JP2004528743A - ノードをワイヤレス・メッシュ・ネットワークに入場許可するための結合プロセス方法 - Google Patents
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Abstract
ワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワークのための結合プロセスが提供される。ネットワークにおいて、複数のノードが共により大きいセクタ角度をカバーする多くの空間カバレージ・サブ・セクタを有し、１つのノードがそのサブ・セクタによってカバーされる方向に位置する他のノードとの接続を確立できる。結合プロセスは、結合ノードをネットワークに追加し、結合ノードに、定義された時間、特定の受信周波数でサブ・セクタを聴取させることを含む。その後、ネットワーク・ノードは、定義されたタイミングおよびシーケンスに従って、そのサブ・セクタおよびその受信周波数を変更する。アクティブ・ネットワーク・ノードは、存在する内部ネットワーク通信のために既に使用中のサブ・セクタから導き出された相対位置および相対角度方位に基づいて、定義されたサブ・セクタ周波数、タイミングで、編成された送信勧誘データ・パケットを送信する。このことにより、ネットワーク内の周波数干渉が減少し、結合プロセスのために必要な時間が減少される。
Description
【０００１】
（背景）
本発明は、一般にネットワーキングの分野に関し、より詳細には、送信勧誘するメッシュ・ネットワーク・ノードの時間周波数空間のスケジューリングおよび同期を組み込んだ自動結合プロセス方法を使用して、空間的に分散されているワイヤレス・ノードがメッシュ・ネットワークに入場許可されるワイヤレス・メッシュ・ネットワークの分野に関する。
【０００２】
ワイヤレス・ネットワークは、通常、互いに接続する多数のポイント・ツー・ポイント（ＰＰ）無線リンクを組み込み、従って所望の位置にネットワーク接続するための固定無線リンク接続を使用することにより設計される。別の通常使用されているネットワーク・アーキテクチャでは、ポイント・ツー・マルチ・ポイント（ＰＭＰ）トポロジやセルラベースのトポロジなどのセル・ネットワーク・トポロジを用いる。このようなネットワーク内のそれぞれのノードには、無線および関連するアンテナが含まれる。ＰＭＰトポロジでは、ネットワークは基地局などの集中した位置から制御される。
【０００３】
多数の独立したポイント・ツー・ポイント・リンクを有するネットワークにおいては、ネットワークへの新しいネットワーク・ノードの追加は、新しいポイント・ツー・ポイント・ワイヤレス・リンクを追加することにより手動で行われる。このことを、アドミタンスまたはアドミッション・プロセスと呼ぶが、ここで、新しいネットワーク・ノードはネットワークに追加され、ネットワーク内の他の構成要素との高信頼無線通信を開始する。従来のアドミタンス・プロセスでは、無線リンク・アンテナは、高品質受信が得られるまで、互いに対して手動または機械的に整列される。ＰＭＰネットワークの場合は、基地局が、一般にネットワークの中央近くに位置し、新しい加入者無線が、その基地局または複数の周知の基地局と通信することによりネットワークに結合する。
【０００４】
新しいノードをネットワークに入場許可するための２つの一般的な場合が存在する。第１の場合では、加入者は、全方向性アンテナを有する。一例が、移動通信システムにおけるハンドセットである。この場合、加入者は、特定の制御チャネル上で送信勧誘を受信し、そのセル位置をカバーする基地局によって送信勧誘される。第２の場合では、加入者無線は、方向性アンテナを組み込んでいる。例として、衛星ＴＶ同報ネットワークやＰＭＰワイヤレス・アクセス・ネットワークがある。機械的な整列プロセスは加入者側のみで行われ、それにより、最適無線周波数（ＲＦ）信号受信を得るために、加入者アンテナは基地局に向けて整列される。上述した以前のネットワークにおいては、新しいネットワーク・ノードが、最適受信を得るための機械的な整列を使用してネットワークに結合する。
【０００５】
ポイント・ツー・マルチ・ポイント整列プロセスが、図１に示されている。図１は、従来の技術によるポイント・ツー・マルチ・ポイント・ワイヤレス・ネットワーク１０の一部分を示す図である。ネットワーク１０は、基地局１１とトランシーバ・ノード１２、１９とを備える。基地局１１は、軸１７ａおよびｌ７ｂによって定義された、それぞれ４つの９０度のセクタ１３、１４、１５、１６内で通信するために、１つまたは複数のアンテナと関連するトランシーバとを備える。セクタ１３、１４、１５、１６は、基地局１１に対して固定される。トランシーバは、その関連するセクタ内で通信するために、固定周波数が割り当てられる。
【０００６】
それぞれのトランシーバ・ノード１２、１９が、加入者無線に対応する。トランシーバ・ノード１２が、単一のローブまたはビーム１８を有するアンテナを備える。ビーム１８は、トランシーバ・ノード１２のビーム１８が、セクタ１３に関連するトランシーバから最大信号強度を受信するまで、基地局１１の位置に向けて水平におよび垂直にトランシーバ・ノード１２でアンテナを操向することにより機械的に整列される。セクタ１３に関連する基地局トランシーバは、その固定周波数でデータおよび送信勧誘信号を送信する。トランシーバ・ノード１２が、そのローブまたはビーム１８を介してその周波数を受信し、信号強度インジケータが、その方向の最大受信信号強度を識別する。このことにより、インストールする人または電動アンテナ・ドライバが、最大受信のためのアンテナの角位置を調整できる。
【０００７】
トランシーバ・ノード１９の整列も図１に示されている。トランシーバ・アンテナを基地局１１に向けて回転することにより、セクタ１４に関連する基地局トランシーバおよびアンテナとの正しい整列が得られる。繰り返すが、信号受信を最適化するために、アンテナ・ビームまたはローブを手動で方向付けることにより、整列が機械的になされる。
【０００８】
ポイント・ツー・マルチ・ポイント通信の例では、基地局ビームの位置を変更せずに、整列が遠隔の加入者ユニットで行われ、そのプロセスは機械的な整列によって行われる。頑強ではあるが、アドミタンス・プロセスは、コストのかかる工数作業に依存する。ネットワーク・トポロジ変更の場合には、新しい基地局の位置に対して加入者無線またはトランシーバ・ノードを再整列するために、かつ周波数を新しく割り当てられたセクタ周波数に変更するために、繰り返しオペレーションが必要である。
【０００９】
したがって、一般に、新しいノードをネットワークに入場許可するための改良された方法が求められている。特に、ネットワークが有機的に増大するワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワークにおいては、ネットワークに追加された新しいノードが、既に存在している多くのネットワーク・ノードの１つを介して結合しなければならない。特定の時間および周波数で、結合ノードの受信ビームの方向を送信勧誘するネットワーク・ノードの１つの送信ビームに電子的に整列する自動プロセスが、機械的な整列技術に対する重要な改良である。
【００１０】
（簡単な概要）
導入として、本実施形態は、複数のネットワーク・ノードがより大きいセクタ角度を共にカバーする多数の空間カバレージ・サブ・セクタを有し、１つのノードがそのサブ・セクタによってカバーされる方向に位置する他のノードとの接続を確立できるワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワークのための結合プロセスを提供する。結合プロセスにより結合ノードがネットワークに追加され、これには、定義された時間、特定の受信している周波数で、結合ノードでそのサブ・セクタを聴取することが含まれる。その後、結合ノードは、定義されたタイミングおよびシーケンスに従って、そのサブ・セクタおよびその受信している周波数を変更する。アクティブ・ネットワーク・ノードが、存在している内部ネットワーク通信のために既に使用されているサブ・セクタから導き出された相対位置および相対角度方位に基づいて、定義されたセクタ、周波数、タイミングで、編成された送信勧誘データ・パケットを送信する。このことにより、周波数干渉が減少し、結合プロセスのために必要な時間が減少する。
【００１１】
本実施形態は、さらに、結合ノードをワイヤレス・メッシュ・ネットワークに入場許可するための方法も提供する。本方法は、同期されスケジュールされた送信時間および定義された空間方向にわたるスケジュールされた送信方向で、ワイヤレス・メッシュ・ネットワークの１つまたは複数のアクティブ・ノードから送信勧誘パケットを送信することを含む。ある遅延時間後、送信された応答が、定義された空間方向で結合ノードから検出される。
【００１２】
本実施形態は、さらに、結合ノードをワイヤレス・メッシュ・ネットワークに追加するための方法も提供し、そのネットワークは、少なくとも第１のネットワーク・ノードと第２のネットワーク・ノードとを備える。本方法は、一実施形態では、結合ノードのための位置情報を受信することと、結合ノードとの通信を開始するための少なくとも１つのネットワーク・ノードを指定することとを含む。本方法は、さらに、結合ノードの予想される位置に向けた方向に少なくとも１つのネットワーク・ノードで送信勧誘パケットを送信することと、送信勧誘パケットに応答してネットワーク・ノードで応答を受信することとを含む。
【００１３】
本実施形態は、さらに、結合ノードを、１つまたは複数のネットワーク・ノードを含むワイヤレス・メッシュ・ネットワークに追加するための方法も提供する。一実施形態では、本方法は、結合ノードとの通信を開始するために少なくとも１つのネットワーク・ノードを指定することと、少なくとも１つのネットワーク・ノードで、結合ノードとの通信を開始するために、結合ノードを検出する最も高い確率の第１のセクタ上を走査することとを含む。その後、本方法は、結合ノードを検出するより低い確率のセクタ上を走査することと、送信勧誘パケットに応答してネットワーク・ノードで応答を受信することとを含む。
【００１４】
本実施形態は、さらに、１つまたは複数の結合ノードをワイヤレス・メッシュ・ネットワークに入場許可するための方法も提供する。本方法の一実施形態には、１つまたは複数の結合ノードによるスペクトル・アクティビティの検出のためのスペクトル・アクティビティを作成するために、定義された周波数チャネル上でおよび定義された方向でネットワーク・ノードを送信勧誘することにより、データ・パケットの送信をスケジューリングすることが含まれる。１つまたは複数の結合ノードのうちの１つの結合ノードで、本方法は、定義された周波数チャネルで送信勧誘するネットワーク・ノードの無線周波数アクティビティを識別するためにスペクトルおよび異なる空間方向を走査することと、送信勧誘するネットワーク・ノードに向けた空間方向を識別することと、データ・パケット間で送信勧誘するネットワーク・ノードによって送信された送信勧誘パケットを受信するために、識別された空間方向内の定義された周波数チャネルに同調することとを含む。
【００１５】
好ましい実施形態についての上記の記載は、単に導入のために提供したものである。本セクションを、本発明の範囲を定義する頭記の特許請求の範囲を限定するものと解釈してはならない。
【００１６】
（現在の好ましい実施形態の詳細な説明）
本実施形態では、送信勧誘するネットワーク・ノードと結合ノードの両方の時間周波数空間同期アルゴリズムを使用して、空間的に分散されたワイヤレス・ノードをワイヤレス・ネットワークに入場許可するよう設計された、新規な自動結合プロセス方法および装置について記述する。新しい自動の一般的な結合アルゴリズム・プロセスは、空間ダイバーシティ・アンテナを備えたワイヤレス・ネットワーク・ノードを入場許可するよう設計されている。新しいネットワーク・ノードは、それぞれがまた空間ダイバーシティ・アンテナを備えた他のワイヤレス・ノードを有するワイヤレス・ネットワークに追加される。この新規なネットワーク・トポロジでは、ネットワークに存在する通信トラフィックへの最小割込みおよび最小オーバヘッドで、送信を同期し、時間および周波数を受信しながら、結合ノードの方向に送信勧誘するネットワーク・ノードのビーム・ローブを同時に調整することが必要である。
【００１７】
例示した方法は、いろいろなタイプのビーム操向技術の中の一般的なものである。例として、単一のアンテナに基づいて電子的にビームを切り換えるまたはビームを操向する、あるいは異なる空間セクタをカバーする複数のアンテナ間で電子的にビームを切り換える、位相アレイ・アンテナで実施されるものが含まれる。
【００１８】
現行実施形態では、新しく結合ノードの空間ビーム・ダイバーシティが、既存の隣接ネットワーク・ノードに向けてその受信および送信ローブを方向づけるために、そのビーム・ローブを１方の角方向から他方の角方向に切り換える（または操向する）ことが可能なトランシーバを備えることにより達成されるネットワークについて記述する。同時に、通信がスケジュールされた他の隣接ネットワーク・ノードが、新しく結合ノードに向けて送信勧誘パケットを送信するために、異なる方向に向けて、それぞれ、それらの送信／受信ビーム・ローブを調整する。自身をネットワークに入場許可するために送信勧誘パケットを探索する、ネットワーク内の送信勧誘するノードのビームと結合ノードのビームの間の相互整列プロセスは、特定の時間空間および周波数チャネルで、向きが操作された２つのビームを同期するよう設計される。
【００１９】
本明細書で記述した実施形態は、Ｊ．ＢｅｒｇｅｒおよびＩ．Ａａｒｏｎｓｏｎによる米国特許出願番号第０９／１８７，６６５号、「Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｍｅｓｈ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ」（１９９８年１１月５日出願）に記載されているタイプから、Ｊ．Ｂｅｒｇｅｒらによる名の下で出願された米国特許出願番号第０９／４３３，５４２号、「Ｓｐａｔｉａｌｌｙ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｏｕｔｅｒ ｆｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｄａｔａ Ｐａｃｋｅｔ」に記載されている設計と同様の交換マルチビーム・アンテナ設計を有するネットワーク・ノードまでのワイヤレスＭＥＳＨトポロジ・ネットワークと合わせて使用できる。出願番号第０９／１８７，６６５号および出願番号第０９／４３３、５４２号の両方が、参照により本明細書に組み込んである。
【００２０】
次に図２を参照すると、ワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワーク２０が示されている。図２のワイヤレス・ネットワーク２０は、ノード２１、ノード２２、ノード２４を含む３つのアクティブ・ノードと、ネットワークに結合するようシークする結合ノード２３とを有する。一実施形態では、ノード２１、２２、２３、２４は、１つまたは複数のノードとの無線通信内で１つまたは複数の加入者無線からユーザ・データを通信する。ワイヤレス・メッシュ・トポロジは、データを発信するデバイスとそのデータの最終宛先の間に複数の接続を提供する。
【００２１】
ワイヤレス・ネットワーク２０の編成は、単なる例である。他の実施形態には、異なる方向に方向付けられた他の数量のネットワーク・ノードが含まれる。たとえば、一実施形態では、ネットワーク２０は、さらに、ネットワーク２０のための制御機能を提供する制御ノードを有する。制御ノードは、ユーザ・データを通信するワイヤレス・ネットワーク・ノード２１、２２、２３、２４の１つ、またはネットワーク２０のための制御機能に専用の、かつネットワーク２０のノードとのワイヤレスまたはワイヤライン通信内の別個のノードであり得る。
【００２２】
