JP2014500693A - メータネットワークのためのマルチバンドチャネル容量 - Google Patents

Abstract

一連の通信チャネルの１つを用いてＲＦゲートウェイを介し、データ蓄積サイトと複数の遠隔のエンドポイントとの間でデータメッセージを中継する通信システムである。この通信システムは、個々のエンドポイントそれぞれからゲートウェイへの通信の信号対ノイズ比をモニタするが、このエンドポイントは、ユーティリティメータ及び関連する制御又は監視ポイントである。エンドポイントからゲートウェイへのサービスの質及び／又は信号対ノイズ比に基づいて、システムはエンドポイントに望ましい通信チャネルを割り当てる。望ましい通信チャネルそれぞれは、さまざまなデータ転送速度及び必要なＳＮＲを有し、エンドポイントからゲートウェイへの通信の信号対ノイズ比に基づいて、各チャネルが選択される。エンドポイントへの信号対ノイズ比が変化すると、更新された信号対ノイズ比に基づいて、システムは動的にメータに異なるチャネルを再度割り当てる。

Description

（関連出願についてのクロスリファレンス）
本出願は、２０１０年１２月２３日に出願された米国仮特許出願第６１／４２６,７４６号に基づくものであり、その優先権を主張する。

（発明の背景）
本開示は概略的には、複数のフィールドエンドポイント（ユーティリティのメータの場合もある）と、中央に配置されたネットワーク制御装置とのさらなる通信を行う固定ロケーション（ｆｉｘｅｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ）のゲートウェイのネットワークと、の間のデータメッセージの無線通信を制御する方法に関する。より具体的には、本開示は、メッセージ送信の全有効容量を増やすために、複数のエンドポイントそれぞれによる通信チャネルの使用を最適化し、また、ゲートウェイとエンドポイントの直接通信を増やしてシングルティアの通信を可能にするために必要な方法に関する。

現在、電気、ガス及び水道メータ等のメータが中間ゲートウェイを介してバックエンドサーバに消費情報を伝送できる自動検針（ＡＭＲ）システムが開発されている。典型的には、中間ゲートウェイはＲＦ通信を使い多数のメータと通信し、インターネット等の公衆通信回線で受信したデータを再送信する。米国センサスが提供しているＦｌｅｘＮｅｔ（Ｒ）ＡＭＩシステムのようなこうしたシステムは、中央の遠隔地でメータのデータを取得及び処理するのに効果的であることが判明しているが、このようなシステムの一般的な普及は、ＡＭＩやスマートグリッドシステムに対する需要を高めている。一例として、２００のゲートウェイと数百万の個別のメータを含むシステムでは、メータとゲートウェイの間で通信が行われることによって、１時間当たり総計百万超えのメッセージがゲートウェイによって受信されるという実施結果となった。利用（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）の拡大により、将来的にはスマートグリッドシステムは１日あたり１０億超えのメッセージをやり取りすると予想される。このようにメータとゲートウェイ間でますます大量の通信が行われるので、通信システム内のさまざまな機器間の通信を向上させるために、使用可能な帯域幅をより効率的に使う技術が求められている。さらに、グリッドを保護し自動的に故障状態に応答するためにリアルタイム制御が求められているので、応答待ち時間（ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ ｌａｔｅｎｃｙ）を最小にすることも重要である。これには、データをハンドオフしなければならないノードの数を減らすことが一番である。ハンドオフでは、ハンドオフごとに、ノードがメッセージを受信し、このメッセージを復調し、エラーの修正と、場合によってはデータの暗号解読とを行い、メッセージを再パッケージし、送信ハードウェアを作動させてメッセージを再送信しなくてはならず、各工程で処理時間がかかる。メッシュ構造のシステムはノード間のデータの多数のハンドオフを利用しているが、本開示の目的は、ハンドオフの数を最小に抑えて待ち時間を改善することである。最小のティアの数（ｍｉｎｉｍａｌ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｔｉｅｒｓ）は１つであることが知られている。したがって、本開示の目的はシングルコミュニケーションティアで信頼できるオペレーションを提供することである。

現在、ネットワークシステムにメータが設置されると、個々のメータには、メータとそのメータと物理的に近いゲートウェイそれぞれの間で行われる通信の通信チャネルが割り当てられる。オペレータがこのようなシステムを設定するとき、それぞれのメータには通信が行われる特定のチャネルが割り当てられる。熟練者はメータとゲートウェイの近さ、あるいはメータと特定のゲートウェイの間の信号対ノイズ比の予想に基づいて通信チャネルを選択しようとするが、いったんメータが設置されると、設置者がメータを再構成しないかぎり、あるいは、ネットワーク制御装置バックエンドでの追加の設定が必要にならない限り、通信チャネルの周波数は一般的には変わらない。だから、オペレータは設置の際にシステムを最適化しようとするかもしれないが、そのエリアの物理的特性が変われば、あるいは他の可変のもの（ｖａｒｉａｂｌｅｓ）が修正されるなら、システムは最適な状態ではなくなり、望ましくないこととなる。

本開示は、通信システム内に含まれる多数のエンドポイント（水道、ガス又は電気メータ、負荷制御装置、ＰＣＴ、ユーティリティのディスプレイ等の場合がある）と、シングルティアの中間ゲートウェイとの間のデータ通信を制御するシステム及び方法に関する。このシステムは、通信しにくい場所すなわち信号対ノイズ比（ＳＮＲ）が低い場所にあるエンドポイントに対しても、メータそれぞれが確実に最大速度でデータを伝送すると同時に最小限の「サービスの質（ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｓｅｒｖｉｃｅ）」と信頼性を損なわないように、メータとゲートウェイ間のデータの伝送に使われる通信チャネルを最適化するものである。

