JP2010114904A - マルチホップ無線ネットワーク - Google Patents

Abstract

【課題】無線端末間のエンドツーエンド通信で安定的な通信を行うことができるマルチホップ無線ネットワークを提供する。
【解決手段】各無線基地局に接続される無線端末２−１，２−２が複数の無線基地局を介して、情報配信サーバ６との通信および無線端末２−１，２−２間の通信を行うマルチホップ無線ネットワークにおいて、無線ネットワークカメラ端末７−１，７−２，７−３と情報配信サーバ６間、無線端末２−１，２−２と情報配信サーバ６間の実効伝送速度および接続された端末総数に応じて、データサイズおよびデータ送信間隔を制御する構成である。
【選択図】図８

Description

本発明は、中継機能を搭載した複数の無線基地局がネットワークを構成するマルチホップ無線ネットワークに関する。

現在、映像コンテンツの配信サービスなど、ネットワークの高速化および広帯域化に対するニーズが高くなっている。有線ネットワークでは、メタルケーブルによる伝送から光ファイバを用いた光通信に移行することにより、高速・広帯域化が実現されている。
一方、無線ネットワークにおいて高速・広帯域化を行う場合には、より広い周波数帯域が必要となるため、無線周波数の高周波化が進んでいる。しかし、伝送周波数が高くなると、距離に対する受信強度の減衰が大きくなるため、１無線基地局当たりの通信エリアは小さくなってしまう。そのため、直接電波の届かない無線基地局同士に対して、その間にある中継機能を搭載した無線基地局が中継処理を行うことにより接続するマルチホップ無線ネットワークが提案されている（特許文献１）。マルチホップ無線ネットワークは、このような利用形態の他に、様々な場所で臨時・仮設のネットワーク構築が可能であるため、災害時などの非常用ネットワークとしても期待されている。

音声や映像などのマルチメディア通信を行うネットワークでは、伝送遅延により通信品質が著しく低下することから、所定の通信品質を確保するために帯域制限が行われている。一般的な帯域制限技術としては、特定のパケットに予め伝送帯域を割り当てる方法、優先度に応じてパケットのクラス分けを行う方法、特定のノードにトラヒックが集中したり輻輳が生じないように伝送レートをならす方法、各ノードでパケットのスケジューリングを行う方法などがある。

特開２００１−２３７７６４号公報

携帯電話の急速な普及に代表されるように、「いつでも、どこでも、簡単に」コミュニケーションできるコミュニケーション環境に対する要求が高まっている。しかし、電話網を基本とする無線通信システムでは、無線基地局と無線端末の間だけが無線化されているだけで、基幹となるネットワークはほとんどが有線であり、維持管理コストがかかる構成となっている。特に、災害用ネットワークなどの稼働率の低い特別なネットワークでは、その運用方法やシステム構成に対する最適化が要求されている。このような課題を解決する一つの方法として、上記のマルチホップ無線ネットワークの利用が検討されている。

図９は、マルチホップ無線ネットワークにおける伝送速度の多様性を示す。ここに示すように、マルチホップ無線ネットワークは、無線媒体のみで無線基地局間または無線基地局と無線端末間を接続するため、各無線区間の電波環境が異なることにより実効伝送速度が異なる可能性が高い。また、無線区間によっては、使用する周波数帯域、伝送速度、通信方式等が異なる場合もある。

本発明は、無線端末間のエンドツーエンド通信で安定的な通信を行うことができるマルチホップ無線ネットワークを提供することを目的とする。

本発明は、複数の無線基地局と、無線基地局に接続される無線ネットワークカメラ端末と、無線基地局に接続され、無線ネットワークカメラ端末から送信される画像データを管理する情報配信サーバと、無線基地局に接続され、情報配信サーバに蓄積された画像データの閲覧、音声通信、その他のデータ通信を行う無線端末とを備えたマルチホップ無線ネットワークにおいて、無線ネットワークカメラ端末および無線端末は、情報配信サーバとの間の実効伝送速度を測定する手段を備え、情報配信サーバは、無線ネットワークカメラ端末から送信された画像データを蓄積する手段と、無線端末の要求に応じた画像データを配信する手段と、無線端末間で音声通信を行う際に複数の無線基地局の通信経路を制御する手段と、無線ネットワークカメラ端末と情報配信サーバ間および無線端末と情報配信サーバ間の実効伝送速度および接続された端末総数に応じて、データサイズおよびデータ送信間隔を制御する制御手段とを備える。

