JP2006229338A - Routing method and router of wireless network - Google Patents

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Tetsuo Ueda
哲郎 植田
Bandyopadhyay Somprakash
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Shinsuke Tanaka
信介 田中
Sadao Obana
貞夫 小花
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a routing method and a router for wireless network in which routing can be converged by transmitting data signal surely to a destination wireless station through a simple arrangement upon congestion of data communication. <P>SOLUTION: When a packet signal including initial path length L predetermined at a source wireless station, already propagating hop length H of a packet signal and data is transmitted from the source wireless station to a destination wireless station, a management control section 151 for a router selects a shortest path by using a routing table in the source wireless station and a relay wireless station, stores a packet signal to be transmitted in a queue memory and transmits it toward a next wireless station by radio. Furthermore, the management control section 151 selects next shortest path by using the routing table excepting a shortest path which has been selected already upon the occurrence of packet drop in the network layer at the relay wireless station when the already propagating hop length H is not longer than the initial path length L, stores a packet signal to be transmitted in a queue memory and transmits it toward a next wireless station by radio. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、複数の無線局を備えた、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ための無線ネットワークのルーティング方法及びルータ装置に関する。   The present invention relates to a wireless network routing method and a router apparatus for a wireless network such as an ad hoc wireless network that performs packet communication in a wireless network such as a wireless LAN provided with a plurality of wireless stations.

アドホック無線ネットワークは、各ノード無線局が無線トランシーバ(もしくは、無線送受信機又は無線通信装置)を備える移動ルータとして機能する高速配備が可能なインフラなしのネットワークとして想定されている。アドホック無線ネットワークは、ここ数年来多大な注目を集めている。幾つかのプロトコルがこのコンテキストで提案され、その通信性能がns−2、クアルネット(QualNet)などの規格シミュレータを使用して評価されている。しかしながら、アドホック無線ネットワークの通信性能の妥当性を現実の状態において確認する研究は、これに対してかなり少ない。   The ad hoc wireless network is assumed as a network without infrastructure capable of high-speed deployment in which each node wireless station functions as a mobile router including a wireless transceiver (or a wireless transceiver or a wireless communication device). Ad hoc wireless networks have attracted a great deal of attention over the past few years. Several protocols have been proposed in this context, and their communication performance has been evaluated using standard simulators such as ns-2, QualNet. However, there are quite a few studies that confirm the adequacy of ad hoc wireless network communication performance in real situations.

特開2003−043126号公報。Japanese Patent Laid-Open No. 2003-043126. 特開2001−024431号公報。JP 2001-024431A. 特開2001−244983号公報。Japanese Patent Laid-Open No. 2001-244983. Tetsuro Ueda et al., “A Rotational Sector-based, Receiver-Oriented mechanism for Location Tracking and Medium Access Control in Ad Hoc Networks using Directional Antenna”, IFIP conference on Personal Wireless Communications (PWC) 2003, Venice, ITALY, September 23-25, 2003.Tetsuro Ueda et al., “A Rotational Sector-based, Receiver-Oriented mechanism for Location Tracking and Medium Access Control in Ad Hoc Networks using Directional Antenna”, IFIP conference on Personal Wireless Communications (PWC) 2003, Venice, ITALY, September 23 -25, 2003. A. Nasipuri et al., “A MAC protocol for mobile ad hoc networks using directional antennas”, in Proceedings of IEEE Wireless Communication and Networking Conference, Vol.3, pp.1214-1219, September 2000.A. Nasipuri et al., “A MAC protocol for mobile ad hoc networks using directional antennas”, in Proceedings of IEEE Wireless Communication and Networking Conference, Vol.3, pp.1214-1219, September 2000. R. Roy Choudhury et al., “Using directional antennas for medium access control in ad hoc networks”, in Proceedings of ACM MOBICOM, September 2002.R. Roy Choudhury et al., “Using directional antennas for medium access control in ad hoc networks”, in Proceedings of ACM MOBICOM, September 2002. K. Gyoda et al., “Beam and null steering capability of espar antennas,” in Proceedings of IEEE AP-S International Symposium, July 2000.K. Gyoda et al., “Beam and null steering capability of espar antennas,” in Proceedings of IEEE AP-S International Symposium, July 2000. R. Ramanathan et al., “Ad hoc networking with directional antennas: A complete system solution”, Journal of Selected Areas in Communications, January 2005.R. Ramanathan et al., “Ad hoc networking with directional antennas: A complete system solution”, Journal of Selected Areas in Communications, January 2005. D. Maltz et al., “Quantitative lessons from a full-scale multi-hop wireless ad hoc network testbed”, in Proceedings of Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), September 2000.D. Maltz et al., “Quantitative lessons from a full-scale multi-hop wireless ad hoc network testbed”, in Proceedings of Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), September 2000. David A. Maltz et al., “Experiences designing and building a multi-hop wireless ad hoc network testbed”, Technical Report, Carnegie Mellon University, School of Computer Science, March 1999.David A. Maltz et al., “Experiences designing and building a multi-hop wireless ad hoc network testbed”, Technical Report, Carnegie Mellon University, School of Computer Science, March 1999. K. Chin et al., “Implementation experience with manet outing protocols”, in Proceedings of ACM SigComm Computer Communications Review, November, 2002.K. Chin et al., “Implementation experience with manet outing protocols”, in Proceedings of ACM SigComm Computer Communications Review, November, 2002. Y. Hu et al., “Design and demonstration of live audio and video over multihop wireless ad hoc networks”, in Proceedings of IEEE Military Communications Conference (MILCOM), October 2002.Y. Hu et al., “Design and demonstration of live audio and video over multihop wireless ad hoc networks”, in Proceedings of IEEE Military Communications Conference (MILCOM), October 2002. H. Lundergren et al., “A large-scale testbed for reproducible ad hoc protocol evaluations”, in Proceedings of Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), March 2002.H. Lundergren et al., “A large-scale testbed for reproducible ad hoc protocol evaluations”, in Proceedings of Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), March 2002. S. Douglas et al., “Effects of loss rate on ad hoc wireless routing”, in MIT Laboratory of Computer Science Technical Report, MIT-LCS-TR-836, March 2002.S. Douglas et al., “Effects of loss rate on ad hoc wireless routing”, in MIT Laboratory of Computer Science Technical Report, MIT-LCS-TR-836, March 2002. C. Toh et al., “Experimenting with ad hoc wireless network on campus: Insights and experiences”, ACM Sigmetrics Performance Evaluation Review, December 2000.C. Toh et al., “Experimenting with ad hoc wireless network on campus: Insights and experiences”, ACM Sigmetrics Performance Evaluation Review, December 2000. G. Pei et al., “Fisheye State Routing in Mobile Ad Hoc Networks,” in ICDCS Workshop on Wireless Networks and Mobile Computing, Taipei, Taiwan, April 10 2000.G. Pei et al., “Fisheye State Routing in Mobile Ad Hoc Networks,” in ICDCS Workshop on Wireless Networks and Mobile Computing, Taipei, Taiwan, April 10 2000. S. Roy et al., “A network-aware MAC and routing protocol for effective load balancing in ad hoc wireless networks with directional antenna”, in Proceedings of ACM MobiHoc, pp.88-89, June 2003.S. Roy et al., “A network-aware MAC and routing protocol for effective load balancing in ad hoc wireless networks with directional antenna”, in Proceedings of ACM MobiHoc, pp.88-89, June 2003.

現実の状態では、無線ネットワークの性能は、地形、天候、障害物、ノード無線局の移動性及び電磁放射線エミッタの存在といった距離ベースの減衰、マルチパス・フェーディング、シャドーイング及び干渉等の問題を生じさせる幾つかの要因によって影響される可能性がある。シミュレーションは通常、それらのすべてを明らかにはしない。言い替えれば、現実でのシステムは、シミュレーションでは発生しない問題に直面する。現実的なシステムを構築する場合、シミュレーション・モデルは近似であって正確なディテールを捕捉しないというケースに対応せざるを得ない。従って、アドホック無線ネットワークの現実的なプロトコルの開発はまさしく、このようなネットワークにおいて達成可能な実用性及び性能を評価する上で適正に対応されることが必要な困難なタスクである。この点が、今回の発明の核心的なモチベーションとなっている。シミュレータ実験とは異なり、テストベッドによる実験は完全に再現可能であり得ないことは事実である。干渉及び無線伝搬条件は各実験で異なり、かつあらゆる実際的目的において実験者には制御不能である。しかしながら、同じ実験を数回実行すれば、一貫した結果が得られる。   In real life, the performance of a wireless network is subject to problems such as terrain, weather, obstacles, mobility of node radio stations and the presence of electromagnetic radiation emitters, distance-based attenuation, multipath fading, shadowing and interference. It can be affected by several factors that result. Simulation usually does not reveal all of them. In other words, real-world systems face problems that do not occur in simulation. When building a realistic system, the simulation model is approximate and must handle the case of not capturing accurate details. Therefore, the development of realistic protocols for ad hoc wireless networks is a very difficult task that needs to be adequately addressed to assess the practicality and performance achievable in such networks. This is the core motivation of the present invention. Unlike simulator experiments, it is true that test bed experiments cannot be completely reproducible. Interference and radio propagation conditions are different for each experiment and are uncontrollable by the experimenter for all practical purposes. However, running the same experiment several times gives consistent results.

通常、アドホック無線ネットワークにおけるユーザ端末は、無指向性アンテナを使用する。しかしながら、指向性アンテナを使用すると無線干渉を大幅に低減させることが可能であり、これにより、無線媒体の利用、ひいてはネットワークのスループットは向上することが証明されている(例えば、非特許文献1、2及び3参照。)。これを達成するために本発明者らは、特許出願人において、ユーザ端末が電子制御導波器アレーアンテナ装置(Electronically Steerable Passive Array Radiator Array Antenna Apparatus)として知られる小型で低コストの指向性アンテナを備えた無線アドホック無線ネットワーク・テストベッドを開発した(例えば、非特許文献4参照。)。   Usually, a user terminal in an ad hoc wireless network uses an omnidirectional antenna. However, the use of a directional antenna can significantly reduce radio interference, and it has been proved that the use of a radio medium and thus the throughput of a network is improved (for example, Non-Patent Document 1, 2 and 3). In order to achieve this, the inventors have found in patent applicants a small, low-cost directional antenna whose user terminal is known as an electronically steerable passive array radiator array antenna apparatus. A wireless ad hoc wireless network testbed provided was developed (for example, see Non-Patent Document 4).

ここ数年来、無指向性アンテナを使用するアドホック無線ネットワークのテストベッドを実装する幾つかの取り組みが行われた。しかしながら、指向性アンテナを使用するアドホック無線ネットワークに関しては、指向性アンテナが空間再使用、送信エリアの拡大及びより優れたネットワーク接続性といった無指向性アンテナを凌ぐ幾つかの優位点を有するという事実にも関わらず、1つのテストベッド・プロジェクトしか報告されていない(例えば、非特許文献5参照。)。   Over the last few years, several efforts have been made to implement test beds for ad hoc wireless networks that use omnidirectional antennas. However, for ad hoc wireless networks using directional antennas, the fact that directional antennas have several advantages over omnidirectional antennas, such as spatial reuse, increased transmission area and better network connectivity. Nevertheless, only one testbed project has been reported (for example, see Non-Patent Document 5).

例えば、非特許文献6及び7に記述されているテストベッド・プロジェクトの場合、その主たる目的は、屋外環境で真に移動性であるノード無線局を使用して動作するアドホック無線ネットワークのプロトコルの実際の実装の行動に関する基本研究を可能にするプラットフォームを構築することであった。このテストベッドにおける各ノード無線局は、DSR(Dynamic Source Routing)ルーティングプロトコルを使用している。ここでは、マルチホップ通信の間のリンク品質の変動に起因する多大なパケット損失が観察された。環境の可変性は、時としてソースと宛先との間に直接的であるが過渡的なリンクを生成する場合があり、ルーティングの間にこれらの過渡的リンクが選択されれば損失率は著しく増大することが指摘されている。研究者らは、遠く離れた2つのノード無線局間の全通信過程を通じてマルチホップ・ルートが保証可能でありさえすれば、より優れたスループットを達成できると主張している。   For example, in the case of the testbed project described in Non-Patent Documents 6 and 7, the main purpose is to actually implement a protocol for an ad hoc wireless network that operates using a node wireless station that is truly mobile in an outdoor environment. Was to build a platform that would allow basic research on the implementation behavior of Each node radio station in the test bed uses a DSR (Dynamic Source Routing) routing protocol. Here, significant packet loss due to link quality variations during multi-hop communication was observed. Environmental variability sometimes creates direct but transient links between the source and destination, and loss rates increase significantly if these transient links are selected during routing It has been pointed out to do. Researchers argue that better throughput can be achieved if a multi-hop route can be guaranteed through the entire communication process between two remote node radio stations.

また、非特許文献8では、MANET(Mobile Ad-hoc Network)テストベッドを構築して類似行動が報告されている。著者達は、フェーディング・チャンネル上で送信されるパケットにより、ルーティングプロトコルがさらに遠くにあるノード無線局へすらもより低い計数値(ホップ計数値)のルートを提供する可能性のある新たな1ホップの近傍ノード無線局が存在すると間違って結論付けることになると報告している。これは、ノード無線局が静止している場合でも発生する可能性があり、移動性ではさらに低いルート安定性をもたらした。彼らは、「パワーウェーブ」と呼ばれる単純な信号強度ベースの近傍ノード無線局選択手順を実装し、フェーディング・チャンネル及び信頼性のないネットワーク・リンクがルーティングプロトコルの失敗の原因であるというその主張を試験した。結果は、近傍ノード無線局の発見及びルーティングを目的とする信頼性のある(安定した)近傍ノード無線局のろ波が信頼性のあるマルチホップ・ルートの生成を有効化することを示している。   In Non-Patent Document 8, a similar action is reported by building a MANET (Mobile Ad-hoc Network) test bed. The authors found that a packet sent on the fading channel could provide a new one that could provide a lower count (hop count) route to even more distant node radio stations with routing protocols. It is reported that if there is a hop neighbor wireless station, it will be erroneously concluded. This can occur even when the node radio station is stationary, resulting in lower route stability in mobility. They implemented a simple signal strength-based neighborhood node selection procedure called “powerwave” and claimed that fading channels and unreliable network links are responsible for routing protocol failures. Tested. The results show that the filtering of reliable (stable) neighboring node radio stations for the purpose of discovery and routing of neighboring node radio stations enables the generation of reliable multi-hop routes .