通信システムでメータを最初にインストールする際、それぞれのメータには最初に、メータとゲートウェイ間の通信用のデフォルトの通信チャネルが割り当てられる。メータとゲートウェイの間の信号対ノイズ比は最初は分かっていないし、メッセージデュレーション（ｄｕｒａｔｉｏｎ）が長ければリンクマージンＳＮＲが改善されるので、このデフォルトの通信チャネルは、メッセージのデュレーションが比較的長くなるように選択される。

メータが通信システムにインストールされると、メータは１つ以上のゲートウェイとの間で通信メッセージを送信する。多くの場合、メータそれぞれは通信システムの複数のゲートウェイと通信できる。このゲートウェイは信号の質を計測する手段を備えている。この手段は、ＳＮＲ、信号強度、ノイズ抑圧（ｑｕｉｅｔｉｎｇ）、メッセージサクセスにおける未処理％（ｒａｗ ％ ｍｅｓｓａｇｅ ｓｕｃｅｓｓ）等を対象とする。ゲートウェイは、この情報を中央ネットワーク制御装置に送る。

一連のメッセージが各メータと受信ゲートウェイ間で送信されると、ネットワーク制御装置は個別のメータそれぞれから各ゲートウェイが受信したメッセージの解析を行う。具体的には、好ましい実施の形態では、システムはメータと受信ゲートウェイとの間で送信されたメッセージの信号対ノイズ比を測定する。ネットワーク制御装置はまた、コミュニケーションサクセスにおける未処理％（ｒａｗ ％ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｕｃｃｅｓｓ）及び／又はメッセージ伝送における断絶（ｇａｐｓ）の解析も行う。

必要な数のメッセージが受信されると、あるいは所定の時間が経過すると、システムは各エンドポイントと、そのエンドポイントと関連する最適の受信ゲートウェイとの間の信号対ノイズ比を測定する。この最適の受信ゲートウェイとは個別のメータからのメッセージを受信する、信号対ノイズ比が最大のゲートウェイである。

ゲートウェイそれぞれで受信されたメッセージの信号対ノイズ比に基づいて、システムはメータに割り当てられた通信チャネルが最も好ましいものかどうか判断する。メータとゲートウェイの通信の信号対ノイズ比が比較的高い場合は、システムはそのメータに、ＳＮＲが高いメータに使われる（ｉｓ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ）通信チャネルを割り当てることとなる。エンドポイントは、複数の異なる通信チャネルで１つ又は複数のゲートウェイと通信できるように、ネットワーク制御装置からのコマンドによってプログラム可能であることが好ましい。本開示の好ましい実施の形態では、典型的には３つのゲートウェイ受信チャネル（ｔｈｒｅｅ ｇａｔｅｗａｙ ｒｅｃｅｉｖｅ ｃｈａｎｎｅｌｓ）のセットを使用している。このチャネルは、チャネルに割り当てられるエンドポイントの種類によって区別される。最適なサーバに対して信号強度が高いエンドポイントが１つの通信チャネルに割り当てられ、最適なサーバに対して信号強度が中くらいのエンドポイントには別の通信チャネルが割り当てられ、最適なサーバに対してＳＮＲが低いエンドポイントは、さらに３つ目の通信チャネルが割り当てられる。このように、ＳＮＲが弱いメータはＳＮＲが強いメータと競合せず、したがって、弱いメータが本来有している、通信に利用可能なＳＮＲを低下させ、弱いメータの信頼性を損なうノイズの増加が避けられる。

さらに本開示は、より高いレベルのＳＮＲが利用可能な場合のより高い高次変調の利用を教示する。「シャノンバウンド」の発見以来、ＳＮＲは一定のビットエラー率（ＢＥＲ）信頼性に対して送信できる最大データ転送速度と関係があるということが知られている。したがって、好ましい実施の形態のネットワーク制御装置は、より高いデータ転送速度で転送する変調をサポートするのに十分なＳＮＲをエンドポイントが示しているなら、エンドポイントにその変調を使用するよう命令する。本開示ではデータ転送速度のこの増加を達成するためにＮ−ＦＳＫを使用しているが、ここではＮが２、４、８及び１６であり、Ｎそれぞれに対して同じ帯域幅が使用されている。本開示は同様に、ＡＳＫ、ＰＳＫ等の他の変調形態にも適用できる。したがって、一定の帯域幅では、ＳＮＲを工夫するのみで有効なデータ転送速度は増す。ＳＮＲがより高いエンドポイントそれぞれは、２４時間の間により多くのメッセージを送信することができるのでネットワークの全容量を効果的に増やす。したがって、好ましい実施の形態ではまた、使用される周波数チャネルごとに変調方式を分けている。複数の異なる通信チャネルはそれぞれ、結果的に、異なるメッセージデュレーションと伝送レートを有している。例えば、ＳＮＲが低いチャネルでは、ＳＮＲが強いチャネルほどのデータ容量を搬送できない。これは根本的には、エンドポイントからの広範囲にわたるＳＮＲを最適に使用することにより、最低限必要なサービスの質（ＢＥＲ）を維持しつつ、メッセージの有効な正味容量を動的に増やすことを意味する、と考えられている。

メータそれぞれに割り当てられる通信チャネルは、そのメータと最適なサーバＴＧＢとの間の信号対ノイズ比に基づいて決定される。信号対ノイズ比が高ければ、システムはメッセージデュレーションが最も短い通信チャネルを割り当てる。通信チャネルそれぞれは、通信チャネルがメータに割り当てられるために必要な信号対ノイズ比の上限値及び下限値（ａｎ ｕｐｐｅｒ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ａ ｌｏｗｅｒ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｖａｌｕｅ）を有している。

