JP2016527765A - 無線ネットワークにおける安定したルートを発見する方法 - Google Patents

Abstract

この発明による方法は、無線ネットワークにおいてソースであるところのソースノードからシンクであるところのシンクノードにパケットを転送するためのルートを発見する。幾つかの近傍ソースは中継ノードとしての役割を果たす。各ソースは、各近傍ノードから送られてくる制御メッセージの受信レートを測定する。次に、測定された受信レートが最も低いレートを有する近傍ノードを介して特定のソースからシンクにデータパケットが転送される。

Description

この発明は、包括的には、無線ネットワークにおいてパケットをルーティングすることに関し、特に、マルチホップ低電力高損失ネットワークにおいて安定したルートを発見することに関する。

低電力高損失ネットワーク(ＬＬＮ)は、進化型計測インフラストラクチャ(ＡＭＩ)、産業オートメーション、ビルディングオートメーション及びホームオートメーション、並びに環境モニタリング等の広範にわたる通信用途において重要である。幾つかのインターネットエンジニアリングタスクフォース(ＩＥＴＦ)ワーキンググループ(ＷＧ)は、ＬＬＮのためのＩＰｖ６ベースの規格に取り組んでいる。６ＬｏＷＰＡＮ(低電力無線パーソナルエリアネットワークに対するＩＰｖ６)ＷＧは、ＬＬＮのための近傍ノード発見及びヘッダー圧縮を含む６つの規格を公開した。ＲＯＬＬ(ＬＬＮを介したルーティング)ＷＧは、ＬＬＮのためのＩＰｖ６ルーティングプロトコル(ＲＰＬ)及びＬＬＮにおけるパス決定に用いられるルーティングメトリックを含む１１個の規格を完成させた。ＣｏＲＥ(制約付き静環境)ＷＧは、制約付きアプリケーションプロトコル(ＣｏＡＰ)を公開している。多くの他の規格が開発中である。ＺｉｇＢｅｅアライアンス及びＩＰＳＯ(スマートオブジェクトのためのインターネットプロトコル)アライアンスは、プロトコルスタックを実施し、相互運用試験を行っている。ＬＬＮの産業展開も進行中である。

ＬＬＮにおいて、ノード及び通信リンクは厳密に制約されている。ノードは、処理電力、メモリ、電力消費等に対するリソース制約を用いて動作する。制約付きノードの２つのクラスが定義される。クラス１のノードは、約１０ｋＢ(キロバイト)のＲＡＭ及び１００ｋＢのＲＯＭを有し、クラス２のノードは約５０ｋＢのＲＡＭ及び２５０ｋＢのＲＯＭを有する。ノード間の通信リンクは、高い損失レート、低いデータレート、不安定性、低伝送電力及び短い伝送距離によって特徴付けることができる。実際のＬＬＮ内に数十個から最大で数百万個のノードが存在し得る。ＬＬＮにおけるノードは通常、拡張された屋外及び屋内の環境において展開される。過度に制約されたリソース及び大規模な展開に起因して、ＬＬＮノードは通常、無線メッシュネットワークを形成し、マルチホップ方式で通信する。

他のネットワークと対照的に、ＬＬＮは、制約されたトラフィックパターンも有する可能性がある。マルチポイントツーポイントの、例えばＬＬＮ内の複数のノードから中央制御ノード又はデータ集線ノードへのトラフィックが主流である。ポイントツーマルチポイントの、例えば中央制御ノードからＬＬＮ内のノードのサブセットへのトラフィックはあまり一般的でない。ポイントツーポイントの、例えばＬＬＮ内のノード間のトラフィックは稀である。ＬＬＮ内の制御ノードは通常、データシンクとして動作し、ＬＬＮ内の全ての他のノードからデータを収集する。

スマートメーターネットワーク等のＬＬＮにおけるデータ収集は、高い信頼性を有することを必要とされる。しかしながら、ＬＬＮ自体は、制約付きノードネットワークである。これは、ルーティング手順に対し課題を提示する。ＡＯＤＶ(アドホックオンデマンド距離ベクトル)及びＤＳＲ(動的ソースルーティング)等の従来のピアツーピアルーティングプロトコルは、ＬＬＮにおけるルーティングに適していない。結果として、ＩＥＴＦ ＲＯＬＬ ＷＧは、ＬＬＮにおけるマルチポイントツーポイントトラフィックが主流なルーティングを達成するためのルーティングプロトコルとしてＲＰＬを開発した。

ＲＰＬの性能は、非特許文献１において評価及び解析された。非特許文献１においてAccettura他は、ＲＰＬが高速ネットワークセットアップを呈すると結論づけている。非特許文献２において、Ancillotti他は、ＲＰＬが良好な拡張性を示すが、準最適ルート選択に起因して深刻な信頼性の欠如を被る場合があると述べている。非特許文献３において、Khanは、頻繁なルート変更がＲＰＬの性能に負の影響を及ぼすことを実証している。

