JP2005523646A - 特定目的にネットワーク化されたセンサー及びプロトコルを提供する方法および装置 - Google Patents

Abstract

センサーの特定目的ネットワーク（図１、１１２、１１４）を提供するためのシステム、装置および方法。特にこの特定目的ネットワーク化センサーシステム（１００）は、自動構成・自動回復型ネットワークを生成する新規なネットワーク・プロトコルに基づいている。このシステムの基本構成要素は、制御ノード（１１０）に報告できるセンサー事象を検出するセンサーにインタフェースする知的センサーノード（１２０）である。

Description

関連出願

本出願は、引例によってここに組み入れられている、２００２年４月１８日に出願された米国特許仮出願第６０／３７３，５４４号の恩典を請求する。

本発明は、契約番号ＤＡＡＢ０７−０１−９−Ｌ５０４の下で米国政府の支援を受けて行われたものである。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。

本発明は、センサーのネットワークに関するアーキテクチャとプロトコルとに関する。より具体的には、本発明は、自動構成型・自動回復型ネットワークを生成するネットワーク・プロトコルを有するセンサーネットワークを提供する。

開示の背景

多くの装置は、ネットワークを形成するために互いにネットワーク化できる。しかしながらネットワーク化された装置の追加、削除および／または障害をネットワーク・コントローラに知らせるためにこのようなネットワークを人手で構成することがしばしば必要となる。これは、ネットワーク化された装置の設置時に実行しなくてはならない複雑な構成手順という結果を招き、それによって熟練した技術者を必要とすることになる。

実際、ネットワーク化された装置がその状態を絶えずネットワーク・コントローラに報告したり、コントローラから報告を受けたりすることがしばしば必要となる。このようなネットワーク手法は、ネットワーク化された装置とネットワーク・コントローラとの間の連続的な監視とフィードバックとを必要とするという点で面倒で柔軟性に欠けている。またこれは、データがネットワーク・コントローラに渡されていないときでもネットワーク化された装置はネットワーク・コントローラに絶えず報告する必要があるので、より高い電力要件という結果を招く。

更に、ネットワーク化された装置またはネットワーク・コントローラが故障するか、物理的に配置換えされた場合、そのネットワーク化装置の喪失またはネットワーク・コントローラの配置換えを明らかにするために故障したネットワーク装置が識別されて新しいルートが確定されなくてはならないことから、ネットワークを再び人手で再構成することがしばしば必要となる。このような手動再構成は、労働集約的であり、このようなネットワークの硬直性を示している。

したがって自動構成・自動回復型ネットワークを生成することになるネットワーク・アーキテクチャとプロトコルとに対する必要性が存在している。

発明の概要

一実施形態において本発明は、特定目的のセンサーネットワークを提供するシステム、装置および方法である。より具体的には、この特定目的にネットワーク化されたセンサーシステムは、自動構成・自動回復型ネットワークを生成する新規なネットワーク・プロトコルに基づいている。

このシステムの１つの基本的構成要素は、制御ノードに報告できるセンサー事象を検出するためにセンサー（例えば搭載型または外部設置の）とインタフェースする知的センサーノードである。一実施形態ではこのセンサーノードは、任意選択的に低価格の無線インタフェースを使用することができる。各知的センサーノードは、内部センサー、取付けセンサーのいずれか、あるいはそれら両者といった多数のセンサーを同時に監視できる。ネットワーク化ソフトウエアは、モジュール式になっていて、通信インタフェース、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＩＥＥＥ８０２．１１等とは独立している。

より重要な点として、本ネットワークは、ネットワーク・トラフィック（ネットワーク通信量）に関して最適ルートを自動的に決定し、問題が発生すると代替のルートを見つけ出す。本アーキテクチャの利点の幾つかは、センサーネットワークの初期配備が簡単であること、熟練したネットワーク技術者が不要であること、制御ノードの範囲が拡大されたこと、および低電力無線装置の急速に成長する新たなマーケットに梃入れする能力があることである。

詳細な説明

本発明の教示は、付属図面と関連して上記の詳細説明を考察することによって直ちに理解され得る。

理解を容易にするために、可能な場合には、これらの図に共通する同じ要素を示すために同じ参照数字が使用されている。

図１は、本発明のセンサーネットワークまたはシステム１００の図を示す。本発明は、特定用途のネットワーク化センサーシステムを形成するために協同して動作する複数のノードを提供する。これらのノードは、制御ノード１１０とセンサーノード１２０とブリッジノード１３０と中継ノード１４０とゲートウェイノード１５０とを含む。これらのノードの各々のタイプは、異なる能力を有しており、これらの能力は下記で更に開示される。本システムが各タイプのノードの１つ以上によって実現できることは留意されるべきである。実際、特定の実施形態によっては、これらのノードの一部は省略することもできる。

