JP5265014B2 - 超高信頼性の協調無線通信 - Google Patents

Description

この発明は、包括的には無線ネットワークに関し、詳細には超高信頼性の協調無線ネットワークに関する。

直交周波数分割多重(ＯＦＤＭ)は、離散マルチトーン変調を用いる。ＯＦＤＭによれば、トーンは、たとえば或るｍ値の直交振幅変調(ＱＡＭ)又は位相偏移変調(ＰＳＫ)を用いて、多数の等間隔のサブキャリアにおいて変調される。たとえば、ＯＦＤＭは、任意の所与の時点において１つのチャネル上に１つの送受信機しか許可しない。多数の送受信機(ノード)を受け入れるためには、ＯＦＤＭネットワークは時分割多元接続(ＴＤＭＡ)又は周波数分割多元接続(ＦＤＭＡ)を用いなくてはならない。

直交周波数分割多元接続(ＯＦＤＭＡ)は、複数の送受信機が同じチャネルに同時にアクセスすることを可能にし、チャネルは等間隔のサブキャリアのグループを含む。ＯＦＤＭＡは送受信機間でサブキャリアを分配し、複数のサブチャネルにおいて、複数の送受信機が時分割多重(ＴＤＤ)を用いて同じ単一の無線周波数(ＲＦ)チャネルで送受信することができるようにするか、又は周波数分割多重(ＦＤＤ)を用いて異なるＲＦチャネル上で送受信することができるようにする。サブチャネルは狭帯域「トーン」のグループにさらに分割される。通常、サブチャネル内のトーン数はサブチャネルの総帯域幅に依拠する。

従来のスター型ネットワークは１つのマスターノード(マスター)と複数のスレーブノード(スレーブ)とを含む。マスターは全てのスレーブノードと通信し、スレーブノードはマスターノードとしか通信しない。そのようなネットワークは、チャネルアクセスのためにＯＦＤＭＡ及びＴＤＤを用いることができる。

ファクトリーオートメーション等の、比較的低いレイテンシで高い信頼性を要求する用途では、全てのスレーブからのデータをレイテンシ制約内でリトリーブする必要がある。レイテンシ制約は通信サイクルと呼ばれる。

本出願は、２００８年１２月３１日付でBhatti他によって出願され、参照により本明細書に援用される、正規の米国特許出願第１２／３４７，０８７号、「OFDMA Based Medium Access Control and Frame Structure Design for Industrial Applications」(公開番号は米国特許出願公開第２００９／０２３８２９３号、公開日は２００９年９月２４日)に関連する。

この関連出願は、ＯＦＤＭＡに基づく媒体アクセス制御メカニズム、並びに厳密なレイテンシ要件及び信頼性要件を有するこれらの産業用途のための対応するフレーム構造設計を記述している。

関連出願によれば、スレーブノードからの送信が失敗する場合、その特定のスレーブはレイテンシ制約に違反することなく要求される送信信頼性を満たすために再送信の機会を与えられるべきである。しかしながらマスターと特定のスレーブとの間のチャネルがディープフェード状態にある場合、再送信が再び失敗する確率が高い場合がある。この問題に対処するために、協調方式を用いて信頼性及びレイテンシ性能をさらに改善することができる。

ネットワークが、マスターノード(マスター)とスレーブノード(スレーブ)のセットとを含む。ネットワークはサブキャリア上で直交周波数分割多重(ＯＦＤＭ)及び時分割多元接続(ＴＤＭＡ)のシンボルを用いる。

マスターからスレーブのセットへの、ダウンリンク及びサブキャリアの全てを用いた第１のダウンリンク送信中、各スレーブのデータパケット及び該スレーブのサブキャリア割り当てを含むブロードキャストポーリングパケットがブロードキャストされる。

各スレーブは、ブロードキャストポーリングパケットを受信した後、アップリンク及び割り当てられたサブキャリアを用いて第１の応答パケットを同時にマスターに送信する。

次に、マスターは、ダウンリンク及びサブキャリアの全てを用いて、グループ肯定応答パケットをブロードキャストする。ブロードキャストポーリングパケット、応答パケット、及びグループ肯定応答パケットは、１つの通信サイクルの中の１つのスーパーフレームに含まれ、ダウンリンクでのブロードキャスト及びアップリンクでの送信は時間的に重ならない。

この発明の実施の形態による、１つのマスターノード及びＮ個のスレーブノードを含むスター型ネットワーク１００の概略図である。 この発明の実施の形態による、１つのマスターノード及びＮ個のスレーブノードを含み、スレーブ間の直接通信を可能にする、改変されたスター型ネットワーク２００の概略図である。 この発明の１つの実施の形態による、ダウンリンク送信の時分割スケジューリングのブロック図である。