本発明のマルチホップ無線ネットワークでは、マルチホップ無線ネットワーク内の輻輳を最小限に抑えることができ、画像通信および音声通信を安定的に行うことができる。

本発明のマルチホップ無線ネットワークの第１の実施形態を示す図。 無線端末２−２から無線端末２−１への通信形態例を示す図。 無線端末２−２から無線端末２−１への通信形態例を示す図。 無線端末２−１から無線端末２−２への通信形態例を示す図。 本発明のマルチホップ無線ネットワークの第２の実施形態を示す図。 本発明のマルチホップ無線ネットワークの第３の実施形態を示す図。 第３の実施形態の処理手順を示すフローチャート。 本発明のマルチホップ無線ネットワークの第４の実施形態を示す図。 マルチホップ無線ネットワークにおける伝送速度の多様性を示す図。

（第１の実施形態）
図１は、本発明のマルチホップ無線ネットワークの第１の実施形態を示す。図において、複数の無線基地局１−１〜１−４は、無線基地局間の中継機能と無線端末間の通信の通信経路制御機能とを有し、各無線基地局に接続される無線端末２−１〜２−４を含めてマルチホップ無線ネットワークが形成される。各無線基地局１−１〜１−４は、互いに伝送速度および通信費用が異なる複数の接続方式に対応する構成であり、それぞれ配下の無線端末２−１〜２−４と接続する接続部３，４を備える。

ここでは、接続部３は高速な接続方式に対応し、例えば無線ＬＡＮによる接続を想定しており、例えばＣＳＭＡ（搬送波検知多元接続）方式が用いられる。接続部４は低速な接続方式に対応し、例えば移動体通信（ＰＤＣ，ＰＨＳ）による接続を想定しており、例えばＴＤＭＡ（時分割多元接続）方式やＦＤＭＡ（周波数分割多元接続）方式やＣＤＭＡ（符号分割多元接続）方式が用いられる。また、任意の無線基地局には、電話網や専用線やインターネットなどの公衆網１１あるいはＬＡＮなどの自営網１２に接続する接続部（図示せず）を備え、公衆網１１あるいは自営網１２を介して情報配信サーバ６が接続される。情報配信サーバ６は、無線端末２−１〜２−４から送信されたデータを蓄積したり再配信する機能を有し、音声・データの一斉同報の制御も行う。

無線ＬＡＮは、１つの伝送帯域を通信する全ユーザで共有して使用するため、最大伝送速度は大きいがユーザ数に応じて伝送速度は低下する。一方、移動体通信は、ユーザに帯域保証された伝送チャネルを割り当てており、最大伝送速度は小さいが一定の伝送速度を確保できる。また、無線ＬＡＮは無料の通信サービスが一般的であるが、移動体通信は従量制課金のサービス形態が多く、無線ＬＡＮよりも通信費用が高くなる。さらに、無線ＬＡＮは伝送速度が重視されるので、伝送周波数が高く通信エリアが小さくなる。すなわち、無線ＬＡＮに対応する接続部３が形成するサービスエリア５−１は小さく、移動体通信に対応する接続部４が形成するサービスエリア５−２は大きいが、図１はそれを概念的に示したものである。ここで、サービスエリア５−１の伝送速度Ｖ１を０＜Ｖ１＜α、サービスエリア５−２の伝送速度Ｖ２を０＜Ｖ２＜βとする（α>>β）。伝送速度Ｖ１，Ｖ２は、データ量や同時に接続する端末数に応じて変動し、それぞれの最大伝送速度がα，βである。

また、図１では、無線端末２−１，２−４が高速な接続方式と低速な接続方式の両方に対応し、かつ両方のサービスエリア内で通信を行う場合、伝送速度を優先して高速な接続方式を選択し、無線基地局の接続部３に接続される状態を示している。なお、低速な接続方式が安価で通信費用を優先する場合には、無線基地局の接続部４に接続される。無線端末２−２，２−３はサービスエリア５−１の外にあり、各無線基地局１−２，１−３の低速な接続部４に接続される状態を示す。

無線基地局１−１〜１−４間の通信においても、伝送速度および通信費用が異なる複数の接続方式（ＣＳＭＡ方式、ＴＤＭＡ方式、ＦＤＭＡ方式、ＣＤＭＡ方式など）に対応する同様の構成を有し、転送する無線基地局との接続に際して同様の選択が行われるが、図１ではその構成を省略している。

＜無線端末２−２から無線端末２−１への通信形態例＞
図２は、図１における無線端末２−２から無線端末２−１への通信形態例を示す。無線端末２−２と無線基地局１−２との間の伝送速度は低速のＶ２（最大β）であり、例えば移動体通信でＴＤＭＡ方式が用いられる。無線基地局１−１と無線端末２−１との間の伝送速度は高速のＶ１（最大α）であり、無線ＬＡＮでＣＳＭＡ方式が用いられる。また、無線基地局１−２と無線基地局１−１との間の伝送速度は高速のＶ１（最大α）とする。

