JP2017530664A - アドホック通信ネットワークおよび通信方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、急速に変化する環境での動作のためにモバイルアドホック音声ネットワークを形成するための方法に関し、当該方法は、(A)複数の装置にグループIDを割り当てるとともに、装置の各々に各シリアル番号を割り当てるステップと、(B)前記装置の各々に、(B.1)TDMAサイクルのスロット内でネットワーク装置の各々によって送信される、個々の隣接装置のデータに基づいて、1つまたは複数の中継装置の決定を含む、ネットワークの構造を計算することと、(B.2)ネットワークのリーダ装置を計算することと、(B.3)ネットワークの同期装置を計算することとを行うためのアルゴリズムを提供するステップと、(C)装置の各々によって、TDMAサイクルのスロット内で装置の各隣接装置に対して送信を行うステップと、(D)ネットワークの同期装置によって、TDMAサイクルのスロット内で定期的な同期データを送信するとともに、同期データを全ネットワーク装置に伝達するステップと、TDMAサイクルの各々が完了すると、ネットワークの構造、ネットワークの中継器、およびネットワークのリーダ装置を決定または更新するために、装置の各々によって、上記アルゴリズムを適用するステップと、(E)TDMAサイクルの期間内に、同期データに基づいて装置の各々を同期させるとともに、同期装置が欠けていると判定すると、各装置によって、システムの新たな同期装置を決定するステップと、(F)ネットワークの装置によって、複数のTDMAスロット内で音声データをデジタル形式で送信するステップとを含む。

Description

本発明は、一般にモバイル通信の分野に関する。特に、本発明は、急速に変化する環境で動作しながら、参加者が全二重音声およびデータを送信するのを可能にするモバイルアドホック通信ネットワークに関係する。
モバイルアドホックネットワーク(MANET: Mobile Ad-Hoc Network)は、良く知られており、通信に広く使用される。MANETは、例えば、ホームセキュリティフォース、軍隊、センサネットワーク等によって使用される。当然、そのようなアドホックネットワークは、複数のモバイル装置の参加を支援して通信ネットワークを形成し、さらに、1つまたは複数の「メンバ」装置がネットワークを離れた場合、例えば、1つまたは複数の他のネットワーク装置に対する有効な範囲を超えた場合に、ネットワークの適切な動作を保証するように設計される。上記MANETネットワークの幾つかは、メンバ装置間の音声通信を可能するように設計される。
特許文献1は、ルータからの帯域幅要件情報の受領の後、「マスタ」装置によるそれぞれの「ルータ局」(ルータ)への帯域幅の動的割り当てを論じている。
従来技術のアドホックネットワークは典型的に、ネットワーク内のそれぞれの特定のモバイル装置の参加、離脱、または位置の変化による、ネットワークの構造的な変化への適合を含むのと同時に、さらに従来技術ネットワークにおけるそれらの構造的な変化は、比較的ゆっくりに、典型的には数分以上毎に1つの変化の範囲で生じる。さらに、従来技術のMANETシステムは典型的には、全二重ではない、すなわち2人以上のユーザ(例えば、4人)が同時に話し合いを行うことができる会議型の音声通信ではない、半二重音声通信(すなわち、「トランシーバ」型通信)、を支援する。そのようなタイプの通信をシームレスな方式で達成するためには、全ネットワーク装置への音声信号の伝搬遅延を考慮し、さらに装置内の処理時間を考慮すれば、非常に複雑な問題を解決する必要があることに留意すべきである。
例えば、従来技術のアドホック音声通信ネットワークは、複数のオートバイ運転者またはモバイル装置ユーザによる、全二重の会議型の話し合い(conference discussion)を行うのには適していない。より具体的には、オートバイ環境では、複数のオートバイ運転者(例えば、最大で10人のオートバイ運転者)が同時に「電話会議(conference call)」に参加するのを可能にするアドホック全二重音声通信ネットワークを必要であり、そこでは、電話会議に参加しているまたは任意で電話会議に加わる他のオートバイ運転者の全員によって、ライダーのうちの誰かが話すことができ、ライダーのうちの上限4人がランダムに常に聞くことができる。オートバイが時速150キロメータ以上のような高速で移動しかつ集団内のそれぞれの位置がランダムに変化するという事実は、頻繁なネットワーク構造の変化、すなわち従来技術のアドホック音声ネットワークが扱うことのできない速度での変化を招く。また、これらのネットワーク構造の頻繁な変化は、全二重、さらには様々な装置間での会議型の音声通信を支援することへの上記ニーズに対してさらに大きな困難を加える。
例えば、オートバイ運転者またはモバイル装置の環境で存在し得る、さらに他の必要事項は、MANETシステムの外部にいる追加の参加者が電話会議に加わるのを可能することである。例えば、4人のオートバイ運転者間のMANET電話会議が確立すると、MANETの外部にいるが、MANET参加者のうちの誰かとの電話モバイル通信(または他の通信)を有する5人目の参加者が、会議での話し合いに参加したいと望む。そのような動作は、従来技術では提供されていない。この必要事項はさらに、プロのユーザ、例えば、通信インフラカバレッジが部分的であるか、または損傷しており、オフネットワークMANETを使用して、モバイル通信の継続を必要とする、領域内を移動する、企業および公共の安全のためのユーザにとって存在する。ユーザのそのようなグループはさらに非常に動的であり、全二重電話会議を必要とする。
