JP6185562B2 - 無線ネットワークにおけるデューティサイクル制御 - Google Patents

Description

本発明は、無線ネットワークのための装置であって、該ネットワークが、該装置が所定のデューティサイクル期間のうちの該デューティサイクル期間の全送信時間予算（割当量）を定める所定の割合より少ない期間内で送信することを要するデューティサイクル制限を有している装置に関する。該装置は、転送されるべきデータを受信するための入力部と、上記ネットワークにデータを送信するための出力部と、上記デューティサイクル制限に従ってデータの送信を制御するコントローラとを有する。

本発明は、更に、無線ネットワークにおいて送信を決定する方法、及び無線ネットワークにおいて送信を決定するためのコンピュータプログラムにも関する。

米国特許出願公開第2006/0067245号公報は、電波無線送信器のための適応型デューティサイクル管理方法及びシステムを記載している。無線装置は、パケットを個々のパケット及び／又はパケットバーストの形で送信する送信器を有している。コントローラは、命令セットとの組み合わせで、１つのタイムウインドウ又は隣接するタイムウインドウにより定められる各期間の間に送信されるパケットの数をスライド方式で制限し、連続した隣接するタイムウインドウの間における送信のデューティサイクルを送信器の出力パワーに基づいて制御することにより、平均パワー出力を生じさせる。これにより、当該送信器に対して平均パワー出力レベル制限を生じさせるために、どの様なデューティサイクルが必要とされようとも、１つのタイムウインドウ又は隣接するタイムウインドウの間において適用すべき十分な、即ち１以上のアイドル期間を確立するために必要に応じてパケットの送信が遅延される。１以上のタイムウインドウにわたってデューティサイクルと相関させることが可能な稼働カウントを維持するために、カウンタが使用される。該カウンタは、パケットが送信された場合に増加され、アイドル時間の間に減少される。

既知の適応型デューティサイクルシステムでは、上記稼働カウントが許可する場合、バーストパケットを送信することができる。しかしながら、バーストを送信した後、パケットの更なる送信は遮断され得る。

本発明の目的は、データのバーストを送信することを可能にしながら、遮断を防止するデューティサイクル制御を提供することである。

この目的のために、添付請求項に記載された装置及び方法が提供される。提供された該システムにおいて、前記割合は、前記デューティサイクル期間における時間間隔に対する平均送信時間であって、当該時間間隔において前記デューティサイクル制限により比例的に許可される平均送信時間を更に定める。

冒頭の段落に記載したネットワーク装置において、前記コントローラは、
− 前記装置の過去の送信時間使用をバケットの系列に記憶し、ここで、各バケットは連続した隣接する時間間隔の系列における当該時間間隔を表し、該時間間隔は前記デューティサイクル期間よりも小さいものとし、
− 送信時間のバケット予算を、
− 前記バケット予算に、対応する時間間隔の前記平均送信時間より小さな基本送信時間予算を割り当て、及び
− 現在のバケット予算に、データ送信における時間的変動を受容するために対応する時間間隔の前記平均送信時間を一時的に越えることを可能にするための追加の送信時間を割り当てると共に、該追加の送信時間を、前記全送信時間予算と、将来のバケットの将来の基本送信時間予算と組み合わされた前記過去のバケットの過去の送信時間使用とに基づいて決定し、ここで、前記過去の、現在の及び将来のバケットは一緒になって前記デューティサイクル期間をカバーするものとする、
ことにより決定する、
ように構成される。

冒頭の段落に記載した前記方法は、
− 前記ネットワークにおける装置の過去の送信時間使用をバケットの系列に記憶するステップであって、各バケットが連続した隣接する時間間隔の系列における対応する時間間隔を表し、これら時間間隔が前記デューティサイクル期間よりも小さいステップと、
− 送信時間のバケット予算を、
− 前記バケット予算に、対応する時間間隔の前記平均送信時間より小さな基本送信時間予算を割り当て、及び
− 現在のバケット予算に、データ送信における時間的変動を受容するために対応する時間間隔の前記平均送信時間を一時的に越えることを可能にするための追加の送信時間を割り当てると共に、該追加の送信時間を、前記全送信時間予算と、将来のバケットの将来の基本送信時間予算と組み合わされた前記過去のバケットの過去の送信時間使用とに基づいて決定し、ここで、前記過去の、現在の及び将来のバケットは一緒になって前記デューティサイクル期間をカバーするものとする、
ことにより決定するステップと、
を有する。

上記バケットは、実際には、期間内で使用される送信時間の量を含むレジスタ又はコンピュータで構成されるメモリ位置である。上記バケットの系列における過去に使用された送信時間の履歴は、例えばリスト、レジスタのスタック、循環バッファ等の何らかの好適な方法で記憶される。このような記憶位置の群の各々がバケットと呼ばれる。斯かる対策は、装置の送信時間が前記デューティサイクル制限に従って制御されるという効果を有する。バケット予算を定められた各バケットに割り当てることにより、デューティサイクル制限により与えられた全送信時間は、指定されたデューティサイクル期間において超過されることはない。また、前記基本送信予算を割り当てることにより、新たなバケットを作成するための保証された最小限の予算が常に利用可能である。最後に、バケットに対する予算は、前記追加の送信時間を割り当てることにより、デューティサイクル制限により与えられる許可された平均送信時間を超過することができる。該追加の送信時間は、過去の使用と、上記基本送信時間予算により最小限として定められる可能性のある将来の使用との両方を考慮に入れて決定される。有利にも、当該装置及び方法は、ピークを可能にしながら、同時に将来の期間に対して上記基本送信時間を保証することにより、利用可能な送信時間予算を有効に使用する。

