JP4425863B2 - パケット転送システムおよび無線基地局 - Google Patents

Description

本発明は、複数のネットワークセグメント間の無線パケット通信を実現するパケット転送技術に関し、特に、各無線基地局が無線端末を管理するテーブルを有し、無線基地局間で自律的にテーブルを交換して経路を制御することにより、特定の管理ノードや無線端末の追加機能を必要とせず、かつ、局所的な負荷の集中を防止することができるパケット転送システムおよび無線基地局と、パケット転送の際の経路最適化に関する。

複数の端末を無線チャネルで接続し、端末自身にパケットを転送する機能を持たせて端末間を相互に接続するネットワークを、無線アドホックネットワーク、無線マルチホップネットワーク、または無線メッシュネットワークと呼ぶ。このようなネットワークでは、特定の制御局を必要とせず、端末自身が自律分散的にローカルなネットワークを構成する。無線アドホックネットワークにおいては、直接通信できない端末同士でも、これらの間に位置する第３の端末にパケットを中継させることで、各無線通信端末の送信レベルを抑えたまま、通信範囲を広げることができる。無線アドホックネットワークのインターネット標準として、パケット転送時の経路を制御するいくつかのプロトコルが策定されている。（たとえば、非特許文献１参照。）
非特許文献１に開示される通信方式では、ネットワークに参加するすべての端末がパケット転送機能を有する必要がある。逆に言えば、機能の劣る端末はネットワークに参加できず、機能を追加することによる設備、コストの増大が問題となる。

また、位置管理エージェント端末を設置し、通信端末の位置を管理させ、通信端末が移動した場合には、通信端末の移動先の位置管理エージェント端末と移動元の位置管理エージェント端末が途中の通信経路をカプセル化して、ネットワーク的に透過させる方法が提案されている（たとえば、非特許文献２参照）。この方法では、通信端末と通信したいノードは位置管理エージェントを通して通信端末と通信することで、通信端末はパケット転送機能を有することなくネットワークに参加することが可能となる。

さらに、位置管理エージェントの配置を階層化させ、通信端末の近距離移動時には下層の位置管理エージェントとだけ通信することで、位置管理エージェントが遠距離にある場合のオーバーヘッドを低減することが提案されている。（たとえば、非特許文献３参照。）
一方、有線のネットワークでは、ブリッジを用いてパケットを転送する。特定の一つのブリッジあるいは基地局をルート（Ｒｏｏｔ）局として設定し、スパニング・ツリー・プロトコルを利用して転送ツリーを作成することで、ループを回避しつつ耐故障性を実現するパケット転送方式が知られている。（たとえば、非特許文献４参照）。

この方法は、図１に示すように、ルート局となるブリッジ１から非ループの転送ツリーを作成し、複数のインターフェイスとパケットの転送先を対応付けて、学習テーブルに登録する。

上記の有線ブリッジによるパケット転送を、無線パケット網のパケット転送に適用しようとすると、転送先ごとに無線インターフェイスを持つ必要がある。しかし、複数のインターフェイスを持たせると、それぞれにアンテナと変復調回路が必要となり、コスト面で不利である。

そこで、通信相手のアドレスを仮想的なインターフェイスとみなすことで、仮想的に複数の無線インターフェイスを持たせ、実質的に一つの無線インターフェイスで、有線ネットワークの拡張ツリー転送方法を無線パケット網のパケット転送に適用する手法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この方法では、各無線基地局が、相手先アドレスと転送先を対応付けたアドレステーブルを有し、パケットを受け取った無線基地局はアドレステーブルを参照して、相手先アドレスに対応する転送先へパケットを転送する。

また、転送経路の無駄を解消するために、無線の特徴、すなわち、自身が通信相手でない場合でも通信範囲にいればパケットが届くという特徴を利用し、ツリー状の転送経路を自局に近づく方向に転送されるパケットをモニタして、このパケットの送信元アドレスが示す無線端末と、送信局アドレスが示す無線基地局とを対応付けたテーブルを作成し、途中経路を短絡する方法が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

さらに、転送ツリー作成時に無線基地局からの受信レベルがしきい値以上かどうかを判断し、受信レベルの低い場合はチャネルを張らないことで通信品質の向上を図る方法も提案されている（たとえば、特許文献３参照）。

ところで、無線アドホックネットワークでは、パケットの転送時や、転送ツリーを用いる場合はツリー作成時に、短時間に最適な経路を検索する必要がある。無線を使用した通信路は、有線による通信路と比較してネットワークの状況が変化しやすく、無線状況の変化を考慮して最適な経路を選択するために、隣接する無線端末（無線基地局）間でのビットエラー率と伝送速度を重み付け値として設定する方法が知られている（たとえば、特許文献４参照）。この方法では、経路検索の際に、無線端末間のリンクに設定された重み付け値を順次加算してゆくことによって、最適な経路を決定する。
S. Corson, J. Macker, "Mobile Ad hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations", インターネット標準ＲＦＣ２５０１，January 1999 C. Perkins, "IP Mobility Support"，インターネット標準ＲＦＣ２００２， October 1996. K. Malki, H. Soliman, "Hierarchical Mobile IPv4/v6 and Fast Handoffs" INTERNET-DRAFT, MARCH 2000. ISO/IEC 10038, ANSI/IEEE Std802.ID, "Information technology−Telecommunications and information exchange between systems−Local area networks−Media access control (MAC) bridges", 1993 特開２０００−６９０４６号公報 特開２０００−７８１４７号公報 特開２００３−１８８８１１号公報 特開２００３−１５２７８６号公報

非特許文献１に開示される通信方式では、ネットワークに参加するすべての端末がパケット転送機能を有する必要がある。逆に言えば、機能の劣る端末はネットワークに参加できず、機能を追加することによる設備、コストの増大が問題となる。

非特許文献２に開示される通信方式では、位置管理エージェント端末を介した通信の負荷が高くなり、無線帯域の浪費となる。また、通信環境の変化しやすい移動無線環境では、位置管理エージェントとの通信が途切れてしまうことが考えられ、その場合に通信が途切れてしまうと言う問題がある。

非特許文献３に開示される位置管理エージェント端末を増やすことで負荷の分散をはかるとしても、移動元の位置管理エージェント端末は通信端末ごとに決まっており、端末が自由に動き回ることが前提となっている状況では、常に最適な位置管理エージェントの配置をとることは不可能である。また、特定のノードに端末位置を一括して管理させることは、耐故障性の面でも問題がある。

特許文献１では、非特許文献４の有線パケット転送方法を無線パケット網に適用しているが、この方法では、一つのネットワークで一つの転送ツリーしか持つことができない。したがって、図２に示すように、無線端末（Station）Ｓから無線端末（Station）Ｄへパケットを転送する場合に、ブリッジ（Bridge）ａをルート局とする点線の経路に沿って、ブリッジｘ７、ブリッジｘ８、ブリッジａ、ブリッジｘ３、ブリッジｘ４という順でパケットが転送される。これでは、転送する経路に無駄が生じるだけでなく、ツリーのルート（Ｒｏｏｔ）部分に負荷が集中するという問題がある。

特許文献２に開示されるパケット転送方法は、自局に近づいてくるパケットをモニタすることによって、途中経路をショートカットできるが、この方法でもルート（Ｒｏｏｔ）となる単一の無線基地局に負荷が集中し、ネットワーク全体の効率が低下するという同様の問題がある。

特許文献３に開示されるパケット転送方法では、無線基地局間でチャネルを張るかどうかを判定するときに、当該無線基地局からの受信電力を基準とするが、無線環境は変化しやすく、環境に合わせて通信速度を適応的に変化させる無線インターフェイスも存在する。また、通信速度までも考慮に入れたリンクのコストを算出できず、ネットワーク全体のスループットが低下し、ネットワークの接続性が低下するという問題がある。

特許文献４に開示される経路検索方法では、無線環境を考慮しているが、パケットのペイロード長に応じて変化する、データ転送時間に対するオーバーヘッドを考慮していない。

このように、第３層を利用した従来の転送方法では、転送機能を持たない端末装置はネットワークに参加できない、あるいは一部のノードへの負荷集中が避けられない、という問題がある。

一方、ＭＡＣ（Media Access Control）層ブリッジを利用した転送方法は、無線への適用が途上であり、単一の転送ツリーを使用することによる一部への負荷集中が避けられない。

そこで、本発明は、自律分散的な無線ネットワークにおいて、無線端末の機能の高低を問わず、無線基地局が自律的に経路制御して最適な経路でのパケット転送を行うことで負荷を分散し、耐故障性を向上させ、ネットワーク全体の効率の向上を図ることを課題とする。

上記課題を解決し、アドホックな無線ネットワークで負荷の集中を回避して、パケット転送の最適化を実現するために、無線基地局とそこに所属する無線端末とを対応させて、無線基地局間で自律的に経路を制御する。

