JP4532564B2 - 大規模無線メッシュ・ネットワークにおいてマルチキャスト・ルーティングをサポートするためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は大規模多重ホップ無線アドホック・ネットワークに関連する。本出願は大規模無線メッシュ・ネットワークのためのマルチキャスト・ルーティング・アルゴリズムを提案する。

携帯無線電話ネットワークのような無線通信ネットワークは、過去１０年でますます拡大してきた。ネットワークの基幹がサービス領域を「セル」と呼ばれる複数の領域に分割するように構成されるために、これら無線通信ネットワークは「セルラ・ネットワーク」と通常呼ばれる。陸上のセルラ・ネットワークは、サービス領域全体の指定された位置に地理的に分配される複数の相互に接続されたベース・ステーション又はベース・ノードを含む。各ベース・ノードは、無線周波数（ＲＦ）通信信号のような電磁信号を、カバー領域内に配置される無線電話のような携帯ユーザー・ノードへ及びから送受信することが可能である一つ以上の送受信器を含む。通信信号は、例えば音声データを含み、この音声データは所望の変調技術に従って変調されて、データ・パケットとして送信される。当業者に認識されるように、ネットワーク・ノードはデータ・パケット通信を、時間分割多重接続（ＴＤＭＡ）方式、コード分割多重接続（ＣＤＭＡ）方式、又は周波数分割多重接続（ＦＤＭＡ）方式のような多重化方式で送受信し、このような多重化方式により、第一ノードにおける一つの送受信機がそのカバー領域内の複数の他のノードと同時に通信することが可能になる。

近年、「アドホック」ネットワークとして知られる携帯通信ネットワークのタイプが発展している。このタイプのネットワークにおいて、各携帯ノードは、他の携帯ノードのベース・ステーション又はルータとして動作することが可能であり、従って固定基幹設備であるベース・ステーションの必要性が無くなる。

より洗練されたアドホック・ネットワークは、従来のアドホック・ネットワークと同様に携帯ノード同士が互いに通信可能であることに加えて、携帯ノードが固定ネットワークに接続することが更に可能であり、従って、公衆交換電話網（ＰＳＴＮ）のようなネットワークの他のノード及びインターネットのような他のネットワークの他の携帯ノードと通信することが可能となるように発展してきた。アドホック・ネットワークのこれら進化したタイプの詳細は、「Ａｄ Ｈｏｃ Ｐｅｅｒ−ｔｏ−Ｐｅｅｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ＰＳＴＮ ａｎｄ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ」と題された、２００１年６月１９日に出願された米国特許出願第０９／８９７，７９０号明細書、「Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ ａｎ Ａｄ−Ｈｏｃ， Ｐｅｅｒ−ｔｏ−Ｐｅｅｒ Ｒａｄｉｏ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｈａｖｉｎｇ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｎｇ Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｃｃｅｓｓ ｔｏ Ｓｈａｒｅｄ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｄａｔａ Ｃｈａｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｒｅｓｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｃｈａｎｎｅｌ」と題された、２００１年３月２２日に出願された米国特許出願第０９／８１５，１５７号明細書、及び「Ｐｒｉｏｒｉｔｉｚｅｄ−Ｒｏｕｔｉｎｇ ｆｏｒ ａｎ Ａｄ−Ｈｏｃ，Ｐｅｅｒ−ｔｏ−Ｐｅｅｒ， Ｍｏｂｉｌｅ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ ｓｙｓｔｅｍｓ」と題された２００１年３月２２日に出願された米国特許出願第０９／８１５，１６４号明細書に記載されており、各々の全体が参照によって本明細書に組み込まれる。

純粋な多重ホップ無線アドホック・ネットワークの容量は、ネットワークのノード数の増加に従って減衰することが、ピー、グプタ（Ｐ． Ｇｕｐｔａ）及びピー、アール クマール（Ｐ． Ｒ． Ｋｕｍｍａｒ）によって２０００年３月に出版されたＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ第２号の「Ｔｈｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ」において説明され、全体が参照によって本明細書に組み込まれる。多重ホップ無線アドホック・ネットワークの容量を増加するために、固定基幹ノードがネットワークに導入されることが、ピー、グプタ（Ｐ． Ｇｕｐｔａ）及びピー、アール クマール（Ｐ． Ｒ． Ｋｕｍｍａｒ）によって２０００年３月に出版されたＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ第２号の「Ｔｈｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ」及び、エム、ジェイ ミラー（Ｍ． Ｊ． Ｍｉｌｌｅｒ）， ダブリュ、ディ リスト（Ｗ． Ｄ． Ｌｉｓｔ）及びエヌ、エイチ バイデャ（Ｎ． Ｈ． Ｖａｉｄｙａ）によって２００３年１月に出版された「Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ」の「Ａ Ｈｙｂｒｉｄ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｔｏ Ｅｘｔｅｎｄ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｒｅａｃｈ」において説明され、全体が参照によって本明細書に組み込まれる。この種のハイブリッド多重ホップ無線アドホック・ネットワークにおける経路探索遅延を低減するために、ハイブリッド・ルーティング・プロトコル及びネットワーク管理が２００３年１月に出版された「Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ」の「Ａ Ｈｙｂｒｉｄ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｔｏ Ｅｘｔｅｎｄ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｒｅａｃｈ」及び米国特許出願公開第２００４／０１４３８４２Ａ１号明細書において提案され、全体が参照によって本明細書に組み込まれる。