図１は関連出願において記述されているネットワークトポロジを示している。この発明の実施の形態による通信ネットワーク１００は、マスターノード(マスター)１１０とＮ個のスレーブノード(スレーブ)１２０のセットとを含む。マスター１１０は無線リンク(チャネル)１０５上の全ての通信のコーディネーターであり、各スレーブは識別情報(ＩＤ)を有する。マスターとスレーブ１２０との間のリンク１０５ａ〜１０５Ｎは対称である。換言すれば、マスター１２０がスレーブ１２０への送信に成功することができる場合、スレーブ１２０もマスター１１０への送信に成功することができる。したがって、各ノードは無線送受信機(送信機及び受信機)を備える。

図２は、協調が可能であるときのネットワークトポロジを示している。通信ネットワークはここでもマスターノード(マスター)とＮ個のスレーブノード(スレーブ)のセットとを含む。マスターはスレーブに対し直接送受信する(２０５ａ，２０５ｂ，…，２０５Ｎ)。その間に、スレーブは互いに直接通信することもできる(２０５−Ｎ＋１)。

マスターとスレーブとの間の通信方法によって、各通信サイクルにおいてマスター１１０が全ての稼動中のスレーブ１２０からセンサーデータのコピーを取得することが保証される。

この発明の実施の形態は以下の仮定を行う。
１)全てのスレーブが、直交周波数リソースを用いるので、同時に送信することができる。スレーブが用いるリソースは以下のうちの１つを含む。
異なる周波数サブキャリア
異なる直接シーケンススペクトラム拡散コード(ＤＳＳＳ)、又は
(ａ)及び(ｂ)の双方。
２)マスターは、各スレーブに、サブキャリアの数、いずれのサブキャリアを用いるか、及び／又はいずれのＤＳＳＳコードを用いるかを含めて、該スレーブが用いる通信リソースを割り当てる。
３)スレーブからマスターへの送信はアップリンク送信である。
４)マスターからスレーブへの送信はダウンリンク送信であり、全ての利用可能な通信リソース、すなわちサブキャリアを用いる。
５)ダウンリンク送信及びアップリンク送信は時分割多元接続により分離される。換言すれば、アップリンク送信及びダウンリンク送信は時間領域において重ならない。
６)スレーブは、マスターから宛先スレーブへ、又はソーススレーブからマスターへパケットを中継することができる。これは中継リンク送信と呼ばれる。

関連出願によれば、スーパーフレーム３８０は、時間領域３９０の１つの通信サイクル内でダウンリンク送信及びアップリンク送信を含む。図３に示すように、各サイクル内のスーパーフレーム３８０は最大で３つのアップリンク送信及び３つのダウンリンク送信を含む。

ダウンリンク送信は、ブロードキャストポーリングパケット３００と、グループ肯定応答パケット(ＧＡＣＫ−１)パケット３２０と、ＧＡＣＫ−２パケット３４０とを含む。アップリンク送信は、スレーブ応答３１０と、第１のスレーブ応答再送信(Ｒｔｘ−１)パケット３３０と、第２のスレーブ応答再送信(Ｒｔｘ−２)パケット３５０とを含む。これらの６つの送信の順序は、図３に示すように、ブロードキャストポーリングパケット３００、スレーブ応答３１０、ＧＡＣＫ−１パケット３２０、Ｒｔｘ−１パケット３３０、ＧＡＣＫ−２パケット３４０、そしてＲｔｘ−２パケット３５０である。２つの連続した送信間に、ターンアラウンドタイム３９５と呼ばれる固定の時間間隔が存在し、これによって送受信機が送信モードと受信モードとを切り換えることが可能になる。

スーパーフレーム３８０は、マスター２１０によるダウンリンクブロードキャストポーリング及びリソース配分パケット３００のブロードキャストから開始する。このパケット３００は、理想的なチャネルの場合に全てのスレーブがパケットの復号に成功することができるように通信リソースを用いて送信される。たとえば、マルチキャリア通信ネットワークの場合、ブロードキャストポーリングパケット３００は全てのサブキャリアを用いることができる。ダウンリンク送信に全てのリソースを用いることによって、該送信がスレーブによって確実に受信される確率が高まる。

ダウンリンク送信のための中継動作
マスターからスレーブｋへのパケットがダウンリンク送信３００において損失した場合、マスターはスレーブｋ応答３１０においてスレーブｋから肯定応答を受信しないか、又は否定応答を受信するので、この送信の損失に気付く。