また、経路検索の際に、ネットワークの無線環境に加えて、パケットのペイロード長を考慮してパケット転送経路の最適化をはかる。

前者の手法では、ネットワークを構成する各無線基地局が、無線基地局と、そこに所属する無線通信端末との対応関係が記述されたテーブルを持ち、無線基地局間で自律的にテーブルの情報を交換する。これにより、無線端末同士が通信する際に、無線端末の所在を管理する特定の管理ノードと通信しなくても、各無線基地局において、宛先となる無線端末が現在所属する無線基地局を判別することができ、無線基地局間で、最適な経路制御が行われる。

この場合、パケット転送機能を、無線ブリッジとして機能する無線基地局に持たせ、機能の低い端末を最寄りの無線基地局に接続することによって、無線端末の機能を問わずにネットワークに参加できるようにする。パケット転送機能を有する無線端末はネットワークに参加して、それ自身が無線ブリッジとして機能してもよい。

後者の手法では、転送ツリーの有無や数にかかわらず、パケット転送時および／または転送ツリー作成の際に、パケットのペイロード長を通信リンクのコストに反映させることで、現実のパケット転送に応じた最適な経路を決定する。

具体的には、本発明の第１の側面では、複数の無線基地局と、１以上の無線端末で構成されるパケット転送システムにおいて、各無線基地局は、無線基地局と無線基地局に所属する無線端末を関連付けたロケーションテーブルを備え、無線基地局間で、ロケーションテーブルの情報を交換することで、各無線基地局は無線端末の所属する無線基地局の位置を検知する。各無線基地局は、交換されるテーブル情報によって自局のロケーションテーブルを更新し、受信したパケットを、宛て先の無線端末への中継ノードとなる無線基地局へ転送する。

パケット転送に使用される転送経路の判別手段として、
（１）１以上の無線端末と、その無線端末が所属する無線基地局とを関連づけたロケーションテーブルを無線基地局の各々が備え、パケットを受信したときに、ロケーションテーブルを参照して、受信したパケットに含まれる送信元アドレスまたは宛て先アドレスから、送信元または宛て先の無線端末が所属する無線基地局を特定し、特定した無線基地局への転送に使用する転送経路を導出して、前記パケットを転送する。または、
（２）パケットの転送に使用される転送ツリーのＩＤ情報または当該パケットの送信元または宛て先となる無線端末の所属する無線基地局のアドレス情報を、パケットに含ませ、無線基地局の各々は、パケットを受信したときに、パケットに含まれる前記転送ツリーのＩＤ情報またはルート局となる無線基地局のアドレス情報からパケット転送に使用される転送ツリーを判別する。

パケット転送システムで用いられる転送ツリーは、受信信号の電力レベル、エラー率、遅延など、無線チャネルの状況を反映したリンクコストに基づいて作成される。

本発明の第２の側面では、無線パケット網を利用したパケット通信システムを構成する無線基地局を提供する。無線基地局は、
（ａ）前記パケット通信システムに含まれる無線基地局と、各無線基地局に所属する無線端末とを対応づけたロケーションテーブルと、
（ｂ）前記パケット通信システムで用いられる転送経路に関する情報を、送信元または宛先に関連する無線基地局と対応づけて格納する経路制御テーブルと、
（ｃ）パケットを受信するパケット受信部と、
（ｄ）受信したパケットに基づき、当該パケットの転送に使用される転送経路を判別する経路判別手段と、
（ｅ）前記経路制御テーブルを参照して、前記判別した転送経路上の次のノードへ前記パケットを転送するパケット送信部と
を備える。

本発明の第３の側面では、複数の転送ツリーを利用して無線パケット通信システムを構成する無線基地局を提供する。無線基地局は、
（ａ）パケット通信システムで用いられる２以上の転送ツリーに関する情報を、当該転送ツリーのルート局となる無線基地局と関連付けて格納するツリーテーブルと、
（ｂ）任意のパケットを受信するパケット受信部と、
（ｃ）受信したパケットに基づき、当該パケットの転送に使用される転送ツリーを判別するツリー判別手段と、
（ｄ）前記ツリーテーブルを参照して、判別した転送ツリー上の次のノードに前記パケットを転送するパケット送信部と
を備える。

本発明の第４の側面では、複数の無線基地局で構成される無線ネットワークでパケット転送経路を最適化する方法を提供する。この方法は、
（ａ）パケット長に関する複数の異なる基準に対応して、宛先アドレスと転送経路とをそれぞれ対応づけて記載する複数のルーティングテーブルを、前記各無線基地局に設定し、
（ｂ）前記複数の無線基地局のうちの任意の無線基地局で、自局宛以外のパケットを受信したときに、当該パケットのパケット長を判断し、
（ｃ）前記判断結果に応じて、前記複数のルーティングテーブルのいずれかを参照して次の転送先を特定し、前記次の転送先へ前記パケットを転送する。

この方法によれば、常に変化する無線環境において、リンクの伝送速度だけではなく、パケット長を考慮して経路を決定するので、オーバーヘッドを低減した最適な経路でパケット転送することができる。

無線基地局同士が、各無線基地局に所属する無線端末の管理をすることで、無線端末で無線基地局間の経路制御に参加するための機能を追加、搭載することなく、ネットワークを構築することができる。

特別な所在管理用のノードを設置する必要がなく、所在管理ノードへの負荷の集中を回避することができる。また、所在管理用ノードの故障によるネットワーク停止を回避することができる。

さらに、無線チャネルの状態やパケットのペイロード長をリンクのコストに適用することで、ネットワークの環境やパケットサイズを考慮した経路の最適化を図ることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例に基づき図面を参照しつつ説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を用い、繰り返しの説明は省略する。

図３〜図１２を参照して、本発明の第１実施形態に係るパケット転送システムを説明する。第１実施形態では、パケット転送の最適化を図るために、経路制御としてスパニングツリーアルゴリズムを無線に適用した場合について説明する。

図３は、本発明の第１実施形態に係るパケット転送システムの概要を説明するための図である。第１実施形態では、ネットワークに複数の無線基地局をルートとする転送ツリーを持たせることで、ネットワーク全体のスループットを向上し、転送経路の短縮を実現する。なお、実施の形態として、本発明をＩＥＥＥ８０２．１１規格の無線ＬＡＮに適用した場合を例にとって、説明する。

図３において、ブリッジ（Bridge）ａ〜ｆは無線基地局を表わし、各ブリッジ間で無線パケットを互いに転送する。Station Ａ〜Ｅは無線端末を表わす。無線ブリッジ（基地局）は移動式、固定式を問わない。各無線基地局は、一つまたは複数の無線端末を配下に持つことが可能であり、配下の無線端末と無線ブリッジとの間の接続は、有線、無線を問わない。第１実施形態では、ネットワークを構成する無線基地局のうち、２以上の無線基地局をルート局として、複数の転送ツリーを用いてパケット通信を行なう。図３の例では、すべての無線基地局が、自局をルートとする非ループの転送ツリーを作成しているが、すべての無線基地局がルート局となる必要はなく、ネットワークのサイズやオーバーヘッドを勘案して、無駄な転送ツリーを削除していくことも可能である。

ネットワーク上の各無線基地局（ブリッジ）は、ルート局となる無線基地局と、その無線基地局をルート局とする転送ツリーのＩＤおよびツリー上の隣接ブリッジを対応付けて格納するツリーテーブルを有する。

図４は、ツリーテーブルの一例として、図３のブリッジｄが保持するツリーテーブルを示す。ネットワーク上のルート局ごとに、対応する転送ツリーのＩＤと、そのツリー上で隣接する無線基地局（前局および次局）のアドレスを記録する。

ネットワーク上で複数の転送ツリーを使用する場合、各無線基地局においてパケットを受け取った際に、どの転送ツリーを用いてパケットを中継するかを判別する必要がある。これには、たとえば、次の２つの方法が考えられる。
（１）第１の方法は、各無線基地局に、ネットワーク上の無線基地局と、それぞれの配下に位置する無線端末とを対応付けたロケーションテーブルを持たせる方法である。各無線基地局（ブリッジ）は、パケットに書き込まれている送信元端末のアドレスまたは宛て先となる端末のアドレスに基づき、ロケーションテーブルを参照して、送信元の無線端末または宛て先の無線端末が所属する無線基地局を特定する。そして、ツリーテーブルから、特定した無線線基地局をルートとするツリーを特定し、このツリーに従って、パケットを次の無線基地局へ転送する。
（２）第２の方法は、送信元の無線端末または、送信元の無線端末から最初にパケットを受信した無線基地局が、パケットにどの無線基地局をルートとする転送ツリーを用いるかの情報を書き込む方法である。パケットには、転送ツリーＩＤを書き込んでも良いし、その転送ツリーのルート局となる無線基地局のアドレスを書き込んでもよい。

