JP2019525559A - ワイヤレス通信ネットワークにおける通信ノードの動作方法、関連する通信ノード、通信システム、および格納システム - Google Patents
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Abstract
Description
更に特定すれば、本発明は、ワイヤレス通信ネットワークにおける通信ノードの動作方法に関し、ノードが少なくとも1つのアクセス・ポイントを経由して中央通信ユニットと通信する。更に、本発明は、このようなワイヤレス通信ネットワークにおいて動作する通信ノードに関する。
例えば、このシステムは、物理的レイアウトおよび規模に関して汎用性がなければならない。使用中の車両数(および関連する通信ノード)は柔軟でなければならない。グリッドは、格納システムが設置される構内の物理的固有性(properties)によって決定される種々の形状をなすことができる。したがって、広範囲の異なる物理的トポロジを当然処理できる通信ノードを、車両に提供しなければならない。
その他の可能性のある要件および/または所望の固有性には以下が含まれる。
・多重ホップ・ルーティングを必要としない。
・短い応答時間が要求される。
・ノードによって送信されるデータの量が、ノードによって受信されるデータの量よりもはるかに多い。
・ノードは、アクセス・ポイント間で素早く切り替えることができなければならない。
・データ負荷は、実質的に時間単位で(by time)変動することができる。
種々の標準化された通信プロトコルや、その他の既に知られている通信プロトコルが存在するが、これらは以上の要件および所望の固有性の内一部を満たすことができるに過ぎない。
したがって、本発明の一態様では、ワイヤレス通信ネットワークにおける通信ノードの動作方法を提供する(has been provided)。この方法では、ノードは少なくとも1つのアクセス・ポイントを経由して中央通信ユニットと通信し、この方法は、
−ノードにおいて、アクセス・ポイントからのワイヤレス信号を受信するステップと、
−ノードによって、受信したワイヤレス信号に基づいてチャネル品質情報を判定するステップと、
−ノードによって、判定したチャネル品質にしたがって序列されたアクティブ・チャネルの順序を決定するステップと、
−ノードによって、決定した順序にしたがって、ワイヤレス信号を送信するためのアクティブ・チャネルを選択するステップと、
−ノードによって、選択したアクティブ・チャネル上でワイヤレス信号を送信するステップと、
を含む。
−アクセス・ポイントからのワイヤレス信号を受信し、
−受信したワイヤレス信号に基づいてチャネル品質情報を判定し、
−判定したチャネル品質にしたがって序列されたアクティブ・チャネルの順序を決定し、
−決定した順序にしたがって、ワイヤレス信号を送信するためのアクティブ・チャネルを選択し、
−ノードによって、選択したアクティブ・チャネル上でワイヤレス信号を送信する、
ように構成されている。
格納システム100は、垂直スタックに積層された複数の収納庫を収容する三次元格納グリッド構造110を含む。グリッド構造110の上面上に支持レール120が二次元的に配置されており、グリッド構造110の上面上に配置されたレールに沿って移動するように、複数の車両130が配置されている。
図2において、4つの通信ノード300a、300b、300c、300dが示されている。各ノードは、格納システム100内にある車両(図1に示す車両130のような)に含まれることを意図している。尚、1および250の間の任意の数というように、任意の適した数の通信ノードをこの通信システム内に設けることができることは理解されてしかるべきである。場合によっては、250個よりも多い通信ノードも使用することができる。一部のノードは、格納システムにおける車両のための通信ノードであること以外の目的に供することもできる。
通信ノード300は、内部バス310を含むことができ、とりわけ、マイクロプロセッサのような処理デバイス340、ROMまたはフラッシュ・メモリのような不揮発性メモリ320、およびRAMのような揮発性メモリ330を相互接続する。不揮発性メモリ320は、1組の処理命令をコンピュータ・プログラムの形態で収容することができ、処理デバイス340によって処理命令が実行されると、本開示において指定するような方法を通信ノード300に実行させる。揮発性メモリ330は、処理命令の実行中に処理デバイスによって使用される可変データ(variable data)を収容することができる。また、ワイヤレス通信デバイス370もバス310に相互接続されており、アンテナ390の接続によって、外部アクセス・ポイント(図2には示されていない)と通信ノード300との間で双方向無線通信を行う。また、I/Oデバイス350もバス310に相互接続されており、通信ノード300と外部制御デバイス360との間でデータ通信を行う。外部制御デバイス360は、例えば、通信ノード300が組み込まれた(arrange)車両の移動を制御するように構成された制御回路を含むことができる。また、外部制御デバイス360は、車両の動作に関連する信号を供給するセンサ、変換器等も含むことができる。これらの信号は、通信ノード300によって残りの通信システムに、関連するアクセス・ポイントを経由して伝達され、更に中央ユニットにも伝達されなければならない。更に、通信ノード300は、電源または電力処理ユニット(power handling unit)380も含み、通信ノード300に含まれる回路を動作させるために電力を供給する。
通信ノード300は、例えば、IEEE802.15.4として知られている仕様書によって定められるような物理レベル・プロトコルを実装するように構成されてもよい。
図示する方法400は、1組の処理命令として具体化された、コンピュータ・プログラムとして実装することもでき、処理命令はメモリ(先に図3を参照して述べた不揮発性メモリ320のような)に収容され、通信ノード300において処理デバイス340によって実行することができる。
最初に、受信ステップ420において、アクセス・ポイント140からワイヤレス信号をノード300において受信する。
更に、順序決定ステップ440において、判定されたチャネル品質にしたがって序列されたアクティブ・チャネルの順序をノード300によって決定する。
次に、送信ステップ460において、ノードによって、選択ステップ450において選択された通りに、選択されたアクティブ・チャネル上でワイヤレス信号を送信する。
好ましくは、ワイヤレス通信ネットワークは、ビーコン対応搬送波感知多重アクセス(CSMA)に基づくネットワークである(beacon enabled carrier sense multiple access (CSMA) based network)。
また、図示する方法400は、アクセス・ポイント140と共に付与または実行されるステップあるいはエレメントを含んでもよい。一態様では、方法400は、更に、ビーコン送信モードでアクセス・ポイント140を動作させるステップを含んでもよい。このようなビーコン送信モードでは、アクセス・ポイントはワイヤレス・ビーコン・データをノード300に送信する。また、アクセス・ポイントを待ち受けモード(listening mode)で動作させることもできる。待ち受けモードでは、アクセス・ポイントは、ノードから受信したデータを、中央通信ユニット150に中継する。
開示する動作方法に可能な更に別の一般的態様および関連する利点は、以下から明らかになる。
未確認応答フレーム(unacknowledged frames)
1つの態様では、ノード300からアクセス・ポイント140に送信されるメッセージ については、直接確認応答(direct acknowledgement)を飛ばしてもよい。代わりに、確認応答は、ビーコン内にノード・アドレスのリストの形態で含むことができる。この手法は、全体的なオーバーヘッドを著しく低減することができるが、ビーコンが大きくなり、フレームと確認応答との間の最大遅延がビーコン期間と等しくなり、ノードはビーコンの頻度よりも高い頻度で送信することができないという欠点がある。
専用確認応答フェーズ
1つの態様では、ビーコンに続くアクセス・フェーズ内のある時点における時間期間を、直前のビーコンにおいてメッセージを受信したノードからの確認応答専用にすることができる。これによって、ノードがCSMA/CAを使用しなければならない場合と比較して、確実にそれらの確認応答を送ることができる。802.15.4規格の下では、これは、メッセージを受信したノードにGTSを割り当てることによって行うことができ、ノードはその確認応答、および保留中のメッセージを有する場合には、おそらくそのメッセージも送信する。これの欠点は、GTSがビーコン期間の終了時に制限されることであり、これが意味するのは、可能な最も遅い時点に確認応答が到達するということである。また、この規格は、GTSのサイズに関して柔軟性が限定され、要するに、1回の確認応答に対してGTSがかなり過大となる(way oversized)ため、帯域幅が浪費されることになる。これに対する可能な解決策は、802.15.4規格を破棄して、GTSがビーコンの直後に来る固有の解決策を作ることであろう。
