JP2006506843A - 動的ネットワークにおける発信ノードから宛て先ノードまでメッセージをルーティングする方法 - Google Patents

Abstract

無線リンクを介して通信する移動ノードを含むネットワークなどのアドホック・ネットワーク(AHN)におけるルーティング・テーブルを更新する方法。該方法は、確率的情報と経験的情報との両方を利用して、ルーティング・テーブルを、隣接ノードを喪失するか獲得して更新する。

Description

本発明はアドホック・ネットワーク(AHN)におけるルーティングの問題に関する。そのようなネットワークは、無線リンクを介して通信する移動ノードから成り得る。

AHNにおける通信は、その2つの移動ノードがお互いに適切な範囲内に収まる場合には、その２つの移動ノード間で直接行い得る。発信ノードSと宛て先ノードDとの間にあるノードが、発信元から宛て先まで複数のホップを介してデータを伝達するルータとしての役目を担う、マルチホップ・ルーティングの場合はより一般的である。そのようなマルチホップ経路を探索することは技術上困難であるが、それはAHNのトポロジがノードの動きによって常に変動するからである。よって、一般的には、AHNにおけるノード間でメッセージをルーティングすることは困難である。

なお、移動ノードから（場所が通常固定している）ゲートウェイ・ノードGまでルーティングすることもかなりの関心事項である。ゲートウェイ・ノードはその場合、移動AHNから固定ネットワークに対するアクセスを付与する。ノード・ゲートウェイ・ルーティングは原則的には、（この場合もまた）中間移動ノードがゲートウェイとの間でデータを転送するルータとしての役目を担う、マルチホップの場合を含み得る。

本明細書及び特許請求の範囲の原文記載の句「multi-hop routing in an ad-hoc network」は、これらの2つの場合（移動⇔移動、及び移動⇔ゲートウェイ）の何れかに適用するよう用い得る。

問題は、通信しようとする、AHNにおけるノード対間の良い経路を探索することである。「良い」経路についての基準には種々のものがある。経路は実現可能でなければならない（すなわち、もはや存在しないリンクを用いる、期限切れのトポロジ情報に基づくものであってはならない。）。経路は更に：中継するうえでの帯域の使用を最小にするよう、できる限り短くすべきであり；かつ、データを転送するうえで、望ましくない遅延をもたらす、混雑の激しい地域を避けるべきである。

状況及びアプリケーションによって、経路の良さについての別の基準が存在し得る。本発明は、その基準が経路に沿ったデータの伝送の過程で測定することが可能である限り、その、良さの何れかの基準に有用である。上記基準（経路が存在すること、経路の長さ、及び経路の遅延）は全て測定可能である。

良い経路を探索することは、固定の、静的ネットワークについての、容易に解決可能な課題である。ネットワーク・トポロジが時間依存である場合、全く新たな課題が発生する。現実的でかつ実用的な、ノード移動性のスパンと、無線通信範囲とに対して、AHNのネットワーク・トポロジは、静的ネットワークに用いられる伝統的な方法がたどり得るよりも速く変動し得る。よって、新たな経路探索（ルーティング）方法を、そのような動的ネットワークについて探索しなければならない。

AHNにおけるルーティングはこの10乃至15年の間に集中的に研究されている。AHNについて提案されているルーティング・プロトコルの数は非常に大きく、それらプロトコルを全部、本明細書中に列挙することは実用的でない。

アドホック・ルーティング・プロトコルの概要を記載するものがある（非特許文献１乃至3参照。）。

ウプサラ大学(Uppsala University)のクリスチャン・チューディン(ChristianTschudin)氏による電子版概要は、http://www.docs.uu.se/~tschudin/lect/20002001/dn2/slides/adhoc-4up.pdfから入手できる。

移動アドホック・ネットワークすなわちMANETに特化した、インターネット・エンジニアリング・タスク・フォース(IETF)の作業グループも存在している（http://www.ietf.org/html/charters/manet-charter.html参照。）。

更に、種々の研究論文では、確率的ルーティングが、固定である（が動的な）ネットワークにおけるルーティングについて提案されている。アドホック・ネットワーク用の特定の確率的ルーティング手法を記載する研究論文もある（非特許文献４参照。）。

確率的ルーティングは、マルチパス・ルーティングの形態である。マルチパス・ルーティングでは、ノードは考えられる宛て先毎に複数の経路選択を備えているルーティング・テーブル(RT)を保持している。動的ネットワークについては、複数の経路を保持することは、第１経路選択が機能しなくなる場合に迅速に経路を変更することを可能にするため効果的である。確率的ルーティングは、複数経路に関する情報の保持を伴い、複数経路のうちからの選択を決定的にではなく確率的に行うということも伴う。よって、確率的ルーティングには必然的に：データの発信元として見られる各ノードS；及び考えられる宛て先D全てについてRTを保持すること；という構成要素が関係する。そのようなRT各々は、Sの隣接ノードk毎に、確率p(k,D)でエントリを有する。よって、データをSからDまで送出することを予定する場合はいつでも、隣接ノードkが確率p（k,D）で選択される。

