JP2005130479A - アドホックネットワーク無線通信システム及びその無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アドホックネットワークの無線通信システムのＭＡＲＣＨ機構はＲＴＳ／ＣＴＳコントロールパケットの数を減らすために、むしろ隠れたホストの発生確率は著しく高くなりパケット衝突が生じやすくなる。
【解決手段】 １ホップごとにデータパケットをリレー方式で送信する本発明に係るアドホックネットワーク無線通信システムは、データパケットを送信するためにＲＴＳメッセージを送信する送信ノードと、送信ノードの次のホップに存し、送信ノードから受信されたＲＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージを送出する受信ノードと、を含む。この際、順次に続く受信ノードの相互間は送出されたＣＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージを送出し、送信ノードは、次のホップの受信ノードにより送出されたＣＴＳメッセージが所定の回数以上受信された場合に受信ノードにデータパケットを送信する。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、アドホックネットワークの無線通信システム及び無線通信方法に関し、特にＣＳＭＡ／ＣＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ／Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）プロトコルに基づくＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）プロトコルをマルチホップ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｈｏｐ）に拡張した場合、信頼性の高いマルチホップアドホック（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｈｏｐ Ａｄ−Ｈｏｃ）通信を可能にするアドホックネットワークの無線通信システム及びその方法に関する。

ハードウェア技術の発達とノート型パソコン、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などの携帯型端末機の普及及び需要が爆発的に増加することによって既存のＩＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）を基本とするデータ通信に無線移動通信の概念を結びつけるようとする動きが活発になっている。かかる流れの代表的な基盤技術がＭＰ（Ｍｏｂｉｌｅ ＩＰ：以下、移動ＩＰと称する）である。

現在、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）環境において移動ＩＰを使用するホストは現在のセル（Ｃｅｌｌ）を離れて新たなセルに移動する時、ＯＳＩ（Ｏｐｅｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）階層の中２つの階層でハンドオフ（Ｈａｎｄｏｆｆ）を行なわなければならない。ＭＡＣ階層で行なわれるハンドオフは、新たなセルで信頼性の高い無線リンク（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｌｉｎｋ）を確保するもので、ＩＰ階層で起る移動ＩＰハンドオフはＩＰアドレスの変化なしに移動中においてもサービスが受けられるようにしたホストの位置の透明性の提供を目的とする。

無線ＬＡＮは移動性（Ｍｏｂｉｌｉｔｙ）と拡張性（Ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ）を提供するデータ通信システムであって、既存の有線ＬＡＮに比べてその構築及び管理が容易であり、現在１１Ｍｂｐｓのデータ伝送速度を提供している。さらに、無線ＬＡＮ上で移動ホストはどこにあってもケーブルなしで有線ＬＡＮに接続することによりインターネットサービスを高速のデータ速度で受けることができる。

無線ＬＡＮの物理階層とデータリンク階層に対する標準は、現在ＩＥＥＥ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２.１１に規定されている。無線ＬＡＮは無線端末機でのみ構成されたアドホック（Ａｄ−ｈｏｃ）ネットワークあるいは有線ＬＡＮに接続されたインフラ（Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）ネットワークから構成される。

図１は、有線と無線のネットワークが結合されたインフラネットワークを概略的に示した図である。同図を参照すると、インフラネットワークは、ＢＳＳ（Ｂａｓｉｃ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｓｅｔ）、ＥＳＳ（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｓｅｔ）、ＡＰ（Ａｃｃｅｓｓ Ｐｏｉｎｔ）、ポータル（Ｐｏｒｔａｌ）、ＤＳ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）から構成されている。ＡＰは有線ネットワークと無線ネットワークとの間のブリッジであって、無線ホストをイサ―ネット（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ；登録商標）のような既存の有線ＬＡＮに接続する役割をし、ポータルを介して移動ホストはインターネットに接続できる。この際ＡＰを中心に１つのセルが形成されるが、これをＢＳＳという。多数個のＢＳＳが集まってＥＳＳを形成し、分散システムＤＳが移動ホストに伝達されるパケットのフォワード経路を決定することとなる。

図２は、アドホックネットワークを概略的に示した図である。

無線ＬＡＮは有線ネットワークとは異なりホストの位置がいつも変更される。従って、現在のセルから離れ他のセルに移動するホストにおいては通信リンクを再設定するために新たなＡＰを決める必要が生じる。係る過程をＭＡＣ階層におけるハンドオフあるいはローミング（Ｒｏａｍｉｎｇ）という。ＩＥＥＥ８０２.１１はスムーズなハンドオフのために掃引（Ｓｃａｎｎｉｎｇ）、再結合（Ｒｅ−ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）のような技法を提供している。以下、アドホックネットワークにおけるプロトコルにつき詳説する。

移動ホストはサービスの受けているＡＰ信号の強さが特定値より低くなると新たなＡＰを探索し最も大きな信号を有するＡＰを選択するが、係る過程を掃引という。この掃引技法はＡＰが決定されれば、移動ホストは再結合の過程を介して自分の存在を新たなＡＰに通報する。その後、ＡＰはＤＳに移動ホストの新たな位置情報を知らせ、ＤＳはホストの位置情報を更新する。

