JP4119893B2 - 信号伝搬遅延ルーチング - Google Patents

Description

本発明は、アドホック・ネットワークでルーチング機構を提供するための装置及び方法に関する。

図１は、アドホック・ネットワークの概略図である。アドホック・ネットワークは、中央集中アクセス・ポイントを使用せずに互いに直接に通信できる移動局などのノードを含む。このようなネットワークでは、全てのノードがルーターとして振舞う。ノードは自由にランダムに移動することができるから、ネットワークのトポロジーが時間と共に変化する。ソースノード（１）（データを送信している端末）からのデータは、データをソースノードから宛先ノード（２）（データを受信している端末）へ転送する中間ノードを経由して宛先ノードへ送られる。データがソースノードから宛先ノードに送信されるルートの決定は、どの中間ノードがデータを転送するために使用されるかの選択により達成される。これは、ルーチングとして知られている。

アドホック・ネットワークのための異なるルーチング・プロトコルが現在知られている。これらのルーチング・プロトコルは、「テーブル駆動」及び「オンデマンド」ルーチング、または、それぞれ「プロアクティブ」及び「リアクティブ」として知られている。テーブル駆動プロトコルでは、各ノードがネットワーク内の他のノードへのルーチング情報を含んだ１つ又は複数のテーブルを維持する。これらのテーブルは、ネットワークのトポロジーと共に変化するようにノード間の周期的送信を使用して更新される。テーブル駆動ルーチング・プロトコルの例は、動的宛先順次化距離ベクトル・ルーチング・プロトコル（ＤＳＤＶ）、グローバル状態ルーチング（ＧＳＲ）、及び無線ルーチング・プロトコル（ＷＲＰ）を含む。対照的に、オンデマンド・ルーチング・プロトコルは、ルートが必要とされる時のみに、ルート発見機構を呼出す。オンデマンド・ルーチング・プロトコルの例は、アドホック・オンデマンド距離ベクトル・ルーチング（ＡＯＤＶ）、動的ソース・ルーチング（ＤＳＲ）、一時的オーダード・ルーチング・アルゴリズム（ＴＯＲＡ）、及び連想ベースド・ルーチング（ＡＢＲ）を含む。

ＤＳＤＶプロトコルでは、各移動局は、全ての可能な宛先、その宛先に到達するためのホップ数、及び宛先ノードにより割当てられた数列のリストを含むルーチング・テーブルを維持する。順次数は、古いルートを新しいルーターから区別するために使用されて、よって、ループの形成を回避する。移動局は周期的にそのルーチング・テーブルをその直に隣接する移動局に送信する。また、局はもしそのテーブルに最新の更新が送信されてから顕著な変化が発生した場合、そのルーチング・テーブルを送信する。従って、更新は、時間ドリブン及びイベント・ドリブンの両方である。ルーチング・テーブルの更新は２つの方法で送信できる。隣接するノードへ全ルーチング・テーブルを送信するか又は最新の更新から変化した項目を増分的に更新するかのいずれかである。

アドホック・オンデマンド距離ベクトル・ルーチング（ＡＯＤＶ）は、ＤＳＤＶアルゴリズムの改良である。ＡＯＤＶは、全てのルートのリストを維持するＤＳＤＶに対して、ルートを要求に応じて生成することによりブロードキャストの数を最小にする。

宛先ノードへの経路を見つけるために、ソースノードはルート要求メッセージをブロードキャストする。隣接ノードは次にそのメッセージが宛先ノードに関する最新のルートを情報を持つ中間ノードに到達するまで、又は、そのメッセージが宛先に到達するまで、そのメッセージを隣接ノードへブロードキャストする。ノードは既に見たルート要求メッセージは破棄する。ルート要求メッセージは、ルートがループしないことを保証するため、及び、もし、中間ノードがルート要求メッセージに返答する場合、最新の情報でのみ返答することを保証するために、数列を使用する。

ノードがルート要求メッセージを隣接ノードに転送する時、それはまた要求の最初のコピーが来たノードをそのテーブルに記録する。この情報は、ルート返答又はアクノレッジメント・メッセージのための逆経路を構築するために使用される。ＡＯＤＶは、ルート返答メッセージがルート要求メッセージの逆経路に従うため、対称的リンクのみを使用する。ルート返答メッセージがソースノードに戻る時、経路に沿ったノードはそれらのテーブル中に転送ルートを記入する。

移動装置位置は、いずれの通信システムの重要な要求であり、アドホック及びセルラー・ネットワークの両方において存在する特徴である。連邦通信委員会（ＦＣＣ）は、無線サービス・プロバイダが詳細な位置気候を支援することを要求している。移動局の位置情報は多くの目的のために使用できる。

−通話の価格は移動局の位置に基づくことができ、これによりホーム領域から行われた通話は、例えば、より安価である。
−移動局から緊急電話がなされた時、移動局の位置を決定することが可能である。
−移動局のユーザは、例えば、旅行中に、彼／彼女の位置に関する情報を必要とするだろう。
−当局は、盗難された移動局を捜すために位置情報を使用でき、又は、例えば、行方不明者を追跡するために位置情報を使用できる。

一般に、位置決め方法は、位置を決定するために送信者と受信者の間の信号の方向及び遅延を使用する、移動局から又は移動局へ送信される無線波信号の伝搬特性に基づいている。従って、このような方法の精度と複雑性は、無線チャンネル特性に依存する傾向がある。多くの異なる位置決め方法が移動位置決めについて開発された。これらは移動局の位置を決定するために無線信号特性を利用する方法に基づいて分類される。