ハイブリッド・ルーティング及びネットワーク管理プロトコルの本質は、ネットワークの各デバイスに対して、アクセス・ポイント（ＡＰ）への経路を積極的に保持し、他の経路を受動的に探索することである。ネットワークの動作中に、各デバイスはＡＰへの経路及び登録を周期的に更新する。このプロセスがＡＰをルートとして拡がるツリーを実際に保持する。ハイブリッド多重ホップ無線アドホック・ネットワークでマルチキャストをサポートするために、マルチキャストのアルゴリズムが必要とされる。有線ネットワーク用の複数のマルチキャスト・アルゴリズムが、ここ１０年で指定されてきた。ディ、エストリン（Ｄ． Ｅｓｔｒｉｎ）等により「ＰＩＭ−ＳＭ：Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ」と題されたＲＦＣ２３６２に記載されている、プロトコルに独立なマルチキャストのスパース・モード（ＰＩＭ−ＳＭ）とティ、バラルディ（Ｔ． Ｂａｌｌａｒｄｉｅ）により「Ｃｏｒｅ Ｂａｓｅｄ Ｔｒｅｅ（ＣＢＴ） Ｍｕｌｔｉｃａｓｔ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ａｒｃｉｔｅｃｔｕｒｅ」と題されたＲＦＣ２２０１に記載されたコア・ベース・ツリー（ＣＢＴ）との両者は、グループ・メンバー間に共有ツリーを構築して大規模な静的ネットワークにおけるマルチキャストをサポートする。エス、ディーリング（Ｓ． Ｄｅｅｒｉｎｇ）により「ＰＩＭ ｖ２ＤＭ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ」と題されたインターネット・ドラフトに記載された、プロトコルに独立なマルチキャストのデンス・モード（ＰＩＭ−ＤＭ）と、ディ、ワイツマン（Ｄ． Ｗａｉｔｚｍａｎ）等により「Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍｕｌｔｉｃａｓｔ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ」と題されたＲＦＣ１０７５に記載されている距離ベクトル・マルチキャスト・ルーティング・プロトコル（ＤＶＭＲＰ）と、ジェイ、モイ（Ｊ． Ｍｏｙ）により「Ｍｕｌｔｉｃａｓｔ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎｓ ｔｏ ＯＳＰＦ」と題されたＲＦＣ１５８４に記載されているマルチキャスト開放型最短経路第一（ＭＯＳＰＦ：Ｍｕｌｔｉｃａｓｔ Ｏｐｅｎ Ｓｈｏｒｔｅｓｔ Ｐａｔｈ Ｆｉｒｓｔ）との全てはソースとグループ・メンバー間のソース特有のツリーを構築して、小規模な静的ネットワークにおけるマルチキャストをサポートする。これらの方法のいずれも、非常に動的な携帯ネットワークを考慮に入れていない。これらは、基幹ベースの大規模無線メッシュ・ネットワークには適さない。

純粋な無線アドホック・ネットワークのための複数のマルチキャスト・アルゴリズムがここ数年で提案されてきた。無線アドホック・ネットワークのためのツリーベースのマルチキャスト・アルゴリズムは、マルチキャスト・アドホック・オンデマンド距離ベクトル（ＭＡＯＤＶ）プロトコルを含み、このプロトコルは、イー、エム モイヤー（Ｅ． Ｍ． Ｒｏｙｅｒ）及びシー、イー パーキンス（Ｃ． Ｅ． Ｐｅｒｋｉｎｓ）により１９９９年８月に「Ｍｕｌｔｉｃａｓｔ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｄ−Ｈｏｃ Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ」と題されたＭｏｂｉＣｏｍ’９９の議事録に記載されている。ＭＡＯＤＶはマルチキャスト・グループのリーダーをルートとするツリーを動的に構築する。メッシュ・ベースのマルチキャスト・アルゴリズムは、オンデマンド・マルチキャスト・ルーティング・プロトコル（ＯＤＭＲＰ）を含み、エス、リー（Ｓ． Ｌｅｅ）， ダブリュ、スー（Ｗ． Ｓｕ）及びエム、ガーラ（Ｍ． Ｇｅｒｌａ）により「Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ Ｍｕｌｔｉｃａｓｔ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｈｏｐ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｍｏｂｉｌｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ」と題された、２００２年１２月に出版されたＭｏｂｉｌｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ第７巻第６号に記載されている。ＯＤＭＲＰは、ソースによる要求に応じてメッシュを動的に確立し且つ保持する。マルチキャスト経路を構築するための大きな遅延及び大規模無線ネットワークの大きなルーティング・オーバーヘッドのために、両アルゴリズムは非常に動的である高密度の無線アドホック・ネットワークをサポートすることができない。メッシュ化されたツリーベースのマルチキャスト・アルゴリズムである、２００１年１０月２５日に出願された米国特許出願ＵＳ２００１／００３４７９３Ａ１号明細書に記載されている、コア・アシスト・メッシュ・プロトコル（ＣＡＭＰ）は、共有ツリーをメッシュ化するために複数のコアを利用して、グループ・メンバー全てを接続する。しかし、コアは動的に選択されるので、メッシュ化されたツリーを非常に短期間で構築して早いトポロジーの変化をサポートすることは出来ない。加えて、コアはネットワークの携帯ノードを通じて互いにメッシュ化されるので、コア間のメッシュ化は携帯性に対して脆弱である。従って、既存のアドホック・マルチキャスト・ルーティングのいずれも非常に動的な大規模メッシュ・ネットワークに適さない。