従って、数秒の割合で生じる大きく頻繁な構造の変化に対処することができるとともに幾つかのメンバ装置間における全二重の会議型通信をさらに提供するアドホック音声通信システムを提供することが、本発明の目的である。
アドホックネットワークの装置間でのホッピング型の音声通信を任意で含み、ホッピングな構造での構造の変化に対処することが、本発明の別の目的である。
ネットワークに加わる装置を設定するための容易でかつ簡潔な手続を提供することが、本発明のさらに別の目的である。
「リーダ装置」、「中継器」、または「同期装置」のようなアドホック鍵装置をそれぞれ用いる通信のロスに対処するとともに、鍵装置を用いた通信のロスの後でさえもネットワークの迅速な回復および適切な動作を可能にすることが、本発明のさらに別の目的である。
ネットワークの構造の変更を容易かつ動的に可能することが本発明のさらに別の目的である。
2つ以上のタイプのネットワーク、一方がMANETネットワークであり、他方が例えば、パケット交換式(LAN/WAN)ネットワークまたは回線交換式(セルラ)ネットワークである、ネットワーク間の接続を可能にして、1つまたは複数のMANET参加者装置を使用することによって、マルチネットワーク接続を確立することが、本発明のさらに別の目的である。
特にオートバイ運転者の使用に適した、アドホック音声またはデータ通信システムを提供することが、本願発明のさらなる目的である。
本発明の他の目的および利点は、説明が進むにつれて明らかとなるであろう。
米国特許出願公開第2008/0268855号明細書
本発明は、急速に変化する環境での動作のためにモバイルアドホック音声ネットワークを形成するための方法に関し、当該方法は、(A)複数の装置にグループIDを割り当てるとともに、装置の各々に各シリアル番号を割り当てるステップと、(B)装置の各々に、(B.1)TDMAサイクルのスロット内でネットワーク装置の各々によって送信される、個々の隣接装置のデータに基づいて、1つまたは複数の中継装置の決定を含む、ネットワークの構造を計算することと、(B.2)ネットワークのリーダ装置を計算することと、(B.3)ネットワークの同期装置を計算することとを行うためのアルゴリズムを提供するステップと、(C)装置の各々によって、TDMAサイクルのスロット内で装置の各隣接装置に対して送信を行うステップと、(D)ネットワークの同期装置によって、TDMAサイクルのスロット内で定期的な同期データを送信するとともに、同期データを全ネットワーク装置に伝達するステップと、TDMAサイクルの各々が完了すると、ネットワークの構造、ネットワークの中継器、およびネットワークのリーダ装置を決定または更新するために、装置の各々によって、上記アルゴリズムを適用するステップと、(E)TDMAサイクルの期間内に、同期データに基づいて装置の各々を同期させるとともに、同期装置が欠けていると判定すると、各装置によって、システムの新たな同期装置を決定するステップと、(F)ネットワークの装置によって、複数のTDMAスロット内で音声データをデジタル形式で送信するステップとを含む。
好適には、サイクル期間は、90msから2秒の間である
好適には、スロット内に導入される音声データは、ボコーダによって各装置内で圧縮される音声データであるとともに、音声データは、最大4個までの装置によってTDMAスロットのそれぞれに同時に導入される。
好適には、各装置内のデコーダは、圧縮された音声データを復号化し、各スピーカを介して音を出す。
好適には、音声データは、TDMAスロットによってネットワーク内の全装置に伝達され、または中継装置の1つまたは複数によってそれぞれ伝達される。
好適には、隣接装置のデータは、所定の制御スロット内および中継スロット内でTDMAサイクル内でそれぞれ伝達される。
好適には、同期装置からの同期データは、各フレームの専用スロット内の所定の同期スロット内で伝搬される。
好適には、同期装置が欠けていることを判定すると、各装置は、新たな同期装置を決定するとともに、新たに決定された同期装置は、残りの装置の中から最大のシリアル番号を有する装置である。
好適には、追加の精密なタイミング同期化は、各制御スロットでTDMAサイクルで各装置によって提供されるとともに、ネットワークの装置は、追加の同期データを使用して同期化し、自身の同期を精密に調整する。
好適には、リーダ装置は、ネットワークの中央にある装置であると決定され、ネットワークアーキテクチャおよび衝突解決を最適に伝達するために使用される。
好適には、2つ以上の装置が、リーダ装置として働くのに等しく能力があると判定された場合、それらの中から所定の基準を満たす装置が、リーダ装置として働くように選択される。
好適には、上記基準は、リーダ装置として働くのに等しく能力があることが分かった装置の中から最大のシリアル番号を有する装置である。
好適には、本発明の方法は、オートバイ運転者またはモバイル装置のためのモバイルアドホック音声ネットワーク内で使用され、各装置は、ユーザによる音声の開始を判定するための音声起動検出器をさらに備える。
好適には、本方法は、グループIDおよび装置シリアル番号を各装置に割り当てるためのヘッド装置を提供するステップをさらに備える。
