JP2014519225A - ロジスティックスおよび輸送用途のための低電力無線ネットワーク - Google Patents

ロジスティックスおよび輸送用途のための低電力無線ネットワーク Download PDF

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Abstract

低電力無線ネットワークにおいてネットワーク機器の電力を低減させるための技法を開示する。各態様は、概して、高電力モードと低電力モードとを周期的に切り換えるネットワーク機器について、通常はネットワーク機器により多くの電力を消費させ得るある一定の条件の下でネットワーク機器が低電力モードで動作する相対的時間量を増加させる工程を含む。そのような条件には、ネットワーク機器が低電力無線ネットワークに接続できないとき、および/またはネットワーク機器がある一定の閾値レベルを上回る正確さで低電力無線ネットワークと通信することができないときが含まれる。

Description

本PCT出願は、本出願の譲受人に譲渡された、「Low Power Wireless Network for Logistics and Transportation Applications」という名称の、2011年4月28日に出願された米国非仮出願第13/096127号の恩典を主張するものである。本出願の開示は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の下で行われた発明の権利に関する記載
合衆国政府は、契約第1406-04-06-CT-60916に従い本発明の権利を有し得る。
発明の背景
現代のネットワークは様々な機器を含むことができ、それらの機器は様々なやり方で接続され得る。ネットワークは、例えば、集中化型やアドホックとすることができる。アドホックの場合には、ネットワーク接続された各機器、すなわちノードは、それ自体のデータの通信に加え、他のノードからのデータを転送するためのルータとしても働くことができる。
しかし、これらの無線ネットワークにはそれぞれの限界がある。例えば、電池式の無線機器は、無線データ送信の高電力コストのために頻繁な電池交換を必要とし得る。中でも特に保守の問題が理由で、アドホック無線ネットワークは、それ以外の点では適し得るはずの様々な用途において使用されてこなかった可能性もある。
低電力無線ネットワークにおいてネットワーク機器の電力を低減させるための技法を開示する。各態様は、概して、高電力モードと低電力モードとを周期的に切り換えるネットワーク機器について、通常はネットワーク機器により多くの電力を消費させ得るある一定の条件の下でネットワーク機器が低電力モードで動作する相対的時間量を増加させる工程を含む。そのような条件には、ネットワーク機器が低電力無線ネットワークに接続できないとき、および/またはネットワーク機器がある一定の閾値レベルを上回る正確さで低電力無線ネットワークと通信することができないときが含まれる。
本開示による、低電力無線ネットワークと通信するためのネットワーク機器の一例は、電池と、無線インターフェースと、電池および無線インターフェースと結合された処理装置とを含む。処理装置は、ネットワーク機器に第1のモードでの動作と第2のモードでの動作とを周期的に切り換えさせるように構成することができる。ネットワーク機器は、第2のモードで動作している間に、第1のモードで動作している間よりも少ない電力を使用し得る。また処理装置は、ネットワーク機器に、無線インターフェースを使用して低電力無線ネットワークからの情報パケットを検出させるように構成することもできる。検出は、ネットワーク機器が第1のモードで動作している間に行うことができる。また処理装置は、ネットワーク機器にある一定の時間量にわたって第2のモードで動作させるように構成することもできる。ある一定の時間量は、少なくとも一部は情報パケットの情報に基づくものとすることができる。また処理装置は、ネットワーク機器に、低電力無線ネットワークへ向けてデータを送信させ、データの送信に関してある条件が発生したと判定するように構成することもできる。最後に、処理装置は、ネットワーク機器に、ネットワーク機器が第2のモードで動作する時間を増加させるように構成することもできる。増加は、少なくとも一部は、条件が発生したという判定に基づくものとすることができる。
ネットワーク機器の例は、以下の特徴の一つまたは複数を含むことができる。条件は、ネットワーク機器が低電力無線ネットワークに接続できないこと、およびネットワーク機器が閾値レベルを上回る正確さで低電力無線ネットワークへデータを通信することができないことのどちらかまたは両方を含むことができる。ネットワーク機器が第2のモードで動作する時間を増加させることは、ネットワーク機器が第1のモードで動作する一つまたは複数の期間の長さを低減させることを含むことができる。ネットワーク機器が第1のモードで動作する一つまたは複数の期間のそれぞれの間に走査される無線周波数（RF:radio frequency）チャネルの数を低減させること。ネットワーク機器が第2のモードで動作する時間を増加させることは、ネットワーク機器が第2のモードで動作する一連の期間における各期間の長さを増加させることを含むことができる。この一連の期間における各期間の長さは、連続して低減させることができる。ネットワーク機器が第2のモードで動作する時間は、ネットワーク機器が通常は第1のモードで動作するはずの一つまたは複数の期間に第2のモードで動作することによって増加させることができる。少なくとも1台のセンサを処理装置と通信可能に結合することができる。処理装置は、ネットワーク機器に、ネットワーク機器が低電力ネットワークへ向けて送信するように構成されているデータに、低電力ネットワークに接続するよう求める要求を含めさせるようにさらに構成することができる。処理装置は、誤り制御検査の不合格、ネットワーク機器が低電力無線ネットワークに接続していないことを示す情報パケットの受信、ネットワーク機器がパケットを復号できないこと、ネットワーク機器がパケットを認証できないこと、および低電力無線ネットワークからの情報パケットを受信できないことからなる要因群から選択される少なくとも一つの要因を使用して条件が発生したと判定するように構成することができる。
本開示による、低電力無線ネットワークにおける通信の方法の一例は、無線機器を用いて、低電力無線ネットワークからの情報パケットを検出する工程を含む。検出は、ネットワーク機器が第1のモードで動作している間に行うことができる。また方法は、ある一定の時間量にわたってネットワーク機器を第2のモードで動作させる工程も含むことができ、その場合ネットワーク機器は、第2のモードで動作している間に、第1のモードで動作している間よりも少ない電力を使用し、ある一定の時間量は、少なくとも一部は情報パケットの情報に基づくものである。方法は、低電力無線ネットワークへ向けてデータを送信する工程、データの送信に関してある条件が発生したと判定する工程、およびネットワーク機器が第2のモードで動作する時間を増加させる工程をさらに含むことができる。増加は、少なくとも一部は、条件が発生したという判定に基づくものとすることができる。
方法の例は、以下の特徴の一つまたは複数を含むことができる。条件は、ネットワーク機器が低電力無線ネットワークへ接続できないこと、およびネットワーク機器が閾値レベルを上回る正確さで低電力無線ネットワークとデータをやりとりすることができないことのどちらかまたは両方を含むことができる。ネットワーク機器が第2のモードで動作する時間を増加させる工程は、ネットワーク機器が第1のモードで動作する一つまたは複数の期間の長さを低減させる工程を含むことができる。ネットワーク機器が第1のモードで動作する一つまたは複数の期間のそれぞれの間に走査される無線周波数（RF）チャネルの数を低減させることができる。ネットワーク機器が第2のモードで動作する時間を増加させる工程は、ネットワーク機器が第2のモードで動作する一連の期間における各期間の長さを増加させる工程を含むことができる。この一連の期間における各期間の長さは、連続して低減させることができる。ネットワーク機器が第2のモードで動作する時間を増加させる工程は、ネットワーク機器が通常は第1のモードで動作するはずの一つまたは複数の期間にネットワーク機器を第2のモードで動作させる工程を含むことができる。低電力ネットワークへ向けて送信されるデータに、低電力ネットワークに接続するよう求める要求を含めることができる。誤り制御検査の不合格、ネットワーク機器が低電力無線ネットワークに接続していないことを示す情報パケットの受信、ネットワーク機器がパケットを復号できないこと、ネットワーク機器がパケットを認証できないこと、および低電力無線ネットワークからの情報パケットを受信できないことからなる要因群から選択される少なくとも一つの要因を使用して条件が発生したと判定することができる。
本開示による、ネットワークと無線通信するように構成されたネットワーク機器の別の例は、無線インターフェースと、電源と、無線および電源と結合された処理装置とを含む。プロセッサは、ネットワーク機器に、無線インターフェースに周期的に電源を投入させ、ネットワークへ向けてデータを送信させ、ネットワークへ向けたデータの送信に関してある条件が発生したと判定させるように構成することができる。条件は、ネットワーク機器が低電力無線ネットワークに接続できないこと、およびネットワーク機器が閾値レベルを上回る正確さでネットワークへデータを通信することができないことのどちらかまたは両方を含むことができる。最後に、プロセッサは、ネットワーク機器に、条件が発生したと判定した後のある一定の期間にわたって、無線インターフェースに電源が投入される時間量を低減させるように構成することができる。
