JP5138780B2 - 非同期ワイヤレス通信ネットワーク内で情報パケットを送信するための方法及びそれを実装するネットワークノード - Google Patents
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Description
WPANネットワークの主な最近の適用例の1つがWSN(ワイヤレスセンサネットワーク)ネットワークである。
TP=min(4θL,TW)
ここで、θは、ノードにおいてクロック信号を生成するために使用されるクオーツの周波数許容範囲であり、Lは、送信の間の時間間隔であり、TWは、ネットワークのノードのスケジュールの固定周期であり、「min」は、「最小値」を決定する関数である。
2つのノード間の時刻オフセット及びクロックドリフトの推定は、これらの2つのノード間の1つ又は複数の以前の送信によって達成される。特に、これらのパラメータに関係する情報は、ソースノードが宛先ノードに送信したプリアンブルに応答して宛先ノードからソースノードに送信される。そのような応答は、宛先ノードのトランシーバ動作周期に関係する情報も含むことができる。
推定の信頼性を考慮に入れるために、時刻の進みを送信時刻に与えることができる。複数の以前の送信を推定のために使用する場合、そのような時刻の進みを減じることができる。
実際、そのようなネットワークノードは、1つ又は複数の他のネットワークノード用の時刻オフセット情報とクロックドリフト情報とを記憶するように適合されたメモリを備える。(1つ又は複数のノード用の)トランシーバ動作周期情報もそのようなメモリに記憶できる。
本願発明は非同期ワイヤレス通信ネットワークにより一般的に適用できるとしても、本願発明の記載する実施形態は、WPAN(ワイヤレスパーソナルエリアネットワーク)、特にZigBee技術を使用するWSN(ワイヤレスセンサネットワーク)(図1参照)に関する。ネットワークノードの動作は、クオーツによるタイマ(通常ローカルタイマ)によって生成される自身のクロック信号を用いて計時される。タイマは、ネットワークノードによって時間間隔の継続時間を測定するためにも使用される。すでに説明したように、そのノードが同期クロックを有せず、従って同期して送信及び受信しない場合、ネットワークは「非同期」と定義される。
各ネットワークノードは、その通信を含むノードの動作を決定する適切なコンピュータプログラムを記憶するメモリに関連する制御と処理のユニット(例えばマイクロプロセッサ)を備える。コンピュータプログラムの一部である通信アプリケーションは、階層的な層に従って編成され、従って、通信アプリケーションが、例えばある層におけるプリアンブルの送信を必要とするとき、送信のこの要求は下位層によって処理され、このプリアンブルの物理的な送信は、(多くの異なるアクティビティが制御と処理のユニットによって並列に実行されることにより)正確にではなく統計的にのみ知られる遅延でのみ行われ、例えば肯定応答がノードにおいて物理的に受信されると、この受信はまず下位層によって処理され、次いで正確にではなく統計的にのみ知られる遅延で上位層に渡される。
短い固定長プリアンブルサンプリングプロトコルでは、受信機(即ち受信機として働くトランシーバ)は、通信媒体をサンプリングするために短い時間で定期的に起動する。スリープ状態のネットワークノードによって費やされる時間は「スリープ間隔」と呼ばれ、アウェイク状態のネットワークノードによって費やされる時間は「アウェイク間隔」と呼ばれ、アウェイク間隔と後続のスリープ間隔の合計は「トランシーバ動作周期」と呼ばれ、一般的に固定且つ所定のものであり、これらは全てネットワークノードの動作スケジュールに対応する。
本願発明は、複数のプリアンブル送信する必要性(短い固定長プリアンブルが使用されるとき)又はプリアンブルの継続時間(可変長のプリアンブルが使用されるとき)を回避するか又は少なくとも低減するために、ノードがアウェイクする時刻、即ち、より正確にはアウェイク間隔が開始する時刻に関して学習することによって、ネットワークノード(特に送信するノード)のエネルギー消費を低減するための方法に関する。
ノードN1が複数のプリアンブルを送信することを回避するために、ノードN1はいつノードN2がアウェイクするかを学習しなければならない。それまでは、ノードN1は複数の固定長プリアンブル送信に基づく従来の手法を使用する。そのような知識は統計的にしか得られない。従って、ノードN1によるノードN2のスケジュールの知識は決して完全でない。何れにせよ、以下で説明するように、ノードN1は、時間が経つにつれてますます良く学習することができる。
・「tw」と標示した、宛先ノード、例えばN2においてアウェイク間隔が開始する瞬間。
