JP2006025274A - 通信経路決定方法、通信経路決定装置、および無線端末 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の無線端末と複数の中継装置とを含む無線アドホックネットワークシステムにおいて、無線端末同士がより最適な経路で通信を行うことができる通信経路の決定方法を提供する。
【解決手段】複数の無線端末１と複数のＡＰ２とを含み構成される無線アドホックネットワークシステムにおいて、無線網のみを介してなる送信局から宛先局までの通信経路における中継数Ｈｗを取得し、無線網および中継網を介してなる送信局から宛先局までの通信経路における、送信局から中継局となる最上流の中継装置までの中継数、および中継局となる最下流の中継装置から宛先局までの中継数のうち、中継数がより大きい方の中継数Ｍａｐを取得した後、取得したＨｗとＭａｐが、（Ｍａｐ＜Ｈｗ）＆＆（Ｍａｐ≦３）を満たす場合には、送信局から宛先局までの通信経路として無線網および中継網を介してなる通信経路を選択する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の無線端末と複数の中継装置とが存在し、有線ネットワークを介した中継路が存在する無線アドホックネットワークシステムにおいて、送信局の無線端末から宛先局の無線端末までの最適な通信経路を決定する方法および装置に関する。

無線アドホックネットワークは、端末同士を無線で接続し、直接電波が届かない端末とも複数の端末が自律的に中継処理することにより任意の端末間での通信を可能とする技術である。移動端末同士を結ぶネットワークや、広範囲に点在する端末を結ぶネットワークを低コストで実現できることから、被災地での利用や車車間通信、センサネットワークなど種々の領域において適用が検討されており、大きな注目を集めている。

さらに非特許文献１などに示されているように、この無線アドホックネットワークを有線網に接続することにより、その用途をさらに大きく膨らませる研究も盛んに行われている。例えば、有線網にアクセスポイントを設けることにより、無線アドホックネットワーク上の端末からインターネットへの接続が可能となる。ＨｏｔＳｐｏｔなどでは、無線アドホックネットワークとの融合により通信エリアの拡張が期待できる。オフィスや工場などで既存の有線ＬＡＮにアクセスポイントを設置すれば、アクセスポイントの設置位置を気にせずに広範囲での作業が可能となる。

無線アドホックネットワークと有線網の結合環境を構築する場合、無線アドホックネットワークを一つのサブネットとすると、１サブネットあたり複数台の中継装置としてのアクセスポイントを設置することにより、特定端末への負荷の集中を避け、有線網への接続性を高めることが望ましい。このような環境では、サブネットを構成する任意の無線端末間の通信経路として、無線端末中継のみの通信経路とアクセスポイント経由の通信経路の２通りが選択可能である。

これまでにも種々の無線アドホックネットワーク向け経路制御方式が提案されているが、それらの多くは、無線端末が静止状態にありトラフィックが均等に分散されている場合に最小中継数により経路が決定されるという方式である。

例えば、非特許文献１には無線アドホックネットワークと有線ネットワークの結合形態および無線アドホックネットワークへのＶｉｒｔｕａｌＬＡＮ実装方法が開示されている。また、非特許文献２には、経路制御方法としてＤＳＲ（Dynamic Source Routing）を使用した時の基幹網との接続方法やサブネットがオーバラップしたときの対処方法が開示されている。さらに、非特許文献３には 無線アドホックネットワーク上の端末から有線網にアクセスする時の経路制御方式として、アドホックメトリックとハンドオーバメトリックを考慮した方法が開示されている。

しかしながら、いずれの文献でも、１サブネット中に複数のアクセスポイントを設置した時の無線端末間の経路制御方式については言及していない。

Toshiaki TANAKA, Masahiro MORIKURA, Hitoshi TAKANASHI, "Nomadic Computing Environment Employing Wired and Wireless Networks" IEICE TRANS. COMMUN., vol.E81-B, no.8 Aug. 1998 Josh Broch, David A. Maltz, David B.Johnson, "Supporting Hierarchy and Heterogeneous Interfaces in Multi-Hop Wireless Ad Hoc Networks" Workshop on Mobile Computing, I-SPAN, June 1999 中川智尋，太田 賢，吉川 貴，倉掛正治，"無線マルチホップ・アクセスネットワークにおける経路制御及びハンドオーバ制御方式"信学論(B)，vol.85-B，no.12，pp.2147-2154，Dec. 2002

本発明は、複数の無線端末と複数の中継装置とを含む無線アドホックネットワークシステムにおいて、無線端末同士がより最適な経路で通信を行うことができる通信経路の決定方法を提供することを目的とする。

本発明に係る通信経路決定方法は、複数の無線端末と複数の中継装置とを含み、無線端末同士および無線端末と中継装置とは互いに無線網を介して通信を行い、中継装置同士は互いにその無線網とは異なる中継網を介して通信を行い、いずれかの無線端末がそれぞれデータパケットの送信元となる送信局もしくはデータパケットの送信先となる宛先局となり、各無線端末および各中継装置の中の少なくとも一つが送信局と宛先局との間のデータパケットの中継を行う中継局となる無線アドホックネットワークシステムにおける、送信局から宛先局までの通信経路を決定する通信経路決定方法において、無線網のみを介してなる送信局から宛先局までの通信経路における中継数Ｈｗを取得する第１中継数取得ステップと、無線網および中継網を介してなる送信局から宛先局までの通信経路における、送信局から中継局となる最上流の中継装置までの中継数、および中継局となる最下流の中継装置から宛先局までの中継数のうち、中継数がより大きい方の中継数Ｍａｐを選択し、取得する第２中継数取得ステップと、第１中継数取得ステップで取得した中継数Ｈｗと、第２中継数取得ステップで取得した中継数Ｍａｐとの比較に基づいて、送信局から宛先局までの通信経路として、無線網のみを介してなる通信経路か無線網および中継網を介してなる通信経路かのいずれか一方を選択する経路決定ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、中継数Ｈｗと中継数Ｍａｐとの比較に基づいて、送信局から宛先局までの通信経路として、無線網のみを介してなる通信経路か無線網および中継網を介してなる通信経路かのいずれか一方を選択する。これにより、単に送信局から宛先局までの最小中継数に基づいて最適経路を選択する場合よりも、高スループットを得られる通信経路を選択することができる。

