JP2006086604A - 無線ネットワークの制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パケット通信における制御オーバーヘッドを低下させ現在のＩＥＥＥ８０２．１１規格に係る無線ネットワークに簡単に組み込むことができる。
【解決手段】アドホック無線ネットワークの発信元無線局において、データパケット信号の受信成功を示すＡＣＫパケット信号の送信の要否を示す暗黙ＡＣＫフラグを含むＲＴＳパケット信号を宛先無線局に送信し、前回においてデータパケット信号の受信に成功したか否かを示す前回データ受信フラグを含むＣＴＳパケット信号を宛先無線局から受信し、受信したＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグが、先行するデータパケット信号の受信失敗を示すとき、先行するデータパケット信号を再送信する一方、受信したＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグが、先行するデータパケット信号の受信成功を示すとき、新規なデータパケット信号を送信する。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数のノード無線局を備えた、例えば無線ＬＡＮなどの無線ネットワークにおいてパケット通信を行う、例えばアドホック無線ネットワークなどの無線ネットワークの制御装置及び制御方法に関する。

無線ネットワークにおいてＲＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）／ＣＴＳ（Ｃｌｅａｒ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）の通信プロトコルを用いてパケット通信を行う装置として、例えば特許文献１及び２に開示された装置などが存在する。また、ＩＥＥＥ８０２．１１標準規格のプロトコルは、無線ＬＡＮ及びマルチホップのアドホックネットワークのためのＭＡＣプロトコルの標準となっている。このプロトコルは、無線媒体アクセス制御における主要な問題点のいくつかに対処するものである（非特許文献１乃至３を参照）。

特開２００１−２３１０７８号公報。 特開２００３−３３３０４９号公報。 V. Bharghavan et al., "MACAW: A media access protocol for wireless LAN's", in Proceedings of ACM SIGCOMM 1994, Vol. 24, No. 4, pp.212-225, October 1994。 P. Karn, "MACA-A new channel access method for packet radio", in Proceedings of 9th Computer Networking Conference, pp.134-140, September 1990。 IEEE802 LAN/MAN Standards Committee, "Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications", IEEE Standard 802.11, 1999 edition, 1999。

しかしながら、ＩＥＥＥ８０２．１１規格のプロトコルにはなお改良の余地があるものと思われる。特に、ＩＥＥＥ８０２．１１規格の通信方式では、発信元無線局と宛先無線局との間でＲＴＳパケット、ＣＴＳパケット、データ（DATA）パケット及びＡＣＫ（Acknowledgement）パケットを送受信する通信シーケンスを実行するが、このうち、ＲＴＳパケット、ＣＴＳパケット及びＡＣＫパケットを送信することによる制御オーバーヘッドが極めて高く、結果的に少ない無線チャンネル利用をもたらす。従って、従来のＩＥＥＥ８０２．１１規格の通信方式に従う無線ネットワークは、高いビットレートで通信するときには性能が低下する場合があると思われる。これは、高いビットレートで通信する場合においてＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）層の制御オーバーヘッドが線形に低下せず、その結果、改良された変調方式の恩恵を完全に引き出すことができないからである。過去に行われた興味深い多くのアプローチは、ごくわずかの便益をもたらすか、複雑すぎて実装できなくなってしまうかのいずれかになっている。

本発明は、以上の問題点を解決し、パケット通信における制御オーバーヘッドを低下させるとともに、現在のＩＥＥＥ８０２．１１規格に係る無線ネットワークに簡単に組み込むことができる無線ネットワークの制御装置及び制御方法を提供する。

第１の発明に係る無線ネットワークの制御装置は、複数の無線局を備え、発信元無線局と宛先無線局との間でパケット信号を送受信することによりパケット無線通信を行う無線ネットワークの制御装置において、
発信元無線局において、データパケット信号の受信成功を示すＡＣＫパケット信号の送信の要否を示す暗黙ＡＣＫフラグを含むＲＴＳパケット信号を宛先無線局に送信し、前回においてデータパケット信号の受信に成功したか否かを示す前回データ受信フラグを含むＣＴＳパケット信号を上記宛先無線局から受信し、上記受信したＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグが、先行するデータパケット信号の受信失敗を示すとき、上記先行するデータパケット信号を再送信する一方、上記受信したＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグが、先行するデータパケット信号の受信成功を示すとき、新規なデータパケット信号を送信する第１の制御手段を備えたことを特徴とする。

上記無線ネットワークの制御装置において、宛先無線局において、上記ＲＴＳパケット信号を発信元無線局から受信し、上記ＲＴＳパケット信号に応答して上記ＣＴＳパケット信号を上記発信元無線局に送信し、上記発信元無線局からデータパケット信号を受信し、上記受信したＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグがＡＣＫパケット信号の送信を示すときであってかつ上記データパケット信号の受信に成功したとき、ＡＣＫパケット信号を上記発信元無線局に送信する一方、上記受信したＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグがＡＣＫパケット信号を送信しないことを指示したとき、次回に送信するＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグを用いて、上記データパケット信号の受信に成功したか否かを上記発信元無線局に通知する第２の制御手段をさらに備えたことを特徴とする。

また、上記無線ネットワークの制御装置において、上記第１の制御手段は、上記発信元無線局において、上記前回データ受信フラグが示す、データパケット信号の受信に成功したか否かについての履歴情報を保存し、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号の送受信が少なくとも１回成功であった場合に、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号を送信しないことを指示するようにセットする一方、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号の送受信が少なくとも１回失敗であった場合に、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号の送信を指示するようにセットすることを特徴とする。

