JP2006020302A - 加重累積予想伝送時間メトリックを用いてリンク品質ルーティングを行うためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 加重累積予想伝送時間パスメトリックを用いてリンク品質ルーティングするためのシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】 マルチホップアドホックネットワークにおいてルーティングするためのシステム、およびそのネットワークにおける経路のリンク品質を測定するための方法は、リンクを介するパケットの予想伝送時間に従ってリンクへの重みの割り当てと、経路についての個々のリンク重みをパスメトリックに組み入れることとを含む。パスメトリックは、共有チャネルを使用するリンク間の干渉を計算に入れる。パスメトリックの計算において、互いに干渉するリンクの予想伝送時間は加えられるが、非干渉リンクについての予想伝送時間は別個に考慮される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に、コンピュータネットワークに関し、より詳しくは、マルチホップワイヤレスネットワークにおけるリンク品質ルーティングプロトコルのためのメトリックに関する。

ルーティングとは、メッセージがソースノードから宛先ノードに移動することになる、コンピュータネットワークを介したパスを選択する問題のことを指す。マルチホップアドホックネットワークにおけるルーティングは特定の課題を提示する。アドホックネットワークは、ノードが協働的にネットワーク接続を維持する自己組織化ネットワークである。アドホックワイヤレスネットワークのノードは、ＩＥＥＥ８０２．１１規格に準拠するネットワークインターフェースカードなど、無線送受信機を装備している。こうした無線機は、中央集権化ネットワーク管理や固定ネットワークインフラストラクチャを必要とすることなく、ノード間の通信を可能にする。各無線機は限られた有効距離を有するので、２つの離れたノードはマルチホップパスを越えて通信しなければならない。パスの中間ノードは、パケットを転送することによってルータとして機能する。

ワイヤレスコミュニティ「メッシュ」ネットワークが、コミュニティにブロードバンドインターネットアクセスを提供するために展開されているマルチホップワイヤレスネットワークの中でもますます重要なものとなっている。これらのネットワークにおいて、ノードは、静止しているかまたは最小限の移動体であり、典型的にはバッテリ電源に依拠していない。ワイヤレスコミュニティネットワークのためのルーティング技術は、移動性に対処したり、電力使用を最小化したりすることよりもネットワーク容量や個々の転送の性能を改善することにフォーカスしている。

最適状態に及ばないネットワーク容量は、マルチホップワイヤレスネットワークに関連する一般的な問題である。このようなネットワークにおいては、スループットはホップ数が増加するにつれて急速に低下する。８０２．１１ネットワークにおいて、これは部分的には、複数のホップにわたってパケットの流れを滞らせることがある８０２．１１ＭＡＣの固有の不公平さに起因する。加えて、このようなネットワークは、典型的には、パケットを送受信するために、利用可能な周波数スペクトルのごく一部と、各ノードに関し単一の無線機しか使用していない。

マルチホップワイヤレスネットワークのネットワーク容量の改善に対する１つのアプローチは、２つ以上の無線機をノードに装備することである。この解決策は、いくつかの利点を有する。複数の無線機を持つあるノードは、同時に送信および受信することができる。さらに、２つの無線機を有するあるノードは、２つのチャネルで同時に送信することができ、ネットワークに周波数スペクトルのより大きな部分を利用させることを可能にする。加えて、異なる帯域幅、レンジ、およびフェーディング特性を有する異なる周波数帯（例えば、５ＧＨｚにおける８０２．１１ａおよび２．４ＧＨｚにおける８０２．１１ｂ／ｇ）で動作する複数の異種無線機の使用により、堅牢性、接続性、および性能を改善することができる。最後に、８０２．１１ネットワークインターフェースカードは、急速に低下している価格で入手可能な既製の汎用部品である。

マルチホップワイヤレスネットワークのためのほとんどのルーティングプロトコルは、最小数の中間ホップを有するパスを選択することにフォーカスしてきた。このようなネットワークにおいて最短パスルーティングを適用する欠点は、良く認識されている。ホップカウントを最小化するパスを選ぶことは、ひとつにはこのようなパスは離れたノード間に遅いまたは損失の大きいワイヤレスリンクを含むことが多いので、性能低下をもたらす可能性がある。最短パスルーティング技術は、複数の無線機を持つノードを有するネットワークで特に性能が低くなる。このことは、次の２つのシナリオによって説明される。まず、各ノードが８０２．１１ａ無線機および８０２．１１ｂ無線機を有するネットワークを考える。８０２．１１ｂ無線機は、一般に、８０２．１１ａ無線機より長いレンジを有する。それゆえ、最短パスルーティングが用いられる場合、ネットワークのトラフィックのほとんどは、より遅い８０２．１１ｂリンク上で搬送されることになる。ここで、ネットワークの各ノードが、代わりに一方がチャネル１に調整され、他方がチャネル１１に調整された２つの８０２．１１ｂ無線機を有すると仮定する。このネットワークにおいて２ホップ（３ノード）のパスを考える。すべてがチャネル１またはチャネル１１上にあるパスは、２つのホップが異なるチャネル上にあるパスより、スループットが著しく悪くなるであろう。したがって、ホップが異なるチャネル上にあることを確実にすることなくパスを選択する最短パスアルゴリズムの使用は、最適状態に及ばない性能という結果になるであろう。

