JP5694960B2 - バッテリレスＺｉｇＢｅｅ装置を有するネットワークにおいて通信する方法、そのためのネットワーク及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線制御ネットワークにおいて通信する方法に関する。より具体的には、本発明は、無線ネットワークにおいて通信装置とルータとの間の通信リンクを維持することを保証する方法に関する。

本発明は、例えば、低電力供給を持つリソース制約のある装置を有する無線ネットワークに関し、本発明は、IEEE802.15.4に準拠する通信プロトコル及びIEEE802.15.4ベースのプロトコル、例えばZigBeeプロトコルを使用する無線ネットワークに関する。

無線制御ネットワークは、特に管理システムを構築するための、通信分野において遍在する傾向にある。無線技術は、ケーブルを引くこと及び穴をあけることの必要性が存在しないので、装置配置の自由度、装置携帯性及び設置コスト低減に関して主要な利点を示す。したがって、このような技術は、光スイッチ、調光器、無線遠隔制御装置、運動又は光検出器のようなセンサ装置を使用する相互接続、検出、自動化、制御又は監視システムに対して特に魅力的であり、前記センサ装置は、前記センサ装置が制御する装置、例えば照明から、及び互いから離れた場所にセットアップされなくてはならない。

同種のもののネットワークに現れる欠点の１つは、装置電力供給に関する。実際に、前記装置は、配線されていないので、もはや配電線から又はコントローラとの接続を介して前記ネットワークにおいて要求される全ての動作を実行するのに必要とされる電力を受けることができない。したがって、このような装置に内蔵バッテリを備えることが想定されている。しかしながら、前記装置は、かなりサイズ制約があるので、バッテリは、大きなサイズを持つことができず、これは、減少された装置寿命又は労力を要するバッテリ交換のいずれかを生じる。

周囲からエネルギを取り入れる自立的エネルギ源をセンサ装置に備えることによりこの問題を修正することが提案されている。依然として、既製のエネルギハーベスタにより達成可能なエネルギの量は、非常に限定的であり、これは、バッテリレス装置のフィーチャ及び機能が、厳しく制限される。

無線ネットワークにおける良好な動作に対して維持されることが義務的である機能の中には、リンク接続があり、これは、リソース制約のある装置が、代わりにメッセージを転送するルータにリンクされることをいつでも保証することを可能にする。したがって、既存の実施において、親子関係が、末端装置、一般には、リソース制約のある装置とその親ルータとの間で確立される。子末端装置は、全ての通信を、最終目的地に転送されるように親にアドレスする。しかしながら、エネルギハーベスティング装置の場合、親リンクが壊れる場合に前記末端装置からの通信がもはやうまく実行されることができないので、この関係は、ネットワークにおける単一の破損点を作成する。更に、多くの場合、このような親リンク破損は、前記リソース制約のある装置上の存在しない若しくは使用されない受信回路、又はフィードバックを待機及び受信するのに不十分なエネルギのため、末端装置により検出されることさえできない。実際に、前記末端装置は、非常に制限されたリソースを持つので、通信が失われる場合に新しい親ルータを見つけるために完全なサーチを実行することができず、したがって、前記ネットワークの動作は、ユーザの視点から前記末端装置の動作と同様に信用できない。

リソース制約のある装置の親リンクにより作成された単一の破損点の問題を修正するために、ＭＡＣレベル放送通信を使用する解決法が提案されている。このような方法において、ソース装置は、近隣装置により転送されているかを追跡することなしに、かつ承認を待つことなしに、データを転送するのみである。上位層において、転送が処理され、更に、潜在的な重複が、追加のメカニズムによりフィルタ除去又は回避されることができる。したがって、信頼性は、異なる伝搬条件を持つ複数のノードが前記フレームを受信し、必要であれば転送することを可能にすることにより達成される。このような上位層メカニズムの１つは、802.15.4/ZigBeeネットワークレベルマルチキャスト通信であり、所定の範囲内の各ノードが、メッセージを受信し、各グループメンバが、一回又は複数回、これを転送する。他のこのような上位層メカニズムは、802.15.4/ZigBeeネットワーク層放送である。しかしながら、その信頼性は、パッシブ承認メカニズムに基づき、発信元及び他の転送ノードが、近隣装置が前記メッセージを転送するかどうかを追跡し、どれかがしていなければ再試行することを要求する。