システムが作動している間に、個別のメータからゲートウェイに送信されているメッセージの信号対ノイズ比が変化すると、システムは訂正された信号対ノイズ比に基づいて通信チャネルを再度割り当てる。一例では、信号対ノイズ比が増加すると、システムはメッセージデュレーションがより短く伝送速度が速い通信チャネルを割り当てることとなる。同様に、信号対ノイズ比が減少すると、システムは通信速度がもっと遅くメッセージデュレーションがもっと長い通信チャネルを選択することとなる。通信速度が最も遅くメッセージデュレーションが最も長い通信チャネルがメータにすでに割り当てられているなら、システムは、ゲートウェイからポーリングメッセージを送信し、保存及び送信能力を備えた中間エンドポイントを介してゲートウェイにメッセージを返すように構成できる。

本開示にしたがえば、メータから最適なゲートウェイに送信されたメッセージの信号対ノイズ比に基づいてシステムは個別のメータそれぞれに通信チャネルを割り当てる。使用中に信号対ノイズ比が変化したら、システムは訂正された信号対ノイズ比に基づいて通信チャネルを再度割り当てる。

システムのすべてのチャネルはポーリング応答方式（ｐｏｌｌ−ｒｅｓｐｏｎｄｆａｓｈｉｏｎ）又は「セルフイニシエーション（ｓｅｌｆ−ｉｎｉｔｉａｔｅｄ）」ＡＬＯＨＡ方式で使用することができる。

本開示ではまた、二方向オペレーションについても記載されている。本開示では、目標のエンドポイントに到達するのに必要なパワーしか使われないように、第１のゲートウェイからの送信ＲＦパワーを制御するように構成できる。ＲＦパワーのこの管理によって、近くの第２のゲートウェイと通信し、第１のゲートウェイの送信メッセージの受信用ではない離れたエンドポイントの受信機へのＲＦパワーの影響を減らすことができる。先行技術ではパワー制御の多くの方法を説明しているが、（ＱＵＡＬＣＯＭＭによって使われている、エンドポイントのＲＦ送信パワーのリアルタイム制御を提供するためにチャネル容量を消費するような）かなりの複雑さにつながるものである。本開示は、エンドポイントからゲートウェイまでのリンクマージンが強く、ゲートウェイからそのエンドポイントに通信するのに逆の量（ｉｎｖｅｒｓｅ ａｍｏｕｎｔ）のパワーが必要な場合に、信号の相互依存により（ｄｕｅ ｔｏ ｓｉｇｎａｌ ｒｅｃｉｐｒｏｃｉｔｙ）、シンプルで主に静的な関係を使用するものである。したがって、ゲートウェイからのポーリングメッセージがエンドポイントに送信されるとき、メッセージは少ないパワーで送信される。加えて、過剰なＳＮＲが利用可能なので、（ゲートウェイへの着信メッセージについて上記で説明したように）ポーリングメッセージをより高いデータ転送速度でゲートウェイから送信することができる。

さらに、好ましい実施例では、ゲートウェイからエンドポイントへの送信チャネルを、この逆のパワー関係に基づいて割り当てている。この方法で、すべての“強い”ＳＮＲのエンドポイントは、さらに高いデータ転送速度での変調に設定できるチャネルで受信し、ゲートウェイが少ないパワーを伝送したとしても、高品質のサービス（ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｓｅｒｖｉｃｅ）を生み出すこととなる。例えば、エンドポイントで、エンドポイントに設定された変調を復調するのに必要なＳＮＲより２０ｄｂ多い場合は、ゲートウェイは２０ｄｂ少ない送信パワーを伝送する。これは、実際には、４倍遠いエンドポイントでのゲートウェイの送信の影響を減らす。

送信パワーが減ることにより、より大きい周波数を再利用でき、これにより全体のネットワーク容量を増加させ、また、ノイズが減少することによりエンドポイントの受信機のＳＮＲが増加し、したがって提供されるサービスの質を上げることができる。ゲートウェイが通信のメッシュ状の中間ティアを使う必要がなく、通信が届きにくいメータに通信するために、より多くの送信ＲＦ伝送パワーを使用することができる、といった、ＳＮＲが低いエンドポイントに対して同様のメリットが発生する。本開示は、さらに一歩先を行き、それによって、ゲートウェイはリンクマージンからリンクマージンへのバランス（ｂａｌａｎｃｅ ｆｒｏｍ−ｔｏ ｌｉｎｋ ｍａｒｇｉｎ）に必要な分を超えた追加の１０ｄｂの送信パワーを備える。これによって、ゲートウェイがポーリングメッセージを発して建物の中に到達させるので、エンドポイントがゲートウェイに応答することができるようになる。そのポーリング送信を行うゲートウェイが応答を聞き取れないとしても、好ましい実施の形態では、すべてのゲートウェイが常にすべての周波数を受信する。したがって、ポーリングメッセージを送信しなかったゲートウェイも、エンドポイントからの応答を受信でき、その応答をネットワーク制御装置に送信できる。これは、ゲートウェイが故障した際に特に有用である。