オプションとして、前記コントローラは、現在のバケットの前記追加の送信時間を追加の上限に更に基づいて決定するように構成される。該上限は、前記全送信時間予算から前記デューティサイクル期間をカバーする前記系列における前記複数のバケットの基本予算の和を減算することにより定義される全超過時間予算より少ないものとする。該上限は、デューティサイクル期間における複数のバケットに追加の送信時間を割り当てることを可能にする。この構成は、上記超過時間予算が単一のバケット期間内で完全に使用され得ることがないという利点を有している。従って、送信のピークが、基本送信時間予算を超える全ての更なる送信を遮断することはない。

オプションとして、前記コントローラは、要求された送信が送信時間の現在の使用を前記平均送信時間により比例的に許可される送信時間より超過させる場合に、現バケット内の送信を、対応する時間間隔内で該要求された送信を遅延させることにより分散させるように構成される。この構成は、送信時間が１つのバケットの時間間隔の間においても一層均一に使用されるという利点を有している。

オプションとして、前記コントローラは、前記バケット予算を優先データ予算により減少させることにより少なくとも１つの優先タイプのデータ送信を許容すると共に、現在のバケット予算を該優先データ予算により対応して増加させながら上記優先タイプの実際のデータを送信するよう構成される。この構成は、特別なメッセージ及び優先データが、基本送信時間予算内の通常のトラフィック及び追加の送信時間における可能性のあるピークトラフィックに加えて、上記優先データ予算まで如何なる時点でも送信され得るようになるという利点を有している。

オプションとして、前記コントローラは、前記バケット予算の構成部分を所定の機能に適応させることにより、前記無線ネットワークにおいて該所定の機能を許容するように構成される。効果として、当該無線ネットワークにおける異なる装置は、対応する異なる所定の機能を最適に果たすように適応化することができる。例えば、上記所定の機能は、転送器、データ収集器、クラスタヘッド、アプリケーション端末又は斯様な役割の部分組み合わせのうちの少なくとも１つを有することができる。

オプションとして、前記コントローラは、要求されたデータ送信が送信時間の現在の使用に現在のバケット予算を超過させる場合、該要求されたデータ送信の代わりに非アクノレッジメッセージを送信することによりネットワークレイヤ相互作用を行うように構成される。効果として、非アクノレッジメッセージを生じさせる受信されたメッセージは、当該ネットワークにより別の経路指定をされるか、又は破棄される。この構成は、斯様なメッセージが現装置により受け付けられ、次いで遅延されるのではなく、再経路指定されるという利点を有している。

オプションとして、前記コントローラは、経路指定を、
− 過去のデューティサイクル制限の履歴、
− 将来のデューティサイクル制限の予測、及び
− 要求された送信が前記バケット予算を超えることにより調整された過去の臨界的状態の履歴、
のうちの少なくとも１つに基づいて適応させることを含むネットワークレイヤ制御を行うように構成される。

効果として、ネットワークレイヤ制御は、当該無線ネットワークにおける装置の送信能力の特性を考慮に入れることにより改善される。このような特性は、実際に生じる又は推定することができる、過去及び／又は将来のデューティサイクル制限、及び／又は臨界的状態から導き出される。

上述した装置は、当該ネットワークにアクセスするための送信器／受信器に結合されるＩＣ又は回路基板モジュールで実施化することができる。オプションとして、該装置は、当該無線ネットワークにおける無線通信のための送信器及び受信器を有することができる。また、該装置は、アプリケーションユニット（例えば、街灯柱等の遠隔位置の照明ユニット）を制御するために使用することができる。このようなアプリケーションユニットは、制御することができるか、又はデータを受信若しくは送信することができる。オプションとして、該装置は、アプリケーションを制御し、及び／又は当該ネットワークからデータを受信し若しくは当該ネットワークにデータを供給するためのアプリケーションユニットを有する。

オプションとして、当該方法は装置のデータの送信を現在のバケット予算に従って制御するステップを有する。また、該方法は、デューティサイクル制限に従うデータの送信を検出するステップを有することができ、ネットワーク装置のデータの送信がデューティサイクル制限に従っているかを検出するために使用することができる。更に、コンピュータプログラムが該方法を実施することができ、光ディスク又はメモリスティック等の媒体上に設けることができる。

本発明による装置及び方法の他の好ましい実施態様は添付請求項に示され、これら請求項の開示内容は参照することにより本明細書に組み込まれるものとする。

本発明の上記及び他の態様は、例示として後の記載において且つ添付図面を参照して説明される実施態様から明らかとなり、斯かる実施態様を参照して解説されるであろう。

図１は、無線ネットワークのための装置を示す。 図２は、無線ネットワークにおいて送信を決定する方法を示す。 図３は、デューティサイクルコントローラ装置を含む通信階層を示す。 図４は、ネットワークレイヤに結合されたデューティサイクルコントローラ装置を含む通信階層を示す。 図５は、送信使用を記憶するバケットの系列を示す。

各図は、純粋に図式的なもので、実寸通りには描かれていない。また、各図において、既に説明された構成要素に対応する構成要素は同一の符号を有している。

図１は、無線ネットワークのための装置を示している。該ネットワークは、当該装置が、例えば１時間なるデューティサイクル期間の１％等の、所定のデューティサイクル期間の所定の割合よりも少ない期間で送信を行うことを要求するデューティサイクル制限を有している。上記割合は、当該デューティサイクル期間のうちの全送信時間割当量（予算）を定め、該予算は本例では３６秒である。この割合は、当該デューティサイクル期間における或る間隔に対する、各時間間隔において上記デューティサイクル制限により比例的に許可される平均送信時間も定め、例えば、６０秒の間隔に対しては、該平均送信時間は０.６秒である。

装置１００は送信器１１０に結合され、該送信器１１０はネットワークに対しデータを無線で送信するためのアンテナ１１１を有している。上記送信器は上記ネットワークからデータを受信するための受信器と組み合わせることができ、該データは装置１００に転送することができる。