特許文献１は、ＲＰＬの信頼性を改善するオポチュニスティック法について記載している。ノードがデータパケットを同じ階層の複数の親ノードに送信し、親ノードはチャネルアクセスを行って、データパケットが兄弟ノードの親ノードによって既に転送されているか否かを判断する。既に転送されていない場合、親ノードはデータパケットをシンクに転送する。転送されている場合、親ノードはデータパケットのローカルコピーをドロップする。一方、この方法に伴う問題は、冗長性及び通信オーバーヘッドを含む。兄弟ノードの２つの親ノードが無線範囲内にない場合、同じデータパケットの少なくとも２つのコピーがシンクに転送される。同じパケットを複数のパスに沿って伝送することにより、通信オーバーヘッドが増大し、他の伝送との干渉の確率が増大する。

ＲＰＬの信頼性は、最適ルートを選択することによって改善することができる。最適ルートを選択するために、適切なルーティングメトリック、例えばホップカウントを選択することが重要である。しかしながら、短いルートは低品質のリンクで構成される場合があり、したがって必ずしも高い信頼性を与えない。ＩＥＴＦ規格ＲＦＣ６５５１は、ホップカウント、リンク品質等を含むＲＰＬのためのルーティングメトリックを規定する。他のメトリックもＲＰＬのために提案されている。例えば、非特許文献４において、Yoneyama他は、受信信号強度及び再送信レートをＲＰＬのためのメトリックとして用いて、スマートグリッドシステムにおいて低コストで安定した通信を達成することについて記載している。非特許文献５において、Liu他は、ＲＰＬの信頼性を改善するための作業負荷ベースのメトリックについて記載している。しかしながら、安定性に基づくメトリックが依然として欠落している。

安定したルートを発見することはＬＩＮにおいて非常に重要である。なぜなら、安定したルートは長期にわたって存続するためである。無線ネットワークにおける短期のルートはネットワークトポロジーを不安定にする。不安定なルートは、障害、予測不可能な信号干渉等の予測不可能な発生によって生じる可能性がある。

安定性に基づくルーティングメトリックは、特に電池式のネットワークについて、ネットワーク信頼性の改善、通信オーバーヘッドの低減、干渉の軽減、帯域幅利用の増加、エネルギー効率の増加、ネットワーク動作持続時間の延長等の多数の利点をＬＬＮに提供する。安定したルートにより、ノードは頻繁なルート変更を行う必要がなく、したがって、データパケット送信と干渉する場合がある制御メッセージの送信がより少ない。結果として、ノードはデータパケット送信のためにより多くの時間及びより大きな帯域幅を用いることになり、ひいてはパケット送達レートが増大する。したがって、ＲＰＬルーティングプロトコルに対してのみでなく、無線ネットワークにおける全てのルーティング手順のために安定性に基づくルーティングメトリックを提供することが望ましい。

米国特許出願公開第２０１２／００９９５８７号明細書

Accettura他、「Performance Analysis of the RPL Routing Protocol」、IEEE ICM, 2011 Ancillotti他、「The Role of the RPL Routing Protocol for Smart Grid Communications」、IEEE Communications Magazine、 Vol. 51 No. 1、 2013 Khan、「Performance and Route Stability Analysis of RPL Protocol」KTH Royal Institute of Technology, 2012 Yoneyama他、「Wireless Mesh Network Communication Unit for Smart Meters Enabling Low-Cost and Stable Communication in Smart Grid Systems」、Toshiba Corporation、 2012 Liu他、「Load Balanced Routing for Low Power and Lossy Networks」、IEEE、WCNC、2013

この発明の様々な実施の形態は、無線ネットワークにおいて、パケットをルーティングするための安定したルートを発見する方法を提供する。ここで、データシンク及びノードが無線メッシュネットワークを形成している。

実施の形態は、安定性指数(ＳＩ)と呼ばれるルーティングメトリックを用いる。ＳＩは、ネットワークトポロジーの安定性及びルートの安定性を特徴付ける。結果として、２つのタイプのＳＩ、すなわち宛先指向有向非巡回グラフ(ＤＯＤＡＧ)ＳＩ及びノードＳＩが規定される。ＤＯＤＡＧ ＳＩは、ネットワークトポロジーの安定性を特徴付け、ノードＳＩはノードの安定性を特徴付ける。安定したルートは、ルートに沿った各ホップにおける比較的安定したノードで構成される。

ＳＩを求めるために、ノード安定性と制御メッセージの送信との間の関係が用いられる。安定したノードはより少ない制御メッセージを送信する一方で、不安定なノードはより多くの制御メッセージを送信する。このため、ＳＩは制御メッセージが送信されるレートの尺度である。より低いＳＩはより高いレベルの安定性を特徴付ける一方で、より高いＳＩはより安定していないトポロジー又はノードを特徴付ける。ＳＩはパッシブ技法を用いることによって求められる。パッシブ技法において、ノードは近傍ノードから受信される制御メッセージをモニタリングするのみである。このため、通信オーバーヘッドを被らない。本明細書において定義されるとき、近傍ノードとは、受信ノードの無線範囲内の任意の送信ノードである。