好適には、アドホック音声ネットワーク内の1つまたは複数の参加者装置は、LAN/WAN/セルラモジュールを使用して、アドホックネットワーク内の装置と外部ネットワークのリモート装置との間を相互接続する。
好適には、相互接続の目的でLAN/WAN/セルラを使用する1つまたは複数の装置は、当該タスクを行うように手動で割り当てられる。
好適には、相互接続の目的でLAN/WAN/セルラを使用する1つまたは複数の装置は、アドホックネットワークの動作の間、当該タスクを行うように自動的かつ動的に割り当てられる。
好適には、装置は、MANETをLAN/WAN(パケット交換式ネットワーク)または回線交換式セルラネットワークに相互接続するルータとして使用可能である。ユーザがリモートパーティを会議に追加するように選択した場合、または閾値セットに基づく自動的方法によって、装置は、相互接続ルータとなることが可能である。
本発明の実施形態による、モバイルアドホック音声通信ネットワークの一時的な構造を示す図である。 本発明の実施形態による、MANET装置の基本的な構造を示す図である。 本発明のモバイルアドホック音声通信ネットワークを用いた動作のためのTDMAサイクルの一例を示す図である。
上述の通り、本発明は、効率的な会議、すなわち、ネットワークメンバ装置の物理的位置の観点、およびメンバ装置間の相対的位置の観点の両方から、ネットワークの構造に影響する急速に変化する環境内で効率的に動作する、全二重音声MANETを提供する。
以下で明らかになるように、本発明の全二重音声MANETは、複数の装置のうちの幾つかが、組み合わされたトランシーバ-中継装置として動作し、それ以外は、トランシーバとしてのみ動作する(すなわち、パケットを送信または受信する装置)、複数の装置を備える。トランシーバはトランシーバ-中継器になることができ、その逆も可能であり、トランシーバ-中継器は、単なるトランシーバになることができるように装置の各々の機能は非常に動的である。中継器として動作する場合、リープフロッギング効果が達成され、中継器または通常のトランシーバのいずれかとしての機能が生じる、トランシーバ-中継器を通して第2のトランシーバへのメッセージ「ホップ」をさせることによって、送信装置の到達範囲が拡張される。従って、ホッピングは、グループ全体の通信到達範囲を全体的に拡張する手段として働く。本発明のMANETは、TDMAプロトコルで動作する。
図1は、本発明の一実施形態によるMANET30の一時的な構造を説明する。この例示的なMANETは、8個の通信装置40a-40gを備え、そのうち6個が通常のトランシーバ(Tで示される)であり、他の2つ(装置40cおよび40h)がトランシーバ-中継器(T-Rで示される)として動作する。拡張された範囲への通信を保証するために、メッセージの伝搬のホッピング方式が、幾つかの装置で使用される。例えば、装置40aからの音声は、TDMA方式で2つのT-R 40hおよび40cを介して装置40d(装置40aに対して範囲外にある)に伝達可能である。装置40hは、メッセージを装置40gに直接伝達可能であるが、T-R 40cを介して装置40eへは直接伝達することはできない。これは、装置40cは装置40hからのメッセージをスロットxで受信し、装置40eが受信するメッセージをスロットx+iで再送信することを意味する。
図1のシステムは任意で、外部装置(例えば、携帯電話)への相互接続を可能にすることができ、これにより、MANETで行われる会議型の話し合いへの参加を可能にする。このオプションを可能にするため、装置40fは、図1においてLAN/WAN/回線交換式セルラネットワークへの相互接続ルータ(IR: Interconnection Router)として働く。装置40fは、装置40eからのメッセージを受信した場合、リモート(例えば、セルラ)ネットワーク90およびリモート装置40jに再送信する。リモートネットワーク90を介して装置40jからの入力を受信した場合は、MANETに再送信し、任意で自身の入力とのミクシングを行う。
詳細は後述するが、任意の時点で本発明のMANETはさらに、リーダ装置(leader device)L、および同期装置Sを備える(幾つかの場合、同じ装置が同期装置およびリーダ装置の両方として機能する)。例えば、装置の相対的位置は素早く変化するため、図1は一時的な場面を説明していることに留意すべきである。オートバイのライダー達によって使用される場合、数秒もしないうちに、または数秒のうちの部分で位置は大きく変化する。
以下の説明は、好適な実施形態の特定のパラメータと同様に汎用的なパラメータを組み合わせる。より具体的には、便宜上および本発明のより容易な理解のために、この好適な実施形態は、特定のパラメータ(メンバ装置の数、各TDMAサイクルの期間、潜在的なメッセージホッピングの数、最大範囲等のような)の指示を含む。しかし、本発明は、上記の特定のパラメータのいずれかに限定されないことを留意すべきである。
図2は、本発明の一実施形態による、MANET装置10の基本的な構造である。装置10は、トランシーバ11、処理ユニット13、ボコーダ14、デコーダ18、任意の音声起動検出器(VAD)19、マイクロフォン15、およびスピーカ17を備える。好適には、装置10は、ハンズフリーでの使用を可能にするために使用されるBluetooth(登録商標)ユニット21をさらに備え、後述するようなグループ化段階および外部ネットワークとの相互接続を実行する。装置10は、後述するような外部ネットワークとの相互接続を可能にするためのLAN/WAN/回線交換式セルラモジュール22をさらに備えても良い。