大部分のアドホック・ルーティング・プロトコルは、第１ノードSから第2ノードDまでのフル経路を、データを送出する前に探索しようとする。これを行うプロトコルには、２つのおおざっぱな分類が存在している。

その分類の1つは、プロアクティブ・プロトコルである。このプロトコルは、いつでもネットワーク全体についてのひとそろいのルーティング解決策を保持しようとするものである。この意味合いで、このプロトコルは、静的ネットワーク上でのルーティングに用いられる手法に似ているが、当然、AHNの動的な特性によりよく対処するよう形成される。このプロトコルは、全てのS-D対についてひとそろいのルーティング・テーブル群に達する情報を保持しようとするものであるので、「テーブル・ドリブン」としても知られている。

その分類のもう1つは、リアクティブ・プロトコルである。このプロトコルは、発信元Sが宛て先Dに対してデータを送出する必要がある場合のみ、SからDまでの経路を探索しようとするものである。このプロトコルは、「発信元起動」又は「オン・デマンド」のプロトコルとしても知られている。オン・デマンドのプロトコルのうちで最も著名なもののうちの２つを最近評価したものもある（非特許文献5参照。）。

データを送出する前にフル経路を探索しなくてよいアドホック・ルーティング手法が存在する。そのような手法は、以下の手順の一方又は両方を用いる。

上記手順の１つには、階層的プロトコルがある。このプロトコルでは、ネットワークがクラスタに分割される。クラスタ内部でのルーティングは上記の非階層的方法のうちの何れかによって行われる。しかし、Sのクラスタの外部のノードへのルーティングは、データを指定ゲートウェイ・ノードに送出することによって行われる（ここでは、ゲートウェイは別のクラスタに向けてのものであり、固定ネットに向けてのものでない。更に、ゲートウェイ・ノードは移動ノードでもある。）。データは次に、クラスタ間を、クラスタ間ルーティング問題を解決しなければならないゲートウェイ・ノードを介して、Dがあるクラスタに達するまで転送される。更に、データはクラスタ内プロトコルを用いてDにルーティングされる。そのような階層化ルーティングは静的インターネットに用いるものによく似ている。

上記手順のもう１つには、位置情報利用プロトコルがある。このプロトコルでは、Sが、自らの地理的場所、更にはDの地理的場所が分かっている場合、Dの方向にデータを、Dへの経路をまるまる分かっていなくても送出することが可能である。問題は、その場合、移動する、考えられる宛て先ノードの場所に関する最新情報を保持するということである。宛て先ノードが（固定ネットに対するアクセスを与える）固定ゲートウェイ・ノードＧである場合、この問題は取るに足らないものであり、各移動ノードに位置決め技術を装備するだけでよい。

アドホック・ネット上でのマルチホップ・ルーティングの問題に対する一意の最善な解決策はおそらく存在するものでない。そのようなネットワークは、ノードの移動性、及び、ノード間のトラフィックのパターン並びに量において大きく変動し得るものである。ルーティング手法の種々の種類の各々は、以下のように、その自らの欠点を有する。

プロアクティブ・プロトコルは、明らかに、ネットワーク・トポロジの変動が遅い場合に最もうまく機能する。同様に、ネットワークが（例えば、ノードの移動性が高すぎるので）動的過ぎる場合、このプロトコルは、ネットワークの過剰な時間変動に直面してルーティング・テーブル群全てを保持しようとして、ネットワークをオーバヘッド・メッセージ攻めにする。すなわち、このプロトコルは、ネットワーク・トポロジの変動の頻度が高すぎる場合、機能しなくなるが、それは通常、ノードの移動性が高すぎること及び/又はネットワークが大きすぎることが理由である。要約すると、プロアクティブ・プロトコルに関して一番重要な問題は、動的ネットワークに生じるルーティング・オーバヘッドが大きいことである。

リアクティブ・プロトコルは、そのルートが必要な場合のみそのルートを探索し、それによって、そのルーティング・オーバヘッドをプロアクティブ・プロトコルに対し削減する。すなわち、そのルーティング・オーバヘッドは、ネットワーク・トランジエンスとともにではなく、ネットワーク・トラフィックとともに増大する。この手順はよって、トラフィック・レートがそれほど高くない限り、非常に動的なネットワークに対してうまく機能し得る。この理由で、この手順はプロアクティブ・プロトコルよりも好まれる傾向にある。

リアクティブ・プロトコルは、経路を探索しなければならない速度が、経路を探索することが可能である速度を超える場合に機能しなくなる。このことは、（前者の速度を増加させる）高トラフィック、（前者の速度を増加させ、後者の速度を減少させる）高ネットワーク・トランジエンス、又は（後者の速度を減少させる）大ネットワーク規模によって起こる。このプロトコルは特に、ネットワーク規模に対して脆弱である。すなわち、ネットワークが大きくなりすぎると、オン・デマンドで経路を探索するのに必要な時間は、経路が有効な時間を超える可能性があり、その時点ではルーティングは不可能となる。

