サブフレーム同期化測距
【解決手段】通信ノード間の距離を決定する方法である。本方法は、第１のノードから少なくとも１つの第２のノードへの初期通信フレーム送信を含む。初期通信フレームは、フレームプリアンブル、第１のデータ及び第１のスイッチポイントを含む。本方法は更に、フレームプリアンブルに基づいて少なくとも１つの第２のノードのローカルクロックを同期化することを含む。受信されたスイッチポイントに基づいて少なくとも１つの第２のノードを送信ノードに切り換える。少なくとも１つの第２のノードから第１のノードに後続の通信フレームを送信する。後続の通信フレームは、測距プリアンブル、第２のデータ及び第２のスイッチポイントを含む。本方法は、少なくとも１つの第２のノードからの測距プリアンブルに基づいて第１のノードのローカルクロックを同期化し、測距プリアンブルに基づいて第１のノードと第２のノードとの間の距離を決定することによって継続する。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
多くの無線ネットワークにおいて、各ノードは、リファレンスの絶対及び相対フレームに関して、ノードの位置を決定する必要性を有し得る。リファレンスの絶対フレームを提供する一システムは、必要な座標参照点を提供するための静止衛星の配列を使用する全地球測位システム（ＧＰＳ）である。リファレンスの相対フレームは、事前に装着されたタグ装置と建物との相対位置座標を決定するために、構造物内の協力装置の動きを監視するようなアセット追跡システムによって提供される。リファレンスの絶対及び相対フレームを提供するための現在のシステムは通常、多くの追跡システムにおいて使用される静止衛星から構造物に搭載される固定の位置標識に至るまで、基盤環境設備の費用及び導入を必要とする。
【０００２】
アドホック無線ネットワークは、基盤環境導入の欠如と、場合によってはそのような装置の予測不能な方位及び位置と、によって特徴付けられる。そのようなシステムは通常、アドホックネットワークにおける他の装置に関し、リファレンスの限定された相対フレームだけを提供する。あるアドホックネットワークノードは、固定された座標システム、それ故、リファレンスの絶対フレームを提供するために、ＧＰＳを用いて拡張され得る。しかし、ＧＰＳに必要な規模及び所要電力は通常、エネルギを制約されるアドホック無線装置においては利用出来ない。また、装置内のＧＰＳアンテナの予測不能な方位又は適切なＧＰＳ信号の無い場所が、そのノードによる正確な位置決定用に十分なＧＰＳ衛星信号の取得失敗をもたらし得る。更に、アドホック無線ネットワークは、周辺モニタ又は監視のような所望のアプリケーションを実行するために、リファレンスの絶対ではなく相対フレームだけを必要とし得る。
【０００３】
ＧＰＳ、タグ付けされたアセット追跡及びアドホック無線ネットワークなどの多くの位置測定システムにおいては、無線通信周波数（ＲＦ）信号の伝播速度が、協力ノードの組の間の距離を測定するために使用される。空気中における電波の概算速度は、ナノ秒あたり１フィート（1ft.／nSec）であって、送信機と１つ以上の協力受信機間の距離は、飛行時間（ＴＯＦ）又は到着時間差（ＴＤＯＡ）などの方法を使用し測定され得る。ノードの組いくつかの間におけるそのような測距測定値の結果は、いくつかの固定された基盤環境を有するシステムにおいて、単一装置の位置を測定するための三角測量で最小限必要とされる。より一般的には、そのような多くの測距測定が、アドホック無線ネットワークにおいて各装置の位置を測定するために要求されるようなマルチラテレーション（multilateration）を実行するために必要とされる。従って、そのような測距測定値の精度は、測距測定用に利用されるクロック機能の精度である。
【０００４】
ＴＯＦ又はＴＤＯＡ測定に関する従来の又はデータ変調ＲＦ帯域若しくはチャネルの使用は、様々な影響及び効果によって不正確な結果を生じ得る。マルチパスＲＦ伝播は受信機に、より大きい強さであるが、直接ＲＦ電波経路の距離に対するよりも大きな値を有する時間間隔を測定する、より長い間接経路のＲＦ信号を検出させ得る。また、装置間のクロック同期化は通常、指定されたノードによって送信される無線標識信号の使用を介し実行され、維持される必要がある。そのようなクロックは通常、搬送波周波数より何桁も小さい大きさの変調周波数を有するデータ復調用の時間基準を提供する目的に使用されるので、そのクロックは、搬送波周波数の個々の周期を決定できない。従って、そのような測距測定の精度は、受信機におけるＲＦ信号の到達よりむしろ、無線標識信号に含まれる変調データの間接的な検出に限定される。更に、各無線標識信号は使用されるデータ変調技法に適するプリアンブルを含む。
【０００５】
従来の無線通信周波数システムなどの無線データ通信システムの中には、搬送波周波数（単数又は複数）にデータ信号を変調するか又は符号化することによって、データ通信を提供するものもある。しかし、他のタイプの無線通信システムは、搬送波を利用せず、データ通信用のタイムベース符号化に従う。そのような信頼性のあるデータ通信を達成するためのタイムベース符号化に従う通信システムの１つが、超広帯域（「ＵＷＢ」）システムである。
【０００６】
これらのＵＷＢシステムは、従来の無線通信周波数通信技術と異なり、データを輸送するための変調搬送波周波数を使用しない。代わりにＵＷＢシステムは、タイムベース符号化及び信号偏波（signal polarization）の双方を使用しデータを輸送する広帯域エネルギパルスを利用する。タイムベース符号化法は、パルス位置、パルスレート又はパルス幅の技法を含み得る。ＵＷＢ通信システムは、送信及び受信ノードに共通クロックを与えない。代わりにプログラム可能オフセット値を有する低ドリフトクロックが、送信／受信ノードそれぞれに実装され、タイムベース符号化及び復号用ローカルリファレンスを与える。これら複数のクロック領域それぞれは、短期間の時間ドリフトに支配されていて、予測可能な期間の後の正確なＵＷＢデータ通信システムの作動のために必要な許容範囲を超える。そのため、送信ノードと受信ノード（単数又は複数）との間の正確な時間同期化が、正確なデータ通信を得るために、ＵＷＢシステムにおいて必須である。送信ノードと受信ノード（単数又は複数）とを正確に同期化するために、ＵＷＢシステムは通常、送信される各データフレームのためのプリアンブルを必要とする。しかし、ＵＷＢ技術からの利益を得る可能性を有するアプリケーションの中にはプリアンブルを必要とする場合に実施され得ないものもある。また、ＵＷＢ技術に対し可能性ある多くのアプリケーションは、送信時間を最小にし、エネルギを保存することを追求する無線センサー及びコントローラネットワークのように、大きさ及びエネルギが制約されている。
【特許文献１】出願第１１／１８１，２８１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特に無線センサーネットワークは、２つ以上の通信ノードから構成され得る。更に、各ノードは、例えばノードが据え付けられる方法により、アンテナの任意の位置及び方位を有し得る。特に各センサノードのアドホックな方位のために、他のノードに対する全指向性アンテナがデータ通信に必要である。更に、各センサノードは通常、バッテリー電源供給されていて、意図するアプリケーションのために有用な寿命を達成するために最も可能な効率的な方法でエネルギを使用する必要がある。
【０００８】
超広帯域（ＵＷＢ）無線通信システムは通常、１つ以上の受信機（Ｒｘ）が送信機（Ｔｘ）と正確に時間同期化し、首尾よくディジタルデータ通信を達成するために、長い同期化周期又はフレームプリアンブルを必要とする。ＵＷＢ無線通信を考慮した多くのアプリケーションは、大きさ及び電力に制約され、エネルギ消費を最小にする必要性が強調される。一定のクラスのアプリケーションは、無線センサーネットワークにおけるノード（すなわち複数の静的レーダー、地理的位置その他）間の精密な距離測定を必要とする。時間同期化したＵＷＢデータ通信に関しては、各ノードのクロックが、サブナノ秒レンジの精度を有する必要がある。またこのクロック精度は、インチのオーダで距離測定精度を提供するサブナノ秒クロック精度を用いるノード間のＵＷＢ信号のＴＯＦ又はＴＤＯＡ測定値に基づいた距離測定においても使用され得る。しかし、そのような測定それぞれは、測定を実行し結果を通信するために、ノードの組の間における完全長のプリアンブルシーケンスを招くことになる。無線センサーネットワークは通常、データ交換の他に距離測定もまた要求されるので、その双方を達成するための方法が、エネルギ消費を最小にすると同時に、その多くがバッテリーにより電源供給される無線センサーネットワークノードの稼働寿命を最大にするために不可欠である。
【０００９】
前述の理由と、本仕様を読み理解したとき、当業者には明らかになる後述の他の理由によって、高精度な測距測定値を提供するための時間同期化通信システムに対し、要求されるクロック同期化機構を利用する２つ以上の送信機／受信機ノード間の共同作業を提供するために、本方法が情報産業において必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述の現在のシステムの課題は、本発明の実施形態によって扱われていて、以下の明細書を読み学習することによって理解されよう。
