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特表2024-535005無線通信プロトコル

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-09-26

(54)【発明の名称】無線通信プロトコル

(51)【国際特許分類】

H04W 72/1263 20230101AFI20240918BHJP

H04W 72/0446 20230101ALI20240918BHJP

H04W 28/04 20090101ALI20240918BHJP

H04W 28/06 20090101ALI20240918BHJP

H04W 74/0808 20240101ALI20240918BHJP

H04W 84/12 20090101ALI20240918BHJP

H04W 16/28 20090101ALI20240918BHJP

【ＦＩ】

H04W72/1263

H04W72/0446

H04W28/04 110

H04W28/06 110

H04W74/0808

H04W84/12

H04W16/28

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024515867

(86)(22)【出願日】2022-09-12

(85)【翻訳文提出日】2024-04-17

(86)【国際出願番号】 AU2022051102

(87)【国際公開番号】W WO2023035044

(87)【国際公開日】2023-03-16

(31)【優先権主張番号】2021902954

(32)【優先日】2021-09-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】AU

(81)【指定国・地域】

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ

２．イーサネット

３．ＵＢＵＮＴＵ

(71)【出願人】

【識別番号】500026418

【氏名又は名称】ザ・ユニバーシティ・オブ・シドニー

(74)【代理人】

【識別番号】100124039

【弁理士】

【氏名又は名称】立花顕治

(74)【代理人】

【識別番号】100176337

【弁理士】

【氏名又は名称】杉本弘樹

(72)【発明者】

【氏名】ヂァンリティアニ

(72)【発明者】

【氏名】グイファン

(72)【発明者】

【氏名】リヨンフイ

(72)【発明者】

【氏名】ヴセティックブランカ

(72)【発明者】

【氏名】ワンルイ

【テーマコード（参考）】

5K067

【Ｆターム（参考）】

5K067AA22

5K067EE02

5K067EE10

5K067HH28

5K067KK02

(57)【要約】

本発明は、通信プロセッサと、ＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスするように動作可能なＷｉＦｉハードウェアと、通信プロセッサによって実行されると、通信プロセッサに、通信プロトコルスタックのＭＡＣ層において、ＴＤＭＡチャネルアクセス方法によってＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスするようにＷｉＦｉハードウェアを制御するチャネルアクセススケジューラを実行させる命令を記憶するコンピュータ可読媒体とを備える、無線デバイスに関する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

通信プロセッサと、
ＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスするように動作可能なＷｉＦｉハードウェアと、
前記通信プロセッサによって実行されると、前記通信プロセッサに、通信プロトコルスタックのＭＡＣ層において、ＴＤＭＡチャネルアクセス方法によって前記ＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスするように前記ＷｉＦｉハードウェアを制御するチャネルアクセススケジューラを実行させる命令を記憶するコンピュータ可読媒体と
を備える、無線デバイス。

【請求項2】

前記チャネルアクセススケジューラが、スケジューリング命令に従って動作し、前記スケジューリング命令が、前記ＷｉＦｉ通信チャネルを介して前記無線デバイスによって受信されたネットワークデータ単位で定義される、請求項１に記載の無線デバイス。

【請求項3】

前記命令がさらに、前記通信プロセッサに、
前記チャネルアクセススケジューラによって前記無線デバイスに割り当てられた通信タイムスロット中にパケットを送信させ、
確認応答パケットが所定の時間内に前記無線デバイスで受信されるかどうかを判定させ、かつ、
所定の時間内に確認応答パケットの受信がない場合に、前記チャネルアクセススケジューラによって前記無線デバイスに割り当てられた２つ以上の通信タイムスロット中に前記パケットを再送信させる、請求項１又は２に記載の無線デバイス。

【請求項4】

前記命令がさらに、前記通信プロセッサに、
前記ＷｉＦｉ通信チャネルを介して２つ以上のフレームを受信させ、
前記受信されたフレームを集約フレームに集約させ、かつ、
前記集約フレームを、ブロードキャストアドレスを使用して前記ＷｉＦｉ通信チャネルを介して複数のステーションに送信させる、請求項１から３のいずれか一項に記載の無線デバイス。

【請求項5】

前記通信プロセッサが、
第１のフレームの前記宛先アドレスを前記ブロードキャストアドレスとして利用し、
アグリゲーション識別子を前記ブロードキャストアドレスに付加し、
第１のステーションフラグを前記アグリゲーション識別子に付加し、
前記第１のフレームを前記アグリゲーション識別子に付加し、かつ、
第２のステーションフラグを前記第１のフレームに付加し、かつ、第２のフレームを前記第２のステーションフラグに付加することにより、前記受信されたフレームを集約するように構成された、請求項４に記載の無線デバイス。

【請求項6】

前記命令がさらに、前記通信プロセッサに、
前記無線デバイスで受信されたフレームを解析させ、
前記フレームが集約フレームであるかどうかを判定させ、かつ、
前記フレームが集約フレームである場合、前記集約フレームを集約解除させる、請求項１から３のいずれか一項に記載の無線デバイス。

【請求項7】

前記通信プロセッサが、ブロードキャストアドレス及びアグリゲーション識別子について前記フレームを解析することによって、前記フレームが集約フレームであるかどうかを判定する、請求項６に記載の無線デバイス。

【請求項8】

前記通信プロセッサが、前記フレーム内のネットワークアドレスを識別し、前記ネットワークアドレスの後の前記フレームの残りを破棄することによって、前記集約フレームを集約解除するように構成された、請求項６に記載の無線デバイス。

【請求項9】

前記命令がさらに、前記通信プロセッサに、制限アクセスウィンドウ中にのみ前記無線デバイスが前記ＴＤＭＡ無線通信チャネルにアクセスする制限アクセスメカニズムを適用させる、請求項１から８のいずれか一項に記載の無線デバイス。

【請求項10】

前記命令がさらに、前記通信プロセッサに、前記制限アクセスウィンドウ外の時間に前記無線デバイスがＣＳＭＡ無線通信ネットワークにアクセスすることを許可させる、請求項９に記載の無線デバイス。

【請求項11】

ＷｉＦｉアクセスポイント上で実行可能な方法であって、
前記ＷｉＦｉアクセスポイント上にインストールされた通信プロトコルスタックのＭＡＣ層において、ＴＤＭＡチャネルアクセス方法によって前記ＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスするように前記ＷｉＦｉアクセスポイントを制御するチャネルアクセススケジューラを実行することを含む、方法。

【請求項12】

前記ＷｉＦｉアクセスポイントが、指向性アンテナに動作可能に接続され、前記チャネルアクセススケジューラが、前記指向性アンテナを使用して前記ＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスするように前記ＷｉＦｉアクセスポイントを制御する、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記チャネルアクセススケジューラが、スケジューリング命令に従って動作し、前記スケジューリング命令が、前記ＷｉＦｉアクセスポイントによって生成されるか、又は前記ＷｉＦｉ通信チャネルを介して前記ＷｉＦｉアクセスポイントによって受信される、請求項１１又は１２に記載の方法。

【請求項14】

前記チャネルアクセススケジューラによって前記ＷｉＦｉアクセスポイントに割り当てられた通信タイムスロット中にパケットを送信することと、
確認応答パケットが所定の時間内に前記ＷｉＦｉアクセスポイントで受信されるかどうかを判定することと、
所定の時間内に確認応答パケットの受信がない場合に、前記チャネルアクセススケジューラによって前記ＷｉＦｉアクセスポイントに割り当てられた２つ以上の通信タイムスロット中に前記パケットを再送信することと
をさらに含む、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項15】

前記ＷｉＦｉ通信チャネルを介して２つ以上のフレームを受信することと、
前記受信されたフレームを集約フレームに集約することと、
前記集約フレームを、ブロードキャストアドレスを使用して前記ＷｉＦｉ通信チャネルを介して複数のステーションに送信することと
をさらに含む、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項16】

前記受信されたフレームを前記集約フレームに集約することが、
第１のフレームの宛先アドレスを前記ブロードキャストアドレスとして利用することと、
アグリゲーション識別子を前記ブロードキャストアドレスに付加することと、
第１のステーションフラグを前記アグリゲーション識別子に付加することと、
前記第１のフレームを前記アグリゲーション識別子に付加することと、
第２のステーションフラグを前記第１のフレームに付加することと、
第２のフレームを前記第２のステーションフラグに付加することと
を含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記ＷｉＦｉアクセスポイントで受信されたフレームを解析することと、
前記フレームが集約フレームであるかどうかを判定することと、
前記フレームが集約フレームである場合、前記集約フレームを集約解除することと
をさらに含む、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項18】

前記フレームが集約フレームであるかどうかを判定することが、
ブロードキャストアドレス及びアグリゲーション識別子について前記フレームを解析することを含む、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記集約フレームを集約解除することが、
前記フレーム内のネットワークアドレスを識別することと、
前記ネットワークアドレスの後の前記フレームの残りを破棄することと
を含む、請求項１７に記載の方法。