MANETは、参加者の間でのグループ化段階によって開始される。グループ化段階は、装置の1つを「ヘッド」装置として定義することにより開始する。次に、ヘッド装置は、グループIDおよびシリアル番号をメンバ装置の各々に割り当てる。例えば、ネットワークを形成することを予定されているヘッド装置および各々の装置は、「グループ化段階」に切り替えられる。次いで、装置は、ヘッド装置との物理的近接(3メートルのような)に近づけられるように移動させられる(一緒に、または連続してのいずれかで)。ヘッド装置は、好適には、Bluetooth(登録商標)ユニット21を使用することによって、グループID、および装置シリアル番号、例えば、1から15(または、少数の装置の場合はそれ未満)を各々の装置にそれぞれ順番に割り当てるとともに、ヘッド装置は、同じグループIDとシリアル番号0が割り当てられる。グループIDは、周辺で動作するかもしれない他のグループから、そのようなグループの不要な混同が生じることなく、各グループを区別するために使用される。好適には、各々の装置は、この段階の完了の指示を提供する。好適には、グループ内で可能な装置の数には制限があり、ある装置がこの制限に達しているグループに加わろうと試みた場合、そのような試みは、スロットがアクティブメンバーによって空くまで、ヘッド装置によって拒絶されるであろう。さらに、グループから以前に放棄された装置がグループへの再加入を試行する場合、試行する装置には好ましくは以前と同じシリアル番号が未だに利用可能な場合にはそのシリアル番号が割り当てられ、本発明の一実施形態では、ヘッド装置のみが、グループを形成することができ、シリアル番号をグループ装置に割り当てることができ、ヘッド装置のみが既存グループに装置を追加することができる。しかし、他の既存技術とは異なり、本発明の主題であるMANETは、ヘッド装置が後の段階でグループから消えた場合やグループ化データがヘッド装置から消去された場合であっても、グループが機能するのを可能にする。ヘッド装置が欠けているような場合では、グループへのメンバ装置の追加のために、全グループ装置から以前のグループ化データを削除することが要求され、上述した方法で新しいグループを形成することが要求される。いずれの装置も、ボタン押下のような簡便なマンマインインターフェースによって、ネットワークをグループ化するヘッド装置になることができることに留意すべきである。
一実施形態において、各装置は、単一のグループに関するグループ化データを保存する。別の実施形態において装置は、1つ以上のグループに関するグループ化データを保存することができるが、いずれの時点でも、1つのグループ化データのみが装置内でアクティブにされるものである。
代替として、グループ化段階は、コンピュータまたは携帯電話によって行われても良い。一実施形態において、各装置は、コンピュータまたはモバイル装置においてグループ化データの幾つかの代替セットを維持することができ、単一の選択されたグループ化データのみが装置にダウンロードされ得る。
ネットワーク装置間の通信は、TDMAチャネルアクセス方式を利用する。TDMAチャネルは、マルチフレームサイクルにパック化される時間スロットに分割される(ここで用語「サイクル」は、TDMAマルチフレームがT秒毎に繰り返されることを示す)。この定期的なマルチフレームサイクルは、N=L+D個のスロットを備え、メッセージからのL個のスロットが制御スロットであり、残りのD個のスロットがデータ用に使用される。実際に、D個のスロットは、ボコーダ14によって圧縮されかつ処理ユニット13によってそれぞれのTDMAスロット内にパック化される、デジタル形式の音声データを含む。
以下で詳述するように、本発明のMANETシステムは、以下のような2つの追加的なアドホック鍵装置の割り当てを備える。
a.主要なタスクが同期データを全ネットワーク装置に配信することである「同期」装置。以下でさらに論じるように、同期装置は、システム内でいずれの装置による同期化を失うことなく、任意の制御スロットで再配置可能である。
b.ネットワークの構造を配信することがタスクである「リーダ」装置(リーダ装置がネットワークで中央の位置にあるため、ネットワーク全体のビューが最も信頼される)。「発行(publishing)」とは、特に、中継器を使用して構造のビューを配信することを意味する。リーダ装置は、1つまたは複数の装置に対して、ネットワーク内で中継器として機能することを承認し、どのように情報を配信するかを指導する。以下で詳述するように、ネットワーク内の全装置は、リーダ装置を計算するための内部アルゴリズムを備える。ネットワーク内の全装置は、ネットワークの構造に関するデータの実質的に同一のセット(期間T内で、ネットワークを通して伝達されかつ全装置で受信される)に関して、同じアルゴリズムを用いて動作するため、期間T内で一度、各々の装置はリーダ装置の識別を別々に計算するとともに、全装置は実際に、リーダ装置(従って、上記計算結果に依存して、期間T内で一度、任意で再配置可能である)に関する同じ結論に達する。このような方法で、リーダ装置の識別は、期間T毎に一度最適化される。リーダ装置は、音声データの衝突も解決し、衝突が生じた際には幾つかの場合で、各装置が使用可能なデータスロットをさらに割り当てる。