マルツ(Maltz)ほからもまた、パワーウェーブに類似する手法を採用し(例えば、非特許文献6参照。)、好ましくないMAC(Media Access Control)アドレスからのトラフィックをろ波して除去するMACフィルタと呼ばれるプログラムを開発した。MACフィルタの新規使用はMANETのエミュレーションであり、複数のノード無線局を近接配置しかつ近傍ノード無線局からの信号を適切にろ波して異なるトポロジーを与えることができる。MACフィルタとパワーウェーブとの主たる相違点は、パワーウェーブが信号対雑音比(以下、SNRという。)に基づいてどのIPアドレスをろ波して除去するかを動的に決定するのに対して、MACフィルタは問題のトポロジーに合わせて静的に構成されることにある。従って、概して、テストベッド・ネットワークは、パケットがある終端ノード無線局から他の終端ノード無線局へ直接送信されないようにMACフィルタ(例えば、非特許文献6参照。)又はパワーウェーブ(例えば、非特許文献8参照。)といったパケットろ波ソフトウェアを含んでいた。   Also from Maltz, a MAC filter that adopts a technique similar to power wave (see, for example, Non-Patent Document 6) and filters out traffic from an undesirable MAC (Media Access Control) address. Developed a program called A new use of the MAC filter is MANET emulation, where a plurality of node radio stations can be placed close together and signals from neighboring node radio stations can be appropriately filtered to give different topologies. The main difference between the MAC filter and the power wave is that the power wave dynamically determines which IP address to filter out based on the signal-to-noise ratio (hereinafter referred to as SNR). The MAC filter is statically configured according to the topology in question. Therefore, in general, the test bed network prevents a packet from being directly transmitted from one terminal node radio station to another terminal node radio station, for example, a MAC filter (see, for example, Non-Patent Document 6) or a power wave (for example, non-patent). Packet filtering software such as Reference 8) was included.

さらに、非特許文献9では、各ノード無線局が2Mbpsのルーセント・ウェーブ(Lucent Wave)LAN−IIの無線LAN上でDSRルーティングプロトコルを使用する8個のノード無線局のテストベッドが開発されている。その目的は、テレビ会議、リモートサイト監視などの何らかのアプリケーションにおけるアドホック無線ネットワークの性能を示すことであった。著者達は、あるノード無線局、例えば、ノード無線局Bによってノード無線局Aから受信されるパケットのSNR値がかなりの時間期間に渡って所定のしきい値を下回ることが分かれば、ノード無線局A−Bリンクはおそらくすぐに壊れると提言している。よって、リンク破壊が実際に発生する前に、ノード無線局Aは、例えばSであるソース・ノード無線局へそのリンクを避ける新たなルートを発見するように警告を送らなければならない。これにより、ルート保全の待ち時間は確実に短縮される。   Further, in Non-Patent Document 9, a test bed of 8 node radio stations using a DSR routing protocol is developed in which each node radio station uses a 2 Mbps Lucent Wave LAN-II wireless LAN. . Its purpose was to show the performance of ad hoc wireless networks in some applications such as video conferencing and remote site monitoring. If the authors know that the SNR value of a packet received from a node radio station A by a node radio station, eg, node radio station B, falls below a predetermined threshold over a considerable period of time, the authors The station A-B link suggests that it will probably break soon. Therefore, before the link breakage actually occurs, node radio station A must send a warning to the source node radio station, eg, S, to find a new route that avoids the link. This reliably reduces the waiting time for route maintenance.

さらに、非特許文献10では、特に多数のノード無線局(この場合は37個)を使用してスケーラビリティを調査しかつアドホック無線ネットワークのために提案された異なるルーティングプロトコルを比較する実験を行うためのアドホック・プロトコル評価テストベッド(APE)が開発されている。その方法は厳密に構成され、最初の「ready−set−go(準備、設定、実行)」の後、テストベッド参加者はただいつ、どこへ移動するかに関するスクリーン上へ表れる指示に従うだけである。ノード無線局は、通常の歩行速度(約1m/秒)で移動する。ノード無線局のペア間でログ通信による信号品質を基礎としてスクリーン上へノード無線局を配置することにより当該通信方法を可能にする、APEビューと呼ばれるログ駆動のアニメーション・ツールが書き込まれている。   Furthermore, in Non-Patent Document 10, a number of node radio stations (37 in this case) are used to investigate scalability and to perform experiments comparing different routing protocols proposed for ad hoc wireless networks. An ad hoc protocol evaluation test bed (APE) has been developed. The method is strictly configured and after the first “ready-set-go”, the testbed participants simply follow the instructions on the screen as to when and where to go. . The node radio station moves at a normal walking speed (about 1 m / sec). A log-driven animation tool called an APE view is written that enables the communication method by placing node radio stations on the screen based on signal quality by log communication between pairs of node radio stations.

さらに、非特許文献11における著者達は、大部分のノード無線局間の無線リンクがかなりの損失率を有することを実証した。これらの損失率は、転送性能を低下させるに足るものであるが、既存のアドホック・ルーティングプロトコルによるそのリンクの使用を妨げるほどのものではない。リンク・レベルの再送信は、スループットの実質的低下を代償に高い損失率を覆い隠すことができる。多くの場合、実質的により優れた終端間スループット及びより高い合計システム・キャパシティを与えるより長い、但しより品質の高い経路が存在する。実装は、テストベッド・ノード無線局上のユーザ・レベルで実行されるモジュラ・ソフトウェア・ルータであるクリックにおいて行われた。   Furthermore, the authors in Non-Patent Document 11 have demonstrated that the radio link between most node radio stations has a significant loss rate. These loss rates are sufficient to reduce forwarding performance, but not so much as to prevent the use of the link by existing ad hoc routing protocols. Link-level retransmission can mask high loss rates at the expense of substantial throughput degradation. In many cases, there is a longer but higher quality path that provides substantially better end-to-end throughput and higher total system capacity. The implementation was done at Click, a modular software router that runs at the user level on the testbed node radio station.

さらに、非特許文献12では、著者達は、ルーティング・セッションの間の移動性又は他の任意の理由に起因して任意の中間ノード無線局を利用できない場合のルート再構成/修理のための局所化された問合せ/応答パケットの使用を提案している。   Furthermore, in Non-Patent Document 12, the authors provide local information for route reconfiguration / repair when any intermediate node radio station is unavailable due to mobility during a routing session or any other reason. It proposes the use of structured query / response packets.

非特許文献5において、著者達は指向性アンテナを使用するテストベッドを実装し、このテストベッド上での指向性の電力制御MAC、ビーム形成による近傍ノード無線局の発見、指向性アンテナのリンク特性化、プロアクティブなルーティング及び転送を提案している。UDAAN(Utilizing Directional Antennas for Ad Hoc Networking)のシミュレーション結果は無指向性アンテナを凌ぐ指向性アンテナの有効性を示しているが、その近傍ノード無線局発見プロセスの精度及びルーティング性能を示す結果は何ら引用されていない。さらに、彼らの指向的な近傍無線局の発見方法は基本的に、GPS(Global Positioning System)を使用する共通クロック同期法に依存している。   In Non-Patent Document 5, the authors implement a test bed using a directional antenna, the directional power control MAC on this test bed, the discovery of nearby node radio stations by beam forming, the link characteristics of the directional antenna And proactive routing and forwarding. The simulation results of UDAN (Utilizing Directional Antennas for Ad Hoc Networking) show the effectiveness of directional antennas over omnidirectional antennas, but the results showing the accuracy and routing performance of the neighboring node radio station discovery process are quoted. It has not been. Furthermore, their directional proximity radio station discovery method basically relies on a common clock synchronization method using GPS (Global Positioning System).

さらに、特許文献1では、アドホック無線ネットワークに参加しており、アクティブ(動作状態)にある隣接ノード無線局のリストを含むアクティブノードリストテーブル(以下、ANLテーブルという。)などのテーブルを用いて、2つのパス上のデータ通信間の非干渉度を示す「ゾーン間非結合」の度合いを最大化するルート選択処理を用いて効果的な負荷のバランス化を行うためのルーティング方法を開示しているが、ANLテーブルを用いているために無線局の構成が複雑になるという問題点があった。   Furthermore, in Patent Document 1, using a table such as an active node list table (hereinafter referred to as an ANL table) including a list of adjacent node radio stations that are participating in an ad hoc wireless network and are active (operating state), A routing method for effectively balancing the load using a route selection process that maximizes the degree of "inter-zone non-coupling" indicating the degree of non-interference between data communications on two paths is disclosed. However, since the ANL table is used, there is a problem that the configuration of the radio station is complicated.

本発明の目的は以上の問題点を解決し、輻輳状態を示す従来技術のANLテーブルを用いず、従来技術に比較して構成が簡単であって、データ通信の輻輳時においてデータ信号を確実に宛先無線局に伝送してルーティングを集束させることができる無線ネットワークのためのルーティング方法及びルータ装置を提供することにある。   The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, without using a prior art ANL table indicating a congestion state, and to have a simpler configuration compared to the prior art, and to ensure that a data signal is transmitted at the time of data communication congestion. It is an object of the present invention to provide a routing method and a router device for a wireless network that can be transmitted to a destination wireless station to converge the routing.

第1の発明に係る無線ネットワークのためのルーティング方法は、複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのためのルーティング方法において、
発信元無線局において予め決められた初期パス長Lと、パケット信号の既伝搬のホップ長Hとデータとを含むパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して伝送するときに、発信元無線局及び中継無線局において、所定のルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する送信ステップと、
発信元無線局及び、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Hが初期パス長L以下であるときの中継無線局において、ネットワーク層でパケットのドロップが発生したか否かを判断し、上記ドロップが発生したと判断したときに、すでに選択された最短のパスを除いて上記ルーティングテーブルを用いて次の最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第1の制御ステップとを含むことを特徴とする。
A routing method for a wireless network according to a first invention is a routing method for a wireless network that includes a plurality of wireless stations and performs wireless communication between the wireless stations.
When transmitting a packet signal including a predetermined initial path length L, a hop length H of already propagated packet signal, and data from the source radio station to the destination radio station at the source radio station, In the radio station and relay radio station, a shortest path is selected using a predetermined routing table, and the packet signal to be transmitted is stored in a queue memory and transmitted to the next radio station by radio transmission. Steps,
In the source radio station and the relay radio station when the already propagated hop length H included in the packet signal is equal to or shorter than the initial path length L, it is determined whether or not the packet is dropped in the network layer, and the drop When the next shortest path is selected using the routing table except for the shortest path that has already been selected, the packet signal to be transmitted is stored in the queue memory for transmission. And a first control step of wirelessly transmitting to the next wireless station.

上記無線ネットワークのためのルーティング方法において、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Hが初期パス長Lを超えるときの中継無線局において、上記ルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第2の制御ステップをさらに含むことを特徴とする。   In the routing method for the wireless network, in the relay radio station when the already propagated hop length H included in the packet signal exceeds the initial path length L, the shortest path is selected using the routing table, and the transmission In order to transmit the packet signal to be transmitted, it is further characterized by further including a second control step of storing the packet signal in a queue memory and wirelessly transmitting the packet signal to the next wireless station.

第2の発明に係る無線ネットワークのためのルータ装置は、複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのためのルータ装置において、
発信元無線局において予め決められた初期パス長Lと、パケット信号の既伝搬のホップ長Hとデータとを含むパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して伝送するときに、発信元無線局及び中継無線局において、所定のルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する送信手段と、
発信元無線局及び、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Hが初期パス長L以下であるときの中継無線局において、ネットワーク層でパケットのドロップが発生したか否かを判断し、上記ドロップが発生したと判断したときに、すでに選択された最短のパスを除いて上記ルーティングテーブルを用いて次の最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第1の制御手段とを備えたことを特徴とする。
A router device for a wireless network according to a second aspect of the invention is a router device for a wireless network that includes a plurality of wireless stations and performs wireless communication between the wireless stations.
When transmitting a packet signal including a predetermined initial path length L, a hop length H of already propagated packet signal, and data from the source radio station to the destination radio station at the source radio station, In the radio station and relay radio station, a shortest path is selected using a predetermined routing table, and the packet signal to be transmitted is stored in a queue memory and transmitted to the next radio station by radio transmission. Means,
In the source radio station and the relay radio station when the already propagated hop length H included in the packet signal is equal to or shorter than the initial path length L, it is determined whether or not the packet is dropped in the network layer, and the drop When the next shortest path is selected using the routing table except for the shortest path that has already been selected, the packet signal to be transmitted is stored in the queue memory for transmission. And a first control means for wirelessly transmitting to the next radio station.

上記無線ネットワークのためのルータ装置において、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Hが初期パス長Lを超えるときの中継無線局において、上記ルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第2の制御手段をさらに備えたことを特徴とする。   In the router device for the wireless network, the relay wireless station when the already propagated hop length H included in the packet signal exceeds the initial path length L selects the shortest path using the routing table, and transmits the transmission In order to transmit a packet signal to be transmitted, second control means for storing the packet signal in a queue memory and wirelessly transmitting it to the next wireless station is further provided.

従って、本発明によれば、発信元無線局及び、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Hが初期パス長L以下であるときの中継無線局において、ネットワーク層でパケットのドロップが発生したか否かを判断することにより、局所的なパケット信号の輻輳を検出して、その輻輳を検出したとき、すでに選択された最短のパスを除いて上記ルーティングテーブルを用いて次の最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信するように構成した。これにより、輻輳状態を示す従来技術のANLテーブルを用いず、従来技術に比較して構成が簡単であって、データ通信の輻輳時においてデータ信号を確実に宛先無線局に伝送してルーティングを集束させることができる。   Therefore, according to the present invention, in the source radio station and the relay radio station when the already propagated hop length H included in the packet signal is equal to or shorter than the initial path length L, has packet drop occurred in the network layer? By determining whether or not the local packet signal congestion is detected, when the congestion is detected, the next shortest path is selected using the above routing table except the shortest path already selected. In order to transmit the packet signal to be transmitted, the packet signal is stored in a queue memory and wirelessly transmitted to the next wireless station. As a result, the configuration is simpler than the prior art without using the ANL table of the prior art indicating the congestion state, and the data signal is reliably transmitted to the destination radio station when the data communication is congested, and the routing is converged. Can be made.

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each following embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.

