JP2006522523A

JP2006522523A - ネットワークトポロジ及びピア応答性に基づく無線性能の最適化

Info

Publication number: JP2006522523A
Application number: JP2006506265A
Authority: JP
Inventors: トムチウ
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-03-04
Filing date: 2004-02-28
Publication date: 2006-09-28
Also published as: CN1757204A; EP1602207A2; US20060092855A1; KR20050115263A; WO2004079919A2; TW200501634A; WO2004079919A3

Abstract

ノード（Ｎ）が新たな環境に入り、その後定期的に入る場合、当該ノードは、ネットワーク学習プロトコルを開始し、当該ノードは、特定の電力設定で照会を送信し、前記照会を受信した他のノードの各々（ＡないしＦ）から応答を受信する。当該ノードは、その後電力設定を調整し、前記照会を再送信し、再び前記照会に対する応答を受信する。この過程は、当該ノードが前記照会を一群の電力設定の全ての範囲にわたり送信するまで繰り返される。当該ノードは、この過程において、どの他のノードが各々の電力設定において照会を応答するかを記録する。各々のノードが応答を開始する電力設定の遷移点は、当該照会するノードからの各々のノードの電気的距離、すなわち距離範囲を規定する。当該照会するノードは、その後、各々のノードの前記距離範囲を当該照会するノードが各々のノードと通信するのに用いる電力設定を規定するのに用いる。

Description

本発明は、通信の分野に関し、特にノード間において通信するのに必要な電力レベルに基づきネットワークにおけるノードの相対的位置を規定するシステム及び方法に関する。

通信効率は、ネットワークにおける各々のノードの相対的物理位置を知ることにより向上され得る。各々のノードによって消費される電力は、各々の通信を有効にするのに必要な最小電力レベルを用いることによって低減され得る。同様に、ノード間における干渉は、各々のノードの電力出力を可能な場合に減らすことによって低減される。

固定されたトポロジを有するネットワークは、特定のノードへ通信するあるノードにおける電力レベルを、ノード間における既知の距離に基づき設定することによって効率的な通信に関して構成される。動的なメンバーシップ及びトポロジを備えるアドホックネットワークを含む未知のトポロジを有するネットワークは、ノード間の距離を規定する並びに／又はネットワークのノード間及び複数ノードの間における最適伝送を規定する動的手段を必要とする。

通信効率を提供することに加えて、物理環境における各々のノードから他の各々のノードへの距離の情報把握は、特定の位置依存応用例の利用を促進する。例えば、多くのホームオートメーション応用例及びセキュリティ応用例は、使用者識別器が特定の機器の近くにあること及び２つの装置が同一の部屋にあると確定すること等の、特定の装置の近接性に基づく機能又はアルゴリズムを含む。同様に、ネットワークの使用及び管理は、特定の装置の近接性に基づく制御及び機能を結合することによって向上され得る。

２００２年４月１８日公表の米国特許出願第２００２／００４４５３３Ａ１号は、方向に基づくトポロジ制御システムを開示しており、当該文書において、メッセージは、ノードからノードへ要求されソース・ノードから宛先ノードへリレーされており、当該文書は、本文書中において参照として組み込まれている。全てのノードがこのリレー／多重ホップ技法を介して他の全てのノードに到達することが可能であることを確実にするために、各々のノードの伝送電力は、伝送半径が少なくとも１つのノードをノード回りに円を形成する伝送円錐角の一群の各々の内に含むまで、徐々に増加される。この参照された応用例において説明される通り、伝送円錐角が１５０度より小さい場合、全てのノード間の接続性は保証される。この構成は各々のノードの必要とされる伝送電力を低減するものの、各々のノードは、必要とされるリレー機能を提供するように構成されなければならず、各々のノードは、方向性受信アンテナの一群を含まなければならない。

「ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌｉｎＡｄ−ｈｏｃＷｉｒｅｌｅｓｓＮｅｔｗｏｒｋｓ」、ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＰＩＭＲＣ２００１、ＳａｎＤｉｅｇｏの文書において、Ａｇａｒｗａｌ等は、ノード間において必要とされる伝送電力を規定する方法を説明しており、当該方法において、各々のノードによって用いられる各々の他のノードへの電力レベルは、他のノードの各々からの報告された受信電力レベルに基づき規定される。ソース・ノードが宛先ノードへ伝送する場合、宛先ノードは、伝送の受信を応答確認し、この応答確認内に相対的受信電力レベルを含む。ソース・ノードは、この報告された受信電力レベルをこの宛先ノードへの後に続く伝送用に伝送電力を調整するのに用いる。各々のノードは、報告された受信電力レベルのテーブルを維持し、各々のノードが通信した各々の他のノードに関する伝送電力レベルを規定する。各々のノードへの伝送レベルは、最大伝送レベルに初期化され、報告された受信電力レベルに応答して徐々に減らされる。伝送に対する応答確認が後に続いてこない場合、アドレス確認されたノードへの伝送電力レベルは、応答確認が受信されるまで又は最大電力レベルに再び到達するまで徐々に増加される。

Ａｇａｒｗａｌ等により説明される技法において、各々のノードは、受信電力レベルを測定及び報告するように構成されなければならず、通信プロトコルは、受信電力レベルを伝送応答確認内で通信する手段を含まなければならない。

本発明の目的は、既存の伝送システムに対し大幅な変更又は強化を必要としない性能最適化の方法及びシステムを与えることである。本発明の更なる目的は、ノードに適用可能なノード最適化過程を、ネットワークにおける他のノードの最適化から実質的に独立して与えることである。本発明の更なる目的は、ネットワークにおける各々のノードから他のノードへの位置の規定に基づき、ネットワーク内のノードの性能を最適化することである。

これら目的及び他の目的は、ノードの各々に到達するのに必要な伝送電力に基づき、所与のノードに対する各々のノードの位置を規定することによって達成される。ノードが新たな環境に入り、その後定期的に入る場合、当該ノードは、ネットワーク学習プロトコルを開始し、当該ノードは、特定の電力設定で照会を送信し、前記照会を受信した他のノードの各々から応答を受信する。当該ノードは、その後電力設定を調整し、照会を再送信し、再び前記照会に対する応答を受信する。この過程は、当該ノードが照会を電力設定の全部の範囲にわたり送信するまで繰り返される。当該ノードは、この過程において、他のどのノードが各々の電力設定において照会を応答するかを記録する。各々のノードが応答を開始する電力設定の遷移点は、照会ノードからの各々のノードの電気的距離、すなわち距離範囲を定める。その後、照会ノードは、当該照会ノードが各々のノードと通信するのに用いる電力設定を規定するのに、各々のノードの遷移点を用いる。また照会ノードは、状況に応じて、通常より高い電力設定を必要とし得る遠距離のノードとの通信をするために、他のノードの各々の能力及び機能を規定し、この情報を用いて、代替ルーティングスキームを規定することによって、性能をより最適化する。また更に状況に応じて、制御ノードは、ネットワークにおけるノードの２次元物理トポロジを規定するために、複数のノードから距離範囲情報を収集するように構成され得る。

図面において、同一の参照符号は、同一の要素又は実質的に同一の機能を実行する要素を参照する。

図１は、この発明に従う、物理的に分散されたノードのネットワークにおける距離範囲設定過程のブロック図の例を示す。ノードＮは、伝送電力レベルＴ１ないしＴ５の一系列の各々で照会を伝送することによってネットワークにおける各々の他のノードＡないしＦの相対電気的距離、すなわち距離範囲を規定し、どのノードＡないしＦが各々の電力レベルで応答するかを記録する。

図２は、この発明の距離範囲設定過程のフロー図の例を示す。他のノードＡないしＦの各々が応答する最小電力レベルを示す伝送テーブルは、ノードＮに維持される。このテーブルは、図２の２１０においてクリアにされる。ノードＮは、ループ２２０ないし２９０において、一群の電力レベルＴ１ないしＴＮの各々にわたり順次的にステップを経る。図２の過程は、最小値から最大電力レベルへの順次的な過程の例を示すが、当業者は、この開示を鑑みて、代替の順序が用いられ得ることを認識し得る。

