JP2017528053A

JP2017528053A - ボディエリアネットワークにおけるｍａｃパラメータの構成

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Publication number: JP2017528053A
Application number: JP2017504659A
Authority: JP
Inventors: クパンナスブラマニ、シバ; ハウチン、ウォン; ソーリヤバンダラ、マヘシュ
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2017-09-21
Also published as: US20180167266A1; WO2016016594A1

Abstract

一実施形態では、ボディエリアネットワークのコーディネータノードにおける媒体アクセス制御の方法が開示される。ボディエリアネットワークは、コーディネータノードと複数のセンサノードとを備える。センサノードの各々は、センサを備え、複数の媒体アクセス制御スーパーフレームによって定義されるタイムスロットにおいてコーディネータノードとワイヤレスで通信するように構成される。この方法は、コーディネータノードにおいて、複数のセンサノードのうちの第１のセンサノードから信号を受信することと、信号は、第１のセンサノードにおける測定量の指示を備え、測定量は、第１のセンサノードとコーディネータノードとの間のボディエリアネットワークのワイヤレスリンクの属性を指示する、その指示を用いてリンクの属性を推定することと、推定された属性を用いて媒体アクセス制御スーパーフレームのパラメータを設定することとを備える。

Description

本明細書で説明する実施形態は、一般にはワイヤレスボディエリアネットワーク（body area network）における媒体アクセス制御に関する。

ワイヤレスボディエリアネットワーク（ＷＢＡＮ）は、バイタルヘルスケア信号を監視、記録、および送信するために設計されたセンサノードのネットワークである。典型的なＷＢＡＮは、ハブまたはコーディネータノードに送信する複数のセンサノードからなる。センサノードは、わずか数メートルの伝送距離で極めて低電力である。オンボディチャネル特性は困難が多く、フェージング効果は、他の種類のワイヤレスネットワークよりも長時間（１０〜３００ｍｓ）持続し得、モビリティ(mobility)および身体の姿勢は大きなシャドーイング効果をもたらす。

人体の周りのワイヤレスチャネルの独特な性質が、ヘルスケア用途での極端なエネルギー効率の必要性と相まって、適応的で設定可能な媒体アクセス制御（ＭＡＣ）プロトコルが必要とされる。

効率的なエネルギー消費は、最適な無線デューティサイクリング、すなわち効果的なリスン状態および長時間のスリープ状態によって達成されることができる。無線デューティサイクリングは、アイドルリスニング、オーバーヒアリングおよび衝突を最小化すること、ならびに最終的に電力節約につながるオーバーヘッドを制御することを目的として、ＭＡＣプロトコルによって実施される。ノードがデータを送信も受信もしていないとき、ノードの無線機はオフにされ（すなわち、スリープ状態に入り）、それによってエネルギーを節約する。アクティブ期間内では、タイムスロットおよびアクセス機構は、ランダムアクセス、たとえばキャリア検知多重アクセス／衝突回避（ＣＳＭＡ／ＣＡ）などの競合アクセス、または時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）などのスケジューリングされたアクセスであり得る。

ＴＤＭＡベースのスケジューリングされたアクセス方式は、衝突、オーバーヒアリングおよびアイドルリスニングなど、エネルギー消耗の多くの一般的な原因を回避するものであるため、望ましいエネルギー効率を達成するための最も適切なＭＡＣソリューションである。センサノードとコーディネータは時間において同期しているため、センサノードは、ゲートウェイに送るべきデータを有しているときにのみウェークアップする。この構成は、センサノードとコーディネータとの間のより正確なネットワーク同期を達成することを可能にする。しかしながら、ＷＢＡＮワイヤレスリンクの高いボラティリティが原因で、単純で静的な緊密に同期されたＴＤＭＡスケジュールは、困難なシナリオ下では柔軟性のないものとなる。

伝統的な適応型または日和見型のスケジューリング手法は、スレーブノードが通信のために絶えず利用可能であることを必要とするため、ＷＢＡＮとの適合性がない。この必要条件は、ＷＢＡＮにおける高エネルギー効率プロトコルの中核をなす省電力メカニズムである無線デューティサイクリングとの適合性がない。

以下では、実施形態について、非限定的な例として添付の図面を参照して説明することにする。

一実施形態によるワイヤレスボディエリアネットワークを示す図。一実施形態による、媒体アクセス制御パラメータを設定する方法を示す図。一実施形態において設定される媒体アクセス制御パラメータを示す図。一実施形態によるセンサノードを示す図。一実施形態によるコーディネータノードを示す図。一実施形態においてコーディネータノードに対して実施される処理を示す図。一実施形態による、媒体アクセス制御パラメータを設定する方法を示す図。一実施形態における通常動作でのビーコン幅を示す図。一実施形態における設定動作でのビーコン幅を示す図。一実施形態におけるモーション推定ステップの加速度計値のサンプリングを示す図。一実施形態における受信信号強度値のサンプリングを示す図。

