JP4302001B2 - 無線ネットワークのための制御装置 - 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装置に関する。

コンピュータネットワークにとって、公平性は最も重要な特性の１つである。すなわち、ネットワークのリソースが需要を満たすことができない場合、これらはネットワークのクライアント間で公平に分割されるべきである（例えば、非特許文献１参照。）。

アドホック無線ネットワーク環境では、無線媒体は共用リソースである。従って、アドホック無線ネットワークのアプリケーションは、各フローが媒体アクセスへの公平な機会を得るために、ネットワーク内の競合するフロー間でこの共用リソースを如何に効率よく管理するか、という極めて重要な課題に対応する必要性を提起する。アドホック無線ネットワークの無線通信システムおいて提案されているＭＡＣ（Media Access Control）プロトコルは、幾つかのコンテンションの解決方法を使用して競合するノード無線局間の媒体アクセスを制御しようとしている（例えば、非特許文献２参照。）。

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しかしながらこれらのプロトコルは、競合するフロー間での無線媒体の公平な割付けを必ずしも保証していない（例えば、非特許文献３参照。）。例えば、無線ＬＡＮに使用される媒体アクセス制御プロトコルは、動的な物理的チャンネル特性、キャリアの検出及び隠れ端末問題に起因して複雑である（例えば、非特許文献２参照。）。無線ＬＡＮに使用される衝突回避機能付きのＣＳＭＡ（ＣＳＭＡ／ＣＡ：Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）プロトコルは、ＲＴＳ（Request To Send）／ＣＴＳ（Clear To Send）を基礎とするチャンネル予約方法によって隠れ端末の問題を解決するように意図されている。

非特許文献４において開示された基本的な通信プロトコルであるＩＥＥＥ８０２．１１では、データを送信しようとするノード無線局は、無線媒体が空いていることを検出するまで待機する必要がある。次にこれは、バックオフカウンタとして公知のカウンタを特定の値範囲（コンテンションウィンドウとして知られている。）からのランダム値で設定する。これは、ノード無線局がその送信開始までに待機しなければならない時間を決定する。従って、この時間の間に、ノード無線局は無線媒体を検出し、無線媒体がフリーであればカウンタをデクリメントする。その時間内に無線媒体が再度使用中になれば、バックオフカウンタは当該無線媒体がまたフリーになるまでその動作が凍結される。バックオフカウンタがゼロに到達しかつノード無線局により無線媒体が引き続きアイドル状態であることが発見されると、当該ノード無線局はその送信を開始する。しかしながら、その時点で無線媒体が使用中であることが発見されれば、ノード無線局は新たな送信レンジから新たなバックオフ時間を選定する。この送信レンジ（コンテンションウィンドウ）は、そのノード無線局によって不成功に終わる送信試行が行われる度に指数関数的に増大する。従って、この方法はパケット間の衝突の機会を最小限に抑え、かつ複数のノード無線局が同時に媒体を捕捉することを防止する。

しかしながら、送信試行が不成功に終わる毎にコンテンションウィンドウのサイズが増大すると、ノード無線局が無線媒体へ公平なアクセスを得ることが阻害される可能性があり、これがこの方法の本質的な欠点となっている。このように、従来のＭＡＣプロトコルは無線媒体における衝突の確率を下げ、衝突の確率が下がるほど、試行に対する送信達成の確率の面で結果としてのスループットは大きくなる。指数関数的なバックオフには、衝突の確率を送信数のわずかな割合（多くの場合、１％未満）にまで低減させるという優れた特性がある（例えば、非特許文献５参照。）。ここで、これは必ずしも、これらの状況においてチャンネル帯域幅が競合するすべてのステーションによって等しく共用されることを保証しない（例えば、非特許文献５参照。）。

２つのフロー（Ｓ_１−Ｎ_１−Ｄ_１及びＳ_２−Ｎ_２−Ｎ_３−Ｄ_２）を示す図５に図示された状態について考察する。この状態での無線媒体は、例えば、フローＮ_１−Ｄ_１の通信によって予約され、ノード無線局Ｎ_３及びＤ_２は、ノード無線局Ｎ_１とＤ_１との間のＲＴＳ／ＣＴＳ信号の交換を通じてこの無線通信に関する情報を取得し、アイドル状態のままでいることを決定しているものとする。ここで、ノード無線局Ｎ_２はノード無線局Ｎ_１及び宛先無線局Ｄ_１の双方の送信レンジの外側にあってこの無線通信を認識せず、無線媒体はフリーであると検出している。従って、ノード無線局Ｎ_２は、ＲＴＳパケット信号を送ってチャンネルを予約することにより、ノード無線局Ｎ_３との無線通信を開始しようとする。ノード無線局Ｎ_３は、無線通信Ｎ_１−Ｄ_１に起因して非関与モードにあるため、このＲＴＳ信号に応答してＣＴＳパケット信号を送ることができない。従って、ノード無線局Ｎ_２は、ノード無線局Ｎ_３との通信試行が不成功に終わる結果として、増大するバックオフ時間でバックオフすることになる。ノード無線局Ｎ_１と宛先無線局Ｄ_１との間のデータ通信は、この時間内に終わる可能性がある。ノード無線局Ｎ_２はより長いバックオフを選択しており、従って、通信Ｎ_１−Ｄ_１は通信Ｎ_２−Ｎ_３よりもチャンネルを再度予約する高い機会を保有する。

さらに、フロー（Ｓ_２−Ｎ_２−Ｎ_３−Ｄ_２）の発信元無線局Ｓ_２は、フロー上の中間ノード無線局Ｎ_３におけるこのコンテンションを認識せず、予め定義されたレートでパケットの注入を続ける。このため、パケットを中継する機会が少なくなっているノード無線局Ｎ_２では不必要なパケットドロップが生じることになる。その結果、そのフローのパケット伝送率は大幅に損なわれる。これはまた、とにかくノード無線局Ｎ_２で失われることになるこれらのパケットを発信元無線局Ｓ_２からノード無線局Ｎ_２へ中継することにより、帯域幅の不必要な損失をもたらし、この無意味な輻輳がネットワークのスループットを劣化させる。

従って、この図５では、ＭＡＣ層の不公平さがフロー（Ｓ_２−Ｎ_２−Ｎ_３−Ｄ_２）を、スループット及びパケット伝送率（配達率）が低下する点で損なわせるだけでなく、無意味な輻輳を増大もさせる。本発明者らの目的は、競合するノード無線局間ではなく、競合するフロー間の不公平さを解決することにあり、この点で他の従来手法とは根本的に異なる。図５が示す状況では、フロー（Ｓ_１−Ｎ_１−Ｄ_１）のフローレートを最適に低減させることができれば、フロー（Ｓ_２−Ｎ_２−Ｎ_３−Ｄ_２）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、これにより、最終的に輻輳は低減し、両フローのパケット伝送率は向上させ、さらに、全体的なネットワークのスループットも向上させることになる。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、確率論的手法ではなく決定論的手法を使用することにより、競合するフロー間の相互交渉を通じてネットワーク内の損なわれるフローの性能を互いに公平であって適応的に向上できる無線ネットワークのための制御装置を提供することにある。

