JP2008278148A - 通信端末、通信経路制御方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】無線ネットワークにおいて、輻輳や干渉などが原因であるようなＨｅｌｌｏロスによるリンク切れ誤判定を回避し、かつ、実際のリンク切れ検出時間を短縮することにより、トポロジー変化時の経路切り替えを速やかに行い、通信途絶時間を短縮する。
【解決手段】定期的に通信品質情報を取得する機能と、隣接ノード毎にＨｅｌｌｏパケットから得られるＨｅｌｌｏ統計情報及びパケットの受信強度等を管理する機能と、通信品質情報やＨｅｌｌｏ統計情報及びパケット受信強度情報などからＨｅｌｌｏロスが発生した場合に該隣接ノードとのリンクが利用可能かどうかを判断する機能を有することを特徴とする通信端末を用いて無線マルチホップネットワークを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線マルチホップネットワークにおける通信経路制御方法及び通信端末に関し、特に通信環境の変化に適応した通信経路制御方法及び通信端末に関する。

従来、無線ネットワークでは、端末同士が無線により直接通信するだけでなく、自らの無線信号が届く通信範囲内に存在する他の端末を中継ノードとして経由することで、その無線通信範囲を超えて通信端末間でデータを送受信することを可能とする無線マルチホップネットワークが知られている。

この無線マルチホップネットワークは、複数の端末で構成されており、各通信端末は自分宛でないパケットを転送するためのルータ機能を持っている。各通信端末は、このルータ機能により、直接無線の届かない端末に対してパケットを他の端末を介して目的の端末へ届けることができる。このパケット転送経路を自律分散的に制御するルーティングプロトコルとしては、通信開始時に経路を探索するリアクティブ型プロトコルや、定期的に他の通信端末とメッセージを交換して常時最新経路を維持するプロアクティブ型プロトコル等が採用されている。

以下、プロアクティブ型ルーティングプロトコルを用いた無線マルチホップネットワークの経路制御について説明する。
従来のプロアクティブ型ルーティングプロトコル（以下、単にプロトコルと呼ぶ）では、定期的な隣接発見メッセージ（以下、「Ｈｅｌｌｏメッセージ」と呼ぶ）の送受信により無線通信範囲内に存在する通信端末（以下、「隣接通信端末」と呼ぶ）を把握し、隣接通信端末との間のリンク（連結）情報を含むトポロジーメッセージを定期的にネットワーク全体へ広告することにより、各通信端末がネットワークトポロジー（どの通信端末同士が繋がっているかの形状）を把握し、そのトポロジー情報から各通信端末までの最短経路を計算する。これにより、無線マルチホップネットワークの経路制御が実現されている。こうした方式は、非特許文献１、非特許文献２等で開示されている。

非特許文献１で開示されているＯＬＳＲ（Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｌｉｎｋ Ｓｔａｔｅ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）について説明する。ＯＬＳＲでは、起動後に予め設定された送信間隔で「Ｈｅｌｌｏメッセージ」を送信する。「Ｈｅｌｌｏメッセージ」は転送されず、無線到達範囲内に存在する端末のみが受信することができる。また、他の端末から「Ｈｅｌｌｏメッセージ」を受信した場合、隣接ノードテーブルに「Ｈｅｌｌｏメッセージ」の有効期間の間、その情報を記録する。通信端末が、次回「Ｈｅｌｌｏメッセージ」を送信する場合は、隣接ノードテーブルに記録されている全ノードのＩＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）アドレスのリストを含める。隣接ノード情報の入った「Ｈｅｌｌｏメッセージ」を受信した端末は、ＭＰＲ（ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ ｒｅｌａｙ）の選択を行い、「ＴＣ（Ｔｏｐｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ）メッセージ」の送信を行う。

ＭＰＲとは、ある端末が送信したメッセージを、ネットワーク内の全端末が受信できるように転送するための転送ノードの集合である。ある通信端末から見た場合、ＭＰＲの選択は自分の２ホップ先に存在する端末全てをカバーするような隣接ノードの組を計算することで行われる。自分が選択したＭＰＲは「Ｈｅｌｌｏメッセージ」によって隣接ノードに通知される。これにより、隣接ノードは、その端末からＴＣパケットなどのネットワーク内の全端末に通知が必要な制御メッセージを受信した場合、自分がそのメッセージを転送する必要があることを知ることができる。

「ＴＣメッセージ」は、自分の持つリンク情報（通常は、選択したＭＰＲノードとの間のリンク）をネットワーク内の全ノードに通知するためのメッセージである。「ＴＣメッセージ」は、予め設定された送信間隔で作成され、上述のＭＰＲによって転送されネットワーク内の全端末に通知される。他の端末から受信した「ＴＣメッセージ」のリンク情報は、トポロジーテーブルに保存される。各通信端末は、トポロジーテーブルに記録されたリンク情報からネットワークトポロジーグラフを作成し、各通信端末までの最短経路を計算する。その計算結果に従って通信転送経路を設定する。

上述した従来のプロアクティブ型通信経路制御方式では、隣接ノードから一定時間「Ｈｅｌｌｏメッセージ」を受け取らなかった場合、隣接ノードとのリンクが切れたとみなす。この一定時間を非特許文献１では、「Ｎｅｉｇｈｂｏｒ Ｈｏｌｄ Ｔｉｍｅ」と呼んでいる（以降、単に「Ｈｏｌｄ Ｔｉｍｅ」と呼ぶ）。リンク切れを検出したノードは、ＭＰＲの再計算を行い、必要があれば「ＴＣメッセージ」を送信して経路情報を更新し、経路切り替えを行う。通常、「Ｈｏｌｄ Ｔｉｍｅ」はＨｅｌｌｏ送信間隔の３倍に設定される。つまり３回「Ｈｅｌｌｏメッセージ」を受信しなかった場合、リンク切れと判断する。言い換えれば、隣接ノードと通信できなくなってから「Ｈｏｌｄ Ｔｉｍｅ」時間経たなければ経路の切り替えができず、その間通信が途絶してしまうことになる。通常Ｈｅｌｌｏ送信間隔は２〜５秒程度に設定されるため、「Ｈｏｌｄ Ｔｉｍｅ」は６〜１５秒となる。６〜１５秒の通信途絶は通信アプリケーションにとって許容されないことが多い。リンク切断の検出を早めて経路切り替えを迅速に行うためには、Ｈｅｌｌｏ送信間隔を短くするか、「Ｈｏｌｄ Ｔｉｍｅ」を短くする必要がある。しかし、Ｈｅｌｌｏ送信間隔を短くすることは無線帯域の制限から限界がある。また、無線環境（輻輳や干渉）によって通信可能なノードのＨｅｌｌｏパケットが受信できない場合もあるため、単に、「Ｈｏｌｄ Ｔｉｍｅ」を短くするだけではリンク切れの誤認識が頻発し、通信が劣化してしまう。

