JP5670902B2 - 身体領域ネットワーク用の媒体アクセス制御プロトコルの傍受問題を解決する技法 - Google Patents

Description

本願は、2008年8月11日に出願された米国仮出願第61/087,744号の利益を主張する。

本発明は概括的には、身体領域ネットワーク（BAN: body area network）において使用される媒体アクセス制御（MAC: medium access control）プロトコルに関し、詳細には、そのようなプロトコルにおける傍受〔漏話〕（overhearing）の問題を解決するための技法に関する。

身体領域ネットワーク（BAN）は、主として、生命徴候〔バイタルサイン〕（vital signs）の恒久的な監視およびログ記録のために設計されている。図１は、典型的には身につけることができる〔ウェアラブルである〕または人体中に埋め込まれることのできるセンサーである複数のスレーブ装置１２０を含む。スレーブ装置１２０は、生命に関する身体パラメータおよび動きをモニタリングし、無線媒体を通じて互いに通信する。スレーブ装置１２０は、身体からのデータを一つまたは複数のマスター装置１３０に送信できる。マスター装置１３０から、そのデータはリアルタイムで病院、診療所または他所に、ローカル・エリア・ネットワーク（LAN）、広域ネットワーク（WAN）、セルラー・ネットワークなどを通じて転送されることができる。

BANの設計における重要な要因の一つは、スレーブ装置１２０および／またはマスター装置１３０のエネルギー効率である。効率的なエネルギー消費は、受信者装置（すなわちデータを受信する装置）を傾聴状態とスリープ状態との間で最適にデューティー・サイクリング〔稼働切り換え〕することによって達成できる。ある装置のラジオ〔無線機〕は、その装置がデータを送信も受信もしないときはオフにされ、それによりその装置のエネルギー消費が削減される。デューティー・サイクリング（duty cycling）は、アイドルな傾聴（listening）および傍受（overhearing）時間、過剰放射、データ送信の衝突および制御のオーバーヘッドを最小限にするねらいで、媒体アクセス制御（MAC）プロトコルによって実行され、これは最終的には電力節約につながる。

MACデューティー・サイクリング技法は同期的モードおよび非同期的モードを含む。非同期的モードでは、送信者装置（すなわち、媒体上でデータを送信する装置）および傾聴者装置（すなわち、媒体を傾聴している装置）が独立なスリープおよび覚醒時間をもつ。よって、ビーコンのような明示的な同期機構は必要とされない。

プリアンブル・サンプリング技法が、WiseMAC、B-MACおよびX-MACのような非同期デューティー・サイクリングMACプロトコルにおいて広く使われている。WiseMACは非特許文献１においてさらに記述されている。B-MACは非特許文献２において記述されている。X-MACプロトコルは非特許文献３において発表されている。

図２に示されるように、プリアンブル・サンプリング技法では、すべての装置が定期的に媒体を短期間「T_L」だけ傾聴し（listen）、次いで媒体がアイドルであれば時間「T_CI」の期間にわたってスリープ状態に戻る。二つの相続く傾聴時間T_Lの間の時間T_CIはチェック期間（check interval）である。時間期間の組み合わせT_CI＋T_Lが覚醒時間期間である。送信者装置が送達すべきデータをもつとき、送信者装置は、受信者装置のチェック時間期間T_CIよりも長い覚醒（WUP: wake-up）メッセージ（プリアンブル）２１０を送信する。プリアンブル・サンプリング技法では、WUPメッセージ２１０はプリアンブルのみを担持し、他のいかなる情報も担持しない。受信者装置が覚醒するとき、受信者装置は媒体を感知し、WUPメッセージ２１０を検出する。これは、受信者装置に、データが完全に受信されるおよび／または媒体が再びアイドルになるまで覚醒状態に留まることを強制する。

プリアンブル・サンプリングは、受信信号中に既知のプリアンブル・シーケンスを探すマッチングされたフィルタ受信機によって達成されることができる。プリアンブル・サンプリングは、処理利得および既知のシンボル・シーケンスの反復から裨益し、信頼できる信号検出を可能にする。

