JP6538901B2 - ワイヤレスメッシュネットワークおよび関連するデータ送信ネットワーク - Google Patents

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Description

本明細書で述べられる実施形態は、一般に、ワイヤレスメッシュネットワークに、また関連するデータ送信方法に関する。より詳細には、実施形態は、このようなネットワークで使用するためのフラッディング技法（flooding technique）に関する。
過去数十年において、産業用制御アプリケーションは、感知されたサンプルおよび制御信号を超高信頼性および低レイテンシで通信するために、費用のかかる有線インフラストラクチャに大部分が依存していた。有線を設置し、維持することの高コストは、費用がかからず、維持するのが容易なワイヤレス技術の採用を動機付けていることは明らかである。しかし、ワイヤレスシステムの信頼性に関する固有の確実性の欠如および疑念が、ハードウェア設計からネットワークプロトコルスタックまでの革新の結果による絶え間ない性向上にもかかわらず、その広範囲な産業での採用を妨げている。
ＩＥＥＥ８０２．１５．４は、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ、ＩＳＡ１００．１１ａ、およびより最近では、６ＴｉＳＣＨなどの、いくつかの産業用ワイヤレス規格に対するその基礎技術となっている。これらの技術の大部分は、完全なネットワークスタックを備え、それは、まずワイヤレスノード間のリンク品質を推定し、次いで、それらを、転送コストを最小化する経路指定構造へと編成する。複数のノードは、次いで、これらの経路およびワイヤレス媒体を介するデータ交換を開始するが、それらの送信間で衝突を生じて、通信の信頼性を低下させる。この問題を克服するために、それらを、異なるチャネル、時間間隔、または非干渉性リンクに割り当てることにより、競合するフロー間のアクセスを調停するように、複雑なスケジューリングアルゴリズムが使用される。
以下では、図面を参照して、諸実施形態を述べるものとする。
ワイヤレスメッシュネットワークにおける多対１の送信パターンを示す図。 実施形態で使用されるフレーム構造を示す図。 図４〜図８で使用される表記の凡例を提供する図。 すべてのノードタイプに適用する第１のルールの図。 すべてのノードタイプに適用する第２のルールの図。 すべてのノードタイプに適用する第３のルールの図。 すべてのノードタイプに適用する第４のルールの図。 シンクノードに適用する第１のルールの図。 シンクノードに適用する第２のルールの図。 データソースに適用する第１のルールの図。 データソースに適用する第２のルールの図。 データソースに適用する第３のルールの図。 中継ノードに対する分散スロットスケジューリングアルゴリズムを説明する流れ図。 実施形態による例示的なフラッディングを示す図。 実施形態によるノードを示す図。
実施形態では、受信機と、送信機と、制御装置と、プログラム命令を記憶するメモリとを備えるノードが提供される。ノードは、ネットワーク内における時間同期データの再送信に参加するのに適している。プログラム命令は、制御装置により実行されたとき、制御装置に、データが再送信されるべき、または再送信されるべきではないネットワークにおける他のノードの指示を、受信機を介して受信し、その指示を用いて、前記メモリ内に記憶された、データが再送信されるべき、または再送信されるべきではないネットワークにおける他のノードのリストを更新し、そのリストに基づき、ネットワーク内の別のノードから受信されたデータを再送信すべきかどうかを決定し、前記データが、再送信されるべきであると決定された場合、前記送信機を用いて受信されたデータを再送信するようにさせる。データは、他のノードと時間同期させて再送信される。
実施形態では、タイムスロットで再送信されるデータは、単一の前のタイムスロットで受信されたデータだけであり、直前のタイムスロットで受信されたデータであることが好ましい。実施形態では、データは再送信されるべきではないと決定されたとき、データは再送信されない。
実施形態では、プログラム命令は、制御装置により実行されたとき、制御装置に、送信されるデータと並行して、リストの部分的な、または完全なコピーをさらに送信させる。リストの送信された部分的な、または完全なコピーは圧縮され得る。
実施形態では、プログラム命令は、制御装置により実行されたとき、制御装置に、ノードに向けられたデータパケットを受信すると、受信されたデータを発信したノードからのデータは、再送信されるべきではないとの指示を、後続する送信スロットでさらに送信させる。
実施形態では、プログラム命令は、制御装置により実行されたとき、制御装置にさらに、データが受信されない後続する送信スロットの数をカウントさせ、カウントが所定の数を超えた場合、受信機および／または送信機を非活動化させる。
実施形態では、プログラム命令は、制御装置により実行されたとき、制御装置に、単に、前記リスト上の、前記メモリに記憶された決定基準に基づき、また信号が受信されたタイムスロット中に受信された信号に基づき、次のタイムスロットにおいて、送信モードで動作するか、それとも受信モードで動作するかをさらに決定させる。
実施形態では、プログラム命令は、制御装置により実行されたとき、制御装置に、信号が受信されたタイムスロット中に、前記信号の最初に受信された部分に基づき、前記決定をさらに行うようにさせる。
実施形態では、プログラム命令は、制御装置により実行されたとき、制御装置にさらに、タイムスロット中に信号の受信が完了した後、信号が有効なデータパケットを表しているかどうかを確認（establish）し、信号が有効なデータパケットを表していないことが確認された場合、前記決定を変更させる。
別の実施形態では、複数の上記で述べたノードのいずれかを備える時間同期ネットワークが提供される。ネットワークは、多対１通信をサポートすることができる。
実施形態では、ネットワークは、ワイヤレスセンサおよび／もしくはアクチュエータネットワーク、またはサイバーフィジカルシステムである。
