JP3938916B2 - 無線ネットワークのための制御方法及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のノード無線局を備えた、例えば無線ＬＡＮなどの無線ネットワークにおいてパケット通信を行う、例えばアドホック無線ネットワークなどの無線ネットワークのための制御方法及び制御装置に関する。

最近、アドホック無線ネットワークにおけるＱｏＳ（Quality of Service；サービス品質）の問題に対して多数の解決法が提案されている（例えば、非特許文献１及び２参照。）。

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しかしながら、非特許文献３で指摘されているように、移動無線チャンネルの限定された帯域幅は、ネットワークの負荷が極めて少ない場合を除いて、あらゆるトラフィックのクラスに同一のＱｏＳを提供することを妨げる。従って、リソースの配分の観点から、１つのクラスに他のクラスより高い優先度を割り当てることにより各クラスに異なるＱｏＳを提供するための何らかの手段を実装しなければならない。このように、ＱｏＳと優先順位との連結は当該技術分野においては一般的手段である。ここで、有線環境に関して存在する幾つかの解決法は、アドホック無線ネットワークにおいては通信環境の共用及びホストの移動性に起因してうまく動作しないという問題点があった。

アドホック無線ネットワークにおける２つのフローは、これらの異なる２つのフローに属する２ルートが共通のノード無線局を共用する場合、又は両者が互いに干渉し合うほど近づいていてルートカップリングを生じさせる場合には互いに影響する（非特許文献４参照。）。この場合、これらの２ルートにおけるノード無線局は、共用する無線媒体へのアクセスを求めて絶えず競合する。このような状況では、一方のフローのパケット注入レートが下がればもう一方のフローは共用する無線媒体へアクセスするより多くの機会を得ることになり、最終的に輻輳は減って第２のフローのスループットが向上する。このように、優先順位を付けるフロー制御は、異なるサービスクラスにサービスの差別化を提供する効果的な手段である。

研究者の中には、サービスの差別化を達成するためにトランスポート層にエンド・ツー・エンドのレート制御を導入することを提案した者もいる（非特許文献５参照。）。しかしながら、エンド・ツー・エンドのレート制御は、無線媒体においては多くの欠点を有する。第１に、エンド・ツー・エンドのレート制御メカニズムは輻輳によるパケット損失の測定を基礎としているが、パケット損失は、劣悪なリンク品質のような何らかの非輻輳損失、移動性によるルート障害又は単なるランダムなチャンネルエラーに起因して発生する可能性がある。第２に、受信局から送信局へ戻るプロセス中のフィードバック損失は、ネットワークの輻輳に関する送信者の認識を歪ませる可能性がある。

しかしながら、最も重要な態様は、これらの方法が高優先順位トラフィックのための望ましいレートを保証できないことである。フローのレート制御によるサービスの差別化に関するこれまでの研究（非特許文献５）は、個別化されたフロー制御に焦点を合わせたものであった。この場合のフローは、エンド・ツー・エンドのフィードバックを基礎とするレートベクトルに従って個別的に制御され、高優先度フローは低優先度フローほど積極的には抑制されない。従って、高優先度フローのフローレートは所望のフローレベルを維持しない場合がある。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、無線媒体の十分な利用が適応型レート制御に従って達成されるように、高優先度フローを所望のレベルに維持しながら低優先度フローを適応的に最大化することができる無線ネットワークのための制御方法及び制御装置を提供することにある。

第１の発明に係る無線ネットワークのための制御方法は、複数のノード無線局を備え、各ノード無線局間で、第１の優先度フローと、第１の優先度フローよりも低い優先度を有する第２の優先度フローとの少なくとも２つのパケットフローを用いてパケット無線通信を行う無線ネットワークのための制御方法において、
発信元無線局から宛先無線局への同一の各パケットフローについて、上記各パケットフローのパケット信号を受信したとき、第１の優先度フローのパケット到来間隔（Packet Arrival Interval：ＰＡＩ）を計算してＰＡＩテーブルとして記憶装置に記憶するステップと、
第２の優先度フローの発信元無線局以外のノード無線局であるときは、上記ＰＡＩテーブルにおける第１の優先度フローの最大のパケット到着間隔（Propagated Packet Arrival Interval：伝搬されたＰＡＩ：ＰＰＡＩ）と、パケット信号を受信したときにそのパケット信号に含まれる第１の優先度フローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）の少なくとも大きい値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）を含むパケット信号を第２の優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させて送信する一方、第２の優先度フローの発信元無線局であるときは、上記少なくとも大きい値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）に基づいて第２の優先度フローのパケット注入間隔（Packet Injection Interval：ＰＩＲ）を計算して当該パケット注入間隔（ＰＩＲ）を制御して第２の優先度フローのパケット信号を送信するステップとを含むことを特徴とする。

上記無線ネットワークのための制御方法において、上記各ノード無線局は、少なくとも所定の方位角幅を有するセクターパターンを有するアンテナを備え、
上記記憶するステップは、発信元無線局から宛先無線局への同一の各パケットフローについて、上記各パケットフローのパケット信号を上記アンテナを用いて受信し、上記受信した方位角毎において第１の優先度フローのパケット到来間隔（ＰＡＩ）を計算してＰＡＩテーブルとして記憶装置に記憶することを特徴とする。

また、上記無線ネットワークのための制御方法において、上記パケット無線通信は、ＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号を用いて実行され、パケット到着間隔（ＰＰＡＩ）はＣＴＳ信号内のデータであることを特徴とする。

さらに、上記無線ネットワークのための制御方法において、上記記憶するステップは、所定の時間Δｔの間で受信される第１の優先度フローのパケット信号についてのみ第１の優先度フローのパケット到来間隔（ＰＡＩ）を計算して上記ＰＡＩテーブルに記憶することを特徴とする。

またさらに、上記無線ネットワークのための制御方法において、上記送信するステップは、第２の優先度フローの発信元無線局であるときは、所定の時間における複数のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）の平均値に基づいて第２の優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＲ）を計算して当該パケット注入間隔（ＰＩＲ）を制御することを特徴とする。

第２の発明に係る無線ネットワークのための制御装置は、複数のノード無線局を備え、各ノード無線局間で、第１の優先度フローと、第１の優先度フローよりも低い優先度を有する第２の優先度フローとの少なくとも２つのパケットフローを用いてパケット無線通信を行う無線ネットワークのための制御装置において、
発信元無線局から宛先無線局への同一の各パケットフローについて、上記各パケットフローのパケット信号を受信したとき、第１の優先度フローのパケット到来間隔（ＰＡＩ）を計算してＰＡＩテーブルとして記憶装置に記憶する第１の制御手段と、
第２の優先度フローの発信元無線局以外のノード無線局であるときは、上記ＰＡＩテーブルにおける第１の優先度フローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）と、パケット信号を受信したときにそのパケット信号に含まれる第１の優先度フローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）の少なくとも大きい値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）を含むパケット信号を第２の優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させて送信する一方、第２の優先度フローの発信元無線局であるときは、上記少なくとも大きい値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）に基づいて第２の優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＲ）を計算して当該パケット注入間隔（ＰＩＲ）を制御して第２の優先度フローのパケット信号を送信する第２の制御手段とを備えたことを特徴とする。

上記無線ネットワークのための制御装置において、上記各ノード無線局は、少なくとも所定の方位角幅を有するセクターパターンを有するアンテナを備え、
上記第１の制御手段は、発信元無線局から宛先無線局への同一の各パケットフローについて、上記各パケットフローのパケット信号を上記アンテナを用いて受信し、上記受信した方位角毎において第１の優先度フローのパケット到来間隔（ＰＡＩ）を計算してＰＡＩテーブルとして記憶装置に記憶することを特徴とする。

また、上記無線ネットワークのための制御装置において、上記パケット無線通信は、ＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号を用いて実行され、パケット到着間隔（ＰＰＡＩ）はＣＴＳ信号内のデータであることを特徴とする。

さらに、上記無線ネットワークのための制御装置において、上記第１の制御手段は、所定の時間Δｔの間で受信される第１の優先度フローのパケット信号についてのみ第１の優先度フローのパケット到来間隔（ＰＡＩ）を計算して上記ＰＡＩテーブルに記憶することを特徴とする。

またさらに、上記無線ネットワークのための制御装置において、上記第２の制御手段は、第２の優先度フローの発信元無線局であるときは、所定の時間における複数のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）の平均値に基づいて第２の優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＲ）を計算して当該パケット注入間隔（ＰＩＲ）を制御することを特徴とする。

