JP2014517638A - 通信ネットワークにおけるデータキャッシング - Google Patents

Abstract

【解決手段】１又は複数の無線端末とそれぞれが無線通信を行うことが可能な複数の基地局と、通信可能に前記基地局と連結されたネットワークコアと、を含んで構成され、前記ネットワークコアは、前記基地局が端末から受信したデータを書き込み可能なデータキャッシュであって、前記ネットワークコアにスケジュールされていないときに当該ネットワークコアの外部のユーザがデータを当該データキャッシュに書き込み可能な方法で、当該ネットワークコアの外部からアクセス可能であるデータキャッシュと、前記基地局の動作を制御可能なネットワークコントローラと、を含んで構成され、前記ネットワークコントローラは、一又は複数の前記端末への前記データの前記送信のために基地局送信帯域を割り当てることによって、前記端末への前記データキャッシュ内に格納されたデータの伝送をスケジュールするよう構成された通信ネットワーク。
【選択図】図３

Description

本発明は、ネットワーク外部のユーザからのデータをネットワーク内で動作する１又は複数の無線端末に転送するための通信ネットワークに関する。

無線通信は、主に人間によって使用されるが、その中でマシンが他のマシンとの通信を使用者の入力なしに働きかけることがあるアプリケーションがある。例としては、１時間ごとにクライアントサーバーに対するアップデートを送信することがある電気メーター、従業員のポケットベルとリンクすることがある健康管理モニタリングシステム、及び自動車修復システムとリンクすることがある自動車センサーを含む。これらの例は、データが一マシンから他のマシンに、又は他のマシンによってそのデータが処理されるデータベースもしくはそれと類似のものに、転送される適用例の主だったものである。このようなデータ転送によって、引いては人間が利益を受けるが、それは一般的に無線送信自体によってではなく、マシンが既にそのデータを転送及び／又は処理したときにのみ人間が利益を受ける傾向にある。データはまた、「クライアントエンド」から遠隔マシンへ転送されうる。一例は、交通情報サービスを提供する会社から車内に搭載されたＧＰＳシステムに送信されるソフトウェア又は交通情報のアップデートである。これらのような通信は、「マシンツーマシン（Ｍ２Ｍ）」、「マシン通信（マシンコミュニケーション）」又は「マシンネットワーク」と称されることがある。

Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）及びＷｉ−Ｆｉ（登録商標）などのような従来のプロトコルは、近距離マシン通信を実現するための技術を提供する。一般的に、このような通信の範囲は、１００ｍほどである。しかし、多くのマシン通信アプリケーションは、長距離だけでなく移動するマシン（機械）に対処できる長距離ソリューションを要求する。例としては、自動車アプリケーションを含む。長距離アプリケーションは、全国的な（又は、世界規模の）無線通信に課金及びローミングのための準備がなされたインフラストラクチャを既に有する従来のセルラーネットワーク上で「ピギーバック」をされることが可能である。しかし、セルラーネットワークは、人間を必要とする通信に最適化されており、いくつかの観点においては、セルラーネットワークは、マシン通信の理想とはかけ離れている。その課題は以下を含む。
・カバレッジ（受信可能範囲）が完全ではなく、ビル内では特に完全ではない。
・マシンネットワーク内の端末は、長時間充電をせずに動作することができない、一週間より長い時間では問題が多い。
・セルラーネットワークは、ショートメッセージには合致せず、そのため、セルラーネットワークは、ほとんどのマシンアプリケーションにとって非効率である。
・セルラーネットワークの加入者として各端末を取扱うことで、ＳＩＭカード、拡張された課金システム、及びその他を含む費用が加算される。
・セルラーネットワークは、高データレートを提供する方向に、かつ、マシン通信に要求される機能性から離れるように移行している。

電磁スペクトルの有する混雑するという特性が、マシン通信用ネットワークの新しい形を確立する上での問題である。しかし、ネットワークに特に電磁スペクトルのどの部分も割り当てずに、そのネットワークを「ホワイトスペース」と呼ばれる中で動作させてもよい。「ホワイトスペース」は、地上波テレビ放送の中の及びその周辺の、スペクトルの未使用の部分を指す。一般的に、ホワイトスペースは、ＵＨＦ ＴＶ帯域の中に生じており、地域に応じて４５０ＭＨｚから８００ＭＨｚの範囲に広がっている。この周波数の範囲内において、膨大な量のスペクトルが、免許不要の又は適時的な（opportunistic）アクセスのために利用できるようになっている。

ホワイトスペースにおける動作についての一つの課題は、その利用可能な帯域が可変であり、そして保証できないことである。これらの制約は、マシン通信の性能に合致する。マシン通信は、一般的に、遅延、接続落ち、及び高遅延通信に強い。

ホワイトスペースにおける動作は、特定の挑戦（challenges）を提示する。ネットワークは、成功しそうであれば、その挑戦に取組むように明確に設計される必要がある。長距離マシン通信の提供が可能であれば、そのようなネットワークをまた、全国的に、又は国際的にも、配置する必要がある。もちろん、それは独自のマシンネットワークの設計及び配置をするためにマシン通信の実現を望む当事者にとっては一選択肢である。しかし、そのような事業は費用がかさみ、また、独自のネットワークを設置している個々のクライアントにとっては、結果としてカバレッジが重なるので非効率になる。それゆえ、クライアントが独自の端末及び／又は基地局を原則的に接続することが可能で、それによりクライアント個々の要求を各クライアントが独自のネットワークをそれぞれ持たなくとも満足できるような「バックボーン」を、クライアントに提供するよう構築されたマシンネットワークへの需要がある。

本発明の一実施形態では、１又は複数の無線端末とそれぞれが無線通信を行うことが可能な複数の基地局と、前記基地局と通信可能に連結されたネットワークコアと、を含んで構成され、前記ネットワークコアは、前記基地局が端末から受信したデータを書き込み可能なデータキャッシュであって、前記ネットワークコアにスケジュールされていないときに当該ネットワークコアの外部のユーザがデータを当該データキャッシュに書き込み可能な方法で、当該ネットワークコアの外部からアクセス可能であるデータキャッシュと、前記基地局の動作を制御可能なネットワークコントローラと、を含んで構成され、前記ネットワークコントローラは、１又は複数の前記端末へのデータ送信のために基地局送信帯域を割り当てることによって、前記端末への前記データキャッシュ内に格納されたデータの伝送をスケジュールするよう構成された、通信ネットワークを提供する。

