz)における信号伝搬をサポートすることで、低出力を用いて且つ10kmを超える伝搬距離では、本システム及び方法は、メッシュネットワークのような従来のWSNとは異なり、それらの利点とは異なる利点を備えている。メッシュネットワークは、例えば、ソースノードから他のノードを介して多数のホップを通って中継され、宛先装置に到着する近距離(典型的には300m未満)信号に依存する。中間ノードは受信信号の復調を行い、再送信前に変調を行う。こうした付加的な処理は、各ネットワークノードの複雑性及びコストの増大に繋がる。大規模農業経営における土壌水分の遠隔モニタリングなどの用途では、コスト、バッテリ要件、及びセルラーサービスの限られた有効範囲により、セルラーデータネットワークは環境モニタリングには不適である。衛星ネットワークの運営コストはセルラーネットワークよりさらに高く(典型的には、15ドル/月/ノードを上回る)、大型アンテナを必要とし、且つ背が高い作物や群葉と組み合わせた使用は元々できない。
【００５７】
所要電力を引き下げるため、本システム及び方法は、特定の用途における低データ転送率(例えば100bps)を活用できる。所与の帯域幅についてより高いリンクデータ転送率が必要な場合は、帯域幅効率のよい波形(例えば位相シフトキーイング(PSK))を用いることができる。電力効率がよい波形(例えば、PSK、M-PSK)は、電池式WSNなどの電力が制約された用途で必要な送信電力を引き下げるため帯域幅効率を犠牲にできる。
【００５８】
ノード101からの送信114、115には、ネットワーク内でMIMO又はMISO機能を実現するため複数のアンテナを使用してもよい。幾つかの場合では、これらノード(例えば、送信のみのノード)は、メディアアクセス制御(MAC)プロトコル又は他のプロトコルを用いて送信をスケジュールしてよい。他のノードの送信との衝突の可能性を最小限に抑えるため、送信は、例えば特定の時分割多重化及び/又は周波数分割多重化を用いて、特定の時間に且つ/又は特定の周波数でスケジュールしてよい。例えば、GPS座標又は1つ若しくは複数の他のノード識別子を用いて、それぞれの送信の特定の時間及び/又は周波数スロットを選択又は識別することも可能である。
【００５９】
幾つかの実施形態では、ゲートウェイ(102、103)は、送受信機、アンテナ、RF信号の変換及び増幅用の1つ又は複数のフロントエンド構成要素、A/D及びD/A変換器、デジタル変換回路、並びに/又はネットワークインターフェースを含むことができる。このゲートウェイは、SDR送受信機又はSDRインターフェースを含むことができる。各ゲートウェイは、1つ又は複数のノードから異なる種類/モードの送信を受け取るように構成してよい。例えば、任意のゲートウェイは、3つのモード(地上波、NVIS、及び長い上空波)の任意の1つ又は複数から信号を受けるように構成してよい。このゲートウェイは、当該ゲートウェイで受信された信号に直接サンプリングを行えばよい。このゲートウェイは、受信された信号を復調することなくダウンコンバートできる(例えば、デジタルダウンコンバータを介して)。このゲートウェイは、こうしてダウンコンバートされた信号をサンプリングし、ネットワーク（インターネットなど）を介して処理のため遠隔/中央位置まで送信してよい。
【００６０】
このゲートウェイは、例えばSDRサーバのソフトウェアによって指定された指定時刻に指定周波数で受信された信号をサンプリングできる。このゲートウェイのネットワークインターフェースは、RFスペクトルのサンプルをネットワーク104との間で中継しあう。このネットワークは、私設パケット交換網、公衆網、インターネット、又は別のワイドエリア若しくはローカルエリアネットワークを含むことができる。このネットワークインターフェースは、イーサネット（登録商標）又は他のインターフェースを含むことができる。このネットワークインターフェースは、無線処理モジュールをネットワーク上の任意位置から遠隔制御可能であり、そうしたモジュールは、ゲートウェイ又はこのゲートウェイに近接して接続された装置内にあるものに限定されない。幾つかの実施形態では、これら無線処理モジュールは、ゲートウェイに（例えばUSBを介して）接続された計算装置（例えば、SDRサーバ）上でSDRを介して構成される。このゲートウェイは、サンプルを中央SDRサーバに中継する前に圧縮できる。
【００６１】
幾つかの実施形態では、ゲートウェイソフトウェアは、受信された信号をベースバンドまでダウンコンバートして、さらなる処理のために信号サンプルをSDRサーバに送るのに必要な帯域幅を減少させる。ノード及びゲートウェイは、受信された信号が適切にグループ分け又は分離され且つサンプルが正しく時間整合される（time aligned）ように、GPS情報（例えば、受信された信号に埋め込まれたもの）に従って同期できる。これらノードからの信号送信は、信号のペイロード及び/又はヘッダ部分に埋め込まれたタイミング、同期、及び/又は順序付け情報を含むことができる。幾つかの実施形態では、これらノード及びゲートウェイは、高精度の時刻同期のためにGPSソースからの情報を受信し且つ/又は使用してよい。幾つかの実施形態では、この無線クラウドシステムは、シンボルタイミングを回復し且つ多数のアクセスをサポートするため、GPS時刻同期を利用できる。これら処理ステップの一部又は全部は計算集約型となることがあり、ゲートウェイからSDRサーバに先送りしてもよい。ゲートウェイは受け取られたモード送信を復調且つ/又は著しく処理しないので、こうしたゲートウェイのコストを低下できる。
【００６２】
幾つかの実施形態では、ネットワークは、複数のノード、ゲートウェイ、及び/又はユーザを含むことができる。ネットワーク104は、クラウドコンピューティング・ネットワークにおけるように1つ又は多数のSDRサーバ107に接続できる。SDRサーバ上で走るモジュール108は、ネットワーク104を介してゲートウェイ102、103によって送信されるサンプルからノードデータを回復するための様々な機能を実行できる。類似の様態で、これらモジュール108は、1つ又は複数のノードに送られる情報を含むサンプルを生成できる。ゲートウェイに設けたアンテナは、特定種類の伝搬を優先するように選択且つ/又は構成することも可能である（例えば、NVIS伝搬を優先できる高角放射パターンを備えたアンテナ）。
【００６３】
SDRサーバ107は、SDRソフトウェアを介して構成された任意種類の計算装置を含むことができる。構成によって、SDRサーバは、無線信号のサンプルに特定の処理を実行する1つ又は複数のモジュールを含むことができる。1つ又は複数のSDRサーバ107のモジュールは、フィルタリング、混信阻止、変調/復調、暗号化/解読、前方誤り訂正(FEC)符号化/解読、MIMO/MISO/SIMO処理、ビーム形成及びアンテナダイバーシティ処理（例えば、最尤合成及びダイバーシティコーディング）、データベースアクセス並びにユーザインターフェースを実行する論理及び機能を含むことができるが、それらに限定されない。一実施形態では、モジュール108のすべては単一のSDRサーバ107上に設けてよい。しかし、代替的な実施形態では、モジュール108の一部を幾つかのSDRサーバ107それぞれに設けてよい。ユーザ105は、回復されたノードデータにネットワーク104とユーザインターフェースを介してアクセスできる。
【００６４】
幾つかの側面では、MIMO処理には、送信機及び受信機の両方で多数のアンテナを用いることで、通信用の多数のチャンネルを効果的にもたらすことによる通信性能を向上が含まれる。MIMOは、付加的帯域幅を使用したり、送信出力を増大したりすることなくデータスループット及びリンク距離を有意に増大するが、これは、例えば同一の総送信出力を複数アンテナに分散して、スペクトル効率を向上させるアレイ利得を達成するか、リンク信頼度を向上させる(フェージング減少)ダイバーシティ利得を達成することにより行う。同様に、SIMOは、ダイバーシティ利得を実現できる多数の受信アンテナを提供することで通信性能を向上させる。
【００６５】
空間的選択性を達成するため、ビーム形成が、指向信号の送信又は受信用のセンサアレイで用いられる。これは、特定の角度の信号が強めあう干渉を受ける一方で他が弱めあう干渉を受けるような様態で要素をフェーズドアレイで組み合わせることにより達成される。幾つかの実施形態では、本無線クラウドシステムで実装されるビーム形成は、分散型ビーム形成と呼ぶことがある。本無線クラウドシステムは、ノード信号の位相及び振幅情報を収集するため長い距離で離間された複数の（ゲートウェイ）アンテナを含むことができる。本無線クラウドシステムはSDRサーバでこの情報を使うことで、一方向からくる信号を選択的に強め、他の方向からくる信号を選択的に弱める事実上の「ビーム」を形成できる。実質的に、ゲートウェイアンテナのこの収集体は、利得が大きい単一の大型操縦アンテナのように動作する。
