JP5418609B2 - ボディエリアネットワークの改善 - Google Patents

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Description

本発明は、パーソナルエリアネットワークを含む無線センサネットワークに関し、更に詳しくは、但し、限定を伴うことなしに、人間又は動物の身体上に又はその周囲に配設されるか又はその内部に埋植される無線通信センサを含むボディエリアネットワークに関する。
様々なタイプの無線センサネットワークが提案されている。それらのうち、所謂ボディエリアネットワーク又はBANは、相対的に短い距離において情報を搬送するべく使用される無線パーソナルエリアネットワーク(Wireless Personal Area Network, WPA)の一例である。無線ローカルエリアネットワーク(Wireless Local Area Network, WLAN)とは異なり、WPANを介して実現される接続は、インフラストラクチャをほとんど又はまったく必要としない。この特徴により、様々な装置のために、小型で電力効率に優れた廉価なソリューションを実現可能である。特に興味深い点は、センサを使用して一人又は複数人の患者の状態を監視する医療BAN(Medical BAN, MBAN)の可能性である。検知されたデータをデータシンクに供給するべく主にセンサを利用しているBANが、無線センサネットワーク(Wireless Sensor Network, WSN)の一例である。但し、アクチュエータなどの更に能動的な装置をMBANに包含することも可能である。
IEEE802.15.4規格は、低データレートのWPAN用の物理レイヤ（PHY）及びMAC(Medium Access Control)サブレイヤの仕様を規定している。IEEE802.15.4は、高データレートのWPAN用の規格であるIEEE802.15.3との間に、いくつかの類似点を具備する。IEEE Std 802.15.4-2006及びIEEE Std 802.15.3-2003は、本引用により、そのすべてが本明細書に包含される。
IEEE802.15.4において想定されているタイプのWPANは、産業用の監視などのアプリケーションには好適であるが、MBANに必要とされる種類のデータ信頼性を提供しない。医療アプリケーションには、信頼性及びプロセスの自動化を向上させると共にヒューマンエラーを低減しつつ、人間の労働と関連した費用を低減するという要件が存在している。センサは、必要とされるインテリジェンスを提供可能であり、且つ、医療装置内において既に広く利用されている。これには、病院での回復治療、自宅治療、集中治療ユニット、及び高度な手術手技が含まれる。脈拍や体温などのための外部センサ、体液との接触状態となるセンサ、（切れ込みを通じて）カテーテル内において使用されるセンサ、外部アプリケーション用のセンサ、無線センサを有する使い捨て型のスキンパッチ、及び埋植可能なセンサを含む医療用途に利用される多くの異なるタイプのセンサが存在している。
病院又は病室内のそれぞれの患者周辺の１つ又は複数のセンサのWPANは、患者の移動性、監視の柔軟性、現在監視されていない治療エリアへの監視の拡大、臨床過誤の低減、及び監視費用の全体的な低減を含む多数の臨床的な利益を提供可能であろう。身体着用型のセンサは、一人の患者の身体上において様々なセンサタイプを包含可能である。これらは、患者の身体に迅速に着脱される能力を必要としている。
このようなセンサは、個別には、最低で患者当たりに1〜2kbpsのビットレートを具備可能であり、且つ、集合的には、10kbpsのビットレートを必要としよう。レンジは、わずかに数メートルで十分であろう。但し、医療WSNアプリケーションは、臨床環境においては、ミッションクリティカルなアプリケーションである。限られたデータ消失及び限られたレイテンシのための安定した無線リンク、患者及びセンサ密度のための能力、他の無線との共存、数日にもわたる連続動作のための電池寿命、及び身体着用型装置のための小さなフォームファクタは、医療WSN又はMBAN用の要件の例である。これらの要件は、前方誤り訂正（Forward Error Correction, FEC）及び適応再送要求（Adaptive Repeat reQuest, ARQ）、センサ情報レートのための低デューティサイクルのTDMA、及び相対的に効率的な小さなアンテナを含む時間及び周波数ドメインにおけるダイバーシティ及び誤り制御法などの技法を利用して満足させることができる。
従って、特に、医療アプリケーション用のボディエリアネットワークの特性を規定することを目的とした更なるIEEE802.15.6規格を規定するための作業が進行中である。IEEE802.15.6の主要な要件の１つは、医療アプリケーションに関与する装置が、非常事態の状況において、データを無線センサネットワークを通じて能動的に送信する際の高信頼性とクオリティオブサービス（QoS）の改善である。従って、無線医療BAN装置がQoSを適切に管理して医学的な非常事態の通信をサポートできるようにするべく、トラフィックの輻輳管理とデータ／リンクの優先順位付けが重要である。IEEE802.15.3及びIEEE802.15.4などの現在のIEEE規格には、無線医療BAN/WSNのための十分なトラフィック輻輳管理メカニズムが含まれていない。
本発明の第１の態様によれば、１つ又は複数のパラメータを監視するセンサを含む複数のネットワーク装置と、低優先順位リンク又は高優先順位リンク上においてネットワーク装置との通信を実施する能力を有するコーディネータと、を具備する無線センサネットワーク内において使用されるネットワーク装置が提供され、ネットワーク装置は、ネットワーク装置が非常事態の状態にあるかどうかを認識する認識手段と、非常事態の状態の認識に応答してコーディネータとの間に高優先順位リンクを確立する応答手段と、を有する。
高優先順位リンクとは、低優先順位リンクと比べて、ネットワークリソースの割当のための高い優先順位を具備するリンクを意味する。高優先順位リンクは、例えば、可能な場合に、ピアツーピアトポロジーではなく、スタートポロジー、並びに／或いは、非ビーコンモードではなく、ビーコンモードリンクなど、低優先順位とは異なるモード又はトポロジーであってよい。高優先順位リンクは、TDMAに基づいたリソース割当方式における保証タイムスロット(Guaranteed Time Slot, GTS)を伴うことが可能であり、低優先順位リンクは、通常、このようなGTSを具備しない。
一般に、ネットワークは、当初、低優先順位リンクのみを具備することになり、且つ、非常事態の状態にある装置との間に高優先順位リンクを確立するステップは、非常事態にはない他の装置が従来同様に低優先順位リンクによってサービスされる状態において、その装置との間の既存の低優先順位リンクを新しい高優先順位リンクによって置換するステップを伴うことになる。但し、代替肢として、ネットワークは、高優先順位リンクによって開始し、且つ、非常事態にはない装置のためのリンクを低優先順位リンクにダウングレードすることにより、非常事態にある１つ又は複数の装置のために１つ又は複数の高優先順位リンクをそのまま残すことも可能である。
従って、本発明の第１の態様の変形によれば、１つ又は複数のパラメータを監視するセンサを含む複数のネットワーク装置と、低優先順位リンク又は高優先順位リンク上においてネットワーク装置との通信を実施する能力を有するコーディネータと、を具備する無線センサネットワーク内において使用されるネットワーク装置が提供され、ネットワーク装置は、ネットワーク装置自身が非常事態の状態にない際に、別のネットワーク装置が非常事態の状態にあることを認識する認識手段と、この認識に応答してコーディネータとの間に低優先順位リンクを確立する応答手段と、を有する。
非常事態の状態の認識は、例えば、そのネットワーク装置の又はなんらかの他のネットワーク装置のセンサによって検知されるパラメータの値に基づくものであってよい。この場合に、「非常事態の状態」とは、監視対象のなんらかのエンティティ（生体など）のパラメータの非常事態の状態を意味している。ネットワーク装置は、同一エンティティの監視に割り当てられた複数のネットワーク装置のうちの１つであってよく、この場合には、非常事態の状態は、同一エンティティに割り当てられたそのネットワーク装置によって又はネットワーク装置のうちの何れかによって検知されたパラメータのレベルに従って判定可能である。非常事態の状態の存在の有無は、好ましくは、ネットワーク装置のセンサによって検知された１つ又は複数のパラメータの臨界レベルに基づいて判定される。即ち、例えば、検知されたパラメータのレベルが臨界レベルを超過しているかどうかが検出される。
センサが装備されていると共に、それぞれのネットワーク装置は、少なくとも１つの他のネットワーク装置の高優先順位リンク又は低優先順位リンク上におけるピアツーピア通信のための中継装置として機能することも可能である。この場合には、好ましくは、認識手段は、他のネットワーク装置のそれぞれが非常事態の状態にあるかどうかを認識するべく更に動作可能であり、且つ、応答手段は、更に、ネットワーク装置自身との関係における非常事態の状態の認識に応答し、少なくとも他のネットワーク装置のそれぞれが非常事態の状態にあるかどうかに基づいて、ピアツーピア通信を維持、変更、又は破棄可能である。