一実施形態では、リンクの属性は、第１のセンサノードの動きである。

一実施形態では、媒体アクセス制御スーパーフレームのパラメータは、ビーコン幅、ガード時間、フレーム間スペース、および肯定応答期間のうちの少なくとも１つを備える。

一実施形態では、本方法は、第１のセンサノードから測定量の複数の指示を受信することと、受信された値から加重移動平均値を決定することとをさらに備える。リンクの属性は、加重移動平均値を用いて推定される。

一実施形態では、推定された属性を用いて媒体アクセス制御スーパーフレームのパラメータを設定することは、リンクの属性をしきい値と比較することと、比較の結果に基づいてモードを選択し、選択されたモードに従って媒体アクセス制御スーパーフレームのパラメータの値を選択することとを備える。

一実施形態では、モードは、加法的増加乗法的減少フィードバック（additive increase multiplicative decrease feedback）を用いて選択される。

一実施形態では、リンクの属性はアクティブ期間タイムスロットである。一実施形態では、媒体アクセス制御スーパーフレームのパラメータを設定することは、アクティブ期間タイムスロットに基づいてスーパーフレームのアクティブ期間と非アクティブ期間との比を設定することを備える。一実施形態では、媒体アクセス制御スーパーフレームのパラメータはタイミングパラメータを備える。

一実施形態では、プロセッサ上で実行されると、プロセッサに、ボディエリアネットワークのコーディネータノードにおいて媒体アクセス制御の方法を実行させるコンピュータ可読命令を搬送するコンピュータ可読搬送媒体が開示される。

一実施形態では、ワイヤレスボディエリアネットワークのためのコーディネータノードが開示される。コーディネータノードは、ワイヤレスボディエリアネットワークの複数のセンサノードから信号を受信するように構成されたアンテナと、信号は、複数のセンサノードのうちの第１のセンサノードからの第１の信号を備え、第１の信号は、第１のセンサノードにおける測定量の指示を備え、測定量は、第１のセンサノードとコーディネータノードとの間のワイヤレスボディエリアネットワークのリンクの属性を指示する、その指示を用いてリンクの属性を推定することと、推定された属性を用いて媒体アクセス制御スーパーフレームのパラメータを設定することとを行うように動作可能なプロセッサとを備える。

一実施形態では、リンクの属性は第１のセンサノードの動きである。

一実施形態では、プロセッサは、リンクの推定された属性に基づいてリンクの状態を分類するように動作可能な分類器を備える。

一実施形態では、分類器は、推定された属性をしきい値と比較することによってリンクの状態を分類するように動作可能である。

一実施形態では、プロセッサは、推定された属性に基づいてモードを選択することによって、媒体アクセス制御スーパーフレームのパラメータを設定するように動作可能である。

一実施形態では、ワイヤレスボディエリアネットワークが開示される。ワイヤレスボディエリアネットワークは、コーディネータノードと、量を測定するように動作可能なセンサと測定された量の指示を備える第１の信号を送信するように動作可能なアンテナとを備える少なくとも１つのセンサノードとを備える。

一実施形態では、センサは加速度計であり、測定された量は動きである。

図１は、一実施形態によるワイヤレスボディエリアネットワーク（ＷＢＡＮ）１００を示している。ＷＢＡＮ１００は、感知された情報をハブまたはコーディネータノード１１０に送信する複数のセンサノードを備えている。センサノードは、患者１５０の身体の上に配置されるかまたは身体の中に埋め込まれ、患者１５０のバイタルサインを監視する。ＷＢＡＮ１００は、温度センサノード１１２と、心拍数モニタノード１１４と、血圧センサノード１１６と、左腕心電図（ＥＣＧ）ノード１１８と、第１の動きセンサ１２０と、左脚ＥＣＧノード１２２と、右脚ＥＣＧノード１２４と、第２の動きセンサ１２６と、右腕ＥＣＧノード１２８と、センサノード１３０とを備えている。センサノードは、コーディネータノード１１０によって決定された媒体アクセス制御（ＭＡＣ）プロトコルに従って、ＷＢＡＮを介してコーディネータノード１１０に情報を送る。コーディネータノード１１０は、センサからのデータが記憶され分析される外部サーバに、体外ワイヤレスリンクを通じて接続し得る。

各実施形態は、コーディネータノードによって、ＷＢＡＮのためにスーパーフレームレベルでＭＡＣパラメータを設定することに関する。各実施形態は、スーパーフレームレベルでＴＤＭＡのスケジューリングされたアクセススロットおよびパラメータを設定することに関する。具体的に言えば、送信のスケジュールおよび関連するスーパーフレームパラメータがハブによって計算され、次のスーパーフレームの開始時のビーコンでセンサノードに伝達される。

シンプルな静的で緊密に同期化された時分割多元接続（ＴＤＭＡ）スケジュールは、移動式または携行式のリンクなどの困難なシナリオでは柔軟がない。ＢＡＮワイヤレスリンクの高いボラティリティでは、適応可能で設定可能な特性が必要である。各実施形態は、ＭＡＣプロトコルが動作環境の変化に適応するように、スケジューリングされたアクセスモードパラメータを適応的に設定する方法に関する。