センサ情報を通信するための無線ネットワークの一態様を示したブロック図である。 ゲートウェイ機器がインターネットと無線で接続されている、センサ情報を通信するための無線ネットワークの別の態様を示したブロック図である。 ゲートウェイ機器の一態様を示したブロック図である。 無線センサ機器（WSD:wireless sensor device）の一態様を示したブロック図である。 一態様による、クライアントノードとサーバノードとの間の接続シーケンスのタイムラインを示した図である。 クライアントノードの接続シーケンスにおいて電力補償を実行するための方法の一態様を示した流れ図である。 一態様による、センサネットワークにおけるWSDの無線接続を示した簡略化された図である。 WSDに実装することのできるリソース共用機構を示したブロック図である。 一態様による、図7のリソース共用機構がどのようにして所与の期間にわたって特定のリソースについての異なる優先順位の予約を管理することができるかを示したタイミング図である。 クライアントノードとサーバノードとの間で減速を自動的に増加させるための方法の一態様を示した簡略化されたスイムレーン図である。 クライアントノードとサーバノードとの間で減速を自動的に減少させるための方法の一態様を示した簡略化されたスイムレーン図である。 一態様による、TX（送信）電力を最適化するための基準としてWSDによって受信される品質測定値を使用する方法を示したブロック図である。 各無線接続上のチャネルごとの最適電力レベルを追跡し、決定するためにWSDによって使用され得る電力マトリックスを示した簡略化された図である。 TX電力とTX品質との関係を示した簡略化されたグラフである。 WSDの電力消費をモニタするためのソフトウェア電力カウンタの一態様を示したブロック図である。 一態様による、WSDの電力使用をモニタするための方法を示した流れ図である。
発明の詳細な説明
以下の記述では、説明として、様々な態様の十分な理解を提供するために、多数の具体的詳細が示される。しかし、様々な態様はこれらの具体的詳細なしでも実施され得ることが当業者には明らかであろう。場合によっては、周知の構造および機器はブロック図形式で示される。
以下の説明は、例示的態様を提供するにすぎず、本開示の範囲、適用性、または構成を限定するためのものではない。そうではなく、例示的態様の以下の説明は、当業者に、例示的態様を実施することを可能にする説明を提供するものである。添付の特許請求の範囲に記載される開示のシステムおよび方法の趣旨および範囲を逸脱することなく、要素の機能および配置に様々な変更が加えられ得ることを理解すべきである。
以下の説明では、各態様の十分な理解を提供するために具体的詳細が示される。しかし、各態様はこれらの具体的詳細なしでも実施され得ることが当業者には理解されるであろう。例えば、回路、システム、ネットワーク、プロセス、および他の構成要素は、各態様を余分な詳細で不明瞭にすることのないように、ブロック図形式の構成要素として示される場合がある。場合によっては、公知の回路、プロセス、アルゴリズム、構造、および技法は、各態様を不明瞭にしないように、余分な詳細なしで示される場合がある。
また、個々の態様は、フローチャート、流れ図、データフロー図、構造図、またはブロック図として描かれたプロセスとしても説明され得る。フローチャートは各動作を順次プロセスとして記述し得るが、動作の多くは並列に、または同時に行うことができる。加えて、各動作の順序は並べ替えられてもよい。プロセスは、その各動作が完了するときに打ち切られるが、図には含まれないさらに別の工程を有することも可能なはずである。プロセスは、方法、関数、手順、サブルーチン、サブプログラムなどに対応し得る。プロセスが関数に対応するとき、その終了は、当該関数の呼び出し側関数またはメイン関数への戻りに対応し得る。
さらに、各態様は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、またはこれらの任意の組み合わせによって実装されてよい。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェアまたはマイクロコードとして実装されるときに、必要なタスクを実行するプログラムコードまたはコードセグメントは、機械可読媒体に記憶されていてよい。プロセッサ（一つまたは複数）が必要なタスクを実行してよい。
本明細書で説明される無線ネットワークおよび（無線センサ機器（WSD）を含む）無線ネットワーク機器は、様々なやり方で、様々なコンテキストにおいて構成され得る。構成の例には、中でも特に、メッシュネットワーク、ポイントツーポイントネットワーク、および/またはアドホックネットワークが含まれる。ネットワーク機器、すなわちノードが動的にこれらのネットワークに接続し、ネットワークから切断することを可能にするこれらのネットワークの柔軟性は、センサ情報を収集し、通信するように構成されたWSDと相まって、これらのネットワークが、輸送システムおよび/またはロジスティックシステムの終端間のセキュリティおよび管理を提供することを可能にする。開示の態様は無線技術に焦点を当てているが、本明細書で説明される技法は、例えば、アドホック・シリアル・インターフェースなどの、有線通信ネットワークに適用することもできる。
例えば、無線ネットワークは、集積場に位置する複数の貨物コンテナに関連するセンサ情報を提供する複数のWSDを含むことができる。センサ情報は様々なセンサからのデータを含むことができ、データは、コンテナの温度および/または湿度、コンテナドアが開いている、または開けられたかどうか、コンテナが衝撃を受けている、または衝撃を受けたかどうか、コンテナの場所、コンテナが移動しているかどうか他を示すことができる。無線ネットワークはさらに、センサ情報を収集し、その情報を無線ネットワーク外のシステムに提供するゲートウェイ機器を含むことができる。WSDを装備したコンテナが集積場を出入りする際に、無線ネットワークは、しかるべく調整を行い、集積場に入るコンテナのWSDが無線ネットワークに接続することを可能にし、他方、集積場から出るコンテナのWSDは無線ネットワークから切断される。さらに、WSDは、集積場のゲートウェイ機器と直接通信していない他のWSDからのセンサ情報を中継するルータとして働くことができる。
低電力無線ネットワークは、ネットワーク機器が電池電力で動作するモバイル機器である輸送用途、ロジスティクス用途、および類似の用途において有利となり得る。多くの電池式モバイル機器は無線技術を利用するが、大部分のモバイル機器は、ほんの数時間または数日でその電池を使い果たす。「低電力無線ネットワーク」という語は、本明細書で使用される場合、電池式機器がその電池を使い果たさずに1年以上にわたって動作することを可能にする技術を利用する無線ネットワークを指す。これは、中でも特に、IEEE 802.15.4規格および/またはISO/IEC 18000-7規格と関連付けられる技術、ならびに様々な占有技術を含むことができる。
図1Aは、ロジスティック管理システム100-1の一態様のブロック図である。この態様では、複数のWSD110が、センサデータを生成し、通信するために相互にネットワーク接続されている。センサ情報を集めるWSD110は、無線接続120を使用して、ゲートウェイ130へ向けてセンサ情報を通信することができる。センサ情報を発信するWSD110とゲートウェイ130との間に通信可能にリンクされた1台または複数のWSD110がある場合、1台または複数のWSD110は、センサ情報がゲートウェイ130に到達するまでセンサ情報を中継することになる。図1Aに描かれたロジスティック管理システム100-1は、一例として示されており、限定するものではない。センサネットワーク140は、様々なやり方で構成することができる。例えば、ゲートウェイ130は複数のWSD110と接続することができ、WSD110は、図1Aに示されるよりも多数の、または少数の無線接続120を有していてよい。さらに、ロジスティック管理システム100に複数のゲートウェイ130および/またはセンサネットワーク140が含まれていてもよい。
ゲートウェイ130は、ゲートウェイ130およびWSD110を含むセンサネットワーク140と、機器管理サーバ（DMS:device management server）160との間の接続性を提供する。ゲートウェイ130とDMS160との間の通信はインターネット150、または他の任意の広域ネットワーク（WAN:Wide Area Network）を介して中継することができる。加えて、または代替として、ローカル・エリア・ネットワーク（LAN:Local Area Network）などの他のネットワークを使用することもできる。別の構成は、別個のネットワークなしでDMS160と直接通信するゲートウェイ130を含むことができる。
DMS160は、例えば、グラフィカル・ユーザ・インターフェース（GUI:graphical user interface）および/またはアプリケーション・プログラマブル・インターフェース（API:application programmable interface）など利用することにより、人間ユーザまたは別のシステムによって使用され得るセンサネットワーク140とのインターフェースを提供する。DMS160は、WSD110からの情報を収集し、記憶することができる。DMS160とゲートウェイ130との間でやりとりされるデータは暗号化パケットにおいてセキュアに通信することができ、DMS160は、収集データのセキュアな管理を提供することができる。