さらに、とって代わって、上記無線ネットワークの制御装置において、上記第１の制御手段は、上記発信元無線局において、上記前回データ受信フラグが示す、データパケット信号の受信に成功したか否かについての履歴情報を保存し、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号を送受信したときまでに成功の場合が所定回数だけ連続したとき、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号を送信しないことを指示するようにセットする一方、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号を送受信したときまでに失敗の場合が所定回数だけ連続したとき、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号の送信を指示するようにセットすることを特徴とする。

第２の発明に係る無線ネットワークの制御方法は、複数の無線局を備え、発信元無線局と宛先無線局との間でパケット信号を送受信することによりパケット無線通信を行う無線ネットワークの制御方法において、
発信元無線局において、データパケット信号の受信成功を示すＡＣＫパケット信号の送信の要否を示す暗黙ＡＣＫフラグを含むＲＴＳパケット信号を宛先無線局に送信し、前回においてデータパケット信号の受信に成功したか否かを示す前回データ受信フラグを含むＣＴＳパケット信号を上記宛先無線局から受信し、上記受信したＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグが、先行するデータパケット信号の受信失敗を示すとき、上記先行するデータパケット信号を再送信する一方、上記受信したＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグが、先行するデータパケット信号の受信成功を示すとき、新規なデータパケット信号を送信するステップを含むことを特徴とする。

上記無線ネットワークの制御方法において、宛先無線局において、上記ＲＴＳパケット信号を発信元無線局から受信し、上記ＲＴＳパケット信号に応答して上記ＣＴＳパケット信号を上記発信元無線局に送信し、上記発信元無線局からデータパケット信号を受信し、上記受信したＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグがＡＣＫパケット信号の送信を示すときであってかつ上記データパケット信号の受信に成功したとき、ＡＣＫパケット信号を上記発信元無線局に送信する一方、上記受信したＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグがＡＣＫパケット信号を送信しないことを指示したとき、次回に送信するＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグを用いて、上記データパケット信号の受信に成功したか否かを上記発信元無線局に通知するステップをさらに含むことを特徴とする。

また、上記無線ネットワークの制御方法において、上記発信元無線局において、上記前回データ受信フラグが示す、データパケット信号の受信に成功したか否かについての履歴情報を保存し、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号の送受信が少なくとも１回成功であった場合に、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号を送信しないことを指示するようにセットする一方、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号の送受信が少なくとも１回失敗であった場合に、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号の送信を指示するようにセットするステップをさらに含むことを特徴とする。

さらに、とって代わって、上記無線ネットワークの制御方法において、上記発信元無線局において、上記前回データ受信フラグが示す、データパケット信号の受信に成功したか否かについての履歴情報を保存し、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号を送受信したときまでに成功の場合が所定回数だけ連続したとき、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号を送信しないことを指示するようにセットする一方、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号を送受信したときまでに失敗の場合が所定回数だけ連続したとき、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号の送信を指示するようにセットするステップをさらに含むことを特徴とする。

従って、本発明に係る無線ネットワークの制御装置及び制御方法によれば、現在のＩＥＥＥ８０２．１１規格に係る無線ネットワークに簡単に組み込むことができ、制御オーバーヘッドを低下させて無線チャンネル利用を増大させることができ、スループット及びエンド・ツー・エンド遅延時間を大幅に改善できる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態に係る無線ネットワークの制御装置について説明する。

図１は本発明の実施形態に係るアドホック無線ネットワークのノード無線局のための無線局装置の構成を示すブロック図である。本実施形態に係るアドホック無線ネットワークは、複数のノード無線局から構成され、各ノード無線局が自由自在に所定の空間で移動し、各ノード無線局間で、ＲＴＳ／ＣＴＳ／ＤＡＴＡ／ＡＣＫ方式を拡張した方式を用いてパケット無線通信を行う。ここで、各ノード無線局は、図１の無線局装置を備える。

本実施形態に係る無線局装置は、互いに接続された無線送受信機２、信号処理回路３及びコントローラ１０を備え、無線送受信機２にはアンテナ１が接続され、信号処理回路３には、送受信するデータを処理するための外部装置（図示せず。）が接続される。信号処理回路３は、送信するデータパケットを一時的に格納するキューメモリ４と、再送信するデータパケットを格納するデータパケットメモリ５とを備えている。また、コントローラ１０は、無線送受信機２及び信号処理回路３の動作を制御し、当該無線局がデータパケットの発信元無線局として動作する際に、データパケットの宛先となる他の無線局がデータパケットの受信に連続的に失敗した回数を計数する計数値Ｋメモリ１１と、当該無線局が宛先無線局として動作する際に、前回にデータパケットを受信した際に受信に成功したのか、それとも失敗したのかを記憶する前回データ受信フラグメモリ１２とを備えている。本実施形態において、無線局装置は、発信元無線局、宛先無線局又はパケットの転送を行う転送無線局として動作する。信号処理回路３は、キューメモリ４と、データパケットメモリ５とを用いて、トランスポート層のパケット転送と、ネットワーク層のルーティングを実行する。

従来技術のＩＥＥＥ８０２．１１規格の通信方式によれば、上記のような複数の無線局にてなる無線ネットワークにおいて、発信元無線局と宛先無線局との間でＲＴＳパケット、ＣＴＳパケット、データパケット及びＡＣＫパケットを送受信する通信シーケンスを実行するが、本発明の実施形態に係る無線ネットワークの制御装置は、この通信シーケンスを改良した通信方式によって動作する。

