JP2000315974A - 複数の分散したノードからなるワイヤレスネットワークの通信トポロジーを決定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 分散したノードからなるワイヤレスネットワ
ークの通信トポロジーを決定する方法を提供する。 【解決手段】 好ましくはセンサを含む通信装置のワイ
ヤレスネットワークは、複数ホップの中継通信を、装置
間およびユーザとの間で組織化する、分散されたトポロ
ジー知得方法を使用する。同トポロジー知得方法は、好
ましくは、装置間の測距と分散計算とを利用して、ノー
ドごとに、干渉ネイバーと通信ネイバーを識別し、該ト
ポロジー知得方法の各ステップに含まれる装置数を制限
することにより、エネルギーと帯域幅を節約する。ネッ
トワークにおける装置ごとの干渉ネイバーおよび通信ネ
イバーの識別は、様々な多重アクセスプロトコルのいず
れかにおける通信のスケジューリングを容易にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】

【０００２】

【発明の分野】本発明は、データ伝送、テレメトリー、
またはいくつかの物理的条件もしくはプロセスの遠隔モ
ニタのためのワイヤレスネットワークに関連する。特
に、車両や人物を遠隔検出し、追跡するため、または物
理現象をモニタするために使用する、リモートセンサの
ワイヤレス分散ネットワークに関連する。

【０００３】

【関連技術の説明】配線でまたはケーブル手段で通信す
るネットワークが一般的でよく知られている。その例と
して、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、インタ
ーネットがあり、また電話網もその例ということにな
る。そのようなネットワークにおいては、接続は通信媒
体の物理的構造により概ね決定され、一般に、配設する
前によくわかっている。たとえば、イーサネット（登録
商標）のようなバス構造では、コンピュータがメッセー
ジを伝送すると、バス上の他のコンピュータがそのメッ
セージを受信することができる。次に、コンピュータ
は、設定されたプロトコールにしたがい、媒体を使用し
て交代で動作する必要がある。

【０００４】無線リンクネットワーク等のワイヤレスネ
ットワークは、より複雑な可能性を提示する。無線ネッ
トワークは、「ノード」と呼ばれるいくつもの無線トラ
ンシーバから構成される。すべての（有用な）ノード
は、すくなくとも他のノード１つと通信が可能である。
しかしながら、個々のノードの無線レンジが、ネットワ
ーク全体の規模より小さい場合、そのノードは、同ネッ
トワークにおける他のノードの厳密なサブセットとのみ
通信が可能である。残りのノードは、通信距離外という
ことになる。どのノードが他のどのノードと通信できる
かを規定する完全な情報のセットは、そのネットワーク
の「トポロジー」と呼ばれる。

【０００５】一般に、ワイヤレスネットワークのトポロ
ジーは、各ノードの送信が他のノードのサブセットによ
ってのみ受信され、媒体に関する各ノードのビューは異
なるということになる。このタイプのトポロジーは、あ
るノードから他のノードへのメッセージの転送が、その
行先に到達するまで複数の「ホップ」（すなわちノード
間中継）を行う可能性のある「マルチホップネットワー
ク」として有用である。複数ホップ通信は、無線強度が
送信機からの距離に対して非線形逆関数の関係となるた
め電力を使用する際により効率がよい。たとえば、無線
強度が逆二乗則に従うような理想的条件では、距離が各
々ｄである１０の小さい直線ホップは、それぞれが１つ
の大きいホップの１０分の１の送信電力を使用するため
全体でその１０倍の強度になる。実際の環境において
は、一般に強度の減衰は、逆三乗またはより高いべき乗
の関数にしたがう。その場合、マルチホップ送信は、シ
ングルホップに比べてさらにかなりの電力節約となる。

【０００６】ワイヤレスネットワークのある簡単な実現
例では、ノードが同じ無線周波数または「チャネル」で
送受信する。固定の搬送波周波数を変調して情報を伝達
する。（これは、搬送波周波数が擬似乱数的に「ホッ
プ」する、周波数ホップチャネルとして一般化すること
ができるかもしれないが、受信機が同期してホップする
ので、依然として本質的にはシングルチャネルのシステ
ムである。）このような実現例では、ノードは、送信ま
たは受信のいずれも可能だが、両方同時に行うことはで
きない。これは、「ハーフデュプレックス」または「プ
ッシュトゥトーク」システムとして知られる。物理的な
層の衝突検出能力は、想定されていない。マルチホップ
トポロジーにおいては、ノードは、基本的にお互いのレ
ンジの外になるよう十分に離されているので、同じチャ
ネル上で同時にうまく通信ができる（たとえば、ＣＤ間
と同時にＡＢ間で）。これを「空間再使用」または「周
波数再使用」と呼ぶ。

【０００７】空間再使用によって、ネットワークに利用
可能な制限された無線スペクトルをより効率的に使用で
きる。ネットワークが、たとえば１００のノードを有す
る場合で各ノードがネットワーク全体をカバーするレン
ジを有する場合、ノード間の同時送信による干渉を回避
するため１００のチャネルが必要である。これにたい
し、ノードのレンジが非常に短く、各ノードが他の２つ
のノードしか聞くことができない場合、多くの遠く離れ
たノードでは、同じチャネルを同時に使用することがで
き、たった４チャネルで干渉なしにネットワークを完全
に接続できる可能性がある。よく知られている例は、Ｆ
Ｍ無線放送の例で、ＦＣＣは、同じまたは重なる周波数
を遠く離れた都市の別の局に割り当てている。各局のレ
ンジが限られているので干渉が防止される。より一般に
は、時間ドメイン多重アクセス（ＴＤＭＡ）の場合には
チャネルは時間スロットであり、周波数ドメイン多重ア
クセス（ＦＤＭＡ）の場合には周波数帯域が考えられ
る。いずれの場合も、空間の再使用によって、帯域幅を
より有効に利用できる。ところが、チャネルやスケージ
ュール送信を割り当てるためには、どのノードとノード
が互いに干渉し合うのに十分な距離にあるかということ
を知る必要がある（ネットワークの「干渉トポロジ
ー」）。

【０００８】特定の応用、たとえばショートレンジセン
サのネットワークでは、送信距離を非常に限定して、多
数のノード（１０００を超える数の）ノードを有するこ
とも可能で、したがって、効率的な低電力通信には、な
んらかの形式のチャネル再使用を伴うメッセージのマル
チホップルーチングが必要である。したがって、効率的
な通信には、最初トポロジーが少なくとも一部わかって
いないネットワークについては、そのトポロジーを知る
何らかの方法が必要である。たとえば、ワイヤレスセン
サのネットワークを、飛行機から投下して、ランダムに
配置したり、事前に特徴づけをしたネットワークでいく
つかのノードを動かしてもよい。トポロジーがわかる
と、チャネルを互いのレンジの外のノードで再使用でき
るように、通信がスケジューリングされる。

【０００９】分散された態様で、ネットワークのトポロ
ジーを知ることが望ましい場合が多い。トポロジーを知
る手続は、中心的なコントローラを必要とせず、影響を
受けるネットワークのその領域のみにインパクトを与え
る、分散態様で動作する場合には、「分散」と呼ぶこと
ができる。このような処理を採用するネットワークは、
自己組織系である。中央処理位置から動作する他のトポ
ロジー決定方法は可能であるが、それは、比較的高いレ
ベルの電気的かつ計算出力が得られる場合に限る。これ
らの方法は、簡単にジャミングさたり、また敵対的な行
為や偶発的なコンポーネントの故障によって簡単にかつ
完全に不能状態にされる傾向にある。これらの方法を、
非常に多数のノードを有する大型ネットワークへ応用す
る場合、中央処理位置および能力に左右されかつ制限を
受ける。

【００１０】分散態様でワイヤレスネットワークのトポ
ロジーを知る先行技術の方法には重大な欠点がある。そ
の１つが、Ephremidesにより「周波数ホッピングシグナ
リングを伴う高信頼度モバイル無線ネットワークのため
の設計コンセプト」（ＩＥＥＥ議事録、Ｖｏｌ.７５、
Ｎｏ．１、第５６から７３頁、１９８７年）において説
明されている（"A Design Concept for Reliable Mobil
e Radio Networks with Frequency Hopping Signaling"
Proceedings of the IEEE, Vol. 75,No. 1, pp. 56 -
73 (1987)）。この方法には、ＴＤＭＡフレームでＮ個
のスロットからなるブロック（Ｎは、ネットワーク全体
の最大総ノード数）を割り当てる必要がある。各ノード
は、少なくとも組織化期間の間、送信用の特定時間スロ
ットを予め割り当てられる。割り当てられたノードは、
このスロットを使って、自身が受信することができる他
のノードがどれかに関する理解を送信し、最終的にすべ
てのノードが総合的なトポロジーを決定するようになっ
ている（たとえば２Ｎスロット内で）。この方法には、
いくつかの欠点がある。上界のＮがわかっていなければ
ならず、すべてのノードに独自の識別番号を割り当てる
必要がある点である。それ以上に深刻な問題は、ノード
の数が多いと組織化に長い時間がかかる点である。Ephr
emidesが開示する方法は、１００未満のノードのネット
ワークについての有用性があるもので、より大型のネッ
トワークについては、実用的でない。この制限が生じる
のは、この方法では、組織化の間各ノードについて１つ
のグローバル時間スロット（チャネル）を使用するため
である。すなわち、多数のノードを有するネットワーク
は、各時間フレームにおいて多くの時間スロットを必要
とするので、組織化が遅くなる。この方法は、少数の可
動性が高いノードを有するネットワークにおいて有用で
ある。また、ネットワークを初期化するためのノードセ
ットを「ブートアップ」するためにも使用可能である。
しかしながら、ノードが基本的に固定されている（ある
期間において）大型ネットワークには効率的でない。新
しいノードの追加が制限されるのは、ノードの総数がＮ
（最初に割り当てられた時間スロットの数）に限定され
るためである。

【００１１】ノードがランダムアクセス技術を用いてま
ず非同期で通信する場合の、トポロジーを知る他の先行
技術の方法が、A．Bhatnagarにより「レイヤーネット、
新しい自己組織化ネットワークプロトコール」、ＩＥＥ
Ｅ軍事通信会議記録、Ｖｏｌ．２、第８４５頁から４９
頁（１９９０年）（"Layer Net: A New Self-Organizin
g Network Protocol," IEEE Military Communication C
onference Record）に説明されている。この技術では、
何らかの衝突検知手段が必要であり、有界ラテンシーを
提供しない（組織化にかかる最大時間を予測できな
い）。利用可能なノード位置または測距方法を必ずしも
十分に活用していない。非同期モードは、長時間同時に
多くのノード受信機が起動化されることを必要とし、電
力消費が増大する。この方法は、送信機の干渉距離がそ
の有効通信距離より広い場合を想定していない。２つの
ノードが相互に交信できない場合には、これらが干渉し
合えないようにする必要がある。おそらく、非常に深刻
なのは、レイヤーネットプロトコールが、ネットワーク
トポロジーにおける可能なリンクを必ずしもすべて発見
するわけではないという点である。

【００１２】

【発明の概要】本発明は、分散自己組織化態様で動作す
るワイヤレスネットワークのためのより効率的なトポロ
ジー知得手続を提供する。このトポロジー知得手続は、
中央コントローラを必要とせず、影響を受けるネットワ
ークの領域のみにインパクトを与える分散態様で動作す
るという点で「分散」形である。組織化するためにＴＤ
ＭＡスキームにおいて必要とする時間スロットの数が先
行技術のシステムに比べて少なく、この必要な数は、ネ
ットワークにおけるノードの総数ではなく、ノードの最
大度（あるノードが接続し得るノードの数）のオーダで
ある。本発明は、したがって、高速でかつスケーラブル
であり、ネットワークのサイズに固有の制限が加えられ
ない。また、既存のワイヤレスネットワークにノードを
追加したり削除したりすることができる。

【００１３】本発明の利点は、ネットワークが、電力お
よび時間（または周波数）リソースを節約しながら、非
常に効率的に自己組織化することができる点である。す
なわち、ノードの多くが限定された電力源（電池または
太陽電源等）を有する、低電力ワイヤレスノードのネッ
トワークには、非常に有利である。このネットワークは
たとえば、周辺保安、人員探知および追跡、車両の探知
および追跡または産業状のプロセスの条件に応じた監視
および制御のために使用できる。これらの用途における
「ノード」は、通信用ワイヤレストランシーバを装備す
る検知装置が考えられる。本発明はまた、通信ネットワ
ークでも使用でき、ノードは、トランシーバまたはリピ
ータということになる。

