JP4839993B2 - マルチホップネットワーク及びその経路情報管理方法並びにそれに用いる通信端末 - Google Patents

Description

本発明はマルチホップネットワーク及びその経路情報管理方法並びにそれに用いる通信端末に関し、特に複数の通信端末をノードとして有し、これら通信端末の各々が有する経路情報に基づいて通信端末相互間において通信をなすようにしたマルチホップネットワークにおける経路情報の管理方式に関するものである。

従来、無線ネットワークには、通信端末同士が無線により直接通信するだけでなく、自らの無線信号が届く通信範囲内の隣接する他の通信端末を無線ネットワークのデータ中継ノードとして経由することにより、その通信範囲を超えてより広い範囲に存在する他の通信端末との間でも通信を可能にする無線マルチホップネットワーク（「モバイルアドホックネットワーク」等とも言う）が知られている。

この無線マルチホップネットワークは、複数の通信端末で自律的に構成されるものであり、各通信端末がルータの機能を持ちデータ中継も可能となっている。このデータ中継の通信経路を制御するルーティングプロトコルとしては、例えば、通信開始時に通信経路を検索して決定するＲｅａｃｔｉｖｅ型プロトコルや、非通信時に近隣の通信端末と情報交換することで予め通信経路を決定しておくＰｒｏａｃｔｉｖｅ型プロトコル等が採用されている。本発明は、Ｒｅａｃｔｉｖｅ型プロトコルを用いた無線マルチホップネットワークについて適用されるものとする。なお、Ｐｒｏａｃｔｉｖｅ型プロトコルを用いたネットワークについては、特許文献１に開示されている。

このようなモバイルアドホックネットワークを構成する場合、通信の要求に対して迅速な応答が必要であれば、定常状態において各通信端末間で経路情報を交換して、予め経路を把握しておく方法が一般的である。この方法を用いて、移動する通信端末の存在するネットワークの経路を把握するためには、通信経路の更新頻度を大として、経路の動的な変更に対応させる方式が考えられている。

特開２００５−１６８０２０号公報

しかしながら、無線ローカルエリアネットワーク内の通信端末は必ずしも移動しているとは限らず、あまり移動していない通信端末同士で頻繁に通信経路情報を交換することは、トラヒックの増大につながり、限られた通信資源が無駄に消費される場合がある。また、全体として平均的な更新頻度を用いると、高速で移動する通信端末にとっては、自身の経路が変更される頻度に対して、通信経路の更新頻度が追いつかないという問題がある。

すなわち、従来のオンデマンド型の経路探索方式による無線通信方式では、一定時間過去の経路情報を保持し、経路の探索回数を抑制して制御情報量を軽減するようになっているが、通信端末が移動するネットワークでは、通信の必要が生じた際に、参照する経路情報が既に無効となっている場合がある。逆に、移動する通信端末に合わせて経路情報の保持時間（有効期間）を短くすると、ネットワーク全体のトラヒックが大幅に増大してしまうことになる。

換言すれば、ネットワーク全体で過去の通信経路の保持時間（有効時間）をある一定の間隔にすると、部分的に移動を行っている通信端末が存在するネットワークの場合、通信端末の移動があまり生じない範囲では、同じ経路情報を頻繁に更新しているようにみえ、速い速度で移動する通信端末が存在する範囲では、通信端末の移動による経路の変化速度に経路情報の更新速度が追いつかず、全体として所望の品質が満足できないまま利用されるという問題がある。

特許文献１には、各通信端末がその移動状態に応じて制御メッセージ（Ｈｅｌｌｏメッセージ）の送信間隔を調整し、移動が少ないほど長い送信間隔で制御メッセージを送信し合う技術が開示されている。この特許文献１の技術は、Ｐｒｏａｃｔｉｖｅ型プロトコルを用いたネットワークであり、通信端末の移動により経路が変化すると、ネットワーク全体でＨｅｌｌｏメッセージを交換し合って全体の経路を確立させる方式であって、本発明が対象とするＲｅａｃｔｉｖｅ型プロトコルを用いた方式とは異なる。

本発明の目的は、経路情報の有効期間を通信端末の移動速度に応じて制御することにより、経路情報の交換によるトラヒックの無用な増大をなくし、また経路情報の有効活用を図ることが可能なマルチホップネットワーク及びその経路情報管理方法並びにそれに用いる通信端末を提供することである。

