JP7014726B2 - 無線ノードの時刻同期ネットワークと無線ノード - Google Patents
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Description
本出願は、2016年2月26日に出願された米国仮出願第62/300,646の優先権利益を主張し、その開示内容は参照によりその全体が本出願に組み込まれる。本出願は、「Crystal Free Radio」という発明の名称で2016年5月9日に出願された米国仮出願第62/333,506に関するものであり、その開示内容も参照によりその全体が本出願に組み込まれる。背景技術及び発明を実施するための形態の欄を含む本明細書に引用される全ての文献は、参照によりそれぞれが個々に本出願に組み込まれる。
本発明は、アメリカ国防高等研究計画局(DARPA)によって授与された助成金HR0011-14-2-0001号による政府援助によって成された。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。
本出願は、ネットワーク全般に関し、特に、無線ノードの時刻同期ネットワークと、ネットワークにおける無線ノードとに関する。
今日現在、規格準拠の無線システムのほとんど全ては、正確なタイミング及び周波数の基準のためにクオーツ技術を用いている。水晶(Xtal)は嵩張ったオフチップ部品であり、小型化に限界があり、センサノードの部品表(BOM)コストが増加する。したがって、無線システムにおける正確なタイミング及び周波数の基準のために、改善されたシステム及び方法が必要とされる。
102 マスタノード
104 マスタRF送信機
108 マスタクロック
110,112,200 スレーブノード
114,202 チューナブルRF送信機
116,204 チューナブルRF受信機
118,206 RF発振器
119,207 ローカルクロック
120,208 信号プロセッサ
Claims (23)
- マスタクロックを使用してマスタ周波数を生成し、生成した前記マスタ周波数で送信するように構成されたマスタ無線周波(RF)送信機を備えるマスタノードと、
スレーブノードと、を備え、
前記スレーブノードは、
前記マスタノードと無線通信し、スレーブ周波数で受信するように構成されたチューナブルRF受信機と、
前記チューナブルRF受信機と通信するように構成されたRF発振器であって、前記チューナブルRF受信機にRF発振器周波数を伝達して、前記スレーブ周波数を決定して同調させるように構成されたRF発振器と、
前記チューナブルRF受信機と通信するように構成された信号プロセッサと、を備え、
前記信号プロセッサは、あらかじめ定められたサーチ周波数帯域内で前記チューナブルRF受信機の前記スレーブ周波数を同調させることによって前記マスタノードからの信号の受信を探索して初期検出マスタ周波数を提供するように前記チューナブルRF受信機に指示するように更に構成され、
前記信号プロセッサは、前記マスタノードから前記初期検出マスタ周波数で較正信号を受信するように前記チューナブルRF受信機に指示するように更に構成され、前記較正信号は時間情報又は時間情報と周波数情報の両方を含んでおり、
前記信号プロセッサは、前記較正信号からの情報と前記RF発振器からの対応する信号とを比較して、前記較正信号に対する前記RF発振器周波数の周波数誤差を提供することにより、前記RF発振器周波数を前記マスタ周波数に同調させて、前記スレーブノードと前記マスタノードとの間の前記同調されたRF発振器周波数での通信を可能にするように更に構成される無線ネットワーク。 - 前記マスタクロックは、水晶又は微小電気機械システム(MEMs)発振器を備えること、前記RF発振器は、弛張発振回路またはLC回路を備えること、前記チューナブルRF受信機と前記RF発振器は、1つの半導体ダイ上のシングル・チップ半導体デバイスとして構成されること、または、それらの任意の組み合わせを特徴とする請求項1に記載の無線ネットワーク。
- 前記シングル・チップ半導体デバイスは、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)デバイスであること、前記スレーブノードは、前記チューナブルRF受信機に電気的に接続されたアンテナを更に備えること、前記アンテナが、前記1つの半導体ダイ上の前記シングル・チップ半導体デバイス上に設けられたこと、または、それらの任意の組み合わせを特徴とする請求項2に記載の無線ネットワーク。
