JP2008547311A - 無線通信ネットワークにおいて経路を発見するための方法 - Google Patents

Abstract

方法及びシステムが、複数のノード（１０１〜１０３）を含む無線通信ネットワーク（図１）において経路を発見する。ＲＲＥＱフレーム（１１５）が、第１のノード（１０１）によってブロードキャストされる。経路を発見するためのＲＲＥＱフレームが生成される。第２のノード（１０２）が、ＲＲＥＱフレームを受信する。第２のノード（１０２）は、第１のノード（１０１）と第２のノード（１０２）との間の無線通信チャネルの完全性を検証するためのＰＩＮＧフレーム（２１０）を第１のノード（１０１）へユニキャストする。次に、この無線チャネルの完全性が検証された場合にのみ、第２のノード（１０２）は、ＲＲＥＰフレームをユニキャストする。

Description

本発明は、包括的には、無線通信ネットワークに関し、より詳細には、無線通信ネットワークにおいて経路を発見することに関する。

アドホックネットワーク、センサネットワーク、メッシュネットワーク、及びＺｉｇＢｅｅネットワークを含む多数の異なる無線ネットワークトポロジーが知られている。ＺｉｇＢｅｅネットワークは、分散アドレス指定方式のためにツリーの形態にある。

無線ネットワークにおける経路は、送信元ノード、宛先ノード、及びオプションの中間ノードを含む。通常、送信元ノードは、データフレームが宛先ノードへ送信される前に経路発見プロシージャを開始することによって経路を発見する。通常、最適な経路が、次の因子、すなわち、ホップ数、予測遅延、残っているバッテリー寿命、信頼性、及び経路に沿ったノード間の信号強度の組み合わせを含むことができる最小コストに基づいて選択される。

送信元ノードが宛先ノードへの経路を発見したいとき、送信元ノードは、経路要求（route request）（ＲＲＥＱ）フレームをブロードキャストする。ＲＲＥＱフレームは、ＲＲＥＱフレームの送信元ノード、宛先ノード、累積コスト、及び一意の識別情報（ＩＤ）を示す。ＲＲＥＱフレームを受信する各ノードは、そのノードが宛先ノードであるか否かを判断する。そのノードが宛先ノードでない場合、その中間ノードは、コストを更新し、所定の量の遅延後に、フレームを再ブロードキャストする。ノードは、より低いコストを有するフレームが受信されない場合に、１度だけＲＲＥＱフレームを再ブロードキャストする。このように、宛先ノードが存在する場合、ＲＲＥＱフレームは、最終的には宛先ノードに到達する。

受信ノードはまた、ＲＲＥＱフレームを受信した後、経路応答（route reply）（ＲＲＥＰ）フレームを構築し、ＲＲＥＱフレームの発信ノードへＲＲＥＰフレームを送信する。ＲＲＥＰフレームは、最終的には送信元ノードに到達することができる。送信元ノードは、受信されたＲＲＥＰフレームのアドレスを調べて、最小コストの経路を発見する。

宛先ノードが、異なる経路を介してＲＲＥＱフレームの複数のコピーを受信する可能性がある。この場合、宛先は、その後受信されたＲＲＥＱフレームについて、より低いコストを備えた経路を有するＲＲＥＱフレームにのみ応答する。これが問題となる。

従来の経路発見方法は、ＲＲＥＱフレームを受信したノードが、発信ノードに応答できるものと仮定する。しかしながら、これは、送信非対称性のために常に当てはまるとは限らない場合がある。複数組のノード間の送信の非対称性の理由には、たとえば、ノードの相対的な地理的ロケーション、介在する障害物、利用可能なバッテリー電力、及びアンテナ構成といったいくつかの理由が存在し得る。

本発明が意図されている図１に示す無線ネットワーク１００の例を考える。そのネットワークは、送信元ノード（Ｓ）１０１、宛先ノード（Ｄ）１０２、及び中間ノード（Ｉ）１０３を含む。無線通信チャネルが、それらのノードをリンクする。送信元ノードは、ＲＲＥＱフレーム１１０をブロードキャストする。送信元ノードは十分な伝送範囲を有するので、ＲＲＥＱフレームは、宛先ノードによって受信されるだけでなく、ネットワークの中間ノードのいくつかによっても受信される。これらの中間ノードは、ＲＲＥＱフレームを再ブロードキャストし、ＲＲＥＰフレームをユニキャストする。