装置１００は、転送されるべきデータを受信するための入力部１０１と、データを上記ネットワークに送信するための出力部１０３とを有すると共に、制御されるべきアプリケーション装置又は周辺機器に対する出力又は双方向インターフェース１０４を有することもできる。更に、当該装置は、前記デューティサイクル制限に従ってデータの送信を制御するためのコントローラ１０２を有している。

装置１００は、アプリケーションユニット１２０、例えば照明エレメント１２１を有する照明ユニットに結合することができる。該アプリケーションユニットは、データを入力部１０１に送信し、及び／又は当該装置のインターフェース１０４からデータ（例えば、上記照明ユニットをオン又はオフするための制御コマンド）を受信することができる。該アプリケーションユニットは、暗さ等の環境条件、電力使用又は状態レポート及びエラーメッセージに関するデータを供給することができる。

オプションとして、当該装置は、送信器１１０及び／又はアプリケーションユニット１２０（の一部）を含む構成とすることができると共に、他のローカルな装置を制御し若しくは斯かる装置と通信するインターフェース又は電源を更に有することができる。

コントローラ１０２は、例えば論理回路エレメントの有限状態マシン、プログラマブルハードウェア又はマイクロコントローラ並びにメモリ及びインターフェースロジック等の適切な周辺回路を用いてハードウェアで実施化することができる。該コントローラは、当該装置の過去の送信時間使用をバケットの系列に記憶するように構成される。バケットは、各時間間隔を一連の連続した隣接する時間間隔で示す記号的方法であり、各間隔は前記デューティサイクル期間よりも小さい。該バケットは送信時間の単位を含み、該バケットの大きさは上記時間間隔における利用可能な送信時間を表す。バケットに対応する間隔の間における利用可能な送信時間は、送信時間のバケット割当量（バケット予算）と呼ぶ。間隔内における利用可能な送信時間の他の量も、予算と各々呼ばれる。

ここで、上記コントローラの動作時のデューティサイクル制御機能を説明する。送信時間のバケット予算は、以下に解説する計算により決定される（即ち、現在のバケットに対して初期量に設定される）。該コントローラは、バケット予算に、対応する時間間隔の平均送信時間より小さな基本送信時間予算を割り当てる。また、該コントローラは、現バケット予算に、データ送信の時間的変動に適応させるために、各時間間隔の平均送信時間を一時的に越えることを可能にするための追加の送信時間を割り当てる。該追加の送信時間は、全送信時間予算及び将来のバケットの将来の基本送信時間予算と組み合わされた過去のバケットの過去の送信時間使用に基づいて決定され、上記過去の、現在の及び将来のバケットは、一緒になって、前記デューティサイクル期間をカバーする。

上記追加の時間予算に対して利用可能な時間の最大値は、上記全送信時間予算から、当該デューティサイクル期間をカバーする長さを持つ前記系列における複数のバケットの基本予算の和を減算することにより定義される全超過時間予算である。実際に利用可能な追加の時間は、バケットの過去の履歴において幾らかの追加の時間が使用されていた場合、より小さくなり得る。従って、バケットの系列は、例えば現在の予算を含む上記長さを有する全ての系列を決定すると共に、各系列に関して利用可能な超過予算を計算することによりスライド方式で分析される。該計算は、実際の使用を含む過去のバケットの対応する部分、及び基本送信時間予算を有するように割り当てられた将来のバケットの相補的部分に基づくものである。最後に、全ての斯様にして計算された利用可能な超過予算のうちの最小値が、利用可能な追加の送信時間予算であり、該予算を現在のバケットに追加することができる。上記計算は、如何なる適切な方法でも（例えば、上記系列を反復的に計算することにより）実行することができる。該計算の例は以下に示される。

これら例において、バケット及び時間間隔は等しい大きさに設定される。オプションとして、バケットに対して異なる大きさを使用することもできる。デューティサイクル期間をカバーする隣接する間隔の如何なる系列も、前記全送信時間予算に従わなければならない。

一実施態様において、当該コントローラは現在のバケットの追加の送信時間を、更に追加の上限に基づいて決定するように構成される。該上限は、先に定義した全超過時間予算よりも小さくなるように設定される。該上限を設定することは、デューティサイクル期間内の複数のバケットに追加の送信時間を割り当てることを可能にする。例えば、該上限を全超過時間の１／３に設定することは、如何なる系列においても少なくとも３つのバケットが追加の送信時間を使用することができることを保証する。

実際には、１％のデューティサイクル制限が保証されるべき期間、例えば１時間の期間が決定される。この時間の間では、合計で３６秒（＝１時間の１％）のメッセージを送信することが許可される。この許可された送信時間は、以下の２つの部分に分割することができる：
− 設定された数の期間（＝バケット）にわたって等しく分割される量であって、バケット当たりの一定の量の送信時間を保証するために使用される量；及び
− 送信ピークに対処するために使用される量であって、１以上のバケット上に分割することができる量。

バケットの合計数により除算された合計の保証された送信予算は、バケット当たりの保証された送信予算（即ち、最小のバケットサイズ）を示す。１つのバケットの寿命の間に全超過予算を使用することは可能であるが、全超過分を幾つかのバケットにわたって分散させる方がよい。このような理由で、最大バケットサイズが導入される。この最大バケットサイズは、典型的には、最小バケットサイズの３倍であり、通常は全超過予算よりも小さい。

