JP2011523830A - ワイヤレスマルチホップネットワークを確立する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、装置機構Ｄの複数の装置０、１、２、...、９６を含む、ジグビータイプネットワークのようなワイヤレスマルチホップネットワークＮＷを確立する方法を記述する。前記方法において、装置１、２、３、...、９６は、自己組織化プロセスにおいて、ネットワークＮＷの少なくとも別の装置０、１、１１、１６、１７、２９、３０、３９、４８、５２、５３、５５、６４、７１、７３、７９、８８との物理的ワイヤレス接続を確立する。自己組織化プロセスにおいて、ネットワークに参加しようとする探求装置は、ネットワーク内の候補の親装置によって発せられるビーコン信号をリスンし、前記ビーコン信号は、ネットワーク識別子及びビーコン信号を発している装置の装置識別子を含む。その後、親選択プロセスにおいて、探求装置は、ネットワーク識別子ＥＰＩＤ、候補の親装置の受け入れ能力、及び装置及び候補親装置を関連させるリンク品質パラメータ値に基づいて、所与の選択規則に従って、候補の親装置の中から親装置を選択する。この親選択プロセスにおいて、前記探求装置及び／又は候補の親装置のアプリケーションレベル接続データＬ、ＢＩが適用される。少なくとも、探求装置は、選択された親装置０、１、１１、１６、１７、２９、３０、３９、４８、５２、５３、５５、６４、７１、７３、７９、８８を介して、ネットワークＮＷに物理的に及び好適には論理的に接続する。本発明は更に、この方法に従ってワイヤレスマルチホップネットワークＮＷに接続するためのネットワークインタフェースを有する装置を記述する。

Description

本発明はワイヤレスマルチホップの、好適にはメッシュの、ネットワークを確立する方法に関し、特に、装置機構に複数の装置を有するジグビータイプネットワークを確立する方法に関する。本発明は更に、ワイヤレスマルチホップネットワークを接続するためのネットワークインタフェースを有する装置を記述する。

ワイヤレスネットワークの使用は、さまざまな装置機構の自動制御のためのビジネス（商業、産業、組織）及び更には消費者市場においても普及するようになっている。例は、例えば光バラスト、スイッチ、調光器又は他の制御エレメント、日光／占有センサ、アクチュエータ、メータのような装置等を含む、照明、加熱及び換気、安全のためのビルディングオートメーションシステムである。ワイヤレス制御の使用は、オートメーション装置を、制御媒体としての主電源から独立させるとともに、装置の制御が電力ワイヤ及び電源コンセントにもはや依存しないので、装置配置の自由度を許容するとともに、少なくともスイッチ及びセンサのようなバッテリ駆動されうる装置に対して、より大きな装置可搬性を許容する。このようなワイヤレスパーソナルネットワーク（ＷＰＡＮ）の一般的な例は、ジグビー（ＩＥＥＥ８０２．１５．４）、ブルートゥース、ＨｏｍｅＲＦ又はＷｉ―Ｆｉネットワークである。

多くの場合、装置間のエアインターフェースの送信レンジは、ネットワークの大きさより小さく、アプリケーションレベル接続のために、第１の装置は、第１の装置から第２の装置にメッセージを渡す複数の第３の装置を介して、第２の装置へのネットワークパス（以下で、「ルート」とも呼ばれる）を確立する必要がありうる。アプリケーションレベルにおいて、送信装置が、中間局としての他の装置を使用して受信装置へメッセージを送信するこのようなネットワークは、「マルチホップ」ネットワークと呼ばれる。それによって、送信及び受信装置間のネットワークパスは、関連するネットワーク標準の規則に従って、自己組織化の態様で確立されることができる。そのために、特に装置がメッシュネットワーク内の各々の他のラジオレンジ内に直接存在するという事実のような物理接続、及び特にツリーベースのトポロジにおけるノード間の特別な関係のような論理接続が、使用される。装置間の物理的接続及び論理的接続は、例えば装置がネットワークに参加するときのように、初期化プロセスにおいて、確立されることができる。別の例において、ネットワークパスは、例えばパス内の中間装置の故障により、特に以前のネットワークパスが壊れるときのように、必要なときにアドホック態様で確立されることができる。

今日、ジグビーは、自己組織化を大幅に可能にする唯一の標準の低電力低フットプリントＷＰＡＮ技術である。ジグビーは、「ダイレクトジョイン（DirectJoin）」及びフリー関連付け（free association）という、ネットワークトポロジを確立する２つのやり方を提供する：いずれの場合にも、より小さいネットワークのための好適な割り当てであるツリー構造が確立されることができ、又はより大きいネットワークのための好適なソリューションでありうる確率的な構造が確立されることができる。新しい装置が参加するところの装置は、参加した装置（「子装置」）の「親装置」と呼ばれる。

ダイレクトジョイン方法は、ユーザがネットワーク内のすべての装置について親子関係をあらかじめ規定することを必要とする。（特に数千ノードを有する大きいネットワークでは）高い負荷をユーザに課すほかに、これは、エキスパートツールがラジオレンジ及び／又はワイヤレス伝播のエキスパート知識を測ることを必要とし、変更又は適応がネットワークに対して行われなければならない場合の高い維持努力に関連付けられる。これは、不安定なマルチパス感受性ワイヤレス環境において望ましくない。

フリー関連付けプロシージャは、ネットワークに参加しようとする探求装置（完全に新しいもの又は以前にネットワークであったもの）が、予め規定された基準に従って親ノードを選択することを可能にする。ジグビー標準において、低減された機能をもつジグビー末端装置（ZigBee End Devices。以下、「ＺＥＤ」とも呼ばれる）及びジグビールータ（ZigBee Routers。以下、「ＺＲ」とも呼ばれる）は、すべての以下の条件が真であるルータを親として選ぶことを試みる：
１．ルータが、特定のネットワーク識別子（ジグビー標準の「ExtendedPANIdパラメータ」又は「ＥＰＩＤ」）によって識別されるネットワークに属する；
２．ルータは、参加要求に対してオープンであり、正しい装置タイプ（ジグビールータ又はジグビー末端装置）の容量をアドバタイズする；
３．アナウンスされた「更新ｉｄ」が最近のものである；
４．この装置から受信されたフレームに関するリンク品質が、多くとも３のリンクコストが生成されるようなものである。［ZigBee-2007, 053474r17, sec. 3.6.1.4.1.1, p. 352, l. 1ff］，
ここで、リンクコストは、以下のように計算される。

