JP4639225B2 - メッセージの傍受によるマスタ／スレーブ及びアドホックネットワークにおける移動時間の測定 - Google Patents

Description

本発明は、無線ネットワークにおけるノード間の移動範囲又は移動時間情報を取得するための方法及び装置に関する。

無線ネットワークの使用は、有線ネットワークに対して多くの利点を有し、ネットワークのノード間の通信管理が、それの成功に重要である。１つのノードから他のノードにデータを送信するため、ノードの位置が確定され、ルートが決定される必要がある。無線ノードの位置は、素早く変化する可能性があり、すべてのノードの位置は定期的に更新される必要があり、ネットワークの管理をより困難にする。

無線ネットワークの具体例として、ユーザが離れた位置から家の電子機器を制御することが可能であり、及び／又は当該機器の動作がユーザの位置に従って変換するインテリジェントホーム用のネットワークがある。低電力消費のノードが、このようなネットワークにおいて好まれるかもしれない。低電力消費は、これらのノードが理想的には数年に一度又は年間高々数回しか交換を要さない標準的な電池により実行することが可能である。あるいは、それらは、ソーラーパワーパネルを用いるなど、他の手段によって電源供給することも可能である。従って、ネットワークを駆動及び維持するコストは、低く維持される。ネットワークの各ノード間の距離を求める従来の方法は、ノードＡが範囲確定リクエストをノードＢに送信することからなる。ノードＢは、当該リクエストの到着時間とリプライの送信時間に関する情報を有するリプライを送信する。その後、ノードＡは、ノードＡとノードＢとの間の距離を計算することができる。さらに、ノードＡとノードＢのクロック間のクロックオフセットを決定することができ、これらのノードが同期することを可能にする。さらに、ノードＡがノードＡの送信範囲外であり、ノードＢの送信範囲内のノードＣと通信することを所望する場合、ノードＢは、ノードＣに関する範囲確定処理を実行し、ノードＡに通知することが可能である。ノードＣの送信範囲内の多数のノードから範囲情報を受信した後、ノードＡは、ノードＣと通信可能な最適なルートを決定することができる。

しかしながら、上記方法にはいくつかの問題点がある。すなわち、範囲情報は、定期的に更新される必要があり、ネットワーク内に多数のノードが存在する場合、範囲確定リクエスト及びレスポンスは、ネットワークの他の通信と衝突してしまうかもしれない。また、この範囲確定方法は、ネットワーク内の低電力ノードに負担を生じさせ、その結果、ノードの電池が所望されるよりも頻繁に交換される必要が生じる。さらに、スレーブが他のスレーブとは通信することを認められず、マスタと直接通信することしか認められていないマスタ／スレーブネットワークでは、２つのスレーブ間の距離は、決定することができない。この結果、ノードの位置は、１次元的に、すなわち、マスタノードからの距離として決定することしかできない。

米国特許第６，００６，０９７号は、無線ネットワーク内の複数の基地局と移動局との間で送信されるメッセージの個数を、各基地局に関する当該移動局の位置を求めるため、減少させるシステム及び方法を開示している。この開示された方法によると、移動局は、各基地局に個別にメッセージを送信する代わりに、すべての基地局によって受信可能なメッセージにより位置情報を送信する。しかしながら、上記方法は、移動局と少数のノード、すなわち、基地局との間の位置情報のやりとりを可能にするにすぎない。移動局は、他の移動局と直接位置情報を通信することはできない。

本発明は、上記問題点を解消しようとするものである。

本発明によると、第１ノード、第２ノード及び第３ノードを有するネットワークにおいて各ノード間の距離関係を取得する方法であって、前記第２ノードは、前記第１及び第２ノードの送信範囲内にあり、当該方法は、前記第３ノードが、前記第２ノードから前記第１ノードに送信される第１メッセージを傍受するステップを有することを特徴とする方法が提供される。

一実施例では、前記メッセージは、第１ノードから第２ノードに送信される範囲確定リクエストに対するレスポンスである第１メッセージを有し、第１メッセージはさらに、第１タイミング情報を有し、さらに、第３ノードは、第１メッセージのリプライに第２タイミング情報を有する第２メッセージを送信する。第１ノードが第１メッセージを受信すると、それは、第１ノードと第２ノードとの間の距離を決定するのに十分な情報を有することとなる。同様に、第２ノードが第２メッセージを受信すると、それは、第２ノードと第３ノードとの間の距離を決定するのに十分な情報を有することとなる。

本方法の効果の１つは、第１ノードが第２ノードとの距離を決定し、第２ノードが第３ノードとの距離を決定するため、従来技術では４つのメッセージが要求されるが、３つのメッセージしか送信される必要がないということである。

さらに本発明によると、ネットワークがマスタ／スレーブネットワークであって、第２及び第３ノードがスレーブノードである場合、本方法はさらに、第２メッセージがマスタ装置にアドレス指定され、第２ノードが傍受により第２メッセージを受信することを有する。

従って、本発明の他の効果は、マスタ／スレーブネットワークのスレーブノード間の距離が、決定可能であるということである。

本発明によると、当該装置と異なる第１ノードと第２ノードとを有する無線ネットワークにおいてノードとして動作可能な装置であって、前記第２ノードから前記第１ノードに送信される第１メッセージを傍受する手段と、タイミング情報を測定するタイミング手段とを有することを特徴とする装置が提供される。一実施例では、ノードはさらに、第１メッセージに応答して、タイミング情報を有する第２メッセージを送信する送信機を有する。