位置を決定するために使用される方法の分類は：
−セルＩＤに基づいた位置決め
−往復時間（ＲＴＴ）
−到達時間（ＴＯＡ）
−異なる到達時間（ＤＴＯＡ）
−到着角度（ＡＯＡ）
−基準ノードに基づく位置決めなど信号強度に基づく（ローカル位置決めとも呼ばれる）

また、位置決め方法はこれらの方法のいかなる組合わせを組み込んでもよい。

ＴＯＡ方法では、位置計算は送信機から受信機までの信号の伝搬遅延に基づいている。３つの送信機から受信機への信号の到着時間を測定することにより、受信機の位置が当業者に周知の三角法を使用して計算できる。

移動局の位置を計算する上記の方法は、セルラー・システム、純粋に位置決めシステム、又は、いずれの同様なシステムなどのさまざまなシステムにおいて使用できる。現在、最も人気のある位置決めシステムは、グローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ）である。位置決め特徴は、移動通信のためのグローバル・システム（ＧＳＭ）、汎用モバイル通信システム（ＵＭＴＳ）、及び国際移動通信２０００（ＩＭＴ２０００）などのセルラー・システムへ拡張している。

ＧＰＳは、その正確性と世界的利用可能性のため、最も人気の有る位置決めシステムである。ＧＰＳは、地球上の軌道にある人工衛星からなる。ＧＰＳ位置決定は、ユーザの無線水平線上の人工衛星からの正確に時間付けられた信号の移動局上の受信機における到着時間に基づく。各人工衛星は、信号が送信された時間を記録するために原子時計を使用する。受信機の正確な時計が信号の人工衛星から送信された時間と受信機に到着した時間の間の遅延時間を測定する。これが移動局の各人工衛星までの距離の計算を可能にする。もし、３つの人工衛星が受信機に見える場合、移動局の位置を見つけるために三角法が使用できる。もし、第４の人工衛星が使用される場合、受信機はその緯度も計算できる。受信機の時計は人工衛星内の原子時計ほどは正確ではないため、各人工衛星からの距離の計算は標準誤差を持ち、三角法により計算された地球が同じ点で交差することを妨げる。このため、受信機は４つの地球を１つの点で交差させるための距離調整を計算できる。これはその距離測定を調整するためにその時計を調整することを可能にする。この理由のため、ＧＰＳ受信機は実際に人工衛星内の現実の原子時計のオーダーの非常に正確な時間を維持する。現在、ＧＰＳにより提供される標準位置決めサービスは、水平方向に１００メートルそして垂直方向へ１５６メートルの位置決め精度を提供し、そしてＵＴＣへの時間転送精度は３４０ナノ秒（９５パーセント）以内を提供する。

本発明の１つの目的は、現在のルーチング・アルゴリズムを改良する方法を提供することである。

本発明の第１の観点によると、複数のノードを含むアドホック無線ネットワーク内の宛先ノードへソースノードからのメッセージをルーチングする方法が提供される。この方法は、ソースノードから第１メッセージを宛先ノードへ送信するステップと、前記第１メッセージを前記宛先ノードで受信するステップと、前記宛先ノードから第１メッセージに応答して第２メッセージを送信するステップと、そして前記第１メッセージ及び前記第２メッセージの少なくとも１つが少なくとも１つの中間ノードを含む複数の経路を経由してソース及び宛先ノード間を送信され、前記第２及び第１メッセージの少なくとも１つが各経路上の各ノード間を伝搬するために要する時間の指示を使用してソースノード及び宛先ノード間の通信のための経路を選択するステップと、を含む。

本発明の第２の観点によると、複数のノードを含むアドホック無線ネットワークであって、ソースノードが第１メッセージを宛先ノードへ送信するように構成され、前記宛先ノードが前記第１メッセージを受信するように構成され、前記宛先ノードが第１メッセージに応答して第２メッセージを送信するように構成され、そして少なくとも１つの中間ノードが前記第１メッセージ及び前記第２メッセージの少なくとも１つを複数の経路を経由して送信するように構成されているアドホック無線ネットワークが提供される。前記ネットワークは、前記第２及び第１メッセージの少なくとも１つが各経路上の各ノード間を伝搬するために要する時間の指示を使用して前記ソースノード及び前記宛先ノード間の通信のための前記複数の経路の少なくとも１つを選択するように構成された選択手段をさらに含む。

本発明の第３の観点によると、アドホック無線ネットワーク内のノードが提供される。前記アドホック・ネットワークは複数のノードを含み、前記ノードは、複数の通信経路上に送信された複数のメッセージの少なくとも１つを受信及び送信するための手段と、前記少なくとも１つのメッセージがノードで受信された時間を指示する手段と、前記メッセージがノードから送信された時間を指示する手段とを含む。
以下に、本発明の実施の形態が、添付図面を参照して例示として説明される。

図１は、本発明によるモバイル・アドホック・ネットワークの一例を示す。モバイル・アドホック・ネットワークは、以後、ＭＡＮＥＴと呼ばれる。これはこのタイプのネットワークを示すためにこの分野で使用されているポピュラーな略語である。図示されるようにＭＡＮＥＴネットワークは、複数のネットワーク・ノード３を含み、各ノードは隣接ノードから受信し及び／又は送信するための少なくとも１つの無線トランシーバーを有する。定義により、このようなネットワークのアドホック性質は図１に示されるトポロジーが時間の経過により動的に変化すると予想されることを意味するから、図１は時間の特定の場合におけるＭＡＮＥＴネットワークのスナップショットを表す。すなわち、ＭＡＮＥＴネッワーク中のノード３は自由に移動する。