リンク品質に従ったルーティングは、最短パスルーティングに対する１つのよく知られた代替案である。マルチホップワイヤレスネットワークのためのいくつかのリンク品質メトリックが研究者によって提案されたが、これらのスキームは、同種の単一無線機ノードを有するネットワークにフォーカスしてきた。１つの例は、引用によりここに組み込まれる非特許文献１に記載されたＥＴＸメトリックである。ＥＴＸは、リンクを越えてユニキャストパケットを送るのに必要な、再送信を含む予想送信数を測定する。パスメトリックは、パスにおける各リンクについてのＥＴＸ値の和である。ルーティングプロトコルは、最小のパスメトリックを持つパスを選択する。

ＥＴＸの検討は、本明細書で開示された発明の実施形態を理解するために有用である。ＥＴＸの導出は、順方向および逆方向の両方での基礎となるパケット損失確率（それぞれ、ｐ_ｆおよびｐ_ｒで表記）の測定で始まる。まず、パケット伝送が成功しない確率が計算される。パケット伝送が成功する場合については、８０２．１１プロトコルは、パケットの成功確認応答を要求する。ｘからｙへのパケット伝送が成功しない確率をｐと表記する。すると、
ｐ＝１−（１−ｐ_ｆ）＊（１−ｐ_ｒ）
である。８０２．１１ＭＡＣは、伝送が不成功であったパケットを再送信することになる。ｋ回の試行の後にパケットをｘからｙに届けることに成功することになる確率をｓ（ｋ）と表記する。すると、
ｓ（ｋ）＝ｐ^ｋ−１＊（１−ｐ）
である。最後に、パケットをｘからｙに届けることに成功するのに必要な予想送信数は、ＥＴＸによって次のように表記される。

米国特許出願番号第１０／７８４，６８７号明細書 米国特許出願番号第１０／６１０，３９７号明細書 Ｄ．Ｓ．Ｊ．ＤｅＣｏｕｔｏ，Ｄ．Ａｇｕａｙｏ，Ｊ．Ｂｉｃｋｅｔ，Ｒ．Ｍｏｒｒｉｓ，「Ａ Ｈｉｇｈ−Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ Ｐａｔｈ Ｍｅｔｒｉｃ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉ−Ｈｏｐ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｒｏｕｔｉｎｇ」，ＡＣＭ ＭＯＢＩＣＯＭ（２００３年９月） Ｓ．Ｋｅｓｈａｖ，"Ａ Ｃｏｎｔｒｏｌ−Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌ"，ＡＣＭ ＳＩＧＣＯＭＭ（１９９１年９月） Ｒ．Ｐ．Ｄｒａｖｅｓ，Ｊ．Ｐａｄｈｙｅ，ａｎｄ Ｂ．Ｄ．Ｚｉｌｌ，"Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｍｅｔｒｉｃｓ ｆｏｒ Ｓｔａｔｉｃ Ｍｕｌｔｉ−Ｈｏｐ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ"，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ ＭＳＲ−ＴＲ−２００４−１８，Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（２００４年３月）

ＥＴＸは、同種の単一無線機ネットワーク環境でうまく機能するが、上述の複数の無線機のシナリオで必ずしも良好な経路を選択することにはならない。各ノードが８０２．１１ａ無線機および８０２．１１ｂ無線機を有する第１のシナリオにおいて、ＥＴＸは、２つの理由から、トラフィックの大部分を８０２．１１ｂリンク上に経路設定することになる。第１に、ＥＴＸは、リンク上の損失率のみを考慮し、その帯域幅を考慮していない。第２に、全体的なリソース使用を最小化する目的で、ＥＴＸは、短い方のパス上の損失率が著しく高くない限り、長い方のパスよりも短い方のパスを優先するように設計されている。各ノードが２つの８０２．１１ｂ無線機を有する第２のシナリオにおいて、ＥＴＸは、チャネル多様性のあるパスに対していかなる優先も与えないので、ＥＴＸはやはり最適状態に及ばないパスを選択する可能性が高い。したがって、ＥＴＸは、他の既存のルーティング技術およびパスメトリックと同様に、複数の無線機の利用可能性、そしてマルチホップネットワークにおけるリンク干渉および変動する帯域幅の存在から、十分な利益を導き出すことができない。

本発明の特定の態様は、加重累積予想伝送時間パスメトリックを用いて、リンク品質に従ってルーティングするためのシステムおよび方法を対象としている。マルチホップアドホックネットワークにおいてルーティングするためのシステム、およびネットワークにおける経路のリンク品質を測定するための方法は、リンクを介したパケットの予想伝送時間に従ってリンクへの重みの割り当てと、経路の個々のリンク重みをパスメトリックに組み入れることとを含む。パスメトリックは、共有チャネルを使用するリンク間の干渉を計算に入れる。パスメトリックの計算において、互いに干渉するリンクの予想伝送時間が加えられる一方で、非干渉リンクについての予想伝送時間は別個に考慮される。本発明の実施形態は、ノードがそれぞれ１つまたは複数の無線機を装備しているマルチホップネットワークにおいて実施することができる。

本発明は、全体または一部を、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらの組み合わせで実装することができる。本発明に関連してシステムを実装し、方法を実行するように構成されるネットワーク中のコンピューティングデバイスが企図されている。

以下の説明において、本発明の特定の実施形態を提示するであろう。説明の目的で、実施形態の完全な理解に資するように、具体的な構成および詳細について記載する。しかしながら、当業者には、具体的な詳細なしに本発明を実施できることも明らかであろう。さらに、説明されている実施形態を分かりにくくしないように、周知の特徴を省略または単純化することがある。

