JP2012526439A - スター型ネットワークのためのビーコン、スター型ネットワークにおけるセンサノード、スター型ネットワークにおけるゲートウェイの初期化方法およびスター型ネットワークの動作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ゲートウェイ（Ａ；Ｂ；Ｃ）および少なくとも１つのセンサノード（Ｐ；Ｓ；Ｔ）を有するスター型ネットワークのためのビーコンに関する。前記ビーコンはフィールドを有し、該フィールドは、ベースタイムスロットの長さに関する情報と、管理タイムスロット毎に使用されるベースタイムスロットの数に関する情報とを含み、前記管理タイムスロットは、少なくとも前記スター型ネットワークに関するコンフィギュレーションを伝送するために使用される。さらに本発明は、スター型ネットワークにおけるセンサノード（Ｐ；Ｓ；Ｔ）に関し、センサノードはスター型ネットワークのコンフィギュレーションを記憶するためのデータ構造を有し、データ構造は属性として、コンフィギュレーションIDとコンフィギュレーションシーケンス番号とを有する。

Description

本発明は、スター型ネットワークのためのビーコン、スター型ネットワークにおけるセンサノード、スター型ネットワークにおけるゲートウェイの初期化方法およびスター型ネットワークの動作方法に関する。

製造オートメーションは無線ネットワークに対して非常に高い品質要求を課しており、特に、非常に短い保証応答時間（ノードがデータを送信しようとしてから、データが受信器に到来するまでの時間）を要求している。通常の場合、この要求をスター型ネットワークによって達成することが試みられており、このスター型ネットワークにおいては時分割多重方法（TDMA：Time Division Multiple Access）が使用されている。この場合、ネットワークの中央ノードであるゲートウェイは、個々のセンサノードへのタイムスロットの割り当てを内容とするスーパーフレームを規定する。センサノードとスーパーフレームとの間で必要とされる同期は、各スーパーフレームの開始時に、ゲートウェイによってビーコンが周期的に送出されることによって行われる。時間に関する高い要求を満たすために、可能な限り多数の状態情報が暗示的に記憶されるので、データパケットは非常に小さいものである（M. Bahr，M. Vicari，L. Winkel：Proposal for Factory Automation，IEEE P802.15 Wireless Local Area Networks，document 15-09/0228r0，March 2009（以下では、この文献を刊行物［１］と記す）も参照されたい。この文献においては、最小のMACパケットが１バイトのペイロードに関して僅か４バイトであることが記載されている）。

もっともその種の最適化は、フレキシビリティを犠牲にすることにより達成される。複数のノードが常にゲートウェイのビーコンを受信しており（すなわち、ノードが常にオン状態にある）、また、このネットワークを離れることができない（すなわち、種々のゲートウェイ間のセンサノードのローミングが行われない）、単一の固定の無線スター型ネットワークの場合、この最適化は非常に上手くいく。

もっとも、このような限定的な条件が満たされておらず、また、より高いフレキシビリティが必要とされる、種々の適用事例も考えられる。すなわち、
−エネルギを節約するために、多くのセンサノードがスイッチオフされ、それによって多数のビーコンが受信されない。
−センサノードが、例えばコンベアベルト上で、複数のスター型ネットワーク／ゲートウェイを通過して移動する（ローミング）。

これに関して、上述の刊行物［１］に開示されているメカニズムでは、適切で効果的な自己組織型の方式は実現されない。あるセンサノードが幾つかのビーコンを受信しなかった場合、または、他のゲートウェイの領域に切り換わっていた場合、無線データ伝送の重大な障害が生じる可能性がある。すなわち、
−ビーコンを受信しなかった場合：場合によっては、センサノードがスーパーフレームの新たなコンフィギュレーションに「気付かない」。確かにコンフィギュレーションは暗示的に記憶されているのだが、センサノードはコンフィギュレーションをビーコンから認識することはできない。センサノードが、このセンサノードに既知であるが、しかしながら既に古くなっているコンフィギュレーションを用いて送信を行う場合、データの衝突が生じる可能性がある。
−ローミングが行われる場合：センサノードは、自身が今まさにどのスター型ネットワーク内に存在しているのかを知ることができない。確かに外部のコンフィギュレーションを介することによりデータ通信の際の衝突を回避することができるが、この場合には、スーパーフレームの割り当てを計画する際に全体のローミング区間を考慮しなければならないので、そのような衝突はリソースを未使用のままにすることが多い。スター型ネットワークを局所的に考慮した場合にのみ、リソース負荷はより良好に軽減されることになる。

さらには、上記の刊行物［１］および本発明の基礎を成すIEEE 802.15.4-2006-Standard（IEEE 802：Part 15.4：Wireless Medium Access Control (MAC)およびPhysical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs），IEEE Std 802.15.4^TM (2006，September 2006)、以下では刊行物［２］と記す）においては、フレーム間隔（IFS：Interframe Spacing）、すなわちパケット間の最短距離が、２つの１８バイトよりも大きいMACパケットでは非常に長い間隔に延長される。つまり、１２シンボル（６バイトに相応）が４０シンボル（２０バイトに相応）に延長される。このような延長は、可能な限り回避されるべき非常に大きい時間損失を表す。したがって、ビーコンはMAC層において通常は１８バイト以下であることが望ましい。

スター型ネットワークは無線ネットワークのための一般的なトポロジである。このスター型ネットワークにおいては、端末装置（ステーション、クライアント、端末装置、センサノードなど）が直接的に通信を行う中央ノード（アクセスポイント、コーディネータ、ゲートウェイなど）が常に設けられている。