図２（ａ）は図１の無線局装置によって送受信されるＲＴＳパケットのフォーマットを示す図であり、図２（ｂ）は図１の無線局装置によって送受信されるＣＴＳパケットのフォーマットを示す図である。ＩＥＥＥ８０２．１１規格に従う無線ネットワークにおいて、ある発信元無線局と宛先無線局との組は、ＲＴＳパケットとＣＴＳパケットを互いに送受信することによって、発信元無線局から宛先無線局への送信権を確保する。

図２（ａ）に示すように、ＲＴＳパケットは、ヘッダから順に、フレームコントローラ、ＮＡＶデュレーション、宛先アドレス、発信元アドレス、暗黙ＡＣＫフラグ、及びフレームチェックシーケンス（ＦＣＳ）の各フィールドを備えている。ここで、ＮＡＶデュレーションは、このＲＴＳパケットを送信する無線局が無線チャンネルを使用する予定期間を示すＮＡＶ（Network Allocation Vector；ネットワーク割り当てベクトル）デュレーションの値である。このＲＴＳパケットを受信した他の無線局はＮＡＶデュレーションの時間期間だけ送信禁止され、それによって、異なる無線局が同時にパケットを送信してパケット間の衝突が発生することを防止する。本実施形態において、ＲＴＳパケット内におけるＮＡＶデュレーションの値は、１つの通信シーケンスにおけるＲＴＳパケット、ＣＴＳパケット及びデータパケットを送信するための無線チャンネル使用予定期間のみを示し、後にＡＣＫパケットが送信される場合には、ＣＴＳパケット及びデータパケットのＮＡＶデュレーションが適宜に変更される。また、暗黙ＡＣＫフラグは、データパケットの受信後に明示的なＡＣＫパケットを送信するか否かを宛先無線局に指示するフラグである。

また、図２（ｂ）に示すように、ＣＴＳパケットは、先頭から順に、フレームコントローラ、ＮＡＶデュレーション、宛先アドレス、前回データ受信フラグ、及びＦＣＳの各フィールドを備えている。ここで、ＮＡＶデュレーションは、ＲＴＳパケットの場合と同様に、このＣＴＳパケットを送信する無線局が無線チャンネルを使用する予定期間を示すＮＡＶデュレーションの値である。本実施形態において、ＣＴＳパケット内におけるＮＡＶデュレーションの値は、ＣＴＳパケット及びデータパケットと、場合によってＡＣＫパケットとを送信するための無線チャンネル使用予定期間のみを示し、後にＡＣＫパケットが送信されない場合には、ＮＡＶデュレーションが適宜に変更される。また、前回データ受信フラグは、前回の通信シーケンスにおいて宛先無線局がデータパケットの受信に成功したか否かを示し、それによって、前回の通信シーケンスにおいて送信された古いデータパケットを再送信すべきか、それとも新規なデータパケットを送信すべきかを発信元無線局に指示するフラグである。本実施形態では、宛先無線局がＡＣＫパケットを送信しない場合、発信元無線局は、送信したデータパケットに対する暗黙的な肯定応答として、宛先無線局から送信されたＣＴＳパケット内の前回データ受信フラグを参照する。

以下では、本実施形態に係る無線ネットワークの制御装置の主たる動作を詳細に説明し、後に問題点と最適化について説明する。まず、本実施形態に係る通信プロトコルについて説明する。

発信元無線局は、所望された宛先無線局に対してＲＴＳパケットを送信し始める前、当該発信元無線局のキューメモリ４に、同じ宛先無線局に宛てられた他のデータパケットが存在するか否かを決定する。キューメモリ４内にそのようなデータパケットがあれば、発信元無線局は、宛先無線局が後のデータパケットの受信に応答して明示的なＡＣＫパケットを送信する必要のないことを、ＲＴＳパケットにおける暗黙ＡＣＫフラグを用いて、その宛先無線局に暗黙的に通知する。発信元無線局はまた、送信したデータパケットの複製をデータパケットメモリ５に格納する。宛先無線局は、暗黙ＡＣＫフラグによって発信元無線局から上記通知を受けた場合、データパケットを首尾よく受信した場合でもＡＣＫパケットを送信しないが、そのデータパケットの受信の結果（成功又は失敗）を前回データ受信フラグメモリ１２に記憶しておく。データパケットの受信に関しては、宛先無線局がＩＥＥＥ８０２．１１規格で指定されているタイムアウト期間内にデータパケットを受信しなければ、ＭＡＣプロトコルに従う通信方式ではこの結果を受信の失敗と解釈するということに注目されたい。データパケットが首尾よく受信されれば、宛先無線局は、図１の外部装置を介してそのパケットをより高位の層へ転送し、受信の結果を成功として記憶する。後に、発信元無線局が、キューメモリ４に格納された次のデータパケットを送信するためにＲＴＳパケットを送信すると、宛先無線局Ｒは、先行する受信の結果をＣＴＳパケットに付加して発信元無線局に送信する（すなわち、先行する受信の結果をピギーバックで送信する）。

