JP2010522487A - 無線アドホック・ネットワーク用分散オーバレイ多チャンネル・メディア・アクセス制御(mac) - Google Patents
無線アドホック・ネットワーク用分散オーバレイ多チャンネル・メディア・アクセス制御(mac) Download PDFInfo
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Abstract
【選択図】図6
Description
本概要は、以下の詳細な説明において更に説明される概念のうちの選択されたものを、簡潔な形で紹介するために提供される。本概要は、特許請求の範囲に記載された発明の主要な特徴又は不可欠な特徴を特定することを意図しておらず、特許請求の範囲に記載された発明の範囲を確定する際の助けとして利用されることも意図していない。
添付の図面において、構成要素の参照番号の最も左の桁は、該構成要素が最初に現れる特定の図を示す。
アドホック・ネットワーク用分散オーバレイ多チャンネルMAC(OMMAC)のためのシステム及び方法が説明される。分散OMMACは、アドホック・ネットワークにおいてノード対ノードの接続性を保持し、データ・スループット(即ち、性能)を最適化するためのフレームワークを提供する。このため、本システム及び方法は、ノード対ノードの接続性を保持するために、ネットワーク・ノード(「ノード」)が定期的に同期することができるチャンネル周波数を特定する。この同期チャンネルが「ホーム・チャンネル」であり、これは、アドホック・ネットワークの全ノードに対して同一である。この実現態様において、ホーム・チャンネルは、アドホック・ネットワークが初期設定(即ち、構築)された際にノードが最初に同期されるチャンネル周波数を表す。本システム及び方法は、次いで、ホーム・チャンネルと直交する複数のチャンネル周波数を特定する。これらの直交チャンネルが「ゲスト・チャンネル」である。これらのノードは、集合として、ホーム・チャンネル及びゲスト・チャンネルに基づく、分散され時刻同期されたチャンネル計画及び切替アルゴリズムを実現する。具体的に、全てのノードは、可変且つ相互に重なり合う時間量に渡りホーム・チャンネル上で動作して、他のノードに対しトラフィック及びチャンネル情報を定期的にブロードキャストし、それにより、ネットワーク接続性を保持する。更に、アドホック・ネットワークの各ノードは、アドホック・ネットワークのデータ・スループットをローカルで最適化するために、可変時間量に渡り、ホーム・チャンネルから特定のゲスト・チャンネルに切替えるか否か、及び、いつ切替えるかを、独立して決定する。
アドホック・ネットワーク用分散OMMACのためのシステム及び方法のこれらの及び他の特徴を、以下に更に詳細に説明する。
システム例
図5は、一つの実施の形態による、アドホック・ネットワーク用分散オーバレイ多チャンネルMAC(OMMAC)の例としてのシステム500を示す。この実現態様において、システム500は、アドホック・ネットワーク504上で互いに無線で繋がれた、複数のネットワーク接続されたコンピュータ装置502−1〜502−N(「ノード」))を含む。各ノード502は、汎用コンピュータ装置(例えば、パーソナル・コンピュータ)、サーバ、ラップトップ・コンピュータのような携帯可能コンピュータ装置、個人情報端末(PDA)のような小型要素コンピュータ装置等である、個々のコンピュータ装置である。ノード502は、アクセス・ポイントを利用せず、ネットワーク504上で互いに直接通信する。OMMACは、各ノード502−1〜502−N(即ち、「ノード502」)が、ノード対ノードのネットワーク接続性を保持し、基礎となるプロトコルの無線変調技術により特定される厳密な同期要求の観点からチャンネル切替ポリシを強制するローカル版のOMMACを実装しているため、分散されている。本システム及び方法に関連して記載される概念は、複数の無線ネットワーク・プロトコルに適用可能であるが、この実現態様におけるプロトコルは802.11である。
フレームワーク例
OMMAC516は、ネットワーク504においてノード対ノード502の接続性を保持し、基礎となるプロトコルの無線変調技術により特定される厳密な同期要求の観点から分散チャンネル切替ポリシを強制する。一つの例としての実施の形態を説明するために、OMMAC516の動作が、例としてのプロトコルであるIEEE802.11と関連して説明される。ノード対ノード502の接続性を保持し、基礎となる同期要求の観点から分散チャンネル切替ポリシを強制するために、OMMAC516は、利用可能な通信チャンネル周波数を、単一のホーム・チャンネル及び複数のゲスト・チャンネルに分ける。単一のホーム・チャンネル及び複数のゲスト・チャンネルは、図5において「チャンネル・セット」521として集合的に示される。各ノード502は、ホーム・チャンネルを利用して、他のノード502とのネットワーク接続性を保持する。ゲスト・チャンネルは、ネットワーク504のデータ・スループット(性能)を向上させるために、個々のノード502により、(以下に説明されるチャンネル切替及び計画アルゴリズムに従って)選択的に利用される。
1.ホーム・チャンネル
