JP4230918B2 - セキュリティ及びビル・オートメーションのシステムに利用される信頼性の高い自己組織化する低電力無線ネットワークのためのプロトコル - Google Patents
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Description
本出願は、2002年1月10日に出願された米国仮特許出願第60/347、569号に基づく優先権を主張し、2002年11月21日に出願された「管理及び制御のための階層型無線自己組織ネットワーク」と題された出願に関連する。両出願は、参照により本明細書に援用される。
本発明は、監視及び制御のためのセンサー及びアクチュエータを無線でネットワーク接続するためのプロトコルを記述する。
ネットワークは、監視及び制御に適用され得る。しかし、そのようなネットワークを実現するための実質的なコストの金額には、例えばネットワークの設計、ネットワーク要素の設置、及びネットワーク要素の配置の構成/再構成が含まれ得る。更に、そのようなネットワークには、資源の消費及び/又はネットワーク・トポロジの制約の点で制限を課し得る電池式の装置が含まれ得る。
本発明は、例えば煙探知機、運動探知機、温度センサー、ドア接触、警報音発生器、又はバルブ・アクチュエータを含む監視及び制御のためのセンサー及びアクチュエータを無線でネットワーク接続するためのプロトコルを記述する。該プロトコルは、様々な複雑さを有するノード・タイプであって、2つの独立したネットワーク(いわゆるクラスター・ヘッド・ネットワーク及びセンサー/アクチュエータ・ノード・ネットワーク)を形成する少なくとも2つの異なるノード・タイプを含むことにより故障単点を回避する階層型システム構造上に形成される。2002年11月21日に出願され「管理及び制御のための階層型無線自己組織ネットワーク」と題された米国特許出願において論じられた全システムは、分散された方法で少数の基幹ノード(いわゆるクラスター・ヘッド)により制御され、各クラスター・ヘッドにおいて全ネットワークに関する情報がアクセスされる。より小さなシステムでは、単一の基幹ノード(例えば、単一のクラスター・ヘッド)を利用してもよい。
以下の説明において、「センサー・ノード」という用語は、センサー・ノード及びアクチュエータ・ノードの両方を集合的に表すために利用される。同様に、「センサー・ノード・ネットワーク」という用語は、センサー及び/又はアクチュエータからなるネットワークを集合的に表すために利用される。センサー・ノード・ネットワーク内の通信は、無作為なバック・オフを備える搬送波感知多重アクセス(CSMA)に基づき得る。送信されたパケットは、物理層により定義されるプリアンブルと、開始シンボル及び制御バイトと、パケット・タイプと、パケット長と、送信元及び/又は宛て先のノード識別子と、巡回冗長検査符号(CRC)とを含み得る。オプションとして、送信は、共有鍵の交換を伴うリンク層の暗号化によりセキュリティを確保され、メッセージ認証コード(MAC)により認証され得る。
リンク品質のモニタリングは、監視のために用意されたタイム・スロットの間に差し挟まれる特定の数のタイム・スロットが各ノードに割当てられるようスケジュールされ得る。リンク品質のモニタリングのために用意されたタイム・スロットは、「受信」距離内のノードが互いに衝突しないよう割当てられ得る。リンク品質モニタリングのスケジューリングは、タイム・スロットの予約に関する情報がネットワーク・トポロジの確立期間にノードに配布されるよう、クラスター・ヘッドにて実行され得る。
Claims (48)
- センサー・ノードを無線でネットワーク接続する方法であって、
複数のノード・レベル及びクラスター・ヘッド・ネットワークを備える階層的な方法で配置されたセンサー・ノード・ネットワークに、センサー・ノードを設置するステップと、
前記センサー・ノードに一意の識別子を割当てるステップと、
前記センサー・ノード・ネットワークを初期化するステップとを備え、
前記センサー・ノードは、定期的に起動状態に入り、受信されたメッセージの開始に起動シーケンスが含まれるか否かを決定し、
前記決定に応答して、前記起動シーケンスが含まれている場合には、起動状態を維持し、実行のための前記起動シーケンスが送信されたタスクを実行し、タスクが完了した場合に、前記センサー・ノード・ネットワークにおける全てのノード・レベルに対するメッセージの伝達に先立って、続いてアクティブな停電力モードへ入る、
方法。 - 請求項1記載の方法であって、更に、前記センサー・ノードに暗号鍵を配布するステップを備える方法。
- 請求項1記載の方法であって、前記センサー・ノード・ネットワークを初期化する前記ステップが、
