JP2006319787A - 多段無線中継方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
無線マルチホップ中継の中継経路は、一般に枝分かれがあり周期的間欠送信を適用すると、分岐点でフレーム中継が滞り効率が低下する。
【解決手段】複数の周辺ノードならびに複数の経路ノードからなり、当該経路ノードはさらにひとつの始点ノード、ひとつもしくは複数の中間ノード、およびひとつの終点ノードからなり、各経路ノードは互いに中継しあうことで１本の中継経路を形成し、前記始点ノードから前記終点ノードへ向けての多段無線中継において、周辺ノードの一部のノードの送信を一時停止にする無線チャネル予約ステップと、前記ステップにより予約された無線チャネル上で始点ノードが送信フレームを間欠送信する際の送信周期を設定する周期設定ステップと、予約された無線チャネル上で始点ノードが前記周期設定ステップにより設定された送信周期で送信フレームを間欠送信するフレーム中継ステップからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線ノードが存在し、各無線ノードが無線により互いにパケットの中継を行う無線マルチホップネットワークにおける無線中継方法に関するものであり、事前に中継経路が与えられている場合に適用される。

数１０Ｍｂｐｓクラスのブロードバンドを収容する次世代の移動通信システムではセル半径の狭小化は必須であるとされる。しかし、セルを狭小化する場合、面的に広いエリアをサービスエリアとするためには極めて多数の基地局を設置しなくてはならない。最大の問題は、各基地局を基幹ネットワークに接続するための有線回線敷設に膨大な投資が必要となることである。そこで、有線ネットワークに接続された基地局（コアノード）を所々に設置し、このコアノード群でカバーしきれないエリアを無線マルチホップ中継で接続した中継ノードによりカバーするセルラーネットワーク（以下、無線基地局中継網）が検討されている。この無線基地局中継網を用いると、有線回線の敷設はコアノードのみでよいため投資を抑制することが可能となる。ここでの課題は、無線マルチホップネットワークにおいて如何にして伝送効率の高いパケット中継伝送を実現するかにある。

伝送効率の高いパケット中継伝送を実現するパケット中継伝送法として、非特許文献１では周期的間欠送信法（Intermittent Periodic Transmit）が提案された。以下、当該パケット伝送方式について説明する。
図１２は非特許文献１に示された周期的間欠送信法を説明するシーケンス図である。図１２では各ノードは一次元等間隔で配列している場合を想定している。図１２の例では、周波数リユース距離は３である。すなわち例えば始点ノードＮ＿Ｓと中継ノードＮ＿４とで同一の周波数を繰り返して利用可能であることを意味する。
周期的間欠送信法では、始点ノードＮ＿Ｓにおいて一定の送信周期Ｐ＿Ｓ＿３でフレームを伝送し、一方中継ノードＮ＿ｉではパケットを受信後即座に中継先ノードへ中継伝送することを特徴とする。図１２のように送信周期Ｐ＿Ｓ＿３を与えることにより例えば時刻Ｔ１における同一周波数を再利用するノードはＮ＿ＳとＮ＿４であり、周波数リユース距離３を満足していることが分かる。
図１３に周波数リユース距離５の場合の非特許文献１に示された周期的間欠送信法による中継伝送を説明するシーケンス図を示す。図１２との違いはリユース距離が長くなったことにより、始点ノードＮ＿Ｓにおける送信周期をＰ＿Ｓ＿５とすることである。Ｐ＿Ｓ＿５はＰ＿Ｓ＿３よりも長く設定する。時刻Ｔ１における同一周波数を利用するノードはＮ＿ＳとＮ＿５であり、同一周波数リユース距離５が得られている事が分かる。
以上のように周期的間欠送信法では始点ノードにおいて周期的、間欠的にフレームを送信し、一方中継ノードでは即フレームを中継伝送することにより周波数リユース間隔を制御する事が可能となり、所要の周波数リユース間隔となる送信周期を与えることでスループットの最大化を達成する事が可能となる。
また、図１２ならびに図１３より明らかなように周期的間欠送信法によると終点ノードＮ＿Ｅにおいて観測されるスループットは中継段数によらず一定に保つ事ができる。
H. Furukawa, "Hop Count Independent Throughput Realization by A New Wireless Multihop Relay," in Proc. IEEE VTC 2004 Fall, 4.4.2.2, Sep. 2004.

無線マルチホップ中継における中継経路は一般に枝分かれ分岐があるため、このような場合周期的間欠送信を適用する事は難しかった。中継経路に枝分かれ分岐が存在する場合の課題を図１４を用いて説明する。始点ノードＮＡ＿１からＮＡ＿２、ＮＡ＿３、ＮＡ＿４，ＮＡ＿５、そしてＮＡ＿６までフレームが中継されている場合を考える。当該通信セッションをセッションＡとおく。また図１４のようにノードＮＡ＿４はノードＮＢ＿３と接続され、ノードＮＢ＿３からＮＢ＿２，ＮＢ＿１へいたる別の経路、枝経路が存在する。このようにノードＮＡ＿４を分岐点とし、中継経路に枝分かれが存在すると、セッションＡの中継途中にノードＮＢ＿３からノードＮＡ＿４へ別の通信セッションのフレームが混入する。周期的間欠送信では、このような経路外のフレームが混入してしまうと、中継の流れが滞ってしまい中継伝送効率が低下してしまうのである。
同様に中継経路外に存在するノードからの電波干渉によっても、周期的間欠送信による高効率なフレーム中継が滞ってしまう。
さらに、図１２ならびに図１３より明らかなように、周期的間欠送信法では中継経路上で両方向のフレームを同時に中継伝送することができなかった。

本発明はこれら３つの課題を同時に解決可能な無線中継法を提示する。

複数の周辺ノードならびに複数の経路ノードからなり、当該経路ノードはさらにひとつの始点ノード、ひとつもしくは複数の中間ノード、およびひとつの終点ノードからなり、各経路ノードは互いに中継しあうことで枝分かれのない１本の中継経路を形成し、前記始点ノードから前記終点ノードへ向けて当該中継経路に沿って前記中間ノードを経由してフレームが中継伝送される多段無線中継において、前記複数の経路ノードに隣接する前記複数の周辺ノードのうちの一部のノードの送信を一時停止にする無線チャネル予約ステップと、無線チャネル予約ステップにより予約された無線チャネル上で始点ノードが送信フレームを周期的に間欠送信する際の送信周期を設定する周期設定ステップと、無線チャネル予約ステップにより予約された無線チャネル上で始点ノードが前記周期設定ステップにより設定された送信周期で送信フレームを周期的に間欠送信するフレーム中継ステップからなる。

