JP2005504484A - 分散型wlanネットワークのマルチホップルーティング方法 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、分散型無線ローカルエリアネットワークに関し、特に、マルチホップメカニズムを使用して無線ローカルエリアネットワークシステム内でデータをより効率的に送信する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
本出願は、2001年9月27日出願の合衆国仮出願第60/326,059号の内容全体から優先権を主張し、またその内容全体を本出願に取り入れている。
【0003】
IEEE(802.11)無線ローカルエリアネットワーク(WLAN)システムは、インフラストラクチャシステム又は非インフラストラクチャシステム(独立型BSS又はアドホック型ネットワークモードとも呼ばれる)内におけるステーション(STA)とアクセスポイント(AP)との間の通信を可能にする。IEEE802.11WLANシステムは、IBSS(独立基本サービスセット)モードにおけるSTA間のシングルホップ通信を可能にする。アクセス制御方式は、分散型協調機能(DCF)と呼ばれる分散型メカニズムであり、CSMA/CA(搬送波検知多元アクセス/衝突回避)に基づく。物理CS(搬送波検知)に加えて、継所要時間値が各送信パケットの送信の長さを示すように仮想CSメカニズムが使用される。
【0004】
なお、パケットは1つ以上のフラグメントから構成されて、例えば干渉等が発生した場合のパケット再送のリスクを軽減してもよく、パケットの各フラグメントは、先行するフラグメントの正常な受信を示す受信側からの確認応答の後、SIFS(短フレーム間隔)の後に送信される。あるフラグメントで送信される所要時間は、(もし存在する場合は)対応するACKも加えて、後続のフラグメントを送信する時間を含む。
【0005】
所要時間値を受信したステーションは、所要時間フィールドに保存される所要時間値と同じ期間、無線媒体上で送信を行なわない。いわゆる隠れ端末問題を処理ために、RTS/CTS制御方式を使用する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
現在、802.11IBSSネットワーク(アドホック型ネットワーク)のマルチホップはサポートされていない。マルチホップによって、互いに直接到達圏外であるステーションは、中間のステーションを経て中継パケットを介して通信することが可能となる。マルチホップサポートの更なる利点は、間隔を複数のホップに分割することによって、指数法則の伝播モデルにより、各ホップにおいて受信する信号の品質が改善されることである。これは、所定の条件下においてエンドツーエンド遅延を減少することが可能な、より高速のリンクを通して活用され得る。
【0007】
802.11プロトコルは本質的にマルチホップをサポートしないが、マルチホップのサポートを有するより高い階層のプロトコルを、既存の802.11プロトコルの上に設けることを排除するものではない。現在、IETF内のMANET WGは、マルチホップ機能を有するモバイルアドホック型ネットワークのための一組のTCP/IPプロトコルの拡張に取り組んでいる。AODV及びDSR等のいくつかのMANETプロトコルは、IBSSモードで動作する802.11プロトコルと共に試験的に使用されている。
【0008】
しかしながら、これらのルーティングプロトコルは802.11プロトコル上で使用され、無線アクセスプロトコルに接続することなくアドホック型ネットワーク内でマルチホップルーティングを提供するが、その場合、性能上の問題が発生する。例えば、パケットが無線ステーション間で複数のホップを移動して目的地に到着する場合、無線プロトコルの性質によって深刻な遅延が発生する。また、各リンク上では衝突も発生し、各ホップでアクセス遅延が加わる可能性がある。エンドユーザに気づかれるTCPトランザクションの高スループットを達成するために、遅延は重要な要素となりうる。従って、802.11プロトコル内のマルチホップパケットの制御を有効とすることによって、ネットワーク全体の性能は著しく向上するであろう。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、複数のホップを有するルートが無線ネットワークで最初に確立される無線ネットワークにおけるマルチホップパケット通信方法を用いて前述及び他の問題を解決する。マルチホップルートに関連する送信プロトコルのパラメータは、マルチホップルート全体にわたるパケット送信の遅延を最小限にするために変更される。パケットは、変更された送信プロトコルのパラメータに従って、マルチホップルート上を送信される。
