JP2007266697A - 無線通信方法、無線通信装置、および無線通信プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】複数のチャネルを利用する無線通信システムにおいて効率的な通信を実現する。
【解決手段】Ｈｅｌｌｏメッセージの交換により２ホップ先のノードまでを把握するとともに、データパケットの送信に先立って２倍の伝送距離でＲＴＳメッセージを送信する。各ノードは、このＲＴＳメッセージに基づいて自ノードおよび隣接ノードが利用可能なチャネルをチャネル状況テーブルとして管理する。データパケットを送信しようとするノードは、このチャネル状況テーブルを参照することで、自ノードおよび通信相手ノードが利用可能なチャネルを選択する。送信電波強度を大きくすることや、ノイズに対する耐性の強い変調方式を用いることで、ＲＴＳメッセージはＨｅｌｌｏメッセージやデータパケットの２倍以上の距離伝搬される。
【選択図】図７

Description

本発明は、複数のチャネルを利用して行う無線通信に関する。

従来、無線ＬＡＮなどではＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance：搬送波感知多重アクセス／回避）方式を用いて無線パケット通信が行われている。ＣＳＭＡ／ＣＡ方式では、共通の無線チャネルを共用して通信するために、他の無線端末が無線チャネルを使用していないか確認してから、受信ノードに対して送信要求であるＲＴＳ（Request To Send）メッセージを送信する。ＲＴＳメッセージを受信
したノードは、送信ノードに対して応答確認であるＣＴＳ（Clear To Send）メッセージ
を返す。送信ノードは、ＣＴＳメッセージを受信してから実際のデータパケットの送信を開始する。なお、ＲＴＳメッセージおよびＣＴＳメッセージには、チャネルを占有する時間、すなわちデータパケットの送信が終了するまでの時間が含まれる。

ＲＴＳメッセージを受信した送信ノードの隣接ノード、および、ＣＴＳメッセージを受信した受信ノードの隣接ノードは、送受信ノードがチャネルを占有する期間は送受信を行わない。このようにして、１つのチャネルを共用して通信する際に、パケットの衝突を回避している。

上記の説明は１つのチャネルを共用する無線通信方法であるが、非特許文献１には複数のチャネルを共用する無線通信方法が記載されている。非特許文献１に記載の無線通信方法では、複数のチャネルのうち１つを制御チャネルとして利用し、その他のチャネルをデータパケット用に利用する。各ノードは、制御チャネルを利用してデータパケットの送信の際に利用するチャネルを決定する。

非特許文献１に記載の無線通信方法の具体的な手順を図１２を参照して説明する。図１２（ｂ）のネットワークトポロジーの状況において、ノードｍＳからノードｍＤへデータパケットを送信する場合の通信方法を図１２（ａ）に基づいて説明する。なお、ノードｍ１，ｍ２はノードｍＳの通信範囲内に位置し、ノードｍ３，ｍ４はノードｍＤの通信範囲内に位置している。まず、送信を開始しようとするノードｍＳは、自ノードが利用可能なチャネルを格納したＲＴＳメッセージを送信する。このＲＴＳメッセージを受信した隣接ノードｍ１，ｍ２は所定期間、全てのチャネルにおいて送信禁止状態（ＮＡＶ：Network Allocation Vector）になる。また、このＲＴＳメッセージを受信したノードｍＤは、Ｒ
ＴＳメッセージに格納されているノードｍＳの利用可能チャネルのうちから、自ノードが利用可能なチャネル（チャネルｉとする）を格納したＣＴＳメッセージを送信する。ＣＴＳメッセージを受信した隣接ノードｍ３，ｍ４は、ノードｍＳ，ｍＤ間の通信が終了するまでチャネルｉでの通信を禁止する。ＣＴＳメッセージを受信したノードｍＳは、チャネルｉを利用してデータパケットの送信を行うことを周囲に通知するためにＲＥＳ（REServation）メッセージを送信する。ＲＥＳメッセージを受信した隣接ノードｍ１，ｍ２は、
ノードｍＳ，ｍＤ間がチャネルｉでの通信を終了するまで、チャネルｉでの通信を禁止する。

非特許文献１に記載の技術では、このような方法によって、複数のチャネルのうちから利用するチャネルを選択するとともに、パケットの衝突を回避している。このように複数のチャネルを利用可能とすることで、システム全体としてスループットの向上を図ることができる。
Shih-Lin Wu et al., "A New Multi-Channel MAC Protocol with On-Demand Channel Assignment for Multi-Hop Mobile Ad Hoc Networks", Proceedings of the Fifth International Symposium on Parallel Architectures, Algorithms, and Networks(ISPAN '00), IEEE, 2000

しかしながら、上記のような従来技術によって複数のチャネルを利用して通信する場合には、下記のような問題が生じていた。

第一に、データパケットの送信に先立って、ＲＴＳ，ＣＴＳ，ＲＥＳの３つの制御パケットを制御チャネル上で通信する必要がある。したがって、通信量が多くなるとこれらの制御パケットで制御チャネルが使い果たされてしまう可能性がある。このような状況になると、データチャネルが空いていても制御チャネルがボトルネックとなってスループットが低下してしまう可能性がある。また、ブロードキャストパケットも制御チャネル上で送信される場合には、さらに制御チャネルにおいて輻輳が発生する可能性が高まる。したがって、制御チャネル上で送信されるパケットの量を減らすことが望まれる。