一実施形態においては、２つ以上のノード間の通信方法が提供される。本方法は、初期通信フレーム中のフレームプリアンブルで２つ以上のノードを同期化することを含む。特別な再同期化スイッチポイントが生ずるまで、更なるフレームプリアンブルなしに２つ以上のノード間において後続のデータ通信を交換する。２つ以上のノード間において測距スケジュールを交換する。測距スケジュールに基づいて２つ以上のノード間において後続の通信フレーム中の測距パルスを交換し、その測距パルスに基づいてノード間の距離を測定する。
【００１１】
別の実施形態においては、通信ノード間の距離を測定する方法が提供される。本方法は、第１のノードから少なくとも１つの第２のノードに初期通信フレームを送信することを含む。初期通信フレームは、フレームプリアンブル、第１のデータ及び第１のスイッチポイントを含む。本方法は更に、初期通信フレーム中のフレームプリアンブルに基づいて少なくとも１つの第２のノードのローカルクロックを同期化することを含む。受信されるスイッチポイントに基づいて少なくとも１つの第２のノードを送信ノードに切り換える。少なくとも１つの第２のノードから第１のノードに後続の通信フレームを送信する。後続の通信フレームは、測距プリアンブル、第２のデータ及び第２のスイッチポイントを含む。本方法は、少なくとも１つの第２のノードからの測距プリアンブルに基づいて第１のノード中のローカルクロックを同期化し、その測距プリアンブルに基づいて第１のノードと第２ノードとの間の距離を測定することによって継続する。
【００１２】
更に別の実施形態においては、通信システムが提供される。通信システムは、各ノードのクロックが、ノードの１つによって送信される初期通信フレーム中のフレームプリアンブルに基づいて同期化される時間の間、通信フレームを交換するように適合される複数のノードを含む。複数のノードは更に、ノード間において交換される後続の通信フレーム中の測距プリアンブルを使用してノード間の距離を測定するために適合される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
好ましい実施例の説明及び以下の図面を考慮し考察されるとき、本発明が容易に理解され得、更なる利点及びその用途が、より簡単に明白になるだろう。
一般的な実践に従って様々な記載の特徴を比例して描かずに本発明に関連する特徴を強調するように描く。参照文字は、図面と本文を通し同様の要素を示す。
【００１４】
以下の詳細説明においては、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照し、本発明において実践され得る特定の例示的な実施形態を図示することによって示す。当業者が本発明を実施できるようにこれらの実施形態を十分詳細に説明することによって、別の実施形態を利用可能であって本発明の範囲から逸脱せずに論理的、機械的及び電気的な変更ができることを理解され得るだろう。従って以下の詳細説明に限定する意味に取るべきでない。
【００１５】
本発明の実施形態は、データ通信の他に測距アプリケーションのためにも時間同期化通信システムを効率的に使用するための方法及びシステムを提供する。本発明は、２００５年１２月２８日に出願された出願番号１１／１８１，２８１を有する「サブフレーム同期化信号法（Sub-Frame Synchronized Signaling (SFSS)）」の出願（’２８１出願）に関連し、これを参照によって本明細書に援用する。サブフレーム同期化信号法アプリケーションは、各送信フレームの開始時、プリアンブルによって生じる長い再同期化期間の大部分を回避するサブフレーム同期化信号法に関する方法及び装置を提供する。本発明の実施形態においては、協力ノード間の通信同期化が、一旦、確立されると、高精度の測距測定が効率的な方法で実行され得る。
【００１６】
サブフレーム同期化測距（ＳＦＳＲ）は、測距アプリケーションに加わるように全協力作業ノードに対し、必要とされるあらゆるノードに送信スケジュールを最初に通信し、その後「スイッチポイント」信号を発行するために、（’２８１出願）に記載のようなサブフレーム同期化信号方法を利用する。そのように通信されるフレームそれぞれは、協力ノード間におけるクロック同期化を可能にする目的のためのフレームプリアンブルで始まる。フレームプリアンブルの持続時間は、それらのノードにおけるローカルクロックがあり得る最大の時間差を有するときでさえ、２つ以上のノードが時間同期化を達成可能にし得るように十分長い必要がある。
【００１７】
送信スケジュールは、ノード間において時間同期化の間、どのノードが、測距プリアンブルシーケンスを送信するべきかを正確に決定する。各測距プリアンブルは、所定のパルスシーケンスであって、１つのノードだけが所与の時間間隔中に送信するようにスケジューリングされる。他のすべてのノードは、別のノードの送信時間間隔中は受信モードである。測距プリアンブルの持続時間は、フレームプリアンブル中、２つ以上のノードにおけるローカルクロックの間に確立される時間同期化のために、フレームプリアンブルよりもはるかに短い。
【００１８】
ノード間の距離は、補正因子又はクロックオフセットを測定することによって、各受信ノードにおいて決定され、受信ノードは、時間同期化を最適化するための高精度のローカルクロックを適用する必要がある。このクロック同期化機構は、フレームプリアンブル送信中、ノードを時間同期化するために最初に使用される処理と同一である。相違点は、ノード間の時間同期化が既に達成されているので、測距パルスシーケンスの持続時間が、フレームプリアンブルよりもはるかに短いことである。それ故にＳＦＳＲ法は、エネルギ効率及び測距精度の双方を最大化する。
【００１９】
（’２８１出願）に記載のように、ノードすべてのローカルクロックは、フレームプリアンブル中、初期通信メッセージを送信するノードにおけるクロックに対し時間同期化される。本発明においては、各ノードはその後、空気中のＲＦ電波の概算伝播速度と、測距プリアンブルを受信する間に測定されたクロックオフセットと初期クロックオフセットとの間の差と、に基づいて距離を計算することによって、このノードと他の相互協力ノードとの間の距離を決定するために使用されるこの初期クロックオフセット値の複製をストアする。当業者が理解するように、この方法は、１つ以上のノードが、そのノードと測距プリアンブルを送信するノードとの間の距離を測定可能にする。
【実施例１】
【００２０】
図ｌＡにおいては、本発明のデータ通信システム（１００）の実施形態を例示する。この実施形態においては、データ通信システム（１００）は、通信ノード（１０２）及び通信ノード（１０４−１）〜（１０４−Ｎ）を含む。通信ノード（１０２）及び（１０４−１）〜（１０４−Ｎ）は、相互通信するように適合される。図１Ａに例示される実施形態においては特に、通信ノード（１０２）は、通信ノード（１０４−１）〜（１０４−Ｎ）と通信する。しかし、本発明が一般に、２つ以上の通信ノードに適合可能であって、そのどれでも初期送信ノードであり得ることを理解されよう。本発明の実施形態においては、第１の通信ノードがメッセージの交換を開始する。図１Ａの実施形態においては、これは通信ノード（１０２）である。メッセージの交換は、通信ノード（１０２）が、フレームプリアンブルを含む通信信号を送信するときに開始される。フレームプリアンブルは、クロックタイミングに関する情報を含む既知の情報シーケンスである。各受信ノードは、そのローカルクロックを同期化するために、フレームプリアンブル中の情報を使用し、そのため送信ノードと受信ノードとの間に通信が生じ得る。本発明の実施形態においては、ノード間の通信は、各ノードにおける内部クロックが、ＵＷＢデータ通信に適する同期化が消失されるよう十分遠くにドリフトされるまで更なるフレームプリアンブルを送信せずに、維持される。
【００２１】
図１Ａを再度参照すると、交換される他のデータとフレームプリアンブルとを含む第１の通信信号（１１０−１）、（１１２−１）及び（１１４−１）を例示する。第１の通信信号は、フレーム同期化通信信号として参照され得る。ノード（１０２）は、信号（１１０−１）、（１１２−１）及び（１１４−１）を送信するとき、送信ノードであって、各フレーム通信信号（１１０−１）、（１１２−１）及び（１１４−１）を受信するとき、ノード（１０４−１）〜（１０４−Ｎ）は受信ノードである。各フレームの終端における通信信号は、信号完了表示である。（’２８１出願）に記載のように、これはスイッチポイントを参照している。スイッチポイントは、受信信号に応答し測距メッセージなどの通信信号を送信するために、いつ送信ノードになり得るかを示す信号を各受信ノードに提供する。この例は、事前準備されたシーケンスで、各ノード（１０４−１）、（１０４−２）及び（１０４−Ｎ）からノード（１０２）へ逆に次々に送信される測距信号（１１０−２）、（１１２−２）及び（１１４−２）である。前述のようにノード間のメッセージの交換は、各ノードにおける内部クロックが、ＵＷＢデータ通信のために適した同期化が消失されるほど十分遠くドリフトするまでか、又は別のノードが、フレームプリアンブルを含む新しい初期通信を送信するまで続く。開始ノード（１０２）とノード（１０４−１）〜（１０４−Ｎ）との間の最後の通信信号を図１Ａの信号（１１０−Ｎ）、（１１２−Ｎ）及び（１１４−Ｎ）として例示する。
