JP2004282244A - 無線ネットワークのためのルーティング方法及び無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】無線ネットワークにおいてエンド・ツー・エンドの遅延時間を大幅に短縮する。
【解決手段】複数の無線局間のリンク状態を表す情報テーブルに基づいて、発信元無線局と宛先無線局との間で共通の無線局を中継局として含まない複数のパスを検索し、検索された複数のパス上の無線局を無線通信中の無線局として設定する。各パス上の各無線局のサービスエリア内に存在する他の通信中の無線局の個数を計算し、計算された通信中の無線局の個数を各パス毎に加算することによって、各パスに対する当該パスに含まれない他の通信中の無線局との間の結合を表す相関係数を計算し、計算した各パスに対する相関係数にホップ数を乗算してルーティング基準指数を計算し、最大の基準指数を有するパスに含まれる無線局を通信中でない無線局として設定する。上記処理を繰り返し、より小さい２個の基準指数を有する１対のパスを選択してルーティングする。
【選択図】 図８

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、例えば無線ＬＡＮなどの無線ネットワークにおいてパケット通信を行う、例えばアドホック無線ネットワークなどの無線ネットワークのためのルーティング方法及び無線通信システムに関する。
【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回線を用いて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方式は通常、複数のユーザ端末の無線局を介した単一パスによるルーティングを採用している。しかしながら、例えば、非特許文献１に開示されたように、いったん発信元無線局と宛先無線局との間に複数のパスにてなるセットが発見されれば、データの総容量を複数の個別のブロックに分割してこれらを選択された複数のパスを介して発信元無線局から宛先無線局へ送信することにより、エンド・ツー・エンドの遅延時間を改善することが可能な場合があり、これによって最終的にネットワークの輻輳とエンド・ツー・エンドの遅延時間とを低減することができ、このようなルーティングを「マルチパスルーティング」という。
【０００４】
エム・アール・パールマン（Ｍ． Ｒ． Ｐｅａｒｌｍａｎ）らは、非特許文献２において、マルチパスルーティングがネットワーク負荷をバランス化させることができる点を実証している。非特許文献３で提案されている分割マルチパスルーティング（Ｓｐｌｉｔ Ｍｕｌｔｉ−ｐａｔｈ Ｒｏｕｔｉｎｇ；ＳＭＲ）は、各パス間の分離の程度を最大化した複数のパスの構築及び保持に注目している。非特許文献４では、発信元無線局と宛先無線局の間に位置した複数のパス間の相関係数の概念を導入している。
【０００５】
また、非特許文献５では、アドホック無線ネットワークのためのＭＡＣ及びルーティングプロトコルが開示され、この開示内容では、各無線局は周期的にその隣接情報を収集し、各無線局における隣接リンク状態テーブル（Ｎｅｉｇｈｂｏｒｈｏｏｄ Ｌｉｎｋ Ｓｔａｔｅ Ｔａｂｌｅ（ＮＬＳＴ））を作成する。非特許文献６では、オーバーヘッドを増大させずにネットワークのトポロジー情報を収集するための方法が開示されている。非特許文献７では、この局所的な情報の周期的な伝搬に基づいて、修正されたリンク状態ルーティングプロトコルを構成した。その目的は、非特許文献８にあるように、ネットワークトポロジーにおけるその無線局を認識させることにある。
【０００６】
さらに、非特許文献９は、アドホック無線ネットワークなどの無線ネットワークにおいて、無線局が頻繁に移動しても、ルーティングテーブルを効率的に更新することができ、安定なルートを確保して安定な無線通信を行うことができる無線ネットワークのためのルーティング方法及びルータ装置を開示している。また、特許文献１、非特許文献１０及び１１は、非特許文献９のようなアドホック無線ネットワーク中の各無線局において使用可能な指向性アンテナを開示している。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２４４３１号公報。
【非特許文献１】
Ｓ． Ｋ． Ｄａｓ ｅｔ ａｌ．， ”Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｑｕａｌｉｔｙ−ｏｆ−Ｓｅｒｖｉｃｅ ｉｎ Ａｄ ｈｏｃ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｗｉｔｈ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｍｕｌｔｉ−ｐａｔｈ Ｒｏｕｔｉｎｇ”， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＧＬＯＢＥＣＯＭ ２０００， Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ， Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２７−Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １， ２０００。
【非特許文献２】
Ｍ． Ｒ． Ｐｅａｒｌｍａｎ ｅｔ ａｌ．， ”Ｏｎ ｔｈｅ Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ Ａｌｔｅｒｎａｔｅ Ｐａｔｈ Ｒｏｕｔｉｎｇ ｆｏｒ Ｌｏａｄ Ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｉｎ Ｍｏｂｉｌｅ Ａｄ Ｈｏｃ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ”， Ｍｏｂｉｈｏｃ ２０００， ｐ． １５０， ３−１０， ２０００。
【非特許文献３】
Ｓ． Ｊ． Ｌｅｅ ｅｔ ａｌ．， ”Ｓｐｌｉｔ Ｍｕｌｔｉ−ｐａｔｈ Ｒｏｕｔｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｍａｘｉｍａｌｌｙ Ｄｉｓｊｏｉｎｔ Ｐａｔｈｓ ｉｎ Ａｄ Ｈｏｃ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ”， ＩＣＣ ２００１。
【非特許文献４】
Ｋｕｉ Ｗｕ ｅｔ ａｌ．， ”Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐａｔｈ Ｒｏｕｔｉｎｇ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ａｄ Ｈｏｃ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ”， ＥＰＭＣＣ ２００１， Ｖｉｅｎｎａ， ２０ｔｈ−２２ｎｄ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００１。
【非特許文献５】
Ｓ． Ｂａｎｄｙｏｐａｄｈｙａｙ ｅｔ ａｌ．， ”Ａｎ Ａｄａｐｔｉｖｅ ＭＡＣ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｄ Ｈｏｃ Ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ Ｎｅｔｗｏｒｋ （ＷＡＣＮｅｔ） Ｕｓｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ Ｐａｓｓｉｖｅ Ａｒｒａｙ Ｒａｄｉａｔｏｒ Ａｎｔｅｎｎａ”， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＧＬＯＢＥＣＯＭ ２００１， Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２５−２９， Ｓａｎ Ａｎｔｏｎｉｏ， Ｔｅｘａｓ， ＵＳＡ。
【非特許文献６】
Ｓ． Ｂａｎｄｙｏｐａｄｈｙａｙ ｅｔ ａｌ．， ”Ｔｏｐｏｌｏｇｙ Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ｉｎ Ａｄ Ｈｏｃ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ Ｕｓｉｎｇ Ｍｏｂｉｌｅ Ａｇｅｎｔｓ”， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＭＡＴＡ ２０００， Ｐａｒｉｓ。
【非特許文献７】
Ｓ． Ｂａｎｄｙｏｐａｄｈｙａｙ ｅｔ ａｌ．， ”Ａｎ Ａｄａｐｔｉｖｅ ＭＡＣ ａｎｄ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ Ａｄ Ｈｏｃ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｓｉｎｇ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ＥＳＰＡＲ Ａｎｔｅｎｎａ”， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＣＭ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｍｏｂｉｌｅ Ａｄ Ｈｏｃ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ＆ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ２００１ （ＭＯＢＩＨＯＣ ２００１）， Ｌｏｎｇ Ｂｅａｃｈ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ， ＵＳＡ， ４−５ Ｏｃｔｏｂｅｒ， ２００１。
【非特許文献８】
Ｒ． ＲｏｙＣｈｏｕｄｈｕｒｙ ｅｔ ａｌ．， ”Ａ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ｉｎ Ａｄ ｈｏｃ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｕｓｉｎｇ Ｍｏｂｉｌｅ Ａｇｅｎｔｓ”， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｉｒｓｔ Ａｎｎｕａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ Ｏｎ Ｍｏｂｉｌｅ Ａｄ Ｈｏｃ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ＆ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ２００１ （ＭＯＢＩＨＯＣ ２０００）， Ｂｏｓｔｏｎ， Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ， ＵＳＡ， Ａｕｇｕｓｔ １１，２０００。
【非特許文献９】
昌山一成ほか，「無線アドホックネットワークにおけるＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌルーティングプロトコルの提案」，電子情報通信学会通信ソサイエティ大会講演論文集，Ｂ−５−２０７，電子情報通信学会発行，２００１年９月。
【非特許文献１０】