無線チャネル予約ステップにより、前記中継経路と接続する枝経路上のノードからのフレームの混入を防ぎ、周期的間欠送信によるフレーム中継が滞ることを防ぐ。また無線チャネル予約ステップは中継経路外の無線ノードからの電波干渉を抑制することもできる。周期設定ステップにより周期的間欠送信で必要な送信周期の適応的な設定が可能となり、かつフレーム中継ステップにより文献１で示された周期的間欠送信と同様、高効率なフレーム中継を達成する。

本発明では中継経路は事前に与えられていることを前提とする。中継経路の設定方法は、各ノードが新たに送信すべきフレームを有してから中継経路を決定するオンデマンド経路設定手法や、送信すべきフレームの有無に関わらず、事前に経路を設定しておく事前経路設定手法のいずれをも適用する事ができる。
本発明によるフレーム中継法は図１に示すように次の３つのステップからなる。
ステップ１：与えられた中継経路に属する中継ノードが、当該中継経路に属さないノードから干渉を受けないように無線チャネルの排他的利用権を獲得するための無線チャネル予約ステップ。
ステップ２：ステップ１において無線チャネルの排他的利用権を得た当該中継経路上の始点ノードが、フレームの送信周期を設定するための送信周期設定ステップ
ステップ３：ステップ２においてフレームの送信周期を設定し終えた始点ノードが周期的に送信するフレームを間欠送信し、各中継ノードが受信した中継フレームを中継伝送するフレーム中継ステップ
以下では、各ステップ毎に詳細を説明する。
まず本発明による無線チャネル予約ステップを図２により説明する。ここでは、Ｎｏｄｅ＿１、Ｎｏｄｅ＿２、・・・、Ｎｏｄｅ＿Ｎまでに至る中継経路が与えられているものとする。
始点ノードＮｏｄｅ＿１はビーコンフレームＢｅａｃｏｎ＿１を送信する。Ｎｏｄｅ＿１の中継先ノードＮｏｄｅ＿２はＢｅａｃｏｎ＿１フレームを受信してからＩＦＳ＿１時間経過の後、ビーコンフレームＢｅａｃｏｎ＿２を送信する。当該中継経路に属さず、かつＢｅａｃｏｎ＿１フレームを受信したノードＮｏｄｅ＿Ｏ１はそれ以降の送信を見合わせる。これにより、Ｎｏｄｅ＿Ｏ１が送信することによる当該中継経路上のフレーム中継伝送への干渉を回避できる。同様に、Ｂｅａｃｏｎ＿２フレームを受信した、Ｎｏｄｅ＿２の中継先ノードＮｏｄｅ＿３はＩＦＳ＿１時間待機の後、Ｂｅａｃｏｎ＿３フレームを送信する。Ｂｅａｃｏｎ＿２，Ｂｅａｃｏｎ＿３フレームを受信した当該中継経路に属さないノードは、それ以降の送信を見合わせる。以上を繰り返し、終点ノードＮｏｄｅ＿ＮがビーコンフレームＢｅａｃｏｎ＿Ｎを送信し、無線チャネル予約のためのビーコンフレーム送信は完了する。

無線チャネル予約のためのビーコンフレーム送信が完了後、終点ノードＮｏｄｅ＿Ｎは経路予約完了フレームＡＣＫ＿Ｒを始点ノードＮｏｄｅ＿１へ向けて送信し、Ｎｏｄｅ＿１が当該フレームを受信して無線チャネル予約は完了する。始点ノードＮＤ＿１ではある時間以上たってもＡＣＫ＿Ｒを受信しなければ、再度、ビーコンフレームＢｅａｃｏｎ＿１の送信からやり直し、ＡＣＫ＿Ｒが受信できるまで繰り返す。ただし、ある回数以上繰り返してもなおＡＣＫ＿Ｒが受信できなければ、通信経路の切断や、定常的な干渉が発生している可能性があるため、上位システムへ向けて警告信号を報知し、それ以降の処理を中止する。

中継経路上の各中継ノードが送信したビーコンフレームを受信した当該中継経路に属さない周辺ノードがそれ以降の送信を見合わせることにより、当該中継経路上のフレーム中継伝送時に周辺ノードから及ぼされる干渉を抑制できる。
ビーコンフレームには、送信を見合わせる時間を指定する情報が含まれる。中継経路に属さない周辺ノードは、ビーコンフレームを受信すると、当該ビーコンフレームが指定する時間の間送信を見合わせる。複数のビーコンノードを周辺ノードにおいて受信した場合、最も見合わせる時間が長い設定のビーコンの指示に従う。
始点ノードＮｏｄｅ＿１は、送信見合わせの中止を指示するビーコンフレームを送信することもできる。当該フレームはやはり終点ノードまで中継伝送され、これらを周辺ノードが受信すれば一定時間の後、送信の見合わせを中止する。
次に本発明における送信周期設定ステップについて図３ならびに図４を用いて説明する。
まず図３を参照しながら説明する。今、１０個のノードＮＤ＿１〜ＮＤ＿１０までの中継が行われている場合を考える。ＴＢ１〜ＴＢ１１は時間をあらわしている。ノードＮＤ＿１は時間ＴＢ１において周期設定先行フレームＰＤ＿１を送信する。ノードＮＤ＿２の時間ＴＢ１に示した楕円Ｒ＿ＯＫは当該ノードにおいて送信元ノードからのフレームが正しく受信されたことを表す。周期設定先行フレームＰＤ＿１を受信したノードＮＤ＿２は時間ＳＩＦＳだけ待機した後、ただちに同フレームＰＤ＿１をノードＮＤ＿３へ向けて時間ＴＢ２において中継伝送する。ノードＮＤ＿２より送信されたフレームは電波伝搬特性によりノードＮＤ＿１においても受信され、ノードＮＤ＿２がノードＮＤ＿３へ向けて送信したフレームをノードＮＤ＿１が受信することで、ノードＮＤ＿１は時間ＴＢ１で伝送した周期設定先行フレームＰＤ＿１のＡＣＫ信号とみなす。同様に、ノードＮＤ＿３，ＮＤ＿４．・・・、ＮＤ＿９と周期設定先行フレームは中継伝送される。
ノードＮＤ＿１では時間ＴＢ３においてノードＮＤ＿３がノードＮＤ＿４へ向けて送信した周期設定先行フレームが受信される。さらに、時間ＴＢ４においてはノードＮＤ＿４が送信した周期設定先行フレームはもはや電波減衰によりノードＮＤ＿１へは到達しない。ノードＮＤ＿１は時間ＴＢ３終了時からキャリア検出を行っており、ＴＢ４の先頭ＤＩＦＳ期間の間、キャリア検出されなければ、続く時間ＴＢ５において周期設定後続フレームＰＤ＿２をノードＮＤ＿２へ向けて送信する。すなわち、周期設定先行フレームＰＤ＿１と周期設定後続フレームＰＤ＿２の送信時間間隔はＴｓｓにより規定される。送信周期Ｔｓｓは具体的には次式で与えられる。