- 前記スレーブノードが、前記チューナブルRF受信機及び前記RF発振器に電気的に接続されて前記スレーブノードに電力を供給するための電気エネルギー源を更に備え、前記電気エネルギー源は、前記1つの半導体ダイ上の前記シングル・チップ半導体デバイス上における更なる構成物であり、前記スレーブノードは、前記電気エネルギー源に電気的に接続されたエネルギー蓄積構造を更に備え、前記エネルギー蓄積構造は、前記シングル・チップ半導体デバイス上に印刷された薄膜電池であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかに記載の無線ネットワーク。
- 前記マスタ周波数で受信するように構成されたマスタRF受信機、前記同調されたRF発振器周波数を記憶するために前記信号プロセッサと通信するように構成されたメモリデバイス、前記マスタノードと無線通信し、スレーブ周波数で送信するように構成されたチューナブルRF送信機、または、それらの任意の組み合わせを更に備え、前記チューナブルRF受信機の前記スレーブ周波数が、前記チューナブルRF送信機の前記スレーブ周波数と実質的に同一であり、前記RF発振器は、前記チューナブルRF受信機と通信するように構成された第1のRF発振器と、前記チューナブルRF送信機と通信するように構成された第2のRF発振器と、を備え、前記第1及び第2のRF発振器は、前記チューナブルRF受信機の前記スレーブ周波数と前記チューナブルRF送信機の前記スレーブ周波数とを決定して同調させるために、前記チューナブルRF送信機と前記チューナブルRF受信機とに周波数情報を伝達するように構成されることを特徴とする請求項1に記載の無線ネットワーク。
- 前記信号プロセッサは、前記初期検出マスタ周波数よりも前記マスタ周波数により密接に一致する通信用周波数を計算するために、前記マスタノードからの前記較正信号からの情報と、前記RF発振器からの対応する信号とを比較することにより、前記RF発振器の周波数誤差を計算するように更に構成されること、前記スレーブノードは、前記チューナブルRF受信機と通信して前記チューナブルRF受信機にタイミング情報を提供するように構成されたローカルクロックを更に備えること、もしくは、前記較正信号は、前記マスタノードから前記スレーブノードに2つの異なる時点で送信される少なくとも2つのビーコン信号を含むこと、または、それらの任意の組み合わせを特徴とする請求項1に記載の無線ネットワーク。
- 前記ローカルクロックは、前記マスタノードから較正信号を受信するように構成されており、前記較正信号は、前記ローカルクロックを前記マスタノードの前記マスタクロックに同調させるために、時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含むこと、もしくは、前記ローカルクロックは、前記RF発振器の前記RF発振器周波数よりも低い周波数を有する低周波発振器を備えること、または、それらの両方であることを特徴とする請求項6に記載の無線ネットワーク。
- マスタ周波数で送信するように構成されたマスタノードと無線通信し、スレーブ周波数で受信するように構成されたチューナブル無線周波(RF)受信機と、
前記チューナブルRF受信機と通信するように構成されたRF発振器であって、前記チューナブルRF受信機にRF発振器周波数を伝達して、前記スレーブ周波数を決定して同調させるように構成されたRF発振器と、
前記チューナブルRF受信機と通信するように構成された信号プロセッサと、を備え、
前記信号プロセッサは、あらかじめ定められたサーチ周波数帯域内で前記チューナブルRF受信機の前記スレーブ周波数を同調させることによって前記マスタノードからの信号の受信を探索して初期検出マスタ周波数を提供するように前記チューナブルRF受信機に指示するように更に構成され、
前記信号プロセッサは、前記マスタノードから前記初期検出マスタ周波数で較正信号を受信するように前記チューナブルRF受信機に指示するように更に構成され、前記較正信号は時間情報又は時間情報と周波数情報の両方を含んでおり、
前記信号プロセッサは、前記較正信号からの情報と前記RF発振器からの対応する信号とを比較して、前記較正信号に対する前記RF発振器周波数の周波数誤差を提供することにより、前記RF発振器周波数を前記マスタノードの周波数に同調させて、前記スレーブノードと前記マスタノードとの間の前記同調されたRF発振器周波数での通信を可能にするように更に構成される、無線ネットワークシステム用の無線スレーブノード。 - 前記RF発振器は、弛張発振回路とLC回路の少なくとも一方又は両方を備えること、前記チューナブルRF受信機と前記RF発振器は、1つの半導体ダイ上のシングル・チップ半導体デバイスとして構成されること、もしくは、前記スレーブノードは、前記チューナブルRF受信機に電気的に接続されたアンテナを更に備えること、または、それらの任意の組み合わせであることを特徴とする請求項8に記載の無線スレーブノード。