Ｔ． Ｏｈｉｒａ ｅｔ ａｌ．， “Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ ｓｔｅｅｒａｂｌｅ ｐａｓｓｉｖｅ ａｒｒａｙ ｒａｄｉａｔｏｒ ａｎｔｅｎｎａｓ ｆｏｒ ｌｏｗ−ｃｏｓｔ ａｎａｌｏｇ ａｄａｐｔｉｖｅ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ，” ２０００ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ｓｙｓｔｅｍ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｐ． １０１−１０４， Ｄａｎａ ｐｏｉｎｔ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ， Ｍａｙ ２１−２５， ２０００。
【非特許文献１１】
田野哲ほか，”Ｍ−ＣＭＡ：マイクロ波信号処理による適応ビーム形成のためのデジタル信号処理アルゴリズム”，電子情報通信学会研究技術報告，ＡＰ９９−６２，ＳＡＴ９９−６２，ｐｐ．１５−２２，１９９９年７月。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発信元無線局と宛先無線局の間に複数のパスを採用することは、必ずしもエンド・ツー・エンドの遅延時間を縮小させる結果にはならないこともまた示されている。非特許文献２では、移動体アドホックネットワークにおける代替パスルーティング（Ａｌｔｅｒｎａｔｅ Ｐａｔｈ Ｒｏｕｔｉｎｇ；ＡＰＲ）の効果が検討され、ネットワークトポロジー及びチャンネル特性（例えば、ルート間結合）が、ＡＰＲの方法によって提供される利得を大幅に制限する場合があるということが議論されている。
【０００９】
仮に、ただ２つの発信元無線局ｓ_１及びｓ_２がそれぞれ、データパケットを宛先無線局ｄ_１及びｄ_２へ送信しようとしているとする。互いに異なるノード無線局ｘ_１，ｘ_２，ｙ_１及びｙ_２が存在し、これらのノード無線局を含む２つのパス｛ｓ_１−ｘ_１−ｙ_１−ｄ_１｝及び｛ｓ_２−ｘ_２−ｙ_２−ｄ_２｝を選択して通信する場合、互いに共通なノード無線局を含まないこれらのパスを、本願明細書ではノード無線局間分離であるという。ノード無線局間分離であるパス｛ｓ_１−ｘ_１−ｙ_１−ｄ_１｝及び｛ｓ_２−ｘ_２−ｙ_２−ｄ_２｝のそれぞれを介して伝送されるデータパケットのエンド・ツー・エンドの遅延時間は、互いに独立したものであるはずである。しかしながら、ノード無線局ｘ_１及びｘ_２及び／又はｙ_１及びｙ_２が互いに隣接していれば、２つの通信が同時に発生することは不可能である。なぜならば、データ通信の間のＲＴＳ／ＣＴＳ交換は、一度にノード無線局ｘ_１又はｘ_２の何れかのみ、同様にノード無線局ｙ_１又はｙ_２の何れかのみがデータパケットを送信することしか許容しないからである。従って、任意の発信元無線局及び宛先無線局間のエンド・ツー・エンドの遅延時間は、そのパス上のノード無線局の輻輳特性のみに依存するわけではない。隣接領域内の通信のパターンも、この遅延時間に寄与する。これが、ルート間結合（又はルートカップリング）として知られた現象である。ルート間結合は、２つのルートがデータ通信の間に互いに電波干渉し合うほど物理的に近接して配置された場合に発生する。
【００１０】
図１３は、従来技術に係るマルチパスルーティングであって、発信元無線局Ｓと宛先無線局Ｄとの間に２つのパスが存在するときに各パス間でルート間結合が生じていることを示す、各無線局及びルートの平面配置図である。ここで、無線局Ｓ及びＤ間において、無線局｛Ｓ，ｘ１，ｘ２，Ｄ｝にてなる第１のパスと、無線局｛Ｓ，ｙ１，ｙ２，Ｄ｝にてなる第２のパスとが存在し、各パスは無線局Ｓ及びＤ以外に共通のノードを持たず、本願明細書では、これらのパスもそれぞれ「ノード無線局間分離」であるという。従って、各パスを介するパケット伝送のエンド・ツー・エンドの遅延時間は互いに独立であるはずであるが、しかしながら、ノード無線局ｘ１及びｙ１は発信元無線局Ｓのサービスエリア（すなわち、無線信号の送信可能範囲のエリア）２１０内に存在し、かつそれぞれ互いに近接して位置しており、ノード無線局ｘ２及びｙ２は宛先無線局Ｄのサービスエリア２１１内に存在し、かつそれぞれ互いに近接して位置しているので、各パス間にルート間結合が存在している。このため、各パス上でパケットを同時に伝送することは不可能である。それだけではなく、これら２つのパスを用いたデータ伝送の性能は、単一のパスを用いたプロコトルのときよりも悪化する。
【００１１】
図１４は、従来技術に係るマルチパスルーティングであって、発信元無線局Ｓと宛先無線局Ｄとの間に、複数のルート間結合を含む２つのパス｛Ｓ−１ａ−１ｂ−１ｃ−Ｄ｝及び｛Ｓ−１ｄ−１ｅ−１ｆ−Ｄ｝が存在するときの、パス上の各無線局の配置及びアンテナ放射パターンを示す平面図である。
【００１２】
図１４において、ノード無線局１ａ及び１ｄは発信元無線局Ｓからのサービスエリア２２０内に存在し、無線局Ｓ，１ｂ，１ｄ及び１ｅは、ノード無線局１ａからのサービスエリア２２１内に存在し、ノード無線局１ａ，１ｃ，１ｄ，１ｅ及び１ｆは、ノード無線局１ｂからのサービスエリア２２２内に存在している。このような場合、パス｛Ｓ−１ａ−１ｂ−１ｃ−Ｄ｝及び｛Ｓ−１ｄ−１ｅ−１ｆ−Ｄ｝の間には、ノード無線局１ａと１ｄ間のリンク、ノード無線局１ａと１ｅの間のリンクなどで示されたようなルート間結合が存在し、これら２つのパスを用いたルーティングを妨げることになる。
【００１３】
図１５は、図１４の２つのパス｛Ｓ−１ａ−１ｂ−１ｃ−Ｄ｝及び｛Ｓ−１ｄ−１ｅ−１ｆ−Ｄ｝を介してパケットを伝送するときのタイミングチャートである。実際に、図１４及び図１５を参照して、発信元無線局Ｓと宛先無線局Ｄとの間にルート間結合した２つのパスが存在するときに、各パス上のノード無線局が互いに電波干渉する様子をより詳しく説明する。各無線局は、無指向性アンテナを備えているものとする。
【００１４】
図１５を参照すると、発信元無線局Ｓは時間区間Ｔ_０においてデータパケットＰ_１をノード無線局１ａへ送信しており、ノード無線局１ａは次の時間区間Ｔ_１においてデータパケットＰ_１をノード無線局１ｂへ送信している。各無線局が無指向性アンテナを備えた場合、発信元無線局ＳはＴ_１の間、ノード無線局１ａからＲＴＳを受信しているためにアイドル状態を保持している必要がある。従って、発信元無線局Ｓはその第２のパケットＰ_２を時間区間Ｔ_２になって初めてノード無線局１ｄ（第２のパスの最初のノード無線局）へと送ることができる。図１５に示されたようなパケットの遷移では、宛先無線局Ｄはパケットを１つおきの時間区間で受信する。無線局ＳとＤとの間のパス数を２つよりも増やしたとしても状況は改善されない。
【００１５】
結果的には、無線局ＳとＤのペア間のマルチパス通信においては、これらの複数ルートにおけるノード無線局が絶えずこれらが共用する媒体へのアクセスを求めて競合している可能性があり、通信の性能はその無線局ＳとＤのペア間の単一のパスを介するルーティングの場合よりも悪くなることがある。従ってこのコンテキストでは、マルチパスを構成する複数のルートが互いにノード間分離であるということは性能改善の十分条件とはなり得ない。よって、非特許文献３及び４のような、ノード間分離であるルート又はノード間分離の程度を最大化させたルートを発見しようとする努力は、ルート間結合に起因して効果的ではない場合がある。従って、アドホック無線ネットワークにおいてマルチパスルーティングを実行するときに、エンド・ツー・エンドの遅延時間を短縮させるためのより効果的な方法を提供することが望ましい。
【００１６】
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などの無線ネットワークにおいて、従来技術に比較して、エンド・ツー・エンドの遅延時間を大幅に短縮することができる無線ネットワークのためのルーティング方法及び無線通信システムを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る無線ネットワークのためのルーティング方法は、複数の無線局を備え、各無線局間で無線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、
上記複数の無線局間のリンク状態を表す情報テーブルに基づいて、発信元の無線局と宛先の無線局との間で、少なくとも１つの無線局を中継局として含みかつ互いに共通の無線局を中継局として含まない複数のパスを検索する第１のステップと、
上記無線ネットワークにおいて、上記検索された複数のパス上の無線局を無線通信中の無線局として仮定して設定する第２のステップと、
上記設定された無線通信中の無線局に基づいて、上記各パス上の上記各無線局のサービスエリア内に存在する他の通信中の無線局の個数を計算し、上記計算された通信中の無線局の個数を上記各パス毎に加算することによって、上記各パスに対する、当該パス自体に含まれない他の通信中の無線局との間の電波干渉性に関する結合の度合いを表す相関係数を計算し、上記計算した各パスに対する相関係数に当該パスのホップ数を乗算することにより、他の通信中の無線局から電波干渉無く離間しかつ最短のパスを検索するためのルーティング基準指数を計算する第３のステップと、
上記計算された各パスに対するルーティング基準指数のうち、最大の基準指数を有するパスに含まれる無線局を通信中でない無線局として設定する第４のステップと、
上記第３及び第４のステップを繰り返し、より小さい２個の基準指数を有する１対のパスを上記発信元の無線局と宛先の無線局との間の２個のパスとして選択し、上記選択した２個のパスを用いてルーティングする第５のステップとを含むことを特徴とする。
【００１８】
また、第２の発明に係る無線通信システムは、複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのための無線通信システムにおいて、
上記複数の無線局間のリンク状態を表す情報テーブルに基づいて、発信元の無線局と宛先の無線局との間で、少なくとも１つの無線局を中継局として含みかつ互いに共通の無線局を中継局として含まない複数のパスを検索し、
上記無線ネットワークにおいて、上記検索された複数のパス上の無線局を無線通信中の無線局として仮定して設定し、
上記設定された無線通信中の無線局に基づいて、上記各パス上の上記各無線局のサービスエリア内に存在する他の通信中の無線局の個数を計算し、上記計算された通信中の無線局の個数を上記各パス毎に加算することによって、上記各パスに対する、当該パス自体に含まれない他の通信中の無線局との間の電波干渉性に関する結合の度合いを表す相関係数を計算し、上記計算した各パスに対する相関係数に当該パスのホップ数を乗算することにより、他の通信中の無線局から電波干渉無く離間しかつ最短のパスを検索するためのルーティング基準指数を計算し、
上記計算された各パスに対するルーティング基準指数のうち、最大の基準指数を有するパスに含まれる無線局を通信中でない無線局として設定し、
上記各パスに対してルーティング基準指数を計算する処理と、上記最大の基準指数を有するパスに含まれる無線局を通信中でない無線局として設定する処理とを繰り返し、より小さい２個の基準指数を有する１対のパスを上記発信元の無線局と宛先の無線局との間の２個のパスとして選択し、上記選択した２個のパスを用いてルーティング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。