これは、応答手段が、高優先順位リンクのQoS又は輻輳のレベルとネットワーク装置が利用可能な電力のうちの少なくとも１つに更に基づいて、ピアツーピア通信を維持、変更、又は破棄するステップを有することができる。
これは、そのレートを低減することにより、非常事態の状態にはない他のネットワーク装置との間の低優先順位リンク上のピアツーピア通信を変更するステップを包含可能である。この代わりに、又はこれに加えて、応答手段は、非常事態の状態にはない他のネットワーク装置との間の低優先順位リンク上におけるピアツーピア通信を破棄するべく構成可能である。一方、好ましくは、応答手段は、非常事態の状態にある接続されたネットワーク装置のそれぞれとの間の高優先順位リンク上におけるピアツーピア通信を維持するべく構成される。
ネットワーク装置は、ネットワーク装置自身が中継装置として機能している他のネットワーク装置の数のカウントを計数するカウンタを更に有することが可能であり、応答手段は、更に、非常事態の状態の認識に応答し、現在のカウントの値に基づいて、更なるネットワーク装置用の中継装置として機能するための要求を拒絶する。
本発明の第２の態様によれば、複数のネットワーク装置を具備する無線センサネットワーク内におけるコーディネータが提供され、コーディネータは、高優先順位リンク又は低優先順位リンク上におけるネットワーク装置のそれぞれとの通信のために構成されており、高優先順位リンクは、低優先順位リンクよりも、ネットワーク内のリソースのための高い優先順位を具備し、且つ、コーディネータは、ネットワーク装置の何れかに関連する非常事態の状態の宣言に応答し、そのネットワーク装置との間に高優先順位リンクを確立する手段を有する。
本発明の第３の態様によれば、複数のパラメータを監視するセンサを含む複数のネットワーク装置と、スタープロトコルにおいて直接的に又はピアツーピアプロトコルにおいて間接的にネットワーク装置と通信するコーディネータと、を具備する無線センサネットワークが提供され、コーディネータは、少なくともネットワーク装置のサブセットとの間の低優先順位リンク上における通信のために構成されており、且つ、ネットワーク装置のうちの１つ又は複数に非常事態の状態が存在しているという判定に応答し、ネットワーク装置のうちの１つ又は複数との間に高優先順位リンクを確立し、高優先順位リンクは、低優先順位リンクよりも、ネットワークリソースのための高い優先順位を具備する。
以上の態様のうちの何れかにおいて、ネットワーク装置との関係における非常事態の状態は、ネットワーク装置のセンサによって検知されているパラメータが臨界値に到達した際に認識可能である。これは、いくつかの方法によって実行可能であり、且つ、完全にネットワーク装置自体の内部において判定することも可能であり、或いは、外部において判定し、且つ、ネットワーク装置に通知することも可能である。
本発明の以上の態様のそれぞれの好適なアプリケーションにおいて、ネットワーク装置の少なくともいくつかは、生体の医学的パラメータの監視に適用される。このアプリケーションにおいては、「非常事態の状態」は、監視されている生体（例えば、患者）の医学的な非常事態を意味している。
以上の態様は、周波数分割又は時分割（又は、これらの両方）の無線通信システムに適用可能である。後者の場合には、例えば、単位期間当たりに１つ又は複数のタイムスロットを規定するべく、ネットワークリソースが時分割方式によって構造化され、且つ、タイムスロットのうちの１つ又は複数が、高優先順位リンクにおいて使用されるべく、予約される。更には、ネットワークリソースは、少なくとも低優先順位リンクによって使用されるように、単位期間当たりに１つのコンテンションアクセス期間を規定するべく、更に構造化することも可能である。或いは、この代わりに、それぞれ、ビーコンモード又は非ビーコモード通信を使用することにより、高優先順位リンクと低優先順位リンクを区別することも可能である。
無線センサネットワークは、通常、ネットワーク内において、単位期間内において、それぞれがフレームコントロールフィールドを具備するフレームの形態において、情報を無線送信する形態となり、この場合に、フレームコントロールフィールド内の値を予め定義された値に設定することにより、非常事態の状態の宣言を実行可能である。
好ましくは、フレームは、異なるタイプのフレームを包含し、且つ、予め定義された値は、非常事態フレームタイプを表す。フレームコントロールフィールドは、非常事態の状態の存在の有無を通知するための少なくとも１つのビットを包含可能である。
このようなフレームに基づいたネットワークは、IEEE802.15.6に基づいたMBANを包含可能である。好適なアプリケーションにおいては、前述のエンティティは、生体であり、それぞれのセンサは、患者の生体の生命パラメータを検知するものであり、且つ、非常事態の状態は、医学的な非常事態である。
本発明の第４の態様によれば、複数のパラメータを監視するセンサを含む複数のネットワーク装置と、スタープロトコルにおいて直接的に又はピアツーピアプロトコルにおいて間接的にネットワーク装置と通信するコーディネータと、を具備する無線センサネットワークを動作させる方法が提供され、この方法は、少なくともネットワーク装置のサブセットとの間の低優先順位リンク上における通信のためにコーディネータを構成するステップと、ネットワーク装置のセンサによってセンサデータを収集し、且つ、データをコーディネータに送信するステップと、ネットワーク装置のうちの少なくとも１つに関連する非常事態の状態の存在を検出するステップと、非常事態の状態にあるネットワーク装置の少なくとも１つと間に高優先順位リンクを確立するステップであって、高優先順位リンクは、低優先順位リンクよりも、ネットワークリソースのための高い優先順位リンクを具備する、ステップと、ネットワーク装置が他のネットワーク装置との間の低優先順位リンクのための中継装置として機能している際に、他のネットワーク装置が非常事態にあるかどうか、高優先準リンクの輻輳又はQoSのレベル、及び／又は利用可能な電力に応じて、それらの低優先順位リンクを維持、変更、又は破棄するステップと、を有する。
本発明の更なる態様は、無線センサネットワークのネットワーク装置又はコーディネータのプロセッサによって実行された際に、それぞれ、前述のネットワーク装置又はコーディネータを提供するソフトウェアを提供する。このようなソフトウェアは、コンピュータ可読媒体上に保存可能である。
本発明の実施例は、無線医療BAN／WSNのためのリンク優先順位付け及びトラフィック輻輳管理メカニズム（トラフィック管理プロトコル）を提供する。具体的には、医学的な非常事態の状態にある患者に装着されたセンサ／アクチュエータ装置との間においてデータを搬送する無線センサネットワーク内において、高度なQoSを維持し、且つ、無線リンク及びトラフィックの輻輳を管理するプロトコルを提供可能である。
本発明を更に十分に理解するべく、且つ、本発明を実施可能な方法を更に明瞭に示すべく、以下、添付図面を参照するが、これは、例示を目的としたものに過ぎない。
IEEE802.15.4のWPANにおけるプロトコルレイヤを示す。 IEEE802.15.4のWPANの可能なPHY帯域を示す。 WPANのスター及びピアツーピアトポロジーを示す。 ビーコン対応型のIEEE802.15.4のWPANにおけるスーパーフレームの構造を示す。 IEEE802.15.4のWPANにおけるネットワーク装置とコーディネータの間におけるデータ転送の可能なモードを示す。 IEEE802.15.4のWPANにおけるネットワーク装置とコーディネータの間におけるデータ転送の可能なモードを示す。 IEEE802.15.4のWPANにおけるネットワーク装置とコーディネータの間におけるデータ転送の可能なモードを示す。 IEEE802.15.4のWPANにおけるネットワーク装置とコーディネータの間におけるデータ転送の可能なモードを示す。 IEEE802.15.4のWPANにおけるデータフレームに使用されるフレームフォーマットを示す。 図９のフレームフォーマットにおけるフレームコントロールフィールドの構造を示す。 図１０のフレームコントロールフィールドにおけるフレームタイプビットの従来の規定値の表である。 本発明に従って規定された低優先順位及び高優先順位リンクを具備するWPANにおけるノードの概略図である。 本発明に従って規定された低優先順位及び高優先順位リンクを具備するWPANにおけるノードの概略図である。 本発明に従って規定された低優先順位及び高優先順位リンクを具備するWPANにおけるノードの概略図である。 本発明に従って規定された低優先順位及び高優先順位リンクを具備するWPANにおけるノードの概略図である。 本発明に従って規定された低優先順位及び高優先順位リンクを具備するWPANにおけるノードの概略図である。 高優先順位リンク及び低優先順位リンクを管理するための本発明を実施した第１プロトロコルの流れ図である。 高優先順位リンク及び低優先順位リンクを管理するための本発明を実施した第２プロトコルの流れ図である。 本発明の一実施例における非常事態の状態を示すべく使用されるフレームコントロールフィールドを示す。 図１９のフレームコントロールフィールドにおけるフレームタイプビットの可能な値の表である。