・「tp,trans」と標示した、ソースノード、例えばN1においてプリアンブルを完全に送信した瞬間。
第1のノードが、第1のノードから第2のノードへの情報パケットの少なくとも1つの以前の送信によって第2のノードのアウェイク間隔の開始時刻を推定し、
第1のノードが、少なくとも推定された前記開始時刻に基づいて送信時刻を決定し、
第1のノードが、前記決定された送信時刻に第2のノードへの前記情報パケットの送信を開始し、
特に、第1のノードが、前記少なくとも1つの以前の送信の時に、例えば第2のノードによる第1のノードからのプリアンブルの受信に応答して、第2のノードから第1のノードに送信される、少なくとも時刻オフセット情報とクロックドリフト情報とに基づいて前記開始時刻を推定する、方法が提供される。
図4及び図5に、情報パケットを交換するときに、ネットワークNTWKのソースノードN1及びネットワークNTWKの宛先ノードN2によってそれぞれ実行される手順の流れ図を示す。
この手順の流れ図を図6に示す。
ソースノードN1のトランシーバがプリアンブルを送信すると、送信の終わりに、MACの上のソースノードN1のソフトウェア層がプリアンブルの正常送信の確認を受信し、この時刻を「tp,trans」と呼ぶ(図3)。この時刻をソースノードN1が検出及び記憶する(図6のステップ606)。ソースノードと受信ノードの両方のオペレーティングシステムにおけるランダムな処理時間により、tp,transはtp,recと著しくは異ならないとしても、必ずしも等しいわけではない。
ソースノードN1によるそのような推定には、宛先ノードN2のアウェイク間隔の履歴及びソースノードN1によるそれらの間隔の推定値(前節を参照)に基づいて、宛先ノードN2の次のアウェイク間隔に対するある信頼間隔を決定することが必要である。
宛先ノード、例えばN2から受信した幾つかの情報(
肯定応答中に含まれる情報(図8)に基づいてテーブル(図7)を更新するために、ソースノード、例えばN1によって使用される手順の流れ図を図9に示す。
時刻オフセットエラーは、前述の変数εに対応する。テーブル中の近隣エントリごとの起動の瞬間「j」の推定値
クロックドリフトは、ソースノードのクロック周波数と送信機ノードのクロック周波数の差から生じる。
ノードは、情報パケットを送信しようとするとき、宛先ノードの次の起動の瞬間を推定する(図10)。
目標は、
例えば、εi但しi∈[1,K]が独立正規分布N(0,σ2)を有すると仮定すると、そのとき、
更に、計算を容易にするために、
ソースノード、例えばN1は、実際の時刻が時刻
(アンテナに接続された)トランシーバRTXはノードNNの他のネットワークノードとの通信を可能にする。
タイマTMは、ノードNNのデューティーサイクル化動作を決定するためにトランシーバRTXに接続される。
メモリMはプログラムを含み、ユニットCPUは、このプログラムを実行するときに本願発明による送信方法を実施する。
Claims (22)
- 非同期ワイヤレス通信ネットワーク内で第1のノードから第2のノードに情報パケットを送信するための方法であって、前記ノードは、該ノードの動作を調節するためにそれぞれのクロック信号を使用し、少なくとも前記第2のノードは間欠的動作を有する無線トランシーバを備え、前記間欠的動作は周期的シーケンスに対応し、各周期的シーケンスは、アウェイク間隔とスリープ間隔とを含み、前記方法は、前記情報パケットを前記第1のノードによって送信する準備ができたとき、
前記第1のノードが、前記情報パケットを送信する準備ができたことを示すプリアンブルを前記第2のノードに送信するステップと、
前記第1のノードが、前記第2のノードから前記第1のノードに送信された少なくとも時刻オフセット情報とクロックドリフト情報とに基づいて前記第2のノードのアウェイク間隔の開始時刻を推定するステップであって、前記時刻オフセット情報と前記クロックドリフト情報とは、前記プリアンブルに対する前記第2のノードからの肯定応答に含まれる、ステップと、
前記第1のノードが、少なくとも推定した前記開始時刻に基づいて送信時刻を求めるステップと、
前記第1のノードが、求めた前記送信時刻に前記第2のノードへの前記情報パケットの送信を開始するステップと
を含む、方法。 - 前記第1のノードは、前記第1のノードから前記第2のノードへの前記プリアンブルの複数の以前の送信によって、及び少なくとも受信した前記時刻オフセット情報とクロックドリフト情報とに基づいて、前記開始時刻を推定する、請求項1に記載の方法。
