JP4487740B2

JP4487740B2 - 無線通信ネットワーク

Info

Publication number: JP4487740B2
Application number: JP2004334290A
Authority: JP
Inventors: 孝明畠内
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2024-11-18
Also published as: JP2006148417A

Description

本発明は、無線通信ネットワークに関し、さらに詳しくは、発信元無線機が発信したデータを着信先無線機以外の無線機が一旦受信し再発信する、という動作を一回以上繰り返すことにより着信先無線機にデータを送信するマルチホップ無線通信ネットワークに関する。

近年、途中中継を行いながら、任意の無線機間で通信を行うマルチホップ無線通信ネットワークの研究が盛んに行われている。
マルチホップ無線通信ネットワークの例としては、特許文献１などがある。特許文献１では、データ転送を開始するのに際して、経路調査フレームを複数の経路に対して送信して複数の回線状態を調査し、回線状態が良好な経路を判別してデータ転送する経路を決定することが開示されている。データ転送経路は、（１）複数経路のなかでフレームが最も早く受信方に受信された経路をデータ転送経路とする方法、（２）複数経路のなかでデータ転送のリトライ回数が最も少ない経路をデータ転送経路とする方法、（３）複数経路のなかで回線負荷の最大値が最も少ない経路をデータ転送経路とする方法、の（１）〜（３）のいずれかの方法で決定される。また、データ転送中は、データフレームに格納されるリトライ回数または回線負荷を監視し、異常検出閾値を超えた場合に、通信回線異常などが起こったとして、経路調査フレームを発行して転送経路を再調査し、再決定する。

特許文献１におけるマルチホップ無線通信ネットワークでは、通信回線に異常が起こった場合に、送信方から受信方に異常検出閾値までデータ転送のリトライ等が行われ、その後、転送経路の再調査のための経路調査フレームの送信、そして新たな転送経路が決定されるため、異常検出後、正常にデータ転送が再開されるまでにある程度の時間が必要となる。

そこで、送信方無線機または中継無線機がデータを送信した場合に受信方から受信応答を受信できないなどの異常を検知した場合に、より時間をかけずに新たな転送経路でデータ転送できるマルチホップ無線通信ネットワークが望まれるが、そのような無線通信ネットワークとしては特許文献２に開示されるものなどがある。

以下、特許文献２のマルチホップ無線通信におけるデータ転送について説明する。
図３に、マルチホップ無線通信ネットワークの例を示す。図３においてＡ〜Ｊが無線機を示している。各無線機には互いに１以上の通信可能な無線機が存在し、無線機間を中継することで任意の無線機間の通信が可能である。無線機Ａから発信されるデータは、無線機Ａからの送信、無線機Ｂ，Ｄ，Ｈの中継のための受送信、無線機Ｊの受信の処理により無線機Ｊに着信する。このようにマルチホップ無線通信ネットワークで途中の無線機を中継することによって行う任意の無線機間のデータ伝送方式はバケツリレー方式と呼ばれている。

また、図４にバケツリレー方式によるデータ転送の通信シーケンスを示す。データを受信する無線機Ｂ，Ｄ，Ｈ，Ｊは、おのおの送信してきた無線機に対して、データを正常に受信した旨を通知する受信応答を送信する。データを送信した各無線機は、受信方の無線機からの応答を受信することによって、発信あるいは中継処理を完了する。受信方の無線機から応答を確認できない場合は、一定時間を経過した後に同じデータを再度送信する。この送信は前回と同一の相手に対して行われる場合と、相手を変えて行われる場合がある。

相手を変えて再送を行う場合のバケツリレー方式を図５を用いて説明する。図５において、無線機Ａから発信されるデータは、無線機Ａが無線機Ｂを受信方として送信し、これを受信した無線機Ｂは無線機Ｄを受信方として中継のための送信を行う。しかし、この送信は無線機Ｄにて受信されず、無線機Ｂは一定時間内に無線機Ｄからの応答を確認できないため、新たに無線機Ｅを受信方としてデータを送信する。無線機Ｅの受信が正常に行われたとすると、以下同様に、無線機Ｅの送信、無線機Ｇの中継のための受送信、無線機Ｊの受信処理を行うことによって、無線機Ｊにデータが着信する。