【００２２】
一実施形態においては、データ通信システム（１００）は、一度に２つのノードだけが加わるポイントツーポイント通信システムである。図ｌＡの通信システム（１００）に関しては、このシステム例は、ノード（１０２）が第１の信号（１１０−１）をノード（１０４−１）に送信し、その後、暫く経って第２の信号（１１２−１）をノード（１０４−２）に送信する時である。本発明の別の実施形態においては、データ通信システム（１２０）は、送信された信号が複数のノードによって同時に受信されるブロードキャストネットワークに構成される。この例を図１Ｂに例示する。この実施形態においては、たった１つの初期送信信号だけが複数のノードに送信されるため、単一のフレームプリアンブルだけが要求される。図１Ｂを参照すると、単一フレーム同期化通信信号を含む初期信号（１３０）が、ノード（１２２）からノード（１２４−１）〜（１２４−Ｎ）に同時にブロードキャストされる。この実施形態においては、送信されたフレーム通信信号中のスイッチポイントが、次の送信ノードを示すために使用される。例えば図１Ｂの通信システム（１２０）においては、スイッチポイントによって指示されるものとして、次に送信するノードは、ノード（１２４−２）である。例示されるように測距信号（１３２）が、ノード（１２４−２）からノード（１２２）に送信される。更にこの例においては、ノード（１２４−３）が、その後、測距信号（１３４）を送信するように指示され、ノード（１２４−２）、（１２４−４）及び（１２２）によって受信される。
【００２３】
図２Ａを参照し、フレーム通信信号（２００）の例を示す。特にこの実施形態における初期信号は、フレーム通信フレーム（２００）である。初期通信フレームは、フレームプリアンブルと、データビット及びスイッチポイントを含むサブフレームとを含む。初期通信フレーム（２００）は、送信ノード（第１のノード）から送信され、フレームプリアンブル（２０２）を含む。フレームプリアンブル（２０２）は、受信ノード（単数又は複数）のローカルクロック（単数又は複数）の同期化のために１つ以上の受信ノードによって使用される情報を含む。フレームプリアンブルの後、情報又はデータが送信される。情報又はデータは、一般に（２０４−１）〜（２０４−Ｎ）として参照されていて、一実施形態においてはデータ通信ビットである。データ（２０４−１）〜（２０４−Ｎ）が送信された後、スイッチポイント（２０６）が送信される。スイッチポイント（２０６）は、別のノードが、所定のスケジュールに従ってこのサブフレームにおいて現在、送信できることを示す。（’２８１出願）に記載のように、スイッチポイントは、特に第２の受信ノードを送信ノードに変更し、初期送信ノードを受信ノードに変更するように命令するリンクリバース法又はデュプレックス法を開始する。特に一実施形態においては、送信ノードが一旦、スイッチポイントに遭遇すると、送信ノードは、送信を停止し、受信モードに切り替わり、ストアされた初期クロックオフセット値を使用してそのローカルクロックを調整する。その後、異なるクロックオフセット値が、現在送信中の特定の第２の受信ノードからの測距プリアンブルに応答して決定される。（’２８１出願）に記載のように、スイッチポイント（２０６）は、信号形式で変更を示すために使用され、その後に更なる情報の交換（２０８）が続く。
【００２４】
図２Ｂは、測距プリアンブル通信サブフレーム（２０１）を例示する。この通信サブフレームは、第２のノードによって第１のノードに送信される。測距通信サブフレームは、データ（２１２−１）〜（２１２−Ｎ）及びスイッチポイント（２１４）を含む。続いて更なる情報（２１６）の交換が、（’２８１出願）に記載のように生じ得る。例示のように、協力ノードが、フレームプリアンブルの間、既に時間同期化されているために、測距プリアンブル（２１０）は、図２Ａのフレームプリアンブル（２０２）よりも短い。ノード間の通信は、第１及び第２のノードのクロックが、時間同期化からドリフトするまで、図２Ａのフレームプリアンブル（２０２）のような更なるフレームプリアンブルを必要とせずに生じる。それらが一旦、時間同期化からドリフトすると、図２Ａのフレームプリアンブル（２０２）と同様なフレームプリアンブルを伴う別の初期通信が、各クロックを再同期化するために要求される。当業者が理解するように、送信されたフレームプリアンブルを受信し、ノードにおけるローカルクロックの時間同期化を実行する１つ以上のノードが存在し得る。
【００２５】
図３の実施形態は、フレームプリアンブル、測距プリアンブル及びデータ通信信号中の複数ノード間の１つのあり得る時間関係セットを表すグラフ（３００）を例示する。図１におけるノード（１０２）と（１０４−ｎ）及び図２におけるノード（１２２）とノード（１２４−ｎ）などの複数ノード間のあり得る関係すべてが、前もって知られ得るわけではなく、従ってそのようなシステムの動的な自己構成の性質によって説明されるものに加え、多くの他のオペレーションモードが可能であって、この開示によって含まれ得ることを理解する必要がある。
【００２６】
図３の実施形態は、第１のノードと他の１つ以上のノードとの間の通信を例示する。第１のノードは、フレームプリアンブル（３０２）及びデータ通信（３１０）を送信する。フレームプリアンブル（３０２）に応答し、１つ以上の他のノードが、フレームプリアンブル（３０４）及び（３０６）を受信するとき、ローカルクロックを同期化する。その後データが、第１のノードによってサブフレーム中に送信される（３１０）。１つ以上の他のノードが、サブフレームデータ（３１２）及び（３１４）を受信する。（’２８１出願）に記載されるように、その後、リンクリバースポイント又はスイッチポイント（３２０）に至る。その後、選択された第２のノードが、測距プリアンブル（３２２）及びデータ（３３０）を送信するように適合されて、第１のノードが、この第２のサブフレーム中の測距プリアンブル（３２４）及びデータ（３３２）を受信するように適合される。更に、他のノードも選択された第２のノードによって送信された測距プリアンブル（３２６）及びデータ（３３４）を受信できる。
【００２７】
（’２８１出願）に記載のように、更なるスイッチポイントが、生じ得るか又は生じ得ず、通信に必要な時間同期化が消失されるまで（３５０）、通信は、現在のフレームクロックオフセットを使用し続ける。スイッチポイント（３２０）に続いて、通信するように適合されたノードそれぞれは、単一ノードだけが特定の時間において送信するよりも、所定のスケジュールに従っていつ送信するかを決定するために、各ノードにおけるローカルクロックを使用し得る。各協力ノードは、測距プリアンブル及びデータ信号の双方を送信し受信するために、ストアされた初期クロックオフセット値を利用する。初期クロックオフセットは、フレームプリアンブル（３０４）及び（３０６）を受信する間、実行される時間同期化中に各ノードによって決定される。
【００２８】
無線ネットワークにおけるノードの物理的分離及びＲＦ電波の有限伝播速度のために、プリアンブル又はデータ信号の送信及びその信号が１つ以上の受信ノードに到着するとき、遅延時間が存在する。一実施形態においては、そのような２つの遅延時間（３４０）及び（３４２）を図３に示す。遅延時間（３４０）は、ノード２とノード１との間の範囲又は距離に比例する。異なる遅延時間（３４２）は、ノード１とノードＮとの間の距離に比例する。ノード１及びノードＮそれぞれは、ノード２の測距プリアンブル（３２２）を使用する時間同期化処理の間、異なるクロックオフセット値を決定する。ノード１及びノードＮは、これらのノードそれぞれと送信ノード２との間の距離を決定する際に使用するための、決定されたクロックオフセット値をストアする。当業者によって理解されるように、各協力ノードは、（’２８１出願）に記載のように、全て無制限に測距プリアンブルを送信するか又は初期通信ノードであり得る。
【００２９】
図４は、各ノードによって測定され、使用されるクロックオフセット間の例示的関係を示す。当業者は、システムにおける固有のノードの組それぞれを考慮することによって、例示的関係が２つ以上のノードに拡張され得ることを理解されよう。（’２８１出願）に記載のように、ノード１は、少なくともフレームプリアンブル（４１０）及び場合によってはデータを送信する初期通信ノード（４０２）である。そのような送信中、ノード１は、所定のクロックオフセット、例えばフレームプリアンブルＴｘ（４２０）に対し示されるような値０を使用する。ノードＮ（４０４）のような別のノードは、フレームプリアンブルを受信し、ノード１との時間同期化に必要な初期クロックオフセット（４１０）の値Ｒ（Ｎ）（４２０）を測定するために適合される。前述のように、初期クロックオフセットＲ（Ｎ）（４２０）は、ノード１とノードＮとの間の距離に比例し、ノードＮによってストアされる。
【００３０】