メモリを節減するために、大きなサイズを有する可能性がある制御メッセージの代わりにメタデータのみが記憶される。スライディング時間ウィンドウ及びタイマーを用いて正確なＳＩ決定のためのメタデータが収集される。

安定したルートによってデータパケット送達レートが増大し、制御メッセージオーバーヘッドが低減する。したがって、この発明の実施の形態による安定性に基づくルーティングメトリックによって、ルーティング手順の信頼性が改善する。

この発明の幾つかの実施の形態によるスマートメーターネットワークの概略図である。 この発明の幾つかの実施の形態による、安定したルート及び不安定なルートを有するスマートメーターネットワークの概略的な例を示す図である。 この発明の幾つかの実施の形態による、制御メッセージ記録のために各ノードによって維持される例示的なスライディング時間ウィンドウの概略図である。 この発明の幾つかの実施の形態による、様々なＤＯＤＡＧのための安定性指数を求めるために様々なＤＯＤＡＧにおいて近傍ノードによって送信される制御メッセージを記録するノードの一例の概略図である。 この発明の幾つかの実施の形態による、スライディング時間ウィンドウにおいて近傍ノードから受信される制御メッセージデータを記録するノードの一例の概略図である。 この発明の幾つかの実施の形態による、正確な安定性指数を求めるために記録を維持するためのノード内のプロセッサの概略図である。 この発明の幾つかの実施の形態による、近傍ノードによって送信された受信メッセージの処理の流れ図である。 ルートの信頼性を改善するための例示的な安定性指数メトリックの概略図である。 様々なルーティングメトリックに関する、ウィンドウサイズの関数としてのパケット送達レートのグラフである。 様々なメトリックに関する、ウィンドウサイズの関数としての制御メッセージ送信の平均数のグラフである。

図１は、この発明の実施の形態を用いるスマートメーターネットワークの一例の概略図を示す。ネットワークはスマートメーターノード(Ｍ)１００及びデータコンセントレーターノード(Ｃ)１１０を備える。ノードは無線リンク１２０を用いて無線メッシュネットワークを形成する。リンクの方向は、スマートメーター(ソースノード又はソース)からコンセントレーター(シンクノード又はシンク)へのデータパケットの概略フローを示すが、制御メッセージはいずれの方向にも送信することができる。

幾つかのソース、例えば１３０Ｍ_１及び１４０Ｍ_２は、データパケットをシンクに直接送信する。ソースのうちの幾つか、例えば１５０Ｍ_３及び１６０Ｍ_４は、データパケットをいずれのコンセントレーターにも直接送信することができない。代わりに、データパケットは他のソース、すなわち中間ノード又は中継ノード、例えば１４０Ｍ_２にまず送信され、次に、この中間ノード又は中継ノードはパケットをシンクに中継する。換言すれば、データ収集はマルチホップ方式で行われる。このため、本明細書において定義され参照される或るソースノードは、ソースノード、又は他のソースノードから発生するパケットのための中間ノードとしての役割を果たす中継ノードのいずれかとすることができる。

さらに、幾つかのスマートメーターノード、例えば１３０Ｍ_１及び１６０Ｍ_４は、１つのコンセントレーターをプライマリシンクとして選択し、別のコンセントレーターをバックアップシンクとして選択する。幾つかのスマートメーターノード、例えば１５０Ｍ_３及び１６０Ｍ_４は、シンクへの複数のルートを選択する。

図２は、スマートメーターネットワークにおける安定したルート及び不安定なルートを示す。スマートメーターネットワークが展開されるエリアを交通量の多い道路２００が通っている。道路における車両トラフィックからの干渉無線信号によって、幾つかのスマートメーター２１０のためのルートが不安定になる可能性があるが、干渉ノードから遠い他のスマートメーター２２０は安定したルートの一部である場合がある。この発明は、安定したルートの数を最大限にする。

無線ネットワークにおいて、ルーティング手順は、制御メッセージを用いてソースからシンクへのルートを発見する。例えば、ＡＯＤＶ及びＤＳＲは、ルート要求(ＲＲＥＱ)メッセージ及びルート応答(ＲＲＥＰ)メッセージを用いてルートを発見する。この発明は、安定したルートによって接続されたノードが、より少ないＲＲＥＱメッセージを送信するという認識に基づいている。結果として、対応するＲＲＥＰメッセージ送信も、より少なくなる。他方で、不安定なルートは更なるＲＲＥＱメッセージ及び対応するＲＲＥＰメッセージを送信する。したがって、制御メッセージ送信のレートを用いてルート安定性を測定することができる。この発明の実施の形態に従って、制御メッセージの受信レートを利用することによって、安定したルートをどのように発見するかを、ＩＥＴＦ ＲＰＬプロトコルを例として用いて説明する。しかしながら、この発明の実施の形態は、ＲＰＬ以外の全てのルーティング手順に適用することができる。

