JP2020500491A - ネットワークアクセスのための方法、システム、コントローラ、エンティティ及びコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

本発明は、時分割多重アクセスネットワークに接続される通信エンティティにタイムスロットを割り当てる、セルコントローラのコンピュータ手段によって実施される方法に関する。このネットワークは、上記セルコントローラによって制御されるセル内に画定される。本方法は、予め決められた期間ＳＦ内に、第１の周波数チャネルＡＣ内でビーコンフレームＢＦを送信して、上記通信エンティティのうちの少なくとも１つの指定されたエンティティＳ０、Ｓ３に、タイムスロットＴＳが第２の周波数チャネルＤＣ１、ＤＣ２内で上記指定されたエンティティに割り当てられることを意図されることをアナウンスすることと、タイムスロットを、第２の周波数チャネルＤＣ１、ＤＣ２内で指定されたエンティティに割り当てることとを反復して行うことを含む。この実施により、ビーコンフレーム内で指定されないネットワークの任意の通信エンティティは、次の期間ＳＦまでスリープモードにおいて動作することができる。

Description

本発明は、無線通信システムに関する。

無線通信システムにおいて、媒体アクセス制御（ＭＡＣ：Medium Access Control）層の主要タスクのうちの１つは、通信する必要がある異なる局間で利用可能な無線リソースを共有するために、チャネルアクセス制御メカニズムを提供することである。パケットモード競合ベースチャネルアクセス（packet-mode contention based channel access）では、多重アクセスメカニズムが、データパケット衝突を検知及び削減することが可能である。対照的に、回路交換式チャネルアクセス方法では、多重アクセスメカニズムは、論理チャネルを確立するのにリソースを予約しなくてはならない。

通常、多重アクセスメカニズムは、確立されたチャネルごとに最小サービス品質（ＱｏＳ：Quality of Service）を達成するために、パケット反復（packet repetition）を制御するのに用いられる誤り制御メカニズムに関連付けられる。大域的に利用可能な帯域幅を最適化することも、多重アクセスメカニズムの主要ターゲットのうちの１つである。

パケット無線ワイヤレスネットワークにおいて用いられる多重アクセスプロトコルの例は、ＣＳＭＡ／ＣＡ（ＩＥＥＥ８０２．１１ネットワークにおいて用いられる）、スロット付きＡＬＯＨＡ（Slotted ALOHA）、ダイナミックＴＤＭＡ、モバイルスロット付きＡｌｏｈａ、ＣＤＭＡ等である。

時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ：Time Division Multiple Access）により、信号を異なるタイムスロットに分割することによって複数のユーザが同じ周波数チャネルを共有することが可能になる。セル内のいかなる無線衝突も回避するように、スロットは、１つの特定のデバイスに割り当てられる。ＴＤＭＡの主要な利点は、モバイルの無線部分が、自身のタイムスロットのためにリスン及びブロードキャストしか行う必要がないということである。通常、時間は、固定の持続時間フレームで分割され、各フレームは、固定数のスロットに分割される。いくつかの標準規格では「アクセスポイント」又は「基地局」と名付けられる中央制御装置が、スロット割り当ての役割を担う。

ダイナミック時分割多重アクセスでは、スケジューリングアルゴリズムが、各データストリームのトラフィック需要に基づいて、可変ビットレートデータストリームに対して、各フレーム内で可変数のタイムスロットを動的に予約する。そのようなシステムにおいては、局が何らかの制御メッセージを介してそれらのリソースニーズを周期的に報告することができるように、何らかのメカニズムを実装することが必要である。

しかしながら、これらのメカニズムは、通常、パケット送信において、幾分かの帯域幅消費と、幾分かの遅延とを発生させる。

キャリア検知多重アクセス／衝突回避方式（ＣＳＭＡ／ＣＡ：Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）では、中央スケジューリングは必要とされない。なぜならば、各局が独立して、自身がチャネルを介してデータを送信することができるか否かを判断するためである。キャリア検知は、チャネル占有を検出するために、送信に先立って用いられる。別の局がヒアリングされる（heard：聴取される）場合、衝突回避方式は、空いている通信チャネルについて再度リスンする前に、待機期間を決定する。

この方法の１つの欠点は、受信側局がチャネルを永続的にヒアリングする必要があることである。この理由で、電力消費を削減するために、電力を節約するいくつかのアルゴリズムが開発されてきた。これらのアルゴリズムの大半は、中央コントローラによって送出される特定のブロードキャストビーコンフレームによってシグナリングされる固定の持続時間のタイムフレームの導入に基づいている。

中央コントローラと局との間の通信のみが許可される（すなわち、ＩＥＥＥ−８０２．１１におけるインフラストラクチャモード）。その場合、局は、いくつかの特定のタイムフレーム中にのみウェイクされる（awoken）。中央コントローラは、宛先局がウェイクされているタイムフレーム中にのみダウンリンクトラフィックをスケジューリングする。しかしながら、この種のメカニズムは、局が、ＴＤＭＡにおいて１スロットのみではなく１タイムフレーム全体の間、ウェイクされるとともにチャネルをリスンする必要がある。

センサ及び低電力駆動デバイス（low-powered device）のために最適化された既存の無線通信プロトコルは、種々のアクセス制御メカニズムに基づいている。Ｚｉｇｂｅｅ物理層及びＭＡＣ層は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４標準規格に基づいている。ビーコンモード（すなわち、中央集中化方法）において、以下の３つのタイプの期間を含むことができるスーパーフレームストラクチャを用いることが可能である。
−「競合アクセス期間」（ＣＡＰ：contention access period）、
−「非競合期間」（ＣＦＰ：Contention-Free period）、及び、
−非アクティブ期間。

ＣＡＰのアクセス制御メカニズムは、ＣＳＭＡ／ＣＡベースである。ＣＦＰにはむしろ、中央割り当て方式のＴＤＭＡアクセス制御が用いられる。しかしながら、割り当ては、静的であるとともに、チャネル確立時にネゴシエートされる。

Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標） Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙアクセス制御方式は、ダイナミックＴＤＭＡに基づいているが、ブロードキャストビーコン送出は伴わない。接続を確立するために、マスターがまず、接続要求を現在アクセプトしているアドバタイザ（advertisers）を検索するためにスキャンを開始する。適切なアドバタイズスレーブが検出されると、マスターは、スレーブに接続要求ＣＯＮＮＥＣＴ−ＲＥＱパケットを送信し、スレーブが応答すると、接続を確立する。ＣＯＮＮＥＣＴ−ＲＥＱパケットは、接続のライフタイム中にマスター及びスレーブの双方が辿るホッピングシーケンスを決定する周波数ホップインクリメントを含む。

Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ用語では、接続とは、単に、所定の時点におけるスレーブとマスターとの間のデータ交換のシーケンスである。各交換は、接続イベントと呼ばれる。接続イベント中、マスター及びスレーブは、パケットの送信及び受信を交互に行う。接続イベントは、双方のデバイスがパケットの送信を継続する間、オープンしているとみなされる。

連続交換パケットの最大数は、４に制限される。２つのパケットバースト同士の合間には、接続アイドル間隔が順守されなければならない。これらの制限が理由で、いくつかの共通実施の単一接続の場合、最大ユーザスループットは、８５ｋｂｐｓに等しい。受信機及び送信機は、非対称トラフィックの場合であっても、同数のパケットを交換しなければならない。そのような挙動は、電力消費を考慮すると最適ではない。なぜならば、１つのデータパケットが受信される度に、低電力駆動デバイスは、空パケットを送信しなければならないためである。

今日、現行技術水準のハードウェア無線モジュールは、電力消費を数マイクロアンペアにまで削減することを可能にする非常に高効率のスリープモードを実装している。しかしながら、マイクロプロセッサをアイドルモードに置くことには、依然としてより多くの電力（低電力デバイス（low power device）の場合、数ｍＡ）を必要とする。無線モジュールを考慮する場合、受信及び上記の全てのデータ送信は、最良の統合無線システムのために常により多くの電力（約５ｍＡ〜２０ｍＡ）を必要とする。電力節約モードとアクティブモードとの間の遷移は、ハードウェア制約及びソフトウェア制約を原因として、概して幾分かの遅延を必要とする。この遅延は、電力消費の観点で幾分かのオーバーヘッドを引き起こす。この現象は、多重アクセスプロトコルを設計する場合に慎重に考慮されるべきであるが、これは既存の方法の場合では考慮されていない。

したがって、低電力駆動デバイスを対象として最適化される、ダイナミックＴＤＭＡベース多重アクセスプロトコルが必要とされている。

本発明は、上記の状況を改善することを目的とする。

そのため、一態様によれば、本発明は、時分割多重アクセスネットワークに接続される通信エンティティにタイムスロットを割り当てる、セルコントローラのコンピュータ手段によって実施される方法であって、上記ネットワークは、上記セルコントローラによって制御されるセル内に画定され、本方法は、
−予め決められた期間内に、第１の周波数チャネル内でビーコンフレームを送信して、上記通信エンティティのうちの少なくとも１つの指定されたエンティティに、タイムスロットが第２の周波数チャネル内で上記指定されたエンティティに割り当てられることを意図されることをアナウンスすることと、
−上記タイムスロットを、上記第２の周波数チャネル内で上記指定されたエンティティに割り当てることと、
を反復して行うことを含む、方法を目的とする。

したがって、本発明の実施により、上記通信エンティティの残りの部分が、前述の予め決められた期間の少なくとも残りの部分の間エネルギー節約モードにおいて動作するか、又は、少なくともビーコンタイムウィンドウ持続時間（以下で詳述される実施形態に関して開示される）の間ウェイク状態に留まり、かつ予め決められた期間の残りの部分の間「スリープ」モードを維持することが可能になる。

本発明の可能な一応用において、セルコントローラは、自動車両において提供され、ネットワークは、ワイヤレスネットワークであり、通信エンティティは、自動車両において提供されるセンサデバイスに接続されるワイヤレス局である。

例えばこの種の応用において、以下で言及される図２の例に示すように、セルコントローラを備える同等の機器を有する２つの自動車両が隣接する場合、干渉が起こり得る。干渉を防ぐために、ビーコンフレームが予め決められた期間に開始される時点は、或るセルコントローラによって管理される或るネットワークと、別のセルコントローラによって管理される別のネットワークとで異なるものとすることができる。

この種の応用において、しかしながら場合によっては他の任意の応用においても、前述の予め決められた期間は、
−一定の持続時間（ひいては、その間にビーコンフレームを送信することができる部分を各々有する反復される周期的持続時間に対応する）を有することができ、
−同様に一定の持続時間（以下で言及される図５ＡにおいてＢＷで参照されるとともに、図示の例に予め決められた期間ＳＦの開始において現れる）を有するビーコンタイムウィンドウを含むことができる。

したがって、ビーコンフレーム送信は、上記ビーコンタイムウィンドウ内でセルコントローラによって選ばれる時点において開始することができる。

この選ばれた開始時点は、例えば、別の隣接したセルコントローラと双方が同時にビーコンフレームの送信を回避する（又は送信の可能性を制限する）ように、ランダムにセルコントローラによって規定することができる。

通信エンティティを可能な限りスリープモードにさせ、ビーコンフレームを受信するためだけに通信エンティティをウェイクさせておくように、ビーコンフレーム送信が開始される時点は、擬似ランダムでより正確に選ぶことができ、通信エンティティは、擬似ランダムドローを計算するためにシードを知得する。

したがって、可能な一実施形態において、セルコントローラは、ネットワークに接続される通信エンティティと共有される識別子を有し、ビーコンフレームの送信を開始する時点は、少なくともセルコントローラの識別子に基づいてシードを用いて擬似ランダムドローに従って選ばれる。通信エンティティのうちの少なくとも１つは、ビーコンフレームの送信が開始される時点において第１の周波数チャネルに対するリスンを開始するために、同じ擬似ランダムドロー（以下で言及される図５ＢにおいてＣＡＬＣで参照される計算された開始時点）を計算するように同じシードを用いる。

この実施形態は、タイムスロットが通信エンティティに対し意図されたものでない場合、この通信エンティティが、前述の予め決められた期間の少なくとも残りの部分の間にエネルギー節約モードにおいて動作することを可能にする。