様々な物理層の一つまたは複数が、センサネットワーク140の無線接続120を提供するのに使用されてよい。一態様によれば、WSD110およびゲートウェイ130は、2.4GHzのIEEE 802.15.4規格に基づくプロトコルスタックを使用し、当該規格で利用可能な全16チャネルを使用して通信する。この物理層は、センサネットワーク140が、非常に低い電力および/または予測可能な電力消費を使用して動作することを可能にし、このことは、WSD110および/またはゲートウェイ130が電池電力で動作する態様では重要な考慮事項となり得る。とはいえ、複数のRFチャネル（狭帯域周波数ホッピングなど）または単一のRFチャネルを使用した、900MHzのIEEE 802.15.4、IEEE 802.11、Bluetooth（登録商標）、IEEE 802.16、超広帯域（UWB:Ultra Wideband）、433MHzの産業科学医療（ISM:Industrial, Scientific, and Medical）バンド、セルラ、光学式他を含む、他の無線技術も使用されてよい。ゲートウェイ130は、図1Bに示されるように、有線接続および/または無線接続を介してインターネット150と通信することができる。
図1Bは、ロジスティック管理システムの代替の態様100-2のブロック図である。この態様では、ゲートウェイ130は、衛星180および/またはセルラ電波塔190との無線通信によって、インターネット150と無線で通信することができる。ゲートウェイ130とインターネット150との間のそのような無線インターフェースのユーザは、考慮事項の中でも特に、センサネットワーク140の利用可能なインターネット接続性および所望の移動度の要因となり得る。
図2は、ゲートウェイ機器130の一態様のブロック図である。このブロック図は、本明細書に示す他の図と同様に、例として提示されるものであり、限定ではない。ゲートウェイ機器130は、例えば、全地球測位システム（GPS:global positioning system）ユニットおよび/または図2に示されていない他の構成要素を含めるなどにより、別のやり方で構成することもできる。
処理装置210が置かれ、ゲートウェイ機器130の中心である。処理装置210は、一つまたは複数のプロセッサ、マイクロプロセッサ、および/または特化された集積回路で構成することができる。処理装置210は、ゲートウェイ機器130の他の構成要素から情報を集め、メモリ220に配置されたソフトウェア225に従って情報を処理することができる。ゲートウェイ機器130の所望の機能性および処理装置210の能力に応じて、ソフトウェア225は、オペレーティングシステムを一つまたは複数の実行可能プログラムと共に含むことができる。あるいは、ソフトウェアは、処理装置210が実行するための、ファームウェアおよび/またはマイクロコードなどのより低水準の命令を含むこともできる。
電源250は、ゲートウェイ機器130の構成要素に電力を供給し、処理装置210へさらに別の情報（電池充電、電圧レベルなど）を提供し得る。モバイルゲートウェイ機器130では、電源250は一つまたは複数の電池を含むことができる。固定式ゲートウェイ機器130では、電源は、電力変換装置、変圧器、および/または電圧調整器を含むことができる。
無線インターフェース240は、WSD110との通信を可能にする。前述のように、この通信は、無線周波数（RF）通信技術および/または光通信技術を含む様々な技術のいずれかを使用して実現することができる。RF技術が使用される場合、無線インターフェースはアンテナ245を含むことができる。
またゲートウェイ機器130は構成ポート270も含むことができ、構成ポート270は、ゲートウェイ機器130を構成する目的で、コンピュータなどの機器をゲートウェイ機器130に接続させることができる。構成ポート270は、外部機器から情報を入力するためにユニバーサル・シリアル・バス（USB:universal serial bus）コネクタ、シリアルポート、光学式その他のコネクタを含むことができる。ゲートウェイ機器130および/またはWSD110の機能性に応じて、構成ポート270は、機器情報および報告、センサパラメータ、ソフトウェア、セキュリティ、ネットワークパラメータ、電力消費、GPSパラメータ、ファイル管理他を構成するのに使用されてもよい。
インターネットインターフェース260は、所望の機能性に応じて、様々なインターフェースのいずれかとすることができる。図1Aに示すように、ゲートウェイ機器130はインターネットと有線接続することができ、その場合インターネットインターフェース260は、イーサネット他の有線インターフェースを含むことができる。加えて、または代替として、ゲートウェイ機器130は、図1Bに示すように、インターネットと無線接続することもできる。この場合、インターネットインターフェースは、セルラ通信および衛星通信を可能にするデュアルモードWAN無線などの一つまたは複数の無線機を含むことができる。
ゲートウェイ機器130はさらに、ゲートウェイ機器がWSDと同様にセンサ情報を収集することを可能にするセンサ230（1つまたは複数）を含むことができる。このセンサ情報は、温度、湿度、動き、光、電池充電、衝撃、特定用途向け情報（貨物コンテナのドアの開閉状態など）に関連する情報を含むことができる。所望の機能性に応じて、処理装置210は、センサ情報を収集し、処理し、かつ/または記録してもよく、あるいは処理装置210は、単に、インターネットインターフェース260を使用して、未処理のセンサ情報をDMS160へ送信するだけでもよい。
図3は、WSD110の一態様のブロック図である。この態様は、ゲートウェイ機器130と同様の、センサ230（1つまたは複数）、処理装置210、メモリ220、無線インターフェース240などの多くの構成要素を含む。しかしこの場合、各構成要素は、電力および機能性の考慮により、ゲートウェイ機器130の対応する構成要素より簡略なものとすることができる。例えば、処理装置210はマイクロプロセッサを含むことができ、メモリ220およびソフトウェア225は、マイクロプロセッサのプログラム化論理を含むことができる。また、WSD110および/またはゲートウェイ機器はユーザに情報を提供するインターフェース（不図示）を含み得ることにも留意することができる。そのようなインターフェースは、液晶ディスプレイ（LCD:liquid-crystal display）、一つまたは複数の発光ダイオード（LED:light emitting diode）などを含むことができる。
WSD110はさらに電池290を含む。無線ネットワークはより低い電力消費を実現することができるため、アルカリ、酸化銀、リチウムベースの電池などの保存期間の長い電池が、数年間にわたって電池交換を必要とせずに、WSD110の動作を可能にすることができる。一態様によれば、WSD110は、最大4個までのA型3.6ボルト（V）電池を使用し、各電池は定格おおよそ3600ミリアンペア時（mAh:milliamp hour）である。WSD110の態様の中には、2ミリワット（mW:milliwatt）を下回る動作電力を有するものもあり、1mW未満で動作するWSDの態様ものもある。したがって、電池の保存期間および容量、ならびにWSD110の構成によっては、WSD110は、電池交換を必要とせずに10年以上にわたって動作することができる。
またWSD110は、位置情報を提供するGPSユニット280を含むこともできる。位置情報は、センサネットワーク140が大きな物理領域上に広がっている場合、特に有用となり得る。しかも、GPSユニット280はさらに、GPSユニット280および/または処理装置210により経時的な位置の変化を判定することによって、WSD110の動きを感知するのに使用することもできる。
図4は、一態様による、クライアントとサーバ両方による低電力消費を実現するクライアントとサーバとの間の接続シーケンスのタイムラインを示す図である。この場合、サーバは、現在センサネットワーク140（または他の無線ネットワーク）と接続されているWSD110またはゲートウェイ130とすることができ、クライアントは、センサネットワーク140と接続されていないが、センサネットワーク140に接続しようと試みているWSD110とすることができる。したがってWSD110は、当該WSD110のセンサネットワーク140および他のWSD110との関係に応じて、サーバとクライアントのどちらとしても働くことができる。
センサネットワーク140に接続されていないクライアントは、センサネットワーク140と接続されたサーバによって送信されるビーコン410（ネットワークを検出し、かつ/またはネットワークに接続するための情報パケットなど）を検出するために、一つまたは複数の走査420を含む走査シーケンスを開始することができる。ビーコン410を検出する可能性を高めるために、クライアントは、ある一定の期間にわったって周期的に走査シーケンスを実行することができる。複数の周波数チャネル上で通信するこのできるクライアントでは、走査シーケンスは、複数のチャネルの走査420を含むことができる。クライアントの機能性によっては、複数のチャネルを走査する走査シーケンスは、各チャネルの走査420を連続して実行することにより実行されてもよい。例えば、図4に示されるクライアントの走査420は、チャネル0から開始し、連続する走査420ごとにチャネル番号が増加する。
センサネットワーク140に接続されたサーバは、その間に、潜在的なクライアントをセンサネットワーク140に接続させるためのビーコンシーケンスを開始することができる。ビーコンシーケンスは一連のビーコン410を含むことができ、ビーコン410には、クライアントがビーコンシーケンスの終わりを判定することを可能にするために番号を付すことができる。図4に示されるビーコンシーケンス内の各ビーコン410は、例えば、カウントダウンが0に到達するときにビーコンシーケンスの終わりを示すカウントダウンシーケンスの番号を含む。この情報を用いて、クライアントは、電力使用量を低減させ、電池寿命を延ばすために、ビーコンシーケンスが終了するまで走査を停止し、休眠モードに入ることができる。