IEEE 802：Part 11：Wireless LAN Medium Access Control (MAC)およびPhysical Layer (PHY) Specifications，IEEE Std 802.11(TM)-2007，June 2007（以下では刊行物［３］と記す）は、アクセスポイントのためのビーコンを規定しており、これによりWLANステーションはアクセスポイントを識別することができ、またWALNステーションをアクセスポイントに関連付けることができる。IEEE 802.11ビーコンの構造は図１に示されている。ビーコンはIEEE 802.11において、主に、WLANステーションがアクセスポイントを識別し、WLANをこのアクセスポイントに関連付けることができるようにするために使用される。アクセスポイントはコーディネーション機能（PCF：Point Coordinator Funktion）も担うことができる。しかしながらこれはタイムスロット方式ではない。その代わりに、アクセスポイントによって機器に明示的に問合せが行われる。

IEEE 802.11ビーコンの図１に示されている構造の個々のフィールドは、以下の意味を有している（本発明に関連するものについてのみ説明する）：
−SA：ソースアドレス（Source Address）を表し、アクセスポイントのMACアドレスを内容とする。
−BSSID：基本サービスセット識別子（Basic Service Set Identifier）を表し、スター型ネットワークの特徴を示す。BBSIDとしてアクセスポイントのMACアドレスが使用される。
−シーケンス制御（Sequence Control）：シーケンス制御はデフラグに使用され、また、何度も伝送されるパケットの検出にも使用される。フィールドはフラグメント番号に関する対して４ビットと、シーケンス番号に関する１２ビットとから構成されている。シーケンス番号によって種々のパケットを区別することができる。

IEEE 802.11はCSMA（搬送波感知多重アクセス：Carrier Sense Multiple Access）方式を基礎としているので、新規の機器もデータを送信する機会を有している。PCFが使用される場合であっても、CSMAを基礎とする、いわゆる衝突期間（Contention Period）が常に存在する。

刊行物［２］は「ビーコン可能」モードを定義しており、このモードにおいては、タイムスロットも設けられている（図２を参照されたい）スーパーフレーム構造が定義されている。コーディネータによって、スーパーフレーム毎に７つまでのいわゆる「保証付きタイムスロット（GTS：Guaranteed Time Slot）」を規定することができる。

ビーコンはコーディネータから周期的に送信され、さらには、コーディネータと関連付けられた機器との同期を取るため、スター型ネットワークを識別するため、また、スーパーフレームの構造を表すために使用される。図３は、ビーコンの構造を示す。

図３に示されているビーコンの個々のフィールドは、以下の意味を有している（本発明に関連するものについてのみ説明する）：
−シーケンス番号（Sequence Number）：シーケンス番号は、ビーコンが送信される度に１増分されるビーコンシーケンス番号である。
−アドレス指定フィールド（Addressing Fields）：アドレス指定フィールドは以下のものを含む
・ソースのPAN-ID（２バイト）。PAN-IDはパーソナルエリアネットワーク（Personal
Area Network）を識別する。このパーソナルエリアネットワークは単一のスター型ネ
ットワークで良いが、複数のスター型ネットワークから構成されているネットワーク
であっても良い。
・ソースアドレス（使用されるアドレスフォーマットに応じて２バイトまたは８バイト
）
−フレーム制御（Frame Control）：フレーム制御自体は複数のサブフィールドから構成されており、それらのサブフレームは図４に示されている。個々のサブフィールドは以下の意味を有している：
・フレームタイプ：フレームタイプはパケットのタイプ、すなわちパケットはビーコン
であるか否かを表す。
・PAN-ID圧縮：セットされている場合には、ソースと宛先が同一のPAN内に存在する
場合にソースPAN-IDフィールドを回避する。ソースアドレスおよび宛先アドレスは
パケットに含まれていなければならない。
・宛先アドレス指定モード（Destination Addressing Mode）：宛先アドレス指定モー
ドは、宛先アドレスのためにどのアドレスフォーマットが使用されるかを規定する。
ビーコンの場合には必要とされない。
・フレームバージョン：標準の先行のヴァージョンIEEE 802.15.4-2003と互換性が無
いフレームを識別する際のサポートとなる。上位互換のためのメカニズム。
・ソースアドレス指定モード（Source Addressing Mode）：ソースアドレス指定モード
は、ソースアドレスのためにどのアドレスフォーマットが使用されるかを規定する。
ビーコンにおいては短いアドレスフォーマット（２バイト）であるか、完全なアドレ
スフォーマット（８バイト）である。

CSMAを介してアクセスが制御されている競合アクセス期間（Contention Access Period）中に新規の機器はログオンすることができ、相応のGTSを要求することができる。競合アクセス期間の長さは、ビーコンにおいて伝送されたスーパーフレームの仕様から得られる。

冒頭で述べた刊行物［１］には、タイムスロット方式を用いるスター型ネットワークが定義されており、このタイムスロット方式を用いて非常に短い遅延が実現される。重要な特性は非常に短いMACヘッダ（１バイト）である。スーパーフレームは明示的なコンフィギュレーションモードでコンフィギュレートされるが、通常の動作モードの間はこの情報はノード内に暗示的にしか存在していない。中央ノードはゲートウェイと称され、スター状に接続されている機器はセンサまたはアクチュエータと称される。

ビーコンは非常に少ない情報しか含んでおらず、モードを示し、また、センサをスーパーフレームと同期させるためにしか本来は使用されない。図５は、ビーコンの構造を示す。

ビーコンの個々フィールドは以下の意味を有している：
−短縮されたフレーム制御（Shortened Frame Control）：短縮されたフレーム制御は、１バイトに短縮されたMACヘッダであり、且つ、以下のフィールド（図６を参照されたい）を有している：
・フレームタイプ（Frame Type）：フレームタイプは、短いMACヘッダを使用する特別
なパケットタイプのクラスを規定する。
・サブフレームタイプ（Sub Frame Type）：サブフレームタイプは、短いMACヘッダを
有するパケットのクラス内でパケットタイプ、例えば、パケットタイプビーコンを規
定する。
−フラグ（Flag）／ビーコンペイロード（Beacon Payload）：ビーコン／ペイロードタイプはビーコンの制御情報を含み、特にモードも含む。本発明ではオンラインモード（通常の動作モード）を想定しているので、ここではオンラインモードのために設けられているビーコンペイロードのみを考察する。このビーコンペイロードは図７に示されており、以下のフィールドを含む：
・伝送モード（Transmission Mode）：伝送モードはモード（コンフィギュレーション
モードまたは通常の動作モード）の伝送モードを表す。
・アクチュエータ方向（Actuator Direction）：アクチュエータ方向はアクチュエータ
に関する送信方向（ダウンリンク／アップリンク）を表す。
・グループ認識（Group Acknowledgement）：グループ認識は、個々の（アップリンク
）タイムスロットに関する認識を含むビットフィールドである。
−FCS：FCSはフレーム制御シーケンス（Frame Control Sequence）であり、パケットのエラーの無い伝送の検査に使用される。

