JP5149908B2

JP5149908B2 - 動的自動再構成可能な時分割多元接続

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Publication number: JP5149908B2
Application number: JP2009533476A
Authority: JP
Inventors: ロイ，アローク; ゼン，ドンソン; マハセナン，アルン・ヴイ; コレ，ヴィナヤク・エス
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2027-10-16
Also published as: US20080089311A1; EP2095558A2; US7796536B2; WO2008097384A3; CN101569123A; JP2010507347A; WO2008097384A2

Description

本アプリケーションは、名称「決定論的電力認識無線ネットワーク」を有する（本明細書においては、「０２１出願」としても参照されている）２００６年５月１日に出願された米国特許出願第１１／３８１，０２１（代理人番号Ｈ０００８２５１−５６０１）と関連する。０２１出願を参照によって本明細書に援用する。

典型的な商用規格（ＣＯＴＳ）無線装置は、電気磁気干渉／無線通信周波数の妨害、多くの航空宇宙アプリケーションの環境及び必要条件を満たさない。これらのＣＯＴＳ無線製品は、あらゆる動作のシナリオに対し、それらを構成するために人間の多大な介入を必要とする。米国電気電子技術学会（ＩＥＥＥ）８０２．１１及びＩＥＥＥ８０２．１５．４を含む広範囲に利用される無線技術は、チャンネルアクセスに対する衝突回避を用いたキャリア感知多重アクセス（ＣＳＭＡ／ＣＡ）技法を使用する。ＣＳＭＡ／ＣＡ技法は、様々な予測不可能なトラフィックに対し適していることが知られているが、トラフィックが予測可能か又は規則的であるとき、それらはコントロールオーバーヘッドに悩ませられる。更に、現在の８０２．１１及び８０２．１５．４は、ＣＳＭＡ／ＣＡの確率的な性質及び無線ノード間において優先順位付けを有しないことから、サービス品質（ＱｏＳ）の保証を有しない。ＩＥＥＥ標準規格８０２．１１ｅは、８０２．１１に対するＱｏＳの拡張を含む。８０２．１１ｅにおいては、トラフィックの優先順位は、トラフィックカテゴリ（複数）（ＴＣ）によって差別化され、ＱｏＳは、２つの動作モードである（１）機能向上した分散調整機能（ＥＤＣＦ）及び（２）ハイブリッドコーディネート機能（ＨＣＦ）によって管理される。８０２．１１ｅが、大きなコントロールオーバーヘッドの対価でより高い優先順位のトラフィックにより良好な媒体アクセス確率を提供しても、それはまだアプリケーションにＱｏＳの保証を提供しない。

多くの航空宇宙アプリケーションにおいては、映像、音声、センサー／作動装置データ及び実時間制御信号などのデータトラフィックは、予測可能か又は規則的である。更に、制御信号及びセンサー／作動装置のデータなどのデータトラフィックの中には通常、いくつかのタイプの保証されたＱｏＳを要求するものもある。

ネットワークスループットを最大化し、ネットワークエネルギー消費を最小化するためにリソースのユーザを最適化することは難しい。ネットワークの規模が増大するに従って最適解の計算は、法外に複雑になる。無線時分割多元接続（ＴＤＭＡ）技術、例えばブルートゥース及び低エネルギー適応クラスターリング階層（ＬＥＡＣＨ）の中には、ランダムなデータトラフィックの一般的適用から始まり、スループット若しくは省エネルギー又はその双方のいずれかに対し、リソースを最適化するものもある。計算可能にするためにブルートゥース及びＬＥＡＣＨは、それらのアプリケーションに制限を設ける仮定をする。

例えばブルートゥースは、クラスターにおいて８つのアクティブなノードに限定される。ＬＥＡＣＨは、無線センサーネットワーク向けのエネルギー効率的なプロトコルであって、ＣＳＭＡ、ＴＤＭＡ及び符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）の混合である。

ＬＥＡＣＨにおいては、広告フェーズ及びクラスター設定フェーズは、ＣＳＭＡを使用し、スケジュール生成及びデータ送信は、ＴＤＭＡを使用する。１つのクラスター内部のノードは、近くのクラスターの信号衝突を避けるために、近くのクラスターのＣＤＭＡコードと異なるＣＤＭＡコードを使用し、相互に通信を実施する。アルゴリズムの複雑さに加えてＬＥＡＣＨは、ノードそれぞれが先験的にネットワークに関するクラスターの最適な平均の数を知っていると仮定する。この仮定は、ＬＥＡＣＨがネットワークトポロジーの動的な変更を適用することを不可能にする。

ＴＤＭＡ技術に関するデータ転送速度適応は、検出されたパケットエラーに基づいて実行される。送信機は、一定数の成功送信後、更に大きな送信速度に切り替え、固定数の連続失敗後、より小さな速度に変更する。このパケットエラー法は、更に大きなデータ転送速度の定期的な試みから失敗が存在するため、リソースを浪費する。

米国出願特許第１１／３８１，０２１

本発明は、ノードのメディアアクセス制御層において、ネットワーク中のノードから送信用データパケットを受信し、アプリケーションが要求するサービス品質に基づいてデータパケットに対するスロット割り当てを決定することによって、ネットワークを動的に再構成するための方法を記載する。アプリケーションが要求するサービス品質は、データパケットによって要求されるスロット数、アプリケーション指定のデータ転送速度、アプリケーション指定の遅延要件、アプリケーション指定の予約された再試行数及びアプリケーションに関連するデータパケットに対する優先順位の値のうち、少なくとも１つに基づいて決定される。メディアアクセス制御層は、時分割多元接続に利用可能である。

本発明による動的自動再構成可能時分割多元無線接続管理ネットワークの実施形態のブロック図である。本発明による動的自動再構成可能時分割多元無線接続管理ネットワークの実施形態のブロック図である。本発明による動的自動再構成可能時分割多元無線接続管理ネットワークにおいてインターフェース接続されるノードの一実施形態のブロック図である。本発明による動的自動再構成可能時分割多元無線接続管理ネットワークにおいてインターフェース接続されるノードの一実施形態のブロック図である。本発明による通信プロトコルスタックの一実施形態のブロック図である。本発明による動的自動再構成可能時分割多元無線接続管理ネットワークに関する基本システムの作動手順のための流れ図を示す。図５は本発明によるスーパーフレーム及びスロット継続時間構造のブロック図である。図５ｉは、本発明によるスロットの継続時間構造である。例示的な物理層コンバージェンスプロシージャのフレーム形式である。本発明によるネットワークを管理するための方法の流れ図である。本発明によるデータパケット用スロットの割り当てを決定するための一実施形態の方法の流れ図である。本発明によるデータサービス品質に基づいてデータ用スロットを割り当てるための一実施形態の方法の流れ図である。

一般的な実践に従って、記載されている様々な特徴を、拡大するように描かずに、本発明に関連する特徴を強調するように描く。参照文字は、図面及びテキストを通し同様の要素を示す。

以下の詳細な記載においては、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照し、本発明において実践され得る特定の例示される実施形態を図示することによって示す。当業者が本発明を実施可能なようにこれらの実施形態を十分詳細に記載するので、別の実施形態を利用可能で本発明の範囲から逸脱せずに論理的、機械的及び電気的な変更ができることを理解できるだろう。したがって、以下詳細な記載を限定する意味に取らないことである。

図１Ａは、本発明による動的自動再構成可能な時分割多元無線接続管理ネットワーク（１０）の実施形態のブロック図である。本明細書においては、「ネットワーク（１０）」としても参照されている動的自動再構成可能な時分割多元無線接続（ＤＡ−ＴＤＭＡ）管理ネットワーク（１０）は、本明細書において、「ネットワークノード（１０２〜１０８）」としても参照されている複数のネットワークノード（１０２〜１０８）と無線通信するアクセスノード（１００）を含む。ネットワーク（１０）は、スター型トポロジーで構成される。アクセスノード（１００）は、１つ以上のプロセッサー（１１４）、受信機（１１０）及び送信機（１１２）を含む。この実施形態の一実装においては、受信機（１１０）及び送信機（１１２）は、送受信機などの一装置である。この実施形態の別の実装においては、ネットワークノード（１０２〜１０８）は、センサーを含む。更にこの実施形態の別の実装においては、プロセッサー（１２４）のうち少なくとも１つは、０２１出願に記載されているような電力意識プロセッサーである。

ネットワークノード（１０２〜１０８）は、１つ以上のプロセッサー（１２４）、受信機（１２０）及び送信機（１２２）を含む。ネットワークノード（１０２〜１０８）それぞれは、少なくとも１つのタイプの物理層にインターフェース接続する。この実施形態の一実装においては、受信機（１２０）及び送信機（１２２）は、「トランシーバー」として参照されている一装置である。この実施形態の別の実装においては、ネットワークノード（１０２〜１０８）は、センサーを含む。更にこの実施形態の別の実装においては、少なくともプロセッサー（１２４）の１つは、０２１出願に記載されているような電力意識プロセッサーである。

制限ではなく例として用語「無線通信」は、ＩＥＥＥ８０１．１１、ＩＥＥＥ８０１．１５、ＩＥＥＥ８０１．１６及び８０２．１５．４ａを含む無線通信標準規格を実装された様々な装置及びコンポーネントを介し無線接続を含む。ネットワークノード（１００〜１０８）は、データパケットにおいてデータを送信する。またリンクノードは、無線接続が情報交換において使用される「通信可能に接続されるノード」としても本明細書において参照されている。

