JP4964668B2 - 無線通信ネットワーク間の通信ゲートウェイ - Google Patents

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Description

本発明は、無線通信ネットワーク、特にセンサー/アクチュエータ用のネットワークによってメッセージを交換できる通信システムに関する。
係る通信システムは、例えばビル自動化(照明操作、温度制御など)、産業自動化や自動計測(AMR:Automatic Meter Reading)などの分野で使用される。
以下、通信プロトコルがネットワークアクセス制御(MAC層:Medium Access Control:媒体アクセス制御)を実行する能力を統合するネットワークを全て「次世代通信ネットワーク」と呼ぶ。ネットワークアクセス制御には、ネットワークに接続したそれぞれの装置(または通信ノード)間のトラフィック制御も含む。次世代通信ネットワークでのプロトコルは、例えば送信する前にリスンする機構や、タイムアウトおよびアクノレッジ機能を有するメッセージ再送信機構を有する場合がある。次世代通信ネットワークには、これらの機能(特にCSMA、自動再送信、アクノレッジ、メッシングなど)があるので、通信ノードは送信器としても受信器としても機能する必要がある。ジグビー(ZigBee)技術は、このようなRF通信ネットワークの一例である。これは、“ZigBee Alliance”(ジグビー・アライアンス)からの“ZigBee Specification V1.0”(ジグビー仕様V1.0)に記載される。下位の通信層において、この技術は現在IEEE802.15.4規格に準拠するが 、IEEE802.15.4bまたはIEEE802.15.4aに準拠する場合もある。
無線通信ネットワークで対話する通信ノードは、従来の外部電源(配線)または内部電池あるいは機械エネルギーを一時的に電気エネルギーに変換する装置などの小型電源のみで給電される。後者の場合は、消費を最低限に抑えるために、通信ノードを常にスリープまたはスタンドバイ状態にする。ネットワークに情報を送信するには、定期的に起動するか、インタラプト(例えば、リモコン、無線照明スイッチまたは無線のリミットセンサーの場合では、外部の機械的な作用)で起動することができる。
次世代通信ネットワークでメッセージを直接交換するには、一般に起動されたノードがチャネルを占有する前にそのチャネルをリスンする必要があり、そして通信ネットワークにメッセージを送信し、返信を待って、第一メッセージが認められなかった場合は、そのメッセージを再送信する。
このような次世プロトコルを実行するために、通信ノードには受信手段を必要とし、また数百ミリ秒ほどの時間、活動段階に保持する必要がある。これらのノードの送信・受信段階ではかなりのエネルギーを消費し、要求毎にこのエネルギーを内部電池から取り込む場合は通常より早く電池を放電してしまう恐れがあり、また一時的にエネルギー変換する装置からのエネルギーには適応しない。
このため、以下に単純送信器と呼ばれ、通常、小型エネルギー源で給電され、メッセージ受信手段がなく、ブラインドで短いメッセージを無線送信することしかできない通信ノードが既に存在する。このような単純送信器は、次世代通信ネットワークに直接使用できず、ネットワークアクセス制御(MAC層)の機能を有しない単純な通信プロトコルを使用する通信ネットワークのみで通信できる。しかしながら、例えば複数のメッセージリレーを介して、複数の受信機と通信する複数の単純送信器からなる場合は、このような単純なプロトコルでは、ネットワークはすぐに制御不可能になる(エコー、 妨害、ループなど)。単純送信器は、例えばプッシュボタン、スイッチ、リミットセンサーなどの無線かつ無電池ボタンで、この唯一のエネルギー源はこのボタンの作動によるものであって、短時間でボタン作動の機械エネルギーを電気エネルギーに変換することによるものである。