この実現態様において、ホーム・チャンネルは、以下のように決定される。開始ノード502は、全ての利用可能なチャンネル周波数を走査し、最もノイズの少ないものをホーム・チャンネルとして選択する。全てのノード502は、ホーム・チャンネル上でブロードキャスト・メッセージを通じて、ノード502から到達可能である。この実現態様において、各ノード502は、ホーム・チャンネルのノイズのローカルでの観察に基づき、ブロードキャスト・メッセージ(ACK/NACKメッセージ)を介して、ホーム・チャンネルに対する賛否を投票することができる。例えば、一つの実現態様において、受信されたブロードキャストACKメッセージの数が、(何らかの設定可能な時間周期について)タイムアウト・モードにある局の一定割合(例えば、50%など)より大きい場合、新しいホーム・チャンネルが決定され、ノード502によって投票される。この実現態様において、ホーム・チャンネルは、固定チャンネル周波数に制約されず、通信リンク状況に応じて、ノード502によって動的に調整(移動)されることができる。異なる実現態様では、チャンネルのノイズ以外の条件が、ホーム・チャンネルの選択に利用される。
2.ゲスト・チャンネル
ホーム・チャンネルと直交するチャンネル周波数が、ゲスト・チャンネルである。ノード502は、ネットワーク504のデータ・スループット(即ち、性能)を向上させるように、ゲスト・チャンネル上で別のノード502と通信する。この実現態様において、OMMAC516は、該チャンネル上で監視される干渉に従ってゲスト・チャンネルを分類する。特定のノード502に対するそのような干渉は、該特定のノード502のブロードキャスト範囲における全ての他のノード502による、平均の監視結果である(多くのOMMAC516動作は、他ノードからのOMMAC516情報に基づいてノード・レベルで実行され、そのため「分散OMMAC」との用語が使われる)。この実現態様において、各ノード502は、該ノードがそれぞれ動作するホーム・チャンネル及びゲスト・チャンネル上における各干渉レベルを検知する。このシナリオにおいて、ノード502は、該ノードのブロードキャスト範囲内にある他のノード502に対し、周期的ブロードキャスト・メッセージで、そのような情報を通信する。この実現態様において、ノードのノーカルOMMAC516は、干渉の最も少ないゲスト・チャンネルがノード対ノードの通信に最初に利用されるよう、チャンネル切替及び計画動作を実装する。
3.ノードのポーリング・ポイント
ノード502がホーム・チャンネルにとどまる時間量は、(a)可変、(b)特定のネットワーク・ビーコンをカバーする隣接ノード502がホーム・チャンネル上にある時間と部分的に重なり合う、及び、(c)ノード502と、該ノード502のブロードキャスト範囲内にある他のノード502との間の通信リンク上の双方向トラフィックの関数、である。ノード502がホーム・チャンネル上にない場合、該ノード502はゲスト・チャンネル上にある。上記を考慮して、各ノード502は、該ノードが、データ・スループットを改善するために、ホーム・チャンネルから計画されたゲスト・チャンネルに切替えるべきか否か、及び、いつ切替えるべきかを決定するように、該ノードのローカルOMMAC516により、それぞれ構成される。各ノードのノーカルOMMAC516は、特定のノード502について、チャンネル切替ポイント(即ち、「ポーリング・ポイント」)を決定する。ノードのポーリング・ポイントは、使用される無線プロトコル(例えば、802.11など)の特定のビーコン間隔に基づく定期的周期(「Tc」)に関連して定義される。例示のために、ノードのポーリング・ポイントは、「ポーリング・ポイント」523として示される。
Tc=Th+Tg (1)
である。
チャンネル切替計画の例
次に、切替えられるべきゲスト・チャンネルを計画する、各ノード502の分散アルゴリズムについて説明する。通信リンクにおけるゲスト・チャンネル計画の態様は、まず、ゲスト・チャンネルの最大独立集合(MIS)と、カラーリングの問題との組み合わせを考慮して生成される。次に、該アルゴリズムの例としての分散実現態様が、グリーディ・アルゴリズムを利用するMISによる信号伝達オーバーヘッドと利点との間のトレードオフに基づいて、上記の例としてのフレームワークを考慮して提示される。
4.スループットを最大化するためのゲスト・チャンネル計画
上記の通り、ノード502がホーム・チャンネルに留まる時間量は可変であり、該時間量は、ビーコン期間をカバーする隣接ノードの時間量と、部分的に重なり合う。ノード/局は、周期Tcにおける残りの時間を、各周期のゲスト・チャンネル上で費やす。リンクの送信元及び宛先ノード502が同時に同一のゲスト・チャンネルに切替わる場合、このリンクのトラフィックは、ホーム・チャンネル及び他のゲスト・チャンネル上のトラフィックと直交する。802.11は、リンク層における競合を解決するためのCSMA/CA(搬送波感知多重アクセス/衝突検出方式)を提供するため、リンク上の二方向トラフィックが最小単位として扱われ、周期Tcの同一スロットに計画される。そのため、チャンネル切替はリンクのトラフィックに応じたものであり、リンクは双方向である。
5.チャンネル数に対する制限
