JP2023162391A - ワイヤレスメッシュネットワークにおけるデータ収集の方法、及びその実行のためのデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】時分割多重を使用したワイヤレスメッシュネットワーク内のセンサ通信デバイスからデータを収集するための方法及びデバイスを提供する。【解決手段】方法は、各メッシュネットワークが、少なくとも１つの制御通信デバイス（Ｃ）、ルーティング通信デバイス（Ｎ）のセット、及びセンサデバイス（Ｓ）のセットを含み、各ルーティング通信デバイス（Ｎ）が、センサデバイス（Ｓ）から非同期的に送信されたセンサデータを受信して格納し、制御通信デバイス（Ｃ）から開始メッセージを受信すると、対応するタイムスロットにおいてマージされた承認コレクションメッセージを送信する。【選択図】図１

Description

本発明は、時分割多重を使用した競合のないルーティングのために配置されたワイヤレスメッシュネットワーク内のセンサ通信デバイスからデータを収集するための方法に関する。

メッシュネットワークは、最も一般的なネットワークトポロジであり、一般に、このネットワークに接続された任意の２つのデバイス間に接続を確立することができる、すなわち、これらのデバイスは、互いに直接通信し、互いにメッセージを伝えることができる。任意の２つのデバイス間に接続を確立できるメッシュネットワークは、完全に接続されたメッシュネットワークと呼ばれるが、実際には、いくつかのデバイスだけが互いに接続され、接続を確立できるケースを扱うことがはるかに一般的である。

ワイヤレスメッシュネットワークでは、デバイスは、通常、無線周波数帯域において、ワイヤレスで互いに通信する。したがって、２つの通信しているデバイス間の直接接続は、通常、これらのデバイスの通信範囲によって制限され、通信範囲外のデバイスは、直接接続を互いに確立することができない。したがって、メッセージは、パケットと呼ばれるデータのブロック内で送信され、ここで、パケットは、その受信者についての情報を搬送し、受信者に達するまで、１つのデバイスから次のデバイスへと徐々に、発信者から全体的なメッシュネットワーク内で転送される。経路を定義すること、すなわち、どのデバイスを通じてパケットを転送するかを決定することは、ルーティングと呼ばれる。ルーティングの目標は、発信者から受信者へのパケットの最も信頼でき、かつ最も早い配信を保証することである。

一般的なワイヤレスメッシュネットワークでは、どのデバイスが互いに接続を確立できるかは、通常、予め知られていないので、ルーティングは、特に、異なる接続の組合せの結果生じる可能な経路の数により、比較的複雑な技術的及びアルゴリズム的問題であり、ここで、ｎ個のデバイスを伴うネットワーク内の全ての可能な接続の数は、公式Ｎｍａｘ＝ｎ＊（ｎ－１）／２によって与えられる数Ｎｍａｘ以下である。

一般的なワイヤレスメッシュネットワークの機能的配置の作成に基づくソリューション、及び、特許文献１によるこのネットワークにおけるルーティング技法は、信頼でき、かつ効率的なメッセージ配信を保証する。それでも、より多くのデバイスからデータを収集する必要があるとき、ネットワークに接続された通信デバイスの数が増加すると、レスポンス時間及びオーバヘッドが増加する。この事実は、特に電池式デバイス、ほとんどの場合、センサについて、電力消費量が多くなり、必然的に、センサデバイスのバッテリ寿命を制限する。