ここで、ｐ_ｌは、リンクｌにおけるパケットデリバリの蓋然性であり、パケットエラーレート、及び／又はエネルギー検出及び／又は信号対雑音比値のような信号特性を解析することによって、得られうる；ジグビーインプリメンタの裁量である。
５．複数の装置がジグビー標準に従ってこれらの４つの要求を満たす場合、参加している装置は、最も小さいツリー深さをもつ親を選択する。［ZigBee-2007, 053474r17, sec. 3.6.1.4.1.1, p. 352, l. 18ff］。２以上の潜在的な親が、最も小さい深さを有する場合、装置は、これらの中から選択することができる。

初期のネットワーク形成の際、非常に少ないパケットしかそのときまでに送信／受信されていないので、装置は、リンクコストの良好な評価をまだもっていない。７のデフォルト値が、リンクコスト（式（１）を参照）に関して考えられる場合、すべての可能性のある親は、第４の要求に関する連携（ties）により要求１―４を満たし、これは、ノードに第５の規則のみを効果的に適用させ、すなわちネットワークツリー内の最も高いところ（最も低いツリー深さをもつ）の親を選択させる。

従って、上記のフリー関連付けの方法は、ツリールート、すなわちネットワーク論理構造（特にツリー）のルートを形成するジグビーＰＡＮコーディネータ（以下、「ＺＣ」とも呼ばれる）、のすぐ近くで非常に密度の高いネットワークトポロジを生じさせることができ、潜在的に不十分な品質（少なくとも、より高い品質のリンクが利用可能でありうる）の親子リンクを生じさせうる。その結果、ネットワークの性能は、パケットデリバリの遅延及び信頼性の双方に関して最適には及ばないことがありうる。これは、特に、標準によってそれらの親を介してのみ通信することを強いられるＺＥＤを組み込んだネットワークに当てはまる。

ワイヤレス制御の強さは、主電源からの独立性に依存するので、多くのＺＥＤのような低減された機能をもつバッテリ駆動の装置が、ジグビーのようなネットワークにおいて期待される。ユーザ入力又は検知される環境変化に大部分が応答してラジオを使用するスイッチ、センサ、リモートコントローラ（ＲＣ）等の制御装置は、バッテリ駆動されるＺＥＤであることが期待される。パケット損失の影響を受けやすく、光スイッチングのようにタイムクリティカルなアプリケーションを含む複数の装置が、それらＺＥＤによって制御されることができるが、ＺＥＤの低減された機能にもかかわらず、特定のネットワーク性能レベルを必要とする。更に、ネットワーク信頼性を最大限にするとともに、コマンドに関連付けられる再送信の数を最小に保つことによって、ＺＥＤのエネルギーを節約することが望ましい。

従って、本発明の目的は、特にＺＥＤを含むジグビータイプネットワークのようなワイヤレスマルチホップネットワークの形成のための一層インテリジェントな自己組織化方法を提供し、この方法に従って、ワイヤレスマルチホップネットワークと接続するためのネットワークインタフェースを有する装置を提供することである。

このために、本発明は、装置機構に複数の装置を有するワイヤレスマルチホップネットワークを確立する方法であって、装置は、自己組織化プロセスにおいてネットワークの少なくとも別の装置に対する物理的ワイヤレス接続を確立し、前記自己組織化プロセスにおいて、
−ネットワークに参加しようとする探求装置が、すでにネットワーク内にある候補の親装置によって発せられるビーコン信号をリスンし、ビーコン信号は、ネットワーク識別子及びビーコンを発している装置の装置識別子を含み；
−探求装置が、親選択プロセスにおいて、ネットワーク識別子（ＥＰＩＤ）、候補の親装置の受け入れ能力及び装置及び候補の親装置を関連させるリンク品質パラメータ値に基づいて、所与の選択規則に従って、候補の親装置の中から親装置を選択し、親選択プロセスにおいて、探求装置及び／又は候補の親装置の他のアプリケーションレベル接続データが適用され；
−探求装置が、選択された親装置を介して、ネットワークに物理的及び好適には論理的に接続する（「関連付ける」は、ジグビー標準において使用される語である）、方法を記述する。

ジグビーネットワークにおいて、候補の親装置は、探求装置のビーコン要求信号に対する応答信号であるいわゆる「ビーコン」信号において、ネットワーク識別子であるそれらのExtendedPANIdパラメータ及び装置識別子であるＩＥＥＥアドレスを送信するＺＲ（又はＺＣ）である。受け入れ能力は、例えばＺＥＤ又はＺＲのような特定のタイプの装置を更なる子として受け入れるための、候補の親装置の能力であり、かかる情報もまた、ビーコン信号に含まれる。リンク品質パラメータ値は、式（１）に従って決定されるリンクコストでありうる。

今日の標準とは対照的に、アプリケーションレベル接続データが、親選択プロセスにおいて考慮される。このようなアプリケーションレベル接続データは、装置がアプリケーションレベルでどの他の装置に直接的に又は間接的に結合され又は接続されるか、及びこの結合がどれくらい重要か、例えば、スイッチが該スイッチによって制御される照明装置に結合されているかどうか、又は２又はそれ以上の照明装置が同じ機能グループ内にあって、一般的なスイッチによって制御されるかどうか、又はセンサが、２つのモニタステーションのうちのどちらにより頻繁にレポートしなければならないか、を表わす任意のデータでありうる。この方法を使用して、最も近くに結合された装置、すなわち最も良好なリンク品質を有するとともに探求装置に結合される候補の親装置が、親装置として好適に選ばれる。後述されるように、ネットワークパスを確立するために使用されるホップの数が大幅に低減されることができるので、このアプローチは、非常に簡単にやり方で、自己組織化方法によって確立されるツリー構造ネットワークの性能の大幅な改善をもたらす。