例えば、図4の図では、サーバは、チャネル2上でビーコンシーケンスを開始する。クライアントは、チャネル2を走査するときに、点483においてビーコン410-1を取り込む。クライアントは、ビーコン410-1が番号247を有すると判定し、したがってクライアントは、その無線インターフェース240（無線機など）をオフにし、クライアントが低電力休眠モードで動作する休眠期間430に入る。これによりクライアントは、サーバがビーコンシーケンスの残りの247個のビーコン410を送出し続ける間に電力を節約することができる。
サーバから完全なビーコン情報を取り込むために、走査期間440は、対応するビーコン期間450と同じ、またはそれ以上の長さとすることができる。ビーコン410の一部だけがクライアントによって受信される場合に、サーバが複数のビーコン410を送信するように構成されていれば、クライアントは、次のビーコン410を受信するために走査期間440を延長することができる。クライアントが複数のチャネルを走査し、サーバが一つのチャネル上でビーコンを送る構成に加えて、またはその代替として、サーバは、クライアントが一つのチャネルを走査する間に複数のチャネル上でビーコンを送ることもできる。
休眠期間430の終わりに、クライアントは、その無線インターフェース240に再度電源を投入し、サーバとクライアントとの間でデータがやりとりされるデータ交換460を始めることができる。クライアントでは、データ交換460は、点485に示される認証パケットの取り込みを含むことができる。サーバでは、データ交換460は、点487に示される、クライアントからの接続要求の取り込み、および点489に示される、接続応答の送信を含むことができる。このデータ交換460の後に続いて、クライアントとサーバとが、周期的通信のためのスケジュールを決定するなど、追加情報を交換するセッション470を行うことができる。そのようなスケジューリング情報は、その全体が本明細書に組み入れられる、「Lower Power Wireless Network For Transportation And Logistics」という名称の米国特許出願第13/023623号で詳細に論じられている。データ交換460に一定の時間を維持しようとすることにより、サーバは予測可能な低電力プロファイルを維持することができる。これらの技法に加えて、またはその代替として、キャリア検知多重アクセス衝突回避（CSMA-CA:Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）技術および/またはキャリア検知多重アクセス衝突検出（CSMA-CD:CSMA with Collision Detection）技術を使用することもできる。
図5は、一態様による、センサネットワーク140の走査およびセンサネットワーク140との接続に関してクライアントによって実行され得るプロセスを示す流れ図である。本明細書で提示される他の図と同様に、このプロセスも一例であり、限定ではない。例えば、各ブロックは、追加されても、組み合わされても、分けられてもよい。さらに、論じられる電力補償は、接続シーケンスだけに限定されず、事実上、サーバとクライアントとの間のいかなる通信にも適用することができる。
プロセスは、ブロック510でクライアントがチャネルを走査する走査シーケンスから開始することができる。ブロック520で、クライアントは、ビーコン410が検出されたかどうか判定することができる。ビーコン410が検出されなかった場合には、ブロック530で、クライアントは、すべてのチャネルが走査されたかどうか判定することができる。すべてのチャネルが走査された場合、走査シーケンスは完了され、プロセスは終了する。一方、一つまたは複数の別のチャネルが走査される必要がある場合には、クライアントは、ブロック540で次のチャネルに合わせ、ブロック510で次の走査を実行することができる。
走査時にビーコン410が検出される場合には、クライアントは、ブロック550で、クライアントが休眠モードに入る休眠タイマを開始することができる。前述のように、休眠モードの持続期間は、番号などの、ビーコン410に含まれる情報に基づくものとすることができる。休眠モードから起動した後で、クライアントは、ブロック560で、サーバとのデータ交換460を始めることができる。
ブロック570で、クライアントは、データ交換460に成功したかどうか判定する。データ交換460に成功したか否かは、ある一定の条件を使用して判定することができる。一つの条件は、例えば、クライアントがセンサネットワーク140に接続することができたかどうかである。そのようにセンサネットワークに接続できないことの原因は、無線周波数（RF）干渉（同時にセンサネットワーク140に接続しようと試みている可能性のある他のクライアントからの干渉、すなわち「競合」を含む）、サーバとクライアントとの間のネットワークIDおよび/またはマスクの不一致、パケット情報の認証および/または復号ができないこと、クライアントおよび/またはサーバによる、ルーティングコストが許容できる閾値を上回る、クライアントがすでに接続されている、クライアントがブラックリストに記載されている、および/またはホワイトリストに記載されていない、メッセージサイズが正しくないという判断、タイミングの誤り、メッセージタイプの誤り、ならびにソフトウェア、ファームウェア、および/またはハードウェアの誤りさえもなどの様々な要因の一つまたは複数に帰することができる。データ交換460に成功したかどうかを示し得る別の条件は、クライアントが閾値レベルを上回る正確さでセンサネットワーク140と通信することができるかどうかである。これは、サーバとクライアントとの間のデータ通信の完全性を保証するための、巡回冗長検査（CRC:cyclic redundancy check）および/または他の誤り検出コードなどの措置を使用して判定することができる。データ交換460に成功したと判定される場合、プロセスは終了することができる。任意選択で、矢印583で示されるように、正常なデータ交換460の後で補償を（以下でさらに詳細に論じるように）実行することができる。
データ交換460に失敗したと判定される場合、クライアントは、ブロック580で、「補償」、すなわち、データ交換460の失敗時に使用された電力の増加を「補償する」ように設計された是正措置を実行することができる。そのような補償は、相対的に高い電力消費の延長期間の低減に寄与することにより、サーバおよび/またはクライアントに少なくとも最小限の電池寿命を保証するのに寄与し得る。しかも、補償は多くの場合、クライアントの無線インターフェース240の電源を切ること、およびRF通信を低減させることを伴い、それによって、センサネットワーク140のノードおよび予期されるノード間のRF干渉を低減させることができる。
補償は、様々なやり方のいずれかで実行することができる。前述のように、クライアントは走査シーケンスを周期的に実行することができ、走査シーケンスは、サーバからのビーコン410が検出される可能性を高めるためにある一定の間隔で実行することができる。これらの走査シーケンスは、クライアントが走査モードにある間に、無線インターフェース240に電源を投入して行われ、そのため、クライアントが休眠モードにある（無線インターフェース240の全部または一部が電源を切られている）ときよりも多くの電力を消費する。したがって、補償の一つの形態は、単に、通常行われるはずの一つまたは複数の走査シーケンスを省略し、走査モードではなく休眠モード（または他の低電力モード）に入ることとすることができる。例えば、クライアントが走査シーケンスを実行するように構成されている場合、クライアントは、スケジュールされている次の10回の走査シーケンスをスキップすることにより補償を実行することができる。加えて、または代替として、クライアントは、ある一定のタイムフレーム、すなわち「補償期間」内の任意のスケジュールされた走査420を省略することもできる（例えば、次の25秒間の任意の走査を省略し、その場合25秒間が補償期間である）。
補償の別の形態は、補償期間内のクライアント走査シーケンスの長さを低減させることとすることができる。例えば、クライアントは、次の1分間にわたって、走査シーケンスが半分の長さだけ続行されると決定することができる。そのための一つのやり方は、当該タイムフレーム内の走査420の回数を低減させることとすることができる。複数のチャネルを走査するクライアントでは、これは、当該タイムフレームにおいてある一定のチャネル（例えば使用頻度の高いチャネル）だけを走査することを伴い得るはずである。あるいはクライアントは、当該タイムフレームにおいて、走査シーケンスごとにチャネルの異なるサブセットを走査することもできるはずである。
補償期間における走査シーケンスの長さの低減の量は様々とすることができる。例えば、クライアントは、走査シーケンスの長さを、通常の走査シーケンスの長さの1/2に低減させ、次いで、走査シーケンスの長さが完全な長さに到達するまで後続の各走査期間の長さを徐々に増加させることができる。所望の機能性および/または他の考慮事項によっては、他の構成では、補償期間における初期走査シーケンスの長さを通常の走査シーケンスの長さの半分超または通常の走査シーケンスの長和の半分未満にすることもできる。
前述の補償に関連した補償の別の形態は、例えば、クライアントが休眠モードにある時間の長さを増加させることによって、補償期間における走査シーケンス間の間隔を増加させることとすることができる。例えば、クライアントが通常2.5秒ごとに走査シーケンスを実行する場合、クライアントは、走査シーケンス間の間隔が5秒まで増加する補償期間を有していてよい。