関連する技術として、特開２００６−６７５０７号公報（特許文献１）にタイムアウト間隔可変型無線通信システムが開示されている。
この従来技術では、通信の規則性や通信スケジュールを考慮して過去の通信状況から未来の通信状況を予測し、その予測結果に応じて通信のタイムアウト間隔を動的に変化させる。このため、アンテナを介して受信した電波の強度を、信号の強度（シグナル値）や受信電力の相対値で示される受信感度（ｄＢｍ）によって測定し、過去から現在までの一連の時系列データを電波強度の変化の履歴として保持している。更に、移動体通信等へ適用する場合の補助機能として、アンテナを介して自己の現在の位置情報を取得する。取得した自己の位置情報を中心として、予め登録されている基地局の電波圏内に関する情報や電波の受信状態に影響を及ぼすトンネルや山等に関する情報等を含む地図情報を出力する。

また、特開２００１−３２６９６５号公報（特許文献２）に無線データ通信方法及び装置が開示されている。
この従来技術では、アプリケーションからデータ転送要求が出されると、データ転送開始時の電界強度値が時系列的に測定され、測定された電界強度の時系列値に基づいて通信環境が推定される。そして、推定された通信環境に基づいて初期タイムアウト時間が決定される。初期タイムアウト時間にてデータ転送が開始されると、１パケットの転送に要する時間を逐次測定し、これに基づいてタイムアウト時間を逐次変更する。

特開２００６−６７５０７号公報 特開２００１−３２６９６５号公報 Ｔ．Ｃｌａｕｓｅｎ， 他１名， "Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｌｉｎｋ Ｓｔａｔｅ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ （ＯＬＳＲ）"， ＩＥＴＦ３６２６， ２００３年１０月 Ｒ．Ｏｇｉｅｒ， 他２名， "Ｔｏｐｏｌｏｇｙ Ｄｉｓｓｅｍｉｎａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒｅｖｅｒｓｅ−Ｐａｔｈ Ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ （ＴＢＲＰＦ）"， ＩＥＴＦ ＲＦＣ３６８４， ２００４年２月

本発明の目的は、無線ネットワークにおいて、輻輳や干渉などが原因であるようなＨｅｌｌｏロスによるリンク切れ誤判定を回避し、実際のリンク切れ検出時間を短縮する通信端末を提供することである。
本発明の他の目的は、トポロジー変化時の経路切り替えを速やかに行い、通信途絶時間を短縮する通信端末を提供することである。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。但し、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

上記目的を達成するため、本発明に係る無線マルチホップネットワークの通信経路制御方法は、定期的に通信品質情報を取得する機能と、隣接ノード毎にＨｅｌｌｏパケットから得られるＨｅｌｌｏ統計情報及びパケットの受信強度等を管理する機能と、通信品質情報やＨｅｌｌｏ統計情報及びパケット受信強度情報などからＨｅｌｌｏロスが発生した場合に該隣接ノードとのリンクが利用可能かどうかを判断する機能を有することを特徴とする。

本発明の通信端末（１０）は、制御用パケットを定期的に受信し、制御用パケットから隣接ノードとの間の通信品質情報及びパケット受信強度情報を取得し、隣接ノードとの接続を監視する無線通信機能部（１２）と、制御用パケットのロスが発生した場合に、通信品質情報及びパケット受信強度情報に基づいて隣接ノードとのリンクが利用可能かどうかを判断し、リンク状態を更新するルーティング機能部（１１）とを具備する。なお、制御用パケットは、Ｈｅｌｌｏ、ビーコン等のキープアライブパケットを示す場合もある。

ルーティング機能部（１１）は、通信品質情報を管理する通信品質統計機能部（２１）と、隣接ノード毎に制御用パケットに関する統計情報及びパケット受信強度情報を管理し、制御用パケットに基づいて隣接ノードとの距離を計算して管理するＨｅｌｌｏ情報統計機能部（２２）と、制御用パケットのロスが発生した場合に、通信品質情報、統計情報及びパケット受信強度情報に基づいてリンクを切断するかどうかを判断する隣接リンク切断判定機能部（２６）と、隣接リンク切断判定機能部（２６）からリンク切断の通知を受け取り、経路の再計算を行い、計算結果に基づく制御用パケットをＨｅｌｌｏ情報統計機能部（２２）に通知する隣接リンク発見機能部（２３）とを具備する。

隣接リンク切断判定機能部（２６）は、制御用パケットのロスが発生した場合に、通信品質情報、統計情報及びパケット受信強度情報を利用して隣接ノードとのリンク利用可能確率を計算し、リンク利用可能確率に基づきリンクを切断するかどうかを判断する場合がある。

隣接リンク切断判定機能部（２６）は、ニューラルネットを用いて隣接ノードとのリンクが利用可能かどうかを判断する場合がある。

隣接リンク切断判定機能部（２６）は、データリンク層のエラー情報を用いて、通信品質情報を入力とする隣接リンク利用可能確率の計算関数を学習する場合がある。

隣接リンク切断判定機能部（２６）は、制御用パケットのロスが発生した場合に、通信品質情報、統計情報及びパケット受信強度情報を利用してロス原因を推定し、推定された原因に基づきリンクを切断するかどうかを判断する場合がある。