【００１４】本発明は、ノードごとに、隣接するノード
２セット、すなわち（１）通信するネイバーのセットお
よび（２）干渉するネイバーのセットを識別することに
より、チャネル（一般にＴＤＭＡ時間スロット）の空間
を最大限再使用することを目的とする。所与のノードｎ
にとっての「通信するネイバー」とは、ｎの高信頼度通
距離内のいずれかのノードである。いずれか所与のノー
ドｎにとっての「干渉するネイバー」とは、「干渉する
ネイバー」からの送信がｎとその通信するネイバーとの
間の通信に干渉し得る（より広い）距離内に有るいずれ
かのノードである。

【００１５】本発明は、一般に組織化されるネットワー
クより小さい、仮定された既存の、場所がわかっている
メンバーノードのネットワークが基になっている。ま
た、すべてのノードの最大通信および最大干渉距離がお
よそ予めわかっていることが好ましい（直接的な測定に
よって）。開始ネットワークは、１つのノードでよい
が、この方法は、開始メンバーノードの数が多いほうが
うまくゆく。開始メンバーノードの１つ（「送信勧誘ノ
ード」）が、新ノード（場所が不明の）にネットワーク
に加わるよう送信勧誘を送信する。新ノードが、送信さ
れた送信勧誘に応答すれば、送信勧誘ノードは、送信勧
誘ノードおよび新ノード両方のわかっている最大通信距
離に基づいて、この新ノードが存在するはずの領域を計
算する（送信勧誘ノードの距離内で）。それから、新ノ
ードが有るべき領域の通信距離内にあるメンバーノード
（場所のわかっている）を識別する。これらのメンバー
ノードは、新ノードの潜在的な通信ネイバーであるが、
そのうちいくつかは、実際には、通信ネイバーではない
可能性がある。なぜなら、識別された領域のどこに新ノ
ードが実際にあるが正確にわかっていないし、かつ地形
または媒体が、均一でないかまたは方向性を有し、局所
的な部分で送信に影響を与える可能性があるためであ
る。次に、干渉距離内にある可能性のあるメンバーノー
ド（場所がわかっている）のセットを、新ノードの実際
の場所に基づいて、同様のやり方で識別する。

【００１６】送信勧誘ノードと新ノードは、次に、様々
な測距方法の１つにより、互いの距離を決定する。送信
勧誘ノードは、この距離情報を利用して、新ノードの通
信ネイバーと干渉ネイバーのセットの識別を更新する。

【００１７】次に、送信勧誘ノードは、新ノードに自身
の通信ネイバーのセットをより正確に決定させるように
する送信スケジュールを決定する。このスケジュールで
は、新ノードが各々の潜在的通信ネイバーに送信しかつ
各潜在的通信ネイバーが新ノードに送信することを可能
にする。このスケジュールを実行した後、新ノードはト
ライアル送信の結果に基づいて通信ネイバーの潜在的セ
ットをさらに限定する。新たに発見した通信ネイバーと
の測距手続によって、新ノードは、自身の場所の推定を
よりよく計算することができる。

【００１８】新ノードの場所が決まると（どの程度でも
可能な程度に）、新ノードの干渉ネイバーをよりよく識
別することができる。送信のスケジュールが展開され実
行されて、この新ノードの干渉ネイバーが識別される。

【００１９】新ノードの通信ネイバーと干渉ネイバーが
識別されると、ネイバーと新ノードのセット両方を識別
する情報を、少なくとも局所的に影響を受けるノードに
まで広め、通信およびルーチングスケジュールに組込
む。この新ノードもその特徴およびトラフィックについ
て送信勧誘ノードに知らせる。すなわち、ユーザーノー
ドかどうか、急ぎデータを有しているかどうか、または
他の重要な情報を有しているかどうかを知らせる。送信
勧誘ノードは、この情報を局所的に影響を受けるノード
にも伝える。こうして、ネットワークに対する新ノード
の完全なトポロジー的影響がわかる。新ノードは、ロー
カルネットワークトラフィックおよび、ルーチングおよ
び通信スケジュールについても同様に情報を伝えられ
る。新ノードは、こうしてネットワークのメンバーとな
り、他の新ノードに対して送信勧誘を発行することがで
きる。この全プロセスを、ネットワークに組込まれるノ
ードの通信距離内のノードすべてがネットワークに組込
まれ、かつトポロジーが完全にわかるまで繰り返ことが
できる。その上で、トポロジーを特徴付けるこの情報を
用いてネットワーク用の効率的通信スケジュールを展開
することができる。

【００２０】本発明は、分散され、オンノードでプログ
ラム可能かつ信号処理能力のある、非常に低電力で、無
線リンクのノードのネットワークに特に有利である。セ
ンサのワイヤレス集積ネットワークが、考えられる用途
である。低電力、ＴＤＭＡ無線通信は、時間スロットの
いくつかにおいてノードがオフ状態で電力節約を行える
ので、そのようなネットワークのための効率的通信方法
である。本発明により得られるトポロジー情報によって
ＴＤＭＡマルチホップ送信を非常に効率的な態様でスケ
ジューリングすることができかつノードの場所について
予め知っている必要もほとんどない。スケーラブルでか
つ分散されるという利点もある。どのノードからでも、
また複数の（距離外の）ノードから同時に実行すること
ができる。こうして、弾力性がありかついくつかのノー
ドの損傷および損失にも容易に対応できる。

【００２１】

【詳細な説明】本発明は、ワイヤレス通信ネットワーク
のトポロジーを知るための方法および装置である。チャ
ネルを空間的に再使用して、マルチホップワイヤレス通
信を効率的にスケジューリングするのに必要な情報を提
供する。

【００２２】本発明は、各々ワイヤレストランシーバを
含み、データを送受信かつ中継できる小型電子装置のネ
ットワークに関連して説明する。これら小型装置の各々
については、これ以降「ノード」と呼び、好ましくはセ
ンサ（単数または複数）、制御回路、信号プロセッサお
よびＲＦトランシーバを含む。また、これらノードは、
超音波トランスジューサを含む可能性がある、ノード間
距離を決定するための装置を含むことが最も好ましい。
センサは、振動、地震信号、赤外線信号、磁気信号、音
声および他の検出可能な物理現象を検出し得る。便宜
上、ここでは無線を通信の一般的な媒体と考えるが、超
音波、赤外線または光学等の他のワイヤレス媒体を使用
することもできる。このようなノードのネットワークを
航空機から投下または車両から投下すること、人員を使
って手動で配置することを含め様々な方法で配設するこ
とができる。また、本明細書では、便宜上情報を伝達す
るために変調される固定搬送波周波数無線チャネルも想
定する（ただし、その方法は、ホップされた周波数また
は他の通信チャネルに一般化することができる。）本発
明の方法についてまず説明する。本発明において使用可
能なノード装置の説明を次に行う。

【００２３】

【ネットワーク自己組織化】各配備したノードについ
て、ノードがおかれる地域および所与の電力レベルでの
最大通信距離ｇが存在する。通信距離ｇは、経験的なテ
ストにより事前に決定されていることが好ましい。同様
に、同じチャネル上で送信が他の送信に干渉する可能性
がある、最大干渉距離ｂも事前に決定されていることが
好ましい。ノードごとに２セットのネイバーノードを規
定することができる。すなわち、（１）通信ネイバーの
セットと（２）干渉ネイバーのセットである。所与のノ
ードｎの「通信ネイバー」は、ｎと信頼度の高い通信が
可能ないずれかのノードである。所与のノードｎの「干
渉ネイバー」は、ｎと高信頼度で通信はできないノード
で、その送信がｎとその通信ネイバーとの間の通信に干
渉する可能性のあるいずれかのノードである。本発明の
ゴールは、「ノードごとに」その通信ネイバーと干渉ネ
イバーを決定することである。この情報は、ネットワー
クトポロジーを完全に規定し、かつＴＤＭＡ、ＦＤＭ
Ａ、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）または他の態様で組
織化された通信の効率的なスケジューリングを行うのに
十分である。トポロジーは、非公式には「誰が誰に直接
話をすることができるか」および「誰が同時に話すこと
ができないか」を規定するようなものと考ることができ
る。より正式には、ネットワークの「トポロジー」は、
ネットワークのノードごとに通信および干渉ネイバーを
識別する完全な情報として規定することができる。

【００２４】スケジューリングの１つの方法（ＴＤＭ
Ａ）において、同じネットワークのメンバーであるノー
ドは、同期した周期的時間フレームにおいて動作する。
各時間フレームは、各々フレームより持続時間が短い複
数の時間スロットに分割される。同じ領域の様々なノー
ドは、様々な割り当て時間スロットにおいて送信するよ
うスケジュールされている。ただし、完全な非重複干渉
領域を有する異なるノードの場合、データの衝突なし
に、同じ時間スロットで（同時に）送信するようスケジ
ューリングすることができる。電力が制限される用途の
場合、ＴＤＭＡは、ランダムなアクセスよりも有利であ
る。というのは、送信機と受信機を、アイドル時間スロ
ットの間オフにすることにより、電力を節約できるため
である。

【００２５】図１は、通信ネイバーノードと干渉ネイバ
ーノードを示す図である。図において、ノード２００お
よび３００は、送信する側で、ノード１００および４０
０は受信側である。概念の説明および図示の便宜上、図
１においては距離ｇの範囲内にあるノードはいずれも、
通信ネイバーであり、距離ｇとｂとの間にあるノードは
いずれも干渉ネイバーである。受信ノードが送信ノード
の距離ｇ内にある場合（実線で示す２００および３００
を中心とする円２０５）、送信ノードとうまく通信する
ことができる。すなわち受信ノードが、送信ノードの通
信ネイバーである。ところが、受信ノードが、ｇより離
れていて、送信ノードの干渉距離ｂ内にある場合（２０
０および３００を中心とする点線で示す円２０６）、こ
れは「干渉ネイバー」となる。図１では、ノード２００
は、ノード１００の通信ネイバーであり、かつノード３
００は、ノード１００の干渉ネイバーである。ノード４
００は、ノード３００の通信ネイバーであるが、ノード
４００は、ノード２００の干渉距離外にある。そこで、
ノード２００および３００が同時に送信し、かつノード
１００および４００が受信する場合、ノード３００の送
信は、ノード４００によってうまく受信される。ノード
２００の送信は、ノード３００からの干渉のため、ノー
ド１００によって正確に受信されることはない。

【００２６】ノード間の関係は、図２に示す通りであ
る。トポロジーは、グラフ内のリンクにより表される。
通信ネイバーは、実線２０７によりリンクされる。干渉
ネイバーは、点線２０８によりリンクされる。

【００２７】もちろん、上記の２０５および２０６等の
円により特定される領域は、理想地域を仮定した理想化
された概算である。実際の領域は、一般に岩、丘、木
々、および他の地形等のかなりの不規則な障害物を含
み、干渉および通信の実際の距離範囲は、円（または３
次元では球状）ではなく不規則なものになる。それで
も、理想化され概算（円形領域）は、場合に応じて、通
信または干渉の最大領域を表すという点で、有用な概念
である。これらの概算は、ノードを配備する前に予測ま
たは測定して、本発明の方法において使用するためのｇ
およびｂの概算値を得ることが好ましい。

【００２８】図３は、図２と同じ態様で点線と実線で示
されるトポロジーを有するネットワークのより大きな例
である。ある場合において、リンクを単向性にすること
も可能である。すなわち、たとえばハードウエアにおけ
る伝搬効果またはばらつきにより、１００は２００を聞
くことはできるが、２００は１００が聞こえないという
可能性もある。本発明のトポロジー知得手続は、このよ
うな場合でも適用可能であって、対象とするリンクのト
ポロジー知得方法を提供する。

【００２９】たとえば航空機からノードを投下して、ま
ずネットワークを配備する場合、ノードは、概ねランダ
ムに配置され得る。本発明では、いくつかのノード（少
なくとも１つ）についてその相対的位置が最初にわかっ
ていることが望ましい。これは、いくつかのノードをわ
かっている場所に置いたり、グローバルポジショニング
システム（ＧＰＳ）等の位置発見装置をいくつかのノー
ドに設けたり、または視覚的に探索して発見するなど様
々な方法で確実に行うことができる。本発明を用いて既
存の機能しているシステムに新ノードを加えたり、また
は複数の個別の組織化されていないノードからネットワ
ークを作り出すことができる。この方法の全ステップを
最良に示すため、本発明をまず既存の機能しているネッ
トワークにノードを加えることに関連して考えることが
都合よい。その上で、本発明を用いて、事前に組織化さ
れていないノードからネットワークを作り出す特別な場
合が容易に説明できる。