本発明の目的は、指向性の電子制御導波器アレーアンテナ装置を使用するマルチホップ・アドホック無線ネットワークの性能を監視しかつ制御するための環境を開発することにある。無指向性アンテナを使用するアドホック無線ネットワークの環境の開発を試行した研究者は幾人か存在するが、指向性アンテナを使用するアドホック無線ネットワークのための環境構築の例は極めて限られている(例えば、非特許文献5参照。)。本発明者らによる研究に係る本実施形態では、指向性の電子制御導波器アレーアンテナ装置を使用するアドホック無線ネットワークのテストベッドを実現し、共通クロック同期を何ら必要としない方向追跡メカニズムを実装したことを特徴としている。   It is an object of the present invention to develop an environment for monitoring and controlling the performance of multi-hop ad hoc wireless networks that use directional electronically controlled waveguide array antenna devices. Several researchers have tried to develop an environment for ad hoc wireless networks using omnidirectional antennas, but examples of environment construction for ad hoc wireless networks using directional antennas are extremely limited ( For example, refer nonpatent literature 5.). In this embodiment, which is based on research by the present inventors, a test bed of an ad hoc wireless network using a directional electronically controlled waveguide array antenna device is realized, and a direction tracking mechanism that does not require any common clock synchronization is implemented. It is characterized by that.

図1は、本発明に係る実施形態であるアドホック無線ネットワークの構成を示す複数の無線局1−1乃至1−9(総称して、符号1を付す。)の平面配置図であり、図2は、図1の各無線局1の構成を示すブロック図である。   FIG. 1 is a plan layout diagram of a plurality of radio stations 1-1 to 1-9 (generally referred to by reference numeral 1) showing the configuration of an ad hoc radio network according to an embodiment of the present invention. These are block diagrams which show the structure of each radio station 1 of FIG.

この実施形態の無線通信システムでは、図1に示すように、複数の無線局1が平面的に散在して存在し、各無線局1はそれぞれ、可変ビームアンテナ101の利得や送信電力、受信感度などのパラメータで決定される所定のサービスエリアを有し、このサービスエリア内でパケット通信を行うことができ、サービスエリア外の無線局1とパケット通信を行うときは、サービスエリア内の無線局1を中継局として用いてパケットデータを中継することにより、所望の宛先無線局1にパケットデータを伝送する。すなわち、各無線局1は、パケットのルーティングを行うルータ機能を備え、発信元無線局、中継局、又は宛先無線局として動作する。   In the wireless communication system of this embodiment, as shown in FIG. 1, a plurality of wireless stations 1 are present in a plane and each wireless station 1 has a gain, transmission power, and reception sensitivity of the variable beam antenna 101. A predetermined service area determined by parameters such as, and can perform packet communication within the service area. When performing packet communication with the wireless station 1 outside the service area, the wireless station 1 within the service area Is used as a relay station to relay packet data, thereby transmitting the packet data to a desired destination wireless station 1. That is, each wireless station 1 has a router function for routing packets and operates as a source wireless station, a relay station, or a destination wireless station.

この実施形態の無線通信システムは、例えば無線LANなどのアドホック無線ネットワークのパケット通信システムに適用するものであって、無指向性放射パターンであるオムニパターンと、自局を中心とした水平面内の所定の方位角毎にセクタ形状のメインビームを選択的に変更可能なセクタビームパターンと、上記方位角毎にヌル点を形成可能な排他的セクターパターンとを選択的に切り換え可能な可変ビームアンテナ101を備え、下記の(a)乃至(c)のテーブルをデータベースメモリ154に格納し、これらのテーブルに基づいて、可変ビームアンテナ101の放射パターンを制御しながらパケット信号のルーティングを行うことを特徴としている。   The wireless communication system of this embodiment is applied to a packet communication system of an ad hoc wireless network such as a wireless LAN, for example, and includes an omni pattern that is an omnidirectional radiation pattern and a predetermined plane in a horizontal plane centered on the own station. A variable beam antenna 101 capable of selectively switching between a sector beam pattern capable of selectively changing a sector-shaped main beam for each azimuth angle and an exclusive sector pattern capable of forming a null point for each azimuth angle. The following tables (a) to (c) are stored in the database memory 154, and packet signals are routed while controlling the radiation pattern of the variable beam antenna 101 based on these tables. .

(a)自局を中心とするサービスエリア内の隣接ノード無線局(自局から無線通信可能なノード無線局を隣接ノード無線局という。)1から無線信号を受信するときに測定可能な隣接ノード無線局1に対する方位角及び信号強度レベルを格納する方位角及び信号強度レベルテーブル(Angle and Signal strength Table)(以下、ASテーブルという。)。
(b)自局からの無線信号を隣接ノード無線局が受信したときのSINRの測定値を含む隣接ノード無線局からの無線信号に基づいて予め取得された、自局を中心とした水平面内の所定の方位角毎のサービスエリア内の無線局1から見たSINRに基づいて、各隣接ノード無線局毎に最大のSINRを選択して各隣接ノード無線局との親和度とし、当該親和度と、それに対応する方位角及びそのデータの更新時刻とを含む隣接リンク状態テーブル(Neighbor Link-State Table)(以下、NLSテーブルという。)。
(c)各無線局間でNLSテーブルのトポロジー情報(アドホック無線ネットワーク内のすべての無線局間のリンク状態を示すパス情報をいい、以下同様である。)を交換することにより、当該アドホック無線ネットワーク内のすべての無線局1に関するNLSテーブルのトポロジー情報を収集し、このトポロジー情報(各無線局1間のリンク状態を含む)と、これにおける各無線局毎の当該トポロジー情報の更新回数(バージョンを示す)と、その時点で任意の通信プロセスに関わる無線局1を示す通信状態フラグ値とを含むグローバルリンク状態テーブル(Global Link State Table)(以下、GLSテーブルという。)。
(A) Adjacent node wireless station that can be measured when receiving a radio signal from an adjacent node radio station (a node radio station capable of radio communication from the own station) 1 in a service area centered on the own station An azimuth and signal strength level table (hereinafter referred to as an AS table) that stores an azimuth angle and a signal strength level with respect to the radio station 1.
(B) In a horizontal plane centered on the own station, acquired in advance based on the radio signal from the adjacent node radio station including the measured value of SINR when the adjacent node radio station receives the radio signal from the own station. Based on the SINR viewed from the radio station 1 in the service area for each predetermined azimuth angle, the maximum SINR is selected for each adjacent node radio station and set as the affinity with each adjacent node radio station. An adjacent link state table (Neighbor Link-State Table) including the corresponding azimuth angle and the update time of the data (hereinafter referred to as an NLS table).
(C) By exchanging topology information (referring to path information indicating the link state between all radio stations in the ad hoc radio network in the ad hoc radio network, the same shall apply hereinafter) in the NLS table between the radio stations, the ad hoc radio network NLS table topology information related to all wireless stations 1 in the network is collected, this topology information (including the link state between each wireless station 1), and the number of updates (version version) of the topology information for each wireless station in this topology information And a communication state flag value indicating the wireless station 1 involved in an arbitrary communication process at that time (Global Link State Table) (hereinafter referred to as a GLS table).

この本実施形態に係るノード無線局装置は各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのためのルータ装置機能を有し、図2の管理制御部151は、
(A)発信元無線局において予め決められた初期パス長Lと、パケット信号の既伝搬のホップ長Hと、データとを含むパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して伝送するときに、発信元無線局及び中継無線局において、所定のルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信し、
(B)発信元無線局及び、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Hが初期パス長L以下であるときの中継無線局において、ネットワーク層でパケットのドロップが発生したか否かを判断し、上記ドロップが発生したと判断したときに、すでに選択された最短のパスを除いて上記ルーティングテーブルを用いて次の最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信することを特徴としている。
The node radio station apparatus according to this embodiment has a router apparatus function for a radio network that performs radio communication between radio stations, and the management control unit 151 in FIG.
(A) When transmitting a packet signal including an initial path length L determined in advance at the source radio station, a hop length H of the packet signal already propagated, and data from the source radio station to the destination radio station In addition, in the source radio station and the relay radio station, a shortest path is selected using a predetermined routing table, and the packet signal to be transmitted is stored in a queue memory for transmission to the next radio station. Wirelessly transmit,
(B) In the source radio station and the relay radio station when the already propagated hop length H included in the packet signal is equal to or shorter than the initial path length L, it is determined whether or not a packet drop has occurred in the network layer. When it is determined that the drop has occurred, the queue memory is used to select the next shortest path using the routing table except for the shortest path that has already been selected, and to transmit the packet signal to be transmitted. It is characterized in that it is stored in and transmitted to the next radio station.

また、管理制御部151は、
(C)パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Hが初期パス長Lを超えるときの中継無線局において、上記ルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信することを特徴としている。
In addition, the management control unit 151
(C) In the relay radio station when the already propagated hop length H included in the packet signal exceeds the initial path length L, the shortest path is selected using the routing table, and the packet signal to be transmitted is transmitted. Therefore, it is characterized in that it is stored in a queue memory and wirelessly transmitted to the next wireless station.

指向性アンテナを装備するアドホック無線ネットワークにおける2個のノード無線局間で首尾良く指向性通信が発生するためには、ノード無線局の各々がその近傍ノード無線局と最も良く通信できる方向又はアンテナパターンを認識する必要がある。従って、本発明者らは、あるノード無線局がその近傍ノード無線局との通信に使用すべきアンテナパターンの推定をも考慮するプロアクティブな(先を見越して事前の策を講じた周期的近傍ノード無線局発見方法を提案する。次いで、本発明者らは、プロアクティブなルーティングプロトコルに使用可能なネットワークの全体的認識を得るための近傍情報の周期的同報通信及び更新メカニズムを提案する。   In order to successfully generate directional communication between two node radio stations in an ad hoc radio network equipped with a directional antenna, a direction or antenna pattern in which each node radio station can communicate best with its neighboring node radio stations. Need to recognize. Therefore, the present inventors have considered proactive (a periodic neighborhood with proactive measures in anticipation of the antenna pattern that a certain node radio station should use for communication with its neighboring node radio stations. We propose a node radio station discovery method, and then we propose a periodic broadcast and update mechanism of neighbor information to gain a global awareness of the network that can be used for proactive routing protocols.

まず、NLSテーブルの形成において、近傍ノード無線局の発見及び方向推定のための本方法の最初のステップにおいて、ノード無線局は、ビームインデックスがタグ付けされた指向性ビーコンを可能な全個の12ビームパターンで周期的に順次同報通信する。ビーコンを受信するそのノード無線局の近傍ノード無線局は、パケットが到来した際の受信された各ビーコンの信号強度を記憶する。ビーコンと共に送信のビームインデックスも送信するために、ノード無線局は、その近傍ノード無線局の各々の各方向で受信されたビーコンの信号強度を記録する。従って、これにより、NLSテーブルが形成される。   First, in the formation of the NLS table, in the first step of the method for the discovery and direction estimation of neighboring node radio stations, the node radio stations are able to create all 12 directional beacons that are tagged with a beam index. Broadcasts sequentially and periodically using a beam pattern. The neighboring node radio station of the node radio station receiving the beacon stores the signal strength of each received beacon when the packet arrives. In order to transmit the beam index of the transmission along with the beacon, the node radio station records the signal strength of the beacon received in each direction of each of its neighboring node radio stations. Thus, this forms an NLS table.

次いで、ASテーブルの形成においては、第2のステップにおいて、ノード無線局は、12個の同報通信ビーコンを受信した後、受信した最大信号強度を有するビームパターンを全方向的に送信して返信する。従って、この情報を返されて受信したノード無線局は、そのASテーブルを形成する。それによって、ノード無線局はその近傍ノード無線局に到達する最良のビームパターンを知る。ビーコン信号の発信は周期的に行われることから、近傍情報も周期的に更新される。ノード無線局がその近傍ノード無線局からかなりの時間に渡って何らビーコンを受信しなければ、当該ノード無線局はこの近傍ノード無線局をそのASテーブルから削除する。   Next, in forming the AS table, in the second step, after receiving the 12 broadcast beacons, the node radio station transmits the beam pattern having the received maximum signal strength in all directions and returns it. To do. Therefore, the node radio station that has received and received this information forms its AS table. Thereby, the node radio station knows the best beam pattern to reach its neighboring node radio stations. Since the beacon signal is transmitted periodically, the neighborhood information is also periodically updated. If the node radio station does not receive any beacon from the neighboring node radio station for a considerable time, the node radio station deletes the neighboring node radio station from its AS table.

さらに、GLSテーブルの形成においては、最後に各ノード無線局は、グローバル・ネットワークの接続性情報を捕捉するためのGLSテーブルを保持する。各ノード無線局において、GLSテーブルはまず、そのノード無線局のASテーブルを更新される。よってネットワークが最初に開始されるとき、ノード無線局はすべてそれ自身の近傍ノード無線局を認識しているだけで当該無線システム内の他のノード無線局に関しては何も分からない状態にある。各ノード無線局は、周期的にそのGLSテーブルを更新としてその近傍ノード無線局へ同報通信する。その近傍ノード無線局からのそれらの近傍ノード無線局に関するこの周期的な更新メッセージにより、ノード無線局は他のノード無線局及びそれらの近傍ノード無線局に関する情報を次第に蓄積していく。従って、各ノード無線局は、他のノード無線局から受信する更新メッセージを基礎としてその固有のGLSテーブルを更新する。ここで、このメカニズムは、各ノード無線局がネットワークの正確な状態を知ることを保証するものではないことに留意すべきである。これは、各ノード無線局がネットワークのおおよそのステータスを理解する手助けとなる認識であるに過ぎない。これは、ノード無線局の直近に関する正確な状態情報を保持する手助けとなる、距離が増大すると詳細の正確さは漸次低下するフィッシュアイ手法(例えば、非特許文献13参照。)に類似している。   Furthermore, in the formation of the GLS table, finally, each node radio station holds a GLS table for capturing the connectivity information of the global network. In each node radio station, the GLS table is first updated with the AS table of that node radio station. Thus, when the network is first started, all the node radio stations are only aware of their own neighboring node radio stations and are not aware of any other node radio stations in the radio system. Each node radio station periodically broadcasts its GLS table as an update to its neighboring node radio stations. With this periodic update message regarding the neighboring node radio stations from the neighboring node radio stations, the node radio station gradually accumulates information about other node radio stations and those neighboring node radio stations. Accordingly, each node radio station updates its own GLS table on the basis of an update message received from another node radio station. It should be noted here that this mechanism does not guarantee that each node radio station knows the exact state of the network. This is only a recognition that helps each node radio station understand the approximate status of the network. This is similar to the fish-eye method (for example, see Non-Patent Document 13) in which the accuracy of details gradually decreases as the distance increases. .

次いで、本実施形態に係る輻輳認識ゾーン非結合ルーティング方法の概要について以下に説明する。   Next, an outline of the congestion recognition zone non-coupled routing method according to the present embodiment will be described below.