一般的な一実施形態において、ビーコンフレームは、次のタイムスロットが再度通信エンティティに意図される前にスケジューリングされる予め決められた期間の数を示すデータを含むことができ、それにより、通信エンティティが、エネルギー節約モードにおける動作の持続時間をスケジューリングすることが可能になる。

代替的又は補完的な一実施形態において、ビーコンフレームは、
−タイムスロットが意図される指定されたエンティティの少なくとも１つの識別子と、
−タイムスロットの持続時間と、
−タイムスロットの使用が指定されたエンティティからの送信から開始されるのか又はセルコントローラからの送信から開始されるのかを示す通信開始データと、
を示すデータを含むことができる。

この実施形態において、トークンパスメカニズムを想定することができ、トークンの最初のホルダーは、タイムスロットにおける最初の送信機である。したがって、この実施形態において、通信開始データは、セルコントローラと指定されたエンティティとのうちのトークンホルダーを更に規定し、送信に伴うタイムスロットの使用を開始し、実行される各送信の後にそのトークンを渡すことができる。この実施形態は、図７を参照して以下で詳述される。

一般的な一実施形態において、上記セルコントローラは、ネットワークに接続される通信エンティティと共有される識別子を有し、ビーコンフレーム内で指定されるエンティティは、セルコントローラによって知得される識別子を有し、第２の周波数は、セルコントローラによって、少なくともそのセルコントローラの識別子及び指定されたエンティティの識別子に基づいてシードを用いる擬似ランダムドローが上記第２の周波数を決定する周波数マルチホップ方式に従って選ぶことができる。また、指定されたエンティティは、そのように決定された第２の周波数に対応するチャネルに対してリスンするために、同じ擬似ランダムドローを計算するように、同じシードを用いることができる。

また、本発明は、プロセッサによって実行されると、上記で規定した方法を実行する命令を含む、コンピュータプログラム製品も目的とする。そのような命令は、セルコントローラとネットワークに接続された通信エンティティとの間で配布することができる。

本発明は、図８に示すように、セルコントローラＣＣと、ネットワークを介してセルコントローラに接続される１つ又はいくつかの通信エンティティＳ１、Ｓ２とを備えるシステムも目的とし、
−セルコントローラＣＣは、ビーコンフレーム送信を含む、上記で規定された方法を実施するように構成されたコンピュータ回路（図８に示す例示的な実施形態において、アンテナＡＮＴと、プロセッサＰＲＯＣと、本発明によるコンピュータプログラム製品の少なくとも命令を記憶するメモリＭＥＭとを備える）を備え、
−各通信エンティティＳ１、Ｓ２は、意図されるタイムスロットを用いるためのビーコンフレーム解釈を含む、上記で規定された方法を実施するように構成されたコンピュータ回路（各回路に、アンテナＡＮＴ１、ＡＮＴ２と、プロセッサＰＲＯＣ１、ＰＲＯＣ２と、本発明によるコンピュータプログラム製品の命令を同様に記憶するメモリＭＥＭ１及びＭＥＭ２とを更に備える）を備える。

本発明は、ネットワークを介して通信エンティティに接続されるセルコントローラであって、
−通信タイムスロットをスケジューリングして上記通信エンティティに割り当てることと、
−上記で提示された方法に従って、これらのタイムスロット割り当てを示すビーコンフレームを送信することと、
を行うように構成された（図８の例に示すような）コンピュータ回路を備える、セルコントローラも目的とする。

本発明は、通信タイムスロットをスケジューリングしてネットワークの通信エンティティに割り当てることが可能なセルコントローラに、上記ネットワークを介して接続される通信エンティティも目的とする。より詳細には、本発明による通信エンティティは、
−上記セルコントローラからビーコンフレームを受信することと、
−これらのビーコンフレームを解釈して、上記で提示された方法に従って、いずれかの未来のタイムスロットが通信エンティティに割り当てられるように意図されるか否かを判断することと、
−いずれかの未来のタイムスロットが前記通信エンティティに割り当てられるように意図されない場合、次のビーコンフレームの受信まで、エネルギー節約モードにおいて動作することと、
を行うように構成された（図８の例に示すような）コンピュータ回路を備える。

本発明は、添付図面の図に、限定としてではなく例として示される。添付図面において、同様の参照符号は同様の要素を参照する。

ビーコンフレーム通信と、ビーコンフレーム内でアナウンスされる、提供されるタイムスロットの対応する使用とを示す図である。 ネットワーク接続された自動車両、並びにそれぞれセルコントローラＣＣ（局Ｓ１〜Ｓ４に接続される）及びＣＣ’（局Ｓ’１〜Ｓ’４に接続される）によって管理される２つの隣接ネットワーク間に起こり得る干渉に対する、本発明の応用を示す図である。 図２の状況に対応するセルＣ１及びＣ２の図である。 各スーパーフレーム期間ＳＦにおいてビーコンフレームＢＦの送信を開始するのにビーコンウィンドウＢＷが用いられていることを示す図である。 セルコントローラとまた通信エンティティとによる、各ビーコンウィンドウＢＷにおけるビーコンフレームＢＦの送信開始の擬似ランダム決定を示す図である。 セルコントローラとまた通信エンティティとによる、各ビーコンウィンドウＢＷにおけるビーコンフレームＢＦの送信開始の擬似ランダム決定を示す図である。 セルコントローラとまた通信エンティティとによる、各ビーコンウィンドウＢＷにおけるビーコンフレームＢＦの送信開始の擬似ランダム決定を示す図である。 本発明の一実施形態による、システムにおける通信エンティティのスリープモード期間の可能性を示す図である。 タイムスロットを用いる、セルコントローラと指定された通信エンティティとの間の通信のための、このタイムスロットにおいて用いられるトークンパス方式を示す図である。 本発明の一実施形態によるシステムの概略図である。 本発明の可能な一実施形態による方法において実行されるステップの要旨を示す図であり、したがって、本発明のその実施形態によるコンピュータプログラム製品の全体アルゴリズムのフローチャートに対応する。

本明細書では、中央リソース割り当て方式（セルコントローラによって行われる）に基づくとともに、データチャネルについて周波数ホッピングメカニズムと組み合わされるＴＤＭＡをサポートする無線通信システムが提案される。そのようなシステムは、超低電力駆動デバイスを用いるシステムに適応される多重アクセス方法プロトコルを実施する。