当然、任意に大きなネットワークを扱うことが可能なAHNルーティング手順は何ら存在するものでない。しかし、リアル・タイムで経路全体を探索する必要性は、これらのプロトコル・クラス、すなわち、リアクティブ及びプロアクティブにとってかなりのボトルネックである。

階層型プロトコルは、データを送出する前に経路全体を探索する必要性がないようにする。しかし、このプロトコルは、プロアクティブ手順が直面するものと同様な問題に直面する、すなわち、大きすぎるネットワーク及び/又は動的すぎるネットワークに対しては機能しなくなる。その理由は、このプロトコルが、ネットワーク全体の問題、すなわち、ノードを階層にクラスタ化させる方法及びクラスタ間でのルーティング方法の選択、を繰り返し解決しなければならないということである。一部の移動性パターン（すなわち、ノードが自然にクラスタで移動する傾向にある場合）については、この包括的な問題に対する解決策はそれほど急速に変動するものでない。しかし、高移動性ノードが非相関状態で移動している通常のAHNでは、特にネットワークが大きい場合、容認できないオーバヘッド費用がかかることになる。

位置情報利用プロトコルは、上記種類のオーバヘッドの問題を大いになくすようにするが、それは単に、データを送出するために、その宛て先の位置を知る必要があるからである。位置情報利用プロトコルはその場合、2つの欠点を有する。第１に、宛て先の位置に関する、十分好適な情報を得るのは困難であり得る。発信元はDの位置が正確に分からなくてよいので、そのような手順は一部が期限切れの情報によって機能し得る。更に、Dとの定期的な通信によってその位置を更新し続ける役目を担う。よって、ノードが、この場合も又地理的に離れている、いくつかの別々のノードと（経時的に）不定期で通信する場合のみ、問題が生じる。

位置情報利用ルーティング手順に関する第２の問題は、該手順が、データをDに向けて「ねらいを定める」ことに当然依存するという点である。すなわち、次のホップはDに最も近い隣接ノードとして選択される。問題は、データが、Dに直接達することが可能でなく、更に、それ自体よりもDに近い隣接ノードを何ら有するものでないノードに到着する場合に生じる。そのようなノードは、この種のルーティング手順についての「デッド・エンド」を表し、よって、この手順は、デッド・エンドを避けてルーティングする何らかの手順によって増補させなければならない。デッド・エンドは、ノードの密度が低いAHN及び/又はノード密度に非常にむらがあるAHNに最も起こりやすい。

なお、（上記のように）最後に、固定ゲートウェイ・ノードに対するルーティングは、これらの問題のうちの2つ目のものだけを有するが、それは、宛て先Gの位置が常に分かっているからである。
S. Ramanathan 及び M. Steensrup, "A survey of routing techniques for mobile communications networks", Mobile networks and Applications, vol. 1 no. 2, p. 89, 1996 J. Broch, D.A. Maltz, D.B. Johnson, Y.-C. Hu, 及び J. Jetcheva, "A performance comparison of multi-hop wireless ad hoc network routing protocols", Proc. MobiCom ’98, Dallas, TX, USA, 1998 E.M. Royer 及び C.-K. Toh, "A review of current routing protocols for ad hoc mobile wireless networks", IEEE Personal Communications, April 1999, p. 46 P. Gupta 及び P. R. Kumar, "A system and traffic dependent adaptive routing algorithm for ad hoc networks", Proceedings of the 36th IEEE Conference on Decision and Control, pp. 2375-2380, San Diego, Dec. 1997 C.E. Perkins, E.M. Royer, S.R. Das, 及び M.K. Marina, "Performance comparison of two on-demand routing protocols for ad-hoc networks", IEEE Personal Communications, February 2001, p.16

本発明の目的は、上記欠点をなくす方法を備えることにある。

この目的で、本発明は、動的ネットワークにおいて発信ノードから宛て先ノードまでメッセージをルーティングする方法を開示し、発信ノードは、ルーティング・テーブルを含み、ルーティング・テーブルにおける各行は、発信ノードから送信されるデータ・メッセージについて考えられる宛て先ノードを表し、ルーティング・テーブルにおける各行は、発信ノードの隣接ノード毎に１つの確率値を含み、該方法は、メッセージが発信ノードから宛て先ノードに送出される都度とられる品質測定によって確率値を更新する工程、行における最高確率値を備えている隣接ノードを、ルーティング・テーブルにおける宛て先ノードについて選択することによって、所定の割合のメッセージをルーティングする工程、及びルーティング・テーブルにおける同じ行において示されている確率値によって隣接ノードの間でメッセージを配信することによってその他のメッセージをルーティングする工程を含む。

