JP4480259B2 - Method and apparatus for dynamically updating shop floor display and propagation models - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に作業現場の地形を変更する方法および装置に関し、更に詳細には、地表の地形を変更するような土木作業を受けている作業現場の表示を動的に更新し、作業現場の表示の更新に応答して通信信号の伝播モデルを動的に更新するための方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
作業現場における、部分的または完全に自立的に、又は、手動で作動する移動機械が開発される時、特定の作業を統括し、機械がその動きを計画するための適度な時間を準備するには多量の更新情報が必要である。ある状況において、多くの機器は、互いに共同して作業する必要があり、各機器の活動や動き、作業環境における他の対象物、及び、作業環境や現場の地形に加えられた変更に関する情報は、交信されなければならない。作業現場がより複雑になり、より多くの機械が使用される時、データを機械間で送受信する効率的な手段が必要とされる。更に、通信されるべき情報は、本質的に多様である。例えばシステムは、優先権のあるデータを支持し、サービスに不可欠の作動に属するデータに対して優先権を与えるものでなけらばならない。作動のあるものは、非常に相互作用的で、非常に少ないシステム待ち時間しか必要としない場合がある。また、必要な周波数帯に毎秒数バイトから毎秒数百数千バイト、またはそれ以上の大きな変動がある。
【０００３】
現在、無線移動通信システムは、信号品質の損失検知に応答して経路またはネットワーク間で切り換えるよう構成される。例えば、セルラー・システムは、移動ノードが一方の基地局領域から他方へ移動する時など、信号レベルが特定のレベルより降下する時、基地局を切り換える。ある場合において、信号レベルの降下は、他の基地局への受け渡しが完了する前に接続が失われる位早く起こる。例えば、部分的または完全自律的に作動する移動重量機械の通信システムは、この過渡期の間に貴重なデータを失うわけにはいかず、高品質な通信がいつでも維持される必要がある。従って、通信信号の劣化を補償し、情報損失を防止する手段を伴う移動通信システムを持つことが必要である。
【０００４】
利用可能な周波数帯を最も効果的に使用するためには、通信システムは、幾つかの重複する無線ネットワークから、特定の適用例に最も適切なネットワークを選択できる能力を持つことが理想的である。通信信号の損失を防止するため、移動ノードが一方のネットワークから他方へ移動する前に、ネットワークを即座に切り換えることもまた好ましい。これは、受け渡しをされる以前にそれを予測し、受け渡しが差し迫っていることを発見した時にネットワークに知らせる能力が必要である。受け渡しを予測する能力は、丘、草木の葉群、深い溝、穴、トンネル、及び、建物を含む複雑な地表による大量の相互干渉があり、機械が長距離に亘って散在しているような作業環境において信頼できるものである必要がある。深い峡谷、険しい丘、及び、高い壁などの不規則な地表や建物がある領域におけるラジオ周波数（ＲＦ）波の伝播は、反射、回折、多重経路、及び、散乱効果などの要素を考慮することが要求される。ＲＦ信号の信号強度は、そのような領域での小さな動きにより大きく揺らぐことがある。一般に無線ネットワークは、低い処理能力や長い待ち時間を顧みずにエラー検知および訂正機能を付加することにより高い信頼性を持つようにされるので、システムの信頼性は、早さと釣り合う必要がある。
【０００５】
インターネットなどの従来の階層データ・ネットワークにおいて、経路指定プロトコルは、ネットワークのノードの論理位置に結びついている。パケットが送られる時、それは、目的地ホストコンピュータのアドレスをそのヘッダに包含する。供給源と目的地との間の経路にある中間ノードは、目的地のアドレスを検査し、この目的地アドレスのネットワーク構成要素に基づいて、どのようにパケットを経路指定するか決定する。これは、中間ノードが目的地ホストの正確な位置を知ることなく、目的地ホストが乗っているネットワークにパケットを転送すること可能にする。パケットが経路に沿って移動する時、目的地に近い中間ノードは、目的地の正確な位置についての情報を持っており、パケットをそれに従って転送する。この種のスキームの１つの利点は、ホストは、ネットワーク内の全ノード位置の代わりに、ノードを持つ幾つかのネットワークの位置を知ればよいという点である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この従来のネットワークは、ホストがずっと静止していると仮定する。無線技術を使用する軽量でバッテリ電源の移動コンピュータを用いて、ユーザは、接続を保持したまま動き回ることが可能である。しかしながら、ノードがそれらの「ホーム」ネットワークから離れるように移動する時、スキームは壊れる。例えば、ネットワークＡに属するアドレスを持つ移動コンピュータがネットワークＢへ移動する時、移動コンピュータ行きのパケットは未だにそのアドレスのネットワーク構成要素によって示されたネットワークＡに送られることになる。移動コンピュータ行きであった全てのパケットは、移動コンピュータがホーム・ネットワークから離れている間に失われる。従来の経路指定方法の限界は、これらのコンピュータの移動性を、それらを単一ネットワークに閉じ込めることによって制限することにある。
【０００７】
更に、作業現場が変更される時、多くの地形改造機械をそれらが作業現場内で作動する際に統括することもまた必要である。特に地表地図を更新し、その更新情報を各機械に準備できることは有利である。情報が更新される時、通信の伝播モデルを更新することもまた必要であろう。
故に本発明は、上記の１つまたはそれ以上の問題を解決することに関する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの態様は、地表の地形を変更する土木工事作業を受けている区域における通信信号の伝播モデルを動的に更新する方法であり、その方法は、区域の地表地図を土木工事作業の関数として動的に更新する段階と、地表地図の更新に応答して伝播モデルを動的に更新する段階とを含む。
本発明の別の態様は、地表の地形を変更可能な移動式地形変更機械の作動を受ける区域において通信信号の伝播モデルを動的に更新する装置であり、その装置は、移動式地形変更機械による変更を受けている地表の以前の地表を表す地表地図を記憶する手段と、地表が移動式地形変更機械による変更を受ける時に地表地図を動的に更新する手段と、地表地図の更新に応答して伝播モデルを動的に更新する手段とを含む。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（大要）
本発明の無線移動通信システムは、複数の通信ノードおよび１つまたはそれ以上の通信ネットワーク技術を持つ区域において、２つまたはそれ以上の通信ノードの間で通信する方法および装置を提供する。通信ノードは、移動または静止が可能である。賢い切換システムは、位置情報および選択された通信ネットワークに対するＲＦ波伝播の計算を取り入れている。区域の地表と構造物との地形を含む環境地図は、電磁気干渉の潜在的発生源の位置および特性と同様、区域で選択された通信ノードおよびネットワークによって発生された信号に対する、ＲＦ伝播および通信モデルを作るために、選択された時間間隔で使われる。ＲＦ伝播および通信モデルは、信号品質の予測をどこでも与えられた場所で与える。これらの入力を用いて、本発明のネットワークの各通信ノードは、それが将来どこにあるか、その位置が特定の無線ネットワークを介して到達可能か、及び、その場所における信号品質はどうか、について予測することができる。次にネットワークは、目標とする信号品質を持つ基地局間またはネットワーク間で受渡しの用意をすることができ、従って、遅延および発生する経費を最小にする。移動ノードをサポートするため、モバイルＩＰで知られる標準インターネット・プロトコルなどの通信プロトコルが使用され、ノードがネットワーク内でそれらのアドレスを変えることなくそれらの位置を変えることを可能にする。移動ノードが一方のネットワークから他方のネットワークへ移動する時、ホームエージェントは、移動ノードの場所の記録を保持してパケットをこの場所に経路指定する、ネットワークで唯一のノードである。本発明のシステムはまた、直接、仲間同士の通信を可能にする。２つのノードが各々、相手の受信可能範囲内にある時、ユーザは直接、如何なる中央ルータからの助けなしで通信できる。２つのノードが各々、相手の受信可能範囲を超えている時、ユーザは、彼らの間の他の移動ノードを彼らのパケットを転送するために用いることによって通信することができ、すなわち、これらの中間ノードをルータとして動的に使用して臨時のネットワークを形成する。この能力を準備することにより、本システムは、非常に多くの移動ノードをサポートすることができる。本システムは更に、データ集中型ファイル伝送、時間最優先緊急データ、実時間音声データ、一定周波数帯データ、及び、定期位置データを含む種々のネットワーク通信量の種類に対してサポートを準備する。その通信量に必要とされるサービスの種類はまた、様々な通信ノードの特別な要求を満たすために考慮され、異なるユーザ適用例の相互作用を容易にする。
【００１０】
（モバイルＩＰ）
モバイルＩＰ（インターネット・プロトコル）標準は、インターネット上でホストの移動性を準備するために開発された。ここで説明されるように、モバイルＩＰの実行は、ＩＰバージョン４（ＩＰｖ４）プロトコル標準に基づく。モバイルＩＰｖ４は、ＩＰｖ４パケットがインターネットの移動ノードへ透明経路指定されることを可能にしている。またＩＰバージョン６（ＩＰｖ６）で知られるＩＰの新たなバージョンもあり、それに対して、モバイルＩＰｖ６で知られるモバイルＩＰ拡張もある。モバイルＩＰｖ４およびモバイルＩＰｖ６の両方とも本装置に使用できる。
従来のＩＰ経路指定において、もしノードが他のネットワークへ移動した場合、それ行きのパケットは、もはや伝達可能でなくなる。ノードが新たなネットワーク上で通信できるためには、それはそのＩＰアドレスを変える必要がある。これは、ノードが場所を変える時、接続を保持することを不可能にする。モバイルＩＰは、移動ノードが移動する時、そのＩＰアドレスを変えることを要求しない経路指定スキームである。代わりに各々の移動ノードは、ネットワークに属している現持点の位置に関係なく、単一のＩＰアドレスにより識別される。
【００１１】
モバイルＩＰの理解は、以下の概念に精通することを必要とする。
移動ノード：一方のネットワークから他方へ移動するノード。移動ノードは、他のノードとの通信を維持するためにモバイルＩＰを実行する。
通信ノード：移動ノードが通信しているノード。通信ノードは、静止ノードまたは他の移動ノードの何れかであり得る。
ホームアドレス：移動ノードに割り当てられ、ノードがネットワークに属しているかどうかには無関係に不変であるＩＰアドレス。
ホームネットワーク：移動ノードの各々は、ホームネットワークを持つ。これは、移動ノードがそのホームネットワークに属していた時のホームアドレスに宛てられたパケットを従来のＩＰ経路指定が送るであろう先のネットワークである。従来のＩＰ経路指定は、パケットを移動ノードにそのホームアドレスを使って送ることができる。
外部ネットワーク：移動ノードのホームネットワーク以外の任意のネットワーク。
ホームエージェント：移動ノードのホームネットワーク上に位置するエージェント。ホームエージェントは、移動ノードの場所を把握し、移動ノードがホームから離れている時パケットを移動ノードに転送する。
外部エージェント：外部ネットワーク上に位置するエージェント。外部エージェントは、移動ノードがそのホームエージェントに登録するのを助け、また、転送されたパケットを移動ノードに送るのを助ける。
【００１２】
気付アドレス：ホームエージェントがパケットを転送する先の、外部ネットワーク上のＩＰアドレス。気付アドレスは、外部エージェントのＩＰアドレスまたは外部ネットワーク上で得られるローカルアドレスの何れかであり得る。動的ホスト構成プロトコル（ＤＨＣＰ）のようなプロトコルがこのために使用できる。前者の気付アドレスの型は、外部エージェント気付アドレスと呼ばれ、後者は、同位置気付アドレスと呼ばれる。
パケット傍受：これは、ホームエージェントがその移動ノードの１つに宛てられたパケットを受取る処理である。これは、ホームエージェントにおいて「代理」アドレス分解プロトコル（ＡＲＦ）の使用によりモバイルＩＰで実行される。ホームエージェントは、代理ＡＲＦを用いてホームネットワーク上の他のノードからの移動ノードのＩＰアドレスに対するアドレス分解要求に答え、ホームエージェントの連結層アドレスをそれがあたかも移動ノードのアドレスであるかのように与える。アドレスを要求しているノードは次に、パケットを移動ノードに送るためホームエージェントの連結層アドレスを使用し、ホームエージェントがパケットを受信し、それらを移動ノードの現在位置へ転送することを可能にする。
結合保管所：通信ノードは、移動ノードに宛てられたパケットをどこに送るかを決めるために、移動ノードのための気付アドレスの保管所を維持できる。
結合更新：通信ノードの結合保管所を更新するために使用されるメッセージ。
登録寿命：外部ネットワーク上の移動ノードの登録が有効である期間。結合更新が有効な期間でもある。
【００１３】
図１は、上記で定められた用語を図示する。Ｍは移動ノードである。ノードＳはＭと通信しており、従ってＳは通信ノードである。Ｒ２はＭのホームエージェントである。Ｍが外部ネットワークへ移動する時、Ｒ４は外部エージェントの役をする。この場合Ｒ４のアドレスは、Ｍの気付アドレスとして使用される。
モバイルＩＰは、ノードに移動性を与えるサービス一式を準備する。ここではこれらのサービスの各々を説明する。
エージェント発見：ホームエージェントおよび外部エージェントは、それらがサービスを提供する各リンク上でそれらを利用できることを公示できる。更に、新しく接続された移動ノードは、可能なエージェントがあるかどうかを知るために、明示的な懇請をリンク上に送信できる。外部エージェントは、それらの位置を公示することにより懇請に返答する。モバイルＩＰのエージェント発見は、ＩＣＭＰ（インターネット制御メッセージ・プロトコル）ルータ発見プロトコルへの延長として実行される。エージェント発見プロトコルは、ルータ発見プロトコルで使用されるメッセージ（ルータ公示およびルータ懇請）を拡張する。エージェント発見で使用されるメッセージは、従って、エージェント公示およびエージェント懇請と呼ばれる。
【００１４】
登録：移動ノードがホームから離れている時、それは登録と呼ばれる処理を使用してそのホームエージェントにその現在位置を知らせる。ネットワークに属する方法により左右されるが、ノードはホームエージェントに直接か、または登録をホームエージェントへ転送する外部エージェントを介するかの何れかにより登録する。登録は、ある決まった時間、または登録寿命の間で有効である。移動ノードが同位置気付アドレス使用している時には外部エージェントの存在は必要なく、移動ノードは直接登録できる。移動ノードがそのホームネットワークに戻る時、移動ノードは、パケットの転送を中止するためにそのホームエージェントに「再登録」する。
【００１５】
トンネリング：パケットを移動ノードに転送するホームエージェントによってもたらされるサービスは、「トンネリング」と呼ばれる。パケットをトンネリングする時、ホームエージェントは、別のＩＰヘッダを現存パケットの前面に置くことによってオリジナル・パケットをカプセルに入れる。この「外部」のＩＰヘッダは、カプセルに入っているホストのＩＰアドレスである供給源アドレスを持ち、また、移動ホストの気付アドレスである目的地アドレスを持つ。もし気付アドレスが外部エージェントである時、外部エージェントはパケットを受信し、そのカプセルを外し、局所的にそれを移動ノードへ送る。もし同位置気付アドレスが使用される時、移動ノードは、パケットを受信してこのパケットのカプセルをそれ自身で外す。
【００１６】
図２は、外部エージェントが使用される時のカプセル化の処理を図示する。作動中、ホームエージェントＲ２および外部エージェントＲ４は、エージェント公示メッセージを使用して彼らの存在を公示する。移動ノードＭは、本来そのホームネットワークと接続され、従ってそれは、この時点では移動性のサービスなしで作動する。移動ノードＭは、外部ネットワークへ移動する。移動ノードは、それが外部ネットワーク上にいることを検出する時（それが外部エージェントの公示を受信するから）、それは気付アドレスを取得する。気付アドレスは、Ｒ４より送られる外部エージェント公示メッセージから得られる。もし外部エージェントのサービスを提供するＲ４のようなノードが利用できない時、そして、もし移動ノードがその能力を持つ時、移動ノードは、ＤＨＣＰのようなサービスを使用して同位置気付アドレスを得ようと試みることができる。
【００１７】
移動モードＭは、その新たな気付アドレスを、登録要求および返答メッセージの交換を通して、ホームエージェントＲ２に登録する。もしＲ４のアドレスが気付アドレスとして使用されている時、登録要求および返答は外部エージェントＲ４に送られ、次に外部エージェントＲ４は、パケットを適切に転送する。同位置気付アドレスが使用される時、外部エージェントは関わってこない。通信ノードがパケットをＭへ送る時、パケットは、Ｍのホームネットワークに経路指定される。ホームエージェントＲ２は、これらのパケットを傍受し、それらをＭの気付アドレスへトンネルする。もしＲ４アドレスが気付アドレスの場合、Ｒ４はパケットのカプセルを外し、局所的にそれらをＭへ送る。もし同位置アドレスが使用されれば、トンネルされたパケットは、Ｍ自身により受けとられ、カプセルを外されるであろう。逆の方向において、ＭによりＳへ送られるパケットは、従来のＩＰ経路指定機構を使用して、Ｍの位置とは無関係に、それらの目的地へ送られる。
【００１８】
モバイルＩＰの保安は、送るべき任意のホストに宛てられたパケットの経路指定をインターネット上の他のどこへでも変更する能力に関係するが故に不可欠である。登録要求や応答への攻撃は、移動ノード宛てのパケットが配達不能になる、または正しくない目的地に送られることを引き起こす。例えば別のホストは、移動ノードのふりをすることを試み、ホームエージェントにパケットをそれに送るよう確信させる。従って、全ての登録要求および返答メッセージについて移動ノードおよびホームエージェントにより確認が実行される。移動ノードは、そのホームエージェントを確認するため、保安パラメータ・インデックス（ＳＰＩ）および秘密の鍵をそのホームエージェントと共有する。１６バイトの鍵サイズによる「鍵のかかったメッセージ要録バージョン５」（ＭＤ５）など、幾つかの利用可能なアルゴリズムの１つが確認のため使用できる。如何なる登録メッセージの再生をも防ぐため、時間刻印や当座の印は、登録要求および返答の各々を１つ１つ識別するために使用される。