デバイスの前述の「リスニング期間」を最小化するために、提案されるプロトコルは、中央集中化リソース割り当てを用いるＴＤＭＡ方式に基づいている。中央ノード（以後「セルコントローラ」と名付けられる）は、無線リソースの管理の役割を担っており、無線セルにアタッチされた種々の端末デバイス（以後「局」と名付けられる）の間でそのリソースを共有する。

時間は、以後「スーパーフレーム」と呼ばれる固定の持続時間に分割される。１つのフレーム（以後「ビーコンフレーム」又はビーコンと呼ばれる）は、各スーパーフレームの先頭においてセルコントローラによって送信され、現在のスーパーフレーム中にデータチャネル上で割り当てられるタイムスロットに関する情報を含む。

周期的ビーコンを用いることにより、アイドル局が、２つのスーパーフレーム同士の合間の各期間の少なくとも残りの部分の間、スリープすることが可能になる。

ここで図１を参照すると、スーパーフレームＳＦと名付けられる各期間内で、セルコントローラは、特定の周波数ｆａ（又は周波数の帯域）に対応するアナウンスメントチャネルＡＣ内でビーコンフレームＢＦを送信する。各ビーコンフレームＢＦは、スロットパラメーターＳＰに関連したデータを含む。例えば、１つのビーコンフレームＢＦ内で、或る１つのタイムスロットＳＰ１を、データチャネルＤＣ１（別の周波数ｆ１に対応する）内で局Ｓ０に割り当てるように提供することができ、別のタイムスロットＳＰ２は、データチャネルＤＣ２（別の周波数ｆ２に対応する）内で別の局Ｓ３に割り当てるように提供される。

したがって、タイムスロットは、ネットワーク内で共有されるリソースである。

これを実施することにより、局がウェイクされる（そしてセルコントローラにリスンするはずである）期間は、最大でも、１つのスーパーフレームＳＦの持続時間ｂと比較して１つのビーコンフレームの持続時間ａである（ここで、ａ／ｂ＜＜１）。

その上、後に詳述される実施形態の例において提示されるように、局は、過度に頻繁にセルコントローラとデータを交換する必要がない。例えば、局は、最大でも毎秒だけ測定データをセルコントローラに送信するセンサとすることができる一方で、スーパーフレームＳＦの全持続時間ｂは、例えば１００ｍｓ（０．１秒）とすることができる。したがって、この種の状況は、そのようなセンサ局が、最大数で１０個のＳＦ持続時間にわたるうち、１つのビーコンフレームの持続時間ａの間でのみウェイクしていればよい（したがって、比０．１×ａ／ｂに対応する）ことを暗示している。したがって、電力節約を一層改善することができる。

したがって、周期的ビーコンを用いることにより、アイドル局が、任意の数のビーコン（上記で与えられた例では１０個にわたるうちの９つのビーコン）の間、スリープすることが可能になる。この任意の数は、以下で記載されるアタッチメント手順の間に規定して、局とセルコントローラとの間で合意することができる。

提案されるプロトコルにおいて、データタイムスロットは、非競合通信（contention-free communication）を可能にする１つの特定の局に専用である。１つの特定の局に専用のスロットは、そのトラフィック要件に依拠して可変長を有する。データタイムスロットは、この局に独占的に用いられるが、以下で詳述される、図７に示すシンプルトークン管理方式に起因してダウンリンク送信又はアップリンク送信の双方をサポートする。このような方式は、シグナリゼーション（signalisation）を簡易化するとともに、また、アタッチされた局における通信に必要なエネルギーを削減する。

１つのスロット内で、いくつかのデータフレームを、セルコントローラ又は局のうちのいずれかによって送信することができる。各データフレームは、制御情報用のＭＡＣヘッダー部と、論理チャネル情報データ（すなわち、上位層データ）を搬送するペイロード部とを有する可変長を有する。

システムは、近傍セルとの干渉を低減するためにアナウンスメントチャネルＡＣとは異なる周波数帯域上にマッピングすることができるいくつかのデータチャネルをサポートすることが可能である。

ビーコンフレームは、システム起動時に、複数の局についてスーパーフレームに対する同期を促進及び高速化するために、全てのセルに共通の単一アナウンスメントチャネルを介して送出されることが好ましい。その場合、セルへのアタッチメントは、このアナウンスメントチャネル上のいくつかのスーパーフレーム内で周期的にスケジューリングされる競合ベース期間を用いることによって行われる。アタッチメントの間、局は、セルコントローラがいくつかのデータスロットを効率的にスケジューリングすることができるように、それらの局のデータトラフィック要件と、それらの局の電力節約制約とをセルコントローラに示す。帯域上制御メッセージを用いることによって、局が追加のリソースを要求することができる。

ここで図２を参照すると、実施形態の一例において、セルコントローラＣＣは、特に自動車両においてローカルネットワークを生成する送信デバイスである。ワイヤレスローカルネットワーク（例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１）を介してセルコントローラに接続された局Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、例えば、車両の全体動作をモニタリングするように、それらの局の測定データ（モーターの水温、タイヤ圧等）を中央セルコントローラＣＣに送信するように構成されたワイヤレスチップセンサとすることができる。

しかしながら、図２上で示すように、同様にワイヤレスローカルネットワークを有する他の車両がセルコントローラＣＣの付近に存在し得る。ワイヤレスローカルネットワークは、全てのセルコントローラにおいてアナウンスメントチャネルＡＣについて同じ基準チャネル周波数を有するように選ばれる可能性があるので、それゆえ、外部干渉が起こり得る。

本発明は、外部干渉からアナウンスメントチャネルを保護するメカニズムを提供する任意選択の実施形態も提案する。実際には、提案される多重アクセスプロトコルは、局によるビーコンデータの良好な受信に依拠している。

ここで、図３に示す隣接するセル同士の間に起こり得るビーコン衝突を制限するために、ビーコンは、１つの同じセルコントローラにアタッチされる全ての局によって知得される擬似ランダムシーケンスから生成されるランダム期間の後に送出される。