適当な装置は、このようなワイヤレスマルチホップネットワークに接続するためのネットワークインタフェースを有し、ネットワークインタフェースは、
−装置がネットワークに参加しようとする際、すでにネットワーク内にある候補の親装置によって発せられるビーコン信号をリスンするリスニングユニットを有し、ビーコン信号は、ネットワーク識別子及び候補の親装置の装置識別子を含む、リスニングユニットと、
−ネットワーク識別子（ＥＰＩＤ）、候補の親装置の受け入れ能力、及び装置と候補の親装置との間のリンクに関するリンク品質パラメータ値に基づいて、所与の選択規則に従って、候補の親装置の中から親装置を選択する親選択ユニットであって、親選択ユニットは、親装置選択プロセスにおいて、それが装置及び／又は候補の親装置のアプリケーションレベル接続データを適用するように実現される、親選択ユニットと、
−装置と選択された親装置との間のネットワークにおいて、物理的な及び好適には論理的な接続を確立する接続ユニットと、を有する。

本発明は、好適には、ジグビータイプのネットワークに関して使用されるが、更に、自己組織化プロセスにおけるネットワークノード間の物理的な及び好適には更に論理的な接続を確立することが可能である他の同様のマルチホップネットワークに関しても使用されることができる。

従属請求項及び以降の説明は、本発明の特に有利な実施形態及び特徴を開示し、特に、本発明による装置は更に、方法発明の従属請求項に従って更に展開されることができる。

本発明の好適な実施形態において、探求装置は、すでにネットワーク内にある装置に要求信号を送る。要求信号を受信する複数の候補の親装置は、応答としてビーコン信号を各々発することができる。可能性のある親装置をスキャンするためのこのような要求信号は、ネットワークインタフェースのスキャンユニット又はモジュールによってブロードキャストされることができる。候補の親装置は、ビーコン信号を連続的にブロードキャストする必要がなく、装置がネットワークに参加しようとする場合のみブロードキャストするので、この方法はより簡素であり、消費するエネルギーがより少ない。

探求装置が、正しいネットワーク識別子を有する装置からビーコン信号を受信する場合、探求装置は、その発している候補の親装置に、自身を子として受け入れることを要求することができる。データトラフィックを低減するために、候補の親装置のビーコン信号は、その装置タイプ（ジグビーにおいて、ＺＲ又はＺＥＤ）の受け入れ能力をすでに含んでいることが好適である。

更に、ビーコン信号は、ビーコン信号を発している候補の親装置のツリー深さ情報をすでに含んでいてもよく、かかる情報は、ビーコン信号を発している候補の親装置と、例えばジグビーネットワークのジグビーコーディネータのようなネットワークツリー構造のルートと、の間のノードの数を示す。このようなツリー深さ情報は、親選択プロセスにおいて考慮されることもできる。例えば、２つの同等に適切な候補の親装置の場合、アプリケーションレベル接続データを考慮して、より小さいツリー深さをもつ候補の親装置が、今日のジグビー標準と同様の態様で選択されることができる。

上述したように、アプリケーションレベル接続データは、装置が、アプリケーションレベルでどの他の装置に直接的又は間接的に結合され又は接続されるかを規定する、すなわちこの結合の重要さを規定する、任意のデータでありうる。このデータに基づいて、探求装置は、アプリケーションレベルにおいてその探求装置のためのコントローラとして働き又はアプリケーション―レベルにおいてその探求装置によって制御される装置を、親装置として好都合に選ぶことができる。例えば、ジグビーネットワークにおいて、スイッチ（ＺＥＤ又はＺＲ）は、該スイッチによって制御されるＺＲ照明装置のうちの１つを選択することができる。

これは、装置に、該装置がアプリケーション層において通信する他の装置を知ることを要求する。これは、例えば、アプリケーションレベル接続データが、装置がアプリケーションレベルにおいて接続されるべきである他の装置の装置識別子のコレクション、例えば簡素なリスト、を有する場合、容易に達成されることができる。この識別子コレクション又はリスト（以下、「結合テーブル」と呼ぶ）は、ネットワークインタフェースの適当なメモリに記憶されることができる。

このようにして、例えば、コントローラは、ビーコン信号内の装置識別子及び結合テーブルに記憶された装置識別子を比較することによって、それが結合される装置のうちの１つを、親装置として選択することができる。このために、ジグビーネットワークの装置のユニークな６４ビット長アドレスが、装置識別子として好適に使用される。

上記で説明されるアプローチにおいてコントローラＺＥＤに関して規定される規則の拡張において、同じコントローラによって制御されるべき他の装置は、可能であれば、特にそれらがＺＥＤ自身である場合、ホップの数を最小限にするために、コントローラの親をそれらの親として選ぶ。

装置機構の装置は、機能グループにグループ化されることができ、アプリケーションレベル接続データは、グループメンバーシップデータを含むことができる。更に親選択の基準として共通のグループメンバーシップを使用することにより、アプリケーションレベル接続におけるホップの低減された数が、達成されることができる。しかしながら、これは、関連付けの前のグループメンバーシップ構成、及びビーコン信号内の簡素なグループ識別子の形で出力されうる他のグループメンバーの知識を必要とする。

結合及び／又は機能グループは、好適には、通常のコミッショニングフェーズにおいて構築され、それにより、アプリケーションレベル接続データは、活動ネットワークに参加しようとする装置のための親選択に利用できる。それらは更に、例えば帯域外（Out Of Band）方法を介して確立される装置（セット）ベンダ又はシステムインテグレータによって、静的に事前構築されることができる。

ジグビーネットワークの好適な実施形態において、アプリケーションレベル接続データは、アプリケーションサポートサブレイヤ（ＡＰＳ）の結合データを含む。代替として、アプリケーションは、直接的にこの情報を供給されることができ、すなわち、アプリケーションレベル接続データは、ＡＰＳ結合メカニズムを使用することなく、装置のアプリケーション対象に直接的に関連付けられる。従って、以下において説明を簡単にするために、ソース装置と宛先装置との間のアプリケーションレベルにおける任意の論理接続は、「結合」と呼ぶことができ、個々の装置は、ＡＰＳ結合メカニズムが使用されるか否かに関係なく、「結合された装置」と呼ぶことができる。