El-Hoiydi, at el.、"WiseMAC: An Ultra Low Power MAC Protocol for the Downlink of Infrastructure Wireless Sensor Networks"、Proceedings of the Ninth IEEE Symposium on Computers and Communication, ISCC’04、pp.244-251, Alexandria, Egypt, June 2004 Polastre, at el.、"Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks"、 ACM SenSys Nov. 2004 Buettner at el.、"X-MAC: A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks" ACM SenSys 2006

WUPメッセージ２１０の長さは、実際のデータが送信されるときに受信者装置が覚醒していることを保証するために、チェック期間T_CIよりも長いことが必要である。受信者装置のチェック期間T_CIが非常に長い場合、WUPメッセージ送信は長時間にわたって媒体を占有し、それにより他の装置が媒体にアクセスすることを妨げることがある。プリアンブル・サンプリング技法のもう一つの欠点は、ターゲットでない近隣装置がWUPメッセージ２１０を傍受し、データ送信が始まるまで覚醒したままに留まるということである。結果として、ネットワーク中の装置の電力消費が増す。

傍受問題に対処するため、上に挙げたX-MACプロトコルは、ターゲット装置の識別情報（ID）（すなわち、宛先アドレス）をWUPメッセージ中に埋め込む。こうして、ターゲットでない近隣装置は、そのIDに基づいて自分が意図された受信者でないことを確認し、スリープ状態に戻ることができる。このアプローチの問題は、WUP信号が、前もって知られていないデータ・ビット（すなわち、宛先アドレス）を含むということである。したがって、受信者はWUP信号を復調し、その情報を復号して宛先アドレスを取り出さねばならない。復調プロセスは、プリアンブル検出技法に比べて著しく複雑であり、より多くのエネルギーを消費する。プリアンブル検出技法においては、受信者装置は受信信号中で既知のシンボル・シーケンスを検索するのである。

電力消費を削減するもう一つの技法は、装置内に二つの別個のラジオを含めることである。一方は低電力覚醒（スタンバイ）ラジオであり、他方はデータ通信ラジオである。受信者装置を覚醒させるために、送信者装置は十分強い信号（「WUP信号」）を送信する。WUP信号の電力は所定の閾値を上回る。覚醒ラジオがWUP信号を受信すると、該覚醒ラジオはそのデータ通信ラジオをオンにし、それにより送信者装置と受信者装置が通信することを可能にする。覚醒ラジオは、プリアンブル検出技法よりも単純でよりエネルギー効率のよいエネルギー検出技法を使って実装されることができる。しかしながら、このエネルギー検出技法も、近隣の、ターゲットでない装置が自分に向けられたのでないWUP信号のために覚醒するという傍受の問題がある。よって、送信者装置がWUP信号を送信するとき、その信号はたった一つの装置のために意図されたものであったにもかかわらず、すべての近隣装置が同時に覚醒する可能性がある。これによりエネルギーが浪費される。

したがって、BAN MACプロトコルにおける傍受の問題を解決するソリューションを提供することが有利であろう。

本発明のある種の実施形態は、プリアンブル・フレームを生成する段階と；ターゲット受信者装置の宛先アドレスをプリアンブル・フレームの長さとしてエンコードする段階と；プリアンブル・フレームを送信する段階とを含む方法を含む。

本発明のある種の実施形態はさらに、覚醒信号を生成する段階と；ターゲット受信者装置の宛先アドレスを覚醒信号の継続時間としてエンコードする段階と；覚醒信号を送信する段階とを含む方法を含む。

発明と見なされる主題は、付属の請求項において具体的に特定され、明確に記載される。本発明の以上のおよびその他の特徴および利点は、付属の図面とともに参照される以下の詳細な記述から明白となるであろう。

身体領域無線ネットワークの概略図である。 プリアンブル・サンプリングによるデューティー・サイクリング技法の動作を示す図である。 本発明のある実施形態に基づいて実現される、BAN MACプロトコルの傍受問題に向けられた方法を記述するフローチャートである。 本発明のある実施形態に基づいて実現される多レベル・エンコード方法を例解する図である。