ここで、低速接続の無線端末２−２から高速接続の無線端末２−１へ安定的に送信する場合の手順について説明する。

ステップ１：無線端末２−２は、ＴＤＭＡのタイムスロットに同期させて無線端末２−１宛てのデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，…を無線基地局１−２に送信する。

ステップ２：無線基地局１−２は、無線端末２−１宛てのデータＤ１を受信すると、無線端末２−１が無線基地局１−１の配下にあり、無線基地局１−１との通信は高速接続（無線ＬＡＮ）であることを認識する。そのため、無線端末２−１宛てのデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，…のヘッダＨとエラーチェック部Ｅを取り除き、データ部のみを一時的に蓄積する。

ステップ３：無線基地局１−２は、無線基地局１−１との間の伝送帯域に応じたデータ量（ここではＤ１〜Ｄ４）が蓄積された時点で各データを結合し、無線基地局間の通信プロトコルに合わせてヘッダＨとエラーチェック部Ｅを付加し、無線基地局１−１に送信する。

ステップ４：無線基地局１−１は、無線端末２−１との通信が高速接続（無線ＬＡＮ）であることを認識し、そのままのデータ形式で無線端末２−１に送信する。このとき、無線基地局１−１と無線端末２−１との間が低速接続（移動体通信，ＴＤＭＡ方式）である場合には、無線基地局１−１はデータ部分をスロット長に合わせて分割し、低速接続のプロトコルに合わせて送信する。

このように、無線基地局が低速接続から高速接続にデータを中継するときに、一定容量のデータが蓄積した時点で送信処理を行うことにより伝送速度の差を無線基地局が吸収し、高速接続の無線端末と低速接続の無線端末の通信を安定的かつ効率的に行うことができる。ここで、通信端末が複数の接続方式のうち最も伝送速度が大きい接続方式を選択する場合には、エンドツーエンドの通信速度を向上させることができる。また、通信端末が複数の接続方式のうち最も通信費用が小さい接続方式を選択する場合には、ネットワーク全体の運営費用を最小限に抑えることができる。

なお、無線基地局１−２において、高速接続に対応するために複数のデータを結合する代わりに、図３に示すように、無線端末２−２から送信されたデータＤ１に空きデータを付加し、無線基地局間の通信プロトコルに合わせたデータ長およびデータ構成に変換して無線基地局１−１に送信するようにしてもよい。無線基地局１−１では、この空きデータを含むデータをそのまま無線端末２−１に送信する。

＜無線端末２−１から無線端末２−２への通信形態例＞
図４は、図１における無線端末２−１から無線端末２−２への通信形態例を示す。無線端末２−２と無線基地局１−２との間の伝送速度は低速のＶ２（最大β）であり、例えば移動体通信でＴＤＭＡ方式が用いられる。無線基地局１−１と無線端末２−１との間の伝送速度は高速のＶ１（最大α）であり、無線ＬＡＮでＣＳＭＡ方式が用いられる。また、無線基地局１−２と無線基地局１−１との間の伝送速度は高速のＶ１（最大α）とする。

ここで、高速接続の無線端末２−１から低速接続の無線端末２−２へ安定的に送信する場合の手順について説明する。

ステップ11：無線端末２−１は、高速接続（無線ＬＡＮ）のプロトコルで無線端末２−２宛てのデータＤを無線基地局１−１に送信する。

ステップ12：無線基地局１−１は、無線端末２−２宛てのデータＤを受信すると、無線端末２−２が無線基地局１−２の配下にあり、無線基地局１−２との通信が高速接続（無線ＬＡＮ）であることを認識し、そのままのデータ形式で無線基地局１−２に送信する。

ステップ13：無線基地局１−２は、無線端末２−２との通信が低速接続（移動体通信、ＴＤＭＡ方式）であることを認識し、データ部分をスロット長に合わせてＤ１〜Ｄ４に分割する。

ステップ14：無線基地局１−２は、分割されたデータＤ１〜Ｄ４を各タイムスロットに割り当てて無線端末２−２に送信する。

このように、無線基地局が高速接続から低速接続にデータを中継するときに、データを分割して送信することにより伝送速度の差を無線基地局が吸収し、高速接続の無線端末と低速接続の無線端末の通信を安定的かつ効率的に行うことができる。