上述したように、探求装置は、好適には、該探求装置が結合される候補の親装置の中から親を選択すべきである。しかしながら、特に新しいネットワークが確立されている場合、それらの結合された装置は、探求装置が参加することを試みるとき、ネットワーク内にまだないことがある。こうして、好適な実施形態において、探求装置は、それが、第１の要求信号に続いて、要求装置がアプリケーションレベル接続データに従ってアプリケーションレベルで接続される候補の親装置からの応答信号を受信しない場合、新しい要求信号を送る。このようにして、探求装置は、結合された装置がネットワークに参加することを「知っている」ので、特にＺＥＤのような探求装置は、結合された装置（Ｎは１又は複数）の少なくともＮ個が、最初のスキャンによって発見できるまで、好適には所与の制限時間の範囲内で関連付けを延期することができる。これは、ネットワーク形成を遅延させることなく、より一層効果的なトポロジの形成を可能にする。どの結合された装置が近傍に位置するかについての情報は、もしあれば、例えばコミッショニングフェーズの間に収集され、記憶されることができる。例えば、コミッショニングフェーズの間に収集された潜在的な親のビーコン信号は、探求装置のメモリに、アプリケーションレベル接続データと共に記憶されることができる。

探求装置が、特に確立される途中のネットワークのようなネットワークに参加する際、探求装置は、その時点で最も近傍にある結合された親装置を見つけることができる。しかしながら、より一層近傍の他の可能性のある適切な親装置は、後から始動することがあり、従って、関連付けの間、当該探求装置によって見つけられることができない。この状況を改善するために、本発明の好適な実施形態において、装置は、親装置を探求する前に、最初のスタートアップ後所与の遅延時間の間待つ。例えば、探求装置は、要求信号をブロードキャストすることを必要としうるそれらの最初の関連付けプロシージャを、デフォルトで遅延させることができ、それによって、探求装置は、親装置を、より多くの数のすでに関連付けられている利用可能な装置の中から選択することができる。これは、例えば電源投入及び／又はリセットの後のデフォルトのスリーピング期間として実現されることができる；好適にはコミッショニングモードではなく、動作モードにおいてのみ実現される。今日のジグビー標準においてスキャン持続時間を単に延長することとは対照的に、この方法は、探求装置による最初のエネルギー消費を増加させない。

ジグビー仕様は、フル機能装置は、ＺＲとして関連付けられ、又は子のための潜在的な親のアドレッシング空間又はメモリエントリが使い尽くされていることにより可能でない場合は、ＺＥＤとして関連付けられることを可能にする。（特に実現されていない基準２及び４により）標準ジグビーアプローチに従ってＺＲとしての親装置を見つけることができないフル機能装置の場合、より遠くで結合されたルータ又は結合されていないルータにＺＲとして関連付けられる代わりに、これの近傍の結合されたルータのＺＥＤ子になることがより有益でありうる。従って、本発明の他の好適な実施形態において、ネットワークルータ装置が、アプリケーションレベル接続データに従って最も適切な候補の親装置である場合、フル機能装置能力を有する探求装置は、ネットワークルータ装置の更なる受け入れ能力を有しない別のルータ装置に、低減された機能の装置として物理的に接続することができる。このアプローチは、ツリールーティングを用いるネットワークの性能を更に高める。

上記方法のうちの１つの基準を満たす複数の候補の親装置が利用可能である場合、探求装置は、最も強い信号をもつものを選択することができる。好適には、上述した標準ジグビー関連付けプロセスの基準４に従って、探求装置及び候補の親装置に関連するリンク品質パラメータ値が、親装置選択プロセスにおいて適用される。このようにして、探求装置は、アプリケーションメッセージを少なくとも１つの結合された装置に供給する蓋然性を高め、この供給のために必要とされるネットワークホップの数を低減する。

別の実施形態において、上述したネットワーク及びアプリケーション基準の全てを満たすその近傍の多くの結合された装置の中から親を選択するために、探求装置は、例えばアプリケーションによってセットされる最大又は最小更新間隔のように、アプリケーションメッセージがどれくらい頻繁に特定の結合された装置に送られるかの標示の形の、任意の他のアプリケーションデータを使用することができる。探求装置は、それが最も頻繁に通信する装置を親装置として選ぶことができ、それゆえ、この通信を１ホップに低減することによって、そのトラフィックフローに対して最も大きく寄与する装置について最適化する。

更に他の実施形態において、優先度又はサービス品質インジケータが、装置メーカーによって又はコミッショニングのプロセスの途中で割り当てられたかどうかに関係なく、例えば特定の論理接続、ポート又はソケット又は完全なアプリケーションに対し、選択されたコマンド及び／又はパラメータの重要性レベルに起因して、規定される場合、探求装置は、結合された装置の中から、その親について、最も高い優先度及び／又は最も厳しいＱｏＳ（サービス品質）要求（例えば最小遅延、最大信頼性）を有する装置を、選択することができる。このために、探求装置と、アプリケーションレベルにおいて探求装置に結合される装置との間の所与のアプリケーションレベル接続に関連して、アプリケーションレベル接続データは、好適には、サービス品質インジケータ及び／又は優先度データ、及び／又は探求装置と対応する結合された装置との間の評価されたアプリケーションレベルのメッセージ頻度に関するデータを含むことができる。例えば、ジグビーにおいて、このようなインジケータは、探求装置の結合テーブルに含まれることができる。

本発明による方法の適用は、ある装置タイプ又は装置役割のみに限定されることができる。ある装置は、末端装置及び／又はバッテリ駆動される装置であるかに関係なく、この方法を要求しないことがある。例えば、建物全体用の中央照明スイッチは、その結合された装置のすぐ近傍にないことがあり、及び／又は速い応答時間を要求しないことがある。コミッショニングフェーズにおいて収集される情報は、それが使用される場合、このケースを判定するために使用されることができる。別の例として、持ち運び可能なリモートコントローラは、いかなる装置にも永続的に結合されなくてよい；そのようなリモートコントローラは、合理的なリンクコストで、その近傍の第１の装置に迅速に関連付くことから利益を得ることができる。