従って、本発明に係る無線ネットワークのための制御方法及び制御装置によれば、上記少なくとも大きい値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）に基づいて第２の優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＲ）を計算して当該パケット注入間隔（ＰＩＲ）を制御して第２の優先度フローのパケット信号を送信するので、より高い優先度を有する第１の優先度フローのパケット信号を所定のパケット注入間隔で保持しながら、より低い優先度を有する第２の優先度フローのパケット信号のパケット注入間隔を適応的に最大化してパケット信号を制御することができる。

また、上記無線ネットワークのための制御方法において、所定の時間Δｔの間で受信される第１の優先度フローのパケット信号についてのみ第１の優先度フローのパケット到来間隔（ＰＡＩ）を計算して上記ＰＡＩテーブルに記憶する。例えば、ＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号を用いて行うパケット無線通信において、ランダムチャンネルエラー、コリジョンなどを回避できる。

さらに、上記無線ネットワークのための制御方法において、第２の優先度フローの発信元無線局であるときは、所定の時間における複数のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）の平均値に基づいて第２の優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＲ）を計算して当該パケット注入間隔（ＰＩＲ）を制御する。これにより、発信元無線局においてより安定してパケット注入間隔を制御できる。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。

本発明に係る実施形態においては、上述の問題点を解決し、無線媒体の十分な利用が適応型レート制御に従って達成されるように、高優先度フロー（高優先度を有するパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して所定の無線媒体パスのフローを介して伝送するときのセッション接続のフローをいう。）を所望のレベルに維持しながら低優先度フロー（高優先度よりも低い優先度である低優先度を有するパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して所定の無線媒体パスのフローを介して伝送するときのセッション接続のフローをいう。）を適応的に最大化することができる無線ネットワークのための制御方法及び制御装置を提供する。ここで、高優先度フローにこの望ましいサービスの差別化を提供するためには、高優先度フローとの干渉の原因である低優先度フローがそのルート上の各ノード無線局において高優先度フローのフローレートを検出してこれを測定し、結果的に高優先度フローをその所望のレベルで保護するようにそのフローレートを調整するレート制御アルゴリズムが必要である。この検出及び測定は、発信元無線局から宛先無線局までのルーティングに関与する各ノード無線局のＭＡＣ層において行う必要がある。

本発明者らが提案するメカニズムは、サービスを差別化する従来技術のＭＡＣ層での解決方法（非特許文献６−８参照。）とは異なる。移動体のためのアドホック無線ネットワークにおいては、ＭＡＣ層における優先順位に従ってフレーム間隔（ＩＦＳ）及びコンテンションウィンドウ（ＣＷ）を変更しかつバックオフアルゴリズムを適宜修正することにより、ＱｏＳをサポートする幾つかの試みが実行されてきた。しかしながら、これは、高優先順位のパケットが常にデータ通信用無線媒体へのコンテンションのないアクセスを取得することを保証しない（非特許文献８参照。）。これらの方法においては、無線媒体を求めて競合する複数の高優先度フローが必ずしも当該無線媒体への公正なアクセスを保証されるわけではない。さらに、高優先順位のトラフィックが存在しない場合には、複数の低優先順位のトラフィックが無線媒体の劣悪な利用に繋がる大きなコンテンションウィンドウを選択する可能性がある。その他、研究者が未だ指摘していないＭＡＣ層におけるＱｏＳの重要な態様として、パケット到着率がある。中間ノード無線局のＭＡＣ層における低優先順位のパケットは、パケットをかなりの高速で注入している可能性のある発信元無線局には未知であるままの増加されたバックオフカウンタを選定する場合の多いことが発見されている。その結果、低優先度フローを処理する中間ノード無線局にかなりの高速で到達するパケットは、ＭＡＣ層では迅速に処理されず、待ち行列に置かれるままであり、オーバーフローしてパケットドロップに至る可能性がある。

アドホック無線ネットワークの環境における絶対的ＱｏＳの提供は、当該環境の損失的性質及びユーザの移動性に起因して極めて困難であるが、本実施形態において、本発明者らは、高優先度フローと低優先度フローとが競合する場合に高優先度フローが所望のサービスレベルを達成するように試行する。本発明者らの提案方法では、任意の中間ノード無線局のＭＡＣプロトコルがその近傍における異なる優先順位レベルのトラフィックの存在を検出してこの情報をＣＴＳパケットにより発信元無線局へ逆伝搬して戻す。このとき、発信元無線局は、フローのパケット注入レートを適応的に制御することができる。本発明者らは、オムニアンテナを用いるオーバーヘッドが極めて少ないこのプロトコルを提案し、セクターパターンの指向性アンテナを使用してスループットの全体的改善を行うために上記の方法を修正した方法を提案する。

図１は、本発明に係る一実施形態であるアドホック無線ネットワークの構成を示す複数のノード無線局１−１乃至１−９（総称して、符号１を付す。）の平面配置図であり、図２は、図１の各ノード無線局１の構成を示すブロック図である。

この実施形態の無線通信システムは、例えば無線ＬＡＮなどのアドホック無線ネットワークのパケット通信システムに適用するものであって、各ノード無線局１は、無指向性のオムニパターンと、所定の方位角幅を有するセクターパターンと、上記セクターパターンを回転しながら走査する回転セクターパターンとを少なくとも用いて放射パターンの制御を実行する可変ビームアンテナ１０１を備え、以下の処理を実行することを特徴としている。
（ｉ）自局のサービスエリア内の各ノード無線局１に対してオムニパターンを用いてブロードキャストで自局ＩＤを含むビーコン信号を送信する。
（ii）回転セクターパターンを用いて上記ビーコン信号を受信し、上記ビーコン信号の方位角と信号強度レベルとノード無線局ＩＤを検出することにより、上記複数のノード無線局１のうちのサービスエリア内の各ノード無線局１に対する、方位角と信号強度レベルを方位角及び信号強度レベルテーブル（以下、ＡＳテーブルという。なお、ＡＳはAngle-Signal Strengthの略である。）としてデータベースメモリ１５４に記憶する。
（iii）パケット信号を宛先無線局に伝送するときに、当該ＡＳテーブルにより示される方位角のセクターパターンを用いて当該宛先無線局に対してパケット信号を送信することにより、パケット信号をルーティングする。
（iv）高優先度フローのＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を受信したとき、同一のパケットフローについてパケット到着間隔（Packet Arrival Interval：ＰＡＩ）を計算してデータベースメモリ１５４内のＰＡＩテーブルに記憶し（図１２のステップＳ３４）、自局が低優先度フローの発信元無線局であるときＰＡＩテーブルにおける低優先度フローのパケット信号を伝搬するノード無線局において検出される最大のパケット到着間隔（Detected Maximum Packet Arrival Interval：ＤＭＰＡＩ）に基づいて低優先度フローのパケット注入レート（Packet Injection Rate：ＰＩＲ）を計算してＰＩＲを更新する（ステップＳ３６）一方、自局が低優先度フローの発信元無線局でないときＰＡＩテーブルにおいてＤＭＰＡＩを伝搬されたＰＡＩ（Propagated Packet Arrival Interval：ＰＰＡＩ)として選択して当該ＰＰＡＩを含むＣＴＳパケット信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させる（ステップＳ３７）。
（ｖ）各ノード無線局１で検出されて発信元無線局に向けて逆伝搬されたＰＡＩ（伝搬されたＰＡＩ：ＰＰＡＩ）を含むＣＴＳ信号を受信したときにＰＡＩテーブルにＤＭＰＡＩがある場合において、受信したＣＴＳ信号内のＰＰＡＩと自局のＰＡＩテーブルにおけるＤＭＰＡＩとを比較してより大きな値を新しいＰＰＡＩとして更新し（ステップＳ３９）、自局が低優先度フローの発信元無線局であるとき新しいＰＰＡＩに基づいて低優先度フローのＰＩＲを計算してＰＩＲを更新する（ステップＳ４１）一方、自局が低優先度フローの発信元無線局ではないとき新しいＰＰＡＩを含むＣＴＳ信号を低優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させる（ステップＳ４２）。

この実施形態の無線通信システムでは、図１に示すように、複数のノード無線局１が平面的に散在して存在し、各ノード無線局１はそれぞれ、可変ビームアンテナ１０１の利得や送信電力、受信感度などのパラメータで決定される所定のサービスエリアを有し、このサービスエリア内でパケット通信を行うことができ、サービスエリア外のノード無線局１とパケット通信を行うときは、サービスエリア内のノード無線局１を中継局として用いてパケットデータを中継することにより、所望の宛先無線局１にパケットデータを伝送する。すなわち、各ノード無線局１は、パケットのルーティングを行うルータ装置を備え、発信端末、中継局、又は宛先端末として動作する。

