JP2024509641A

JP2024509641A - 干渉無線ネットワークと共存する無線ネットワークにおけるデータルーティング

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Publication number: JP2024509641A
Application number: JP2023560926A
Authority: JP
Inventors: グオ，ジエンリン; オーリック，フィリップ; 幸政永井; 武憲角
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2022-03-09
Publication date: 2024-03-04
Also published as: CN117337557A; US11595874B2; EP4315789A1; US20220377643A1; WO2022239478A1

Abstract

マルチホップネットワークを形成するためのノードデバイスが提供される。ノードデバイスは、共存する干渉ネットワークからの干渉を回避するように構成され、宛先指向の有向非巡回グラフ（ＤＯＤＡＧ）情報オブジェクトメッセージ（ＤＩＯメッセージ）に関するデータを受信および送信するように構成されたトランシーバと、被干渉ノードカウント（ＩＣ）、シングルレートリンクカウント（ＳＬＣ）、マルチレートリンクカウント（ＭＬＣ）、ホップカウント（ＨＰ）、経路通信レイテンシ（ＰＣＬ）、および干渉効率およびマルチレートサポートルーティングプログラムＣｏＭ－ＲＰＬを含むコンピュータ実行可能プログラムを格納するように構成されたメモリと、コンピュータ実行可能プログラムのステップを実行するように構成されたプロセッサとを備える。ステップは、受信したＤＩＯメッセージが新たなＤＯＤＡＧを示すのかまたは既存のＤＯＤＡＧを示すのかを判断することを含む。この場合、判断するステップにおける判断結果が、新たなＤＯＤＡＧを示しマルチホップネットワークの経路上にシングルレートリンクおよび被干渉ノードがない場合、ノードデバイスはＤＯＤＡＧネットワークに参加し、プロセッサはＤＩＯメッセージの送信元をデフォルト親として選択し、それ自体のランクを計算し、そのランク、ＩＣ、ＳＬＣ、ＴＲＭ、ＨＰ、ＰＣＬでＤＩＯメッセージを更新し、送信レートモードに基づいて、スケジューリングされたＤＩＯメッセージを送信する。

Description

本発明は、概して無線通信ネットワークにおけるデータルーティング方法またはシステムに関し、特に干渉無線ネットワークと共存する無線通信ネットワークに関する。

モノのインターネット（ＩｏＴ）およびマシン・ツー・マシン（Ｍ２Ｍ）アプリケーションが急速に成長している。広範囲にわたる無線通信技術が多様なアプリケーションを提供するために開発された。ＩＥＥＥ８０２．１１ａｈおよびＩＥＥＥ８０２．１５．４ｇは、ＩｏＴアプリケーションのために開発された、一般的に参照される２つの規格である。８０２．１１ａｈおよび８０２．１５．４ｇはどちらも屋外ＩｏＴアプリケーションのためのサブ１ＧＨｚ（Ｓ１Ｇ）帯域で動作するように設計されているが、８０２．１５．４ｇは２．４ＧＨｚ帯域でも動作することができる。同じ場所に設置された８０２．１１ａｈおよび８０２．１５．４ｇネットワークが重複する周波数帯域上で動作する場合、あるネットワークは別のネットワークに対する干渉ネットワークになる。問題は、これらのネットワークは通信できないので、一方のネットワークがもう１つのネットワークの存在を知らないことである。異種の無線技術の出現に伴い、異なる通信技術を使用するネットワーク間の干渉は、データパケットのルーティングにおいて対処しなければならない重要な問題になる。

低電力および損失ネットワークのためのルーティングプロトコル（ＲＰＬ：Routing Protocol for Low-power and lossy networks）のような既存のルーティングプロトコルは、干渉を考慮することなく無線ネットワークにおいてデータをルーティングするように設計されている、すなわち、ネットワークは、他の無線ネットワークが設置されていない場所に配置される。この場合、すべてのデバイスが同じ通信技術を使用する。その結果、近隣のデバイスは、たとえそれらのリソースおよび能力が異なっていても、たとえば、一部のデバイスの電源がバッテリで他のデバイスの電源が商用電源の場合や、一部のデバイスのメモリがより大きく他のデバイスのメモリがより小さい場合であっても、互いに通信することができる。そのようなネットワークにおいてデータをルーティングすることの利点は、近隣のデバイスが、最高の性能を実現するように調整できることであり、たとえば、デバイスは、「送信要求（Request To Send）」／「送信許可（Clear To Send）」（ＲＴＳ／ＣＴＳ）メカニズムを使用して、データの衝突を少なくすることができる。

しかしながら、共存する無線ネットワークの場合、異なる通信技術を使用する同じ場所に設置された少なくとも２つの無線ネットワークが存在する。これらのネットワークが重複する周波数帯域を使用する場合、これらのネットワークは共存し互いに干渉することになる。異なる通信技術を使用するので、あるネットワーク内のデバイスは、別のネットワーク内のデバイスと通信することができない。その結果、あるネットワーク内のＲＴＳパケットを別のネットワーク内では読み取ることができないので、これらのネットワークはＲＴＳ／ＣＴＳメカニズムを使用することができない。したがって、共存する無線ネットワークにおいてデータをルーティングすることは、より一層困難である。従来のルーティングプロトコルは、大量のデータ損失および／または長いデータ遅延を引き起こす可能性がある非効率的なルーティング経路選択が原因で、他の無線ネットワークと共存する無線ネットワークでは十分に機能しないことがある。大量のデータ損失および長いデータレイテンシは、セキュリティおよび監視のような用途では許容できない。

図２Ａは、従来のルーティングプロトコルが大量のデータ損失を伴うルーティング経路を選択し、結果として信頼性の低いネットワークをもたらす例を示す。１つのマルチホップ無線ネットワーク、たとえば８０２．１５．４ｇネットワークは、シンクノードＳ、データノードＡ、Ｂ、ＣおよびＤからなる。干渉ネットワーク、たとえば８０２．１１ａｈネットワークは、ノードＥおよびＦからなる。ノードＤがシンクＳへのルーティング経路を選択する場合、経路Ｄ→Ｂ→Ｓは経路Ｄ→Ｃ→Ａ→Ｓよりも短いので、従来のルーティングプロトコルはＤ→Ｃ→Ａ→Ｓの代わりにＤ→Ｂ→Ｓを選択する。しかしながら、この場合、ノードＥとＦとの間の通信リンクがノードＢとシンクＳとの間の通信リンク３に干渉するような干渉ネットワークが存在する。ＥおよびＦの通信が重い場合、８０２．１１ａｈノードのような干渉ノードは、８０２．１５．４ｇノードのような無線ノードよりも、チャネルアクセス競合という点でより一層攻撃的であるため、ノードＢがシンクＳにデータを送信することはほぼ不可能である。結果として、ノードＤは、代わりにより長い経路Ｄ→Ｃ→Ａ→Ｓを選択しなければならない。

加えて、マルチレートデバイスが出現している。マルチレートデバイスは、異なる送信レート、たとえば１００ｋｂｐｓおよび２００ｋｂｐｓで、データを送信することができる。より低い送信レートを使用すると、通信範囲が長くなり、結果としてルーティング経路が短くなる。より高い送信レートを使用すると、通信範囲が短くなり、結果として経路が長くなる。しかしながら、より短くより低い送信レートの経路は、より長くより高い送信レートの経路よりも、データ配信のレイテンシがより長くなる可能性がある。時間が重要な用途の場合、長いレイテンシは許容できない。従来のルーティングプロトコルはマルチレート機能を考慮に入れていない。その結果、選択された経路がより多くの遅延を引き起こす可能性がある。

図３は、従来のルーティングプロトコルがより長い遅延ルーティング経路を選択する例を示す。このネットワークは、シンクノードＳ、データノードＸ、Ｙ、ＺおよびＷからなる。データノードＷがシンクＳへのルーティング経路を選択する場合、経路Ｗ→Ｚ→Ｓは経路Ｗ→Ｙ→Ｘ→Ｓよりも短いので、従来のルーティングプロトコルはＷ→Ｙ→Ｘ→Ｓの代わりにＷ→Ｚ→Ｓを選択する。しかしながら、この場合、経路Ｗ→Ｚ→Ｓは、各リンク間の送信レートが１００ｋｂｐｓである、送信レートがより低い経路である。この送信レートがより低い経路は、ノードＷからシンクＳに１００バイトのデータを配信するのに０．０１６秒を要する。他方、経路Ｗ→Ｙ→Ｘ→Ｓは、各リンク間の送信レートが２００ｋｂｐｓである、送信レートがより高い経路である。この送信レートがより高い経路は、ノードＷからシンクＳに１００バイトのデータを配信するのにわずか０．０１２秒しか必要としない。したがって、ノードＷは、代わりにより長い経路Ｗ→Ｙ→Ｘ→Ｓを選択しなければならない。

よって、干渉ネットワークとネットワークデバイスのマルチレート機能との両方を考慮する新たなルーティング方法を提供することが望ましい。

本発明のいくつかの実施形態は、少なくとも１つのデータノードがシンクノードと直接通信できないマルチホップ無線ネットワークではルーティングが必要である、という認識に基づいている。本発明のいくつかの実施形態に従うと、マルチホップ無線ネットワークは、干渉ネットワークと呼ばれる複数の他の無線ネットワークと共存することができる。干渉ネットワークは、シングルホップネットワーク、すなわちスターネットワーク、またはマルチホップネットワークの可能性がある。