従って、第１メッセージの送信元ノードが第２メッセージを受信する場合、これらのノード間の距離関係が決定可能である。

さらに、本発明によると、ノードは、ネットワークコーディネータによってノードに割り当てられたタイムスロットにおいて第２メッセージを送信するよう構成されてもよい。この結果、データ転送の混雑が解消されるかもしれない。

さらに、本発明によると、ノードは、それのスリープモードにある間、第１メッセージを受け付けるよう構成されてもよい。

図１を参照するに、短距離ネットワークにおける通信用のノードを提供する装置１が示される。このノードは、各電子機器を接続する短距離ネットワークを制御するのに用いられる家庭内のセットトップボックスに接続されてもよく、あるいは、それは短距離ネットワークのユーザによって装着される携帯装置であってもよい。装置１は、無線周波数信号３を送受信する短距離トランシーバ２と、中央処理ユニット４と、メモリ（ＲＯＭ）５と、ストレージ（ＲＡＭ）６と、他のノードと同期するための内部クロック７とを有する。一実施例では、装置１はさらに、ユーザと通信するための入力装置８とディスプレイ９とを有する。装置はさらに、電池（図示せず）に接続される。ネットワークは、ネットワークコーディネータとして機能する少なくとも１つのノードを必要とする。ユーザは、入力装置８とディスプレイ９とを用いてネットワークコーディネータと通信することが可能であり、これにより、ネットワークを制御することができる。あるいは、ユーザは、携帯電話又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ^ＴＭ装置を用いて、無線周波数信号を利用してネットワークコーディネータと通信することができる。従って、他の実施例では、コーディネータは、入力装置８とディスプレイ９とを有しなくてもよい。

装置１は、ネットワークコーディネータとして機能することが可能である。ネットワークコーディネータは、通常は、ネットワーク内のその他のノードと比較して、拡張された機能を有している。例えば、ネットワークコーディネータは、ネットワークをセットアップするため、より大きなメモリ及びストレージを必要とし、ネットワークに接続し、ネットワークに含まれる各ノードに関する情報を格納する装置を起動するかもしれない。図２を参照するに、ネットワークコーディネータとして機能するよう構成されていない装置１０の一例が示されている。装置１０はまた、無線周波数信号３を送受信する短距離トランシーバ１１と、中央処理ユニット１２と、メモリ（ＲＯＭ）１３と、ストレージ（ＲＡＭ）１４と、内部クロック１５とを有する。しかしながら、当該処理ユニットは、装置１の処理ユニットより低い処理能力しか有さず、装置１０のメモリ及びストレージは、装置１のメモリ及びストレージより小さい。さらに、装置１０は装置１と一定のインターバルで同期可能であるため、装置１０の内部クロック１４は、装置１のクロックより精度が低いものであってもよい。この結果、装置１０は、装置１より低い電力消費となり、より安価なものとすることができる。装置１と複数の装置１０が互いに通信可能な方法がいくつか存在する。メッシュネットワークでは、すべての装置１０又は１は、範囲内の他のすべての装置１０又は１と直接通信することが可能である。しかしながら、マスタ／スレーブネットワークでは、装置１は、ネットワークの他のすべての装置と通信可能であるが、装置１０は装置１としか通信することができない。

好ましくは、装置１０と１は、ＺｉｇＢｅｅ規格に準拠している。しかしながら、これらの装置はまた、ＨｏｍｅＲＦ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ及びＩＥＥＥ８０２．１１ｘなどの他の規格と準拠するものであってもよい。ＺｉｇＢｅｅ規格によると、より多くの装置が複数のＺｉｇＢｅｅネットワークを用いて無線接続可能であるが、２５５個の装置が１つのネットワークを形成するのに無線接続可能である。装置は、２．４ＧＨｚ、９１５ＭＨｚ及び／又は８６８ＭＨｚ無線周波数帯において動作可能であり、それぞれ毎秒２５０キロビット（ｋｂｐｓ）、４０ｋｂｐｓ及び２０ｋｂｐｓの生データ転送レートをサポートし、典型的には１０〜７５メートルの送信範囲を有する。しかしながら、ノードの価格を抑えるため、送信範囲は、２〜５メートルとされてもよい。ＺｉｇＢｅｅ規格の概略は、ｗｗｗ．ｚｉｇｂｅｅ．ｏｒｇにおいてワールドワイドウェブを介し、又は米国カリフォルニア州のＢｉｓｈｏｐ Ｒａｎｃｈ，２２６９４ Ｂｉｓｈｏｐ Ｄｒｉｖｅ，Ｓｕｉｔｅ ２７５，Ｓａｎ Ｒａｍｏｎ，ＣＡ ９４５８３のＺｉｇＢｅｅアライアンスから取得可能である。