本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複数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、当該パケットフローのパケット到着間隔（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、
受信したパケットフローの発信元無線局以外の中継ノード無線局であるときは、上記ＰＡＩテーブルにおける当該パケットフローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）と、上記受信したパケットフローのパケット信号に含まれるパケット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発信元無線局に向けて逆伝搬させて送信する一方、上記受信したパケットフローの発信元無線局であるときは、当該パケットフローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）に基づいて、当該パケットフローのパケット注入間隔（ＰＩＲ）を計算し、当該計算されたパケット注入間隔（ＰＩＲ）で当該パケット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、上記第２の制御手段は、上記受信したパケットフローの発信元無線局であるときは、当該パケットフローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、上記すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）との間の誤差に基づいて、当該パケットフローのパケット注入間隔（ＰＩＲ）を計算し、当該計算されたパケット注入間隔（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信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、上記第２の制御手段は、上記受信したパケットフローの発信元無線局であるときは、当該パケットフローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、上記すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）との間の誤差に基づいて、当該誤差が最小となるように、比例積分及び微分制御（ＰＩＤ制御）方法を用いて、新しいパケット注入レート（ＰＩＩ）を計算し、当該計算されたパケット注入間隔（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信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装置によれば、上記受信したパケットフローの発信元無線局であるときは、当該パケットフローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）に基づいて、当該パケットフローのパケット注入間隔（ＰＩＲ）を計算し、当該計算されたパケット注入間隔（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信する。従って、競合するフロー間の相互交渉を通じてネットワーク内の損なわれるフローの性能を互いに公平であって適応的に向上でき、これにより、各パケットフローのスループットを大幅に向上できる。

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。

上述の問題点を解決するために、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、本発明者らは確率論的手法ではなく決定論的手法を使用し、競合するフロー間の相互交渉を通じてネットワーク内の損なわれるフローの性能を適応的に向上させる。ある特定のフローに属するノード無線局が長時間にわたってチャンネルを独占すれば、その送信レンジ内にある他のノード無線局を介するフローに影響が出る。そこで、各ノード無線局は、その近傍における他のフローのパケット到着率を継続的に監視する。例えば、フローＦ１に属するあるノード無線局が、その近傍における例えばフローＦ２である別のフローがその固有のフローレートより低いフローレートを有することを検出し、フローＦ２が公平なアクセスを得ていないことが示されると、フローＦ１は即座にそのフローレートを適応的に低減することを決定し、フローＦ２が無線媒体へアクセスする機会を得て、各フローが均一な性能を達成できるようにする。本実施形態に係る方法は、競合するフロー間の相互協力を基礎とする。言い替えれば、本発明者らの目的は、各々が媒体への公平なアクセスを取得するように、競合するフローのフローレートを適応的に調整することにある。この適応的な調整はまた、無線媒体の最適利用をも保証する。

例えば、フローＦ１がフローレートｐで動作し、フローＦ２がフローレートｑで動作しているものとする。ここで、ｐ＞ｑである。フローＦ１はフローＦ２のフローレートを検出し、フローＦ２がより高いフローレートになるようにそのフローレートｐを下げることを決定する。フローＦ２の方では、フローＦ１のフローレートを検出し、フローＦ１がフローＦ２のフローレートをより高くするためにそのフローレートを下げてくると見越して、そのフローレートを上げることを決定する。この制御アクションは、フローＦ１のフローレートがフローＦ２のそれより小さくなる（ｐ＜ｑ）まで続く。次に、逆の制御アクションで同じプロセスが反復される。すなわち、今度はフローＦ１がそのフローレートを上げ、フローＦ２がそのフローレートを下げる。最終的には、図６乃至図９が示すように、双方が共通のフローレートに落ち着く。これについては、詳細後述するように、クアルネット（ＱｕａｌＮｅｔ）のネットワークシミュレータを用いてシミュレーションを行って検証する。

上記の制御を達成するためには、あるフロー集合｛ｊ，…，ｋ｝への干渉を引き起こすフローＦｉが、フローＦｉ上の各ノード無線局でフロー｛ｊ，…，ｋ｝の各々のフローレートを検出しかつ測定し、続いてこの知識をフローＦｉの発信元無線局へ逆伝搬して制御理論的手法の使用によりそのフローレートを調整するという、フロー制御機構が必要である。この検出及び測定は、通信に関与する各ノード無線局のＭＡＣ層で行われる。これにより、フローＦ１（例えば、図５のＳ_１−Ｎ_１−Ｄ_１）に包含されるノード無線局は、フローＦ２に包含されるノード無線局からの連続するＲＴＳ信号の受信間隔を記録することにより、フローＦ２（Ｓ_２−Ｎ_２−Ｎ_３−Ｄ_２等）のフローレートを測定できるようになる。例えば、ノード無線局Ｎ_１はフローＦ２に包含されるノード無線局Ｎ３からＲＴＳ信号を受信し、各瞬間でフローＦ２のフローレートを測定することができる。この情報は、ＣＴＳ信号の送信によりフローＦ１の発信元無線局Ｓ_１へ逆伝搬され、発信元無線局Ｓ_１は、その固有のフローレートを検出されたこのフローＦ２のフローレートと比較し、両フローにおける均一性を維持すべくそのパケット注入レートを適応的に調整するように制御決定を計算する。

本実施形態ではまた、無線媒体におけるフロー間のコンテンションをさらに低減するための指向性アンテナの使用も提案している（例えば、非特許文献６−８参照。）。指向性アンテナの送信ビーム幅は全方向性アンテナのそれより狭く、フロー間のコンテンションの低減を促進し、システム内でのより多い同時通信数を可能にし、かつ空間分割多元接続（ＳＤＭＡ）を介する媒体利用を向上させる。本実施形態に係る方法について、詳細後述するように、クアルネット（QualNet）ネットワークシミュレータ（例えば、非特許文献９参照。）で評価し、本実施形態に係る方法が競合するすべてのフローに対して公平さを保証することを実証するとともに、全体性能が格段に向上させることを観察した。

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）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１９のステップＳ３４）、自局が当該フローの発信元無線局であるときＰＡＩテーブルにおける当該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、ＰＩＤ（Proportional Integral Derivative：比例積分及び微分）制御を用いたフローレート制御方法を用いて、当該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、自局が当該フローの発信元無線局でなくかつ中継無線局であるとき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Ｓ３８）。
（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Ｓ４０）、自局が当該フローの発信元無線局であるとき新しいＰＰＡＩに基づいて、ＰＩＤ制御を用いたフローレート制御方法を用いて、当該フローのＰＩＲを計算してＰＩＲを更新する（ステップＳ４２）一方、自局が当該フローの発信元無線局ではなくかつ中継無線局であるとき新しいＰＰＡＩを含むＣＴＳ信号を当該フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させる（ステップＳ４４）。

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１９−２０参照。）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１４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、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、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、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いず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１６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１４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１６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１６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１４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１７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１４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ＳＩＮＲ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のウィン否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指向性アンテナを使用するフロー制御方法の実装について以下に説明する。

本実施形態に係るフロー制御方法を説明するため、図５が示す例を再度参照する。この制御方法には、基本的に次の３つの部分が存在する。
（ｉ）フローの各ノード無線局におけるコンテンションの検出と測定。
（ii）発信元無線局へのコンテンション認識の逆伝搬。
（iii）コンテンションの認識を使用する、発信元無線局での適応的なフローレート調整。

部分（ｉ）及び部分（ii）、すなわちコンテンションの検出、測定及びコンテンションの認識の発信元無線局への逆伝搬処理は、従来技術に係るＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号の交換方法を使用し、既存のＲＴＳ及びＣＴＳパケット信号のフォーマットをわずかに変更して実施される。ノード無線局Ｎ_１により送信されるＲＴＳパケット信号及び宛先無線局Ｄ_１により送信されるＣＴＳパケット信号から、ノード無線局Ｎ_３及び宛先無線局Ｄ_２は共にその近傍におけるフロー（Ｓ_１−Ｄ_１）の存在を検出する。フロー（Ｓ_１−Ｄ_１）から遠隔にある発信元無線局Ｓ_２には、当該フローの存在は未知のままである。従って、ＣＴＳパケット信号の手助けにより、宛先無線局Ｄ_２はノード無線局Ｎ_３にこの知識情報を送信する。ノード無線局Ｎ_３は、ノード無線局Ｎ_２へＣＴＳパケット信号を送信しなければならなくなると、それ自身による固有のコンテンション検出に宛先無線局Ｄ_２から受信したその知識情報を組み合わせ、フロー内の最大のコンテンションを考慮してこれをＣＴＳパケット信号と共に送信する。最後に、ノード無線局Ｎ_２はＣＴＳパケット信号を用いてこの知識情報をノード無線局Ｓ_２へ送信する。発信元無線局であるＳ_２は、次に、フローの媒体におけるコンテンションを考慮し、適応的にそのパケット注入レートを調整する決定を下す。それ故、余分なパケット信号なしで、１個のフローによって検出された無線媒体内のコンテンション情報が発信元無線局へ送信され、発信元無線局はパケット注入レートを適応的に制御する。