本発明の実施例について説明する前に、まず、無線ネットワークにおいて使用されるマルチアクセスプロトコルについて多少背景を説明した後に、現在開発中のIEEE802.15.6規格及び／又はMBANを含むボディエリアネットワークに関連すると思われるIEEE802.15.4の各部分について概説することとする。
マルチアクセスとは、無線ネットワーク内の複数のネットワーク装置が同一の無線チャネルを共有する可能性を意味している。マルチアクセスを可能にするべく、無線ネットワークは、一般に、周波数分割（異なる周波数を使用することによって個別のネットワーク装置からの送信を別個に維持する方式）又は時分割（異なる時間において実行することによって送信を分離する方式）に基づいて編成される。周波数分割及び時分割の両方を同時に利用可能である。尚、この説明の残りの部分においては、時分割方式を参照しているが、当業者であれば、説明対象の技法に類似した技法は、周波数分割の場合にも適用可能であることを理解するであろう。
時分割に基づいたネットワークは、通常、時間を「フレーム」と呼ばれる等しい時間間隔に分割する。ネットワーク装置に提供される情報の量に従ってそれなりの通信の信頼性（これは、所与の送信が正常に受信される確率を意味する）を提供する様々なプロトコルが考案されている。このようなプロトコルの１つが、ALOHAと呼ばれており、或いは、「ピュアALOHA」とも呼ばれるが、これは、ネットワーク装置が、互いに関する又は既定の時間基準に関する知識を具備していない無線ネットワークに適している。
ピュアALOHAプロトコルを使用するネットワークにおいては、任意のネットワーク装置が、時間フレーム内の任意のランダムな時点においてデータ送信を開始可能である。ネットワーク装置がランダムな時点においてデータ送信を開始可能であることに起因し、複数のネットワーク装置が、オーバーラップした時点においてデータ送信を開始可能であり、この結果、「衝突」が発生する。このような衝突に関与した送信は、誤りを伴って受信器に到来する。正常な受信を確認するアクノリッジメントを受信することなしに所定の時間が経過した後に、送信器は、送信を再試行する。これらの送信も、衝突に遭遇する可能性があり、且つ、従って、こちらも不成功に終わる可能性がある。これらの端末は、誤りを伴うことなしに送信が受信され、且つ、アクノリッジされる時点まで、送信間の所定の時間間隔を伴って送信を継続する。衝突は、ネットワークのスループット効率を低減する。
ALOHAプロトコルの１つの重要な変形は、「スロット型ALOHA(slotted ALOHA)」と呼ばれている。スロット型ALOHAを使用する通信ネットワークは、それぞれのフレームを一連のタイムスロットに分割する。このような通信ネットワークによれば、（一般的に）、それぞれのネットワーク装置は、スロットの何れかを使用することにより、自由に送信可能である。任意のネットワーク装置からのデータ送信は、いずれも、タイムスロット内において開始及び終了しなければならない。ネットワーク装置は、タイムスロットの期間よりも長いデータ送信をする場合には、そのデータ送信を、それぞれがタイムスロットの期間内にフィットする複数の更に短いデータ送信に分割しなければならない。固定されたスロット内に送信を閉じ込めることにより、衝突の確率が低減され、この結果、ネットワーク装置間の通信の信頼性が向上するが、衝突は、完全には回避されない。スロット型ALOHAの欠点は、スロットタイミングを知るために、すべてのネットワーク装置をそれぞれのフレームの開始時点に同期させることを要するという点にある。実際には、これは、ネットワーク装置が、それぞれのフレームの開始時点において、ブロードキャストされたタイミング基準信号又は「ビーコン」を聴取することにより、実現される。
タイミング基準に対する要求を回避する代替プロトコルは、CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)と呼ばれている。CSMA-CAにおいて、装置は、CAP内において送信を所望する場合には、常に、ランダムな期間にわたって待機する。ランダムなバックオフに続いて、チャネルがアイドル状態にあると判明した場合に、装置は、そのデータを送信する。ランダムなバックオフに続いて、チャネルがビジー状態にあると判明した場合には、装置は、チャネルに再度アクセスするべく試行する前に、別のランダムな期間にわたって待機する。
TDMA(Time Division Multiple Access)と呼ばれる更なるプロトコルは、ネットワーク装置の排他的な使用のためのタイムスロットを割り当てて衝突の可能性を回避するべく、ネットワークコントローラ又はコーディネータを必要としている。但し、この方式は、中央コーディネータの設置を要するのみならず、すべてのネットワーク装置が、送信を開始する前に、ビーコンと、自身に割り当てられた１つ又は複数のスロットの通知と、を聴取(listen)することを必要としている。
同一のネットワーク内において、例えば、それぞれ、アップリンク（即ち、コーディネータ又は基地局などの中央地点へのデータ送信）及びダウンリンク（センサなどのネットワーク装置へのデータ送信）において、異なるプロトコルを使用可能である。
この観点において、WSNのダウンリンク用に提案された１つのプロトコルは、WiseMAC(Wireless sensor MAC)と呼ばれている。これは、ビーコンなし方式であり、それぞれのネットワーク装置は、同一の一定の期間を有する短い時間にわたって無線チャネルを聴取する。ネットワーク装置が活動を検出した場合には、ネットワーク装置は、データフレームが受信される時点まで、又はチャネルが再度アイドル状態になる時点まで、聴取を継続する。その一方で、コーディネータは、フレームのデータ部分が到達した際に受信器がウェークアップ状態になることを保証するべく、すべてのデータフレームの前にウェークアッププリアンブルを付加する。この結果、ネットワーク装置の電力消費量は、チャネルがアイドル状態にある際には、非常に低く維持される。
IEEE802.15.4においては、後述するように、ビーコン対応型のトポロジーとビーコンなしトポロジーの両方が提供されている。ビーコン対応型トポロジーは、CSMA-CAを介したコンテンションに基づいたアクセス用のスロットと、ネットワーク装置の排他的な使用のためのTDMAに基づいて割り当てられた保証タイムスロット（GTS）の両方を含む「スーパーフレーム」によって置換された「フレーム」の概念を有するプロトコルの組合せを使用する。これは、GTSの割当による信頼性の高いデータ送信を提供するが、タイミング及びスロット割当情報について、コーディネータを聴取するべく、ネットワーク装置がパワーアップされた状態（ウェークアップした状態）に留まらなければならないという欠点を有している。
要すれば、タイミング基準及び（スーパー）フレーム構造を提供するビーコンに基づいた通信プロトコルは、衝突の低減と、従って、通信の信頼性の向上と、を可能にするが、これは、ネットワーク装置の電力消費量の犠牲によるものである。一方、ビーコンなし方式によれば、電力消費量を非アクティブ期間において非常に低く維持可能ではあるが、ビーコンに基づいた方式と比べて、保証されるスループットが小さく、且つ、レイテンシ時間（チャネルアクセスを得る時点までの遅延）が大きい。
本発明は、非常事態にあるネットワーク装置との間における通信を優先順位付けすることができるIEEE802.15.6のためのトラフィック管理方式を提案する。この方式の動作法について説明する前に、類似の構成がIEEE802.15.6に使用されると考えられることから、以下、IEEE802.15.4ネットワークの一般的な構成についてもう少し説明しておくこととする。
図１は、無線トランシーバ及びその低レベルコントロールを含むPHYレイヤを介して物理媒体にアクセスする層状のＯＳＩモデルの観点におけるIEEE802.15.4のWPANの概略的なアーキテクチャを示しており、これには、参照符号１００が付与されている。図示のように、PHY用の２つの代替周波数帯域１０１、１０２が存在しており、これらが図２に示されている。低周波数帯域１０１は、868.3MHzを中心とする単一の20kb/sのチャネル及び／又は915MHzを中心とするそれぞれが40kb/sの１０個のチャネルを提供する。高い周波数帯域１０２は、それぞれが250kb/sであり、且つ、2.44GHzの周波数を中心とする１６個のチャネルを提供する。これらの帯域のうちのいずれが使用されるかは、当該地域の規制要件によって左右されることになる。
このPHYに対するアクセスは、図１に参照符号１０５によって示されているMAC(Medium Access Control)サブレイヤによって提供される。従って、この上位には、且つ、WPAN１００の外部には、他のネットワークからのWPANに対するアクセスを許容するLLC(Link Layer Control)が提供されており、これは、IEEE802.2規格によるものであってもよく、或いは、他のタイプのものであってもよい。最後に、LLCより上方の上位レイヤ１０９は、ネットワークの構成、操作、及びメッセージのルーティングを提供するためのネットワークレイヤと、意図されている全体的な機能を提供するアプリケーションレイヤと、を含む。
