JP3759734B2 - COMMUNICATION SYSTEM, COMMUNICATION DEVICE, AND COMMUNICATION METHOD - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の無線局を備えた、例えばアドホック無線ネットワークにおいてパケット通信を行うアドホック無線ネットワークのための通信システム、通信装置及び通信方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一時的に特定の地域内に集まった不特定多数の人々の間の通信を無線でサポートするアドホック無線ネットワークでは、例えばインターネットのルータ装置のようなインフラストラクチャが存在しないために、ネットワーク中のユーザが協調してパケットを中継し、ルーティングを行う必要がある。
【0003】
アドホック無線ネットワークのルーティングとして、例えば、非特許文献1において、ルート探索パケットを送信して経路情報を得る方法(以下、第1の従来例という。)が提案されている。
【0004】
しかしながら、第1の従来例では、全指向性アンテナを用いているために、同一チャンネル干渉が生じやすく、ビットエラーレート(BER)が大きくなるとともに、パケット送受信時の消費電力が大きくなり、端末装置のバッテリに対する負荷が高くなるという問題点があった。この問題点を解決するために、特許文献1において、「複数の無線局を備え、各無線局間でパケット通信を行う無線ネットワークのためのルーティング方法において、上記複数の無線局のうちのサービスエリア内の各無線局に対する、所定の方位角毎の干渉雑音を予め測定して干渉雑音テーブルとして記憶装置に記憶し、パケットを宛先無線局に伝送するときに、上記干渉雑音テーブルに基づいて1ホップ目の無線局を決定し、上記決定された1ホップ目の無線局に対してビームを形成するように、オムニアンテナを制御してパケットを送信することにより、パケットをルーティングする」無線ネットワークのためのルーティング方法(以下、第2の従来例という。)が提案されている。
【0005】
これらアドホック無線ネットワークの重要な特徴は、無線端末装置間で無線通信を瞬時に開始する能力にある。例えばIrDAのような赤外線通信方式では、送受信端末装置間で見通し線を確保する必要があるが、そのために、例えばIEEE802.11bに準拠したMACプロトコルを用いる無線LAN方式や、Bluetooth(ブルートゥース)に準拠した無線LAN方式が広く使用されている。ブルートゥースは10mの送信距離を実現することが可能であり、IEEE802.11.bに準拠した無線LAN方式では250mまでの送信が可能である。あるノード無線局がその送信距離を超えた位置にある他のノード無線局に通信しようとする場合、このノード無線局はそのデータを宛先よりも近いノード無線局に送信して中継させる。アドホック無線ネットワークにおける各ノード無線局は、自発的に無線パケットのトラフィックを伝送する場合、ネットワークトポロジーの形成に加わることになる。例えば、ポイントAからポイントBに伝送されるデータパケットは、ユーザが気付くことなく他の数個のノード無線局をホップすることができる。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−244983号公報。
【非特許文献1】
D. B. Johnson, et al., "Dynamic Source Routing in Ad Hoc Wireless Networks", in book on "Mobile Computing", Chapter 5, pp.153-181, Kluwer Academic Publishers, 1996。
【非特許文献2】
Manolis Katevenis et al., "Weighted Round-Robin Cell Multiplexing in a General-Purpose ATM Switch Chip", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol.9, No.8, October 1991。
【非特許文献3】
長健二朗,「インターネットにおけるQoS制御技術〜Diffserv」,Internet Week 99,パシフィコ横浜,社団法人日本ネットワークインフォメーションセンター編,1999年12月14日。
【非特許文献4】
Scalable Networks Technologies, QualNet 3.5, [平成15年4月3日検索]、インターネット<URL: http://www.scalable-networks.com/>。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、30個又はそれ以上のアクティブなモバイルホスト無線局を含むアドホック無線ネットワークでは、ユーザのモバイルホスト無線局は幾つかの同時接続通信を行うルータになることが可能であり、それ故、帯域の大部分を占有し、自局発信の通信を行うための帯域幅が大幅に制限される。現在では、ユーザは、当該アドホック無線ネットワークに中継用ルータ装置として提供するモバイルホスト無線局の帯域幅を調整することができない。帯域幅は、通信が自局発信のものであるか否かに関わらず、すべての通信間で公平に分散される。ユーザは、そのモバイルホスト無線局を中継用ルータ装置として使用する多くの他局発信の通信に起因して、すぐに通信速度の重大な低下に遭遇することになる可能性があるという問題点があった。
【0008】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、アドホック無線ネットワークにおいて、ノード無線局をルータとして使用する多くの他局発信の通信に起因して、すぐに通信速度の重大な低下に遭遇することを防止し、各無線局のスループットを増大させることができるアドホック無線ネットワークのための通信システム、通信装置及び通信方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
第1の発明に係る通信システムは、複数の無線局を備え、各無線局間でパケット通信を行うアドホック無線ネットワークのための通信システムにおいて、
所定の重み付け係数比で互いに優先順位が異なる2つのキューメモリを備え、他局に送信すべきパケットが自局発信のパケットであるときはより高い優先順位を有するキューメモリに挿入して送信する一方、他局に送信すべきパケットが別の他局発信のパケットであるときはより低い優先順位を有するキューメモリに挿入して中継送信するように制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【0010】
また、上記通信システムにおいて、上記重み付け係数比を入力して設定する手段をさらに備えたことを特徴とする。
【0011】
さらに、上記通信システムにおいて、上記制御手段は、重み付けラウンドロビン方式を用いて、上記2つのキューメモリからパケットを読み出して送信するように制御することを特徴とする。
【0012】
第2の発明に係る通信装置は、複数の無線局を備え、各無線局間でパケット通信を行うアドホック無線ネットワークのための通信装置において、
所定の重み付け係数比で互いに優先順位が異なる2つのキューメモリを備え、他局に送信すべきパケットが自局発信のパケットであるときはより高い優先順位を有するキューメモリに挿入して送信する一方、他局に送信すべきパケットが別の他局発信のパケットであるときはより低い優先順位を有するキューメモリに挿入して中継送信するように制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【0013】
また、上記通信装置において、上記重み付け係数比を入力して設定する手段をさらに備えたことを特徴とする。
【0014】
さらに、上記通信装置において、上記制御手段は、重み付けラウンドロビン方式を用いて、上記2つのキューメモリからパケットを読み出して送信するように制御することを特徴とする。
【0015】
第3の発明に係る通信方法は、複数の無線局を備え、各無線局間でパケット通信を行うアドホック無線ネットワークのための通信方法において、
所定の重み付け係数比で互いに優先順位が異なる2つのキューメモリを備えた通信装置において、他局に送信すべきパケットが自局発信のパケットであるときはより高い優先順位を有するキューメモリに挿入して送信する一方、他局に送信すべきパケットが別の他局発信のパケットであるときはより低い優先順位を有するキューメモリに挿入して中継送信するように制御する制御ステップを含むことを特徴とする。
【0016】
また、上記通信方法において、上記重み付け係数比を入力して設定するステップをさらに含むことを特徴とする。
【0017】
さらに、上記通信方法において、上記制御ステップは、重み付けラウンドロビン方式を用いて、上記2つのキューメモリからパケットを読み出して送信するように制御することを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について説明する。
【0019】