所定のスケジュールに従ってノードＮは、ノード１との時間同期化を維持するために初期クロックオフセット値（４３０）を使用し、測距プリアンブル（４１４）を送信する。ノードＮとノード１との間の物理的な分離及びＲＦ電波の有限な伝播速度のために、測距プリアンブル（４１４）を送信するノードＮと測距プリアンブルを受信するノード１との間に遅延時間が存在する。ノード１は、ノードＮによって送信される測距プリアンブル（４１４）を使用し時間同期化処理を実行し、ノードＮとノード１との間の距離に比例するクロックオフセットＲ（Ｎ）（４３２）を決定する。ノード１は、その後、クロックオフセット値Ｒ（Ｎ）（４３２）をストアし、初期クロックオフセット（４２０）と測距クロックオフセット（４３２）との間の差を測定することによって距離値を計算する。ノード１は、その後、他のノードとの時間同期化通信を再開するために、ストアされた初期クロックオフセットでクロックオフセットをリロードする。
【００３１】
図５を参照し、本システムの一実施形態の処理の流れ図（５００）を例示する。本処理の図は、（’２８１出願）に記載のように、協力ノードの時間同期化によって開始する（５０２）。ノードが一旦、同期化されると、測距スケジュールなどのデータが、送信ノードと交換される（５０４）。スイッチポイントの後に測距アプリケーションが、前述のような順で動作する各ノードで実行される（５０６）。測距アプリケーションの完了時（５０８）、（’２８１出願）に記載のように、データが交換されるか又はデータ通信用に必要な時間同期化がなくなるまで（５１２）他の情報が交換され得る（５１０）。本処理は、その後、必要に応じて反復される。当業者によって理解されるように（’２８１出願）に記載のように、各通信フレーム期間は、初期通信ノードによって決定されるように、異なる目的に対して協力ノードによって使用され得る。
【００３２】
図６Ａは、（’２８１出願）によって記載されるように、初期通信ノードに対する一実施形態の流れ図を例示する。一実施形態においては、初期通信ノードは、最初に初期クロックオフセットをストアし（６０２）、その後、初期クロックオフセット値をそれぞれ決定しストアするために、他の協力ノードによって使用されるフレームプリアンブルを送信する（６０４）。初期通信ノードは、その後、データ及び測距スケジュールなどの他の情報を他のノードと交換し得る（６０６）。初期通信ノードは、その後、（’２８１出願）に記載のように測距アプリケーションを開始するためにスイッチポイントを発行する（６０８）。初期通信ノードは、その後、測距アプリケーションに加わるために、受信モードに変更する（６１０）。
【００３３】
ステップ（６１２）においては、初期通信ノードは、送信するために選択された別のノードから測距プリアンブルを受信し、ストアされた初期クロックオフセット及びステップ（６１２）において決定されたクロックオフセットを使用して送信ノードと初期通信ノードとの間の距離を計算する（６１４）。初期通信ノードは、その後、測距プリアンブルを送信するために選択されたノードからの測距プリアンブルから決定されたクロックオフセットをストアする（６１６）。初期通信ノードは、その後、他の協力ノード（６２０）との時間同期化通信を続けるために初期クロックオフセット値を有するクロックオフセット値をリロードする（６１８）。（’２８１出願）に記載のように、他の情報が続く（６２２）。
【００３４】
図６Ｂは、（’２８１出願）に記載の初期通信ノード以外のノードに関する一実施形態の流れ図を例示する。そのような協力ノードそれぞれは、初期通信ノードによって送信されたフレームプリアンブルを使用して受信し、時間同期化する（６３０）。決定された初期クロックオフセットの値は、各ノードによってストアされる（６３２）。（’２８１出願）によって、測距スケジュールなどの他のデータの交換が、生じ得（６３４）、その後、初期通信ノードによって送信され、測距アプリケーションを開始するために他のノードによって受信されるスイッチポイントが続く。（６３６）。各ノードは、測距スケジュールによって決定される期間を除いて受信モードを維持する（６３８）。
【００３５】
各ノードは、受信モードの間、測距スケジュールに従って１つ以上の他のノードから測距プリアンブルを受信する一方で、ノードにおけるローカルクロックを時間同期化する（６４０）。協力ノードすべてが、初期通信ノードからの単一のクロックに対し時間同期化されるために、決定された測距クロックオフセットＲ（Ｎ）は、測距プリアンブルを送信するノードと受信ノードとの間の距離に比例していて、ストアされる（６４２）。送信ノードと受信ノードとの間の距離は、その後、計算され（６４４）、ノード上で処理される他のアプリケーションに提供される。各受信ノードは、その後、初期クロックオフセットでクロックオフセットをリロード（６４６）し、測距アプリケーション完了に関するチェックをする（６４８）。
【００３６】
ノードが測距プリアンブルを送信するためのスケジュールされた時間に至ったとき（６３８）、ノードは（６３２）からの初期クロックオフセット値をまだ使用しており、送信モードに変更する。ノードは、その後、その測距プリアンブル（６５２）及び固有のノード識別値を含み得るがこれに限定しない任意の測距データ（６５４）を送信する。ノードは、その後、元の受信モードに変更し（６５６）、測距アプリケーションが完了されるか否かを決定する（６４８）。（’２８１出願）に記載のように、他の情報の交換は、初期通信ノードによって始動されたフレームにおいて継続し得る（６６０）。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図ｌＡ】本発明の通信システムの一実施形態の図である。
【図１Ｂ】本発明の通信システムの別の実施形態の図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態の初期通信サブフレームの図である。
【図２Ｂ】本出願の一実施形態の測距サブフレーム信号の図である。
【図３】本発明の一実施形態の通信及び測距を例示するグラフである。
【図４】本発明の一実施形態によって決定されたクロックオフセット値の図である。
【図５】本発明の一実施形態の通信システムにおけるノード間の通信及び測距の流れ図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態の通信開始及び測距信号の流れ図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態の通信への応答及び測距信号の流れ図である。
【図１Ａ】
【背景技術】
【０００１】
多くの無線ネットワークにおいて、各ノードは、リファレンスの絶対及び相対フレームに関して、ノードの位置を決定する必要性を有し得る。リファレンスの絶対フレームを提供する一システムは、必要な座標参照点を提供するための静止衛星の配列を使用する全地球測位システム（ＧＰＳ）である。リファレンスの相対フレームは、事前に装着されたタグ装置と建物との相対位置座標を決定するために、構造物内の協力装置の動きを監視するようなアセット追跡システムによって提供される。リファレンスの絶対及び相対フレームを提供するための現在のシステムは通常、多くの追跡システムにおいて使用される静止衛星から構造物に搭載される固定の位置標識に至るまで、基盤環境設備の費用及び導入を必要とする。
【０００２】
アドホック無線ネットワークは、基盤環境導入の欠如と、場合によってはそのような装置の予測不能な方位及び位置と、によって特徴付けられる。そのようなシステムは通常、アドホックネットワークにおける他の装置に関し、リファレンスの限定された相対フレームだけを提供する。あるアドホックネットワークノードは、固定された座標システム、それ故、リファレンスの絶対フレームを提供するために、ＧＰＳを用いて拡張され得る。しかし、ＧＰＳに必要な規模及び所要電力は通常、エネルギを制約されるアドホック無線装置においては利用出来ない。また、装置内のＧＰＳアンテナの予測不能な方位又は適切なＧＰＳ信号の無い場所が、そのノードによる正確な位置決定用に十分なＧＰＳ衛星信号の取得失敗をもたらし得る。更に、アドホック無線ネットワークは、周辺モニタ又は監視のような所望のアプリケーションを実行するために、リファレンスの絶対ではなく相対フレームだけを必要とし得る。
【０００３】
ＧＰＳ、タグ付けされたアセット追跡及びアドホック無線ネットワークなどの多くの位置測定システムにおいては、無線通信周波数（ＲＦ）信号の伝播速度が、協力ノードの組の間の距離を測定するために使用される。空気中における電波の概算速度は、ナノ秒あたり１フィート（1ft.／nSec）であって、送信機と１つ以上の協力受信機間の距離は、飛行時間（ＴＯＦ）又は到着時間差（ＴＤＯＡ）などの方法を使用し測定され得る。ノードの組いくつかの間におけるそのような測距測定値の結果は、いくつかの固定された基盤環境を有するシステムにおいて、単一装置の位置を測定するための三角測量で最小限必要とされる。より一般的には、そのような多くの測距測定が、アドホック無線ネットワークにおいて各装置の位置を測定するために要求されるようなマルチラテレーション（multilateration）を実行するために必要とされる。従って、そのような測距測定値の精度は、測距測定用に利用されるクロック機能の精度である。
【０００４】