隣接リンク切断判定機能部（２６）は、ルールベースの判断式を用いて制御用パケットのロス原因を推定する場合がある。

本発明の通信端末（１０）は、制御用パケットを定期的に交換可能な複数のノードにより形成されるマルチホップネットワークのトポロジー情報を管理するトポロジー発見機能部（２４）と、トポロジー情報に基づいて複数のノード間で送受信されるパケットの通信経路を制御するパケット処理機能部（１３）とを更に具備する。

輻輳や干渉などが原因であるようなＨｅｌｌｏロスによるリンク切れ誤判定を回避し、実際のリンク切れ検出時間を短縮することにより、トポロジー変化時の経路切り替えを速やかに行うことができる。また、通信途絶時間を短縮することで、通信品質を向上することができる。

以下に、本発明の第１実施例について添付図面を参照して説明する。
なお、本実施例の無線マルチホップネットワーク（モバイルアドホックネットワーク）は、Ｐｒｏａｃｔｉｖｅ型プロトコル（ＯＬＳＲプロトコル）を用いた方式を適用したものである。

図１は、本実施例の無線マルチホップネットワークにおけるネットワーク構成例を示す。本実施例の無線マルチホップネットワークは、通信端末１０（１０−ｉ、ｉ＝１〜ｎ：ｎは端末数）を含む。

図１の例では、複数の通信端末１０−１〜１０−４の各々が、それぞれ無線ネットワーク上のノードを構成し、それら各ノード間で無線により自律的に制御パケットを交換することで無線マルチホップネットワークが形成されている。ここでは、通信端末１０−１〜１０−４の無線到達範囲Ａ１０−１〜Ａ１０−４内で無線マルチホップネットワークが形成されている。通信端末１０−１〜１０−４は、携帯電話やノートＰＣ（パソコン）、ＰＤＡ（携帯情報端末）、車両や車戴器、携帯型のゲーム機や音楽プレーヤーなど、いずれでも適用可能である。

各通信端末１０−１〜１０−４は、それぞれ固有のノードＩＤ（識別情報）とＩＰアドレスを持っている。端末に割り当てられるＩＰアドレスは重複しないため、ＩＰアドレスをノードＩＤとして利用することも可能である。

図２は、通信端末の内部機能構成を示している。
本発明に係る通信端末１０は、ルーティング機能部１１と、無線通信機能部１２と、パケット処理機能部１３と、位置情報取得機能部１４と、通信アプリケーションプログラム１５を備える。

ルーティング機能部１１は、他の通信端末と通信するためのルーティング制御を行う。無線通信機能部１２は、他の通信端末と無線通信する。パケット処理機能部１３は、他の通信端末との間で送受信するパケットを処理する。位置情報取得機能部１４は、ＧＰＳ等により、通信端末１０自身の現在位置情報を取得する。通信アプリケーションプログラム１５は、通信のためのアプリケーションを起動する。

ここで、ルーティング機能部１１は、通信品質統計機能部２１と、Ｈｅｌｌｏ情報統計機能部２２と、隣接リンク発見機能部２３と、トポロジー発見機能部２４と、経路計算機能部２５と、隣接リンク切断判定機能部２６と、Ｈｅｌｌｏ監視タイマー機能部２７と、隣接リンクテーブル２８と、トポロジーテーブル２９と、通信品質統計情報テーブル３０と、Ｈｅｌｌｏ統計情報テーブル３１を備える。

通信品質統計機能部２１は、定期的に無線通信機能部１２からパケットエラー率や無線ビジー率を取得する。また、パケット処理機能部１３から受信キューがあふれて破棄されたパケット数を取得する。

Ｈｅｌｌｏ情報統計機能部２２は、位置情報取得機能部１４から現在の位置情報を取得し、Ｈｅｌｌｏ情報に入っている隣接ノードの位置情報と自身の位置情報からＨｅｌｌｏ送信元の隣接ノードとの距離を計算する。また、無線通信機能部１２から、受信したＨｅｌｌｏパケットの無線受信強度情報を取得する。更に、Ｈｅｌｌｏ以外のパケット（データパケット、他の制御パケット等）を受信した場合の受信強度についても定期的に無線通信機能部１２からパケット受信強度情報を取得する。

隣接リンク発見機能部２３は、隣接リンクの状態（切断＝ＬＯＳＴ、片通信方向＝ＡＳＹＭ、双方向通信可能＝ＳＹＭ）を更新し、状態に変化があればＭＰＲ計算を行い、その後、Ｈｅｌｌｏ情報統計機能部２２にＨｅｌｌｏ情報を通知する。なお、隣接リンクとは、隣接ノードとのリンクを示す。

トポロジー発見機能部２４は、ネットワーク内の他の端末から（場合によっては他の端末の転送を経て）受信した「ＴＣメッセージ」に含まれるリンク情報を取得する。また、

経路計算機能部２５は、他ノード（他の通信端末）への通信最短経路を計算する。

隣接リンク切断判定機能部２６は、通信品質統計情報、Ｈｅｌｌｏ統計情報、自身の速度情報（位置の時間的変化）を取得し、取得した情報を基に、隣接リンクが継続して利用可能かどうかを確率的に判断する。リンク利用可能確率が閾値以下で有った場合、隣接リンクの切断を隣接リンク発見機能部２３に通知する。

Ｈｅｌｌｏ監視タイマー機能部２７は、「Ｈｅｌｌｏメッセージ」に含まれる広告間隔情報から計算された次回受信予定の時刻を監視する。

隣接リンクテーブル２８には、隣接ノードから受信した「Ｈｅｌｌｏメッセージ」に従って情報が記録される。

トポロジーテーブル２９には、ネットワーク内の他の端末から（場合によっては他の端末の転送を経て）受信した「ＴＣメッセージ」に含まれるリンク情報に従って情報が記録される。テーブルの内容は非特許文献１などと同様である。