図２は、一実施形態による媒体アクセス制御（ＭＡＣ）パラメータを設定する方法を示すフローチャートである。方法２００は、ＷＢＡＮ１００のコーディネータノード１１０によって実行される。ステップＳ２０２において、コーディネータノード１１０は、センサノードから指示を受信する。センサノードから受信された指示は、センサノードとコーディネータノードとの間のワイヤレスリンクの属性を指示する。それらの属性は、測定された受信信号強度指示（ＲＳＳＩ）、ノードの動きの指示などのセンサノードのセンサによって測定された情報を含み得る。

ステップＳ２０４において、コーディネータノード１１０は、受信された指示からＷＢＡＮリンクの属性を推定する。リンク属性は、リンク品質、モビリティ、およびアプリケーションデータレートのうちの１つまたは複数である。ステップＳ２０６において、コーディネータノードは、スーパーフレームレベルでＭＡＣアクセスパラメータを設定する。

図３は、一実施形態による、コーディネータノードによって構成されたフレーム構造を示す。時間軸はスロット化され、スーパーフレーム３００と呼ばれる周期フレームに分割される。スーパーフレーム３００は、ビーコンスロット３１０と、アクティブタイムスロット３２０と、非アクティブ期間３５０との３つの部分からなる。

ビーコンスロット３１０において、コーディネータノード１１０は、アクティブフレーム期間の長さ、ならびにデータ送信および肯定応答のために各ユーザに割り振られた特定のスロット長さを指示するためのビーコン信号と、フレーム間期間およびパラメータとをブロードキャストする。各実施形態では、スーパーフレーム期間の長さは、アプリケーションの要件に適応する。

アクティブ期間３２０は、競合アクセス期間３３０とスケジューリングされたアクセス期間３４０とを有する。スケジューリングされたアクセス期間３４０において、複数のタイムスロットのうちの各々はセンサノードにスケジュールされ、ここでノードは測定された読み取り値をコーディネータノードに送信する（アップリンクと呼ばれる）。図３に示すように、第１のタイムスロット３４２は第１のセンサノードに割り振られ、第２のタイムスロット３４４は第２のセンサノードに割り振られ、第３のタイムスロット３４６は第３のセンサノードに割り振られ、第４のタイムスロット３４８は第４のセンサノードに割り振られている。

スケジューリングされたアクセス期間３４０では、第１のタイムスロット３４２において、第１のセンサノードである「デバイス」は、コーディネータノードである「ハブ」にデータ３４２ａを送信する前に、ガード時間（ＧＴ）にわたって待機する。コーディネータノードは、フレーム間スペーシング期間（ｐＴＩＦＳ）において、受信したデータのパケットを処理する。フレーム間スペーシング期間（ｐＴＩＦＳ）に続いて、コーディネータノードは、送信の成功を指示する肯定応答３４２ｂを第１のノードに送信する。このプロセスは、第２のタイムスロット３４４、第３のタイムスロット３４６、および第４のタイムスロット３４８について、それぞれのノードで繰り返される。

図４は、一実施形態によるセンサノード４００を示している。センサノード４００は、センサ４１０と、プロセッサ４２０と、ワイヤレスネットワーク４３０と、アンテナ４３５と、電源４４０とを備えている。使用時に、センサノード４００は、患者によって着用されるか、または患者の体内に埋め込まれる。センサ４１０は、血圧センサ、心臓の活動を測定するための心電計（ＥＣＧ）、体温計、または血中酸素飽和度を測定するためのパルスオキシメータなど、患者のバイタルサインを監視するための任意のタイプのセンサであり得るが、センサはまた、モーションセンサまたは加速度計であってもよい。センサノード４００は、センサの組み合わせを有してもよい。プロセッサ４２０は、感知されたデータに対する処理を実施し、またワイヤレスネットワークインターフェース４３０を制御する。ワイヤレスネットワークインターフェース４３０は、コーディネータノードとのワイヤレス通信を可能にする。ワイヤレスネットワークインターフェース４３０は、アンテナ４３５に結合されている。ワイヤレスネットワークインターフェース４３０は、受信信号強度またはアンテナ４３５によってコーディネータノードから受信された信号を測定するように構成されている。電源４４０は、センサノードに電力を供給するものであり、たとえばバッテリである。センサノード４００は、患者に埋め込まれるかまたは患者によって着用され得るため、センサノード４００のサイズが最小化されることが有利となることに留意されたい。したがって、ノードによるエネルギー消費は重要な検討事項である。このことは、特に埋め込み型センサの場合に当てはまる。