MACサブレイヤの１つのタスクは、ネットワークトポロジーを制御することにある。スター及びピアツーピアが、通信ネットワーク内における２つの既知のトポロジーであり、且つ、いずれも、IEEE802.15.4において提供されている。いずれの場合にも、トポロジーは、装置とコーディネータという２つの基本的な種類のネットワークノードを区別している。図３に示されているように、スタートポロジーにおいては、いくつかの装置１１が、中央コーディネータ１０と直接通信しており、ピアツーピア構成においては、装置１１Ａによるコミュニケータとの通信は、中継装置として機能する中間の装置１１Ｂ及び１１Ｃにより、１つ又は複数のホップに沿って実行される。コーディネータは、上位レイヤへのアクセスポイントとして機能しており、WSNの場合には、コーディネータは、センサによって収集されたデータ用のシンクとして機能する。それぞれの装置の通信レンジを相当に限定することができる場合には（数メートル）、ピアツーピアトポロジーによれば、相対的に大きなエリアをカバー可能である。従って、ピアツーピアは、通常、いくつかのネットワーク装置が、コーディネータとの直接的な無線通信のレンジ外にある場合に、使用可能である。トポロジーは、動的であってよく、装置のネットワークへの追加又は除去に伴って変化する。
MBANの場合には、例えば、コーディネータがそれぞれの患者サイト（病院のベッドなど）に提供され、これにより、一人の患者上の装置と信号を交換する場合には、スターネットワークが適当であろう。ピアツーピアは、複数の患者に対してサービスするべく１つのコーディネータが提供される場合に、より適切なトポロジーであろう（コーディネータは、病室内の固定された地点に配置可能であろう）。従って、装置１１は、一般に、移動型となり、コーディネータは、移動型又は固定型であってよい。又、ピアツーピアネットワークは、ネットワークを迅速にセットアップ又は変更したり、或いは、ネットワークの自己組織化及び自己回復の実現が必要とされる高速で変化する環境に好適であろう。自己回復は、例えば、既存のコーディネータに障害が発生するか又は既存のコーディネータがネットワークを離脱した場合に、新しいコーディネータを確立するステップを包含可能である。
病院などの同一の場所に、多数のスター及び／又はピアツーピアネットワークをセットアップ可能であり、そのそれぞれが、独自のコーディネータを有する。この場合には、相互干渉を回避すると共にデータの共有又は照合を許容するべく、個々のコーディネータが協働する必要がある。IEEE802.15.4においては、このようなネットワークをクラスタと呼んでおり、且つ、クラスタ用の全体的なコーディネータを確立するステップと、クラスタを分割及びマージするステップと、が提供されている。
WPAN内のノードは、様々な能力のユニットによって構成可能である。一般に、コーディネータの役割は、なんらかの処理パワーを有する相対的に高機能な装置と、複数の供給源からの送信を同時に処理する能力を有するトランシーバと、を必要とすることになる。そして、この結果、電力の十分な供給を必要とすることになる（場合によっては、商用電源供給型であってよい）。一方、ネットワーク内の他の装置は、相対的に限られた処理能力を有し、電池電力のみへアクセス可能なものでよく、且つ、場合によっては、リレーホップとして機能することができないほどに単純なものであってもよい。非常にわずかな電力しか利用できない装置は、大部分の時間にわたってシャットダウン可能であり、且つ、例えば、センサデータを別のノードに送信する際にのみ、ときどき、「ウェークアップ」してもよい。従って、IEEE802.15.4規格は、「フル機能」装置と「部分的機能」装置を区別している。電力の利用可能性は、センサが、身体内に埋植可能であり、且つ、従って、大きな又は充電式の電池を具備することができないMBANの場合に、特有の課題である。
前述のように、IEEE802.15.4は、ビーコン対応型及びビーコン非対応型のネットワークトポロジーを提供する。
ビーコン対応型のネットワークにおいては、コーディネータが、ビーコンを定期的に送信し、且つ、装置が、そのビーコンを定期的に聴取し、ネットワークに対して同期化すると共にチャネルにアクセスする。チャネルアクセスは、図４に示されているスーパーフレーム構造による「スーパーフレーム」内において順番に送信される「フレーム」を単位としており、これは、コーディネータによって規定される。それぞれのスーパーフレーム３０は、アクティブと非アクティブという２つの部分から構成されている。アクティブ部分は、コンテンションアクセス期間CAP３６と、これに後続する、クオリティオブサービス要件を有するアプリケーション用の保証されたアクセスのための任意選択のコンテンションフリー期間CFP３７と、に分割される。
図４の垂直分割によって示されているように、スーパーフレームは、それぞれがコーディネータからの又は装置からのデータのフレームを搬送する能力を有する１６個の等しく離隔したタイムスロットに分割される。従って、１つのコーディネータと関連付けられた装置を考慮すれば、１つの装置のみが、スーパーフレーム内のそれぞれの連続したタイムスロットにおいて１つの時点においてコーディネータとの通信状態にあってよい。まず、コーディネータによって送信されるビーコンフレーム（以下を参照されたい）について、スロット３１が到来する。この後に、いくつかのスロット３２がCAP内において供給され、CSMA-CAを使用するコンテンション方式により、装置との間のデータ送信が許容される。
次に、CFPの保証タイムスロットGTS３３が後続し、ビーコンに基づいたネットワーク内における装置へのチャネルアクセスが許容され、且つ、図示されているように、これらのそれぞれは、複数の基本タイムスロットにわたって延長可能である。非アクティブ期間の満了後に、コーディネータが別のビーコンフレーム３１を送信することにより、次のスーパーフレームがマーキングされる。装置は、スーパーフレームの非アクティブ期間３４において、スリープ状態に移行可能である。従って、非アクティブ期間３４の長さを拡張することにより、装置の電池電力を可能な限り節約可能である。
ビーコン非対応型のネットワークにおいては、コーディネータは、（例えば、ネットワークディスカバリのために）要求されない限り、同期化のためにビーコンを送信する必要はない。チャネルアクセスは、スーパーフレーム構造によって制限されてはおらず、且つ、装置は、非同期であって、CSMA-CAによってすべてのデータ転送が実行される。これらは、WiseMACなどのプロトコルに従って、その独自のスリープパターンを踏襲可能である。
MBANアプリケーションの場合には、コーディネータは、監視対象の１つ又は複数の身体の外部に位置している。これは、ＰＤＡ、携帯電話機、ベッドサイドのモニタステーション、或いは、場合によっては、一時的にコーディネータとして機能する十分に高機能なセンサであってよい。前述のように、ビーコン対応型ネットワーク内のコーディネータは、ネットワーク装置に対する同期化及びチャネルアクセスの提供を担当している。又、スーパーフレームの開始及び終了は、コーディネータによって規定される。コーディネータは、他のネットワークに対する潜在的な通信と、例えば、充電済みの電池の容易な交換による十分な電源に対するアクセスと、という２つの主要な機能を具備している。
又、おそらくはいくつかのコーディネータを含むネットワークの全体的な監督のために中央治療及び監視ユニットを提供することも可能である。これは、複数の患者から非常事態データの連続した又は不定期のストリームを受信する能力を有する監視装置を具備した部屋の形態を有することができる。通常、中央ユニットには、患者のデータを継続的に観察及び監視する看護師又は医療専門家が待機することになる。彼らは、患者の状態の変化に応答して処置を講じることになる。中央治療及び監視ユニットは、１つの又はそれぞれのコーディネータに無線接続することも可能であり（この場合には、そのユニットは、MBANの一部と見なすことが可能であり）、或いは、それぞれのコーディネータに対する有線接続を具備することも可能である（従って、この場合には、そのユニットは、MBANの外部に位置すると見なすことができる）。
図５〜図８は、IEEE802.15.4ネットワーク内における装置とコーディネータの間のデータ転送を示している。IEEE802.15.4には、以下のような３つの基本的な転送タイプが規定されている。
（ｉ）装置（送信器）がそのデータを送信する先である受信器としてのコーディネータに対するデータ転送―スター及びピアツーピアトポロジーの両方において使用される。
（ｉｉ）装置がデータを受信する送信器としてのコーディネータからのデータ転送―スター及びピアツーピアトポロジーの両方において使用される。
（ｉｉｉ）２つのピア間におけるデータ転送―ピアツーピアネットワークにおいてのみ使用される。
図５及び図６は、それぞれ、ビーコン対応型及びビーコン非対応型の場合の両方における装置（ネットワーク装置１１）とコーディネータ（コーディネータ１０）からの転送を示す。相違点は、ビーコン対応型の場合には、装置１は、CFPにおいてCSMA-CAを使用して、又はCAPにおいてGTSを使用して、データ（データフレーム４２）を送信する前に、コーディネータからビーコンフレーム４１を受信するべく待機しなければならず、ビーコン非対応型の場合には、通常、ビーコンフレームが存在せず、且つ、装置１１は、CSMA-CAを使用してデータフレーム４２を自由に送信するという点にある。いずれの場合にも、コーディネータは、任意選択のアクノリッジメントフレーム又はＡＣＫ ４３を送信することにより、データの正常な受信をアクノリッジする。これらの異なるタイプのフレームについては、更に詳細に後述する。