MISが生成された後に、OMMAC516は、カラーリングにより、チャンネル数の制限に取り組む。具体的に、OMMAC516は、リンク図G’のMISを図G’’に変換するが、G’’における各ノードは、G’のMISにおけるノードであり、Gにおける二つの対応するリンクが「二次的衝突」している場合に、G’’の2つのノードの間にリンクが存在する。ここで、最初のチャンネル図Gにおいて、二つのリンクが同一チャンネル上で同時に並列動作できない場合に、二つのリンクは二次的衝突状態にある。そのため、二つのリンクが初期衝突である場合、必ず二次的衝突でもあるが、その反対は成立しない。図G’’はチャンネル図と呼ばれ、G’’に示されるノード502のチャンネルを計画するためにカラーリング・アルゴリズムが用いられる。OMMAC516は、G’’のMISを選択し、これらのMISのノードに、最初の表示されるゲスト・チャンネルを割り当てる。OMMAC516は、次いで、G’’から該ノードを取り除き、ゲスト・チャンネル・セットから使用されたゲスト・チャンネルを取り除く。
6.チャンネル切替のオーバーヘッド
各ノード502について、OMMAC516は、チャンネル切替によりもたらされるオーバーヘッドにローカルで取り組み、ノード502がネットワーク504におけるデータ・スループットのボトルネックであるか否かを決定する。具体的に、Tsc及びTNiは、チャンネル切替の時間オーバーヘッド、及び周期ごとのノードNiのチャンネル占有時間を表すものとすると、Tsc+TNi>Tcの場合に、チャンネル切替がノードNiのスループットに影響する。図8は、一つの実施の形態による、特定のネットワーク・ノード502におけるデータ・スループットのボトルネックを示すリンク図(b)に変換される、例としてのノード図(a)を示す。具体的に、図8は、データ・スループットが増加できず、むしろチャンネル切替のオーバーヘッドのためにいくらか低下する状況を示す(図3は、同様のシナリオを示している)。例えば、図3を参照して、全てのノードが同一チャンネル上にあり、チャンネル切替のコストがないことに注意されたい。図8(b)を参照して、リンク図は、対応するMISには、リンク(3,2)又はリンク(3,6)のいずれかである一つのノードしかないことを示す。MIS=リンク(3,2)がゲスト・チャンネル上で動作するよう選択される場合、ノード3において一定のオーバーヘッドが存在する。しかし、リンク(3,2)及び(3,6)は、いずれも、ノード3の関与を必要とする。従って、ノード3がチャンネル切替動作を実現する場合、全体のスループットが低下する。1つのリンクのみが計画されている場合、データ・スループットは増加されようがないことに注意されたい。そのようなシナリオにおいて、OMMAC516は、当該ノード502に対するチャンネル切替計画を削除する。
7.ポーリング・ポイントの決定
上記の段落は、OMMAC516が、特定チャンネルに通信リンクが計画される時間を確定する方法を説明した。次に、OMMAC516が、ノードのチャンネル切替処理のためにポーリング・ポイントを決定する方法を説明する。ノードNiについて、全体としてのチャンネル占有時間TNiは、全チャンネルにおける送信時間と受信時間との両方からなる。リンクl(i,j)について、T(i,j)は、全チャンネルにおけるチャンネル占有時間を表す。即ち、
数式(5)に従うゲスト・チャンネルを選択する時間は、(a)ゲスト・チャンネルの時間は、当該リンクのトラフィック量に従って調整され、トラフィックが増加する場合に、より多くの時間が割り当てられる、及び、(b)周期時間の比例することにより、対応するノード502における他のトラフィック要求に影響を与えないという目標が保証される。
(a)ノード502についてチャンネル占有時間を評価し、Tcs+TNi>Tcである場合に、該ノードNiを取り除く。結果としてのノード図はGになる。
(b)ノード図Gをリンク図G’に変換し、上記の通り、グリーディ・アルゴリズムを用いてG’からMISを選択する。
(c)リンク図G’をチャンネル図G’’に変換し、G’’からMISを選択して、G’’又はゲスト・チャンネルが空になるまで、ゲスト・チャンネルを割り当てる。
(d)リンクの時間重みに従ってチャンネル切替のポーリング・ポイントを計画する。
チャンネル切替のための分散アルゴリズムの例
OMMAC516は、以下を考慮して設計される。即ち、1)各ノード502は、ネットワーク504の更新情報の一部のみを有するため、OMMAC516は、1ホップ隣のノード502から得られる情報を考慮して、チャンネル切替決定をローカルで最適化する(この決定は、1ホップより遠い範囲のノードからの情報からは独立である)。2)各リンクは、ゲスト・チャンネル上に非同期で計画されるため、集中モードOMMAC516のリンク計画は、他の計画されたリンクを考慮して調整される。3)OMMAC516は、分散チャンネル切替のためのゲスト・チャンネル・ネゴシエーション・プロトコルを実装し、トラフィックに適応する。これらの態様は、以下に更に詳細に説明される。
8.ローカルMIS
無線ネットワーク504の各ノード502は、一般に、通信範囲内におけるトラフィック及びチャンネルの情報を有する。そのため、各ノードによって生成/取得されるネットワーク・トラフィック図Gは部分的である。従って、各ノード502におけるMIS選択は、異なり得る。ここでは、ノードの情報を隣接ノード502からの情報により更新することについて記載する。具体的には、OMMACフレームワーク516は、ホーム・チャンネルにおけるリンク層のブロードキャストを提供する。そのため、各ノード502は、他のノード502とトラフィック及びチャンネル情報を交換するために、周期的なブロードキャスト・メッセージを通信するよう構成される。この実現態様において、例えば、各ノード502は、そのようなブロードキャスト・メッセージを毎秒一回ずつ通信するが、他の周期的な期間が用いられてもよい。時宜に遅れた情報につながり得るメッセージ遅延の機会を減らすために、各ノード502は、そのトラフィック及びチャンネル情報を、他のノードに中継する代わりに、ブロードキャストする。他の実現態様において、この情報交換は、ブロードキャスト・メッセージとは独立して実現される。例えば、一つの実現態様において、ノードのトラフィック及びチャンネル情報は、進行中のトラフィック・ヘッダに乗せられる。