図1は、本発明に係る一実施形態であるアドホック無線ネットワークの構成を示す複数の無線局1−1乃至1−9(総称して、符号1を付す。)の平面配置図である。この実施形態の無線通信システムでは、図1に示すように、複数の無線局1が平面的に散在して存在し、各無線局1はそれぞれ、オムニアンテナ101の利得や送信電力、受信感度などのパラメータで決定される所定のサービスエリアを有し、このサービスエリア内でパケット通信を行うことができ、サービスエリア外の無線局1とパケット通信を行うときは、サービスエリア内の無線局1を中継局として用いてパケットデータを中継することにより、所望の宛先無線局1にパケットデータを伝送する。
【0020】
図2は、図1の各無線局1の内部構成を示すブロック図である。この実施形態の無線通信システムは、例えば無線LANなどのアドホック無線ネットワークのパケット通信システムに適用するものであって、特に、図2及び図3に示すルータ装置105を備えたことを特徴としている。ここで、ルータ装置105は、図3に示すように、キューマネージャ212と、互いに優先順位が異なる2つのキューメモリ213,214を備え、キューマネージャ212は入力されるパケットが自局発信のパケットであるときはより高い優先順位を有するキューメモリ213に挿入して格納する一方、キューマネージャ212は入力されるパケットが他局発信のパケットであるときはより低い優先順位を有するキューメモリ214に挿入して格納する。すなわち、各無線局1は、パケットのルーティングを行うルータ装置105を備え、発信端末、中継局、又は宛先端末として動作する。
【0021】
次いで、本実施形態において用いる、2つの優先順位を持つ待ち行列を使用するアドホック無線ネットワークの中継サービスポリシーについて説明する。
【0022】
従来技術の項で説明したように、各無線局1のユーザは、当該アドホック無線ネットワークにおいて中継用ルータ装置として提供するモバイルホスト無線局の帯域幅を調整することができない。しかしながら、各無線局1に自局発信の通信と他局発信の通信とを区別して優先順位をつける能力があれば、自局装置の行動の制御を高めることが可能であり、アドホック無線ネットワークにおける柔軟さを高めることができる。その場合、各無線局1は必要な時により多くの帯域幅を自局発信の通信に任意選択で割り当てることが可能であると同時に、自局装置が使用中でないときは、より多くの帯域幅を他局発信の通信に割り当てることができる。
【0023】
こうした機能を達成するため、本発明者らはモバイルホスト無線局のリンク層でサービスの優先順位付けを実施することを提案する。特に、この機能を実現するために、従来技術に係る1つの待ち行列によるアプローチに対して、2つの待ち行列によるアプローチを使用する新たなフレームワークを提案する。従来技術の設計では、パケットは、そのパケットがどこをソース無線局とするかに関わらず1つの待ち行列に挿入される。例えば、モバイルホスト無線局が幾つかの第三者通信によって中継用ルータ装置として使用されている場合、IPパケットの待ち行列はそれなりに輻輳されることになり、パケットを廃棄し始める可能性がある。この時点でモバイルホスト無線局のユーザが通信の呼出しを行えば、既に輻輳している待ち行列にさらなる負荷が加わり、よって輻輳はさらに苛酷になる。こうした事態に至らず、ユーザ自身の通信が常時第三者による通信より高い優先順位を有することを保証するために、本発明者らは、2つの待ち行列によるアプローチを導入して事態の改善に当たっている。2つの待ち行列のうちの一方は、自局発信の通信からのパケットのみを保持するために使用し、もう一方の待ち行列は、他局発信の通信からのパケットの保持に使用する。これらは何れも、インターネットのRFC2481で規定するECN(Explicit Congestion Notification;明示的輻輳通知)をベースとするRED(Random Early Detection)に基づく待ち行列であるため、無線回線での損失又は輻輳に起因してパケットの廃棄が発生すれば送信者に通知することができる。2つの待ち行列を設けることにより、パケットの棄却又は1つの待ち行列におけるECNの呼出しがパケットをその待ち行列に挿入する送信者にのみ影響し、同じノード無線局でも他の待ち行列を使用する送信者には影響しないことを保証する。2つの待ち行列間の待ち行列の重み付け係数の調整のために、重み付けラウンドロビンに基づくスケジューラ(Scheduler based on Weighted Round-Robin;以下、WRRスケジューラという。例えば、非特許文献2参照。)が使用されている。例えば、一方の待ち行列の方に他方の待ち行列より重い重み付けを加えれば、その待ち行列には複数のパケットを処理され、よってその待ち行列からより多くのパケットが流れ出て、スループットが増大する。
【0024】
次いで、待ち行列制御に関連するフレームワークについて説明する。以下では、特に、本実施形態で用いたRED及びWRRスケジューラのアルゴリズムについて簡単に説明する。
【0025】
ECNがイネーブルされるREDアルゴリズムにおいて、REDゲートウェイ装置は、平均待ち行列サイズを計算し、これを最大及び最小しきい値である2つのしきい値と比較する。平均待ち行列サイズが最小しきい値を下回れば、ECNはどのパケットにもマーキングを行わない。平均待ち行列サイズが最大及び最小しきい値の間になれば、到来するパケットに所定の確率がマーキングされる。平均待ち行列サイズが最大しきい値を超過し、それ故パケットのマーキング速度能力が高まると、ルータ装置は、パケットのヘッダにCEビット(Congestion Experienced bit)をセットするよりは、パケットをドロップさせる場合がある。ECNは、ルータ装置が輻輳の表示を直接ソース無線局へ送信する機構を提供する。インターネットのRFC2481によれば、ECNは、IPヘッダにおける2ビットと、TCPヘッダにおける2つの新規フラグとを必要とする。ECTビット(ECN-Capable Transport bit)は送信者によって設定され、トランスポート層のプロトコルのエンドポイントがECN対応であることを示す。次に、REDアルゴリズムを使用して、ルータ装置がCEビット(Congestion Experienced bit)をセットして輻輳を表示すべきかどうかが決定される。CEビットがマーキングされたデータパケットを受信すると、データの受信者はECNエコーフラグを立ててデータの送信者に輻輳を通知する。データ受信者がECNエコーフラグのセットを中止するときを決定できるように、CWR(Congestion Window Reduced)が割り当てられる(例えば、非特許文献3参照。)。
【0026】
WRRスケジューラは、各優先待ち行列に対して所定の順序で順次サービスさせる。1つの待ち行列が一回りでサービスされるターン数は、その待ち行列の重み付け係数に依存する。例えば、WRRは、大きな重み付け係数を有する優先待ち行列に多くのターンをサービスさせる。WRRは、パケットを含む最初の待ち行列から開始して予定されたパケット数だけサービスし、次いでパケットを含む次の待ち行列へ移動して、パケットを有する各待ち行列がサービスされるまで各々の待ち行列からの単一パケットをサービスする。
【0027】
さらに、2つの優先順位を持つ待ち行列を使用する優先順位付けの通信方法について以下に説明する。
【0028】
パケットが挿入される、優先順位を持つ待ち行列は、IP発信元アドレスと、自局ノードのアドレスとを比較して決定される。IP発信元アドレスが自局ノードのアドレスに等しければ、そのパケットは自然発生したパケットであり、第1の優先順位の待ち行列であるキューメモリ213に挿入される。これに対して、IP発信元アドレスと自局ノードのアドレスとが不一致であれば、そのパケットは第2の優先順位の待ち行列であるキューメモリ214に挿入される。パケットが正しい優先順位の待ち行列に挿入されていることを保証するため、IPのサービスタイプフィールド(TOSフィールド)では小さな修正が行われている。
【0029】
図5は図2の無線局1で用いるTOSフィールドのフォーマットを示す図である。IPのTOSフィールドにおけるビット6(ECT)及びビット7(CE)は不変であって、ECNが発明者らによるこの実施形態の下で動作することを保証している。ビット4及び5は、そのパケットが挿入される優先順位を有する待ち行列を表示するように修正されており、「キューメモリ指定ビット」という。すなわち、キューメモリ指定ビットが01であるときは、パケットが第1の優先順位のキューメモリ213に挿入され、キューメモリ指定ビットが00であるときは、パケットが第2の優先順位のキューメモリ214に挿入される。発明者らが行うこの修正には、Diffserv方式(例えば、非特許文献3参照。)との下位互換性はない。
【0030】
次いで、図2を参照して、各無線局1の装置構成について説明する。図2において、無線局1は、オムニアンテナ101と、サーキュレータ102と、データパケット送信部140及びデータパケット受信部130を有するデータパケット送受信部103と、回線制御部104と、ルータ装置105と、上位レイヤ処理装置106とを備える。
【0031】