新たなバケットが使用されねばならない場合には、全超過予算のうちのどの程度が該新たなバケットに対して利用可能であるかを決定するためにアルゴリズムが使用される。該アルゴリズムは、該新たなバケットに対して利用可能な余分な送信時間の量を決定するために、過去の時間の使用された送信時間（バケットの系列に記憶された）を使用する。結果としてのバケットサイズは、少なくとも前記最小バケットサイズで、大きくても前記最大バケットサイズである。以下に、新たなバケットの最大サイズを決定するために使用することができるアルゴリズムの一例が示される：
smallestMaxBucketExcess = maxBucketSize - minBucketSize
allowedBucketSum = maxExcess
usedBucketSize = 0;
for (index = (totalBuckets - 1); index > 0; index--)
{
myOldBucketIndex = (index + newBucketIndex) % totalBuckets;
usedBucketSize += Buckets[myOldBucketlndex].used_bytes;
allowedBucketSum += minBucketSize
smallestMaxBucketExcess = MIN(smallestMaxBucketExcess,
(allowedBucketSum - usedBucketSize));
}
maxBucketSize = minBucketSize + smallestMaxBucketExcess

実際には、ＲＦ通信の使用は、世界における地域及び各無線帯域に依存して規制される。許可されるアプリケーション又は送信電力に加えて、無線帯域の時間的使用も規制され得る。例えば、送信時間制限（デューティサイクル制限）は、ＥＴＳＩ規則“ETSI EN 300 220-1 V2.3.1（ヨーロッパ規格（電気通信シリーズ））電磁的両立性及び無線電波スペクトル事項（ＥＲＭ）；短距離装置（ＳＲＤ）；５００ｍＷまでの範囲の電力レベルで２５ＭＨｚ〜１０００ＮＨｚ周波数範囲において使用されるべき無線装置；パート１：技術特性及び試験方法，2009-04”に記載されているように、ヨーロッパでは８６８ＭＨｚ帯に当てはまる。この例において、デューティサイクルは１％に制限され、これは、１時間にわたってモニタされる、当該無線の送信器が送信状態にある最大時間を示すパーセンテージである。

このようなデューティサイクル制限帯域を使用するシステムは、この制限が通常の動作において超過されないことを保証しなければならない。当該装置の無線インターフェースの送信時間が該特定の装置上のアプリケーションの需要に直接関係するような単純な無線システムにおいては、このことは特定のアプリケーション動作を保証することにより達成することができる。しかしながら、メッシュネットワークにおいては、装置の送信時間は、個々の装置にインストールされたアプリケーションの需要のみによって決定されるものではない。メッシュネットワークにおいては、装置は、当該ネットワークにおける他の装置からのメッセージも、該メッセージを元々の送信者の直接通信範囲内にない装置へ配信するために転送する。このように、個々の装置の送信は、他の装置における後続の送信を生じさせ得る。個々の装置のアプリケーションレイヤにおいてメッセージの流入を制限することは、全ての装置における制限が守られることを必ずしも保証するものではない。

アプリケーションレイヤ手段によりデューティサイクル制限に従うために、伝統的な装置は大域的な送信スケジュールを共有することができ、時間同期することができる。加えて、このようなシステムは何れかの他の装置上の任意の個々の装置により引き起こされる最悪の場合の送信時間の知識も有さねばならない。従って、このような方式は、当該ネットワークにおける経路が変化した場合に適応化されねばならないので、複雑であり、追加の送信を誘起し得ると共に柔軟性が制限される。デューティサイクル制限に対する簡単で伝統的な方法においては、順守は、漏れバケットを使用することにより送信器における送信を直接制限することにより達成される。該バケットは、送信する場合に満たされ、所定の率で漏れる。送信時間制限に到達する（即ち、バケットが満たされる）やいなや、当該装置は送受信器をオフし、メッセージの送信及び転送を停止する。理論的に、このような伝統的な方法は、装置がローカルにとることができる最良の方法である。何故なら、当該装置は許されるだけ多くのメッセージを送信し、全体のメッシュネットワーク及びアプリケーションは、当該ネットワークの全ての領域において制限より低く留まるべきトラフィックを生じるように設計されるべきであるからである。しかしながら実際には、このことは、大きな欠点を有することになる。一時的ピーク動作、一時的な経路決めボトルネック、誤ったアプリケーション動作、外部妨害又は第三者装置により引き起こされる送信（例えば、攻撃）により、装置は所与の時間枠内で過度に早くデューティサイクル制限に到達し得る。複数の装置が長い時間にわたり送信を停止しなければならない場合、このことは、当該ネットワークにおけるアプリケーション及びメッシュ経路決めプロトコルに対して大きな影響を有する。当該ネットワーク（又は該ネットワークの一部）は一時的に連絡がつかなくなり得、このことは、重要なメッセージが最早配信され得なくなるという重大な問題となる。更に、誤った又は例外的な動作を防止する、例えばトラフィックのピークを生じさせるアプリケーションを（一時的に）無効にすることも困難である。

他の伝統的方法は、デューティサイクル制限が全体の時間枠（例えば、ヨーロッパにおける８６８ＭＨｚに対する前記１時間）に適用されるのではなく、メッセージ毎に適用されることを保証するというものである。各送信の後、送信器は相対パーセンテージ（例えば、1/100の割合で、送信に必要とされた時間の99x）にわたり遮断される。このことは、デューティサイクルの順守を保証するが、不必要な遅延も生じさせる。何故なら、メッセージは当該装置が送信を実行した後に常に待ち行列に入れられなければならないからである。当該装置は1時間の過程においてはデューティサイクル制限に従うかも知れないが、転送されるべきメッセージの一時的ピークは大きな遅延を生じるか又はサポートされ得ない（即ち、メッセージは失われる）。従って、この方法は通常の動作に対して重大な影響を有する。

本方法は、デューティサイクル制限が所与の期間（例えば、１時間）にわたり順守されると共に、短期間内（例えば、1分のバケット時間間隔に対して最大で１分内）での当該ネットワークの利用可能性を保証し、且つ、一時的に一層高い送信時間を可能にする変化するトラフィック負荷を可能にする。

