JP4297347B2 - アドホック無線ネットワークの経路確立方法および無線ノード - Google Patents

Description

本発明は、アドホック無線ネットワークの経路確立方法および無線ノードに係り、特に、マルチホップ通信に好適なアドホック無線ネットワークの経路確立方法および無線ノードに関する。

無線通信機能を備えた移動端末が、無線基地局などのインフラを介することなく、端末同士で自律的にネットワークを構成して通信を行うアドホック無線ネットワークに対する関心が高まっている。このようなアドホック無線ネットワークでは、通信可能圏内に位置している端末同士のみが通信に参加できる従来手法をさらに拡張し、通信可能圏外に位置している移動端末との通信も可能とするために、各移動端末にルーティング機能を付加し、通信データを中継させる(マルチホップ通信)アドホックルーティング技術の開発が、例えば特許文献１に開示されている。アドホックルーティングに関しては様々な方式が活発に検討されているが、中でもAODV(RFC-3561）、DSR(draft-ietf-manet-dsr-09.txt）は非常に注目されるアドホックルーティングプロトコルである。
特開２００３−２７３７８８号公報

これまでに提案されている手法では、送信元ノードと宛先ノードとの間に通信経路を確立する際、送信元ノードが経路要求の制御パケットを隣接するノードに対してブロードキャストする。この制御パケットを受信した隣接ノードは、当該制御パケットを送信したノードへの逆方向経路を確立する一方、この制御パケットを一度も受け取ったことがなく、かつ、宛先ノードに至る経路情報を持っていなければ、受信した制御パケットを中継して隣接ノードにブロードキャストする。このような一連の制御パケットのブロードキャスト動作はフラッディングと呼ばれ、制御パケットが宛先ノードに届くまで繰り返される。

宛先ノードが前記制御パケットを受信すると、この宛先ノードから経路応答パケットが返信される。応答パケットは、前記制御パケットのフラッディングにより確立された逆方向経路に沿って送信元ノードへ返信される。経路応答の制御パケットを転送する中継ノードは宛先ノードへの順方向経路を確立し、送信元ノードまでパケットが転送されると送信元ノードと宛先ノードの間に通信経路が確立されることになる。また、隣接ノード間では、経路維持のための制御パケットが定期的に送受信される。

多数のノードが参加・接続するアドホック無線ネットワークでは隣接ノード数が多くなり、上記のような制御パケットのブロードキャストを行った場合、必要以上に多くのノードが経路生成動作に関わってしまい、その結果、制御パケットが大量に発生してしまう。大量の制御パケットが氾濫すると、通信の輻輳を引き起こしデータ転送に不具合が生じる可能性があるのみならず、各中継ノードがパケットをブロードキャストする際のシグナリングによる電力消費の問題も発生する。

本発明の目的は、アドホック無線ネットワークにおいて、経路確立に支障をきたすことなく、制御パケットの無駄なブロードキャストを防止できる経路確立方法および無線ノードを提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明は、アドホック無線ネットワーク上で無線ノードが経路要求メッセージおよび経路応答メッセージを交換して経路情報を生成するアドホック無線ネットワークの経路確立方法および無線ノードにおいて、以下のような手順あるいは手段を講じた点に特徴がある。

(1)本発明の経路確立方法は、送信元ノードが経路要求メッセージを送信する手順と、経路要求メッセージを受信した中継ノードが、復路の経路情報を登録する手順と、前記中継ノードが自ノードの現在位置を検知する手順と、前記中継ノードが、経路要求メッセージに登録されている位置情報と自ノードの現在位置とに基づいて、当該経路要求メッセージの中継許否を決定する手順と、前記中継ノードが、中継を許可された経路要求メッセージに自ノードの現在位置を位置情報として登録し、送信する手順と、経路要求メッセージを受信した宛先ノードが経路応答メッセージを返信する手順と、経路応答メッセージを受信した中継ノードが、往路の経路情報を登録する手順とを含む。