次いで、図２を参照して、各ノード無線局１の装置構成について説明する。図２において、ノード無線局１は、可変ビームアンテナ１０１と、その指向性を制御するための放射パターン制御部１０３と、サーキュレータ１０２と、データパケット送信部１４０及びデータパケット受信部１３０を有するデータパケット送受信部１０４と、トラヒックモニタ部１０５と、回線制御部１０６と、上位レイヤ処理部１０７とを備える。

送受信すべきデータを処理する上位レイヤ処理装置１０７に従って発生されたパケット形式の通信用送信信号データは、送信バッファメモリ１４２を介して変調器１４３に入力され、変調器１４３は、所定の無線周波数の搬送波信号を、拡散符号発生器１６０でＣＤＭＡ方式で発生された所定の通信チャンネル用拡散符号を用いて、入力された通信用送信信号データに従ってスペクトル拡散変調して、変調後の送信信号を高周波送信機１４４に出力する。高周波送信機１４４は入力された送信信号に対して増幅などの処理を実行した後、サーキュレータ１０２を介して可変ビームアンテナ１０１から他のノード無線局１に向けて送信する。一方、可変ビームアンテナ１０１で受信されたパケット形式の通信チャンネル用受信信号は、サーキュレータ１０２を介して高周波受信機１３１に入力され、高周波受信機１３１は入力された受信信号に対して低雑音増幅などの処理を実行した後、復調器１３２に出力する。復調器１３２は、入力される受信信号を、拡散符号発生器１６０でＣＤＭＡ方式で発生された通信チャンネル用拡散符号を用いて、スペクトル逆拡散により復調して、復調後の受信信号データを受信バッファメモリ１３３を介して上位レイヤ処理装置１０７に出力するとともに、トラヒックモニタのためにトラヒックモニタ部１０５に出力する。

本実施形態においては、可変指向性アンテナである可変ビームアンテナ１０１は、複数のアンテナ素子とその指向性を制御する放射パターン制御部１０３から構成されるものであって、より具体的には、無線信号が給電される励振素子と、この励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない複数個の非励振素子と、これら各非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記アレーアンテナの指向特性を変化させる、以下の従来技術文献において開示された、いわゆるエスパアンテナを用いることができる。本実施形態においては、可変ビームアンテナ１０１は、例えば所定のビーム幅を有するメインビームの方向を、所定の走査間隔で電気的な制御により変更可能であり、以下の放射パターンを選択的に設定して動作する。
（ｉ）無指向性のオムニパターン。
（ii）所定の方位角幅を有するセクターパターン。
（iii）上記セクターパターンを所定の方位角（例えば３０度）毎に回転しながら走査する回転セクターパターン。
（iv）例えば、公知の最急勾配法などの適応制御方法（例えば、非特許文献１２−１５参照。）を用いて可変ビームアンテナ１０１の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向ける適応制御パターン。
なお、可変ビームアンテナ１０１については、例えば、公知のフェーズドアレーアンテナ装置であってもよい。

トラヒックモニタ部１０５は、検索エンジン１５２と、更新エンジン１５３と、データベースメモリ１５４とを備え、後述のパケット送受信制御処理を実行するとともに、ノード無線局１が他のノード無線局１とのパケット通信において使用すべき通信チャンネルを決定して、決定した通信チャンネルに対応する拡散符号の指定データを回線制御部１０６を介して拡散符号発生器１６０に送ることにより、拡散符号発生器１６０が当該指定データに対応する拡散符号を発生するように制御するとともに、決定した通信チャンネルに対応するタイムスロットの指定データを回線制御部１０６を介して送信タイミング制御部１４１に送ることにより、送信タイミング制御部１４１が送信バッファメモリ１４２による通信チャンネル用送信信号データの書き込み及び読み出しを制御することにより通信チャンネル用送信信号が対応するタイムスロットで送信されるように制御する。

トラヒックモニタ部１０５の検索エンジン１５２は、管理制御部１５１の制御によりデータベースメモリ１５４内のデータを検索して検索したデータを管理制御部１５１に返信する。また、更新エンジン１５３は、管理制御部１５１の制御によりデータベースメモリ１５４内のデータを更新する。さらに、データベースメモリ１５４には、ＡＳテーブル、ＰＡＩテーブル、ルーティングテーブル及びノード無線局テーブルを記憶する。

また、データベースメモリ１５４に格納されたＡＳテーブルは、図７に示すように、自局のサービスエリア内の隣接ノード無線局毎に、方位角と、信号強度レベルの情報を格納し、後述するパケット送受信制御処理により作成更新される。さらに、ルーティングテーブルは、当該アドホック無線ネットワークにおいて存在する各ノード無線局毎に対して、１ホップ目のノード無線局のＩＤと、ホップ数と、更新時刻を、過去に送受信したデータパケットのデータに基づいて格納する。またさらに、ノード無線局テーブルは、当該アドホック無線ネットワークにおいて存在するノード無線局のＩＤを、過去に送受信したデータパケットのデータに基づいて格納する。

本実施形態のパケット通信システムで用いるパケットデータは、図３に示す一般的な形式のフォーマットを有する。すなわち、パケットデータは、宛先のＩＤと、パケット種別（ビーコン、ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＤＡＴＡなど）と、自局のＩＤと、データ（上位レイヤでのデータなどを含む）とを含む。なお、本実施形態では、ワンホップの無線通信において以下の特別なフォーマット形式を用いる。ＲＴＳパケット信号では、図４（ａ）に示すように、受信局ＩＤ、パケット種別、送信局ＩＤ、通信ＩＤ、優先度レベル（高優先度フロー又は低優先度フロー）、伝送すべきデータを含む。また、ＣＴＳパケット信号では、図４（ｂ）に示すように、受信局ＩＤ、パケット種別、送信局ＩＤ、通信ＩＤ、優先度レベル（高優先度フロー又は低優先度フロー）、ＰＰＡＩ、伝送すべきデータを含む。これらＲＴＳパケット信号やＣＴＳパケット信号の送受信処理については詳細後述する。

次いで、本実施形態で用いるＭＡＣ通信プロトコルについて以下に説明する。本実施形態に係る無線通信ネットワークにおいて、互いに無線通信を行う１組のノード無線局１は二次元的な閉鎖空間内を動き回り、共通の無線通信チャンネルを共有するものと仮定する。各ノード無線局１は、上述の４個の放射パターンを有する、例えばエスパアンテナである可変ビームアンテナ１０１を備える。各ノード無線局１は一度に送信又は受信の何れかを実行可能であるが、１つのノード無線局１で複数の送受信を行うことはできない。

ＩＥＥＥ８０２．１１のＭＡＣプロトコル基準では、ＲＴＳ／ＣＴＳ／ＤＡＴＡ／ＡＣＫアクセス制御方式を用いて、高信頼性のデータ通信が保証されているが、本実施形態の方法では、このアクセス制御方式をベースとして、ＡＳテーブルを形成するためのフェーズが追加の命令信号や応答信号と共に加えられる。従って、データ通信は周期的な、ＡＳテーブル生成フェーズの合間に実行される。また、各フレームにはトレーニングシーケンスが追加されて送受信アンテナによるそのビーム及びヌルの制御及び適応制御モードへの移行が可能にされる。

図９は、本実施形態に係る４方向ハンドシェイクのアンテナモードの使用例を示している。適応制御パターンは移動中の端末を追跡することはできるが、ビーム及びヌルはパケット信号が受信されなければ形成され得ない。従って、ＲＴＳ送信及びＲＴＳ／ＣＴＳ受信における開始部分では、オムニパターンとセクターパターンが使用される。さらに、待ちノード無線局１は指向性ＲＴＳ信号がどの方向から到着するかを認識しないため、回転セクターパターンが使用される。本実施形態に係るＡＳテーブルの場合のＲＴＳ信号の送信時間は、特許文献１において開示された従来技術のＭＡＣプロトコルで用いるＳＩＮＲテーブルにおけるＲＴＳ信号の送信時間の２倍であることに注意を要する。また、ＲＴＳ信号の送信及びＣＴＳ信号の受信におけるセクターパターンのビームの方向は、図７のＡＳテーブルから得ることができる。