図２は、無線ネットワークにおいて送信を決定する方法を示す。当該無線ネットワークは前述したものである。該方法は、現時間間隔内での送信を決定するためにSTART 201で開始する。次いで、該方法は、STOR 202において、当該ネットワークにおける装置の過去の送信時間使用をバケットの系列に記憶する。実際には、当該方法が連続したバケット間隔に適用される場合、一番最近の（先行する）バケットのみが記憶される一方、最も古い、最早関係のないバケットは削除される。例えば、記憶は、バケットの数に等しい一連のメモリ位置を有するメモリユニット又はレジスタ、及び一番最近のバケットメモリ位置を指すポインタで実施することができる。各バケットは、連続した隣接する時間間隔の系列における各時間間隔を表す。これら間隔はデューティサイクル期間よりも小さく、現間隔を含む間隔の当該系列は、該デューティサイクル期間をカバーする。

次いで、当該方法は送信時間のバケット予算を決定する。先ず、ASSBA 203において、対応する時間間隔の平均送信時間より小さな基本送信時間予算が現バケットに割り当てられる。該基本送信時間予算及び更なる送信時間予算を計算するための一例は後に示す。

次いで、当該方法は、DETAT 204において、送信時間のバケット予算に追加されるべき追加の送信時間を決定する。従って、全送信時間予算は、バケットの系列の実際の過去の使用及び将来の可能性のある使用により減少される。過去、現在及び将来のバケットの系列は、一緒になって、デューティサイクル期間をカバーする。NEXT 205において制御されるループにおいて、現予算を含む可能性のある各系列に関する残存送信時間が、将来のバケットの将来の基本送信時間予算と組み合わされた過去のバケットの過去の送信時間の使用により計算される。ASSAD 206において、全ての計算された残存送信時間のうちの最小値が決定され、該最小値内の追加の送信時間が選択される。次いで、該追加の送信時間が現在のバケット予算に割り当てられ、データ送信における時間的変動に対応するために当該時間間隔の平均送信時間を一時的に超過することを許容するようにする。最後に、当該方法はWNB 207において次のバケット期間を待つ。

当該方法は、装置の過去の送信時間使用をバケットの系列において監視し、この場合、各バケットはデューティサイクル期間より小さな時間間隔を表す。次いで、該方法は、各バケットに対してデューティサイクル制限により許される送信時間予算より小さな基本送信時間予算を割り当てる。許可される送信時間から全てのバケットに関して加算された最小割当送信時間を減算した超過予算が、トラフィック負荷の時間的変動をカバーするために、即ち、デューティサイクル制限により与えられる平均送信時間を一時的に越えることを可能にするために使用される。次いで、現バケットの最大許可送信時間を計算するために、送信時間使用の履歴（過去のバケットに記憶された）が使用される。このことは、来るデューティサイクル期間における全ての将来のバケットに対して最小限の送信時間が常に利用可能であることを保証する。オプションとして、装置が決して越えてはならない追加の固定の上限をバケット毎に適用することができる。また、送信速度も全体のバケットに対する最大送信時間に基づいて制限することができ、このことは、送信が全体のバケット時間の間に可能となることを保証する。更に、バケット当たりの最大送信時間の或る割合を、特別な使用のために（例えば、高優先度メッセージのために、ＭＡＣプロトコルメッセージのために、ユニキャスト送信に対するアクノレッジを送信するために、ネットワークレイヤ（ＮＷＫ）プロトコルメッセージのために等）予約することもできる。予約される量は、異なる装置の役割毎に相違し得る（例えば、データ収集器は特別な使用のために他の装置よりも一層大きな帯域幅を予約する）。

図３は、デューティサイクルコントローラ装置を含む通信階層を示す。該通信階層において、ネットワーク（ＮＷＫ）レイヤ３１は媒体アクセス（ＭＡＣ）レイヤ３２と通信する。到来するデータに対してＭＡＣレイヤ３２は物理レイヤ（ＰＨＹ）レイヤ３４と直接通信する一方、物理レイヤを介して送信されるべき出力データに対して該ＭＡＣレイヤは、デューティサイクル制限器と称されるデューティサイクルコントローラ装置３３に結合される。上記デューティサイクル制限器は、物理レイヤに結合され、前述したようにしてデューティサイクル制限を順守しながら出力データを転送する。

上記デューティサイクル制限器の主たる任務は、装置がデューティサイクル制限を守ることを保証することである。当該装置は、出力送信を監視すると共に制御（もし必要なら、停止）する。これを達成するために、該デューティサイクル制限器は当該装置のネットワーク階層内に配置される。図３に示されるように、該デューティサイクル制限器を物理レイヤ及び媒体アクセスレイヤの間に組み込むことも可能である。この場合、送信器の活性化及び非活性化は直接的に測定し、調整することができる。しかしながら、ＭＡＣレイヤの各部は、非常にしばしば、ハードウェアで実現される。この場合、ＭＡＣとＰＨＹとの間の相互作用は変更することはできない。

図４は、ネットワークレイヤに結合されたデューティサイクルコントローラ装置を含む通信階層を示す。該図において、デューティサイクル制限器４２はネットワークレイヤ４１とＭＡＣレイヤ４３との間で実現され、上記ＭＡＣレイヤは物理レイヤ４４に直接結合されている。この場合、上記ＭＡＣレイヤが送信時間をレポートしなければならないか、又は該デューティサイクル制限器が送信時間を、ネットワークレイヤからＭＡＣレイヤに渡されたメッセージ、ＭＡＣレイヤから受信されたメッセージ（例えば、ユニキャスト送信はＭＡＣレイヤにおいてＡＣＫメッセージの自動送信を発生させ得る）及び所与の構成下でのＭＡＣレイヤの挙動（例えば、送信されたＭＡＣレイヤビーコンメッセージの既知の若しくは推定された数）に基づいて推定することができる。該デューティサイクル制限器は、必要なら、ＭＡＣレイヤを如何なる自動送信も不能にするように制御することができる。