本発明の各種実施形態の１つの目的は、異なる通信技術を使用する他の干渉無線ネットワークと共存するマルチホップ無線ネットワークにおいてデータを効率的にルーティングする方法を提供することである。場合によっては、ネットワークは、少なくとも１つのシンクノードと、シングルレートノード（ＳＲＮ：single-rate node）およびマルチレートノード（ＭＲＮ：multi-rate node）を含むデータノードとを有する。各ノードはノードデバイスと呼ばれることがある。

本発明のいくつかの実施形態に従い、マルチホップネットワークを形成するためのノードデバイスが提供される。マルチホップネットワークは、共存する干渉ネットワークからの干渉を回避するように構成される。この場合、ノードデバイスは、宛先指向の有向非巡回グラフ（ＤＯＤＡＧ：Destination Oriented Directed Acyclic Graph）情報オブジェクトメッセージ（ＤＩＯメッセージ）に関するデータを受信および送信するように構成されたトランシーバと、被干渉ノードカウント（ＩＣ：interfered-node count）と、シングルレートリンクカウント（ＳＬＣ：single-rate link count）と、マルチレートリンクカウント（ＭＬＣ：multi-rate link count）と、ホップカウント（ＨＰ：hop count）と、経路通信レイテンシ（ＰＣＬ：path communication latency）と、干渉効率およびマルチレートサポートルーティングプログラムＣｏＭ－ＲＰＬとを含むコンピュータ実行可能プログラムを格納するように構成されたメモリと、コンピュータ実行可能プログラムのステップを実行するように構成されたプロセッサとを備え、ステップは、受信したＤＩＯメッセージが新たなＤＯＤＡＧを示すのか、または既存のＤＯＤＡＧを示すのかを、判断するステップを含み、判断するステップにおける判断結果が、新たなＤＯＤＡＧを示し、マルチホップネットワークの経路上にシングルレートリンクおよび被干渉ノードがない場合、ノードデバイスはＤＯＤＡＧネットワークに参加し、プロセッサは、ＤＩＯメッセージの送信元をデフォルト親として選択し、それ自体のランクを計算し、そのランク、ＩＣ、ＳＬＣ、ＴＲＭ、ＨＰ、ＰＣＬでＤＩＯメッセージを更新し、送信レートモードに基づいて、スケジューリングされたＤＩＯメッセージを送信し、経路がシングルレートノードまたは／および被干渉ノードを含む場合、プロセッサは、ＤＩＯメッセージの送信元を親として選択し、より適切な経路を待つためにＤＩＯ待機タイマを起動し、タイマが終了すると、ノードデバイスは、ネットワークに参加し、通信経路レイテンシ（ＣＰＬ：communication path latency）が最小のデフォルト親を選択し、更新されたＤＩＯメッセージを送信する。

さらに、いくつかの実施形態は、プロセッサに以下のステップを実行させることが可能なコンピュータ実行可能プログラムとして提供される、コンピュータによる実行が可能な方法を提供することができ、上記ステップは、受信されたＤＩＯメッセージが新たなＤＯＤＡＧを示すのか、または既存のＤＯＤＡＧを示すのかを判断するステップを含み、判断するステップにおける判断結果が、新たなＤＯＤＡＧを示し、マルチホップネットワークの経路上にシングルレートリンクおよび被干渉ノードがない場合、ノードデバイスはＤＯＤＡＧネットワークに参加し、プロセッサはＤＩＯメッセージの送信元をデフォルト親として選択し、それ自体のランクを計算し、そのランク、ＩＣ、ＳＬＣ、ＴＲＭ、ＨＰ、ＰＣＬでＤＩＯメッセージを更新し、送信レートモードに基づいて、スケジューリングされたＤＩＯメッセージを送信し、経路がシングルレートノードまたは／および被干渉ノードを含む場合、プロセッサは、ＤＩＯメッセージの送信元を親として選択し、より適切な経路を待つためにＤＩＯ待機タイマを起動し、タイマが終了すると、ノードデバイスは、ネットワークに参加し、通信経路レイテンシ（ＣＰＬ）が最小のデフォルト親を選択し、更新されたＤＩＯメッセージを送信する。

いくつかの実施形態の別の目的は、少なくとも１つのデータノードが、データノードとシンクノードとの間でパケットを中継する少なくとも１つの中間データノードを通して、シンクノードとの間でパケットを交換する、マルチホップ方式で、パケットを送信するための、低レイテンシルーティングメカニズムを提供することである。これに加えてまたはこれに代えて、本発明のいくつかの実施形態の目的は、ネットワークデバイスが干渉の重大度を測定するための、分散型干渉推定方法を提供することである。

本発明のいくつかの実施形態は、干渉の緩和を、能動方式と受動方式という２つのカテゴリに分けることができる、という認識に基づいている。デバイスは、能動方式を使用すると、その送信を能動的に制御して他のネットワークとの干渉を低減し、たとえば搬送波感知多重アクセス／衝突回避（ＣＳＭＡ／ＣＡ：Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）は能動的干渉軽減方法である。デバイスは、受動方式を使用すると、他のネットワークからの干渉を検出したときに受動的に反応する。ＩＥＥＥ８０２．１１規格ファミリーおよびＩＥＥＥ８０２．１５．４規格ファミリーは、ＣＳＭＡ／ＣＡ方法を使用する。そのため、共存する無線ネットワークに対しては、受動的干渉緩和方法を開発する必要がある。

本発明のいくつかの実施形態は、干渉の緩和を、協調方式と分散方式とに分けることができる、という認識に基づいている。しかしながら、異なる通信技術を使用するデバイスは互いに通信することができないので、干渉するネットワーク間の協調を利用することはできない。たとえば、８０２．１５．４ｇデバイスは８０２．１１ａｈデバイスと通信することができない。結果として、あるデバイスは他のネットワーク内のデバイスがいつ送信するかわからないので、協調干渉緩和方式は当てはまらない。したがって、共存する無線ネットワークに対しては分散干渉緩和方式を開発する必要がある。

よって、本発明のいくつかの実施形態は、共存する無線ネットワークのための分散型受動干渉緩和方法を提供し、この場合、分散型受動干渉メトリックが、干渉の重大度を測定して、近隣ノードが被干渉度の高いノードを中継ノードとして選択しないようにするために、提供される。

これに加えてまたはこれに代えて、いくつかの実施形態は、特定のデータノードからシンクノードへのデータパケットの干渉効率の良いルーティングが、より干渉度がより低いルーティング経路を介していなければならない、という認識に基づいている。たとえば、いくつかの実施形態は、被干渉ノードの数がより少ないルーティング経路に沿ってデータパケットを送信するための方法／デバイス／システムを提供する。さらに、一実施形態は、干渉効率の良いルーティング経路の場所を特定するために干渉重大度メトリックを決定する方法／システムを提供する。干渉重大度メトリックは、干渉エネルギ検出、被干渉チャネルアクセス障害、および被干渉チャネル占有のうちの、１つまたは組み合わせを含み得る。

本発明のいくつかの実施形態は、マルチレートデバイスが無線ネットワーク内に存在し得る、という認識に基づいている。送信レートが高いリンクは、送信レートが低いリンクよりも、データパケットを送信するのに要する時間が短い。しかしながら、送信レートが低いリンクの通信範囲は、送信レートが高いリンクの通信範囲よりも長い。いくつかの実施形態は、総レイテンシを最小にするルーティング経路を決定することができる方法／システムを提供する。

これに加えてまたはこれに代えて、いくつかの実施形態は、データ配信の総レイテンシを最小にするために、被干渉ノードの数、シングルレートノードの数、およびマルチレートノードの数のうちの１つまたは組み合わせに基づいてルーティング経路を決定することができる、方法／デバイス／システムを提供する。

加えて、本発明は、ＣｏＭ－ＲＰＬと呼ばれる、共存およびマルチレートに対応可能な低電力および損失ネットワークのためのルーティングプロトコル（ＲＰＬ）を提供する。

ここに開示される実施形態を、添付の図面を参照しながらさらに説明する。示されている図面は、必ずしも正しい縮尺ではなく、代わりに、ここに開示される実施形態の原理の説明において一般的に強調が加えられる。

干渉ネットワークと共存するマルチホップ無線ネットワークからなるシステムを示す概略図である。従来のルーティングプロトコルが干渉ネットワークを無視し、そのためパケット損失率が高いルーティング経路を選択する例を示す図である。シングルレートネットワークにおけるＤＩＯ情報更新およびデフォルト親選択の例を示す図である。従来のルーティングプロトコルがマルチレート機能を無視し、そのためレイテンシがより長いルーティング経路を選択する例を示す図である。干渉ネットワークがない場合の経路通信レイテンシ計算を示す図である。干渉ネットワークがある場合の経路通信レイテンシ計算を示す図である。本発明のいくつかの実施形態に係る、ルーティング経路発見のブロック図を示す。本発明の実施形態に係る、干渉無線ネットワークと共存する無線ネットワークのアプリケーションシナリオを示す図である。本発明の実施形態に係る、無線デバイスにおける本発明の実装形態を示す図である。本発明の実施形態に係る、マルチホップ無線通信システムからなるスマートメータネットワークを示す概略図である。本発明のいくつかの実施形態に係る、少なくともＢＬＥｎＤｅｒとＷｉ－ＳＵＮＦＡＮとＢＬＥｎＤｅｒおよびＷｉ－ＳＵＮＦＡＮのハイブリッドとを含む通信システムからなる通信ネットワークを示す概略図である。