提案されるマルチキャスト・メッシュ拡張性ルーティング（ＭＭＳＲ）は、非常に動的な大規模無線メッシュ・ネットワークにおいてマルチキャストのサポートに対応する。
マルチキャストは、より少ないネットワーク・リソースを利用して複数の宛先にパケットを送信及びルーティングすることを可能にするので、ユニキャスト又はブロードキャストに比べてグループ通信をサポートするより効果的な方法である。無線通信の広範囲な発展、携帯デバイスの急速に改良される性能及び世界中で増加する洗練された携帯の利用者に従って、コンテンツ及びサービス・プロバイダは無線ネットワークでマルチキャスト通信をサポートすることに次第に興味を持ち始めた。アプリケーション及びネットワーク制御プロトコルがマルチキャストのサポートを必要とすればするほど、マルチキャスト・ルーティング・アルゴリズムは、無線多重ホップ・アドホック・ネットワークにおいてネットワークの複数のユーザのトラフィック分布の高い有効性をサポートする必要がある。無線ネットワーク用の他の既存のマルチキャスト・ルーティング・アルゴリズムと比べて、提案されるアルゴリズムは大規模な、比較的ネットワークのオーバーヘッドが低い非常に動的な無線アドホック・ネットワークに対してより良好な拡張性を有する。

本発明は、基幹ノードが配置された大規模メッシュ・ネットワークで機能するマルチキャスト・ルーティング・アルゴリズムＭＭＳＲのためのシステム及び方法を提供する。このアルゴリズムは、マルチキャスト・グループ・リーダー群を形成するローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーのグループとして、互いに及び／又は無線／有線基幹ネットワークを介してグローバル・インターネットに接続されるアクセス・ポイント（すなわち、固定基幹ゲートウェイ・ノード）を選択する。各ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーは、ローカル・マルチキャスト・グループ・メンバーの要求に従って、オンデマンドで選択される。各ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーはこのリーダーをルートとするローカル・マルチキャスト・ツリーを形成してＡＰに関連付けられるマルチキャスト・グループ・メンバー全員を接続する。ＡＰをルートとするローカル・マルチキャスト・ツリーを選択及び保持するプロセスにより、ＭＭＳＲが基礎となるユニキャスト・ルーティングを有する効果的な調整を行って、固定基幹ノードの優位性を利用することが可能になる。従って、ルーティングのオーバーヘッド及びマルチキャスト・ツリーの収束時間が低減される。ＭＭＳＲは、収束性が早く且つルーティングのオーバーヘッドが低減されているので、トポロジーが高速で変化する大規模なネットワークをサポートすることができる。

本発明のこれら及び他の物件、優位性及び新規性は添付した図面と共に以下の詳細な記載を読むと、より早く理解されるであろう。
図１はアドホック・パケット切り替え無線通信ネットワーク１００の例を示すブロック図である。特に、ネットワーク１００は、複数の携帯無線ユーザ端末１０２−１〜１０２−ｎ（一般にノード１０２又は携帯ノード１０２と呼ぶ）を含み、複数のアクセス・ポイント１０６−１，１０６−２，…１０６−ｎ（一般にノード１０６又はアクセス・ポイント１０６と呼ぶ）を有する固定ネットワーク１０４を含み、ノード１０２に固定ネットワーク１０４への接続を提供する。固定ネットワーク１０４は、例えばコアのローカル・アクセス・ネットワーク（ＬＡＮ）及びネットワーク・ノードに、例えば他のアドホック・ネットワーク、公衆交換電話網（ＰＴＳＮ）及びインターネットのような他のネットワークへの接続を提供する複数のサーバ及びゲートウェイ・ルータを含む。ネットワーク１００は更に複数の固定ルータ１０７−１〜１０７−ｎ（一般にノード１０７又は固定ルータ１０７と呼ぶ）を含み、他のノード１０２，１０６又は１０７の間でデータ・パケットをルーティングする。この説明のために、上で説明されたノードは、「ノード１０２，１０６及び１０７」又は単にノードと集合的に呼ばれることに留意されたい。

当業者は気づいているように、上で参照された米国特許出願第０９／８９７，７９０号明細書と米国特許出願第０９／８１５，１５７号明細書と米国特許出願第０９／８１５，１６４号明細書とに記載されているように、ノード１０２，１０６及び１０７は、互いに直接通信するか又は、ノード間で送信されるパケットのルータとして動作する一つ以上の他のノード１０２，１０６又は１０７を介して通信できる。

図２に示されるように、各ノード１０２，１０６及び１０７は、送受信器又はモデム１０８を含み、送受信器又はモデム１０８はアンテナ１００に接続されて、コントローラ１１２の制御の下でパケット化された信号のような信号をノード１０２，１０６及び１０７に送信及びノード１０２，１０６及び１０７から受信する。パケット化されたデータ信号は、例えば音声、データ又はマルチメディア情報及びノード更新情報を含むパケット化された制御信号を含む。

各ノード１０２，１０６及び１０７は自分自身とネットワーク１００の他のノードとを関連付ける経路情報を記憶することができるランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）のようなメモリ１１４を更に含む。図２に更に示されるように、特に携帯ノード１０２のような特定のノードは、ノートブック型コンピュータ端末、携帯電話ユニット、携帯データ・ユニット又は任意の他の適切なデバイスのような任意の数のデバイスから成るホスト１１６を含む。各ノード１０２，１０６及び１０７は、インターネット・プロトコル（ＩＰ）及びアドレス解決プロトコル（ＡＲＰ）を実行するための適切なハードウェア及びソフトウェアも含み、これらの目的は当業者にはすぐに明らかになるであろう。送信制御プロトコル（ＴＣＰ）及びユーザ・データグラム・プロトコル（ＵＤＰ）を実行するための適切なハードウェア及びソフトウェアも含む。