特許文献２において提示されたソリューション、及び特許文献１による整然としたネットワークの恩恵が、確立されたルーティング構造により、及び指向性フラッディングを使用して、パケット伝送による整然としたワイヤレスメッシュネットワークにおけるデータ収集の時間効率をかなり改善する。それでも、電池式センサデバイスは、典型的には、スリープモードで動作し、通信の必要があるときに通信モードに覚醒するだけであり、このデータ収集方法では、予めスケジュールしなければならない。この場合のセンサデバイスのエネルギー効率に影響を及ぼす技術的制限は、センサデバイスが開始メッセージを受信する正に直前に目覚める必要があることであり、これにより、検知デバイスは、メッセージを受信し、適切なシーケンスを実行することができる。より早く覚醒すると、電池式デバイスにとって望ましくないエネルギー負荷の高い通信モードに、より多くの時間を費やすことで効率が低下し、その一方で、より遅く覚醒すると、初期化メッセージの紛失、及びルーティング失敗になる。次に、正確なタイミングは、通常、非常に低い電力消費量の正確なタイマーを使用する必要があることにより、経済的コストが高くなることを意味する。その上、センサデバイスで正確なタイミングを達成しても、センサデバイスのエネルギー効率は、例えば、制御ネットワークデバイス（Ｃ）が親システムからの優先コマンドの実行で忙しく、したがって、スケジュールより後に初期化パケットを送信する場合、さらに低下し得る。同様に、例えば周囲の干渉により、初期化メッセージがセンサデバイスに達しない場合、これは失敗する。これらの場合、センサデバイスは、より長い時間、受信モードで待たなければならず、スリープモードより電力消費量が数桁大きくなる。

特許文献２の言及した短所は、電池式センサデバイスのエネルギー効率を最適化する、下記で説明するメッセージのパケット伝送によるワイヤレスメッシュネットワーク内の通信デバイスからのデータ集約の方法によって、ほとんどなくなる。

米国特許第８，６８１，６５６号公報 特許第６３３３１２０号公報

本発明の主題は、パケットメッセージ伝送を伴い、時分割多重、及び特許文献１に記述された仮想ルーティング番号を使用した競合のないルーティングのために配置されたワイヤレスメッシュネットワーク内の通信デバイスからデータを収集する方法である。

本発明の本質は、センサデバイスがデータ集約の処理に直接関与するのではなく、代わりに、データを非同期的に送信し、そのデータを、ルーティングデバイス（Ｎ）のメモリに格納し、一方で、開始メッセージをブロードキャストすることによって制御デバイス（Ｃ）によってデータ集約の処理を始めることである。開始メッセージの受信後、及び、このメッセージ内の制御データに基づいて、その後、ルーティングノード（Ｎ）は、他の承認コレクションメッセージと、格納された日付をマージし、これらを承認フレーム中に順次、最大仮想ルーティング番号（ＶＲＮ）のルーティングデバイス（Ｎ）から、最小仮想ルーティング番号（ＶＲＮ）のルーティングデバイス（Ｎ）に送信する。このようにして、ルーティングデバイス（Ｎ）は、センサデータの集約を行う。

特許文献２に記述された集約の方法と異なり、センサデバイス（Ｓ）は、データ集約にもはや関与せず、代わりに、通常、いくつかの周期的なモードで、促すことなくこれらのデータを送信するので、開始メッセージを待つ必要がない。センサデバイス通信のこの方式により、センサデバイスのエネルギー消費量が著しく低下する。

さらに、センサデバイス（Ｓ）はデータ集約に関与しないので、これらのデータがルーティング通信デバイス（Ｎ）で格納され、処理されるとき、データを収集するための時間は、承認フレーム内でセンサデバイス（Ｓ）のためのタイムスロットを充てる必要がなく、ルーティング通信デバイス（Ｎ）のためにだけ充てるので、著しく低下する。

主題の発明は、センサ通信デバイス（Ｓ）からデータを収集することを説明した方法を実行するルーティングデバイスも提供する。このようなデバイスは、センサから受信したデータを格納することに部分的又は全面的に充てられるメモリ、並びに、初期化メッセージの解釈、及び集約ロジックを実現する制御ユニットを含まなければならない。

３つのルーティングデバイス及び６つのセンサデバイスを収めるネットワークトポロジの例を示す図である。 専用メモリデバイスの実装形態の例、及びそのブロック図である。 図１に示すネットワークトポロジの例のデータ獲得及びマージシーケンスを示す図である。

主題の発明は、時分割多重、及び仮想ルーティング番号（ＶＲＮ）を使用した競合のないルーティングのために配置される、パケットメッセージ伝送を伴うワイヤレスメッシュネットワーク内のセンサ通信デバイスからデータを収集するための方法を提供する。