センサーネットワーク１００の基本機能は、センサー測定値を収集し、更なる処理のために適切なエンドノード（末端ノード）、例えば制御ノード１１０またはゲートウェイノード１５０の受信端の制御ノード（図示せず）にこのセンサーデータをルート指定することである。本発明の１つの重要な利点は、センサーネットワーク１００が任意の方式で配備され、必要な通信とルート指定と構成機構を人手の介在なしに自動的に確立することになる点である。すなわち、このセンサーネットワークは、自動構成型であり、それによってノードの特定の配置も広範な事前構成もネットワーク管理活動も必要としない容易で迅速な配備を可能にすることになる。この新規な特徴によって、本センサーネットワークは、複雑な軍事環境に、商業環境に、および／またはネットワークに追加または削減されるノードのせいでネットワーク構成が動的に変化する実施形態に適応できる。

なお、本センサーネットワーク１００における５つのタイプの論理ノードは、これらが実行する機能に基づいて区別されることになる。

センサーノード１２０は、１つ以上のセンサー１２２とインタフェースすることと、制御ノード１１０とブリッジノード１３０とゲートウェイノード１５０とに向けてセンサーデータをルート指定することとに直接責任を負うことになる。センサーノードは、制御ノード（単数または複数）の動作特性の記録を維持できる。例えばセンサーノードは、制御ノード（単数またな複数）の識別情報（アイデンティティ）と、センサーノードから制御ノード（単数または複数）への往復遅延の予測値とを維持できる。

更に、本発明で説明されるセンサーノードは、取付け／統合化センサーから情報を捕捉するための規格準拠インタフェース（単数または複数）を提供できる。このインタフェース（単数または複数）は、現在では市場において入手可能なセンサーと将来的に軍事仕様となりうるセンサーとを含むセンサータイプを多数サポートすべきである。

中継ノード１４０は主として、他のノードから受信したセンサーデータを制御ノード、ゲートウェイノードまたはブリッジノードにルート指定することに責任を負うことになる。実際にセンサーノードは、中継ノードとしても働くことができる。

制御ノード１１０は、中継ノードまたはセンサーノードからセンサーデータを受信するように設計されている。典型的には制御ノードは、センサーデータが通った一連のノードの中で最後のまたは最終のノードことになる。制御ノードは、センサーノード・パラメータを設定し取得する能力をもつことができる。制御ノードは、センサーノードから取得したデータを使用して、配備されたセンサーノードのマップを構築して記憶することができる。制御ノードはまた、各センサーノードの動作特性の記録を維持できる。例えばこれは、各センサーノードの識別情報とセンサーのタイプ（音響タイプまたは地震タイプなど）と受信メッセージ間の平均時間と制御ノードからセンサーノードへの往復遅延の予測値とを維持できる。

ブリッジノード１３０は、制御ノード、中継ノードまたはセンサーノードからセンサーデータを受信するように設計されている。ブリッジノードは、低帯域幅ネットワーク（またはサブネットワーク）１１４から高帯域幅ネットワーク（またはサブネットワーク）１１２にセンサーデータを送信するための多数の無線インタフェースを装備することになる。ブリッジノードは、受信データをより高い帯域幅のネットワークの制御ノード、ブリッジノードまたはゲートウェイノードにルート指定できることになる。

ゲートウェイノード１５０は、外部ネットワークとインタフェースするように設計されている。こういった外部ネットワークの例は、専用地上ネットワークを介したＴａｃｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ（戦術インターネット）、セルラー・ネットワーク、あるいは任意の有線または無線ネットワークを含むが、これらに限定されない。

制御ノードとブリッジノードとゲートウェイノードは、「消費者ノード」として広く認められることができ、またセンサーノードと中継ノードは、「生産者ノード」として広く認められることができる。すなわちセンサーノードと中継ノードは、センサーデータを供給または生成するが、これに対して制御ノードとブリッジノードとゲートウェイノードは、センサーデータを受信または消費する。こうして生産者ノードは同期または非同期方式でセンサーデータを生成することになるが、これに対して消費者ノードは同期または非同期方式でセンサーデータを受信することになる。

すべての上記のノードまたは上記のノードのサブセットは、本特定目的センサーネットワークに参加できる。多数のインタフェースを有するノードは、多数のサブネットワークで同時に目に見えるようになる。制御ノードとゲートウェイノードが単一ノード、例えばゲートウェイノードの能力を有する制御ノードに合体できることは留意されるべきである。同様にセンサーノードと中継ノード（とブリッジノードさえも）が単一のノード、例えば中継ノードとブリッジノードの能力を有するセンサーノードと合体できることは留意されるべきである。したがってこのようなセンサーシステムにおける制御ノードとゲートウェイノードの数は一般に小さくなる。

したがって要約すると上記のノードの各々は、下記の能力（の一部またはすべて）を有することができる：
ａ．１つ以上の取付け／統合化センサーから情報を収集する
ｂ．無線リンクを介して他のノードと通信する
ｃ．他の近くのノードから情報を収集する
ｄ．多数のセンサー情報を統合する
ｅ．他のノードのために情報を中継する
ｆ．標準のルータ・インタフェースを介してセンサー情報をインターネットと通信する。