新規の機器は通常の動作モードにおいて実際にログオンすることはできない、または、制御パケットをゲートウェイに送信することができない。コンフィギュレーションモードの間に、CSMAアクセスが通用するいわゆる管理タイムスロットがスーパーフレームの冒頭に設けられていることを確認することができる。しかしながら、このコンフィギュレーションは新規の機器には既知ではないので、それらの機器はこの管理タイムスロットを利用することができない。同様のことがいわゆる共有グループタイムスロットにも当てはまる。このタイムスロットにおいても同様にCSMAアクセスを実現することができるが、しかしながら共有グループタイムスロットのコンフィギュレーションは新規の機器には既知ではない。

本発明は、刊行物［１］から公知のビーコンを拡張するものであるので、ビーコンを受信した際に、
−スター型ネットワークのコンフィギュレーションを区別することができる、
−ゲートウェイを区別することができる、
−新規のセンサまたはヒューマンマシンインタフェース（HMI：Human-Maschine-Interface）機器は、ゲートウェイに制御パケットを送信することができる。

本発明は、
−管理タイムスロットのコンフィギュレーション：
・ベースタイムスロットの長さ
・管理タイムスロット毎に使用されるベースタイムスロットの数
−ゲートウェイID
−実際のコンフィギュレーションのためのコンフィギュレーション番号（CSN）
を用いたビーコンの拡張を含む。

管理タイムスロットのコンフィギュレーション
管理タイムスロットは、システムに関するコンフィギュレーションを伝送するためにスーパーフレームにおいて使用される。複数の管理タイムスロットは常に２つ一組で計画される。各伝送方向（アップリンク／ダウンリンク）に関して管理タイムスロットが使用される。管理タイムスロットはビーコンの直後に配置される。管理タイムスロットへのアクセスは常にCSMA方式で行われる。用途に応じて、コンフィギュレーションメッセージの大きさはベースタイムスロットの大きさを上回る。したがって、管理タイムスロットがベースタイムスロットよりも長いことが場合によっては必要になる。本発明によれば、この種の管理タイムスロットは２つのパラメータ「ベースタイムスロットの長さ（タイムスロットサイズ：Timeslot Size）」および「管理タイムスロット毎のベースタイムスロットの数（Number of Base Timeslots per Management Timeslot）」が規定される。

ゲートウェイID
ゲートウェイIDはスター型ネットワークのゲートウェイに関する識別子である。ゲートウェイIDはゲートウェイのMACアドレスから導出することができるが、必ずしも必要なものではない。ゲートウェイIDは例えばランダム数で良い。しかしながら、またネットワーク管理システムによって設定することもできる。

ゲートウェイIDはスター型ネットワークのコンフィギュレーションの属性としても相応のセンサノードに記憶される。センサノードが複数のゲートウェイ間で移動する場合、センサノードはビーコンにおいて伝送されたゲートウェイIDに基づき相応のコンフィギュレーションを選択することができる。

ゲートウェイIDが無い場合、相応のコンフィギュレーションを再ロードできるようにするために、ローミングの際に正確な経路、すなわち通過するスター型ネットワークの正確な順序が規定されなければならない。センサノードが誤った経路を移動し、まだ順番が訪れていないスター型ネットワーク内に進入した場合には、データが衝突し、データ通信に重大な障害が発生する危険が存在する。ゲートウェイIDを用いることにより、センサノードは最新のゲートウェイに関する正確なコンフィギュレーションを選択することができ、またこれによって、ローミングの際にセンサノードはよりフレキシブルに移動することができる。

最新のコンフィギュレーションに関するコンフィギュレーションシーケンス番号（CSN）
ゲートウェイIDについての上記の説明は、最新のコンフィギュレーションが所定のスター型ネットワークにおいては変化しないことを前提としている。コンフィギュレーションシーケンス番号を用いることにより、スター型ネットワークのコンフィギュレーションの変化もセンサノードによって識別することができる。

第一に、コンフィギュレーションシーケンス番号はスター型ネットワークの所定のコンフィギュレーションに関する識別子である。ビーコンに由来するCSNが、スター型ネットワークコンフィギュレーションの属性としてセンサノード内に記憶されているCSNと一致しない場合、センサノードには最新のコンフィギュレーションが既知でないことが想定される。スター型ネットワーク内のデータの衝突およびデータ通信の重大な障害を回避するために、センサノードは相応のコンフィギュレーションに応じずに送信を行うことは許されず、次のコンフィギュレーション周期まで待機しなければならないか、または、最新のコンフィギュレーションをゲートウェイから入手しなければならない。

CSNをシーケンス番号として構成することによって、種々のコンフィギュレーションに関する値領域を最大限に使用することができる。スター型ネットワークの新たなコンフィギュレーション周期の度にCSNはゲートウェイにおいて１増分される。これによって、コンフィギュレーションの確実な時系列関係も必要に応じて導出することができる。

この新たな情報を大きさおよび順序に関してビーコン内に非常に可変に位置決めすることができ、この際に機能が変化することはない。本発明によるビーコンの好適な構造が図８に示されている。別の構造も同様に可能である。