【００６６】
アンテナダイバーシティは、2つ以上のアンテナを用いて無線リンクの質及び信頼性を向上させる。送信機と受信機との間にはっきりとした見通し線が存在しないことが多く、信号が最終的に受信される前に多数の経路に沿って反射されてしまうことがある。これらはね返りそれぞれが、受信アンテナのアパーチャにおいて互いに弱めあうように干渉しうる位相のずれ、時間遅延、減衰、及び歪みを導入することがある。アンテナダイバーシティは、異なる干渉環境に置かれた多数のアンテナが同一信号の複数の測定をもたらすので、こうした多重通路の状況を軽減する。従って、1つのアンテナで強いフェードが起こっている場合、別のアンテナは十分な信号を受けている可能性が高い。全体として、そうしたシステムはロバストなリンクを提供できる。
【００６７】
続けて図2Aを参照すると、ノード100及び101は、HF、VHF、UHF、又は他の周波数で動作する市販の、標準的な、又は専用に構成されたデジタル無線を含むことができる。幾つかの実施形態では、3〜30MHｚのスペクトルを含む高周波(HF)範囲内で動作する無線が無線クラウドに使用される。HF信号は、地球の電離層の様々な層により反射され、長い距離を移動できる。HFスペクトルは、短波放送、海上及び航空通信並びに他の商業且つ防衛通信などの様々なサービスで広く使われていたが、今日、このスペクトルのほとんどは使用されていない（例えば、短波放送、アマチュア無線、及び防衛を除いて）。このスペクトルの過小利用及び使用可能性に加え、低出力のHF信号は長距離を移動できるので、HF送信は屋外無線センサには望ましいことがある。
【００６８】
ノードは、受信ゲートウェイの位置又はそこからの距離に基づいて1つ又は複数の周波数で送信するよう構成してもよい。ノードは、地形、日時、季節、天候、サポートされた伝搬モードなどの要因に基づいて1つ又は複数の周波数で送信するよう構成してよい。ノードは、受信ゲートウェイへの送信が成功する可能性が最も高くなる周波数で送信できる。電離層の伝搬特性は、太陽放射線の作用によって変化しうる。これは、最大利用可能周波数又は距離が夜間に増大することを意味する場合がある。単純な場合では、ノードの幾つかの実施形態は、日中と夜間とで2つの周波数又は周波数範囲間を切り換えることができる。単一の送信は、信号を受信しているゲートウェイの位置によって、地上波、又は一方若しくは両方の上空波モードにより移動できる。
【００６９】
無線クラウドノードは、それぞれが1つ又は複数のセンサを含む無線ノードを含むことができる。これらノードは、デジタル情報を無線周波数信号又はサンプルとして送信且つ/又は受信できる無線を含むことができる。ゲートウェイ102又は103は、アンテナ、RF変換器、増幅器、A/D及びD/A変換器、FPGA、マイクロプロセッサ、並びに/又はSDR構成要素などの、市販の、特別注文又は特別にプログラムされた無線構成要素から製作できる。1つ又は複数のSDRサーバ107は、限定するわけではないが、例えばマイクロソフトのウィンドウズ（登録商標）又はリナックス（登録商標）オペレーティングシステムを走らせる標準的なコンピュータなどの計算装置を含むことができる。この1つ又は複数のSDRサーバは、所定のアプリケーション/タスクの専用とすることができ、さらに、1つ又は複数の仮想サーバを利用できるクラウドコンピューティングサービスを含むことができる。
【００７０】
幾つかの実施形態では、そして図2Aを再び参照すると、ノード100は、ゲートウェイ102及び/又は103で受信される送信112、113を送る。受信される信号のサンプルは、SDRサーバ上のアンテナダイバーシティ・モジュールに送信又は向けることができ、そこでこれらサンプルは、例えば信号対雑音比(SNR)及び/又は他のパラメータを向上させるため時刻同期し且つ組み合わせできる。代替的には、ノード100及びノード101は、それぞれゲートウェイ102及び/又は103により受信される時空間符号化信号を送信でき、それぞれのゲートウェイはサンプルを、受信信号の信号送信速度/スループット、SNR、又は他のパラメータを向上させるためにMIMO/SIMOモジュールに送ることができる。このMIMO/SIMO処理は完全にソフトウェアで実行できる（例えば、特注無線ハードウェアでなくSDRソフトウェア構成を介して）。
【００７１】
1つ又は複数のゲートウェイの構成は、一組の分散型アンテナを含むことができる。これら分散型アンテナは、所定の中央位置における集約/処理のため、1つ又は複数の位置からの多数の経路又は伝搬モードから異なる信号を収集できる。これら分散型アンテナは、アンテナダイバーシティ及び/又はビーム形成方針をサポートするよう構成できる。幾つかの実施形態では、ゲートウェイ102及び/又はゲートウェイ103は、リンクの速度/スループット、SNR、又は他のパラメータが向上するように、時空間符号化信号114及び115をノード101に送信できる。
【００７２】
図2Bは、図2Aに示したようなアンテナダイバーシティ・モジュールを実装するのに使用できるステップの一例を示すフローチャートである。ステップ200において、ノードは、3つの経路201、202、及び203又は任意の数の送信経路を介して多数のゲートウェイが受信する無線周波数信号を送信する。これら経路は、ノードから地上波経路を介して、電離層からの反射を介して、且つ/又は別の種類の経路を介してゲートウェイに向かうことができる。これら経路からの信号は、例えば、ベースバンド周波数までダウンコンバートでき、各ゲートウェイでサンプリングできる。これらサンプルは、ステップ205で、例えばローカルGPS情報又は他のタイミング情報を用いて時刻同期できる。これらサンプルは、ステップ206で加算され又はその他の様態で組み合わされ（例えば、一組の分散型アンテナ/ゲートウェイを介して受信された信号に基づいているにもかかわらず）、次に、組み合わされたサンプルはステップ207で復調モジュールに送ることができ、そこでそれらサンプルは単一経路から受け取られたかのように処理される。従って、復調及び他の処理技法(例えばSIMO/MIMO)は、それが非分散型システムであるかのように実行できる。サンプル加算の結果として、得られる信号対雑音比は向上できる。
【００７３】
図2Cは、図2Aに示した混信阻止モジュールを実装するのに使用できるステップの一例を示すフローチャートである。ステップ300、ノードは、第1ゲートウェイにより受信される無線周波数信号を経路302を介して送信する。ステップ301では、干渉サンプルが、経路303を介して第1ゲートウェイにより受信され、経路304を介して第2ゲートウェイにより受信されうる。経路303、304のうち1つ又は複数は、ノードから地上波経路を介して、電離層からの反射を介して、且つ/又は別の経路を介してゲートウェイに向かうことができる。干渉信号は、例えば、垂直及び水平偏波アンテナの両方をゲートウェイに接続することで識別できる。例えば、モノポールのような垂直アンテナは、ループのような他の種類のHFアンテナよりも低い放射角を持ちうる。自動車の点火及び送電線のアークのような人工的雑音源からの垂直偏波信号は、より顕著となることがある。短波放送局などの遠い送信源からの信号は、多数の電離層反射によって移動するので、より低い反射角で到着する可能性が高い。干渉源からの信号は、既知の干渉源の方向においてナルが全体的アンテナパターンで形成されるフェイズドアレー技法を使用することで減少させることもできる。ある種のアンテナは、例えば別の種類のアンテナに比べてノード信号を受け取りやすい傾向にある場合がある。後者の種類のアンテナは、前者の種類のアンテナがノード信号の他に受信する雑音又は干渉信号などの雑音又は干渉信号を受け取りやすい傾向にある場合がある。
【００７４】
ステップ305において、所望の信号に加えて干渉信号を含むゲートウェイ1からのサンプルと、干渉信号を含むゲートウェイ2からのサンプルとを、次のステップ306に渡すことができる。ステップ306では、干渉信号を含んだサンプルを、所望の信号に加え干渉信号を含むサンプルから減算できる。ステップ307では、所望の信号サンプルは復調プロセスに送ることができ、ここではこれらサンプルを干渉信号なしで受け取られたかのように処理できる。
【００７５】