ここで、Ｔ＿ＰＤ＿１は周期設定先行フレームＰＤ＿１の時間長を、Ｔ＿ＰＤ＿１＿ＢｕｓｙはノードＮＤ＿１が周期設定先行フレームＰＤ＿１を送信後に、キャリアを検出した時間ブロック数、Ｔｓは意図的周期時間ブロック数を表す。１時間ブロックはＴ＿ＰＤ＿１＋ＳＩＦＳの長さを有する。なお、周期設定後続フレームの時間長はＴ＿ＰＤ＿１と等しい。

周期設定後続フレームＰＤ＿２には送信周期Ｔｓｓの値を情報として記載する。これにより、始点ノード以外のノードも送信周期を知ることができる。ある経路ノードＳが新たに始点ノードとして送信フレームを終点ノードＤへ向けて伝送しようとする場合に、当該経路ノードＳが過去に中間ノードとして同一の終点ノードＤへ向けて送信フレームを中継した事があるならば、当該中継時の送信周期Ｔｓｓを用い、周期設定ステップを実行せず直ちに送信フレームを周期的に間欠送信することができる。
ノードＮＤ＿２では時間ＴＢ５において、ノードＮＤ＿１から送信された周期設定後続フレームＰＤ＿２を正しく受信すると、時間ＴＢ６において同フレームをノードＮＤ＿３へ向けて中継伝送する。ノードＮＤ＿２からの周期設定後続フレームＰＤ＿２を時間ＴＢ６で受信したノードＮＤ＿３は続く時間ＴＢ７において当該フレームをノードＮＤ＿４へ向けて送信する。
一方、時間ＴＢ７において、ノードＮＤ＿４は、ノードＮＤ＿７がノードＮＤ＿８へ向けて中継伝送した周期設定先行フレームＰＤ＿１が干渉として到来しており、ノードＮＤ＿３からの周期設定後続フレームＰＤ＿２の受信に失敗する。受信失敗の状態を図３のＲ＿ＮＧにより表した。ノードＮＤ＿４は時間ＴＢ７において周期設定後続フレームＰＤ＿２の受信に失敗したので、続く時間ＴＢ８において、ノードＮＤ＿４は何も送信しない。ノードＮＤ＿３では時間ＴＢ７において送信した周期設定後続フレームＰＤ＿２のＡＣＫ受信に失敗することを意味する。すなわち、ノードＮＤ＿３は時間ＴＢ８においてノードＮＤ＿４が送信するであろう周期設定後続フレームの受信を期待するが、キャリア検出期間ＤＩＦＳをまっても受信されないのである。これにより、ノードＮＤ＿３は時間ＴＢ８においてＡＣＫを受けていないと判断する。ＡＣＫ受信できなかったノードＮＤ＿３は時間ＴＢ９において衝突検出フレームＣＤをノードＮＤ＿２へむけて送り返し、送り返された衝突検出フレームＣＤはノードＮＤ＿１へ向けて中継される。そして、衝突検出フレームを受信したノードＮＤ＿１は再び周期設定先行フレームＰＤ＿１を送信する。

図４により本発明における送信周期ステップについてさらに説明を進める。衝突検出フレームを受信したノードＮＤ＿１は再び、周期設定先行フレームＰＤ＿１ならびに周期設定後続フレームＰＤ＿２の送信を順次行い、各フレームは終点ノードへ向けて中継される。その際、周期設定先行フレームＰＤ＿１と周期設定後続フレームＰＤ＿２との意図的周期時間ブロック数Ｔｓを１だけ増加させる。すなわち、 数１より、送信周期Ｔｓｓは１時間ブロック長、Ｔ＿ＰＤ＿１＋ＳＩＦＳ分、増大させる。１時間ブロック長だけ増大された送信周期Ｔｓｓにより、ノードＮＤ＿１は時間ＴＢ６において周期設定後続フレームＰＤ＿２を送信する。周期設定後続フレームＰＤ＿２には送信周期Ｔｓｓの値を情報として記載する。これにより、始点ノード以外のノードも送信周期を知ることができる。

終点ノードＮＤ＿１０において周期設定先行フレームＰＤ＿１ならびに周期設定後続フレームＰＤ＿２を受信すると、周期設定完了フレームＯＫを始点ノードＮＤ＿１へ向けて中継する。図４ではノードＮＤ＿１０の時間ＴＢ１０がその時である。周期設定完了フレームＯＫが時間ＴＢ１２において始点ノードＮＤ＿１へ受信されると周期設定処理は完了である。完了時の送信周期Ｔｓｓが設定後の送信周期となる。

