JP2011529654A - 無線メッシュネットワークにおいてハイスループットルートを発見するための方法 - Google Patents

無線メッシュネットワークにおいてハイスループットルートを発見するための方法 Download PDF

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Abstract

メッシュ無線メディア(WiMedia)ベースネットワークにおいて起点ノードと宛先ノード間のルートを発見するための方法300。該方法は起点ノードと宛先ノード間の中間ノードによるルート要求(RREQ)受信時に、少なくとも中間ノードの識別(ID)番号と、RREQが受信されたリンクの伝送チャネル速度をRREQに保存するステップS320、新ルートプライスを計算するステップS330、受信されたRREQに含まれるプライスよりも新ルートプライスが大きいかどうかを決定するステップS340、受信されたRREQ中のルートプライスよりも新ルートプライスが大きいとき、新ルートプライスを含むように受信されたRREQを更新するステップS350、及び更新されたRREQを中間ノードの1つ以上の隣接ノードへ転送するステップS370を有する。

Description

本願は2008年7月30日出願の米国仮出願番号61/084,709の利益を主張する。
本発明は概してメッシュネットワークにおけるルート発見に関する。
超広帯域(UWB)システムのためのWiMedia規格は、無線パーソナルエリアネットワーク(WPAN)のための完全分散型メディアアクセス制御(MAC)プロトコルを規定する。規制制限のために、WPANにおけるノードの送信電力と伝送距離は現在限られている。WiMedia規格は、53.3Mbps、80Mbps、106.7Mbps、160Mbps、200Mbps、320Mbps、400Mbps、及び480Mbpsを含む複数の異なるチャネル速度をサポートする。
WiMediaベースWPANの通信距離を拡張するために、メッシュ型(mesh‐enabled)MACプロトコルがこうしたネットワークにおいて利用されることができる。メッシュ型MACプロトコルは、ネットワーク中のノードが他の中間ノードを通ってその直接通信距離外の別のノードに達することを可能にする。中間ノードは起点ノードから宛先ノードへパケットを転送/リレーする。メッシュMACプロトコルの動作は図1に図示される。メッシュWiMediaベースWPAN100において、ノード110‐Aは、互いの伝送距離外にあるためノード110‐Fと直接通信することができない。しかしながら、ノード110‐Aはメッシュ型ノード110‐B及び110‐Dを通ってノード110‐Fにパケットを送ることができる。従って、起点ノード110‐Aから宛先ノード110‐Fへデータを送信するためのルートは、ノード110‐B及び110‐Dを転送することを含む。メッシュ型ノードはメッシュMACプロトコルを実行するノードである。
既存のルート発見及びルーティングプロトコルは、例えばダイナミックソースルーティング(DSR)プロトコルとアドホックオンデマンド距離ベクトル(AODV)プロトコルを含む。これらのプロトコルはトラフィック配信の要求があるときにのみルートを発見し、従って低ルートメンテナンスオーバーヘッドを促進する。図2Aに図示されるように、ルートを発見するために、起点ノード210‐Aはノード210‐B及び210‐Cによって受信されるルート発見要求(RREQ)パケットを送信し、そしてこれらのノードはその隣接デバイスへRREQを転送する。例えば、図2Bに示されるように、ノード210‐Bは受信したRREQをノード210‐C、210‐D、及び210‐Eへ転送し、一方ノード210‐Aは受信したRREQをノード210‐B及び210‐Dへ転送する。同じプロセスがノード210‐E及び210‐Dによって実行される(図2C参照)。RREQパケット受信後、宛先ノードは、受信したRREQが通ったルートに沿ってルート発見応答(RREP)パケットを起点ノードへ送り返す。これは図2Dに図示され、ここではノード210‐Fが宛先ノードである。RREPに基づいて、起点ノード210‐Aは宛先ノード210‐Fへパケットを送るルートを決定する。
DSR及びAODVプロトコルは通常、最小ホップ数を持つルート、すなわち最小数の中間ノードを通るルートを見つける。その結果、ルートに沿った各ホップは最大通信距離に近いホップ距離を持つ。従って、発見されたルートは低い伝送速度しかサポートすることができない。結果として、速い速度の利点が十分に生かされない。
