JP2005303828A - 無線ブリッジ、無線通信システム、およびパケット転送経路へのリソース割当制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 無線ネットワークにおいて、ネットワークの混み具合に応じて、転送先ノードごと、あるいは宛先までの通信フローごとにリソースの割り振りを自律分散的に制御する。
【解決手段】 自律分散的な無線通信ネットワークを構成する無線ブリッジは、自局の負荷を検出する負荷検出部と、検出した負荷情報を他の無線ブリッジと交換してネットワーク上で転送負荷が集中しているノードを判別する高負荷ノード判別部と、受信したパケットの次の転送先ノードを判別する転送先判別部と、高負荷ノード判別部による判別結果に基づいて転送先ノードごとにリソースの割り振りを制御するリソース割当制御部とを備える。
【選択図】 図５

Description

本発明は、無線パケット網のパケット転送制御に関し、特に、自律分散的な無線ネットワークを構成する無線通信システムにおいて、転送先ノードごと、あるいは特定の宛先への通信フローごとに個別のリソース割当制御を行う無線ブリッジ、およびパケット転送経路へのリソース割当制御方法に関する。

特定の制御局を設置せず、端末が自律分散的にネットワークを形成するアドホックネットワークと呼ばれる技術がある。このアドホックネットワークを無線回線を用いて実現し、モバイル環境下においてもアドホックネットワークを実現する無線アドホックネットワーク技術が広く研究されている。

無線基地局間アドホックネットワーク技術として、有線ネットワークで用いられている有線ブリッジを、基地局間の無線接続に適用した無線ブリッジが知られている。無線ブリッジで構成される無線通信システムで転送ツリーを作成することによって、ループを発生させることなくパケットの転送を行う方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。また、転送ツリーにしたがってパケットを転送する際に、付近の端末すべてに電波が届く無線の特性を利用して経路を短絡し、無駄な中継を低減する方法も提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

これらの方法では、ルートとなる基地局はひとつだけであり、特定の無線基地局への負荷の集中を避けることはできず、ネットワーク全体のスループットが低下してしまう。

これを解決するために、無線ブリッジでパケットを転送する場合、ネットワーク上に複数の転送ツリーを持つことで負荷の分散を図り、帯域を増やすことが提案されている（非特許文献１参照）。複数の転送ツリーを持つことで、経路を無駄にすることなく、特定の無線基地局への負荷の集中を防止することが可能になる。この技術では、単一チャネルの使用しか想定されていないが、複数のチャネルが利用できるとしたら、さらに効率をあげることができる。しかし、フローごとに負荷や優先度が異なることについては考慮されていないため、複数チャネルに拡張した場合に、フローごとの負荷分散や重要トラフィックの優先制御を行おうとすると、他の技術が必要になってくる。

ところで、無線では、チャネルを共有すると干渉によりスループットの低下が発生する。そこで、無線基地局ごとに使用チャネルを分けることで干渉を低減することが考えられている。たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１１などの無線ＬＡＮで、新しく基地局を追加するときに、他の基地局との干渉を最小にするために周波数チャネルの混雑度を測定して、使用周波数を選択する技術が提案されている（たとえば非特許文献２参照）。

非特許文献２に開示される技術では、新しく基地局を追加する際に、混んでいないチャネルを選択して割り当てるため、複数の無線基地局を同時に設置し、各無線基地局にチャネルを一度に選択させることはできない。アドホックネットワークのように、臨時に多数の無線基地局（ブリッジ）が一定の場所に配置されるような場合、使用チャネルが決まるまで時間がかかる。また、同時にチャネルを選択しようとすると、効率的ではないチャネルが選択されるおそれがある。さらに、各無線基地局は単一のインタフェースしか持たないため、ひとつの無線基地局に対し、ひとつのチャネルしか使用することができない。

図１は、アドホックネットワークにおける従来のチャネルの割当の手法を示す。たとえば、新たにブリッジ６を設置してコンフィギュレーションを決める際に、込んでないチャネルを選択して割り当てる。すなわち、それまで使用していた実線で示すチャネルに加えて、破線で示すチャネルを設定する。しかし、このような従来の方法では、ブリッジ間（たとえばブリッジ４とブリッジ６の間、ブリッジ３とブリッジ７の間など）が決まると、割り当てられた周波数が固定的に決まってしまい、ブリッジごと、あるいは宛先端末ごとの負荷状態に合わせて複数の周波数を割り振ることができない。
特開２０００−６９０４６号公報 特開２０００−７８１４７号公報 Shinji TAKEDA, Kengo YAGYU, Hidenori AOKI, and Youchi MATSUMOTO, "A study on Enhanced Spanning Tree Protocol in Mesh Network (Part 1)"、電子情報通信学会２００４年総合大会、２００４年３月 水野晃平、片山穣、中山正芳、清水雅史、"マルチホップ無線ネットワークにおける自律的ネットワーク構築法の特性評価"、電子情報通信学会信学技報 ＲＣＳ２００２−１３７、２００２

上述したように、新たな無線基地局の設置時に空いている周波数を選んで割り当てる方法では、無線基地局間で使用周波数が固定的に決まり、負荷状態に応じて無線基地局ごと、あるいは特定の宛先への通信フローごとに周波数の割り振りを制御することができない。