チャネル・アジリティ(Channel agility)
1つの態様では、チャネルに関して、システムをもっと動的にし、自己管理させて、全てのチャネル処理(handling)をプロトコル自体の内側に隠すことを究極的な目標とすることが望ましい場合もある。何らかの全体タイミング基準(global timing reference)に対して一意の時間オフセットを全てのチャネルに割り当てる解決策が提案された。各アクセス・ポイントは、それに割り当てられたチャネルに専用のタイミング・オフセットに続いてそのビーコンを送信する。
アイドル・ノードが一旦シーケンスに同期されると、全てのチャネルを巡回して、範囲内にある全てのアクセス・ポイントからのビーコンを検出する。これの簡単な図を図5におけるタイミング図500に表し、7つのチャネルを使用する例、およびどのようにそれらのビーコンを順次時間内に(in time)配置するかについて示す。この図では、チャネル1および5がアクティブであり、一方残りのチャネルは使用されていない。これが意味するのは、ノードは待ち受けているが、ビーコンを全く取得せず(pick up)、つまりこれらのチャネルをアクティブ・チャネルのリストには含まないということである。これは、シーケンスがチャネル7に達したときに、どのようにしてチャネル1に戻るかを示す。全体的時間基準の導入は、この手法の成否を決めることであるが、可能でありしかも便利であった。何故なら、オートストアにおいて使用されている既存のプロトコルは既にこのような基準を有しており、したがってこの機能を再利用するためには、些細な調節しか必要とされないからである。既存の同期メカニズムは、130Hz信号が、中央安全モジュール(central safety module)から全てのAPに、APのPOE供給に関連付けて分散されるという形態となっている。この手法を使用することにより、ルーティングの必要性が著しく低下する。ノードは、APがいつ範囲に入るかまたは範囲から出るか自動的に検出し、それに応じてその利用可能なAPのリストを調節する。ノードが送ることを望むとき、チャネル巡回を続け(put on hold)送信に最も適したチャネルを連続追跡する。ここでは、CSMA/CAを使用してそのメッセージを送信し、試みが成功した場合、確認応答を収容する次のビーコンを待つ。CCAが失敗した場合、1つよりも多いチャネルが利用可能であるならば、ノードは直ちに他のチャネル上で自由にアクセスを試すことができる。このように、トラフィック負荷は利用可能なAP間で自動的に拡散する。
シーケンス番号
このシナリオでは、全ての確認応答された通信に関して、一見すると失敗のように見える送信は、元のメッセージが正しく送信されなかったことによって、または確認応答が失敗したことによって発生する可能性があり、送り手の視点からのみ、送信が不成功であったように思わせる。これは、シーケンス番号の使用によって最良に処理する(handle)ことができ、受信機は、メッセージが以前のメッセージの再送信か否かチェックする。この場合、直前の章で紹介したように、ノードがAP間で継ぎ目なく移動すると、APはメッセージが複製か否か知ることができないことは明らかである。これは、ノードが受信するメッセージはいずれも、以前に異なるチャネル上で送信することを試されていたかもしれないからである。理論的に、ノードは、パケット送信毎に、2つのAP間で交換することができる。このために、シーケンス番号をプロトコルに含ませることは無意味であり、サーバおよびノード上で実行するアプリケーションによって、もっと高いレベルでシーケンス番号が添付されなければならない。これによって、シーケンス番号が有効に作用するために必要とされる、直接の1対1リンクが形成される(create)。
アドレシング
表1.1において、250、つまり、1バイトのアドレシングで十分可能なことを暗示する数の独立したノードをシステムは処理(handle)できなければならないことが指定されている。しかしながら、この要件は、システムによってサポートされるノード数ではなく、スループットに大きく関係する。したがって、256よりも多いノードのアドレシングを可能にすることが非常に望ましい。これによって、本解決策が、後の段階において可能性がある拡張や変更に対して将来においても有効であることを確保する。802.15.4規格は、通常の通信の間16ビット・アドレスを使用し、必要であれば、標準的なMACアドレス全てを利用して、64ビット・アドレスに戻ることができる。この場合には64ビット・アドレスの必要性には全く関心がなさそうであっても、16ビットは、関連するシステム要件を満たすべき非常に合理的なノード数を生み出す。
他の可能な考慮事項に、802.15.4において使用される通常の16ビットよりも大きなチェックサムの必要性がある。これの理由は、破損したパケットが純正なコマンド(genuine command)として受け入れられたという以前の経験である。わずか1/65534の確率であるが、無線環境にノイズが多く最適でない場合、送信されるメッセージ量が、このような小さい確率であっても、それを毎年複数回発生させることになり、このような事態の結果は破滅的となる可能性がある。新たなプロトコルを用いれば、この問題は、この以前の解決策による短期の場合ほど重大になりそうにない。しかし、その時点以降、選択は備えあれば憂いなしとなった。これが意味するのは、余分な16ビットチェックサムの追加は、十分に価値のあるオーバーヘッドであると見なされるということである。
ネットワークID
チャネル巡回が有効に作用するためには、ノードをシーケンス・タイミングから逸脱させる(bring out of)可能性がある外来ビーコン(alien beacon)によってノードが混乱させられなくすることが有用であろう。これは、2つのオートストアの設置(installation)が互いの無線範囲内で行われた場合に起こる可能性がある。2つの設備 (installation) のAPは、同じ全体クロックに従わず、このため互いに同期から外れることになる。すると、ビーコンを求めている(search for)ノードが、正しくないウェアハウスのシーケンスを連続追跡する危険に晒される可能性がある。この問題を克服するために、ネットワークIDを導入することができる。これによって、ノードが、それらに全く関心のないビーコンを排除することを可能にし、更に、APが、近隣ネットワークからのあらゆるデータ・フレームを排除することも可能にする。通常の実行条件(running conditions)の下では、APは異なるチャネル上に定在しており、更に、十中八九、同期が外れているはずなので、いずれの事態も一般には発生しない。これが意味するのは、同期されているノードは偽ビーコンを全く取得せず(pick up)、外来ノードが近隣APのチャネル上で送信することはないということである。しかしながら、ノードが同期を失いビーコンを捜さなければならない場合、衝突が差し迫っている。
ブロードキャスティング
システムの通常動作に加えて、ブロードキャスティングのための特殊モードもサポートすることができる。このモードは、無線リンクを跨いでノードを再プログラムするために使用することができる。これは、APが大きなプログラム・ファイルを全てのノードにブロードキャストすることを伴い、ファイルを検証した後、ブート・ローダがモジュール上にそれをロードする役割を担う(take care of)。このモードは、通常動作とは完全に別にすることができる。何故なら、これが使用されるのはシステムが静止(stationary)およびアイドル状態にあるときだけであるからである。また、このモードは比較的単純である。何故なら、ノードは1つのチャネルを連続追跡し、そのAPからファイル全体を受信でき、そして受信しなければならないからである。したがって、この機能(feature)の実施は本願(this thesis)にとっては全く関心がないが、一旦作業が完了して統一システムを得るためにプロトコルを定めるときには、考慮に入れなければならない。
無線モジュール
無線ハードウェアは、Dresden Electronik社のdeFRMega128−22C02を含むのでもよい。このモジュールは、AtMega128RFA1チップをカプセル化し、RF遮蔽、オンボードEEPROM、オンボード水晶発振器、およびオンボード同軸アンテナ・コネクタを含む。AtMegaの事実上全てのピンが、外部からアクセス可能であり、このチップをプラグ・アンド・プレイ・ハードウェア解決策としつつも、最大の柔軟性に対処する。このモジュールは、カスタム無線モジュール上に実装される。また、このチップは、AP上におけるTCP/IP通信および格納システム内にある車両上のハードウェアの残り部分との通信を処理する(handling)他のマイクロコントローラも内蔵する。