【００１９】
さらに、第３の発明に係る無線ネットワークのためのルーティング方法は、複数の無線局を備え、各無線局間で無線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、
上記複数の無線局間のリンク状態を表す情報テーブルに基づいて、発信元の無線局と宛先の無線局との間で、少なくとも１つの無線局を中継局として含みかつ互いに共通の無線局を中継局として含まない複数のパスを検索するステップと、上記無線ネットワークにおいて、上記検索された複数のパスのうちの各１対のバス上の無線局を通信中の無線局として仮定して設定し、上記各１対のパス上の上記各無線局のサービスエリア内に存在する他の通信中の無線局の個数を計算し、上記計算された通信中の無線局の個数を上記各１対のパス毎に加算することによって、上記各１対のパスに対する、当該パス自体に含まれない他の通信中の無線局との間の電波干渉性に関する結合の度合いを表す相関係数を計算し、上記計算した各１対のパスに対する相関係数に当該パスのホップ数を乗算することにより、他の通信中の無線局から電波干渉無く離間しかつ最短のパスを検索するための上記各１対のパスに対するルーティング基準指数を計算するステップと、
上記計算した各１対のパスに対するルーティング基準指数のうち、より小さい２個の基準指数を有する１対のパスを上記発信元の無線局と宛先の無線局との間の２個のパスとして選択し、上記選択した２個のパスを用いてルーティングするステップとを含むことを特徴とする。
【００２０】
またさらに、第４の発明に係る無線通信システムは、複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのための無線通信システムにおいて、
上記複数の無線局間のリンク状態を表す情報テーブルに基づいて、発信元の無線局と宛先の無線局との間で、少なくとも１つの無線局を中継局として含みかつ互いに共通の無線局を中継局として含まない複数のパスを検索し、
上記無線ネットワークにおいて、上記検索された複数のパスのうちの各１対のバス上の無線局を通信中の無線局として仮定して設定し、上記各１対のパス上の上記各無線局のサービスエリア内に存在する他の通信中の無線局の個数を計算し、上記計算された通信中の無線局の個数を上記各１対のパス毎に加算することによって、上記各１対のパスに対する、当該パス自体に含まれない他の通信中の無線局との間の電波干渉性に関する結合の度合いを表す相関係数を計算し、上記計算した各１対のパスに対する相関係数に当該パスのホップ数を乗算することにより、他の通信中の無線局から電波干渉無く離間しかつ最短のパスを検索するための上記各１対のパスに対するルーティング基準指数を計算し、
上記計算した各１対のパスに対するルーティング基準指数のうち、より小さい２個の基準指数を有する１対のパスを上記発信元の無線局と宛先の無線局との間の２個のパスとして選択し、上記選択した２個のパスを用いてルーティング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。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明に係る第１の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。）の平面配置図であり、図２は、図１の各無線局１の構成を示すブロック図である。
【００２３】
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、可変ビームアンテナ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。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を備え、発信元無線局、中継局、又は宛先無線局として動作する。
【００２４】
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、無指向性放射パターンであるオムニパターンと、自局を中心とした水平面内の所定の方位角毎にセクタ形状のメインビームを選択的に変更可能なセクタビームパターンと、上記方位角毎にヌル点を形成可能な排他的セクタパターンとを選択的に切り換え可能な可変ビームアンテナ１０１を備え、
（ａ）自局からのＲＱ（Ｒｅｑｕｅｓｔ）信号を隣接無線局が受信したときの信号電力対干渉雑音電力比（以下、ＳＩＮＲという。）の測定値を含む隣接無線局からのＲＥ（Ｒｅｐｌｙ）信号に基づいて予め取得された、自局を中心とした水平面内の所定の方位角毎のサービスエリア内の無線局１から見たＳＩＮＲに基づいて、各隣接無線局毎に最大のＳＩＮＲを選択して各隣接無線局との親和度とし、当該親和度と、それに対応する方位角及びそのデータの更新時刻とを含む隣接リンク状態テーブル（Ｎｅｉｇｈｂｏｒ Ｌｉｎｋ−Ｓｔａｔｅ Ｔａｂｌｅ）（以下、ＮＬＳテーブルという。）と、
（ｂ）各無線局間でＮＬＳテーブルのトポロジー情報（アドホック無線ネットワーク内のすべての無線局間のリンク状態を示す経路情報をいい、以下同様である。）を交換することにより、当該アドホック無線ネットワーク内のすべての無線局１に関するＮＬＳテーブルのトポロジー情報を収集し、このトポロジー情報（各無線局１間のリンク状態を含む）と、これにおける各無線局毎の当該トポロジー情報の更新回数と、その時点で任意の通信プロセスに関わる無線局１を示す通信状態フラグ値とを含むグローバルリンク状態テーブル（Ｇｌｏｂａｌ Ｌｉｎｋ Ｓｔａｔｅ Ｔａｂｌｅ）（以下、ＧＬＳテーブルという。）と
をデータベースメモリ１５４に格納し、ＮＬＳテーブル及びＧＬＳテーブルとに基づいて、可変ビームアンテナ１０１の放射パターンを制御しながらパケット信号のルーティングを行うことを特徴としている。
【００２５】
特に、各無線局１において、
（１）ＧＬＳテーブルに基づいて、発信元無線局Ｓと宛先無線局Ｄとの間で、それぞれ少なくとも１つの無線局を中継局として含み、かつ互いに共通の無線局を中継局として含まないノード間分離である複数のパスを検索するステップと、
（２）無線ネットワークにおいて通信中の無線局を示す通信状態フラグ値において、上記検索された複数のパス上の無線局を通信中の無線局として設定するステップと、
（３）上記通信状態フラグ値に基づいて、上記各パス上の上記各無線局の無線信号の到達範囲内に存在する他の通信中の無線局の個数を計算し、上記計算された通信中の無線局の個数を上記パス毎に加算することによって、上記各パスに対する、当該パス自体に含まれない他の通信中の無線局との間の電波干渉性に関する結合の度合いを表す相関係数を計算し、上記各パスに対する結合の相関係数に当該パスのホップ数を乗算することにより、他の通信中の無線局から電波干渉無く離間しかつ最短のパスを発見するためのルーティング基準指数γを計算するステップと、
（４）上記通信状態フラグ値において、上記基準指数が最も大きいパスに含まれる無線局を通信中でない無線局として設定するステップと、
（５）上述された（３）と（４）のステップを繰り返し、上記ルーティング基準指数γがより小さい２個のパスを発信元無線局Ｓと宛先無線局Ｄとの間のパスとして選択し、選択されたパスを用いてルーティングするステップとを実行する。
【００２６】
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、可変ビームアンテナ１０１と、その指向性を制御するための指向制御部１０３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１０４と、トラヒックモニタ部１０５と、回線制御部１０６と、上位レイヤ処理部１０７とを備える。
【００２７】
送受信すべきデータを処理する上位レイヤ処理装置１０７によって発生されたパケット形式の通信用送信信号データは、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、入力された通信用送信信号データ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を介して可変ビームアンテナ１０１から他の無線局１に向けて送信する。一方、可変ビームアンテナ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を上位レイヤ処理装置１０７に出力するとともに、トラヒックモニタのためにトラヒックモニタ部１０５に出力する。
【００２８】
本実施形態においては、指向性アンテナである可変ビームアンテナ１０１は、複数のアンテナ素子とその指向性を制御する制御部１０３に接続され、
（ａ）無指向性放射パターンであるオムニパターンと、
（ｂ）例えば図３に示すように、自局を中心とした水平面内の所定の方位角毎にセクタ形状のメインビームを選択的に変更可能なセクタビームパターンと、
（ｃ）上記方位角毎にヌル点を形成可能な排他的セクタパターンと
を電気的な制御により選択的に切り換え可能なアンテナである。なお、可変ビームアンテナ１０１については、例えば、公知のフェーズドアレーアンテナ装置であってもよいし、もしくは、特許文献１又は非特許文献１１に開示された可変ビームアンテナであってもよい。
【００２９】
トラヒックモニタ部１０５は、検索エンジン１５２と、更新エンジン１５３と、データベースメモリ１５４と、クロック回路１５５とを備え、後述のルーティング及び通信処理を実行するとともに、無線局１が他の無線局１とのパケット通信において使用すべき通信チャネルを決定して、決定した通信チャネルに対応する拡散符号の指定データを回線制御部１０６を介して拡散符号発生器１６０に送ることにより、拡散符号発生器１６０が当該指定データに対応する拡散符号を発生するように制御するとともに、決定した通信チャネルに対応するタイムスロットの指定データを回線制御部１０６を介して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による通信チャネル用送信信号データの書き込み及び読み出しを制御することにより通信チャネル用送信信号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。なお、クロック回路１５５は、現在日時を計時してその情報を、必要に応じて管理制御部１５１に出力する。
【００３０】
トラヒックモニタ部１０５の検索エンジン１５２は、管理制御部１５１の制御によりデータベースメモリ１５４内のデータを検索して検索したデータを管理制御部１５１に返信する。また、更新エンジン１５３は、管理制御部１５１の制御によりデータベースメモリ１５４内のデータを更新する。さらに、データベースメモリ１５４には、ＮＬＳテーブル、及びルーティングのためのテーブルであるＧＬＳテーブルを記憶する。
【００３１】
本実施形態においては、アンテナ放射パターンを単一の通信相手先方向の利得が最大となるように指向性を変化させるセクタビームパターンの実効的な送信ビーム幅を３０°としており、可変ビームアンテナ１０１は、方位角を３０°毎に選択的に変化可能に設定できる。ビーム幅及び方位角の変化角度は、６０°又は他の角度であってもよい。
【００３２】