＜他の無線端末間の通信形態例＞
図１における無線端末２−１から無線端末２−４への通信形態において、無線基地局間の伝送速度を高速のＶ１（最大α）とすると、無線基地局１−１，１−２，１−３，１−４では、無線端末２−１から送信されたデータがそのまま転送される。

図１における無線端末２−２から無線端末２−３への通信形態において、無線基地局間の伝送速度を高速のＶ１（最大α）とすると、無線基地局１−２で低速接続の無線端末２−２から送信されたデータの再構成（連結または空データの付加）を行って無線基地局１−３に送信する。無線基地局１−３では、高速接続の無線基地局１−２から送信されたデータを分割し、低速接続の無線端末２−３に送信する。

（第２の実施形態）
図５は、本発明のマルチホップ無線ネットワークの第２の実施形態を示す。図において、複数の無線基地局１−１〜１−４は、無線基地局間の中継機能と無線端末間の通信の通信経路制御機能とを有し、各無線基地局に接続される無線端末２−１〜２−４を含めてマルチホップ無線ネットワークが形成される。無線端末２−１，２−２，２−３がそれぞれ無線端末２−４に対してデータを送信する場合について説明する。

各無線端末は、送信するデータに宛先端末までのホップ数に関する情報を付加する。無線端末２−１〜２−３は、無線端末２−４宛てのデータＤ１〜Ｄ３にそれぞれホップ数に関する情報を付加し、無線基地局１−１〜１−３に送信する。無線基地局１−１は、データＤ１を無線基地局１−２に転送する。無線基地局１−２は、無線端末２−１から送信されたデータＤ１と無線端末２−２から送信されたデータＤ２を比較し、ホップ数の大きいデータＤ１に高い優先度を設定し、データＤ１，Ｄ２の順に無線基地局１−３に送信する。

無線基地局１−３は、無線端末２−１，２−２から送信されたデータＤ１，Ｄ２と無線端末２−３から送信されたデータＤ３を比較し、ホップ数の大きい順（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の順）に優先度を設定し、データＤ１，Ｄ２，Ｄ３の順に無線基地局１−４に送信する。無線基地局１−４は、無線端末２−１，２−２，２−３から送信されたデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３を比較し、ホップ数の大きい順（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の順）に優先度を設定し、データＤ１，Ｄ２，Ｄ３の順に無線端末２−４に送信する。

これにより、ホップ数の小さいデータよりも、再送コストが高くなってしまうホップ数の大きいデータの通信成功率を向上させ、通信効率を高めることができる。

（第３の実施形態）
図６は、本発明のマルチホップ無線ネットワークの第３の実施形態を示す。図において、複数の無線基地局１−１〜１−５は、無線基地局間の中継機能と無線端末間の通信の通信経路制御機能とを有し、各無線基地局に接続される無線ネットワークカメラ端末７−１〜７−３および無線端末２−１，２−２を含めてマルチホップ無線ネットワークが形成される。情報配信サーバ６は、無線ネットワークカメラ端末７−１〜７−３から送信された同一サイズの画像データをタイムスタンプ順に画像データベース８に蓄積し、画像データを閲覧する無線端末２−１，２−２からの要求に応じて画像データを再配信する機能を有する。

図７は、第３の実施形態の処理手順を示す。
ステップ21：無線ネットワークカメラ端末７−１〜７−３は、情報配信サーバ６に対する固定サイズの画像データを一定時間間隔でそれぞれ対応する無線基地局に送信する。このとき、画像データには、各無線ネットワークカメラ端末から情報配信サーバ６までのホップ数に関する情報が付加される。

ステップ22：各無線基地局は、第２の実施形態と同様にホップ数の大きい画像データを優先して情報配信サーバ６まで中継する。

ステップ23：情報配信サーバ６は、無線ネットワークカメラ端末７−１〜７−３から送信された画像データをタイムスタンプ順に画像データベース８に蓄積する。

ステップ24，25：情報配信サーバ６は、ある無線ネットワークカメラ端末から送信された画像データの連続した廃棄を検出すると、その無線ネットワークカメラ端末から次に送信される画像データの優先度を上げる制御を全無線基地局に対して行う。例えば、無線ネットワークカメラ端末７−３から送信された画像データＤ３が廃棄された場合には、画像データＤ３の優先度を無線ネットワークカメラ端末７−２から送信される画像データＤ２の優先度と入れ替える。なお、廃棄された画像データは、無線ネットワークカメラ端末が一定時間間隔で画像データを送信しているため、各画像データのタイムスタンプから抜けている画像データを容易に検出することができる。