(2)本発明の無線ノードは、受信した経路要求メッセージおよび経路応答メッセージに基づいて経路情報を生成する手段と、前記経路情報を記憶するルーティングテーブルと、自ノードの現在位置を検知する手段と、送信元ノードとして機能するための送信元機能部と、中継ノードとして機能するための中継機能部と、宛先ノードとして機能するための宛先機能部とを含み、前記送信元機能部が経路要求メッセージを生成する手段を含み、前記中継機能部が、受信した経路要求メッセージに登録されている位置情報を抽出する手段と、抽出した位置情報と自ノードの現在位置とに基づいて当該経路要求メッセージの中継許否を決定する手段と、中継の許可された経路要求メッセージに自ノードの現在位置を位置情報として登録する手段とを含み、前記宛先機能部が経路応答メッセージを生成する手段を含む。

本発明によれば、自ノード宛以外のRREQメッセージを受信した各無線ノードは、当該RREQメッセージに登録されている各無線ノード（送信元ノード、宛先ノードあるいは１ホップ前の無線ノード）の位置情報と自ノードの現在位置とに基づいて当該メッセージに関する中継確率を求め、中継確率が低い場合には当該RREQメッセージを中継しないので、経路確立に支障をきたすことなく制御パケットの無駄なブロードキャストを防止できる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る無線ノードの機能ブロック図であり、ここでは、本発明の説明に必要な構成以外は図示を省略している。

無線インターフェース１０は、経路要求（Route Request: RREQ）メッセージおよび経路応答（Route Reply:RREP）メッセージを含む各種の制御パケットあるいはデータを送受信する。経路情報生成部１１は、受信されるRREQメッセージおよびRREPメッセージに基づいて、宛先の無線ノードと次ホップとの関係を示す経路情報を生成し、これをルーティングテーブル１２に登録する。現在位置検知部１３は、例えば複数のGPS衛星から受信したGPS信号に基づいて自ノードの現在位置を検知する。

各無線ノードはさらに、自ノードが送信元ノードとして機能するための送信元機能部１４と、自ノードが中継ノードとして機能するための中継機能部１５と、自ノードが宛先ノードとして機能するための宛先機能部１６とを含む。

送信元機能部１４において、RREQ生成部１４１は現在位置登録部１４１ａを含み、経路要求宛先として宛先ノードのアドレスが登録され、かつ経路要求送信元として自ノードのアドレスが登録されたRREQメッセージを生成する。前記現在位置登録部１４１ａは、当該RREQメッセージに自ノードの現在位置および宛先ノードの現在位置を登録する。前記宛先ノードの現在位置は位置情報キャッシュ１７に予め登録されている。RREQ送信部１４２は、前記RREQメッセージを送信（ブロードキャスト）する。

中継機能部１５において、位置情報抽出部１５１は、受信したRREQメッセージまたはRREPメッセージに登録されている位置情報を抽出して前記位置情報キャッシュ１７に登録する。中継許否決定部１５２は、後に詳述するように、受信したRREQメッセージに登録されている送信元ノード、宛先ノードおよび１ホップ前の中継ノードの各位置情報、ならびに自ノードの現在位置に基づいて、当該RREQメッセージの中継許否を決定する。メッセージ中継部１５３は現在位置登録部１５３ａを含み、中継するRREQメッセージおよびRREPメッセージに自ノードの現在位置を更新登録する。

宛先機能部１６において、RREP生成部１６１は現在位置登録部１６１ａを含み、自ノード宛のRREQメッセージの受信に応答してRREPメッセージを生成すると共に、当該RREPメッセージに自ノードの現在位置および送信元ノードの現在位置を位置情報として登録する。RREP送信部１６２は、前記RREPメッセージを送信（ユニキャスト）する。

次いで、図２に示したネットワークトポロジにおいて、送信元ノードとしての無線ノードMN1が、宛先ノードとしての無線ノードMN6との間に、複数の無線ノードを中継する経路を確立する手順を、図３〜図７のフローチャートおよび図８のシーケンス図に沿って説明する。

図３は、送信元ノードMN1で実行されるRREQ送信処理の手順を示したフローチャートであり、ステップＳ１において通信要求が検知されると、ステップＳ２では、宛先ノードMN6に至る経路情報がルーティングテーブル１２に既登録であるか否かが判定される。既登録であればステップＳ７へ進み、当該既登録の経路情報を利用してデータ通信が開始される。宛先ノードMN6に至る経路情報が未登録であればステップＳ３へ進む。