サイクルの期間は、期間T内での、ネットワーク全体の構造が、ネットワーク内のありとあらゆる装置を明確にするように、設計される。より具体的には、ネットワーク内の各装置は、各サイクルTで以下の事項について通知される。すなわち、
a.ネットワーク内でアクティブである、残りの装置、
b.各装置の隣接装置、
c.各々の装置が中継器として動作可能であるか否かに関する指示、
d.各々の装置が現在のサイクルのリーダ装置であるかどうかどうかに関する指示、
e.期間Tを有するサイクル内の複数のスロットに導入された複数の同期データ、
f.任意で、特定の装置による使用のための特定のスロットの割り当て、および2つ以上の装置がデータを同じデータスロットに導入した場合の衝突解決指示(どの装置がデータをそのスロットに導入することが許可され、どの装置が拒絶されるかを意味する)、
g.特定の装置に導入されかつ特定のデータスロット内で中継器によって任意で配信されたデータ、
h.リーダ装置から受信された、ネットワークの構造の発行。
上述の通り、期間T内でネットワーク内のありとあらゆる装置に伝達されるデータ、特に、ネットワークの構造に関するデータを有することにより、各装置は、ネットワーク内のどの装置が中継器として割り当てられかつどの装置がリーダ装置であるかを決定するために、装置内で独立したアルゴリズムを適用する。全装置は、同一のデータセット(期間T内で伝達される)を用いて実質的に動作するため、全装置が別々に、新しいリーダ装置に関する同じ結論に達することが予想される。好適な一実施形態において、リーダ装置は、ネットワークの中央にありかつデータをシステムの端部にある装置に伝達することができるとともに、装置であるとともに、最小数の中継器が適用される。幾つかの場合において、リーダ装置として動作するのに最良な候補として、2つ以上の装置が決定される場合がある。そのような場合、リーダ装置は、上記最適な候補の中から任意で、例えば、リーダ装置として割り当てられる候補の中から最大のシリアル番号を有する装置であることを事前に定義することによって、選択される。
実施例
図3に示される特定の一実施形態において、TDMA構造は、全体で150msの期間を有する200個のスロットのマルチフレームサイクルである。TDMAマルチフレームサイクルは、各々が40個のスロットを有する、5個のフレームに分割されるとともに、各フレームは、全体で30msの期間を有する。各フレーム内の40個のスロットのうち、10個が制御スロットとして分割されるとともに、残り30個のスロットがデータ用に使用される。Sで示されるフレームは、同期装置によってサイクルに導入される同期フレームである(例えば、これらのスロットは、サイクルのスロット番号0, 40, ...160であり、または実際に図3に示されるように、各フレームのスロット0である)。これらの同期スロットは、TDMAサイクルの続くスロットの受信に対して、残りの装置をクロック(すなわち、サイクル、フレーム、および特定のスロットの開始)に同期化させることができるまた、各Sスロットの受信の間のクロックのドリフトを除去するため、装置はさらに、制御スロットを受信すると同期を補正する(後述される)。
数値指示(14, 13, 12, ,...0)によって示されるスロットは、任意で1つ(またそれ以上)のホップ距離内の隣接装置の識別および精密な同期データ(すなわち、各装置は、同期の対象である装置の指示を含む)を通知するために、ネットワークのありとあらゆる装置(可能性がある装置も)をそれぞれ維持する制御スロットである。上述の通り、各フレームはさらに、同期装置から提供される主要な同期データSを含む。この構造の結果、様々な装置が、主要な同期データに基づいて同期化されるとともに、さらに、各々の制御スロットを受信すると、クロックのドリフトを除去するために、同期を補正する。
Rで示されるフレームは、中継器によるネットワーク構造の配信のために使用される。これらのスロットは、N個のサブグループ(図示せず)に分割され、Nは、許可される中継器の最大数である。中継器の識別は前もって知らされていないため、特定の装置に割り当てることなく、Rスロットが全中継装置に対して維持される。各中継器は、各フレーム内でRの1つのサブグループをランダムに選んで、自身の中継器メッセージを送信する。この技術は、データの衝突を減少させる。なぜならば、衝突(または、望ましくないデータの受信)によって失われた中継器メッセージが、次のサブグループにおいて再び送信されるからである。事実、各中継器は、受信するネットワークの構造に関して、他の中継器のバッファ制御メッセージにおいて蓄積を行い、自身の決定された構造データ、および蓄積されたデータを選択されたサブグループのRスロット内でパック化および送信する。Rメッセージは、この中継器の1ホップ隣接装置のリスト、および自身の1ホップ隣接装置を含む他の中継器から受信されたメッセージを含む。この技術はさらに、各中継器のデータの冗長な再送信により、データの消失を克服するに役立つ。全中継器からの情報は、受信した装置が全ネットワーク構造を構築するのに使用される(特に、遠隔の中継器によって直接送信される構造データを受信していない装置によって)。上述の通り、各制御スロット(14, 13, ....0)およびRスロットはさらに同期情報を含む。様々な装置が各々の制御スロットまたはRスロットを受信すると、ドリフトを除去するために、同期を補正する。
Lで示されるフレームは、リーダ装置メッセージである。より具体的には、このメッセージは、特に、ネットワークの構造を配信してデータの衝突を解決するために使用される。(すなわち、2つ以上の装置等による同じデータスロットDへの音声データの導入)。Rスロットおよび制御スロットと同様に、Lメッセージは、同期情報をさらに含むことができる。
