JP2010529782A - マルチホップ無線アドホック及びセンサ・ネットワークにおける中継のための多基準最適化 - Google Patents

Abstract

一般化されたマルチパラメータ・マッピング関数が、可能な中継候補をランク付けするために、決定基準を集約して単一の仮想基準にする。送信側選択ベース及び受信側選出ベースのフォワーディング・スキームの両方に適用可能な、次ホップ中継のための最適規則も提供される。２つの最適化基準に基づいたネットワーク性能の例として、ワンホップ・プログレス（貪欲さ）及びパケット成功率（リンク品質）が挙げられる。適切なマッピング関数は、リンク品質のために貪欲さをトレードオフする。マッピング関数に従った実施が、報告された送信側リンク認識フォワーディング・スキームを凌ぐことを示す、シミュレーション情報が提供される。
【選択図】図１

Description

本開示は、マルチホップ無線通信に関する。より具体的には、本開示は、送信ノードが次ホップ中継ノードを選択することを必要としない、受信側中継選出（ｒｅｃｅｉｖｅ−ｓｉｄｅ−ｒｅｌａｙ−ｅｌｅｃｔｉｏｎ、ＲＳＲＥ）に関する。
本出願は、助成金番号０４３５２５０号に基づいてアメリカ国立科学財団（ＮＳＦ）により部分的にサポートされている研究を含んでいる。
本出願は、２００７年６月４日に出願され、引用によりここに組み入られる、「Ｍｕｌｔｉ−Ｃｒｉｔｅｒｉａ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｒｅｌａｙｉｎｇ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｈｏｐ Ｗｉｒｅｌｓｓ Ａｄ Ｈｏｃ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ」という名称の米国仮出願第６０／９４１，７５４号の優先権を主張するものである。

従来より、アドホック・ネットワーク及びセンサ・ネットワークのマルチホップ中継の決定は、送信側で行なわれ、典型的には、地理的距離ベースの貪欲（ｇｒｅｅｄｙ）手法のような個々の基準が主な注目を集めてきた（例えば、各々が引用によりここに組み入れられる、非特許文献１及び非特許文献２を参照されたい）。受信側中継選出（ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｓｉｄｅ ｒｅｌａｙ ｅｌｅｃｔｉｏｎ）手法は、それぞれの全体が引用によりここに組み入れられる非特許文献３及び非特許文献４において示唆され、そこでは、地理的距離が、考慮される最適中継ノードのための唯一の基準であった。しかしながら、これらの研究は、実際的な実施に対して如何なる有用な方向性も与えるものではない。

近年、各々が引用によりここに組み入られる非特許文献５、非特許文献６、及び非特許文献７が、中継ノードの選択（ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ）／選出（ｅｌｅｃｔｉｏｎ）のために、地理的距離に加えて、基準としてリンク品質を考えている。しかしながら、第１に、これらの研究は、中継候補により与えられた積形式のフォワード・プログレス及びパケット・エラー率だけを考慮しており、この積形式が最良の性能を提供するかどうかを掘り下げて研究するものではない。第２に、これらの研究の焦点は、多基準（ｍｕｌｔｉ−ｃｒｉｔｅｒｉａ）の選出プロセスの結果生じる付加的な競合をとらえていない。

Ｈ．Ｔａｋａｇｉ及びＬ．Ｋｌｅｉｎｒｏｃｋ著、「Ｏｐｔｉｍａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｎｇｅｓ ｆｏｒ ｒａｎｄｏｍｌｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｐａｃｋｅｔ ｒａｄｉｏ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｃｏｍｍｕｎ．、ＣＯＭ−３２巻、第３、ｐｐ．２４６−２５７、１９８４年３月 Ｂ．Ｋａｒｐ及びＨ．Ｔ．Ｋｕｎｇ著、「ＧＰＳＲ：Ｇｒｅｅｄｙ ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ ｓｔａｔｅｌｅｓｓ ｒｏｕｔｉｎｇ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋｓ」、ＡＣＭ ＭＯＢＩＣＯＭ（２０００年８月、マサチューセッツ州ボストン）予稿集、ｐｐ．２４３−２５４ Ｍ．Ｚｏｒｚｉ及びＲ．Ｒ．Ｒａｏ著、「Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｒａｎｄｏｍ ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ（ＧｅＲａＦ） ｆｏｒ ａｄ ｈｏｃ ａｎｄ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ：Ｍｕｌｔｉｈｏｐ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｐｕｔ．、２巻、第４、ｐｐ．３３７−３４８、２００３年１０月−１２月 Ｈ．Ｆｕｂｌｅｒ、Ｊ．Ｗｉｄｍｅｒ、及びＭ．Ｋａｓｅｍａｎｎ著、「Ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎ−ｂａｓｅｄ ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ａｄ ｈｏｃ ｎｅｔｗｏｒｋｓ」、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ａｄ Ｈｏｃ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ、１巻、第４、ｐｐ．３５１−３６９、２００３年１１月 Ｋ．Ｓｅａｄａ、Ｍ．Ｚｕｎｉｇａ、Ａ．Ｈｅｌｍｙ、及びＢ．Ｋｒｉｓｈｎａｍａｃｈａｒｉ著、「Ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｆｏｒ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｒｏｕｔｉｎｇ ｉｎ ｌｏｓｓｙ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ」、ＡＣＭ ＳＥＮＳＹＳ（２００４年１１月、メリーランド州バルチモア）予稿集、ｐｐ．１０８−１２１ Ｓ．Ｌｅｅ、Ｂ．Ｂｈａｔｔａｃｈａｒｊｅｅ、及びＳ．Ｂａｎｅｒｊｅｅ著、「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｒｏｕｔｉｎｇ ｉｎ ｍｕｌｔｉｈｏｐ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋｓ」、ＡＣＭ ＭｏｂｉＨｏｃ（２００５年５月、イリノイ州アーバナ・シャンペーン）予稿集、ｐｐ．２３０−１４２ Ｍ．Ｒ．Ｓｏｕｒｙａｌ及びＮ．Ｍｏａｙｅｒｉ著、「Ｃｈａｎｎｅｌ−ａｄａｐｔｉｖｅ ｒｅｌａｙｉｎｇ ｉｎ ｍｏｂｉｌｅ ａｄ ｈｏｃ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｗｉｔｈ ｆａｄｉｎ」、ＩＥＥＥ ＳＥＣＯＮ（２００５年９月、カリフォルニア州サンタクララ）予稿集