本発明は、大規模な非常に動的な基幹ベースの無線メッシュ・ネットワークにおいて、基幹ノードの優位性を調査することによりマルチキャストをサポートする。
＜マルチキャスト・グループ・リーダー群＞
本発明は新規概念、マルチキャスト・グループ・リーダー群を定義する。マルチキャスト・グループ・リーダー群は複数のローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーから成る。これらローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーは、基幹ネットワークに広がる分散したマルチキャスト・グループ・リーダーを形成して、広大な領域に広がる大きなマルチキャスト・グループを接続するように見なすことができる。

ＡＰは、ＡＰに関連付けられるマルチキャスト・グループ・メンバーに対して、ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーとしてオンデマンドで選択される。背景技術の節で説明したように、基幹ベース・メッシュネットワークにおけるハイブリッド・ルーティングは、ＡＰをルートとして拡がるツリーを設定及び保持する。ＡＰをルートとする同様のマルチキャスト・ツリーを形成することにより、提案されたマルチキャスト・ルーティング・プロトコルを米国特許出願公開第２００４／０１４３８４２Ａ１号明細書に記載されているようにハイブリッド・ユニキャスト・ルーティングに統合することが容易になる。ユニキャスト及びマルチキャストのルーティングを同じネットワークで組み合わせることには複数の優位性がある。マルチキャストの経路を探索するときに得られる経路情報はユニキャスト・ルーティングの知識も増やし、逆もまた同様である。その結果、経路設定及び保持のオーバーヘッドが低減され、ルーティング動作が単純化される。例えば、ノードがあるソース・ノードへのマルチキャスト・グループへの経路を返す場合、そのソース・ノードは、どのようにマルチキャスト・グループに到達するかを習得することに加えて、情報を返すノードへの経路をも習得することになる。携帯環境において、制御オーバーヘッドの任意の低減は、ルーティング・プロトコルにとって重要な優位性である。以下の記載において、アルゴリズムの説明は利便性のために、米国特許出願公開第２００４／０１４３８４２Ａ１号明細書で提案されたハイブリッド・ルーティング・プロトコルに従う。しかし、提案されたプロトコルは、ＡＰへの経路を動的に検索し且つ保持する任意の他の積極的なルーティング及び受動的なルーティングと共に利用され得る。

本発明はＡＰをこのＡＰに関連付けられる全てのメンバーに対するローカル・マルチキャスト・リーダーとして選択することを提案する。従って、リーダー選択はメンバーが関連付けられているＡＰを、ローカル・リーダーとして始めから指定することにより高度に単純化される。大規模無線メッシュ・ネットワークに対して、複数のＡＰがネットワーク容量を増大させるために配置される。マルチキャスト・グループ・メンバーは広大な領域に分布し、異なるＡＰに関連付けられ得る。これら全てのＡＰがローカル・マルチキャスト・リーダーとして指定されて、マルチキャスト・グループ・リーダー群を形成する。これらのローカル・リーダーは有線／無線基幹ネットワークを介して接続され、グローバル・インターネットへのゲートウェイ機能を提供する。従って、無線マルチキャスト・グループはグループ・リーダー群を介して有線マルチキャスト・グループに自動的に統合されて、グローバル・インターネットへ送信／グローバル・インターネットから受信する。ノード１０２がメンバー・ノード（ＭＮ）１０２として識別され、ノード１０２及び／又は１０７がパケットをＡＰ１０６へ及びＡＰ１０６から転送する転送ノード（ＦＮ）である一例が、図３に示される。点線のリンクはローカル・エリアの無線リンクを表し、実線のリンクは有線又は無線の基幹ネットワーク１０４のリンクを表す。関連付けられたＡＰへの経路を積極的に保持し、且つ経路品質に従って新規ＡＰへハンドオフすることにより、ＭＭＳＲは、米国特許出願公開第２００４／０１４３８４２Ａ１号明細書で提案されているような、基礎となるユニキャスト・プロトコルから優位性を得て、トポロジーが非常に動的に変化する大規模なメッシュ・ネットワークにおいて、ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダー間で途切れない経路ハンドオフを迅速に実現する。

＜ルーティング・テーブル＞
ネットワークの各ノードは、ユニキャスト・ルーティング・テーブルを保持する。ユニキャスト・ルーティング・テーブルの各エントリは、例えば
・宛先アドレス
・宛先シーケンス番号
・宛先へのルーティング・メトリック
・次のホップ
・寿命
を含む情報を記録する。

マルチキャストをサポートするネットワークにおいて、ノードがマルチキャスト・ツリーのメンバーである場合、ノードはマルチキャスト・ルータである。マルチキャスト・ルータにおいて、ユニキャスト・ルーティング・テーブルに加えて、マルチキャスト・ルーティング・テーブルも含む。マルチキャスト・ルーティング・テーブルの各エントリは、例えば
・マルチキャスト・グループのアドレス
・マルチキャスト・グループ・リーダーのアドレス
・マルチキャスト・グループ・リーダーへのルーティング・メトリック
・（マルチキャスト・ツリーの異なるブランチへの）次のホップ
を含む情報を記録する。