ＴＯＦ又はＴＤＯＡ測定に関する従来の又はデータ変調ＲＦ帯域若しくはチャネルの使用は、様々な影響及び効果によって不正確な結果を生じ得る。マルチパスＲＦ伝播は受信機に、より大きい強さであるが、直接ＲＦ電波経路の距離に対するよりも大きな値を有する時間間隔を測定する、より長い間接経路のＲＦ信号を検出させ得る。また、装置間のクロック同期化は通常、指定されたノードによって送信される無線標識信号の使用を介し実行され、維持される必要がある。そのようなクロックは通常、搬送波周波数より何桁も小さい大きさの変調周波数を有するデータ復調用の時間基準を提供する目的に使用されるので、そのクロックは、搬送波周波数の個々の周期を決定できない。従って、そのような測距測定の精度は、受信機におけるＲＦ信号の到達よりむしろ、無線標識信号に含まれる変調データの間接的な検出に限定される。更に、各無線標識信号は使用されるデータ変調技法に適するプリアンブルを含む。
【０００５】
従来の無線通信周波数システムなどの無線データ通信システムの中には、搬送波周波数（単数又は複数）にデータ信号を変調するか又は符号化することによって、データ通信を提供するものもある。しかし、他のタイプの無線通信システムは、搬送波を利用せず、データ通信用のタイムベース符号化に従う。そのような信頼性のあるデータ通信を達成するためのタイムベース符号化に従う通信システムの１つが、超広帯域（「ＵＷＢ」）システムである。
【０００６】
これらのＵＷＢシステムは、従来の無線通信周波数通信技術と異なり、データを輸送するための変調搬送波周波数を使用しない。代わりにＵＷＢシステムは、タイムベース符号化及び信号偏波（signal polarization）の双方を使用しデータを輸送する広帯域エネルギパルスを利用する。タイムベース符号化法は、パルス位置、パルスレート又はパルス幅の技法を含み得る。ＵＷＢ通信システムは、送信及び受信ノードに共通クロックを与えない。代わりにプログラム可能オフセット値を有する低ドリフトクロックが、送信／受信ノードそれぞれに実装され、タイムベース符号化及び復号用ローカルリファレンスを与える。これら複数のクロック領域それぞれは、短期間の時間ドリフトに支配されていて、予測可能な期間の後の正確なＵＷＢデータ通信システムの作動のために必要な許容範囲を超える。そのため、送信ノードと受信ノード（単数又は複数）との間の正確な時間同期化が、正確なデータ通信を得るために、ＵＷＢシステムにおいて必須である。送信ノードと受信ノード（単数又は複数）とを正確に同期化するために、ＵＷＢシステムは通常、送信される各データフレームのためのプリアンブルを必要とする。しかし、ＵＷＢ技術からの利益を得る可能性を有するアプリケーションの中にはプリアンブルを必要とする場合に実施され得ないものもある。また、ＵＷＢ技術に対し可能性ある多くのアプリケーションは、送信時間を最小にし、エネルギを保存することを追求する無線センサー及びコントローラネットワークのように、大きさ及びエネルギが制約されている。
【特許文献１】出願第１１／１８１，２８１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特に無線センサーネットワークは、２つ以上の通信ノードから構成され得る。更に、各ノードは、例えばノードが据え付けられる方法により、アンテナの任意の位置及び方位を有し得る。特に各センサノードのアドホックな方位のために、他のノードに対する全指向性アンテナがデータ通信に必要である。更に、各センサノードは通常、バッテリー電源供給されていて、意図するアプリケーションのために有用な寿命を達成するために最も可能な効率的な方法でエネルギを使用する必要がある。
【０００８】
超広帯域（ＵＷＢ）無線通信システムは通常、１つ以上の受信機（Ｒｘ）が送信機（Ｔｘ）と正確に時間同期化し、首尾よくディジタルデータ通信を達成するために、長い同期化周期又はフレームプリアンブルを必要とする。ＵＷＢ無線通信を考慮した多くのアプリケーションは、大きさ及び電力に制約され、エネルギ消費を最小にする必要性が強調される。一定のクラスのアプリケーションは、無線センサーネットワークにおけるノード（すなわち複数の静的レーダー、地理的位置その他）間の精密な距離測定を必要とする。時間同期化したＵＷＢデータ通信に関しては、各ノードのクロックが、サブナノ秒レンジの精度を有する必要がある。またこのクロック精度は、インチのオーダで距離測定精度を提供するサブナノ秒クロック精度を用いるノード間のＵＷＢ信号のＴＯＦ又はＴＤＯＡ測定値に基づいた距離測定においても使用され得る。しかし、そのような測定それぞれは、測定を実行し結果を通信するために、ノードの組の間における完全長のプリアンブルシーケンスを招くことになる。無線センサーネットワークは通常、データ交換の他に距離測定もまた要求されるので、その双方を達成するための方法が、エネルギ消費を最小にすると同時に、その多くがバッテリーにより電源供給される無線センサーネットワークノードの稼働寿命を最大にするために不可欠である。
【０００９】
前述の理由と、本仕様を読み理解したとき、当業者には明らかになる後述の他の理由によって、高精度な測距測定値を提供するための時間同期化通信システムに対し、要求されるクロック同期化機構を利用する２つ以上の送信機／受信機ノード間の共同作業を提供するために、本方法が情報産業において必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述の現在のシステムの課題は、本発明の実施形態によって扱われていて、以下の明細書を読み学習することによって理解されよう。
一実施形態においては、２つ以上のノード間の通信方法が提供される。本方法は、初期通信フレーム中のフレームプリアンブルで２つ以上のノードを同期化することを含む。特別な再同期化スイッチポイントが生ずるまで、更なるフレームプリアンブルなしに２つ以上のノード間において後続のデータ通信を交換する。２つ以上のノード間において測距スケジュールを交換する。測距スケジュールに基づいて２つ以上のノード間において後続の通信フレーム中の測距パルスを交換し、その測距パルスに基づいてノード間の距離を測定する。
【００１１】
別の実施形態においては、通信ノード間の距離を測定する方法が提供される。本方法は、第１のノードから少なくとも１つの第２のノードに初期通信フレームを送信することを含む。初期通信フレームは、フレームプリアンブル、第１のデータ及び第１のスイッチポイントを含む。本方法は更に、初期通信フレーム中のフレームプリアンブルに基づいて少なくとも１つの第２のノードのローカルクロックを同期化することを含む。受信されるスイッチポイントに基づいて少なくとも１つの第２のノードを送信ノードに切り換える。少なくとも１つの第２のノードから第１のノードに後続の通信フレームを送信する。後続の通信フレームは、測距プリアンブル、第２のデータ及び第２のスイッチポイントを含む。本方法は、少なくとも１つの第２のノードからの測距プリアンブルに基づいて第１のノード中のローカルクロックを同期化し、その測距プリアンブルに基づいて第１のノードと第２ノードとの間の距離を測定することによって継続する。
【００１２】
更に別の実施形態においては、通信システムが提供される。通信システムは、各ノードのクロックが、ノードの１つによって送信される初期通信フレーム中のフレームプリアンブルに基づいて同期化される時間の間、通信フレームを交換するように適合される複数のノードを含む。複数のノードは更に、ノード間において交換される後続の通信フレーム中の測距プリアンブルを使用してノード間の距離を測定するために適合される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
好ましい実施例の説明及び以下の図面を考慮し考察されるとき、本発明が容易に理解され得、更なる利点及びその用途が、より簡単に明白になるだろう。
一般的な実践に従って様々な記載の特徴を比例して描かずに本発明に関連する特徴を強調するように描く。参照文字は、図面と本文を通し同様の要素を示す。
【００１４】
以下の詳細説明においては、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照し、本発明において実践され得る特定の例示的な実施形態を図示することによって示す。当業者が本発明を実施できるようにこれらの実施形態を十分詳細に説明することによって、別の実施形態を利用可能であって本発明の範囲から逸脱せずに論理的、機械的及び電気的な変更ができることを理解され得るだろう。従って以下の詳細説明に限定する意味に取るべきでない。
【００１５】
本発明の実施形態は、データ通信の他に測距アプリケーションのためにも時間同期化通信システムを効率的に使用するための方法及びシステムを提供する。本発明は、２００５年１２月２８日に出願された出願番号１１／１８１，２８１を有する「サブフレーム同期化信号法（Sub-Frame Synchronized Signaling (SFSS)）」の出願（’２８１出願）に関連し、これを参照によって本明細書に援用する。サブフレーム同期化信号法アプリケーションは、各送信フレームの開始時、プリアンブルによって生じる長い再同期化期間の大部分を回避するサブフレーム同期化信号法に関する方法及び装置を提供する。本発明の実施形態においては、協力ノード間の通信同期化が、一旦、確立されると、高精度の測距測定が効率的な方法で実行され得る。
【００１６】