ネットワーク・ノード２１、２２、２３、２４はすべて、その設計上、実質的に同一であるかまたは異なっていることがある。しかし、ノード２１、２２、２３、２４のそれぞれが、他のネットワーク・ノードなどの１つまたは複数の遠隔に位置する無線デバイスとの双方向無線通信のために構成される。
【００２３】
ネットワーク・ノード２１、２２、２３、２４のそれぞれが、電子ビーム操向機能を有するアンテナを備える。ネットワーク・ノード２１、２２、２３、２４のそれぞれのアンテナは、約１２０度の大きいセクタ（または他のカバレージ・セクタ・サイズ）をカバーする。従って、ネットワーク・ノード２１はセクタ２０２をカバーするアンテナを備え、ネットワーク・ノード２２はセクタ２０４をカバーするアンテナを備え、ネットワーク・ノード２３はセクタ２０６をカバーするアンテナを備え、ネットワーク・ノード２４はセクタ２０８をカバーするアンテナを備える。それぞれのセクタ２０２、２０４、２０６、２０８が、これもサブ・セクタと呼ぶ、１６のセクタを有する。それぞれのサブ・セクタが７．５度をカバーする。それぞれのサブ・セクタは、どのような適切な方式ででも識別できる。一例では、１６のサブ・セクタは、それぞれ、サブ・セクタ（０）からサブ・セクタ（１５）として識別される。
【００２４】
図２のワイヤレス・ネットワーク２０においては、ネットワーク内のそれぞれのノードが、そのノードと隣接ノードの間で確立された無線リンクを介して隣接ノードとデータを通信する。従って、ネットワーク・ノード２１および２２は確立された無線リンク２６を介して通信し、ノード２１およびノード２４は無線リンク２５を介して通信し、ノード２２およびノード２４は無線リンク２８を介して通信する。
【００２５】
図２に示されるように、新しいまたは結合ノード２３が、ネットワーク２０に結合している。結合ノード２３の最初の位置により、ノード２１とのリンク２７およびノード２３とのリンク２９を生成できる。しかし、図２に示されるように、ノード２２に関連するセクタ２０４とノード２３に関連するセクタ２０６とは、オーバラップしない。ノード２２、２３の方向性アンテナ間に直接の見通し経路がない。これらのオーバラップしていないセクタ２０４、２０６により、ノード２２とノード２３とは、直接通信することができない。
【００２６】
図３は、ノード２３をネットワーク２０に追加するための結合プロセスの完了後の図２のワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワーク２０を示す図である。図３では、無線リンク２７が、結合ノード２３とアクティブ・ノード２４の間で確立されている。無線リンク２９が、結合ノード２３とアクティブ・ノード２１の間で確立されている。結合ノード２３は、現在、ネットワーク２０のアクティブ・ノードである。
【００２７】
図３は、ネットワーク２０のノード２１、２２、２３、２４に関連するセクタ２０２、２０４、２０６、２０８の個々のサブ・セクタのいくつかを示す図である。例示した実施形態では、結合ノード２３が、これもそのサブ・セクタ（６）として記述されたノード２２のセクタ４６と通信するために、これもそのサブ・セクタ（１４）として識別されたセクタ３１を選択した。さらに、結合ノード２３が、これもノード２４のセクタ１３として識別されたノード２４セクタ４７と通信するために、そのサブ・セクタ（６）に対応するセクタ３９を選択した。
【００２８】
図４は、例示した実施形態によるネットワーク・ノード４８、４９、５０、５１を含むワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワーク４０の代替実施形態を示す図である。ネットワーク４０においては、ノード４８が、無線リンク５４を介してノード５１と通信できる。同様に、ノード５１は無線リンク５３を介してノード５０と通信し、ノード５０は無線リンク５２を介してノード４９と通信する。しかし、ノード４８のためのセクタのカバレージは、ノード４９のためのセクタのカバレージまたはノード５０のためのセクタのカバレージにオーバラップしない。同様に、ノード４９のセクタのカバレージは、ノード４８のためのセクタのカバレージまたはノード５１のためのセクタのカバレージにオーバラップしない。
【００２９】
図４の配置ネットワーク４０においては、ノード４８、４９、５０、５１の相互空間位置およびセクタのカバレージ方位を使用して、送信勧誘プロセスを配置または調整でき、それにより送信勧誘パケットが結合ノードによる受信のために送信される。図４の特定の配置においては、ノード４８が、ノード４９およびノード５０によって送信勧誘されない。つまり、ノード４８が、ノード４９またはノード５０のいずれかによって送信された送信勧誘パケットを受信しない。同様に、ノード４９は、ノード５０によってネットワーク４０に結合するよう送信勧誘されることがあるが、ノード４８またはノード５１によって送信勧誘されることはない。ノード４８および４９のオーバラップしていないセクタにより、ノード５０および５１が、それらを同じ時間および周波数で送信勧誘できる。
【００３０】
好ましくは、アクティブ・ノードおよび結合ノードの物理位置とアクティブ・ノードおよび結合ノードのセクタのカバレージの方向性が、結合プロセスを開始する前に考慮される。この情報を使用することにより、結合プロセスは、結合プロセスを完了し、１つまたは複数の新しく結合ノードをネットワーク４０に追加するために必要な送信勧誘送信の時間および数を減少することにより最適化できる。
【００３１】
図５は、図２のネットワーク２０のネットワーク・ノードのオペレーションを示す流れ図である。図５に例示した本方法による作用を、結合ノードを確立されたアクティブ・ノードのネットワークに追加するための結合プロセスの一部として実行できる。本方法は、ブロック５００から開始する。
【００３２】
任意のブロック５０２で、ネットワーク・ノードは、ネットワーク内のアクティブ・ノードの位置についておよび結合ノードの位置についての情報を受信する。新しいノードの地形上の位置についての情報が、結合ノードに関連するＧＰＳデバイスまたはインストレーション要員を使用して、コンピュータ・マップを通じてあるいはコンピュータ入力の他の手動または自動手段を通じて、ネットワークおよびそのノードで使用可能となる。情報は、処理するためにノードに送信される。
【００３３】
図面中の図のブロック５０２および他のブロックが破線で示され、それを任意に含むことができることが示されている。図面中の図に示されている作用は例であり、どのような適切な方式ででも、削除、補足、再配置ができることを理解されたい。
【００３４】
ブロック５０４で、ネットワーク・ノードは、現在の時間が、送信勧誘を結合ノードに送信するための送信時間に一致するかどうかを判断する。送信勧誘の送信は、ただ１つのネットワーク・ノードまたは１組のノードが特定の方向に向けておよび特定の周波数チャネルで一度に送信するようにスケジュールされる。すべての他のノードが、送信勧誘の長さプラス最大伝搬遅延を含む時間フレームを有し、その中でそれらは沈黙し聴取している。どの聴取しているノードででも互いに干渉する可能性がない場合には、複数のノードが一度に送信することが可能である。たとえば、図４の実施形態では、ノード４８および４９が、同時にかつ同じ周波数で送信勧誘を送信できる。これは、結合ノードが、同時にノード４８と４９の両方のカバレージ・エリア内にあることが不可能なためである。
【００３５】
図５の任意のブロック５０６で、ネットワーク・ノードは、送信勧誘を送信するためのサブ・セクタを選択する。この作用は、図３のような実施形態において特に適用可能であり得る。ここでは、それぞれのノードが、より大きいセクタ内で狭く定義されたサブ・セクタ上を送信し受信できる非常に方向性のあるアンテナを備える。カバレージ角度またはセクタがより小さいセクタまたはサブ・セクタに細分されると、送信勧誘は、定義された時間にわたってすべてのセクタが使用されるような方式で、異なるサブ・セクタ上を毎回送信される。たとえば、セクタのためのアンテナ・カバレージ角度が１２０度であるが、この角度がそれぞれ７．５度の１６サブ・セクタに細分されている場合は、送信勧誘パケットは、１６回の送信後には全アンテナ・カバレージ角度が使用されるように、スケジュールされた時間に１セクタにわたって送信される。結合ノードの近似位置に関する前の知識に基づく異なる走査を、結合時間を減少させるために実施することもできる。
【００３６】
さらにセクタに加えて、ブロック５０６で、送信勧誘を送信するために、周波数を選択または割り当てることができる。いくつかの周波数チャネルで送信が可能な場合は、セクタおよびチャネルの複数の組合せが使用される。たとえば、２つの異なる周波数で動作するネットワーク内のノードの１６セクタ・アンテナが、周波数およびセクタの割り当てられた組合せを使用して、３２の定義済み回数（２×１６＝３２回）、送信勧誘パケットを送信する。この例では、送信勧誘が１００ミリ秒毎に送信される場合は、すべての可能な組合せが３．２秒間でカバーされる。
【００３７】
ブロック５０８で、送信勧誘は、結合ノードによる受信のためにノードから送信される。送信勧誘は、結合ノードによって予想され認識される所定のフォーマットを有することが望ましい。送信は、本明細書に記述した結合プロセスを実行するために適切な、どのようなフォーマットおよびコンテントも有することができる。ブロック５１０で、その送信を送信した後に、ネットワークのノードは、送信勧誘の受信に応答して、結合ノードによって送信された応答または応答を聴取する。例示した実施形態では、ノードの受信機回路を起動し、ネットワーク・ノードの方向性アンテナを使用して、１つまたは複数の定義済みセクタまたは周波数を走査することにより、聴取が達成される。たとえば、簡単な時分割二重の場合、受信機は、送信された送信勧誘の同じ周波数および同じビーム方向に同調される。
【００３８】
ブロック５１２で、ノードは、応答を受信したかどうか判断する。していない場合は、ブロック５１４で、次の周波数およびアンテナ・ビームまたはセクタが、別の送信勧誘を送信するために選択される。次いで、制御がブロック５０４に戻る。応答がブロック５１２で受信された場合は、ブロック５１６で、結合プロセスが続行する。確立されたネットワーク・ノードは、結合ノードとの無線通信のために使用可能な他の隣接ノードの位置を定義する情報を含む情報を結合ノードと交換する。
【００３９】
図６は、図２のワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワーク２０に結合する、結合ノードのオペレーションを示す流れ図である。図６は、結合ノードがネットワークに入場許可される結合プロセスを実施するための方法を示す図である。
【００４０】
一般に、例示した実施形態によれば、既にネットワーク内にあるそれぞれのアクティブ・ノードが、予めスケジュールされた時間にパケットを送信する。このパケットを送信勧誘パケットと呼ぶ。結合ノードが、以前に接続されていなかったネットワーク・ノードから送信勧誘を受信し、それら両方が同じネットワークに属し、それらの間のリンクを作成する（「結合する」）ための認証を有している場合、結合ノードは、定義済み遅延後に応答する。この定義済み遅延は、送信勧誘パケットの一部として送信される。送信勧誘するネットワーク・ノードは、その時間の応答プラス伝搬遅延の不確実性を聴取する必要があることを認識している。認可された応答または結合要求が、フル結合とともに終了するシーケンスを始動する。
【００４１】
本方法は、ブロック６００で開始する。任意のブロック６０２で、結合ノードは、結合プロセスを実行しながら、使用するための走査情報を受信する。たとえば、走査情報は、結合ノードに、何時に走査すべきか、どの周波数を走査すべきか、どの方向に走査すべきかを伝えることができる。結合ノードは、ワイヤレス送信により、ワイヤライン通信により、またはインストーラによる手動通信によりなどの、どのような好都合な方式ででも走査情報を受信できる。
【００４２】
ブロック６０４で、結合ノードが走査順序を選択する。走査順序は、走査するための特定の周波数または方向および走査するための相対順序を定義できる。走査順序選択は、ブロック６０２で受信された走査情報に応答して行われる。ブロック６０６で、結合ノードは、送信勧誘のための走査用に使用するために、その方向アンテナのセクタを選択する。セクタ選択は、ブロック６０２で受信された走査情報に応答して行われる。ブロック６１０で、結合ノードは、走査のための周波数を選択する。周波数選択は、ブロック６０２で受信された走査情報に応答して行われる。
【００４３】
ブロック６１２で、結合ノードは、送信された送信勧誘を聴取する。送信勧誘は、結合ノードによって予想される所定のフォーマットを有する。結合ノードの受信機回路を起動し、受信された送信を検出し復調し復号することにより、聴取が達成される。
【００４４】
送信勧誘が受信されず認識されなかった場合は、ブロック６１４で制御はブロック６１６に進み、ここで、結合ノードのための走査時間が経過したかどうか判断される。経過していない場合は、制御はブロック６１２に戻り、ここで引き続き送信勧誘を聴取する。走査時間が経過していた場合は、制御はブロック６０４に戻り、ここで新しい走査順序が決定される。新しい走査順序は、送信勧誘の送信を検出するために、異なる方向、異なる周波数、または他の変形形態を使用できる。
【００４５】
ブロック６１４で送信勧誘が受信され認識された場合は、制御はブロック６１８に進む。ブロック６１８で送信勧誘は受信される。所定の遅延時間待った後に、ブロック６２０で、応答が結合ノードによって送信される。応答はどのような適切なフォーマットまたはコンテントも有することができる。好ましくは、応答は、１つまたは複数のネットワーク・ノードによって受信され認識される所定のタイミングおよびフォーマットを有する。
【００４６】
例示した実施形態では、それぞれの結合ノードが、一度に１つのみのセクタを１つの特定の周波数で聴取する。結合ノードは、引き続き、送信勧誘するノードがすべての可能な許容周波数帯域上およびすべての可能なセクタ上で送信勧誘を送信したことを保障するために、必要なだけの数のスケジュールされた送信勧誘の送信についてそのセクタ上を聴取する。送信勧誘が３２回１００ミリ秒毎に送信された以前の例では、ノードは、所与のセクタで待ち、３．３秒間プラス送信勧誘パケットの期間、定義された周波数帯域で信号を受信するよう同調する。これは、上述した所与の状況で送信勧誘を受信するのにかかる時間について最悪の場合である。
【００４７】
代替実施形態では、送信勧誘するノードと聴取するノードの役割を逆転して、聴取するノードがすべての可能なカバレージ角度および周波数チャネルで信号を探索することを確実にするのに十分な時間、送信勧誘するノードが１つのセクタ上で送信勧誘を送信できるようにすることが好ましい。プロセスは、定義された時間内にカバーされているすべての許容セクタと周波数との組合せを走査する。
【００４８】
２つの結合ノードが、同時に同じネットワーク・ノードから同じ送信勧誘を応答した場合、それらの送信が衝突する可能性がある。衝突が起きると、ネットワーク・ノードは、応答が受信されなかったかのような、雑音のみを検出する。聴取するノードに、毎回異なる順序でかつ隣接ノードから異なる順序で、それらのセクタまたは周波数帯域を走査させることにより、衝突を解決できる。この方式により、次回に、同じセクタ上で同じ送信勧誘するネットワーク・ノードから送信勧誘があった場合には、衝突した元の２つの結合ノードは、同時にまたは同じ周波数で送信勧誘するノードを見ず、従って衝突の可能性を減少するかまたは除くこととなる。
【００４９】
図７は、図２のワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワーク２０の制御ノードのオペレーションを示す流れ図である。上記に記載したように、制御ノードまたはネットワーク・コンピュータ・サーバをネットワーク内に備えて、制御または監視機能を提供できる。制御ノードまたはコンピュータ・サーバは、ワイヤレスまたはワイヤライン・リンクによりネットワークの１つまたは複数のアクティブ・ノードに接続できる。