ＲＰＬ概観
ＬＬＮのための拡張可能なルーティングプロトコルを設計するために、ＩＥＴＦ ＲＯＬＬ ＷＧは、ＲＦＣ６５５０としてＲＰＬを標準化した。ＲＰＬは、ＬＬＮのために特別に設計されたルーティングプロトコルである。ＲＰＬは、ＬＬＮにおけるノードを有向非巡回グラフ(ＤＡＧ)として組織化し、ＤＡＧを１つ又は複数の宛先指向ＤＡＧ(ＤＯＤＡＧ)に分割する。データシンクあたり１つのＤＯＤＡＧが存在する。ＤＯＤＡＧのトポロジー及びノードからデータシンクへのアップワードルートを構築するために、データシンクはＤＯＤＡＧの根としての役割を果たし、ＤＯＤＡＧ情報オブジェクト(ＤＩＯ)メッセージを近傍ノードにブロードキャストする。ＤＩＯメッセージは、ＤＯＤＡＧを構築するための情報を含む。例えば、ＤＯＤＡＧバージョンを識別するために、３つのパラメーターＲＰＬＩｎｓｔａｎｃｅＩＤ、ＤＯＤＡＧＩＤ及びＤＯＤＡＧＶｅｒｓｉｏｎＮｕｍｂｅｒが含められる。

ノードの階層は、ＤＯＤＡＧの根に対して、他のノードに対するノードの個々の位置を規定する。データシンクの近傍にあるノードは、ＤＩＯメッセージを受信し、それらのノードがＤＯＤＡＧに参加することを決めたときに自身の階層を決定し、更新されたＤＩＯメッセージを近傍ノード、例えば中間ノード又は中継ノードとしての役割を果たす幾つかの他のソースノードに送信する。ノードの階層はＤＩＯメッセージ内に含まれる。ＤＩＯメッセージは、全てのノードがＤＯＤＡＧに参加するまで、ＤＯＤＡＧトポロジーが波面方式で構築されるように全ての方向に伝搬される。ＲＰＬは宛先告知オブジェクト(ＤＡＯ)メッセージを用いて、データシンクから他の宛先へのダウンワードルートを築く。ＤＯＤＡＧ情報要請(ＤＩＳ)メッセージを用いて、ＲＰＬノードからＤＩＯが要請される、すなわち、新たなルートが発見される。

信頼性のあるルーティングを達成するために、ＲＰＬは、ノードが、データパケット転送のための次のホップを求めるために、ＤＯＤＡＧ構造を用いて複数の親ノードを有することを可能にする。親ノードのうちの１つは好ましい親ノードとして選択され、他の親ノードはバックアップ親ノードとして選択される。好ましい親ノードは、パケット転送のためのデフォルトの次のホップとして用いられる。好ましい親ノードが利用可能でない場合、バックアップ親ノードを用いることができる。ＲＰＬは、ノードが階層を決定し親ノードを選択するのを支援するための目的関数(ＯＦ)を用いる。

安定性
ホップカウント及びリンク品質等の幾つかのルーティングメトリックがＯＦにおいて指定されているが、ノード及びルートの安定性を特徴付けるメトリックはいずれの既知のＲＰＬにおいても指定されていない。無線通信において、不安定な接続性を有するノードは、宛先の近くにある(すなわち低い階層を有する)場合であっても満足な親ノードでない場合がある。不安定なノードに転送されるデータパケットは、ルートが復元するまでキューに入れられるか、又は更に悪いことには、パケットは限られたサイズのキューバッファーに起因してドロップされる可能性がある。いずれの場合であっても、パケット転送が遅延し、オーバーヘッドが増大する。

ＲＰＬノード及びルートの安定性特性
安定したノードで構成されるルートはより安定している。したがって、安定したルートを構築するために、ネットワーク内の各ノードは次のホップノードとして安定したノードを選択する必要があり、すなわち、中間ノード又は中継ノードとしての役割を果たす幾つかの近傍の親ノードは、それら自体がデータパケットを発信するソースノードでもあり得る。

制御メッセージＤＩＳ、ＤＩＯ及びＤＡＯの送信レートは、ノード及びネットワークの安定性を暗に意味することができる。ＤＩＳ送信は、ノードが新たなルートを発見することを意図することを示す。ＤＩＯ送信は、ノードのルート情報変更、又は新たなルートを発見するための近傍ノードからの要請を示す。ＤＡＯは、ノードのルート情報変更、又は送信ノードのサブＤＯＤＡＧ内の別のノードのルート情報変更を示す。制御メッセージの送信は、その組み合わせにおいて、ノードの安定性に密に関係している。指定された時間にわたって、不安定なノードはより多くの制御メッセージを送信し、安定したノードはより少ない制御メッセージを送信する。一般的に、受信される制御メッセージのレートは安定性に比例する。