図５は、一実施形態によるコーディネータノード５００を示している。コーディネータノードは、ワイヤレスネットワークインターフェース５１０と、アンテナ５１５と、プロセッサ５２０と、電源５３０とを備えている。ワイヤレスネットワークインターフェース５１０は、コーディネータノード５００がアンテナ５１５を介してセンサノードと通信することを可能にする。ワイヤレスネットワークインターフェース５１０はまた、コーディネータノード５００が、情報を処理し記憶するサーバと通信することを可能にしてもよい。プロセッサ５２０は、ワイヤレスネットワークインターフェース５１０を制御し、コーディネータノード５００とセンサノードとの間の通信の媒体アクセス制御パラメータを設定する。たとえばバッテリである電源５３０は、コーディネータノードに電力を供給する。コーディネータノード５００が患者によって着用されていても、コーディネータノードによる電力消費は、センサノードの場合よりも重要ではない。したがって、センサノードとコーディネータノードとの間における通信の制御の機能の大部分は、コーディネータノード上で行われる。

図６は、一実施形態によるコーディネータノード６００で実施される処理を示している。図６に示す実施形態では、コーディネータノード６００は、心電計（ＥＣＧ）センサノード６６０と、血圧センサノード６７０と、パルスオキシメータセンサノード６７０と、温度センサ６９０とを備えるワイヤレスボディエリアネットワークの一部である。バイタルサインセンサに加えて、センサノード６６０、６７０、６８０、６９０はまた、モーションセンサも含んでもよい。

コーディネータノードにおいて、センサノードから受信されたデータ６１０は、分類器ベースの設定プロセスを用いて処理される。センサノードから受信されたデータ６１０は、ＥＣＧデータおよび血圧データなどの感知データ、ＲＳＳＩ（受信信号強度指示）などのリンク情報、ならびに加速度計データを含む。

コーディネータノード６００は、リンク品質分類器６２０と、モビリティ分類器６３０と、センサトラフィック分類器６４０とを備える分類エンジンを備えている。分類器は、プロセッサ上で稼働するコンピュータプログラムモジュールとして実装され得る。分類器は、ＷＢＡＮによって使用される媒体アクセス制御スーパーフレームの設定を選択するために使用される。リンク品質分類器６２０は、受信信号強度インジケータ（ＲＳＳＩ）、リンク品質インジケータ（ＬＱＩ）、またはセンサノードによって受信された受信電力などのリンク品質データ６２２に従って、コーディネータノードとセンサノードのうちの１つとの間のリンクの状態を分類する。

モビリティ分類器６３０は、動きを以下の分類、すなわち、高モビリティ６３１、低モビリティ６３２、または静止６３３のうちの１つに分類する。この分類は、ｘ方向加速度計データ６３５と、ｙ方向加速度計データ６３６と、ｚ方向加速度計データ６３７とに基づいている。

センサトラフィック分類器６４０は、センサデータトラフィックを、周期性６４１、非周期性６４２または緊急事態６４３として分類し、またデータレートを低速６４４または高速６４５として分類する。

この分類の結果に基づいて、スーパーフレーム構造６５０のパラメータが設定される。設定されるパラメータは、ビーコン期間６５１、ガード時間６５２、データスロットの長さ６５３、フレーム間スペーシング６５４、肯定応答の数または時間期間６５５、およびスケジュールされたアクセス期間と競合アクセス期間との間の比率６５６である。

図７は、一実施形態によるスーパーフレームパラメータを設定する方法を示す。この方法は、３つの主なステップ、すなわち、情報処理および分析ステップＳ７０２と、推定ステップＳ７０４と、決定および設定ステップＳ７０６とを備えている。

分析ステップＳ７０２では、センサノードから受信された情報が分析される。受信された情報は、タイムスタンプと、基準ロケーション座標と、ＲＳＳＩと、実際のセンサ情報（取得可能な場合は加速度計またはジャイロスコープなど）とを含む。ノードから値の時系列を受信すると、コーディネータノードは、ノードが動いている肢にあるかどうか、センサノードにおけるＲＳＳＩ変動の大きさを決定する。それらの値は次いで、以前の利用可能なデータと比較され、しきい値に対して測定され、保証されている場合にのみ次のステップに進む。

推定ステップＳ７０４は、（ａ）リンク品質の変化の程度が収集されるリンク品質推定と、（ｂ）モビリティの認識および推定と、（ｃ）タイムスロット推定を決定するために使用されるセンサアプリケーションのデータレート性能推定とを備えている。これらについて、以下でさらに詳細に説明する。

リンク品質推定（ＬＱＥ）
リンク品質推定は、ＷＢＡＮ通信およびネットワークプロトコルの基本的な構成要素を形成する。リンク品質推定器は、特定の無線リンク測定（たとえば、ＲＳＳＩ／ＬＱＩ）および／または知覚された論理的接続性情報（たとえば、パケット受信（ＰＲＲ）／損失率（ＰＬＲ））に基づいている。ボディエリアネットワークにおいて、低デューティサイクルの間欠的送信の可能性のあるシナリオでは、リンク品質を推定することは困難である。

分散が大きいがために、ウィンドウ付きの平均値は、リンク状態を決定するための、最新の受信値よりも優れた指標となる。間欠的な情報を用いて、指数加重移動平均によるウィンドウ平均（ＷＭ−ＥＷＭＡ：Window Mean with Exponentially Weighted Moving Average）手法は、各無線リンクの長期的な安定性と品質を獲得することを可能にする。指数加重の手法および重みは、最近の測定の重要性を示す。時刻ｔにおけるノードｉのリンク品質推定（ＬＱＥ）は次式によって与えられる。
ここで、ａは０〜１の間の重みの減少の程度を表す。ａが大きいほど、古いチャネル条件がより迅速に割り引かれる。考慮されるサンプルの数は、最後の送信期間（Ｔ）に制限され得る（Ｎ）。