通信品質統計情報テーブル３０は、パケットエラー率や無線ビジー率、パケット処理機能部１３の受信キューからあふれて破棄されたパケット数を記録する。

Ｈｅｌｌｏ統計情報テーブル３１は、Ｈｅｌｌｏ統計情報（Ｈｅｌｌｏパケットのロス情報や受信品質、その他のパケットの受信品質等）を記録する。

以下に、本実施例の動作について説明する。
なお、全ての経路制御メッセージ（「Ｈｅｌｌｏメッセージ」、「ＴＣメッセージ」など）及び通信アプリケーションプログラム１５が送受信するデータパケットは、無線通信機能部１２を介して他の通信端末とやり取りされる。

また、各通信端末１０は、起動するとＯＬＳＲと同様に「Ｈｅｌｌｏメッセージ」を無線到達範囲にブロードキャストして、その存在を他の端末に知らせる。

図３に、本発明の「Ｈｅｌｌｏメッセージ」のパケットフォーマットを示す。
本発明のＨｅｌｌｏパケットは、「メッセージタイプ」、「有効期間」、「メッセージサイズ」、「作成ノードＩＤ」、「ＴＴＬ（Ｔｉｍｅ Ｔｏ Ｌｉｖｅ）」、「ホップカウント（Ｈｏｐ Ｃｏｕｎｔ）」、「シーケンス番号」、「広告間隔」、「Ｗｉｌｌｉｎｇｎｅｓｓ」、「自ノード位置情報」、「隣接ノードＩＰアドレス」を含む。

「メッセージタイプ」は、そのメッセージの種類（この場合は、Ｈｅｌｌｏ）を示す。「有効期間」は、そのメッセージが送信されてから有効である時間を示す。「メッセージサイズ」は、メッセージの長さ、「作成ノードＩＤ」は、そのメッセージを作成した端末のノードＩＤを示す。「ＴＴＬ」は、メッセージを転送する最大ホップ数を示し、Ｈｅｌｌｏでは１（つまり、転送しない）が入る。「ホップカウント」は、メッセージが転送される毎に１ずつ増やされる。「シーケンス番号」は、各メッセージを一意に識別するために割り当てられる識別番号であり、メッセージが作成されるたびに１ずつ増やされる。「広告間隔」は、メッセージを広告する時間間隔を示す。「Ｗｉｌｌｉｎｇｎｅｓｓ」は、メッセージやデータパケットの転送への積極性を示し、０〜７の値を持ち、値が高いほどパケットの転送ノードとして他のノードから選ばれやすい。すなわち、そのノードがどれくらい中継ノードになりやすいかを定量的に示す値である。「隣接ノードＩＰアドレス」は、自分が有効なＨｅｌｌｏを受信した隣接ノードのＩＰアドレスである。「自ノード位置情報」は、ＧＰＳ等の位置情報取得機能によって得られた自ノードの現在位置情報である。

図４に、本実施例の動作のフローチャートを示す。
（１）ステップＳ１０１
最初にノード（通信端末１０）が起動すると、定期的な「Ｈｅｌｌｏメッセージ」と「ＴＣメッセージ」の送信を開始する。非特許文献１では、「Ｈｅｌｌｏメッセージ」の送信間隔デフォルト値は２秒、「ＴＣメッセージ」は５秒となっている。

（２）ステップＳ１０２
ノードが隣接ノードから「Ｈｅｌｌｏメッセージ」を受信すると、Ｈｅｌｌｏパケットは隣接リンク発見機能部２３に渡され、隣接リンク発見機能部２３は隣接リンクの状態（切断＝ＬＯＳＴ、片通信方向＝ＡＳＹＭ、双方向通信可能＝ＳＹＭ）を更新し、状態に変化があればＭＰＲ計算を行い、隣接リンクテーブル２８に書き込む。その後、Ｈｅｌｌｏ情報統計機能部２２にＨｅｌｌｏ情報を通知する。

（３）ステップＳ１０３
隣接リンクの状態に変化があった場合、及び「ＴＣメッセージ」を受信した場合に、経路計算機能部２５が動作し、他ノードへの通信最短経路を計算する。通信経路情報は、パケット処理機能部１３に渡され、パケットの転送に用いられる。これらの動作は非特許文献１と同様である。

（４）ステップＳ１０４
Ｈｅｌｌｏ情報統計機能部２２は、Ｈｅｌｌｏ情報を受け取ると、位置情報取得機能部１４から現在の位置情報を取得し、Ｈｅｌｌｏ情報に入っている隣接ノードの位置情報と自身の位置情報からＨｅｌｌｏ送信元の隣接ノードとの距離を計算する。また、無線通信機能部１２から、受信したＨｅｌｌｏパケットの無線受信強度情報を取得する。更に、「Ｈｅｌｌｏメッセージ」に含まれる広告間隔情報から、次回受信予定の時刻を計算し、その時刻をＨｅｌｌｏ監視タイマー機能部２７にセットする。既に該当する隣接リンクに対してタイマーがセットされている場合は時刻を更新する。加えて、Ｈｅｌｌｏ情報統計機能部２２は、Ｈｅｌｌｏ以外のパケット（データパケット、他の制御パケット等）を受信した場合の受信強度についても定期的に無線通信機能部１２からパケット受信強度情報を取得し、Ｈｅｌｌｏ統計情報テーブル３１に記録する。

図５に、Ｈｅｌｌｏ統計情報テーブルの構成例を示す。
本発明のＨｅｌｌｏ統計情報テーブルは、「Ｈｅｌｌｏ情報」と「Ｔｉｍｅ」の行列で示されるテーブルである。「Ｈｅｌｌｏ情報」は、「隣接ノード」毎に、「距離」、「受信強度」、「Ｈｅｌｌｏ受信」、「次Ｈｅｌｌｏ受信予定時刻」を含む。「距離」は、自ノードとＨｅｌｌｏ送信元の隣接ノードとの距離を示す。「受信強度」は、無線受信強度情報に基づく受信強度を示す。「Ｈｅｌｌｏ受信」は、Ｈｅｌｌｏパケットの受信の成否を示す。「次Ｈｅｌｌｏ受信予定時刻」は、Ｈｅｌｌｏパケットの次回受信予定の時刻を示す。「Ｔｉｍｅ」は、「ｔ０〜ｔ１」、「ｔ１〜ｔ２」、「ｔ２〜ｔ３」のように区切られている。