何らかの原因によりある時間以上まっても周期設定完了フレームＯＫが始点ノードＮＤ＿１において受信されない場合、当該ノードは、意図的周期時間ブロックを１増やしたのち、再度、周期設定先行フレームＰＤ＿１ならびに周期設定後続フレームＰＤ＿２を送信する。これを周期設定完了フレームＯＫが受信されるまで繰り返す。ただし、ある再送回数をおこなってもＯＫフレームの受信が行われない場合は、中継経路の途中の無線回線が断絶している可能性があるので、それ以上の送信周期設定処理は行わず、上位の制御システムへ警告を出し経路変更等の処理を委託する。

また、何らかの原因により、終点ノードＮＤ＿１０においてＰＤ＿２は受信できたが、ＰＤ＿１を受信できなかった場合には、終点ノードはＣＤフレームを始点ノードＮＤ＿１へ向けて送信する。
本発明によるフレーム中継ステップの第一の実施例を具体的なフレーム中継を例にして、図５〜図８を用いて説明する。まず、図５をより説明する。
５つのノードＮＤ＿１〜ＮＤ＿５による中継を考える。始点ノードＮＤ＿１は第一データフレームＤＴ＿Ｕ１を時間ＴＢ１においてノードＮＤ＿２へ向けて送信する。図５においては、受信状態を楕円で示している。たとえば、ノードＮＤ＿２の時間ＴＢ１に示した楕円は、ノードＮＤ＿１からのデータフレームＤＴ＿Ｕ１が正しく受信されたことを示している。ノードＮＤ＿２はノードＮＤ＿１からのデータフレームＤＴ＿Ｕ１を受信後、ＩＰＴ＿ＩＦＳ期間の後、直ちにＤＴ＿Ｕ１を時間ＴＢ２においてノードＮＤ＿３へ向けて送信する。後続のノードにおいても、これを繰り返すことで、終点ノードＮＤ＿５までのデータフレーム中継が行われる。

終点ノードＮＤ＿５は、時間ＴＢ４においてデータフレームＤＴ−Ｕ１を受信の後、ＩＰＴ＿ＩＦＳ期間を待って、ノードＮＤ＿１へ向けて時間ＴＢ５において逆方向のデータフレームＤＴ＿Ｄ１を送信する。なお、時間ＴＢ５においてノードＮＤ＿５になんら送信すべきデータフレームが存在しない場合には当該ノードはなんらフレームを送信しない。

ノードＮＤ＿２がノードＮＤ＿３へ時間ＴＢ２において送信したデータフレームＤＴ＿Ｕ１は、ノードＮＤ＿１におけるキャリア検出回路において検出されるため、これにより、ノードＮＤ＿１は当該ノードがノードＮＤ＿２へ向けて送信したデータフレームＤＴ＿Ｕ１が正しくノードＮＤ＿２において受信されたこと（ＡＣＫ検出）を知る。一例としてその様子をノードＮＤ＿１の時間ＴＢ２に示した。ノードＮＤ＿１では、時間ＴＢ２においてノードＮＤ＿２がノードＮＤ＿３へ向けて送信したフレームが同時に届くため、ＴＢ１においてノードＮＤ＿１が送信したデータフレームへのＡＣＫを得る事ができるのである。他のノードにおいても同様に中継先ノードが正しくデータフレームを受信できたかどうか知る事ができる。ただし、たとえデータフレームの送信に失敗した事がわかっても再送は行わない。送信に失敗したデータフレームは、始点ノードＮＤ＿１において全データフレームを送信後に、まとめて再送する。

送信元ノードにおいて常に送信先ノードからのＡＣＫ検出ができない場合、何らかの原因で当該ノード間の無線回線が切断されていることが予想される。このような無線回線断の状態は送信元ノードが把握できる。この場合、非常シグナルをネットワーク制御システムへ向けて報知することにより、それ以降の処理の中止を要求することができる。

終点ノードから時間ＴＢ５において送信された逆方向のデータフレームＤＴ＿Ｄ１は中間ノードＮＤ＿２〜ＮＤ＿４において始点ノードＮＤ＿１へ向けて中継される。逆方向データフレームの送信は、順方向（始点ノードＮＤ＿１からＮＤ＿５へ向かう方向）データフレームの場合と全く同様に、各ノードにおいて新たなフレームを受信した後、ＩＰＴ＿ＩＦＳ時間後に伝送される。ここで、各ノードでは、直前に受信したフレームを直ちに送信しなくてはならないわけではなく、過去に受信したデータフレームを順方向、順方向問わずに送信できる。
各ノードには受信した順方向、逆方向フレームを蓄えておく待ち受けバッファを持つ。順方向のデータフレームと逆方向のデータフレームの中継伝送比率が一定となるように順方向と逆方向の送信フレームの送信優先度を決定することで順方向、逆方向のフレーム中継スループットを調整できる。
順方向および逆方向データフレームは同一の時間長となるように整形される。データフレーム長を短くすればするほど１フレームが始点ノードから終点ノードまで伝送されるのにようする遅延時間を短縮する事ができる。順方向および逆方向データフレームには各種の制御情報を含ませることができる。

ノードＮＤ＿１では、データフレームＤＴ＿Ｕ１送信開始時からＴｓｐｃ＿Ａ時間毎に、後続のデータフレームの送信を行う。ここで、Ｔｓｐｃ＿Ａは次のように定義される。

Ｔ＿ＤＡＴはデータフレームの時間長、Δｓｐｃは各ノードの内臓タイマーの誤差を考慮したマージンである。

始点ノードＮＤ＿１ではＴｓｐｃ＿Ａ時間の周期で順方向データフレームおよび制御フレームの伝送を行う。

更に図６を用いて、本発明におけるフレーム中継ステップの第一の実施例の説明を続ける。終点ノードにおいて、送信するべき逆方向データフレームがない場合には、ノードＮＤ＿５は何も送信する必要はない。たとえば、ノードＮＤ＿５の時間ＴＢ１４や時間ＴＢ１７がその例である。

始点ノードにおいて、送信するべき順方向データフレームがもはやなくなった場合には、制御フレームであるグループＡＣＫ要求フレームＤＴ＿ＡＲを伝送する。ノードＮＤ＿１の時間ＴＢ１６においてその一例を示した。ノードＮＤ＿１は先行する時間ＴＢ１３において最後の順方向データフレームＤＴ＿Ｕ５を送信したので、次の送信時間タイミングＴＢ１６においてＤＴ＿ＡＲを送信している。