しかし、本発明の正確な範囲は、いくつかの好適実施例を含む本特許請求の範囲から明らかである。

上記のように、一般的に、AHNにおけるノード間でメッセージをルーティングすることは困難である。本発明が対処するのはこのルーティング問題、特に、アドホック・ネットワークにおけるマルチホップ・ルーティングに対してである。

上記のように、確率的ルーティングが、数多くの研究論文において、固定である（が動的な）ネットワークにおけるルーティングについて提案されており、AHNについての確率ルーティングの形態が上記非特許文献4で提案されている。

本発明はAHNについての確率ルーティングを用いる。これは、ノードのルーティング・テーブル(RT)を、データについての確率的ルーティングと決定的ルーティングとの新規性を有する混合によって更新する手段としてのデータ・パケット自体の利用に関する。本発明は更に、新たなリンクを確立する場合にRTを更新する、新規性を有する方法も含む。

確率的ルーティング手順の各々は、（「重み」とも呼ばれる）RT確率を更新する方法が必要である。このように提案されている本発明では、メッセージがSからDに送出される都度、採られる経路の品質が測定されることになる。品質尺度は、ホップ数、時間遅延、若しくは別の尺度、又はこれらの組み合わせであり得る。本明細書及び特許請求の範囲において提案されている方法は、それが測定可能である限り、何れかのそのような品質尺度に用い得る。経路に対する品質尺度、更には実際に採られる経路は、データ・パケットとともに伝達される。この情報は、データの送出に伴って含まれる小量のオーバヘッドを表す。

RTの更新はその場合、以下のように行われる。ネットワークにおけるリンクが対称である場合、メッセージは、経路上で訪問するノードN各々でSに向けて指し示すRTを更新することが可能であるが、それは、対称によって、S→N経路の品質がN→S経路の品質と同じであるからであり、それによって、前者は、宛て先SについてのNのRTを更新するのに用いることが可能である。

リンクが対称でない場合には、採られるS→D経路の品質に関する情報、更には、形態S→Nの中間経路全ての品質の尺度とともにDにメッセージが到着する。この情報はその場合、Sに、小さな、高優先度ルーティング・パケットによって返信され、経路において用いられるノード全てについてSでRTを更新するのに用いられる。よって、この方法は、ノードがパケットを優先順位付けする手順を有することを必要とするので、これらの戻りルーティング・パケットには高優先度を与え得る。このことは同様に、Sにもう一度伝達する情報が陳腐化することを妨げる。

経路の測定品質はδと呼び得る。p(k,D)(old)を、kを介したDに向けての更新前のRTにおける確率とする。その場合、更新値は、隣接ノードkが経路において用いられた場合には：

である。宛て先Dについての残りのエントリjは、確率の和を１に保つように補正される。すなわち：

である。

これによって、RTにおける重みを更新する一般的な方法が表される。更新重みδを判定する特定の方法は、用いる対象の品質尺度によって変わってくる。それは更に、ネットワークに、より速く適合させるか、より遅く適合させることを強いるよう調節して、当該方法の特性を調節することが可能である。これらの詳細は本発明では規定するものでないが、それは、更新手順のこの部分は、静的ネットワークについての公知の方法とは異なるものでないからである。

本発明の好適実施例によれば、どのメッセージも、確率的RT用情報を更新するソースとして用いられる。よって、この方法は当然、更新レートをトラフィック・レートによって調節する。すなわち、高トラフィックでは、RTは頻繁に更新され、よって信頼性を有する可能性が高い。

本発明において提案されている別の更新手順は、トラフィック・レートとは別個のものであり、むしろ、ネットワーク・トポロジにおける変動によって引き起こされる。この第２手順はよって、RTを低トラフィック・レートで更新し続ける一方、高トラフィック・レートでは主要でない役割を果たす。

第２更新手順は、何れかのノードjによって、そのノードが、その隣接群NS(j)における変動を検出する場合に開始される。無線リンクを用いたノードに対する隣接群は、接続性を維持するために電力レベルを調節する一方で、種々のリンク間での干渉をできるだけ低く保とうとするアルゴリズムによって判定されるようなものである。AHNに用いるそのようなアルゴリズムはいくつか存在する。本発明はこのアルゴリズムを規定するものでない。規定されているのは、NSにおける変動に応答する規則である。ここでは、考えられる場合が２つある。すなわち、その２つの場合とは、(a)隣接ノードが喪失される場合；(b)及び隣接ノードが獲得される場合である。

a) 隣接ノードが喪失される場合：ノードjが隣接ノードkに対するその接続を喪失したものと仮定する。その場合、行なう対象のタスクは2つ存在する。すなわち、その２つでは、(i)宛て先D全てについてのRTが隣接ノードkが取り除かれたことを反映するよう調節されなければならず；(ii)kに対してルーティングする方法を規定する重み群（そのRTにおける新たな行）を構築しなければならないが、それはkがもはや1ホップ隣接ノードでないからである。