利用可能な他のそのようなリンク品質推定値がある場合、それらも観測に含められ得る。たとえば、ＬＱＩ（リンク品質インジケータ）は、正常に受信されたパケットの測定値である。たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１５．４ベースのチップセットＣＣ２４２０は、到来パケットごとに、最初の８つのシンボルに基づいてＬＱＩを提供する。それらの値は通常、最低および最高品質を示す５０〜１１０である。また、ＬＱＩはＲＳＳＩよりも高い分散を有する。
上記の２つの推定値は、共通のスケールへと正規化され、
に、組み合わされ得る。
ここで、βは、ＲＳＳＩに与えられる重みである。
モビリティの認識および推定（ＭＥ）
モビリティ／アクションの認識は、オンボディセンサを使用する。センサノードは、センサチップセットに組み込まれた加速度計を有してもよい。３軸加速度センサは、異なる方向（ｘ、ｙ、ｚ）におけるセンサノードの加速度を収集するために使用される小さなセンサである。

一実施形態では、センサノードは、この場合には２軸ジャイロスコープを含み、傾斜角（θ）および方位角（φ）が得られる。一実施形態では、センサノードは、９自由度−９ＤｏＦのジャイロスコープを含み、センサは、３軸加速度計、３軸ジャイロ、および３軸磁力計を介してデータを捕捉する。

３軸加速度計を有するセンサノードｉは、ｔにおける（ｘ₁（ｔ）、ｙ₁（ｔ）、ｚ₁（ｔ））を測定するものであり、関心の対象となるのは、これらのセグメントのＮ個のスライディングウィンドウにわたって抽出された特徴、たとえば、平均、標準偏差、二乗平均、一次微分、二次微分である。これらの値はその後、ハブコーディネータに送信される。

便宜上、１−ｓのウィンドウを取ることにする。１−ｓのウィンドウが信号上を移動され、各ウィンドウに対応する平均および標準偏差が計算される。Ｓ_Nを最新のサンプルとして、Ｓ₁、Ｓ₂、．．．、Ｓ_NがＮ個のサンプルの標準偏差である場合、モーション推定（ＭＥ）は、Ｎ個すべてのサンプルの加重移動平均（ＷＭＡ）によって与えられる。

タイムスロット推定（ＴＳＥ）
様々な異種のセンサおよびアプリケーションがＷＢＡＮに含まれ得る。スケジュールされた期間と競合期間との比は、アプリケーションおよび関連するトラフィック需要に応じて異なり得る。デフォルトでは、ノードは、スケジュールされた割振りによってスロットを使用する。競合アクセス期間は、自由なタイミングで送信するように特に登録されたノード、すなわち送信する媒体にランダムにアクセスするノードに対して設定される。センサまたはアプリケーションのいかなる変更も、この比の変更を必要とし、すなわち、スケジュールされた割振りスロットの数は減少し、競合アクセススロットの数は比例して増加する。

スケジュールされた割振りは、高い帯域効率をもたらす。精密なリソース管理上、スケジューリングされたタイムスロットのサイズは、利用率と効率に応じて適合され得る。コーディネータは、スケジューリングされたタイムスロットの実際の帯域幅利用率を監視するが、これは、Ｎ個のスーパーフレームにわたる利用率の移動平均によって推定され得る。

現在のスーパーフレームインデックスをｔとする。コーディネータは、Ｎ番目のスーパーフレームの終わりに、センサデバイスｉのスケジュールされたタイムスロット利用率を次のように推定する。
ここで、ｕⁱおよびｖⁱは、端末デバイスｉに／端末デバイスｉから送信されるデータの量、および可能なボイド時間（voidtime）を示す。

ステップＳ７０６において、動作を分類するために、推定されたパラメータがしきい値に対して実行される。設定機能は、設定モード（ＣＯＮＦ＿ｍｏｄｅ）、通常モード（ＲＥＧ＿ｍｏｄｅ）、エコノミーモード（ＥＣＯ＿ｍｏｄｅ）の３つのタイプに分類される。一実施形態におけるステップＳ７０６の処理について、これから説明することにする。ステップＳ７０８では、センサノードのＬＱ、ＭＥ、ＴＳＥの値がしきい値と比較される。

リンクがアクティブでないこともあるため、しきい値との比較が、すべてのセンサノードとのすべてのリンクに対して行われるわけではないことに留意されたい。ハブはしきい値の値を記憶している。しきい値の値は、たとえば、一定のサービス品質を維持するように設定される。

いくつかのスーパーフレームにわたってこの分類の目的を達成するために、分類器はＥＣＯ＿Ｃｏｕｎｔｅｒを維持する。分類器は、適切なフィードバックカウンタ機構として、加法的増加乗法的減少（ＡＩＭＤ）を採用する。