本出願の第１の部分は、いずれかの単一基準フォワーディング（ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ）に基づいた最適中継選出のガイドラインを提供する。従来のマルチホップ無線通信においては、各ホップにおいて、送信ノードは、近隣ノードの組への次ホップ中継量を選択する。しかしながら、この従来の手法は、密度が高くより動的な無線アドホック・ネットワーク及びセンサ・ネットワークにおいて、オーバーヘッドが大きい。以下、受信側中継選出（ｒｅｃｅｉｖｅ−ｓｉｄｅ−ｒｅｌａｙ−ｅｌｅｃｔｉｏｎ、ＲＳＲＥ）と呼ばれる代替的な手法は、送信ノードが次ホップ中継ノードを選択する必要はない。寧ろ、可能な中継候補間で選出が実施され、最良の候補が、所定の基準に基づいて選出される。

本特許出願において、例えば、各ホップにおける宛先までの残りの地理的距離といった、単一の非集中型中継決定基準を考えるとき、ＲＳＲＥ性能を最適化できる方法が、数学的に、かつ、ネットワーク・シミュレーションを通して示される。可能な中継候補間の相対的な優先順位を関連付けし、かつ、最小の選出遅延及び衝突脆弱性で最良の候補を選出する最適マッピング係数を獲得できることを示すために、例示的なマッピング関数も導入される。この単一基準のマッピング関数は、一般的なものであり、残りのノード・エネルギー及び／又はネットワーク輻輳の瞬間的空間分布のような、他の任意の個々の中継基準に合わせて調整することもできる。

無線貪欲フォワーディング（ｇｒｅｅｄｙ ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ）と関連した周知の問題に適用することができる、ＲＳＲＥベースのマルチホップ・フォワーディングのための多基準最適化モデルが提供される。無線貪欲フォワーディングは、各ホップにおいて、最終宛先までの残りの距離が最も少ない近隣を選択する傾向がある。不幸なことに、最も前進が多いノード（ｍｏｓｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｎｏｄｅ）へのリンクは、最もエラーが発生する可能性が高く、その結果、より多くのパケット損失及び再伝送を引き起こす恐れがある。この問題は、各々の中継候補のフォワード・プログレス（ｆｏｒｗａｒｄ ｐｒｏｇｒｅｓｓ）及びリンク品質の両方を含む多基準の意思決定を行なうことによって解決することができる。説明される実施形態による一般化されたマッピング関数は、多数の最適化基準を単一の基準にマッピングする。ここに説明されるシステムにより貪欲さ（ｇｒｅｅｄｉｎｅｓｓ）とリンク品質との間の最適なトレードオフを得ることができる。単純積形式の貪欲フォワーディング及びパケット・エラー率に基づく、以前に報告されたフォワーディング手法と比べると、ここに開示される結果により、フォワード・プログレス及びリンク品質を適切に重み付けすることによって、著しく良好なエネルギー性能及び遅延性能、並びに、最大で５倍までのエンド・ツー・エンドのパケット損失の改善を達成できることが示される。提案された多基準手法は、最適中継意思決定において有用であり、いくつものノード制約及びネットワーク制約を考慮に入れる。