（５）ステップＳ１０５
通信品質統計機能部２１は、定期的に無線通信機能部１２からパケットエラー率や無線ビジー率を取得する。更に、パケット処理機能部１３から受信キューがあふれて破棄されたパケット数を取得する。それらの情報を通信品質統計情報テーブル３０に記録する。

図６に、通信品質統計情報テーブルの構成例を示す。
本発明の通信品質統計情報テーブルは、「品質情報」と「Ｔｉｍｅ」の行列で示されるテーブルである。「品質情報」は、「パケットエラー率」、「無線ビジー率」、「受信キュー破棄パケット数」を含む。「Ｔｉｍｅ」は、「ｔ０〜ｔ１」、「ｔ１〜ｔ２」、「ｔ２〜ｔ３」のように区切られている。

（６）ステップＳ１０６
Ｈｅｌｌｏ監視タイマー機能部２７にセットした時刻が過ぎても該当の隣接ノードから「Ｈｅｌｌｏメッセージ」を受信しなかった場合、Ｈｅｌｌｏ監視タイマー機能部２７は、Ｈｅｌｌｏロス情報を隣接リンク切断判定機能部２６に通知する。また、ＨｅｌｌｏがロスしたことをＨｅｌｌｏ統計情報テーブル３１に記録する。

（７）ステップＳ１０７
隣接リンク切断判定機能部２６は、Ｈｅｌｌｏ監視タイマー機能部２７からＨｅｌｌｏロス通知を受け取り、通信品質統計情報テーブル３０から通信品質統計情報を、Ｈｅｌｌｏ統計情報テーブル３１からＨｅｌｌｏ統計情報を取得する。また、位置情報取得機能部１４から、自身の速度情報（位置の時間的変化）を取得する。取得した情報を基に、隣接リンクが継続して利用可能かどうかを確率的に判断する。リンク利用可能確率が閾値以下で有った場合、隣接リンク切断判定機能部２６は、隣接リンクの切断を隣接リンク発見機能部２３に通知する。

（８）ステップＳ１０８
隣接リンク発見機能部２３は、リンク切断の通知を受け取り、非特許文献１と同様にＭＰＲの再計算、経路の再計算等の処理を行う。

以下では、隣接リンク切断判定機能部２６におけるリンク利用可能確率の計算方法の例を示す。
ｗ１：リンクが利用できない状態
ｗ２：リンクはまだ利用可能な状態
ｘ ：計測値ベクトル

計測値ベクトルｘの要素は、隣接リンク切断判定機能部２６が、各テーブルなどから取得、或いは計算した以下のような情報である。
「直近のパケットエラー率」
「直近の無線ビジー率」
「直近の受信キュー破棄パケット数」
「該隣接ノードの連続Ｈｅｌｌｏロス回数」
「該隣接ノードの前回Ｈｅｌｌｏ受信時のノード間距離」
「該隣接ノードとの距離の増減値」
「該隣接ノードからの直近のパケット受信時強度」
「該隣接ノードからのパケット受信強度の変化値」
「他隣接ノードの最近のＨｅｌｌｏロス率」
「自ノードの速度」

計測値がｘであった場合にリンクが利用不可能になる事後確率をＰ（ｗ１｜ｘ）とすると、ベイズの公式より、以下の式で計算できる。

Ｐ（ｗ１｜ｘ）＝Ｐ（ｘ｜ｗ１）＊Ｐ（ｗ１）／Ｐ（ｘ）

リンクが利用可能な場合に計測値ｘである事後確率Ｐ（ｘ｜ｗ１）、リンクが切れる確率Ｐ（ｗ１）、計測値ｘが起きる確率Ｐ（ｘ）は、事前に様々な環境（市街地、高速道路、森林、野原等）毎に実験を行って計測しておく。また、これらの値は利用中も計測値により更新してゆくことで、より適切な値を得ることが可能である。

以下に、本発明の第２実施例について説明する。
隣接リンク切断判定機能部２６におけるリンク利用可能確率の計算は、ニューラルネットを用いて行うことも可能である。ニューラルネットにおける重みは、事前に様々な環境（市街地、高速道路、森林、野原等）毎に実験を行って学習しておく。実際に利用する環境に合わせて判断する重みを使い分けることで、様々な環境においてより的確な判断が可能となる。

図７に、判断に用いるニューラルネットの例を示す。
図７のニューラルネットは、ｍ個の入力ユニット（ｘ１〜ｘｍ）とｎ個の隠れユニット（ｙ１〜ｙｎ）と、ひとつの出力ユニットｚを持つ。各ユニット間のリンクにはそれぞれ重みが設定されている。

ユニットｘｉとｙｊ間の重みをｗｉｊ、ユニットｙｉとｚ間の重みをｑｉとすると、隠れユニットｙｊの出力値は以下の（１）式のように計算できる。

ここで、ｆ１はシグモイド関数などの非線形活性化関数である。

出力ユニットｚの出力値は以下の（２）式のように計算できる。

ここで、ｆ２もシグモイド関数などの非線形活性化関数である（ｆ１と同じでも良い）。

各入力ユニットｘｉの値は、隣接リンク切断判定機能部２６が、各テーブルなどから取得、或いは計算した以下のような情報である。
「直近のパケットエラー率」
「直近の無線ビジー率」
「直近の受信キュー破棄パケット数」
「該隣接ノードの連続Ｈｅｌｌｏロス回数」
「該隣接ノードの前回Ｈｅｌｌｏ受信時のノード間距離」
「該隣接ノードとの距離の増減値」
「該隣接ノードからの直近のパケット受信時強度」
「該隣接ノードからのパケット受信強度の変化値」
「他隣接ノードの最近のＨｅｌｌｏロス率」
「自ノードの速度」

