JP5951836B2 - 無線センサネットワークにおける周囲ノイズ適応のための装置及び方法 - Google Patents
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Description
、又は各々のノードにおいてバッテリから電力供給される(即ち、ノードは内部で電力供給される)。外部から電力供給されるノード及び内部で電力供給されるノードの組み合わせを用いるネットワークはハイブリッドネットワークと呼ばれる。それらの装置の演算及び通信要求についての大きさ、電力及びコストは、時間経過につれて減少するため、バッテリにより電力供給される無線ノードは、より小さくなるが、無線ノードにおける演算要求は増加する。
up)、それらのラジオをアクティブにし、何れかのデータパケットがルート付けられる必要があるかどうかを判定するように、他のネットワーク装置からのデータ通信に聞き耳をたてる(listen)必要がある。無線ネットワーク装置におけるバッテリの電力の殆どは、装置が頻繁に眼を覚まし、ラジオをオンに切り換え、他のネットワーク装置からのデータ通信に聞き耳を立てる必要がある。従って、WSNにおいて無線装置を介して経路付けるパケット及びデータ経路維持の処理は、ネットワークの動作寿命を長くするように高効率的である必要がある。
punchout mask)を備えている、技術について開示されている。ノードは、どの信号を受信すべきかに関する特定のランダムに順序付けられたチャネルホッピング帯域計画を生成するようにそのシード値及びパンチアウトマスクを用いる。ノードは、通信リンクを確立することを望む目的ノードにそのシード値及びパンチアウトマスクを送信し、それらの目的ノードの各々は、そのノードについてのランダムに順序付けられたチャネルホッピング帯域計画を生成するようにシード値及びパンチアウトマスクを用いる。続いて、目的ノードの一がそのノードに送信することを望むとき、目的ノードは、そのノードの帯域計画に従ってそのノードの周波数に対して周波数を変える。
。信号特性は、データレート、変調タイプ、オンエア帯域幅等であることが可能である、性能メトリクスは、受信信号のデータリンクオンエア特性に基づいて演算される。
、例えば、送信周期の前であるが、電力供給された後であって、送信の準備をするときに
、アンテナにより“聞く”ことにより、周囲RFノイズを受動的に感知することが可能である。従って、無線センサネットワーク内の少なくとも一部のそのようなノードは、無線センサネットワークの周囲に存在する周囲ノイズの量の定量的尺度を有する。少なくとも3つの異なる技術が、無線センサネットワークの機能特性を維持するように、一旦、周囲ノイズのレベルが認識されると、利用されることが可能である。
、環境RFノイズに対して無線センサネットワーク装置の動作を適合させる装置及び方法が提供される。特定の実施形態は、無線データネットワークに関し、特に、パケット交換時分割通信プロトコルを用いる多重ホップ無線データ通信に関する。特定の実施形態は、ネットワークトポロジにおいて備えられているセンサのアレイからのデータ収集に対する適用であり、少なくとも2つのインテリジェントな通信ノードがピア通信ノードのアレイ内の信頼性の高い無線通信範囲内にある。本明細書で説明している例示としてのシステム及び方法の種々の実施形態は、無線ネットワーク装置が動作している環境におけるRF周囲ノイズのレベルを変える無線センサネットワーク経験においてデータ通信を管理するための適応方法を与える。
。ゲートウェイ105は、WSN110の何れかのノードとして実施されることが可能である。当業者には、本明細書において、多様なWSNが更に特許請求の範囲内にあることが理解できるであろう。解析プロセッサ100は、ゲートウェイ105を介してWSN110のノード112の何れかからセンサデータを受信し、集合的環境モニタリング及び制御のためのセンサデータを解析するために用いられることが可能である。ゲートウェイ105及び解析プロセッサ100は、データの記憶及び検索のために従来のデータ記憶装置104を用いることが可能である。解析プロセッサ100は、インターネット等のワイドエリアネットワーク108への接続を有することも可能である。このように、ゲートウェイ105及びWSN110の他のノードはインターネットへのアクセスを得ることが可能である。