データは、パケット交換システムを使用してネットワークを横断して送信される。データパケットはそれらの最終宛先に到達するまで、「ホップ・バイ・ホップ」ベースで通信ネットワーク中をルートされる。インターネット・プロトコル（ＩＰ）が１つの実施の形態のプロトコルであり、ＭＡＮＥＴネットワークを横断してパケットを転送するために使用できる。インターネット・プロトコルは、オープン・システム相互接続（ＯＳＩ）モデルのネットワーク層に優勢的に関連し、このため、より低いレベル、すなわち、物理又はアプリケーション層で動作するある通信装置のベンダー特有制限を克服する。

伝搬する信号の時間の測定、以降、信号伝播遅延（ＳＰＤ）と呼ぶ、は無線信号の到着時間（ＴＯＡ）又は往復時間（ＲＴＴ）に基づく。この文脈で、ＴＯＡは、信号がソース（送信機）ノードから宛先又は中間（受信機）ノードへ伝搬する時間を言う。より詳細には、ＴＯＡは、送信機ノード（例えば、ソースノード）において無線信号又はデータフレームの開始が送信された時と受信機ノード（例えば、宛先ノード又は中間ノード）において対応する信号／フレームの開始（第１重要経路）が受信された時との間の時間を言う。一方、ＲＴＴは、信号がソースノードから宛先へ伝搬しそしてソースノードに戻る時間として定義される。

メッセージがソース（送信機）ノードから送信される時と対応するメッセージがソースノードに戻る時との間の時間は、信号の伝搬のための実際の往復時間ではない。これは、各ノードにおいて信号の受信と送信との間に未知の時間オフセットが存在するからである。本発明の１つの実施の形態によると、正確な信号伝搬時間を確立するために、各中間ノードはメッセージの受信と送信との間の時間オフセットの指示を報告する。これが達成される態様が以下に説明される。

図２に示すように、ソースノード１は、ルート発見／要求メッセージ４を隣接ノードに送信することによりルート発見を開始する。ルート発見／要求メッセージは、上述されたいずれのルーチング・プロトコルに従って送信できる。このように、ルート発見／要求メッセージは「テーブル駆動」又は「オンデマンド」で送信される。例えば、ルート発見／要求メッセージの受信の際、隣接ノードは、宛先ノードに関して最近のルート情報を持ちそれによりメッセージをルートする中間ノードにメッセージが到達するまで、又はメッセージが宛先に到達するまで、メッセージをブロードキャストする。ノードは既に見たルート要求メッセージを破棄する。中間ノードがルート発見／要求メッセージをその隣接ノードに転送する時、それは要求の最初のコピーが来たノードをそのテーブル中に記録する。これは返答パケットをルートするための逆経路を構築するために使用される。

本発明の１つの実施の形態では、ルート発見／要求メッセージは宛先ノードへの経路上の各ノードからそのメッセージが送信及び受信された時間の指示を格納するためのメトリッマス・フィールドを含む。メッセージの送信及び受信の時間の記録は、メッセージのタイムスタンプとして知られている。これらの測定がルーチングのために使用される態様が、以下に詳細に説明される。

本発明の実施の形態のルーチング・プロトコルにおいてメッセージのメトリックス・フィールドに含まれるタイムスタンプが使用されるためには、各ノード内の時計は確立されたアドホック・ネットワーク内の残りのノードと同期化される必要がある。同期化は、アドホック・ネットワークに登録される時に、例えば、ノードがネットワークに入る時間で達成できる。この場合、ネットワーク補助同期化はネットワーク機能性の一部である。さらに、ノードは同期化目的のために他の基準、例えば、ＧＰＳなどを使用できる。ＧＰＳ基準を使用する時、各ノードは受信機の時計がＧＰＳ衛星内の原子時計に関連して調節されることを可能にするＧＰＳ受信機を含み、よって、受信機の時計が原子時計に匹敵した正確さを持つことを可能にする。

宛先ノード２においてルート発見／要求メッセージを受信した時、宛先ノードはアクノレッジメント・メッセージを生成する。アクノレッジメント・メッセージは、アクノレッジメント・メッセージが宛先ノードから送信された時刻の正確な指示を含む。図３に、アクノレッジメント及びルート発見／要求メッセージの基礎的なフレーム構造が示されている。メッセージは、「タイプ」フィールド３２、宛先ＩＰアドレス３４及びソースＩＰアドレス３６を含むアドレス・フィールド、寿命フィールド３８、メトリックス・フィールド４０、要求識別４６、宛先ノード数列（ＳＮ）４２及びソースノード数列（ＳＮ）４４を含む。「タイプ」フィールドは、メッセージがアクノレッジ・メッセージ又はルート発見／要求メッセージのどちらかを指定する。メッセージに含まれるタイムスタンプは、メッセージのメトリックス・フィールド４０内に格納される。

本発明の実施の形態では、アクノレッジメント・メッセージは宛先ノードで受信された各ルート発見メッセージの受信時に生成される。各アクノレッジメント・メッセージは、各中間ノード３のテーブル内に記憶されている情報を使用して、それが返答として送信されるルート発見メッセージの経路をたどることによりＭＡＮＥＴネットワーク中を伝搬する。

アクノレッジメント・メッセージは、最初にソースノードと宛先ノードとの間の経路上の最後の中間ノードへ宛先ノードから送信される。アクノレッジメント・メッセージを受信の際、中間ノードはアクノレッジメント・メッセージの到着時間を記録する。

本発明の１つの実施の形態では、中間ノードは、経路ＴＯＡ１を横断する信号伝搬遅延を計算するために、アクノレッジメント・メッセージに含まれるタイムスタンプをその中間ノードにおけるアクノレッジメント・メッセージの到着時間と比較する。