このように特許文献２に開示された無線通信ネットワークでは、中継途中の通信回線異常により、選択した無線機にデータが伝わらない場合も、無線機の再送機能によって目的とする無線機までデータをバケツリレーすることが可能である。したがって、特許文献１とは異なり、通信回線異常に即応してデータ転送を再開できる無線通信ネットワークであるということができる。
特開２００１−１３６１７８号公報特開２０００−１３３７６号公報

しかしながら、特許文献２のようなマルチホップ無線通信ネットワークおいても以下のような問題がある。
通信回線異常が検知された場合にデータ再送を行う場合、すなわち例えば図５のようにデータを無線機Ｄに送信した無線機Ｂが応答を確認できず、データ再送を行う場合には、以下の２通りの原因が考えられる。
（１）データ送信に失敗して、データが無線機Ｄに受信されなかった場合。
（２）データ送信には成功し、データは無線機Ｄに受信されたが、無線機Ｄが送信した受信応答が無線機Ｂに受信されなかった場合。

（１）の場合は、データ送信に失敗しているので、データ再送が行われて然るべきである。しかし、（２）の場合は、図６に示すように、無線機Ｄに受信されたデータは、無線機Ｈで中継され、無線機Ｊに着信する。また、応答確認に失敗した無線機Ｂが送信相手を無線機Ｅとした再送データも無線機Ｅ，Ｇで中継されて無線機Ｊに着信する。このように、同一のデータが分裂して、複数の通信がネットワーク内に存在することになってしまう。

複数の通信が同じマルチホップ無線ネットワーク内に存在すると、タイミングエリアが重なった通信が、互いに干渉して新たな通信回線異常の原因となる。特に、ネットワークの規模が大きくなると、図７のように通信回線異常によって分裂した通信が互いに輻輳して、あらたな通信回線異常、分裂の原因となり、繰り返されるうちに雪だるま式に通信が増えていく現象が発生する。雪だるま式に増えた通信は、マルチホップ無線ネットワークの資源を使い、通信効率を著しく落とす原因になる。

そこで、本発明の課題は、複数台の無線機によって構成され、発信元無線機と中継無線機、中継無線機間、中継無線機と着信先無線機のそれぞれの送受信において、受信方にデータが到達したことを受信応答によって送信方が確認し、確認できない場合は同じ受信方または別の受信方にデータの再送を試みるマルチホップ無線通信ネットワークにおいて、各無線機間通信でデータ送信に対するデータ受信応答を確認できずに再送することによって発生する、無限の同一データの複製を抑えること、である。

上述した課題を解決するために、本発明では、中継すべきデータを受信したときに必ず中継するわけではなく、データの受信方と送信方との通信成功率と、予め規定されたネットワーク内にデータが存在する確率とから算出された中継確率に基づいて中継を行うかどうか決定するようにした。また、データを送信して受信応答を確認できない場合に必ず再送するわけではなく、データの送信方と受信方との通信成功率と、予め規定されたネットワーク内にデータが存在する確率とから算出された再送確率に基づいてデータ再送を行うかどうか決定するようにした。

本発明の一態様によれば、複数台の無線機によって構成され、発信元無線機と中継無線機、中継無線機間、中継無線機と着信先無線機のそれぞれの送受信において、受信方にデータが到達したことを受信応答によって送信方が確認し、確認できない場合は同じ受信方または別の受信方にデータの再送を試みるマルチホップ無線通信ネットワークであって、各無線機は、受信方としてデータを受信すると送信方に前記受信応答を送信し、該受信したデータを、該受信方と該送信方との通信成功確率と、予め規定されたネットワーク内にデータが存在する確率とから求められた中継確率に基づいて中継する手段と、送信方としてデータを送信した後、受信方から前記受信応答を受信できない場合に、該送信方と該受信方との通信成功確率と、予め規定されたネットワーク内にデータが存在する確率とから求められた再送確率に基づいてデータを再送する手段と、を備える。