【００１９】
（経路最適化を持つモバイルＩＰ）
基本モバイルＩＰは、移動ノードのホームアドレス宛てのパケットを傍受するホームエージェントを準備することにより、移動ノードがそのホームネットワークから離れて移動することを可能にする。図３に示される一般的な状況において、ここで示される移動ノードＭは、そのホームネットワークから離れており、移動ノードが現在のところ接続されている外部ネットワーク上に位置する通信ノードＳと交信している。移動ノードＭがパケットを通信ノードＳに送る時、パケットは、従来のＩＰ経路指定を使用して直接移動ノードＭに経路指定される。しかしながら、通信ノードＳがパケットを移動ノードＭに送る時、パケットは最初に移動ノードＭのホームネットワークに戻るように経路指定される。移動ノードＭのホームエージェントＲ２は、このパケットを傍受し、それを移動ノードの現在の外部エージェントＲ１にトンネルする。外部エージェントＲ１がカプセルに入ったパケットを受け取る時、そのカプセルが外され、次に移動ノードＭに送られる。
【００２０】
代わりに、図４に示されるように、パケットを互いに直接、ローカルネットワークを越えて送ることにより、より最適化されて経路指定することができる。モバイルＩＰに対する経路の最適化は、パケットが通信ノードＳから移動ノードＭへ移動する経路を最適化する。通信ノードＳから移動ノードＭへのパケットの経路指定最適化の何れの型も、通信ノードＳが移動ノードＭの現在位置についての情報を保持することを必要とする。経路最適化をサポートする各通信ノードＳは、結合保管所と呼ばれる気付アドレスの保管所を保持しなければならない。通信ノードＳがパケットを送る時、それはパケットの目的地アドレスに対応する見出しを探すためにその結合保管所を確認する。もし合致する見出しが見つかれば、通信ノードＳはそれ自身で、結合保管所見出しで指定された気付アドレスによってパケットをカプセルに入れ、それを移動ノードＭのホームネットワークへ送る代わりに、直接、気付アドレスにトンネルする。
【００２１】
もし結合保管所見出しが見つからない場合、従来のＩＰ経路指定を使用してパケットは送られ、それは、前と同様にパケットを移動ノードＭのホームネットワークに送り戻す。ホームエージェントＲ２がパケットを傍受する時、それは、供給源ホストが移動ノードＭに対する結合保管所見出しを持っていないことを仮定する。ホームエージェントＲ２は、通信ノードＳがパケットを移動ノードＭの現在位置にトンネルする前に移動ノードＭの現在気付アドレスを知らせるため、通信ノードＳへ確認された結合更新を送ることによって返答する。ホームエージェントＲ２は、結合更新の寿命をその特定の移動ノードＭの登録に残っている時間に設定する。オリジナルの供給源が結合更新を受け取って確認する時、それは、将来使うために結合更新を結合保管所に付け加える。結合更新は、ホームエージェントＲ２により指定された時間の後、期限切れとなる。
【００２２】
通信ノードＳが経路最適化を使用できるためには、ソフトウェア処理は、結合更新を受信および処理するために作動している必要がある。もしホストが経路最適化ソフトウェアを使用しない場合、パケットは、基本モバイルＩＰと同じ方法で経路指定される。幾つかの通信ノードＳは、この経路最適化ソフトウェアを持たないであろうから、ホームエージェントＲ２は、それらが結合更新を各通信ホストＳに送り出す速度を制限するアルゴリズムを持つ必要があり、そうでなければ、ホームエージェントＲ２は、通信ノードＳへの結合更新でネットワークを氾濫させ、通信ノードＳがそれらを無視することになる。
【００２３】
（賢い切換システム）
本発明のネットワークシステムは、図５に示すように、ある場所と、１つまたはそれ以上の、各々が前記場所の一部に亘る高速受信可能範囲を準備するような、ローカルエリア無線ネットワークとに亘って低速受信可能範囲を準備する広域無線ネットワークを含むネットワークの各々から最高品質をもたらす多くの技術を取り入れている。移動ノードがネットワークを通って移動する時、それらは、連続して広域ネットワークの範囲内にあり、ローカル受信可能区域に出入りしながら移動する。特定の状況で使用するネットワーク技術は、特定の適用例の各々の要求に基づき選択される。異なる技術を使用しるサブネットワークから作られる単一の複合ネットワークは、従って総合的解決法を準備する。このネットワーク内のデータの流れは、特定のサブネットワークの技術特性によって、供給源から目的地までの最も効率的な経路を取る。例えば、もし高速ローカルエリア通信リンクが交信を欲する２つのノード間で利用可能であれば、同じく利用可能なより遅い広域リンクに対抗して、その通信経路が使用できる。もし２つのノード間の通信の他の手段がない時、広域ネットワークが既定手段として利用される。
【００２４】
好ましい実施形態において、モバイルＩＰは、上記の通りネットワーク間の切換えをするために使用される。モバイルＩＰスキームは、ネットワークにおいてルータの変更、又は、移動ノードを必要としないという利点を持つ。しかしながら、プロトコルは、サブネットワーク接続を変える時を指定しない。
本システムは、標準モバイルＩＰプロトコルに対し最小限の変化のみを要求しつつ、どのネットワーク接続を確立するかについての命令を持つ基本モバイルＩＰプロトコルを準備する。本システムにおいて、幾つかの移動ノードは、操作手を運ぶことができず、できたとしても、操作手は、ネットワーク受渡しが起こるべきか決めようとするのではなく、機器を操作することに注意を集中させる必要があるので、操作手からの入力は必要とされない。加えて、ネットワークを切り換える時を決定する処理への入力の１つは、ローカルエリア・ネットワーク上の通信者からの無線通信信号の品質の評価である。信号強度および雑音、又は、干渉の現在レベルは、将来の値を予測するために使用できるし、後の使用のために記録することもできる。この信号品質レベルを評価できることに加え、特定のローカルエリア・ネットワーク技術に対しては閾値が設定される。この値は、ハードウェアに対する最小満足度の信号品質値であり、直接ハードウェアから、またはハードウェアの仕様書からの何れかにより得られる。決定処理への別の有用な入力は、移動ノードの現在位置の知識である。この型の入力は、信号品質の値を評価するために、無線ローカルエリア・ネットワーク送信機の位置の知識と結合される。
【００２５】
ＲＦ伝播の現実的モデルを準備するため、本システムは、移動ノードを取り巻く実際の地表の記述を含む。ＲＦ伝播モデルを使用して、切換システムは、移動ノードがネットワークから切り離される時間を最小にするために、受渡しが何時必要とされるか予測を試みる。切換システムは、ローカルエリア・ネットワーク接続上の通信に対する信号品質の将来の値を予測する。次にこの信号品質の値は、特定の閾値と比較される。もし予測値が閾値を超える場合、切換システムは、モバイルＩＰに対してそのローカルエリア・ネットワーク・インタフェースを使用して通信を試みるように命令し、そうでなければ、切換システムは、モバイルＩＰに広域ネットワーク接続を使用して通信するように命令する。
【００２６】
（切換システム構造）
本システムの好ましい実施形態の構成要素を図６に示す。モデル中心部２０は、切換システムの中心機能を準備するような例えば、モデルデーモン２２、位置に基づく予測機構２８、環境／地表地図３２、ＲＦ伝播および通信モデル３４、位置に基づかない予測機構３８、及び、移動モデル５６など、１組の構成要素を包含する。切換システムは標準寸法設計を持っているので、基本となっている技術が改良されればそれを取り込むことが可能である。モデルデーモン２２は、移動ノードの現在の状態を把握し、この状態と、位置に基づく予測機構２８および位置に基づかない予測機構である２つの他の供給源からの入力とに基づいて切換の決定を下すステートマシンである。モデルデーモン２２はまた、命令をモバイルＩＰソフトウェア２４に送り、モバイルＩＰの構成要素は、移動ノードがそれらのホームエージェントＲ２にそれらの現在位置を知らせることを可能にする。
【００２７】
図７は、モデルデーモン２２がその切換決定を下すために使用するステートマシンを示す。モデルデーモン２２が実行を開始する時、ＷＡＮ状態から開始する（ここで「ＷＡＮ」は、モバイルＩＰが使用するように命じられたネットワーク・インタフェースを意味し、この場合、広域ネットワーク・インタフェースである）。広域ネットワークは、それが常に利用可能であると仮定される理由により、本システムの初期状態のために選択された。この状態から多くのことが起こり得る。第１に、もし他に何も起こらない場合、モデルデーモン２２は、「更新」命令をこのノード上のモバイルＩＰソフトウェアに送る。更新命令は、モデルデーモン２２と移動ノードＭとが同期を保っていることを確実にするために定期的に送られる。
【００２８】
モデルデーモン２２がＷＡＮ状態を離れる唯一の場合は、もしモデルデーモン２２が、経験的に収集された信号強度（すなわち、ローカルエリア・ネットワーク・インタフェースのハードウェアから直接読まれたもの）がローカルエリア・ネットワーク（ＬＡＮ）への安定接続可能を示唆していると決定する時である。好ましい実施形態において、これは、モデルデーモン２２が信号強度、又は、ＬＡＮ信号強度閾値より上にあるＬＡＮハードウェアからのハードウェア信号品質入力２６の幾つかの連続する値を読む時に起こる。
一旦モデルデーモン２２がＬＡＮ状態に入れば、それは、以下の予測システムの１つがＬＡＮ閾値より下の信号強度将来値を予測した場合にのみ離れることができる。もしそれが起これば、ＷＡＮインタフェースへ切り換える命令がこのノード上のモバイルＩＰソフトウェアに送られ、モデルデーモン２２は、ＷＡＮ状態に再び入る。モデルデーモン２２は、ＬＡＮ状態にある間、モデルデーモン２２およびモバイルＩＰソフトウェアが同期を保っていることを確実にするために「更新」命令を送る。
【００２９】
ＬＡＮインタフェースからＷＡＮインタフェースに切り換える決定は、予測情報に基づいてなされ、それに対しＷＡＮからＬＡＮへの切換の決定は、経験的な測定データに基づいてなされる。この区別は、移動ノードがローカルエリア・ネットワーク・インタフェースをそのネットワークが実際は利用できない時に使うように命令される可能性を最小にするためになされる。この結果、広域ネットワーク接続が常に利用できると仮定されるために、状態変更の規則はＷＡＮ状態に入り易くする。
別の重要な点は、モデルデーモン２２は、ホームや外部といった概念を持たないことである。それは、ネットワーク・インタフェースのみについて知っている。移動ノードＭがホームまたは外部であるべきかの決定は、モバイルＩＰソフトウェアまたは経路指定プロトコル２４（図６）に任され、モデルデーモン２２の存在には影響されない。
【００３０】
再び図６に関し、位置に基づく予測機構２８は、位置取得システム３０からの移動ノードの現在位置を入力として受け入れ、この情報を環境／地表地図３２上の座標内に移し、新たな点への移動ノードＭの動きを予測する。位置に基づく予測機構２８はまた、ＲＦ波伝播に関する方程式を用い、その場所での１つまたはそれ以上の位置における将来の信号強度を計算するＲＦ伝播および通信モデル３４に座標を入力として準備する。
微分全地球位置発見システム（ＤＧＰＳ）のような位置情報を確実に取得するハードウェアは、市販されており容易に入手可能である。本発明の切換システムは、位置情報が入手可能でない場合でさえ正しく作動する環境／地表更新システム３６のような既定の位置予測システムを持つ。このために本システムは、経験的に収集された信号強度の記録を保持し、将来値を作り出すために一組のデータ点を補間する、位置に基づかない予測機構３８を含む。
【００３１】
位置に基づかない予測機構３８により実行される補間は、多くの過去の値または僅か数個の値を考慮し、それらを多項式の形に結合する、つまりそれらを曲線にはめ込むことにより、必要に応じて幾らでも複雑にすることができる。簡単な実施例は、２つの、最も最近に収集された信号強度を使用して直線を定めることを含む。第３の点はこの線に沿って補間され、予測信号強度になる。より有用な機能は、その時に、ただ次の時間点だけでなく更に将来を予測できるであろう。この意味では、システムの過去の振舞いを考慮するような、一連の点を介して曲線当てはめをする更に複雑なモデルが使用できる。
【００３２】
位置に基づく予測機構２８は、モデル中心部２０の一部であり、将来の信号強度予測値をモデルデーモン２２に準備するため、環境／地表地図３２、位置取得システム３０、ＲＦ伝播および通信モデル３４、環境／地表更新システム３６、及び、移動モデル５６を含む多くの供給源からの情報を使用する。図８は、信号強度を予測するための決定処理の流れ図を示す。位置に基づく予測機構２８がブロック４０において呼び出される時、それは最初に、移動ノードの現状に関する入力を収集することを試みる。ローカルエリア・ネットワーク通信の現在の強度は、以前にローカルエリア・ネットワーク・ハードウェアからデータを読み取ったモデルデーモン２２から取得される。移動ノードの現在位置は、ブロック４２で示されるように、利用できるどの位置発見システムからも集められる。一旦これらの入力が収集されれば、本システムは、移動ノードの現在位置に関する環境／地表地図３２がブロック４４において利用可能であるか知るために調べる。もし環境／地表地図３２がこの地点において利用できない時、復帰エラーがブロック４６において発生し、位置に基づく予測機構２８は使用不可能である。モデルデーモン２２は、位置に基づかない予測機構３８からの値の使用を既定手段として行うことになる。
【００３３】
この地点における環境／地表地図３２が利用できる時、本切換システムは、ブロック４８において移動ノードの将来位置を予測することを試みる。移動ノードの将来位置は、環境／地表地図３２の特定の見出しに対して決定される。その位置に記憶されたデータ、特に過去の信号強度およびそれが収集された時間は回収される。一旦過去の値が回収されれば、システムは、現在位置により指定された場所において、環境／地表地図３２に現在の収集時間と共に現在信号強度を記憶する。収集時刻以後経過した時間が計算され、現在地表地図に付随する年齢閾値に対し、決定ブロック５０において比較される。もし経過時間が閾値より少ない場合、過去の値はブロック５２において予測値として使用される。そうでない場合は、ブロック５４において将来の信号強度を予測するために、ＲＦ伝播および通信モデル３４を使用して計算を実行する必要がある。予測信号強度は次に、上記の通り、その閾値比較への入力として使用されるためにモデルデーモン２２に戻すことができる。
モデルデーモン２２は、過去の信号強度を使用して、以前訪れたことのある場所からその環境について知ることができる。移動ノードがそのローカルエリア・ネットワーク接続を使用している時、それは、信号強度の収集をその環境／地表地図３２に過去の値として記録できる。移動ノードがタスクを実行するため区域から離れ、後に以前居たほぼ同じ場所に戻る時、移動ノードは、過去の信号強度を予測信号強度として使用でき、ＲＦ伝播計算を不要にする。
【００３４】
過去の値は、ローカルエリア・ネットワーク受信可能範囲のある区域の地表が他の区域よりも早く変化する状況において古くなり得る。モデルは、ローカルエリア・ネットワーク受信可能範囲の各区域がそれ自身の年齢閾値を持つことを可能にする。ただ例として挙げるが、現場作業センタ近傍の地表は、作動は一般的に現場作業センタの近傍で行わないため、大抵かなり静的である。もしこれが当てはまる場合、現場作業センタに対する年齢閾値は、例えば１週間やそこら程度のように、比較的長くなる。作業区域の年齢閾値は、地表がより速く変化するので、比較的短い時間でのみ有効であるかもしれない。もし移動ノードが、以前居た位置に年齢閾値により設定された時間制限内に戻る時、モデルデーモン２２は、過去の値を予測値として使用できる。そうでなければ、モデルデーモン２２は、全く新たに値を計算する必要がある。より複雑な加齢システムは、半減期的にゆっくり過去の値を加齢し、できればＲＦ伝播および通信モデル３４により予測された値とそれらの値を重み多項式において結合させるように考案することができる。
【００３５】
本システムの好ましい実施形態において、位置取得システム３０は、微分全地球位置発見システム（ＤＧＰＳ）であるが、別の技術で置き換えることも可能である。環境／地表地図３２の目標とする解像度（各格子のメートル単位サイズ）は、本発明の切換システムに対するパラメータである。この解像度についての１つの限界は、それがＤＧＰＳ機器の精度より精密化できないことである。より小さな格子の解像度はまた、環境／地表地図３２のためにより大きな記憶容量、及び、計算能力的により高度なＲＦ伝播モデル計算を必要とする。より大きな格子サイズは、より速い計算、及び、より少ない記憶容量を可能にするが、地表をより低い精度で表示し、一般に、より低い精度のＲＦ伝播計算をもたらす。地表地図の「格子」の解像度は、位置情報の解像度を越えるべきではない。位置情報は、緯度および経度の度数単位で、又は、空間に固定された基準座標系を持つデカルト座標で表示できる。更にモデルは、固定された格子を持つ地図上での使用に制限されないことに注意する必要がある。例えば、地表の不規則な網目表示を持つ地図は可能である。
【００３６】
環境／地表地図３２は、ローカルエリア・ネットワーク受信可能範囲が存在する、又は、広域ネットワーク受信可能範囲が存在する区域に亘る地面上に配置された１つの格子として考えることができるし、又は一般に、環境／地表地図３２は、ネットワーク受信可能範囲に無関係に全ての区域に対しても存在できる。格子の各正方形は記憶場所であり、３つの値を保持する。第１の値は、その地点の地表の海水面（または、ある他の基準点）上の海抜に相当する高度値である。第２の値は、信号強度である。移動ノードが実際の地表を横切る時、モデルデーモン２２は、環境／地表地図３２を横切ってその位置を追跡し、信号強度の経験的な取得値をこれらの記憶場所内に記録する。記憶される第３の値は、最も最近の信号強度が収集された時刻である。
【００３７】