あるいは、クライアントは、補償期間内の走査シーケンス間の間隔の長さを変えてもよい。そのような技法の一つは、走査シーケンス間の初期時間間隔を増加させ、次いで各間隔を連続して低減させることであろう。例えば、補償期間内の走査シーケンス間の一連の間隔は、6秒、5.5秒、5秒、4.5秒、3秒、最終的に2.5秒などとすることができる。
要因に応じて異なる補償法が使用されてよい。そのような要因には、日付、時刻、現在の電池容量、補償をトリガするデータ交換460の失敗を示す一つまたは複数の条件、データ交換460の失敗の間に使用された電力の測定値などが含まれ得るはずである。例えば、センサネットワーク140に接続されておらず、ビーコン410の取り込み後の接続に失敗するクライアントは、センサネットワーク140上にあり、データ交換に失敗するクライアントほどには補償を必要としない可能性がある。したがって、異なるシナリオでは異なる技法を使用することができる。クライアントに電力レベルへ異なる補償効果を及ぼし得る様々な補償法を実行させることができれば、クライアントが予測可能な電池寿命を維持するのに寄与することができる。
図6は、センサネットワーク140内のノードの無線接続120の図である。前述のように、WSD110および/またはセンサネットワーク140の他のノードは、ビーコン送信および走査の機能によって、新しいWSD110がセンサネットワーク140に接続するのを可能にすることができる。加えてWSD110は、電力消費を低減させる様々な措置を講じながら、他のWSD110と確立している無線接続120を維持するように動作することもできる。
所望の機能性に応じて、WSD110は、他のWSD110との最大数までの無線接続120を持つことができる。この数は、予測可能な低電力プロファイルの保証に寄与するように制限され得る。一態様では、最大接続数は6に制限される。例えばWSD110は、1次および2次の親WSD110-1として使用され得る2台の親WSD110-1と無線接続することができる。この場合、「親WSD」は、クライアントノードとして働くWSD110がセンサネットワーク140に接続するために経由したサーバノードとすることができる。より一般的には、「親WSD」は、WSD110（または他の任意の「子」WSD110-2）からのデータがゲートウェイ130に達するために中継される「上流側」ノードである。ゲートウェイ130と直接無線接続されたWSD110では、ゲートウェイ130が親ノードとして働く。加えて、WSD110は、多数の子WSD110-2が無線ネットワーク140に接続することを可能にするサーバとして働くこともできる。しかも、本明細書で説明する技法は、WSD110以外の他の種類のネットワークノード、およびセンサネットワーク140以外の無線ネットワークにも適用される。
WSD110が電力を節約するための一技法は、WSD110が接続されている他のWSD110の量を制御することである。例えばWSD110は、周期的にビーコン410を送信し、それによって他のWSD110が子WSD110-2として接続することを可能にすることによりサーバとして機能し得る。しかし、WSD110が閾値数の子WSD110-2と接続されると、WSD110は、そのビーコン送信活動を低減させることにより、WSD110が他の子WSD110-2と接続する許容量を制限することができる。この結果さらに、WSD110の電力消費（電池寿命の増加）と競合（すなわちRF干渉）の両方が低減され、しかも同時に何台かのWSD110を接続させることができる。（例えばWSD110は、他のいかなるWSD110にも接続されていない「オーファン（orphan）」WSD110などの、ある特定のWSD110だけの接続を可能にするビーコン410を送信し続けることもできる。）
WSD110は、前述の電力補償に使用される技法と同様に、様々なやり方でその送信活動を低減させることができる。例えばWSD110は、「飽和モード」にある（すなわち閾値数の子WSD110-2を有する）間に、ビーコンシーケンスをスキップする、一つまたは複数のビーコンシーケンスを短縮する、ビーコンシーケンス間の間隔を増加させるなどによって送信活動を低減させることができる。
WSD110が閾値数の子WSD110-2を有するときにビーコン送信活動を低減させることができるのと全く同様に、WSD110は、閾値数の親WSD110-1を有するときに走査活動を低減させることもできる。例えばWSD110は、1次および2次の親WSD110-1を確立した後で（前述の電力補償法を使用して）走査活動を低減させるように構成することができ、それによって予測可能な電力消費を提供することができる。よって、WSD110がN台の子WSD110-2およびM台の親WSD110-1を有する場合、電力消費に比例して飽和を判定し、しかるべく補償することができる。
図7は、WSD110において実装され得るリソース共用機構のブロック図である。予約スケジューラ（RSC:reservation scheduler）720は、ジョブやタイマなどの他のいかなる機能性とも置き換わらないカーネルコンポーネントとすることができる。RSC720は、（無線インターフェース240、処理装置210などといった）WSD110の様々なリソース730間でアプリケーション710（一つまたは複数）からの予約を管理する。アプリケーション710のためのアプリケーション・プログラム・インターフェース（API）要件は、予約またはリソース730がRSC720によって管理されるという前提に基づいて設計することができる。言い換えると、アプリケーション要件は、アプリケーション710が、RSC720により明示的アクセス権を付与されることなく、RSC720を迂回してリソース730にアクセスしようとするのを制限することができる。
RSC720は、指定されるリソース730を、指定される時刻に、かつ/または指定される持続時間にわたって予約することを可能にする。予約を要求し次第、アプリケーション710は、予約の確認を受け取り、予約は、所与の時点における指定の期間にわたる指定のリソース730へのアクセス権の正式の請求とみなすことができる。次いでRSC720は、ただ一つの予約へリソースアクセス権を付与することにより時間的にオーバーラップする保留中の予約の競合を排除する。
そのような構成では、アプリケーション710は、ジョブおよびタイマを予約と一緒に使用することができる。RSC720は、ジョブおよびタイマが、予約内または予約外で、管理タスクを実行し、またはアプリケーション710の状態機械への供給のために使用される間に、長期的にリソースへのアクセスを可能にするために使用することができる。RSC720はさらにタイマを使用することもでき、タイマは、アプリケーション710に、独自のタイマを実装する必要なしにRSC720のタイミング機能を利用させることができる。一態様では、アプリケーション710は、RSC720と行われた予約をいつでも取り消すことができてよい。
予約に優先順位を持たせて、異なる優先順位を有する異なるアプリケーションをリソースにアクセスさせることができる。予約は、上位の優先順位の他のいかなる未処理の予約とも時間的にオーバーラップしないときに限り許可することができる（すなわち、アプリケーション710にリソース730へのアクセス権が付与される）。しかも予約は、プリエンプティブ（preemptive）でなくてもよい。よって、一度開始されると、予約は、スケジュール通りに終了することもでき、アプリケーション710によって明示的に解除されるときに終了することもできる。同じ優先順位の予約は、それらの持続期間を考慮に入れずに、先着順に処理することができる。下位の優先順位の長持続期間の予約が決まってスキップされ、再スケジュールされることになり得るという懸念は、予約優先順位を上げ、かつ/または予約の持続期間を低減させる（予約の持続期間は予約延長機構を用いて延長されてもよい）ことによって対処することができる。
予約を行うためにアプリケーション710によってRSC720に提供される情報は、所望の機能性に応じて様々とすることができる。一態様によれば、アプリケーション710は、予約に関連した、優先順位、種類、時刻、持続期間、一回限りの延長、リソース、状態、コールバックなどを提供することができる。さらに、一態様によれば、優先順位は、（例えば、0を最低の優先順位とし、255を最高とする）256の異なるレベルのうちの一つを含むことができる。
図8は、RSC720が、所与の期間にわたる特定のリソース730についての異なる優先順位の予約をどのようにして管理することができるかの例示に役立つ図である。図は、一つの高優先順位の予約830、2つの中優先順位の予約820、および2つの低優先順位の予約810を含んでいる。図8に示される特徴は一例として提示されるものである。実際には、中でも特にさらに多くの予約の優先順位レベルなどの、所与の時間量についてずっと多くの特徴が存在し得る。
RSC720は、任意の現在時刻および/または将来時刻についての予約要求を許容することができる。予約の持続期間は、WSD110の機能性に応じて様々とすることができる（例えば、1システムクロックと同程度の短い期間から最大許容値と同程度の長い期間までなど）。アプリケーション710は、ある一定の期間にわたって、好ましくは、関連付けられるタスクを完了するのに要するはずの時間と同程度の、またはそれよりわずかに長い期間にわたって持続する予約を行うことができる。アプリケーション710は、リソース730がそれ以上必要でなくなった場合には、予約の予定終了時刻の前に予約を解除することができる。
例えば、図8において、RSC730は、低優先順位の予約810-1をスキップすることができる。というのは、低優先順位の予約810-1は、低優先順位の予約810-1の途中に発生する開始時刻851を有する高優先順位の予約830とオーバーラップするはずだからである。同様にRSC730は、高優先順位の予約830がその予定終了時刻852までに完了しない場合には、中優先順位の予約820-1をスキップすることになるはずである。