第二に、利用可能なチャネルがないノードに対して、ＲＴＳメッセージを送信してしまう可能性がある。例えば、図１３のような状況では、ノードｍ１は、ノードｍＳの通信可能範囲内にいるのでチャネルの利用が制限される（図示していないが、全てのチャネルの利用が制限されているとする）。しかし、ノードｍ５はノードｍ１に空きチャネルがないことは分からないので、ノードｍ１と通信しようとする場合にはノードｍ１宛にＲＴＳメッセージを送信する。このとき、ノードｍ５からのＲＴＳメッセージはノードｍ６によっても受信され、ノードｍ６はＲＴＳメッセージを受信したことによって所定期間ＮＡＶ状態となってしまう。すなわち、ノードｍ５がノードｍ１と通信できないことが分かっていれば送信する必要のなかったＲＴＳメッセージによって、ノードｍ６がＮＡＶ状態にされたしまったことになる。したがって、このような無駄な（通信が開始できない状況での）ＲＴＳメッセージの送信を抑制できれば通信効率の向上を見込める。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、複数のチャネルを利用する無線通信システムにおいて、効率的な通信を実現することのできる技術を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明では、以下の手段または処理によって、複数のチャネルを利用する無線通信システムにおいて無線通信を行う。すなわち、この無線通信システム内の各ノードは、自ノードおよび自ノードに隣接するノード（自ノードが他のノードの中継を介することなく直接データパケットを通信することのできるノード）が利用可能なチャネルをチャネル状況テーブルとして管理し、このテーブルに基づいてデータパケットの送信に用いるチャネルを選択する。このようなチャネル状況テーブルを用いれば、送信ノードは制御パケットを交換することなく、受信ノードとの間で利用することのできるチャネルを判断することができる。したがって、データパケットの送信の前に送信する制御パケットの数を減らすことが可能となり、通信の効率化が実現される。

なお、以下では、自ノードに隣接するノード（中継を介さず直接通信可能なノード）のことを１次隣接ノードという。そして、自ノードには隣接しないが自ノードの１次隣接ノードに隣接するノードのことを、２次隣接ノードという。自ノードは１次隣接ノードと直接通信可能であるため、１次隣接ノードは１ホップ先のノード（１ホップノード）ともいえる。また、自ノードは２次隣接ノードと１次隣接ノードによる中継を介して通信可能であるため、２次隣接ノードは２ホップ先のノード（２ホップノード）ともいえる。なお、
本発明においては、後述するようにデータパケットの通信可能範囲と、チャネル予約通知の通信可能範囲を異ならせているが、「隣接」あるいは「隣接ノード」の語は、データパケットの通信可能範囲を基準とする。したがって、「１次隣接ノード」「２次隣接ノード」の語も、データパケットの通信可能範囲を基準とする。すなわち、チャネル予約通知が直接届くノードであっても、データパケットが直接届かなければ１次隣接ノードではなく２次隣接ノードとなる。

以下では、本発明に係る無線通信方法のより具体的な方法について説明する。本無線通信システムにおいて、データパケットを送信しようとするノードは、使用するチャネルと送信ノード（自ノード）と受信ノードとを通知するチャネル予約通知を周囲のノードに対して通信する。このチャネル予約通知は、自ノードから１次隣接ノードおよび２次隣接ノードまで到達するように送信される。

チャネル予約通知を受信したノードは、このチャネル予約通知に基づいて、自ノードおよび１次隣接ノードが利用可能なチャネルを記憶しているチャネル状況テーブルを更新する。具体的には、受信したチャネル予約通知に含まれる送信ノードと受信ノードとのいずれかに隣接するノードは、このチャネル予約通知に指定されたチャネルを利用不可能であるとしてチャネル状況テーブルを更新する。送受信ノードの隣接ノードは、電波の干渉を受けるのでそのチャネルを利用することができないからである。なお、上記の「チャネル予約通知に含まれる送信ノードと受信ノードとのいずれかに隣接するノード」には、自ノードあるいは自ノードの１次隣接ノードのいずれも含まれる。

なお、上記のチャネル状況テーブルの更新処理において、チャネル予約通知に含まれる送受信ノードに隣接するノードを決定する処理は、自ノードの１次隣接ノードと２次隣接ノードを記憶するトポロジー情報テーブルに基づいて判断することが好ましい。したがって、本無線通信システム内の各ノードは、自ノードの１次隣接ノードと２次隣接ノードをトポロジー情報テーブルとして記憶することが好ましい。このトポロジー情報テーブルは、本無線通信システム内の各ノードが、自ノードの１次隣接ノードを通知するトポロジー情報通知を交換することによって作成することができる。また、トポロジー情報通知は定期的に交換されて、トポロジー情報テーブルは定期的に更新されることがさらに好ましい。

上記のように２次隣接ノードまで到達可能なチャネル予約通知を使用することで、本無線通信システムにおける各ノードは自ノードおよび１次隣接ノードが利用可能なチャネルを把握することが可能となる。従来技術では、２ホップ先のノード（２次隣接ノード）から１次隣接ノードに対して通信を開始する場合には、従来はＣＴＳメッセージを受け取ることによって自ノードがチャネルを利用不可能であることを判断していた。これに対して、本発明では２ホップ先のノードが送信するチャネル予約通知を受信できるので、ＣＴＳメッセージを用いることなく、送信に使われるチャネルを自ノードは利用不可能であることが判断できる。また、２ホップ先のノード同士が通信を行う場合も、チャネル予約通知を受信することができるので、２ホップ先のノード同士の通信の干渉を受けて隣接ノードがチャネルを利用不可能であることを判断できる。

自ノードと１次隣接ノードが利用可能なチャネルをチャネル状況テーブルとして管理することで、データパケットを送信しようとするノードは、容易にデータパケットの送信に用いるチャネルを選択することができる。すなわち、受信ノードとの間で制御パケットのやりとりをすることなく、チャネル状況テーブルを参照するだけでチャネルを選択することができる。

なお、チャネル予約通知は、データパケットの伝送距離の少なくとも２倍の距離を伝搬
するように送信することが好ましい。このような構成によれば、全ての２次隣接ノード（２ホップ先のノード）までチャネル予約通知を送信することが可能となり、各ノードがチャネルの利用状況を適切に把握することができる。チャネル予約通知の伝送距離を長くするためには、例えば、チャネル予約通知の送信電波強度を大きくすることが考えられる。また、チャネル予約通知を送信する際に用いる変調方式を異ならせて、ＳＮ比が低くても受信可能な変調方式を用いることも考えられる。

本無線通信システムにおいて使用する複数のチャネルには、ブロードキャストパケットを送信するためのブロードキャストチャネル、制御パケットを送信するための制御チャネル、およびデータパケットを送信するための複数のデータチャネルが含まれることが好ましい。そして、トポロジー情報通知はブロードキャストチャネルで、チャネル予約通知は制御チャネルで、データパケットはいずれかのデータチャネル上で送信されることが好ましい。また、各ノードは、第１と第２の無線機を有しており、第１の無線機はブロードキャストチャネルに専用に用い、第２の無線機は制御チャネルおよびデータチャネルを切り替えて用いることが好ましい。上記の方法によれば、第２の無線機のみで制御チャネルとデータチャネルを切り替えつつ、パケットの衝突を回避した適切な通信を行える。したがって、第１の無線機はブロードキャスト専用に用いることが可能となる。