一実施形態では本センサーネットワーク１００は主として、非同期事象駆動型（イベント駆動型）センサーネットワークことになる。すなわちセンサー１２２は、非同期式に発生する外部事象（外部イベント）によって起動されることになる。したがってセンサーは典型的には、非同期的にデータを送信することになる。しかしながら制御ノードは、センサー・パラメータを設定し、ネットワークの状態を評価し、ルート指定情報を確立するために、定期的間隔でプローブデータまたは制御データを送信することができる。制御ノードはまた、センサーデータの受信を示すために肯定応答パケットを送ることもできる。しかしながらセンサーが同期データも生成する環境に関してこの設計が適用および拡張可能であることは留意されるべきである。

本センサーネットワークが制御ノードとセンサーノードと中継ノードの移動性を明確にするように設計されていることは留意されるべきである。このような事象（イベント）は最小規模で発生するかもしれないが、制御ノードは戦術的な理由から（例えばセキュリティの維持のために）位置を変える可能性がある一方、センサーノードまたは中継ノードは通過する車両または人により不注意に押されてしまう場合のような外部事象のために位置を変える可能性がある。

本センサーネットワークはまた、ネットワークノードの障害と追加とを検出するように設計されており、それによってセンサーネットワークがこのような変化に適応すること、すなわち自動回復することを可能にしている。例えばセンサーデータの送付を保証するために、誤動作や故障したノードを回避する代替のルートが計算され得る。同様に新しいノードの追加は、新しいルートの発見を惹起し、それによってセンサーデータがより短いルートを介して送信されることを可能にする。ノードは、何時でもセンサーネットワークに入ったり、出たりすることができる。センサーネットワークに入ることは追加ノードの配備を意味し、出ることはあるノードの除去または障害を意味する。

図２は、本発明の消費者ノードを配備するための方法２００のフローチャートを示す。一般にすべてのノードは、任意の方式で配備されることになる。しかしながら消費者ノード（制御、ブリッジ、ゲートウェイ）は、地上および他の環境因子を考慮に入れて制御される方式で配置され得る。ある実施形態では配備が完了すると、オペレータ操作は、図２のステップに影響を及ぼすことになる。しかしながら他の実施形態では、いったんネットワークノードが配備、すなわち活性化されるとオペレータ操作は必要でない。

方法２００は、ステップ２０５からスタートしてステップ２１０に進む。ステップ２１０で起動すると１つ以上の消費者ノードは、自分たちの存在を近隣のネットワークノードに伝達または同報通信を行うことになる。例えばメッセージは、それらの消費者ノードの同報通信範囲内に存在する近隣ノードに伝達できる。

ステップ２２０では、消費者ノードから同報通信されたメッセージを受信した近隣の消費者ノード、またはその近隣のノードに消費者ノードの存在を伝達することになる。すなわち各ノードは、１ホップ分（1跳躍分）離れた他のノードの、そのメモリ内に記憶されたマップを有している。消費者ノードから告知メッセージを受信すると各ノードは、そのメッセージをその近隣ノードすべてに伝搬することになる。この伝搬は、そのネットワーク内のすべてのセンサーノードがそれらの消費者ノードに気付くまで続くことになる。

ステップ２３０では、消費者存在情報すなわち消費者位置情報を伝達するプロセスのときに、各中間ノードは、その消費者ノード（単数または複数）への適切なルート（多数のルートが可能である）を記録することになる。この分散更新手法は、このセンサーシステムの拡大縮小（ノードの追加と削除）が比較的容易に実現されることを可能にする。１つのノードは、もう１つのノードの範囲内の消費者ノードを簡単に起動し、センサーシステムは消費者ノードをネットワーク内に組み入れ、またこのシステム内のすべてのノードは、これにしたがってそれ自体が、自らを更新することになる。

ステップ２４０では、消費者ノードの存在情報は、最終的に１つ以上のセンサーノードに到達することになる。センサーノードは、いったんそれらが少なくとも１つの消費者ノードに気が付くと初期化されたと考えられ、すなわちそれらがその消費者ノードへの適切なルート（単数または複数）を構築したと見做されることになる。このときセンサーノードはその後、プリアンブル導入メッセージを消費者ノードに送って、それらの存在に対して肯定応答する。プリアンブルが消費者ノード（単数または複数）へのその経路を発見すると中継ノードその他のノードによって適切なルートが記録され得る。いったん初期化されるとセンサーノードは、センサーデータを消費者ノード（単数または複数）に送信し始めることができる。

ステップ２５０において、方法２００は、そのセンサーネットワークに変化が存在するかどうかを問合わせる。この問合せに対して肯定的に応答された場合、方法２００は消費者ノードの１つ以上が変化を報告することになるステップ２１０に戻り、伝搬プロセスすべてが繰り返されることになる。問合せが否定的に応答された場合には、方法２００はステップ２６０に進み、センサーシステムは待機状態に留まる。

