JP2008545291A - ワイヤレスメッシュネットワークにおいてマルチチャネルリソース予約をする方法 - Google Patents

Abstract

メッシュネットワークにおいて、マルチバンドＯＦＤＭアライアンス（ＭＢＯＡ）システムは、分散予約プロトコル（ＤＲＰ）を通じて、より高いチャネルアクセス効率を提供する。ＭＢＯＡ物理層（ＰＨＹ）及びＭＢＯＡメディアアクセス制御（ＭＡＣ）は、メッシュネットワークの効率を向上させるために使用される。

Description

ＭＢＯＡ（マルチバンドＯＦＤＭアライアンス）は、超広帯域無線（ＵＷＢ）周波数帯で動作するＷＰＡＮ（ワイヤレスパーソナルエリアネットワーク）用の分散システムである。メッシュネットワークは、ＷＰＡＮとして動作することができるある種のパーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）である。メッシュネットワークは、通常、２つの基礎的な接続構成の１つ、フルメッシュトポロジ又は部分メッシュトポロジを使用する。フルメッシュトポロジにおいては、ＰＡＮにおける各々のノードが、他のノードの各々に、直接接続（又は通信）される。部分メッシュトポロジにおいては、いくつかのノードは、ＰＡＮにおける他のノード全てに接続（又は通信）されるが、前記ノードのいくつかは、自身が最も多くのデータを交換する他のノードのみに接続（又は通信）される。メッシュネットワークは、各々のノードの送信電力又は受信感度を向上させることなく、全体のネットワークカバー範囲の拡大を提供することができる。メッシュネットワークは、経路の冗長性を介して、通信の信頼性も向上させる。メッシュネットワークは、これまでのネットワークよりも確立するのが容易であり、１つのノードから他のノードへ再送信の必要性が低下するため、より向上したノード又は装置のバッテリ寿命となり得るネットワーク構成を提供する。

ワイヤレスメッシュネットワークは、ネットワークを通じたパケットの送信において、装置が互いに支援するマルチホップシステムと考えられる。装置は、不利な通信条件において、より頻繁に、ネットワークを通じたパケットの送信において、互いに支援する傾向にある。サービスプロバイダは、最小限の準備でアドホックネットワークをセットアップすることができ、結果となるネットワークは、何千もの装置に拡張され得る信頼できる、柔軟なシステムを提供する。

ワイヤレスメッシュネットワークトポロジは、ＭＩＴにおいて産業用の制御及びセンシングのために開発され、アドホック、マルチホップネットワークと呼ばれるポイントツーポイントツーポイント又はピアツーピアシステムである。このようなネットワークにおけるノードは、メッセージを送信及び受信することができる。ノードは、ルータとして機能してもよく、近傍のノード又は装置のために、メッセージを中継することができる。図１を参照すると、中継プロセスを通じて、パケットのワイヤレスデータは、信頼できる通信リンクをもつ中間的なノードを通過することにより、パケット自身の目的地への道を見つける。ワイヤレスメッシュネットワーク１０において、複数のノード１２，１４，１６は、始点のノード１８から目的地のノード２０にメッセージを中継するために協力する。メッシュトポロジ１０は、ネットワーク全体の信頼性を向上し、このことは、厳しい産業的な環境において動作させる場合に、特に重要であり、有用である。

インターネット及び他のピアツーピアルータベースのネットワークのように、メッシュネットワーク１０は、ネットワークを通じて、複数の冗長的な通信経路を提供する。何らかの理由（強いＲＦ干渉の導入を含む）のため、あるノード間（例えばノード１４とノード１６との間）のリンクが機能しない場合、ネットワークは、自動的に代替の経路（例えばノード１４からノード２２、それからノード２０）を通じてメッセージを送る。

メッシュネットワークにおいて、ノード間の距離を短縮することができ、こうすることは、リンクの品質を飛躍的に向上させる。ノード間の距離が半分に減少される場合、結果となる信号は、受信側において少なくとも４倍強力になる。このことは、個々のノードにおいて送信電力を増大させる必要なく、リンクをより信頼できるものにする。メッシュネットワークにおいて、単純に更なるノードをネットワークに追加することにより、届く範囲を伸ばすこと、冗長性を付加すること、及びネットワークの一般的な信頼性を向上させることができる。