上述の方法を実装するため、アドホック無線ネットワーク内の各フローは固有の通信ＩＤによって識別されることを想定し、かつ特殊なタイプのＲＴＳ及びＣＴＳパケット信号を導入している。ＲＴＳパケット信号のオリジナルフォーマットには、図４（ａ）に示すように、現在のＲＴＳパケット信号が送信されているフローの通信ＩＤを示す付加フィールドを付している。同様に、ＣＴＳパケット信号には、図４（ｂ）に示すように、現時点で２つの付加フィールドを有する。第１のフィールドはＲＴＳパケットの付加フィールドと全く同様のものであり、カレントＣＴＳが送信されているフローの通信ｉｄを伝達するように要求される。第２のフィールドは、現在のＣＴＳパケット信号が送信されているフローの近傍における無線媒体において競合しているフロー間で最も損なわれるフローの電波されたパケット到着間隔ＰＰＡＩを含む。従って、フローの近傍に競合する２つ以上のフローが存在すれば、フローの最大パケット到着間隔ＰＰＡＩの逆伝搬が行われる。これは、損なわれるフローが無線媒体に対する最大の機会を取得可能であり、かつコンテンション領域におけるそれらのパケット到着間隔ＰＡＩが改善されるように、特権フローは自らを繰り返し適応的に調整可能であることを示す。本実施形態に係る無線通信システムにおいては、フロー上の損なわれるノード無線局から捕捉されるコンテンションのフィードバックにより発信元無線局においてフローレートを調整する制御理論的手法が採用されている。本実施形態で開示している適応的なフローレート制御は、従来の比例積分微分（ＰＩＤ）制御機構を基礎としている。以下、この制御方法について詳細説明する。

ここまでは、全方向性アンテナであるオムニパターン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、指向性アンテナを使用して本方法を修正するためには、指向性ＭＡＣ及びその指向性の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、受信機指向性の回転セクターパターンを基礎とする指向性ＭＡＣプロトコル（例えば、非特許文献１９−２０参照。）及びネットワークアウェアの指向性ルーティングプロトコル（例えば、非特許文献８参照。）を使用して提案方法を実装した。この場合、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、この情報がそのＡＳテーブルに記録される。ＲＴＳ及びＣＴＳパケット信号は全方向性であるのに対して、データ及び肯定応答パケット信号は指向性を有するセクターパターンで送信される。アドホック無線ネットワークの無線通信システムにおける指向性アンテナの使用は無線干渉を大幅に低減させることが可能であり、これにより無線媒体の利用は向上する（例えば、非特許文献８，１９−２０参照。）。指向性アンテナのこの特性は、提案プロトコルの効率の改善に使用される。

図１０はこれを示し、図５のフロー（Ｓ_１−Ｄ_１）及びフロー（Ｓ_２−Ｄ_２）は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可能であるが、全方向性アンテナを使用する場合（図５）には、これは不可能であると考えられる。従って、指向性アンテナを使用すれば、フロー（Ｓ_１−Ｄ_１）が存在していてもフロー（Ｓ_２−Ｄ_２）のパケット注入レートを制御する必要がない。指向性アンテナを使用すれば、近くに複数の競合するフローが存在していてもフロー方向にある通信からの競合だけが考慮されるという意味において、無線媒体における競合の検出もまた指向性を有するセクターパターンを用いて実行される。媒体アクセス制御（ＭＡＣ）は、そのＡＳテーブルを調べて無線媒体における指向性の競合を検出する。所定のセクターパターンを有する指向性アンテナはＳＤＭＡ（空間分割多元接続）の効率を向上させることから、これは無線媒体内の他のフローの妨害を最小限に抑えながら損なわれるフローのパケット注入レートをも高め、これにより、無線ネットワーク内の全フローのスループットが増大するに至る。同時に、複数のフローが結合される機会は低減され、無線ネットワーク性能が改善されることになる。

次いで、「他のフローによるコンテンションの検出とフローレートの測定」について以下に説明する。

フローが開始されると、複数のホップを介してパケット信号が宛先無線局へ送信され、かつＭＡＣ層では、各中間ノード無線局におけるパケット配信がＲＴＳ／ＣＴＳ／ＤＡＴＡ／ＡＣＫの交換によって確認される。これらのＲＴＳ及びＣＴＳパケット信号は、発信元無線局においてどんなパケット注入レート制御決定が下さ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。

セクターパターンを用いた指向性送信の無線通信システムにおいては、２つのフローは、双方のフロー方向が重なる場合にのみ互いに電波干渉し合う。図１０では、ノード無線局Ｎ_１とノード無線局Ｎ_３は互いの全方向性送信レンジ内にあるが、指向性データ通信の間、ノード無線局Ｎ_１から宛先無線局Ｄ_１へのフローはノード無線局Ｎ_３から宛先無線局Ｄ_２へのフローに電波干渉しない。セクターパターンの指向性アンテナを使用するフローが直面するコンテンションを検出するためには、そのフロー内の各ノード無線局は、フロー方向のその指向性送信ゾーンが他の任意のフローを処理する任意のノード無線局を含んでいるか否かを検出することが不可欠である。含んでいれば、指向性データ通信の間にそのノード無線局においてコンテンションの発生が予測されることが意味される。よって、コンテンションを検出したフローのフローレートを制御して競合する他のフローのフローレートを保護する必要がある。以下、任意のノード無線局ｎがフローのフローレートを検出しかつ測定する機構を示す。

＜定義１＞ノード無線局ｎの送信ゾーンＴＺ_ｎ（α，β，Ｒ）：ノード無線局ｎが送信レンジ（送信距離）Ｒで方位角α及びビーム幅βの送信ビームを形成するとき、方位角αにおけるｎの有効範囲をノード無線局ｎの送信ゾーンＴＺ_ｎ（α，β，Ｒ）（図１１）と定義する。これは、ノード無線局ｍが送信ゾーンＴＺ_ｎ（α，β，Ｒ）内にあり、かつノード無線局ｍが受信モードにあれば、ノード無線局ｎが当該ノード無線局ｎに対する送信方位角α、ビーム幅β及び送信レンジＲでメッセージを送信する毎に、ノード無線局ｍによってこれが受信されることを意味する。ノード無線局ｍが送信ゾーンＴＺ_ｎ（α，β，Ｒ）から移動すると、ノード無線局ｎとノード無線局ｍとの接続性は失われる。なお、本実施形態では送信ビーム幅β及び送信レンジＲが一定であるため、後の説明では、送信ゾーンＴＺ_ｎ（α，β，Ｒ）を送信ゾーンＴＺ_ｎ（α）と呼ぶ。

＜定義２＞ＲＴＳパケット信号受信時刻（RTS Reception Time）ＲＲＴ^{Ｆｉ，α，ｎ}（ｔ）：これを、ノード無線局ｎがその時点でフローＦ_ｉを処理している任意のノード無線局からノード無線局ｎに対する方位角αでＲＴＳパケット信号を受信する時刻ｔと定義する。

＜定義３＞パケット到着間隔（Packet Arrival Interval）ＰＡＩ^{Ｆｉ，α，ｎ}（ｔ）：これを、ノード無線局ｎで時刻ｔにおいてノード無線局ｎに対する方位角αでフローＦ_ｉから受信される２つの連続するＲＴＳパケット信号受信時刻ＲＲＴの間隔と定義する。これは、指向性の近傍における任意のノード無線局ｎにより、単位時間当たりのパケット数（１／ＰＡＩ^{Ｆｉ，α，ｎ}（ｔ））としてのＦ_ｉのフローレートの測定に使用される。従って、次式を得る。なお、当該明細書において、数式がイメージ入力された墨付き括弧の数番号と、数式が文字入力された大括弧の数式番号とを混在して用いており、また、当該明細書での一連の数式番号として「式（１）」の形式を用いて数式番号を式の最後部に付与して用いることとする。

