JP5201604B2 - Ｔｄｍａ通信のためのマルチサイズのタイムスロットをもつ無線メッシュネットワーク - Google Patents

Description

本発明は、時間分割多アクセス（ＴＤＭＡ）通信プロトコルを用いて無線メッシュネットワーク上で通信するデバイスに関する。具体的には、本発明は、異なる通信速度能力を有するデバイス間での通信のために、マルチサイズのタイムスロットを用いる無線メッシュネットワークに関する。

無線データ通信及び制御は、将来のセンサオートメーション、プロセス制御、セキュリティ、及び安全規制において支配的なプレーヤになるであろう。無線データ通信及び制御に重大な要求の一つは、ネットワークで通信するデバイスがその電力消費を最小にすることである。
低電力、センサ／アクチュエータベースの適用例のために設計された無線メッシュネットワークシステムにおいて、ネットワークの多くのデバイスは、長寿命電池によってか又は低電力エネルギスカベンジング電源によって、電力を供給されなければならない。１２０ＶＡＣユーティリティのような電力コンセントは、普通は、大きな据え付け費を負うことなく器具（センサ）及びアクチュエータが配置されなければならない危険領域に隣接して配置されることはなく、又はその中には許可されないことがある。低い据え付けコストの必要性によって、無線メッシュネットワークの一部として通信する電池電源デバイスの必要性が生じる。再充電できない一次電池のような有限電源の効果的使用が、高機能無線デバイスにとって極めて重要である。電池は５年より長く、好ましくは製品の寿命まで持つことが期待される。
自己編成マルチホップネットワークとも呼ぶことができる、真の無線メッシュネットワークにおいては、各デバイスは、ネットワークで、それ自体並びに他のデバイスに対してメッセージをルーティングできなければならない。ネットワークを通してノードからノードへホッピングするメッセージの概念は、低電力ＲＦラジオを用いることができ、さらに、メッシュネットワークは一端から他端へメッセージを送給する、かなりの物理的領域に渡る可能性があるため利点がある。高電力ラジオはメッシュネットワークにおいては必要ではなく、集中型基地局に直接話す遠隔デバイスを採用するポイント・ツー・ポイントシステムとは対照的である。

メッシュネットワークプロトコルは、デバイス間及びデバイスとデータコレクタ又は幾らかのより高いレベルの高速データバスへのブリッジ又はゲートウェイとの間でメッセージングするための代替経路の形成を可能にする。無線メッセージのための代替の冗長な経路を有することは、環境的影響のため又は干渉のために別の経路がブロックされた又は低下した場合でさえ、メッセージが流れる少なくとも１つの代替経路があることを保証することによって、データ信頼性を高める。
幾つかのメッシュネットワークプロトコルは、全てのデバイスが指定された親及び少なくとも１つの代替親を有するように、確定的にルートされる。メッシュネットワークの階層においては、人間の家族におけるように、親は子を持ち、子は孫を持ち、以下同様である。各デバイス（又は「ノード」）は、ネットワークを通して子孫のためのメッセージをゲートウェイのような何らかの最終目的地へ取り次ぐ。親デバイスは、電池電源又は有限エネルギ電源のデバイスとすることができる。ノードがより多くの子孫を持てば持つほど、より多くのトラフィックをルートしなければならず、今度は直接にそれ自体の電力消費を増加させ電池寿命を縮めることになる。
電力を節約するために、幾つかのプロトコルは、メッセージに注意を向けるために、制限された時間の量においてのみノードのラジオをオンにすることにより、どのノードも、あらゆる時間の期間中に扱うことができるトラフィックの量を制限する。故に、平均電力を削減するために、プロトコルは、オンとオフの状態の間でラジオのデューティサイクルを可能にすることができる。幾つかのプロトコルは、電力を節約するために、ネットワーク全体が同時にオンとオフになるように、グローバル・デューティサイクルを用いる。他のプロトコル（例えばＴＤＭＡベース）は、互いにリンクされるノードの通信する対のみが所定の時間に同期様式でオンとオフに変わるようにスケジュールされるローカル・デューティサイクルを用いる。典型的には、リンクは、ノードの組に、通信のための特定のタイムスロットを割り当て、ラジオにより用いられるＲＦ周波数チャネルを割り当て、その時点で、誰が受信しているか（Ｒｘ）、及び誰が伝送しているか（Ｔｘ）を指定することにより、予め定められる。