これらの方法の詳細は後述するが、第１または第２の方法により、各無線基地局で使用すべき転送ツリーが判別されると、ツリーテーブルに従って、次の中継先へパケットを転送することができる。ネットワーク上で複数の転送ツリーを使用することにより、経路の最適化がより効率的に行われ、経路の短縮が実現される。また、特定の無線基地局周辺への負荷の集中が回避され、ネットワーク全体の効率を上げることができる。

図５は、図３のネットワークで送受信されるパケットの、アドレス部分のフォーマットの一例を示す図である。図５の上段は、無線端末（Station）から無線基地局（Bridge）へ送られるパケット、中段は、無線基地局（Bridge）間を転送されるパケット、下段は、無線基地局（Bridge）から無線端末（Station）へ送られるパケットのフォーマット例である。

送信元アドレスというのは、パケットを最初に作成して送信した無線通信設備のアドレスを表わすＩＤである。宛て先アドレスというのは、パケットの最終的な目的地となる無線通信設備のアドレスを表わすＩＤである。送信局アドレスというのは、ツリー上でパケットを中継するためにそのパケットを送信する無線通信設備のアドレスＩＤである。受信局アドレスというのは、ツリー上でパケットを中継する際に、そのパケットを受信する無線通信設備のアドレスＩＤである。

"ＤＳ"は無線通信設備を示し、"To"は受信側、"From"は送信側を表わす。"To DS"の値が０のときは、無線端末が受信側であり、１のときは無線基地局が受信側であることを示す。"From DS"の値が０のときは、無線端末が発信側であり、１のときは無線基地局が発信側であることを示す。"To DS"が１、かつ"From DS"が１のときは、パケットは無線基地局間で転送されていることを示す。"To DS"フィールドと"From DS"フィールドをパケットに挿入することで、パケットが、無線基地局間を中継中か否かにつき、判別できる。

たとえば、図３の構成で無線端末（Station）Ａから無線端末（Station）Ｅに宛てたパケットを送信する場合、無線端末（Station）Ａから送信されるパケットは、図４の上段に示すように、送信元アドレスとして無線端末Ａのアドレス、宛て先アドレスとして無線端末Ｅのアドレス、受信局アドレスとして無線端末Ａが現在所属するブリッジａのアドレスを、アドレス情報として含む。

このパケットをブリッジａから中継されたブリッジｂは、図４の中段に示すように、送信元アドレスおよび宛て先アドレスに加え、送信局アドレスとして自己のアドレスと、受信局アドレスとして次の中継先のブリッジｃのアドレスが挿入されたパケットを転送する。

図６は、従来の技術で作成した図２の転送ツリーと同じネットワークトポロジに、本発明を適用した例を示す図である。無線端末（Station）Ｓから無線端末（Station）Ｄへのパケットを転送する場合、破線矢印で示すように、ブリッジｂをルートとする転送ツリーを用いてパケットを転送することができるので、図２のように一局のみをルート局とする場合と比較して、経路が大幅に短縮される。図６の例では、説明の便宜上、ブリッジａとブリッジｂの２つの無線基地局をルート局として転送ツリーを作成しているが、ネットワークのサイズに応じて、３以上の転送ツリーを使用して、より高密度にツリーを張り巡らせることができる。

次に、図６のネットワークを例にとって、パケット転送に使用される転送ツリーを判別する２つの例、すなわち、（１）無線基地局ごとに、ネットワーク上の無線基地局および配下の無線端末を対応付けたロケーションテーブルを持たせる方法と、（２）パケットに転送ツリーに関する情報を書き込む第２の方法、を説明する。

図７は、上記第１の方法を実現するために各無線基地局に設定されるロケーションテーブルの構成例を示す図である。ネットワーク上の各無線基地局は、現在自局の配下に存在する無線端末の情報を交換して、ロケーションテーブルを作成する。図７の例では、各無線基地局において、ブリッジａのアドレスＡと、その配下に存在する無線端末Ｐとが対応付けられ、ブリッジｂのアドレスＢと、その配下に存在する無線端末Ｓ，Ｏが対応付けられ、ブリッジｃのアドレスＣと、その配下に存在する無線端末Ｄが対応付けられている。図示は省略してあるが、その他の無線基地局についても、その配下に存在する無線端末を対応づけて記録されている。このようなロケーションテーブルを備えることによって、すべての無線基地局は、現在どの無線基地局の配下に、どの無線端末が位置するかを把握することができる。

図６のネットワークで、無線端末Ｓから無線端末Ｄにパケットを送る場合を考える。無線端末Ｓは、自己のアドレスを送信元アドレス、無線端末Ｄのアドレスを相手先アドレス、所属先のブリッジｂのアドレスＢを受信局アドレスに設定して、パケットを送信する。

ブリッジｂは、パケットを受信すると、自局をルートとした転送ツリーに従って、次の中継先にパケットを送信する。中継途中の任意のブリッジは、パケットのアドレス部分を見て、このパケットの送信元が無線端末Ｓであることを認識する。そして、ロケーションテーブルから、送信元の無線端末Ｓが現在所属しているのはブリッジｂであることを把握する。そこで、ツリーテーブルから、ブリッジｂをルートとした転送ツリーを導き出し、この転送ツリーに従って次のノード（中継先）へパケットを転送する。

ブリッジｂは、配下の無線端末Ｓからパケットを受け取ると、転送ツリーに従ってブリッジｘ７、ｘ８．ｘ９にパケットを転送する。ブリッジｘ７は、ロケーションテーブルと、パケットのアドレス情報から、ブリッジｂをルート局とする転送ツリーを導いて、次の中継先ｘ４、ｘ６にパケットを転送する。同様に、ブリッジｘ８も転送ツリーを判別するが、判別した転送ツリー上に次の中継先がないことを認識し、このパケットを破棄する。ブリッジｘ９ではブリッジｘ７と同様の処理が行われる。この処理をツリーに沿って、順次行うことで、パケットはブリッジｃに届き、最終的に無線端末Ｄに到達する。

送信側の無線基地局をルートとする転送ツリーを用いると、ツリーの分岐点で、２以上のブリッジにパケットが転送されてしまう。宛て先を特定しないブロードキャスト送信の場合はこれでもよいが、特定の無線端末を宛て先とするユニキャストの場合、最終目的の無線端末とは無関係なブリッジにまでパケットが送られることになり、無駄が生じる。このような無駄を省くため、以下に掲げる構成の少なくとも一方を採用するのが望ましい。
（ａ）相手先のアドレスが特定されるユニキャストの場合は、宛て先の無線端末が所属する無線基地局をルートとする転送ツリーを使用する。
（ｂ）学習テーブルを作成し、２回目以降のパケット転送については、学習テーブルを併用してパケットを転送する。

（ａ）の相手先の無線基地局をルートとする転送ツリーを採用する構成では、図６の例で無線端末（Station）Ｓから無線端末（Station）Ｐに宛てられたパケットを転送するのに、宛て先の無線端末Ｐが所属するブリッジａの転送ツリーを使用する。中継途中の各無線基地局は、受け取ったパケットの宛て先アドレスと、ロケーションテーブルから、無線端末Ｐが所属する無線基地局（ブリッジａ）をルートとする転送ツリーを判別する。相手側の無線基地局をルートとする転送ツリーを用いることで、各無線基地局はツリーを逆にたどって、単一の中継先にだけパケットを転送すればよい。この例では、ブリッジｂは、ブリッジｘ７やｘ８にパケットを中継する無駄を省いて、ブリッジｘ９にのみパケットを転送する。

このように、宛て先の無線端末が所属する無線基地局をルート局とすることによって、ネットワークの負荷を軽減することができる。一方、宛て先を特定しないブロードキャストの場合、あるいは宛て先の無線端末の所属先が不明な場合は、送信元の無線端末が所属する無線基地局をルートとする転送ツリーを使用することによって、パケットを最終送信先まで届けることができる。

なお、ネットワークの末端に位置するブリッジでは、自局をルートとする転送ツリーを有さない場合も考えられる。たとえば図６のブリッジｃがそうである。この場合、各無線基地局はまず宛て先アドレス（Station D）を優先的に参照し、宛て先の無線端末が所属する無線基地局をルートとする転送ツリーがない場合に、送信側の無線基地局の転送ツリーを使用する構成としてもよい。

次に、学習テーブルを併用する構成（ｂ）では、各無線基地局において、送信元アドレスが示す無線端末から発信されたパケットが、どの無線基地局から転送されてきたかを学習テーブルに記録する。学習テーブルの作成については、公知の方法を採用することができる。