特許文献1は、スター型またはメッシュネットワークで接続されたトランシーバ(送受信機)によって無線通信ネットワークを介して通信する、自動車に広く流通している自動化システムを記載する。しかし、このシステムは相変わらず同種のネットワークを記載し、全てのトランシーバはIEEE802.15.4プロトコルの物理層PHYのみか、IEEE802.15.4プロトコルの物理層PHYとMAC層か、IEEE802.15.4規格に準拠するジグビーのいずれかを使用する。この文献は、IEEE802.15.4の物理層PHYのみを使用するネットワーク、およびIEEE802.15.4の物理層PHYとMAC層を使用する他のネットワークのいずれからもメッセージを受信できる通信ゲートウェイについては言及されていない。
単純送信器は、無線の次世代通信ネットワークに接続されたノードへメッセージを送信するには通信ゲートウェイを通らなければならず、通信ゲートウェイは一方では単純送信器からのメッセージを常にリスンすることができ、また他方では次世代通信ネットワークを介して、このメッセージを他の受信者へルーチングすることができる。
しかしながら、この場合、通信ゲートウェイは、第一の単純な通信ネットワークを介して単純送信器と通信するための第一受信手段と、第二の次世代通信ネットワークを介して他のノードと通信するための第二受信手段とを有する必要がある。この構成の欠点は、ゲートウェイで二種類の技術を使用する必要があることである。第一技術は次世代通信ネットワークで通信する無線送受信機のためのもので、また別の第二技術は関連する単純送信器からのメッセージを傍受する役割を果たす無線受信器のためのものである。ゲートウェイにおいて、この二重の技術は大きな追加費用がかかる元となる。
US2005−171662A1号明細書
このため、本発明の目的は、第一無線次世代通信ネットワークで遠隔ノードとメッセージを受信・送信し、また第二無線通信ネットワークで送信器からのメッセージを受信することのできる通信ゲートウェイのコストを大幅に低下させることにある。
このため、本発明は、ネットワークアクセス制御を含むプロトコルに従って、第一無線通信ネットワークで少なくとも一つの遠隔通信ノードと通信するためのメッセージの送信手段と受信手段を備えた通信ゲートウェイを記載する。前記受信手段はまた、ネットワークアクセス制御を含まないプロトコルに従って第二無線通信ネットワークでメッセージを送信する少なくとも一つの単純送信器からメッセージを受信できる。ゲートウェイは、受信したメッセージのヘッダーに含まれた情報を分析することによって、第一ネットワークから受信したメッセージと第二通信ネットワークから受信したメッセージとを区別できる前記受信手段に連結した処理部を備えている。
一つの態様によれば、第一通信ネットワークのプロトコルおよび第二通信ネットワークのプロトコルの物理層はIEEE802.15.4規格またはIEEE802.15.4a規格またはIEEE802.15.4b規格に準拠する。
他の態様によれば、ゲートウェイは、第一ネットワークまたは第二通信ネットワークからのメッセージに含まれた制御指令を受信する際に、処理部によって操作されるアクチュエータを備える。
本発明はまた、ネットワークアクセス制御を含むプロトコルに従って第一無線通信ネットワークを介してメッセージを送信する手段と受信する手段を備えたゲートウェイと、第一無線通信ネットワークでゲートウェイと通信できる、少なくとも一つの遠隔通信ノードと、ネットワークアクセス制御を含まないプロトコルに従って第二無線通信ネットワークでメッセージを送信できる、少なくとも一つの単純送信器とを備えた通信システムを記載する。ゲートウェイの前記受信手段はまた、前記単純送信器からのメッセージを受信でき、そしてゲートウェイは、受信されたメッセージに含まれたヘッダーの情報を分析することによって、第一ネットワークから受信したメッセージと第二通信ネットワークから受信したメッセージとを区別できる、前記受信手段に連結した処理部を備える。
また別の特徴と利点については、添付の図面に示す実施例を参照しながら詳細な説明で明らかになる。