ステップ26，27：情報配信サーバ６は、一旦優先度を上げた無線ネットワークカメラ端末の画像データの送信が連続して成功したことを検出すると、優先度を元に戻す。

これにより、情報配信サーバ６までのホップ数の差による蓄積画像品質の差が小さくなり、無線ネットワークカメラ端末をどの位置に配置しても画像品質を平均化することができる。

（第４の実施形態）
図８は、本発明のマルチホップ無線ネットワークの第４の実施形態を示す。図において、複数の無線基地局（図では省略）、各無線基地局に接続される無線ネットワークカメラ端末７−１〜７−３および無線端末２−１，２−２を含めてマルチホップ無線ネットワークが形成される。情報配信サーバ６は、無線ネットワークカメラ端末７−１〜７−３から送信された画像データを蓄積し、画像データを閲覧する無線端末２−１，２−２からの要求に応じて画像データを再配信する機能を有する。また、無線端末２−１，２−２は、ＶｏＩＰによる音声通信、その他のデータ通信を行う。

無線ネットワークカメラ端末７−１〜７−３および無線端末２−１，２−２は、それぞれ情報配信サーバ６との間の実効伝送速度の測定する機能を有し、各実効伝送速度をＡ〜Ｅ［bps 」とする。マルチホップ無線ネットワークでは、各端末までのホップ数および接続状況に応じて実効伝送速度がまちまちであるとともに、局所的な輻輳が生じた場合には無線基地局間の中継に大きな影響が出る。そこで、本実施形態の情報配信サーバ６は、無線ネットワークカメラ端末７−１〜７−３と情報配信サーバ６との間、無線端末２−１，２−２と情報配信サーバ６との間の実効伝送速度および接続された端末総数に応じて、データサイズおよびデータ送信間隔を制御する。

制御方法は、接続端末総数をＮ［個］、平均送信データサイズをＬ［ビット］、最小実効伝送速度（ここではＡ〜Ｅの最小値）をＶ［bps ］、無線基地局および情報配信サーバ６における処理時間をＴp ［秒］、平均データ送信間隔をＴr ［秒］とすると、
Ｎ×Ｎ×（Ｌ／Ｖ＋Ｔp)×(1／Ｔr)＜１
を満足するようにデータ送信間隔とデータサイズを制御する。

これにより、マルチホップ無線ネットワーク内の局所的な輻輳を最小限に抑えることができ、画像通信および音声通信を安定的に行うことができる。

１ 無線基地局
２ 無線端末
３ 接続部（高速）
４ 接続部（低速）
５ サービスエリア
６ 情報配信サーバ
７ 無線ネットワークカメラ端末
８ 画像データベース
１１ 公衆網
１２ 自営網

Claims (2)

1. 無線基地局間の中継機能と無線端末間の通信の通信経路制御機能とを有する複数の無線基地局と、
   前記無線基地局に接続される無線ネットワークカメラ端末と、
   前記無線基地局に接続され、前記無線ネットワークカメラ端末から送信される画像データを管理する情報配信サーバと、
   前記無線基地局に接続され、前記情報配信サーバに蓄積された画像データの閲覧、音声通信、その他のデータ通信を行う無線端末と
   を備え、各無線基地局に接続される無線端末が複数の無線基地局を介して、前記情報配信サーバとの通信および無線端末間の通信を行うマルチホップ無線ネットワークにおいて、
   前記無線ネットワークカメラ端末および前記無線端末は、前記情報配信サーバとの間の実効伝送速度を測定する手段を備え、
   前記情報配信サーバは、前記無線ネットワークカメラ端末から送信された画像データを蓄積する手段と、前記無線端末の要求に応じた画像データを配信する手段と、前記無線端末間で音声通信を行う際に複数の無線基地局の通信経路を制御する手段と、前記無線ネットワークカメラ端末と前記情報配信サーバ間および前記無線端末と前記情報配信サーバ間の実効伝送速度および接続された端末総数に応じて、データサイズおよびデータ送信間隔を制御する制御手段とを備えた
   ことを特徴とするマルチホップ無線ネットワーク。
2. 請求項１に記載のマルチホップ無線ネットワークにおいて、
   前記制御手段は、前記端末総数をＮ［個］、平均送信データサイズをＬ［ビット］、最小実効伝送速度をＶ［bps ］、前記無線基地局および前記情報配信サーバにおける処理時間をＴp ［秒］、平均データ送信間隔をＴr ［秒］としたときに、
   Ｎ×Ｎ×（Ｌ／Ｖ＋Ｔp)×(1／Ｔr)＜１
   を満足するようにデータ送信間隔とデータサイズを制御する構成である
   ことを特徴とするマルチホップ無線ネットワーク。

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