安定性ルーティングメトリック
ＲＰＬにおいて、ＤＩＯ、ＤＩＳ及びＤＡＯの制御メッセージを用いてルートを構築し維持する。制御メッセージ送信は、ノードが親ノード、すなわち次のホップノード(中間ノード又は中継ノード)として選択されるのに十分安定しているか否かを示す。例えば、ＤＩＳメッセージを送信することが多いノードにパケットを転送することは非効率であり得る。なぜなら、高いＤＩＳ送信レートは、ノードが接続を頻繁に失うことを暗に意味しているためである。ＤＩＯメッセージを頻繁に又は高いレートで送信しているノードは安定していない場合がある。これらのノードは、おそらく不安定な近傍ノードを有し、パケットを不安定な次のホップノードに転送する場合がある。

安定性を定量化するために、安定性指数(ＳＩ)がメトリックとして用いられる。ノードは、２つのタイプのＳＩ、すなわちＤＯＤＡＧ ＳＩ及びノードＳＩを維持することができる。ＤＯＤＡＧ ＳＩはＤＯＤＡＧの安定性を特徴付ける一方で、ノードＳＩはノードの安定性を特徴付ける。２つのタイプのＳＩに基づいて、ノードはまず、参加するための最も安定したＤＯＤＡＧを選択し、次に、自身の親ノードとしてＤＯＤＡＧ内のより安定したノードを選択する。

図３に示すように、任意のノード３１０において他のノードのＳＩを求めるために、ノード３１０において、スライディング時間ウィンドウＷ３２０を用いて、近傍ノードから受信される制御メッセージのレートを求める。このため、任意の時点において、スライディングウィンドウは通常、現在の期間の制御メッセージの受信レートを示す。

メモリ効率性のために、ノードは、関心対象の近傍ノードから受信した制御メッセージのみを記録する。本明細書において定義されるとき、近傍ノードとは、受信ノードの無線範囲内にある任意のノードである。

ＲＰＬにおいて、制御メッセージはサイズが大きい。メモリ使用量を低減するために、制御メッセージ全体をＷに記憶するのではなく、制御メッセージのメタデータのみがＷに記録される。ＤＯＤＡＧ ＳＩを求めるために、メタデータ｛Ｔｒａｎｓｍｉｔｅｒ＿ＩＤ，Ｍｅｓｓａｇｅ＿Ｔｙｐｅ，Ｔｉｍｅｓｔａｍｐ，ＲＰＬＩｎｓｔａｎｃｅＩＤ，ＤＯＤＡＧＩＤ，ＤＯＤＡＧＶｅｒｓｉｏｎＮｕｍｂｅｒ｝が記録される。ノードＳＩを求めるために、メタデータ｛Ｔｒａｎｓｍｉｔｅｒ＿ＩＤ，Ｍｅｓｓａｇｅ＿Ｔｙｐｅ，Ｔｉｍｅｓｔａｍｐ｝が記録される。

記録は時間に従って昇順で組織化される。図３に示すように、各ノードは自身のＷを独立して維持する。ここで、シンク(Ｓ)３００はノード３１０からデータパケットを収集し、各ノードはウィンドウＷ３２０を維持する。

１つの実施の形態では、Ｗ３２０は固定サイズである。別の実施の形態では、Ｗは時間ベースであり、ノードはメモリがどれだけ用いられるかにかかわらず、近時の経過期間、例えば６０秒にわたって受信した制御メッセージを記録する。サイズに基づくＷは、メモリ効率の利点を有する。一方、近傍ノードによる制御メッセージ送信のバーストにより、Ｗが急速に埋まる可能性がある。時間に基づくＷは、受信した全ての制御メッセージを記録する。一方、これはノードのメモリを使い果たす場合がある。

ノードは、制御メッセージをカウントして、制御メッセージが受信されるレートを求める。ノードは、Ｗ３２０内の記録を用いて、その近傍ノードに関して制御メッセージが受信されるレートを計算する。ノードは、ＤＩＳレコーダー、ＤＩＯレコーダー及びＤＡＯレコーダーを維持して、ノード自体から送信された制御メッセージのタイムスタンプを記録する。毎回、ノードは制御メッセージＤＩＳ又はＤＩＯ又はＤＡＯを送信し、対応するレコーダーにタイムスタンプが付加される。レコーダーを用いて、ノード自体によって制御メッセージが送信されるレートが計算される。Ｗ及び制御メッセージレコーダーに加えて、タイマーを用いてＷ内の記録及び制御メッセージレコーダーが定期的にリフレッシュされる。

図４は、複数のデータシンクに従って組織化された複数のＤＯＤＡＧを有するＬＬＮを示す。様々なノードが様々なＤＯＤＡＧに参加することを選択することができる。例えば、ノード４００Ｍは、５つの近傍ノード４１０Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３、Ｍ_４及びＭ_５を有する。ノードＭ_１及びＭ_２はＤＯＤＡＧ＿１ ４２１に参加し、他の３つの近傍ノードはＤＯＤＡＧ＿２ ４２２に参加する。ノードＭは、ＤＯＤＡＧ＿１からの制御メッセージ４４０からのメタデータ及びＤＯＤＡＧ＿２からの制御メッセージ４５０からのメタデータを自身のウィンドウＷ４３０内に記録する。ノードは、関心対象のＤＯＤＡＧのためのＳＩを求めることができる。ノードＭ_１、Ｍ_２、…、Ｍ_ｎがノードＭの近傍ノードであり、ノードＭ_１、Ｍ_２、…、Ｍ_ｎが同じＤＯＤＡＧ＿Ｇに参加したと仮定する。このとき、ノードＭは、ノードＭ_１、Ｍ_２、…、Ｍ_ｎから受信した制御メッセージを受動的にモニタリングすることによって、ＤＯＤＡＧ＿ＧのためのＳＩを求めることができる。