そこで、本発明は、無線ブリッジの使用中にネットワークの混み具合（負荷状態）に応じて、無線ブリッジ単位、あるいは宛先までの通信フロー単位で、割り当てるリソースを制御することのできる無線通信技術を提供することを課題とする。

すなわち、ネットワークの負荷状態に応じて、転送先ノードあるいは宛先ごとに、周波数等の無線リソースの割り振りを制御することのできる無線ブリッジおよび無線通信システムと、そのようなシステムにおけるパケット転送経路へのリソース割当制御方法を提供する。

上記の課題を解決するために、無線アドホックネットワークを構成する無線基地局（ブリッジ）間で、自局の負荷情報を相互に交換することによって、各無線基地局（ブリッジ）が、混雑しているノードや、ネットワーク使用量の多い端末を判別する。そして、ネットワークの混雑状況に応じて、パケットの転送先ノードごと、あるいは特定の宛先への通信フローごとに、無線リソースの割り当てを個別に制御する。

具体的には、本発明の第１の側面では、自律分散的な無線通信ネットワークを構成する無線ブリッジは、自局の負荷を検出する負荷検出部と、検出した負荷情報を他の無線ブリッジと交換し、ネットワーク上で転送負荷が集中しているノードを判別する高負荷ノード判別部と、受信したパケットの次の転送先ノードを判別する転送先判別部と、高負荷ノード判別部による判別結果に基づき、転送先ノードごとにリソースの割り振りを制御するリソース割当制御部とを備える。

このような構成により、ネットワークの混雑状況に応じて、パケットの転送先ノードごとに割り振るリソースを動的に変更できるので、ネットワーク全体の負荷が分散され、スループットが向上する。

上述した無線ブリッジは、転送先ノードごとにリソース使用の優先度を記載した転送テーブルをさらに備えることができる。この場合、リソース割当制御部は、高負荷ノード判別部の判別結果に基づいて、転送テーブル上のリソース使用の優先度を書き換える。

この構成では、転送テーブルを参照して、どの転送先ノードに優先的にリソースを割り当てるかを制御できるので、高速、低遅延な通信を安定して行うことができる。

上記の無線ブリッジにおいて、リソース割当制御部は、ネットワーク上でパケットの宛先までの通信フローごとに、リソースの割り振りを制御する構成としてもよい。

これにより、ネットワークの混雑状況に応じて、特定の宛先への通信フローごとに異なるリソースを割り振ることができるので、同じリンクであっても同時に異なるチャネル、送信機会などのリソースを利用することができる。結果として、より効果的に負荷を分散し、宛先ごとの公平性を向上することができる。

本発明の第２の側面では、自律分散的なネットワークを構成する複数の無線ブリッジと、複数の端末とを含む無線通信システムを提供する。無線通信システムにおいて、各無線ブリッジは、端末ごとに次の転送先となるノードと、当該転送先ノードへの通信に優先的に使用されるリソースとを対応付けた転送テーブルを有し、各無線ブリッジは、自局の負荷を検出し、検出した負荷を他の無線ブリッジと交換することによって、前記ネットワーク上で転送負荷が集中しているノードを判別し、判別結果に基づいて、前記転送テーブル上の転送先ノードごとにリソースの割り振りを制御する。

各無線ブリッジが、ネットワークの負荷状態に応じて、転送先ノードごとに個別にリソースの割り当てを行うので、無線通信システム全体として負荷を分散し、スループットを向上することができる。

本発明の第３の側面では、パケット転送経路へのリソースの割当制御方法を提供する。この方法は、
（ａ）自律分散的な無線通信ネットワークを構成する無線ブリッジの各々で、自局の負荷を検出するステップと、
（ｂ）前記検出した負荷情報を他の無線ブリッジと交換し、前記ネットワーク上で転送負荷が集中しているノードを判別するステップと、
（ｃ）受信したパケットの次の転送先ノードを判別する転送先判別部と、
（ｄ）前記負荷集中ノードの判別結果と、転送先判別結果とに基づいて、前記転送先ノードへのパケットの転送に割り当てられるリソースを、転送先ノードごとに個別に制御するステップと
を含む。このようなリソース割当制御方法により、混雑状況に応じて、特定のノードへの転送については特定のリソースを与えて通信を優先させるなどして、ネットワーク全体での負荷を分散し、通信効率を向上することができる。

無線アドホックネットワークで、従来固定的であったリソースの割り振りを、ネットワークの混み具合に応じて、無線ブリッジ（基地局）単位、あるいは特定の宛先への通信フロー単位で、動的に制御することが可能になる。

結果として、ネットワーク全体でより自律的、効率的に負荷を分散し、スループットを向上できる。

図２は、本発明のパケット転送経路へのリソース割当制御を説明するための概略図である。無線ブリッジ１〜７は、互いに無線接続により、自律分散的なネットワークを構成する。このネットワークでは、２以上のブリッジがルート（幹）局となって複数の転送ツリーを構築する。また、図示はしないが、任意のブリッジの配下に端末が所属している。ここで、「端末」とは自分自身は中継機能を有さない端末装置であり、中継機能を有する端末装置は、ネットワークに参加して無線ブリッジとして機能するものとする。