前記ネットワークコントローラは、前記データキャッシュにデータを書き込む前記ユーザからの、利用可能な帯域のどの部分を前記データの送信に用いるべきかについてのインディケーションに従って、前記データキャッシュから前記１又は複数の端末へのデータ送信に送信帯域を割り当てるよう構成されてもよい。

前記ネットワークコントローラは、前記１又は複数の端末が所属する基地局に従って、前記データキャッシュから前記１又は複数の端末へのデータ送信に送信帯域を割り当てるよう構成されてもよい。

前記ネットワークコントローラは、前記１又は複数の端末が所属する前記基地局に関連する負荷に応じて、前記送信帯域を割り当てるよう構成されてもよい。

前記ネットワークコントローラは、前記複数の基地局のうち、前記１又は複数の端末が所属する前記基地局以外の他の基地局に関連する負荷と比較して、前記１又は複数の端末が所属する前記基地局に関連する負荷に応じて、前記送信帯域を割り当てるよう構成されてもよい。

前記データキャッシュは、前記ネットワークコアの外部のユーザによって当該データキャッシュに書き込まれた制御データを格納するよう構成され、前記通信ネットワークは、前記データキャッシュから前記１又は複数の端末へ前記制御データを伝送することにより、前記ネットワークコアの外部の前記ユーザによる前記１又は複数の端末の制御を容易にするよう構成されてもよい。

前記データキャッシュは、前記ネットワークコアによりスケジュールされていないときに前記ネットワークコアの外部のユーザが前記データキャッシュからデータを読み込み可能な方法で、前記ネットワークコアの外部からアクセス可能であってもよい。

前記ネットワークコアは、前記基地局が前記データキャッシュに端末から受信したデータを、当該データを受信した直後に、書き込み可能である一方、前記キャッシュコントローラによりスケジュールされたときに前記ネットワークコアの外部のユーザが当該データを読み込みだけ可能とする方法で、前記データキャッシュに対するアップデートをスケジュールするよう構成されたキャッシュコントローラを含んで構成されてもよい。

本発明の第２実施形態では、１又は複数の無線端末とそれぞれが無線通信可能な複数の基地局と、前記基地局と通信可能に連結されたネットワークコアと、を含んで構成され、前記ネットワークコアは、前記基地局が端末から受信したデータを書き込み可能なデータキャッシュであって、前記ネットワークコアによってスケジュールされていないときに当該ネットワークコアの外部のユーザが当該データキャッシュからデータを読み込み可能な方法で、前記ネットワークコアの外部からアクセス可能なデータキャッシュと、前記基地局が前記データキャッシュに端末から受信したデータを、当該データを受信した直後に、書き込み可能である一方、前記キャッシュコントローラによりスケジュールされたときに前記ネットワークコアの外部のユーザが当該データを読み込みだけ可能とする方法で、前記データキャッシュに対するアップデートをスケジュールするよう構成されたキャッシュコントローラと、を含んで構成された通信ネットワークを提供する。

前記キャッシュコントローラは、前記データが前記外部のユーザにより読み込み可能なときを当該データに関連する所定のアップデート周期（update frequency）に従ってスケジュールするよう構成されてもよい。

前記キャッシュコントローラは、前記データが前記外部のユーザにより読み込み可能なときを当該ユーザに関連する所定のアップデート周期に従ってスケジュールするよう構成されてもよい。

前記キャッシュコントローラは、前記基地局が前記データを前記データキャッシュに書き込むことと、当該データが前記外部ユーザによって読み込み可能となることとの間の遅延が発生するように、前記外部ユーザが前記データを読み込むことが可能であるときをスケジュールするよう構成されてもよい。

前記ネットワークは、認証ユニットを含んで構成されてもよく、前記キャッシュコントローラは、前記遅延中に、認証のために、前記認証ユニットに前記データを渡すよう構成されてもよい。

前記認証ユニットは、前記データを前記端末の１から組成されたデータとして認証するよう構成されてもよい。

前記通信ネットワークは、前記遅延中に前記データに関連する課金レコードを生成するよう構成された課金エンティティを含んで構成されてもよい。

前記通信ネットワークは、前記基地局の動作の制御が可能なネットワークコントローラであって、前記端末の１又は複数からの、前記複数の基地局のうち１の基地局への前記データの送信に基地局送信帯域を割り当てることにより前記データキャッシュに対するアップデートをスケジュールするよう構成されたネットワークコントローラを含んで構成されてもよい。

前記ネットワークコアは、前記基地局の動作の制御が可能なネットワークコントローラであって、前記１又は複数の端末によるスケジュールされていないデータの送信を受け入れる（accommodate）方法で、前記１又は複数の端末による送信に基地局送信帯域を割り当てるよう構成されたネットワークコントローラを含んで構成されてもよい。

前記ネットワークコントローラは、前記基地局の動作の制御が可能であり、マシンツーマシン通信用プロトコルに従って前記基地局を制御するよう構成されてもよい。

前記ネットワークコントローラは、前記基地局の動作の制御が可能であり、ウェイトレスプロトコル（Weightless protocol）に従って前記基地局を制御するよう構成されてもよい。

前記ネットワークコントローラは、前記基地局による送信用データを、各フレームの持続時間が少なくとも１秒である、一連のフレーム（フレーム形式）に変換する（format）よう構成されてもよい。

前記ネットワークコントローラは、前記基地局による送信用データを、各フレームが２秒の持続時間を有する一連のフレーム（フレーム形式）に変換するよう構成されてもよい。

前記ネットワークコアは、前記データキャッシュにアクセスしようと試みる、前記ネットワークコア外部の任意のユーザを、当該ユーザが前記データキャッシュに対してデータの読み込み及び／又は書き込みを行うことを許可する前に、認証するよう構成された認証ユニットを含んで構成されてもよい。

本発明のより良い理解のために、以下の図を例として参照する。

通信ネットワークにおける情報の流れの一例を示す。 通信ネットワークの機能層の一例を示す。 外部ユーザから１又は複数の端末へのデータの伝送プロセスの一例を示す。 １又は複数の端末から外部ユーザへのデータの伝送プロセスの一例を示す。 通信ネットワークの一例を示す。 コントローラ及び関連する無線装置の一例を示す。 通信フレームの一例を示す。