アプリケーション710がその予定終了時刻の前に上位優先順位予約を解除する可能性がある場合には、RSC730は、下位優先順位予約の開始時刻が経過するまで下位優先順位予約をスキップしなくてよい。例えば、開始時刻853に始まり、低優先順位予約810-2の予定開始時刻854後でないと予定終了時刻855にならない中優先順位の予約820-1は、低優先順位の予約854の開始時刻854の前に解除されてもよい。これにより、RSC730が、低優先順位予約810-2を行ったアプリケーション710にリソースにアクセスする許可を与えることが可能になるはずである。
無線センサネットワーク140においてWSD110によって消費される電力の低減に寄与し得る別の技法は、自動減速負荷分散を提供することである。そのような技法は、個々のWSD110が中継する必要のある情報の量、すなわち「トラフィック」に基づいて、無線接続120のWSD110ごとの減速を制御することを含む。この減速により、最終的に、トラフィックが軽いときに電力消費を低減させることができることになる。
図9Aは、一方のWSD110がサーバとして働き、他方がクライアントとして働く、無線接続120で通信可能に接続された2台のWSD110間で自動減速負荷分散を提供するための方法の一態様を示す簡略化されたスイムレーン図である。図に示される方法は、クライアントの無線センサネットワーク140への接続時、および/または予定された通信リンク保守時などの、様々なときに行うことができるはずである。この図は、一例として提示されるものであり、限定ではない。例えば、開示の方法の趣旨または範囲から逸脱することなく、さらに別のブロックが追加されてもよく、ブロックが組み合わされ、分割され、かつ/または並べ替えられてもよい。
「減速（slowdown）」という語は、本明細書で使用される場合、WSD110の動作速度を示すことができ、減速は特定の無線接続120の動作速度に反比例する。したがって、減速の増加は動作速度の減少である。同様に、減速の減少は動作速度の増加と一致する。
ブロック910で、サーバは、減速を増加させる条件が発生したと判定する。条件は任意の数の基準を含むことができるはずである。例えば、サーバは、サーバが期間M内にクライアントからNmin個未満のパケットを受信する場合に、減速が必要であると判定してよく、Nminは数であり、Mは所定の時間長であり、どちらも自動的に決定されても、ユーザによって設定されてもよい。所望の機能性によっては、Nminは0に設定されてもよい。第2の例では、サーバは、M個のタイムスロット内にNmin個未満のパケットを受信する場合に、減速が必要であると判定し得る。NminおよびMは数とすることができ、この場合もやはり、所望の機能性によってNminは0に設定されてもよい。
ブロック920で、サーバは、許容できる減速要因を決定する。減速要因は、通信スケジュールおよび/またはクロック速度の減少を記述する数値などの指標とすることができる。状況によっては、サーバは、いくつかの減速要因のいずれかが使用され得ると決定してもよく、サーバは所望の機能性に基づいて特定の減速要因を選択するように構成することができる。例えばサーバは、クライアントとサーバとの間の通信リンクの減速を最も増加させるはずのものを減速要因に選んでもよい。サーバは後で、情報パケットを適切に通信するために減速が減少されるべきかどうか判定することができる。
ブロック930で、サーバはクライアントに減速要因を提供し、減速要因はブロック940でクライアントによって受け取られる。ブロック950で、サーバとクライアントはどちらも、しかるべく減速を増加させる。この減速制御の方法は、サーバとクライアント両方の電力消費の改善、競合（RF干渉など）の減少に寄与することができるが、単一情報パケットの待ち時間を増加させる場合もある。この方法はさらに、WSD110全体についての一定の減速速度をもたらすのではなく、各WSD110が各無線接続120と関連付けられる電力消費を別々に管理することを可能にする。
図9Bは、2台のWSD110間で自動減速負荷分散を提供するための方法の別の態様を示す簡略化されたスイムレーン図である。この方法は、ブロック955で最終的に減速を減少させることを除いて、図9Aに示される方法と同様であり、本質的には、サーバとクライアントとの間の潜在的通信のスループットを増加させる。
ブロック915で、図9Bの方法のサーバは、減速を減少させる条件が発生したと判定する。減速を増大させる条件と同様に、減速を増大させる条件は、様々な基準を含むことができる。例えばサーバは、サーバが期間M内にクライアントからNmax個超のパケットを受信する場合に、減速の減少が必要であると判定してよく、Nmaxは数であり、Mは所定の時間長であり、どちらも自動的に決定されても、ユーザによって設定されてもよい。所望の機能性によっては、Nmaxは0に設定されてもよい。第2の例では、サーバは、M個のタイムスロット内にNmax個超のパケットを受信する場合に、減速の減少が必要であると判定し得る。NおよびMは数とすることができ、この場合もやはり、所望の機能性によってNは0に設定されてもよい。
減速の増加を決定するのに使用されるNminと減速の減少を決定するのに使用されるNmaxとは異なる数とすることができる。これにより、クライアントとサーバとの間の接続がこれらの最大値および最小値の範囲内で機能している間に、サーバがある一定の減速速度で動作することが可能になる。さらに、NminとNmaxとを減速速度ごとに異なる数とし、クライアントおよびサーバが様々な減速速度のいずれかで動作することを可能にすることもできる。
無線センサネットワーク140においてWSD110によって消費される電力の低減に寄与することができる別の技法は、WSD110の出力送信電力（TX電力）を管理することである。予定された通信の間に、各WSD110は、受信パケットのリンク品質表示（LQI:Link Quality Indication）および受信信号強度表示（RSSI:Received Signal Strength Indication）を測定することができる。加えて、各WSD110は、測定された最新のLQIおよびRSSIを報告することもできる。よって、各WSD110は、各WSD110が接続されている他のすべてのWSD110との無線接続120の品質を判定することができる。
図10に、一態様による、WSD110によって受信されるLQIやRSSIなどの品質測定値を、無線接続120ごとのTX電力を最適化するための基準として使用する方法1000を示す。WSD110の各無線接続120の送信品質（TX品質）は、距離、RF干渉、物理的障害他などの様々な要因に応じて、著しく変動し得る。したがって、WSD110の各無線接続120は、TX品質がある一定の閾値を上回った状態を保つようにするのに異なるTX電力量を必要とし得る。WSD110はそれに対応して、無線接続120ごとにTX電力を最適化するための方法1000を実行することができる。
複数のRFチャネルを使用して通信することのできるWSD110では、WSD110はさらに、チャネルごとに方法1000を実行することができる。最適なTX電力は、RF干渉などの要因のために、同じ無線接続120についてさえも、チャネルごとに変動し得る。最終的には、無線接続120ごと、RFチャネルごとにそのような方法1000を実行するWSD110は、TX品質を犠牲にせずに電力消費を低減させることにより、無線センサネットワーク140の効率を高める。本明細書で論じられる他の方法と同様に、無線センサネットワーク140におけるWSD110のコンテキストで説明されているが、方法は、多種多様な無線ネットワーク上の事実上あらゆる種類のノードに広く適用することができる。
方法1000は、WSD110により実行することができ、まず、ブロック1005で、WSD110と近隣のノードとの間の無線接続が新規であるかどうか判定する。（この場合、近隣のノードは、別のWSD110、ゲートウェイ130、または他のネットワーク機器とすることができる。）そうである場合、ブロック1010でWSD110は、初期TX品質が満足の行くものになる（例えば、LQI、RSSI、および/または他の任意の品質測定値が品質の最小閾値レベルを超える）のを保証するのに寄与するように、TX電力を最大電力Pmaxに設定する。無線接続が新規でない場合、WSD110は、ブロック1015で、WSD110上に記憶された電力マトリックスから適切なTX電力を決定する。
図11に、各無線接続120上のチャネルごとの最適電力レベルを追跡し、決定するためにWSD110によって使用され得る電力マトリックス1100を示す。電力マトリックス1100は、様々なソフトウェア記憶法（アレイ、ポインタなど）のいずれかを使用してWSD110のメモリ220上に記憶することができ、この記憶法は、WSD110によって実行されるソフトウェア225に依存し得る。電力マトリックス1100はいくつかのセル1105を含み、各セル1105は、特定の無線接続120のあるチャネルについての最適TX電力値を含むことができる。
電力マトリックス1100の寸法は、可能な無線接続の数iと、可能なチャネルの数jとに依存する。例えば、最大5つの無線接続120を有し、最大16チャネル上で通信するように構成されたWSD110は、各無線接続120のチャネルごとの最適TX電力値を含む5×16の電力マトリックスを備えることができる。
図10に戻って、WSD110は、所与のチャネルにおける無線接続120の適正なTX電力レベルを決定すると、ブロック1020でデータを送信する。近隣のノードは、データを受信し、対応する送信の品質測定値（LQIやRSSIなど）を取り、ブロック1025で、WSD110へ測定値を提供する。これらの測定値を用いて、WSD110は次いで、ブロック1030で、関連付けられるTX品質を判定する。