本発明によるマルチホップネットワークは、
複数の通信端末をノードとして有し、これら通信端末の各々が有する経路情報に基づいて前記通信端末相互間において通信をなすようにしたマルチホップネットワークであって、
送信元通信端末は、送信先通信端末への情報送信開始に応答して、前記経路情報を参照してその経路情報の有効期間内の場合には、当該経路情報に基づいて情報送信を行い、前記有効期間が経過している場合には、前記送信先通信端末への経路探索をなす手段を有し、
送信元通信端末は、前記送信先通信端末からの経路探索に応答して、その移動状態に応じた前記有効期間を前記送信先通信端末へ向けて送信する手段を有することで、前記通信端末の各々が有する経路情報に、送信先通信端末の移動状態に応じた有効期間を設定してなることを特徴とする。

本発明による経路情報管理方法は、
複数の通信端末をノードとして有し、これら通信端末の各々が有する経路情報に基づいて前記通信端末相互間において通信をなすようにしたマルチホップネットワークにおける経路情報管理方法であって、
送信元通信端末において、送信先通信端末への情報送信開始に応答して、前記経路情報を参照してその経路情報の有効期間内の場合には、当該経路情報に基づいて情報送信を行い、前記有効期間が経過している場合には、前記送信先通信端末への経路探索をなすステップを有し、
前記送信元通信端末において、前記送信先通信端末からの経路探索に応答して、その移動状態に応じた前記有効期間を前記送信先通信端末へ向けて送信するステップを有することで、前記通信端末の各々が有する経路情報に、送信先通信端末の移動状態に応じた有効期間を設定することを特徴とする。

本発明による通信端末は、
複数の通信端末をノードとして有し、これら通信端末の各々が有する経路情報に基づいて前記通信端末相互間において通信をなすようにしたマルチホップネットワークにおける通信端末であって、
前記端末が送信元通信端末である場合は、送信先通信端末への情報送信開始に応答して、前記経路情報を参照してその経路情報の有効期間内の場合には、当該経路情報に基づいて情報送信を行い、前記有効期間が経過している場合には、前記送信先通信端末への経路探索をなす手段を有し、
前記端末が送信元通信端末である場合は、前記送信先通信端末からの経路探索に応答して、その移動状態に応じた前記有効期間を前記送信先通信端末へ向けて送信する手段を有することで、前記通信端末の各々が有する経路情報に、送信先通信端末の移動状態に応じた有効期間を設定してなることを特徴とする。

本発明によれば、移動がほとんど行われていない通信端末間の経路情報は長時間保持することにより、不要な情報交換を抑制して限られた通信資源を有効利用することができ、移動開始時には、移動する通信端末に至る経路の有効期間を短縮し、過去の通信経路の保持時間を変更して、経路情報の更新を図ることができるという効果がある。また、通信端末の移動速度に応じた経路保持時間（有効期間）を用いることにより、通信の必要が生じた際に有効な経路を選択でき、通信要求に対するリアクションタイムを軽減できるという効果もある。

以下に本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１は本発明の実施例が適用される無線マルチホップネットワークの構成図である。図１において、複数の通信端末Ａ〜Ｄが存在しており、点線の円は各端末の電波到達範囲を示している。通信端末Ａから通信端末Ｃへデータを送信する場合、ある時刻においては、通信経路として、通信端末Ａから通信端末Ｂを経由して通信端末Ｃに至る経路が有効となっている。この状態で、通信端末Ｃがある速度で点線の矢印３１の方向に移動するとする。この場合、通信端末Ａから通信端末Ｃへの通信経路は通信端末Ｄを経由する経路が有効となる。

この新たな経路は経路情報の更新により登録されることになるが、過去の経路情報が有効のままでは通信端末Ｃが既に通信端末Ｃ’の位置まで移動しているにもかかわらず、通信端末Ｂを経由する経路を、当該経路情報が保持しているために、送信データが届かずに廃棄されてネットワークの信頼性が著しく低下することになる。

この場合、過去の経路情報を短時間で廃棄して再探索を行うことにより、通信端末の位置関係が変化するネットワークに対して柔軟に対処することは可能であるが、これでは、上述した如く、通信端末が移動しない場合にも、経路の再探索が発生して、経路探索のための制御トラヒックが増大することになる。そこで、本発明では、通信端末が移動しない場合は、通信端末内で有効な経路を長時間保持して不要な通信をなくし、通信端末Ｃが移動を開始すると、通信端末Ａへ向けて自身が移動することを知らせ、それに応答して、通信端末Ａはそれまで保持している通信端末Ｃへ至る通信経路の有効期限を短縮して過去の通信経路の保持時間を変更するようにするのである。