上記図面はここに開示されている実施形態を説明しているが、明細書で述べるように、他の実施形態も意図されている。本開示は、限定のためではなく代表として、説明のための実施形態を提示する。当業者は、本開示の実施形態の原理の範囲および精神に含まれる、多数の他の変形例および実施形態を考案することができる。

以下、本発明の各種実施形態を図面を参照しながら説明する。図面は正しい縮尺で描かれておらず、図面全体を通して同様の構造または機能の要素は同様の参照番号で示されていることに、注意されたい。また、図面は、本発明の具体的な実施形態の説明を容易にすることだけを意図していることにも注意されたい。これらは、本発明を余すところなく説明することまたは本発明の範囲を限定することを意図している訳ではない。加えて、本発明の特定の実施形態に関連して記載される態様は、必ずしもその実施形態に限定される訳ではなく、本発明の任意の他の実施形態において実施することができる。

図１は、干渉ネットワークと共存するマルチホップ無線ネットワークからなるシステムを示す。図１は、干渉ネットワーク、たとえば８０２．１１ａｈネットワークと共存するマルチホップ無線ネットワーク、たとえば８０２．１５．４ｇネットワークの一例を説明する概略図を示す。この図において、円は、シンクノードＳ１００、シングルレートノード（ＳＲＮ）１１０およびマルチレートノード（ＭＲＮ）１２０を含む、マルチホップ無線ネットワークにおけるノードを表す。ノードは無線メッシュネットワークを形成し、データパケットの一般的な流れはデータノード（シングルレートノードまたはマルチレートノード）からシンクノードＳまでであるが、制御メッセージはいずれの方向にも送ることができる。シングルレートノードは、シングル送信レートと呼ばれる１つの送信レートのみで送信する。シングルレートノードは、通信リンク１５０を使用して別のシングルレートノードまたはマルチレートノードまたはシンクノードＳと通信する。しかしながら、マルチレートノードは、複数の送信レートで送信することができる。マルチレートノードは、シングルレートノードによって使用されるシングル送信レートに加えて、通常はシングル送信レートよりも高い他の送信レートを使用して送信することもできる。マルチレートノードは、通信リンク１５０を使用してシングルレートノードと通信する。マルチレートノードは、通信リンク１６０を使用して別のマルチレートノードまたはシンクノードＳと通信する。シンクノードはマルチレートノードとみなされる。図１は、マルチホップ無線ネットワークに加えて、干渉ネットワークも含む。正方形は、干渉ネットワーク、たとえば８０２．１１ａｈネットワークにおけるノードを表す。干渉ネットワークは、干渉ネットワークシンクノード（Ｓ_Ｉ）１３０および干渉ネットワークデータノード１４０を含む。干渉ネットワーク内のデータノード１４０およびシンクノード１３０は、通信リンク１７０を使用して通信する。

図１には示されていないが、マルチホップ無線ネットワークは２つ以上のシンクノードを含んでいてもよく、干渉ネットワークはマルチホップネットワークであってもよい。

マルチホップ無線ネットワークにおいて、データパケットは、シンクノードとデータノードとの間で、データノードとシンクノードとの間でパケットを中継する少なくとも１つの中間データノードを介してシンクノードとパケットを交換する少なくとも１つのデータノードが存在するように、マルチホップ方式でやり取りされる。言い換えると、データ収集がマルチホップ方式で行われる。干渉ネットワークとマルチレートノードとが存在するので、干渉の重大度およびマルチレートノードの可用性を考慮することにより、任意のシンクノードと直接通信することができないノードからデータパケットを効率的にルーティングするための、ルーティング方法が提供されなければならない。
分散型干渉重大度推定

マルチホップ無線ネットワークおよび干渉ネットワークにおけるノードの配置次第で、一部のノードの近隣には干渉ノードがなく他のノードの近隣には干渉ノードがある場合がある。したがって、干渉測定は各ノードによって分散方式で行われなければならない。

異なる無線ネットワーク内のノードは互いに通信することができない。そのため、マルチホップネットワークと干渉ネットワークとを協調させることはできない。その結果、干渉ネットワーク内のノードは協調して干渉を減じることができない。さらに、ＣＳＭＡ／ＣＡのような能動方式は、特にスマートメータネットワークのような大規模無線ネットワークにおいて、必要とされる干渉緩和性能を提供しない。したがって、マルチホップ無線ネットワーク内のノードは、受動干渉低減を実行する必要があり、このことは、受動干渉測定方法が必要であることを示す。

干渉エネルギ検出率（ＩＥＤＲ：interfering energy detection ratio）は、干渉の重大度を測定するためにマルチホップ無線ネットワーク内のノードによって使用され得るメトリックである。マルチホップ無線ネットワーク内のノードは、エネルギ検出メカニズムを使用して、そのエネルギ検出（ＥＤ：energy detection）しきい値以上の信号エネルギレベルを検出することができる。期間Ｔ内におけるノードによるそのような検出の総数ＥＤ_ｔとする。マルチホップ無線内のノードは、そのキャリア検知メカニズムを用いて、検出された信号が、マルチホップ無線ネットワーク内の別のノードによって送信された信号であるか否かを判断することができる。別のノードによって送信された信号でなければ、この信号は、干渉信号か衝突された信号のいずれかである。この信号は干渉信号とみなされる。期間Ｔ内で検出された干渉信号の数をＥＤｉとすると、干渉エネルギ検出率（ＩＥＤＲ）は以下のように定義することができる。

被干渉チャネルアクセス失敗率（ＩＣＡＦＲ：interfered channel access failure rate）は、干渉の重大度を測定するためにマルチホップ無線ネットワーク内のノードによって使用されるメトリックにもなり得る。ＩＥＥＥ８０２．１１およびＩＥＥＥ８０２．１５．４のようないくつかの無線技術は、チャネルアクセスのために搬送波感知多重アクセス／衝突回避（ＣＳＭＡ／ＣＡ）を使用する。ＣＳＭＡ／ＣＡメカニズムは、チャネルアクセス失敗と呼ばれる特徴を提供する。合計Ｎ_ｔｘ回の送信の試みに対してマルチホップ無線ネットワーク内のノードによって観測されたチャネルアクセス失敗の総数を、Ｎ_ｃａｆとする。Ｎ_ｃａｆは、Ｎ_ｃａｆ＝Ｎ_ｉ＋Ｎ_ｍに分解することができ、Ｎ_ｉは、干渉ネットワーク送信によって引き起こされたチャネルアクセス失敗の数であり、Ｎ_ｍは、マルチホップ無線ネットワーク送信によって引き起こされチャネル失敗の数である。マルチホップ無線ネットワーク内のノード（ノードデバイス）は、その搬送波感知メカニズムを使用することによってＮ_ｍを計算することができる。したがって、被干渉チャネルアクセス失敗率（ＩＣＡＦＲ）は以下のように定義することができる。

被干渉チャネル占有率（ＩＣＯＲ：interfered channel occupancy ratio）は、マルチホップ無線ネットワーク内のノードが干渉の重大度を測定するために使用することができる、もう１つのメトリックである。マルチホップ無線ネットワーク内のノードは、期間Ｔの間チャネルを継続して検知することによってチャネルビジー時間Ｔ_ｂを推定することができる。ノードが期間Ｔ内に送信または受信も行う場合、その送信時間および受信時間はビジー時間とみなされ、そのターンアラウンド時間はアイドル時間とみなされる。さらに、マルチホップ無線ネットワーク内のノードは、搬送波感知を通してマルチホップ無線ネットワーク送信によって消費されるチャネルビジー時間Ｔ_ｍを求めることができる。言い換えると、Ｔ_ｂは、干渉ネットワークによって使用される時間およびマルチホップネットワークによって使用される時間である可能性がある、総ビジー時間である。さらに、Ｔ_ｍは、マルチホップネットワークのみによって使用される時間である。したがって、被干渉チャネル占有率（ＩＣＯＲ）は以下のように定義することができる。

マルチホップ無線ネットワーク内のノードが干渉の重大度を測定するために使用できる他の受動干渉測定方法が存在し得る。

０≦ＥＤ_ｉ＜ＥＤ_ｔなので、０≦ＩＥＤＲ≦１であり、０≦Ｎ_ｍ≦Ｎ_ｃａｆ≦Ｎ_ｔｘなので、０≦ＩＣＡＦＲ＜１であり、０≦Ｔ_ｍ≦Ｔ_ｂ≦Ｔなので、０≦ＩＣＯＲ≦１であることが、わかる。ＩＥＤＲ、ＩＣＡＦＲおよびＩＣＯＲの場合、値０は干渉なしを示し、値１はマルチホップ無線ネットワーク内の観測ノードの近隣が送信できないように最も高い干渉を示す。
新たなルーティングメトリック

