JP2006516849A - 複数のノードを含むマルチホップ無線通信ネットワークにおいて消費電力を低減する方法および複数のノードを含む無線通信システム - Google Patents

Abstract

システムおよび方法は、マルチホップ無線通信ネットワークにおける消費電力を低減する。中間ノードにおいて、ソースノードから信号が受信される。信号は、宛先ノードへメッセージを中継することを求める要求を含む。要求は、中継モードまたは再生モードのいずれかでメッセージを中継するための電力要件に関する情報を含む。中間ノードで利用可能な電力が電力要件を超える場合、要求は受容される。メッセージを再送するための基準に基づいて中継モードまたは再生モードのいずれかが選択され、選択されたモードを用いてメッセージが宛先ノードへ中継される。

Description

本発明は、包括的には無線通信の分野に関し、特に、無線通信ネットワークにおける電力効率の良いマルチホップデータ伝送に関する。

アドホック無線ネットワークでは、トランシーバすなわち「ノード」が、ネットワークインフラストラクチャや集中管理なしで互いに通信するように配置される。その配置は、静的もしくは動的、またはその組合せのいずれでもよい。ノードは、携帯電話、携帯型コンピューティングデバイス、またはセンサ等の専用デバイスのいずれでもよい。ネットワーク内のノードは、相互間でルーティングを確立して固有のネットワークを形成する。トランシーバの伝送範囲が限られているため、ソースノードからのメッセージは、宛先ノードに到達するまでに、１つまたは複数の中間ルーティングノードを経由しなければならないことがある。

多くのアドホック無線ネットワークでは、ノードの全部ではなくともほとんどはバッテリ駆動である。したがって、消費電力を最小限にすることが一番の関心事である。電力を低減する技法としては、トランスコーダの複雑さを減少させるもの、低電力回路を使用するもの、およびシグナリングコストの低いルーティングプロトコルを使用するものがある。他の技法として、ネットワークトポロジーを活用して電力を低減しようと試みるものもある。

Heinzelman等著「Energy-efficient Communication Protocol for Wireless Micro-sensor Networks」, Proc. of the IEEE Hawaii Int. Conf. on System Sciences, pp.3005-3014, January 2000、には、無線ネットワークにおける電力低減のための通信プロトコルが記載されている。彼らは、ローカルクラスタヘッドのランダム化された回転を利用して、ネットワーク内のノード間の電力負荷を均一に分配するという、クラスタリングに基づくプロトコルを記載している。また彼らは、２つのノード間の距離が短い場合、直接伝送のほうが多重ホップ伝送より効率的であることも示している。

Chang等著「Energy Conserving Routing in Wireless Ad-hoc Networks」, Proc. of IEEE INFOCOM 2000, March, 2000、には、消費電力が低くなるように、静的無線ネットワークにおけるルートおよび対応する電力レベルを選択する方法が記載されている。

Catovic等著「A new approach to minimum energy routing for next generation multi-hop wireless networks」, Journal of Communications and Networks, Special Issue on 「Evolving from 3G deployment to 4G definition」, December 2002、には、２つの異なるチャネルを通じて異なる電力レベルでデータを伝送する技法が記載されている。２つの受信信号を結合することによって、もとのデータを再構成するためにＲａｋｅ受信機が使用される。

Chen等著「Energy Efficient System Design with Optimum Transmission Range for Wireless Ad-hoc Networks」, Proc. of IEEE Int. Conf. on Communications, ICC'02, pp.945-952, May, 2002、では、無線アドホックネットワークにおける最適伝送レンジおよびホップ距離を求めている。

従来技術は、マルチホップパスを通じてのビット誤り伝搬の問題を解決していない。誤り伝搬をなくすには、送信信号電力レベルをマルチホップパス上で増大させなければならない。このため、ネットワークにおける全消費電力が増大する。他方、各中間ノードでは、受信信号を復号および再符号化してから、宛先または次の中間ノードへ転送することができる。これは誤り伝搬を防止することができるが、トランスコーディングプロセスが複雑であるために消費電力が増大するという代償を伴う。