この実施形態一実装においては、１つ以上のネットワークノード（１０２〜１０８）は、ネットワークノード（１０２〜１０８）のローカル環境が提供する環境パラメーターを検出する無線センサーである。この実施形態の別の実装においては、無線ＤＡ−ＴＤＭＡ管理ネットワーク（１０）は、センサーノードを有さない無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）である。

図１Ｂは、本発明による動的自動再構成可能な時分割多元無線接続（ＤＡ−ＴＤＭＡ）管理ネットワーク（１１）の実施形態のブロック図である。無線ＤＡ−ＴＤＭＡ管理ネットワーク（１１）は、「ネットワーク（１１）」としても本明細書において参照されているメッシュ型ネットワークトポロジーとして構成される。ＤＡ−ＴＤＭＡ管理ネットワーク（１１）は、それぞれ通信可能に、図（１１１）によって一般に示される複数のネットワークノードのうち重複のないサブセットと接続される複数のアクセスノード（１００）、（４００）及び（５００）を含む。重複のないサブセットは一般に、図（１０１）、（４０１）及び（５０１）によって表される。サブセット（１０１）は、ネットワークノード（１０２）、（１０４）及び（１０８）を含む。サブセット（４０１）は、ネットワークノード（４０２）、（４０４）及び（４０８）を含む。サブセット（５０１）は、ネットワークノード（５０２）、（５０４）及び（５０８）を含む。サブセット（１０１）、（４０１）及び（５０１）は、相互に重複しないので各ネットワークノード（１０２）、（１０４）、（１０８）、（４０２）、（４０４）、（４０８）、（５０２）、（５０４）及び（５０８）は、１つのアクセスノード（１００）、（４００）又は（５００）だけによって制御される。

アクセスノード（１００）、（４００）及び（５００）は、図１Ａを参照し、前述されているような１つ以上のプロセッサー（１１４）、受信機（１１０）及び送信機（１１２）を含む。ネットワークノード（１０２）、（１０４）、（１０８）、（４０２）、（４０４）、（４０８）、（５０２）、（５０４）及び（５０８）は、図１Ａを参照し、前述されているような１つ以上のプロセッサー（１２４）、受信機（１２０）及び送信機（１２２）を含む。

ネットワークノード（１０２）、（１０４）、（１０８）、（４０２）、（４０４）、（４０８）、（５０２）、（５０４）及び（５０８）は、少なくとも１つのタイプの物理層とインターフェース接続される。メディアアクセス制御層は、ネットワークノード（１０２）、（１０４）、（１０８）、（４０２）、（４０４）、（４０８）、（５０２）、（５０４）及び（５０８）並びにアクセスノード（１００）、（４００）及び（５００）それぞれの中に存在する。

図１Ｂに示されているように、ネットワーク（１１）中のアクセスノード（１００）、（４００）及び（５００）それぞれは、第１の周波数でネットワーク（１１）中の他のアクセスノード（１００）、（４００）及び（５００）と通信可能に接続するためにルーター（１１３）、（４１３）及び（５１３）それぞれを含む。アクセスノード（１００）、（４００）及び（５００）それぞれは、第２の周波数で複数のネットワークノード（１１１）を重複のないサブセット（１０１）、（４０１）及び（５０１）それぞれのうち１つと通信可能に接続される。この様にして、メッシュ型ネットワークのメディアアクセス制御は、ＴＤＭＡ及び周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）の組み合わせによって制御される。

この実施形態の一実装においては、ネットワーク（１１）中のアクセスノード（１００）、（４００）及び（５００）それぞれは、他のアクセスノード（ルーター（１１３）、（４１３）及び（５１３）それぞれを介し）、一周波数で重複のないサブセット（１０１）、（４０１）及び（５０１）と通信可能に接続される。この様にしてメッシュ型ネットワークのメディアアクセス制御は、ＦＤＭＡを用いずにＴＤＭＡによって制御される。複数のアクセスノードが単一のアクセスノードに低減される場合、ネットワークノードすべてがサブセット（１１１）にあって、ネットワーク（１１）は、ネットワーク（１０）のスター型トポロジー構成に低減される。

この実施形態の別の実装においては、１つ以上のネットワークノード（１０２）、（１０４）、（１０８）、（４０２）、（４０４）、（４０８）、（５０２）、（５０４）及び（５０８）は、ネットワークノード（１０２〜１０８）のローカル環境から環境パラメーターを検出する無線センサーである。更にこの実施形態の別の実装においては、無線ＤＡ−ＴＤＭＡ管理ネットワーク（１１）は、センサーノードを有さない無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）である。

ＤＡ−ＴＤＭＡ管理ネットワーク（１０）及び（１１）は、オンボードエンターテインメントを含む航空宇宙アプリケーション、知的エンジン制御装置、ケーブル交換及びその他に適用可能である。ＤＡ−ＴＤＭＡ管理ネットワーク（１０）及び（１１）は、コントロールオーバーヘッドを低減し、スループットを向上させた保証されるサービス品質を提供し、エネルギー消費量を低減する。またＤＡ−ＴＤＭＡ管理ネットワーク（１０）は、ＭＡＣ層に８０２．１１、８０２．１５．４の無線通信などの管理情報ベース（ＭＩＢ）インタラクションを介し、基本的な物理層のタイプを自動的に検出し、異なる物理層上で動作する柔軟性も提供する。

図２Ａは、本発明による動的自動再構成可能な時分割多元無線接続管理ネットワーク（１０）にインターフェース接続されたノード（１２）の一実施形態のブロック図である。メディアアクセス制御層（８０）は、米国電気電子技術学会８０２．１１標準規格に従って実装されるハードウェアを含む１つ以上の物理的な装置（９０）、米国電気電子技術学会８０２．１５．４の標準規格に従って実装されるハードウェアを含む１つ以上の物理的な装置（９１）及び他の標準規格に従って実装されるハードウェアを含む１つ以上の物理的な装置（９２）と物理メディアアクセス制御（ＰＨＹ−ＭＡＣ）インターフェース（８１）を介して通信可能に接続される。

メディアアクセス制御層（８０）は、サービス品質を有するＤＡ−ＴＤＭＡメディアアクセス制御及び「ＴＤＭＡ（８２）」としても本明細書において参照されているデータ転送速度適応機能部（８２）を含む。またメディアアクセス制御層（８０）は、適用電力制御機能部（８４）及び暗号化機能部（８３）を含む。メディアアクセス制御層（８０）は、メッシュ型ネットワークのネットワーク形成及び移動性管理コントローラー（９５）及び「コントローラー（９５）」としても本明細書において参照されているコントローラーと通信可能に接続される。

メディアアクセス制御層（８０）は、「ＴＣＰ／ＩＰ層（６０）」としても本明細書において参照されている送信制御プロトコル（ＴＣＰ）／インターネットプロトコル（ＩＰ）層（６０）と通信可能に接続される。伝送制御プロトコルＴＣＰ／ＩＰ層（６０）は、アプリケーション層（５０）と通信可能に接続される。

図２Ａに示されているように、メディアアクセス制御層は、時分割多元接続に利用可能である。メディアアクセス制御層（８０）は、アプリケーションが要求するサービス品質に基づいてスーパーフレーム中のスロットにデータパケットを割り当てる。アプリケーションが要求するサービス品質は、データパケットによって要求されるスロット数、アプリケーション指定のデータ転送速度、アプリケーション指定の遅延要件、アプリケーション指定の予約された再試行数及びアプリケーションに関連するデータパケットに対する優先順位の値のうち、少なくとも１つに基づいて決定する。

この実施形態の一実装においては、適用電力制御機能部（８４）は、メディアアクセス制御層（８０）に含まれない。この実施形態の別の実装においては、暗号化機能部（８３）は、メディアアクセス制御層（８０）に含まれない。更にこの実施形態の別の実装においては、適用電力制御機能部（８４）及び暗号化機能部（８３）は、メディアアクセス制御層（８０）に含まれない。更にこの実施形態の別の実装においては、０２１出願に記載されている電力意識機能部は、メディアアクセス制御層（８０）に含まれる。この実施形態の別の実装においては、暗号化機能部は、０２１出願に記載されているアプリケーション層（５０）に存在する。ネットワーク（１０）及び（１１）の実施形態の一実装においては、アクセスノード及びネットワークノードは、図２Ａのネットワークにおいて示されているように物理的な装置と他のノードとインターフェース接続する。

図２Ｂは、本発明による動的自動再構成可能な時分割多元無線接続管理ネットワークでインターフェース接続されるノード（１３）の一実施形態のブロック図である。ノード（１３）のインターフェースは、ノード（１３）が、ＣＳＭＡ及び／又はＴＤＭＡ機能部を有するという点でノード（１２）のインターフェースと異なる。メディアアクセス制御層（８６）は、図２Ａを参照し、前述されているような１つ以上の物理的な装置（９０）、（９１）、（９２）と物理メディアアクセス制御（ＰＨＹ−ＭＡＣ）インターフェース（８８）を介して通信可能に接続される。メディアアクセス制御層（８６）は、サービス品質を用いたＤＡ−ＴＤＭＡメディアアクセス制御及び（「ＴＤＭＡ（８２）」としても本明細書において参照されている）データ転送速度適応機能部（８２）、適用電力制御機能部（８４）及び図２Ａを参照し、前述されているような暗号化機能部（８３）を含む。メディアアクセス制御層（８６）は、ＴＤＭＡ（８２）を介しコントローラー（９５）に通信可能に接続される。