推定されたパラメータのうちの１つが、それぞれのしきい値未満である場合、本方法はステップＳ７１０に進み、ここでＥＣＯ＿Ｃｏｕｎｔｅｒが定数ｋで除算される。これがフィードバック機構の乗法的減少の部分である。ステップＳ７１０の後に、ネットワークは設定モード７２０に置かれる。

パラメータのすべてがそれぞれのしきい値を上回っているとステップＳ７０８において決定された場合、本方法はステップＳ７１２に進む。ステップＳ７１２において、ＥＣＯ＿Ｃｏｕｎｔｅｒは１つだけ増分される。これがフィードバック機構の加法的増加部分のである。ステップＳ７１４の後に、ＥＣＯ＿Ｃｏｕｎｔｅｒがしきい値と比較される。ＥＣＯ＿Ｃｏｕｎｔｅｒがしきい値を上回っている場合、ネットワークはＥＣＯモード７４０に置かれる．ＥＣＯ＿Ｃｏｕｎｔｅｒがしきい値未満である場合、ネットワークは通常動作モード７３０に置かれる。

上記の推定値および決定に基づいて、スーパーフレームパラメータは、ネットワークが置かれているモードに従って設定される。同期は、正常にパケットを送信／受信するためにノードとハブが正確に同期されるスケジューリングされたアクセスＴＤＭＡＭＡＣにおいて重要な問題である。ノードとハブ／コーディネータはそれぞれ独自のクロックを有しているため、長期間のスリープの後にウェークアップするとき、同期することが困難となる。ビーコン、ＧＴ、ＩＦＳ、およびＡＣＫのパラメータを設定することによって、この同期の問題が対処され、同期の回復力が改善される。

３（ａ）ビーコン幅の適応：
理想的には、センサノードのリスニング間隔は短いものであると予想される。したがって、ノードのリスニング期間を最小限に保つと、ハブ／コーディネータはＣＯＮＦ＿ｍｏｄｅでビーコン期間を増大させる。

図８ａは、一実施形態における、通常動作におけるビーコン幅を示す。ビーコン幅Ｔ_beaconを有するビーコン８０２が、コーディネータノードによってスーパーフレームの開始時に送信される。ビーコン８０２の後に、第１のデータスロット８０４および第２のデータスロット８０６が続いている。図８ａに示すように、第１のセンサノード（センサ１）のリスニング期間８１０は、ビーコン８０２の開始とオーバーラップしており、したがって、第１のセンサノードはビーコン８０２を受信する。第２のセンサノード（センサ２）のリスニング期間８１２は、ビーコン８０２の開始後に始まる。したがって、第２のセンサノードはビーコンパケットのすべてを受信するわけではなく、したがって、ビーコン８０２を受信していないと考えられる。

図８ｂは、一実施形態における、設定モードにおけるビーコン幅を示している。ビーコン幅Ｔ_beaconの第１のビーコン８０２と、ビーコン幅Ｔ_beaconの第２のビーコン８０３が、コーディネータノードによってスーパーフレームの開始時に送信される。ビーコン８０２および８０３の後に、第１のデータスロット８０４および第２のデータスロット８０６が続く。図８ｂに示すように、第２のセンサノード（センサ２）のリスニング期間８１２は、第２のビーコン８０３の開始とオーバーラップしており、したがって、両方の第１のセンサノードがビーコンを受信する。第１のセンサノードは第１のビーコン８０２を受信し、第２のセンサノードは第２のビーコン８０３を受信する。

良好なチャネル状態を利用して、ＥＣＯ＿ｍｏｄｅはネットワークがビーコンをスキップすることを可能にする。

したがって、ビーコン幅は、以下のようにモードに従って設定される。

３（ｂ）ガード時間適応：
ビーコンを通じてスリープしている間にデバイスの同期を維持することは、適応型のガード時間によって達成され得る。クロックドリフトを緩和するためにガード時間が挿入される。パケット送信の場合、クロックドリフトおよび同期の問題は小さなものであり得るが、最悪の場合のシナリオを考慮して、ＣＯＮＦ＿ｍｏｄｅにおいてガード時間が増加される。

３（ｃ）フレーム間スペース適応：
フレーム間スペースは、受信されたパケットを物理層（ＰＨＹ）によって処理するのに必要な時間量である。送信されたフレームの後に、フレーム間スペース（ＩＦＳ）期間が続く。ＩＦＳの長さは、送信されたばかりのフレームのサイズに依存する。Ｔ_IFS期間の後、無線機は送信し（ＴＸ）、次いで受信（ＲＸ）に戻ることを試行する。いくつかの無線機は、（ＴＸ→ＲＸの遷移を終えるために）より多くの時間を必要とし得る。このため、Ｔ_IFSは次のように設定される。

３（ｄ）タイムスロット適応：
スケジュールされた割振りは、高い帯域効率をもたらす。精密なリソース管理上、スケジュールされたタイムスロットのサイズは、使用状況と効率に応じて適合され得る。ＴＳＥおよびＬＱＥに基づいて、コーディネータは割り振られたＴＳを変更し、したがってパケットサイズを変更し得る。