最も重要なこととして、データを単に増幅して送信するか、それともデータを再生するかの判断は、ソースノードおよび宛先ノードに対する中間ノードの位置と、電力損失レベルに依存する。したがって、無線アドホックネットワークにおいて消費電力を低減することができるシステムおよび方法が必要とされている。

本発明によるシステムおよび方法は、マルチホップ無線通信ネットワークにおける消費電力を低減する。ソースノードからの信号が中間ノードで受信される。信号は、中継要求、メッセージ、中継電力要件および再生電力要件を含む。要求は、中間ノードで利用可能な電力が宛先ノードへメッセージを中継するのに必要な電力量を超える場合に受容される。中間ノードにおけるローカル基準に基づいて中継モードまたは再生モードが選択され、選択されたモードを用いてメッセージが宛先ノードへ中継される。

システムの構成
図１は、本発明による無線通信ネットワーク１００を示している。ネットワーク１００は、ソースノード１１０、中間ノード１３０および宛先ノード１２０を含む。ソースノードの出力は信号１１１である。信号は、中継要求１１２、メッセージ１１３、中継モード電力要件１１４、および再生モード電力要件１１５を含む。

電力節減は、間接パス１１６および直接パス１１７を通じてメッセージを伝送するのに必要な電力量の差として表される。

システムの動作
図２は、本発明によるマルチホップ無線通信ネットワーク１００における消費電力を低減する方法２００を示している。信号１１１は、中間ノード１３０によってソースノード１１０から受信される（２１０）。

ステップ２２０において、中間ノード１３０は、メッセージ１１３を宛先ノード１２０へ中継することを求めるソースノード１１０からの要求１１２を受容するかそれとも拒否するかを判断する。ステップ２２０の判断に応じて、中間ノードは、要求の受容（Ａｃｋ）または拒否（Ｎａｃｋ）の指示２２１を送信する。要求が拒否されるか、または所定時間内に受容されない場合、ソースノード１１０は、中間ノードとして作用する別のノードを検索してもよく、またはソースノードは、メッセージ１１３を直接宛先ノード１２０へ送信することを試みてもよい。

指示２２１がＡｃｋである場合、中間ノードは、宛先ノード１２０へメッセージ１１３を中継するモードを選択する（２３０）。選択されるモードは、再生モードまたは中継モードのいずれでもよい。その両方について以下で詳細に説明する。

図３Ａは、中継モードの各ステップを示している。ここで、中継ノード１３０は、ソースノード１１０からの信号１１１を増幅し（３１０）、増幅された信号３２１を宛先ノード１２０へ再送する（３２０）。

図３Ｂは、再生モードの各ステップを示している。このモードでは、中継ノード１３０で受信された信号はまず復調されて（３３０）から復号される（３４０）。復号（３４０）プロセスは、発生したビット誤りがあれば訂正する。復号されたデータ３４１は次に符号化され（３５０）、増幅され（３６０）、宛先ノード１２０へ送信される（３７０）。

再生モード
ソースノードＡ１１０は、信号１１１を直接宛先ノードＢ１２０へ送信するのに必要な電力量を式（１）により求める。

ここで、必要な電力α_ｒｅはビット誤り率要件Ｐ_ｒｅを満たし、値γは経路損失指数であり、値ｘ_ａｂは、ソースノードＡ１１０から宛先ノードＢ１２０へのパス上のシャドウイング損失をデシベル単位で表したものである。値α_ｒｅは、いかなるタイプの無線変調が使用されているか（例えば、ＰＡＭ、ＱＰＳＫ、ＱＡＭ）に依存する。

ソースノードＡ１１０は、中間ノードＣ１３０が再生器リレーとして作用する場合に得られる電力節減を求める。電力節減は、中継パスＡ→Ｃ→Ｂ１１６で使用される電力と、直接パスＡ→Ｂ１１７で使用される電力の差である。この差を求めるため、ソースノードＡ１１０は、中間ノードＣ１２０へ送信するための電力と、中間ノードで宛先ノードＢ１２０へ送信するために使用される電力とを求める。これらの２つの電力は、