記載した実施形態の利点は、1つ又は複数の中央ソフトウェア無線サーバを用いることで無線ネットワークを提供するコストを最小化すること含むが、それには限定されない。無線リンクの信号対雑音比は、多数の位置で受信された信号を組み合わせることによって向上させうる。SNRは、異なる伝搬経路及び/又は異なる伝搬モードを介して受信された信号を組み合わせることで向上できる。例えば、異なる信号経路が、異なる伝搬モードによって且つ/又は電離層の動きにより発生する多経路作用によって形成されることがある。日周伝搬に基づいて、一部のノード送信（例えば、単一ノードからの）は、1つのゲートウェイにより受信され、その他のノード送信は両方のゲートウェイにより受信されることがある。複合無線波形に関連付けられた処理機能は、1つ又は複数の強力な集中サーバにおいて実行してもよいし、複数の計算リソースにわたって分散してもよい。新たな無線規格に対応するための幾つかのSDR機能の更新は、SDRサーバのソフトウェアの変更のみで迅速に実現できる。
【００７６】
例示目的であり限定を意図したものではないが、無線クラウドノードは、電池式無線センサを含むことができる。このノードのバッテリは、充電式バッテリ、例えば太陽エネルギーにより再充電可能な充電式電池を含むことができる。ノードはマイクロコントローラ（例えば8ビットプロセッサ）であって、(i)地理位置情報及び全地球タイミング基準を得るためのGPSモジュールと、(ii)例えば、マイクロコントローラのI2C又はSPIバスに接続したデジタルインターフェースを備えたセンサICを含むデジタルセンサと、(iii)マイクロコントローラのA/D変換器に接続したアナログ出力を備えたセンサ回路を含みうるアナログセンサと、(iv)例えば、デジタル制御された周波数シフトキーイング(FSK)送信機を含みうる無線送信機などの一組の周辺機器とを備えたマイクロコントローラを含むことができる。幾つかの実施形態では、この送信機は、位相シフトキーイング(PSK)送信機又は他の任意変調技法をサポートする送信機でよい。インターフェースの観点から、又、例示目的で、このマイクロコントローラは、デジタル制御HF発振器を制御してチャンネルを選択でき、さらに、汎用入出力(GPIO)並行出力ポートを順序付けして、任意の必要なデジタルベースバンド信号を与えることができる。例示目的で、図2Dは、ノードの機能モジュールを含むブロック図の一実施形態を示す。このノードは、(v)電力を節約するため、1つ又は複数のGIPOを用いて無線又はセンサ回路などのノードの幾つかの部分に選択的に電源をオンし又は電源をオフする制御信号と、(vi)製造又は設置時に人間と通信するための発光ダイオード(LED)、ブザー、及び/又はボタンと、(vii)例えば、装置の構成、製造、デバッギングのためのコマンドパーサとの同期式直列インターフェースを含むシリアルコンソールとのうち1つ又は複数を備えることもできる。
【００７７】
幾つかの実施形態では、このノードマイクロコントローラの担う機能は、(i)ノードの幾つかの機能をタイマで周期的に起動すること、(ii)1つ又は複数のセンサを読み出すこと、(iii)GPSとインターフェースを取ること、(iv)リアルタイムクロック(RTC)を維持すること、(v)センサレポートを生成すること、(vi)送信/受信に適切なチャンネル及び時間スロットを選択すること、(vii)送信のためにレポートを符号化すること、(viii)例えば、不揮発性(NV)構成設定などの構成設定を読み出し/書き込むこと、(ix)必要に応じて、外部ボタン/入力装置に応答し且つLED又はブザー出力を設定すること、(x)装置構成、製造テスト、及び/又はデバッギング用のシリアルコンソールを提供すること、(xi)ファームウェアのフィールドアップグレード及び/又は工場プログラミングに使用されるブートストラップローダーを提供することのうち1つ又は複数を含むことができる。幾つかの実施形態では、このノードのソフトウェアは十分単純なものであり、例えば主ループのイベント駆動型状態機械で単一タスクとして実装できる。割込みハンドラは、任意のタイミング依存I/O及びタイミング機能をサポートできる。GPS位置は、送信帯域幅を節約するため、時々又は設定した時刻に送ることができる。
【００７８】
幾つかの実施形態では、ノードは、1つ又は複数のゲートウェイへの送信用のセンサレポートを生成及び/又は符号化する。このノードは、例えば、ドッティングシーケンス、同期ワード、又はプロトコル識別子など任意の必要なMACレベル制御情報を付加してもよい。このノードは、例えば、率1/2(k=32)の畳み込み符号を用いてパケットをエラーから保護する前方誤り訂正(FEC)符号化を実行できる。このノードは、この符号化を実現するためライブラリコードを含むか組み込むことができる。このノードは、クリーンなスペクトルを保証するためデータホワイトニングを実行できる。このノードは、FSK、PSK、又は他の種類の符号化を実行できる。変調の実行方法に依存するが、このノードは、各シンボルに4ビット並列ワードを生成し、DA変換(DAC)値を出力し、又は所定の周波数にシフトするために数値制御発振器(NCO)にコマンドを出すことができる。
【００７９】
図2Eは、無線クラウドノードの一実施形態を示す。このノードは、温度、湿度、風速/向、土壌水分などを測定するための1つ又は複数のセンサ406を含むことができる。これら1つ又は複数のセンサは、マイクロコントローラ(MCU)405に接続できる。このMCUは、A/D変換器、フラッシュ及びRAMメモリ、I/Oポート、並びに/又はCPUを含むことができる。バッテリ電力を節約するため、例えばMCUに組み込まれたタイマを用いて、低電力スリープモードからMCUを周期的に「起こす」ことができる。MCUが起きると、センサ406からのデータはA/D変換器によってデジタル化し、同期及び前方誤り訂正(FEC)情報と組み合わせてパケットを作成できる。一旦、センサパケットが作成されると、送信時刻及び周波数が、構成及び/又はGPS情報の組合せに基づいてノードソフトウェアにより選択できる。適切な送信時刻及び周波数が決定されると、送信期間を開始できる。
【００８０】
送信期間中に、このパケットからのバイナリ情報を用いて、搬送周波数を生成するのに使用される電圧制御水晶発振器(VCXO)、周波数合成器、又は直接デジタル合成器(DDS)でよい発振器404の周波数を変化させることができる。この発振器からの出力信号はフィルタリングして(403)擬似信号を除去し、次に、電力増幅器402により送信に適した電力レベルまで増幅できる。信頼性が高い通信に必要な電力出力は、中央SDRサーバの機能によって引き下げされ、多数の伝搬経路及び多数のゲートウェイからの情報を組み合わせることができる。電力増幅器402の出力は、周波数変調搬送波を含むことができ、さらに電力増幅器402により発生された擬似信号を除去するため第2フィルタによりフィルタリングできる。このフィルタリングされた電力増幅器の出力はアンテナ400に印可でき、このアンテナは、モノポール、ダイポール、八木、又はそのサイズをさらに小型化するためフェライト装荷できるループアンテナのようなコンパクトアンテナでよい。このノードの素子には、使い捨て一次単電池又は蓄電単電池でよいバッテリ407により電力供給できる。二次電池が用いられる場合は、光起電力(PV)電池409により再充電できる。幾つかの他の実施形態では、SDR技法及びD/A変換器を使用して搬送周波数を生成するが、これはFSK、PSK、又は他の種類の波形にはより安価なアプローチとなりうる。
【００８１】
ノードはデータを、データパケット(時にフレーム、データグラム、又はメッセージと読み替え可能)を含むことができるRF信号として送信できる。このノードは、パケットを2つ以上の層、例えば物理層及びMAC層などで符号化できる。物理層は、無線搬送波におけるシンボルの物理符号化を表すことができ、例えば4-FSK は1.46ボーで送信され(WSPR)、或いは16-FSKは所定の変調速度で送信される。パケットデータペイロードは50ビットに限定されることあるが、これは再構成又は拡張できる。ノードの幾つかの実施形態は、限定はしないが、例えば、デュアルトーンマルチフリーケンシー(DTMF)、MFSK8、MFSK16、Olivia MFSK、Coquelet、Piccolo、ALE (MIL-STD 188-141)、DominoF、DominoEX、THROB、CIS-36 MFSK又はCROWD-36、XPA、XPA2、FSK441、JT6M、JT65などの多周波数偏移キーイング(MFSK)及びその任意種類/変種をサポートできる。幾つかの実施形態は、差分位相シフトキーイング(DPSK)、二値位相シフトキーイング(BPSK)、四相位相シフトキーイング(QPSK)、及びそれらの変種（例えばOQPSK、π/4-QPSK、SOQPSK、DPQPSK)などの任意の種類の位相シフトキーイング(PSK)若しくはその変種をサポート又は利用できる。ノードは、例えば、OOK、8VSBなどの振幅シフトキーイング(ASK)、又はASK、PSK及び/若しくはFSKの任意組合せもサポートできる。ノードの幾つかの実施形態は、OFDMなどの周波数分割多重化(FDM)、位相分割多重化(PDM)、直交振幅変調(QAM)、超広帯域(UWB)、連続位相変調(CPM)、及び/又はスペクトラム拡散技法(例えば、DSSS、FHSS、THSS、CSS、UWB)をサポート又は使用できる。