本出願の目的及び利点は、全体を通して同じ参照文字が同じ部品を指す添付図面と併せて、以下の詳細の説明を考慮するときに明らかである。

実際的な無線設定における到達可能性のサンプルを示す図である。 １つの実施形態によるパラメータ単一基準マッピング関数を示す図である。 １つの実施形態による、特定のノード（Ａ）と他の候補との間の関係を示す図である。 １つの実施形態による、２つの基準の場合のマッピング関数である。 １つの実施形態による、特定のノードに対するプリファレンスを示す図である。 １つの実施形態による、密度の関数としてエンド・ツー・エンドのパケット失敗を示す図である。 １つの実施形態による、トレードオフ・パラメータλの関数としてエンド・ツー・エンドのパケット失敗を示す図である。 １つの実施形態による、ノード密度の関数としてエンド・ツー・エンド遅延を示す図である。 １つの実施形態による、ノード密度の関数としてエンド・ツー・エンドのパケット配送についてのエネルギー消費を示す図である。 １つの実施形態による、重み付けパラメータの関数としてエネルギー消費（必要とされる伝送数）を示す図である。 １つの実施形態による方法の１つの実施形態を示すフロー図である。

無線アドホック・ネットワークにおける従来の純粋な貪欲フォワーディングは、範囲内完全受信（ｐｅｒｆｅｃｔ−ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ−ｗｉｔｈｉｎ−ｒａｎｇｅ）を想定できない最も実際的な設定において、最適なものではない。幾つかのリンク認識ルーティング・スキームが報告されているが、貪欲さとリンク品質との間のトレードオフは研究されていない。本特許出願においては、無線マルチホップ・フォワーディングにおける多基準ベースの受信側中継選出を含む手法が提供され、そこでは、パケットを最終宛先に向けて中継するために、多くの候補の中で単一の最適ノードが選出される。可能な中継候補をランク付けするために、全ての決定基準を集約して単一の仮想基準にする、マルチパラメータ・マッピング関数の形態の一般的なコスト・メトリックも導入される。最適なエンド・ツー・エンドのネットワーク性能を得るために、リンク品質のために貪欲さをトレードオフする適切なマッピング関数を見つけることができることも示される。以前に報告されたリンク認識フォワーディング・スキームと比べると、ここで述べられるシミュレーション結果は、良好なエネルギー性能と、エンド・ツー・エンド遅延の実質的な改善を示す。

データ・パケットを宛先に向けて中継するために、送信ノードがその近隣の１つを選択する場合、マルチホップ無線ネットワークのために、種々の分散型フォワーディング・スキームが提案された。これらのスキームにおいては、最良の中継を選択するために、最終宛先までの中継する近隣の地理的近接度、又は、パケットの伝送に必要とされるエネルギーのような、簡単な基準が送信ノードによって用いられる。こうしたフォワーディング手法は、各ノードにおいて全ての局所的近隣のリストが保持されることを必要とする。

しかしながら、動的ネットワーク環境において高密度ネットワーク内の全てのノードに局所的近隣情報を保持すること、及び、選択された中継ノードがアクティブであることを確認すること（例えば、信号又は調整の取れたスリープ・パターンを立ち上げることによって）は、リソースが制限されたノードにとって費用がかかりすぎる恐れがある。さらに、次にフォワーディングする近隣を選択するための提案された規則の大部分は、受信可能範囲内のノードが完全に到達可能であると考えられるユニット・ディスクの受信可能範囲（ｕｎｉｔ ｄｉｓｋ ｃｏｖｅｒａｇｅ）を想定する。さらに、前述の規則は、好ましくは、単一メトリック（例えば、１ホップ・プログレス、残存エネルギー）だけを用いて、最良の候補を選択する。しかしながら、実際は、ユニット・ディスクの想定は、物理層の観点から有効ではない。

図１は、現実的な無線設定における到達可能性のサンプルを示す図を示す。単一基準ベースのフォワーディング・ノード選択は、ネットワーク全体の最適性能の目標を達成することができない。一例として、ホップカウント・ベースの貪欲地理的フォワーディング手法が、アドホック・ネットワーキング研究団体において大きな注目を集めた。この手法では、送信機は、リンク品質が劣っているノードを選択する傾向がある。従って、ユニット・ディスクの想定又は範囲内完全受信が有効ではない、大部分の実際的な設定においては、従来の純粋な貪欲フォワーディング手法が最適ではないことがますます受け入れられつつある。近年、幾つかのリンク認識ルーティング・スキームが報告されたが、貪欲さとリンク品質との間のトレードオフは、完全には研究されなかった。

異なる基準は、相反する目的を有する可能性があるので、次ホップ選択のために１つより多い基準（例えば、リンク品質、遅延、残りのエネルギー）を考慮する際の問題は、他のノードに対する特定の近隣の最適性を決定することにある。言い換えれば、よく知られている最適性のスカラー概念は、多数の基準が考慮される場合に有効ではない。さらに、送信側中継選択は、集中型の意思決定の便利さを有するが、送信機は、全ての決定情報を集め、保持する付加的な負担を有する。