図８に示されている本発明によるビーコンの個々フィールドは以下の意味を有している：
−短縮されたフレーム制御：短縮されたフレーム制御フィールドは、刊行物［１］に記載されているフレーム制御フィールドまたは同等のフレーム制御フィールドに相当する。
−フラグ：フラグフィールドは種々の制御ビットを含んでいる。
・伝送モード：伝送モードはモードの種々の伝送モード、特に、発見モード（Discover
y Mode）と、コンフィギュレーションモードと、通常の動作モードとを区別する。
・アクチュエータ方向：このフィールドは通常の動作モードにおいてのみ重要であり、
アクチュエータの通信方向（ダウンリンク／アップリンク）を表し、既に刊行物［1
］に開示されている。
・管理タイムスロット毎のベースタイムスロットの数：この数は管理タイムスロットに
関するベースタイムスロットの数を表す。この値領域は０（管理タイムスロットは存
在しない）から７（管理タイムスロットの最大の長さ）である。ダウンリンク管理タ
イムスロットおよびアップリンク管理タイムスロットの長さは同じである。
−ゲートウェイID：ゲートウェイIDはゲートウェイの自由に選択可能な識別子である。１オクテットのゲートウェイIDを用いて２５６までの種々のゲートウェイ、したがってスター型ネットワークを区別することができる。
−コンフィギュレーションシーケンス番号：１オクテットのコンフィギュレーションシーケンス番号（CSN）は一義的に区別可能な２５６のコンフィギュレーションを可能にする。コンフィギュレーションの変化が行われることはむしろ稀であるので、この数は十分である。
−タイムスロットサイズ：タイムスロットサイズは数オクテットのベースタイムスロットの大きさtssである他の単位も考えられる。さらに、オフセットも重要である。オフセットが大きくなればなるほど、ベースタイムスロットも一層長くなる。しかしながら期間の計算は可変である。
・ベースタイムスロットの期間に関する一般的な計算規則は、刊行物［２］に記載され
ているように、２．４GHzビット伝送層（PHY）に関する。
・ｔ_Ｔｓ = ((p + (m + n))・2シンボル/オクテット + 12シンボルまたは40シンボル
{m + n ≦ 18オクテット、または、m + n > 18オクテット})/v_Symbol，ただし、p
はPHYヘッダのオクテットの数であり（６オクテット）、mはMACオーバヘッドのオ
クテットの数であり（３オクテット）、nは有効データのオクテットの数であり、ま
た、v_{Sym bol}は６２５００シンボル毎秒のシンボル速度である。
・オフセットo = 0の場合、tssにおいて、タイムスロットのバイトの具体的な数を表
している。
・t_TS = (tss・2 + 12または40 {tss - 6 ≦ 18またはtss-6 > 18})/62500, max: =
8,800ms
・オフセットo = 6の場合、tssにおいてMACパケットのバイト数を表している。
・t_Ts: = ((tss + 6)・ 2 + 12または40 {tss ≦ 18または tss > 18})/62500, max:
= 8,992 ms
・オフセットo = 9の場合、tssにおいて有効データのバイト数を表している。すなわ
ちパケットヘッダのバイトは無い。
・t_Ts: = ((tss + 9)・2 + 12または40 {tss + 3 ≦ 18またはtss +3 > 18})/62500
, max: = 9,088 ms

パケットの全体のオーバヘッド（ここでは９）に相当するオフセットを用いた変形により、考えられるベースタイムスロットの大きさの最大数が得られ、また最長のタイムスロットも得られる。フレーム間隔の長さ（１２シンボルまたは４０シンボル）に関してより効果的な判定を行えるようにするために、比較は若干異なる方式で実施されるべきである。つまり、tss ≦ (18-3)、すなわちtss ≦ 15。

有利な変形はMACパケットの長さに関する計算を表す（中間的な変形）。何故ならば、この計算はPHY層の種々の変形にも適用することができ、また使用すべきフレーム間隔の計算も簡略化されるからである。
−グループ認識：グループ認識は、センサノードのデータの受信に関するフィードバックを行うために、通常の動作モードにおいてのみ使用される。
−FCS：FCSはフレーム制御シーケンス（Frame Control Sequence）であり、ビット伝送エラーの検出に使用される。

センサノードにおける拡張
コンフィギュレーションを記憶するためのセンサノードにおけるデータ構造を２つの属性、すなわち、ゲートウェイIDおよびコンフィギュレーションシーケンス番号（CSN）について拡張する必要がある。データ構造が、k > 1のコンフィギュレーションを記憶することができるリストまたはフィールドの形で編成されている場合にはさらに有利である（図９を参照されたい）。複数のゲートウェイのコンフィギュレーションを同時にセンサノードに記憶することができない場合、フレキシブルなローミングをサポートすることはできない。

本発明を使用するための規則
ゲートウェイを初期化する際には、ゲートウェイIDに関する値およびコンフィギュレーションシーケンス番号（CSN）も決定されなければならない。
−ゲートウェイIDのために、例えばランダム数を使用することができるが、MACアドレスの最後のオクテットを使用することもできる。これらの方式は、特にただ１つのスター型ネットワークしか使用されない場合に適している。より多くのスター型ネットワークが使用され、それにより種々のゲートウェイ間のセンサノードのローミングが可能である場合には、それらの方式を用いて同一のゲートウェイIDが種々のゲートウェイに対して割り当てられる確率は低い。この場合、ゲートウェイIDを手動でセットするか、または、一義的なゲートウェイIDを規定することができるネットワーク管理システムによってセットすることが推奨される。ゲートウェイIDにおける重複を識別するため、もしくは、ゲートウェイIDの重複しない割り当てを行うために分散型のアルゴリズムを使用することも考えられる。この分散型のアルゴリズムは、全てのゲートウェイを相互に接続するバックボーンを介して相応のデータを交換する。
−ＣＳＮのために通常はランダムな開始値が使用される。ＣＳＮが最大数、ここでは２５５に達すると、次の値は０である（シーケンス番号のロールオーバ：Sequence Number Rollover）。相応の関係255 < 0を識別する相応のメカニズムが公知である。