仮トポロジを確立し、前記センサー・ノード・ネットワークを同期させるステップと、
前記センサー・ノード・ネットワークの少なくとも1つのリンクを検出し評価するステップと、
前記センサー・ノード・ネットワークのセンサー・ノードを、前記クラスター・ヘッド・ネットワークのクラスター・ヘッドに登録するステップと、
を備える方法。 - 請求項3記載の方法であって、仮トポロジを確立し同期させる前記ステップが、更に、
下位レベルのノードから上位レベルのノードへ起動信号をブロードキャストするステップと、
前記下位レベルのノードから前記上位レベルのノードへ初期化パケットを送信するステップと、
前記上位レベルのノードを同期させるステップと、
前記上位レベルのノードから前記下位レベルのノードへ仮登録パケットを送信するステップと、
前記起動信号をブロードキャストする前記ステップ、前記初期化パケットを送信し同期させる前記ステップ、及び前記仮登録パケットを送信する前記ステップを、全てのノード及び所定レベルより上の全てのノードのいずれかに到達するまで繰り返すステップと、
を備える方法。 - 請求項3記載の方法であって、検出し評価する前記ステップが、更に、複数のリンク評価パケットをブロードキャストするステップを備える方法。
- 請求項5記載の方法であって、前記リンク評価パケットが完全に無作為な方法でブロードキャストされる方法。
- 請求項5記載の方法であって、前記リンク評価パケットが、タイム・スロットに分割された、無作為化された又は決定性の方法でブロードキャストされる方法。
- 請求項7記載の方法であって、ブロードキャスト期間が、前記センサー・ノード・ネットワークの各レベルのためのタイム・スロットに分割される方法。
- 請求項8記載の方法であって、前記ブロードキャストが、前記タイム・スロットのわずかな一部分でのみ発生する方法。
- 請求項8記載の方法であって、前記ブロードキャストが前記タイム・スロットにおいて無作為に発生する方法。
- 請求項8記載の方法であって、前記ブロードキャストが、任意の2つのノードが最大でも1つのタイム・スロット内でのみ干渉することを保証するコードに基づいて発生する方法。
- 請求項3記載の方法であって、登録の前記ステップが、更に、複数の登録パケットを送るステップを備える方法。
- 請求項12記載の方法であって、前記登録パケットが、無作為化された個別ノードの手法により送られる方法。
- 請求項12記載の方法であって、前記登録パケットが、タイム・スロットが割当てられたレベルごとの手法により送られる方法。
- 請求項14記載の方法であって、ブロードキャスト期間が、前記センサー・ノード・ネットワークの各レベルに対するタイム・スロットに分割される方法。
- 請求項12記載の方法であって、上位レベル・ノードからの登録データが、下位レベル・ノードにより送信される登録パケットに積重ねられる方法。
- 請求項3記載の方法であって、更に、全センサー・ノードのための全体的なネットワーク・トポロジを計算するステップを含む方法。
- 請求項17記載の方法であって、前記ネットワーク・トポロジが、電力消費を低減するよう計算される方法。
- 請求項17記載の方法であって、全てのノードの電池寿命が実質的に等しくなるよう、前記ネットワーク・トポロジが計算される方法。
- 請求項17記載の方法であって、更に、前記全体的なネットワーク・トポロジを各クラスター・ヘッドに配布するステップを備える方法。
- 請求項20記載の方法であって、前記ネットワーク・トポロジを配布するステップが、更に、複数のトポロジ確立パケットを送信するステップを備える方法。
- 請求項21記載の方法であって、前記トポロジ確立パケットが無作為な方法で送信される方法。
- 請求項21記載の方法であって、前記トポロジ確立パケットがレベルごとにタイム・スロットを割当てられる方法で送信される方法。
- センサー・ノード・ネットワークのセンサー・ノードに対する送信リンクのRFチャネルをモニタリングする方法であって、
定期的に起動状態に入るステップと、
前記起動状態の間、
RSSI測定読み出しを行うステップと、
プリアンブルにおいて特有のRF起動シーケンスを検索するステップと、
特有のRF起動シーケンスが検索するステップにおいて検出された場合に、
有効な開始シーケンスを検索するステップと、
入力パケットのパケット・ヘッダを読み取りし、
前記入力パケットの内容に従ってタスクを実行し、
前記センサー・ノードをアクティブな低電力モードに設定する、
前記起動状態を維持するステップと、
を備え、
前記特有のRF起動シーケンスが、当該センサー・ノードにより実行されるべきタスクに従って複数のRFチャネルに分離され、前記タスクがそれぞれに要求される待ち時間に応じて異なる周波数でモニタリングされるよう、前記タスクに相対的な優先度が割当てられる方法。 - 請求項24記載の方法であって、有効な開始シーケンスを検索する前記ステップが、更に、