送信側中継の選択の代替案は、送信ノードが次ホップ中継近隣を決定しない、受信側中継選出である。寧ろ、全ての近隣は、最良の中継を選択するために、それら同士の間で競合する。受信側中継選出スキームを用いる場合、例えば、受信した信号の強度、残りのエネルギーといった、優先順位基準についての情報が、各々の可能な中継ノードにおいて容易に入手可能である。この情報は、次ホップ・ノードを決定する際に含ませることができる。しかしながら、選出プロセスの分散性のために、単一最適性基準ベースのフォワーディング（例えば、１ホップ・プログレス）においてさえも、受信側中継選出は、衝突への脆弱性というさらなる問題を発生させる。

マルチホップ無線ネットワークにおける多基準の受信側中継選出は、パケットを宛先に向けて中継するために、多くの候補中継の中で１つの中継を選択することを必要とする。可能な中継候補をランク付けするために、一般化されたマルチパラメータ・マッピング関数は、好ましくは、全ての決定基準を集約して単一の仮想基準にする。最適規則も提案され、この最適規則は、送信側選択ベースのフォワーディング・スキーム及び受信側選出ベースのフォワーディング・スキームの両方に適用可能なものとして次ホップ中継を調査する。一般化された多基準ベースの最適選出の理論的定式化を超えて、ネットワーク性能評価の実証例として、２つの最適性基準、すなわち、１ホップ・プログレス（貪欲さ）及びパケット成功率（リンク品質）に基づいたネットワーク性能を考える。リンク品質のために貪欲さをトレードオフし、かつ、報告された送信側リンク認識フォワーディング・スキームを凌ぐ適切なマッピング関数が提供される。他のスキームと比較すると、本出願において説明される分散型の２基準最適化は、実質的により良好なエンド・ツー・エンド性能と、同じ必要エネルギーについて、最大で５倍までのエンド・ツー・エンド・パケット損失の減少とを示す。

パケット無線ネットワークにおいて、最適マルチホップ通信のための規則が考えられた。最も近い近隣又は宛先に最も近い近隣を次ホップとして選択する、多くの位置ベースのフォワーディング解決法が提案された。最近まで、全ての位置認識フォワーディング・スキームは、一般的に、送信側において次ホップ・ノードの選択を行なうように提案した。これらのスキームは、密度が低く、比較的静的なアドホック・ネットワークではうまくいくことがある。しかしながら、センサ・ネットワークのような、より動的で密度が高く、リソースに制約のあるネットワークでは、マルチホップ・フォワーディングの規則の再考が要求された。

貪欲さとリンク品質との間の最適トレードオフは、単純積形式（ＰＲＯＤ）を凌ぎ得ることが、ここに示される。さらに、多基準の中継フレームワークは、潜在的に、次ホップ・ノードを選択／選出する際に、いずれの数の制約も適合させることができる。具体例として、最適中継選出のための２つの基準として、貪欲さと達成可能性が、ここで考慮され、２つの異なる基準の重み付けの適切な選択により、著しく改善されたネットワーク性能及びノード・エネルギーの節約を達成できることが示される。

受信側中継選出は、次中継ノードが全ての可能な候補の中で競合を介して決定される分散的プロセスである。ＲＴＳ／ＣＴＳ（送信要求（ｒｅｑｕｅｓｔ−ｔｏ−ｓｅｎｄ／送信可（ｃｌｅａｒ−ｔｏ−ｓｅｎｄ）メッセージ交換が行なわれ、そこで、ＲＴＳパケットは、送信者及び最終宛先の位置情報を含む同報メッセージである。このＲＴＳパケットを受信すると、潜在的な中継候補は、次ホップ中継として最も適切な候補を選択するために、それら同士の間で競合解決プロセスを開始する。競合は、典型的には、ランダムな時間バックオフ又は距離依存の時間バックオフを導入することによって解決することができる。応答すべき第１の候補は、選出プロセスの勝利者であり、全ての他の候補は途中停止する。

本出願の目的のために、各々の候補ｉについて、単一の選出基準、フォワード・プログレスｄ_iを応答時間遅延Ｘ_iにマッピングする関数ｇα(.)が用いられる。

ここで、αは、選択プロセスの性能を調整するために用いられる形状パラメータである。ここでは、範囲〔０，Ｒ〕内での完全受信が想定され、マッピングされる時間遅延範囲は、〔ｔ₂，ｔ₁〕である。上記の式は、線形マッピング関数の一般化により得られる。

図２は、少なくとも１つの実施形態による、パラメータの単一基準マッピング関数を示す図である。図２においては、フォワード・プログレス間隔〔０，２５〕が、時間間隔〔０，１〕にマッピングされる。最悪の候補（ｇα（０）＝ｔ₁）及び最良の候補（ｇα＝ｔ₁）についての制約条件を用いて、係数ａ（α）及びｂ（α）が得られ、ここで、