次のホップ・フィールドは、以下のフィールドを含む構造のリストにリンクされる。
・次のホップのアドレス
・活性化フラグ
・次のホップに対する寿命
・ノードのタイプ
ノードのタイプは、このノードがローカル・マルチキャスト・リーダーへの上流ノードであるか、すなわち、ローカル・マルチキャスト・ツリーのルートであるローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーへトラフィックをユニキャストするために利用されるノードであるかどうかを示す。次のホップは、特定の制御パケットにより活性化されるまでマルチキャスト・メッセージを転送するためには利用されない。寿命は、グループ・メンバーからグループ・リーダーへの周期的な更新動作によって延長される。

＜マルチキャスト・ツリー形成＞
マルチキャスト・ツリーは、マルチキャスト・グループ・メンバーを接続する要求に応じて形成される。任意のノードはマルチキャスト・トラフィックをグループに送信するが、グループ・メンバーのみがマルチキャスト・トラフィックを受信することができる。ノードがマルチキャスト・グループに参加することを望み、且つマルチキャスト・グループへの経路を有しないとき、そのノードはマルチキャスト・グループへのマルチキャスト経路設定プロセスを初期化する。そのノードは参加経路要求（ＲＲＥＱ）パケットを関連付けられているＡＰに送信する。ＡＰへの経路は、一度各ノードがＡＰに関連付けられると、積極的に保持される。パケットは例えば、
・ソース・アドレス（発信元ノードのアドレス）
・宛先アドレス（発信元ノードが関連付けられるＡＰのアドレス）
・所望するマルチキャスト・グループのアドレス
を含む情報を搬送する。

ＡＰへの途中で、ＲＲＥＱはこのブランチに対するマルチキャスト・エントリを利用可能にするが、要求されたマルチキャスト・グループ・エントリに関連する次のホップを不活性としてマークする。

ＡＰが参加ＲＲＥＱを取得すると、ＡＰがローカル・マルチキャスト・リーダーであるかどうかについて、マルチキャスト・ルーティング・テーブルを確認する。そのＡＰがローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーである場合、ＡＰは要求しているノードに参加経路応答（ＲＲＥＰ）を戻すことにより応答する。要求しているメンバー・ノードへ戻る途中で、ＲＲＥＰは経路に沿ってこの要求されたマルチキャスト・グループの全てのエントリを活性化する。ＲＲＥＱとＲＲＥＰとを交換した後に、マルチキャスト・ブランチはＡＰをルートとするローカル・マルチキャスト・ツリーに接続される。

ＡＰがローカル・マルチキャスト・リーダーでない場合、最初に基幹ネットワークからマルチキャスト・トラフィックを受け入れることを可能にし、要求されたマルチキャスト・グループのマルチキャスト・エントリを生成する。自身がローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーとして基幹ネットワークに送信／基幹ネットワークから受信できるようになると、ＡＰはＲＲＥＰを要求しているメンバーに戻すことにより応答し、ローカル・マルチキャスト・ツリーの第一ブランチを開始する。

上記の説明において、参加プロセスが記載された。この方法において、ＡＰをルートとするローカル・マルチキャスト・ツリーが形成された。任意のメンバー・ノードはトラフィックをローカル・マルチキャスト・ツリーに分配することができる。パケットがローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーに到達したとき、リーダーはパケットの一つのコピーを基幹ネットワーク側に転送する。マルチキャスト・トラフィックは基幹ネットワーク群を介して他のローカル・マルチキャスト・リーダーに到達する。これらのローカル・リーダーはトラフィックを自身のローカル・ツリーの下方に更に分配する。このようにして、マルチキャスト・トラフックはメッシュ・ネットワーク全体に分配される。

グループ・メンバーではないノードがマルチキャスト・グループにトラフィックを送信することもできる。このノードは、マルチキャスト・グループへのマルチキャスト経路を設定する必要は無い。このノードは関連付けられるＡＰであるローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーへのマルチキャスト・トラフィックをトンネリングする必要があるだけである。ローカル・マルチキャスト・リーダーはトラフィックをローカル・マルチキャスト・グループ・ツリーの下方及び基幹ネットワークに分配する責任がある。

＜マルチキャスト・ツリー保持＞
（切断）
ノードは通常のデットワーク動作中に、マルチキャスト・グループのメンバーから外れてもよい。しかし、ノードがツリーのリーフ・ノードで無い場合、そのノードはこのマルチキャスト・グループの次のホップ・リストに一つ以上の次のホップを有することを意味するので、ツリーのルータとして機能し続けなければならない。ノードがリーフ・ノードである場合、経路切断要求（ＲＰＲＵＮＥ）メッセージを利用することにより自身をツリーから切断する。一つ以上のマルチキャスト・グループのアドレスを搬送するＲＰＲＵＮＥは、このマルチキャスト・グループの次のホップのみに転送される。ＲＰＲＵＮＥを受信すると、次のホップは、このマルチキャスト・グループの前のホップを次のホップ・リストから削除する。前のホップを切断した後、このノードがリーフ・ノードになった場合、このノードがマルチキャスト・グループ・メンバーで無い場合は、同様にして自身を切断することもできる。

リンクの破損が検出されたとき、上流ノードはこのブランチにより接続されるブランチを切断する。下流のノードは、同じＡＰへの新規マルチキャスト経路を探索し設定するか又は新規ＡＰへハンドオフする。