また、本発明に係る通信経路決定方法の一つの態様によれば、前記経路決定ステップでは、第１中継数取得ステップで取得した中継数Ｈｗおよび第２中継数取得ステップで取得した中継数Ｍａｐのうち、中継数がより小さい方に対応する通信経路を選択することで、送信局から宛先局までの通信経路を決定することを特徴とする。

さらに、本発明に係る通信経路決定方法の一つの態様によれば、第２中継数取得ステップで取得した中継数Ｍａｐが所定の最大値を超えた場合、経路決定ステップでは、無線網のみを介してなる通信経路を選択することを特徴とする。

本発明の実施の形態（以下、実施形態とする）について、以下図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態における無線アドホックネットワークシステムのネットワーク構成を示す図である。本実施形態における無線アドホックネットワークシステムには、複数の無線端末１−１〜１−６（総称して、符号１を付す）が存在する。各無線端末１は１つのサブネットを形成し、そのサブネットの中には複数のアクセスポイント（以下、ＡＰとする）２−１〜２−３（総称して、符号２を付す）が存在する。

無線端末１は、他の無線端末１やＡＰ２と無線アドホックネットワークを介した通信を行うためのネットワークインタフェース（無線Ｉ／Ｆ）を備える。一方、ＡＰ２は、無線端末１と無線アドホックネットワークを介した通信を行うためのネットワークインタフェース（無線Ｉ／Ｆ）と、他のＡＰ２と有線ネットワークを介した通信を行うためのネットワークインタフェース（有線Ｉ／Ｆ）とを備える。

ＡＰ２が無線アドホックネットワーク用のネットワークインタフェースを備え、無線アドホックネットワークの経路制御機能を実装することで、ＡＰ間での経路制御を実現させ、経路制御パケットによる無線帯域消費を低減させることができる。

さらに、各サブネットにはルータ３とＥＡＰ４が配置されており、サブネットを越えた通信が生じる場合には各サブネットに設置されたルータ３およびＥＡＰ４を介してアドホックルーティングが行われる。すなわち、例えば無線端末Ａが自分の属するサブネットとは別のサブネットに属する無線端末Ｂと通信を行う場合、まず送信側の無線端末Ａが自分の属するサブネットに存在するルータＡに向けてパケットを送信する。そのパケットを受信したルータＡは、受信側の無線端末Ｂが属するサブネットに存在するルータＢにそのパケットを転送する。この際、ルータＡは、同一サブネット内のＡＰから送信される経路制御パケットを終端してサブネット外に経路制御パケットが送信されないようにするとともに、ＥＡＰ４から送信される経路制御パケットについても同様にサブネット内に経路制御パケットが送信されないように終端する。

なお、サブネット同士は、有線ネットワークを介して接続してもよいし、無線ネットワークを介して接続してもよい。また、本実施形態では、無線通信方式としてＩＥＥＥ８０２．１１を利用し、サブネット内での無線通信区間の伝送レートに対して有線ネットワークの伝送レートは同等以上とする。

このように構成された無線アドホックネットワークにおいて、無線端末間で通信を行う場合、従来、送信側の無線端末（送信局）から受信側の無線端末（宛先局）までの経路は、Ｈｏｐ数に基づいて最小中継数となる経路が選択されるのが一般的であった。

しかしながら、同一サブネット内に複数のＡＰが存在し、有線ネットワークを介した中継路が存在する場合、必ずしも最小中継数となる経路が高スループットを得られる最適経路とは限らない。この点について、以下、具体例を挙げて説明する。

まず、図２は、無線アドホックネットワーク上の通信性能を測定する際の疑似無線環境を提供するシステムのネットワーク構成を示す図である。図２における疑似無線環境では、無線ネットワークを介した通信を行うためのネットワークインタフェースとして使用するＩＥＥＥ８０２．１１ｂ無線ＬＡＮカードのアンテナ部を高周波ケーブルへ出力できるように構成する。そして、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、アッテネータ、カプラをそれぞれ高周波ケーブルを用いて接続し、疑似無線環境を実現させる。

図２に示すような疑似無線環境は、例えば、下記の表１に示した機器を用いることで実現することができる。

無線アドホックネットワーク上の通信性能の測定を実環境で行う場合、見通しで数１００ｍ以上の広大なエリアが必要となる。しかし、図２に示すような疑似無線環境を構築すれば、手近な環境で測定が行えるほか、無線端末が複数の経路から同じ電波を受信してしまうマルチパスの影響もないため無線通信の性能試験をより精度よく行うことができる。