本開示では、故障したゲートウェイの隣の隣接エリアのどのゲートウェイからもポーリングメッセージを送信でき、どの隣接するゲートウェイもその応答を受信できるので、即時のシームレスな復帰を行うことができる。加えて、前のポーリングトランザクションが失敗した場合、ネットワークコントローラポーリングアルゴリズムが自動的にゲートウェイから伝達されるＲＦパワーを増やす。さらに、エンドポイントは、ポーリングメッセージが同時に（ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ）呼び出すいくつかの応答モードを有している。例えば、高いＳＮＲのチャネルで失敗したポーリングは、低いＳＮＲ変調で応答するためにネットワーク制御装置によって自動的に再送信され、したがって必要なＳＮＲを減らし、こうして有効なリンクマージンを増やす。これは、ゲートウェイが機能しなかったり、ネットワークの信号経路に影響を与える可能性のある他の条件があるときでさえ、良質なサービスを動的に確実にする非常に効果的な方法である。例えば、好ましい実施の形態では、データ転送速度（ｄａｔａ ｒａｔｅ）を２５ｋｂ／ｓから４ｋｂ／ｓに下げることによって、同じ信号帯域幅を使用して１５ｄｂの動的なリンク割当量を提供することができる。さらにデータを下げる（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｄａｔａ）ことによって、さらに１０ｄｂのリンクマージン“リーチ（ｒｅａｃｈ）”を提供することができる。この特徴は、メッシュネットワークでは実行不可能であり、多数のティアの必要性を無くすのに役立ち、単一のティアでのオペレーションを可能にする。

このネットワークコントローラはホームネットワーク、ビルネットワーク、地域（ｎｅｉｇｈｂｏｒｈｏｏｄ）、都市、州、国の一部であり得ることに注意されたい。

本発明のさまざまな他の特徴、目的及び効果は、図面を参照してなされる以下の記載から明らかとなる。

図面は現在考えられる本開示の実施の一態様を示している。
複数のメータからバックエンドデータ蓄積装置へメータ情報を中継する通信システムの概略図である。 メータと中間ゲートウェイ間の通信に使われる個々のチャネルの概略図である。 通信システムの動作の一実施形態を説明するフローチャートである。 メータと受信タワーの間での通信状態が強い場合及び弱い場合の図解である。

（発明の詳細な説明）
図１は、複数のメータ１２と、バックエンドデータ蓄積サイト又はサーバ１４間の通信用の通信システム１０を示している。図１に示された実施の形態では、メータ１２は、どのような種類のユーティリティメータであってもよく、例えば、電気メータ、ガスメータ又は水道メータとすることができ、データ蓄積サーバ１４は、メータの蓄積されたデータを受信し、分析、課金その他の目的のためにそのデータを処理するユーティリティ、第三者データ蓄積会社又はその他の場所（ｌｏｃａｔｉｏｎ）に設置することができる。図１に示された通信システム１０には、米国センサスから入手できるＦｌｅｘＮｅｔ（Ｒ）通信システムを用いることができるであろう。しかしながら、他の異なる種類の通信システムも本開示の範囲内のものとして利用が可能であると考えられる。

図１に示された実施の形態では、メータ１２それぞれが複数のゲートウェイ１６のひとつと又は中間メータ１８と情報を通信している。中間メータ１８は、エンドポイントメータ１２それぞれから１つ以上のゲートウェイ１６に情報を中継している。したがって中間メータ１８はゲートウェイ１６の１つと直接通信できないメータ１２それぞれに、追加的な通信範囲（ｒａｎｇｅ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）を提供している。

図１に示されているように、各メータ１２とゲートウェイの１つとの間の通信は、１つ以上の無線通信経路２０を介して行われる。メータ１２とゲートウェイ１６間の無線通信はＲＦデータ伝送信号を用いて行われる。

そしてゲートウェイ１６それぞれは公衆広域ネットワーク（ＷＡＮ）２２を介して通信することができる。図示の実施の形態では、公衆ＷＡＮ２２はインターネットである。したがって、ゲートウェイ１６それぞれは、知られているように、公衆ＷＡＮ２２を介して１つ以上のデータ蓄積サイト１４と通信することができる。

中間メータ１８に加えて、図１に示されている通信システム１０はまた、個々のメータ１２からの情報を、ゲートウェイ１６を介して又は直接公衆ＷＡＮ２２を介して送信する（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ）ために使うことができるリピータ２４を備えることもできる。

図１に示されているように、メータ１２それぞれは、もし何らかの理由でゲートウェイ１６との通信経路２０の１つが遮断されてもなおメータ１２が別のゲートウェイ１６と通信できるように、複数のゲートウェイ１６と通信できることが好ましい。メータ１２それぞれとゲートウェイ１６の間の通信を冗長化することにより通信システムをより強固（ｒｏｂｕｓｔ）で信頼性のあるものにしやすくなる。

図１で示されているシステムでは、５つの個別のゲートウェイ１６が含まれているが、比較的大規模なシステムでは、システムは数ダース又は数百の個別のゲートウェイ１６を含むことができ、ゲートウェイそれぞれが多数のメータ１２にサービスを提供することを理解されたい。図１は、本開示を理解しやすくするために単純化して描かれている。

図１に示されている概略図では、個々のメータ１２と１つ以上のゲートウェイ１６間の通信は、図１で参照符号Ａ−Ｅで示され、また参照番号２６−３４が付されている５つの個別の通信チャネルの１つを介して行うことができる。個別のチャネル２６−３４それぞれは、通信システム１０が個々のメータ１２と複数のゲートウェイ１６の間の通信を最適化できるように若干異なる通信プロトコルにすることができる。５つのチャネルＡ−Ｅに加えて、通信システムはまた、２つのサブチャネルに分けられる６番目のチャネル３６も含んでいる。このチャネル３６は、ゲートウェイ１６からメータへの応答通信用に加えて、メータとゲートウェイ１６の間の優先通信又は警告通信用の優先チャネルである。図１では、優先チャネルは参照番号３６、参照符号ＰＲで示されている。

さて、図２を参照すると、チャネルそれぞれと、それぞれのチャネルの動作特性が概略的に示されている。通信チャネルそれぞれの具体的な特性が示されているが、本開示の範囲内で作動するかぎり、チャネルそれぞれの特性は変更することができることを理解されたい。