グループＡＣＫ要求フレームＤＴ＿ＡＲは他の順方向データフレームと同様に終点ノードへ向けて中継される。ＤＴ＿ＡＲを受信した各ノードは、当該フレームを他の順方向データフレームより先に中継してはならない。これにより、終点ノードＮＤ＿５においてＤＴ＿ＡＲを受信したととき、終点ノードＮＤ＿５では順方向データフレームがそれ以上受信されないことを知る事ができる。

始点ノードＮＤ＿１はグループＡＣＫ要求フレームＤＴ＿ＡＲを送信後、終点ノードからの制御フレームであるグループＡＣＫフレームＤＴ＿ＧＡの受信を待つ。始点ノードＮＤ＿１はＤＴ＿ＡＲを送信した後、もしそれ以前に逆方向データフレームを受信した事がある場合には、ＤＴ＿ＡＲを送信した後、データフレームの送信の場合と同様、送信周期Ｔｓｐｃ＿Ａの間隔でダミーフレームＤＴ＿ＥＰを伝送する。ダミーフレームＤＴ＿ＥＰを受信したノードは、もし他に送信すべきフレームを有している場合には、当該フレームを無視し、送信すべきフレームがない場合には、通常の順方向データフレームと同様に中継する。

更に図７を用いて、本発明におけるフレーム中継ステップの第一の実施例の説明を続ける。時間ＴＢ１９（図６）においてＤＴ＿ＡＲを受信したノードＮＤ＿２は、それ以前に中継すべきデータフレームＤＴ＿Ｄ３を有しているため、時間ＴＢ２６にてノードＮＤ＿３へ向けてＤＴ＿ＡＲを中継する、後続のノードＮＤ＿３，ＮＤ＿４においてはＴＢ２７時間以降、すでに送信すべきフレームが無いため、直ちにノードＮＤ＿５へむけて中継される。

グループＡＣＫ要求フレームＤＴ＿ＡＲを受信した終点ノードＮＤ＿５は、当該フレームへの応答であるグループＡＣＫフレームＤＴ＿ＧＡを返信する。ＤＴ＿ＧＡを返信した終点ノードはＮＤ＿５は反対方向データフレームの送信をそれ以降行わない。

終点ノードがグループＡＣＫ要求フレームＤＴ＿ＡＲを受信する事は、すなわち、順方向データフレームの送信が完了したことを意味する。終点ノードでは、データフレームのタイムスタンプ等の情報から、受信されていないデータフレームを抽出し、これらのデータフレームの再送を促すための情報をＤＴ＿ＧＡに載せる。

更に図８を用いて、本発明におけるフレーム中継ステップの第一の実施例の説明を続ける。ＤＴ＿ＧＡを受信した中間ノードは、もし当該ノードが過去に全く逆方向データフレームを受信した事がなければ、ただちに受信したＤＴ＿ＧＡを先行するノードへ向けて返信してよい。しかし、ＤＴ＿ＧＡを受信した中間ノードが、もし当該ノードが１度でも逆方向データフレームを受信した事があれば、逆方向データフレームの中継の場合と同様、中継元ノードからのフレームの到着を待つ。
ノードＮＤ＿４は、時間ＴＢ３０（図７）においてノードＮＤ＿３よりダミーフレームＤＴ＿ＥＰを受信した後、時間ＴＢ３１において、すでに受信済みのグループＡＣＫフレームＤＴ＿ＧＡをノードＮＤ＿３へ向けて中継する。ノードＮＤ＿３，ノードＮＤ＿２においても同様にＤＴ＿ＧＡの中継を行い、時間ＴＢ３５において当該フレームはノードＮＤ＿１に到達する。

各ノードでは逆方向データフレームより先にＤＴ＿ＧＡの送信は行わない。これにより、始点ノードがグループＡＣＫフレームＤＴ＿ＧＡを受信することは、すなわちすべての順方向データフレーム、すべての逆方向データフレームの伝送が完了したことを意味する。

ＤＴ＿ＧＡを受信した始点ノードは、さらに終点ノードへ、逆方向データフレームの受信に失敗した欠落データフレームの情報を終点ノードへ知らせるための制御フレームである逆方向グループＡＣＫフレームＤＴ＿ＧＡＲを終点ノードへ向けて伝送する。

ＤＴ＿ＧＡＲ送信開始からＴｓｐｃ＿Ａ時間後に順方向データフレームＤＴ＿Ｕｘの再送を行う。もし過度の再送が必要と判断された場合には、 数２で与えられる送信周期Ｔｓｐｃ＿Ａを、Ｔｓｓを増大させた上で再計算する。

始点ノードＮＤ＿１が逆方向のデータフレームを全く受信していない場合にはＤＴ＿ＧＡＲの伝送を行う必要はない。ＤＴ＿ＧＡＲの伝送を行わない場合は即座に順方向データフレームの再送を開始する。もし逆方向データフレームしか再送すべきデータフレームがない場合には、始点ノードはダミーフレームＤＴ＿ＥＰを周期的に送信することになる。

順方向、逆方向共に再送すべきデータフレームがなくなるまで上述の処理を行う。順方向、逆方向共に再送すべきデータフレームがなくなれば無線チャネル予約解除のための制御フレームを始点ノードから中間ノードを経由して終点ノードまで中継し、すべての中継処理を終える。

次に本発明のフレーム中継ステップにおける第二の実施例を図９〜図１１より用いて説明する。第二の実施例は、第一の実施例において順方向フレームのみしか伝送しない場合のフレーム中継に相当するものである。なお、逆方向フレームのみしか伝送しない場合も始点ノードと終点ノードを読み違えれば同様であるため、説明を割愛する。

５つのノードＮＤ＿１〜ＮＤ＿５による中継を考える。始点ノードＮＤ＿１は第一データフレームＤＴ＿Ｕ１を時間ＴＢＳ１においてノードＮＤ＿２へ向けて送信する。ノードＮＤ＿２はノードＮＤ＿１からのデータフレームＤＴ＿Ｕ１を時間ＴＢＳ１において受信後、ＩＰＴ＿ＩＦＳ期間の後、直ちにＤＴ＿Ｕ１を時間ＴＢＳ２においてノードＮＤ＿３へ向けて送信し、これを繰り返すことで、終点ノードＮＤ＿５までのデータフレーム中継が行われる。