両方のメカニズムが、例えば末端装置によりサポートされることができない応答追跡及び／又は起こりうる再試行によって生じる、高いエネルギ消費を意味する。更に、放送／マルチキャストの使用は、所定の近隣における複数の装置が複数回再送信するため、高い帯域幅消費を生じ、これは、再び、ネットワークオーバロードを引き起こす可能性があり、結果として、ユーザ視点から低減された信頼性又は一次的な障害を生じる。

したがって、本発明の目的は、単一の破損点を作成することなしに及び通信を始めるリソース制約のある装置、例えばバッテリレス装置による多すぎる電力消費を伴うことなしに、リソース制約のある装置と無線ネットワークとの間の正しい通信を維持することを可能にする方法を提案することである。

また、本発明の目的は、可能な限り末端装置の関与を減少するネットワークにおいて通信する方法を提案することでもある。

本発明の他の目的は、放送及びマルチキャストを使用する既存の信頼できる通信方法と比較して帯域幅消費を低減し、更に、末端装置が、近傍の複数の利用可能なプロキシ可能装置を利用することを可能にする方法を提案することである。

本発明の他の態様は、本発明による方法を実行するネットワークにおいて使用されるルータ装置及びこのようなネットワークに関する。

この観点から、本発明は、リソース制約のある末端装置及び少なくとも１つのルータ装置を有するネットワークにおいて無線通信する方法を提供し、前記方法は、以下のステップ、すなわち、
−前記末端装置が、前記ネットワーク内の送り先装置に転送されるべきデータフレームを送信するステップと、
−前記ルータ装置が、前記データフレームを受信するステップと、
−前記ルータ装置が、前記データフレームに遅延を関連付け、この遅延の後に前記フレームの送信を予定するステップと、
−前記データフレームが他のルータ装置により転送されていることを前記ルータ装置がリッスンする場合に、前記データフレームの予定された送信をキャンセルするステップと、
を有する。

したがって、本発明による方法は、前記末端装置が、プロキシのアイデンティティを事前に設定される必要がなく、前記プロキシを追跡する必要もないようなものである。加えて、前記プロキシは、事前設定される必要がない。

末端装置とも称されるリソース制約のある装置は、本発明の意味で、前記ネットワーク内の低減された機能の装置として動作する、少なくともエネルギリソースに関して制限される通信装置に関する。末端装置は、送信を処理するルータ装置のアイデンティティを知る必要無しに転送されるべきフレームを送信するので、このような方法は、前記末端装置が、前記プロキシのアイデンティティを事前設定される又は発見する必要なしにネットワークにおいて通信することを可能にする。更に、この方法は、前記プロキシが前記末端装置の識別子に対する早期の事前設定なしで前記プロキシの責務を推測することを可能にする。したがって、前記データフレームの送信は、前記末端装置により実行される唯一のアクションであり、これは、電力消費が最小限に減少されることを意味する。

ルータ装置は、事前に割り当てられないが、アドホック形式でオンザフライで割り当てられるので、この方法は、前記ネットワークにおける検出されない破損の前述の問題をも解決する。

本発明の一実施例において、送信を予定する場合のデータフレームに関連付けされる遅延は、少なくとも部分的に、ランダムに決定される。他の実施例において、前記遅延は、送り先装置までの送信の合計経路コスト又はリンクコスト、ルート鮮度のようなルートステータス情報、このルートで転送されるパケットの数、前記ルート上のパケット成功率のような他のパラメータを考慮して決定される。

本発明の一部の実施例において、前記方法は、以下のステップ、
−前記末端装置の範囲の２倍のカバレッジを保証する送信パワーで前記データフレームを転送するステップ、
−前記データフレームを転送する前に、前記ルータ装置が、前記送り先装置に対するルーティング経路発見手続きを実行するステップであって、この場合、前記データフレームの転送が、一例において、前記送り先装置に対するルーティング経路の確立を生じる、当該ステップ、
の１つ又は複数を有する。