で表され、距離（ｄａｃ，ｄｃｂ）と、必要なビット誤り率（ＢＥＲ）Ｐ_ｒｅとに依存する。再生による電力低減は、式（２）により求められる。

式２は、ネットワーク１００において、シャドウイング損失を無視した場合の最適な電力節減を与える。ここで、中間ノードは再生器として作用し、ソースノード１１０からの信号を宛先ノード１２０へ中継する。

図３Ａは、ソースノードＡ１１０および中間ノードＣ１３０において計算される送信電力が

であるような再生器中継方法を示している。ノード間の距離に応じて、電力低減Δα_{ｒｅｇｅｎ}は正にも負にもなり得る。

電力低減Δα_{ｒｅｇｅｎ}が正である場合、ソースノードは中間ノードへ中継要求を送信しない。電力低減Δα_{ｒｅｇｅｎ}が負である場合、ソースノードは中間ノードへ中継要求を送信する。

中継モード
中継モードでは、中間ノード１３０は、ソースノードＡ１１０から中間ノードＣ１２０への伝送において生じた誤りを訂正せずに、宛先ノードＢ１２０へメッセージ１１３を転送する。ソースノードおよび中間ノードにおける送信電力は

であり、中間ノードおよび宛先ノードにおける最適ビット誤り率は

である。中継によりビット誤りが中間ノードから宛先ノードへ伝搬するため、式（３）

は

により満たされ、

は

により求められる。

これらの最適ビット誤り率から、最適送信電力

が求められる。値

が分かった後、ソースノードＡ１１０は次式により電力節減を求めることができる。

上記の方法は、任意の矩形Ｍ相変調方式に対して

を求めるが、同じ分析技法は他の変調方式にも同様に当てはまる。

Ｐ_ｒｅが一定の場合、中継方法は追加電力を必要とするので、値Δα_{ｒｅｌａｙ}は常に値Δα_{ｒｅｇｅｎ}より小さい。

しかし、この追加電力は、ほんの数分の１デシベルである。したがって、中間ノード１３０は、処理負荷等のローカル基準に基づいて、中継モードまたは再生器モードのいずれを選択すべきかを決定することができる。そして、中間ノード１３０が中継を実行するにもかかわらず、システム全体が電力低減を達成することが可能となる。

ノードの構成
図４は、本発明によるノード４００を示している。各ノードは、送信ブロック４１０および受信ブロック４５０に接続されたアンテナ４０５を含む。送信ブロックおよび受信ブロックは、スイッチ４９１〜４９２によって互いに結合される。また、ノードは、プロセッサ４８０およびモードセレクタ４９０を含む。

送信ブロック４１０は、符号器４４０、送信器４２０、および増幅器４３０を含む。受信ブロックは、受信器４６０および復号器４７０を含む。

ノードの動作
送信ブロック４１０は、信号１１１を符号化し、変調し、増幅する。信号は、ローカルに発生したものでも、別のノードから発生したものでもよい。

受信ブロックチェイン４５０は、受信信号４１１を復調し復号する。受信器ブロック４６０の出力は、メッセージ１１３を含むビットストリームである。このビットストリームは、プロセッサ４８０に送られるとともに、スイッチ４９１が「０」（オフ）位置にある時には中継のために送信器に送られ、スイッチ４９１が「１」（オン）位置にある時には復号器４７０に送られる。復号器４７０は、ビットストリーム４６１を復号し、ビット誤りを訂正する。

復号後、メッセージ１１３が再構成され、再生モードのためにスイッチ４９２が「０」位置にある場合には送信チェイン４１０によって送信され、メッセージ１１３がローカルノード宛であると処理ユニット４８０が判断した場合にはローカルノード４９５に送られる。