々のノードにおける無線トランシーバ(例えば、ラジオ)の強度及び環境における周囲RFノイズの性質に依存して、近傍のノードとの距離は変えられる。一部のアプリケーションにおいて、WSN110が用いられている環境が無線干渉の影響下にある場合、ノード間の無線データ通信は妨害され得ることが見込まれる。そのような場合、各々のノードは
、近傍のノードとのデータ通信の損失を検知することが可能であり、WSN110の他の機能しているノードを介して代替のデータ経路にそれ自体を再構成することが可能である
。従って、WSN110は、無線ネットワークの環境及び構成において変化している条件にかなり適応できる。
センサ、論理装置、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲー
トアレイ(FPGA)、プロセス論理制御器(PLC)、ハードワイヤードモジュール、
ネットワークルータ、ゲートウェイ、スイッチ又はブリッジ、若しくはそのマシンがとるアクションを指定する命令(逐次等)の集合を実行することができる何れかのマシンであることが可能である。更に、単独のマシンが図2に示されている一方、用語“マシン”又は“ノード”は、本明細書に記載している方法論の何れかの1つ又はそれ以上を実行する命令の集合を個別に又は共同で実行する何れかのマシンの集合を有すると捉えることもできる。
ィックメモリを有する。ノード200は、1つ又は複数のセンサ装置212、214及び216を更に有することが可能である。それらのセンサ装置は、温度センサ、湿度センサ
、気流センサ、粒子カウンタ及び/又は所望の条件を判定及び測定するための他の種類のセンサを有することが可能である。センサ装置212、214及び216は、動き検出器
、音響検出器、地震検出器、振動検出器、金属検出器、磁気異常体検出器、爆発物検出器等を有することが可能である。更に、センサ装置212、214及び216は、変換器動き活性化及び状態、ロボットシステム活性化及び状態、マシンシステム活性化及び状態等のプロセス制御装置を有することも可能である。一般に、センサ装置212、214及び216は、環境又は他の管理システム、処理制御システム、建造物管理システム等における所望の環境の又は例外的な条件を反転する、検出する及び/又は測定するための何れかのセンサを有することが可能である。
。特定の実施形態の方法及びシステムは、環境が周囲RFノイズの変化しているレベルを有する条件下でさえ、無線センサネットワーク装置が間断なく動作し、データを転送し続けることができる。
無線センサネットワーク装置における殆どのRF無線は、キャリアセンス閾値と呼ばれるプログラム可能な閾値に対応している。この閾値又は閾値パラメータは、周波数帯域により規定される何れかの所与の無線チャネルにおける周囲RFノイズのレベルを数値化するように用いられる。何れかの所与の時点における周囲RFノイズの実際のレベルは、知られている方法を用いて測定されることが可能である。ラジオは、検出されるRFノイズのレベルを数値化するように及び環境におけるRFノイズの破壊的レベルが存在するかどうかを判定するように、そのキャリアセンス閾値を用いる。殆どの場合、ネットワーク装置が何れかのデータパケットの無線送信を開始する前に、環境における他のネットワーク装置又は他のRFソースにより送信される他のデータパケットが存在するかどうかを判定する、又はスプリアスRF信号又はノイズを検出する、知られている方法を用いて、ネットワーク装置は環境を検知する。過剰なRFノイズの存在下で又は他のネットワーク装置によるRFパケットの送信において、ネットワーク装置は、何れかのデータパケット衝突を回避するように、短い時間量の間、バックオフする(例えば、無線データ送信を遅延させる又は取り消す)ことが可能である。後で、ネットワーク装置は再び、データパケットを送るように試みることが可能である。次のプロセスは、典型的なネットワーク装置のこの挙動及びキャリアセンス閾値(下では、‘MaximumNoiseThreshold’と表す)の使用について記述する。
MaximumNoiseThreshold = fixed value
…
currentNoise = radio.read_current_noise_level();