同期を促進するために、ビーコンは、図４に示す「ビーコンウィンドウ」と名付けられるタイムウィンドウの内部に限定される。各ビーコンウィンドウＢＷにおいて、ビーコンフレームＢＦが実際に開始される時点は、各セルに一意のその擬似ランダムシーケンスの時点に依拠する。この擬似ランダムシーケンスは或るセルＣ１と別のセルＣ２とで異なるので、２つの隣接したセルにおいて送信されるビーコンフレームが時間的に重複することは非常に稀である。

さらに、図１を参照して上記で既に示したように、周波数規制を遵守するとともに干渉を低減させるために、データチャネルＤＣ１、ＤＣ２等に周波数ホッピングメカニズムを用いることができる。ここでもまた、図４に同様に示すように周波数ホッピングに擬似ランダムシーケンスを用いることができる。

ビーコンウィンドウ内のビーコンフレームの開始と周波数ホッピングとの双方のための擬似ランダム生成は、ロバストにするために、セルコントローラ識別子（又は「セルＩＤ」）の値及び局識別子の値から導出することができるシードを用いることができる。より詳細には、例えば、ビーコン内でアドバタイズされるシーケンス番号の最上位ビットＭＳＢには、ビーコンフレーム開始情報のシードとしてセルＩＤを用いることができ、次のビットには、それぞれのチャネルＤＣ１、ＤＣ２におけるそれぞれの周波数ホッピングのために、シードについて意図された局の識別子を用いることができる。最後に、擬似ランダム生成数を計算するのに用いられる反復数が、局が再同期するときに必要な反復計算が少なくなるように、シーケンス番号の最下位ビットＬＳＢから得られる。

別の実施形態では、データチャネル周波数も他のスロットパラメーター（時間オフセット、持続時間）のようにビーコン内に単純に示すことができる。例えば、データチャネル周波数は、擬似ランダムドローが所与の局ＳＮに割り当てられるデータチャネル周波数を決定する周波数マルチホップ方式に従ってセルコントローラによって選ぶことができる。擬似ランダムドローは、通常、ここでもまた、セルコントローラＣＣの識別子ＩＤと、また所与の局ＳＮの識別子（及び場合によっては、その局及びその周波数の信号対雑音比等の他のパラメーター）とに基づくシードを用いることができる。データチャネル周波数がこのように決定されると、その周波数においてタイムスロットを局ＳＮに割り当てることができる。データを受信するのにタイムスロットを用いる場合、所与の局ＳＮは、このように決定された周波数に対応するチャネルをリスンするために同じ擬似ランダムドローを計算するように、ここでも同じシードを用いることができる。

図４は、上記で提案されたプロトコルの種々の明示された特徴を最終的に要約している。さらに、アナウンスメントチャネルＡＣは、本明細書の導入部において提示された従来技術におけるように、競合期間送信ＣＰｅに依然として用いることができることを理解することができる。

ここで、図４に示すように、ビーコンフレームの選ばれた時点がそれらのそれぞれのビーコンウィンドウ内で開始されることに関して更に詳細な説明が与えられる。

図２を参照して上記で説明したように、アナウンスメントチャネルＡＣを外部干渉（他の車両の外部セル）から保護することが好ましい。提案される多重アクセスプロトコルはビーコン受信に依拠するので、例えば隣接した或るセルが同じ周波数、同じスーパーフレーム期間及び位相を有する同じアナウンスメントチャネルを用いる場合、双方のセルの境界に位置する局について全てのビーコンフレームが損なわれるおそれがある。結果的に、これらの局と通信することは不可能となるであろう。

上記で説明したように、スーパーフレームの開始後、無線を介してビーコンを送出する前にはランダム期間が適用されることが好ましい。

図５Ａに示すように、ビーコンは、ビーコンウィンドウ内で送出されるものとし、したがって、ビーコンの前に挿入される最大遅延値が、ビーコンウィンドウのサイズからビーコン持続時間を差し引いたものよりも小さくなるものとする。簡単にするために、ビーコンウィンドウのサイズは、平均ビーコン持続時間の倍数（×４又は×８）として設定することができる。

この実施態様により、スリープする局は、ビーコン送出直前の非常に短い期間だけウェイクしていることができ、この局は、無意味に長い時間チャネルをリスンすることが原因でエネルギーを失うことがない。この実施形態は、干渉に起因する、散発的に起こり得るビーコンの喪失に対して保護しない場合であっても、長い時間の連続ビーコンフレームの喪失を防止する点において非常に効果的である。

さらに、（１つのビーコンウィンドウＢＷ内の）各ビーコンフレームＢＦは、少なくとも１つの所定の局ＳＮに専用とすることができる。図５Ａを参照すると、
−第１のスーパーフレームＳＦにおいて、ビーコンフレームＢＦは、第１の局ＳＮに専用とすることができ、
−第２のスーパーフレームＳＦにおいて、ビーコンフレームＢＦは、第２の局ＳＮ＋１に専用とすることができ、
−第３のスーパーフレームＳＦにおいて、ビーコンフレームＢＦは、第３の局ＳＮ＋２に専用とすることができる。

ここで図５Ｂを参照すると、第１の局ＳＮは、第１のビーコンフレームが開始される前の擬似ランダム持続時間ＰＳ−ＲＡＮＤＯＭを計算し、次に、その計算された持続時間ＣＡＬＣの後のアナウンスメントチャネルＡＣをヒアリングする。以下で詳述するように、局ＳＮに専用の第１のビーコンフレームは、その同じ局ＳＮに意図される次のビーコンフレームに関連したデータを更に含む。したがって、局ＳＮは、次のビーコンフレームデータを受信するためにウェイクしているべき時を知得することが可能である。

ここで図５Ｃを参照すると、局Ｎは、第１のビーコンフレーム内で特定されるタイムスロットを用いるためにデータチャネルＤＣＮにジャンプすることができる。

図５Ａの次のスーパーフレームＳＦは、第２の局ＳＮ＋１に専用のビーコンフレームを含む。第２の局ＳＮ＋１によって、同じステップが適用される（ビーコンフレームが開始される前のビーコンウィンドウにおける擬似ランダム持続時間の計算、計算された持続時間の後のアナウンスメントチャネルのヒアリング、また、第２の局ＳＮ＋１に専用の次のビーコンフレームに関する情報の取得、その割り当てられたタイムスロットを用いるようにビーコンフレーム内で示されるデータチャネルＤＣＮ＋１へのジャンプ）。当然、第３の局ＳＮ＋２によっても、その専用のビーコンフレームをヒアリングするために、同じステップが実行される。