次いで、図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いられる各ノード無線局での放射パターンの種類と無線通信プロトコルを示すタイミングチャートである図９の制御パターンについて以下に詳細に説明する。まず、送信元ノード無線局はＡＳテーブルにより示される当該宛先無線局にビームを向けるセクターパターンを用いて当該宛先無線局に対してＲＴＳ信号を送信する一方、宛先無線局は回転セクターパターンを用いてＲＴＳ信号を受信し、上記ＲＴＳ信号内のノード無線局ＩＤを検出したときは、当該送信元ノード無線局のノード無線局ＩＤに基づいて方位角及び信号強度レベルテーブルにより示される当該送信元ノード無線局にビームを向けるセクターパターンを介して適応制御パターンに変更してＲＴＳ信号を受信する。次いで、宛先無線局は、引き続き上記適応制御パターンを用いてＣＴＳ信号を送信元ノード無線局に送信する一方、送信元ノード無線局は上記セクターパターンから上記適応制御パターンに変更してＣＴＳ信号を受信することにより、宛先無線局との無線リンクを確立する。その後、送信元ノード無線局及び宛先無線局はともに上記適応制御パターンを用いてデータ信号及びＡＣＫ信号の送受信を実行する。すなわち、送信元ノード無線局は適応制御パターンを用いてデータ信号を送信する一方、宛先無線局は送信されたデータ信号を適応制御パターンを用いて受信する。次いで、宛先無線局は、データ信号を受信したことの確認信号としてＡＣＫ信号を適応制御パターンを用いて送信元ノード無線局に対して送信し、一方、送信元ノード無線局はこのＡＣＫ信号を適応制御パターンを用いて受信する。

図９に図示する本実施形態に係る制御パターンにおいては、ＲＴＳ信号の受信から、セクターパターンから適応制御パターンに変更したアンテナの放射パターンを、宛先無線局及び送信元ノード無線局において用いているが、適応制御パターンを用いず、セクターパターンのみを用いるようにしてもよい。

本実施形態に係る図７のＡＳテーブルを使用する提案されたＭＡＣプロトコルにおいては、各ノード無線局１は下記のステップを周期的に実行する。
（ｉ）隣接ノード無線局１−ｉ，１−ｊ，１−ｋを有するノード無線局１−ｎは、常に回転セクターパターンを用いた受信モードで待機している。回転セクターパターンでは、ノード無線局１−ｎはその可変ビームアンテナ１０１を制御し、各方向において受信される信号を全方向における順次方向性受信の形式で検出する。本実施形態においては、３０度のビーム幅の１２個のセクターパターンを順次走査し、３６０度の方位角をすべて走査する。
（ii）無線チャンネルが空いている場合はいつでも、各ノード無線局１はオムニパターンを用いてビーコン信号をその近傍のノード無線局に対して送信する。提案されたこのＭＡＣプロトコルの方法においては、図１０が示すように２つのパケット信号がビーコンとして順次送信される。ビーコンの第１のパケット信号は、回転セクターパターンにおける受信するノード無線局によるビーコン信号が送信中であるか否かの検出において一助となる。次いで、受信機がビーコンの第２のパケット信号を受信し、復号する。ビーコンの第２のパケット信号は、ノード無線局ＩＤを含んでいる。ここで、全１２方向を回転する時間は、１つのパケット信号の持続時間よりも短く設定する必要がある。
（iii）回転セクターパターンでは、ノード無線局１−ｉがその回転の間に１つの回転セクターパターンにおいて他のノード無線局１−ｎからのビーコンの第１のパケットを検出すると、ノード無線局１−ｉはその検出されたセクターパターンにおいて回転を停止し、ノード無線局１−ｉからのビーコンの第２のパケットを受信する。第２のパケットの信号強度レベルが測定され、ノード無線局１−ｉのノード無線局ＩＤが復号されると、検出されたセクターパターンの方位角がそのビーコン信号を送信した隣接ノード無線局１−ｉの方位角になる。
（iv）ノード無線局１−ｎは、ノード無線局１−ｎのＡＳテーブルのノード無線局１−ｉの欄にこれら検出された情報の書込みをする。図７において、方位角ＡＮＧＬＥｎ，ｉ（ｔ）は、その瞬間ｔにおける受信されたセクターパターンのノード無線局１−ｉからノード無線局１−ｎへの方向の方位角であり、ＳＩＧＮＡＬｎ，ｉ（ｔ）はノード無線局１−ｎのそのセクターパターンにおけるノード無線局１−ｉから受信された信号レベルである。
（ｖ）ノード無線局１−ｎは、ノード無線局１−ｉ，１−ｊ，１−ｋから順次ビーコン信号を受信することにより、ノード無線局１−ｎのＡＳテーブルのノード無線局１−ｉ，１−ｊ，１−ｋの欄全体を累積して更新格納する。

ところで、特許文献１に係る従来技術のプロトコルでは、任意のノード無線局１−ｎがセットアップ信号を送信してそれに基づくＳＩＮＴテーブルの形成を開始する。ここで、送信機のための方位角は必ず受信機用の方位角とは異なるため、ノード無線局１−ｎからの方向の同報通信を行わない（例えば１２個のＲＱパケット信号なしの）受信ノード無線局における回転セクターパターンによる方位角予測は適当でない。従って、方位角情報による１２個のＲＱパケット信号だけでなく、ＲＥパケット信号によるセットアップパケット信号及び１２個のＲＱパケット信号の受信機からの方位角情報の変換を使用することも必要である。また、あらゆる周辺ノード無線局から多くのセットアップパケット信号と１２個のＲＱパケット信号を受信する各ノード無線局は、ＲＥパケット信号を介してすべての隣接ノード無線局にそれぞれ応答しなければならないという問題点を有していた。

これに対して、本実施形態に係る通信プロトコルでは、各ＡＳテーブルはビーコンの受信ノード無線局において作成されるため、回転セクターパターンを受信モードとして使用して全方向性ビーコンの方位角予測を行うことが可能である。各ノード無線局における異なる送信電力の非対称性リンクの問題は、ビーコンに送信電力情報を追加することにより回避することができる。結果的に、１２個のＲＱパケット信号やＲＥパケット信号なしであってもわずか２つのパケット信号をビーコン信号として送信すればよい。さらに、このビーコン信号はオムニパターンで送信されるために、各ノード無線局は近傍に向けてビーコン信号を一度だけ送信すれば足りる。つまり、各ノード無線局は、わずか１つのビーコン信号を送信するだけで隣接するすべてのノード無線局に受信された方位角を予測させることが可能であり、隣接ノード無線局の数だけビーコン信号を送信する必要はない。

さらに、提案された本実施形態に係るＭＡＣプロトコルでは、各ノード無線局が隣接ノード無線局の方位角を予測する際にＳＩＮＲではなく信号強度レベルをリンク品質のパラメータとして使用するために、本実施形態に係るＭＡＣプロトコルは、特許文献１に開示された従来技術のプロトコルにおける方位角毎のＳＩＮＲテーブルにおける干渉の問題を回避することができる。

各ノード無線局からのビーコンのパケット信号は、同じ送信間隔で送信される。この場合は、各ノード無線局がビーコン信号の遷移タイミングをランダムに選ぶとしても、複数のビーコン信号が同時に送信されれば、その受信機側で発生する衝突により全方向性ビーコン信号の幾つかが失われる可能性もある。オムニパターンでの受信モードではビーコン信号は復号され得ないが、回転セクターパターンでは、複数のビーコン信号をセクターパターンで分割することができる点に注意することを必要とする。ここで、この衝突の確率は、各ノード無線局１が送信間隔を選択することに従ってより低く抑えることができる。例えば、当該無線ネットワークシステムにおける基準周期時間間隔ｔ_ｉに対する持続時刻ｔ_ｄのウィンドウからランダムなタイミングを選択することができる（ｔ_ｄ＜ｔ_ｉ）。

次いで、本発明に係る実施形態において用いるパケット注入レートの制御によるサービスの差別化方法について以下に説明する。

本実施形態における本発明者らの目的は、適応型のパケット注入レート制御に従って完全な無線媒体利用を達成するように、高優先度フローに影響を与えることなく低優先度フローを適応的に最大化することにある。低優先度フローが高優先度フローに与える効果は、低優先度フローのルーティングに関与するノード無線局１に従って測定され、低優先度フローは、高優先度フローをその所望のレベルに維持するために適宜その発信元無線局において制御される。従って、低優先度フローを処理する各ノード無線局１は、その近傍における高優先度フローのフローレートであるパケット到着間隔（ＰＡＩ）を測定する。これがその近傍においてより低い優先度を有する低優先度フローのフローレートであるパケット到着間隔（ＰＡＩ）で動作する高優先度フローを検出すれば、これらの高優先度フローは低優先度フローと競合していることがわかる。従って、低優先度フローは、高優先度フローがその所望のレベルに維持されるように低減される。以下、この適応型制御メカニズムを簡単に説明する。