そして、通信端末Ａが再び通信端末Ｃに対する通信要求が発生した場合には、変更された過去の経路の保持時間内であれば、そのまま送信を行い、保持時間を過ぎた場合には、新たに経路探索メッセージを送信（フラッディング）する。このときフラッディングされた探索メッセージは通信端末Ｄにも及び、通信端末Ｄは移動してきた通信端末Ｃ’を発見することにより、通信端末Ａ−Ｄ−Ｃ’間で通信が確立することになる。

図２は図１に示した通信端末Ａ〜Ｃの各々の機能的なブロック図である。本発明の実施例による通信端末は、他端末との通信をなす無線通信部１と、通信経路の探索（フラッディング）や、経路情報を登録した隣接テーブル３の制御や、このテーブルを参照して経路制御をなす経路制御部２と、隣接テーブル３と、自身の端末の移動状態（移動速度も含む）を検出する移動検知部４と、他端末からのフラッディングに対して返答メッセージを生成する返答メッセージ生成部５と、上記各部を制御する制御部（ＣＰＵ：コンピュータ）６と、この制御部６の制御動作を予めプログラムとして記憶したメモリ７とを有している。

図３は本発明の実施例の動作を示すフローチャートであり、通信開始時の動作を示している。いま、図４に示す様な無線マルチホップネットワークの構成において、通信端末ＡからＣに至る経路１１，１２があり、通信端末Ａは図５に示す隣接テーブルにより経路を管理しているものとする。

送信元となる通信端末Ａがデータを送信する場合、先ず図５の隣接テーブル３を参照する（ステップＳ１）。いま、送信先通信端末Ｃが隣接テーブル３に登録されていないとすると（ステップＳ２でＮ）、通信端末Ｃへの経路を探索するためのメッセージを図４の経路１１，２１を通じてフラッディングする（ステップＳ３）。このメッセージを受けた通信端末Ｂは直ちに返答メッセージを生成して送り返すことにより、通信端末Ａは端末Ｂまで経路１１を介して通信可能であることを確認し、経路上で最初に情報を送信すべき隣接端末Ｂとして、隣接テーブル３に登録する（ステップＳ４）。このとき同時にこの経路情報の有効時間（有効期間）も登録する。図５の例では、３０秒としている。この隣接テーブル３の内容に従って情報送信を行うことができる（ステップＳ５）。

上述の作業の繰返しにより、通信端末Ａの隣接テーブル３には、ネットワーク上の各通信端末と通信を行う際に情報を送信すべき隣接端末を宛先毎に記録することにより、経路が確定していくのである。こうして経路が隣接テーブル３に記録されると、以降の通信では、通信端末ＡからＢへデータ送信を行う場合、経路１１を用いて通信端末Ｂに情報を送れば通信できることがわかる。同様に、通信端末Ｃに向けてデータ送信を行う場合には、隣接テーブル３から経路１１を用いて通信端末Ｂにデータを送ることにより、通信端末Ｃと通信できることが判断される。実際には、通信端末ＡからＣへの通信は、通信端末Ａからの情報が経路１１を介して通信端末Ｂへ届き、通信端末Ｂから経路１２を介して通信端末Ｃへ届くことになる。通信端末Ｄへの経路も同様である。

そして、このとき同時に、各々の経路の有効時間を設定しておく。各通信端末がほとんど移動していない状態であれば、通信経路は稀にしか変更されないので、経路の有効時間は長く設定しても問題はなく、図５では、３０秒としているのである。

ステップＳ２において、送信先端末が隣接テーブル３に登録されていれば（ステップＳ２でＹ）、この隣接テーブル３の当該経路の有効時間を参照し（ステップＳ６）、有効時間内であれば（ステップＳ７でＹ）、隣接テーブル３の経路情報に従って情報送信がなされる（ステップＳ５）。ステップＳ７において有効時間を過ぎていれば（ステップＳ７でＮ）、フラッディングによる経路探索を行い（ステップＳ８）、他端末からの返答メッセージを受信して隣接テーブル３の経路情報の更新を行う（ステップＳ９）。

このときの返答メッセージの例を図６に示す。本発明においては、従来の返答メッセージに、移動状態判別フラグと経路有効時間とを追加しており、移動状態判別フラグは自端末の移動の有無を示す情報であり、経路有効時間はその移動速度に応じた経路の有効時間を申告するためのものである。図７は移動速度に応じた経路の有効時間の目安を管理するためのテーブルであって、テーブル内の数値は単なる例示にすぎないものである。これにより、通信端末Ｃが時速３０ｋｍで移動中であれば、通信端末Ａからの探索メッセージ（フラッディング）の返答に対して、図６に示したメッセージにより、自身が移動中であること、また通信経路の有効時間が１０秒であることを含めて通知することになる。