特にセンサーネットワーク１００内の動的変化は、多くの形態で発生し得る。消費者ノードが位置を変更することがあり、あるいはセンサーノードまたは中継ノードが位置を変更する可能性があり、あるいはその両方の場合がある。消費者ノードは位置を変更するとその消費者ノードは、それ自体をその近隣ノード（一部は新しく一部は古い）に通知して新しいルートを再構築することになる。

代替として動的変化は、生産者ノードによって検出され得る。すなわちセンサーノードと中継ノードは、制御ノードに送られるメッセージのすべてに関して肯定応答（ＡＣＫ）メッセージを期待している。例えばセンサーノードに関連する複数あるセンサーのうちの１つは、報告可能な事象を惹起できる。ＡＣＫメッセージが受信されなかった場合、中継ノードまたはセンサーノードは、そのメッセージを再送信するか、あるいはそのセンサーノードまたは中継ノードの近隣性構造に変化があったという仮定の下でピコネット（あるノードの直接隣接する近隣ノードとして定義された環境）を再確立することになる。ピコネットを再確立するとセンサーノードまたは中継ノードは、制御ノード（単数または複数）への新しいルート（その近隣ノードからの）を決定しようと試みることになる。

図３は、本発明の生産者ノードを配備するための方法３００のフローチャートを示す。すなわち図３は、生産者ノード（センサーノードまたは中継ノード）の配備を示す。方法３００は、ステップ３０５から開始してステップ３１０に進む。

ステップ３１０で生産者ノードは起動されて位相確立状態（ＴＥＳ）に入る。具体的には、センサーノードは、その近隣性を確立して、その近隣ノードの近隣性に参加する。すなわち生産者ノードは、その近隣ノードからの問合せを聴く状態に遷移する。代替として生産者ノードは、メッセージを活発に同報通信を行うことによってその近隣ノードを発見しようと試みることもあり得る。こうして位相段階ですべての接続が確立される。その後、生産者ノードは、ステップ３２０でルート確立状態（ＲＥＳ）に移動する。

センサーノードがステップ３２０でルート確立状態に入ると、このセンサーノードは消費者ノード、例えば制御ノードへのルートに関してルート要求メッセージを使用してその近隣ノードに問合わせる。ルートを有している近隣ノードは、要求しているセンサーノードにルート応答メッセージを送ることになる。適切なルート指定エントリーは、要求しているセンサーノードのルート指定テーブル内で行われる。センサーノードは、制御ノードへの現時点での最善のルートを記録する。制御ノードへのルートを有しない接続された近隣ノードが少なくとも１つ存在すれば、センサーノードは再び位相確立段階３１０に入る可能性がある。このサイクルは、すべての近隣ノードが制御ノードへのルートを有するまで、あるいは一定回数の試行の後まで続行される。

ＴＥＳ−ＲＥＳサイクルが終了すると、２つの結果が存在する可能性がある。それは、すなわち、１）センサーノードが制御ノードへのルート少なくとも１つ有する、または２）制御ノードへのルートを有しない。第１のケースでは、センサーノードは、認証確立状態（ＣＥＳ）に入り、後者のケースでは、センサーノードはステップ３２５の低電力スタンバイモードに入り、後刻ＴＥＳ−ＲＥＳサイクルを再開始することができる。ＴＥＳ−ＲＥＳサイクルが終了したときに、センサーノードのすべてではない（潜在的な）近隣ノードが配備され得ることに留意すること。したがって後刻、センサーノードの近傍に１つのノードが配備されても、このノードはこのセンサーノードによって発見されない可能性がある。しかしながら潜在的近隣ノードは、センサーノードを発見してそのセンサーからのルート情報を要求することになる。その後、センサーは、ルート要求メッセージをその新しい近隣ノードに発信することになる。

ルート確立状態の後、センサーはステップ３３０の認証確立状態に入る。この状態でセンサーノードは、制御ノードとの接触を確立して制御ノードに情報を送る。センサーノードは、構成可能なパラメータ、電力容量等の装置特性を送る。センサー認証を制御ノードに中継するすべての中間ノードは、制御ノードからセンサーノードへのルートを確立することになる。特に制御ノードは、センサーノードへのルートを有する。ここでセンサーノードは、ステップ３４０の待機状態に入り、制御ノードにデータを送信する準備が整う。

図４は、本発明の制御ノードを配備するための方法４００のフローチャートを示す。図４は、より一般的な形で、消費者ノード（制御、ブリッジ、またはゲートウェイ）の配備を示している。方法４００は、ステップ４０５で開始してステップ４１０に進む。

ステップ４１０で消費者ノードは、起動されて位相確立状態（ＴＥＳ）に入る。特に上述のように、制御ノードはその近隣性を決定して、その近隣ノードの近隣性に参加しようと試みる。この時点で、すべての接続が確立される。その後、制御ノードは、ルート確立状態に入る。