実施形態では、ノード内で、データが再送信されるべき、または再送信されるべきではないネットワークにおける他のノードの指示を受信すること、データが再送信されるべき、または再送信されるべきではないネットワークにおける他のノードのリストを更新すること、リストに基づき、ネットワーク内の別のノードから受信されたデータを再送信すべきかどうかを決定すること、および前記データが再送信されるべきあると決定されたときに、受信されたデータを再送信することを備える、自律的な時間同期ノードのネットワークにおいてフラッディングを用いるデータ送信の方法が提供される。
実施形態では、再送信は、ネットワーク内の他のノードによる送信と並行して（concurrently）行われる。
複数の送信機からのパケットが、精確に時間で重複する場合、受信機は、これらの受信された信号を、破壊的な干渉性のもの（衝突）として認識しないことが多く、したがって、それらを成功裏に復号することができる。２つの物理層現象、すなわち、建設的干渉（constructive interference）およびキャプチャ効果（capture effect）は、このポジティブな効果をもたらす。
本明細書で述べられる実施形態は、何らかのネットワーク経路を構築すること、または複雑なスケジューリング技法を使用することを必要としない。したがって、それらは、リンク品質を推定し、経路を構築し、またその超高速なフラッディングプリミティブを用いて競合するフローをスケジュールすることに関連するオーバヘッドを最小化、またはさらになくして、複数のノードが、経路指定構造または複雑なＭＡＣスケジュールを必要とすることなく、単一の、または複数の事前定義のシンクノードへと送信できるようにする。
本明細書で述べられる実施形態は、設計時には知られていない、またはさらに実行時に正確に予測できないボリュームもしくはパターンを有するトラフィックを生成するネットワークにおいて特に有用である。産業用制御アプリケーションは、このようなアプリケーションの例である。競合する解決策は、通常、ネットワークノードに割り振られる無線資源の正しい量を推定するために、トラフィックのボリュームおよびパターンに関する知識を必要とする。このような競合する解決策は、したがって、予測できないトラフィックに対して非常に適していない。トラフィックパターンおよび／またはボリュームが未知の状況に対応する必要のある知られた解決策は、無線資源を過剰に供給するか、不足するかのいずれかである。信頼性、エンドツーエンドのレイテンシ、およびエネルギー効率など、異なる性能メトリクスの間で良好なトレードオフを達成することは、このような知られた解決策に対する課題として残ったままである。他方で、本明細書で開示される実施形態は、トラフィックの動的状態およびリンクロスに適合し、また正しい量の無線資源を割り振り、信頼性のある、高速で、超低電力の通信を達成する。いくつかの実施形態は、これを達成するために、市販の汎用のＩＥＥＥ８０２．１５．４デバイスに加えて、建設的干渉およびキャプチャ効果の２つの物理層現象を利用する。
経路を構築すること、およびリンクレベルの送信をスケジュールすることに対して、コストをかける必要がないように、複雑な経路指定プロトコル、またはリンク層スケジューリング技法に対する必要性が除かれる。本実施形態は、エネルギー効率、信頼性、または低いレイテンシを損なうことなく、未知のトラフィックタイプに適合する。様々なトラフィックボリュームへの適合は、センサ、アクチュエータ、および制御装置の間で送られるトラフィックのボリュームおよび頻度が、産業用プロセスの非線形性に起因して予測できない可能性のある産業用制御およびプロセス自動化アプリケーションに対して、本実施形態を理想的な解決策にする。
本実施形態は、ａ）複数の送信機が、そのデータを同時に宛先に向けて送ることを可能にすることによるデータの超高速送達、ｂ）宛先にまだ送達されていないデータだけを送信することにおいてネットワークノード間で協動することにより達成される超高信頼性、ｃ）宛先へのすべてのトラフィックの受信の成功を保証するために、無線を最小時間オンに保つことによる高エネルギー効率、ｄ）多対１のシナリオとは異なる他のトラフィックパターンに対しても対応する容易な適合可能性、ｅ）向上されたスループットおよび超低レイテンシであり、エネルギー効率は、主要な受電側デバイス（powered device）に関するような中心目的ではない。
実施形態の構造的な特徴は、以下のものを含む。
ａ）フラッディングラウンド（flooding round）ごとの複数送信：実施形態は、複数のソースノードからの送信を、その宛先に達するように並列に進めることができ、低いレイテンシおよびより高いネットワークスループットが得られる。
ｂ）確認応答および送信の並列化：受信に成功すると、シンクは、他の進行中の送信と並列に、ネットワークノードに確認応答を送る。
ｃ）協動的データ抑制および転送：実施形態は、ノードが成功裏に送達されたメッセージに関して知るインテリジェントなネットワーク規模の学習機構を組み込む。この情報は、ネットワーク全体が、送達されるメッセージの転送の抑制を協動できるようにする。これは、本実施形態が、高い信頼性を達成し、シンクが送信されたすべてのメッセージを受信した状態への迅速な収束および高信頼性を達成できるようにする。
ｄ）ブロッキングリスト：各ノードは、これらのメッセージの不必要な転送を抑制するのを助けるために、各フラッドにおいて、シンクによって成功裏に受信されたメッセージのローカルなレコードを保持するためのローカルなデータ構造を維持する。
ｅ）タイムクリティカルなブロッキングリストの更新および参照：実施形態は、建設的干渉およびキャプチャ効果により高い信頼性を達成する。これは、ネットワークノードによる送信の精確な重複を必要とする。したがって、実施形態は、タイムクリティカルに、ブロッキングリストにおける更新および参照を実施する。
ｆ）トラフィック適応的な無線デューティサイクリング：実施形態は、無線デューティサイクリング機構を含み、それは、無線のオン時間を、ネットワークにおけるトラフィックの合計量に適合させる。本実施形態は、すべてのトラフィックがシンクに成功裏に送信されたときを検出して、この情報に基づき、ネットワークノード上の無線送受信機をオフにする。このために、フラッディングに関する固有の分散終了機構が組み込まれる。
