JP2018129788A - 広域エネルギ回収センサ・ネットワーク展開のためのマルチホップ・ネットワーキング・プロトコル - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、エネルギ回収デバイスの間のスケジューリングとルーティングに関する未解決の問題を解決し、かかるデバイスを大規模展開、飛行機客室、および現場アプリケーションに対してネットワークすることを可能とする。無線センサ・ネットワークは低電力デバイスの集合(および潜在的に大規模な集合)を指し、その各々は、環境データ(例えば、温度、圧力、健康等)またはイベント(例えば、故障、近接等)の存在を測定でき、これらの測定値を無線で中央処理サーバに送信することができる。無線センサは、配線がサイズ、重量において非現実的である環境、および電力(SWAP)が制限された環境における展開を可能とする。現在、センサ・ネットワーク展開は、特にセンサの量または位置のためノードおよびバッテリの取り換えが実現不能または非現実的である環境において、コストおよびバッテリ寿命により制限される。これらの課題を克服するため、研究者たちは、エネルギ回収技術を利用して当該センサの動作のためのエネルギを生成することに注目している。
本開示は、エネルギ回収デバイスの間のスケジューリングおよびルーティングの未解決の問題を解決する。現在利用可能なルーティングおよびスケジューリングのソリューションは、エネルギ回収センサのマルチホップ展開をサポートする所望の動作要件を満たすことができない。当該スケジューリングの部分的な問題に関して、典型的なセンサ・ネットワーク展開は、IEEE802.15.4と呼ばれる米国電気電子技術者協会(IEEE)による標準の実装に依存する。当該標準は、搬送波感知多重アクセス(CSMA)方式に基づく。しかし、CSMAは幾つかの理由でマルチホップエネルギ回収ネットワークには適していない。まず、低エネルギ動作を可能とするために、ノードをグローバルクロックに同期して、全てのノードが送信のために同一の期間の間に起動していることを保証する。このグローバル同期なしでは、ノードは、受信機がパケットを受信するのに十分なエネルギを有することの知識なしにパケットを送信する。第2に、送信要求(RTS)および送信クリア(CTS)のような802.15.4制御パケットは、ネットワークノードがエネルギを回収するために休眠している可能性があるときの「隠れ端末問題」のような多重アクセス問題をもはや解決しない。本開示の進歩的なアプローチは、十分なエネルギを回収する際にビーコンを送信するように受信機を構成することでこれらの課題を解決し、送信器が実現可能な中継を最小オーバヘッドで学習することを可能とする。
このセクションでは、提案されたEHSN MACプロトコルの詳細について述べる。EHSN MACは、エネルギ回収(EH)ノードからEHノードへの通信ならびにEHノードから電力ノードへの通信向けに設計される。エネルギ回収受信機との通信を促進するために、EHSN MACは、受信機が、アクティブ(またはWAKE)状態にあることを近傍に警告するためのビーコン送信の責任を有する、受信機が開始したビーコン送信を使用する。これは、送信器および受信機の間で均等にオーバヘッドを拡散すること、ルーティングおよび転送の判断を行うための情報を送信器に提供することの二重効果を有する。
分かるように、RECEIVE状態300は、ブロック320、340、370、360、および380を含むダイアモンド形状のブロックにより表される幾つかの繰り返し構成物(分岐またはループ)を含む。これらのダイアモンド形状のブロックの各々は、当業者には明らかであるように、分岐またはループ関数を実装する。さらに、RECEIVE状態300は長方形ブロック310、330、および350を含む。これらのブロックは特定の機能を実施し、ついで当該流れ図内の次のブロックに進む。
TRANSMIT状態400は、幾つかのダイアモンド形状の繰り返し構成物(分岐またはループ)ならびに特定の動作をとりついで次のブロックに進む幾つかの長方形の機能を含む。TRANSMIT状態400はRTR前状態420およびRTR後状態430を含む。判定ブロック410は、当該ノードが当該サーバの範囲内にあるかどうかを判定し、RTR前状態420またはRTR後状態430の何れかに分岐する。当該ノードがサーバ100の範囲内にある(図1)場合、RTR前状態420に入る必要はなく、代わりにブロック410から直接RTR後状態430およびブロック432に進む。他方、当該ノードが当該サーバの範囲にない場合、ブロック422でブロック410からRTR前状態420に進む。ブロック410に加えて、TRANSMIT状態400は反復ブロック423、425、426、433、および435、ならびに機能ブロック422、424、427、432、434、436、および437を含む。