以下の記載は、当業者がそのシステムを作成し、利用することができるように開示され、特定の適用例に照らして提供される。記載された実施態様に対する様々な改良例が当業者に対して容易に明らかとなる。

本明細書で規定された一般原理は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、他の実施形態及び適用例に適用されてもよい。従って、本発明は、示された実施形態に限定されることを意図したものではなく、本明細書に開示された原理及び特徴と矛盾しない最も広い範囲に認められるものである。

通信ネットワークは、１又は複数の無線端末とそれぞれが無線通信可能な複数の基地局を含んで構成されてもよい。そのネットワークはまた、前記基地局と通信可能に連結されたネットワークコアを含んで構成されてもよい。そのネットワークコアは、基地局が端末から受信したデータを書き込み可能であるデータキャッシュを含んで構成されてもよい。外部ユーザは、それと同一のデータキャッシュに書き込み可能であってもよい。ネットワークコアは、好ましくは、外部ユーザとその関連する端末との間のデータキャッシュを介してのデータ交換を容易にするよう構成される。

そのデータキャッシュは、ネットワークコアによりスケジュールされていないときにそのネットワークコアの外部のユーザがデータキャッシュに対してデータを読み込み及び／又は書き込みが可能な方法で、ネットワークコアの外部から適切にアクセス可能である。データキャッシュは、外部ユーザによる要求があり次第、アクセス可能となってもよい。データキャッシュは、基地局に対して持続的にアクセス可能であってもよい。データキャッシュは、バッファリング機能を実現してもよく、そうして、データが端末に伝送されるか、又は、外部ユーザに利用可能とされるかのどちらかをなされる前に、データを格納可能及びネットワークコアによる処理可能としてもよい。輻輳が生じたときに、データキャッシュのバッファリング性能は、例えば、高いサービス品質要求があるデータなどの特定データの端末への伝送の優先割当に用いられることができる。それはまた、トラフィックを、送信が予測されるトラフィック量又は種類の合意前に（例えば、ネットワーク上での、以前合意した量より、より多量のデータの転送を望むことにより、その結果、ネットワークは、予測しない負荷を処理せねばならない）、侵入する外部ユーザ又は端末を受け入れるよう適合させることを可能とする。

データキャッシュは、本質的に、外部ユーザとその関連する端末間のリンクにおけるブレーク（中断部 break）として動作する。そこでは、エンドツーエンド接続はされない。あるいは、両方の側が、データキャッシュ内にデータの書き込み及び／又は読み込みが可能であり、そのデータキャッシュは、両方の集団に対して、「ポストボックス（post box）」（又はバッファ）の一種として動作する。ネットワークは、外部ユーザ（「クライアント」とも呼ばれる）と端末との間のインターフェイスとして管理インターフェイスを提供してもよい。その管理インターフェイスは、外部ユーザにユーザと端末との間の直接的な接続があると思われるようにしてもよい。

ネットワークは、基地局の動作を制御可能なネットワークコントローラを含んで構成されてもよい。基地局は、比較的単純な装置であってもよい。ネットワークコントローラは、１又は複数の前記端末への前記データの送信に基地局送信帯域を割り当てることによって、前記端末への前記データキャッシュ内に格納されたデータの伝送をスケジュールするよう適切に構成される。そのネットワークコントローラと類似の、又は異なるコントローラであってもよい他のコントローラは、基地局がデータキャッシュに端末から受信したデータを、そのデータを受信した直後に書き込み可能である一方、そのコントローラによりスケジュールされたときにネットワークコアの外部のユーザがそのデータを読み込みだけ可能である方法で、データキャッシュに対するアップデートをスケジュールするよう構成されてもよい。基地局からネットワークコアへの、及びネットワークコア内での一つの論理要素から他の論理要素への、データの転送において予測される遅延を超えるいかなる遅延なしにデータがデータキャッシュに書き込まれうる場合には、データはデータキャッシュにすぐに書き込まれることが考慮されてもよい。

そのデータキャッシュは、クライアントの要求とホワイトスペースにおける通信を対応させることを容易とする。ホワイトスペース内では、帯域は可変であり保証されない。データキャッシュにより、外部ユーザは都合のよいときはいつでもデータをそのキャッシュに書き込むことができる。データは、例えば、ソフトウェアアップデート、又は、スリープモードへの変更指示もしくはより多いかより少ない頻度での報告指示などの動作コマンド等を含んでもよい。

データキャッシュは、外部ユーザに、端末に接続してその端末を直接コマンドする表示（impression）を提供する。その後、ネットワークコアは、端末に送信されるデータを、利用可能帯域、ネットワーク上の現在の負荷等を考慮して適切なときにスケジュールしてもよい。しかし、クライアントは、これらの専門事項に関与する必要はない。データキャッシュから１又は複数の端末への制御データの伝送により、ネットワークコアは、ネットワークコアの外部のユーザによる１又は複数の端末の制御を容易にすることができる。

データキャッシュはまた、ネットワークコアによって、端末からのデータの必要な処理を容易にすることができる。ネットワークがエンドツーエンド通信を実行しないので、この処理が要求される。これは、大抵の通信ネットワークで用いられるエンドツーエンド認証は、適切ではないことを意味する。あるいは、ネットワークは、端末及び外部ユーザがいつでも自由にネットワークコア上にデータをプッシュできるモデルを実現するよう設計されてもよい。ネットワークコアは、そのデータが認証されたものであるか否か及びユーザがそのデータに関連する課金がなされる（請求が発行される）べきであるかの判定だけを後に行ってもよい。ネットワークは、必要な処理に対して時間を提供するようにデータを比較的長フレーム（例えば、１秒以上長く続く）内に構築するよう構成されてもよい。

本発明の一実施形態に係る通信ネットワークにおける高レベルでの情報の流れを図１に示す。情報の流れを、マシン通信用のウェイトレス（Weightless）プロトコルを実行するネットワークを参照して、一例として示す。この図は、マシン通信可能な組込モジュールに読み出し値を渡す端末（この例示においてはスマートメーターである）を示す。そのモジュールは、読み出し値を符号化し、それを無線インターフェイス上で基地局に送信する。その基地局は、それをコアネットワークに転送する。そこで、データはデータキャッシュ内に格納され、そして、そのデータは、クライアントのＩＴシステムと同期される前に処理されてもよい。