図２では、従来、無線ブリッジ間で固定的に割り当てられていたチャネル配置と異なり、ネットワーク上の負荷の状態に応じて、特定の宛先への通信フローに個別のチャネルが割り振られている。たとえば、ブリッジ６の配下に大量のデータを送受信中の端末が存在する場合、ブリッジ６を宛先ノードとする通信フローに、破線で示す別チャネルを割り当てる。同様に、何らかの原因でブリッジ３に負荷が集中している場合、ブリッジ３を宛先ノードとする通信フローに、異なるチャネルを割り当てる。ブリッジ６の配下にある端末が送受信を終了し、負荷状態が通常に戻ったならば、ブリッジ６を宛先とする通信フローに割り当てられたチャネルを、実線で示すチャネルに戻すことができる。

このような無線通信システムでは、複数の転送ツリーを用いて経路の無駄を省いたうえで、状況に応じて負荷の高いトラフィックには優先的にリソースを与えるなどして、通信フローごとに負荷の低減を図っている。したがって、ネットワーク全体で、より効率的に負荷が分散される。

図３は、本発明の一実施形態に係る無線ブリッジの構成を示すブロック図である。本実施形態では、ＭＳＴＰ（Multiple Spanning Tree Protocol）を用いたＩＥＥＥ８０２．１１規格の無線ＬＡＮへの適用を例にとって説明する。

無線ブリッジ１０は、複数の無線インタフェース１１ａ〜１１ｎと、ブリッジング部２０を有し、アンテナ１〜アンテナｎを介して、他の無線ブリッジと相互に無線通信する。無線ブリッジ１０はさらに、配下の端末４０Ａ、４０Ｂと通信するインタフェース１２、１３を有する。図３の例では、イーサネット（登録商標）などの有線インタフェース１３と、ＷＬＡＮ ＭＡＣなどの無線インタフェースを介して、端末４０Ａ、４０Ｂとそれぞれ通信する。もっとも、これらのインタフェース１２、１３を、端末に接続すると同時に、他のブリッジとの中継用に用いてもよいし、無線インタフェース１１ａ〜１１ｎの中の任意のインタフェースを、他の無線ブリッジとの中継用に用いると同時に端末との接続用に用いてもよい。さらに、端末接続用に複数の有線インタフェースを用いる場合も、すべてを無線インタフェースとする場合にも本発明は適用される。

ブリッジング部２０は、自局の負荷を検出する負荷検出部２１と、検出した負荷情報を他の無線ブリッジと交換してネットワーク上で転送負荷が集中しているノードを判別する高負荷ノード判別部２２と、受信したパケットの次の転送先ノードを判別する転送先判別部２４と、高負荷ノード判別部２２による判別結果に基づいて転送先ノードごとに無線インタフェースの割り振りを制御する無線インタフェース割当部２３とを有する。本実施形態では、無線インタフェース割当部２３をリソース割当制御部の一例として用いることとする。

このような構成の無線ブリッジ１０が複数集まって構成される自律分散的な無線ネットワークでは、２以上の転送ツリーを用いてパケットの中継を行う。たとえば、図４に示すように、無線ブリッジ１〜２５でネットワークを構成する場合、無線ブリッジ１をルート局とする転送ツリー（実線で示す）と、ブリッジ２１をルート局とする転送ツリー（破線で示す）を同時に用いることができる。転送先判別部２４は、パケットの転送先が未学習の場合に、ネットワーク上で使用されている２以上の転送ツリーのうち、どのツリーを用いてパケットが転送されているかを判断し、次の転送先ノードを判別する。

図５は、図３の無線ブリッジ１０のブリッジング部２０の構成例を示す。負荷検出部２４は、転送部分の負荷検出部２４Ａと、端末接続部分の負荷検出部２１Ｂを有する。転送部分負荷検出部２４Ａは、無線インタフェース１１ａ〜１１ｎを介して他の無線ブリッジから受信したパケットに基づき（１−Ａ）、転送部分での混み具合を検出する。転送部分での混み具合は、たとえば転送用の無線インタフェース１１ａ〜１１ｎの送信キューや受信キューにあるパケットのデータ量と、パケット数を測定することで検出できる。あるいは、他の無線ブリッジから受け取ったパケットに含まれているエラー情報（送信成功確率）などに基づいて、転送部分での混み具合を検出してもよい。

一方、端末接続部分負荷検出部２４Ｂは、配下の端末から受信したパケットについて（１−Ｂ）、端末接続部分の送信キューや受信キューにあるパケットのデータ量とパケット数から、端末接続部分での混み具合を検出する。転送部分での混み具合と、端末接続部分での混み具合を併せて、自局の負荷情報とする。

高負荷ノード判別部２２は、自局の負荷情報を他の無線ブリッジと交換し、ネットワーク上で転送負荷が集中しているノードを判別する。負荷情報は、たとえば転送ツリーを作成する際に転送ツリー作成パケットに挿入され、無線ブリッジ間で交換される。あるいは、自局の負荷が大きいと判断された場合に、別途、通知パケットとして送信してもよい。

