JP2014502115A - パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法および装置 - Google Patents

パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法および装置 Download PDF

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Abstract

パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法および装置が提供される。方法は、パーソナルエリアネットワークのコーディネータにセンサデバイスの結合情報を送信することを含み、結合情報が、予約ビットによって示され、センサデバイスのタイプ、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノードバッファ占有レートを含み、この方法はさらに、パーソナルエリアネットワークのコーディネータからセンサデバイスの通信の調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに関する情報を受け取ることを含み、アクティブ継続時間およびデューティサイクルの調整が結合情報に基づいて決定され、この方法はさらに、調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに基づいてさらなる通信を実施することを含む。さらなる方法は、センサデバイスから、予約ビットによって示され、センサデバイスのタイプ、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノードバッファ占有レートを含む結合情報を受け取ることと、結合情報に基づいてセンサデバイスの通信のアクティブ継続時間およびデューティサイクルを調整することと、調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに関する情報をセンサデバイスに送信することとを含む。本発明を用いて、低レートかつ低電力の無線センサネットワークにおけるマルチメディアサービスがサポートされる。

Description

本発明の実施形態は概ね無線通信に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、IEEE802.15.4のワイヤレスパーソナルエリアネットワーク(WPAN)などのパーソナルエリアネットワーク(PAN)における通信のための方法および装置に関する。
いまや、ワイヤレスセンサネットワーク(WSN)を用いたマルチメディアサービスを統合することがますます求められ、かつ期待できるトレンドになっている。したがって、画像、音声、ビデオなどの様々なマルチメディアデータの量が増え続け、従来のスカラー測定データの量よりもはるかに大きくなっている。WSNを介したマルチメディアアプリケーションをサポートするには、短い待ち時間および高通信効率が同時に必要とされ、これにより、リソース(例えば、電力、メモリなど)制約型WSNでは特有の難題が生じる。
IEEE802.15.4 WPAN規格は、リソース制約型デバイス間で低コスト低電力の無線接続を実現するために特別に設計されていることが知られている。例えば、IEEE802.15.4のメディアアクセス制御(MAC)は、WPANにおいて低デューティサイクルを実現するための一般に認められた解決策を提示している。様々なアプリケーションの状況を満足させるために、IEEE802.15.4は、動作モードとして2つの選択肢を提供している。すなわち、ビーコンイネーブルモードおよび非ビーコンイネーブルモードである。ビーコンイネーブルモードは、RFスリープメカニズムを採用することによってエネルギーを節減し得るが、データスループットが制限される。これに対して、非ビーコンイネーブルモードは、連続RFアイドルリスニングのために、データスループットをより高くし得るが、エネルギー消費量がかなり大きくなる。
スカラーセンサデバイスの場合、スカラー測定トラフィックが低レートで発生するので、エネルギー効率が主要な関心事である。したがって、この場合にはビーコンイネーブルモードが非ビーコンイネーブルモードよりも好ましい。しかし、マルチメディアセンサデバイスの場合、マルチメディアデータトラフィックがより高いスループットを必要とし、ビーコンイネーブルモードではスループットが制限されるので、結論は逆転する。遺憾ながら、WPANの動作モードは、通常、ネットワークの初期化段階において決定され構成され、これらのモードの1つしか一度にサポートされ得ない。これらの理由から、IEEE802.15.4では、マルチメディアデータおよびスカラーデータのトラフィックを同時に搬送するWPANで高エネルギー効率および高データスループットの両方を実現することは難しい。これに加えて、多くのマルチメディアセンサデバイスが初期化段階の後でネットワークに出入りすると、ネットワークがこのような変化に適応するのは極めて難しい。
上記の問題に対する既存の解決策は、トラフィックおよびエネルギーをともに意識した(Traffic and Energy Aware)IEEE802.15.4(TEA−15.4)方式である。提案されているTEA−15.4では、PANのコーディネータは、ビーコンイネーブルモードにおいて関連するデバイスのデータトラフィック情報に従ってアクティブ期間を適応可能に調整し得る。TEA−15.4は、PANのコーディネータにトラフィック情報を通知するために2つのメカニズムを採用する。第1のメカニズムは任意トラフィック信号(arbitrary traffic signal:ATS)(以下、「ATS方式」と称する)に基づいており、第2のメカニズムはトラフィックタイムアウト(Traffic Time−Out:TTO)(以下、「TTO方式」と称する)に基づいている。ATS方式は、任意のトラフィックフレームまたはデータトラフィックの存在を示すトラフィックフレーム衝突信号を検出するように設計されており、TTO方式は、タイムアウトメカニズムを利用して関連するデバイスのデータトラフィック情報を検出する。いずれのメカニズムも、センチネル継続時間、すなわち、トラフィック情報を検出するためにPANのコーディネータによって決められる特殊期間に周期的に実施される。
ATS方式の主な欠点は、1)追加の40シンボルATSセンチネルフレームが導入され、1ビーコン時間間隔内で周期的に送信されることである。これらのフレームにより、追加のトラフィックおよびエネルギー消費が生じる。また、2)PANのコーディネータは、ATSフレームから複数のデバイス全体の十分なトラフィック情報を得ることができないので、アクティブ継続時間調整を大まかにしか行えず、適切には行えない。