次いで、ＮＬＳテーブルの生成方法について説明する。可変ビームアンテナ１０１を使用した任意のマルチパスルーティングのプロトコルを実装するためには、各無線局は、パケットをその選択された隣接無線局へ効果的に送信するためのその送信方向の設定方法を知っている必要がある。従って、各無線局は周期的にその隣接情報を収集し、各無線局におけるＮＬＳテーブルを作成する（従来技術文献５を参照）。各無線局は、予め取得された各隣接無線局についてのＳＩＮＲ値が最大となる方位角を選び、このＳＩＮＲ値を隣接無線局との間の親和度とする。各無線局はこの方位角と親和度の値を各隣接無線局毎に取り出し、現在日時を更新日時として、ＮＬＳテーブルを生成して更新する。無線局１のＮＬＳテーブルの一例を図４に示す。ＮＬＳテーブルには、図４から明らかなように、各隣接無線局毎に、最大のＳＩＮＲ値に対応する方位角、最大のＳＩＮＲ値である親和度、更新日時が格納されている。
【００３３】
各隣接無線局についてのＳＩＮＲ値の取得方法について説明する。当該アドホック無線ネットワーク内の各無線局は定期的に隣接無線局情報を収集する。隣接無線局情報を収集する自局の無線局は、まずブロードキャストパケットを３０度毎に１２方向の方位角でセクタビームパターンにより順に送信する。方位角が１２方向であるのはセクタビームパターンが３６０度すべてをカバーするようするためである。このパケット信号をＲＱ信号という。ＲＱ信号には、パケット種別：ＲＱ、ＲＱ信号の発信元無線局のＩＤ（識別番号又は識別符号、以下同様である。）と、送信方位角、待機時間が記されている。具体的には、待機時間は１２方向のＲＱ信号の送信が完了するまでの時間である。次いで、ＲＱ信号を受信した周囲の隣接無線局は受信時のＳＩＮＲを測定する。各隣接無線局は待機時間の間、このＳＩＮＲの値を一時的に一時保存テーブルに保存しておき、待機時間の終了後に、パケット種別：ＲＥ、宛先無線局のＩＤ、発信元無線局のＩＤ、ＲＱ信号に記載されていた方位角情報とともにこのＳＩＮＲの値をユニキャストパケット信号でＲＱ信号の発信元である無線局に返信する。このパケットをＲＥ信号という。ＲＥ信号を送信する際には通常のデータパケットを送信する場合と同じ手順を踏む。そして、ＲＥ信号を受信した（ＲＱ信号の発信元の）無線局は、ＲＥ信号からＲＥ信号の発信元無線局ＩＤ（ここでは、無線局のＩＤ）、方位角情報、そしてＳＩＮＲ情報を取り出す。ここで、ＲＱ信号の発信元の無線局以外、つまり該当ＲＱ信号を送信した無線局と異なる無線局がＲＥ信号を受信した場合には、これを無視するものとする。
【００３４】
本実施形態においては、ＳＩＮＲを測定するためには、他の各無線局１と所定のトレーニングパターンのデータパケットを送受信することによりＢＥＲを測定し、無線通信の変復調方式で決定されるＳＩＮＲに対するＢＥＲ特性のグラフを用いて、ＳＩＮＲに換算する。例えば、ＣＤＭＡ方式を用いるときは、ＳＩＮＲに対するＢＥＲ特性のグラフを用いて換算することができ、例えば、ＱＰＳＫ差動検波方式を用いるときは、所定のＣＮＲに対するＢＥＲ特性のグラフを用いて換算することができる。すなわち、搬送波電力対干渉雑音電力比（ＣＩＮＲ）を用いるか、もしくはＳＩＮＲを用いるかは、無線システムで使用する変復調方式に依存する。本発明では、同一チャンネル干渉雑音に関する測定値であればよい。
【００３５】
次に、ＧＬＳテーブルについて説明する。ＧＬＳテーブルは、当該アドホック無線ネットワーク内のすべての無線局１内のデータベースメモリ１５４に保存され、すべての無線局１のＮＬＳテーブルの情報（各無線局１間の無線リンク情報を含む。）であるトポロジー情報を含む。これは、各無線局１内のＧＬＳテーブル内の情報を周期的に他の無線局と交換することにより、各無線局１はネットワーク全体の完全（ただし近似的）なトポロジー情報を把握することができる。可変ビームアンテナ１０１のコンテキストでは、ＧＬＳテーブルは、任意の２つの無線局間の接続性を示すだけでなく、その選択された任意の隣接無線局にパケットを効果的に送信するために各無線局によって設定される必要があるサービスエリアの情報をも示している。それと同時に、各無線局は、アクティブノードリスト、すなわちその時点で任意の通信プロセスに関わる全てのアクティブな無線局の無線局ＩＤを記述したリストに関するその知識（すなわち通信状態フラグ値の情報）を伝搬する。ただし、ネットワークトポロジー又はネットワークにおけるアクティブな無線局数に関する各無線局の知識が近似的なものでしかないということは注意される必要がある。ここで、「アクティブな無線局」とは、通信状態になる無線局をいう。しかしながら、発信元無線局によるルートの周期的な再計算は、それ自体を、変化するシナリオに対して適応的に調整する。
【００３６】
ＧＬＳテーブルは、すべての無線局１間の接続性、最新性、及び通信状態フラグ値で構成される。ここで、接続性は、親和度と呼ばれる無線局間の接続強度を表す項目であり、各無線局１のＮＬＳテーブルから得ることができる。また、最新性は、各無線局情報の更新回数を示す値であり、隣接無線局からトポロジー情報を受信した際に受信無線局内にあるトポロジー情報と比較しより最新の情報に無線局毎に更新する時や、更新されたトポロジー情報を隣接無線局に送出した後にその隣接無線局から再送信を防止するために使用するとともに、更新されたトポロジー情報の隣接無線局への送信先を決定する際にも用いる。通信状態フラグ値は、その時点で任意の通信プロセスに関わる無線局に対して１の値を有し、通信プロセスに関与していない無線局に対して０の値を有する。
【００３７】
このＧＬＳテーブルの一例を図５に示す。ＧＬＳテーブルは、当該アドホック無線ネットワーク内の各無線局１のＮＬＳテーブルを収集したものであり、ある無線局からある無線局までの親和度値の集合になっている。すなわち、ＧＬＳテーブルにおいては、図５から明らかなように、横軸には送信側の無線局が並置される一方、縦軸には受信側の無線局が並置され、当該無線ネットワークにＮ個の無線局１がある場合、ＧＬＳテーブルは、個々の交差点における値が送信側の無線局から受信側の無線局への親和度（最大のＳＩＮＲ値）を示すＮ×Ｎ個の表となる。さらに、各送信側の無線局に対応して、最新性を示す更新回数を有する。ここで、ＧＬＳテーブルは、トポロジー情報を含むＲＥＮ（Ｒｅｎｅｗａｌ）信号を周期的に他の無線局に対して送信して情報交換されることにより生成され、無線局にトポロジー情報（ある無線局のＧＬＳテーブル）が到着した時、ＧＬＳテーブルの更新が行われ、そのとき、トポロジー情報内のＧＬＳテーブルとトポロジー情報を受信した無線局のＧＬＳテーブルを比較する必要があり、比較には更新回数の値を使用し、更新回数の値の大きい情報を新しいＧＬＳテーブルとして使用する。なお、ＲＥＮ信号は、パケット種別：ＲＥＮ、宛先無線局のＩＤ、発信元無線局のＩＤ（ここでは、無線局ＳのＩＤ）、トポロジー情報を含む。
【００３８】
さらに、本実施形態において用いる、アダプティブＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）方式について説明する。本実施形態において、各無線局１は２次元の閉空間を動き回るものであり、無線通信をする場合は共通の無線チャネルを共有するものとする。各無線局１は３６０度のビーム／ヌル点形成可能なアダプティブアンテナである可変ビームアンテナ１０１を装備しているものとし、実効的な送信ビーム幅は３０度とする。１つの無線局１は送信と受信を同時に行うことはできず、また、複数の異なる送信や複数の異なる受信を行うこともできないものとする。ただし、複数の方向に同じ信号を送信することは可能である。干渉波の方向を知っている場合、受信を行う各無線局は不要な信号による電波干渉を避けるためにヌル点の形成や調整が可能である。
【００３９】まず、当該アドホック無線ネットワークにおいて、初期状態のアイドル状態では、各無線局１はアンテナ放射パターンを無指向性パターンであるオムニパターンにして送受信の待機を行う。
【００４０】
現在多く用いられている無線ＬＡＮ規格であるＩＥＥＥ８０２．１１のＭＡＣプロトコル標準では、信頼性のあるデータ通信を実現するためにＲＴＳ−ＣＴＳ−ＤＡＴＡ−ＡＣＫ交換手順を用いる。一方、本方式においては無線局Ｓが無線局Ｄと無線通信をしたい場合には、無線局Ｓは最初に無線局Ｄを含む無線局Ｓの隣接無線局に“無線局Ｓから無線局Ｄへの通信を開始する”旨をＲＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ−Ｔｏ−Ｓｅｎｄ）信号によりオムニパターンで送信する。このＲＴＳ信号には、ＩＥＥＥ８０２．１１に規定する信号や本方式のＲＥ信号と同様に、パケット種別：ＲＴＳ、発信元無線局のＩＤ（ここでは、無線局ＳのＩＤ）、宛先無線局のＩＤ（ここでは、無線局ＤのＩＤ）、待機時間の値が含まれている。無線局Ｓのすべての隣接無線局（無線局Ｓへの方向は各自のＮＬＳテーブルから既知である。）はこの無線局ＳからのＲＴＳ信号を受信する。
【００４１】
このＲＴＳ信号の宛先無線局である無線局ＤがＲＴＳ信号を受信した場合、無線局Ｄは無線局Ｓに対してＤＡＴＡ信号（データ信号）の送信を許可することを伝えるためにＣＴＳ（Ｃｌｅａｒ−Ｔｏ−Ｓｅｎｄ）信号をオムニパターンで返信する。このＣＴＳ信号には、パケット種別：ＣＴＳ、宛先無線局のＩＤ（ここでは、無線局ＳのＩＤ）と、待機時間の値が含まれている。
【００４２】
次いで、ＲＴＳ信号を送信した無線局である無線局Ｓがその宛先である無線局ＤからのＣＴＳ信号を受信したとき、ＤＡＴＡ信号を送信する。宛先無線局である無線局ＤはＤＡＴＡ信号を受信し、その受信が正常に完了すると確認応答としてＡＣＫ（Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｍｅｎｔ）信号（肯定応答信号）を無線局Ｓに返信する。無線局ＳはＡＣＫ信号を受信することで一つのＤＡＴＡに関する一連の処理を完了し、アイドル状態に戻る。ここで、ＤＡＴＡ信号には、パケット種別：ＤＡＴＡ、発信元無線局のＩＤ（ここでは、無線局ＳのＩＤ）、宛先無線局のＩＤ（ここでは、無線局ＤのＩＤ）、待機時間の値、送信すべきデータが含まれている。また、ＡＣＫ信号には、パケット種別：ＡＣＫ、宛先無線局のＩＤ（ここでは、無線局ＳのＩＤ）、待機時間の値が含まれている。
【００４３】
一方、無線局Ｄ以外の無線局（以下、無線局Ａとする。）がＲＴＳ信号を受信した場合には、無線局ＡはＮＬＳテーブルに基づいてＲＴＳ信号の発信元無線局である無線局Ｓの方位角情報を取得し、ＲＴＳ信号に記載されている待機時間の間だけ無線局Ｓの方向にヌル点を形成する。このような任意の方向にヌル点を形成したようなアンテナ放射パターンを総称して排他的セクタパターンという。
【００４４】
また、無線局Ｓ以外がＣＴＳ信号を受信した場合はＲＴＳ信号の場合と同様にしてＣＴＳ信号の発信元無線局の方向に一定期間ヌル点を形成する。
【００４５】
ＲＴＳ信号やＤＡＴＡ信号を送信した無線局Ｓや、ＣＴＳ信号を送信した無線局Ｄはその送信後に一定時間のタイマーを作動させる。無線局Ｓの場合、ＲＴＳ信号を送信後一定時間内にＣＴＳ信号を受信しない場合、及びＤＡＴＡ信号を送信後一定時間内にＡＣＫ信号を受信しない場合には、タイムアウトしたものとしてＲＴＳ信号の送信処理から一連の処理をやり直す。一方、無線局ＤではＣＴＳ信号を送信後一定時間内にＤＡＴＡ信号を受信しない場合には、無線局Ｓへのセクタビームパターンをオムニパターンに戻し、アイドル状態となる。待機時間の期間が終わると、他にその方向に待機時間の期間中の通信がなければ、可変ビームアンテナ１０１におけるその方向のヌル点を解除する。
【００４６】
さらに、本実施形態においては、指向性アンテナである可変ビームアンテナ１０１を活用し、トポロジー情報の更新度の低い周辺無線局へ優先的に通知することにより、トポロジー情報の最新性を維持するためのオーバーヘッドを削減しつつ、周辺無線局における更新度の均一性を確保する。