初期地表データファイルまたは移動モデル５６（図６における）は、問題のローカルエリア・ネットワークの地表に関する高度情報を包含する。ファイルはまた、前述のように、ｘおよびｙを固定基準位置からの好ましい測定単位で表された水平および垂直距離とした時の環境／地表地図３２の中心のデカルト座標、メートル表示の範囲および解像度で表された地表地図の「サイズ」、及び、年齢閾値 を特定する。図９は、これらの概念の幾つかを描写する。位置５８は、デカルト座標システムの原点である。ローカルエリア・ネットワークの範囲を表す輪郭６０に重なっているのは、地表地図３２を表す仮想格子６２である。無線ローカルエリア・ネットワークの中心は、位置５８である地表地図の格子６２の中心に位置し、格子は、輪郭６０で表される無線ローカルエリア・ネットワークの受信可能範囲の端を越えて延長する。このローカルエリア・ネットワーク受信可能範囲領域の高度情報を包含する初期地表データファイル５６は、固定基準点６４に対して位置５８または地表地図３２の中心を特定する。固定基準点６４に対するその現在位置の知識を用い、移動ノードは、利用可能な地表地図３２のうちのどれが、もしあるとして、特定な位置における使用に適切であるか求めることができる。
【００３８】
移動ノードの数秒先の将来の位置を計算するための環境／地表更新システム３６は、モデルデーモン２２に対して、ネットワーク接続が完全に失われる前に切換命令を送るように十分な警告を準備する。本発明のシステムにおいては、移動ノードの２つの最も最近収集された位置を使用し、移動ノードの経路をこれら２つの点を通る直線に沿って投影する方法から、１連の最近収集された位置を通るようなベジエ曲線などのパラメータ曲線に当てはめる更に複雑な位置予測システムに及ぶ、様々な位置予測方法を用いることができる。より複雑な予測システムは、地表を通る一般に続く経路（すなわち、道路）およびユニットの動的特性に関する知識、又は、周辺地表に基づいて、動きの知的な予測をする。
【００３９】
現システムにおいてＲＦ伝播および通信モデル３４は、移動ノードの予測位置、送信機（通常、ローカルエリア・ネットワーク・アクセスポイントまたは基地局）の位置、両者間の地表、及び、送信機器で使用されるラジオ周波数に基づき、移動ノードが受信するであろうローカルエリア通信の信号強度の推定値を作成する。ＲＦ伝播および通信モデル３４の好ましい実施形態は、電磁波伝播に対する自然地表の効果を実時間でモデル化する。このモデルは、環境／地表地図３２内に記憶されている情報に基づく２次元経路損失モデルを利用する。２次元モデルは、地表をそれがあたかもＲＦ送信機と受信機との間の垂直平面内にあるかのように取り扱う。ＲＦ送信は地表を越えて、または下をくぐって進行できるが、地表の形態を迂回して進むために平面から離れることはできない。２次元モデルを構築するために、環境／地表地図３２の送信および受信アンテナのｘ、ｙ、及び、ｚ座標間に垂直平面が交差される。次に２つの計算がこの地表スライスに対して実行される。最初に、送信機から受信機へのＲＦ波伝播の自由空間推定値は、次式を使って計算される。
Ｐ_r＝Ｐ_tＧ_tＧ_rλ²／（（４λ）²ｄ²Ｌ）
ここで、
Ｐ_t＝送信電力
Ｇ_t＝送信アンテナの利得
Ｇ_r＝受信アンテナの利得
λ＝送信波長
ｄ＝アンテナ間の距離
Ｌ＝システム損失係数。
【００４０】
この計算は、２つのアンテナがどのような種類の妨害もない自由空間にあると仮定される場合の受信される送信電力を推算する。次に平面大地計算が実行される。ＲＦ伝播の平面大地推算においては、次式を使用して送信機から受信機への別の経路、すなわち送信機から地面、地面から受信機への反射経路が考慮される。
Ｐ_r＝Ｐ_tＧ_tＧ_rｈ_t ²ｈ_r ²／ｄ⁴
ここで、
Ｐ_t＝送信電力
Ｇ_t＝送信アンテナの利得
Ｇ_r＝受信アンテナの利得
ｈ_t＝送信機高さ
ｈ_r＝受信機高さ
ｄ＝アンテナ間の距離。
【００４１】
一旦両計算が実行されると、両者のうちの少ない方（「最悪の場合」の受信電力を表す）は、モデル計算の次の段階の基準として使用される。ＲＦ波の電力のあるものは、送信機から受信機への直接経路上を伝播しない２次波によって搬送される。これらの２次波は、送信機と受信機との間にある点源で回折した後受信機に到達し、全送信電力の重要成分を搬送する。たとえ直接目視線が送信機と受信機との間にあったとしてもこれらの２次波は遮られ、全受信電力を減少させる。フレネル帯は、波が伝播する経路に基づくこれらの２次波の種類を意味する。適切なフレネル帯の隙間は、これらの２次波の十分な量が受信機へ到達可能なため重大な電力損失がないことを意味する。フレネル帯の隙間は、次の条件のどれに合致するかにより従来技術に従って計算される。
１．目視線が送信機と受信機との間に存在し、適切なフレネル帯隙間がある。この場合、以前に計算された基本値が受信電力として使用される。
２．目視線が送信機と受信機との間に存在するが、適切なフレネル帯隙間がない。受信電力は、２次波の損失により基本電力から更に減少する。
３．目視線が送信機と受信機との間に存在しない。この場合、２次波の一部だけが受信機に到達できる。
次にこれらの計算結果は、位置に基づく予測機構２８に転送して戻される。３次元ＲＦ伝播モデルを計算する方法は、２次元モデルの代わりとして使用できる。３次元モデルは、一般により大きなデータ処理用機器を必要とすることになる。当業者は、他の如何なるＲＦ伝播モデルも上記モデル同様に使用できることがわかるであろう。
【００４２】
（サービス特性の品質）
本発明のネットワークは、一般にビット毎秒またはパケット毎秒で測定される単位時間に送られるデータの平均量である「スループット」、及び、パケットが供給源から目的地へ移動するのに要する平均時間である「遅れ」の２つの主要なサービス品質（ＱＯＳ）パラメータに主に関する。本ネットワークは、経路最適化および賢い切換システムを使用して、供給源から目的地まで最も高い周波数帯の経路を利用する。高速の無線ローカルエリア・ネットワーク・リンクが利用できる時、一般にそれは、広域リンクの代わりに使用されることになる。
【００４３】
図１０は、本切換システムの状態図６８を示し、移動ノードは、そのローカルエリア・ネットワーク・インタフェースを使用している時、そのホームネットワークにのみ属することができる。本システムは、幾つかの内部変数を消去し、ローカルエリア・ネットワーク・インタフェースを不能にし、及び、広域ネットワーク・インタフェースを可能にする接続喪失状態で始まる。次に制御は、移動ノードにより記憶された経路指定情報を消去する経路抹消状態に移る。取得状態において移動ノードは、全ての利用可能なネットワーク・インタフェースに関する登録要求を送ることにより、そのホームエージェントに登録しようと試みる。制御は次に、移動ノードがその登録要求からの返答を待つ気付待機状態に自動的に移される。もし登録する試みが失敗したら、移動ノードは、登録要求を再度送り、気付待機状態に残る。再送信が許可されない場合、移動ノードは、取得状態に戻り、新たな登録要求を発生させる。登録要求が成功した場合、移動ノードは、外部ネットワークに属されたというモバイルＩＰ的概念に対応する気付登録状態に入る。移動ノードは、以前使われた同じインタフェースの再登録の試みが成功している間は、この状態に無期限にとどまることができる。登録の試みは、可能にされたインタフェースを使用してのみ行うことができ、移動ノードは次に、特定のインタフェースと通信するように命令される。もしこれらの登録の試みが失敗すれば、移動ノードは接続喪失状態に戻り、処理は再度始まる。
【００４４】
失敗した登録の試みに加え、移動ノードは、もし移動ノードに対してそのローカルエリア・ネットワーク（ＬＡＮ）インタフェースからその広域ネットワーク（ＷＡＮ）インタフェースに切り換えるように命令する切換命令をモデルデーモン２２から受け取れば、気付登録状態から離れることができる。この場合、移動ノードは、接続喪失状態に入る。もし切換命令が広域ネットワーク・インタフェースからローカルエリア・ネットワーク・インタフェースへ切り換えることであれば、システムは、最初にローカルエリア・ネットワーク・インタフェースを可能にし、広域ネットワーク・インタフェースを不能にしなければならない。この時点でシステムは、接続喪失状態に入ることはできない、なぜならそれは、ネットワーク・インタフェースの可能／不能状態を再び変更するからである。その代わりに接続喪失状態は飛び越され、経路抹消状態が直接入れられる。次に、一旦ローカルエリア・ネットワーク・インタフェースを使用して取得状態になれば、システムは、在宅状態（移動ノードがホームネットワークに属している場合）または最終的に気付登録状態（移動ノードが外部ネットワークに属している場合）の何れかに入ることになる。
【００４５】
状態図６８の多くの異なる場所において、移動ノードは、そのホームエージェントが直接に接続されたサブネットワーク上にいるかどうか検出しようと試みる。もしホームエージェントが検出される時（移動ノードがホームエージェントの公示メッセージを受け取るため）、移動ノードは、即座に在宅状態に入る。一旦在宅状態になると、移動ノードは、広域ネットワーク・インタフェースに切り換える命令を受け取るまでそこに留まり、受け取るとその時点で接続喪失状態に入ることになる。
【００４６】
図１１に示すように、移動ノードの状態を監視するためのグラフィック・ユーザ・インタフェース（ＧＵＩ）が本システムと共に準備される。切換システムＧＵＩは、地表地図３２の描写および状態情報の表示から成る。地表地図３２は、地表地図に対してローカルエリア・ネットワークの中心を定め格子中心に黒で明示されるようなローカルエリア・ネットワーク送信機と共に、必要な寸法を持つ格子内に表示される。地表の高さは、地図上に色で、または地形高度線のような他の手段で指示できる。例えば図１１に描かれる地表地図は、高度コードを使用して示されるが、そのコードは例えばメートルで明示される。どのようなコード化システムおよび高度測定単位も、地表地図を表示するために利用できることが認識されており、また予測される。固定された基準に対する移動ノード、この場合は保守点検トラック、の現在の座標は、地図の右側に表示され、移動ノードの場所は、地図上に斜影線の正方形により示される。ＧＵＩはまた、移動ノードがどのインタフェースを現在使用しているのか（ＬＡＮまたはＷＡＮインタフェース）、及び、ＤＧＰＳ情報の品質（オンまたはオフ）についての情報を表示する。ＧＵＩ上の更なる情報は、移動ノード（すなわち保守点検トラック）が（−６８、２４８、０）の座標を持つ作業区域にあることを示す。更に移動ノードは、そのＬＡＮインタフェースを使用しており、そのＤＧＰＳ機器は、正しく機能している。
【００４７】
（無線ローカルエリア・ネットワーク）
本システムは、移動ノードに対して、近くの固定されたコンピュータまたは近くの他の移動ノードに高速で通信する能力を準備するために、ローカルエリア・ネットワークを必要とする。そのようなローカルエリア・ネットワークの１つは、ルーセント・テクノロジーズにより開発された製品であるウェーブＬＡＮである。しかしながら、本システムの標準寸法設計構造は、好ましい如何なるローカルエリア・ネットワーク技術も収容できる。本発明と共に使用されるローカルエリア・ネットワークの周波数帯は、等時性音声データなどの通信、バースト、及び、ファイル転送および画像データなどの大容量通信をサポートするのに十分なほど高くなければならない。ローカルエリア・ネットワークはまた、切換システムにおける使用のため信号強度測定へのアクセスを準備しなければならない。この信号強度データは、別の無線ホストから発信されるパケットの受信電力の尺度である。
ローカルエリア・ネットワークはまた、仲間同士の通信を可能にする必要がある。
【００４８】
（無線広域ネットワーク）
本発明のネットワーク構造の別の重要な点は、無線広域ネットワーク技術であり、それは全域作動を通じて通信の受信可能範囲を準備し、システムの異なる構成要素に対する既定の通信経路から成っている。本ネットワーク構造と共に使用される如何なる広域ネットワーク技術も、本ネットワーク構造の通信特性を効果的にサポートするために、ある特定の能力を準備しなければならない。１つの能力は、無線広域ネットワークが作業現場全体に亘る受信可能範囲を準備するように選択される必要があることである。この受信可能範囲は、好ましくはネットワークを送信機の目視線配置に制限すべきではない。ネットワークはまた、１点から多重点能力、つまり放送能力を準備しなければならない。更に、パケット化データのサポートは、ネットワークのインターネット・プロトコル通信を搬送するために必要である。それに加えて、広域受信可能範囲を保証することは、しばしば高周波数帯をもたらす能力を犠牲にするが、この特性は全システム性能に大いに影響するので、公正な交換条件が考慮されるべきである。適切な広域ネットワークの一例は、パシフィック・クレスト社で製造されるＲＦＭ９６ラジオモデムである。前記パシフィック・クレスト社製品は、２ワットの電力で送信するように構成され、それらに、アンテナを目視線配置することなく、広い区域を完全に網羅するのに十分な範囲を与えている。広域ネットワークの別の代替として、現在開発中である低地球周回軌道人工衛星の使用がある。
【００４９】
（臨時ネットワークを伴う使用）
モバイルＩＰを伴う予測およびＲＦ伝播モデルの使用に加え、本発明はまた、臨時ネットワークにおいて同様に使用可能である。臨時ネットワークは、如何なる既存の設備基盤または中央集権行政の助けなしに一時的ネットワークを形成する無線移動ホストの集まりである。そのような環境においては、各々の移動ホストの無線送信の限られた範囲のために、１つの移動ポストがパッケットをその目的地に転送してもらうために他のホストの助けを得ることが必要である。
【００５０】
（産業上の応用可能性）
本発明は、自律的または半自律的な機械など、幾つかの構成要素および操作手が、できるだけ効率良く仕事を達成するために行動を統括する必要があるような状況において適用できる。例えば１つの現場作業センタは、機械の労力を現場全体に向け、機械の状況、現場にもたらされた変更地形の状況、及び、達成すべき仕事の状況に関する情報を収集することができる。更に、機械と操作手との間の通信の必要性があり、それは、それらの間の緊密な協力を可能にし、また現場内で行われる様々な作動を統括する。情報はまた、修理および保守人員にも通信され、機械の作動を減速するまたは停止させる可能性がある問題を彼らに警告する必要がある。本発明は、警告メッセージ、ノード間の通信を可能にするネットワーク管理メッセージ、作業現場の地形に関する詳細情報、全ての機械の位置および現在実行されている１つ又はそれ以上の仕事の現在の状態、音声伝送、診断および保守点検情報、及び、機械が互いに協働することを可能にし、制御基点（操作手）が作業中断の場合に診断を下すのを助けるための画像データを含む広い範囲の異なる型のメッセージを収容する。本発明は、機械が異なる無線ネットワーク技術の間を、経路最適化を持つモバイルＩＰプロトコル、仲間同士の通信、及び、賢い切換システムを使用して移動する能力を準備する。
【００５１】
図１２は、作業現場７０での位置に示されるフロントショベル８０のような土地改良機械を示す。フロントショベル８０は、作業現場７０で様々な土木作業を実行するキャタピラ式機械である。しかしながら、本発明の原理および適用は、作業現場上または地中を移動し、ある方法で作業現場の地形を変更する能力を持つ、実質的に如何なる移動道具または機械に対して役立つことが明白になるであろう。フロントショベル８０は、その作動を制御するために使用される利用可能な油圧または電気油圧式道具制御装置を装備している。
【００５２】
フロントショベル８０は、高精度でその位置を求めることができる位置発見システム（図示しない）を装備している。特にフロントショベル８０は、フロントショベル８０に置かれたＤＧＰＳ受信機（図示しない）を装備することができる。ＧＰＳ／レーザの組み合わせ、又は、レーダのような他の位置発見システムも利用できる。作業現場７０内のフロントショベル８０の位置座標は、フロントショベル８０が作業現場７０上を移動する時に得られる。これらの座標は、フロントショベル８０の位置と経路とを実時間で計算し、又は、作業現場７０の地表地図３２を動的に更新できるように１連の離散点として供給することが可能である。更にフロントショベル８０はまた、変更前の作業現場７０のデジタル化モデルと、変更完了後の作業現場７０の目標とする地形とを記憶する表示器（図示しない）を持つローカル・デジタルコンピュータ（これも図示しない）を装備できる。デジタル化モデルはまた、地表地図３２の、又は、変更されるべき作業現場の全区域に相当する環境地図の表現である。例えば、環境地図は区域の構造物を含む。動的な更新情報または地表地図３２は、実時間で表示可能であり、フロントショベル８０の操作手が表示上で利用することができる。表示器からの情報を使用して操作手は、効率的に監視でき、フロントショベル８０の手動制御と作動とを命令する。位置発見システム、及び／又は、ローカル・デジタルコンピュータは、地表がフロントショベル８０または他の移動式地形変更機械によって改良を受けている時、地表地図を動的に更新する手段の一例である。
【００５３】
それに加えて、または代わりとして、動的更新情報は、様々なポンプ、バルブ、油圧シリンダ、モータ／操縦機構、及び、土地改良機械に付随する他の制御装置を持つ電気油圧制御システムのような自動機械制御システムに対して準備できる。電気油圧制御は、機械作業を最小化し、性能を最大化し、そして、操作手による動作が例えば機械に過負荷を与えた場合に手動制御を制限するような操作手補助を準備することができる。代替として現場更新情報は、完全に一体化された自動機械／道具制御を準備するために使用できる。
【００５４】
作業現場７０に含まれる本発明の他の幾つかの構成要素は、作業現場７０で機械の保守点検をする保守点検トラック７２と現場事務所７４とである。この実施例において、保守点検技術者は、現場事務所７４におけるネットワークから保守点検ラップトップ７６を取り、それを保守点検トラック７２のネットワークに取り付ける能力を持ち、ラップトップはそこで移動ルータ７８に登録する。フロントショベル８０のような移動ノードが保守点検を必要とする時、それは、状況メッセージを包含するパケットを現場事務所７４に送る。パケットは、フロントショベル８０から発せられ、無線ローカルエリア・ネットワーク８２を通って作業現場７０のルータ８４に送られる。ルータ８４は、データ入出力能力を持ち、且つ、ソフトウェアを実行するコンピュータ・システム上で実行されるが、そのソフトウェアは、ＩＰデータパケットを取り扱い、目的地アドレスを求め、パケットを無線広域ネットワーク８６を通ってフロントショベル８０の既定のホームエージェントであるルータ８８に転送する。現場事務所７４におけるルータ８８は、パケットを受け取り、その目的地アドレスを求め、パケットをローカルエリア・ネットワーク（ＬＡＮ）９０へ転送する。パケットがＬＡＮ９０に送り出される前、ルータ８８はパケットを、目的地アドレスとして保守点検ラップトップ７６の気付アドレス・ルータ７８によってカプセルに入れ、パッケットをローカルエリア・ネットワーク９０に転送する。