結合された装置がルータでない、又はそれらの子の容量が使い果たされている、又はそれらが他の親選択基準を満たさないという理由で、探求装置が、結合された装置のいずれも新しい子を受け入れるための容量を有しないと判定する場合、探求装置は、標準プロシージャに戻ることができる。

好適には、ネットワークにすでに参加した装置は、それが新しいアプリケーションレベル接続データを受信する場合、その親装置を交換することもできる。例えば、（標準の方法又は上記で開示された方法の１つに従う）ネットワーク形成後、アプリケーション層メッセージが信頼性をもって供給されない場合、探求装置は、その親を入れ替えることを決めることができる。ジグビーネットワークにおいて、これは、例えば、エンドツーエンドのアプリケーションレベルの応答、ＡＰＳレベルのＡＣＫ、（親からの）ＭＡＣレベルのＡＣＫの欠如及び／又は変化するリンクコストによって、トリガされうる。結合情報がネットワークに参加した後にのみ利用可能になる場合、例えば、コミッショニングフェーズが使用されない場合、親の事前の置き換えが要求されることができる。

上述したのと同じプロシージャは、例えば孤児になった装置、すなわち例えば親の除去又はワイヤレス伝播の変化によりその親に対する接続を失った装置、のようにネットワークに再び参加することを試みる装置によって、使用されることができる；ネットワークに参加した際に事前に収集されたリンクコスト及び性能データに依存して、装置は、アプリケーション層データを考慮して、新しい親を選択することができる。

明らかに、親装置は、子からの関連付け要求又は参加要求を受け入れる前に、アプリケーション層データを使用することもできる。例えば、親が、１つの子しか受け入れることができず、それが、事実上同じ時間に２つの潜在的な子から関連付け要求を受信する場合であって、２つの子のただ１つのみが親に結合されている場合、親ルータは、結合された装置のほうを選ぶことができる。

好適には、ルータ装置は、親ではなく他のネイバー装置に対するそれらの物理接続を選択するために、上述の方法を適用することができる。ＺＲであるかＺＥＤであるかに関係なく、埋め込まれた装置のメモリは、通常、制限され、予め規定された数のネイバー、子及びルータのみを記憶することを可能にする。高密度ネットワークにおいて、各ルータは、ネイバーテーブルにおいて利用可能なスペースを大きく上回る多くの物理接続をもつことがある。従って、ネイバーテーブルをポピュレートする際、単に発見順序又はリンクコストインジケータのみに依存する代わりに、ルータは更に、例えばアプリケーション層接続の存在又はその優先度のような、アプリケーション層接続データを使用することができる。

本発明の他の目的及び特徴は、添付の図面に関連して検討される以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、図面は、単に例示の目的のためだけにあり、本発明の範囲を規定することを意図するものではないことが理解されるべきである。

今日の標準による親選択プロセスの説明のためのジグビープロトコルスタックの概略図。 今日の標準による接続されていない探求装置の関連付けプロセスのフローチャート。 それぞれ異なる部屋にある装置のいくつかの機能グループを含む装置機構の実施形態の概略図。 今日の標準による、フリー関連付けツリートポロジに関する図３の装置機構の例示的なジグビー関連付けグラフを示す図。 本発明の一実施形態による親選択プロセスを説明するためのジグビープロトコルスタックの概略図。 本発明の一実施形態による接続されていない探求装置の関連付けプロセスのフローチャートを示す図。 本発明の一実施形態による、接続されていない探求装置の関連付けプロセスのフローチャートを示す図。 本発明の一実施形態によるフリー関連付けツリートポロジに関する図３の装置機構の例示的なジグビー関連付けグラフを示す図。

図面において、同様の数字は、全体を通じて同様の対象をさす。図面内の対象は、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。

ジグビーは、今日最も一般的なワイヤレスメッシュネットワーク標準であるので、以下、いかなる形であれ本発明を制限することなく、ネットワークは、ジグビータイプのネットワークであるとする。それにもかかわらず、本発明は更に、同様のマルチホップネットワークにおいて使用されることができる。

図１は、ジグビープロトコルの一般的なプロトコルスタックを示す。ジグビー装置は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４―２００３低レートワイヤレスパーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ）標準に従うことが要求される。標準は、下側プロトコル層、すなわち物理層ＰＨＹ及びデータリンク層の媒体アクセス制御ＭＡＣ部分、を指定する。この標準は、ライセンスされていない２．４ＧＨｚ、９１５ＭＨｚ及び８６８ＭＨｚのＩＳＭバンドでの動作を指定する。ネットワーク層ＮＷＫは、アドレッシング及びパケットルーティングの責任を負い、アプリケーションフレームワークＡＦの一部であるプロトコルスタックのより高い層に対するエンドツーエンドのデータ通信サービスを提供する。アプリケーションフレームワークＡＦは、アプリケーションサポートサブレイヤＡＰＳ、複数（ジグビー装置当たり最高２４０）のアプリケーションオブジェクトＡＯ_１，...，ＡＯ_２４０、及びジグビー装置オブジェクトＺＤＯの一部を含む。アプリケーションサポートサブレイヤＡＰＳは、例えば結合管理の責任を負う。アプリケーションオブジェクトＡＯ_１，...，ＡＯ_２４０は、ジグビーインタフェースを使用する装置の開発者によってインプリメントされるとともに、例えばホームオートメーション（ＨＡ）、商業ビルオートメーション（ＣＢＡ）若しくはスマートエネルギー（ＺＳＥ）プロファイルのようなプロプライエタリ又は標準化されたジグビーアプリケーションプロファイルに従うことができる。ジグビー装置オブジェクトＺＤＯは、ジグビー装置を管理し、特に、ジグビー層の初期化（アプリケーションオブジェクトＡＯ_１，...，ＡＯ_２４０を除く）、ジグビー装置（ＺＥＤ、ＺＲ又はＺＣ）の実際の機能の規定、ネットワーク内の他の装置の発見、及び結合要求の送信の開始のために、ネットワーク選択の責任を負う。セキュリティサービスプロバイダＳＥＣ（Security Service Provider）は、例えば暗号化及び認証のようなセキュリティ動作と同様に、セキュリティ証明書を交換し、維持する責任を負う。