TX品質の判定は様々なやり方で行うことができる。TX品質は、例えば、LQIとRSSIの両方を考慮に入れる式から導出することもできる。別の態様では、WSD110は、単に、LQI測定値および/またはRSSI測定値自体をTX品質の測定値として使用してもよい。どちらの態様でも、WSD110は、品質測定値（導出された値および/または生の測定値など）を使用して、一つまたは複数の閾値との関連でTX品質を判定する。
ブロック1040およびブロック1050で、WSD110は、それぞれ、TX品質が閾値を上回るか、それとも閾値を下回るか判定する。TX品質が閾値を上回る場合、ブロック1045でWSD110は、TX電力を値Pd＿downだけ低減させることができる。一方、TX品質が閾値を下回る場合、ブロック1055でWSD110は、TX電力を増分値Pd＿upだけ増加させることができる。例えば、TX品質を判定するのに、近隣のノードによって提供されるLQI測定値およびRSSI測定値を使用する一態様では、LQIとRSSIの両方がある一定の品質閾値を超える場合、WSD110はそのTX電力を低減させる。他方、一方または両方の測定値がある一定の閾値を下回る場合、WSD110はそのTX電力を増加させる。
Pd＿upおよびPd＿downの値は、所望の機能性に応じて異なるものとすることができる。例えば、TX電力を減分するのに使用される値Pd＿downは、TX電力を増分するのに使用される値Pd＿upより小さいものとすることができる。これにより、TX電力を過度に低減させることを避け、接続を迅速に回復しようとするときに起こり得る問題を回避することができる。一態様では、例えば、Pd＿downの値がおおよそ0.2dBmであり、その場合、使用されるPd＿upの値はおおよそ1dBmである。とはいえ、これらの値は様々とすることができる。例えばPd＿downは、TX電力が相対的に低いときにはより小さく、TX電力が相対的に高いときにはより大きくしてもよい。他の様々な値も企図される。
ブロック1040およびブロック1050の閾値は異なるものとすることができる。例えば、ブロック1040の閾値を最大閾値とすることができ、ブロック1050の閾値を最小閾値とすることができる。これにより、TX電力が調整を行わずに動作することができる「窓」が生じ、それによって、品質が閾値に近いときにWSD110がTX電力を絶え間なく変更することを防ぐのに寄与することができる。
図12は、TX電力とTX品質との関係を示す簡略化されたグラフ1200である。グラフは例示のために提示されるものであり、限定ではない。（例えば、TX電力とTX品質との関係は、図示のように線形でなくてもよい。むしろこの関係は、無線接続120と関連付けられる様々な要因に応じて著しく変動し得る。）
一般に、TX電力とTX品質とは正比例する。すなわち、TX品質はTX電力の増加と共に増加する。WSD110は、最大電力Pmaxと最小電力Pminの範囲内のいくつかの別個の電力値1210のいずれかで動作することができてよく、その場合、Pd＿upおよびPd＿downは、別個の電力値1210間の増分値である。加えて、TX品質についての最大閾値Qmaxおよび最小閾値Qminを定義し、WSD110が動作することのできるTX電力値の対応する窓1220を提供することもできる。グラフ1200に示すように、Qmaxは、TX品質がTX電力の増加と共に増加するのを止める点1230に、またはその近くに位置し得る。
図10に戻って、WSD110が閾値を上回りも下回りもしないTX品質を生じる窓1220内のTX電力レベルで動作している場合、方法1000は終了する。そうではなく、TX電力は変更される場合、次いでブロック1060で、WSD110は、電力マトリックス1100を、対応する無線接続120およびチャネルについての新しいTX電力値で更新することができる。
無線センサネットワーク140においてWSD110によって消費される電力の低減に寄与することができる別の技法は、様々なハードウェア構成要素の電力消費をモニタすることができるソフトウェア電力カウンタを実装することである。図13は、そのようなソフトウェア電力カウンタ1310の一態様のブロック図である。ソフトウェア電力カウンタ1310はいくつかのモニタ1320を含むことができ、各モニタはWSD110のハードウェア構成要素をモニタすることができる。例えば、図13に示されるように、ソフトウェア電力カウンタは、CPUモニタ1320-1、無線インターフェースモニタ1320-2、ディスプレイモニタ1320-3他を含むことができる。ソフトウェア電力カウンタ1310は、ハードウェア実装の電力モニタシステムと併せて、またはその代替として使用することができる。そのようなシステムは、WSD110の電力消費がある一定の閾値を超える原因となる条件生じた場合に、高電力消費の状態を終了するためにWSD110をリセットするよう保証するのに寄与する「ウォッチドッグ」機能を果たす。リセットされた後で、WSD110は、ネットワークの完全性を復元するために無線センサネットワーク140に自動的に接続することができる。
一態様によれば、ソフトウェア電力カウンタ1310のモニタ1320は、それぞれ、対応するハードウェア構成要素に電源が投入される合計時間を累積することができる。そのために各モニタ1320は、各モニタ1320がハードウェア構成要素の電力状態を判定することができるように、ソフトウェアアプリケーションおよび/またはハードウェア構成要素1330と通信可能に接続される。例えば、ハードウェア構成要素と通信可能に接続されることに加えて、またはその代替として、モニタ1320は、ハードウェア構成要素をオンにするはずのソフトウェアアプリケーションの機能をモニタし、ソフトウェアアプリケーションがハードウェア構成要素をオフにするはずの別の機能を実行するまでの時間をカウントすることによってハードウェア構成要素に電源が投入される合計時間を累積することができる。次いでソフトウェア電力カウンタ1310は、すべてのモニタからの電力情報を合計することによってWSD110の全消費電力を求めることができる。例えば、ソフトウェア電力カウンタ1310は、無線インターフェース120をモニタする無線インターフェースモニタ1320-2によって示される時間と、無線インターフェース120によって消費される公知の一定の、または平均の電流および/または電力とを掛け合わせることにより、無線インターフェース120によって使用される電力を計算することができる。異なる態様によれば、ソフトウェア電力カウンタは、電力消費が0.5ミリワット（mW:milliwatt）、0.6mW、0.7mW、0.8mW、0.9mW、1.0mW、1.1mW、1.1mW、1.2mW、1.3mW、1.4mW、1.5mW、2mWなどを超える場合に、WSD110をリセットするように構成することができる。
図14に、WSD110の電力使用量をモニタするための方法の流れ図を示す。そのような方法は、ソフトウェア電力カウンタ1310または他のソフトウェアおよび/もしくはハードウェア電力モニタによって実行することができるはずである。この流れ図は一例であり、限定ではない。例えば、開示の方法の趣旨または範囲から逸脱することなく、さらに別のブロックが追加されてもよく、ブロックが組み合わされ、分割され、かつ/または並べ替えられてもよい。
ブロック1410で、各モニタ1320から時間累積情報が集められ、ブロック1420で、各ハードウェア（HW）構成要素の電力消費が計算される。態様によっては、電流などの電力消費を示す代替の値を計算することもできる。前述のように、電力消費（または類似の情報）は、時間と公知の一定の、または平均の電流とを掛け合わせることによって、時間値から計算することができる。ブロック1430で、各サブシステムの計算された電力消費を組み合わることによってWSD110の全電力消費が求められる。
ブロック1440で、電力消費（または類似の情報）が許容できる閾値を上回るかどうかが判定される。所望の機能性および計算された情報に応じて、この判定は、様々な条件のいずれかに基づくものとすることができるはずである。例えば、所与の期間にわたって消費された電力がある一定の電力制限を超える場合に、閾値を上回る可能性が生じるはずである。電流測定が周期的に行われる別の態様では、所与の一連の測定値内のある一定数の測定値が許容できる制限を超える場合に、閾値を超える場合がある。
電力消費が許容できる閾値を上回るかどうかの判定は、方法がどのように進むかを決定する。例えば、閾値を超えない場合、方法は単に終了してよい。そのような場合には、方法は、適切な電力モニタリングを保証するために周期的に繰り返されるはずである。あるいは、所望の機能性によっては、方法は、より多くの情報を集め、WSD110の電力消費を引き続きモニタするために、ブロック1410に戻ってもよい。他方、電力消費閾値を超える場合、方法はブロック1450へ進み、そこでWSD110電力はリセットされる。WSD110は、前に接続されていた任意のネットワークに自動的に再接続するように構成されているため、WSDの電力のリセットは、WSD110を高電力消費の状態から離脱させると同時に、WSD110、およびネットワークが、その過程で失われた可能性のある任意の無線接続120を自動的に回復することを可能にするように作用する。
本明細書の態様の多くは、センサネットワーク140のコンテキストで開示されているが、これらの態様はセンサネットワークだけに限定されるものではなく、輸送またはロジスティックス用途だけに限定されるものでもない。本明細書で開示される方法および機器は、識別、時間、セキュリティ、および/または位置情報などの、センサ情報以外の情報を通信する無線ネットワークにも適用することができる。実際、任意の数の無線ネットワークが、本明細書で開示される特徴を、低電力消費、予測可能で一貫性のある電力消費、および他の利益を得るために利用することができる。同様に、WSD110に関連して本明細書で説明される技法は、より広くネットワーク機器一般に適用することもできる。これらのより一般的なネットワーク機器は、例えば、センサデータを集めたり、送信したりしなくてもよい。