TTO方式の主な欠点は、1)TTOにより各ビーコン時間間隔内に周期的な620シンボルセンチネル継続時間が導入され、そのため、センサデバイスまたはノードがトラフィックの存在を検出するためにアクティブモードにはるかに長い時間留まらなければならず、その結果、エネルギー消費が大きくなること、2)低データトラフィックの状況では、TTOにより、RFアイドルリスニングにおいて時間およびエネルギーの無駄な消費が大きくなり過ぎ、かつ、この方式にはそれに対する何の適応も含まれないことである。
既存のトラフィックおよびエネルギーをともに意識した(Traffic and Energy Aware)IEEE802.15.4(TEA−15.4)方式における上記問題に鑑みて、当技術分野では、WSNに関してIEEE802.15.4を強化する方式、すなわち、十分なデータスループットをサポートしてマルチメディアの通信およびサービスを実行するだけでなく、高エネルギー効率を実現する方式を提案することが求められている。
本発明の一実施形態は、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法を提供する。この方法は、パーソナルエリアネットワークのコーディネータにセンサデバイスの結合情報を送信することを含み、結合情報が、予約ビットによって示され、センサデバイスのタイプ、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノードバッファ占有レートを含む。この方法は、パーソナルエリアネットワークのコーディネータからセンサデバイスの通信の調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに関する情報を受け取ることも含み、アクティブ継続時間およびデューティサイクルの調整が結合情報に基づいて決定される。この方法はさらに、調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに基づいてさらに通信を実施することを含む。
別の実施形態では、結合情報がメディアアクセス制御データフレームのフレーム制御フィールド内の予約ビットによって示される。
さらなる実施形態では、センサデバイスのタイプがエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプに分けられる。
一実施形態では、この方法が、メディアアクセス制御ビーコンフレーム制御フィールド内の予約ビットに含まれ、パーソナルエリアネットワークのコーディネータによって送信されるビットを用いて全体的なチャネルアクセス成功レートおよび最新のノードバッファ占有レートを示すビットの値を設定することを含む。
一実施形態では、メディアアクセス制御ビーコンフレーム制御フィールド内の予約ビットに含まれるビットの組合せが、全体的なチャネルアクセス成功レートと最新のノードバッファ占有レートの様々な所定の組合せの値を表し、組合せの値に対して、全体的なチャネルアクセス成功レートおよび最新のノードバッファ占有レートを示すビットの値が設定される。
本発明の別の実施形態は、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法を提供する。この方法は、センサデバイスから、予約ビットによって示され、センサデバイスのタイプ、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノードバッファ占有レートを含む結合情報を受け取ることを含む。この方法は、結合情報に基づいてセンサデバイスの通信のアクティブ継続時間およびデューティサイクルを調整することも含む。この方法はさらに、調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに関する情報をセンサデバイスに送信することとを含む。
別の実施形態では、結合情報がメディアアクセス制御データフレームのフレーム制御フィールド内の予約ビットによって示される。
一実施形態では、この方法は、結合情報を受け取る前に、メディアアクセス制御ビーコンフレーム制御フィールド内の予約ビットに含まれるビットをセンサデバイスに送信することを含み、これらのビットの組合せが、全体的なチャネルアクセス成功レートと最新のノードバッファ占有レートの様々な所定の組合せの値を表し、組合せの値に対して、全体的なチャネルアクセス成功レートおよび最新のノードバッファ占有レートを示すビットの値が設定される。
さらなる実施形態では、センサデバイスのタイプがエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプに分けられる。
追加の実施形態では、パーソナルエリアネットワークのタイプが、エネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプのセンサデバイスの数あるいはパーソナルエリアネットワークにおけるトラフィックの量に基づいてエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプに動的に分けられる。
一実施形態では、調整することはさらに、
関数F(TypeWeight(1),SAR(1),TypeWeight(2),SAR(2),...,TypeWeight(n),SAR(n))に基づいてPAN全体にわたる全体的なチャネルアクセス成功レート
Figure 2014502115
を計算することを含み、TypeWeight(i)は、i番目のセンサデバイスのタイプを示すビットの値またはi番目のセンサデバイスおよびパーソナルエリアネットワークのタイプに基づいて構成される値を示し、SAR(i)は、i番目のセンサデバイスの全体的なチャネルアクセス成功レートを示すビットの値を示し、nは、パーソナルエリアネットワーク内のセンサデバイスの番号を示し、調整することはさらに、
関数G(TypeWeight(1),BOR(1),TypeWeight(2),BOR(2),...,TypeWeight(n),BOR(n))に基づいてPAN全体にわたる最新のノードバッファ占有レート
Figure 2014502115
を計算することを含み、BOR(i)は、i番目のセンサデバイスの最新のノードバッファ占有レートを示すビットの値を示し、調整することはさらに、
関数
Figure 2014502115
に基づいて調整パラメータ
Figure 2014502115
を計算することと、
調整パラメータに基づいてアクティブ継続時間およびデューティサイクルを調整することとを含む。
追加の実施形態では、関数
Figure 2014502115
Figure 2014502115
であり、KおよびLが実数である。
一実施形態では、関数
Figure 2014502115
Figure 2014502115
であり、PおよびQが実数である。
さらなる実施形態では、関数
Figure 2014502115
Figure 2014502115
である。
一実施形態では、この方法は、調整パラメータ
Figure 2014502115
の変化率に基づいてアクティブ継続時間およびデューティサイクルを調整することを含み、変化率が
Figure 2014502115
に基づいて計算され、
Figure 2014502115
