JP6766178B2 - 保証タイムスロットを利用する時間同期チャンネルホッピングネットワークの形成方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本開示は、２０１６年５月３日に出願された「Method for Improving Network Formation Time of a Time Synchronized Channel Hopping Network」と題する米国特許仮出願第６２／３３０９７７号の優先権を主張する特許出願であり、上記特許仮出願は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は一般的にコンピュータネットワークおよび多重通信に関する。さらに具体的にいうと、本開示は保証タイムスロットを利用する時間同期チャンネルホッピングの形成に関するが、これに限らない。

タイムスロットチャンネルホッピング（ＴＳＣＨ）ネットワークは、ＩＥＥＥ８０２．１５．４によって定義され、リソースプロバイダ（例えば、公益事業会社（utility company）、ホームオートメーションプロバイダ、産業オートメーションプロバイダ、または科学および環境のアプリケーションプロバイダ）のために通信ネットワークを提供してもよい。ＴＳＣＨネットワークは１つ以上の層のＴＳＣＨノードを含んでもよい。ＴＳＣＨネットワークは、一連のＴＳＣＨスロットフレームを介して１つ以上の層のＴＳＣＨノードと通信するためのネットワーク調整器を含んでもよい。スロットフレームは一連のスロット（タイムスロットとも呼ばれている）を備えてもよい。繰り返すホッピングパターンは、異なる周波数または異なる範囲に対応する各スロット、各チャンネルと通信するためのチャンネル周波数またはチャンネルを定義する。ネットワーク調整器は、近隣のＴＳＣＨノード（ネットワーク調整器の通信範囲内にあるＴＳＣＨノード）がＴＳＣＨネットワークに加入することに手伝うように、定期的にビーコン（例えば、広告メッセージ、要請メッセージまたは拡張ビーコン（enhanced beacon））を送信してもよい。ＴＳＣＨスロットフレームは、タイムスロットのサブセット（例えば、同期タイムスロット）のみがビーコンのために確保される（例えば、１０％）ように定義される。ＴＳＣＨネットワークに加入するために、近隣のノードはネットワーク調整器によって送信されるビーコンを待ち受ける。しかしながら、現在のＴＳＣＨネットワークを形成するプロセスは非効率的であり、ＴＳＣＨノードが加入してネットワーク調整器と同期するために数時間もかかるときがある。

例えば、近隣のＴＳＣＨノードはビーコンを待ち受けるために可能なＴＳＣＨチャンネルをスキャンする必要がある。ネットワーク調整器がスロットフレームの小さいサブセット内に定期的にビーコンを送信するため、近隣のＴＳＣＨノードはビーコンの送信中に正しいチャンネルを待ち受けているチャンスが小さい。ネットワーク調整器によって送信されるビーコンの多くは、ネットワークに加入するように試している近隣のＴＳＣＨノードに受信されない。

本開示は、保証タイムスロットを利用して時間同期チャンネルホッピングネットワークを形成するためのシステムおよび方法を説明する。

特定の実施態様において、システムは１つ以上のタイムスロットチャンネルホッピング（ＴＳＣＨ）ノードとネットワーク調整器とを含んでもよい。ネットワーク調整器は処理装置と指令が記憶された非一時的コンピュータ可読媒体とを含んでもよい。指令は、本開示に説明された動作を処理装置に実行させるために、処理装置によって処理可能である。動作は、ホッピングパターンの第１事件（occurrence）における、ＴＳＣＨネットワーク内の１つ以上のＴＳＣＨノードのいずれのＴＳＣＨノードにも指定されていない第１保証タイムスロットを決定することを含んでもよい。動作は、ホッピングパターンの第１事件における第１保証タイムスロット内に、ビーコンを送信することを含んでもよい。動作は、ＴＳＣＨネットワークに併合する（joinder）ようにリクエストするＴＳＣＨネットワーク外のＴＳＣＨノードから信号を受信することを含んでもよい。動作は、ＴＳＣＨネットワークに併合するようにリクエストするＴＳＣＨノードを、加入したＴＳＣＨノードとして加入させることを含んでもよい。動作は、加入したＴＳＣＨノッドに第２保証タイムスロットを指定することを含んでもよい。動作は、ホッピングパターンの第２事件における、加入したＴＳＣＨノードに指定された第２保証タイムスロットを決定することを含んでもよい。ホッピングパターンの第２事件がホッピングパターンの第１事件の後に発生してもよい。動作は、ホッピングパターンの第２事件における第２保証タイムスロット内に、加入したＴＳＣＨノードからの通信を待ち受けることを含んでもよい。

これらの例示的な実施態様および特徴は、発明を制限または定義しないように言及されるが、本願に説明された発明概念を理解することに役立つように例示を提供する。一方、本発明の利点および特徴は本願全体を検討すると明白となる。

これら並びに他の本開示の特徴、実施態様および利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってよく理解される。
本開示の１つの実施形態に基づく、リソースプロバイダと通信連結可能な（communicatively coupleable）タイムスロットチャンネルホッピング（ＴＳＣＨ）ネットワークの例示のブロック図 本開示の１つの実施形態に基づく、ネットワーク制御器の例示のブロック図 本開示の１つの実施形態に基づく、ＴＳＣＨパターンにおけるタイムスロットの配置の例示のブロック図 本開示の１つの実施形態に基づく、保証タイムスロットを利用してＴＳＣＨネットワークを形成するプロセスの例示のフローチャート 本開示の１つの実施形態に基づく、近隣のノードがネットワーク調整器から未割り振り（unallocated）の保証タイムスロットを介してビーコンを受信する確率を示す例図 本開示の１つの実施形態に基づいて、各ビーコンの間のタイムスロットの数の関数として、確率が８０％に達するまでの時間（分）を表す例図