【0010】
第1実施形態において、送信プロトコルのパラメータを変更する工程は、マルチホップルート上のパケット送信中、マルチホップルート上の各ノードでNAV値を設定することを含む。別の方法において、マルチホップパケットは、より高いQoS値に従ってマルチホップルート上を送信される。
【0011】
本発明に含まれて本発明に関する更なる理解のために本発明に含まれ、かつ本明細書に取り入れられて本明細書の一部を構成する添付の図面によって、本発明の詳細な説明と共に本発明の原理を説明するための本発明の実施形態を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
ここで図面、特に、3つの別個のIBSS15内に複数のSTA10を示す図1を参照する。図1は、STA AとSTA Bとの間のマルチホップ接続を示す。この接続は、接続を確立するために2つの他のSTA10を使用して、STA AとSTA Bとの間に3つのホップを最終的に含む。本発明に従って、追加の提案がIEEE802.11プロトコルに対して行なわれる。この提案では、マルチホップルート内のSTAノードのNAV値は拡張されて、単一のリンクに及ぶだけではなく、複数のSTA間のホップの連鎖に及ぶ。NAV値は、送信を衝突及び干渉から保護する。この方法において、2つのSTA10間のマルチホップルートが確立された場合には、ペイロードを送信するための遅延は比較的短くなる。
【0013】
多重リンクを包含するためにNAV値を拡張することにより、システム全体の容量は、BSS帯域幅の大部分がひとつのパケットの送信にいままでより長い時間与えられるために、減少するであろう。しかしながら、多くの場合、2つ又は3つのホップのみが送信用に必要とされるため、容量の減少する時間が延びることはない。
【0014】
また図2を参照すると、前述の通り補正されたNAV値を使用して本発明のルーティングプロトコルの実現方法を説明する流れ図が示されている。まず、ステップ30において、STA AはSTA Bに送信するパケットを有する。ルート要求メッセージは、ステップ35において、マルチホップ接続の第1のホップでSTA Aから次のSTA10に送信される。ルート要求メッセージは、ステップ40で第2のSTA10に転送され、現在のSTA10からSTA Aに戻る最短経路がステップ45で決定される。最短経路の決定は、ホップの数、累積された経路損失、経験した干渉抵抗、使用中の無線媒体による遅延等の所定のコスト距離で計測される。更に、ステップ50で、リンク遅延の逆数が、リンク速度がSTA AとSTA Bとの間の各ホップについて異なる場合、回線に沿って累積される。
【0015】
第3のホップリンクにおいて、ルート要求メッセージはステップ55でSTA Bに転送される。与えられるルート要求メッセージは、STA AとSTA Bとの間の各ホップの見込まれるリンク速度から累積されたエンドツーエンドリンク全体の速度のみならず、STA AとSTA Bとの間の中間ノードの数(この場合は2)と、STA Aに戻る最短経路とに関する累積情報を含む。STA Bは、ルート要求メッセージで受信された累積情報を使用し、STA AからSTA Bへのひとつのパケットの送信時間を表す所要時間値をステップ60で計算する。所要時間値は、マルチホップ送信を完了するための時間を示す。STA Bは、所要時間フィールド内の計算された所要時間値を含むルーティング応答メッセージをステップ65で返送する。所要時間フィールドは、反復間隔及び経路決定時間を含んでも良い。反復間隔及び経路決定時間によって、音声等の反復構成を有するトラヒックの経路が反復方式で確立される。ルート応答メッセージが適切な所要時間値及び反復値を送信するために、ルート要求メッセージはパケット長の情報及びいくつかの反復構成のパラメータを送る。更に、各STAは、例えば媒体の反復使用のためのパラメータを含むルート要求メッセージ内で媒体が要求されたときに、隣接するSTAによって他の媒体の反復が実行されるように、媒体が利用できることを保証する。