またメディアアクセス制御層（８６）は、「ＣＳＭＡ（８７）」としても本明細書において参照されているキャリア感知多重アクセスメディアアクセス制御機能部（８７）も含む。メディアアクセス制御層（８６）は、「コントローラー（９６）」としても本明細書に参照されているアドホック／インフラストラクチャネットワーク形成及び移動性管理コントローラー（９６）と通信可能に接続される。メディアアクセス制御層（８６）は、伝送制御プロトコルＴＣＰ／ＩＰ層（６０）通信可能に接続される。ＴＣＰ／ＩＰ層（６０）は、アプリケーション層（５０）と通信可能に接続される。

この実施形態の別の実装においては、メディアアクセス制御層（８６）は、ＴＤＭＡ又はＣＳＭＡを利用可能である。メディアアクセス制御層（８９）は、データパケットを暗号化し、指数加重移動平均計算に基づいた送信電力を適用可能なように制御し、及び／又はデータ転送速度を適用可能なように制御する。

この実施形態の一実装においては、適用電力制御機能部（８４）は、メディアアクセス制御層（８６）に含まれない。この実施形態の別の実装においては、暗号化機能部（８３）は、メディアアクセス制御層（８６）に含まれない。更にこの実施形態の別の実装においては、適用電力制御機能部（８４）及び暗号化機能部（８３）は、メディアアクセス制御層（８６）に含まれない。更にこの実施形態の別の実装においては、０２１出願に記載されている電力意識機能部は、メディアアクセス制御層（８６）に含まれる。この実施形態の別の実装においては、暗号化機能部は、０２１出願に記載されているようなアプリケーション層（５０）の中に存在する。ネットワーク（１０）及び（１１）の実施形態の一実装においては、アクセスノード及びネットワークノードは、図２Ｂに示されている物理的な装置及びネットワーク中の他のノードとインターフェース接続する。ネットワーク（１０）及び（１１）の実施形態の別の実装においては、ネットワーク（１０）又は（１１）中のいくつかのノードは、物理的な装置とインターフェース接続し、図２Ａに示されているようなネットワーク（１０）又は（１１）中の他のノードとインターフェース接続し、一方で他のノードは、図２Ｂに示されているようなネットワーク中の物理的な装置及び他のノードとインターフェース接続する。

図３は、本発明による通信プロトコルスタック（１３０）及び（１４０）の一実施形態のブロック図である。ソフトウェア（２２０）は、（図１Ａの）アクセスノード（１００）中のプロセッサー（１１４）によって実行されるとき、プロセッサー（１１４）にソフトウェア（２２０）によって実行されるように本明細書において記載されている処理を実行させる適切なプログラム命令を含む。そのようなプログラム命令は、（その１つだけが図３に示されている）の１つ以上の品目の記憶媒体（２１５）にストアされるか又は別の方法で具現化される。

ソフトウェア（１２１）は、（図１Ａの）ネットワークノード（１０２〜１０８）中のプロセッサー（１２４）によって実行されるとき、プロセッサー（１２４）にソフトウェア（１２１）によって実行されるように本明細書において記載されている処理を実行させる適切なプログラム命令を含む。そのようなプログラム命令は、（その１つだけが図３に示されている）の１つ以上の品目の記憶媒体（１１５）にストアされるか又は別の方法で具現化される。メディアアクセス層（１８０）及び（２８０）は、図の２Ａと２Ｂのメディアアクセス層（８０）及び（８６）とそれぞれ同等である。

図の１Ａ及び１Ｂのアクセスノード（１００）、（４００）及び（５００）に関する通信プロトコルスタックを一般に（１４０）として示す。また通信プロトコルスタック（１４０）は、「アクセスノードプロトコルスタック（１４０）」としても本明細書において参照されている。図１Ａのネットワークノード（１０２〜１０８）又は図１Ｂのネットワークノード（１０２）、（１０４）、（１０８）、（４０２）、（４０４）、（４０８）、（５０２）、（５０４）及び（５０８）のための通信プロトコルスタックを一般に、（１３０）として示す。また通信プロトコルスタック（１３０）は、「ネットワークノードプロトコルスタック（１３０）」としても本明細書において参照されている。ネットワークノードプロトコルスタック（１３０）及びアクセスノードプロトコルスタック（１４０）双方は、システムレベル（複数）（３５０）を含む。システムレベル（３５０）のうちいくつかのレベルは、本発明を強調するために本明細書に例示されない。ネットワークノードとアクセスノードとの間の無線通信リンクは一般に、ネットワークノードプロトコルスタック（１３０）及びアクセスノードプロトコルスタック（１４０）に接続する二方向矢印（２５）によって示される。またリンクされたノードは、無線通信リンク（２５）が情報交換に使用される「通信可能に接続されるノード」としても本明細書において参照されている。

ネットワークノードプロトコルスタック（１３０）のシステムレベル（３５０）は、アプリケーション層（１５０）、伝送制御プロトコル（ＴＣＰ）層（１６０）、インターンプロトコル（ＩＰ）層（１７０）及びメディアアクセス制御（ＭＡＣ）層（１８０）を含む。それが配置されるネットワークノード（１０２〜１０８）の送信電力制御装置（ＴＰＣ）プロトコル層（１６０）は、送信電力レベルを制御する。またアプリケーション層（１５０）は、「ユーザレベル（１５０）」としても本明細書において参照されている。メディアアクセス制御層（１８０）、ネットワークノード（１０２）、（１０４）、（１０８）、（４０２）、（４０４）、（４０８）、（５０２）、（５０４）及び（５０８）のアプリケーション層（１５０）と通信する。

メディアアクセス制御層（１８０）は、暗号化プロトコル（１８３）、ＴＤＭＡプロトコル（１８７）、適用電力制御プロトコル（１８４）、スロット割り当てプロトコル（１９２）及びデータ転送速度（ＤＲ）順応プロトコル（１９０）を含む。この実施形態の一実装においては、１つ以上の暗号化プロトコル（１８３）、適用電力制御プロトコル（１８４）及びスロット割り当てプロトコル（１９２）は、メディアアクセス制御層（１８０）に含まれない。

この実施形態の別の実装においては、アプリケーション層（１５０）は、０２１出願に記載されているようなアクセスノード（１００）から受信される電源制御装置を送信しているパケットを処理するための電力意識モジュール（１５５）を含む。更にこの実施形態の別の実装においては、メディアアクセス制御層（１８０）は、０２１出願に記載されているようなネットワークノード（１０２〜２０８）それぞれにおいて様々なシステムレベル（３５０）に対し、プロトコルに依存しないインターフェースを提供するコールバック装置（１８５）を含む。

アクセスノードプロトコルスタック（１４０）のシステムレベル（３５０）は、アプリケーション層（２５０）、伝送制御プロトコル（ＴＣＰ）層（２６０）、インターネットプロトコル（ＩＰ）層（２７０）及びメディアアクセス制御（ＭＡＣ）層（２８０）を含む。送信電力制御装置（ＴＰＣ）のプロトコル層（２５６）は、アクセスノード（１００）、（４００）及び（５００）の送信電力レベルを制御する。またアプリケーション層（２５０）は、「ユーザレベル（２５０）」としても本明細書において参照されている。

メディアアクセス制御層（２８０）は、暗号化プロトコル（２８３）、ＴＤＭＡプロトコル（２８７）、適用電力制御プロトコル（２８４）、スロット割り当てプロトコル（２９２）及びデータ転送速度（ＤＲ）順応プロトコル（２９０）を含む。この実施形態の一実装においては、１つ以上の暗号化プロトコル（２８３）、適用電力制御プロトコル（２８４）及びスロット割り当てプロトコル（２９２）は、メディアアクセス制御層（２８０）に含まれない。メディアアクセス制御層（１８０）及び（２８０）のプロトコルを更に詳細に後述する。

この実施形態の別の実装においては、アプリケーション層（２５０）は、０２１出願に記載されているような（図示されない）電力意識モジュールを含む。更にこの実施形態の別の実装においては、メディアアクセス管理層（２８０）は、０２１出願に記載されているようなコールバック装置（２８５）を含む。

この実施形態の一実装においては、アクセスノードプロトコルスタック（１４０）は、ネットワークノードプロトコルスタック（１３０）と同一である。同様にこの実施形態のいくつかの実装の中には、１つ以上のアプリケーション層（２５０）のにおいては、送信制御プロトコル（ＴＣＰ）層（２６０）、インターネットプロトコル（ＩＰ）層（２７０）、メディアアクセス制御（ＭＡＣ）層（２８０）が、それぞれアプリケーション層（１５０）、送信制御プロトコル（ＴＣＰ）層（１６０）、インターネットプロトコル（ＩＰ）層（１７０）及びメディアアクセス制御（ＭＡＣ）層（１８０）のうち、１つ以上が同一であるものもある。