受信器がなんらかの理由から受信したデータフレームを処理することができない場合には、そのメッセージはアクノリッジされない。送信器が所定の期間の後にアクノリッジメントを受信しない場合には、送信器は、その送信が不成功であったと仮定し、且つ、フレーム送信を再試行する。何回かの再試行の後に、アクノリッジメントが依然として受信されない場合には、送信器は、そのトランザクションを終了させるか又は再度試行するべく選択可能である。アクノリッジメントが不要である際には、送信器は、送信が成功したと仮定する。
図７及び図８は、コーディネータ１０から装置１１へのデータ転送を示している。コーディネータがビーコン対応型WPAN（図７）においてデータを装置に転送すべく所望する際には、コーディネータは、データメッセージが保留中であるという旨をビーコンフレーム４１内において通知する。装置は、定期的にビーコンフレームを聴取し、且つ、メッセージが保留中である場合には、データ要求（MAC命令）４４を送信し、CSMA-CAによってデータを要求する。コーディネータ１０は、アクノリッジメントフレーム４３を送信することにより、データ要求の正常な受信をアクノリッジする。次いで、保留中のデータフレーム４２が、スロット型のCSMA-CAを使用して、或いは、可能な場合には、アクノリッジメントの直後に、送信される。装置１１は、任意選択のアクノリッジメントフレーム４３を送信することにより、データの正常な受信をアクノリッジ可能である。この段階で、トランザクションが完了する。データトランザクションが正常に完了した際に、そのメッセージは、ビーコン内の保留メッセージのリストから除去される。
ビーコン非対応型の場合には、特定の装置１１用の準備が整ったデータを具備するコーディネータ１０は、コンテンションに基づいて送信される関係する装置からのデータ要求４４を待たなければならない。この要求を受信した際に、コーディネータは、アクノリッジメントフレーム４３を送信する（これは、該当する場合には、準備されたデータが存在しないことを通知するべく使用することも可能である）。次いで、データフレーム４２が送信され、これに応答し、装置１１は、返信として別のアクノリッジメントフレーム４３を送信可能である。
わかりやすくするべく、以上の手順においては、装置とコーディネータの間のデータ転送のうちの前述のケース(i)及び(ii)のみが考慮されているが、ピアツーピアネットワークにおいては、前述のように、データ転送は、一般に、１つ又は複数の中間ノードを伴うメカニズム(iii)を介して実行されることになり、その結果、関係する衝突及び遅延が増大する。
図５〜図８に示されているように、IEEE802.15.4ネットワーク内における通信には、以下のように４つの異なるタイプのフレームが関係している。
−ビーコンを送信するべくビーコンタイプのコーディネータによって使用されるビーコンフレーム４１
―すべてのデータ転送用に使用されるデータフレーム４２
−正常なフレームの受信を確認するべく使用されるアクノリッジメントフレーム４３
−データ要求などのすべてのMACピアエンティティの制御転送を処理するべく使用されるMACコマンドフレーム４４
４つのフレームタイプのそれぞれの構造は、非常に類似しており、且つ、例として、データフレーム４２が図９に示されている。この図において、２つの水平のバーは、MACサブレイヤと、PHYレイヤと、をそれぞれ表している。時間は左から右に進行し、且つ、フレームのそれぞれの連続したフィールドの時間長が、関係するフィールドの上方に示されている（単位：オクテット）。すべてのフレームは、特定順序のフィールドのシーケンスから構成されており、これらは、左から右に、PHYによって送信される順序において示されており、最も左側のビットが、時間的に最初に送信される。それぞれのフィールド内のビットには、０（最も左側であり、且つ、最下位である）からｋ−１（最も右側であり、且つ、最上位である）までが付番されており、この場合に、フィールドの長さは、ｋビットである。
データフレーム４２を介して送信されるデータは、上位レイヤに由来している。データペイロードは、MACサブレイヤに伝達され、且つ、MACサービスデータユニット(MSDU)と呼称される。MACペイロードには、先頭にMACヘッダMHRが付加され、且つ、末尾にMACフッタMFRが付加される。MHRは、フレームコントロールフィールド５０（以下を参照されたい）、データシーケンスナンバ(DSN)、アドレス指定フィールド、及び任意選択の補助セキュリティヘッダを含む。MFRは、１６ビットのフレームチェックシーケンスFCSから構成されている。MHR、MACペイロード、及びMFRが、１つのMACデータフレーム（即ち、MPDU）を形成する。MPDUは、PHYサービスデータユニットPSDUとしてPHYに伝達され、これが、PHYペイロードになる。PHYペイロードには、先頭に、プリアンブルシーケンス及びフレーム開始デリミタSFDを含む同期化ヘッダSHRと、オクテットを単位とするPHYペイロードの長さを含むPHYヘッダPHRと、が付加される。プリアンブルシーケンス及びデータSFDにより、受信器は、シンボル同期化を実現可能である。SHR、PHR、及びPHYペイロードが、１つのPHYパケット（PHYプロトコルデータユニットPPDU）を形成する。
ビーコンフレーム４１、アクノリッジメントフレーム４３、及びMACコマンドフレーム４４は、MACペイロードがそれぞれのケースにおいて異なる機能を具備し、アクノリッジメントフレームがMACペイロードを具備していないことを除いて、類似の構造を具備している。又、ビーコンフレーム４１、アクノリッジメントフレーム４３、及びMACコマンドフレーム４４は、MACサブレイヤに由来しており、上位レイヤの関与を伴っていない。
図１０には、それぞれのタイプのフレーム内において使用されるフレームコントロールフィールド５０が更に詳細に示されている。これは、図示のように、異なる目的のためのサブフィールドに割り当てられた１６ビットから構成されている。具体的には、フィールドの最初の３ビットは、ビーコンフレーム４１、データフレーム４２、アクノリッジメントフレーム４３、又はMACコマンドフレーム４４というフレームタイプ５１を表している。フレームタイプを表記する方法が図１１に示されている。フレームタイプビット５１に後続するのが、単一ビットのセキュリティ有効化サブフィールド５２であり、これは、セキュリティがMACサブレイヤによって有効化されているかどうかを表している。これに後続しているのが、フレームペンディングサブフィールド５３であり、これは、送信器が受信器用の更なるデータを具備しているかどうかを通知する。次が、アクノリッジメントが受信器から要求されているかどうかを通知するアクノリッジメント要求サブフィールド５４である。この後に、更なるいくつかのサブフィールド５５〜５９が後続しており、これらは、アドレス指定のために使用されるか、又は現在のIEEE802.15.4の仕様においては予備とされている。
前述のように、図１１は、フレームタイプサブフィールド５１の可能なビット値の表であり、IEEE802.15.4の仕様においては、値100〜111が使用されていないことを示している。
本発明の背景の概説を以上で終了し、以下、医療監視シナリオを一例として使用することにより、図１２〜図２０を参照し、いくつかの実施例について説明することとする。
本発明は、例えば、患者が、それぞれの患者の身体上又はその周辺に配設されるか又はその内部に埋植されたセンサのMBANを介して監視されている状況に対応するものである。尚、以下の説明においては、「MBAN」又は「ネットワーク」などの用語は、所与の場所に存在する無線装置の全体を意味するべく使用されるが、全体的なネットワークの内部にサブネットワークを定義することも可能である。例えば、病室の場合に、センサ及びコーディネータを単一のネットワークを形成するものとして見なすことも可能であり、単一の患者を監視しているセンサをそれ自体でネットワークとして見なすことも可能である。
図１２〜図１６は、前述のコーディネータ１０と、前述の２つのタイプのネットワーク装置と、という３つのタイプからなるMBAN内のノードを概略的に示しており、２つのタイプのネットワーク装置は、患者の医学的な監視に関与する装置と、非医療アプリケーション用の装置１３と、を含む。医学的監視用の装置のうち、少なくとも１つのこの種の装置１１Ｅは、非常事態にある。換言すれば、この装置は、監視対象の１つ又は複数の医学的パラメータに関連する非常事態にある患者のデータの検知及び転送に関与しているものと仮定されている。
図１２に示されているように、スター及びピアツーピアトポロジーの両方がサポートされている。一般に、スタートポロジーは、コーディネータとの直接的な無線通信のレンジ内に位置したネットワーク装置に好適であり、ピアツーピアは、直接的な通信レンジの外部に位置した装置に使用されることになる。