【００５５】
ホームエージェント・ルータ８８は、オリジナル・パケットの供給源（フロントショベル８０）を求め、結合更新をフロントショベル８０に送り、フロントショベル８０に、移動ルータ７８のアドレスである保守点検ラップトップ７６の現在の気付アドレスを知らせる。カプセル化されたパケットがローカルエリア・ネットワーク９０を通って保守点検ラップトップ７６の外部エージェント７８へ送られる前に、ホームエージェント・ルータ８８は、パケットを再度傍受する。ホームエージェントは、今度はパケットを、目的地アドレスとして移動ルータ７８の気付アドレスでカプセルに入れ、パケットを広域ネットワーク８６に転送する。ホームエージェントは、再度フロントショベル８０がパケットの最初の供給源であることを求め、結合更新をフロントショベルに送り、また、移動ルータ７８の現在気付アドレスを教える。作業現場７０のルータ８４は、パケットを広域ネットワーク８６から受け取り、パケットを無線ローカルエリア・ネットワーク８２に転送する。移動ルータ７８は、パケットを無線ローカルエリア・ネットワーク８２から受け取り、第１カプセルを取り外す。移動ルータ７８は、この内部パケットを正しい位置へ転送することを試みる。この内部パケットの目的地アドレスは、移動ルータ７８自身のアドレスであり、そのためルータ７８は、代わりに、内部カプセルを取り除くことによりそれ自身で内部パケットを処理し、パケットを保守点検ラップトップ７６に転送する。
保守点検ラップトップ７６はパケットを受け取り、フロントショベル８０に返答する。パケットは、最初に保守点検ラップトップ７６の既定ルータである移動ルータ７８に送られる。無線ローカルエリア・ネットワーク８２の仲間同士の通信能力を使用して移動ルータ７８は、パケットを直接フロントショベル８０に、無線ローカルエリア・ネットワーク８２を使用して転送する。
【００５６】
フロントショベル８０は、パケットを受け取り、また２つの結合更新をホームエージェント８８から受け取る。フロントショベル８０は、結合更新をその結合保管所に見出しを加えるため使用する。一旦フロントショベル８０が保守点検ラップトップ７６および移動ルータ７８に対する結合保管所見出しを持つと、フロントショベルは、結合保管所見出しが期限切れになるまで、経路最適化を使ってパケットを送ることができる。フロントショベル８０は、最初にその結合保管所を調べ、次にパケットは、移動ルータ７８のアドレスである保守点検ラップトップ７６の気付アドレスを目的地アドレスとして使用することによりカプセルに入れられる。フロントショベル８０は、再度その結合保管所に、今度は移動ルータ７８に対する見出しを見つける。パケットは、移動ルータ７８の気付アドレスを目的地アドレスとして使い、２度目のカプセルに入れられる。パケットは次に、無線ローカルエリア・ネットワーク８２に送られる。ローカルエリア・ネットワーク８２の仲間同士の能力を使用して、パケットは、直接移動ルータ７８へ送られる。移動ルータ７８は、無線ローカルエリア・ネットワーク８２を使用してパケットを受け取り、第１カプセルを取り除く。移動ルータ７８は、この内部パケットを正しい位置へ転送することを試みる。この内部パケットの目的地アドレスは、移動ルータ７８自身のアドレスであり、そのためルータ７８は、代わりに、内部カプセルを取り除くことによりそれ自身で内部パケットを処理し、パケットを保守点検ラップトップ７６に転送する。保守点検ラップトップ７６はパケットを受け取り、フロントショベル８０に返答する。パケットは、最初に保守点検ラップトップの既定ルータである移動ルータ７８に送られる。ローカルエリア・ネットワーク８２の仲間同士の能力を使用して移動ルータ７８は、パケットを直接フロントショベル８０に、無線ローカルエリア・ネットワーク８２を使用して転送する。フロントショベル８０は、パケットを受け取る。
【００５７】
フロントショベル８０が保守点検ラップトップ７６および移動ルータ７８に対する結合更新を持っているので、パケットは、もはや広域ネットワーク８６に経路指定されない。これは、ネットワークの施設機器を効率的に利用し、低速広域ネットワークの使用を最小限にする。前記の実施例において、フロントショベル８０の経路最適化ソフトウェアは、パケットを直接保守点検ラップトップ７６に送るために、２回のカプセル化を実行する必要があることに注意すべきである。
【００５８】
上記で説明された実施例は、１つの作業現場７０のみを含んでいたが、しかし、本発明は、多数の作業現場および各作業現場において多数の機械を網羅するように実行されることが可能である。更に、多数の機械が用いられる時、各々の機械に付随する個々の表示器に更新情報を表示させることも可能である。表示器は、機械の何れか、又は、両方から見れるような地表地図３２を動的に更新する能力を持つ。それに加えて、多数の機械が使用される時、地表地図３２の更新に応答して通信信号の伝播モデルを動的に更新することも更に可能である。
本発明の他の態様、対象、及び、利点は、図面、開示、及び、別記請求項を参照することによって得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】モバイルＩＰの基本構成を示す機能ブロック図である。
【図２】パケットのトンネリングを持つモバイルＩＰの基本構成を示す機能ブロック図である。
【図３】経路最適化をしないパケット経路指定を示す機能ブロック図である。
【図４】経路最適化をするパケット経路指定を示す機能ブロック図である。
【図５】ローカルおよび広域無線ネットワークの受信可能範囲の一例を示す概観図である。
【図６】本発明の切換システム構造の機能ブロック図である。
【図７】モデル・デーモンが切換決定をするために用いるステートマシンの図である。
【図８】位置に基づく予測の一例を示す流れ図である。
【図９】地表地図の概観図である。
【図１０】本発明の切換システム用のステートマシンの図である。
【図１１】本発明の切換システム用のグラフィック・ユーザ・インタフェースの図である。
【図１２】本発明を利用できるような作業現場の図である。
【符号の説明】
Ｒ１ 外部エージェント
Ｒ２ Ｍのホームエージェント
Ｓ 通信ノード
Ｍ 移動ノード[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to a method and apparatus for changing the terrain of a work site, and more particularly to dynamically updating a display of a work site undergoing civil engineering work such as changing the terrain on the surface of the work site. The present invention relates to a method and apparatus for dynamically updating a propagation model of a communication signal in response to a display update.
[0002]
[Prior art]
When a partially or fully autonomous or manually operated mobile machine is developed at the work site, it will oversee a specific task and provide a reasonable time for the machine to plan its movement. Needs a lot of update information. In certain situations, many devices need to work together, and information about the activities and movements of each device, other objects in the work environment, and changes made to the work environment and the topography of the site are not available. , Must be communicated. As the work site becomes more complex and more machines are used, an efficient means of transmitting and receiving data between the machines is required. Furthermore, the information to be communicated is inherently diverse. For example, the system must support priority data and give priority to data belonging to operations essential to the service. Some that are operational may be very interactive and require very little system latency. Also, there is a large fluctuation in the required frequency band from several bytes per second to several hundreds of thousands bytes per second, or more.
[0003]
Currently, wireless mobile communication systems are configured to switch between paths or networks in response to signal quality loss detection. For example, a cellular system switches base stations when the signal level drops below a certain level, such as when a mobile node moves from one base station area to the other. In some cases, the signal level drop occurs as early as the connection is lost before the delivery to the other base station is complete. For example, a mobile weight machine communication system that operates partially or completely autonomously cannot lose valuable data during this transition period, and high quality communication needs to be maintained at all times. Therefore, it is necessary to have a mobile communication system with means to compensate for communication signal degradation and prevent information loss.
[0004]
In order to use the available frequency bands most effectively, the communication system should ideally have the ability to select the most appropriate network for a particular application from several overlapping wireless networks. . It is also preferable to switch networks immediately before the mobile node moves from one network to the other to prevent loss of communication signals. This requires the ability to predict it before it is delivered and notify the network when it discovers that the delivery is imminent. The ability to predict delivery is a large amount of mutual interference due to complex ground surfaces, including hills, foliage, deep trenches, holes, tunnels, and buildings, and work where machines are scattered over long distances Must be reliable in the environment. Propagation of radio frequency (RF) waves in areas with irregular ground surfaces and buildings such as deep canyons, steep hills, and high walls should consider factors such as reflection, diffraction, multipath, and scattering effects Is required. The signal strength of the RF signal can fluctuate significantly due to small movements in such areas. In general, wireless networks are made highly reliable by adding error detection and correction functions without regard to low processing power and long waiting time, so the reliability of the system needs to be balanced with the speed.
[0005]
In conventional hierarchical data networks such as the Internet, routing protocols are tied to the logical location of nodes in the network. When a packet is sent, it includes the address of the destination host computer in its header. An intermediate node on the path between the source and destination examines the destination address and determines how to route the packet based on the network component of this destination address. This allows intermediate nodes to forward packets to the network on which the destination host is located without knowing the exact location of the destination host. As the packet moves along the path, the intermediate node close to the destination has information about the exact location of the destination and forwards the packet accordingly. One advantage of this type of scheme is that the host only needs to know the location of several networks with nodes instead of the total node location in the network.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
This conventional network assumes that the host is still stationary. Using a lightweight, battery-powered mobile computer that uses wireless technology, the user can move around while staying connected. However, the scheme breaks when nodes move away from their “home” network. For example, when a mobile computer having an address belonging to network A moves to network B, packets destined for the mobile computer will still be sent to network A indicated by the network component at that address. All packets destined for the mobile computer are lost while the mobile computer is away from the home network. The limitation of traditional routing methods is to limit the mobility of these computers by confining them to a single network.