無線ネットワークにおいてデータパケットをルーティングするための、従来のルーティングメトリックがあり、これらの従来のルーティングメトリックは、２つのカテゴリ、すなわち、ノード状態メトリック、たとえばホップカウントおよびノードエネルギーレベルと、リンクメトリック、たとえばリンク品質および予想送信カウント（ＥＴＸ：expected transmission count）とに、分けることができる。これらの従来のルーティングメトリックは、他の無線ネットワークと共存せずシングルレートノードのみを含む無線ネットワークにおいて、データパケットをルーティングするために設計される。図２Ａは、干渉ネットワークの存在下でホップカウントが十分に機能しないことを示し、図３は、マルチレートノードの存在下でホップカウントが十分に機能しないことを示す。そのため、干渉およびマルチレート送信を考慮に入れるために、新たなルーティングメトリックを提供する必要がある。

干渉重大度（ＩＳ：interference severity）は、提供される、あるメトリックである。ＩＳは、ＩＥＤＲ、ＩＣＡＦＲおよびＩＣＯＲのうちの１つまたは組み合わせを使用して定義することができる。以下は定義のうちの１つである。

式中、ｘは、ＩＥＤＲ、ＩＣＡＦＲおよびＩＣＯＲのうちの１つの可能性がある。０≦ｘ≦１なので、ＩＳ≧１であることがわかる。干渉なし、すなわちｘ＝０の場合、ＩＳ＝１である。ｘが１、すなわち最大の干渉に近づくと、ＩＳは無限大になる。

しきい値ＩＳ_ｔｈを、他の干渉無線ネットワークと共存するマルチホップ無線ネットワークに対して定義することができる。マルチホップ無線ネットワーク内のノードはＩＳを計算する。ＩＳ≧ＩＳ_ｔｈである場合、このノードは被干渉ノードとみなされる。ＩＳ＜ＩＳ_ｔｈである場合、このノードは非被干渉ノードとみなされる。

ルーティング経路を発見する場合、被干渉ノードカウント（ＩＣ）は、ルーティング経路上の被干渉ノードの数を計算するためのメトリックである。より小さなＩＣを有するルーティング経路は、より少ない被干渉ノードからなり、より大きなＩＣを有するルーティング経路は、より多くの被干渉ノードからなる。ルーティング経路発見プロセス中、ＩＣはシンクノードによって０に設定される。データノードは、その計算したＩＳ≧ＩＳ_ｔｈである場合、ＩＣを１だけ増加させる。

送信レートモード（ＴＲＭ：transmission rate mode）は、ノードが使用できる送信レートの数を示すメトリックである。ＴＲＭ＝１はシングルレートノードを示し、ＴＲＭ＝２は２レートノードを示し、ＴＲＭ＝３は３レートノードを示し、以下同様である。一般性を失うことなく、シングルレートノードは最低送信レートを使用してデータを送信し、２レートノードは最低送信レートまたは最低送信レートよりも高いレートを使用してデータを送信し、３レートノードは２レートノードによって使用されるレートまたはより高いレートのいずれかを使用してデータを送信することなどを、仮定することができる。したがって、ネットワーク内のノードは、シングルレートノード、２レートノード、３レートノードなどに分けることができる。本発明は、本発明の概念を説明するために、２クラスのノード、すなわちシングルレートノードおよびマルチレートノードを使用し、この場合のマルチレートノードは、２レートノード、３レートノードなどを含む。３クラスの場合、４クラスの場合なども同様に機能する。

シングルレートリンクカウント（ＳＬＣ）は、ルーティング経路上のシングルレートリンクの数を計算するためのメトリックである。より小さなＳＬＣを有するルーティング経路は、より少ないシングルレートノードからなり、より大きなＳＬＣを有するルーティング経路は、より多くのシングルレートノードからなる。しかしながら、ＳＬＣは、ルーティング経路上のシングルレートノードの数を表していない。シンクノードはマルチレートノードとみなされる。シンクノードにおいて、ＳＬＣは０に設定される。ルート発見プロセス中に、ノードは、それがシングルレートノードであるか、またはその次のホップノード（親）がシングルレートノードである場合、ＳＬＣを１だけ増加させる。

マルチレートリンクカウント（ＭＬＣ）は、ルーティング経路上のマルチレートリンクの数を計算するためのメトリックである。より小さなＭＬＣを有するルーティング経路は、より少ないマルチレートノードからなり、より大きなＭＬＣを有するルーティング経路は、より多くのマルチレートノードからなる。同様に、ＭＬＣは、ルーティング経路上のマルチレートノードの数を表していない。シンクノードにおいて、ＭＬＣは０に設定される。ルート発見プロセス中、ノードは、それがマルチレートノードであり、その次のホップノード（親）もマルチレートノードである場合、ＭＬＣを１だけ増加させる。

各ホップはシングルレートリンクまたはマルチレートリンクのいずれかであるため、ルーティング経路の場合、ホップカウント＝ＳＬＣ＋ＭＬＣであることがわかる。

経路通信レイテンシ（ＰＣＬ）は、経路上の通信レイテンシを計算するためのメトリックである。干渉がないと仮定すると、パケットは、ルーティング経路上の各リンクにおいて再送信を必要としない。

図４Ａは、マルチレートノードをサポートするマルチホップ無線ネットワークにおけるルーティング経路の通信待ち時間を計算する方法を示す。データノードＮ_０からシンクノードＳへのルーティング経路の場合、ｍ個の中継ノードＮ_１、Ｎ_２、…、Ｎ_ｍ－１、およびＮ_ｍがある。Ｒ_０、Ｒ_ｉ、…、Ｒ_ｍ－１，Ｒ_ｍをそれぞれリンク送信レートとする。ノードＮ_０からシンクＳにＤ_Ｂビットデータを送る際のＰＣＬは以下のように計算される。

しかしながら、干渉無線ネットワークの存在下では、パケット再送信およびパック損失が生じる。したがって、ＰＣＬは長くなる。図４Ｂは、マルチレートノードと干渉ネットワークの両方を有するマルチホップ無線ネットワークにおけるルーティング経路の通信レイテンシを計算する方法を示す。ＩＳ_０、ＩＳ_１、…、ＩＳ_ｍを、それぞれノードＮ_０、Ｎ_１、…、Ｎｍにおける干渉重大度と仮定する。この場合、ノードＮ_０からシンクＳにＤ_Ｂビットデータを送る際のＰＣＬは以下のように計算される。

ＩＳ_ｉ≧１（ｉ＝０，１，…,ｍ）であることから、（６）のＰＣＬは（５）のＰＣＬよりも大きいことがわかる。ルート発見プロセス中に、ノードは、その干渉重大度およびリンク送信レートに基づいて、そのリンク通信レイテンシをＰＣＬに加える。
ＲＰＬの概要

ＩｏＴアプリケーションのためのスケーラブルなルーティングプロトコルを設計するために、インターネット技術特別調査委員会（ＩＥＴＦ：Internet Engineering Task Force）は、低電力および損失ネットワークのためのルーティングプロトコル（ＲＰＬ）を開発した。ＲＰＬは、ネットワーク内のノードを有向非巡回グラフ（ＤＡＧ）として組織し、ＤＡＧを１つ以上の宛先指向ＤＡＧ（ＤＯＤＡＧ）に分ける。データシンクごとに１つのＤＯＤＡＧがある。ＤＯＤＡＧのトポロジを構築しノードからデータシンクへの上方ルートを構築するために、データシンクは、ＤＯＤＡＧのルートとして作用し、ＤＯＤＡＧ情報オブジェクト（ＤＩＯ）メッセージを近隣ノードにブロードキャストする。ＤＩＯメッセージは、ＤＯＤＡＧを構築するための情報を含む。たとえば、ＲＰＬＩｎｓｔａｎｃｅｌＤ、ＤＯＤＡＧＩＤおよびＤＯＤＡＧＶｅｒｓｉｏｎＮｕｍｂｅｒという３つのパラメータが、ＤＯＤＡＧバージョンを識別するために封入される。

ノードのランクは、ＤＯＤＡＧのルートを基準とした場合の、他のノードに対するノードの個々の位置を定義する。データシンクの近隣のノードは、ＤＩＯメッセージを受信し、ノードがＤＯＤＡＧに参加すると決定したときにそれらのランクを決定し、更新されたＤＩＯメッセージを近隣ノードに送信する。ノードのランクはＤＩＯメッセージに含まれる。ＤＩＯメッセージは、すべてのノードがＤＯＤＡＧに加わるまで、ＤＯＤＡＧトポロジが波面方式で構築されるように、すべての方向に伝搬される。ＲＰＬは、宛先通知オブジェクト（ＤＡＯ：Destination Advertisement Object）メッセージを使用して、データシンクから他の宛先への下り方向のルートを構築する。ＤＡＯメッセージは、ノードからそれらの親またはルートへと上り方向に送信される。ＤＯＤＡＧ情報要請（ＤＩＳ：DODAG Information Solicitation (DIS) message）メッセージは、ＲＰＬノードにＤＩＯを要請するため、すなわち、新たなルートを発見するために使用される。

信頼できるルーティングを実現するために、ＲＰＬは、ノードが、データパケット転送のための次のホップを決定するためにＤＯＤＡＧ構造を使用して複数の親を持つことを可能にする。親の１つは好ましい（デフォルトの）親として選択され、他はバックアップ親として選択される。好ましい親は、パケット転送のためのデフォルトの次のホップとして使用される。好ましい親が利用できない場合、バックアップ親を使用することができる。ＲＰＬは、ノードがランクを決定し親を選択するのを支援するために、目的関数（ＯＦ：Objective Function）を使用する。
マルチレートノードを有するマルチホップ無線ネットワークにおけるＤＩＯメッセージブロードキャスト