以下、局アタッチメント手順に関する説明が与えられる。

アタッチされていない局は、競合期間を用いて制御メッセージをセルコントローラに送信する。競合期間内で用いられるアクセスプロトコルの詳細な説明は、本発明の本質的な部分ではない。アタッチメント手順は、まず、有効なビーコンフレーム上で同期することと、次に、競合ベース期間を用いて制御フレームの要求／応答を交換することとからなる。要求されるトラフィックプロファイルを特定するために、また、セキュリティ認証の目的で、いくつかの異なるパラメーターがセルコントローラと局との間で交換される。

各局は、種々の単方向論理データチャネルをオープンすることができる。各論理データチャネルは、特定のトラフィックプロファイルを有する。このトラフィックプロファイルは、そのチャネルのための要求される帯域幅を特徴付けるのに用いられるいくつかのパラメーターを含む。例えば、トラフィックプロファイル（固定ビットレート（ＣＢＲ）プロファイル）は、平均ビットレートパラメーターのみを含むことができる。

論理チャネルは、データフレームに起因して混合されたタイムスロット上にマッピングされる。いくつかのデータフレームを１つのタイムスロット内で交換することができるので、単一のタイムスロットがいくつかの論理チャネルを搬送することができる。論理チャネル番号は、全ての送信データフレームのＭＡＣヘッダー内でシグナリングされる。

局トラフィックプロファイルは、リソースを割り当てるときにスケジューリングプロセスによって考慮されるべきである全ての論理チャネルに対するいくつかの共通パラメーターを含むことができる。特に、図６を参照すると、局トラフィックプロファイルは、以下のものを含むことができる。
−アクティブ期間持続時間ＡＰＥ（スーパーフレームの数として表される）
−使用データレート／物理層パラメーター
−スリープ期間持続時間ＳＰＥ（スーパーフレームの数として表される）
−１スーパーフレームの間の最大スロット持続時間ＭＳＤ

オープンされる論理チャネルの数は、局要件に従って変化し得る。例えば、毎秒８ビットの値を送信する非常に単純なセンサは、１つのアップリンクデータチャネルと、それに加えて暗黙的にオープンされる２つの制御チャネル（アップリンク／ダウンリンク）とのみを用い得る。その場合、論理データチャネルの平均ビットレートは、８ビット／ｓに設定される。ここでは、１０ｍｓ長のスーパーフレームを検討すると、局のアクティブ期間は、１スーパーフレームであり、一方、スリープ期間は、９９スーパーフレームとなる。

より先進技術の複雑なプロファイルを代替的に規定することができるが、ベーシックなセンサについては、固定ビットレート（ＣＢＲ）プロファイルが最も受け入れられているようである。

データスロットの使用が以下で詳述される。

通信に必要とされるエネルギーを低減するために、１つのタイムスロット持続時間内で単一の同じ局のダウンリンク（ＤＬ）データフレーム通信とアップリンク（ＵＬ）データフレーム通信とにグループ分けすることが好ましい。実際に、送信動作及び受信動作が実行されると、局は、直ちにディープスリープ状態に移行することができる。そのようなステップは、送信／受信時間及びスリープ時間と比較してかなり長い時間を取る場合がある。つまり、このステップは、スリープ期間の方が長い場合に限り価値がある。電力消費を削減するためにも、システムは、パディングデータの使用を避ける可変のフレーム長をサポートする。

さらに、局ごとに異なるトラフィックプロファイルを使用することが原因で、スーパーフレームの編成は、スーパーフレームごとに異なる場合がある。したがって、ビーコンフレーム内で、異なるアクティブ局に専用の各タイムスロットの長さ及び時間位置を効率的にシグナリングすることが好ましい。

シグナリング重みを低減するために、時間量（time quantum）で表されるスロット持続時間のみが示される。時間量値は、暗黙的に知得されるか又はビーコンにシグナリングされるかのいずれかである。時間量は、最小時間粒度（smallest time granularity）を表し、シグナリングフィールド長を削減するために慎重に設定されるものとする。例えば、この時間量は、フレーム粒度が１バイトである場合に、同様に１バイトを送信するのに必要な時間に固定することができる。これにより、フレーム間期間（ターンアラウンドタイム、データ処理時間等）をシグナリングする粒度が欠如することに起因して幾分かの帯域幅損失が生じる可能性があるが、そのような単純なシステムの１つの実施形態において全体性能よりもエネルギー節約を選好することは許容可能とみなされ得る。

各割り当てられたスロットは、以下の表において言及されるリソース割り当て記述子（ＲＡＤ：resource allocation descriptor）によってビーコン内で記述される。２つの連続したタイムスロットは、フレーム間期間及びターンアラウンドタイムよりも長いものとするスロット間期間によって分離される。スロット間期間、フレーム間期間及びターンアラウンドタイムの持続時間は、暗黙的に規定されるか、又はビーコン内でシグナリングされる。

ＲＡＤは、以下の情報を含む。
局ＩＤ：そのタイムスロットを独占的に用いる局の識別子。
スロット持続時間：時間量において表されるスロットの持続時間。
イニシエーター：最初のフレームがセルコントローラによって送出されるか否かを示す。
イニシエーター：最初のフレームがセルコントローラ（ＤＬフレーム）によって送出されるのか又は局（ＵＬフレーム）によって送出されるのかを示す。
次回スケジュール：次回のタイムスロットスケジューリングの前にいくつのスーパーフレームがあるのかを示す。次回スケジュールは、局がそのスリープ期間を確定するのに役立つ。

したがって、ＤＬデータフレーム及びＵＬデータフレームは、同じタイムスロット内で組み合わされ、このことにより、局とセルコントローラとの間の高速通信が可能になる。実際に、このメカニズムは、ラウンドトリップタイムを短縮する。なぜならば、或るペアは、或るタイムスロット内で発行された要求に即座に返答することができ、セルコントローラによって割り当てられる十分なリソースを提供し、受信機は、この要求を処理する十分な時間を有するためである。センサ等の単純なデバイス局の場合、プロトコルスタックが多くの場合に簡易化されるとともにデータパケットが局によって即座に処理されるので、これは想定可能である。上記の応用の例において、通常、セルコントローラは、いくつかのセンサデバイス局に、ポーリングモード（polling mode）に従って測定データを尋ね、同じタイムスロット内でその測定データを得て、そして局に肯定応答を更に送信することができる。

