JP2008507877A

JP2008507877A - 既存のネットワークに新しい装置を接続する方法

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Publication number: JP2008507877A
Application number: JP2007522082A
Authority: JP
Inventors: ハベタ，イェルク; メンクハイアンク，マルクス
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2025-07-11
Also published as: CN1989741A; EP1774709A1; KR20070041521A; EP1774709B1; WO2006011077A1; DE602005023736D1; ATE482544T1; US20070253345A1; US7826420B2; JP4679579B2

Abstract

複数の装置を有する集中型無線ネットワークにおいて、１つの装置はマスター又はネットワーク・コーディネータとして動作し、送信範囲を有する。基本的には、ネットワークの他の装置は、コーディネータの役割を採用することができる。この機能は、ネットワークの領域を、マスターの送信範囲より大きいサイズに拡大するために使用される。装置は、新しく電源オンになった装置が臨時PNCとして動作するときに子PNCになるようにその親PNCに問い合わせ、子PNCを検索することを示す開始ビーコンをブロードキャストする。子PNCは、有効であることを報告する。新しい装置は、有効な子PNCの１つをその新しいマスターと決定する。選択された子PNCの承認は、新しい装置の送信範囲の全ての装置に通知するためにブロードキャストされてもよい。新しい装置は、臨時PNCの役目を終了し、既存のネットワークに関連付ける。

Description

本発明は、既存のネットワークに新しい装置を接続する方法に関する。ネットワーク又はピコネットは、ネットワークの特定の部分（例えばセル又はクラスタ）を制御するコーディネータを有する。このようなネットワークは、しばしばクラスタ型又はピコネット型ネットワークと呼ばれる。例えば、Bluetooth標準がピコネット型ネットワークで使用される。従って、クラスタの中央コントローラは、クラスタ・ヘッド（Cluster Head）又はピコネット・コーディネータ（PNC：PicoNet Coordinator）と呼ばれる。本発明の方法は、既存のPNCの送信範囲外にある装置が既存のPNCについて通知され得る方法の手順と、装置が既存のピコネットに接続され得る方法の手順とに基づき、これによって、隣接の協調しないピコネットとの間の干渉を回避する。

特に本発明は、プロトコルIEEE P802.15.3に従った無線パーソナルエリアネットワーク（WPAN：wireless personal area network）に関する。このプロトコルは、集中型の接続指向のアドホックネットワークトポロジに基づく。WPANのコーディネータ（すなわちピコネット・コーディネータ／スケジューラ（PNC）になる）の役目を仮定するために、新しいネットワーク、１つの装置又はノードの初期化が必要になる。PNCは、
−基本ネットワーク同期タイミングを提供してもよく、
−許可制御を実行してもよく、
−所定のセットのサービス品質（QoS）ポリシーに従ってピコネットでネットワークリソースを割り当ててもよく、
−データ転送に利用可能なチャネル時間（CT：channel time）リソースの量を割り当ててもよく、
−安全電力（Power Safe）要求を管理してもよい。

媒体にアクセスしようとする装置は、関連付けを行うコーディネータを検出しようとする。所定の期間内にコーディネータを検出しない場合、自分でピコネット・コーディネータになる。１つのピコネットに参加する装置は、より良い信号又はより低いネットワーク負荷を有する他のピコネットをときどき検索する。ピコネットの各装置は、PNC及びスロット割り当てを受信することができる。

同じチャネル周波数を共有する重複セルは、同じ周波数にあり、範囲内にある２つのPNC（親及び子／隣接）の間でチャネルを時間共有する子／隣接ピコネットを構築することができる。