が最新の
Figure 2014502115
を示し、
Figure 2014502115
が前の
Figure 2014502115
を示す。
本発明の別の実施形態は、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法を提供する。この方法は、パーソナルエリアネットワークのコーディネータに保証タイムスロット要求を送信することを含み、保証タイムスロット要求が、予約ビットによって示されるセンサデバイスのタイプに関する情報を含み、タイプがエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプである。
一実施形態では、情報が、保証タイムスロット要求コマンドフレームの保証タイムスロット特徴フィールド内の予約ビットによって示される。
本発明の一実施形態は、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法を提供する。この方法は、センサデバイスから保証タイムスロット要求を受け取ることを含み、保証タイムスロット要求がセンサデバイスのタイプに関する情報を含み、タイプがエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプである。この方法は、センサデバイスのタイプを決定することも含む。この方法はさらに、スループット優先タイプのセンサデバイスにタイムスロットを優先的に割り当てることとを含む。
一実施形態では、この方法が、割り当てることの前に、割り当てられる十分なスロットがあるかどうかを確認することを含み、十分スロットがある場合、センサデバイスにスロットを割り当て、そうでない場合、スループット優先タイプのセンサデバイスからの保証タイムスロット要求が実現されるまで、エネルギー節減優先タイプのセンサデバイスからの保証タイムスロット要求を順に破棄する。
本発明の一実施形態は、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための装置を提供する。この装置は、パーソナルエリアネットワークのコーディネータにセンサデバイスの結合情報を送信する手段を備え、結合情報が、予約ビットによって示され、センサデバイスのタイプ、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノードバッファ占有レートを含む。この装置は、パーソナルエリアネットワークのコーディネータからセンサデバイスの通信の調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに関する情報を受け取る手段も備え、アクティブ継続時間およびデューティサイクルの調整が結合情報に基づいて決定される。この装置はさらに、調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに基づいてさらなる通信を実施する手段を備える。
本発明の別の実施形態は、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための装置を提供する。この装置は、センサデバイスから、予約ビットによって示され、センサデバイスのタイプ、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノードバッファ占有レートを含む結合情報を受け取る手段を備える。この装置は、結合情報に基づいてセンサデバイスの通信のアクティブ継続時間およびデューティサイクルを調整する手段も備える。この装置はさらに、調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに関する情報をセンサデバイスに送信する手段を備える。
本発明の追加の実施形態は、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための装置を提供する。この装置は、パーソナルエリアネットワークのコーディネータに保証タイムスロット要求を送信する手段を備え、保証タイムスロット要求が、予約ビットによって示されるセンサデバイスのタイプに関する情報を含み、タイプがエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプである。
本発明の別の実施形態は、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための装置を提供する。この装置は、センサデバイスから保証タイムスロット要求を受け取る手段を備え、保証タイムスロット要求がセンサデバイスのタイプに関する情報を含み、タイプがエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプである。この装置は、センサデバイスのタイプを決定する手段も備える。この装置はさらに、スループット優先タイプのセンサデバイスにタイムスロットを優先的に割り当てる手段を備える。
本発明の或る種の実施形態を用いて、PANのコーディネータは、センサデバイスのタイプ(すなわち、スループット優先タイプまたはエネルギー節減優先タイプ)、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノードバッファ占有レートを含む結合情報によって、はるかに妥当なアクティブ継続時間の調整およびGTSの割り当てを行い得る。さらに、フレキシブルなレートレベル分割方式を用いて、様々な無線センサネットワークにおけるマルチメディアおよびスカラーデータの両方のトラフィックの送信に関して良好な適応性および柔軟性が得られる。
さらに、本発明により、PANタイプの動的な変化に従ってアクティブ継続時間およびデューティサイクルを適応的に調整し得る。この独特のメリットは、従来の1回切りの調整方式では得ることができない。さらに、本発明では、追加のセンチネルフレームが必要とされず、1ビーコン時間間隔内で送信されない。また、本発明は、追加のセンチネル継続時間を必要とせず、そのため、追加の通信オーバーヘッドが生じない。
要するに、本発明の上記の利点は、高スループットと高エネルギー効率の良好なバランスによるものであり得、これが低レートかつ低電力の無線センサネットワークにおけるマルチメディアサービスをサポートするための鍵である。
本発明の実施形態の他の特徴および利点も、特定の実施形態の以下の説明を本発明の実施形態の原理を例示する添付の図面と併せ読めば理解されよう。
本発明の実施形態を実施例として提示し、本発明の利点を添付の図面を参照して以下により詳細に説明する。