ＣＴＳパケット上の前回データ受信フラグに付加された受信結果についての通知が、先行するデータパケットの受信の成功を示していれば、発信元無線局は新たなデータパケットを送信し、データパケットメモリ５内の古いデータパケットを廃棄する。しかしながら、宛先無線局が、先行するデータパケットの受信に失敗したという通知をＣＴＳパケット上の前回データ受信フラグに付加して発信元無線局に送信すると、発信元無線局はデータパケットメモリ５内の古いデータパケットを再送信するとともに、次のラウンドのチャンネルアクセスのための新たなパケットを一時的に格納する。高い送信レート又はバーストトラフィックに直面するとき、発信元無線局のキューメモリ４は、同一の宛先無線局に宛てられた複数のパケットを格納している場合がある。このような場合では、本実施形態の通信方式は、ＡＣＫパケットを明示的に送信することによるオーバーヘッドを除去することができる。さらに、本実施形態に係る無線ネットワークの制御装置においては、ＩＥＥＥ８０２．１１規格の通信方式を用いた場合の肯定応答失敗の問題が影響することはない。ＩＥＥＥ８０２．１１規格の通信方式を使用する場合、発信元無線局がＡＣＫパケットの受信に失敗すると、発信元無線局は新たな再送信を開始する。

次に、本実施形態に係る無線ネットワークの制御装置に関連付けられたいくつかの問題点及びトレードオフについて説明する。また、本実施形態の基本的な制御装置に柔軟性を追加するために、オプションのパラメータと、変形例と、最適化とについて説明する。

まず、本実施形態に係る無線ネットワークの制御装置における待ち時間について説明する。従来のＩＥＥＥ８０２．１１規格の通信方式を使用する場合、発信元無線局は、ＡＣＫパケットを受信しないことを条件としてデータパケットの再送信を開始するように動作し、この再送信では、必要な場合には新たなバックオフ時間だけ待機することから開始し、次いで、ＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクがこれに続く（非特許文献３を参照）。本実施形態ではこのＩＥＥＥ８０２．１１規格の通信方式を変形し、変形後の通信方式では、発信元無線局がある宛先無線局との通信の失敗について知るのは、同一の宛先無線局への次のデータパケットのためのＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクを開始したときのみである。

本実施形態において、次のデータパケットを送信するためのＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクは、長い時間期間（デュレーション）の後に開始される可能性もあり、この時間期間の間には、キューメモリ４内における送信順位の高いロケーションに他の宛先無線局宛ての他のパケットが存在する可能性もあり、あるいは進行中の他の通信のために無線チャンネルが使用中のままである可能性もある。このような場合には、古いデータパケットを再送信できるようになるまでには、さらに長い時間期間を待機する必要がある。この結果として、通信の平均待ち時間は増加するかのように思われるかもしれない。しかしながら、本実施形態に係る無線ネットワークの制御装置では、再送信が延期され、この時間期間の間に他のパケットが送信される可能もあるが、上記のことは真実ではない。言い替えれば、再送信の前により長い待ち時間を経験するパケット毎に、送信の前により短い待ち時間を待機する別のパケットが存在する。さらに、明示的なＡＣＫパケットを除去することによって通信シーケンスのダイアローグは短縮され、これにより通信における発信元無線局と宛先無線局との間のエンド・ツー・エンドの平均遅延時間が短縮される。

当然ながら、本実施形態に係る無線ネットワークの制御装置に伴う問題点は、送信と再送信との間の時間が予測不可能であり、より大きな変動に繋がる可能性があるということにある。タイミング上の特別な拘束条件を有するか又は通信の待ち時間の変動に依存するアプリケーションでは、ＡＣＫパケットを送信しないで制御オーバーヘッドを低下させることよりも、ＩＥＥＥ８０２．１１規格の通信方式と同じ意図で、データパケットを迅速に再送信することの方が望ましいという可能性がある。この問題点に対処するものとして、本実施形態では、簡単な適応型最適化を実現している。発信元無線局は、先行する所定個数の暗黙的な肯定応答の履歴（すなわち、前回データ受信フラグの履歴）を保持している。この履歴において、連続するＫｔｈ（Ｋｔｈは好ましくは３又は４であって、２以上の整数値であるが、１であってもよい。）個の前回データ受信フラグが全て否定応答であれば、発信元無線局は、ＡＣＫパケットを送信しない本実施形態の通信方式から、明示的な肯定応答を用いるオリジナルのＩＥＥＥ８０２．１１規格の通信方式に復帰する。同様に、肯定応答であるＮｔｈ個の前回データ受信フラグを受信することによって、発信元無線局の動作を、ＩＥＥＥ８０２．１１規格の通信方式から本実施形態の通信方式へと切り替えるように促される。無線ネットワークの特定の必要条件に基づいて、しきい値Ｋｔｈ及びＮｔｈは、１以上の整数であって、適切に調整できる。

次に、本実施形態に係る、ＭＡＣ層における状態の記憶について説明する。発信元無線局は、ある宛先無線局に送信すべきデータパケットを、同じ宛先無線局に対して次のデータパケットを送信し始めるときまで、データパケットメモリ５内に記憶しておく必要がある。発信元無線局は、データパケットの宛先として複数の宛先無線局を有している場合には、１つの宛先無線局につき１個のパケットの格納容量を準備している必要がある。同様に、宛先無線局もまた、各発信元無線局からの受信の結果に関する状態をそれぞれ保持する必要がある。しかしながら、この必要条件は重大なものではなく、実装の複雑さには影響しないであろう。これらの状態が失われることは、プロトコルにさほど影響しないという点に注目されたい。無線リンクに障害が発生した場合には、発信元無線局は、古いデータパケットが首尾良く受信されなかったと控えめに仮定することができる。