AtMega128RFA1
AtMega128RFA1は、強力なマイクロプロセッサを内蔵し、無線モジュールに直接アクセスすることができる完全なチップ上システムである。無線モジュールは、使いやすいインターフェースを有し、制御およびデータ・レジスタにソフトウェアから直接アクセスすることができる。また、これは、全ての重要な無線イベントを示す様々な専用割り込みも有する。
トランシーバ
トランシーバは、IEEE802.15.4物理レイヤ変調方式、チャネル構造、物理プリアンブル、チェックサム計算、およびCCAを実現する。また、エネルギ検出およびリンク品質指示は、ハードウェアで利用可能である。MACレベルには、自動確認応答(automated acknowledgement)、規格によるCSMA/CA送信および再送信、ならびに自動アドレス・フィルタリングのために専用モードがある。他のハードウェア・アクセレレータには、AES128ビット暗号、真の乱数発生器、および802.15.4規格においてサポートされるものよりも高いPSDUレートが含まれる。500kb/s、1Mb/s、および2Mb/sの双方がサポートされる。
Macシンボル・カウンタ
802.15.4は、プロトコルのタイミングを維持するために、シンボル・カウンタの使用を暗示しており、このカウンタは、計画されているフレーム受信の前に、トランシーバを起動する(wake up)ことができなければならず、更に、規格に指定されている通りに、GTSスロットおよびCSMA/CAバックオフ・スロット(CSMA/CA backoff slot)の精度高い実行を可能にする。AtMega128RFA1では、このカウンタは、3つの独立した比較器、および専用のバックオフ・スロット・カウンタを内蔵しており、802.15.4準拠フレームを使用するときに、自動ビーコン・タイムスタンプ付与(timestamping)を可能にする。
RSSIおよびエネルギ検出
任意の受信モードにあるとき、このチップは、現在のRSSIを用いて、レジスタを継続的に更新する。これは、信号がデコード可能か否かには関係なく、チャネル上における現在のエネルギ・レベルの測定値である。次いで、この値を直接読み出すことができ、または代わりに、もっと精度の高いエネルギ検出レジスタを使用することができる。エネルギ検出は、ハードウェア先導(hardware driven)であり、8シンボルにわたる平均RSSIを計算する。次いで、この手順の完了が割り込みによって通知される。手作業によるエネルギ検出に加えて、これは有効なSHRの受信時に常に自動的に開始される。これが意味するのは、一旦フレームが完全に受信されたなら、EDレジスタは、受信された物理信号強度の指示を収容するということである。
最終的なプロトコルの概念
先に示した要件および論述にしたがって、プロトコルを満たすためにおそらく望まれる機能(feature)のリストを示す。
−全てのAP、およびその後に同期するノードに対する全体時間基準。
−ビーコン期間のアクセス・ウィンドウにおいてCSMA/CAを使用して送信されるデータ・フレーム。
−続くビーコンにおいてノード・アドレスのリストとして送られるデータ・フレームに対する確認応答。
−プロトコル・レベルでは再送信せず、全ての送信失敗を逆にアプリケーションに報告する。
−APがもっと大きなファイルを接続されている全てのノードに転送することを許可するブロードキャスト・モード。
−近隣以内において複数の設備(installation)を許容するネットワークID。
−合計32ビットのチェックサム。
この機能リストに基づいて図5から修正したバージョンのビーコン・シーケンスを図6に示す。これは、チャネル間の時間オフセットの原理を示す模式タイミング図600を含む。
最終的なプロトコルの定義
802.15.4規格から逸脱する実施態様では、カスタム・ヘッダおよびフレーム構造を定義しなければならない。
フレーム・ヘッダ
プロトコルは、表2.1にまとめた4つの異なるフレーム形式を利用することができる。
チップの一例であるatmega128RFA1は、802.15.4規格によるハードウェア先導チェックサム生成および検証をサポートする。また、これは、フレーム・バッファにおける第1バイトが、送信の間、同様に802.15.5において定義されているPHRであることも要求する。このバイトは、フレーム長と、フレームが802.15.4規格に準拠するか否かを示すビットから成る。フレーム・バッファは合計で128バイト長であり、表2.3に見られるようなフレーム・レイアウトを有する(giving us)。次いで、チェックサムおよびその他のオーバーヘッドを差し引くと、一般的なフレームに利用可能なペイロードは、最大で122バイトとなる。有効なペイロードの大きさは、異なるフレーム形式が導入する余分なオーバーヘッドによって左右され、以下で更に徹底的に定義する。
データ・フレームは、ノードによってAPに、アクセス・ウィンドウにおいてCSMA/CAを使用して送られる。これは、1つのAPだけが所与のチャネル上で待ち受けているからであり、目標アドレスを全く必要としないが、送信ノードのIDを含まなければならい。また、データのリストが始まる前に、データ・バイトの数も添付される。結局、このために、表2.4に見られるレイアウトとなり、ここでわかるように、これには有効ペイレードに119バイトの余裕がある。
確認応答フレームは、ノードによって、確認応答フェーズの間に専用スロットにおいて送ることができる。これは、厳格なタイミングを維持するためにチャネルの感知を全く行うことなく、直接送信される。このフレームは、送信ノードのIDだけを収容していればよい。何故なら、その特定のノードにアドレスされたメッセージの受信成功を確認することは全てのAPに求められるからである。フレームをできるだけ小さく抑えるために、余分なチェックサムを欠落させて(skip)、16ビットのハードウェア先導チェックサムだけを残す。これを行うことができるのは、このフレームの破損は、ビーコンおよびデータ・フレームと比較すると、全く取るに足らないからである(completely uncritical)。APは、直前のビーコンにおいて本当のアドレス(fact address)でそれが捜したノードIDだけを探す。これが意味するのは、ランダムなIDを有する破損フレームは、チェックサムが正かったとしても、APによって受け入れられる可能性は低いということである。つまり、ノードID自体が事実上チェックサムとして作用する。結局、このために、フレーム・レイアウトは表2.5に示すようになる。
ビーコンは、直前のアクセス・ウィンドウにおいて受信されたデータ・フレームに対する確認応答のリストと、異なるノードにアドレスされた可変数のメッセージとを収容することができる。プロトコルの機能を最適化するために、最も合理的な手法は、最初に確認応答のリストを追加し、次いで余裕がある限りできるだけ多くのメッセージを添付することであろう。これが意味するのは、高トラフィックの状況では、「AP−ノード」スループットが最初に影響を受け(suffer)、ノードが然るべき頻度でコマンドを受信できなくなり、更に、ノードが一層頻繁にアイドルになり、このため「ノードからAPに」生成されるトラフィックが減少するということである。このように、トラフィック・フローは自己規制する。
アクセス・ウィンドウが長い程、一層多くのデータ・フレームが送信される可能性が高くなり、一層多くの確認応答をビーコン内に収容しなければならない。表2.9は、送信される全てのメッセージが8バイト・ペイロードを収容すると仮定して、アクセス・ウィンドウ当たりの絶対最大理論的メッセージ数を、計算したものである。しかしながら、この数値は、CSMA/CAのランダム性のために、非常に論理的になっている。それでもなお、フィールドの大きさを決定する(dimensioning)ときにインディケータとして使用することができる。ビーコン周波数が30Hzのとき、最大理論的データ・フレーム数は33となり、25Hzのとき、この数は40フレームに増加することがわかる。
メッセージ・リスト
確認応答数と同様に、メッセージの最大数も評価しなければならない。ここでは、2つの事項を考慮しなければならない。第1に、確認応答フェーズは、最大許容メッセージ数に等しい数の確認応答を収容する(fit)ことができなければならない。表2.5に指定するように、1つの確認応答フレームは、表2.3に示すように更に5バイトから成る物理ヘッダに加えて、5バイトのデータを収容する。結局、これが意味するのは、確認応答フレームは、完全に送信するには20シンボルを必要とし、これに加えて、確認応答スロットはいくらかのドリフトを見込んでおかなければならないということであり、あらゆる計算に対しても基本として少なくとも25シンボルが使用されることを意味する。表2.9に見られるように、各副期間は、30Hzのビーコン周波数では130シンボル長となる。これは、5つまでの確認応答に対応する(allow)ことができる。