[0007]
Furthermore, when the work site is changed, it is also necessary to coordinate many terrain remodeling machines as they operate within the work site. In particular, it is advantageous to be able to update the surface map and prepare the updated information for each machine. When information is updated, it may also be necessary to update the communication propagation model.
Thus, the present invention is directed to overcoming one or more of the problems set forth above.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
One aspect of the present invention is a method for dynamically updating a propagation model of a communication signal in an area that is undergoing civil engineering work that changes the topography of the ground surface, the method comprising: And updating the propagation model dynamically in response to updating the ground map.
Another aspect of the present invention is an apparatus for dynamically updating a propagation model of a communication signal in an area subjected to an operation of a mobile terrain changing machine capable of changing the terrain on the ground surface. A means to store a surface map that represents the previous surface of the surface that has undergone a change due to, a means to dynamically update the surface map when the surface is changed by a mobile terrain change machine, and respond to updates to the surface map And means for dynamically updating the propagation model.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Outline)
The wireless mobile communication system of the present invention provides a method and apparatus for communicating between two or more communication nodes in an area having multiple communication nodes and one or more communication network technologies. The communication node can be moved or stationary. A smart switching system incorporates location information and RF wave propagation calculations for the selected communication network. An environmental map, including the area's surface and structure topography, as well as the location and characteristics of potential sources of electromagnetic interference, as well as RF propagation and communication models for signals generated by communication nodes and networks selected in the area To be used at selected time intervals. The RF propagation and communication model provides a prediction of signal quality everywhere given. With these inputs, each communication node of the network of the present invention predicts where it will be in the future, its location is reachable via a particular wireless network, and what is the signal quality at that location. can do. The network can then be ready for delivery between base stations or networks with the target signal quality, thus minimizing delays and incurred costs. To support mobile nodes, a communication protocol such as the standard Internet protocol known in Mobile IP is used, allowing the nodes to change their location in the network without changing their addresses. When a mobile node moves from one network to another, the home agent is the only node in the network that keeps track of the location of the mobile node and routes packets to this location. The system of the present invention also allows direct communication between peers. When each of the two nodes is within range of the other party, the user can communicate directly without the help of any central router. When each of the two nodes exceeds the peer coverage, the user can communicate by using other mobile nodes between them to forward their packets, i.e., these An intermediate network is dynamically used as a router to form a temporary network. By providing this capability, the system can support a very large number of mobile nodes. The system further provides support for various network traffic types including data intensive file transmission, time-first priority emergency data, real-time voice data, constant frequency band data, and periodic location data. The type of service required for that traffic is also considered to meet the special requirements of various communication nodes, facilitating the interaction of different user applications.
[0010]
(Mobile IP)
The Mobile IP (Internet Protocol) standard was developed to prepare for host mobility over the Internet. As described herein, Mobile IP implementation is based on the IP version 4 (IPv4) protocol standard. Mobile IPv4 allows IPv4 packets to be transparently routed to mobile nodes on the Internet. There is also a new version of IP known as IP version 6 (IPv6), whereas there is a mobile IP extension known as mobile IPv6. Both Mobile IPv4 and Mobile IPv6 can be used for this device.
In conventional IP routing, if a node moves to another network, the incoming packet can no longer be transmitted. In order for a node to be able to communicate on a new network, it needs to change its IP address. This makes it impossible to maintain a connection when a node changes location. Mobile IP is a routing scheme that does not require the IP address to change when a mobile node moves. Instead, each mobile node is identified by a single IP address regardless of the location of the current point belonging to the network.
[0011]
Understanding Mobile IP requires familiarity with the following concepts:
Mobile node: A node that moves from one network to the other. The mobile node executes mobile IP to maintain communication with other nodes.
Communication node: A node with which a mobile node is communicating. A communication node can be either a stationary node or another mobile node.
Home address: An IP address that is assigned to a mobile node and is unchanged regardless of whether the node belongs to the network.
Home network: Each mobile node has a home network. This is the network to which conventional IP routing will send packets addressed to the home address when the mobile node belonged to its home network. Conventional IP routing can send a packet to a mobile node using its home address.
External network: Any network other than the mobile node's home network.
Home agent: An agent located on the home network of a mobile node. The home agent knows the location of the mobile node and forwards the packet to the mobile node when the mobile node is away from the home.
Foreign agent: An agent located on an external network. The foreign agent helps the mobile node register with its home agent and helps forward the forwarded packet to the mobile node.
[0012]
Care-of address: IP address on the external network to which the home agent forwards the packet. The care-of address can be either the IP address of the foreign agent or a local address obtained on the foreign network. Protocols such as Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) can be used for this purpose. The former care-of address type is called the foreign agent care-of address and the latter is called the same-position care-of address.
Packet intercept: This is the process by which a home agent receives a packet addressed to one of its mobile nodes. This is done in Mobile IP by using a “proxy” address resolution protocol (ARF) at the home agent. The home agent answers the address resolution request for the IP address of the mobile node from another node on the home network using the proxy ARF, and makes the home agent's connection layer address as if it were the address of the mobile node. give. The node requesting the address then uses the home agent's connection layer address to send the packet to the mobile node, allowing the home agent to receive the packet and forward them to the mobile node's current location. To do.
Combined repository: The communication node can maintain a care-of address storage for the mobile node to determine where to send packets addressed to the mobile node.
Combined update: A message used to update the combined repository of communication nodes.
Registration lifetime: The period during which registration of a mobile node on an external network is valid. It is also the period when the combined update is valid.