また、本発明の一態様によれば、発信元と中継器、中継器間、中継器と着信先のそれぞれの送受信において、受信方にデータが到達したことを受信応答によって送信方が確認し、確認できない場合は同じ受信方または別の受信方にデータの再送を試みるマルチホップ無線通信ネットワークにおける無線機であって、受信方としてデータを受信すると送信方に前記受信応答を送信する手段と、該受信したデータを、該受信方と該送信方との通信成功確率と、予め規定されたネットワーク内にデータが存在する確率とから求められた中継確率に基づいて中継する手段と、送信方としてデータを送信すると受信方から前記受信応答を受信する手段と、データを送信した後該受信方から前記受信応答を受信できない場合に、該送信方と該受信方との通信成功確率と、予め規定されたネットワーク内にデータが存在する確率とから求められたデータ再送確率に基づいてデータを再送する手段と、を備える。

本発明の一態様によれば、複数台の無線機によって構成され、発信元無線機と中継無線機、中継無線機間、中継無線機と着信先無線機のそれぞれの送受信において、受信方にデータが到達したことを受信応答によって送信方が確認し、確認できない場合は同じ受信方または別の受信方にデータの再送を試みるマルチホップ無線通信ネットワークにおける通信方法であって、各無線機は、受信方としてデータを受信すると送信方に前記受信応答を送信し、該受信したデータを、該受信方と該送信方との通信成功確率と、予め規定されたネットワーク内にデータが存在する確率とから求められた中継確率に基づいて中継し、送信方としてデータを送信した後、受信方から前記受信応答を受信できない場合に、該送信方と該受信方との通信成功確率と、予め規定されたネットワーク内にデータが存在する確率とから求められた再送確率に基づいてデータを再送する。

本発明によれば、マルチホップ無線通信ネットワークにおいて、受信応答を確認できないために生じる無限のデータ複製を抑えることが可能であり、無線通信ネットワークの通信容量を有効に使うことが可能となる。

本発明によれば、複数台の無線機によって構成され、発信元無線機と中継無線機、中継無線機間、中継無線機と着信先無線機のそれぞれの送受信において、受信方にデータが到達したことを受信応答によって送信方が確認し、確認できない場合は同じ受信方または別の受信方にデータの再送を試みるマルチホップ無線通信ネットワークにおいて、各無線機間通信でデータ送信に対するデータ受信応答を確認できずに再送することによって発生する、無限の同一データの複製を抑えることが可能である。すなわち、中継すべきデータを受信した場合に中継確率に基づき中継を行うかどうか決定し、またデータを送信したが受信応答を受信できない場合に必ず再送するわけではなく再送確率に基づいてデータの再送を行うため、データが正常に送信されていて受信応答が受信されない場合のデータ再送や該再送されたデータの中継を防ぐことが可能となり、同一データが無限に作成されることを防ぐことができるのである。これにより無線通信ネットワークの通信効率を上げることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
本発明のマルチホップ無線通信ネットワークにおいて各無線機がどのようにデータ転送を行うかを、図１に示すように、無線機Ｂが無線機Ｄにデータを送信し、無線機Ｄから無線機Ｂに受信応答を送信する場合を例に説明する。

今、回線の通信成功確率をＸとする。すなわち、無線機Ｂと無線機Ｄ間の通信回路の通信成功確率がＸである。つまり、通信成功確率Ｘ＝（一定期間内に送信方無線機が送信したデータを受信方無線機が正常に受信した回数）／（該一定期間内にデータを送信方無線機が受信方無線機へ送信した合計回数）である。通信成功確率Ｘは、送信したデータを受信方無線機が正常に受信できる確率であり、各無線機の性能が等しいものと考えると、データ送信方無線機がデータ受信応答を正常に受信できる確率も同じである。通信成功確率Ｘはマルチホップ無線ネットワークを構築する際に決定され、すべての無線機は自身の周辺の無線機との通信成功確率Ｘを知っている。すなわち、例えば、予め各無線機間で試験通信、例えばデータの送受信を行い、無線機のメモリに通信成功確率Ｘを格納しておくものとする。

この場合に、図１における各事象の確率は以下の通りになる。
無線機Ｂの送信したデータが受信方無線機Ｄに到達しない確率は、
１−Ｘ・・・・・（１）
データが受信方無線機Ｄに到達し、受信応答が送信方無線機Ｂに到達する確率は、
Ｘ×Ｘ・・・・・（２）
データが受信方無線機Ｄに到達し、受信応答が送信方無線機Ｂに到達しない確率は、
Ｘ×（１−Ｘ）・・・・・（３）
（１）〜（３）の事象のうち、通信が分裂してしまうのは、（３）の場合に相当する。