なお、本発明は、上記処理の少なくとも一部を実行する機能を有する無線通信装置として捉えることができる。また、本発明は、上記処理を実現するためのプログラムとして捉えることもできる。上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。

例えば、本発明の一態様としての無線通信装置は、自ノードおよび自ノードに隣接するノードである１次隣接ノードが利用可能なチャネルを記憶するチャネル状況テーブルと、１次隣接ノードにデータパケットを送信する際に、前記チャネル状況テーブルに基づいて、自ノードおよび該１次隣接ノードが利用可能なチャネルを、データパケットの送信に利用するチャネルとして選択するチャネル選択手段と、を有することを特徴とする。この無線通信装置は、データパケットの送信の際に、使用するチャネルと送信ノードと受信ノードとを通知するチャネル予約通知を１次隣接ノードおよび自ノードには隣接しないが１次隣接ノードに隣接するノードである２次隣接ノードに送信するチャネル予約通知送信手段と、受信したチャネル予約通知に基づいて、前記チャネル状況テーブルを更新するチャネル状況テーブル更新手段と、をさらに有することが好ましい。

また、本発明の一態様としての無線通信プログラムは、自ノードおよび自ノードに隣接するノードである１次隣接ノードが利用可能なチャネルを記憶するチャネル状況テーブルを有する無線通信装置に対して、１次隣接ノードにデータパケットを送信する際に、前記チャネル状況テーブルに基づいて、自ノードおよび該１次隣接ノードが利用可能なチャネルを、データパケットの送信に利用するチャネルとして選択するステップを実行させることを特徴とする。この無線通信プログラムは、前記無線通信装置に対して、データパケット送信の際に、使用するチャネルと送信ノードと受信ノードとを通知するチャネル予約通知を１次隣接ノードおよび自ノードに隣接するノードではないが１次隣接ノードに隣接するノードである２次隣接ノードに送信するステップと、受信したチャネル予約通知に基づいて、前記チャネル状況テーブルを更新するステップと、をさらに実行させることが好ましい。

本発明によれば、複数のチャネルを利用する無線通信システムにおいて、効率的な通信を実現することが可能となる。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

本実施形態は、複数のチャネルを利用して無線通信をおこなう無線通信システムである。本実施形態では、無線通信ネットワーク内の各ノードが、自ノードおよび隣接ノードが使用可能なチャネル（データチャネル）をチャネル状況テーブルとして管理することで、データパケットの送信に用いるチャネルの選択が容易に行えるようにするとともに、データパケットの送信時にコントロールチャネル上に送信される制御パケットの数を減らす。

なお本実施形態では、ブロードキャストチャネル、コントロールチャネル（制御チャネル）がそれぞれ１チャネルずつ、そしてデータチャネルを４チャネル使用するものとする。本実施形態では、ＦＤＭＡ（Frequency Division Multiple Access：周波数分割多元接続）方式によって、多チャネル接続を実現する。もっとも、ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access：符号分割多元接続）や、ＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access：直交周波数分割多元接続）などの無線通信方式によって、多チャネル接続を実現しても構わない。

以下では、チャネル状況テーブルに基づいてチャネル選択を行う方法を詳しく説明する。また、このようなチャネル状況テーブルの作成方法についても詳しく説明する。

＜機能構成＞
まず、本実施形態における無線通信装置１について説明する。無線通信装置１は、ハードウェア構成としては、バスを介して接続されたＣＰＵ（中央演算処理装置）、主記憶装置（ＲＡＭ）、補助記憶装置（ＲＯＭ）、通信インタフェースなどを備えるように構成されても良い。無線通信装置１には、通信インタフェース（無線機）が２つ備えられており、一方はブロードキャストチャネルのみを用い、他方はコントロールチャネルと４つのデータチャネルを切り替えて利用する。

図１は、無線通信装置１の機能ブロック例を示す図である。本実施形態における無線通信装置１は、補助記憶装置に記憶された各種のプログラム（ＯＳ，アプリケーション等）が主記憶装置にロードされＣＰＵによって実行されることによって、パケット受信部２、データパケット処理部３、チャネル状況テーブル更新部４、トポロジー情報テーブル更新部５、チャネル状況テーブル６、トポロジー情報テーブル７、チャネル選択部８、データパケット生成部９、ＲＴＳメッセージ生成部１０、Ｈｅｌｌｏメッセージ生成部１１、パケット送信部１２として機能する。また、本実施形態における無線通信装置１の全部または一部の機能は、専用のチップによって構成されても良い。

トポロジー情報テーブル７は、自ノードの隣接ノードおよび２ホップ先のノードを記憶するテーブルである。図３は、トポロジー情報テーブルの例を示す図であり、図２に示すネットワークトポロジーのノードａが有するトポロジー情報テーブルである。トポロジー情報テーブルには、ノードＩＤ２１、隣接ノード数２２、隣接ノードＩＤ２３、２ホップノード２４が格納される。ノードＩＤ２１には、このテーブルを持つノード（ノードａ）の隣接ノードのＩＤが格納される。隣接ノード数２２には、各ノードの隣接ノードの数が格納される。なお、ここでノードａは隣接ノードの数には含まれない。すなわち、例えば、ノードｂの隣接ノードは、ノードａ，ｃ，ｄ，ｇ，ｍの５つであるが、ノードａを除いた「４」が隣接ノード数２２に格納される。隣接ノードＩＤ２３には、各ノードの隣接ノードのＩＤが格納される。ここでも、ノードａは省略される。２ホップノード２４には、各ノードの隣接ノードのうちから、ノードａから２ホップ先のノードが格納される。具体的には、各ノードの隣接ノードであって、ノードａの隣接ノードでないノードが、２ホップ先のノードに該当する。