ｇ）ゼロの経路指定およびＭＡＣスケジューリングコスト：本実施形態は、ネットワーク経路を構築すること、または個々のリンクもしくはノードに対して送信スケジュールを規定することに関してゼロであるオーバヘッドもしくはシグナリングコストになる。それらは、無線資源を過度に備える／不足することに終わる可能性のある固定されたスケジュールの非効率性を完全に回避する。
ｈ）リンク障害およびノード移動性に対して弾力性がある：本実施形態は、個々のリンクが障害を起こす、またはノードが移動した場合であっても、一貫して高い信頼性を維持する。これは、ネットワーク経路もしくはリンクレベルスケジュールの何らかの再構成を必要とせずに達成される。ノードが、ネットワークの残りの部分にワイヤレスで接続されている限り、本実施形態は、そのデータを送達することができる。
ｉ）チャネルホッピング：このフラッディング手法を用いる実施形態およびネットワークプロトコルは、チャネルホッピング方式を使用するように拡張され得る。
ｊ）複数の通信パターン：実施形態は、複数のノードから単一のシンクへと通信するように設計される。しかし、例えば、ａ）複数の異なる宛先へと送信する複数のソースノード、ｂ）複数の宛先へと送信する１つのソースノードなど、様々な通信パターンを処理するように、容易に拡張され得る。
本明細書で述べられる実施形態においては、ネットワークは、データソースの数、およびネットワークトポロジーにおけるそれらの位置など、データソースの何らかの知識を考えることはない（また考える必要がない）。これは、実施形態が、データソースにより生成された任意のトラフィックパターン、および予測できないデータ量に対して働くことを可能にする。さらにノードは、宛先に達するための経路指定コスト（勾配）などの何らかの経路指定情報を維持する必要がない。移動性、マルチパスフェージング、干渉などに起因して、ネットワークトポロジーが、高い頻度で変化する場合であっても、実施形態は、ノードが、ワイヤレスチャネルを用いて物理的に接続されている限り、そのデータを送達することができる。各ノードは、一意のＩＤで識別可能であり、またネットワークノードは、時間で同期されている。
様々なＭＡＣ技法は、複数の近傍の送信機が、それらの間での何らかの衝突を回避するために、同時に正確に同じ無線資源（周波数チャネルおよびタイムスロットなど）を使用することを明示的に阻止する。本明細書で述べる実施形態は、そうではなくて、近傍のノードに同じ時間に送信させるが、これらの送信の受信の開始は、確実に短い時間期間内にだけ含まれるようにする。これは、実施形態が、建設的干渉とキャプチャ効果とを利用することを可能にして、複数の受信信号の重複にかかわらず、受信を成功させることができる。この期間の長さは、ワイヤレス技術間で変わる。ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格内では、様々な送信機からの、複数であるが同一の信号が０．５マイクロ秒の時間期間内に受信機に達する場合、信号は、建設的に干渉する可能性が高く、パケットが成功裏に復号され得る確率は非常に高確率である。複数の異なる信号がすべて、１６０マイクロ秒の時間間隔内に到着し、信号のうちの１つが、残りのものよりも十分に強力である場合、受信機は、強度のある信号にさらに「ロックオン」することができ、このパケットを成功裏に復号することができる。
建設的干渉とキャプチャ効果とを利用することにより、実施形態は、並列送信の間の衝突に関して懸念することなく、複数ソースからの成功裏に復号された受信を、マルチホップメッシュネットワークを介して宛先へと転送することにさらに集中する。これは、スケジューリングを大幅に単純化する。
ソースからデータの受信に成功すると、シンクは、進行中の送信と同期させて何らかの確認応答を通知する。成功裏に送達されたデータの通知は、ネットワークノードが、送達されたパケットのローカルなレコードをリッスンし、学習し、またブロッキングリストに保持できるようにする。この知識は、次いで、シンクにすでに送達されたパケットの何らかのさらなる転送を抑制するために使用される。シンクにまだ送達されていないパケットだけが、またはいまだメッシュネットワークを介して伝達されていない確認応答が、後続するタイムスロットで送信される。ネットワークにわたるデータ抑制は、有用な送信の残りの信頼性を高める。
データソースが、そのデータをシンクに送信すると、ネットワークは、受信された確認応答に基づき並列に学習し、不必要なデータ送信の抑制を可能にする。最終的に、すべてのデータが送達され、どのノードも、ネットワーク内でデータを何も送信しない状態になる。ネットワークノードは、完全に分散された、自律的な方法でこの「サイレンス（silence）」に気付くように構成される。実施形態におけるノードは、その分散終了アルゴリズムを用いて、フラッディングラウンドを終了させるために、この「サイレンス」を利用する。
以下では、データ構造およびデータフレーム構造が、本実施形態の分散スロットスケジューリングアルゴリズムを説明する前に述べられる。
データ構造
本実施形態では、フラッディングイベントに参加する各ノードは、以降で「ブロッキングリスト」と呼ばれるデータ構造を保持する。ブロッキングリストは、おそらく複数のデータソースからの、シンクにおける成功裏の受信に関する情報を含む。この情報は、ワイヤレスチャネルでパケットを受信した結果、個々のノードにより学習される。データ構造は、ネットワークノードのＩＤと、ノードＩＤ間のマッピングと、これらのノードがそのデータをシンクに送達しているかどうかを含むことができる。ノードは、ブロッキングリストの範囲を、単一のフラッディングラウンドに限定するように構成される。フラッディングラウンドが終了し、関連するデータが送信された後、ブロッキングリストは、クリアされる。これは、ノードは、ブロッキングリストがエントリを何も含まない状態で毎回新しいフラッディングラウンドを開始することを意味する。
データフレーム構造
送信フレームは、ソースデータとソースＩＤとを含むだけではなく、図２で示されるように、ブロッキングリストエントリのすべて、またはサブセットも含む。これらのエントリは、ノードのオーバヘッドを最小化するために、圧縮された形態で表されることが好ましい。
分散スロットスケジューリングアルゴリズム