無線ＬＡＮは有線ＬＡＮと同一に物理的な媒体を共有するＣＳＭＡ方式を採用している。しかし、有線ＬＡＮとは異なり衝突が頻繁に発生する可能性がある。例えば、図２に示すように、ノードＣはノードＢの送信範囲内にはあるものの、ノードＡの送信範囲の外にある。従って、ノードＡがノードＢにメッセージを送信（または伝送）する間、ノードＣはノードＡがノードＢにメッセージを送信していることを検知できないため、ノードＣはノードＢにチャネルをアクセスしてメッセージを送信することができることとなる。この場合、ノードＣから送信されるメッセージはノードＢのメッセージ受信動作に対して干渉を引き起こし、ノードＣはノードＢから見てノードＡの隠れたホストまたは隠れた端末になる。係る問題を解決するためにＲＴＳ／ＣＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ／Ｃｌｅａｒ Ｔｏ Ｓｅｎｄ：送信要求／送信解消）を使用するＭＡＣＡ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）、ＭＡＣＡを選択的制御フレームを用いて改良したＭＡＣＡＷ（ＭＡＣＡ ｗｉｔｈ Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｍｅｎｔ）、不連続キャリアセンシング（Ｎｏｎ−ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ ｃａｒｒｉｅｒ ｓｅｎｓｉｎｇ）とＲＴＳ／ＣＴＳを共に使用するＦＡＭＡ（Ｆｌｏｏｒ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）、キャリアセンシングとＲＴＳ／ＣＴＳをサポートするＣＳＭＡ／ＣＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ／ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）のＩＥＥＥ８０２.１１ＭＡＣ、ＤＣＦ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）、及びＲＴＳ／ＣＴＳに基づいたＭＡＣプロトコルであるＤＢＴＭＡ（Ｄｕａｌ Ｂｕｓｙ Ｔｏｎｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）などのプロトコルが数多く研究されている。

図３は、ＭＡＣＡプロトコルを説明するために示した図である。同図に見られるように、データを送信するホストは、無線リンクが使用中であるか否かを確認する。もし、無線リンクが使用中であれば、一定の時間待機した後再度確認を試みる。以降、無線リンクが使用されていないことが確認されれば、ＲＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）という制御メッセージをブロードキャスト（Ｂｒｏａｄｃａｓｔ）する（＃１記号）。ＲＴＳメッセージには受信側のアドレスと送信時刻が記録されているが、これを介して無線リンクを使用しようとする周辺ホストはどの程度待機すべきかを見積もることができる。一方、ＲＴＳを受けたホストは衝突危険がない場合のみＣＴＳメッセージを送信ホストに送信する（＃２記号）。ＣＴＳを受けたホストは衝突のことを気にせずデータを送信し（＃３記号）、データ受信の確認に対するＡＣＫメッセージ（Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｍｅｓｓａｇｅ：確認メッセージ）を待つ（＃４記号）。もし、送信ホストがＡＣＫメッセージを受けることに失敗すれば、成功するまで一定の回数データを再送信する。

ＭＡＣＡプロトコルにおいて前述のようなＲＴＳ／ＣＴＳパケット交換を通して数多くの隠れたホストを除去できる。係る利点によりＩＥＥＥ８０２.１１ＤＣＦ機構ではＭＡＣＡＷ方式を導入してＤＣＦを標準化している。

図４は、ＭＡＣＡＷプロトコルの動作原理を示した図である。同図を参照すると、ノードＡが通信範囲の外にあるノードＤとの通信を行う場合、ノードＡは通信範囲内にあるノードＢにＲＴＳを送信する。ノードＢは受信されたＲＴＳに応じてＣＴＳを送出する。ノードＢによって送出されたＣＴＳがノードＡに到達すると、ノードＡは受信されたＣＴＳに応じてノードＢにパケットを送信し、ノードＢは受信されたパケットに応じてＡＣＫメッセージを送出する。ＡＣＫメッセージが送出された後にはネットワーク上での衝突を避けるためにランダムバックオフ（Ｒａｎｄｏｍ Ｂａｃｋｏｆｆ）時間を発生させる。その後、前記と同じ過程がノードＢからノードＣに、そしてノードＣからノードＤに適用されて行くことにより、ノードＡは通信範囲の外にあるノードＤと通信できるようになる。

ところが、ＭＡＣＡＷはワンホップ（ｏｎｅ−ｈｏｐ）を基礎としたアドホックネットワークに最適化した機構である。従って、図４に示したように、ＭＡＣＡＷの機構がマルチホップ（ｍｕｌｔｉ−ｈｏｐ）に拡張された場合、Ｎ回ホップの通信につき最小でも２Ｎ個のＲＴＳ／ＣＴＳコントロールパケットとＮ個のＡＣＫパケットが必要とされる。さらに、ホップごとにランダムバックオフ（ｒａｎｄｏｍ ｂａｃｋｏｆｆ）機構が求められる。このようなコントロールパケットとランダムバックオフ機構はマルチホップ環境においてネットワークオバヘッド（ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｖｅｒｈｅａｄ）の問題を生じ、かつ、縦列伝達遅延（ｅｎｄ−ｔｏ−ｅｎｄ ｄｅｌａｙ：終端−終端間遅延）を増加させる問題を有している。

さらに、ＲＴＳ／ＣＴＳパケットの交換を通して相当部分の隠れたホストは除去されたものの、マルチホップ環境では図５に示したように、隠れたホストの問題が依然として残っている。即ち、図５Ａに示しているように、ノードＡが通信範囲外のノードＥとの通信を行なう場合、ノードＡは通信範囲内にあるノードＢにＲＴＳメッセージを送信する。ノードＢは受信されたＲＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージを送出する。この際、ノードＢにより送出されたＣＴＳメッセージはノードＢの通信範囲内にあるノードＣにも伝達される。