(i) 宛て先D毎に、jの残りのNSについての重みを調節してその和が１にならなければならない。本発明では、隣接ノードkの喪失の前に有していた相対的な重みと同じ重みを保つようにこの重みを調節することを提案している。この規則は、隣接ノードｋの喪失が、Dに対する残りの経路の相対的な良さに関する何れかの新たな情報を備えていないことによって動機が与えられている。

(ii) ノードjは、隣接ノードkの喪失を検出した後、（可変の）時間間隔Δt(1)の間、待たなければならない。kに対する接続がこの時間後再確立されておらず、ノードjがデータを何らkに対してその時間中に送出しようとしなかった場合、ノードjは、jとkとの間の必要なルーティング情報を備えることが単一目的である「ダミー」メッセージを出すことになる。kに向けてのjのRTは当初、同等な重みに設定される、すなわち、jの全ての隣接ノードは、kに対する経路を備えることが同等にあり得るものとして示される。よって、jによって出されるダミー・メッセージは、jの、出ていく隣接ノードを同等な確率でそのkについての探索において選択することになる。経路における後続ノードはkに向けてのルーティング情報を有することになる。ここでは、ダミー・メッセージは、kまでの途上でのその次のホップについて最高の重みの経路を選択することになる。対称リンクについては、ダミーの品質尺度を用いて、（k自体を含む）kへの途上で訪問するノード各々の（jに向けての）RTを更新し得る。対称リンクについても非対称リンクについても、kに達すると、ダミーは、高優先度ルーティング・パケットを引き起こし、このパケットは、kに向けてのjのRTを更新するのに用いる品質尺度を備えているjに戻る。jがそのような確認を、ダミーを出してから（可変の）時間Δt(2)後、受信していない場合、jは別のダミーを出すことになる。よって、jは、成功するまで、喪失した隣接ノードkを探索するダミーを出し続けることになる。なお、非対称リンクについては高確率で、かつ対称リンクについては100%の確率で、jがkを隣接ノードとして喪失する場合、kはjも喪失し、jを探索するダミーを出し始める。工程(ii)の結果はその場合、j及びkが、２つのノードを接続する最新のルーティング情報を再確立したということである。

b) 新たな隣接ノードの獲得： jが新たな隣接ノードwを獲得したものと仮定する。その場合、行なう対象のタスクは1つだけであるが、それは(ii)の相似形、すなわち、喪失した隣接ノードを探索する工程がここでは必要でないからである。当該タスクはその場合、（w以外の）考えられる宛て先D全てについてjのRTを、jが新たな隣接ノードを獲得したものと仮定する場合に調節する。JのRTに記憶されているルーティング情報を用い、更に、wのRTに記憶されているルーティング情報を用いることが望ましい。これは、以下のように行われる。

この目的は、宛て先Dに達する方法に関する、ノードj及びwからの情報をプールすることである。第１工程は、j及びw各々が保持する情報の品質を評価する工程である。数値的には、jは、そのRTにおける宛て先D毎にルーティング品質評価RQR(D,j)を算出し：
RQR(D,j)=p(max,D)−p(min,D)；
となり、p(max,D)は、宛て先Dについてのjの現行リストにおける最大の重みであり、p（min,D）は最小のものである。このように算出すれば、何れかのRQRはゼロの最小値を有する（Dまでのルーティングに関しては何も分からない）一方、１の最大値を有する（この場合、Dまでの１つの、最善のルートのみが何れかの重みを有する。）。ノードjは更に、RQR(D,W)に宛て先D毎にノードwから要求する。

次に、jは、wをDまでのルートとして用いることに対してより多くの重み又はより少ない重みを、２つのRQRの相対値によって与えることになる。jは、wを発見する前にnの隣接ノードを有していた場合、その後はn+1の隣接ノードを有するので、ノードwについての平均重みは1/(n+1)となる。ノードjは、２つのRQR（jのものとwのもの）が十分異なる場合、以下のように、この平均値から逸脱することになる。

とする。

その場合、DについてのｊのRTにおけるノードwに与えられる新たな重みは：

となる。

この規則によって、wに対する平均重みが、（Dへのルーティングに関してノードwが「分かっている」程度を測定する、）DについてのそのRQRがDについてのjのRQRと同じ場合に表される。しかし、wがjよりもずっとよく分かっている〔RQR(D,w)=1、及びRQR（D,j）=0の〕場合、jのルーティング・テーブルにおけるwの新たな重みは100%となる。最後に、wのRQRがjよりも十分少ない場合、ゼロの重みを得ることになる。要約すると、この規則は、２つのノードが、Dまでルーティングするタスクに関して、相対的に「分かっていること」を評価し、Dへのjからのwを介した経路を適宜、重み付けするよう企図されている。残りの重み、すなわち1−p(w,D)(new)は、jの残りの隣接ノードのうちで比例的に分割され、その割合は、wの発見前と同様に固定される。

ルーティング・テーブルが、宛て先毎の複数の、重み付けエントリを備えていると仮定すれば、パケットをその宛て先に向けてルーティングする方法には３つの選択がある。これらの選択は、「ユニフォーム」ルーティングすなわちuルーティング、「レギュラー」ルーティングすなわちrルーティング、及び「グリーディ」ルーティングすなわちrルーティングと呼び得る。