その間、対象の受信者でない他のスレーブ(たとえばスレーブｊ、スレーブｊ＋１、．．．スレーブｊ＋ｍ)は、損失パケットを傍受することができ、該パケットの復号に成功することができる。これらのスレーブは、それらのスレーブ応答３１０において、この受信の成功をマスターに通知することができる。

次に、マスターは損失パケットの受信に成功したスレーブ又はスレーブのセット(たとえば、スレーブｊ、スレーブｊ＋１、．．スレーブｊ＋ｐ)を選択し、該スレーブ又はスレーブのセットに、傍受したパケットを対象のスレーブｋに転送するように要求することができる。マスターは、ダウンリンクの第１のＧＡＣＫにおいて、これらの選択された中継スレーブにこの転送要求を通知することができる。また、ダウンリンクの第１のＧＡＣＫにおいて、マスターはスレーブｋに、Ｒｔｘ−１応答期間において受信するように命令する。

Ｒｔｘ−１応答期間において、選択されたスレーブ又はスレーブのセットは、傍受したパケットを対象のスレーブｋに転送する。対象の受信者スレーブｋは、初期パケットの様々な受信されたコピーを結合し、再度復号を試みることができる。

次に、スレーブｋは、Ｒｔｘ−２応答において、このパケットの受信に成功したか否かを応答することができる。

代替的に、マスターは損失したパケットをダウンリンクの第１のＧＡＣＫにおいてスレーブｋに再送信することもできる。

マスターが、Ｒｔｘ−１応答においてスレーブｋ及び他のスレーブから肯定応答を受信することができるか否かに基づいて、マスターは、第１の直接再送信の試みが成功したか否か、及び他のいずれがこの損失したパケットを受信したかを判定することができる。

第１の直接再送信の試みが失敗した場合、マスターは、ダウンリンクの第２のＧＡＣＫにおいて、スレーブの選択されたセットに、傍受したパケットを対象の受信者スレーブｋに転送するのを支援するよう命令することができる

選択されたスレーブは、傍受したパケットをＲｔｘ−２応答期間において対象の受信者スレーブｋに転送する。対象の受信機スレーブｋは初期パケットの様々な受信されたコピーを結合し、再度復号を試みることができる。

アップリンク送信のための中継動作
スレーブｋからマスターへのパケットがスレーブｋ応答送信３１０において損失した場合、マスターは、自身が予期するパケットの受信に成功していないことに気付くことになる。

マスターは、ダウンリンクの第１のＧＡＣＫ期間において、失敗したスレーブが該スレーブのパケットを再送信することを要求することができ、また、マスターは、送信に成功したスレーブに失敗したスレーブの再送信をリスンするように要求することもできる。

スレーブｋから発信された再送信パケットの傍受に成功したスレーブは、Ｒｔｘ−２応答の期間においてマスターに報告することができる。

失敗した元のスレーブｋの再送信を傍受したスレーブのセットは、次に、スレーブｋから発信された傍受したパケットを、Ｒｔｘ−２応答の期間においてマスターに転送する。マスターは初期パケットの様々な受信されたコピーを結合し、再度復号を試みることができる。

中継動作のためのチャネル推定
マスター２１０が中継動作を用いるか否かを判定することを可能にするために、マスター２１０はチャネル状態を知る必要がある。マスター２１０、スレーブ１、及びスレーブ２を例としてとる。図２に示すように、マスター２１０は、スレーブ１及びスレーブ２からそれぞれアップリンク送信を受信すると、チャネル２０５−ａ及び２０５−ｂの状態を推定することができる。チャネルは対称であると仮定されるので、マスター２１０は、受信したアップリンク信号において取得された推定値を、対応するダウンリンク送信について用いることができる。

スレーブ対(たとえばスレーブ１及びスレーブ２)間のチャネルについて、いずれか一方のスレーブは、他方がマスターにアップリンクで送信している間、チャネル品質をリスン及び推定することができる。次に、いずれかのスレーブ又は双方のスレーブが、それらのスレーブ間のチャネルの推定品質を、それらのアップリンク送信中にマスターに報告することができる。

この発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、この発明の趣旨及び範囲内で様々な他の適応及び変更を行うことができることを理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、この発明の真の趣旨及び範囲内に入るすべての変形及び変更を包含することである。

この発明の方法は、多種の分野に適用可能である。

Claims (4)