このようなトポロジ配置の例を図１に示す。例は、制御通信デバイスＣ、及び、仮想ルーティング番号Ｒ１からＲ３を割り当てた３つのルーティング通信デバイスＮ１からＮ３を含み、実線は、このメッシュネットワークトポロジ配置内の直接リンクを示す。さらに、メッシュは、Ｓ１からＳ６とラベルを付けた６つのセンサ通信デバイスを含む。この例では、各センサデバイスＳ１からＳ６の断続線は、どのルーティングデバイスが、その伝送／データをこのトポロジ配置で受信できるかを示す。検知デバイスは、実際のデータを周期的に送信し、データは、この範囲内のルーティングデバイスのメモリに格納され、これにより、各ルーティング通信デバイスは、開始メッセージを受信すると、フレームの始まりに比較的同期的にタイミングを合わせ、そのメモリに格納された受信済の検知データから、１つ又は複数のビットであり得る、収集するべき所望のデータを選択し、その後、これらのビットを、制御ネットワークデバイスＣにアドレス指定した収集承認メッセージに挿入する。データ集約は、承認フレーム中、大きい方の仮想ルーティング番号のルーティングデバイスから、小さい方の仮想ルーティング番号のルーティングデバイスに、順次実施される。このようにして、ルーティングデバイスを通じた個々のセンサデバイスからのセンサデータの集約は、この特定のケースでわかるように、特許文献２に記載のソリューションに比べて、通信フレームの大規模な削減になる。図１に示すようなトポロジ配置における実際のデータ集約を簡単に可視化するために、開始メッセージを受信する前の個々のルーティングデバイスのメモリ状態、すなわち、格納したセンサデータを図３に描写し、ここで、例証のための例において、センサのシリアル番号の形で値１から６をとる。その後、各ルーティングデバイスの集約状態は、承認フレームの異なるタイムスロットにわたって順次キャプチャされる。ルーティングデバイスは、ルーティングデバイスが集約したデータを伝送した後、集約サイクルを終了し、表ではエンドと表す。

初期化メッセージに挿入された追加情報は、データを選択するべき、例えばビットフィールドの形の、センサ及び／若しくはルーティングデバイスのリストであることが可能であるか、又は、例えば、温度データ、若しくはいくつかの物理量の限界値を越えることについてのビット情報といった、データのリクエストタイプの定義を挿入することができる。この場合、解釈に基づいて、一定のデータだけを選択し、その後、この追加情報に基づいて集約することができる。これは、例えば、種々のタイプのセンサデバイスを伴うヘテロジニアステレメトリネットワークの最適化の場合、有利になる可能性があり、ここで、スローイベントを監視するように設計されたセンサからのデータは、利用できる必要がないので、重要データほど頻繁に収集しない。

また、追加情報は、例えば、承認フレームの開始前の遅延のための要件を含むことができ、これは、例えば、異なる計算能力のルーティングデバイスを伴うネットワークにおいて、集約動作の実行時間が長くなることにより、いくつかのルーティング通信デバイスが承認フレーム中に遅延するか、そのそれぞれのタイムスロットを失い得る、より計算負荷の高い選択及び集約動作を実施したときの、個々のルーティングデバイスの時刻同期に有利になり得る。

初期化メッセージに追加情報を挿入し、次に、説明したように、ルーティングデバイスで追加情報を解釈することによって、テレメトリシステムは、したがって、固有の用途にさらに最適化され、データ収集率の向上、伝送チャネルの負荷の低下、又は、データ収集方法全体のより高い信頼性の保証などの、さらなる利益をもたらすことができる。

ワイヤレスメッシュネットワークにおいて、説明したデータ収集方法を実行するデバイスの例は、センサデータの格納に完全に充てられた外部ＲＡＭ（ＭＥＭ）を備える、図２にそのブロック図を含む図示のリピータ、及び、初期化メッセージを解釈し、集約のために所望のセンサデータを選択するマイクロコントローラ（ＣＰＵ）を備えるトランシーバモジュールであってもよい。