である。

受信側中継選出の１つの性能特性は、各々の選出ラウンドの時間間隔である。送信機におけるＣＴＳ応答の受信までの平均時間は、マッピングされる値Ｘ_iの確率分布によって決まり、この確率分布は、形状パラメータαの関数である。

選択された決定基準（この場合、１ホップ・プログレス）から、個々の予定された時間Ｘ_iｓの累積分布関数Ｆ_x及び密度関数ｆ_xが得られる。Ｙ＝ｍｉｎ_i｛Ｘｉ｝を、送信機がＣＴＳを受信する時間を示すランダム変数であるとすれば、この場合、選出プロセスは成功している。Ｙの分布は、

によって与えられる。
ここで、ｎは、アクティブなフォワード方向の近隣の平均数である。上記の分布から、競合プロセスＥ〔Ｙ〕の平均遅延が計算される。

受信側選出の別の特性は、競合する可能な中継間の競合の可能性である。それぞれのバックオフ時間が非常に近い場合、２つ又はそれ以上の候補の間に衝突が起こり得る。数学的に言えば、候補ｉ及びｊがそれぞれの応答時間Ｘ_i及びＸ_jを予定し、

となる場合、衝突及び選出プロセスの失敗の可能性があり、ここで、衝突脆弱性ウィンドウβは、無線送受信機の物理的特性によって決まる（例えば、切り換え（ｓｗｉｔｃｈ−ｏｖｅｒ）時間を受信するように伝送する）。
衝突の確率は、

として表すことができる。
ここで、

は、

によって定められる相関積分関数を表し、

は、Ｙの生存時間関数であり、

は、対応する受信失敗率である。

選出プロセスＥ〔Ｙ〕の平均期間は、小さい値αを有するように任意に小さくすることができるが、このことは、選出プロセス中に衝突の確率Ｐ_fも増大させる。成功した選出プロセスの有効遅延を考慮すると、衝突の確率を緩和しながら、選出ラウンドの期間を最小にする最適形状パラメータを見出すことができる。最適形状パラメータαの値は、選出プロセス中、衝突の場合に用いられる回復ポリシー又は再伝送ポリシーによって決まる。選出ラウンドを成功した中継選出まで制限のないベルヌーイ試行により表すことができる場合には、最適なα値は、

によって与えられる有効遅延Ｄ_eを最小にすることによって、得ることができる。

前に述べたように、無線リンクの信頼できない性質、及びエネルギー、バッファ能力等のような他のノード制限のために、１ホップ・プログレス基準に基づいたマルチホップ・フォワーディングは、決して最適ではあり得ない。しかしながら、１つより多い決定パラメータが考慮されたとき、代替的な候補のランク付けは、単一基準の場合よりもあまり明確でなくなる。例えば、最良の中継ノードを選択するために２つの基準が用いられる、特定のノード（Ａ）と他の候補との間の関連を示す図を示す図３を考える。一般に、図３に関して、斜線領域内の候補だけを、ノードＡと厳密に比較することができる。特定のノード（ノードＡ）に関して、いずれかの他の候補との関係は、次のように分類することができる。

優越される区域（ｄｏｍｉｎａｔｅｄ ｚｏｎｅ）内の全てのノードは、それらが少なくとも１つの基準で厳密により劣って機能し、かつ、全ての他のものでは最大でも同じくらい良好にしか機能しないので、ノードＡと比べて明らかに厳密に「劣っている」。優越している区域（ｄｏｍｉｎａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ）内の全てのノードは、それらが少なくとも１つの基準で厳密により良く機能し、かつ、全ての他のものでは少なくとも同じくらい良好に機能するので、ノードＡと比べて明らかに厳密に「優れている」。しかしながら、２つの優越されない区域（ｎｏｎ−ｄｏｍｉｎａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ）内のノードは、単一基準でノードＡよりも良好に機能し、かつ、全ての他のものではより劣って機能する。従って、優越されない区域内のノードは、ノードＡよりも「劣っている」又は「優れている」とみなすことはできない。全ての他の候補を支配する単一の候補が存在するときには必ず全ての決定基準を最大にするフォワーディング決定を行なうことができることに留意されたい（図３のノードＤを参照されたい）。しかしながら、一般に、単一の優越している候補は存在し得ず、プリファレンスを定め、かつ、多数の基準の中でトレードオフするために、付加的なモデルを必要とし得る。

全ての基準を組み合わせて、全ての弱い候補より上位にあるようにするために用いられる単一の仮想基準にする、集約関数の形態の一般的なプリファレンス・モデルをここで考えることができる。代替的な候補の組との優越関係によりもたらされる順序は部分的なものであるため、代替物の組の中に互いに比較できない候補の対が存在し得る。マッピング関数を用いる場合、１つの目的は、全ての基準を重み付けして単一のものにする集約関数を用いて、単一のランク付け尺度を導入することである。各候補が、ベクトル