図５においては、受信状態を楕円で示している。たとえば、ノードＮＤ＿２の時間ＴＢＳ１に示した楕円は、ノードＮＤ＿１からのデータフレームＤＴ＿Ｕ１が正しく受信されたことを示している。

ノードＮＤ＿１では、データフレームＤＴ＿Ｕ１送信開始時からＴｓｐｃ＿Ａ時間毎に、後続のデータフレームの送信を周期的に行う。ここで、Ｔｓｐｃ＿Ａは 数２で与えられる。

ノードＮＤ＿２がノードＮＤ＿３へ時間ＴＢＳ２において送信したデータフレームＤＴ＿Ｕ１は、ノードＮＤ＿１におけるキャリア検出回路において検出されるため、これにより、ノードＮＤ＿１は当該ノードがノードＮＤ＿２へ向けて送信したデータフレームＤＴ＿Ｕ１が正しくノードＮＤ＿２において受信されたこと（ＡＣＫ検出）を知る。一例としてその様子をノードＮＤ＿１の時間ＴＢＳ２に示した。ノードＮＤ＿１では、時間ＴＢＳ２においてノードＮＤ＿２がノードＮＤ＿３へ向けて送信したフレームが同時に届くため、ＴＢＳ１においてノードＮＤ＿１が送信したデータフレームへのＡＣＫを得る事ができるのである。他のノードにおいても同様に中継先ノードが正しくデータフレームを受信できたかどうか知る事ができる。ただし、たとえデータフレームの送信に失敗した事がわかっても再送は行わない。送信に失敗したデータフレームは、始点ノードＮＤ＿１において全データフレームを送信後に、まとめて再送する。

送信元ノードにおいて常に送信先ノードからのＡＣＫ検出ができない場合、何らかの原因で当該ノード間の無線回線が切断されていることが予想される。このような無線回線断の状態は送信元ノードが把握できる。この場合、非常シグナルをネットワーク制御システムへ向けて報知することにより、それ以降の処理の中止を要求することができる。

更に図１０を用いて、本発明の第二の実施例の説明を続ける。始点ノードＮＤ＿１に置いて、送信するべき順方向データフレームがもはやなくなった場合には、グループＡＣＫ要求フレームＤＴ＿ＡＲを伝送する。ノードＮＤ＿１の時間ＴＢＳ１６においてその一例を示した。ノードＮＤ＿１は先行する時間ＴＢＳ１３において最後の順方向データフレームＤＴ＿Ｕ５を送信したので、次の送信時間タイミングＴＢＳ１６においてＤＴ＿ＡＲを送信している。

グループＡＣＫ要求フレームＤＴ＿ＡＲは他の順方向データフレームと同様に終点ノードへ向けて中継される。ＤＴ＿ＡＲを受信した各ノードは、当該フレームを他の順方向データフレームより先に中継してはならない。これにより、終点ノードＮＤ＿５においてＤＴ＿ＡＲを受信したととき、終点ノードＮＤ＿５では順方向データフレームがそれ以上受信されないことを知る事ができる。

更に図１１を用いて、本発明の第二の実施例の説明を続ける。 始点ノードＮＤ＿１はグループＡＣＫ要求フレームＤＴ＿ＡＲを送信後、終点ノードからのグループＡＣＫフレームＤＴ＿ＧＡの受信を待つ。始点ノードＮＤ＿１は逆方向データフレームを一切受信していないので、ダミーフレームＤＴ＿ＥＰを送信する必要はない。

グループＡＣＫ要求フレームＤＴ＿ＡＲを受信した終点ノードＮＤ＿５は、当該フレームへの応答であるグループＡＣＫフレームＤＴ＿ＧＡを返信する。ＤＴ＿ＧＡを受信した各ノードは、それ以前に逆方向データフレームを一切受信していない場合、即座にＤＴ＿ＧＡを先行するノードへ向けて中継する。たとえば、ノードＮＤ＿４では時間ＴＢＳ２０においてＤＴ＿ＧＡを終点ノードから受信しており、かつそれ以前に全く逆方向データフレームを受信していないため、時間ＴＢＳ２１においてただちにＤＴ＿ＧＡをノードＮＤ＿３へ向けて返信している。これを繰り返し、ＤＴ＿ＧＡは始点ノードまで届けられる。

終点ノードでは、データフレームのタイムスタンプ等の情報から、受信されていないデータフレームを抽出し、これらのデータフレームの再送を促すための情報をＤＴ＿ＧＡに載せる。

ＤＴ＿ＧＡを時間ＴＢＳ２３において受信した始点ノードＮＤ＿１は、もし受信したＤＴ＿ＧＡに再送データフレームの要求がきさいされていれば、該当するフレームを再送する。

以上を再送する順方向フレームが無くなるまで続け、再送すべきデータフレームがなくなれば無線チャネル予約解除のための制御フレームを始点ノードから中間ノードを経由して終点ノードまで中継し、すべての中継処理を終える。

本発明は、無線ＬＡＮ、セルラーシステム、ＦＷＡ等の無線アクセスシステムにおける無線中継ネットワークとして広く適用可能である。また、いわゆるアドホックネットワークと呼ばれる端末間無線中継にも適用可能である。

本発明におけるフレーム中継法の概要を説明する図 本発明における無線チャネル予約ステップを説明する図 本発明における送信周期設定ステップを説明する第一図 本発明における送信周期設定ステップを説明する第二図 本発明におけるフレーム中継ステップの第一の実施例を説明する第一の図 本発明におけるフレーム中継ステップの第一の実施例を説明する第ニの図 本発明におけるフレーム中継ステップの第一の実施例を説明する第三の図 本発明におけるフレーム中継ステップの第一の実施例を説明する第四の図 本発明の第二の実施例におけるフレーム中継を説明する第一の図 本発明の第二の実施例におけるフレーム中継を説明する第二の図 本発明の第二の実施例におけるフレーム中継を説明する第三の図 周期的間欠送信法を説明する第一の図 周期的間欠送信法を説明する第二の図 中継経路に枝分かれ分岐が存在する場合の問題を説明する図