前記の割当てられた相対的な優先度に応じて前記有効な監視シーケンスを走査するステップ
を備える方法。 - 複数のノード・レベル及びクラスター・ヘッド・ネットワークを備える階層的な方法で配置されたセンサー・ノード・ネットワークを動作させる方法であって、
起動状態に入るようセンサー・ノードを定期的に起動するステップと、
受信されたメッセージの開始において起動シーケンスが含まれているかを決定するステップと、
前記決定に応答して、前記起動シーケンスが含まれている場合に、
前記起動状態を維持し、
メッセージを送信し、
実行のための前記起動シーケンスが送信がされたタスクが完了した場合に、前記センサー・ノード・ネットワークにおける全てのノード・レベルに対するメッセージの伝達に先立って、前記センサー・ノードをアクティブな低電力モードに設定するステップと、
を備える方法。 - 請求項26記載の方法であって、前記センサー・ノードがおよそ毎秒に1〜4回起動される方法。
- 請求項26記載の方法であって、前記メッセージを送信するステップが、更に、複数の優先度の高い制御パケットを送信するステップを備える方法。
- 請求項28記載の方法であって、前記優先度の高い制御パケットが、幾つかの前記ノード・レベルにおけるノードに対しマルチキャストで送信される方法。
- 請求項28記載の方法であって、前記優先度の高い制御パケットが、単一のノードにユニキャストで送信される方法。
- 請求項28記載の方法であって、更に、監視肯定応答パケットに優先度の低いメッセージのみを積重ねるステップを備える方法。
- 請求項26記載の方法であって、前記メッセージを送信するステップが、更に、複数の警告パケットを送信するステップを備える方法。
- 請求項32記載の方法であって、前記警告パケットがディレクテド・フラッディング手法で送信される方法。
- 請求項33記載の方法であって、更に、
前記警告パケットの送信の前に起動シーケンスをブロードキャストするステップと、
前記起動シーケンス及び警告パケットを、中間センサー・ノードを介して前記クラスター・ヘッド・ネットワークに送るステップと、
を備える方法。 - 請求項26記載の方法であって、前記メッセージを送信するステップが、更に、警告パケットを、別途定義されたトポロジを介してユニキャストで送信するステップを備える方法。
- 請求項26記載の方法であって、前記メッセージを送信するステップが、更に、レベルに基づくタイム・スロットの手法、親と複数の子とのレベルに基づくタイム・スロットの手法、及び、親と子とのレベルに基づくタイム・スロットの手法のうちの一つにより複数の監視パケットを送信するステップを備える方法。
- 請求項36記載の方法であって、前記監視パケットがおよそ1時間に一度送信される方法。
- 請求項26記載の方法であって、前記メッセージを送信するステップが、更に、複数のリンク評価パケットを送信するステップを備える方法。
- 請求項38記載の方法であって、前記リンク評価パケットが、警告パケット及び制御パケットのうちの少なくとも一つから分離されたRFチャネルで送信される方法。
- 請求項38記載の方法であって、前記リンク評価パケットが1日に一度送信される方法。
- 請求項26記載の方法であって、前記メッセージを送信するステップが、更に、リセットに応じてSOSパケットを送信するステップを備える方法。
- 請求項26記載の方法であって、前記メッセージを送信するステップが、更に、新ノード・パケットを送信するステップを備える方法。
- 請求項26記載の方法であって、前記メッセージを送信するステップが、更に、登録パケットを送信するステップを備える方法。
- 請求項1記載の方法であって、更に、前記センサー・ノードのクロックを更新するよう、肯定応答される監視パケットにより前記センサー・ノード・ネットワークを監視するステップを備える方法。
- 請求項1記載の方法であって、前記センサー・ノードのクロックが、該ノードのレベルに関して同期される方法。
- 請求項3記載の方法であって、前記センサー・ノード・ネットワークの前記少なくとも1つのリンクが、電力レベル、及び到達可能なネットワーク要素へのパケット成功率の少なくともいずれかに基づいて評価される方法。
- 請求項3記載の方法であって、前記センサー・ノード・ネットワークの 前記少なくとも1つのリンクが、該少なくとも1つのリンクの少なくとも1つの統計を更新するために評価される方法。
- 請求項36記載の方法であって、前記監視パケットが、周期的に送信される方法。
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