刊行物［１］によるスター型ネットワークにおいては、コンフィギュレーションおよび動作モードの異なる段階を表す３つの伝送モードが存在し（図１０を参照されたい）、それらの伝送モードはゲートウェイによって規定され、ビーコンにおいて通知される。

発見モードは、ゲートウェイの活動範囲内の全てのセンサノードを「発見」するために使用される。スーパーフレームはビーコンと２つの管理タイムスロット（ダウンリンク／アップリンク）のみから構成されている。したがって、管理タイムスロットのコンフィギュレーションのためのビーコンの本発明による拡張がビーコン内に含まれていることが重要であり、これによって（新たな）センサノードは伝送モードへのアクセスを適切に要求することができる。発見モードにおいて、コンフィギュレーションシーケンス番号がビーコン内に一緒に含まれていることは必要とされず、また評価される必要もない。

コンフィギュレーションモードにおいては、ゲートウェイは発見モードにおいて発見されたセンサノードのみに、それらのセンサノードにとって有効なコンフィギュレーションを伝送する。スーパーフレームはビーコンと２つの管理タイムスロット（ダウンリンク／アップリンク）のみから構成されている。したがって、管理タイムスロットのコンフィギュレーションのためのビーコンの本発明による拡張がビーコン内に含まれていることが重要であり、これによって、発見されたセンサノードは伝送モードへのアクセスを適切に要求することができる。このモードにおいてコンフィギュレーションシーケンス番号はビーコンに含まれていなければならない。このコンフィギュレーションシーケンス番号は、まさにスター型ネットワークに通知されるスター型ネットワークのコンフィギュレーションを識別する。新たなコンフィギュレーションの度に、コンフィギュレーションシーケンス番号は１増分される。確かに、新たなコンフィギュレーションはコンフィギュレーションモードへの切り換え時に存在していることは多いが、必ずしも存在しているものではない。CSNの変化は、全てのセンサノードがスター型ネットワークにおける通信に再び参加できるようになる前に、それら全てのセンサノードが新しいコンフィギュレーションを取得しなければならないことを意味しているので、既存のコンフィギュレーションとの衝突を起こす、量的に異なるコンフィギュレーションが存在する場合にのみ、CSNは増分されるべきである。既存のタイムスロット（しかしながら、このタイムスロットは古いコンフィギュレーションにしたがいセンサノードによって使用されないことが保証されている）が新たなコンフィギュレーションにおいてセンサノードに対応付けられる場合、データ伝送時に衝突は生じる可能性は無いので、CSNを増分する必要はない。

通常の動作モード（オンラインモード）においては、図８に示されているようなビーコンが使用される。コンフィギュレーションを２組（2-tuple）｛ゲートウェイID，CSN｝によって識別することができる。ゲートウェイIDまたはCSNがセンサノードに現在記憶されている値と一致しない場合、センサノードは自身のコンフィギュレーションに応じてデータを送信することは許されない。センサノードは、
−ビーコンに由来するゲートウェイIDおよびCSNが自身に今現在記憶されている値と一致するまで、または、
−ゲートウェイがコンフィギュレーションモードに切り換わり、新たなコンフィギュレーションが通知されるまで、または、
−管理タイムスロットがスーパーフレーム内に設けられている場合には、センサノードが自身でいわば「個人的に」現在のコンフィギュレーションをゲートウェイに問い合わせるまで、
待機しなければならない。

ビーコンを受信した際に、以下のアルゴリズムが実施される。ここで、「B_<フィールド>」はビーコンに由来する相応のフィールドを意味しており、また、「SN_<フィールド>_i」はインデクスiを有するセンサノードに由来する相応の属性を意味している。
1. コンフィギュレーション_有効 := 偽
2. SN_ゲートウェイID_0..kにおけるB_ゲートウェイIDの場合 {
2.1. i := B_ゲートウェイIDを持つj == SN_ゲートウェイID_j
2.2. B_CSN = SN_CSN_iの場合 {
2.2.1. SN_コンフィギュレーション_iを使用
2.2.2. コンフィギュレーション_有効 := 真
}
}
3. コンフィギュレーション_無効の場合{
3.1. データ伝送しない
3.2. 高次層または管理モジュールへのイベント通知もしくは有効なコンフィギュ
レーションを取得するメカニズムの開始（上記参照）
}
4. 終了

ビーコンの処理時間を短縮するために、ビーコンに由来するゲートウェイIDおよびCSNを先ず、最後に使用したコンフィギュレーションの相応の属性と比較することができる（第２のアルゴリズム）。これによって、常にリスト全体をくまなく調べる必要は無くなる。このことを、例えば、コンフィギュレーションのリスト内の相応のエントリについてのポインタによって実施することができるか、または、最後に使用したコンフィギュレーションを含んでおり、また必要に応じてコピーされた特別なデータ構造によって実施することができる。上述のアルゴリズムは以下のように変更される：
1. コンフィギュレーション_有効 := 偽
2. (B_ゲートウェイID == SN_ゲートウェイID_最新)の場合 {
2.1 (B_CSN == SN_CSN_最新)の場合 {
2.1.1 SN_コンフィギュレーション_最新を使用
2.1.2 コンフィギュレーション_有効 := 真
}
2.2 4.に進む
}
3. SN_ゲートウェイID_0..kにおけるB_ゲートウェイIDの場合 {
3.1. i := B_ゲートウェイIDを持つj == SN_ゲートウェイID_j
3.2. B_CSN = SN_CSN_iの場合 {
3.2.1. SN_コンフィギュレーション_最新 := SN_コンフィギュレーション_i
3.2.2. SN_コンフィギュレーション_最新を使用
3.2.3. コンフィギュレーション_有効 := 真
}
}
4. コンフィギュレーション_無効の場合{
4.1. データ伝送しない
4.2. 高次層または管理モジュールへのイベント通知もしくは有効なコンフィギュ
レーションを取得するメカニズムの開始（上記参照）
}
5. 終了