上位レイヤ処理装置106は、自局から送信すべきパケット形式の通信用データ(以下、パケットという。)を発生するとともに、自局で受信するパケットを受信して処理する。上位レイヤ処理装置106によって発生されたパケットは、図3を参照して詳細後述するルータ装置105及び送信バッファメモリ142を介して変調器143に入力され、変調器143は、所定の無線周波数の搬送波信号を、拡散符号発生器160でCDMA方式で発生された所定の通信チャネル用拡散符号を用いて、入力されたパケットに従ってスペクトル拡散変調して、変調後の送信信号を高周波送信機144に出力する。高周波送信機144は入力された送信信号に対して増幅などの処理を実行した後、サーキュレータ102を介してオムニアンテナ101から他の無線局1に向けて送信する。一方、オムニアンテナ101で受信されたパケット形式の通信チャネル用受信信号は、サーキュレータ102を介して高周波受信機131に入力され、高周波受信機131は入力された受信信号に対して低雑音増幅などの処理を実行した後、復調器132に出力する。復調器132は、入力される受信信号を、拡散符号発生器160でCDMA方式で発生された通信チャネル用拡散符号を用いて、スペクトル逆拡散により復調して、復調後の受信信号データであるパケットを、受信バッファメモリ133及びルータ装置105を介して上位レイヤ処理装置106に出力する。
【0032】
回線制御部104は、所定の回線制御方式を用いて、送受信で使用すべき通信チャネルに対応するタイムスロットを決定し、その指定データを送信タイミング制御部141に送ることにより、送信タイミング制御部141が送信バッファメモリ142によるパケットの書き込み及び読み出しを制御することにより送信すべきパケットが対応するタイムスロットで送信されるように制御するとともに、受信すべきパケットを所定のタイムスロットで受信するように拡散符号発生器160を制御する。
【0033】
図3は図2のルータ装置105の内部構成を示すブロック図である。図3において、図2のパケット送受信部103によって受信されたパケットは、受信バッファメモリ133からルータ装置105の自局アドレス識別器211に入力され、自局アドレス識別器211は入力されたパケットのIP発信元アドレスが自局のIPアドレスであるか否かを判断し、自局のIPアドレスであるときはそのパケットを上位レイヤ処理装置106に出力する一方、他局のIPアドレスであるときはそのパケットをキューマネージャ212に出力する。キューマネージャ212は、ルーティングコントローラ200によって制御され、自局アドレス識別器211又は上位レイヤ処理装置106からのパケットを受信し、図4のキュー管理処理を実行することにより、受信したパケットのIP発信元アドレスが自局のIPアドレスであるときは、キューメモリ213に挿入して格納する一方、受信したパケットのIP発信元アドレスが他局のIPアドレスであるときは、キューメモリ214に挿入して格納する。
【0034】
ルーティングコントローラ200には、例えばWRRのスケジューラ方式を用いるスケジューラ210における2つのキューメモリ214,213に対する送信出力処理の優先順位を定める重み付け係数比を入力するための入力手段であるキーボード201と、上記入力された重み付け係数比の情報を表示する液晶ディスプレイ202とが接続される。当該無線局1のユーザがキーボード201を用いて、上記2つのキューメモリ214,213に対する重み付け係数比を入力したとき、その情報はルーティングコントローラ200を介してスケジューラ210に入力されて設定される。本実施形態において、重み付け係数比は、キューメモリ214,213に対する重み付け係数比であって、(x,y)で表し、本実施形態では、キューメモリ213の優先順位は、キューメモリ214の優先順位に比較して高く設定されるので、次式のように設定される。
【0035】
【数1】
x<y
ここで、
【数2】
x+y=1.0
【0036】
ルーティングコントローラ200によって制御されるスケジューラ210は、公知のWRRスケジューラ方式を用いてかつ上記入力される重み付け係数比で、スイッチ215を切り換えて、2つのキューメモリ213,214から順次パケットを読み出して送信バッファメモリ142に出力して送信する。
【0037】
図4は図3のキューマネージャ212によって実行されるキュー管理処理を示すフローチャートである。図4において、ステップS1においてパケットが到着したか否かが判断され、YESとなるまでステップS2を繰り返し、YESとなったら、ステップS2で到着したパケットのIP発信元アドレスは自局のIPアドレスであるか否かが判断され、YESのときはステップS3に進む一方、NOのときはステップS4に進む。ステップS3では、当該パケットのキューメモリ指定ビットに01を挿入してステップS5に進む。一方、ステップS4では、当該パケットのキューメモリ指定ビットに00を挿入してステップS5に進む。ステップS5では、キューメモリ指定ビットに対応するキューメモリ213又は214に到着したパケットを挿入して格納した後、ステップS1に戻る。ここで、キューメモリ指定ビットが01であるときは、当該パケットはより優先順位が高いキューメモリ213に挿入して格納され、キューメモリ指定ビットが00であるときは、当該パケットはより優先順位が低いキューメモリ214に挿入して格納される。
【0038】
【実施例】
次いで、本発明者らは、本実施形態に係るアドホック無線ネットワークの通信システムを用いてシミュレーションを以下の通り実行して、以下のシミュレーション結果を得た。
【0039】
シミュレーションは、スケーラブルネットワークテクノロジーズから市販されているQualnet 3.1(例えば、非特許文献4参照。)のネットワークシミュレータを使用して行った。シミュレーション結果はすべて、異なる乱数を使用して行った100回のシミュレーション実行の平均値である。表1は、発明者らのシミュレーションで使用したパラメータを示している。
【0040】
【表1】
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
伝搬モデル 2波地上波モデル
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
MAC IEEE802.11
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
伝送帯域幅 2Mbps
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
アンテナのタイプ オムニアンテナ
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
待ち行列のタイプ RED
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
キューメモリのサイズ 50kバイト
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
REDの最大しきい値 15pkts
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
REDの最小しきい値 25pkts
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
スケジューラ WRR方式
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
ルーティングプロトコル AODV(On Demand Distance Vector)
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
TCPタイプ TCP/Reno
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
TCPパケットサイズ 512バイト
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
【0041】
図6は、シミュレーションで使用したネットワークトポロジーを示している。ここで、ノード無線局はすべて固定的であり、通信はすべてアドホック無線ネットワークによって無線通信する。発明者らのシミュレーションでは、無線リンクの最大帯域幅は2Mbpsである。すべてのノード無線局1に2つのRED待ち行列のキューメモリ213,214を設け、すべてをECNイネーブルとする。ルーティングプロトコルはAODVであり、WRRスケジューラを用いる。
【0042】
図6が示すように、ノード無線局1−1とノード無線局1−3の間には、ノード無線局1−2へのホップを必要とする2ホップのTCP通信が存在する。この場合、ノード無線局1−1はこの無線通信を自局発信の通信と見なし、よってその自局発信のパケットのすべてをその第1の待ち行列であるキューメモリ213に挿入する。しかしながら、ノード無線局1−1からのパケットがノード無線局1−2に到達すると、これらのパケットはノード無線局1−2によって発せられたものではなくノード無線局1−2によって他局発信の通信と見なされるため、ノード無線局1−2はこれらすべてのパケットをその第2の待ち行列であるキューメモリ214に挿入する。一方では、ノード無線局1−2とノード無線局1−4との間のTCP通信が、ノード無線局1−1からノード無線局1−3までのTCP通信と同時に確立されている。この時点では、ノード無線局1−2はこの無線通信を自局発信の通信と見なすため、それ自身が発するすべてのパケットを第1の待ち行列であるキューメモリ213に挿入する。同時にノード無線局1−2を辿る一方は自局発信、他方は他局発信である2つの無線通信が存在するものの、2つの無線通信からのパケットは2つの異なる待ち行列であるキューメモリ213,214に首尾よく分離される。
【0043】
このような方法では、1ホップの無線通信と2ホップの無線通信との間の動作の差に起因して、本質的にノード無線局1−2からノード無線局1−4へのTCPのスループットの方がノード無線局1−1からノード無線局1−3へのTCPのスループットより大きくなる。図7は、実施例に係るQualnetにおけるシミュレーションのセットアップを示している。