端末とクライアントの間の多くの通信は、図１に示した方向に流れることが予測されている。しかし、データは、同様に他の方向に流れてもよく、そうして、クライアントのデータがクライアントから端末へ転送されることを可能とする。クライアントのデータはまた、ネットワークコアから端末への行程でデータキャッシュに格納され、そうして、基地局からスケジュールされた送信スロットを待つ間にクライアントのデータがバッファされることを可能とする。

ネットワークの異なる機能層がどのように動作しうるかの一例を示す機能層図を図２に示す。最も高いレベルで、データキャッシュ及びクライアントのＩＴシステムは、そのクライアントに固有でありえる層を用いて通信する。これは、クライアントがデータキャッシュにデータの読み込み及び書き込みをする管理インターフェイスにより達成されてもよい。そうすることにより、クライアントは、端末からのデータを引出し、及び端末へのデータの書き込みが可能である。その層より下層で、端末のアプリケーション層は、データキャッシュの中でアプリケーション層と通信してもよい。これは、アプリケーションの特定のコーディングが実行されることを可能とする。端末は、無線で通信する。その無線は、基地局と通信するためにＭＡＣやＰＨＹ層を用いる。基地局は、フレームレベル情報をデータキャッシュに送る。

図３は、外部ユーザから１又は複数の端末へのデータ伝送プロセスの一例を示す。このプロセスは、ステップ３０１で開始される。ステップ３０２で、外部ユーザは、管理インターフェイスにアクセスし、端末へと通信されるデータを書き込む。データは、例えば、ソフトウェアアップデート、報告頻度の変更コマンド又はネットワークへデータを転送する前に端末でデータをバッファさせるコマンド等を含んでもよい。外部ユーザは、データ転送先の特定の端末を識別してもよい。外部ユーザはまた、データを端末に伝送するときに伝送帯域のどの部分をネットワークが使用すべきかのインディケーションを管理インターフェイス内に入力してもよい。このインディケーションは、例えば、サービス品質要求（ＱｏＳ要求）、データが端末により受信されなければいけない最大制限時間、又は超過すべきでない課金限度を含んでもよい。ステップ３０３で、外部ユーザが入力したデータは、データキャッシュに書き込まれる。このプロセスは、キャッシュコントローラの制御の下で実行される。ステップ３０４で、ネットワークコントローラは、ネットワークコアから１又は複数の端末へのデータの送信をスケジュールする。ホワイトスペースを用いるネットワークにはスペクトルのどの特定の部分も割り当てられないので、そのようなネットワークにおいてこのスケジューリングは重要である。これは、帯域が制限され、可変であって、そのスペクトルの同一部分で動作する他の装置を避けて送信を適合させなければならないことを意味する。ネットワークコントローラは、データを伝送する帯域を、その帯域の可用性と、外部ユーザが利用可能な帯域のどの部分をデータの送信に使用すべきであるかについて与えた任意のインディケーションとの両方に従って、割り当ててもよい。データキャッシュを使用することは、ネットワークコアに、そのスケジュールされたスロットまでにデータをバッファする性能を与える。ステップ３０５で、基地局は、スケジュールに従ってデータを送信する。このプロセスは、ステップ３０６で終了する。

図４は、１又は複数の端末から外部ユーザへのデータ転送プロセスの一例を示す。このプロセスは、ステップ４０１で開始される。ステップ４０２で、データは、１又は複数の端末によって基地局へ送信される。端末は、送信を行う前に、外部ユーザから受信した指示に従ってもよい。例えば、端末は、いつ、何を送信するか、及びいかなる送信手段を介して（例えば、競合アクセス／割り当てアクセスを介して）送信するかについて予め指示されてもよい。データは、例えば、メーターの示度、センサーアップデート、アラート条件の通知、又はデータ／制御の入力に対する外部ユーザからの要求を含むことができる。データは、送信される前に、端末によりバッファされてもよい。これは、外部ユーザが端末に第１の時間間隔毎（例えば、１０分毎）にメーターの示度を取得すること、第２の時間間隔毎（例えば、１時間毎）にメーターの示度を一斉に収集し、それらを送信することの指示を可能とする。端末は、通常、それらのデータを、基地局によってその端末に既に割り当てられたタイムスロットの中で送信する。しかし、割り当てられない送信もまた、競合アクセスを介して可能である。ステップ４０３で、キャッシュコントローラは、受信したデータをデータキャッシュに書き込む。これは、データがネットワークコアに受信されたらすぐに起こる。しかし、データは、管理インターフェイスを介して、直ちに外部ユーザに利用可能にはされない。あるいは、データは、認証及び／又は課金を含め、処理されてもよい（ステップ４０４）。キャッシュコントローラはまた、外部ユーザに利用可能なデータを、そのユーザ及び／又はアップデートされるデータに関連する所定のアップデート周期に従ってアップデートさせてもよい。例えば、特定のユーザは、端末からのメーター示度のアップデートが１２時間毎になされるように、但しアラートメッセージが端末の１つから受信された場合（例えば、送電停止（停電 power cut）を指し示すもの）には、１０分以内に知らされる必要があると要求してもよい。ステップ４０５で、キャッシュコントローラは、データを外部ユーザに利用可能にする。その後、外部ユーザは、管理インターフェイスを介してデータを読み込むことができる。これらのプロセスは、ステップ４０６で終了する。

無線ネットワークの一例を図５に示す。ネットワークは、それぞれが多数の端末５０６と無線通信可能な、１又は複数の基地局５０５を含んで構成される。それぞれの基地局は、特定の地理的領域又はセル内に位置する端末と通信するよう取り決められてもよい。その基地局は、それらの端末からの無線信号を送受信する。端末は、マシン内又は基地局と通信するこれと類似のもの内に組み込まれた適切なエンティティである。適宜、無線ネットワークは、基地局がマスタで端末がスレーブである、マスタ・スレーブモードで動作するよう取り決められる。

基地局コントローラ５０７は、１又は複数の基地局を制御してもよい。その基地局コントローラは、複数の基地局用の通信のシングルポイント（single point of communication）を提供し、要求に応じて他のネットワーク要素に受信した情報を配信してもよい。つまり、そのネットワークは、多対１通信モデルをベースとしたネットワークでもよい。コアネットワーク５０１は、インターネット５０２を介して、クライアントと直面する部分（client-facing portion）５０４と通信するよう取り決められてもよい。このようにして、クライアントは、無線ネットワークを介して端末にサービスを提供してもよい。