- 前記シングル・チップ半導体デバイスは、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)デバイスであり、前記アンテナが、前記1つの半導体ダイ上の前記シングル・チップ半導体デバイス上に設けられたことを特徴とする請求項9に記載の無線スレーブノード。
- 前記スレーブノードが、前記チューナブルRF受信機及び前記RF発振器に電気的に接続されて前記スレーブノードに電力を供給するための電気エネルギー源を更に備え、前記電気エネルギー源は、前記1つの半導体ダイ上の前記シングル・チップ半導体デバイス上における更なる構成物であることを特徴とする請求項8から請求項10までのいずれかに記載の無線スレーブノード。
- 前記電気エネルギー源に電気的に接続されたエネルギー蓄積構造を更に備えること、もしくは、前記電気エネルギー源に電気的に接続されたエネルギー蓄積構造を更に備え、前記エネルギー蓄積構造は、前記シングル・チップ半導体デバイス上に印刷された薄膜電池であること、または、それらの両方であることを特徴とする請求項11に記載の無線スレーブノード。
- 前記同調されたRF発振器周波数を記憶するために前記信号プロセッサと通信するように構成されたメモリデバイス、または、前記マスタノードと無線通信し、スレーブ周波数で送信するように構成されたチューナブルRF送信機を更に備えること、もしくは、前記較正信号は、前記マスタノードから前記スレーブノードに2つの異なる時点で送信される少なくとも2つのビーコン信号を含むこと、または、それらの両方であることを特徴とする請求項8に記載の無線スレーブノード。
- 前記チューナブルRF受信機の前記スレーブ周波数が、前記チューナブルRF送信機の前記スレーブ周波数と実質的に同一である請求項13に記載の無線スレーブノード。
- 前記RF発振器は、前記チューナブルRF受信機と通信するように構成された第1のRF発振器と、前記チューナブルRF送信機と通信するように構成された第2のRF発振器と、を備え、前記第1及び第2のRF発振器は、前記チューナブルRF受信機の前記スレーブ周波数と前記チューナブルRF送信機の前記スレーブ周波数とを決定して同調させるために、前記チューナブルRF送信機と前記チューナブルRF受信機とに周波数情報を伝達するように構成される請求項14に記載の無線スレーブノード。
- 前記信号プロセッサは、前記初期検出マスタ周波数よりも前記マスタ周波数により密接に一致する通信用周波数を計算するために、前記マスタノードからの前記較正信号からの情報と、前記RF発振器からの対応する信号とを比較することにより、前記RF発振器の周波数誤差を計算するように更に構成されること、もしくは、前記スレーブノードは、前記チューナブルRF受信機と通信して前記チューナブルRF受信機にタイミング情報を提供するように構成されたローカルクロックを更に備えること、または、それらの両方であることを特徴とする請求項8に記載の無線スレーブノード。
- 前記ローカルクロックは、前記マスタノードから較正信号を受信するように構成されており、前記較正信号は、前記ローカルクロックを前記マスタノードのマスタクロックに同調させるために、時間情報と周波数情報の少なくとも一方又は両方を含む請求項16に記載の無線スレーブノード。
- マスタノードと無線通信し、第1のスレーブ周波数で送信するように構成されたチューナブルRF送信機と、
前記マスタノードと無線通信し、第2のスレーブ周波数で受信するように構成されたチューナブルRF受信機と、
前記チューナブルRF受信機及び前記チューナブルRF送信機と通信するように構成されたRF発振器であって、前記チューナブルRF送信機及び前記チューナブルRF受信機にRF発振器周波数を伝達して、前記第1及び第2の前記スレーブ周波数を決定して同調させるように構成されたRF発振器と、