航空宇宙アプリケーションに最もよく適合させるために、ＤＡ−ＴＤＭＡプロトコル（２８７）及び（１８７）は、（表１にまとめられる）３つのＱｏＳカテゴリを提供するためにカスタム設計される。ＱｏＳカテゴリ「高」は、迅速な応答が大きいデータ量より重大である実時間制御信号や作動装置／センサーデータなどのような決定論的アプリケーションのためのものである。決定論的アプリケーションは、データパケットのアプリケーション指定の周期性及び各データパケットに対するアプリケーション指定の再試行数を指定し、アプリケーションのライフサイクルを通してそれらのスロットを予約する。またアプリケーションは、アプリケーションに関連する優先順位の値も指定し、高いＱｏＳのためにデータパケットを割り当てるために使用される。この実施形態の一実装においては、予約されたタイムスロット数が選択された高いＱｏＳ閾値を超えている場合、データパケットは、高いＱｏＳを割り当てられる。

中間のＱｏＳカテゴリは、スロットリソースが要求に応じて割り当てられる音声や映像データトラフィックなどのような実時間アプリケーションの関するものである。実時間アプリケーションは、アプリケーション指定のデータ転送速度、アプリケーション指定の遅延要件及びそのようなデータパケットに対するアプリケーション指定の予約された再試行数を指定する。ＤＡ−ＴＤＭＡメディアアクセス制御層は、アプリケーション要件及びアプリケーションに関連する優先順位の値に従ったスロット割り当てを実行する。

低いＱｏＳカテゴリは、データが最大の遅延期間内に送信される限り、待ち時間が重大でないインターネット閲覧及び電子メールなどのような非実時間アプリケーションに対するものである。非実時間、非決定論的アプリケーションは、最大の遅延要件及び予約された再試行数を指定する。
表１．ＱｏＳカテゴリ

図４は、本発明によるネットワーク（１０）に対する基本的なシステムの動作手順に関する流れ図（４００）を示す。流れ図（４００）に関する記載は、ネットワーク（１１）を含む他のネットワークの実施形態に適用可能である。矢印の方向は、信号の送信方向を表す。時間は垂直下向き方向に進行する。ラベル（１１４）、（１１０）／（１１２）、（１２０）／（１２２）及び（１２４）の垂線は、図１に示されているようなアクセスノード（１００）のプロセッサー（１１４）、アクセスノード（１００）の受信機／送信機（１１０／１１２）、ネットワークノード（１０２〜１０８）の受信機／送信機（１２０／１２２）及びネットワークノード（１０２〜１０８）のプロセッサー（１２４）をそれぞれ示している。例示的な図１のネットワークノード（１０８）及びネットワーク（１０）のアクセスノード（１００）を参照し、流れ図（４００）を記載する。例示的なこの事例においては、アクセスノード（１００）において生成される信号は、送信機（１１２）からネットワークノード（１０８）中の受信機（１２０）に送信される。ネットワークノード（１０８）において生成される信号は、送信機（１２２）からアクセスノード（１００）中の受信機（１１０）に送信される。

アクセスノード（１００）は、無線標識（ビーコン）信号（３００）を定期的にブロードキャストする。一連のブロードキャストビーコン信号の期間は、スーパーフレームを定義する。電源投入時、ネットワークノード（１０８）は、ブロードキャストビーコン信号（３００）を検索し、受信機（１２０）において信号（３００）を検出し、アクセスノードクロックとネットワークノード（１０８）を同期する。ビーコン信号（３００）は、アクセスノード（１００）と通信可能に接続されるネットワークノード（１０２〜１０８）すべてに対するスロット割り当て情報を有する。

ネットワークノード（１０８）がネットワーク（１０）に参加したとき、それは、競合期間（ＣＰ）の間、タイムスロットをランダムに選択し、アクセスノード（１００）に関連リクエスト（３０２）を送信する。この実施形態の一実装においては、新しいネットワークノード（１０８）は、最初のネットワークアクセスを取得するためにＳｌｏｔｔｅｄＡｌｏｈａ技法を実装する。関連リクエスト（３０２）を受信すると、アクセスノード（１００）は、ネットワークノード（１０８）を認証し、ネットワークノード（１０８）に関連応答メッセージ（３０４）を送信する。ネットワークノード（１０８）が、ネットワーク（１０）に参加することを許容されなかった場合、アクセスノード（１００）はまた、ネットワークアドレスをネットワークノード（１０８）に割り当てる。

ネットワークノード（１０８）におけるプロセッサー（１２４）のようなネットワークノードホストが、アクセスノード（１００）に送信するためのデータ（３０６）を有するとき、ネットワークノード（１０８）は最初に、競合期間の間、アクセスノード（１００）にスロットリクエストメッセージ（３０８）を送信する。アクセスノード（１００）はその後、ビーコン信号（３１０）を介しスロット割り当て情報（３１０）を返送する。ネットワークノード（１０８）は、割り当てられたスロットを認識し、スーパーフレームの割り当てられたスロットにデータ（３０６）を送信する。

同様に、アクセスノード（１００）が、ネットワークノード（１０８）にデータ（３１４）を送信するとき、それは最初に、データ（３１４）を受信するためにネットワークノードに関する割り当てられたスロット情報（３１２）をネットワークノード（１０８）に送信する。割り当てられたスロット情報（３１２）は、ビーコン信号（３００）にて送信される。その後、データ（３１４）は、アクセスノード（１００）からネットワークノード（１０８）に割り当てられたスロットに送信され、ネットワークノード（１０８）は、割り当てられたタイムスロットでデータを読み取る。

ネットワークノード（１０８）が、ネットワーク（１０）に退出するとき、プロセッサー（１２４）は、アクセスノード（１００）に関連解除リクエスト（３１６）を送信する。アクセスノード（１００）はその後、ネットワークノード（１０８）中のプロセッサー（１２４）に関連解除応答（３１８）を送信する。その後、ネットワークノード（１０８）が停止する。

図５は、本発明によるスーパーフレーム（３３０）及びスロット継続時間構造（３３１）のブロック図である。スーパーフレーム（３３０）は、ビーコン（３３５）、非競合期間（ＣＦＰ）（３４０）及び競合期間（ＣＰ）（３４５）を含む。非競合期間（３４０）においては、タイムスロットは、割り当てられたネットワークノードのために予約されているが、競合期間においては、タイムスロットがノードすべてに対し開放されている。この実施形態の一実装においては、非競合期間及び競合期間は、交互である。

図５ｉは、本発明によるスロット継続時間の構造（３３１）である。スロット継続時間の構造（３３１）は、スロット継続時間の構造（３３１）の各終わりにおける２つのガードタイム（３５０）、データパケット（３５５）及び確認ウィンドウ（３６０）を含む。ガードタイム（３５０）は、スーパーフレーム時間及びシステム周波数トレランスによって決定される。データパケット継続時間は、現在のデータ転送速度及びデータパケット（３５５）のサイズによって決定される。また確認機能パケット（３６０）の継続時間は、データ転送速度及び確認パケットサイズによって決定される。

スロット継続時間「T_slot」は、

として計算され、ここで「Ｔ_{Ｇｕａｒｄ}」はガードタイムであって、「Ｔ_{ｐａｃｋｅｔ}」はデータパケット継続時間であって、「Ｔ_ＡＣＫ」は確認機能パケットの継続時間である。異なる物理層、異なるデータ転送速度及び異なる変調タイプに関して、スロット計算が変化する。

図６は、例示的な物理層コンバージェンスプロシージャ（ＰＬＣＰ）のフレーム形式である。データ転送速度５４Ｍｂｐｓを有する物理層コンバージェンスプロシージャ（ＰＬＣＰ）フレームの形式として構成されるこの例示的なデータパケットを参照し、例示的なタイムスロット計算を記載する。この実施形態の一実装においては、１５３４バイトのデータパケットは、米国電気電子技術学会８０２．１１ｇ標準規格に従う５４Ｍｂｐｓのデータ転送速度を有する。

１つのＰＳＤＵパケット１５３４バイトに対するスロット継続時間は、以下のように計算される。

ここで「T_preamble＝16μｓ」は、プリアンブル時間，
「T_signal＝4μｓ」は、信号期間，
「T_ｓｙｍ＝4μｓ」は、符号期間，
「N_DBPS＝216」は、符号毎のデータビット数である。
表記

は、「ｘ」以上の最小の整数である。したがってパケット継続時間は、「Ｔ_{ｐａｃｋｅｔ}＝２４８μｓ」として計算される。同一の論理によって、ＡＣＫ（１４バイト）継続時間は、「Ｔ_ＡＣＫ＝２４μｓ」として計算される。

スーパーフレーム継続時間が、３００ｍｓに設定された場合、最大周波数オフセットトレランスは、３０ｐｐｍであって、最悪の場合の時間オフセットは、９μｓである。いくらかの安全域を提供するために、ガードタイムは、「Ｔ_{Ｇｕａｒｄ}＝１０μｓ」として選択される。すべての値を方程式（１）に代用すると、１５３４バイトの１つのデータパケット及び１４バイトの１つの確認機能パケットによって要求されるスロット継続時間は、２９２μｓである。