マルチホップトポロジでは、ルーティングプロトコルはEHSN固有の問題を解決するために必要である。伝統的に、パケットは、各ソースと宛先の間の最短または最小コストの固定の経路を計算することでトポロジを通じてルーティングされる。最短経路のルーティングが電力ネットワークに対して提案されているが、当該センサ・ネットワーク環境では、任意の固定経路のルーティングアルゴリズムは貧弱な性能に苦しんでいる。なぜならば、当該エネルギ・リソースが計画された経路上で枯渇し、当該ネットワークの残りが未使用のリソースを含むからである。
本明細書で説明したEHSN通信プロトコルは、重要な値を多くのドメインを提供することができる。センシングと健康モニタリングは、航空機および工場の動作および効率の重大な構成要素である。EHSNネットワーキング技術は、センサ展開に関するより大きなアプリケーションドメインを可能とし、以下のように肯定的な価値を提供する。
210 エネルギ回収デバイス
220 エネルギ貯蔵デバイス
230 低電力センサ
240 マイクロ・コントローラ
250 無線送受信機
Claims (10)
- エネルギ回収センサ・ネットワークであって、
ノードとして動作する複数のエネルギ回収センサ(200−1、200−2、・・・)であって、前記エネルギ回収センサの各々は所定の通信プロトコルに従って動作するように構成される、複数のエネルギ回収センサ(200−1、200−2、・・・)と、
前記エネルギ回収センサと無線で通信するように構成されたサーバ(100)と、
を備え、
前記所定の通信プロトコルは、ノードが、前記ノードがアウェイクでありデータ・パケットを受信し再送するのに十分なエネルギを有することを示す受信準備完了(RTR)ビーコンを他のノードに送信する、RECEIVE状態を含む、
エネルギ回収センサ・ネットワーク。 - 前記所定の通信プロトコルはさらにSLEEP状態およびTRANSMIT状態を含む、請求項1に記載のエネルギ回収センサ・ネットワーク。
- 前記複数のエネルギ回収センサのエネルギ回収センサは、前記エネルギ回収センサが予め決定された閾値のエネルギを回収するまで、前記SLEEP状態に留まる、請求項2に記載のエネルギ回収センサ・ネットワーク。
- 各ノードは1つまたは複数の受信されたRTRビーコンを用いてパケットをルーティングする、請求項2または3に記載のエネルギ回収センサ・ネットワーク。
- 前記所定の通信プロトコルはメディア・アクセス制御(MAC)プロトコルを含む、請求項2乃至4の何れか1項に記載のエネルギ回収センサ・ネットワーク。
- エネルギ回収ノードであって、
エネルギ回収デバイス(210)と、
前記エネルギ回収デバイスに接続されるエネルギ貯蔵デバイス(220)と、
マイクロ・コントローラ(240)と、
前記マイクロ・コントローラに接続される無線トランシーバ(250)と、
を備え、
前記マイクロ・コントローラおよび無線トランシーバは前記エネルギ貯蔵デバイスにより電力供給され、
前記マイクロ・コントローラは、前記ノードがアウェイクであり、データ・パケットを別のノードから受信し前記データ・パケットを再送するのに十分なエネルギを有することを示す受信準備完了(RTR)ビーコンを前記トランシーバが送信する所定の通信プロトコルに従って、前記エネルギ回収ノードを動作させるように構成される、
エネルギ回収ノード。 - 前記所定の通信プロトコルはさらにSLEEP状態およびTRANSMIT状態を含む、請求項6に記載のエネルギ回収ノード。
- 前記エネルギ回収ノードは、予め決定された閾値のエネルギが回収されるまで前記SLEEP状態に留まるように構成される、請求項7に記載のエネルギ回収ノード。
- 前記エネルギ回収ノードは1つまたは複数の受信されたRTRビーコンを用いてパケットをルーティングして、近傍ノードの前記エネルギ・ステータスに関する情報を推測する、請求項7または8に記載のエネルギ回収ノード。
- 複数のノードおよび前記ノードと無線で通信するように構成されたサーバを含むネットワーク内の第1のエネルギ回収ノードにより実施される方法であって、
予め決定された閾値のエネルギが回収されるまでSLEEP状態に留まるステップと、
前記予め決定された閾値のエネルギを回収する際、非決定的関数に基づいてTRANSMIT状態またはRECEIVE状態に入るステップと、
前記RECEIVE状態において、
前記エネルギ回収ノードがデータを受信する準備ができていることを示す受信準備完了(RTR)ビーコンを送信するステップと、
データを第2のノードから受信するステップと、
前記TRANSMIT状態において、
RTRビーコンをノードから受信するステップと、
任意の進行中の送信を検出するステップと、
進行中の送信がない場合、データを送信するステップと、
別のノードが送信している場合にはバックオフ機構を実施して、チャネルが空くまで送信を遅延するステップと、
を含む、方法。
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