本発明の実施形態は、マルチホップネットワークにおいてソースノードおよび宛先ノードの間で高スループットのパスを選択するための新たなルーティングメトリック、加重累積予想伝送時間（ＷＣＥＴＴ；Ｗｅｉｇｈｔｅｄ Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ Ｅｘｐｅｃｔｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｉｍｅ）を含む。このメトリックは、少なくとも幾つかのノードが複数の異種無線機を装備し、幾つかのリンクが互いに干渉するワイヤレスネットワークにおいて特に利点があるが、それに限定されるものではない。ＷＣＥＴＴメトリックは、チャネル多様性のあるパスの選択を可能にする。各リンクについて、重みはそのリンクを介して送信が成功する固定サイズのパケットについての予想伝送時間（ＥＴＴ）に基づいて割り当てられる。ＥＴＴは、リンクの損失率および帯域幅の両方の関数である。本発明の代替的な実施形態において、ＥＴＴ以外のリンク品質の測定値が使用される。個々のリンク重みは、同じチャネルを使用するリンク間の干渉を明示的に計算に入れるＷＣＥＴＴパスメトリックに組み入れられる。制御パラメータβを用いて、チャネル多様性とパス長との間のトレードオフを調節することができる。ＷＣＥＴＴの計算は、所与のフローのスループットを最大化するように調整するか、または他のフローに対するそのフローの影響を最小化するように調整することができる。

本発明の特定の実施形態は、８０２．１１準拠の無線機を有するノードを持つワイヤレスネットワークでの使用のために設計される。しかしながら、他の実施形態は、他のワイヤレス技術に基づくネットワークに適用可能である。本発明は、ストライピング技術または指向性アンテナの使用など、マルチホップワイヤレスネットワークのネットワーク容量を改善するための１つまたは複数の他の技術またはメカニズムと共に使用することができる。さらに、本明細書ではワイヤレス環境を対象とした実施形態について説明するが、本発明はノード間のワイヤレスまたはワイヤ化ネットワークパスの品質を測定するためのより一般的で広く適用可能な技術を提供し、この場合、経路の全体コストの測定と、その経路のボトルネックとなるコンポーネントの測定とを組み合わせて、パスメトリックを生成する。

ＷＣＥＴＴパスメトリックを計算するために、まずある所与のリンクについてのＥＴＴを計算することが必要である。１つの実施形態において、ＥＴＴは、リンクの予想送信数（例えば、ＥＴＸ）にリンク帯域幅の測度を掛けて、パケットを伝送するのに費やされる時間の測度を得ることによって導出される。ＥＴＸの例を用いると、ＥＴＴは、

となり、ここで、Ｓは固定パケットサイズ（例えば、１０２４バイト）であり、Ｂは、リンクの帯域幅（未加工データ速度）を表す。他の実施形態では、ＥＴＸの導出以外に予想送信数の導出を用いて、ＥＴＴを計算することができる。予想伝送時間（ＥＴＴ）は、ＥＴＸを用いる測定に限定されるものではなく、送信の成功確率から導出される他の計算を用いることもできる。

ＥＴＴを計算することは、順方向および逆方向の損失率（それぞれ、ｐ_ｆおよびｐ_ｒ）および各リンクの帯域幅についての知識を必要とする。ｐ_ｆおよびｐ_ｒの値を判定するための１つの方法は、上述のＤｅＣｏｕｔｏらの参考文献（非特許文献１）に開示された技術などの、ブロードキャストパケット技術を用いることである。この方法では、各ノードは、定期的に（例えば、１秒間に１回）、ブロードキャストパケットを送出する。ブロードキャストパケットは、８０２．１１ＭＡＣによって再送信されないことに留意されたい。ノードは、スライディングタイムウィンドウ（例えば、１０秒）の間に各近隣ノードから受信したプローブ数を追跡し、この情報をそれら自身のプローブに含める。あるノードは、タイムウィンドウで近隣ノードから受信したプローブ数から直接ｐ_ｒを計算することができ、近隣ノードからの最後のプローブで受信した自身に関する情報を用いてｐ_ｆを計算することができる。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、ｐ_ｆおよびｐ_ｒの値を判定するための他の方法を用いることもできる。例えば、ネットワークインターフェースカード（ＮＩＣ）上の再送信カウンタに照会を行って、順方向および逆方向の損失率を見出すこともできるであろう。

図１は、ＥＴＴ測定のための損失率を計算するにあたってプローブの送り側によって行われるステップを示している。ノードは、ある時間（Ｌｏｓｓ Ｐｒｏｂｅ Ｐｅｒｉｏｄ）の間、待機する（ステップ１０１）。ノードは、以前に送られたプローブ以降に各近隣ノードから受信したプローブの数を算出し（ステップ１０３）、この情報を含むプローブを作成する（ステップ１０５）。ノードはまた、各近隣ノードへのリンクについて損失率を計算する（ステップ１０７）。ノードは、プローブをブロードキャストし（ステップ１０９）、ステップ１０１に戻って待機する。

図２は、損失率の計算に関して受け側によって行われるステップを示している。ノードは、プローブを受信する（ステップ２０１）。ノードは、送り側によって受信されたそのプローブに関する情報をルックアップする（ステップ２０３）。ノードは、送り側から受信したプローブ数を更新し（ステップ２０５）、ステップ２１０に戻る。