図２には、６台のＰＣを用いて３つの疑似無線環境が示されている。構成１は、全ＰＣが無線のみにより接続されている場合であり、各ＰＣは直線状に配置され、隣接端末のみが電波有効範囲内に存在するように構成されている。従って、ＰＣ−１からＰＣ−６にパケットを送信するときには４台のＰＣ（ＰＣ−２，３，４，５）が無線中継することになる。

構成２は、ＰＣ−２とＰＣ−３とをＡＰとして機能させるために、ＰＣ−２・ＰＣ−３間を有線ケーブルで直結して構成した疑似無線環境である。構成２において、ＰＣ−２にはＰＣ−１のみが無線接続可能であり、ＰＣ−３にはＰＣ−４〜ＰＣ−６が無線接続可能である。例えばＰＣ−３からＰＣ−６宛にパケットを送信する場合、２台のＰＣ（ＰＣ−３，４）が無線中継を行う。またＰＣ−１からＰＣ−４〜ＰＣ−６のいずれかにパケットが転送される場合は、ＡＰとして機能するＰＣ−２・ＰＣ−３間では有線ケーブルを介してパケットが転送される。

構成３は、ＰＣ−３とＰＣ−４とをＡＰとして機能させるために、ＰＣ−３・ＰＣ−４間を有線ケーブルで直結して構成した疑似無線環境である。

このように構成された構成１〜３において、送信局をＰＣ−１として、宛先局をＰＣ−２〜ＰＣ−６のいずれかとした場合のＨｏｐ数とＴＣＰスループットの関係をＮｅｔｐｅｒｆ（Ｎｅｔｐｅｒｆについては、http://www.netperf.org/を参照）を用いて測定を行った。その測定により得られた結果を図３Ａおよび３Ｂに示す。なお、本実施形態では、隣接局間の通信を１Ｈｏｐと定義している。

図３Ａは、構成２、構成３において、有線ケーブルで直結されたＰＣ間（すなわち、構成２ではＰＣ−２・ＰＣ−３間、構成３ではＰＣ−３・ＰＣ−４間）に配置されたアッテネータの減衰率を−１１０ｄＢとしたときの測定結果であり、図３Ｂは、電波減衰率を−５０ｄＢにしたときの測定結果である。電波減衰率が−１１０ｄＢの場合は、有線ケーブルで接続されたＰＣ同士が電波有効距離よりも十分離れた位置に配置されている場合に相当し、電波減衰率が−５０ｄＢの場合は、電波有効範囲内に互いのＡＰが存在する場合に相当する。

なお、構成２および構成３は無線と有線とを併用した時のスループットを見るための測定であるため、無線だけとなる測定結果（構成２では１Ｈｏｐ、構成３では１Ｈｏｐ、２Ｈｏｐ）や、ＡＰが宛先局となる測定結果（構成２では２Ｈｏｐ、構成３では３Ｈｏｐ）の表記は省略した。また、構成３の４Ｈｏｐ測定データは構成２の測定データと全く同じになるため測定結果の表記は省略した。

このように構成された疑似無線環境での測定結果（図３（Ａ）、３（Ｂ））より以下のことがわかる。

すなわち、まず、図３（Ａ）に示された測定結果より、構成１では無線中継数が増加するにつれてスループットがほぼ「１／Ｈｏｐ数」になっている。また、構成２ではＡＰ経由の３Ｈｏｐで４Ｍｂｐｓを越えるスループットが得られているのに対して、構成１の３Ｈｏｐでは１．５Ｍｂｐｓ程度しかスループットが得られていない。

さらに構成２の３Ｈｏｐでは、無線通信区間が２区間であるが、同じく無線通信区間が２区間である構成１の２Ｈｏｐでは、構成２に比べて低いスループットしか得られていない。同様なことは構成２の４Ｈｏｐと構成１の３Ｈｏｐ、構成２の５Ｈｏｐと構成１の４Ｈｏｐについてもいえる。このように、中継経路の中にＡＰ間における有線ネットワークを介した中継経路が含まれている場合、必ずしも最小中継数の経路が高スループットを得られる最適経路とは限らない。

この要因の一つとしては、ＩＥＥＥ８０２．１１ＤＣＦのキャリアセンスによる影響が考えられる。キャリアセンスは、無線通信を行う装置が電波を発射する場合にそのチャンネルが空いているかどうかを調べるために、無線パケット送信時に行われるものである。そして、キャリアセンスを行った際にチャンネル使用中と判定された場合には、その装置は一旦アイドル状態になり、「ＤＩＦＳ＋バックオフ」時間経過した後にパケットを送信する。つまり、このパケット送信時でのアイドル状態によるタイムロスが、必ずしも最小中継数の経路が高スループットを得られる最適経路とは限らないことの要因の一つとして考えられる。

例えば、図２の構成１では、ＰＣ−１がＰＣ−２にパケットを送信している間、ＰＣ−１のキャリアセンス範囲内ではすでにチャンネルが使用中であるため、その範囲内に存在するＰＣ−２，３は無線通信にてパケットを送信することができない。一方、構成２では、ＰＣ−２とＰＣ−３との間にあるアッテネータの減衰率を−１１０ｄＢに設定してあるため、ＰＣ−３はＰＣ−１のキャリアセンス範囲外に位置することになる。したがって、ＰＣ−１がＰＣ−２にパケットを送信している間、ＰＣ−２は有線ケーブルを介して有線通信にてＰＣ−３にパケットを送信することが可能であり、ＰＣ−３はＰＣ−４に無線通信にてパケットを送信することが可能である。よって、構成１の場合のように、ＰＣ−１が無線通信中にＰＣ−２，３が無線通信にてパケットを送信することができないということはないため、構成２の場合は、構成１の場合よりもスループットが向上していると考えられる。