【００８２】
非限定的な例証として、物理層フレームは、N=50データビットのMACペイロードを用いて符号化できる。ノードは2進符号化を適用でき、例えば、(k=32、r=l/2)畳み込みコードを用いて(N+k-l)*2 = 162コードビットを発生させる。このノードは、例えば連続位相4-FSKを用いることでこのコードビットを変調でき、ここでは、各シンボルの1ビットが(例えば、16ビット)擬似ランダム同期ベクトル(synchronization vector)により駆動できる。このノードは、得られた(162+162)/2 = 162シンボルフレームを1.46ボーで、1.46 Hzのトーン間隔で送信でき、110.6秒の最終送信長を生じる。各送信には時間スロットを割り当てて、例えば、協定世界時(UTC)期間毎に均一の2分境界から2秒の時点で開始できる(例えば、hh:00:02、hh:02:02など)。この送信は、概ね6Hzの帯域幅を占めることができる。
【００８３】
幾つかの実施形態では、物理層フレームは、例えば127ビットなどのNビットのMACペイロードを用いて符号化できる。ノードは2進符号化を適用でき、(k=32、r=l/2)畳み込みコードを用いて(N+k-l)*2 = 316コードビットを発生させる。このノードは、例えば連続位相16-FSKを用いることでこのコードビットを変調でき、ここでは、(例えば、16ビット)平衡同期ベクトル(balanced synchronization (sync) vector)がメッセージに先行する。このノードは、得られた(316/4) + 16 = 95シンボルフレームを所定のボー及び特定のトーン間隔で送信できる。各送信には時間スロットを割り当てることができる。この同期ベクトルを用いて、フレームの復号を容易にするためにパケットの始まりを明確に参照することができる。この同期ベクトルは、1とゼロとを均等に釣り合わせ且つ低い自己相関を示すように設計できる。フレームを復号するにあたって、16のシンボルのうち少なくとも14はこの同期ベクトルに一致するものとしてよい。このノードは±4つのシンボルのマージンを許容するよう構成できる。
【００８４】
非限定的な例証として、MACフレームは固定外部ラッパー及び可変内部メッセージペイロードを含み、さらに次のフィールドの1つ又は複数を含むこともできる。
【００８５】
【表１】
2016506122.tif 000003
【００８６】
メッセージペイロードの長さは、メッセージの種類に依存させることができる。一例として、68ビットの最長メッセージタイプに関しては、最大MACフレーム長は28+4+68 = 100ビットである。より大きいデータ要求に対処するには、127ビット以上へ拡張する余地は存在する。
【００８７】
幾つかの実施形態では、MACフレームは、次のメッセージタイプの1つ又は複数を含むことができる。
(i) MsgType 0x0 − INFO (46ビット)。例示的な実施形態は下記に説明する。
【００８８】
【表２】
2016506122.tif 000004
【００８９】
(i) MsgType 0x1 - SENSOR_DATA (36ビット)。例示的な実施形態は下記に説明する。
【００９０】
【表３】
2016506122.tif 000005
【００９１】
以前の送信が受信されなかった場合に備え、以前のSensorRecordのコピーを冗長性を確保するためメッセージに含めてもよい。SensorRecordは次のように定義できる。
【００９２】
【表４】
2016506122.tif 000006
【００９３】
(iii) MsgType 0xF − TEST (40ビット)。例示的な実施形態は下記に説明する。
【００９４】
【表５】
2016506122.tif 000007
【００９５】
附加的なメッセージタイプを将来の使用/拡張のため構成又は予約しておいてもよい。
【００９６】
上述のように、複数のゲートウェイは、1つ又は複数のノードにより送信された信号を受信できる。ゲートウェイは、ワイヤレスネットワーク(当該1つ又は複数のノードを含む)を有線ネットワーク(SDRサーバを含む)にブリッジする中間装置を含むこともできる。ゲートウェイは、1つ又は複数のセンサレポートを含む信号又は無線パケットをノードから受信でき、それらを例えばインターネット上のサーバ(クラウドサーバと呼ばれることがある)に転送できる。幾つかの実施形態では、これら無線パケットはゲートウェイで復調されない。このゲートウェイの信号処理は、信号の、I及びQベースバンドサンプルのブロックまでのダウンサンプリングで停止してもよい。ゲートウェイは、ネットワーク対応のシングルボードコンピュータ(SBC)（例えばゲートウェイインターフェース・プロセッサ(GIP)）を含むことができる。このゲートウェイは、埋め込まれたリナックス（登録商標）又は他のオペレーティングシステムを走らせることができる。このゲートウェイは、直接的に又はネットワーク接続を介してSDRサーバに接続できる。
【００９７】
幾つかの実施形態では、このゲートウェイは、ハードウェア又はゲートウェイのハードウェア上で実行するソフトウェアで実装可能な複数のモジュールを含む。これらモジュールの幾つかは、(i)SDRサーバとのインターフェースを取ること、(ii)完全な受信HF帯域を、チャンネル毎の個別ベースバンド信号にダウンサンプリングすること、(iii)各ベースバンド信号をチャンネル及び時間スロットに従って割当てて、「ベースバンドブロック」を生成すること、(iv)各ブロックのサムネイルスペクトル写真を計算すること、(v)各ベースバンドブロックをラベル付けし、タイムスタンプを押し、スペクトル写真を添付し、それをSDRサーバにアップロードすること、(vi)地理位置及びタイミング基準を得るためGPSモジュールとインターフェースを取ること、及び/又は(vii)構成ファイルの読み込み/書き込みの１つ又は複数を含む機能を提供することができる。これらモジュールの幾つかは、(viii)構成、製造テスト、及びデバッギング用のシリアルコンソールと、(ix)構成及びモニタリング並びに/又はイベントログ記録のためのウェブサーバ・コントロールパネルを提供することもできる。ある種のモジュールは、パイソン又はCのようなプログラミング又はスクリプト言語を組み込むか、それら言語で実装すればよい。図2F及び2Gは、ノード送信を受信し且つ処理するゲートウェイの実施形態のブロック図である。信号処理フロントでは、このゲートウェイは、GNU無線ライブラリなどのライブラリを組み込むことができる。ネットワーキングフロントでは、このゲートウェイは、XML、HTTP、SSL、JSONなどのライブラリを組み込むことができる。
【００９８】
このゲートウェイは、接続された計算装置又はリモートサーバ上のSDRと通信し且つ/又はそれを制御するためのSDRインターフェースを含むことができる。このSDRインターフェースは、例えばイーサネット（登録商標）インターフェースを含むことができる。幾つかの実施形態では、このSDRインターフェースはグラフィカルインターフェースを含むことができる。このグラフィカルインターフェースは、例えばリナックス（登録商標）上で走るC及び/又はQtで書かれたSDRを制御するために使用できる。このSDRインターフェースは、(i)アマチュア局制御プロトコル(ASCP)を用いてSDRを制御するためのTCPソケット、及びカスタム形式でよいサンプルデータの低オーバーヘッド転送用のUDSソケットなどの1つ又は複数のネットワークプロトコルで動作でき又はそれらをサポートすることができる。このゲートウェイ又はSDRインターフェースは、IPアドレスを取得するためのDHCPクライアントを含むことができ、さらに、SNDPと呼ばれることもあるUDPプロトコルを用いたデバイス発見機能を含むことができる。
【００９９】
幾つかの実施形態では、このゲートウェイは、所定数のサブチャンネル（例えば100個のサブチャンネル）を含むことができるHF帯域をサンプリングする。このゲートウェイは、各サブチャンネルを処理のため分離できる。信号を同時に帯域通過フィルタリングし、10分の1除去し、且つベースバンドへダウンコンバートする処理は、ダウンサンプリングと呼ばれることがある。時間スロット境界を求めるためのタイミング同期はGPSソースから得られる。例証目的だが、仮にノード送信が公称で率1/2で符号化された32バイトの情報を含み、50ボーで変調され、800Hzの帯域幅を占め、且つ直角位相毎に16ビットで2 kSpsでサンプリングされれば、アップロード準備が整ったベースバンドブロックは、約22kバイトを占めることがある。
【０１００】