【0016】
ルーティング応答メッセージは、ステップ70において、予め使用されたマルチホップルートに沿って第1の中間STA10から次のSTA10に転送される。マルチホップ内のSTAは所要時間値を、ステップ75でマルチホップリンク内の各STA10毎にNAV値を設定するために使用する。これによってSTA10は、所要時間値によって示される期間、送信を見合わせる。所要時間値がSTAからのパケット送信を完了する時間を表すため、NAV値は、ひとつのホップだけではなく複数のホップについて送信を妨げる。ルーティング応答メッセージは、ステップ80でSTA Aに返送され、STA Aは、各STA10でNAV値設定によって保護されているひとつ又は複数のパケットをSTA Bに返送する。
【0017】
ここで図3を参照すると、本発明の方法に従って、3つの中間STA10を使用して4つのホップリンク上でSTA AからSTA Bにパケットが送信される、図2に関して説明した方法が更に示される。ステップ35、40、55で前述した通り、ルート応答メッセージ100は、マルチホップリンク105上でSTA Bに送信される。ルート応答メッセージ110は、マルチホップリンク115上を、STA BからSTA Aに返送される。経路セットアップ時間を減少させ、かつ遅延の変化を最小にするため、高優先度のルート要求及びルート応答メッセージプロトコルが、更に別の実施形態において、STA AとSTA Bとの間の最初の送信に関して使用されても良い。
【0018】
ルート応答メッセージの送信元であるSTA Bを含む各STAでは、所要時間フィールド内の所要時間値は、データパケットをSTA AからSTA Bに送信するのに必要な期間、STAのNAV値を設定するのに使用される。STA Aにおいてルート応答110が返されて受信され、NAV設定120が中間STA10毎に設定されると、STA Aからのひとつ又は複数のパケットがSTA Bに送信されても良い。この送信はデータ送信及び確認応答プロセス125においてSTAからSTAへと行なわれる。従って、ひとつ又は複数のパケットはSTA Aから第1のSTA10aに第1のホップ上で最初に送信され、STA Aはひとつ又は複数のパケット受信の確認応答を受信する。このプロセスは、パケットが最終的にSTA Bによって受信されかつ確認応答されるまで継続する。最後に、STA Bは、ETE確認応答メッセージ130をSTA Aに返送し、STA Bでひとつ又は複数のパケットを受信したことを示す。STA Aでの確認応答メッセージ130の受信後、NAV設定は通常レベルに戻っても良く、STA10は送信を継続しても良い。
【0019】
更なるステップにおいて、STA AからSTA Bへの送信が何らかの理由で完了されない場合、又は送信の完了が早すぎる場合、NAV値は、STA AとSTA Bとの間の経路に沿ってクリアされても良い。この場合、追加のクリアメッセージは、STA AからSTA Bに送信されて、STA10の各NAV値をクリアしても良い。
【0020】
図2で説明した方法を代替する方法において、メッセージ100に対するルート要求応答の送信中にSTA AからSTA Bへのルートを決定する代わりに、事前のルート決定プロセスにおいてルートを決定しても良い。この場合、ルート要求メッセージ100のタスクのみが、特定の時刻にSTA AとSTABとの間のマルチリンク経路に沿ってNAV値を設定することによって媒体を割り当てることになり、経路ルートを決定することは必要ではない。
【0021】
更に別の方法では、STA AとSTA Bとの間のエンドツーエンド遅延の全知識は、事前のルート決定プロセスから利用されても良く、ルート要求メッセージは、ルート要求、ルート応答、データ受け取り及び確認応答メッセージの送信を含む、STA AとSTA Bとの間の通信全体の所要時間を包含する所要時間値を含んでも良い。
【0022】