チャネル状況テーブル６は、自ノードおよび隣接ノードが利用可能なチャネルを記憶するテーブルである。図４は、チャネル状況テーブルの例を示す図であり、図２に示すネットワークトポロジーおよび通信状態におけるノードａが有するチャネル状況テーブルである。なお、図２において、通信中のノード間は矢印付きの線で結ばれており、その横に通信に使用しているデータチャネルが示されている。チャネル状況テーブル６は、ノードＩＤ３１、状態３２、チャネル状況３３が格納される。状態３２は、各ノードの通信状態として「アイドル」「通信中」のいずれかが格納される。チャネル状況３３には、各ノードのチャネルの利用状況を示すものである。図４において、白丸はそのチャネルが利用可能であることを、黒三角は周囲のノードが通信中であるため干渉を受けていることを、黒四角はそのノードが通信に利用中であることを示す。なお、干渉中や利用中の場合には、そのチャネルが利用可能になるまでの時間である送信期間（デュレーション）が同時に格納される。なお、本チャネル状況テーブル６において、状態３２はチャネル状況３３から求められる（チャネル状況として、通信中のチャネルを有するノードは通信中であり、それ以外はアイドル）ため、状態３２は省略することが可能である。

このチャネル状況テーブル６に基づいて、このテーブルを所有するノードは、隣接ノードが利用可能なチャネルを把握することができる。また、自ノードが利用可能なチャネルも、隣接ノードが通信に利用しているチャネル（図４では、ノードｋが利用しているチャネル３）以外のチャネルを利用可能であると把握することができる。

なお、本実施形態では、チャネル状況テーブル６とトポロジー情報テーブル７は、異なるテーブルとして構成しているが、ノードＩＤをキーとして１つのテーブルとして構成しても構わない。

パケット受信部２は、他の無線通信装置からパケットを受信する。パケット受信部２は、受信したパケットの種類に応じて、そのパケットをデータパケット処理部３、チャネル状況テーブル更新部４、またはトポロジー情報テーブル更新部５のいずれかに渡す。データパケット処理部３に渡されたデータパケットは、さらに上位層へと渡される。

受信部２によって受信されたＲＴＳメッセージ（チャネル予約通知）は、チャネル状況テーブル更新部４に渡される。チャネル状況テーブル更新部４は、このＲＴＳメッセージに基づいてチャネル状況テーブルを更新する。

受信部２によって受信されたＨｅｌｌｏメッセージ（トポロジー情報通知）は、トポロジー情報テーブル更新部５に渡される。トポロジー情報テーブル更新部５は、このＨｅｌｌｏメッセージに基づいてトポロジー情報テーブル７を更新する。

データパケット生成部９は、送信するデータパケットを生成する。チャネル選択部８は、データパケットの送信に先立って、チャネル状況テーブル６に基づいて利用するチャネルを選択する。ＲＴＳメッセージ生成部１０は、データパケットの送信の際に、使用するチャネル、送信ノード（自ノード）および受信ノードを周囲のノードに知らせるチャネル予約通知であるＲＴＳメッセージを生成する。

Ｈｅｌｌｏメッセージ生成部１１は、トポロジー情報テーブル７に基づいて、自ノードの隣接ノードを通知するトポロジー情報通知であるＨｅｌｌｏメッセージを生成する。Ｈｅｌｌｏメッセージ生成部１１は、定期的にＨｅｌｌｏメッセージを生成する。

パケット送信部１２は、データパケット生成部９によって生成されたデータパケット、ＲＴＳメッセージ生成部１０によって生成されたＲＴＳメッセージ、Ｈｅｌｌｏメッセー
ジ生成部によって生成されたＨｅｌｌｏメッセージを送信する。なお、パケット送信部１２は、データパケットは４つのデータチャネルのいずれかを用いて、ＲＴＳメッセージはコントロールチャネルを用いて、Ｈｅｌｌｏメッセージはブロードキャストチャネルを用いて送信する。また、パケット送信部１２は、ＲＴＳメッセージ送信の際に、送信電波強度を大きくしたり、低ＳＮ比でも受信可能な変調方式を用いることで、ＲＴＳメッセージの伝搬距離をデータパケットやＨｅｌｌｏメッセージの少なくとも２倍とする。このように、ＲＴＳメッセージを２ホップ先のノードまで直接まで届くようにしたことで、２ホップ先のノードまでチャネルを利用することを通知することが可能となり、チャネル状況テーブルの更新が容易となる。

＜処理フロー＞
［チャネル選択処理］
次に、チャネル状況テーブル６に基づいて、データパケットの送信の際に利用するチャネルを選択する処理について説明する。なお、ここではチャネル状況テーブル６が作成されていることを前提としてチャネル選択処理について説明し、チャネル状況テーブル６の作成方法については後述する。図５，６は、チャネル選択部８がおこなう、チャネル選択処理の流れを示すフローチャートである。

図５は、チャネル選択処理の全体の流れを示すフローチャートである。チャネル選択部８は、チャネル状況テーブル６を参照して、受信ノードが通信中であるか否か判定する（Ｓ１０１）。受信ノードが通信中である場合（Ｓ１０１−ＹＥＳ）は、受信ノードが通信を終了するまで待機する（Ｓ１０６）。受信ノードが通信中でない場合（Ｓ１０１−ＮＯ）は、チャネル選択部８は、チャネル状況テーブル６に基づいて、自ノード（送信ノード）が干渉を受けているチャネルを取得する（Ｓ１０２）。

自ノード周囲の干渉チャネル抽出処理の詳細を、図６のフローチャートを参照して説明する。チャネル選択部８は、まず、干渉チャネルを格納する干渉チャネルリストをクリアする（Ｓ２０１）。次に、チャネル状況テーブル６を参照して、隣接ノードに通信中のノードが存在するかを判定する（Ｓ２０２）。隣接ノードに通信中のノードが存在する場合（Ｓ２０２−ＹＥＳ）は、そのノードが通信に利用しているチャネルを干渉チャネルリストに追加する（Ｓ２０３）。そして、全ての通信中のノードについて干渉チャネルを取得したか判定し（Ｓ２０４）、処理していない通信中のノードがある場合（Ｓ２０４−ＮＯ）にはＳ２０３に戻って干渉チャネルを干渉チャネルリストに追加する。全ての通信中のノードについて干渉チャネルを取得した場合（Ｓ２０４−ＹＥＳ）は、処理を終了しＳ１０３に進む。また、隣接ノードに通信中のノードが存在しない場合（Ｓ２０２−ＮＯ）は、干渉チャネルリストを空のまま処理を終了しＳ１０３に進む。