この例で示されている他の論理ネットワーク要素は、以下の通りである。
・コアネットワーク５０１。これは、基地局とクライアントネットワークの間のトラフィック情報をルーティングする。
・データキャッシュ５１３。端末とクライアントネットワークとの間で送信されたトラフィックは、データキャッシュを介して、ルートを決められる（ルーティングされる）。
・キャッシュコントローラ５１６。データキャッシュを、クライアント及び基地局からの上りデータを格納するよう制御する。データがクライアントに対し、クライアント情報ポータルを介してアクセス可能となったときに制御する。暗号化システム及び課金システムにデータを渡す。
・課金システム５１０。これは、利用度数を記録し、適切な課金データを生成する。
・暗号化システム５１１。このシステムは、端末及び基地局の認証情報を保持する。それは、クライアントから受信したデータを暗号化し、端末から受信したデータを認証し、暗号復元する。暗号化システムはまた、これを利用可能とする鍵も保持する。
・位置レジスタ５１６。これは、直近に知得した端末の位置を保持する。
・ブロードキャストレジスタ５１４。これは、グループメンバーシップについての情報を保持し、ブロードキャストメッセージに対する受信通知を格納及び処理するのに用いられることができる。
・オペレーション・メンテナンスセンタ（ＯＭＣ）５０９。これは、ネットワークの機能を監視（モニタ）し、エラーが検出されたときにアラームを発する。それはまた、周波数計画及びコード計画、負荷分散、及び他のネットワークの運用面を管理する。
・ホワイトスペースデータベース５１５。これは、利用可能なホワイトスペーススペクトルの情報を提供する。
・クライアント情報ポータル５０８。これは、クライアントが、関連する端末の状態、トラフィックレベル等のデータを判定することができる管理インターフェイスを提供する。情報は、クライアントに、例えば、上りデータ及び下りデータなどを含む、一連の報告として、適切に表示される。

実際に、論理ネットワーク要素の多くが、ソフトウェアを動作させるデータベースとして実現されてもよく、そして、プラットフォームの広範囲に提供され得る。多くのネットワーク要素は、同一プラットフォーム内に物理的に配置されてもよい。

多くの通信ネットワークは、データ転送の実行を許可する前にユーザを認証する。これはまた、図５に示した、外部ユーザとネットワークコアとの間のリンクに関するネットワークに対応する事例である。このリンクは、常に作動状態であるわけではない。それは、外部ユーザから要求があり次第、作動する。外部ユーザは、「ログオン」できるかの認証の詳細を管理インターフェイスに提供して、データキャッシュにアクセスする必要があってもよい。そのリンクは、適宜、ＳＳＬリンクのような、安全なインターネットベースの接続である。基地局とコアネットワークとの間のリンクは、ネットワークコアへのデータ転送が許可される前に基地局も端末もが認証されていないという点で異なる。あるいは、データは、データキャッシュの中に単純に置かれ、その後認証される。これは、端末と外部ユーザとの間にエンドツーエンド接続がないので、ネットワークがほとんどの通信ネットワークの適時性の制約を前提としておらず、実際上、実現可能である。基地局とネットワークコア間のリンクは、また、インターネットベースの接続であってもよいが、好ましくは、外部ユーザとネットワークコア間のリンクより安全である。適宜、このリンクは、常に作動状態である。

外部ユーザに誤ったデータを受信させるために、又はそのユーザに送信されていないデータに対する請求をするために、危険なメッセージ（rogue messages）がネットワーク内に悪意をもって注入されうる危険性がある。基地局からネットワークコアへのリンクはとても安全で、このため、侵入するのが困難であるので、また、基地局は、ネットワークコアを動作させる同一エンティティにより提供がされないもしくは操作されない必要があるので、危険なメッセージが最も注入されうるのは基地局経由である（以下に詳述するように、基地局は、基地局コントローラの制御下で動作する比較的単純な装置でもよい）。ネットワークコアは、適宜、基地局を信頼しないよう構成される。

端末によりネットワークコアに渡されるデータは、好ましくは、データが課金されるか外部ユーザに利用可能とされる前に、その端末から組成されているものとして認証される。これには、二つの理由がある。一つ目は、基地局で悪意のある理由で注入されたいずれかのデータを、そのデータが外部ユーザに渡される前に、識別するためである。二つ目は、外部ユーザが、危険にさらされた基地局内に注入された、いずれの危険なメッセージに対しても請求されないことを保証するためである。

その認証は、端末及びネットワークコアに保持された、双方で承認した１組の鍵により達成されてもよい。その鍵は、例えば、ＳＩＭカード又は端末内部に含んで構成されたそれと類似のものの中、などのように、端末内部にハードウェアにより実現されてもよい。その後、端末は、その鍵を用いて端末のメッセージに署名する。そうして、ネットワークコアがその鍵とそれ自体の鍵とを照合させることができる。端末に送信されるメッセージが特に短い場合には、メッセージの署名部は、データ部より重くてもよい。それゆえ、ネットワークコアは、個別にではなく１グループとして署名されたメッセージを受け入れるように構成されてもよい。キャッシュコントローラは、署名を受信するまでは、いずれかの非署名メッセージにそれらのメッセージが信用できないこと（及び、それゆえに、課金されない／外部ユーザに渡されないこと）を示すフラグを付けてもよい。端末がメッセージの全てに、又は、メッセージグループだけに署名するかについての決定は、外部ユーザによってなされ、管理インターフェイスを介して制御されてもよい。しかし、その他の点に関しては、署名プロセスは、好ましくは外部ユーザに対し不可視である。

端末がメッセージ個々にサインするのではなくメッセージグループに署名するよう取り決められている場合、外部ユーザは、ネットワークが非認証データを、そのデータの源が検証される（ベリファイされる）前にその端末に渡すように指示してもよい。外部ユーザは、例えば、ネットワークコアが署名を含んで構成されたメッセージの受信を待っている間に遅延したデータへのアクセスを望まない場合などは、このオプションを選択してもよい。管理インターフェイスは、データが、端末から発生したものであると称された端末から生じたものであると認証されていないことに、ユーザが気がつくように、そのようなデータを「非検証（ベリファイされていない）」又は「認証されていない」ものであるとしてマーク（フラグ）をつけてもよい。