サブフレーム同期化測距（ＳＦＳＲ）は、測距アプリケーションに加わるように全協力作業ノードに対し、必要とされるあらゆるノードに送信スケジュールを最初に通信し、その後「スイッチポイント」信号を発行するために、（’２８１出願）に記載のようなサブフレーム同期化信号方法を利用する。そのように通信されるフレームそれぞれは、協力ノード間におけるクロック同期化を可能にする目的のためのフレームプリアンブルで始まる。フレームプリアンブルの持続時間は、それらのノードにおけるローカルクロックがあり得る最大の時間差を有するときでさえ、２つ以上のノードが時間同期化を達成可能にし得るように十分長い必要がある。
【００１７】
送信スケジュールは、ノード間において時間同期化の間、どのノードが、測距プリアンブルシーケンスを送信するべきかを正確に決定する。各測距プリアンブルは、所定のパルスシーケンスであって、１つのノードだけが所与の時間間隔中に送信するようにスケジューリングされる。他のすべてのノードは、別のノードの送信時間間隔中は受信モードである。測距プリアンブルの持続時間は、フレームプリアンブル中、２つ以上のノードにおけるローカルクロックの間に確立される時間同期化のために、フレームプリアンブルよりもはるかに短い。
【００１８】
ノード間の距離は、補正因子又はクロックオフセットを測定することによって、各受信ノードにおいて決定され、受信ノードは、時間同期化を最適化するための高精度のローカルクロックを適用する必要がある。このクロック同期化機構は、フレームプリアンブル送信中、ノードを時間同期化するために最初に使用される処理と同一である。相違点は、ノード間の時間同期化が既に達成されているので、測距パルスシーケンスの持続時間が、フレームプリアンブルよりもはるかに短いことである。それ故にＳＦＳＲ法は、エネルギ効率及び測距精度の双方を最大化する。
【００１９】
（’２８１出願）に記載のように、ノードすべてのローカルクロックは、フレームプリアンブル中、初期通信メッセージを送信するノードにおけるクロックに対し時間同期化される。本発明においては、各ノードはその後、空気中のＲＦ電波の概算伝播速度と、測距プリアンブルを受信する間に測定されたクロックオフセットと初期クロックオフセットとの間の差と、に基づいて距離を計算することによって、このノードと他の相互協力ノードとの間の距離を決定するために使用されるこの初期クロックオフセット値の複製をストアする。当業者が理解するように、この方法は、１つ以上のノードが、そのノードと測距プリアンブルを送信するノードとの間の距離を測定可能にする。
【実施例１】
【００２０】
図ｌＡにおいては、本発明のデータ通信システム（１００）の実施形態を例示する。この実施形態においては、データ通信システム（１００）は、通信ノード（１０２）及び通信ノード（１０４−１）〜（１０４−Ｎ）を含む。通信ノード（１０２）及び（１０４−１）〜（１０４−Ｎ）は、相互通信するように適合される。図１Ａに例示される実施形態においては特に、通信ノード（１０２）は、通信ノード（１０４−１）〜（１０４−Ｎ）と通信する。しかし、本発明が一般に、２つ以上の通信ノードに適合可能であって、そのどれでも初期送信ノードであり得ることを理解されよう。本発明の実施形態においては、第１の通信ノードがメッセージの交換を開始する。図１Ａの実施形態においては、これは通信ノード（１０２）である。メッセージの交換は、通信ノード（１０２）が、フレームプリアンブルを含む通信信号を送信するときに開始される。フレームプリアンブルは、クロックタイミングに関する情報を含む既知の情報シーケンスである。各受信ノードは、そのローカルクロックを同期化するために、フレームプリアンブル中の情報を使用し、そのため送信ノードと受信ノードとの間に通信が生じ得る。本発明の実施形態においては、ノード間の通信は、各ノードにおける内部クロックが、ＵＷＢデータ通信に適する同期化が消失されるよう十分遠くにドリフトされるまで更なるフレームプリアンブルを送信せずに、維持される。
【００２１】
図１Ａを再度参照すると、交換される他のデータとフレームプリアンブルとを含む第１の通信信号（１１０−１）、（１１２−１）及び（１１４−１）を例示する。第１の通信信号は、フレーム同期化通信信号として参照され得る。ノード（１０２）は、信号（１１０−１）、（１１２−１）及び（１１４−１）を送信するとき、送信ノードであって、各フレーム通信信号（１１０−１）、（１１２−１）及び（１１４−１）を受信するとき、ノード（１０４−１）〜（１０４−Ｎ）は受信ノードである。各フレームの終端における通信信号は、信号完了表示である。（’２８１出願）に記載のように、これはスイッチポイントを参照している。スイッチポイントは、受信信号に応答し測距メッセージなどの通信信号を送信するために、いつ送信ノードになり得るかを示す信号を各受信ノードに提供する。この例は、事前準備されたシーケンスで、各ノード（１０４−１）、（１０４−２）及び（１０４−Ｎ）からノード（１０２）へ逆に次々に送信される測距信号（１１０−２）、（１１２−２）及び（１１４−２）である。前述のようにノード間のメッセージの交換は、各ノードにおける内部クロックが、ＵＷＢデータ通信のために適した同期化が消失されるほど十分遠くドリフトするまでか、又は別のノードが、フレームプリアンブルを含む新しい初期通信を送信するまで続く。開始ノード（１０２）とノード（１０４−１）〜（１０４−Ｎ）との間の最後の通信信号を図１Ａの信号（１１０−Ｎ）、（１１２−Ｎ）及び（１１４−Ｎ）として例示する。
【００２２】
一実施形態においては、データ通信システム（１００）は、一度に２つのノードだけが加わるポイントツーポイント通信システムである。図ｌＡの通信システム（１００）に関しては、このシステム例は、ノード（１０２）が第１の信号（１１０−１）をノード（１０４−１）に送信し、その後、暫く経って第２の信号（１１２−１）をノード（１０４−２）に送信する時である。本発明の別の実施形態においては、データ通信システム（１２０）は、送信された信号が複数のノードによって同時に受信されるブロードキャストネットワークに構成される。この例を図１Ｂに例示する。この実施形態においては、たった１つの初期送信信号だけが複数のノードに送信されるため、単一のフレームプリアンブルだけが要求される。図１Ｂを参照すると、単一フレーム同期化通信信号を含む初期信号（１３０）が、ノード（１２２）からノード（１２４−１）〜（１２４−Ｎ）に同時にブロードキャストされる。この実施形態においては、送信されたフレーム通信信号中のスイッチポイントが、次の送信ノードを示すために使用される。例えば図１Ｂの通信システム（１２０）においては、スイッチポイントによって指示されるものとして、次に送信するノードは、ノード（１２４−２）である。例示されるように測距信号（１３２）が、ノード（１２４−２）からノード（１２２）に送信される。更にこの例においては、ノード（１２４−３）が、その後、測距信号（１３４）を送信するように指示され、ノード（１２４−２）、（１２４−４）及び（１２２）によって受信される。
【００２３】
図２Ａを参照し、フレーム通信信号（２００）の例を示す。特にこの実施形態における初期信号は、フレーム通信フレーム（２００）である。初期通信フレームは、フレームプリアンブルと、データビット及びスイッチポイントを含むサブフレームとを含む。初期通信フレーム（２００）は、送信ノード（第１のノード）から送信され、フレームプリアンブル（２０２）を含む。フレームプリアンブル（２０２）は、受信ノード（単数又は複数）のローカルクロック（単数又は複数）の同期化のために１つ以上の受信ノードによって使用される情報を含む。フレームプリアンブルの後、情報又はデータが送信される。情報又はデータは、一般に（２０４−１）〜（２０４−Ｎ）として参照されていて、一実施形態においてはデータ通信ビットである。データ（２０４−１）〜（２０４−Ｎ）が送信された後、スイッチポイント（２０６）が送信される。スイッチポイント（２０６）は、別のノードが、所定のスケジュールに従ってこのサブフレームにおいて現在、送信できることを示す。（’２８１出願）に記載のように、スイッチポイントは、特に第２の受信ノードを送信ノードに変更し、初期送信ノードを受信ノードに変更するように命令するリンクリバース法又はデュプレックス法を開始する。特に一実施形態においては、送信ノードが一旦、スイッチポイントに遭遇すると、送信ノードは、送信を停止し、受信モードに切り替わり、ストアされた初期クロックオフセット値を使用してそのローカルクロックを調整する。その後、異なるクロックオフセット値が、現在送信中の特定の第２の受信ノードからの測距プリアンブルに応答して決定される。（’２８１出願）に記載のように、スイッチポイント（２０６）は、信号形式で変更を示すために使用され、その後に更なる情報の交換（２０８）が続く。
【００２４】
図２Ｂは、測距プリアンブル通信サブフレーム（２０１）を例示する。この通信サブフレームは、第２のノードによって第１のノードに送信される。測距通信サブフレームは、データ（２１２−１）〜（２１２−Ｎ）及びスイッチポイント（２１４）を含む。続いて更なる情報（２１６）の交換が、（’２８１出願）に記載のように生じ得る。例示のように、協力ノードが、フレームプリアンブルの間、既に時間同期化されているために、測距プリアンブル（２１０）は、図２Ａのフレームプリアンブル（２０２）よりも短い。ノード間の通信は、第１及び第２のノードのクロックが、時間同期化からドリフトするまで、図２Ａのフレームプリアンブル（２０２）のような更なるフレームプリアンブルを必要とせずに生じる。それらが一旦、時間同期化からドリフトすると、図２Ａのフレームプリアンブル（２０２）と同様なフレームプリアンブルを伴う別の初期通信が、各クロックを再同期化するために要求される。当業者が理解するように、送信されたフレームプリアンブルを受信し、ノードにおけるローカルクロックの時間同期化を実行する１つ以上のノードが存在し得る。