超広帯域無線（ＵＷＢ）は、幅広い周波数帯に渡って、短距離用で、非常に小電力で、大量のデジタルデータを送信するワイヤレス技術である。超広帯域無線は、非常に低い電力（０．５ｍＷ未満）で２３０フィートの距離まで大量のデータを搬送することができ、高電力で動作するより制限された帯域の信号を反射する傾向のある、ドア及び他の障害物を通って信号を搬送することができる。超広帯域無線は、ハンドヘルドワイヤレス装置を他の類似する装置と接続する、及び／又は、例えばデスクトップコンピュータに接続するための標準である、Bluetoothのような他の短距離ワイヤレス技術に匹敵する。

超広帯域無線は、搬送波信号上で、同時に（複数の周波数チャネルにおける）非常に幅広いスペクトルにわたって、非常に正確に時間調節されたデジタルパルスを放送する。広帯域送信機及び受信機は、１秒の１兆分の１の高い正確さでパルスを送信及び受信するように調整されなければならない。超広帯域システムにおいて使用されるいかなる所与の周波数帯においても、超広帯域信号は、当該帯域における通常の信号よりも低い電力しか必要としない。更に、超広帯域信号の見込まれる背景ノイズは、非常に低く、理論的に干渉が起こり得ない。

超広帯域無線は、様々な状況に使用されており、今までの２つの普及したＵＷＢの用途は、信号がすぐ近くの表面を貫通するが、更に遠くにある表面を反射して、物体が、壁又は他の覆うものの背後で検出されることを可能にするレーダ関連の用途と、制限された範囲内において、非常に低電力且つ比較的低コストの信号を、非常に高いレートで情報を伝送することを可能にする、デジタルパルスを使用した音声及びデータ送信に関する用途とを含む。

本発明の実施例は、ＭＢＯＡ ＰＨＹ及びＭＢＯＡ ＭＡＣを利用するマルチチャネルメッシュネットワークを提供する。ＭＢＯＡ ＭＡＣは、マルチチャネルＤＲＰを使用する。ＭＢＯＡ ＰＨＹは、ＵＷＢ周波数帯において動作しても良い。

本発明の実施例は、競合しないチャネルアクセス方法を使用するＭＢＯＡ ＭＡＣを使用してもよい。競合しないチャネルアクセス方法は、ＤＲＰでもよいが、他の形態のチャネル予約方法でもよい。

本発明の更なる実施例は、ＭＢＯＡ ＭＡＣにおいて、局からのビーコン信号が、特定のチャネルに対する局間の予約情報を含む。

また、本発明の実施例は、情報要素（ＩＥｓ）を含むＭＢＯＡ ＭＡＣを提供し、更に、情報要素の１つは、局間の通信予約がなされている、チャネルのチャネルＩＤである。

本発明の実施例は、分散予約プロトコル（ＤＲＰ）を介して、高度のチャネルアクセスを提供する、マルチバンドメッシュネットワーク又はＭＢＯＡを提供する。更に、本発明の実施例は、メッシュネットワークの効率を向上させるためにも使用されるＭＢＯＡ ＰＨＹを提供する。

本発明の要約は、本発明の各々の実施例又は全ての態様を示すように意図されない。

本発明の方法及び装置のより完全な理解は、添付の図面とともに、以下の詳細な説明を参照することにより得られ得る。

将来のワイヤレスネットワークは、図１及び図２に示されるもののようなメッシュネットワーク１０，３０に基づくであろうということが期待される。アドホックマルチホップワイヤレス基盤（infrastructure）をもつメッシュネットワークは、ネットワークの地理的なカバー範囲を拡大することができ、一方ネットワークの安定性を向上する。例示的なネットワーク３０が、図２において示される。各々のワイヤレス局の地理的カバー範囲は、マルチホップを通じて拡張される。例えば局１は、たとえ局１及び局６が互いに送受信の範囲外にあるとしても、３ホップ（１−＞３−＞５−＞６）を通じて局６と通信することができる。ネットワークのロバスト性も、経路の冗長性により改善される。経路の冗長性は、２つのノード間の代替の経路を使用することが可能になっている。例えば局３から局６へは、様々な経路（例えば３−４−６，３−５−６，３−４−５−６、及び３−５−４−６）が利用可能である。局間の１つの経路が利用できない場合も、他の経路がうまく利用可能になり得る。