出力ユニットｚの値は、隣接リンクが利用可能かの確率（０〜１）である。

出力ユニットｚの値が閾値以下であった場合、隣接リンク切断判定機能部２６は、その隣接リンクが利用できなくなったと判断し、隣接リンクの切断を隣接リンク発見機能部２３に通知する。

ニューラルネットで利用する重みは事前の学習で得たものを利用するだけでなく、無線マルチホップネットワーク通信中においてもデータリンク層のＡＣＫ未受信や再送回数超過によるパケット破棄、ＡＲＰ失敗などを教師データとして学習を継続し、利用環境に適した重みパラメータを得ることも可能である。

以下に、本発明の第３実施例について説明する。
隣接リンク切断判定機能部２６においてリンク利用可能判断は、下記で説明するルールベースにより行うことも可能である。

隣接リンク切断判定機能部２６は、以下の５つの条件（Ｒ１〜Ｒ５）を判定する。Ｒ１〜Ｒ５は、条件を満たせば１、満たさなければ０が入る。
Ｒ１：３回以上連続でＨｅｌｌｏが落ちている
Ｒ２：パケットエラー率が閾値以上、または、無線ビジー率が閾値以上、または、受信キュー廃棄パケット数が閾値以上
Ｒ３：ほぼ同時刻に受信する予定であった隣接ノードのＨｅｌｌｏもロスしている
Ｒ４：（該隣接ノードとの距離は時間的に増加し、かつ、該隣接ノードとの直近の距離は閾値以上であった）、または、（該隣接ノードからの受信強度は時間的に減少している、かつ、該隣接ノードからの直近のパケット受信強度は閾値以下であった）
Ｒ５：自身は移動している

これらの５つの条件の値から、以下のロス原因（Ｓ１〜Ｓ５）を計算する。
Ｓ１：ネットワークの輻輳・干渉・衝突等によるロス
Ｓ２：自身が隣接ノードから離れて通信不能となった
Ｓ３：該隣接ノードが自身から離れて通信不能となった
Ｓ４：自身が障害物に隠れて通信不能となった
Ｓ５：該隣接ノードが障害物に隠れて通信不能となった

Ｓ１〜Ｓ５は、以下の式で計算される。
Ｓ１＝Ｒ２ ＋ Ｒ３
Ｓ２＝Ｒ１ ＋ Ｒ３＊Ｒ４＊Ｒ５
Ｓ３＝Ｒ１ ＋ （１ − Ｒ３）＊Ｒ４
Ｓ４＝Ｒ１ ＋ Ｒ３＊（１ − Ｒ４）＊Ｒ５
Ｓ５＝Ｒ１ ＋ （１ − Ｒ３）＊（１ − Ｒ４）

Ｘ＝Ｓ２ ＋ Ｓ３ ＋ Ｓ４ ＋ Ｓ５ − Ｓ１を計算し、Ｘが０以上の場合は該隣接リンクが利用不能になったと判断する。

図８に、Ｘ、Ｓ、Ｒの関係一覧を示す。ノードは上記Ｓ１〜Ｓ５及びＸの計算を省略し、この表からリンク利用可能性を判断しても良い。

以下に、本発明の第４実施例について説明する。
上記の実施例では、無線マルチホップネットワークにおける経路制御方式で利用される隣接ノードとのリンク管理（切断判定）について説明したが、本発明はマルチホップに限らず２台の無線ノード間のシングルホップ通信におけるリンク管理にも利用可能である。

以上のように、従来のプロアクティブ型無線マルチホップ通信経路制御方式では、隣接ノードと定期的にＨｅｌｌｏを交換することで互いの接続を確認する。隣接ノードから一定時間「Ｈｅｌｌｏメッセージ」を受け取らなかった場合、隣接ノードとのリンクが切れたとみなす。この一定時間を「Ｈｏｌｄ Ｔｉｍｅ」と呼ぶ。通常、「Ｈｏｌｄ Ｔｉｍｅ」はＨｅｌｌｏ送信間隔の３倍に設定される。つまり３回「Ｈｅｌｌｏメッセージ」を受信しなかった場合、リンク切れと判断する。言い換えれば、隣接ノードと通信できなくなってから「Ｈｏｌｄ Ｔｉｍｅ」時間経たなければ経路の切り替えができず、その間通信が途絶してしまうことになる。リンク切断の検出を早めるためには、Ｈｅｌｌｏ送信間隔を短くするか、「Ｈｏｌｄ Ｔｉｍｅ」を短くする必要がある。しかし、Ｈｅｌｌｏ送信間隔を短くすることは無線帯域の制限から限界がある。また、無線環境（輻輳や干渉）によって通信可能なノードのＨｅｌｌｏパケットが受信できない場合もあるため、単に、「Ｈｏｌｄ Ｔｉｍｅ」を短くするだけではリンク切れの誤認識が頻発し、通信が劣化してしまう。

本発明に係る無線マルチホップネットワークの通信経路制御方法は、定期的に通信品質情報を取得する機能と、隣接ノード毎にＨｅｌｌｏパケットから得られるＨｅｌｌｏ統計情報及びパケットの受信強度等を管理する機能と、通信品質情報やＨｅｌｌｏ統計情報及びパケット受信強度情報などからＨｅｌｌｏロスが発生した場合に該隣接ノードとのリンクが利用可能かどうかを判断する機能を有する。定期的もしくはパケット受信時に、通信品質情報や受信強度等の情報を取得して履歴をテーブルに記録しておく。隣接ノードからＨｅｌｌｏ受信予定時刻が過ぎても、Ｈｅｌｌｏパケットを受信しなかった場合は、それらの情報を基に隣接ノードとの通信が本当にできなくなったかどうかを確率的に判定する。通信できなくなった確率が閾値を超えた場合、その隣接ノードとのリンクが切れたと判断し経路の再計算等を行うことで、リンク切断検知時間を短縮し、通信品質を向上する。