if currentNoise > MaximumNoiseThreshold
backoff(/don’t send data/);
sleep(fixed amount of time)
else
send data
end
ノイズレベル適応化
上記のキャリアセンス閾値化する方法に伴う1つの課題は、キャリアセンス閾値は、システム構成又は初期化時間において典型的に決定される固定値である。従って、キャリアセンス閾値の従来の使用は、特定のWSNが動作している環境で変化している条件に又は可変の条件に適応することができない。故に、従来のWSNにおけるデータ通信は、RFノイズの変化レベル又は可変レベルを有する環境で効率が悪い傾向にある。
、環境条件が時間経過して変化するにつれて、ネットワーク装置を定期的に適応させるように用いられる。従って、特定の環境においては、2つの基本的な操作、即ち、1)現在のノイズ条件を適合させるように無線ネットワーク装置においてキャリアセンス閾値を動的に変えること、及び2)RFノイズ特性が変化するにつれて、時間経過に伴って、現在のノイズ条件のために周期的に無線ネットワーク装置を適応させることが、RFノイズレベル適応化を達成するように用いられる。例示としてのそれらの2つの基本的な操作については、以下で詳細に説明する。
例示としての実施形態の第1操作においては、無線ネットワーク装置は、所定の初期のデフォルト値に対して最小無線ノイズ閾値(例えば、LowerBoundNoiseThreshold)及び最大ノイズ閾値(例えば、UpperBoundNoiseThreshold)を設定することから開始する。最小無線ノイズ閾値は、通常環境においてRFノイズについての予測をハイライトする。最大無線ノイズ閾値は、無線の動作限界をハイライトする。無線ノイズ閾値が大きくなればなる程、無線の到達はより小さくなる。しかしながら、無線の到達がより小さくなることはまた、無線ノイズ閾値が大きいときには無線ネットワーク装置により消費される電力はより小さいことを意味する。従って、所定の最小のチャネル数において無線ネットワーク装置が尚も通信することを可能にすることを保証する一方、できるだけ大きい無線ノイズ閾値により各々の無線ネットワーク装置を初期化することは有利である。
、少なくとも最小の必要なチャネル数がフリーである場合に、無線ネットワーク装置がノイズ閾値を見つけるまで、この処理を繰り返す。チャネルにおいて検出される周囲RFノイズがそのチャネルにおけるデータ通信に対して破壊的でない場合、そのチャネルはフリーである。試験されるノイズ閾値が最大無線閾値を上回り、最小の必要なチャネル数がフリーでない場合、無線ネットワーク装置は、データを送信するように試みることを中止する。特定の例示としての実施形態で用いられる処理について、次に示す。
UpperBoundNoiseThreshold = <a value>
RequiredChannels = [list of channels that must be clear]
LeastNumberOfFreeChannels = <a value>
currentRadioSenseThreshold = LowerBoundNoiseThreshold
while (currentNoiseLevel < UpperBoundNoiseThreshold)
numOfFreeChannels = 0
for channels in requiredChannels
radio.set_noise_threshold(currentRadioSenseThreshold)
currentNoise = radio.read_current_noise_level();
if currentNoise < currentRadioSenseThreshold
numOfFreeChannels ++;
end if
end
if (numberofFreeChannels < LeastNumberOfFreeChannels)
increment(currentRadioSenseThreshold)
continue;
else
// found right threshld; exit
break;
end while
ノイズレベル適応化−周期的評価