ユニフォーム・ルーティングは、RTにおける重みを無視し、隣接する群におけるノードから同等の確率で次のホップを選択する。ユニフォーム・ルーティングは、データをルーティングするうえで良い選択でありそうにない。しかし（上記のように）、喪失した隣接ノードを探索するダミー・メッセージが（第１ホップで）一様にルーティングされる。更に、NSにおける変動がない場合でも少数のダミー・メッセージを出すことは効果的であり得る。このメッセージは、ルーティング処理における「ノイズ」としての役目を担う。その効用は、このメッセージが、さもなければ未使用のままとなる好適なルートを、システムのRTが以前は最善であったが、もはやそうでない別のルート群に落ち着いた場合に発見する役目を担い得るという点にある。すなわち、ルーティングにおけるノイズによって、最適レベルを下回るルートにシステムが「凍結」されることを妨げる。確率的ルーティング手順では、通常、小さな割合f%の、uルーティングされるダミー・メッセージが用いられ、提案されている手順においては、そのようなメッセージも、可変のパラメータであるfとともに用いられることになる。

レギュラー(r)・ルーティングでは、RTに示されている確率によってデータを送出する。これは、確率的ルーティングである。

最後に、グリーディ(g)・ルーティングでは常に、次のホップについて、最高の重みのエントリを選択する。よって、このルーティング方法は決定的なものである。

固定ネットワーク上での確率的ルーティングの研究では、ルーティング情報を収集する目的でかなりの数のダミー・メッセージを用いることが一般的である。これらのダミー・メッセージは多くの場合、「エージェント」又は「アント」と呼ばれ、後者の名前はネットワークに群がり、その他のアントを誘導する「トレール」を残してゆく小物体としての特性に由来する。先行するアントから、後続するアントが有益に学習することができるためには、アント（ネットワークを探索するダミー・メッセージ）がrルーティングによってルーティングされることが重要である。すなわち、アントは、先行する経験によって確立された確率に従わなければならない。一方、（これらの研究における）メッセージは通常、グリーディ・ルーティングを用いてルーティングされる。すなわち、何れの特定の時間でも最善の既知の経路が選択される。

このようにして、固定ネットワーク上での確率的ルーティングの先行研究は、ダミー、探索メッセージについてはrルーティングを用いた一方、データについてはgルーティングを用いた。提案されている発明では、アント及びデータは組み合わせる対象である。すなわち、ネットワークを通じて送信されるデータ・パケットは全て、RTを更新するのに用いられ、純粋に、ネットワークを探索するのに用いられる空き状態の（ダミーの）メッセージはわずかである。すなわち、メッセージもアントとしてふるまうということである。けれども、２つは、組み合わせられるので、同じ規則、すなわちgルーティング又はrルーティングによってルーティングされなければならない。

本発明では、2つの規則を混合したものを用いることを提案している。すなわち、h%のメッセージは高優先度（グリーディ・ルーティング、最高重み）によってルーティングされることになる一方、(100−h)%のメッセージは、標準の優先度（RTにおける重みによる、レギュラー・ルーティング）によってルーティングされることになる。hは可変パラメータである。本発明は、２つのルーティング規則を混合したものを用いて、両方の恩恵を受けることを可能にする。すなわち、gのルーティングは通常、何れかの特定のメッセージについて最善の性能をもたらすことになる一方、rルーティングは、メッセージが併せて寄与する学習プロセスをサポートするのに必要である。このようにして、混合したものが選択され、各々の割合は、特定の動作条件群の下で達成可能な性能によって判定される対象である。

例
以下の表１は、発信元Sと呼ぶノードについてのルーティング・テーブル(RT)の例を表す。

この例では、ノードSは５つの1ホップの隣接ノードを有する。RTはその場合、隣接ノード毎及びあて先毎の確率として解釈し得る「良さ係数」を有する。この係数は、宛て先毎にどの隣接ノードを用いるかをノードが判定するのに寄与する。例えば、Sが宛て先1に送出しようとする場合、RTによれば、隣接ノード2が最善の選択である。

（なお、この、良さ係数は、ルート品質を評価するRQRではないことに注意されたい。）例えば、ノードS及び宛て先1についてのRQRは0.5−0.05=0.45である。一方、宛て先4は最低RQRのゼロを有する。

「など」は、通常のアドホック・ネットワークでは、5つ以上の宛て先が存在するということを表す。すなわち、Sから見ると、ネットワークはS自体（1ノード）に加えてSの隣接ノード（ここでは、更に5つのノード）、更には、その各々がRTにおける行を有し得るその、残りの全てから構成される。

「グリーディ・ルーティング」は常に、最高の良さ係数を備えている隣接ノードを選択することになる。すなわち、宛て先Dを前提にすれば、RTの相当する行を走査して、最高係数を備えている隣接ノードを選ぶ。