増大された数の同時通信を介する無線媒体利用を向上させるために、アドホック無線ネットワークの技術分野において幾つかの指向性MACプロトコルが提案されている。しかしながら、アドホック無線ネットワークにおける独立した2つの通信が互いに干渉し得るだけの近距離で物理的に位置づけられる2つのルートを選択すれば、各ノード無線局で指向性アンテナを使用してもこれらの2ルートに沿った同時通信は不可能になる。よって、より多くの同時通信数を達成するためには、各通信に関して干渉のないゾーン非結合なルートが発見されない限り、効果的な指向性MACプロトコルでは不十分である。本発明者らは初期の研究において(例えば、非特許文献14参照。)、最大ゾーン非結合最短ルートの選択を介してアドホック無線ネットワークにおける指向性アンテナの優位点の真価を利用するテーブル駆動のアダプティブなルーティング方法を提案した。あるルート上のデータ通信の他のルート沿いのデータ通信への干渉が最小限に抑えられれば、これらの2ルートは「最大ゾーン非結合」であるとされる。本発明者らの初期の提案によれば、各ノード無線局は、ネットワーク中の各ノード無線局に保持される現在のネットワークの状態情報の周期的浸透を通じて、おおよそのグローバルなネットワークのトポロジー及びネットワーク内で現在進行中の通信イベント情報を認識することになる。従って、この状態情報に依存して、ノード無線局は、幾つかの他の通信に目下使用中であるノード無線局を可能な限り回避するゾーン非結合な経路を計算する。この方法は、ネットワーク中へのネットワーク・状態情報の周期的伝搬に依存するが、幾分かの制御オーバーヘッドが生じる。   In order to improve wireless medium utilization via an increased number of simultaneous communications, several directional MAC protocols have been proposed in the technical field of ad hoc wireless networks. However, if two routes that are physically positioned at a short distance that two independent communications in an ad hoc wireless network can interfere with each other are selected, even if a directional antenna is used in each node radio station, these two Simultaneous communication along the route becomes impossible. Thus, to achieve a greater number of simultaneous communications, an effective directional MAC protocol is not sufficient unless a zone-non-coupled route with no interference is discovered for each communication. In our initial work (see, for example, Non-Patent Document 14), a table-driven adaptive approach that exploits the true value of directional antenna advantages in ad hoc wireless networks through selection of the maximum zone non-join shortest route. Proposed a routing method. These two routes are said to be “maximum zone uncoupled” if the interference of data communication on one route to data communication along other routes is minimized. According to our initial proposal, each node radio station can approximate the global network topology and network through periodic penetration of the current network state information held by each node radio station in the network. The communication event information currently in progress is recognized. Thus, depending on this state information, the node radio station calculates a non-zoned path that avoids as much as possible the node radio station currently in use for some other communication. This method relies on periodic propagation of network and state information into the network, but incurs some control overhead.

実施形態における実装に関して、本発明者らは、ローカル輻輳の検出を基礎とする、より単純な方法を提案している。従って、ルート選択の間、ノード無線局はローカル輻輳を検出し、宛先へ向けて輻輳ゾーンを回避する適切な次のホップを選定しなければならない。ノード無線局は、上位レイヤでのMAC層でパケットドロップが繰り返されてそのネットワーク層に待ち行列(例えば、送信バッファメモリ142のキューメモリである)においてオーバーフローが生じてパケットのドロップが生じる場合にローカル輻輳を検出する。しかしながら、ネットワーク全体にトラフィックの輻輳が生じれば、パケットは最終的にネットワーク全体をトラバースして輻輳ノード無線局を回避するゾーン非結合なルートを捜すことになる可能性がある。   Regarding the implementation in the embodiment, the inventors have proposed a simpler method based on the detection of local congestion. Thus, during route selection, the node radio station must detect local congestion and select an appropriate next hop to avoid the congestion zone towards the destination. The node radio station is local when the packet drop is repeated in the MAC layer in the upper layer and the network layer overflows in a queue (for example, the queue memory of the transmission buffer memory 142) and the packet is dropped. Detect congestion. However, if traffic congestion occurs throughout the network, the packet may eventually traverse the entire network looking for non-zone-bound routes that avoid congested node radio stations.

この問題を回避するために、本実施形態では、本発明者らは、発信元無線局によって選択される「初期パス長」L及び「既伝搬のホップ長(ホップ数の計数値)」Hの2個の計量値を使用することを提案している。この情報は、データ通信用の各パケット信号に添付される。初期パス長Lは、発信元無線局により選択されるルートに依存して発信元無線局によって設定され、そのパケット信号の伝送期間を通じて一定に保持される。ここで、初期パス長Lは、無線ネットワークの大きさに依存するが、例えば、10に設定される。また、既伝搬のホップ長Hは、各ホップの後に増大していく。パケット信号が、輻輳認識ゾーン非結合のルーティング方法を使用してLホップ数以内でその宛先に到達しなければ、これは宛先無線局Dへ向けて利用可能な最短経路を選択する。これは、本実施形態に係るルーティングプロトコルの収束を可能にする。従って、無線ネットワーク中を適切な経路を捜してまわるパケット信号の不必要な伝搬は制限される。従って、このプロトコルは、何ら追加オーバーヘッドのない収束及びローカル輻輳検出を保証する。この方法はまた、輻輳以外の理由によるリンク不良をも解決することに留意すべきである。   In order to avoid this problem, in the present embodiment, the present inventors set the “initial path length” L and the “propagation hop length (count value of the number of hops)” H selected by the source radio station. It proposes to use two measured values. This information is attached to each packet signal for data communication. The initial path length L is set by the source radio station depending on the route selected by the source radio station, and is held constant throughout the transmission period of the packet signal. Here, the initial path length L depends on the size of the wireless network, but is set to 10, for example. Further, the already propagated hop length H increases after each hop. If the packet signal does not reach its destination within L hops using a congestion aware zone non-join routing method, this selects the shortest path available to the destination radio station D. This enables convergence of the routing protocol according to the present embodiment. Accordingly, unnecessary propagation of packet signals that search for an appropriate route in the wireless network is limited. This protocol thus guarantees convergence and local congestion detection without any additional overhead. It should be noted that this method also resolves link failures for reasons other than congestion.

次いで、図2を参照して、各無線局1の装置構成について説明する。図2において、無線局1は、可変ビームアンテナ101と、その指向性を制御するための指向制御部103と、サーキュレータ102と、データパケット送信部140及びデータパケット受信部130を有するデータパケット送受信部104と、トラヒックモニタ部105と、回線制御部106と、上位レイヤ処理装置107とを備える。   Next, the device configuration of each radio station 1 will be described with reference to FIG. In FIG. 2, a radio station 1 includes a variable beam antenna 101, a directivity control unit 103 for controlling the directivity thereof, a circulator 102, a data packet transmission / reception unit having a data packet transmission unit 140 and a data packet reception unit 130. 104, a traffic monitor unit 105, a line control unit 106, and an upper layer processing apparatus 107.

送受信すべきデータを処理する上位レイヤ処理装置107によって発生されたパケット形式の通信用送信信号データは、ネットワーク層のキューメモリである送信バッファメモリ142を介して変調器143に入力され、変調器143は、所定の無線周波数の搬送波信号を、拡散符号発生器160でCDMA方式で発生された所定の通信チャンネル用拡散符号を用いて、入力された通信用送信信号データに従ってスペクトル拡散変調して、変調後の送信信号を高周波送信機144に出力する。高周波送信機144は入力された送信信号に対して増幅などの処理を実行した後、サーキュレータ102を介して可変ビームアンテナ101から他の無線局1に向けて送信する。一方、可変ビームアンテナ101で受信されたパケット形式の通信チャンネル用受信信号は、サーキュレータ102を介して高周波受信機131に入力され、高周波受信機131は入力された受信信号に対して低雑音増幅などの処理を実行した後、復調器132に出力する。復調器132は、入力される受信信号を、拡散符号発生器160でCDMA方式で発生された通信チャンネル用拡散符号を用いて、スペクトル逆拡散により復調して、復調後の受信信号データを受信バッファメモリ133を介して上位レイヤ処理装置107に出力するとともに、トラヒックモニタのためにトラヒックモニタ部105に出力する。   Transmission signal data for communication in packet format generated by the upper layer processing apparatus 107 that processes data to be transmitted / received is input to the modulator 143 via the transmission buffer memory 142 which is a queue memory in the network layer, and the modulator 143 Modulates a carrier wave signal of a predetermined radio frequency using a predetermined communication channel spread code generated by the spread code generator 160 by the CDMA method according to the input transmission signal data for communication, The subsequent transmission signal is output to the high frequency transmitter 144. The high-frequency transmitter 144 performs processing such as amplification on the input transmission signal, and then transmits the variable signal from the variable beam antenna 101 to another wireless station 1 via the circulator 102. On the other hand, the communication signal received in the packet format received by the variable beam antenna 101 is input to the high-frequency receiver 131 via the circulator 102, and the high-frequency receiver 131 performs low noise amplification on the input received signal. After executing the above process, the data is output to the demodulator 132. The demodulator 132 demodulates the input received signal by spectrum despreading using the communication channel spreading code generated by the spread code generator 160 by the CDMA method, and receives the demodulated received signal data as a reception buffer. The data is output to the upper layer processing apparatus 107 via the memory 133 and also output to the traffic monitor unit 105 for traffic monitoring.

本実施形態においては、指向性アンテナである可変ビームアンテナ101は、複数のアンテナ素子とその指向性を制御する制御部103に接続され、
(a)無指向性放射パターンであるオムニパターンと、
(b)例えば図3に示すように、自局を中心とした水平面内の所定の方位角毎にセクタ形状のメインビームを選択的に変更可能なセクタビームパターンと、
(c)上記方位角毎にヌル点を形成可能な排他的セクターパターンと
を電気的な制御により選択的に切り換え可能なアンテナである。なお、可変ビームアンテナ101については、例えば、公知のフェーズドアレーアンテナ装置であってもよいし、もしくは、特許文献2及び3、並びに非特許文献4に開示された電子制御導波器アレーアンテナ装置である可変ビームアンテナであってもよい。
In the present embodiment, the variable beam antenna 101 that is a directional antenna is connected to a plurality of antenna elements and a control unit 103 that controls the directivity,
(A) an omni pattern which is an omnidirectional radiation pattern;
(B) For example, as shown in FIG. 3, a sector beam pattern capable of selectively changing a sector-shaped main beam for each predetermined azimuth angle in a horizontal plane centered on the own station;
(C) An antenna capable of selectively switching an exclusive sector pattern capable of forming a null point for each azimuth angle by electrical control. The variable beam antenna 101 may be, for example, a known phased array antenna device, or an electronically controlled waveguide array antenna device disclosed in Patent Documents 2 and 3 and Non-Patent Document 4. A certain variable beam antenna may be used.

トラヒックモニタ部105は、検索エンジン152と、更新エンジン153と、データベースメモリ154と、クロック回路155とを備え、後述のルーティング及び通信処理を実行するとともに、無線局1が他の無線局1とのパケット通信において使用すべき通信チャンネルを決定して、決定した通信チャンネルに対応する拡散符号の指定データを回線制御部106を介して拡散符号発生器160に送ることにより、拡散符号発生器160が当該指定データに対応する拡散符号を発生するように制御するとともに、決定した通信チャンネルに対応するタイムスロットの指定データを回線制御部106を介して送信タイミング制御部141に送ることにより、送信タイミング制御部141が送信バッファメモリ142による通信チャンネル用送信信号データの書き込み及び読み出しを制御することにより通信チャンネル用送信信号が対応するタイムスロットで送信されるように制御する。なお、クロック回路155は、現在日時を計時してその情報を、必要に応じて管理制御部151に出力する。   The traffic monitor unit 105 includes a search engine 152, an update engine 153, a database memory 154, and a clock circuit 155, and performs routing and communication processing described later, and the wireless station 1 communicates with other wireless stations 1. The communication channel to be used in the packet communication is determined, and the spread code generator 160 sends the spread code designation data corresponding to the determined communication channel to the spread code generator 160 via the line control unit 106. The transmission timing control unit is controlled by generating a spreading code corresponding to the designated data and sending the designated data of the time slot corresponding to the determined communication channel to the transmission timing control unit 141 via the line control unit 106. 141 is a communication channel by the transmission buffer memory 142 Controls to transmit signals for a communication channel by controlling the writing and reading of signal signal data is transmitted in the corresponding time slot. The clock circuit 155 counts the current date and time and outputs the information to the management control unit 151 as necessary.

トラヒックモニタ部105の検索エンジン152は、管理制御部151の制御によりデータベースメモリ154内のデータを検索して検索したデータを管理制御部151に返信する。また、更新エンジン153は、管理制御部151の制御によりデータベースメモリ154内のデータを更新する。さらに、データベースメモリ154に、ASテーブル、NLSテーブル及びルーティングのためのテーブルであるGLSテーブルを記憶している。   The search engine 152 of the traffic monitor unit 105 searches the data in the database memory 154 under the control of the management control unit 151 and returns the searched data to the management control unit 151. The update engine 153 updates data in the database memory 154 under the control of the management control unit 151. Further, the database memory 154 stores an AS table, an NLS table, and a GLS table that is a table for routing.

本実施形態においては、アンテナ放射パターンを単一の通信相手先方向の利得が最大となるように指向性を変化させるセクタビームパターンの実効的な送信ビーム幅を30°としており、可変ビームアンテナ101は、方位角を30°毎に選択的に変化可能に設定できる。ビーム幅及び方位角の変化角度は、60°又は他の角度であってもよい。また、本実施形態のパケット通信システムで用いるパケットデータは、図4に示す形式のフォーマットを有する。すなわち、データ通信用以外のパケットデータは、図4(a)に示すように、宛先無線局のIDと、パケット種別(トーン、GLSテーブル、RTS(Request To Send)、CTS(Clear To Send)、DATAなど)と、自局のIDと、データ(上位レイヤでのデータなどを含む)とを含む。また、データ通信用のパケットデータは、図4(b)に示すように、宛先無線局のIDと、パケット種別(トーン、GLSテーブル、RTS(Request To Send)、CTS(Clear To Send)、DATAなど)と、自局のIDと、初期パス長Lと、既伝搬のホップ長(又はホップ計数値)Hと、データ(上位レイヤでのデータなどを含む)とを含む。   In this embodiment, the effective transmission beam width of the sector beam pattern for changing the directivity so that the gain in the direction of a single communication partner is maximized is set to 30 °, and the variable beam antenna 101 is used. The azimuth angle can be selectively changed every 30 °. The beam width and azimuthal angle of change may be 60 ° or other angles. Further, the packet data used in the packet communication system of the present embodiment has a format of the format shown in FIG. That is, as shown in FIG. 4A, the packet data other than for data communication includes the destination wireless station ID, packet type (tone, GLS table, RTS (Request To Send), CTS (Clear To Send), DATA, etc.), the ID of the own station, and data (including data in an upper layer). Further, as shown in FIG. 4B, the packet data for data communication includes the destination wireless station ID, packet type (tone, GLS table, RTS (Request To Send), CTS (Clear To Send), DATA. ), The ID of the local station, the initial path length L, the hop length (or hop count value) of the already propagated data, and the data (including data in the higher layer).