部分的に専用のメモリを伴うセンサデバイスの実装形態の例は、マイクロコントローラに加えて、十分に大きいＦＲＡＭメモリを収めるトランシーバモジュールが可能であり、ＦＲＡＭメモリは、その有利な性質（１０^１３回の書込みの耐用期間、高速書込み及び読込みスピード）により、センサデバイスデータの格納に使用されるだけでなく、不揮発性であるので、構成及びセキュリティ情報の格納にも使用される。

本発明は、テレメトリネットワークにおける通信をより効率的にするために使用することができる。電池式センサデバイスに対して、本発明は、通信処理のエネルギー効率をかなり向上させるので、バッテリ交換サイクルをかなり延ばす機会を与える。これは、低いハードウェアリソース要件を有し、その実装形態は、経済的に興味深い。

Ｃ 制御通信デバイス、Ｎ１ ルーティング通信デバイス、Ｎ２ ルーティング通信デバイス、Ｎ３ ルーティング通信デバイス、Ｒ１ 仮想ルーティング番号、Ｒ２ 仮想ルーティング番号、Ｒ３ 仮想ルーティング番号、Ｓ１ センサ通信デバイス、Ｓ２ センサ通信デバイス、Ｓ３ センサ通信デバイス、Ｓ４ センサ通信デバイス、Ｓ５ センサ通信デバイス、Ｓ６ センサ通信デバイス。

Claims (4)

1. 時分割多重接続によりパケットベースのメッセージ伝送を伴い、ルーティング通信デバイス（Ｎ）に格納された制御通信デバイス（Ｃ）からの距離を表現する仮想ルーティング番号（ＶＲＮ）を使用したルーティングのために配置されたワイヤレスメッシュネットワークであって、前記制御通信デバイス（Ｃ）、前記ルーティング通信デバイス（Ｎ）のセット、及び、センサデバイス（Ｓ）のセットを含むワイヤレスメッシュネットワークであって、１つの前記センサデバイス（Ｓ）が複数の前記ルーティング通信デバイス（Ｎ）二接続されたワイヤレスメッシュネットワークにおいて、前記制御通信デバイス（Ｃ）が、前記ルーティング通信デバイス（Ｎ）に格納されたセンサデータを収集する方法であって、
   各ルーティング通信デバイス（Ｎ）が、前記センサデバイス（Ｓ）から非同期的に送信されたセンサデータを受信して格納し、
   前記制御通信デバイス（Ｃ）から開始メッセージを受信すると、前記ルーティング通信デバイス（Ｎ）に格納された前記センサデータから１つ又は複数のビットを選択してセットし、
   次に、開始フレームに同期させた承認フレームにおいて、より高い前記仮想ルーティング番号（ＶＲＮ）を格納した前記ルーティング通信デバイス（Ｎ）から受信した複数の承認コレクションメッセージをマージし、その後、前記承認フレームの対応するタイムスロットにおいてそのようにマージされた前記承認コレクションメッセージを送信する、
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記制御通信デバイス（Ｃ）が、前記開始メッセージに追加情報を挿入し、
   前記ルーティング通信デバイス（Ｎ）が、前記追加情報を解釈し、前記解釈の結果に応じて、１つ又は複数のビットをセットする、
   ことを特徴とする方法。
3. ルーティング通信デバイス（Ｎ）上で請求項１、２、又は３に記載の方法を実行するためのデバイスであって、
   前記デバイスが、メモリ（ＭＥＭＤ）及び制御ユニット（ＣＰＵ）を備え、
   前記メモリ（ＭＥＭＤ）の一部が、受信したセンサデータを格納することに充てられ、
   制御ユニット（ＣＰＵ）が、開始メッセージを解釈し、請求項１又は２に記載の方法を実行する、
   ことを特徴とするデバイス。
4. 請求項３に記載のデバイスであって、
   前記メモリ（ＭＥＭＤ）全体が、非同期センサデータを受信することに完全に充てられる、
   ことを特徴とするデバイス。