帯域幅の計算は、もっと複雑な問題である。１つの可能性は、各８０２．１１無線機の帯域幅を、ある所与の固定値に限定することである。別の可能性は、無線機がパケットごとに自動的に帯域幅を選択できるようにすることである。自動レートとして知られるこの特徴は、最新の８０２．１１カードによってサポートされている。しかしながら、自動レートのアルゴリズムが公表されず、帯域幅情報がドライバによって提供されていない８０２．１１カードの場合、帯域幅の正確な測度は経験的に得られるのみである。

１つの実施形態において、パケットペアの既知の技術を用いて、帯域幅の経験的な測定を得る。パケットペア技術は、例えば、引用によりここに組み込まれる非特許文献２に記載されている。各ノードは、その近隣ノードのそれぞれに対して、２つの連続するプローブパケットを定期的に（例えば、１分ごとに）送る。第１のプローブパケットは小さく（例えば、１３７バイト）、第２のプローブパケットは大きい（例えば、１１３７バイト）。各近隣ノードは、第１のパケットと第２のパケットの受信の間の時間差を測定し、その値を送り側に返信する。送り側は、１組の連続サンプルの最小値（例えば、１０個の連続サンプルの最小値）をとり、第２のプローブパケットのサイズをこの最小サンプルで割ることによって帯域幅を推定する。この推定は、パケット配信時間に影響を与える幾つかの要因を無視しているが、実質的に異なる帯域幅のリンクを区別するには十分に正確である。

図３は、各リンクについて帯域幅を計算するにあたってプローブ送り側によって行われる初期び「ステップを示している。ノードは、ある期間（ＰｋｔＰａｉｒ Ｐｒｏｂｅ Ｐｅｒｉｏｄ）の間、待機する（ステップ３０１）。ノードは、近隣ノードについてプローブペアを作成する（ステップ３０３）。ノードは、次に、プローブペアを連続して送り（ステップ３０５）、ステップ３０１に戻る。

図４は、帯域幅の計算にあたってプローブの受け側によって行われるステップを示している。ノードはプローブを受信する（ステップ４０１）。そのプローブがペアのうちの第１のプローブではない場合（ステップ４０３）、ノードは、そのプローブを破棄し（ステップ４０５）、ステップ４０１に戻る。そうでない場合、ノードは第２のプローブを受け取る（ステップ４０７）。このプローブがペアのうちの第２のプローブではない場合（ステップ４０９）、ノードはこのプローブを破棄し（ステップ４０５）、ステップ４０１に戻る。そうでない場合、ノードは第１および第２のプローブの受信び間の遅延を計算する（ステップ４１１）。ノードは、次に、プローブ返信を作成し（ステップ４１３）、そのプローブ返信を送り側に送る（ステップ４１５）。ノードは、次に、ステップ４０１に戻る。

図５は、帯域幅の計算にあたってプローブ返信の受け側によって行われるステップを示している。ノードはプローブ返信を受け取る（ステップ５０１）。ノードは、遅延値を帯域幅サンプルに変換する（ステップ５０３）。この帯域幅の値が最大帯域幅より大きい場合（ステップ５０５）、ノードはこのサンプルを破棄する（ステップ５０７）。そうでない場合、ノードはそれまでの最小遅延値を更新する（ステップ５０９）。サンプルの完全な組がまだ収集されていない場合（ステップ５１１）、ノードはステップ５０１に戻る。そうでない場合には、ノードは、このリンクについての帯域幅測定を更新し（ステップ５１３）、サンプル数を０に設定し（ステップ５１５）、次にステップ５０１に戻る。

ノードｘからノードｙまでの各リンクｉについてのＥＴＴ、ＥＴＴ_ｉが計算されると、パスに沿ったホップの個々のＥＴＴリンク重みを、そのパスの全体的な望ましさを反映するメトリック、ＷＣＥＴＴに組み入れることが必要である。ＷＣＥＴＴパスメトリックについて、３つの基礎となる設計目標がある。第１に、パスメトリックは、ルーティングパスに含めるためのリンクを選択するとき、リンク帯域幅と物理層損失率の両方を考慮すべきである。８０２．１１ネットワークでは、例えば、８０２．１１ＭＡＣがＡＲＱメカニズムを組み込んでいるので、ワイヤレスリンク上のパケットの伝送時間は、これらの要因の両方に依存する。

第２に、個々のリンクの重みを組み合わせるメトリックは、増加するはずである。つまり、ホップが既存のパスに追加される場合、そのパスのコストは決して減少しないはずであり、好ましくは増加するはずである。この要件についての１つの正当化は、追加ホップの横断は追加リソースの消費を伴うことである。別の正当化は、ホップの追加がパスに沿った全遅延を増加することである。ＴＣＰ接続の場合、これは往復時間を増加し、その結果スループットを低下する結果となるであろう。

第３に、パスメトリックは、同じチャネル上で動作するリンク間の干渉によるスループットの低下を明示的に計算に入れるべきである。同様に、同じチャネル上で動作しないパスに沿ったリンクは互いに干渉しないという事実をも計算に入れるべきである。このように、異なるチャネル上のホップで構成されるパスが、すべてのホップが同じチャネルにあるパスより好ましい。

これらの設計目標を踏まえて、追加リンクが既存のパスに加えられるにつれて、ＷＣＥＴＴの値が増加すべきである。このプロパティは、ＷＣＥＴＴをパス上の全ホップのＥＴＴの和となるように設定することによって、確実なものとすることができる。しかしながら、このことは、すべてのリンクが干渉することを誤って前提にしている。ＷＣＥＴＴについての別の目標は、それがチャネル多様性の影響を反映することである。単純にＥＴＴを加算するだけでは、異なるチャネル上にあるホップを区別する努力がなされていないので、このプロパティは保証されないであろう。したがって、ＷＣＥＴＴメトリックは、追加の項目を必要とする。