図８は、学習テーブルの一例を示す図である。図６のネットワークで、無線端末Ｓから無線端末Ｄに宛ててパケットを送信する場合、パケットはまず、無線端末Ｓからブリッジｂへ送られ（矢印（１））、ブリッジｂをルートとする転送ツリーに従って、ブリッジｘ７を経由してブリッジｘ４に転送される（矢印（２））。ブリッジｘ４では、パケットの送信元アドレスから、無線端末Ｓから発信されたパケットであることが分かり、かつ、送信局アドレスから、このパケットがブリッジｘ７から送られてきたことが分かる。そこで、この情報を学習テーブルに書き込む（符号（３））。すなわち、学習テーブルのStationの欄に送信元の無線端末ＳのアドレスまたはＩＤを記入し、Bridgeの欄にひとつ前のブ
リッジｘ７のアドレスまたはＩＤを記入する。パケットは、ブリッジｘ４からブリッジｃを経由して、宛て先の無線端末Ｄに到達する。

無線端末Ｄは、受け取ったパケットに応答して無線端末Ｓに返信する（矢印（４））。返信パケットは、ブリッジｃからブリッジｘ４に送られる（矢印（５））。ブリッジｘ４は、パケットのアドレス情報から、送信元が無線端末Ｄであり、このパケットがブリッジｃから転送されてきたことを識別し、これを学習テーブルに記入する（符号（６））。

パケットはさらに、ブリッジｘ４からブリッジｘ７を経由してブリッジｂに送られる（矢印（７））。ブリッジｂでは、無線端末Ｄから発信されたパケットをブリッジｘ７から受け取ったことを学習テーブルに記録し（符号（８））、このパケットを無線端末Ｓに転送する。

説明は省略したが、上記の例で、ブリッジｘ７およびブリッジｃでも、パケットを受け取るたびに学習テーブルに記録する。また、学習前で最初にパケットを転送する場合は、分岐地点でそれぞれの分岐先にパケットが転送されるので、分岐先のブリッジ（ｘ３、ｘ８など）でも、同様に学習テーブルに記録する。

ブリッジｂが、次に無線端末Ｄに宛てられたパケットを受け取った場合、学習テーブルの記録から、無線端末Ｄがブリッジｘ７の方向にあることがわかる。したがって、このパケットをブリッジｘ７のみに転送し、ブリッジｘ８やその他の分岐先には転送しない。同様に、ブリッジｘ４でも、次に無線基地局Ｄに宛てられたパケットを受け取った場合、ブリッジｃにのみパケットを転送し、他の分岐先には転送しない。これにより、送信側の無線基地局をルートとする転送ツリーを使用した場合でも、無駄なパケットを削減することができる。

ところで、第１の方法でロケーションテーブルを用いる場合、各無線基地局に新たな無線端末が所属したとき、あるいは無線端末が移動して別の無線基地局に所属したときに、無線基地局は、無線端末が自局に所属したことを通知するパケットを、転送ツリーに従ってブロードキャストで送信する。通知パケットを受信した各無線基地局は、ロケーションテーブルに新たな所属関係を登録する。このとき、各無線基地局は、通知パケットの送信元の無線基地局と、その通知パケットを転送してきた一つ前の無線基地局のアドレスとを対応づけて学習テーブルに書き込む構成としてもよい。

任意の無線基地局に無線端末が所属するたびに、ロケーションテーブルの更新と同時に、学習テーブルにも登録することによって、転送ツリー上の経路選択がより効率的に行われる。

次に、図９を参照して、転送ツリーを判別する第２の方法を説明する。第２の方法では、転送されるパケットに、どの無線基地局をルートとする転送ツリーを使用するかの情報を含ませる。

図９（ａ）は送信側のルート局の転送ツリーを用いる場合のパケットの構成例、図９（ｂ）は、宛て先側のルート局の転送ツリーを用いる場合のパケット構成例である。図９（ａ）のパケット構成は、第２の方法を単独で採用する場合に用いられ、図９（ｂ）のパケット構成は、第１の方法（ロケーションテーブル）と組み合わせて使用する場合に効果的である。

図６のネットワークにおいて、ブリッジｂの配下にある無線端末Ｓから、ブリッジｃの配下にある無線端末Ｄにパケットを送信する場合を考える。この場合、第１の方法と異なり、ネットワーク上の各無線基地局は、どの端末がどの無線基地局に所属しているのか知ることができない。そこで、送信側でパケット内に使用する転送ツリーのＩＤまたはルート局となる無線基地局のアドレス情報を埋め込む。中継途中の各無線基地局（ブリッジ）は、パケットに含まれる情報から使用すべき転送ツリーを判別し、ツリーテーブルを参照して、次の中継先へパケットを転送する。

図９（ａ）の例では、無線端末Ｓからパケットを最初に受信したブリッジｂが、自局をルートとする転送ツリーを指定する。パケットの追加フィールドに、ルート局情報として自局のアドレスを書き込むか、または、ツリーＩＤ情報として自局をルートとする転送ツリーＩＤを書き込む。なお、追加フィールドへの書き込みは、無線端末Ｓがパケットを送信する際に行ってもよい。この場合は、追加フィールドにルート局情報として、自身が所属する無線基地局（ブリッジｂ）のアドレスを書き込む。

途中経路のブリッジｘ７は、パケットの追加フィールドに書き込まれたルート局情報（または転送ツリー情報）から、ブリッジｂをルート局とする転送ツリーを使用することを識別する。そして、転送ツリー上の次の中継先であるブリッジｘ４のアドレスを受信局アドレスとしてアドレスフィールド１に書き込み、自局のアドレスを送信局アドレスとしてアドレスフィールド２に書き込む。

無線基地局がツリーの分岐点にある場合、ツリーテーブルに基づいてパケットを各分岐先へ転送する。そこで、第２の方法においても、図８に示した学習テーブルを併用する。パケットの送信元アドレスで特定される送信元の無線端末と、送信局アドレスで特定されるひとつ前のブリッジを対応付けて、学習テーブルに格納する。上述したように無線通信では宛て先の無線端末から受信確認応答や返信データを受け取ることが一般的なので、次に同じ宛て先へのパケットがきたときに、分岐点からマルチキャストすることなく、ターゲットの無線端末が位置する方向にだけパケットを転送すればよい。

図９（ｂ）の例では、パケットの追加フィールドに、宛て先の無線端末が所属する無線基地局のアドレスをルート局情報として書き込む。この場合、各無線基地局がロケーションテーブルを有することが前提となっている。無線端末から最初にパケットを受信した無線基地局は、ロケーションテーブルを参照して、宛て先の無線端末が所属する無線基地局を特定する。特定した無線基地局のアドレスまたは対応する転送ツリーのＩＤをパケットの追加フィールドに書き込み、指定した転送ツリーを逆にたどる経路で、パケットを次の中継先に転送する。中継途中の無線基地局は、ロケーションテーブルを参照することなく、パケットのアドレス情報に基づき、ツリーテーブルを参照して次の中継先にパケットを転送できる。

次に、図１０および図１１を参照して、転送ツリーの作成方法を説明する。本発明の実施形態では、無線環境を考慮したコスト計算に基づいて転送ツリーを作成する。

図１０（ａ）は、転送ツリー作成時に用いられる各ブリッジのコスト一覧の例を示し、図１０（ｂ）は、IEEE802.1ｔで規定されている通信速度とリンクコストの枠組みを示す。従来、有線のネットワークでは、転送ツリーを作成する際に、ホップ数あるいは図１０（ｂ）に示すような固定の通信速度のみに基づくリンクコストで、転送ツリーを作成していた。しかし、無線パケット網では、無線チャネルの状況に応じて変調方式が変えられ、パケットエラーの発生も多いことから、実際の通信速度は一定の値にはならない。また、混信のない有線ブリッジと異なり、無線ではかならずしもホップ数だけでコストを決めることはできない。

そこで、転送ツリーを作成する際に、無線インターフェイス間の無線チャネルの状況やネットワークトラフィックの込み具合に応じてリンクのコストを変更することで、状況に適合した転送ツリーを作成する。

第１実施形態における一例として、近接のブリッジから受信する信号の電力レベルやエラー率などをコスト計算に用いる。図１０（ａ）のコスト一覧において、"Bridge"のカラムは、着目するブリッジの近接位置にあるブリッジのＩＤである。"Signal"のカラムは、近接ブリッジからの受信電力レベルを示す。"Queue size"のカラムは、ツリー作成時にツリー作成パケットに入れて通知する送信キューのサイズ、"Error Rate"のカラムはパケットの受信失敗率（エラー率）を表わす。パケットの受信電力から、このインターフェイス間のリンクで使用する変調方式を判断し、そこから通信速度を求めてリンクのコストに反映することができる。

これらのパラメータを用いて、着目するブリッジと近接のブリッジとの間のコスト計算をする際には、各パラメータをコスト計算用に正規化する値α、β、γを用いて、次式であらわすことができる。

ｃｏｓｔ＝α×(Signal)＋β×(Queue size)＋γ×(Error Rate)
図１１は、転送ツリー作成の一例を示す図である。図１１において、点線部分が物理的に通信可能なブリッジ同士のリンクを表わす。たとえば、ブリッジａがルートとなってツリーを作成する場合、ブリッジａは、ツリー作成パケットを近接する基地局にブロードキャストで送信する（矢印（１））。パケットの中にはコストを記入するフィールドがあり、ルート局から送信されるパケットのコストはゼロである。