ゲートウェイは、クライアントとしてSDRサーバに通信するため、ウェブサービスクライアントを含むことができる。このウェブサービスクライアントは、SOAP又はRESTのようなウェブサービス遠隔手続き呼び出し(RPC)フレームワークを用いてもよい。ウェブサービス要求及び応答はHTTPの上にビルドできる。ゲートウェイが中程度のサイズデータブロックをサーバに送る（例えば、〜22ｋバイト）幾つかの実施形態では、ウェブサービス設計では、バイナリ符号化形式を使うと恩恵が得られるかもしれない。
【０１０１】
このゲートウェイは、被変調信号のサンプルをSDRサーバにネットワークを介して搬送できる。これらサンプルは、ゲートウェイトゥークラウド(G2C)メッセージと呼ばれることがある。所与の時間スロット内で、このゲートウェイは、受信されたサンプルデータのブロックをSDRサーバに送信できる。このゲートウェイは、これらメッセージを送信するためポート（例えばポート8081）にTCP接続を確立する。幾つかの実施形態では、このゲートウェイは、表象状態転送(Representational State Transfer) (REST)に基づいたウェブサービスを使用してこれらメッセージを送信してもよい。ゲートウェイの製造番号をそのイーサネット（登録商標）MACアドレスとして定義してもよい。例証目的で、このG2Cメッセージは次のメッセージフォーマットを備えていてもよい。
【０１０２】
【表６】
2016506122.tif 000008
【０１０３】
SDRサーバ又はクラウドサーバは、被変調信号のサンプル（サンプルブロック又はG2Cメッセージと呼ばれることがある）を、ネットワーク内の1つ又は複数のゲートウェイから受け取ることができる。幾つかの実施形態では、このSDRサーバは次のデータベース・レコードフォーマットを使用できる。受信されたG2Cメッセージを他のゲートウェイからの使用可能なコピーと対にでき且つSIMO処理できるまで、このSDRサーバは、これらメッセージをそうしたフォーマットで格納しておいてもよい。
【０１０４】
【表７】
2016506122.tif 000009
【０１０５】
幾つかの実施形態では、後処理済みのサンプルブロック（例えばSIMO後処理）のフォーマットは次のようになることがある。
【０１０６】
【表８】
2016506122.tif 000010
【０１０７】
このSDRサーバはこれらサンプルブロック又はG2Cメッセージを処理でき、得られたデータレコードをエンドユーザアプリケーションによる使用のためデータベースに入れることができる。例証目的で、後処理済みのサンプルブロックから抽出された復号されたセンサレポートは、次を含むことができる。
【０１０８】
【表９】
2016506122.tif 000011
【０１０９】
このSDRサーバは、リナックス（登録商標）、ウィンドウズ（登録商標）、又はたのオペレーティングシステムを走らせる仮想サーバを含むことができる。幾つかの実施形態では、このSDRサーバは、例えばバックエンドにはクラウドデータベースを、フロントエンドには軽いアプリケーションサーバを活用するなどして、多数のサーバにわたって分割できる。この実装は、例えば、異なるマシンさらには異なるURLで実行する同一アプリケーションの多数のインスタンスにまで拡大し、多数のSDRサーバをサポートしてもよい。各インスタンスは同じデータベースサーバと通信し、どのノードがどのインスタンスに関連付けられているかを示すことができる。これらSDRサーバアプリケーションタスクは、C、パイソン、又はジャバなどの言語で実装可能である。
【０１１０】
このSDRサーバは、ハードウェアで又はハードウェア上で実行するソフトウェアで実装されたモジュールを含むことができる。特定のモジュールは、(i)ゲートウェイからベースバンド・サンプルブロックを受け取るためのウェブサービスを提供すること、(ii)サンプルレコード及びスペクトル写真を抽出するためこれらサンプルブロックを処理すること、(iii)復号されたサンプルレコード及びスペクトル写真を履歴データベースに書き込むこと、(iv)エンドユーザアプリケーションによるこの履歴データベースへのアクセスを可能とするウェブサービスを提供すること、(v)構成及びモニタリングのためのウェブサーバ制御パネルを提供すること、(vi)デバッギング/診断のためにイベントロギングを実行すること、などの機能を提供する。例証目的で、図2Hは、SDRサーバの一実施形態のブロック図を示す。
【０１１１】
このSDRサーバは、重要な信号処理を行うように構成できる。このSDRサーバは、SDRソフトウェア、アプリケーション、及び/又はカスタムコードを介して構成できる。このSDRサーバは、SIMOアンテナダイバーシティ組合せ、FSK復調、トーンを分解する(resolve the tones)ための離散フーリエ変換実装、コヒーレント復調のための搬送波位相の回復、及び/又はタイミング回復を含む様々な信号処理機能を提供できる。タイミング同期は、短いサンプル持続時間で、明示的なドッティングシーケンスプリアンブルなしで取り出すことができる。このノードは、送信機においてスクランブリングシーケンスをデータに適用することで、データに十分な数の遷移(transitions)が存在することを保証できる。このSDRサーバは、各ビット持続時間で合計される際の、DFTの各「周波数バケット」におけるパワーを最大化するビット位相を見つけることによってビット同期を回復できる。このSDRサーバはFEC復号を行うこともできる。
【０１１２】
エンドユーザは、このSDRサーバで回復されたセンサデータの部分にアクセスできる。1つ又は複数のエンドユーザアプリケーションは、このSDRサーバのセンサ履歴記憶機構からセンサデータを取り出し、それをエンドユーザにグラフィカルな形式で提示できる。エンドユーザアプリケーションは、(i)センサ履歴サービスと対話してセンサデータを取り出すこと、(ii)各センサをスクローラマップ上でフラグとして示し、例えばセンサ示度がポップアップボックスに表示されるセンサ地理的ビューを提供すること、(iiｉ)センサ表形式図を表示し、例えば各センサを最新レポートを備えた行で示すこと、(iiｉ)履歴表形式図を表示し、例えば単一のセンサ又は選択されたセンサからなるグループに関する各センサレポートを行で示すこと、(v)例えば選択した期間における1つ又は複数の選択されたセンサの全センサ値をグラフ化した履歴グラフを表示すること、のうち1つ又は複数を実行できる。図2Iは、エンドユーザアプリケーションのデータフローチャートの一実施形態を示す。
【０１１３】
エンドユーザアプリケーションは、新たなセンサレポートをモニタリングし、例えば、(a)センサ値が指定範囲を超えた場合、且つ/又は(b)警報タイムアウトが終了する前にセンサがレポートをしなかった場合は、警報を発する。エンドユーザアプリケーションは、独立型デスクトップアプリケーション、ブラウザに基づいたウェブアプリケーション、又は独立型モバイルアプリケーションを含むことができる。
【０１１４】
図2Jを参照すると、分散型無線通信ネットワークの一方法に関するフローチャートの一実施形態が図示されている。この方法は、データの少なくとも一部を含む被変調信号を、地理的に分散した複数のノードの第1ノードから、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイのそれぞれによって別個に受信する段階(501)を含むことができる。これら被変調信号は、第1ノードから無線周波数(RF)信号として無線送信すればよい。このデータは、第1ノードによって第1位置で収集又は生成できる。サーバは、これら被変調信号のサンプルを第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイから受信できる(503)。このサーバは、これら被変調信号のサンプルから干渉信号を減算できる(505)。サーバは、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイから受信されたこれら被変調信号のサンプルを、これらサンプルを組み合わせるため時刻同期できる(507)。このサーバは、データを回復するために被変調信号の別個に受信したサンプルを処理するようソフトウェア無線(SDR)ソフトウェアによって構成できる(509)。この処理は、これらサンプルから回復された被変調信号の復調を含むことができる。
【０１１５】