ノードＮは、２３０において、伝送電力を現在の順次値Ｔｘに設定し、２４０においてこの電力レベルで照会を伝送する。前記照会は、他のノードが返信すると期待されるいかなる従来の送信形態でもよい。ループ２５０ないし２８０は、各々の受信された応答を処理する。ノードＮは、２６０において、応答しているノードが新たに発見されたかを規定する。伝送テーブルは、上述のように初めにクリアにされ、したがって、いかなる応答するノードも新たに発見されたノードであり、各々の応答するノードは、２７０において、伝送テーブルに現在の電力レベルＴｘとして入力される。その後、前記伝送テーブルは、後に続く電力レベルにおいて、各々の応答するノードが既に伝送テーブルに入力されているかを確定するのに確認される。２６０において、ノードがテーブルにまだ入力されていない場合、当該ノードは２７０において入力され、そうでない場合、ステップ２７０はスキップされる。全ての電力レベルにわたりステップを経られた後で、ノードＮの距離範囲内にある全てのノードは、伝送テーブルに入力される。以下に示されるのは、図１に示されるネットワークに対応する伝送テーブルの例である。

その後ノードＮは、この伝送テーブルを、ノードＡないしＦの各々と通信するための好ましい電力レベルを規定するのに用いる。好ましい実施例における好ましい電力レベルは、通信に対してある程度の堅固性を与えるために、伝送テーブルを作成するのに用いられた電力レベルよりやや上回るものである。ノードＮは、ネットワークが動的である場合、状況に応じて、定期的に上記のノード発見／位置特定過程を繰り返し、伝送テーブルを更新するように構成され得る。

当業者にとって明らかであるように、伝送テーブルへの入力（エントリ）は、各々のノードのＭＡＣアドレス、ＩＰアドレス、伝送／受信周波数及びチャネル、能力並びにプロトコル等の各々のノードの他の特性と関連付けられ得る。好ましい実施例において、各々のノードの以前の位置すなわち距離範囲も、位置及び速度の変化等に依存し得る応用例を促進するために記憶される。各々の発見されたノードの他の特性も、後に続く利用のために規定され、各々のノードから受信された照会への応答の電力レベル等、各々のノードに関連付けられ得る。例えば、ノードから受信されたメッセージの電力レベルの変化は、ノードの相対的位置の変化を示唆していることがあり得、伝送テーブルを更新するためのノード発見／位置特定過程の繰り返しを開始するのに用いられ得る。

上述の過程は、制御可能な出力電力レベルを有するいかなるノードへも適用可能であり、ネットワークの他のノードのいずれかが同様に構成されているかに関わらず適用され得ることを特記すべきである。すなわち、あるノードにおけるこの発明の過程の実施例は、既存の従来のネットワークノード及び既存の従来のネットワークプロトコルと互換性がある。

上記の伝送テーブルは、ノードＮへの各々のノードＡないしＦの１次元的相対位置（距離範囲）を効果的に与える。制御ノードは、状況に応じて、ネットワークにおける複数のノードから正規化版の伝送テーブルを受信するように構成され得、当該正規化伝送テーブルから、従来の位置特定を用いて、ネットワークの２次元（距離範囲及び方向）トポロジが規定され得る。伝送テーブルの正規化は、各々のノードの各々の伝送レベルＴ１ないしＴ５のマッピングを共通距離範囲の原則に対して有効にする。後に、２次元トポロジは、セキュリティ・システム及びホーム・オートメーション・システム等の、ノード間の２次元関係に依存する特定の応用例を可能にするのに用いられ得る。

本発明の別の随意的な態様によると、ノードのＮの性能は、メッセージを各々のノードに通信するための最も電力効率のよい手段を用いて更に最適化される。この実施例において、ノードＮは、発見されたノードＡないしＦの各々を照会し、各々のノードの能力を確定する。当該分野において周知であるように、ノードＡないしＦのいくつか又は全ては、ネットワークの他のノードへのメッセージのリレー、すなわちルーティングを促進をするように構成され得る。ノードＮが近接のノードを介してメッセージのルーティングを用いて遠距離のノードにメッセージを送信し得る場合、ノードＮは、前記近接ノードの低い電力レベルに設定され、これにより電力を節約し得る。

好ましい実施例において、各々のノードへのメッセージの好ましいルーティングは、各々のノードの能力を発見した後に規定され、後に続く使用のためにルーティングテーブルに記憶される。図３は、本発明のこの態様による、ノードＮの更なる最適化を促進する随意的なルーティング規定過程のフロー図の例を示す。ループ３１０ないし３９０は、ネットワークにおけるノードの各々へメッセージをルーティングする最適なスキームを規定する。３２０において、各々のノードＫへのルートは、初期設定としてノードＫへの直接リンクを介するとされ、ノードＮがノードＫに伝送するメッセージを有する場合、ノードＮは、ノードＫへ直接通信するための適切な伝送電力レベルを規定するのに上記伝送テーブルを用い、これは、以降においてＴｘ（Ｋ）と記される。