Dで示されるスロットは、ボコーダ14によって導入される(圧縮の後に)音声データを含む。示されるように、5個の連続するDスロットの各グループ内で、1つ目のスロットは明るい背景を有するのに対して、次の4個のスロットは暗い背景を有する。好適には、明るい背景のスロットのみが首唱者の音声データに使用されるとともに、続く4個のデータスロット(すなわち、暗い背景を有するスロット)が、中継器によってデータを再送信するのに使用される。これは、遠くの装置への音声データの適切な伝達を保証するために行われ、音声データは、1つまたは複数の中継装置を通過する必要があり、すなわち、「ホッピング」を介して送信される必要がある。従って、各フレーム内で使用されている6個のDスロットのみが存在する。上述したように、6個のスロットは、同時の会議型の話し合いを行うために最大で4個の装置によって使用される。音声データの導入が必要になると、装置は、フレーム内で6個の利用可能な主唱者Dスロットのうち1つをランダムに選択する。2つの装置が同一のスロットを同時に選択する例が存在するが、その場合、リーダ装置が、衝突している装置の一方に対象のスロットを割り当てること(他方は拒絶し、その場合には別のスロットを割り当てる必要がある)、またはいずれかの装置によるこのスロットの使用を拒絶することのいずれかによって衝突を解決する。いずれの場合においても、各フレームの30msの期間中に、各装置は、Dスロット内に含まれるそれぞれのデータを蓄積し、復号化およびミクシングを行って、このデータをユーザに対してスピーカ17を介して再生する。
まとめるが、マイクロフォン15に向かって話すと、システムは、A/Dユニット(図示せず)により、音声をデジタル信号に変換するとともに、発話の伝達が開始された事実を認識すると、デジタル信号がボコーダ14に送信され、続いてデジタル信号が圧縮され、圧縮されたデータがそれぞれのDスロットに供給される。
オートバイ装置において使用される場合、本発明は、1人のライダーが会話を開始すると、任意の音声起動検出器(VAD)19が音声の存在を検出し、ボコーダ14が音声の圧縮および格納を開始することを規定する。そして、処理ユニットは、6個の利用可能なスロットの中から利用可能なデータスロットを識別することを試みる。これは、処理ユニットが以前の通信をずっと監視するという事実により、かなりシームレスな方法において可能となる。次いで、装置10は、この装置からの発話が続く限りこの装置に対して維持される1つ目の利用可能なスロット内で圧縮された音声を送信する。
上記でも述べたように、本発明の主題であるMANETは、「同期」装置の定義をさらに含む。同期装置は、ハードウェアの処理および信号伝搬遅延を克服するために、TDMAメッセージ、および全てのMANET参加者装置における動作を同期させる。リモート装置は、1つまたは複数の中継器、または隣接装置をそれぞれ介した同期を受ける。ネットワーク内の各装置は、TDMA動作を適切に適合させるために同期化される必要がある。例えば、各装置は、スロット開始時の各スロット、マルチフレーム内のスロットの数、スロットのタイプ、特定のデータスロットが、書込みが承認されたスロットであるか、または「読み出し」のみが承認されたスロットであるかどうか等に関して示す保存情報を有する。本発明によれば、いずれの時点でも唯一の同期装置が存在する。また、ネットワークの装置(特に、中継器を介した同期を受信する装置)における同期のドリフトの可能性を除去するために、メインの同期メッセージSが、高速伝送のバーストによって、すなわち、各TDMAサイクル内の複数回で、送信される(この高速同期の中には、精密調整メッセージが、各制御スロットおよび各Rスロットにそれぞれ含まれる)。
アクティブな同期装置を有する100%信頼できる通信を常に保証することはできないため、本発明は、測定を用いて、すなわち、各装置に現在の同期装置の識別を判定するためのアルゴリズムを備えさせることによって、この不完全を解決する。現在の同期装置との通信が失われた場合、このアルゴリズムは、新たな同期装置を再び割り当てるために、各装置によって適用される。従って、新たな同期装置は、各フレームにおいて一度割り当てることができる。
例えば、本発明の実施形態によれば、同期装置は常に、最大のシリアル番号を有するアクティブな装置である。同期装置との通信が失われた場合はいつでも、各装置は、隣接する装置のシリアル番号を確認し、これらの装置のうちの1つが最大のシリアル番号を有することが実質的に発見された場合、最大のシリアル番号を有するこの特定の装置が、同期装置の役割を担う候補となる。1つまたは複数の候補についてのデータがネットワーク内に伝達されるとともに、1つの候補装置が残るまで、より小さいシリアル番号を有する候補を落としたら、その装置が新たな同期装置として割り当てられる。過渡期における同期の困難さを最小限にするために、新たな同期装置は、以前から存在する同期を用いる同期装置としての機能を開始する。さらに、新たな装置がアクティブなネットワークに加わると、検証手続がシリアル番号に関して行われる。そのシリアル番号が既存の同期装置のシリアル番号よりも低いことが分かった場合、現在の同期装置はそのまま残る。しかし、加わる装置が現在の同期装置よりもより大きいシリアル番号を有する場合、この装置が既存の同期装置を同期化し、続いて新たな同期装置として割り当てられる。この技術は、同期装置の交換の過渡期における同期化の問題を最小限にするために使用される。最大のシリアル番号を有する装置への同期装置の割り当ては、便宜上の一例に過ぎないことに留意すべきである。代替として、新たな同期装置の選択のための他のアルゴリズムが使用可能である。