以下に、まず（ｉ）無線機Ｂが無線機Ｄにデータを送信し、無線機Ｄがデータを中継する処理について述べ、次に（ｉｉ）無線機Ｂが無線機Ｄから受信応答を受信しない場合に、無線機Ｂがデータを再送する処理について述べる。

（ｉ）無線機Ｄのデータ中継処理
受信方無線機Ｄから見ると、データを受信した時点で事象は確定しているから、送信方無線機Ｂが応答を確認できない確率は、
１−Ｘ・・・・・（４）
となる。

ここで、データを受信した無線機Ｄは必ずデータを中継するのではなく、中継確率Ｙｒで中継するとする。ここで、中継確率Ｙｒ＝（一定期間内に受信した中継すべきデータを中継した回数）／（該一定期間内に中継すべきデータを受信した合計回数）である。よって、（１−Ｙｒ）でデータを破棄することになる。

ネットワーク内にデータが存在する確率をＺ、すなわち、Ｚ＝（ネットワーク内にデータを残す確率）、とすると、データがネットワーク内になくなってしまう確率は（１−Ｚ）となる。よって、
（１−Ｚ）＝｛１−（１−Ｘ）｝×（１−Ｙｒ）・・・・・（５）
（５）を整理して、
Ｙｒ＝１−｛（１−Ｚ）／Ｘ｝・・・・・（６）
よって、ネットワーク内にデータが存在する確率を設定し、また予め測定されている送信方無線機Ｂとの間の通信成功確率Ｘから、中継確率Ｙｒを求めることができ、この確率で無線機Ｄが中継を行うかを決定することができる。

（ｉｉ）無線機Ｂの再送処理
送信方無線機Ｂからみて受信応答が確認できない事象が確定したときに、受信方無線機Ｄにデータが到達している確率は、（３）／｛（１）＋（３）｝より、
Ｘ／（１＋Ｘ）・・・・・（７）
である。ここで受信応答確認ができなかった送信方無線機Ｂはある確率Ｙｓで再送を行うものとする。ここで、再送確率Ｙｓ＝（一定期間内に再送を行った回数）／（該一定期間内に受信応答が確認できなかった合計回数）である。よって、（１−Ｙｓ）でデータを再送せず、破棄することになる。すると、送信方無線機Ｂがデータを破棄し受信無線機にもデータが到達していない、すなわち無線ネットワーク内にデータがなくなってしまう確率（１−Ｚ）は、
（１−Ｚ）＝（１−Ｙｓ）×｛１−Ｘ／（１＋Ｘ）｝
＝（１−Ｙｓ）／（１＋Ｘ）・・・・・（８）
（８）を整理して、
Ｙｓ＝１−（１−Ｚ）×（１＋Ｘ）・・・・・（９）

よって、ネットワーク内にデータを残す確率Ｚを設定し、また予め測定されている受信方無線機Ｄとの間の通信成功確率Ｘから、再送確率Ｙｓを求めることができ、この確率で無線機Ｂが再送を行うか否かを決定することができる。尚、Ｚは、ネットワークの使用状況や、アプリケーションの求めるエンド−エンドの通信の信頼性に応じて選択可能なものである。

以上のように、無線機Ｂが無線機Ｄにデータを送信する場合に、無線機Ｄの中継処理及び無線機Ｂの再送処理について説明したが、本発明のマルチホップ無線通信ネットワークにおける各無線機間の送受信において、同様に中継確率、再送確率を求め、その確率で中継または再送を行うか、データを破棄してしまうかを決定し、データ転送を行うことが可能である。

ところで、本発明のマルチホップ無線通信ネットワークを実現する無線機の構成は図２のようになる。無線機２１は、受信応答送信手段２２、受信応答受信手段２３、データ中継手段２４、データ再送手段２５を備える。受信応答送信手段２２は、データを受信すると送信方に受信応答を送信する。受信応答受信手段２３は、データを送信後、データ受信方から送信される受信応答を受信する。データ中継手段２４は、受信したデータを、データ送信方との通信成功確率Ｘとネットワーク内にデータが存在する確率Ｚとから求められる中継確率Ｙｒに基づいて中継する。データ再送手段２５は、データを送信後、受信方から受信応答を受信できない場合に、データ受信方との通信成功確率Ｘとネットワーク内にデータが存在する確率Ｚとから求められるデータ再送確率Ｙｓに基づいてデータを再送する。