本発明によって開示される実施形態が、本稿の革新的な教示の数多くの有利な使用の例でしかないことを注意しておくことは重要である。一般に、本願の明細書においてなされる陳述は、必ずしもさまざまな特許請求される発明のいずれかを限定するものではない。さらに、いくつかの陳述は、いくつかの発明的な特徴に当てはまるが他の発明的な特徴には当てはまらないこともある。一般に、特に示されるのでない限り、一般性を失うことなく、単数形の要素は複数であってもよく、複数形の要素は単数であってもよい。図面において、いくつかの図面を通じて、同様の参照符号は同様の部分を指す。

本発明の例示的な実施形態によれば、ターゲット装置の宛先アドレスはWUPメッセージ（すなわちプリアンブル・フレーム）のサイズまたは長さとしてエンコードされる。そのフレームの長さまたはサイズに従って、受信者装置は、フレーム全体を復調することなく、自分がそのWUPメッセージのターゲットであるかどうかを判定できる。WUPメッセージの宛先は、復調プロセスを呼び出すことなく決定され、それにより受信者装置の電力消費が削減される。

もう一つの例示的な実施形態によれば、ターゲット装置の宛先アドレスは、WUP信号が送信されるべき継続時間としてエンコードされる。それにより、覚醒ラジオをもつ装置が自分のデータ通信ラジオを、データが自分に向けられているときにのみオンにすることができる。

図３は、本発明のある実施形態に基づいて実現されるBAN MACプロトコルの傍受問題に向けられる方法を記述する限定しない例示的なフローチャート３００を示している。この方法は、受信者装置および送信者装置としてはたらく少なくとも二つの異なる装置によって実行される。装置がデータを送信する必要があるか受信する必要があるかに依存してこれらの機能が各装置によって実行できることが理解される。ある実施形態では、この方法は、上で論じたプリアンブル・サンプリング技法を利用するBAN MACプロトコルの一部として実装される。

S310において、送信者装置はプリアンブル・フレーム（またはWUPメッセージ）を生成する。送信者装置は、より高いレイヤー（たとえばアプリケーション・レイヤー）からそのようなフレームを生成する命令を受信してもよい。S320において、ターゲット受信者装置の宛先アドレスがプリアンブル・フレームの長さとしてエンコードされる。本発明のある実施形態では、プリアンブル・フレームの長さは次のように決定される：
フレーム長（x）＝最小長さ＋x (1)
ここで、「x」は、十進表記でのターゲット受信者装置のMAC／ネットワーク・アドレスである。「最小長さ」は、受信機によって信頼できる形で検出されることができる最短のフレーム長さである。「最小長さ」は固定値であり、すべての装置に知られている。

たとえば、「最小長さ」が1単位であり、宛先のMACアドレスが0100（二進法の0100は十進法の4）であるとすると、フレーム長は5単位になる。同様に、MACアドレス0111は8単位の長さのフレームとしてエンコードできる。

本発明のもう一つの実施形態によれば、大きなデータ値を小さなデータに変換するハッシュ関数が、長いアドレスからより短いアドレスを導出するために使われる。たとえば、64ビットのアドレスを入力キーとして与えられたハッシュ関数が8ビットの出力アドレスを生成できる。こうして、フレーム長の最大長さが制限されることができる。

この実施形態によれば、プリアンブル・フレームの長さは次のように決定される：
フレーム長（x）＝最小長さ＋Hash₁(x) (2)
ここで、「x」は、ターゲット受信者装置のMACまたはネットワーク・アドレスであり、Hash₁はハッシュ関数である。すべての装置はこの目的のために同一のハッシュ関数を使う。ブロードキャスト・フレームのような特別な制御フレームは固定された既知のサイズにエンコードされてもよいことを注意しておくべきである。