もし、ノードＣがノードＤと通信しようとしてＲＴＳメッセージを送信すると、ノードＣにより送信されたＲＴＳメッセージはノードＢにも伝達されるのである。この場合、ノードＣは自分によって送出されたＲＴＳメッセージの送信によりノードＢからノードＣに伝達されるＣＴＳメッセージが伝達されない場合も生じえる。さらに、ノードＡからノードＢに送信されるデータパケットとノードＣにより送出されるデータパケットが相互衝突を起こす恐れもある。

図５Ｂに示したように、ノードＡからノードＢにＲＴＳメッセージが送信され、ノードＤからノードＣにＲＴＳメッセージが送信される場合、ノードＢにより送出されるＣＴＳメッセージとノードＤから送信されるＲＴＳメッセージが相互衝突を起こしてしまう恐れがある。さらに、ノードＡからノードＢに送信されるデータパケットとノードＣにより送出されるＣＴＳメッセージが相互衝突を起こす恐れもある。

係る問題を解決するためにＭＡＣＡ−ＢＩ（ＭＡＣＡ Ｂｙ Ｉｎｖｉｔａｔｉｏｎ）は、リシーバー初期化ハンドシェ―キング（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｉｎｉｔｉａｔｅｄ Ｈａｎｄｓｈａｋｉｎｇ）方式を提案した。この方式では、ＲＴＳコントロールパケットを使用せずに受信ノードがＲＴＲ（Ｒｅａｄｙ Ｔｏ Ｒｅｃｅｉｖｅ）パケットを送信ノードに送信することによって、送信ノードの送信を初期化する機構である。ＭＡＣＡ−ＢＩはＮ回ホップ通信に必要なＲＴＳ／ＣＴＳパケットの数を最小の場合にはＮに減らせる。さらに、自分が有しているトラフィック生成特性をデータパケットにピギーバック（Ｐｉｇｇｙｂａｃｋ：上乗せ）して受信ノードのＲＴＲ送信をサポートする。一方、ＭＡＣＡ−ＢＩは最初にチャネルアクセスを行なうノードについてはＲＴＳを介したチャネルアクセスを行なう必要があるのでＭＡＣＡと同一な方式が求められる。さらに、送信ノードのトラフィック発生の履歴に基づいたＲＴＲ送信機構を使用するため実用上実現し難いスケジューリング方式を採っている。
前述のようなＭＡＣＡ−ＢＩの問題点を解決するために提案されたプロトコルがＭＡＲＣＨプロトコル（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ｗｉｔｈ ＲｅｄｕＣｅｄ Ｈａｎｄｓｈａｋｅ）である。ＭＡＲＣＨプロトコルの動作原理は図６に示した通りである。つまり、ＭＡＲＣＨプロトコルの最初のパケット送信ノードはＲＴＳコントロールパケットを介して受信ノードにデータ送信を通報する。そして受信ノードは、ＣＴＳコントロールパケットを介して送信ノードにＲＴＳに対する確認パケットを送信しながら、次のホップの受信ノードにＣＴＳパケットの送信を介してトラフィック初期化時点を知らせる。係る方式に基づいて、ＭＡＲＣＨプロトコルはＮ回ホップ通信に必要なＲＴＳ／ＣＴＳパケットの数を最小限Ｎ＋１個にすると同時に、実用上実現可能なシステムの設計を提供することができる。

ところが、ＭＡＲＣＨはＭＡＣＡＷが有している隠れたホストの問題をそのまま有しながら図７に示す新たな隠れたホストの問題の障害をさらに引き起こす。それはノードＡからノードＢにＲＴＳメッセージが送信され、ノードＤからノードＥにＲＴＳメッセージが送信される場合、ノードＢから送出されるＣＴＳメッセージとノードＤから送出されるデータパケットが互いに衝突する恐れがあり、この場合ノードＣはＣＴＳの送出が不可能になってタイムアウト過程の後、ランダムバックオフ機構が要求される結果となることである。

さらに、ＭＡＲＣＨプロトコルはマルチホップネットワーク環境下で図８に示したように、次のような衝突を引き起こす可能性を有している。即ち、ＭＡＲＣＨの機構によって相異なるコネクションが形成され、２つの異なるコネクションを経由することにより経路上のノードがその伝達時間の差によってデータとＣＴＳの衝突を引き起こすことがある。
図９はＭＡＲＣＨプロトコルにおけるＣＴＳブロック化の問題を示した図である。同図に示したように、ＭＡＲＣＨ機構によって相異なるコネクションで通信が行われる場合、ノードＣはノードＢのＣＴＳメッセージを受信した後ＣＴＳメッセージをノードＢに送信しようとする時点で自己の動作モードを待機状態に転換することによってノードＤのＲＴＳメッセージを無視するようになる。その後、ノードＣはＣＴＳメッセージを送信しようとする時点でノードＤのデータパケット送信によりＣＴＳメッセージの送信が不可能になる場合が生じ、一定のタイムアウト時間後にランダムバックオフ機構が要求されることとなる。かかる現象はＭＡＣＡＷとは異なりＣＴＳメッセージにより相対的に長いデータパケットとＣＴＳパケットの二者の衝突による現象であるため、その発生確率はＭＡＣＡＷの隠れたホストより高い。

前述したように、ＭＡＲＣＨ機構はＲＴＳ／ＣＴＳコントロールパケットの数を減らそうとすることがむしろ隠れたホストの発生確率を著しく高める恐れがある。

本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、ＣＳＭＡ／ＣＡに基づくＭＡＣプロトコルをマルチホップに拡張した場合、隠れたホストの問題を受けることなく、かつＤＣＦより縦列伝達遅延現象が改善され、稼動性能が優れた通信システム及びその方法を提供することにある。