図５のフローチャートの説明に戻る。上記のように自ノードの干渉チャネルを取得した後に、チャネル選択部８は、チャネル状況テーブル６を参照して、受信ノードが干渉を受けているチャネルを取得する（Ｓ１０３）。チャネル選択部８は、チャネル状況テーブル６から受信ノードが干渉を受けているチャネルを取得し、前述の干渉チャネルリストに追加する。

チャネル選択部８は、干渉チャネルリストに基づいて、空きチャネルがあるか判定する（Ｓ１０４）。空きチャネルがない場合（Ｓ１０４−ＮＯ）は、空きチャネルができるまで待機（Ｓ１０７）した後、再びＳ１０１以降の処理を繰り返す。空きチャネルがある場合（Ｓ１０４−ＹＥＳ）は、その中から任意のチャネルを送信チャネルとして選択する（Ｓ１０５）。

図４のチャネル状況テーブルが示すチャネル状況（図２の場合）において、ノードａが
送信する場合のチャネル選択処理を説明する。ノードａが干渉を受けているチャネルは、通信中のノードｋが利用しているチャネル３のみである。受信ノードがノードｂの場合には、ノードｂはチャネル４で干渉を受けているので、ノードａはチャネル１か２を用いてノードｂと通信できることが分かる。また、受信ノードがノードｅの場合には、ノードｅはチャネル１と３で干渉を受けているので、ノードａはチャネル２か４を用いてノードｅと通信できることが分かる。

このように、チャネル状況テーブル６が構築されている場合には、送信ノード（自ノード）と受信ノードがともに利用可能なチャネルを容易に選択することができる。

［データパケット送信処理］
次に、データパケットを送信する際の処理について図７を参照して説明する。まず、ノードｎＳは、ＤＩＦＳとバックオフだけ待機してコントロールチャネルが利用されていないことを確認してから、ＲＴＳメッセージをコントロールチャネル上で送信する。なお、ノードｎＳは、ＲＴＳメッセージをコントロールチャネル上で送信した後に、無線機を選択したチャネルに合わせる。

図８は、ＲＴＳメッセージのフォーマットを示す。フレーム制御４１には、このメッセージがＲＴＳメッセージであることを示す値が格納される。送信期間４２には、ノードｎＳ，ｎＤ間の通信が終了するまでの時間が格納される。受信ノードアドレス４３には受信ノードのＭＡＣアドレスが、送信ノードアドレス４４には送信ノードのＭＡＣアドレスが、それぞれ格納される。送信チャネル４５には、ノードｎＳ，ｎＤ間での通信の際に利用するチャネルが格納される。ＦＣＳ４６は、通信エラーを検知するための値が格納される。

ノードｎＳから送信されたＲＴＳメッセージは、ノードｎＤおよびノードｎ１〜ｎ４によって受信される。自ノードが受信ノードとして指定されていないＲＴＳメッセージを受信したノードｎ１〜ｎ４は、ＲＴＳメッセージに格納されている送信チャネル４５を、送信期間４２の期間だけ利用不可能（ＮＡＶ）と判断する。より詳細には、ノードｎ１，ｎ３は自ノードが指定されたチャネルを利用不可と判断する。ノードｎ２はノードｎ１が指定されたチャネルを利用不可と判断し、ノードｎ４はノードｎ３が指定されたチャネルを利用不可と判断する。これにより、ノードｎＳ，ｎＤ間の通信は他のノードからの干渉を受けることを防止できる。

自ノードが受信ノードとして指定されているＲＴＳメッセージを受信したノードｎＤは、受信を了解するＣＴＳメッセージをノードｎＳに対して送信する。ノードｎＤは、ＲＴＳメッセージの受信後、ＳＩＦＳ時間だけ待機してから、ＲＴＳメッセージに格納されている送信チャネル４５上で、ＣＴＳメッセージを送信する。ノードｎＳは、ＣＴＳメッセージを確認した後に、データパケットを送信する。

このように、ＲＴＳメッセージをその他の通信よりも２倍の距離伝搬するように送信することで、ＲＴＳメッセージを１回送信するだけで、２ホップ先のノードまでチャネルの予約を行うことができる。したがって、データパケットの送信に先立って行うコントロールパケットは、１つのＲＴＳメッセージのみとなる。コントロールチャネル上に送信されるパケットを減らすことができるので、通信量が多くなってもコントロールパケットの通信がボトルネックとなってスループットが低下することを抑制できる。

なお、通信を終了したノードｎＳ，ｎＤは、その後データの送信を別のノードと行おうとする場合には、所定の期間待機することが好ましい。ノードｎＳ，ｎＤは、無線機が利用するチャネルを、コントロールチャネルからデータチャネルに切り替えているため、他
のノードが送信したＲＴＳメッセージを取得できていない。したがって、チャネルの状況を正しく把握できていない可能性がある。したがって、ノードｎＳ，ｎＤは通信終了後、（ＣＴＳ長＋ＡＣＫ長＋ＳＩＦＳ長×３＋最大フレーム長）／（通信速度）で表される時間だけ、コントロールチャネル上で受信してから新たな通信を開始することが好ましい。この期間待つことによって、ノードｎＳ，ｎＤ間の通信開始後に始まった通信を妨害することを回避することができる。なお、ノードｎＳ，ｎＤ間で同一のチャネルを利用して再度通信を行う場合には、この時間を待つことなく、再度ＲＴＳメッセージを送信して通信を開始することができる。これによってスループットの向上を図ることができる。

［トポロジー情報テーブル作成処理］
次に、トポロジー情報テーブル７を作成する処理について説明する。トポロジー情報テーブル７は、各ノードが自ノードの隣接ノードをＨｅｌｌｏメッセージによって通知しあうことで、作成される。なお、トポロジー情報テーブル７は、チャネル状況テーブル６を作成する際に参照されるものである。