通信端末Ａはこの返答メッセージから通信端末Ｃの経路情報の有効時間を含めて更新し（ステップＳ９）、この変更後の経路情報に従って情報送信をなす（ステップＳ１０）。このときの隣接テーブル３の変更後の例を、図８に示している。

通信端末ＡからＣまでの通信が確立している状態において、通信端末が図４の矢印３１のように移動を開始した場合の動作について、図９のフローチャートを用いて説明する。このとき、通信端末Ｃは自身が移動状態になったこと及びその移動速度に応じた経路の有効時間を、経路１２，１１を介して報告する（ステップＳ２１，Ｓ２２）。この知らせを受けた通信端末Ａと、知らせを転送した通信端末Ｂとは（ステップＳ２３）、直ちに、隣接テーブルの当該経路の有効時間を変更する（ステップＳ２４）。

通信端末Ａにおいて再び通信の要求が発生した場合には、図２のフローチャートのステップＳ１，Ｓ２，Ｓ６を経て、ステップＳ７において有効時間内であれば、そのまま送信が行われるが、有効時間が過ぎていれば、ステップＳ８のように探索メッセージが経路１１，２１を通してフラッディングされ、通信端末Ｂ，Ｄはそれぞれ通信端末Ｃへの経路を探索することになる。

いま、通信端末Ｃの移動報告がなされてから有効時間以上経過し、通信端末Ｃは既にＣ’の位置にきているとする。この場合、探索メッセージは通信端末Ｄから経路２２を通して通信端末Ｃへ届き、ステップＳ９のように通信端末ＣからＡへ向けて返答メッセージが送られることになる。これらの処理を経て、通信端末ＡからＣへの新しい経路２１は、通信端末Ｄ、経路２２を経由する経路に定まるのである。このときの通信端末Ａが保持する隣接テーブル３は、図８に示すように、通信端末Ｃへの経路上の隣接端末として通信端末Ｄが登録される。

上述した実施例では、通信端末の移動速度に応じて経路情報の有効期間を変更しているが、各通信端末の電波到達距離が一定ではなく変化するようなネットワークにおいては、移動速度と合わせて電波到達距離である通信可能距離をも考慮して有効期間を変更するようにしても良い。

すなわち、送信出力やノイズなどの影響により電波到達距離が変化するような場合には、移動速度と電波到達距離との組み合わせに対する有効時間を予め設定しておく。そして、移動速度と電波到達距離との組み合わせに対応する有効時間を選択して通知することにより、通信性能が相違する通信端末同士であっても、制御情報の抑制を行い、移動時の通信障害を軽減することが可能となる。

ここで、電波到達距離による有効時間への影響について説明する。電波到達距離は電波の送信出力と受信レベル（電波の受信電界強度）の値により推定することができる。送信出力、受信レベル共に大なる場合には、送信端末が受信端末に近いと考えられ、また、その後受信を継続できる時間も長いと予測できるので、この場合には、通信はしばらく途絶えることはない、すなわち、通信経路の変化は余り生じないと考えられるために、経路情報の有効時間を長くする（経路情報の更新頻度を下げる）ようにする。

逆に、送信出力が大であっても受信レベルが小の場合、または送信出力及び受信出力レベルが共に小の場合には、通信はすぐに途絶える、すなわち、通信経路の変化が頻繁に生じると考えられるために、経路情報の有効時間を短くする（経路情報の更新頻度を上げる）ようにする。このようにすることにより、電波到達距離についても通信端末の移動速度と同様に、経路情報の更新頻度の選択によって、通信経路の変化に有効に対応ができることになるのである。

そこで、通信端末の移動速度とこの電波到達距離とを組み合わせて考慮する場合には、以下のように経路情報の有効時間を定める。例えば、通信端末の移動速度が小で、送信出力が大、受信レベルが大の場合には、最も経路が長時間維持されると考えられるので、有効時間を長くする。逆に、移動速度が大で、送信出力が小、受信レベルが小の場合には、経路がすぐに切り替わると考えられるので、有効時間を短くする。

また、移動速度が小で、送信出力、受信レベル共に小などの場合には、移動速度と電波到達距離のそれぞれに重み係数などを考慮することにより、その状況に応じてどちらをより重視するか選択することが考えられる。例えば、移動速度から経路の有効時間が２０秒であったとすると、電波到達距離が小であれば１５秒にし、電波到達距離が大きければ、３０秒にする等の対処をするのである。もし、電波到達距離に対する重みを重視するのであれば、前者については、有効時間を１０秒とし、後者については、４０秒にするなども考えられる。これらの対応により、経路更新が効率的に行われることになる。