図３において、ＺｉｇＢｅｅ規格に準拠した装置のプロトコルレイヤアーキテクチャが示される。当該装置は、短距離低パワー装置用に開発されたＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に基づくプロトコルに従って動作する。この規格は、装置間の通信を制御する物理（ＰＨＹ）レイヤ１６を有する。ＰＨＹプロトコルは、装置間で送信される、ＰＰＤＵ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｄａｔａ Ｕｎｉｔ）と呼ばれるデータユニットの全体構成を規定する。ＰＰＤＵは、ＭＡＣＸ（Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）プロトコルレイヤ１７によって規定されるＭＡＣプロトとこるデータユニットを有する。ＭＡＣプロトコルレイヤ１７は、データユニットにより送信されるデータのタイプを規定し、暗号化アルゴリズムを有する。ＺｉｇＢｅｅ規格によると、プロトコルスタックはまた、ネットワーク（ＮＷＫ）レイヤ１８とアプリケーションサポート（ＡＰＳ）レイヤ１９とを有する。ＮＷＫレイヤ１８は、ネットワークをセットアップし、ネットワークに対する参入及び退出を行い、コーディネータがネットワーク内の装置にアドレスを割当てることを可能にし、フレームをそれらの意図する送信先にルーティングし、入出力フレームにそれぞれセキュリティを適用及び除去するプロトコルを含む。ＭＡＣレイヤ１７は、シングルホップ転送におけるセキュリティを処理し、ネットワークレイヤ１８は、マルチホップ転送におけるセキュリティを処理する。シングルホップ転送は、相互の直接的な通信において２つのノード間の直接的なデータ転送であり、マルチホップ転送は、少なくとも１つの中間ノードが送信元ノードから送信先ノードにデータを転送するのに使用されるように、相互の直接的な通信においてではなく送信元ノードと送信先ノードとの間のデータ転送に関するものである。マルチホップ転送は、装置の短距離送信範囲によりＺｉｇＢｅｅネットワークでは一般的である。ネットワーク内のすべてのノードは、互いの送信範囲内に存在しなくてもよく、従って、近隣ノードがメッセージを転送する必要がある。アプリケーションサポートレイヤ１９は、装置の個人的動作スペースにおいて他の何れの装置が動作しているか決定する機能と、２以上の装置をそれらのサービス及び要求に基づきマッチングする機能とを制御する。最後のレイヤであるアプリケーションレイヤ２０は、メーカーがアプリケーションオブジェクトを規定し、ＺｉｇＢｅｅにより記述されるアプリケーション記述に従ってアプリケーションを実現することを可能にする。アプリケーションレイヤはまた、ネットワーク内のノードの役割を規定する、すなわち、何れのノードがコーディネータであり、何れのノードがネットワーク内のエンドノードであるか規定するためのＺｉｇＢｅｅデバイスオブジェクトを有する。本発明による範囲確定方法は、範囲確定及び傍受を処理するため、余分なコマンドフレームを追加することによって、ＺｉｇＢｅｅプロトコルに直接搭載されてもよい。

図４は、ノードＡ、Ｂ及びＣを有するメッシュネットワークを示す。ノードＡは、ネットワークのコーディネータとして機能する装置１から構成される。従って、「装置１」及び「ネットワークコーディネータ」という用語は、以降において同一の装置を表すのに用いられるであろう。ネットワークのノードＢとＣは、それぞれ装置１０ａと１０ｂから構成される。すべてのノードは、ネットワークの他のすべてのノードと通信可能である。ネットワークを管理するため、ネットワークコーディネータは、ネットワークの各ノード間の距離に関する情報を必要とする。本例では、ノードＣは、ノードＡの送信範囲内にはないが、ノードＡは、データをノードＣに転送するため、ノードＡとノードＣの両方の送信範囲内にあるノードＢに指示することによって、ノードＣと通信することが可能である。ネットワークはさらに、ノードＡとノードＣの両方の送信範囲内にある図示されないさらなるノードを有するかもしれず、従って、ノードＣは、ノードＣとコンタクトするための最適なルートを求めるため、ノードＢまでの距離とノードＢとノードＣとの間の距離を求めることを所望する。従って、コーディネータは、時点Ｔ１において装置Ｂに範囲確定リクエスト２１を送信する。コーディネータは、送信時点（ＴＯＴ）Ｔ１をＲＡＭ６に格納する。ノードＢは、範囲確定リクエストを受信し、範囲確定リクエストの到着時間（ＴＯＡ）Ｔ２を記録し、Ｔ２とＴ３の値からなる時点Ｔ３にコーディネータＡに範囲確定レスポンス２２を送り返す。コントローラは、時点Ｔ４において範囲確定レスポンス２２を受信し、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４をそれのＲＡＭ６に記録する。このとき、装置１は、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４の値を知っている。装置１は、
［（Ｔ２−Ｔ１）＋（Ｔ４−Ｔ３）］＊ｃ／２ （１）
を計算することによって、ノードＡとノードＢとの間の距離を求めることができる。ここで、ｃは光の速度である。式１の第１の項は、範囲確定リクエストがノードＡからノードＢまで移動するのに要する時間に対応し、第２項は、レスポンスがノードＢからノードＡに移動するのに要した時間である。ノードＡとノードＢのクロックが同期されている場合、式１の第１項と第２項は等しくなる。しかしながら、一方のクロックが他方に関してやや遅延している場合、第１項の誤差は、第２項の誤差の反対の符号を有し、このため、これらの誤差は相殺される。しかしながら、時間データはさらに、双方のクロックが同期可能となるように、クロック７とクロック１５との間の時間遅延の計算を可能にする。このクロック遅延は、
［（Ｔ２−Ｔ１）−（Ｔ４−Ｔ３）］／２ （２）
を計算することによって求められる。式２の計算されたクロック遅延と、式１のクロック遅延誤差の相殺は、これらのクロックがメッセージ交換中に大きくドリフトしない場合には有効となる。ノード間の計算された距離が正確なものとなるため、リクエストの到着とレスポンスの送信の間の時間遅延は、これらのクロックが大きくドリフトしないように、最小限に維持されるべきである。