しかしながら、今日のワイヤレスメッシュネットワークのもつ１つの問題は、ワイヤレスメッシュネットワークの能力及びそのスペクトル効率が、同じチャネルで動作している近傍の局から生成される干渉により、マルチホップシナリオにおいて、大幅に下落することである。より高い物理層（ＰＨＹ）モードが使用される場合、状況はより悪化する。高いＰＨＹ層は、ノード間のより短い受信範囲をもたらす。より短い受信範囲になると、ノードが、より近い間隔になることを必要とする。ノード間の間隔がより近接すると、よりノード間の干渉を生じさせる。受信範囲が短くなると、よりノード間のホップを必要とするが、各々のホップにおいて同じ干渉範囲を持つ場合、転送効率及びシステム能力は、著しく低下する。図３を参照すると、単一のチャネルが転送機能のために使用又は予約される場合、ノードを通じてデータを転送する効率は低下する。局１から局４への、局２及び局３を介した単一方向性マルチホップ経路４０の一部は、ここに示される。図面において示される干渉範囲４２があると、４つの局１，２，３，４の1つが送信している場合、他の局は、信号を発しない必要がある。したがって、空間的なチャネル再利用は、２つの送信機がお互いから離れている場合のみ、効率的に達成され得る。図３において、マルチホップ経路の転送効率は、単一チャネル制限により、５０％よりも低くなる。

本発明の一実施例による例示的な方法は、ノード間で遭遇する干渉の量を減少させるため、ＭＢＯＡ ＰＨＹ及びメディアアクセス制御（ＭＡＣ）をもつ、アドホックメッシュネットワーク１０，３０を使用する。本発明のある実施例が、ある種のワイヤレス通信技術に適用可能であり、マルチプルバンド又はチャネルが、加わっている装置により転送するために使用されてもよいことは、理解されるべきである。一般性を喪失することなく、本発明の例示的な実施形態の一例として役立つために、本発明の一実施例は、ＭＢＯＡ ＭＡＣ及びＭＢＯＡ ＰＨＹを使用するワイヤレスメッシュネットワークを提供する。

図４を参照すると、本発明の一実施例によるＭＢＯＡ ＰＨＹに対する例示的な帯域グループ割り当てが示される。例示的なＭＢＯＡ ＰＨＹは、ＵＷＢ周波数帯で動作する。利用可能な７．５ＧＨｚ帯域幅５０は、図４に示されるように、１４の帯域に分割され、更に、５つの帯域グループ、帯域グループ１ ５２、帯域グループ２ ５４、帯域グループ３ ５６、帯域グループ４ ５８、及び帯域グループ５ ６０に分割される。時間‐周波数コーディング（ＴＦＣ）を５つの帯域グループの各々に適用することにより、例示的なＭＢＯＡ ＰＨＹは、ＵＷＢ周波数帯全体において、トータル３０の物理チャネルを提供することができる。７チャネルまで提供する第１帯域グループ５２は、ある実施例において必須になり得る。

例示的なメッシュネットワーク３０において、メディアアクセス制御（ＭＡＣ）効率を改善するため、例示的なネットワークのＭＢＯＡ ＭＡＣは、競合のないチャネルアクセス方法、主として分散予約プロトコル（ＤＲＰ）を使用する。例示的なＤＲＰのプロセスは、簡潔に以下のように記載される。

あるデータトラフィック要件をもつ局は、ＤＲＰ命令フレームを使用することにより明示的に、又は、自身のビーコン８８において、意図されたＤＲＰ予約情報を含めることにより暗示的に、ＤＲＰ予約を確立するためにネゴシエーションする。