時間同期チャンネルホッピング（ｔｓｃｈ）ネットワークのネットワーク形成時間を改善するためのシステムおよび方法が提供される。公益事業会社および他のリソースプロバイダは、ＩＥＥＥ８０２．１５．４（ｅ）によって定義されたＴＳＣＨネットワークを介して装置（例えば、電気計器およびルーター）と通信してもよい。ＴＳＣＨプロトコルを介して互いに通信する装置はノードまたはＴＳＣＨノードと呼ばれてもよい。ＴＳＣＨネットワークは多層のノードを有する無線メッシュネットワークを形成してもよい。第１層のＴＳＣＨノードは、直接的にワーク調整器と通信し、下位層のノッドとネットワーク調整器との間の通信を容易にしてもよい。ネットワーク調整器はＴＳＣＨネットワークの動作を管理し、第１層のＴＳＣＨノード（以後、「ＴＳＣＨノード」という）の間の同期を維持してもよい。例えば、ネットワーク調整器はネットワーク通信スケジュールを管理して各ＴＳＣＨノードに分配し、当該ネットワーク通信スケジュールはいつ通信するかおよびどの周波数チャンネルで通信するかをＴＳＣＨノードに指示する。他の例において、ネットワーク調整器は、ネットワーク調整器とＴＳＣＨノードとの間の専用通信のために、各ＴＳＣＨノードに保証タイムスロットを指定してもよい。ネットワーク調整器は指定されていない保証タイムスロット内にビーコンを送信してもよい。近隣のＴＳＣＨノード（例えば、ネットワーク調整器の通信範囲内にあってＴＳＣＨネットワークと接続していないＴＳＣＨネット）は、様々なチャンネルをスキャンすることによってＴＳＣＨネットワークと接続してもよく、当該様々なチャンネルはネットワーク調整器によって送信されるビーコンのためのものである。指定されていない保証タイムスロット内にビーコンを送信するときは、送信されるべきビーコンの数（または頻度）を増加してもよく、それは近隣のＴＳＣＨノードがＴＳＣＨネットワークと接続するためにかかる時間を減少することができる。

近隣のＴＳＣＨノードは、ビーコンを検出し、ＴＳＣＨノードに加入するようにネットワーク調整器にリクエストを送信してもよい。特定の実施例において、近隣のＴＳＣＨノードは、複数の近隣のＴＳＣＨノードが同じビーコンを検出して応じることを回避するように、そのＭＡＣアドレスに基づいてそのスキャンホッピングパターンをランダム化してもよい。近隣のＴＳＣＨノードがＴＳＣＨネットワークに加入した後、ネットワーク調整器は保証タイムスロット（または他の未割り振りの保証タイムスロット）を近隣のＴＳＣＨノードに指定するまたは割り振ってもよい。保証タイムスロットがＴＳＣＨノードに指定されている限り、ネットワーク制御器はその保証タイムスロット内にビーコンを送信しない。特定の実施態様において、ＴＳＣＨノードは第１ＴＳＣＨネットワークから退出して、そのＴＳＣＨノードをよりよく扱う第２ＴＳＣＨネットワークに加入してもよい。特定の実施例において、第１ＴＳＣＨネットワークにある第１ネットワーク調整器は、第２ＴＳＣＨネットワークにある第２ネットワーク調整器から、そのＴＳＣＨノードが既に移動したことを指す帯域外メッセージ（out of band message）を受信してもよい。第１ＴＳＣＨ調整器は、前にそのＴＳＣＨノードに指定されていた保証タイムスロットを開放または指定解除（unassign）してもよく、よって、当該保証タイムスロットはビーコンの送信に利用可能となる。追加的または代替的な実施態様において、ネットワーク調整器は、前にＴＳＣＨノードに指定されていた保証タイムスロットを、そのＴＳＣＨノードのタイムアウト（例えば、そのＴＳＣＨノードから通信を受信せずに一定時間が経過したこと）に基づいて指定解除してもよい。

ネットワーク調整器に保証タイムスロットの所定数を指定してもよい。特定の実施態様において、保証タイムスロットの所定数はＴＳＣＨエポック（ＴＳＣＨ epoch）の長さに基づくものであってもよく、ＴＳＣＨエポックは、同じＴＳＣＨノードと通信するように利用される２個の連続の保証タイムスロットの間の所定時間（または所定のタイムスロットの数）であってもよい。追加的または代替的な実施態様において、保証タイムスロットの所定数は保証タイムスロットの取得可能な総数に基づくものであってもよい。例えば、２５ミリ秒のスロット期間を有する、１１個のスロットの繰り返すスロットフレーム（11-slot repeating slot frame）において、各第１１個のスロットが保証タイムスロットであってもよい。未割り振りの保証タイムスロット内にビーコンを送信することによっては、ＴＳＣＨネットワークを形成するためにかかる時間を減少することができる。

特定の実施態様において、未割り振りの保証タイムスロット内にビーコンを送信することは、同期タイムスロット内にビーコンを送信することおよび共有タイムスロット内にビーコンを送信することより効率的である。同期タイムスロットは、ＴＳＣＨネットワークの部品と同期するためにネットワーク調整器によって利用されることに専用のタイムスロットを含んでもよい。共有タイムスロットは、送信スロットまたは受信スロットとしてネットワーク調整器によって個別のＴＳＣＨノードに指定される設定可能なタイムスロットを含んでもよい。ＴＳＣＨプロトコルにおける共有タイムスロット内にいくつかのビーコンを送信するときは、ネットワーク調整器が送信可能なビーコンの数を増加してもよい。追加されるビーコン（例えば、補助ビーコン（ancillary beacon））を設定された数の間隔で送信してもよく、間隔の数および送信されるビーコンの数はネットワーク調整器によって設定可能な数である。しかしながら、多くのビーコンが近隣のノードの待ち受けていないチャンネルによって送信されるとき、同期タイムスロットフレーム内にビーコンを送信すること、および、いくつかの間隔による共有タイムスロット内にビーコンを送信することは、非効率的であって時間がかかる。また、共有タイムスロット内にビーコンを送信することによっては、貴重なネットワーク帯域が取られる。未割り振りの保証タイムスロット内にビーコンを送信することは、取得可能な保証タイムスロットの数に応じた送信されるビーコンの数に基づくことによって効率的になりうる。追加的または代替的な実施態様において、未割り振りの保証タイムスロット内にビーコンを送信することは、近隣のＴＳＣＨノードがＴＳＣＨネットワークに加入するためにかかる時間を減少することができる。