9.非同期チャンネル切替計画
集中モードにおいて、OMMAC516は、ネットワーク504のリンク図全体に対するMISを計算する。OMMAC516は、その後、グリーディ(最低次数優先)・アルゴリズムを用いて全てのリンクを割り当てる。グリーディ(最低次数優先)・アルゴリズムは、既知のカラーリング・アルゴリズムの一例である。実践的な分散モードにおいて、各ノード502は、チャンネル切替計画を非同期にネゴシエートするが、これは、ノード502が、隣接ノード502から受信した、観察されたチャンネル切替計画に基づいて、計画決定を行うことを意味する。そのような非同期の計画は、ネゴシエーション・メッセージによるネットワーク504上の任意のメッセージ・サージを平滑化し、ホーム・チャンネル時間におけるデータ・スループット負荷を平衡させる。一つの実現態様において、ネゴシエーション・メッセージによるオーバーヘッドを更に低減するために、OMMAC516は、複数の時間周期におけるチャンネル切替活動をカバーするチャンネル切替計画を生成する(例えば、図6参照)。
・ノード502は、ノード502のにおける関連する占有時間TNi、時間重み付け、及び任意のアクティブ・リンクのチャンネルを周期的にブロードキャストする。
・該ノード502は、隣接ノード502から受信したブロードキャスト・メッセージを集めて、全ての2ホップの隣接ノード及びアクティブ・リンクを表す図Gを構築する。例えば、2ホップのノード情報は、1ホップのノードからのブロードキャスト・メッセージを評価することにより得られる。この例を示すために、A−B−C−D−EといったようなノードAからEまでの5つのノードを有するチェーン・トポロジを想定されたい。この例において、ノードAは、Bのみから情報を受け、BはA及びCのみから情報を受け、・・・EはDのみから情報を受ける。ノードCは、ノードDからのブロードキャストを受け取るが、これは、D−>C及びD―>Eと関連するトラフィック情報を含む。そのため、ノードCはノードEが存在することを知っているが、CはEから直接に情報を受けることができないため、ノードEはCの隣接ではない。同様に、CはAの存在も知っている。この方式では、各ノードは、2ホップ以内にある全てのノードからの情報を集めることができる。
・該ノード502は、各隣接ノード502についてチャンネル占有時間を評価し、Tcs+TNj>Tcの場合に、Gから隣接ノードNjを取り除く。
・該ノード502は、ノード図Gをリンク図G’に変換する。次いで、ノード502は、全てのアクティブ・リンクの計画を確認するためにリンク図を評価し、対応するリンクが計画されている場合に、ノードをMISに移動する。ノード502は、グリーディ・アルゴリズムを用いて、G’からのMISのノードの識別を続ける。
・該ノード502は、リンク図G’をチャンネル図G’’に変換し、上記のようにG’’からMISを選択して、G’’又はゲスト・チャンネル・セットが空になるまで、計画されたリンク・チャンネル設定に基づいて、ゲスト・チャンネルを割り当てる。
・リンクl(i,j)がG’’にあり、計画されていない場合、ノード502は、該リンクの時間重み付けに従って、チャンネル切替のポーリング・ポイントを計画する(式(3)参照)。
10.計画ネゴシエーションのためのプロトコル例
図9は、本発明の一つの実施の形態による、例としてのチャンネル切替計画ネゴシエーション・プロトコルの実現態様を示す。この例において、各ノードNi及びNjは、図5の各ノード502を表す。図9を参照し、上記の分散アルゴリズムに基づいて、ノードNi902が隣接のNj904とのチャンネル切替を計画することを決定した場合、Niは、ノードNjに切替チャンネル(SC)要求メッセージを送信し、Njとのチャンネル切替の計画を望んでいることを示す。(例示のために、そのようなSC要求メッセージは、図5の「他のプログラムデータ」538の個別の部分として示される。)この実現態様において、SC要求メッセージは、ポーリング・ポイント及びゲスト・チャンネルの提案を含む。
ネットワーク・ノード設計例
図1を参照して、上記の通り、各ノード502は、システム500のチャンネル切替ポリシの各部分を実現する。一つの実現態様において、このチャンネル切替ポリシは集中化される。他の実現態様において、このチャンネル切替ポリシは分散される。具体的に、OMMAC516は、NICドライバ518を制御するロジックを含み、オペレーティング・システムの非リアルタイムのソフトウェア割り込みを管理し、任意の既存のNICドライバの計画/バッファ要求に応じる。例えば、この実現態様において、OMMAC516は、トラフィック測定ロジック522、情報交換ロジック524、チャンネル切替計画ロジック526(「切替ロジックにおける計画」526)、タイマ・ロジック528及びパケット・バッファリング・ロジック530を含む。この例としての順列は、このロジックの様々な部分間における構造的な順位又はデータの流れを示唆又は限定するものではない。むしろ、ロジック522〜530の上記の順位は、説明のために用いられるものである。これらのモジュールの例としての態様が、ここで説明される。。