図２を参照して、接続されていないジグビー装置が、今日のジグビー標準に従って、どのようにして既存のジグビーネットワークに参加することができるかについて、概略的に説明する。それに関して、ネットワークに参加しようとするまだ接続されていない探求装置は、要求信号をブロードキャストし、レンジ内の装置からのビーコン信号をリスンし、各々の応答する装置ごとにリンクコストを判定することによって、潜在的な親装置をスキャンする。スキャンは、媒体アクセス制御層ＭＡＣ（図１を参照）のリスニングユニットＬＵによって実施されることができ、リンクコスト計算ユニットＬＣは、上記の式（１）に従ってリンクコストを計算することができる。

特にビーコン信号によってすべて送信されるネットワーク識別子ＥＰＩＤ、１６ビット及び６４ビットアドレス、子受け入れ能力及びツリー深さのような、各々の発見された潜在的な親装置のビーコン信号からのデータ、及び計算されたリンクコストは、ビーコン信号のデータを収集するネットワーク層ＮＷＫへ転送される。次のステップにおいて、ネットワーク層ＮＷＫの親選択ユニットＰＳは、ビーコンと共に受信されるデータ及びリンクコストに基づいて、上で説明されたジグビー標準選択基準１乃至４に従って、候補の親装置の中から親装置を選択する。正しいネットワークの親装置のみを選択するために、親選択ユニットＰＳは、ジグビー装置オブジェクトＺＤＯのネットワーク選択ユニットＮＳから、選択されたネットワークのネットワーク識別子ＥＰＩＤを提供される。

基準を満たしているただ１つの候補親装置が見つけられる場合、媒体アクセス制御層ＭＡＣの接続ユニットＣＵは、その選択された親装置に対する物理接続（関連付け）を開始し、すなわち、探求装置は、選択された親装置において、選択されたＥＰＩＤを有するネットワークに参加する。基準を満たしている候補親装置の数が１より大きい場合、親選択ユニットは、ツリー深さに基づいて（前述の基準５）親装置を選択する。このような関連付けプロセスの詳細は、当業者に知られているので、ここでより詳しい説明は必要でない。

リスニングユニットＬＵ、リンクコスト計算ユニットＬＣ、親選択ユニットＰＳ、結合管理ユニットＢＭ、ネットワーク選択ユニットＮＳ及び接続ユニットＣＵはすべて、ジグビー装置のジグビーインタフェースのプロセッサ上でランするソフトウェアモジュール又はアルゴリズムとして理解されるものであり、より簡単な理解のために、図１のプロトコルスタックの特定のジグビー層に示される。

ジグビー仕様によって提案されるこのデフォルトの親選択メカニズムは、最適には及ばないネットワークトポロジをもたらし、従って、特にＺＥＤが含まれている場合、最適には及ばないネットワーク性能をもたらすことが理解されることができる。

一般的なオフィス環境における装置機構Ｄが、ベンチマークとして採用され、図３に示される。オフィス環境は、１０の部屋と、それらの各々に通じる通路と、を含む。装置機構Ｄは、この例では、照明機構であるが、本発明がいかなる形であれ照明システムに制限されないことが留意される。

各部屋は、ジグビールータ７―１２、１６―２１、２５―３０、３４―３９、４３―４８、５２―５７、６１―６６、７０―７５、７９―８４、８８―９３である６個のランプを備え、ＺＥＤ１５、２４、３３、４２、５１、６０、６９、７８、８７、９６である部屋当たり１つのスイッチによって制御される（すなわち該スイッチに結合される）。各部屋には、結合されていないＺＥＤ電源コンセント１４、２３、３２、４１、５０、５９、６８、７７、８６、９５及び結合されていないＺＥＤ光センサ１３、２２、３１、４０、４９、５８、６７、７６、８５、９４が設置されている。通路のランプ０、...、５は、フロアスイッチ６によって制御される。すべてのこれらの装置０、１、２、・・・、９６は、装置が設置されている部屋に従って、機能グループＲ_１、Ｒ_２、...、Ｒ_１０にグループ化され、各装置０、１、２、・・・、９６は、簡素な円によって表現されている。

この装置機構Ｄについて、最初のネットワーク形成が、前述したような標準ジグビープロシージャに従って実施される。信頼性のあるリンク品質パラメータ値がまだ利用可能でなく（例えば、集積機能を実現する事実のため、ジグビーリンクコストに関する７のデフォルト値が効果的に採用される）、従って、その親が、ネットワークツリーのそれらの位置（深さ）に基づいて選択されるものとする。更に、装置０が第１の装置であり、ジグビーコーディネータとして働くものとする。この方法によって達成されるフリー関連付けトポロジのための例示のジグビー関連付けグラフが、図４に示される。論理ツリー形成のためのジグビーＣｓｋｉｐパラメータは、Ｃｍ＝３０、Ｒｍ＝１２、Ｌｍ＝４とセットされる。「１」のツリー深さをもつ論理接続は、点線によって示される；「２」のツリー深さをもつ接続は、実線によって示される。ラインは、親装置を示す円の中央に始まって、子装置を示す円の周縁部で終わる。分かるように、ルートに近いほうのノード（論理ツリー構造に沿ってホップで測定される）が、親であり、このノードに接続されるノードが、その子である。

このネットワークの性能が、ネットワークシミュレータ「ＮＳ―２」を使用して測定された。それによって、最悪のケースが、シミュレーションされた：全部で１１のスイッチが、ちょうど同じ瞬間にトグルされ、それらの各々が、すべての６つの関連するランプにユニキャストでメッセージを送り、その結果、嵐のような６６のメッセージを生じさせる。統計学的に妥当なデータを得るために、実験が、１０，０００回繰り返された。図４に示される関連付けグラフに関するシミュレーションにおいて得られた性能結果が以下の表に示される：

表から分かるように、平均して、コマンドの２３％が、それらの宛先に到達しなかった。デフォルトのジグビーアルゴリズムに従うフリー関連付けトポロジのこの不十分な性能は、長くゆえに弱いリンクによって生じ、その結果、隠れたノード問題により衝突の際にパケットが失われることになる。更に、多くの弱いリンクを含むマルチホップパスは、パケットの衝突蓋然性を増加させる。