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

ここで、ｔ_{ｐｒｅｖｉｏｕｓ}は現在処理対象の受信されたパケット信号よりも１つ前に受信されたパケット信号の時刻であり、ｔ−Δｔ＜ｔ_{ｐｒｅｖｉｏｕｓ}＜ｔである。Δｔはノード無線局ｎに到来する２つのＲＴＳパケットの連続性の有効性を保証するために導入される時間間隔である。例えば、ノード無線局ｎが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パケット信号を受信し損なえば、これはフローレートの計算を誤る可能性がある。時間間隔Δｔの導入は、こういう状態において必要である。ＲＴＳパケット信号を発行することのない任意の宛先ノード無線局の場合は、ＣＴＳパケット信号受信時刻を監視してそのフローの宛先ノード無線局におけるフローレートが計算される。６個のフローの状況では、時間間隔Δｔは２秒になった。

＜定義４＞ＰＡＩテーブルＰＡＩＴ^ｎ（ｔ）：これは、図１５に示すように、各方位角α毎における各フローＦ_ｉのパケット到着間隔ＰＡＩ^{Ｆｉ，α，ｎ}（ｔ）を記憶する。

以上において、ノード無線局ｎにおける、例えばＦ１であるフローが例えばＦ２である別のフローとの競合を生成している否かは、フローＦ１の送信方向又は送信ゾーン及びそのゾーンにおけるフローＦ２による進行中の無線通信の存在に依存する。ここで、ノード無線局ｎにおけるフローＦ１は、ノード無線局ｎに対する送信ゾーンβを使用しているものとする。言い替えれば、βはノード無線局ｎにおける時刻ｔでのフローＦ１の方向である。ノード無線局ｎにおけるこのフローＦ１がその近傍における他の任意のフローとの競合を生成しているか否かは、方位角βにおけるノード無線局ｎのＰＡＩテーブルの入力情報に依存する。すなわち、方位角βにおけるＰＡＩテーブルが｛＜ＰＡＩ^{Ｆｊ，β，ｎ}（ｔ）＞＜ＰＡＩ^{Ｆｋ，β，ｎ}（ｔ）＞…｝のような他の幾つかのフローに関する何らかのＰＡＩ入力情報を含んでいれば、ＭＡＸ（ＰＡＩ（β，ｔ））＝（ＭＡＸ｛＜ＰＡＩ^{Ｆｊ，β，ｎ}（ｔ）＞，＜ＰＡＩ^{Ｆｋ，β，ｎ}（ｔ）＞…｝）はフローＦ１のレート調整のために逆伝搬される必要がある。ここで、ＭＡＸ（・）は引数の最大値を表す演算子であり、ＭＡＸ（ＰＡＩ（β，ｔ））は、これらのＰＡＩ値の最大値が最低フローレートを示すことから、そのノード無線局による最も影響される競合フローの同定を手助けすることは注目すべき点である。従って、フローＦ１はこの最大のＰＡＩ値を保護するためにそのフローレートの調整を試行することになり、これにより、他のフローも自動的に保護される。ここで、どのフローも、公平な最大媒体アクセスを目指して競合する他のフローもまた適宜そのパケット注入レートを制御してくるという予測のもとに、そのパケット注入レートを制御する点に留意しなければならない。

次いで、「フローの発信元無線局によるフローレートの分散測定技術」について検討する。

いま、（Ｓ→Ｎ_１…→Ｎ_ｋ−１→Ｎ_ｋ→Ｎ_ｋ＋１→…→Ｄ）があるフローの発信元無線局から宛先無線局へのルートであるとすると、各ノード無線局は、ＰＡＩテーブル内のＰＡＩ^{Ｆｉ，α，Ｎｋ}（ｔ）を使用して他のフローのフローレートを独立して測定する。フローの各中間ノード無線局で認識される他のフローのフローレートは、異なる可能性がある。ここで、制御決定を下すためには、そのフローの発信元無線局は、フローレートのボトルネック情報、すなわち各ノード無線局（Ｓ，Ｎ_１，…，Ｎ_ｋ−１，Ｎ_ｋ，Ｎ_ｋ＋１，…，Ｄ）で測定されたすべてのフローレート値のうちの最低値を認識していなければならない。言い替えれば、発信元無線局Ｓは、発信元無線局Ｓから宛先無線局Ｄへのフロー方向における全ノード無線局（Ｓ，Ｎ_１，…，Ｎ_ｋ−１，Ｎ_ｋ，Ｎ_ｋ＋１，…，Ｄ）でのＭＡＸ（ＰＡＩ）の値を知る必要がある。

説明を簡単にするため、これまでは１つだけのフローについて考察してきた。しかしながら、１つのノード無線局は複数のフローに包含されている場合もある。従って、ＭＡＸ（ＰＡＩ）を、任意の方位角βの絶対値ではなく、フローＦ_ＩＤ及びそのフローＦ_ＩＤのフロー方向に関連づける必要がある。そこで、以下の定義５において、ＭＡＸ（ＰＡＩ）の定義を下記のように修正する。

＜定義５＞検出される最大のパケット到着間隔ＤＭＰＡＩ（Ｎ_ｋ）^Ｆｉ（ｔ）又は時刻ｔにおいてフローＦ_ｉを処理するノード無線局Ｎ_ｋで検出される最大パケット到着間隔を、ノード無線局Ｎ_ｋで検出されるフローＦ_ｉ方向の他のフローの最大ＰＡＩと定義する。

＜定義６＞伝搬されたパケット到着間隔ＰＰＡＩ（Ｎ_ｋ）^Ｆｉ（ｔ）は、フローＦ_ｉのノード無線局Ｎ_ｋ＋１から宛先無線局Ｄによって測定されたノード無線局Ｎ_ｋ＋１からのノード無線局Ｎ_ｋにおける他のフローの最大ＰＡＩの伝搬値である。従って、次式で表される。

［数２］
ＰＰＡＩ（Ｎ_ｋ）^Ｆｉ（ｔ）
＝ＭＡＸ｛ＤＭＰＡＩ（Ｎ_ｋ＋１）^Ｆｉ（ｔ），…，ＤＭＰＡＩ（Ｄ）^Ｆｉ（ｔ）｝
（２）
［数３］
ＰＰＡＩ（Ｎ_ｋ−１）^Ｆｉ（ｔ）
＝ＭＡＸ｛ＤＭＰＡＩ（Ｎ_ｋ）^Ｆｉ（ｔ），ＰＰＡＩ（Ｎ_ｋ）^Ｆｉ（ｔ）｝
（３）

従って、伝搬されたパケット到着間隔ＰＰＡＩ（Ｓ）^Ｆｉは、フローＦ_ｉの発信元無線局Ｓによって最終的に検出される競合する他のフローの最大パケット到着間隔である。フローＦ_ｉの発信元無線局Ｓは、この情報を使用してＦ_ｉのフローレートを適応的に制御する。

次いで、本実施形態で用いる「フロー制御機構」について以下に説明する。この中で、まず、「比例積分及び微分（ＰＩＤ）制御に関する幾つかの準備段階」について説明する。

図１２は、基本的な帰還型コントローラ装置の構成を示すブロック図である。帰還型コントローラ装置を、測定可能なプロセス変数（出力信号）Ｙを設定ポイントとして周知の所望の設定値Ｒ（設定点信号）の方向へ駆動すべくプロセスに何らかの制御を働かせる制御信号の出力ｕを発生させるように設計する（図１２）。帰還型コントローラ装置は、アクチュエータを使用してプロセスに作用し、センサを使用して結果を測定する。