トラフィック測定及び情報交換の例
トラフィック測定ロジック522は、例えば、送受信パケットのログを作成する。トラフィック測定ロジック522は、また、入ってくる又は出て行くパケットについて、関連するトラフィック量を計算する。この実現態様において、ロジック522で測定されるトラフィックは、予め構成可能な時間期間における平均トラフィック量を提供する既知の時間移動窓平均アルゴリズムを用いて計算を実現する。情報交換ロジック524は、対応するノード502にチャンネル切替計画を伝達する。例示のために、そのようなログ及びチャンネル切替計画は、「他のプログラムデータ」538の各部分として示される。情報交換ロジック524は、また、隣接するノード502から受信したトラフィック情報及びチャンネル切替計画を整理する。計画及び切替ロジック526は、そのような受信された任意のチャンネル切替計画を用いて、例としてのチャンネル切替計画動作を実現する。
計画及び切替ロジックの例
計画及び切替ロジック526は、例えば、トラフィック測定ロジック522によって集められたノード固有情報(自己情報)、及び、情報交換ロジック524によって集められた隣接ノード502情報に基づいて、上記のグリーディ・アルゴリズムを実行する。計画及び切替ロジック526は、また、NICドライバ518によって公開されるアプリケーション・プログラム・インターフェース(API)にアクセス/利用する。API534は、ノード502のそれぞれが同時に同一チャンネルに切り替わるよう、チャンネルを切替え、また、チャンネル切替計画を同期させるために、NICドライバ518へのインターフェースを提供する。ここで、ノード・チャンネル切替同期の例としての実現態様を説明する。
タイマ・ロジック
例示のために、ウィンドウズ(登録商標)・オペレーティング・システムのタイマの態様を説明する。これらの説明される態様は、他のオペレーティング・システムの実装と類似する。ウィンドウズにおけるデフォルトのタイマ処理単位は10msであり、アプリケーションは、一般に、100nsにおいて正確な時間測定を得ることができる。カーネルにおける厳格なタイマ要求のために、ウィンドウズは、タイマ処理単位を約1msまで調節するAPIを提供する。しかし、タイマ処理単位を調整した後に、平均タイマ誤差が1ms以下であったとしても、オペレーティング・システム(OS)の負荷が非常に高い際のタイマ誤差は依然として10ms以上になり得る。この理由の一つは、ソフトウェア及びハードウェアのイベントが、一般に、優先度ベースの処理キューに置かれるからである。ハードウェア・イベントは、一般に、処理のためのイベント・キューから取り除かれるための最高の優先度を有し、ソフトウェア・イベントは、多くの優先度をとり得る。従って、オペレーティング・システムのタイマ割り込みに基づくソフトウェア・タイマを用いてチャンネル切替計画を実現するには、現実的な制限が存在する。
データフロー例
図10は、一つの実施の形態による、アドホック・ネットワーク用分散OMMACのもう一つの例としてのノード構造を示す。具体的に、図10は、パケット・ルーティング・ロジック、OMMAC516のデータ面部及び制御面部、及びNICドライバ518の間の例としてのデータフローを示す。データ面は、パケット・バッファリング・ロジックを表す。そのようなパケット・バッファリング・ロジックは、図5において、パケット・バッファリング・ロジック530として示される。制御面は、図5に関して上述されたように、トラフィック測定ロジック522、情報交換ロジック524、分散一般計画及び切替ロジック526、及びタイマ・ロジック528を含む。従って、例示のために、図10の態様は、図5の構成要素に関連して記載される。この説明において、要素参照番号の一番左の数字は「5」で始まるが、当該要素は図5において最初に導入されている。
パケット・バッファリング・ロジックの例
ここで、図10のデータ面の動作(図5のパケット・バッファリング・ロジック530としても表される)を、更に詳細に説明する。パケット・バッファリング・ロジックは、アドホック・ネットワークにおける他のネットワーク・ノードへのパケット伝送のために、分類ロジック1006及び制御面からのパケットをバッファする。この実現態様において、バッファリング・ロジック530は、優先度により分類された宛先キュー1004にパケットをバッファする(そのような優先度による分類は、先入れ先出し分類ではなく、OMMAC516及び/又は他のプログラム・モジュールの一つ又はそれ以上の各部分(例えば、タイマ・ロジック528)から提供される特定の優先度に基づくものである)。例えば、優先度キューにおいて、OMMAC516は、上記のチャンネル切替要求のような信号伝達メッセージを、他のアプリケーション・トラフィックと関連するメッセージよりも高いそれぞれの優先度をもって提供する。
実現態様例