マルチレートノードを考慮しない従来のＲＰＬとは異なり、本発明は、ＤＩＯメッセージを送信する新たな方法を提供する。

干渉およびマルチレートノードを考慮するために、ホップカウントおよびランク等の従来のＤＩＯパラメータに加えて、新たなパラメータＩＣ、ＴＲＭ、ＳＬＣ、およびＰＣＬがＤＩＯメッセージにおいて送られる必要がある。ＩＣおよびＳＬＣは、親のないノードが、ＤＩＯメッセージを受信したときにデフォルト親を選択するために使用し、ＴＲＭはＳＬＣを更新するために使用され、ＰＣＬは、複数のＤＩＯを受信したノードがデフォルト親を選択するために使用する。ＩＳは、ＤＩＯにおいて送られる必要はなく、ＩＳ_ｔｈは、ＩＣを更新するために使用される。

経路発見は、マルチレートノードの存在により、より複雑になる。マルチレートノードは、異なる送信レートを使用してパケットを送信することができる。すべての近隣ノードがそのＤＩＯメッセージを受信することを確実にするために、マルチレートノードは、すべての送信レートを使用してＤＩＯメッセージを送信する必要があり、たとえば、２レートノードは、ルート発見メッセージを２回を送信する必要があり、１回は送信レートがより低く、１回は送信レートがより高い。より低い送信レートを使用して送信されるＤＩＯは、通信範囲がより長いので、多くの近隣ノードによって受信される可能性があり、より高い送信レートを使用して送信されるＤＩＯは、通信範囲がより短いので、より少ない近隣ノードによって受信される可能性がある。したがって、構築されるルーティングトポロジ、すなわちＤＯＤＡＧは、単一の送信レートを使用して構築される従来のルーティングトポロジとは異なる。

ルートが発見されると、ノードは、次のホップノード（親）のＴＲＭがわかっているので、データパケットを送信するのに適切なレートを選択することができる。
干渉無線ネットワークおよびマルチレートノードを有するマルチホップ無線ネットワークにおけるネットワークトポロジ構築

既存のルーティングプロトコルは、シングルレートノードとマルチレートノードの両方を含み他の無線ネットワークと共存する無線ネットワークのために設計されていない。新たなルーティング方法が導入されなければならない。

たとえばＲＰＬについて、ＲＰＬは、マルチレートノードをサポートせず、干渉する無線ネットワークを考慮しない。干渉軽減およびマルチレートノードをサポートするために、ＲＰＬによって定義される従来のルーティングメトリックに加えて、新たなメトリックＰＣＬ、ＩＣ、ＴＲＭおよびＳＬＣがＤＩＯメッセージにおいて送られなければならない。これらのメトリックを用いて、親を選択しランクを計算するための、すなわち、ネットワークトポロジＤＯＤＡＧを構築するための基準として、多くの方法を使用することができる。マルチレートノードをサポートする干渉効率の良いルーティング方法は、以下の段落において提供される。

ＲＰＬは、ＤＩＯメッセージ伝搬を使用して上りルーティング経路を発見する。ＤＩＯメッセージはシンクノードによって発信される。ＤＩＯ伝搬中、各ノードは、１つのデフォルト親と、複数のバックアップ親が利用可能であれば複数のバックアップ親とを選択する。

図５は、本発明のいくつかの実施形態に係る、ルーティング経路発見のブロック図を示す。

この図は、ＲＰＬを、新たに導入された干渉効率の良いルーティングメトリックおよびマルチレートサポートルーティングメトリックをサポートする、提供されたルーティング経路発見方法とともに示す。

マルチホップ無線ネットワークに含まれるノードに配置されたネットワークデバイスまたはセンサは、ノードのランクを計算するように構成される。

ステップ５００において、マルチホップ無線ネットワーク内のノードがＤＩＯメッセージを受信すると、ステップ５０５において、ノードは、このＤＩＯメッセージが新たなＤＯＤＡＧのためのものかまたは既存のＤＯＤＡＧのためのものかを確認する。

ＤＩＯメッセージが（既存のＤＯＤＡＧではなく）新たなＤＯＤＡＧのためのものである場合、ノードは、ステップ５１０において、このノードが新たなＤＯＤＡＧに参加するか否かを判断する。ノードが新たなＤＯＤＡＧに参加しない場合、ステップ５１５において、ＤＩＯメッセージは破棄される。ノードが新たなＤＯＤＡＧに参加すると判断する場合、ステップ５２０においてＤＩＯメッセージが処理される。ステップ５２５においてＩＣおよびＳＬＣの両方がゼロである場合（経路は被干渉ノードおよびシングルレートノードを含まない）、ノードは、ステップ５３０においてＤＩＯ送信元をそのデフォルト親として選択し、式（９）を使用してそのランクを計算し、マイランク、ＩＣなどを用いてＤＩＯメッセージを更新し、ステップ５３５においてＤＡＯ送信をスケジューリングし、ステップ５４０においてＤＩＯメッセージのブロードキャストを開始する。ノードがマルチレートノードである場合、ＤＩＯメッセージは複数回ブロードキャストされる。ＩＣまたは／およびＳＬＣのいずれかがゼロでない場合、ノードはステップ５４５でＤＩＯ送信元を親として選択するが、ノードはランクを計算しない。代わりに、ノードは、より好ましいＤＩＯを待つためにステップ５５０でタイマを起動する。待機期間中、ノードはＤＩＯメッセージの受信を継続し、ＤＩＯメッセージを処理し、その親セットを更新する。ステップ５９５で待機タイマが満了すると、ノードは、式（８）を使用して親セットから１つの親をデフォルト親として選択し、ステップ５９８で式（９）に基づいてそのランクを計算し、ＤＩＯメッセージを更新し、ステップ５３５でＤＡＯ送信をスケジューリングし、ステップ５４０でＤＩＯメッセージ送信を開始する。

ノードによって受信されたＤＩＯメッセージが既存のＤＯＤＡＧからのものである場合、それは、ノードが少なくとも１つの親を既に選択していることを示す。したがって、ノードは、ステップ５５５において、ＤＯＤＡＧに参加しているか否かを確認する。ｙｅｓの場合（ランクが計算される）、ノードは、ステップ５５８において、マイランクがＤＩＯ送信元のランクより大きければ、計算されたランクを確認する。ｎｏの場合（マイランクはＤＩＯ送信元のランク以下）、ステップ５１５において、受信されたＤＩＯは破棄される。ｙｅｓの場合（マイランクはＤＩＯ送信元のランクよりも大きい）、ノードは、ステップ５６０において、十分な親が選択されるか否かを確認する。ｎｏの場合（十分な親が選択されていない）、ノードは、ステップ５６５において、ＤＩＯ送信元をその親セットに追加する。ｙｅｓの場合（十分な親が選択されている）、ノードは、ステップ５７０において、このＤＩＯがより適切なルーティング経路を含むのであれば、親のうちの１つを置き換えることによって、その親セットを更新する。ステップ５５５でランクが計算されない場合、およびステップ５７５でこのＤＩＯメッセージのＩＣとＳＬＣの両方がゼロに等しい場合、ノードはステップ５８０でＤＩＯ送信元をデフォルト親として設定し、ノードはステップ５８５でＤＩＯ待ちタイマをキャンセルする。ノードは、式（９）を使用してそのランクを計算し、ステップ５９０において既存の親のうちの１つを置き換えることによって親セットを更新し、ＤＩＯメッセージを更新し、ノードは、ステップ５３５においてＤＡＯ送信をさらにスケジューリングし、ステップ５４０においてＤＩＯ送信のブロードキャストを開始する。ノードがマルチレートノードの場合、ＤＩＯメッセージは複数回ブロードキャストされる。ＤＩＯメッセージのＩＣ＞０または／およびＳＬＣ＞０の場合（ステップ５７５でＮｏ）、ノードは、ステップ５６０で十分な親が選択されるか否かを確認する。確認結果が、十分な親が選択されないことを示す場合、ノードは、ステップ５６５において、ＤＩＯ送信元をその親セットに追加する。ステップ５６０における確認結果が、十分な親が選択されることを示す場合、ノードは、ステップ５７０において、ＤＩＯ送信元がより適切なルーティング経路を提供するのであれば、既存の親をＤＩＯ送信元と置き換えることによって、その親を更新する。

ステップ５７０において親セットを更新するためには、ある経路が別の経路よりも優れていると判断するための基準を定義する必要がある。ある経路が別の経路よりも優れていることを定義するさまざまな方法がある。他のメトリックが類似する場合、より短い通信レイテンシを有する経路は、より長い通信レイテンシを有する経路よりも優れていると考えられる。他のメトリックが類似する場合、より小さなＩＣを有する経路は、より大きなＩＣを有する経路よりも優れていると考えられる。他のメトリックが類似している場合、より小さなＳＬＣを有する経路は、より大きなＳＬＣを有する経路よりも優れていると考えられる。他のメトリックが類似する場合、より大きなＭＬＣを有する経路は、より小さなＭＬＣを有する経路よりも優れていると考えられる。