IEEE802.15.3プロトコルは、無線パーソナルエリアネットワーク（WPAN：Wireless Personal Area Network）でピア・ツー・ピア通信を行うために使用され得る。現在の媒体アクセス制御（MAC）仕様は、集中型の手法に基づく。無線媒体へのアクセスは、ピコネット・コーディネータ（PNC：piconet coordinator）と呼ばれる中央装置により許可される。PNC及びその制御下の全ての装置が、ピコネットを形成する。全ての装置が相互の送受信範囲内にあるとは限らない場合に、複数のピコネットが形成されることも考えられる。複数ピコネットのシナリオについてIEEE802.15.3に定義された１つのトポロジは、PNCの階層を有する。定義では、１つのPNCが階層で最高のPNCになる。このPNCは、１つ又は複数の子PNC（CPNC：child-PNC）を有することができ、この子PNC自体も複数の子PNCを有することができ、以下同様である。装置が電源オンになると、既存のPNCについて全ての利用可能なチャネルを走査し始める。走査中に、使用中のチャネルについての情報も収集されて格納される。装置は、受動的な走査を使用する。すなわち、PNCからのビーコンフレームを受信する。このことは、近くにピコネットが存在するか否かの良い指標になり得る。走査処理中にビーコンのようなブロードキャスト信号が検出されない場合、装置は、関連付けを行い得るPNCが近くに存在しないことを仮定する。装置は、PNC開始プリミティブ（PNC start primitive）を内部で発行することにより、PNCの役目を採用する。

Nishant Kumar“802.15.3 MAC layer Overview and Proposed Enhancements to Support UWB PHY”, Mobile and Portable Radio Research Group, Virginia Tech.は、主要の子ピコネットを開示している。代理コーディネータは、チャネル要求時間コマンドを使用してGTS（guaranteed time slots）を要求する。GTSスロットを受信した後に、子PNCは、私有のGTSでビーコンを送信し始める。子ピコネットは、異なるピコネットID（識別情報）を使用する。子ピコネットは、GTSの割り当てのみについて親ピコネットに依存する。関連付け、認証、セキュリティ及び承認は子ピコネット内で処理され、親PNCに関係しない。子PNC装置は、親ピコネット又は子ピコネットで如何なるメンバとも通信することができる。

しかし、隣接ピコネットは自律的であり、GTSのみについて親ピコネットに依存する。これは異なるピコネットIDを使用する。関連付け、認証、セキュリティ及び承認は隣接ピコネット内で処理され、親PNCに関係しない。隣接PNC装置は、親PNCにチャネル時間要求のみを送信し、そのビーコンを受信することができる。

スーパーフレームは、ビーコン、CAP （contention access period）、CFP（Contention Free Period）のような３つの小区分を有する。ビーコンは、現在のスーパーフレームについてストリームインデックス毎にGTSを割り当てられた制御情報を送信し、ネットワーク規模のタイミング情報を提供する。CAPは、バックオフ手順を備えたCSMA/CA（Carrier Sense Medium Access with Collision Avoidance）を使用する。これは、システムでシームレスなデータ転送、チャネル時間要求、認証、関連付け要求、応答及び他のコマンドに使用される。CRP（contention free period）は、非同期又は等時性のデータストリームに使用される保証タイムスロット（GTS：guaranteed time slot）及び任意選択の管理タイムスロット（MTS：management time slot）を有する。PNCは、CAPビーコンでCAPの間に送信されるデータの形式を制御する。

US6,381,467B1は、マスターを備えた複数のメンバを有するアドホック無線ネットワークを開示している。マスターは、第１の通信チャネルで通信している間に、ネットワークを管理する際の支援のニーズを認識する。このニーズに応じて、マスターはメンバがサブマスターになるように、アドホック無線ネットワークのメンバと交渉する。サブマスターは、複数のメンバの一部の管理を担う。サブマスター及びこの一部は、マスターと交渉された第２の通信チャネルで通信する。プロセッサは、アドホック無線ネットワークの第１の通信装置と、マスターの範囲内ではなく第１の通信装置の範囲内の第２の通信装置との間で通信を確立するニーズを検出したことに応じて、支援のニーズを認識するようにプログラムされる。この場合、第１の通信装置がサブマスターになり、マスターにより使用される通信チャネルと異なる通信チャネルで第２の通信装置と自分のアドホック無線ネットワークを確立するように、マスターがこの第１の通信装置に交渉することができる。