最初に、あるパス上の２つのホップが同じチャネル上にある場合、それらは常に互いに干渉するものと仮定しよう。この仮定は、典型的には、短いパスに関して正確であるが、より長いパスについては若干悲観的である。あるパス上の２つのホップが互いに干渉するとき、そのホップの１つのみが一度に動作できる。このことは、干渉しているホップ上のパケット伝送時間を１つに加算することによって捉えるができる。一般化するために、ｎホップのパスを考え、システムが全部でｋチャネルを有するものと仮定する。Ｘ_ｊを以下のように定義する。

と定義すると、Ｘ_ｊはチャネルｊ上のホップの伝送時間の和である。トータルのパススループットは、ボトルネックチャネル、すなわち、最大のＸ_ｊ値を有するチャネルによって支配されることになる。このことに基づいて、ＷＣＥＴＴの定義としてこの最大のＸ_ｊの使用を提唱できるかもしれない。そのように定義されると、メトリックは、よりチャネル多様性のあるパスを有利に扱うことになる。しかしながら、非ボトルネックチャネルを用いる追加ホップはメトリックの値に影響しないので、このメトリックの値は、より多くのホップがパスに追加されても常に増加するとは限らないであろうことが分かる。

前述の２つのパスメトリック（ＥＴＴの和および最大のＸ_ｊ）の望ましいプロパティは、それらの加重平均をとることによって、１つの満足行くメトリックに合成することができる。

このように、ＷＣＥＴＴメトリックは、あるパスに沿った全ホップのＥＴＴの和とボトルネックチャネル上のＥＴＴの和という２つの量の加重平均である。２番目の量は、チャネル多様性のあるパスの選択を強制する。βは、０≦β≦１を条件とする調整可能なパラメータである。βを０．５になるように選択すると、チャネル多様性およびＥＴＴの和に対して等しい重みが与えられる。βが０になるように選択される場合、ＷＣＥＴＴは、チャネル多様性にかかわらず、その損失率および帯域幅のみに基づいてリンクを選択する。１つの実施形態においては、βの選択は、現在のネットワーク帯域幅に基づいて自動化することができる。

加重平均ＷＣＥＴＴ式は、２通りに解釈することができる。第１に、この式は、全体的な良好性と利己性との間のトレードオフと考えることができる。第１項は、ネットワークの全ホップに沿った伝送時間の和である。これは、このパスに沿ったトータルのネットワークリソース消費を反映している。第２項は、パスのスループットに最大の影響を有するであろうホップの組を反映している。加重平均は、次いでこれら２つをバランスしようとするものとして見ることができる。この式は、スループットと遅延との間のトレードオフと理解することもできる。第１項は、パスの待ち時間の測度として見ることができる。第２項は、ボトルネックホップの影響を表すので、パススループットの測度として見ることができる。ここでも、加重平均は、これら２つをバランスしようとするものと考えることができる。

図６は、ある所与のパスについてＷＣＥＴＴの計算に伴うステップを示している。そのパス上の各リンクについて、ノードは、損失率および帯域幅を用いてＥＴＴを算出する（ステップ６０１）。ノードはＥＴＴの和を計算する（ステップ６０３）。ノードは、次に、チャネルに従ってリンクをグループ化し、各グループについてＥＴＴ和を計算する（ステップ６０５）。ノードは、最大のＥＴＴ和を有するグループを見つける（ステップ６０７）。最後に、ノードは、（１−β）にＥＴＴの和を乗じたものと、βにチャネルグループごとの最大のＥＴＴ和を乗じたものとを加えて、そのパスについてのＷＣＥＴＴを計算する（ステップ６０９）。

図７の線図は、本発明の特定の実施形態を組み込むことができる例示的なネットワーク環境を示している。図示されたネットワークは、部分的に、マルチホップワイヤレスネットワークである。図示したように、ネットワークは、ワイヤレスノード７０１、７０３、７０５、７０７、７０９、７１１、７１３、７１５、７１７、７１９を含む。典型的には、図示したワイヤレスネットワークは他のネットワークから孤立して動作しない。すなわち、示したように、このネットワークは、有線通信手段７２５によって第２のネットワークに接続されるゲートウェイデバイス７２３、７２１を介して、インターネットなどの第２の、多くの場合、より大きいネットワークに接続される。点線は、既存のワイヤレス無線リンクを表している。当業者には初歩的なことであるように、ノード７０１などのノードは、任意数の汎用または専用の構成およびアーキテクチャを有することができるコンピューティングデバイスである。一般に、このようなデバイスは、少なくとも１つのプロセッサおよび１つのメモリ階層と、ワイヤ化およびワイヤレスネットワークインターフェースハードウェアとを有するであろう。特に、このようなネットワークのあるノードは、限定ではないが８０２．１１ａ、８０２．１１ｂ、および８０２．１１ｇのＩＥＥＥ規格に準拠するネットワークインターフェースカードに含まれるものなど、周波数チャネルにわたるワイヤレス通信のための１つまたは複数のデジタルパケット無線送受信機を有することができる。