タイムスタンプＴ２とＴ３を設ける代わりに、
［（Ｔ１＋Ｔ４）−（Ｔ３−Ｔ２）］＊ｃ／２ （３）
が式１と等価であるため、ノードＢは、リクエストの到着とレスポンスの送信との間の遅延を提供しさえすればよい。しかしながら、時間遅延しか提供されない場合、クロックの遅延を計算することはできない。

上記処理は、ノードＢとノードＣとの間の距離を求めることができるように、ノードＢとノードＣとの間で繰り返すことができる。ノードＢは、範囲確定リクエスト２３をノードＣに送信する。ノードＣは、Ｔ６とＴ７の値を有するノードＢに対して範囲レスポンス２４により回答し、ノードＢは、
［（Ｔ６−Ｔ５）＋（Ｔ８−Ｔ７）］＊ｃ／２ （４）
を計算することによって、ノードＢとノードＣとの間の距離を計算する。ノードＢがノードＡと同期し、ノードＣがノードＢと同期している場合、ノードＣとノードＡは同期する。あるいは、ノードＣからノードＢへの範囲レスポンスは、Ｔ７−Ｔ６の値を有しさえすればよい。従って、ノードＡからノードＢの距離とノードＢからノードＣの距離を求めるため、合計４つのメッセージが送信される必要がある。

図５は、送信されるメッセージ数が減少される本発明によるノード間の距離を決定する方法を示す。本方法は、ネットワークコントローラＡが時点Ｔ１において範囲確定リクエスト２１をノードＢに送信することによってスタートする。ノードＢは、到着時点Ｔ２を記録し、時点Ｔ３において範囲確定レスポンス２２を送信する。範囲確定レスポンス２２は、Ｔ２とＴ３の値から構成される。ノードＢはさらに、Ｔ３の値をストレージ１４に格納する。コントローラＡは、Ｔ４においてレスポンスを受信し、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４の値を用いて、式１に示されるように、コーディネータとノードＢとの間の距離を計算する。その間、ノードＣは、範囲確定レスポンス２２に対して傍受を行う。範囲確定レスポンスは、時点Ｔ５においてノードＣに到着する。ノードＢからの範囲確定リクエスト２３を待機する代わりに、ノードＣは、時点Ｔ６において、範囲確定レスポンス２２の到着時点（Ｔ５）とＴ６の値を含む範囲確定レスポンス２４をノードＢに送り返す。ノードＢは、Ｔ７においてＴ５とＴ６の値を有する範囲確定レスポンスを受信し、それはすでにＴ３の値を保存しているため、この時点で、
［（Ｔ５−Ｔ３）＋（Ｔ７−Ｔ６）］＊ｃ／２ （５）
を計算することによって、ノードＢとノードＣとの間の距離を計算することができる。従って、システム内で送信されるメッセージの個数は、４から３に減らすことができた。

他の実施例では、メッセージに２つのタイムスタンプ、すなわち、Ｔ２とＴ３を含める代わりに、ノードＢは、リクエストの到着とレスポンスの送信の間の時間経過Ｔ３−Ｔ２を含めることによって、送信されるデータ量を減少させるようにしてもよい。ノードＡがレスポンスを受信すると、それは、リクエストの送信とレスポンスの受信の間の時間Ｔ１−Ｔ４を記録し、ノードＣとの距離を求めるため、式３に示されるように、ノードＢにおける時間遅延Ｔ３−Ｔ２を差し引く。同様に、タイムスタンプＴ５とＴ６の両方を範囲確定レスポンス２４に含める代わりに、ノードＣのみが、ノードＣにおける時間遅延Ｔ６−Ｔ５を有し、ノードＢは、ノードＢとノードＣとの間の距離を求めるため、
［（Ｔ７−Ｔ３）−（Ｔ６−Ｔ５）］＊ｃ／２ （６）
を計算する。

図６に示されるように、範囲確定リクエスト及びレスポンスは、好ましくは、ＰＰＤＵ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｄａｔａ Ｕｎｉｔ）により送信される。ＰＰＤＵは、プリアンブル２５とフレームデリミッタ２６とを有する同期ヘッダを有する。プリアンブルは、メッセージが送信中であることを受信側装置に警告する１と０のシーケンスである。フレームデリミッタ２６は、メッセージのスタートを通知する。ＰＰＤＵはさらに、残りのメッセージの長さを指定するフィールドを有する物理ヘッダ２７を有する。データユニットの残りのバイトであるＭＡＣプロトコルデータユニット２８は、ＭＡＣプロトコル１７によって規定され、ＭＡＣヘッダ、ＭＡＣペイロード及びＭＡＣフッタを有する。このヘッダは、フレーム及び制御データのタイプを指定するフレーム制御フィールド２９を有する。フレームのタイプは、ビーコンフレームと、データフレームと、アクノリッジメントフレームと、ＭＡＣコマンドフレームの４つがある。本実施例では、範囲確定リクエスト及び範囲確定レスポンスは、ＭＡＣコマンドフレームの一部として送信される。ＭＡＣヘッダはさらに、シーケンスのどのデータフレームを装置が送信／受信しているかチェックするためのデータシーケンス番号（３０）を有する。アクノリッジメントフレームは、それが受信を承認しているフレームと同じデータシーケンス番号を常に有する。アクノリッジメントフレームは、範囲確定レスポンスが所定時間経過した後になっても受信されない場合、タイミング情報はもはや有効ではなく、新たな範囲確定リクエストが送信される必要があるため、本発明による範囲確定方法において不要である。