Godfrey Tan“Interconnecting Bluethooth-like Personal Area Networks”, 1st Annual Oxygen Workshop, Gloucester, MA, 2001は、徐々に（同時に１つのノードで）ツリーを収縮する（contract）パーソナルエリアネットワークのアルゴリズムを開示している。ノードがネットワークに参加したいときに、頻繁な検索通知を送出する。複数のピコネットのスキャターネット（scatternet）に既に属しているノードは、この通知について予め決められたチャネルを定期的に受信し、新しい隣接を受け入れようとする場合に応答する。１つより多くのノードが新しいノードに応答すると、どの存在するノードに新しい装置が参加すべきかについて決定が行われなければならない。この決定は、受信した応答に基づいて新しいノードにより行われてもよく、又はルート行われてもよい。ルートは、検索メッセージを受信してどれが検索ノードに応答するべきかを選択した全ての子ノードから情報を収集し得る。新しいノードがスキャターネットのノードに接続すると、後者が“親”になり、前者がその“子”になる。

本発明の１つの目的は、ネットワーク・コーディネーのようなタマスター装置と、ネットワーク・コーディネータ（PNC）の送信範囲の少なくとも１つの更なる装置とを有する既存の集中型無線ネットワーク（ピコネット）に、ネットワーク・コーディネータの送信範囲にない更なる装置を接続する方法を提供することである。更なる目的は、ネットワーク・コーディネータの送信範囲外にある新しい装置が関連付け得るネットワークを提供することである。

この目的は、
−ネットワーク・コーディネータのようなマスター装置と、
−ネットワーク・コーディネータの送信範囲の少なくとも１つの更なる装置と
を有する既存の集中型ネットワーク（ピコネット）に、ネットワーク・コーディネータの送信範囲にない少なくとも１つの新しい装置を接続する方法により解決され、この方法は、
−新しい装置が、既存のネットワーク（ピコネット）に関連付けを行うつもりであることを示す開始要求（PNC request IE等）を備えたビーコンをブロードキャストする臨時ネットワーク・コーディネータになるステップと、
−子ネットワーク・コーディネータになった装置が、有効な子ピコネット・コーディネータであることを示す１つ又は複数のブロードキャスト又はユニキャストフレームの形式で、開始ビーコンへの応答を伝達するステップと、
−臨時ネットワーク・コーディネータとして動作する新しい装置が、チャネル又は周波数を走査し、応答信号を受信し、有効な子ネットワーク・コーディネータのうち少なくとも１つをマスターとして選択するステップと、
−選択された子ネットワーク・コーディネータの応答信号を少なくとも承認するステップと、
−臨時ネットワーク・コーディネータの役目を終了し、コーディネータとして動作する選択された子ネットワーク・コーディネータに関してスレーブになるステップと
を有する。新しい装置が臨時PNCになると、送信範囲の何らかの装置により読み取られるビーコンのような信号をブロードキャストすることが可能になる。開始ビーコンを受信している装置は、ネットワークに関連付けを行う新しい装置の意図を通知され、これと同時に、新しい装置がPNCに留まらないため、信号レベルが自分のPNCのものより高い場合であってもハンドオーバを行う意味がないという事実を通知される。

子ネットワーク・コーディネータになるステップは、代替として、開始要求を備えたビーコンを受信した装置が、
−新しい装置のマスターになるために親ネットワーク・コーディネータの子ネットワーク・コーディネータになるか否かをそのネットワーク・コーディネータ（マスター）に問い合わせることにより、又は
−親ネットワーク・コーディネータに問い合わせずに、自分で子ネットワーク・コーディネータになることにより、
実行されてもよい。

開始ビーコンは、臨時ネットワーク／ピコネット識別情報を示す情報要素を有してもよい。この臨時識別情報は、他の装置が臨時PNCに関連付けず、ハンドオーバを行わないことを示す。

