JP2006518957A - 無線ネットワークにおける干渉ベースのルーティング - Google Patents

Abstract

ノードを含む無線ネットワークは、干渉量が許容可能となる、ネットワークを介するメッセージ経路を選択するために、ノードにおける干渉の測定または予測を利用する。干渉は、当該ネットワークまたは他のネットワークによって伝送される他のトラフィックによって引き起こされる場合があり、その場合、選択経路上のノードに対する干渉量は許容可能なものでなければならず、あるいは他のトラフィックに対する干渉は、ルーティングされるメッセージによって引き起こされる場合があり、その場合、選択経路外のノードに対する干渉量は許容可能なものでなければならない。

Description

本発明は、無線ネットワーク、無線ネットワークで使用されるノード、および無線ネットワークを動作させる方法に関する。

無線ネットワークは、無線送受信機を備える複数のノードを含む。そのようなネットワークは、例えば、家庭またはオフィス環境で使用することができ、その場合、ノードは、監視および制御目的の、照明スイッチ、暖房コントロール、およびセキュリティ・センサ、またはデータを配布および収集するための、オーディオ、ビデオ、およびコンピュータ機器などの物か、その物の一部を形成する。

無線ネットワークでは、データは、送信元ノードと宛先ノードが互いに信号を直接受信できる場合は、送信元ノードから宛先ノードに直接送信されるメッセージにて転送され、あるいは送信元ノードと宛先ノードが互いに信号を直接受信できない場合は、１つまたは複数の中間ノードを介してルーティングされるメッセージにて転送される。

無線ネットワークの一例が、図１に示されており、このネットワークは、６つのノードＡ〜Ｆを有する。矢印は、直接に通信できるノード間の経路を表す。ノードＣは、例えば、ノードＡ、Ｂ、Ｄ、およびＥと直接に通信を行えるが、ノードＦとは直接に通信を行えない。ノードＡは、例えば、ノードＢ、Ｃ、およびＤと直接に通信を行えるが、ノードＥ、またはＦとは直接に通信を行えない。ノードＡとノードＥまたはＦとの間の通信は、１つまたは複数の中間ノードＢ、Ｃ、またはＤを介さなければならない。

中間ノードを使用することによって、任意の２つのノード間で直接通信を可能にするのに十分な電力および感度を提供するよりも、ノードの送信電力および受信機感度を低く保つことが可能である。送信する必要がある電力量は、ｄ^ｎに比例するが、ｄは送信距離であり、ｎは一般に２と４の間の数であるので、直接通信の代わりに複数のホップを使用すれば、桁数のオーダーよりも大きく総電力を減らすことができる。

一般に、送信元ノードと宛先ノードの間にはメッセージをルーティングできる２つ以上の候補となる経路が存在し、経路を選択するためにルーティング基準が使用される。図１のネットワークでは、ノードＡによって生成され、ノードＦを宛先とするメッセージは、例えば、ＡＢＦ、ＡＣＢＦ、ＡＣＥＦ、ＡＤＥＦを始めとする多くの経路を選択肢としてもつ。経路選択の基準には、最短距離、最低電力消費、最小ホップ数、および各ノードによって処理されるトラフィックのバランスなどがある。

無線ネットワークはますますの普及を見せ、無線ネットワークによって伝送される信号量が増加し、データのタイプにも変化が見られるため、性能はルーティング基準にますます左右されるようになるが、新しいルーティング基準を考案することにより、性能を改善することができるであろう。

本発明の目的は、無線ネットワークの性能を改善することである。

本発明の第１の態様によれば、複数のノードを含む無線ネットワークにおいてメッセージの経路を選択する方法が提供され、この方法は、少なくともいくつかのノードの各々について、そのノードによって経験される干渉量の指標（indication）を決定し、１つ以上のノードを有する経路を選択するものであり、この選択では、ノードのサブセットにより経験される干渉量の指標の遵守（compliance of the indication）に所定の基準を与える。