RFノイズ特性は時間経過につれて変化し得る。無線ネットワーク装置は、周期的に環境を評価して、存在状態を適合させるようにそれらのノイズ閾値を適応させる必要がある。特定の実施形態においては、WSNにおける各々の無線ネットワーク装置は、所定の間隔で(例えば、t分毎に)各々のチャネルの利用状況を調べる。チャネルの利用状況が特定の閾値を上回る場合に、無線ネットワーク装置は、無線ネットワーク装置におけるノイズ閾値を再調整するように、再び(上記の)ノイズレベル適応化初期化フェーズを実行する。特定の例示としての実施形態で用いる処理の詳細を次に示す。
ChannelUtilizationThreshold = <value>
ReviseNoiseThresholdPeriod = <value>
ChannelUtilization = [set 0 for each channel]
Every ReviseNoiseThresholdPeriod minutes do
numOfOpenChannels = 0
for channels in requiredChannels
evaluate utilization of channel
if (utilization > ChannelUtilizationThreshold)
numOfOpenChannels ++;
end if
end
if (numberofOpenChannels >= ChannelUtilizationThreshold)
re-evaluate noise threshold()
end if
end every
図4は、特定の実施形態についての基本的な処理フロー410を示す処理フロー図である。図示しているように、例示としての実施形態は、デフォルト値にノイズ閾値を初期化するステップ(処理ブロック415)と、無線ネットワーク装置の複数のチャネルにおいて周囲RFノイズレベルを検出するステップ(処理ブロック420)と、所定数のチャネルにおいて検出された周囲RFノイズレベルがノイズ閾値以上である場合に、ある増分だけノイズ閾値を調整して、複数のチャネルにおいて周囲RFノイズレベルを再試験するステップ(処理ブロック425)と、ノイズ閾値が所定の最大ノイズ閾値を上回る場合に、無線ネットワーク装置によりデータ通信を中止するステップ(処理ブロック430)と、所定数のチャネルにおいて検出された周囲RFノイズレベルがノイズ閾値以下である場合に、ノイズ閾値を保持し、無線ネットワーク装置によるデータ通信を可能にするステップ(処理ブロック435)とを有する。
子的に実施されることが可能である。例えば、モジュールは、特定の動作を実行するように永久に構成される専用の回路又はロジック(例えば、専用プロセッサ内の)を有することが可能である。モジュールは、特定の動作を実行するソフトウェアにより一時的に構成されるプログラマブルロジック又は回路(例えば、汎用プロセッサ又は他のプログラマブルプロセッサ内に含まれる)を有することも可能である。専用の永久に構成される回路において又は一時的に構成される回路(例えば、ソフトウェアにより構成される)において
、モジュールを機械的に実行する決定がコスト的な及び時間的な考慮により駆動されることが可能であることが理解できる。従って、用語“モジュール”は、本明細書に記載されている特定の様式で動作する及び/又は特定の操作を実行するように物理的に構成される
、永久に構成される(例えば、ハードワイヤード)又は一時的に構成される(例えば、プログラムされた)機能エンティティを包含するとして理解される必要がある。
、当業者は、多くの他の実施形態が可能であることを理解することができる。構造の及びロジックの置き換え及び変形が本発明の範囲から逸脱することなくなされることが可能であるように、他の実施形態が用いられる及び得られることが可能である。本明細書における図は単に具象的なものあり、スケーリングして描かれていない。
でない“上”、“下”、“上方”、“下方”、“第1”、“第2”等の表現を有する場合
がある。要素、材料、形状、寸法及び動作のシーケンスは、特定のアプリケーションに適合するように全て変えられることが可能である。一部の実施形態の部分は、他の実施形態の部分に含まれる又はそれと置き換えられることが可能である。寸法及び範囲についての上記実施例は代表的なものであるとみなされる一方、種々の実施形態は、そのような寸法又は範囲に限定されるものではない。