臨時ネットワーク・コーディネータは、所定数のビーコンフレームに対応する特定の期間に応答を待機してもよい。その時間中に、ネットワーク・コーディネータと有望な子PNCとの間の交換が実行されるべきである。特定の期間が終了し、チャネル／周波数の走査が子PNCの発見を生じない場合、新しい装置自体が新しいPNCになり、関連付けを行うピコネットが近くに存在しないため、自分のピコネットを開始する。

一実施例によれば、選択された子ネットワーク・コーディネータの承認は、ビーコン信号の一部として送信され、これにより、有効であった他の子PNCが直ちに前の状態に戻されることが可能になる。

この目的はまた、少なくとも２つの装置を有する集中型無線ネットワーク（ピコネット）により解決され、少なくとも２つの装置のうち１つは、そのビーコンについて送信範囲を有するネットワーク・コーディネータであり、少なくとも１つの更なる装置は、ネットワーク・コーディネータの送信範囲にあり、新しい装置は、関連付けを行うための既存のネットワークのネットワーク・コーディネータのビーコンを発見するためにチャネル又は周波数を走査し、
−新しい装置が、特定の時間内にネットワーク・コーディネータにより伝達されるビーコンを受信しなかった場合に臨時ネットワーク・コーディネータになり、既存のネットワーク（ピコネット）に関連付けを行うつもりであることを示す開始ビーコンを送出し、
−臨時ネットワーク・コーディネータの開始ビーコン信号を受信した既存のネットワーク（ピコネット）に属する装置が、子ネットワーク・コーディネータになるか否かを自分のネットワーク・コーディネータに問い合わせ、肯定的な回答である場合に、関連付けを行う有効な子ピコネット・コーディネータであることを示す対応の応答信号を送信し、
−臨時ネットワーク・コーディネータが、応答信号を受信し、これらを比較し、それが自分を関連付ける子ネットワーク・コーディネータ（CPNC）になる少なくとも１つの有効な装置を決定し、
−臨時ネットワーク・コーディネータ（tempPNC）が、選択されたCPNCの有効な信号を承認し、選択された子ネットワーク・コーディネータ（CPNC）に関してスレーブになるようにその状態を変更し、
−これにより、新しい装置が、既存のネットワーク（ピコネット）に接続される。

プロセッサにより作動され、既存のネットワークに新しい装置を接続する方法を実施する命令を有するコンピュータプログラム。

既存のネットワークにネットワーク・コーディネータの範囲外にある新しい装置を接続する方法を実施する命令を有するコンピュータプログラムを作動するプロセッサを有し、このような方法を実施する手段を有する家庭用電化装置。

本発明は、複数の装置を有し、１つの装置がマスター又はネットワーク・コーディネータとして動作して送信範囲を有する集中型無線ネットワークにより要約され得る。基本的には、ネットワークの他の装置は、コーディネータの役割を採用することができる。この機能は、ネットワークの領域を、マスターの送信範囲より大きいサイズに拡大するために使用される。装置は、新しく電源オンになった装置が臨時PNCとして動作するときに子PNCになるようにその親PNCに問い合わせ、子PNCを検索することを示す開始ビーコンをブロードキャストする。子PNCは、有効であることを報告する。新しい装置は、有効な子PNCの１つをその新しいマスターと決定する。選択された子PNCの承認は、新しい装置の送信範囲の全ての装置に通知するためにブロードキャストされてもよい。新しい装置は、臨時PNCの役目を終了し、既存のネットワークに関連付ける。

以下に、添付図面を参照して詳細に本発明について説明する。

図１は、第１のピコネットのPNC-1のビーコン送信（Tx）範囲外にあるため、第１のピコネットに関連付けを行うことができない装置を有する従来技術による状態を示している。従って、新しい装置自体は、PNC-2になる必要があり、第２のピコネットを開始する。相互に近い２つのピコネットは、干渉を生じ得る。例えば、双方のPNCの送信範囲の共通部分の装置は、PNCのビーコン信号が高い強度である場合に、他のピコネットに切り替えてもよい。干渉に対処する１つの対策は、異なるチャネルで第２のピコネットを解放することである。しかし、チャネルが十分に直交しておらず、２つの異なるチャネルで動作していても２つのピコネットの間で干渉を生じる802.15.3aのようなシステムが存在する。