【００５０】
上述した全自動結合プロセスは、制御ノードまたは中央コンピュータ・サーバまたはノードの１つに、あるネットワーク・ノード、セクタ、周波数の組合せのみが送信勧誘を発行することを認可させることにより短縮できる。たとえば、図２では、ノード２３が新しくインストールされた場合、ノード２３と２２の間に可能な接続性がないことが周知であれば、結合プロセスへの関与からノード２２を除去することが可能である。接続性がないことは、見通しがないことから、またはノード２２のカバレージ角度がノード２３のカバレージ角度にオーバラップしていないことにより生じる可能性がある。このような場合は、１組の可能なノードを減少することにより、新しく結合ノードをネットワーク・ノード２１および２４に自動的にリンクするのにかかる時間を減少できる。
【００５１】
さまざまな既存ネットワーク・ノードの位置および相対角度方位に基づいて、本方法は、結合プロセスの時間を短縮するために、結合プロセスに優先順位をつけることができる。たとえば、図３のネットワーク２０内の既存ネットワーク・ノード間で通信するために既に使用されているセクタに基づき、かつノード２２の地形上の近似位置に関する前の認識を想定して、ネットワークは、リンク２９がセクタ４７を介してノード２４によってノード２３とともに確立できることを計算する。結合プロセスはシステムに優先順位をつけて、次の送信勧誘に、定義済みの選ばれた周波数で選ばれたノードおよび選ばれたセクタで始動させるようにする。結合ノードは、その受信機を可能な許容周波数に同調させることにより、そのセクタを走査する。このことにより、新しく結合ノードをネットワーク内に入場許可するために必要な時間を最小限に押さえることができる。本方法はブロック７００から開始する。
【００５２】
ブロック７０２で、位置情報が、制御ノードまたはコンピュータ・サーバで受信される。新しいノードの地形上の位置についての情報が、結合ノードに関連するＧＰＳデバイスまたはインストーラ、コンピュータ・マップ、あるいはコンピュータ入力の他の手動または自動手段を使用して、ネットワークで使用可能となる。ネットワーク・サーバは、地理データベースおよびネットワーク・トポロジに基づいて、１組の可能性のあるリンクを選び、可能性のあるリンクのみに自動の新しいリンク確立を制限し、送信勧誘に優先順位をつけて、時間を削減することができる。いったん新しいノードへのリンクが確立されると、結合ノードのアジマス角度方位に関する知識が確立される。この角度方位は、たとえば、図３のノード２３セクタ３９とノード２４セクタ４７の間のリンク２９のセクタ番号を認識することから導き出される。この情報は、図３のノード２３セクタ３１とノード２１セクタ４６の間のリンク２７などの、結合ノードに対して最も可能性のある他のリンクが確立できることを識別する、さらにより正確な位置評価を生成する働きをする。このことはさらに、結合プロセスに優先順位を付け、結合時間プロセスを最小限に押さえる。
【００５３】
ブロック７０４で、受信された位置情報に基づいて、制御ノードは、１つまたは複数のアクティブ・ノードを送信勧誘するノードとして選ぶ。上述したように、その選択は、結合時間を最小限に押さえるためまたは他のパラメータを最適化するために行うことができる。ブロック７０６で、制御ノードは、選ばれた送信勧誘するノードのアンテナ・ビームのための方向および周波数を割り当てる。繰り返すが、その選択は、受信された位置情報および他の好ましい基準に基づいて行うことができる。ブロック７０８で、制御ノードは送信を開始する。これには、一実施形態では、たとえば、送信を始動すべき時間を定義するタイミング指示とともにビーム方向および周波数情報を選ばれたノードに送信することが含まれる。
【００５４】
ブロック７１０で、制御ノードは次の組の送信勧誘するノードを選ぶ。いったんすべての関連した組合せがカバーされると、別の組のノードが送信勧誘するノードとなる。次の組は、ランダムに選ばれる、中央コンピュータ・サーバから予めプログラムされる、または結合ノードの位置の可能性の高いカバレージを有する最近ネットワーク・ノードを見つけることに基づく方法などの他の技術を使用して選ばれることができる。送信勧誘する組のノードのメンバは、新しい結合ノードが同時に複数のネットワーク・ノードのカバレージ角度内にあることができる可能性を減少するかまたは最小限に押さえるよう、定義済みであることが好ましい。
【００５５】
ブロック７１２で、制御ノードは、結合プロセスが完了しているかどうか判断する。たとえば、ネットワークのノード間の通信をモニタして、結合プロセスを確認することにより、または結合ノードまたは別のアクティブ・ノードから確認通信を受信することにより、このことが達成できる。結合プロセスが完了していなかった場合は、制御がブロック７０４に戻り、ノードを送信勧誘するノードとして選択する。結合プロセスが完了していた場合は、本方法はブロック７１４で終了する。
【００５６】
次に、開示した実施形態をいくつかの実装形態の例で記述する。まず最初に、図３のワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワーク２０においては、ノード２１、２２および２４が、破線２５、２６および２８で示されたワイヤレス接続により、ネットワーク・ノード・リンクされる。ノード２３は、ノード２１とのワイヤレス・リンク２７およびノード２４とのリンク２９を介してネットワークに結合できるネットワーク２０の新しくインストールされたノードである。それぞれのノード２１、２２、２４が、無線通信のために指定され、サブ・セクタの方向のそれぞれ１つに切り換えることのできるビームを有する方向性アンテナを走査することによって働く、それぞれ、セクタ２０２、２０４、２０８を含むセクタを有する。図３に例示されているように、それぞれのノードに関連するサブ・セクタは、それらを時計回りの方向に番号付けし、セクタ（０）から始動し、セクタ（１５）で終了することによって指定される。
【００５７】
新しいノード２３がネットワークに導入される前に、ネットワーク動作可能周波数｛ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４｝の可能なリストで予めプログラミングされる。このプログラミングは、インストーラまたは他の要員によるワイヤレスまたはワイヤライン・プログラミングによって達成できる。周波数および他のプログライングされた情報のリストは、結合ノード２３に格納される。
【００５８】
結合プロセスの一部として、ノード２１および２４が、新しいノード２３を捜し、結合ノード２３との無線リンクを確立するよう命令される。これらの命令および関連する制御情報は、ネットワーク２０に関連する制御ノード、コンピュータ・サーバで発信、またはネットワーク２０の通信ノード２１、２２、２４の１つで発信できる。あるいは、結合ノード２３のインストール作業に関わるインストレーション要員により、情報が提供できる。制御および位置決め情報の他のソースも同様に使用できる。
【００５９】
新しいノード２３の位置に関する情報が使用可能でない一実施形態では、フル・セクタの走査を行い、ノード２３を検出する。この例による代替実施形態では、結合ノード２３の近似位置についての情報が周知であり、送信勧誘が、ノード２１、２４からのおよびそこへの通信に制限される。
【００６０】
結合プロセスのための通信を開始するために、ノード２１およびノード２４が、適切な数の特定セクタ上を走査することにより、送信勧誘パケットを送信することを始動する。この例については、ノード２１、２４は、全部で１６の使用可能なサブ・セクタから選択された９のサブ・セクタを送信することを開始する。この選択された９のセクタが、結合ノード２３に向かって予想される方向の中央にあることが好ましい。ノード２１は周波数ｆ１で走査するよう命令され、ノード２４は異なる周波数ｆ２で走査するよう命令される。両方のノード２１、２４は、異なる周波数であるので同時に走査を始動でき、従って受信するノード２３への干渉を起こさない。別の実施形態では、２つのノード２１、２４が、同じ周波数を使用して走査できる。異なる周波数を使用することにより、新しいノード２３での衝突の確率が減少する。このことは、走査することにより、ノード２１、２４が、ノード２１、２４に関連するセクタ２０２、２０８の定義済みサブ・セクタ上を定義済み時間および定義済み周波数で定義済み送信勧誘パケットを送信することを意味する。
【００６１】
上記の例では、ノード２１が、そのセクタ（２）から（１０）上で送信勧誘パケットを送信する。それはセクタ（６）から始動する。なぜなら、このセクタに、正しい方向である最も高い確率が割り当てられているからである。次いで、セクタ（５）、（７）、（４）、（８）、（３）、（９）、（２）、（１０）を、この順序で走査することにより、より低い確率のセクタを走査する。言い換えれば、ノード２１は、まず最初に最も高い確率のサブ・セクタ、サブ・セクタ（６）を走査し、この最も高い確率のサブ・セクタは、ネットワークによって受信された位置情報に基づいて結合ノードを検出するための最も高い確率の方向にある。その後、第１のセクタ、つまり最も高い確率のセクタ（６）の第１の側にあり最も高い確率のセクタ（６）に最も隣接したセクタ（５）、および第２のセクタ、つまり最も高い確率のセクタ（６）の第２の側にあり最も高い確率のセクタ（６）に最も隣接したセクタ（７）が、連続的に走査される。走査は最も高い確率のセクタ（６）からセクタ毎に拡がり、最も高い確率のセクタ（６）のそれぞれの側で１つのセクタを走査し、次いで、最も高い確率のセクタ（６）の他の側の以前に走査したセクタに最も隣接したセクタに飛び越す。
【００６２】
別の可能な走査は、一度に少なくとも２つのセクタを飛び越し、次いで、最初の走査セクタ（６）、（４）、（８）などの中間セクタをカバーし、次いで、セクタ（２）、（１０）、（５）、（７）、（３）、（９）を走査することによって行われる。言い換えれば、この実施形態では、ノード２１が、まず最初に最も高い確率のサブ・セクタ、つまりセクタ（６）を走査する。この最も高い確率のサブ・セクタは、ネットワークによって受信された位置情報に基づいて結合ノードを検出するための最も高い確率の方向にある。その後、第１のセクタ、つまり最も高い確率のセクタ（６）の第１の側にあるが、最も高い確率のセクタ（６）に最も隣接しているのではないセクタ（４）が走査される。セクタ（６）に最も隣接したセクタ、つまりセクタ（５）はスキップされる。セクタ（４）が走査された後、第２のセクタ、つまり最も高い確率のセクタ（６）の第２の側のセクタ（８）が走査される。
【００６３】
この第２の走査シーケンスが、始めにより大きい範囲をカバーし、結合ノードのアドミタンスにより速く達することができる。最後に両方の走査が、セクタのそれぞれ１つを完全にカバーする。第２の走査プロセスが、たとえそれらが隣接したセクタの方向にある場合でも、アンテナのサイド・ローブを介して信号を受信することにより、結合ノードとの通信により早く達することができる。つまり、アンテナ・セクタの境界が厳然と定義されているわけではないので、隣接したセクタ内を送信されるエネルギを、現在走査されているセクタ内で受信できる。この現象を利用して、以前に走査したセクタに隣接するセクタをスキップし、結合ノードを検出するのに必要な時間を減少する。結合ノード２３からの送信を突きとめた後、ノード２１は、結合ノード２３とのその通信を相互ローブ整列を介する最適受信に微調整する。完全な整列が存在しない場合は、−３ｄＢから−１４ｄＢの間のより高いリンク減衰の可能性を克服するために、始めに結合プロセスのためのより低い変調速度、従ってより高いシステム・ゲインを使用することにより、隣接するセクタを使用した通信の確立が得られる。
【００６４】
ノード２１がｆ１で走査されている時間中、ノード２４も、そのサブ・セクタ（１３）である最も可能性の高い方向で、周波数ｆ２を使用して走査するよう命令される。一実施形態では、ノード２４が、以下のセクタ順序で走査する。すなわち、（１３）（１１）、（１５）、（９）、（１２）、（１４）、（１０）である。このことにより、より高い確率のセクタ番号（１３）から＋／−４セクタ以下離れているすべてのセクタがカバーされる。走査は、最も高い確率のセクタで始動し、最も低い確率セクタで終了し、始動セクタにより、偶数セクタをすべて行った後に奇数セクタ上を繰り返すか、あるいはその反対を行う。ここで、奇数セクタは、最も高い確率のセクタの１方の側の、第１、第３、第５などのセクタである。偶数セクタは、最も高い確率のセクタの１方の側の、第２、第４、第６などのセクタである。前の情報が使用可能でない場合にはより大きい範囲を、または正確な方向情報が使用可能な場合にはより小さい範囲を走査することに加えて、他の走査フォーマットも可能である。
【００６５】
初めに、結合ノード２３は、図２にあるようにネットワークに接続されていない。それは、定義済み時間のための第１の周波数ｆ１を使用して、そのサブ・セクタ（０）上を自動的に聴取する。この定義済み時間が、所与の周波数で送信勧誘するノードの少なくとも１つの全走査をカバーするのに十分であることが望ましい。次いで、それは、周波数ｆ１を使用してセクタ（２）上を聴取する。ここで再び、ノードは、１つのセクタを飛び越し、最初に走査したセクタに最も隣接しているのではないセクタを走査することができる。このことは、当初走査したセクタが、結合プロセスを通ってより高いリンク・ゲインで動作しながらアンテナのサイド・ローブ・パターン可能送信勧誘信号検出のために、隣接したサブ・セクタ上を送信される送信勧誘パケットを受信する場合に有益であろう。
【００６６】
サブ・セクタ（２）上を聴取した後、結合ノード２３がサブ・セクタ（４）に飛び越し、その後引き続いて偶数のサブ・セクタを行う。送信勧誘パケットが突きとめられなかった場合は、ノード２３は奇数セクタ上を聴取する。いくつかの実施形態では、奇数セクタ走査で、第２の周波数ｆ２を使用できる。送信勧誘がどのようなセクタ上ででも周波数ｆ１上を送信された場合に、ノード２３が偶数セクタのみを使用して送信を検出することが可能である。次いで、ノード２３は、第３の周波数ｆ３を使用して奇数または偶数セクタのいずれかを走査し、次いで、第４の周波数ｆ４で再び走査する。次いで、ノード２３はそのサイクルを繰り返し、その周波数での以前の走査が偶数セクタを走査した場合は奇数セクタで聴取する。およびその反対もある。メッシュ・ネットワークに結合するための送信勧誘が受信されるまで、この走査プロセスは続行する。偶数セクタ、次いで奇数セクタを使用するセクタ（０）から（１５）へのまたは中央セクタ（６）から第１の側および第２の側に向かっての順次走査などの他の走査モードも、結合ノードによって使用できる。
【００６７】
一例では、第１の送信勧誘は、第２の周波数ｆ２を使用して、そのセクタ５上の結合ノード２３（図３）によって受信される。その送信勧誘は、より正確なセクタ（１３）ではなくそのセクタ（１４）上のノード２４によって送信される。結合ノードでの受信セクタまたは確立されたネットワーク・ノードでの送信セクタのいずれかを、無線リンクの他の端のノードに正しく整列する必要があることに留意されたい。成功したことを確認するには、１つのセクタが隣接セクタであれば良い。
【００６８】
送信勧誘パケットを受信した時に、ノード２３は、走査を停止し、さらなる結合パケットを捜すことを中止する。ノード２３は、ノード２４セクタ（１３）およびそのセクタ（６）との通信の方向を最適化する。ノード２３は、ネットワーク２０に結合するために必要なすべてのプロセスを初期化し同期し、ネットワーク２０に入場許可される。
【００６９】
ネットワーク２０が、ノード２１、２３、および２４の近似位置と、既存リンク２５、２７、２８、２９のための最良の通信を維持できるセクタを認識するように、情報がネットワーク２０によって集められる。ネットワーク２０は、ノード２３と２１の間で最良の通信を得る正しいセクタを計算する。ノード２３が既にネットワークに入場許可されており、ネットワークと通信できるので、ネットワークは、ネットワークの結合ノード２３と別の確立されたノードの間に次のリンクを確立するのに使用される時間および周波数を調整する（図３には図示せず）。