ノードＭがＤＯＤＡＧ＿Ｇのメンバーでない場合、ノードＭはＤＯＤＡＧ＿ＧのためのＳＩを以下のように求める。

ここで、Ｗ_ＤＩＳ、Ｗ_ＤＩＯ及びＷ_ＤＡＯは、それぞれ安定性に関するＤＩＳメッセージ、ＤＩＯメッセージ及びＤＡＯメッセージの重要度に従う非負の重みであり、

はそれぞれ、ノードＭによってノードＭ_ｉ(１≦ｉ≦ｎ)から受信されたＤＩＳメッセージ、ＤＩＯメッセージ及びＤＡＯメッセージの数であり、Ｔは、受信又は送信された制御メッセージのレートを求めるのに用いられる期間の長さである。Ｔは、ウィンドウＷ及びレコーダーをリフレッシュするのに用いられる期間の長さと無関係である。

ノードＭがＤＯＤＡＧ＿Ｇのメンバーである場合、ノードＭはＤＯＤＡＧ＿Ｇ ＳＩのＳＩを以下のように求める。

ここで、

はそれぞれ、ノードＭによって送信されるＤＩＳメッセージ、ＤＩＯメッセージ及びＤＡＯメッセージの数であり、対応するレコーダーにおけるタイムスタンプの数をカウントすることによって取得される。他の変数は式(１)と同じである。

特定のＤＯＤＡＧ内で、ノードは自身又は近傍ノードのためのＳＩを求めることができる。ノードＭはこのノードＭ独自のＳＩを以下のように求める。

ここで、

は式(２)と同じである。Ｗ_ＤＩＳ、Ｗ_ＤＩＯ及びＷ_ＤＡＯは式(１)におけるものと同じ意味を有するが、異なる値を有することができる。Ｔは式(１)と同じ意味を有する。

ノードは、式(３)を用いて自身のＳＩを求めることができ、これをパケットに含めて、近傍ノードに自身のＳＩを知らせる。しかしながら、この方法はネットワークにおけるオーバーヘッドを増大させる。このオーバーヘッドを低減するために、パッシブＳＩ測定法が導入される。パッシブＳＩ測定法は、近傍ノードによってそれらの近傍ノードのＳＩを送信する代わりに、ノードに自身の近傍ノードのＳＩを測定させる。パッシブＳＩ測定により、ノードは自身の近傍ノードから受信される制御メッセージのみをモニタリングし、自身のウィンドウＷ３２０内でメタデータを記録する。次に、ノードはウィンドウＷ内の記録を用いて、近傍ノードのＳＩを求める。

ノードＰをノードＭの近傍ノードとすると、ノードＭはノードＰのＳＩを以下のように測定する。

ここで、

は、ノードＭによってノードＰから受信されたＤＩＳメッセージ、ＤＩＯメッセージ及びＤＡＯメッセージの数である。Ｗ_ＤＩＳ、Ｗ_ＤＩＯ及びＷ_ＤＡＯは式(３)と同じである。Ｔも式(３)と同じである。

図５は、ノード５００Ｍが６つの近傍ノード５１０Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｑ、Ｓ及びＴを有する例を示している。しかしながら、ノードＭは近傍ノードＯ、Ｐ及びＱにのみ関心がある。結果として、ノードＭはこれらの３つの近傍ノードから受信した制御メッセージを自身のＷ５２０に記録する。ノードＭは、自身のＷ内の記録を用いて自身の近傍ノードＰのＳＩを

として求める。ＳＩを正確に求めるために、ノードは、Ｗ及び制御メッセージレコーダー以外に、タイマーを維持する。ノードはタイマーを用いて、古くなったレコードを削除することによって自身のウィンドウＷ及び制御メッセージレコーダーをリフレッシュする。

図６は、通常のノードを概略的に示す。ノードは、プロセッサ６００と、送信機６１０と、受信機６２０と、メモリ６３０と、タイマー６４０と、全てのコンポーネントを接続するバス６５０とを備える。メモリは、ＤＩＳレコーダー６３２、ＤＩＯレコーダー６３４、ＤＡＯレコーダー６３６及びウィンドウＷ６３８のために割り当てられる。

ＲＰＬのためのＳＩルーティングメトリック
ＲＰＬノードによってＳＩを用いて親ノードを選択し、階層を決定することができる。ノードのＳＩが低くなるほど、ノードがより安定する。したがって、ノードは通常、より低いＳＩ値を有する近傍ノードを、データパケットを転送するための親ノードとして選択する。