104 データ記憶装置
105 ゲートウェイ
106 ゲートウェイインタフェース
108 ワイドエリアネットワーク
110 WSN
112 無線センサ
200 センサユニット
201 バス
202 プロセッサ
204 主メモリ
206 スタティックメモリ
208 ネットワークインタフェース装置
210 ネットワーク
212、214及び216 センサ装置
218 不揮発性メモリ
222 制御信号生成装置
Claims (13)
- 無線ネットワーク装置が、ノイズ閾値をデフォルト値に初期化するステップ;
前記無線ネットワーク装置が、該無線ネットワーク装置の複数のチャネルにおいて周囲RFノイズレベルを検出するステップ;
所定数のチャネルにおいて検出される前記周囲RFノイズレベルが前記ノイズ閾値を超える場合に、前記無線ネットワーク装置が、増分だけ前記ノイズ閾値を調整し、前記複数のチャネルにおいて前記周囲RFノイズレベルを再試験するステップ;
前記ノイズ閾値が所定の最大ノイズ閾値を上回る場合に、前記無線ネットワーク装置が、データ通信を中止するステップ;及び
所定数のチャネルにおいて検出される前記周囲RFノイズレベルが前記ノイズ閾値未満である場合に、前記無線ネットワーク装置が、前記ノイズ閾値を維持し、データ通信を可能にするステップ;
を有し、
前記無線ネットワーク装置は、無線センサネットワークの他の無線ネットワーク装置と通信するように構成され、
前記無線ネットワーク装置と前記他の無線ネットワーク装置とは、共通グローバルクロックに対して同期され、データ通信が実行されていないときにラジオを非アクティブにしたローパワーリスニングモードにおいて動作する、
方法。 - 前記無線ネットワーク装置が、前記無線ネットワーク装置の前記複数のチャネルにおいて利用レベルを検出するステップ、を有する請求項1に記載の方法。
- 前記無線ネットワーク装置が、前記無線ネットワーク装置の前記複数のチャネルにおける利用レベルを検出するステップ;及び
所定数のチャネルにおいて検出される前記利用レベルがチャネル利用閾値を超える場合に、前記無線ネットワーク装置が、前記無線ネットワーク装置のノイズレベル適応初期化を実行するステップ;
を有する請求項1に記載の方法。 - 無線ネットワークノードであって、
プロセッサ;
無線センサネットワークの他のノードと通信するように、前記プロセッサに結合された無線ネットワークインタフェース;
前記無線ネットワークインタフェースを介するデータ通信のためのラジオ;及び
デフォルト値にノイズ閾値を初期化し、当該無線ネットワークノードの複数のチャネルにおいて周囲RFノイズレベルを検出し、所定数のチャネルにおいて検出された前記周囲RFノイズレベルが前記ノイズ閾値を超える場合に、増分だけ前記ノイズ閾値を調整し、及び前記複数のチャネルにおいて前記周囲RFノイズレベルを再試験し、前記ノイズ閾値が所定の最大ノイズ閾値を上回る場合に、当該無線ネットワークノードによるデータ通信を中止し、所定数のチャネルにおいて検出された前記周囲RFノイズレベルが前記ノイズ閾値未満である場合に、前記ノイズ閾値を維持し、及び当該無線ネットワークノードによるデータ通信を可能にするように、前記プロセッサにより実行可能である処理ロジック;
を有し、
前記無線ネットワークノードと前記他のノードとは、共通グローバルクロックに対して同期され、データ通信が実行されていないときにラジオを非アクティブにしたローパワーリスニングモードにおいて動作する、
無線ネットワークノード。 - 更に、当該無線ネットワークノードの前記複数のチャネルにおいて利用レベルを検出する、請求項4に記載の無線ネットワークノード。
- 更に、当該無線ネットワークノードの前記複数のチャネルにおいて利用レベルを検出し、所定数のチャネルにおいて検出される前記利用レベルがチャネル利用閾値を超える場合に、当該無線ネットワークノードのノイズレベル適応初期化を実行する、請求項4に記載の無線ネットワークノード。
- ゲートウェイ;
前記ゲートウェイとデータ通信する第1無線ネットワークノード;及び