プロセッサ４８０は、受信メッセージを連続的に処理し、メッセージが中継制御メッセージ、中継データ、またはローカルノード宛のデータのいずれであるかを判断する。また、プロセッサは、スイッチ４９１〜４９２の設定を決定する。データが中継データである場合、いずれのモード（例えば再生または中継）でデータを転送すべきかの決定がモードセレクタ４９０によって行われる。決定は、節減に応じて行われ、スイッチ４９１および４９２がそれに応じて設定される。

以上、本発明は好ましい実施形態を例として記載されているが、種々の他の適応および変更が本発明の精神および範囲内でなし得ることは理解すべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲内に入るすべてのそのような変形および変更を網羅することである。

本発明による無線通信ネットワークのブロック図である。 本発明によるマルチホップ無線通信ネットワークにおける消費電力を低減する方法の流れ図である。 本発明による中継モード動作の流れ図である。 本発明による再生モード動作の流れ図である。 本発明による無線ノードのブロック図である。

Claims (9)

1. 複数のノードを含むマルチホップ無線通信ネットワークにおいて消費電力を低減する方法であって、
   中間ノードにおいて、ソースノードから、中継要求、メッセージ、中継電力要件および再生電力要件を含む信号を受信すること、
   前記中間ノードにおいて利用可能な電力が、宛先ノードへ前記メッセージを中継するのに必要な電力量を超える場合、前記要求を受容すること、
   前記中間ノードにおけるローカル基準に基づいて中継モードまたは再生モードを選択すること、
   前記選択されたモードを用いて前記宛先ノードへ前記メッセージを中継すること
   とを含む消費電力を低減する方法。
2. 前記ローカル基準は、前記中間ノードにおける現在の処理負荷を含む
   請求項１に記載の消費電力を低減する方法。
3. 前記中継要求が受容される場合に前記ソースノードへ受容の指示を送信すること、
   前記中継要求が拒否される場合に前記ソースノードへ拒否の指示を送信すること
   とをさらに含む請求項１に記載の消費電力を低減する方法。
4. 前記選択されたモードが前記中継モードである場合、前記中継するステップは、
   前記信号を増幅すること、
   前記宛先ノードへ前記増幅された信号を送信すること
   とをさらに含む請求項１に記載の消費電力を低減する方法。
5. 前記選択されたモードが前記再生モードである場合、前記中継するステップは、
   前記信号を復調すること、
   前記信号を復号すること、
   前記信号を符号化すること、
   前記信号を増幅すること、
   前記宛先ノードへ前記増幅された信号を送信すること
   とをさらに含む請求項１に記載の消費電力を低減する方法。
6. 前記ソースノードは、
   

   

   によって前記ソースノードから前記宛先ノードへの直接パスで必要な送信電力を求め、ここで、α_ｒｅはビット誤り率要件Ｐ_ｒｅを満たす必要な受信電力であり、γは経路損失指数であり、ｘ_ａｂはデシベル単位でのシャドウイング損失である、請求項１に記載の消費電力を低減する方法。
7. 電力節減が、中継パスで使用される電力と前記直接パスで使用される電力、それぞれ
   

   

   の差であり、
   前記再生モードを用いた電力節減を
   

   

   として求めることをさらに含む請求項６に記載の消費電力を低減する方法。
8. 前記中間ノードおよび前記宛先ノードにおける最適ビット誤り率がそれぞれ
   

   

   
   であり、中継モードに対するビット誤り率要件
   

   

   が
   

   

   を満たし、
   

   

   は
   

   

   により求められる請求項７に記載の消費電力を低減する方法。
9. 複数のノードを含む無線通信システムであって、各ノードは、
   中継モードおよび再生モードのいずれかを選択するように構成されたモードセレクタと、
   前記選択されたモードが前記中継モードである場合に送信器へ、前記選択されたモードが前記再生モードである場合に復号された信号を提供する復号器へ、受信信号を転送するように構成された第１スイッチ手段と、
   前記選択されたモードが前記再生モードである場合に、前記送信器に結合した符号器へ前記復号された信号を転送するように構成された第２スイッチ手段と
   を備える、無線通信システム。

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