最後に、本発明の特徴について以下に詳述する。
本発明に係る無線ネットワークの通信路制御方式は、Ｈｅｌｌｏ、ビーコン等のキープアライブパケットを定期的に送信し、隣接ノードとの接続を監視する。この無線ネットワークの通信制御方法は、定期的に通信品質情報を取得して管理する機能と、隣接ノード毎にキープアライブパケットに関する統計情報を管理する機能と、隣接ノード毎にパケット受信強度情報を管理する機能と、キープアライブパケットに自ノードの位置情報を入れて送信する機能と、受信したキープアライブパケットから隣接ノードとの距離を計算して管理する機能と、キープアライブパケットのロスが発生した場合に上記情報を利用して隣接ノードとのリンク利用可能確率を計算する機能と、計算したリンク利用可能確率に基づきリンクを切断するかどうかを判断する機能とを有することを特徴とする。

また、本発明に係る無線ネットワークの通信路制御方式は、ニューラルネットを用いて隣接ノードとのリンクが利用可能かどうかを判断することを特徴とする。

また、本発明に係る無線ネットワークの通信路制御方式は、データリンク層のエラー情報を用いて、通信品質情報等を入力とする隣接リンク利用可能確率の計算関数を学習することを特徴とする。

本発明に係る他の無線ネットワークの通信路制御方式は、Ｈｅｌｌｏ、ビーコン等のキープアライブパケットを定期的に送信し、隣接ノードとの接続を監視する。この無線ネットワークの通信制御方法は、定期的に通信品質情報を取得して管理する機能と、隣接ノード毎にキープアライブパケットに関する統計情報を管理する機能と、隣接ノード毎にパケット受信強度情報を管理する機能と、キープアライブパケットに自ノードの位置情報を入れて送信する機能と、受信したキープアライブパケットから隣接ノードとの距離を計算して管理する機能と、キープアライブパケットのロスが発生した場合に上記情報を利用してロス原因を推定する機能と、推定した原因に基づきリンクを切断するかどうかを判断する機能とを有することを特徴とする。

また、本発明に係る他の無線ネットワークの通信路制御方式は、ルールベースの判断式を用いてキープアライブパケットのロス原因を推定することを特徴とする。

本発明に係る無線マルチホップネットワークの通信経路制御方法は、複数の通信端末間で無線によりＨｅｌｌｏパケットなどの制御パケットを定期的に交換して該複数の通信端末をノードとするマルチホップネットワークを形成し、そのマルチホップネットワークのトポロジー情報を保持し、そのトポロジー情報に基づいて複数の通信端末間で送受信されるパケットの通信経路を制御する。この無線マルチホップネットワークの通信経路制御方法は、定期的に通信品質情報を取得して管理する機能と、隣接ノード毎にＨｅｌｌｏに関する統計情報を管理する機能と、隣接ノード毎にパケット受信強度情報を管理する機能と、Ｈｅｌｌｏパケットに自ノードの位置情報を入れて送信する機能と、受信したＨｅｌｌｏパケットから隣接ノードとの距離を計算して管理する機能と、Ｈｅｌｌｏロスが発生した場合に上記情報を利用して隣接ノードとのリンクが利用可能可能確率を計算する機能と、計算したリンク利用可能確率に基づきリンクを切断するかどうかを判断する機能とを有することを特徴とする。

本発明に係る無線マルチホップネットワークの通信経路制御方法は、ニューラルネットを用いて隣接ノードとのリンクが利用可能かどうかを判断することを特徴とする。

本発明に係る無線マルチホップネットワークの通信経路制御方法は、データリンク層のエラー情報を用いて、通信品質情報等を入力とする隣接リンク利用可能確率の計算関数を学習することを特徴とする。

本発明に係る他の無線マルチホップネットワークの通信経路制御方法は、複数の通信端末間で無線によりＨｅｌｌｏパケットなどの制御パケットを定期的に交換して該複数の通信端末をノードとするマルチホップネットワークを形成し、そのマルチホップネットワークのトポロジー情報を保持し、そのトポロジー情報に基づいて複数の通信端末間で送受信されるパケットの通信経路を制御する。この無線マルチホップネットワークの通信経路制御方法は、定期的に通信品質情報を取得して管理する機能と、隣接ノード毎にＨｅｌｌｏに関する統計情報を管理する機能と、隣接ノード毎にパケット受信強度情報を管理する機能と、Ｈｅｌｌｏパケットに自ノードの位置情報を入れて送信する機能と、受信したＨｅｌｌｏパケットから隣接ノードとの距離を計算して管理する機能と、Ｈｅｌｌｏロスが発生した場合に上記情報を利用してＨｅｌｌｏロス原因を推定する機能と、推定した原因に基づきリンクを切断するかどうかを判断する機能とを有することを特徴とする。

本発明に係る他の無線マルチホップネットワークの通信経路制御方法は、ルールベースの判定式を用いてＨｅｌｌｏロス原因を推定することを特徴とする。

図１は、本発明の第１実施例に係る無線マルチホップネットワークの全体構成例を示す図である。 図２は、図１に示す通信端末の機能構成例を示す図である。 図３は、図１に示す通信端末の「Ｈｅｌｌｏメッセージ」の構成例を示す図である。 図４は、本発明の第１実施例に係る動作を示すフローチャートである。 図５は、Ｈｅｌｌｏ統計情報テーブルの構成例を示す図である。 図６は、通信品質統計情報テーブルの構成例を示す図である。 図７は、隣接リンク切断判定機能におけるニューラルネット構成を示す図である。 図８は、Ｒ，Ｓ，Ｘの値の関係を示す図である。