前述の目的を達成するための本発明に係る通信システムは、１つのホップ（ｈｏｐ）から他のホップにリレー形式でデータパケットを送信するアドホックネットワーク無線通信システムにおいて、前記データパケットを送信するためにＲＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）メッセージを送信する送信ノードと、前記送信ノードの次のホップに存し、前記送信ノードから受信された前記ＲＴＳメッセージに応じてＣＴＳ（Ｃｌｅａｒ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）メッセージを送出する受信ノードと、を含む。この際、順次に続く前記受信ノードの相互間は送出された前記ＣＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージを送出し、前記送信ノードは、次のホップの前記受信ノードにより送出された前記ＣＴＳメッセージが所定の回数以上受信された場合に前記受信ノードに前記データパケットを送信する。

なお、前記受信ノードは、前記ＲＴＳメッセージ及び／または前記ＣＴＳメッセージを受信する受信部と、受信された前記ＣＴＳメッセージを前記ＲＴＳメッセージに変換するメッセージ変換部と、受信された前記ＲＴＳメッセージ及び／または（「及び、あるいは、または」を表記している）変換された前記ＲＴＳメッセージに応じて前記ＣＴＳメッセージを送出する送出部と、を含むことが好ましい。

さらに、前記送信ノードの次のホップに存する前記受信ノードは、次のホップに存する他の受信ノードから前記ＣＴＳメッセージが受信されれば、変換された前記ＲＴＳメッセージに応じてＤＩＦＳ（ＤＣＦ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ） Ｉｎｔｅｒ Ｆｒａｍｅ Ｓｐａｃｅ）時間後に前記ＣＴＳメッセージを送出することが好ましい。

また、前記受信ノードは、受信された前記データパケットにＡＣＫメッセージをピギーバック（Ｐｉｇｇｙｂａｃｋ）するピギーバック部をさらに含むことが好ましい。この際、前記送出部は、前記ピギーバック部により前記ＡＣＫメッセージがピギーバックされた前記データパケットを送出して前記他の受信ノードに伝達する。好ましくは、前記受信ノード及び前記送信ノードは同一の構造である。

好ましくは、前記送信ノードは、前記受信ノードから受信される前記ＣＴＳメッセージの受信回数をカウントするカウンタを含む。なお、前記送信ノードは、前記カウンタによってカウントされた前記ＣＴＳメッセージの受信回数が２である場合に前記データパケットを前記受信ノードに送信する必要がある。
一方、本発明に係るアドホックネットワークの無線通信システムは、（ａ）前記データパケットを送信するために送信ノードが次のホップに存する受信ノードにＲＴＳメッセージを伝送するステップと、（ｂ）前記送信ノードが伝送された前記ＲＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージを送出するステップと、（ｃ）順次に続く前記受信ノードの相互間は送出された前記ＣＴＳメッセージに応じて前記ＣＴＳメッセージを送出するステップと、（ｄ）前記送信ノードが次のホップの前記受信ノードにより送出された前記ＣＴＳメッセージを所定の回数以上受信される場合に前記データパケットを次のホップの前記受信ノードに送信するステップと、を含むアドホックネットワークの無線通信方法を提供する。
さらには、前記受信ノードは、（ｅ）前記ＲＴＳメッセージ及び／または前記ＣＴＳメッセージを受信するステップと、（ｆ）受信された前記ＣＴＳメッセージを前記ＲＴＳメッセージに変換するステップと、を含み、受信された前記ＲＴＳメッセージ及び／または変換された前記ＲＴＳメッセージに応じて前記ＣＴＳメッセージを送出することも可能である。

さらには、前記送信ノードの次のホップに存する前記受信ノードは、次のホップに存する他の受信ノードから前記ＣＴＳメッセージが受信されれば、変換された前記ＲＴＳメッセージに応じてＤＩＦＳ時間後に前記ＣＴＳメッセージを送出してもよい。

また、前記受信ノードは、（ｇ）受信された前記データパケットにＡＣＫメッセージをピギーバックするステップ、（ｈ）前記（ｇ）ステップにより前記ＡＣＫメッセージがピギーバックされた前記データパケットを送出して前記他の受信ノードに伝達するステップと、をさらに含んでもよい。

また、前記送信ノードは、（ｉ）前記受信ノードから受信される前記ＣＴＳメッセージの受信回数をカウントするステップを含むことが好ましい。尚、前記送信ノードは、前記（ｉ）ステップによりカウントされた前記ＣＴＳメッセージの受信回数が２である場合に前記データパケットを前記受信ノードに送信することを行ってもよい。

本発明のアドホックネットワークの無線通信システムによれば、ＣＳＭＡ／ＣＡに基づくＭＡＣプロトコルをマルチホップに拡張した場合にも隠れたホストの問題を受けることなく、かつ、ＤＣＦより縦列伝達遅延現象が改善され、稼動性能が優れたシステムを提供することができる。

さらに、本発明に係るアドホックネットワークの無線通信システムは、ＩＥＥＥ８０２.１１に基づく無線ＬＡＮのＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェ―キング方式にＴｗｏ ＨｏｐＬｏｏｋ Ａｈｅａｄ Ｈａｎｄｓｈａｋｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ（２回ホップ前方ハンドシェ−キング機構）のアルゴリズムを適用することによって信頼性の高いマルチホップアドホックの通信を可能にする。