本発明は、主として、
−拡張されたビーコンフォーマット、
−最新のコンフィギュレーションをセンサノードに記憶するための拡張されたデータ構造、
−ビーコンフレーム内の新たな情報をどのように使用すべきかの規則、
を含む。

拡張されたビーコンフォーマット
したがって、伝送される２つの情報、すなわち、
−ベースタイムスロットの長さ、
−管理タイムスロット毎に使用されるベースタイムスロットの数、
から決定される、管理タイムスロットのコンフィギュレーションの伝送（２つの管理タイムスロットの長さ）は、センサノードに領域を提供し、この領域に関してセンサノードはビーコンの受信後にコンフィギュレーションパラメータを知ることができ、したがって、そこに配置された制御情報を送信することができる。コンフィギュレートされなかった新たなセンサノードにとって、また、発見モードおよびコンフィギュレーションモードにおける動作にとって、また、もはや最新のコンフィギュレーションを有しておらず、最新のコンフィギュレーションを自身で所期のようにゲートウェイに問い合わせようとするセンサノードにとって、このことは非常に重要である。ビーコンにおいて伝送されるコンフィギュレーションを有する管理タイムスロットは、管理タスクおよび監視タスクのためにスター型ネットワークに必要がある場合にのみ組み込む必要があるHMI（ヒューマンマシンインタフェース：Human-Maschine-Interface）機器、例えば、携帯可能なパネル、PDAまたはノートブックの使用もサポートする。

ゲートウェイIDの伝送は、ゲートウェイ、したがってスター型ネットワークへのビーコンの一義的な対応付けを実現する。これによって、種々のスター型ネットワークを区別することができる。これはセンサノードの効果的でフレキシブルなローミングを実現する。

最新のコンフィギュレーションに関するコンフィギュレーションシーケンス番号（CSN）の伝送は、ゲートウェイIDと共に、センサノードが全てのビーコンを受信しなかった場合、すなわち、コンフィギュレーションサイクルから外れてしまった可能性がある場合に、スター型ネットワーク自体のコンフィギュレーションの変更を識別することを実現する。変更したコンフィギュレーションをこのように識別できることによりローミングが支援される。何故ならば、センサノードは通常の場合、比較的長い時間にわたり別のゲートウェイに存在するからである。また、変更したコンフィギュレーションの識別により、比較的長い時間にわたる無線インタフェースのスイッチオフによるエネルギの節約も実現する。センサノードがデータを送信する必要が無い場合、センサノードを「スリープ」させることができる。ビーコンが伝送される度にセンサノードを起動させ、続いてセンサノードはビーコンを受信することができ、その後は、次のビーコンが送信されるまでセンサノードを再びスリープさせることができる。しかしながら、CSNによって、センサノードはもはやビーコンも受信する必要はない。ゲートウェイIDおよびCSNを比較することによって、センサノードがまだ適切なゲートウェイにいるか否か、また、センサノードがまだ最新のコンフィギュレーションを有しているか否かを確認することができる。これによって、センサノードは、問題無くデータを送信できるか否かを確認することができる。

新たな付加的な情報があるにもかかわらず、図８に示した好適な実施例のビーコンは十分にコンパクトである。４０シンボルの長いフレーム間隔を必要とすることなく、スター型ネットワークにおける８８個のセンサノードがサポートされる。センサノードのこの数は、考えられる殆どの用途にとって十分である。８８個のセンサノードはグループ認識における１１オクテットを意味しており、したがってMACパケットには１８オクテットあることになり、これは短いフレーム間隔の最大値である。

センサノードにおける拡張されたデータ構造
センサノードにおける拡張されたデータ構造により、複数のゲートウェイのためのコンフィギュレーションの記憶、ローミングのための重要な前提条件、ならびに、コンフィギュレーションの新たに導入された属性（ゲートウェイIDおよびCSN）を実現する。

規則
ビーコンに由来する新たな情報を使用するための規則は、ローミングおよびエネルギ節約の効果的なサポートを実現する。

本発明のさらなる特徴および利点は、以下において図面を参照しながら説明する実施例から明らかになる。

刊行物［３］において規定されているビーコンフレームフォーマットを示す。 刊行物［２］の5.5.1章において規定されている、GTSを有するスーパーフレーム構造を示す。 刊行物［２］の7.2.2.1章において規定されているビーコンフレームフォーマットを示す。 刊行物［２］の7.2.1.1章において規定されているフレーム制御フィールドのフォーマットを示す。 刊行物［１］の4.2章において規定されている、短縮されたビーコンフレームのフォーマットを示す。 刊行物［１］の4.1.1章において規定されている、短縮されたフレーム制御フィールドのフォーマットを示す。 刊行物［１］の4.2.1章において規定されている、オンラインモードにおけるビーコンペイロードを示す。 本発明によるビーコンのパケット構造の実施形態を示す。 コンフィギュレーションのリストを有する本発明によるセンサノードを示す。 刊行物［１］において規定されている伝送モードの概略図を示す。 製造オートメーションシステムに関する例示的な無線通信ネットワークの概略図を示す。 図１１による通信ネットワークのネットワークノードにおける、種々の時点のスーパーフレームコンフィギュレーションの表を示す。 図１１による通信ネットワークのネットワークノードの種々の時点におけるビーコンを示す。