ループ３３０ないし３７０は、メッセージをノードＫに通信するのに別のノードＭが利用可能かを規定する。このループは、ノードＫへ直接通信するのに必要な電力レベルＴｘ（Ｋ）より下である伝送電力レベルＴｘの各々を確認するように構成される。当業者に対して明らかであるように、メッセージのリレーは、ノードＫへの直接通信と比べてたった１つ又は２つの電力レベルのみが保存される場合効率的ではなく、且つ３３０における制御ループの上限は適宜に調整され得ることが規定され得る。

３５０において、各々のノードＭがノードＫへのメッセージをルーティングする能力を有するかを確定するために、最低電力レベルから開始して、各々のノードＭの能力が各々の電力レベルにおいて確認される。ノードＭが上記能力を有する場合、３８０において、ノードＫに関するルーティングＲ（Ｋ）は、ノードＫへのメッセージがノードＭを介してルーティングされることを示すように調整され、前記ノードへの代替ルーティングに関する検索（ループ３３０ないし３７０）は終了され、３９０において次のノードに関する好ましいルーティングを開始する。その後、ノードの各々へのメッセージは、前記ノードに関して規定された好ましいルーティングノードを介して、好ましいルーティングノードの規定された電力レベルでルーティングされる。

上述のルーティングスキームは、ネットワークの１次元（距離範囲）トポロジに基づく。上述のように、複数のノードからの距離範囲情報は、ネットワークの２次元トポロジを促進するために、中央制御器に与えられ得る。この２次元トポロジに基づき、代わりのルーティング経路は、特定のノードにおいて消費される電力を最適化するよりも、メッセージを各々の代替ルーティング経路を介してノードＡからノードＢへ通信する際の全てのノード間で消費される全体電力のような、よりグローバルなネットワーク性能要因を最適化するように選択され得る。またこの中央集中型制御は、中間ノードにおいて起こり得る又は実際に起こっている渋滞等に基づき、好ましいルーティング経路を動的に変更し得る。当業者は、１次元及び２次元トポロジ規定に基づく他の最適化の可能性を認識し得る。

図４は、この発明に従う、ノード４００のブロック図の例を示す。制御器４５０は、図２に詳記されるように、送信器４２０からの一連の伝送レベルの各々における照会の伝送と他のノードからの応答の検出とを通して伝送テーブル４４０の作成を実行する。状況に応じて、制御器４５０は、図３に詳記されるように、ルーティングテーブル４３０の作成を実行する。

フォーマッタ４１０は、所与の宛先へ伝送するために、連続するメッセージをフォーマットし、状況に応じて、前記メッセージの所与の宛先に関してルーティングテーブル４３０において与えられる好ましいルーティングを用いる。フォーマットされたメッセージは送信器４２０へ転送され、制御器４５０は、随意的なルーティングテーブル４３０からの宛先ノード又は好ましいルーティングノードのいずれかに基づき、伝送テーブル４４０から送信器４２０のための適切な電力レベルを選択する。

以上の記載は、本発明の原理を例証するに過ぎない。したがって、当業者が、本文章中には明示的に説明又は図示されていないものの、本発明の原理を具現化すると共にしたがって添付の請求項の精神及び範囲内にあるような多様な構成を考案することが可能であることが認識され得る。

図１は、この発明に従う物理的に分散されたノードのネットワークにおける距離範囲設定過程のブロック図の例を示す。図２は、この発明に従う物理的に分散されたノードのネットワークにおける距離範囲設定過程のフロー図の例を示す。図３は、この発明に従う、ノード性能の更なる最適化を促進するルーティング規定過程のフロー図の例を示す。図４は、この発明に従うノードのブロック図の例を示す。