通信帯域幅３８は、個々のメータ１２とゲートウェイ１６間の通信に使われる全帯域幅である。図示の実施の形態では、通信帯域幅３８は１５０ｋＨｚである。前に説明したように、通信帯域幅３８は、個々のチャネルＡ−Ｅ及び優先チャネル３６に分割されている。チャネル２６−３４それぞれは、２５ｋＨｚの帯域幅を有している。

この通信システムが最初に設定される際には、個別のメータ１２それぞれに含まれている制御装置は、デフォルトのチャネル２６を介してゲートウェイと通信するようにプログラムされている。メータ１２は、ＲＦ通信技術を使ってメッセージの送受信両方を行うための、制御装置との通信用の受信機を備えている。この制御装置は、現地で又はＲＦ通信を使う遠隔操作のいずれかで選択的にプログラムすることができる。こうして制御装置はメータ１２からメッセージを伝送する方法を命令する。

デフォルトのチャネル２６は、メータが１つ以上のゲートウェイに約１０７．６ｍｓでメッセージを送信できるように、８ｋｂ／ｓの通信速度を有している。ゲートウェイはこのような速度で、１秒あたり９のメッセージを受信することができる。行４０に示されているように、メータ１２とゲートウェイ１６間の通信の信号対ノイズ比が低いときには、チャネル２６が特に望ましい。

通信チャネル２８は隣接する２５ｋＨｚの帯域幅を占有し、行４２に示された異なる変調技術を使用している。チャネル２８は個別のメッセージそれぞれが約５６．７ｍｓで送信されるように１６ｋｂ／ｓのデータ転送速度を有している。このような速度では、ゲートウェイは１秒に約１８のメッセージを受信することができる。図２で理解できるように、メータがチャネルＡではなくチャネルＢで通信する場合、個々のメッセージそれぞれを中継するのに必要な時間は実質的に短くなる。しかしながら、このように送信時間が短くなると、信号に含まれているノイズの全体の影響が大きくなる。したがって、チャネルＢは中レベルの信号対ノイズ比の送信により適している。

通信チャネルＣは、その次の２５ｋＨｚを占有し、１６又は２４ｋｂ／ｓのデータ転送速度を有することができる。このような速度では、約４０．８ｍｓで各メッセージが送信され、各ゲートウェイによって１秒当たり２４のメッセージが受信される。各メッセージが送信されるのに必要な時間がさらに短くなるので、チャネルＣを介した送信はノイズの影響をより受けやすい。したがって、チャネルＣは、メータと個々のゲートウェイ間の通信の信号対ノイズ比がチャネルＡ又はＢを用いる場合と比較してより高いときに使用される。

チャネルＤはその隣の２５ｋＨｚを占有し、これも１６又は２４ｋｂ／ｓでデータを転送する。メータがチャネルＤでデータを送信する（ｒｅｌａｙｉｎｇ）場合は、各メッセージが完了するのに約２５．５ｍｓかかる。この場合もやはりメッセージの完了に要する時間が短くなっているため、メッセージはノイズの影響をより受けやすい。そこで、チャネルＤは、チャネルＣを用いる場合と比較してわずかに高い信号対ノイズ比を有するメッセージに対して有用である。

最後に、最大の信号対ノイズ比を有する通信に対してはチャネルＥが有用である。チャネルＥでの通信は３６ｋｂ／ｓ以下で行われ、個別のメッセージそれぞれは２０．２ｍｓで通信される（ｒｅｌａｙｅｄ）。このような通信では、１秒に４９．５のメッセージをゲートウェイで受信できる。チャネルＥの高い信号対ノイズ条件は、チャネルＥの通信がゲートウェイに物理的に近いメータに対して、あるいはメータとゲートウェイの間の通信を妨げるものがあまりない場合に特に望ましいということを示している。

図１に示された優先チャネル３６は、参照番号４６及び４８で示されている２つのサブチャネルに分割されている。第１のサブチャネル４６は、ゲートウェイのいずれかが発するポーリングリクエストに応答するために各メータが使用する応答用チャネルである。応答用チャネル４６では４ｋｂ／ｓの低データ転送速度となり、約２１５．２ｍｓで各メッセージが完了する。ポーリング応答は使用頻度が低いので、比較的長いメッセージデュレーションは、前に説明した他のチャネルにおいてほど致命的（ｖｉｔａｌ）とはならない。

サブチャネル４８もまた、１２．５ｋＨｚを占有しているが、代わりに、各メッセージが２４．５ｍｓで受信されるように、１６ｋｂ／ｓのより速いデータ転送速度を使用する。サブチャネル４８は、メータ１２からゲートウェイ１６に、アラーム状態及び他の緊急メッセージを送信する（ｒｅｌａｙ）ために使用される。

メータ１２とゲートウェイ１６の間でメッセージを送信するために使われるチャネルの上記説明によって理解できるように、チャネル２６から左端のチャネル３４に向かって右へ移動して個別のチャネルを選ぶことによって各メッセージを送信するのに要する時間を短縮するが、こうすることが一般的には望ましいと言える。しかしながら、この伝送時間の短縮のために、確実にメッセージが正しく受信されるのに必要な信号対ノイズ比は、チャネルＥは信号対ノイズ比が最大のメータとのみ使用されるべきで、一方、チャネルＡは信号対ノイズ比がより低いメッセージを送信するメータと使用されるべきである、ことを示している。本開示のシステムは、以下に説明する方法で、各メータ１２とゲートウェイ１６の間でどのチャネルを介して通信が行われるべきかを選択するように構成されている。