従って、WiMediaメッシュネットワークにおける効率的なルート発見法を提供することが有利であろう。
本発明の特定の実施形態は、メッシュ無線メディア(WiMedia)ベースネットワークにおいて起点ノードと宛先ノード間のルートを発見するための方法を含む。該方法は、起点ノードと宛先ノード間の中間ノードによるルート要求(RREQ)受信時に、少なくとも中間ノードの識別(ID)番号と、RREQが受信されるリンクの伝送チャネル速度をRREQに保存するステップと、新ルートプライスを計算するステップと、受信されたRREQに含まれるプライスよりも新ルートプライスが大きいかどうかを決定するステップと、受信されたRREQ中のルートプライスよりも新ルートプライスが大きいとき、新ルートプライスを含むように受信されたRREQを更新するステップと、更新されたRREQを中間ノードの1つ以上の隣接ノードへ転送するステップとを有する。
本発明の特定の実施形態はまた、実行されると、メッシュ無線メディア(WiMedia)ベースネットワークにおいて起点ノードと宛先ノード間のルートを発見するプロセスをプロセッサに実行させる、コンピュータ実行可能コードを格納したコンピュータ可読媒体も含む。該プロセスは、起点ノードと宛先ノード間の中間ノードによるルート要求(RREQ)受信時に、少なくとも中間ノードの識別(ID)番号と、RREQが受信されるリンクの伝送チャネル速度をRREQに保存するステップと、新ルートプライスを計算するステップと、受信されたRREQに含まれるプライスよりも新ルートプライスが大きいかどうかを決定するステップと、受信されたRREQ中のルートプライスよりも新ルートプライスが大きいとき、新ルートプライスを含むように受信されたRREQを更新するステップと、更新されたRREQを中間ノードの1つ以上の隣接ノードへ転送するステップとを有する。
本発明とみなされる主題は、明細書の最後に請求項において具体的に指摘され、明確に主張される。本発明の前述の及び他の特徴及び効果は、添付の図面と併用される以下の詳細な説明から明らかとなる。
メッシュWiMedia WPANの略図である。 既存の発見プロトコルの動作を示すのに役立つネットワークの略図である。 既存の発見プロトコルの動作を示すのに役立つネットワークの略図である。 既存の発見プロトコルの動作を示すのに役立つネットワークの略図である。 既存の発見プロトコルの動作を示すのに役立つネットワークの略図である。 本発明の一実施形態に従って実行されるルート発見法を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態に従って実行されるルートプライスを計算するステップを説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態に従って実行される発見プロトコルの動作を示すのに役立つネットワークの略図である。 本発明の一実施形態に従って実行される発見プロトコルの動作を示すのに役立つネットワークの略図である。 本発明の一実施形態に従って実行される発見プロトコルの動作を示すのに役立つネットワークの略図である。 本発明の一実施形態に従って実行される発見プロトコルの動作を示すのに役立つネットワークの略図である。 本発明の一実施形態に従って実行される発見プロトコルの動作を示すのに役立つネットワークの略図である。 本発明の一実施形態に従って実行される発見プロトコルの動作を示すのに役立つネットワークの略図である。 本発明の一実施形態に従って実行される発見プロトコルの動作を示すのに役立つネットワークの略図である。
本発明によって開示される実施形態は本明細書の革新的教示の多くの有利な使用の例に過ぎないことに留意することが重要である。概して、本開示の明細書においてなされる記述は、必ずしも様々な請求された発明のいずれも制限するものではない。さらに、一部の記述は一部の発明の特徴に当てはまり得るが他のものには当てはまらない。概して、他に明示されない限り、一般性を喪失することなく、単数の要素は複数であってもよく、逆もまた同様である。図面において、類似する数字は複数の図を通して類似する部分をあらわす。