メッセージの唯一性
以上のようにプロトコルを設計すると、APが、同じノードにアドレスされた複数のメッセージを1つのビーコンに追加することを妨げるものはない。しかしながら、このためには、ノードおよびAP双方が、全ての前記メッセージの確認応答を処理する(handle)ことができなければならず、望ましくない複雑さが加わる。複数の同時送信の必要性は、このプロトコルを作る対象となるユース・ケースでは決して起こるはずはなく、一般に、アプリケーションは、メッセージをバッファに追加する前に、これらを連結する(concatenate)と仮定される。何故なら、これによって十分な量のオーバーヘッドが削られる(save)からである。したがって、ビーコンはノード当たり1つよりも多いメッセージを収容してはならず、いずれのブロードキャスト・メッセージもそのビーコン内では唯一のメッセージでなければならないという単純な規則を、プロトコル定義に追加する。この制限は、APはあらゆる衝突を防止するためにメッセージをフィルタリングしなければならないが、ノードは1回の確認応答送信よりも長い間起動している必要は全くないことを暗示する。
全ビーコン・ヘッダ(full beacon header)
最終的なビーコン・ヘッダは、表2.6において見ることができる。全ビーコン・フレームは、表2.7において見ることができる。ここでは、変数aは追加される確認応答の数を示し、mはメッセージの数を示し、kiはメッセージiに収容されるデータ・バイト数を示す。総和、
ビーコン・サイズ
ビーコン・フレームは、ビーコン周波数によってサイズが制限される。表2.9において、異なる周波数におけるビーコン期間のシンボル長を見ることができる。計算は、毎秒62500個の802.15.4−シンボルに基づく(62500 802.15.4-symbols per second)。1つのこのようなシンボルから4ビットが得られ(make out)、1バイトは2シンボルを必要とすることを意味する。
チャネル交換
図7は、ビーコン送信のフェーズの原理を示す模式タイミング図である。
APドリフト
第2に、APが完全に同期されることは想定できないので、1つのシンボルに至るまで、AP間におけるいくらかのタイミング・ドリフトのために常時余裕がなければならない。タイミング・バッファが適所にあると、2つのAPは、何の問題も生ずることなく、バッファのサイズまで、ドリフトして離れることができる。これらがドリフトして更に離れた場合、ノードがチャネルに調整し終える前に、トリガするのが早すぎたAPがリスクを誘発し(AP that triggers too early risk triggering)、このため、ノードはビーコンを受信することができず、その後、APが範囲から外れたまたはオフラインになったと想定するので、ノードはそのチャネル上で送信を行わない。このバッファのサイズは、AP同期の精度のみに依存し、前もって推定するのは非常に難しいことを意味する。長さ10のバッファによって、APが正しいタイミングからいずれの方向にも5シンボル、即ち、80μs逸脱しても許容される。これよりも遙かに正しく同期を行うことができる場合、後の段階において、もっと大きなビーコンに対応する(allow)ために、この値を調節することができる。
解釈
最後に、ノードは、次のビーコンがトリガする前に、そのビーコンの解釈を完了できなければならず、そうでないと、ビーコン・トリガが遅れ、ノードが同期から外れる危険性があり、その結果切断されることになる。この期間の長さは、理論的に推定するのが難しく、最良の方法は、多分、「最悪事態」検査手順を設定し、外れ始める(failing)転換点を発見することである。
オーバーヘッド
一旦無線送信(on air transmission)を含まない部分が差し引かれたなら、実際のオーバーヘッドを評価することができる。表2.3に見られるように、一般的なフレームは11バイトのオーバーヘッドを有する。ビーコン・ヘッダを追加すると、12バイト、または24シンボルとなる。
最終的なサイズ
表2.8において、各ビーコン周囲のタイミング・オーバーヘッドを、図2.3におけるフェーズにしたがって、要約する。解釈に必要とされる時間は、最初に10に設定し、後に最適値を求めるために検査するとよい(should)。
チェックサム
破損されたフレームの殆どは大きな破損度を有するのが通例なので、カスタム・チェックサムはエラー訂正能力を有する必要はない。したがって、フレームにおける全てのバイトの単純なXORを使用する。2バイトのチェックサムでは、最初に、全ての奇数バイト(odd indexed byte)のXORを取り、次に、全ての偶数バイト(even indexed byte)のXORを取る。フレームが1バイトのペイロードしか収容していない場合、第2バイトはその初期値、即ち、0を持ち続けているはずである。尚、チェックサムにはPHRは含まれないことを注記しておく。何故なら、このバイトは、フレームが受信されるときには、フレーム・バッファに挿入されないからである。したがって、チェックサムに含まれる第1バイトは、カスタム・フレーム・ヘッダとなる。
同期
アクセス・ポイント間で厳格なタイミング要件を維持するために、全体タイミング基準を導入することができる。この信号の周波数は、ビーコン周波数を超えてはならない。したがって、既存の130Hzは使用できない。簡素化のために、同期信号を1Hzにすると定義してもよい。
機能の説明
図8において、通信シーケンスの例を4通り示す。4通りの例8(a)、8(b)、8(c)、および8(d)は、ノードに対する送信および受信の図である。
更に特定すれば、本発明は、ワイヤレス通信ネットワークにおける通信ノードの動作方法に関し、ノードが少なくとも1つのアクセス・ポイントを経由して中央通信ユニットと通信する。更に、本発明は、このようなワイヤレス通信ネットワークにおいて動作する通信ノードに関する。
例えば、このシステムは、物理的レイアウトおよび規模に関して汎用性がなければならない。使用中の車両数(および関連する通信ノード)は柔軟でなければならない。グリッドは、格納システムが設置される構内の物理的固有性(properties)によって決定される種々の形状をなすことができる。したがって、広範囲の異なる物理的トポロジを当然処理できる通信ノードを、車両に提供しなければならない。
その他の可能性のある要件および/または所望の固有性には以下が含まれる。
・多重ホップ・ルーティングを必要としない。
・短い応答時間が要求される。
・ノードによって送信されるデータの量が、ノードによって受信されるデータの量よりもはるかに多い。
・ノードは、アクセス・ポイント間で素早く切り替えることができなければならない。
・データ負荷は、実質的に時間単位で(by time)変動することができる。
種々の標準化された通信プロトコルや、その他の既に知られている通信プロトコルが存在するが、これらは以上の要件および所望の固有性の内一部を満たすことができるに過ぎない。
US−6052594は、メディア・アクセスを制御する方法およびシステムに関し、データ・パケットがワイヤレス局へのダウンリンク送信のために受信されたときに、基地局からワイヤレス局にページング・メッセージが送信される。基地局は、複数の基地局の内の1つであり、ワイヤレス局はこの基地局と関連付けられている。ページング・メッセージに応答して、ワイヤレス局において、複数のパイロット周波数信号の各々のレベルが検出される。各パイロット周波数は、ダウンリンク・トラフィック・チャネルに対応し、そのダウンリンク・トラフィック・チャネルが割り当てられた基地局によって送信される。ワイヤレス局は、トラフィック・チャネルの優先順位、およびパイロット周波数信号の検出されたレベルに基づいて、好ましいトラフィック・チャネルのリストを生成し、関連付けられた基地局にこのリストを送信する。ダウンリンク・トラフィック・チャネルは、好ましいトラフィック・チャネルのリストに基づいて、受信したデータ・パケットをワイヤレス局に送信するダウンリンクのために割り当てられ、基地局においてチャネル優先順位を更新する。
したがって、本発明の一態様では、ワイヤレス通信ネットワークにおける通信ノードの動作方法を提供する(has been provided)。この方法では、ノードは少なくとも1つのアクセス・ポイントを経由して中央通信ユニットと通信し、この方法は、
−ノードにおいて、アクセス・ポイントからのワイヤレス信号を受信するステップと、
−ノードによって、受信したワイヤレス信号に基づいてチャネル品質情報を判定するステップと、
−ノードによって、判定したチャネル品質にしたがって序列されたアクティブ・チャネルの順序を決定するステップと、
−ノードによって、決定した順序にしたがって、ワイヤレス信号を送信するためのアクティブ・チャネルを選択するステップと、
−ノードによって、選択したアクティブ・チャネル上でワイヤレス信号を送信するステップと、