本発明のもう一つの実施形態では、プリアンブル・フレームはフレーム開始デリミタおよびフレーム終了デリミタを担持することができ、これらのデリミタの間の時間の長さが宛先アドレスを表すことができる。

S330では、エンコードされたプリアンブル・フレームが、送信者装置によって、無線媒体を通じて送信される。ある種の実施形態では、同じチャネル上の複数の送信機によって送信されるプリアンブル・フレームが時間的に重なることがある。この効果を緩和するため、送信者装置は、占有しようとしているチャネルを傾聴し、そのチャネルがあるランダムな期間にわたってアイドルであると見出された場合にのみ送信を開始する。

一般に、BAN装置のラジオ・コンポーネントは、論理チャネルに分割された周波数帯域の範囲上で動作することができる。フレーム重なりの可能性を最小限にし、スケーラビリティを改善するために、本発明のもう一つの実施形態は、送信のための周波数チャネル（Frame_TX_Channel）を、意図される受信者のMACまたはネットワーク・アドレスに基づいて、次のように選択する：
Frame_TX_Channel(x)＝Hash₂(x) (3)
ここで、「x」は、ターゲット受信者装置のMACまたはネットワーク・アドレスであり、Hash₂はハッシュ関数である。たとえば、ラジオが16個の論理チャネルの任意の一つで動作でき、MACアドレスが64ビットの長さの場合、Hash₂関数は、ターゲット受信機の64ビットのMACアドレスを、0から15の範囲の4ビットの論理チャネルIDにマッピングする。一例として、関数Hash₂は：
Hash₂(x)＝x modulo 16
であってもよい。

ネットワーク中の各装置は、そのMACアドレスに対応するプリアンブル・フレームの長さおよび論理チャネルIDを構成設定される。S340において、受信者装置は覚醒し、媒体を感知し、エンコードされたプリアンブル・フレームを検出する。ある実施形態では、受信機が覚醒する際、受信機はそのラジオを、たとえば式(3)を使って選択された論理チャネルに同調させる。S350において、前記フレームの長さをその受信者装置のMACアドレスを表す長さと比較することによって、前記フレームがその受信者装置のために意図されたものであるかどうかが判定される。前記フレームが特別な制御フレームである場合には、装置は、フレームの長さがある固定された既知の長さのフレームに対応するかどうかを検査する。S350の結果が「Yes」の答えであれば、S360において、受信者装置はアクティブ状態に留まり、データの受信を開始する。そうでなければ、S370において装置はフレームの残りを受信することなくスリープ状態に戻る。たとえば、装置が受信すると期待している最長の長さのフレームが3msの長さであるとすると、装置が覚醒して3msより長い長さをもつプリアンブル・フレームを受信したとき、装置はそのフレームが該装置に宛てられたものではないと結論でき、そのフレームの残りの受信を待つことなくスリープに戻ることができる。これにより電力が節約される。

本発明のある実施形態では、上記の技法はデータ・フレームに適用されることもできる。データ・フレームのプリアンブルの長さまたはサイズは、上記の教示に基づいて決定できる。よって、プリアンブルのサイズから、受信機は自分がターゲット受信機であるかどうかを判定できる。受信者装置が自分が本当にターゲット受信機であると結論する場合、該装置はデータ・フレームの復調を開始できる。プリアンブル・サンプリング・プロセスは、復調プロセスよりもエネルギー効率がよいので、かなりのエネルギーが節約できる。

本発明のもう一つの実施形態によれば、本稿に開示される教示は、覚醒ラジオ技法を使うBAN MACプロトコルにおいて実装されることができる。この実施形態によれば、WUP信号は、該信号が送信される継続時間がターゲット受信者装置のMACアドレスに対応するようにエンコードされる。エンコード関数は、式(1)または(2)に従って定義されてもよい。本発明のもう一つの実施形態によれば、送信機はWUP信号を、上記の式(3)に従って選択されたチャネル上で送信してもよい。