ジグビー標準のこの弱さを克服するために、ジグビー装置は、本発明によって実現され、それによって、結合情報及び／又はグループ化情報のようなアプリケーションレベル接続情報が、親選択プロセスの間に考慮に入れられる。

ジグビー標準のこの変更態様の原理は、図５及び図６を用いて説明される。図５は、図１に示されるジグビープロトコルスタックのグラフィック表現であり、図６は、本発明の一実施形態による関連付けプロセスのフローチャートを示す。

フローチャートのステップＩ及びＩＩに従って、接続されていない装置は、アプリケーションレベル接続データを供給される。このデータは、コミッショニングプロセスにおいて通常のやり方で生成されることができる。装置識別子が収集され、グループ化されるとともに、セットアップの一部として、アプリケーション論理の構築が実施され、すなわち、論理接続が、タイプ及び位置のような特性に基づいて装置間の制御関係を確立するように構築される。例えば、照明システムにおいて、どのスイッチがどの（複数の）ランプを制御すべきかが、特定されることができる。アプリケーション論理の構築は、ジグビーインタフェースを介して装置にデータを送信する中央コミッショニングシステムを使用して実施されることができる。

ステップＩＩＩにおいて、装置は、図１に関連して上記で説明されたようなリスニングユニットＬＵ及びリンクコスト計算ユニットＬＣを使用して、要求信号をブロードキャストし、ビーコン信号を受信し、応答している装置ごとにリンクコストを判定することによって、通常のやり方で潜在的な親装置を探す。ステップＩＶにおいて、各々の発見された潜在的な親装置のビーコンのデータ及び計算されたリンクコストが、データを収集するためにネットワーク層ＮＷＫへ転送される。

更に、ジグビー装置オブジェクトＺＤＯのネットワーク選択ユニットＮＳは、選択されたネットワークのネットワーク識別子ＥＰＩＤを、通常のやり方でネットワーク層ＮＷＫの親選択ユニットＰＳへ転送する。

今日の標準とは対照的に、親選択ユニットＰＳは更に、アプリケーションレベル接続データ又は結合管理ユニットＢＭからの結合情報を供給される（図５を参照）。この結合情報は、当該装置が結合される他の装置の６４ビット長アドレスのリストＬの形で利用可能である。同様の結合情報ＢＩが、例えばアプリケーションオブジェクトＡＯ１のようなアプリケーションオブジェクトから、供給されることもできる。通常、結合管理ユニットＢＭは、装置自体がすでにネットワーク内にある場合に宛先装置へのアプリケーション層接続を確立するためだけに、リストＬを含む結合情報を使用する。本発明による方法を使用することにより、リストは、親選択プロセスの間、親選択ユニットＰＳによって有利に使用されることができる。ステップＶに従って、潜在的な親装置は、装置が結合されているこのような候補の親装置の中から、上述した基準１−４に従ってのみ選択される。これは、例えば、ビーコンの６４ビットアドレスを、結合管理ユニットからのリストＬと単に比較することによって確実にされることができる。このようにして、最も良好なリンクコストを有する結合された装置が、親装置として選ばれる。

ステップＶＩにおいて、いくつの潜在的な親装置がステップＶにおいて見つけられたかチェックが実施される。ただ１つの潜在的な親装置が見つけられている場合、媒体アクセス制御層ＭＡＣの接続ユニットＣＵが、この選択された親装置への関連付けを開始し、装置は、ステップＸＩＩにおいて選択された親装置においてネットワークに参加する。

潜在的な親装置の数が１より大きい場合、付加のアプリケーション層データ、すなわちレポーティングの頻度が、親選択ユニットによって検討される。レポーティングの頻度は、結合テーブルから、宛先６４ビットアドレス当たりの送信元エンドポイント及びクラスタ識別子を読み取り、妥当なアプリケーションオブジェクトに尋ねることによって、得られることができる。親選択ユニットは、ステップＶＩＩにおいて、最も高く評価されたレポーティング頻度をもつ装置、すなわち探求装置がおそらく最も頻繁に通信するであろう潜在的な親装置、を選択する。ステップＶＩＩＩに示されるように、２以上の潜在的な親装置が、同じ最も高いレポーティング頻度をもつ場合、最も高い優先度を有する親装置が選択される。優先度は、論理構築プロセスにおいて規定されることができ、結合テーブルに置かれることができる。２より多くの装置が最も高い優先度を共有する場合、結合された装置は、ツリー深さに基づいて選択されることができる（ステップＸ及びＸＩ）。

ステップＶにおいて、結合された装置が、ビーコンが受信される装置の中から検出されず、リストＬが空でない場合、探求装置は、自身が結合される他の装置がありうることを「知っている」ので、プロセスは、待ち時間の後（ステップＸＶ）、ステップＩＩＩに戻り、探求装置は、他の装置を再びスキャンする。関連付けプロシージャにおいて装置のデッドロックを防ぐために、ステップＩＩＩへの戻りは、例えば所与の最大時間又はスキャン循環の最大数のような、タイムアウト基準と関連付けられる。ステップＸＩＶにおいて、タイムアウト基準が満たされる場合、探求装置は、ステップＸＶＩ、ＸＶＩＩ及びおそらくＸＩにおいて、今日のジグビー標準に従う通常の親選択プロシージャに従う。

親装置が選択されると、ネットワークは、ステップＸＩＩ及びＸＩＩＩにおいて、選択された親装置を介して参加される。

図７は、図４と同じオフィス環境にあるが、本発明による方法によって達成されるフリー関連付けトポロジに関する例示のジグビー関連付けグラフを示す。この方法において、前述したように、潜在的な親から、最善のリンクコストを有する結合された装置が、選択される。ここで、「１」のツリー深さをもつ論理接続が、点線によって示され、「２」のツリー深さをもつ接続が、一点鎖線によって示され、ツリー深さ「３」をもつ接続は、実線によって示される。図４の場合と同じＣｓｋｉｐパラメータが使用された：Ｃｍ＝３０、Ｒｍ＝１２、Ｌｍ＝４。