パケットを受信したブリッジｂは、図１０（ａ）に一例として示すコスト一覧から、ブリッジａとブリッジｂの間のコスト"ａｂ"を算出し、これをツリー作成パケットのコスト記入フィールドに書き込んで、近接のブリッジ（あるいはノード）に送信する（矢印（２））。

同様に、ブリッジａからのパケットを受信したブリッジｃも、ブリッジａとブリッジｃの間のコスト"ａｃ"を算出し、これをツリー作成パケットのコスト記入フィールドに書き込んで、近接ノードに送信する（矢印（３））。

ブリッジｂからのツリー作成パケットを受信したブリッジｃは、自己の持つルート局（この場合はブリッジａ）までのコスト"ａｃ"と、受信したパケットのコスト"ａｂ＋ｂｃ"を比較し、コストの高いほうの経路を切り捨てる。たとえば、ａｃ＜ａｂ＋ｂｃの場合は、ブリッジａをルート局とした場合のブリッジｂからブリッジｃまでの経路は使用しないこととする。上記の動作をブリッジｄ（矢印（４））、ブリッジｅ（矢印（５））、ブリッジｆ（矢印（６））と続けて行くことで、図１１の実線で示すループのないツリーを作成することができる。

このような転送ツリーの作成は、一定時間ごと、あるいは転送機能を有する無線移動端末がネットワークに参加して無線ブリッジとして機能する場合など、状況に応じてダイナミックに更新、作成される。更新あるいは作成された転送ツリーに関する情報は、ネットワーク上の各無線基地局に供給され、各無線基地局は、ツリーテーブルを更新する。無線チャネルの状態を通信リンクのコストに反映させることによって、ネットワークトポロジ、通信トラフィック等の現状に適応した転送ツリーを構成することが可能になる。

図１２は、第１実施形態に係る無線基地局の概略構成図である。図１２（ａ）は、ロケーションテーブルを用いる場合の構成例、図１２（ｂ）は、パケットに含まれる転送ツリーＩＤ情報を利用する場合の構成例である。いずれの例でも、無線基地局１０Ａ，１０Ｂは、２以上の転送ツリーに関する情報をそれぞれのツリーのルート局と関連付けて格納するツリーテーブル１２と、パケットの送受信を行う送受信部１１と、受信したパケットに基づいて使用する転送ツリーを判別するツリー判別部１３Ａ，１３Ｂを有する。送受信部１１は、ツリーテーブル１２を参照して、判別された転送ツリー上の次のノードへパケットを転送する。

図１２（ａ）の例では、ツリー判別部１３Ａは、パケット解析部１５と、ロケーションテーブル１６を有し、パケットの送信元アドレスまたは宛先アドレスと、ロケーションテーブル１６とから、ルート局となるべき無線基地局を決定し、そのルート局に対応する転送ツリーを判別する。この場合、送受信部１１は、転送ツリーを順方向または逆方向にたどることで次の転送先を特定し、パケットを転送する。

図１２（ｂ）の例では、ツリー判別部１３Ｂはパケット解析部１５を有し、パケットに含まれる転送ツリーＩＤを取り出して、用いるべき転送ツリーを判別する。

無線基地局１０Ａ，１０Ｂはまた、コスト計算部２０を有する。チャネルモニタ部２２はチャネル状況をモニタし、チャネル状況に応じてコストテーブル２１のコスト値を更新する。送受信部１１でツリー作成パケットを受信した場合は、コストテーブル２１を参照して、一つ前のホップから自局までのコストを書き込み、近隣のノードへツリー作成パケットを送信する。自局がルート局となる場合は、送受信部１１は最初のツリー作成パケットを投げる。

なお、図１２では、図示の簡略化のため単一のインターフェイスおよび単一の送受信部１１として描いているが、無線ブリッジ（無線基地局）間で送受信するバックボーン系と、配下の端末（Station）と送受信するアクセス系のインターフェイスを個別に備えても
よい。

以上、全面的に無線接続される無線ネットワークを例にとって第１実施形態を説明したが、無線基地局（ブリッジ）と端末装置との接続を有線で行うなど、一部に有線を含む無線ネットワーク構成としてもよい。また、転送機能を有する移動端末を適宜無線基地局（ブリッジ）として組み込むことも可能である。移動端末が無線ブリッジとしてネットワークに参加した場合、その時点での無線チャネルの状況を反映した転送ツリーが動的に作成されるので、２以上の転送ツリーを用いて経路の最適化と負荷集中防止をいっそう効果的に実現することができる。

また、ＩＥＥＥ８０２．１１規格の無線ＬＡＮを例にとって説明したが、これに限られず、ＷＣＤＭＡや次世代無線通信方式の無線ネットワークにも適用可能である。さらに、各無線基地局にインターフェイスとプロトコル変換機能を持たせることにより、異なる通信方式のネットワークが混在する無線パケット網にも、第１実施形態の手法を適用することができる。

ネットワークで用いる複数の転送ツリーの一部または全部を一つに集約して、ツリー保持の負荷を軽減することも可能である。その場合、パケットの追加フィールドやツリーテーブルに書き込む情報として、集約したツリーのＩＤを用いることができる。

次に図１３を参照して、本発明の第２実施形態に係るパケット転送システムを説明する。第２実施形態では、パケット転送の最適化を図るために、経路制御としてＭＡＮＥＴ（Mobile Ad hoc Network）で検討されているＯＬＳＲ（Optimized Link State Routing)（上述した非特許参考文献１参照）を、無線基地局と無線端末からなるネットワークに適用する場合について説明する。

図１３は、本発明の第２実施形態に係るパケット転送システムの概要を説明するための図である。第２実施形態では、無線端末側に新たな機能を追加することなく、また、無線ルート局から延びる転送ツリーの有無や数を問題とせずに、既存のアドホックネットワークのプロトコルを適用する。

なお、実施の形態として、本発明をＩＥＥＥ８０２．１１規格の無線ＬＡＮに適用した場合を例にとって、説明する。

図１３において、ある時間に無線基地局Ｂに所属している無線端末Ｌが、無線端末Ｐと通信するために、端末Ｐ宛のパケットを無線基地局Ｂに送信する場合を考える（矢印（１））。

無線端末Ｌからパケットを受信した無線基地局Ｂは、自身が有するロケーションテーブルを検索し、無線端末Ｐのエントリがあるかを調べる（ステップ（２））。ロケーションテーブルは、たとえば図７に示すロケーションンテーブルと同様のものであり、ネットワーク上の各無線基地局と、そこに所属する無線端末とを対応づけて格納する。

ロケーションテーブルに無線端末Ｐのエントリが存在し、かつ有効（例えば有効期間内)である場合には、無線端末Ｐは、現在、無線基地局Ｆに所属すると判明する。

無線基地局Ｂのロケーションテーブル内に、無線端末Ｐの有効なエントリが存在しない場合は、無線基地局Ｂは、他の無線基地局に無線端末Ｐの所属する無線基地局を問い合わせるメッセージをブロードキャスト送信する（矢印（３））。

各無線基地局は、無線端末Ｐの所属先の無線基地局を問い合わせるメッセージを受信し、ロケーションテーブルをチェックする。自局のロケーションテーブルに、有効な無線端末Ｐの記載を有する無線基地局は、無線基地局Ｂに、無線端末Ｐと無線基地局Ｆの対応を記した応答メッセージをブロードキャスト送信する（矢印（４））。

途中の無線基地局のロケーションテーブルにも無線端末Ｐについての記載がない場合は、このメッセージをさらに中継することで、ネットワーク全体に、問合せメッセージが行き渡る。ここで、各無線基地局が同じメッセージを複数回送信してもネットワークにループが発生しないように、問い合わせメッセージと応答メッセージの両方のメッセージ内に、たとえばシーケンス番号を記載する。各ノード（無線基地局）は、送信したメッセージのシーケンス番号と、メッセージの送信元のアドレスを記憶し、同じ送信元かつ同じシーケンス番号のメッセージを、複数回送信しないようにする。

少なくとも無線基地局Ｆは、無線端末Ｐが自局に所属していることを知っている。すなわち、無線基地局Ｆのロケーションテーブルには、無線端末Ｐのエントリが存在するので、問合せメッセージに対して応答する。このように、無線端末Ｌからのパケットが、ネットワーク内に存在する無線端末に宛てられたものであれば、必ず問い合わせメッセージに対する応答メッセージが存在する。

無線端末Ｂは、応答メッセージを受信すると、ロケーションテーブルに無線端末Ｐのエントリを無線基地局Ｆと対応づけて追加し、テーブルを更新する。このように、通信時に無線基地局Ｂのロケーションテーブルに、宛先である無線端末Ｐのエントリがない場合でも、問合せメッセージを発することで、無線端末Ｐと所属先の無線基地局Ｆとの対応を、ロケーションテーブルに追加することが可能となる。