また、本実施形態に係るパケットサイズとＮＡＶの設定について説明する。発信元無線局が新規なデータパケットに係るＲＴＳパケットにネットワーク割り当てベクトル（ＮＡＶ）のデュレーションを包含する必要のある場合に、ある問題が発生する。発信元無線局が、前回の通信シーケンスにおいて送信した古いデータパケットの複製をデータパケットメモリ５に格納しているとともに、新規なデータパケットを送信するための新規な通信シーケンスに係るＣＴＳパケットに付加されて宛先無線局から伝送される暗黙的な肯定応答（すなわち、ＣＴＳパケットの前回データ受信フラグで示される肯定応答）を待機している場合であって、しかもこの古いデータパケットのサイズが新規なデータパケットのサイズとは異なる場合、ＮＡＶデュレーションの値が何でなければならないのかが不明である。控えめなアプローチであれば、２つのＮＡＶデュレーションの値のうちの大きい方を割り当てようとする可能性がある。しかしながら、このことは無線チャンネルの浪費に繋がる可能性がある。

本実施形態では、新規なパケットのＮＡＶデュレーションの設定値をＲＴＳパケットに包含させている。宛先無線局は、ＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクの後に続くのが新旧いずれのデータパケットであるのかを認識しているということに注目されたい。従って、宛先無線局はＣＴＳパケット内のＮＡＶデュレーションの値を適宜に更新する。発信元無線局は、ＣＴＳパケットを受信すると（必要であれば）ＮＡＶデュレーションの値を再計算し、この潜在的に新しいＮＡＶを用いてデータパケットを更新する。この簡単な方式が、無線チャンネルの浪費をもたらさないことは明らかであろう。

最後に、本実施形態に係るＦＩＦＯ（Ｆｉｒｓｔ−Ｉｎ Ｆｉｒｓｔ−Ｏｕｔ）キューメモリへのアクセスについて説明する。データパケットの発信元無線局は、宛先無線局が明示的なＡＣＫパケットを用いて応答する必要があるか否かを決定するために、そのキューメモリ４を調べる必要がある。通常のＦＩＦＯであるキューメモリのデータ構造体を用いた場合、このことは容易ではない可能性がある。本実施形態では、キューメモリ４における固有の各宛先無線局に宛てられたパケット数をそれぞれ計数するためのカウンタ（図示せず。）と、カウンタの計数値を各宛先無線局毎にそれぞれ記憶するための別個のテーブルメモリ（図示せず。）とを使用するものとする。ネットワーク層での処理により、発信元無線局が宛先無線局Ｒｉに対するデータパケットをキューメモリ４に格納すると、宛先無線局Ｒｉに対するカウンタが１だけインクリメントされる。宛先無線局Ｒｉ宛てのパケットがＭＡＣ層の処理によって送信されると、対応するカウンタが１だけデクリメントされる。これによりＭＡＣ層では、ＦＩＦＯであるキューメモリ４が、特定の宛先無線局宛てのパケットを含んでいるか否かを知ることができる。

図３乃至図６は、コントローラ１０によって実行されるパケット送受信処理を示すフローチャートを示す。

図３のステップＳ１において、まず、コントローラ１０は、搬送波を検出したか否かを判断する。ＹＥＳのときはステップＳ３において所定のバックオフ時間だけ待機し、待機した後で、ステップＳ４においてデータパケット送信処理を実行し、それによって、コントローラ１０を含む無線局は、発信元無線局として、所望される宛先無線局との間でＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクを実行し、データパケットを送信する。一方、ステップＳ１がＮＯのときは、ステップＳ２において、ＲＴＳパケットを受信したか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ５においてデータパケット受信処理を実行し、それによって、コントローラ１０を含む無線局は、宛先無線局として、ＲＴＳパケットの発信元無線局との間でＲＴＳ／ＣＴＳハンドシェイクを実行し、また発信元無線局からデータパケットを受信する。ステップＳ２がＮＯのときはステップＳ１に戻る。ステップＳ４又はＳ５を実行した後、コントローラ１０は、ステップＳ６において、キューメモリ４に次に送信すべきパケットがあるか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ４に戻り、ＮＯのときはステップＳ１に戻る。

図４及び図５は、図３のサブルーチンであるデータパケット送信処理（ステップＳ４）を示すフローチャートである。

図４において、まず、コントローラ１０は、ステップＳ１１において、宛先無線局Ｒｉに対するパケットをキューメモリ４で検索し、次いで、ステップＳ１２において、キューメモリ４内に当該パケットがあるか否かを判断する。ＹＥＳのときはステップＳ１３に進み、ＮＯのときはステップＳ１１に戻る。ステップＳ１３において、同じ宛先無線局Ｒｉに宛てられた他のデータパケットがキューメモリ４に存在するか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ１４に進み、ＮＯのときはステップＳ１７に進む。ステップＳ１４では、データパケットの受信に係る連続的な失敗回数Ｋが、所定のしきい値Ｋｔｈ以上であるか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ１７に進み、ＲＴＳパケットの暗黙ＡＣＫフラグをリセットする。本実施形態において、しきい値Ｋｔｈは１以上の整数である。ステップＳ１４がＮＯのときはステップＳ１５に進んで、ＲＴＳパケットにおいて暗黙ＡＣＫフラグをセットし、次いで、ステップＳ１６において、ＮＡＶデュレーションを調整して決定する。ステップＳ１６又はＳ１７の実行後、ステップＳ１８において、宛先無線局に対してＲＴＳパケットを送信し、ステップＳ１９において、宛先無線局からＣＴＳパケットを受信する。