【００３０】本発明を用いてノードをネットワークに加
えるやり方を説明するために、ここで、ネットワークの
いずれか２つのメンバー（メンバーノード）間の通信
（必要な場合マルチホップ中継で）を可能にするよう組
織化されたノードからなる既存の通信ネットワークであ
る「スタートネットワーク」を想定する。スタートアッ
プネットワークは、以下の通り、従来の方法または本発
明により組織化されていてもよい。最も都合がよいの
は、スタートアップネットワークが、最初に相対位置が
わかっているノードを含む場合である。各メンバーノー
ドは、最大干渉距離ｂ内の他のすべてのメンバーノード
の相対的場所を「知っている」（それに関するデータを
記憶している）ことが好ましい。以下により詳しく説明
するが、各ノードは、場所情報を含む情報を記憶するこ
とができるマイクロプロセッサを含むことが好ましい。
この情報は、スタートアップ構成の際に予めプログラム
されるかまたは取得され、その後ワイヤレス通信により
ノード間に分散させることができる。上記のようなスタ
ートアップネットワークの場合、本発明は、通信が結果
として得られるより大きなネットワークについてスケジ
ューリングされ得るように、ネットワークに１以上の新
ノードを加えかつ結果として得られるトポロジーを知得
する方法を提供する。スタートアップネットワークの通
常の動作の一部として、ネットワークは、送信勧誘を送
信することにより、新ノードの追加を繰り返し請求する
能力を有していることが好ましい。送信勧誘は、ある程
度周期的に繰り返され、その周期は、ｐプラスいくつか
の擬似ランダム遅延（ジッタ）である。ジッタを加え
て、２つの偶然同期するノードが同時に送信勧誘を繰り
返し送信しないようにし、それにより互いの送信を逃さ
ないようする。これにより、ｐより長い少なくともいく
つかの間隔の間、受信することにより、確実に新ノード
が送信勧誘を受信するようにできる。ネットワークのす
べてのメンバーノードは、新ノードに対してネットワー
クに加わるよう、ある程度周期的に、送信勧誘を発行し
てもよい。互いにｇ＋ｂの距離範囲のメンバーノード
が、各々このような送信勧誘を同時に発行しないので、
干渉が回避される場合は都合がよい。まだネットワーク
の一部でない非メンバーのノードは、すべて予めプログ
ラムされて、送信勧誘のいくつかの予め定められた周期
数ｐだけ、時々聞く（それらのレシーバーをオンにす
る）。その後、送信勧誘された新ノードは、新ノードが
使うネットワークのメンバーノードと同じ規定されたＴ
ＤＭＡ時間フレームを使用するようネットワークの他の
部分と同期させる。

【００３１】メンバーノード（「送信勧誘ノード））
が、新ノードが受信する送信勧誘を発行すると、この新
ノードが応答する。これは、送信勧誘をする側と新ノー
ドの両方に対して、それらが通信ネイバーであることを
示す。図４は、送信勧誘するノード１１０からの勧誘に
応答する新ノード２１０を示し、既存ネットワーク他の
メンバーノード（１３８等）が、つながれた小さな円で
示される。

【００３２】送信勧誘を送信する前に、ネットワーク
は、競合が起きないように通信をスケジューリングす
る。スケジュールは、送信勧誘ノードにより計算される
ことが好ましい。新ノードの正確な場所を知らなくて
も、送信勧誘ノード１１０は、新ノードにより影響を受
けるかもしれない干渉近傍に外側境界を設定することが
できる。図５に示す通り、この外側境界は、１１０を中
心とする円１１８であり、半径はｇ＋ｂであって、以下
のように説明することができる。すなわち、新ノード２
１０は、送信勧誘を受け応答するなら、送信勧誘側１１
０の通信距離ｇ内に見つかるはずである。したがって、
２１０は、半径ｇで１１０を中心とする円１１２内のど
こかにある。新ノード２１０は、干渉距離ｂを有するこ
とが知られている。したがって、実際の干渉距離は、円
１１２内のわからない場所を中心とする半径ｂのなんら
かの円内にある領域である。実際の干渉距離は、局所信
号伝搬特性に基づいて、一般に不規則な形状であるが、
ｂが最大干渉距離なので、半径ｂのなんらかの円の領域
は、実際の領域を確実に含んでいる。１１２の最外周囲
上の任意の点２１１を中心とするそのような仮定の円の
１つが図５に１１６で示される。円１１２のどの点が新
ノード２１０の実際の位置になるかはまだわからないの
で、円１１２に中心を有するどの円が新ノード２１０の
実際の干渉距離を含むかはわからない。したがって、す
べての円を結合させたものを考える。ここで、「潜在的
干渉距離」を円１１２内のどこかに中心を有する、半径
ｂの円により境界決めされる可能なすべての領域を結合
させたものとして規定する。これらすべての円内の領域
を結合したもの自体が、図５に示すような送信勧誘ノー
ド１１０を中心とし半径ｇ＋ｂである、１１８を境界と
する円形領域である。円１１８により境界決めされるこ
の領域の外側には、ノード１１０から受信することがで
きるなんらかの新ノードの干渉距離にある可能性がある
ポイントはない。

【００３３】ｂとｇについての知識（事前に決定してノ
ードにプログラムすることが好ましい）に基づいて、好
ましくは送信勧誘ノード上の計算によって、通信がスケ
ジューリングされ、送信勧誘および応答の際の競合を回
避する。スケジューリングの簡単な方法としては、円１
１８内のメンバーノードがいずれも、送信勧誘および新
ノードからの予測される応答と同時に送信または受信し
ないようスケジューリングされるように、送信勧誘およ
び応答をスケジューリングするだけで十分である。別の
方法では、スケジュールは、以下のような制約を満たす
ように構成される。すなわち、（１）送信勧誘側のノー
ドのｂ＋ｇの範囲にあるノードはいずれも送信勧誘の間
は送信しないこと、（２）送信勧誘側のノードのｂの範
囲内にあるノードはいずれも送信勧誘の間受信しないこ
と、（３）送信勧誘側のｂ＋ｇの範囲内にあるノードは
いずれも応答の間受信しないこと、および（４）送信勧
誘側のノードのｂの範囲内にあるノードはいずれも応答
の間は送信しないことである。この別の方法では、いく
つかの場合において、ノードの配置によって、送信勧誘
/応答期間の間、より多くのノードが通信できるように
することも可能である。

【００３４】同様に、新ノードが送信勧誘側のノードの
通信距離ｇ内にある場合にのみ、新ノードのための「潜
在的通信近傍」をその新ノードが（その実際の場所によ
って）通信ネイバーを有する可能性がある最大領域とし
て規定することができる。この新ノードの潜在的通信近
傍の外側境界は、図６に示すように送信勧誘が送信され
る前に計算される（好ましくは送信勧誘ノード１１０に
より）。送信勧誘側のノードを受信しかつ応答できる新
ノードはいずれも、半径ｇで１１０を中心とする円１１
２で示すようなその送信勧誘側のノードの通信距離ｇ
（予め定められた）内にある。正確に、円１１２のどこ
に新ノードがあるかは、事前にはわからない。新ノード
と通信する可能性がある他のメンバーノードは、新ノー
ドの距離ｇ内にあり、すなわち、新ノードの場所（わか
っていない）を中心とする半径ｇの円内にある。新ノー
ドの場所について正確な知識なしで、新ノードが通信す
る可能性のある同報可能領域を得るために、ここで、新
ノードの可能なすべての場所について半径ｇのすべての
円内の領域を結合させることができる。これは、円１１
２を中心にまたはその内部にあるすべての円の領域を結
合させたものである。これら円の内部を結合すると、半
径２ｇでかつ送信勧誘側ノード１１０を中心とする円１
１４内の点の集合になる。新ノードが円１１２内のどこ
にあろうと、半径２ｇで１１０を中心とする結果として
得られる円１１４の外側のメンバーノードと通信するこ
とはできない。

【００３５】新ノードは、潜在的には、適切な場所にあ
れば、円１１４内のノードのいくつかと通信することが
できるかもしれないが、一般にその実際の（まだ決定さ
れていない）場所および特定の局所伝播特性によって、
そのすべてと通信ができるようになるわけではない。た
とえば、図６において、新ノード２１０は、メンバーノ
ード１３６の通信距離に実際ないことになるが、事前に
２１０の場所はわからないので、これを予測することは
できない。すなわち、円１１２上のまたは中の点のいく
つかは１３６に非常に近い。図６の円１１４内の領域は
こうして、実際の通信距離ではなく、新ノード２１０の
「潜在的通信距離」として（ノードに関する計算によ
り）識別される。

【００３６】新ノードの潜在的通信近傍と潜在的干渉近
傍を識別すると、最初の送信勧誘が適切なスケジュール
にしたがって送信される。ＴＤＭＡ通信システムでは、
これは、送信勧誘が、送信勧誘側ノード１１０から送信
されて、新ノードからの応答が、円１１８内の他のメン
バーノードがいずれも受信していない時間スロット内に
発生するようになっていることを意味すると言える。

【００３７】新ノードが検出されると、送信勧誘側ノー
ドと新ノードは、利用可能なものがあれば、測距能力を
利用して互いの距離ｄを決定する。ノード間の距離が、
音ｈ波、超音波、またはＲＦパルスの移動時間を測定し
たり、またはＲＦ受信信号強度と送信信号強度を比較す
るなどさまざまな従来技術の方法により決定することが
できる。Skolnik, Merril I.著、『レーダーハンドブッ
ク』、マックグローヒル社（１９９０年）、セクション
１７．４（Radar Handbook, Mcgraw Hill）に記載の通
り、複数の離散ＰＲＦパルス（パルス反復周波数）測距
等、ＲＦパルスのレーダエコー処理により測距を行う様
々な手段が知られている。これらのＲＦパルスの方法
は、高いクロック速度でＲＦ周波数が十分に高いものを
使用して、測定対象の最小距離と一致する短い時間間隔
の正確な測定を行うのに適している。もう１つの測距方
法である、音波または超音波パルスのタイミングを取る
やりかたは、クロック速度が低く、ＲＦ周波数動作が低
い場合により適しているので、より低電力で低周波数
（１Ｇｈｚ未満）の回路により適切である。音波または
超音波による測距方法の一実現例について、ノードハー
ドウエアの説明に関連して以下に説明する。いくつかの
実施例においては、たとえば、ノード上に設けられたグ
ローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）装置によ
り、各ノードの位置がわかっていてもよい。その場合、
距離をそのわかっている位置から簡単に計算することが
できる。どのように得られるとしても、測距情報は、本
発明のトポロジー知得プロセスを多大に強化するもので
ある。

【００３８】図７は、図３から図６に示す同じネットワ
ークの例における新ノード２１０と送信勧誘ノード１１
０との間の測距の結果を示す。図７は、また新ノード２
１０について、その潜在的通信近傍１１４と潜在的干渉
近傍１１８とを示し、それら円の両方が、送信勧誘側ノ
ード１１０を中心とする。距離ｇを測定した後、送信勧
誘側ノード１１０は、新ノードが円１２０上にあり、半
径ｄで送信側ノード１１０を中心とすることを決定でき
る。新ノード２１０は、送信側ノードが半径ｄの円１２
２上にあり、新ノード２１０を中心とすることを決定で
きる。

【００３９】ｄを決定した後、送信勧誘側ノードは、図
８に示す新ノード２１０潜在的通信近傍および潜在的干
渉近傍の計算を改める。新ノード２１０は、距離ｇを有
し、その通信近傍が半径ｇの円の領域内にあることがわ
かっているが、その円の中心は円１２０上のどこかにあ
る可能性がある。このように不確実であるが、それでも
潜在的通信近傍の外側境界を規定することができる。潜
在的通信近傍は、１２０上に中心を持ち、半径がｇの複
数の円により境界決めされるすべての領域の結合したも
ので、半径ｄ＋ｇの円１２４内にありかつ送信勧誘側ノ
ード１１０を中心とする。円１２０上におけるその実際
の位置によって、新ノード２１０は、円１２０上のポイ
ントいずれかからｇ内にあるいずれかのノードと通信す
ることができるかもしれない。すなわち、新ノード２１
０の実際の場所を中心とするそのような円の１つ内にあ
るノードとだけ実際に通信することができることになる
（かつ地域の局所信号伝播効果により遮断されないノー
ドとのみ）。