【００７０】
この例では、ノード２１が、周波数ｆ１で送信勧誘パケットをノード２３に送信し、そのセクタ（６）、（５）、（７）を走査する。送信勧誘パケットでは、ノード２３が、そのセクタ（１４）、セクタ（１５）およびセクタ（１３）上の同じ周波数で結合パケットを聴取するよう送信勧誘される。次いで、ノード２１が、結合パケットをそれらの各セクタに送信し、一実施形態では、全部で３つの送信についてその送信を繰り返す。他の数の送信も適用できる。あるいは、セクタ（１５）および（１３）上を聴取することにより、結合ノード２３でのサイド・ローブを介して獲得が得られる。サイド・ローブの効果により、３回の試みで通信が確立される可能性が非常に高い。その後、ネットワーク・ノード２１および結合ノード２３が、最大リンク・ゲインを探索することにより、それらの整列を最適化し、ノード２１セクタ（６）とノード２３セクタ（１４）の間の整列で終了する。
【００７１】
別の例では、結合プロセスのために狭い探索視界と広い探索視界とを組み合せる。この例では、結合ノードのほぼ推定された方向または周知の方向に対するサブセットのセクタの速い走査と、それらの位置について前もって知識を有さずにノードにアクセスするために全視界をカバーする遅い走査とを組み込んでいる。この狭い探索視界と広い探索視界との組み合わされた結合プロセスが、その位置がランダムで、不確かであるか、またはその初めの位置座標が不正確である結合ノードを調節する。このプロセスはまた、ネットワークのアクティブ・ノードまでその位置が周知である、新しく結合ノードも調節する。
【００７２】
いくつかの結合ノードが共に送信勧誘に応答すると、その応答を受信するネットワーク・ノードは、信号を復号できない。その結果、応答が結合ノードに開始し戻されない。この例では、結合ノードは、将来の衝突を回避する確率を上げるために指数バックオフ・プロセスを開始する。指数バックオフ・アルゴリズムが、衝突の解決のために、ＩＥＥＥ８０２．３ＭＡＣプロトコルで使用される。また、Ａ．Ｓ．Ｔａｎｅｎｂａｕｍ、Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ、３ｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ−Ｈａｌｌ、Ｕｐｐｅｒ Ｓａｄｄｌｅ Ｒｉｖｅｒ、ＮＪ、１９９６も参照されたい。
【００７３】
指数バックオフ・プロセスによれば、結合ノードが、（衝突または他の理由により）送信勧誘するネットワーク・ノードからその送信勧誘への応答を受信しなかった場合は、次回結合ノードが送信勧誘を受信する時に、以前に受信した送信勧誘パケット以来、到達した送信勧誘パケットの半分のみに応答する。このことにより、同時に結合ノードの残りとの衝突および干渉の確率が減少する。その後に受信した送信勧誘パケットのいくつかが無視され、応答した１つまたは複数がランダムにまたは擬似ランダムに、あるいは後続の衝突の確率を下げるための適切な方式で選ばれる。
【００７４】
別の例では、結合プロセスを加速するために、結合ノードは、速いスペクトル・アクティビティ・マッピングを使用して、ネットワーク・ノードがアクティブに動作している周波数チャネルを識別できる。このプロセスでは、ネットワーク・ノードは、アクティブ周波数チャネル上で送信勧誘を聴取するよう同調できる。結合ノードは、異なる空間方向内でスペクトルを走査して、定義された周波数チャネルで送信勧誘するネットワーク・ノードの無線周波数アクティビティを識別する。次いで、結合ノードは、検出されたスペクトル・アクティビティを使用して送信勧誘するネットワーク・ノードへ向かう空間方向を識別し、次いで、定義された方向内の１つまたは複数の定義された周波数チャネルに同調して、送信勧誘するノードによって送信された送信勧誘パケットを検出する。この技術を使用して、結合ノードは、すべての可能な周波数からスペクトル・アクティビティをモニタする周波数のみにまで、それぞれ個々の方向で走査される周波数の数を減少できる。このプロセスでは、結合ノードが、アンテナのすべてのセクタまたは部分組のセクタを同時に起動できる交換アレイ・アンテナを組み込んでいる。このようなノードの一例が、本出願とともに共通出願されている、特許出願番号第０９／４３３，５４２号、Ｊ．Ｂｅｒｇｅｒらによる「Ｓｐａｔｉａｌｌｙ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｏｕｔｅｒ ｆｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｄａｔａ Ｐａｃｅｋｔｓ」に詳細に記述されている。ノードは、単一のまたは複数のセクタを切り換えて、特定の周波数チャネルでスペクトル・アクティビティのレベルを検出できる。
【００７５】
一実施形態では、確立されたネットワーク・ノードの１つまたは複数が、結合ノードによる検出のためのスペクトル・アクティビティを生成する。ネットワーク・ノードは、定義された周波数チャネルでおよび１つまたは複数の定義された空間方向内で情報の無線周波数アクティビティ・バーストを送信する。このスペクトル・アクティビティは、結合ノードによって使用されて、結合プロセス中に使用可能なアクティブ周波数チャネルおよび空間セクタを識別する。情報のバーストは、アクティビティのみを識別するよう設計されているために、標準送信勧誘パッケージよりはるかに短いことがある。
【００７６】
一実施形態では、特定のセクタが探索されたすべての周波数チャネルにわたってスペクトル・アクティビティを示さない場合は、それらには、結合の探索のために低い優先度が割り当てられるか、または後続の探索中に単にスキップされる。セクタ上にスペクトル・アクティビティが不足する１つの理由に、ノード近くの環境があろう。たとえば、ノードの１つまたは複数のセクタが、壁などの阻止する障害物に整列され、そのため、遠隔無線との見通し通信または別のネットワーク・ノードとの接続性が妨げられることがある。スペクトル・アクティビティの指示を使用して、ネットワークは、これらのセクタ内の接続性のためにノードの使用可能性をマップできる。将来の結合プロセス送信勧誘の送信については、ネットワークは、阻止された方向内で送信勧誘を送信することを回避する。
【００７７】
全世界測位システム（ＧＰＳ）受信機をノードに統合してまたは外部的に使用して、そのノードの正確な位置を識別できる。最初のネットワーク・ノードの位置をネットワークに提供することにより、ネットワークが、互いに対するおよび新しく結合ノードに対するそのノードの位置を同期できるようになる。最初のノード位置がネットワークに提供された場合は、新しくインストールされたノードの位置が、ＧＰＳデバイスでその位置を判断することにより、ネットワークに報告できる。新しいノードの同じ位置にあるＧＰＳ受信機は、新しいノードの位置を示すデータを提供する。そのデータはネットワークに通信され、後に使用するために格納される。
【００７８】
ネットワークは、新しいノードの位置を識別し、新しい位置の方向に送信勧誘パケットを送信するよう近接ノードに命令する。結合プロセスの一部として、結合ノードおよびネットワーク・ノードのセクタが、結合ノード位置に対する最良の通信を提供する最良の整列のために選択される。いったん結合プロセスが完了すると、最良の整列を得た相対的なセクタが、ネットワークに通信される。ネットワークは、互いに対しておよびマップ位置に対してノード・セクタを方向付けできる。次のノードがインストールされ、かつその座標がネットワークに報告されると、ネットワークは、送信勧誘を送信するのに使用されるための既にアクティブなノードの正確なセクタを識別できる。このことにより、送信勧誘プロセスのための時間および処理ロードが減少される。
【００７９】
新しいノードの位置がネットワークで使用可能でない場合は、ネットワークは、第１のネットワーク・ノードが、同調されたセクタからの近似方向および範囲と範囲測定を使用して接続を確立した後、位置を推定する。範囲測定は、データ・パケットを送信し、リターン・パケットが到達するまでの応答時間を測定し、次いで内部遅延を較正することによって行われる。
【００８０】
この方式により、ネットワークは、結合ノードに対するネットワーク・ノードの相対的な角整列および範囲をマップできる。この情報を結合プロセスによって使用して、近接ネットワーク・ノードにより送信勧誘パケットの送信を結合ノードに適応させる。このため、ネットワーク・ノードによる探索を、結合ノードの近似方向のみに制限することにより、結合プロセスが減少する。
【００８１】
本明細書に記述した結合プロセスはまた、マルチ・ビーム走査アンテナを備えたネットワーク・ノードと単一のビーム・アンテナを備えた他のノードの間の送信勧誘の通信についても適用可能である。この状況下で、単一のビーム・ノードを、その単一のセクタ上で信号を受信し、送信勧誘パケットのための異なる周波数を走査しながら、他のネットワーク・ノードの方向に機械的に整列できる。
【００８２】
上記から、本実施形態が、一般に結合ノードをワイヤレス・ネットワークに、および特にワイヤレス・メッシュ・ネットワークに追加するための改良された結合プロセスを提供することが分かる。ネットワークのノードが、操向可能ビーム・アンテナを備え、結合ノードを他の近接ノードに正確にかつ自動的に整列するよう通信する。位置情報を使用して、整列プロセスを加速できる。位置情報は、結合プロセスが初めに結合ノードを突きとめ始める前に、ネットワークによって受信できる。また位置情報は、結合ノードとネットワーク・ノードの間の最初のリンクから判断され、その後それを使用して、ネットワークの他の近接ノードとのリンクを完了できる。
【００８３】
本発明の特定の実施形態を示し記述してきたが、修正形態も実施することができる。従って、頭記の特許請求の範囲は、本発明の趣旨および範囲内に含まれるこのような変更形態および修正形態を包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来の技術によるポイント・ツー・マルチ・ポイントベースのワイヤレス・ネットワークを示す図である。
【図２】
ワイヤレス・メッシュ・ネットワークを示す図である。
【図３】
新しいノードがネットワークに結合された後の図２のワイヤレス・ネットワークを示す図である。
【図４】
メッシュベースのワイヤレス・ネットワークの図の代替実施形態を示す図である。
【図５】
図２のワイヤレス・ネットワークのネットワーク・ノードのオペレーションを示す流れ図である。
【図６】
図２のワイヤレス・ネットワークの結合ノードのオペレーションを示す流れ図である。
【図７】
図２のワイヤレス・ネットワークの制御ノードのオペレーションを示す流れ図である。
（背景）
本発明は、一般にネットワーキングの分野に関し、より詳細には、送信勧誘するメッシュ・ネットワーク・ノードの時間周波数空間のスケジューリングおよび同期を組み込んだ自動結合プロセス方法を使用して、空間的に分散されているワイヤレス・ノードがメッシュ・ネットワークに入場許可されるワイヤレス・メッシュ・ネットワークの分野に関する。
【０００２】
ワイヤレス・ネットワークは、通常、互いに接続する多数のポイント・ツー・ポイント（ＰＰ）無線リンクを組み込み、従って所望の位置にネットワーク接続するための固定無線リンク接続を使用することにより設計される。別の通常使用されているネットワーク・アーキテクチャでは、ポイント・ツー・マルチ・ポイント（ＰＭＰ）トポロジやセルラベースのトポロジなどのセル・ネットワーク・トポロジを用いる。このようなネットワーク内のそれぞれのノードには、無線および関連するアンテナが含まれる。ＰＭＰトポロジでは、ネットワークは基地局などの集中した位置から制御される。
【０００３】
多数の独立したポイント・ツー・ポイント・リンクを有するネットワークにおいては、ネットワークへの新しいネットワーク・ノードの追加は、新しいポイント・ツー・ポイント・ワイヤレス・リンクを追加することにより手動で行われる。このことを、アドミタンスまたはアドミッション・プロセスと呼ぶが、ここで、新しいネットワーク・ノードはネットワークに追加され、ネットワーク内の他の構成要素との高信頼無線通信を開始する。従来のアドミタンス・プロセスでは、無線リンク・アンテナは、高品質受信が得られるまで、互いに対して手動または機械的に整列される。ＰＭＰネットワークの場合は、基地局が、一般にネットワークの中央近くに位置し、新しい加入者無線が、その基地局または複数の周知の基地局と通信することによりネットワークに結合する。
【０００４】
新しいノードをネットワークに入場許可するための２つの一般的な場合が存在する。第１の場合では、加入者は、全方向性アンテナを有する。一例が、移動通信システムにおけるハンドセットである。この場合、加入者は、特定の制御チャネル上で送信勧誘を受信し、そのセル位置をカバーする基地局によって送信勧誘される。第２の場合では、加入者無線は、方向性アンテナを組み込んでいる。例として、衛星ＴＶ同報ネットワークやＰＭＰワイヤレス・アクセス・ネットワークがある。機械的な整列プロセスは加入者側のみで行われ、それにより、最適無線周波数（ＲＦ）信号受信を得るために、加入者アンテナは基地局に向けて整列される。上述した以前のネットワークにおいては、新しいネットワーク・ノードが、最適受信を得るための機械的な整列を使用してネットワークに結合する。
【０００５】
ポイント・ツー・マルチ・ポイント整列プロセスが、図１に示されている。図１は、従来の技術によるポイント・ツー・マルチ・ポイント・ワイヤレス・ネットワーク１０の一部分を示す図である。ネットワーク１０は、基地局１１とトランシーバ・ノード１２、１９とを備える。基地局１１は、軸１７ａおよびｌ７ｂによって定義された、それぞれ４つの９０度のセクタ１３、１４、１５、１６内で通信するために、１つまたは複数のアンテナと関連するトランシーバとを備える。セクタ１３、１４、１５、１６は、基地局１１に対して固定される。トランシーバは、その関連するセクタ内で通信するために、固定周波数が割り当てられる。
【０００６】
それぞれのトランシーバ・ノード１２、１９が、加入者無線に対応する。トランシーバ・ノード１２が、単一のローブまたはビーム１８を有するアンテナを備える。ビーム１８は、トランシーバ・ノード１２のビーム１８が、セクタ１３に関連するトランシーバから最大信号強度を受信するまで、基地局１１の位置に向けて水平におよび垂直にトランシーバ・ノード１２でアンテナを操向することにより機械的に整列される。セクタ１３に関連する基地局トランシーバは、その固定周波数でデータおよび送信勧誘信号を送信する。トランシーバ・ノード１２が、そのローブまたはビーム１８を介してその周波数を受信し、信号強度インジケータが、その方向の最大受信信号強度を識別する。このことにより、インストールする人または電動アンテナ・ドライバが、最大受信のためのアンテナの角位置を調整できる。
【０００７】
トランシーバ・ノード１９の整列も図１に示されている。トランシーバ・アンテナを基地局１１に向けて回転することにより、セクタ１４に関連する基地局トランシーバおよびアンテナとの正しい整列が得られる。繰り返すが、信号受信を最適化するために、アンテナ・ビームまたはローブを手動で方向付けることにより、整列が機械的になされる。
【０００８】
ポイント・ツー・マルチ・ポイント通信の例では、基地局ビームの位置を変更せずに、整列が遠隔の加入者ユニットで行われ、そのプロセスは機械的な整列によって行われる。頑強ではあるが、アドミタンス・プロセスは、コストのかかる工数作業に依存する。ネットワーク・トポロジ変更の場合には、新しい基地局の位置に対して加入者無線またはトランシーバ・ノードを再整列するために、かつ周波数を新しく割り当てられたセクタ周波数に変更するために、繰り返しオペレーションが必要である。
【０００９】