装置が自身のデューティサイクル制限を超過しないことを保証するために、該装置の送信は時間にわたり監視される。ここで、上記デューティサイクルコントローラ装置内のコントローラは、デューティサイクル制限に関係する期間にわたって実行された送信の履歴を維持する。例示帯域においては、該デューティサイクル期間は１時間である。個々の全ての送信を記憶することを避けるために、この期間は等しい長さ（例えば、1分）のバケットに分割され、使用された送信時間は当該バケットの期間の間に加算される。

図５は、送信使用を記憶するバケットの系列を示す。該図において、各バケット５１は、点線５２で示されるように全てのバケットに対して同一であり得る最大送信予算を有している。現バケットは最右端のバケットであり、最も古いバケット（例えば、1時間前の）は最左端のバケットである。あるバケットの期間が完了したら、新たなバケットが作成され、当該履歴は左にシフトされて、最も古いバケットを取り除く。当該デューティサイクルコントローラの効果は、デューティサイクル制限により与えられる全送信時間が指定された期間内で超過されることがなく、新たなバケットを作成するために保証された最少予算が常に利用可能であり、バケットの予算が当該デューティサイクル制限により与えられる許可平均予算を超えることができるように、新たに作成されるバケットのための最大予算を計算することである。保証される基本送信時間予算は、装置が新たなバケット内で全期間の全予算を消費することができないことを確かなものとする。言い換えると、強制される制限に到達した装置においては、多くても、現バケットの残存期間に対して送信が遮断されるだけである。超過予算は、当該デューティサイクル制限器が一時的なトラフィックピークを許容することを保証する。装置は、全期間の許可送信時間より十分に下に留まりながら、許可平均予算を一時的に超過することができる。当該要件は、この一時的なピークが不必要に遮断されず、アプリケーションが影響を受けないことを保証する。

実用的な例に関して、下記の表はトラフィック制限器において使用されるパラメータ及び該パラメータの典型的な値の総覧を示している。

ここで、上記パラメータに基づいて計算を行う。budget_maxavgより小さな最小限基本送信時間予算budget_minが定められる。該計算は、budget_minが常に利用可能であることを保証しなければならない。“残りの（残存）”保証されない予算budget_maxavg - budget_minは、budget_maxavgを超過するために他のバケットにより使用することができる。全ての“残存”予算の和は、budget_excessとして示す。当該計算は、この超過分を用いて該超過分を全体の期間にわたり分散させ、一時的な送信ピークを可能にすることができる。この計算により、装置の送信時間使用履歴が、サイズbudget_minのバケットを常に作成することができるようになることが実現される。新たなバケットを作成するためには、下記が成り立たなければならない：

これは、将来作成されるべきバケットに対しても成り立たなければならない。この及び次のバケットを作成するために十分な予算を有するために、下記も成り立たなければならない：

そして、続くバケットのためには：
が成り立たなければならない等々となり、従って一般的に下記が成り立たなければならない：

もし可能なら、現バケットが当該制限を超えることができるようにしたいので、
が成り立つbucket_budget≧bucket_minを見付けなければならない。

そして、dutycycle_limit=N*budget_min+bucket_excessにより、
を得る。

従って、最小値を用いて新たなbucket_budgetを計算することができる：

以下の実施態様では、上述した基本的方法が更に拡張される。

第１実施態様においては、バケット当たりの追加の上限が決定される。現バケットが全ての利用可能なbucket_excessを使用してしまうことを防止するために、bucket_budgetをbucket_max<bucket_excessにより更に制限することができる。このことは、系列内の複数のバケットがbucket_minをbucket_maxまで超過することを可能にすることができる。例えば、少なくとも１つの更なるバケットが追加の時間を有することを可能にするために、最大値はbudget_max=bucket_excess/2に設定することができる。

第２実施態様では、バケット内での送信負荷の分散がなされる。装置が新たなバケットの開始時において全てのbucket_budgetを使用した場合、当該ノードは新たなバケットが作成されるまで全てのメッセージ送信をやめなければならない。これを防止するために、送信時間予算を全体のバケットにわたって一様に分散させることにより、送信時間をバケット内に分散させることができる。既に経過したバケット時間に対して比例的に許可された送信時間が使用された場合、未終了のメッセージ送信は遅延される。上記分散は、先行するバケットの使用が基本送信予算よりも少ない場合、該先行するバケットの使用を更に考慮に入れることができる。最終的に、bucket_budgetに達した場合、メッセージ送信は、次のバケットに遅延されるか、又は一層高いレイヤのプロトコルにより、例えば装置上のメッセージの最大遅延を超過することにより若しくは待ち行列のオーバーフローにより、失効する。

第３実施態様においては、特別のメッセージタイプ及び／又はメッセージ優先度のために帯域幅が予約される。例えば、ＭＡＣレイヤにおけるユニキャストのアクノレッジは、より高いレベルのネットワークプロトコルの適切な働きのために重要であり得る。送信者に対してアクノレッジを送らないことは、当該メッセージを直接破棄する方がよい場合に、潜在的に過負荷な状態において高くつく経路修復メカニズムが開始されるようにさせ得る。また、他のＭＡＣプロトコルメッセージ（例えば、ビーコン）及びＮＷＫメッセージも、全体のシステムが過度に早く断念されるには重要過ぎ得る。従って、プロトコルメッセージはデータメッセージよりも優先され、bucket_budgetの一部は斯様な送信のために予約される。このことは、大きな負荷の下でのシステム全体の挙動にとっては有益であるが、高負荷状態において（潜在的に到来しつつある）プロトコル送信のためにデータメッセージが一層早く破棄されようにさせるかも知れない。また、高優先度のメッセージを、他のデータメッセージより優先的に扱うことも可能である。従って、バケットには、優先メッセージを送信すべきか否かを決定するために、１以上の下記の追加の閾を設けることができる：
prio1_msg_budget≦…≦prioN_msg_budget=bucket_budget
高優先度メッセージの例は、過負荷状態を調べる若しくは防止するために要するメッセージ（例えば、停止／中断アプリケーション）、又は当該システムにとり重要なメッセージ（例えば、緊急時に照明を明るくするための屋外照明システムにおける緊急電灯優先）である。