1. マスターノード(マスター)とスレーブノード(スレーブ)のセットとを含むネットワークにおける通信のための方法であって、前記通信はサブキャリアにおいて直交周波数分割多重(ＯＦＤＭ)及び時分割多元接続(ＴＤＭＡ)のシンボルを用い、該方法は、
   第１のダウンリンク送信中に、前記マスターから前記スレーブのセットに、ダウンリンク及び前記サブキャリアの全てを用いて、各前記スレーブのデータパケット、及び該スレーブのサブキャリア割り当てを含むブロードキャストポーリングパケットをブロードキャストすること、
   各前記スレーブから前記マスターに、アップリンク及び前記割り当てられたサブキャリアを用いて、前記ブロードキャストポーリングパケットを受信した後に第１の応答パケットを同時に送信すること、並びに
   前記マスターから前記スレーブのセットに、前記ダウンリンク及び前記サブキャリアの全てを用いて、前記第１の応答パケットに対するグループ肯定応答パケットをブロードキャストすることを含み、
   前記ブロードキャストポーリングパケット、前記応答パケット、及び前記グループ肯定応答パケットは、１つの通信サイクルの中の１つのスーパーフレームを構成し、前記ダウンリンクで前記ブロードキャストすること及び前記アップリンクで前記送信することは、時間的に重ならず、
   各前記スレーブは、前記マスターに、該スレーブが前記第１のダウンリンク送信中に前記ブロードキャストポーリングパケットの受信に成功したか否かを報告し、
   第１の再送信期間に送信される前記グループ肯定応答パケットは、前記スレーブからの受信の可否に基づき、前記データパケットの対象の受信者のスレーブがパケットの受信に失敗した場合、前記第１のダウンリンク送信における前記データパケットの対象の受信者でないが該第１のダウンリンク送信において前記データパケットの受信に成功したスレーブのセットを、中継器として動作するように選択し、選択されたスレーブは、前記第１の再送信期間に対する第１の再送信応答期間中に、前記第１のダウンリンク送信中における前記受信したデータパケットを前記対象のスレーブに転送する、方法。
2. 前記対象のスレーブ受信者は、前記マスターが該スレーブに受信するように通知する場合、前記第１の再送信応答期間中にデータパケットを受信する、請求項１に記載の方法。
3. 前記グループ肯定応答パケットを用いて、失敗したスレーブのための中継器として動作することになるスレーブのセットを報告し、選択されたスレーブに受信したパケットを前記第１の再送信応答期間の後の第２の再送信応答期間で前記マスターに転送するように命令する、請求項１に記載の方法。
4. マスターノード(マスター)とスレーブノード(スレーブ)のセットとを含むネットワークにおける通信のための方法であって、前記通信はサブキャリアにおいて直交周波数分割多重(ＯＦＤＭ)及び時分割多元接続(ＴＤＭＡ)のシンボルを用い、該方法は、
   第１のダウンリンク送信中に、前記マスターから前記スレーブのセットに、ダウンリンク及び前記サブキャリアの全てを用いて、各前記スレーブのデータパケット、及び該スレーブのサブキャリア割り当てを含むブロードキャストポーリングパケットをブロードキャストすること、
   各前記スレーブから前記マスターに、アップリンク及び前記割り当てられたサブキャリアを用いて、前記ブロードキャストポーリングパケットを受信した後に第１の応答パケットを同時に送信すること、並びに
   前記マスターから前記スレーブのセットに、前記ダウンリンク及び前記サブキャリアの全てを用いて、前記第１の応答パケットに対する第１のグループ肯定応答パケットをブロードキャストすることを含み、
   前記ブロードキャストポーリングパケット、前記応答パケット、及び前記第１のグループ肯定応答パケットは、１つの通信サイクルの中の１つのスーパーフレームを構成し、前記ダウンリンクで前記ブロードキャストすること及び前記アップリンクで前記送信することは、時間的に重ならず、
   各前記スレーブは、前記マスターに、該スレーブが前記第１のダウンリンク送信中に前記ブロードキャストポーリングパケットの受信に成功したか否かを報告し、
   第１の再送信期間に送信される前記第１のグループ肯定応答パケットは、前記データパケットの対象の受信者のスレーブが前記ブロードキャストポーリングパケットの受信に失敗した場合、該スレーブに失敗したパケットを再送信し、
   前記第１の再送信期間に対する第１の再送信応答期間中の各前記スレーブからの受信または傍受の可否に基づき、前記データパケットの対象の受信者のスレーブがパケットの受信に失敗した場合、前記マスターは、前記第１の再送信応答期間後の第２の再送信期間に、第２のグループ肯定応答パケットを用いて、前記データパケットの対象の受信者でない前記パケットの傍受に成功したスレーブのセットを、中継器として動作するように選択し、選択されたスレーブは、前記第２の再送信期間に対する第２の再送信応答期間中に、傍受した前記パケットを前記データパケットの対象の受信者のスレーブに転送する、方法。

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