宛先ノードの伝送範囲は、ＲＲＥＰフレーム１２０が送信元ノードに到達するほど十分なものではない。宛先ノードは、中間ノードによって再ブロードキャストされたＲＲＥＱフレーム１１５も受信する。宛先ノードの伝送範囲は、ＲＲＥＰフレーム１３０が中間ノードに到達するには十分である。しかしながら、中間ノードを介した実行可能な経路のコストは、送信元ノードを宛先ノードと直接リンクする実行不可能な経路のコストよりも高い。したがって、宛先ノードは、よりコストが高いが実行可能な経路を介して受信された中間ノードからのＲＲＥＱフレームを廃棄する。換言すれば、経路発見は、通常ならば十分に機能するネットワークであり得るものにおいて失敗する。

同じ問題は、ＲＲＥＱフレームを受信するが発信ノードにＲＲＥＰフレームを到達させることができない中間ノードについても存在する可能性がある。経路が発見された後でも、動的に変化するネットワーク状態のために、データフレームについても同じ問題が存在する可能性がある。換言すれば、伝送の非対称性は、無線通信ネットワークにおいて重大な問題である。

この問題を解決することが望まれている。

従来技術では、イーサネット（登録商標）又はインターネット等の有線のＴＣＰ／ＩＰネットワークにおけるデータパス及び関連したルーティングエレメントの完全性を検証する方法が知られている。有線ネットワークでは、デバイスは、ＩＰ「ピング（ping）」として知られているものを使用する。ピングは、水中の物体を発見するのに使用される潜水艦のソナー技術からその名前を取っている。音響信号の短いバーストが送出され、ソナー監視者は、戻ってくるエコー又はソナー反響音（ping）に「聞き耳を立てる（listen）」。ＩＰネットワークでは、ピング機能は、短いデータバースト、すなわち、単一のパケットをブロードキャストし、応答としての単一のパケットをリスン（listen）する。ブロードキャストされたＩＰピングパケットは、宛先に到達して送信元に戻る前に、ネットワークにおける複数のホップに沿って間接的に通信されることができる。ピングメカニズムは、有線ＩＰネットワークで使用されてきたが、出願人は、本発明によるピングが、以下に説明するような無線ネットワークで使用されていないものと考える。

本発明は、複数のノードを含む無線通信ネットワークにおいて経路を発見するための方法及びシステムを提示する。ＲＲＥＱフレームが、送信元ノードによってブロードキャストされる。第２のノードが、ＲＲＥＱフレームを受信する。第２のノードは、第１のノードと第２のノードとの間の無線通信チャネルの完全性を検証するためのＰＩＮＧフレームを第１のノードへユニキャストする。次に、この無線チャネルの完全性が検証された場合にのみ、第２のノードは、ＲＲＥＰフレームをユニキャストする。

一方法は、無線通信ネットワークにおいて送信元ノードから宛先ノードへの経路を発見する。この方法は、従来の経路要求（route request）（ＲＲＥＱ）フレーム、経路応答（route reply）（ＲＲＥＰ）フレーム、及びユニキャストＰＩＮＧフレームを使用する。

無線ネットワークについての本発明の一実施形態によるユニキャストＰＩＮＧフレームは、インターネット等のＴＣＰ／ＩＰベースの有線ネットワークにおける従来のブロードキャストピングメッセージとは大きく異なることに留意すべきである。ＴＣＰ／ＩＰベースの有線ネットワークでは、ピングメッセージを、送信元ノードから宛先ノードへ及びその逆へ複数のホップに沿ってブロードキャストすることができる。本発明の一実施形態によるＰＩＮＧフレームは、ユニキャストされ、直接隣接したノード間でのみ、すなわち、１ホップしか離れておらず、互いに直接に無線通信連絡を行うノード間でのみ通信される。ＰＩＮＧフレームは、従来技術のように離れたノードへ間接的に送信されることはない。

ＰＩＮＧフレーム
図２に示すように、本発明によるＰＩＮＧフレーム２００は、たとえばアドレス、チェックサム等の従来のフィールドに加えて、ＰＩＮＧフレームをユニキャストするノードの状態情報２１０を含む。この状態情報は、ユニキャストノードの起動時間２０１、アイドル時間比２０２、予想バッテリー寿命２０３、及びトラフィックボリュームの大きさ２０４を含むことができる。また、ＰＩＮＧフレーム２００は、ＰＩＮＧ応答フラグ（PING reply flag）（ＰＲＦ）２０５も含む。ＰＲＦは、真（true）又は偽（false）（Ｔ／Ｆ）のいずれかに設定される。