【0044】
発明者らのシミュレーションには、動作比較のために、従来技術の1つの待ち行列によるシビアなアプローチもまた含まれている。WRRスケジューラにおける2つの待ち行列の待ち行列の重み付け係数比を変更して、他の結果も求めた。例えば、図8及び図9のグラフのx軸における重み付け係数比(0.5,0.5)は、2つの優先順位を持つ待ち行列であるキューメモリ213,214が同一の重み付け係数を有することを意味し、重み付け係数比(0.4,0.6)は自局発信の通信の方に重み付け係数が偏っていることを示す。ここで、2つの重み付け係数は上記数2に示すように合計1でなければならない。重み付け係数比(0.3,0.7)は、待ち行列の重み付け係数が自局発信の通信の方にさらに偏っている、等々を意味する。なお、他局発信の通信待ち行列に対する待ち行列の重み付け係数の方が自局発信の通信待ち行列に対する待ち行列の重み係数より重くなる場合の結果については、こうした状況はほとんど起こらないものと想定して検討していない。
【0045】
図8は、2つのTCP通信(ノード無線局1−1からノード無線局1−3及びノード無線局1−2からノード無線局1−4)間のスループットの比較を示している。ノード無線局1−2からノード無線局1−4への通信は1ホップの無線通信であるため、そのスループットは本質的にノード無線局1−1からノード無線局1−3までの2ホップの無線通信より速く、図8の1つのキューメモリのときの結果はこの事実を明白に反映している。2つの待ち行列を使用するアプローチを導入すると(重み付け係数比(0.5,0.5)から開始する)、自局発信の通信待ち行列に対する待ち行列の重み付け係数が増大するため、ノード無線局1−2からノード無線局1−4へのスループットが増大する。これは、ノード無線局1−2における自局発信の通信待ち行列に対する待ち行列の重み付け係数が増大するにつれて、ノード無線局1−2は他局発信の通信(この場合はノード無線局1−1からノード無線局1−3への通信)よりも自分自身のTCP通信の方へより多くの帯域幅を割当て、結果的にスループットが増大するためである。
【0046】
図9は、2つのTCP通信を組み合わせた合計帯域幅を示している。図9のグラフの上向きの傾斜は、発明者らの実験のセットアップで説明することができる。上述のように、ノード無線局1−2からノード無線局1−4への通信には1ホップしか必要でないため、本質的にノード無線局1−1からノード無線局1−3への通信よりも高いスループットを有することになる。この実験では、より速い通信方法の方により多くのスループットを見込んでいるため、本質的に遅い方の通信のスループットを下げれば、自然に組み合わせによる合計スループットは増大する。重み付け係数比(0.5,0.5)のケースでは、ノード無線局1−2が自局発信の通信(ノード無線局1−2からノード無線局1−4へ)に関してどんなに速くパケットを発生させても、自局発信の通信待ち行列に対する待ち行列の重み付け係数は他局発信の通信待ち行列に対する待ち行列の重み付け係数と同じであるように制限されている。このため、本質的に速いノード無線局1−2からノード無線局1−4への通信のスループットは低減され、組み合わされた合計スループットが減少する結果となる。
【0047】
以上説明したように、アドホック無線ネットワーク内のコンピュータ数が増加するにつれて、コンピュータ間の相互通信は極めて複雑化するため、ユーザが自局発信の通信と他局発信の通信との間で帯域幅を調整できるような機能を実施する必要がある。本実施形態では、自局発信の通信と他局発信の通信との間を区別して両者に優先順位をつける2つの待ち行列のキューメモリ213,214を使用するルーティング方法を提案した。Qualnet3.1シミュレータの使用により、優先順位を付けた通信と優先順位を付けない通信に関してスループットの劇的な結果を得た。図8が示すように、優先順位をつけた方の直接の無線通信は、優先順位を付けない無線通信のほぼ40%増しのスループットを生み出すことができる。さらに、自局発信の無線通信に対する待ち行列の重み付け係数が増大するにつれて、自局発信の無線通信に対するスループットは適宜かつ比例的に増大する。取得したすべての結果に基づいて、発明者らは、発明者らの実施例が目的意図に叶うものであることを確信する。
【0048】
以上の実施形態においては、WRR方式を用いているが、本発明はこれに限らず、例えばWDRR(Weighted Deficit Round Robin)などの他のスケジューラ方式を用いてもよい。
【0049】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明に係る通信システム、通信装置又は通信方法によれば、複数の無線局を備え、各無線局間でパケット通信を行うアドホック無線ネットワークにおいて、所定の重み付け係数比で互いに優先順位が異なる2つのキューメモリを備えた通信装置において、他局に送信すべきパケットが自局発信のパケットであるときはより高い優先順位を有するキューメモリに挿入して送信する一方、他局に送信すべきパケットが別の他局発信のパケットであるときはより低い優先順位を有するキューメモリに挿入して中継送信するように制御する。従って、ノード無線局を中継ルータ装置として使用する多くの他局発信の通信に起因して、すぐに通信速度の重大な低下に遭遇することを防止し、各無線局のスループットを増大させることができる。また、上記重み付け係数比を入力して設定することにより、上記2つのキューメモリの優先順位を変更することができ、ユーザが所望するスループットに変更することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る一実施形態であるアドホック無線ネットワークを構成する複数の無線局1−1乃至1−9の平面配置図である。
【図2】 図1の各無線局1の内部構成を示すブロック図である。
【図3】 図2のルータ装置105の内部構成を示すブロック図である。
【図4】 図3のキューマネージャ212によって実行されるキュー管理処理を示すフローチャートである。
【図5】 図2の無線局1で用いるTOSフィールドのフォーマットを示す図である。
【図6】 本実施形態に係る実施例におけるアドホック無線ネットワークのシミュレーションで用いたトポロジーを示す平面図である。
【図7】 本実施形態に係る実施例におけるアドホック無線ネットワークのシミュレーションで用いたQualnetのトポロジーを示す平面図である。
【図8】 本実施形態に係る実施例におけるアドホック無線ネットワークのシミュレーション結果であって、1つのキューメモリの場合と、2つのキューメモリ214,213に対するWRRの重み付け係数比に対する、無線局1−1から無線機1−3へのパケット通信、及び無線局1−2から無線局1−4へのパケット通信のスループットを示すグラフである。
【図9】 本実施形態に係る実施例におけるアドホック無線ネットワークのシミュレーション結果であって、1つのキューメモリの場合と、2つのキューメモリ214,213に対するWRRの重み付け係数比に対する、サーバ装置のスループット及びクライアント装置のスループットを示すグラフである。
【符号の説明】
1,1−1乃至1−9…無線局、
101…オムニアンテナ、
102…サーキュレータ、
103…パケット送受信部、
104…回線制御部、
105…ルータ装置、
106…上位レイヤ処理装置、
130…パケット受信部、
131…高周波受信機、
132…復調器、
133…受信バッファメモリ、
140…パケット送信部、
141…送信タイミング制御部、
142…送信バッファメモリ、
143…変調器、
144…高周波送信機、
160…拡散符号発生器。
200…ルーティングコントローラ、
201…キーボード、
202…液晶ディスプレイ、
210…スケジューラ、
211…自局アドレス識別器、
212…キューマネージャ、
213,214…キューメモリ、
215…スイッチ。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a communication system, a communication apparatus, and a communication method for an ad hoc wireless network that includes a plurality of wireless stations and performs packet communication in an ad hoc wireless network, for example.
[0002]
[Prior art]
In an ad hoc wireless network that wirelessly supports communication between an unspecified number of people who temporarily gathered in a specific area, there is no infrastructure such as an Internet router device, so users in the network cannot It is necessary to relay packets in cooperation and perform routing.