- 前記開始時刻は、時刻オフセットエラー(tw−tp,rec)と、前記第1のノードの前記周期的シーケンスに関係する周期(P)及び整数(N)によるクロックドリフトエラー(C)の積とに前記第2のノードへの前記プリアンブルの以前の送信に関係する時刻(tp,trans=tp,rec)を加算することによって計算され、前記整数(N)は、前記開始時刻が現在時刻よりも後になるように選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記送信時刻は、前記推定における信頼性を考慮に入れた時間(2α)の進みにも基づく、請求項1に記載の方法。
- 前記第1のノードは、行われた最も最近の以前の送信によって前記開始時刻を推定する、請求項2に記載の方法。
- 前記第1のノードは、受信した前記時刻オフセット情報及び前記クロックドリフト情報又は該情報から得られた情報を記憶する、請求項1に記載の方法。
- 前記第1のノードから前記第2のノードへの前記プリアンブルの送信のときに、前記第1のノードは、前記第2のノードの前記周期的シーケンスに関係する周期情報(P)も前記第2のノード(N2)から受信し、記憶し、前記第1のノードは、記憶した前記周期情報(P)にも基づいて前記開始時刻を推定する、請求項1に記載の方法。
- 前記時刻オフセット情報は、前記第1のノードから前記第2のノードに送信する前記プリアンブルの受信(tp,rec)と、前記受信に先行する前記第2のノードのアウェイク間隔の開始(tw)との間の間隔の継続時間に対応し、前記継続時間は前記第2のノードによって測定される、請求項1に記載の方法。
- 前記クロックドリフト情報は間隔の継続時間
- 前記継続時間は前記第1のノードによっても測定又は推定され、前記クロックドリフトエラー(C)は、前記第1のノードによる前記継続時間の測定値又は推定値
- 前記クロックドリフトエラー(C)は、様々な継続時間に対応する比の平均値に比例する、請求項10に記載の方法。
- 前記クロックドリフト情報は、前記第2のノードの第1のアウェイク間隔の開始
- 前記プリアンブルは固定且つ所定の継続時間である、請求項1に記載の方法。
- 前記第1のノードは、複数の隣接ノード用の時刻オフセット情報及びクロックドリフト情報、又は該情報から得られた情報を記憶する、請求項1に記載の方法。
- 前記第1のノードは、複数の隣接ノード用の時刻オフセット情報及びクロックドリフト情報及び周期情報、又は該情報から得られた情報を記憶する、請求項1に記載の方法。
- 前記非同期ワイヤレス通信ネットワークは、WPANネットワーク、特にZigBeeネットワークである、請求項1に記載の方法。
- 非同期ワイヤレス通信ネットワークのためのネットワークノードであって、前記ネットワークノードは、該ノードの動作を調節し、時間を測定するためのクロック信号を生成するタイマを備え、前記ネットワークノードは、情報パケットを該ノードによって送信する準備ができたときに、前記情報パケットを送信する準備ができたことを示すプリアンブルを別のネットワークノードに送信し、前記別のネットワークノードから該別のネットワークノードに関係する少なくとも時刻オフセット情報とクロックドリフト情報とを受信するように適合されたトランシーバと、少なくとも受信した前記情報又は該情報から得られた情報を記憶するように適合されたメモリと、記憶した前記情報に基づいて前記別のネットワークノードへの前記情報パケットの送信時刻を求めるために前記タイマと前記メモリとに接続された制御と処理のユニットとを備えることを特徴とし、前記時刻オフセット情報と前記クロックドリフト情報とは、前記プリアンブルに対する前記別のネットワークノードからの肯定応答に含まれる、ネットワークノード。
- 前記メモリは、前記別のネットワークノードから受信した前記別のネットワークノードに関係する時刻オフセット情報及びクロックドリフト情報及び周期情報(P)、又は該情報から得られた情報を記憶するように適合された、請求項17に記載のネットワークノード。
- 前記メモリは、1つ又は複数の隣接ノードに関係する同期情報を記憶するように適合され、前記同期情報は、前記1つ又は複数の隣接ノードそれぞれへの情報パケットの送信のために使用される、請求項17又は18に記載のネットワークノード。
- 前記制御と処理のユニットは、請求項1から16の何れか一項に記載の方法を実行するようにプログラムされた、請求項17に記載のネットワークノード。
- 前記制御と処理のユニットは、別のネットワークノードに対する時刻オフセット情報とクロックドリフト情報とを、前記別のネットワークノードから前記プリアンブルを受信したときに求めるように適合され、前記トランシーバは、少なくとも求めた前記情報を前記別のネットワークノードに送信するように適合された、請求項17に記載のネットワークノード。
- 前記トランシーバは、前記別のネットワークノードに周期情報(P)も送信するように適合された、請求項21に記載のネットワークノード。
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