したがって、一般に、新しいノードをネットワークに入場許可するための改良された方法が求められている。特に、ネットワークが有機的に増大するワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワークにおいては、ネットワークに追加された新しいノードが、既に存在している多くのネットワーク・ノードの１つを介して結合しなければならない。特定の時間および周波数で、結合ノードの受信ビームの方向を送信勧誘するネットワーク・ノードの１つの送信ビームに電子的に整列する自動プロセスが、機械的な整列技術に対する重要な改良である。
【００１０】
（簡単な概要）
導入として、本実施形態は、複数のネットワーク・ノードがより大きいセクタ角度を共にカバーする多数の空間カバレージ・サブ・セクタを有し、１つのノードがそのサブ・セクタによってカバーされる方向に位置する他のノードとの接続を確立できるワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワークのための結合プロセスを提供する。結合プロセスにより結合ノードがネットワークに追加され、これには、定義された時間、特定の受信している周波数で、結合ノードでそのサブ・セクタを聴取することが含まれる。その後、結合ノードは、定義されたタイミングおよびシーケンスに従って、そのサブ・セクタおよびその受信している周波数を変更する。アクティブ・ネットワーク・ノードが、存在している内部ネットワーク通信のために既に使用されているサブ・セクタから導き出された相対位置および相対角度方位に基づいて、定義されたセクタ、周波数、タイミングで、編成された送信勧誘データ・パケットを送信する。このことにより、周波数干渉が減少し、結合プロセスのために必要な時間が減少する。
【００１１】
本実施形態は、さらに、結合ノードをワイヤレス・メッシュ・ネットワークに入場許可するための方法も提供する。本方法は、同期されスケジュールされた送信時間および定義された空間方向にわたるスケジュールされた送信方向で、ワイヤレス・メッシュ・ネットワークの１つまたは複数のアクティブ・ノードから送信勧誘パケットを送信することを含む。ある遅延時間後、送信された応答が、定義された空間方向で結合ノードから検出される。
【００１２】
本実施形態は、さらに、結合ノードをワイヤレス・メッシュ・ネットワークに追加するための方法も提供し、そのネットワークは、少なくとも第１のネットワーク・ノードと第２のネットワーク・ノードとを備える。本方法は、一実施形態では、結合ノードのための位置情報を受信することと、結合ノードとの通信を開始するための少なくとも１つのネットワーク・ノードを指定することとを含む。本方法は、さらに、結合ノードの予想される位置に向けた方向に少なくとも１つのネットワーク・ノードで送信勧誘パケットを送信することと、送信勧誘パケットに応答してネットワーク・ノードで応答を受信することとを含む。
【００１３】
本実施形態は、さらに、結合ノードを、１つまたは複数のネットワーク・ノードを含むワイヤレス・メッシュ・ネットワークに追加するための方法も提供する。一実施形態では、本方法は、結合ノードとの通信を開始するために少なくとも１つのネットワーク・ノードを指定することと、少なくとも１つのネットワーク・ノードで、結合ノードとの通信を開始するために、結合ノードを検出する最も高い確率の第１のセクタ上を走査することとを含む。その後、本方法は、結合ノードを検出するより低い確率のセクタ上を走査することと、送信勧誘パケットに応答してネットワーク・ノードで応答を受信することとを含む。
【００１４】
本実施形態は、さらに、１つまたは複数の結合ノードをワイヤレス・メッシュ・ネットワークに入場許可するための方法も提供する。本方法の一実施形態には、１つまたは複数の結合ノードによるスペクトル・アクティビティの検出のためのスペクトル・アクティビティを作成するために、定義された周波数チャネル上でおよび定義された方向でネットワーク・ノードを送信勧誘することにより、データ・パケットの送信をスケジューリングすることが含まれる。１つまたは複数の結合ノードのうちの１つの結合ノードで、本方法は、定義された周波数チャネルで送信勧誘するネットワーク・ノードの無線周波数アクティビティを識別するためにスペクトルおよび異なる空間方向を走査することと、送信勧誘するネットワーク・ノードに向けた空間方向を識別することと、データ・パケット間で送信勧誘するネットワーク・ノードによって送信された送信勧誘パケットを受信するために、識別された空間方向内の定義された周波数チャネルに同調することとを含む。
【００１５】
好ましい実施形態についての上記の記載は、単に導入のために提供したものである。本セクションを、本発明の範囲を定義する頭記の特許請求の範囲を限定するものと解釈してはならない。
【００１６】
（現在の好ましい実施形態の詳細な説明）
本実施形態では、送信勧誘するネットワーク・ノードと結合ノードの両方の時間周波数空間同期アルゴリズムを使用して、空間的に分散されたワイヤレス・ノードをワイヤレス・ネットワークに入場許可するよう設計された、新規な自動結合プロセス方法および装置について記述する。新しい自動の一般的な結合アルゴリズム・プロセスは、空間ダイバーシティ・アンテナを備えたワイヤレス・ネットワーク・ノードを入場許可するよう設計されている。新しいネットワーク・ノードは、それぞれがまた空間ダイバーシティ・アンテナを備えた他のワイヤレス・ノードを有するワイヤレス・ネットワークに追加される。この新規なネットワーク・トポロジでは、ネットワークに存在する通信トラフィックへの最小割込みおよび最小オーバヘッドで、送信を同期し、時間および周波数を受信しながら、結合ノードの方向に送信勧誘するネットワーク・ノードのビーム・ローブを同時に調整することが必要である。
【００１７】
例示した方法は、いろいろなタイプのビーム操向技術の中の一般的なものである。例として、単一のアンテナに基づいて電子的にビームを切り換えるまたはビームを操向する、あるいは異なる空間セクタをカバーする複数のアンテナ間で電子的にビームを切り換える、位相アレイ・アンテナで実施されるものが含まれる。
【００１８】
現行実施形態では、新しく結合ノードの空間ビーム・ダイバーシティが、既存の隣接ネットワーク・ノードに向けてその受信および送信ローブを方向づけるために、そのビーム・ローブを１方の角方向から他方の角方向に切り換える（または操向する）ことが可能なトランシーバを備えることにより達成されるネットワークについて記述する。同時に、通信がスケジュールされた他の隣接ネットワーク・ノードが、新しく結合ノードに向けて送信勧誘パケットを送信するために、異なる方向に向けて、それぞれ、それらの送信／受信ビーム・ローブを調整する。自身をネットワークに入場許可するために送信勧誘パケットを探索する、ネットワーク内の送信勧誘するノードのビームと結合ノードのビームの間の相互整列プロセスは、特定の時間空間および周波数チャネルで、向きが操作された２つのビームを同期するよう設計される。
【００１９】
本明細書で記述した実施形態は、Ｊ．ＢｅｒｇｅｒおよびＩ．Ａａｒｏｎｓｏｎによる米国特許出願番号第０９／１８７，６６５号、「Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｍｅｓｈ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ」（１９９８年１１月５日出願）に記載されているタイプから、Ｊ．Ｂｅｒｇｅｒらによる名の下で出願された米国特許出願番号第０９／４３３，５４２号、「Ｓｐａｔｉａｌｌｙ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｏｕｔｅｒ ｆｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｄａｔａ Ｐａｃｋｅｔ」に記載されている設計と同様の交換マルチビーム・アンテナ設計を有するネットワーク・ノードまでのワイヤレスＭＥＳＨトポロジ・ネットワークと合わせて使用できる。出願番号第０９／１８７，６６５号および出願番号第０９／４３３、５４２号の両方が、参照により本明細書に組み込んである。
【００２０】
次に図２を参照すると、ワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワーク２０が示されている。図２のワイヤレス・ネットワーク２０は、ノード２１、ノード２２、ノード２４を含む３つのアクティブ・ノードと、ネットワークに結合するようシークする結合ノード２３とを有する。一実施形態では、ノード２１、２２、２３、２４は、１つまたは複数のノードとの無線通信内で１つまたは複数の加入者無線からユーザ・データを通信する。ワイヤレス・メッシュ・トポロジは、データを発信するデバイスとそのデータの最終宛先の間に複数の接続を提供する。
【００２１】
ワイヤレス・ネットワーク２０の編成は、単なる例である。他の実施形態には、異なる方向に方向付けられた他の数量のネットワーク・ノードが含まれる。たとえば、一実施形態では、ネットワーク２０は、さらに、ネットワーク２０のための制御機能を提供する制御ノードを有する。制御ノードは、ユーザ・データを通信するワイヤレス・ネットワーク・ノード２１、２２、２３、２４の１つ、またはネットワーク２０のための制御機能に専用の、かつネットワーク２０のノードとのワイヤレスまたはワイヤライン通信内の別個のノードであり得る。
【００２２】
ネットワーク・ノード２１、２２、２３、２４はすべて、その設計上、実質的に同一であるかまたは異なっていることがある。しかし、ノード２１、２２、２３、２４のそれぞれが、他のネットワーク・ノードなどの１つまたは複数の遠隔に位置する無線デバイスとの双方向無線通信のために構成される。
【００２３】
ネットワーク・ノード２１、２２、２３、２４のそれぞれが、電子ビーム操向機能を有するアンテナを備える。ネットワーク・ノード２１、２２、２３、２４のそれぞれのアンテナは、約１２０度の大きいセクタ（または他のカバレージ・セクタ・サイズ）をカバーする。従って、ネットワーク・ノード２１はセクタ２０２をカバーするアンテナを備え、ネットワーク・ノード２２はセクタ２０４をカバーするアンテナを備え、ネットワーク・ノード２３はセクタ２０６をカバーするアンテナを備え、ネットワーク・ノード２４はセクタ２０８をカバーするアンテナを備える。それぞれのセクタ２０２、２０４、２０６、２０８が、これもサブ・セクタと呼ぶ、１６のセクタを有する。それぞれのサブ・セクタが７．５度をカバーする。それぞれのサブ・セクタは、どのような適切な方式ででも識別できる。一例では、１６のサブ・セクタは、それぞれ、サブ・セクタ（０）からサブ・セクタ（１５）として識別される。
【００２４】
図２のワイヤレス・ネットワーク２０においては、ネットワーク内のそれぞれのノードが、そのノードと隣接ノードの間で確立された無線リンクを介して隣接ノードとデータを通信する。従って、ネットワーク・ノード２１および２２は確立された無線リンク２６を介して通信し、ノード２１およびノード２４は無線リンク２５を介して通信し、ノード２２およびノード２４は無線リンク２８を介して通信する。
【００２５】
図２に示されるように、新しいまたは結合ノード２３が、ネットワーク２０に結合している。結合ノード２３の最初の位置により、ノード２１とのリンク２７およびノード２３とのリンク２９を生成できる。しかし、図２に示されるように、ノード２２に関連するセクタ２０４とノード２３に関連するセクタ２０６とは、オーバラップしない。ノード２２、２３の方向性アンテナ間に直接の見通し経路がない。これらのオーバラップしていないセクタ２０４、２０６により、ノード２２とノード２３とは、直接通信することができない。
【００２６】
図３は、ノード２３をネットワーク２０に追加するための結合プロセスの完了後の図２のワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワーク２０を示す図である。図３では、無線リンク２７が、結合ノード２３とアクティブ・ノード２４の間で確立されている。無線リンク２９が、結合ノード２３とアクティブ・ノード２１の間で確立されている。結合ノード２３は、現在、ネットワーク２０のアクティブ・ノードである。
【００２７】
図３は、ネットワーク２０のノード２１、２２、２３、２４に関連するセクタ２０２、２０４、２０６、２０８の個々のサブ・セクタのいくつかを示す図である。例示した実施形態では、結合ノード２３が、これもそのサブ・セクタ（６）として記述されたノード２２のセクタ４６と通信するために、これもそのサブ・セクタ（１４）として識別されたセクタ３１を選択した。さらに、結合ノード２３が、これもノード２４のセクタ１３として識別されたノード２４セクタ４７と通信するために、そのサブ・セクタ（６）に対応するセクタ３９を選択した。
【００２８】
図４は、例示した実施形態によるネットワーク・ノード４８、４９、５０、５１を含むワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワーク４０の代替実施形態を示す図である。ネットワーク４０においては、ノード４８が、無線リンク５４を介してノード５１と通信できる。同様に、ノード５１は無線リンク５３を介してノード５０と通信し、ノード５０は無線リンク５２を介してノード４９と通信する。しかし、ノード４８のためのセクタのカバレージは、ノード４９のためのセクタのカバレージまたはノード５０のためのセクタのカバレージにオーバラップしない。同様に、ノード４９のセクタのカバレージは、ノード４８のためのセクタのカバレージまたはノード５１のためのセクタのカバレージにオーバラップしない。
【００２９】
図４の配置ネットワーク４０においては、ノード４８、４９、５０、５１の相互空間位置およびセクタのカバレージ方位を使用して、送信勧誘プロセスを配置または調整でき、それにより送信勧誘パケットが結合ノードによる受信のために送信される。図４の特定の配置においては、ノード４８が、ノード４９およびノード５０によって送信勧誘されない。つまり、ノード４８が、ノード４９またはノード５０のいずれかによって送信された送信勧誘パケットを受信しない。同様に、ノード４９は、ノード５０によってネットワーク４０に結合するよう送信勧誘されることがあるが、ノード４８またはノード５１によって送信勧誘されることはない。ノード４８および４９のオーバラップしていないセクタにより、ノード５０および５１が、それらを同じ時間および周波数で送信勧誘できる。
【００３０】
好ましくは、アクティブ・ノードおよび結合ノードの物理位置とアクティブ・ノードおよび結合ノードのセクタのカバレージの方向性が、結合プロセスを開始する前に考慮される。この情報を使用することにより、結合プロセスは、結合プロセスを完了し、１つまたは複数の新しく結合ノードをネットワーク４０に追加するために必要な送信勧誘送信の時間および数を減少することにより最適化できる。
【００３１】
図５は、図２のネットワーク２０のネットワーク・ノードのオペレーションを示す流れ図である。図５に例示した本方法による作用を、結合ノードを確立されたアクティブ・ノードのネットワークに追加するための結合プロセスの一部として実行できる。本方法は、ブロック５００から開始する。
【００３２】
任意のブロック５０２で、ネットワーク・ノードは、ネットワーク内のアクティブ・ノードの位置についておよび結合ノードの位置についての情報を受信する。新しいノードの地形上の位置についての情報が、結合ノードに関連するＧＰＳデバイスまたはインストレーション要員を使用して、コンピュータ・マップを通じてあるいはコンピュータ入力の他の手動または自動手段を通じて、ネットワークおよびそのノードで使用可能となる。情報は、処理するためにノードに送信される。
【００３３】
図面中の図のブロック５０２および他のブロックが破線で示され、それを任意に含むことができることが示されている。図面中の図に示されている作用は例であり、どのような適切な方式ででも、削除、補足、再配置ができることを理解されたい。
【００３４】