典型的な実施例において、転送されるデータフレームは、ルート発見情報をも含み、ルート発見メカニズムによって前記ネットワーク内を伝搬される。

本発明の他の態様は、
−無線ネットワークにおいて末端装置からデータフレームを受信する受信手段と、
−前記ネットワークにおいて送り先装置に向けて前記データフレームを転送する送信手段と、
−データフレームの送信前に遅延を設定するタイマと、
−前記データフレームが他のルータ装置により送信されていることをリッスンする場合にデータフレームの予定された送信をキャンセルする手段と、
−事前に確立されたルートを記憶するメモリ手段と、
を有するルータ装置に関する。

本発明の更に他の態様は、本発明による少なくとも１つのルータ及び少なくとも１つのリソース制約のある装置を有するネットワークに関する。

本発明は、添付の図面を参照して、例として、より詳細にここに説明される。

本発明によるネットワークを示す。

本発明は、図１に示される無線制御ネットワークにおいて通信する方法に関する。前記ネットワークは、末端装置を有する。この装置は、例えばZigBeeバッテリレス装置（ＺＢＬＤ）であるが、本発明は、光スイッチ、調光器、無線リモートコントローラ、運動検出器、又は光検出器のような、如何なるリソース制約のある無線装置、特にバッテリ式又はエネルギハーベスティング装置を用いる応用を見つける。前記ネットワークは、複数のルータ装置（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５）をも有する。これらのルータ装置は、典型的な実施例において、ZigBee通信プロトコルに準拠する。他の有利な実施例において、前記ZigBeeバッテリレス装置及び前記ルータは、軽量802.15.4ベースのZigBeeバッテリレスプロトコルに準拠する。

本発明によるネットワークにおいて、前記ルータ装置は、特定のZigBee装置にリンクされるように事前に設定されていない。実際に、前記ルータは、データフレームが送信されなければならないたびに、アドホック形式でオンザフライでプロキシの役割を前記ルータの中から決定する。

前記ネットワーク内の通信は、前記ＺＢＬＤにより開始される。例えば、前記ＺＢＬＤ、ＺＢＬＤ実装センサ事象又は内部タイマとのユーザインタラクションは、前記ＺＢＬＤによるデータフレームの送信をトリガしうる。このフレームは、典型的な802.15.4/ZigBee実施例において、ＭＡＣ放送又は間接的通信を使用することによりＭＡＣ層を通って送信される。他の実施例において、依然として802.15.4/ZigBeeネットワークにおいて、前記フレームは、適切なアドレシング、すなわち単一の装置にコンタクトするユニキャスト、装置のグループにコンタクトするマルチキャスト、又は全ての装置にコンタクトする放送を使用することによりアプリケーションサポートサブ層を通って送信される。前記ＺＢＬＤのパケットの最終的な送り先に関する情報は、前記ＺＢＬＤに記憶され、前記ＺＢＬＤにより送信されるパケットに含められ、又はプロキシルータにより処理され、前記フレームを転送する場合に追加されることができる。

前記ＺＢＬＤの近隣に位置する全てのルータＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及びＲ５は、したがって、前記フレーム又はパケットＰを受信する。オプションの実施例において、前記ルータは、このパケットが実際にＺＢＬＤから来るかどうかを確認する。これは、例えば、フラグ、所定のアドレスプール内からの識別子又は使用されるフレームフォーマットの形式で、装置タイプ情報を前記パケットに含めることにより達成されることができる。この場合、各ルータは、所定の遅延の後に前記パケットの転送を予定する。この遅延は、例えば、放送プロトコル方法におけるタイムウィンドウに対応する。

一例において、前記データフレームと関連付けられた遅延は、ランダムに決定される。しかしながら、場合により、前記ネットワーク及び前記ルータ装置の異なるパラメータを考慮してランダム遅延を適合することが有用でありうる。実際に、前記ＺＢＬＤデータフレームがユニキャスト送り先に転送されるべきである場合、前記ＺＢＬＤの近隣における前記ルータ装置が前記送り先に対する事前に確立されたルートを発見及び維持することが必要でありうる。このような場合に、前記送り先に対する送信の合計リンクコストに関する情報は、前記ランダム遅延を適合するのに使用されることができる。