図4に示す更なる実施形態において、第1のルート要求100は、STA AからSTA Bへの所要時間の事前の計測に基づく、又はSTA AからSTA Bへの往復時間の予測に基づく所要時間値を使用しても良い。この情報が、ルート要求メッセージの送信中、中間STAでNAV値を設定するのに使用されることによって、STA BからSTA Aへのルート応答メッセージ115のより速い返送が可能となる。プロセスの残りは、図3に関する説明と同様の方法で実行される。ルート要求メッセージ100は、STA Bへの途中のリンクにおいて使用中の無線媒体による遅延を常時認識できる。STA Bへのリンク経路105に沿って、所要時間値は、現行のIBSSにおいて送信を妨げるNAV値を設定するために使用される。所要時間値が十分に長い場合、ルート応答メッセージ115は、返送経路上において使用中の媒体を認識することはなく、STA AからSTA Bへのデータ引き渡しの待ち時間を減少させる。
【0023】
図5に示す更なる実施形態において、ルート要求メッセージ100は、図3に関する説明と同様に、マルチホップリンク105に沿ってSTA AからSTA Bに送信される。しかしながら、複数ホップのリンク115に沿ったルート応答メッセージ110内の所要時間情報は、少し異なる方式で使用される。NAV値を設定して、ルート応答メッセージ110をSTA10が受信する時点からSTA Aがデータの送信を完了し、かつETE確認応答メッセージ130を受信するまでSTAからの送信を妨げる代わりに、所要時間値内の情報は、ひとつ又は複数のデータパケットが複数ホップのリンクに沿って特定のSTA10で受信される時点を推定するのに使用される。NAV値は、この時点において送信の完了まで設定されるだけである。これによって、IBSSは、STA AからのデータがSTA10で実際に受信されるまで他のデータの送信に使用可能となる。従って、STA10bとSTA Bとの間の送信リンクに関して、データは、NAV値設定がポイント170で設定されるまで、時間165全体に渡って送信されても良い。2つの特定のSTA間においてデータ及び確認応答手順125が開始されると、手順は図3に関して説明した手順と同じとなる。
【0024】
このように、この着想は、マルチホップの流れの中のパケットが例えば10bとSTA Bとの間のホップに到達するまでの時間を利用する。
【0025】
RREQメッセージに対する遅延の合計は、無線リンクのアクセスを勝ち取るための競合時間と、送信時間(見込まれる再送を含む)と、各STA10がマルチホップの流れに沿って競合等を開始できる状態になるまでの各STA10内の「中継時間」等を含む。パケットがSTA10bに到達する時点を予測するために、RREQおよびRRESP内には各ホップからの詳細な情報が含まれるべきである。次に、1つのホップに対する競合遅延が存在するかどうか、また「中継」遅延がSTA10の処理部において一時的なロードのために発生するかどうかが問題である。恐らく、各STAは、自身の通常の「中継」遅延をRREQに挿入することができる。そのため、少なくとも最短の時間が推定される。従って、無線リンクの遅延を含む各ホップからの詳細及びSTAの中継処理時間は、RREQ及びRRESPメッセージに含まれる。その後、推測は、データが最も早く到着する場合に、各STA10で行なわれる。
【0026】
図6の流れ図に関して示す更なる実施形態において、プロトコルは、ルート要求メッセージをステップ180でSTA AからSTA Bに送信し、かつステップ185でSTA Bからのルート応答メッセージ110をSTA Aで受信することによって、STA AとSTA Bとの間のルートを最初に設定するであろう。次にプロトコルは、STA AからSTA Bに送信されるパケットが高優先度のアクセス制御方式の使用を必要とするマルチホップ送信かどうかをステップ190で決定する。パケットが多重無線ホップによって送信されるかどうかの決定は、パケットのMACヘッダの4つのアドレスフィールドを解析して、送信元アドレス及び宛先アドレスが同じIBSSのメンバかどうかを決定することを含む複数の方式で行なわれても良いが、これに限定されない。異なるIBSSを基礎とするメンバは、高優先度のアクセス制御方式を利用する。あるいは、パケットがより高度なQoSクラスを要求するマルチホップ転送であることを示す新しい情報フィールドがMACヘッダに挿入されても良い。
【0027】
しかしながら、この決定は、パケットのマルチホップ転送が必要とされると決定された場合に実行され、パケットは、通常の非マルチホップパケットの場合よりも、ステップ200においてより高度なQoSクラスを与えられる。これにより、パケットはマルチホップリンク上をより速く送信される。さもなければ、QoSは変化しないままであり、パケットはステップ205において通常の方式で送信される。