本発明の実施形態による、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法を例示的に示す簡略化されたフローチャートである。 本発明の実施形態に従って使用される一般的なMACフレームフォーマットおよびそのフレーム制御フィールドの構造を示す図である。 本発明の実施形態による、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための別の方法を例示的に示す簡略化されたフローチャートである。 本発明の実施形態による、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法を例示的に示す詳細フローチャートである。 本発明の実施形態による、パーソナルエリアネットワークにおける通信のためのさらなる方法を例示的に示す簡略化されたフローチャートである。 本発明の別の実施形態に従って使用される一般的なGTS要求コマンドフレームフォーマットおよびそのGTS特徴フィールドの構造を示す図である。 本発明の実施形態による、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための追加の方法を例示的に示す簡略化されたフローチャートである。 本発明の実施形態による、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法を示す詳細なプロセスフローチャートである。
以下に本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の一実施形態では、MACデータフレーム制御フィールド内の予約ビットによって示され、センサデバイスのタイプ、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノード(すなわちセンサデバイス)のバッファ占有レートを含む結合情報が、PANのコーディネータに提供される。この結合情報を受け取ったPANのコーディネータは、結合情報に基づいてセンサデバイスの現在のアクティブ継続時間およびデューティサイクルを調整し得る。次いで、PANのコーディネータは、調整されたアクティブ時間およびデューティサイクルに関する情報をセンサデバイスに送信し、それによって、センサデバイスは、調整されたアクティブ時間およびデューティサイクルに基づいて通信を継続し得る。本発明の別の実施形態では、センサデバイスのタイプに関する情報は、GTS要求コマンドフレームのGTS特徴フィールド内の予約ビットによって示され、そのため、スループット優先タイプのセンサデバイスが優先的に扱われ得る。
図1は、本発明の実施形態による、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法100を例示的に示す簡略化されたフローチャートである。図1に示すように、この方法はステップS101で始まり、ステップS102で、この方法100は、パーソナルエリアネットワークのコーディネータにセンサデバイスの結合情報を送信する。結合情報は、予約ビットによって示され、センサデバイスのタイプ、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノードバッファ占有レートを含む。本発明では、センサデバイスは2つのタイプに分けられる。すなわち、スループット優先タイプおよびエネルギー節減優先タイプである。一般に、マルチメディアセンサはスループット優先タイプであり、スカラーセンサはエネルギー節減優先タイプと考えられる。全体的なチャネルアクセス成功レートは、1コンテンションアクセス期間(CAP)中にセンサデバイスによって記録され、チャネルアクセス競合状態を示す。最新のノードバッファ占有レートは、センサデバイスにおける保留トラフィック量だけでなくバッファオーバーフローのリスクも示す。説明の都合上、これら2つのレートを、後で詳細に論じる或る種のレートレベル分割方式による離散レベル(すなわちビット)で表現する。
一実施形態では、センサデバイスのタイプ、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノードバッファ占有レートを含む結合情報は、図2に示すようにIEEE802.15.4 MACデータフレームフォーマットのフレーム制御フィールド内の予約ビット(b、b、b)によって示され、いかなるトラフィック指示フレームまたは特定のセンチネル継続時間も導入されない。
センサデバイスの結合情報の送信に続いて、方法100は、ステップS103に進み、パーソナルエリアネットワークのコーディネータから、センサデバイスの通信の調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに関する情報を受け取る。アクティブ継続時間およびデューティサイクルの調整は結合情報に基づいて決められる。当業者には知られているように、アクティブ継続時間はセンサデバイスが通信を許可される時間であり、デューティサイクルはアクティブ継続時間をアクティブ継続時間とセンサデバイスが通信しないスリープ継続時間との和で除算することによって得られる比である。さらに、この調整は、PANのタイプが必要に応じて考慮に入れられた後で、PANのコーディネータによって決められることがある。センサデバイスのタイプと同様に、本発明では、PANも2つのタイプに分けられることがある。すなわち、スループット優先タイプおよびエネルギー節減優先タイプである。ただし、センサデバイスが固定されたタイプであるのと異なり、PANのタイプは、エネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプのセンサデバイスの数あるいはパーソナルエリアネットワークにおけるトラフィック量に基づいてエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプに動的に分けられることがある。例えば、スループット優先タイプのセンサデバイスの数がエネルギー節減優先タイプのセンサデバイスの数よりも多い場合、PANはスループット優先タイプのPANになる。PANのタイプは、IEEE802.15.4 MACビーコンフレームフォーマットのフレーム制御フィールド内の予約ビットの1つ、すなわち、bビットで示され得る。下記の表1に、その説明を詳細に示す。
Figure 2014502115
表1:PANタイプ指示についてのMACビーコンフレーム制御フィールド内の予約ビットの値
次いで、方法100はステップS104に進む。ステップS104で、方法100は、調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに基づいてさらなる通信を実施する。最後に、方法100はステップS105で終了する。方法100はセンサデバイスによって実施され得ることがわかる。
本発明の方法100を用いれば、PANのコーディネータは、結合情報によってはるかに妥当なアクティブ期間の調整を行い得る。さらに、アクティブ継続時間およびデューティサイクルは、ネットワークの変動、例えば、センサデバイスの結合情報またはPANのタイプの変化に従って適応的に調整され得る。