無線周波数などのチャネルごとに受信電力の平均値を測定する専用の無線インタフェースを、高負荷ノード判別部２２として用いてもよい。この場合は、一定時間ごとに通信されているパケットをモニタし、パケットに含まれるアドレス情報などから、通信の多い無線ブリッジや端末を知ることができる。

無線インタフェース割当部２３は、高負荷ノード判別部２４の判別結果に応じて、どの転送先への通信に、どの無線インタフェースを割り当てるかを決定する。転送ツリー作成パケットは一定間隔ごとに送信されるので、ネットワーク上で随時変化する負荷の集中状態に応じて、転送先ノードごとに無線インタフェースが動的に割り振られる。

転送先判別部２４は、既知パケット転送先判別部３１と転送先ポート判別部３３を有し、転送テーブル３２とツリーテーブル３４を用いる。転送テーブル３２は、学習テーブルとしての性質を備え、各端末宛のパケットがどの無線ブリッジから転送されてきたかを、パケットの受信やアソシエーション時のブロードキャスト情報から学習し、記録する。転送テーブル３２を参照することによって、次に、その端末宛てのパケットが来たときに、対応する無線ブリッジにパケットを転送することができる。

図７に、一般的な転送テーブル３４の例を示す。無線ネットワークを構成する無線ブリッジＡ〜Ｄの配下に、端末２０１〜２０９末が存在する場合、各無線ブリッジの転送テーブルは、どの端末宛てのパケットを、どの転送先ノード（隣接ブリッジ）に転送すべきかを、学習により記録する。この転送テーブルを参照して、受信したパケットの次の転送先ノードを特定する。たとえば、無線ブリッジＡで端末２０８宛てのパケットを受信したときは、転送テーブルに従い、無線ブリッジＢに転送する。無線ブリッジＢでは、端末２０８宛てのパケットを受信したときは、これを無線ブリッジＥに転送する。

本発明の実施形態で用いる転送テーブル３２は、このような一般的な転送テーブルをさらに拡張したものである。すなわち、どの端末宛てのパケットを、どの転送先ブリッジに転送するかの情報に加え、どの無線インタフェースを使用するかも記載する。転送テーブル上での無線インタフェースの割り振りは、ネットワーク上の混雑状態に応じて無線インタフェース割当部２３により決定され、更新される。

図５に戻って、他の無線ブリッジから受信したパケットや、配下の端末から受信したパケットの転送先が、転送テーブル３２に記載されている場合は（２−１）、既知パケットとして、転送テーブル３２に指定された転送先へ送信する。一方、転送テーブル３２に転送先が記載されていない場合は（２−２）、未知パケットとして、転送先ポート判別部３３で転送先を判別する。この場合、転送先ポート判別部３３は、パケットに含まれる転送ツリーＩＤから、どの転送ツリーを使用するかを判断し、ツリーをたどることによって、次の転送先となる無線ブリッジを判別する。そして、受信ポート以外のすべての使用ポートにブロードキャストする（３）。

図６は、ブリッジング部２０の別の構成例を示すブロック図である。図６の例では、転送先判別部２４はロケーションテーブル３６を有する。ロケーションテーブル３６は、無線ネットワークに含まれるすべての端末について、現在どの端末がどの無線ブリッジに所属しているかを記載したテーブルである。受信したパケットの転送先がまだ学習されておらず、転送先テーブル３２に記載されていない場合は（２−２）、転送先ノードが未知であるとして、宛先端末／基地局変換部３５に問い合わせが送られる。宛先端末／基地局変換部３５は、ロケーションテーブル３６を参照して、宛先の端末がどの無線ブリッジの配下にあるかを決定する。転送先ポート判別部３３は、ツリーテーブル３４を参照し、決定された無線ブリッジをルート局とするツリーを逆にたどって次の転送先を判別する。そして、該当するポートにパケットを送る（３）。これ以外の構成については、図５と同様であるため、説明を省略する。

図８は、本発明の一実施形態に係る拡張された転送テーブル３２を説明するための図である。まず、図８（ａ）に示すように、無線インタフェースをひとつだけ用いて、マルチプルスパニングツリーを作成する。このとき、各無線ブリッジが用いるインタフェース部分は、すべて共通とする。この状態が初期状態である。

次に、各無線ブリッジは、負荷検出部２１で自局の混み具合を知り、他の無線ブリッジと自局の負荷情報を交換する。負荷情報の交換は、たとえばツリー生成の際に、転送ツリー作成パケットを利用して行われる。高負荷ノード判別部２２により、特定のノードで転送部分が混んでいることがわかると、無線インタフェース割当部２３は、高負荷の無線ブリッジへの転送に、優先的に空いている無線インタフェースを割り当てる。あるいは、自局が高負荷のブリッジである場合は、自局が用いる無線インタフェースを品質の高いものに変更する。無線インタフェースごとに異なるチャネルを指定することによって、ルーティングにおいて複数チャネルを選択して、高速、低遅延の通信を安定して行うことができる。