単一のタイムスロット内でＤＬデータフレームとＵＬデータフレームとを組み合わせることは、シグナリングオーバーヘッドとリソース割り当ての複雑度とを低減することにも寄与する。なぜならば、１つのタイプのタイムスロットのみが各局に割り当てられ、これを任意の目的に用いることができるためである。割り当てられたタイムスロットの最後まで、セルコントローラ（ダウンリンクデータフレーム）又は局（アップリンクデータフレーム）によって１つ又は多数のデータフレームを送出することができる。

トークンは、いずれのペアが送信を許可されるのかを決定するのに更に用いることができる。以下で詳述する図７に示すように、イニシエーター（すなわち、トークンオーナー）がビーコン（イニシエーターインジケーター）内で示される。各々の送信データフレームのヘッダー内のインジケーションは、送信機が送信を継続するためにトークンを保持するか否かを受信機に通知するか、又はこの受信機が後にフレームを送信する機会を有するように受信機にトークンを与える。アップリンクフレームのヘッダー内の第２のインジケーションは、局がフレーム送出後のスリープ状態に移行中であることをセルコントローラに通知するので、通信は、最大でＲＡＤ内で示される次のスケジューリングされたタイムスロットまで一時中断される。

２つの連続フレーム送出同士の合間、受信機がフレームを復号及び処理する機会を与えるために、最小フレーム間期間がエミッターによって順守されるものとする。この期間は、各局に従って適応することができるとともに、各局とのアタッチメント手順の間にアナウンスされる。

図７は、タイムスロット内のフレーム送出手順を詳述している。最初のトークンオーナーが、イニシエーターフィールド（図７の参照符号Ｉ）によりＲＡＤ内で指定される。このようにして、各送信フレーム内で、送信機は、自身がトークンを保持する（Ｋフラグ）か又はトークンを受信機に与える（Ｇフラグ）かを判断することができる。タイムスロットに空きがない場合、又は局が、自身がフレーム送信後のスリープに移行中であることを示す場合、通信は一時中断される。Ｇフラグセットを有するフレームが送信されると、タイマーが始動する。時間が満了する前にフレームが受信されなかった場合、フレームは、受信機によって正しく受信されなかったものとみなされる。その場合、当初の送信機がトークンを保持し、新たなフレームを再度送信することが可能である。その場合、この当初の送信機は、上記の喪失したフレームをリピート送信するだけでなく、異なる論理チャネル上で搬送される新たなフレームを送信することもできる。

ここで、上記で提示された方法の主要なステップの要旨を示す図９を参照すると、局Ｓ１がネットワークに接続すると、局は、ステップＳＴ１においてアナウンスメントチャネルのためにリスンし、この局は、ステップＳＴ２において受信された最初のビーコンフレームＢＦ上で事前同期し、このビーコンフレームＢＦから局は、ステップＳＴ２１においてセルコントローラの識別子ＩＤと、スーパーフレーム持続時間ＳＦの情報（本実施形態例においてビーコンフレーム内で示される）とを得る。予め決められたスーパーフレーム期間ＳＦを知得することで、局は、次のスーパーフレームＳＦの開始を大まかに判断することができる。このスーパーフレームＳＦの開始は、次のビーコンウィンドウＢＷの開始も規定する。したがって、ステップＳＴ２２において、局Ｓ１は、（例えば、スーパーフレーム持続時間ＳＦからビーコンウィンドウ持続時間を差し引いたものに対応するテンポライゼーションＴＥＭＰの間）次のビーコンウィンドウＢＷを待機することができる。次のビーコンフレームＢＦを受信すると、局Ｓ１は、ステップＳＴ２３において２番目に受信されるビーコンフレーム上で正確に同期することによってセルコントローラＣＣによって保持されるネットワーククロックＣＬＫを取得することができる。

ステップＳＴ３において、このクロックＣＬＫにより、局は、次のスーパーフレームＳＦ（前述の予め決められた期間）の開始に同期すること及びこれを判断することを正確に行うことができる。セルコントローラ識別子データにより、局は、ステップＳＴ４においてビーコンフレームＢＦが送信される正確な時点を計算し、ステップＳＴ５においてセルコントローラから送信されるビーコンフレームデータを得るために、ステップＳＴ６において、上記の時点においてアナウンスメントチャネルＡＣをリスンすることができる。

ステップＳＴ７において、ビーコンフレームデータに基づいて、局は、タイムスロットＴＳがこの局を意図しているか否かを判断することができる。ｙｅｓである場合（矢印Ｙ）、局は、ステップＳＴ１０においてデータチャネルＤＣ１に切り替えて、ステップＳＴ１１においてそのタイムスロットＴＳを用いてセルコントローラと通信を開始する。そうではない場合（矢印Ｎ）、局は、ステップＳＴ９におけるテンポライゼーションの間、ステップＳＴ８においてエネルギー節約モードにおいてスリープすることができる。局Ｓ１がセルコントローラに新たにアタッチされる場合、次のタイムスロットがこの局Ｓ１に意図される前にいくつのスーパーフレームが経過することができるのかを未来のビーコンフレームが示すまで、このテンポライゼーションが単一のスーパーフレーム持続時間に対応することができる。したがって、この場合、テンポライゼーションは、これらのスーパーフレーム持続時間のうちの全てに対応する。

最後に、本発明は、以下の項目のうちの１つ又はいくつかを達成することを可能にする。
−低電力駆動デバイスによって動作される送信の数を最小化すること、
−制御メッセージ（アップリンク内のスロットの要求、肯定応答）の数を最小化すること、
−（受信モードにおける）チャネルリスン持続時間を最小化すること、
−可変ビットレートが、異なる通信要求を有する複数のデバイスに適応することを可能にすること、
−外部干渉に対してロバストであることで反復数を最小化すること（特に、同じ周波数帯域において類似の又は異なる多重アクセスプロトコルを動作させる外部セルとの共存をサポートすること）、
−パケット送信遅延とラウンドトリップタイムとを最小化すること。