図７は、本発明によるネットワークを動的に再構成するための方法（７００）の流れ図である。図７に示されている方法（７００）の特定の実施例を本明細書においては、図１Ａ及び３を参照し、前述されているアクセスノード（１００）のアクセスノードプロトコルスタック（１４０）及びネットワークノード（１０２〜１０８）のネットワークノードプロトコルスタック（１３０）によって実装されるものとして記載する。図７に示されている方法（７００）の特定の実施例を図５及び５ｉを参照し、本明細書において前述されているスーパーフレーム（３３０）に実装されるものとして記載する。プログラム命令を含むプログラム製品が、アクセスノード（１００）中のソフトウェア（２２０）及びネットワークノード（１０２〜２０８）中のソフトウェア（１２１）において具現化される。プログラム命令は、アクセスノード（１００）及びネットワークノード（１０２〜１０８）それぞれのプロセッサー（１１４）及び（１２４）が、アクセスノードプロトコルスタック（１４０）及びネットワークノードプロトコルスタック（１３０）それぞれにおけるプロトコルによって実行される記載された機能を実行させるよう作動する。そのようなプログラム命令は、記憶媒体（１１５）の１つ以上の品目にストアされるか又は別の方法で具現化される。

ブロック（７０２）において、ネットワーク中のノードから送信用データパケットが、ノードのメディアアクセス制御層において受信される。メディアアクセス制御層は、時分割多元接続に利用可能である。この実施形態の一実装においては、メディアアクセス制御層は、時分割多元接続及びキャリア感知マルチアクセスに利用可能である。例示的なこの実施形態の実装においては、ネットワーク（１０）中のネットワークノード（１０２）から送信されるデータパケット（３５５）は、ネットワークノード（１０２）のメディアアクセス制御層（１８０）においてネットワークノード（１０２）のアプリケーション層（１５０）から受信される。

ブロック（７０４）において、スーパーフレーム中のデータパケットに対するスロット割り当てが、アプリケーションが要求するサービス品質に基づいて決定される。アプリケーションが要求するサービス品質は、データパケットによって要求されるスロット数、アプリケーション指定のデータ転送速度、アプリケーション指定の遅延要件及びアプリケーション指定の予約された再試行数及び／又はアプリケーションに関連するデータパケットに対する優先順位の値に基づいて決定される。例示的なこの実施形態の実装においては、ネットワークノード（１０２）中のプロセッサー（１２４）は、スーパーフレーム（３３０）中のデータパケット（３５５）に対するスロット割り当てを決定するためにメディアアクセス制御層（１８０）においてソフトウェア（１２１）を実行する。更に、スロット割り当ての決定に関する詳細を図８及び９の方法（８００）及び（９００）を参照し、それぞれ後述する。この実施形態の一実装においては、スロット割り当ては、ＩＥＥＥ８０２．１１標準規格、ＩＥＥＥ８０２．１５．４標準規格及びＩＥＥＥ８０２．１１標準規格とＩＥＥＥ８０２．１５．４標準規格との組み合わせの１つによるデータパケット用チャンネルへのアクセスを提供する。

ブロック（７０６）において、データパケットは、ネットワーク中の別のノードから現在のデータ転送速度で受信される。例示的なこの実施形態の実装においては、データパケット（３５５）は、現在のデータ転送速度でネットワーク（１０）のアクセスノード（１００）中の送信機（１１２）から送信され、ネットワーク（１０）のネットワークノード（１０２）中の受信機（１２０）において受信される。

ブロック（７０８）において、プロセッサーは、受信データパケットの送信機が最大の電力で送信しているか決定される。例示的なこの実施形態の実装においては、ネットワークノード（１０２）のプロセッサー（１２４）は、ブロック（７０６）において受信データパケット（３５５）を送信した送信機（１１２）が、最大の電力で送信しているか決定するためのソフトウェア（１２１）をメディアアクセス制御層（１８０）において実行する。

ブロック（７１０）において、プロセッサーは、受信信号電力が信頼性のある検出電力の閾値よりも小さいか決定する。この実施形態の一実装においては、信頼性のある検出電力の閾値は、受信機の感度である。例示的なこの実施形態の実装においては、ネットワークノード（１０２）のプロセッサー（１２４）は、受信信号電力がネットワークノード（１０２）中の受信機（１２０）の信頼性のある検出電力の閾値よりも小さいか決定するためのソフトウェア（１２１）をメディアアクセス制御層（１８０）において実行する。

ブロック（７１２）において、ノードは、ブロック（７０８）及び（７１０）において実行される肯定的な決定に基づいて受信データパケットの送信機にパケットエラーを送信する。データパケットの送信機は、パケットエラーに基づいて現在のデータ転送速度でデータパケットを再送しない。例示的なこの実施形態の実装においては、ネットワークノード（１０２）の受信機（１２０）は、ブロック（７０８）及び（７１０）において実行された肯定的な決定に基づいてアクセスノード（１００）における受信機（１１０）にパケットエラーを送信する。パケットエラーがアクセスノード（１００）において受信された後、アクセスノード（１００）中の送信機（１１２）は、ネットワークノード（１０２）に現在のデータ転送速度でデータパケットを再送しない。この実施形態の一実装においては、ブロック（７０６）〜ブロック（７１２）の処理は、図３に示されているデータ転送速度適応プロトコル（１９０）及び（２９０）によって実装される処理を鳥瞰する。

ブロック（７１４）において、ノードは、メッセージ認証コードに対するハッシュキーに基づいてデータパケットの整合性（インテグリティ）検査を実行する。例示的なこの実施形態の実装においては、ネットワークノード（１０２）中のプロセッサー（１２４）は、メッセージ認証コードに対するハッシュキーに基づいてデータパケット（３５５）のインテグリティ検査を実行するためのソフトウェア（１２１）をメディアアクセス制御層（１８０）において実行する。

ブロック（７１６）において、ノード中のプロセッサーは、高度な暗号化の標準規格に基づいてデータパケットを暗号化する。例示的なこの実施形態の実装においては、ネットワークノード（１０２）中のプロセッサー（１２４）は、高度な暗号化の標準規格に基づいてデータパケット（３５５）を暗号化するためのソフトウェア（１２１）をメディアアクセス制御層（１８０）において実行する。この実施形態の一実装においては、ブロック（７１４）〜ブロック（７１６）の処理は、図３に示されている暗号化プロトコル（１８３）及び（２８３）によって実装される処理を鳥瞰する。

ブロック（７１８）において、ノード中のプロセッサーは、指数加重移動平均計算に基づいて送信電力を適用可能なように制御する。例示的なこの実施形態の実装においては、ネットワークノード（１０２）のプロセッサー（１２４）は、送信電力を適用可能なように制御するために指数加重移動平均計算を実行する。この実施形態の一実装においては、ブロック（７１８）の処理は、図３に示されている適用電力制御プロトコル（１８４）及び（２８４）によって実装される処理を鳥瞰する。

図８は、本発明によるデータパケットに対するスロット割り当てを決定するための方法（８００）の一実施形態の流れ図である。図８に示されている方法（８００）の特定の実施形態を本明細書においては、図１Ａ及び３を参照し、前述されているようなアクセスノード（１００）中のアクセスノードプロトコルスタック（１４０）及びネットワークノード（１０２〜１０８）中のネットワークノードプロトコルスタック（１３０）によって実装されるものとして記載する。図８に示されている特定の実施形態の方法（８００）を本明細書においては、図５及び５ｉを参照し、前述されているスーパーフレーム（３３０）によって実装されるものとして記載する。プログラム命令を含むプログラム製品は、アクセスノード（１００）中のソフトウェア（２２０）及びネットワークノード（１０２〜２０８）中のソフトウェア（１２１）において具現化される。プログラム命令は、アクセスノード（１００）及びネットワークノード（１０２〜１０８）それぞれのプロセッサー（１１４）及び（１２４）が、アクセスノードプロトコルスタック（１４０）及びネットワークノードプロトコルスタック（１３０）それぞれにおけるプロトコルによって実行される記載された機能を実行させるよう作動する。そのようなプログラム命令は、記憶媒体（１１５）の１つ以上の品目にストアされるか又は別の方法で具現化される。この実施形態の一実装においては、方法（８００）は、図３に示されているスロット割り当てプロトコル（１９２）及び（２９２）並びにＴＤＭＡプロトコル（１８７）及び（２８７）において実装される処理を鳥瞰する。

ブロック（８０２）において、ノードは、アプリケーションに関連付けられた優先順位の値に基づいてアプリケーションに優先順位を付ける。例示的なこの実施形態の実装においては、ネットワークノード（１０２）は、アプリケーションに関連する優先順位の値に基づいてアプリケーションに優先順位を付ける。

ブロック（８０４）において、ノードは、アプリケーションによって予約されたスロット数が、最も高いサービス品質及びアプリケーションに関連する優先順位の値に基づいた閾値を超えるとき、高いサービス品質を割り当てる。例示的なこの実施形態の実装においては、ネットワークノード（１０２）のプロセッサー（１２４）は、アプリケーションによって予約されたスロット数が、サービス閾値の最も高い品質を超えるとき、データパケット（３５５）及びアプリケーションに関連する優先順位の値に基づいて高いサービス品質を割り当てるためのソフトウェア（１２１）を実行する。