典型的な実施例において、前記ランダム遅延は、
遅延＝5ms×total_path_cost＋random(0.10×nwkMaxBroadcastJitter)
として計算され、ここでtotal_path_costは、前記ＺＢＬＤメッセージの送り先までの所定のルータからの合計経路コストであり、nwkMaxBroadcastJitterは、本発明によるネットワーク内の放送ジッタの最大値である。

有利な実施例において、各ルータは、各送り先に対する合計リンクコストを記憶するフィールドを含むルーティングテーブルを有する。更に、一部の実施例において、前記ルーティングテーブルは、ルートの鮮度又は成功率のようなルートステータスに関する幾つかのフィールドをも含み、これらのフィールドのコンテンツも、データフレームを転送する前に前記遅延を決定するのに使用されることができる。

他方で、本発明による一部のネットワークは、ＺＢＬＤ及び／又はプロキシ可動性をサポートする。この場合、近隣のルータ又は前記ＺＢＬＤは、以前の送信の後に前記ネットワーク内を移動しているかもしれないので、所要の送り先に対する事前に確立されたルートを持つこれらのルータを常に信頼することはできない。したがって、代替的な実施例において、データフレームを転送することに関連付けられた遅延を決定する場合に前記ルータ又はＺＢＬＤ装置の起こりうる可動性を考慮に入れることが有用である。場所の変更は、例えば、近隣モニタリング、例えば近隣装置のパケットを追跡することにより検出されることができる。これらのパケットは、心拍、リンクステータスメッセージ又は関連付け／参加／委任コマンドのようなデータパケット又はコマンドパケットであることができる。

実際に、前記ネットワークにおいて、新しいＺＢＬＤの近隣に移動した場合、当該ＺＢＬＤの近傍に位置する他のルータは、前記ＺＢＬＤにより要求されるルートを既に確立している可能性が高く、したがって最近移動したものに対してこれらのルータを優先順位付けすることを可能にするフィーチャを実行することは、より効率的である。この観点から、最近移動したルータは、最大可能値に対する転送遅延の経路コスト依存値を設定し、したがって他のルータが行わない場合にのみ前記ＺＢＬＤの代わりに前記メッセージを転送する。

逆に、ネットワークにおいて新しい近傍に移動したのが前記ＺＢＬＤである場合、前記近隣ルータのいずれも前記ＺＢＬＤの送り先に対するルートを持たない可能性が極めて高く、したがって、ルーティング経路が、確立されなければならない。したがって、新しいプロキシ割り当てを遅延しても意味がない。このような場合、前記ルータは、前記転送遅延の経路コスト依存値を最小可能値に設定する。

したがって、各ルータＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４又はＲ５は、ランダム遅延の後にデータパケットＰの送信を予定する。ルートＲ５が、最短遅延を関連付けられたものであると仮定する。この場合、タイムアウトにおいて、ルータＲ５は、前記ＺＢＬＤによりカバーされる通常範囲の２倍のカバレッジを保証するのに十分に高いパワーでパケット（Ｐ_FW）を送信する。したがって、近隣の他のルータ、特にＲ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、ルータＲ５により転送されたパケットＰ_FWを受信し、したがって、前記データフレームの二重送信を避けるために、予定された送信をキャンセルする。

以前に説明したように、場合によって、ネットワーク内の前記ルータ装置は、前記ＺＢＬＤの代わりにアドホックルート発見を実行する。このような発見は、例えば、前記ＺＢＬＤからデータパケットを受信した後にルート要求メッセージを送信することにより行われる。前記ＺＢＬＤにより生じたデータフレームは、前記ルートが整った後のみに転送されるので、この解決法は、送信時に追加の遅延を導入する欠点を持つ。この欠点を避けるために、代替的な実施例において、前記プロキシルータは、ルート要求フィールドにより拡張されたデータフレームを送信する。前記プロキシルータにより送信される全体的なメッセージは、必要とされるルート発見情報を含む拡張されたヘッダを持つ。前記メッセージは、放送方法を使用して送信され、前記プロキシルータと前記ＺＢＬＤの目標装置との間のルーティング経路の確立を生じる。