図3は、本発明の実施形態による、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための別の方法300を例示的に示す簡略化されたフローチャートである。図3に示すように、方法300はステップS301で始まり、ステップS302で、この方法は、センサデバイスから、予約ビットによって示され、センサデバイスのタイプ、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノードバッファ占有レートを含む結合情報を受け取る。次いで、方法300はステップS303に進み、そこで、結合情報に基づいて、センサデバイスの通信のアクティブ継続時間およびデューティサイクルを調整する。ステップS303に続いて、方法300は、ステップS304で、調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに関する情報をセンサデバイスに送信する。最後に、方法300はステップS305で終了する。方法300はPANのコーディネータによって実施され得ることがわかる。
図4は、本発明の実施形態による、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法400を例示的に示す詳細フローチャートである。図4に示すように、S401で、センサデバイスは、センサデバイスのタイプを含むパラメータCRSARおよびCRBORを設定する。ここで、CRSARおよびCRBORはそれぞれ全体的なチャネルアクセス成功レートおよび最新のノードバッファ占有レートのクリティカルな値を示す。CRSARおよびCRBORの詳細な構成を表2に示すが、これらに限定されるものではない。
Figure 2014502115
表2:レートレベル分割方式を指標化するためのMACビーコンフレーム制御フィールド内の予約ビットの値
表2の右列に、全体的なチャネルアクセス成功レートと最新のノードバッファ占有レートの4種類の組合せの値を示す。全体的なチャネルアクセス成功レートおよび最新のノードバッファ占有レートは離散レベルで表現する必要があるので、レートレベル分割方式をレベル決定に導入すべきである。方法400のステップS402でPANのコーディネータが1ビーコン時間間隔中にセンサデバイスにレートレベル分割方式が使われることをIEEE802.15.4 MACビーコンフレームフォーマットのフレーム制御フィールド内の予約ビット(b、b)によって通知すると、センサデバイスは、CRSARおよびCRBORの1種類の組合せの値を基準とみなす。例えば、PANのコーディネータがビットb、b(1,0)を送信すると、CRSAR=50%とCRBOR=25%の組合せの値が、全体的なチャネルアクセス成功レートおよび最新のノードバッファ占有レートを示すビットの値を設定するのに用いられる基準とみなされる。
上記のパラメータを設定した後で、方法400はステップS403に進み、そこで、結合情報が形成される。先に述べたように、センサデバイスの結合情報は、センサデバイスのタイプ、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノードバッファ占有レートを含む。この情報は、MACデータフレームのフレーム制御フィールド内の予約ビットによってPANのコーディネータに提供される。図2に示すように、フレーム制御フィールドの長さは2バイトであり、このフィールドにはb、b、bビットが予約されている。本発明では、MACデータフレームフォーマットのフレーム制御フィールドのb、b、bビットは、結合情報を示すために用いられる。より具体的には、bビットの1(0)は、センサデバイスがスループット優先タイプ(エネルギー節減優先タイプ)であることを意味する。bビットの1(0)は、全体的なチャネルアクセス成功レートが高(低)レベルであることを意味する。bビットの1(0)は、最新のノードバッファ占有レートが高(低)レベルであることを意味する。表3に、これらの予約ビットの値の説明を詳細に示す。
Figure 2014502115
表3:MACデータフレーム制御フィールド内の予約ビットの値
全体的なチャネルアクセス成功レートおよび最新のノードバッファ占有レートが高レベルまたは低レベル(すなわち、bおよびbビットの値)のいずれかを決める方法を、表2の第4行を例として以下に論じる。
全体的なチャネルアクセス成功レートが50%よりも大きい(小さい)場合、全体的なチャネルアクセス成功レートは高(低)レベルであるとみなされ、すなわち1(0)と設定される。同様に、最新のノードバッファ占有レートが25%よりも大きい(小さい)場合、最新のノードバッファ占有レートは高(低)レベルである、すなわち1(0)と設定されると考えられる。明らかに、CRSARおよびCRBORのあらかじめ定義された構成が異なると、表2のb、bビットの値に示すように、様々な異なるレベルの結果が得られ、そのため、本発明の調整方式が異なるアプリケーションの状況に対してはるかに順応性のあるものになる。
上記の結合情報を形成した後で、センサデバイスは、ステップS404で、PANのコーディネータにデータフレームを送信する。ステップS405で、PANのコーディネータは、結合情報に基づいて、PAN全体にわたる全体的なチャネルアクセス成功レートの統計値
Figure 2014502115
およびPAN全体にわたる最新のノードバッファ占有レートの統計値
Figure 2014502115
を得る。これらの統計値を得る方法を以下で詳細に論ずる。
まず、PANのコーディネータは、本発明の教示に基づき当業者に知られている任意の適切な形式によって表現され得る関数F(TypeWeight(1),SAR(1),TypeWeight(2),SAR(2),...,TypeWeight(n),SAR(n))に基づいて
Figure 2014502115
を計算する。ここで、TypeWeight(i)は、i番目のセンサデバイスのタイプを示すビットの値またはi番目のセンサデバイスおよびパーソナルエリアネットワークのタイプに基づいて構成される値を示し、SAR(i)は、i番目のセンサデバイスの全体的なチャネルアクセス成功レートを示すビットの値を示し、nは、パーソナルエリアネットワーク内のセンサデバイスの番号を示す。
好ましくは、関数F(…)は下記のように表現され得る。
Figure 2014502115
ここで、KおよびLは実数である。
KおよびLが1に等しいとすると、
Figure 2014502115
が得られる。
Figure 2014502115
がより大きい(より小さい)ことは、チャネル競合がより軽く(より重く)、パケットの遅延がより小さい(より大きい)ことに留意されたい。さらに、異なるPANのタイプについてのTypeWeightの構成を下記の表4および表5に示すが、これらに限定されるものではない。
Figure 2014502115
表4:スループット優先PANについてのTypeWeightの値の構成
Figure 2014502115
表5:エネルギー節減優先PANについてのTypeWeightの値の構成
次に、PANのコーディネータは、本発明の教示に基づき当業者に知られている任意の適切な形式によって表現され得る関数G(TypeWeight(1),BOR(1),TypeWeight(2),BOR(2),...,TypeWeight(n),BOR(n))に基づいて