以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施例を詳述する。

図１０は本発明に係るアドホックネットワークの無線通信システムを概略的に示したブロック図である。同図を参照すると、無線通信機器１００、１２０は受信部１０１、１２１、メッセージ変換部１０３、１２３、送出部１０５、１２５、ピギーバック部１０７、１２７、及びカウンタ１０９、１２９を備える。なお、無線通信機器１００、１２０は、データを送出する機器と送出されたデータを受信する機器を分離して送信ノード１００及び受信ノード１２０で示したが、送信ノード１００と受信ノード１２０とは別に備えられるのでなく、複数の無線通信機器内でのデータ送受信の局面においてそれぞれの無線通信機器が送信ノード１００と受信ノード１２０の役割をする。

送信ノード１００は、データパケットを送信するためにＲＴＳメッセージを送信する。尚、ＲＴＳメッセージはＩＥＥＥ８０２.１１ＤＣＦに基づくＭＡＣプロトコルによるものであって、データ送信を最初に開始しようとするノードがデータ送信のために送信するコントロールパケットのことを指す。

送信ノード１００の次のホップに存する受信ノード１２０は、送信ノード１００から受信されたＲＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージを送出する。なお、ＣＴＳメッセージは、送信ノード１００から受信されるＲＴＳメッセージの応答であって、チャネルをクリアするために送信するＡＣＫコントロールパケットの役割をする。さらに、ＣＴＳメッセージは次のホップに存する受信モード（図示せず）について、次の経路のチャネルをクリアするために送信されるＲＴＳコントロールパケットの役割を行なう。さらに、ＣＴＳメッセージは最初のデータ源となるノード、即ち、送信ノード１００あるいはデータパケットの送信待機ノード、にデータパケットの送信の開始を知らせるコントロールパケットとしての役割を行なう。このような受信ノードとしての役割を果すために、無線通信機器１２０は受信部１２１、メッセージ変換部１２３、送出部１２５を備える。

受信部１２１は、送信ノード１００から送信されたＣＴＳメッセージを受信したり、次のホップに存する受信ノードのように以前のホップにある受信ノード１２０から送信されたＣＴＳメッセージを受信する。

メッセージ変換部１２３は、以前のホップにある受信ノード１２０から受信されたＣＴＳメッセージが次のホップにある受信ノード（図示せず）についてＲＴＳメッセージとしての役割を行なえるように、ＣＴＳメッセージをＲＴＳメッセージに変換する。

送出部１２５は、送信ノード１００から受信されたＲＴＳメッセージあるいはメッセージ変換部１２３により変換されたＲＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージを送出する。送出部１２３によって送出されたＣＴＳメッセージは以前のホップに存する送信ノードあるいは受信ノードに送信されると同時に、次のホップに存する受信ノードに送信される。この際、以前のホップに存する送信ノードあるいは受信ノードに送信されるＣＴＳメッセージはＲＴＳメッセージまたはＣＴＳメッセージに対する応答パケットとしての役割またはデータパケットの送信を知らせるコントロールパケットとしての役割を果たし、次のホップに存する受信ノードに送信されるＣＴＳメッセージは次の経路のチャネルをクリアするためのコントロールパケットとしての役割を果たす。

図１１は、図１０の無線通信システムの動作原理を説明するために示された図である。同図を参照すると、送信ノードであるノードＡは次のホップに存するノードＢについて、データパケットを送信するためにＲＴＳメッセージを送信する。ノードＢはノードＡにより送信されたＲＴＳメッセージについてＣＴＳメッセージを送出する。ノードＢにより送出されたＣＴＳメッセージは送信ノードとしてのノードＡ及びノードＢの次のホップに存するノードＣに送信される。この際、ノードＡに送信されるＣＴＳメッセージはＲＴＳメッセージに対する応答としてノードＡ及びノードＢとの間のチャネルをクリアするためのコントロールパケットとしての役割を行う。さらに、ノードＣに送信されるＣＴＳメッセージはノードＡに送信されるＣＴＳメッセージと同時に行なわれ、ノードＢ及びノードＣとの間の経路のチャネルをクリアするためのコントロールパケットとしての役割を行う。

ノードＣは受信されたＣＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージを以前のホップに存するノードＢ及び次のホップに存するノードＤに送信する。即ち、受信ノード１２０としてのノードＣのメッセージ変換部１２３は、受信部１２１により受信されたＣＴＳメッセージをＲＴＳメッセージに変換して、変換されたＲＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージをノードＢ及びノードＤに送出する。

受信ノード１２０であるノードＢの受信部１２１は、ノードＣにより送出されたＣＴＳメッセージを受信し、受信されたＣＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージを送出する。即ち、ノードＢのメッセージ変換部１２３は、ノードＣから受信されたＣＴＳメッセージをＲＴＳメッセージに変換し、ノードＢの送出部１２５は変換されたＲＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージをノードＡに送信すると同時に、ノードＣに送信する。なお、ノードＢがノードＡ及びノードＣにＣＴＳメッセージを送信する場合、それぞれのノード間に送受信されるパケットの衝突を避けるためにノードＢはノードＣからＣＴＳメッセージ受信した後、ＤＩＦＳ時間後に変換されたＲＴＳメッセージに応じるＣＴＳメッセージを送信することが好ましい。即ち、ノードＢはＤＩＦＳという相対的な長い時間の間の占有具合を確認した後、ランダムバックオフ機構を介して一定時間の遅延以後ＣＴＳメッセージの送信を行なう。この際、残り他のノードは全てＳＩＦＳ（Ｓｈｏｒｔ Ｉｎｔｅｒ Ｆｒａｍｅ Ｓｐａｃｅ）という最小限の遅延の後、バックオフ遅延時間を行なわずにＣＴＳメッセージの送信を行なう。