図１２において、帰還型コントローラ装置は、減算器１１ｔと、コントローラ１２と、制御対象のプラント装置１３とを備えて構成される。加算器１１は入力される設定点信号Ｒから、プラント装置１３から出力される出力信号Ｙを減算して、減算結果の信号であるトラッキング誤差信号ｅをコントローラ１２に出力する。コントローラ１２は、入力されるトラッキング誤差信号ｅに基づいて所定の制御方法を用いて制御するための制御信号ｕを発生してプラント装置１３に出力する。プラント装置１３は、入力される制御信号ｕに基づいてその動作が制御され、そのときのプラント装置１３からの出力信号Ｙが減算器１１に出力されるとともに、外部装置に出力される。

以上説明したように、図１２の帰還型コントローラにおいては、設定点信号（Ｒ）とプロセス変数である出力信号（Ｙ）の測定値との誤差信号ｅを観察することによりその出力信号を決定する。誤差信号ｅは、プロセス上の外乱又は負荷がプロセス変数を変更すると発生するが、図１２の帰還型コントローラ装置の役割は、この誤差信号ｅを自動的に排除して０にすることにある（例えば、非特許文献１２参照。）。

初期の帰還型制御装置は、その制御構成において明示的又は暗示的に比例積分及び微分（ＰＩＤ）制御の各動作の考案を使用した。ここで、ＰＩＤ制御を厳密に理論的に考察したのは、１９２２年に発表されたミノルスキー（Minorsky）による船舶操舵に関する現象研究であった（例えば、非特許文献２２参照。）。ＰＩＤコントローラは、現代の産業プロセスにおいて今だ最も広範囲に使用されている制御構成である（例えば、非特許文献２３照。）。ここで、ＰＩＤ制御アルゴリズムの一般式は、次式で表される。

ここで、変数（ｅ）は、減算器１１により計算され、所望の入力値である設定点信号（Ｒ）と実際の出力信号（Ｙ）との差であるトラッキング誤差信号を表す。この誤差信号（ｅ）はＰＩＤコントローラ１２に送られ、ＰＩＤコントローラ１２はこの誤差信号ｅの導関数及び積分の双方を計算する。ＰＩＤコントローラ１２を通過した直後の制御信号（ｕ）は、この時点で、比例利得（Ｋ_ｐ）×誤差信号の大きさ（ｅ）＋積分利得（Ｋ_ｉ）×誤差信号（ｅ）の積分＋微分利得（Ｋ_ｄ）×誤差信号（ｅ）の導関数に等しい。

比例利得（Ｋ_ｐ）は、制御信号ｕの立ち上り時間を短縮する効果を有し、かつ定常状態の誤差を、完全に排除はしないものの低減させる。積分利得（Ｋ_ｉ）は定常状態の誤差を排除する効果を有するが、過渡応答を悪化させる場合がある。微分利得（Ｋ_ｄ）は、システムの安定度を高め、オーバーシュートを低減し、過渡応答を向上させる効果を有する。上記の式はＰＩＤコントローラ２３の連続表示の式であり、離散表示に変換されなければならない。これを行う方法は幾つか存在するが、一次有限差分を使用するものが最も簡単である。ここで、比例する誤差項も、やはり基準値と現在値との誤差を用いる。微分項及び積分項は、次式で置き換えできる。

ここで、ｗは積分制御のウィンドウである。従って、上記式の最終形式は、次式で表される。

従って、所望の出力信号Ｙを計算するためには、現在の誤差、誤差合計及び誤差の最近の変化を求めることが必要になる。

次いで、「公平性をもたらすためのＰＩＤコントローラを使用するフロー制御方法」について以下に説明する。

図１３は、複数のフローが互いに結合され、すなわちこれらのフローのルートは１つ又は複数の共通ノード無線局を共用し、もしくは互いに干渉し合うほど近接しているかのいずれかである、基本的なフローレート制御方法を示すブロック図である。アドホック無線ネットワーク内の競合するすべてのフローに公平性をもたらすために、各フローは、無線媒体内にコンテンションを検出するとＰＩＤ制御方法を使用してその発信元無線局においてそのフローレートｕを適応的に変更する。その結果、損なわれるフローは、無線媒体にアクセスしてそのパケット信号を送信するより良好な機会を獲得する。必然的に、損なわれるフローのフローレート（Ｙ_ｊ）は向上する。例えばＦ_ｉであるフローを処理するノード無線局は、フロー方向沿いのコンテンションに起因して、Ｍ_ｊで表される他の近傍フローのフローレートの低下を継続的に測定している。この情報（Ｍ_ｊ ^ｍｉｎ）は、フローＦ_ｉを処理する発信元無線局Ｓに逆伝搬される。これを基礎として、発信元無線局はフローＦ_ｉのパケット注入レートを調整し、当該プロセスが反復される。当該無線通信システムにおける本発明者らの目的は、特権フローのフローレートの低減を最小限に抑えながら損なわれるフローのフローレートを最大化し、最終的には競合するすべてのフローが無線媒体の最大利用により媒体への公平なアクセスを得られるようにすることにある。本発明者らにより提案する制御方法に従って、フローはフローレートの低減に関して他のフローにおけるエラーを検出し、恵まれないフローのフローレートが向上するように適宜その自らのフローレートを調整する。この種の要件は従来技術のＰＩＤ制御には存在せず、よって提案手法は従来のＰＩＤ制御から派生したものである。引き続き、これについて説明する。

次いで、「フローレートの帰還型制御」について以下に説明する。

以下の説明では、発信元無線局におけるパケット注入間隔（ＰＩＩ）をフローレートを制御する測度として考察した。発信元無線局におけるフローのパケット注入レート（ＰＩＲ）（単位：パケット／秒）は、次式を用いて計算できる。

［数４］
ＰＩＲ＝１／ＰＩＩ （８）

例えば、発信元無線局におけるパケット注入間隔ＰＩＩが２０ミリ秒であれば、パケット注入レートＰＩＲ＝５０パケット／秒である。ここで、制御決定を下すためには、まず図１２のＰＩＤコントローラ１２において誤差を計算する必要がある。

任意のフローＦ_ｉのその発信元無線局Ｓにおける誤差ｅは次式で表される。

［数５］
ｅ＝ＰＩＩ^Ｆｉ−ＰＰＡＩ（Ｓ）^Ｆｉ （９）

ここで、ＰＩＩ^ＦｉはフローＦ_ｉのパケット注入間隔であり、ＰＰＡＩ（Ｓ）^Ｆｉは、フローＦ_ｉにおけるノード無線局によって検出されかつフローＦ_ｉの発信元無線局Ｓへ逆伝搬されるＦ_ｉの近傍における他の競合するフローの最大パケット到着間隔である。

図１３において、減算器２１には、ｉ番目のフローＦｉのパケット注入間隔ＰＩＩが入力されるとともに、当該アドホック無線ネットワークにより最小フローレートを逆伝搬させるシステムから出力される当該最小フローレートが入力され、これらの誤差ｅが減算器２１により計算された後、フローＦｉの発信元無線局に設けられたフローコントローラＦＣｉに入力される。フローコントローラＦＣｉは入力される誤差に基づいて２つの誤差間の時間間隔Δｔを計算して無線ネットワークにおけるフローシステム２３に出力して各フローの注入レートを制御する。各フローＦｉは当該アドホック無線ネットワークを伝搬してゆく。ここで、各フローＦｉを処理する中間のノード無線局により他のフローレートＭｉを測定するシステム２４により測定された他のフローレートＭｉが最小フローレートを逆伝搬させるシステム２５により逆伝搬されて減算器２１に戻される。

すなわち、誤差ｅ（ｎ）及び連続する２つの誤差間の時間間隔Δｔが計算されると、フローコントローラＦ_ｉ（Ｓ）のパケット注入間隔ＰＩＩは、次式で計算される。

ここで、ＰＩＩｏｌｄは制御前のパケット注入間隔であり、ＰＩＩｎｅｗは制御後のパケット注入間隔である。また、パラメータｋ_ｐ，ｋ_ｉ及びｋ_ｄの値は最適な性能を得るように調整する必要がある。ＰＩＤコントローラ１２を用いたフローレートのシミュレーション結果の性能については、詳細後述する。当該シミュレーションでは、パラメータｋｐ，ｋｉ，ｋｄ及びｗの値をそれぞれ、０．２，０．０８，０．０８及び５にしており、これらは好ましい設定値である。