を含む。
−アクセス・ポイントからのワイヤレス信号を受信し、
−受信したワイヤレス信号に基づいてチャネル品質情報を判定し、
−判定したチャネル品質にしたがって序列されたアクティブ・チャネルの順序を決定し、
−決定した順序にしたがって、ワイヤレス信号を送信するためのアクティブ・チャネルを選択し、
−ノードによって、選択したアクティブ・チャネル上でワイヤレス信号を送信する、
ように構成されている。
格納システム100は、垂直スタックに積層された複数の収納庫を収容する三次元格納グリッド構造110を含む。グリッド構造110の上面上に支持レール120が二次元的に配置されており、グリッド構造110の上面上に配置されたレールに沿って移動するように、複数の車両130が配置されている。
図2において、4つの通信ノード300a、300b、300c、300dが示されている。各ノードは、格納システム100内にある車両(図1に示す車両130のような)に含まれることを意図している。尚、1および250の間の任意の数というように、任意の適した数の通信ノードをこの通信システム内に設けることができることは理解されてしかるべきである。場合によっては、250個よりも多い通信ノードも使用することができる。一部のノードは、格納システムにおける車両のための通信ノードであること以外の目的に供することもできる。
通信ノード300は、内部バス310を含むことができ、とりわけ、マイクロプロセッサのような処理デバイス340、ROMまたはフラッシュ・メモリのような不揮発性メモリ320、およびRAMのような揮発性メモリ330を相互接続する。不揮発性メモリ320は、1組の処理命令をコンピュータ・プログラムの形態で収容することができ、処理デバイス340によって処理命令が実行されると、本開示において指定するような方法を通信ノード300に実行させる。揮発性メモリ330は、処理命令の実行中に処理デバイスによって使用される可変データ(variable data)を収容することができる。また、ワイヤレス通信デバイス370もバス310に相互接続されており、アンテナ390の接続によって、外部アクセス・ポイント(図2には示されていない)と通信ノード300との間で双方向無線通信を行う。また、I/Oデバイス350もバス310に相互接続されており、通信ノード300と外部制御デバイス360との間でデータ通信を行う。外部制御デバイス360は、例えば、通信ノード300が組み込まれた(arrange)車両の移動を制御するように構成された制御回路を含むことができる。また、外部制御デバイス360は、車両の動作に関連する信号を供給するセンサ、変換器等も含むことができる。これらの信号は、通信ノード300によって残りの通信システムに、関連するアクセス・ポイントを経由して伝達され、更に中央ユニットにも伝達されなければならない。更に、通信ノード300は、電源または電力処理ユニット(power handling unit)380も含み、通信ノード300に含まれる回路を動作させるために電力を供給する。
通信ノード300は、例えば、IEEE802.15.4として知られている仕様書によって定められるような物理レベル・プロトコルを実装するように構成されてもよい。
図示する方法400は、1組の処理命令として具体化された、コンピュータ・プログラムとして実装することもでき、処理命令はメモリ(先に図3を参照して述べた不揮発性メモリ320のような)に収容され、通信ノード300において処理デバイス340によって実行することができる。
最初に、受信ステップ420において、アクセス・ポイント140からワイヤレス信号をノード300において受信する。
更に、順序決定ステップ440において、判定されたチャネル品質にしたがって序列されたアクティブ・チャネルの順序をノード300によって決定する。
次に、送信ステップ460において、ノードによって、選択ステップ450において選択された通りに、選択されたアクティブ・チャネル上でワイヤレス信号を送信する。
好ましくは、ワイヤレス通信ネットワークは、ビーコン対応搬送波感知多重アクセス(CSMA)に基づくネットワークである(beacon enabled carrier sense multiple access (CSMA) based network)。
また、図示する方法400は、アクセス・ポイント140と共に付与または実行されるステップあるいはエレメントを含んでもよい。一態様では、方法400は、更に、ビーコン送信モードでアクセス・ポイント140を動作させるステップを含んでもよい。このようなビーコン送信モードでは、アクセス・ポイントはワイヤレス・ビーコン・データをノード300に送信する。また、アクセス・ポイントを待ち受けモード(listening mode)で動作させることもできる。待ち受けモードでは、アクセス・ポイントは、ノードから受信したデータを、中央通信ユニット150に中継する。
開示する動作方法に可能な更に別の一般的態様および関連する利点は、以下から明らかになる。
未確認応答フレーム(unacknowledged frames)
1つの態様では、ノード300からアクセス・ポイント140に送信されるメッセージ については、直接確認応答(direct acknowledgement)を飛ばしてもよい。代わりに、確認応答は、ビーコン内にノード・アドレスのリストの形態で含むことができる。この手法は、全体的なオーバーヘッドを著しく低減することができるが、ビーコンが大きくなり、フレームと確認応答との間の最大遅延がビーコン期間と等しくなり、ノードはビーコンの頻度よりも高い頻度で送信することができないという欠点がある。
専用確認応答フェーズ
1つの態様では、ビーコンに続くアクセス・フェーズ内のある時点における時間期間を、直前のビーコンにおいてメッセージを受信したノードからの確認応答専用にすることができる。これによって、ノードがCSMA/CAを使用しなければならない場合と比較して、確実にそれらの確認応答を送ることができる。802.15.4規格の下では、これは、メッセージを受信したノードにGTSを割り当てることによって行うことができ、ノードはその確認応答、および保留中のメッセージを有する場合には、おそらくそのメッセージも送信する。これの欠点は、GTSがビーコン期間の終了時に制限されることであり、これが意味するのは、可能な最も遅い時点に確認応答が到達するということである。また、この規格は、GTSのサイズに関して柔軟性が限定され、要するに、1回の確認応答に対してGTSがかなり過大となる(way oversized)ため、帯域幅が浪費されることになる。これに対する可能な解決策は、802.15.4規格を破棄して、GTSがビーコンの直後に来る固有の解決策を作ることであろう。
チャネル・アジリティ(Channel agility)
1つの態様では、チャネルに関して、システムをもっと動的にし、自己管理させて、全てのチャネル処理(handling)をプロトコル自体の内側に隠すことを究極的な目標とすることが望ましい場合もある。何らかの全体タイミング基準(global timing reference)に対して一意の時間オフセットを全てのチャネルに割り当てる解決策が提案された。各アクセス・ポイントは、それに割り当てられたチャネルに専用のタイミング・オフセットに続いてそのビーコンを送信する。
アイドル・ノードが一旦シーケンスに同期されると、全てのチャネルを巡回して、範囲内にある全てのアクセス・ポイントからのビーコンを検出する。これの簡単な図を図5におけるタイミング図500に表し、7つのチャネルを使用する例、およびどのようにそれらのビーコンを順次時間内に(in time)配置するかについて示す。この図では、チャネル1および5がアクティブであり、一方残りのチャネルは使用されていない。これが意味するのは、ノードは待ち受けているが、ビーコンを全く取得せず(pick up)、つまりこれらのチャネルをアクティブ・チャネルのリストには含まないということである。これは、シーケンスがチャネル7に達したときに、どのようにしてチャネル1に戻るかを示す。全体的時間基準の導入は、この手法の成否を決めることであるが、可能でありしかも便利であった。何故なら、オートストアにおいて使用されている既存のプロトコルは既にこのような基準を有しており、したがってこの機能を再利用するためには、些細な調節しか必要とされないからである。既存の同期メカニズムは、130Hz信号が、中央安全モジュール(central safety module)から全てのAPに、APのPOE供給に関連付けて分散されるという形態となっている。この手法を使用することにより、ルーティングの必要性が著しく低下する。ノードは、APがいつ範囲に入るかまたは範囲から出るか自動的に検出し、それに応じてその利用可能なAPのリストを調節する。ノードが送ることを望むとき、チャネル巡回を続け(put on hold)送信に最も適したチャネルを連続追跡する。ここでは、CSMA/CAを使用してそのメッセージを送信し、試みが成功した場合、確認応答を収容する次のビーコンを待つ。CCAが失敗した場合、1つよりも多いチャネルが利用可能であるならば、ノードは直ちに他のチャネル上で自由にアクセスを試すことができる。このように、トラフィック負荷は利用可能なAP間で自動的に拡散する。