経路ＴＯＡ１に対する計算された信号伝搬遅延が、アクノレッジメント・メッセージのメトリックス・フィールド内に格納される。メッセージが次の中間ノードにルートされる直前に、送信する中間ノードはメッセージをタイムスタンプする。そして、アクノレッジメント・メッセージは、ルート発見メッセージの最初のコピーが来たノードを記憶したテーブル中に記憶されているルーチング情報を使用して次の中間ノードにルートされる。

次の中間ノードによりアクノレッジメント・メッセージが受信される際、そのノードは、信号伝搬遅延ＴＯＡ２を計算するために、アクノレッジメント・メッセージの到着時間を測定して、それをそのメッセージが前のノードから送信された時間を示すメッセージ内に含まれるタイムスタンプと比較する。そして、測定された経路ＴＯＡ２を横断する信号遅延は、アクノレッジメント・メッセージ内に記憶される。経路ＴＯＡ２を横断する信号遅延は経路ＴＯＡ１を横断する信号遅延に追加してもよい。又は、それは別々にメトリックス・フィールドに記憶しても良い。このプロセスは、アクノレッジメント・メッセージが中間ノードによりＭＡＮＥＴネットワークを横断してルートされる時、ソースノード１に到達するまで続けられる。

ソースノードは、宛先ノードにより受信された各ルート発見メッセージの返答として、アクノレッジメント・メッセージを受信する。各アクノレッジメント・メッセージは、宛先ノードとソースノードの間のルート上の各中間ノード間の信号伝搬遅延情報を含む。前述したように、メッセージ経路の各「ホップ」に対する信号伝搬遅延は、アクノレッジメント・メッセージ内に別々に格納されてもよく、又は、一緒に加算されてもよい。

本発明の代替的な実施の形態では、アクノレッジメント・メッセージを宛先ノードからソースノードへルートする中間ノードは、メッセージが受信された瞬間及びメッセージが送信された時にメッセージに各タイムスタンプを押す。そして、メッセージがメッセージ経路の各ホップを伝搬するために要する時間が、ソースノードにおいて各アクノレッジメント・メッセージ内に含まれるタイムスタンプから計算できる。

一緒に加算された時、アクノレッジメント・メッセージ経路上の無線チャンネル・ホップの全数にわたる信号伝搬遅延の和は、アクノレッジメント・メッセージの宛先ノードからソースノードまでの全行程の信号伝搬遅延よりも小さい。これは、宛先ノードからソースノードまで信号が伝搬する全時間は、信号が各ノード間を伝搬するのに要する時間に加えて、各ノードにおいて信号を処理するのに要する時間を含むからである。

アクノレッジメント・メッセージ経路内の各ホップに対する信号遅延に関する情報は、ノードのルーチング・テーブル上に記憶できる。ハイブリッド・ネットワーク解決の場合、重なったバックボーン（セルラーなど）及びローカル近接アドホック・ネットワークにより、この情報はサーバー又は他のネットワーク要素において部分的に記憶され及び／又は処理される。この情報は、モビリテイ管理（ハンドオーバー）、通話許可、及び無線資源管理の他の機能のために使用でき、並びに、ローカル・アドホック機能を支援するために使用できる。各宛先ノードに対して、テーブルは、アクノレッジメント・メッセージ５によりアクノレッジされた各ルートについての情報を含む。各アクノレッジメント・メッセージは、宛先ノードからアクノレッジメント・メッセージが送信された時からのタイムスタンプを含むため、メッセージが宛先ノードからソースノードに到達するまでの全行程の時間を計算できる。これは各ホップに対する信号遅延に加えて、処理遅延を含めて、宛先ノードまでの特定のルートについて記憶できる。

本発明の代替的な実施の形態では、メッセージのメトリックス・フィールド内に含まれるタイムスタンプは、各ノードにおいてメッセージの受信と送信との間の時間を計算するために使用される。これを、実際の信号伝搬遅延を計算するために、メッセージが宛先ノードからソースノードに到達するまでの全行程時間から引算することができる。

好適な代替的実施の形態では、信号伝搬遅延測定が上述と同じ手法を用いてルート発見メッセージと関連して抽出される。この場合、宛先ノードはソースノードへの最短経路を決定するためにアルゴリズムを処理できる。

アクノレッジメント・メッセージをルートするために使用される各中間ノード間の距離は、次の式を使用して信号伝搬遅延から計算できる。

Ｄ＝ｃｔ

ここで、Ｄは、伝搬経路の１つの「ホップ」に対応する送信中間ノード及び受信中間ノードの間の距離である。ｃは、高速である。ｔは、送信及び受信ノード間の信号伝搬遅延である。ルート上のノード間の距離は、ルーチング・アルゴリズムで使用するために特定のルートの各ノード間を信号が伝搬するのに要する時間の代わりに、又は、それに加えて、記憶できる。

本発明のさらなる実施の形態では、宛先ノードは、メトリックス・フィールド内に信号伝搬遅延測定を格納した要求メッセージに応答する時、最短経路の組を選択できる。代替的な実施の形態では、宛先ノードによる最短経路の組の予備的選択は、ＳＰＤ測定によるオーバーヘッドを回避して、ホップ数に基づいてよい（すなわち、経路上のホップ数）。この手法は、宛先ノード補助ルート選択（ＤＡＲＥ）と呼ばれる。そして、最終的ルート選択が、アクノレッジ・メッセージ内に埋め込まれたＳＰＤ測定に基づいて、ソース内で処理できる。