さらに、データベースメモリ154に格納されたASテーブルは、図6に示すように、自局のサービスエリア内の隣接ノード無線局毎に、方位角と、信号強度レベルの情報を格納し、後述する図11乃至図14のパケット送受信制御処理により作成更新される。また、データベースメモリ154に格納されたGLSテーブルは、図8に示すように、当該アドホック無線ネットワーク内のノード無線局毎に、隣接ノード無線局とその方位角データと、そのデータの更新回数(バージョンを示す)を格納し、後述するパケット送受信制御処理により作成更新される。   Further, as shown in FIG. 6, the AS table stored in the database memory 154 stores azimuth and signal strength level information for each adjacent node radio station in the service area of the own station. It is created and updated by the packet transmission / reception control processing of 11 to 14. Further, as shown in FIG. 8, the GLS table stored in the database memory 154 includes, for each node radio station in the ad hoc radio network, an adjacent node radio station, its azimuth angle data, and the update count (version) of the data. Are created and updated by packet transmission / reception control processing described later.

次いで、本実施形態で用いるMAC通信プロトコルについて以下に説明する。本実施形態に係る無線通信ネットワークにおいて、互いに無線通信を行う1組の無線局1は二次元的な閉鎖空間内を動き回り、共通の無線通信チャンネルを共有するものと仮定する。各無線局1は、上述の4個の放射パターンを有する、例えば電子制御導波器アレーアンテナ装置である可変ビームアンテナ101を備える。各無線局1は一度に送信又は受信のいずれかを実行可能であるが、1つの無線局1で複数の送受信を行うことはできない。   Next, the MAC communication protocol used in this embodiment will be described below. In the wireless communication network according to the present embodiment, it is assumed that a set of wireless stations 1 that perform wireless communication with each other move around in a two-dimensional enclosed space and share a common wireless communication channel. Each radio station 1 includes a variable beam antenna 101 having the above-described four radiation patterns, for example, an electronically controlled waveguide array antenna device. Each radio station 1 can execute transmission or reception at a time, but a single radio station 1 cannot perform a plurality of transmissions / receptions.

IEEE802.11のMACプロトコル基準では、RTS/CTS/DATA/ACKアクセス制御方式を用いて、高信頼性のデータ通信が保証されているが、本実施形態の方法では、このアクセス制御方式をベースとして、図9を参照して詳細後述するように、トーン信号+パケット信号を用いた制御信号を用いて、GLSテーブル、その他のデータを含むパケット信号を送受信する。従って、データ通信は周期的な、GLSテーブルの生成及び更新フェーズの合間に実行される。また、各フレームにはトレーニングシーケンスが追加されて送受信アンテナによるそのビーム及びヌルの制御及び適応制御モードへの移行が可能にされる。   According to the IEEE802.11 MAC protocol standard, high-reliability data communication is guaranteed using the RTS / CTS / DATA / ACK access control method. However, in the method of this embodiment, the access control method is used as a base. As will be described in detail later with reference to FIG. 9, a packet signal including a GLS table and other data is transmitted / received using a control signal using a tone signal + packet signal. Thus, data communication is performed periodically between GLS table generation and update phases. In addition, a training sequence is added to each frame to enable control of the beam and null by the transmission / reception antenna and transition to the adaptive control mode.

次いで、図1の無線局1を用いた、アドホック無線ネットワークのための無線通信システムの詳細について以下に説明する。   Next, details of a wireless communication system for an ad hoc wireless network using the wireless station 1 of FIG. 1 will be described below.

図1の可変ビームアンテナ101としては、上述のように、好ましくは、電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いる。一般の適応型アレーアンテナは通常、ディジタル型ビーム形成アンテナである。これに対して、電子制御導波器アレーアンテナ装置は高周波ビーム形成に依存し、これが回路の複雑さを大幅に低減する。電子制御導波器アレーアンテナ装置は、発信元無線局の無線送受信機に接続された中央の励振素子と、当該励振素子を中心として所定の半径上に設けられて円形状で取り囲む複数本の非励振素子(典型的には、4乃至6本)とを備えて構成される。各非励振素子には、可変リアクタンス素子が接続され、そのリアクタンス値を調整することにより、各非励振素子は、当該アレーアンテナ装置の放射パターンを異なる形状に形成する。当該電子制御導波器アレーアンテナ装置の特徴は、ビーム方向の制御、同一の周波数による多重ビームの形成、可動式(360度の掃引走査が可能である)ビーム及びヌルステアリングの制御にある。当該電子制御導波器アレーアンテナ装置を一般化されたスイッチング用ビームアンテナとして使用することの優位点は、少数のアンテナ素子で継続して追跡が可能であり、かつ可変数のビームパターンを保有できることにある。当該電子制御導波器アレーアンテナ装置は低コスト、低電力の小型アンテナになるため、ユーザ端末であるノード無線局の電力消費の低減が促進され、スイッチング用ビームアンテナのあらゆる優位点を導出することが可能になる。   As described above, as the variable beam antenna 101 shown in FIG. 1, an electronically controlled waveguide array antenna device is preferably used. A typical adaptive array antenna is usually a digital beamforming antenna. In contrast, electronically controlled waveguide array antenna devices rely on high-frequency beamforming, which significantly reduces circuit complexity. An electronically controlled waveguide array antenna device includes a central excitation element connected to a radio transmitter / receiver of a transmission source radio station, and a plurality of non-circular elements provided on a predetermined radius around the excitation element and surrounded by a circular shape. And an excitation element (typically 4 to 6). A variable reactance element is connected to each non-excitation element, and by adjusting its reactance value, each non-excitation element forms the radiation pattern of the array antenna device in a different shape. The electronically controlled waveguide array antenna device is characterized by the control of the beam direction, the formation of multiple beams with the same frequency, the control of a movable beam (capable of 360-degree sweep scanning) and null steering. The advantage of using the electronically controlled waveguide array antenna device as a generalized switching beam antenna is that it can be continuously tracked with a small number of antenna elements and can have a variable number of beam patterns. It is in. Since the electronically controlled waveguide array antenna device becomes a low-cost, low-power small antenna, reduction of power consumption of the node radio station as a user terminal is promoted, and all advantages of the switching beam antenna are derived. Is possible.

本実施形態では、各ノード無線局1は指向性アンテナである可変ビームアンテナ101を備え、二次元のエリア空間Aに分散された複数N個のノード無線局1からなるアドホック無線ネットワークを想定する。各ノード無線局1−n(以下、ノード無線局1−nの符号をnと略記する。ここで、n∈Nである。)は、唯一のノード無線局nの識別子を有する。各ノード無線局nは、送信到達距離(送信信号が到達する範囲の距離(半径))Rと、本実施形態ではすべてのノード無線局nについて同一であることが想定されたビーム幅βとを有する。ビーム幅βを360度に設定すれば、これは全方向モードで動作する。本発明者らのシミュレーション環境では、指向性に関するビーム幅βは45度であることが想定されている。移動型ノード無線局モデルとしては、ランダムウェイ・ポイントモデルを設定した。すなわち、ノード無線局nは宛先無線局のポイントをランダムに選定し、指定されたvmax乃至vmin間の速度集合から均一に選択された一定の速度vで目的地ポイントへ移動する。そして、目的地に到達すると、ノード無線局はポーズタイムと呼ばれる一定の時間だけ停止し、次いでプロセスが反復される。 In the present embodiment, each node wireless station 1 includes a variable beam antenna 101 that is a directional antenna, and an ad hoc wireless network including a plurality of N node wireless stations 1 distributed in a two-dimensional area space A is assumed. Each node radio station 1-n (hereinafter, the sign of the node radio station 1-n is abbreviated as n, where nεN) has a unique identifier of the node radio station n. Each node radio station n has a transmission reach distance (distance (radius) of a range where a transmission signal reaches) R and a beam width β assumed to be the same for all the node radio stations n in this embodiment. Have. If the beam width β is set to 360 degrees, it operates in an omnidirectional mode. In the simulation environment of the present inventors, it is assumed that the beam width β related to directivity is 45 degrees. A random way point model was set as the mobile node radio station model. That is, the node radio station n randomly selects a point of the destination radio station, and moves to the destination point at a constant speed v that is uniformly selected from the set of speeds between the specified v max to v min . When the destination is reached, the node radio station stops for a certain time called the pause time, and then the process is repeated.

さらに、ノード無線局nが送信到達距離Rで方位角α及びビーム幅βの送信ビームを形成するとき、方位角αにおけるノード無線局nからのその有効範囲は、図5に示すように、ノード無線局nの送信ゾーンB(α,β,R)と定義される。これは、ノード無線局m(m∈N)が送信ゾーンB(α,β,R)内にあり、かつノード無線局mが受信モードにあれば、ノード無線局nがノード無線局nに対する送信方位角α、ビーム幅β及び送信到達距離Rでメッセージの無線信号を送信する毎に、当該メッセージの無線信号は必ずノード無線局mによって受信されることを意味する。ノード無線局mが送信ゾーンB(α,β,R)の外へ移動すると、ノード無線局nとノード無線局mとの接続性は失われる。本実施形態では、送信ビーム幅βと、送信到達距離Rとが一定であるため、後述の説明では、送信ゾーンB(α,β,R)を送信ゾーンB(α)と呼ぶ。 Further, when the node radio station n forms a transmission beam having an azimuth angle α and a beam width β at the transmission reach distance R, its effective range from the node radio station n at the azimuth angle α is as shown in FIG. It is defined as a transmission zone B n (α, β, R) of the wireless station n. This is because if the node radio station m (mεN) is in the transmission zone B n (α, β, R) and the node radio station m is in the reception mode, the node radio station n is associated with the node radio station n. This means that every time a radio signal of a message is transmitted at a transmission azimuth angle α, a beam width β and a transmission reach distance R, the radio signal of the message is always received by the node radio station m. When the node radio station m moves out of the transmission zone B n (α, β, R), the connectivity between the node radio station n and the node radio station m is lost. In the present embodiment, since the transmission beam width β and the transmission reach distance R are constant, the transmission zone B n (α, β, R) is referred to as a transmission zone B n (α) in the following description.

次いで、本実施形態に係る無線通信システムにおける各ノード無線局1における「ネットワーク認識」について以下に詳細に説明する。   Next, “network recognition” in each node radio station 1 in the radio communication system according to the present embodiment will be described in detail below.

本実施形態では、各ノード無線局が隣接ノード無線局のみを認識しているだけではなく、当該アドホック無線ネットワーク全体のネットワーク認識でもあるような機構を有する無線通信システムを提案する。この「ネットワーク認識」は、後述する前向きな(積極的に率先して行う)ルーティング方法を実施する際に役立つ。当該アドホック無線ネットワークにおける各ノード無線局nは、次のようなネットワーク状態情報を示す5つのテーブルを有し、これらのテーブルは図2の各無線局内のデータベースメモリ154内に格納される。以下に、これら3つのテーブルの詳細について説明する。   In the present embodiment, a radio communication system is proposed that has a mechanism in which each node radio station recognizes not only the adjacent node radio station but also the network recognition of the entire ad hoc radio network. This “network recognition” is useful when implementing a positive (actively active) routing method described later. Each node radio station n in the ad hoc radio network has five tables indicating the following network state information, and these tables are stored in the database memory 154 in each radio station in FIG. Details of these three tables will be described below.

(1)ASテーブル:ASテーブルは、その一例を図6に示すように、自局のサービスエリア内の隣接ノード無線局毎に、方位角と、信号強度レベルの情報を格納し、後述する図11乃至図14のパケット送受信制御処理により作成更新される。 (1) AS table: As shown in FIG. 6, the AS table stores information on the azimuth angle and the signal strength level for each adjacent node radio station in the service area of its own station. It is created and updated by the packet transmission / reception control processing of 11 to 14.

(2)NLSテーブル(ノード無線局nにおけるNLSテーブルを、NLSTnと記載する。):各ノード無線局nは、その隣接ノード無線局の方向を追跡するために、周期的にその隣接情報を「収集」してNLSテーブルを形成する。時刻tにおけるノード無線局nのNLSテーブル(NLSTn(t))は、隣接ノード無線局m(m∈G)の各々について、ある特定方向でノード無線局nにより検出された無線結合の最大信号強度SIGNALθ n,m(t)を特定することができる。従って、最大信号強度SIGNALθ n,m(t)は、ノード無線局nにおいてその隣接ノード無線局mからノード無線局nに対する方位角θで受信され、かつノード無線局nにより任意の時刻で検出されたときの最大信号強度である。ノード無線局nのNLSテーブルは、その任意の隣接ノード無線局との最も可能性の高い通信方向を決定する際の手助けとなる。ここで、各ノード無線局は、予め取得された各隣接ノード無線局についてのSINR値が最大となる方位角を選び、このSINR値を隣接ノード無線局との間の親和度とする。各ノード無線局はこの方位角と親和度の値を各隣接ノード無線局毎に取り出し、現在日時を更新日時として、NLSテーブルを生成して更新する。当該NLSテーブルには、その一例を図7に示すように、各隣接ノード無線局毎に、最大のSINR値に対応する方位角、最大のSINR値である親和度、更新日時が格納されている。 (2) NLS table (NLS table in node radio station n is described as NLSTn): Each node radio station n periodically records its neighbor information in order to track the direction of its neighbor node radio station. Collect "to form an NLS table. The NLS table (NLSTn (t)) of the node radio station n at time t is the maximum signal of the radio coupling detected by the node radio station n in a certain specific direction for each of the adjacent node radio stations m (mεG n ). The intensity SIGNAL θ n, m (t) can be specified. Accordingly, the maximum signal strength SIGNAL θ n, m (t) is received at the node radio station n from the adjacent node radio station m at the azimuth angle θ with respect to the node radio station n and detected by the node radio station n at an arbitrary time. It is the maximum signal strength when The NLS table of node radio station n helps in determining the most likely communication direction with any adjacent node radio station. Here, each node radio station selects an azimuth angle that maximizes the SINR value for each adjacent node radio station acquired in advance, and uses this SINR value as the affinity with the adjacent node radio station. Each node radio station extracts the azimuth angle and affinity value for each adjacent node radio station, and generates and updates the NLS table with the current date and time as the update date and time. In the NLS table, as shown in FIG. 7, an azimuth corresponding to the maximum SINR value, the affinity that is the maximum SINR value, and the update date and time are stored for each adjacent node radio station. .