ロケーションテーブルが更新されると、無線基地局Ｂは、無線端末Ｐにパケットを伝送するためには、無線基地局Ｆへパケットを転送すべきであると判断する。そして、ネットワーク上の無線基地局Ａ〜Ｆ間で、一般的なＯＬＳＲプロトコルを使用した自律的な経路制御により作成される経路テーブルに従って、パケットを次の中継ノードである無線基地局Ｃに送信する。

パケットを中継する各無線基地局は、同様にしてロケーションテーブルから、該当パケットの宛て先である無線端末Ｐが無線基地局Ｆに所属していると判定する。こうして順次、無線基地局Ｆまで中継・転送することで、パケットは無線基地局Ｆに到達する。

中継ノードのロケーションテーブルに無線端末Ｐのエントリがない場合は、前述したのと同様に、問合せメッセージをブロードキャスト送信する。

無線端末Ｐに宛てられたパケットを受信した無線基地局Ｆは、無線端末Ｐにパケットを送信することで、無線端末Ｌから無線端末Ｐへのパケット送信が完了する。

無線基地局Ｂに所属する無線端末Ｌは、自らは経路制御処理を行なわずとも、無線基地局Ｆに所属する無線端末Ｐと通信することが可能となる。

問合せメッセージを送信して、応答メッセージを受信するまでの遅延時間を短縮するために、各無線基地局に新しく無線端末が所属した場合に、新たな所属を通知するために、応答メッセージをネットワーク内にブロードキャスト送信しても良い。

図１４Ａは、第２実施形態で使用される無線基地局の概略ブロック図である。無線基地局３０は、送受信部３１と、経路制御テーブル３２と、経路判別部３３と、パケット解析部３５と、ロケーションテーブル３６を有する。任意で、コストテーブル２１とチャネルモニタ部２２を含むコスト計算部２０を有してもよい。

送受信部３１は、特定の宛先に宛てられたパケットや、上述した問合せメッセージ、応答メッセージなどを送受信する。パケット解析部３５は、受信したパケットに含まれる送信元アドレスまたは宛先アドレスをチェックする。ロケーションテーブル３６は、上述したように、たとえば図７に示すテーブルである。

経路制御テーブル３２は、たとえば、図１４Ｂに示すように、宛先の無線端末が所属する無線基地局と、その無線基地局へパケットを送るための次の転送先ノードとを関連付けて記録する。図１４Ｂは、図１３のネットワークにおける無線基地局Ｂが保持する経路制御テーブルの例である。宛先側の無線基地局の代わりに、送信元の無線端末が所属する無線基地局と、その無線基地局からパケットが送られてきた場合に次に転送すべきノードとを関連付けて記録したテーブルとしてもよい。

経路判別部３３は、パケット解析部３５により得られた送信元アドレスまたは宛先アドレスから、ロケーションテーブル３６を参照して、送信元または宛て先の無線端末が現在所属する無線基地局を特定する。そして、経路制御テーブル３２を参照して、次のパケットの転送先を判別し、送受信部３１を介して、転送先（次ノード）へ転送する。

このように、第２実施形態では、既存の無線端末や処理能力の低い無線端末、バッテリーに制限がある無線端末などに、ＯＬＳＲのような自律的経路制御プロトコルを処理する機能を追加、搭載する必要がない。無線基地局が無線端末を代理して経路制御することで、動的に選択される最適な経路を使用して、自律的にネットワーク間で通信することが可能になる。また、ネットワークを構成する無線基地局と、それに所属する無線端末との対応関係を、各無線基地局が交換、管理するので、特別な所在管理用のノードを設置する必要がない。結果として、所在管理ノードへの負荷の集中が回避され、また、所在管理用ノードが故障することによるネットワークの停止を回避することが可能になる。

上記では、ＯＬＳＲを経路制御方式として使用したが、第２実施形態の手法は、ＤＳＲ（Dynamic Source Routing）、ＡＯＤＶ（Ad hoc On Demand Vector）、ＴＢＲＰＦ（Topology Broadcast Reverse Path Forwarding）、ＯＳＰＦ（Open Shortest Path First）など、その他の経路制御プロトコルへも適用可能である。

また、ＩＥＥＥ８０２．１１規格の無線ＬＡＮを例にとって説明したが、これに限られず、ＷＣＤＭＡや次世代無線通信方式の無線ネットワークにも適用可能である。さらに、各無線基地局にインターフェイスとプロトコル変換機能を持たせることにより、異なる通信方式のネットワークが混在する無線パケット網にも、第２実施形態の手法を適用することができる。

無線基地局３０は、上述した既存の経路制御プロトコルに代えて、あるいはそれとともに、第１実施形態の手法で、リンクコストに基づく転送ツリーを動的に生成し、使用することもできる。この場合は、経路制御テーブル３２に代えて、あるいはそれに追加して、図４に示すツリーテーブルを有してもよい。転送ツリーを併用した場合のツリーの判別方法は、第１実施形態と同様である。

また、第２実施形態のパケット転送において、上述した種々の経路制御プロトコルによる転送経路を示すＩＤ情報をパケットに含めてもよい。あるいは、パケットの送信元または宛て先の無線端末が所属する無線基地局のアドレス情報をパケットに含めてもよい。この場合は、たとえば、配下の無線端末から最初にパケットを受け取った無線基地局が、自局のアドレス、または宛先の無線端末が所属する無線基地局のアドレスをパケットに書き込む。この構成では、中継となる各無線基地局は、自己が有するロケーションテーブルを参照することなく、経路制御テーブルから次の転送先を特定して、パケットを中継することができる。

次に、図１５〜図２３を参照して、本発明の第３実施形態に係るパケット転送経路最適化方法を説明する。第３実施形態では、無線ネットワークで最適な経路を決定するために、リンクコスト計算の際に、伝送速度の値に加えて、パケット長（より具体的にはパケットのペイロード長）を加味する。

図１５は、ＩＥＥＥ８０２．１１ａにおける無線フレーム構成を示す図である。多くの無線システムにおいて、パケットは、固定長のヘッダと、可変長のペイロードで構成される。パケット送信時のネゴシエーション時間やヘッダ部分の送信時間は、実データの転送時間に対するオーバーヘッドとなる。このオーバーヘッドは、伝送速度とペイロード長に応じて変化し、パケット転送の際には、オーバーヘッドが少ないほうが望ましい。

図１５の例では、１つのフレームを送るたびに、ＳＩＦＳ（Short Inter Frame Spacing）と呼ばれる短い待ち時間の後、確認応答であるＡｃｋフレームを受け取り、バックオ
フタイムを選択するためのＣＷ（Contention Window）期間を経て、次のフレームを送信する。今、ペイロードをｘバイト、データレートをｋＭｂｐｓとすると、フレーム中のヘッダ伝送時間は約２０μｓ、ペイロードの伝送時間は８ｘ／ｋ［μｓ］、ＳＩＦＳは約１６μｓ、Ａｃｋ伝送時間は（１６＋１３４／ｋ）μｓ程度、ＣＷ期間は１０１．５μｓ程度となる。すなわち、１フレームに必要な伝送時間は、おおよそ
［（２０＋１６＋１６＋１０１．５）＋（８ｘ＋１３４）／ｋ］μｓ
となる。

データの伝送速度を表わすｋ（メガビット）の値は、無線基地局（アクセスポイント）間の電波環境に応じて採用される変調方式や符号化率によって異なる。たとえば、電波が強い場合はビットレートが高くなり、電波が弱いとビットレートが低くなる。図１４の例では、無線環境によって６Ｍｂｐｓと２７Ｍｂｐｓの伝送速度が設定される。説明の便宜上、２つの伝送速度のみを用いるが、３以上の伝送速度が設定され得ることはいうまでもない。

パケットのペイロードが１０００バイトの場合（ｘ＝１０００）は、上記計算式にしたがうと、６Ｍモードでパケットの転送に必要な時間は約１５１０μｓ、２７Ｍモードでは約４５４μｓとなる。

パケットのペイロードが１００バイトの場合（ｘ＝１００）は、６Ｍモードでのパケット転送時間は約３１０μｓ、２７Ｍモードでは約１８９μｓになる。

図１６のように、無線基地局（アクセスポイント）間の無線状況によって、６Ｍｂｐｓのデータレートで１ホップ転送する場合と、２７Ｍｂｐｓのデータレートで２ホップ転送する場合を考える。

ペイロードが１０００バイトのときに、６Ｍｂｐｓの伝送路で１ホップ転送すると、１フレームを転送時間するのに、約１５１０μｓ×１ｈｏｐ＝１５１０μｓかかる。これをデータレートに換算すると、約５．３Ｍｂｐｓになる。