ＤＩＯタイマが満了すると、ノードは経路通信レイテンシ（ＰＣＬ）に基づいてデフォルト親を選択する。ノードがＫ個の親Ｐ_ｋ（ｋ＝１，２，…，Ｋ）を選択したと仮定する。各親Ｐ_ｋについて、ＰＣＬは以下によって与えられる。

ノードは、最小ＰＣＬを有する親をデフォルト親として選択する、すなわち、デフォルト親Ｐ_ｋは以下を満たす。

ネットワークトポロジ構築プロセスにおいて、Ｄ_Ｂは各ホップで同じであり、したがって、典型的には１に設定することができることに注意されたい。ＰＣＬ更新は、ＰＣＬ＝０を設定するシンクノードから始まる。更新は、ルーティング経路に沿って伝搬する。ノードがそのデフォルト親を選択すると、リンク送信レートＲが決定される。したがって、ノードは、式（４）を使用してそのＩＳを計算し、そのデフォルト親から受信したＰＣＬにＩＳ＊Ｄ_Ｂ／Ｒを加算する、すなわち、ＰＣＬ＝ＰＣＬ＋ＩＳ＊Ｄ_Ｂ／Ｒである。更新されたＰＣＬは、その後、ＤＩＯメッセージにおいて送信される。

図２Ｂは、シンクノードＳがＩＣ_Ｓ＝０、ＴＲＭ_Ｓ＝１、ＳＬＣ_Ｓ＝０、ＰＣＬ_Ｓ＝０、ＨＰ_Ｓ（ホップカウント）＝０、Ｒａｎｋ_Ｓ＝１などを設定する、シングルレートネットワークのためのＰＣＬ更新の一例を示す。ノードＡは、シンクノードＳからＤＩＯメッセージを受信すると、ネットワークに参加し、しきい値ＩＳ_ｔｈ＝１０未満であるそのＩＳ_Ａ＝５を計算し、したがって、ノードＡは被干渉ノードではない。その結果、ノードＡは、ＩＣ_Ａ＝ＩＣ_Ｓ＋０＝０、ＴＲＭ_Ａ＝１、ＳＬＣ_Ａ＝ＳＬＣ_Ｓ＋１＝１、ＰＣＬ_Ａ＝ＰＣＬ_Ｓ＋Ｄ_Ｂ／Ｒ_Ａ＝５ｍｓ、ＨＰ_Ａ＝ＨＰ_Ｓ＋１＝１、Ｒａｎｋ_Ａ＝２などを設定する。同様に、ノードＣは、ノードＡからＤＩＯを受信すると、ネットワークに参加し、しきい値ＩＳ_ｔｈ＝１０未満であるそのＩＳ_Ｃ＝２を計算し、したがって、ノードＣは被干渉ノードではない。その結果、ノードＣは、ＩＣ_Ｃ＝ＩＣ_Ａ＋０＝０、ＴＲＭ_Ｃ＝１、ＳＬＣ_Ｃ＝ＳＬＣ_Ａ＋１＝２、ＰＣＬ_Ｃ＝ＰＣＬ_Ａ＋Ｄ_Ｂ／Ｒ_Ｃ＝７ｍｓ、ＨＰ_Ｃ＝ＨＰ_Ａ＋１＝２、Ｒａｎｋ_Ｃ＝３などを設定する。他方、ノードＢも、シンクノードＳからＤＩＯメッセージを受信すると、ネットワークに参加し、そのＩＳ_Ｂを計算するが、この場合、干渉するネットワークは、データ送信が大量であるノードＥおよびノードＦを有する。したがって、ノードは、しきい値ＩＳ_ｔｈ＝１０よりも大きい、高いＩＳ_Ｂ＝１００を有し、したがって、ノードＢは、被干渉ノードである。その結果、ノードＢは、ＩＣ_Ｂ＝ＩＣ_Ｓ＋１＝１、ＴＲＭ_Ｂ＝１、ＳＬＣ_Ｂ＝ＳＬＣ_Ｓ＋１＝１、ＰＣＬ_Ｂ＝ＰＣＬ_Ｓ＋Ｄ_Ｂ／Ｒ_Ｂ＝１００ｍｓ、ＨＰ_Ｂ＝ＨＰ_Ｓ＋１＝１、Ｒａｎｋ_Ｂ＝２などを設定する。

ノードＤは、ノードＣおよびノードＢからＤＩＯメッセージを受信すると、ＰＣＬ_Ｃ＝７およびＰＣＬ_Ｂ＝１００であることがわかる。したがって、ノードＤは、デフォルト親の偶数経路Ｄ→Ｃ→Ａ→Ｓが経路Ｄ→Ｂ→Ｓよりも長いので、ノードＣを選択する。ＴＲＭおよびＳＬＣなどの他のパラメータをタイブレークに使用することができる。

従来のおよび新たなルーティングメトリックでは、ノードのランクを計算する多くの方法がある。以下は、４つの新たなメトリックを従来のランク計算に組み込むランク計算方法である。

式中、ＲＤはデフォルト親のランクであり、ＲＩは従来のＲＰＬルーティングメトリックおよびオブジェクト関数を使用することによって計算されるランク増加であり、Ｃ_ＩＣ、Ｃ_ＳＬＣ、Ｃ_ＭＬＣ、およびＣ_ＴＲＭは、それぞれＩＣ、ＳＬＣ、ＭＬＣ、およびＴＲＭの重要性を反映する係数である。これらの係数は、ノードが、より適切なデフォルト経路を発見する場合に、より小さなランクを有するように選択されなければならない。そうでなければノードはより大きなランクを有する。

提供されるルーティング経路発見メカニズムと従来のＲＰＬルーティング経路発見との間には重要な差異がある。１）ＤＩＯメッセージ送信：従来のＲＰＬにおいて、シンクノードを含むノードは、単一の送信レートを用いてＤＩＯメッセージを送信し、各ＤＩＯメッセージは１回のみ送信される。しかしながら、マルチレートノードは、異なる送信レートを使用する近隣ノードがＤＩＯメッセージを受信できることを確実にするために、各ＤＩＯメッセージを複数回送信する必要がある。２）近隣ノード：従来のＲＰＬにおいて、シンクノードを含むノードには１つの近隣ノードしかない。しかしながら、マルチレートノードは、複数の異なる送信レートに対応する複数の異なる近隣ノードを有し、たとえば、より送信レートはより大きな近隣ノードに対応し、より高い送信レートはより小さな近隣ノードに対応する。３）干渉回避：従来のＲＰＬは、他の無線ネットワークからの干渉を考慮していない。ますます多くの無線技術がＩｏＴアプリケーションのために開発されているので、干渉はルーティング技術によって考慮されなければならない。提供されるルーティング方法は、他の無線ネットワークからの干渉を考慮する。ルーティング経路発見において、ノードは、シンクノードへのそのルーティング経路内に干渉度が高いノードを有することを回避するように構成される。新たな機能性が追加された場合、本発明の共存およびマルチレート対応ＲＰＬは、ＣｏＭ－ＲＰＬと呼ばれる。

本発明の上述の実施形態は、非常に数多くのやり方のうちのいずれかのやり方で適用され得るものである。たとえば、図６は、マルチホップ無線ネットワークがスマートメータネットワークであり干渉するネットワークがＷｉ－Ｆｉネットワークであるユースケースシナリオを示す。スマートメータネットワークのシンクノードＳは、有線または無線接続を介してクラウド６１０に接続する。電力会社などのスマートメータネットワークのクライアント６５０は、クラウドを介してスマートメータネットワークに接続して、近隣の電力使用量を監視する。

本開示の上述の実施形態は、非常に多くのやり方のうちのいずれかのやり方で実現し得るものである。たとえば、実施形態は、ハードウェア、ソフトウェアまたはその組み合わせを用いて実現し得るものである。ソフトウェアで実現する場合、ソフトウェアコードは、単一のコンピュータに設けられていても複数のコンピュータに分散されていてもよい、任意の好適なプロセッサまたはプロセッサの集合体によって実行されてもよい。そのようなプロセッサは、１つ以上のプロセッサが集積回路構成要素内にある集積回路として実現されてもよい。とはいえ、プロセッサは、回路を用いて任意の適切なフォーマットで実現されてもよい。図７は、シングルレートノード１００およびマルチレートノード１２０の両方において本発明を実現することができる実装形態の一例を示す。実装形態７００は、トランシーバ７１０と、センサ７２０と、プロセッサ７３０と、ＩＥＤＲ／ＩＣＡＦＲ／ＩＣＯＲプログラム７４１、ＩＣ／ＴＲＭ／ＳＬＣ／ＭＬＣ／ＰＣＬプログラム７４２、および、最も重要には本発明の共存およびマルチレートＲＰＬ（ＣｏＭ－ＲＰＬ）７４３を格納する、メモリモジュール７４０とを含む、ノードデバイス７００であってもよい。場合によっては、各ノードデバイス７００がスマートメータであってもよく、複数のノードデバイス７００のネットワークはスマートメータネットワークと呼ばれることがある。