また、図３（Ａ）における５Ｈｏｐの測定結果で、構成３、構成２、構成１の順にスループットが落ちていること、および５ＨＯＰにおける構成３、構成２、構成１での連続する無線中継数の最大値がそれぞれ２Ｈｏｐ、３Ｈｏｐ、４Ｈｏｐとなっていることを勘案すると、連続する無線中継数が多いほどキャリアセンスによる影響によりスループットが低下することがわかる。

さらに、図３（Ｂ）の測定結果では、構成３の３Ｈｏｐ時のスループットが図３（Ａ）での測定結果よりも大幅に低下している。これは，有線で接続されたＰＣ間のアッテネータの減衰率を−５０ｄＢとしたため、ＰＣ−１のキャリアセンス範囲内にＰＣ−３が存在することになり、ＰＣ−１からＰＣ−２へパケット送信とＰＣ−３からＰＣ−４へのパケット送信が同時に行えないことが原因と考えられる。ただ、この場合でも、ＰＣ−１からＰＣ−２へのパケット送信と、ＰＣ−２からＰＣ−３への有線経由のパケット送信は同時に行うことが可能であるため、複数のＡＰが互いに電波有効範囲内に存在する場合でも、有線を併用した時のスループットは無線のみを利用した時のスループットに比べて高い。

これらの測定結果より、無線アドホックネットワークと有線ネットワークとの結合環境においては、単純に最小Ｈｏｐ数により通信経路を決定するのではなく、無線による連続中継回数を減らして有線ネットワークを経由させたほうが高スループットが得られることがわかる。

ただ、移動体により構成される無線アドホックネットワークでは、中継回数が増加するほど経路変更が生じる可能性が高くなる。また、図３（Ａ）、図３（Ｂ）の測定結果において、構成３の５Ｈｏｐでのスループットと、構成１の３Ｈｏｐでのスループットとがほぼ等しいことを勘案すると、有線ネットワークを経由させる通信経路の有効性を示すことができるのは、以下の条件が成立する時と判断する。

（Ｍａｐ＜Ｈｗ）＆＆（Ｍａｐ≦３）・・・（１）
ここで、
Ｈｗ：無線中継のみで通信経路を構築した時の送信局から宛先局までの最小中継数
Ｍａｐ：送信局から最上流の中継局となるＡＰまでの最小中継数もしくは最下流の中継局となるＡＰから宛先局までの最小中継数のうち、より値が大きい中継数
を示す。

式（１）に示した条件は、ＨｗよりもＭａｐが小さくて、かつＭａｐが３以下の場合には、無線ネットワークのみを介してなる送信局から宛先局までの最小中継数が、無線と有線ネットワークを介してなるその最小中継数よりも小さい場合でも、無線と有線ネットワークを介してなる通信経路を優先的に選択することを意味する。つまり、本実施形態では、無線ネットワークのみを介した送信局から宛先局までのＨｏｐ数と、送信局から有線ネットワークまでもしくは有線ネットワークから宛先局までのＨｏｐ数とを比較することで、送信局から宛先局までの最適通信経路を選択する。これにより、ＩＥＥＥ８０２．１１ＤＣＦのキャリアセンスによる影響等が低減され、単に送信局から宛先局までの最小中継数に基づいて最適経路を選択する場合よりも、高スループットを得られる通信経路を選択することができる。

なお、本実施形態では、無線と有線ネットワークを介してなる通信経路を優先的に選択する条件となるＭａｐの最大値を「３」に設定した。しかし、無線アドホックネットワークの構築環境によって各通信経路におけるスループットは変動するため、無線アドホックネットワークの構築環境に応じて、無線と有線ネットワークを介してなる通信経路を優先的に選択する条件となるＭａｐの最大値は変更してもよい。

ところで、無線アドホックネットワークの経路制御方法には、Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ型ルーティング（リアクティブルーティング）とＴａｂｌｅ−Ｄｒｉｖｅｎ型ルーティングの二つに大別される。

そこで、上記測定結果を踏まえて、本実施形態の無線アドホックネットワークと有線ネットワークとの結合環境において有線ネットワークを有効に利用する通信経路決定方法を、Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ型ルーティングおよびＴａｂｌｅ−Ｄｒｉｖｅｎ型ルーティングのそれぞれについてさらに説明する。

［Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ型ルーティング］
Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ型ルーティングでは、データ送信の必要が生じた送信局が宛先局に経路探索パケット（以下、ＲＲＥＱ（Route Request Packet）とする）をブロードキャストし、それを受信した宛先局は送信局に経路応答パケット（以下、ＲＲＥＰ（Rpute Reply Packet）とする）をユニキャストすることにより通信経路が確立される。

本実施形態では、ＲＲＥＱ、ＲＲＥＰおよび各局が保持するルーティングテーブル中に経路情報として下記の３要素を組み込む。なお、本実施形態ではＲＲＥＱを送信する送信局とＲＲＥＰを送信する宛先局との両方を、中継局と区別して発元局と表現する。