特定の実施態様において、未割り振りの保証タイムスロット内にビーコンを送信することによって動的な形成プロセスが提供可能であり、当該動的な形成プロセスにおいて、送信されるビーコンの数はＴＳＣＨネットワークと接続しているＴＳＣＨネットの数に基づくものであってもよい。現存のＴＳＣＨネットワークと異なり、開示されているＴＳＣＨネットワークは、潜在的に可変な数の、うまくネットワーク調整器に加入させられるＴＳＣＨノードを収容することができる。共有タイムスロット内にビーコンを送信することによっては、初期化期間内に数が増加するビーコンを提供することがあるが、初期化期間後、存在しているＴＳＣＨネットワークは、専用の同期タイムスロットの小さいサブセット内のみにビーコンを送信することによる、送信されるべきビーコンのレートを減少する。開示されているＴＳＣＨネットワークによって送信されるビーコンのレートは、未割り振りの保証タイムスロットの数に基づくものであってもよく、未割り振りの保証タイムスロットの数は、ＴＳＣＨネットワークと接続しているＴＳＣＨノードの数に基づくものであってもよい。例えば、いくつかのＴＳＣＨノードが接続問題でネットワークと繋がらなくなった場合、ネットワーク調整器は、前にＴＳＣＨノードに指定されていた保証タイムスロットの割り振りを解除し、前に割り振られた保証タイムスロット内ビーコンを送信してもよく、これは近隣のＴＳＣＨノードがＴＳＣＨネットワークに加入することによってかかる時間を減少することができる。

これらの例示的な実施例は、ここで開示されている一般的な保護対象を読者に紹介するために与えられ、開示されている概念の範囲を制限しようとするものではない。以下は図面を参照しながら様々な追加的な特徴および実施例を説明する。図面において、同様な数字は同様な要素を指す。方向の説明は例示的な実施態様を説明するように利用されるが、単なる例示的な実施態様のように、本開示を制限するように利用されるべきではない。

図面を参照し、図１はＴＳＣＨネットワーク１００を表す。ＴＳＣＨネットワーク１００はネットワーク調整器１０２と、ＴＳＣＨプロトコルを利用して互いに通信可能に連結しているＴＳＣＨノード１０４ａ−ｃとを含む。ＴＳＣＨネットワーク１００は中央システム、例えば、ネットワーク１１５を介してリソースプロバイダ１１０と関連するシステムと通信可能に連結していてもよい。特定の実施例において、ネットワーク１１５は無線ネットワーク（例えば、Ｗｉ-Ｆｉ（登録商標）ネットワークまたはセルラネットワーク）であってもよく、仲介装置を含み、またはイントラネット若しくはインターネットを含む。

ＴＳＣＨネットワーク１００はＴＳＣＨプロトコルを利用し、情報をＴＳＣＨネットワーク１００内部およびＴＳＣＨネットワーク１００外部と通信する。ＴＳＣＨネットワーク１００内のＴＳＣＨノード１０４ａ−ｃは、ＴＳＣＨチャンネルホッピングパターンに基づいてネットワーク調整器１０２によって同期されてもよい。ネットワーク調整器１０２は、１つ以上のタイムスロットを含む、繰り返すホッピングパターンに基づいて動作してもよい。いくつかのタイムスロットは保証タイムスロットであってもよい。ネットワーク調整器１０２は、各ＴＳＣＨノード１０４ａ−ｃに保証タイムスロットを指定してもよく、各指定された保証タイムスロット内にＴＳＣＨノード１０４ａ−ｃからの通信を待ち受けてもよい。未割り振りの保証タイムスロット（または指定されていない保証タイムスロット）内に、ネットワーク調整器１０２はビーコンを送信してもよい。例えば、ネットワーク調整器１０２は、（ＴＳＣＨネットワーク１００と接続していない、かつ、）ビーコンを検出した近隣のＴＳＣＨノードから信号を受信してもよい。ネットワーク調整器１０２は、この近隣のＴＳＣＨノードをＴＳＣＨネットワーク１００と接続させるように同期プロセスを実行し、この近隣のＴＳＣＨノードに未割り振りの保証タイムスロットを割り振ってもよい。

特定の実施例において、ＴＳＣＨノード１０４ａ−ｃは他のノード（未図示）と通信可能に連結していてもよく、他のノードは、管理、監視、または、他にリソースプロバイダ１１０と関連するリソース配分システム（resource distribution system）の１つ以上の属性に関する情報の利用、に関する１つ以上のアプリケーションを実行するように利用されてもよい。追加的または代替的な実施例において、ＴＳＣＨノード１０４は、リソース消費を監視および分析するためのインテリジェントな計量装置、リソース消費を管理するためのプログラマブルサーモスタット、または、リソース消費に関する情報およびリソース消費による請求情報を表示するための宅内（in-home）表示装置を含んでもよい。ＴＳＣＨノードは、ホームエリアネットワーク内にスマートホーム機能を提供するための他のモノのインターネット（Internet-Of-Things、ＩＯＴ）対応装置を含んでもよい。

特定の実施態様において、１つ以上のＴＳＣＨノードは電源によって給電されてもよく、当該電源は持続的な電力使用の能力に対して限られているが、通信のバーストに十分な電力を供給できる。通信のバーストは、ＴＳＣＨノードを同期、レシーバ開始送信（Receiver Initiated Transmission、ＲＩＴ）コマンド応答、迷惑プッシュメッセージ、または他のバースト通信のために、ＴＳＣＨネットワーク１００と通信させてもよい。ＴＳＣＨノードは低電力の代替的な電源を利用してもよい。例えば、ＴＳＣＨノードは、ヴァンパイアタッピングパワー（vampire tapping power）、パワーハーベスティング、または、持続期間用の電力応用が制限される他のプロセスによって給電されてもよい。ＴＳＣＨノードは、定期的にシャットダウンする、または、部品に対しておよびスリープ状態とウェイク状態との間のサイクルに対して電力を制限することによって、エネルギー利用を節約することができる。特定の実施例において、ＴＳＣＨノードは、温度補償水晶発振器（temperature compensated crystal oscillator、ＴＣＸＯ）および送受信器を含む高出力部品を含んでもよい。