本発明のさらなる実施の形態では、ルーチング決定は、繰返して行うことができる。これは、ルーチングの生成の時にルーチング収束を加速させるために、容易に獲得できるホップ数又はＲＴＴ測定などのパラメータに基づいてルートを選択するルーチング・アルゴリズムを意味する。しかし、接続の最初の設定の際にルーチングを最適化するために、候補のルートの組を保持できる。この手法は、ステップワイズ・ルーチング（ＳＷＲ）と呼ばれる。この手法では、ＱｏＳ（サービスの品質）クラスは、ある期間最良の利用可能なＱｏＳを提供するルーチング候補にマップされている。例えば、スピーチなどのリアルタイム（ＲＴ）トラフイックは、最短の収束時間（すなわち、ソースノードが宛先ノードへの有効な経路を選択するのに要する時間）、最高のリンク安定性及び最短経路を持つルート候補にマップされる。一方、データなどの非リアルタイム（ＮＲＴ）トラフイックはより長い収束時間とより長い経路を持つルートに割当てることができる。

ノードからの送受信の際にメッセージにタイムスタンプすることにより、特定のルートについて中間ノードにより要する処理時間を計算することが可能である。これは、最小の電力を使用する中間ノードによりルートされるルーチング経路を選択するために特に重要である。アクノレッジメント・メッセージが宛先ノードからソースノードまで伝搬するのに要する全行程時間がルートの各ホップをメッセージが横断する信号伝搬遅延の和よりもずっと大きい時、中間ノードにおいてメッセージが処理されるに要する時間が相対的に高いと主張できる（そうでなければ、各ノードにおいて受信と送信との間にゼロ間隔が存在する）。これは経路上の中間ノードがメッセージをルートするために相対的に大きな量の電力を使用することを示す。

アクノレッジメント・メッセージをルートするために大量の電力を使用することは望ましくない。大電力消費は、メッセージをルートするために相対的に高い数の中間ノードを使用すること、又は、メッセージを処理するために長時間を要するノードを経由してメッセージをルーチングすることを含むいくつかの要因による。従って、全行程時間とルートの各ホップをわたる伝搬遅延の和との間に相対的に小さな差を持つ経路が、選択された経路がメッセージをより効率的にルートすることを確保するために、ルーチング・アルゴリズムにより選択される。

本発明の代替的な実施の形態では、電力属性がルーチング決定を行うための追加的なパラメータとして使用できる。このような属性は、ルーチング関連情報及びルーチング機能に関連したユーザデータを中継するために中間ノードで利用可能な電力、通信データを中継及び／又はバッファするために必要な電力、及び、ノードの電池に残るエネルギーを含む。また、電力属性は、ノード対間に低電力消費ルートを決定するために、ルート上の各ホップに関する送信電力レベルに基づいたコスト関数として現われる。

また、アドホック共有に対する電力インセンテイブ（無料サービス、公正料金等）などのパラメータが、電力観点に含まれる。

従って、本発明のこのような実施の形態においては、この情報は、ルーチング・アルゴリズムによりメッセージがソースノードと宛先ノードとの間を転送される時に使用されるため、発見／要求メッセージ又はアクノレッジ・メッセージのいずれかのメトリックス・フィールド中に含まれる。

また、特定の経路上の無線チャンネル又は「リンク」の安定性も、ルーチング決定を行うためのさらなるパラメータとして使用できる。リンクが要求されたＱｏＳ又は最良をより長く処理できると、リンクはより安定である。リンク安定性は、後で詳細に説明するノード移動性に密接に関連する。ノード移動性が増加すると、リンクが安定である確率は大抵減少する。また、ハンドオーバーの指示は、リンク安定性／不安定性のレベルを示す。すなわち、ハンドオーバーがより多く発生すると、開始されたリンクに不安定性がより多くなる。従って、本発明のこの特定の実施の形態では、各ルートがリンク安定性の指示と一緒に記憶される。

本発明の代替的な実施の形態では、上述したような信号伝搬ルーチングは、ノードが普通の速度で移動するアドホック・ネットワークに適用できる。すなわち、ノードは大体の方向へ移動している。このような状態は、ノードが例えば列車上で使用される時に発生し得る。

ノードの位置座標が、ノードの速度を決定するために使用できる。本発明の１つの実施の形態では、各ノードはＧＰＳ受信機を備え、これにより各ノードはそれ自身の位置を計算できる。本発明の代替的な実施の形態では、ノードはその位置を到着時間（ＴＯＡ）及び基準ノードに基づく位置決め（ＲＮＢＰ）法と呼ばれるローカル位置決めなどのセルラー位置決めを使用して計算する。

セルラー位置決め方法は、業界に良く知られているから、ここでは詳細に説明しない。３つの周囲の基地局から送信されたタイムスタンプ信号を使用して、ノードは各基地局からの信号伝搬遅延に基づいて各基地局からの距離を計算できる。そして、ノードの位置は以下により与えられる。

Ｐ（ｉ）＝（（Ｘ（ｉ）−ｘ（ｍ））²＋（Ｙ（ｉ）−ｙ（ｍ））²＋（Ｚ（ｉ）−ｚ（ｍ））²）^1/2

ここで、（Ｘ（ｉ），Ｙ（ｉ），Ｚ（ｉ））は各隣接する基地局の座標である。（ｘ（ｍ），ｙ（ｍ），ｚ（ｍ））は各基地局からのノードの計算された距離である。Ｐ（ｉ）はノードの位置である。

本発明の実施の形態では、各ノードがそれ自身の位置を計算できるから、メッセージ・ルート上の各中間ノードはアクノレッジ・メッセージ内にその位置を記録できる。時間Ｔ１での位置座標の第１組及び時間Ｔ２での位置座標の第２組を測定することにより、ノードの速度が次式により与えられる。