実施例に関して、図１１に示されている、製造オートメーションシステムのための簡略化された通信ネットワークを考察する。ノードＡ，ＢおよびＣは３つのゲートウェイである。ノードＳ，ＴおよびＰはセンサノードである。センサノードＳは、コンベヤベルト上で３つのゲートウェイＡ，ＢおよびＣの周りを移動する。それと同時に、センサノードは多くとも２つの隣接するゲートウェイの無線領域内に存在することができる。ゲートウェイの無線領域は循環的な順序Ｃ−Ｂ−Ａ−Ｂで現われる。センサノードＴおよびＰは固定されており、無線によりゲートウェイＣと通信することができる。センサノードＰはバッテリ駆動されるものであり、エネルギを節約するために比較的長い時間に渡りスイッチオフされる。無線コネクションは、細い線によって示唆されている。

図１２には、本実施例において使用される種々の時点における、ゲートウェイおよびセンサノードの相応のスーパーフレームコンフィギュレーションが表の形で表されている。これは本来のスーパーフレームコンフィギュレーションを表しているのではなく、本発明に応じた新たな属性、すなわちゲートウェイIDおよびコンフィギュレーションシーケンス番号（CSN）のみを表している。実施例に関しては、明りょうにするために、ゲートウェイIDに関してゲートウェイの名称（A，BまたはC）が使用される。所定の時点に使用されるコンフィギュレーション（最新のコンフィギュレーション）は、相応のゲートウェイIDの前のxによって表されている。

時点t₀におけるコンフィギュレーション（ここでは詳細に説明しない）の間に、センサノードには相応のスーパーフレームコンフィギュレーションが通知される。最新のコンフィギュレーションの決定は時点t₀においてはまだ必要ない。何故ならば、動作が開始されたときに初めて、現在使用されているコンフィギュレーションを知る必要が生じるからである。

製造オートメーションシステムネットワークが運転し始めると、センサノードは時点t₁において、図１１に示されているような位置にある。センサノードＳ，ＴおよびＰは、センサノードＰがスリープモードに無い限り、ゲートウェイID（「C」）およびCSN（「74」）を有する、ゲートウェイＣのビーコンを受信する。第２のアルゴリズムに応じて、センサノードはアルゴリズムの第２のステップにおいてそれら２つの値を、最新のコンフィギュレーションの相応の値と比較する。全てのセンサノードが一致を確認し（ステップ２においてC = Cを確認し、ステップ2.1において74 = 74を確認する）、従来通り最新のコンフィギュレーションを使用する（ステップ2.1.1）。

ここで、センサノードＳはコンベヤベルト上でゲートウェイＡ，ＢおよびＣの無線領域を通過しながら移動する。時点t₂においては、センサノードＳがゲートウェイＣからゲートウェイＢへと移動する。センサノードＳはゲートウェイＢから第１のビーコンを取得する。第２のアルゴリズムに応じて、センサノードＳは、ビーコンに含まれるゲートウェイID（「B」）とセンサノードＳの目下のコンフィギュレーションとを比較する（ステップ2）。ゲートウェイIDは同一ではないので（B <> C）、ゲートウェイIDは一致しない。したがってステップ3に進み、このステップ3においては、コンフィギュレーションのリストが調べられ、またビーコンに由来する値に関する相応のコンフィギュレーションが存在するか否かが検査される。ここでは相応のコンフィギュレーションが存在する（B = B且つ155 = 155）。センサノードＳはこのコンフィギュレーションを使用する。

時点t₃においては、センサノードＳがゲートウェイＢからゲートウェイＡへと移動する。センサノードＳはゲートウェイＡから第１のビーコンを取得する。第２のアルゴリズムに応じて、センサノードＳは、ビーコンに含まれるゲートウェイID（「A」）とセンサノードＳの目下のコンフィギュレーションとを比較する（ステップ2）。ゲートウェイIDは同一ではないので（A <> B）、ゲートウェイIDは一致しない。したがってステップ3に進み、このステップ3においては、コンフィギュレーションのリストが調べられ、またビーコンに由来する値に関する相応のコンフィギュレーションが存在するか否かが検査される。ここでは相応のコンフィギュレーションが存在する（A = A且つ216 = 216）。ここで、センサノードＳはこのコンフィギュレーションを使用する。

時点t₄においては、センサノードＳがゲートウェイＡからゲートウェイＢへと移動し、また時点t₅においては、センサノードＳがゲートウェイＢからゲートウェイＣへと移動する。それら２つの時点においては、時点t₂および時点t₃に関して既に説明したアルゴリズムと同じアルゴリズムを用いてステップが実行される。この時点においてセンサノードＳは一周し、時点t₂のように、ゲートウェイＣからゲートウェイＢへと新たに移動することによって再び周回を開始する。

この通常の動作である程度の時間が経過すると、センサノードＰは自身の無線モジュールを比較的長い時間にわたりスイッチオフし、電気を節約する。センサノードＰがスリープ状態にある間は、時点t₆において新たなセンサノードＮがネットワークに追加される。この新たなセンサノードＮはゲートウェイＣの無線領域内にあり、この無線領域Ｃは、新たなセンサノードＮが有しているCSN = 75の新たなコンフィギュレーションをその領域内の複数のセンサノード（センサノードＳも含む）に通知する。センサノードＰはこの新たなコンフィギュレーションに「気付かない」。

時点t₇においてはセンサノードＰが自身の無線モジュールを再びスイッチオンし、ゲートウェイＣから第１のビーコンを受信する（図１３を参照されたい）。第２のアルゴリズムに応じて、センサノードＳは、ビーコンに含まれるゲートウェイID（「C」）およびCSN（「75」）とセンサノードＳの目下のコンフィギュレーションとを比較する（ステップ2およびステップ2.1）。確かにゲートウェイIDは一致するが（C = C）、しかしながら、コンフィギュレーションシーケンス番号は異なる（74 <> 75）。したがってステップ2.2ないしステップ4に進まなければならず、センサノードＰは自身のデータをこのスーパーフレームにおいて送信することはできない。図１３から見て取れるように、フィールド「管理タイムスロット毎のベースタイムスロットの数」が０より大きく、この場合には、バイナリの値010（= 2）を有しているので、スーパーフレームには管理タイムスロットが含まれている。この実施例において、センサノードＰはこの管理タイムスロットを使用し、ゲートウェイＣに自身の問題のあるコンフィギュレーションについて情報を通知する。ゲートウェイＣはセンサノードＰにCSN = 75を有する新たなコンフィギュレーションを通知する。このことは時点t₈に示されている。したがってノードＰは再び通信に参加することができる。