【請求項20】

制限アクセスウィンドウ中にのみ無線デバイスが前記ＴＤＭＡ無線通信ネットワークにアクセスすることを許可される制限アクセスメカニズムを適用することをさらに含む、請求項１１から１９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項21】

無線デバイスに、前記制限アクセスウィンドウ外の時間にＣＳＭＡ無線通信ネットワークにアクセスすることを許可することをさらに含む、請求項２０に記載の方法。

【請求項22】

通信プロセッサによって実行されると、前記通信プロセッサに、通信プロトコルスタックのＭＡＣ層において、ＴＤＭＡチャネルアクセス方法によってＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスするようにＷｉＦｉハードウェアを制御するチャネルアクセススケジューラを実行させる命令を記憶する、コンピュータ可読媒体。

【請求項23】

前記通信プロセッサに、さらに、
前記チャネルアクセススケジューラによって前記無線デバイスに割り当てられた通信タイムスロット中にパケットを送信させ、
確認応答パケットが所定の時間内に前記無線デバイスで受信されるかどうかを判定させ、かつ、
所定の時間内に確認応答パケットの受信がない場合に、前記チャネルアクセススケジューラによって前記無線デバイスに割り当てられた２つ以上の通信タイムスロット中に前記パケットを再送信させる命令を記憶する、請求項２２に記載のコンピュータ可読媒体。

【請求項24】

前記通信プロセッサに、さらに、
前記ＷｉＦｉ通信チャネルを介して２つ以上のフレームを受信させ、
前記受信されたフレームを集約フレームに集約させ、かつ、
前記集約フレームを、ブロードキャストアドレスを使用して前記ＷｉＦｉ通信チャネルを介して複数のステーションに送信させる命令を記憶する、請求項２２に記載のコンピュータ可読媒体。

【請求項25】

前記通信プロセッサが、
第１のフレームの前記宛先アドレスを前記ブロードキャストアドレスとして利用し、
アグリゲーション識別子を前記ブロードキャストアドレスに付加し、
第１のステーションフラグを前記アグリゲーション識別子に付加し、
前記第１のフレームを前記アグリゲーション識別子に付加し、
第２のステーションフラグを前記第１のフレームに付加し、かつ、
第２のフレームを前記第２のステーションフラグに付加することにより、前記受信されたフレームを集約する、請求項２４に記載のコンピュータ可読媒体。

【請求項26】

前記通信プロセッサに、
前記無線デバイスで受信されたフレームを解析させ、
前記フレームが集約フレームであるかどうかを判定させ、かつ、
前記フレームが集約フレームである場合、前記集約フレームを集約解除させる命令をさらに記憶する、請求項２２から２５のいずれか一項に記載のコンピュータ可読媒体。

【請求項27】

前記通信プロセッサが、ブロードキャストアドレス及びアグリゲーション識別子について前記フレームを解析することによって、前記フレームが集約フレームであるかどうかを判定する、請求項２６に記載のコンピュータ可読媒体。

【請求項28】

前記通信プロセッサが、前記フレーム内のネットワークアドレスを識別し、前記ネットワークアドレスの後の前記フレームの残りを破棄することによって、前記集約フレームを集約解除する、請求項２６に記載のコンピュータ可読媒体。

【請求項29】

前記通信プロセッサに、制限アクセスウィンドウ中にのみ無線デバイスが前記ＴＤＭＡＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスすることを許可される制限アクセスメカニズムを適用させる命令をさらに記憶する、請求項２２から２８のいずれか一項に記載のコンピュータ可読媒体。

【請求項30】

前記通信プロセッサに、前記制限アクセスウィンドウ外の時間に無線デバイスがＣＳＭＡＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスすることを許可させる命令をさらに記憶する、請求項２９に記載のコンピュータ可読媒体。

【請求項31】

請求項１１から２１のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成されたＷｉＦｉアクセスポイントと、
前記ＷｉＦｉアクセスポイントに通信可能に結合された指向性アンテナと、
各々が請求項２２から３０のいずれか一項に記載のコンピュータ可読媒体を含む１つ又は複数の無線デバイスと
を備える、長距離ＷｉＦｉネットワーク。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線通信プロトコルに関し、特にＷｉＦｉ通信プロトコルに関する。

【背景技術】

【0002】

ＷｉＦｉは、ＩＥＥＥ８０２．１１規格ファミリーに基づく無線ネットワークプロトコルのファミリーである。ＷｉＦｉネットワークは、典型的には、個々の無線デバイスが接続するアクセスポイント（ＡＰ）によって確立される。現在のＷｉＦｉネットワークの範囲は、典型的には、数十メートルに限定されており、これによって、ＷｉＦｉの適用は、家庭、企業、及びオフィスなどの屋内環境、又は地理的に制約のある屋外環境のいずれかに限定されている。

【0003】

例えば、地下鉱山及び輸送システムなどの地下環境のための通信を提供するために、より長距離のＷｉＦｉネットワークが望ましい。より長距離のＷｉＦｉはまた、建設現場、農業環境及び工業環境などのより広い地理的領域をカバーする地上環境においても望ましい。原則として、より長距離のＷｉＦｉネットワークは、指向性アンテナを有するＡＰの使用によって達成可能である。しかしながら、現在のＷｉＦｉプロトコル（特に、搬送波感知多重アクセス（ＣＳＭＡ）のチャネルアクセスプロトコルの使用）から生じる制限のために、既存のＡＰは、指向性アンテナを使用したＷｉＦｉネットワークを確立しない。この点で、ＣＳＭＡプロトコルは、広い地理的領域にわたって分散されるノードでは性能が低い。互いに遠く離れたノードは、他のノードの送信を感知することができず、これによって衝突や関連した性能低下がもたらされる。

【0004】

この欠点により、より長距離のＷｉＦｉ接続は、これまで固定されたノード間の単一のポイントツーポイント接続に限定されてきた。

【0005】

本明細書における任意の先行技術への言及は、この先行技術が任意の管轄区域における共通の一般知識の一部を形成すること、又はこの先行技術が当業者によって理解され、関連性があると見なされ、かつ／又は他の先行技術と組み合わされると合理的に予想され得ることを承認又は示唆するものではない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本開示の態様は、複数のモバイルデバイスをサポートするより長距離のＷｉＦｉネットワークの作成を可能にするＷｉＦｉ接続プロトコル及び／又はアーキテクチャを提供することを目的とする。本開示のいくつかの態様はまた、そのような長距離ＷｉＦｉネットワークを管理するためのプロトコル及びサービスを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の第１の態様によれば、通信プロセッサと、ＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスするように動作可能なＷｉＦｉハードウェアと、通信プロセッサによって実行されると、通信プロセッサに、通信プロトコルスタックのＭＡＣ層において、ＴＤＭＡチャネルアクセス方法によってＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスするようにＷｉＦｉハードウェアを制御するチャネルアクセススケジューラを実行させる命令を記憶するコンピュータ可読媒体とを備える、無線デバイスが提供される。

【0008】

いくつかの実施形態では、従来のＣＳＭＡネットワークにおける隠れ端末の衝突の発生を実質的に排除することによって、本開示の態様は、ロバストな長距離ＷｉＦｉネットワークの確立を可能にするプロトコルを提供する。そのようなネットワークは、地下採鉱環境、地上建設環境及び多くの大きな産業環境を含む広範囲の環境に容易に展開することができる。

【0009】

次に、提案されたプロトコルでは、より大きな地理的領域にわたって動作するようにＷｉＦｉネットワークを確立することができるため、必要なＡＰが少なくなり、したがって全体的なインフラストラクチャコストが低下する。

【0010】

さらに、本開示の態様は、既存のＷｉＦｉハードウェア及びチップセットを使用して実施することができ、既存のＷｉＦｉネットワークとの互換性もある。

【0011】

一実施形態によれば、チャネルアクセススケジューラは、スケジューリング命令に従って動作し、スケジューリング命令は、ＷｉＦｉ通信チャネルを介して無線デバイスによって受信されたネットワークデータ単位で定義される。

【0012】

好ましくは、命令はさらに、通信プロセッサに、チャネルアクセススケジューラによって無線デバイスに割り当てられた通信タイムスロット中にパケットを送信させ、確認応答パケットが所定の時間内に無線デバイスで受信されるかどうかを判定させ、かつ、所定の時間内に確認応答パケットの受信がない場合に、チャネルアクセススケジューラによって無線デバイスに割り当てられた２つ以上の通信タイムスロット中にパケットを再送信させる。

【0013】

一実施形態によれば、命令はさらに、通信プロセッサに、ＷｉＦｉ通信チャネルを介して２つ以上のフレームを受信させ、受信されたフレームを集約フレームに集約させ、かつ、集約フレームを、ブロードキャストアドレスを使用してＷｉＦｉ通信チャネルを介して複数のステーションに送信させる。