受信者装置は、WUP信号の受信チャネルIDおよび受信時間を構成設定されている。ここで、両者は受信者装置のMACアドレスに基づいている。たとえば、受信時間は、式(1)または(2)を使って決定されてもよく、受信チャネルIDは式(3)を使って決定されてもよい。前記受信チャネル上で前記受信時間に等しい期間にわたって受信者装置がWUP信号を感知する（すなわち、信号の電力レベルが所定の閾値を上回る）場合、その装置はアクティブ状態に留まり、そのデータ通信ラジオをオンにする。そうでない場合、その装置はスリープ状態に戻る。この技法は、WUP信号を傍受するときにはデータ通信ラジオをオンにしないので、別個のラジオをもつ装置の電力消費を著しく削減しうることが理解されるであろう。

本発明のある種の実施形態は、宛先アドレスに加えて他の型の情報をエンコードする方法をも含む。たとえば、送信者装置の発信元アドレスもフレーム中にエンコードされてもよい。複数レベルの情報をエンコードするエンコード機能は次のとおりである：
フレーム長(a,b)＝固定長(a)＋Hash(b) (4)
ここで、「a」はフレームの型であり、「b」がエンコードされる情報である。図４に示されるように、各フレームは二つの部分をもつ。部分Aはフレーム型（たとえば、制御フレーム、データ・フレーム、WUPフレームなど）の関数であり、部分Bはエンコードされる情報の関数である。種々のフレーム型のフレーム長さが互いに分離されている（disjoint）ことを注意しておくべきである。フレームの受信に際して、受信機はフレームの長さLを決定する。たとえば、L∈[O,P]であればフレーム型は1であり；L∈[Q,R]であればフレーム型は2であり；L∈[S,T]であればフレーム型は3である。さらに、部分Bの長さをデコードすることによって、エンコードされた情報が復元される。パラメータO,P,S,Tの値は事前に知られている。

本発明の原理はハードウェア、ソフトウェアおよびファームウェアまたはそれらの任意の組み合わせにおいて実装されうる。ソフトウェアはプログラム記憶ユニットまたはコンピュータ可読媒体上に有形的に具現されたアプリケーション・プログラムとして実装される。アプリケーション・プログラムは、任意の好適なアーキテクチャをもつ機械にアップロードされ、これによって実行されてもよい。該機械は、たとえば、一つまたは複数の中央処理ユニット（「CPU」）、ランダム・アクセス・メモリ（「RAM」）および入出力（「I/O」）インターフェースのようなハードウェアを有するコンピュータ・プラットフォームである。コンピュータ・プラットフォームはまた、オペレーティング・システムおよびマイクロ命令コードを含んでいてもよい。本稿で記載されているさまざまなプロセスおよび機能は、マイクロ命令コードの一部であっても、アプリケーション・プログラムの一部であっても、それらの任意の組み合わせであってもよく、CPUによって実行されてもよい。これは、そのようなコンピュータまたはプロセッサが明示的に示されているか否かにはよらない。

さらに理解しておくべきことは、付属の図面に描かれている構成システム・コンポーネントおよび方法の一部は好ましくはソフトウェアにおいて実装されるので、システム・コンポーネントまたはプロセス機能ブロック間の実際の接続は本発明がプログラムされる仕方に依存して異なりうるということである。本稿の教示を与えられれば、当業者は、本発明のこれらおよび同様の実装または構成を考えることができるであろう。

本稿で記載されるあらゆる例および条件付きの言辞は、読者が、本願の原理および当該技術を進歩させる発明者によって寄与される概念を理解するのを支援するという教育目的のために意図されているのであって、そのような個別的に記載されている例および条件に限定することなく解釈されるものである。さらに、本発明の原理の原理、側面および実施形態ならびにその個別的な例を記載する本稿におけるあらゆる陳述は、その構造的および機能的な等価物の両方を包含することが意図されている。さらに、そのような等価物は、現在知られている等価物および将来開発される等価物、すなわち構造にかかわりなく同じ機能を実行する任意の開発された要素の両方を含むことが意図されている。

Claims (15)