図２は、図１に示されたネットワーク調整器１０２ａの例示を表す。ネットワーク調整器１０２ａは、バス２０６を介して互いに通信可能に連結されているプロセッサ２０２とメモリ２０４と送受信装置２２０とを含む。ネットワーク調整器１０２ａの部品は安定したＡ／Ｃ電源によって電力供給されてもよい。ネットワーク調整器１０２ａはＴＳＣＨネットワーク１００の一部であってもよい。

送受信装置２２０は、ＴＳＣＨネットワーク１００におけるＴＳＣＨノード１０４ａ−ｃおよび近隣のＴＳＣＨノードと通信するためのアンテナを含んでもよい（またはこのアンテナと通信可能に連結していてもよい）。送受信装置２２０は、リソースプロバイダ１１０と通信するためのアンテナを含んでもよい（またはこのアンテナと通信可能に連結していてもよい）。特定の実施例において、送受信装置２２０は、無線周波（radio-frequency、ＲＦ）送受信器、並びに信号を無線に送信および受信するための他の送受信器を含んでもよい。

特定の実施例において、プロセッサ２０２は、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（application-specific integrated circuit、ＡＳＩＣ）、状態機械、フィールドプログラマブルゲートアレイ（field programmable gate array、ＦＯＧＡ）、または他の適した処理装置を含んでもよい。プロセッサ２０２は、１を含むいかなる数の処理装置を含んでもよい。プロセッサ２０２は非一時的コンピュータ可読媒体、例えばメモリ２０４と通信可能に連結していてもよい。プロセッサ２０２は、メモリ２０４に記憶されたコンピュータ実行可能なプログラム指令を実行してもよく、メモリ２０４に記憶された情報をアクセスしてもよい。

プログラム指令は形成モジュール２１２を含んでもよく、形成モジュール２１２はここで説明される特定の動作を実行するようにプロセッサ２０２によって実行可能である。例えば、動作は、ネットワーク調整器１０２をチューニングすることを含んでもよい。ネットワーク調整器１０２をチューニングすることによって、未割り振りの保証タイムスロット内に送信されるビーコンの数、および／または、各ビーコンの間を経過するスロットフレームの数を調整してもよい。これによれば、ビーコンの送信をＴＳＣＨネットワーク１００の要求に基づいて調整することが可能となる。未割り振りの保証タイムスロット内に送信されるビーコンの数を増加することによって、ネットワーク調整器１０２は、接続していないノードがビーコンを受信する確率を増加することができる。同様に、各ビーコンの間にあるスロットフレームの数を減少する（すなわち、ビーコンを送信するための各未割り振りの保証タイムスロットの間にあるフレームの数を減少する）ことによって、ネットワーク調整器１０２は、接続していないノードがビーコンを受信するためにかかる時間を減少することができる。

追加的または代替的な実施例において、動作は、未割り振りの保証タイムスロット内にビーコンが送信されるレートを適応的に調整することを含んでもよい。特に、特定な条件がネットワークにおいて満足された場合、ネットワーク調整器１０２は未割り振りの保証タイムスロット内のビーコンの送信を切断してもよい。例えば、ネットワーク調整器１０２はメモリ内に近傍テーブル（neighbor table）を維持してもよく、近傍テーブルは、ネットワーク調整器１０２と既に通信可能に連結しているノードのそれぞれに対する識別子、例えば、個別のＭＡＣアドレスを有してもよい。近傍テーブルのエントリ数が特定の閾値を超えたまで（例えば、全体の７５％を超えたまで）増加した場合、ネットワーク調整器１０２は、送信されるビーコンの数、または未割り振りの保証タイムスロット内にビーコンが送信されるレートを減少してもよい。他の例として、１つ目のＴＳＣＨノードが加入した後、ネットワーク調整器１０２は未割り振りの保証タイムスロット内に所定数のビーコン（例えば、１００個のビーコン）を送信してもよい。

上に言及したように、各ＴＳＣＨノードがネットワーク調整器１０２に加入するときに、ネットワーク調整器１０２はＴＳＣＨノードに保証タイムスロットを指定してもよく、または割り振ってもよい。そして、（加入したＴＳＣＨノードに）割り振られた保証タイムスロットは、ネットワーク調整器１０２と加入したＴＳＣＨノードとの間の伝達（signaling）を制御および管理するために利用されてもよく、または、ＴＳＣＨノードによる、ビーコンの更なるブロードキャスト（すなわち、ＴＳＣＨノードをそれ以外のノードに送信させること）のために利用されてもよい。近隣のＴＳＣＨノードがネットワークに加入するとき、取得可能、かつ、ビーコンの送信のための未割り振りの保証タイムスロットの総数が減少する。しかし、ＴＳＣＨノードがネットワーク調整器１０２から切断される場合（例えば、停電中に）、取得可能な未割り振りの保証タイムスロットが増加する。

特定の実施態様において、接続しているノードの数が閾値より低くまで減少した場合、ネットワーク調整器１０２も未割り振りの保証タイムスロット内にビーコンを送信してもよい。例えば、ネットワーク調整器１０２は、ネットワーク調整器１０２ａと接続しているノードの数に関して受信されたフィードバックに基づいて、未割り振りの保証タイムスロット内のビーコン送信レート（すなわち、ビーコン通信速度）を適応的に調整してもよい。

メモリ２０４はコンピュータ可読媒体であってもよく、例えば、プロセッサにコンピュータ可読指令を提供可能な電子式、光学式、磁気式、または他の類型の記憶装置であってもよいが、これらに限らない。これらの光学式、磁気式、または他の類型の記憶装置のいくつかの例は、リードオンリ（ＲＯＭ）装置、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）装置、磁気ディスク、磁気テープ若しくは他の磁気記憶装置、メモリチップ、ＡＳＩＣ、設定されたプロセッサ、光学記憶装置、またはコンピュータプロセッサが中から指令を読み出せる他のいかなる媒体を含む。指令は、いかなる適したコンピュータプログラミング言語によって書かれたコードから、コンパイラおよび/またはインタプリタによって生成されるプロセッサ固有の命令を備えてもよい。適したコンピュータプログラミング言語の追加的または代替的な例は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃（登録商標）、Visual Basic（登録商標）、Java（登録商標）、Python（登録商標）、Perl（登録商標）、JavaScript（登録商標）、およびActionScript（登録商標）を含む。