ＭＡＣヘッダはさらに、メッセージの送信元ノードと送信先ノードの６４ビットアドレスを指定する送信元アドレスフィールド３１と送信先アドレスフィールド３２とを有する。送信されるデータ量を減らすため、より短い１６ビットＺｉｇＢｅｅアドレスが使用可能である。範囲確定リクエスト又はレスポンスがネットワークのコーディネータから送信される場合、送信元アドレスが指定される必要はない。同様に、範囲確定リクエスト又はレスポンスがコーディネータに送信される場合、送信先アドレスは空白のままである。この結果、範囲確定リクエスト２１は、ブランクの送信元アドレスフィールドと、装置Ｂのアドレスを指定する送信先アドレスフィールドを有する。範囲確定レスポンス２２は、装置Ｂのアドレスを指定する送信元アドレスフィールドと、ブランクの送信先アドレスフィールドとを有する。レスポンス２４の送信元アドレスフィールドは、ノードＣのアドレスと、ノードＢのアドレスを有するレスポンスの送信先アドレスフィールドとを有する。

ＭＡＣフッタは、エラーチェックに使用されるフレームチェックシーケンス３６を有する。ＭＡＣペイロードは、ＭＡＣコマンドフレームのタイプを指定するためのＭＡＣコマンド識別子３３を有するペイロードヘッダを有する。本発明によると、ペイロードヘッダはさらに、範囲確定リクエスト及び範囲確定レスポンスを制御するための追加的なデータを有するかもしれない。ＰＰＤＵが範囲確定リクエストであるとき、ＭＡＣコマンド識別子は、ペイロード３５がリクエストであることを指定し、ペイロードは、信号の到着時点とトランザクションＩＤを求めるため、ノードが相互に関連付けすることが可能な予測可能なデータシーケンスを有する。データユニット２８がレスポンスであるとき、ＭＡＣコマンド識別子３３は、ユニットがレスポンスであることを指定し、ペイロード３５は、予測可能なデータシーケンス、リクエストされたタイミング情報及び対応する範囲確定リクエストのトランザクションＩＤを有する。それはさらに、タイミング情報が有効であるか示す「クロック有効」フラグを有するようにしてもよい。予測可能なデータシーケンスは、受信側ノードが相互に関連するだけの十分な長さを有するが、２つのノードのクロックがメッセージ交換中に互いに関して大きくはドリフトしないだけの十分な短さとされる。予測可能シーケンスの典型例は、ちょうど８００μｓだけ継続し、相関を実行するための手段を実行するのに十分な２５バイトのヌルデータである。リクエストの到着とレスポンスの送信との間の時間遅延を指定することによって、到着及び送信のための別々のタイムスタンプの代わりに、より少ないビットが使用され、従って、当該処理はより効率的である。リクエストの受信とレスポンスの送信との間の典型的な時間遅延は、通常は１ミリ秒未満であり、これにより、数ミリ秒のメッセージ交換の時間が全体となる。

上述のネットワークでは、装置間の範囲を決定するため送信されるＰＰＤＵの個数は、従来知られている方法と比較して１だけ減少する。しかしながら、ネットワーク内のノードの個数がより多くなると、送信されるメッセージの個数がより減少する。図７は、コントローラとノードＣ〜ＥがノードＢの送信範囲内にあるコントローラと４つのノードＡ〜Ｅを有するネットワークを示す。ノードＣ、Ｄ及びＥは、ノードＢからコントローラＡに送信される範囲確定レスポンス２２を傍受する。装置Ｃ、Ｄ及びＥのそれぞれは、範囲確定レスポンス２２の到着時点Ｔ５、Ｔ８及びＴ１１を記録し、それぞれ範囲確定レスポンス２４、３７及び３８を返す。範囲確定レスポンスは、範囲確定レスポンス２２の到着と範囲確定レスポンス２４、３７又は３８の送信との間のそれぞれの時間遅延を有するか、あるいは、到着及び送信のタイムスタンプを有する。範囲確定レスポンス２４、３７及び３８のすべてを受信した後、ノードＢは、ノードＣ、Ｄ及びＥとの距離を計算するのに十分な情報を有する。

本発明による処理は、これらの装置が他の装置宛のメッセージを受信及び処理することが可能であることを要求する。ＺｉｇＢｅｅ装置は、スリープモードとアクティブモードの２つのモードのみを有する。スリープモードでは、ノードはビーコンのみをスキャンする。ビーコンは、他のノードがデータをそれに転送することを所望するとき、ノードにアクティブモードに変更するよう指示するため、ネットワークコーディネータからスリープモードのノードに送信される。アクティブモードでは、ノードは送信範囲内のすべてのノードからのメッセージをスキャンする。本発明の一実施例によると、スリープモードによる従来のフィルタリング方法は、ビーコンに加えて、ノードが範囲確定メッセージを通過することが可能となるように変更される。