【００２５】
図３の実施形態は、フレームプリアンブル、測距プリアンブル及びデータ通信信号中の複数ノード間の１つのあり得る時間関係セットを表すグラフ（３００）を例示する。図１におけるノード（１０２）と（１０４−ｎ）及び図２におけるノード（１２２）とノード（１２４−ｎ）などの複数ノード間のあり得る関係すべてが、前もって知られ得るわけではなく、従ってそのようなシステムの動的な自己構成の性質によって説明されるものに加え、多くの他のオペレーションモードが可能であって、この開示によって含まれ得ることを理解する必要がある。
【００２６】
図３の実施形態は、第１のノードと他の１つ以上のノードとの間の通信を例示する。第１のノードは、フレームプリアンブル（３０２）及びデータ通信（３１０）を送信する。フレームプリアンブル（３０２）に応答し、１つ以上の他のノードが、フレームプリアンブル（３０４）及び（３０６）を受信するとき、ローカルクロックを同期化する。その後データが、第１のノードによってサブフレーム中に送信される（３１０）。１つ以上の他のノードが、サブフレームデータ（３１２）及び（３１４）を受信する。（’２８１出願）に記載されるように、その後、リンクリバースポイント又はスイッチポイント（３２０）に至る。その後、選択された第２のノードが、測距プリアンブル（３２２）及びデータ（３３０）を送信するように適合されて、第１のノードが、この第２のサブフレーム中の測距プリアンブル（３２４）及びデータ（３３２）を受信するように適合される。更に、他のノードも選択された第２のノードによって送信された測距プリアンブル（３２６）及びデータ（３３４）を受信できる。
【００２７】
（’２８１出願）に記載のように、更なるスイッチポイントが、生じ得るか又は生じ得ず、通信に必要な時間同期化が消失されるまで（３５０）、通信は、現在のフレームクロックオフセットを使用し続ける。スイッチポイント（３２０）に続いて、通信するように適合されたノードそれぞれは、単一ノードだけが特定の時間において送信するよりも、所定のスケジュールに従っていつ送信するかを決定するために、各ノードにおけるローカルクロックを使用し得る。各協力ノードは、測距プリアンブル及びデータ信号の双方を送信し受信するために、ストアされた初期クロックオフセット値を利用する。初期クロックオフセットは、フレームプリアンブル（３０４）及び（３０６）を受信する間、実行される時間同期化中に各ノードによって決定される。
【００２８】
無線ネットワークにおけるノードの物理的分離及びＲＦ電波の有限伝播速度のために、プリアンブル又はデータ信号の送信及びその信号が１つ以上の受信ノードに到着するとき、遅延時間が存在する。一実施形態においては、そのような２つの遅延時間（３４０）及び（３４２）を図３に示す。遅延時間（３４０）は、ノード２とノード１との間の範囲又は距離に比例する。異なる遅延時間（３４２）は、ノード１とノードＮとの間の距離に比例する。ノード１及びノードＮそれぞれは、ノード２の測距プリアンブル（３２２）を使用する時間同期化処理の間、異なるクロックオフセット値を決定する。ノード１及びノードＮは、これらのノードそれぞれと送信ノード２との間の距離を決定する際に使用するための、決定されたクロックオフセット値をストアする。当業者によって理解されるように、各協力ノードは、（’２８１出願）に記載のように、全て無制限に測距プリアンブルを送信するか又は初期通信ノードであり得る。
【００２９】
図４は、各ノードによって測定され、使用されるクロックオフセット間の例示的関係を示す。当業者は、システムにおける固有のノードの組それぞれを考慮することによって、例示的関係が２つ以上のノードに拡張され得ることを理解されよう。（’２８１出願）に記載のように、ノード１は、少なくともフレームプリアンブル（４１０）及び場合によってはデータを送信する初期通信ノード（４０２）である。そのような送信中、ノード１は、所定のクロックオフセット、例えばフレームプリアンブルＴｘ（４２０）に対し示されるような値０を使用する。ノードＮ（４０４）のような別のノードは、フレームプリアンブルを受信し、ノード１との時間同期化に必要な初期クロックオフセット（４１０）の値Ｒ（Ｎ）（４２０）を測定するために適合される。前述のように、初期クロックオフセットＲ（Ｎ）（４２０）は、ノード１とノードＮとの間の距離に比例し、ノードＮによってストアされる。
【００３０】
所定のスケジュールに従ってノードＮは、ノード１との時間同期化を維持するために初期クロックオフセット値（４３０）を使用し、測距プリアンブル（４１４）を送信する。ノードＮとノード１との間の物理的な分離及びＲＦ電波の有限な伝播速度のために、測距プリアンブル（４１４）を送信するノードＮと測距プリアンブルを受信するノード１との間に遅延時間が存在する。ノード１は、ノードＮによって送信される測距プリアンブル（４１４）を使用し時間同期化処理を実行し、ノードＮとノード１との間の距離に比例するクロックオフセットＲ（Ｎ）（４３２）を決定する。ノード１は、その後、クロックオフセット値Ｒ（Ｎ）（４３２）をストアし、初期クロックオフセット（４２０）と測距クロックオフセット（４３２）との間の差を測定することによって距離値を計算する。ノード１は、その後、他のノードとの時間同期化通信を再開するために、ストアされた初期クロックオフセットでクロックオフセットをリロードする。
【００３１】
図５を参照し、本システムの一実施形態の処理の流れ図（５００）を例示する。本処理の図は、（’２８１出願）に記載のように、協力ノードの時間同期化によって開始する（５０２）。ノードが一旦、同期化されると、測距スケジュールなどのデータが、送信ノードと交換される（５０４）。スイッチポイントの後に測距アプリケーションが、前述のような順で動作する各ノードで実行される（５０６）。測距アプリケーションの完了時（５０８）、（’２８１出願）に記載のように、データが交換されるか又はデータ通信用に必要な時間同期化がなくなるまで（５１２）他の情報が交換され得る（５１０）。本処理は、その後、必要に応じて反復される。当業者によって理解されるように（’２８１出願）に記載のように、各通信フレーム期間は、初期通信ノードによって決定されるように、異なる目的に対して協力ノードによって使用され得る。
【００３２】
図６Ａは、（’２８１出願）によって記載されるように、初期通信ノードに対する一実施形態の流れ図を例示する。一実施形態においては、初期通信ノードは、最初に初期クロックオフセットをストアし（６０２）、その後、初期クロックオフセット値をそれぞれ決定しストアするために、他の協力ノードによって使用されるフレームプリアンブルを送信する（６０４）。初期通信ノードは、その後、データ及び測距スケジュールなどの他の情報を他のノードと交換し得る（６０６）。初期通信ノードは、その後、（’２８１出願）に記載のように測距アプリケーションを開始するためにスイッチポイントを発行する（６０８）。初期通信ノードは、その後、測距アプリケーションに加わるために、受信モードに変更する（６１０）。
【００３３】
ステップ（６１２）においては、初期通信ノードは、送信するために選択された別のノードから測距プリアンブルを受信し、ストアされた初期クロックオフセット及びステップ（６１２）において決定されたクロックオフセットを使用して送信ノードと初期通信ノードとの間の距離を計算する（６１４）。初期通信ノードは、その後、測距プリアンブルを送信するために選択されたノードからの測距プリアンブルから決定されたクロックオフセットをストアする（６１６）。初期通信ノードは、その後、他の協力ノード（６２０）との時間同期化通信を続けるために初期クロックオフセット値を有するクロックオフセット値をリロードする（６１８）。（’２８１出願）に記載のように、他の情報が続く（６２２）。
【００３４】
図６Ｂは、（’２８１出願）に記載の初期通信ノード以外のノードに関する一実施形態の流れ図を例示する。そのような協力ノードそれぞれは、初期通信ノードによって送信されたフレームプリアンブルを使用して受信し、時間同期化する（６３０）。決定された初期クロックオフセットの値は、各ノードによってストアされる（６３２）。（’２８１出願）によって、測距スケジュールなどの他のデータの交換が、生じ得（６３４）、その後、初期通信ノードによって送信され、測距アプリケーションを開始するために他のノードによって受信されるスイッチポイントが続く。（６３６）。各ノードは、測距スケジュールによって決定される期間を除いて受信モードを維持する（６３８）。
【００３５】