一度ＤＲＰ予約が確立されると、ＤＲＰ予約情報は、予約されたチャネル期間について、全ての他の局に知らせるために、送信側及び受信側の両方を予約するビーコンにおいて含まれるべきである。

予約の所有者以外のどの局も、予約された期間に同じチャネルにおいて送信することを許可されない。

確立されたＤＲＰ予約は、予約情報が、送信局及び受信局を予約する所有者のビーコンにおいて含まれる限り、有効であるだろう。

例示的なＭＢＯＡ ＭＡＣ仕様によると、予約は、ある単一のチャネル、すなわちアドホックマルチホップ基盤３０をもつ例示的なメッシュネットワークにおいて、ビーコンが送信及び受信されるチャネルでのみなされ得る。

本発明の他の実施例において、ＭＢＯＡ ＷＰＡＮの転送効率及びシステム能力向上のため、例示的なＤＲＰプロトコルがマルチチャネルＤＲＰに拡張される。図３において示される、従来技術の単一チャネルＤＲＰと比較される場合、例示的なマルチチャネルＤＲＰは、図５に示されるように、スペクトル再利用及び転送効率を効果的に向上させ得る。図５において、チャネル１ ７０及びチャネル２ ７２の両方が使用される。マルチチャネルＤＲＰが使用される場合、転送効率が改善されるということをわかるのは、当業者にとって容易である。例示的な実施形態を、図３に示されるマルチホップシナリオと比較すると、例示的なマルチチャネルＤＲＰを使用する局は、マルチチャネル送信を通じて、５０％又はそれより上の転送効率に近づき得る。

オリジナルのＭＢＯＡ ＭＡＣと衝突なくマルチチャネルＤＲＰを確立するとともに、利用するため、例示的なＤＲＰは、以下のように拡張される。

メッシュネットワークにおける複数のチャネルの１チャネルは、メインチャネル（ＭＣＨ）７０になるように選択される。同じＷＰＡＮに属する全ての局は、ＭＣＨ７０のビーコン周期（ＢＰ）７４における自身のビーコンを送信するとともに、他の局のビーコンを受信すべきである。

ＤＲＰ予約ネゴシエーション及び通知は、ＭＣＨ７０のみにおいて起こるべきである。

ＤＲＰは、ＤＲＰ予約を識別するために使用される情報要素（ＩＥｓ）８０が、予約期間の開始時間及び長さと、おそらくＭＣＨ７０以外のチャネルである、意図された予約がなされるチャネルのチャネル識別子（ＣＨＩＤ）８２とを有する予約情報を伝達する以外は、（参照によりここに含まれる、マルチバンドＯＦＤＭアライアンスの）ＭＢＯＡ ＭＡＣ仕様に記載されるように処理される。ＤＲＰ ＩＥの提案された例示的な拡張８４は、図６において示される。

マルチチャネルＤＲＰをサポートする局は、ＭＣＨ７０において指定された同じタイミング情報を使用しなければならない。ＢＰ７４の間、同じＷＰＡＮに属するどの局も、ビーコンを交換するためにＭＣＨ７０に戻ってこなければならない。ＢＰ７４の期間において、どの予約も許可されない。すなわち、ＢＰ７４の期間にＭＣＨ７０又は他のいかなるチャネルにおいても、いかなる予約もすることができない。

図６は、ＭＢＯＡ ＭＡＣ仕様（ｖ０．９３）におけるＤＲＰ ＩＥフォーマットへの例示的な拡張を示す。本発明の実施例は、ビーコン及びＤＲＰネゴシエーションの両方のために、通常の信号チャネルを可能にする。更に、ＭＢＯＡ ＭＡＣ８６のＤＲＰ ＩＥ８４におけるフィールド８２は、意図されたＤＲＰ予約のチャネルを識別するために使用される。また、例示的なビーコン８８は、チャネルについての情報を伝達し、該情報において、次の予約がスケジューリングされ、ビーコンは、あるチャネルにおける装置の不在又は存在を示しても良い。