【００４７】
以下、ＧＬＳテーブルを更新するためのＲＥＮ信号の送信方法について説明する。トポロジー情報を各無線局に通知させるため、フラッディングを用いるとオーバーヘッドが大きくなり、通常のデータ送信に影響を与える可能性がある。われわれの行った先の研究では、各無線局の隣接情報の周期的な伝搬に基づいて、修正されたリンク状態ルーティングプロトコルを構成した（従来技術文献７を参照）。その目的は、ネットワークトポロジーにおけるその無線局を認識させることにある（従来技術文献８を参照）。主たる目的は、ネットワークをトポロジー更新パケットで溢れさせることなく、ネットワーク内の各無線局からあらゆるトポロジー関連情報を収集して、これらをその隣接のただ１つの無線局のみに周期的に（更新情報として）分配することである。
【００４８】
本実施形態の機構では、各無線局は、一定の間隔で周期的に、その隣接の１つの無線局のみに、トポロジー情報及びアクティブノードリストに関わるその知識を含むＲＥＮ信号を伝搬する。ＲＥＮ信号の受信側の無線局は、その知識に基づいてトポロジー情報及びアクティブノードリストを更新し、これをさらに他の無線局に伝搬する。トポロジー情報及びアクティブノードリストを含むＲＥＮ信号によるオーバーヘッドを減らすため、トポロジーマップ及びアクティブノードリストの伝搬先である目標となる隣接無線局の選択は、公知のｌｅａｓｔ−ｖｉｓｉｔｅｄ−ｎｅｉｇｈｂｏｒ−ｆｉｒｓｔ（ＬＶＮＦ）基準（例えば、非特許文献６を参照。）に基づいて行われる。各無線局は、その隣接無線局の最新性（ｒｅｃｅｎｃｙ）と呼ばれる計量をモニタし、そのうちのどれが最小数の更新メッセージを受信しているかを決定する。その時点で最小数の更新メッセージを受信している隣接無線局が、更新のための目標となる無線局となる。具体的には、無線局がトポロジー更新パケット信号であるＲＥＮ信号を受け取り、ＧＬＳテーブルの更新を行い、新たにＲＥＮ信号を送信するとき、直接に無線通信可能な隣接無線局の最新性を示す更新回数を比較し、最小値の更新回数を持つ無線局に対してのみ、ＲＥＮ信号を送出する。そして、ＲＥＮ信号は、送出先無線局の更新回数を増やした上で送出する。
【００４９】
発信元無線局Ｓは、宛先無線局Ｄとの通信を希望する毎に、無線局ＳからＤまでの複数のノード間分離ルートに関するルーティング基準指数γを計算する。これらの複数ルートから、発信元無線局Ｓはアクティブノードリストを調べて、（上述した通り）無線局ＳとＤの間においてゾーン間分離の程度が最大化されかつ最も短いマルチパス（すなわち、最小のルーティング基準指数γを有するマルチパス）を計算する。しかしながら、移動性及び情報浸透の遅さに起因して、発信元無線局が無線局ＳとＤの間の最小のルーティング基準指数γを有するマルチパスを完全に計算することは不可能な場合がある。こうした状況下で性能を向上させるため、各発信元無線局はその計算を周期的に実行し、そのルーティングの決定を適応的に修正する。
【００５０】
本実施形態においては、ＮＬＳテーブルを用いて、１つの隣接無線局のみに対して指向性アンテナでトポロジー情報を配布するため、従来の無指向性ビームを使用する場合（非特許文献６）に比べ遥かにオーバーヘッドを抑えることができる。また、更新回数の活用により、周辺無線局の最新性を平均化することができる。
【００５１】
以下、発信元無線局Ｓと宛先無線局Ｄの間に複数のパスが存在するときの各パスに対するルーティング基準指数γの計算方法について説明する。
【００５２】
図１３及び図１４に示されたようなルート間結合の影響は、アドホック無線ネットワーク内の各無線局において無指向性アンテナの代わりに指向性アンテナ（すなわち可変ビームアンテナ１０１）を使用すれば、大幅に劇的に軽減させることができる。指向性アンテナの使用は無線干渉を大幅に低減させることが可能であり、これによって無線媒体の利用が向上し、その結果ネットワークスループットが向上するということが示されている（例えば、非特許文献５参照。）。
【００５３】
本発明に係る実施形態で提案する、無線媒体におけるゾーン間分離ルートの概念では、１つのパス上のデータ通信が他のパスのデータ通信と電波干渉しない場合、両パスはゾーン間分離であるとされる。しかしながら、無指向性アンテナを使用してアドホック無線ネットワークにおいてゾーン間分離ルートを捕捉することは、あるいは部分的にゾーン間分離ルートを捕捉することであってさえも、各無線局１のサービスエリアが指向性アンテナの場合と比較して大きいことから困難である。無線局１−ｎが、無線局１−ｎに関して水平面内のビーム角θ及び送信範囲の半径Ｒで送信ビームを形成する場合、無線局１−ｎからの到達範囲はサービスエリアＡ_ｎ（θ）で定義され、θ×Ｒ^２／２に等しい。ビーム角θ＝２πの無指向性アンテナの場合、サービスエリアＡ_ｎ（２π）＝πＲ^２である。従って、無線局のサービスエリアを縮小させる、よってルート間結合を低減させる１つの方法は、ビーム角θが３６０゜を大幅に下回る指向性アンテナを使用することにある。
【００５４】
次に、ノード間分離ルートとゾーン間分離ルートの概念について説明する。これまでのアドホック無線ネットワークにおけるマルチパスルーティングに関する研究のほとんどは、適正な負荷バランス化による有効なマルチパスルーティングのために、発信元無線局Ｓ及び宛先無線局Ｄ間の複数のノード間分離パス／ノード間分離の程度が最大化されたパスを発見しようとしている。無線局Ｓ及びＤ間の２つ（又は３つ以上の複数）のパスは、無線局Ｓ及びＤ以外に共通の無線局を共用していない場合に、「ノード間分離」であると呼ばれる。しかしながら、無線環境におけるルート間結合に起因して、ノード間分離ルートはこのコンテキストにおける改善された性能のための十分条件ではあり得ない。本実施形態では、無線媒体における「ゾーン間分離ルート」の概念を提案し、ここでは、１つのパス上でのデータ通信が他のパスにおけるデータ通信と電波干渉しない場合に両パスはゾーン間分離と呼ばれる。言いかえれば、無線局ＳとＤとの間の２つ（又は３つ以上の複数）のパスは、両者間のルート間結合がゼロのとき、「ゾーン間分離」と呼ばれる。
【００５５】
非特許文献４では、相関係数ηを使用してルート間結合の影響が測定されている。この文献では、パスｐにおける無線局１−ｎの相関係数η^ｎ（ｐ）は、パスｐに属さない、無線局１−ｎのアクティブな隣接無線局の個数として定義され（パスｐに対する、無線局１−ｎのサービスエリア内の他の無線局１の無線リンクの結合の度合いを表す。）、ここで、無線局１−ｎのアクティブな隣接無線局とは、その瞬間において無線局１−ｎのサービスエリア内で任意の通信プロセスに能動的（アクティブ）に関与している（通信状態にある）無線局として定義されている。例えば、図１４では、発信元無線局Ｓ及び宛先無線局Ｄが２つのパス｛Ｓ−１ａ−１ｂ−１ｃ−Ｄ｝及び｛Ｓ−１ｄ−１ｅ−１ｆ−Ｄ｝を使用して通信している。従って、このコンテキストの通信では、全ての無線局がアクティブな無線局である。ここで、無線局１ａのアクティブな隣接無線局は｛Ｓ，１ｄ，１ｅ，１ｂ｝である。よって、パスｐ、すなわちパスｐ｛Ｓ−１ａ−１ｂ−１ｃ−Ｄ｝における無線局１ａの相関係数は、η^ａ（ｐ）＝「パスｐに属さないアクティブな隣接無線局の数」、すなわち２である。
【００５６】
パスｐの相関係数η、すなわちη（ｐ）は、パスｐにおけるすべての無線局１の相関係数の和として定義される。言い換えると、パスｐの相関係数は、パスｐ上の無線局と他のパス上の無線局との間のリンク数を計数したものになる。相関係数η（ｐ）＝０のとき、パスｐを、他の全てのアクティブなパスに対してゾーン間分離であるという。ここで、アクティブなパスとは、その時点で通信プロセスに関与しているパスを指す。相関係数η（ｐ）＝０でなければ、パスｐは他のアクティブなパスと相関係数ηで関連する。
【００５７】
相関係数が大きいほど、両方のパスに対する平均のエンド・ツー・エンドの遅延時間は大きくなることが分かっている（非特許文献４）。これは、２つのパスの相関係数が大きくなるほど、無線伝搬の持つブロードキャストの特徴により、２つのパスが互いの伝送に電波干渉する機会が増大するためである。それに加えて、相関係数が大きいほど、複数のパスに沿ったエンド・ツー・エンドの遅延時間の差も大きくなる。この研究に基づくと、アドホック無線ネットワークにおけるマルチパスルーティングの成功は、複数ルート間の相関係数に大きく依存すると結論することができる。
【００５８】
しかしながら、無指向性アンテナを使用する場合、完全なゾーン間分離ルートを捕捉することは困難である。図１４が示すように、ノード無線局１ａ及び１ｄは両方とも発信元無線局Ｓの無指向性の送信範囲内にあるため、発信元無線局Ｓからノード無線局１ａへのＲＴＳは同時に宛先無線局Ｄを使用不能にする。同様に、ノード無線局１ｃ及び１ｆは両方とも宛先無線局Ｄの無指向性の送信範囲内にあるため、宛先無線局ＤからのＣＴＳはノード無線局１ｃ及び１ｆを共に使用不能にする。従って、無線局Ｓ及びＤ間の２つのマルチパスと無指向性アンテナを使用する場合、最小の可能な相関係数ηの値は２である。これを、最小相関係数η^ｍｉｎという。より詳しく定義すると、最小相関係数η^ｍｉｎは、パス中のノードの相関係数のうちで、最小の相関係数の値である。
【００５９】
可変ビームアンテナ１０１の場合、これらの２つのルートを分離（デカップリング）してこれらを完全なゾーン間分離にすることが可能である。例えば、図６における各無線局１が可変ビームアンテナ１０１を使用し、各無線局１がそのサービスエリアをその目標となる無線局１のみに向けて設定すれば、パス｛Ｓ−１ａ−１ｂ−１ｃ−Ｄ｝間の通信がパス｛Ｓ−１ｄ−１ｅ−１ｆ−Ｄ｝間の通信に影響することはない。図６は、図１と同様なアドホック無線ネットワークにおいて、発信元無線局Ｓと宛先無線局Ｄとの間に相関係数ηが０である２つのパス｛Ｓ−１ａ−１ｂ−１ｃ−Ｄ｝及び｛Ｓ−１ｄ−１ｅ−１ｆ−Ｄ｝が存在するときの、パス上の各無線局の配置及びアンテナ放射パターンを示す平面図である。図１４に示された従来技術の場合では、パス｛Ｓ−１ａ−１ｂ−１ｃ−Ｄ｝及び｛Ｓ−１ｄ−１ｅ−１ｆ−Ｄ｝間の相関係数ηが７であったのに対して、図６の本実施形態の場合では２つのパス間でゾーン間分離を達成していることが分かる。従って、無指向性アンテナを用いたときの最小相関係数η^ｍｉｎ（無指向性）＝２に対して、指向性アンテナを用いたときの最小相関係数η^ｍｉｎ（指向性）＝０となる。
【００６０】
その結果、無指向性アンテナを使用して最小の相関係数を有する複数のゾーン間分離ルートを捕捉したとしても、最良の場合における宛先無線局へのパケット到着レートは２×ｔ_ｐ毎に１パケットとなる。ここで、時間ｔ_ｐはパスｐ上のトラフィックストリームのパケットに関する、１ホップ毎の平均遅延時間である。この最良の場合では、エラーのないパケット伝送による、ネットワーク内の発信元無線局Ｓから宛先無線局Ｄまでの単一のトラフィックストリームを仮定している。これに対して、可変ビームアンテナ１０１を使用すれば、宛先無線局における最良の場合のパケット到着レートは時間ｔ_ｐ毎に１パケットとなる。図７（本実施形態）及び図１５（従来技術）のタイミングチャートは、この点を示したものである。
【００６１】
図１４を参照し、各無線局１に無指向性アンテナが設けられていると仮定する。さらに、図示された２つのパスは最小の相関係数、すなわちη＝２を有すると仮定する。これは、ノード無線局｛１ａ，１ｂ，１ｃ｝及びノード無線局｛１ｄ，１ｅ，１ｆ｝が互いに分離していることを含意している。以下、ｔ_ｐで時刻（タイミング）を表わすものとし、各時刻において１つのパケットが１つの無線局から他の無線局へ送信される。