プロセッサ２０２、メモリ２０４およびバス２０６は、他の部品と通信する分別の部品として図２に表されているが、他の実施態様も可能である。例えば、プロセッサ２０２、メモリ２０４およびバス２０６は、それぞれの印刷回路板上のそれぞれの部品であってもよく、または、プログラミングコードを記憶し実行するようにネットワーク調整器内に配置可能である他の適した部品であってもよい。

図３は、図１に表されたＴＳＣＨネットワーク１００に対するタイムスロットチャンネルホッピングパターンとして、下で説明されるが、他の実施態様も可能である。タイムスロットチャンネルホッピングパターンは、タイムスロット３１１−３１５、３２１−３２５および３３１−３３６を含み、各タイムスロットは同様のタイムスロット期間３３０を有する。例示的な目的のために、各スロットフレーム３１０、３２０は７個のタイムスロットを含み、各タイムスロット期間３３０は２５ミリ秒であってもよい。図３はホッピングパターン３４０（チャンネルホッピングパターン３４０ａ−ｃとして示されている）も表す。ホッピングパターンは、ホッピングパターンにおける各タイムスロットのチャンネル周波数またはチャンネルを定義する。例えば、ホッピングパターン３３０ａはチャンネル４、チャンネル６、チャンネル３、チャンネル５およびチャンネル７である。ホッピングパターンは、チャンネル４をタイムスロット１に関連付け、チャンネル６をタイムスロット２に関連付け、チャンネル３をタイムスロット３に関連付け、チャンネル５をタイムスロット４に関連付け、タチャンネル７をタイムスロット５に関連付けてもよい。図３において、ホッピングパターン３４０ａは５であるホッピングパターン長（hopping pattern length）を有して繰り返す。例示的な第１反復（iteration）のホッピングパターン３４０ａはタイムスロット１−５（３１１−３１５）を有し、第２反復のホッピングパターン３４０ｂはタイムスロット６−１０（３１１−３１５）を有し、第３反復のホッピングパターン３４０ｃはタイムスロット１１−１５（３３１−３３６）を有する。ホッピングパターンにおけるタイムスロットの数は、スロットフレームにおけるタイムスロットの数と無関係であってもよい。

特定の実施態様において、各ホッピングパターン３４０ａ−ｃにおけるタイムスロット３１１−３１５、３２１−３２５、３３１−３３６の一部は保証タイムスロットであってもよい。保証タイムスロットは、ネットワーク調整器１０２と指定された装置（例えば、ＴＳＣＨノード１０４ａ−ｃのうちの１つ）との間の通信のために確保されるタイムスロットであってもよい。一部の保証タイムスロットは未割り振りのものであってもよい。例えば、スロット１−４、６−９、１１−１４（３１１−３１４、３２１−３２４、３３１−３３４）は保証タイムスロットであってもよい。タイムスロット１−３、６−７、１１−１３（３１１−３１３、３２１−３２３、３３３−３３３）はＴＳＣＨノード１０４ａ−ｃにそれぞれに指定された保証タイムスロットであってもよい。タイムスロット４、７、１４（３１４、３２４、３３４）は指定されていないまたは未割り振りの保証タイムスロットであってよく、ネットワーク調整器は１つ以上のタイムスロット４、７、１４（３１４、３２４、３３４）内にビーコンを送信してもよい。

図４は、保証タイムスロットを利用してＴＳＣＨネットワークを形成するプロセスの例示のフローチャートである。図４は、図１に表れたＴＳＣＨネットワーク１００と関連して下で説明されるが、このプロセスは他のＴＳＣＨネットワークを形成するように利用されてもよい。

ブロック４１０において、ネットワーク調整器１０２は、ホッピングパターンの第１事件における、指定されていない保証タイムスロットを決定する。特定の実施例において、ネットワーク調整器１０２は、接続したＴＳＣＨノード１０４ａ−ｃのデータベースに問い合わせ、ＴＳＣＨノード１０４ａ−ｃのいずれかが既に保証タイムスロットに指定されているかを判断してもよい。追加的または代替的な実施例において、ネットワーク調整器１０２は、ホッピングパターンにおける各タイムスロットに関する情報と共に、ホッピングパターンをメモリに記憶してもよい。この情報は、名称（例えば、保証タイムスロット、同期タイムスロットまたは共有タイムスロット）、および配分（例えば、ＴＳＣＨネットワーク１００の部品との通信に利用するためのタイムスロットの指定）を含んでもよい。

ブロック４２０において、ネットワーク調整器１０２は保証タイムスロット内にビーコンを送信する。ネットワーク調整器１０２はビーコンを送信するための送受信装置２２０を含んでもよい。ビーコンは、ＴＳＣＨネットワーク１００に加入するための情報を含む無線信号であってもよい。特定の実施例において、ネットワーク調整器１０２は、保証タイムスロットが指定されていないかまたは未割り振りであるかとの判断に基づいて、保証タイムスロット内にビーコンを送信する。追加的または代替的な実施例において、ネットワーク調整器１０２は、閾値を超えるビーコンをネットワーク調整器１０２が送信後の経過タイムスロットの数（例えば、未割り振りの保証タイムスロットの数）に基づいて、保証タイムスロット内にビーコンを送信してもよい。所定の時間期間内にネットワーク調整器からビーコンを受信する所定の確率（例えば、８０％）を近隣のＴＳＣＨノードが有するように、閾値を決定してもよい。