[0003]
As routing of an ad hoc wireless network, for example, Non-Patent Document 1 proposes a method for obtaining route information by transmitting a route search packet (hereinafter referred to as a first conventional example).
[0004]
However, in the first conventional example, since an omnidirectional antenna is used, co-channel interference is likely to occur, the bit error rate (BER) increases, the power consumption during packet transmission / reception increases, and the terminal device There is a problem that the load on the battery becomes high. In order to solve this problem, in Patent Document 1, “in a routing method for a wireless network that includes a plurality of wireless stations and performs packet communication between the wireless stations, the service area of the plurality of wireless stations” The interference noise for each predetermined azimuth angle is measured in advance and stored in the storage device as an interference noise table, and when the packet is transmitted to the destination wireless station, one hop is generated based on the interference noise table. For the wireless network that determines the first radio station and routes the packet by controlling the omni antenna and transmitting the packet to form a beam for the determined first hop radio station. Routing method (hereinafter referred to as a second conventional example) has been proposed.
[0005]
An important feature of these ad hoc wireless networks is the ability to instantly start wireless communication between wireless terminal devices. For example, in an infrared communication method such as IrDA, it is necessary to secure a line of sight between transmission / reception terminal devices. The wireless LAN system is widely used. Bluetooth can realize a transmission distance of 10 m, and IEEE 802.11. In the wireless LAN system compliant with b, transmission up to 250 m is possible. When a certain node radio station tries to communicate with another node radio station located beyond the transmission distance, this node radio station transmits the data to a node radio station closer to the destination and relays it. Each node radio station in an ad hoc radio network participates in the formation of a network topology when it spontaneously transmits radio packet traffic. For example, a data packet transmitted from point A to point B can hop to several other node radio stations without the user's knowledge.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-244983.
[Non-Patent Document 1]
DB Johnson, et al., "Dynamic Source Routing in Ad Hoc Wireless Networks", in book on "Mobile Computing", Chapter 5, pp.153-181, Kluwer Academic Publishers, 1996.
[Non-Patent Document 2]
Manolis Katevenis et al., “Weighted Round-Robin Cell Multiplexing in a General-Purpose ATM Switch Chip”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 9, No. 8, October 1991.
[Non-Patent Document 3]
Kenjiro Cho, “QoS Control Technology on the Internet-Diffserv”, Internet Week 99, Pacifico Yokohama, Japan Network Information Center, December 14, 1999.
[Non-Patent Document 4]
Scalable Networks Technologies, QualNet 3.5, [Search April 3, 2003], Internet <URL: http://www.scalable-networks.com/>.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
For example, in an ad hoc wireless network that includes 30 or more active mobile host radio stations, the user's mobile host radio station can be a router that performs several simultaneous connections, and therefore is The bandwidth for occupying the majority and performing communication originating from the local station is greatly limited. Currently, the user cannot adjust the bandwidth of the mobile host radio station provided as a relay router device to the ad hoc radio network. The bandwidth is evenly distributed among all communications regardless of whether the communications are originating from the local station. There is a problem that the user may soon encounter a serious decrease in communication speed due to communication originating from many other stations using the mobile host radio station as a relay router device. there were.
[0008]
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and in an ad hoc wireless network, immediately encounters a serious decrease in communication speed due to many other station-originated communications using node radio stations as routers. It is an object of the present invention to provide a communication system, a communication apparatus, and a communication method for an ad hoc wireless network that can prevent the above-described problem and increase the throughput of each wireless station.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A communication system according to a first aspect of the present invention is a communication system for an ad hoc wireless network that includes a plurality of wireless stations and performs packet communication between the wireless stations.
Two queue memories having different priorities with a predetermined weighting factor ratio are provided, and when a packet to be transmitted to another station is a packet originated from the own station, it is inserted into a queue memory having a higher priority and transmitted. In addition, when a packet to be transmitted to another station is a packet originated from another station, control means is provided for controlling the packet to be inserted into a queue memory having a lower priority and relayed.
[0010]
The communication system further includes means for inputting and setting the weighting coefficient ratio.
[0011]
Further, in the communication system, the control means controls to read and transmit packets from the two queue memories using a weighted round robin method.
[0012]
A communication device according to a second aspect of the present invention is a communication device for an ad hoc wireless network that includes a plurality of wireless stations and performs packet communication between the wireless stations.
Two queue memories having different priorities with a predetermined weighting factor ratio are provided, and when a packet to be transmitted to another station is a packet originated from the own station, it is inserted into a queue memory having a higher priority and transmitted. In addition, when a packet to be transmitted to another station is a packet originated from another station, control means is provided for controlling the packet to be inserted into a queue memory having a lower priority and relayed.
[0013]
The communication apparatus may further include means for inputting and setting the weighting coefficient ratio.
[0014]
Further, in the communication apparatus, the control means controls to read and transmit packets from the two queue memories using a weighted round robin method.
[0015]
A communication method according to a third aspect of the present invention is a communication method for an ad hoc wireless network that includes a plurality of wireless stations and performs packet communication between the wireless stations.
In a communication apparatus including two queue memories having different priority levels with a predetermined weighting factor ratio, when a packet to be transmitted to another station is a packet originated from the own station, the packet is inserted into a queue memory having a higher priority level. And a control step for controlling to insert into a queue memory having a lower priority when the packet to be transmitted to another station is a packet originated from another station, and to perform relay transmission. And
[0016]
The communication method further includes a step of inputting and setting the weighting coefficient ratio.
[0017]
Furthermore, in the communication method, the control step performs control so that packets are read from the two queue memories and transmitted using a weighted round robin method.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0019]
FIG. 1 is a plan layout view of a plurality of radio stations 1-1 to 1-9 (generally referred to by reference numeral 1) showing a configuration of an ad hoc radio network according to an embodiment of the present invention. In the wireless communication system of this embodiment, as shown in FIG. 1, a plurality of wireless stations 1 are present in a plane and each wireless station 1 has a gain, transmission power, reception sensitivity, etc. of the omni antenna 101. A predetermined service area determined by the parameters, and can perform packet communication within the service area. When performing packet communication with the wireless station 1 outside the service area, the wireless station 1 within the service area is The packet data is transmitted to the desired destination radio station 1 by relaying the packet data using it as a relay station.
[0020]
FIG. 2 is a block diagram showing an internal configuration of each radio station 1 of FIG. The wireless communication system of this embodiment is applied to a packet communication system of an ad hoc wireless network such as a wireless LAN, for example, and is particularly characterized by including the router device 105 shown in FIGS. Here, as shown in FIG. 3, the router device 105 includes a queue manager 212 and two queue memories 213 and 214 having different priorities, and the queue manager 212 is a packet originated from its own station. In some cases, the queue manager 212 inserts and stores the queue in the queue memory 213 having a higher priority, while the queue manager 212 inserts the packet into the queue memory 214 having a lower priority when the input packet is a packet originating from another station. Store. That is, each wireless station 1 includes a router device 105 that performs packet routing, and operates as a transmission terminal, a relay station, or a destination terminal.
[0021]
Next, a relay service policy of an ad hoc wireless network using a queue having two priorities used in the present embodiment will be described.
[0022]
As described in the section of the prior art, the user of each radio station 1 cannot adjust the bandwidth of the mobile host radio station provided as a relay router device in the ad hoc radio network. However, if each wireless station 1 has the ability to prioritize by distinguishing between communication originating from the local station and communication originating from other stations, it is possible to enhance the control of the behavior of the local station device. Flexibility can be increased. In that case, each wireless station 1 can arbitrarily allocate more bandwidth to the communication originating from the local station when necessary, and at the same time, when the local station device is not in use, more bandwidth can be allocated. Can be assigned to communications originating from other stations.