同じ１０００バイトのペイロードを、２７Ｍｂｐｓの伝送路で２ホップ転送すると、１フレームの転送に要する時間は、約４５４μｓ×２ｈｏｐ＝９０８μｓ、データレートに換算すると、約８．６Ｍｂｐｓになる。すなわち、ペイロード長が大きいパケット（ロングパケット）は、ホップ数が多くなっても、送信ビットレートの高い経路を選択するほうが有利になる。

一方、ペイロードが１００バイトのときに、６Ｍモードで１ホップ転送すると、１フレームの転送に、約３１０μｓ×１ｈｏｐ＝３１０μｓかかり、データレートにすると約２．６Ｍｂｐｓとなる。２７Ｍモードで２ホップ転送すると、１フレームの転送に約１８９μｓ×２ｈｏｐ＝３７８μｓ要し、データレートでは約１．９Ｍｂｐｓになる。

すなわち、ペイロード長が小さいパケット（ショートパケット）は、ヘッダ等の転送に要するオーバーヘッドの比率が高くなるため、低ビットレートであっても、ホップ数の少ない経路が有利となる。

このように無線ネットワークで適応変調、符号化を行う場合、転送するパケットのペイロード長によって、最適な経路が異なってくる。そこで、第３実施形態では無線ネットワークを構成する無線基地局に、パケット長判断部と、パケット長に応じた最適経路を記載した複数のルーティングテーブルを持たせ、経路選択の基準として、伝送速度の他にパケット長も加味する。

図１７は、第３実施形態に係る無線基地局の概略ブロック図である。無線基地局５０は、パケットを送受信する送受信部５１と、中継パケットを受信したときにパケット長あるいはペイロード長を判断するパケット長判断部５６と、パケット長が所定の基準以下の場合の経路を宛先に関連付けて格納するショートパケットテーブル５７と、パケット長が所定の基準よりも大きい場合の経路を宛先に関連付けて格納するロングパケットテーブル５８を有する。送受信部５１は、パケット長判断部が判断したパケット長に応じて、ショートパケットテーブル５７またはロングパケットテーブル５８のいずれかを参照し、中継パケットを次ノードへ転送する。

図１７では、複数のルーティングテーブルの例として、ショートパケットテーブル５７とロングパケットテーブル５８を描いているが、パケット長の区分に応じて２以上のテーブルを有してもよい。

コスト計算部６０は、経路検索パケットやツリー作成パケットなどのリンクコスト要求パケットを受け取った場合に、自局とひとつ前のノードとの間の伝送速度に応じたリンクコストを、ショートパケット用とロングパケット用の２通りで計算する。そして、計算した２通りのリンクコストを、経路検索パケットやツリー作成パケットに書き込んで、近接ノードへ送信する。無線基地局５０は、システムの最終的なコスト情報から選択された経路に基づいて、ショートパケットテーブル５７とロングパケットテーブル５８を適宜更新する。

このような無線基地局５０は、第１実施形態および第２実施形態と同様に、移動局、固定局を問わない。

図１８は、第３実施形態に係る無線基地局の動作を示すフローチャートである。無線基地局はパケットを受信すると（Ｓ１００１）、パケット解析部５５において、受信したパケットが自ノード宛か否かを判断する（Ｓ１００２）。自ノードに宛てられたパケットである場合は（Ｓ１００２でＹＥＳ）、転送の必要がないので、この無線基地局で処理する（Ｓ１００４）。パケットの宛先が他ノードである場合は（Ｓ１００２でＮＯ）、パケット判断部５６は、パケット長あるいはペイロード長が所定の基準値、たとえば１００バイト以下であるかどうかを判断する（Ｓ１００３）。所定の基準値以下の場合は（Ｓ１００３でＹＥＳ）、無線基地局はショートパケットテーブル５７を参照して、宛先に関連付けられた経路を選択し、次ノードへパケットを転送する（Ｓ１００５）。パケット長あるいはペイロード長が所定の基準値を超える場合は（Ｓ１００３でＮＯ）、無線基地局はロングパケットテーブル５８を参照して、宛先に関連付けられた経路を選択し、次ノードへパケットを転送する（Ｓ１００６）。

図１９は、第３実施形態のパケット転送経路最適化方法が適用されるネットワーク構成例を示す。ネットワークは無線基地局Ａ〜Ｆを含み、点線でつながっている２つのノード間が通信可能である。無線基地局Ａ〜Ｆは、無線ブリッジとしてパケットの中継、転送を行う機能を有する。なお、図示はしないが、各無線基地局の配下に、中継機能を有しない端末装置が接続されていてもよい。

図２０Ａは、図１９のネットワークにおいて、無線基地局Ｅを宛先とするショートパケットの転送経路の例を示す図である。上述したように、ショートパケットでの転送は、ヘッダ等の転送にかかるオーバーヘッドの比率が高いので、送信回数（ホップ数）が少ない経路が有利である。無線基地局ＡからＥ宛のパケットを転送する場合は、Ａ→Ｆ→Ｅの経路でホップ数を少なく抑える。無線基地局ＢからＥ宛のパケットを転送する場合も、Ｂ→Ｃ→Ｅとホップ数を少なくして転送する。Ｄからは、近接ノードとしてのＥへ直接転送する。

図２０Ｂは、図１９のネットワークにおいて、無線基地局Ｅを宛先とするロングパケットの転送経路の例を示す図である。ロングパケットの場合、データ送信時間に対するオーバーヘッドの比率が小さいため、ホップ数が増えても送信ビットレートの高い経路を選択するのが有利である。無線基地局ＡからＥへパケットを転送する場合は、送信ビットレートの高い区間を選択して、トータルの送信時間が最も小さくなるＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅをいう経路を選択する。無線基地局ＦからＥへ転送する場合、図２０Ｂの例ではＦ→Ｅという経路が選択されている。もっとも、無線状況に応じて、たとえばＦ→Ｄ→Ｅという経路の方が、転送時間が短くなる（すなわちビットレートが高くなる）場合は、後者の経路を選択する。

図２１Ａは、無線基地局Ａが有するルーティングテーブルの一例としてのショートパケットテーブルを、図２１Ｂはロングパケットテーブルを示す図である。それぞれ宛先アドレスと対応付けて、宛先までのすべての中継ノードが記載されている。

図２２Ａは、無線基地局Ａが有するルーティングテーブルの別の例としてのショートパケットテーブルを、図２２Ｂはロングパケットテーブルを示す図である。それぞれ宛先アドレスに対応付けて、転送すべき次ノードが記載されている。

図２３は、図２１および図２２に示すルーティングテーブルを作成するためのリンクコスト計算の例を示す図である。現在の無線状況に応じて、各ノード間のリンクに、６Ｍｂｐｓまたは２７Ｍｂｐｓの伝送速度が設定されている。

無線基地局ＡからＥへパケットを転送する場合、無線基地局Ａは、たとえば経路検索パケットを近接するノードへ送信する。ノードＦとノードＢが経路検索パケットを受けとり、それぞれ、ひとつ前のノードＡから自局までのコストを、ショートパケットとロングパケットの双方の場合について計算し、計算結果をパケットに書き込む。ノードＦでは、ＡＦ間の現在の伝送速度に基づき、ショートパケットでは３１０μｓ、ロングパケットでは１５１０μｓとコスト計算し、この値を経路検索パケットに書き込む。同様にして、ノードＢでも、ＡＢ間の伝送速度に基づいて、ショートパケットでは１８９μｓ、ロングパケットでは４５４μｓと計算して、これらの値を経路検索パケットに書き込む。

ノードＦからの経路検索パケットを受けとったノードＥは、ＦＥ間のコストをショートパケットとロングパケットの２通りで計算し、ＡＦ間のコストに加算する。同様に、ノードＢからの経路検索パケットを受けとったノードＣは、ＢＣ間のコストをショートパケットとロングパケットの２通りで計算し、ＡＢ間のコストに加算する。これを順次繰り返すと、ＡからＥへパケットを転送するのに、たとえば
経路１：Ａ→Ｆ→Ｅ
経路２：Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｅ
経路３：Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ
という経路をとり得る。経路検索パケットがＥに到達した時点で、上記経路の各々について、ショートパケットのときのトータルのコストと、ロングパケットのときのトータルのコストが算出される。ショートパケットの場合は、コスト１が６２０μｓと最も安く、伝送速度は低いがホップ数の少ない経路１が最適経路として選択される。ロングパケットの場合は、コスト３が１８１６μｓと最も安く、ホップ数は多いが伝送速度の高い経路３が最適経路として選択される。

ショートパケットとロングパケットのそれぞれに関して選択された最適経路は、すべてのノードに通知され、各ノードでショートパケットテーブルおよびロングパケットテーブルが更新される。この後、無線基地局Ａがデータパケットを送信するときに、ショートパケットを送る場合は、ショートパケットテーブルを参照して、テーブルに次ノードとして記載されたノードＦに転送する。ロングパケットを送信する場合は、ロングパケットテーブルを参照して、次ノードとして記載されたノードＢに転送する。