【0014】

通信プロセッサは、第１のフレームの宛先アドレスをブロードキャストアドレスとして利用し、アグリゲーション識別子をブロードキャストアドレスに付加し、第１のステーションフラグをアグリゲーション識別子に付加し、第１のフレームをアグリゲーション識別子に付加し、第２のステーションフラグを第１のフレームに付加し、かつ、第２のフレームを第２のステーションフラグに付加することにより、受信されたフレームを集約してもよい。

【0015】

一実施形態によれば、命令はさらに、通信プロセッサに、無線デバイスで受信されたフレームを解析させ、フレームが集約フレームであるかどうかを判定させ、かつ、フレームが集約フレームである場合、集約フレームを集約解除させる。

【0016】

いくつかの実施形態では、通信プロセッサは、ブロードキャストアドレス及びアグリゲーション識別子についてフレームを解析することによって、フレームが集約フレームであるかどうかを判定する。

【0017】

通信プロセッサは、フレーム内のネットワークアドレスを識別し、ネットワークアドレスの後のフレームの残りを破棄することによって、フレームを集約解除してもよい。

【0018】

他の実施形態では、命令はさらに、通信プロセッサに、制限アクセスウィンドウ中にのみ無線デバイスがＴＤＭＡ無線通信チャネルにアクセスする制限アクセスメカニズムを適用させる。

【0019】

任意選択で、命令はさらに、通信プロセッサに、制限アクセスウィンドウ外の時間に無線デバイスがＣＳＭＡ無線通信ネットワークにアクセスすることを許可させる。

【0020】

本開示の第２の態様によれば、ＷｉＦｉアクセスポイント上で実行可能な方法が提供され、方法は、ＷｉＦｉアクセスポイント上にインストールされた通信プロトコルスタックのＭＡＣ層において、ＴＤＭＡチャネルアクセス方法によってＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスするようにＷｉＦｉアクセスポイントを制御するチャネルアクセススケジューラを実行することを含む。

【0021】

好ましくは、ＷｉＦｉアクセスポイントは、指向性アンテナに動作可能に接続され、チャネルアクセススケジューラは、指向性アンテナを使用してＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスするようにＷｉＦｉアクセスポイントを制御する。

【0022】

一実施形態によれば、チャネルアクセススケジューラは、スケジューリング命令に従って動作し、スケジューリング命令は、ＷｉＦｉアクセスポイントによって生成されるか、又はＷｉＦｉ通信チャネルを介してＷｉＦｉアクセスポイントによって受信される。

【0023】

好ましくは、方法は、ＷｉＦｉアクセスポイントが、チャネルアクセススケジューラによってＷｉＦｉアクセスポイントに割り当てられた通信タイムスロット中にパケットを送信し、確認応答パケットが所定の時間内にＷｉＦｉアクセスポイントで受信されるかどうかを判定し、かつ、所定の時間内に確認応答パケットの受信がない場合に、チャネルアクセススケジューラによってＷｉＦｉアクセスポイントに割り当てられた２つ以上の通信タイムスロット中にパケットを再送信することをさらに含む。

【0024】

一実施形態によれば、方法は、ＷｉＦｉアクセスポイントが、ＷｉＦｉ通信チャネルを介して２つ以上のフレームを受信し、受信されたフレームを集約フレームに集約し、かつ、集約フレームを、ブロードキャストアドレスを使用してＷｉＦｉ通信チャネルを介して複数のステーションに送信することをさらに含む。

【0025】

ＷｉＦｉアクセスポイントは、第１のフレームの宛先アドレスをブロードキャストアドレスとして利用し、アグリゲーション識別子をブロードキャストアドレスに付加し、第１のステーションフラグをアグリゲーション識別子に付加し、第１のフレームをアグリゲーション識別子に付加し、第２のステーションフラグを第１のフレームに付加し、かつ、第２のフレームを第２のステーションフラグに付加することにより、受信されたフレームを集約してもよい。

【0026】

一実施形態によれば、方法は、ＷｉＦｉアクセスポイントが、ＷｉＦｉアクセスポイントで受信されたフレームを解析し、フレームが集約フレームであるかどうかを判定し、かつ、フレームが集約フレームである場合、集約フレームを集約解除することをさらに含む。

【0027】

ＷｉＦｉアクセスポイントは、ブロードキャストアドレス及びアグリゲーション識別子についてフレームを解析することによって、フレームが集約フレームであるかどうかを判定する。

【0028】

ＷｉＦｉアクセスポイントは、フレーム内のネットワークアドレスを識別し、ネットワークアドレスの後のフレームの残りを破棄することによって、フレームを集約解除してもよい。

【0029】

一実施形態によれば、方法は、制限アクセスウィンドウ中にのみＴＤＭＡ無線通信ネットワークに無線デバイスがアクセスすることを許可される制限アクセスメカニズムをＷｉＦｉアクセスポイントが適用することをさらに含む。

【0030】

好ましくは、方法は、制限アクセスウィンドウ外の時間に無線デバイスがＣＳＭＡ無線通信ネットワークにアクセスすることをＷｉＦｉアクセスポイントが許可することをさらに含む。

【0031】

本発明の第３の態様によれば、通信プロセッサによって実行されると、通信プロセッサに、通信プロトコルスタックのＭＡＣ層において、ＴＤＭＡチャネルアクセス方法によってＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスするようにＷｉＦｉハードウェアを制御するチャネルアクセススケジューラを実行させる命令を記憶するコンピュータ可読媒体が提供される。

【0032】

好ましくは、コンピュータ可読媒体は、通信プロセッサに、さらに、チャネルアクセススケジューラによって無線デバイスに割り当てられた通信タイムスロット中にパケットを送信させ、確認応答パケットが所定の時間内に無線デバイスで受信されるかどうかを判定させ、かつ、所定の時間内に確認応答パケットの受信がない場合に、チャネルアクセススケジューラによって無線デバイスに割り当てられた２つ以上の通信タイムスロット中にパケットを再送信させる命令を含む。

【0033】

一実施形態によれば、コンピュータ可読媒体は、通信プロセッサに、さらに、ＷｉＦｉ通信チャネルを介して２つ以上のフレームを受信させ、受信されたフレームを集約フレームに集約させ、かつ、集約フレームを、ブロードキャストアドレスを使用してＷｉＦｉ通信チャネルを介して複数のステーションに送信させる命令を含む。

【0034】

【0035】

一実施形態によれば、コンピュータ可読媒体は、通信プロセッサに、さらに、無線デバイスで受信されたフレームを解析させ、フレームが集約フレームであるかどうかを判定させ、かつ、フレームが集約フレームである場合、集約フレームを集約解除させる命令を含む。

【0036】

【0037】

【0038】

他の実施形態では、コンピュータ可読媒体は、通信プロセッサに、さらに、制限アクセスウィンドウ中にのみ無線デバイスがＴＤＭＡＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスすることを許可される制限アクセスメカニズムを適用させる命令を含む。

【0039】

任意選択で、コンピュータ可読媒体は、通信プロセッサに、さらに、制限アクセスウィンドウ外の時間に無線デバイスがＣＳＭＡＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスすることを許可させる命令を含む。

【0040】

本発明のさらなる態様によれば、本発明の第２の態様によるＷｉＦｉアクセスポイントと、ＷｉＦｉアクセスポイントに通信可能に結合された指向性アンテナと、各々が本発明の第３の態様によるコンピュータ可読媒体を含む１つ又は複数の無線デバイスとを備える、長距離ＷｉＦｉネットワークが提供される。

【0041】

本明細書で使用される場合、文脈がそうでないことを要求する場合を除いて、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」ならびに「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び「備えた（ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ）」などの用語の変形は、さらなる追加物、成分、完全体又は工程を排除することを意図しない。

【0042】

本発明のさらなる態様及び前の段落に記載された態様のさらなる実施形態は、例として、かつ添付の図面を参照して示される以下の説明から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0043】

以下の図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

【0044】

【図1】本発明の一実施形態による、ＷｉＦｉ通信プロトコルを使用して確立されるＷｉＦｉネットワークの概略図である。

【0045】

【図2】本発明の一実施形態による、無線デバイスがプロトコルを使用して通信するためのソフトウェアアーキテクチャを示すブロック図である。

【0046】

【図3】本発明の一実施形態による、ＷｉＦｉ通信プロトコルを使用して確立されるＷｉＦｉネットワークに接続する無線デバイスを示すネットワーク通信シーケンス図である。

【0047】

【図4】本発明の一実施形態による、スーパーフレームのブロック図である。

【0048】

【図5】図４に示されたスーパーフレームによって定義された通信プロトコルを実施するときに、ステーション又はＡＰによって実行される処理動作を示すフローチャートである。