【0028】
本発明の動作及び構成は、前述の説明から明らかであり、ここで示されかつ説明された本発明は特定の実施形態によって特徴づけられるが、記載した請求の範囲に規定されるような本発明の範囲を逸脱すること無しに変化及び変形が可能であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】本発明に従って、別個のIBSSにおける第1のユニットと第2のユニットとのマルチホップ接続の確立を示す図である。
【図2】本発明に従って、リアクティブルーティングプロトコルを実現する方法を示す流れ図である。
【図3】本発明の第1実施形態の実現を示す図である。
【図4】本発明の別の実施形態を示す図である。
【図5】データが送信される時点に関する予測が使用される、本発明の更に別の実施形態を示す図である。
【図6】高優先度のアクセス構成を使用する、本発明の更に別の実施形態を示す図である。
Claims (16)
- 無線ネットワークにおいてマルチホップパケット送信を行う方法であって、
前記無線ネットワークを介してマルチホップルートを確立する工程と、
送信プロトコルのパラメータを変更して、前記マルチホップルート上のパケット送信の遅延を最小にする工程と、
前記変更された送信プロトコルのパラメータに従って、前記ルート上に少なくとも1つのパケットを送信する工程と
を備える方法。 - 前記変更する工程は、前記ルート上の前記パケット送信の所要時間について、前記ルートの各ノードにおいてNAV値を設定する工程を更に含む請求項1記載の方法。
- 前記確立する工程は、
第1のノードから第2のノードへ前記マルチホップルートを要求するルート要求メッセージを送信する工程と、
最初のメッセージが前記第1のノードから前記第2のノードへ移動するときに、前記ルートに関するルートデータを収集する工程と、
前記第2のノードから前記第1のノードへ、ルート応答メッセージを返送する工程と
を更に含む請求項2記載の方法。 - 前記変更する工程は、
前記収集されたルートデータに対応する前記マルチホップパケット送信を完了するのに必要な合計時間を示す所要時間値を計算する工程と、
前記所要時間値を前記ルート応答メッセージ内に含める工程とを更に含み、
前記NAV値は、前記所要時間値に対応する前記マルチホップルートの各ノードにおいて設定され、前記所要時間値によって示される期間、設定を維持する請求項3記載の方法。 - 前記送信完了後、前記NAV値を再設定する工程を更に含む請求項4記載の方法。
- 前記送信する工程は、前記NAV値が設定された場合、前記第1のノードから前記第2のノードへの前記ルートに沿った少なくとも1つのパケットを送信する工程を更に含む請求項4記載の方法。
- 前記送信が前記所要時間値によって示される時間に先立って終了した場合、前記NAV値を再設定する工程を更に含む請求項4記載の方法。
- 前記確定する工程は、先行するルート決定から前記マルチホップルートを決定する工程を更に含む請求項4記載の方法。
- 前記所要時間値は、先行する送信から決定され、前記ルート要求メッセージに含まれる請求項4記載の方法。
- 前記送信する工程は、優先度の高さに従って送信される請求項3記載の方法。
- 前記第1のノードから前記第2のノードへの決定された送信時間と同等の第2の所要時間値を決定する工程と、
前記ルート応答メッセージが完了するまでに、前記所要時間値に対応する前記NAV値を設定する工程とを更に含む請求項3記載の方法。 - 前記NAV値は、ノードがパケット送信の受信を開始した場合に設定されるのみである請求項2記載の方法。
- 前記変更する工程は、マルチホップパケット用のより高度なQoSクラスを確立する工程を更に含む請求項1記載の方法。
- パケットがマルチホップパケットかどうかを決定する工程を更に含む請求項13記載の方法。
- 前記決定する工程は、前記パケットのMACヘッダのアドレスフィールドを解析して送信元アドレス及び宛先アドレスが同じIBSSであるかどうかを決定する工程を更に含む請求項14記載の方法。
- 前記決定する方法は、マルチホップパケットを示す前記パケットの前記MACヘッダ内のデータフィールドを識別する工程を更に含む請求項14記載の方法。
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