各ノードのＨｅｌｌｏメッセージ生成部１１は、定期的にＨｅｌｌｏメッセージを生成し、パケット送信部１２が生成されたＨｅｌｌｏメッセージを送信する。図９はＨｅｌｌｏメッセージのフォーマットを示す。フレーム制御５１には、このメッセージがＨｅｌｌｏメッセージであることを示す値が格納される。送信期間５２には、このメッセージの送信期間が格納される。受信ノードアドレス５３には受信ノードのＭＡＣアドレスが、送信ノードアドレスには送信ノード（自ノード）のＭＡＣアドレスが、それぞれ格納される。隣接ノード数５５には、自ノードに隣接するノード（１ホップで通信できるノード）の数が格納される。隣接ノード５６には、隣接ノードのＩＤが格納される。ＦＣＳ５７は、通信エラーを検知するための値が格納される。

パケット送信部１２は、生成されたＨｅｌｌｏメッセージをブロードキャストチャネル上で送信する。図１０は、Ｈｅｌｌｏメッセージを受信したノードが行う処理の流れを示すフローチャートである。

Ｈｅｌｌｏメッセージを受信したノードは、このＨｅｌｌｏメッセージをトポロジー情報テーブル更新部５に渡す（Ｓ３０１）。トポロジー情報テーブル更新部５は、このＨｅｌｌｏメッセージの送信ノードが新規の隣接ノードであるか、すなわちトポロジー情報テーブル７に隣接ノードとして格納されていないノードであるか判定する（Ｓ３０２）。送信ノードが新規の隣接ノードである場合（Ｓ３０２−ＹＥＳ）には、トポロジー情報テーブル７に、このノードを隣接ノードとして登録する（Ｓ３０３）。トポロジー情報テーブル更新部５は、Ｈｅｌｌｏメッセージに格納されている隣接ノード数５５と隣接ノードＩＤ５６を用いてトポロジー情報テーブル７を更新する（Ｓ３０４）。さらに、トポロジー情報テーブル更新部５は、２ホップノードの更新も行う（Ｓ３０５）。具体的には、この送信ノードの隣接ノードのうち、トポロジー情報テーブル７に隣接ノードとして登録されていないノードは、自ノードの２ホップ先のノードであるとしてトポロジー情報テーブル７を更新する。また、トポロジー情報テーブル７に、このＨｅｌｌｏメッセージの送信ノードが２ホップ先ノードとして登録されている場合には、この送信ノードは隣接ノードに変更になったということであるから２ホップ先ノードからは削除する。

このように、Ｈｅｌｌｏメッセージを交換することで、ネットワーク内の各ノードは、自ノードの隣接ノードおよび２ホップ先のノードを把握することができる。

［チャネル状況テーブル作成処理］
最後に、チャネル状況テーブル６を作成する処理について説明する。チャネル状況テーブル６は、データパケット送信に先だって送信されるＲＴＳメッセージとトポロジー情報
テーブル７に基づいて作成される。

図１１は、ＲＴＳメッセージを受信したノードが行うチャネル状況テーブル作成（更新）処理の流れを示すフローチャートである。

ＲＴＳメッセージを受信したノードは、このＲＴＳメッセージをチャネル状況テーブル更新部４に渡す（Ｓ４０１）。チャネル状況テーブル更新部４は、ＲＴＳメッセージに格納されている送信ノードまたは受信ノードが、自ノードの隣接ノードであるか否か判断する。送信ノードはＲＴＳメッセージの送信ノードアドレス４４（図８）から、受信ノードはＲＴＳメッセージの受信ノードアドレス４３から取得できる。また、これら送受信ノードが隣接ノードであるか否かはトポロジー情報テーブル７を参照することで判定できる。

ＲＴＳメッセージに格納されている送信ノードあるいは受信ノードが自ノードの隣接ノードである場合（Ｓ４０２−ＹＥＳ）には、そのノードの状態を「通信中」に更新するとともに、ＲＴＳメッセージに格納されている送信チャネルを「通信中」とし、そのチャネルの送信期間（リリースタイム）を設定する（Ｓ４０３）。

次に、ＲＴＳメッセージに格納されている送信ノードまたは受信ノードに隣接するノードはＲＴＳメッセージに指定された送信チャネルが干渉中であるとして、チャネル状況テーブル更新部４はチャネル状況テーブル６を更新する（Ｓ４０４）。ＲＴＳメッセージに格納されている送信ノードまたは受信ノードに隣接するノードは、トポロジー情報テーブル７を参照して、隣接ノードＩＤ２３に送信ノードまたは受信ノードのいずれかが含まれるノードとして判断できる。

図２のトポロジー状況、および図３のトポロジー情報テーブルを例に、チャネル状況テーブル６の更新方法を説明する。

ノードｊは、ノードｈとチャネル１で通信することを通知するＲＴＳメッセージを送信する。このＲＴＳメッセージを受信したノードａは、ＲＴＳメッセージに指定された送受信ノード（ノードｊ，ｈ）が、自ノードの隣接ノードであるか判断する。トポロジー情報テーブル７（図３）を参照すると、ノードｊ，ｈのいずれも自ノードの隣接ノードではないので、隣接ノードの状態３２は更新しない。次に、送受信ノードの隣接ノードのチャネル状況３３を更新する。ノードｊ，ｈの隣接ノードは、隣接ノードＩＤ２３にノードｊまたはｈが含まれるノードｅであることが分かる。したがって、チャネル状況テーブル更新部４は、ノードｅはチャネル１で干渉を受けているとしてチャネル状況テーブル６を更新する（図４）。

ノードｍは、ノードｇとチャネル４で通信することを通知するＲＴＳメッセージを送信する。このＲＴＳメッセージを受信したノードａは、上記と同様に、ＲＴＳメッセージに指定された送受信ノード（ノードｇ，ｍ）が、自ノードの隣接ノードであるか判断する。これらのノードは隣接ノードではないので、隣接ノードの状態３２は更新しない。次に、ノードｇ，ｍの隣接ノードがノードｂ，ｃであることをトポロジー情報テーブル７から取得する。そして、ノードｂ，ｃは、チャネル４で干渉を受けているとしてチャネル状況テーブル６を更新する。

ノードｉは、ノードｋとチャネル３で通信することを通知するＲＴＳメッセージを送信する。このＲＴＳメッセージを受信したノードａは、ノードｋが自ノードの隣接ノードであるため、ノードｋの状態を「通信中」に更新するとともに、ノードｋはチャネル３で通信中であるとしてチャネル状況テーブル６を更新する。また、ノードｉ，ｋの隣接ノードであるノードｄ，ｅはチャネル３で干渉を受けているとしてチャネル状況テーブル６を更
新する。