【0049】

【図6】本発明の一実施形態による、フレームアグリゲーションを行うためにステーション又はＡＰによって実行される処理動作を示すフローチャートである。

【0050】

【図7】本発明の一実施形態による、集約されたフレームのブロック図である。

【0051】

【図8】本発明の一実施形態による、ハイブリッドＣＳＭＡ／ＴＤＭＡ通信プロトコルのフレーム及び通信構造のブロック図である。

【0052】

【図9】本発明の一実施形態による、通信プロトコルで行われた実験の結果を示す様々なグラフである。

【図10】本発明の一実施形態による、通信プロトコルで行われた実験の結果を示す様々なグラフである。

【図11】本発明の一実施形態による、通信プロトコルで行われた実験の結果を示す様々なグラフである。

【図12】本発明の一実施形態による、通信プロトコルで行われた実験の結果を示す様々なグラフである。

【図13】本発明の一実施形態による、通信プロトコルで行われた実験の結果を示す様々なグラフである。

【0053】

【図14】本発明の実施形態による通信プロトコルを実行するのに適したコンピュータ処理システムのブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0054】

【0055】

本開示の例示的な実施形態は、地下及び地上の採掘、建設、及び農業の産業環境を含む環境用の商用オフザシェルフ（ＣＯＴＳ）ハードウェアに基づく長距離ＷｉＦｉリンクを提供する。

【0056】

図１は、本開示の一実施形態が実施される環境１００の一例を概略的に示す。環境１００は、ＷｉＦｉアクセスポイント（ＡＰ）１２０を含む。ＡＰ１２０は、接続されたデバイスにＷｉＦｉアクセスを提供するために、必要な計算ハードウェア（すなわち、プロセッサ、ＲＡＭ、及び二次記憶装置）、ネットワークハードウェア（すなわち、ＷｉＦｉアダプタ及びモデムチップセット）及びソフトウェアを含む。これに関して、ＡＰ１２０は、ＷｉＦｉ信号を送受信するための指向性アンテナを含む。

【0057】

指向性アンテナの選択は、設置環境１００に影響される。例えば、工業用途及び農業用途では、より長い放射距離（例えば、１０００メートルを超える）及びより大きいカバレッジ角（例えば、１８度から１２０度の間）を必要となる可能性がある。３７０ｍの放射距離及び６５度の水平ローブ幅を有するＨＵＡＷＥＩ（登録商標）二重偏波指向性アンテナ２７０１０８９８は、この点に関して、特にモバイルデバイスが比較的大きな領域にわたって分布する農業環境に適している。地下採鉱などの他の産業用途では、より狭い放射角が好ましい場合がある。１８度の水平ローブ幅及び１ｋｍを超える放射距離を有するＴｕｐａｖｃｏＴＰ５１１高利得指向性アンテナは、狭い放射角が必要とされる採掘トンネルに適した指向性アンテナの一例である。

【0058】

例示の目的のために、環境１００は、４つの無線デバイス１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ及び１３０Ｄを含むが、当業者であれば、本発明の例示的な実施形態において潜在的により多くの無線デバイスを利用できることを理解するであろう。無線デバイス１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ及び１３０Ｄは、ラップトップコンピュータ、スマートフォン、タブレット、ウェアラブルコンピュータ、ＩＯＴ装置、スキャナ、及び／又は鉱山機械又は建設機械に組み込まれた装置などのコンピューティングデバイスである。

【0059】

本明細書では、「無線デバイス」という用語は、「ステーション」という用語と互換的に使用される。各無線デバイス１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ及び１３０Ｄは、設置環境に関連するアプリケーション１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ及び１３２Ｄを実行する。例えば、採鉱環境では、アプリケーション１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ及び１３２Ｄは、鉱山環境監視及び安全アプリケーションであってもよい。アプリケーション１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ及び１３２Ｄは、アプリケーションにネットワーク通信サービスを提供するそれぞれの通信プロトコルスタック１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ及び１３２Ｄの上で実行される。

【0060】

無線デバイス１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ及び１３０Ｄはそれぞれ、ＷｉＦｉ無線通信チャネルを介してＡＰ１２０に通信可能に結合されている。図示された実施形態では、無線デバイス１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ及び１３０Ｄ、ならびにＡＰ１２０は、スター型トポロジを形成する。

【0061】

図２は、無線デバイス１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ及び１３０Ｄ、ならびにＡＰ１２０のソフトウェアアーキテクチャ２００の概略図である。上述したように、アプリケーション副層１３２はプロトコルスタックの上で実行されるが、図２では、プロトコルスタックはトランスポート＆ＩＰ層２１０と、ＭＡＣ層２２０と、物理層２４０とを備える。図示の実施形態における物理層２４０は、ＩＥＥＥ８０２．１１層である。

【0062】

アーキテクチャ２００は、アンテナ２５０に動作可能に結合される。無線デバイス１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ及び１３０Ｄにおいて、アンテナ２５０は無指向性アンテナであるが、ＡＰ１２０では、上述したようにアンテナ２５０は指向性アンテナである。

【0063】

例示されたアーキテクチャでは、以下の通信モジュールがアプリケーション副層１３２上で実行される。
・ＲＴＢ－アグリゲーション及びブロードキャストによるリアルタイムデータ伝送。
・ＲＴＵ－ユニキャストによるリアルタイムデータ伝送、及び
・ＮＲＴ－非リアルタイムウィンドウ（ＮＲＴＷ）内の非リアルタイム伝送。

【0064】

以下でさらに詳細に説明するように、ＲＴＢ、ＲＴＵ及びＮＲＴモジュールは、通信及びサービス品質（ＱｏＳ）機能をアプリケーション副層１３２に提供する。

【0065】

アプリケーション副層１３２には、アプリケーション冗長性モジュールも設けられている。

【0066】

トランスポート及びＩＰ層２１０は、オーソドックスなＴＣＰ／ＩＰプロトコル層であり、ＩＰヘッダに各種サービスを定義するフィールドを有するデータ構造を含む。

【0067】

ＭＡＣ層２２０には、アグリゲーションモジュール２２２及びＴＤＭＡスケジューラ２２４がある。以下でさらに詳細に説明するように、アグリゲーションモジュール２２２は、複数のＲＴＢフレームを集約フレームに集約するが、集約フレームはＲＴＢブロードキャストによって送信される。

【0068】

ＴＤＭＡスケジューラ２２４は、ＴＤＭＡチャネルアクセス方法を用いてＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスする（ＷｉＦｉ通信チャネル上でフレームを送受信する）ように物理層２４０内のＷｉＦｉハードウェアを制御する役割を果たす。当業者であれば、ＴＤＭＡ（又は「時分割多元接続」）が、信号を異なるタイムスロットに分割することによっていくつかのユーザが同じ周波数チャネルを共有できるようにする媒体共有ネットワークのためのチャネルアクセス方法であることを理解するであろう。ユーザは、各々が自身のタイムスロットを使用して、次々と連続で送信する。

【0069】

ＴＤＭＡスケジューラ２２４が提供するアクセス方式はＭＡＣ層２２０で実施されるため、本質的に任意の市販のＷｉＦｉ指向性アンテナと互換性がある。この点で、ＴＤＭＡスケジューラ２２４は、オーソドックスなＷｉＦｉ物理層２４０の上に位置する。

【0070】

図示の実施形態では、ＭＡＣ層２２０フレームは「Ｑ」とラベル付けされている。上述したように、本発明は、フレームをＲＴＢフレーム（図２のＱＲＴＢ）、ＲＴＵフレーム（図２のＱＲＴＵ）、又はＮＲＴフレーム（図２のＱＮＲＴ）のいずれかとして指定するサービス品質メカニズムを提供する。

【0071】

アーキテクチャ２００は、ＡＰ１２０によって作成されたＷｉＦｉネットワークに関連する記憶されたネットワークプロファイル２６０を含む。ネットワークプロファイル２６０は、様々なネットワーク及びデバイス識別子を記憶するデバイステーブル２６２を含む。図示の実施形態では、デバイステーブル２６２は、ステーションインデックス、ＭＡＣアドレス及びＩＰアドレスを記憶する。

【0072】

ネットワークプロファイル２６０はまた、以下でスーパーフレーム２６４として説明されるデータ構造を記憶する。以下でさらに詳細に説明するように、スーパーフレーム２６４は、本発明の通信プロトコル及びアプリケーションサービスを実施するために使用される様々なパラメータを記憶する。これに関して、例示的なスーパーフレーム２６４は、タイムショット、レート選択、ＭＡＣ再送信、ＲＴ－ＱｏＳ、リンクタイプ、及び宛先インデックスに関するデータを記憶する。

【0073】

図３に示されるように、無線デバイス１３０がＡＰ１２０によって確立されたＷｉ－Ｆｉネットワークへの参加を要求すると、無線デバイス１３０は、まず、ＡＰ１２０へ接続要求を送信する。接続要求は、無線デバイス１３０の詳細を識別することと、必要なＱｏＳの表示とを含む。接続要求を受信すると、ＡＰ１２０は、接続要求内のデータを処理し、関連する通信及びサービスデータを記憶する適用可能なスーパーフレーム２６４を生成する。ＡＰ１２０は、ネットワークへの参加を要求した無線デバイス１３０を含む、接続されたすべての無線デバイスにスーパーフレーム２６４をブロードキャストする。以下でさらに詳細に説明するように、無線デバイス（特に、ＴＤＭＡスケジューラ２２４及びアグリゲーションモジュール２２２）は、ＷｉＦｉネットワーク上でデータを通信するためにスーパーフレーム２６４を利用する。