【００４０】測距情報ｄを用いて、新ノードが円１２４
内の領域に対する通信ネイバーを有する可能性がある領
域を限定した。なお、ｄがｇ以下であるため、これは、
先に予測した領域である、１１４（半径２ｇ）より大き
くなることはない。円１２４内のこの領域とメンバーノ
ードの（わかっている）場所と比較することにより、新
ノード２１０の潜在的通信ネイバーのセットを、円１２
４の外側のノードを排除することにより絞りこむことが
できる。図８に示す引き続く例およびそれ以前の図で
は、３つのメンバーノード１２６、１２８および１３０
が、円１２４により境界決めされる新ノード２１０の潜
在的通信近傍の外側にあることがわかる。

【００４１】同様に、送信勧誘ノードは、測距情報ｄを
用いて干渉の可能な領域を、図８に示すような、１１０
を中心としかつ半径ｄ＋ｂの円１１９内の領域に限定す
ることができる。

【００４２】次に、送信勧誘側ノードは、新ノード２１
０が、その通信ネイバーを決定できるスケジュールを決
定する。これは、（絞りこまれた）潜在的通信ネイバー
のセットにおける各々のメンバーノードからの送信をス
ケジューリングしかつ実行し（かつ一方で、新ノードは
受信するようスケジューリングされる）、かつ/または
（絞りこまれた）潜在的通信ネイバーセットにおけるす
べてのノードを、受信するようスケジューリングしなが
ら、新ノードからの送信をスケジューリングすることに
よって行われる。ネットワークトポロジーが方向的に非
対称である場合、両方のスケジュールが、必要になる。
いつくか送信が受信されない可能性もあり、その場合、
意図するメンバーノードが、新ノード２１０の実際の通
信近傍の外にあることを示す。本件の例では、円１２４
内にあるメンバーノード１３２、１３４、１３６、１３
８、１４０、１４２および１４４からの送信が、新ノー
ド２１０とともにスケジューリングされることになる。
本件の例では、円１２４の外にあると判断されたメンバ
ーノード１２６、１２８および１３０からの送信はスケ
ジューリングする必要はない。

【００４３】測距能力がない実施例のように、測距がう
まくできないかまたは不可能な場合、送信勧誘側ノード
は、送信勧誘側ノード１１０上に中心があり、かつ半径
２ｇの（より大きな）円１１４内のすべてのノードにつ
いて通信プローブ手続をスケジューリングすることがで
きる。これは、上に説明したような、潜在的通信領域の
予備的概算であった。この場合、より多くの送信が必要
となるかも知れないが、この方法を実行し、ネットワー
クのすべてのメンバーノードを巻きこむ必要がない。

【００４４】なお、電力と時間（または帯域幅）は、潜
在的通信ネイバーのセットをまず絞り込むことにより節
約されているので、各ステップにおいてすべてのメンバ
ーノードへ/からの送信、または送信勧誘側ノード１１
０の２ｇの範囲にあるすべてのメンバーノードへ/から
の送信でさえスケジューリングする必要がなかった。か
かわるノードが少ないことで、スケジューリングする送
信数も少ないので電力が節約される。通信スケジュール
に使用するアルゴリズムによって、新ノードから複数の
メンバーノードへの送信が、複数の時間スロットで行わ
れる可能性があり、各意図する受信側メンバーノードが
そのそれぞれ割り当てられたスロットのの間にのみ受信
を行うよう設定される。このようなスケジュールでは、
複数の受信メンバーノードへの送信は、実際には複数の
送信を必要とし、意図する受信側ノードの数が多けれ
ば、必要とするエネルギーおよび時間も大きくなる。ス
ケジュールアルゴリズムが新ノードから複数の受信側メ
ンバーノードへ単一の送信を可能にする場合でさえ、意
図する受信側ノードは、各々送信勧誘側ノード１１０に
対して試みた送信の結果について報告しなければならな
い。報告するには、報告するノード１つについて少なく
とも１回の送信が必要になる。このように電力と時間
は、関係するノードの数を低く抑えることにより節約で
きる。電力および時間は、メンバーノードから新ノード
へのテスト送信の数を少なくスケジューリングすること
によっても節約できる。ハードウェアの実現例では、受
信機は、送信がスケジュールされていない時間スロット
の間、オフすることにより余分な電力を節約することも
できる。この方法におけるすべてのステップで、送信を
スケジュールし、かつできるなら必要な送信の数を絞り
込む前に、送信側ノード１１０が近傍を計算し、制限さ
れたメンバーノードのセットを識別する。計算に必要な
電力が、ワイヤレス通信に必要な電力より少ないという
事実を利用して、電力が節約される。

【００４５】送信のスケジュールが、関連のメンバーノ
ードに分散された後実行され、その結果が、関連のメン
バーノードごとにマイクロプロセッサにより記憶され
る。これで、新ノード２１０の通信ネイバーであるメン
バーノードのセットが正確にわかる。図９い示す本件の
例では、新ノードが、送信勧誘ノード１１０以外に、他
の２つの通信ノード１３２および１４４のみを発見す
る。なお、通信ネイバーは、実際には、新ノード２１０
上に中心を持つ半径ｇの円１４６内にあるはずである。
ｇがノード２１０の最大通信距離だからである。

【００４６】新ノードが、その通信ネイバーのセットを
決定すると、その絶対位置の計算が改められ得る。本質
的に２次元のネットワークでは、送信勧誘ノード以外に
通信ネイバーが見つかった場合、新ノードの場所は、送
信勧誘ノードから半径ｄの円（または３次元のネットワ
ークにおいては、球）上にあるとのみ決定される。１つ
他の通信ネイバーが発見されると、この追加の通信ネイ
バーに測距を行って、新ノードの場所が、表面上の２点
のうちの１つ（または３次元空間の場合には円）に決定
される。この状態を図１０に示す。メンバーノード１４
４と送信勧誘側ノード１１０で測距を行った後、２１０
が１１０上に中心があり半径ｄの円１２２と、半径ｄで
メンバーノード１４４上に中心があるもう１つの円１４
８上にあることがわかる。この情報によって、新ノード
の可能な場所が円１２２と１４８が交差する２点に限定
される。これは、２１０の場所（その実際の正確な場
所）か、または円１４８と１２２の他の交差点２１２に
ある。第３のノード、たとえば１３２は、場所を新ノー
ド２１０の実際の場所の１点に決定する（メンバーノー
ド１３２および１４４ならびに送信勧誘側ノード１１０
が、同じ線上にある特別な場合を除く）。表面上では、
ナビゲータには周知の通り、非同一線上の３点で測距す
れば場所を一点に決定するのに十分である。接続関係の
知識も用いて、場所決定の助けとする。ただし、無線伝
播は、非均一であり、問題を複雑にする可能性がある。

【００４７】新ノード２１０の場所がさらに決定される
と、干渉ネイバーメンバーノードの新ノードのセットを
メンバーノードのわかっている場所と新ノードの場所の
改善された概算値とを比較することにより、限定するこ
とができる。メンバーノードの場所を新ノード２１０の
干渉近傍に比較する計算は、新ノード２１０または送信
勧誘ノードのいずれでもマイクロプロセッサにより行う
ことが可能で、その結果の情報を用いて、新ノード２１
０の干渉ネイバーが新ノード２１０と同時に送信しない
ような改善された通信スケジュールを計算することがで
きる。この限定は、図１１に示すとおりで、同図ではノ
ード１３２で測距するステップは、新ノードの位置が正
確にわかっていないが、２つの候補点に絞り込まれてい
る、より一般的な場合をよりよく説明するために、省略
している。干渉ネイバーは、２つの円１５０（半径ｂの
可能な新ノード場所２１０上を中心とする）および１５
２（半径ｂで他の可能な新ノード場所２１２上を中心と
する）を結合したものの範囲にあるはずである。

【００４８】次に、スケジュールを展開して、新ノード
２１０の干渉ネイバーであるメンバーノードのセットを
さらに限定する。新ノードの場所が正確にわかっていな
い場合、干渉の可能な領域は、完全に半径ｂの円に限定
されていない（図１１の例では円１５０）。新ノードが
はっきりどこにあるかわからない場合でも、地形の影響
は、干渉近傍が計算されたものと同じになり得ないよう
に干渉を調節し得る。様々な方法を用いて実際の干渉近
傍を識別することができる。たとえば、潜在干渉近傍に
おける各メンバーノードおよびわかっている通信ネイバ
ーは、同時に送信ができかつ新ノードは通信ネイバーの
送信を高信頼度で受信することができるかどうか決定す
ることができる。これらの動作は、送信勧誘側ノードの
マイクロプロセッサから都合よく制御することができ、
関連するメンバーノードへネットワークを介して命令が
中継される。もう１つの方法は、潜在的干渉近傍におけ
る各メンバーノードからのスケジューリングされた送信
の受信信号強度を測定するなどして、新ノードの受信機
での物理的測定を利用して、干渉レベルを決定するもの
である。代替的には、送信勧誘側のノードが、各潜在的
干渉メンバーネイバーに対して、通常より高い電力レベ
ルでテストメッセージを送信して状況の特徴を表すこと
ができる。どちらの方法を使用しても、潜在的干渉ノー
ドのセットが複数の段階で事前に限定されており、すべ
てのメンバーノードへ/から単純に送信する場合に比べ
て必要とする送信が少なくかつエネルギー消費も少ない
というのが、本発明の利点である。さらに、この技術は
スケーラブルであり、どのように多数のノードがネット
ワークにあっても、最大空間密度があると仮定すれば、
新ノードを組込む時間と努力は限られる。

【００４９】図１１は、本件の例において干渉プロービ
ングスケジュールを実行した後に、新ノード２１０が、
すべて半径ｂでノード２１０を中心とする円１５０の範
囲の７つ（プロービング前可能だった９つのうち）しか
干渉ネイバーを有していないことを発見する場合を示
す。発見された干渉ネイバーは、１３４、１３６、１３
８、１４０、１４２、１２６および１４４である。

【００５０】新ノード２１０のトポロジーがこれで完全
に把握され、新ノードがネットワークに対して有する効
果を計算し分散させて、ネットワークの通信スケジュー
ルプロトコールに組込む。新ノードは、通信ネイバーの
いずれかと通信し得るが、干渉ネイバー（通信ネイバー
でない）が送信している間に同時に受信はできない。新
ノードは、干渉ネイバー（通信ネイバーでない）が送信
している間に同時に受信することはできない。また、新
ノードは、干渉ネイバー（通信ネイバーでない）が受信
（媒体の送信/受信対称を仮定する。そうでない場合、
プロ−ビングは、双方向行って干渉トポロジーを完全に
決定する必要がある）している間同時に送信することが
できない。この情報により、好ましくはＴＤＭＡプロト
コルで、ネットワークを介するマルチホップ通信のため
送信をスケジューリングすることが可能となる。ＴＤＭ
Ａは、ある時間スロットにおいて、活性でない送信機と
受信機を一時的にオフにすることができるので、エネル
ギーが節約されるため、低電力ネットワークにおいて有
利である。ノードは、それでもそのＴＤＭＡ時間スロッ
トにおいて、拡散スペクトルまたは周波数ホッピング技
術を採用することができ、かつまたそのような技術を採
用することは望ましい。

【００５１】新ノードのトロポロジー的効果がわかった
後、得られた情報（新ノードのＩＤ、場所ならびに通信
および干渉ネイバー）を、少なくとも通信をスケジュー
リングするのに必要な局所的範囲でネットワークに行き
渡らせる。ノード上の個々の予めプログラムされたマイ
クロプロセッサにより制御される、ネットワークの通信
プロトコルは、情報がネットワーク内でルーチングさ
れ、かつユーザインターフェースノード（データ出力ま
たは入力のため、ユーザにアクセス可能なノード）へ/
から向けられ得るように、適切なトポロジーに関する情
報の分散を図る必要がある。同様に、新ノードは、ネッ
トワークからのルーチングおよび他の情報を受け、その
情報を自身のマイクロプロセッサに記憶する。新ノード
２１０は、これで、ネットワークのメンバーノードとな
る。このノードは、今度は、参加しようとする他の新ノ
ードに対して送信勧誘をすることができる。新ノードの
特徴づけ方法を各メンバーノーからかつ各新ノードごと
に繰り返す。ネットワークの組織化は、完全なネットワ
ークを組織化する分散した態様で、スタートアップネッ
トワークから外向きに伝播する。完全なネットワークが
構成された後でも、送信勧誘は継続して発行され、後で
提供される新ノード（たとえば、ユーザの行動によっ
て）があれば、これを加えることができる。