（更新）
ノードはＲＲＥＱを関連付けられるＡＰにユニキャストして、グループ・メンバーの構造を更新する。関連付けられるＡＰへの経路に沿って、中間ノードはマルチキャスト・グループの二つの次のホップに対して寿命を延長する。これら二つ次のホップは特に、ＲＲＥＱの前のホップと次のホップとである。同時に、中間ノードは次の更新ユニキャストＲＲＥＱを出すまでのタイマーも延長する。このようにして、各ブランチに対して、各時刻に唯一のユニキャストＲＲＥＱのみがこのブランチの全ノードのメンバー構造に対する寿命を延長するようにＡＰに対して発信する。次のホップが時間切れになるとき、ノードは猶予期間の後に、マルチキャスト・ルーティング・テーブルから次のホップを除去する。切断動作と同様に、このノードがリーフ・ノードになった場合、このノードがマルチキャスト・グループ・メンバーではなく、転送ノードである場合、自身を切断する。

（高速ハンドオフ）
提案されたマルチキャスト・ルーティング・アルゴリズムは、基礎となるハイブリッド・ユニキャスト・ルーティング・プロトコルの優位性を得て、マルチキャスト・ブランチを高速且つ継ぎ目なくハンドオフする。基礎となるユニキャスト・ルーティングがＡＰへのより良好なユニキャスト経路を探索する又は、関連付けられるべきより良好なＡＰを探索するとすぐに、メンバー・ノードは参加ＲＲＥＱをユニキャストしてそのノードとそのＡＰとの間の新規ブランチを可能にして、新規ＡＰをそのノードのローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーとして自動的に選択する。ハンドオフが成功する前は、ノードは旧マルチキャスト・ブランチを利用してマルチキャスト・トラフィックを送受信する。このようにして、マルチキャスト・ルーティング・アルゴリズムは高度な携帯性をサポートし、トポロジーの高速な変化に追いつくことができる。

（マルチキャスト・トラフィック転送及び重複検出）
マルチキャスト・ツリーの全ノードは複製されていないパケットを受け入れ、パケットが来た方向とは反対の方向のこのマルチキャスト・グループの全ての次のホップに転送する。

無線マルチキャスト・ツリーでトラフィックを転送することに加えて、ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダー、すなわちＡＰのノードは、トラフィックを基幹ネットワーク側にも転送する。他のＡＰが基幹ネットワークを介してマルチキャスト・トラフィックを受信したとき、他のＡＰは、同じマルチキャスト・グループのローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーである場合、トラフィックを受け入れてもよく、他のＡＰは自身をルートとするこのマルチキャスト・グループのローカル共有ツリーの下方にトラフィックを分配する責任がある。

各パケットは、マルチキャスト／ブロードキャスト・トラフィックの重複を検出するために、パケット・ヘッダにシーケンス番号を搬送する。各マルチキャスト・ツリー・メンバーは、各ソースに対して受信したパケットのシーケンス番号を記録するためのリストを保持する。全てのシーケンス番号は、ＮＥＴ＿ＴＲＡＶＥＲＳＡＬ＿ＴＩＭＥに等しい時間、リストに記録される。ノードがＮＥＴ＿ＴＲＡＶＥＲＳＡＬ＿ＴＩＭＥ内に無いシーケンス番号を有するパケットを受信した場合、ノードはこのパケットを新規パケットとして受け入れ、そうでなければ、ノードはパケットを重複として削除する。

本発明は、無線メッシュ・ネットワーク・ベースの大規模な基幹で動作する、マルチキャスト・ルーティング・アルゴリズムであるＭＭＳＲを開示した。このアルゴリズムはＡＰ、すなわち互いに及び／又は有線／無線基幹ネットワークを介してグローバル・インターネットに接続される固定基幹ゲートウェイ・ノードを、マルチキャスト・グループ・リーダー群を形成するローカル・グループ・マルチキャスト・グループ・リーダーのグループとして選択する。各ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーは、ローカル・マルチキャスト・グループ・メンバーの要求に従ってオンデマンドで選択される。各ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーはこのリーダーをルートとするローカル・マルチキャスト・ツリーを形成してＡＰに関連付けられるマルチキャスト・グループ・メンバー全員と接続する。選択のプロセス及びＡＰをルートとするローカル・マルチキャスト・ツリーを保持することにより、ＭＭＳＲが基礎となるユニキャスト・ルーティングを有する効果的な調整をして、固定基幹ノードの優位性を利用することが可能になる。従って、ルーティングのオーバーヘッド及びマルチキャスト・ツリーの収束時間が低減される。ＭＭＳＲは、高速な収束とオーバーヘッドを低減されたルーティングにより、トポロジーが高速に変化する大規模ネットワークをサポートすることができる。

本発明の少数の実施例が上で詳細に記載されたが、当業者は、数多くの修正が本実施形態において本発明の新規技術及び優位性から実質的に乖離せずに可能であることに、すぐに気づくであろう。従って、このような修正の全ては以下の請求項で定義される本発明の範囲内に含まれる。

複数のノードを含むアドホック無線通信ネットワークを例示するブロック図。 図１で示されるネットワークで採用される携帯ノードを例示するブロック図。 本発明の実施形態に従うシステム及び方法を採用するハイブリッド通信ネットワークを例示するブロック図。

Claims (36)