ブロック４３０において、ネットワーク調整器１０２は、加入したＴＳＣＨノードとしてＴＳＣＨネットワークに併合するようにリクエストする近隣のＴＳＣＨノードから信号を受信する。特定の実施態様において、ネットワーク調整器１０２は、ビーコンを検出する近隣のＴＳＣＨノードに応じて信号を受信してもよい。特定の実施例において、この近隣のＴＳＣＨノードは、未だにＴＳＣＨネットワーク１００に加入したことがない近隣のＴＳＣＨノードであってもよい。追加的または代替的な実施例において、この近隣のＴＳＣＨノードは、ＴＳＣＨネットワーク１００から切断されてＴＳＣＨネットワーク１００に再加入するように探している近隣のＴＳＣＨノードであってもよい。ネットワーク調整器１０２は保証タイムスロット内にまたは後のタイムスロット内に送受信装置２２０を介して信号を受信してもよい。

ブロック４４０において、ネットワーク調整器１０２は近隣のＴＳＣＨノードを加入したＴＳＣＨノードとして（例えば、第１層のノードとして）ＴＳＣＨネットワーク１００に加入する。特定の実施例において、ネットワーク調整器１０２はこのＴＳＣＨノードをＴＳＣＨネットワーク１００に同期させるようにＴＳＣＨノードと通信する。追加的または代替的な実施例において、ネットワーク調整器１０２は、ネットワーク調整器１０２によって受信した信号に含まれた情報を、ＴＳＣＨネットワーク１００に接続した他のＴＳＣＨノード１０４ａ−ｃと通信し、よって、ＴＳＣＨノード１０４ａ−ｃが加入したＴＳＣＨノードと直接的に通信できる。

ブロック４５０において、加入したＴＳＣＨノードに保証タイムスロットを指定する。特定の実施例において、ネットワーク調整器１０２は近隣のＴＳＣＨノードにビーコンを送信するように利用される保証タイムスロットを指定してもよい。追加的または代替的な実施例において、ネットワーク調整器１０２は他のホッピングパターンにおける未割り振りの保証タイムスロットを加入したＴＳＣＨノードに指定してもよい。特定の実施態様において、保証タイムスロットを指定するために、ネットワーク調整器１０２はメモリに記憶されたホッピングパターンにおける情報を更新してもよい。

ブロック４６０において、ネットワーク調整器１０２は、ホッピングパターンの第２事件における、加入したＴＳＣＨノードに指定された保証タイムスロットを決定する。ホッピングパターンの第２事件は、ホッピングパターンの第１事件の後に発生してもよく、また、加入したＴＳＣＨノードが既にＴＳＣＨネットワーク１００に加入した後に発生してもよい。ブロック４７０において、ネットワーク調整器１０２は、ホッピングパターンの第２事件における、加入したＴＳＣＨノードに指定された保証タイムスロット内に、加入したＴＳＣＨノードからの通信を待ち受ける。

特定の実施態様において、近隣のＴＳＣＨノードがＴＳＣＨネットワーク１００に加入可能な速度を制御するために、ネットワーク調整器１０２が未割り振りの保証タイムスロット内にビーコンを送信するレートはチューニング可能である。例えば、ネットワーク調整器１０２は、比較的速い加入時間のために他の未割り振りの保証タイムスロットごとにビーコンを送信するようにチューニングされてもよく、比較的遅い加入時間のために２０個または３０個の未割り振りの保証タイムスロットごとにビーコンを送信するようにチューニングされてもよい。

ネットワーク調整器１０２は近隣のＴＳＣＨノードが時間Ｔ以内にビーコン受信する確率Ｐ％を予測できるように（ＰおよびＴは任意の所望数値である）、未割り振りの保証タイムスロット内にビーコンを送信する頻度を調整してもよい。例えば、下記の式は、ビーコンがＴＳＣＨノードに受信される確率を指し、この確率はＴＳＣＨホッピングシーケンス内のチャンネルの数（numChannels）、およびエポック内に送信されるビーコンの数（numEBs）に基づくものである。

例えば、仮にＴＳＣＨネットワークには６４個のチャンネルがあり、図５は、近隣のＴＳＣＨノードが未割り振りの保証タイムスロットを介してネットワーク調整器１０２から送信されたビーコンを受信する確率を曲線で表す。図５に示されたように、ネットワーク調整器１０２は、分ごとに１００個のビーコンが送信される場合、近隣のＴＳＣＨノードがビーコンを受信する（、かつ、成功に加入されるまたは加入のプロセスを行う）のが８０％の確実性を有すると予測することができる。

以下の式によって、近隣のＴＳＣＨノードがビーコンを受信する確率がＰ％に達するまでの時間（分）が計算される。かかる時間は、スロットフレームごとのスロットの数（SlotPerSlotframeと記される）、スロット期間（SlotDurationと記される）、ビーコンごとを通過するスロットフレームの数（SlotframePerEBと記される）、およびエポックごとに送信されるビーコンの数（numEBsと示される）の関数である。

一例として、スロットフレームごとのスロットの数が１１（すなわち、スロットフレームごとに１１スロット）であってスロット期間が２５ミリ秒である場合、式は以下のように簡略化される。

上にある最初の式に示されたように、ネットワーク調整器は、エポック内に１００個のビーコンが送信される場合、近隣のＴＳＣＨノードがビーコンを受信するのが８０％の確実性を有すると予測できる。この情報を利用し、ビーコンが近隣のノードによって受信される確率が８０％に達するまでの時間（分）は以下の式で表される（仮に条件は上記通りである）。

フレームごとのスロットおよびスロット期間に対して与えられた条件によって、近隣のＴＳＣＨノードがビーコンを既に受信した確率が８０％に達するまでの時間（分）は、各送信されたビーコンの間を通過するスロットフレームの数の関数である。図６は、ＴＳＣＨノードの既にビーコンを受信した確率が８０％に達するまでの時間（分）を、各ビーコンの間のスロットフレームの数の関数として表す。各ビーコンの間のスロットフレームの数、またはビーコン送信レートは、ネットワークの形成速度とネットワークの通信量との間の最適化によって設定されてもよい。特定の実施態様において、スロットフレームの数は様々な規制上の制限（例えば、米国の連邦通信委員会による制限）を満たすように設定されてもよい。これらの規制上の制限はＴＳＣＨネットワークの滞留時間（dwell time）およびデューティサイクルを制限してもよい。