図1の実施例を参照すると、無線通信システムは、単純送信器20、通信ゲートウェイ10および遠隔通信ノード30を備える。ゲートウェイ10は、ネットワークアクセス制御(MAC層)機能を含む第一の次世代通信プロトコルに従って、第一無線通信ネットワーク5を介して遠隔装置30と通信する。さらに、ゲートウェイ10は、ネットワークアクセス制御(MAC層)の機能を含まない第二の単純な通信プロトコルに従って、第二の無線通信ネットワーク6を介して単純送信器20と通信する。簡略化のために、図1は一つの単純送信器20と一つの遠隔ノード30しか有しないが、言うまでもなく、本発明によれば、ゲートウェイ10は複数の単純送信器および複数の遠隔ノードと通信できる。
単純送信器20は、プッシュボタン、スイッチ(RFスイッチ)、RFリモコン、リミットセンサーなどの装置であってもよい。単純送信器20は、アンテナによって第二通信ネットワーク6で送信可能な(無線送信器形式の)送信手段21に接続されたマイクロコントローラまたは状態機械のような電子処理部25を備える。単純送信器20は小型エネルギー源23で給電される。この小型エネルギー源23は、内部電池、または送信器20に機械作用Aを加える際に電気エネルギーを一時的に供給する、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する装置のいずれかであってもよい。
このような作用Aを加えると、送信器20の電子部品が電源23によって給電され、処理部25を起動し、そしてその作用Aに対応する短いメッセージを第二通信ネットワーク6で送信するよう決定する。しかし、送信器20は受信手段を有しないので、進行中の通信をリスンしたり、遠隔装置からのメッセージを受信することができない。従って、第一無線ネットワーク5と直接の対話ができない。
任意に、第二無線ネットワーク6のプロトコルはネットワークアクセス制御の管理を設けないので、送信器20の無線送信を確実化する上で有利でありうる。このため、電源23によって発生する電気エネルギーが十分であれば、作用Aに対応する短いメッセージを数回連続して送信する送信手段21を使用することも考えられる。またこの連続する短いメッセージは、メッセージ間の時間を異なるよう、または疑似ランダムになるようにすることが考えられる。
ゲートウェイ10は、アンテナ19によって無線メッセージを送信・受信できるように、受信手段12および送信手段11に接続されたマイクロコントローラなどの電子処理部15を備える。遠隔ノード30も、アンテナによって無線メッセージを送信・受信できるように、受信手段32および送信手段31に接続された処理部を備える。
第一通信ネットワーク5の通信プロトコルに従って、ゲートウェイ10と遠隔ノード30は互いに対話できる。一つの実施形態によれば、下位の通信層、すなわち物理層(PHY)とネットワークアクセス制御層(MAC)には、第一ネットワーク5のプロトコルはIEEE802.15.4規格に準拠する。あるいは、本発明は他の同等な実施形態として、下位の通信層には、第一ネットワーク5のプロトコルはIEEE802.15.4a規格またはIEEE802.15.4b規格に準拠する。
また、第一ネットワーク5の通信プロトコルの上位層は、例えばジグビーの仕様(ネットワーク層、アプリケーション層)に準拠する。
本発明によれば、第二ネットワーク6の単純なプロトコルの物理層は、第一ネットワーク5の次世代プロトコルの物理層と同一である。これによって、ゲートウェイ10の受信手段12は、第一ネットワーク5での遠隔装置30からのメッセージも、第二ネットワーク6の単純送信器20からのメッセージも同様に受信できる。好ましくは、ゲートウェイ10は、両方のネットワークからのメッセージを受信するように、同じハードウェア(送受信機)と同じ物理層を使用する。
かくして、ゲートウェイ10の送信手段11も、遠隔ノード30の送信手段31も、送信器20の送信手段21も、IEEE802.15.4、IEEE802.15.4aまたはIEEE802.15.4b規格で記載された周波数と変調(物理層PHY)に適合する送信波を送信する。
図2は、メッセージを受信する際にゲートウェイ10の処理部15にて実行されるソフトウェアスタックのぞれぞれの層を示す。受信手段12でメッセージMを受信する際は、物理層PHY50に着信する。この段階では、二つのネットワーク5、6の物理層PHYは同一であるので、メッセージMが第一ネットワーク5から受信されるか、第二通信ネットワーク6から受信されるかはまだ決定できない。