(501)を参照すると、複数のゲートウェイそれぞれは、データの少なくとも一部を含む被変調信号を、地理的に分散した複数のノードの第1ノードから別個に受信できる。これら複数のゲートウェイは、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイを含むことができる。このデータは、第1ノードによって第1位置で収集又は生成できる。例えば、このデータは、湿度若しくは気温などの環境属性を含むノードによる測定値、例えば警報のトリガなどのイベントの検出、通知、又はイベントログを含むことができる。このノードは、こうしたデータを、送信用の1つ又は複数のパケット、フレーム、データグラム、又はメッセージを含む1つ又は複数の信号として含むことができる。このノードは、各信号又はパケットに、例えば、ドッティングシーケンス、同期ワード、又はプロトコル識別子などMACレベル制御情報を付加してもよい。
【０１１６】
このノードは、率1/2(k=32)の畳み込み符号を用いて各信号又はパケットをエラーから保護する前方誤り訂正(FEC)符号化を実行できる。このノードは、例えば連続位相的4-FSK又は16-FSKを用いることでこの信号のコードビットを変調できるが、他の様々な変調方式を実施してもよい。このノードは、被変調信号を送信するための時間スロット及び/又は周波数を決定できる。この決定は、受信ゲートウェイの位置、受信ゲートウェイからの距離、地形、日時、季節、天候、アンテナの種類、及び/又は受信ゲートウェイによりサポートされた送信モードの1つ又は複数に少なくとも部分的には基づくようにしてよい。これら被変調信号は、第1ノードから無線周波数(RF)信号として無線送信すればよい。第1ノードは、3から30メガヘルツ(MHz)までの低電力のRF信号を、HFバンド又は他の周波数帯域/範囲内で送信できる。第1ノードは、10キロメートルを上回る（例えば、50km、300km、又は600km）送信経路を介して第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイの少なくとも一方までRF信号を送信できる。
【０１１７】
これら複数ゲートウェイのそれぞれは、異なる位置に配置でき、様々な種類の信号及び/又は送信を受信するための1つ又は複数の特定種類のアンテナを含むことができる。これら被変調信号は、第1ノードから無線周波数(RF)信号として無線送信すればよい。第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイのそれぞれは、被変調信号を、第1ノードからの直接経路、地上波経路、又は電離層反射（例えば、NVIS及び長い上空波)を介して送信されるRF信号として受信できる。第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイは、被変調信号を、第1ノードからの直接経路、地上波経路、及び電離層反射のうち少なくとも2つを介して送信されるRF信号として受信できる。幾つかの実施形態では、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイの少なくとも一方は、地球の電離層から反射されたRF信号の1つを受信する。
【０１１８】
これら1つ又は複数のゲートウェイは、一組の分散されたアンテナを含むように構成できる。各ゲートウェイに設けたアンテナは、特定種類の伝搬を優先するように選択且つ/又は構成することも可能である。これら分散型アンテナは、所定の中央位置における集約/処理のため、1つ又は複数の位置からの多数の経路又は伝搬モードから異なる信号を収集できる。これら分散型アンテナは、アンテナダイバーシティ及び/又はビーム形成方針をサポートするよう構成できる。第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイの1つ又は両方は、ノードからの特定の信号送信を受けることができる。場合によっては、信号は妨害され、非常に弱いか、雑音に凌駕されていて特定のゲートウェイでの受信ができないこともある。例えば、日周伝搬に基づいて、一部のノード送信は1つのゲートウェイにより受信され、その他のノード送信は両方のゲートウェイにより受信されることがある。
【０１１９】
各ゲートウェイは受信された信号をサンプリングできる。各ゲートウェイは、所定数のサブチャンネルを含みうるHF帯域で検出された信号をサンプリングできる。このゲートウェイは、各サブチャンネルを処理のため分離できる。受信された信号は、ベースバンド周波数までダウンコンバートでき、それぞれのゲートウェイでサンプリングできる。各ゲートウェイは、帯域通過フィルタリング、10分の1除去、及び信号のベースバンドへのダウンコンバートのうちの1つ又は複数のステップを含む、ダウンサンプリングを実行できる。各ゲ―トウェイは、地理位置及びタイミング基準を得るためGPSモジュールとインターフェースを取ることができる。各ゲートウェイは、時間スロット境界を求めるためのタイミング同期を、例えばGPSソースから得られるタイミング情報を用いて実行できる。
【０１２０】
各ゲートウェイは、各ベースバンド信号をチャンネル及び時間スロットに従って割当てて、「ベースバンドブロック」を生成することができる。幾つかの実施形態では、ゲートウェイは、各ブロックのサムネイルスペクトル写真を計算することができる。ゲートウェイは、各ベースバンドブロックにラベル付けし且つ/又はタイムスタンプを押すことができる。ゲートウェイはスペクトル写真を添付でき、各ブロックをSDRサーバにアップロードできる。無線信号又はパケットがゲートウェイで復調されないようにしてもよい。このゲートウェイの信号処理は、信号の、例えばI及びQベースバンドサンプルのブロックまでのダウンサンプリングで停止してもよい。
【０１２１】
一方又は両方のゲートウェイは、被変調信号のサンプルをネットワークを介してSDRサーバに搬送できる。これらサンプルは、ゲートウェイトゥークラウド(G2C)メッセージ又はサンプルブロックと呼ばれることがある。所与の時間スロット内で、このゲートウェイは、受信されたサンプルデータのブロックをSDRサーバに送信できる。このゲートウェイは、これらサンプルを送信するためポートにTCP接続を確立する。幾つかの実施形態では、このゲートウェイは、表象状態転送(REST)に基づいたウェブサービスを使用してこれらサンプルを送信してもよい。これらゲートウェイの何れか又は両方は、それぞれのゲートウェイで受信された被変調信号を圧縮し、この圧縮された被変調信号を更なる処理のために中央位置に伝達できる。例えば、ゲートウェイは、被変調信号の1つ又は複数のサンプルを、ネットワークを介してSDRサーバに搬送する前に圧縮できる。
【０１２２】
ここで(503)を参照すると、サーバは、これら被変調信号のサンプルを第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイから受信できる。SDRサーバは、これら被変調信号を第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイから受信できる。このSDRサーバは、被変調信号を、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイの一方又は両方から別個に受信できる。このSDRサーバは、これら被変調信号のサンプルを、ゲートウェイのそれぞれから別個に受信できる。第1ゲートウェイ、第2ゲートウェイ、及びこのサーバは、ワイドエリアネットワーク又はインターネットなどの通信ネットワークによって接続できる。このSDRサーバは、各ゲートウェイからサンプルを、例えばこれらゲートウェイそれぞれに割り当てられた時間スロットなどの異なる時間スロット内で受信できる。幾つかの実施形態では、このSDRサーバは、上述したもののようなデータベース・レコードフォーマットで受信サンプルを格納できる。これらサンプルを他のゲートウェイからの使用可能なコピーと対にできるまで、このSDRサーバは、これら受信したサンプルをそうしたフォーマットで格納しておいてもよい。このSDRサーバは、受信したサンプルがSIMO/MIMO処理されるまで、これらサンプルをこのフォーマットで格納できる。
【０１２３】
ここで(503)を参照すると、このサーバは、これら被変調信号のサンプルから干渉信号を減算できる(505)。このサーバは、一方又は両方のゲートウェイから受信された被変調信号干渉信号を減算できる。干渉信号は、例えば、異なるアンテナ(例えば、垂直及び水平偏波アンテナ)を1つのゲートウェイ又は別個のゲートウェイに接続することで識別できる。ある種のアンテナは、別の種類のアンテナに比べてノード信号を受け取りやすい傾向にある場合がある。後者の種類のアンテナは、前者の種類のアンテナがノード信号の他に受信する雑音又は干渉信号などの雑音又は干渉信号を受け取りやすい傾向にある場合がある。
【０１２４】