実施形態は、様々なネットワークノードからの複数のパケットをシンクに向けて経路指定するために、事前に確立された経路指定パス、またはトラフィックの合計量に関する情報に依存しない。そうではなくて、各ノードは、現在のフラッドを送信し、リッスンし、または終了すべきかどうかを、各タイムスロットに対して自律的に決定するように構成される。ノードは、特に、各フラッドにおけるノードの動作的役割に応じたルールにより支配される分散スロットスケジューリングアルゴリズムを組み込む。ノードに対して３つの動作的役割が可能である、すなわち、
ａ）ノードは、シンクに送信すべきデータを有するデータソース（ＤＳ）とすることができる、
ｂ）ノードは、何らかのデータをシンクへと送信する必要のない、またはもはや送信を必要としない中継ノードである、
ｃ）ノードはシンクである。
いくつかのルールは、概して、すべての動作モードに適用される。他のものは、個々の役割に対してだけである。
一般的なルール
図４Ａ〜図４Ｄは、一般的なルールの視覚的表現を示している。図４に関する凡例は図３にて提供される。
ルールＧ１（図４Ａで示される）：各送信スロットＳiの最後に、無線は、次のスロットＳi+1でリッスンモードへと遷移する。このルールは、データソース、中継、およびシンクに適用される。ルールＧ１は、ノードが、送信するだけではなく、リッスンし、シンクへの成功裏の送信に関する知識を取得すべきであることを保証する。
ルールＧ２（図４Ｂで示される）：ノードが、それ自体、前のスロットＳi-1で送信したパケットをその現在リッスンするスロットＳiで受信した場合、それはまた、次のタイムスロットＳi+1でもリッスンすることが好ましい。このルールは、データソース、中継、およびシンクに適用される。このルールは、その最近送信されたパケットが受信され、ネットワーク内で転送されている場合、ノードがさほど積極的に送信しないですむようにする。結果として送信数における低減は、送信の残りの信頼性を向上させる。
ルールＧ３（図４Ｃで示される）：シンク以外のいずれのノードも、いずれかのブロッキングリストエントリを含むパケットを受信すると、パケットで受信された新しいエントリを用いて、そのローカルなブロッキングリストを更新するように構成されることが好ましい。ルールＧ３によれば、ノードは、各成功裏の受信から、シンクへのデータ送達情報に関して学習しようとする。新しく取得された知識は、次いで、将来的に、スロットスケジュール決定を行うために使用される。
ルールＧ４（図４Ｄで示される）：データソース以外のいずれのノードも、そのリッスンしているスロットＳiでパケットを受信しないと、連続するサイレントスロットの数が、サイレントスロットの所定数Ｓ未満ではない限り、スロットＳi+1でリッスンすることになる。
シンクルール
シンクは、単一のフラッドにおいて、ネットワークからすべてのデータを収集するノードである。シンクノードとして動作するノードは、異なるフラッディングラウンドに対して異なることができる。図５Ａおよび図５Ｂは、図３で示される凡例のように、シンクに適用可能なルールの視覚的表現を示している。
ルールＳ１（図５Ａで示される）：スロットＳiでソースからデータを含むパケットを受信すると、シンクは、スロットＳi+1でブロッキングリストだけを送信する。シンクは、データソースの１つで発信された実際のデータを受信すると、成功裏に受信されたパケットのそのローカルレコードを更新する。それは、それらをそのローカルなブロッキングリストに追加し、その現在進行中のパケットを介して、圧縮されたブロッキングリストを通知することにより、データソースに確認応答を送る。これらの通知は、シンクによって送られ、またデータソースからの実際のデータ送信と並列に、他のノードにより転送される。
ルールＳ２（図５Ｂで示される）：スロットＳiでブロッキングリストだけ（データソースからのデータはない）を受信すると、シンクは、それがネットワークにおける唯一のシンクである場合、スロットＳi+1でリッスンする。この場合、シンクは、ブロッキングリストを更新し、通知する権限を有しており、したがって、それは常に、ブロックされるノード／パケットの最新の知識を有する。ネットワークからこの情報を受信すると、それは、データソースから何らかのデータをリッスンすることを期待して、再度リッスンする。シンクが、ネットワークにおける唯一のシンクではなく、ブロッキングリストだけ（データソースからのデータはない）を受信する場合、シンクは、ネットワークにおける他のシンクにより生じたブロッキングリスト中の何らかの変更を反映させるために、そのローカルなブロッキングリストをまず更新する。そのローカルなブロッキングリストが、この更新の結果変化した場合、シンクは、スロットＳi+1でその更新されたブロッキングリストを送信する。更新が何も行われなかった場合、シンクは、スロットＳi+1でリッスンモードに切り替わる。
ルールＳ３：このルールは、分散終了方式下のルールＲ３／Ｓ３と同じである。
データソースルール
データソースは、シンクに送信すべきそれ自体のデータを有するノードを含む。図６Ａから図６Ｃは、図３で示された凡例により、データソースに適用可能なルールの視覚的表現を示している。
ルールＤＳ１（図６Ａで示される）：ノードが動作するネットワークは、時間で同期され、また第１の送信スロットに対する開始時間が合意されている。すべてのデータソースノードは、フラッディングラウンドの開始において、まさに第１のスロットＳ0でそれ自体のデータを送信するが、シンクおよび中継ノードは、同じスロットでリッスンする。フラッディングラウンドにおいて、複数のソースが、シンクに送信すべきデータを有する可能性があり、複数のソースは、それをラウンドの最初のタイムスロットにおいてネットワークへと投入する。
ルールＤＳ２（図６Ｂで示される）：現在リッスンしているスロットＳiにおいて、そのデータに対するＡＣＫをまだ受信していないデータソースに対して、ルールＧ１およびＧ２が適用されない場合、スロットＳi+1でそのデータを送信し、それ自体のブロッキングリストをピギーバッキングする。ルールＤＳ２によれば、各データソースは、そのパケットをシンクに成功裏に送達されたことを知らない限り、シンクにデータを送信するためのそれ自体のアジェンダに従う必要がある。