1. 基幹ネットワークに通信可能な状態で接続され、該基幹ネットワークにゲートウェイ機能を提供する複数の固定基幹ノードを含む多重ホップ無線アドホック・ネットワークにおいて、無線ノードがマルチキャスト・ルーティングをサポートするための方法であって、
   前記複数の固定基幹ノードのうちの第１の基幹ノードをローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーとして選択すること、
   前記無線ノードが参加を希望するマルチキャスト・グループのアドレスを含む参加経路要求を前記無線ノードから前記第１の基幹ノードにユニキャストし、前記第１の基幹ノードから前記無線ノードに参加経路応答を送信することにより、前記ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーをルートとするローカル・マルチキャスト・ツリーを形成すること
   を備え、
   前記第１の基幹ノードから前記無線ノードに前記参加経路応答を送信する途中で、前記参加経路応答により経路上の要求されたマルチキャスト・グループの全エントリが活性化される方法。
2. 前記マルチキャスト・グループ・リーダー間の接続は、有線接続を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記マルチキャスト・グループ・リーダー間の接続は、無線接続を含む、請求項１に記載の方法。
4. 少なくとも一つの前記マルチキャスト・グループ・リーダーは、インターネットに接続することができる、請求項１に記載の方法。
5. 前記ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーへの経路を検索及び保持することを更に備える、請求項１に記載の方法。
6. 経路を探索及び保持することは、
   前記マルチキャスト・グループ・リーダーへの経路を動的に探索及び保持する、積極的及び受動的なルーティングを採用すること
   を備える、請求項５に記載の方法。
7. 前記ネットワークの各ノードはユニキャスト・ルーティング・テーブルを保持する、請求項１に記載の方法。
8. マルチキャスト・ツリーの各メンバーはマルチキャスト・ルーティング・テーブルを保持する、請求項１に記載の方法。
9. 前記ローカル・マルチキャスト・ツリーはオンデマンドで形成される、請求項１に記載の方法。
10. 前記アクセス・ポイントがローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーでない場合に、
    前記アクセス・ポイントの能力を、前記マルチキャスト・グループ・リーダー群からのトラフィックを受け入れることができるようにすること、
    前記要求されたマルチキャスト・グループに対してマルチキャスト・ルーティング・テーブルにマルチキャスト・エントリを生成すること
    を更に備える、請求項１に記載の方法。
11. 経路切断要求をリーフ・ノードから、前記リーフ・ノードが属する前記マルチキャスト・グループの次のホップに送信すること、
    前記リーフ・ノードを前記切断要求を受信した前記ノードの次のホップ・リストから削除すること、
    を更に備える、請求項１に記載の方法。
12. 参加経路要求を出している要求無線ノードから前記要求無線ノードのローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーに該参加経路要求をユニキャストして、該前記要求無線ノードのグループのメンバー構造を更新することを更に備える、請求項１に記載の方法。
13. 前記参加経路要求を前記ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーにユニキャストすることは、前記無線ノードに属するブランチに属する全ノードのメンバー構造に対する寿命を延長する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記要求無線ノードから前記ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーへの経路に沿った中間ノートにおける前記参加経路要求の前のホップ及び次のホップに対する寿命を延長することを更に備える、請求項１２に記載の方法。
15. ユニキャスト・ルーティングを利用して、ノードとローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーとの間の現在の経路よりも良好な前記ノードから前記ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーへの経路を探索すること、
    参加経路要求をユニキャストして、前記参加経路要求をユニキャストしている無線ノードと前記ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーとの間の新規経路を利用可能にすること、
    前記参加経路要求をユニキャストしている無線ノードが前記新規経路に切り替える前に、マルチキャスト・トラフィックを送信及び受信するために前記要求ノードに対する以前の経路を利用し続けること
    を更に備える、請求項１に記載の方法。
16. ユニキャスト・ルーティングを利用して、現在のノードのローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーであるアクセス・ポイントと比較して、前記ノードが関連付けられるべき好適なアクセス・ポイントを探索すること、
    参加経路要求をユニキャストして、前記参加経路要求をユニキャストしている無線ノードと前記探索されたアクセス・ポイントとの間の新規ブランチを利用可能にすること、
    前記探索されたアクセス・ポイントを前記参加経路要求をユニキャストしている無線ノードのローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーとして選択すること
    前記参加経路要求をユニキャストしている無線ノードが前記新規ブランチに切り替える前に、前記参加経路要求をユニキャストしている無線ノードがマルチキャスト・トラフィックを送信及び受信するために以前のマルチキャスト・グループ・リーダーへの以前のブランチを利用し続けること
    を更に備える、請求項１に記載の方法。
17. マルチキャスト又はブロードキャスト・トラフィックで送信される各パケットが前記パケットのパケット・ヘッダにシーケンス番号を搬送し、
    各メンバー・ノードにより受信されるパケットに対して、各メンバー・ノードにおいてシーケンス番号のリストを保持すること、
    各シーケンス番号をリストにある時間保持すること、
    前記パケットが前記受信ノードのシーケンス番号リストに現在保持されているシーケンス番号を搬送する場合、ノードによって新規に受信されたパケットを削除すること、
    前記パケットが前記受信ノードのシーケンス番号リストに現在保持されていないシーケンス番号を搬送する場合、ノードによって新規に受信されたパケット受け入れること
    を更に備える、請求項１に記載の方法。
18. 通信ネットワークであって、
    複数の無線ノードと、