Ｖ＝（（（ｘ（ｍ２）−ｘ（ｍ１））²＋（ｙ（ｍ２）−ｙ（ｍ１））²＋（ｚ（ｍ２）−ｚ（ｍ１））²）^1/2）／ΔＴ

ここで、Ｖはノードの速度である。（ｘ（ｍ１），ｙ（ｍ１），ｚ（ｍ１））はノードの位置座標の第１組である。（ｘ（ｍ２），ｙ（ｍ２），ｚ（ｍ２））はノードの位置座標の第２組である。ΔＴは、Ｔ１とＴ２の間の時間である。この情報は、信号伝搬遅延時間がルーチング・テーブルにおいて更新されるのと同じ態様で更新できる。しかし、これらは変動するため、より頻繁な更新が望ましい。本発明の１つの実施の形態では、位置座標は、位置に基づいたサービスのために使用される位置決め機構を通じて既に利用可能な情報から決定される。

速度測定値が知られた時、同じ速度測定値を持つノードが識別されて、組にグループ化される。そして、ルーチングは同じ速度を持つノードを使用して実現できる。

本発明の代替的な実施の形態では、また、ノードの移動はその信号強度から解釈できる。例えば、もし、ノードが別のノードからの信号がより強くなりつつあるのを検出した場合、これはノードが互いに接近していることを示す。これに加えて、変化の無い信号強度はノードが相対的に互いに移動していないこと又はノードがゆっくりと移動していることを示す。移動パターンは、信号強度などの移動を示す検出された特性に基づいて構築でき、そして測定／獲得された値を目標組との比較に使用でき、そして移動パラメータを評価するのに使用できる。ハイブリッド・アーキテクチャによるアドホック・ネットワークに対しては、トランク・ノードに対するノードの移動が検出できる。ルーター選択は、ノードの移動がトランク・ノード方向へ接近又はから離間するかに依存して、アドホック・セル内の移動に基づくことができ、アドホック・セル内にトランク・ノード及びルーターを維持する。

本発明の代替的な実施の形態では、指定時間間隔内で失われたデータパケット（制御又はユーザデータ）数に関する情報が、ルーチング決定を行うための追加のパラメータとして使用できる。例えば、ビット誤り比（ＢＥＲ）又はフレーム誤り比（ＦＥＲ）により測定される。媒体アクセス制御（ＭＡＣ）フレームが、基準として使用でき、その大きさはチャンネル状態に適応するために選択できる。パケット損失は無線チャンネル上での損失パケット又はノードでの処理能力の欠如による損失パケットを含む。

本発明のさらなる実施の形態では、受信機ノードでの受信された電力又は代替的に信号対雑音比が、ルーチング決定を行うためのさらなるパラメータとして使用できる。それは必要な信号電力の干渉電力に対する比に基づいて測定できる。干渉は、背景雑音及びシステム内の他のユーザからの干渉等の雑音を含む。

本発明のさらなる実施の形態では、処理遅延又は負荷要因がルーチング・アルゴリズムにおいて使用できる。これはノードが中継された情報を処理又はバッファするために必要な又は使用する時間を示す。また、それは異なるルートに関連した無線リンクの数を言う。

本発明のさらなる実施の形態では、ＱｏＳはまたルーチング・アルゴリズムにおいて使用できる。ＱｏＳは、ビットレート、サービス部品、ルーチング遅延等の要求されたトラフイック属性がどの程度満足されるかをいう。ＱｏＳは、通話／接続の目標ＱｏＳ及びリンクによりＱｏＳが提供するレベルに基づいて評価できる。例えば、要求されたビットレートの程度は、候補ルートが選択された時、ホップ長に関連して考慮できる。

無線チャンネルの不安定性により、ルーチングのために単一パラメータを使用することは大部分の環境では最良の結果を提供しない。このため、ネットワーク環境及びデータ・トラフイックに依存して、ハイブリッド手法がルーチング選択に重要な他のパラメータの重要性を考慮するために使用できる。本発明の実施の形態で使用されるルーチング・アルゴリズムの１例が、図４を参照して説明される。

最初に、ステップ１（Ｓ１）で、上述パラメータの少なくともいくつかの測定が前述した態様で行われる。この情報は、もし、情報が歴史データ記憶５０から検索されるテーブル駆動ルーチング手法が使用される場合、既に利用可能である。上述したように、この情報は、分散された態様でノードのキャシュ・メモリ内に記憶できるか、又は、サーバー又はネットワーク要素内に中央集中的に保持できる。

ステップ２（Ｓ２）で、パラメータ測定がどのパラメータをルーチング基準として使用されるべきかを選択するため及び選択されたパラメータに対する目標値を設定するために使用される。各パラメータに対する目標値はシステム要件、無線ネットワーク環境及び要求されたサービスの品質に基づいて動的に定義される。

さらに、ステップ２（Ｓ２）で、また、各パラメータは優先値η_iを与えられる。このステップでは、ソースから宛先ノードまでのルートを選択する時に考慮すべきキー・パラメータを識別することが重要である。例えば、もし、信号遅延が最も重要なパラメータとして見なされる場合、それは最高の優先値η_iを与えられる。パラメータ設定は連続的なプロセスであるが、アルゴリズムの各反復により必ずしも繰返される必要はない。本発明の実施の形態では、歴史データ記憶５０内に、目標値、優先値及びパラメータに関する他の情報を記憶することが可能である。しかし、優先値は不安定な無線チャンネル特性に起因して指定された時間間隔内で動的に定義される。これは、ルーチングのために使用され及び／又は、例えば、ロケーション・サービス、ハンドオーバー及びネットワーク最適化のネットワーク内で達成される他の機能と関連して使用される。