本明細書に開示される発見プロセスは、最高スループットを持つ起点ノードと宛先ノード間のルートを見つける。本発明の原理によれば、ルート発見要求(RREQ)は、少なくとも、RREQが通るノードの識別(ID)番号、RREQを送信するためにルートに沿ってリンクによって使用されるチャネル速度、RREQが通ったルートのプライス、及び最終ノード隣接(last‐node‐neighbors)リストを持つように構成されるパケットである。ルートプライスはルート中のリンクに対して計算される実効速度の逆数和である。最終ノード隣接リストは、RREQが通った最終ノードの隣接ノードでもある、ルート上のノードを記録に残す。ネットワーク中の各ノードは、その隣接ノードの各々のID番号を含む隣接テーブルと、最近受信したRREQを保存するためのキャッシュメモリを保持する。
図3は本発明の一実施形態に従って実行される無線メッシュネットワークにおいてルートを発見するための方法を説明する例示的かつ非限定的なフローチャート300を示す。該方法は少なくとも上述の情報を持つRREQを送信する起点ノードによって開始される。該方法はRREQを受信する各中間ノード(すなわち起点ノードと宛先ノード間の経路内のノード)によって実行される。起点ノードから送信されるとき、RREQは起点ノードのIDを含む。S310において、中間ノードはRREQを受信する。S320において、中間ノードはRREQに、そのIDと、RREQが受信されるリンクの速度を挿入する。S330において、RREQが通ったルート、すなわち起点ノードと中間ノード間のルート、のプライスが計算される。
次に図4を参照すると、S330の実行がより詳細に示される。S410において、受信されたRREQが通ったルートRが、RREQから読み出される。ルートRは
R(S,F1,F2,F3,…,Fk)
とあらわされ、ノードSは起点ノードであり、ノードF1,F2,…,Fk−1はRREQが既に通ったノードである。S420において、ルートに沿ってリンクによって使用されたチャネル速度が、受信されたRREQから得られる。チャネル速度は(R1,R2,…,Rk−1)とあらわされ、R1はノードSからF1へのリンクによって使用された実効チャネル速度であり、Ri(2≦i≦k−1)はノードFi−1からFi(2≦i≦k−1)へのリンクによって使用されたチャネル速度である。S430において、RREQを送信したノードとRREQを受信したノード間のリンクの実効伝送チャネル速度が計算される。送信ノード(Fk−1)から受信ノード(Fk)へのリンクの実効チャネル速度は'Rk'とあらわされ、Li(1≦i≦k)はこれらのノード間のリンクを示す。実効チャネル速度は所与の生チャネル速度に対してPHY/MACプロトコルオーバーヘッドを除くことによって計算される実効チャネルスループットである。実効チャネル速度は、WiMedia規格によって規定される生チャネル速度とは異なる。一実施形態によれば、実効チャネル速度Rkは次のように受信ノード(Fk)によって計算される。
Figure 2011529654
上記式において、パラメータPはデータパケットのペイロードサイズであり、パラメータTはデータパケットの伝送を完了するための総時間である。パラメータTは、データ(Tdata)パケット及びACK(Tack)フレームの伝送時間、及びこれらのフレーム間のフレーム間隔時間(Tifs)も含む。時間Tは、RTS/CTSが使用される場合はこれらの伝送時間(Trts/Tcts)も含み得る。データフレームの伝送時間は、選択されたチャネル速度Rにかかわらず固定されるプリアンブルの伝送時間(Tpreamble)、チャネル速度Rで伝送されるフレームヘッダ(H)、ペイロードサイズP、及びデータフレームを伝送するために使用される生チャネル速度Rに基づく。ペイロードサイズPは平均ペイロードサイズ又は起点ノードによって採用される任意の値であり得る。生チャネル速度Rはリンクによって使用される固定チャネル速度であり得るか、又は既知のリンク適応アルゴリズムを用いて決定されることができる。
S440において、中間ノード(Fk)は、ノード(Fk)の隣接ノードでもあるルート上のノードから成る更新された最終ノード隣接リストを作る。上述の通り、ノードFkはノードFk−1によって送信されるRREQを受信する。S450において、受信されたRREQにおける最終ノード隣接リストに含まれる、又はノード(Fk)の隣接ノードである、少なくとも1つのエンドノードを持つ全リンクを含むようにリンクリストが作られる。例えば、ルートがR(S,F1,F2,F3及びF4)であり、ノードF4によって受信されるRREQにおける最終ノード隣接リストがノードF2のみを含む場合、リンクリストは、リンクF1‐>F2,F2‐>F3及びF3‐>F4を含む。S460において、ノード(Fk)のルートプライスはリンクリスト中の全リンクの実効チャネル速度の逆数を合計することによって計算される。つまり、プライスは次のように計算される。