無線機は限られたワイヤレス通信範囲を有するので、このようなネットワークのノードの多くのペアは直接通信することができず、代わりに、中間ノードとして機能するネットワーク中の１つまたは複数の協働ノードに依拠して、データをソースノードから宛先ノードに転送しなければならない。このように、あるソースノードは、典型的には、そのソースノードが直接通信することができる近隣しているノードにデータパケットを送信する。近隣しているノードは、次に、その近隣ノードのうちの１つにパケットを送信し、そのパケットが最終的な宛先に送信されるまでこれが繰り返される。パケットが送信される各リンクは、「ホップ」と呼ばれる。あるパケットがソースノードから最終的な宛先ノードまで移動するリンクの組は、そのパケットについての経路またはパスである。経路は、マルチホップネットワークの幾つかのノード上で分散した形で稼働されるルーティングプロトコルによって発見される。図７には、２つの例示的な経路が示されている。ノードＳ１ ７０７はパケットを中間ノードＲ１ ７０９に送信し、この中間ノードはそのパケットを中間ノードＲ２ ７０３に送信し、この中間ノードはそのパケットを宛先ノードＤ ７１１に送信する。これらのノード間の黒い実線矢印は、この経路を構成するデータトラフィックリンクを表している。ノードＳ２ ７１７は、外部ネットワークに向かうことになっているパケットを中間ノードＲ３ ７１９に送り、この中間ノードはそのパケットをゲートウェイ７２３に送信する。

本発明の１つの実施形態において、ＷＣＥＴＴメトリックは、ＭＣＬ（Ｍｅｓｈ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ Ｌａｙｅｒ）ルーティングフレームワーク内で作動するＬＱＳＲ（Ｌｉｎｋ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｓｏｕｒｃｅ Ｒｏｕｔｉｎｇ）プロトコルの修正バージョンであるＭＲ−ＬＱＳＲ（Ｍｕｌｔｉ−Ｒａｄｉｏ Ｌｉｎｋ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｓｏｕｒｃｅ Ｒｏｕｔｉｎｇ）に関連して実装される。ＬＱＳＲの特定の特徴は、発明者が本出願と共通し、引用によりここに組み込まれる特許文献１に開示され、ＭＣＬの特定の特徴は、発明者の１人が本出願と共通し、引用によりここに組み込まれる特許文献２に開示されている。これらの特徴の幾つかは、引用によりここに組み込まれる非特許文献３でも論じられている。

ＭＣＬは、レイヤ２（リンク層）とレイヤ３（ネットワーク層）との間の中間に位置するレイヤに存在する仮想ネットワークアダプタを実装する。より上位層のアプリケーションにとって、ＭＣＬは、基礎となる物理アダプタのレイヤ２アドレスから区別される独自の４８ビット仮想イーサネット（登録商標）アドレスを有する別のイーサネット（登録商標）リンクであるように見える。より下位の層にとっては、ＭＣＬは、物理リンク上で稼働する別のプロトコルであるように見える。複数の物理ネットワークアダプタを単一の仮想リンクに多重化することができ、その仮想リンクを介して、ネットワークプロトコルは修正せずに稼働することができる。

ＭＣＬアダプタは、ＭＲ−ＬＱＳＲを用いてパケットを経路設定する。ある所与のノードについて、ＭＲＬＱＳＲプロトコルは、そのノードの近隣ノードを発見し、あるノードがその近隣ノードと共に有するリンクに重みを割り当て、この情報をネットワーク中の他のノードに伝搬し、このリンク重みを用いて、そのリンク重みを合成してパスメトリックを形成することによって所与の宛先への良好なパスを発見する。読者は、ＭＣＬおよびＬＱＳＲに関する更なる詳細について、前掲の組み込まれた特許出願および技術報告を参照すべきである。しかしながら、本発明は、ＭＣＬおよびＬＱＳＲに基づく実施に限定されるものではない。本発明の他の実施形態において、他のルーティングプロトコルおよびフレームワークを使用することができる。

ＷＣＥＴＴを実装するために、チャンネル番号並びに損失率および帯域幅または各リンクのＥＴＴを伝達する必要がある。１つの実施形態において、８ビットのメトリック値を用いて、抽象チャネル番号をエンコードする。チャネル番号を伝達する他の方法が可能である。

本発明を説明する文脈において、「ある」および「その」という用語ならびに同様の指示語の使用は、本明細書で特に示されない限り、または、文脈によって明らかに矛盾しない限り、単数および複数の両方に及ぶものと解釈されるべきである。「備える」、「有する」、「含む」および「収容する」という用語は、特に注記のない限り、制限のない用語（「含むが、限定されない」を意味する）として解釈される。本発明の値の範囲の詳述は、単に、本明細書で特に示されない限り、その範囲内に入るそれぞれの個々の値を個別に指す簡便な方法としての役割を果たすことが意図されており、それぞれの個別に値は、本明細書で個々に詳述されたもとして本明細書に組み込まれている。本明細書において、いずれかのおよびすべての例または例示語（「など」、「例えば」など）の使用は、単に本発明をより明らかにすることを意図しており、特に主張されない限り、本発明の範囲に関して限定を表すものではない。本明細書中の言葉は、本発明の実施に不可欠なものとして、請求の範囲に記載されていないいずれの構成要素を示すものと解釈されるべきではない。

図８を参照すると、本発明を実装するための例示的なシステムが、コンピューティングデバイス８００などのコンピューティングデバイスを含む。基本構成において、コンピューティングデバイス８００は、典型的には、少なくとも１つの処理ユニット８０２およびシステムメモリ８０４を含む。正確な構成およびコンピューティングデバイスのタイプに応じて、システムメモリ８０４は、（ＲＡＭなどの）揮発性のもの、（ＲＯＭ、フラッシュメモリなど）不揮発性のもの、またはこれら２つの何らかの組み合わせとすることができる。システムメモリ８０４は、典型的には、オペレーティングシステム８０５、１つまたは複数のアプリケーション８０６を含み、プログラムデータ８０７を含むことができる。この基本構成は、点線８０１内のこれらのコンポーネントによって図８に示されている。