Claims (15)

1. ゲートウェイ（Ａ；Ｂ；Ｃ）および少なくとも１つのセンサノード（Ｐ；Ｓ；Ｔ）を有するスター型ネットワークのためのビーコンにおいて、
   前記ビーコンはフィールドを有し、該フィールドは、
   ベースタイムスロットの長さに関する情報と、
   管理タイムスロット毎に使用されるベースタイムスロットの数に関する情報と、
   を含み、
   前記管理タイムスロットは、少なくとも前記スター型ネットワークに関するコンフィギュレーションを伝送するために使用されることを特徴とする、ビーコン。
2. 前記ビーコンは別のフィールドを有し、該別のフィールドは、
   スター型ネットワークの前記ゲートウェイ（Ａ；Ｂ；Ｃ）に関する識別子としてのゲートウェイIDと、
   前記スター型ネットワークの最新のコンフィギュレーションに関する識別子としてのコンフィギュレーションシーケンス番号と、
   を含む、請求項１記載のビーコン。
3. 前記ゲートウェイIDは、
   前記ゲートウェイ（Ａ；Ｂ；Ｃ）のMACアドレスから導出されているか、または、
   ランダム数であるか、または、
   ネットワーク管理システムによって設定される、
   請求項２記載のビーコン。
4. スター型ネットワークのためのスーパーフレームにおいて、
   スーパーフレームは、請求項１から３までのいずれか１項記載のビーコンを含むことを特徴とする、スーパーフレーム。
5. 各伝送方向に対して１つの管理タイムスロットが設けられており、該管理タイムスロットは前記ビーコンの直後に配置されている、請求項４記載のスーパーフレーム。
6. 前記管理タイムスロットへのアクセスは常にCSMA方式により行われる、請求項４または５記載のスーパーフレーム。
7. スター型ネットワークにおけるセンサノード（Ｐ；Ｓ；Ｔ）において、
   前記センサノード（Ｐ；Ｓ；Ｔ）は、前記スター型ネットワークのコンフィギュレーションを記憶するためのデータ構造を有しており、該データ構造は、属性として、
   前記コンフィギュレーションのゲートウェイIDと、
   前記コンフィギュレーションのコンフィギュレーションシーケンス番号と、
   を有することを特徴とする、センサノード（Ｐ；Ｓ；Ｔ）。
8. 前記データ構造は、k ≧ 1個のコンフィギュレーションを記憶することができ、特に、リストまたはフィールドとして編成されている、請求項７記載のセンサノード。
9. １つのゲートウェイと、請求項７または８記載の複数のセンサノード（Ｐ；Ｓ；Ｔ）とを有することを特徴とする、スター型ネットワーク。
10. 請求項９記載のスター型ネットワークにおけるゲートウェイ（Ａ；Ｂ；Ｃ）の初期化方法において、
    ゲートウェイIDに関する開始値およびコンフィギュレーションシーケンス番号の開始値を決定することを特徴とする、初期化方法。
11. 前記ゲートウェイIDに関する開始値としてランダム値を使用するか、前記ゲートウェイ（Ａ；Ｂ；Ｃ）のMACアドレスの最後のオクテットを使用する、請求項１０記載の方法。
12. ネットワーク管理システムが前記ゲートウェイIDに関する開始値を規定する、請求項１０記載の方法。
13. 前記ゲートウェイIDの重複を識別するために、または、ゲートウェイIDの重複しない割り当てを行うために分散型のアルゴリズムを使用する、請求項１０記載の方法。
14. ゲートウェイ（Ａ；Ｂ；Ｃ）および複数のセンサノード（Ｐ；Ｓ；Ｔ）を有する、請求項９記載のスター型ネットワークの動作方法において、
    前記センサノードによって、前記ゲートウェイ（Ａ；Ｂ；Ｃ）から、ゲートウェイIDおよびコンフィギュレーションシーケンス番号を含むビーコンを受信するステップと、
    受信したゲートウェイIDおよびコンフィギュレーションシーケンス番号を、それぞれのセンサノード（Ｐ；Ｓ；Ｔ）の最新のコンフィギュレーションの相応の値と比較するステップと、
    センサノード（Ｐ；Ｓ；Ｔ）が一致を確認した場合、前記それぞれのセンサノード（Ｐ；Ｓ；Ｔ）の前記最新のコンフィギュレーションを使用するステップと、
    センサノード（Ｐ；Ｓ；Ｔ）が一致を確認しなかった場合、前記ゲートウェイIDおよび前記コンフィギュレーションシーケンス番号に関して相応のコンフィギュレーションが存在するか否かについて、前記それぞれのセンサノード（Ｐ；Ｓ；Ｔ）に記憶されているコンフィギュレーションを検査し、相応のコンフィギュレーションが存在する場合には、該相応のコンフィギュレーションを使用するステップと、
    を有することを特徴とする、スター型ネットワークの動作方法。
15. さらに、
    受信したゲートウェイIDおよびコンフィギュレーションシーケンス番号が前記センサノード（Ｐ；Ｓ；Ｔ）の最新のコンフィギュレーションの相応の値と一致しないことが確認され、且つ、前記センサノード（Ｐ；Ｓ；Ｔ）内に、ゲートウェイIDおよびコンフィギュレーションシーケンス番号に関する相応のコンフィギュレーションが記憶されていない場合、問題のあるコンフィギュレーションに関する情報をゲートウェイ（Ａ；Ｂ；Ｃ）に通知するために管理タイムスロットを使用するステップを有する、請求項１４記載の方法。

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