【００６２】
図１５について考察すると、発信元無線局Ｓは時間区間Ｔ_０においてデータパケットＰ_１をノード無線局１ａへ送信しており、ノード無線局１ａは次の時間区間、すなわちＴ_１においてデータパケットＰ_１をノード無線局１ｂへ送信している。無指向性アンテナの場合、発信元無線局Ｓは時間区間Ｔ_１の間、ノード無線局１ａからＲＴＳを受信しているためにアイドル状態を保持している必要がある。従って、発信元無線局Ｓはその第２のパケットＰ_２を時間区間Ｔ_２になって初めてノード無線局１ｄ（第２のパスの最初のノード無線局）へと送ることができる。図１５にはパケットの遷移が示され、宛先無線局Ｄはパケットを１つおきの時間区間で受信する。無線局ＳとＤとの間のパス数を２つよりも増やしたとしても、無指向性アンテナを使用する場合は状況は改善されない。
【００６３】
しかしながら、可変ビームアンテナ１０１を使用すれば、ノード無線局１ａがパケットをノード無線局１ｂに送っているときに、発信元無線局Ｓはノード無線局１ｄへ同時にパケットを送ることができる。図７は、指向性アンテナを使用する場合における、図６の最小相関係数η＝０を有する２つのゾーン間分離パス｛Ｓ−１ａ−１ｂ−１ｃ−Ｄ｝及び｛Ｓ−１ｄ−１ｅ−１ｆ−Ｄ｝を介してパケットを伝送するときのタイミングチャートである。図７が示すように、可変ビームアンテナ１０１を使用する場合、宛先無線局Ｄは、２つのゾーン間分離パスによりすべての時間区間Ｔ_０，Ｔ_１，Ｔ_２，…にパケットを受信する。ここでは、可変ビームアンテナ１０１を使用する場合の２つのゾーン間分離パスは、この最良の場合の方法を達成するに十分であるということが注意される必要がある。
【００６４】
次に、複数の発信元無線局と複数の宛先無線局が存在するときの、マルチパスルーティングによる多重通信について説明する。ここまでは、無線局Ｓ及びＤの単一のペア上での通信について考察してきた。しかしながら、同時通信に関わる無線局Ｓ及びＤの複数のペアについて考察すると状況は悪くなる。各無線局ＳとＤのペアは、両者間の可能な限り最小の相関係数ηで、両者間の２つのマルチパスを選択するものとする。しかしながら、複数の無線局ＳとＤのペアのコンテキストにおいては、例えば無線局Ｓ１及びＤ１間の２つのマルチパスがゾーン間分離であるとしても、それらのパスは、例えば無線局Ｓ２及びＤ２間の他のアクティブなルートに結合（カップリング）される場合がある。従って、全てのアクティブなルートについて考察し、そのそれぞれについて他のアクティブなルートに関連する相関係数ηを発見して、お互いに関してだけでなくシステム内の全てのアクティブなルートに関してゾーン間分離の程度が最大化されているような無線局ＳとＤのペア間の最大ゾーン間分離マルチパスを決定することが不可欠である。
【００６５】
しかしながら、このことだけでは性能の改善には十分でない。マルチパスルーティングにおいては、パス長もまた他の重要なファクタである（非特許文献４）。より多いホップ数Ｈを有するより長いパスは、エンド・ツー・エンドの遅延時間を増大させ、帯域幅をさらに浪費する。従って、無線局ＳとＤのペア間のより長いバイパスルートが小さな相関係数ηを有していても、エンド・ツー・エンドの遅延時間の短縮にはさほど効果的とはなり得ない。この問題に対処するため、われわれは、相関係数ηとホップ数Ｈとの積を最小化することをルート選択の基準にしている。この積の値を最小化すると、ゾーン間分離の程度が最大化された最短パスを得ることができる。この積の値を、ルーティング基準指数γ（＝η×Ｈ）という。
【００６６】
しかしながら、これは、トポロジー及び通信パターンが変化するアドホック無線ネットワークの動的な環境においては困難なタスクである。この困難さを緩和するための近似解については、後に議論される。ここでは、複数の無線局ＳとＤのペアにおけるゾーン間分離の程度が最大化されかつ最短のマルチパスを発見する機構について議論し、このコンテキストにおいて、無指向性アンテナを凌ぐ可変ビームアンテナ１０１の有効性を示す。この目的に沿って、われわれはまず、シミュレーション環境において静的シナリオを仮定した。各無線局は、ネットワークにおける正確なトポロジー及び通信パターンを認識していると仮定する。無線局ＳとＤの間のゾーン間分離の程度が最大化されかつ最短のパスを求めるに当たっては、図８のフローチャートに示されたアルゴリズムを使用している。
【００６７】
図８は、トラヒックモニタ部１０５内の管理制御部１５１によって実行されるルーティング及び通信処理を示すフローチャートである。
【００６８】
図８のステップＳ１において、ＧＬＳテーブルを参照して、発信元無線局Ｓと宛先無線局Ｄの間において、ホップ数Ｈが最大値Ｈｍａｘよりも小さく、かつ互いにノード間分離であるすべてのパスｐ１，…，ｐｎを検索して見つける。本実施形態では、ホップ数の最大値Ｈｍａｘを例えば５に設定する。ステップＳ２において、すべてのパスｐ１，…，ｐｎをアクティブであると仮定して設定し（みなし）、ＧＬＳテーブル内のパスｐ１，…，ｐｎに含まれるノード無線局に対する通信状態フラグ値を１にする。このとき、ＧＬＳテーブル内の通信状態フラグ値が１であるのは、無線局Ｓ及びＤのペア間で検索されたパス上のノード無線局と、無線局Ｓ及びＤ以外の、実際に通信中の発信元無線局及びあて先無線局のペア間のアクティブなパス上のノード無線局とについてである。
【００６９】
ステップＳ３において、ステップＳ２で発見されたパス数が２個以下ならばステップＳ６に進む。そうでないならば、次にステップＳ４において、ＧＬＳテーブルを参照し、ステップＳ２で各アクティブであると仮定して設定された（みなされた）パスｐｉについて、発信元無線局Ｓ及び宛先無線局Ｄ間のパスｐｉ以外の他のアクティブであると仮定して設定された（みなされた）パスに対するパスｐｉの相関係数を計算し、無線局Ｓ及びＤ以外の発信元無線局及び宛先無線局間のアクティブなパスに対するパスｐｉの相関係数を計算し、計算された２種類の相関係数の和にパスｐｉのホップ数Ｈを乗算することにより、パスｐｉのルーティング基準指数γを計算する。このステップＳ４は、アクティブであると仮定して設定された（みなされた）すべてのパスｐｉに対するルーティング基準指数γが計算されるまで反復される。相関係数の計算は、詳しくは、前述されたように、パスｐｉ上の各無線局のサービスエリア内に存在する、発信元無線局Ｓ及び宛先無線局Ｄ間のパスｐｉ以外の他のアクティブであると仮定して設定された（みなされた）パス上の無線局（すなわち、パスｐｉ上の無線局に対する干渉局）の個数と、無線局Ｓ及びＤ以外の発信元無線局及び宛先無線局間のアクティブなパス上の無線局（パスｐｉ上の無線局に対する干渉局）の個数とを計算し、計算された無線局（干渉局）の個数をパスｐｉ毎に加算することによって実行される。
【００７０】
次いで、ステップＳ５において、最大のルーティング基準指数γを有するパスをアクティブでないと仮定して設定し（みなし）、ＧＬＳテーブル内の当該パスに含まれるノード無線局に対する通信状態フラグ値を０にする。ステップＳ５の後で再び、ステップＳ３において、アクティブであると仮定して設定された（みなされた）パスの個数が２以下であるか否かを決定する。ステップＳ３がＮＯのときはステップＳ４を繰り返し、アクティブであると仮定して設定された（みなされた）パスの個数が２個になるまで（すなわち、最大のルーティング基準指数γを有する２個のパスが発見されるまで）ステップＳ３乃至Ｓ５を反復する。この反復で、ステップＳ５によってパスの個数が減少するたびにステップＳ４においてルーティング基準指数を再計算しているのは、無線局Ｓ及びＤ間のアクティブであると仮定して設定された（みなされた）パスの個数が変化することによって、各アクティブであると仮定して設定された（みなされた）パスに関する他のパスとの相関係数が変化するからである。フローの中で、仮にステップＳ１で３個以上のパスが検索された場合に、ステップＳ４の計算においてすべてのパスをアクティブであると仮定して設定された（みなされた）ことは、最終的な状態（すなわち２つのパスのみがアクティブである状態）との相違、又はある種の近似を含むことになる。
【００７１】
ステップＳ３がＹＥＳになったとき、ステップＳ６に進む。ステップＳ６において、発信元無線局Ｓ及び宛先無線局Ｄ間で最終的にアクティブであると仮定して設定された（みなされた）２つのパス（パスｐａ，ｐｂという。）に含まれるノード無線局に対するアクティブノードリスト情報を、ＬＶＮＦ基準に従って他のノード無線局に送信し、各ノード無線局のＧＬＳテーブルを更新させる。次いで、ステップＳ７において、発信元無線局Ｓは、パケットのヘッダ等に含まれたルーティング情報を中継することに基づいて、これらのパスｐａ，ｐｂを介して宛先無線局と通信する。この通信は、発信元無線局Ｓから宛先無線局Ｄへの１方向の通信のみに限定されず、これら２つの無線局間の双方向の通信であってもよい。通信終了後、ステップＳ８において、ＧＬＳテーブル内のパスｐａ，ｐｂに含まれるノード無線局に対する通信状態フラグ値を０にし、パスｐａ，ｐｂに含まれるノード無線局に対するアクティブノードリスト情報を、ＬＶＮＦ基準に従って他のノード無線局に送信し、各ノード無線局のＧＬＳテーブルを更新させる。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態によれば、発信元無線局Ｓはルーティング基準指数γを高速に計算して、宛先無線局Ｄとの通信を実行することができる。
【００７３】
＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態に係る無線ネットワークのためのルーティング方法について説明する。本実施形態は、第１の実施形態に対して、トラヒックモニタ部１０５内の管理制御部１５１によって実行されるルーティング及び通信処理のみが異なっている。
【００７４】
図９は、本発明の第２の実施形態であるアドホック無線ネットワークにおいて、トラヒックモニタ部１０５内の管理制御部１５１によって実行されるルーティング及び通信処理を示すフローチャートである。
【００７５】
図９のステップＳ１１において、ＧＬＳテーブル内の通信状態フラグ値を０に初期化する。ステップＳ１２において、ＧＬＳテーブルを参照して、発信元無線局Ｓと宛先無線局Ｄの間において、ホップ数Ｈが最大値Ｈｍａｘよりも小さく、かつ互いにノード間分離であるすべてのパスｐ１，…，ｐｎを検索して見つける。ステップＳ１３において、検索されたすべてのパスｐ１，…，ｐｎの中で２個のパスｐｉ，ｐｊ（１対のパス）を選択してそれらをアクティブであると仮定して設定し（みなし）、ＧＬＳテーブル内のパスｐｉ，ｐｊに含まれるノード無線局に対する通信状態フラグ値を１にする。このとき、ＧＬＳテーブル内の通信状態フラグ値が１であるのは、無線局Ｓ及びＤのペア間のパスｐｉ，ｐｊ上のノード無線局と、無線局Ｓ及びＤ以外の、実際に通信中の発信元無線局及びあて先無線局のペア間のアクティブなパス上のノード無線局とについてである。次にステップＳ１４において、ＧＬＳテーブルを参照し、パスｐｊに対するパスｐｉの相関係数を計算し、無線局Ｓ及びＤ以外の発信元無線局及び宛先無線局間のアクティブなパスに対するパスｐｉの相関係数を計算し、計算された２種類の相関係数の和にパスｐｉのホップ数Ｈを乗算することにより、パスｐｉのルーティング基準指数γ_ｉ，ｊを計算する。相関係数の計算は、詳しくは、前述されたように、パスｐｉ上の各無線局のサービスエリア内に存在する、パスｐｊ上の無線局（すなわち、パスｐｉ上の無線局に対する干渉局）の個数と、無線局Ｓ及びＤ以外の発信元無線局及び宛先無線局間のアクティブなパス上の無線局（パスｐｉ上の無線局に対する干渉局）の個数とを計算し、計算された無線局（干渉局）の個数を加算することによって実行される。