図２は、新しい装置DEVnew（すなわち、ちょうど電源オンにした装置）が親PNC（PPNC：Parent PNC）のビーコンTx範囲外にあるが、子PNC（CPNC：Child PNC）の受信範囲内にある場合に、トポロジが単一のピコネットになる本発明の代案を示している。新しい装置は、マスターになるCPNCに自分を関連付ける。新しい装置のマスターになるCPNCを設定することにより、PNC自体のTx範囲外にある新しい装置がPNCになり、自分でピコネットを開始することが妨げられる。

図３は、電源オンになった装置がピコネットに関連付けを行うつもりであり、２つのマスターとの転送装置FDEVになる場合のトポロジを有する本発明の他の代案を示している。第１のマスターは第１のピコネットのCPNC-1であり、第２のマスターは第２のピコネットのCPNC-2である。この例では、新しい装置の関連付けの前の以前のトポロジが保持され、新しい装置はFDEVになる。この処理により、現在のトポロジを維持しつつ、２つの完全に分離したピコネットが接続される。

図４は、本発明の更なる代案を示している。装置の構成は図３の構成と同じである。しかし、この代案によれば、２つのピコネットPN-3及びPN-4が２つのPPNC（PPNC-3及びPPNC-4）と２つのCPNC（CPNC-3及びCPNC-4）を有する図３に比べて、トポロジの変化が生じて、２つのPPNC（PPNC-5及びPPNC-6）と唯一のCPNC-5とを有する２つのピコネットPN-5及びPN-6を生じる。２つのピコネットへの新しい装置の関連付けの後にトポロジが変更する。この例では、新しい装置が第１のピコネットに関連付けを行うと、第１のピコネットの１つの装置は新しい装置のCPNC-5になり、第２のピコネットPN-6の以前のCPN-6（図３）について、以前のCPN-6は２つのマスター（すなわちCPNC-5及びPCNC-6）に関連付けられたFDEVになる。新しく作られたCPNC-5を用いて、２つの前に完全に分離されたピコネットは、トポロジの変化で接続される。

図５は、複数のCPNCが有効である状態を示している。この例では、３つのピコネットPN-7、PN-8、PN-9が存在し、これらのそれぞれが、PPNC-7、PPNC-8、PPNC-9の周辺で特定の送信Tx範囲を有する。更なる装置がPPNCのそれぞれの送信範囲外で電源オンになる。送信範囲に３つのピコネットPN-7、PN-8、PN-9のそれぞれの１つの装置が存在するように、新しい装置が存在する。このことは、PPNCが許容する場合に３つの装置がCPNCとして有効であり得ることを意味する。この場合、電源オンのときに臨時PPNCとして動作する新しい装置は、有効なCPNCのうち少なくとも１つをそのマスターとして決定する。ほとんどの場合には、新しい装置はちょうど１つのCPNCを選択するが、装置が複数のピコネットに接続すること、又はピコネット間で転送装置FDEVとして動作することも考えられ得る。この場合、複数のCPNCを選択する。これらの装置は、CPNCとして承認される。有効なCPNCのうち少なくとも１つをマスターとして決定した後に、臨時にPPNCとして動作する新しい装置はスレーブの動作に戻る。選択されていない場合には、他の有効なCPNCは以前の状態に戻る。

第１のピコネットのPNC-1のビーコン送信（Tx）範囲外の装置を有する従来技術による状態新しい装置が親PNCのビーコンTx範囲外にある場合に、トポロジが単一のピコネットになる本発明の代案電源オンになった装置がピコネットに関連付けを行うつもりであり、転送装置になる場合のトポロジを有する本発明の他の代案トポロジの変化が生じて２つのPPNCと唯一のCPNCとを有する２つのピコネットになる本発明の更なる代案複数のCPNCが有効である状態