本方法を実施するために、図４に示す特別なタイプのＲＴＳ／ＣＴＳパケット信号を使用した。ＲＴＳパケット信号には、当該パケットが帰属するフローの通信ＩＤ及び優先度レベルを示す付加的なフィールドが存在する。ＲＴＳパケット信号におけるこの付加的なフィールドは、伝搬進行中の通信の優先度レベルを近傍のノード無線局１に認識させるために必要である。同様にＣＴＳパケット信号も、これら２つの付加的なフィールドを有する。第１のフィールドはＲＴＳパケット信号の付加的なフィールドと全く同様である「優先度レベル」であり、伝搬進行中の通信の優先度レベルをその近傍ノード無線局１に伝えるために必要である。第２のフィールドは、その近傍における高優先度フローのパケット通信の最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）を含む。低優先度フローの近傍に２つ以上の高優先度フローが存在する場合でも、高優先度フローの最大パケット到着間隔（ＰＰＡＩ）の逆伝搬が実行される（図１２のステップＳ４２参照。）。これは、高優先度フローが無線媒体に対して最大の機会を取得可能であって、その期待されたパケット到着間隔が維持されるように、低優先度フローが自らを適応的に繰り返し調整できることを示す。ＣＴＳパケット信号の第２の付加的なフィールド（ＰＰＡＩ）は、低優先度フローに起因して高優先度フローが経験しているコンテンションを逆伝搬するために必要である。

図５は、従来技術における問題点を示す図であって、オムニアンテナを用いたとき、低優先度フロー（Ｓ_２−Ｄ_２）が高優先度フロー（Ｓ_１−Ｄ_１）を妨害する場合を示す平面図であり、ここで、点線はオムニアンテナによる無線接続を示す。また、図６は本実施形態において、セクターパターンの指向性アンテナを用いたとき、低優先度フロー（Ｓ_２−Ｄ_２）が高優先度フロー（Ｓ_１−Ｄ_１）と同時に存在することができることを示す平面図である。

例えば、図５において、優先順位の低い連続するフロー（Ｓ_２−Ｎ_２−Ｎ_３−Ｄ_２）が存在したとする。単独で動作する場合、そのフローレート（又はパケット到着間隔）は予め定義された値に固定されている。ここで、高優先度フロー（Ｓ_１−Ｎ_１−Ｄ_１）が始動する。この高優先度フローのフローレートを、予め定義されたレベルに固定しかつ維持することを希望するものとする。しかしながら、図５におけるこれらの２ルートはルートカップリングを発生させ得る近接さであるため互いに干渉し合い、これにより、干渉性ノード無線局Ｎ_１及びＤ_１における高優先度フローのフローレートが低下する。本発明者らの目的は、低優先度フローに帰属するノード無線局における高優先度フローのこの低下したフローレート（ＰＰＡＩ）を検出し、この情報を低優先度フローの発信元無線局に逆伝搬して戻すことにあり、この低優先度フローの発信元無線局は次にそのフローレートであるパケット注入間隔（ＰＩＲ）を適応的に下げて高優先度フローのフローレートをその予め定義された値に維持することができる。

これを実施するために、ノード無線局Ｎ_１に従って送信されるＲＴＳパケット信号及びノード無線局Ｄ_１に従って送信されるＣＴＳパケット信号から、ノード無線局Ｎ_３及びノード無線局Ｄ_２の双方が高優先度フロー（Ｓ_１−Ｄ_１）を検出する。このことは、高優先度フローから遠隔に位置する発信元無線局Ｓ_２には未知のままである。従って、ＣＴＳパケット信号の助けを用いることにより、ノード無線局Ｄ_２はこの情報（ＰＰＡＩ）をノード無線局Ｎ_３に送る。ノード無線局Ｎ_３は、ノード無線局Ｎ_２にＣＴＳパケット信号を送らなければならなくなると、それ自体の高優先度のトラフィックの検出にノード無線局Ｄ_２から受信されたこの情報（ＰＰＡＩ）を組み合わせてフロー内のコンテンションを漸増的に考察し、ＣＴＳパケット信号と共にこれを送信する。最後に、ノード無線局Ｎ_２は、この情報（ＰＰＡＩ）をＣＴＳパケット信号と共にノード無線局Ｓ_２へ送り返す。次に、発信元無線局Ｓ_２は、フローの無線媒体におけるこのコンテンションを考慮して、パケット注入レート（ＰＩＲ）の低減を適応的に決定する。故に、付加的なパケットを使用することなく、高優先度フローの無線媒体におけるコンテンション情報が低優先度フローのパケット信号の発信元無線局へ送信され、当該発信元無線局はパケット注入レート（ＰＩＲ）を適応的に下げる。従って、無線媒体内にコンテンションが存在しなければ、低優先度フローであってもその予め定義されたフローレートで動作することができる。

ここまでは、オムニアンテナを使用する全方向性の近傍ノード無線局について考察した。しかしながら、例えばセクターパターンの指向性アンテナを使用して方法を修正するためには、指向性ＭＡＣ及びその指向性近傍ノード無線局について考察しなければならない。本発明者らは非特許文献９で、受信機指向の回転セクターパターンを用いた指向性ＭＡＣプロトコルを実装したが、これには、その近傍ノード無線局の位置を追跡する能力がある。従って、各ノード無線局はその指向性の近傍ノード無線局を認識し、当該情報はそのＡＳテーブルに記録される。ＲＴＳ／ＣＴＳパケット信号は全方向性であるが、データ及び肯定応答（ＡＣＫ）パケット信号はセクターパターンを用いて送信される（図９参照。）。アドホック無線ネットワークにおけるセクターパターンの指向性アンテナの使用は無線干渉を大幅に低減することが可能であり、これにより、無線媒体の利用は増進される。本発明者らが提案するＭＡＣプロトコルの効率は、セクターパターンの指向性アンテナのこの特性を使用して向上される。図６はこれを示すものであり、同時的な高優先度フローのトラフィック（Ｓ_１−Ｄ_１）及び低優先度フローのトラフィック（Ｓ_２−Ｄ_２）はセクターパターンの指向性アンテナの使用により互いに妨害し合うことなく共存することができるが、これは図５に示すオムニアンテナの使用では不可能である。従って、高優先度フローのトラフィック（Ｓ_１−Ｄ_１）の存在下でセクターパターンの指向性アンテナを使用すれば、低優先度フローのトラフィック（Ｓ_２−Ｄ_２）がそのパケット注入レートを制御する必要はない。セクターパターンの指向性アンテナを使用すれば、近傍のノード無線局において様々な優先度レベルのトラフィックが存在するとしても、フロー方向の通信からのコンテンションしか考察されないという意味で、無線媒体内のコンテンションの検出もまたセクターパターンを用いたものである。ここで提案するＭＡＣプロトコルは、無線媒体内の指向的なコンテンションをそのＡＳテーブルを調べて検出する。セクターパターンの指向性アンテナはＳＤＭＡ（空間分割多元接続）の効率を向上させることから、これは低優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）を上げると同時に、無線媒体内の他のフローの妨害を最小限に抑え、故に優先順位の高いトラフィック及び低いトラフィックの増大されたスループットをもたらすことになる。

次いで、高優先度フローのフローレートの保護及び検出について以下に説明する。

無線通信のフローが開始されると、パケット信号は複数のホップを介して送信され、ＭＡＣ層で各中間のノード無線局におけるパケット配信がＲＴＳ／ＣＴＳ／ＤＡＴＡ／ＡＣＫ信号の交換に従って保証される。これらのＲＴＳ及びＣＴＳパケット信号は、低優先度フローの発信元無線局でパケット注入レート（ＰＩＲ）に対してどんな制御決定が行われるかに関するフロー関連情報を検出しかつ逆伝搬するために使用される。以下、任意のノード無線局ｎにより高優先度フローのパケットレートを検出して測定するメカニズムを示す。まず、以下の定義を行う。

＜定義１＞ＲＴＳ受信時刻（RTS Reception Time）：ＲＲＴ^{Ｈｉ，α，ｎ}（ｔ）を、ノード無線局ｎがその瞬間に高優先度フローＨ_ｉを現在処理している任意のノード無線局から方位角αでＲＴＳ信号を受信するときの時刻ｔとして定義する。

＜定義２＞パケット到着間隔（Packet Arrival Interval）：ＰＡＩ^{Ｈｉ，α，ｎ}（ｔ）を、時刻ｔにおけるノード無線局ｎに対する方位角αでの、高優先度フローＨ_ｉのノード無線局ｎにおける連続する２つのＲＴＳ受信時刻（ＲＲＴ）の間隔と定義する。これは、高優先度フローのフローレートをその近傍における任意のノード無線局に従って測定するために使用される。従って、次式で表される。

［数１］
ＰＡＩ^{Ｈｉ，α，ｎ}（ｔ）＝ＲＲＴ^{Ｈｉ，α，ｎ}（ｔ）−ＲＲＴ^{Ｈｉ，α，ｎ}（ｔ_{ｐｒｅｖｉｏｕｓ}）

ここで、ｔ−Δｔ＜ｔ_{ｐｒｅｖｉｏｕｓ}＜ｔであり、Δｔはノード無線局ｎに到着する２つのＲＴＳパケット信号の連続性の有効性を保証するために導入される時間帯（時間バンド）である。なお、ｔ_{ｐｒｅｖｉｏｕｓ}は同一フローについての前回のＲＴＳ受信時刻である。