本発明の実施形態によれば、同期データは、ホッピング中(すなわち、中継器を介して)ネットワーク内の幾つかの装置に任意で伝達可能である。例えば図1では、装置40dが同期装置であると仮定すると、装置40cは装置40dに同期化されるとともに、装置40cは、自身の制御スロット内で同期化データをさらに発行する。装置40hは、装置40cからのメッセージを受信し、このメッセージを使用して装置40dを同期装置として受け入れる。このような方法で、装置40hは、装置40dに同期化されるようになる。
上述の例は、TDMAサイクルTを150msの期間に仮定している。しかし、この例は、限定として見なされるべきでなく、ネットワークの能力が急速に変化する環境に対して適合および調整されるように保証するために、期間Tは、典型的に90msから2秒までに選択可能である。上述の通り、リーダ装置および中継器に関してネットワークの構造は、期間T毎に更新される。上記更新の各々に続いて、ネットワークのリーダ装置Lおよび中継器Rの1つまたは複数が交換される。また、同期装置は、期間Tよりもさらに速い速度で交換可能である(事実、フレーム内のいつでも)。このような方法で、その動作と同様にネットワーク構造は、急速に変化する環境(例えば、複数の装置が、集団内のそれぞれの位置が変化する絶えず移動しているオートバイ運転者によって使用される場合、参加者間で全二重の電話会議で会話を行う場合)に対して十分に適合される。リーダ装置、同期装置、および中継器を再計算するためのアルゴリズムが配信され各々の装置に存在すること、および全ネットワーク装置がネットワークの構造に関する同じデータセットに対して実質的に動作するという事実は、ネットワークが特定の参加者装置の存在に依存せず、任意のネットワーク装置との通信ロスをシームレスに克服することができるというように、ネットワークの柔軟性およびロバスト性に追加されることに留意すべきである。さらに、本発明のMANETの反復更新は非常に重要なものであり、この更新は音声通信が非アクティブな場合でも行われる。この事実は、音声が開始すると、ネットワーク構造が最適化され、全二重の電話会議の要件を満たすように準備されることを保証する。
本発明の実施形態によれば、1つまたは複数の装置が相互接続ルータとして動作可能である。あるユーザがMANETの一員ではないリモートユーザを電話会議に追加した場合に、彼は、この目的のためにIRモジュールを使用することができる(図1参照)。このような場合、装置40fは、内部WAN/LANもしくはセルラモジュール22(図2参照)を使用して、またはBluetooth(登録商標)モジュール21を介して外部WAN/LANまたはセルラモジュールに接続することによってリモート装置40を接続する。リモート装置からの音声入力は、VAD 19のトリガリングと同様のデータ送信のためのトリガとなる。リモート装置40jのユーザおよびIR装置40fのユーザが同時に話す場合、IR装置40fが2つの音声入力をミクシングして、MANET通信を伝送する。
本発明のさらに別の実施形態において、1つまたは複数の装置には、IRの役割が自動的に割り当てられる。2つの装置間のMANET接続が低下した場合(例えば、閾値レベル以下の干渉またはRSSIにより)、MANETでのエッジ装置は、代替のWAN/LAN/セルラ通信を介してリモート装置(その接続が低下した)を再接続可能である。この手続は、ネットワークアーキテクチャを再検討および更新する、閾値およびタイマのセットを使用して自動的に実行可能である。
本発明のさらに別の実施形態において、1つまたは複数のWAN/LAN/セルラ装置は、IR装置として自動的に割り当てられる。LAN/WAN/セルラ接続がカバレッジの理由で切断された場合、切断されたその装置は、MANETを介してWAN/LAN/セルラネットワークへの接続を再開するとともに、IRとしての1つの装置を訪問する。この手続は、ネットワークアーキテクチャを再検討および更新する閾値およびタイマのセットを使用して自動的に実行可能である。
MANET装置および外部ネットワークの装置の間の相互接続のための上述した方法の全ては、MANETおよび外部ネットワークの両方の地理的カバレッジの拡張をそれぞれ可能にする。
上述の説明は、特に音声通信に関して提供された。しかし、本発明のMANETは、データまたは映像通信のために使用することもできることを留意されたい。
複数のライダーまたはユーザからの音声データは同時に送信されないが、各装置はそれぞれのスロット内で送信を行い、ネットワーク内での高速なデータ送信、伝達、および受信した装置における送信データの結合の観点から全二重の体験は維持されることも留意すべきである。
本発明の幾つかの実施形態は例示として説明されたが、添付の特許請求の範囲を超えて本発明の趣旨から逸脱することなく当業者の範疇にある、多数の等価物または代替の解決策を使用することにより、本発明は、周辺環境の大きな多様性および変更に合せて実行に移される。例示目的で、本発明は、例えば、建設現場、または油田掘削に従事する労働者、考古学的場所の現場作業員や、警備員や軍隊等の、複数のユーザが絶えず移動中でかつ対象の集団内のそれぞれの位置が自由に変化することを求める任意の設定において、等しく役立つととともに革新的であるといえる。