Claims

−ネットワーク・コーディネータのようなマスター装置と、
−前記ネットワーク・コーディネータの送信範囲の少なくとも１つの更なる装置と
を有する既存の集中型ネットワークに、前記ネットワーク・コーディネータの送信範囲にない少なくとも１つの新しい装置を接続する方法であって、
−前記新しい装置が、既存のネットワークに関連付けを行うつもりであることを示すビーコンでPNC要求IEのような開始要求を備えたビーコンをブロードキャストする臨時ネットワーク・コーディネータになるステップと；
−子ネットワーク・コーディネータになった装置が、有効な子ピコネット・コーディネータであることを示す１つ又は複数のブロードキャスト又はユニキャストフレームの形式で、開始ビーコンへの応答を伝達するステップと；
−臨時ネットワーク・コーディネータとして動作する前記新しい装置が、チャネル又は周波数を走査し、応答信号を受信し、前記有効な子ネットワーク・コーディネータのうち少なくとも１つをマスターとして選択するステップと；
−選択された子ネットワーク・コーディネータの応答信号のうち少なくとも１つを承認するステップと；
−臨時ネットワーク・コーディネータの役目を終了し、コーディネータとして動作する選択された子ネットワーク・コーディネータに関してスレーブになるステップと；
を特徴とする方法。
子ネットワーク・コーディネータになるステップは、代替として、前記開始要求を備えたビーコンを受信した装置が、
−前記新しい装置のマスターになるために親ネットワーク・コーディネータの子ネットワーク・コーディネータになるか否かをそのネットワーク・コーディネータに問い合わせて、前記親ネットワーク・コーディネータがこの要求に応答することにより、又は
−前記親ネットワーク・コーディネータに問い合わせずに、自分で子ネットワーク・コーディネータになることにより、
実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記開始ビーコンは、臨時ネットワーク／ピコネット識別情報を示す情報要素を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
前記臨時ネットワーク・コーディネータは、所定数のビーコンフレームに対応する特定の期間に応答を待機することを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の方法。
選択された子ネットワーク・コーディネータの承認は、ビーコン信号の一部として送信されることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の方法。
少なくとも２つの装置を有する集中型無線ネットワークであって、
前記少なくとも２つの装置のうち１つは、そのビーコンについて送信範囲を有し、
少なくとも１つの更なる装置は、ネットワーク・コーディネータの送信範囲にあり、
新しい装置は、関連付けを行うための既存のネットワークのネットワーク・コーディネータのビーコンを発見するためにチャネル又は周波数を走査し、
−前記新しい装置が、特定の時間内にネットワーク・コーディネータにより伝達されるビーコンを受信しなかった場合に臨時ネットワーク・コーディネータになり、既存のネットワークに関連付けを行うつもりであることを示す開始ビーコンを送出し；
−前記臨時ネットワーク・コーディネータの開始ビーコン信号を受信した既存のネットワークに属する装置が、子ネットワーク・コーディネータになるか否かを任意選択で自分のネットワーク・コーディネータに問い合わせ、肯定的な回答である場合又は自分のネットワーク・コーディネータで任意選択の要求が必要ない場合に、関連付けを行う有効な子ピコネット・コーディネータであることを示す対応の応答信号を送信し；
−前記臨時ネットワーク・コーディネータが、応答信号を受信し、これらを比較し、それが自分を関連付ける子ネットワーク・コーディネータになる少なくとも１つの有効な装置を決定し；
−前記臨時ネットワーク・コーディネータが、有効な信号のうち少なくとも１つを承認し、選択された子ネットワーク・コーディネータに関してスレーブになるようにその状態を変更し；
−これにより、前記新しい装置が、前記既存のネットワークに接続される集中型無線ネットワーク。
プロセッサにより作動されるコンピュータプログラムであって、
既存のネットワークに新しい装置を接続する方法、特に請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の方法を実施する命令を有するコンピュータプログラム。
請求項６に記載のコンピュータプログラムを作動するプロセッサを有する家庭用電化装置であって、
既存のネットワークに新しい装置を接続する方法、特に請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の方法を実施する手段を有する家庭用電化装置。