以上本発明のマルチホップ無線通信ネットワークについて詳細に説明したが、本発明は以上に述べたことに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々の構成または形状をとることができることはいうまでもない。

本発明の実施例を示す図である。本発明のマルチホップ無線通信ネットワークを構成する無線機の機能ブロック図を示す図である。マルチホップ無線通信ネットワークの例を示す図である。バケツリレー方式によるデータ転送の通信シーケンスを示す図である。再送発生の場合のデータ転送を示す図である。応答が確認できず、複数のデータがネットワークに存在してしまう例を示す図である。データの分裂によって輻輳が発生する例を示す図である。

符号の説明

２１無線機
２２受信応答送信手段
２３受信応答受信手段
２４データ中継手段
２５データ再送手段

Claims

複数台の無線機によって構成され、発信元無線機と中継無線機、中継無線機間、中継無線機と着信先無線機のそれぞれの送受信において、受信方にデータが到達したことを受信応答によって送信方が確認し、確認できない場合は同じ受信方または別の受信方にデータの再送を試みるマルチホップ無線通信ネットワークであって、
各無線機は、
受信方としてデータを受信すると送信方に前記受信応答を送信し、該受信したデータを、該受信方と該送信方との通信成功確率と、予め規定されたネットワーク内にデータが存在する確率とから求められた中継確率Ｙｒに基づいて中継する手段と、
送信方としてデータを送信した後、受信方から前記受信応答を受信できない場合に、該送信方と該受信方との通信成功確率と、予め規定されたネットワーク内にデータが存在する確率とから求められた再送確率Ｙｓに基づいてデータを再送する手段と、
を備えることを特徴とするマルチホップ無線通信ネットワーク。
請求項１記載のマルチホップ無線通信ネットワークであって、
前記中継確率Ｙｒは、前記受信方と前記送信方との通信成功確率をＸ、前記ネットワーク内にデータが存在する確率をＺとすると、Ｙｒ＝１−｛（１−Ｚ）／Ｘ｝で算出されることを特徴とするマルチホップ無線通信ネットワーク。
請求項１記載のマルチホップ無線通信ネットワークであって、
前記再送確率Ｙｓは、前記送信方と前記受信方との通信成功確率をＸ、前記ネットワーク内にデータが存在する確率をＺとすると、Ｙｓ＝１−（１−Ｚ）×（１＋Ｘ）で算出されることを特徴とするマルチホップ無線通信ネットワーク。
発信元と中継器、中継器間、中継器と着信先のそれぞれの送受信において、受信方にデータが到達したことを受信応答によって送信方が確認し、確認できない場合は同じ受信方または別の受信方にデータの再送を試みるマルチホップ無線通信ネットワークにおける無線機であって、
受信方としてデータを受信すると送信方に前記受信応答を送信する手段と、
該受信したデータを、該受信方と該送信方との通信成功確率と、予め規定されたネットワーク内にデータが存在する確率とから求められた中継確率に基づいて中継する手段と、
送信方としてデータを送信すると受信方から前記受信応答を受信する手段と、
データを送信した後該受信方から前記受信応答を受信できない場合に、該送信方と該受信方との通信成功確率と、予め規定されたネットワーク内にデータが存在する確率とから求められたデータ再送確率に基づいてデータを再送する手段と、
を備えることを特徴とする無線機。
複数台の無線機によって構成され、発信元無線機と中継無線機、中継無線機間、中継無線機と着信先無線機のそれぞれの送受信において、受信方にデータが到達したことを受信応答によって送信方が確認し、確認できない場合は同じ受信方または別の受信方にデータの再送を試みるマルチホップ無線通信ネットワークにおける通信方法であって、
各無線機は、
受信方としてデータを受信すると送信方に前記受信応答を送信し、該受信したデータを、該受信方と該送信方との通信成功確率と、予め規定されたネットワーク内にデータが存在する確率とから求められた中継確率に基づいて中継し、
送信方としてデータを送信した後、受信方から前記受信応答を受信できない場合に、該送信方と該受信方との通信成功確率と、予め規定されたネットワーク内にデータが存在する確率とから求められた再送確率に基づいてデータを再送する、
ことを特徴とするマルチホップ無線通信ネットワークにおける通信方法。