【００５２】先の説明の中で、特に指摘した場合を除
き、本発明は２次元のネットワークに関連するものとし
て検討しており、ノードのすべてが表面上にあるものと
した。しかしながら、本発明は表面上にあるノードに限
定されるわけではない。３次元のネットワークでは、通
信距離と干渉距離が、３空間で領域を規定するので、同
じ手続を適用することができる。また、本件の方法は、
無指向性アンテナとともに使用するものに限定されな
い。指向性アンテナを有するネットワークでは、検討さ
れる様々な領域が、平面（２次元）または３空間（３次
元）において不規則な領域になる。不規則なジオメトリ
のせいで計算が複雑になることを除けば、本発明の方法
は、本質的に同じである。

【００５３】図１２から図１５を合わせると、図１２の
上から図１５の最後までフローチャートになっており、
本発明の詳細なステップを示す。方法は、分散型であ
り、すなわち、タスクが同時に複数のノードで行われる
ので、チャートは、新ノード、送信勧誘ノード、および
他の活性メンバーノードで起こる動作を表す３つの欄で
読むことになっている。

【００５４】フローチャートは、新ノードの電力オン
（２２０）で始まる。電力オンの後、新ノードは、ビル
トインテストおよびビルトイン校正プログラム（２２
２）を含む予めプログラムされた初期化プロセスをはじ
める。初期化の後、新ノードは、ネットワークへの送信
勧誘があるか聞く（２２４）。１周期ｐいっぱい聞いた
後、送信勧誘を受信しなければ、新ノードは、自身がネ
ットワークにおける最初のノードであると仮定して、送
信勧誘ノードモードに入る。これは、送信勧誘モードの
欄への経路で示される。

【００５５】送信勧誘ノードが、送信勧誘を発行してい
る場合（２２６）、新ノードはこれを受信したら、応答
する（２２８）。送信勧誘ノードは、新ノードからの応
答を受信し（２３０）、新ノードがその通信および干渉
トポロジーを知ることができるように、新ノードとその
潜在的通信ネイバーメンバーノードとの間のペア単位の
通信のスケジューリングに移る。ペア単位の通信スケジ
ュールは、ＴＤＭＡ時間フレームにおける特定の時間ス
ロットの各ノード対（２ノード間の「リンク」）への割
り当てであることが好ましいと考えられるが、先に説明
した通り、ＦＤＭＡを含む他のタイプの組織でも可能で
ある。

【００５６】ペア単位の通信スケジュールを受信すると
（２３２）、新ノードは、交換、交渉および開始のアク
ティブプロセスを行う（２３２）。これらの活性プロセ
スは、「５分間、パワーダウン」、「すべてのセンサを
最大警戒活性へ」などユーザからの高優先度の無効命令
またはデータを含み得る。このタイプのネットワークへ
の緊急命令には、トポロジー知得方法を完了する前に、
直ちに従う。これにより、ユーザーは、たとえば新ノー
ドを発射装置（artillery）でネットワーク内へ発射す
ることによりまたは航空機から投下することにより「ボ
トルに入れたメッセージ」をネットワーク内に送ること
ができる。開始された活性プロセスは、環境における地
震や他のセンサで検知可能な活動の検知を開始するな
ど、より通常の機能を含むことも考えられる。

【００５７】一方、他のメンバーノードも通信スケジュ
ールを受信する（２３４）。送信勧誘ノードおよび他の
活性ノードが、同様の活性プロセスを開始することにな
る（２３６）。新ノードと送信開始ノードは、そこでノ
ード間距離を測定する（２３８）。距離が測定される
と、送信勧誘ノードは、先に説明した通り、測定された
領域内の潜在的通信ネイバーのセットに基づき、新通信
スケジュールを発生させる（２４０）。新ノードと他の
メンバーノードとは、新通信スケジュールをステップ
（２４２および２４４）で受信する。一般的な通信スケ
ジュールを発生した後、送信勧誘ノードは、新ノードが
加わることによって変更された通信トポロジーを知るた
め、新ノードと他の活性ノードとの間で実行すべき送信
の特定のスケジュールを発生し（２４６）、同スケジュ
ールを送信する。新ノードおよび他の活性ノードは、通
信トポロジー知得スケジュールを受信し（２４８および
２５０）、送信のスケジュールを実行する（２５２）。

【００５８】通信トポロジー（新ノードの通信ネイバー
のセット）を知った後、新ノードは、情報を送信勧誘ノ
ードへ送信する（２５４）。送信勧誘ノードは、通信ト
ポロジー情報を受信すると（２５６）、新ノードの通信
および干渉近傍で新通信スケジュールを発生（２５
８）、同新スケジュールを送信する。スケジュールが新
ノードおよび他のメンバーノード（２６２）により受信
される（２６０）。送信勧誘ノードは、新ノードの位置
を見つけるスケジュールを発生（２６４）し、このスケ
ジュールについて新ノードおよび他のメンバーノード
（２６８）に知らせる（２６６）。先にも述べた通り、
これには新ノードを見つけるために１以上のネイバー
（２７０）で測距を行うことも含まれる。新ノードの位
置は、新ノードにより計算され（２７２）、かつ送信勧
誘ノードに知らされる。この情報を受けると、送信勧誘
ノードは、干渉トポロジー（新ノードの干渉近傍にある
ノードのセット）を知るためのもう１つの通信スケジュ
ールを発生する（２７４）。新ノードおよび他のメンバ
ーノードは、この通信スケジュールを受けると（２７
６）、スケジュールを実施しに移り（２７８）、干渉ト
ポロジーを知る。干渉トポロジーを知ると、新ノード
は、送信勧誘ノードに情報を与え（２８０）、かつ新ノ
ードは、新しいかつより正確な干渉トポロジー情報に照
らして通信を再スケジューリングする（２８２）。送信
勧誘ノードは、送信を行い、かつ新ノードおよび他のメ
ンバーノードは、この新スケジュールを受信する（２８
４）。

【００５９】最後に、新ノードは、「シンク」が取りつ
けられているかどうか判断するため自身をテストし（２
８６）、送信勧誘ノードに知らせる。「シンク」は、そ
こから情報がユーザに通信される出力ポートまたはノー
ドである。ユーザが持ち運ぶノードハンドさえ可能であ
る。これらは、ユーザーがネットワークにインタフェー
スする場合の重要なポイントである。いくつかの応用に
おいては、方法の初期の段階、たとえば通信スケジュー
ル/活性プロセスステップ２３２の前に、シンクテス
ト、ステップ２８６を行うことが有用かもしれない。と
いうのも、ユーザは、ネットワークデータの使用につい
て高い優先度を有しているかも知れないためである。ユ
ーザは、トポロジーを乱さずにネットワークにすばやく
タップして情報を得たいと思うかもしれない。その場
合、残りの手続すべてを省略か遅延させてもよい。

【００６０】送信勧誘ノード上のマイクロプロセッサ
は、シンク情報を受信（２８８）すると、ネットワーク
のエンドトゥエンドの回路の要求を計算し、これらの要
求に合った全体的通信スケジュールを見つけだす。新ノ
ードおよび他の活性ノードは、この新スケジュールとル
ーチング情報を受ける（２９０）。ネットワーク内の通
信用の完全なルーチング情報およびスケジュールを受信
して、新ノードは、ネットワークのメンバーとなり、新
ノードが検出されなくなるまで、フローチャート全体
を、ネットワークの送信勧誘ノードとしての各ノードか
ら繰り返す。

【００６１】ノード間の通信をスケジューリングするの
に使用することができるＴＤＭＡフレームの１例を図１
６に示す。通信は、繰り返し時間フレーム３１２内の時
間スロット３１０a、ｂ等に組織化される。図示したフ
レームは、特定のノード、ノードｉの視点から考慮した
ものである。割り当てられる時間スロットには、いくつ
かのタイプがある。ネットワークエントリスロット３１
４、複数のネイバーに同時に同報するためのノードｉの
同報スロット３１６、ノードｉとそのネイバーとの間の
ノード間通信のためのスロット３１８（ｉからｊとｊか
らｉの各方向に１スロット）と、他のノードで使用する
ために割り当てられ、ノードｉで使用できないスロット
３２０（干渉ネイバーのスロット）と、一時的な優先的
必要ため、特別に割り当てられるスロット３２２と、必
要に応じて割り当てられる帯域幅（スロット３２４）の
残りのすべてである。時間スロットを割り当てる多くの
適切な方法のうち一例に過ぎないが、図１６に示す例で
は、ネットワークエントリスロット３１４が、ネットワ
ークの自己組織化とトポロジー知得のために特別な重要
性を有する。これらのスロットは、送信勧誘スロット３
１０ａと、応答スロット３１０ｂと、ポインタスロット
３１０ｃとから成る。送信勧誘ノードは、送信勧誘スロ
ット３１０ａ内でその送信勧誘を同報し（先に述べた通
り、図１２のステップ２２６）、新ノードは、応答スロ
ット３１０ｂ内で応答し（図１２のステップ２２８）、
かつ送信勧誘ノードから、新ノードに対して更なる通信
用に割り当てられている正しいスロットを示す、ポイン
タスロット３１０ｃ内でポインタを受ける（図１２のス
テップ２３２）。

【００６２】既存のネットワークにノードを加える他
に、本発明を利用して複数の組織化されていないノード
から初期ネットワークを作ることができる。これは、本
発明の上記の説明において想定される「スタートアップ
ネットワーク」が考えられる。ネットワークの創出は、
まず電力ダウンしたか、タイミング決めされた不活性モ
ードで配備された複数のノードで始める。ユーザが、ノ
ードを手動でオンにするか、タイミング決めされた不活
性期間が終了すると、ノードのうち１つが、パワーアッ
プして活性モードに入る。この方法は、上記のフローチ
ャート１２から１５に従い、以下の通り要約することが
できる。すなわち、活性モードを開始するにあたり、ノ
ードは、初期スタートアップ手続（ユーザーへの接続、
ビルトインセルフテストをチェックし、使用期間を測定
するためのカウンタをスタートする等）を行うことがで
きる。それからノードは、聞き取りモードに入り、受信
機が活性状態になり、既存のネットワークへの参加の勧
誘がないかを聞く。最大送信勧誘期間より長いある程度
の期間聞いた後、送信勧誘がなければ、そのノードは、
自分が最初の（第１の）ノードであると仮定する。予備
プログラミングに続いて、送信勧誘に時間スロットを、
予測される新ノードとの双方向通信用に少なくとも２ス
ロットを割り当てるＴＤＭＡスケジュールを準備する。
それから、第１のノードが、送信勧誘を発行する。

【００６３】応答が受信されなければ、第１の（送信勧
誘）ノードは、不活性モードへ逆戻りし、好ましくはい
くらかの擬似ランダムな「ジッタ」を含むいくつかの間
隔の後、再び聞くことができる。ジッタによって、２以
上のノードが執拗に同時送信勧誘を発行して、互いに干
渉し、互いの送信勧誘を逃してしまう、不要な同期状態
を防止する。新ノードが検出されなければ、第１のノー
ドが、再び送信勧誘を発行することができ、かつプロセ
スが繰り返される。

【００６４】最終的には、ノードはネットワークを構成
できるように配備され、新ノードは、受信を行い、第１
の送信勧誘ノードに応答する。送信勧誘および応答は、
上に説明しかつ図２から図１５に示す方法を開始する。
この方法は、いくつかのステップが２ノードのみの場合
にトリビアルになる点以外は本質的に同じである。すな
わち、送受信のためにスケジューリングを行う他のメン
バーノードが存在しない場合である。送信勧誘ノード１
１０は、新ノードで測距を行うことができる。新ノード
の正確な位置は、ネットワーク展開のこの時点では決定
できない。潜在的通信および干渉近傍は、先に挙げた例
の通り計算されるが、これらは絞り込むことができな
い。この方法では、第１および第２のノード両方によっ
て繰り返して第３のノードを見つけこれをネットワーク
に加えることができる。複数ノードネットワークを最終
的に完全展開することができるが、場所がわかっている
ノードが十分な数組込まれるまでは、ノードについて正
確な相対場所は、計算できないので、トポロジーを知る
にはより多い数の送信が必要となる。代替的には、相対
場所は通信距離が重なる十分な数のノードが組込まれた
場合に計算することができる（たとえば三角法によっ
て）。位置が計算できなくても、いくつかの応用では、
トポロジー自体が有用で、位置情報は必要でないかも知
れない。たとえば、ワイヤレスネットワークは、侵入さ
れた正確な場所がわからなくても、侵入者の存在を検知
するために有用かもしれない。トポロジー的に組織化さ
れたネットワークでは、たとえ位置情報がなくても、ユ
ーザに侵入者に関する警告を中継するだけで十分だと考
えられる。