図８を参照するに、本発明がマスタ／スレーブネットワークにおいて使用される状況が示される。マスタ／スレーブネットワークのスレーブノードは、マスタ／コーディネートノードと直接通信することしかできず、この結果、ネットワークのすべてのノードが、コーディネートノードの送信範囲内になければならない。この結果、マスタと各スレーブとの間の距離しか測定することができない。しかしながら、ネットワーク内の各スレーブノード間の距離を測定することが可能となることによって、ノードの位置に関するより多くの情報が取得可能である。図８に示されるネットワークでは、ノードＡは、ネットワークのマスタ／コーディネータであり、ノードＢ及びＣは、スレーブノードである。ノードＡは、時点Ｔ１において範囲確定リクエスト２１をノードＢに送信する。ノードＢは、時点Ｔ２において範囲確定リクエストを受信し、時点Ｔ３において範囲確定レスポンス２２をノードＡに送り返す。範囲確定レスポンス２２は、Ｔ２とＴ３の値を有する。ノードＢはさらに、時点Ｔ３の値を保存する。ノードＡは、時点Ｔ４において範囲確定レスポンス２２を受信し、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４を用いてノードＡとノードＢとの間の距離を計算する。ノードＣは、範囲確定レスポンス２２を傍受し、範囲確定レスポンス２２がノードＣに到着する時点Ｔ５を記録する。ノードＣは、ノードＣとＢが共にスレーブノードであるため、ノードＢと直接通信することはできない。ノードＣは、マスタノードであるノードＡと通信することのみ許されている。この結果、ノードＣは、レスポンス２４をノードＡにアドレス指定し、ノードＢが傍受し、この結果、レスポンス２４を受信していることを当てにする。従って、マスタ／スレーブネットワークでは、ＰＰＤＵのフォーマットは、レスポンス２４がマスタにのみアドレス指定可能であるため、レスポンス２４がブランクの送信先アドレスフィールド３２を有することを除いて、上述のメッシュネットワークと同じフォーマットを有する。レスポンス２４は時点Ｔ６において送信され、Ｔ５とＴ６の値を有する。ノードＢは、レスポンス２４を傍受し、ノードＢにおいてレスポンスの到着時点Ｔ７を記録する。この結果、ノードＢはここで、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ６及びＴ７を有することとなり、式５からノードＢとノードＣとの間の距離を求めることができる。従って、ノードＢとノードＣとの間の距離は、これらのノードが互いに直接に通信することが許されていなくても、求めることが可能となる。レスポンス２４はさらに、時点Ｔ８においてノードＡに到着する。ノードＡがノードＡに別の範囲確定リクエストを送信している状況では、範囲確定レスポンス２４は、範囲確定リクエストに対するレスポンスと間違われるかもしれない。しかしながら、これは、トランザクション識別子３４をレスポンスに含めることによって解決される。ノードＡは、レスポンス２４のトランザクション識別子３４の値を、ノードＡから送信される範囲確定リクエストのトランザクション識別子と比較し、レスポンス２４のタイミング情報が関連するか判断する。

範囲確定リクエスト２１、レスポンス２２及びレスポンス２４をやりとりすることによって、ノードＡはここで、ノードＢとの距離を知り、ノードＢは、ノードＣとの距離を知る。一実施例では、ノードＢは、ノードＡがネットワーク内のすべてのノードの位置に関する更新された情報を格納することができるように、ノードＢとノードＣとの間の距離をノードＡに通知するメッセージをノードＡに送信する。従来方法では、ノードＡからノードＢの距離と、ノードＡからノードＣの距離のみが求めることができたが、本発明は、ノードＢからノードＣの距離をも求める方法を提供し、ネットワークに関してより多くの情報が取得される。

典型的なＺｉｇＢｅｅネットワークでは、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）処理は、メッセージ間の衝突を回避し、ビジーなノードと通信しようとするために行われる。当該処理は、簡単には、ビジーな通信チャネルを使用しようとする前に、バックオフ時間と呼ばれる所定の時間だけノードが待機することを伴う。ノードＢは、装置ＣがメッセージをノードＢに送信可能となる前に、受信モードに戻る必要がある。Ｃにおけるメッセージの受信と送信の間の遅延が長すぎるものとならないようにするため、ノードＢは、ノードＡとの通信を終了した直後に受信モードに戻り、ノードＣのバックオフ時間が小さな値に設定される。装置の個数が増えるに従って、衝突回避アルゴリズムがノードＢにメッセージを取得するのに要する時間は長くなる。しかしながら、この遅延は、データが有効であるか決定することが可能なノードＢには明らかであろう。一実施例では、各装置のバックオフ値はランダムに選択され、他の実施例では、傍受する装置のそれぞれには、メッセージ受信後であって応答前の設定時間である指定されたリプライ期間を与えることが可能である。ダイナミックシステムは、ノードの電力供給のレベルに応じてリプライ期間を割り当てるようにしてもよい。例えば、電池の低いノードには、早期のリプライ期間が与えられるかもしれない。

マスタ／スレーブネットワークでは、ＺｉｇＢｅｅ装置は、スーパーフレーム構成を利用して、ノード間の通信を可能にするかもしれない。スーパーフレームの規格は、ネットワークビーコンによって確定され、１６の等しいサイズのスロットに分割され、第１及び最終フレームがビーコンフレームであり、第２〜第１５フレームが通信することを所望する他のすべての装置によって使用される。マスタは、これらのフレームの各部分、いわゆる保証されたタイムスロット（ＧＴＳ）を通信を所望する装置に与える。本発明によると、マスタは、メッセージ交換の期間全体を可能な限り短期間に維持するため、レスポンスを送信するため装置Ｂによって使用されるタイムスロットの直前のタイムスロットを装置Ｃに割り当てるかもしれない。