このため、メッセージを区別して送信元を識別するために、ゲートウェイ10のソフトウェアスタックは、物理層50の上に位置された、スイッチング層と呼ばれる追加層51を有する。メッセージMが第一ネットワーク5から受信すると識別される場合は、ネットワークアクセス制御52のMAC層へ直接スイッチングされ、そして第一の次世代通信ネットワーク5のプロトコルの存在する上位層53(すなわちネットワーク層、アプリケーション層など)へ送られる。メッセージMが第二ネットワーク6から受信すると識別される場合は、単純送信器からのメッセージ専用の特定処理55へスイッチングされる。
したがって、スイッチング層51は物理層50とMAC層52の間で実行される。しかしながら、特にIEEE802.15.4の規格の場合では、CRC分析などの所定の制御操作は、物理層50のハードウェアによってスイッチング層51を実行する前に既に行われている。
このように、処理部15が実行するスイッチング層51は、物理層50で受信されたメッセージMに含まれるヘッダーを分析して、メッセージMが第二ネットワーク6の単純プロトコルに従って送信されたものかどうかをを示す情報の存在を検出する。このため、メッセージMの内容には、メッセージを送信するために使用される単純プロトコルに特有の情報を含む必要がある。
IEEE802.15.4規格を例とすると、この規格に準拠するメッセージMは下記のフォーマットを有する。
4バイトのプリアンブル、
1バイトのスタートフレーム、
1バイトのフレーム長情報
例えば本実施形態において13バイトに設定された可変メッセージの内容部(MPDU)、および
2バイトのフレーム・チェック・シーケンス
メッセージの内容部(MPDU)は3バイトのヘッダーと10バイトの内容フィールドからなる。ヘッダーは3ビットのフレームタイプの識別情報を含む。従って、この情報によって最高8種類のフレームタイプを識別できる。ここで、IEEE802.15.4規格は(000/001/010/011の標準フレームの値に相当する)4種類のフレームタイプしか使用しない。したがって、第二ネットワーク6の単純プロトコルに従って送信されたメッセージに相当する追加フレームタイプをコード化および識別するために使用できる値がいくつかあり、従って、例えば111という値が単純送信器20によって使用されることができ、単純な通信プロトコルに従って送信されたメッセージを識別する。
かくして、スイッチング層51を実行する間、111という値に相当するフレームタイプの識別情報が含まれていれば、処理部15はメッセージMを特定層55へ転送し、フレームタイプの識別情報がIEEE802.15.4規格で想定されるその他の値の一つに相当する場合は、通常の層52、53へ転送する。
この単純な処理によって、ゲートウェイ10はネットワーク5または6のいずれかより送信されたメッセージを容易に検出してスイッチングすることができる。また、この処理は第一通信ネットワーク5の操作機構を変化させない。すなわち、単純送信器20から送信された無線メッセージが、ゲートウェイ10の機能を有しない遠隔ノード30の受信手段32によって受信されれば、ネットワーク5の次世代プロトコルに準拠しないフレームタイプの識別情報を含むため、このメッセージはノード30のソフトウェアスタックで分析される際に無視される。
単純送信器20から送信されるメッセージMに特定の、および当該アプリケーションに特定の処理をするために、特定層55を使用できる。すなわち、10バイトの内容フィールドは、8バイトにメッセージMの送信元である送信器20のアドレスを含み、また2バイトに、例えばオン(ON)、オフ(OFF)、増加(IND)、減少(DEC)などのメッセージMの生成作用Aのコードを含む。特定層55はまた、同じ作用Aに対して同じ単純送信器から送信される複数の連続メッセージの冗長をも管理できる。