新規なデバイスがネットワークに加入したときには、ネットワークマネージャは、新規なデバイスに、このデバイスがネットワークにおける他のデバイスと話すのに用いるスケジュールを与える。ネットワークにおける各々のデバイスには、１つ又はそれ以上の「子」及び１つ又はそれ以上の「親」の間でデータを送るためのタイムスロット（特定の時間及び無線周波数）が与えられる。異なる時間及び周波数を用いることは、多数のデバイスが、衝突なしで、メッセージを同じ空間に送ることを可能にする。周波数ポッピングは、さらに、ネットワークにおいて送られるデータをセキュリティ保護することを助ける。セキュリティ保護された自己編成ネットワークは、認証及び暗号化を頻繁に採用して、さらにネットワークを保護する。
ＴＤＭＡネットワークにおいては、タイムスロットは、通信ウィンドウを表わす。一連のタイムスロットは、ネットワークの再生速度を定義する時間単位を繰り返すフレームを構成する。
典型的なＴＤＭＡベースの無線メッシュネットワークは、フレームを、等しい持続時間のタイムスロットに分割する。各々のスロットは、次いで、１つのデバイスから別のデバイスへの通信をサポートするようにスケジュールされる。タイムスロットは、ラジオをオンにする、チャネルが空であることを証明する（リスン）、メッセージを送信する、及び確認通知に注意を向けるのに必要な最小時間量として定義される。ラジオは、このプロセス中、受信−伝送−受信の間で切り換わらなければならず、この応答時間は、送信されるメッセージのパケットサイズのように、最小スロット時間の要素である。

無線メッシュネットワークに対する幾つかの性能向上は、例えば、より速い応答時間、より高速の通信速度、データ圧縮、より少ないクロックのドリフトのように、シリコンラジオが良好なものになるに伴い、時間と共に生じる。これらの向上すべて及びより多くのものは、さらに小さいタイムスロットをもたらす。無線メッシュネットワークの上位互換性は、ネットワークに加入する新規なデバイスはネットワークにおける他のデバイスよりはるかに大きい通信速度能力を有するため、問題になる。

異なる通信速度能力を有するデバイス（又はノード）を収容することができる無線メッシュネットワークは、異なるサイズのタイムスロットを含むことができるフレームを用いる。フレームは、等しい流さのタイムスロット増分に分割され、各々のタイムスロットは１つ又はそれ以上のタイムスロット増分で構成される。タイムスロットを構成する増分の数は、そのタイムスロットに割り当てられたデバイスの通信速度能力に基づく。

無線メッシュネットワークを示す図である。 Ｎ個の等しいサイズのタイムスロット増分に分割されたフレームを示す図である。 １つ又はそれ以上のタイムスロット増分により形成された、異なる長さのタイムスロットを含むフレームを示す。 １つ又はそれ以上のタイムスロット増分により形成された、異なる長さのタイムスロットを含むフレームを示す。 １つ又はそれ以上のタイムスロット増分により形成された、異なる長さのタイムスロットを含むフレームを示す。 １つ又はそれ以上のタイムスロット増分により形成された、異なる長さのタイムスロットを含むフレームを示す。

図１は、自己編成メッシュネットワーク１０を示し、ネットワークマネージャ１２及び個々のデバイス又はノード１４Ａ−１４Ｉを含む。自己編成メッシュネットワーク１０は、個々のデバイス１４Ａ−１４Ｉが多重経路を通ってデータを送る無線通信ネットワークである。
ネットワークマネージャ１２は、例えば、ネットワーク・ゲートウェイ上又はホストコンピュータ上で稼動するソフトウェア・アプリケーションを含むことができる。ネットワークマネージャ１２は、デバイスの幾つかと直接に（単一ホップ）通信可能であり（この場合はデバイス１４Ａ、１４Ｂ，１４Ｃ及び１４Ｆ）、残りのデバイスと間接的に（複数ホップ）通信可能である。
デバイス１４Ａ−１４Ｉの各々がネットワーク１０に加入したとき、ネットワークマネージャ１２は、ネットワーク１０内の他のデバイスと話す際に用いるスケジュールをデバイスに与える。各デバイスには、そのデバイスに対して親又は子のいずれかである近くのデバイスから往復するデータを送るために用いる特定の時間と無線周波数を表すスロットが提供される。
一実施形態においては、デバイス１４Ａ−１４Ｉは、分散型工業プロセスシステムにおけるフィールドデバイスである。フィールドデバイスは、圧力、温度、流量、又は流体レベルのようなプロセスパラメータをモニタするためのセンサ（又は複数のセンサ）を有するトランスミッタとすることができる。代替的に、フィールドデバイスは、ネットワーク１０上で受信される制御コマンド信号に応じて制御機能を提供するアクチュエータを含むことができる。