ステップ４２０のルート確立状態で制御ノードは、その近隣ノードからルート要求メッセージを受信することになる。制御ノードは、ゼロホップ・ルートを有することを示すルート応答メッセージで制御ノードに応答する。このノードは、その識別情報と如何なる関連情報もその近隣ノードに送信する。これらの近隣ノードは、センサーノード、中継ノード、ブリッジノードまたはゲートウェイノードであり得る。こうして制御ノードの近隣のノードすべては、この制御ノードへの１ホップ（１跳躍分）ルートを有することになる。制御ノードの近隣ノードは今や、これら近隣ノードの近隣ノードからのルート要求メッセージに応答することができる。同時に配備され得るセンサー／中継ノードは、すべてのものではないので、制御ノードは後刻、位相確立状態に戻ることができる。ＴＥＳ−ＲＥＳサイクルは、一定回数の試行の間、継続するか、人手で終了させることができる。ＴＥＳ−ＲＥＳサイクルが終了するとき、すべての近隣ノードは制御ノードへの１ホップ・ルートを有しており、またすべてのノードが配備されていることが想定されている。しかしながらＴＥＳ−ＲＥＳサイクルは再開始して終了させることができる。その後、制御ノードは、ＴＥＳ−ＲＥＳサイクルが終了した後にステップ４３０の待機常態に入る。

ネットワーク内に配備された制御ノードが存在しない限り、センサーデータは送信されないことになる点に留意されるべきである。いったん制御ノードが配備されると、その存在はネットワーク中に伝搬され、センサーノードはセンサーデータの送信を開始することができる。ＴＥＳ−ＲＥＳサイクルで貴重なバッテリー電力が消費され得ることにも留意すること。このようにしてネットワークのバッテリー電力の消費を最小にする特定の実施形態のために、適切な時間調整期間が確立され得る。

図５は、本発明の制御ノードを作動させるための方法５００のフローチャートを示す。より具体的には、図５は、種々のタイプの事象に関する制御ノードの種々の状態を示す。

一実施形態で制御ノードは、５つの異なる状態にあることができる。これらは、位相確立状態、ルート確立状態、待機状態、データ状態、および制御状態である。

ステップ５１０の位相確立状態で制御ノードは、その近隣性または「ピコネット」を確立する。ピコネットは、制御ノードの直接近隣のノードからなる。制御ノードは、問合わせ（およびページ）処理を使用してピコネットを確立する。この問合わせ処理を制御する２つのパラメータ：１）問合わせ継続時間と２）問合わせ期間とが存在する。継続時間は、問合わせ処理がどの程度まで長く持続すべきかを決定し、期間は、問合わせ処理がどの程度頻繁に呼び出されなくてはならないかを決定する。

例えば近隣ノードが発見されるとその近隣ノードへの適切な接続が確立される。問合わせ（ページ）走査処理は、近隣ノードが制御ノードを発見できるようにする。いったん位相確立状態が終了すると、制御ノードはルート確立状態に遷移する。

ステップ５２０のルート確立状態で制御ノードは、如何なるルート要求メッセージにも応答してルート応答メッセージ内のルート情報をすべての近隣ノードに送信する。その後、この制御ノードは、位相確立状態に再び遷移する。ＴＥＳ−ＲＥＳサイクルは、手動により、または一定回数の試行の後に終了する。制御ノードは、ＴＥＳ−ＲＥＳサイクル終了後に待機状態に入る。

ステップ５３０の待機状態で制御ノードは、三つの事象：データ事象５２２、移動性事象５２７、または制御事象５２５によって待機状態に入る。制御ノードは、待機状態で発生する事象によりデータ状態、位相確立状態または制御状態に遷移する。データ事象５２２は、制御ノードがセンサーデータを受信したときに発生する。移動性事象５２７は、制御ノードの位置に変化があったときに発生する。制御事象５２５は、制御ノードが１つ以上のセンサーノードをプローブ（精査）しなくてはならないときに発生する。

制御ノードは、データ事象の発生後に待機状態からデータ状態に到る。この状態で制御ノードは、如何なる到来データも処理して、ＡＣＫプロトコル・データユニット（ＰＤＵ）をそのデータを送ってきた直接近隣のノードに送る。この時点で制御ノードは、待機状態に戻る。

制御ノードは、制御事象の発生後に待機状態から制御状態に到達する。制御事象は、制御ノードがパラメータを設定または取得するセンサーをプローブ（精査）しなくてはならないときに発生する。制御事象は、同期的または非同期的に発生し得る。この状態で制御ノードは、適切なＰＤＵをアセンブルしてそれを宛先センサーノードに送る。アプリケーション層において制御ノードは、その宛先センサーノードからの（ＡＣＫ）を期待する。リンク層において制御ノードは、宛先センサーへの送信に関してプローブＰＤＵを受けた直接近隣のノードからの肯定応答（ＡＣＫ）ＰＤＵを期待する。所定の時間内にＡＣＫが到着しない場合、プローブＰＤＵは再送信される。制御ノードは、プローブＰＤＵの再送信を数回（おそらく代替ルートにおいて）試みることができる。制御ノードがＡＣＫＰＤＵを受信しない場合には、制御ノードはその近隣性を再確立するために位相確立状態に移行する。制御ノードは、１つ以上の近隣ノードが位置を変えた可能性があるという仮定に基づいてその機能を実行する。