ブロック（８０６）において、ノードは、データパケットが、アプリケーション指定のデータ転送速度、アプリケーション指定の遅延要件及びアプリケーション指定の予約された再試行数を示す情報を含むとき、中間のサービス品質を割り当てる。例示的なこの実施形態の実装においては、データパケット（３５５）が、アプリケーション指定のデータ転送速度、アプリケーション指定の遅延要件及びアプリケーション指定の予約された再試行数を示す情報を含むとき、ネットワークノード（１０２）中のプロセッサー（１２４）は、データパケット（３５５）に中間のサービス品質を割り当てるためのソフトウェア（１２１）を実行する。

ブロック（８０８）において、ノードは、データパケットが、アプリケーション指定の最大遅延及びアプリケーション指定の予約されていない再試行数を示す情報を含むとき、低いサービス品質を割り当てる。例示的なこの実施形態の実装においては、データパケット（３５５）が、アプリケーション指定の最大の遅延及びアプリケーション指定の予約されていない再試行数を示す情報を含むとき、ネットワークノード（１０２）のプロセッサー（１２４）は、低いサービス品質をデータパケット（３５５）に割り当てるためのソフトウェア（１２１）を実行する。

ブロック（８１０）において、ノードは、割り当てられたサービス品質のレベルに基づいてデータパケットにスロットを割り当てる。データパケットは、保証が要求された場合、保証されるサービス品質で送信される。例示的なこの実施形態の実装においては、ネットワークノード（１０２）中のプロセッサー（１２４）は、データパケット（３５５）などのデータパケット対し割り当てられたサービス品質レベルに基づいたスロットを割り当てるためのソフトウェア（１２１）を実行する。

図９は、本発明によるデータのサービス品質に基づいて、データに対しスロットを割り当てるための方法（９００）の一実施形態の流れ図である。図９の流れ図は、図８を参照し、前述されている方法（８００）を実施するために要求されるステップに関する更なる詳細を示している。図９に示されている特定の実施形態の方法（９００）を本明細書においては、図１Ａ及び３を参照し、前述されているようなアクセスノード（１００）中のアクセスノードプロトコルスタック（１４０）及びネットワークノード（１０２〜１０８）中のネットワークノードプロトコルスタック（１３０）において実装されるものとして記載する。図９に示されている特定の実施形態の方法（９００）を本明細書においては、図５及び５ｉを参照し、前述されているスーパーフレーム（３３０）において実装されるものとして記載する。プログラム命令を含むプログラム製品は、アクセスノード（１００）のソフトウェア（２２０）及びネットワークノード（１０２〜２０８）のソフトウェア（１２１）において具現化される。プログラム命令は、アクセスノード（１００）及びネットワークノード（１０２〜１０８）それぞれのプロセッサー（１１４）及び（１２４）が、アクセスノードプロトコルスタック（１４０）及びネットワークノードプロトコルスタック（１３０）それぞれにおけるプロトコルによって実行される記載された機能を実行させるよう作動する。そのようなプログラム命令は、記憶媒体（１１５）の１つ以上の品目にストアされるか又は別の方法で具現化される。

ブロック（９０２）において、ノード（１０２）において送信用データパケット（３５５）は、アプリケーション層（５０）からメディアアクセス制御層（８０）において受信される。ブロック（９０４）において、ネットワークノード（１０２）中のプロセッサー（１２４）は、サービス品質が高いか決定するためのソフトウェア（１２１）を実行する。決定論的カテゴリである高いサービスカテゴリの品質に関して、スロット割り当ては、アプリケーション指定のデータパケットの長さ及びパケット周期性に基づいて計算される。アプリケーションは、アプリケーションに関連する優先順位の値に従って優先順位を付けられる。高い優先順位の値を有するアプリケーションは、スロットを最初に予約する権利を有する。等しい優先順位を有するアプリケーションは、スロットを予約するためのランダムな順位付けを使用する。一旦、データパケット（３５５）に対するサービス品質が高いことが決定されると、ネットワークノード（１０２）中のプロセッサー（１２４）は、データパケット（３５５）が、更に高い優先順位のスロット割り当てと競合するか決定するためのソフトウェア（１２１）を実行する（ブロック（９０６））。競合が存在する場合、データパケット（３５５）は、サービスに対して拒否される（ブロック（９０８））。競合が存在しない場合、データパケット（３５５）は、アプリケーションで指定される計算されたデータパケットの長さ及びパケットの周期性に基づくスロット割り当てを与えられ（ブロック（９１０））、データパケットは、割り当てられたタイムスロットにおいて送信される（ブロック（９５４））。

データパケット（３５５）に対するサービス品質が高くなかった場合、ブロック（９１２）において、ネットワークノード（１０２）中のプロセッサー（１２４）は、サービス品質が中間であるか決定するためのソフトウェア（１２１）を実行する。中間のサービスカテゴリ品質は、実時間カテゴリである。データパケットが、中間のサービス品質カテゴリに収まることを要求する場合、ネットワークノード（１０２）中のプロセッサー（１２４）は、十分な帯域幅が所望のデータ転送速度に対し利用可能か決定するためのソフトウェア（１２１）を実行する（ブロック（９１４））。

十分な帯域幅が存在しない場合、データパケット（３５５）は、サービスに対して拒否される（ブロック（９１６））。十分な帯域幅が存在する場合、ネットワークノード（１０２）中のプロセッサー（１２４）は、カウンターを０に設定し（ブロック（９１８））、パケット（３５５）に対するブロック（９２０）におけるデータスーパーフレーム（３３０）ごとに要求されるスロット数「ｎ_ｓ」を決定する。実時間のアプリケーションに関して、遅延要件は通常、重要である。スロットの最小数「Ｎ_ｍ」は、

として計算され、ここで「ＳＦ」は、スーパーフレーム継続時間であって、表記「ｄｅｌａｙ」は、アプリケーションの遅延要件を意味する。アプリケーションが要求するデータ転送速度は、「Ｒ_ｒｅｑ」によって表され、最大パケットサイズは、「ｍａｘ＿Ｐａｃｋｅｔ＿ｓｉｚｅ」によって表わされる。スーパーフレーム（３３０）あたりのパケット数「Ｎ_ｐ」は、

として計算される。スーパーフレーム（３３０）あたりのスロット数は、「Ｎ_ｍ」及び「Ｎ_ｐ」の最も大きい数、すなわち「ｎ_ｓ＝ｍａｘ｛Ｎ_ｍ，Ｎ_ｐ｝」である必要がある。
ブロック（９２２）において、プロセッサー（１２４）は、図５、５ｉ及び６を参照し、前述されているようにスロット継続時間を計算する。その後、プロセッサー（１２４）は、利用可能なスロット位置を検索し（ブロック（９２４））、スロット位置が検索されるか決定する（ブロック（９２６））。プロセッサー（１２４）は、

として所望の時間時期又はｎ番目のスロット位置の最初の開始時刻点「ｔ_ｎ」を計算する。ここで「ｔ_１」は、第１のスロット位置の最初の開始時刻点である。
プロセッサー（１２４）は、利用可能な時間単位セット内で所望のスロット位置に最も近いタイムスロットを検索する。スロット位置が首尾よく検索された場合、データパケット（３５５）は、スロットに割り当てられ（ブロック（９２８））、データパケット（３５５）が、割り当てられたタイムスロットで送信される（ブロック（９５４））。中間のサービス品質のサービスの一実装においては、再試行は、あらゆるスロットにおいて予約される。

スロット位置が首尾よく検索されなかった場合、プロセッサー（１２４）は、カウンターの値が、事前に選定されたカウンターの限界を超えていないか決定する（ブロック（９３４））。一定数の失敗スロットが割り当てられた後、アプリケーションは、要求されたサービスが提供され得ないことが通知される。かくしてカウンターの値が、事前に選定されたカウンターの限界を超えている場合、データパケット（３５５）は、サービスに拒否される（ブロック（９３６））。カウンターの値が、事前に選定されたカウンターの限界を超えていない場合、プロセッサー（１２４）は、スロット数「ｎ_ｓ」を増やし（ブロック（９３２））、カウンターは、１つ増加され（ブロック（９３０））、処理の流れは、（ブロック（９２２））に戻って進行する。本サイクルは、データパケットが、ブロック（９２８）においてスロットを割り当てられるか又はブロック（９３６）においてサービスを拒否されるまで継続する。

データパケット（３５５）に対するサービス品質が高でもなく、中間でもなかった場合、ブロック（９３８）において、ネットワークノード（１０２）中のプロセッサー（１２４）は、サービス品質が低いか決定するためのソフトウェア（１２１）を実行する。この実施形態の一実装においては、プロセッサーは、データパケット（３５５）に対するサービス品質が高くも中間でもない場合、デフォルトによって低いサービス品質としてデータパケット（３５５）を処理する。低いサービス品質のカテゴリは、非実時間のサービス品質である。サービス品質が低い場合、プロセッサー（１２４）は、スーパーフレーム（３３０）あたりのスロット数ｎ_ｓを決定し、

である（ブロック（９４０））。表記「ｄａｔａ＿ｓｉｚｅ」は、アプリケーションのデータサイズを示す。
ブロック（９４２）において、プロセッサー（１２４）は、図５、５ｉ及び６を参照し、前述されているようなスロット継続時間を計算する。ブロック（９４４）において、プロセッサー（１２４）は、スーパーフレーム（３３０）において利用可能な時間単位でタイムスロットを検索し、スロット位置が検索されるか決定する（ブロック（９４８））。スロット位置が首尾よく検索された場合、データパケット（３５５）がタイムスロットで割り当てられ（ブロック（９５２））、データパケット（３５５）が、割り当てられたタイムスロットで送信される（ブロック（９５４））。スロット位置が首尾よく検索されなかった場合、割り当てられていないスロットは、次のスーパーフレーム（３３０）に遅延される（ブロック（９５０））。