【００６５】この方法は、調節可能な送信機および受信
機電力を有するノードとともに使用することができる。
ノードをプログラムして、有限数の離散電力レベルに調
節することができる。トポロジー知得シーケンスを、シ
ーケンスにおける個々のレベルの各々について別々に実
行することができる。電力消費を減らすため、このシー
ケンスをまずより低い電力レベルで実行することが好ま
しい。

【００６６】検討を要するある特別な状況は、２つの新
ノードが同時に送信勧誘ノードに応答する場合である。
この場合、送信勧誘ノードおよび新ノードは、衝突が発
生したことを検知して、適切なランダムアクセスまたは
優先付技術を使用して、新ノードからの再送信をスケジ
ューリングする。ノーマン・アブラムソン（Norman Abr
amson）が、「パケット同報チャネルのスループット」
（"The Throughput ofPacket Broadcasting Channels,"
IEEE Transactions on Communications, Vol.Com-25, N
o. 1, Jan. 1977）で説明するＡＬＯＨＡ技術等の様々
な従来の技術を利用することができる。代替的には、ノ
ードに、独自に割り当てたＩＤ番号に基づいて再送信に
優先度を割り当てることができる。図１２から図１５の
方法を用いて第１の新ノードを加えることにより得られ
るトポロジーを知り、再び、第２の新ノードを加えるこ
とにより得られるトポロジーを知る。

【００６７】

【ノード装置】Ａ. 一般 本発明は、多数のセンサを含む、低電力、集積ネットワ
ークを起動し利用するよう特に設計されているので、マ
イクロパワー、ワイヤレスの集積センサからなるネット
ワークにおいて使用することが好ましい。そのようなネ
ットワークは高集積度で、微細化され、通信距離が短
く、柔軟にプログラム可能で、かつノード当たりのコス
トが低いノードを提供することによって実現される。

【００６８】図１７は、地域に配備する可能性のある単
一の装置またはノードの１つの可能な実現例を示す。こ
のノードは、回路２を含む機能コンポーネント（仮想線
で示す）と電源（電池）３を収納しかつ環境的保護を与
えるための囲い１を含む。囲い１の上に無線信号を送受
信するためのアンテナ４を装着する。アンテナ４は、人
工的な接地板を有する垂直ダイポールとして示すが、等
角アンテナループまたは集積アンテナ素子まで含めて、
他の構成を用いてもよい。ノードハウジング１の外形
も、用途に応じてほどんどどのような形状に変更するこ
とも可能である。ハウジング１の寸法は可変で、最小サ
イズは、回路２および電源３の集積度と微細化度によっ
てのみ制限される。図示のノードは、図に示すような音
声パルスを出すための音波または超音波トランスジュー
サ６も含む。このトランスジューサは、一般に任意に設
置可能だが、いくつかの実施例においては、以下により
詳しく説明する通り、隣接するノードからの距離を音響
的に測定する機構の一部として存在する。測距用に音響
または超音波トランスジューサ６を使用する多くの応用
においては、音声を広くまたはほとんど全方向に分散さ
せて、多くの方向における測距が可能なトランスジュー
サを使用することが有利である。

【００６９】図１８は、個別のノード用のアーキテクチ
ャを示す。局所的な環境条件または変化（地震、超音
波、音波または電磁気信号を含む）は、センサまたはセ
ンサアレイ１２によって検知される。センサ（単数また
は複数）がアナログ信号（単数または複数）を生成する
典型的な場合では、アナログ−デジタル変換機（ＡＤ
Ｃ）１４を設けてセンサからのデータをデジタル化す
る。データは、バッファメモリ１６に処理のため記憶す
る。デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１８は、記憶さ
れたデータをフィルタ処理しかつ分析して、ＳＮ比を向
上させかつセンサデータの振幅とスペクトル特性とに関
する情報を抽出することが好ましい。フィルタ処理の
後、ＤＳＰ１８は、この特徴をユーザがプログラムした
プロファイルと比較し、比較結果をマイクロプロセッサ
２０に与える。マイクロプロセッサ２０は、ＤＳＰ１８
からのこの情報に基づいて決定を行う。たとえば、車両
を示す、ある低周波数の信号が検出されれば、ワイヤレ
ストランスシーバ２２に警告を送信させる可能性があ
る。マイクロプロセッサ２０は、必要なら、データのさ
らなる信号処理および分析を行うことができ（例えば、
決定分析またはターゲット分類）またはＤＳＰ１８を再
構成して特定のスペクトル帯をより厳密に調べることが
できる。さらに、マイクロプロセッサ２０は、他のノー
ドおよび/またはユーザとの通信を制御およびスケジュ
ーリングするためにプログラムすることができ、または
第２のマイクロプロセッサを設けて、ワイヤレストラン
シーバ２２を制御してこれらの機能を行うことができ
る。マイクロプロセッサ２０も、信号発生器４４を制御
することが好ましく、それにより、測距機能が求められ
る場合には、音響または超音波トランスジューサ６に給
電する増幅器４６を駆動する。

【００７０】信号処理、判断、測距および通信管理を含
むノードの機能の多くは、別々の専用マイクロプロセッ
サにより行うことができる。本発明は、複数のマイクロ
プロセッサを有する実施例を含むが、簡略化のため、図
面では様々な機能を行うマイクロプロセッサ１機のみを
示す。

【００７１】マイクロプロセッサ２０が制御するワイヤ
レストランスジューサ２２は、他のノードのネットワー
ク３２およびユーザ（単数または複数）３４と通信す
る。通信は双方向で、データ（空間および時間領域）ま
たは命令を送信、受信または中継することができるよう
になっている。受信されたデータまたは命令は、マイク
ロプロセッサ２０が記憶しかつマイクロプロセッサ２０
またはＤＳＰ１８いずれかのプログラミングを変更する
ために使用することができる。本発明は、制限された電
源（すなわち、一般に電池または太陽電池）で、多数の
ノードからなるネットワークにおいて使用することが好
ましいので、消費電力レベルが低いトランシーバが好ま
しい。

【００７２】好ましい実施例においては、ノードのいく
つかのコンポーネントのサブセクション（センサ１２、
ＡＤＣ１４、ＤＳＰ１８、マイクロプロセッサ２０、信
号発生器４４、増幅器４６、受信信号強度指示器４８お
よびワイヤレストランシーバ２２）は、すべて、電源３
が給電するチップ２４上に完全に集積されかつ囲い１に
収納されている。このように集積することによって、低
コスト製造および極めて小型のパッケージが可能とな
る。ただし、集積度は増減が可能で、結果として得られ
るノードも本発明とともに利用可能である。

【００７３】ノードのサブセクション各々の詳細な動作
および構造について個々に説明するが、まずセンサ１２
から説明を始めることにする。

【００７４】Ｂ．センサ１２ センサシステムは、環境にある雑音の存在下に信号を識
別する必要がある。ソース信号（地震、赤外線、熱、
光、音響、機械その他）は、すべてその出力源から遠ざ
かると急速に振幅が減衰する。検知距離を広げるため、
センサの感度を上げなければならない。また、背景雑音
という基本的な制限によって、どのセンサにも最大検知
距離が存在する。したがって、最大感度を得て、より広
くかつ高密度に分布させることができる小型のセンサを
利用することが望ましいかもしれない。また、いくつか
の応用においては、複数のセンサ（可変な特徴の）とノ
ードの信号処理、制御、およびワイヤレストランシーバ
部分とを統合して、そのノードから得られる情報を増や
すことが望ましい。

【００７５】センサと他の電子部品との統合は、従来技
術の「フリップチップ」ボンディングにより行うことが
好ましい。「フリップチップ」プロセスでは、センサダ
イとＣＭＯＳインタフェースダイとを各々製作する。Ｃ
ＭＯＳインターフェースダイを次にフリップしてセンサ
ダイに結合するが、同センサダイは、一般にバルクマク
ロマシニングしたセンサ構造を含む。このプロセスは、
モジュール式処理を可能にする。すなわちセンサダイの
製造（ＣＭＯＳ処理とは両立しない材料での）をＣＭＯ
Ｓ製造と分離する。こうして、高性能圧電および焦電ア
クチュエータならびにセンサ材料をＣＭＯＳの製造に干
渉することなく、ＣＭＯＳ測定および制御系に統合する
ことができる。

【００７６】本発明において使用可能な一般的センサ
が、William J. Kaiserの特許第５，６５９，１９５号
により開示される。この特許には、たとえば、地震計ま
たは振動センサとして使用可能なＣＭＯＳ集積マイクロ
振動加速度計を開示する。集積マイクロ音響センサおよ
び熱電センサも同特許により開示される。本発明ととも
に使用することに適した他の熱赤外線センサは、David
T. Changの「マイクロパワー高検出度赤外線センサシス
テム」（"Micropower High-Detectivity Infrared Sens
or System，" Solid State Sensor and Actuator Works
hop (Technical Digest), TRF cat. No. 98TRF-001, Li
b. of Congress no. 98-60214, ISBN no.0-9640024-2-
6）第２０５頁から２０８頁（１９９８年）に記載の高
感度の薄膜放射サーモパイルセンサである。このような
装置は、本発明のノードの他のコンポーネントでの大規
模集積によく適しているが、ジオフォン、音響検出器、
熱センサ、光電気検出器または機械的なトランスジュー
サでさえも一緒にまたは集積センサの代替物として利用
することができる。

【００７７】本発明の一実施例では、含まれる他のセン
サに加えて、従来技術のマイクロフォンが、音響センサ
としてセンサアレイ１２に含まれる。マイクロフォン
は、以下に説明するとおり音響パルスまたは超音波パル
スを検出するために測距過程において使用される（「測
距装置」）。

【００７８】Ｃ．ＡＤＣ１４ 図３に示す、本発明の典型的な実施例では、センサはア
ナログ信号出力を生成する。その上で、ＡＤＣ１４を設
けてセンサ出力をデジタル形式に変換して処理する必要
がある。Σ−Δアーキテクチャは、低電力かつ低雑音動
作を行うため、本発明のＡＤＣでの使用に適している。
低電力という制限により、フラッシュ、パイプラインお
よび逐次近似アーキテクチャの使用は難しいが、対象の
センサデータにとって十分な帯域幅および解像度がある
場合、かつさらにＡＤＣ電力消費が、利用可能な電力と
電源寿命の要件と矛盾しない場合には、ＡＤＣアーキテ
クチャを使用可能である。

【００７９】Ｃ．ＤＳＰ 対象のスペクトル領域内にある信号のＳＮ比を向上させ
る一方で、ＤＳＰを設けて、センサにより得られる信号
の振幅およびスペクトル特性を分析することが好まし
い。ＤＳＰは、その上で信号の振幅およびスペクトル特
性を記憶されたかまたはネットワークから通信された参
照スペクトルプロファイルと比較する。比較結果、スペ
クトルデータ、および生の信号データが、マイクロプロ
セッサ２０に入手可能となる。複数のセンサをノードの
上に設けて、信号源（単数または複数）のＩＤ、数、サ
イズ、距離および方向についての手がかりを抽出する場
合には、このデータは、マイクロプロセッサ２０により
他のセンサからのデータと組み合わせることができる。

【００８０】ＤＳＰは、低電力に重点をおいて実現する
ことが好ましい。低信号処理速度は、低電力継続動作を
可能にする場合には許容され得る。これは、一般のセン
サシステムの帯域幅が低く、たとえば、地震振動計の場
合、およそ１００Ｈｚ程度であるためである。スペクト
ル分析器または広く販売され入手可能である高速フーリ
エ変換（ＦＦＴ）チップのいずれか等、専用装置が使用
され得る。代替的には、ソフトウェア制御の下、マイク
ロプロセッサ２０によりデータを処理することができ、
その場合、マイクロプロセッサ２０は、ＤＳＰ１８の役
割もする。