符号の説明

Ｎ＿Ｓ 始点ノード
Ｎ＿１〜Ｎ＿７ 中継ノード
Ｎ＿Ｅ 終点ノード
Ｐ＿Ｓ＿３、Ｐ＿Ｓ＿５ 送信周期
ｆ１ 周波数
Ｔ１ 時間
ＮＡ＿１〜ＮＡ＿６ ノード
ＮＢ＿１〜ＮＢ＿３ ノード
Ｎｏｄｅ＿１ 始点ノード
Ｎｏｄｅ＿２〜Ｎｏｄｅ＿Ｎ−１ 中継ノード
Ｎｏｄｅ＿Ｎ 終点ノード
Ｂｅａｃｏｎ＿１、Ｂｅａｃｏｎ＿２、Ｂｅａｃｏｎ＿Ｎ ビーコンフレーム
Ｎｏｄｅ＿Ｏ１ 周辺ノード
ＡＣＫ＿Ｒ 経路予約完了フレーム
ＮＤ＿１〜ＮＤ＿１０ 経路ノード
ＴＢ１〜ＴＢ３９ 時間ブロック番号
ＴＢＳ１〜ＴＢＳ２８ 時間ブロック番号
ＰＤ＿１ 周期設定先行フレーム
ＰＤ＿２ 周期設定後続フレーム
Ｒ＿ＯＫ 受信成功状態を示す記号
Ｒ＿ＮＧ 受信失敗の状態を示す記号
ＤＩＦＳ キャリア検出期間
ＳＩＦＳ 周期設定ステップにおけるフレーム送信待機時間
ＩＰＴ＿ＩＦＳ フレーム中継ステップにおける送信待機時間
Ｔｓｓ 送信周期
Ｔ＿ＰＤ＿１ 周期設定先行フレームの時間長
Ｔ＿ＰＤ＿１＿Ｂｕｓｙ 周期設定先行フレームが始点ノードにおいてキャリア検出される時間ブロック数
Ｔｓ 意図的周期時間ブロック数
ＣＤ 衝突検出フレーム
ＯＫ 周期設定完了フレーム
ＤＴ＿Ｕ１〜ＤＴ＿Ｕ５ 順方向のデータフレーム
ＤＴ＿Ｄ１〜ＤＴ＿Ｄ３ 逆方向のデータフレーム
ＤＴ＿ＥＰ ダミーフレーム
ＤＴ＿ＡＲ グループＡＣＫ要求フレーム
ＤＴ＿ＧＡ グループＡＣＫフレーム
ＤＴ＿ＧＡＲ グループＡＣＫ返答フレーム
Ｔｓｐｃ＿Ａ 送信周期
ＤＴ＿Ｒ１、ＤＴ＿Ｒ２、ＤＴ＿Ｕｘ 順方向の再送データフレーム

Claims (18)

1. 複数の周辺ノードならびに複数の経路ノードからなり、当該経路ノードはさらにひとつの始点ノード、ひとつもしくは複数の中間ノード、およびひとつの終点ノードからなり、各経路ノードは互いに中継しあうことで枝分かれのない１本の中継経路を形成し、前記始点ノードから前記終点ノードへ向けて当該中継経路に沿って前記中間ノードを経由してフレームが中継伝送される多段無線中継方法であって、
   前記複数の経路ノードに隣接する前記複数の周辺ノードのうちの一部のノードの送信を一時停止にする無線チャネル予約ステップと、
   無線チャネル予約ステップにより予約された無線チャネル上で始点ノードが送信フレームを間欠送信する際の送信周期を設定する周期設定ステップと、
   無線チャネル予約ステップにより予約された無線チャネル上で始点ノードが前記周期設定ステップにより設定された送信周期で送信フレームを周期的に間欠送信するフレーム中継ステップからなる多段無線中継方法。
   
2. 複数の周辺ノードならびに複数の経路ノードからなり、当該経路ノードはさらにひとつの始点ノード、ひとつもしくは複数の中間ノード、およびひとつの終点ノードからなり、各経路ノードは互いに中継しあうことで枝分かれのない１本の中継経路を形成し、前記始点ノードから前記終点ノードへ向けて当該中継経路に沿って前記中間ノードを経由してフレームが中継伝送され、前記始点ノードから前記終点ノードへ向かう中継方向を順方向とし、前記終点ノードから前記始点ノードへ向かう中継方向を逆方向とし、前記経路ノードのうちの始点ノードを除く各ノードから見て、逆方向経路上のすぐ隣に位置する経路ノードを先行ノード，順方向経路上のすぐ隣に位置する経路ノードを後続ノードとする多段無線中継方法であって、
   前記無線チャネル予約ステップでは、前記始点ノードより前記中間ノードを経て順方向に前記終点ノードまで予約ビーコンフレームを中継し、当該予約ビーコンフレームを受信した前記周辺ノードは送信を見合わせ、前記予約ビーコンフレームを受信した前記終点ノードは予約ＡＣＫフレームを前記始点ノードへ向けて前記中間ノードを経て逆方向に中継し、
   前記周期設定ステップでは、前記予約ＡＣＫフレームを受信した前記始点ノードより送信周期設定先行フレームを送信し、さらに時間Ｔｓｓ後に送信周期設定後続フレームを送信し、送信周期設定先行フレームならびに送信周期設定後続フレームは、それぞれ前記中間ノードを経由して前記終点ノードまで順方向に中継され、前記送信周期設定後続フレームが終点ノードまで到達しなかったならば始点ノードは時間Ｔｓｓを増大させて再度送信周期設定先行フレームの送信からやりなおし、前記送信周期設定後続フレームが終点ノードにおいて正しく受信されたならば当該終点ノードより前記中間ノードを経由して始点ノードまで周期設定ＡＣＫフレームが中継され、
   前記フレーム中継ステップでは、周期設定ＡＣＫフレームを受信した始点ノードは時間Ｔｓｓの最終値毎に送信フレームを間欠送信し、前記各経路ノードでは先行ノードもしくは後続ノードより送信された送信フレームを待ち受け、送信フレームを受信したら当該送信フレームをバッファに蓄え、一定時間経過の後、バッファ内の送信フレームの一つを前記先行ノードもしくは前記後続ノードへ向けて送信することを特徴とする請求項１に記載の多段無線中継方法。
   