本発明の第２の態様によれば、複数のノードを含む無線ネットワークで使用される１次ノードが提供され、この１次ノードは、メッセージを送受信する送受信機と、メッセージを送信前に符号化して受信メッセージを復号化する処理手段と、少なくともいくつかのノードの各々によって経験される干渉量の指標を保存する記憶手段と、送信前のメッセージのために１つ以上のノードを選択する選択手段とを備え、この選択手段は、ノードのサブセットにより経験される干渉量の指標の遵守に所定の基準を与える。

本発明の第３の態様によれば、複数のノードを含む無線ネットワークで使用される２次ノードが提供され、この２次ノードは、メッセージを送受信する送受信機と、メッセージを送信前に符号化して受信メッセージを復号化する処理手段と、干渉量を測定する測定手段と、干渉量の指標を送信する送信機手段とを含む。

本発明の第４の態様によれば、本発明の第２の態様による１次ノードを少なくとも１つ含む無線ネットワークが提供される。

ノードによって経験される干渉を単独の基準として、または既存の経路選択基準と併用される基準として考慮し、最悪の干渉をこうむっているノードを介したルーティング、または最悪の干渉を引き起こすおそれのあるノードを介したルーティングを回避することによって、ネットワーク性能を改善することができる。各ノードにおける干渉は、経路選択されたメッセージの性能を低下させ得る干渉か、経路選択されたメッセージによって引き起こされ得る他のメッセージ・トラフィックに対する干渉か、または両方の組合せとすることができる。各ノードにおける干渉量は、メッセージ送信の前に存在する干渉について、予測もしくは測定することができ、または両方を行うことができる。

次に本発明を、添付の図面を参照しながら、例としてのみ説明する。

図１に示すような無線ネットワークを用いて、メッセージが送信元ノードのノードＡから宛先ノードのノードＦにルーティングされる場合について考える。経路選択基準が最小ホップ数である場合、最適経路はＡＢＦである。選択基準として負荷分散が使用され、ノードＢおよびＣが互いの間でデータ転送を実行中である場合、最適経路はＡＤＥＦである。しかし、本発明に従って、ＲＦ干渉レベルを選択基準として考慮する場合、異なる経路が最適であるかもしれない。例えば、ノードＣがノードＤに近いために、ノードＤはノードＣから高レベルの干渉を受けるかもしれず、その結果、経路ＡＤＥＦを介してメッセージを送信すると、性能が貧弱になるかもしれない。貧弱な性能は、低い成功確率、および／または再送回数の増加に起因する低いスループットとして明白になり得る。干渉レベルを考慮し、ノードＣが送信すべき他のメッセージを所持していても、経路ＡＣＥＦを選択することによって、より高い成功確率、またはより高いスループットを達成することができる。

ルーティング決定は、１つまたは複数のノードにおける干渉量にだけ基づくことができ、または上で列挙した周知の要因など、追加要因を含むこともできる。

ネットワーク内のメッセージ・トラフィックに起因する、ノードにおいて経験されるＲＦ干渉量は、メッセージ・トラフィックの量およびその宛先について知っているマスタ・ノードなど、ネットワーク・トラフィックについての情報にアクセスするノードによって予測することができる。あるいは、ノードは、経験しているＲＦ干渉量の指標を、決定遂行ノード（decision making node）に報告することができる。そのような報告は、受信信号の測定に基づくことができる。干渉量を測定する利点は、ネットワーク外部の干渉源まで考慮することができる点にある。例えば、図１において、ノードＥが、ネットワーク外部の干渉源からの高レベルの干渉を経験している場合、経路ＡＣＥＦは、性能が貧弱になるかもしれず、ノードＢおよびＣが処理実行中であっても、ＡＣＢＦまたはＡＢＦのほうが、よい経路であるかもしれない。