図11は、一つの実施の形態により、アドホック・ネットワーク用分散OMMACを実現するネットワーク・ノードに対する例としての実現態様1100を示す。この特定の例は、ウィンドウズ・プロットフォームに実装されたローカルOMMAC516を備えるノード502(図5も参照されたい)を示す。この表現は例示のみを目的とするものであり、ローカルOMMMAC516を実現する多くの可能なプラットフォームの中の、サンプルとしてのプラットフォームの一つに過ぎない。例えば、ノードのローカルOMMMAC516は、Linuxプラットフォーム、UNIXプラットフォーム等に実現されてもよい。図11を参照して、この実現態様の積み重ねモジュールが、図11において明るい影突きで示される。例えば、OMMAC516は、ウィンドウズXP(登録商標)プラットフォームにおけるIM(インターメディア)NDIS(ネットワーク・ドライバ・インターフェース仕様)ドライバとして実現される。NICミニポート・ドライバ518(図5も参照されたい)は、(a)(802.11アドホック・ネットワークにおける全ノード502についてビーコンによって同期された)802.11MAC時刻を提供するインターフェース534(図5も参照されたい)、(b)NICドライバにおいてチャンネル切替要求を受信し返信するためのインターフェース534、及び(c)等を提供する。コマンド・ライン・ツール1102は、OMMAC516の行動を制御するためのユーザ・インターフェースを提供する。そのような行動には、例えば、チャンネル切替の周期時間、スロット・サイズ、監視時間のようなパラメータの変更及び/又はその他が含まれる。この例は、また、ユーザ空間で動作し、カーネル空間の「Win Socket」、「TCP/IP」及び「NDIS」と通信して無線NICと通信する「アプリケーション」を図示する。繰り返すが、これは、アドホック・ネットワーク用分散オーバレイ多チャンネルMACのためのシステム及び方法を実現する、ネットワーク・ノードの一つの例としての実現態様に過ぎない。
手順例
図12は、一つの実現態様による、無線ネットワーク用分散オーバレイ多チャンネルMACの例としての手順1200を示す。一つの実現態様において、手順1200の動作は、図5のネットワーク・ノード502の各プログラム・モジュール510により実現される。例示及び説明のために、手順1200の動作は、図5〜11の構成要素及び様々な態様に関して説明される。この説明において、構成要素/動作(ステップ)の参照番号の最も左の100から999の数字は、当該構成要素/動作が最初に導入された図を示す。同様に、構成要素/動作(ステップ)の参照番号の最も左の1000及びそれ以上の2つの数字は、当該構成要素/動作が最初に導入された図を示す。
結論
上記では、構造的特長及び/又は方法上の手順又は動作に特化した言葉で、無線アドホック・ネットワーク用分散オーバレイ多チャンネルMACを説明したが、添付の特許請求の範囲によって画定される実現態様は、必ずしも説明された特定の特徴又は動作に限られない。例えば、OMMAC516(図5参照)のチャンネル切替待ち時間は、非リアルタイムOSによって提供されるソフトウェア・タイマを、ハードウェア・タイマに交換することにより低減され得る。代わりに、代替の実現態様において、タイマの正確性は、OSにリアルタイムのサポートを追加することにより向上する。従って、上記の無線アドホック・ネットワーク用分散オーバレイ多チャンネルMACの特定の特徴及び動作は、請求項に記載の発明を実現する例である。
202、204、206 トラフィック・パターン
402、404、406、408、410 トラフィック・パターン
500 システム
Claims (20)
- コンピュータで実現される方法であって、
アドホック・ネットワークにおける複数のネットワーク・ノード(「ノード」)のためのホーム・チャンネル周波数(「ホーム・チャンネル」)を決定するステップと、
前記ホーム・チャンネルに直交する一組のゲスト・チャンネル周波数(「ゲスト・チャンネル」)を特定するステップと、
前記複数のノードの各ノードにより、前記ホーム・チャンネル上で、個々の可変且つ互いに重なり合う時間量に渡り、他のノードとのネットワーク接続性を保持するよう動作するステップと、
前記複数のノードの各ノードにより、前記アドホック・ネットワークのデータ・スループットをローカルで最適化するために、可変時間量に渡り、前記ホーム・チャンネルから前記ゲスト・チャンネルのうちの特定のゲスト・チャンネルに切り替えるか否か、及びいつ切り替えるかを決定するステップと、
を備える方法。 - 請求項1記載の方法であって、前記ホーム・チャンネル及び前記ゲスト・チャンネルが、無線ネットワーク・プロトコルによって決定される方法。
- 相互接続されたネットワーク・ノード(「ノード」)のアドホック・ネットワークにおいて、コンピュータで実現される方法であって、
無線ネットワーク・プロトコルのビーコン時間と関連付けられた定期的周期を二つの段階に分割するステップであって、該二つの段階が、接続性段階とデータ・スループット改善段階とを備えるステップと、
前記接続性段階の期間に、複数の利用可能なチャンネル周波数のうちの単一のチャンネル周波数(「ホーム・チャンネル」)上での接続性を保持するよう、前記複数のノードのうちの各ノードを構成するステップであって、前記利用可能なチャンネル周波数が前記無線ネットワーク・プロトコルによって確立されるステップと、
前記接続性段階の期間に、複数のゲスト・チャンネルのうちの特定のゲスト・チャンネルで通信するよう前記複数のノードの少なくとも一つのサブセットを構成するステップであって、各ゲスト・チャンネルが前記ホーム・チャンネルと直交するステップと、