30 MANET
40a〜40g 通信装置
90 リモートネットワーク

Claims (17)

  1. 急速に変化する環境での動作のために、モバイルアドホック音声ネットワークを形成する方法であって、
    a.複数の装置にグループIDを割り当てるとともに、前記装置の各々に各シリアル番号を割り当てるステップと、
    b.前記装置の各々に、
    i.TDMAサイクルのスロット内でネットワーク装置の各々によって送信される、個々の隣接装置のデータに基づいて、1つまたは複数の中継装置の決定を含む、ネットワークの構造を計算することと、
    ii.前記ネットワークのリーダ装置を計算することと、
    iii.前記ネットワークの同期装置を計算することと
    を行うためのアルゴリズムを提供するステップと、
    c.前記装置の各々によって、前記TDMAサイクルのスロット内で前記装置の各隣接装置に対して送信を行うステップと、
    d.前記ネットワークの前記同期装置によって、前記TDMAサイクルのスロット内で定期的な同期データを送信するとともに、前記同期データを全ネットワーク装置に伝達するステップと、
    e.前記TDMAサイクルの各々が完了すると、前記ネットワークの前記構造、前記ネットワークの前記中継装置、および前記ネットワークの前記リーダ装置を決定または更新するために、前記装置の各々によって、前記アルゴリズムを適用するステップと、
    f.前記TDMAサイクルの期間内に、前記同期データに基づいて前記装置の各々を同期させるとともに、前記同期装置が欠けていると判定すると、各装置によって、システムの新たな同期装置を決定するステップと、
    g.前記ネットワークの装置によって、複数のTDMAスロット内で音声データをデジタル形式で送信するステップとを含む、方法。
  2. 前記サイクルの期間は、90msから2秒の間である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記スロット内に導入される前記音声データは、ボコーダによって前記各装置内で圧縮される音声データであるとともに、音声データは、最大4個までの装置によって前記TDMAスロットのそれぞれに同時に導入される、請求項１に記載の方法。
  4. 各装置内のデコーダは、前記圧縮された音声データを復号化し、ユーザに対して各スピーカを介して音を出す、請求項３に記載の方法。
  5. 前記音声データは、前記TDMAスロットによって前記ネットワーク内の全装置に伝達され、または前記中継装置の1つまたは複数によってそれぞれ伝達される、請求項１に記載の方法。
  6. 前記隣接装置のデータは、前記TDMAサイクル内で所定の制御スロット内および中継スロット内でそれぞれ伝達される、請求項１に記載の方法。
  7. 前記同期装置からの前記同期データは、所定の同期スロット内で伝搬され、前記スロットの各々は、各フレーム内に位置する、請求項１に記載の方法。
  8. 同期装置が欠けていることを判定すると、各装置は、新たな同期装置を決定するとともに、新たに決定された同期装置は、残りの装置の中から最大のシリアル番号を有する装置である、請求項１に記載の方法。
  9. 追加の同期データの配信は、前記TDMAサイクルで各制御スロットで各装置によって提供されるとともに、前記ネットワークの装置は、前記追加の同期データを使用して同期化し、自身の同期化を精密に調整する、請求項７に記載の方法。
  10. 前記リーダ装置には、前記ネットワークの中央にある装置が決定され、ネットワークアーキテクチャおよび衝突解決を最適に伝達するために使用される、請求項１に記載の方法。
  11. 2つ以上の装置が、リーダ装置として働くのに等しく能力があると判定された場合、それらの中から所定の基準を満たす装置が、前記リーダ装置として働くように選択される、請求項１０に記載の方法。
  12. 基準は、リーダ装置として働くのに等しく能力があることが分かった装置の中から最大のシリアル番号を有する装置である、請求項１０に記載の方法。
  13. オートバイ運転者のためのモバイルアドホック音声ネットワーク内での使用のために、各装置は、ユーザによる音声の開始を判定するための音声起動検出器をさらに備える、請求項１に記載の方法。
  14. グループIDおよび装置シリアル番号を各装置に割り当てるためのヘッド装置を提供するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
  15. 前記アドホック音声ネットワーク内の1つまたは複数の参加者装置は、LAN/WAN/セルラモジュールを使用して、前記アドホック音声ネットワーク内の装置と外部ネットワークのリモート装置との間を相互接続する、請求項１に記載の方法。
  16. LAN/WAN/セルラを使用する前記1つまたは複数の装置は、相互接続の目的でそのタスクを実行するように手動で割り当てられる、請求項１に記載の方法。
  17. LAN/WAN/セルラを使用する前記1つまたは複数の装置は、前記アドホック音声ネットワークの動作の間、相互接続の目的でそのタスクを実行するように自動的かつ動的に割り当てられる、請求項１に記載の方法。
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