ノードＢはノードＡにＣＴＳメッセージを送信することにより、ノードＡにデータパケットの送信時間を通知し、ノードＡは受信されたＣＴＳメッセージに応じてデータパケットをノードＢに送信する。ノードＢがノードＡにより送信されたデータパケットを受信すると、ノードＢは受信されたデータパケットをノードＡ及びノードＣに送信し、係る方式でデータパケットはノードＡからノードＢ及びノードＣを介してノードＤに伝達される。
一方、ノードＢはノードＡから受信したデータパケットについてノードＡ及びノードＣにデータパケットを送出する場合、受信ノード１２０であるノードＢはデータパケットにＡＣＫパケットをピギーバックしてデータパケットの送信が正常に行なわれたことを報知することが好ましい。係る機能のために、受信ノード１２０は受信されたデータパケットにＡＣＫメッセージをピギーバックするピギーバック部１２７を備えることが好ましい。受信ノード１２０であるノードＢの送出部１２５は、ピギーバック１２７によってＡＣＫメッセージがピギーバックされたデータパケットをノードＡに送信して正常にデータパケットを受信したことを知らせると同時に、ノードＣに送信してデータパケットの伝達がなされるようにする。これによって、本発明に係るアドホックネットワークの無線通信システムは、別のＡＣＫコントロールパケットを必要とせず、全てのデータ送信はＳＩＦＳ時間の間隔でホップ単位で進行するので、データに受信データが正常であるかをピギーバックすることでＡＲＱ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｒｅｐｅａｔ Ｒｅｑｕｅｓｔ）機構が実現可能になる。

一方、送信ノード１００であるノードＡは次のホップに存するノードＢからＣＴＳメッセージが所定の回数以上受信された場合、ノードＢにデータパケットを送信することが必要である。これは少なくとも２ホップ以上ＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェ―キング（Ｈａｎｄｓｈａｋｉｎｇ）を進ませることにより、ＭＡＣＡプロトコルから発生した隠れたホスト問題を除去するためのものである。かかる機能を行なうために、送信ノード１００としてのノードＡはカウンタ１０９を備えることが好ましい。即ち、カウンタ１０９はノードＢが送信したＣＴＳメッセージの受信回数をカウントし、ノードＡの送出部１０５はカウンタ１０９によってカウントされたＣＴＳメッセージの受信回数が所定値以上である場合データパケットをノードＢに送信する。

これにより、本発明に係るアドホックネットワークの無線通信システムは、ＩＥＥＥ８０２.１１ＤＣＦに基づくＭＡＣプロトコルをマルチホップネットワークにおける予約型のＭＡＣに拡張することにより、複雑性を最小化しつつマルチホップネットワークでの通信稼動効率を最大にすることができる。図面につき、その理解のために、送信ノード１００と受信ノード１２０を分離して図示したが、送信ノード１００と受信ノード１２０はパケットの送出及び受信の側面より区分したものであり、アドホックネットワークを構成している無線通信機器のそれぞれは相互に同一な構成でなされることが適切である。

一方、図１２に示したように、ＣＴＳメッセージのリレー（ｒｅｌａｙ）過程の中で他の端末が予め当該領域のチャネルを占有しＣＴＳメッセージの送信に遅延が生じる場合がある。この場合には受信ノードはそれ以上ＣＴＳメッセージの送信を行なわずにＤＩＦＳ＞ＳＩＦＳであるＢｉｎａｒｙ Ｅｘｐｏｎｅｔｉａｌ Ｒａｎｄｏｍ Ｂａｃｋｏｆｆ（２進指数ランダムバックオフ）機構を介したバックオフウインドウ値を選択した後、今まで予約された全ての経路上のデータの送信が完了する時を待ちながら選択されたバックオフウインドウ値を小さくする。もし、データの受信以前にバックオフウインドウの時間が終了されれば、バックオフウインドウ値を再設定した後、同一の過程を進めながら受信を待つ。これで、ＣＴＳメッセージのリレー過程の中、他の端末が予め当該領域のチャネルを占有してもＣＴＳメッセージの送信遅延を最小化しつつ円滑なパケットの送信ができるようになる。

図１３は、図１０によるアドホックネットワークの無線通信方法を示した流れ図である。同図では先ず、送信ノード１００であるノードＡが次のホップに存する受信ノード１２０のノードＢにデータパケットを送信するためＲＴＳメッセージを送信する（Ｓ１３０１）ステップを示している。次に、受信ノード１２０であるノードＢの受信部１２１はノードＡにより送信されたＲＴＳメッセージを受信する。（Ｓ１３０３）。次に、ノードＢは受信されたＲＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージをノードＡ及びノードＣに送出する（Ｓ１３０５）。次に、ノードＢの次のホップに存する受信ノード１２０であるノードＣはノードＢにより送出されたＣＴＳメッセージを受信する（Ｓ１３０７）。さらにノードＣのメッセージ変換部１２３は受信されたＣＴＳメッセージをＲＴＳメッセージに変換する（Ｓ１３０９）。さらに、ノードＣの送出部１２５は変換されたＲＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージを送出する。次に、ノードＣにより送出されたＣＴＳメッセージはノードＢ及びノードＤに送信され、ノードＢはノードＣから受信されたＣＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージを送出する。即ち、順次に続くノードＢ及びノードＣの相互間にＣＴＳメッセージが送出される（Ｓ１３１１）。その後、ノードＢにより送出されたＣＴＳメッセージはノードＡ及びノードＣに送信される。