例えばノード無線局ｎは、ランダムなチャンネルエラー、衝突又は移動性に起因してＲＴＳ信号を受信し損なうとフローレートの計算を誤ることになる。時間帯Δｔの導入は、こうした場合において必要である。ＲＴＳ信号を絶対に発行することのない優先順位の高い宛先無線局の場合、ＣＴＳ受信時刻を監視してその高優先度フローの宛先無線局における高優先度フローのフローレートが計算される。ここで、ＰＡＩテーブルは以下のように定義される。

＜定義３＞ＰＡＩテーブル：ＰＡＩＴ^ｎ（ｔ）を、図８が示すような、各高優先度フローＨ_ｉのパケット信号が到来した各方位角αにおける、各高優先度フローＨ_ｉのパケット到着間隔ＰＡＩ^{Ｈｉ，α，ｎ}（ｔ）を記憶する、時刻ｔ、ノード無線局ｎにおけるパケット到着間隔テーブルと定義する。

これで、ノード無線局ｎにおける低優先度フローが高優先度フローとのコンテンションを発生させているかどうかは、低優先度フローの送信方向又は送信領域と、その領域において伝搬進行中の高優先度フローの無線通信とに依存する。ノード無線局ｎにおける低優先度フローは、ノード無線局ｎに対して送信領域βを使用しているものと想定する。言い替えれば、送信領域βは、時刻ｔにおけるノード無線局ｎでの低優先度フローの方向である。ノード無線局ｎにおけるこの低優先度フローがその近傍における任意の高優先度フローとのコンテンションを発生させているかどうかは、方位角βにおけるＰＡＩテーブルのエントリに依存する。すなわち、方位角βにおけるＰＡＩテーブルが｛＜ＰＡＩ^{Ｈｊ，β，ｎ}（ｔ）＞＜ＰＡＩ^{Ｈｋ，β，ｎ}（ｔ）＞………｝のような高優先度フローに関する何らかのＰＡＩエントリを含んでいれば、この情報はその低優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬されてパケット注入レート（ＰＩＲ）を調整する必要がある。

低優先度フローのパケット注入レートを適応的に制御するためには、これらの間隔の最大のものを逆伝搬するだけでよい。例えば、Ｓ→Ｎ_１→Ｎ_２→…→Ｎ_ｎ−１→Ｎ_ｎ→Ｎ_ｎ＋１→…→Ｄが低優先度フローＬ_ｉの発信元無線局から宛先無線局までのルートであるとすれば、時刻ｔにおける低優先度フローＬ_ｉのノード無線局Ｎ_ｎにおいて検出される最大パケット到着間隔（ＤＭＰＡＩ（Ｎ_ｎ）^Ｌｉ _ｔ）は、ノード無線局Ｎ_ｎで検出される低優先度フローの方向の高優先度フローの最大パケット到着間隔として定義される。これは、既にノード無線局Ｎ_ｎ＋１からノード無線局Ｎ_ｎへ伝搬されている伝搬されたパケット到着間隔（ＰＰＡＩ（Ｎ_ｎ＋１）^Ｌｉ _ｔ）と比較され、当該フローにおける最大パケット到着間隔が選択される。従って、次式で表される。

［数２］
ＰＰＡＩ（Ｎ_ｎ）^Ｌｉ _ｔ＝Ｍａｘ（ＤＭＰＡＩ（Ｎ_ｎ）^Ｌｉ _ｔ、ＰＰＡＩ（Ｎ_ｎ＋１）^Ｌｉ _ｔ）

ここで、ＭＡＸ（・）は引数内の最大値を示す関数である。この伝搬されたパケット到着間隔（ＰＰＡＩ（Ｎ_ｎ）^Ｌｉ _ｔ）はさらにＣＴＳパケット信号に従って逆伝搬され、各中間のノード無線局で更新されて発信元無線局に至り、発信元無線局で低優先度フローについての当該フローの適応型フローレート制御が計算される。

次いで、低優先度フローのフローレートの適応制御について以下に説明する。

低優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）（単位：パケット数／秒）は、低優先度フローの発信元無線局において、次式に基づいて計算される。

［数３］
ＰＩＲ^Ｌ _ｎｅｗ（ｔ）（単位：パケット数／秒）
＝１／［ＰＩＩ^Ｌ _ｎｅｗ（ｔ）（単位：秒）］

ここで、ＰＩＩ^Ｌ _ｎｅｗ（ｔ）は計算された時刻ｔにおける低優先度フローＬの新しいパケット注入間隔であり、次式で表される。

［数４］
ＰＩＩ^Ｌ _ｎｅｗ（ｔ）
＝（１−η×［高優先度フローの検出されたパケット到着間隔誤差］）
×ＰＩＩ^Ｌ _ｏｌｄ（ｔ）

ここで、高優先度フローの検出されたパケット到着間隔誤差は次式で表される。

［数５］
（高優先度フローの検出されたパケット到着間隔誤差）
＝（高優先度フローの所望のパケット到着間隔ＰＡＩ）
−（検出された高優先度フローのパケット到着間隔ＰＡＩ）

ここで、ηは比例定数であり、好ましくは、実験から０．０５であることが分かっている。高優先度フローはそれぞれ、高優先度フローがコンテンションに全く直面しない場合に任意の中間のノード無線局におけるパケット到着間隔ＰＡＩに対応する予め指定されたパケット注入レートを有することが想定されている。この値は、アドホック無線ネットワークにおけるあらゆるノード無線局に周知であり、高優先度フローの所望のパケット到着間隔ＰＡＩに対応する。

低優先度フローの発信元無線局でのパケット注入間隔ＰＩＩにおいて、必要な正又は負の調整は低優先度フローの古いパケット注入間隔ＰＩＩの分数で表され、高優先度フローのパケット到着間隔ＰＡＩに導入される誤差に比例する。高優先度フローが検出された場合、低優先度フローのパケット注入レートＰＩＲが低下すると、それが高優先度フローのパケット到着間隔の改善に影響を及ぼすまでにいくらかの時間を要する。従って、逆伝搬される「伝搬されるパケット到着間隔ＰＰＡＩ」ＰＰＡＩ（Ｓ）^Ｌｉ _ｔのそれぞれについて制御の決定を下すことは適正でなく、検出された高優先度フローのパケット到着間隔ＰＡＩ及び低優先度フローのパケット注入レートＰＩＲの双方のさらに不必要な発振につながるおそれがある。このため、低優先度フローの発信元無線局には、時間的なウィンドウＷが導入され、これが伝搬されたパケット到着間隔ＰＰＡＩ（Ｓ）^Ｌｉ _ｔを効果的に記憶する。従って、低優先度フローＬ_ｉの発信元無線局におけるパケット注入レートＰＩＲ又はパケット注入間隔ＰＩＩは「伝搬されたパケット到着間隔」ＰＰＡＩ（Ｓ）^Ｌｉ _ｔの平均に従って制御される。ここで、平均化は、ウィンドウサイズＷについて実行される。それ故、時刻ｔで低優先度フローＬ_ｉの発信元無線局Ｓにおいて「検出されるパケット到着間隔」ＤＰＡＩ（Ｓ）^Ｌｉ _ｔは、次式を用いて計算される。

ここで、Ｗはウィンドウのサイズであり、好ましくは、実験から１０であることが分かっている。こうして、平均化は自動的に上述の発振を鈍化させる。従って、高優先度フローの所望のパケット到着間隔ＰＡＩが例えばγであるとすると、低優先度フローＬ_ｉの発信元無線局Ｓにおけるパケット注入間隔ＰＩＩの式は、次式で書き直すことができる。

［数６］
ＰＩＩ^Ｌ _ｎｅｗ（ｔ）＝（１−η×［γ−ＤＰＡＩ（Ｓ）^Ｌｉ _ｔ）］×ＰＩＩ^Ｌ _ｏｌｄ（ｔ）

以上のように、低優先度フローのパケット注入レートＰＩＲは反復補正毎に漸次最適化され、もし増大すれば、高優先度フローのスループット及びパケット到着率が期待通りに、維持されないような速度で動作する。

図１４は、低優先度フローの発信元無線局において、検出される高優先度フローのパケット到着間隔ＤＰＡＩに応答する低優先度フローのパケット注入間隔ＰＩＩの適応制御を示している。図１４から明らかなように、高優先度フローの出現に関して低優先度フローの発信元無線局においてフローレート制御が如何に迅速に決定されるか、かつ高優先度フロー及び低優先度フロー双方の定常状態が少ない発振で如何に迅速に到達されるかを描いている。