[0023]
In order to achieve these functions, we propose to implement service prioritization at the link layer of the mobile host radio station. In particular, to realize this function, we propose a new framework that uses a two-queue approach to the one-queue approach according to the prior art. In prior art designs, packets are inserted into one queue regardless of where the packet originates. For example, if a mobile host radio station is used as a relay router device by some third party communication, the queue of IP packets will be congested accordingly and may start to drop packets . If the user of the mobile host radio station makes a communication call at this point, additional load is added to the already congested queue, thus making the congestion even more severe. In order to ensure that this situation does not occur and that the user's own communication always has a higher priority than the communication by a third party, the inventors have introduced a two-queue approach to improve the situation. Yes. One of the two queues is used to hold only packets from the communication originating from the own station, and the other queue is used to hold packets from communication originating from the other station. All of these are queues based on RED (Random Early Detection) based on ECN (Explicit Congestion Notification) defined in RFC2481 of the Internet. If the packet is discarded, the sender can be notified. By providing two queues, packet drops or ECN calls in one queue only affect senders that insert packets into that queue, and transmissions using other queues at the same node radio station Guarantee that it will not affect A scheduler based on Weighted Round-Robin (hereinafter referred to as a WRR scheduler; see, for example, Non-Patent Document 2) is used to adjust the weighting factor of a queue between two queues. ing. For example, if one queue is weighted more heavily than the other queue, multiple packets are processed in that queue, and more packets flow out of that queue, increasing throughput.
[0024]
Next, a framework related to queue control will be described. In the following, the RED and WRR scheduler algorithms used in the present embodiment will be briefly described.
[0025]
In the RED algorithm with ECN enabled, the RED gateway device calculates the average queue size and compares it to two thresholds, the maximum and minimum thresholds. If the average queue size is below the minimum threshold, ECN does not mark any packets. If the average queue size is between the maximum and minimum thresholds, a predetermined probability is marked on the incoming packet. When the average queue size exceeds the maximum threshold and hence the marking speed capability of the packet increases, the router device drops the packet rather than setting the CE bit (Congestion Experienced bit) in the packet header. There is. ECN provides a mechanism for the router device to send an indication of congestion directly to the source radio station. According to Internet RFC2481, ECN requires two bits in the IP header and two new flags in the TCP header. The ECT bit (ECN-Capable Transport bit) is set by the sender and indicates that the endpoint of the transport layer protocol is ECN compatible. Next, using the RED algorithm, it is determined whether the router device should set the CE bit (Congestion Experienced bit) to indicate congestion. When receiving a data packet with the CE bit marked, the data receiver sets an ECN echo flag to notify the data sender of the congestion. A CWR (Congestion Window Reduced) is assigned so that the data receiver can decide when to stop setting the ECN echo flag (see, for example, Non-Patent Document 3).
[0026]
The WRR scheduler services each priority queue sequentially in a predetermined order. The number of turns a queue is serviced in one cycle depends on the weighting factor of that queue. For example, WRR will service many turns to a priority queue with a large weighting factor. The WRR services the scheduled number of packets starting from the first queue that contains the packet, then moves to the next queue that contains the packet and waits for each queue that has a packet until it is serviced. Serve a single packet from a matrix.
[0027]
Further, a prioritized communication method using a queue having two priorities will be described below.
[0028]
The queue with priority in which the packet is inserted is determined by comparing the IP source address with the address of the local node. If the IP source address is equal to the address of its own node, the packet is a naturally occurring packet and is inserted into the queue memory 213, which is the first priority queue. On the other hand, if the IP source address and the address of the local node do not match, the packet is inserted into the queue memory 214 which is a second priority queue. Small modifications have been made in the IP service type field (TOS field) to ensure that packets are inserted into the correct priority queue.
[0029]
FIG. 5 is a diagram showing a format of the TOS field used in the wireless station 1 of FIG. Bit 6 (ECT) and bit 7 (CE) in the IP TOS field are unchanged, ensuring that the ECN operates under this embodiment by the inventors. Bits 4 and 5 have been modified to display a queue having the priority in which the packet is inserted and are referred to as “queue memory designation bits”. That is, when the queue memory designation bit is 01, the packet is inserted into the queue memory 213 of the first priority, and when the queue memory designation bit is 00, the packet is the queue memory 214 of the second priority. Inserted into. This modification made by the inventors is not backward compatible with the Diffserv method (see, for example, Non-Patent Document 3).
[0030]
Next, the device configuration of each radio station 1 will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the wireless station 1 includes an omni antenna 101, a circulator 102, a data packet transmission / reception unit 103 having a data packet transmission unit 140 and a data packet reception unit 130, a line control unit 104, a router device 105, A layer processing device 106.
[0031]
The upper layer processing apparatus 106 generates communication data (hereinafter referred to as a packet) in a packet format to be transmitted from the own station, and receives and processes a packet received by the own station. The packet generated by the upper layer processing apparatus 106 is input to the modulator 143 via the router apparatus 105 and the transmission buffer memory 142, which will be described in detail later with reference to FIG. 3, and the modulator 143 receives a carrier wave of a predetermined radio frequency. The signal is subjected to spread spectrum modulation in accordance with the input packet using a predetermined communication channel spreading code generated by the spreading code generator 160 by the CDMA method, and the modulated transmission signal is output to the high frequency transmitter 144. . The high-frequency transmitter 144 performs processing such as amplification on the input transmission signal, and then transmits the signal from the omni antenna 101 to another wireless station 1 via the circulator 102. On the other hand, the communication signal received in the packet format received by the omni antenna 101 is input to the high frequency receiver 131 through the circulator 102, and the high frequency receiver 131 performs low noise amplification or the like on the input received signal. After executing the processing, the result is output to the demodulator 132. The demodulator 132 demodulates the input received signal by spectrum despreading using the communication channel spreading code generated by the spread code generator 160 by the CDMA method, and receives the demodulated received signal data packet. Is output to the upper layer processing apparatus 106 via the reception buffer memory 133 and the router apparatus 105.
[0032]
The line control unit 104 determines a time slot corresponding to a communication channel to be used for transmission / reception using a predetermined line control method, and sends the designated data to the transmission timing control unit 141, thereby transmitting the transmission timing control unit 141. Controls transmission and reception of packets by the transmission buffer memory 142 so that the packets to be transmitted are transmitted in the corresponding time slots, and the packets to be received are spread so as to be received in the predetermined time slots. The code generator 160 is controlled.
[0033]
FIG. 3 is a block diagram showing an internal configuration of the router device 105 of FIG. 3, the packet received by the packet transmitting / receiving unit 103 in FIG. 2 is input from the reception buffer memory 133 to the local address identifier 211 of the router device 105, and the local address identifier 211 receives the IP of the input packet. It is determined whether or not the source address is the IP address of the local station. When the source address is the IP address of the local station, the packet is output to the upper layer processing device 106, while when it is the IP address of the other station The packet is output to the queue manager 212. The queue manager 212 is controlled by the routing controller 200, receives a packet from the local address identifier 211 or the upper layer processing apparatus 106, and executes the queue management process of FIG. When the address is the IP address of the own station, it is inserted and stored in the queue memory 213. On the other hand, when the IP source address of the received packet is the IP address of another station, it is inserted and stored in the queue memory 214. To do.
[0034]
The routing controller 200 includes, for example, a keyboard 201 which is an input means for inputting a weighting coefficient ratio for determining the priority of transmission output processing for the two queue memories 214 and 213 in the scheduler 210 using a WRR scheduler method, and the input A liquid crystal display 202 that displays information on the weighted coefficient ratio is connected. When the user of the wireless station 1 inputs the weighting coefficient ratio for the two queue memories 214 and 213 using the keyboard 201, the information is input and set to the scheduler 210 via the routing controller 200. In this embodiment, the weighting coefficient ratio is a weighting coefficient ratio with respect to the queue memories 214 and 213, and is represented by (x, y). In this embodiment, the priority order of the queue memory 213 is the priority order of the queue memory 214. Therefore, it is set as follows.