この実施例においては、非常事態トポロジーと非−非常事態トポロジーという２つのタイプのトポロジー及び２つのタイプの接続リンクが提供されている。前者は、１．非常事態にある装置と、２．高優先順位通信リンクと、という２つの特異な特徴を具備することにより、非−非常事態トポロジーから区別される。通信及び実行されるすべてのチャネルアクセス手順において、非常事態トポロジーは、非−非常事態トポロジーよりも高い優先順位を具備する。前述のように、非常事態トポロジーは、好ましくは、ビーコンに基づいたものであり、その理由は、この場合には、コーディネータが特定の通信リンクの排他的な使用のためにGTSを割り当てることができるためである。
従って、図１２は、コーディネータ１０が、スタートポロジーを通じて非常事態にある装置１１Ｅとの間において高優先順位リンク１４を介して通信を実施しており、かつ、同時に、（現在は非常事態の状況に関与していない医療装置であるか又はこのシナリオにおいては非常事態の状態が存在しえないと仮定されている非医療装置であってよい）他の装置１３との間において低優先順位（又は、「通常」優先順位）のリンク１５を介して通信を実施している状況を示している。
図１３は、この場合には、高優先順位リンク１４がピアツーピア接続を介している点を除いて、類似の構成を示しており、これは、非常事態にある装置に対する高優先順位で高QoSのリンクのために、スタートポロジーとピアツーピアトポロジーの両方を使用可能であることを示している。尚、低優先順位リンク１５は、スター接続とピアツーピア接続の両方によって実装されている。
まず、ネットワーク装置のいずれもが非常事態にないと仮定可能である（例えば、監視対象の複数の患者のいずれもが危険な状態にはない医療監視シナリオである）。この結果、すべてのリンクは、図１４に示されているように、低優先順位モードにおいて始まることになる。ここで、装置１１Ｅのうちの１つ（装置Ａという符号が付与されているもの）が非常事態に移行するとしよう。これは、例えば、許容可能な範囲外の血圧の値を検知する血圧センサであってよいであろう。非常事態の状態を認識し、且つ、これをなんらかの方法によってコーディネータに通知可能である（一例として以下を参照されたい）。次いで、図１５に示されているように、コーディネータ１０は、非常事態にある医療装置１１Ｅのために高優先順位リンクを割り当てる。例えば、TDMAを使用して保証タイムスロットをこの装置に割り当てた場合には、装置１１Ｅは、第１の送信の機会を得ることになる。
図１６は、既にリレーホップとして機能しているネットワーク装置が非常事態に移行した場合に、ピアツーピアトポロジーのケースにおいて発生する状況を示している。このプロトコルは、（ａ）第２ホップである非常事態にはない装置からの輻輳が少なく、（ｂ）非常事態にあると共に装置Ａを通じたピアツーピアルートを必要としている他の装置も非常事態アクセスを得ることを保証し、且つ、（ｃ）高優先順位の非常事態リンクが保証される機会を、非常事態にあるネットワーク装置１１Ｅ（装置Ａ）に対して付与する必要があるという事実に留意して設計されている。
この結果、図１６の例に示されているように、コーディネータ１０とネットワーク装置１１Ｅの間に高優先順位リンク１４がセットアップされる。この例においては、装置１１Ｅとのピアツーピア通信状態にあるネットワーク装置は、いずれも、それ自体が非常事態にはなく、従って、このケースにおいては、低優先順位リンク１４で十分である。トラフィック管理を更に改善するべく、装置１１Ｅを通じた低優先順位トラフィックの一部を方向転換し、別のルートによってコーディネータ１０に到達するようにすることも可能であろう。この結果、（例えば、センサの読取値の更に頻繁な採取が必要とされることによって）非常事態の状態に起因して通常よりも多くの電力を使用することになる可能性が高い装置１１Ｅ内における不必要な電力の消費も極小化されることになる。
図１７は、前述のトラフィック管理プロトコルにおけるプロセスの流れを示している。この図（及び図１８）において、垂直の列は、プロトコルに関与している装置のそれぞれ、即ち、コーディネータ１０と、非常事態にある（となる）ネットワーク装置１１Ｅと、非医療／非常事態にはない装置などの他の装置１３と、を表している。垂直方向は、時間の流れを表している。このプロセスは、以下のように実行される。
Ｓ１０：すべての装置が、非−非常事態において始まり、且つ、従って、コーディネータ１０との間に低優先順位（スター又はピアツーピア）接続を具備すると仮定されている。
Ｓ１１：装置１１Ｅが、非常事態の状態にあると宣言される。これは、いくつかの方法により、実行可能であり、これは、本明細書の範囲外であって、本出願人による同時係属中の出願に記述されている。典型的なシナリオは、ネットワーク装置自体のセンサによって検知された値が、なんらかの種類の臨界値に到達するというものとなろう。いずれの場合にも、例えば、集中的な監視を必要とするようななんらかの危機的なレベルにある医療パラメータの検知に関与しているなど、装置１１Ｅが「非常事態」にあることをコーディネータ１０と装置１１Ｅの両方が認識及び宣言すると仮定されている。
Ｓ１２：コーディネータ１０と非常事態にある装置１１Ｅは、宣言された非常事態の状態に応答し（この宣言は、実際には、コーディネータ自体から到来するものであってよいであろう）、協働して非常事態リンク（高優先順位リンク）を確立する。例えば、コーディネータは、送信のために使用するGTSを装置１１Ｅに対して通知する。
Ｓ１３：他の装置がまだ非常事態について認知していない場合に、装置１１Ｅは、その通信が現在装置１１Ｅを通じてルーティングされている他の装置（装置Ａ）に対して非常事態の状態を宣言する。この宣言は、実際には、コーディネータ１０に由来するものであってよく、装置１１Ｅを通じて他のピアツーピア接続された装置に伝達される。
Ｓ１４：ネットワーク装置１１Ｅは、図１６に示されているように、現在、そのピアツーピア接続された他の装置の通信リンクをサポートしている状況にある。これらの他の装置のうちのいずれかが、それ自体、非常事態にある場合には、装置１１Ｅは、その実行を継続する。
Ｓ１５：その一方で、装置１１Ｅは、他のピアツーピア装置との間の既存の低優先順位リンクを維持するべく自身が（無線チャネルと電池の電力の両方の観点において）十分なリソースを具備しているかどうかをチェックする。或いは、この代わりに、又はこれに加えて、装置１１Ｅは、低優先順位トラフィックを維持した場合の、１つ又は複数の非常事態リンク上における輻輳又はQoSのレベルの観点における、影響がどのようなものになるかをチェックする。
Ｓ１６：Ｓ１５における回答が「はい」である（十分なリソースが利用可能である）場合には、十分な無線及び装置リソースが利用可能である限り、装置１１Ｅは、低減されたレートにおいてではあるが、低優先順位リンクのサポートを継続する。例えば、装置１１Ｅに関連する非常事態の宣言は、装置１１Ｅによる更に頻繁なコーディネータに対するセンサデータの送信を要することを意味することもあり、この結果、アップリンク上の利用可能な空間の一部が占有され、且つ、電池の電力が使用される。
Ｓ１７：Ｓ１５における回答が「いいえ」である（十分なリソースが利用可能ではない）場合には、装置１１Ｅは、好ましくは、データの消失を回避するべく別のコーディネータに転送することにより、他の装置１３との間の既存の低優先順位のピアツーピアリンクのうちのいくつかを破棄する。実装の形態に応じて、他のネットワーク装置１３のうちのいくつか又はすべてが、２次コーディネータとして機能することも可能であろう。或いは、装置１１Ｅは、例えば、それぞれのリンクのデータレートを低減することにより、低優先順位リンクによって占有されているリソースを低減することも可能である。
Ｓ１８：尚、他の装置１３自身は、装置１１Ｅ及びコーディネータ１０によるトラフィック優先順位付けの結果として、低減されたQoSを検出することもある。その場合には、他の装置１３自身が、例えば、装置１１Ｅを回避するピアツーピア通信のための代替ルートを見出すべく試みることにより、トポロジーの変更を起動するべく試みることができる。
ネットワーク装置の能力に応じて、非常事態にある装置１１Ｅが、ステップＳ１５〜Ｓ１７において必要されている決定を下すことができない可能性があり、或いは、他の装置１３が、ステップＳ１８における動作を実行することができない可能性がある。その場合には、コーディネータ１０がこれらのステップを代わりに実行し、且つ、必要に応じて、結果をネットワーク装置に通知可能である。その代わりに、又はこれに加えて、プロトコルを以下のように単純化することも可能である。
図１８は、前述の装置１１Ｅが非常事態に移行する状況において代わりに適用可能な単純化されたプロトコルを示している。このプロトコルにおいては、装置１１Ｅは、その非常事態の状態について他の近隣の装置に通知しない。この結果、高優先順位のピアツーピアリンクが許容されず、これは、非常事態にある装置を通じた通信を所望する他の装置には、低優先順位のリンクしか認められないことを意味している。その代わりに、装置１１Ｅは、要求されたリンクの数を制御する。手順は、以下のとおりである。
Ｓ２０：前と同様に、装置１１Ｅは、おそらくは、コーディネータ１０により、非常事態にあることが宣言される。
Ｓ２１：この結果、コーディネータ１０及び装置１１Ｅは、その間に高優先順位のリンクを確立する。
Ｓ２２：この段階において、低優先順位リンクに関する要求が、いずれかの他の装置１３から受信されたとしよう。
Ｓ２３：装置１１Ｅは、他の装置との間の自身の既存のリンクの数が既定の限度を超過しているかどうか（又は、限度に到達しているかどうか）をチェックする。これは、相対的に単純なネットワーク装置の場合にも、例えば、カウンタによってカウントを計数することにより、見出すことができよう。