前記RF発振器は、時間情報又は時間情報と周波数情報の両方を備える較正情報を基準ノードから受信するように構成され、前記RF発振器の前記RF発振器周波数が前記基準ノードからの前記較正情報に基づいて同調されて、前記スレーブノードと前記マスタノードとの間の前記同調されたRF発振器周波数での通信を可能にするように構成される、無線ネットワークシステム用の無線スレーブノード。 - 前記基準ノードからの前記較正情報は、前記マスタノードからの較正情報、GPS信号からの較正情報、移動セルラ信号からの較正情報、FMラジオ信号からの較正情報、テレビ信号からの較正情報、原子時計信号からの較正情報、又はそれらの任意の組合せを含み、前記第1のスレーブ周波数が、前記第2のスレーブ周波数と実質的に同一であることを特徴とする請求項18に記載の無線スレーブノード。
- スレーブノードの通信周波数をマスタノードの通信周波数に同調させる方法であって、前記マスタノードはマスタ周波数で送信するように構成されたマスタ無線周波(RF)送信機を備え、前記マスタ周波数はマスタクロックを使用して前記マスタノードによって生成され、
前記方法は、
前記スレーブノードによって、あらかじめ定められたサーチ周波数帯域内で前記スレーブノードのチューナブルRF受信機のスレーブ周波数を同調させることによって前記マスタノードからの信号の受信を探索し、初期検出マスタ周波数を提供するステップであって、前記スレーブ周波数は、前記スレーブノードにおけるRF発振器により提供されるRF周波数に対応したステップと、
前記スレーブノードによって、前記マスタノードから前記初期検出マスタ周波数で較正信号を受信するステップであって、前記較正信号は時間情報又は時間情報と周波数情報の両方を含むステップと、
前記スレーブノードによって、時間情報又は時間情報と周波数情報の両方を含む前記較正信号と前記スレーブ周波数との間の周波数誤差を決定するステップと、
前記スレーブノードによって、前記周波数誤差に基づいて前記スレーブ周波数を前記マスタノードの周波数に同調させて、前記スレーブノードと前記マスタノードとの間の前記同調されたスレーブ周波数での通信を可能にするステップと、を備える方法。 - 前記較正信号と前記スレーブ周波数との間の前記周波数誤差を決定するステップは、前記初期検出マスタ周波数よりも前記マスタ周波数により密接に一致する通信用周波数を計算するために、前記マスタノードからの前記較正信号からの情報と、前記RF発振器からの対応する信号とを比較することにより、前記RF発振器の周波数誤差を計算するステップ、もしくは、前記スレーブ周波数を前記マスタノードの周波数に同調させるステップは、前記較正信号と前記スレーブ周波数との間の前記周波数誤差を補正するステップ、または、それらの両方を備える請求項20に記載の方法。
- マスタノードからRF較正情報を送信するステップと、
あらかじめ選択された周波数帯域内で第1のスレーブノードのRF受信機を同調させて、前記マスタノードから前記RF較正情報を受信するステップと、
前記マスタノードからの前記RF較正情報を使用して前記第1のスレーブノードのRF送信機を同調させるステップと、
前記RF送信機を同調させるステップに続いて前記第1のスレーブノードからローカル情報を送信するステップであって、少なくとも前記マスタノード又は少なくとも1つの他のスレーブノードである第2のスレーブノードが前記ローカル情報を受信することができるようにするステップと、を備え、
前記第1のスレーブノードの前記RF送信機を同調させるステップは、時間情報又は時間情報と周波数情報の両方を含む前記RF較正情報を使用して、前記第1のスレーブノードのRF発振器を同調させるステップを備える、無線ネットワークを介して通信する方法。 - 前記マスタノードから前記RF較正情報を受信するために、前記あらかじめ選択された周波数帯域内で第2のスレーブノードのRF受信機を同調させるステップであって、前記第2のスレーブノードの前記RF送信機を同調させるステップは、前記第2のスレーブノードのRF発振器を同調させるステップであり、かつ、前記RF発振器を同調させるステップは、前記マスタノードからの前記RF較正情報に基づいて前記RF発振器の周波数を同調させて、少なくとも前記第1及び第2のスレーブノードと前記マスタノードとの間の前記同調されたRF発振器周波数での通信を可能にするステップを備えるステップと、
前記対応するRF送信機を同調させるステップに続いて、前記第1のスレーブノード又は前記第2のスレーブノードのうちの少なくとも1つからローカル情報を送信するステップであって、ローカル情報がそれらの間で送信されるようにするステップと、を更に備える請求項22に記載の方法。
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