Figure 2014502115
を計算する。BOR(i)は、i番目のセンサデバイスの最新のノードバッファ占有レートを示すビットの値を示す。
好ましくは、関数G(…)は下記のように表現され得る。
Figure 2014502115
ここで、PおよびQは実数である。
PおよびQが1に等しいとすると、
Figure 2014502115
が得られる。
Figure 2014502115
がより大きい(より小さい)ことは、保留トラフィックがより重い(より軽い)ことを意味することに留意されたい。
Figure 2014502115
および
Figure 2014502115
の統計値を得ることに続いて、ステップS406で、PANのコーディネータは、本発明の教示に基づき当業者に知られている任意の適切な形式によって表現され得る関数
Figure 2014502115
に基づいて調整パラメータ
Figure 2014502115
を計算する。この調整パラメータは、好ましくは
Figure 2014502115
である。
上記の調整パラメータに基づいて、PANのコーディネータは、アクティブ継続時間およびデューティサイクルを調整し得る。
Figure 2014502115
がより大きい場合、デューティサイクルは、エネルギー節減のためにより小さくなり得る。そうでない場合には、デューティサイクルは、データスループットを高くするためにより大きくなり得る。さらに、PANのコーディネータは、調整パラメータ
Figure 2014502115
の変化率に基づいて、アクティブ継続時間およびデューティサイクルを調整し得る。この変化率は、下記の式に基づいて計算される。
Figure 2014502115
ここで、
Figure 2014502115
は最新の
Figure 2014502115
を示し、
Figure 2014502115
は前の
Figure 2014502115
を示す。
Figure 2014502115
の変化率を用いたデューティサイクル調整を下記の表6に示すが、これに限定されるものではない。次いで、IEEE802.15.4規格に従って、アクティブ継続時間をデューティサイクルの変化に基づいて調整し得る。
Figure 2014502115
表6:
Figure 2014502115
の変化率によるデューティサイクルの調整
調整結果を得た後で、ステップS407で、PANのコーディネータは、調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに関する情報を、必要な場合にはIEEE802.15.4 MACビーコンフレームフォーマットのフレーム制御フィールド内の予約ビット(b、b)によって示されるレートレベル分割方式とともに、次のビーコンフレームでセンサデバイスに送信する。
図4に示すように、ステップS401およびS402は、単に初期化ステップであり、あらかじめ構成することができるが、ステップS403、S404、S405、S406、およびS407は、PANの動的な特徴のために周期的な手順からなる。本発明の方法400を用いて、PANのコーディネータは、センサデバイスのアクティブ継続時間およびデューティサイクルを動的かつ適応的に更新することができる。
図5は、本発明の実施形態による、パーソナルエリアネットワークにおける通信のためのさらなる方法500を例示的に示す簡略化されたフローチャートである。図5に示すように、方法500はステップS501で始まり、ステップS502で、この方法は、パーソナルエリアネットワークのコーディネータに保証タイムスロット(GTS)要求を送信する。保証タイムスロット要求は、予約ビットによって示される、センサデバイスのタイプに関する情報を含み、このタイプはエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプである。特に、センサデバイスのタイプは、図6および下記の表7に示すように、保証タイムスロット要求コマンドフレームの保証タイムスロット特徴フィールド内で使用される予約ビットによって示される。次いで、方法500はステップS503で終了する。
Figure 2014502115
表7:センサタイプの指示についてのGTS特徴フィールド内の予約ビットの値
図7は、本発明の実施形態による、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための追加の方法700を例示的に示す簡略化されたフローチャートである。図7に示すように、方法700は、ステップS701で始まり、ステップS702に進み、ここで、方法700はセンサデバイスから保証タイムスロット要求を受け取る。保証タイムスロット要求は、予約ビットによって示されるセンサデバイスのタイプに関する情報を含み、このタイプはエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプである。次いで、方法700は、ステップS703でセンサデバイスのタイプを決定する。ステップS704で、方法700は、スループット優先タイプのセンサデバイスに優先的にタイムスロットを割り当てる。あるいは、または好ましくは、この割り当ての前に、方法700は、割り当てられる十分なスロットがあるかどうかを確認する。十分にある場合には、これらのスロットをこれらのセンサデバイスに割り当て、そうでない場合には、スループット優先タイプのセンサデバイスからの保証タイムスロット要求が実現されるまで、エネルギー節減優先タイプのセンサデバイスからの保証タイムスロット要求を順に破棄する。最後に、方法700はステップS705で終了する。GTS要求コマンドを受信したPANのコーディネータは、センサデバイスのタイプを利用して、WSNにおけるマルチメディアサービスをサポートするためにより効率的なGTS管理を実施し得ることは明らかである。
図8は、本発明の実施形態による、パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法800を示す詳細なプロセスフローチャートである。図8に示すように、この方法はステップS801で始まり、そこで方法800は、新たなGTS要求を受け取る。次いで、この方法はステップS802に進み、そこで、センサデバイスのタイプが、GTS要求コマンドフレームのGTS特徴フィールド内の予約ビットに基づいて決定される。GTS要求がエネルギー節減優先タイプのセンサデバイスからのものであると判断された場合、方法800はステップS803に進み、そこで、従来のGTS要求割り当てが実施される。リソースが利用可能な場合、このリソースはこのセンサデバイスに割り当てられ、この要求が実現される。次いで、方法800はステップS805で成功裏に終了する。そうでない場合には、方法800はステップS804で失敗に終わる。