（１）ＲＲＥＱもしくはＲＲＥＰの発元局から自局までのＨｏｐ数（以下、Ｈｃｎｔとする）
（２）ＲＲＥＱもしくはＲＲＥＰの発元局からＡＰまでのＨｏｐ数または、ＡＰから自局までのＨｏｐ数（以下、Ｈａｐとする）
（３）ＲＲＥＱもしくはＲＲＥＰの発元局からＡＰまでのＨｏｐ数およびＡＰから自局までのＨｏｐ数のうち、値がより大きいいずれか一方のＨｏｐ数（以下、Ｍａｐとする。、なお、ここでいうＭａｐは式（１）におけるＭａｐと同様）

これら３要素を用いて通信経路を決定する方法を図４に示すイメージ図を用いて説明する。

図４に示すイメージ図は、無線端末（以下、ＳＴＡとする）５台とＡＰ２台とで構築される無線アドホックネットワークと有線ネットワークとの結合環境において、ＳＴＡ０からＳＴＡ３宛のルートを構築する時のＨｃｎｔ、Ｈａｐ、Ｍａｐの推移を示している。

まず、ＲＲＥＱの発元局ＳＴＡ０は、Ｈｃｎｔ、Ｈａｐ、Ｍａｐに０をセットしてＲＲＥＱを送信する。ここで、ＨｃｎｔはＲＲＥＱが中継処理されるたびにインクリメントされる。Ｈａｐも中継処理毎にインクリメントされるがＡＰが有線Ｉ／Ｆからパケットを受信した段階で一旦リセットされる点でＨｃｎｔと異なる。ＭａｐはＡＰが有線Ｉ／ＦからＲＲＥＱを受信した段階でＨａｐ値がコピーされる。つまり、ＡＰを介さずＳＴＡだけが中継局となる経路ではＭａｐは０のままである。ＡＰを経由する経路であって、Ｍａｐに値がセットされた後は，ＲＲＥＱが中継処理される毎にｍａｘ(Ｍａｐ, Ｈａｐ)、つまりＭａｐもしくはＨａｐのうち大きい方の値がＭａｐにセットされる。

ここで、無線端末およびＡＰの各局がＲＲＥＱを受信した際の経路情報の３要素の更新フローについて図５のフローチャートを元にさらに説明する。

各局はＲＲＥＱを受信すると、まずＲＲＥＱに含まれる経路情報のＨｃｎｔの値をインクリメントし（Ｓ１０１）、ＲＲＥＱは有線Ｉ／Ｆから受信したか否かを判定する（Ｓ１０２）。判定の結果、有線Ｉ／ＦからＲＲＥＱを受信した場合は、Ｈａｐの値をＭａｐにコピーした後（Ｓ１０３）、Ｈａｐの値をリセットして０にする（Ｓ１０４）。

一方、Ｓ１０２での判定の結果、有線Ｉ／ＦからＲＲＥＱをしていなければ、Ｈａｐの値をインクリメントし（Ｓ１０５）、ＲＲＥＱに含まれる経路情報のＭａｐの値が０か否かを判定する（Ｓ１０６）。判定の結果、０でない場合は、ＭａｐもしくはＨａｐのうち大きい方の値をＭａｐにセットする（Ｓ１０７）。一方、Ｍａｐの値が０の場合は、そのまま更新フローを終了する。

このように各局にＲＲＥＱが転送されるごとにＨｃｎｔ、Ｈａｐ、Ｍａｐを更新することで、宛先局となるＳＴＡ３は、経路選択のパラメータとして使用する、無線ネットワークのみで通信経路を構築した時の送信局ＳＴＡ０から自局ＳＴＡ３までの最小中継数（Ｈｃｎｔ）と、送信局ＳＴＡ０から、中継局となる最上流の中継装置ＡＰ０までの最小中継数もしくは中継局となる最下流の中継装置ＡＰ１から宛先局ＳＴＡ３までの最小中継数のうち、より値が大きい中継数（Ｍａｐ）とを得ることができる。

なお、上記フローでは、無線端末とＡＰは同一の処理を行う例を示した。しかし、本実施形態において無線端末は有線Ｉ／Ｆを備えていないため、図５に示す更新フローにおいて、無線端末の場合は、Ｓ１０１でＨｃｎｔの値をインクリメントしたのち、Ｓ１０２での判定は行わずに、そのままＳ１０５でＨａｐの値をインクリメントするフローを行っても構わない。

上述のように経路情報の３要素が更新されながらＲＲＥＱが宛先局の無線端末まで到達する。そして、このＲＲＥＱを受信した宛先局の無線端末は、図６に示すフローに基づいて通信経路の選択を行う際の選択条件を決定する。さらに、決定した選択条件に基づいて図７に示す表２の各条件を参照し、各条件を満たす場合には、宛先局の無線端末は今回受信したＲＲＥＱに含まれる経路情報を自身のルーティングテーブルに登録することで、経路情報の更新を行う。

ここで、図６に示す選択条件の決定フローについて説明する。宛先局の無線端末は、ＲＲＥＱを受信すると、まず自身のメモリに記憶されたルーティングテーブルに送信局までの経路情報がすでに登録されているか否かを判定する（Ｓ２０１）。判定の結果、まだ今回の送信局までの経路情報が登録されていなければ、受信したＲＲＥＱに含まれる経路情報をルーティングテーブルに登録する（Ｓ２０２）。

一方、Ｓ２０１での判定の結果、すでに送信局までの経路情報が登録されている場合には、続いて登録された経路情報のＭａｐの値が０か否か、すなわち、登録されている経路情報は無線ネットワークのみを介して中継される通信経路か、無線および有線ネットワークを介して中継される通信経路かを判定する（Ｓ２０３）。