図８（ｂ）の例では、無線ブリッジＡ、Ｃは、自局の近辺で無線ブリッジＢが比較的混雑していると判断し、無線ブリッジＢを転送先とする通信に、優先的にインタフェース２を割り当てる。同様に、無線ブリッジＢ、Ｄは、無線ブリッジＥが込んでいると判別し、無線ブリッジＥへの転送にインタフェース２を割り当てる。

高負荷ノード判別部２２は、転送負荷の少ないノード（たとえば、分岐の少ない枝葉の無線ブリッジ）を判別することもできる。この場合、転送負荷の少ないノードへの転送に割り当てるリソースを制限する、または転送負荷の少ないノードへの転送に対しては低品質のリソース（チャネルなど）を割り当てることによって、混雑している無線ブリッジへの負荷を緩和することができる。さらに、負荷の低いノードであっても、ＱｏＳの要求度等に応じて、品質の高いリソースを割り当てることも可能である。

図９は、特定の無線ブリッジで使用するインタフェースを変更する例を示す。図９（ａ）のネットワークにおいて、無線ブリッジＡ〜Ｄは、自局の混み具合を近隣の無線ブリッジと交換する。たとえば無線ブリッジＡが、他局の混み具合と比較して、自局の混み具合が大きいと判断した場合、自局が使用する無線インタフェースと、隣接の無線ブリッジが無線ブリッジＡへの転送に使用する無線インタフェースの少なくとも一方を変更する。

より具体的に説明すると、無線ブリッジＡには、端末２０１、２０２、２０６が所属し、これら配下の端末への通信には、図９（ｂ）に示すように、端末通信用の無線インタフェース３（たとえば図３の無線インタフェース１２）を用いる。一方、無線ブリッジ間の転送には、それまで無線インタフェース２を用いていたが、自局が混み出してきたので、自局が使用する無線インタフェースを、インタフェース２からインタフェース１に変更する。これが、図９（ｂ）に示す無線ブリッジＡの更新された転送テーブルである。

これとともに、あるいはこれとは別個に、隣接する無線ブリッジＢ、Ｃは、無線ブリッジＡが混んできたと判断して、無線ブリッジＡへの転送に用いる無線インタフェースを、インタフェース２からインタフェース１に変更する。これが、図９（ｂ）に示す無線ブリッジＢ、Ｃの更新された転送テーブルである。

使用する無線インタフェースを変更した結果、図９（ａ）に示すように、高負荷の無線ブリッジＡの周辺では、チャネルｆ１が優先的に使用される。従来の固定的なチャネル割り当てと異なり、ネットワークの負荷状態に応じて特定のノードに別のチャネルが割り振られ、ネットワーク全体で負荷が分散される。この結果、スループットが向上する。

図１０は、宛先までの通信フローごとに異なるリソースを割り振る例を説明する図である。まず、図８（ａ）に示したように、無線インタフェースをひとつだけ用いてマルチプルスパニングツリーを作成する。このとき各無線ブリッジが用いる無線インタフェースは、すべて同じものとする。

次に、図１０（ａ）に示すネットワークで、各無線ブリッジＡ〜Ｄは、自局の混み具合を負荷情報として検出し、近隣の無線ブリッジと負荷情報を交換する。その結果、無線ブリッジＤが、他局と比較して自局の負荷が高いと判別する。高負荷の原因は、たとえば無線ブリッジＤに所属している端末２０９に宛てられた大量のデータである。マルチプルスパニングツリーの１つのインスタンスのルート（root）局である無線ブリッジＤは、他の無線ブリッジに通知パケットを送信する。通知パケットには、高負荷の原因となっている端末２０９のアドレスが含まれており、無線ブリッジＤをルートとする転送ツリーにしたがって他の無線ブリッジに送信される。

通知パケットを受信した各無線ブリッジの無線インタフェース割当部２３は、転送テーブル３２上で端末２０９に対応する無線インタフェースを変更する。これにより、混んでいる端末（図１０の例では端末２０９）宛ての通信フローに対するチャネルが一括して変更され、端末２０９宛ての通信フローの干渉が低減される。無線インタフェースの割当制御により変更された転送テーブルを、図１０（ｂ）に示す。

通知パケットは、転送量の削減のため、転送ツリー作成パケットと併せて送信してもよい。また、受信側（宛先となる無線ブリッジ）の混み具合を基準に割り当てるリソース（チャネルなど）を決定することで、送信元の無線ブリッジに合わせてチャネルを決めるよりも、ツリーが安定する。各無線ブリッジからの通信が足し合わさるため、平均的に変動が少なくなるからである。

さらに、通知パケットの転送途中のブリッジが、枝葉のノードには通知パケットを転送しない構成としてもよい。これにより、同じ宛先への通信の中でも、混んでない部分では専用チャネルを使わず、転送の負荷が大きい部分だけで特定のチャネルを優先的に使用する。

このような通信フロー単位でのリソース割当制御は、ゲートウェイがある場合など、特定の宛先への通信の割合が多いネットワークで有効である。また、宛先の混み具合に代えて、ユーザがＩＰパケットのＴｏＳ（Type of Service）フィールドや、８０２．１１ｅのアクセスカテゴリーに設定した通信フローの優先度などを利用してもよい。この場合も、優先させたいパケットのフローに高品質のリソースを割り当てることが可能である。