図１８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１８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２０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１８に示すように、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１８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１９は図１８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１９のステップＳ３１において、当該フローの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において自局は当該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、ＰＩＤコントローラ１２を用いたフローレート制御方法を用いて、当該フローの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、自局は当該フローの中継無線局であるか否かが判断され、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をＰＰＡＩとして選択して当該ＰＰＡＩを含むＣＴＳ信号を当該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Ｓ３９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Ｓ４０に進む一方、ＮＯのときはそのままステップＳ４１に進む。ステップＳ４０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Ｓ４１において自局は当該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Ｓ４１でＹＥＳのときはステップＳ４２に進む一方、ＮＯのときはステップＳ４３に進む。ステップＳ４２では、新しいＰＰＡＩに基づいて、ＰＩＤコントローラ１２を用いたフローレート制御方法を用いて、当該フローの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Ｓ４３では、自局は当該フローの中継無線局であるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ４４に進む一方、ＮＯのときは元のメインルーチンに戻る。ステップＳ４４では、新しいＰＰＡＩを含むＣＴＳ信号を当該フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させる。なお、当該フローの通信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２０は、図１８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２０のステップＳ２１において、当該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１６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適応的な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、上述のした無線通信システムについて提案した制御方法の性能を、クアルネット（QualNet）シミュレータ（例えば、非特許文献９参照。）を用いて評価した。考察はＩＥＥＥ８０２．１１に基づく指向性のＭＡＣ（例えば、非特許文献１９参照。）に関して行い、セクターパターンを有する指向性アンテナのみを使用する提案する本実施形態に係るプロトコルを実装した。シミュレーションは、３０度で離散的に操向されて３６０度のスパンをカバーする擬似スイッチ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（例えば、非特許文献２０参照。）を用いて行った。クアルネット（QualNet）シミュレータには、提案するプロトコルを実装するために必要な変更を加えた。次の表１はシミュレーションにおいて使用したパラメータセットをまとめたものである。当該無線通信システムに関する性能評価は、まず異なるノード無線局の静的状態で行ない、次いで、ノード無線局の移動下で行った。

まず、「静的状態における性能」について以下に説明する。本実施形態に係る無線通信システムにおける提案するプロトコルにおいて取得される利得を明確に示すため、静的ルートを使用してルーティングプロトコルによる影響を回避した。また、任意のルーティングプロトコルによって発生されるすべての制御パケットを停止させるためにも、静的ルートを使用した。２つのフローが互いに結合され、かつ共用する無線媒体へアクセスするために競合すると、不公平な媒体アクセスにより、結合されたフローの性能が変動する可能性がある。この状況において、本発明者らが提案するパケット注入レート制御プロトコルが公平な媒体アクセスのために必要になる。よってすべての静的トポロジーにおいて、発信元無線局と宛先無線局との対を無作為に選択する代わりに、パケット注入間隔制御の効果を実証できる状況を人工的に創出すべく互いに結合されるように、発信元無線局と宛先無線局との対を選定した。評価は、ストリングトポロジーにおける性能と、３つの設定のグリッドトポロジーの下の性能に関して行った。すべてのケースで、個々のフローのスループット、パケット伝送率及びエンドツーエンドの平均遅延時間、並びに、すべてのフローの平均値について評価した。「公平な媒体アクセス」と標題を付けた本発明者らの提案プロトコルと、「不公平な媒体アクセス」と標題を付けた、公平のための方法が使用されていない方法とを比較した。

ここで、まず、「ストリングトポロジー」におけるシミュレーションとその結果について以下に説明する。まず、図２１に示すように、双方が互いに干渉し合うほど近接している無線ネットワークの２つのストリングに沿って４ホップのフローを選定した。図２１が示すセクターパターンである指向性アンテナパターンは、各フローの送信ゾーンを示している。この２つのフローは、「フローＦ１」及び「フローＦ２」で表している。公平のための機構がない場合、フローＦ１のスループット（図２２）はフローＦ２のスループットの３分の１より少ない。これは、不公平な媒体アクセスに影響されたものであり、パケット伝送率（図２３）及びエンドツーエンドの平均遅延時間（図２４）にもこれが反映されている。公平な媒体アクセスを導入すると、２つのフローＦ１，Ｆ２のスループットはほぼ等しくなり、各フローＦ１，Ｆ２のスループットは、公平のための方法が全くない場合のフローＦ２のそれよりも大きくなる。従って、提案する本実施形態に係るプロトコルでは、平均スループットは、公平のための方法がなかった場合の２倍になる。公平のための方法がなければほぼ０．１であったパケット伝送率は、ほぼ１にまで増大する。しかしながら、最も著しい向上は、エンドツーエンドの平均遅延時間において認められた。両フローＦ１，Ｆ２で５秒を超えていたパケット当たりのエンドツーエンドの平均遅延時間は、提案する本実施形態に係るプロトコルの実装によって０．５秒未満へと急激に下がった。

公平のための方法がない場合は、フローＦ２が無線媒体に対するほとんどの機会を獲得し、フローＦ１は損なわれる。また、２つのフローによるコンテンションは１つのノード無線局内に止まらず、２つのフローＦ１，Ｆ２のすべてのリンクが互いに密に結合される。この強力な結合に起因して、最高の性能を有するフローであっても、公平のための方法が全くない場合には、パケット注入レート制御導入後の各フローのそれより少ない性能を有する。

２つのフローＦ１，Ｆ２が互いに結合されると、これらは共通の無線媒体を共用して無線通信するしかなく、単独で動作していた場合に可能であったほどのパケット信号を処理することはできない。しかしながら、コンテンションに気付かない発信元無線局は高速でパケット信号を注入するために、無意味な輻輳が発生し、スループットは劣化する。これは、中間ノード無線局における待ち行列の長い待機時間をさらに増大させ、１パケット当たりのエンドツーエンドの平均遅延時間が増大する。これはまた、不要な輻輳及び待ち行列におけるパケットドロップ（パケット損失）をもたらし、最終的にパケット伝送率が損なわれる。提案する本実施形態に係るプロトコルは、公平な媒体利用、均一で高いスループット及び極めて少ないパケットドロップに関するこれらの問題点に対処することから、パケット伝送率はほぼ１になり、極めて低いエンドツーエンドの平均遅延時間が達成される。図２２乃至図２４が示す結果は、これらの性能利得を反映している。

次いで、「格子形状のグリッドトポロジー」におけるシミュレーションとその結果について以下に説明する。ここで、公平な媒体アクセスのためのパケット注入レート制御アルゴリズムを、下記のような３種類の設定によるグリッドトポロジーで評価した。
（１）図２５に示すように、２つのフローＦ１，Ｆ２はグリッドの水平行及び垂直列沿いに互いに交差している。セクターパターンである指向性アンテナパターンは、各フローＦ１，Ｆ２の送信ゾーンを示す。
（２）図２９に示すように、４つのフローＦ１乃至Ｆ４はそれぞれ、グリッドの２つの水平行及び２つの垂直列沿いに互いに交差している。各フローＦ１乃至Ｆ４の送信ゾーンは、２つのフローＦ１，Ｆ２の場合に類似している。
（３）図３３に示すように、６つのフローＦ１乃至Ｆ６は、グリッドの３つの水平行及び３つの垂直列沿いに互いに交差している。各フローＦ１乃至Ｆ６の送信ゾーンは、２つのフローＦ１，Ｆ２の場合に類似している。

ここで、選択されたフローは、すべて４ホップである。これらの３つのケースのすべてにおいて、提案した公平のための方法は、図２６、図３０及び図３４から明らかなように向上した均一のスループット、ほぼ１のパケット伝送率（図２７、図３１及び図３５）及び極めて少ないエンドツーエンドの平均遅延時間（図２８、図３２及び図３６）を得た。