【００７６】
ステップＳ１５でも同様に、ＧＬＳテーブルを参照し、パスｐｉに対するパスｐｊの相関係数を計算し、無線局Ｓ及びＤ以外の発信元無線局及び宛先無線局間のアクティブなパスに対するパスｐｊの相関係数を計算し、計算された２種類の相関係数の和にパスｐｊのホップ数Ｈを乗算することにより、パスｐｊのルーティング基準指数γ_ｊ，ｉを計算する。次いで、ステップＳ１６において、ルーティング基準指数γ_ｉ，ｊ及びγ_ｊ，ｉの平均値γを計算し、ＧＬＳテーブル内のパスｐｉ，ｐｊに含まれるノード無線局に対する通信状態フラグ値を０にする。ステップＳ１３乃至Ｓ１６は、ステップＳ１７において、パスｐ１，…，ｐｎのうちのすべての組み合わせのパスの対に関してルーティング基準指数γを計算したと判断されるまで反復される。ステップＳ１７がＮＯであるときは、ステップＳ１３に戻って別の組み合わせのパスの対をアクティブであるとみなして、そのルーティング基準指数γを計算し、ステップＳ１７がＹＥＳであるときはステップＳ１８に進む。
【００７７】
ステップＳ１８において、最小のルーティング基準指数γに対応する１対のパス（以下、パスｐａ，ｐｂという。）を選択し、ＧＬＳテーブル内のパスｐａ，ｐｂに含まれるノード無線局に対する通信状態フラグ値を１にする。ステップＳ１９において、パスｐａ，ｐｂに含まれるノード無線局に対するアクティブノードリスト情報を、ＬＶＮＦ基準に従って他のノード無線局に送信し、各ノード無線局のＧＬＳテーブルを更新させる。次いで、ステップＳ２０において、発信元無線局Ｓは、パケットのヘッダ等に含まれたルーティング情報を中継することに基づいて、これらのパスｐａ，ｐｂを介して宛先無線局と通信する。通信終了後、ステップＳ２１において、ＧＬＳテーブル内のパスｐａ，ｐｂに含まれるノード無線局に対する通信状態フラグ値を０にし、パスｐａ，ｐｂに含まれるノード無線局に対するアクティブノードリスト情報を、ＬＶＮＦ基準に従って他のノード無線局に送信し、各ノード無線局のＧＬＳテーブルを更新させる。
【００７８】
第１及び第２の実施形態に係るルーティング及び通信処理の計算量を比較するために、ステップＳ１及びステップＳ１１で８個のパスが検索された場合について考察する。第１の実施形態では、ステップＳ４を１回目に実行するとき８個のパスについて相関係数ηを計算し、ステップＳ５で最大のルーティング基準指数γを有するパスをアクティブでないとみなし、ステップＳ４を２回目に実行するときに７個のパスについて相関係数ηを計算し、ステップＳ５で最大のルーティング基準指数γを有するパスをアクティブでないとみなし、以下、パスの個数が２個になるまで繰り返すので、計算量を８＋７＋６＋５＋４＋３＝３３を表すことができる。一方、第２の実施形態では、８個のパスのうちのすべての組み合わせのパスの対に対して、ステップＳ１４及びＳ１５を実行する必要があるので、計算量を_８Ｃ_２×２＝５６と表すことができる。
【００７９】
本実施形態のルーティング及び通信処理によれば、計算量は第１の実施形態に比べて増大するが、第１の実施形態のルーティング及び通信処理のような近似（図８のステップＳ４を参照）を含まないので、第１の実施形態に比べてより正確にルーティング基準指数γを計算することができる。
【００８０】
【実施例】
図１０は、図１のアドホック無線ネットワークにおいて、無指向性アンテナを用いたときの無線局の個数に対する相関係数ηを示すグラフである。
【００８１】
発明者らは、可変ビームアンテナ１０１を使用して２つのゾーン間分離パスより成るセットを捕捉する方が無指向性アンテナを使用する場合より格段に容易であることを確認するために、シミュレーションによる調査を行った。この調査では、無線局を１０００×１５００個の領域に所定の密度でランダムに配置した。発信元無線局と宛先無線局とは、それらが複数のホップで互いに離隔されるようにランダムに選択された。まず、全ての無線局１に、固定されたサービスエリアを有する可変ビームアンテナ１０１が設けられていることを仮定した。各可変ビームアンテナ１０１が形成するビームの送信ゾーン角度は６０゜であると仮定している。選択された発信元無線局と宛先無線局との間には、２つのゾーン間分離ルートが発見された。２つのゾーン間分離ルートがその発信元無線局と宛先無線局のペアには利用可能でないならば、他の発信元無線局と宛先無線局のペアが選択された。次に、各無線局が無指向性アンテナを有していると仮定して、可変ビームアンテナ１０１の場合はゾーン間分離であるこれらの２つのルート間の相関係数η_ｏｍｎｉを計算した。この実験を、２５個の発信元無線局と宛先無線局のペアについて繰り返した。先にも述べたように、各ケースにおいて、可変ビームアンテナ１０１を用いたときの相関係数η_ｄｉｒはゼロであり、無指向性アンテナを備えたときの相関係数η_ｏｍｎｉについて計算している。次に、相関係数η_ｏｍｎｉの平均値を求めた。次に無線局の分布密度を変えて、同じ実験を繰り返した。
【００８２】
図１０に、以上説明したシミュレーションの結果が示されている。システム内の無線局数が増大するにつれて、相関係数η_ｏｍｎｉの平均値も増大している。しかしながら、可変ビームアンテナ１０１を備えたときの相関係数η_ｄｉｒはすべてのケースを通じてゼロである。これは、異なる無線局の密度でも可変ビームアンテナ１０１を使用すればゾーン間分離パスを捕捉することが可能であるが、可変ビームアンテナ１０１を使用する場合のこれらのゾーン間分離パスは、無指向性アンテナを代用した場合には高い相関係数を有するということを表している。
【００８３】
次に、複数の発信元無線局と複数の宛先無線局が存在するときの、マルチパスルーティングを用いた多重通信に関するシミュレーション結果を説明する。
【００８４】
図１１は、図１のアドホック無線ネットワークにおいて、同時通信数に対する、発信元無線局Ｓと宛先無線局Ｄの間のマルチパスに対するルーティング基準指数γの平均値を示すグラフである。シミュレーションはまず、無線局Ｓ及びＤの単一のペア間の２つのゾーン間分離の程度が最大化された最短のパスを発見することから始まる。次に、無線局ＳとＤのペアの数を１つずつ増やし、新しく加えた無線局ＳとＤのペアにおいてゾーン間分離の程度が最大化された最短のパスを計算し、最初の無線局ＳとＤのペアにおけるマルチパスのルーティング基準指数γを計算し直し、複数の同時通信が最初の無線局ＳとＤのペアにおけるマルチパスのルーティング基準指数γの値に与える影響を観察する。
【００８５】
この実験を、いくつかのセットの無線局ＳとＤのペアと、可変ビームアンテナ１０１及び無指向性アンテナの双方とを使用して繰り返す。図１１に示された結果は、無指向性アンテナを使用した場合にルーティング基準指数γの増大がかなり急激であることを示している。これは、システムにおける無線局ＳとＤのペア数が増大するにつれて、特定の無線局ＳとＤのペアの他のアクティブなルートに関するルート間結合は、無指向性アンテナの場合において、可変ビームアンテナ１０１の場合に比較して格段に速く増加することを含意している。
【００８６】
次に、可変ビームアンテナ１０１を使用するマルチパスルーティングの性能に関するシミュレーション結果を示す。図１２は、図１のアドホック無線ネットワークにおいて、同時通信数に対するエンド・ツー・エンドの遅延時間の平均値を示すグラフである。
【００８７】
移動性及び情報浸透の遅さに起因して、発信元無線局が無線局ＳとＤの間のゾーン間分離の程度が最大化された最短のマルチパスを完全に計算することは不可能な場合がある。こうした状況下で性能を向上させるため、各発信元無線局はその計算を周期的に実行し、そのルーティングの決定を適応的に修正する。われわれが行ったシミュレーション環境にはこの点を組み込み、無指向性アンテナと可変ビームアンテナ１０１を用い、同時の通信の個数を増大させて、選択された無線局ＳとＤのペアのセット間のパケット当たりの平均のエンド・ツー・エンドの遅延時間を観察した。タイミングに関する仮定は、上述したものと同じである。図１２は、その結果を示している。縦軸の単位は、１個のパケットをある無線局から他の無線局へ１ホップで送信するときの平均の所要時間である。結果は、同時通信数が増えるにつれて、パケット当たりの平均のエンド・ツー・エンドの遅延時間は、可変ビームアンテナ１０１の場合よりも無指向性アンテナを使用する場合の方が格段に急増することを示している。これは、図１１が示す現象の当然の帰結であり、複数パスを使用するルーティング性能については、無指向性アンテナを使用する場合よりも可変ビームアンテナ１０１を使用する方が格段に向上すると結論することができる。
【００８８】
以上説明したように、本発明に係る実施形態によれば、指向性アンテナがマルチパスルーティングに及ぼす効果を調査し、無指向性アンテナを使用するマルチパスルーティングに対してその有効性を比較した。結論として、複数のパスを使用するルーティング性能は、無指向性アンテナを使用する場合に比べて指向性アンテナを使用する方が格段に向上したといえる。アドホック無線ネットワークにマルチパスルーティングの技術を応用したことによって、信頼性の低い無線リンク及び絶えず変化するトポロジーによる影響を減少させることができる。さらに、アドホック無線ネットワークにおいて、エンド・ツー・エンドの遅延時間の短縮及び負荷のバランス化の実行を促進させることもできる。
【００８９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る無線ネットワークのためのルーティング方法又は無線通信システムによれば、複数の無線局間のリンク状態を表す情報テーブルに基づいて、発信元の無線局と宛先の無線局との間で、少なくとも１つの無線局を中継局として含みかつ互いに共通の無線局を中継局として含まない複数のパスを検索し、
上記無線ネットワークにおいて、上記検索された複数のパス上の無線局を無線通信中の無線局として仮定して設定し、
上記設定された無線通信中の無線局に基づいて、上記各パス上の上記各無線局のサービスエリア内に存在する他の通信中の無線局の個数を計算し、上記計算された通信中の無線局の個数を上記各パス毎に加算することによって、上記各パスに対する、当該パス自体に含まれない他の通信中の無線局との間の電波干渉性に関する結合の度合いを表す相関係数を計算し、上記計算した各パスに対する相関係数に当該パスのホップ数を乗算することにより、他の通信中の無線局から電波干渉無く離間しかつ最短のパスを検索するためのルーティング基準指数を計算し、
上記計算された各パスに対するルーティング基準指数のうち、最大の基準指数を有するパスに含まれる無線局を通信中でない無線局として設定し、
上記各パスに対してルーティング基準指数を計算する処理と、上記最大の基準指数を有するパスに含まれる無線局を通信中でない無線局として設定する処理とを繰り返し、より小さい２個の基準指数を有する１対のパスを上記発信元の無線局と宛先の無線局との間の２個のパスとして選択し、上記選択した２個のパスを用いてルーティングするように制御する。
【００９０】