SDRサーバは、所望のノード信号に加え干渉信号を含む任意のゲートウェイ（例えば第1ゲートウェイ）からのサンプルと、別のゲートウェイ（例えば、第2ゲートウェイ）からの干渉信号を含むサンプルとを受け取ることができる。このSDRサーバは、所望のノード信号に加え干渉信号を含む第1アンテナ（例えば、第1ゲートウェイ）からのサンプルと、干渉信号を含む別のアンテナ（例えば、第1ゲートウェイ）からのサンプルとを受け取ることができる。このSDRサーバは、混信阻止及び/又は雑音フィルタリングを実行できる。このSDRサーバは、干渉信号を含んだサンプルを、所望の信号に加え干渉信号を含むサンプルから減算できる。このSDRサーバは、所望の信号サンプルをこの減算に基づいて抽出でき、さらに、これら所望の信号サンプルを干渉信号なしで受け取られたかのように処理できる復調プロセスに送ることができる。
【０１２５】
ここで(507)を参照すると、このサーバは、第1ゲートウェイ及び第2ゲートウェイから受信されたこれら被変調信号のサンプルを、これらサンプルを組み合わせるため時刻同期できる。このSDRサーバは、受信された信号のサンプルをSDRサーバ上のアンテナダイバーシティ・モジュールに転送でき、そこでこれらサンプルは、例えば信号対雑音比(SNR)及び/又は他のパラメータを向上させるため時刻同期でき且つ組み合わせできる。このSDRサーバは、ローカルGPS情報又は他のタイミング情報を用いてこれらサンプルを時刻同期できる。これらサンプルは、一組の分散されたアンテナ/ゲートウェイを介して受信された信号に基づいてはいるが、加算したりそれ以外の様態で組み合わせたりできる。このSDRサーバは、冗長又は重複サンプルを捨てる、すなわち除去できる。このSDRサーバは、組み合わせたサンプルを、これら組み合わせられたサンプルが単一経路から到着したかのように処理できるこのSDRサーバの復調モジュールに送ることができる。従って、復調及び他の処理技法(例えば、SIMO/MIMO)は、ゲートウェイ及びSDRサーバの収集体が非分散型システムであるかのように実行できる。
【０１２６】
幾つかの実施形態では、別個のノードのそれぞれが、第1及び第2ゲートウェイで受信される時空間符号化信号を送ることができる。これらゲートウェイのそれぞれは、サンプルをSDRサーバのMIMO/SIMOモジュールに送ることができる。このMIMO/SIMOモジュールは、これらサンプルを時空間符号に基づいて分離、グループ化、又は組み合わせて、受信した信号の信号送信速度/スループット、SNR、又は他のパラメータを向上させることができる。
【０１２７】
ここで(509)を参照すると、このサーバは、データを回復するために被変調信号の別個に受信したサンプルを処理するようにソフトウェア無線(SDR)ソフトウェアによって構成できる。このサーバは、(503)、(505)及び/又は(507)における任意の処理を実行するようにSDRソフトウェアによって構成できる。この処理は、一方又は両方のゲートウェイから受信された被変調信号の復調を含むことができる。この処理は、第1及び/又は第2ゲートウェイから受信された被変調信号の復調を含むことができる。この処理は、これらサンプルから回復された被変調信号の復調を含むことができる。
【０１２８】
このSDRサーバは、重要な信号処理を行うように構成できる。このSDRサーバは、ゲートウェイから先送りされた信号処理ステップを行うように構成できる。このSDRサーバは、各ゲートウェイから共通の又は計算負荷が高い処理を軽減することで、複数のゲートウェイにかわって集中信号処理を行うように構成できる。このSDRサーバは、例えば、ゲートウェイ/アンテナ「冗長性」、ダイバーシティ処理、及び/又は混信阻止から恩恵を受けるため、分散されたアンテナ/ゲートウェイから受信した一組の合成信号に信号処理を行うよう構成できる。従って、ノードからゲートウェイへの無線リンクの信号対雑音比(SNR)は、多数の位置で受信された信号を組み合わせることによって向上させうる。SNRは、異なる伝搬経路及び/又は異なる伝搬モードを介して受信された信号を組み合わせることで向上できる。
【０１２９】
このSDRサーバは、信号フィルタリング、混信阻止、復元、暗号化、解読、前方誤り訂正(FEC)、符号化、復号化、ビーム形成、及びアンテナダイバーシティ処理のうち少なくとも1つを含む被変調信号の処理を実行できる。例えば、このSDRサーバは、ゲートウェイからの圧縮サンプルをさらなる処理のため組み合わせる前に復元できる。このサーバは、シングル入力・マルチ出力(SIMO)及びマルチ入力・マルチ出力(MIMO)処理の少なくとも一方を含む処理を実行するようSDRソフトウェアによって構成できる。このSDRサーバは、SIMOアンテナダイバーシティ組合せ、FSK復調、埋め込まれたトーンを分解するための離散フーリエ変換実装、コヒーレント復調のための搬送波位相の回復、及び/又はタイミング回復を含む様々な信号処理機能を提供できる。
【０１３０】
このSDRサーバは、ゲートウェイからベースバンド・サンプルブロックを受け取るためのウェブサービスを含む又は提供できる。このSDRサーバはこれらサンプルを処理でき、得られたデータレコードをエンドユーザアプリケーションによる使用のためデータベースに入れることができる。これらサンプルブロックは、サンプルレコード及び/又はスペクトル写真データを抽出するため処理できる。上述したように、このSDRサーバ又はMIMO/SIMO処理モジュールは、データレコードを、データベースに格納するため特定のフォーマットで出力できる(例えば後SIMO処理）。このSDRサーバは、復号されたセンサレポートを後処理済みのサンプルブロックから抽出できる。このSDRサーバは、復号されたサンプルレコード及びスペクトル写真を履歴データベースに書き込むことができる。
【０１３１】
幾つかの実施形態では、このSDRサーバは、デバッギング/診断のためにイベントロギングを実行でき、構成及びモニタリングのためのウェブサーバ・コントロールパネルを提供することもできる。このSDRサーバは、エンドユーザアプリケーションによるこの履歴データベースへのアクセスを可能とするウェブサービスを提供できる。エンドユーザは、1つ又は複数のエンドユーザアプリケーションを介して、このSDRサーバで回復されたセンサデータの部分にアクセスできる。エンドユーザアプリケーションは、このSDRサーバのセンサ履歴記憶機構からセンサデータを取り出し、それをエンドユーザにグラフィカルな形式で提示できる。
【０１３２】
本明細書で説明されたシステムは、それらの構成要素のいずれか又はそれぞれの多数個を提供でき、これら構成要素は独立型マシンに設けることができ、或いは幾つかの実施形態では、分散システムにおける多数のマシンに設けることができることは理解すべきである。さらに、上述のシステム及び方法は、1つ若しくは複数の製品に実装された1つ若しくは複数のコンピュータ可読プログラム又は実行可能命令として提供できる。この製品は、フロッピー（登録商標））ディスク、ハードディスク、CD-ROM、フラッシュメモリカード、PROM、RAM、ROM、又は磁気テープでもよい。一般に、こうしたコンピュータ可読媒体は、LISP、PERL、C、C++、C#、PROLOGのような任意のプログラミング言語、又はJAVA（登録商標）のような任意のバイトコード言語で実装すればよい。ソフトウェアは、1つ又は複数の製品にオブジェクトコード又は実行可能命令として格納できる。
【０１３３】
通常の技能を備えた当業者であれば、本発明の上述の説明によって現時点でその最良の様態と考えられるものを製造且つ使用できるが、通常の技能を備えた当業者であれば本明細書の特定の実施形態、方法、及び実例の変形、組合せ、及び等価物が存在することを理解し且つ認識するはずである。従って、本発明は、上述の実施形態、方法、及び実例によって限定されるべきものでなく、本発明の範囲及び精神に入るすべての実施形態及び方法によって限定されるべきものである。
【図１Ａ】
2016506122.tif 000012
【図１Ｂ】
2016506122.tif 000013
【図１Ｃ】
2016506122.tif 000014
【図２Ａ】
2016506122.tif 000015
【図２Ｂ】
2016506122.tif 000016
【図２Ｃ】
2016506122.tif 000017
【図２Ｄ】
2016506122.tif 000018
【図２Ｅ】
2016506122.tif 000019
【図２Ｆ】
2016506122.tif 000020
【図２Ｇ】
2016506122.tif 000021
【図２Ｈ】
2016506122.tif 000022
【図２Ｉ】
2016506122.tif 000023
【図２Ｊ】
2016506122.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成27年11月27日(2015.11.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分散型無線通信ネットワークを提供するためのシステムであって、