送信出力は送信端末が自身の情報として送信内容に加え、受信端末は該当電波の受信レベルと送信内容に含まれている送信出力とを検出することにより、電波到達距離の推定を行うことが可能である。

本発明の実施例が適用される無線マルチホップネットワークの構成図である。 本発明の実施例の通信端末の機能ブロック図である。 本発明の実施例の動作を示すフローチャートであり、通信開始時のものである。 本発明の実施例の動作を説明するための経路図である。 隣接テーブル３の例を示す図である。 経路探索時のフラッディングに対する返答メッセージの例を示す図である。 移動速度に応じた経路有効時間の例を示す図である。 更新後の隣接テーブル３の例を示す図である。 本発明の実施例の動作を示すフローチャートであり、通信中のものである。

符号の説明

１ 無線通信部
２ 経路制御部
３ 隣接テーブル
４ 移動検知部
５ 返答メッセージ生成部
６ 制御部（ＣＰＵ）
７ メモリ
Ａ〜Ｃ 移動通信端末

Claims (9)

1. 複数の通信端末をノードとして有し、これら通信端末の各々が有する経路情報に基づいて前記通信端末相互間において通信をなすようにしたマルチホップネットワークであって、
   送信元通信端末は、送信先通信端末への情報送信開始に応答して、前記経路情報を参照してその経路情報の有効期間内の場合には、当該経路情報に基づいて情報送信を行い、前記有効期間が経過している場合には、前記送信先通信端末への経路探索をなす手段を有し、
   送信元通信端末は、前記送信先通信端末からの経路探索に応答して、その移動状態に応じた前記有効期間を前記送信先通信端末へ向けて送信する手段を有することで、前記通信端末の各々が有する経路情報に、送信先通信端末の移動状態に応じた有効期間を設定してなることを特徴とするマルチホップネットワーク。
2. 前記送信先通信端末は、その移動速度に対応した前記有効期間を送信元通信端末へ向けて送信する手段を有し、
   前記送信元通信端末は、前記送信先通信端末から受けた前記有効期間を前記経路情報に設定する手段を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチホップネットワーク。
3. 前記有効期間は、前記移動状態の他に通信可能距離をも考慮したものであることを特徴とする請求項１または２に記載のマルチホップネットワーク。
4. 複数の通信端末をノードとして有し、これら通信端末の各々が有する経路情報に基づいて前記通信端末相互間において通信をなすようにしたマルチホップネットワークにおける経路情報管理方法であって、
   送信元通信端末において、送信先通信端末への情報送信開始に応答して、前記経路情報を参照してその経路情報の有効期間内の場合には、当該経路情報に基づいて情報送信を行い、前記有効期間が経過している場合には、前記送信先通信端末への経路探索をなすステップを有し、
   前記送信元通信端末において、前記送信先通信端末からの経路探索に応答して、その移動状態に応じた前記有効期間を前記送信先通信端末へ向けて送信するステップを有することで、前記通信端末の各々が有する経路情報に、送信先通信端末の移動状態に応じた有効期間を設定することを特徴とする経路情報管理方法。
5. 前記送信先通信端末において、その移動速度に対応した前記有効期間を送信元通信端末へ向けて送信するステップを有し、
   前記送信元通信端末において、前記送信先通信端末から受けた前記有効期間を前記経路情報に設定するステップを有することを特徴とする請求項４に記載の経路情報管理方法。
6. 前記有効期間は、前記移動状態の他に通信可能距離をも考慮したものであることを特徴とする請求項４または５に記載の経路情報管理方法。
7. 複数の通信端末をノードとして有し、これら通信端末の各々が有する経路情報に基づいて前記通信端末相互間において通信をなすようにしたマルチホップネットワークにおける通信端末であって、
   前記端末が送信元通信端末である場合は、送信先通信端末への情報送信開始に応答して、前記経路情報を参照してその経路情報の有効期間内の場合には、当該経路情報に基づいて情報送信を行い、前記有効期間が経過している場合には、前記送信先通信端末への経路探索をなす手段を有し、
   前記端末が送信元通信端末である場合は、前記送信先通信端末からの経路探索に応答して、その移動状態に応じた前記有効期間を前記送信先通信端末へ向けて送信する手段を有することで、前記通信端末の各々が有する経路情報に、送信先通信端末の移動状態に応じた有効期間を設定してなることを特徴とする通信端末。
8. 送信先通信端末の場合、その移動速度に対応した前記有効期間を送信元通信端末へ向けて送信する手段を有することを特徴とする請求項７に記載の通信端末。
9. 前記有効期間は、前記移動状態の他に通信可能距離をも考慮したものであることを特徴とする請求項７または８に記載の通信端末。

Images