[0035]
[Expression 1]
x <y
here,
[Expression 2]
x + y = 1.0
[0036]
The scheduler 210 controlled by the routing controller 200 uses the known WRR scheduler method and switches the switch 215 with the input weighting factor ratio, and sequentially reads out packets from the two queue memories 213 and 214 and transmits them. Output to the memory 142 and transmit.
[0037]
FIG. 4 is a flowchart showing a queue management process executed by the queue manager 212 of FIG. In FIG. 4, it is determined whether or not a packet has arrived in step S1, and step S2 is repeated until YES is obtained. It is determined whether or not there is, and if YES, the process proceeds to step S3, whereas if NO, the process proceeds to step S4. In step S3, 01 is inserted into the queue memory designation bit of the packet, and the process proceeds to step S5. On the other hand, in step S4, 00 is inserted into the queue memory designation bit of the packet, and the process proceeds to step S5. In step S5, after arriving at the queue memory 213 or 214 corresponding to the queue memory designation bit and storing it, the process returns to step S1. Here, when the queue memory designation bit is 01, the packet is inserted and stored in the queue memory 213 having a higher priority, and when the queue memory designation bit is 00, the packet has a higher priority. It is inserted into the low queue memory 214 and stored.
[0038]
【Example】
Next, the inventors performed simulation as follows using the communication system of the ad hoc wireless network according to the present embodiment, and obtained the following simulation results.
[0039]
The simulation was performed using a network simulator of Qualnet 3.1 (for example, see Non-Patent Document 4) commercially available from Scalable Network Technologies. All simulation results are average values of 100 simulation runs performed using different random numbers. Table 1 shows the parameters used in our simulation.
[0040]
[Table 1]
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Propagation model Two-wave terrestrial model
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
MAC IEEE 802.11
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Transmission bandwidth 2Mbps
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Antenna type Omni antenna
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Queue type RED
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Queue memory size 50k bytes
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Maximum threshold of RED 15 pkts
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Minimum threshold of RED 25 pkts
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Scheduler WRR method
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Routing protocol AODV (On Demand Distance Vector)
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
TCP type TCP / Reno
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
TCP packet size 512 bytes
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
[0041]
FIG. 6 shows the network topology used in the simulation. Here, all the node radio stations are fixed, and all communication is performed wirelessly by an ad hoc wireless network. In our simulation, the maximum bandwidth of the radio link is 2 Mbps. All node radio stations 1 are provided with queue memories 213 and 214 of two RED queues, and all are ECN enabled. The routing protocol is AODV and uses a WRR scheduler.
[0042]
As shown in FIG. 6, between the node radio station 1-1 and the node radio station 1-3, there is 2-hop TCP communication that requires a hop to the node radio station 1-2. In this case, the node radio station 1-1 regards this radio communication as a communication originated from its own station, and therefore inserts all of its own packets into the queue memory 213 that is its first queue. However, when packets from the node radio station 1-1 reach the node radio station 1-2, these packets are not transmitted by the node radio station 1-2, but are transmitted by the node radio station 1-2. Since it is considered as communication, the node radio station 1-2 inserts all these packets into its second queue, the queue memory 214. On the other hand, TCP communication between the node radio station 1-2 and the node radio station 1-4 is established simultaneously with TCP communication from the node radio station 1-1 to the node radio station 1-3. At this time, since the node radio station 1-2 regards this radio communication as communication originated from itself, it inserts all the packets that it issues into the queue memory 213 that is the first queue. At the same time, there are two wireless communications, one of which follows the node wireless station 1-2, originating from the own station and the other originating from the other station, but the packets from the two wireless communications are queue memories 213, which are two different queues. 214 successfully separated.
[0043]
In such a method, the TCP throughput from the node radio station 1-2 to the node radio station 1-4 is essentially due to the difference in operation between the 1-hop radio communication and the 2-hop radio communication. Becomes larger than the throughput of TCP from the node radio station 1-1 to the node radio station 1-3. FIG. 7 illustrates a simulation setup in Qualnet according to the embodiment.
[0044]
Our simulations also include a prior art one-queue severe approach for operation comparison. Other results were obtained by changing the weighting factor ratio of the two queues in the WRR scheduler. For example, the weighting coefficient ratio (0.5, 0.5) on the x-axis in the graphs of FIGS. 8 and 9 indicates that the queue memories 213 and 214, which are queues having two priorities, have the same weighting coefficient. The weighting coefficient ratio (0.4, 0.6) indicates that the weighting coefficient is biased toward the communication originating from the local station. Here, the two weighting coefficients must be 1 in total as shown in the above equation 2. The weighting coefficient ratio (0.3, 0.7) means that the weighting coefficient of the queue is further biased toward the communication transmitted from the own station. It should be noted that this situation is unlikely to occur when the weighting factor of the queue for the communication queue originating from other stations is heavier than the weighting factor of the queue for the communication queue originating from the local station. Not considered.
[0045]
FIG. 8 shows a comparison of throughput between two TCP communications (node radio station 1-1 to node radio station 1-3 and node radio station 1-2 to node radio station 1-4). Since the communication from the node radio station 1-2 to the node radio station 1-4 is a one-hop radio communication, the throughput is essentially two-hop from the node radio station 1-1 to the node radio station 1-3. Faster than wireless communication, the result with one queue memory in FIG. 8 clearly reflects this fact. If an approach using two queues is introduced (starting from the weighting factor ratio (0.5, 0.5)), the weighting factor of the queue for the communication queue originating from the local station increases, so that the node radio station The throughput from 1-2 to the node radio station 1-4 increases. This is because the node radio station 1-2 communicates with other stations (in this case, the node radio station 1-1 as the weighting coefficient of the queue for the communication queue of the local station originates in the node radio station 1-2 increases. This is because more bandwidth is allocated to the own TCP communication than communication from the node wireless station 1-3 to the node wireless station 1-3, resulting in an increase in throughput.
[0046]
FIG. 9 shows the total bandwidth combining two TCP communications. The upward slope of the graph of FIG. 9 can be explained by our experimental setup. As described above, since only one hop is required for communication from the node radio station 1-2 to the node radio station 1-4, the communication from the node radio station 1-1 to the node radio station 1-3 is essentially performed. Will also have a high throughput. In this experiment, more throughput is expected for the faster communication method. Therefore, if the throughput of the slower communication is lowered, the combined throughput naturally increases. In the case of the weighting coefficient ratio (0.5, 0.5), the node radio station 1-2 generates a packet how fast it is for its own transmission (from the node radio station 1-2 to the node radio station 1-4). Even so, the weighting factor of the queue for the communication queue originating from the local station is limited to be the same as the weighting factor of the queue for the communication queue originating from the other station. For this reason, the throughput of communication from the fast node radio station 1-2 to the node radio station 1-4 is essentially reduced, resulting in a reduction in the combined total throughput.
[0047]
As described above, as the number of computers in an ad hoc wireless network increases, the mutual communication between computers becomes extremely complicated. Therefore, the user can reduce the bandwidth between the communication originating from the local station and the communication originating from the other station. It is necessary to implement functions that can be adjusted. In the present embodiment, a routing method using two queue queue memories 213 and 214 for distinguishing between communication originating from the local station and communication originating from other stations and giving priority to both has been proposed. Through the use of the Qualnet 3.1 simulator, dramatic throughput results have been obtained for prioritized and non-prioritized communications. As FIG. 8 shows, the prioritized direct wireless communication can produce approximately 40% more throughput than the non-prioritized wireless communication. Further, as the weighting coefficient of the queue for the radio communication originating from the local station increases, the throughput for the radio communication originating from the local station increases appropriately and proportionally. Based on all the results obtained, the inventors are convinced that the inventors' examples are fulfilled for the intended purpose.
[0048]
In the above embodiment, the WRR method is used. However, the present invention is not limited to this, and other scheduler methods such as WDRR (Weighted Deficit Round Robin) may be used.