(3)GLSテーブル(ノード無線局nにおけるGLSテーブルを、GLSnと記載する。):GLSテーブルは、時刻tにおいてノード無線局nが検出できたアドホック無線ネットワーク内のトポロジー情報を含む。具体的には、GLSテーブルは、その一例を図8に示すように、各ノード無線局毎に、隣接ノード無線局とその方位角データと、そのデータの更新回数(バージョンを示す)とを格納する。 (3) GLS table (GLS table in node radio station n is described as GLSn): The GLS table includes topology information in the ad hoc radio network that can be detected by node radio station n at time t. Specifically, as shown in FIG. 8, the GLS table stores, for each node radio station, the adjacent node radio station, its azimuth data, and the number of updates (indicating the version) of the data. To do.

本実施形態においては、各ノード無線局は、上述のGLSテーブルを含むパケット信号(以下、GLSパケット信号という。)を所定の周期間隔でブロードキャストして、GLSテーブルの生成及び更新処理を行う。すなわち、各ノード無線局nは、そのGLSパケット信号をある周期的間隔(GLSパケット信号の送信周期)Tでブロードキャストを行う。ここで、あるノード無線局nが、その隣接ノード無線局からGLSパケット信号を受信すると、それ自身のGLSテーブルを更新する。 In the present embodiment, each node radio station broadcasts a packet signal including the above-described GLS table (hereinafter referred to as a GLS packet signal) at a predetermined cycle interval, and performs GLS table generation and update processing. That is, each node radio station n broadcasts its GLS packet signal at a certain periodic interval (GLS packet signal transmission cycle) TG . Here, when a certain node radio station n receives a GLS packet signal from its adjacent node radio station, it updates its own GLS table.

図9は図1のアドホック無線ネットワークにおいて用いられるトーン信号とパケット信号の送受信処理を示すタイミングチャートである。MACプロトコルの方法においては、ビーコン信号とGLSパケット信号の2つのパケット信号の定期的な送信が必要であり、占有時間が比較的長く、スループットが落ちるという問題点があった。この問題点を解決するために、本実施形態に係るMACプロトコルでは、図9に示すように、送信側の無線局は、無変調搬送波であるトーン信号に続いて、GLSテーブル、RTS又はCTS、もしくは送信したいデータを含むパケット信号を送信する。これに対して、受信側の無線局は、トーン信号を検出した後、パケット信号を復号化して復号化したデータを取り込み、データ処理を実行する。なお、GLSテーブルを含むGLSパケット信号の送信は上述のように周期的に実行される。   FIG. 9 is a timing chart showing tone signal and packet signal transmission / reception processing used in the ad hoc wireless network of FIG. In the MAC protocol method, it is necessary to periodically transmit two packet signals of a beacon signal and a GLS packet signal, and there is a problem that the occupation time is relatively long and the throughput is lowered. In order to solve this problem, in the MAC protocol according to the present embodiment, as shown in FIG. 9, the transmitting-side radio station follows a tone signal that is an unmodulated carrier wave, a GLS table, an RTS or a CTS, Alternatively, a packet signal including data to be transmitted is transmitted. On the other hand, after receiving the tone signal, the receiving radio station decodes the packet signal, takes in the decoded data, and executes data processing. The transmission of the GLS packet signal including the GLS table is periodically executed as described above.

図10は図1のアドホック無線ネットワークにおいて用いられる各無線局での放射パターンの種類と無線通信プロトコルを示すタイミングチャートである。図10では、本実施形態に係る4方向ハンドシェイクのアンテナモードの使用例を示している。適応制御パターンは移動中のノード無線局を追跡することはできるが、ビーム及びヌルはパケット信号が受信されなければ形成され得ない。従って、送信側のノード無線局からのトーン信号+RTSの送信やトーン信号+CTSの送信では、オムニパターンが使用される。これに対して、受信側のノード無線局におけるトーン信号+RTSの受信やトーン信号+CTSの受信では、その開始時に回転セクターパターンが使用された後、ASテーブルに基づいた方位角に向けられたセクターパターンを使用し、当該セクターパターンを用いた通信中において適応制御のための準備処理を実行し、最後に適応制御用放射パターンに移行する。   FIG. 10 is a timing chart showing the types of radiation patterns and radio communication protocols at each radio station used in the ad hoc radio network of FIG. In FIG. 10, the usage example of the antenna mode of the four-way handshake which concerns on this embodiment is shown. Although adaptive control patterns can track moving node radio stations, beams and nulls cannot be formed unless a packet signal is received. Therefore, the omni pattern is used in the transmission of the tone signal + RTS and the transmission of the tone signal + CTS from the transmitting node radio station. On the other hand, in the reception of the tone signal + RTS and the reception of the tone signal + CTS at the receiving node radio station, the sector pattern directed to the azimuth angle based on the AS table is used after the rotating sector pattern is used at the start. Is used to execute a preparation process for adaptive control during communication using the sector pattern, and finally shift to a radiation pattern for adaptive control.

次いで、GLSテーブルの形成方法について以下に説明する。   Next, a method for forming the GLS table will be described below.

各ノード無線局は、ネットワーク連結情報を捕捉するためのGLSテーブルを保持している。各ノード無線局では、GLSテーブルはまず、そのノード無線局のNLSテーブルによって更新される。従って、初期状態では、アドホック無線ネットワークの開始時には、すべてのノード無線局は単にそれ自身の隣接ノード無線局を認識しているだけであって、当該無線通信システム内の他のノード無線局に関しては「何も知らない状態」にある。各ノード無線局は、周期的にそのGLSテーブルを更新して、更新したGLSパケット信号を所定の送信周期でその隣接ノード無線局に対してブロードキャストする。その隣接ノード無線局からのそれらの各隣接ノード無線局に関するこの周期的な更新メッセージ(GLSパケット信号)により、ノード無線局は次第に、他のノード無線局及びそれらの各隣接ノード無線局に関するGLSテーブル情報を取得していく。このように、各ノード無線局は、他のノード無線局から受信した更新メッセージ(GLSパケット信号)を基礎として、それ自身のGLSテーブルを更新する。   Each node radio station holds a GLS table for capturing network connection information. In each node radio station, the GLS table is first updated with the NLS table of that node radio station. Thus, in the initial state, at the start of an ad hoc radio network, all node radio stations are only aware of their neighbor node radio stations, and with respect to other node radio stations in the radio communication system. "I don't know anything". Each node radio station periodically updates its GLS table, and broadcasts the updated GLS packet signal to its adjacent node radio station at a predetermined transmission cycle. With this periodic update message (GLS packet signal) for each of those neighboring node radio stations from that neighboring node radio station, the node radio stations gradually become GLS tables for other node radio stations and their respective neighboring node radio stations. Get information. In this way, each node radio station updates its own GLS table on the basis of an update message (GLS packet signal) received from another node radio station.

ノード無線局nは、他のノード無線局からGLSパケット信号を受信すると、それ自身のGLSテーブルを更新する。これを行うために、ノード無線局nのGLSテーブルに記憶されたすべてのノード無線局の最新性トークン値(更新回数)と、最近に到着した更新のためのGLSパケット信号に記憶されたすべてのノード無線局の最新性トークン値(更新回数)とが比較される。ノード無線局nのGLSテーブルにおける任意のノード無線局、例えばノード無線局Xの最新性トークン(更新回数)の方が更新するGLSパケット信号におけるそれより少ないことが分かれば、更新するGLSパケット信号の方がノード無線局Xに関する最新の情報を伝送していることは明らかである。従って、ノード無線局nのGLSテーブルにおけるノード無線局Xに関する全体情報は、受信された更新GLSパケット信号におけるノード無線局Xの情報によって上書きされる。このステップは、すべての更新GLSパケット信号について、それらのそのホストノード無線局nへの到着に伴って非同期的に実行される。このステップにより、更新GLSパケット信号から収集することのできるすべての最新情報のノード無線局nによる捕捉が促進される。   When the node radio station n receives a GLS packet signal from another node radio station, the node radio station n updates its own GLS table. To do this, all node radio stations' freshness token values (number of updates) stored in the GLS table of the node radio station n and all recently stored GLS packet signals for updates are stored. The node token is compared with the freshness token value (update count) of the node radio station. If it is known that the freshness token (update count) of an arbitrary node radio station in the GLS table of the node radio station n, for example, the node radio station X is less than that in the GLS packet signal to be updated, the GLS packet signal to be updated It is clear that the latest information regarding the node radio station X is transmitted. Accordingly, the entire information regarding the node wireless station X in the GLS table of the node wireless station n is overwritten by the information of the node wireless station X in the received updated GLS packet signal. This step is performed asynchronously for all updated GLS packet signals with their arrival at the host node radio station n. This step facilitates the acquisition by the node radio station n of all the latest information that can be collected from the updated GLS packet signal.

ここで、この機構は、各ノード無線局がアドホック無線ネットワークの正確な状態を認識することを保証するものでないことを留意する必要がある。各ノード無線局がアドホック無線ネットワークのおおよその状態を解明する際に手助けとなるものは、単なる「認識」でしかない。これは、ノード無線局に近接した周辺のノード無線局においてはより正確な状態情報の保持を促進するが、距離が大きくなると(離れてくると)次第にネットワーク情報の詳細の精度が下がる「フィッシュアイアプローチ」(例えば、非特許文献13参照)に類似している。   It has to be noted here that this mechanism does not guarantee that each node radio station recognizes the exact state of the ad hoc radio network. It is only "recognition" that helps each node radio station to elucidate the approximate state of the ad hoc radio network. This promotes the maintenance of more accurate status information in neighboring node radio stations close to the node radio station, but the accuracy of the details of the network information gradually decreases as the distance increases. It is similar to “approach” (for example, see Non-Patent Document 13).

任意のノード無線局nにおけるGLSテーブルの構造を示す図9において、RはN個のノード無線局よりなるアドホック無線ネットワークにおけるノード無線局nの最新性トークン値(更新回数)であり、<n,α(n,n)>はノード無線局nがノード無線局nの隣接ノード無線局であることを示している。ここで、α(n,n)はノード無線局nがノード無線局nと最も良好に通信できる送信ビーム方位角αを示している。 9 showing the structure of a GLS table in any node radio station n, R i is a recency token value of the node radio station n i in the ad hoc wireless network consisting of N nodes radio station (update count), < n j, α (n i, n j)> indicates that the node radio station n j is adjacent node radio station node radio station n i. Here, α (n i, n j ) shows the transmit beam azimuth alpha node radio station n i can best communicate with the node radio station n j.

次いで、各ノード無線局の位置の追跡とMACプロトコルについて以下に説明する。   Next, the tracking of the position of each node radio station and the MAC protocol will be described below.

通常、アドホック無線ネットワークでは、すべてのノード無線局にオムニアンテナが装備されている。しかしながら、オムニアンテナを使用するアドホック無線ネットワークは、無線媒体を広域に渡って保持することにネットワーク容量の大部分を浪費するRTS/CTSベースのフロア予約方法を使用している。従って、送信機及び受信機の隣接にある多くのノード無線局は、送信機と受信機との間のデータ通信が終わるのを待って、無為に存在することを余儀なくされる。この問題を緩和するため、当該技術分野の研究者達は、無線干渉を大幅に低減し、これにより無線媒体の利用及び必然的にネットワークのスループットを増進させる指向性アンテナの使用を提案している(例えば、非特許文献4など参照)。   Usually, in an ad hoc wireless network, all node wireless stations are equipped with an omni antenna. However, ad hoc wireless networks using omni antennas use RTS / CTS-based floor reservation methods that waste most of the network capacity in maintaining wireless media over a wide area. Therefore, many node radio stations adjacent to the transmitter and the receiver are forced to exist after waiting for the data communication between the transmitter and the receiver to end. To alleviate this problem, researchers in the art have proposed the use of directional antennas that significantly reduce radio interference, thereby increasing the use of the radio medium and inevitably increasing network throughput. (For example, refer nonpatent literature 4 etc.).

指向性アンテナの能力を十分に活用するためには、発信元無線局及び宛先無線局の隣接ノード無線局はすべて、他の方向で新たな通信を開始することができて発信元無線局と宛先無線局との間で現に行われているデータ通信との干渉を防止できるように、通信の方向を認識していなければならない。こうして、各ノード無線局においてその隣接ノード無線局の方向を追跡するメカニズムを保有することが不可欠になる。   In order to fully utilize the capabilities of the directional antenna, all the neighboring node radio stations of the source radio station and the destination radio station can start a new communication in the other direction, and the source radio station and the destination radio station The direction of communication must be known so that interference with data communication currently being performed with a radio station can be prevented. Thus, it is essential for each node radio station to have a mechanism for tracking the direction of its neighboring node radio stations.

しかしながら、指向性アンテナを使用する無線アドホック無線ネットワークにおけるこの方向追跡メカニズムは、多大な制御オーバーヘッドを被ることから重大な問題である。   However, this direction tracking mechanism in wireless ad hoc wireless networks using directional antennas is a serious problem because it incurs significant control overhead.

ある従来技術では、方向の追跡は、トーン信号の集合を使用しかつアドホック無線ネットワーク内の各ノード無線局で広範なネットワーク状態情報を保持することによって実行されている。ここで、各ノード無線局が移動する動的状態の場合には、これは非現実的である。また、非特許文献2では、提案されたMACプロトコルは位置情報を認識する必要がなく、発信元無線局及び宛先無線局は全方向性のRTS−CTS交換の間にお互いの方向をオンデマンドベースで同定する。このRTS−CTSの対話通信を聞いている発信元無線局s及び宛先無線局dのすべての隣接ノード無線局は、この情報を使用して実行中のデータ送信との干渉を防止するように想定されている。しかしながら、RTS及びCTSパケットの全方向性の送信に起因して、このプロトコルは無線チャンネルの空間再利用という恩典をもたらさない。   In one prior art, direction tracking is performed by using a set of tone signals and maintaining extensive network state information at each node radio station in the ad hoc radio network. Here, in the case of a dynamic state in which each node radio station moves, this is impractical. Further, in Non-Patent Document 2, the proposed MAC protocol does not need to recognize location information, and the source radio station and the destination radio station change their directions on an on-demand basis during an omnidirectional RTS-CTS exchange. To identify. All neighboring node radio stations of the source radio station s and the destination radio station d listening to this RTS-CTS dialogue communication are assumed to use this information to prevent interference with the ongoing data transmission. Has been. However, due to the omnidirectional transmission of RTS and CTS packets, this protocol does not offer the benefit of spatial reuse of the radio channel.