他の実施態様において、装置の役割はトラフィック制限動作を設定するために使用される。メッシュネットワークにおいて、装置は異なる役割を有し得る（例えば、転送器、データ収集器、クラスタヘッド、通常の装置）。役割に依存して、デューティサイクル制限器の動作も調整され得る。例えば、データ収集器は、送るよりも多くのデータメッセージを受信するので、ユニキャストのアクノレッジの送信を保証する一層高い必要性を有する。メッシュネットワークの経路指定プロトコルに関係する装置（例えば、転送器、クラスタヘッドのみならず、データ収集器も）は、当該装置がトラフィックの送信を停止しなければならない場合に当該ネットワーク（の一部）が機能停止することを防止するために、ネットワークプロトコルメッセージを送信する一層高い必要性を有する。

他の実施態様において、装置は、ＮＷＫレイヤの相互作用のために、ＭＡＣレイヤにおいてユニキャストＮＡＣＫメッセージを使用する。第３実施態様において前述したようにＭＡＣレイヤでユニキャストアクノレッジを送信する代わりに、その時点でデータ送信が許可されない場合、ＭＡＣは代わりにＮＡＣＫを送信することができる。このことは、送信側装置のＮＷＫレイヤが当該メッセージを、以下のように、どの様に続行するかを決定することを可能にする：
ａ）当該メッセージのＮＷＫレイヤ宛先が該ＮＡＣＫを送信した装置である場合、該メッセージは廃棄することができる；
ｂ）当該装置が当該メッセージのＮＷＫレイヤ宛先に対する代替経路を有する場合、該代替経路を使用することを試みることができる；
ｃ）当該装置が当該メッセージのＮＷＫレイヤ宛先に対する代替経路を有していない場合、当該経路を修復する又は新たな経路を発見する代わりに、当該メッセージを破棄することが良さそうである。これは、ＮＷＫレイヤにおける経路指定プロトコルに依存し得る。

また、上記ＮＡＣＫを送信する装置は、受信されたメッセージを、該メッセージが本装置宛てでない場合、ＮＷＫレイヤで破棄しなければならない。

他の実施態様において、トラフィック制限認識経路指定を行うことができる。デューティサイクル制限の詳細な履歴、将来における可能性のある制限の予測、及び／又は臨界的状態を、ＮＷＫレイヤにおいて経路指定基準、従って経路にも影響を与え及び更新するために使用することができる。上記詳細な履歴は、前述したアルゴリズムに類似した方法で分析することができる。上記臨界的状態は、バケット制限が前述したように優先される又は特別なデータメッセージのために超過された場合に生じる。

以上、本発明をＥＴＳＩにより規定される８６８ＭＨｚ帯を使用する実施態様により主に説明したが、本発明はデューティサイクル制限を有する如何なる無線ネットワークに対しても好適である。

本発明は、プログラマブル構成部品を用いてハードウェア及び／又はソフトウェアで実施化することができることに注意すべきである。

明瞭化のために、上記記載は本発明の実施態様を異なる機能ユニット及びプロセッサに関連して説明したことが理解されるであろう。しかしながら、異なる機能ユニット又はプロセッサの間の如何なる適切な分散も、本発明から逸脱することなく用いることができることは明らかであろう。例えば、別個のユニット、プロセッサ又はコントローラにより実行されるものとして説明された機能は、同一のプロセッサ又はコントローラにより実行することができる。従って、特定の機能ユニットの言及は、厳密な論理的若しくは物理的構成又は編成を示すというよりも、説明された機能を提供するための適切な手段の言及に過ぎないと理解されるべきである。本発明は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウエア又はこれらの何らかの組み合わせを含む如何なる適切な形態で実施化することもできる。

尚、本明細書において、“有する”なる文言は記載されたもの以外の構成要素又はステップの存在を排除するものではなく、単数形の構成要素は複数の斯様な構成要素の存在を排除するものではないことに注意されたい。また、如何なる符号も請求項の範囲を限定するものではない。また、本発明はハードウェア及びソフトウェアの両方により実施化することができる。また、幾つかの“手段”又は“ユニット”は、ハードウェア又はソフトウェアの同一の品目により表すことができる。また、プロセッサは、恐らくはハードウェアの構成要素との協働で、１以上のユニットの機能を満たすことができる。更に、本発明は、前記実施態様に限定されるものではなく、前述した又は相互に異なる従属請求項に記載された各及び全ての新規なフィーチャ又はフィーチャの組み合わせに存する。

Claims (13)