各ノードは、受信モードの間、測距スケジュールに従って１つ以上の他のノードから測距プリアンブルを受信する一方で、ノードにおけるローカルクロックを時間同期化する（６４０）。協力ノードすべてが、初期通信ノードからの単一のクロックに対し時間同期化されるために、決定された測距クロックオフセットＲ（Ｎ）は、測距プリアンブルを送信するノードと受信ノードとの間の距離に比例していて、ストアされる（６４２）。送信ノードと受信ノードとの間の距離は、その後、計算され（６４４）、ノード上で処理される他のアプリケーションに提供される。各受信ノードは、その後、初期クロックオフセットでクロックオフセットをリロード（６４６）し、測距アプリケーション完了に関するチェックをする（６４８）。
【００３６】
ノードが測距プリアンブルを送信するためのスケジュールされた時間に至ったとき（６３８）、ノードは（６３２）からの初期クロックオフセット値をまだ使用しており、送信モードに変更する。ノードは、その後、その測距プリアンブル（６５２）及び固有のノード識別値を含み得るがこれに限定しない任意の測距データ（６５４）を送信する。ノードは、その後、元の受信モードに変更し（６５６）、測距アプリケーションが完了されるか否かを決定する（６４８）。（’２８１出願）に記載のように、他の情報の交換は、初期通信ノードによって始動されたフレームにおいて継続し得る（６６０）。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図ｌＡ】本発明の通信システムの一実施形態の図である。
【図１Ｂ】本発明の通信システムの別の実施形態の図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態の初期通信サブフレームの図である。
【図２Ｂ】本出願の一実施形態の測距サブフレーム信号の図である。
【図３】本発明の一実施形態の通信及び測距を例示するグラフである。
【図４】本発明の一実施形態によって決定されたクロックオフセット値の図である。
【図５】本発明の一実施形態の通信システムにおけるノード間の通信及び測距の流れ図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態の通信開始及び測距信号の流れ図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態の通信への応答及び測距信号の流れ図である。
【図１Ａ】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上のノード（１０２、１０４−Ｎ）間の通信方法であって、
初期通信フレーム（２００）中のフレームプリアンブル（２０２）と前記２つ以上のノードとを同期化するステップと、
特別な再同期化スイッチポイントが生じる（６０８）まで更なるフレームプリアンブルなしに前記２つ以上のノード間において後続のデータ通信を交換するステップと、
前記２つ以上のノード間において測距スケジュールを交換するステップ（５０４）と、
前記測距スケジュール（５０４）に基づいて前記２つ以上のノード間において後続の通信フレーム（２０１）中の測距パルス（５０６）を交換するステップと、
前記測距パルス（５０６）に基づいて前記ノード間の距離を決定するステップと、を含む方法。
【請求項２】
フレームプリアンブルと前記２つ以上のノードとを同期化するステップが更に、
前記フレームプリアンブル中の情報に従って前記２つ以上のノードそれぞれにおけるローカルクロックを同期化するステップ（６３０）を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記２つ以上のノード間において前記測距スケジュールを交換するステップが更に、
前記ノード（２０４−Ｎ）間において送信されるデータに前記測距スケジュールを埋め込むステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記後続の通信フレームが、測距プリアンブル（２１０）を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記測距プリアンブル（２０１）が、前記フレームプリアンブル（２０２）よりも短い持続時間であることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
距離を決定するステップが更に、
初期クロックオフセット値（６０２）をストアするステップと、
関連するノードから測距パルスを受信するステップ（６１０）と、
前記受信された測距パルスに関連する前記クロックオフセットを測定するステップ（６１２）と、
前記初期クロックオフセットと前記測定されたクロックオフセットとの差を決定するステップ（６１４）と、
前記関連するノード間の距離を決定するために、前記測距パルスの概算伝播速度及び前記クロックオフセットにおいて決定された差を使用するステップと、を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
更に、測距データを交換するステップ（６２２）を含む請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記測距データ（６２２）が更に、
固有ノード識別値を含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１】
２つ以上のノード（１０２、１０４−Ｎ）間の通信方法であって、
初期通信フレーム（２００）中のフレームプリアンブル（２０２）と前記２つ以上のノードとを同期化するステップと、
特別な再同期化スイッチポイントが生じる（６０８）まで更なるフレームプリアンブルなしに前記２つ以上のノード間において後続のデータ通信を交換するステップと、
前記２つ以上のノード間において測距スケジュールを交換するステップ（５０４）と、
前記測距スケジュール（５０４）に基づいて前記２つ以上のノード間において後続の通信フレーム（２０１）中の測距パルス（５０６）を交換するステップと、
前記測距パルス（５０６）に基づいて前記ノード間の距離を決定するステップと、を含む方法。
【請求項２】
フレームプリアンブルと前記２つ以上のノードとを同期化するステップが更に、
前記フレームプリアンブル中の情報に従って前記２つ以上のノードそれぞれにおけるローカルクロックを同期化するステップ（６３０）を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記２つ以上のノード間において前記測距スケジュールを交換するステップが更に、
前記ノード（２０４−Ｎ）間において送信されるデータに前記測距スケジュールを埋め込むステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記後続の通信フレームが、測距プリアンブル（２１０）を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記測距プリアンブル（２０１）が、前記フレームプリアンブル（２０２）よりも短い持続時間であることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
距離を決定するステップが更に、
初期クロックオフセット値（６０２）をストアするステップと、
関連するノードから測距パルスを受信するステップ（６１０）と、
前記受信された測距パルスに関連する前記クロックオフセットを測定するステップ（６１２）と、
前記初期クロックオフセットと前記測定されたクロックオフセットとの差を決定するステップ（６１４）と、
前記関連するノード間の距離を決定するために、前記測距パルスの概算伝播速度及び前記クロックオフセットにおいて決定された差を使用するステップと、を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
更に、測距データを交換するステップ（６２２）を含む請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記測距データ（６２２）が更に、
固有ノード識別値を含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【公表番号】特表２００９−５３５６２５（Ｐ２００９−５３５６２５Ａ）
【公表日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５０７９２５（Ｐ２００９−５０７９２５）
【出願日】平成１９年４月２４日（２００７．４．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０６７２８２
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１２７７２１
【国際公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２４日（２００７．４．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０６７２８２
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１２７７２１
【国際公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
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