[0013]
FIG. 1 illustrates the terms defined above. M is a mobile node. Node S is in communication with M, so S is a communication node. R2 is M's home agent. When M moves to the external network, R4 acts as an external agent. In this case, the address of R4 is used as the care-of address of M.
Mobile IP provides a set of services that provide mobility to nodes. Each of these services will be described here.
Agent discovery: Home agents and foreign agents can advertise that they are available on each link they serve. In addition, the newly connected mobile node can send an explicit solicitation on the link to know if there is a possible agent. The foreign agent responds to the solicitation by announcing their location. Mobile IP agent discovery is performed as an extension to the ICMP (Internet Control Message Protocol) router discovery protocol. The agent discovery protocol extends the messages (router advertisement and router solicitation) used in the router discovery protocol. The messages used in agent discovery are therefore called agent advertisement and agent solicitation.
[0014]
Registration: When a mobile node is away from home, it informs its home agent of its current location using a process called registration. Depending on the method belonging to the network, the node registers either directly with the home agent or through a foreign agent that transfers the registration to the home agent. Registration is valid for a fixed time or registration lifetime. When the mobile node uses the same position care-of address, there is no need for a foreign agent and the mobile node can register directly. When the mobile node returns to its home network, the mobile node “reregisters” with its home agent to stop forwarding the packet.
[0015]
Tunneling: The service provided by the home agent that forwards packets to the mobile node is called “tunneling”. When tunneling a packet, the home agent encapsulates the original packet by placing another IP header in front of the existing packet. This “external” IP header has a source address that is the IP address of the host in the capsule and a destination address that is the care-of address of the mobile host. If the care-of address is a foreign agent, the foreign agent receives the packet, removes its capsule, and sends it locally to the mobile node. If a co-located care-of address is used, the mobile node receives the packet and uncapsulates the packet itself.
[0016]
FIG. 2 illustrates the encapsulation process when a foreign agent is used. In operation, home agent R2 and foreign agent R4 advertise their presence using agent advertisement messages. Mobile node M is inherently connected to its home network, so it operates without mobility services at this point. The mobile node M moves to the external network. When a mobile node detects that it is on a foreign network (since it receives a foreign agent advertisement), it obtains a care-of address. The care-of address is obtained from the foreign agent advertisement message sent from R4. If a node such as R4 providing a foreign agent service is not available, and if the mobile node has the capability, the mobile node will use a service such as DHCP to obtain a co-located care-of address You can try with
[0017]
The movement mode M registers the new care-of address with the home agent R2 through the exchange of the registration request and the response message. If the address of R4 is used as a care-of address, the registration request and reply are sent to the foreign agent R4, which then forwards the packet appropriately. When the same care-of address is used, the foreign agent is not involved. When the communication node sends a packet to M, the packet is routed to M's home network. Home agent R2 intercepts these packets and tunnels them to M care-of addresses. If the R4 address is a care-of address, R4 uncapsulates the packets and sends them locally to M. If a co-location address is used, the tunneled packet will be received by M itself and decapsulated. In the opposite direction, packets sent by M to S are sent to their destinations regardless of M's location using conventional IP routing mechanisms.
[0018]
Mobile IP security is essential because it involves the ability to change the routing of packets destined for any host to be sent to anywhere else on the Internet. Attacks on registration requests and responses cause packets destined for the mobile node to become undeliverable or sent to an incorrect destination. For example, another host tries to pretend to be a mobile node and makes sure the home agent sends a packet to it. Accordingly, confirmation is performed by the mobile node and home agent for all registration requests and reply messages. The mobile node shares a security parameter index (SPI) and a secret key with its home agent to verify its home agent. One of several available algorithms can be used for verification, such as “Keyed Message Record Version 5” (MD5) with a key size of 16 bytes. In order to prevent any registration message from being replayed, time stamps and current stamps are used to identify each registration request and response one by one.
[0019]
(Mobile IP with route optimization)
Basic mobile IP allows a mobile node to move away from its home network by preparing a home agent that intercepts packets addressed to the mobile node's home address. In the general situation shown in FIG. 3, the mobile node M shown here is remote from its home network and communicates with a communication node S located on the external network to which the mobile node is currently connected. ing. When mobile node M sends a packet to communication node S, the packet is routed directly to mobile node M using conventional IP routing. However, when the communication node S sends a packet to the mobile node M, the packet is first routed back to the mobile node M's home network. Mobile node M's home agent R2 intercepts this packet and tunnels it to the mobile node's current foreign agent R1. When the foreign agent R1 receives the encapsulated packet, it is decapsulated and then sent to the mobile node M.
[0020]
Instead, as shown in FIG. 4, it can be more optimized and routed by sending packets directly to each other across the local network. The route optimization for the mobile IP optimizes the route along which the packet moves from the communication node S to the mobile node M. Any type of packet routing optimization from the communication node S to the mobile node M requires the communication node S to maintain information about the current location of the mobile node M. Each communication node S that supports route optimization must maintain a care-of address storage called a combined storage. When the communication node S sends a packet, it checks its binding repository to look for a header corresponding to the destination address of the packet. If a matching header is found, the communication node S itself encapsulates the packet with the care-of address specified in the binding repository header and sends it directly to the care-of address instead of sending it to the mobile node M's home network. Tunnel to.
[0021]
If no binding repository header is found, the packet is sent using conventional IP routing, which sends the packet back to the mobile node M's home network as before. When home agent R2 intercepts a packet, it assumes that the source host does not have a combined repository heading for mobile node M. Home agent R2 responds by sending a confirmed binding update to communication node S to inform mobile node M's current care-of address before communication node S tunnels the packet to mobile node M's current location. The home agent R2 sets the lifetime of the combined update to the time remaining in the registration of that particular mobile node M. When the original source receives and confirms the combined update, it adds the combined update to the combined repository for future use. The combined update expires after the time specified by the home agent R2.
[0022]
In order for the communication node S to be able to use route optimization, the software process needs to be running to receive and process the combined update. If the host does not use route optimization software, the packets are routed in the same way as Basic Mobile IP. Since some communication nodes S will not have this route optimization software, the home agent R2 needs to have an algorithm that limits the rate at which they send out binding updates to each communication host S, and so on. If not, the home agent R2 floods the network with the binding update to the communication node S, and the communication node S ignores them.
[0023]
(Smart switching system)
As shown in FIG. 5, the network system of the present invention comprises a location and one or more local area wireless networks, each providing a high speed coverage over a portion of the location. It incorporates many technologies that provide the highest quality from each of the networks, including wide area wireless networks that provide low coverage over time. As mobile nodes move through the network, they are continuously within the wide area network and move in and out of the local coverage area. The network technology used in a particular situation is selected based on the requirements of each particular application. A single complex network made from sub-networks using different technologies thus prepares an overall solution. The data flow in this network takes the most efficient path from the source to the destination, depending on the technical characteristics of the particular subnetwork. For example, if a high-speed local area communication link is available between two nodes that want to communicate, the communication path can be used against a slower wide-area link that is also available. If there is no other means of communication between the two nodes, the wide area network is used as the default means.
[0024]
In the preferred embodiment, Mobile IP is used to switch between networks as described above. The mobile IP scheme has the advantage that it does not require router changes or mobile nodes in the network. However, the protocol does not specify when to change the subnetwork connection.
The system prepares a basic mobile IP protocol with instructions on which network connection to establish while requiring only minimal changes to the standard mobile IP protocol. Note that in this system, some mobile nodes cannot carry an operator and, if possible, the operator operates the device rather than trying to determine if network delivery should occur. Input from the operator is not required. In addition, one of the inputs to the process of determining when to switch networks is an assessment of the quality of wireless communication signals from communicators on the local area network. The signal strength and noise, or the current level of interference, can be used to predict future values or can be recorded for later use. In addition to being able to assess this signal quality level, a threshold is set for a particular local area network technology. This value is the signal quality value of the minimum satisfaction level for hardware, and can be obtained either directly from hardware or from hardware specifications. Another useful input to the decision process is knowledge of the mobile node's current location. This type of input is combined with the knowledge of the location of the wireless local area network transmitter to evaluate signal quality values.
[0025]
In order to prepare a realistic model of RF propagation, the system includes a description of the actual ground surface surrounding the mobile node. Using the RF propagation model, the switching system attempts to predict when delivery is required to minimize the time that the mobile node is disconnected from the network. The switching system predicts future values of signal quality for communications over local area network connections. This signal quality value is then compared to a specific threshold. If the predicted value exceeds the threshold, the switching system commands Mobile IP to attempt communication using its local area network interface, otherwise the switching system instructs Mobile IP to Instructs to communicate using a network connection.
[0026]
(Switching system structure)
The components of the preferred embodiment of the system are shown in FIG. The model center 20 provides, for example, a model daemon 22, a position-based prediction mechanism 28, an environment / surface map 32, an RF propagation and communication model 34, a non-position-based prediction mechanism 38, which prepare the central function of the switching system. And a set of components, such as the movement model 56. Since the switching system has a standard dimensional design, it can be incorporated if the underlying technology is improved. The model daemon 22 keeps track of the current state of the mobile node and decides to switch based on this state and inputs from two other sources that are position-based prediction mechanisms 28 and non-position-based prediction mechanisms. Is a state machine. The model daemon 22 also sends instructions to the mobile IP software 24, which allows the mobile nodes to inform their home agent R2 of their current location.
[0027]
FIG. 7 shows the state machine that the model daemon 22 uses to make its switching decision. When the model daemon 22 begins execution, it starts from the WAN state (where “WAN” means the network interface that Mobile IP is ordered to use, in this case the wide area network interface) . A wide area network was chosen for the initial state of the system because it is assumed that it is always available. Many things can happen from this situation. First, if nothing else happens, the model daemon 22 sends an “update” command to the Mobile IP software on this node. Update instructions are sent periodically to ensure that the model daemon 22 and the mobile node M are in sync.
[0028]
The only case where the model daemon 22 leaves the WAN state is if the model daemon 22 has empirically collected signal strength (ie, read directly from the local area network interface hardware). It is time to determine that it suggests a stable connection to the network (LAN). In the preferred embodiment, this occurs when the model daemon 22 reads several consecutive values of the signal strength or hardware signal quality input 26 from the LAN hardware that is above the LAN signal strength threshold.
Once the model daemon 22 enters the LAN state, it can leave only if one of the following prediction systems predicts a future signal strength value below the LAN threshold. If that happens, an instruction to switch to the WAN interface is sent to the Mobile IP software on this node and the model daemon 22 re-enters the WAN state. The model daemon 22 sends an “update” command to ensure that the model daemon 22 and the mobile IP software remain synchronized while in the LAN state.
[0029]
The decision to switch from the LAN interface to the WAN interface is made based on the prediction information, whereas the decision to switch from the WAN to the LAN is made based on empirical measurement data. This distinction is made to minimize the possibility that the mobile node will be instructed to use the local area network interface when the network is not actually available. As a result, since it is assumed that a wide area network connection is always available, the state change rules make it easier to enter the WAN state.
Another important point is that the model daemon 22 has no concept of home or outside. It only knows about the network interface. The decision of whether the mobile node M should be home or outside is left to the mobile IP software or routing protocol 24 (FIG. 6) and is not affected by the presence of the model daemon 22.
[0030]
Referring again to FIG. 6, the position based prediction mechanism 28 accepts the current position of the mobile node from the position acquisition system 30 as input, moves this information into coordinates on the environment / ground map 32, and moves to a new point. Predict the movement of node M. The position-based prediction mechanism 28 also uses the equations for RF wave propagation and prepares the coordinates as input to an RF propagation and communication model 34 that calculates future signal strengths at one or more positions at that location.
Hardware that reliably acquires position information such as a differential global position finding system (DGPS) is commercially available and easily available. The switching system of the present invention has a default position prediction system, such as the environment / ground update system 36, that operates correctly even when position information is not available. To this end, the system includes a non-position based prediction mechanism 38 that maintains a record of empirically collected signal strengths and interpolates a set of data points to produce future values.
[0031]
The interpolation performed by the non-position based prediction mechanism 38 takes into account many past values or just a few values and combines them into a polynomial form, i.e. by fitting them into a curve. Can be complicated. A simple example involves defining a straight line using the two most recently collected signal strengths. The third point is interpolated along this line, resulting in the predicted signal strength. A more useful function would then be able to predict more than just the next time point. In this sense, more complex models can be used that fit the curve through a series of points that take into account the past behavior of the system.
[0032]
The position-based prediction mechanism 28 is part of the model center 20 and provides an environment / ground map 32, position acquisition system 30, RF propagation and communication model 34 to prepare future signal strength predictions for the model daemon 22. It uses information from a number of sources, including the environment / surface update system 36 and the movement model 56. FIG. 8 shows a flowchart of a determination process for predicting signal strength. When the location-based predictor 28 is invoked at block 40, it first attempts to collect input regarding the current state of the mobile node. The current strength of the local area network communication is obtained from the model daemon 22 that previously read the data from the local area network hardware. The mobile node's current location is gathered from any available location system, as indicated by block 42. Once these inputs are collected, the system checks to see if an environment / terrain map 32 for the current location of the mobile node is available at block 44. If the environment / terrain map 32 is not available at this point, a return error occurs at block 46 and the position-based prediction mechanism 28 is disabled. The model daemon 22 uses the value from the prediction mechanism 38 that is not based on the position as a default means.
[0033]
When the environment / terrain map 32 at this point is available, the switching system attempts to predict the future location of the mobile node at block 48. The future location of the mobile node is determined for a particular heading in the environment / terrain map 32. The data stored at that location, particularly the past signal strength and the time it was collected, is collected. Once the past values are collected, the system stores the current signal strength along with the current acquisition time in the environment / surface map 32 at the location specified by the current location. The time elapsed since the collection time is calculated and compared in decision block 50 against the age threshold associated with the current surface map. If the elapsed time is less than the threshold, the past value is used as a predicted value in block 52. If not, a calculation must be performed using the RF propagation and communication model 34 to predict future signal strength at block 54. The predicted signal strength can then be returned to the model daemon 22 for use as an input to its threshold comparison, as described above.