[0049]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the communication system, communication apparatus, or communication method according to the present invention, in an ad hoc wireless network that includes a plurality of wireless stations and performs packet communication between the wireless stations, each other with a predetermined weighting factor ratio. In a communication apparatus including two queue memories having different priorities, when a packet to be transmitted to another station is a packet originated from the own station, the packet is inserted into a queue memory having a higher priority and transmitted. When the packet to be transmitted to is a packet originated from another station, it is inserted into a queue memory having a lower priority and controlled to be relayed. Therefore, it is possible to prevent a serious decrease in the communication speed due to many other station originating communications using the node radio station as a relay router device, and increase the throughput of each radio station. it can. Further, by inputting and setting the weighting coefficient ratio, the priority order of the two queue memories can be changed, and the throughput desired by the user can also be changed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan layout view of a plurality of radio stations 1-1 to 1-9 constituting an ad hoc radio network according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram showing an internal configuration of each radio station 1 in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a block diagram showing an internal configuration of the router device 105 of FIG. 2;
4 is a flowchart showing queue management processing executed by the queue manager 212 of FIG.
5 is a diagram showing a format of a TOS field used in the wireless station 1 of FIG.
FIG. 6 is a plan view showing the topology used in the simulation of the ad hoc wireless network in the example according to the present embodiment.
FIG. 7 is a plan view showing a Qualnet topology used in an ad hoc wireless network simulation in an example according to the present embodiment;
FIG. 8 is a simulation result of an ad hoc wireless network in an example according to the present embodiment, in which the wireless station 1-1 with respect to the weighting coefficient ratio of WRR for one queue memory and two queue memories 214 and 213; 4 is a graph showing the throughput of packet communication from the wireless station 1-3 to the wireless device 1-3 and packet communication from the wireless station 1-2 to the wireless station 1-4.
FIG. 9 is a simulation result of the ad hoc wireless network in the example according to the present embodiment, in which the throughput of the server apparatus with respect to the weighting coefficient ratio of WRR for one queue memory and two queue memories 214 and 213; It is a graph which shows the throughput of a client apparatus.
[Explanation of symbols]
1, 1-1 to 1-9 ... wireless station,
101 ... Omni antenna,
102 ... circulator,
103 ... Packet transmission / reception unit,
104 ... line control unit,
105: Router device,
106 ... upper layer processing apparatus,
130: Packet receiver,
131 ... high frequency receiver,
132: demodulator,
133: Receive buffer memory,
140 ... packet transmitter,
141. Transmission timing control unit,
142 ... transmission buffer memory,
143 ... modulator,
144 ... high frequency transmitter,
160. Spread code generator.
200 ... Routing controller,
201 ... Keyboard,
202 ... Liquid crystal display,
210 ... scheduler,
211 ... Local address identifier,
212 ... Queue manager,
213, 214 ... Queue memory,
215 ... Switch.

Claims (9)

複数の無線局を備え、各無線局間でパケット通信を行うアドホック無線ネットワークのための通信システムにおいて、
送信バッファの前段に設けられ、送信すべきパケットを受信して、受信したパケットを、所定の重み付け係数比で互いに優先順位が異なりかつ第1のキューメモリが第2のキューメモリよりも高い優先順位を有するように格納する第1と第2のキューメモリと、
送信すべきパケットの発信元アドレスが自局アドレスである否かを判断し、自局アドレスであるときは上記第1のキューメモリに挿入して上記送信バッファを介して送信する一方、自局アドレスでないときは上記第2のキューメモリに挿入して上記送信バッファを介して送信するように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする通信システム。
In a communication system for an ad hoc wireless network that includes a plurality of wireless stations and performs packet communication between the wireless stations,
Provided in the preceding stage of the transmission buffer, receive packets to be transmitted, and receive packets having different priorities with a predetermined weighting factor ratio, and the first queue memory has a higher priority than the second queue memory. First and second queue memories for storing to have
It is determined whether or not the source address of the packet to be transmitted is the local station address, and when it is the local station address, the packet is inserted into the first queue memory and transmitted through the transmission buffer. And a control means for controlling to insert into the second queue memory and transmit via the transmission buffer when not .
上記重み付け係数比を入力して設定する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項1記載の通信システム。  The communication system according to claim 1, further comprising means for inputting and setting the weighting coefficient ratio. 上記制御手段は、重み付けラウンドロビン方式を用いて、上記2つのキューメモリからパケットを読み出して送信するように制御することを特徴とする請求項1又は2記載の通信システム。  3. The communication system according to claim 1, wherein the control means performs control so that packets are read from the two queue memories and transmitted using a weighted round robin method. 複数の無線局を備え、各無線局間でパケット通信を行うアドホック無線ネットワークのための通信装置において、
送信バッファの前段に設けられ、送信すべきパケットを受信して、受信したパケットを、所定の重み付け係数比で互いに優先順位が異なりかつ第1のキューメモリが第2のキューメモリよりも高い優先順位を有するように格納する第1と第2のキューメモリと、
送信すべきパケットの発信元アドレスが自局アドレスである否かを判断し、自局アドレスであるときは上記第1のキューメモリに挿入して上記送信バッファを介して送信する一方、自局アドレスでないときは上記第2のキューメモリに挿入して上記送信バッファを介して送信するように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする通信装置。
In a communication device for an ad hoc wireless network that includes a plurality of wireless stations and performs packet communication between wireless stations,
Provided in the preceding stage of the transmission buffer, receive packets to be transmitted, and receive packets having different priorities with a predetermined weighting factor ratio, and the first queue memory has a higher priority than the second queue memory. First and second queue memories for storing to have
It is determined whether or not the source address of the packet to be transmitted is the local station address, and when it is the local station address, the packet is inserted into the first queue memory and transmitted through the transmission buffer. And a control means for controlling to insert into the second queue memory and transmit via the transmission buffer when not .
上記重み付け係数比を入力して設定する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項4記載の通信装置。  5. The communication apparatus according to claim 4, further comprising means for inputting and setting the weighting coefficient ratio. 上記制御手段は、重み付けラウンドロビン方式を用いて、上記2つのキューメモリからパケットを読み出して送信するように制御することを特徴とする請求項4又は5記載の通信装置。  6. The communication apparatus according to claim 4, wherein the control means controls to read and transmit packets from the two queue memories using a weighted round robin method. 複数の無線局を備え、各無線局間でパケット通信を行うアドホック無線ネットワークのための通信方法であって、
送信バッファの前段に設けられ、送信すべきパケットを受信して、受信したパケットを、所定の重み付け係数比で互いに優先順位が異なりかつ第1のキューメモリが第2のキューメモリよりも高い優先順位を有するように格納する第1と第2のキューメモリを備えた通信装置において、
送信すべきパケットの発信元アドレスが自局アドレスである否かを判断し、自局アドレスであるときは上記第1のキューメモリに挿入して上記送信バッファを介して送信する一方、自局アドレスでないときは上記第2のキューメモリに挿入して上記送信バッファを介して送信するように制御する制御ステップを含むことを特徴とする通信方法。
A communication method for an ad hoc wireless network comprising a plurality of wireless stations and performing packet communication between the wireless stations ,
Provided in the preceding stage of the transmission buffer, receive packets to be transmitted, and receive packets having different priorities with a predetermined weighting factor ratio, and the first queue memory has a higher priority than the second queue memory. In the communication device including the first and second queue memories for storing to have
It is determined whether or not the source address of the packet to be transmitted is the local station address, and when it is the local station address, the packet is inserted into the first queue memory and transmitted through the transmission buffer. If not , the communication method includes a control step of controlling to insert into the second queue memory and transmit via the transmission buffer .
上記重み付け係数比を入力して設定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項7記載の通信方法。  8. The communication method according to claim 7, further comprising the step of inputting and setting the weighting coefficient ratio. 上記制御ステップは、重み付けラウンドロビン方式を用いて、上記2つのキューメモリからパケットを読み出して送信するように制御することを特徴とする請求項7又は8記載の通信方法。  9. The communication method according to claim 7, wherein the control step performs control so that packets are read from the two queue memories and transmitted using a weighted round robin method.
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