ルールＤＳ３（図６Ｃに示される）：データソースが、現在リッスンしているスロットＳiにおいて、そのそれ自体のデータに対するＡＣＫを受信した場合、それは、現在のフラッディングラウンドの終了まで、中継ノードの役割を担うことになる。中継ノードに対する役割は、次のスロットのすべてに適用される。ルールＤＳ３によれば、ソースがシンクへのそのデータの成功裏の送達に関して聞いた後、それは、中継ノードになり、いくつかある場合、他のデータソースに対してトラフィックを転送することになる。
中継ノード
中継ノードは、シンクへ送信すべきそれ自体のデータを有しないノードである。これらのものは、フラッディングラウンドの何らかの時点でそれ自体のデータに対してＡＣＫを受信したデータソースを含む（上記のルールＤＳ３を参照のこと）。
次のスロットでフラッディングラウンドをリッスンする、送信する、または終了する中継ノードによる決定は、図７の流れ図で示される。図から明らかなように、中継ノードは、その最初のスロットにおいてリッスンすることによりその動作を開始する。中継ノードが、実際にパケットを聞いたとき、それは、受信されたパケットで通知されたいずれかのさらにブロックされたノードを用いて、そのローカルのブロッキングリストをまず更新する。流れ図は、以下で与えられるルールＲ１〜Ｒ４で要約され得る。
ルールＲ１：中継ノードは、スロットＳiで受信されたパケットが、そのブロッキングリストで述べられていないソースからのデータを含む場合、スロットＳi+1で、更新されたブロッキングリストとデータソースからのデータの両方を送信することになる。
ルールＲ２：スロットＳiで受信されたパケットがそのブロッキングリストに存在するソースからのデータを含む場合、または
スロットＳiで受信されたパケットが、リストがそのローカルのブロッキングリストとは異なるブロッキングリストを含む（データはない）場合、
中継ノードは、スロットＳi+1で、更新されたブロッキングリストだけを送信することになる。
ルール３：このルールは、分散終了方式下のルールＲ３／Ｓ３と同一である。
ルール４：中継ノードは、Ｒ１からＲ３まで、およびＧ１からＧ４までのルールのいずれも適用されない場合、スロットＳi+1でリッスンする。
図８は、２つのデータソース、２つの中継ノード、およびシンクノードのネットワークに対する実施形態に従って、オンザフライで構築されるスロットスケジュールの例を示している。図は、左側の列で、各ノードに対する個々のスロット割当てと共に、ネットワークノードの接続性を示している。各スロットで実施される無線アクションを支配するルールも同様に強調されている。
タイムスロットＳ0：
タイムスロットＳ0では、２つのデータソース、ノード２およびノード３が、ルールＤＳ１に従って隣接ノードにその各データパッケージを送信する。ノード１およびノード４、ならびにシンクノードＳは、受信モードにある。
タイムスロットＳ1：
ノード２およびノード３が、スロットＳ0で送信すると、それらは、ルールＧ１に従って、スロットＳ１で受信モードへと切り替わる。ノード１で受信されたノード３からの送信は、ノード２からノード１で受信された送信よりも強力であったので、ノード１とノード４の両方は、ノード３からのデータを受信している。ルールＲ１に従って、ノード１とノード４の両方は、ノード３から受信されたデータを再送信する。シンクＳは、このようにして、スロットＳ１でノード３からのデータを受信し、（角カッコで図８に示されているように）ノード３をブロックするようにその（マスタ）ブロッキングリストを更新する。ルールＳ１に従って、シンクは、スロットＳ２で、ブロッキングリストだけを送信する。
タイムスロットＳ2：
ノードＳ２は、スロットＳ１で、ノード３から発信されたデータを受信しており、その結果、スロットＳ0におけるそれ自体の送信は、成功していないことを知る。その結果、ノード２は、ルールＤＳ２に従って、スロットＳ２において、２回目のそれ自体のデータを送信する。スロットＳ２において、ノード１およびノード４は、ルールＧ１に従って受信モードにあり、またノード３は、ルールＧ２に従って受信モードにある。
タイムスロットＳ3：
スロットＳ２では、ノード２から発信されたデータは、ノード１で受信されており、ノード１は、スロットＳ３で、ルールＲ１に従って、このデータをソースＳに中継する。ソースＳは、ルールＧ１に従って、リッスンモードにあり（ちょうど、そのブロッキングリストをノード１に送信しようとしている）、ノード１からパケットを受信し、ノード２をさらに含めるようにそのブロッキングリストを更新しており、したがって、図８で示すように、更新されたブロッキングリストは、いまやノード２とノード３の両方を含む。ノード２はまた、ルールＧ１に従って、リッスンモードにあるが、ノード３は、ソースから、データ受信の確認応答を受信していないので、ルールＤＳ２に従って、再度元のデータを送信することを試みる。ノード４は、ルール４に従ってリッスンモードにある。
タイムスロットＳ4：
タイムスロットＳ４では、ノード４は、ルールＲ１に従って、スロットＳ３で受信されたデータを中継するが、ノード１、２、および３は、それぞれ、ルールＧ１、Ｇ２、およびＧ１に従って、リッスンモードにある。このタイムスロットは、ルールＳ１に従って、シンクＳによりブロッキングリストの送信が成功し、ノード１により受信される最初の時間である。ノード１は、図８で示されるように、その唯一の（この時点まで空である）ブロッキングリストを更新する。
タイムスロットＳ５：
シンクＳ、ならびにノード３、およびノード４は、それぞれ、ルールＧ１、Ｇ２、およびＧ１に従って、受信モードにあるが、ノード１は、その前のスロットでソースから受信されたブロッキングリストだけを中継する。ノード２は、ノード２から発信したデータがシンクＳで受信されたという確認応答をシンクＳからまだ受信しておらず、その結果、ルールＤＳ２に従って、そのデータを送信する別の試みを開始する。しかし、この試みは、ノード１からの送信の信号強度がノード２の送信を無効にするので、成功しない。
タイムスロットＳ6：
シンク、ならびにノード１、２、３、および４は、ルールＳ２、Ｇ１、Ｇ１、およびＧ４に従って、受信モードにあるが、ノード３は、ルールＤＳ３およびＲ２に従って、ノード１から前に受信されたブロッキングリストを中継する。このブロッキングリストは、ノード４により受信され、従って、ノード１およびノード４、ならびにシンクは、いまや最新のブロッキングリストを有する。