   
3. 前記予約ビーコンフレームには前記複数の経路ノードが無線回線を占有する時間を記載し、当該予約ビーコンフレームを受信した周辺ノードは当該予約ビーコンフレームが指定した無線回路を占有する時間の間、送信を見合わせることを特徴とする請求項２に記載の多段無線中継方法。
   
4. 前記送信周期設定後続フレームには当該フレームを発信した始点ノードが用いた送信周期Ｔｓｓの値を記載し、各経路ノードは当該フレームの受信により送信周期を知ることができることを特徴とする請求項２に記載の多段無線中継方法。
   
5. 始点ノード以外の各経路ノードは前記送信周期設定先行フレームを先行ノードより受信したのち当該送信周期設定先行フレームの後続ノードへの送信に成功し、その後、前記送信周期設定後続フレームを先行ノードより受信したものの当該送信周期設定後続フレームの後続ノードへの送信に失敗したことを検出すると、周期再設定要求フレームを始点ノードへむけて送信し、当該周期再設定要求フレームは前記中間ノードを経由して始点ノードへ中継され、前記周期再設定要求フレームを受信した始点ノードは送信周期Ｔｓｓを増大させた後、前記送信周期設定先行フレームの送信からやり直すことを特徴とする請求項２に記載の多段無線中継方法。
   
6. 前記送信周期設定先行フレームもしくは送信周期設定後続フレーム、いずれかを前記先行ノードより受信した前記ノードＡは、ある一定時刻経過後直ちに受信した当該送信周期設定先行フレームもしくは送信周期設定後続フレームを前記後続ノードへ中継伝送することを特徴とする請求項２に記載の多段無線中継方法。
   
7. 前記始点ノードより送信された送信周期設定先行フレームが後続の経路ノードより順方向へ中継されることによりキャリア検出される期間をＴ＿ｂｕｓｙとし、Ｔ＿ｂｕｓｙに意図的周期Ｔｓを加えた値に定数をかけたものを前期送信周期Ｔｓｓとすることを特徴とする請求項２に記載の多段無線中継方法。
   
8. ある経路ノードＳが新たに始点ノードとして送信フレームを終点ノードＤへ向けて伝送しようとする場合に、当該経路ノードＳが過去に中間ノードとして同一の終点ノードＤへ向けて送信フレームを中継した事があるならば、当該中継時の送信周期Ｔｓｓを用い、直ちに送信フレームを周期的に間欠送信することを特徴とする請求項４に記載の多段無線中継方法。
   
9. 前記送信フレームはデータフレームもしくは制御フレームからなることを特徴とする請求項１もしくは２記載の多段無線中継方法。
   
10. 前記送信フレームは、いずれも長さが一定となるように整形されることを特徴とする請求項１もしくは２記載の多段無線中継方法。
    
11. 前記終点ノードは前記待ち受けバッファに当該終点ノードで新たに発生したデータフレームを任意の時間に任意の数だけ格納することができることを特徴とする請求項２に記載の多段無線中継方法。
    
12. 終点ノードは、当該終点ノードに対する先行ノードより伝送された送信フレームを受信の後、新たに終点ノードで発生した送信フレームを始点ノードへ向けて送信可能であることを特徴とする請求項２に記載の多段無線中継方法。
    
13. 各中間ノードでは順方向の送信フレームと逆方向の送信フレームの中継伝送比率が一定となるように順方向と逆方向の送信フレームの送信優先度を決定することを特徴とする請求項２に記載の多段無線中継方法。
    
14. 前記始点ノードにおいて送信すべき送信フレームがなくなった場合、グループＡＣＫ要求フレームを送信し、グループＡＣＫ要求フレームは中間ノードを経由して終点ノードまで順方向に中継され、グループＡＣＫ要求フレームを受信した終点ノードはグループＡＣＫフレームを始点ノードへ向けて返信し、グループＡＣＫフレームは中間ノードを経由して始点ノードまで逆方向に中継され、グループＡＣＫフレームを受信した始点ノードはグループＡＣＫ返答フレームを送信し、グループＡＣＫ返答フレームは中間ノードを経由して終点ノードまで順方向に中継されることを特徴とする請求項２に記載の多段無線中継方法。
    
15. 前記グループＡＣＫ要求フレームを送信した前記始点ノードは、それまでに逆方向データフレームを一度でも受信している場合には、終点ノードからのグループＡＣＫフレームが到来するまで、送信周期Ｔｓｓにより送信フレームと同様にダミーフレームを送り続け、それまでに逆方向データフレームを全く受信していない場合にはなんらフレームを送信せず、前記ダミーフレームを受信した前記中間ノードでは当該ノードの前記待ち受けバッファが空である場合にはダミーフレームを後続ノードへ順方向に送信し、前期待ち受けバッファに送るべき送信フレームがある場合には当該フレームを先行ノードもしくは後続ノードへ送信することを特徴とする請求項１４記載の多段無線中継方法。
    
16. 前記中間ノードが前記グループＡＣＫフレームを受信した場合、当該中間ノードがそれ以前に全く逆方向の送信フレームを受信したことがなければ、ただちに当該グループＡＣＫフレームを前記先行ノードへ逆方向に送信することを特徴とする請求項１４記載の多段無線中継方法。
    
17. 前記始点ノードが逆方向の送信フレームを全く受信しなかった場合には前記グループＡＣＫ返答フレームを送信しないことを特徴とする請求項１４に記載の多段無線中継方法。
    
18. 前記グループＡＣＫフレームには前記終点ノードにおいて受信に失敗した順方向の送信フレーム番号が記載され、前記グループＡＣＫ返答フレームには前記始点ノードにおいて受信に失敗した逆方向の送信フレーム番号が記載されることを特徴とする請求項１４に記載の多段無線中継方法。
    
    
    

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