ＰＩＮＧ応答フラグ
ＰＲＦ２０５がＦＡＬＳＥに設定されている場合、ＰＩＮＧフレームを送信するノードは、受信ノードからＰＩＮＧ応答フレームを受信するつもりはない。このノードは、ＰＩＮＧフレームが、ネットワークにおけるユニキャスト送信を検証するために使用される義務的なＡＣＫフレームによって示されるように送受信されるものと仮定する。ＰＲＦがＴＲＵＥに設定されている場合、ＰＩＮＧフレームを受信したノードは、ＰＩＮＧフレームを送信したノードに、対応するＰＩＮＧ応答フレームで応答する。このユニキャスト交換は、無線「ピング」とみなされる。ＰＩＮＧフレームは、互いに直接に無線通信連絡を行う２つの直接隣接したノード間の無線チャネルの完全性を検証するのに使用される。

経路発見
ＲＲＥＱ
図３に示すように、本発明に従って送信元ノードから宛先ノードへの経路を発見するために、送信元ノードは、ネットワークの無線通信チャネルで従来のＲＲＥＱフレーム３１１をブロードキャストする（３１０）。ＲＲＥＱフレームは、送信元ノードのアドレス及び宛先ノードのアドレス、要求識別情報（ＩＤ）、並びに経路の累積コストを含む。この技術分野で知られているような他のフィールドも含めることができる。

ＲＲＥＱフレームを受信する各ノードは、ＲＲＥＱフレームに含まれる宛先アドレスをそのノードのアドレスと比較することによって、そのノードが宛先ノードであるか否かを判断する（３２０）。受信ノードは、中間ノードである可能性もあるし、宛先ノードである可能性もある。宛先ノードにおけるＲＲＥＱフレームの処理は、以下で説明する。

ノードは、同じＩＤを有するＲＲＥＱフレームの複数のコピーを受信する可能性がある。したがって、ノードは、これが、特定のフレームＩＤについての最初のＲＲＥＱフレームであるか否かを判断する（３３０）。ノードは、常に、受信された最初のＲＲＥＱを処理する。同じＩＤを有するＲＲＥＱフレームのその後のあらゆるコピーについて、ノードは、現在受信されたＲＲＥＱフレームの累積コストが、前に処理されたあらゆるＲＲＥＱフレームのコストよりも低いか否かを判断し（３４０）、高い場合には、そのＲＲＥＱフレームを廃棄する（３５０）。

次に、受信ノードは、送信ノードと受信ノードとをリンクする通信チャネルを介してＲＲＥＱフレームを直接ブロードキャストするノードを「ピング」する（３６０）。ＰＲＦは、経路発見に関連したトラフィックオーバーヘッドを削減するためにＦＡＬＳＥに設定される。ピングが不成功である場合、ノードは、ＲＲＥＱフレームを廃棄する（３５０）。

ピングが成功し、且つ、ノードが宛先ノードでない場合、ノードは、ＲＲＥＱフレームを従来通り処理し（３７０）、たとえば、ノードのローカルルーティングテーブルのエントリーが更新され、ＲＲＥＱフレームのアドレスフィールド及び累積コストが更新される。ノードは、ランダムな時間の経過を待って、更新されたＲＲＥＱフレーム３８１を再ブロードキャストする（３８０）。

ＲＲＥＰ
図４に示すように、ノードは、同じＩＤを有するＲＲＥＱフレームに対応する１つ又は２つ以上のＲＲＥＰフレーム４０１を後に受信する可能性がある（４１０）。ノードは、これが最初のＲＲＥＰフレームであるか否かを判断する（４２０）。真である場合、ノードは、ローカル経路テーブルのエントリーを更新するとともに、ＲＲＥＰフレームのフィールドを更新することによって、ＲＲＥＰフレームを処理する（４３０）。次に、ノードは、更新されたＲＲＥＰフレーム４４１を、対応するＲＲＥＱフレームを送信したノードへユニキャストする（４４０）。

その後受信されたあらゆるＲＲＥＰフレームについて、ノードは、コストがより低いか否かを判断する（４５０）。コストがより高い場合には、ＲＲＥＰフレームは廃棄され（４６０）、そうでない場合には、ＲＲＥＰフレームは上述したように処理される。

宛先ノードの処理
図５は、ＲＲＥＱフレームが受信された時に宛先ノードによって行われるステップを示している。宛先ノードは、ＲＲＥＱフレームをブロードキャストしたノードへ、更新されたＲＲＥＰフレーム４４１をユニキャストし（５１０）、そのユニキャストが成功したか否かを判断する（５２０）。