本発明の実施形態においては、通信のために一対のノードに割り当てられた特定のタイムスロットは、ノードの各々がラジオをオンにしなければならない、チャネルが空であることを保証する、メッセージを送信する、及び確認通知要求に注意を向ける最小時間量に基づいて、ワークマネージャ１２により選択される。異なるノードは、特に、ノードの幾つかがより新しくより速いコンポーネント及び回路を用いるときに異なる最小時間要求を有することができる。
ネットワークマネージャ１２は、ノードの各々に対して、ノードがタイムスロット中に通信するのに必要な最小時間期間を示す情報を含む構成データを格納する。特定のタイムスロット中に通信するノードの各々に対する格納された情報に基づいて、ネットワークマネージャ１２は、その特定の対のノードに対して、タイムスロットの持続時間はどうであるべきか判断する。ネットワーク１０が、異なるタイムスロットの持続時間を必要とする異なる通信速度を有するノードを含む場合には、ＴＤＭＡサイクルの各々のフレームは、幾つかの異なる持続時間のタイムスロットを含むことができる。
ネットワーク１０内に異なる持続時間のタイムスロットを収容する能力は、ネットワーク１０により用いられる、最短であると予測されるタイムスロットと同じくらい小さいか又はこれより小さい、一連の等しい長さのスロット増分にフレームを分割することにより実現することができる。図２は、等しい長さの一連のスロット増分２２に分割されたフレーム２０を示す。図２に示す例においては、フレーム２０は、ネットワーク１０の再生（リフレッシュ）速度を定義するフレーム長さすなわち時間Ｔ_fを有する。フレーム２０にはＮ個の合計スロット増分２２がある。したがって、フレーム時間Ｔ_f＝Ｎｔ_iであり、タイムスロットの持続時間はＭｔ_iであり、ここでＭは正の整数であり、Ｎより少ない。

図３Ａから図３Ｄは、タイムスロットの異なる組み合わせを含むフレームの例を示す。図３Ａにおいては、フレーム２０Ａは、等しい長さのタイムスロット３０で構成される。各々のタイムスロット３０は、４つのスロット増分で構成される。したがって、フレーム２０Ａにおける各々のタイムスロットの長さ又は持続時間は４ｔ_iである。
図３Ｂは、３つの異なる持続時間のタイムスロットで構成されるフレームを示す。タイムスロット３０は、４つのタイムスロット増分で構成される。タイムスロット３２は２つのタイムスロット増分で構成され、タイムスロット３４は単一の時間増分で構成される。図３Ｂに示す例においては、異なる通信速度のノードは、ｔ_i、２ｔ_i、及び４ｔ_iの長さを有するタイムスロットにより収容される。タイムスロット３０は、タイムスロット３４の４倍だけ長い。その結果、幅広い範囲の速度を有するノードは、ネットワーク１０上で収容することができる。さらに、幾つかのノードははるかに高速で互いに通信できるため、フレーム２０Ａにおいて可能であるより大きい数のタイムスロットを、フレーム２０Ｂに収容することができる。
図３Ｃは、タイムスロット３２及び３４の混合を有するフレーム２０Ｃを示す。フレーム２０Ｃは、ノードの全てが高速（タイムスロット３４により表わされる）又はその速度の半分（タイムスロット３２により表わされる）のいずれかで動作することができる場合に用いられる。
図３Ｄは、単一のスロット増分に対応するタイムスロット３４のみを含むフレームＤを含む。フレーム２０Ｄは、ネットワーク１０上のすべてのノードが可能である最高通信速度で動作することができる場合に用いられる。