処理ロジックを有する第2無線ネットワークノードであって、デフォルト値にノイズ閾値を初期化し、前記第2無線ネットワークノードの複数のチャネルにおいて周囲RFノイズレベルを検出し、所定数のチャネルにおいて検出された前記周囲RFノイズレベルが前記ノイズ閾値を超える場合に、増分だけ前記ノイズ閾値を調整し、及び前記複数のチャネルにおいて前記周囲RFノイズレベルを再試験し、前記ノイズ閾値が所定の最大ノイズ閾値を上回る場合に、前記第2無線ネットワークノードによるデータ通信を中止し、所定数のチャネルにおいて検出された前記周囲RFノイズレベルが前記ノイズ閾値未満である場合に、前記ノイズ閾値を維持し、及び前記第2無線ネットワークノードによるデータ通信を可能にする、第2無線ネットワークノード;
を有し、
前記第2無線ネットワークノードは、前記第1無線ネットワークノードと通信するように構成され、
前記第2無線ネットワークノードと前記第1無線ネットワークノードとは、共通グローバルクロックに対して同期され、データ通信が実行されていないときにラジオを非アクティブにしたローパワーリスニングモードにおいて動作する、
無線センサネットワーク。 - 前記第2無線ネットワークノードは更に、前記第2無線ネットワークノードの前記複数のチャネルにおいて利用レベルを検出する、請求項7に記載の無線センサネットワーク。
- 前記第2無線ネットワークノードは更に、前記第2無線ネットワークノードの前記複数のチャネルにおいて利用レベルを検出し、所定数のチャネルにおいて検出される前記利用レベルがチャネル利用閾値を超える場合に、前記第2無線ネットワークノードのノイズレベル適応初期化を実行する、請求項7に記載の無線センサネットワーク。
- デフォルト値にノイズ閾値を初期化すること、
無線ネットワーク装置の複数のチャネルにおいて周囲RFノイズレベルを検出すること、
所定数のチャネルにおいて検出された前記周囲RFノイズレベルが前記ノイズ閾値を超える場合に、増分だけ前記ノイズ閾値を調整し、前記複数のチャネルにおいて前記周囲RFノイズレベルを再試験すること、
前記ノイズ閾値が所定の最大ノイズ閾値を上回る場合に、前記無線ネットワーク装置によるデータ通信を中止すること、及び
所定数のチャネルにおいて検出された前記周囲RFノイズレベルが前記ノイズ閾値未満である場合に、前記ノイズ閾値を維持し、前記無線ネットワーク装置によるデータ通信を可能にすること、
を含む動作をマシンに実行させるコンピュータプログラムであって、
前記無線ネットワーク装置は、無線センサネットワークの他の無線ネットワーク装置と通信するように構成され、
前記無線ネットワーク装置と前記他の無線ネットワーク装置とは、共通グローバルクロックに対して同期され、データ通信が実行されていないときにラジオを非アクティブにしたローパワーリスニングモードにおいて動作する、
コンピュータプログラム。 - 前記動作は、前記無線ネットワーク装置の前記複数のチャネルにおいて利用レベルを検出することをさらに含む、請求項10に記載のコンピュータプログラム。
- 前記動作は、前記無線ネットワーク装置の前記複数のチャネルにおいて利用レベルを検出すること、及び、所定数のチャネルにおいて検出される前記利用レベルがチャネル利用閾値を超える場合に、前記無線ネットワーク装置のノイズレベル適応初期化を実行することをさらに含む、請求項10に記載のコンピュータプログラム。
- 無線ネットワーク装置が、チャネル利用閾値をデフォルト値に初期化するステップ;
前記無線ネットワーク装置が、該無線ネットワーク装置の複数のチャネルにおいて利用レベルを検出するステップ;
所定数のチャネルにおいて検出される前記利用レベルが前記チャネル利用閾値を超える場合に、前記無線ネットワーク装置が、該無線ネットワーク装置のノイズレベル適応初期化を実行するステップ;及び
前記無線ネットワーク装置が、前記ノイズレベル適応初期化に基づいて前記無線ネットワーク装置においてノイズ閾値を調整するステップ;
を有し、
前記無線ネットワーク装置は、無線センサネットワークの他の無線ネットワーク装置と通信するように構成され、
前記無線ネットワーク装置と前記他の無線ネットワーク装置とは、共通グローバルクロックに対して同期され、データ通信が実行されていないときにラジオを非アクティブにしたローパワーリスニングモードにおいて動作する、
方法。
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