図８は、本発明の実施形態に係る、マルチホップ無線通信システムからなるスマートメータネットワーク８００を示す概略図である。スマートメータの各々は、トランシーバ７１０と、センサ７２０と、プロセッサ７３０と、ＩＥＤＲ／ＩＣＡＦＲ／ＩＣＯＲプログラム７４１、ＩＣ／ＴＲＭ／ＳＬＣ／ＭＬＣ／ＰＣＬプログラム７４２、および、最も重要には本発明の共存およびマルチレートＲＰＬ（ＣｏＭ－ＲＰＬ）７４３を格納する、メモリモジュール７４０とを含み得るものであり、よって、各スマートメータは、ガス、電力、水道メータデータを、または、ガス、電力、水道メータデータの任意の組み合わせを収集することができる。スマートメータのセンサの各々は、ネットワーク内のセンサを遠隔制御するように構成される。収集されたデータ（ガス、電力、水道メータデータ、または、ガス、電力、水道メータデータの任意の組み合わせ）は、ヘッドエンドシステム８６（ＨＥＳ：head end system）およびデータコンセントレータユニット（ＤＣＵ：data concentrator unit）８５を介してメータデータ管理システム８７（ＭＤＭＳ：meter data management system）に提供される。スマートメータネットワーク８００は、無線通信ネットワークであってもよく、または無線通信ネットワークと有線通信ネットワークとの組み合わせであってもよい。

例として、ビッドリエゾン・エネルギディスパッチャ（ＢＬＥｎＤｅｒ：Bid Liaison and Energy Dispatcher）が、マルチホップ無線通信システムに使用されるパッケージソフトウェアとして提供され、これは、電力産業の設備をサポートしより効率的な動作のためのスマートメータを実現するために、三菱電機によって開発されたものである。

さらに、ブレンダインテリジェント通信（ＩＣＥ：BLEnDer Intelligent Communication）バッテリ駆動無線通信端末を、ガスおよび水道メータデータを収集しネットワーク内のセンサを遠隔制御するノード（ノードデバイス）を含むセンサネットワーク内で使用することができる。端末は、設備およびインフラストラクチャのオペレータのメンテナンス作業においてより高い効率を実現するために、自動的に読み取られ、遠隔で監視および制御されるスマートメータである。これまでに行われた各種試験は、端末が現場で安定して動作し通信することを実証している。

ブレンダインテリジェント通信エッジ（ＩＣＥ）端末は、各種通信方法を通じてスマートメータを管理し制御するブレンダＨＥ（ＢＬＥｎＤｅｒＨＥ）（ヘッドエンド）ソフトウェア（プログラム）、および、無線マルチホップ通信を利用するブレンダメッシュ(ＢＬＥｎＤｅｒＭＥＳＨ）ソフトウェア（プログラム）と協働して、低コストで広範囲のスマートメータ通信網を実現することができる。この場合、メモリモジュール７４０は、スマートメータを制御するように構成されたＢＬＥｎＤｅｒＨＥソフトウェアと、無線マルチホップ通信を利用して広範囲スマートメータ通信ネットワークを実現するように構成されたＢＬＥｎＤｅｒＭＥＳＨソフトウェアとを格納するように構成される。

本発明のいくつかの実施形態は、２０２４年に開始されると予想される第２世代スマートメータシステムに適用することができる。いくつかの実施形態は、シングルレートノード（ＳＲＮ）およびマルチレートノード（ＭＲＮ）からなる２つの異なる通信ネットワークを混合するための解決策を提供することができる。本発明の実施形態に従うと、通信ネットワークに混在する少なくとも２つの異なる通信システムを扱うことが可能となる。混合環境は、２つの通信方法をサポートするネットワーク内のいくつかの中継ノードであってもよい。例として、データコンセントレータユニット（ＤＣＵ）は、いずれかの通信方法をサポートすることができ、ＤＣＵは両方の通信方法をサポートすることができ、よって、通信ネットワーク間の干渉を実質的に低減することができる。

場合によっては、混合通信ネットワークは、２つのシステム、たとえば、通信システムＡおよび通信システムＢにグループ化されてもよい。

例として、通信システムＡおよび通信システムＢは、以下のようにグループ化することができる。
通信システムＡ：
ＢｉｄＬｉａｉｓｏｎａｎｄＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐａｔｃｈｅｒ（ＢＬＥｎＤｅｒ）ＭＥＳＨシステム；
８０２．１５．４ｇＦＳＫＳＲＮ／ＭＲＮ
拡張ＩＥＴＦＲＰＬ
通信システムＢ：
新たなシステムＷｉ－ＳＵＮＦＡＮシステム
８０２．１５．４ｇＦＳＫＳＲＮまたはＭＲＮ
８０２．１５．４ｇ直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）
ＩＥＴＦＲＰＬ（低電力および損失ネットワークのためのルーティングプロトコル）
ＭＲＮ：マルチレートノード
ＦＳＫ：周波数シフトキーイング
ＩＥＴＦ：インターネット技術特別調査委員会
ＲＰＬ：低電力および損失ネットワークのためのルーティングプロトコル

この場合、リンクメトリックの計算は、通信システムＡと通信システムＢとの間で異なり得る。

図９は、本発明のいくつかの実施形態に係る、少なくともＢＬＥｎＤｅｒ、Ｗｉ－ＳＵＮＦＡＮ、ならびにＢＬＥｎＤｅｒおよびＷｉ－ＳＵＮＦＡＮのハイブリッドを含む通信システムからなる通信ネットワーク９００を示す概略図である。２つの通信システムの相互運用性は、Ｂ（ＢＬＥｎＤｅｒ）、Ｗ（Ｗｉ－ＳＵＮＦＡＮ）、Ｂ／Ｗ（ＢＬＥｎＤｅｒとＷｉ－ＳＵＮＦＡＮのハイブリッド）の間で実現することができる。

Ｂ／Ｗは、ＢとＷの両方を接続し、ランク計算、リンクメトリックなどに基づいて適切なルートにより日付を扱うことができる。必要に応じて、Ｂ／Ｗは、低ノードデータをＢからＷ（またはＷからＢ）に変換する。各ノードは、「Ｂ」および「Ｗ」が同じＩＥＥＥ８０２．１５．４ｇ（ＦＳＫ）モードを使用するとき、「Ｂ／Ｗ」ノードから２つのタイプのＤＩＯを受信し得るにもかかわらず、（ＤＩＯのような）ＲＰＬメッセージを識別しなければならない。

また、本発明の実施形態は、方法として実施されてもよく、その一例が提供されている。この方法の一部として実行される動作の順序は任意の適切なやり方で決められてもよい。したがって、実施形態は、例示されている順序と異なる順序で動作が実行されるように構成されてもよく、これは、いくつかの動作を、例示されている実施形態では一連の動作として示されるが、同時に実行することを含み得る。

請求項において、ある請求項の要素を修飾する「第１」、「第２」のような順序を表す用語は、それ自体が、請求項のある要素の、別の要素に対する優位、先行、もしくは順序、または、方法の動作を実行する時間的順序を内包している訳ではなく、単に、請求項の要素を区別するために、（順序を表す用語が使用されていない場合に）特定の名称を有する請求項のある要素を同じ名称を有する別の要素と区別するためのラベルとして使用されているにすぎない。

本発明を好ましい実施形態の例を用いて説明してきたが、本発明の精神および範囲の中でその他各種の適合および修正を行い得ることが理解されるはずである。

したがって、添付の請求項の目的は、本発明の真の精神および範囲に含まれるそのような変形および修正のすべてをカバーすることである。

Claims

共存する干渉ネットワークからの干渉を回避するように構成されたマルチホップネットワークを形成するためのノードデバイスであって、前記ノードデバイスは、
宛先指向の有向非巡回グラフ（ＤＯＤＡＧ）情報オブジェクトメッセージ（ＤＩＯメッセージ）に関するデータを受信および送信するように構成されたトランシーバと、
被干渉ノードカウント（ＩＣ）と、シングルレートリンクカウント（ＳＬＣ）と、マルチレートリンクカウント（ＭＬＣ）と、ホップカウント（ＨＰ）と、経路通信レイテンシ（ＰＣＬ）と、干渉効率およびマルチレートサポートルーティングプログラムＣｏＭ－ＲＰＬとを含むコンピュータ実行可能プログラムを格納するように構成されたメモリと、
前記コンピュータ実行可能プログラムのステップを実行するように構成されたプロセッサとを備え、前記ステップは、
受信した前記ＤＩＯメッセージが新たなＤＯＤＡＧを示すのか、または既存のＤＯＤＡＧを示すのかを、判断するステップを含み、
前記判断するステップにおける判断結果が、前記新たなＤＯＤＡＧを示し、マルチホップネットワークの経路上にシングルレートリンクおよび被干渉ノードがない場合、前記ノードデバイスはＤＯＤＡＧネットワークに参加し、前記プロセッサは、前記ＤＩＯメッセージの送信元をデフォルト親として選択し、それ自体のランクを計算し、そのランク、ＩＣ、ＳＬＣ、ＴＲＭ、ＨＰ、ＰＣＬでＤＩＯメッセージを更新し、送信レートモードに基づいて、スケジューリングされたＤＩＯメッセージを送信し、前記経路がシングルレートノードまたは／および被干渉ノードを含む場合、前記プロセッサは、前記ＤＩＯメッセージの送信元を親として選択し、より適切な経路を待つためにＤＩＯ待機タイマを起動し、タイマが終了すると、前記ノードデバイスは、ネットワークに参加し、通信経路レイテンシ（ＣＰＬ）が最小のデフォルト親を選択し、更新されたＤＩＯメッセージを送信する、ノードデバイス。
新たなＤＯＤＡＧに対するＤＩＯメッセージの処理は、ＤＯＤＡＧの参加についての判断と、ノードデバイスのランク、ＳＬＣ、ＩＣおよびＰＣＬの計算とを含み、既存のＤＯＤＡＧに対するＤＩＯの処理は、ノードデバイスのＳＬＣ、ＩＣ、およびＰＣＬのランクを計算することと、ランクを比較することと、ノードデバイスのＰＡＲＥＮＴ＿ＳＥＴ＿ＳＩＺＥ親までを決定することとを含み、
ＰＡＲＥＮＴ＿ＳＥＴ＿ＳＩＺＥのデフォルト値は３であり、前記ランクは、