タイムスロットＳ7：
スロットＳ７では、ノード４は、ブロッキングリストを中継するが、ノード１およびノード３、ならびにシンクＳは、それぞれ、ルールＲ４、Ｇ１、およびＧ４に従って受信モードにある。ノード２は、ソースＳからの受信の確認応答をまだ受信していないので、ルールＤＳ２に従って、そのデータを再度送信することを試みる。
タイムスロットＳ8：
ノード１は、その最新のブロッキングリストと併せて、ノード２から受信されたデータを中継する。ノード２、３、および４、ならびにシンクＳは、それぞれ、ルールＧ１、Ｒ４、Ｇ１、およびＧ４に従って受信モードにある。ノード２について述べられているブロッキングリストを受信すると、ノード２は、データがシンクＳに送信されるように求められていることを知る。その結果ノード２は、データを送信する試みを停止する。
タイムスロットＳ9：
ノード２は、ルールＤＳ３およびＲ２に従って、現在最新のブロッキングリストを送信するが、シンクＳ、ならびにノード１、３、および４は、ルールＳ２、Ｇ１、Ｇ４、およびＧ４に従って、受信モードにある。
タイムスロットＳ10：
このタイムスロットでは、すべてのデータが成功裏に送信されており、またシンクＳおよびすべてのノードは、それぞれ、ルールＧ４、Ｇ４、Ｇ１、Ｇ４、およびＧ４に従って、受信モードにある。
分散終了方式
実施形態は、例えば、上記で述べたように、フラッドが、すべてのソースノードからシンクへとデータの送達の成功した後、ノードがスリープ状態に戻るか、さらなるデータ送信を開始することを可能にする分散終了方式を使用する。すべてのデータが成功裏に送信された後、ネットワークノードは、上記で述べたように、すべての送信ノードが、実際にそのデータをシンクへと送信したという合意に達するべきである。実施形態では、中継ノードならびにシンクは、以下のルールＲ３／Ｓ３により支配される終了方式を採用する。
ルールＲ３／Ｓ３：中継ノードまたはシンクが、Ｓ個の連続するスロットに対して有効なパケットを受信しない場合、ただし、Ｓは、所定のスロット数であり、チャネル上に存在するノイズはまたわずかなものである（これは、例えば、空きチャネル評価（ＣＣＡ）により評価され得る）、ノード／シンクは、ネットワークがすでに、そのすべてのデータをシンクに送信していると想定するように構成される。この状況において、ノードは、そのフラッディングラウンドを終了し、エネルギーを節約するためにその無線をオフするか、さらなるデータを送る／受信するために、次のフラッドに参加するかのいずれかを決定する。
タイムクリティカルなスロットスケジューリングの決定
建設的干渉、および上記で論じられたキャプチャ効果から利用可能な利益を最大化するために、近傍のノードからの複数の送信は、厳格な時間限界内に含まれるべきである。これは、実施形態では、ノードは、一定の時間内に、上記で述べたルールに従って、各スロットにおいて送信またはリッスンするように決定すべきであることを意味する。送信スロット後の決定は、常に、次のスロットでリッスンすることであるので（ルールＧ１を参照のこと）簡単明瞭なものであり、したがって、即座に行うことができる。しかし、各リスニングスロットの後の決定は、ルールの残りのもの（Ｇ２〜Ｇ４、Ｓ１〜Ｓ３、ＤＳ１〜ＤＳ３、Ｒ１〜Ｒ４）により定義される状態マシンによって支配される。動作および述語（ｉｆ／ｅｌｓｅ、ｓｗｉｔｃｈ文）の数は、その動作モード（中継／シンク／データソース）、ならびにノードの内部状態（ブロッキングリスト）および最近のタイムスロットにおける受信／送信により適用可能なルールに応じて、様々な近傍ノードに対して異なる可能性がある。一定時間内にこの決定を行うために、実施形態は、無線活動（送信、リッスン、受信）と並列にＭＣＵ処理パワーを使用する。
実施形態は、マイクロコントローラが、パケットを、さらなる処理のために、それ自体のバッファにコピーする前に、無線送受信機が受信を完全に終了するのを待つ手法とはこの点で異なる。実施形態では、ＭＣＵにおける処理は、可能な限り、無線送受信機における送信および受信活動と並列化される。これは、無線送受信機からＭＣＵへと各バイトを１つずつ読み取り、処理することによって達成されるが、ノードの無線は、なお、パケットの受信にビジー状態にある。実施形態は、パケットをリッスンする、送信する、それとも終了するかどうかの結論に達するように上記で述べたルールを評価する。無線により、空気を介して単一のバイトを受信することは、それを送受信機からＭＣＵに転送するよりも通常低速であるので、無線で次のものが到来する前に、すでに受信されたバイトに対してルールを適用するための余分の時間をＭＣＵに与える。この決定は、受信されたパケットが損なわれていないことが知られている場合に限って有効である。実施形態では、送信、リッスン、または終了するための代替の決定はまた、受信されたパケットが損なわれていると分かった場合に評価される。ノードが、パケットが損なわれているかどうかを決定した後、２つの決定のうち１つが選択される。このように、次のスロットにおいてスケジューリングのための決定を行うプロセスが促進される。
ブロッキングリストをローカルに記憶すること、およびそれを送信されたパケットに沿って広めることは、予測できないネットワーク接続性、トラフィック、干渉、およびマルチパスフェージング下で、信頼性のあるネットワーク経路指定のためのネットワーク規模の協動学習手法を可能にする。データソースおよび中継ノードは、この情報を知り、シンクですでに受信された送信済みパケットの冗長なコピーを抑制するためにそれを使用して、シンクにまだ送達されていないパケットに限って転送するようにデータを制限する。