さて、図３を参照すると、ステップ５０に示されているように、システムが最初に設定されたとき、個別のメータそれぞれの制御装置はデフォルトのチャネルＡを介してゲートウェイにメータデータを送信するように構成される。図２を参照して説明したように、チャネルＡは、メッセージデュレーションが最も長い２５ｋＨｚの通信チャネルである。メッセージデュレーションが長いことにより、通信チャネルＡは信号対ノイズ比が低いメッセージの送信に特に適したものである。チャネルＡはもっとも丈夫（ｒｏｂｕｓｔ）でＳＮＲが比較的低い伝送（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓ）を扱うことができるので、チャネルＡはデフォルトとして各メータに割り当てられている。

いったん個別のメータが通信システム１０内に設置されると、メータ１２は図１に示されている通信経路２０を介してメッセージを伝送する。この個別のメータ１２それぞれによって伝送されたメッセージは、図１にも示されているように多数のゲートウェイによって受信することができる。図３に示されているように、ステップ５２で個別のメータそれぞれはゲートウェイにメッセージを送信し、ステップ５４に示されているように１つ以上のゲートウェイがメッセージを受信する。

各ゲートウェイ１６がメッセージを受信すると、そのゲートウェイはメータから受信した各メッセージの信号対ノイズ比を測定する。この信号対ノイズ比はメータのデータとともに公衆ＷＡＮ２２を介してデータ通信サイト１４に送信される。ステップ５６では、メッセージを受信するゲートウェイ１６それぞれで、複数のメータから受信したメッセージそれぞれに対して信号対ノイズ比が測定される。信号対ノイズ比とは、信号のパワー対信号を破損する信号パワーの比率と定義されている測定量（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）である。信号対ノイズ比が高ければ高いほど、信号に含まれているノイズに対する信号のパワーは高くなる。したがって、信号対ノイズ比が高ければ、信号受信器が破損された信号を受信することがあまりないので、より短い時間でメッセージを伝送できる。

図１に戻って参照すると、データ蓄積サイト１４がゲートウェイ１６を介してメータ１２それぞれからデータを受信すると、データ蓄積サイト１４はどのゲートウェイ１６がメータそれぞれからメッセージを受信したかを判断し、そして、どのゲートウェイ１６が一番高い信号対ノイズ比でそのメッセージを受信しているかを判断することができる。具体例を挙げると、図１に示された左端のメータ１２は左端の２つのゲートウェイ１６と通信する。各ゲートウェイ１６は、受信したメッセージをデータ蓄積サイト１４に中継する。このデータ蓄積サイト１４はそれから、左端のメータ１２からのメッセージを受信した２つのゲートウェイのどちらが高い信号対ノイズ比でメッセージを受信しているかを判断することができる。

ステップ５８では、システムは、メータ１２から受信したメッセージに対して最大の信号対ノイズ比を有しているゲートウェイ１６を選択する。

ステップ５８でいったんシステムがどのゲートウェイ１６がいちばん高い信号対ノイズ比を有しているかを判断すると、システムはそれから所定の時間帯の信号対ノイズ比の平均値を求めることができる。一定の時間帯の信号対ノイズ比の平均値を求めることにより、メータがゲートウェイに送信するメッセージに対して、より正確な信号対ノイズ比を算定することができる。

ステップ６０に示されているように、いったん信号対ノイズ比が最も高いゲートウェイをシステムが選択すると、システムはメータからゲートウェイへのデータ伝送の信号対ノイズ比を分析する。図２に示されているチャネル２６乃至３４それぞれの上限値及び下限値（ｕｐｐｅｒ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）とこの平均の信号対ノイズ比を比較する。チャネル２６乃至３４それぞれは、チャネルそれぞれの送信に必要な信号対ノイズ比の最小値及び最大値（ａ ｍｉｎｉｍｕｍ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ａ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｖａｌｕｅ）を有していることが好ましい。前に説明したように、チャネルそれぞれでメッセージデュレーションが減少しているので、個別のメータそれぞれに対して適切なチャネルを選択することが重要である。

いったん信号対ノイズ比の値が個別のチャネルそれぞれのさまざまなしきい値と比較されたら、ステップ６２に示されているように、このシステムは望ましいチャネルを選択する。前に説明したように、メータからゲートウェイへの通信に対して計算された信号対ノイズ比に基づいて、システムはもっとも短いメッセージデュレーションを有するチャネルを選択しようとする。いったんシステムがメータに望ましいチャネルを選択すると、この選択されたチャネルがメータの制御装置に送信される。この望ましいチャネルはステップ６４でメータに割り当てられる。新しいチャネルが割り当てられると、システムはステップ５２に戻り、個別のメータそれぞれに設けられている制御装置は、新しく割り当てられたチャネルでゲートウェイへのメッセージの送信を開始する。このプロセスは継続的に繰り返され、メータの性能が変化したり、あるいはメータとゲートウェイの間にさらなる干渉が入り込んだら、異なるチャネルを介して情報を送信するようにメータを更新することができるようになっている。

図３に示されている実施の形態では、ステップ６０に示されている、ＳＮＲと各チャネルのしきい値との比較は、好ましい間隔でのみ行なわれると考えられる。例えば、ステップ６０は１日に一度だけ行うのでもよい。そして、システムオペレーションを複雑にしないために、１日に１回を超えて新しいチャネルがメータに割り当てられることはないだろう。メータの物理的構成及びメータとゲートウェイの間にある干渉がまれに変化することがあるので、１日にわずか１％未満のメータでのみ、メータに割り当てられたチャネルの変更が行われることが判明している。しかしながら、本開示によるシステムオペレーションでは、メータとゲートウェイの間の干渉でなんらかの変化があったら、個別のメータそれぞれの構成を自動的に調整することが可能である。

ステップ６０で、信号対ノイズ比が図２に示されているチャネルＡの下限値を下回るとシステムが判断した場合、システムはそれから個々のメータがゲートウェイ１６と直接通信できないと判断する。このような状況では、個別のメータそれぞれの制御装置は、それから図１に示された中間メータ１８の１つと通信するように設定される。