シーケンス番号
このシナリオでは、全ての確認応答された通信に関して、一見すると失敗のように見える送信は、元のメッセージが正しく送信されなかったことによって、または確認応答が失敗したことによって発生する可能性があり、送り手の視点からのみ、送信が不成功であったように思わせる。これは、シーケンス番号の使用によって最良に処理する(handle)ことができ、受信機は、メッセージが以前のメッセージの再送信か否かチェックする。この場合、直前の章で紹介したように、ノードがAP間で継ぎ目なく移動すると、APはメッセージが複製か否か知ることができないことは明らかである。これは、ノードが受信するメッセージはいずれも、以前に異なるチャネル上で送信することを試されていたかもしれないからである。理論的に、ノードは、パケット送信毎に、2つのAP間で交換することができる。このために、シーケンス番号をプロトコルに含ませることは無意味であり、サーバおよびノード上で実行するアプリケーションによって、もっと高いレベルでシーケンス番号が添付されなければならない。これによって、シーケンス番号が有効に作用するために必要とされる、直接の1対1リンクが形成される(create)。
アドレシング
表1.1において、250、つまり、1バイトのアドレシングで十分可能なことを暗示する数の独立したノードをシステムは処理(handle)できなければならないことが指定されている。しかしながら、この要件は、システムによってサポートされるノード数ではなく、スループットに大きく関係する。したがって、256よりも多いノードのアドレシングを可能にすることが非常に望ましい。これによって、本解決策が、後の段階において可能性がある拡張や変更に対して将来においても有効であることを確保する。802.15.4規格は、通常の通信の間16ビット・アドレスを使用し、必要であれば、標準的なMACアドレス全てを利用して、64ビット・アドレスに戻ることができる。この場合には64ビット・アドレスの必要性には全く関心がなさそうであっても、16ビットは、関連するシステム要件を満たすべき非常に合理的なノード数を生み出す。
他の可能な考慮事項に、802.15.4において使用される通常の16ビットよりも大きなチェックサムの必要性がある。これの理由は、破損したパケットが純正なコマンド(genuine command)として受け入れられたという以前の経験である。わずか1/65534の確率であるが、無線環境にノイズが多く最適でない場合、送信されるメッセージ量が、このような小さい確率であっても、それを毎年複数回発生させることになり、このような事態の結果は破滅的となる可能性がある。新たなプロトコルを用いれば、この問題は、この以前の解決策による短期の場合ほど重大になりそうにない。しかし、その時点以降、選択は備えあれば憂いなしとなった。これが意味するのは、余分な16ビットチェックサムの追加は、十分に価値のあるオーバーヘッドであると見なされるということである。
ネットワークID
チャネル巡回が有効に作用するためには、ノードをシーケンス・タイミングから逸脱させる(bring out of)可能性がある外来ビーコン(alien beacon)によってノードが混乱させられなくすることが有用であろう。これは、2つのオートストアの設置(installation)が互いの無線範囲内で行われた場合に起こる可能性がある。2つの設備 (installation) のAPは、同じ全体クロックに従わず、このため互いに同期から外れることになる。すると、ビーコンを求めている(search for)ノードが、正しくないウェアハウスのシーケンスを連続追跡する危険に晒される可能性がある。この問題を克服するために、ネットワークIDを導入することができる。これによって、ノードが、それらに全く関心のないビーコンを排除することを可能にし、更に、APが、近隣ネットワークからのあらゆるデータ・フレームを排除することも可能にする。通常の実行条件(running conditions)の下では、APは異なるチャネル上に定在しており、更に、十中八九、同期が外れているはずなので、いずれの事態も一般には発生しない。これが意味するのは、同期されているノードは偽ビーコンを全く取得せず(pick up)、外来ノードが近隣APのチャネル上で送信することはないということである。しかしながら、ノードが同期を失いビーコンを捜さなければならない場合、衝突が差し迫っている。
ブロードキャスティング
システムの通常動作に加えて、ブロードキャスティングのための特殊モードもサポートすることができる。このモードは、無線リンクを跨いでノードを再プログラムするために使用することができる。これは、APが大きなプログラム・ファイルを全てのノードにブロードキャストすることを伴い、ファイルを検証した後、ブート・ローダがモジュール上にそれをロードする役割を担う(take care of)。このモードは、通常動作とは完全に別にすることができる。何故なら、これが使用されるのはシステムが静止(stationary)およびアイドル状態にあるときだけであるからである。また、このモードは比較的単純である。何故なら、ノードは1つのチャネルを連続追跡し、そのAPからファイル全体を受信でき、そして受信しなければならないからである。したがって、この機能(feature)の実施は本願(this thesis)にとっては全く関心がないが、一旦作業が完了して統一システムを得るためにプロトコルを定めるときには、考慮に入れなければならない。
無線モジュール
無線ハードウェアは、Dresden Electronik社のdeFRMega128−22C02を含むのでもよい。このモジュールは、AtMega128RFA1チップをカプセル化し、RF遮蔽、オンボードEEPROM、オンボード水晶発振器、およびオンボード同軸アンテナ・コネクタを含む。AtMegaの事実上全てのピンが、外部からアクセス可能であり、このチップをプラグ・アンド・プレイ・ハードウェア解決策としつつも、最大の柔軟性に対処する。このモジュールは、カスタム無線モジュール上に実装される。また、このチップは、AP上におけるTCP/IP通信および格納システム内にある車両上のハードウェアの残り部分との通信を処理する(handling)他のマイクロコントローラも内蔵する。
AtMega128RFA1
AtMega128RFA1は、強力なマイクロプロセッサを内蔵し、無線モジュールに直接アクセスすることができる完全なチップ上システムである。無線モジュールは、使いやすいインターフェースを有し、制御およびデータ・レジスタにソフトウェアから直接アクセスすることができる。また、これは、全ての重要な無線イベントを示す様々な専用割り込みも有する。
トランシーバ
トランシーバは、IEEE802.15.4物理レイヤ変調方式、チャネル構造、物理プリアンブル、チェックサム計算、およびCCAを実現する。また、エネルギ検出およびリンク品質指示は、ハードウェアで利用可能である。MACレベルには、自動確認応答(automated acknowledgement)、規格によるCSMA/CA送信および再送信、ならびに自動アドレス・フィルタリングのために専用モードがある。他のハードウェア・アクセレレータには、AES128ビット暗号、真の乱数発生器、および802.15.4規格においてサポートされるものよりも高いPSDUレートが含まれる。500kb/s、1Mb/s、および2Mb/sの双方がサポートされる。
Macシンボル・カウンタ
802.15.4は、プロトコルのタイミングを維持するために、シンボル・カウンタの使用を暗示しており、このカウンタは、計画されているフレーム受信の前に、トランシーバを起動する(wake up)ことができなければならず、更に、規格に指定されている通りに、GTSスロットおよびCSMA/CAバックオフ・スロット(CSMA/CA backoff slot)の精度高い実行を可能にする。AtMega128RFA1では、このカウンタは、3つの独立した比較器、および専用のバックオフ・スロット・カウンタを内蔵しており、802.15.4準拠フレームを使用するときに、自動ビーコン・タイムスタンプ付与(timestamping)を可能にする。
RSSIおよびエネルギ検出
任意の受信モードにあるとき、このチップは、現在のRSSIを用いて、レジスタを継続的に更新する。これは、信号がデコード可能か否かには関係なく、チャネル上における現在のエネルギ・レベルの測定値である。次いで、この値を直接読み出すことができ、または代わりに、もっと精度の高いエネルギ検出レジスタを使用することができる。エネルギ検出は、ハードウェア先導(hardware driven)であり、8シンボルにわたる平均RSSIを計算する。次いで、この手順の完了が割り込みによって通知される。手作業によるエネルギ検出に加えて、これは有効なSHRの受信時に常に自動的に開始される。これが意味するのは、一旦フレームが完全に受信されたなら、EDレジスタは、受信された物理信号強度の指示を収容するということである。