一方、送信ノード１００であるノードＡのカウンタ１０９は受信ノード１２０であるノードＢから受信されるＣＴＳメッセージの受信回数をカウントする（Ｓ１３１３）。カウンタ１０９によりカウントされたＣＴＳメッセージの受信回数が所定の値以上であれば、ノードＡはノードＢにデータパケットを送信する（Ｓ１３１５）。受信ノード１２０であるノードＢのピギーバック部１２７は受信されたデータパケットにＡＣＫメッセージをピギーバックする（Ｓ１３１７）。ノードＢはピギーバック部１２７によりＡＣＫメッセージがピギーバックされたデータパケットをノードＡに送信しデータパケットが正常に受信されたことを通知すると同時に、ノードＣに送信してデータパケットの伝達を行なう（Ｓ１３１９）。

図１４は本発明に対するシミュレーションの一例を示したもので、単一コネクションの場合を示した図である。図１５は本発明に対するシミュレーションの他の例を示したもので、多重コネクションの場合を示した図である。この場合のシミュレーションに使用された各種の変数値は表１のとおりである。

図１６は、図１４に示したように、ネットワーク位相（ｔｏｐｏｌｏｇｙ）で干渉ノードのトラフィック発生率の増加にかかる１つのパケットの縦列伝達遅延（ｅｎｄ‐ｔｏ−ｅｎｄ ｄｅｌａｙ）の変化を示した図である。図１７は、図１５に示したようにネットワーク位相にてそれぞれ１５個及び６個のコネクションが活性化された時にコネクション別に現れる縦列伝達遅延を示した図である。図１６に示したように、比較される３つの機構は全てが干渉ノードの到達速度（ａｒｒｉｖａｌ ｒａｔｅ）が増加することにより縦列伝達遅延が増加したことが分かる。この中から提案された方式が最も優れた性能を有していることが分かる。図１７は、それぞれのコネクション別の縦列伝達遅延を示す。夫々のコネクションの経路には活性化されている端末の数が相異なっているので、各コネクションは相異なる縦列伝達遅延を有することになる。

図１８は同一の混雑（ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ）状況においてパケット長さに対する縦列伝達遅延（ｅｎｄ−ｔｏ−ｅｎｄ ｄｅｌａｙ）の平均値の変化を示した図である。同図を参照すると、図１４に示したように、ネットワーク位相の環境で夫々のデータの長さを変更しながら縦列伝達遅延の平均を観察した時、同一なパケット長さの縦列伝達遅延の平均は提案された方式が最も低いことが分かる。これは同一の混雑状況では本提案の方式の遅延が最も小さく一番優れていることを示し、全コネクションに渡る性能が他方式に比べて均一であることを示している。

図１９は、同一の混雑状況で一定時間の間にデータ送信を行なったとき、源送信ノードから目的ノードまでに伝達されるデータ量を示した図である。図１８及び図１９より、図１４に示したように、ネットワーク位相環境において一定時間の間に目的ノードまでデータが伝達される稼動性能（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）の変化を観察した場合、隠れたホストの問題は相対的に長いデータパケットとＣＴＳコントロールパケットの衝突により発生するので、逆にパケットの長さが短くなるほど遅延性能は向上されていることが分かる。さらに、これらよりデータの稼動性能は本提案に基づく方式が最も優れていることが確認できる。

以上、図面を参照して本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが、本発明の技術思想の範囲は前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。

インフラネットワークを概略的に示した図である。 アドホックネットワークを概略的に示した図である。 ＭＡＣＡプロトコルの動作原理を示した図である。 ＭＡＣＡＷプロトコルの動作原理を示した図である。 ＭＡＣＡＷプロトコルにおける隠れたホスト問題を説明するための図である。 ＭＡＣＡＷプロトコルにおける隠れたホスト問題を説明するための図である。 ＭＡＲＣＨプロトコルの動作原理を示した図である。 ＭＡＲＣＨプロトコルで発生した新たな隠れたホスト問題の一例を示した図である。 ＭＡＲＣＨプロトコルで発生した新たな隠れたホスト問題の他の例を示した図である。 ＭＡＲＣＨプロトコルで発生したＣＴＳブロッキング問題を示した図である。 本発明に係るアドホックネットワークの無線通信システムを概略的に示したブロック図である。 図１０の無線通信システムの動作原理を説明するための図である。 ＣＴＳメッセージのリレー過程の中、他の端末が予め当該領域のチャネルを占有してＣＴＳメッセージの送信が遅延される場合を説明するための図である。 図１０によるアドホックネットワークの無線通信方法を示した流れ図である。 本発明に対するシミュレーションの一例を示した図であって、単一コネクションの場合を示した図である。 本発明に対するシミュレーションの他の例を示した図であって、多重コネクションの場合を示した図である。 図１４に示したようなネットワーク位相にて干渉ノードのトラフィック発生率の増加による１つのパケットの縦列伝達遅延（ｅｎｄ−ｔｏ−ｅｎｄ ｄｅｌａｙ）の変化を示した図である。 図１５に示したようなネットワーク位相にてそれぞれ１５個及び６個のコネクションが活性化された時にコネクション別に現れる縦列伝達遅延を示した図である。 同一な混雑状況でパケットの長さに対する縦列伝達遅延の平均値の変化を示した図である。 同一な混雑状況で一定時間の間にデータ送信を行なったとき、源送信ノードから目的ノードまで伝達されるべきデータ量を示した図である。

符号の説明

１０１ 受信部
１０３ メッセージ変換部
１０５ 送出部
１０７ ピギーバック部
１０９ カウンタ
１２３ メッセージ変換部
１２５ 送出部
１２７ ピギーバック部
１２９ カウンタ