図３を参照して説明したように、もっとも望ましいゲートウェイへのメータの通信の信号対ノイズ比がこのメータに割り当てられた現在のチャネルのしきい値より高いと判断すると、システムはそのメータを図２に示された現在のチャネルの左のチャネルの１つに移動する。他方で、割り当てられたチャネルを図２の右へ移動させると、ボーレートが高くなり、メッセージ送信時間が短くなる。したがって、メータをもっとも望ましいチャネルに移動させることによりシステムの作動性が改善される。メータがすでに中間メータ１８を介して通信するように割り当てられていた場合、そのメータをゲートウェイ１６の１つと直接通信するように再設定することができる。

あるいは、ステップ６０で、メータに割り当てられた現在のチャネルが、メータの信号対ノイズ比を超えているとシステムが判断した場合、システムはメータに割り当てられたチャネルを図２の左に移動させてボーレートを下げ、メッセージ送信時間を長くする。メータがすでにチャネルＡにある場合、そのときシステムは、メータがゲートウェイ１６と直接ではなく中間メータ１８の１つと通信する「バディ」モードにメータを再設定する。

強い（ｓｔｒｏｎｇ）メータの場合

図４は、３基のタワー、Ａ、Ｂ、Ｃを備えたシステムに、３つの代表的なメータが示されている実施例を図示している。各メータの伝送エリアは方程式πＲ^２で求められる。ここで、半径Ｒはメータからの距離である。したがって、タワー、Ａ、Ｂ、Ｃの３基すべてが強いメータの通信半径内にある場合には、あるレベルの信号強度では、約２７基のタワーが影響を受けることとなる。先行技術のシステムでは、エンドポイントでのパワー制御を利用して、いずれかのタワーで受信されたパワーの正常化を試みることによってこの影響を少なくしている（ＱＵＡＬＣＯＭＭ）。これによって制御チャネル帯域幅を使い尽くし、データの衝突が起こらなかったとしても遠隔のタワーで実際には信号冗長が減少する。

本開示は、メッセージ受信の間、受信パワーレベル等を継続してモニタすることにより、通信の（ｏｎ−ａｉｒ）コリジョンの間での目的の（ｉｎｔｅｎｄｅｄ）メッセージのロスを回避している。最初のメッセージが完了する前にメッセージの衝突が生じ、衝突メッセージが復調に十分なＣＩ比（Ｃ ｔｏ Ｉ）の信号レベルを有していると、その後リザーブが第１のメッセージを「アボート（ａｂｏｒｔｓ）」し、第２の復調を試みる。一実施の形態では、２つのＤＳＰ復調器が同時に第１及び第２の衝突メッセージを復調しようとし、メッセージＣＲＣ又は暗号の畳み込み符号化（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ ｅｎｃｏｄｉｎｇ ｏｆ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ）を使用してどのメッセージが成功したかを確認する（ｖａｌｉｄａｔｅ）。

弱い（ｗｅａｋ）メータの場合

より大きいＣＩ比及びアボート機能があるため常にコリジョンに勝ることとなる強いＳＮＲ及び中くらいのＳＮＲのメータに対して、弱いメータは常に不利である。弱いエンドポイントの場合、これらの統計値を正常化するために、ＳＮＲが弱いエンドポイントは最適なサーバタワーに対してさえ分離したチャネルに配置するが、ここではＳＮＲが弱い他のメータとのみ競合する。時間基準のないＡＬＯＨＡシステムでは、一般的なレベルの１０〜１５ｄＢのフェージングが起きる、エンドポイント間のコリジョンの場合を除いてスロット化は行われない。１つの信号が減衰し、ＣＩ比がエンドポイントを復調するのに有用となると、タイミング信号がなかったとしても、アボート機能によってＡＬＯＨＡシステムにスロット化同等機能がもたらされる。

この方法で使われる最小限のチャネル構成は、ＳＮＲが低いもの１つとＳＮＲが高いもの１つである。前に説明したように、データ蓄積サイト１４は日ベースで、エンドポイントの構成を最適化すると考えられる。さらに、再構成の際であっても、メータの１％未満が信号対ノイズ比の変化に基づいて再構成されることとなることを理解されたい。

Claims (22)