なお、上記の説明では、ＲＴＳメッセージに格納されている送受信ノードが自ノードの隣接ノードであるか否かで処理を分けている。具体的には、送受信ノードのいずれかが自ノードの隣接ノードである場合には、その隣接ノードのチャネル状況と、自ノードのチャネル状況を同時に更新していることになる。しかしながら、この場合も、ＲＴＳメッセージに格納されている送受信ノードのいずれかに隣接するノードが指定されたチャネルを利用不可能であるとしてチャネル状況テーブルを更新していることに変わりはない。送信ノードが自ノードの２ホップ先ノードであり、受信ノードが自ノードの隣接ノードである場合を例にとって説明すると、受信ノードと自ノードはそれぞれ指定されたチャネルが利用不可能としてチャネル状況テーブルが更新されるが、受信ノードは送信ノードの隣接ノードであり、自ノードは受信ノードの隣接ノードである。すなわち、図１１のフローチャートにおけるＳ４０３、Ｓ４０４のいずれの処理も、受信したＲＴＳメッセージに含まれる送信ノードと受信ノードとのいずれかに隣接するノードは、そのＲＴＳメッセージに指定されたチャネルと利用不可能であるとしてチャネル状況テーブルを更新する処理に該当する。

＜本実施形態の効果＞
本実施形態における各ノードは、データパケット等の２倍の伝送距離でＲＴＳメッセージを周囲のノードに通知しあうことで、チャネル状況テーブルとしてチャネルの利用状況を把握する。各ノードはデータパケットの送信の際には、このチャネル状況テーブルを参照することで、容易に自ノードおよび受信ノードが利用可能なチャネルを取得することができる。

また、ＲＴＳメッセージを２ホップ先のノードまで直接通知することで、データパケットの送信に先立ってコントロールチャネル上で送信するパケットの、ＲＴＳメッセージ１つのみにすることができる。したがって、通信量が増えた場合であっても、コントロールチャネルがコントロールパケットで埋まってしまう可能性が減少する。

なお、ＲＴＳメッセージの伝送距離をデータパケット等の２倍以上として２ホップ先のノード全てがＲＴＳメッセージを受信できることが望ましいが、ＲＴＳメッセージの伝送距離がデータパケット等の２倍より小さい場合でも、パケットが衝突する可能性を減らす効果を得ることはできる。

また、２つの無線機のうち一方でコントロールチャネルとデータチャネルを切り替えて上記の方法で通信を行うことができるため、他方の無線機をブロードキャストチャネルに専用に割り当てることが可能となる。したがって、ブロードキャスト通信は常時行うことが可能となる。

さらに、本実施形態ではＨｅｌｌｏメッセージを交換して２ホップ先のトポロジーを把握しているので、２ホップ先のノードに対して唯一の隣接ノードや、最も多くの２ホップ先に対して中継ノードとなっている隣接ノードを、フラッディングにおける中継ノードとして選択することで、効率的なフラッディングを実行することができる。

＜その他＞
本実施形態において説明した無線通信方法は、アドホック無線通信ネットワークに適用するとより効果的である。アドホック無線通信ネットワークは、移動端末同士が一時的に構築する自律型無線ネットワークである。アドホック無線通信ネットワークでは、無線通信装置間で距離が離れていて直接通信（１ホップ通信）できない場合には、途中に存在する無線通信装置を中継してマルチホップ通信することによって情報を交換する。マルチホ
ップ通信においては、各ホップにおいてチャネル干渉が発生する可能性があるため、ホップ数が増加するにつれて著しくスループットが低下してしまうことが知られている。したがって、チャネル干渉を効果的に回避する上記の無線通信方法を、アドホック無線通信ネットワークに適用することで、大きな効果を得ることが可能である。なお、アドホック無線通信ネットワークの例としては、車両に搭載された無線通信装置によって構成される車車間アドホック無線通信システムがある。

上記で説明したＨｅｌｌｏメッセージの送信間隔は一定の間隔とする必要はない。また、Ｈｅｌｌｏメッセージを受信するたびにトポロジー情報テーブル７の更新処理を行う必要もない。例えば、車車間アドホック無線通信システムにおいては、車速センサから取得した自車の車速に基づいて、Ｈｅｌｌｏメッセージの送信間隔を決定しても良い。また、車速に基づいて、同じノードからＨｅｌｌｏメッセージを何回受信するたびにトポロジー情報テーブル７の更新処理を行うか決定しても良い。自車の車速が遅い場合には、ネットワークトポロジーが急激には変化しないと考えられるので、Ｈｅｌｌｏメッセージの送信間隔を長くしたり、より多くのＨｅｌｌｏメッセージを受信してからトポロジー情報テーブル７を更新することで無線通信装置の処理負荷を減らすことが可能となる。また、自車の車速ではなく、他車の車速や、自車と他車との相対速度等に基づいて、Ｈｅｌｌｏメッセージの送信間隔や受信時の処理間隔を決定することもできる。

本実施形態に係る無線通信装置の機能ブロック例を示す図である。 本実施形態における無線通信ネットワークのトポロジーの例を示す図である。 トポロジー情報テーブルの例を示す図である。 チャネル状況テーブルの例を示す図である。 チャネル選択処理の流れを示すフローチャートである。 チャネル選択処理における送信ノードの干渉チャネルを取得する処理の流れを示すフローチャートである。 （ａ）はデータパケット送信時に送受信されるパケットのシーケンスを示す図である。（ｂ）は、その時のネットワークトポロジーを示す図である。 ＲＴＳメッセージのフォーマットを示す図である。 Ｈｅｌｌｏメッセージのフォーマットを示す図である。 Ｈｅｌｌｏメッセージ受信時に行うトポロジー情報テーブル更新処理の流れを示すフローチャートである。 ＲＴＳメッセージ受信時に行うチャネル状況テーブル更新処理の流れを示すフローチャートである。 （ａ）は従来技術におけるデータパケット送信時に送受信されるパケットのシーケンスを示す図である。（ｂ）は、その時のネットワークトポロジーを示す図である。 従来技術において、無駄なＲＴＳメッセージによって周囲のノードをＮＡＶ状態にしてしまう状況を説明する図である。