最終的なプロトコルの概念
先に示した要件および論述にしたがって、プロトコルを満たすためにおそらく望まれる機能(feature)のリストを示す。
−全てのAP、およびその後に同期するノードに対する全体時間基準。
−ビーコン期間のアクセス・ウィンドウにおいてCSMA/CAを使用して送信されるデータ・フレーム。
−続くビーコンにおいてノード・アドレスのリストとして送られるデータ・フレームに対する確認応答。
−プロトコル・レベルでは再送信せず、全ての送信失敗を逆にアプリケーションに報告する。
−APがもっと大きなファイルを接続されている全てのノードに転送することを許可するブロードキャスト・モード。
−近隣以内において複数の設備(installation)を許容するネットワークID。
−合計32ビットのチェックサム。
この機能リストに基づいて図5から修正したバージョンのビーコン・シーケンスを図6に示す。これは、チャネル間の時間オフセットの原理を示す模式タイミング図600を含む。
最終的なプロトコルの定義
802.15.4規格から逸脱する実施態様では、カスタム・ヘッダおよびフレーム構造を定義しなければならない。
フレーム・ヘッダ
プロトコルは、表2.1にまとめた4つの異なるフレーム形式を利用することができる。
チップの一例であるatmega128RFA1は、802.15.4規格によるハードウェア先導チェックサム生成および検証をサポートする。また、これは、フレーム・バッファにおける第1バイトが、送信の間、同様に802.15.5において定義されているPHRであることも要求する。このバイトは、フレーム長と、フレームが802.15.4規格に準拠するか否かを示すビットから成る。フレーム・バッファは合計で128バイト長であり、表2.3に見られるようなフレーム・レイアウトを有する(giving us)。次いで、チェックサムおよびその他のオーバーヘッドを差し引くと、一般的なフレームに利用可能なペイロードは、最大で122バイトとなる。有効なペイロードの大きさは、異なるフレーム形式が導入する余分なオーバーヘッドによって左右され、以下で更に徹底的に定義する。
データ・フレームは、ノードによってAPに、アクセス・ウィンドウにおいてCSMA/CAを使用して送られる。これは、1つのAPだけが所与のチャネル上で待ち受けているからであり、目標アドレスを全く必要としないが、送信ノードのIDを含まなければならい。また、データのリストが始まる前に、データ・バイトの数も添付される。結局、このために、表2.4に見られるレイアウトとなり、ここでわかるように、これには有効ペイレードに119バイトの余裕がある。
確認応答フレームは、ノードによって、確認応答フェーズの間に専用スロットにおいて送ることができる。これは、厳格なタイミングを維持するためにチャネルの感知を全く行うことなく、直接送信される。このフレームは、送信ノードのIDだけを収容していればよい。何故なら、その特定のノードにアドレスされたメッセージの受信成功を確認することは全てのAPに求められるからである。フレームをできるだけ小さく抑えるために、余分なチェックサムを欠落させて(skip)、16ビットのハードウェア先導チェックサムだけを残す。これを行うことができるのは、このフレームの破損は、ビーコンおよびデータ・フレームと比較すると、全く取るに足らないからである(completely uncritical)。APは、直前のビーコンにおいて本当のアドレス(fact address)でそれが捜したノードIDだけを探す。これが意味するのは、ランダムなIDを有する破損フレームは、チェックサムが正かったとしても、APによって受け入れられる可能性は低いということである。つまり、ノードID自体が事実上チェックサムとして作用する。結局、このために、フレーム・レイアウトは表2.5に示すようになる。
ビーコンは、直前のアクセス・ウィンドウにおいて受信されたデータ・フレームに対する確認応答のリストと、異なるノードにアドレスされた可変数のメッセージとを収容することができる。プロトコルの機能を最適化するために、最も合理的な手法は、最初に確認応答のリストを追加し、次いで余裕がある限りできるだけ多くのメッセージを添付することであろう。これが意味するのは、高トラフィックの状況では、「AP−ノード」スループットが最初に影響を受け(suffer)、ノードが然るべき頻度でコマンドを受信できなくなり、更に、ノードが一層頻繁にアイドルになり、このため「ノードからAPに」生成されるトラフィックが減少するということである。このように、トラフィック・フローは自己規制する。
アクセス・ウィンドウが長い程、一層多くのデータ・フレームが送信される可能性が高くなり、一層多くの確認応答をビーコン内に収容しなければならない。表2.9は、送信される全てのメッセージが8バイト・ペイロードを収容すると仮定して、アクセス・ウィンドウ当たりの絶対最大理論的メッセージ数を、計算したものである。しかしながら、この数値は、CSMA/CAのランダム性のために、非常に論理的になっている。それでもなお、フィールドの大きさを決定する(dimensioning)ときにインディケータとして使用することができる。ビーコン周波数が30Hzのとき、最大理論的データ・フレーム数は33となり、25Hzのとき、この数は40フレームに増加することがわかる。
メッセージ・リスト
確認応答数と同様に、メッセージの最大数も評価しなければならない。ここでは、2つの事項を考慮しなければならない。第1に、確認応答フェーズは、最大許容メッセージ数に等しい数の確認応答を収容する(fit)ことができなければならない。表2.5に指定するように、1つの確認応答フレームは、表2.3に示すように更に5バイトから成る物理ヘッダに加えて、5バイトのデータを収容する。結局、これが意味するのは、確認応答フレームは、完全に送信するには20シンボルを必要とし、これに加えて、確認応答スロットはいくらかのドリフトを見込んでおかなければならないということであり、あらゆる計算に対しても基本として少なくとも25シンボルが使用されることを意味する。表2.9に見られるように、各副期間は、30Hzのビーコン周波数では130シンボル長となる。これは、5つまでの確認応答に対応する(allow)ことができる。
メッセージの唯一性
以上のようにプロトコルを設計すると、APが、同じノードにアドレスされた複数のメッセージを1つのビーコンに追加することを妨げるものはない。しかしながら、このためには、ノードおよびAP双方が、全ての前記メッセージの確認応答を処理する(handle)ことができなければならず、望ましくない複雑さが加わる。複数の同時送信の必要性は、このプロトコルを作る対象となるユース・ケースでは決して起こるはずはなく、一般に、アプリケーションは、メッセージをバッファに追加する前に、これらを連結する(concatenate)と仮定される。何故なら、これによって十分な量のオーバーヘッドが削られる(save)からである。したがって、ビーコンはノード当たり1つよりも多いメッセージを収容してはならず、いずれのブロードキャスト・メッセージもそのビーコン内では唯一のメッセージでなければならないという単純な規則を、プロトコル定義に追加する。この制限は、APはあらゆる衝突を防止するためにメッセージをフィルタリングしなければならないが、ノードは1回の確認応答送信よりも長い間起動している必要は全くないことを暗示する。
全ビーコン・ヘッダ(full beacon header)
最終的なビーコン・ヘッダは、表2.6において見ることができる。全ビーコン・フレームは、表2.7において見ることができる。ここでは、変数aは追加される確認応答の数を示し、mはメッセージの数を示し、kiはメッセージiに収容されるデータ・バイト数を示す。総和、
ビーコン・サイズ
ビーコン・フレームは、ビーコン周波数によってサイズが制限される。表2.9において、異なる周波数におけるビーコン期間のシンボル長を見ることができる。計算は、毎秒62500個の802.15.4−シンボルに基づく(62500 802.15.4-symbols per second)。1つのこのようなシンボルから4ビットが得られ(make out)、1バイトは2シンボルを必要とすることを意味する。
チャネル交換
図7は、ビーコン送信のフェーズの原理を示す模式タイミング図である。
APドリフト