ブロック５０４で、ネットワーク・ノードは、現在の時間が、送信勧誘を結合ノードに送信するための送信時間に一致するかどうかを判断する。送信勧誘の送信は、ただ１つのネットワーク・ノードまたは１組のノードが特定の方向に向けておよび特定の周波数チャネルで一度に送信するようにスケジュールされる。すべての他のノードが、送信勧誘の長さプラス最大伝搬遅延を含む時間フレームを有し、その中でそれらは沈黙し聴取している。どの聴取しているノードででも互いに干渉する可能性がない場合には、複数のノードが一度に送信することが可能である。たとえば、図４の実施形態では、ノード４８および４９が、同時にかつ同じ周波数で送信勧誘を送信できる。これは、結合ノードが、同時にノード４８と４９の両方のカバレージ・エリア内にあることが不可能なためである。
【００３５】
図５の任意のブロック５０６で、ネットワーク・ノードは、送信勧誘を送信するためのサブ・セクタを選択する。この作用は、図３のような実施形態において特に適用可能であり得る。ここでは、それぞれのノードが、より大きいセクタ内で狭く定義されたサブ・セクタ上を送信し受信できる非常に方向性のあるアンテナを備える。カバレージ角度またはセクタがより小さいセクタまたはサブ・セクタに細分されると、送信勧誘は、定義された時間にわたってすべてのセクタが使用されるような方式で、異なるサブ・セクタ上を毎回送信される。たとえば、セクタのためのアンテナ・カバレージ角度が１２０度であるが、この角度がそれぞれ７．５度の１６サブ・セクタに細分されている場合は、送信勧誘パケットは、１６回の送信後には全アンテナ・カバレージ角度が使用されるように、スケジュールされた時間に１セクタにわたって送信される。結合ノードの近似位置に関する前の知識に基づく異なる走査を、結合時間を減少させるために実施することもできる。
【００３６】
さらにセクタに加えて、ブロック５０６で、送信勧誘を送信するために、周波数を選択または割り当てることができる。いくつかの周波数チャネルで送信が可能な場合は、セクタおよびチャネルの複数の組合せが使用される。たとえば、２つの異なる周波数で動作するネットワーク内のノードの１６セクタ・アンテナが、周波数およびセクタの割り当てられた組合せを使用して、３２の定義済み回数（２×１６＝３２回）、送信勧誘パケットを送信する。この例では、送信勧誘が１００ミリ秒毎に送信される場合は、すべての可能な組合せが３．２秒間でカバーされる。
【００３７】
ブロック５０８で、送信勧誘は、結合ノードによる受信のためにノードから送信される。送信勧誘は、結合ノードによって予想され認識される所定のフォーマットを有することが望ましい。送信は、本明細書に記述した結合プロセスを実行するために適切な、どのようなフォーマットおよびコンテントも有することができる。ブロック５１０で、その送信を送信した後に、ネットワークのノードは、送信勧誘の受信に応答して、結合ノードによって送信された応答または応答を聴取する。例示した実施形態では、ノードの受信機回路を起動し、ネットワーク・ノードの方向性アンテナを使用して、１つまたは複数の定義済みセクタまたは周波数を走査することにより、聴取が達成される。たとえば、簡単な時分割二重の場合、受信機は、送信された送信勧誘の同じ周波数および同じビーム方向に同調される。
【００３８】
ブロック５１２で、ノードは、応答を受信したかどうか判断する。していない場合は、ブロック５１４で、次の周波数およびアンテナ・ビームまたはセクタが、別の送信勧誘を送信するために選択される。次いで、制御がブロック５０４に戻る。応答がブロック５１２で受信された場合は、ブロック５１６で、結合プロセスが続行する。確立されたネットワーク・ノードは、結合ノードとの無線通信のために使用可能な他の隣接ノードの位置を定義する情報を含む情報を結合ノードと交換する。
【００３９】
図６は、図２のワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワーク２０に結合する、結合ノードのオペレーションを示す流れ図である。図６は、結合ノードがネットワークに入場許可される結合プロセスを実施するための方法を示す図である。
【００４０】
一般に、例示した実施形態によれば、既にネットワーク内にあるそれぞれのアクティブ・ノードが、予めスケジュールされた時間にパケットを送信する。このパケットを送信勧誘パケットと呼ぶ。結合ノードが、以前に接続されていなかったネットワーク・ノードから送信勧誘を受信し、それら両方が同じネットワークに属し、それらの間のリンクを作成する（「結合する」）ための認証を有している場合、結合ノードは、定義済み遅延後に応答する。この定義済み遅延は、送信勧誘パケットの一部として送信される。送信勧誘するネットワーク・ノードは、その時間の応答プラス伝搬遅延の不確実性を聴取する必要があることを認識している。認可された応答または結合要求が、フル結合とともに終了するシーケンスを始動する。
【００４１】
本方法は、ブロック６００で開始する。任意のブロック６０２で、結合ノードは、結合プロセスを実行しながら、使用するための走査情報を受信する。たとえば、走査情報は、結合ノードに、何時に走査すべきか、どの周波数を走査すべきか、どの方向に走査すべきかを伝えることができる。結合ノードは、ワイヤレス送信により、ワイヤライン通信により、またはインストーラによる手動通信によりなどの、どのような好都合な方式ででも走査情報を受信できる。
【００４２】
ブロック６０４で、結合ノードが走査順序を選択する。走査順序は、走査するための特定の周波数または方向および走査するための相対順序を定義できる。走査順序選択は、ブロック６０２で受信された走査情報に応答して行われる。ブロック６０６で、結合ノードは、送信勧誘のための走査用に使用するために、その方向アンテナのセクタを選択する。セクタ選択は、ブロック６０２で受信された走査情報に応答して行われる。ブロック６１０で、結合ノードは、走査のための周波数を選択する。周波数選択は、ブロック６０２で受信された走査情報に応答して行われる。
【００４３】
ブロック６１２で、結合ノードは、送信された送信勧誘を聴取する。送信勧誘は、結合ノードによって予想される所定のフォーマットを有する。結合ノードの受信機回路を起動し、受信された送信を検出し復調し復号することにより、聴取が達成される。
【００４４】
送信勧誘が受信されず認識されなかった場合は、ブロック６１４で制御はブロック６１６に進み、ここで、結合ノードのための走査時間が経過したかどうか判断される。経過していない場合は、制御はブロック６１２に戻り、ここで引き続き送信勧誘を聴取する。走査時間が経過していた場合は、制御はブロック６０４に戻り、ここで新しい走査順序が決定される。新しい走査順序は、送信勧誘の送信を検出するために、異なる方向、異なる周波数、または他の変形形態を使用できる。
【００４５】
ブロック６１４で送信勧誘が受信され認識された場合は、制御はブロック６１８に進む。ブロック６１８で送信勧誘は受信される。所定の遅延時間待った後に、ブロック６２０で、応答が結合ノードによって送信される。応答はどのような適切なフォーマットまたはコンテントも有することができる。好ましくは、応答は、１つまたは複数のネットワーク・ノードによって受信され認識される所定のタイミングおよびフォーマットを有する。
【００４６】
例示した実施形態では、それぞれの結合ノードが、一度に１つのみのセクタを１つの特定の周波数で聴取する。結合ノードは、引き続き、送信勧誘するノードがすべての可能な許容周波数帯域上およびすべての可能なセクタ上で送信勧誘を送信したことを保障するために、必要なだけの数のスケジュールされた送信勧誘の送信についてそのセクタ上を聴取する。送信勧誘が３２回１００ミリ秒毎に送信された以前の例では、ノードは、所与のセクタで待ち、３．３秒間プラス送信勧誘パケットの期間、定義された周波数帯域で信号を受信するよう同調する。これは、上述した所与の状況で送信勧誘を受信するのにかかる時間について最悪の場合である。
【００４７】
代替実施形態では、送信勧誘するノードと聴取するノードの役割を逆転して、聴取するノードがすべての可能なカバレージ角度および周波数チャネルで信号を探索することを確実にするのに十分な時間、送信勧誘するノードが１つのセクタ上で送信勧誘を送信できるようにすることが好ましい。プロセスは、定義された時間内にカバーされているすべての許容セクタと周波数との組合せを走査する。
【００４８】
２つの結合ノードが、同時に同じネットワーク・ノードから同じ送信勧誘を応答した場合、それらの送信が衝突する可能性がある。衝突が起きると、ネットワーク・ノードは、応答が受信されなかったかのような、雑音のみを検出する。聴取するノードに、毎回異なる順序でかつ隣接ノードから異なる順序で、それらのセクタまたは周波数帯域を走査させることにより、衝突を解決できる。この方式により、次回に、同じセクタ上で同じ送信勧誘するネットワーク・ノードから送信勧誘があった場合には、衝突した元の２つの結合ノードは、同時にまたは同じ周波数で送信勧誘するノードを見ず、従って衝突の可能性を減少するかまたは除くこととなる。
【００４９】
図７は、図２のワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワーク２０の制御ノードのオペレーションを示す流れ図である。上記に記載したように、制御ノードまたはネットワーク・コンピュータ・サーバをネットワーク内に備えて、制御または監視機能を提供できる。制御ノードまたはコンピュータ・サーバは、ワイヤレスまたはワイヤライン・リンクによりネットワークの１つまたは複数のアクティブ・ノードに接続できる。
【００５０】
上述した全自動結合プロセスは、制御ノードまたは中央コンピュータ・サーバまたはノードの１つに、あるネットワーク・ノード、セクタ、周波数の組合せのみが送信勧誘を発行することを認可させることにより短縮できる。たとえば、図２では、ノード２３が新しくインストールされた場合、ノード２３と２２の間に可能な接続性がないことが周知であれば、結合プロセスへの関与からノード２２を除去することが可能である。接続性がないことは、見通しがないことから、またはノード２２のカバレージ角度がノード２３のカバレージ角度にオーバラップしていないことにより生じる可能性がある。このような場合は、１組の可能なノードを減少することにより、新しく結合ノードをネットワーク・ノード２１および２４に自動的にリンクするのにかかる時間を減少できる。
【００５１】
さまざまな既存ネットワーク・ノードの位置および相対角度方位に基づいて、本方法は、結合プロセスの時間を短縮するために、結合プロセスに優先順位をつけることができる。たとえば、図３のネットワーク２０内の既存ネットワーク・ノード間で通信するために既に使用されているセクタに基づき、かつノード２２の地形上の近似位置に関する前の認識を想定して、ネットワークは、リンク２９がセクタ４７を介してノード２４によってノード２３とともに確立できることを計算する。結合プロセスはシステムに優先順位をつけて、次の送信勧誘に、定義済みの選ばれた周波数で選ばれたノードおよび選ばれたセクタで始動させるようにする。結合ノードは、その受信機を可能な許容周波数に同調させることにより、そのセクタを走査する。このことにより、新しく結合ノードをネットワーク内に入場許可するために必要な時間を最小限に押さえることができる。本方法はブロック７００から開始する。
【００５２】
ブロック７０２で、位置情報が、制御ノードまたはコンピュータ・サーバで受信される。新しいノードの地形上の位置についての情報が、結合ノードに関連するＧＰＳデバイスまたはインストーラ、コンピュータ・マップ、あるいはコンピュータ入力の他の手動または自動手段を使用して、ネットワークで使用可能となる。ネットワーク・サーバは、地理データベースおよびネットワーク・トポロジに基づいて、１組の可能性のあるリンクを選び、可能性のあるリンクのみに自動の新しいリンク確立を制限し、送信勧誘に優先順位をつけて、時間を削減することができる。いったん新しいノードへのリンクが確立されると、結合ノードのアジマス角度方位に関する知識が確立される。この角度方位は、たとえば、図３のノード２３セクタ３９とノード２４セクタ４７の間のリンク２９のセクタ番号を認識することから導き出される。この情報は、図３のノード２３セクタ３１とノード２１セクタ４６の間のリンク２７などの、結合ノードに対して最も可能性のある他のリンクが確立できることを識別する、さらにより正確な位置評価を生成する働きをする。このことはさらに、結合プロセスに優先順位を付け、結合時間プロセスを最小限に押さえる。
【００５３】
ブロック７０４で、受信された位置情報に基づいて、制御ノードは、１つまたは複数のアクティブ・ノードを送信勧誘するノードとして選ぶ。上述したように、その選択は、結合時間を最小限に押さえるためまたは他のパラメータを最適化するために行うことができる。ブロック７０６で、制御ノードは、選ばれた送信勧誘するノードのアンテナ・ビームのための方向および周波数を割り当てる。繰り返すが、その選択は、受信された位置情報および他の好ましい基準に基づいて行うことができる。ブロック７０８で、制御ノードは送信を開始する。これには、一実施形態では、たとえば、送信を始動すべき時間を定義するタイミング指示とともにビーム方向および周波数情報を選ばれたノードに送信することが含まれる。
【００５４】
ブロック７１０で、制御ノードは次の組の送信勧誘するノードを選ぶ。いったんすべての関連した組合せがカバーされると、別の組のノードが送信勧誘するノードとなる。次の組は、ランダムに選ばれる、中央コンピュータ・サーバから予めプログラムされる、または結合ノードの位置の可能性の高いカバレージを有する最近ネットワーク・ノードを見つけることに基づく方法などの他の技術を使用して選ばれることができる。送信勧誘する組のノードのメンバは、新しい結合ノードが同時に複数のネットワーク・ノードのカバレージ角度内にあることができる可能性を減少するかまたは最小限に押さえるよう、定義済みであることが好ましい。
【００５５】
ブロック７１２で、制御ノードは、結合プロセスが完了しているかどうか判断する。たとえば、ネットワークのノード間の通信をモニタして、結合プロセスを確認することにより、または結合ノードまたは別のアクティブ・ノードから確認通信を受信することにより、このことが達成できる。結合プロセスが完了していなかった場合は、制御がブロック７０４に戻り、ノードを送信勧誘するノードとして選択する。結合プロセスが完了していた場合は、本方法はブロック７１４で終了する。
【００５６】
次に、開示した実施形態をいくつかの実装形態の例で記述する。まず最初に、図３のワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワーク２０においては、ノード２１、２２および２４が、破線２５、２６および２８で示されたワイヤレス接続により、ネットワーク・ノード・リンクされる。ノード２３は、ノード２１とのワイヤレス・リンク２７およびノード２４とのリンク２９を介してネットワークに結合できるネットワーク２０の新しくインストールされたノードである。それぞれのノード２１、２２、２４が、無線通信のために指定され、サブ・セクタの方向のそれぞれ１つに切り換えることのできるビームを有する方向性アンテナを走査することによって働く、それぞれ、セクタ２０２、２０４、２０８を含むセクタを有する。図３に例示されているように、それぞれのノードに関連するサブ・セクタは、それらを時計回りの方向に番号付けし、セクタ（０）から始動し、セクタ（１５）で終了することによって指定される。
【００５７】
新しいノード２３がネットワークに導入される前に、ネットワーク動作可能周波数｛ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４｝の可能なリストで予めプログラミングされる。このプログラミングは、インストーラまたは他の要員によるワイヤレスまたはワイヤライン・プログラミングによって達成できる。周波数および他のプログライングされた情報のリストは、結合ノード２３に格納される。
【００５８】