    固定基幹ネットワークに通信可能な状態で接続され、前記固定基幹ネットワークへのゲートウェイとして機能する複数の固定基幹ノードと、
    少なくとも幾つかの前記無線ノードと少なくとも幾つかの前記固定基幹ノードとを含むマルチキャスト・グループと
    を備え、
    前記複数の無線ノードの各々は、前記複数の固定基幹ノードのうちの、前記複数の無線ノードの各々が関連付けられている第１の固定基幹ノードをローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーとして選択し、参加を希望するマルチキャスト・グループのアドレスを含む参加経路要求を前記無線ノードの各々から前記第１の固定基幹ノードにユニキャストし、前記第１の基幹ノードから前記複数の無線ノードの各々に参加経路応答を送信することにより、前記ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーをルートとするローカル・マルチキャスト・ツリーを形成し、第１の基幹ノードから前記複数の無線ノードの各々への途中で、前記参加経路応答により経路に沿って要求されたマルチキャスト・グループに対する全エントリを活性化するように構成される、通信ネットワーク。
19. 前記基幹ノード間の前記接続は有線接続を含む、請求項１８に記載のネットワーク。
20. 前記基幹ノード間の前記接続は無線接続を含む、請求項１８に記載のネットワーク。
21. 少なくとも一つの基幹ノードはインターネットに接続することができる、請求項１８に記載のネットワーク。
22. 前記複数の無線ノードはユニキャスト・ルーティングを採用して、前記固定基幹ノードへの経路を探索及び保持する、請求項１８に記載のネットワーク。
23. 前記ネットワークにおける各ノードは、ユニキャスト・ルーティング・テーブルを保持する、請求項１８に記載のネットワーク。
24. マルチキャスト・ツリーの各メンバーはマルチキャスト・ルーティング・テーブルを保持する、請求項１８に記載のネットワーク。
25. 前記ローカル・マルチキャスト・ツリーはオンデマンドで形成される、請求項１８に記載のネットワーク。
26. 前記複数の無線ノードの各々は、参加経路要求パケットを、前記参加経路要求パケットを出している無線ノードが関連付けられているが、ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーでは無いアクセス・ポイントにユニキャストすることにより、マルチキャスト・グループに参加することができるように構成され、
    前記複数の固定基幹ノードの各々は前記参加経路要求を受信すると、他のローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーからマルチキャスト・トラフィックを受け入れることが可能となり、マルチキャスト・ルーティング・テーブルに前記要求されたマルチキャスト・グループに対するマルチキャスト・エントリを生成するように構成される、請求項１８に記載のネットワーク。
27. 経路切断要求を、リーフ・ノードが属するマルチキャスト・グループの次のホップに送信するように構成された前記リーフ・ノードと、
    前記受信ノードの次のホップ・リストから前記リーフ・ノードを削除するように構成された、前記経路削除要求を受信する前記次のホップ・ノード
    を更に備える、請求項１８に記載のネットワーク。
28. 前記要求ノードのグループのメンバー構造を更新するために経路要求をローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーにユニキャストするように構成される、少なくとも一つのマルチキャスト・メンバー・ノード
    を更に備える、請求項１８に記載のネットワーク。
29. 前記要求ノードから前記ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーへの経路に沿って、前記参加経路要求の前のホップ及び次のホップに対して寿命を延長する用に構成された中間ノード
    を更に備える、請求項２８に記載のネットワーク。
30. 前記参加経路要求の前記ユニキャストは、要求ノードに属するブランチに属する全ノードのグループのメンバー構造に対して寿命を延長する、請求項２８に記載のネットワーク。
31. マルチキャスト・グループ・メンバーとローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーとの間の現在の経路よりも前記ローカル・マルチキャスト・グループ・リーダーへのより良好なユニキャスト経路を探索するように構成され、且つ前記参加経路要求パケットをユニキャストしている無線ノードと前記ローカル・マルチキャスト・リーダーとの間の新規経路を利用可能となるように前記参加経路要求をユニキャストするように構成される少なくとも一つの前記マルチキャスト・グループ・メンバー
    を更に備える、請求項１８に記載のネットワーク。
32. 前記グループ・メンバーは、前記参加経路要求パケットをユニキャストしている無線ノードが前記新規経路に切り替えるまでマルチキャスト・トラフィックを送信及び受信するために以前の経路を利用し続けるように構成される、請求項３１に記載のネットワーク。
33. ユニキャスト・ルーティングを利用して、マルチキャスト・グループ・メンバーの現在のマルチキャスト・グループ・リーダーであるアクセス・ポイントと比較して、関連付けられるべき好適なアクセス・ポイントを探索するように構成され、参加経路要求をユニキャストして、前記参加経路要求パケットをユニキャストしている無線ノードと前記探索されたアクセス・ポイントとの間の新規ブランチを利用可能にするように構成され、且つ前記探索されたアクセス・ポイントを前記参加経路要求パケットをユニキャストしている無線ノードのローカル・マルチキャスト・グループ・メンバーとして選択するように構成される少なくとも一つの前記マルチキャスト・グループ・メンバー
    を更に備える、請求項１８に記載のネットワーク。
34. 前記グループ・メンバーは、前記参加経路要求パケットをユニキャストしている無線ノードが前記新規ブランチに切り替えるまで、マルチキャスト・トラフィックを送信及び受信するために以前のマルチキャスト・グループ・リーダーへの以前のブランチを利用し続けるように構成される、請求項３３に記載のネットワーク。
35. パケット・ヘッダにシーケンス番号を搬送するように構成されたパケットと、
    受信されたパケットのシーケンス番号のリストを保持するように構成され、ある時間リストに各シーケンス番号を保持するように構成され、前記受信されたパケットがマルチキャスト・グループ・メンバーのリストに現在保持されているシーケンス番号を搬送した場合、新規パケットを削除するように構成され、且つ前記受信されたパケットがマルチキャスト・グループ・メンバーのリストに現在保持されていないシーケンス番号を搬送した場合、新規パケットを受け入れるように構成される、少なくとも一つの前記マルチキャスト・グループ・メンバー
    を更に備える、請求項１８に記載のネットワーク。
36. 前記複数の無線ノードは携帯アドホック無線ノードを備える、請求項１８に記載のネットワーク。

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