で表される性能指数を有するｋの数値基準に基づいた決定を考える。

一般性を失うことなく、決定基準（Ω_i）は、範囲〔０，Ω_imax〕内の値を有し、かつ、好ましくは最大化すべきであると仮定することができる。次に、以下の多次元の関数群（２つの基準の例におけるマッピング関数を示す図４を参照されたい）：

を導入することによって、全ての決定変数を予定された時間にマッピングすることができる。
ここで、

は、ｋ決定基準を重み付けするために用いられるｋ−パラメータ・ベクトルである。単一基準の場合におけるように、各候補について予定された応答時間は：

である。送信側中継選択の観点から、対応するコスト・メトリックは、

のように、

から得ることができる。全ての候補を、

（降順の）、又は、

（昇順の）
に対してランク付けすることにより、全ての代替的な候補の組におけるトータル順序付けシステムが生成される。つまり、いずれの任意の２つの候補ｉ及びｊについても、

又は、

である。いずれの正の実数定数ｍ＞０についても、

は、

と同じランク付けとなる。従って、

は、セクションＩＩＩにおける単一基準の場合におけるように、単一の仮想基準

として見ることができ、受信側競合解決：

のために、これを時間間隔〔ｔ２，ｔ１〕にマッピングすることができることに留意されたい。
また、最悪の候補及び最良の候補についての制約条件から、パラメータ依存係数を得ることができる。

単一基準の場合におけるように、多次元マッピング関数

は、別個に考えられる各寸法に対して減少関数である。

上記に提示された一般的なマッピング関数は、多基準マッピングに適用することができる。フォワーディング・スキームの具体例は、リンク品質と貪欲フォワード・プログレスとの間により最適で効率的なトレードオフを得ることができる。何が２つの基準の最適な重みとすべきかについての先験的な示唆があるので、調査法が必要とされ得る。例えば、α₁＝α₂＝１の場合、次のもの、（ノードにより与えられる１ホップ・プログレス及び対応するパケット成功確率の積）、すなわち、正規化アドバンス（ＮＡＤＶ）及び最大予想プログレス（ＭＥＰ）に対応する、C(1,1)=dx*pxが得られる。しかしながら、下記により詳細に述べられるように、結果から、これが最適状態には及ばず、かつ、重み付けパラメータを適切に選択することによって、実質的により良好なネットワーク性能を得ることができることが分かった。

代替的な中継候補のランク付けに対する重み付けパラメータの影響を確認するために、（ｄ_A＝１４．５メートル、ｐ_A＝０．７である）ノードＡを考える。図５は、特定のノードに関するプリファレンスを示す図である。代替物の組は、各基準に与えられた重みに従って区分化される。α₁＝α₂＝１の場合（図５（ａ））、フォワード・プログレスのわずかな増加が、リンク品質の大きな減少をどのように補償するかは、注目に値する。他方、α₁＝０．１及びα₂＝０．１の場合（図５（ｂ））、Ａからほぼ１０単位の距離だけ離れれたノードが、ほぼ等しく良好な代替的中継を提供することができる。

最適フォワーディング意思決定のための規則を見つけるために、２つの重みパラメータの相対的な値だけが必要とされることも注目に値する。言い換えれば、

の比は、こうした比が、送信側中継選択の観点からも、受信側中継選出の観点からも、例えば、エネルギー、パケット失敗、及び遅延などのネットワーク性能メトリクスを最適化するので、望ましいものである。以下は、ネットワーク・シミュレーションを介して、最適λ値を調査する。

２つの基準の貪欲さ対リンク品質の例を用いる多基準決定最適化を評価する。１つの実験的な実施形態において、様々な平均密度ρ（ノード／ｍ²）を有するランダムに配置されたノードを考える。ノードのパラメータは、９００ＭＨｚでＢＦＳＫ変調スキームにより動作するＣｈｉｐｃｏｎ ＲＦＩＣ ＣＣ２４２０に基づいている。全てのノードは、公称出力（０ｄＢ）により、１９．２ｋｂｐｓの速度で伝送する。チャネル擾乱４ｄＢ及び経路損失指数４．０の標準偏差を有する長期通常フェージング・チャネルが想定された。近接場距離１メートルを考慮して固定した経路損失が計算された。およそエンド・ツー・エンド距離１００メートルで、ネットワーク性能が研究された。予定される応答時間は、ｔｓ＝２５０μ秒からｔ₁＝１秒までの範囲である。全ての伝送について、固定したパケット・サイズが考えられた（ＤＡＴＡについて５０バイト及びＲＴＳについて４バイト）。各メッセージは、１００データ・パッケージを有するものと考えられる。先験的伝送範囲は想定せず、最初のブロードキャストＲＴＳパケットを正しく受信することができる全てのノードが、選出プロセスに関与する。また、ノードは、それぞれの地理的位置又は仮想（ホップカウント・ベースの）位置情報と、その最終宛先を認識していると想定した。各々のＲＴＳパケットは、送信者及び最終宛先の両方の位置情報を含む。信頼できない無線媒体を介する所定のトレードオフ・パラメータを用いる中継性能を測定するために、経路に沿ったパケット失敗率を考えることができる。基準線比較として、最終宛先においてメッセージを成功裏に配送するのに必要とされる伝送数を記録する。