次いで、各ノード無線局の移動下におけるシミュレーションとその結果について説明する。

提案する本実施形態に係るプロトコルを、面積１５００×１５００ｍ^２の有界領域内の１００個のノード無線局１において毎秒０〜１０ｍで移動する６つのフローＦ１乃至Ｆ６を用いて評価した。ＭＡＣ及びルーティングプロトコルは、例えば非特許文献８に記載のものを使用した。移動性に起因する様々な可能ランダムトポロジーの平均を得るために、６分のシミュレーション時間を選定した。ノード無線局１の移動性により、各フローは、異なる時間ポイントにおいて様々な方法で勝手に動作する。当該シミュレーションでの動作方法として以下の動作方法が可能である。
（動作方法１）公平な媒体アクセスの要件がない場合、単独で動作する。
（動作方法２）フローレート制御が必要である場合、別のフローのすぐ側で動作し、共用する無線媒体へのアクセスを得るためにそのフローと競合する。
（動作方法３）競合する各フローに公平性を与えるべく徹底したフローレート制御が行われる場合、複数のフローの側で単に動作し、共用する無線媒体へのアクセスを得るためにこれらのフローと競合する。

各々の動作方法で、任意のフローのスループットは他の動作方法とは大幅に異なる。移動性に起因して、１つのフローは、動作方法１又は２を経験し、第２のフローは動作方法３のみを経験するということが起こり得る。第２のフローは徹底的なレート制御を必要とするため、これらの２つのフローのスループットは大幅に異なるものになる。ここで、これは必ずしも、これらが公平な媒体アクセスを得なかったことを指すものではない。公平な媒体アクセスは、競合の間に競合するフロー間でのみ保証される。従って、移動下でのフローのスループットは表示していない。

図３７及び図３８はそれぞれ各々、６つのフローＦ１乃至Ｆ６のパケット伝送率及びエンドツーエンドの平均遅延時間を示している。提案する本実施形態に係るプロトコルを実装すると、各フローのパケット伝送率は、公平のための方法が全くない場合のその値の２倍乃至３倍に増大する。これらの図３７及び図３８に示すように、フロー制御を行った場合の各フローの終端間遅延は、フロー制御を行わない場合のほぼ３分の１乃至５分の１である。また、フローレート制御方法の実装後は、競合するフロー間のエンドツーエンドの遅延時間の変動も縮小される。これらはすべて、フローレート制御方法が、競合するすべてのフローに対して共用媒体への公平なアクセスをもたらすことを示している。

以上説明したように、本実施形態では、各フローが媒体への公平なアクセスを得るように、競合するフローのフローレートが適応的に調整される。フローレートの調整は、競合する他のフローもまたそのフローレートを適宜調整していくという予測のもとで行われる。従って、フロー間の継続的な相互交渉及びコラボレーションにより、文字通りの公平性の達成が促進される。なお、パラメータｋ_ｐ、ｋ_ｉ及びｋ_ｄの値は異なる動作方法で調整したが、これらの値は公平のための方法の向上に大きく影響することがわかる。

本実施形態に係る方法と関連する従来技術文献に係る方法との相違点．
さらに、本実施形態に係る方法と、関連する従来技術文献に係る方法との相違点について以下に説明する。

無線ネットワークにおける公平性の問題に関しては、これに対処する多くの公平なスケジューリングアルゴリズムが提案されている。例えば非特許文献１０は、帯域幅の公平な割付けを提供するためのオンラインスケジューリング方法について記述している。この方法は、フローのトラフィック需要が一貫してその公平な共用に至っていないか否かを検出することが可能であり、そうであれば、過剰な帯域幅を他のフロー間で分配することができる。同時にこのポリシーにより、フローはその先行シェアの一部を再要求することが可能になり、再要求の程度は、パラメータを介して正確に制御することができる。

また、非特許文献１１では、各フローに関する最適なチャンネル利用及び公平性を達成する集中パケット−スケジューリングアルゴリズムが設計されている。このアルゴリズムは、達成可能な最大チャンネル利用に関するある種の予測を使用し、これは、公平性を意識した新たなスケジューリングプロトコルの設計の間に本質的なガイドラインを提供する。またこの論文では、分析及びスケジューリングの間に、マルチホップ無線ネットワークにおける競合するノード無線局でのボトルネック情報も考慮される。

さらに、共用リンク上の帯域幅の公平な割付けを達成するための「公平なキューイング」アルゴリズムに関しては、多くの研究が実行されている。これらの公平なキューイングアルゴリズムは、それらがフローに関する全情報へのアクセスを有する単一のノード無線局（例えば、スイッチ装置又はルータ装置）上で実行されることから、故意に集中化されている。これらのアルゴリズムによって達成される公平性は、ロケーション依存のエラーが存在すると損なわれ得ることが観察されている（例えば、非特許文献１４参照。）。ロケーション依存のエラーが存在する場合に公平性を高める多くの手法も、開発されている（例えば、非特許文献１５−１６参照。）。これらの手法は集中化され、ロケーション依存のエラーの存在に起因してそのパケットが崩壊されるホストを「補償する」ように無線チャンネルへのアクセスを調整する基地局を必要とする。

またさらに、非特許文献１７では、ＩＥＥＥ８０２．１１の標準における分散調整関数（ＤＣＦ：Distributed Coordination Function）を修正した無線ＬＡＮのための分散公平なスケジューリング（ＤＦＳ：Distributed Fair Scheduling）が提案されている。このプロトコルは、チャンネルを共用するフローのウェイトに比例して帯域幅を割り付ける。この方法では、パケット信号にとって適正なバックオフ間隔の選定に使用可能な様々なマッピングも提案されている。この論文の著者達は、フローの適正なウェイトを決定する機構については考察していない。ここで、ＤＦＳでは、より大きいウェイトがより小さいコンテンションウィンドウを選定することになる点は指摘されている。その結果、ＤＦＳの性能は衝突の増加によって劣化する可能性がある。

無線局が無線媒体を等しく共用できるように無線リンク間で負荷を分散式に平衡させる効率的な無線ＭＡＣアルゴリズムは、オグールほかによって幾つか提案されている（例えば、非特許文献３参照。）。この著者達は、バックオフカウンタが、あるノード無線局により不成功な媒体アクセス試行が反復された後に不必要な高い値を選択することを防止するウィンドウ交換アルゴリズムを提案している。また、無線ネットワークの公平性問題を解決するための接続ベース及び時間ベースの平衡媒体アクセス方法もこの文献において提案されている（例えば、非特許文献３参照。）。平衡な無線媒体アクセス方法では、公平な無線アクセスは、各無線局から他の近傍無線局への予め計算されたリンクアクセス確率を使用して達成される。しかしながら、時間ベースの平衡な無線媒体アクセス方法では、リンク沿いの各ノード無線局が経験する平均コンテンション周期に関する情報の周期的な交換によりオーバーヘッドが追加される。さらに、例えば、非特許文献１８では、予め与えられた公平性モデルを対応するコンテンション解決アルゴリズムへ移行させる一般的な機構が提示されている。共用の無線チャンネルにおいて比例した公平性を達成するためのバックオフアルゴリズムは、これを使用して導出される。

公平なスケジューリングアルゴリズムは、基本的に帯域幅を各ノード無線局で効率的かつ最適に割り付けようとする。しかしながら、ノード無線局関連での公平なスケジューリングは、必ずしもフロー関連での公平性を保証しない。バックオフ動作を基礎としてＭＡＣ層の公平性を達成するプロトコルに固有の欠点は、基本的には、これが本来決定論的でなく確率論的であることにある。コンテンションウィンドウのサイズを縮小すれば、あるノード無線局が媒体へアクセスする可能性は競合する他のノード無線局よりも増大する可能性があり、最終的には競合するノード無線局間の公平なアクセスがもたらされる可能性があるが、この方法は、必ずしもスループット性能が向上することを保証しない。パケット信号は、遠隔のノード無線局におけるコンテンションの発生を全く検出していない発信元無線局により予め定義されたレートで送信される。これらのパケット信号は、中間ノード無線局の待ち行列において蓄積され、輻輳によるキューイング遅延に遭遇する。この状況は、最終的にパケットドロップにつながる待ち行列のオーバーフローを発生させ、これにより、各フローのスループットは劣化する。パケットドロップによる無意味な輻輳は、性能品質をさらに低下させることになる。