例示的な例を含んだ、前述した本発明の実施例の説明は、例示および説明との目的のみのために提供されるが、完全なる内容であると意図するものではなく、説明された概念の範囲を制限しようと意図するものでもない。当業者は本発明の範囲から離れることなく数々の変化例、適用例およびそれらの用途を理解することができる。上に説明された例示的な実施例は、ここで開示されている一般的な保護対象を読者に紹介するために与えられ、開示されている概念の範囲を制限しようとするものではない。

Claims (20)

1. 処理装置と、
   非一時的コンピュータ可読媒体であって、
   ホッピングパターンの第１事件における、タイムスロットチャンネルホッピング（ＴＳＣＨ）ネットワーク内の複数のＴＳＣＨノードのいずれのＴＳＣＨノードにも指定されていない第１保証タイムスロットを決定し、
   前記ホッピングパターンの前記第１事件における前記第１保証タイムスロット内に、第１ビーコンを送信し、
   前記ＴＳＣＨネットワークに併合するようにリクエストする前記ＴＳＣＨネットワーク外のＴＳＣＨノードから信号を受信し、
   前記ＴＳＣＨネットワークに併合するようにリクエストする前記ＴＳＣＨノードを、加入したＴＳＣＨノードとして加入させ、
   前記加入したＴＳＣＨノードに第２保証タイムスロットを指定し、
   前記ホッピングパターンの第２事件における、前記加入したＴＳＣＨノードに指定された前記第２保証タイムスロットを決定し、前記ホッピングパターンの前記第２事件が前記ホッピングパターンの前記第１事件の後に発生し、
   前記ホッピングパターンの前記第２事件における前記第２保証タイムスロット内に、前記加入したＴＳＣＨノードからの通信を待ち受ける
   ように前記処理装置を動作させるための指令が記憶された前記非一時的コンピュータ可読媒体と、
   を備える、ＴＳＣＨネットワークにおけるネットワーク調整器。
2. 前記ホッピングパターンの前記第１事件の同期タイムスロット内に、第２ビーコンを送信し、前記同期タイムスロットが、前記第１保証タイムスロットとは別に、前記ＴＳＣＨノードを前記ＴＳＣＨネットワークと同期させるための前記ホッピングパターンの専用タイムスロットである
   ように前記処理装置を動作させる、前記処理装置によって実行可能な指令を前記非一時的コンピュータ可読媒体はさらに備える、請求項１に記載のネットワーク調整器。
3. 前記ホッピングパターンの前記第１事件の共有タイムスロット内に、第３ビーコンを送信し、前記共有タイムスロットが前記第１保証タイムスロットとは別に、前記第３ビーコンが初期化期間内にＴＳＣＨノードを同期させるために利用可能である
   ように前記処理装置を動作させる、前記処理装置によって実行可能な指令を前記非一時的コンピュータ可読媒体はさらに備える、請求項１に記載のネットワーク調整器。
4. 前記第１保証タイムスロット内に前記第１ビーコンを送信するように前記処理装置を動作させるための前記指令は、
   前回の第１ビーコンを前記ネットワーク調整器が送信後の、経過した保証タイムスロットの数であって、閾値を超える当該数に応じて、前記第１保証タイムスロット内に前記第１ビーコンを送信する
   ように前記処理装置を動作させるため指令を備える、請求項１に記載のネットワーク調整器。
5. 前記閾値は、前記ホッピングパターンの前記第１事件における、指定されていない前記保証タイムスロットの数に基づくものである、請求項４に記載のネットワーク調整器。
6. 前記第１保証タイムスロット内に前記第１ビーコンを送信するように前記処理装置を動作させるための前記指令は、
   前記ＴＳＣＨネットワーク外の前記ＴＳＣＨノードが所定時間期間内に前記第１ビーコンを検出する確率が所定確率より高いように、ビーコン送信レートを決定し、
   前記ビーコン送信レートに基づいて前記閾値を決定する
   ように前記処理装置を動作させるため指令を備える、請求項４に記載のネットワーク調整器。
7. 前記加入したＴＳＣＨノードが前記ＴＳＣＨネットワークに加入しなくなるかを判断し、
   前記ＴＳＣＨノードから前記第２保証タイムスロットを指定解除し、
   前記ホッピングパターンの第３事件における第３保証タイムスロット内に、第４ビーコンを送信し、前記ホッピングパターンの前記第３事件が前記ホッピングパターンの前記第２事件の後に発生し、前記第３保証タイムスロットが前記ホッピングパターンにおいて前記第２保証タイムスロットと同様な位置に発生する
   ように前記処理装置を動作させる、前記処理装置によって実行可能な指令を前記非一時的コンピュータ可読媒体はさらに備える、請求項１に記載のネットワーク調整器。
8. ホッピングパターンの第１事件における、ＴＳＣＨネットワーク内の複数のＴＳＣＨノードのいずれのＴＳＣＨノードにも指定されていない第１保証タイムスロットを決定することと、
   前記ホッピングパターンの前記第１事件における前記第１保証タイムスロット内に、第１ビーコンを送信することと、
   前記ＴＳＣＨネットワークに併合するようにリクエストする前記ＴＳＣＨネットワーク外のＴＳＣＨノードから信号を受信することと、
   前記ＴＳＣＨネットワークに併合するようにリクエストする前記ＴＳＣＨノードを、加入したＴＳＣＨノードとして加入させることと、
   前記加入したＴＳＣＨノードに第２保証タイムスロットを指定することと、
   前記ホッピングパターンの第２事件における、前記加入したＴＳＣＨノードに指定された前記第２保証タイムスロットを決定し、前記ホッピングパターンの前記第２事件が前記ホッピングパターンの前記第１事件の後に発生することと、
   前記ホッピングパターンの前記第２事件における前記第２保証タイムスロット内に、前記加入したＴＳＣＨノードからの通信を待ち受けることと、
   を備える、タイムスロットチャンネルホッピング（ＴＳＣＨ）ネットワークの形成方法。
9. 前記ホッピングパターンの前記第１事件の同期タイムスロット内に、第２ビーコンを送信し、前記同期タイムスロットが、前記第１保証タイムスロットとは別に、前記ＴＳＣＨノードを前記ＴＳＣＨネットワークと同期させるための前記ホッピングパターンの専用タイムスロットであることと、