図６は、密度の関数としてエンド・ツー・エンドのパケット失敗を示す図である。ノード密度に対するパケット損失率に関して示される図６から、特定の高いノード密度を超えると、トレードオフ・パラメータとは関係なく、損失性能が安定化することが分かる。これは、非常に低いノード密度において、ノードは、極めてエラーが発生しやすいチャネルと関連付けられた中継を見つける傾向があるためである。密度が増すにつれて、最適トレードオフが可能になる。

図７は、トレードオフ・パラメータλの関数としてエンド・ツー・エンドのパケット失敗を示す図である。図７は、経路全体に沿ったパケット損失を、トレードオフ・パラメータλに対して線形に減少させ得ることをさらに示す。例えば、λ＝１／２は、ホップ・プログレスとパケット成功率の単純積に対してパケット失敗率が５０％だけ低減する、すなわち、λ＝１となる。

パケット伝送／再伝送に起因するエンド・ツー・エンド遅延を考えることもできる。１つのシミュレーションにおいては、中継ノードが選出されると、ｍａｘ＿ｒｅｔｘまでの再伝送までが許容される。ｍａｘ＿ｒｅｔｘより多いパケット失敗は、結果としてリンク・エラーをもたらし、新しい中継選出プロセスが開始される。また、各々の成功した伝送には、時間ｔ_txがかかり、タイムアウト（負の肯定応答）のために、各々の伝送に付加的な遅延ｔ_outが生じる。

図８は、ノード密度の関数としてエンド・ツー・エンド遅延を示す図である。図８においては、ｍａｔ＿ｒｅｔｘ＝８、ｔ_tx＝２１．１ミリ秒、及びｔ_out＝８４．４ミリ秒である。特に、図８は、パケット遅延に対するパケット失敗の影響を示す、ノード密度の関数としてエンド・ツー・エンドのパケット遅延を提示する（図８を図６と比較されたい）。図７は、より小さいトレードオフ・パラメータλを選択することによって、パケット失敗、その結果、エンド・ツー・エンド遅延を任意に小さくできることを示唆するが、エネルギー効率の次の結果は、それを超えるとエネルギーの悪影響が見られる最小値λが存在し得ることを示す。

所定のフォワーディング戦略のエネルギー効率は、成功したエンド・ツー・エンドのパケット配送についての経路に沿った必要とされる伝送数により評価される。予想通りに、フォワーディングによるエネルギー要件は、ノード密度が高くなるにつれて減少し、そこで、ホップ・プログレスとリンク品質の良好な組み合わせを提供する近隣を見つけやすい。この点で、図９は、ノード密度の関数として、エンド・ツー・エンドのパケット配送に関するエネルギー消費を示す図である。図９はまた、ホップ・プログレスに与えられた重みを減らすことによって、エネルギー効率を改善することが可能であることも示す。明らかに、λ＝０．２は、単純積形式（λ＝１）を凌ぐ。ホップ・プログレスに与えられる重みの更なる減少により、増大したエネルギー消費が得られることが分かる。

図１０は、重み付けパラメータα₁（α₂＝１を有する）の関数として、エネルギー消費（必要な伝送数）を示す図である。必要なエネルギー消費を最小にする、ホップ・プログレスとリンク品質との間の最適トレードオフを見出すことができることが、図１０から分かる。図１０は、少なくとも１つの実施形態において、およそλ＝０．２において最適性能が達成されることを示す。この最適λは、単純積形式（λ＝１）と比較して、約５倍までのパケット失敗の減少を達成できることが、図７から認められる。

図１１は、１つの可能な実施形態において実行される動作を示すフローチャートである。さらに、特定の実施に応じて、より少ない又は異なる動作を実行することができる。より特定的には、図１１は、要求をリッスンするセッションの開始を示し、要求が検知された場合、基準が待機タイマーにマッピングされる。要求が検知されない場合、方法は、さらにリッスンするために、ループ・バックする。

この実施形態においては、一旦基準が待機時間にマッピングされると、タイマーを開始することができる。次に、方法は、良い候補を聞くためにリッスンすることを含むことができる。より良い候補が見つかった場合、タイマーを終了させることができる。タイマーが終了されない場合、リスニングを続行することができる。タイマーが終了された場合、応答を送ることができる。応答が送られた場合、競争を途中停止することができる。その後、方法を終了することができる。