【００８１】分析したスペクトルを参照プロファイルに
比較することで、センサ信号の出力源を識別する方法が
提供される。たとえば、顕著なスペクトルシグニチャを
出す大型の重量車両は、プログラムされた周波数プロフ
ァイルを参照して他のタイプの信号源から区別すること
ができる。

【００８２】Ｄ．マイクロプロセッサ２０ マイクロプロセッサ２０は、ノードにとって、本質的な
制御、論理およびプログラム機能を提供する。センサデ
ータに基づく決定を行うことに加えて、通信スケジュー
リング、ネットワークのトポロジーの知得、ルーチング
テーブルの管理および更新、ネイバーノードまたはター
ゲットに関する距離の計算、データの記憶、およびノー
ド間、ユーザ３４へ/からの通信の中継を含む複数のタ
スクを処理する。

【００８３】先に述べた通り、通信スケジューリングお
よびトポロジー知得に含まれる機能のすべては、（すく
なくとも１つの）ノードマイクロプロセッサにより制御
される。各メンバーノードにおけるマイクロプロセッサ
は、たとえば、他のネットワークメンバーノード、それ
らの場所、それらの接続通信リンクおよび送受信用にス
ケジューリングされた時間スロットを示すマトリックス
を記憶することが可能である。

【００８４】マイクロプロセッサ２０は、いくつかの一
般に購入可能なマイクロプロセッサのいずれかでよい
が、低電力で柔軟な電力管理機能、低コストおよび十分
な処理能力について選択することが好ましい。たとえ
ば、候補には、アドバンスト・マイクロ・ディバイシズ
社から入手できるＡＭＤ「１８ＥＲ」またはインテル社
からの低電力「８０１８６」ファミリープロセッサが含
まれる。マイクロプロセッサは、低電力の「スリープ」
モードで一時的に動作できることが好ましく、このモー
ドからは、割り込み（たとえば興味のある信号の検出が
発生するなど）によって「目覚める」ことが可能であ
る。特定用途向けプロセッサを使用することができる。
この場合、設計は、低電力および「スリープ」モードの
使用によるデューティサイクルを使用する能力に重点を
おいて行う必要がある。信号の検出によって「スリー
プ」モードから「目覚め」ると、マイクロプロセッサ
は、信号に関する決定および他のノードに警告を与える
かいなか、データの取得を増やすかどうか、他のスペク
トルシグニチャをチェックするかどうかといった適切な
行動の過程に関する決定を行う。マイクロプロセッサ
は、状況に応じて、ＲＦ通信のスケジューリングおよび
制御ならびにＲＦおよび他の回路を能動化/不能かする
能力も備えていることが好ましい。いくつかの応用で
は、マイクロプロセッサは、ＤＳＰ１８からのスペクト
ル密度情報および/またはＲＦトランシーバー２２への
バッファされた時間領域センサデータをルーチングして
ネットワークへ送信することができる。マイクロプロセ
ッサ２０は、ＤＳＰ１８についての係数のアップロード
も制御しており、条件、データ、受信した命令またはプ
ログラミングに応答して動的にＤＳＰを再構成すること
ができる。たとえば、マイクロプロセッサ２０は、メモ
リ２１（一般にマイクロプロセッサに一体のオンチップ
メモリ）からの係数をＤＳＰ１８にアップロードして、
対象のスペクトル領域を絞ったり広げたり、中心周波数
の移動（係数の変更によって）、または信号と比較する
新閾値プロファイルをロードすることができる。これに
より、ノードは協調したタスクまたはデータ取得におい
て他のノードと協働したり、またはセンサデータの現在
の特徴に基づいて、そのデータ処理を変更することがで
きる。

【００８５】Ｅ．ワイヤレストランシーバ２２ 好ましい実施例において、ワイヤレストランシーバ２２
は、マイクロプロセッサ２０の制御下に、ノードと他の
ノードまたはユーザとの間に双方向ＲＦ通信を提供し
て、データ、決定、プログラミングまたはルーチンのネ
ットワークプロトコール管理情報の通信を図る。トラン
シーバーは、時間スロットにおいて必要とされない場合
に、低電力消費「オフ」モード」を取る能力を有するこ
とが好ましく、電力がＴＤＭＡ通信スキームにおいて節
約され得るようになっている。

【００８６】図１９に示す通り、トランシーバ２２は、
アンテナ４、電源３（一般に電池）を共有する送信機８
６と受信機８７を含むことが好ましい。送信機８６およ
び受信機８７は、マイクロプロセッサ２０からのそれぞ
れイネーブル信号８８と８９により能動化/不能化され
る。ユニバーサル非同期受信機/送信機（ＵＡＲＴ）コ
ントローラ９０（例えば、Ｍａｘｉｍから入手可能なＭ
ＡＸ３２４３ＣＡＩチップ）が、受信機８７、送信機８
６およびマイクロプロセッサ２０との間のデータ転送を
処理する。受信機の設計は、低電力要件を維持しなが
ら、雑音が少なくなりより高い選択度が高くなることが
好ましい。いくつかのプロトコールにおいては、各ノー
ドがランダムに到来する信号を捕らえることができるよ
う、受信機は、高いデューティサイクルである程度の期
間、動作することができる必要がある。

【００８７】本発明に使用するのに適した従来技術の集
積度の高いトランシーバが、入手可能である。たとえ
ば、一般に購入可能なチップセットには、Ｒ９００ＤＣ
ＴＭ−４またはＲ９００ＤＣＴＭ−３トランシーバモジ
ュールを基本とするロックウェルデジタルコードレス電
話（ＤＣＴ）チップセットが含まれる。これらの集積度
が高いトランシーバ集積回路（ＩＣ）は、９０２から９
２８ＭＨｚ帯での動作に適していて、かつ同じ製造業社
から購入可能な適切な付随のチップがあれば、デジタル
拡散スペクトル（ＤＳＳ）動作も可能である。本発明で
の使用に適した他の購入可能なＩＣには、すべてＲＦモ
ノリシックス社（RF Monolithic, Inc.）製造のＲＸ２
０１０受信機およびＨＸ２０００またはＡＴ１０００送
信機が含まれる。どのＲＦＩＣを使用しても、小型、低
停止およびピーク電力消費でかつオン・オフ時間が短い
ことを基準に選択することが好ましい。トランシーバの
電子部品をセンサ、マイクロプロセッサおよび信号処理
電子部品と統合することが最も好ましい。

【００８８】いくつかの実施例においては、受信信号強
度指示器（ＲＳＳＩ）９２（図１８に示す）が設けら
れ、ＲＦ信号の受信信号強度を測定し、その情報をマイ
クロプロセッサ２０に与える。受信信号強度情報は、先
に述べた通り、本発明のいくつかの実施例においては、
ネットワーク自己組織化方法に関連して有用である。

【００８９】本発明は、無線通信ワイヤレスノードに関
連して説明したが、通信の媒体は、他のワイヤレス媒体
でもよく、赤外線波、光波、音波、マイクロ波はまたは
超音波が含まれる。変調の様々な手段もすべて利用可能
であり、かつ本発明の意図する範囲内にあるものとす
る。

【００９０】上記のトランシーバーの電力出力および受
信機感度は、いくつかの実施例では可変にしてもよく、
マイクロプロセッサの制御下にプログラム可能にしても
よい。

【００９１】Ｆ．測距コンポーネント いくつかの実施例においては、ノードは、他のノードか
らの距離を測定する能力があり、ネットワークの自己組
織化を容易にしている。そのようなある実施例では、マ
イクロプロセッサ２０が、信号発生器４４を制御する。
マイクロプロセッサ２０により起動されると、信号発生
器は、可聴または超音波周波数のいずれかが考えられる
信号を発生する。よりよい音波の分散を必要とする用途
においては、周波数はより低いほうが好ましい。非常に
小さなネットワークまたは変換用途（非可聴音のほうが
有利）には、周波数が高いほうが好ましい。信号発生器
４４は、増幅器４６を駆動し、同増幅器４６が、音響ま
たは超音波トランスジューサ６を駆動して音声パルスを
発生させる。

【００９２】図２０は、音波または超音波パルスをタイ
ミング決めするある方法により距離を測定するための動
作のフロー図である。２つのノード、ノードＡとノード
Ｂが相互の距離を測定すると仮定する。ノード上のすべ
ての動作は、そのノード自体に常駐のプログラムされた
マイクロプロセッサ２０によりもっとも都合よく制御さ
れる。ノードＡとノードＢの距離を測定するために、両
方のノードはまず無線コンタクトを確立して、測距を開
始することについて合意する（ステップ３３０）。次
に、ノードＡは、制御を確立しかつＲＦ信号を送信して
ノードＢを待機モードにする（ステップ３３２）。これ
に応じて、ノードＢは、予測されるＲＦトリガコマンド
の間待機する（ステップ３３４）。Ｂがこのモードに入
ると、他のプロセスにより遅延が起こることはない。次
に、ステップ３３６で、ノードＡは、ＲＦトリガコマン
ドを送信しかつ同時にタイマーを開始し、かつマイクロ
フォンまたはセンサ１２で音響（または超音波）パルス
を検出する。タイマは、信号を受信したかどうかチェッ
クする単純なソフトウェアループでよく、かつそうでな
い場合、カウンタレジスタをインクリメントし、ループ
バックして繰り返す。ＲＦトリガコマンドを受信する
と、ノードＢは、直ちに音響（または超音波）パルスを
送信する（ステップ３３８）。ノードＡ上のタイマー
は、パルスが受信されるまで動作を続け（ステップ３４
０）、受信された時点でタイマーをストップし、かつラ
ッチする。ラッチされる時間は、音声パルスがノードＢ
からノードＡの１方向に移動するのにかかる時間で、媒
体（通常は空気）における既知の速度を利用して、ノー
ドＢとノードＡとの間の距離を計算するために使用され
る。距離の計算は、（必要な情報がローカルセンサかユ
ーザの入力により供給される場合）、風、湿度および温
度等の要素に関する訂正を含み得る。計算された距離
は、上記のようなトポロジーの知得および自己組織化の
方法において使用することができる。

【００９３】本発明について特定の実施例を図示かつ説
明したが、様々な変更および代替的実施例が当業者には
思いつくであろう。したがって、本発明は、先行の請求
項によってのみ限定されることを意図する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ４つのワイヤレス通信ノードの重複する通信
距離を示す模式図である。

【図２】 所与のノードのネイバーを示す図である。

【図３】 ネットワークトポロジーの１例を示す図であ
る。

【図４】 本発明に従う、既存のネットワークからの送
信勧誘に応答する新ノードを示す図である。

【図５】 図４の新ノードの潜在的干渉領域を示す図で
ある。

【図６】 図４の新ノードの潜在的通信領域を示す図で
ある。

【図７】 送信勧誘ノードと新ノードが、それらを分離
する距離ｄを決定するところを示す図である。

【図８】 測距を行った後、限定される通信および干渉
の潜在領域を示す図である。

【図９】 本発明のステップにより決定される、新ノー
ドの通信ネイバーを示す図である。

【図１０】 新ノードをさらに見つける方法と干渉領域
の結果として得られる限定を示す図である。

【図１１】 新ノードの干渉ネイバーノードの図であ
る。

【図１２】 本発明により使用される好ましい方法のフ
ローチャート図である。

【図１３】 本発明により使用される好ましい方法のフ
ローチャート図である。

【図１４】 本発明により使用される好ましい方法のフ
ローチャート図である。

【図１５】 本発明により使用される好ましい方法のフ
ローチャート図である。

【図１６】 本発明で通信をスケジューリングするため
に使用可能なＴＤＭＡ時間フレーム内における時間スロ
ットの割り当ての一例を示す図である。

【図１７】 本発明の電子検知装置または「ノード」の
１つの外側斜視図である。

【図１８】 本発明の電子検知装置または「ノード」の
１つのアーキテクチャを示すブロック図である。

【図１９】 本発明で使用することが可能なワイヤレス
トランシーバのブロック図である。

【図２０】 本発明で使用可能な超音波または音声測距
方法のフローチャート図である。

【符号の説明】

１００ ノード、２００ 円、４００ ノード、ｄ 距
離、ｇ 距離。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローレン・ピィ・クレア アメリカ合衆国、91360 カリフォルニア 州、サウザンド・オークス、ウィザースプ ーン・ドライブ、1012 (72)発明者 ジョナサン・アール・アグレ アメリカ合衆国、91301 カリフォルニア 州、オーク・パーク、スモーク・トゥリ ー・アベニュ、6652