ステップＳ３では、前記現在位置検知部１３により検知されている自ノードの現在位置P1が取得される。ステップＳ４では、前記RREQ生成部１４１においてRREQメッセージが生成される。ステップＳ５では、前記自ノードの現在位置P1および宛先ノードMN6の現在位置P6が、位置情報として前記RREQメッセージに登録される。ステップＳ６では、前記RREQメッセージが送信され、２つの中継ノードMN2，MN3で受信される。

図１０(a)は、前記RREQメッセージのパケットフォーマットの一例を示した図であり、「パケット送信者」として送信元ノード"MN1"が登録され、「パケット宛先」としてブロードキャストを意味する"ALL"が登録され、「パケットタイプ」として"Request"が登録され、「経路要求宛先」として宛先ノード"MN6"が登録され、「経路要求送信元」として送信元ノード"MN1"が登録され、さらに位置情報として、送信元ノードMN1の現在位置"P1"および宛先ノードMN6の現在位置"P6"が登録されている。前記宛先ノードMN6の現在位置P6は前記位置情報キャッシュ１７から読み出される。

次いで、図４のフローチャートを参照して、各無線ノードにおける前記RREQメッセージの受信処理を説明する。

RREQメッセージが受信されると、ステップＳ２１では、当該メッセージに登録されている位置情報が全て抽出されて位置情報キャッシュ１７に記憶される。例えば、中継ノードMN2であれば、送信元ノードMN1から送信されたRREQメッセージには、図１０(a)に示したように、送信元ノードMN1の現在位置P1および宛先ノードの現在位置P6が登録されているので、この２つの位置情報P1，P6が抽出される。中継ノードMN5であれば、中継ノードMN2で中継されたRREQメッセージには、図１０(b)に示したように、送信元ノードMN1の現在位置P1、宛先ノードの現在位置P6、および１ホップ前の中継ノードMN2の現在位置P2が登録されているので、これら３つの位置情報P1，P6，P2が抽出される。ステップＳ２２では、受信されたRREQメッセージに基づいて、送信元ノードMN1への経路情報（復路情報）がルーティングテーブル１２に登録される。

ステップＳ２３では、当該RREQメッセージの経路要求宛先が自ノードであるか否かに基づいて、その宛先が自ノードであるか否かが判定される。宛先ノードMN6であれば、自ノード宛と判定されるので、図６の「RREQ応答処理」へ進む。宛先ノードMN6以外であればステップＳ２４へ進み、前記RREQメッセージに登録されている各無線ノードの位置情報および自ノードの現在位置に基づいて、当該RREQメッセージの中継許否が判定される。

本実施形態では、RREQメッセージの中継許否を判定するために各無線ノードの位置情報を取得し、以下のような５つのポリシから中継確率を決定する。
・第１ポリシ：中継ノードが１ホップ前の無線ノードから自ノードに移った際に、送信元ノードと中継ノードとの距離が大きくなるほど中継確率を高くする。
・第２ポリシ：中継ノードが１ホップ前の無線ノードから自ノードに移った際に、宛先ノードと中継ノードとの距離が小さくなるほど中継確率を高くする。
・第３ポリシ：１ホップ前の無線ノードから自ノードまでの距離に比例して中継確率を高くする。
・第４ポリシ：送信元ノードから自ノードまでの距離に比例して中継確率を高くする。
・第５ポリシ：自ノードから宛先ノードまでの距離に比例して中継確率を低くする。

本発明では、これら５つのポリシを単独で適用することも、また、複数を同時に適用することも可能である。

次いで、前記ステップＳ２４で実行される中継許否判定処理について、図９に示したように、送信元ノードMNsから宛先ノードMNdに向けて送信されたRREQメッセージを中継ノードMNiからホップされた中継ノードMNjでの動作を例にして、図５のフローチャートに沿って説明する。ここでは、上記第１および第２ポリシを適用して中継許否が判定される。

ステップＳ４１では、送信元ノードMNsから自ノードMNjまでの距離ΔLsjが、それぞれの現在位置Ps，Pjを用いて次式(1)により算出される。

ΔLsj＝Pj−Ps …(1)