Ｓ２４：Ｓ２３に対する回答が「はい」である場合、即ち、限度を超過している場合には、装置１１Ｅは、そのリンクに対する要求を拒絶し、且つ、現在のトポロジーによる動作を継続する。これは、医学的な非常事態の装置を通じたトラフィックの流れを低減するのに有用であると共に非常事態にある医療装置が処理すると予想される中継送信又は再送信の数を低減することになり、結果的に、医学的非常事態の装置内における衝突及び輻輳の回避に結び付く。
Ｓ２５：一方、Ｓ２３に対する回答が「いいえ」である場合には、装置１１Ｅは、要求された低優先順位のリンクを認可する。
Ｓ２６〜Ｓ３０：リンクの数に関する既定の限度に到達する時点まで、任意の回数にわたって、ステップＳ２３〜Ｓ２５のプロセスを反復可能である。
以下、前述のプロトコルをIEEE802.15.4に基づいて現在開発中のIEEE802.15.6などの通信規格に含める方法について説明することとする。
図１９及び図２０は、「非常事態」という名称が付与された新しいビットを追加することによって非常事態の状況を収容すると共にIEEE802.15.6に適合したものにするための本発明の一実施例におけるIEEE802.15.4のフレームフォーマットに対する可能な変更を示している。この変更においては、IEEE802.15.4のフレームタイプに対するその他の変更を実施することなしに、新しい非常事態フレームタイプが許容されている。
既に概説したように、IEEE802.15.4は、ビーコンフレーム４１、データフレーム４２、アクノリッジメントフレーム４３、及びMACコマンドフレーム４４を含む様々なフレームタイプを提供している。IEEE802.15.6において前述の手順を実装するための１つの方法は、非常事態の状態（又は、非−非常事態の状態）を宛先装置に宣言するべく、非常事態フレームという更なるフレームタイプを導入するというものである。
図１９は、IEEE802.15.4について既に提案されている図１０のフレームコントロールフィールド５０に対応したフレームコントロールフィールド５００の構造を示している。図１９を図１０と比較することによって理解されるように、ビット０〜２は、IEEE802.15.4と同様に、フレームタイプ５０１を表しているが、可能なフレームタイプ値は、図２０に示されているように変更されている。以前の予備の値１００〜１１１（図１０を参照されたい）のうち、ビット値「１１１」が、この場合には、新しい非常事態フレームタイプを表すべく使用されている。値１００〜１１０は、将来使用するための予備の値として維持されている。
フレームコントロールフィールド５００の残りのサブフィールド内には、第７ビットが非常事態の状態のためのフラグとして新しく使用されていることを除いて（例えば、「１」＝非常事態であり、且つ、「０」＝非−非常事態である）、基本的に、図１０のフレームコントロールフィールド５０と同一の構成要素が存在している。ここでは、第８ビットは、（図１０のアクノリッジメント要求サブフィールドに対応した）アクノリッジメントポリシーを表すべく使用されている。セキュリティ有効化ビット５０２、フレームペンディングビット５０３、PAN ID圧縮５０６、宛先アドレス指定モード５０７、フレームバージョン５０８、及び発信元アドレス指定モード５０９の各サブフィールドは、IEEE802.15.4のフレームコントロールフィールド５０と同一の機能を具備している。
要すれば、本発明の実施例は、以下のような特徴及び利点を提供可能である。
・リンク優先順位を判定するためのMACフレームコントロールヘッダ内における「非常事態」状態ビットを通じたリンク優先順位割当の使用
・スタートポロジーにおいてレンジ内に位置すると共に非常事態にあり、且つ、他の装置へのアクティブな接続を有していない医療装置が、自動的に高優先順位非常事態リンクと、（例えば、TDMA-ALOHAなどの）ビーコンモードのチャネルアクセスモードにおける第１GTS（又は、早期GTSの１つ）と、を得るような方式により、トポロジーが管理される。
・低優先順位装置が高優先順位の医学的非常事態の装置を中継装置としてそのルート内に包含することを回避させる方向転換プロトコル
・近隣センサ装置用の中間ホップノードとして機能している非常事態の医療装置が、自身の低／通常優先順位トラフィックのトラフィック負荷を低減し、且つ、深刻な場合には、低又は通常優先順位のリンクを破棄するようにさせる輻輳及び衝突回避メカニズム／プロトコル
・提案されたプロトコルによれば、医学的な非常事態の状況を処理するための改善されたサポートが可能になる。
本発明の実施例は、MBANを使用して非常事態の管理を円滑に実行する際に極めて重要な役割を果たすことができる。以下のシナリオに留意されたい。
(i)心臓に問題を有する世界中の数億人の患者を、彼らの身体上においてMBANを形成する無線センサを利用することにより、病院において、又は自宅において、監視可能である。MBANは、このような患者に更なる移動性を提供可能である。但し、心機能の異常や心臓発作などの更に深刻なケースなどの状況にある患者のグループの場合には、信頼性の高い通信チャネルを確保して非常事態又はアラーム信号を見逃さないことを保証することが極めて重要である。本発明は、「非常事態アクノリッジメント」を送信することにより、関与しているすべてのエンティティに非常事態について認知させるための信頼性の高い非常事態トリガメカニズムを提供する。
(ii)世界中で数億人の人々が糖尿病を患っている。最近、グルコースの測定のための埋植可能な又は非侵襲的な方法が検討されている。MBANを使用し、２４時間にわたって患者のグルコースレベル情報を監視可能である。患者のグルコースレベルがチャートを逸脱し、且つ、患者のための非常ジオロケーション及びその他の必要な緊急的な医療的手順が必要とされる状況が存在する。
(iii)MBANを使用することにより、データの消失によって生命が脅かされる可能性がある集中治療の状態にある患者を監視しつつ、検知データを収集可能である。
(iv)医療システムにおける非常事態への応答の人件費及び効率が改善される。
(v)医療MBANシステムにおける非常事態の認知度が改善される。
(vi)非常事態応答プロセスを自動化することにより、人件費が低減される。
(vii)主には、低データレートのアプリケーションが想定されているが、MBANは、個々のパケットの消失が致命的であると共に品質に影響を及ぼすストリーミングビデオ／オーディオデータの転送に適用することも可能であろう。非常事態の状況においては、誤ったデータは、疾病の診断に悪影響を付与可能である。
(viii)医療診断の場合には、ＭＭＲ又はＸ線画像は、医師が患者を適切に診断するべく、非常に明瞭であることを要する。従って、この場合にも、信頼性の高いデータ転送が不可欠である。
要すれば、発明は、複数のパラメータを監視するセンサを含む複数のネットワーク装置と、スタープロトコルにおいて直接的に又はピアツーピアプロトコルにおいて間接的にネットワーク装置と通信するコーディネータと、を具備した無線センサネットワークを動作させる技法を提供可能であり、この方法は、少なくともネットワーク装置のサブセットとの間の低優先順位リンク上における通信のためにコーディネータを構成するステップと、ネットワーク装置のセンサによってセンサデータを収集し、且つ、データをコーディネータに転送するステップと、ネットワーク装置の少なくとも１つに関連する非常事態の状態の存在を検出するステップと、非常事態の状態にある装置の少なくとも１つとの間に高優先順位リンクを確立するステップであって、高優先順位リンクは、低優先順位リンクよりも、ネットワークリソースに対する高い優先順位を具備するステップと、１つの装置が他の装置との間の低優先順位リンクのためのリレーホップノードとして機能している場合に、他の装置が非常事態にあるかどうか、高優先順位リンクの輻輳又はQoSのレベル、及び／又は装置の１つが利用可能な電力に基づいて、それらの低優先順位リンクを維持、変更、又は破棄するステップと、を有する。この技法は、例えば、IEEE802.15.6に従って動作するMBANを使用する病院において患者を監視するべく適用可能である。
本発明は、新しいネットワーク装置（センサ）、コーディネータ、又はこれらのためのハードウェアモジュールの形態をとることが可能であり、且つ、ネットワーク装置及び／又はそれぞれのコーディネータのプロセッサによって実行されるソフトウェアを置換又は変更することにより、実装可能である。
従って、本発明の実施例は、ハードウェアにおいて、或いは、１つ又は複数のプロセッサ上において稼働するソフトウェアとして、或いは、これらの組合せとして、実装可能である。又、本発明は、本明細書に記述されている技法のいずれかの一部又はすべてを実行する１つ又は複数の装置又は機器プログラム（例えば、コンピュータプログラム及びコンピュータプログラムプロダクト）として実施可能である。このような本発明を実施するプログラムは、コンピュータ可読媒体上に保存可能であり、或いは、例えば、１つ又は複数の信号の形態を有することも可能であろう。このような信号は、インターネットウェブサイトからダウンロード可能なデータ信号であってよく、或いは、搬送波信号上において、又は任意の他の形態において、提供することも可能である。