ＲＲＥＰフレームのユニキャストが成功した場合、ＲＲＥＱフレームは、上述したように処理される（５３０）。すなわち、ローカル経路テーブルが更新される。

ＲＲＥＰフレームのユニキャストが失敗した場合、ＲＲＥＱフレームは廃棄される（５４０）。通常、たとえば３回といった所定の回数の再試行が試みられる。上述したように、宛先ノードは、同じＲＲＥＱフレームの複数のコピーも受信する可能性がある。

宛先ノードは、次の２つの条件、すなわち、その後受信されたＲＲＥＱフレームのコストが前に処理されたどのフレームのコストよりも小さい場合、又は、ＲＲＥＰをユニキャストする前の試みが失敗してコストが利用可能でない場合、のいずれかが真である場合にのみ、その後受信されたＲＲＥＱフレームを処理する。

ＲＲＥＱフレームのすべてのコピーについてのＲＲＥＰフレームの送信が失敗した場合、宛先ノードへの経路を確立することはできない。

ＲＲＥＰフレームが送信元ノードで受信されると、送信元ノードは、ＤＡＴＡ（データ）フレームを宛先ノードへ送信することができ、経路全体の完全性が検証されたことを知ることができる。

発明の効果
一方法が、無線通信ネットワークにおいて、送信元ノードと宛先ノードとの間の経路を発見する。

この方法は、縮小された範囲を有するフレームを使用する。すなわち、ＰＩＮＧフレームが、ＲＲＥＱフレームを送信したノードへのみユニキャストされる。本発明によるＰＩＮＧフレームは、隣り合ったノード、すなわち、ＲＲＥＱフレームを送信したノードへのみユニキャストされることができる。換言すれば、ＰＩＮＧフレームは、マルチホップパスに沿って通信されることができず、その結果、離れたノードへ送信されることができない。

ＰＩＮＧフレームは、着信するＲＲＥＱフレームの処理にさらに資源がコミット（commit）される前に、２つのノード間の後方無線接続（backward wireless connectivity）を検証するのに使用される。

ＰＩＮＧフレームは、隣り合ったノード間で極めて重要な情報を交換するのに非常に役立つ。ＰＩＮＧフレームで交換される情報は、より良いネットワーク管理に建設的に使用することができる。

本発明を好ましい実施形態の例として説明してきたが、本発明の趣旨及び範囲内において、他のさまざまな適応及び変更を行うことができることが理解されるべきである。したがって、本発明の真の趣旨及び範囲内に入るこのようなすべての変形及び変更をカバーすることが、添付の特許請求の範囲の目的である。

本発明を使用できる無線ネットワークのブロック図である。 本発明によるＰＩＮＧフレームのブロック図である。 経路要求フレームを処理するフロー図である。 本発明による経路応答フレームを処理するフロー図である。 本発明による宛先ノードにおける処理のフロー図である。

Claims (19)