図９は、本発明により動作する装置及び処理が、家庭の日常の状況においてどのようにして利用可能となるかを示す。典型的な家庭は、ある範囲の電子装置を有する。この家庭は、ＺｉｇＢｅｅ装置１を有するハイファイシステムと、装置１０ｂを有するリモコンとを有するかもしれない。ハイファイシステムに接続される装置１は、ネットワークのコーディネータであるかもしれない。家庭の所有者は、他の装置１０ａに自分のキーを取り付け、家庭内のキーをなくしてしまっているかもしれない。このキーと、ハイファイシステムとリモコンは、マスタ／スレーブネットワークを構成する。コーディネータは、ネットワーク内のすべてのノードに関する情報を格納する。それはさらに、ネットワーク内の各ノードの名前と、各名前をＺｉｇＢｅｅアドレスと関連付けるテーブルとを格納するかもしれない。これらのキーに関する名前は、所有者のキーであるかもしれない。所有者は、入力装置８とディスプレイ９を用いて自分のキーに関してネットワークに照会する。例えば、所有者は、入力装置８を用いて「所有者のキー？」を入力するかもしれない。コントローラは、キーの位置を見つけるための指示として入力を理解し、これに応じて範囲確定リクエスト２１をキーに送信する。これらのキーは、範囲確定レスポンス２２によりリプライする。その間、リモコンは、範囲確定レスポンス２２を傍受し、範囲確定レスポンス２４をハイファイシステムに送信する。これらのキーは、範囲確定レスポンス２４を傍受し、キーとリモコンとの間の距離を求め、キーとリモコンとの間の距離の値を有するメッセージ３９をハイファイシステムに送信する。最後に、ハイファイシステムに付属された装置１は、ディスプレイ９を用いて、「所有者のキーは、ハイファイシステムから４メートルであり、リモコンから３メートルである」という形式によって、キーの位置を所有者に表示する。

上記の例では、範囲確定処理はネットワークコーディネータによって開始された。しかしながら、範囲確定処理がネットワーク内の何れかのノードによって開始することが可能であるということは、当業者に明らかであろう。さらに、発信した装置が、傍受する装置の送信範囲内にあるとすると、傍受する装置は、装置の範囲確定リクエストを含み、範囲確定処理を開始する送信範囲内のノードから送信される任意のメッセージを傍受するかもしれない。さらに、上記例では、ノードＣとノードＢとの間の距離の計算は、ノードＢにおいて実行されるよう説明された。しかしながら、例えば、ノードＢが低パワーである場合、それは、距離を求めるため、タイミング情報をコーディネータ又はネットワーク内の他の何れかのノードに送信するかもしれない。この結果、ノードＢは電力を節約するかもしれない。

本出願において、請求項は特定の特徴の組み合わせについて規定されているが、本発明の開示範囲はまた、それが何れかの請求項に現在主張されているものと同一の発明に関するか、そして、本発明と同じ技術的問題点の何れか又はすべてを軽減するかにかかわらず、ここで明示的又は暗黙的に開示された何れか新規な特徴又は何れか新規な特徴の組み合わせ、又はそれらの何れかの一般化を含むことが理解されるべきである。これにより、本出願人は、新たな請求項が、本出願又はそれから導かれるさらなる出願の手続中にそのような特徴及び／又はそのような特徴の組み合わせに規定されるかもしれないということを通知する。

図１は、無線ネットワークに適した低電力装置の概略図である。 図２は、無線ネットワークに適した他の低電力装置の概略図である。 図３は、図１及び２によって示される装置のプロトコルレイヤを示す。 図４は、従来方法による無線ネットワークにおいて送信される範囲確定リクエスト及びレスポンスを示す。 図５は、本発明による無線メッシュネットワークにおいて送信される範囲確定リクエスト及びレスポンスを示す。 図６は、本発明による無線ネットワークにおけるノード間で送信されるデータの構成を示す。 図７は、複数のノードを有する無線メッシュネットワークにおいて本発明により送信される範囲確定リクエスト及びレスポンスを示す。 図８は、マスタ／スレーブネットワークにおいて本発明により送信される範囲確定リクエスト及びレスポンスを示す。 図９は、本発明が利用可能な状況の具体例を示す。

Claims (25)