メッセージの中に挿入される「署名」は、当該技術分野で知られた一対の鍵の種々のアレンジメントの一つにより形成された署名に限定されない。この用語は、端末により送信されたデータの中に、そのデータの出所を検証するために、適切に組入れられることができる任意のデータを含むよう意図するものである。

課金システムは、ネットワーク上で外部ユーザのために転送されたデータの量に従って、その外部ユーザに請求してもよい。ユーザは、また、所望のサービス品質、それらのデータの送信に用いられる基地局に関連する負荷（より負荷の軽い基地局の使用を奨励するために）、並びに、それらの端末により使用された競合アクセススロット及び割り当てられたアクセススロットの関連部分に従って、請求されてもよい。

ネットワークコアは、基地局の動作を制御するためのコントローラを含んでもよい。そのコントローラは、従前より「ネットワークコントローラ」と呼ばれる機能を実行してもよい。各コントローラは、通信ネットワーク上でデータの送受信をする１又は複数の無線装置を制御するよう構成されてもよい。そのコントローラは、図５において５０７で示した「基地局コントローラ」と同等なものであってもよい。その無線装置は、５０５で示した「基地局」と類似のものであってもよい。

その基地局コントローラは、ネットワーク上で送信されるデータを一連のフレーム（フレーム形式）に変換（format）してもよい。基地局コントローラは、ネットワーク上の通信のために、基地局に各フレームを渡してもよい。その効果として、基地局は、単に、プリフォーマットされた、送信用フレームを供給されてもよい。それゆえ、その基地局は、プリフォーマットされた情報フレームを取り出すとともにそれらを送信する比較的単純な装置であってもよい。従って、基地局は、クライアントによって、彼らが興味のある特定の地理的領域をカバーするように配置されることができる。そのコントローラは、コアネットワークにより提供され、無線通信データの技術要求の大半を実行できる。クライアントは、彼らが希望するカバレッジのいかなる場所でも、ネットワークコアに彼ら自身の単純な基地局を接続することができる。

コントローラの構造の一例を、それらと関連する無線装置とともに図６に示す。そのコントローラ（又はその少なくとも一部）は、６０１として示されている。コントローラは、ネットワーク層６０３及び、制御層６０４を含んで構成され、その双方ともがソフトウェアで実現される。制御層は、ネットワーク上で送信されるデータをフレームに変更するよう構成される。そのフレームは、適宜、全体的なフレームであり、制御及びヘッダ情報を含んでいる。その後、これらのフレームは、例えば、イーサネット（登録商標）接続等を介して、無線装置６０２に渡されてもよい。その無線装置は、ＭＡＣ６０７に変更されたデータを提供するための組み込まれたファームウェア６０６のシンレイヤーと、無線インターフェイス上の信号送信用の物理層６０８とを含んで構成される。本実施形態において、無線装置は基地局に相当すると考えられ、一方コントローラは基地局コントローラに相当すると考えられる。

図６に示した配列は、データプレーン及びコントロールプレーンが二つの非常に離れたインターフェイスとして処理される一般的なモデムアーキテクチャと異なる。一般的なモデムは、組み込まれたファームウェア内に多くの知能（インテリジェンス intelligence）を有する。この知能を制御層の中に移動させることにより、ファームウェアをプログラムするのに用いられたものよりも高いレベルのプログラミング言語で制御層を実現することが可能であるので、ソフトウェアのプログラミング及びデバックのプロセスは非常に簡略化される。また、物理層から通信機能の多くを取り出すことにより、強化されたテストを行うことが可能となる。最終的に、より多くの知能をソフトウェアに移動させることにより、コントローラを異なる物理装置へ簡単に移すことができる。本質的には、その結果として生じるものは、無線インターフェイス上での信号の送受信により、単純な物理装置がありきたりの意味で「基地局」として動作できるアーキテクチャである。「基地局」の動作は、一の処理装置から他の処理装置へ容易に移すことのできるソフトウェアとして実現されうるコントローラによって制御される。

「ファームウェア」と「ソフトウェア」との間の厳格な境界はない。しかし、ファームウェアは、概して、基盤ハードウェアに対する変更をせずには変更できないソフトウェアであると考えられている。ファームウェアは、一般的に、基本的に低レベルの動作を実行するのに用いられている。この用語は、しばしば、高レベルな「ソフトウェア」と対比して用いられ、そのソフトウェアは、いかなるハードウェアの構成要素も変更せずに変更することができる。

そのコントローラは、仮想マシンとして実現されてもよい。例えば、図６に示した通信プロセスを制御する装置の一部は、ＰＣによって実現されてもよい。このＰＣは、フレームをつくるための処理要素として動作しうる。無線機は、モデムによって実現されてもよい。ＰＣは、イーサネット（登録商標）接続でモデムと接続されてもよい。コントローラは、ＰＣ上で動作する仮想マシンとして実現されてもよい。その結果、マシンの特定の物理特性に適合させることなしにコントローラを新しいマシンに移動させることができる。コントローラは、ドットネットフレームワーク（.NET Framework）を用いて、適切に実現されるが、いかなる高レベル言語及び開発環境も用いることが可能である。

コントローラは、必要に応じて、そのコントローラが無線装置から受信したデータの一部又は全てを、さらなる処理のためのコンピューティングクラウドに渡すよう構成されてもよい。そのコンピューティングクラウドは、図５に示した論理ネットワーク要素５０３，５０８及び５０９−５１６のいずれか又は全てを実現してもよい。コントローラは、そのクラウドをコンピュテーション、ソフトウェア、データアクセス、及びデータストレージサービスのいずれか又は全てに用いてもよい。コントローラは、パブリッククラウド、コミュニティクラウド、プライベートクラウド、又はそれらの組み合せを用いてもよい。「クラウド」は、適宜、通信ネットワークのコアの中に含んで構成されたサーバ集団によって提供されてもよい。クラウドを用いると、それがコントローラにそれ自体の性能を超えて広がっているコンピューティング・サービスへのアクセスを与えることができるので有利である。これにより、コントローラをＰＣなどのような広範囲に利用可能な及び安価な処理装置で実現することが可能である。クラウドコンピューティングを介して処理の一部又は全てを実行することは、時として追加の、しばしばランダムな、遅延を発生させる。従って、フレームレートを低下させ、メッセージの受信とその応答との間に十分な長さのギャップを生じさせて、コントローラにクラウドコンピューティングの利用に必要な柔軟性を与えることが好ましい。