第2に、APが完全に同期されることは想定できないので、1つのシンボルに至るまで、AP間におけるいくらかのタイミング・ドリフトのために常時余裕がなければならない。タイミング・バッファが適所にあると、2つのAPは、何の問題も生ずることなく、バッファのサイズまで、ドリフトして離れることができる。これらがドリフトして更に離れた場合、ノードがチャネルに調整し終える前に、トリガするのが早すぎたAPがリスクを誘発し(AP that triggers too early risk triggering)、このため、ノードはビーコンを受信することができず、その後、APが範囲から外れたまたはオフラインになったと想定するので、ノードはそのチャネル上で送信を行わない。このバッファのサイズは、AP同期の精度のみに依存し、前もって推定するのは非常に難しいことを意味する。長さ10のバッファによって、APが正しいタイミングからいずれの方向にも5シンボル、即ち、80μs逸脱しても許容される。これよりも遙かに正しく同期を行うことができる場合、後の段階において、もっと大きなビーコンに対応する(allow)ために、この値を調節することができる。
解釈
最後に、ノードは、次のビーコンがトリガする前に、そのビーコンの解釈を完了できなければならず、そうでないと、ビーコン・トリガが遅れ、ノードが同期から外れる危険性があり、その結果切断されることになる。この期間の長さは、理論的に推定するのが難しく、最良の方法は、多分、「最悪事態」検査手順を設定し、外れ始める(failing)転換点を発見することである。
オーバーヘッド
一旦無線送信(on air transmission)を含まない部分が差し引かれたなら、実際のオーバーヘッドを評価することができる。表2.3に見られるように、一般的なフレームは11バイトのオーバーヘッドを有する。ビーコン・ヘッダを追加すると、12バイト、または24シンボルとなる。
最終的なサイズ
表2.8において、各ビーコン周囲のタイミング・オーバーヘッドを、図2.3におけるフェーズにしたがって、要約する。解釈に必要とされる時間は、最初に10に設定し、後に最適値を求めるために検査するとよい(should)。
チェックサム
破損されたフレームの殆どは大きな破損度を有するのが通例なので、カスタム・チェックサムはエラー訂正能力を有する必要はない。したがって、フレームにおける全てのバイトの単純なXORを使用する。2バイトのチェックサムでは、最初に、全ての奇数バイト(odd indexed byte)のXORを取り、次に、全ての偶数バイト(even indexed byte)のXORを取る。フレームが1バイトのペイロードしか収容していない場合、第2バイトはその初期値、即ち、0を持ち続けているはずである。尚、チェックサムにはPHRは含まれないことを注記しておく。何故なら、このバイトは、フレームが受信されるときには、フレーム・バッファに挿入されないからである。したがって、チェックサムに含まれる第1バイトは、カスタム・フレーム・ヘッダとなる。
同期
アクセス・ポイント間で厳格なタイミング要件を維持するために、全体タイミング基準を導入することができる。この信号の周波数は、ビーコン周波数を超えてはならない。したがって、既存の130Hzは使用できない。簡素化のために、同期信号を1Hzにすると定義してもよい。
機能の説明
図8において、通信シーケンスの例を4通り示す。4通りの例8(a)、8(b)、8(c)、および8(d)は、ノードに対する送信および受信の図である。
Claims (16)
- ワイヤレス通信ネットワークにおける通信ノード(300)の動作方法であって、前記ノード(300)が、少なくとも1つのアクセス・ポイント(140)を経由して中央通信ユニット(150)と通信し、前記動作方法が、
−前記ノード(300)において、前記アクセス・ポイント(140)からのワイヤレス信号を受信するステップ(420)と、
−前記ノードによって、前記受信したワイヤレス信号に基づいてチャネル品質情報を判定するステップ(430)と、
−前記ノードによって、前記判定したチャネル品質にしたがって序列されたアクティブ・チャネルの順序を決定するステップ(440)と、
−前記ノードによって、前記決定した順序にしたがって、ワイヤレス信号を送信するためのアクティブ・チャネルを選択するステップ(450)と、
−前記ノードによって、前記選択したアクティブ・チャネル上でワイヤレス信号を送信するステップ(460)と、
を含む、方法。 - 請求項1記載の方法において、
前記ワイヤレス通信ネットワークが、ビーコン対応搬送波感知多重アクセスに基づくネットワークである、方法。 - 請求項2記載の方法において、
前記ノードによって、前記選択したアクティブ・チャネル上でワイヤレス信号を送信するステップ(460)が、搬送波感知多重アクセス/衝突回避を使用してメッセージを送信するステップを含む、方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項記載の方法であって、更に、
前記ノード(300)によって、前記アクセス・ポイントからのビーコン・データの受信によって提供されるビーコン・タイミング情報を連続追跡するステップを含む、方法。 - 請求項4項記載の方法であって、更に、
前記ノード(300)によって、タイムスロット・パターンにしたがって、前記チャネル全体を繰り返すステップを含む、方法。 - 請求項1〜5のいずれか1項記載の方法であって、更に、
前記アクセス・ポイント(140)がワイヤレス・ビーコン・データを前記ノード(300)に送信するビーコン送信モード、または前記アクセス・ポイント(140)が前記ノード(300)から受信したデータを前記中央通信ユニット(150)に中継する待ち受けモードで、前記アクセス・ポイント(140)を動作させるステップを含む、方法。 - 請求項6記載の方法において、
前記ノード(300)および前記アクセス・ポイント(140)が、共通クロック信号によって同期される、方法。 - ワイヤレス通信ネットワークにおいて動作する通信ノード(300)であって、前記ネットワークが、前記ノード(300)と、中央通信ユニット(150)と、少なくとも1つのアクセス・ポイント(140)とを含み、前記ノード(300)が、
−前記アクセス・ポイント(140)からのワイヤレス信号を受信し(420)、
−前記受信したワイヤレス信号に基づいてチャネル品質情報を判定し(430)、
−前記判定したチャネル品質にしたがって序列されたアクティブ・チャネルの順序を決定し(440)、
−前記決定した順序にしたがって、ワイヤレス信号を送信するためのアクティブ・チャネルを選択し(450)、
−前記ノードによって、前記選択したアクティブ・チャネル上でワイヤレス信号を送信する、
ように構成される、通信ノード(300)。 - 請求項8記載のノード(300)において、前記ワイヤレス通信ネットワークが、ビーコン対応搬送波感知多重アクセスに基づくネットワークである、ノード(300)。
- 請求項9記載のノード(300)であって、更に、前記選択したアクティブ・チャネル上でワイヤレス信号を送信するステップ(460)において、搬送波感知多重アクセス/衝突回避を使用してメッセージを送信するように構成される、ノード(300)。
- 請求項8〜10のいずれか1項記載のノード(300)であって、更に、前記アクセス・ポイント(140)からのビーコン・データの受信によって提供されるビーコン・タイミング情報を連続追跡するように構成される、ノード(300)。
- 請求項11記載のノード(300)であって、更に、タイムスロット・パターンにしたがって、前記チャネル全体を繰り返すように構成される、ノード(300)。
- 請求項7〜12のいずれか1項記載のノード(300)において、前記アクセス・ポイント(140)がワイヤレス・ビーコン・データを前記ノードに送信するように構成されるビーコン送信モード、または前記アクセス・ポイント(140)が前記ノードから受信したデータを前記中央通信ユニット(150)に中継する待ち受けモードで、前記アクセス・ポイント(140)が動作するように構成される、ノード(300)。
- 請求項13記載のノード(300)において、
前記ノード(300)および前記アクセス・ポイント(140)が、共通クロック信号によって同期される、ノード(300)。 - ワイヤレス通信システムであって、
中央通信ユニット(150)と、少なくとも1つのアクセス・ポイント(140)と、請求項8〜14のいずれか1項記載の少なくとも1つの通信ノード(300)とを含む、ワイヤレス通信システム。 - 格納システム(100)であって
−垂直スタックに積層された複数の収納庫を収容する三次元格納グリッド構造(110)と、
−前記グリッド構造(110)上の支持レール(120)と、
−前記グリッド構造(110)上の前記レール(120)に沿って移動するように構成された複数の車両(130)であって、各車両(130)が少なくとも1つのアクセス・ポイント(140)を経由して中央通信ユニット(150)と通信するように構成される、複数の車両(130)と、
を含み、
各車両(130)が、請求項8〜14のいずれか1項記載の通信ノード(300)を含む、格納システム(100)。
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