ステップＳ４２では、送信元ノードMN1から１ホップだけ前の中継ノードMNiまでの距離ΔLsiが、それぞれの現在位置Ps，Piを用いて次式(2)により算出される。

ΔLsi＝Pi−Ps …(2)

ステップＳ４３では、中継ノードが１ホップだけ前のノードMNiから自ノードMNjへ移ったことによる、送信元ノードMN1から中継ノードまでの距離の変化量の絶対量Aが、次式(3)に基づいて算出される。

A＝｜ΔLsj−ΔLsi｜…(3)

ステップＳ４４では、自ノードMNjから宛先ノードMNdまでの距離ΔLjdが、それぞれの現在位置Pj，Pdを用いて次式(4)により算出される。

ΔLjd＝Pd−Pj …(4)

ステップＳ４５では、１ホップだけ前のノードMNiから宛先ノードMNdまでの距離ΔLidが、それぞれの現在位置情報Pi，Pdを用いて次式(5)により算出される。

ΔLid＝Pd−Pi …(5)

ステップＳ４６では、中継ノードが１ホップだけ前のノードMNiから自ノードMNjへ移ったことによる、中継ノードから宛先ノードMNdまでの距離の変化量の絶対値Dが、次式(6)に基づいて算出される。

D＝｜ΔLjd−ΔLid｜…(6)

ステップＳ４７では、次式(7)に基づいて中継確率qが求められる。ただし、pは（０，１）の間の定数であり、γ1およびγ2は正の定数とする。

q＝max(０，min(p＋A／γ1−D／γ2，１)) …(7)

ステップＳ４８では、前記中継確率qに基づいて当該メッセージの中継許否が判定される。ここでは、たとえば０〜１の範囲で乱数Rを別途に発生させて前記中継確率qと比較し、q≧Rであれば「中継許可」、q＜Rであれば「中継禁止」と判定することができる。

図４へ戻り、ステップＳ２５では前記ステップＳ４８における中継許否の判定結果が参照され、中継が禁止されていれば、ステップＳ３０へ進んで前記RREQメッセージが破棄される。中継が許可されていればステップＳ２６へ進み、前記現在位置検知部１３により検知されている自ノードの現在位置が取得される。本実施形態では、図２に示したように、中継ノードMN3，MN4では中継が禁止され、中継ノードMN2，MN5では中継が許可されている。ステップＳ２７では、前記RREQメッセージのパケット送信者が自ノードに更新される。ステップＳ２８では、前記RREQメッセージに自ノードの現在位置が追加される。ステップＳ２９では、更新後のRREQメッセージが送信される。

図１０(b)は、中継ノードMN2から送信されるRREQメッセージのパケットフォーマットを示した図であり、「パケット送信者」が"MN2"に書き換えられると共に、位置情報として中継ノードMN2の現在位置P2が追加されている。同図(c)は、中継ノードMN5から送信されるRREQメッセージのパケットフォーマットを示した図であり、「パケット送信者」が"MN5"に書き換えられると共に、位置情報として中継ノードMN5の現在位置P5が更新登録されている。

図６は、自ノード宛のRREQメッセージを受信した宛先ノードMN6で実行されるRREQ応答処理の手順を示したフローチャートである。

ステップＳ６１では、自ノードの現在位置検知部１３で検知されている現在位置P6が取得される。ステップＳ６２ではRREPメッセージが作成される。図１０(d)は、前記RREPメッセージのパケットフォーマットの一例を示した図であり、「パケット送信者」として宛先ノードMN6が登録され、「パケット宛先」として１ホップ前の中継ノードMN5が登録され、「パケットタイプ」として"RREP"が登録され、「経路要求宛先」として宛先ノードMN6が登録され、「経路要求送信元」として送信元ノードMN1が登録され、さらに位置情報として、送信元ノードMN1の現在位置P1および宛先ノードの現在位置P6が登録されている。ステップＳ６３では、当該RREPメッセージが送信される。

次いで、前記RREPメッセージの受信に応答して各無線ノードで実行されるRREP受信処理の手順を、図７のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ７１では、受信したRREPメッセージに登録されている位置情報が全て抽出され、前記位置情報キャッシュ１７に登録される。ステップＳ７２では、宛先ノードMN6へ至る経路情報（往路情報）がルーティングテーブル１２に登録される。ステップＳ７３では、当該RREPメッセージの宛先が自ノードであるか否かが判定される。送信元ノードMN1以外の中継ノードであればステップＳ７４へ進む。