コンピューティングデバイス８００は、追加的な特徴または機能を有することもある。例えば、コンピューティングデバイス８００は、例えば磁気ディスク、光ディスク、またはテープなどの追加の（リムーバブルおよび／または非リムーバブル）データストレージデバイスを含むこともできる。このような追加のストレージは、リムーバブルストレージ８０９および非リムーバブルストレージ８１０によって図８に示されている。コンピュータ記憶メディアは、コンピュータ読取り可能命令、データ構造、プログラムモジュール、または他のデータなど、情報の格納のための任意の方法または技術で実装された揮発性および不揮発性、リムーバブルおよび非リムーバブルのメディアを含むことができる。システムメモリ８０４、リムーバブルストレージ８０９、および非リムーバブルストレージ８１０はすべて、コンピュータ記憶メディアの例である。コンピュータ記憶メディアは、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ若しくは他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）若しくは他の光学式ストレージデバイス、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ若しくは他の磁気ストレージデバイス、または所望の情報を格納するのに使用することができ、コンピューティングデバイス８００によってアクセスすることができる他の任意の媒体を含むが、これらに限定されない。このような任意のコンピュータ記憶メディアをデバイス８００の一部とすることができる。コンピューティングデバイス８００は、キーボード、マウス、ペン、音声入力デバイス、タッチ入力デバイスなどの１つまたは複数の入力デバイス８１２を有することもできる。ディスプレイ、スピーカ、プリンタなどの１つまたは複数の出力デバイス８１４を含むこともできる。これらのデバイスのすべては、当技術分野で知られており、ここで詳細に論じる必要は無い。

コンピューティングデバイス８００は、そのデバイスが、あるネットワークまたはワイヤレスメッシュネットワークなどを介して他のコンピューティングデバイス８１８と通信できるようにする通信接続部８１６も収容する。通信接続部８１６は、通信メディアの一例である。通信メディアは、典型的には、コンピュータ読取り可能命令、データ構造、プログラムモジュール、またはその他のデータを搬送波またはその他のトランスポート機構のような変調されたデータ信号に具体化し、任意の情報配信メディアを含む。「変調されたデータ信号」という用語は、情報を信号にエンコードするようにその特性の１つまたは複数を設定または変更した信号を意味する。例として、限定ではなく、通信メディアは、ワイヤ化ネットワークまたは直接配線接続などの有線媒体、ならびに音波、ＲＦ、赤外線および他のワイヤレスメディアなどのワイヤレスメディアを含む。本明細書で用いられるコンピュータ読取り可能メディアという用語は、記憶メディアおよび通信メディアの両方を含む。

１つの実施形態において、アプリケーション８０６は、本発明に係るメッシュネットワーク機能を実装するためのアプリケーション８２０をさらに含む。アプリケーション８２０によって表される機能は、アドホックネットワークを確立し、維持するためにコンピューティングデバイス８００に含まれる追加の入力デバイス８１２、出力デバイス８１４、および通信接続部８１６によってさらにサポートすることができる。

本発明を実施するために、本発明者に知られたベストモードを含む本発明の好ましい実施形態が本明細書で説明されている。前述の説明を読めば、当業者にはこれらの好ましい実施形態の変形形態が明らかとなるであろう。本発明者は、熟練した技術者がこのような変形形態を適切に用いることを見込み、本発明が本明細書で具体的に説明したものとは別の形で実施されることを意図している。したがって、本発明は、適用される法律で認められるように、添付の特許請求の範囲に詳述された対象のすべての修正および均等物を含む。さらに、そのすべての可能な変形形態における上述の要素の任意の組み合わせも本明細書で特に示されない限り、または文脈によって明らかに矛盾しない限り、本発明によって包含される。

本発明の実施形態に従って、ＥＴＴ測定のための損失率を計算するにあたってプローブの送り側ノードによって行われるステップを示すフロー図である。 本発明の実施形態に従って、損失率の計算に関してプローブの受け側によって行われるステップを示すフロー図である。 本発明の実施形態に従って、各リンクについて帯域幅を計算するにあたってプローブの送り側によって行われる初期ステップを示すフロー図である。 本発明の実施形態に従って、帯域幅の計算に関してプローブの受け側によって行われるステップを示すフロー図である。 本発明の実施形態に従って、帯域幅の計算に関してプローブ返信の受け側によって行われるステップを示すフロー図である。 本発明の実施形態に従って、ある所与のパスについてＷＣＥＴＴの計算に伴うステップを示すフロー図である。 本発明の一実施形態を組み込むことができる例示的なネットワーク環境を示す図である。 本発明の１つの例示的な実施形態で使用することができる例示的なコンピューティングデバイスを示す図である。

符号の説明

７０１〜７１９ ワイヤレスノード
７２１，７２３ ゲートウェイデバイス
７２５ 有線通信手段
８００ コンピューティングデバイス
８０１ 基本構成
８０２ 処理ユニット
８０４ システム・メモリ
８０５ オペレーティング・システム
８０６ アプリケーション
８０７ プログラム・データ
８０９ リムーバブルストレージ
８１０ 非リムーバブルストレージ
８１２ 入力デバイス
８１４ 出力デバイス
８１６ 通信接続部
８１８ 他のコンピューティングデバイス
８２０ リンク品質ルーティング