提案された本発明は、自動車用途、自宅用途、オフィス用途、設備用途又はファクトリーオートメーション環境のための「モノのインターネット」通信システムにおいて展開することができる。本発明は、小型バッテリー又はエネルギーハーベスティングシステムによって電力供給される超低電力駆動デバイスと互換性を有する。また、本発明は、ワイヤをサポートしないいくつかの特定の環境において完全にワイヤレスのセンサ又はデバイスを展開すること、又は設計コスト、製造コスト及びメンテナンスコストを削減することに有利であり得る。

Claims (12)

1. 時分割多重アクセスネットワークに接続される通信エンティティにタイムスロットを割り当てる、セルコントローラのコンピュータ手段によって実施される方法であって、前記ネットワークは、前記セルコントローラによって制御されるセル内に画定され、前記方法は、
   予め決められた期間（ＳＦ）内に、第１の周波数チャネル（ＡＣ）内でビーコンフレーム（ＢＦ）を送信して、前記通信エンティティのうちの少なくとも１つの指定されたエンティティに、タイムスロットが第２の周波数チャネル（ＤＣ１、ＤＣ２）内で前記指定されたエンティティに割り当てられることを意図されることをアナウンスすることと、
   前記タイムスロットを、前記第２の周波数チャネル（ＤＣ１、ＤＣ２）内で前記指定されたエンティティに割り当てることと、
   を反復して行うことを含む、方法。
2. 前記セルコントローラ（ＣＣ）は、自動車両において提供され、前記ネットワークは、ワイヤレスネットワークであり、前記通信エンティティは、前記自動車両において提供されるセンサデバイスに接続されるワイヤレス局である、請求項１に記載の方法。
3. 前記予め決められた期間（ＳＦ）は、一定の持続時間を有するとともに、一定の持続時間を有するビーコンタイムウィンドウを含み、前記ビーコンフレーム送信は、前記ビーコンタイムウィンドウ内の前記セルコントローラによって選ばれる時点において開始される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記セルコントローラは、前記ネットワークに接続される前記通信エンティティと共有される識別子を有し、前記ビーコンフレームの送信を開始する時点は、前記セルコントローラの前記識別子に少なくとも基づいてシードを用いる擬似ランダムドロー（ＰＳ−ＲＡＮＤＯＭ）に従って選ばれ、前記通信エンティティのうちの少なくとも１つは、前記ビーコンフレームの前記送信が開始される前記時点において前記第１の周波数チャネルに対するリスンを開始するために、同じ擬似ランダムドローを計算（ＣＡＬＣ）するように、同じシードを使用し、それにより、タイムスロットが前記通信エンティティに対し意図されたものでない場合、前記通信エンティティが、前記予め決められた期間（ＳＦ）の少なくとも残りの部分の間、エネルギー節約モードにおいて動作することが可能になる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ビーコンフレームは、次のタイムスロットが再度前記通信エンティティに意図される前にスケジューリングされる予め決められた期間（ＳＦ）の数を示すデータを含み、それにより、前記通信エンティティが、前記エネルギー節約モードにおける動作の持続時間をスケジューリングすることが可能になる、請求項４に記載の方法。
6. 前記ビーコンフレームは、
   タイムスロットが意図される指定されたエンティティの少なくとも１つの識別子と、
   前記タイムスロットの持続時間と、
   前記タイムスロットの使用が前記指定されたエンティティからの送信から開始されるのか又は前記セルコントローラからの送信から開始されるのかを示す通信開始データと、
   を示すデータを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記通信開始データは、前記セルコントローラと前記指定されたエンティティとのうちのトークンホルダーを更に規定し、送信に伴う前記タイムスロットの前記使用を開始し、実行される各送信の後にトークンを渡す、請求項６に記載の方法。
8. 前記セルコントローラは、前記ネットワークに接続される前記通信エンティティと共有される識別子を有し、前記指定されたエンティティは、前記セルコントローラによって知得される識別子を有し、前記第２の周波数（ＤＣ１、ＤＣ２）は、前記セルコントローラの前記識別子及び前記指定されたエンティティの前記識別子に少なくとも基づいてシードを用いる擬似ランダムドローに従って前記セルコントローラによって選ばれ、前記指定されたエンティティは、そのように決定された前記第２の周波数に対応する前記チャネルに対してリスンするために、同じ擬似ランダムドローを計算するように同じシードを用いる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. セルコントローラと、ネットワークを介して前記セルコントローラに接続される１つ又はいくつかの通信エンティティとを備えるシステムであって、
   前記セルコントローラ（ＣＣ）は、前記ビーコンフレーム送信を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法を実施するように構成されたコンピュータ回路（ＰＲＯＣ、ＭＥＭ）を備え、
   各通信エンティティ（Ｓ１、Ｓ２）は、前記意図されるタイムスロットを用いる前記ビーコンフレームの解釈を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法を実施するように構成されたコンピュータ回路（ＰＲＯＣ１、ＭＥＭ１、ＰＲＯＣ２、ＭＥＭ２）を備える、システム。
10. ネットワークを介して通信エンティティに接続されるセルコントローラであって、
    通信タイムスロットをスケジューリングして前記通信エンティティに割り当てることと、
    請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法に従って、前記タイムスロット割り当てを示すビーコンフレームを送信することと、
    を行うように構成されたコンピュータ回路を備える、セルコントローラ。
11. 通信タイムスロットをスケジューリングしてネットワークの通信エンティティに割り当てるセルコントローラに、前記ネットワークを介して接続される通信エンティティであって、
    前記通信エンティティは、
    前記セルコントローラからビーコンフレームを受信することと、
    前記ビーコンフレームを解釈して、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法に従って、いずれかの未来のタイムスロットが前記通信エンティティに割り当てられるように意図されるか否かを判断することと、
    いずれかの未来のタイムスロットが前記通信エンティティに割り当てられるように意図されない場合、次のビーコンフレームの受信まで、エネルギー節約モードにおいて動作することと、
    を行うように構成されたコンピュータ回路を備える、通信エンティティ。
12. プロセッサによって実行されると、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法を実行する命令を含む、コンピュータプログラム製品。

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