再び、最悪の状況に関して、このネットワークの性能が、ネットワークシミュレータＮＳ―２を使用してシミュレーションされる。すべての１１のスイッチがちょうど同じ瞬間にトグルされ、それらの各々が、すべての６つの結合されたランプにユニキャストでメッセージを送り、その結果、嵐のような６６のメッセージを生じさせる。図７に示される関連付けグラフに関する性能結果が、以下の表に示される：

図４の関連付けグラフに関する表１にリストされた結果と比較して、この表から分かるように、方法は、ベンチマークと比較して大きな改善を示し、すなわち、３０４ｍｓから１３６ｍｓに、２倍より大きいファクタで遅延に関する改善を示し、更に、失敗レートが９０％以上低減されるので、信頼性に関する改善を示す。最悪の状況は、ここで、ちょうど同じ時間に高密度のネットワーク内で送られる６６のメッセージによってシミュレーションされたことが留意されるべきである。明らかに、より一層良好な結果が、最悪でない状況において得られるであろう。

本発明は、好適な実施形態及びそれらに対する変更の形で開示されているが、多くの付加の変形及び変更が、本発明の範囲から逸脱することなく行われることができることが理解される。具体的には、図６によるプロセスにおいてステップＶＩＩ乃至Ｘは任意であることが言及されるべきである。明確さのために、本願を通じて「a」又は「an」の使用は、複数性を除外せず、「comprising」は、他のステップ又は構成要素を除外しないことが理解されるべきである。「ユニット」又は「モジュール」は、特記しない限り、複数のユニット又はモジュールを含むことができる。

Claims (15)

1. 装置機構の複数の装置を有する、ジグビータイプネットワークのようなワイヤレスマルチホップネットワークを確立する方法であって、前記方法において、前記装置は、自己組織化プロセスにおいて、前記ネットワークの少なくとも別の装置との物理的なワイヤレス接続を確立し、前記自己組織化プロセスにおいて、
   前記ネットワークに参加しようとする探求装置は、すでに前記ネットワーク内にある候補の親装置によって発せられるビーコン信号であって、ネットワーク識別子及び前記ビーコン信号を発する前記候補の親装置の装置識別子を含むビーコン信号をリスンし、
   親選択プロセスにおいて、前記探求装置は、前記ネットワーク識別子、前記候補の親装置の受け入れ能力及び前記探求装置及び前記候補の親装置を関連させるリンク品質パラメータ値に基づいて、所与の選択規則に従って、前記候補の親装置の中から親装置を選択し、前記親選択プロセスにおいて、前記探求装置又は前記候補の親装置のアプリケーションレベル接続データが適用され、
   前記探求装置は、前記選択された親装置を介して、前記ネットワークに物理的に接続する、方法。
2. 前記探求装置は、すでに前記ネットワーク内にある装置に要求信号を送り、前記要求信号を受信する複数の候補の親装置の各々は、ビーコン信号を発する、請求項１に記載の方法。
3. 前記ビーコン信号は、個々の前記候補の親装置の受け入れ能力を含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ビーコン信号は、前記ビーコン信号を発する前記候補の親装置のツリー深さ情報を含み、前記ツリー深さ情報は、前記親選択装置プロセスにおいて適用される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記アプリケーションレベル接続データは、前記装置がアプリケーションレベルにおいて接続されるべきである他の装置の装置識別子のコレクションを含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記探求装置は、前記探求装置のコントローラとしてアプリケーションレベルで機能し又は前記探求装置によってアプリケーションレベルで制御される装置を、親装置として選ぶ、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記装置機構の前記装置は、機能グループにグループ化され、前記アプリケーションレベル接続データは、グループメンバーシップデータを含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記アプリケーションレベル接続データは、前記装置機構のコミッショニング中に構築される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記アプリケーションレベル接続データは、アプリケーションサポートサブレイヤにおける結合データを含み、及び／又は前記アプリケーションレベル接続データは、前記装置のアプリケーションオブジェクトに関連付けられる、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記探求装置が、前記第１の要求信号に続いて、前記アプリケーションレベル接続データに従ってアプリケーションレベルで接続されるべきである候補の親装置から応答信号を受信しない場合、前記探求装置は新しい要求信号を送る、請求項２乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記探求装置は、親装置を探す前に、最初のスタートアップの後所与の遅延時間の間待つ、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 或るネットワークルータ装置が前記アプリケーションレベル接続データに従って最も適切な候補の親装置である場合、ネットワークルータ装置能力をもつ探求装置は、前記ネットワークルータ装置の更なる受け入れ能力をもたない別のルータ装置に、ネットワーク末端装置として物理的に接続する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記アプリケーションレベル接続データは、前記探求装置とアプリケーションレベルで前記探求装置に結合される装置との間の所与のアプリケーションレベル接続に関連して、サービス品質インジケータ、及び／又は優先度データ、及び／又は前記探求装置と個々の前記結合された装置との間の評価されたアプリケーションレベルメッセージ頻度に関するデータ、を含む、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記ネットワークにすでに参加している装置は、それがアプリケーションレベル接続データを受信する場合、その親装置を変更することができる、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
15. ワイヤレスマルチホップネットワークに接続するためのネットワークインタフェースを有する装置であって、前記ネットワークは、装置機構の複数の装置を有し、前記ネットワークにおいて、装置は、自己組織化プロセスにおいて前記ネットワーク内の少なくとも１つの他の装置との物理的ワイヤレス接続を確立し、前記ネットワークインタフェースは、
    前記装置が前記ネットワークに参加しようとする場合、前記ネットワーク内にすでにある候補の親装置によって発せられるビーコン信号であって、ネットワーク識別子及び候補の親装置の装置識別子を含むビーコン信号をリスンするリスニングユニットと、
    前記ネットワーク識別子、前記候補の親装置の受け入れ能力、及び前記装置及び前記候補の親装置を関連させるリンク品質パラメータ値に基づいて、所与の選択規則に従って、前記候補の親装置の中から親装置を選択する親選択ユニットであって、前記親選択ユニットは、親装置選択プロセスにおいて、前記装置及び／又は前記候補の親装置のアプリケーションレベル接続データを適用するように実現される、親選択ユニットと、
    前記装置と前記選択された親装置との間の前記ネットワークにおける物理的接続を確立する接続ユニットと、
    を有する装置。

Images