【0074】

前述したように、アーキテクチャ２００はＴＤＭＡチャネル割当システムを実装するが、ＴＤＭＡチャネル割当システムでは、ＡＰ１２０は、各無線デバイス１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ及び１３０Ｄがそのパケットを送信するための専用のタイムスロットを割り当て、それにより、ＣＳＭＡチャネル割当方法に関連付けられた衝突を回避する。

【0075】

ＴＤＭＡベースのシステムは、すべての無線デバイス間で厳密な時間同期を適用する。グローバル同期（すなわち、ＷｉＦｉネットワーク全体にわたる同期）を実行するために、各無線デバイス１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ及び１３０Ｄは、ＡＰ１２０に同期されたローカルＴＳＦタイマを維持するために、８０２．１１タイミング同期機能（ＴＳＦ）を利用する。ＴＳＦタイマは、割り当てられたＴＤＭＡスロット中にデバイス通信をトリガするためにも使用される。無線デバイスとＡＰ１２０との間のＴＳＦタイマの同期は、８０２．１１個のビーコンフレームを周期的にポーリングすることによって維持される。

【0076】

ＴＤＭＡスケジューラ２２４はまた、無線デバイスが集中管理された方法でＷｉＦｉチャネルにアクセスすることを確実にする。

【0077】

これに関して、低レイテンシ及び高信頼性を要求する多くの新しいアプリケーション、例えば、位置特定、監視、及び制御アプリケーションが、次世代の産業システムにおいて出現している。しかしながら、ＷｉＦｉの既存のＣＳＭＡアクセスメカニズムは、ステーションがランダムにＷｉＦｉチャネルにアクセスするため、そのようなアプリケーションの厳しい要件をサポートすることができない。対照的に、本実施形態によるＴＤＭＡベースのシステムは、ステーションがＷｉＦｉチャネルに決定論的にアクセスするため、低レイテンシ及び高信頼性を提供する。後述するように、本実施形態は、誤り制御符号化（ＡＰＰ－Ｒｅ）を用いたアプリケーション層再送信、ＱｏＳメカニズム、及びファイングレインフレームアグリゲーションシステムを通じてレイテンシ及び信頼性をさらに改善する。

【0078】

スーパーフレーム２６４は、異なる無線デバイスの所与のタイムスロットにおけるチャネルアクセスを定義する。これに関して、スーパーフレーム２６４は、異なるステーションのアクセスを示すパラメータを有する一続きの連続したタイムスロットである。スーパーフレーム２６４内の各送信は、リンクタイプ（すなわち、ダウンリンク又はアップリンク）、宛先のインデックス、固定伝送レート、ＭＡＣ層再送信回数、及びリアルタイムサービス品質（ＲＴ－ＱｏＳ）インジケータで構成される。スーパーフレーム２６４は、ＡＰ１２０及びすべての無線デバイス１３０の両方によってネットワークプロファイル内に維持される。

【0079】

ＲＴ－ＱｏＳ（ＴＤＭＡスケジューラ２２４によって実施される）インジケータは、様々な要件によってパケットを分離し、異なる送信パターンを課す。ＲＴ－ＱｏＳインジケータはまた、本実施形態の長距離リンクにおいてもタイムクリティカルメッセージの性能を保証する。

【0080】

ＴＤＭＡスケジューラ２２４は、異なるトラフィッククラスを区別するために、各パケットにＲＴ－ＱｏＳ値を付与する。これにより、様々なＭＡＣ層２２０の送信パターンがもたらされる。ＲＴ－ＱｏＳ値は、ＩＰヘッダ内にある既存の「サービスのタイプ」（ＴｏＳ）フィールドを使用する。ユーザは、ＭＡＣ層２２０上の特定のＡＣ値に分類された各フレームのＴｏＳ値を決定することができる。

【0081】

無線デバイス１３０及びＡＰ１２０は両方とも、各ＲＴ－ＱｏＳタイプについて先入れ先出し（ＦＩＦＯ）キューシステムを設ける。これにより、無線デバイス１３０及びＡＰ１２０は、各ＲＴ－ＱｏＳタイプのフレームのキャッシュを維持することができる。

【0082】

上述したように、本実施形態では、以下の３タイプのＲＴ－ＱｏＳがある。

【0083】

ＲＴＢ２０２：アグリゲーション及びブロードキャストによるリアルタイムデータ伝送。

【0084】

ＲＴＵ２０４：ユニキャストによるリアルタイムデータ伝送。

【0085】

ＮＲＴ２０６：非リアルタイムウィンドウ（ＮＲＴＷ）内の非リアルタイム伝送。

【0086】

本実施形態によれば、スーパーフレーム２６４内のタイムスロットごとにＲＴ－ＱｏＳインジケータが定義される。これにより、ステーション及びＡＰは、適切なキューから送信するパケットを選択できる。

【0087】

本発明の一実施形態による例示的なスーパーフレーム２６４が図４に示されている。この例では、スーパーフレーム２６４は、１６個のＴＤＭＡスケジューリングタイムスロット、すなわちスロット１～１６を画定する。図示の実施形態では、これらのタイムスロットは３つの異なる送信ウィンドウにグループ化される。最初の１２タイムスロットは、ＲＴＢパケット及びＲＴＵパケットに使用されるリアルタイムウィンドウ（ＲＴＷ）を含む。ＲＴＷはさらに細分化され、その最初の４つのタイムスロットがＲＴＢパケット２０２に使用される。以下でさらに詳細に説明するように、本実施形態のフレームアグリゲーションメカニズムにより、ＲＴＢパケット２０２は、複数のタイムスロットを介して送信することができる。

【0088】

タイムスロット５から１２は、アップリンク送信及びダウンリンク送信の両方のためのパケットを含むＲＴＵパケット２０４用に確保される。ＲＴＢパケット２０２との完全な互換性により、ＲＴＢパケットは、ＲＴＵ２０４用に確保されたタイムスロット中に送信されることを許可されるが、ブロードキャストではなくユニキャストで送信される。

【0089】

タイムスロット１３から１６は非リアルタイムウィンドウ（ＮＲＴＷ）内にあり、ＮＲＴパケット２０６を送信するために使用される。ＮＲＴＷにおける伝送方式はベストエフォートであり、無線デバイス１３０及び／又はＡＰ１２０は、割り当てられたタイムスロット内で可能な限り多くのパケットを送信する。この方式は、管理フレーム及びビデオデータフローなどの高スループット送信に適している。ベストエフォート方式では、無線デバイス／ＡＰは、ＮＲＴキュー（ＭＡＣ層２２０のＱ_NRT）から最初のパケットをフェッチし、パケットを送信するのに必要な最大時間を推定する。送信機は、ＮＲＴキュー内の各パケットについてこの持続時間を保持し、期間が満了するとすぐに次のパケットの送信をトリガすることができる。

【0090】

スーパーフレーム２６４を実施するときに無線デバイス１３０又はＡＰ１２０によって実行される処理動作５００の例が、図５に示されている。

【0091】

ステップ５０２で、無線デバイス／ＡＰは、８０２．１１ビーコン信号を受信し、ＴＳＦタイマを読み取って、どのタイムスロットが現在のタイムスロットであるかを判定する。

【0092】

ステップ５０４で、無線デバイス／ＡＰは、現在のタイムスロットが、無線デバイス／ＡＰがデータパケットを送信又は受信することを許可されているタイムスロットであるかどうかを判定する。ステーション／ＡＰがデータを送信又は受信することを許可されていない場合、プロセスはステップ５０２に戻る。

【0093】

無線デバイス／ＡＰが現在のタイムスロットで送信又は受信することを許可されている場合、ステップ５０６において、無線デバイス／ＡＰは、ＴＤＭＡスケジューラ２２４に問い合わせ、スーパーフレーム２６４内のどの送信ウィンドウが現在開いているかを判定する。ＲＴＷが開いており、現在のタイムショットがタイムスロット１～４のうちの１つである場合、ＡＰ１２０は複数の無線デバイス１３０にＲＴＢブロードキャストを実行する。ＲＴＢブロードキャストについては、以下でさらに詳細に説明する。

【0094】

ＲＴＷが開いており、現在のタイムスロットがタイムスロット５～１２のうちの１つである場合、ＡＰ／無線デバイスは、ＲＴＢ２０２又はＲＴＵ２０４パケットのいずれかの以下のユニキャスト送信のうちの１つを実行する。
・スロット５：ＡＰがステーション０に送信する。
・スロット６：ＡＰがステーション１に送信する。
・スロット７：ＡＰがステーション２に送信する。
・スロット８：ＡＰがステーション３に送信する。
・スロット９：無線デバイス０がＡＰに送信する。
・スロット１０：無線デバイス１がＡＰに送信する。
・スロット１１：無線デバイス２がＡＰに送信する。
・スロット１２：無線デバイス３がＡＰに送信する。