実施形態は、ネットワークが単一のシンクだけを選択するようには制限しないことが強調される。そうではなくて、各フラッディングラウンドは、望ましい場合、異なる組のシンクを有することができる。このような場合、大部分の他の経路指定ベースの手法では、経路指定パスは、シンクが変更されるごとに経路指定パスが再構築されて、さらなるオーバヘッドを生ずる。このことは、本実施形態では必要ではない。さらに、知られた機構においては、経路指定リンクが損なわれるごとに、経路指定パスは、再形成される必要があるだけではなく、そのデータの送信および受信に対するノードへのいずれのスロット割当ても再度行う必要がある。したがって、このような知られた手法は、概して、このような調整が必要になる回数を制限する、安定したリンクおよび知られたトラフィックプロファイルを有する静的なネットワークに対してより適している。他方で、本明細書で論じられる実施形態は、経路指定パスにおける移動性および変化に対して弾力性のあるステートレスプロトコルを提供する。各スロットにおける送信および受信のスケジューリングは、ノードに対してローカルに、単に、前のタイムスロットの小さなウィンドウにおいて行われた送信および受信にだけ基づいて、オンザフライで行われる。近傍のものとのさらなるシグナリングは必要ではない。
ネットワークにおいてトラフィックの何らかの先験的な知識または推定を利用しないことにより、実施形態のスロットスケジューリングアルゴリズムは、ネットワークにおけるトラフィックが、チャネル不良に起因して変化した場合、悪い影響を受けることはない。さらに、それは、ネットワークにおけるトラフィック全体に適合しており、ノードが、フラッディングプロセスを、低いトラフィックボリュームの場合（それは、データが迅速に送信される状況である）には、早期に終了させ、その他の場合には延長することができる。これは、ノードが経験するレイテンシが、いくつかある因子（チャネル状態、ネットワークトポロジー、ネットワークサイズなど）の中で特に、ネットワークにおけるトラフィック全体に依存することを意味する。
マルチホップメッシュネットワークに対する大部分の他の知られたプロトコルは、何らかのロスに対して、リンクレベルのＡＣＫおよび再送信だけを提供する。パケットが、宛先へのその経路上の途中で失われた場合、その回復は、トランスポート層およびアプリケーション層など、より上位層に任される。実施形態は、ＴＣＰが従来のＩＰトラフィックに対して行うものと非常によく似た、ソースとシンクの間のエンドツーエンドのネットワーク内確認応答機構を組み込む。これは、実質的にネットワークの信頼性を高めて、実施形態を、超高信頼性のシステムおよびアプリケーションに非常に適したものにする。
本実施形態は、以下で述べるいくつかの利点をもたらす。
・従来のもの、ならびに６ＴｉＳＣＨベースの解決策と比較すると、本実施形態は、経路を構築すること、または送信スケジュールを規定するシグナリングに関するいずれのコストもかからない。これは、ネットワークトポロジーの変化およびノード移動性に対して弾力性を提供し、このような動的シナリオにおいて、一貫して、超高信頼性を送達する。
・本実施形態は、その動作を、予測できない量のデータトラフィックに適合させる。
・実施形態は、複数の送信機からのデータを、単一のフラッドで迅速に、単一のシンクへと送達する。複数の送信を並列化することにより、高いスループットおよび低い平均レイテンシが達成される。
・本実施形態は、エネルギー効率のよいフラッディングプリミティブを提供し、ノードが、寿命を複数年に延ばすために、予測できないが、過度ではないトラフィック量を送信できるようにする。
・実施形態は、無線資源の効率的な利用を確実にし、多対１のトラフィックパターンに対する他の同期送信ベースのプロトコルと比較して、エンドツーエンドのレイテンシを最小化する。本実施形態のタイムスロット化された性質は、プロトコルを周波数選択フェージングに対して弾力性があるようにするために、チャネルホッピング方式へと容易に拡張され得るようにする。
・本実施形態は、同時に複数の送信機および受信機を使用することによる空間多様性を利用する、これは、実施形態が、厳しい環境および外部干渉にうまく対処することを可能にする。
図９は、実施形態によるノード１００を示す。ノードは、送信アンテナ１１０および受信アンテナ１２０、または送信と受信の両方に使用される組み合わされたアンテナと、送信チェーンおよび受信チェーン１４０とを備える。ノードは、制御装置１６０と不揮発性メモリ１７０とをさらに備える。制御装置１５０は、メモリ１７０に記憶されたコンピュータプログラム命令にアクセスし、これらの命令に基づいて、本明細書で述べられた方法を実行するように構成される。
いくつかの実施形態が述べられてきたが、これらの実施形態は、例示のためだけに提示されており、本発明の範囲を限定するようには意図されていない。実際に、本明細書で述べられた新規のデバイスおよび方法は、様々な他の形態で実施することができ、さらに、本明細書で述べられたデバイス、方法、および製品の形態における様々な省略、置換え、および変更は、本発明の趣旨から逸脱することなく行われ得る。添付の特許請求の範囲およびその等価な形態は、本発明の範囲および趣旨に含まれるものとして、このような形態または変更を含むことが意図されている。

Claims (11)

  1. 受信機と、送信機と、制御装置と、プログラム命令を記憶するメモリとを備え、ネットワーク内における時間同期データの再送信に参加するのに適したノードであって、前記プログラム命令が、前記制御装置により実行されたとき、前記制御装置に、
    データが再送信されるべき、または再送信されるべきではない前記ネットワークにおける他のノードの指示を、前記受信機を介して受信し、
    前記指示を用いて、前記メモリ内に記憶された、データが再送信されるべき、または再送信されるべきではない前記ネットワークにおける他のノードのリストを更新し、
    前記リストに基づき、前記ネットワーク内の別のノードから受信されたデータを再送信すべきかどうかを決定し、
    前記データが、再送信されるべきであると決定された場合、前記送信機を用いて前記受信されたデータを再送信するようにさせ、
    前記プログラム命令は、前記制御装置により実行されたとき、前記制御装置に、前記ノードに向けたデータパケットを受信すると、前記受信されたデータを発信したノードからのデータは、再送信されるべきではないという指示を、後続する送信スロットでさらに送信させる、ノード。
  2. 受信機と、送信機と、制御装置と、プログラム命令を記憶するメモリとを備え、ネットワーク内における時間同期データの再送信に参加するのに適したノードであって、前記プログラム命令が、前記制御装置により実行されたとき、前記制御装置に、