そのピコネットを再び確立して情報をルート指定した後に制御ノードは、待機状態に戻る。制御ノードは、ＡＣＫＰＤＵを受信した後にだけ、そのプローブ待ち行列から要素を除去することに留意すること。待機状態では、制御事象５２５は、プローブ待ち行列が空でないため、直ちに惹起される。その後、制御ノードは、制御状態に戻り、肯定応答を受信しなかったプローブＰＤＵを送信する。

図６は、本発明のセンサーノードを作動させるための方法６００のフローチャートを示す。より具体的には、図６は、様々なタイプの事象に関するセンサーノードの様々な状態を示す。

一実施形態ではセンサーノードは、７つの状態にあることができる。これらは、位相確立状態、ルート確立状態、認証確立状態、待機状態、データ状態、プローブ状態、およびルート状態である。

ステップ６１０の位相確立状態でセンサー（または中継）ノードは、ピコネットに参加するための機構を立ち上げる。このセンサーノードは、問合わせ走査（およびページ走査）処理を使用してピコネットへの参加を試みる。この問合わせ処理を制御する２つのパラメータには、問合わせ走査継続時間と問合わせ走査期間とが存在する。継続時間は、問合わせ走査処理がどの程度まで長く持続すべきかを決定し、期間は、問合わせ走査処理がどの程度頻繁に呼び出されなければならないかを決定する。センサーノードはまた、問合わせおよびページ処理を使用してその近隣ノードを決定しようと試みる。ピコネットが確立されるとセンサーノードは、ルート確立状態に戻る。

ステップ６２０のルート確立状態でセンサー（または中継）ノードは、制御ノード（単数または複数）へのルート（単数または複数）を確立し、ルート要求メッセージを受信したときにその直接近隣のノードにルート応答メッセージ内のルート指定情報を渡す。ルート応答メッセージとは、センサー／中継ノードによって生成されたルート要求メッセージに対する応答である。センサー配備シナリオで説明したように、センサーノードは、ＴＥＳ−ＲＥＳサイクルが終了するまでこのサイクルを継続する。ＴＥＳ−ＲＥＳサイクルが完了するとセンサーノードは、ステップ６３０の認証確立状態に入るが、一方で中継ノードは、待機状態に入る。

ステップ６３０の認証確立状態でセンサーノードは、制御ノードに認証メッセージを発信する。一実施形態では認証メッセージは、センサーのタイプを記述した情報と構成可能なパラメータと他の装置特性とを含んでいる。その後、このセンサーは、待機状態に遷移する。

ステップ６４０の待機状態でセンサーノードは、四つの事象：センサーデータ事象６４４、プローブ受信事象６４２、移動性事象６４９またはルート事象６４８に関して待機する。センサーノードは、待機状態で発生する事象により、データ状態６４７、プローブ状態６４５、または位相確立状態６１０に遷移する。センサーデータ事象（ＤＥ）６４４は、センサーノードがセンサーデータを受信したとき、またはセンサーデータを送らなくてはならないときに発生する。プローブ受信事象（ＰＥ）６４２は、センサーが制御ノードからプローブ・メッセージを受信したときに発生する。移動性事象（ＭＥ）６４９は、センサーノードの位置に変化があるときに発生する。

移動性事象は、送信されたＰＤＵに関して期待されたＡＣＫが到着しないときに検出される。この事象の検出は、センサーノードを位相確立状態に遷移させる。

ルート事象６４８は、ノードが依頼されていないルート応答メッセージを受信したときに発生する。制御ノードは、位置を変えたときにこの依頼されていないルート応答メッセージを発信する。

センサーノードは、データ事象６４４の発生後に待機状態６４０からデータ状態６４７に到達する。センサーノードは、データを送信または受信できる。データが制御ノードに送信されるべきであれば、センサーノードは適切なＰＤＵをアセンブルしてデータを制御ノードに送る。センサーノードは、センサーデータを受信した直接近隣のノードからの肯定応答（ＡＣＫ）ＰＤＵを期待する。所定時間内にＡＣＫが到着しなければ、センサーノードは移動性事象６４９を想定して位相確立状態に遷移する。位相とルートと認証とが確立成功した後にセンサーノードは、待機状態６４０に遷移する。センサーノードが、ＡＣＫＰＤＵを受信した後にだけ、そのデータ待ち行列から要素を除去することは留意されるべきである。待機状態においてデータ事象は、データ待ち行列が空でないため直ちに惹起される。その後、センサーノードは、データ状態６４７に戻り、肯定応答されなかったセンサーＰＤＵを再送信する。データが受信されるべきであれば（プローブ・メッセージ）、センサーノードは、到来するデータを処理する。この時点でセンサーノードは、待機状態に戻る。