前記接続性段階の期間に、各ノードにより、前記ホーム・チャンネルを用いてアドホック・ネットワークにおける接続性を保持するステップと、
前記データ・スループット改善段階の期間に、前記複数のノードの少なくとも一つのサブセットによって、前記複数のゲスト・チャンネルのうちの一つ又はそれ以上のゲスト・チャンネルを用いて、前記アドホック・ネットワークにおけるデータ・スループットを最適化するステップと、
を備える方法。 - 請求項3記載の方法であって、前記無線ネットワーク・プロトコルがIEEE802.11に基づく方法。
- 請求項3記載の方法であって、前記ホーム・チャンネルが、前記利用可能なチャンネル周波数のうちで、他のチャンネルのノイズと比べて比べて最も少ないノイズを有する一つのチャンネル周波数である方法。
- 請求項3記載の方法であって、各ノードが前記ホーム・チャンネル上で接続性を保持するように構成するステップが、更に、
前記定期的周期において、各ノードが前記ホーム・チャンネル上で動作する各時間量を決定するステップと、
前記各時間量の最小値を計算するステップであって、該最小値が、前記複数のノード全てが前記ホーム・チャンネル上で動作している時間量を表し、前記最小の時間量がブロードキャスト時間期間Tbであるステップと、
前記アドホック・ネットワークの各ノードにより、Tb期間における接続性を保持するように、各ブロードキャスト・メッセージをブロードキャストするステップと、
を備える方法。 - 請求項3記載の方法であって、少なくとも前記サブセットが前記特定のゲスト・チャンネル上で通信するよう構成するステップに関連する処理が分散されており、各ノードが、該ノードの1ホップの隣接ノードのデータ・スループット及び接続性に基づいて、前記複数のゲスト・チャンネルのうちの各チャンネルで通信するよう構成される方法。
- 請求項3記載の方法であって、少なくとも前記サブセットが前記特定のゲスト・チャンネルで通信するよう構成するステップに関連する処理が、更に、
前記アドホック・ネットワークのノードのデータ・トラフィック・パターンを表すノード・トラフィック図を決定するステップと、
前記ノード・トラフィック図を、前記トラフィック図に示されるアクティブ・ノード間の通信リンクを表すリンク図に変換するステップであって、各アクティブ・ノードが、データ・トラフィックの閾値と関連付けられているステップと、
前記リンク図からノードの最大独立集合(MIS)を特定するステップであって、前記MISノードのそれぞれが、他のノードと初期衝突していないノードであり、該初期衝突とは、或るノードともう一つのノードがデータ通信のために同一のノードを必要とする場合である、ステップと、
前記リンク図を、前記ゲスト・チャンネルを表すチャンネル図に変換するステップと、
前記ノードのMISに少なくとも二つのノードが表されている場合に、前記ノードのMISの各ノードについて、前記ノードを、前記チャンネル図に表された前記複数のゲスト・チャンネルの各ゲスト・チャンネルに割り当てるステップと、
を備える方法。 - 請求項8記載の方法であって、前記ノードのMISが前記複数のノードのうちの単一のノードのみを表し、前記方法が、更に、前記単一のノードと関連付けられた任意のチャンネル切替計画を削除するステップを備える方法。
- 請求項8記載の方法であって、前記ノードのMISがグリーディ・アルゴリズムを用いて決定される方法。
- 請求項3記載の方法であって、前記接続性を保持するステップ及び前記データ・スループットを最適化するステップに関連付けられた処理が、更に、
前記定期的周期の期間に、各ノードについて、
前記ノードともう一つのノードとの間のデータ・スループットが改善可能である場合に、
(a)前記定期的周期内のポーリング・ポイントにおいて前記ノードが前記ホームチャンネルから特定のゲスト・チャンネルに切り替えるチャンネル切替計画を計算するステップと、
(b)前記ノードと前記他のノードとが、同期された時刻に前記複数のゲスト・チャンネルのうちの特定のゲスト・チャンネルに切り替えることができるように、前記他のノードに対し前記チャンネル切替計画を通信するステップと、
(c)前記ノードを前記接続性段階から前記データ・スループット改善段階へと遷移させるように、前記同期された時刻に前記ノードを前記ホーム・チャンネルから前記特定のゲスト・チャンネルに切り替えるステップであって、前記ノードが前記定期的周期の終わりに前記ホーム・チャンネルに戻るよう切り替えるように構成されるステップと、
を備え、
前記ノードともう一つのノードとの間のデータ・スループットが改善不可能である場合に、
前記ノードが前記ホーム・チャンネルに留まるように、前記ノードと関連付けられた任意のチャンネル切替計画を削除するステップ
を備える方法。 - 請求項11記載の方法であって、前記同期された時刻が、前記ノードの第一のローカル・マシン時間に従って前記ノードにより計画され、前記他のノードが前記他のノードと関連付けられた第二のローカル・マシン時間に従って前記同期された時刻を表し、第一及び第二のローカル・マシン時間が互いに独立している方法。
- 請求項12記載の方法であって、前記チャンネル切替計画を計算するステップが、更に、
前記ノードにより、前記ホーム・チャンネル上で、前記無線ネットワーク・プロトコルと関連付けられたメディア・アクセス制御(MAC)時間を示すビーコン・メッセージを受信するステップと、