低い品質サービスのサービスに関し、再試行は、あらゆるスロットにおいて予約されない。各アプリケーションに対して１つの送信だけが１つのスロットにおいて実行される。送信が失敗した場合、再試行は、利用可能な次のスロットにおいて実行される。スーパーフレーム（３３０）それぞれにおける再試行の合計数は、次のスーパーフレーム（３３０）において補償される。残りの割り当てられていない時間単位及び予約された競合期間は、ランダムアクセスに使用される。

新しく更に高いレベルのアプリケーションに対応するために不十分なタイムスロットが存在するとき、優先順位に基づいた先取りは、既存の低い優先順位のアプリケーションを先取りするために使用される。この実施形態の一実装においては、アプリケーションそれぞれの優先順位は、０〜７の値によって指定される。値７は最も高い優先順位に対応し、値０は最も低い優先順位に対応する。先取りは、新しいアプリケーションの優先順位が、１つ又は複数の既存アプリケーションのそれよりも高い場合にだけ発生し、更に低い優先順位のアプリケーションは、合計のタイムスロットは、新しいアプリケーションに必要なタイムスロットに等しいか又は多い。先取りが発生するとき、最も低い優先順位を有する最小数のアプリケーションは壊され、新しいアプリケーションが確立される。

更に、図３のメディアアクセス制御層（１８０）及び（２８０）における適用電力制御プロトコル（１８４）及び（２８４）に関する詳細それぞれをここで記載する。リソースの浪費を低減し、システムスループットを改善するために、適用電力制御プロトコル（１８３）及び（２８３）は、信号強度補完を有するパケットエラー法を使用する。異なる送信速度において、一定のビット誤り率（ＢＥＲ）を用いた必要なＳＮ比（ＳＮＲ）は異なる。一般に更に大きいデータ転送速度は、更に大きい受信信号電力を要求する。例えばデータ転送速度５４Ｍｂｐｓに対する信頼性のある検出電力の閾値は、約−７０ｄＢｍであるが、データ転送速度１Ｍｂｐｓに対する信頼性のある検出電力の閾値は、約−９１ｄＢｍである。

送信機は、送信者が最大の電力で送信していて、受信信号電力が、一定のデータ転送速度「ｒ_ｍ」の信頼性のある検出電力の閾値よりも更に小さい時、データ転送速度「ｒ_ｍ」及びそれ以上を試みない。このようにして「ｒ_ｍ」に等しいか又はより大きいデータ転送速度を試みることによる失敗が排除される。以下の方程式における電力レベルは、ｄＢ単位である。送信機は、データパケット及びその変流器電力「Ｐ_Ｔｘ」に関する情報を送出する。データパケットを受信後、受信機は、受信信号強度ＲＳＳを測定し、経路損失を「ＰＬ＝Ｐ_Ｔｘ−ＲＳＳ」として見積もる。

チャンネルの経路損失は、平均「μ_ＰＬ」及び「σ_ＰＬ」の標準偏差を有する対数正規分布に従う。「ＲＳＳ_ｍｉｎ」は、受信機における最小限要求される受信信号の強度である。９９％の信用レベルを伴う「ＲＳＳ_ｍｉｎ」よりも小さい受信信号を防ぐために、次の送信に対する最適な送信電力「Ｐ_{ＴｘＯｐｔ}」は、

として計算される。受信機において、ｎ番目の受信パケットの経路損失は

として計算される。指数加重移動平均（ＥＷＭＡ）法を使用し、ｎ個の受信パケット後の平均の経路損失「ＰＬ＿ａｖｅ（ｎ）」は

として再帰的に見積もられる。同一の論理によって、経路損失変化の見積りは、

である。「α」及び「β」が増加するにつれ、見積り変化は減少し、モデルの適用速度は、更に遅くなる。通常、パラメーター「α」及び「β」は、０．７〜０．９の間で選択される。ｎ番目の受信パケット後の最適な送信電力は、

として計算される。受信機は、最適な送信電力「Ｐ_{ＴｘＯｐｔ}（ｎ）」を送信機に送出し、送信機は、次の送信においては送信電力「Ｐ_{ＴｘＯｐｔ}（ｎ）」を設定する。経路損失がより更に広範囲で変化するとき、緩衝値

もまたパケット損失を保護するように十分大きい。経路損失がほとんど変化しないとき、緩衝値

は小さく、いくらかの送信電力が節約される。
更に、図３のメディアアクセス制御層（１８０）及び（２８０）において暗号化プロトコル（１８３）及び（２８３）に関する詳細それぞれをここで記載する。傍受、スプーフィング、マスカレード及びリプレーアタックを防ぐために、ＤＡ−ＴＤＭＡにおけるセキュリティは、３つのセキュリティコンポーネントであるキー管理、インテグリティ及び暗号化によって保証される。

システム（１０）及び（１１）中のノードは、ＤＡ−ＴＤＭＡシステムにおいて使用される３つのキーである共有秘密鍵、認証キー及び暗号化キーを実装する。共有秘密鍵は、ハードウェア初期化の間、ノード（１００）及びネットワークノード（１０２〜５０８）双方にアクセスするために手動で配布される。アクセスノード（１００）によってブロードキャストされるサービスの広告及びネットワークノード（１０２〜５０８）からの関連リクエストに対する２つのセキュリティオプションがある。

第１のオプションは、オープンなシステムであって、そこではインテグリティチェックも暗号化も存在しない。このオープンなシステムの利点は、その単純性である。しかし、オープンなシステムは、傍受、マスカレード及び介入者攻撃に影響されやすい。それは、低いセキュリティ要件を有するアプリケーションにおいて使用される。

広告及び初期接続に対する第２のセキュリティオプションは、セキュアなシステムであって、インテグリティチェックが、（メッセージ認証コード用ハッシュキー）ＨＭＡＣを使用し実行され、そこでは暗号化は、高度な暗号化の標準規格（ＡＥＳ）を介し実行される。初期にセキュア接続をする間、ＨＭＡＣインテグリティチェック及びＡＥＳ暗号化双方に使用されるキーは、共有秘密鍵である。ＨＭＡＣは、基本的な反復暗号ハッシュ関数である。ＨＭＡＣのために評判がよい候補となるハッシュ関数は、ＳＨＡ−１、ＭＤ−５及びＲ１ＰＥＭＤ−１２８／１６０である。ＭＤ−５単独で衝突検索攻撃の犠牲となることが見つけられたとしても、ＭＤ−５を用いたＨＭＡＣは、この衝突検索攻撃に対し脆弱ではない。ＳＨＡ−１が広く許容されたハッシュ関数であるため、ＳＨＡ−１を用いたＨＭＡＣ、すなわちＨＭＡＣ−ＳＨＡ１は、セキュアなシステムにおいてインテグリティチェックのために使用される。

各セッション内で使用される認証キー「Ｋ_Ａ」及び暗号化キー「Ｋ_Ｅ」は、当技術分野で知られているようなＤｉｆｆｉｅ−Ｈｅｌｌｍａｎ交換を使用し、導出される。Ｄｉｆｆｉｅ−Ｈｅｌｌｍａｎ交換によって、２人のユーザは、セキュアでないチャンネル上のメッセージを介し秘密鍵を導出できる。Ｄｉｆｆｉｅ−Ｈｅｌｌｍａｎ交換プロトコルは、アクセスノード及びネットワークノード双方においてハードコードされる２つのシステムパラメーター「ｐ」及び「ｇ」を有する。パラメーター「ｐ」は、素数であって、パラメーター「ｇ」は「ｐ」よりも小さい整数である。

ネットワークノードから関連リクエストを受信後、アクセスノードは、私的乱数値「ａ」を生成し、共有乱数値「ｒ_ａ＝ｇ^ａ mod ｐ」をネットワークノードに送信する。またネットワークノードは、私的乱数「ｂ」も生成し、アクセスノードに共有乱数「ｒ_b＝ｇ_ｂmod ｐ」を送信する。アクセスノードは、その秘密鍵を「（ｒ_ｂ）^a mod ｐ」として導出し、ネットワークノードは、秘密鍵を「（r _a）^ｂ mod ｐ」として計算する。アクセスノード及びネットワークノード双方によって導出される秘密鍵が、同一のキー、すなわち「ｋ＝（ｇ^ｂ mod ｐ）^amod ｐ＝（ｇ^a mod ｐ）^b mod ｐ」であることが知られている。ＨＭＡＣインテグリティチェック及びＡＥＳ暗号化が、Ｄｉｆｆｉｅ−Ｈｅｌｌｍａｎメッセージ交換において実行されることによって本システムは、介入者の攻撃から自動的に保護される。

アプリケーションのデータパケットに関するインテグリティチェック及び暗号化双方は、対称鍵暗号を使用する。またデータパケットに対するインテグリティチェックは、認証セッションキー「Ｋ_Ａ」を用いたＨＭＡＣ−ＳＨＡ１も使用する。暗号化は、暗号化セッションキー「Ｋ_Ｅ」を用いたＡＥＳを使用し実行される。ブロックＡＥＳは、ＣＴＲ（カウンター）モードを使用し、ストリームＡＥＳに変換される。フレームカウンターは、指示の送信及び受信双方のために使用される。セッションは、カウンターのロールオーバーで強制終了される。