以上の説明では、例示のために、方法を特定の順序で記述した。代替の態様では、方法は、前述の順序と異なる順序で実行されてよいことを理解すべきである。また前述の方法は、ハードウェア構成要素によって実行されてもよく、あるいは機械可読命令のシーケンスとして具現化されてもよく、機械可読命令は、機械可読命令でプログラムされた汎用もしくは専用プロセッサや論理回路などの機械に方法を実行させるために使用され得ることも理解すべきである。これらの機械可読命令は、CD-ROMや他の種類の光ディスク、フロッピーディスケット、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁気または光カード、フラッシュメモリ、電子命令を記憶するのに適した他の種類の機械可読媒体などの、一つまたは複数の機械可読媒体上に記憶されてよい。あるいは、方法は、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせによって実行されてもよい。
本明細書では、開示のシステム、方法、および機器の例示的な、現時点での好ましい態様が説明されているが、本発明の概念はそれ以外にも様々に具現化され、用いられ得ること、および添付の特許請求の範囲は、先行技術によって制限される場合を除いて、そのような変形を含むものと解釈すべきことが意図されていることを理解すべきである。

Claims (20)

  1. 電池と、
    無線インターフェースと、
    該電池および無線インターフェースに結合された処理装置であって、
    ネットワーク機器に、
    第1のモードでの動作と、ネットワーク機器が第1のモードで動作している間よりも少ない電力を使用する第2のモードでの動作とを周期的に切り換えさせ、
    ネットワーク機器が第1のモードで動作している間に、無線インターフェースを使用して低電力無線ネットワークからの情報パケットを検出させ、
    少なくとも一部は情報パケットの情報に基づくものである、ある一定の時間量にわたって第2のモードで動作させ、
    低電力無線ネットワークへ向けてデータを送信させ、
    該データの送信に関して、ある条件が発生したと判定させ、
    少なくとも一部は該条件が発生したという判定に基づいて、ネットワーク機器が第2のモードで動作する前記時間を増加させる
    ように構成された、処理装置と
    を含む、低電力無線ネットワークと通信するためのネットワーク機器。
  2. 前記条件が、
    ネットワーク機器が低電力無線ネットワークへ接続できないこと、および
    ネットワーク機器が、閾値レベルを上回る正確さで低電力無線ネットワークへデータを通信することができないこと
    のどちらかまたは両方を含む、請求項1記載の低電力無線ネットワークと通信するためのネットワーク機器。
  3. ネットワーク機器が第2のモードで動作する時間を増加させることが、ネットワーク機器が第1のモードで動作する一つまたは複数の期間の長さを低減させることを含む、請求項1記載の低電力無線ネットワークと通信するためのネットワーク機器。
  4. ネットワーク機器が第1のモードで動作する一つまたは複数の期間のそれぞれの間に走査される無線周波数（RF）チャネルの数を低減させることをさらに含む、請求項3記載の低電力無線ネットワークと通信するためのネットワーク機器。
  5. ネットワーク機器が第2のモードで動作する時間を増加させることが、ネットワーク機器が第2のモードで動作する一連の期間における各期間の長さを増加させることを含む、請求項1記載の低電力無線ネットワークと通信するためのネットワーク機器。
  6. 一連の期間における各期間の長さを連続して低減させる、請求項5記載の低電力無線ネットワークと通信するためのネットワーク機器。
  7. ネットワーク機器が第2のモードで動作する時間を、ネットワーク機器が通常は第1のモードで動作するはずの一つまたは複数の期間に第2のモードで動作することによって増加させる、請求項1記載の低電力無線ネットワークと通信するためのネットワーク機器。
  8. 処理装置と通信可能に結合された少なくとも1台のセンサをさらに含む、請求項1記載の低電力無線ネットワークと通信するためのネットワーク機器。
  9. 処理装置が、ネットワーク機器に、ネットワーク機器が低電力ネットワークへ向けて送信するように構成されているデータに、低電力ネットワークに接続するよう求める要求を含めさせるようにさらに構成されている、請求項1記載の低電力無線ネットワークと通信するためのネットワーク機器。
  10. 処理装置が、
    誤り制御検査の不合格、
    ネットワーク機器が低電力無線ネットワークに接続していないことを示す情報パケットの受信、
    ネットワーク機器がパケットを復号できないこと、
    ネットワーク機器がパケットを認証できないこと、および
    低電力無線ネットワークから情報パケットを受信できないこと
    からなる要因群から選択される少なくとも一つの要因を使用して前記条件が発生したと判定するようにさらに構成されている、請求項1記載の低電力無線ネットワークと通信するためのネットワーク機器。
  11. 以下の工程を含む、低電力無線ネットワークにおける通信の方法:
    無線機器を用いて、前記ネットワーク機器が第1のモードで動作している間に、低電力無線ネットワークからの情報パケットを検出する工程;
    前記ネットワーク機器が、第2のモードで動作している間に、第1のモードで動作している間よりも少ない電力を使用し、
    ある一定の時間量が、少なくとも一部は、情報パケットの情報に基づくものである、
    前記ネットワーク機器を前記ある一定の時間量にわたって第2のモードで動作させる工程;
    低電力無線ネットワークへ向けてデータを送信する工程;
    該データの送信に関して、ある条件が発生したと判定する工程;および
    少なくとも一部は前記条件が発生したという判定に基づいて、前記ネットワーク機器が第2のモードで動作する前記時間を増加させる工程。
  12. 前記条件が、
    ネットワーク機器が低電力無線ネットワークへ接続できないこと、および
    前記ネットワーク機器が、閾値レベルを上回る正確さで前記低電力無線ネットワークとデータを通信することができないこと
    のどちらかまたは両方を含む、請求項11記載の低電力無線ネットワークにおける通信の方法。
  13. ネットワーク機器が第2のモードで動作する時間を増加させる工程が、前記ネットワーク機器が第1のモードで動作する一つまたは複数の期間の長さを低減させる工程を含む、請求項11記載の低電力無線ネットワークにおける通信の方法。
  14. ネットワーク機器が第1のモードで動作する一つまたは複数の期間のそれぞれの間に走査される無線周波数（RF）チャネルの数を低減させる工程をさらに含む、請求項13記載の低電力無線ネットワークにおける通信の方法。
  15. ネットワーク機器が第2のモードで動作する時間を増加させる工程が、前記ネットワーク機器が第2のモードで動作する一連の期間における各期間の長さを増加させる工程を含む、請求項11記載の低電力無線ネットワークにおける通信の方法。
  16. 一連の期間における各期間の長さを連続して低減させる、請求項15記載の低電力無線ネットワークにおける通信の方法。
  17. ネットワーク機器が第2のモードで動作する時間を増加させる工程が、前記ネットワーク機器が通常は第1のモードで動作するはずの一つまたは複数の期間に前記ネットワーク機器を第2のモードで動作させる工程を含む、請求項11記載の低電力無線ネットワークにおける通信の方法。
  18. 低電力ネットワークへ向けて送信されるデータに前記低電力ネットワークに接続するよう求める要求を含める工程をさらに含む、請求項11記載の低電力無線ネットワークにおける通信の方法。
  19. 誤り制御検査の不合格、
    ネットワーク機器が低電力無線ネットワークに接続していないことを示す情報パケットの受信、
    前記ネットワーク機器がパケットを復号できないこと、
    前記ネットワーク機器がパケットを認証できないこと、および
    前記低電力無線ネットワークから情報パケットを受信できないこと
    からなる要因群から選択される少なくとも一つの要因を使用して前記条件が発生したと判定する工程をさらに含む、請求項11記載の低電力無線ネットワークにおける通信の方法。
  20. 無線インターフェースと、
    電源と、
    該無線および該電源に結合された処理装置であって、
    ネットワーク機器に、
    前記無線インターフェースに周期的に電源を入れさせ、
    ネットワークへ向けてデータを送信させ、
    ネットワークへ向けた前記データの送信に関して、
    ネットワーク機器が前記ネットワークに接続できないこと、および
    ネットワーク機器が、閾値レベルを上回る正確さでネットワークへ前記データを通信することができないこと
    のどちらかまたは両方を含む条件が発生したと判定させ、
    前記条件が発生したと判定した後ある一定の期間にわたって、前記無線インターフェースに電源が入れられる時間量を低減させる
    ように構成されている、処理装置と
    を含む、ネットワークと無線で通信するように構成されたネットワーク機器。
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