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の分散したノードからなるワイヤ
   レスネットワークの通信トポロジーを決定する方法であ
   って、そのうち１以上ですべてよりは少ないノードがメ
   ンバーノードのネットワークを含み、前記ノードの各々
   が、わかっている最大通信距離ｇとわかっている最大干
   渉距離ｂを有し、前記干渉距離が、送信ノードからの距
   離で、その距離の範囲内で前記送信ノードの送信が受信
   ノードの受信に干渉し得る、方法であって、 前記メンバーノードの１つである、送信勧誘メンバーノ
   ードを選択するステップと、 前記送信勧誘メンバーノードからのワイヤレス送信によ
   り、新非メンバーノードにメンバーノードのネットワー
   クへ参加するよう呼びかける送信勧誘を送信するステッ
   プと、 前記送信勧誘に応答して、前記新ノードの通信距離ｇ内
   のメンバーノードの通信セットを識別するステップと、 前記送信勧誘に応答して、前記新ノードの干渉距離ｂ内
   のメンバーノードの干渉セットを識別するステップとを
   含む、方法。
2. 【請求項２】 新ノードとその通信および干渉メンバー
   ノードのセットを識別する情報を少なくとも前記メンバ
   ーノードのいくつかに分散させるステップをさらに含
   む、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記メンバーノードの通信セットを識別
   するステップが、 前記新ノードから前記送信勧誘メンバーノードへの距離
   ｄをおよそ決定するステップと、 前記送信勧誘メンバーノードのｇ＋ｄの範囲内でこれら
   メンバーノードとして規定されるメンバーノードからな
   る潜在的通信セットを計算するステップと、 メンバーノードからなる潜在的通信セットの各メンバー
   ノードからのテスト信号を送信するステップと、 前記新ノードにより正確に受信されたテスト信号を受信
   した潜在的通信セットにおけるこれらメンバーノードの
   セットとしてメンバーノードの前記通信セットを識別す
   るステップとを含む、請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記新ノードから送信勧誘メンバーノー
   ド以外の第２のノードへの距離ｄ₂をおよそ決定するス
   テップと、 前記新ノードの前記送信勧誘および第２のメンバーノー
   ドに相対的で、およその距離ｄとｄ₂に矛盾しない、可
   能な位置を計算するステップとをさらに含む、請求項３
   に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記送信および分散ステップが無線を使
   用する、請求項１に記載の方法。
6. 【請求項６】 前記メンバーノードからなる通信セット
   を選択するステップが、 前記新ノードから前記送信勧誘メンバーノードへの距離
   ｄをおよそ決定するステップと、 前記送信勧誘メンバーノードの距離ｇ＋ｄ内のメンバー
   ノードとして規定されるメンバーノードの潜在的通信セ
   ットを識別するステップと、 前記新ノードからテスト信号を送信するステップと、 前記テスト信号を正確に受信する潜在的通信セットにお
   けるそれらのメンバーノードとしてメンバーノードの通
   信セットを識別するステップとを含む、請求項１に記載
   の方法。
7. 【請求項７】 前記新ノードから送信勧誘メンバーノー
   ド以外の第２のメンバーノードへの距離ｄをおよそ決定
   するステップと、 前記新ノードの前記送信勧誘メンバーノードおよび第２
   のメンバーノードに対する可能位置であって、前記およ
   そｄとｄに矛盾しない位置を計算するステップとを含
   む、請求項６に記載の方法。
8. 【請求項８】 メンバーノードの前記干渉セットにおけ
   るメンバーノードの少なくとも１つについて、 メンバーノードの干渉セットにおける前記メンバーノー
   ドからの信号強度テスト信号を送信するステップと、 前記新ノードにおける前記送信から受信した信号強度を
   検出するステップと、 メンバーノードの干渉セットを、その送信が閾値受信信
   号強度以上で受信されるメンバーノードのサブセットに
   限定するステップとをさらに含む、請求項６に記載の方
   法。
9. 【請求項９】 メンバーノードの前記通信セットにおけ
   るメンバーノードからのプローブ送信を送信するステッ
   プと、 前記プローブ送信と同時に、メンバーノードの前記干渉
   セットにおけるメンバーノードからのジャミング送信を
   送信するステップと、 メンバーノードの前記干渉セットを、前記プローブ送信
   の新ノードにより、そのジャミング送信が正確な受信を
   妨げるメンバーノードのサブセットに限定するステップ
   とをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 【請求項１０】 新ノードとメンバーノードの通信およ
    び干渉セットを示す情報を前記メンバーノードの少なく
    ともいくつかに分配するステップと、 前記新ノードをメンバーノードとして再定義するステッ
    プと、 メンバーノード間で、他の送信勧誘メンバーノードを選
    択するステップと、 メンバーノードのすべてが送信勧誘メンバーノードにつ
    いて選択されるまで、前記送信、識別、分配、再定義お
    よび選択ステップを繰り返すステップとをさらに含む、
    請求項１に記載の方法。
11. 【請求項１１】 複数の分散したノードからなるワイヤ
    レスネットワークの通信トポロジーを決定する方法であ
    って、前記複数のノードのうち１以上ですべてではない
    ノードがその位置がわかっているメンバーノードのネッ
    トワークを含み、前記ノードの各々が、既知の通信距離
    ｇと既知の干渉距離ｂを有し、前記干渉距離が、送信ノ
    ードからの距離であり、その距離内で前記送信ノードの
    送信が受信ノードの受信に干渉する可能性があり、同方
    法が、 前記メンバーノードからの送信勧誘ノードを選択するス
    テップと、 前記送信勧誘ノードのｇ＋ｂの範囲にあるメンバーノー
    ドとして規定されるメンバーノードの潜在的干渉セット
    を選択するステップと、 前記送信が、メンバーノードの前記潜在的干渉セットに
    おいてメンバーノード間で他のスケジューリングされた
    送信に干渉しないように前記送信勧誘ノードからの送信
    をスケジューリングするステップと、 前記新ノードに前記ネットワークに加わるよう送信勧誘
    を前記送信勧誘メンバーノードから送信するステップ
    と、 前記送信勧誘メンバーと前記新ノードとの間の概算距離
    ｄを決定するステップと、 前記送信勧誘メンバーノードの距離ｇ＋ｄの範囲にある
    メンバーノードとして規定されるメンバーノードの潜在
    的通信セットを選択するステップと、 メンバーノードの前記潜在的通信セットにおいて前記新
    ノードから各ノードへの送信の第１のスケジュールをス
    ケジューリングするステップと、 メンバーノードの前記潜在的通信セットにおける前記新
    ノードから各ノードへの送信の前記第１のスケジュール
    を実行するステップと、 潜在的通信セットにおける各メンバーノードからの送信
    の第２のスケジュールをスケジューリングするステップ
    と、 メンバーノードの前記潜在的通信セットにおいて各ノー
    ドからの送信の第２のスケジュールを実行するステップ
    と、 前記第１および第２の送信スケジュールから正確に受信
    した送信を識別するステップと、 前記受信した送信に基づいて、前記新ノードへ/から実
    際に送信/受信することができるメンバーノードとして
    規定される通信メンバーノードのセットを選択するステ
    ップと、 場所がわかっているメンバーノードに相対的に前記新ノ
    ードの場所を見つけるステップと、 前記新ノードとそのわかっている干渉距離の場所に基づ
    いて、前記新ノードの干渉距離に実際にあるメンバーノ
    ードのセットを選択するステップと、 前記新ノード、実際に前記新ノードの通信距離にあるメ
    ンバーノードの前記セットおよび実際に前記新ノードの
    干渉距離にあるメンバーノードの前記セットを識別する
    情報をメンバーノード間で分散させるステップとを含
    む、方法。
12. 【請求項１２】 メンバーノードの前記干渉セットにお
    いてメンバーノードのすくなくとも１つについて、 メンバーノードの干渉セットの前記メンバーノードから
    信号強度テスト信号を送信するステップと、 前記新ノードにおける前記送信から受信した信号強度を
    検出するステップと、メンバーノードの干渉セットをそ
    の送信が閾値受信信号強度以上で受信されるメンバーノ
    ードの干渉セットに限定するステップとを含む、請求項
    １１に記載の方法。
13. 【請求項１３】 メンバーノードの前記干渉セットにお
    いてメンバーノードの少なくとも１つについて、 メンバーノードの前記通信セットにおいてメンバーノー
    ドからのプローブ送信を送信するステップと、 前記プローブ送信と同時に、メンバーノードの前記干渉
    セットにおけるメンバーノードからのジャミング送信を
    送信するステップと、 メンバーノードの前記干渉セットを、そのジャミング送
    信が前記プローブ送信の新ノードによる正確な受信を妨
    げるメンバーノードのサブセットに限定するステップと
    を含む、請求項１１に記載の方法。
14. 【請求項１４】 場所がわからない少なくとも１つのノ
    ードと場所がわかっている少なくとも１つのノードでの
    配置に適した複数のノードであって、各ノードが、 物理的現象を検知するセンサと、 前記センサをモニタするプログラム可能なコンピュータ
    と、 前記プログラム可能なコンピュータにより制御されるワ
    イヤレストランシーバとを含み、前記トランシーバは、
    通信距離と干渉距離がわかっており、その範囲内でその
    送信が他の同様のトランシーバによる受信に干渉する可
    能性があり、前記プログラム可能コンピュータが、前記
    ワイヤレストランシーバに、他のノードへネットワーク
    に参加するようにという送信勧誘を送信させるようプロ
    グラムされており、 前記ノードが他のノードへの距離をノード間送信によっ
    て概算することができ、 前記プログラム可能コンピュータが、 （１）場所かわかっているノードと場所がわかっていな
    いノードとの間の概算距離から、場所がわかっていない
    前記ノードの概算位置を計算し、 （２）場所がわかっていない前記ノードの通信距離にお
    いて、前記概算位置に基づいて、通信ノードのセットを
    識別しかつ前記新ノードの干渉距離において干渉ノード
    のセットを識別し、 （３）前記ノードのセット両方を識別する情報を記憶
    し、かつ （４）前記ワイヤレストランシーバに前記識別情報を配
    布させるようプログラムされている、ノード。
15. 【請求項１５】 場所がわかっていないノード上の前記
    プログラム可能なコンピュータが、そのワイヤレストラ
    ンシーバにテスト信号を送信させかつ前記テスト信号の
    受信を認める通信ノードのセットを識別させることによ
    って、通信のノードの前記セットを識別するようさらに
    プログラムされる、請求項１４に記載の複数のノード。
16. 【請求項１６】 少なくとも１つのノード上の前記プロ
    グラム可能コンピュータが、 （ａ）場所がわかっていない前記ノードについて、潜在
    通信領域を決定し、（ｂ）前記潜在通信領域内の各ノー
    ド上の前記ワイヤレストランシーバに、テスト信号を送
    信させ、かつ（ｃ）その送信されたテスト信号が、場所
    がわかっていない前記ノードにより受信される前記潜在
    通信領域内のノードとして通信ノードの前記セットを識
    別するようプログラムされている、請求項１４に記載の
    複数のノード。
17. 【請求項１７】 少なくとも１つのノード上の前記プロ
    グラム可能コンピュータが、場所がわかっていないノー
    ドから場所がわかっている複数のノードへの距離を概算
    するようプログラムされる、請求項１４に記載の複数の
    ノード。
18. 【請求項１８】 いくつかのノードにおける前記プログ
    ラム可能なコンピュータが、トランシーバにノードの通
    信セットにおける場所がわかっているノードからのプロ
    ーブ送信を送信させかつ、一方で、ノードの干渉セット
    におけるノード用該トランシーバにジャミング送信を送
    信させ、かつ前記プログラム可能コンピュータの少なく
    とも１つが、そのジャミング送信が、前記場所がわかっ
    ていないノードにおける前記プローブ送信の正確な受信
    を妨げるノードの干渉セットの限定されたサブセットを
    識別するようさらにプログラムされる、請求項１４に記
    載の複数のノード。
19. 【請求項１９】 いくつかのノードの前記プログラム可
    能コンピュータが、 （ａ）それらに関連のトランシーバに、ノードの干渉セ
    ットにおけるあるノードから信号強度テスト信号を開始
    させかつ場所がわかっていない前記ノードにおいて受信
    した信号強度を検出させ、かつ（ｂ）その送信が、受信
    信号強度の閾値以上で受信されるノードの干渉セットの
    限定されてサブセットを計算するようプログラムされ
    る、請求項１４に記載の複数のノード。