ステップＳ７４では、自ノードの現在位置検知部１３で検知されている現在位置が取得される。ステップＳ７５では、RREPメッセージのパケット宛先が前記ルーティングテーブルに登録されている復路情報に基づいて書き換えられると共に、パケット送信者が自ノードに書き換えられる。ステップＳ７６では、位置情報として登録されている１ホップ前の無線ノードの現在位置が前記自ノードの現在位置に書き換えられる。ステップＳ７７では、更新されたRREPメッセージが送信される。

図１０(e)は、中継ノードMN5から送信されるRREPメッセージのパケットフォーマットの一例を示した図であり、「パケット送信者」が中継ノードMN5に書き換えられ、「パケット宛先」が１ホップ前の中継ノードMN2に書き換えられ、さらに、位置情報として中継ノードMN5の現在位置P5が登録されている。同図(f)は、中継ノードMN2から送信されるRREPメッセージのパケットフォーマットの一例を示した図であり、「パケット送信者」が中継ノードMN2に書き換えられ、「パケット宛先」が１ホップ前の送信元ノードMN1に書き換えられ、さらに、位置情報として中継ノードMN2の現在位置P2が更新登録されている。

一方、送信元ノードMN1であれば、前記ステップＳ７３において、宛先が自ノードと判定されるのでステップＳ７８へ進み、データ送信が開始される。

なお、上記した実施形態では、前記第１ポリシおよび第２ポリシを適用して経路要求メッセージの中継許否が判定されたが、第３ポリシを適用して、１ホップ前の無線ノードから自ノードまでの絶対距離Xが大きくなるほど中継確率を上昇させるのであれば、次式(8)に基づいて中継確率qを求めることができる。ただし、pは（０，１）の間の定数であり、γ3は正の定数である。

q＝max(０，min(p＋X／γ3，１)) …(8)

さらに、第４および第５ポリシを適用し、送信元ノードMNsから自ノードMNjまでの絶対距離Yに比例して中継確率を高くすると同時に、自ノードMNjから宛先ノードMNdまでの距離Zに比例して中継確率を低くするのであれば、次式(9)に基づいて中継確率qを求めることができる。ただし、pは（０，１）の間の定数であり、γ4，γ5は正の定数である。

q＝max(０，min(p＋Y／γ4−Z／γ5，１)) …(9)

本発明に係る無線ノードの機能ブロック図である。 本発明が適用されるネットワークトポロジの一例を示した図である。 RREQ送信処理のフローチャートである。 RREQ受信処理のフローチャートである。 中継許否判定処理のフローチャートである。 RREQ応答処理のフローチャートである。 RREP受信処理のフローチャートである。 本実施形態の動作を示したシーケンス図である。 中継許否判定処理を説明するための模式図である。 メッセージパケットのフレーム構造を示した図である。

符号の説明

１０…無線インターフェース，１１…経路情報生成部，１２…ルーティングテーブル，１３…現在位置検知部，１４…送信元機能部，１５…中継機能部，１６…宛先機能部，１７…位置情報キャッシュ

Claims (12)