ステップ３（Ｓ３）で、一度、優先値が確立されると、各ルート経路の各パラメータに対するルート選択重み付けファクターが、優先値η_iにより、ａ_i（目標値との相互関係）を乗算することにより計算される。

ステップ４（Ｓ４）では、ルート選択重み付けファクター（ＲＥＷＦ）が各経路に対して次式を使用して計算される。

ここで、ａ_iは各ルート経路に対するｉ番目の基準の目標マッピングの出力である。η_iはルーチング・アルゴリズムにおいて各ルーチング基準に対して定義された優先値である。ｎは整数である。ｋは予め定めることのできる規格化係数である。

ステップ５（Ｓ５）で、ＲＥＷＦに基づいて、アルゴリズムが最良の利用可能なルート（又は、最良、第２最良、第３最良、等の最良ルートの組）を選択する。もし、利用可能なルートが無い場合、アルゴリズムは指定された時間内でのＲＥＷＦ決定のために目標組（目標値の再構成はオプションである）を再構成する。そして、ルーチング・アルゴリズムが新基準を用いて繰返される。代替的に、アルゴリズムが元の目標組を満足するために利用可能なルートが無いことを示す。

表１は、上述のルーチング・アルゴリズムを使用して計算された値の例を示す。

表１

本発明の例示的な実施の形態が上述されたが、特許請求の範囲の請求項により定義される本発明の範囲から逸脱することなくいくつかの変形及び修正が開示された解決に行うことができることに注意する。

ＭＡＮＥＴ（モバイル・アドホック・ネットワーク）ネットワークの概略図。 本発明の１つの実施の形態によるＭＡＮＥＴの概略図。 本発明の１つの実施の形態によるメッセージの基礎フレーム構造の概略図。 本発明の１つの実施の形態のルーチング・アルゴリズムのフロー・チャート。 本発明の１つの実施の形態のルーチング・アルゴリズムのフロー・チャート。

Claims (33)