Claims (14)

1. １つのホップ（Ｈｏｐ）から他のホップにリレー方式でデータパケットを伝送するアドホックネットワーク無線通信システムにおいて、
   前記データパケットを送信するためにＲＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）メッセージを送信する送信ノードと、
   前記送信ノードの次のホップに存在して、前記送信ノードから受信された前記ＲＴＳメッセージに応じてＣＴＳ（Ｃｌｅａｒ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）メッセージを送出する受信ノードと、を含み、
   順次に続く前記受信ノードの相互間は送出された前記ＣＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージを送出し、前記送信ノードは、次のホップの前記受信ノードにより送出された前記ＣＴＳメッセージが所定の回数以上受信された場合に前記受信ノードに前記データパケットを送信することを特徴とするアドホックネットワークの無線通信システム。
2. 前記受信ノードは、
   前記ＲＴＳメッセージ及び／または前記ＣＴＳメッセージを受信する受信部と、
   受信された前記ＣＴＳメッセージを前記ＲＴＳメッセージに変換するメッセージ変換部と、
   受信された前記ＲＴＳメッセージ及び／または変換された前記ＲＴＳメッセージに応じて前記ＣＴＳメッセージを送出する送出部と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のアドホックネットワークの無線通信システム。
3. 前記送信ノードの次のホップに存在する前記受信ノードは、次のホップに存在する他の受信ノードから前記ＣＴＳメッセージが受信された場合は、変換された前記ＲＴＳメッセージに応じてＤＩＦＳ（ＤＣＦ Ｉｎｔｅｒ Ｆｒａｍｅ Ｓｐａｃｅ）時間後に前記ＣＴＳメッセージを送出することを特徴とする請求項２に記載のアドホックネットワークの無線通信システム。
4. 前記受信ノードは、
   受信された前記データパケットにＡＣＫメッセージ（Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｍｅｓｓａｇｅ）をピギーバック（Ｐｉｇｇｙｂａｃｋ）するピギーバック部をさらに含み、
   前記送出部は、前記ピギーバック部により前記ＡＣＫメッセージがピギーバックされた前記データパケットを送出して前記他の受信ノードに伝達することを特徴とする請求項３に記載のアドホックネットワークの無線通信システム。
5. 前記受信ノード及び前記送信ノードは同一の構成でなされていることを特徴とする請求項４に記載のアドホックネットワークの無線通信システム。
6. 前記送信ノードは、前記受信ノードから受信される前記ＣＴＳメッセージの受信回数をカウントするカウンタを含むことを特徴とする請求項５に記載のアドホックネットワークの無線通信システム。
7. 前記送信ノードは、前記カウンタによってカウントされた前記ＣＴＳメッセージの受信回数が２である場合に前記データパケットを前記受信ノードに送信することを特徴とする請求項６に記載のアドホックネットワークの無線通信システム。
8. １つのホップから他のホップにリレー方式でデータパケットを送信するアドホックネットワーク無線通信システムの無線通信方法において、
   （ａ）前記データパケットを送信するために送信ノードが次のホップに存在する受信ノードにＲＴＳメッセージを送信するステップと、
   （ｂ）前記送信ノードが送信された前記ＲＴＳメッセージに応じてＣＴＳメッセージを送出するステップと、
   （ｃ）順次に続く前記受信ノードの相互間は送出された前記ＣＴＳメッセージに応じて前記ＣＴＳメッセージを送出するステップと、
   （ｄ）前記送信ノードが次のホップの前記受信ノードにより送出された前記ＣＴＳメッセージを所定の回数以上受信される場合に前記データパケットを次のホップの前記受信ノードに送信するステップと、
   を含むことを特徴とするアドホックネットワークの無線通信方法。
9. 前記受信ノードは、更に
   （ｅ）前記ＲＴＳメッセージ及び／または前記ＣＴＳメッセージを受信するステップと、
   （ｆ）受信された前記ＣＴＳメッセージを前記ＲＴＳメッセージに変換するステップと、
   を含み、受信された前記ＲＴＳメッセージ及び／または変換された前記ＲＴＳメッセージに応じて前記ＣＴＳメッセージを送出することを特徴とする請求項８に記載のアドホックネットワークの無線通信方法。
10. 前記送信ノードの次のホップに存在する前記受信ノードは、次のホップに存在する他の受信ノードから前記ＣＴＳメッセージが受信された場合には、変換された前記ＲＴＳメッセージに応じてＤＩＦＳ時間後に前記ＣＴＳメッセージを送出することを特徴とする請求項９に記載のアドホックネットワークの無線通信方法。
11. 前記受信ノードは、更に
    （ｇ）受信された前記データパケットにＡＣＫメッセージをピギーバックするステップと、
    （ｈ）前記（ｇ）ステップにより前記ＡＣＫメッセージがピギーバックされた前記データパケットを送出して前記他の受信ノードに伝達するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１０に記載のアドホックネットワークの無線通信方法。
12. 前記受信ノード及び前記送信ノードは同一の構成でなされることを特徴とする請求項１１に記載のアドホックネットワークの無線通信方法。
13. 前記送信ノードは、更に、（ｉ）前記受信ノードから受信される前記ＣＴＳメッセージの受信回数をカウントするステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載のアドホックネットワークの無線通信方法。
14. 前記送信ノードは、前記（ｉ）ステップによりカウントされた前記ＣＴＳメッセージの受信回数が２である場合に前記データパケットを前記受信ノードに送信することを特徴とする請求項１３に記載のアドホックネットワークの無線通信方法。

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