The model daemon 22 can use the past signal strength to learn about its environment from places it has visited previously. When a mobile node is using its local area network connection, it can record signal strength collections as past values in its environment / terrain map 32. When the mobile node leaves the area to perform a task and later returns to approximately the same place it was previously in, the mobile node can use the past signal strength as the predicted signal strength, eliminating the need for RF propagation calculations.
[0034]
Past values can become obsolete in situations where the surface of an area with local area network coverage changes faster than other areas. The model allows each area of local area network coverage to have its own age threshold. By way of example only, the surface of the ground near the field work center is usually fairly static because operation is generally not performed near the field work center. If this is the case, the age threshold for the field work center is relatively long, for example about a week or so. The work area age threshold may only be valid in a relatively short time, as the surface of the earth changes faster. If the mobile node returns to the previous location within the time limit set by the age threshold, the model daemon 22 can use the past value as the predicted value. Otherwise, the model daemon 22 needs to calculate a completely new value. More complex aging systems can be devised to slowly age past values in half-life and possibly combine those values in the weighting polynomial with the values predicted by the RF propagation and communication model 34. .
[0035]
In the preferred embodiment of the system, the location acquisition system 30 is a differential global location system (DGPS), but could be replaced by other techniques. The target resolution (meter size of each grid) of the environment / surface map 32 is a parameter for the switching system of the present invention. One limitation to this resolution is that it cannot be refined beyond the accuracy of DGPS equipment. The smaller grid resolution also requires greater storage capacity for the environment / surface map 32 and computationally more sophisticated RF propagation model calculations. A larger grid size allows for faster calculations and less storage capacity, but displays the ground surface with lower accuracy and generally results in lower accuracy RF propagation calculations. The resolution of the “grid” of the surface map should not exceed the resolution of the position information. The position information can be displayed in latitude and longitude frequency units or in Cartesian coordinates with a reference coordinate system fixed in space. Furthermore, it should be noted that the model is not limited to use on a map with a fixed grid. For example, a map with an irregular mesh display of the ground surface is possible.
[0036]
The environment / terrain map 32 can be thought of as a single grid placed on the ground over an area where local area network coverage is present or where wide area network coverage is present, or in general, The environment / surface map 32 can exist for all areas regardless of the network coverage. Each square of the grid is a storage location and holds three values. The first value is an altitude value corresponding to the sea level above the sea level (or some other reference point) on the surface of the point. The second value is the signal strength. As the mobile node crosses the actual surface, the model daemon 22 tracks its location across the environment / surface map 32 and records empirical acquisitions of signal strength in these storage locations. The third value stored is the time when the most recent signal strength was collected.
[0037]
The initial surface data file or movement model 56 (in FIG. 6) contains altitude information about the surface of the local area network in question. The file also includes the Cartesian coordinates of the center of the environment / surface map 32, metric display range and resolution when x and y are horizontal and vertical distances expressed in preferred units of measurement from a fixed reference position, as described above. Specify the “size” and age threshold of the ground map represented by. FIG. 9 depicts some of these concepts. Position 58 is the origin of the Cartesian coordinate system. Overlapping the contour 60 representing the range of the local area network is a virtual grid 62 representing the ground map 32. The center of the wireless local area network is located at the center of the grid 62 of the surface map, which is position 58, and the grid extends beyond the end of the coverage of the wireless local area network represented by the outline 60. The initial ground surface data file 56 containing the altitude information of the local area / network coverage area specifies the position 58 or the center of the ground map 32 with respect to the fixed reference point 64. With knowledge of its current location relative to the fixed reference point 64, the mobile node can determine which of the available surface maps 32 is appropriate for use at a particular location, if any.
[0038]
The environment / ground update system 36 for calculating the future location of the mobile node a few seconds ahead prepares the model daemon 22 with sufficient warnings to send a switch command before the network connection is completely lost. . In the system of the present invention, from the method of using the two most recently collected positions of the mobile node and projecting the path of the mobile node along a straight line through these two points, a series of recently collected positions. Various position prediction methods can be used, ranging from more complex position prediction systems that fit to parameter curves such as Bezier curves that pass through. More complex prediction systems make intelligent predictions of motion based on knowledge of the generally following path through the surface (ie roads) and the dynamic characteristics of the unit, or the surrounding surface.
[0039]
In the current system, the RF propagation and communication model 34 includes the predicted location of the mobile node, the location of the transmitter (usually a local area network access point or base station), the ground between them, and the radio used by the transmitting equipment. Based on the frequency, an estimate of the local area communication signal strength that the mobile node will receive is generated. The preferred embodiment of the RF propagation and communication model 34 models the effect of natural ground surface on electromagnetic wave propagation in real time. This model uses a two-dimensional path loss model based on information stored in the environment / surface map 32. The two-dimensional model treats the ground as if it were in the vertical plane between the RF transmitter and receiver. RF transmission can proceed beyond or below the surface, but cannot leave the plane in order to travel around the surface morphology. To build a two-dimensional model, a vertical plane is crossed between the x, y, and z coordinates of the transmit / receive antennas of the environment / surface map 32. Two calculations are then performed on this ground slice. Initially, a free space estimate of RF wave propagation from the transmitter to the receiver is calculated using the following equation:
P_r= P_tG_tG_rλ²/ ((4λ)²d²L)
here,
P_t= Transmission power
G_t= Transmit antenna gain
G_r= Gain of receiving antenna
λ = transmission wavelength
d = Distance between antennas
L = system loss factor.
[0040]
This calculation estimates the received transmit power when the two antennas are assumed to be in free space without any kind of interference. Next, a ground plane calculation is performed. In RF ground estimation for RF propagation, another path from the transmitter to the receiver is taken into account using the following equation: reflection path from the transmitter to the ground and from the ground to the receiver.
P_r= P_tG_tG_rh_t ²h_r ²/ D^Four
here,
P_t= Transmission power
G_t= Transmit antenna gain
G_r= Gain of receiving antenna
h_t= Transmitter height
h_r= Receiver height
d = Distance between antennas.
[0041]
Once both calculations are performed, the lesser of the two (representing the “worst case” received power) is used as a reference for the next stage of the model calculation. Some of the RF wave power is carried by secondary waves that do not propagate on the direct path from the transmitter to the receiver. These secondary waves arrive at the receiver after being diffracted by a point source between the transmitter and the receiver, and carry important components of the total transmission power. Even if there is a direct line of sight between the transmitter and receiver, these secondary waves are blocked, reducing the total received power. Fresnel band means the type of these secondary waves based on the path the wave propagates. A suitable Fresnel band gap means that there is no significant power loss because a sufficient amount of these secondary waves can reach the receiver. The Fresnel band gap is calculated according to the prior art depending on which of the following conditions is met:
1. A line of sight exists between the transmitter and the receiver and there is a suitable Fresnel band gap. In this case, the basic value calculated previously is used as the received power.
2. A line of sight exists between the transmitter and receiver, but there is no proper Fresnel band gap. The received power further decreases from the basic power due to the loss of the secondary wave.
3. There is no line of sight between the transmitter and the receiver. In this case, only a part of the secondary wave can reach the receiver.
These calculation results are then transferred back to the position-based prediction mechanism 28. The method of calculating the three-dimensional RF propagation model can be used as an alternative to the two-dimensional model. Three-dimensional models generally require larger data processing equipment. One skilled in the art will recognize that any other RF propagation model can be used as well.
[0042]
(Quality of service characteristics)
The network of the present invention is generally the "throughput", which is the average amount of data sent per unit time measured in bits per second or packets per second, and the average time it takes for a packet to travel from a source to a destination. Mainly related to two main quality of service (QOS) parameters of “lag”. The network utilizes the route of the highest frequency band from the source to the destination using route optimization and intelligent switching systems. When a high speed wireless local area network link is available, it will typically be used instead of a wide area link.
[0043]
FIG. 10 shows a state diagram 68 of the switching system, where a mobile node can only belong to its home network when using its local area network interface. The system begins with a connection loss condition that clears some internal variables, disables the local area network interface, and enables the wide area network interface. Control then moves to a route erasure state where the routing information stored by the mobile node is erased. In the acquisition state, the mobile node attempts to register with its home agent by sending a registration request for all available network interfaces. Control is then automatically transferred to a care-of standby state where the mobile node waits for a reply from its registration request. If the registration attempt fails, the mobile node resends the registration request and remains in a care-of-wait state. If retransmission is not permitted, the mobile node returns to the acquisition state and generates a new registration request. If the registration request is successful, the mobile node enters a care-of registration state corresponding to the Mobile IP concept of belonging to an external network. The mobile node can remain in this state indefinitely as long as attempts to re-register the same interface used previously are successful. Registration attempts can only be made using the enabled interface, and the mobile node is then instructed to communicate with the particular interface. If these registration attempts fail, the mobile node returns to the lost connection state and the process begins again.
[0044]
In addition to the failed registration attempt, the mobile node receives a switch command from the model daemon 22 that instructs the mobile node to switch from its local area network (LAN) interface to its wide area network (WAN) interface. , You can leave the awareness registration state. In this case, the mobile node enters a connection loss state. If the switch command switches from a wide area network interface to a local area network interface, the system must first enable the local area network interface and disable the wide area network interface. At this point the system cannot enter the lost connection state because it changes the enable / disable state of the network interface again. Instead, the loss of connection state is skipped and the route cancellation state is entered directly. Next, once in the acquisition state using the local area network interface, the system can be in the home state (if the mobile node belongs to the home network) or finally the care-of registration state (the mobile node is in the external network). If any).
[0045]
In many different places in state diagram 68, the mobile node attempts to detect whether its home agent is on a directly connected subnetwork. If a home agent is detected (because the mobile node receives a home agent advertisement message), the mobile node immediately enters the home state. Once at home, the mobile node stays there until it receives a command to switch to the wide area network interface, at which point it will enter the lost connection state.
[0046]
As shown in FIG. 11, a graphic user interface (GUI) for monitoring the state of the mobile node is provided with the system. The switching system GUI consists of a description of the surface map 32 and display of status information. The surface map 32 is displayed in a grid having the required dimensions, along with a local area network transmitter that defines the center of the local area network relative to the surface map and is clearly shown in black at the center of the grid. The height of the ground surface can be indicated by color on the map or by other means such as terrain elevation lines. For example, the surface map depicted in FIG. 11 is shown using an altitude code, which is specified in meters, for example. It is recognized and expected that any coding system and altitude measurement unit can be used to display a surface map. The current coordinates of the mobile node relative to the fixed reference, in this case the maintenance truck, are displayed on the right side of the map, and the location of the mobile node is indicated on the map by a shaded square. The GUI also displays information about which interface the mobile node is currently using (LAN or WAN interface) and the quality of DGPS information (on or off). Further information on the GUI indicates that the mobile node (ie, the maintenance truck) is in a work area with coordinates (−68, 248, 0). In addition, the mobile node uses its LAN interface and its DGPS device is functioning correctly.
[0047]
(Wireless local area network)
The system requires a local area network to prepare the mobile node for the ability to communicate at high speed to nearby fixed computers or other nearby mobile nodes. One such local area network is Wave LAN, a product developed by Lucent Technologies. However, the standard size design structure of the system can accommodate any preferred local area network technology. The frequency band of the local area network used with the present invention must be high enough to support communications such as isochronous voice data, bursts, and high capacity communications such as file transfer and image data. . The local area network must also provide access to signal strength measurements for use in switching systems. This signal strength data is a measure of the received power of a packet originating from another wireless host.
Local area networks also need to allow peers to communicate.
[0048]
(Wireless wide area network)
Another important aspect of the network structure of the present invention is wireless wide area network technology, which prepares communication coverage through global operation and consists of predefined communication paths for different components of the system. Any wide area network technology used with this network structure must provide certain capabilities to effectively support the communication characteristics of the network structure. One capability is that the wireless wide area network needs to be selected to provide coverage throughout the work site. This coverage should preferably not limit the network to the line of sight of the transmitter. The network must also prepare from one point to multipoint capability, ie broadcast capability. In addition, support for packetized data is necessary to carry internet protocol communications in the network. In addition, guaranteeing wide coverage often sacrifices the ability to yield high frequency bands, but this characteristic greatly affects overall system performance, so fair exchange conditions should be considered . An example of a suitable wide area network is an RFM 96 radio modem manufactured by Pacific Crest. The Pacific Crest product is configured to transmit at 2 watts of power, giving them enough coverage to completely cover a large area without sighting the antenna. Another alternative to wide area networks is the use of low earth orbit satellites, which are currently under development.
[0049]
(Use with temporary network)
In addition to the use of prediction and RF propagation models with Mobile IP, the present invention can also be used in temporary networks as well. A temporary network is a collection of wireless mobile hosts that form a temporary network without the assistance of any existing infrastructure or centralized administration. In such an environment, due to the limited range of radio transmissions of each mobile host, it is necessary for one mobile post to get the help of another host to have the packet transferred to its destination It is.
[0050]
(Industrial applicability)
The present invention can be applied in situations where several components and operators, such as autonomous or semi-autonomous machines, need to coordinate their actions to accomplish their work as efficiently as possible. For example, one field work center can direct machine effort across the site and collect information about the machine status, the status of the changed terrain brought to the site, and the status of the work to be accomplished. Furthermore, there is a need for communication between the machine and the operator, which allows close cooperation between them and supervises the various operations that take place in the field. Information should also be communicated to repair and maintenance personnel to alert them of problems that could slow down or stop the operation of the machine. The present invention includes warning messages, network management messages that allow communication between nodes, detailed information about the terrain at the work site, the location of all machines and the current status of one or more jobs currently being performed, A wide range of different including audio transmission, diagnostic and maintenance information and image data to allow the machine to cooperate with each other and help the control point (operator) make a diagnosis in case of work interruption Contains type messages. The present invention provides the ability for machines to move between different wireless network technologies using mobile IP protocols with route optimization, peer-to-peer communication, and smart switching systems.