Figure 2011529654
Rijはリンクリスト中のリンクLij(1≦j≦n)に対して計算される実効速度であり、'n'はリスト中のリンクの総数である。
ここで図3を再び参照すると、S340において、計算されたプライスが受信されたRREQに含まれるプライスよりも大きいかどうかを決定するチェックがなされる。もしそうなら、S350において新たな計算された値を含むようにRREQが更新され、そうでなければ実行はS360を続ける。
S360において、中間ノードは、そのキャッシュメモリが、受信されたRREQと同じ起点‐宛先ペアに関する他のRREQを含むかどうかをチェックする。もしそうなら、S365において、受信されたRREQが(更新されたプライスの有無にかかわらず)キャッシュされたRREQに示されるものよりも小さいルートプライスを持つかどうかを決定するための別のチェックがなされる。もしそうなら、S370において、中間ノードはその隣接ノードへ受信されたRREQを転送し、そうでなければ実行は終了する。いくつかの実施形態において、最終ノード隣接リストはS440について記載されたのと同じやり方でS370において更新され得る。S360が'いいえ'になる場合、実行はS370へ進む。
最適ルートの選択は、ルートプライスに基づいて宛先ノードによって実行される。具体的には、宛先ノードが同じ起点‐宛先ペアに対して複数のRREQを受信する場合、ノードは全RREQの中で最小ルートプライスを持つRREQによって通られるルートを選択する。宛先ノードは選択されたルート上でRREPを送信する。起点及び中間ノードはRREP受信後にそのルートキャッシュ/テーブルを更新する。
DSR及びAODVなどの既存のルート発見プロトコルは、本明細書に開示されるルート発見法を実行するように適応されることができることに留意すべきである。例えば、既存のルーティングプロトコルは、所定時間待機して、宛先ノードがRREPを送り返すことができる前にその時間中に追加のRREQが受信されるかどうかをチェックする必要がある。
別の実施例として、ルーティングプロトコルが、RREQが通ったノードの全て又は一部のペア間のルート及びルートプライスを記録する必要がある場合、RREQは全て又は一部の中間ノードに対して(すなわちRREQが通った最終ノードに対してだけでなく)RREQが通った隣接ノードのリストを示すように適応されることができる。
図5A‐5Gを参照すると、本発明の一実施形態に従って実行されるルート発見プロセスの動作を示す非限定的な実施例が提供される。図5Aは6個のノード510‐Aから510‐Fを含むネットワークを示す。リンクの実効チャネル速度は2個のノード間の端に示される。単純化と説明のため、実効チャネル速度は生チャネル速度と同じである。
図5Bから図5Gは起点ノード510‐Aから宛先ノード510‐Fへ送信されるRREQの移動ルートを示す。起点ノード510‐AはRREQをノード510‐B及び510‐Cへ送信することによってルート発見プロセスを開始する(図5B参照)。ノード510‐Bによって計算されるルートプライスは1/160であり、ノード510‐Cによって計算されるルートプライスは1/53.3である。そして、ノード510‐B及び510‐CはRREQを送信する。ノード510‐Cはまた、ノード510‐Bによって送信されるRREQも受信し、その後そのRREQに対するルートプライスを計算し、これは2/160である。新ルートプライスは前に計算された値1/53.3よりも小さい。従って、ノード510‐Cは新ルート(510‐A,510‐B,510‐C)及び新プライス2/160でRREQを再度ノード510‐D及び510‐Eへ再送信する(図5C参照)。ネットワーク500中の他のノードは同じルールに従う(図5E及び図5Fを参照)。
宛先ノード510‐Fはルート(510‐A,510‐B,510‐C,510‐D,510‐E,510‐F)、プライス4/160を持つRREQ、ルート(510‐A,510‐C,510‐E,510‐F)、ルートプライス2/53.3+1/160を持つRREQ、及びいくつかの他のRREQを受信する。ノード510‐Fは全ルートプライスを比較し、最小プライスを持つルート、つまりルート(510‐A,510‐B,510‐C,510‐D,510‐E,510‐F)を選択する。続いて、宛先ノード510‐Fは選択されたルートに沿って起点ノード510‐AへRREPを送り返す(図5G参照)。起点ノード510‐Aはそのルートキャッシュ/テーブルを更新し、ノード510‐Aから510‐Fへのルートが確立される。