上記の例でのように、ルーティング基準は、ネットワーク内部または外部の他のメッセージに起因する干渉を考慮することができるが、それに替えて、またはそれに加えて、ルーティング基準は、経路選択されたメッセージに起因する他のメッセージに対する干渉を考慮することもできる。例えば、図１において、ＡＣＥＦを経路とするメッセージは、ノードＢおよびＤに対する干渉を引き起こし得るが、メッセージをノードＢからさらに引き離して、ノードＢに対する干渉の可能性を低減することが望ましい。

様々なアドレス指定方法を本発明と併用することができる。いくつかの例を以下に示す。

メッセージの経路は、送信元ノードによって確定することができるが、その場合、送信元ノードは、送信前に、経路中のノードのアドレスの一覧をメッセージに挿入し、各中間ノードにメッセージが到着すると、その中間ノードは、メッセージから自分のアドレスを削除し、経路一覧中で次のアドレスをもつノードにメッセージを転送する。

アドレス指定の別の例は、マスタ・ノードとスレーブ・ノードとを含むネットワークに適用され、すべてのメッセージは、マスタ・ノードを通過する。この場合、経路は、２本の脚からなる。初めに、メッセージを送信元ノードからマスタ・ノードにルーティングするのに必要なアドレスを、送信元ノードがメッセージに挿入し、次に、メッセージをさらに宛先ノードにルーティングするのに必要なアドレスを、マスタがメッセージに挿入する。

アドレス指定のまた別の例では、経路を１度に１ホップずつ決定することができ、各ノードが、最適な次のノードを決定して、例えば、最低の干渉を経験しているノードにメッセージを送信する。中間ノードは、メッセージ中の自分のアドレスを、選択した次のノードのアドレスで置き換える。

図２に、ノードの概略ブロック図を示す。送信機１０と受信機２０を含む送受信機が存在しており、送信機１０と受信機２０は共に、切り替えスイッチ３０によってアンテナ４０に結合される。受信機２０は、アンテナから受け取った信号をベースバンドに変換する受信機ステージ２２を含み、受信機ステージ２２は、ベースバンド信号を処理手段５０に送るように結合される。受信機２０は、受信機ステージ２２が受け取った信号のレベルを測定し、測定結果を処理手段５０に送る、受信信号レベル表示器（ＲＳＳＩ）２４も含む。処理手段５０は、記憶手段６０とアプリケーション７０に結合され、アプリケーション７０は、処理手段５０、送信機１０、および受信機２０を介して、メッセージを送受信する。アプリケーション７０の例として、照明コントロール、暖房コントロール、セキュリティ・センサもしくはコントロール、オーディオ・プレーヤもしくは記憶媒体、またはビデオ・プレーヤもしくは記憶媒体がある。

図２のノードの動作は以下のようになる。ノードがメッセージを送信も受信もしていないアイドル状態において、ＲＳＳＩ２４は、ＲＦ干渉の受信レベルを測定し、処理手段５０は、干渉が存在するなら、干渉量の指標を生成し、その後、指標を送信機１０によって送信して、そのノードにおける干渉レベルを他のノードに通知する。干渉量の指標は、干渉の振幅および／または干渉の持続時間に左右され得る。これらの干渉報告が送信される時間は、事前に決めておくことができ、または送信は、別のノードからのリクエストに応答して、または事前決定したレベルを超える干渉に応答して、行うことができる。

処理手段５０は、別のノードにおける干渉量を示す干渉報告を受信すると、報告を発信したノードのアドレスと一緒に、指標を記憶手段６０に保存する。時間が経つうちに、記憶には、ネットワーク内の多くまたはすべてのノードからの干渉報告が収容される。