1. 無線通信ネットワークにおいて経路を発見するための方法であって、該無線通信ネットワークは複数のノードを含み、該方法は、
   前記無線通信ネットワークの第１のノードにおいて、経路を発見するためのＲＲＥＱフレームをブロードキャストすること、
   前記無線通信ネットワークの第２のノードにおいて、前記ＲＲＥＱフレームを受信すること、
   前記第１のノードと前記第２のノードとの間の無線通信チャネルの完全性を検証するためのＰＩＮＧフレームを前記第２のノードから前記第１のノードへユニキャストすること、及び
   前記無線チャネルの完全性が検証された場合にのみ、前記第２のノードから前記第１のノードへＲＲＥＰフレームをユニキャストすること
   を含む、無線通信ネットワークにおいて経路を発見するための方法。
2. 前記ＰＩＮＧフレームは、前記第２のノードの状態情報を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記状態情報は、起動時間、アイドル時間比、予想バッテリー寿命、及びトラフィックボリュームの大きさを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記ＰＩＮＧフレームは、ピング応答フラグを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記ピング応答フラグが真である場合にのみ、前記ＰＩＮＧフレームを受信したことに応答して、前記第１のノードから前記第２のノードへＰＩＮＧ応答フレームをユニキャストすること
   をさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記ピング応答フラグが偽である場合に、前記ＰＩＮＧフレームを受信したことに応答して、前記第１のノードから前記第２のノードへＡＣＫフレームで応答すること
   をさらに含む、請求項４に記載の方法。
7. 前記ＲＲＥＱフレームは、送信元ノードのアドレス、宛先ノードのアドレス、要求識別情報、及び前記経路の累積コストを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記第１のノードは前記送信元ノードであり、前記第２のノードは前記宛先ノードである、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１のノードは前記送信元ノードであり、前記第２のノードは中間ノードである、請求項７に記載の方法。
10. 前記第１のノードは中間ノードであり、前記第２のノードは前記宛先ノードである、請求項７に記載の方法。
11. 前記第１のノードは第１の中間ノードであり、前記第２のノードは第２の中間ノードである、請求項７に記載の方法。
12. 前記第２のノードは、前記ＲＲＥＱフレームの複数のコピーを受信し、
    前記方法は、
    前記ＲＲＥＱフレームの最初のコピーを常に処理すること、
    前記ＲＲＥＱフレームのその後のコピーの前記累積コストが、前記最初のコピーの該累積コストよりも小さい場合にのみ、前記その後のコピーを処理し、そうでない場合には、該その後のコピーを廃棄すること
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記第２のノードは、ランダムな時間の経過後、更新されたＲＲＥＱフレームとして前記ＲＲＥＱフレームを再ブロードキャストする、請求項９又は１１に記載の方法。
14. 前記第１のノードは、前記ＲＲＥＰフレームの複数のコピーを受信し、
    前記方法は、
    前記ＲＲＥＰフレームの最初のコピーを常に処理すること、及び
    前記ＲＲＥＰフレームのその後のコピーの前記累積コストが、前記最初のコピーの該累積コストよりも小さい場合にのみ、前記その後のコピーを処理し、そうでない場合には、該その後のコピーを廃棄すること
    をさらに含む、請求項１０又は１１に記載の方法。
15. 前記第２のノードが前記宛先ノードである場合に、前記ＲＲＥＰフレームを生成すること
    をさらに含む、請求項７に記載の方法。
16. 前記送信元ノードにおいて、前記ＲＲＥＰフレームを受信すること、及び
    前記ＲＲＥＰフレームを受信したことに応答して、前記宛先ノードへＤＡＴＡフレームをユニキャストすること
    をさらに含む、請求項７に記載の方法。
17. 無線通信ネットワークであって、該無線通信ネットワークは、複数のノードを含み、
    無線通信ネットワークにおいて経路を発見するためのＲＲＥＱフレームをブロードキャストするように構成されている、前記無線通信ネットワークの第１のノードと、
    前記ＲＲＥＱフレームを受信するように構成されている、前記無線通信ネットワークの第２のノードと
    を備え、
    前記第２のノードは、
    前記第１のノードと前記第２のノードとの間の無線通信チャネルの完全性を検証するためのＰＩＮＧフレームを前記第１のノードへユニキャストするための手段と、
    前記無線チャネルの前記完全性が検証された場合にのみ、前記第２のノードから前記第１のノードへＲＲＥＰフレームをユニキャストするための手段と
    を有する、無線通信ネットワーク。
18. 無線通信ネットワークのために構成されているシステムであって、該無線通信ネットワークは複数のノードを含み、該システムは、
    前記無線通信ネットワークの第１のノードにおいて、経路を発見するためのＲＲＥＱフレームをブロードキャストするための手段と、
    前記無線通信ネットワークの第２のノードにおいて、前記ＲＲＥＱフレームを受信するための手段と、
    前記第１のノードと前記第２のノードとの間の無線通信チャネルの完全性を検証するためのＰＩＮＧフレームを前記第２のノードから前記第１のノードへユニキャストするための手段と、
    前記無線チャネルの完全性が検証された場合にのみ、前記第２のノードから前記第１のノードへＲＲＥＰフレームをユニキャストするための手段と
    を備える、システム。
19. 複数のノードを含む無線通信ネットワークのためのコンピュータプログラムであって、
    前記無線通信ネットワークの第１のノードにおいて、経路を発見するためのＲＲＥＱフレームをブロードキャストするための命令と、
    前記無線通信ネットワークの第２のノードにおいて、前記ＲＲＥＱフレームを受信するための命令と、
    前記第１のノードと前記第２のノードとの間の無線通信チャネルの完全性を検証するためのＰＩＮＧフレームを前記第２のノードから前記第１のノードへユニキャストするための命令と、
    前記無線チャネルの完全性が検証された場合にのみ、前記第２のノードから前記第１のノードへＲＲＥＰフレームをユニキャストするための命令と
    を含む、コンピュータプログラム。

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