1. 第１ノード、第２ノード及び第３ノードを有する無線ネットワークにおいて各ノード間の距離関係を取得する方法であって、
   前記第２ノードは、前記第１及び第３ノードの送信範囲内にあり、
   当該方法は、
   前記第１ノードから前記第２ノードに送信された範囲確定リクエストに対するレスポンスである、第１タイミング情報と前記第２ノードのアドレスとを有する第１メッセージを前記第２ノードから前記第１ノードに送信するステップと、
   前記第２ノードが、前記第１メッセージの送信時間を記憶するステップと、
   前記第３ノードが、前記第２ノードから前記第１ノードに送信される前記第１メッセージを傍受するステップと、
   前記第３ノードが、前記第１メッセージに応答して、第２タイミング情報と前記第３ノードのアドレスとを有する第２メッセージを送信するステップと、
   前記第２ノードが、前記第２メッセージを受信するステップと、
   前記第２ノードが、前記第１メッセージの送信時間、前記第２メッセージの受信時間及び前記第２タイミング情報を考慮することによって、前記第２ノードと前記第３ノードとの間の距離を決定するステップと、
   を有することを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法であって、さらに、
   前記第１ノードが、前記範囲確定リクエストの送信時間、前記第１メッセージの到着時間及び前記第１メッセージの第１タイミング情報を考慮することによって、前記第１ノードと前記第２ノードとの間の距離を決定するステップを有することを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２記載の方法であって、
   前記第１タイミング情報は、前記第２ノードにおける前記範囲確定リクエストの到着時間と、前記第２ノードからの前記第１メッセージの送信時間とを有することを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３何れか一項記載の方法であって、
   前記第１タイミング情報は、前記第２ノードにおける前記範囲確定リクエストの到着と前記第１メッセージの送信との間の時間遅延を有することを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４何れか一項記載の方法であって、
   前記第２タイミング情報は、前記第３ノードにおける前記第１メッセージの到着時間と、前記第３ノードからの前記第２メッセージの送信時間とを有することを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５何れか一項記載の方法であって、
   前記第２タイミング情報は、前記第３ノードにおける前記第１メッセージの到着と、前記第３ノードからの前記第２メッセージの送信との間の時間遅延を有することを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６何れか一項記載の方法であって、
   前記ネットワークは、マスタ／スレーブネットワークであり、
   前記第１ノードは、マスタノードであり、
   前記第２及び第３ノードは、スレーブノードであり、
   前記第２メッセージは、前記マスタ装置にアドレス指定され、
   前記第２ノードは、傍受によって前記第２メッセージを受信する、
   ことを特徴とする方法。
8. 請求項１乃至６何れか一項記載の方法であって、
   前記ネットワークは、メッシュネットワークであり、
   前記第２メッセージは、前記第２ノードにアドレス指定される、
   ことを特徴とする方法。
9. 請求項８記載の方法であって、
   前記第３装置は、前記第１装置の送信範囲内に存在しないことを特徴とする方法。
10. 請求項１乃至９何れか一項記載の方法であって、
    前記リクエスト、前記第１メッセージ及び前記第２メッセージは、ＭＡＣコマンドフレームに構成されることを特徴とする方法。
11. 請求項１乃至９何れか一項記載の方法であって、
    前記リクエスト、前記第１メッセージ及び前記第２メッセージはそれぞれトランザクションＩＤを有し、
    前記リクエストのトランザクションＩＤ、前記第１メッセージ及び前記第２メッセージは一致する、
    ことを特徴とする方法。
12. 請求項１１記載の方法であって、
    前記トランザクションＩＤは、前記第１ノードによってランダムに選択されることを特徴とする方法。
13. 請求項１乃至１２何れか一項記載の方法であって、
    前記リクエスト、前記第１レスポンス及び前記第２レスポンスは、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に従って送信されることを特徴とする方法。
14. 請求項１乃至１３何れか一項記載の方法であって、
    前記ネットワークは、前記第１メッセージを傍受し、複数のメッセージを送信する複数のノードを有し、
    前記第２ノードは、前記複数のメッセージを受信し、前記第２ノードから前記複数の傍受するノードのそれぞれまでの距離を計算し、
    前記複数のノードのそれぞれには、メッセージの衝突を回避するためのリプライ期間が割り当てられている、
    ことを特徴とする方法。
15. 請求項１４記載の方法であって、
    各ノードの前記リプライ期間は、前記複数のノードの電力容量に応じて割り当てられることを特徴とする方法。
16. 請求項１４記載の方法であって、
    各ノードの前記リプライ期間は、ランダムに割り当てられることを特徴とする方法。
17. 当該装置と異なる第１ノードと第２ノードとを有する無線ネットワークにおいてノードとして動作可能な装置であって、
    前記第２ノードから前記第１ノードに送信される、第１タイミング情報と前記第２ノードのアドレスとを有する第１メッセージを傍受する手段と、
    前記第１メッセージに応答して、第２タイミング情報と当該装置のアドレスとを有する第２メッセージを送信する送信機と、
    タイミング情報を測定するタイミング手段と、
    を有することを特徴とする装置。
18. 請求項１７記載の装置であって、
    前記タイミング情報は、前記第１メッセージの到着時間と、前記第２メッセージの送信時間とに基づくことを特徴とする装置。
19. 請求項１７又は１８記載の装置であって、
    当該装置は、前記ネットワークのコーディネートノードによって当該装置に割り当てられたタイムスロットにおいて前記第２メッセージを送信するよう構成されることを特徴とする装置。
20. 請求項１７乃至１９何れか一項記載の装置であって、
    前記第１メッセージは、トランザクションＩＤを有し、
    当該装置は、前記第１メッセージのトランザクションＩＤに基づき、前記第２メッセージにトランザクションＩＤを含めるよう構成される、
    ことを特徴とする装置。
21. 請求項１７乃至２０何れか一項記載の装置であって、
    当該装置は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に従って動作することを特徴とする装置。
22. 請求項２１記載の装置であって、
    当該装置は、それのスリープモード中に前記第１メッセージを受け付けるよう構成されることを特徴とする装置。
23. 請求項１７乃至２２何れか一項記載の複数のノードを有することを特徴とするネットワーク。
24. 請求項２３記載のネットワークであって、
    メッシュネットワークを有することを特徴とするネットワーク。
25. 請求項２３記載のネットワークであって、
    マスタ／スレーブネットワークを有することを特徴とするネットワーク。

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