ステップＳ２０において、受信したＣＴＳパケットに前回データ受信フラグがセットされているか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ２１に進み、ＮＯのときはステップＳ２２に進む。ステップＳ２１において、ステップＳ１９で受信したＣＴＳパケット内の前回データ受信フラグに基づいて、前回データ受信状態は成功か否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ２２に進み、次に送信すべきデータをデータパケットにセットした後、図５のステップＳ２５に進む。一方、ステップＳ２１がＮＯのときはステップＳ２３に進み、受信したＣＴＳパケット内の前回データ受信フラグに基づいて、宛先無線局におけるデータパケットの受信の連続的な失敗回数Ｋを計数して、計数値Ｋメモリ１１に格納する。次いで、ステップＳ２４において、データパケットメモリ５を検索して前回送信したデータを再送信のために読み出して、データパケットにセットした後、図５のステップＳ２５に進む。

ステップＳ２２又はＳ２４の実行後、図５のステップＳ２５においてデータパケットを宛先無線局に送信する。データパケットを送信するとき、コントローラ１０は、このデータパケットの複製を保持している。ステップＳ１８でＲＴＳパケットを送信した際に暗黙ＡＣＫフラグをセットした場合（ステップＳ２６がＹＥＳの場合）には、ステップＳ２７において、ステップＳ２５で送信したデータパケットの複製を、後の再送信のためにデータパケットメモリ５に格納し、元のメインルーチンに戻る。

また、ステップＳ２６がＮＯのときは、ステップＳ２８において、宛先無線局からＡＣＫパケットを受信したか否かを判断し、ＹＥＳのときは、ステップＳ２９において、データパケットメモリ５内に格納された前回の送信ときにおける古いデータパケットを廃棄して、元のメインルーチンに戻る。

さらに、ステップＳ２８がＮＯのときは、ステップＳ３０において、コントローラ１０内の再送信タイマ（図示せず。）がタイムオーバーしたか否かを判断し、ＹＥＳのときは元のメインルーチンに戻る一方、ＮＯのときはステップＳ２５に戻ってデータパケットを再送信する。

本実施形態のデータパケット送信処理において、ステップＳ１４の条件によれば、ＣＴＳパケット内の前回データ受信フラグによって１回でもデータパケットの受信成功の通知を受けた場合には、ＡＣＫパケットを送信せずにＣＴＳパケットを用いた暗黙的な肯定応答を行うように構成されている。しかしながら、ステップＳ２３において、データパケットを連続的に成功した回数Ｎを計数し、次いで、ステップＳ１４がＮＯである場合、成功回数Ｎが所定のしきい値Ｎｔｈ以上のときのみステップＳ１５に進み、そうでないときはステップＳ１７に進むようにパケット送受信処理を構成してもよい。

図６は、図３のサブルーチンであるデータパケット受信処理（ステップＳ５）を示すフローチャートである。

図６において、まず、ステップＳ３１において、図３のステップＳ２で受信したＲＴＳパケット内に暗黙ＡＣＫフラグがセットされているか否かを判断し、ＹＥＳのときは、ステップＳ３２において、前回データ受信フラグメモリ１２に格納された前回データ受信フラグをＣＴＳパケットに格納して、ステップＳ３３に進み、ＮＯのときはそのままステップＳ３３に進む。ステップＳ３３において、前回データ受信フラグを有するＣＴＳパケットを発信元無線局に送信し、次いで、ステップＳ３４において、発信元無線局からデータパケットを受信して、ステップＳ３５に進む。

次いで、ステップＳ３５において、ステップＳ２で受信したＲＴＳパケット内に暗黙ＡＣＫフラグがセットされている場合（ステップＳ３５がＹＥＳ）には、ステップＳ３６に進み、ステップＳ３５がＮＯのときはステップＳ３９に進む。ここで、ステップＳ３６以降の処理はＡＣＫパケットを送信せずに、暗黙的な肯定応答を用いる本願発明の実施形態に係る新規な処理であり、ステップＳ３９以降の処理は、ＡＣＫパケットを送信する、従来の肯定応答処理である。ステップＳ３６において、ステップＳ３４でデータパケットを正常に受信できたか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ３７に進み、ＮＯのときはステップＳ３８に進む。ステップＳ３７では、ＡＣＫパケットを送信せず、セット状態の前回データ受信フラグを、前回データ受信フラグメモリ１２に格納する。ステップＳ３８では、ＡＣＫパケットを送信せず、リセット状態の前回データ受信フラグを、前回データ受信フラグメモリ１２に格納する。一方、ステップＳ３９において、ステップＳ３４でデータパケットを正常に受信できたか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ４０でＡＣＫパケットを発信元無線局に送信し、ＮＯのときはＡＣＫパケットを送信しない（ステップＳ４１に進む）。ステップＳ３８、Ｓ３８、Ｓ４０又はＳ４１の実行後、図３のステップＳ６に進む。

以上説明したように、本実施形態の無線ネットワークの制御装置によれば、明示的なＡＣＫパケットを送信しない暗黙的な肯定応答を実行することによって、パケット送受信に係る制御オーバーヘッドを低下させることができる。さらに、本実施形態の無線ネットワークの制御装置によれば、暗黙的な肯定応答と、従来技術の明示的なＡＣＫパケットの送受信とを適応的に切り替えることによって、タイミング上の特別な拘束条件を有するか又は通信の待ち時間の変動に依存するアプリケーションにおいても、良好な性能を達成することができる。

以下、本発明の実施形態に係るシミュレーション結果を性能の評価について述べる。

本実施形態に係る無線ネットワークの制御装置をクォールネット（Ｑｕａｌｎｅｔ）シミュレータのバージョン３．１上で評価し、その性能を、従来例のＩＥＥＥ８０２．１１規格の通信方式に係る性能と比較した。シミュレーションでは、１１Ｍｂｐｓのデータレートを使用し、１０００×１０００平方メートルの有界領域内に３０個のノード無線局が存在することを仮定した。これらのノード無線局間で、アドホック無線ネットワークを構成するものとする。また、このシミュレーションでは２ホップのフローを使用し、１２個の発信元のノード無線局をランダムに選択して、ＣＢＲ（一定ビットレート）のトラフィックとなるようにデータを送信した。