【0095】

当業者であれば、ＲＴＷにおいて他のデータ通信パターンを実行できることを理解するであろう。

【0096】

ＮＲＴＷが開いている場合、無線デバイス／ＡＰは、上述したベストエフォート伝送プロトコルを使用して連続パケット伝送を実行する。

【0097】

既存のＭＡＣ層再送信はスロット内で実行され、送信側が受信側からＡＣＫパケットを受信しない場合に再送信が同じスロット内で実行される。しかしながら、本実施形態の長距離ＴＤＭＡベースのＷｉＦｉシステム（搬送波感知なし）では、バースト干渉が存在する場合、このＭＡＣ層再送信は失敗する可能性がある。

【0098】

この問題に対処するために、本実施形態は、アプリケーションレベル再送信システムを提供する。再送信システムは、バースト干渉を効率的に回避し、異なる時点でパケットを再送信することによって信頼性を向上させる。送信機と受信機との間の距離が大きい場合、スループットは制限される可能性がある。しかしながら、これは、アプリケーションレベルの再送信システムによって対処される。本システムは、物理層で伝送する必要があるデータ量を低減する誤り制御符号化方式として機能する。

【0099】

本実施形態は、パケットのファイングレインアグリゲーションのためのシステムをさらに提供する。後述するように、アグリゲーションシステムは、異なるステーションに向かうメッセージを１つのフレームに集約し、集約されたフレームをすべての関連するステーションにブロードキャストする。これにより、オーバーヘッドを低減し、長距離伝送効率を高めることができる。

【0100】

フレームアグリゲーションを行うために無線デバイス／ＡＰによって実行される処理ステップ６００が、図６に示されている。

【0101】

ステップ６０２で、無線デバイス／ＡＰは、ＷｉＦｉ通信チャネルを介して複数のフレームを受信する。

【0102】

ステップ６０４において、無線デバイス／ＡＰは、空の集約フレームを生成し、集約フレームをアドレス指定する。ステーション／ＡＰは、宛先インデックスをブロードキャストシンボル、例えば０ｘＦＦに設定することによって、集約フレームをアドレス指定する。第１のフレームのＭＡＣヘッダは集約パケットのＭＡＣヘッダとして使用され、０ｘＦＦはＭＡＣヘッダ内の宛先アドレスとして使用されるブロードキャストアドレスである。

【0103】

ステップ６０６では、無線デバイス／ＡＰは、ＭＡＣヘッダの後に、１バイトの１６進アグリゲーションフラグを付加する。

【0104】

ステップ６０８において、無線デバイス／ＡＰは、現在のフレームに一意のステーションフラグを生成する。一意のステーションフラグは、デバイステーブルに記録されているステーションの識別情報及びフレーム長を含む。

【0105】

ステップ６１０において、無線デバイス／ＡＰは、集約フレームに現在のフレームを付加する。

【0106】

ステップ６１２において、無線デバイス／ＡＰは、現在のフレームが、集約フレームに含まれるべき最後のフレームであるかどうかを判定する。プロセスはステップ６０８に戻り、無線デバイス／ＡＰは、集約フレームに追加されるべき次のフレームに一意のステーションフラグを生成する。

【0107】

現在のフレームが集約フレームに追加されるべき最後のフレームである場合、無線デバイス／ＡＰは、集約フレームの最初のフレームから最後のフレームまでのフレームチェックシーケンス（ＦＣＳ）を付加する（ステップ６１４）。

【0108】

ステップ６１６において、無線デバイス／ＡＰは、集約フレームを送信する。無線デバイス／ＡＰが集約フレームを送信する（すなわち、ＲＴＢブロードキャストを実行する）とき、スケジューラは、ＲＴＢキュー内の異なるステーション向けのパケットを探索する。１つの宛先にアドレス指定されたパケットが２つ存在する場合、スケジューラは、先にキューに入ったパケットを選択して送信する。ブロードキャストの前に、選択されたパケットは時間的な単方向リストにプッシュされる。

【0109】

集約フレームの構造により、リンクリストの最初のフレームは、ＭＡＣヘッダのスライスとフレームチェックシーケンス（ＦＣＳ）とを保持する。集約フレームのブロードキャスト前の最後のステップは、ステーション／ＡＰにより、ＭＡＣヘッダの宛先アドレスをブロードキャストＭＡＣアドレスに変更することである。

【0110】

集約フレームの構造の例は図７に示されている。

【0111】

無線デバイス又はＡＰにおいて集約フレームを受信すると、無線デバイス／ＡＰは、集約フレームの分解動作を実行する。集約フレームを分解するために、無線デバイス／ＡＰは、まず、フレームが実際に集約されているかどうかを判定する。無線デバイス／ＡＰは、以下によって判定を実行する。
１）宛先ＭＡＣアドレスがブロードキャストアドレスであるかどうかの解析、
２）ＭＡＣヘッダの後のオクテットがアグリゲーションフラグであるかどうかの解析。

【0112】

フレームが集約フレームであると判定した後、無線デバイス／ＡＰは、アグリゲーションフラグからフレームの最後まで、集約フレームを読み取ることを開始する。ステーションフラグ内のステーション識別情報が自身の識別情報と一致すると、無線デバイス／ＡＰは、ステーションフラグに記録されたフレーム長の直後のフレームを保持する。残りの集約フレームは破棄される。ステーション識別情報が一致しない場合、無線デバイス／ＡＰは、ステーションフラグに記録されたフレーム長をスキップし、集約フレームのエンドポインタまで次のステーションフラグを読み取ることを開始する。

【0113】

既存のＷｉＦｉインフラストラクチャは、本開示による長距離ＷｉＦｉネットワーク上で動作するデバイスに干渉を発生させる場合がある。本開示は、そのような干渉を改善し、したがって、長距離ＷｉＦｉデバイスを可能にし、かつ、ＡＰが既存のＷｉＦｉネットワークと互換性を有することを可能にするための制限アクセスメカニズムを提供する。

【0114】

制限アクセスメカニズムは、既存のＷｉＦｉプロトコルの特徴であるネットワーク割り当てベクトル（ＮＡＶ）を利用する。制限アクセスメカニズムは、以下の２つのアクセスウィンドウを定義する。
・ＴＤＭＡベースのアクセスのための制限アクセスウィンドウ、及び
・従来のＣＳＭＡアクセスのための非制限ウィンドウ。

【0115】

制限アクセスメカニズムは、ＷｉＦｉビーコンフレームのＮＡＶを変更する。従来のＷｉＦｉデバイスは、制限アクセスウィンドウ中にパケットを送信することを許可されていない。その結果、長距離デバイスは、既存のＷｉＦｉインフラストラクチャからの衝突のリスクなしに、制限ウィンドウ中に上述したＴＤＭＡベースの送信を実行することができる。

【0116】

非制限ウィンドウにおいてのみ、既存のＷｉＦｉデバイスは、ＣＳＭＡを使用してＷｉＦｉ通信チャネルにアクセスすることが許可される。

【0117】

制限アクセスメカニズムはまた、長距離ＷｉＦｉデバイスと従来のＷｉＦｉデバイスとの間の互換性及び相互通信を提供するハイブリッドＣＳＭＡ／ＴＤＭＡアクセスメカニズムを提供する。互換性を示すために、例えば、ハイブリッドシステムにおいて、４つのタイプのデバイス、すなわち、両方ともＴＤＭＡを利用する長距離ＡＰ及び長距離ステーション、ならびに両方ともＣＳＭＡを利用する従来のＡＰ及び従来のステーションが共存することが可能である。当業者であれば、従来のＡＰと無線デバイスとの間の通信はＣＳＭＡを介して実現することができ、長距離ＡＰと無線デバイスとの間の通信も同様に上述したＴＤＭＡベースのプロトコルスタックを介して実現されることが理解されよう。

【0118】

従来のデバイスと長距離デバイスとの間の通信では、無線デバイスは、まず、自身が長距離ＡＰに関連付けられているか、又は従来のＡＰに関連付けられているかを判定する。無線デバイスは、受信したＷｉＦｉビーコンフレーム内のベンダ固有のフィールドに問い合わせることによってこの決定を行う。長距離無線デバイスが長距離ＡＰによってカバーされるエリアに移動すると、制御ソフトウェアは、無線デバイスをＴＤＭＡモードに切り替え、（上述したように）ＡＰによって割り当てられたタイムスロットを使用して送信を実行する。