1. 無線ネットワークのための装置であって、前記無線ネットワークは前記装置が所定のデューティサイクル期間の所定の割合より少ない期間で送信することを要するデューティサイクル制限を有し、前記割合は、前記デューティサイクル期間の全送信時間予算と、前記デューティサイクル期間における時間間隔に対する平均送信時間であって、当該時間間隔において前記デューティサイクル制限により比例的に許可される前記平均送信時間とを定め、当該装置が、
   − 転送されるべきデータを受信するための入力部と、
   − データを前記無線ネットワークに送信するための出力部と、
   − データの送信を前記デューティサイクル制限に従って制御するコントローラと、
   を有し、前記コントローラは、
   − 前記装置の過去の送信時間使用をバケットの系列に記憶し、ここで、各バケットは連続した隣接する時間間隔の系列における当該時間間隔を表し、当該時間間隔は前記デューティサイクル期間よりも小さいものとし、
   − 送信時間のバケット予算を、
   − 前記バケット予算に、対応する時間間隔の前記平均送信時間より小さな基本送信時間予算を割り当て、及び
   − 現在のバケット予算に、データ送信における時間的変動を受容するために対応する時間間隔の前記平均送信時間を一時的に越えることを可能にするための追加の送信時間を割り当てると共に、一緒になって前記デューティサイクル期間をカバーする長さを有する過去の、現在の及び将来のバケットを含むバケットの更なる系列をスライド方式で分析し、実際の使用を含む過去のバケットである前記更なる系列の対応する部分、及び前記基本送信時間予算を有するように割り当てられた将来のバケットである前記更なる系列の相補的部分に基づき、各系列に関して利用可能な超過予算を計算し、計算された前記利用可能な超過予算の最小値を前記追加の送信時間として取ることによって、該追加の送信時間を、前記全送信時間予算と、前記将来のバケットの将来の前記基本送信時間予算と組み合わされた前記過去のバケットの過去の送信時間使用とに基づいて決定する、
   ことにより決定する、
   装置。
2. 前記コントローラは前記現在のバケットの前記追加の送信時間を追加の上限に更に基づいて決定し、当該上限は前記全送信時間予算から、前記デューティサイクル期間をカバーする前記系列における前記複数のバケットの基本予算の和を減算することにより定義される全超過時間予算より少ないものとし、当該上限がデューティサイクル期間における複数のバケットに追加の送信時間を割り当てることを可能にする、請求項１に記載の装置。
3. 前記コントローラは、要求された送信が送信時間の現在の使用を前記平均送信時間により比例的に許可される送信時間より超過させる場合に、対応する時間間隔内の前記要求された送信を遅延させることにより、現バケット内の送信を分散させる、請求項１に記載の装置。
4. 前記コントローラは、前記バケット予算を優先データ予算により減少させることにより少なくとも１つの優先タイプのデータ送信を許容すると共に、現バケット予算を該優先データ予算により対応して増加させながら前記優先タイプの実際のデータを送信する、請求項１に記載の装置。
5. 前記コントローラは、前記バケット予算の構成部分を所定の機能に適応させることにより、前記無線ネットワークにおいて当該所定の機能を許容する、請求項１ないし４の何れか一項に記載の装置。
6. 前記所定の機能が、転送器、データ収集器、クラスタヘッド及びアプリケーション端末のうちの少なくとも１つを有する、請求項５に記載の装置。
7. 前記コントローラは、要求されたデータ送信が送信時間の現在の使用に現バケット予算を超過させる場合、当該要求されたデータ送信の代わりに非アクノレッジメッセージを送信することによりネットワークレイヤ相互作用を行う、請求項１に記載の装置。
8. 前記無線ネットワークにおいて無線通信を行う送信器を有する、請求項１に記載の装置。
9. アプリケーションを制御する及び／又は前記無線ネットワークからデータを受信し若しくは前記無線ネットワークへデータを供給するアプリケーションユニットを有する、請求項１又は請求項８に記載の装置。
10. 無線ネットワークにおいて送信を決定する方法であって、前記無線ネットワークは装置が所定のデューティサイクル期間の所定の割合より少ない期間で送信することを要するデューティサイクル制限を有し、前記割合は、前記デューティサイクル期間の全送信時間予算と、前記デューティサイクル期間における時間間隔に対する平均送信時間であって、当該時間間隔において前記デューティサイクル制限により比例的に許可される前記平均送信時間とを定め、当該方法が、
    − 前記装置の過去の送信時間使用をバケットの系列に記憶するステップであって、各バケットが連続した隣接する時間間隔の系列における対応する時間間隔を表し、これら時間間隔が前記デューティサイクル期間よりも小さいステップと、
    − 送信時間のバケット予算を、
    − 前記バケット予算に、対応する時間間隔の前記平均送信時間より小さな基本送信時間予算を割り当て、及び
    − 現在のバケット予算に、データ送信における時間的変動を受容するために対応する時間間隔の前記平均送信時間を一時的に越えることを可能にするための追加の送信時間を割り当てると共に、一緒になって前記デューティサイクル期間をカバーする長さを有する過去の、現在の及び将来のバケットを含むバケットの更なる系列をスライド方式で分析し、実際の使用を含む過去のバケットである前記更なる系列の対応する部分、及び前記基本送信時間予算を有するように割り当てられた将来のバケットである前記更なる系列の相補的部分に基づき、各系列に関して利用可能な超過予算を計算し、計算された前記利用可能な超過予算の最小値を前記追加の送信時間として取ることによって、該追加の送信時間を、前記全送信時間予算と、前記将来のバケットの将来の前記基本送信時間予算と組み合わされた前記過去のバケットの過去の送信時間使用とに基づいて決定する、
    ことにより決定するステップと、
    を有する、方法。
11. 前記装置のデータの送信を前記現在のバケット予算に従って制御するステップを有する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記現在のバケット予算が、
    により決定され、ここで、
    Ｎは前記デューティサイクル期間におけるバケットの全数、
    bucket_minは前記基本送信時間予算、
    bucket_usage[i]はバケットＩの間の送信時間使用であり、
    bucket_excessはbucket_minを一時的に超過するために使用することが可能な予算である、
    請求項１０に記載の方法。
13. 無線ネットワークにおいて送信を決定するためのコンピュータプログラムであって、プロセッサに請求項１０に記載の方法を実行させる、コンピュータプログラム。