結合プロセスの一部として、ノード２１および２４が、新しいノード２３を捜し、結合ノード２３との無線リンクを確立するよう命令される。これらの命令および関連する制御情報は、ネットワーク２０に関連する制御ノード、コンピュータ・サーバで発信、またはネットワーク２０の通信ノード２１、２２、２４の１つで発信できる。あるいは、結合ノード２３のインストール作業に関わるインストレーション要員により、情報が提供できる。制御および位置決め情報の他のソースも同様に使用できる。
【００５９】
新しいノード２３の位置に関する情報が使用可能でない一実施形態では、フル・セクタの走査を行い、ノード２３を検出する。この例による代替実施形態では、結合ノード２３の近似位置についての情報が周知であり、送信勧誘が、ノード２１、２４からのおよびそこへの通信に制限される。
【００６０】
結合プロセスのための通信を開始するために、ノード２１およびノード２４が、適切な数の特定セクタ上を走査することにより、送信勧誘パケットを送信することを始動する。この例については、ノード２１、２４は、全部で１６の使用可能なサブ・セクタから選択された９のサブ・セクタを送信することを開始する。この選択された９のセクタが、結合ノード２３に向かって予想される方向の中央にあることが好ましい。ノード２１は周波数ｆ１で走査するよう命令され、ノード２４は異なる周波数ｆ２で走査するよう命令される。両方のノード２１、２４は、異なる周波数であるので同時に走査を始動でき、従って受信するノード２３への干渉を起こさない。別の実施形態では、２つのノード２１、２４が、同じ周波数を使用して走査できる。異なる周波数を使用することにより、新しいノード２３での衝突の確率が減少する。このことは、走査することにより、ノード２１、２４が、ノード２１、２４に関連するセクタ２０２、２０８の定義済みサブ・セクタ上を定義済み時間および定義済み周波数で定義済み送信勧誘パケットを送信することを意味する。
【００６１】
上記の例では、ノード２１が、そのセクタ（２）から（１０）上で送信勧誘パケットを送信する。それはセクタ（６）から始動する。なぜなら、このセクタに、正しい方向である最も高い確率が割り当てられているからである。次いで、セクタ（５）、（７）、（４）、（８）、（３）、（９）、（２）、（１０）を、この順序で走査することにより、より低い確率のセクタを走査する。言い換えれば、ノード２１は、まず最初に最も高い確率のサブ・セクタ、サブ・セクタ（６）を走査し、この最も高い確率のサブ・セクタは、ネットワークによって受信された位置情報に基づいて結合ノードを検出するための最も高い確率の方向にある。その後、第１のセクタ、つまり最も高い確率のセクタ（６）の第１の側にあり最も高い確率のセクタ（６）に最も隣接したセクタ（５）、および第２のセクタ、つまり最も高い確率のセクタ（６）の第２の側にあり最も高い確率のセクタ（６）に最も隣接したセクタ（７）が、連続的に走査される。走査は最も高い確率のセクタ（６）からセクタ毎に拡がり、最も高い確率のセクタ（６）のそれぞれの側で１つのセクタを走査し、次いで、最も高い確率のセクタ（６）の他の側の以前に走査したセクタに最も隣接したセクタに飛び越す。
【００６２】
別の可能な走査は、一度に少なくとも２つのセクタを飛び越し、次いで、最初の走査セクタ（６）、（４）、（８）などの中間セクタをカバーし、次いで、セクタ（２）、（１０）、（５）、（７）、（３）、（９）を走査することによって行われる。言い換えれば、この実施形態では、ノード２１が、まず最初に最も高い確率のサブ・セクタ、つまりセクタ（６）を走査する。この最も高い確率のサブ・セクタは、ネットワークによって受信された位置情報に基づいて結合ノードを検出するための最も高い確率の方向にある。その後、第１のセクタ、つまり最も高い確率のセクタ（６）の第１の側にあるが、最も高い確率のセクタ（６）に最も隣接しているのではないセクタ（４）が走査される。セクタ（６）に最も隣接したセクタ、つまりセクタ（５）はスキップされる。セクタ（４）が走査された後、第２のセクタ、つまり最も高い確率のセクタ（６）の第２の側のセクタ（８）が走査される。
【００６３】
この第２の走査シーケンスが、始めにより大きい範囲をカバーし、結合ノードのアドミタンスにより速く達することができる。最後に両方の走査が、セクタのそれぞれ１つを完全にカバーする。第２の走査プロセスが、たとえそれらが隣接したセクタの方向にある場合でも、アンテナのサイド・ローブを介して信号を受信することにより、結合ノードとの通信により早く達することができる。つまり、アンテナ・セクタの境界が厳然と定義されているわけではないので、隣接したセクタ内を送信されるエネルギを、現在走査されているセクタ内で受信できる。この現象を利用して、以前に走査したセクタに隣接するセクタをスキップし、結合ノードを検出するのに必要な時間を減少する。結合ノード２３からの送信を突きとめた後、ノード２１は、結合ノード２３とのその通信を相互ローブ整列を介する最適受信に微調整する。完全な整列が存在しない場合は、−３ｄＢから−１４ｄＢの間のより高いリンク減衰の可能性を克服するために、始めに結合プロセスのためのより低い変調速度、従ってより高いシステム・ゲインを使用することにより、隣接するセクタを使用した通信の確立が得られる。
【００６４】
ノード２１がｆ１で走査されている時間中、ノード２４も、そのサブ・セクタ（１３）である最も可能性の高い方向で、周波数ｆ２を使用して走査するよう命令される。一実施形態では、ノード２４が、以下のセクタ順序で走査する。すなわち、（１３）（１１）、（１５）、（９）、（１２）、（１４）、（１０）である。このことにより、より高い確率のセクタ番号（１３）から＋／−４セクタ以下離れているすべてのセクタがカバーされる。走査は、最も高い確率のセクタで始動し、最も低い確率セクタで終了し、始動セクタにより、偶数セクタをすべて行った後に奇数セクタ上を繰り返すか、あるいはその反対を行う。ここで、奇数セクタは、最も高い確率のセクタの１方の側の、第１、第３、第５などのセクタである。偶数セクタは、最も高い確率のセクタの１方の側の、第２、第４、第６などのセクタである。前の情報が使用可能でない場合にはより大きい範囲を、または正確な方向情報が使用可能な場合にはより小さい範囲を走査することに加えて、他の走査フォーマットも可能である。
【００６５】
初めに、結合ノード２３は、図２にあるようにネットワークに接続されていない。それは、定義済み時間のための第１の周波数ｆ１を使用して、そのサブ・セクタ（０）上を自動的に聴取する。この定義済み時間が、所与の周波数で送信勧誘するノードの少なくとも１つの全走査をカバーするのに十分であることが望ましい。次いで、それは、周波数ｆ１を使用してセクタ（２）上を聴取する。ここで再び、ノードは、１つのセクタを飛び越し、最初に走査したセクタに最も隣接しているのではないセクタを走査することができる。このことは、当初走査したセクタが、結合プロセスを通ってより高いリンク・ゲインで動作しながらアンテナのサイド・ローブ・パターン可能送信勧誘信号検出のために、隣接したサブ・セクタ上を送信される送信勧誘パケットを受信する場合に有益であろう。
【００６６】
サブ・セクタ（２）上を聴取した後、結合ノード２３がサブ・セクタ（４）に飛び越し、その後引き続いて偶数のサブ・セクタを行う。送信勧誘パケットが突きとめられなかった場合は、ノード２３は奇数セクタ上を聴取する。いくつかの実施形態では、奇数セクタ走査で、第２の周波数ｆ２を使用できる。送信勧誘がどのようなセクタ上ででも周波数ｆ１上を送信された場合に、ノード２３が偶数セクタのみを使用して送信を検出することが可能である。次いで、ノード２３は、第３の周波数ｆ３を使用して奇数または偶数セクタのいずれかを走査し、次いで、第４の周波数ｆ４で再び走査する。次いで、ノード２３はそのサイクルを繰り返し、その周波数での以前の走査が偶数セクタを走査した場合は奇数セクタで聴取する。およびその反対もある。メッシュ・ネットワークに結合するための送信勧誘が受信されるまで、この走査プロセスは続行する。偶数セクタ、次いで奇数セクタを使用するセクタ（０）から（１５）へのまたは中央セクタ（６）から第１の側および第２の側に向かっての順次走査などの他の走査モードも、結合ノードによって使用できる。
【００６７】
一例では、第１の送信勧誘は、第２の周波数ｆ２を使用して、そのセクタ５上の結合ノード２３（図３）によって受信される。その送信勧誘は、より正確なセクタ（１３）ではなくそのセクタ（１４）上のノード２４によって送信される。結合ノードでの受信セクタまたは確立されたネットワーク・ノードでの送信セクタのいずれかを、無線リンクの他の端のノードに正しく整列する必要があることに留意されたい。成功したことを確認するには、１つのセクタが隣接セクタであれば良い。
【００６８】
送信勧誘パケットを受信した時に、ノード２３は、走査を停止し、さらなる結合パケットを捜すことを中止する。ノード２３は、ノード２４セクタ（１３）およびそのセクタ（６）との通信の方向を最適化する。ノード２３は、ネットワーク２０に結合するために必要なすべてのプロセスを初期化し同期し、ネットワーク２０に入場許可される。
【００６９】
ネットワーク２０が、ノード２１、２３、および２４の近似位置と、既存リンク２５、２７、２８、２９のための最良の通信を維持できるセクタを認識するように、情報がネットワーク２０によって集められる。ネットワーク２０は、ノード２３と２１の間で最良の通信を得る正しいセクタを計算する。ノード２３が既にネットワークに入場許可されており、ネットワークと通信できるので、ネットワークは、ネットワークの結合ノード２３と別の確立されたノードの間に次のリンクを確立するのに使用される時間および周波数を調整する（図３には図示せず）。
【００７０】
この例では、ノード２１が、周波数ｆ１で送信勧誘パケットをノード２３に送信し、そのセクタ（６）、（５）、（７）を走査する。送信勧誘パケットでは、ノード２３が、そのセクタ（１４）、セクタ（１５）およびセクタ（１３）上の同じ周波数で結合パケットを聴取するよう送信勧誘される。次いで、ノード２１が、結合パケットをそれらの各セクタに送信し、一実施形態では、全部で３つの送信についてその送信を繰り返す。他の数の送信も適用できる。あるいは、セクタ（１５）および（１３）上を聴取することにより、結合ノード２３でのサイド・ローブを介して獲得が得られる。サイド・ローブの効果により、３回の試みで通信が確立される可能性が非常に高い。その後、ネットワーク・ノード２１および結合ノード２３が、最大リンク・ゲインを探索することにより、それらの整列を最適化し、ノード２１セクタ（６）とノード２３セクタ（１４）の間の整列で終了する。
【００７１】
別の例では、結合プロセスのために狭い探索視界と広い探索視界とを組み合せる。この例では、結合ノードのほぼ推定された方向または周知の方向に対するサブセットのセクタの速い走査と、それらの位置について前もって知識を有さずにノードにアクセスするために全視界をカバーする遅い走査とを組み込んでいる。この狭い探索視界と広い探索視界との組み合わされた結合プロセスが、その位置がランダムで、不確かであるか、またはその初めの位置座標が不正確である結合ノードを調節する。このプロセスはまた、ネットワークのアクティブ・ノードまでその位置が周知である、新しく結合ノードも調節する。
【００７２】
いくつかの結合ノードが共に送信勧誘に応答すると、その応答を受信するネットワーク・ノードは、信号を復号できない。その結果、応答が結合ノードに開始し戻されない。この例では、結合ノードは、将来の衝突を回避する確率を上げるために指数バックオフ・プロセスを開始する。指数バックオフ・アルゴリズムが、衝突の解決のために、ＩＥＥＥ８０２．３ＭＡＣプロトコルで使用される。また、Ａ．Ｓ．Ｔａｎｅｎｂａｕｍ、Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ、３ｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ−Ｈａｌｌ、Ｕｐｐｅｒ Ｓａｄｄｌｅ Ｒｉｖｅｒ、ＮＪ、１９９６も参照されたい。
【００７３】
指数バックオフ・プロセスによれば、結合ノードが、（衝突または他の理由により）送信勧誘するネットワーク・ノードからその送信勧誘への応答を受信しなかった場合は、次回結合ノードが送信勧誘を受信する時に、以前に受信した送信勧誘パケット以来、到達した送信勧誘パケットの半分のみに応答する。このことにより、同時に結合ノードの残りとの衝突および干渉の確率が減少する。その後に受信した送信勧誘パケットのいくつかが無視され、応答した１つまたは複数がランダムにまたは擬似ランダムに、あるいは後続の衝突の確率を下げるための適切な方式で選ばれる。
【００７４】
別の例では、結合プロセスを加速するために、結合ノードは、速いスペクトル・アクティビティ・マッピングを使用して、ネットワーク・ノードがアクティブに動作している周波数チャネルを識別できる。このプロセスでは、ネットワーク・ノードは、アクティブ周波数チャネル上で送信勧誘を聴取するよう同調できる。結合ノードは、異なる空間方向内でスペクトルを走査して、定義された周波数チャネルで送信勧誘するネットワーク・ノードの無線周波数アクティビティを識別する。次いで、結合ノードは、検出されたスペクトル・アクティビティを使用して送信勧誘するネットワーク・ノードへ向かう空間方向を識別し、次いで、定義された方向内の１つまたは複数の定義された周波数チャネルに同調して、送信勧誘するノードによって送信された送信勧誘パケットを検出する。この技術を使用して、結合ノードは、すべての可能な周波数からスペクトル・アクティビティをモニタする周波数のみにまで、それぞれ個々の方向で走査される周波数の数を減少できる。このプロセスでは、結合ノードが、アンテナのすべてのセクタまたは部分組のセクタを同時に起動できる交換アレイ・アンテナを組み込んでいる。このようなノードの一例が、本出願とともに共通出願されている、特許出願番号第０９／４３３，５４２号、Ｊ．Ｂｅｒｇｅｒらによる「Ｓｐａｔｉａｌｌｙ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｏｕｔｅｒ ｆｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｄａｔａ Ｐａｃｅｋｔｓ」に詳細に記述されている。ノードは、単一のまたは複数のセクタを切り換えて、特定の周波数チャネルでスペクトル・アクティビティのレベルを検出できる。
【００７５】
一実施形態では、確立されたネットワーク・ノードの１つまたは複数が、結合ノードによる検出のためのスペクトル・アクティビティを生成する。ネットワーク・ノードは、定義された周波数チャネルでおよび１つまたは複数の定義された空間方向内で情報の無線周波数アクティビティ・バーストを送信する。このスペクトル・アクティビティは、結合ノードによって使用されて、結合プロセス中に使用可能なアクティブ周波数チャネルおよび空間セクタを識別する。情報のバーストは、アクティビティのみを識別するよう設計されているために、標準送信勧誘パッケージよりはるかに短いことがある。
【００７６】
一実施形態では、特定のセクタが探索されたすべての周波数チャネルにわたってスペクトル・アクティビティを示さない場合は、それらには、結合の探索のために低い優先度が割り当てられるか、または後続の探索中に単にスキップされる。セクタ上にスペクトル・アクティビティが不足する１つの理由に、ノード近くの環境があろう。たとえば、ノードの１つまたは複数のセクタが、壁などの阻止する障害物に整列され、そのため、遠隔無線との見通し通信または別のネットワーク・ノードとの接続性が妨げられることがある。スペクトル・アクティビティの指示を使用して、ネットワークは、これらのセクタ内の接続性のためにノードの使用可能性をマップできる。将来の結合プロセス送信勧誘の送信については、ネットワークは、阻止された方向内で送信勧誘を送信することを回避する。
【００７７】
全世界測位システム（ＧＰＳ）受信機をノードに統合してまたは外部的に使用して、そのノードの正確な位置を識別できる。最初のネットワーク・ノードの位置をネットワークに提供することにより、ネットワークが、互いに対するおよび新しく結合ノードに対するそのノードの位置を同期できるようになる。最初のノード位置がネットワークに提供された場合は、新しくインストールされたノードの位置が、ＧＰＳデバイスでその位置を判断することにより、ネットワークに報告できる。新しいノードの同じ位置にあるＧＰＳ受信機は、新しいノードの位置を示すデータを提供する。そのデータはネットワークに通信され、後に使用するために格納される。