上記の発明及び方法の多くの変形例及び実施例が可能である。本発明及び方法のある実施例のみが添付の図面に説明され、上記の詳細な説明に記載されているが、本発明は、開示された実施例に制限されず、請求項により説明及び規定される本発明から逸脱することなく、追加の再構成、修正、置き換えが可能である。したがって、本発明の範囲は、このような構成全てを含み、請求項により単に制限されるということを理解されるべきである。

図１は、例示的なメッシュネットワークである。 図２は、例示的なワイヤレスメッシュネットワークのカバー範囲の描写である。 図３は、局１から局４への、単一方向性マルチホップルートの一部と、単一のチャネルが使用される場合のホップ効率とを図示する。 図４は、ＭＢＯＡ ＰＨＹにおける例示的な帯域グループ割り当てのグラフである。 図５は、局１から局４への、マルチホップルートの一部と、例示的なマルチチャネルＤＲＰが使用される場合のホップ効率とを図示する。 図６は、例示的なＭＢＯＡ ＭＡＣ仕様におけるＤＲＰ ＩＥフォーマットの例示的な拡張である。

Claims (15)

1. ワイヤレスメッシュネットワークにおけるマルチチャネルリソース予約をする方法であって、ＭＢＯＡ ＰＨＹを使用し、更にＭＢＯＡ ＭＡＣを使用するワイヤレスメッシュネットワークを提供するステップを有する方法。
2. 前記ＭＢＯＡ ＭＡＣがマルチチャネルＤＲＰを使用している、請求項１に記載の方法。
3. 前記ＭＢＯＡ ＰＨＹが、ＵＷＢ周波数帯で動作する、請求項１に記載の方法。
4. 前記ＭＢＯＡ ＰＨＹが、７から約３０の物理チャネルを提供する、請求項３に記載の方法。
5. 前記ＭＢＯＡ ＭＡＣが競合のないチャネルアクセス方法を使用する、請求項１に記載の方法。
6. 前記競合のないチャネルアクセス方法がＤＲＰである、請求項５に記載の方法。
7. ＤＲＰ予約を、ＤＲＰ命令フレームを使用して明示的に、又はビーコンにおいて意図されたＤＲＰ予約情報を含めることにより暗示的に確立する少なくとも１つの局を更に有する、請求項６に記載の方法。
8. ビーコン送信及びＤＲＰネゴシエーションのために、共通の通知チャネルを使用するステップを更に有する、請求項１に記載の方法。
9. 局間の次の予約がスケジューリングされる前記チャネルについての情報を、ビーコンにおいて伝達するステップを更に有する、請求項８に記載の方法。
10. ビーコンが、特定のチャネルにおいて通信する局の存在又は不在を示す、ビーコン送信をするステップを更に有する、請求項８に記載の方法。
11. 前記ＭＢＯＡ ＭＡＣのＤＲＰ ＩＥにおいて、チャネルＩＤフィールドを含めるステップを更に有する、請求項８に記載の方法。
12. メッシュネットワークにおいてＭＢＯＡ ＭＡＣを提供する方法であって、前記ＭＢＯＡ ＭＡＣにおいて、マルチチャネルＤＲＰを使用するステップと、前記メッシュネットワークにおける複数のチャネルの１つのチャネルをＭＣＨとして設定するステップと、前記複数の局の各々により、ビーコン期間にビーコンを送信するステップとを有する方法。
13. ＤＲＰ予約ネゴシエーションが、前記ＭＣＨのみにおいて起こり、ＤＲＰ通知が、前記ＭＣＨのみにおいて起こる、請求項１２に記載の方法。
14. 意図された予約がなされるチャネルのチャネル識別情報である情報要素を含む、ＭＢＯＡ ＭＡＣ仕様に従う前記ＤＲＰを処理するステップを更に有する、請求項１２に記載の方法。
15. 前記意図された予約がなされる前記チャネルが前記ＭＣＨではない、請求項１４に記載の方法。

Images