さらに、ゲートウェイ10は、処理部15でコントロールされる電気機械アクチュエータまたはその他のアクチュエータ16を備えてもよい。このアクチュエータ16は、出力Sまたは例えばライト、モータなどの電気受信器を制御する。受信手段12で受信した、単純送信器20あるいは遠隔ノード30からのメッセージMに含まれた制御指令を受信した後、アクチュエータ16が操作される。処理部15は受信されたメッセージMを分析および復号化し、メッセージMの内容に応じてアクチュエータ16を制御する。
同様に、遠隔ノード30は出力S’をコントロールする電気機械アクチュエータまたはその他のアクチュエータ36を備えてもよい。本発明によれば、この出力S’は遠隔の単純送信器20で制御できる。かくして、作業は下記の通りで、作用Aの後、単純送信器20は第二ネットワーク6の単純プロトコルに従って送信されたメッセージMにコード化されている制御指令を送信する。このメッセージMは、上記の如くゲートウェイ10に受信される。層55を実行する間にメッセージMの送信元のアドレスを分析することによって、ゲートウェイ10の処理部15は、当該アプリケーションに対して、送信器20が遠隔ノード30の出力S’と論理的に関連していることを検出したら、処理部15が転送操作を行って、このメッセージMを送信手段11へ転送し、第一ネットワーク5の次世代プロトコルに従ってノード30へ送信する。遠隔ノード30は、このメッセージを受信および復号化して、アクチュエータ36を介して出力S’を制御する。
このように、本発明で提供される通信システムによれば、小型エネルギー源23によって給電される単純送信器20がそのアンテナの有効範囲で出力Sを制御するだけでなく、次世代通信ネットワーク5への通信ゲートウェイ10を使用して、遠隔に位置する出力S’をも制御できる。本発明によれば、このゲートウェイ10のコストは抑えられ、ゲートウェイは単純な装置に内蔵できる。特に、操作の機械エネルギーを電気エネルギーに変換することのみで発生するエネルギー源23を有する無線、無電地の単純なスイッチ20の操作によって、遠隔に位置するライトS’などのアクチュエータを制御できる。
言うまでもなく、本発明の範囲内において、他の変形や変更または均等手段の使用を想定することができる。
本発明による通信システムの構成の一実施例の略図。 ゲートウェイのソフトウェアスタックのぞれぞれの層の概略図。

Claims (12)

  1. IEEE802.15.4規格、IEEE802.15.4a規格またはIEEE802.15.4b規格に準拠したプロトコルに従って、第一無線通信ネットワーク(5)で少なくとも一つの遠隔通信ノード(30)と通信するためメッセージの送信手段(11)と受信手段(12)を備えた通信ゲートウェイであって、
    前記受信手段(12)は、ネットワークアクセス制御層(MAC)を含まないプロトコルに従って、第二無線通信ネットワーク(6)でメッセージを送信する少なくとも一つの単純送信器(20)からのメッセージをも受信でき、それにより、前記第一無線通信ネットワーク(5)および第二無線通信ネットワーク(6)のプロトコルは同一物理層(PHY)を使用し、
    前記ゲートウェイ(10)は、前記送信手段(11)および前記受信手段(12)に連結している処理部(15)を備え、
    前記処理部(15)は、前記物理層(PHY)と前記ネットワークアクセス制御層(MAC)との間のスイッチング層(51)を実行可能であり、それにより、前記受信されたメッセージに含まれたヘッダ情報を分析することによって前記第一ネットワーク(5)から受信されたメッセージと前記第二通信ネットワーク(6)から受信されたメッセージとを区別し、
    前記第一通信ネットワーク(5)または前記第二通信ネットワーク(6)からのメッセージ(M)に含まれた制御指令によって制御されるアクチュエータ(16)をさらに備えることを特徴とする通信ゲートウェイ。
  2. 前記ヘッダ情報は、IEEE802.15.4規格またはIEEE802.15.4a規格またはIEEE802.15.4b規格に準拠するメッセージのヘッダに含まれるフレームタイプ情報に対応することを特徴とする請求項1に記載の通信ゲートウェイ。
  3. 前記第二通信ネットワーク(6)のプロトコルの物理層(PHY)は、IEEE802.15.4規格またはIEEE802.15.4a規格またはIEEE802.15.4b規格に準拠することを特徴とする請求項2に記載の通信ゲートウェイ。