【0119】

反対に、無線デバイスが従来のＡＰによってカバーされるエリアに到達すると、制御ソフトウェアは、ステーションにＣＳＭＡを採用してＷｉＦｉチャネルにアクセスさせる。

【0120】

従来のＷｉＦｉ無線デバイスは、非制限ウィンドウ内でＣＳＭＡを使用することによって長距離ＡＰと従来のＡＰの両方と通信するように構成することもできる。

【0121】

制限ウィンドウメカニズム及びハイブリッドＣＳＭＡ／ＴＤＭＡメカニズムによって、上述したＴＤＭＡベースのＷｉＦｉプロトコルが既存のＷｉＦｉインフラストラクチャと互換性を有し得ることが理解されよう。

【0122】

制限アクセスメカニズム及びハイブリッドＣＳＭＡ／ＴＤＭＡメカニズムのフレーム及び通信構造が図８に示されている。

【0123】

本実施形態は、隠れ端末問題から生じる衝突を実質的に排除する長距離用途向けの集中管理型ＴＤＭＡベースのプロトコルスタックのＭＡＣ層設計に焦点を当てている。商用の高利得指向性アンテナを用いて本実施形態を採用することにより、長距離ＷｉＦｉ通信が実現される。

【0124】

本発明者らは、ＴｕｐａｖｃｏＴＰ５１１２０ｄＢｉ１８°高利得指向性アンテナを用いて本実施形態を試験し、１ｋｍを超える伝送範囲において衝突なしに複数Ｍｂｐｓのデータレートを達成した。試験では、Ｑｏｔｏｍ製のミニＰＣをＡＰ及びステーションとして使用した。ミニＰＣは、Ｌｉｎｕｘ（登録商標）カーネルバージョン３．１３．０－３２を有するＵｂｕｎｔｕ１４．０４オペレーティングシステムを動作させた。ＩＥＥＥ８０２．１１インターフェースには、ＡｔｈｅｒｏｓＮＩＣＡＲ９２８５をオープンソースドライバＡＴＨ９ｋと共に使用した。以下に記載される実験では、集中管理型ＴＤＭＡベースのプロトコルスタックの性能を、実験室環境において従来のＷｉＦｉと比較した。

【0125】

ＣＳＭＡメカニズムは、長距離無線リンクにおけるチャネル状態を検知することができないため、指向性アンテナを用いて現実的に適用することができない。上述したＴＤＭＡベースのプロトコルは、各ステーションのチャネルアクセスのための特定のタイムスロットを割り当ててこのような衝突を回避することによって、この課題に対処することができる。隠れ端末問題が発生したＷｉＦｉステーションのスループットは大幅に低下し、ほぼ０に達する。対照的に、集中管理型ＴＤＭＡベースのＷｉＦｉプロトコルは、隠れ端末問題による衝突を本質的にゼロまで排除することができる。

【0126】

実験
隠れ端末リオを調査し、異なるステーションの平均スループットを測定するために実験を行った。２つのステーションと１つのＡＰとをネットワークで接続した。隠れ端末リオを調査するために、ステーションは、２つのＲＦ遮蔽空間に配置され、どちらも他方を検知することができないように送信電力を１２ｄｂｍに落として通信を行った。各ステーションの物理伝送レートは１８Ｍｂ／ｓに設定し、タイムスロット時間は１ｍｓとした。ステーションは、５Ｍｂ／ｓの速度でＡＰにパケットを送信するようにプログラムされ、上述の長距離ＷｉＦｉプロトコルと従来のＷｉＦｉプロトコルとの間のアップリンクスループット性能を比較した。

【0127】

図９に示す結果は、従来のＣＳＭＡベースのＷｉＦｉデバイスでは約０．３Ｍｂ／ｓのスループットしか達成できなかったことを示している。従来のＷｉＦｉデバイスと比較して、長距離ＷｉＦｉデバイスは、それよりはるかに高い約２Ｍｂ／ｓのスループットを有することが観察された。これは、隠れ端末を軽減する長距離ＷｉＦｉプロトコルの能力に対する強力な検証となる。

【0128】

ＭＡＣ層及びアプリケーション層の信頼性及びレイテンシを試験するために干渉の存在を調査する実験も行った。４つの無線デバイスを、５１２μｓに設定されたタイムスロット時間で利用した。ＭＡＣ層上の固定伝送レート及び再送信回数は、それぞれ３６Ｍｂ／ｓ及び５に設定した。ＲＴＢ、ＮＲＴ、及びアップリンクトラフィックをそれぞれシミュレートするために、３つのアプリケーションを開発した。すべてのアプリケーションが２０ｍｓごとに５０バイトの長さのパケットを生成した。３つのアプリケーションの組み合わせをＡＰ上で同時に実行し、各実験を４０分間継続させた。

【0129】

ＭＡＣ層の結果は、図９及び図１０の累積分布関数（ＣＣＤＦ）曲線で示されている。ＣＣＤＦ曲線のパケット損失率は、所与のデッドラインにおいて、又はそれを超えて失敗したパケットの割合を表す。

【0130】

図１０は、おそらく固定伝送レート及び上述のアグリゲーションメカニズムによってパケット伝送時間が長くなるため、レイテンシが比較的低いときには従来のＷｉＦｉが長距離ＷｉＦｉよりも性能が優れていることを示している。また、長距離ＷｉＦｉの下降傾向は平均遅延に集中し、ＷｉＦｉの曲線は緩やかな下降傾向を示す。これは、ＴＤＭＡベースのプロトコルが従来のＷｉＦｉと比較して有界レイテンシの能力も有していることを示している。実験室環境では、ＷｉＦｉは、ＣＳＭＡ方式のために長距離ＷｉＦｉよりもパケット損失率は低くなり得る。しかしながら、ＣＳＭＡ方式が機能しない実際の長距離シナリオでは、ＷｉＦｉの信頼性が著しく低下する。定量化された結果を表１に示す。

【表1】

【0131】

アプリケーション層１３２の性能において、図１１に示す結果によれば、ＷｉＦｉの曲線は最初に低下し、緩やかな下降傾向を維持する。しかしながら、長距離ＷｉＦｉシステムは、ＷｉＦｉよりも１０ｍｓの遅延でより迅速に低下し始め、１３ｍｓの遅延ではＷｉＦｉよりも優れた性能となる。

【0132】

これは、アプリケーション層１３２での有界レイテンシの能力を裏付ける。上述したアプリケーション層の再送信により、達成可能な信頼性は従来のＷｉＦｉよりも高い。ＭＡＣ層の結果と同様に、長距離ＷｉＦｉシステムは、長距離シナリオでアプリケーション層１３２の性能を依然として保証し得るが、従来のＷｉＦｉの性能は、隠れ端末のために大幅に低下する。定量化された結果を表２に示す。

【表2】

【0133】

従来のＷｉＦｉデバイスとの互換性を検証するために、２つのセットアップを確立した。１つは長距離ＷｉＦｉデバイスであり、１つは従来のＷｉＦｉデバイスである。第１のセットアップは長距離ＡＰを使用し、第２のセットアップは従来のＡＰを使用した。上述した方法を使用して、２つのデバイスにおけるダウンリンク性能を測定した。

【0134】

図１２に示すように、長距離ＷｉＦｉのＣＣＤＦ曲線は、従来のＷｉＦｉよりも速く低下し、平均遅延に集中する。対照的に、従来のデバイスの曲線は、前述のＭＡＣ層の結果と同様の緩やかな下降傾向をたどる。しかしながら、長距離デバイスは、おそらくはＴＤＭＡスケジューラがアップリンクとダウンリンクとの間の伝送衝突を回避するため、パケット損失率がより低くなることが観察されている。

【0135】

従来のＡＰを用いたセットアップの場合、両方のデバイスは、類似した緩やかな下降傾向をたどる。ＷｉＦｉデバイスは、ＣＳＭＡ方式により、わずかに良好な信頼性を有し得る。長距離ＷｉＦｉデバイスは、著しい性能低下なしに既存のＷｉＦｉデバイスと正常に通信することができると結論付けることができる。

【0136】

地下鉱山及び海岸を含む異なる環境で、本開示の長距離ＷｉＦｉデバイスを用いて現場試験も実施した。特に、海岸環境では５ｄｂｉのアンテナ利得を有する無指向性アンテナを使用し、地下採掘環境では１８ｄｂｉ及び２０度の指向性パネルアンテナを使用した。

【0137】

地下鉱山試験
達成可能なデータレート及び距離は、見通し距離が最大約１．４ｋｍとなる地下トンネルで測定された。指向性パネルアンテナを備えた長距離ＡＰを使用した。ＡＰのポール高さは約１／６ｍであった。３つのタイプの無線デバイス、すなわち、車両のポールに設置された、本開示に記載されているような長距離Ｗｉ－Ｆｉプロトコル及び指向性アンテナを有するデバイス、本開示に記載されているような長距離Ｗｉ－Ｆｉ及び無指向性アンテナを有するデバイス、及びレガシーＷｉ－Ｆｉプロトコルを有する通常のＷｉＦｉデバイスを、この環境で試験した。３つのデバイスはすべて、１ｋｍの距離で１Ｍｂｐｓを超えるデータレートに到達でき、本開示の長距離Ｗｉ－Ｆｉプロトコルを有するデバイスが特に良好に機能することが分かった。試験は、本開示のＷｉＦｉシステムと既存のＷｉ－Ｆｉデバイスとの互換性も実証した。