各行における係数は、その和が１になるので、確率として見ることが可能である。「レギュラー・ルーティング」はその場合、宛て先Dを前提にすれば、RTの相当する行を走査し、行におけるその隣接ノードについての係数に等しい確率を備えている最初のホップの隣接ノードを選択するということを表す。すなわち、Sは、レギュラー・ルーティングを用い、宛て先１に送出したい場合、隣接ノード1を確率0.1で選択し、隣接ノード2を確率0.5で選択するなどの（標準の）アルゴリズムを必要とする。

宛て先毎の、次のホップ、及び宛て先１つ１つについての重みすなわち確率について多くの考えられる選択が存在する場合、結果として生じるルーティング手順は、「確率的ルーティング」を用いているということである。

確率的ルーティングを用いている（全部ではないが）大部分の手順は、メッセージについてはグリーディ・ルーティングを用いることになる一方、「探索パケット」すなわち「アント」についてはレギュラー・ルーティングを用いることになる。前者はデータを収容する一方、後者はネットを探索し、RTを更新するうえで用いる情報を収集することのみに用いられる。本発明の手順はデータ・パケットに両方のジョブを処理するよう要求する。データ・パケットがルーティングされることになる方法についての規定は新たなものである。すなわち、h%はグリーディ・ルーティングを用いることになる一方、(1−h)%はその場合、レギュラー・ルーティングを用いる。このようにして、良い配信と良い探索が得られる一方、非常に少ない純粋に探索のパケットを用いることによってオーバヘッドが低くなる。

ノードSは、隣接ノードを喪失する場合、RTの一列全部を喪失することになる。その場合、ノードSは２つのことを行わなければならない。

(i) 既存の行の残りの列における重みを再調節して、その和が１になるようにする；
(ii) 喪失ノードが新たな宛て先になるので、新たな行をテーブルに追加する。この喪失した隣接ノードを探索する方法に関する情報が何らないので、ノードSは新たな行を、（例RTにおける宛て先4について図示したように）等しい重みで充填する。しかし、本発明の方法は、喪失した隣接ノードを探索するダミー・メッセージをSが送出することを必要とする。

ノードSが新たな隣接ノードを発見する（これについては標準的な手順が存在するが、本発明の一部でない。）場合、新たな列を追加しなければならない（うえ、新たな隣接ノードが以前、宛て先であった場合には、その行を取り除く。）。新たな列を追加することは、RTにおける全ての行を調節することを必要とする。更に、（NNと呼ぶ）新たな隣接ノードは新たな隣接ノードであるSをちょうど探索している。このようにして、両方のノードともそれらのRTの行を全て更新しなければならない。本発明の方法は、両方のノード、すなわち新たな隣接ノードNN及びSからの情報をプールする新たな、好適な方法を有して、RQRを用いて、ルーティング情報を混合したものを最善に利用する。

本明細書及び特許請求の範囲記載の新たな特徴（及びその他の特徴）の全ては、そのようなネットワークが、変動するトラフィック・パターン、又は接続性が変動するノード若しくはリンクなどの十分に動的な動作条件を有する場合にはいつでも、有線ネットワークとともに用いることが可能であるので、確率的ルーティングなどの適合的な手順が有益である。

有線の場合とアドホック・ネットワークとの中間である「メッシュ・ネットワーク」と呼ぶ重要な場合も存在する。メッシュ・ネットワークは、無線のノードの間でマルチホップ・ルーティングを用いるが、このノードは通常、移動ノードでない。その代わりに、このノードはビルに固定されている。そのようなネットワークは効果的には、アドホック・ネットワークによって用いるものと同様なアルゴリズムを用いる。そのようなアルゴリズムによって、（個々の家庭での）ノードが無計画な方法でネットワークに出入りすることを可能にする一方でもメッシュ・ネットワークが集中制御をなくすことを可能にする。すなわち、メッシュ・ネットワークは、AHNとともに用いるものと非常によく似た自己修復機構をサポートする場合に最も魅力的である。本発明において記載した方法は、メッシュ・ネットワークに効果的に適用することが可能である。メッシュ・ネットワーク技術を提供している企業の例としては、メッシュ・ネットワーク（MeshNetwork）、スカイ・パイロット（SkyPilot）、コウェーブ（CoWave）、及びエンバー（Ember）が含まれる。

アドホック・ルーティングは、固定ネットワークとの組み合わせで用いる場合にその適用可能性が最も広くなることを見出す可能性が最も高い。孤立した、移動体無線ネットワークは特定の場合以外は有用でない。しかし、マルチホップ及び無線接続性は、固定ネットワークの範囲と容量とを基地局によって拡張するうえで有用な方法として有望である。よって、最もあり得るAHNの用途は、固定ゲートウェイ・ノード、又は基地局との間でのルーティングに関することになる。本発明はこのような場合に有用であることになり、AHN内部の移動ノード間でのルーティングのみの「純粋な」場合よりもこのような場合にうまく機能することになるのはほぼ確実である。これは、多数の移動宛て先にルーティングするよりも固定ゲートウェイにルーティングするほうがより困難でないからである。よって、同様に上記の確率的ルーティングを用いるマルチホップ無線ルーティングによって「エッジ」で拡張される固定インフラストラクチャは、将来の通信システムについて非常に有望なシナリオである。