GTS要求がスループット優先タイプのセンサデバイスからのものであると判断された場合、ステップS806で、方法800は、リソースが利用可能かどうか判断する。リソースが利用可能である場合、方法800はステップ805で成功裏に終了する。そうでない場合、方法800はステップS807に進み、そこで、エネルギー節減優先タイプのセンサデバイスのGTS要求が要求キューにあるかどうかが判断される。GTS要求がある場合、ステップS808で、方法800は、1つのエネルギー節減優先タイプのセンサデバイスから到達した最後のGTS要求を破棄し、次いで、要求キューを更新する。次に、方法800はステップS806に戻って再びループを廻る。
ステップS807で、方法800が要求キューにエネルギー節減優先タイプのセンサデバイスのGTS要求がないと判断した場合、方法800はステップS804で失敗に終わる。
本発明の方法800を用いると、スループット優先タイプのセンサデバイス、より詳細には、マルチメディアセンサデバイスは、GTSスロットを得る可能性がはるかに大きく、そのため、マルチメディアデータの送信が改善される。言い換えると、マルチメディアデータトラフィック送信により高い優先度が与えられ、より多くのGTSスロットがマルチメディアセンサデバイスに割り当てられ、そのため、アクティブ継続時間を増加せずにマルチメディアデータスループットが増加する。
本発明の例示実施形態を、方法および装置(すなわちシステム)のブロック図およびフローチャートを参照して上記で説明した。ブロック図およびフローチャートの各ブロックならびにブロック図およびフローチャートのブロックの組合せは、コンピュータプログラム命令を含む様々な手段で実施され得ることを理解されたい。これらのコンピュータプログラム命令は、汎用コンピュータ、特殊用途コンピュータ、または他のプログラマブルデータ処理装置にロードされて、コンピュータまたは他のプログラマブルデータ処理装置上で実行される命令がフローチャートの1つまたは複数のブロックで指定される機能を実施する手段を生成するように機械が生成される。
上記コンピュータプログラム命令は、例えば、サブルーチンおよび/または関数とし得る。本発明の一実施形態におけるコンピュータプログラム製品は、上記コンピュータプログラム命令が記憶された少なくとも1つのコンピュータ可読記憶媒体を含む。このコンピュータ可読記憶媒体は、例えば、光コンパクトディスクまたはRAM(ランダムアクセスメモリ)やROM(読み出し専用メモリ)などの電子メモリデバイスとし得る。
本明細書に記載の本発明の多くの改変および他の実施形態が、本発明のこれらの実施形態に関係し、上記説明および関連する図面に示された教示の利益を享受する当業者には想起されよう。したがって、本発明の実施形態はここで開示された特定の実施形態に限定されず、改変または他の実施形態が添付の特許請求の範囲に含まれることが意図されることを理解されたい。本明細書では特定の用語を用いるが、これらは一般的かつ説明的な意味でのみ用いられ、限定するためのものではない。

Claims (24)

  1. パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法であって、
    パーソナルエリアネットワークのコーディネータにセンサデバイスの結合情報を送信することを含み、結合情報が、予約ビットによって示され、センサデバイスのタイプ、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノードバッファ占有レートを含み、この方法はさらに、
    パーソナルエリアネットワークのコーディネータからセンサデバイスの通信の調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに関する情報を受け取ることを含み、アクティブ継続時間およびデューティサイクルの調整が結合情報に基づいて決定され、この方法はさらに、
    調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに基づいてさらなる通信を実施することを含む、方法。
  2. 結合情報がメディアアクセス制御データフレームのフレーム制御フィールド内の予約ビットによって示される、請求項1に記載の方法。
  3. センサデバイスのタイプがエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプに分けられる、請求項1に記載の方法。
  4. メディアアクセス制御ビーコンフレーム制御フィールド内の予約ビットに含まれ、パーソナルエリアネットワークのコーディネータによって送信されるビットを用いて全体的なチャネルアクセス成功レートおよび最新のノードバッファ占有レートを示すビットの値を設定することをさらに含む、請求項2に記載の方法。
  5. メディアアクセス制御ビーコンフレーム制御フィールド内の予約ビットに含まれるビットの組合せが、全体的なチャネルアクセス成功レートと最新のノードバッファ占有レートの様々な所定の組合せの値を表し、組合せの値に対して、全体的なチャネルアクセス成功レートおよび最新のノードバッファ占有レートを示すビットの値が設定される、請求項4に記載の方法。
  6. パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法であって、
    センサデバイスから、予約ビットによって示され、センサデバイスのタイプ、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノードバッファ占有レートを含む結合情報を受け取ることと、
    結合情報に基づいてセンサデバイスの通信のアクティブ継続時間およびデューティサイクルを調整することと、
    調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに関する情報をセンサデバイスに送信することとを含む、方法。
  7. 結合情報がメディアアクセス制御データフレームのフレーム制御フィールド内の予約ビットによって示される、請求項6に記載の方法。
  8. 結合情報を受け取る前に、メディアアクセス制御ビーコンフレーム制御フィールド内の予約ビットに含まれるビットをセンサデバイスに送信することをさらに含み、これらのビットの組合せが、全体的なチャネルアクセス成功レートと最新のノードバッファ占有レートの様々な所定の組合せの値を表し、組合せの値に対して、全体的なチャネルアクセス成功レートおよび最新のノードバッファ占有レートを示すビットの値が設定される、請求項7に記載の方法。
  9. センサデバイスのタイプがエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプに分けられる、請求項6に記載の方法。
  10. パーソナルエリアネットワークのタイプが、エネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプのセンサデバイスの数あるいはパーソナルエリアネットワークにおけるトラフィックの量に基づいてエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプに動的に分けられる、請求項9に記載の方法。
  11. 調整することはさらに、