図３Ａから図３Ｄは、行うことができる種々の異なるタイムスロットの割り当てのサンプルを示す。異なる長さのタイムスロットを可能にすることにより、ネットワーク１０は、フレーム中に、ネットワーク１０における個々のノードの通信機能と一致するだけのタイムスロットを与えることができる。タイムスロットは、ネットワーク１０における最低速ノードにより必要とされる最小時間によって制限されるものではない。むしろ、より短いタイムスロットにおいて互いに通信できるこれらのノードは、そのようにすることが可能にされており、このことは、どれだけの数のノードが、より高速で動作できるかに応じて、より大きい数のタイムスロットを可能にする。
ノードの物理的位置に応じて、ノードは、より長い持続時間のタイムスロット（例えば、タイムスロット３０）を用いて、より遅い通信速度でしか動作できない親又は子のノードと通信し、依然として、より短いタイムスロット３２又は３４で、高速通信可能な別のノード（親又は子）と通信する。したがって、タイムスロットのすべての持続時間、すなわちフレーム２０において使用可能の合計タイムスロット数は、ネットワーク１０内の最も遅いノードにより決定されるわけではない。
可変持続時間のタイムスロットを用いることにより、高速ノード及び低速ノードの両方を、単一の無線メッシュネットワーク内に収容することができる。このことは、無線デバイスが発展し続けるときに大いに融通性を与える。フレームを等しく分割するために小さいスロット増分を用い、次いで、１つ又はそれ以上のスロット増分に基づいてタイムスロットの持続時間を判断することにより、ネットワーク設計における融通性及び新規なより高速のデバイスとの上位互換性が実現される。
本発明は好ましい実施形態に関して説明されたが、当業者であれば本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に変更を行うことができることを認識するであろう。

１０：無線メッシュネットワーク
１４：ノード
２０：通信フレーム
３０、３２、３４：タイムスロット

Claims (6)

1. メッセージを伝送し受信することができる複数のノードを有する無線メッシュネットワークを動作させるための方法であって、
   それぞれのノードによる通信のための最小時間要求に基づいて前記無線メッシュネットワークで使用されることになる最も短いタイムスロットの長さを決定し、それぞれのタイムスロットは前記最も短いタイムスロットの長さｔ_i の１つ以上のタイムスロット増分を含むものであり、
   フレームを有する通信サイクルに前記ノードを同期させ、前記フレームは前記無線メッシュネットワークのリフレッシュ速度に基づく持続時間Ｔ_f＝Ｎｔ_iを有し、ここで、Ｎは前記フレームにおけるタイムスロット増分の合計数であり、Ｎは正の整数であり、そしてそれぞれのタイムスロット増分ｔ_iは同じ長さであり、前記フレームはそれぞれが長さＭｔ_iを有するタイムスロットを形成し、前記ノードに割り当てられているものであり、それぞれのタイムスロットの個々に対して、ＭはＮより小さい正の整数であり、Ｍの値は最初は前記タイムスロットのすべてに対して等しいものであり、
   複数の新しいノードを、その新しいノードが前記無線メッシュネットワークに加入したときにネットワークマネージャにより登録し、
   それぞれの新しいノードによる通信のための最小時間要求に基づいて、それの無線をオンにし、関連するチャネルが空であることを確認し、メッセージを送り、そして確認通知に注意を向けるために、前記新しいノードが前記無線メッシュネットワーク内で受け入れられる最も短いタイムスロットの長さを決定し、ノード対の間の通信のためにタイムスロットを各々のフレーム内に割り当て、割り当てられたタイムスロットはそれぞれのノード対のための最も短いタイムスロットの長さの関数として変化し、両方が他のノードより低い最小時間要求を有する前記新しいノードの少なくとも１つの対が前記新しいノードの前記最小時間要求に対応して他のノードを含む対に割り当てられるタイムスロットより短いタイムスロットに割り当てられるようにするステップを含み、前記ネットワークマネージャは前記タイムスロットを割り当てることを特徴とする方法。
2. 前記フレームはｔ_iの持続時間の少なくとも１つのタイムスロットを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記フレームは２ｔ_iの持続時間の少なくとも１つのタイムスロットを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記フレームは４ｔ_iの持続時間の少なくとも１つのタイムスロットを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記タイムスロットを割り当てるステップは、各々のノードに対して格納された構成データに基づくことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記格納された構成データは、タイムスロット中に通信するためにそれぞれのノードのための最小時間要求を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。

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