図１１は、図２のノード無線局１の管理制御部１０５に従って実行されるパケット送受信制御処理を示すフローチャートである。

図１１において、まず、ステップＳ１において回転セクターパターンで可変ビームアンテナ１０１を所定方位角（例えば、３０度）毎に変化して回転走査するように制御して受信信号を受信し、ステップＳ２において所定のしきい値以上の信号強度レベルの受信信号を受信したか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３に進む一方、ＮＯのときはステップＳ８に進む。ステップＳ８において送信すべきパケット信号があるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ９に進む一方、ＮＯのときは図１３のサブルーチンであるＰＡＩ削除処理を実行した後、ステップＳ１に戻る。ステップＳ９において送信すべきパケット信号はビーコン信号であるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ１０に進む一方、ＮＯのときはステップＳ１１に進む。ステップＳ１０においてオムニパターンでビーコン信号を送信した後、ステップＳ１に戻る。一方、ステップＳ１１においてその他の信号をセクターパターン又は適応制御パターンで送信し、すなわち、図５の示すように、各信号に応じて対応する放射パターンで送信を行った後、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ３では、回転セクターパターンを停止して、可変ビームアンテナ１０１の放射パターンを、停止した所定の方位角に向けるセクターパターンに設定する。次いで、ステップＳ４において適応制御パターンで受信信号を受信し、パケット情報を復号化し受信信号の信号強度レベルを測定し、ステップＳ５において受信信号はビーコン信号か否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ６に進む一方、ＮＯのときはステップＳ７に進む。ステップＳ６においてパケット情報内のノード無線局ＩＤと検出された方位角と信号強度レベルに基づいてＡＳテーブルの内容を更新した後、ステップＳ１に戻る。一方、ステップＳ７において、図１２のサブルーチンであるその他の信号の受信処理を実行した後、ステップＳ１に戻る。

図１１の制御フローにおいては、ステップＳ１，Ｓ２において、可変ビームアンテナ１０１を回転走査して所定のしきい値以上の信号強度レベルの受信信号を受信したときに、その受信信号を検出しているが、本発明はこれに限らず、可変ビームアンテナ１０１を３６０度にわたって回転走査して、所定のしきい値以上の信号強度レベルの受信信号を受信しかつそのうちの最大の受信信号を、検出された受信信号としてもよい。

図１２は図１０のサブルーチンであるその他の信号の受信処理（ステップＳ７）を示すフローチャートである。

図１２のステップＳ３１において、高優先度フローのＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を受信したか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３４に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３２に進む。ステップＳ３２においてＰＰＡＩを含むＣＴＳ信号を受信したか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３８に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３３においてその他の受信処理を実行した後、元のメインルーチンに戻る。

ステップＳ３４においては、受信されたＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号の時刻に基づいてＰＡＩを計算してＰＡＩテーブルに格納し、ステップＳ３５において自局は低優先度フローの発信元無線局であるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３６に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３７に進む。ステップＳ３６では、自局のＰＡＩテーブルにおけるＤＭＰＡＩに基づいて低優先度フローのＰＩＲを計算してＰＩＲを更新した後、元のメインルーチンに戻る。また、ステップＳ３７では、自局のＰＡＩテーブルにおいてＤＭＰＡＩをＰＰＡＩとして選択して当該ＰＰＡＩを含むＣＴＳ信号を低優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させた後、元のメインルーチンに戻る。

ステップＳ３８では、自局のＰＡＩテーブルにおいてＤＭＰＡＩはあるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３９に進む一方、ＮＯのときはそのままステップＳ４０に進む。ステップＳ３９において、受信したＣＴＳ信号内のＰＰＡＩと、自局のＰＡＩテーブルにおけるＤＭＰＡＩとを比較してより大きい値を新しいＰＰＡＩとして更新し、ステップＳ４０において自局は低優先度フローの発信元無線局であるか否かが判断される。ステップＳ４０でＹＥＳのときはステップＳ４１に進む一方、ＮＯのときはステップＳ４２に進む。ステップＳ４１では、新しいＰＰＡＩに基づいて低優先度フローのＰＩＲを計算してＰＩＲを更新して元のメインルーチンに戻る。また、ステップＳ４２では、新しいＰＰＡＩを含むＣＴＳ信号を低優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させる。なお、低優先度の通信ＩＤのときにＣＴＳ信号にＰＰＡＩを挿入するか否かを判断して実行することとする。そして、元のメインルーチンに戻る。

図１３は、図１０のサブルーチンであるＰＡＩ削除処理（ステップＳ１２）を示すフローチャートである。

図１３のステップＳ２１において、各高優先度フローについて時間Δｔの間ＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を受信していないか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ２２に進む一方、ＮＯのときはそのまま元のルーチンに戻る。ステップＳ２２では、当該高優先度フローに対するＰＡＩをＰＡＩテーブルから削除した後、元のルーチンに戻る。

以上説明したように、本実施形態に係るＭＡＣプロトコルによれば、図９が示すように、１つのＲＴＳパケット信号を２つの連続するＲＴＳパケット信号に変更することにより、データ通信用に４方向のハンドシェイクとして一体化されたＭＡＣプロトコルを実現できる。このように本実施形態で提案されたＡＳテーブルを使用するアダプティブなＭＡＣプロトコルは、従来よりも少ないオーバーヘッドでかつ干渉による影響なしに、各ノード無線局が屋内外における方位角情報を維持することを実現する。この方位角情報は、指向性及び適応制御型ビームパターンによる通信の開始だけでなく、ＳＤＭＡ（Space Division Multiple Access）におけるプロトコルの効果的なルーティングにとっても必要である。また、信号情報は、リンク状態のルーティングにも使用することができる。

本発明者らは、クアルネット（ＱｕａｌＮｅｔ）シミュレータ（非特許文献１０参照。）上で提案するＭＡＣプロトコルの性能を評価した。ＩＥＥＥ８０２．１１のＭＡＣプロトコルを考慮し、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ−ＤＳにおける２Ｍｂｐｓの直接シーケンスＤＳをシミュレーションパラメータとして使用している。実装した提案のＭＡＣプロトコルは、セクターパターンの指向性アンテナのみを使用するものである。シミュレーションは、方位角３０度で離散的にステアリングされて３６０度の範囲をカバーする擬似的なスイッチングビームアンテナの形式の電子制御導波器アレーアンテナ装置（非特許文献１１参照。）について行った。クアルネット（ＱｕａｌＮｅｔ）シミュレータには、提案するＭＡＣプロトコルの実装に必要な変更を行った。簡略化のために、単一の高優先度フローを想定して本発明の技術的思想（コンセプト）を実証する。他に、２つの低優先度フローを、データ通信の間にこの高優先度フローに干渉し得るだけの物理的近さでその側方に導入した。ルーティングプロトコルの影響を回避して提案するＭＡＣプロトコルにおいて取得される利得を明白に示すため、静的ルートを使用した。静的ルートはまた、それがプロアクティブ（事前適応的）であれリアクティブ（応答的又は反応的）であれ、任意のルーティングプロトコルに従って発生するすべてのパケットを停止するという意味合いにおいても使用した。発信元無線局と宛先無線局のペアは、ランダムな選択の代わりに、高優先度フローと低優先度フローとの間に提案するＭＡＣプロトコルが動作し得るパケット注入レート制御状況を人工的に生成するコンテンションが存在するように選択した。使用したパラメータセットは、表１の通りである。

図１５及び図１６は高優先度フローの行動を示し、図１７及び図１８は低優先度フローの行動を示している。単独であれば、２０ミリ秒のＣＢＲパケット（一定のビットレートのパケット）注入間隔で動作する高優先度フローは、ほぼ２００Ｋｂｐｓのスループット及び１のパケット到着率を生み出す。他の２つのフローが何ら優先方法を持たずに導入されると、それぞれ図１５及び図１６が示すスループット及びパケット到着率から明らかであるように、この高優先度フローは、単独で動作する場合のほぼ３分の１まで品質を下げる。提案するフローレート制御方法を使用すると、高優先度フローのスループット及びパケット到着率はともに、単独で動作していたときと同様に維持される。従って、高優先度フローにより他のフローとの「絶対的なサービスの差別化」が達成される。高優先度フローのパケット到着率は、図１６の３つめのプロットから分かるように、低優先度フローのフローレート制御の後であっても０．９９（＜１）である。これは、低優先度フローのフローレートが制御される以前の何らかの初期パケット損失に起因する。