符号の説明

１ 無線通信装置
２ パケット受信部
３ データパケット処理部
４ チャネル状況テーブル更新部
５ トポロジー情報テーブル更新部
６ チャネル状況テーブル
７ トポロジー情報テーブル
８ チャネル選択部
９ データパケット生成部
１０ ＲＴＳメッセージ生成部
１１ Ｈｅｌｌｏメッセージ生成部
１２ パケット送信部

Claims (13)

1. 複数のチャネルを利用する無線通信システムにおいて、該無線通信システム内の各ノードが、自ノードおよび自ノードに隣接するノードが利用可能なチャネルをチャネル状況テーブルとして管理し、該チャネル状況テーブルに基づいてデータパケットの送信に用いるチャネルを選択することを特徴とする無線通信方法。
2. データパケットを送信するノードが、使用するチャネルと送信ノードと受信ノードとを通知するチャネル予約通知を、自ノードに隣接するノードである１次隣接ノードおよび自ノードには隣接しないが１次隣接ノードに隣接するノードである２次隣接ノードに送信するステップと、
   チャネル予約通知を受信したノードが、受信したチャネル予約通知に基づいて、自ノードのチャネル状況テーブルを更新するステップと、
   データパケットを送信するノードが、１次隣接ノードにデータパケットを送信する際に、前記チャネル状況テーブルに基づいて、自ノードおよび該１次隣接ノードが利用可能なチャネルを、データパケットの送信に利用するチャネルとして選択するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の無線通信方法。
3. １次隣接ノードと２次隣接ノードを記憶するトポロジー情報テーブルを作成するステップをさらに含み、
   前記チャネル状況テーブルを更新するステップは、チャネル予約通知を受信したノードが、
   前記トポロジー情報テーブルに基づいて、受信したチャネル予約通知に含まれる送信ノードと受信ノードとのいずれかに隣接する、自ノードの１次隣接ノードを取得するステップと、
   該１次隣接ノードは受信したチャネル予約通知に指定されたチャネルを利用不可能であるとして前記チャネル状況テーブルを更新するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の無線通信方法。
4. 前記チャネル予約通知を送信するステップにおいて、チャネル予約通知の伝搬距離をデータパケットの伝搬距離の少なくとも２倍とすることで、該チャネル予約通知を１次隣接ノードおよび２次隣接ノードに送信する
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の無線通信方法。
5. 前記チャネル予約通知を送信するステップにおいて、チャネル予約通知の送信電波強度を、データパケットの送信電波強度よりも強くすることで、チャネル予約通知の伝搬距離を少なくともデータパケットの伝搬距離の２倍とする
   ことを特徴とする請求項４に記載の無線通信方法。
6. 前記チャネル予約通知を送信するステップにおいて、チャネル予約通知の変調方式を、データパケットの変調方式と異ならせることで、チャネル予約通知の伝搬距離を少なくともデータパケットの伝搬距離の２倍とする
   ことを特徴とする請求項４に記載の無線通信方法。
7. 前記トポロジー情報テーブルを作成するステップは、
   前記無線通信システム内の各ノードが、自ノードの１次隣接ノードおよび２次隣接ノードの集合を通知するトポロジー情報通知を送信するステップと、
   前記トポロジー情報通知を受信したノードが、受信したトポロジー情報通知に基づいて前記トポロジー情報テーブルを更新するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の無線通信方法。
8. 前記複数のチャネルには、ブローキャストパケットを送信するためのブロードキャストチャネル、制御パケットを送信するための制御チャネル、およびデータパケットを送信するための複数のデータチャネルが含まれ、
   前記トポロジー情報通知は、ブロードキャストチャネル上で送信され、
   前記チャネル予約通知は、制御用チャネル上で送信され、
   前記データパケットは、複数のデータチャネル上のいずれかで送信される
   ことを特徴とする請求項７に記載の無線通信方法。
9. 前記無線通信システム内の各ノードは、第１および第２の無線通信機を有し、
   前記トポロジー情報通知は、第１の無線通信機によって送信され、
   前記チャネル予約通知は、第２の無線通信機によって送信され、
   前記データパケットは、第２の無線通信機によって送信される
   ことを特徴とする請求項８に記載の無線通信方法。
10. 複数のチャネルを利用して無線通信を行う無線通信装置であって、
    自ノードおよび自ノードに隣接するノードである１次隣接ノードが利用可能なチャネルを記憶するチャネル状況テーブルと、
    １次隣接ノードにデータパケットを送信する際に、前記チャネル状況テーブルに基づいて、自ノードおよび該１次隣接ノードが利用可能なチャネルを、データパケットの送信に利用するチャネルとして選択するチャネル選択手段と、
    を有することを特徴とする無線通信装置。
11. データパケットの送信の際に、使用するチャネルと送信ノードと受信ノードとを通知するチャネル予約通知を１次隣接ノードおよび自ノードには隣接しないが１次隣接ノードに隣接するノードである２次隣接ノードに送信するチャネル予約通知送信手段と、
    受信したチャネル予約通知に基づいて、前記チャネル状況テーブルを更新するチャネル状況テーブル更新手段と、
    を有することを特徴とする請求項１０に記載の無線通信装置。
12. 複数のチャネルを利用する無線通信を行わせるための無線通信プログラムであって、
    自ノードおよび自ノードに隣接するノードである１次隣接ノードが利用可能なチャネルを記憶するチャネル状況テーブルを有する無線通信装置に対して、
    １次隣接ノードにデータパケットを送信する際に、前記チャネル状況テーブルに基づいて、自ノードおよび該１次隣接ノードが利用可能なチャネルを、データパケットの送信に利用するチャネルとして選択するステップ
    を実行させることを特徴とする無線通信プログラム。
13. データパケット送信の際に、使用するチャネルと送信ノードと受信ノードとを通知するチャネル予約通知を１次隣接ノードおよび自ノードに隣接するノードではないが１次隣接ノードに隣接するノードである２次隣接ノードに送信するステップと、
    受信したチャネル予約通知に基づいて、前記チャネル状況テーブルを更新するステップと、
    をさらに実行させることを特徴とする請求項１２に記載の無線通信プログラム。
    

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