1. 複数のノードを含むアドホック無線ネットワーク内のソースノードから宛先ノードへメッセージをルーチングする方法であって、
   第１メッセージをソースノードから宛先ノードへ送信するステップと、
   第１メッセージに応答して前記宛先ノードからの第２メッセージをソースノードで受信するステップであって、前記第１メッセージ及び前記第２メッセージの少なくとも１つが、少なくとも１つの中間ノードを含む複数の経路を経由してソース及び宛先ノード間で送信されるものであり、及び、
   前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つが前記複数の経路の各経路上の各ノード間を伝搬するのに要する時間の値を使用して、ソースノード及び宛先ノード間の通信のための経路を選択するステップと、
   を含むメッセージをルーチングする方法。
2. 各経路上の各ノード間を伝搬するのに前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つが要する時間の値が、前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つが各ノードで送信される時の時刻を前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つにタイムスタンプすることにより提供される請求項１に記載のメッセージをルーチングする方法。
3. 各経路上の各ノード間を伝搬するのに前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つが要する時間の値が、前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つが各ノードで受信される時の時刻を前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つにタイムスタンプすることにより提供される請求項１又は２に記載のメッセージをルーチングする方法。
4. 各経路上の各ノード間を伝搬するのに前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つが要する時間の値が、前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つが各ノード間を伝搬するのに要する時間を計算してメッセージ内に格納することにより与えられる請求項１に記載のメッセージをルーチングする方法。
5. 前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つがソースノード及び宛先ノード間を伝搬するのに要する時間を決定するために、メッセージ内に格納されている計算された時間を加算するステップ、
   を含む請求項４に記載のメッセージをルーチングする方法。
6. 前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つがソースノード及び宛先ノード間を伝搬するのに要する時間を計算するステップ、
   を含む請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
7. 計算された時間を、往復伝送時間 (a round trip time) と比較するステップを含み、当該往復伝送時間が、前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つがソース又は宛先ノードのいずれから送信された時と前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つがソース又は宛先ノードのいずれかで受信された時との間の時間である、請求項６に記載の方法。
8. 経路上の各ノードにおいて第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つの信号品質を測定するステップと、
   測定された信号品質を使用してソースノード及び宛先ノードの間の通信経路を選択するステップと、
   をさらに含む請求項１ないし７のいずれかに記載の方法。
9. 信号品質の測定値を第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つに格納するステップを含む請求項８に記載の方法。
10. 各ノード間の距離を計算するステップと、
    計算された距離を使用してソースノード及び宛先ノートの間の通信経路を選択するステップと、
    をさらに含む請求項１ないし９のいずれかに記載の方法。
11. 計算された距離を前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つに格納するステップを含む請求項１０に記載の方法。
12. 前記ノードの少なくとも１つの移動速度を計算するステップと、
    前記ノードの少なくとも１つの計算された移動速度を使用してソースノード及び宛先ノードの間の通信経路を選択するステップと、
    をさらに含む請求項１ないし１１のいずれかに記載のメッセージをルーチングする方法。
13. 前記ノードの少なくとも１つの電力属性値を測定するステップと、
    前記測定された電力属性値を使用してソースノード及び宛先ノードの間の通信経路を選択するステップと、
    をさらに含む請求項１ないし１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記複数のノード間の複数の経路のリンク安定性を評価するステップと、前記評価されたリンク安定性を使用してソースノード及び宛先ノードの間の通信経路を選択するステップとをさらに含む請求項１ないし１３のいずれかに記載の方法。
15. 要求されたサービスの品質を評価するステップと、
    前記要求されたサービスの品質に基づいてソースノード及び宛先ノードの間の通信のための経路を選択するステップとをさらに含む請求項１ないし１４のいずれかに記載の方法。
16. 第１時間でノードの位置を測定するステップと、
    第２時間でノードの位置を測定するステップと、
    位置測定からノードの速度を計算するステップと、
    計算された速度を第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つに格納するステップと、
    前記記憶された速度を使用してソースノード及び宛先ノードの間の通信のための経路を選択するステップと、
    を含む請求項１に記載の方法。
17. ルーチング・アルゴリズムが、ソースノード及び宛先ノードの間の通信のための経路を選択するために使用されるパラメータを重み付けするために優先値を使用する請求項１ないし１６のいずれかに記載の方法。
18. ルーチング・アルゴリズムが、測定されたパラメータ値が所定のパラメータ値を満足する程度を示すマッピング値を使用する請求項１ないし１７のいずれかに記載の方法。
19. 前記ネットワークが、アドホック・ネットワークである請求項１ないし１８のいずれかに記載の方法。
20. 前記ノードの少なくとも１つが移動局である請求項１ないし１９のいずれかに記載の方法。
21. 複数のノードを含んだアドホック・ネットワークであって、その中でソースノードが第１メッセージを宛先ノードへ送信するように構成されているアドホック・ネットワークにおいて、
    前記宛先ノードは前記第１メッセージを受信するように構成され、
    前記宛先ノードは前記第１メッセージに応答して第２メッセージを前記ソースノードに送信するように構成され、
    少なくとも１つの中間ノードが複数の経路を経由して前記第１メッセージ及び前記第２メッセージの内の少なくとも１つを送信するように構成されていて、
    前記ネットワークがさらに、前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つが各経路上の各ノード間を伝搬するのに要する時間の値を使用して前記ソースノード及び前記宛先ノードの間の通信のための前記複数の経路の少なくとも１つを選択するように構成されている選択手段をさらに含むアドホック・ネットワーク。
22. 各ノードに、第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つをタイムスタンプする手段が設けられている請求項２１に記載のアドホック・ネットワーク。
23. 各ノードが、前記第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つが各ノード間を伝搬するのに要する実際の時間を計算して、計算された時間を第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つに格納する処理手段を含む請求項２１に記載のアドホック・ネットワーク。
24. 第１及び第２メッセージの内の少なくとも１つの信号品質を測定するための手段をさらに含み、
    前記選択手段は、前記測定された信号品質を使用してソースノード及び宛先ノードの間の通信のための経路を選択するようにさらに構成されている請求項２１に記載のアドホック・ネットワーク。
25. 各ノード間の距離を計算するための処理手段を含み、
    前記選択手段は、前記計算された距離を使用してソースノード及び宛先ノードの間の通信のための経路を選択するようにさらに構成されている請求項２１に記載のアドホック・ネットワーク。
26. 前記ノードの少なくとも１つの移動速度を計算するための処理手段を含み、
    前記選択手段は、計算された移動速度を使用してソースノード及び宛先ノードの間の通信のための経路を選択するようにさらに構成されている請求項２１に記載のアドホック・ネットワーク。
27. 前記ノードの少なくとも１つの電力属性値を測定するための手段をさらに含み、
    前記選択手段は、前記測定された電力属性値を使用してソースノード及び宛先ノードの間の通信のための経路を選択するようにさらに構成されている請求項２１に記載のアドホック・ネットワーク。
28. 前記複数のノード間の複数の経路のリンク安定性を評価するための手段をさらに含み、 前記選択手段は、前記評価されたリンク安定性を使用してソースノード及び宛先ノードの間の通信のための経路を選択するようにさらに構成されている請求項２１に記載のアドホック・ネットワーク。
29. 要求されたサービスの品質を評価するための手段を含み、
    前記選択手段は、要求されたサービスの品質に基づいてソースノード及び宛先ノードの間の通信のための経路を選択するようにさらに構成されている請求項２１に記載のアドホック・ネットワーク。
30. 前記選択手段は、複数の候補ルートを選択するように構成されていて、
    前記ネットワークは、前記複数の候補ルートを複数のサービスの品質のクラスにマッピングするためのマッピング手段を含み、
    前記選択手段は、要求されたサービスの品質にマップされた前記複数の候補ルートの１つから経路を選択するようにさらに構成されている請求項２１に記載のアドホック・ネットワーク。
31. 複数のノードを含むアドホック・ネットワーク内のノードであって、
    ソースノードと宛先ノードの間の第１の通信の経路を用いた第１のメッセージ、及び、当該ソースノードと宛先ノードの間の第２の通信の経路を用いた第２のメッセージを受信し且つ送信する手段であって、当該第１の通信の経路が、当該第２の通信の経路とは異なるものであるものと、
    前記第１のメッセージが前記第１の通信の経路の複数のノードの間で伝播する、第１の時間の第１の値を特定する (identifying) ための手段と、
    前記第２のメッセージが前記第２の通信の経路の複数のノードの間で伝播する、第２の時間の第２の値を特定するための手段と、
    前記特定された第１の値と前記特定された第２の値の比較に基づいて、前記ソースノードと前記宛先ノードの間で通信するための通信の経路を選択するための手段、
    を含むノード。
32. 前記第１の時間を特定することが、メッセージのタイムスタンピングに基づく、請求項３１に記載のノード。
33. 前記特定された第１の値を使用して前記複数のノード間の距離を計算するための手段をさらに含む請求項３１に記載のノード。

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