Claims

ネットワークにおけるノード間の通信を促進する方法であって、
照会を、前記ネットワークにおける第１ノードから複数の伝送電力レベルの各々で順次的に伝送するステップと、
前記ネットワークにおける１つ又は複数の他のノードからの前記複数の伝送電力レベルの各々での応答を、前記第１ノードにおいて受信するステップと、
前記ネットワークにおける前記１つ又は複数の他のノードの各々が応答を供給する際の、前記複数の伝送電力レベルの最低伝送電力レベルを規定するステップと、
を有し、
これらにより、前記第１ノードから前記１つ又は複数の他のノードの各々への距離範囲を規定する、方法。
請求項１に記載の方法であって、前記１つ又は複数の他のノードのうちの第２ノードへの後に続く通信を促進するために、前記第１ノードから前記第２ノードの前記距離範囲に基づき、伝送レベルを前記第１ノードにおいて調整するステップを更に含む、方法。
請求項２に記載の方法であって、前記伝送レベルが、前記第２ノードが前記応答を供給する最低伝送電力レベルより高い、方法。
請求項１に記載の方法であって、前記第１ノードから第２ノードへの第３ノードを介したルーティング経路を規定するステップを更に含み、前記第１ノードから前記第３ノードへの距離範囲が、前記第１ノードからの前記第２ノードの距離範囲より少ない、方法。
請求項４に記載の方法であって、前記第１ノードから前記第２ノードへの前記ルーティング経路を介した後に続く通信を促進するために、前記第１ノードから前記第３ノードへの距離範囲に基づき、伝送レベルを前記第１ノードにおいて調整するステップを更に含む、方法。
請求項５に記載の方法であって、前記伝送レベルが、前記第３ノードが前記応答を供給する前記最低伝送電力レベルより高い、方法。
請求項１に記載の方法であって、前記第１ノードから前記１つ又は複数の他のノードの各々の相対方向の更なる規定を促進するために、前記１つ又は複数の他のノードの距離範囲を制御器へ与えるステップを更に含む、方法。
請求項１に記載の方法であって、前記第１ノードから前記１つ又は複数の他のノードの各々への距離範囲の変更を規定する方法を自動的に繰り返すステップを更に含む方法。
ネットワーク内で通信するノードであって、制御器と、制御可能な伝送電力を有する送信器と、前記ネットワークにおける１つ又は複数の他のノードの各々と通信するための最小電力設定を識別する伝送テーブルとを有し、前記制御器は、前記送信器の前記伝送電力を、一連の伝送電力レベルの各々に制御し、照会を、前記一連の伝送電力レベルの各々で伝送し、前記照会に対する応答を前記ネットワークにおける前記１つ又は複数の他のノードから受信し、且つ前記応答に基づき、前記ネットワークにおける前記１つ又は複数の他のノードの各々と通信するのに必要な最小電力レベルを規定することによって、前記伝送テーブルの作成を促進する、ノード。
請求項９に記載のノードであって、前記制御器が、前記ネットワークにおける前記１つ又は複数の他のノードのうちの選択ノードへの後に続く通信のために、前記送信器の前記伝送電力を、前記選択ノードに対応する前記伝送テーブルにおけるエントリに基づき制御するように構成される、ノード。
請求項１０に記載のノードであって、前記伝送電力が、前記伝送テーブルが作成された場合の前記選択ノードが前記応答を供給した最低伝送電力レベルよりも高い、ノード。
請求項９に記載のノードであって、ルーティングテーブルを更に含み、前記制御器は、当該ノードから前記ネットワークにおける前記１つ又は複数の他のノードの各々への好ましいルーティング経路を、前記１つの又は複数の他のノードの各々への代替ルーティング経路における第１ノードへ通信するのに必要な最小電力レベルに基づき規定することによって前記ルーティングテーブルの作成を促進するように更に構成される、ノード。
請求項１２に記載のノードであって、前記制御器が、前記ネットワークにおける前記１つ又は複数の他のノードのうちの選択ノードへの後に続く通信のために、前記送信器の前記伝送電力を、前記ルーティングテーブルにおける前記選択ノードに対応するエントリに対応する前記伝送テーブルにおけるエントリに基づき制御するように構成される、ノード。
請求項１３に記載のノードであって、前記伝送電力が、前記伝送テーブルが作成された場合の前記伝送テーブルにおける前記エントリに対応する最低伝送電力より高い、ノード。
請求項９に記載のノードであって、前記制御器が、当該ノードから前記１つ又は複数の他のノードの各々の相対距離範囲及び方向の規定を促進するために、前記伝送テーブルに対応する情報を、前記ネットワークにおける他のノードへ通信するように更に構成される、ノード。
請求項９に記載のノードであって、前記制御器が、当該ノードから前記１つ又は複数の他のノードの各々の相対的な距離範囲及び位置の規定を促進するために、前記ネットワークにおける前記１つ又は複数の他のノードの他の伝送テーブルに対応する情報を受信するように更に構成される、ノード。