センサーノードは、プローブ受信事象が発生したときに待機状態６４０からプローブ状態６４５に入る。センサーノードは、適切な処置をとって、応答ＡＣＫＰＤＵを送信する。プローブ受信がセンサー情報を要求すれば、センサーがデータを送信してその近隣ノードからのＡＣＫＰＤＵを期待する。センサーノードは、ＡＣＫが受信されなければ上述のようにＴＥＳ−ＲＥＳサイクルに遷移する。その後、センサーノードは、待機状態に遷移する。センサーノードが、ＡＣＫＰＤＵを受信した後にだけ、そのプローブ応答待ち行列から要素を除去することは留意されるべきである。待機状態で、プローブ応答待ち行列が空でなければ、プローブ受信事象が惹起され、要求されたプローブ応答が再送信される。その後、センサーノードは、待機状態に戻る。

センサー（または中継）ノードは、それが依頼されていないルート応答メッセージを近隣ノードから受信したときに待機状態からルート状態６５０に入る。この依頼されていないルート応答メッセージは、制御ノードが位置を変えたときに制御ノードから発生する。この状態でセンサー（または中継）ノードは、発信している制御ノードへのそのルートを更新し、その近隣ノードにルート応答メッセージを転送する。その後、このノードは、待機状態に戻る。

問合わせ走査処理が、ノードの待機状態すべてに内在していることは留意されるべきである。そうでなければノードは決して発見できない。

ノードが制御ノード（単数または複数）への１つ以上のルートを持ち得ることは留意されるべきである。ルート選択は、幾つかの最適性基準に基づくことができる。例えばルート選択に関する可能な測定基準は、ホップ（１跳躍分）の数、ルート時間の遅延、およびリンクの信号強度であり得る。移動性事象が発生すると制御ノードへの新しいルートが、ホップの数の点で最適なものではなくなる可能性がある点に留意されるべきである。最適ルートを計算する（測定基準としてホップの数を使用して）ことは、移動性事象が発生したことを制御ノードに示すことと、ネットワークノードに亘ってＴＥＳ−ＲＥＳサイクルを再開始することとを含んでいる。この手法は、かなりの電力を消費する可能性があり、また検出の確率を増加させる可能性もある。一実施形態では、バッテリー電力を消費し、検出の確率を高める、ルート指定メッセージの同報通信は、ホップの最適数を得る目的では行わないことが好ましい。

本発明のセンサーネットワークに配備できるノードの数には本来的な制限は存在しないことは留意されるべきである。ピコネットに参加できるノードの数にも如何なる本来的な制限も存在しない。現在のＢｌｕｅｔｏｏｔｈの実施形態は近隣性（ピコネット）のサイズを８ノードに制限しているが、本発明ではそのように制限されることはない。

ネットワーク・位相における低速の位相的変化が移動性事象とルート事象とを介して取り組まれていることは留意されるべきである。ネットワーク・位相は、ノードの位置の変化によって、または誤作動するノードによって変化し得る。すべてのノードは、移動性事象を示す前に代替ルートを試みることができる。代替経路は、ホップの数という点では次善であり得るが、パケット送達遅延の点では最適であり得る。代替経路が存在しない場合には、そのノードは移動性事象を示すことになる。

あるノードにおける待ち行列の配備が、重要な機能、例えば再送信される必要があるメッセージを記憶する機能を与えるということは留意されるべきである。すなわちセンサーデータと制御データの再送信は、信頼度の高い送付を保証することになる。

更に、すべてのノードは事象が発生しなければ（背景となる問合わせ走査処理を除く）無動作状態に留まることに留意すべきである。これは、電力消費を最小にし、検出する確率を最小にする。

最後に本発明は、物理層プロトコルによって拘束されることはない。上述の方法とプロトコルは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、８０２．１１Ｂ、Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ Ｒａｄｉｏ（超広帯域無線）またはその他の如何なる物理層プロトコルの上にも実現可能である。

図７は、本発明のネットワークノードを実現する汎用計算システムまたは計算装置７００のブロック図を示す。すなわち前述のネットワークノードの如何なる場合でも、汎用計算システム７００を使用して実現できる。コンピュータシステム７００は、中央処理装置（ＣＰＵ）７１０とシステムメモリ７２０と複数の入出力（Ｉ／Ｏ）装置７３０とを備えている。

一実施形態では、前述のような新規なプロトコルと方法とデータ構造と他のソフトウエア・モジュールとがメモリ７２０にロードされて、ＣＰＵ７１０によって操作される。代替としてメモリ７２０内の種々のソフトウエア・モジュール（またはその部品）は、例えば特定用途の集積回路（ＡＳＩＣ）を使用して物理装置として、あるいはソフトウエアとハードウエアの組合せとして実現でき、このソフトウエアは記憶媒体（例えば磁気または光ドライブまたはディスケット）からロードされ、コンピュータのメモリ７２０においてＣＰＵによって操作される。その例として、前述のようなこれら新規のプロトコルと方法とデータ構造と他のソフトウエア・モジュールまたはそれらの部品は、コンピュータ読取り可能な媒体、例えばＲＡＭメモリ、磁気または光ドライブまたはディスケットなどに記憶できる。