    データが再送信されるべき、または再送信されるべきではない前記ネットワークにおける他のノードの指示を、前記受信機を介して受信し、
    前記指示を用いて、前記メモリ内に記憶された、データが再送信されるべき、または再送信されるべきではない前記ネットワークにおける他のノードのリストを更新し、
    前記リストに基づき、前記ネットワーク内の別のノードから受信されたデータを再送信すべきかどうかを決定し、
    前記データが、再送信されるべきであると決定された場合、前記送信機を用いて前記受信されたデータを再送信するようにさせ、
    前記プログラム命令は、前記制御装置により実行されたとき、前記制御装置にさらに、データが受信されない後続する送信スロットの数をカウントさせ、前記カウントが所定の数を超えた場合、前記受信機および／または前記送信機を非活動化させる、ノード。
  3. 受信機と、送信機と、制御装置と、プログラム命令を記憶するメモリとを備え、ネットワーク内における時間同期データの再送信に参加するのに適したノードであって、前記プログラム命令が、前記制御装置により実行されたとき、前記制御装置に、
    データが再送信されるべき、または再送信されるべきではない前記ネットワークにおける他のノードの指示を、前記受信機を介して受信し、
    前記指示を用いて、前記メモリ内に記憶された、データが再送信されるべき、または再送信されるべきではない前記ネットワークにおける他のノードのリストを更新し、
    前記リストに基づき、前記ネットワーク内の別のノードから受信されたデータを再送信すべきかどうかを決定し、
    前記データが、再送信されるべきであると決定された場合、前記送信機を用いて前記受信されたデータを再送信するようにさせ、
    前記プログラム命令は、前記制御装置により実行されたとき、前記制御装置に、単に、前記リスト上の、前記メモリに記憶された決定基準に基づき、また信号が受信されたタイムスロット中に前記受信された信号に基づき、次のタイムスロットにおいて、送信モードで動作するか、それとも受信モードで動作するかをさらに決定させる、ノード。
  4. 前記プログラム命令は、前記制御装置により実行されたとき、前記制御装置に、信号が受信されたタイムスロット中に、前記信号の最初に受信された部分に基づき、前記決定をさらに行うようにさせる、請求項３に記載のノード。
  5. 前記プログラム命令は、前記制御装置により実行されたとき、前記制御装置に、さらに、前記タイムスロット中に前記信号の受信が完了された後、前記信号が有効なデータパケットを表しているかどうかを確認し、前記信号が有効なデータパケットを表していないことが確認された場合、前記決定を変更させる、請求項４に記載のノード。
  6. 前記プログラム命令は、前記制御装置により実行されたとき、前記制御装置に、送信されるデータと並行して、前記リストの部分的な、または完全なコピーをさらに送信させる、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のノード。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の複数のノードを備える時間同期ネットワーク。
  8. ワイヤレスセンサおよび／もしくはアクチュエータネットワーク、またはサイバーフィジカルシステムである、請求項７に記載のネットワーク。
  9. 自律的な時間同期ノードのネットワークにおいてフラッディングを用いるデータ送信の方法であって、ノード内で、
    データが再送信されるべき、または再送信されるべきではない前記ネットワークにおける他のノードの指示を受信すること、
    データが再送信されるべき、または再送信されるべきではない前記ネットワークにおける他のノードのリストを更新すること、
    前記リストに基づき、前記ネットワーク内の別のノードから受信されたデータを再送信すべきかどうかを決定すること、
    前記データが、再送信されるべきであると決定された場合、前記受信されたデータを再送信すること、および
    前記ノードに向けたデータパケットを受信すると、前記受信されたデータを発信したノードからのデータは、再送信されるべきではないという指示を、後続する送信スロットでさらに送信させること
    を備えるデータ送信の方法。
  10. 自律的な時間同期ノードのネットワークにおいてフラッディングを用いるデータ送信の方法であって、ノード内で、
    データが再送信されるべき、または再送信されるべきではない前記ネットワークにおける他のノードの指示を受信すること、
    データが再送信されるべき、または再送信されるべきではない前記ネットワークにおける他のノードのリストを更新すること、
    前記リストに基づき、前記ネットワーク内の別のノードから受信されたデータを再送信すべきかどうかを決定すること、
    前記データが、再送信されるべきであると決定された場合、前記受信されたデータを再送信すること、および
    データが受信されない後続する送信スロットの数をカウントさせ、前記カウントが所定の数を超えた場合、前記受信機および／または前記送信機を非活動化すること
    を備えるデータ送信の方法。
  11. 自律的な時間同期ノードのネットワークにおいてフラッディングを用いるデータ送信の方法であって、ノード内で、
    データが再送信されるべき、または再送信されるべきではない前記ネットワークにおける他のノードの指示を受信すること、
    データが再送信されるべき、または再送信されるべきではない前記ネットワークにおける他のノードのリストを更新すること、
    前記リストに基づき、前記ネットワーク内の別のノードから受信されたデータを再送信すべきかどうかを決定すること、
    前記データが、再送信されるべきであると決定された場合、前記受信されたデータを再送信すること、および
    単に、前記リスト上の決定基準に基づき、また信号が受信されたタイムスロット中に前記受信された信号に基づき、次のタイムスロットにおいて、送信モードで動作するか、それとも受信モードで動作するかをさらに決定させること
    を備えるデータ送信の方法。
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