低優先度フローのパフォーマンスは、優先方法が全くない場合と、提案のパケット注入レート制御を導入した後の２つの方法で考察した。提案方法の導入後、低優先度フローの平均スループットはほぼ半分になる。ここで、最も重要な改良点は、０．８２から０．９８に増大した平均パケット到着率に表れている。これは、提案のフローレート制御を使用すれば、無線媒体の完全な利用が達成され、パケット損失はほとんどなくなることを示す。本発明に係る制御方法は、低優先度フローをも最大化し、パケットは、アドホック無線ネットワークがその時点で処理し得る最適化された速度で注入される。

本発明に係る一実施形態であるアドホック無線ネットワークを構成する複数のノード無線局１−１乃至１−９の平面配置図である。 図１の各ノード無線局１の内部構成を示すブロック図である。 図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いられるパケットデータの一般的なフォーマットを示す図である。 （ａ）は図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いるＲＴＳパケット信号のフォーマットを示す図であり、（ｂ）は図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いるＣＴＳパケット信号のフォーマットを示す図である。 従来技術における問題点を示す図であって、オムニアンテナを用いたとき、低優先度フロー（Ｓ_２−Ｄ_２）が高優先度フロー（Ｓ_１−Ｄ_１）を妨害する場合を示す平面図である。 本実施形態において、セクターパターンの指向性アンテナを用いたとき、低優先度フロー（Ｓ_２−Ｄ_２）が高優先度フロー（Ｓ_１−Ｄ_１）と同時に存在することができることを示す平面図である。 図２のデータベースメモリ１５４において格納される方位角及び信号強度レベルテーブル（ＡＳテーブル）の一例を示す表である。 図２のデータベースメモリ１５４において格納されるパケット到着間隔テーブル（ＰＡＩテーブル）の一例を示す表である。 図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いられる各ノード無線局での放射パターンの種類と無線通信プロトコルを示すタイミングチャートである。 図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いられるビーコン信号の動作を示すタイミングチャートである。 図２のノード無線局１の管理制御部１０５に従って実行されるパケット送受信制御処理を示すフローチャートである。 図１０のサブルーチンであるその他の信号の受信処理（ステップＳ７）を示すフローチャートである。 図１０のサブルーチンであるＰＡＩ削除処理（ステップＳ１２）を示すフローチャートである。 本実施形態のシミュレーション結果であって、高優先度フローと低優先度フローとが混在するときの各フローのパケット注入間隔の時間的変化を示すグラフである。 本実施形態のシミュレーション結果であって、高優先度フローのみのとき、高優先度フロー及び２つの他のフロー（フロー制御なし）のとき、並びに、高優先度フロー及び２つの他のフロー（フロー制御有り）のときにおけるスループットの比較を示すグラフである。 本実施形態のシミュレーション結果であって、高優先度フローのみのとき、高優先度フロー及び２つの他のフロー（フロー制御なし）のとき、並びに、高優先度フロー及び２つの他のフロー（フロー制御有り）のときにおけるパケット到着率の比較を示すグラフである。 本実施形態のシミュレーション結果であって、低優先度フローでフロー制御の有無に対する平均スループットを示すグラフである。 本実施形態のシミュレーション結果であって、低優先度フローでフロー制御の有無に対する平均パケット到着率を示すグラフである。

符号の説明

１，１−１乃至１−９…ノード無線局、
１０１…可変ビームアンテナ、
１０２…サーキュレータ、
１０３…放射パターン制御部、
１０４…パケット送受信部、
１０５…トラヒックモニタ部、
１０６…回線制御部、
１０７…上位レイヤ処理装置、
１３０…パケット受信部、
１３１…高周波受信機、
１３２…復調器、
１３３…受信バッファメモリ、
１４０…パケット送信部、
１４１…送信タイミング制御部、
１４２…送信バッファメモリ、
１４３…変調器、
１４４…高周波送信機、
１５１…管理制御部、
１５２…検索エンジン、
１５３…更新エンジン、
１５４…データベースメモリ、
１６０…拡散符号発生器。

Claims (10)

1. 複数のノード無線局を備え、各ノード無線局間で、第１の優先度フローと、第１の優先度フローよりも低い優先度を有する第２の優先度フローとの少なくとも２つのパケットフローを用いてパケット無線通信を行う無線ネットワークのための制御方法において、
   発信元無線局から宛先無線局への同一の各パケットフローについて、上記各パケットフローのパケット信号を受信したとき、第１の優先度フローのパケット到来間隔（ＰＡＩ）を計算してＰＡＩテーブルとして記憶装置に記憶するステップと、
   第２の優先度フローの発信元無線局以外のノード無線局であるときは、上記ＰＡＩテーブルにおける第１の優先度フローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）と、パケット信号を受信したときにそのパケット信号に含まれる第１の優先度フローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）の少なくとも大きい値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）を含むパケット信号を第２の優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させて送信する一方、第２の優先度フローの発信元無線局であるときは、上記少なくとも大きい値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）に基づいて第２の優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＲ）を計算して当該パケット注入間隔（ＰＩＲ）を制御して第２の優先度フローのパケット信号を送信するステップとを含むことを特徴とする無線ネットワークのための制御方法。
2. 上記各ノード無線局は、少なくとも所定の方位角幅を有するセクターパターンを有するアンテナを備え、
   上記記憶するステップは、発信元無線局から宛先無線局への同一の各パケットフローについて、上記各パケットフローのパケット信号を上記アンテナを用いて受信し、上記受信した方位角毎において第１の優先度フローのパケット到来間隔（ＰＡＩ）を計算してＰＡＩテーブルとして記憶装置に記憶することを特徴とする請求項１記載の無線ネットワークのための制御方法。
3. 上記パケット無線通信は、ＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号を用いて実行され、パケット到着間隔（ＰＰＡＩ）はＣＴＳ信号内のデータであることを特徴とする請求項１又は２記載の無線ネットワークのための制御方法。
4. 上記記憶するステップは、所定の時間Δｔの間で受信される第１の優先度フローのパケット信号についてのみ第１の優先度フローのパケット到来間隔（ＰＡＩ）を計算して上記ＰＡＩテーブルに記憶することを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークのための制御方法。
5. 上記送信するステップは、第２の優先度フローの発信元無線局であるときは、所定の時間における複数のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）の平均値に基づいて第２の優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＲ）を計算して当該パケット注入間隔（ＰＩＲ）を制御することを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークのための制御方法。
6. 複数のノード無線局を備え、各ノード無線局間で、第１の優先度フローと、第１の優先度フローよりも低い優先度を有する第２の優先度フローとの少なくとも２つのパケットフローを用いてパケット無線通信を行う無線ネットワークのための制御装置において、
   発信元無線局から宛先無線局への同一の各パケットフローについて、上記各パケットフローのパケット信号を受信したとき、第１の優先度フローのパケット到来間隔（ＰＡＩ）を計算してＰＡＩテーブルとして記憶装置に記憶する第１の制御手段と、
   第２の優先度フローの発信元無線局以外のノード無線局であるときは、上記ＰＡＩテーブルにおける第１の優先度フローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）と、パケット信号を受信したときにそのパケット信号に含まれる第１の優先度フローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）の少なくとも大きい値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）を含むパケット信号を第２の優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させて送信する一方、第２の優先度フローの発信元無線局であるときは、上記少なくとも大きい値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）に基づいて第２の優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＲ）を計算して当該パケット注入間隔（ＰＩＲ）を制御して第２の優先度フローのパケット信号を送信する第２の制御手段とを備えたことを特徴とする無線ネットワークのための制御装置。
7. 上記各ノード無線局は、少なくとも所定の方位角幅を有するセクターパターンを有するアンテナを備え、
   上記第１の制御手段は、発信元無線局から宛先無線局への同一の各パケットフローについて、上記各パケットフローのパケット信号を上記アンテナを用いて受信し、上記受信した方位角毎において第１の優先度フローのパケット到来間隔（ＰＡＩ）を計算してＰＡＩテーブルとして記憶装置に記憶することを特徴とする請求項６記載の無線ネットワークのための制御装置。
8. 上記パケット無線通信は、ＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号を用いて実行され、パケット到着間隔（ＰＰＡＩ）はＣＴＳ信号内のデータであることを特徴とする請求項６又は７記載の無線ネットワークのための制御装置。
9. 上記第１の制御手段は、所定の時間Δｔの間で受信される第１の優先度フローのパケット信号についてのみ第１の優先度フローのパケット到来間隔（ＰＡＩ）を計算して上記ＰＡＩテーブルに記憶することを特徴とする請求項６乃至８のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークのための制御装置。
10. 上記第２の制御手段は、第２の優先度フローの発信元無線局であるときは、所定の時間における複数のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）の平均値に基づいて第２の優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＲ）を計算して当該パケット注入間隔（ＰＩＲ）を制御することを特徴とする請求項６乃至９のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークのための制御装置。
    

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