特定のネットワークノードの実施形態により、Ｉ／Ｏ装置は、キーボード、マウス、表示装置、記憶装置（例えばディスクドライブ、光ドライブなど）、スキャナ、プリンタ、ネットワーク・インタフェース、モデム、グラフィック・サブシステム、送信器、受信器、１つ以上のセンサー（例えば全地球測位システム（ＧＰＳ）受信器、温度センサー、振動または地震センサー、音響センサー、電圧センサーなど）を含むが、これらに限定されることはない。種々のコントローラ、バス・ブリッジ、およびインタフェース（例えばメモリおよびＩ／Ｏコントローラ、Ｉ／Ｏバス、ＡＧＰバス・ブリッジ、ＰＣＩバス・ブリッジなど）が図７に明確に示されていないことは留意されるべきである。しかしながら本技術に精通する人々は、種々のインタフェースがコンピュータシステム７００内に配備されること、例えばＡＧＰバス・ブリッジがグラフィック・サブシステムをシステムバスにインタフェースさせるために配備できることなどを理解することになる。本発明が特定のバスまたはシステム・アーキテクチャに限定されないことは、留意されるべきである。

例えば本発明のセンサーノードは、計算システム７００を使用して実現できる。より具体的には、詳細には計算システム７００は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈスタックとルート指定プロトコル（サービス要件の安全性と品質とを含む可能性がある）と知的センサー装置プロトコルとを備えることになる。これらのプロトコル及び方法は、メモリ７２０にロードされる。

本発明の教示を組み入れた種々の実施形態が次項に詳細に示され、説明されているが、本技術に精通知る人々はこれらの教授を更に組み入れた他の種々の多数の実施形態を直ちに考案できる。

本発明のセンサーネットワークの図を示す。 本発明の消費者ノードを配備するための方法のフローチャートを示す。 本発明の生産者ノードを配備するための方法のフローチャートを示す。 本発明の制御ノードを配備するための方法のフローチャートを示す。 本発明の制御ノードを作動させるための方法のフローチャートを示す。 本発明のセンサーノードを作動させるための方法のフローチャートを示す。 本発明のネットワークノードを実現する汎用コンピュータシステムのブロック図を示す。

Claims (10)

1. センサー事象を検出するための少なくとも１つのセンサー（１２２）と、
   前記センサー事象を受信する前記少なくとも１つのセンサーとインタフェースするためのセンサーノード（１２０）と、
   複数のノードを経由するルートを介して前記センサーノードから前記センサー事象を受信するための制御ノード（１１０）と、
   を備える、複数のノードを有するセンサーシステム（１００）。
2. 前記センサー事象が前記少なくとも１つのセンサーから受信されるまで前記センサーノードが待機状態に留まる、請求項１に記載のセンサーシステム。
3. 前記少なくとも１つのセンサーが、全地球測位システム受信器、温度センサー、電圧センサー、振動センサー、または音響センサー（１２２）を備える、請求項１に記載のセンサーシステム。
4. 前記センサーシステムの前記ノードが自動構成型である、請求項１に記載のセンサーシステム。
5. 前記センサーシステムの前記ノードが自動回復型である、請求項１に記載のセンサーシステム。
6. 消費者ノードと生産者ノードとを備えるセンサーシステム内にネットワークノードを確立する方法であって、
   ａ）消費者ノードを作動させるステップと、
   ｂ）前記消費者ノードによって、前記消費者ノードの存在を識別するメッセージをその近隣ノードに送るステップと、
   ｃ）前記近隣ノードの各々によって前記メッセージをセンサーシステム内のすべてのノードに伝搬するステップと、
   ｄ）センサーシステム内の各ノードによって前記消費者ノードへのルートを記録するステップと、
   を含む方法。
7. ｅ）生産者ノードのパラメータを記述したメッセージを前記生産者ノードによって前記消費者ノードに転送するステップを更に含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記メッセージがセンサータイプを、または構成可能なパラメータのリストを含む、請求項７に記載の方法。
9. 消費者ノードと生産者ノードとを備えるセンサーシステム内にネットワークノードを確立する方法であって、
   ａ）生産者ノードを作動させるステップと、
   ｂ）あるルートが消費者ノードにとって利用可能であることを示すメッセージを待つ前記生産者ノードを待機状態にするステップと、
   を含む方法。
10. ｃ）前記生産者ノードによって、ピコネットに参加するその近隣ノードにメッセージを送るステップと、
    ｄ）前記消費者ノードへのルートを確立するステップと、
    ｅ）前記生産者ノードの前記消費者ノードに対する特性を識別するために前記消費者ノードに認証メッセージを送るステップと、
    ｆ）前記生産者ノードを待機状態に入らせるステップと、
    を更に含む、請求項９に記載の方法。

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