親ノードが選択された後、ノードはＳＩベースの階層を求めることができる。ＲＰＬにおいて、ノードＭの階層は以下のように規定される。

ここで、Ｒ(Ｐ)は好ましい親ノードの階層であり、

であり、ここで、階層増大係数Ｃは正の整数であり、１≦Ｃ≦１８０である。ノードＭについて、ＳＩに基づく階層が以下のように規定される。

ここで、ｆ(ＳＩ_Ｍ)は、１≦ｆ(ＳＩ_Ｍ)≦１８０であるような正の整数値の関数であり、ｆ(ＳＩ_Ｍ)はＳＩ_Ｍが増大すると増大する。

図７は、パケット７１０を受信した後にノードによって用いられる手順を示す。まず、ノードはパケットのタイプを求める(７１５)。パケットが転送されるデータパケット７２０である場合、ノードはＷ７５０内の記録を用いることによって、その全ての親ノードについてＳＩを求め(７２５)、最も低いＳＩ値を有する自身の親ノード、すなわち最も安定した親ノードにデータパケットを転送する(７３０)。パケットが、ＤＩＳ、ＤＩＯ又はＤＡＯの制御メッセージ７３５である場合、ノードは、制御メッセージが関心対象の近傍ノードによって送信されたか否かを判断する(７４０)。制御メッセージが関心対象の近傍ノードによって送信された場合、ノードはメッセージのメタデータをウィンドウＷ７５０に記録し(７４５)、次にＲＰＬ規格に従って制御メッセージを処理する(７５５)。制御メッセージが関心対象の近傍ノードによって送信されていない場合、ノードは制御メッセージをドロップする(７６０)。受信パケットが別のパケット７６５である(例えば、そのノードに向けられていない)場合、ノードは標準的なＲＰＬ規則に従うことによってパケットを処理する(７７０)。さらに、ノードは、送信する独自のパケット７８０を有する。送信するために、ノードは、Ｗ７５０内の記録を用いることによって自身の全ての親ノードのＳＩを求め(７２５)、データパケットを最も低いＳＩ値を有する自身の親ノード、すなわち最も安定した親ノードに転送する(７３０)。タイマー７９０が満了した場合、ノードは古い記録を削除することによってウィンドウ及びレコーダー７５０をリフレッシュする(７９５)。

他のルーティングメトリックと合わせたＳＩの使用
ＳＩは、ホップカウント又はリンク品質等の他のルーティングメトリックと組み合わせることができる。この場合、階層計算は他のルーティングメトリックに基づき、ＳＩを用いてデータパケット転送のために最も安定した親ノードが選択される。以下は、例示的なメトリックとして、ＳＩをホップカウントと共に用いる幾つかの例である。
１．ノードが、親ノードを選択し、ホップカウントのみに基づいて階層を求める。一方、パケット送信中、ノードは必ずしも好ましい親ノードを用いず、最も低いＳＩを有する親ノードを次のホップとして選択する、
２．ノードはまず、ＳＩに基づいて候補親ノードを選択し、次に、ホップカウントメトリックを用いて親ノード候補の中から親ノードを選択し、ホップカウントに基づいて階層を求める、及び
３．ノードはまず、ホップカウントに基づいて親ノード候補を選択し、親ノード候補の中から、ＳＩメトリックを用いて親ノード候補を選択する。一方、ノードはホップカウントに基づいて階層を求める。

ＳＩの他の使用事例も可能である。

ＳＩと他のルーティングメトリックとの比較
図８は、ＳＩメトリックが従来のホップカウント(ＨＣ)メトリック及び予想伝送カウント(ＥＴＸ)メトリックよりも性能が優れている例を示す。ノードＮ_５からノードＮ_２への不安定なリンク８００及びノードＮ_６からノードＮ_５への非常に安定したリンク８１０が存在する。残りのリンク８２０は妥当に安定している。ノードＮ_６はデータパケットをシンク８３０Ｓに送信する必要がある。ＨＣメトリックを用いて、ノードＮ_６は、ルート８４０Ｎ_６→Ｎ_５→Ｎ_２→Ｓを選択する。なぜならこれが最短ルートであるためである。ＥＴＸメトリックを用いて、ノードＮ_６はルート８４０も選択する。なぜならリンク８１０はリンク８２０よりも良好であるためである。しかしながら、不安定なリンク８００に起因して、ルート８４０は最適なルートではない。問題は、従来の手法において、ノードＮ_６がルートにおける不安定なリンクを知らないことである。しかしながら、ＳＩメトリックを用いるとこれを回避することができる。リンク８００は不安定であるので、ノードＮ_５は更なる制御メッセージを送信してルートを維持する。ノードＮ_６はノードＮ_５から制御メッセージを受信し、自身のＷに記録する。パケットを送信するために、ノードＮ_６はルート８５０Ｎ_６→Ｎ_４→Ｎ_３→Ｎ_１→Ｓを選択する。なぜなら、ノードＮ_４はノードＮ_６のＳＩよりも低いＳＩを有するためである。換言すれば、ＳＩはより良好なルート８５０を提供する。