1. アドホック無線ネットワーク上で無線ノードが経路要求メッセージおよび経路応答メッセージを交換して経路情報を生成するアドホック無線ネットワークの経路確立方法において、
   送信元ノードが経路要求メッセージを送信する手順と、
   前記経路要求メッセージを受信した中継ノードが、復路の経路情報を登録する手順と、
   前記中継ノードが自ノードの現在位置を検知する手順と、
   前記中継ノードが、前記経路要求メッセージに登録されている位置情報と自ノードの現在位置とに基づいて、当該経路要求メッセージの中継許否を決定する手順と、
   前記中継ノードが、中継を許可された経路要求メッセージに自ノードの現在位置を位置情報として登録し、ブロードキャストで中継する手順と、
   前記経路要求メッセージを受信した宛先ノードが経路応答メッセージを返信する手順と、
   前記経路応答メッセージを受信した中継ノードが、往路の経路情報を登録する手順とを含むことを特徴とするアドホック無線ネットワークの経路確立方法。
2. 前記送信元ノードが自ノードの現在位置を検知する手順と、
   前記送信元ノードが自ノードの現在位置および宛先ノードの位置情報を前記経路要求メッセージに登録する手順とを更に含み、
   前記中継ノードは、受信した経路要求メッセージに登録されている送信元ノード、宛先ノードおよび１ホップ前の中継ノードの各位置情報と自ノードの現在位置とに基づいて中継許否を決定することを特徴とする請求項１に記載のアドホック無線ネットワークの経路確立方法。
3. 前記中継ノードは、中継を許可された経路要求メッセージに登録されている１ホップ前の中継ノードの位置情報を自ノードの現在位置に更新することを特徴とする請求項１または２に記載のアドホック無線ネットワークの経路確立方法。
4. 前記中継ノードは、１ホップ前の無線ノードと自ノードとの距離が大きいほど中継許可の確率を上昇させることを特徴とする請求項１に記載のアドホック無線ネットワークの経路確立方法。
5. 前記中継ノードは、送信元ノードと１ホップ前の無線ノードとの距離に対する送信元ノードと自ノードとの距離の増分が大きいほど中継許可の確率を上昇させることを特徴とする請求項２に記載のアドホック無線ネットワークの経路確立方法。
6. 前記中継ノードは、宛先ノードと１ホップ前の無線ノードとの距離に対する宛先ノードと自ノードとの距離の減分が大きいほど中継許可の確率を上昇させることを特徴とする請求項２に記載のアドホック無線ネットワークの経路確立方法。
7. アドホック無線ネットワーク上で経路要求メッセージおよび経路応答メッセージを送受して経路情報を生成する無線ノードにおいて、
   受信した経路要求メッセージおよび経路応答メッセージに基づいて経路情報を生成する手段と、
   前記経路情報を記憶するルーティングテーブルと、
   自ノードの現在位置を検知する手段と、
   送信元ノードとして機能するための送信元機能部と、
   中継ノードとして機能するための中継機能部と、
   宛先ノードとして機能するための宛先機能部とを含み、
   前記送信元機能部が、
   経路要求メッセージを生成する手段を含み、
   前記中継機能部が、
   受信した経路要求メッセージに登録されている位置情報を抽出する手段と、
   前記抽出した位置情報と自ノードの現在位置とに基づいて、当該経路要求メッセージの中継許否を決定する手段と、
   前記中継の許可された経路要求メッセージに自ノードの現在位置を位置情報として登録し、ブロードキャストで中継する手段とを含み、
   前記宛先機能部が、
   受信した経路要求メッセージに対する経路応答メッセージを生成する手段を含むことを特徴とするアドホック無線ネットワークの無線ノード。
8. 前記経路要求メッセージを生成する手段が、自ノードの現在位置を送信元ノードの位置情報として登録すると共に、宛先ノードの位置情報を登録し、
   前記中継許否を決定する手段は、受信した経路要求メッセージに登録されている送信元ノード、宛先ノードおよび１ホップ前の中継ノードの各位置情報と自ノードの現在位置とに基づいて中継許否を決定することを特徴とする請求項７に記載のアドホック無線ネットワークの無線ノード。
9. 前記中継の許可された経路要求メッセージに位置情報を登録する手段は、受信した経路要求メッセージに登録されている１ホップ前の中継ノードの位置情報を自ノードの現在位置に更新することを特徴とする請求項７に記載のアドホック無線ネットワークの無線ノード。
10. 前記中継許否を決定する手段は、１ホップ前の無線ノードと自ノードとの距離が大きいほど中継許可の確率を上昇させることを特徴とする請求項７に記載のアドホック無線ネットワークの無線ノード。
11. 前記中継許否を決定する手段は、送信元ノードと１ホップ前の無線ノードとの距離に対する送信元ノードと自ノードとの距離の増分が大きいほど中継許可の確率を上昇させることを特徴とする請求項８に記載のアドホック無線ネットワークの無線ノード。
12. 前記中継許否を決定する手段は、宛先ノードと１ホップ前の無線ノードとの距離に対する宛先ノードと自ノードとの距離の減分が大きいほど、中継許可の確率を上昇させることを特徴とする請求項８に記載のアドホック無線ネットワークの無線ノード。

Images