なお、ツリーの作成は一定周期ごとに更新されるが、ネットワーク使用量の変動による各無線ブリッジの負荷変動が、ツリーの作成周期よりも小さい場合、頻繁にツリーが変わることも考えられる。このため、ネットワーク使用量の変動による負荷の変動については、一定時間の平均をとる、統計処理を行うなどして、急なツリーの変動を防ぐことが有効である。

図１１は、通信フローの基準となる無線ブリッジからのホップ数に応じて、使用するチャネルを割り当てる例を示す。無線によるブリッジ間の転送は、有線の場合とは異なり、ブリッジ間が近接すると、干渉が発生しやすい。そこで、パケットの送信元の端末が所属する無線ブリッジ、またはパケットの宛先端末が所属する無線ブリッジからのホップ数に応じて、割り振るリソースを異ならせる。

ホップ数に応じたリソースの割当を行うには、ルート（root）局は、転送ツリー作成パケットに、自局が使用するインタフェースＩＤを挿入して送信する。これを受信した隣接無線ブリッジは、転送ツリー作成パケットに含まれるインタフェースＩＤに応じて使用チャネルを変更する。これとともに、転送ツリー作成パケットに含まれるインタフェースＩＤを変更する。これを繰り返すことによって、図１１に示すリソース割り振りが可能になる。

以上の説明では、無線ブリッジの各無線インタフェースは、全ブリッジで同じチャネルを使用するものとしたが、それぞれの無線ブリッジの無線インタフェースで使用するチャネルが異なる場合にも本発明は適用できる。

図１２〜図１４は、各無線ブリッジが２つの転送用無線インタフェースを有し、ネットワーク全体で３以上のチャネルがあるときのチャネル割り当てアルゴリズムの一例を示す。

まず、図１２に示す無線ブリッジのネットワークで、それぞれのリンクは同じチャネルｆ１を使用し、ＭＳＴＰのようなスパニングツリーでネットワークが構築されている。この配置例で、無線ブリッジ１はゲートウェイに接続されているため、無線ブリッジ１を経由するデータによる負荷が大きい。そこで、図１３（ａ）に示すように、無線ブリッジ１へ向かう経路に、別のチャネルｆ３を割り当てる。この新チャネルの割り当ては、上述したように各無線ブリッジが自律分散的に行う。

さらに、図１３（ｂ）に示すように、分岐の少ないフローに割り当てるチャネルをｆ１に戻してゆく。図１３（ｂ）の処理をすべて終わると、図１３（ｃ）に示すように、分岐の多い中心部分にチャネルｆ３が割り当てられた状態となる。この結果、図１３（ｄ）に示すように、周波数的に混むと考えられるフローの中心ノード（無線ブリッジ１、６、７、１２、１３、１８、１９）で、特定の周波数ｆ３が使用される。

次に、図１４に示すように、さらに別のチャネルｆ２を割り振る。第２のチャネルｆ３が割り振られていない残りの部分で、第３のチャネルｆ２を、無線ブリッジ１からのホップ数に応じて割り当てる。これにより、中心ノードとの接続以外の部分にｆ２が割り振られる。このようにして、２つの無線インタフェースを有する無線ブリッジ間で、ネットワークの負荷状態と干渉の発生を考慮して、３以上のチャネルが割り当てられる。

図１２〜１４に示すアルゴリズム以外にも、優先されるフローの中でチャネルをホップ数に応じて分けたり、優先的なフローが複数ある場合に、それらの中で複数のチャネルを割り振てる手法を組み合わせることができる。これにより、４つ以上のチャネルを１つのネットワークで使用することが可能になる。

経路制御からは使用するインタフェースしか見えないため、各無線ブリッジで、複数のインタフェースを混み具合に応じて順序付けし、所定のチャネルを優先する場合に、混んでいないインタフェースを用いるように指示する構成も考えられる。たとえば、２つのインタフェースでチャネルｆ１とｆ２を使用する無線ブリッジで、特定のフローに対して優先的にチャネルｆ３を割り当てる必要が生じたとき、混んでいないほうのインタフェースに優先的にチャネルｆ３を割り当てる。この構成を用いると、搭載している無線インタフェースの数よりも使用チャネルが多い場合にも、本発明を適用することができる。

また、あらかじめ無線ブリッジ１に負荷が集中するとわかっている場合は、適応的にチャネルを割り当てるのではなく、最初から無線ブリッジ１宛の専用チャネルを使用してもよい。

上記は、独立したチャネルを複数持つ場合に本発明を適用したものである。本発明は、チャネルを共有して利用している無線システムにも適用可能である。

すなわち、図１５および図１６に示すように、転送用の無線インタフェースを１つだけ用いる無線ブリッジ間の通信で、送信確率に差を持たせることによって、転送先ノードごと、あるいは宛先までの通信フローごとに、リソースの割り振りが制御できる。図１５、１６でも、ＭＳＴＰを用いたＩＥＥＥ８０２．１１規格の無線ＬＡＮを例にする。