かくして図３に記載されているようなネットワークプロトコルスタック（１３０）又は（１４０）を含むシステム（１０）及び（１１）は、４つの主要な高いスループットの利点である保証されたサービス品質、様々な物理的なプラットフォーム上の自動適用及びシームレスな動作及び効率的なエネルギー保持を有する。

例示的なネットワーク（１０）及び（１１）などの無線ＤＡ−ＴＤＭＡ管理ネットワークは、仮想的なキャリア感知機能を回避するために、決定論的スロットスケジューリングを使用し、それによってコントロールオーバーヘッドを大きく低減する。ネットワーク中のノード数が、一定の境界レベルに増加するにつれて、総合的なＣＳＭＡのスループットは低下する。しかし、ＴＤＭＡのスループットは、ノード数が増加するにつれて減少しない。そのような動的ＴＤＭＡは、８０２．１１ｅに関し平均しておよそ２０％スループットを改善する。

競合を基本とするＣＳＭＡのＭＡＣシステムにおいては、ＱｏＳは保証され得ない。ＤＡ−ＴＤＭＡは、決定論的ＭＡＣアルゴリズムであって、ＱｏＳが保証される。例示的なネットワーク（１０）及び（１１）のようなＤＡ−ＴＤＭＡネットワークは、８０２．１１及び８０２．１５．４無線通信などの異なる物理層プラットフォーム上で実行するメディアアクセス制御層を含む。無線ＤＡ−ＴＤＭＡ管理ネットワークは、新しい物理的なハードウェア技術が無線通信インターフェースコンバージェンスのわずかな修正を用いて開発されているので新しいプラットフォームに適用可能である。

８０２．１１及び８０２．１５．４無線ネットワークにおいては、ＭＡＣ層における４つの主なエネルギーの浪費源である、衝突、オーバーヒアリング、コントロールオーバーヘッド及びアイドルリスニングが存在する。衝突は、データパケットが別のデータパケットで破壊され、再送信が実行される必要があるとき発生する。そのため衝突は、エネルギー消費及び応答待ち時間双方を増大させる。オーバーヒアリングは、ノードが別のノードを目標とするデータパケットを受信する必要があるとき発生する。またコントロールメッセージは、コントロールオーバーヘッドと呼ばれている帯域幅及びエネルギーも消費する。アイドルリスニングは、可能なトラフィック用のチャンネルをリスニングするためのノードを要求し、実際に送信されない。現在の８０２．１１プロトコルにおけるオーバーヒアリング及びアイドルリスニング問題を軽減するために、無線ＤＡ−ＴＤＭＡ管理ネットワークは、ビーコンの間だけ目を覚ましているタイムスロットを割り当てられるノードを含む。ノードは、スーパーフレームの休止の間、スリープモードに設定される。そのためオーバーヒアリング及びアイドルリスニングは、記載されている本提案の無線ＤＡ−ＴＤＭＡ管理ネットワークにおいて完全に回避される。ノードがビーコン信号を見失った場合、ノードは、次のビーコン信号を受信するまでリスニングし続ける。記載されているこの無線ＤＡ−ＴＤＭＡ管理ネットワークにおいては、仮想的な感知は必要とされず、そのためＲＴＳ及びＣＴＳ制御オーバーヘッドは節約される。ＤＡ−ＴＤＭＡは、ＣＳＭＡのような競合を基本とするＭＡＣではないので、衝突は、ＤＡ−ＴＤＭＡにおけるスケジューリングを介し排除される。したがってＤＡ−ＴＤＭＡは、現在の８０２．１１及び８０２．１５．４において使用されるＣＳＭＡよりもエネルギー効率が良好である。更に、記載されているこの無線ＤＡ−ＴＤＭＡ管理ネットワークの密接続適用型の送信電力制御装置はまた、様々な時間で変化するチャネル環境下において送信電力の節約を支援する。

本明細書に記載されている速度適用及び送信電力制御装置は、第１の目的が、電力を変更することによって所与の範囲に対し、電力を最小化することである一方で、第２の目的が、所与の範囲を取得するためにデータ転送速度を最大化するような異なる２つの目的を達成する。ＴＰＣアルゴリズムに関する制約は、アプリケーションによるデータ転送速度に対するＱｏＳの要求を達成する一方で送信電力を最小化することである。この様にして速度適応及びＴＰＣは、相互に尊重する役割を果たす。

本明細書に記載されている実施形態は、複数のタイプの物理層を支援可能であって、自下層の物理層を自動的に検出可能であって、その物理層に対し適切なスーパーフレーム構造を使用できる。更に、本明細書に記載されている実施形態は、必要に応じて低い優先順位のアプリケーションに割り当てられているスロットを取り除くことによって、高い優先順位のアプリケーションの帯域幅要件を満たし得る。更に、本明細書に記載されている実施形態は、必要な物理層パラメーターがアクセス可能であって制御可能である限り、標準又は独自の任意の物理層においてメディアアクセス制御層を実行できる。

特定の実施形態を本明細書において例示され記載されているが、同一目的を達成するために計算される任意の処理が、示されている特定の実施形態に代用され得ることが当業者に十分に理解されよう。本出願は、本発明の任意の適用物又は変形物が範囲内にあることを意図している。したがって本発明が、請求項及びその同等物によってのみ限定されることを明確に意図している。

１２ノード
１３ノード
５０アプリケーション層
６０ＴＣＰ／ＩＰ層
８０メディアアクセス制御層
８１物理メディアアクセス制御インターフェース
８２データ転送速度適応機能部
８３暗号化機能部
８４適用電力制御機能部
８６メディアアクセス制御層
８７キャリア感知多重アクセスメディアアクセス制御機能部
８８物理メディアアクセス制御（ＰＨＹ−ＭＡＣ）インターフェース
９６アドホック／インフラストラクチャネットワーク移動性管理コントローラー
１００アクセスノード
１０２ネットワークノード
１０３ネットワークノード
１０４ネットワークノード
１０６ネットワークノード
１０８ネットワークノード
１１０受信機
１１２送信機
１１４プロセッサー
１１５記憶媒体
１２０受信機
１２１ソフトウェア
１２２送信機
１２４プロセッサー
１５０アプリケーション層
１６０ＴＣＰ層
１７０ＩＰ層
１８０メディアアクセス制御層
１８３暗号化プロトコル
１８４適用電力制御プロトコル
１８５コールバック装置
１８７時分割多元接続プロトコル
１９０データ転送速度適用プロトコル
１９２スロット割り当てプロトコル
２２０ソフトウェア
２５０アプリケーション層
２６０ＴＣＰ層
２７０ＩＰ層
２８０メディアアクセス制御層
２８３暗号化プロトコル
２８４適用電力制御プロトコル
２８５コールバック装置
２８７時分割多元接続プロトコル
２９０データ転送速度適用プロトコル
２９２スロット割り当てプロトコル
３５０システムレベル（複数）

Claims

ネットワーク（１０）を動的に再構成する方法であって、
ノード（１０２）のメディアアクセス制御層（１８０）において、前記ネットワーク中の前記ノードから送信用データパケット（３５５）を受信するステップであって、前記メディアアクセス制御層が、時分割多元接続に利用可能であるものと、
アプリケーションが要求するサービス品質に基づいて前記データパケットに対するスロット割り当てを決定するステップであって、前記アプリケーションが要求するサービス品質が、前記データパケットによって要求されるスロット数（n_ｓ）、アプリケーション指定のデータ転送速度、アプリケーション指定の遅延要件、アプリケーション指定の予約された再試行数及びアプリケーションに関連する前記データパケットに対する優先順位の値のうち、少なくとも１つに基づいて決定されるものと、
前記ネットワーク中の別のノードから現在のデータ転送速度でデータパケット（３５５）を受信するステップと、
前記受信データパケットの送信機（１１２）が、最大の電力で送信しているか決定するステップと、
前記受信信号電力が、信頼性のある検出電力の閾値よりも小さいか決定するステップと、
肯定的な決定に基づいて前記受信データパケットの前記送信機にパケットエラーを送信するステップと、を含む方法。
前記送信機が、前記パケットエラーに基づいて前記現在のデータ転送速度で前記データパケットを再送信せず、更に、
メッセージ認証コードに対するハッシュキーに基づいて前記データパケットのインテグリティ検査を実施するステップと、
高度な暗号化の標準規格に基づいて前記データパケットを暗号化するステップと、指数加重移動平均計算に基づいて前記送信電力を適応的に制御するステップを含む請求項１記載の方法。
スロット割り当てを決定するステップが、
十分な帯域幅が、データ転送速度に対し利用可能か決定するステップと、
スーパーフレーム（３３０）ごとに要求されるスロット数（n_ｓ）を決定するステップと、
スロットの継続時間Ｔ_ｓｌｏｔを計算するステップと、
所望のタイムスロットを決定するために所望の時間時期t_nを計算するステップと、
前記所望のタイムスロットに最も近いタイムスロットを検索するステップと、
前記検索に基づいて前記タイムスロットを割り当てるステップと、を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。