【００７８】
ネットワークは、新しいノードの位置を識別し、新しい位置の方向に送信勧誘パケットを送信するよう近接ノードに命令する。結合プロセスの一部として、結合ノードおよびネットワーク・ノードのセクタが、結合ノード位置に対する最良の通信を提供する最良の整列のために選択される。いったん結合プロセスが完了すると、最良の整列を得た相対的なセクタが、ネットワークに通信される。ネットワークは、互いに対しておよびマップ位置に対してノード・セクタを方向付けできる。次のノードがインストールされ、かつその座標がネットワークに報告されると、ネットワークは、送信勧誘を送信するのに使用されるための既にアクティブなノードの正確なセクタを識別できる。このことにより、送信勧誘プロセスのための時間および処理ロードが減少される。
【００７９】
新しいノードの位置がネットワークで使用可能でない場合は、ネットワークは、第１のネットワーク・ノードが、同調されたセクタからの近似方向および範囲と範囲測定を使用して接続を確立した後、位置を推定する。範囲測定は、データ・パケットを送信し、リターン・パケットが到達するまでの応答時間を測定し、次いで内部遅延を較正することによって行われる。
【００８０】
この方式により、ネットワークは、結合ノードに対するネットワーク・ノードの相対的な角整列および範囲をマップできる。この情報を結合プロセスによって使用して、近接ネットワーク・ノードにより送信勧誘パケットの送信を結合ノードに適応させる。このため、ネットワーク・ノードによる探索を、結合ノードの近似方向のみに制限することにより、結合プロセスが減少する。
【００８１】
本明細書に記述した結合プロセスはまた、マルチ・ビーム走査アンテナを備えたネットワーク・ノードと単一のビーム・アンテナを備えた他のノードの間の送信勧誘の通信についても適用可能である。この状況下で、単一のビーム・ノードを、その単一のセクタ上で信号を受信し、送信勧誘パケットのための異なる周波数を走査しながら、他のネットワーク・ノードの方向に機械的に整列できる。
【００８２】
上記から、本実施形態が、一般に結合ノードをワイヤレス・ネットワークに、および特にワイヤレス・メッシュ・ネットワークに追加するための改良された結合プロセスを提供することが分かる。ネットワークのノードが、操向可能ビーム・アンテナを備え、結合ノードを他の近接ノードに正確にかつ自動的に整列するよう通信する。位置情報を使用して、整列プロセスを加速できる。位置情報は、結合プロセスが初めに結合ノードを突きとめ始める前に、ネットワークによって受信できる。また位置情報は、結合ノードとネットワーク・ノードの間の最初のリンクから判断され、その後それを使用して、ネットワークの他の近接ノードとのリンクを完了できる。
【００８３】
本発明の特定の実施形態を示し記述してきたが、修正形態も実施することができる。従って、頭記の特許請求の範囲は、本発明の趣旨および範囲内に含まれるこのような変更形態および修正形態を包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来の技術によるポイント・ツー・マルチ・ポイントベースのワイヤレス・ネットワークを示す図である。
【図２】
ワイヤレス・メッシュ・ネットワークを示す図である。
【図３】
新しいノードがネットワークに結合された後の図２のワイヤレス・ネットワークを示す図である。
【図４】
メッシュベースのワイヤレス・ネットワークの図の代替実施形態を示す図である。
【図５】
図２のワイヤレス・ネットワークのネットワーク・ノードのオペレーションを示す流れ図である。
【図６】
図２のワイヤレス・ネットワークの結合ノードのオペレーションを示す流れ図である。
【図７】
図２のワイヤレス・ネットワークの制御ノードのオペレーションを示す流れ図である。
Claims (45)
- 複数のネットワーク・ノードが共により大きいセクタ角度をカバーする多数の空間カバレージ・サブ・セクタを有し、１つのノードがそのサブ・セクタによってカバーされている方向に位置する他のノードとの接続を確立できるワイヤレス・メッシュ・トポロジ・ネットワークのための結合プロセスであって、結合ノードをネットワークに追加するために、
前記結合ノードが、定義された時間、特定の受信周波数でそのサブ・セクタを聴取することを始動し、その後、定義されたタイミングおよびシーケンスに従ってそのサブ・セクタおよびその受信周波数を変更することと、
アクティブ・ネットワーク・ノードが、存在する内部ネットワーク通信のために既に使用されているサブ・セクタから導き出されたそれらの相対位置および相対角度方位に基づいて、定義されたセクタ、周波数およびタイミングで、編成された送信勧誘データ・パケットを送信し、それにより周波数干渉を減少させ、前記結合プロセスに必要な時間を減少させることとを備えた結合プロセス。 - １つのアクティブ・ネットワーク・ノードが、編成された送信勧誘データ・パケットのためのスケジュールを他のアクティブ・ネットワーク・ノードに分散することをさらに備えた請求項１に記載の結合プロセス。
- 外部コンピュータが、編成された送信勧誘データ・パケットのためのスケジュールを前記ネットワーク・ノードに分散することをさらに備えた請求項１に記載の結合プロセス。
- 単一の空間カバレージ・サブ・セクタを有する１つのアクティブ・ネットワーク・ノードからの単一の空間セクタをカバーする単一のセクタのみを使用して通信することをさらに含む請求項１に記載の結合プロセス。
- 結合ノードをワイヤレス・メッシュ・ネットワークに入場許可するための方法であって
定義された空間方向にわたって、同期されスケジュールされた送信時間、周波数、およびスケジュールされた送信方向で前記ワイヤレス・メッシュ・ネットワークの１つまたは複数のアクティブ・ノードから送信勧誘パケットを送信することと、
遅延時間後に、定義された空間方向で、前記結合ノードから送信された応答を検出すること
とを含む方法。 - 送信勧誘を送信することが、前記応答を送信している結合ノードによって使用されるための所定の遅延時間についてのデータを送信することを含む請求項５に記載の方法。
- 送信することが、
最初の方向を走査することと、
その後、前記結合ノードのための検出時間を減少するために、第２の他の方向をスキップしながら、所定の順序で第１の他の方向を走査すること
とを含む請求項５に記載の方法。 - 送信することが、
多数の送信勧誘を、前記ワイヤレス・メッシュ・ネットワークのノードのカバレージ空間の各部分に送信することを含む請求項５に記載の方法。 - 送信することが、
各アンテナ・ビーム上で多数の送信勧誘を送信することをさらに含む請求項８に記載の方法。 - 送信することが、
各周波数で多数の送信勧誘を送信することをさらに含む請求項８に記載の方法。 - 送信することが、
前記ワイヤレス・メッシュ・ネットワークの２以上のノードからオーバラップしていない送信勧誘を送信することを含む請求項５に記載の方法。 - 前記ワイヤレス・メッシュ・ネットワークの送信していないノードで、その送信中にオーバラップしていない送信勧誘に干渉する可能性のある送信を一時停止することをさらに含む請求項１１に記載の方法。
- 送信することが、
第１の送信勧誘時間中に、第１の組の送信勧誘するノードから送信勧誘を送信することと、
第２の送信勧誘時間中に、第２の組の送信勧誘するノードから送信勧誘を送信すること
とを含む請求項５に記載の方法。 - 所定のスケジューリング基準に従って、前記第１の組の送信勧誘するノードおよび前記第２の組の送信勧誘するノードを選択することをさらに含む請求項１３に記載の方法。
- 前記結合ノードが、前記ワイヤレス・メッシュ・ネットワークの複数のアクティブ・ノードの同一のカバレージ・エリアの方向で、実質的に同時に検出される可能性を減少するために、それぞれの組の送信勧誘するノードのメンバを選択することをさらに含む請求項１４に記載の方法。
- 送信された応答を検出することが、
送信された応答を検出するよう１つまたは複数のノードを構成することを含む請求項５に記載の方法。 - 送信された応答を検出することが、
聴取する時間中に送信された応答を検出するようネットワーク・ノードを構成することを含む請求項５に記載の方法。 - 構成することが、
送信された応答の検出のために複数のノードを指定することと、
前記ワイヤレス・メッシュ・ネットワークのカバレージ空間のオーバラップしていない部分を走査すること
とを含む請求項１７に記載の方法。 - 走査することが、
それぞれのノードで、通信セクタおよび周波数の少なくとも１つを走査して、前記ワイヤレス・メッシュ・ネットワークのカバレージ空間の一意の位置内の結合ノードから送信された応答を検出することを含む請求項１８に記載の方法。 - 制御位置において、送信勧誘を送信するために１つのみまたは複数のノードのみを認可することをさらに含む請求項５に記載の方法。
- 前記ワイヤレス・メッシュ・ネットワークのノードの各カバレージ空間に基づいて１つまたは複数のノードを指定することをさらに含む請求項５に記載の方法。
- 指定することが、
各ノードの地理カバレージ空間に基づいて、１つまたは複数のノードを指定することを含む請求項２１に記載の方法。 - 指定することが、
各ノードの周波数カバレージ空間に基づいて、１つまたは複数のノードを指定することを含む請求項２１に記載の方法。 - 前記結合ノードの位置についての情報を受信することと、
前記結合ノードの位置と前記ワイヤレス・メッシュ・ネットワークのノードのカバレージ空間を関係づけること
とをさらに含む請求項２１に記載の方法。 - 前記結合ノードの位置についての情報に基づいて、送信勧誘を送信するために前記ワイヤレス・メッシュ・ネットワークのカバレージ空間の１つまたは複数の部分を優先させることをさらに含む請求項２４に記載の方法。
- 送信された応答に基づいて、前記結合ノードのための位置情報を判断することをさらに含む請求項５に記載の方法。
- 前記ワイヤレス・メッシュ・ネットワークのノードにおいて、応答における無線リンク方向の情報を受信することと、
無線リンク方向の情報およびノードの位置から、結合ノードのための位置情報を判断すること
とをさらに含む請求項２４に記載の方法。 - 前記結合ノードにおいて、指数バックオフ・プロセスを使用して２以上の結合ノードの実質的に同時の応答からの衝突を解決することをさらに含む請求項５に記載の方法。
- 少なくとも第１のネットワーク・ノードと第２のネットワーク・ノードとを備えたワイヤレス・メッシュ・ネットワークに結合ノードを追加するための方法であって、
前記結合ノードのための位置情報を受信することと、
前記結合ノードとの通信を開始するために少なくとも１つのネットワーク・ノードを指定することと、
前記結合ノードの予想される位置に向けた方向に、少なくとも１つのネットワーク・ノードで送信勧誘パケットを送信することと、
送信勧誘パケットに応答してネットワーク・ノードで応答を受信すること
とを含む方法。 - 最適通信のためのアンテナ空間サブ・セクタを選択するために前記ネットワーク・ノードと前記結合ノードの間を通信することをさらに含む請求項２９に記載の方法。
- 送信することが、
第１の周波数で、第１のネットワーク・ノードにおいて送信勧誘パケットを送信することと、
実質的に同時に、第２の周波数で、第２のネットワーク・ノードにおいて送信勧誘パケットを送信すること
とを含む請求項２９に記載の方法。 - 送信することが、
前記第１のネットワーク・ノードにおいて、第１の順序に従ってセクタを走査することと、
前記第２のネットワーク・ノードにおいて、応答を受信する際に衝突を回避するために、第２の順序に従ってセクタを走査すること
とを含む請求項２９に記載の方法。 - 前記第１の順序および前記第２の順序がそれぞれの走査について変化する請求項３２に記載の方法。
- 前記第１のネットワーク・ノードおよび前記第２のネットワーク・ノードが隣接ノードである場合に、前記第１の順序および前記第２の順序が異なる請求項３２に記載の方法。
- 位置情報を受信することが、
前記結合ノードの直近に位置する全世界測位システム（ＧＰＳ）受信機から座標データを受信することを含む請求項２９に記載の方法。 - 座標データを受信することが、
前記結合ノードに統合されたＧＰＳ受信機から座標データを受信することを含む請求項３５に記載の方法。 - １つまたは複数のネットワーク・ノードを備えたワイヤレス・メッシュ・ネットワークに結合ノードを追加するための方法であって、
前記結合ノードとの通信を開始するために少なくとも１つのネットワーク・ノードを指定することと、
前記少なくとも１つのネットワーク・ノードにおいて、前記結合ノードとの通信を開始するために、前記結合ノードを検出する最も高い確率の第１のセクタ上を走査することと、
その後、前記結合ノードを検出するより低い確率のセクタ上を走査することと、
送信勧誘パケットに応答してネットワーク・ノードで応答を受信すること
とを含む方法。 - その後走査することが、
前記第１のセクタに最も隣接したセクタ上を走査することと、
その後、前記第１のセクタに最も隣接したセクタに最も隣接したセクタ上を走査すること
とを含む請求項３７に記載の方法。 - その後走査することが、
既に走査されたセクタに最も隣接したセクタ上の走査をスキップすることと、
その後、スキップしたセクタに最も隣接したセクタ上を走査すること
とを含む請求項３７に記載の方法。 - 前記結合ノードの位置についての情報を受信することと、
前記結合ノードの位置についての情報に基づいて、前記結合ノードを検出する最も高い確率の前記第１のセクタを識別すること
とをさらに含む請求項３７に記載の方法。 - 前記結合ノードの位置についての情報を受信することと、
前記結合ノードの位置についての情報に基づいて、前記結合ノードを検出する最も高い確率のネットワーク・ノードを識別することと、
前記結合ノードの位置の方向に送信するためにそれぞれの識別されたネットワーク・ノードを割り当てること
とをさらに含む請求項３７に記載の方法。 - 前記少なくとも１つのネットワーク・ノードから送信勧誘送信を送信することと、
前記結合ノードにおける干渉を回避するために、前記少なくとも１つのネットワーク・ノードによる送信勧誘の送信の時間、方向、周波数の少なくとも１つを同期すること
とをさらに含む請求項３７に記載の方法。 - １つまたは複数の結合ノードをワイヤレス・メッシュ・ネットワークに入場許可するための方法であって、
定義された周波数チャネルおよび定義された方向で送信勧誘するネットワーク・ノードによってデータ・パケットの送信をスケジューリングして、前記１つまたは複数の結合ノードによるスペクトル・アクティビティの検出のためのスペクトル・アクティビティを作成することと、
前記１つまたは複数の結合ノードのうちの１つの結合ノードにおいて、
定義された周波数チャネルをおよび異なる空間方向で走査して、定義された周波数チャネルで送信勧誘するネットワーク・ノードの無線周波数アクティビティを識別し、
前記送信勧誘するネットワーク・ノードに向けた空間方向を識別し、そして、
識別された空間方向内で定義された周波数チャネルに同調して、前記データ・パケット間で前記送信勧誘するネットワーク・ノードによって送信された送信勧誘パケットを受信すること
とを含む方法。 - データ・パケットの送信が、
定義された周波数チャネルで、そして、１つまたは複数の定義された空間方向において、情報の無線周波数アクティビティ・バーストを送信することを含む請求項４３に記載の方法。 - 前記データ・パケットが、短いバーストのデータを有し、送信勧誘パケットの時間より短い時間を有し、そして、前記送信勧誘パケットより頻繁に送信される請求項４３に記載の方法。
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