  4. 前記アクチュエータ(16)は、前記第一通信ネットワーク(5)または前記第二通信ネットワーク(6)からのメッセージ(M)に含まれた制御指令を受信した後、前記処理部(15)によって制御されることを特徴とする請求項1に記載の通信ゲートウェイ。
  5. 前記処理部(15)は、前記第二ネットワーク(6)から受信されたメッセージを前記第一ネットワーク(5)前記送信手段(11)へ転送できることを特徴とする請求項1〜4のうち一つに記載の通信ゲートウェイ。
  6. 通信システムであって、該通信システムは、
    IEEE802.15.4規格、IEEE802.15.4a規格またはIEEE802.15.4b規格に準拠したプロトコルに従って、第一無線通信ネットワーク(5)を介してメッセージの送信手段(11)および受信手段(12)を備えたゲートウェイ(10)
    前記第一無線通信ネットワーク(5)で前記ゲートウェイ(10)と通信できる、少なくとも一つの遠隔通信ノード(30)
    ネットワークアクセス制御層(MAC)を含まないプロトコルに従って第二無線通信ネットワーク(6)でメッセージを送信できる、少なくとも一つの単純送信器(20)
    を備え、
    前記ゲートウェイ(10)の前記受信手段(12)が前記単純送信器(20)からのメッセージをも受信でき、それにより、前記第一無線通信ネットワーク(5)および第二無線通信ネットワーク(6)のプロトコルは同一物理層(PHY)を使用し、
    前記ゲートウェイ10は、前記送信手段(12)に連結された処理部(15)を備え、
    前記処理部(15)は、前記物理層(PHY)と前記ネットワークアクセス制御層(MAC)との間のスイッチング層(51)を実行可能であり、それにより、前記受信されたメッセージに含まれたヘッダ情報を分析することによって前記第一ネットワーク(5)から受信されたメッセージと前記第二通信ネットワーク(6)から受信されたメッセージとを区別し、
    前記第一通信ネットワーク(5)または前記第二通信ネットワーク(6)からのメッセージ(M)に含まれた制御指令によって制御されるアクチュエータ(16)をさらに備えたことを特徴とする通信システム。
  7. 前記ヘッダ情報は、IEEE802.15.4規格またはIEEE802.15.4a規格またはIEEE802.15.4b規格に準拠するメッセージのヘッダに含まれるフレームタイプ情報に対応することを特徴とする請求項6に記載の通信システム。
  8. 前記第二通信ネットワーク(6)のプロトコルの物理層(PHY)は、IEEE802.15.4規格またはIEEE802.15.4a規格またはIEEE802.15.4b規格に準拠することを特徴とする請求項7に記載の通信システム。
  9. 前記単純送信器(20)は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するコンバータ(23)によって給電されることを特徴とする請求項6に記載の通信システム。
  10. 前記アクチュエータ(16)は、前記ゲートウェイ(10)は、前記第一ネットワーク(5)または前記第二通信ネットワーク(6)からのメッセージに含まれた制御指令を受信した後、制御可能であることを特徴とする請求項6に記載の通信システム。
  11. 前記遠隔通信ノード(30)は、前記第二通信ネットワーク(6)前記単純送信器(20)によって送信され、かつ前記第一通信ネットワーク(5)を介して前記遠隔通信ノード(30)前記ゲートウェイ(10)によって再送信されたメッセージに含まれる制御指令によって制御可能であるアクチュエータ(36)を備えることを特徴とする請求項6に記載の通信システム。
  12. 前記処理部(15)は、前記第二ネットワーク(6)から受信されたメッセージを前記第一ネットワーク(5)前記送信手段(11)へ転送できることを特徴とする請求項6〜11のうち一つに記載の通信システム。
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