    関数F(TypeWeight(1),SAR(1),TypeWeight(2),SAR(2),...,TypeWeight(n),SAR(n))に基づいてPAN全体にわたる全体的なチャネルアクセス成功レート
    Figure 2014502115
    を計算することを含み、TypeWeight(i)は、i番目のセンサデバイスのタイプを示すビットの値またはi番目のセンサデバイスおよびパーソナルエリアネットワークのタイプに基づいて構成される値を示し、SAR(i)は、i番目のセンサデバイスの全体的なチャネルアクセス成功レートを示すビットの値を示し、nは、パーソナルエリアネットワーク内のセンサデバイスの番号を示し、調整することはさらに、
    関数G(TypeWeight(1),BOR(1),TypeWeight(2),BOR(2),...,TypeWeight(n),BOR(n))に基づいてPAN全体にわたる最新のノードバッファ占有レート
    Figure 2014502115
    を計算することを含み、BOR(i)は、i番目のセンサデバイスの最新のノードバッファ占有レートを示すビットの値を示し、調整することはさらに、
    関数
    Figure 2014502115
    に基づいて調整パラメータ
    Figure 2014502115
    を計算することと、
    調整パラメータに基づいてアクティブ継続時間およびデューティサイクルを調整することとを含む、請求項9に記載の方法。
  12. 関数
    Figure 2014502115
    であり、KおよびLが実数である、請求項11に記載の方法。
  13. 関数
    Figure 2014502115
    であり、PおよびQが実数である、請求項11に記載の方法。
  14. 関数
    Figure 2014502115
    である、請求項11に記載の方法。
  15. 調整パラメータ
    Figure 2014502115
    の変化率に基づいてアクティブ継続時間およびデューティサイクルを調整することをさらに含み、変化率が次の等式:
    Figure 2014502115
    に基づいて計算され、
    Figure 2014502115
    が最新の
    Figure 2014502115
    を示し、
    Figure 2014502115
    が前の
    Figure 2014502115
    を示す、請求項11に記載の方法。
  16. パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法であって、
    パーソナルエリアネットワークのコーディネータに保証タイムスロット要求を送信することを含み、保証タイムスロット要求が、予約ビットによって示されるセンサデバイスのタイプに関する情報を含み、タイプがエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプである、方法。
  17. 情報が、保証タイムスロット要求コマンドフレームの保証タイムスロット特徴フィールド内の予約ビットによって示される、請求項16に記載の方法。
  18. パーソナルエリアネットワークにおける通信のための方法であって、
    センサデバイスから保証タイムスロット要求を受け取ることを含み、保証タイムスロット要求が予約ビットによって示されるセンサデバイスのタイプに関する情報を含み、タイプがエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプであり、この方法はさらに、
    センサデバイスのタイプを決定することと、
    スループット優先タイプのセンサデバイスにタイムスロットを優先的に割り当てることとを含む、方法。
  19. 割り当てることの前に、割り当てられる十分なスロットがあるかどうかを確認することをさらに含み、十分スロットがある場合、センサデバイスにスロットを割り当て、そうでない場合、スループット優先タイプのセンサデバイスからの保証タイムスロット要求が実現されるまで、エネルギー節減優先タイプのセンサデバイスからの保証タイムスロット要求を順に破棄する、請求項18に記載の方法。
  20. 予約ビットが保証タイムスロット要求コマンドフレームの保証タイムスロット特徴フィールドにある、請求項18に記載の方法。
  21. パーソナルエリアネットワークにおける通信のための装置であって、
    パーソナルエリアネットワークのコーディネータにセンサデバイスの結合情報を送信する手段を備え、結合情報が、予約ビットによって示され、センサデバイスのタイプ、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノードバッファ占有レートを含み、この装置はさらに、
    パーソナルエリアネットワークのコーディネータからセンサデバイスの通信の調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに関する情報を受け取る手段を備え、アクティブ継続時間およびデューティサイクルの調整が結合情報に基づいて決定され、この装置はさらに、
    調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに基づいてさらなる通信を実施する手段を備える、装置。
  22. パーソナルエリアネットワークにおける通信のための装置であって、
    センサデバイスから、予約ビットによって示され、センサデバイスのタイプ、全体的なチャネルアクセス成功レート、および最新のノードバッファ占有レートを含む結合情報を受け取る手段と、
    結合情報に基づいてセンサデバイスの通信のアクティブ継続時間およびデューティサイクルを調整する手段と、
    調整されたアクティブ継続時間およびデューティサイクルに関する情報をセンサデバイスに送信する手段とを備える、装置。
  23. パーソナルエリアネットワークにおける通信のための装置であって、
    パーソナルエリアネットワークのコーディネータに保証タイムスロット要求を送信する手段を備え、保証タイムスロット要求が、予約ビットによって示されるセンサデバイスのタイプに関する情報を含み、タイプがエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプである、装置。
  24. パーソナルエリアネットワークにおける通信のための装置であって、
    センサデバイスから保証タイムスロット要求を受け取る手段を備え、保証タイムスロット要求が予約ビットによって示されるセンサデバイスのタイプに関する情報を含み、タイプがエネルギー節減優先タイプまたはスループット優先タイプであり、この装置はさらに、
    センサデバイスのタイプを決定する手段と、
    スループット優先タイプのセンサデバイスにタイムスロットを優先的に割り当てる手段とを備える、装置。
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