図１５は、ネットワーク内の端末ごとに、転送先ノードと、送信確率とを対応づけて格納した転送テーブルの一例である。各無線ブリッジＡ〜Ｄがチャネルを共有する場合、同時に通信すると干渉や衝突が発生して、パケットエラーが生じる。そこで、たとえばＭＳＴＰを用いたＩＥＥＥ８０２．１１では、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）で乱数に基づく送信確率を利用して、同時送信による衝突の確率を減らしている。ＩＥＥＥ８０２．１１ｅでは、使用するアプリケーションごとにパケットのアクセスカテゴリーを規定することで、送信確率の変更に基づく優先制御が可能になる。

図１５の例では、無線ブリッジＡは、端末２０２、２０３、２０５、２０６、２０８、２０９宛の転送に送信確率ｐ２を用い、端末２０４、２０７宛の転送に送信確率ｐ１を用いる。端末が送信するパケットの宛先ごとに、送信確率に差をもたせることで、混み具合の大きい宛先へのパケットの送信確率を上げる。すなわち、特定の端末への通信を優先することによって、ネットワーク上の通信フロー間の負荷の公平性を保つことができる。

図１６は、送信確率の割り振りの具体例を示す。図１６（ａ）のネットワークで、無線ブリッジＤが他局と比較して混み具合が大きく、その原因が、配下の端末２０９のデータの送受信にあるとする。マルチプルスパニングツリーの１つのインスタンスのルート（root）局である無線ブリッジＤは、他の無線ブリッジ宛に通知パケットを送信する。通知パケットには、高負荷の原因となっている端末２０９のアドレスが含まれている。通知パケットを受信した各無線ブリッジは、それぞれ転送テーブル上で端末２０９宛の送信確率を変更する。これにより、混んでいる端末２０９への通信フローに設定される送信確率が、一括変更される。変更された結果の転送テーブルが、図１６（ｂ）である。ネットワーク上で端末２０９宛の送信確率を高め、負荷を軽減することで、宛先間（通信フロー間）で負荷の公平な分散が実現される。

図１６においても、通知パケットを転送ツリー作成パケットと併せて送信できることは言うまでもない。また、ネットワーク上で負荷の低いノードを判別し、そのノードへの送信確率を下げることによって、ネットワーク全体の負荷の分散を図ることができる。

以上、本発明について、他の無線ブリッジおよび配下の端末と無線接続されるネットワークを例にとって説明したが、一部に有線を含むネットワーク構成でもよいし、マルチホップネットワーク（あるいはメッシュネットワーク）のような端末間通信に適用することもできる。転送機能を有する移動端末を新たに無線ブリッジとしてネットワークに組み込んだ場合にも、適用可能である。

上述した実施形態では、無線リソースとして無線インタフェースや周波数など、特定の例を用いて説明したが、時間分離を行うスロットやフレーム、空間分離を行うアンテナの指向性、符号分離を行う周波数ホッピングや直接拡散における拡散符号など、通信を行う際に必要な任意の資源、通信設定情報を含むことは言うまでもない。

また、ＩＥＥＥ８０２．１１規格の無線ＬＡＮを例にとって説明したが、ＷＣＤＭＡや次世代無線通信方式の無線ネットワーク、あるいはこれらが混在する無線パケット網でも、転送先ノードや宛先までの通信フローごとにリソースの割当制御を行うことができる。

アドホックネットワークにおける従来のリソース割り当て手法を説明するための図である。 本発明のリソース割当制御を概念的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る無線ブリッジの概略ブロック図である。 無線ネットワークにおいて２以上の転送ツリーを用いる構成例を示す図である。 図３の無線ブリッジのブリッジング部の構成例を示す図である。 図３の無線ブリッジのブリッジング部の別の構成例を示す図である。 アドホックネットワークを構成する各無線ブリッジが有する転送テーブルの一例を示す図である。 転送先ノードに加えて無線インタフェースの割り当てを指定する拡張された転送テーブルの一例を示す図である。 特定の無線ブリッジで使用する無線インタフェースを特定のものに変更する例を説明するための図であり、図９（ａ）は、ネットワークの概略図、図９（ｂ）は拡張転送テーブルを示す。 宛先への通信フローごとに無線インタフェースを割り当てる例を説明するための図であり、図１０（ａ）は、ネットワークの概略図、図１０（ｂ）はフロー単位での周波数割り当て後の拡張転送テーブルを示す。 ホップ数に応じたチャネルの割り当てを説明するための図である。 周波数割り当てアルゴリズムの一例を示す図である。 混雑するフローの中心ノードへの特定チャネルの割り当てを示す図である。 図１３の状態で、ホップ数に応じてさらに別のチャネルを割り当てた構成を示す図である。 転送先ノードごとに異なる送信確率を割り当てた拡張転送テーブルの図である。 宛先までのフローごとに異なる送信確率を割り当てる例を説明するための図である。