   をさらに備える、請求項８に記載のＴＳＣＨネットワークの形成方法。
10. 前記ホッピングパターンの前記第１事件の共有タイムスロット内に、第３ビーコンを送信し、前記共有タイムスロットが前記第１保証タイムスロットとは別に、前記第３ビーコンが初期化期間内にＴＳＣＨノードを同期させるために利用可能であることと、
    をさらに備える、請求項８に記載のＴＳＣＨネットワークの形成方法。
11. 前記第１保証タイムスロット内に前記第１ビーコンを送信することは、
    前回の第１ビーコンを前記ネットワーク調整器が送信後の、経過した保証タイムスロットの数であって、閾値を超える当該数に応じて、前記第１保証タイムスロット内に前記第１ビーコンを送信すること
    を備える、請求項８に記載のＴＳＣＨネットワークの形成方法。
12. 前記閾値は、前記ホッピングパターンの前記第１事件における、指定されていない前記保証タイムスロットの数に基づくものである、請求項１１に記載のＴＳＣＨネットワークの形成方法。
13. 前記第１保証タイムスロット内に前記第１ビーコンを送信することは、
    前記ＴＳＣＨネットワーク外の前記ＴＳＣＨノードが所定時間期間内に前記第１ビーコンを検出する確率が所定確率より高いように、ビーコン送信レートを決定することと、
    前記ビーコン送信レートに基づいて前記閾値を決定することと
    を備える、請求項１１に記載のＴＳＣＨネットワークの形成方法。
14. 前記加入したＴＳＣＨノードが前記ＴＳＣＨネットワークに加入しなくなるかを判断することと、
    前記ＴＳＣＨノードから前記第２保証タイムスロットを指定解除することと、
    前記ホッピングパターンの第３事件における第３保証タイムスロット内に、第４ビーコンを送信し、前記ホッピングパターンの前記第３事件が前記ホッピングパターンの前記第２事件の後に発生し、前記第３保証タイムスロットが前記ホッピングパターンにおいて前記第２保証タイムスロットと同様な位置に発生することと
    をさらに備える、請求項８に記載のＴＳＣＨネットワークの形成方法。
15. タイムスロットチャンネルホッピング（ＴＳＣＨ）ネットワークにおいて、互いに通信連結可能な１つ以上のＴＳＣＨノードと、
    ネットワーク調整器であって、
    処理装置と、
    非一時的コンピュータ可読媒体であって、
    ホッピングパターンの第１事件における、ＴＳＣＨネットワーク内の複数のＴＳＣＨノードのいずれのＴＳＣＨノードにも指定されていない第１保証タイムスロットを決定し、
    前記ホッピングパターンの前記第１事件における前記第１保証タイムスロット内に、第１ビーコンを送信し、
    前記ＴＳＣＨネットワークに併合するようにリクエストする前記ＴＳＣＨネットワーク外のＴＳＣＨノードから信号を受信し、
    前記ＴＳＣＨネットワークに併合するようにリクエストする前記ＴＳＣＨノードを、加入したＴＳＣＨノードとして加入させ、
    前記加入したＴＳＣＨノードに第２保証タイムスロットを指定し、
    前記ホッピングパターンの第２事件における、前記加入したＴＳＣＨノードに指定された前記第２保証タイムスロットを決定し、前記ホッピングパターンの前記第２事件が前記ホッピングパターンの前記第１事件の後に発生し、
    前記ホッピングパターンの前記第２事件における前記第２保証タイムスロット内に、前記加入したＴＳＣＨノードからの通信を待ち受ける
    ように前記処理装置を動作させるための指令が記憶された前記非一時的コンピュータ可読媒体と、
    を備える、ネットワーク調整器と、
    を備える、システム。
16. 前記ホッピングパターンの前記第１事件の同期タイムスロット内に、第２ビーコンを送信し、前記同期タイムスロットが、前記第１保証タイムスロットとは別に、前記ＴＳＣＨノードを前記ＴＳＣＨネットワークと同期させるための前記ホッピングパターンの専用タイムスロットである
    ように前記処理装置を動作させる、前記処理装置によって実行可能な指令を前記非一時的コンピュータ可読媒体はさらに備える、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記ホッピングパターンの前記第１事件の共有タイムスロット内に、第３ビーコンを送信し、前記共有タイムスロットが前記第１保証タイムスロットとは別に、前記第３ビーコンが初期化期間内にＴＳＣＨノードを同期させるために利用可能である
    ように前記処理装置を動作させる、前記処理装置によって実行可能な指令を前記非一時的コンピュータ可読媒体はさらに備える、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記第１保証タイムスロット内に前記第１ビーコンを送信するように前記処理装置を動作させるための前記指令は、
    前回の第１ビーコンを前記ネットワーク調整器が送信後の、経過した保証タイムスロットの数であって、閾値を超える当該数に応じて、前記第１保証タイムスロット内に前記第１ビーコンを送信する
    ように前記処理装置を動作させるため指令を備える、請求項１５に記載のシステム。
19. 前記閾値は、前記ホッピングパターンの前記第１事件における、指定されていない前記保証タイムスロットの数に基づくものである、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記加入したＴＳＣＨノードが前記ＴＳＣＨネットワークに加入しなくなるかを判断し、
    前記ＴＳＣＨノードから前記第２保証タイムスロットを指定解除し、
    前記ホッピングパターンの第３事件における第３保証タイムスロット内に、第４ビーコンを送信し、前記ホッピングパターンの前記第３事件が前記ホッピングパターンの前記第２事件の後に発生し、前記第３保証タイムスロットが前記ホッピングパターンにおいて前記第２保証タイムスロットと同様な位置に発生する
    ように前記処理装置を動作させる、前記処理装置によって実行可能な指令を前記非一時的コンピュータ可読媒体はさらに備える、請求項１５に記載のシステム。

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