符号の説明

１０… 通信端末
１１… ルーティング機能部
１２… 無線通信機能部
１３… パケット処理機能部
１４… 位置情報取得機能部
１５… 通信アプリケーションプログラム
２１… 通信品質統計機能部
２２… Ｈｅｌｌｏ情報統計機能部
２３… 隣接リンク発見機能部
２４… トポロジー発見機能部
２５… 経路計算機能部
２６… 隣接リンク切断判定機能部
２７… Ｈｅｌｌｏ監視タイマー機能部
２８… 隣接リンクテーブル
２９… トポロジーテーブル
３０… 通信品質統計情報テーブル
３１… Ｈｅｌｌｏ統計情報テーブル

Claims (16)

1. 制御用パケットを定期的に受信し、前記制御用パケットから自ノードの通信品質情報及び隣接ノードとの間のパケット受信強度情報を取得し、前記隣接ノードとの接続を監視する無線通信機能部と、
   前記制御用パケットのロスが発生した場合に、前記通信品質情報及び前記パケット受信強度情報に基づいて前記隣接ノードとのリンクが利用可能かどうかを判断し、リンク状態を更新するルーティング機能部と
   を具備する
   通信端末。
2. 請求項１に記載の通信端末であって、
   前記ルーティング機能部は、
   前記通信品質情報を管理する通信品質統計機能部と、
   隣接ノード毎に前記制御用パケットに関する統計情報及び前記パケット受信強度情報を管理し、前記制御用パケットに基づいて隣接ノードとの距離を計算して管理するＨｅｌｌｏ情報統計機能部と、
   前記制御用パケットのロスが発生した場合に、前記通信品質情報、前記統計情報及び前記パケット受信強度情報に基づいてリンクを切断するかどうかを判断する隣接リンク切断判定機能部と、
   前記隣接リンク切断判定機能部からリンク切断の通知を受け取り、経路の再計算を行い、計算結果に基づく制御用パケットを前記Ｈｅｌｌｏ情報統計機能部に通知する隣接リンク発見機能部と
   を具備する
   通信端末。
3. 請求項２に記載の通信端末であって、
   前記隣接リンク切断判定機能部は、前記制御用パケットのロスが発生した場合に、前記通信品質情報、前記統計情報及び前記パケット受信強度情報を利用して隣接ノードとのリンク利用可能確率を計算し、前記リンク利用可能確率に基づきリンクを切断するかどうかを判断する
   通信端末。
4. 請求項３に記載の通信端末であって、
   前記隣接リンク切断判定機能部は、ニューラルネットを用いて隣接ノードとのリンクが利用可能かどうかを判断する
   通信端末。
5. 請求項３に記載の通信端末であって、
   前記隣接リンク切断判定機能部は、データリンク層のエラー情報を用いて、通信品質情報を入力とする隣接リンク利用可能確率の計算関数を学習する
   通信端末。
6. 請求項２に記載の通信端末であって、
   前記隣接リンク切断判定機能部は、前記制御用パケットのロスが発生した場合に、前記通信品質情報、前記統計情報及び前記パケット受信強度情報を利用してロス原因を推定し、前記推定された原因に基づきリンクを切断するかどうかを判断する
   通信端末。
7. 請求項６に記載の通信端末であって、
   前記隣接リンク切断判定機能部は、ルールベースの判断式を用いて前記制御用パケットのロス原因を推定する
   通信端末。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の通信端末であって、
   前記制御用パケットを定期的に交換可能な複数のノードにより形成されるマルチホップネットワークのトポロジー情報を管理するトポロジー発見機能部と、
   前記トポロジー情報に基づいて前記複数のノード間で送受信されるパケットの通信経路を制御するパケット処理機能部と
   を更に具備する
   通信端末。
9. 定期的に通信品質情報を取得して管理するステップと、
   隣接ノード毎に前記制御用パケットに関する統計情報を管理するステップと、
   隣接ノード毎にパケット受信強度情報を管理するステップと、
   前記制御用パケットに自ノードの位置情報を入れて送信するステップと、
   前記制御用パケットから隣接ノードとの距離を計算して管理するステップと、
   前記制御用パケットのロスが発生した場合に前記通信品質情報、前記統計情報及び前記パケット受信強度情報に基づいてリンクを切断するかどうかを判断するステップと
   を具備する
   通信経路制御方法。
10. 請求項９に記載の通信経路制御方法であって、
    前記制御用パケットのロスが発生した場合に前記通信品質情報、前記統計情報及び前記パケット受信強度情報を利用して隣接ノードとのリンク利用可能確率を計算するステップと、
    前記計算したリンク利用可能確率に基づきリンクを切断するかどうかを判断するステップと
    を更に具備する
    通信経路制御方法。
11. 請求項１０に記載の通信経路制御方法であって、
    ニューラルネットを用いて隣接ノードとのリンクが利用可能かどうかを判断するステップ
    を更に具備する
    通信経路制御方法。
12. 請求項１０に記載の通信経路制御方法であって、
    データリンク層のエラー情報を用いて、通信品質情報を入力とする隣接リンク利用可能確率の計算関数を学習するステップ
    を更に具備する
    通信経路制御方法。
13. 請求項９に記載の通信経路制御方法であって、
    前記制御用パケットのロスが発生した場合に、前記通信品質情報、前記統計情報及び前記パケット受信強度情報を利用してロス原因を推定し、前記推定された原因に基づきリンクを切断するかどうかを判断するステップ
    を更に具備する
    通信経路制御方法。
14. 請求項１３に記載の通信経路制御方法であって、
    ルールベースの判断式を用いて前記制御用パケットのロス原因を推定するステップ
    を更に具備する
    通信経路制御方法。
15. 請求項９乃至１４のいずれか一項に記載の通信経路制御方法であって、
    前記制御用パケットを定期的に交換可能な複数のノードにより形成されるマルチホップネットワークのトポロジー情報を管理するステップと、
    前記トポロジー情報に基づいて前記複数のノード間で送受信されるパケットの通信経路を制御するステップと
    を更に具備する
    通信経路制御方法。
16. 請求項９乃至１５のいずれか一項に記載の通信経路制御方法を、コンピュータに実行させるためのプログラム。

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