当然のことながら、上記方法を用いて発見されるルートは、既存プロトコルによって発見される最短ホップルートよりも良いスループットを持つ。例えばこうしたプロトコルはルート(510‐A,510‐C,510‐E,510‐F)、(510‐A,510‐B,510‐D,510‐F)、又は(510‐A,510‐C,510‐D,510‐F)を選択し得る。これら3つのルートは全て同じプライス2/53.3+1/160≒1/22.8を持ち、これはおよそ22.8Mbpsのスループットを持つ。ネットワークに対して、開示された方法は1/40のプライスとおよそ40Mbpsのスループットを持つルート(510‐A,510‐B,510‐C,510‐D,510‐E,510‐F)を選択する。従ってこの実施例の場合の向上はエンドツーエンドスループットにおいて約75%である。より多くのノードがあり、より速い速度が利用可能である場合、向上はさらに高くなり得る。
開示された方法は、UWBベースWPAN、WiMediaベース無線ネットワーク及びWPAN、又は任意の時分割多重アクセス(TDMA)若しくはスーパーフレームベース無線ネットワークを含む通信システムにおいて実行されることができるが、これらに限定されない。
本発明の原理は、ハードウェア、ファームウェア、及びソフトウェアの組み合わせとして実施される。さらに、ソフトウェアは好適にはプログラム記憶装置又はコンピュータ可読媒体上に明白に具体化されるアプリケーションプログラムとして実施される。アプリケーションプログラムは、任意の適切なアーキテクチャを有するマシンにアップロードされ、実行され得る。好適には、マシンは1つ以上の中央処理装置("CPU")、メモリ、及び入出力インターフェースなどのハードウェアを持つコンピュータプラットフォーム上に実装される。コンピュータプラットフォームはまた、オペレーティングシステムとマイクロ命令コードも含み得る。本明細書に記載の様々なプロセスと機能は、マイクロ命令コードの一部又はアプリケーションプログラムの一部のいずれか、又はその任意の組み合わせであってよく、これらはこうしたコンピュータ又はプロセッサが明示されているかどうかを問わず、CPUによって実行され得る。加えて、様々な他の周辺装置、例えば追加データ記憶装置及び印刷装置などがコンピュータプラットフォームに接続され得る。
前述の詳細な説明は本発明がとることができる多くの形態の一部を説明している。前述の詳細な説明は、本発明の定義への限定としてではなく、本発明がとることができる選択された形態の例示として理解されることを目的とする。本発明の範囲を規定することを目的とするものは、全均等物を含む請求項のみである。

Claims (15)

  1. メッシュ無線メディアベースネットワークにおいて起点ノードと宛先ノード間のルートを発見するための方法であって、
    前記起点ノードと前記宛先ノード間の中間ノードによるルート要求受信時に、少なくとも前記中間ノードの識別番号と、前記ルート要求が受信されるリンクの伝送チャネル速度を前記ルート要求に保存するステップと、
    新ルートプライスを計算するステップと、
    前記受信されたルート要求に含まれるプライスよりも前記新ルートプライスが大きいかどうかを決定するステップと、
    前記受信されたルート要求中のルートプライスよりも前記新ルートプライスが大きいとき、前記新ルートプライスを含むように前記受信されたルート要求を更新するステップと、
    前記更新されたルート要求を前記中間ノードの1つ以上の隣接ノードへ転送するステップとを有する方法。
  2. 前記中間ノードにキャッシュされた1つ以上のルート要求があるかどうかを決定するステップと、前記1つ以上のキャッシュされたルート要求、前記更新されたルート要求、および前記受信されたルート要求の中でより小さいルートプライス値を持つルート要求を見つけるステップと、最小ルートプライスを持つと決定されたルート要求を前記中間ノードの1つ以上の隣接ノードへ転送するステップとをさらに有する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記ルートプライスがルート中のリンクに対して計算される実効伝送速度の逆数和である、請求項1に記載の方法。