図７は、マルチホップ無線ネットワークにおける送信レートの増大に対する総計のスループットの変動を示すグラフである。図７から明らかなように、送信レートが低いときには、発信元無線局のキューメモリ４は、同じ宛先無線局宛ての１つよりも多くのパケットによって占有されることはないので、明示的なＡＣＫパケットを送信する従来例に係るＩＥＥＥ８０２．１１規格の通信方式が本実施形態においても使用される。しかしながら、送信レートが増大して無線ネットワークに対する負荷が増大するにつれて、同じ宛先無線局に向けられる複数のパケットが発信元無線局のキューメモリ４に格納され、ここで本実施形態に係る通信方式を適用してその優位点を発揮できるようになる。明示的なＡＣＫパケットを送信することに関する必要条件を除去することは、スループットを増大させる。

図８は、図７と同じシナリオでのシミュレーションであって、マルチホップ無線ネットワークにおける送信レートに対するエンド・ツー・エンド平均遅延時間の変動を示すグラフである。

上述したように、本実施形態によればＡＣＫパケットの送信を除去することができ、これにより後続のパケットの送信をより早く開始できるので、図８から明らかなように、エンド・ツー・エンドの遅延時間は、従来例のＩＥＥＥ８０２．１１規格の通信方式より改善される。当然ながら、送信レートが低いときは、本実施形態に係る無線ネットワークの制御装置の通信シーケンスが、ＲＴＳパケット、ＣＴＳパケット、ＤＡＴＡパケット及びＡＣＫパケットを送信する標準的な通信シーケンスに縮退するので、遅延時間に差はなくなる。

これらのシミュレーション結果から、本実施形態の無線ネットワークの制御装置を用いることによって、従来のＩＥＥＥ８０２．１１規格の通信方式に従う場合よりも無線ネットワークのスループット及びエンド・ツー・エンド遅延時間が改善されることがわかる。

以上説明した本発明の実施形態に係る無線ネットワークの制御装置は、従来のＩＥＥＥ８０２．１１規格の通信方式に適用することが簡単であって、ＭＡＣ層における明示的な肯定応答を用いた場合に伴われる制御オーバーヘッドのほぼ３分の１を除去することができる。シミュレーション結果は、無線ネットワークに対する負荷が高い場合において特に、スループットに対する便益が非常に大きなものになり得ることを示している。

本実施形態に係る無線局装置のコントローラ１０では、発信元無線局において、データパケット信号の受信成功を示すＡＣＫパケット信号の送信の要否を示す暗黙ＡＣＫフラグを含むＲＴＳパケット信号を宛先無線局に送信し、前回においてデータパケット信号の受信に成功したか否かを示す前回データ受信フラグを含むＣＴＳパケット信号を上記宛先無線局から受信し、上記受信したＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグが、先行するデータパケット信号の受信失敗を示すとき、上記先行するデータパケット信号を再送信する一方、上記受信したＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグが、先行するデータパケット信号の受信成功を示すとき、新規なデータパケット信号を送信する。また、宛先無線局において、上記ＲＴＳパケット信号を発信元無線局から受信し、上記ＲＴＳパケット信号に応答して上記ＣＴＳパケット信号を上記発信元無線局に送信し、上記発信元無線局からデータパケット信号を受信し、上記受信したＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグがＡＣＫパケット信号の送信を示すときであってかつ上記データパケット信号の受信に成功したとき、ＡＣＫパケット信号を上記発信元無線局に送信する一方、上記受信したＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグがＡＣＫパケット信号を送信しないことを指示したとき、次回に送信するＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグを用いて、上記データパケット信号の受信に成功したか否かを上記発信元無線局に通知する。

また、コントローラ１０は、上記発信元無線局において、上記前回データ受信フラグが示す、データパケット信号の受信に成功したか否かについての履歴情報を保存し、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号の送受信で成功したとき（もしくは、当該送受信までに成功の場合が所定回数だけ連続したときでもよい。）、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号を送信しないことを指示するようにセットする一方、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号を送受信したときまでに失敗の場合が所定回数だけ連続したとき、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号の送信を指示するようにセットする。

さらに、とって代わって、コントローラ１０は、上記発信元無線局において、上記前回データ受信フラグが示す、データパケット信号の受信に成功したか否かについての履歴情報を保存し、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号の送受信が少なくとも１回成功であった場合に、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号を送信しないことを指示するようにセットする一方、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号の送受信が少なくとも１回失敗であった場合に、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号の送信を指示するようにセットしてもよい。

本発明の実施形態に係るアドホック無線ネットワークのノード無線局のための無線局装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）は図１の無線局装置によって送受信されるＲＴＳパケットのフォーマットを示す図であり、（ｂ）は図１の無線局装置によって送受信されるＣＴＳパケットのフォーマットを示す図である。 図１のコントローラ１０によって実行されるパケット送受信処理を示すフローチャートである。 図３のサブルーチンであるデータパケット送信処理（ステップＳ４）の第１の部分を示すフローチャートである。 図３のサブルーチンであるデータパケット送信処理（ステップＳ４）の第２の部分を示すフローチャートである。 図３のサブルーチンであるデータパケット受信処理（ステップＳ５）を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るシミュレーション結果であって、マルチホップ無線ネットワークにおける送信レートに対する総計のスループットを示すグラフである。 本発明の実施形態に係るシミュレーション結果であって、マルチホップ無線ネットワークにおける送信レートに対するエンド・ツー・エンド平均遅延時間を示すグラフである。