新たに導入されたＳＩルーティングメトリックが安定したルートを提供することができるか否かを評価し、ルーティング手順の性能を改善するために、２つの一般的に用いられるルーティングメトリックＨＣ及びＥＴＸが比較に用いられる。

図９は、ＳＩメトリック９００が最も高いパケット送達レートを提供し、ＥＴＸメトリック９１０がＳＩメトリックとＨＣメトリック９２０との間で機能し、ＨＣメトリックが最も低いパケット送達レートを有することを示す。ＨＣメトリック及びＥＴＸメトリックにはウィンドウＷが関与しないので、対応する曲線は直線としてプロットされる。

制御メッセージオーバーヘッドの観点において、図１０は、ＳＩメトリック１０００が最も低い制御メッセージオーバーヘッドを有することを示す。ここでもまた、ＥＴＸメトリック１０１０はＳＩメトリックとＨＣメトリック１０２０との間で機能し、ＨＣメトリック１０２０は最も高い制御メッセージオーバーヘッドを有する。

ＳＩメトリックの利点
ＳＩ測定メカニズムは幾つかの利点を有する。
１．拡張可能：ＳＩは、各ノードによって独立して求められ、計算は、近傍ノード又はＤＯＤＡＧの各ノードのローカル解析に基づく。大域情報は必要とされない。
２．パッシブ：ノードは、近傍ノードから受信した制御メッセージをモニタリングすることによってＳＩを求める。ノード間での情報交換は存在しない。
３．低オーバーヘッド：ＳＩの計算はネットワークに通信オーバーヘッドを一切引き起こさず、ノードはスライディングウィンドウ及び制御メッセージレコーダーを維持することしか必要としない。
４．適応可能：ＳＩメトリックは他のメトリックと共に用いることができる。このとき、ノードはルートの計算においてＳＩを実施してもしなくてもよく、データパケット転送のためにＳＩのみを用いる。
５．動的：ＳＩは、ノードが送信するデータパケットを有するとき、又はＤＯＤＡＧを切り替えることを望むとき、動的に求められる。
６．独立：ＳＩの計算は、任意の他のプロトコル又は層と無関係であり、ＲＰＬからの情報のみが用いられる。ＳＩの計算はＲＰＬプロトコルに対する変更を一切必要としない。
７．信頼可能：ＳＩメトリックは、既存のルーティングメトリックと比較して、高いパケット送達レート及び低い制御メッセージオーバーヘッドを提供する。

この発明の方法は、多種の分野における無線ネットワークに適用可能である。

Claims (13)

1. 無線ネットワークにおいて、パケットをソースノード(ソース)からシンクノード(シンク)に転送するルートを発見する方法であって、幾つかの近傍ソースは中継ノードとしての役割を果たし、前記方法は、
   各ソースにおいて、各近傍ノードからの制御メッセージの受信レートを測定するステップと、
   最も低いレートを有する前記ｓを介して特定のソースから前記シンクにデータパケットを転送するステップと、
   を含む、無線ネットワークにおいて、パケットをソースノードからシンクノードに転送するルートを発見する方法。
2. スライディング時間ウィンドウにおいて各ソースにおいて受信される各制御メッセージのメタデータを記憶することを更に含み、前記メタデータは前記制御メッセージのタイプ及び時間を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記制御メッセージは、宛先指向有向非巡回グラフ(ＤＯＤＡＧ)情報オブジェクト(ＤＩＯ)メッセージと、宛先告知オブジェクト(ＤＡＯ)メッセージと、ＤＯＤＡＧ情報要請(ＤＩＳ)メッセージとを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記スライディング時間ウィンドウは固定サイズを有し、新たに受信したメタデータは、前記スライディング時間ウィンドウがフルであるとき、古いメタデータを上書きする、請求項２に記載の方法。
5. 前記スライディング時間ウィンドウは、近時の経過期間の前記メタデータを記録する、請求項２に記載の方法。
6. 各近傍ノードからの前記制御メッセージの数をカウントすることと、
   前記制御メッセージの重要度に従って前記数に重み付けして前記レートを測定することと、
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
7. 各ソースは前記スライディング時間ウィンドウを更新するためのタイマーを備える、請求項２に記載の方法。
8. ソースごとに階層を求めることを更に含み、前記階層は前記ルートの安定性指数に基づく、請求項１に記載の方法。
9. 最も低いレート及び最も低い階層を有する前記近傍ノードを介して特定のソースから前記シンクに前記データパケットを転送することを更に含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記レートは、前記データパケットを転送するときに動的に測定される、請求項１に記載の方法。
11. 前記レートは、前記ソースの安定性を示す、請求項１に記載の方法。
12. ソース及びシンクは宛先指向有向非巡回グラフトポロジーとして組織化される、請求項１に記載の方法。
13. 前記ネットワークは、低電力高損失メッシュネットワークである、請求項１に記載の方法。

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