前記ノードにより、前記第一のローカル・マシン時間と前記MAC時間との差を決定するステップと、
前記ノードにより、前記差を用いて、前記同期された時刻を表す第一のポーリング・ポイントを、前記ノードのローカル・マシン時間からMACベースのポーリング・ポイント時刻へと変換するステップと、
前記チャンネル切替計画における前記MACベースのポーリング・ポイント時刻を、前記他のノードに通信するステップであって、前記他のノードによる前記チャンネル切替計画の受信が、前記他のノードに、
前記MACベースのポーリング・ポイント時刻を、前記他のノードのローカル・マシン時間に基づく、前記同期された時刻を表す第二のポーリング・ポイント時刻に変換し、
前記第二のポーリング・ポイント時刻において、前記ホーム・チャンネルから前記特定のゲスト・チャンネルへと切替る、
ようにさせるステップと、
を備える方法。 - 請求項3記載の方法であって、前記複数のノードのうちの一つのノードについて、データ・スループットを最適化するステップが、更に、前記ノードが或る時間量に渡りゲスト・チャンネルに留まるよう構成するステップを備え、該時間量が、
(a)対応する通信リンクのトラフィック量に応じて調整され、
(b)前記通信リンクのトラフィックが増加した場合に増加され、
(c)前記ノードの任意の他のトラフィックが影響を受けないことを保証するように、前記定期的周期と比例する、
方法。 - 請求項14記載の方法であって、前記ノード(Ni)について、全体チャンネル占有時間(TNi)が、前記ノードと関連付けられた全チャンネルにおける伝送時間及び受信時間を表し、Niともう一つのノード(Nj)との間の通信リンク(l(i,j))について、全体占有時間(T(i,j))が全チャンネルにおけるチャンネル占有時間を表し、前記方法が、更に、
前記ノードが前記ホーム・チャンネルから前記ゲスト・チャンネルに切り替わる各ポーリング・ポイントを、
リンクl(i,j)の時間重み付けが、
を備える方法。 - プロセッサにより実行可能なコンピュータ・プログラム命令を備える、有形のコンピュータ読み取り可能媒体であって、該コンピュータ・プログラム命令が、動作のために実行される際に、複数のネットワーク・ノード(「ノード」)のためのチャンネル周波数切替動作を計画するステップであって、
前記アドホック・ネットワークにおける通信リンク(「リンク」)の最大独立集合(MIS)を決定するステップと、
前記複数のノードのうちの一つのノードによって、前記MISリンクのうちの一つのリンクを介して、前記複数のノードのうちの他のノードに、提案されたポーリング・ポイントにおける複数のゲスト・チャンネルのうちの特定のゲスト・チャンネルへのチャンネル切替を計画するよう要求するステップであって、前記提案されたポーリング・ポイントが、定期的周期中の同期された瞬間として定義され、前記定期的周期が無線ネットワーク・プロトコルのネットワーク・ビーコンに基づくものであり、各ゲスト・チャンネルが、前記複数のノード全てによりネットワーク接続性を保持するために利用されるホーム・チャンネルに直交であるステップと、
前記他のノードから承認応答を受信するステップと、
前記アドホック・ネットワークにおけるデータ・スループットをローカルで最適化するために、前記承認応答の受信に応じて、前記提案されたポーリング・ポイントにおいて前記特定のゲスト・チャンネルへ切り替えるステップと、
によりチャンネル周波数切替動作を計画するステップ、
を備えるコンピュータ読み取り可能媒体。 - 請求項16記載のコンピュータ読み取り可能媒体であって、前記ノードに対して提案されたポーリング・ポイントが、該ノードと関連付けられたローカル・マシン時間に基づき、前記他のノードに対して提案されたポーリング・ポイントが、該他のノードと関連付けられた別のローカル・マシン時間に基づく方法。
- 請求項16記載のコンピュータ読み取り可能媒体であって、前記MISがローカルMISであって、各ノードが個々のローカルMISを決定し、前記コンピュータ・プログラム命令が、更に、
前記複数のノードの各ノードによって、前記複数のノードのうち該ノードから1ホップ範囲内にある一つ又はそれ以上の隣接ノードと関連付けられたトラフィック情報に基づいて、個々のローカルMISを確立するための命令であって、該決定が前記ノードから1ホップ範囲より遠い任意の他のノードと関連付けられたトラフィック情報から独立している命令を備えるコンピュータ読み取り可能媒体。 - 請求項16記載のコンピュータ読み取り可能媒体であって、前記MISが集中MISであり、前記集中MISを決定するための動作が、更に、前記複数のノードの全ノード間の通信リンクに基づいてリンク図を生成するステップを備えるコンピュータ読み取り可能媒体。
- 請求項16記載のコンピュータ読み取り可能媒体であって、前記コンピュータ・プログラム命令が、更に、
前記複数のノードのうちの一つのノードにより、前記複数のノードの全ての他のノードにブロードキャスト・メッセージを介して直接連絡できることを確立するための命令と、
前記確立に応じて、
前記ホーム・チャンネルを異なるチャンネル周波数に移し、
前記アドホック・ネットワークにおける該ホーム・チャンネルと直交する残りのチャンネル周波数を、ゲスト・チャンネルとして分類するための命令と、
を備えるコンピュータ読み取り可能媒体。
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