コントローラは、基地局がネットワーク内で端末からメッセージを受信してから基地局がそのメッセージに応答するまでの間に、受信したメッセージを処理し（例えば、認証すること及び／又は課金することなどを含む）、応答を生成し、基地局による送信用フレームにその応答を変換する時間を生むのに十分な低フレームレートで一連のフレームを通信するように、基地局を適宜制御する。これは、コントローラが、基地局によるネットワーク上のデータ受信と基地局のそのデータへの応答の送信との間に常に少なくとも１秒の遅延があるように、基地局を制御することにより成し遂げられてもよい。

マシンツーマシン通信のためにホワイトスペースで動作するよう設計されたネットワーク用フレームは、とりわけ長くてもよい。各フレームは、適宜、少なくとも１秒の持続時間を有する。一つの例において、フレームは、それぞれ２秒長であってもよい。これにより、ダウンリンク上で２秒ごとの周波数ホッピング（１分毎に３０ホップ）が可能になる。周波数ホッピングシーケンスは、近傍の基地局が同一周波数で送信している瞬間を最小化するようにその近傍の基地局上で調整されてもよい。一つの簡単なオプションは、各基地局がシーケンスに対して異なるオフセットを適用し、そうしてその各々のシーケンスを他の基地局と異なる周波数で開始して、基地局が利用できる周波数のグループを昇順か降順のどちらかで利用することである。

フレームが２秒長であるところでは、メッセージの受信と応答の送信との間に少なくとも１フレームのギャップを残すことにより、受信と応答との間の遅延が少なくとも２秒まで増加してもよい。

一実施形態において、ネットワークは、媒体アクセス制御（ＭＡＣ）を用いて、複数の端末間で同一の無線リソースを共有してもよい。適切なフレーム構造の一例を図７に示す。フレーム（全体として７０１と示す）は、完全な出力までのランプアップ時間７０２（Ｔ＿ＩＦＳ）、同期バースト７０３（ＤＬ＿ＳＹＮＣ）、後続のチャネル構造を提供する情報領域７０４（ＤＬ＿ＦＣＨ）、いずれの情報がいずれかの端末を対象としているかを示すマップ７０５（ＤＬ＿ＭＡＰ）、従前のアップリンク送信の受信通知を許可する領域７０６（ＤＬ＿ＡＣＫ）、そして、その後に、端末に送られることとなる実情報７０７（ＤＬ＿ＡＬＬＯＣ）を含んで構成される。そして、ダウンリンクのランプダウン及びアップリンクのランプアップ用のガード期間７０８（Ｔ＿ＳＷ）があり、それに続き、アップリンク競合アクセス用に確保されたチャネル７０９（ＵＬ＿ＣＡ）と並んで設けられた、割り当てられたアップリンクデータ送信７１０（ＵＬ＿ＡＬＬＯＣ）がある。

各フレームは、端末にネットワークの機能及びフレームの配列などの情報を伝える、ＤＬ＿ＳＹＮＣ，ＤＬ＿ＦＣＨ，ＤＬ＿ＭＡＰ及びＤＬ＿ＡＣＫなどの制御領域と、基地局と端末間で実情報を転送するのに用いられる、ＤＬ＿ＡＬＬＯＣ，ＵＬ＿ＡＬＬＯＣ及びＵＬ＿ＣＡなどのデータ領域とに大別されてもよい。

本発明の１又は複数の異なる実施形態を参照する上記のネットワークは、マシン通信用のバックボーンを提供する。外部ユーザは、そのネットワークを用いて、端末からデータをアップロード及びダウンロードし、並びに、その端末の動作を制御することが可能である。ネットワークは、ホワイトスペースを用いるように適宜構成され、それにより、周波数スペクトルの特定部分を割り当てられることなく動作することが可能である。以上、ネットワークをウェイトレスプロトコル（Weightless protocol）を参照して説明したが、これは、単に例示を目的とし、本発明をいずれかの特定の通信プロトコルに制限するものではない。

本開示により、出願人は、本明細書に記載された特徴を個々に分離してそれぞれについて及びその特徴の二以上の任意の組み合わせについて、その特徴又は特徴の組み合わせが本明細書に記載されたいずれかの課題を解決するかに関わらず、当業者の共有する通常の知識に照らし本明細書の全体に基づいてその特徴又は組み合わせが実行可能な範囲で、かつ、特許請求の範囲を限定することなく、開示するものである。出願人は、本発明の態様がそのような任意の特徴又は特徴の組み合わせから構成されてもよいことを示す。上述の記載に照らせば、種々の改良例が本発明の範囲で創作できることは当業者には明らかである。

Claims (23)