1. エンドポイントとゲートウェイの間のデータ通信を制御する方法であって、
   最初に前記エンドポイントにデフォルトの通信チャネルを割り当てるステップと、
   少なくとも１つのメッセージを、前記デフォルトの通信チャネルを介して前記エンドポイントから前記ゲートウェイに送信する（ｒｅｌａｙｉｎｇ）ステップと、
   前記ゲートウェイによって受信されたメッセージの信号対ノイズ比と信号の質（ｓｉｇｎａｌ ｑｕａｌｉｔｙ）の少なくとも１つを使って通信性能を測定する（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ）ステップと、
   前記通信性能に基づき、前記エンドポイントに対して複数の通信チャネルの１つを選択し、これによりチャネルと性能のレベルを関連付けるステップと、
   前記エンドポイントがこの選択された通信チャネルを介して同じ性能のエンドポイントとともに前記ゲートウェイと通信するように、前記エンドポイントに選択された通信チャネルを割り当てるステップと、を備えることを特徴とするデータ通信を制御する方法。
2. デフォルトの通信チャネルは、デフォルトの変調速度とデフォルトのメッセージデュレーションを有している、ことを特徴とする請求項１の方法。
3. 前記選択された通信チャネルは、前記信号対ノイズ比が上限値を上回ったときに、短いメッセージデュレーションを有する、ことを特徴とする請求項２の方法。
4. 前記選択された通信チャネルでは、前記信号対ノイズ比が下限値を下回ったときに、長いメッセージデュレーションを有する、ことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記通信チャネルは、メッセージのデュレーションを最適化するために信号対ノイズ比に基づいて選択される、ことを特徴とする請求項１の方法。
6. 前記複数の通信チャネルは、前記デフォルトの通信チャネルと異なる変調速度とメッセージデュレーションを有している、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記信号対ノイズ比は、予め定められた期間に受信された複数のメッセージの平均である、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. メータから複数のゲートウェイの１つへのメータデータの通信を制御する方法であって、
   前記メータから１つ以上の前記ゲートウェイに複数のメッセージを送信する（ｒｅｌａｙｉｎｇ）ステップと、
   前記複数のゲートウェイそれぞれによって受信されたメッセージの信号対ノイズ比を測定するステップと、
   前記複数のゲートウェイによって受信されたメッセージの最大の信号対ノイズ比に基づいて、前記メータに対して複数の通信チャネルの１つを選択するステップと、
   前記選択された通信チャネルを前記メータに割り当てるステップと、を備えることを特徴とするメータデータの通信を制御する方法。
9. 選択された前記通信チャネルを介して前記メータから前記ゲートウェイの１つ以上に複数のメッセージを送信するステップと、
   前記複数のゲートウェイのそれぞれによって受信されたメッセージの信号対ノイズ比を測定し、前記複数のゲートウェイによって受信されたメッセージの前記信号対ノイズ比が増加又は減少すると、前記メータに、前記複数の通信チャネルから別の１つの通信チャネルを選択するステップと、をさらに含む、ことを特徴とする請求項８の方法。
10. 前記通信チャネルの選択は、メッセージのデュレーションを最適化するために前記信号対ノイズ比に基づいて行われる、ことを特徴とする請求項９の方法。
11. 現在の通信チャネルの信号対ノイズ比が現在の通信チャネルが有する上限値を超えると、あるいは現在の通信チャネルが有する下限値を下回ると、新たな通信チャネルが選択される、ことを特徴とする請求項９の方法。
12. 前記通信チャネルは複数の通信チャネルから選択され、この通信チャネルは前記メッセージのデュレーションを最適化するために前記信号対ノイズ比に基づいて選択される、ことを特徴とする請求項８の方法。
13. 前記複数の通信チャネルは、異なる変調速度とメッセージデュレーションを有している、ことを特徴とする請求項８の方法。
14. 前記信号対ノイズ比は、予め定めた期間に受信された複数のメッセージの平均である、ことを特徴とする請求項８の方法。
15. それぞれがバックエンドサーバと通信する複数のゲートウェイを含む通信システムで、複数のメータのそれぞれに対して通信プロトコルを選択する方法であって、
    前記複数のメータのそれぞれにデフォルトの通信チャネルを割り当てるステップと、
    前記メータのそれぞれからの複数のメッセージを送信する（ｒｅｌａｙｉｎｇ）するステップと、
    前記複数のメータのそれぞれに対して、ゲートウェイそれぞれで受信されたメッセージの信号対ノイズ比を測定するステップと、
    前記メータによって送信された複数のメッセージの、いずれかのゲートウェイでの最も高い信号対ノイズ比に基づいてメータそれぞれに対して複数の通信チャネルの１つを選択するステップと、
    前記複数のメータそれぞれに選択された通信チャネルを割り当てるステップと、を備えている、ことを特徴とする通信プロトコルを選択する方法。
16. 前記デフォルトの通信チャネルは前記複数のメータのすべてに対して同一である、ことを特徴とする請求項１５の方法。
17. 前記複数のチャネルは転送速度が増加するにしたがいメッセージデュレーションが減少するように構成され、前記通信チャネルは転送速度が最大でメッセージデュレーションが最小となるように選択される、ことを特徴とする請求項１６の方法。
18. 前記メータの少なくとも１つによって送信されたメッセージを受信し、受信したメッセージを前記ゲートウェイの少なくとも１つに中継するよう動作可能な、少なくとも１つの中間メータをさらに備え、前記中間メータは、最も高い転送速度及び最も短いメッセージデュレーションを有する通信チャネルを介して通信する、ことを特徴とする請求項１５の方法。
19. 前記別の通信チャネルは、前記複数のメータそれぞれに対して、いずれかのゲートウェイでの最も高い信号対ノイズ比に基づいて選択される、ことを特徴とする請求項１５の方法。
20. 割り当てられるチャネル数が３つになるようにトライバンド（ｔｒｉ−ｂａｎｄ）でのオペレーションが使用され、１つのチャネルは最適なリンクマージンのゲートウェイに対する信号対ノイズ比（ＳＮＲ）が低いエンドポイントにのみ割り当てられ、１つのチャネルは最適なリンクマージンのゲートウェイに対するＳＮＲが中くらいのエンドポイントにのみ割り当てられ、また、１つのチャネルは最適なリンクマージンのゲートウェイに対するＳＮＲが高いエンドポイントにのみ割り当てられる、ことを特徴とする請求項１の方法。
21. ＳＮＲが低い、中くらい及び高い前記チャネルは、トラフィックが均等になるように、トラフィックの全体のオンタイム又はデューティサイクルを正常化する方法で、エンドポイントトラフィックを割り当てられる、ことを特徴とする請求項２０の方法。
22. ＳＮＲが低い、中くらい及び高い前記チャネルは、時間単位あたりより多くのメッセージを処理することができるので、トラフィックがＳＮＲの高いチャネルで最大になるように、トラフィックの全体のオンタイム又はデューティサイクルを正常化する方法で、エンドポイントトラフィックを割り当てられる、ことを特徴とする請求項２０の方法。
    

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