1. コンピュータ実装される方法であって：
   プリアンブル・フレームを生成する段階と；
   ターゲット受信者装置の宛先アドレスを前記プリアンブル・フレームの長さとしてエンコードする段階と；
   前記プリアンブル・フレームを送信する周波数チャネルを選択する段階であって、前記周波数チャネルは前記宛先アドレスにハッシュ関数を適用することに基づいて決定される、段階と；
   前記プリアンブル・フレームを選択された周波数チャネル上で送信する段階とを含む、
   方法。
2. 前記宛先アドレスをエンコードする段階がさらに、受信者装置によって信頼できる形で検出できる最小のフレーム長と前記宛先アドレスの十進法での値とを合計することを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記宛先アドレスをエンコードする段階がさらに、受信者装置によって信頼できる形で検出できる最小のフレーム長とハッシュ関数によって計算された値とを合計することを含み、前記宛先アドレスが前記ハッシュ関数の入力キーである、請求項１記載の方法。
4. 前記周波数チャネルを選択する段階がさらに、ハッシュ関数を適用することによって前記宛先アドレスを論理チャネルの識別（ID）番号にマッピングすることを含む、請求項１記載の方法。
5. 前記宛先アドレスが、少なくとも、身体領域ネットワーク（BAN）において利用される媒体アクセス制御（MAC）アドレスである、請求項１記載の方法。
6. 前記プリアンブル・フレームの長さとして、複数レベルの情報をエンコードすることをさらに含む、請求項１記載の方法。
7. エンコードされたプリアンブル・フレームが複数の部分を含み、各部分の長さが特定の型の情報を表すようエンコードされる、請求項６記載の方法。
8. コンピュータ実装される方法であって、
   覚醒信号を生成する段階と；
   ターゲット受信者装置の宛先アドレスを前記覚醒信号の継続時間としてエンコードする段階と；
   前記覚醒信号を送信する周波数チャネルを選択する段階であって、前記周波数チャネルは前記宛先アドレスにハッシュ関数を適用することに基づいて決定される、段階と；
   前記覚醒信号を選択された周波数チャネル上で送信する段階とを含む、
   方法。
9. 前記宛先アドレスをエンコードする段階がさらに、受信者装置によって信頼できる形で検出できる前記覚醒信号の最短の継続時間と前記宛先アドレスの十進法での値とを合計することを含む、請求項８記載の方法。
10. 前記宛先アドレスをエンコードする段階がさらに、受信者装置によって信頼できる形で検出できる前記覚醒信号の最短の継続時間とハッシュ関数によって計算された値とを合計することを含み、前記宛先アドレスが前記ハッシュ関数の入力キーである、請求項８記載の方法。
11. 前記宛先アドレスが、少なくとも身体領域ネットワーク（BAN）において利用される少なくとも媒体アクセス制御（MAC）アドレスである、請求項８記載の方法。
12. 前記覚醒信号の継続時間として、複数レベルの情報をエンコードすることをさらに含む、請求項８記載の方法。
13. エンコードされた覚醒信号が複数の部分を含み、各部分の長さが特定の型の情報を表すようエンコードされる、請求項１２記載の方法。
14. 身体領域ネットワークにおいて動作可能な無線装置であって：
    前記身体領域ネットワークの媒体を通じて電波信号を受信の呼び送信するよう構成された電波送受信機と；
    命令を記憶しているメモリとを有しており、前記命令は、実行されたときにプロセッサを：
    プリアンブル・フレームを生成する段階と；
    ターゲット受信者装置の宛先アドレスを前記プリアンブル・フレームの長さとしてエンコードする段階と；
    前記プリアンブル・フレームを送信する周波数チャネルを選択する段階であって、前記周波数チャネルは前記宛先アドレスにハッシュ関数を適用することに基づいて決定される、段階とを実行するよう構成するものであり、
    前記電波送受信機は、さらに、前記プリアンブル・フレームを選択された周波数チャネル上で送信するよう構成されている、
    無線装置。
15. 前記プリアンブル・フレームが覚醒信号を含む、請求項１４記載の無線装置。

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