さらに、別の従来技術では、各ノード無線局の位置の追跡にGPS(Global Positioning System)の使用が提案されているが、情報交換の正確なメカニズム及び結果的に生じるオーバーヘッドについては論じられていない。また、例えば非特許文献3では、ノード無線局はその隣接ノード無線局へ指向的にアクセスするために送信方向を認識していることが想定されているが、位置の追跡機構は示されていない。さらに、非特許文献2及び3の方法はともに、各ユーザ端末におけるハードウェアの追加を必要としている。本発明者の1人ほかによる先の研究結果では、各ノード無線局が方位角対SINRテーブル(ASテーブル)の保全を介して隣接情報を動的に維持するMACプロトコルが提案されている。この方法では、ASテーブルを作成するために各ノード無線局は、指向性ビーコン信号を周期的に指向性のブロードキャストの形式で全方向へ30度間隔で順次送信し、360度の空間全体をカバーする。ここで、この従来技術の方法では、制御パケットに起因するオーバーヘッドが極めて高い。   In addition, another prior art suggests using the Global Positioning System (GPS) to track the location of each node radio station, but does not discuss the exact mechanism of information exchange and the resulting overhead. . Further, for example, in Non-Patent Document 3, it is assumed that the node radio station recognizes the transmission direction in order to directionally access the adjacent node radio station, but the position tracking mechanism is not shown. . Furthermore, both the methods of Non-Patent Documents 2 and 3 require the addition of hardware in each user terminal. In previous research results by one of the inventors, etc., a MAC protocol has been proposed in which each node radio station dynamically maintains neighbor information through maintenance of an azimuth pair SINR table (AS table). In this method, in order to create an AS table, each node radio station sequentially transmits directional beacon signals in 30-degree intervals in all directions in the form of directional broadcasts, covering the entire 360-degree space. To do. Here, with this prior art method, the overhead due to the control packet is extremely high.

本実施形態における本発明者らにより発明されたMACプロトコルは、基本的に「受信機による指向、回転セクタベースの指向性のMACプロトコル」であり、これはまた位置追跡メカニズムとしても機能する。この場合、各ノード無線局はアイドルの間、全方向性の検出モードで待機する。これは、しきい値を超える何らかの信号を検出するたびに、「回転セクタ受信モード」に入る。「回転セクタ受信モード」では、ノード無線局nはその指向性アンテナを全方向へ45度間隔で順次回転させて、各方向における順次指向性受信の形式で360度の空間全体をカバーし、各方向で受信された信号を検出する。一回転の後、これは、受信された最大の信号強度によって信号の受信方向として最良である可能性のあるものを決定する。次に、そのビームをその方向へ設定し、信号を受信する。   The MAC protocol invented by the present inventors in this embodiment is basically a “director-based, rotating sector-based directional MAC protocol by receiver”, which also functions as a position tracking mechanism. In this case, each node radio station stands by in an omnidirectional detection mode while idling. This enters “Rotating Sector Receive Mode” whenever it detects any signal that exceeds the threshold. In the “rotating sector reception mode”, the node radio station n sequentially rotates its directional antennas at 45 degree intervals in all directions to cover the entire 360 degree space in the form of sequential directional reception in each direction, Detect the signal received in the direction. After one revolution, this determines what may be the best signal reception direction by the maximum received signal strength. The beam is then set in that direction and a signal is received.

ここで、受信された信号を復号する受信機を有効化するために、各制御パケットは、受信機の回転受信ビームを360度回転させる時間がトーン信号の持続時間(本発明者らのシミュレーションでのケースでは200マイクロ秒)より少し短いような持続時間を有する先行トーン信号を伴って送信される。任意の制御パケット信号より前にこのトーン信号を送信する目的は、受信機が、信号の受信方向として最良である可能性のあるものを追跡できるようにすることにある。これがそのビームをその方向へ設定すると、トーン信号の目的は果たされ、続いて制御パケット信号が送信される。   Here, in order to enable the receiver to decode the received signal, each control packet has a time to rotate the receiver's rotating receive beam by 360 degrees, the duration of the tone signal (in our simulation). In this case, it is transmitted with a preceding tone signal having a duration slightly shorter than 200 microseconds). The purpose of transmitting this tone signal prior to any control packet signal is to allow the receiver to track what may be the best receiving direction of the signal. When this sets the beam in that direction, the purpose of the tone signal is fulfilled and a control packet signal is subsequently transmitted.

本発明者らにより提案した本実施形態に係るフレームワークでは、媒体アクセス制御のために、次の3タイプのブロードキャスト(全方向性)制御パケットを使用している。
(1)GLSテーブルを含むパケット信号(GLSパケット信号)、
(2)RTS(送信要求)信号を含むパケット信号、及び
(3)CTS(送信可)信号を含むパケット信号。
The framework according to the present embodiment proposed by the present inventors uses the following three types of broadcast (omnidirectional) control packets for medium access control.
(1) a packet signal including a GLS table (GLS packet signal),
(2) a packet signal including an RTS (transmission request) signal, and (3) a packet signal including a CTS (transmission ready) signal.

このほか、制御パケットACK信号も、指向性の制御パケットである。データを含むパケット信号は、RTS/CTSのハンドシェイクが行われた後に方向を決めて送信される。GLSパケット信号は上述のように、周期的な信号であり、各ノード無線局から予め決められた送信周期(送信間隔)で送信される。各周期的間隔において、例えば各ノード無線局mは、ANLパケットをその隣接ノード無線局へ、もしその無線媒体(無線チャンネル)が空き状態であればブロードキャストを行う。次いで、各受信機はそのビームをその方向へ設定し、パケットを受信して復号する(図9参照)。   In addition, the control packet ACK signal is also a directivity control packet. The packet signal including data is transmitted after the direction is determined after the RTS / CTS handshake is performed. As described above, the GLS packet signal is a periodic signal, and is transmitted from each node radio station at a predetermined transmission cycle (transmission interval). At each periodic interval, for example, each node radio station m broadcasts an ANL packet to its adjacent node radio station if its radio medium (wireless channel) is idle. Each receiver then sets its beam in that direction and receives and decodes the packet (see FIG. 9).

さらに、ノード無線局nは、例えばノード無線局jとのデータ通信の開始を希望する度に無線媒体(無線チャンネル)をチェックし、無線媒体が空き状態であれば全方向性のRTS信号を発行して送信する。宛先無線局jは、RTS信号を受信すると全方向性のCTS信号を発行して送信する。この場合のRTS/CTSの目的は、(オムニアンテナを使用する場合のように)ノード無線局n及びjの隣接ノード無線局による送信又は受信を禁止することではなく、ノード無線局n及びjの隣接ノード無線局に、隣接ノード無線局jがノード無線局nからデータパケットを受信しようとしていることを知らせることにある。これはまた、通信のおおよその持続時間も特定する。ノード無線局n及びjのすべての隣接ノード無線局は、それらの指向性ネットワーク配置ベクトル(Directional Network Allocation Vector(DNAV))をノード無線局n及びjの方向へ設定することにより、ノード無線局nとjとの間の通信を追跡する。従って、ノード無線局n及びjの隣接に存在するノード無線局は、「ノード無線局nとノード無線局jとの間で行われている通信を妨害することなく」他の方向への通信を開始することができる。発信元無線局と宛先無線局は、指向性の受信モードでそれぞれ肯定応答信号及びデータパケット信号を待つ。   Further, the node radio station n checks the radio medium (radio channel) every time it wishes to start data communication with the node radio station j, for example, and issues an omnidirectional RTS signal if the radio medium is free. Then send. Upon receiving the RTS signal, the destination radio station j issues and transmits an omnidirectional CTS signal. The purpose of RTS / CTS in this case is not to prohibit transmission or reception by the adjacent node radio stations of the node radio stations n and j (as in the case of using an omni antenna). This is to inform the adjacent node radio station that the adjacent node radio station j is about to receive a data packet from the node radio station n. This also specifies the approximate duration of the communication. All the adjacent node radio stations of the node radio stations n and j set their directional network allocation vector (Directional Network Allocation Vector (DNAV)) in the direction of the node radio stations n and j, so that the node radio station n Track communication between j and j. Therefore, the node radio station existing adjacent to the node radio stations n and j can communicate in the other direction “without interfering with the communication performed between the node radio station n and the node radio station j”. Can start. The source radio station and the destination radio station wait for an acknowledgment signal and a data packet signal, respectively, in a directional reception mode.

以上の処理の詳細を図11乃至図14のフローチャートを参照して以下に説明する。図11は図2の無線局1の管理制御部105によって実行されるパケット送受信制御処理を示すフローチャートであり、図12乃至図14は図11のサブルーチンであるルーティング及び通信処理(ステップS12)の処理を示すフローチャートである。   Details of the above processing will be described below with reference to the flowcharts of FIGS. FIG. 11 is a flowchart showing packet transmission / reception control processing executed by the management control unit 105 of the wireless station 1 of FIG. 2, and FIGS. 12 to 14 are processing of routing and communication processing (step S12) which is a subroutine of FIG. It is a flowchart which shows.

図11において、まず、ステップS1で回転セクターパターンで可変ビームアンテナ101を所定の方位角(例えば、30度)毎に変化して回転走査するように制御して受信信号を受信し、ステップS2において所定のしきい値以上の信号強度レベルの受信信号を受信したか否かが判断され、YESのときはステップS3に進む一方、NOのときはステップS9に進む。ステップS9において送信すべきパケット信号があるか否かが判断され、YESのときはステップS10に進む一方、NOのときはステップS1に戻る。ステップS10において送信すべきパケット信号はGLSパケットであるか否かが判断され、YESのときはステップS11に進む一方、NOのときはステップS12に進む。ここで、GLSパケットは、所定の周期期間Tで周期的にそのイベントが発生され、このときこのステップS10でYESとなると、ステップS11においてオムニパターンで当該テーブルを含むパケット信号を送信した後、ステップS1に戻る。一方、ステップS12において図12乃至図14のサブルーチンであるルーティング及び通信処理を実行した後、ステップS1に戻る。 In FIG. 11, first, in step S1, the variable beam antenna 101 is controlled so as to be rotated at every predetermined azimuth angle (for example, 30 degrees) with a rotating sector pattern, and a received signal is received. It is determined whether or not a received signal having a signal strength level equal to or higher than a predetermined threshold value is received. If YES, the process proceeds to step S3. If NO, the process proceeds to step S9. In step S9, it is determined whether there is a packet signal to be transmitted. If YES, the process proceeds to step S10. If NO, the process returns to step S1. In step S10, it is determined whether the packet signal to be transmitted is a GLS packet. If YES, the process proceeds to step S11. If NO, the process proceeds to step S12. Here, the GLS packet has its event periodically generated in a predetermined cycle period TG . At this time, if YES in step S10, after transmitting a packet signal including the table in an omni pattern in step S11, Return to step S1. On the other hand, after executing the routing and communication process, which is the subroutine of FIGS. 12 to 14, in step S12, the process returns to step S1.

ステップS3では、回転セクターパターンを停止して、可変ビームアンテナ101の放射パターンを、停止した所定の方位角に向けるセクターパターンに設定する。次いで、ステップS4において適応制御パターンで受信信号を受信し、パケット情報を復号化し受信信号の信号強度レベルを測定し、ステップS5において受信信号RSを判別して以下のようにステップS6又はS8に分岐する。ここで、受信信号RS=GLSパケット信号であるときは、ステップS6でGLSテーブル等更新処理を実行した後、ステップS1に戻る。このGLSテーブル等更新処理では、現在格納されているGLSテーブルと、受信信号に含まれるGLSテーブルとを比較して、更新回数がより多いバージョンが新しいデータのみをそれを用いてGLSテーブルを更新し、新しいノード無線局であるときはそのノード無線局についての情報を追加する。さらに、ステップS5で受信信号RS=その他の信号であるときは、ステップS8でその他の信号の受信処理を実行した後、ステップS1に戻る。   In step S3, the rotating sector pattern is stopped, and the radiation pattern of the variable beam antenna 101 is set to a sector pattern directed to the predetermined azimuth angle stopped. Next, in step S4, the received signal is received with the adaptive control pattern, the packet information is decoded, the signal strength level of the received signal is measured, the received signal RS is determined in step S5, and the process branches to step S6 or S8 as follows. To do. If the received signal RS = GLS packet signal, the GLS table update process is executed in step S6, and the process returns to step S1. In this GLS table update process, the currently stored GLS table is compared with the GLS table included in the received signal, and the GLS table is updated using only the newer data that has a higher update count. If it is a new node radio station, information about the node radio station is added. Further, when the received signal RS is other signal in step S5, the other signal reception process is executed in step S8, and then the process returns to step S1.

図11の制御フローにおいては、ステップS1,S2において、可変ビームアンテナ101を回転走査して所定のしきい値以上の信号強度レベルの受信信号を受信したときに、その受信信号を検出しているが、本発明はこれに限らず、可変ビームアンテナ101を360度にわたって回転走査して、所定のしきい値以上の信号強度レベルの受信信号を受信しかつそのうちの最大の受信信号を、検出された受信信号としてもよい。   In the control flow of FIG. 11, in steps S1 and S2, when the variable beam antenna 101 is rotationally scanned and a reception signal having a signal intensity level equal to or higher than a predetermined threshold is received, the reception signal is detected. However, the present invention is not limited to this, and the variable beam antenna 101 is rotationally scanned over 360 degrees to receive a received signal having a signal intensity level equal to or higher than a predetermined threshold value, and the maximum received signal is detected. It may be a received signal.