図２３では、経路検索パケットで最適経路のためのリンクコストを計算する例を説明したが、第１実施形態のように、ネットワーク内で１または２以上の転送ツリーを用いる構成に、第３実施形態の最適経路の決定方法を適用することも可能である。この場合は、ルート局からのツリー作成パケットに、ショートパケット用のリンクコストとロングパケット用のリンクコストの双方を書き込んで、近接ノードへツリー作成パケットを転送し、最終的に選択された非ループの転送ツリーを各ノードに通知することになる。
各ノード（無線基地局）は、ショートパケットについての転送ツリーテーブルと、ロングパケットについての転送ツリーテーブルを有することになる。

第３実施形態のパケット転送経路の最適化の手法を、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格を例にとって説明したが、これに限定されず、任意の方式のシステムでも、同様の手法でリンクコストを計算し、伝送速度およびパケット長を考慮した最適なパケット転送経路を決定することができる。また、パケット長（ペイロード長）を３段階以上に分類してリンク計算を行ってもよい。

第３実施形態によれば、位置、時間によってネットワークトポロジや無線状況が変化するアドホックな無線ネットワークで、送受信されるパケット長に応じて、最適なパケット転送経路が選択される。

以上説明した、第１実施形態から第３実施形態の手法を、独立に用いることも、互いに組み合わせることも可能である。

いずれの実施形態も、自律的に構成される無線ネットワーク内で、負荷の集中を防止し、最適な無線経路でパケットを転送することができる。また、既存の無線端末に追加機能の搭載を要請せずに、自律的な無線ネットワークへの参加を可能にする。

従来の有線ネットワークにおける非ループ転送ツリーを用いたパケット転送を示す図である。 従来の無線ネットワークにおける単一ルート局からの転送ツリーを用いたパケット転送を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るパケット転送システムの概要を示す図であり、複数の無線基地局をルート局として、複数の転送ツリーを用いるパケット転送を説明するための図である。 ネットワーク上の各無線基地局が保持するツリーテーブルの構成例を示す図である。 図３のネットワークで用いられるパケットのアドレス部分のフォーマット例を示す図である。 第１実施形態において複数局をルート局とする転送ツリーの構成例を示す図である。 パケット転送に使用する転送ツリーを判別する第１の方法を説明するための図であり、各部線基地局が有するロケーションテーブルの構成例を示す図である。 各無線基地局における学習テーブルの作成例を示す図である。 パケット転送に使用する転送ツリーを判別する第３の方法を説明するための図であり、パケットのヘッダ部分の追加フィールドの構成例を示す図である。 パケット転送に使用する転送ツリーを判別する第３の方法を説明するための図であり、パケットのヘッダ部分の追加フィールドの構成例を示す図である。 第１実施形態に係る転送ツリーの作成に使用されるリンクのコスト一覧を示す図である。 従来のリンクコスト一覧を示す図である。 転送ツリー作成手順の一例を示す図である。 第１実施形態に係る無線基地局の構成例を示す図である。 第１実施形態に係る無線基地局の構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るパケット転送システムを説明するための図である。 第２実施形態に係る無線基地局のブロック図である。 第２実施形態の基地局で用いられる経路制御テーブルの一例を示す図である。 本発明の第３実施形態に係るパケット転送経路最適化方法を説明するための図であり、無線フレームの構成例を示す図である。 ペイロード長と最適経路の関係を説明するための図である。 第３実施形態に係る無線基地局のブロック図である。 第３実施形態に係るパケット長に応じた経路制御を示すフローチャートである。 第３実施形態に適用されるネットワーク構成例を示す図である。 ショートパケットの転送経路の一例を示す図である。 ロングパケットの転送経路の一例を示す図である。 すべての中継ノードを記載した経路制御テーブルの一例としてのショートパケットテーブルの図である。 すべての中継ノードを記載した経路制御テーブルの一例としてのロングパケットテーブルの図である。 次ノードのみを記載した経路制御テーブルの一例としてのショートパケットテーブルの図である。 次ノードのみを記載した経路制御テーブルの一例としてのロングパケットテーブルの図である。 第３実施形態に係るコスト計算の例を示す図である。

符号の説明

１０Ａ、１０Ｂ、３０、５０ 無線基地局
１１、３１、５１ 送受信部
１２ ツリーテーブル
１３Ａ、１３Ｂ ツリー判別部
１４、３５、５５ パケット解析部
１６、３６ ロケーションテーブル
２０、６０ コスト計算部
３２ 経路制御テーブル
５６ パケット長判別部
５７ ショートパケットテーブル（経路制御テーブル）
５８ ロングパケットテーブル（経路制御テーブル）

Claims (6)

1. 複数の無線基地局と無線端末とを有するパケット転送システムであって、
   各無線基地局は、
   無線端末と、該無線端末が現時点で所属する無線基地局とを対応付けたロケーションテーブルと、
   各無線基地局と、パケットの送信元又は宛先の無線端末の所属先である無線基地局に応じて決定される前記パケットの転送先となるべき無線基地局とを対応付けて格納する経路制御テーブルと、
   当該無線基地局が、前記無線端末から最初にパケットを受信した無線基地局に該当する場合に、前記ロケーションテーブルを参照して、該パケットに、受信したパケットの送信元又は宛先の無線端末が所属する無線基地局のアドレス情報を含めたパケットを生成するパケット生成部と、
   前記経路制御テーブルを参照して、前記パケットに含まれる該パケットの送信元又は宛て先の無線端末が所属する無線基地局のアドレス情報から、該パケットの転送先となるべき無線基地局を判別する経路判別部と、
   該経路判別部により判別されたパケットの転送先となるべき無線基地局へ、前記パケットを転送するパケット送信部と、
   無線基地局間でロケーションテーブル内の情報を交換し、当該無線基地局のロケーションテーブルを更新するロケーションテーブル更新部と
   を備えることを特徴とするパケット転送システム。
2. 前記各無線基地局は、
   当該無線基地局に新たな無線端末が所属したときに、該新たな無線端末の所属を通知する通知パケットをブロードキャストする無線端末所属通知部
   を有し、
   前記ロケーションテーブル更新部は、前記通知パケットを受信した場合、前記ロケーションテーブルを更新することを特徴とする請求項１に記載のパケット転送システム。
3. 前記パケット生成部は、当該無線基地局が、前記無線端末から最初にパケットを受信した無線基地局に該当する場合に、該パケットの転送経路を示すＩＤ情報を含めたパケットを生成し、
   前記経路判別部は、パケットを受信したときに、前記経路制御テーブルを参照して、該パケットに含まれる前記転送経路を示すＩＤ情報から、該パケットの転送先を判別することを特徴とする請求項１に記載のパケット転送システム。
4. 無線パケット通信システムにおける無線基地局であって、
   前記無線パケット通信システムに含まれる各無線基地局と、該各無線基地局に所属する無線端末とを対応づけたロケーションテーブルと、
   各無線基地局と、パケットの送信元又は宛先の無線端末の所属先である無線基地局に応じて決定される前記パケットの転送先となるべき無線基地局とを対応付けて格納する経路制御テーブルと、
   当該無線基地局が、前記無線端末から最初にパケットを受信した無線基地局に該当する場合に、前記ロケーションテーブルを参照して、該パケットに、受信したパケットの送信元又は宛先の無線端末が所属する無線基地局のアドレス情報を含めたパケットを生成するパケット生成部と、
   前記経路制御テーブルを参照して、前記パケットに含まれる該パケットの送信元又は宛て先の無線端末が所属する無線基地局のアドレス情報から、該パケットの転送先となるべき無線基地局を判別する経路判別部と、
   該経路判別部により判別されたパケットの転送先となるべき無線基地局へ、前記パケットを転送するパケット送信部と、
   他の無線基地局との間で前記ロケーションテーブル内の情報を交換し、当該無線基地局のロケーションテーブルを更新するロケーションテーブル更新部と
   を備えることを特徴とする無線基地局。
5. 新たな無線端末が当該無線基地局に所属した場合に、該無線端末の所属を通知する通知パケットを、ブロードキャストする無線端末所属通知部
   を有し、
   前記ロケーションテーブル更新部は、新たに無線端末が所属したことを知らせる通知パケットを受信した場合に、前記ロケーションテーブルを更新することを特徴とする請求項４に記載の無線基地局。
6. 前記パケット生成部は、当該無線基地局が、前記無線端末から最初にパケットを受信した無線基地局に該当する場合に、該パケットの転送経路を示すＩＤ情報を含めたパケットを生成し、
   前記経路判別部は、パケットを受信したときに、前記経路制御テーブルを参照して、該パケットに含まれる前記転送経路を示すＩＤ情報から、該パケットの転送先を判別することを特徴とする請求項４に記載の無線基地局。

Images