Claims (20)

1. アドホックネットワークにおいてルーティングするためのシステムであって、
   重みをリンクに割り当てるためのメカニズムと、
   経路についての個々のリンク重みをパスメトリックに組み入れるためのメカニズムであって、共有チャネルを使用するリンク間の干渉を計算に入れるメカニズムと
   を備えたことを特徴とするシステム。
2. 前記アドホックネットワークは、複数の無線送受信機を有する１つまたは複数のノードを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記アドホックネットワークは、複数の異種無線送受信機を有する１つまたは複数のノードを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 重みを前記リンクに割り当てることは、パケットが前記リンク上で送信されて前記リンクを越えて前記パケットを取得するのに成功する予想回数の測定を前記リンクについての帯域幅測定によって乗じたものから、前記重みを判定することをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. パケットが前記リンク上で送信されて前記リンクを越えて前記パケットを取得するのに成功する予想回数の前記測定は、ＥＴＸ測定を備えたことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 前記帯域幅測定は、経験的に判定されることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
7. 前記帯域幅測定は、パケットペア技術を用いて判定されることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
8. 前記パスメトリックは、ｎを前記経路におけるリンク数とし、Ｗ_ｉをリンクｉについての重みとし、Ｘ_ｊをチャネルｊに関する重みの和とし、ｋをチャネル数とし、βを０≦β≦１を条件とするパラメータとして、加重平均
   

   

   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. チャネルｊに関する重みの前記和（すなわち、Ｘ_ｊ）は、ボトルネックチャンネルが最大のＸ_ｊ値を有するものとし、トータルのパススループットが前記ボトルネックチャンネルによって支配されるように、
   

   

   によって計算されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. リンクｉについての前記重みは、パケットがリンクｉ上で送信されてリンクｉを越えて前記パケットを取得するのに成功する予想回数の測定をリンクｉについての帯域幅測定によって乗じたものを備えたことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
11. マルチホップネットワークにおいて、ソースノードから宛先ノードまでの経路のリンク品質を測定するための方法であって、前記経路は複数のリンクを備え、
    前記経路における各リンクについて、そのリンクの性能に従って重みを割り当てることと、
    前記経路についての前記割り当てられたリンク重みをパスメトリックに組み入れることであって、前記パスメトリックは共有チャネルを使用するリンク間の干渉を計算に入れることと
    を備えることを特徴とする方法。
12. 前記マルチホップネットワークは、複数の無線送受信機を有する１つまたは複数のノードを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記マルチホップネットワークは、複数の異種無線送受信機を有する１つまたは複数のノードを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記リンクの性能は、パケットが前記リンク上で送信されて前記リンクを越えて前記パケットを取得するのに成功する予想回数の測定を前記リンクについての帯域幅測定によって乗じたものを備えることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. 前記帯域幅測定は、経験的に判定されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記帯域幅測定は、パケットペア技術を用いて判定されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 前記経路についての前記割り当てられたリンク重みを前記パスメトリックに組み入れることは、
    前記経路における前記リンクについての予想伝送時間の和を計算することと、
    前記リンクの１つまたは複数によって使用される各チャネルについて、前記チャネルを共有するリンクのサブセットを判定することと、
    各サブセットにおける前記リンクについて、予想伝送時間の和を計算することと、
    最大の和を有するサブセットを判定することと、
    βを０≦β≦１を条件とするパラメータとし、前記経路における前記リンクについての予想伝送時間の前記和によって（１−β）を乗じたものに、最大の和を有する前記サブセットについての予想伝送時間の前記和によってβを乗じたものを加えたものとして前記パスメトリックを計算することと
    を備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
18. ソースノードから宛先ノードまでの、経路のリンク品質を測定するためのコンピュータ実行可能命令を格納したコンピュータ読取り可能媒体であって、前記経路は複数のリンクを備え、前記コンピュータ実行可能命令は、
    前記経路における各リンクについて、そのリンクを介したパケットの予想伝送時間に従って重みを割り当てることと、
    前記経路についての前記割り当てられたリンク重みをパスメトリックに組み入れることであって、前記パスメトリックは共有チャネルを使用するリンク間の干渉を計算に入れることと
    を備えたことを特徴とするコンピュータ読取り可能媒体。
19. 前記予想伝送時間は、パケットが前記リンク上で送信されて前記リンクを越えて前記パケットを取得するのに成功する予想回数の測定を前記リンクについての帯域幅測定によって乗じたものを備えたことを特徴とする請求項１８に記載のコンピュータ読取り可能媒体。
20. 前記経路についての前記割り当てられたリンク重みを前記パスメトリックに組み入れることは、
    前記経路における前記リンクについて、予想伝送時間の和を計算することと、
    前記リンクの１つまたは複数によって使用された各チャネルについて、前記チャネルを共有するリンクのサブセットを判定することと、
    各サブセットにおける前記リンクについて、予想伝送時間の和を計算することと、
    最大の和を有するサブセットを判定することと、
    βを０≦β≦１を条件とするパラメータとし、前記経路における前記リンクについての予想伝送時間の前記和によって（１−β）を乗じたものに、最大の和を有する前記サブセットについての予想伝送時間の前記和によってβを乗じたものを加えたものとして、前記パスメトリックを計算することと
    を備えたことを特徴とする請求項１８に記載のコンピュータ読取り可能媒体。
    

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