[0051]
FIG. 12 shows a land improvement machine such as a front shovel 80 shown in position at the work site 70. The front shovel 80 is a caterpillar type machine that performs various civil engineering work on the work site 70. However, it is clear that the principles and applications of the present invention are useful for virtually any mobile tool or machine that has the ability to move on or in the work site and change the terrain of the work site in some way. It will be. The front shovel 80 is equipped with available hydraulic or electrohydraulic tool controls that are used to control its operation.
[0052]
The front shovel 80 is equipped with a position finding system (not shown) that can determine its position with high accuracy. In particular, the front shovel 80 can be equipped with a DGPS receiver (not shown) placed on the front shovel 80. Other location systems such as GPS / laser combinations or radar can also be used. The position coordinates of the front shovel 80 in the work site 70 are obtained when the front shovel 80 moves on the work site 70. These coordinates can be supplied as a series of discrete points so that the location and route of the front shovel 80 can be calculated in real time or the ground map 32 of the work site 70 can be dynamically updated. . Further, the front shovel 80 also includes a local digital computer (also not shown) having a display (not shown) for storing the digitized model of the work site 70 before the change and the target terrain of the work site 70 after the change is completed. (Not shown) can be equipped. The digitized model is also a representation of the environmental map corresponding to the surface map 32 or the entire area of the work site to be changed. For example, the environmental map includes area structures. The dynamic update information or the surface map 32 can be displayed in real time, and can be used on the display by the operator of the front shovel 80. Using information from the display, the operator can efficiently monitor and command manual control and activation of the front shovel 80. A location system and / or a local digital computer is an example of a means for dynamically updating a surface map when the surface is being improved by a front shovel 80 or other mobile terrain changing machine.
[0053]
In addition or as an alternative, dynamic update information can be automatic, such as electrohydraulic control systems with various pumps, valves, hydraulic cylinders, motor / steering mechanisms, and other control devices associated with land improvement machines. Ready for machine control system. Electrohydraulic control can provide operator assistance such as minimizing machine work, maximizing performance, and limiting manual control when operator action overloads the machine, for example. Alternatively, field update information can be used to prepare a fully integrated automatic machine / tool control.
[0054]
Some other components of the present invention that are included in the work site 70 are a maintenance truck 72 and a field office 74 that perform machine maintenance on the work site 70. In this embodiment, the maintenance technician has the ability to take the maintenance laptop 76 from the network at the field office 74 and attach it to the network of the maintenance truck 72, where the laptop registers with the mobile router 78. . When a mobile node, such as front shovel 80, requires maintenance, it sends a packet containing a status message to field office 74. The packet originates from the front shovel 80 and is sent through the wireless local area network 82 to the router 84 at the work site 70. The router 84 has data input / output capability and is executed on a computer system that executes software. The software handles IP data packets, obtains a destination address, and sends the packets to the wireless wide area network 86. Then, the data is transferred to the router 88 which is the default home agent of the front shovel 80. A router 88 at the field office 74 receives the packet, determines its destination address, and forwards the packet to a local area network (LAN) 90. Before the packet is sent out to the LAN 90, the router 88 encapsulates the packet as a destination address by the care-of-service laptop 76 care-of address router 78 and forwards the packet to the local area network 90.
[0055]
The home agent router 88 seeks the source of the original packet (front shovel 80), sends a binding update to the front shovel 80, and the front shovel 80 has the current maintenance laptop 76, which is the address of the mobile router 78. Inform your care-of address. The home agent router 88 intercepts the packet again before the encapsulated packet is sent through the local area network 90 to the foreign agent 78 of the maintenance laptop 76. The home agent then encapsulates the packet with the care-of address of the mobile router 78 as the destination address and forwards the packet to the wide area network 86. The home agent again asks that the front shovel 80 is the first source of packets, sends a binding update to the front shovel, and also tells the mobile router 78's current care-of address. The router 84 at the work site 70 receives the packet from the wide area network 86 and forwards the packet to the wireless local area network 82. Mobile router 78 receives the packet from wireless local area network 82 and removes the first capsule. The mobile router 78 attempts to forward this internal packet to the correct location. The destination address of this internal packet is the address of the mobile router 78 itself, so the router 78 instead processes the internal packet itself by removing the internal capsule and forwards the packet to the maintenance laptop 76. To do.
The maintenance inspection laptop 76 receives the packet and returns it to the front shovel 80. The packet is first sent to the mobile router 78, which is the default router of the maintenance laptop 76. Using the wireless local area network 82 peer-to-peer communication capabilities, the mobile router 78 forwards the packet directly to the front shovel 80 using the wireless local area network 82.
[0056]
Front shovel 80 receives the packet and receives two combined updates from home agent 88. The front shovel 80 uses the combined update to add a heading to its combined repository. Once front shovel 80 has a combined repository heading for maintenance laptop 76 and mobile router 78, the front shovel can route packets using route optimization until the combined repository headline expires. The front shovel 80 first examines its binding repository, and then the packet is encapsulated by using the care-of-service laptop 76's care-of address, which is the address of the mobile router 78, as the destination address. The front shovel 80 again finds a heading for the mobile router 78 in its combined repository. The packet is encapsulated a second time using the care-of address of the mobile router 78 as the destination address. The packet is then sent to the wireless local area network 82. Using the capabilities of the peers in the local area network 82, the packets are sent directly to the mobile router 78. The mobile router 78 receives the packet using the wireless local area network 82 and removes the first capsule. The mobile router 78 attempts to forward this internal packet to the correct location. The destination address of this internal packet is the address of the mobile router 78 itself, so the router 78 instead processes the internal packet itself by removing the internal capsule and forwards the packet to the maintenance laptop 76. To do. The maintenance inspection laptop 76 receives the packet and returns it to the front shovel 80. The packet is first sent to the mobile router 78, which is the default router for the maintenance laptop. Using the capabilities of peers in the local area network 82, the mobile router 78 forwards the packet directly to the front shovel 80 using the wireless local area network 82. The front shovel 80 receives the packet.
[0057]
Packets are no longer routed to the wide area network 86 because the front shovel 80 has binding updates to the maintenance laptop 76 and the mobile router 78. This makes efficient use of network facility equipment and minimizes the use of low speed wide area networks. It should be noted that in the above embodiment, the route optimization software of the front shovel 80 needs to perform two encapsulations in order to send the packet directly to the maintenance laptop 76.
[0058]
The embodiments described above included only one work site 70, but the present invention can be implemented to cover multiple work sites and multiple machines at each work site. It is. Further, when a large number of machines are used, it is possible to display the update information on individual displays associated with each machine. The indicator has the ability to dynamically update the surface map 32 as seen from either or both machines. In addition, when multiple machines are used, it is further possible to dynamically update the propagation model of the communication signal in response to the update of the surface map 32.
Other aspects, objects, and advantages of the present invention can be obtained from a study of the drawings, the disclosure, and the appended claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a functional block diagram showing a basic configuration of mobile IP.
FIG. 2 is a functional block diagram showing a basic configuration of mobile IP having packet tunneling.
FIG. 3 is a functional block diagram illustrating packet routing without route optimization.
FIG. 4 is a functional block diagram showing packet routing for route optimization.
FIG. 5 is an overview diagram showing an example of a receivable range of local and wide area wireless networks.
FIG. 6 is a functional block diagram of the switching system structure of the present invention.
FIG. 7 is a diagram of a state machine used by model daemons to make switching decisions.
FIG. 8 is a flowchart illustrating an example of position-based prediction.
FIG. 9 is an overview diagram of a surface map.
FIG. 10 is a diagram of a state machine for the switching system of the present invention.
FIG. 11 is a graphic user interface for the switching system of the present invention.
FIG. 12 is a diagram of a work site where the present invention can be used.
[Explanation of symbols]
R1 foreign agent
R2 M Home Agent
S Communication node
M mobile node

Claims (11)

地表の地形を変更するための地形変更機械による土木工事作業を受けている区域における通信信号の伝播モデルを動的に更新する方法であって、
前記地形変更機械による地形変更が行われる前における前記区域の地形を表す地表地図を記憶する段階と、
前記区域の地表地図を、前記土木工事作業の関数としてコンピュータによりリアルタイムで動的に更新する段階と、
コンピュータによるリアルタイムでの前記地表地図の更新に応じて前記伝播モデルを動的に更新する段階と、
前記伝播モデルに基づいて、将来の時点での前記地形変更機械の位置における通信信号の質を予測する段階と
を含むことを特徴とする方法。A method for dynamically updating a communication signal propagation model in an area that is undergoing civil engineering work by a terrain changing machine for changing the terrain of the surface,
Storing a surface map representing the terrain of the area before the terrain change by the terrain change machine;
Updating the surface map of the area dynamically in real time by a computer as a function of the civil engineering work;
The method comprising: dynamically updating the propagation model depending on the update of the surface map in real time by a computer,
Predicting the quality of a communication signal at the location of the terrain changing machine at a future time based on the propagation model . 前記区域の構造物を含む、前記区域の環境地図を動的に更新する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。  The method of claim 1, further comprising dynamically updating an environmental map of the area including the structure of the area. 前記構造物は静止構造物であることを特徴とする請求項２に記載の方法。  The method of claim 2, wherein the structure is a stationary structure. 前記構造物が移動構造物であることを特徴とする請求項２に記載の方法。  The method of claim 2, wherein the structure is a moving structure. 前記地表地図を操作手に表示する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。The method of claim 1, further comprising the step of displaying said ground map operation manual. 地表の地形を変更可能な移動式地形変更機械による土木工事作業が行われている区域において通信信号の伝播モデルを動的に更新する装置であって、
前記移動式地形変更機械による変更が行われる前における前記地表の地形を表す地表地図を記憶する手段と、
前記地表が前記移動式土地改良機械による変更を受けている時に、コンピュータによりリアルタイムで前記地表地図を動的に更新する手段と、
コンピュータによるリアルタイムでの前記地表地図の更新に応じて前記伝播モデルを動的に更新する手段と、
前記伝播モデルの更新に基づき将来の時点での前記移動式地形変更機械の位置における前記通信信号の品質を予測する手段と
を含むことを特徴とする装置。An apparatus for dynamically updating the propagation model of the communication signals in areas where civil engineering work by the surface of the terrain changeable mobile terrain change machine is carried out,
Means for storing a surface map representing the landform of the surface before the change by the mobile landform change machine;
Means for dynamically updating the surface map in real time by a computer when the surface is being modified by the mobile land improvement machine;
It means for dynamically updating the propagation model depending on the update of the surface map in real time by a computer,
Means for predicting the quality of the communication signal at a location of the mobile terrain changing machine at a future time based on the update of the propagation model . 第２の移動式地形変更機械と、
前記地表が前記第２の移動式地形変更機械による変更を受けている時に前記地表地図を動的に更新する手段と
を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。A second mobile terrain change machine;
7. The apparatus of claim 6 , further comprising means for dynamically updating the surface map when the surface is undergoing a change by the second mobile terrain change machine. 前記地表地図が前記第２の移動式地形変更機械による変更を受けている時に、前記地表地図の更新に応答して前記伝播モデルを動的に更新する手段を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。The apparatus further comprises means for dynamically updating the propagation model in response to an update of the surface map when the surface map is undergoing a change by the second mobile terrain change machine. 8. The apparatus according to 7 . 前記移動式地形変更機械の速度及び移動方向の関数として得られた前記移動式地形変更機械の予測位置に基づき、将来の時点における前記通信信号の品質を予測する手段を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。Means for predicting the quality of the communication signal at a future time based on the predicted position of the mobile terrain change machine obtained as a function of the speed and direction of movement of the mobile terrain change machine. The apparatus according to claim 6 . 地表の地形を変更する第１及び第２の土木工事機械による地形変更が行われている区域において通信信号の伝播モデルを動的に更新する方法であって、
前記第１及び第２の土木工事機械による地形変更が行われる前の地形を表す地表地図を記憶する段階と、
コンピュータを用いて、前記区域の前記地表地図を前記第１及び第２の土木工事機械による地形変更の関数としてリアルタイムで動的に更新する段階と、
コンピュータを用いるリアルタイムでの前記地表地図の更新に応じて前記伝播モデルを動的に更新する段階と、
前記伝播モデルの更新に基づき将来の時点での前記第１及び第２の土木工事機械の少なくとも一方の位置における前記通信信号の品質を予測する段階と
を含むことを特徴とする方法。A first and a method for dynamically updating the propagation model of a communication signal in areas where the terrain changes are being made by the second civil works machine to change the surface topography,
Storing a ground map representing the terrain before the terrain change is performed by the first and second civil engineering machines;
The method comprising using a computer, dynamically updated in real time the surface map of the area as a function of the terrain changes by the first and second civil engineering machinery,
Dynamically updating the propagation model in response to updating the surface map in real time using a computer ;
Predicting the quality of the communication signal at a position of the first and second civil engineering machines at a future time based on the update of the propagation model. . 地表の地形を変更する第１および第２の土木工事機械による地形変更が行われている区域において通信信号の伝播モデルを動的に更新する装置であって、
前記第１及び第２の土木工事機械による地形変更が行われる前の地形を表す地表地図を記憶する手段と、
前記区域の地表地図を前記第１および第２の土木工事機械による地形変更の関数として動的に更新する手段と、
前記地表地図の更新に応じて前記伝播モデルを動的に更新する手段と、
前記伝播モデルの更新に基づき将来の時点での前記第１及び第２の土木工事機械の少なくとも一方の位置における前記通信信号の品質を予測する段階と
を含むことを特徴とする装置。An apparatus for dynamically updating the propagation model of the communication signals in areas where the terrain changes due to the first and second civil works machine to change the surface topography is being performed,
Means for storing a ground map representing the terrain before the terrain change by the first and second civil engineering machines;
Means for dynamically updating a surface map of the area as a function of terrain change by the first and second civil engineering machines;
Means for dynamically updating the propagation model in response to an update of the surface map ;
Predicting the quality of the communication signal at a position of at least one of the first and second civil engineering machines at a future time based on the update of the propagation model. .

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