アプリケーション７０は、別のノードにメッセージを送信する必要がある場合、メッセージを処理手段５０に送る。その後、処理手段５０は、記憶手段６０から干渉報告を取り出し、他のノードにおける干渉量の指標を使用して、メッセージの経路を選択する。干渉を考慮する任意の所望の選択基準を使用することができる。基準例のいくつかを以下に挙げると、どれか１つの中間ノードにおいて経験される最高干渉量を最低にするもの、各中間ノードにおける干渉量を事前決定された閾値より低くするもの、どれか１つの中間ノードにおける干渉持続時間を事前決定された値より短くするもの、全体的なビット誤り率を最低にするもの、またはメッセージ成功率もしくはスループットなどの品質パラメータを最大にするものなどがある。任意選択で、選択基準は、干渉の持続時間、および送信されるメッセージの持続時間を考慮することができる。例えば、低レベルでも継続的な干渉は、干渉レベルがより高い短いバーストよりも、ストリーム・オーディオ・ビジュアル情報などの長いメッセージにはより有害であると見なされる場合があるが、短いバーストは誤り訂正符号によって補償し得る。

経路を選択すると、処理手段５０は、送信用にメッセージを符号化し、同期ワード、ヘッダ、および誤り検査データなどのフィールドを追加し、ルーティングに必要なアドレスを含める。その後、フォーマット化されたメッセージは、アンテナ４０を介して送信するために、送信機１０に転送される。

本発明の一代替実施形態では、処理手段５０は、受信信号強度または伝送トラフィック量など、他のノードに関する利用可能な情報を使用して、利用可能な代替経路によるメッセージ送信が他のノードに及ぼす干渉量を予測する。その後、処理手段は、利用可能な各経路の各ノードに対する予測干渉量の指標を記憶手段６０に保存する。その後、アプリケーション７０がメッセージを送信する必要がある場合、処理手段５０は、記憶手段６０を参照し、最適経路を選択する。ルーティングされるメッセージによって引き起こされる干渉を考慮する任意の所望の選択基準を使用することができる。基準例のいくつかを以下に挙げると、選択経路外のいずれかのノードにおいて経験される最高干渉量を最低にするもの、選択経路外の各ノードにおける干渉量を事前決定された閾値より低くするもの、選択経路外のいずれかのノードにおける干渉持続時間を事前決定された値より短くするもの、選択経路外のノードにおける全体的なビット誤り率を最低にするもの、またはメッセージ成功率もしくはスループットなどの品質パラメータを選択経路外のノードにおいて最大にするものなどがある。任意選択で、選択基準は、メッセージによって引き起こされる干渉の持続時間、およびネットワーク内の他のメッセージ・トラフィックの持続時間を考慮することができる。例えば、低レベルでも継続的な干渉は、干渉レベルがより高い短いバーストよりも、ストリーム・オーディオ・ビジュアル・データなどの長いメッセージにはより有害であると見なされる場合があるが、短いバーストは誤り訂正符号によって補償し得る。

記憶手段６０に保存されたデータは、現在のネットワーク状態に対して有効であることを保証するため、適切な時間間隔ごとに更新される。

本発明のさらなる実施形態では、ネットワークは、干渉予測にだけ基づく選択を使用することができ、その場合、ノードは、ＲＳＳＩ２４を含む必要がなく、経験している干渉量の指標を送信する必要もない。測定と予測を併用する選択基準を使用する２重方式を実施することもできる。

本発明のさらなる実施形態では、マスタ・ノードと複数のスレーブ・ノードを含むネットワークは、マスタ局でのみ、経路選択を実行し、その場合、マスタ・ノードは、ＲＳＳＩ２４を含む必要がなく、スレーブ・ノードは、記憶手段６０を含む必要がない。便宜的に、本明細書では、経路選択用に設けられたノードを１次ノードと呼び、干渉報告送信用に設けられたノードを２次ノードと呼ぶ。１つのノードが、１次ノード機能と２次ノード機能を兼ね備えることもできる。

任意選択で、干渉量を測定するために、ＲＳＳＩ２４に付加される手段を使用することができる。例えば、特定の帯域内で干渉を測定するために、フィルタリングを使用することができ、干渉持続時間を測定するために、タイミング回路を使用することができる。