1. １又は複数の無線端末とそれぞれが無線通信を行うことが可能な複数の基地局と、
   前記基地局と通信可能に連結されたネットワークコアと、
   を含んで構成され、
   前記ネットワークコアは、
   前記基地局が端末から受信したデータを書き込み可能なデータキャッシュであって、前記ネットワークコアにスケジュールされていないときに当該ネットワークコアの外部のユーザがデータを当該データキャッシュに書き込み可能な方法で、当該ネットワークコアの外部からアクセス可能であるデータキャッシュと、
   前記基地局の動作を制御可能なネットワークコントローラと、
   を含んで構成され、
   前記ネットワークコントローラは、１又は複数の前記端末へのデータ送信のために基地局送信帯域を割り当てることによって、前記端末への前記データキャッシュ内に格納されたデータの伝送をスケジュールするよう構成された通信ネットワーク。
2. 前記ネットワークコントローラは、前記データキャッシュにデータを書き込む前記ユーザからの、利用可能な帯域のどの部分を前記データの送信に用いるべきかについてのインディケーションに従って、前記データキャッシュから前記１又は複数の端末へのデータ送信に送信帯域を割り当てるよう構成された請求項１に記載の通信ネットワーク。
3. 前記ネットワークコントローラは、前記１又は複数の端末が所属する基地局に従って、前記データキャッシュから前記１又は複数の端末へのデータ送信に送信帯域を割り当てるよう構成された請求項１又は請求項２に記載の通信ネットワーク。
4. 前記ネットワークコントローラは、前記１又は複数の端末が所属する前記基地局に関連する負荷に応じて、前記送信帯域を割り当てるよう構成された請求項３に記載の通信ネットワーク。
5. 前記複数の基地局のうち、前記１又は複数の端末が所属する前記基地局以外の他の基地局に関連する負荷と比較して、前記１又は複数の端末が所属する前記基地局に関連する負荷に応じて、前記送信帯域を割り当てるよう構成された請求項４に記載の通信ネットワーク。
6. 前記データキャッシュは、前記ネットワークコアの外部のユーザによって当該データキャッシュに書き込まれた制御データを格納するよう構成され、
   前記通信ネットワークは、前記データキャッシュから前記１又は複数の端末へ前記制御データを伝送することにより、前記ネットワークコアの外部の前記ユーザによる前記１又は複数の端末の制御を容易にするよう構成された請求項１〜５のいずれか１つに記載の通信ネットワーク。
7. 前記データキャッシュは、前記ネットワークコアによりスケジュールされていないときに前記ネットワークコアの外部のユーザが前記データキャッシュからデータを読み込み可能な方法で、前記ネットワークコアの外部からアクセス可能である請求項１〜６のいずれか１つに記載の通信ネットワーク。
8. 前記ネットワークコアは、前記基地局が前記データキャッシュに端末から受信したデータを、当該データを受信した直後に、書き込み可能である一方、前記キャッシュコントローラによりスケジュールされたときに前記ネットワークコアの外部のユーザが当該データを読み込みだけ可能とする方法で、前記データキャッシュに対するアップデートをスケジュールするよう構成されたキャッシュコントローラを含んで構成された請求項１〜７のいずれか１つに記載の通信ネットワーク。
9. １又は複数の無線端末とそれぞれが無線通信を行うことが可能な複数の基地局と、
   前記基地局と通信可能に連結されたネットワークコアと、
   を含んで構成され、
   前記ネットワークコアは、
   前記基地局が端末から受信したデータを書き込み可能なデータキャッシュであって、前記ネットワークコアによってスケジュールされていないときに当該ネットワークコアの外部のユーザが当該データキャッシュからデータを読み込み可能な方法で、前記ネットワークコアの外部からアクセス可能なデータキャッシュと、
   前記基地局が前記データキャッシュに端末から受信したデータを、当該データを受信した直後に、書き込み可能である一方、前記キャッシュコントローラによりスケジュールされたときに前記ネットワークコアの外部のユーザが当該データを読み込みだけ可能とする方法で、前記データキャッシュに対するアップデートをスケジュールするよう構成されたキャッシュコントローラと、
   を含んで構成された通信ネットワーク。
10. 前記キャッシュコントローラは、前記データが前記外部のユーザにより読み込み可能なときを当該データに関連する所定のアップデート周期に従ってスケジュールするよう構成された請求項８又は請求項９に記載の通信ネットワーク。
11. 前記キャッシュコントローラは、前記データが前記外部のユーザにより読み込み可能なときを当該ユーザに関連する所定のアップデート周期に従ってスケジュールするよう構成された請求項８〜１０のいずれか１つに記載の通信ネットワーク。
12. 前記キャッシュコントローラは、前記基地局が前記データを前記データキャッシュに書き込むことと、当該データが前記外部ユーザによって読み込み可能となることとの間の遅延が発生するように、前記外部ユーザが前記データを読み込むことが可能であるときをスケジュールするよう構成された請求項８〜１１のいずれか１つに記載の通信ネットワーク。
13. 前記ネットワークは、認証ユニットを含んで構成され、前記キャッシュコントローラは、前記遅延中に、認証のために、前記認証ユニットに前記データを渡すよう構成された請求項１２に記載の通信ネットワーク。
14. 前記認証ユニットは、前記データを前記端末の１から組成されたデータとして認証するよう構成された請求項１３に記載の通信ネットワーク。
15. 前記通信ネットワークは、前記遅延中に前記データに関連する課金レコードを生成するよう構成された課金エンティティを含んで構成された請求項１２〜１４のいずれか１つに記載の通信ネットワーク。
16. 前記通信ネットワークは、前記基地局の動作の制御が可能なネットワークコントローラであって、前記端末の１又は複数からの、前記複数の基地局のうち１の基地局への前記データの送信に基地局送信帯域を割り当てることにより前記データキャッシュに対するアップデートをスケジュールするよう構成されたネットワークコントローラを含んで構成された請求項９〜１５のいずれか１つに記載の通信ネットワーク。
17. 前記ネットワークコアは、前記基地局の動作の制御が可能なネットワークコントローラであって、前記１又は複数の端末によるスケジュールされていないデータの送信を受け入れる方法で、前記１又は複数の端末による送信に基地局送信帯域を割り当てるよう構成されたネットワークコントローラを含んで構成された請求項９〜１６のいずれか１つに記載の通信ネットワーク。
18. 前記ネットワークコントローラは、前記基地局の動作の制御が可能であり、マシンツーマシン通信用プロトコルに従って前記基地局を制御するよう構成された請求項１〜８又は請求項１７のいずれか１つに記載の通信ネットワーク。
19. 前記ネットワークコントローラは、前記基地局の動作の制御が可能であり、ウェイトレスプロトコルに従って前記基地局を制御するよう構成された請求項１〜８、１７又は請求項１８のいずれか１つに記載の通信ネットワーク。
20. 前記ネットワークコントローラは、前記基地局による送信用データを、各フレームの持続時間が少なくとも１秒である、一連のフレームに変換するよう構成された請求項１〜８又は請求項１７〜１９のいずれか１つに記載の通信ネットワーク。
21. 前記ネットワークコントローラは、前記基地局による送信用データを、各フレームが２秒の持続時間を有する一連のフレームに変換するよう構成された請求項１〜８又は請求項１７〜２０のいずれか１つに記載の通信ネットワーク。
22. 前記ネットワークコアは、前記データキャッシュにアクセスしようと試みる、前記ネットワークコア外部の任意のユーザを、当該ユーザが前記データキャッシュに対してデータの読み込み及び／又は書き込みを行うことを許可する前に、認証するよう構成された認証ユニットを含んで構成された請求項１〜２１のいずれか１つに記載の通信ネットワーク。
23. 本明細書に、添付図面を参照して、実質的に記載された通信ネットワーク。