また、別の発明に係る無線ネットワークのためのルーティング方法又は無線通信システムによれば、複数の無線局間のリンク状態を表す情報テーブルに基づいて、発信元の無線局と宛先の無線局との間で、少なくとも１つの無線局を中継局として含みかつ互いに共通の無線局を中継局として含まない複数のパスを検索し、
上記無線ネットワークにおいて、上記検索された複数のパスのうちの各１対のバス上の無線局を通信中の無線局として仮定して設定し、上記各１対のパス上の上記各無線局のサービスエリア内に存在する他の通信中の無線局の個数を計算し、上記計算された通信中の無線局の個数を上記各１対のパス毎に加算することによって、上記各１対のパスに対する、当該パス自体に含まれない他の通信中の無線局との間の電波干渉性に関する結合の度合いを表す相関係数を計算し、上記計算した各１対のパスに対する相関係数に当該パスのホップ数を乗算することにより、他の通信中の無線局から電波干渉無く離間しかつ最短のパスを検索するための上記各１対のパスに対するルーティング基準指数を計算し、
上記計算した各１対のパスに対するルーティング基準指数のうち、より小さい２個の基準指数を有する１対のパスを上記発信元の無線局と宛先の無線局との間の２個のパスとして選択し、上記選択した２個のパスを用いてルーティングするように制御する。
【００９１】
従って、複数の無線局間のリンク状態を表す情報テーブルに基づいて、最小の相関係数と最短ホップ数という基準で、従来技術に比較して、より少ない計算量で、１対のパスを検索して、マルチパスルーティングすることができ、このとき、エンド・ツー・エンドの遅延時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の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１の可変ビームアンテナ１０１のセクタビームパターンの一例を示す図である。
【図４】図２のデータベースメモリ１５４に格納される隣接リンク状態テーブル（ＮＬＳテーブル）の一例を示す図である。
【図５】図２のデータベースメモリ１５４に格納されるグローバルリンク状態テーブル（ＧＬＳテーブル）の一例を示す図である。
【図６】図１と同様なアドホック無線ネットワークにおいて、発信元無線局Ｓと宛先無線局Ｄとの間に相関係数ηが０である２つのパス｛Ｓ−１ａ−１ｂ−１ｃ−Ｄ｝及び｛Ｓ−１ｄ−１ｅ−１ｆ−Ｄ｝が存在するときの、パス上の各無線局の配置及びアンテナ放射パターンを示す平面図である。
【図７】図６の２つのパス｛Ｓ−１ａ−１ｂ−１ｃ−Ｄ｝及び｛Ｓ−１ｄ−１ｅ−１ｆ−Ｄ｝を介してパケットを伝送するときのタイミングチャートである。
【図８】図２のトラヒックモニタ部１０５内の管理制御部１５１によって実行されるルーティング及び通信処理を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施形態であるアドホック無線ネットワークにおいて、図２のトラヒックモニタ部１０５内の管理制御部１５１によって実行されるルーティング及び通信処理を示すフローチャートである。
【図１０】図１のアドホック無線ネットワークにおいて、無指向性アンテナを用いたときの無線局の個数に対する相関係数ηを示すグラフである。
【図１１】図１のアドホック無線ネットワークにおいて、同時通信数に対する、発信元無線局Ｓと宛先無線局Ｄの間のマルチパスに対するルーティング基準指数γの平均値を示すグラフである。
【図１２】図１のアドホック無線ネットワークにおいて、同時通信数に対するエンド・ツー・エンドの遅延時間の平均値を示すグラフである。
【図１３】従来技術に係るマルチパスルーティングであって、発信元無線局Ｓと宛先無線局Ｄとの間に２つのパス｛Ｓ−ｘ１−ｘ２−Ｄ｝及び｛Ｓ−ｙ１−ｙ２−Ｄ｝が存在するときに各パス間でルート間結合が生じていることを示す、パス上の各無線局及びルートの平面配置図である。
【図１４】従来技術に係るマルチパスルーティングであって、発信元無線局Ｓと宛先無線局Ｄとの間に、複数のルート間結合を含む２つのパス｛Ｓ−１ａ−１ｂ−１ｃ−Ｄ｝及び｛Ｓ−１ｄ−１ｅ−１ｆ−Ｄ｝が存在するときの、パス上の各無線局の配置及びアンテナ放射パターンを示す平面図である。
【図１５】図１４の２つのパス｛Ｓ−１ａ−１ｂ−１ｃ−Ｄ｝及び｛Ｓ−１ｄ−１ｅ−１ｆ−Ｄ｝を介してパケットを伝送するときのタイミングチャートである。
【符号の説明】
１，１−１乃至１−９，１ａ乃至１ｆ，Ｓ，Ｄ…無線局、
１０１…可変ビームアンテナ、
１０２…サーキュレータ、
１０３…指向制御部、
１０４…パケット送受信部、
１０５…トラヒックモニタ部、
１０６…回線制御部、
１０７…上位レイヤー処理装置、
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、
１５１…管理制御部、
１５２…検索エンジン、
１５３…更新エンジン、
１５４…データベースメモリ、
１５５…クロック回路、
１６０…拡散符号発生器、
２００乃至２０４…サービスエリア。

Claims (4)

1. 複数の無線局を備え、各無線局間で無線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、
   上記複数の無線局間のリンク状態を表す情報テーブルに基づいて、発信元の無線局と宛先の無線局との間で、少なくとも１つの無線局を中継局として含みかつ互いに共通の無線局を中継局として含まない複数のパスを検索する第１のステップと、
   上記無線ネットワークにおいて、上記検索された複数のパス上の無線局を無線通信中の無線局として仮定して設定する第２のステップと、
   上記設定された無線通信中の無線局に基づいて、上記各パス上の上記各無線局のサービスエリア内に存在する他の通信中の無線局の個数を計算し、上記計算された通信中の無線局の個数を上記各パス毎に加算することによって、上記各パスに対する、当該パス自体に含まれない他の通信中の無線局との間の電波干渉性に関する結合の度合いを表す相関係数を計算し、上記計算した各パスに対する相関係数に当該パスのホップ数を乗算することにより、他の通信中の無線局から電波干渉無く離間しかつ最短のパスを検索するためのルーティング基準指数を計算する第３のステップと、
   上記計算された各パスに対するルーティング基準指数のうち、最大の基準指数を有するパスに含まれる無線局を通信中でない無線局として設定する第４のステップと、
   上記第３及び第４のステップを繰り返し、より小さい２個の基準指数を有する１対のパスを上記発信元の無線局と宛先の無線局との間の２個のパスとして選択し、上記選択した２個のパスを用いてルーティングする第５のステップとを含むことを特徴とする無線ネットワークのためのルーティング方法。
2. 複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのための無線通信システムにおいて、
   上記複数の無線局間のリンク状態を表す情報テーブルに基づいて、発信元の無線局と宛先の無線局との間で、少なくとも１つの無線局を中継局として含みかつ互いに共通の無線局を中継局として含まない複数のパスを検索し、
   上記無線ネットワークにおいて、上記検索された複数のパス上の無線局を無線通信中の無線局として仮定して設定し、
   上記設定された無線通信中の無線局に基づいて、上記各パス上の上記各無線局のサービスエリア内に存在する他の通信中の無線局の個数を計算し、上記計算された通信中の無線局の個数を上記各パス毎に加算することによって、上記各パスに対する、当該パス自体に含まれない他の通信中の無線局との間の電波干渉性に関する結合の度合いを表す相関係数を計算し、上記計算した各パスに対する相関係数に当該パスのホップ数を乗算することにより、他の通信中の無線局から電波干渉無く離間しかつ最短のパスを検索するためのルーティング基準指数を計算し、
   上記計算された各パスに対するルーティング基準指数のうち、最大の基準指数を有するパスに含まれる無線局を通信中でない無線局として設定し、
   上記各パスに対してルーティング基準指数を計算する処理と、上記最大の基準指数を有するパスに含まれる無線局を通信中でない無線局として設定する処理とを繰り返し、より小さい２個の基準指数を有する１対のパスを上記発信元の無線局と宛先の無線局との間の２個のパスとして選択し、上記選択した２個のパスを用いてルーティング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無線通信システム。
3. 複数の無線局を備え、各無線局間で無線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、
   上記複数の無線局間のリンク状態を表す情報テーブルに基づいて、発信元の無線局と宛先の無線局との間で、少なくとも１つの無線局を中継局として含みかつ互いに共通の無線局を中継局として含まない複数のパスを検索するステップと、上記無線ネットワークにおいて、上記検索された複数のパスのうちの各１対のバス上の無線局を通信中の無線局として仮定して設定し、上記各１対のパス上の上記各無線局のサービスエリア内に存在する他の通信中の無線局の個数を計算し、上記計算された通信中の無線局の個数を上記各１対のパス毎に加算することによって、上記各１対のパスに対する、当該パス自体に含まれない他の通信中の無線局との間の電波干渉性に関する結合の度合いを表す相関係数を計算し、上記計算した各１対のパスに対する相関係数に当該パスのホップ数を乗算することにより、他の通信中の無線局から電波干渉無く離間しかつ最短のパスを検索するための上記各１対のパスに対するルーティング基準指数を計算するステップと、
   上記計算した各１対のパスに対するルーティング基準指数のうち、より小さい２個の基準指数を有する１対のパスを上記発信元の無線局と宛先の無線局との間の２個のパスとして選択し、上記選択した２個のパスを用いてルーティングするとを含むことを特徴とする無線ネットワークのためのルーティング方法。
4. 複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのための無線通信システムにおいて、
   上記複数の無線局間のリンク状態を表す情報テーブルに基づいて、発信元の無線局と宛先の無線局との間で、少なくとも１つの無線局を中継局として含みかつ互いに共通の無線局を中継局として含まない複数のパスを検索し、
   上記無線ネットワークにおいて、上記検索された複数のパスのうちの各１対のバス上の無線局を通信中の無線局として仮定して設定し、上記各１対のパス上の上記各無線局のサービスエリア内に存在する他の通信中の無線局の個数を計算し、上記計算された通信中の無線局の個数を上記各１対のパス毎に加算することによって、上記各１対のパスに対する、当該パス自体に含まれない他の通信中の無線局との間の電波干渉性に関する結合の度合いを表す相関係数を計算し、上記計算した各１対のパスに対する相関係数に当該パスのホップ数を乗算することにより、他の通信中の無線局から電波干渉無く離間しかつ最短のパスを検索するための上記各１対のパスに対するルーティング基準指数を計算し、
   上記計算した各１対のパスに対するルーティング基準指数のうち、より小さい２個の基準指数を有する１対のパスを上記発信元の無線局と宛先の無線局との間の２個のパスとして選択し、上記選択した２個のパスを用いてルーティング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無線通信システム。

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