任意選択で、干渉レベルが変化した場合、メッセージ送信中に経路選択を行うことができる。

任意選択で、メッセージが選択経路上で互いに干渉し合わないことを保証するため、２つ以上のメッセージの経路を同時に選択することができる。

任意選択で、別のネットワークに対する干渉の発生が回避されるように、経路を選択することができる。

本明細書および特許請求の範囲において、要素の前に付された「１つの」という語は、そのような要素が複数存在することを排除するものではない。さらに、「含む」という語は、列挙された要素または工程以外の要素または工程の存在を排除するものではない。

特許請求の範囲において参照符号を括弧で括って示したのは、理解の助けとなるよう意図したためであり、限定することを意図したためではない。

本開示を読めば、当業者であれば、その他の変更は明らかであろう。そのような変更は、無線通信の分野および無線ネットワークの分野ですでに知られており、本明細書ですでに説明した機能に替えて、または追加して使用できる、他の機能を包含することができる。

無線ネットワークの線図である。 ノードの概略ブロック図である。

Claims (13)

1. 複数のノードを含む無線ネットワークにおいてメッセージの経路を選択する方法であって、少なくともいくつかの前記ノードの各々について、そのノードによって経験される干渉量の指標を決定し、
   １つまたは複数のノードを有し、前記ノードのサブセットによって経験される前記干渉量の前記指標が所定の基準を満たす経路を選択する方法。
2. 前記ノードの前記サブセットが、前記選択経路の前記ノードを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ノードの前記サブセットが、前記選択経路の外側のノードを含み、ノードの前記サブセットによって経験される前記干渉が、前記選択経路を介した前記メッセージの送信によって引き起こされる、請求項１に記載の方法。
4. 干渉量の指標を決定することは、前記干渉量を測定することを含む、請求項２に記載の方法。
5. 干渉量の指標を決定することは、前記干渉量を予測することを含む、請求項２または３に記載の方法。
6. 複数のノードを含む無線ネットワークで使用される１次ノードであって、
   メッセージを送受信する送受信機と、
   メッセージを送信前に符号化して受信メッセージを復号化する処理手段と、
   少なくともいくつかの前記ノードの各々によって経験される干渉量の指標を保存する記憶手段と、
   １つまたは複数のノードを有し、前記ノードのサブセットによって経験される前記干渉量の前記指標が所定の基準を満たす経路を、送信前のメッセージのために選択する選択手段とを含む１次ノード。
7. 前記ノードの前記サブセットが、前記選択経路の前記ノードを含む、請求項６に記載の１次ノード。
8. 前記ノードの前記サブセットが、前記選択経路の外側の前記ノードを含み、ノードの前記サブセットによって経験される前記干渉が、前記選択経路を介した前記メッセージの送信によって引き起こされる、請求項６に記載の１次ノード。
9. ノードにおいて経験される干渉量の前記指標を受信する手段と、
   前記指標を前記記憶手段に転送する手段と、を含む、請求項７に記載の１次ノード。
10. ノードにおいて経験される干渉量を予測する手段と、
    前記予測干渉量から前記干渉量の指標を決定する手段と、
    前記指標を前記記憶手段に転送する手段と、を含む、請求項７または８に記載の１次ノード。
11. 複数のノードを含む無線ネットワークで使用される２次ノードであって、
    メッセージを送受信する送受信機と、
    メッセージを送信前に符号化して、受信メッセージを復号化する処理手段と、
    干渉量を測定する測定手段と、
    前記干渉量の指標を送信する送信機手段と、を含む２次ノード。
12. 請求項６から１０のいずれかに記載の１次ノードを少なくとも１つ含む無線ネットワーク。
13. 請求項１１に記載の２次ノードを少なくとも１つ含む、請求項１２に記載の無線ネットワーク。

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