以上の説明においては、無線センサネットワーク内のセンサ及びコーディネータのみを参照しているが、MBANは、これらの種類以外の他の装置を包含可能である。潜在的に、投薬メカニズムなどの患者の治療に介入するなんらかの手段を、コーディネータの無線による制御下において、ネットワーク内に配置可能であろう。従って、高優先順位リンクは、センサ及びその通信の制御に限定する必要はなく、例えば、薬剤を患者に供給して非常事態の状態にある生命パラメータ（例えば、心拍数）を安定化させるための命令に使用することも可能であろう。
以上の実施例においては、ネットワークが、まずは、低優先順位リンクのみを持ち、且つ、非常事態の状態にある装置との間に高優先順位リンクを確立するステップが、非常事態にない他の装置が低優先順位リンクによってサービスされる状態において、その装置との間の既存の低優先順位リンクを新しい高優先順位リンクによって置換するステップを伴うと仮定されている。但し、「通常」の動作状態において、帯域幅及び電力が相対的に十分な状態にあり、従って、高優先順位リンクを、すべてのネットワーク装置によるコーディネータとの通信の既定のモードとすることが可能な実装も存在するであろう。このような場合には、ネットワークは、すべてのネットワーク装置について高優先順位リンクを有する状態において始まり、且つ、非常事態にない装置用のリンクを低優先順位リンクにダウングレードすることにより、非常事態にあるそれぞれの装置のために高優先順位をそのまま残すことができよう。この場合には、それ自体は、非常事態の状態にはないが、なんらかの他のネットワーク装置が非常事態にあることを認識し、コーディネータとの間の自身のリンクをダウングレードして優先順位を非常事態の装置に対して付与するネットワーク装置が存在可能であろう。
又、前述のように、MBANには、コーディネータとの（必ずしも、MBAN自体を介したものではない）通信状態にあるなんらかの形態の中央制御及び監視ユニットを提供することも可能である。このような中央制御ユニットは、例えば、非常事態の状態の宣言に関与可能である。
上述の説明は、患者の医学的な非常事態を判定するための技法に関するものであり、その理由は、これが、本発明の重要な用途として考えられるためである。但し、これは、唯一の可能な用途ではない。センサを使用し、非医学的な状況において生体を監視可能であろう。例えば、前述のものと同一の技法を使用することにより、リスクを有する任意の人物（例えば、高齢の又は虚弱な人々や子供、危険な環境にある人々など）を観察可能であろう。この場合には、非常事態の状態は、事故などのなんらかの形態の物理的な脅威を表すことになろう。この状況においては、脈拍、温度、加速度などの生命パラメータ用のセンサが特に有用であろう。非常事態の状態においては、可能な場合には、医療シナリオと同様に、高優先順位リンクを提供することが望ましいであろう。
人間の又は他の生体のBAN以外にも、本発明を適用するための多くの可能性が存在している。１つの可能性は、ミッションクリティカルな産業環境（例えば、発電所）における多数の潜在的なシナリオなどの産業的な非常事態を検出する能力を有するWSNである。これは、工場の環境における多数の制御点に適用可能である。例えば、本発明者らは、工場の加熱設備内の温度センサ又は食品製造ライン用の圧力閾値を想定可能である。このようなWSNにおける低（通常）及び高優先順位リンクの同時使用は、医学的な非常事態の場合と同様に、これらのシステム内における非常事態にも適用可能である。従って、請求項における「エンティティ」という用語は、生物に加えて、このような任意の産業環境をも包含するものと解釈されたい。
以上の説明においては、一例として、IEEE802.15.4及びIEEE802.15.6を参照しているが、本発明は、IEEE802.15.6に従って動作するかどうかとは無関係に、任意のタイプのフレームに基づいた無線センサネットワーク又はMBANに対して、且つ、医療ボディエリアネットワークではない場合にも、非常事態の状況における通信の信頼性の改善に対する要件を具備する他のタイプのBANに対して、適用可能である。

Claims (11)

  1. １つ又は複数のパラメータを監視するセンサを含む複数のネットワーク装置と、低優先順位リンク又は高優先順位リンク上において前記ネットワーク装置との通信を実施する能力を有するコーディネータと、を具備する無線センサネットワークにおいて使用され、かつ、少なくとも１つの他の前記ネットワーク装置の高優先順位リンク又は低優先順位リンク上においてピアツーピア通信のための中継装置として機能するべく構成されているネットワーク装置であって、
    前記ネットワーク装置が非常事態の状態にあるかどうかを認識する認識手段と、
    前記非常事態の状態の認識に応答し、前記コーディネータとの間に高優先順位リンクを確立する応答手段と、
    を有し、
    前記認識手段は、それぞれの前記他のネットワーク装置が前記非常事態にあるかどうかを認識するべく更に動作可能であり、
    前記応答手段は、更に、前記ネットワーク装置自体に関連する前記非常事態の状態の認識に応答し、少なくとも前記他のネットワーク装置のそれぞれが前記非常事態の状態にあるかどうかに基づいて、前記ピアツーピア通信を維持、変更、又は破棄する、
    ネットワーク装置。
  2. 前記応答手段は、前記高優先順位リンクのQoS又は輻輳のレベル及び前記ネットワーク装置の電力の利用可能性の少なくとも１つに更に応じて前記ピアツーピア通信を維持、変更、又は破棄するべく構成されている請求項１に記載のネットワーク装置。
  3. 前記応答手段は、前記非常事態の状態にはない他の前記ネットワーク装置との間の低優先順位リンク上におけるピアツーピア通信を、該ピアツーピア通信のレートを低減することにより変更するべく構成されている請求項１又は２に記載のネットワーク装置。
  4. 前記応答手段は、前記非常事態の状態にはない他の前記ネットワーク装置との間の低優先順位リンク上におけるピアツーピア通信を破棄するべく構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のネットワーク装置。
  5. 前記応答手段は、前記非常事態の状態にある他の前記ネットワーク装置との間の高優先順位リンク上におけるピアツーピア通信を維持するべく構成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載のネットワーク装置。
  6. 前記ネットワーク装置自体が中継装置として機能している前記他のネットワーク装置の数のカウントを計数するカウント手段を更に有し、且つ、前記応答手段は、更に、前記非常事態の状態の認識に応答し、前記カウントの現在の値に応じて、更なるネットワーク装置のための中継装置として機能するための要求を拒絶する請求項１に記載のネットワーク装置。
  7. 複数のパラメータを監視するセンサを含む複数のネットワーク装置と、スタープロトコルにおいて直接的に又はピアツーピアプロトコルにおいて間接的に前記ネットワーク装置と通信するコーディネータと、を具備する無線センサネットワークであって、
    前記コーディネータは、少なくとも前記ネットワーク装置のサブセットとの間の低優先順位リンク上における通信のために構成されており、且つ、前記ネットワーク装置のうちの１つ又は複数の非常事態の状態が存在するという判定に応答し、前記１つ又は複数のネットワーク装置との間に高優先順位リンクを確立し、前記高優先順位リンクは、前記低優先順位リンクよりも、ネットワークリソースに対する高い優先順位を具備し、
    前記複数のネットワーク装置のうちの第１のネットワーク装置は、
    前記複数のネットワーク装置のうちの少なくとも１つの他のネットワーク装置の前記高優先順位リンク又は前記低優先順位リンク上においてピアツーピア通信のための中継装置として機能し、かつ、
    前記少なくとも１つの他のネットワーク装置が前記非常事態にあるかどうかを認識するべく動作可能であり、かつ、前記第１のネットワーク装置自体に関連する前記非常事態の状態の認識に応答し、前記少なくとも一つの他のネットワーク装置のそれぞれが前記非常事態の状態にあるかどうかに基づいて、前記ピアツーピア通信を維持、変更、又は破棄する、
    無線センサネットワーク。
  8. ネットワーク装置との関係における前記非常事態の状態は、前記ネットワーク装置のセンサによって検知されているパラメータが臨界値に到達した際に認識される請求項７に記載の無線センサネットワーク。
  9. 生体の医学的パラメータを監視するべく適用される請求項８に記載の無線センサネットワーク。
  10. 前記ネットワークリソースは、単位期間当たりに１つ又は複数のタイムスロットを定義するべく時分割方式によって構造化されており、且つ、前記タイムスロットのうちの１つ又は複数は、前記優先順位リンクにおいて使用されるべく予約されている請求項７〜９のいずれか一項に記載の無線センサネットワーク。
  11. 前記ネットワークリソースは、少なくとも前記低優先順位リンクによって使用されるべく、単位期間当たりに１つのコンテンションアクセス期間を定義するべく更に構造化されている請求項１０に記載の無線センサネットワーク。
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