符号の説明

１…アンテナ、
２…無線送受信機、
３…信号処理回路、
４…キューメモリ、
５…データパケットメモリ、
１０…コントローラ、
１１…計数値Ｋメモリ、
１２…前回データ受信フラグメモリ。

Claims (8)

1. 複数の無線局を備え、発信元無線局と宛先無線局との間でパケット信号を送受信することによりパケット無線通信を行う無線ネットワークの制御装置において、
   発信元無線局において、データパケット信号の受信成功を示すＡＣＫパケット信号の送信の要否を示す暗黙ＡＣＫフラグを含むＲＴＳパケット信号を宛先無線局に送信し、前回においてデータパケット信号の受信に成功したか否かを示す前回データ受信フラグを含むＣＴＳパケット信号を上記宛先無線局から受信し、上記受信したＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグが、先行するデータパケット信号の受信失敗を示すとき、上記先行するデータパケット信号を再送信する一方、上記受信したＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグが、先行するデータパケット信号の受信成功を示すとき、新規なデータパケット信号を送信する第１の制御手段を備えたことを特徴とする無線ネットワークの制御装置。
2. 宛先無線局において、上記ＲＴＳパケット信号を発信元無線局から受信し、上記ＲＴＳパケット信号に応答して上記ＣＴＳパケット信号を上記発信元無線局に送信し、上記発信元無線局からデータパケット信号を受信し、上記受信したＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグがＡＣＫパケット信号の送信を示すときであってかつ上記データパケット信号の受信に成功したとき、ＡＣＫパケット信号を上記発信元無線局に送信する一方、上記受信したＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグがＡＣＫパケット信号を送信しないことを指示したとき、次回に送信するＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグを用いて、上記データパケット信号の受信に成功したか否かを上記発信元無線局に通知する第２の制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の無線ネットワークの制御装置。
3. 上記第１の制御手段は、上記発信元無線局において、上記前回データ受信フラグが示す、データパケット信号の受信に成功したか否かについての履歴情報を保存し、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号の送受信が少なくとも１回成功であった場合に、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号を送信しないことを指示するようにセットする一方、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号の送受信が少なくとも１回失敗であった場合に、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号の送信を指示するようにセットすることを特徴とする請求項１又は２記載の無線ネットワークの制御装置。
4. 上記第１の制御手段は、上記発信元無線局において、上記前回データ受信フラグが示す、データパケット信号の受信に成功したか否かについての履歴情報を保存し、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号を送受信したときまでに成功の場合が所定回数だけ連続したとき、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号を送信しないことを指示するようにセットする一方、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号を送受信したときまでに失敗の場合が所定回数だけ連続したとき、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号の送信を指示するようにセットすることを特徴とする請求項１又は２記載の無線ネットワークの制御装置。
5. 複数の無線局を備え、発信元無線局と宛先無線局との間でパケット信号を送受信することによりパケット無線通信を行う無線ネットワークの制御方法において、
   発信元無線局において、データパケット信号の受信成功を示すＡＣＫパケット信号の送信の要否を示す暗黙ＡＣＫフラグを含むＲＴＳパケット信号を宛先無線局に送信し、前回においてデータパケット信号の受信に成功したか否かを示す前回データ受信フラグを含むＣＴＳパケット信号を上記宛先無線局から受信し、上記受信したＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグが、先行するデータパケット信号の受信失敗を示すとき、上記先行するデータパケット信号を再送信する一方、上記受信したＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグが、先行するデータパケット信号の受信成功を示すとき、新規なデータパケット信号を送信するステップを含むことを特徴とする無線ネットワークの制御方法。
6. 宛先無線局において、上記ＲＴＳパケット信号を発信元無線局から受信し、上記ＲＴＳパケット信号に応答して上記ＣＴＳパケット信号を上記発信元無線局に送信し、上記発信元無線局からデータパケット信号を受信し、上記受信したＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグがＡＣＫパケット信号の送信を示すときであってかつ上記データパケット信号の受信に成功したとき、ＡＣＫパケット信号を上記発信元無線局に送信する一方、上記受信したＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグがＡＣＫパケット信号を送信しないことを指示したとき、次回に送信するＣＴＳパケット信号内の前回データ受信フラグを用いて、上記データパケット信号の受信に成功したか否かを上記発信元無線局に通知するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５記載の無線ネットワークの制御方法。
7. 上記発信元無線局において、上記前回データ受信フラグが示す、データパケット信号の受信に成功したか否かについての履歴情報を保存し、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号の送受信が少なくとも１回成功であった場合に、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号を送信しないことを指示するようにセットする一方、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号の送受信が少なくとも１回失敗であった場合に、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号の送信を指示するようにセットするステップをさらに含むことを特徴とする請求項５又は６記載の無線ネットワークの制御方法。
8. 上記発信元無線局において、上記前回データ受信フラグが示す、データパケット信号の受信に成功したか否かについての履歴情報を保存し、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号を送受信したときまでに成功の場合が所定回数だけ連続したとき、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号を送信しないことを指示するようにセットする一方、上記履歴情報において、先行するデータパケット信号を送受信したときまでに失敗の場合が所定回数だけ連続したとき、上記ＲＴＳパケット信号内の暗黙ＡＣＫフラグを、ＡＣＫパケット信号の送信を指示するようにセットするステップをさらに含むことを特徴とする請求項５又は６記載の無線ネットワークの制御方法。
   

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