符号の説明

１０ 無線ブリッジ
１１ａ〜１１ｎ 無線インタフェース（他のブリッジとの通信インタフェース）
１２ 無線インタフェース（配下端末との通信インタフェース）
１３ 有線インタフェース（配下端末との通信インタフェース）
２０ ブリッジング部
２１ 負荷検出部
２１Ａ 転送部分負荷検出部
２１Ｂ 端末接続部分負荷検出部
２２ 高負荷ノード判別部
２３ 無線インタフェース割当部（リソース割当制御部）
２４ 転送先判別部
３１ 既知パケット転送先判別部
３２ 転送テーブル
３３ 転送先ポート判別部
３４ ツリーテーブル
４０Ａ，４０Ｂ 端末

Claims (13)

1. 自律分散的な無線通信ネットワークを構成する無線ブリッジであって、
   自局の負荷を検出する負荷検出部と、
   前記検出した負荷情報を他の無線ブリッジと交換し、前記ネットワーク上で転送負荷が集中しているノードを判別する高負荷ノード判別部と、
   受信したパケットの次の転送先ノードを判別する転送先判別部と、
   前記高負荷ノード判別部による判別結果に基づき、前記転送先ノードごとにリソースの割り振りを制御するリソース割当制御部と
   を備える無線ブリッジ。
2. 転送先ノードごとにリソース使用の優先度を記載した転送テーブルをさらに備え、
   前記リソース割当制御部は、前記高負荷ノード判別部の判別結果に基づいて、前記転送テーブル上のリソース使用の優先度を書き換えることを特徴とする請求項１に記載の無線ブリッジ。
3. 前記ネットワーク上で用いられる２以上の転送ツリーを格納するツリーテーブルをさらに備え、前記転送先判別部は、前記ツリーテーブルを使用して前記転送先ノードを判別することを特徴とする請求項１に記載の無線ブリッジ。
4. 前記ネットワーク上で用いられる２以上の転送ツリーを格納するツリーテーブルをさらに備え、前記高負荷ノード判別部は、転送ツリー作成パケットを利用して、自局の負荷情報を交換することを特徴とする請求項１に記載の無線ブリッジ。
5. 前記負荷検出部は、自局に一時保存されるパケット量、または他の無線ブリッジから受信したパケットに含まれる情報に基づいて、自局の負荷を検出することを特徴とする請求項１に記載の無線ブリッジ。
6. 前記リソースは、当該無線ブリッジが有する複数の無線インタフェースを含み、前記リソース割当制御部は、前記ネットワーク上で自局の負荷が高くなっている場合に、自局が使用する無線インタフェースと、隣接ノードで自局宛の転送に割り振られている無線インタフェースの少なくとも一方を変更することを特徴とする請求項１に記載の無線ブリッジ。
7. 前記高負荷ノード判別部は、前記ネットワーク上で転送負荷の低いノードをさらに判別し、前記リソース割当部は、前記ネットワーク上で自局の負荷が低くなっている場合に、自局が使用する無線インタフェースと、隣接ノードで自局宛ての転送に割り振られている無線インタフェースの少なくとも一方を変更して、割り当てられるリソースを変更することを特徴とする請求項１または６に記載の無線ブリッジ。
8. 前記リソース割当制御部は、ネットワーク上でパケットの宛先への通信フローごとに、前記リソースの割り振りを制御することを特徴とする請求項１に記載の無線ブリッジ。
9. 前記リソースは周波数を含み、前記リソース割当制御部は、他の無線ブリッジに所属する特定の端末への通信フローに対し、特定の周波数を割り当てることを特徴とする請求項８に記載の無線ブリッジ。
10. 前記リソース割当制御部は、パケットの送信元また宛先となる端末が所属する無線ブリッジからのホップ数に応じて、前記リソースを割り当てることを特徴とする請求項８に記載の無線ブリッジ。
11. 自律分散的なネットワークを構成する複数の無線ブリッジと、複数の端末とを含む無線通信システムであって、
    各無線ブリッジは、前記端末ごとに次の転送先となるノードと、当該転送先ノードへの通信に優先的に使用されるリソースとを対応付けた転送テーブルを有し、
    前記各無線ブリッジは、
    自局の負荷を検出し、検出した負荷を他の無線ブリッジと交換することによって、前記ネットワーク上で転送負荷が集中しているノードを判別し、
    判別結果に基づいて、前記転送テーブル上の転送先ノードごとにリソースの割り振りを制御することを特徴とする無線通信システム。
12. 前記各無線ブリッジは、前記ネットワーク上での転送負荷の集中状態に応じて、特定の端末宛の通信フローに対し、特定のリソースを割り当てるように、前記転送テーブルを更新することを特徴とする請求項１１に記載の無線通信システム。
13. 自律分散的な無線通信ネットワークを構成する無線ブリッジの各々で、自局の負荷を検出するステップと、
    前記検出した負荷情報を他の無線ブリッジと交換し、前記ネットワーク上で転送負荷が集中しているノードを判別するステップと、
    受信したパケットの次の転送先ノードを判別する転送先判別部と、
    前記負荷集中ノードの判別結果と、転送先判別結果とに基づいて、前記転送先ノードへのパケットの転送に割り当てられるリソースを、転送先ノードごとに個別に制御するステップと
    を含むパケット転送経路へのリソース割当制御方法。

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