３（ｅ）肯定応答適応：
モバイルノードおよびロングスリープノードは、クロックドリフトの回復力を必要とする。同期の回復力は、肯定応答の増加した数によって改善される。肯定応答の数を増加させることは、エネルギー効率への影響を限定して利用率が改善されることを示す。

３（ｆ）アクティブ期間比
スケジュールされた期間と競合期間との比は、アプリケーションおよび関連するトラフィック需要に応じて異なり得る。

スケジュールされたモードまたは競合アクセスはスタートアップ段階の間に選択され、そのため、初期の比は、ノード登録／スタートアップ段階の間に選択される。次に、動作段階の間、ハブは、ノード／パケットのうちのどれだけがスケジューリングされるか、またそのうちのどれだけが競合ベースになるかを決定し得る。この比の変化は、このアルゴリズムの動作段階で発生する。

いくつかの低速データレートのアプリケーションまたは性能の低いノードでは、競合アクセスに切り替えることによってパフォーマンスが改善されることに留意されたい。ＴＳＥおよびＬＱＥに基づいて、競合アクセススロットの数が増加した場合は、スケジュールされた割振りスロットの数が減少し、その逆の場合も同じ数だけ増加する。たとえば、１６タイムスロットのアクティブフレームを有するスーパーフレームでは、スケジュール対競合の比（「：」で示す）が１５：１、１２：４、１０：６、６：１０、４：１２、２：１４に設定されている場合、設定されたアクセスは、与えられた状況下でパフォーマンスが最良となる比を選択する。

一実施形態では、アクティブ期間Ｔ_activeは、以下のようにモードに基づいて変更され得る。

各実施形態では、分類器ベースの設定方法は、十分な柔軟性をＴＤＭＡスケジュールにもたらす。また、ＥＣＯ＿ｍｏｄｅでは、この機構は、センサノードのエネルギーを節約するために好ましい条件を利用する。

広範なセンサ（たとえば、ＥＣＧ、ＥＥＧ、パルスオキシメータなど）が、様々なデータレートおよびＱｏＳ要件を有している。実施形態で説明された機構は、アプリケーションデータレート性能およびリンク品質を推定し、様々なスーパーフレームおよびアクセスモードパラメータを設定し、それによって高度なサービス品質（ＱｏＳ）をもたらすものである。

提案した実施形態には、いくつかの利点がある。分類器ベースの設定方法は、緊密に同期されるスケジューリングされたアクセススーパーフレーム構造に柔軟性をもたらす。提案した機構は、利用可能な間欠的で統計的に駆動される情報を利用する。その利点には、推定の間に外れ値を除去するが、依然として無線環境の変化に反応することが含まれる。この機構は、取り付けられた様々なセンサの多様なデータレートおよびＱｏＳ要件に適応する。各実施形態は、好ましい条件の利用を可能にし、したがって高度にエネルギー効率的である。

図９は、一実施形態におけるモーション推定（ＭＥ）ステップの加速度計値のサンプリングを示している。示した図において、２５０ｍｓごとに２０ｍｓのサンプリング周期（ΔＷ）を有するＳ１〜Ｓ４としてラベル付けされた４つのサンプル（Ｎ＝４）が、「モビリティの認識および推定（ＭＥ）」と題した項で上述したように、ＭＥの計算に使用される。図９に示すように、初期には、センサによって測定された加速度には、ほとんどまたはまったく変化がない。約１１００ｍｓ後、小さな程度の変化が発生し、これは、１２５０ｍｓで発生する第２のＳ１サンプリング期間で最初に測定される。次いで２２５０ｍｓにおいて、大きな変化のゆらぎが生じている。これは、２５００ｍｓにおいて第３のウィンドウＳ２で最初に検出される。

図１０は、ＬＱＥの計算に対するＲＳＳＩ値のサンプリングを示している。ＲＳＳＩ値は、Ｓ１〜Ｓ４とラベル付けされた２０ｍｓの期間にわたってサンプリングされる。図９および図１０に示すように、サンプリング期間は、サンプリングが発生しない期間と比較して、相対的に短い。しかしながら、サンプリング周期が比較的短いながらも、ネットワークは条件の変化に適応することが可能である。

特定の実施形態が概略的に示されている。読者には、各実施形態の詳細な実装が多数の方式で達成され得ることが理解されよう。たとえば、専用のハードウェア実装が設計および構築され得る。他方で、プロセッサは、実施形態に関連して上述した管理ユニットを実装するために、記憶媒体（たとえば、磁気、光学またはソリッドステートメモリベースのデバイス）としてまたはコンピュータ受信可能な信号（たとえば、全プログラムのダウンロードまたは既存のプログラムに対する「パッチ」更新）として供給されるようなコンピュータプログラムを用いて構成され得る。これらの２つの情勢の他に、ＤＳＰ、ＦＰＧＡなどのような多機能ハードウェアデバイスが構成命令によって構成され得る。