  4. 前記ルートプライスを計算するステップが、
    前記受信されたルート要求が通ったルートを読み出すステップと、
    前記ルートに沿ってリンクによって使用される前記伝送チャネル速度を得るステップであって、各リンクはルート要求を送信するノードとルート要求を受信するノードの間にある、ステップと、
    各リンクに対する実効伝送チャネル速度を計算するステップと、
    リンクリストを作るステップと、
    前記リンクリスト中の全リンクの前記実効伝送チャネル速度の逆数を合計するステップとをさらに有する、請求項3に記載の方法。
  5. 前記リンクリストが、最終ノード隣接リストにおいて指定される少なくとも1つのエンドノード、又は前記中間ノードの隣接ノードである少なくとも1つのエンドノードを持つ全リンクを含む、請求項4に記載の方法。
  6. 前記最終ノード隣接リストが、前記受信されたルート要求を前記中間ノードへ送信したノードの隣接ノードである前記ルート上のノードを含む、請求項5に記載の方法。
  7. 前記中間ノードの隣接ノードでもある前記ルート上のノードを含むように前記最終ノード隣接リストを作るステップと、前記更新された最終ノード隣接リストを前記受信されたルート要求に保存するステップとをさらに有する、請求項6に記載の方法。
  8. 前記最終ノード隣接リスト、伝送チャネル速度、及び前記ルート要求が通った前記ルートが、前記ルート要求に保持される、請求項5に記載の方法。
  9. リンクの前記実効チャネル伝送速度が、前記リンクにわたってデータパケットの伝送を完了するために必要な時間でデータパケットのペイロードサイズを割ることによって計算される、請求項4に記載の方法。
  10. データパケットの伝送を完了する時間が、少なくともデータフレーム、ACKフレームの伝送時間、及びACKフレームとデータフレーム間のフレーム間隔時間の合計に等しい、請求項9に記載の方法。
  11. 前記伝送時間が、
    Figure 2011529654
    によって計算され、Tpreambleは前記フレームのプリアンブルの伝送時間であり、Hはフレームヘッダのサイズであり、Pはペイロードのサイズであり、Rは前記リンクの前記伝送チャネル速度である、請求項10に記載の方法。
  12. 前記起点ノードと前記宛先ノード間の前記ルートが、前記宛先ノードによって受信される全ルート要求の中で最小ルートプライスを持つルート要求によって通られたルートであるように選択される、請求項2に記載の方法。
  13. 前記宛先ノードによってルート応答を生成するステップと、前記選択されたルート上で前記起点ノードへ前記ルート応答を送信するステップとをさらに有する、請求項1に記載の方法。
  14. 実行されると、メッシュ無線メディアベースネットワークにおいて起点ノードと宛先ノード間のルートを発見するステップをプロセッサに実行させる、コンピュータ実行可能コードを格納したコンピュータ可読媒体であって、
    前記起点ノードと前記宛先ノード間の中間ノードによるルート要求受信時に、少なくとも前記中間ノードの識別番号と、前記ルート要求が受信されるリンクの伝送チャネル速度を前記ルート要求に保存するステップと、
    新ルートプライスを計算するステップと、
    前記受信されたルート要求に含まれるプライスよりも前記新ルートプライスが大きいかどうかを決定するステップと、
    前記受信されたルート要求中のルートプライスよりも前記新ルートプライスが大きいとき、前記新ルートプライスを含むように前記受信されたルート要求を更新するステップと、
    前記更新されたルート要求を前記中間ノードの1つ以上の隣接ノードへ転送するステップとを有する、コンピュータ可読媒体。
  15. 前記ルートプライスを計算するステップが、
    前記受信されたルート要求が通ったルートを読み出すステップと、
    前記ルートに沿ってリンクによって使用される前記伝送チャネル速度を得るステップであって、各リンクはルート要求を送信するノードとルート要求を受信するノードの間にある、ステップと、
    各リンクに対する実効伝送チャネル速度を計算するステップと、
    リンクリストを作るステップと、
    前記リンクリスト中の全リンクの前記実効伝送チャネル速度の逆数を合計するステップとをさらに有する、請求項14に記載のコンピュータ可読媒体。
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