図12のルーティング及び通信処理(ステップS12)においては、まず、ステップS21において送信パケットの発信元無線局かであるか否かが判断され、YESのときはステップS22に進む一方、NOのときは図13のステップS31に進む。以下のステップS22からステップS28までの処理は送信パケットの発信元無線局であるときの処理を示しており、ステップS22において既伝搬のホップ長Hを0に初期化し、ステップS23においてGLSテーブルに基づいて最短のパスを検索して選択し、ステップS24において検索できたかであるか否かが判断される。ステップS24において、YESのときはステップS25に進む一方、NOのときはステップS28に進む。ステップS25において初期パス長Lとして、例えば好ましくは10である予め決められた値Lを設定し、ステップS26において送信パケットを上記選択された最短のパスの次のノード無線局に向けて無線送信するために例えば送信バッファメモリ142であるキューメモリに格納し、ステップS27に進む。ここで、当該キューメモリに格納された送信パケットは順次次の無線局に向けて送信される。ステップS27においてネットワーク層でパケットのドロップ(又は損失)がキューメモリにおいて発生したかであるか否か(すなわち、上位レイヤでのMAC層でパケットドロップが繰り返されてそのネットワーク層に待ち行列(例えば、送信バッファメモリ142のキューメモリである)においてオーバーフローが生じてパケットのドロップが生じたか否か)が判断され、NOのときは元のメインルーチンに戻る一方、YESのときはステップS28に進み、すでに選択された最短のパスを除いて、GLSテーブルに基づいて次の最短のパスを選択した後、ステップS24に戻る。 In the routing and communication process (step S12) of FIG. 12, first, in step S21, it is determined whether or not it is a source wireless station of the transmission packet. If YES, the process proceeds to step S22. If NO, Proceed to step S31 in FIG. The following processing from step S22 to step S28 shows processing when the transmission packet is a transmission source radio station. In step S22, the already propagated hop length H is initialized to 0, and in step S23, based on the GLS table. In step S24, it is determined whether or not the shortest path is searched and selected. If YES in step S24, the process proceeds to step S25. If NO, the process proceeds to step S28. As an initial path length L in step S25, for example, preferably set the value L 0 which predetermined 10, radio transmits a transmission packet to the next node radio station of the path of the shortest is the selected at step S26 For example, the data is stored in a queue memory which is the transmission buffer memory 142, for example, and the process proceeds to step S27. Here, the transmission packets stored in the queue memory are sequentially transmitted to the next radio station. In step S27, whether or not a packet drop (or loss) has occurred in the queue memory in the network layer (that is, the packet drop is repeated in the MAC layer in the upper layer and a queue (for example, In the queue memory of the transmission buffer memory 142), it is determined whether or not an overflow has occurred and a packet has been dropped. If NO, the process returns to the original main routine. After selecting the next shortest path based on the GLS table except for the selected shortest path, the process returns to step S24.

次いで、図13及び図14は、送信パケットの発信元無線局以外の中継無線局であるときの処理を示しており、図13のステップS31において、既伝搬のホップ長Hを1だけインクリメントし、ステップS32においてH>Lであるか否かが判断され、YESのときはステップS33に進む一方、NOのときは図14のステップS41に進む。ステップS33においてGLSテーブルテーブルに基づいて最短のパスを検索して選択し、ステップS34において検索できたかであるか否かが判断され、YESのときはステップS35に進む一方、NOのときは元のメインルーチンに戻る。ステップS35において送信パケットを上記選択された最短のパスの次のノード無線局に向けて無線送信するために例えば送信バッファメモリ142であるキューメモリに格納し、元のメインルーチンに戻る。ここで、当該キューメモリに格納された送信パケットは順次次の無線局に向けて送信される。   Next, FIG. 13 and FIG. 14 show the processing when the relay packet is a relay radio station other than the transmission source radio station of the transmission packet. In step S31 of FIG. 13, the already propagated hop length H is incremented by 1, In step S32, it is determined whether or not H> L. If YES, the process proceeds to step S33. If NO, the process proceeds to step S41 in FIG. In step S33, the shortest path is searched and selected based on the GLS table table. In step S34, it is determined whether or not the search has been completed. If YES, the process proceeds to step S35. Return to the main routine. In step S35, the transmission packet is stored in, for example, a queue memory, which is the transmission buffer memory 142, for wireless transmission to the next node wireless station on the selected shortest path, and the process returns to the original main routine. Here, the transmission packets stored in the queue memory are sequentially transmitted to the next radio station.

さらに、図14のステップS41においてGLSテーブルに基づいて最短のパスを検索して選択し、ステップS42において検索できたかであるか否かが判断され、YESのときはステップS43に進む一方、NOのときは元のメインルーチンに戻る。ステップS43において送信パケットを上記選択された最短のパスの次のノード無線局に向けて無線送信するために例えば送信バッファメモリ142であるキューメモリに格納し、ステップS44に進む。ここで、当該キューメモリに格納された送信パケットは順次次の無線局に向けて送信される。一方、ステップS44において、ステップS27と同様に、ネットワーク層でパケットのドロップ(又は損失)がキューメモリで発生したかであるか否かが判断され、YESのときはステップS45に進む一方、NOのときは元のメインルーチンに戻る。ステップS45では、すでに選択された最短のパスを除いて、GLSテーブルに基づいて次の最短パスを選択した後、ステップS42に戻る。   Further, in step S41 of FIG. 14, the shortest path is searched and selected based on the GLS table, and it is determined whether or not the search is successful in step S42. If YES, the process proceeds to step S43, while NO. When it returns to the original main routine. In step S43, the transmission packet is stored in, for example, a queue memory that is the transmission buffer memory 142 in order to wirelessly transmit the packet to the next node wireless station on the selected shortest path, and the process proceeds to step S44. Here, the transmission packets stored in the queue memory are sequentially transmitted to the next radio station. On the other hand, in step S44, as in step S27, it is determined whether or not a packet drop (or loss) has occurred in the queue memory in the network layer. If YES, the process proceeds to step S45, while NO. When it returns to the original main routine. In step S45, the next shortest path is selected based on the GLS table, except for the already selected shortest path, and then the process returns to step S42.

以上の実施形態においては、GLSテーブルを用いてルーティングしているが、本発明はこれに限らず、公知のDSRなどの他の経路制御プロトコルを用いてもよい。   In the above embodiment, routing is performed using the GLS table, but the present invention is not limited to this, and other routing control protocols such as known DSR may be used.

以上説明したように、本発明によれば、発信元無線局及び、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Hが初期パス長L以下であるときの中継無線局において、ネットワーク層でパケットのドロップが発生したか否かを判断することにより、局所的なパケット信号の輻輳を検出して、その輻輳を検出したとき、すでに選択された最短のパスを除いて上記ルーティングテーブルを用いて次の最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信するように構成した。これにより、輻輳状態を示す従来技術のANLテーブルを用いず、従来技術に比較して構成が簡単であって、データ通信の輻輳時においてデータ信号を確実に宛先無線局に伝送してルーティングを集束させることができる。   As described above, according to the present invention, in the transmission source radio station and the relay radio station when the already propagated hop length H included in the packet signal is equal to or shorter than the initial path length L, the packet is dropped at the network layer. When the congestion of the local packet signal is detected by detecting whether or not the congestion has occurred and the congestion is detected, the next shortest path is excluded using the above routing table. In order to transmit the packet signal to be transmitted, the path is stored in a queue memory and wirelessly transmitted to the next wireless station. As a result, the configuration is simpler than the prior art without using the ANL table of the prior art indicating the congestion state, and the data signal is reliably transmitted to the destination radio station when the data communication is congested, and the routing is converged. Can be made.

本発明に係る実施形態であるアドホック無線ネットワークを構成する複数の無線局1−1乃至1−9の平面配置図である。It is a plane layout view of a plurality of radio stations 1-1 to 1-9 constituting an ad hoc radio network which is an embodiment according to the present invention. 図1の各無線局1の内部構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an internal configuration of each wireless station 1 in FIG. 1. 図1の可変ビームアンテナ101のセクタビームパターンの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the sector beam pattern of the variable beam antenna 101 of FIG. 図1のアドホック無線ネットワークにおいて用いられるパケットデータのフォーマットを示す図であり、図4(a)はデータ通信用以外のパケットデータのフォーマットを示す図であり、図4(b)はデータ通信用のパケットデータのフォーマットを示す図である。4 is a diagram showing a format of packet data used in the ad hoc wireless network of FIG. 1, FIG. 4 (a) is a diagram showing a format of packet data other than for data communication, and FIG. 4 (b) is a diagram for data communication. It is a figure which shows the format of packet data. 本実施形態に係る無線通信システムの説明において用いる各ノード無線局からの送信セクタ放射パターンである送信ゾーンBn(α,β,R)を示す平面図である。It is a top view which shows transmission zone Bn ((alpha), (beta), R) which is a transmission sector radiation pattern from each node radio station used in description of the radio | wireless communications system which concerns on this embodiment. 図2のデータベースメモリ154において格納される方位角及び信号強度レベルテーブル(ASテーブル)の一例を示す表である。3 is a table showing an example of an azimuth and signal intensity level table (AS table) stored in the database memory 154 of FIG. 2. 図2のデータベースメモリ154に格納される隣接リンク状態テーブル(NLSテーブル)の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the adjacent link state table (NLS table) stored in the database memory 154 of FIG. 図2のデータベースメモリ154に格納されるグローバルリンク状態テーブル(GLSテーブル)の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the global link state table (GLS table) stored in the database memory 154 of FIG. 図1のアドホック無線ネットワークにおいて用いられるトーン信号とパケット信号の送受信処理を示すタイミングチャートである。2 is a timing chart showing transmission / reception processing of tone signals and packet signals used in the ad hoc wireless network of FIG. 1. 図1のアドホック無線ネットワークにおいて用いられる各無線局での放射パターンの種類と無線通信プロトコルを示すタイミングチャートである。FIG. 2 is a timing chart showing types of radiation patterns and wireless communication protocols at each wireless station used in the ad hoc wireless network of FIG. 1. FIG. 図2の無線局1の管理制御部105によって実行されるパケット送受信制御処理を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing packet transmission / reception control processing executed by the management control unit 105 of the wireless station 1 of FIG. 図11のサブルーチンであるルーティング及び通信処理(ステップS12)の第1の部分を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the 1st part of the routing and communication process (step S12) which is a subroutine of FIG. 図11のサブルーチンであるルーティング及び通信処理(ステップS12)の第2の部分を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the 2nd part of the routing and communication process (step S12) which is a subroutine of FIG. 図11のサブルーチンであるルーティング及び通信処理(ステップS12)の第3の部分を示すフローチャートである。12 is a flowchart showing a third part of the routing and communication process (step S12) which is a subroutine of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1,1−1乃至1−9,1−i,1−j,1−k,…ノード無線局、
101…可変ビームアンテナ、
102…サーキュレータ、
103…指向制御部、
104…パケット送受信部、
105…トラヒックモニタ部、
106…回線制御部、
107…上位レイヤ処理装置、
130…パケット受信部、
131…高周波受信機、
132…復調器、
133…受信バッファメモリ、
140…パケット送信部、
141…送信タイミング制御部、
142…送信バッファメモリ、
143…変調器、
144…高周波送信機、
151…管理制御部、
152…検索エンジン、
153…更新エンジン、
154…データベースメモリ、
155…クロック回路、
160…拡散符号発生器。
1, 1-1 to 1-9, 1-i, 1-j, 1-k, ... node radio station,
101 ... Variable beam antenna,
102 ... circulator,
103 ... Direction control unit,
104 ... packet transmission / reception unit,
105 ... Traffic monitor section,
106 ... line control unit,
107 ... upper layer processing apparatus,
130: Packet receiver,
131 ... high frequency receiver,
132: demodulator,
133: Receive buffer memory,
140 ... packet transmitter,
141. Transmission timing control unit,
142 ... transmission buffer memory,
143 ... modulator,
144 ... high frequency transmitter,
151... Management control unit,
152 ... Search engine,
153 ... Update engine,
154 ... Database memory,
155 ... Clock circuit,
160. Spread code generator.

Claims (4)

複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのためのルーティング方法において、
発信元無線局において予め決められた初期パス長Lと、パケット信号の既伝搬のホップ長Hと、データとを含むパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して伝送するときに、発信元無線局及び中継無線局において、所定のルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する送信ステップと、
発信元無線局及び、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Hが初期パス長L以下であるときの中継無線局において、ネットワーク層でパケットのドロップが発生したか否かを判断し、上記ドロップが発生したと判断したときに、すでに選択された最短のパスを除いて上記ルーティングテーブルを用いて次の最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第1の制御ステップとを含むことを特徴とする無線ネットワークのためのルーティング方法。
In a routing method for a wireless network comprising a plurality of wireless stations and performing wireless communication between the wireless stations,
When a packet signal including a predetermined initial path length L, a hop length H of a packet signal already propagated, and data is transmitted from the source radio station to the destination radio station at the source radio station In the original radio station and the relay radio station, the shortest path is selected using a predetermined routing table, and the packet signal to be transmitted is stored in the queue memory and transmitted to the next radio station for transmission. Sending step;
In the source radio station and the relay radio station when the already propagated hop length H included in the packet signal is equal to or shorter than the initial path length L, it is determined whether or not the packet is dropped in the network layer, and the drop When the next shortest path is selected using the routing table except for the shortest path that has already been selected, the packet signal to be transmitted is stored in the queue memory for transmission. And a first control step of wirelessly transmitting to the next wireless station.
パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Hが初期パス長Lを超えるときの中継無線局において、上記ルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第2の制御ステップをさらに含むことを特徴とする請求項1記載の無線ネットワークのためのルーティング方法。   In the relay radio station when the already propagated hop length H included in the packet signal exceeds the initial path length L, a queue is selected to select the shortest path using the routing table and transmit the packet signal to be transmitted. The routing method for a wireless network according to claim 1, further comprising a second control step of storing in a memory and wirelessly transmitting to a next wireless station. 複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのためのルータ装置において、
発信元無線局において予め決められた初期パス長Lと、パケット信号の既伝搬のホップ長Hと、データとを含むパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して伝送するときに、発信元無線局及び中継無線局において、所定のルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する送信手段と、
発信元無線局及び、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Hが初期パス長L以下であるときの中継無線局において、ネットワーク層でパケットのドロップが発生したか否かを判断し、上記ドロップが発生したと判断したときに、すでに選択された最短のパスを除いて上記ルーティングテーブルを用いて次の最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第1の制御手段とを備えたことを特徴とする無線ネットワークのためのルータ装置。
In a router device for a wireless network that includes a plurality of wireless stations and performs wireless communication between wireless stations,
When a packet signal including a predetermined initial path length L, a hop length H of a packet signal already propagated, and data is transmitted from the source radio station to the destination radio station at the source radio station In the original radio station and the relay radio station, the shortest path is selected using a predetermined routing table, and the packet signal to be transmitted is stored in the queue memory and transmitted to the next radio station for transmission. A transmission means;
In the source radio station and the relay radio station when the already propagated hop length H included in the packet signal is equal to or shorter than the initial path length L, it is determined whether or not the packet is dropped in the network layer, and the drop When the next shortest path is selected using the routing table except for the shortest path that has already been selected, the packet signal to be transmitted is stored in the queue memory for transmission. And a first control means for wirelessly transmitting to the next wireless station. A router device for a wireless network, comprising:
パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Hが初期パス長Lを超えるときの中継無線局において、上記ルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第2の制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項3記載の無線ネットワークのためのルータ装置。
In the relay radio station when the already propagated hop length H included in the packet signal exceeds the initial path length L, a queue is selected to select the shortest path using the routing table and transmit the packet signal to be transmitted. 4. The router device for a wireless network according to claim 3, further comprising second control means for storing in a memory and wirelessly transmitting to the next wireless station.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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