本発明者らが提案する、公平性を有する無線通信システムにおける競合するフロー間の協力交渉を通じた適応的なフローレート制御方法は、上述した主要な２つの問題点、すなわち、（ｉ）フロー関連の公平性及び（ｉｉ）パケットドロップによる無意味な輻輳に対処するという意味で先の提案とは根本的に異なる。

以下の点は、本発明者らの提案する方法の主たる特徴である。
（１）制御方法は、確率論的でなく、決定論的である。
（１−１）フローの近傍で発見される各フローの性能の劣化を検出し、測定する。
（１−２）測定した劣化の値に依存して、特権フローの発信元無線局が適切なレート制御決定を行い、損なわれるフローが特権フローのフローレートの低減を介して無線媒体へのより多いアクセスを得られるようにする。
（１−３）状況を常に監視し、近傍の競合する他のフローの各々が検出されるフロー性能の任意の劣化に関する情報をその個々の発信元無線局へ逆伝搬してフローレートを適宜調整する。従って、特権フローは、先に損なわれていたフローが実質的に改善されたことを検出する度に自動的にそのフローレートを高め、媒体の完全利用によってすべてのフローが均一に動作できるようにする。
（２）フロー間の連続的な相互交渉及びコラボレーションにより、文字通りの公平性の達成を促進する。
（３）フローを調整する発信元無線局へコンテンション情報を逆伝搬することから、フロー全体のパケット伝送率が実質的に向上され、いずれは失われていくパケット信号に起因する媒体内の輻輳が少なくなる。
（４）指向性アンテナの使用により個々のスループットが向上し、トラフィック密度が高い場合はさらに、公平な無線媒体アクセスが向上する。

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、各ノード間の点線がオムニアンテナでの接続であるとき、ルート結合のために、フロー（Ｓ₁−Ｄ₁）がフロー（Ｓ₂−Ｄ₂）を妨害する場合を示す平面図である。 互いにコンテンションする２つのフローＦ１，Ｆ２の相互の制御決定を示すグラフであって、フローＦ１によって検出されたときのフローＦ２のパケット到着間隔ＰＡＩを示すグラフである。 互いにコンテンションする２つのフローＦ１，Ｆ２の相互の制御決定を示すグラフであって、制御されるフローＦ１のパケット注入間隔ＰＩＩを示すグラフである。 互いにコンテンションする２つのフローＦ１，Ｆ２の相互の制御決定を示すグラフであって、フローＦ１によって検出されたときのフローＦ１のパケット到着間隔ＰＡＩを示すグラフである。 互いにコンテンションする２つのフローＦ１，Ｆ２の相互の制御決定を示すグラフであって、制御されるフローＦ２のパケット注入間隔ＰＩＩを示すグラフである。 セクターパターンを用いたときに、フロー（Ｓ₂−Ｄ₂）がフロー（Ｓ₁−Ｄ₁）と共存できることを示す平面図である。 本実施形態で用いる可変ビームアンテナ１０１の送信ゾーンＴＺ_ｎ（α，β，Ｒ）を示す平面図である。 本実施形態に係る発信元無線局において用いる基本的な帰還型コントローラ装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る発信元無線局において用いる、互いに結合した複数のフローについてのフローレート制御システムを示すブロック図である。 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１８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１８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において用いるノード無線局に係るストリングトポロジーを示す平面図である。 図２１のストリングトポロジーにおけるシミュレーション結果であって、２個のフローＦ１，Ｆ２のスループットを示すグラフである。 図２１のストリングトポロジーにおけるシミュレーション結果であって、２個のフローＦ１，Ｆ２のパケット伝送率を示すグラフである。 図２１のストリングトポロジーにおけるシミュレーション結果であって、２個のフローＦ１，Ｆ２のエンドツーエンドの遅延時間を示すグラフである。 本実施形態のシミュレーションにおいて用いるノード無線局に係るグリッドトポロジーを示す平面図である。 図２５のストリングトポロジーにおけるシミュレーション結果であって、２個のフローＦ１，Ｆ２のスループットを示すグラフである。 図２５のストリングトポロジーにおけるシミュレーション結果であって、２個のフローＦ１，Ｆ２のパケット伝送率を示すグラフである。 図２５のストリングトポロジーにおけるシミュレーション結果であって、２個のフローＦ１，Ｆ２のエンドツーエンドの遅延時間を示すグラフである。 本実施形態のシミュレーションにおいて用いるノード無線局に係るグリッドトポロジーを示す平面図である。 図２９のストリングトポロジーにおけるシミュレーション結果であって、４個のフローＦ１乃至Ｆ４のスループットを示すグラフである。 図２９のストリングトポロジーにおけるシミュレーション結果であって、４個のフローＦ１乃至Ｆ４のパケット伝送率を示すグラフである。 図２９のストリングトポロジーにおけるシミュレーション結果であって、４個のフローＦ１乃至Ｆ４のエンドツーエンドの遅延時間を示すグラフである。 本実施形態のシミュレーションにおいて用いるノード無線局に係るグリッドトポロジーを示す平面図である。 図３３のストリングトポロジーにおけるシミュレーション結果であって、６個のフローＦ１乃至Ｆ６のスループットを示すグラフである。 図３３のストリングトポロジーにおけるシミュレーション結果であって、６個のフローＦ１乃至Ｆ６のパケット伝送率を示すグラフである。 図３３のストリングトポロジーにおけるシミュレーション結果であって、６個のフローＦ１乃至Ｆ６のエンドツーエンドの遅延時間を示すグラフである。 移動度０−１０ｍｐｓで移動するノード無線局を有する無線通信システムにおけるシミュレーション結果であって、６個のフローＦ１乃至Ｆ６のパケット伝送率を示すグラフである。 移動度０−１０ｍｐｓで移動するノード無線局を有する無線通信システムにおけるシミュレーション結果であって、６個のフローＦ１乃至Ｆ６のエンドツーエンドの遅延時間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、
１１…減算器、
１２…ＰＩＤコントローラ、
１３…プラント装置、
２１…減算器、
２２，２３，２４，２５…システム、
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 (3)

1. 複数のノード無線局を備え、各ノード無線局間で複数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、当該パケットフローのパケット到着間隔（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、
   受信したパケットフローの発信元無線局以外の中継ノード無線局であるときは、上記ＰＡＩテーブルにおける当該パケットフローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）と、上記受信したパケットフローのパケット信号に含まれるパケット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発信元無線局に向けて逆伝搬させて送信する一方、上記受信したパケットフローの発信元無線局であるときは、当該パケットフローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）に基づいて、当該パケットフローのパケット注入間隔（ＰＩＲ）を計算し、当該計算されたパケット注入間隔（ＰＩＲ）で当該パケット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。
2. 上記第２の制御手段は、上記受信したパケットフローの発信元無線局であるときは、当該パケットフローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、上記すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）との間の誤差に基づいて、当該パケットフローのパケット注入間隔（ＰＩＲ）を計算し、当該計算されたパケット注入間隔（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信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装置。
3. 上記第２の制御手段は、上記受信したパケットフローの発信元無線局であるときは、当該パケットフローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、上記すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）との間の誤差に基づいて、当該誤差が最小となるように、比例積分及び微分制御（ＰＩＤ制御）方法を用いて、新しいパケット注入レート（ＰＩＩ）を計算し、当該計算されたパケット注入間隔（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信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装置。
   

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