を使用して計算され、式中、Ｒ_Ｄはデフォルト親のランクであり、Ｒ_Ｉは従来のＲＰＬルーティングメトリックおよびオブジェクト関数を使用することによって計算されるランク増加であり、Ｃ_ＩＣ、Ｃ_ＳＬＣ、Ｃ_ＭＬＣ、およびＣ_ＴＲＭは、それぞれＩＣ、ＳＬＣ、ＭＬＣ、およびＴＲＭの重要度を反映する係数である、請求項１に記載のノードデバイス。
前記判断結果が前記新たなＤＯＤＡＧを示し、前記経路がシングルレートノードまたは／および被干渉ノードを含む場合、前記プロセッサは、ＤＩＯ待機タイマを起動し、デフォルト親を選択し、ＤＩＯメッセージを送信するようにスケジューリングする、請求項１に記載のノードデバイス。
前記判断結果が前記既存のＤＯＤＡＧを示し、前記ノードデバイスがＤＯＤＡＧに参加しておりそのランクがＤＩＯ送信元のランクよりも大きくかつ前記ノードデバイスが十分な親を有していない場合、前記プロセッサは、前記送信元を親セットに追加し、前記ノードデバイスがＤＯＤＡＧに参加しておりそのランクがＤＩＯ送信元のランクよりも大きくかつ前記ノードデバイスが十分な親を有している場合、前記ノードデバイスは、前記ＤＩＯメッセージの送信元がより適切なルーティング経路を提供するのであれば、既存の親を前記ＤＩＯメッセージの送信元で置き換えることによって前記親セットを更新する、請求項１に記載のノードデバイス。
前記判断結果が前記既存のＤＯＤＡＧを示し、前記ノードデバイスがＤＯＤＡＧに参加しており、前記ノードデバイスのランクが前記ＤＩＯ送信元のランクよりも大きくない場合、前記プロセッサは前記ＤＩＯメッセージを破棄する、請求項１に記載のノードデバイス。
前記判断結果が前記既存のＤＯＤＡＧを示し、前記ノードデバイスがＤＯＤＡＧに参加しておらず、ＳＬＣ＝０およびＩＣ＝０である場合、前記プロセッサは、前記送信元をデフォルト親として設定し、前記ノードデバイスのランクを計算し、親セットを更新し、前記ＤＩＯを更新し、送信レートモードに基づいて、スケジューリングされたＤＩＯメッセージを送信する、請求項１に記載のノードデバイス。
前記判断結果が前記既存のＤＯＤＡＧを示し、前記ノードデバイスがＤＯＤＡＧに参加しておらず、ＳＬＣ＝０およびＩＣ＝０が充足されない場合、前記ノードが十分な親を有しているか否かについてもう１つの判断が行われる、請求項１に記載のノードデバイス。
前記もう１つの判断の結果が、前記ノードデバイスが十分な親を有していないことを示す場合、前記プロセッサは、前記送信元を前記親セットに追加し、そうでなく、前記ノードデバイスが十分な親を有している場合、前記プロセッサは、前記ＤＩＯメッセージの送信元がより適切なルーティング経路を提供するのであれば、既存の親を前記ＤＩＯメッセージの送信元と置き換えることによって前記親セットを更新する、請求項７に記載のノードデバイス。
被干渉ノードカウント（ＩＳ）が、干渉エネルギ検出率（ＩＥＤＲ）、被干渉チャネルアクセス失敗率（ＩＣＡＦＲ）、および被干渉チャネル占有率（ＩＣＯＲ）のうちの、１つまたは組み合わせによって計算され、

であり、式中、ｘは、ＩＥＤＲ、ＩＣＡＦＲおよびＩＣＯＲのうちの１つまたは組み合わせを用いて計算された数である、請求項１に記載のノードデバイス。
前記マルチホップネットワークは、シンクノードと直接通信することができず前記ノードデバイスと前記シンクノードとの間でパケットを中継する少なくとも１つの中間ノードデバイスを通して前記シンクノードとパケットを交換する、少なくとも１つのノードデバイスを含む、請求項１に記載のノードデバイス。
前記マルチホップネットワークは、少なくとも１つのシンクノード、少なくとも１つのシングルレートノード（ＳＲＮ）、少なくとも１つのマルチレートノード（ＭＲＮ）、または、前記少なくとも１つのシンクノード、前記少なくとも１つのシングルレートノード、および前記少なくとも１つのマルチレートノードの組み合わせを含む、請求項１に記載のノードデバイス。
前記ノードデバイスは、信号エネルギレベルを測定するように構成されたエネルギ検出器をさらに備える、請求項１に記載のノードデバイス。
前記プロセッサは、前記マルチホップネットワーク内のノードデバイスによって検出された信号送信の総数（ＥＤ_ｔ）と、前記マルチホップネットワークとは異なる干渉ネットワークから送信される干渉信号送信の総数（ＥＤ_ｉ）との間の比に基づいて定義された干渉エネルギ検出率（ＩＥＤＲ）

を使用して、干渉の重大度を求める、請求項１２に記載のノードデバイス。
前記プロセッサは、被干渉チャネルアクセス失敗率（ＩＣＡＦＲ）に基づいて干渉の重大度を求める、請求項１に記載のノードデバイス。
ＩＣＡＲＲが、マルチホップネットワーク内のノードデバイスによる送信試行の総数（Ｎ_ｔｘ）と、マルチホップネットワーク内の前記ノードデバイスによってカウントされるチャネルアクセス失敗の総数（Ｎ_ｃａｆ）と、マルチホップネットワーク送信によって引き起こされるチャネル障害の数（Ｎ_ｍ）とに基づいて計算される、

請求項１４に記載のノードデバイス。
前記ノードデバイスは、データ送信、データ受信、またはデータ送信とデータ受信との組み合わせに関して、期間Ｔの間のチャネルビジー期間Ｔ_ｂを測定するように構成されたチャネルステータス検知機能をさらに備える、請求項１に記載のノードデバイス。
前記プロセッサは、前記ビジー期間Ｔ_ｂと、期間Ｔにわたってマルチホップネットワークによって消費されるチャネルビジー時間Ｔ_ｍとを使用した、被干渉チャネル占有率（ＩＣＯＲ）

に基づいて、干渉の重大度を求める、請求項１６に記載のノードデバイス。
前記プロセッサは、ＩＥＤＲ、ＩＣＡＦＲ、およびＩＣＯＲのうちの１つまたは組み合わせを使用して、干渉重大度（ＩＳ）を

として求め、式中、ｘは、ＩＥＤＲ、ＩＣＡＦＲ、およびＩＣＯＲのうちの１つであり得る、請求項１に記載のノードデバイス。
前記トランシーバは、送信レートモード（ＴＲＭ）に基づき少なくとも１つの無線ネットワークを介して通信するように構成される、請求項１に記載のノードデバイス。
前記コンピュータ実行可能プログラムは、スマートメータを制御するように構成されたビッドリエゾン・エネルギディスパッチャ（ＢＬＥｎＤｅｒ）ヘッドエンドプログラムと、前記マルチホップネットワークにおいて無線マルチホップ通信を利用するように構成されたブレンダメッシュプログラムとを含む、請求項１に記載のノードデバイス。
命令を格納する非一時的なコンピュータ実行可能媒体であって、前記命令は、プロセッサに、
受信されたＤＩＯメッセージが新たなＤＯＤＡＧを示すのか、または既存のＤＯＤＡＧを示すのかを判断するステップを実行させ、
前記判断するステップにおける判断結果が、前記新たなＤＯＤＡＧを示し、ルーティング経路が被干渉ノードおよびシングルレートノードを含まない場合、前記プロセッサは、ＤＩＯメッセージの送信元をデフォルト親として選択し、ノードデバイスのランクを計算し、前記ＤＩＯメッセージを更新し、送信レートモードに基づいて、スケジューリングされた前記ＤＩＯメッセージを送信し、マルチレートノードは前記ＤＩＯメッセージを複数回送信し、
前記判断結果が既存のＤＯＤＡＧを示す場合、前記プロセッサは、前記ＤＩＯメッセージの送信元によって提供されるルーティング経路が被干渉ノードおよびシングルレートノードを含まないのであれば、ＤＯＤＡＧに参加し、または、前記プロセッサは、前記ルーティング経路が被干渉ノードまたは／およびシングルレートノードを含むのであれば、または前記ノードデバイスが既にＤＯＤＡＧに参加しているのであれば、親セットを更新する、非一時的なコンピュータ実行可能媒体。