複数の地理的に分散した複数のノードのうち第1ノードから無線送信されるデータの被変調信号の第1の少なくとも一部を受信する第1ゲートウェイであって、アナログ・デジタル(A/D)変換を実行して前記被変調信号の前記第1の少なくとも一部の第1サンプルを生成し、該第1サンプルをサーバに送信する、第1ゲートウェイと、
前記第1ノードから無線送信される前記データの前記被変調信号の第2の少なくとも一部を受信する第2ゲートウェイであって、アナログ・デジタル(A/D)変換を実行して前記被変調信号の前記第2の少なくとも一部の第2サンプルを生成し、該第2サンプルを前記サーバに送信する、第2ゲートウェイと、
前記第1ゲートウェイから送信された前記第1サンプルと、前記第2ゲートウェイから送信された前記第2サンプルとを受け取る前記サーバであって、前記データの前記被変調信号を回復するために前記受信された第1サンプル及び第2サンプルを組み合わせ、前記データを回復するために前記回復された被変調信号を復調するようにソフトウェア無線(SDR)ソフトウェアによって構成された前記サーバとを含む、システム。
【請求項２】
前記第1ゲートウェイが、前記第1サンプルを圧縮し、前記圧縮された第1サンプルを前記サーバに伝達する、請求項1に記載のシステム。
【請求項３】
前記サーバは、シングル入力・マルチ出力(SIMO)及びマルチ入力・マルチ出力(MIMO)処理の少なくとも一方を含む処理を実行するようSDRソフトウェアによって構成される、請求項1に記載のシステム。
【請求項４】
前記第1ゲートウェイ、前記第2ゲートウェイ、及び前記サーバは、通信ネットワークにより接続されている、請求項1に記載のシステム。
【請求項５】
前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイの少なくとも一方は、電離層から反射された被変調信号の1つを受信する、請求項1に記載のシステム。
【請求項６】
前記被変調信号は、前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイの少なくとも一方まで10キロメートルを上回る送信経路を介して伝達される3メガヘルツと30メガヘルツ(MHz)との間の低電力の無線周波数(RF)信号を含む、請求項1に記載のシステム。
【請求項７】
前記サーバは、信号フィルタリング、混信阻止、復元、暗号化、解読、前方誤り訂正(FEC)、符号化、復号化、ビーム形成、及びアンテナダイバーシティ処理のうち少なくとも1つを含む前記受信された第1サンプル及び第2サンプルの処理を実行する、請求項1に記載のシステム。
【請求項８】
前記サーバは、前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイからそれぞれ受信された前記第1サンプル及び前記第2サンプルを、当該第1サンプル及び当該第2サンプルを組み合わせるため時刻同期する、請求項1に記載のシステム。
【請求項９】
前記サーバは、前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイからそれぞれ受信された前記第1サンプル及び前記第2サンプルから干渉信号を除去する、請求項1に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイは、前記被変調信号の前記第1及び第2の少なくとも一部を、前記第1ノードからの直接経路、地上波経路、及び電離層反射のうち少なくとも2つを介して送信される無線周波数(RF)信号として受信する、請求項1に記載のシステム。
【請求項１１】
分散型無線通信ネットワークを提供するための方法であって、
地理的に分散した複数のノードの第1ノードから無線送信されたデータの被変調信号の第1の少なくとも一部を第1ゲートウェイによって受信する段階と、
前記第1ゲートウェイによって、アナログ・デジタル(A/D)変換を実行して前記被変調信号の前記第1の少なくとも一部の第1サンプルを生成する段階と、
前記第1ゲートウェイによって、前記第1サンプルをサーバに送信する段階と、
第2ゲートウェイによって、前記第1ノードから無線送信される前記データの前記被変調信号の第2の少なくとも一部を受信する段階と、
前記第2ゲートウェイによって、A/D変換を実行して前記被変調信号の前記第2の少なくとも一部の第2サンプルを生成する段階と、
前記第2ゲートウェイによって、前記第2サンプルを前記サーバに送信する段階と、
前記第1ゲートウェイから送信された前記第1サンプル及び前記第2ゲートウェイから送信された前記第2サンプルを前記サーバによって受信する段階と、  ソフトウェア無線(SDR)ソフトウェアによって構成された前記サーバによって、前記被変調信号を回復するために前記受信された第1サンプル及び第2サンプルを組み合わせる段階と、
前記サーバによって、前記データを回復するために前記回復された被変調信号を復調する段階とを含む、方法。
【請求項１２】
前記第1ゲートウェイによって、前記第1サンプルを圧縮し、前記圧縮された第1サンプルを前記サーバに伝達する段階をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
前記サーバによって、シングル入力・マルチ出力(SIMO)及びマルチ入力・マルチ出力(MIMO)処理の少なくとも一方を含む処理を実行する段階をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１４】
前記第1ゲートウェイ、前記第2ゲートウェイ、及び前記サーバを、通信ネットワークを介して接続する段階をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１５】
前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイの少なくとも一方により、電離層から反射された前記被変調信号の1つを受信する段階を含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１６】
前記被変調信号は、前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイの少なくとも一方まで10キロメートルを上回る送信経路を介して伝達される3メガヘルツと30メガヘルツ(MHz)との間の低電力RF信号を含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１７】
前記サーバによって、信号フィルタリング、混信阻止、復元、暗号化、解読、前方誤り訂正(FEC)、符号化、復号化、ビーム形成、及びアンテナダイバーシティ処理のうち少なくとも1つを含む処理を実行する段階をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１８】
前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイからそれぞれ受信された前記第1サンプル及び前記第2サンプルを、当該第1サンプル及び当該第2サンプルを組み合わせるために、前記サーバによって時刻同期する段階をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１９】
前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイからそれぞれ受信された前記第1サンプル及び前記第2サンプルから干渉信号を、前記サーバによって除去する段階をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項２０】
前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイによって、前記被変調信号の前記第1及び第2の少なくとも一部を、前記第1ノードからの直接経路、地上波経路、及び電離層反射のうち少なくとも2つを介して送信される無線周波数(RF)信号として受信する段階をさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項２１】
前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイの少なくとも一方は、前記第1ノードから超短波(VHF)又は極超短波(UHF)で無線送信される前記被変調信号の1つを受信する、請求項1に記載のシステム。
【請求項２２】
前記第1ゲートウェイ及び前記第2ゲートウェイの少なくとも一方によって、前記第1ノードから超短波(VHF)又は極超短波(UHF)で無線送信される前記被変調信号の1つを受信する段階を含む、請求項11に記載の方法。
【国際調査報告】
2016506122.tif 000025
2016506122.tif 000026