本発明は、制御ネットワーク、特に照明制御ネットワーク、ビルディングオートメーション及び家庭オートメーションに対するバッテリレス装置を用いる特定の有利な応用を見つける。装置の例は、光スイッチ、光リモートコントロール、調光器、光センサ及び存在検出器を含む。

制限されたエネルギ蓄積部を持つ制御ネットワーク内のバッテリ式装置（例えばZigBee末端装置、ＺＥＤ）を用いる応用をも見つけ、これらの動作を最適化し、寿命を増加する。

本明細書及び請求項において、要素に先行する単語"１つの"は、複数のこのような要素の存在を除外しない。更に、単語"有する"は、記載されていない要素又はステップの存在を除外しない。

請求項内の括弧内の参照符号の包含は、理解を助けることを意図され、限定することを意図されない。

本開示を読むことにより、他の修正例が、当業者に明らかである。このような修正例は、無線制御ネットワークの分野において既知であり、ここに既に開示されたフィーチャの代わりに又は加えて使用されることができる他のフィーチャを含むことができる。

Claims (10)

1. リソース制約のある末端装置及び少なくとも１つのルータ装置を有するネットワークにおいて無線通信する方法において、前記方法が、
   前記末端装置が、前記ネットワーク内の送り先装置に転送されるべきデータフレームを送信するステップと、
   前記ルータ装置が、前記データフレームを受信するステップと、
   前記ルータ装置が、前記データフレームに遅延を割り当て、この遅延の後に前記データフレームの送信を予定するステップと、
   前記ルータ装置が、前記データフレームが他のルータ装置により転送されていることをリッスンする場合に、前記データフレームの前記予定された送信をキャンセルするステップと、
   を有し、
   前記遅延が、最大値及び最小値を持つ範囲内で決定され、
   前記ルータ装置が、
   事前に確立されたルートを持たない場合に、前記範囲の最大値として前記遅延を設定するステップを有する方法。
2. 前記遅延が、ランダムに決定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記ルータ装置が、前記送り先装置までの送信の合計経路コストを考慮に入れて前記データフレームの転送に割り当てられる遅延を決定するステップ、
   を有する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ルータ装置が、ルート鮮度、このルートを介して転送されるパケットの数又はこのルート上のパケット成功率のような、ルートステータス情報を考慮に入れることにより前記データフレームの転送に割り当てられる遅延を決定するステップ、
   を有する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ルータ装置が、可能なルータ／末端装置場所変更を考慮に入れることにより、前記データフレームの転送に割り当てられる遅延を決定するステップ、
   を有する、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記他のルータ装置が、前記末端装置の範囲の２倍のカバレッジを保証する送信パワーで前記データフレームを転送するステップを有する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記データフレームを転送する前に、前記ルータ装置が、前記送り先装置に対するルーティング経路発見手続きを実行するステップを有する、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記データフレームの転送が、前記送り先装置までのルーティング経路の確立を生じる、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の方法。
9. ルータ装置において、
   無線ネットワークにおいて末端装置からデータフレームを受信する受信手段と、
   前記ネットワーク内の送り先装置に向けて前記データフレームを転送する送信手段と、
   データフレームの送信前に遅延を設定するタイマと、
   前記データフレームが他のルータ装置により送信されたことをリッスンする場合に、前記データフレームの予定された送信をキャンセルする手段と、
   事前に確立されたルートを記憶するメモリ手段と、
   を有し、
   前記遅延が、最大値及び最小値を持つ範囲内で決定され、
   前記ルータ装置が、事前に確立されたルートを持たない場合に、前記範囲の最大値として前記遅延を設定する、ルータ装置。
10. 少なくとも１つのリソース制約のある装置と請求項９に記載の少なくとも１つのルータとを有する無線ネットワーク。

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