位置利用ルーティングは更に、そのような状況においてうまく機能することが有望である。低コストで移動用のハンドヘルド型機器上でのリアルタイム位置決め情報提供をサポートすることが実用的になった場合には、そのような情報は、確率的ルーティングと組み合わせて、マルチホップ・アドホック・ルーティングに対して最も簡単でかつ最も信頼性の高いサポートをもたらすことになる。特に、本発明は、位置情報と組み合わせて、なお効果的なルーティングをもたらす可能性がある。

Claims (10)

1. 動的ネットワークにおける発信ノード(S)から宛て先ノードまでメッセージをルーティングする方法であって：
   該発信ノードはルーティング・テーブルを含み；
   該ルーティング・テーブルにおける各行は、該発信ノード(S)から送信されるデータ・メッセージについての考えられる宛て先ノード(D)を表し；
   該ルーティング・テーブルにおける各行は、該発信ノード（S）の隣接ノード(k)毎に１つの確率値p(k,D)を含み；
   メッセージが該発信ノード(S)から宛て先ノード（D）に送出される都度とられる品質測定によって前記確率値を更新する工程；
   を含み；
   該行における最も高い確率値を備えている該隣接ノードを該ルーティング・テーブルにおける宛て先ノード(D)について選択することによって所定の割合の該メッセージをルーティングし；
   別のメッセージを、該ルーティング・テーブルにおける該行と同じ行において示される前記確率値によって該隣接ノードの間で該メッセージを配信することによってルーティングすることを特徴とする方法。
2. 請求項1記載の方法であって：
   該確率値は：
   

   

   の式によって更新され；
   δはリンクの測定品質を表し；
   p(k,D)(old)は旧確率値量を表し；
   該ルーティング・テーブルにおける残りの確率値は、該ルーティング・テーブルの各行における前記確率値の全ての和が１になるように調節されることを特徴とする方法。
3. 請求項1又は2記載の方法であって：
   品質尺度が、ホップ及び/又は時間遅延によって表されることを特徴とする方法。
4. 請求項1記載の方法であって：
   隣接ノードとの、喪失された接続を検出すると、当該ノードについてのルーティング・テーブルの各行について、該喪失された隣接ノードと関連する確率値を取り除き、残りの隣接ノードの確率値を調節して和が１になるようにし、該喪失された隣接ノードについての該ルーティング・テーブルにおいて新たな行を、該新たなルーティング・テーブル行におけるめいめいの残りの隣接ノード毎に同等な確率値を当初割り当てることによって作成し、更に、当該ノードから該喪失された隣接ノードに向けて出されるデータ・メッセージによって行われる品質測定によって該確率値を調節することを特徴とする方法。
5. 請求項4記載の方法であって：
   確率値が、該残りの隣接ノードのうちでの、該隣接ノードの該喪失前の相対的な関係を再確立するよう更に調節されることを特徴とする方法。
6. 請求項4又は5記載の方法であって：
   該喪失が検出されてから、既存のルーティング行テーブルの調節と、該新たなルーティング・テーブル行の生成とが実行されるまで所定の期間、待つことを特徴とする方法。
7. 請求項6記載の方法であって：
   ルート品質測定を行い、該ルーティング・テーブルを更新する該メッセージ自体が、単に該データ・メッセージであり、ダミー・メッセージが、所定の時間間隔後に、かつ該所定の時間間隔を過ぎた後は等間隔で、単に、喪失された隣接ノードを探索する目的で特に出されることを特徴とする方法。
8. 請求項1記載の方法であって：
   新たな隣接ノード(j)の利得を検出すると、該新たな隣接ノード(j)と該発信ノード（S）との両方について、考えられる宛て先ノード（D）毎に１つのルート品質評価（RQR(D,j)及びRQR(D,S))を、宛て先ノード(D)毎の最大確率値と最小確率値とに基づいて算出し；かつ
   考えられる宛て先ノード(D)全てについて、該新たな隣接ノードについての新たな確率値を、該隣接ノード(j)と該発信ノード(S)についての該ルート品質評価と、当該関連する隣接ノードの数とに基づいて算出することを特徴とする方法。
9. 請求項8記載の方法であって：
   該ルート品質評価が、最大確率値から最小確率値を引いた値であることを特徴とする方法。
10. 請求項9記載の方法であって：
    該新たな隣接ノード(j)についての該新たな確率値が：
    

    

    であり；
    xが該新たな隣接ノードの該品質評価であり；
    yが当該ノードの該品質評価であり；
    nが該新たな隣接ノードを獲得する前の隣接ノード数であることを特徴とする方法。