アドホック・ネットワークにおけるマルチホップ中継のための多基準の受信側中継選出が提供された。第１に、最適重み付け中継選出／選択基準を見つける重要性が示された。マルチパラメータ・マッピング関数の形態の一般化されたコスト・メトリックが提案され、貪欲フォワーディングとリンク品質との間の最適トレードオフを調査するために用いられる。貪欲さとリンク品質との間で最適にトレードオフする重み付けパラメータを適切に選択することにより、成功したエンド・ツー・エンド・ルーティングの総エネルギー消費に関してずっと良好なネットワーク性能を達成することができる。多基準マッピング関数は、かなり一般的なものであり、送信側中継選択プロセスにも適用することができる。

このように、マルチホップ無線において、アドホック・ネットワーク及びセンサ・ネットワークを中継するための多基準最適化が提供された。当業者であれば、本出願に説明された技術は、制限のためではなく、寧ろ例証のために提示された、説明された実施形態以外でも実施することができ、本発明は、以下の特許請求の範囲によってのみ制限されることを認識するであろう。

Claims (20)

1. 多基準の受信側中継選出無線ネットワークにおいて中継する方法であって、
   受信側中継選出を分析するための第１の基準を獲得し、
   受信側中継選出を分析するための第２の基準を獲得し、
   前記第１の基準と前記第２の基準の組み合わせを最適化して集約式を形成し、
   前記集約式に基づいて、前記第１の基準からの情報及び前記第２の基準からの情報を集約して単一の仮想基準を獲得し、
   前記単一の仮想基準に基づいて中継候補をランク付けする、
   ステップを含むことを特徴とする方法。
2. 前記第１の基準はワンホップ・プログレスであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の基準はパケット成功率であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記第２の基準はワンホップ・プログレスであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記第２の基準はパケット成功率であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 無線ネットワークにおいて無線パケットの伝送を最適化する方法であって、
   マッピング関数を用いて、前記無線ネットワーク内のノード間の選出時間を最小にし、かつ、競合する可能な中継間の衝突確率を減少させるために用い得る形状パラメータを求め、
   前記形状パラメータを最適化して、前記無線ネットワーク内のノード間の前記選出時間を最小にし、かつ、競合する可能な中継間の衝突確率を減少させる、
   ステップを含むことを特徴とする方法。
7. 次ホップ中継として最適な候補を選出するために、競合する可能な中継間の競合を解決するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記競合する可能な中継間の競合を解決するステップは、距離依存の時間バックオフ手順によって解決するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記競合する可能な中継間の競合を解決するステップは、ランダムなタイムバック手順により解決するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
10. 前記競合する可能な中継間の競合を解決するステップは、
    αが前記形状パラメータであり、ｄ_iがフォワード・プログレスである場合に、
    

    

    に基づいて応答時間遅延Ｘ_iを求めるステップを含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
11. 無線ネットワークにおいてパケットを中継するために、単一基準手法用に前記形状パラメータを最適化するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
12. 無線ネットワークにおいてパケットを中継するために、多基準手法用に前記形状パラメータを最適化するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
13. 無線ネットワークにおける多基準の受信側中継選出のためのシステムであって、前記システムが、
    第１の基準と第２の基準の組み合わせに基づいて集約式を形成し、
    前記集約式に基づいて、前記第１の基準からの情報及び前記第２の基準からの情報を集約することによって単一の仮想基準を獲得し、
    前記単一の仮想基準に基づいて中継候補をランク付けする、
    ように構成されたプロセッサを含むことを特徴とするシステム。
14. 前記第１の基準はワンホップ・プログレスであり、前記第２の基準はパケット成功率であることを特徴とする、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記プロセッサは、前記中継候補のランクに基づいて次ホップ中継を選出するようにさらに構成されることを特徴とする、請求項１３に記載のシステム。
16. 無線ネットワークにおいて無線パケットの伝送を最適化するシステムであって、前記システムは、
    前記無線ネットワーク内のノード間の選出時間を最小にし、かつ、可能な中継間の衝突確率を減少させるための形状パラメータを求め、
    前記形状パラメータを最適化して、前記無線ネットワーク内のノード間の選出時間を最小にし、かつ、競合する可能な中継間の衝突確率を減少させる、
    ように構成されたプロセッサを含むことを特徴とするシステム。
17. 前記プロセッサは、単一基準のパケット中継手法用に前記形状パラメータを最適化するようにさらに構成されることを特徴とする、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記プロセッサは、多基準のパケット中継手法用に前記形状パラメータを最適化するようにさらに構成されることを特徴とする、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記プロセッサは、距離依存のタイムバック手順により、最適な候補を次ホップ中継として選出するように、競合する可能な中継間の競合を解決するようにさらに構成されることを特徴とする、請求項１６に記載のシステム。
20. 前記プロセッサは、ランダムなタイムバック手順により、最適な候補を次ホップ中継として選出するように、競合する可能な中継間の競合を解決するようにさらに構成されることを特徴とする、請求項１６に記載のシステム。

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