Ｓ２０３での判定の結果、Ｍａｐ＝０の場合、すなわち、登録されている経路情報が無線ネットワークのみを介して中継される通信経路の場合は、続いて今回受信したＲＲＥＱに含まれる経路情報のＭａｐの値が０か否か、すなわち、受信したＲＲＥＱは無線ネットワークのみを介して中継されたか、無線および有線ネットワークを介して中継されたかを判定する（Ｓ２０４）。そして、Ｍａｐ＝０の場合は、選択条件を条件１に決定する（Ｓ２０５）。一方、Ｓ２０４での判定の結果、Ｍａｐ≠０の場合は、選択条件を条件２に決定する（Ｓ２０６）。

また、Ｓ２０３での判定の結果、Ｍａｐ≠０の場合、すなわち、登録されている経路情報が無線および有線ネットワークを介して中継される通信経路の場合は、続いて今回受信したＲＲＥＱに含まれる経路情報のＭａｐの値が０か否かを判定し（Ｓ２０７）、Ｍａｐ＝０の場合は、選択条件を条件３に決定する（Ｓ２０８）。一方、Ｓ２０７での判定の結果、Ｍａｐ≠０と判定された場合は、選択条件を条件４に決定する（Ｓ２０９）。

このように決定された条件に基づいて、宛先局の無線端末は、自身の経路情報の更新を行うか否かを判定する。

図４に示したイメージ図の場合で説明すると、ＲＲＥＱの宛先局ＳＴＡ３は、ＳＴＡ２とＳＴＡ４からそれぞれＲＲＥＱを受信する。ＳＴＡ３は、図６に示す選択条件決定フローに基づいて条件を決定する。そして、ＳＴＡ３は、Ｈｃｎｔ、Ｍａｐを利用して図７に示す表２を参照して、決定した条件に応じて、経路情報の更新を行うか否かを判定、つまり言い換えれば、送信局までの経路を決定する。

なお、表２における条件２および条件３は式（１）を適用しており、条件１および条件３は単純なＨｏｐ数の比較によりルートを判断している。

表２では、ルーティングテーブル中の経路情報と受信したＲＲＥＱに含まれる経路情報とを比較しているが、図４の例ではＨｏｐ数が少ないＳＴＡ２から受信した経路情報がまずルーティングテーブルに登録され、その後到着するＳＴＡ４から受信するＲＲＥＱに含まれる経路情報と比較することになる。そして、図４の場合、表２中の条件２に該当し、条件２の条件を満たすため、受信したＲＲＥＱに含まれる経路情報が新たにルーティングテーブルに登録され、ＳＴＡ４経由の経路あてにＲＲＥＰが送信されることとなる。

ＳＴＡ３では、最初のＲＲＥＱを受信してから一定期間、他経路から受信するＲＲＥＱを待ち、その中で最適な経路に対してＲＲＥＰを送信する。ＲＲＥＰの送信時にはＨｃｎｔ、Ｈａｐ、Ｍａｐはリセットされ、中継処理される度にＲＲＥＱと同様の手順が取られる。送信局では受信したＲＲＥＰに対して、図６に示す選択条件決定フローに基づいて選択条件を決定し、図７に示す表２を参照して、決定した条件に応じて自局のルーティングテーブルに登録された経路情報を更新するか否かの判断を行う。

［Ｔａｂｌｅ−Ｄｒｉｖｅｎ型ルーティング］
Ｔａｂｌｅ−Ｄｒｉｖｅｎ型ルーティングでは、各局が定期的に最新経路情報（以下ＢＲ : Broadcasted Routing Information）をブロードキャストし、隣接局がＢＲを受信することにより経路情報の更新を図っている。本実施形態ではＢＲおよび各局が保持するルーティングテーブル中にＨｃｎｔ、Ｈａｐ、Ｍａｐを組み込み、ＢＲ受信局はＢＲ中のＨｃｎｔ、Ｍａｐとルーティングテーブル中のＨｃｎｔ、Ｍａｐを表２の条件に照らしてルートを決定する。

ここで、Ｔａｂｌｅ−Ｄｒｉｖｅｎ型ルーティングの経路決定方法を図８に示すイメージ図を用いて説明する。同図は図４と同じ環境下で、送信局ＳＴＡ０が送信したＢＲが宛先局ＳＴＡ３に到達する様子を示している。時刻Ｔ０にＳＴＡ０が自局のＨｃｎｔ、Ｈａｐ、Ｍａｐをそれぞれ０で初期化し、ブロードキャストする。時刻Ｔ１には、Ｐ０とＳＴＡ１がＳＴＡ０のＢＲを受信する。そして、ＡＰ０とＳＴＡ１とは、受信したＢＲのＨｃｎｔとＨａｐをインクリメントした後に、そのＢＲをさらにブロードキャストする。

同様の手順を繰り返して、時刻Ｔ３に宛先局ＳＴＡ３はＳＴＡ０までの無線中継のみの経路を入手する。時刻Ｔ４では、ＳＴＡ３はＳＴＡ４がブロードキャストしたＢＲを受信し、表２に示される条件２に基づいてルーティングテーブルを更新する。時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の間にＳＴＡ３からＳＴＡ０宛にデータを送信した場合は無線中継のみのルートを利用するが、時刻Ｔ４以降は有線経由のルートを用いてＳＴＡ０宛にデータを送信する。