【0138】

表３は、ＡＰから異なる距離にある３つのデバイスの各々について達成されたＭｂｐｓ単位のデータレートを示す。

【表3】

【0139】

表から分かるように、指向性パネルアンテナを有する提案された長距離ＷｉＦｉデバイスは、ＡＰからのすべての異なる距離でデータレートが最も高く、１ｋｍで３．９Ｍｂｐｓのデータレートを達成した従来のＷｉＦｉデバイスに対して、２７．５３Ｍｂｐｓのデータレートを達成した。

【0140】

海岸試験
本開示の長距離無線デバイス及びＡＰは、システムの性能、信号の品質、及び極めて長距離にわたる達成可能なデータレートを測定するために海岸線沿いにおいても試験した。無線デバイス及びＡＰは、両方とも本開示の長距離Ｗｉ－Ｆｉプロトコル及び指向性アンテナを有するものを使用した。無線デバイスとＡＰの両方の指向性アンテナを約３ｍの高さのポールに取り付け、アンテナを整列させた。

【0141】

表４は、３回の送信テストにおいて、ＡＰからの異なる距離（ｋｍ）で達成された平均データレート（Ｍｂｐｓ）を示す。

【表4】

【0142】

データレートは、４ｋｍまでは１０Ｍｂｐｓより大きく、８ｋｍ地点で２．６Ｍｂｐｓまで低下する。接続が安定する最大距離は約１１ｋｍと判定された。

【0143】

コンピュータシステム
本明細書に記載の手法及び動作は、図１４に示されている１つ又は複数のコンピュータ処理システムによって実行される。図１４は、本明細書に記載の実施形態及び／又は特徴を実施するように構成可能なコンピュータ処理システム１４００のブロック図である。システム１４００は、汎用コンピュータ処理システムである。図１４は、コンピュータ処理システムのすべての機能的又は物理的構成要素を示しているわけではないことが理解されよう。例えば、電源又は電源インターフェースは示されていないが、システム１４００は、電源を有するか、又は電源に接続するように構成される（又はその両方）。また、特定の種類のコンピュータ処理システムが適切なハードウェア及びアーキテクチャを決定し、本開示の特徴を実施するのに適した代替のコンピュータ処理システムは、図示されたものに対して追加の、代替の、又はより少ない構成要素を有する場合があることも理解されよう。

【0144】

コンピュータ処理システム１４００は、少なくとも１つの処理ユニット１４０２を含む。処理ユニット１４０２は、単一のコンピュータ処理デバイス（例えば、中央処理装置、グラフィックス処理装置、又は他の計算装置）であってもよく、又は複数のコンピュータ処理デバイスを含んでもよい。

【0145】

通信バス１４０４を介して、処理ユニット１４０２は、処理システム１４００の動作を制御するために処理ユニット１４０２によって実行されるコンピュータ可読命令及び／又はデータを記憶する１つ又は複数の機械可読記憶（メモリ）デバイスとデータ通信する。この例では、システム１４００は、システムメモリ１４０６（例えば、ＢＩＯＳ）、揮発性メモリ１４０８（例えば、１つ又は複数のＤＲＡＭモジュールなどのランダムアクセスメモリ）、及び非一時的メモリ１４１０（例えば、１つ又は複数のハードディスク又はソリッドステートドライブ）を含む。

【0146】

システム１４００はまた、システム１４００が様々なデバイス及び／又はネットワークとインターフェースする、一般に１４１２によって示される１つ又は複数のインターフェースを含む。一般的に言えば、他のデバイスは、システム１４００と一体であってもよく、又は別個であってもよい。デバイスがシステム１４００とは別個である場合、デバイスとシステム１４００との間の接続は、有線又は無線のハードウェア及び通信プロトコルを介してもよく、直接又は間接（例えば、ネットワーク接続による）接続であってもよい。

【0147】

他のデバイス／ネットワークとの有線接続は、任意の適切な標準又は独自のハードウェア及び接続プロトコルによるものであってもよい。例えば、特にシステム１４００がＡＰである場合、システムは、ＵＳＢ、ｅＳＡＴＡ、イーサネット、ＨＤＭＩ（登録商標）、及び／又は他の有線接続のうちの１つ又は複数によって他のデバイス／通信ネットワークと有線接続するように構成されてもよい。

【0148】

他のデバイス／ネットワークとの無線接続は、同様に、任意の適切な標準又は独自のハードウェア及び通信プロトコルによるものであってもよい。例えば、システム１４００は、ＢｌｕｅＴｏｏｔｈ、ＷｉＦｉ、近距離無線通信（ＮＦＣ）、モバイル通信用グローバルシステム（ＧＳＭ）、及び／又は他の無線接続のうちの１つ又は複数を使用して、他のデバイス／通信ネットワークと無線接続するように構成されてもよい。

【0149】

一般的に言えば、問題の特定のシステムに応じて、システム１４００が接続するデバイスは、有線手段か無線手段かにかかわらず、データがシステム１４００に入力される／システム１４００によって受信されることを可能にするための１つ又は複数の入力デバイスと、データがシステムによって出力されることを可能にするための１つ又は複数の出力デバイスとを含む。例示的なデバイスを以下に説明するが、すべてのコンピュータ処理システムがすべての言及されたデバイスを含むわけではなく、言及されたものに対する追加及び代替のデバイスを使用してもよいことが理解されよう。

【0150】

例えば、システム１４００は、情報／データをシステム１４００に入力する（受信させる）１つ又は複数の入力装置を含むか又はそれに接続してもよい。そのような入力装置は、キーボード、マウス、トラックパッド、マイクロフォン、加速度計、近接センサ、ＧＰＳ、及び／又は他の入力装置を含んでもよい。システム１４００はまた、情報を出力するためにシステム１４００によって制御される１つ又は複数の出力デバイスを含むか又はそれに接続してもよい。そのような出力装置は、ディスプレイ（例えば、ＬＣＤ、ＬＥＤ、タッチスクリーン、又は他の表示装置）、スピーカ、振動モジュール、ＬＥＤ、他のライト、及び／又は他の出力装置などのデバイスを含んでもよい。システム１４００はまた、入力及び出力デバイスの両方として機能し得るデバイス、例えば、システム１４００がデータを読み書きできるメモリデバイス（ハードドライブ、ソリッドステートドライブ、ディスクドライブ、及び／又は他のメモリデバイス）、及びデータを表示（出力）し、タッチ信号（入力）を受信できるタッチスクリーンディスプレイを含むか、又はそれらに接続してもよい。

【0151】

例として、システム１４００が無線デバイス１３０である場合、それは通常、ディスプレイ１４１８（タッチスクリーンディスプレイであってもよい）、カメラデバイス１４２０、マイクロフォンデバイス１４２２（カメラデバイスと一体化されていてもよい）、カーソル制御デバイス１４２４（例えば、マウス、トラックパッド、又は他のカーソル制御デバイス）、キーボード１４２６、及びスピーカデバイス１４２８を含む。

【0152】

システム１４００はまた、上述のＷｉＦｉネットワークなどのネットワークと通信するための１つ又は複数の通信インターフェース１４１６を含む。通信インターフェース１４１６を介して、システム１４００は、ネットワーク化されたシステム及び／又はデバイスとデータを通信し、それらからデータを受信することができる。

【0153】

システム１４００は、コンピュータアプリケーション（ソフトウェア又はプログラムとも呼ばれる）、すなわち、処理ユニット１４０２によって実行されると、データを受信し、処理し、出力するようにシステム１４００を構成するコンピュータ可読命令及びデータを記憶するか、又はそれらにアクセスする。命令及びデータは、システム１４００にアクセス可能な１４１０などの非一時的機械可読媒体に記憶することができる。命令及びデータは、（例えば）通信インターフェース１４１６などのインターフェースを介した有線又は無線ネットワーク接続によって有効になった伝送チャネル内のデータ信号を介してシステム１４００によって送信／受信されてもよい。

【0154】

典型的には、システム１４００にアクセス可能な１つのアプリケーションは、オペレーティングシステムアプリケーションである。さらに、システム１４００は、処理ユニット１４０２によって実行されると、本明細書に記載の様々なコンピュータ実装処理動作を実行するようにシステム１４００を構成するアプリケーションを記憶するか、又はそのようなアプリケーションにアクセスする。

【0155】

本明細書で開示されかつ定義される本発明は、テキスト又は図面に言及され、又はそれらから明らかな個々の特徴の２つ以上のすべての代替的な組み合わせに及ぶことが理解されよう。これらの異なる組み合わせはすべて、本発明の様々な代替態様を構成する。

【図1】