特定の実施形態について説明したが、これらの実施形態は単なる例として提示されたものであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。実際に、本明細書に記載された新規なデバイス、方法およびシステムが、様々な他の形態で実施され得、さらに、本明細書に記載されたデバイス、方法およびシステムの形態における様々な省略、置換および変更が、本発明の精神から逸脱することなく行われ得る。添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物は、本発明の範囲および精神に含まれるような、そのような形態または改変を包含することを意図したものである。

Claims

ボディエリアネットワークのコーディネータノードにおける媒体アクセス制御の方法であって、前記ボディエリアネットワークは、前記コーディネータノードと複数のセンサノードとを備え、前記センサノードの各々は、センサを備え、複数の媒体アクセス制御スーパーフレームによって定義されるタイムスロットにおいて前記コーディネータノードとワイヤレスで通信するように構成され、前記方法は、
前記コーディネータノードにおいて、前記複数のセンサノードのうちの第１のセンサノードから信号を受信することと、前記信号は、前記第１のセンサノードにおける測定量の指示を備え、前記測定量は、前記第１のセンサノードと前記コーディネータノードとの間の前記ボディエリアネットワークのワイヤレスリンクの属性を指示する、
前記指示を用いて前記リンクの属性を推定することと、
前記推定された属性を用いて媒体アクセス制御スーパーフレームのパラメータを設定することと、
を備える方法。
前記リンクの前記属性は、前記第１のセンサノードの動きである、請求項１に記載の方法。
媒体アクセス制御スーパーフレームの前記パラメータは、ビーコン幅、ガード時間、フレーム間スペース、および肯定応答期間のうちの少なくとも１つを備える、請求項２に記載の方法。
前記第１のセンサノードから前記測定量の複数の指示を受信することと、前記受信された値から加重移動平均値を決定することと、ここにおいて、前記リンクの前記属性は、前記加重移動平均値を用いて推定される、を備える、請求項１に記載の方法。
前記推定された属性を用いて媒体アクセス制御スーパーフレームのパラメータを設定することは、前記リンクの前記属性をしきい値と比較することと、前記比較の結果に基づいてモードを選択し、前記選択されたモードに従って前記媒体アクセス制御スーパーフレームのパラメータの値を選択することとを備える、請求項１に記載の方法。
前記モードは、加法的増加乗法的減少フィードバックを用いて選択される、請求項５に記載の方法。
前記リンクの前記属性はアクティブ期間タイムスロットである、請求項１に記載の方法。
前記媒体アクセス制御スーパーフレームのパラメータを設定することは、前記アクティブ期間タイムスロットに基づいて前記スーパーフレームのアクティブ期間と非アクティブ期間との比を設定することを備える、請求項６に記載の方法。
前記媒体アクセス制御スーパーフレームの前記パラメータはタイミングパラメータを備える、請求項１に記載の方法。
プロセッサ上で実行されると、前記プロセッサに、請求項１に記載の方法を実行させるコンピュータ可読命令を搬送するコンピュータ可読搬送媒体。
ワイヤレスボディエリアネットワークのためのコーディネータノードであって、
前記ワイヤレスボディエリアネットワークの複数のセンサノードから信号を受信するように構成されたアンテナと、前記信号は、前記複数のセンサノードのうちの第１のセンサノードからの第１の信号を備え、前記第１の信号は、前記第１のセンサノードにおける測定量の指示を備え、前記測定量は、前記第１のセンサノードと前記コーディネータノードとの間の前記ワイヤレスボディエリアネットワークのリンクの属性を指示する、
前記指示を用いて前記リンクの属性を推定することと、
前記推定された属性を用いて媒体アクセス制御スーパーフレームのパラメータを設定することと、
を行うように動作可能なプロセッサとを備えるコーディネータノード。
前記リンクの前記属性は前記第１のセンサノードの動きである、請求項１１に記載のコーディネータノード。
媒体アクセス制御スーパーフレームの前記パラメータは、ビーコン幅、ガード時間、フレーム間スペース、および肯定応答期間のうちの少なくとも１つを備える、請求項１２に記載のコーディネータノード。
前記プロセッサは、前記リンクの前記推定された属性に基づいて前記リンクの状態を分類するように動作可能な分類器を備える、請求項１１に記載のコーディネータノード。
前記分類器は、前記推定された属性をしきい値と比較することによって前記リンクの前記状態を分類するように動作可能である、請求項１４に記載のコーディネータノード。
前記プロセッサは、前記推定された属性に基づいてモードを選択することによって、前記媒体アクセス制御スーパーフレームの前記パラメータを設定するように動作可能である、請求項１１に記載のコーディネータノード。
請求項１１に記載のコーディネータノードと、
量を測定するように動作可能なセンサと前記測定された量の指示を備える第１の信号を送信するように動作可能なアンテナとを備える少なくとも１つのセンサノードとを備えるワイヤレスボディエリアネットワーク。
前記センサは加速度計であり、前記測定された量は動きである、請求項１７に記載のワイヤレスボディエリアネットワーク。