続いて、上記擬似無線環境試験と同等の結果がシミュレーションで得られることを確認するために、図９に示す各構成をシミュレータ上に構築し、ＳＴＡ間でのＴＣＰスループットを測定した。シミュレータの無線通信方式はＩＥＥＥ８０２．１１ｂを適用し、通信速度は１１Ｍｂｐｓ、電波有効距離は８０ｍとした。図９に示すように各ＳＴＡを７０ｍ間隔で直線状に配置した。ＡＰ間距離７０ｍ、５２０ｍは、図２におけるＡＰ間のアッテネータ減衰率をそれぞれ-５０ｄＢ、-１１０ｄＢに相当する。

測定により得られた結果を図１０（Ａ）、１０（Ｂ）に示す。同図より、全般的なスループットの傾向はシミュレーション結果も実機測定試験も同じであることがわかる。シミュレータでのスループットは、擬似無線環境で測定したスループットに対して約１Ｍｂｐｓ程度落ちている。これは擬似無線環境ではＲＴＳ／ＣＴＳ（Request to Send／Clear to Send）をＯＦＦにして測定したのに対して、シミュレータではＲＴＳ／ＣＴＳをＯＮにしているためＲＴＳ／ＣＴＳパケットによる無線帯域消費がスループットを落としていることによる。ただ、ＲＴＳ／ＣＴＳをＯＮにしてもＯＦＦにしても相対的な結果に影響は無いことがわかる。

さらに、上記において説明した有線ネットワークを有効利用するルーティング方法の性能評価を行うために、図１１に示すシミュレーション環境を構築した。シミュレーションで使用したパラメータ諸元を図１２の表３に示す。各ＳＴＡを５３ｍ間隔で格子状に配置し、任意の端末間でのＴＣＰスループットを測定する。Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ型の方法の比較対象としてＡＯＤＶ（Ad hoc On-Demand Distance Vector）、Ｔａｂｌｅ−Ｄｒｉｖｅｎ型の方法の比較対象としてＤＳＤＶ（Destination-Sequenced Distance Vector）を取り上げて性能を比較した。

任意の６コネクションについてＯｎ−Ｄｅｍａｎｄ型ルーティングによるＴＣＰスループット測定結果を図１３に、Ｔａｂｌｅ−Ｄｒｉｖｅｎ型ルーティングによるＴＣＰスループット測定結果を図１４に示す。

図１３よりConnection６以外の全てのコネクションについて、本実施形態による方法はＡＯＤＶよりもＨｏｐ数は多いが、有線区間を有効に利用して最大２倍程度のスループットを出している。Connection２のスループットは、Connection１のスループットに対して、同じＨｏｐ数であるにも関わらず、本実施形態による方法では低いスループットとなっている。これは、ＳＴＡ５に対してＳＴＡ２０がキャリアセンスの範囲内にあるため、ＳＴＡ５が送信するＴＣＰ−ＤＡＴＡとＳＴＡ２０が送信するＴＣＰ−ＡＣＫがほぼ同時に起こった時にキャリアセンスによる送信待機が発生していることが原因と考えられる。Connection６については、本実施形態による方法もＡＯＤＶも無線中継のみの経路を選択している。これはＳＴＡ１４からＡＰまでの距離が３Ｈｏｐであるため、ＡＰが有線経由でＲＲＥＱを受信した時、式（１）を鑑みて有線経由のＲＲＥＱを破棄していることが原因である。

また、図１４より、Ｔａｂｌｅ−Ｄｒｉｖｅｎ型でもConnection５以外はＯｎ−Ｄｅｍａｎｄ型と同等のスループットが出ていることが分かる。Connection５の本実施形態による方法では、ＴＣＰ−ＤＡＴＡとＴＣＰ−ＡＣＫの経路が異なる現象が生じた。またConnection５のＤＳＤＶでは、ＡＯＤＶに比べＨｏｐ数が一つ多くなっている。これは、ＢＲの衝突などにより正確に経路情報が伝搬できなかったことが原因と思われる。

以上、本実施形態では、同一サブネット内に複数のＡＰが存在し、有線ネットワークを介した中継路が存在する無線アドホックネットワークにおいて、送信局から宛先局までの最適な通信経路を決定する場合、単に送信局から宛先局までの最小中継数で決定するのではなく、送信局から宛先局までの最小中継数と、送信局から有線ネットワークまでもしくは有線ネットワークから宛先局までの最小中継数のうち、より大きいほうの中継数とを比較することで、最適な通信経路を決定する。具体的には例えば、式（１）に示す条件に基づいて最適な通信経路を決定する。これにより、ＩＥＥＥ８０２．１１ＤＣＦのキャリアセンスによる影響等が低減され、単に送信局から宛先局までの最小中継数に基づいて最適経路を選択する場合よりも、高スループットを得られる通信経路を選択することができる。

なお、本実施形態では、ＡＰ間は中継網として有線ネットワークを介して通信を行う例について説明した。しかし、他の無線端末がアイドル状態になることによるタイムロスが生じなければ、キャリアセンスの影響によるスループットの低減を防ぐことができるため、ＡＰ間は有線ネットワークだけでなく、無線端末が無線通信を行う際に使用する周波数とは異なる周波数を用いた無線ネットワークを介して通信を行う場合でも同様な効果が得られる。

また、本実施形態では、中継局となるＡＰとＡＰとの間には、他のＡＰを中継局として含まない、つまり、送信局から宛先局までの通信経路において中継局となるＡＰが２つの場合を例について説明した。しかし、３つ以上のＡＰが中継局となり有線ネットワークを介して中継路を構築する場合でも、同様に送信局から宛先局までの最小中継数と、送信局から有線ネットワークまでもしくは有線ネットワークから宛先局までの最小中継数のうち、より大きいほうの中継数とを比較し、最適な通信経路を決定することで、単に送信局から宛先局までの最小中継数に基づいて最適経路を選択する場合よりも、高スループットを得られる通信経路を選択することができる。

無線アドホックネットワークシステムのネットワーク構成を示す図である。 無線アドホックネットワーク上の通信性能を測定する際の疑似無線環境を提供するシステムのネットワーク構成を示す図である。 疑似無線環境におけるスループット測定結果を示す図である。 疑似無線環境におけるスループット測定結果を示す図である。 Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ型ルーティングでの通信経路決定方法の説明をするための図である。 Ｈｃｎｔ，Ｈａｐ，Ｍａｐの更新フローを示す図である。 通信経路の選択を行う際に用いる選択条件の決定フローを示す図である。 通信経路を決定する際の基準となる条件を示す図である。 Ｔａｂｌｅ−Ｄｒｉｖｅｎ型ルーティングでの通信経路決定方法の説明をするための図である。 シミュレータによる基本特性測定における各局の構成を示す図である。 シミュレーションにより得られたスループットの測定結果を示す図である。 シミュレーションにより得られたスループットの測定結果を示す図である。 有線ネットワークを有効利用するルーティング方法の性能評価を行うためのシミュレーション環境を示す図である。 シミュレーションで使用するパラメータ諸元を示す図である。 シミュレーションによるＯｎ−Ｄｅｍａｎｄ型ルーティングでのＴＣＰスループットの測定結果を示す図である。 シミュレーションによるＴａｂｌｅ−Ｄｒｉｖｅｎ型ルーティングでのＴＣＰスループットの測定結果を示す図である。

符号の説明

１ 無線端末、２ アクセスポイント（ＡＰ）、３ ルータ、４ ＥＡＰ。

Claims (5)

1. 複数の無線端末と複数の中継装置とを含み、無線端末同士および無線端末と中継装置とは互いに無線網を介して通信を行い、中継装置同士は互いにその無線網とは異なる中継網を介して通信を行い、いずれかの無線端末がそれぞれデータパケットの送信元となる送信局もしくはデータパケットの送信先となる宛先局となり、各無線端末および各中継装置の中の少なくとも一つが送信局と宛先局との間のデータパケットの中継を行う中継局となる無線アドホックネットワークシステムにおける、送信局から宛先局までの通信経路を決定する通信経路決定方法において、
   無線網のみを介してなる送信局から宛先局までの通信経路における中継数Ｈｗを取得する第１中継数取得ステップと、
   無線網および中継網を介してなる送信局から宛先局までの通信経路における、送信局から中継局となる最上流の中継装置までの中継数、および中継局となる最下流の中継装置から宛先局までの中継数のうち、中継数がより大きい方の中継数Ｍａｐを選択し、取得する第２中継数取得ステップと、
   第１中継数取得ステップで取得した中継数Ｈｗと、第２中継数取得ステップで取得した中継数Ｍａｐとの比較に基づいて、送信局から宛先局までの通信経路として、無線網のみを介してなる通信経路か無線網および中継網を介してなる通信経路かのいずれか一方を選択する経路決定ステップと、
   を含む通信経路決定方法。
2. 請求項１に記載の通信経路決定方法において、
   経路決定ステップでは、第１中継数取得ステップで取得した中継数Ｈｗおよび第２中継数取得ステップで取得した中継数Ｍａｐのうち、中継数がより小さい方に対応する通信経路を選択することで、送信局から宛先局までの通信経路を決定することを特徴とする通信経路決定方法。
3. 請求項２に記載の通信経路決定方法において、
   第２中継数取得ステップで取得した中継数Ｍａｐが所定の最大値を超えた場合、経路決定ステップでは、無線網のみを介してなる通信経路を選択することを特徴とする通信経路決定方法。
4. 複数の無線端末と複数の中継装置とを含み、無線端末同士および無線端末と中継装置とは互いに無線網を介して通信を行い、中継装置同士は互いにその無線網とは異なる中継網を介して通信を行い、いずれかの無線端末がそれぞれデータパケットの送信元となる送信局もしくはデータパケットの送信先となる宛先局となり、各無線端末および各中継装置の中の少なくとも一つが送信局と宛先局との間のデータパケットの中継を行う中継局となる無線アドホックネットワークシステムにおける、送信局から宛先局までの通信経路を決定する通信経路決定装置において、
   無線網のみを介してなる送信局から宛先局までの通信経路における中継数Ｈｗを取得する第１中継数取得手段と、
   無線網および中継網を介してなる送信局から宛先局までの通信経路における、送信局から中継局となる最上流の中継装置までの中継数、および中継局となる最下流の中継装置から宛先局までの中継数のうち、中継数がより大きい方の中継数Ｍａｐを選択し、取得する第２中継数取得手段と、
   第１中継数取得手段で取得した中継数Ｈｗと、第２中継数取得手段で取得した中継数Ｍａｐとの比較に基づいて、送信局から宛先局までの通信経路として、無線網のみを介してなる通信経路か無線網および中継網を介してなる通信経路かのいずれか一方を選択する経路決定手段と、
   を備える通信経路決定装置。
5. 請求項４に記載の経路決定装置を備える無線アドホックネットワークシステムにおける無線端末。
   

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