JP4928578B2 - 無線ネットワークにおけるデータ転送方法および装置 - Google Patents
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Description
前記一群のノードから形成された前記中継クラスタのクラスタヘッドを選択するステップと、
選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回るノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するステップとを含み、
前記一群のノードから形成された前記さらなる中継クラスタについて、既存の他のクラスタから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を下回っているノードのみが該クラスタヘッドの候補と見なされるように、クラスタヘッドを選択し、
前記クラスタヘッドが選択された後に、その選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回っているノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択することを含むことを特徴とする。
1つのクラスタグループに属するクラスタのメンバは以下の条件、
それらのクラスタヘッドは前中継段階からまたはゼロ番目の中継段階からある特定の閾値を上回る強度で信号を受信する、および/または、
異なるクラスタのクラスタヘッドはそれらが他の既存のクラスタから受信する信号の信号強度がある特定の閾値を下回るようにそれらを選択することによって確保される相互の最小距離を有する、および/または、
クラスタのメンバノードはそれらの対応するクラスタヘッドからある特定の閾値を上回る信号強度で信号を受信する、
に基づいて選択される。
前記中継クラスタのクラスタヘッドを選択するためのモジュールと、
選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回るノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するためのモジュールとを備え、
前記クラスタヘッドを選択するためのモジュールは、前記さらなる中継クラスタについて、既存の他のクラスタから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を下回っているノードのみがクラスタヘッドの候補と見なされるように、クラスタヘッドを選択するように構成され、
前記メンバノードを選択するためのモジュールは、前記クラスタヘッドが選択された後に、その選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある所定の閾値を上回っているノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するように構成されることを特徴とする。
SNR:Signal to Noise Ratio、信号対ノイズ比
CRC:Cyclic Redundancy Check、巡回冗長検査
ACK:Acknowledgement Frame、ACKフレーム
RTS:Request-to-Send Frame defined by IEEE 802.11、IEEE802.11に準拠した送信要求フレーム
CTS:Clear-to-Send Frame defined by IEEE 802.11、IEEE802.11に準拠した受信準備完了フレーム
CSMA/CA:Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance、搬送波感知多重アクセス/衝突回避方式
AP:AP
MIMO:Multiple Input Multiple Output、多入力多出力方式
MAC:Medium Access Control、媒体アクセス制御
AP:Access Point、アクセスポイント
RSSI:Received Signal Strength Indicator、受信信号強度表示信号
SIFS:Short Inter-Frame Space defined by IEEE 802.11、IEEE802.11に準拠した短フレーム間隔
PHY:Physical Layer、物理レイヤ(または物理層)
・推定段階と中継クラスタ形成段階の間、全てノードは全ての他のノードからの送信を立ち聞きできるようにプロミスキャスモード(Promiscuous Mode)で動作すべきである。
・m番目の段階で形成されるクラスタの最大数はAPによって決定され、N_mと表される。パラメータN_mはあらゆるノードで事前に設定されるかまたはAPによってビーコンで通知される。後者の方法の場合、従来の802.11ビーコンは変更されるべきである。
・m番目の中継段階の最初のクラスタヘッド(第1クラスタヘッド)が自己選択された後、APは第1クラスタヘッドのMACアドレスを含む特別なACKパケットを同報し、第1クラスタヘッドが選ばれたことと、m番目の中継段階伝送に対して最大N_m−1個のクラスタヘッドが残っていることがアナウンスされる。
・m番目の中継段階のクラスタが選択された後、APは最大N_(m+1)個のクラスタヘッドが存在する(m+1)番目の中継段階のクラスタ選択の開始をアナウンスするメッセージを送信する−一般にN_(m+1)はN_mより大きい(N_(m+1)>N_m)。段階の終了と(あれば)次の段階の開始をアナウンスするAPからの特別メッセージは802.11の拡張と言える。
・隠れたクラスタ問題を処理するため、同じ中継段階における2つの連続する中継伝送の間に数ミリ秒程度の人為的な遅延時間Δが信号推定(等価器トレーニング)段階と一緒に導入されることがある。この遅延時間も802.11の拡張を表しているといえる。
i)推定段階:あらゆるノードは自分自身と他の端末との間のリンクのチャネル状態(通信路状態)を推定する。
ii)データレートの選択段階:APは適正なデータレートを選択し、これは原則的にその後の中継伝送で逐次繰り返される。
iii)クラスタヘッドの選択段階:ノードは自己選択アルゴリズムを実行して中継クラスタのヘッドノードを選択する。
iv)マルチキャスト中継段階:段階iii)で形成されたクラスタ内部の中継ノードの日和見的選択(opportunistic selection)。この段階は段階iii)と同時に実行できる。
1.マルチキャストまたはブロードキャストに対する無線ネットワークのカバレッジエリアが大幅に拡大する。
2.マルチキャスト伝送に対するACKフレームその他のタイプのフィードバックを大幅に削減することが可能である。
3.ネットワークエリアの大きさを固定する場合、ユーザが認識するエンド・ツー・エンドのデータレートが増大する。
4.802.11標準に適用した場合、この標準に対する少しの拡張だけで実装可能である。
1)マルチキャストデータフレームをM個のマルチキャストグループに加入したいくつかの端末に送信するAPまたは基地局Node−B。
2)APに付随しておりM個のマルチキャストグループに加入したN個の端末。簡単のため、端末はただ1つのマルチキャストグループに加入できると仮定する。
3)ネットワーク内の全てのノードは既存のチャネル状態に基づいてデータレートを変更する適応型レート選択を利用する。
4)N個の端末はNode−Bがカバーするエリア内にランダムかつ均一に拡散している。
5)原則的にはクラスタヘッドノードは定位置にとどまっており、各クラスタの一般ノードの移動性レベルは適度である。
i)推定段階:あらゆるノードは自分自身と他の端末との間のチャネル状態(通信路状態)を評価する。
ii)データレート選択段階。
iii)クラスタヘッドの選択段階:ノードは自己選択アルゴリズムを実行して中継クラスタのリーダーを選択する。
iv)マルチキャスト中継段階:クラスタ内の中継ノードの日和見的選択。
動的環境では、特にモビリティ(移動性)が存在する場合には、全ての段階は定期的に実行されるべきである。以下、これら4つの段階の各段階についてより詳しく説明する。
推定段階の間、ノードはプロミスキャスモードに設定され、他のノードが基地局にデータパケットまたはプローブパケットを送信しているときにアップリンクチャネルを立ち聞きする。こうして、ノードはそれら自身と他の端末との間のチャネル状態情報、例えばRSSI(Received Signal Strength Indicator)、を収集することができる。この段階の最後にあらゆるノードは聞くことができる全てのノードのノードごとのRSSIを含むリストを手にする。推定段階のデュレーションはネットワーク管理者がネットワークトポロジーとトラフィック状態に基づいて設定することができる。
ノードは他のノードのチャネル状態についての十分な情報を収集し終わると第2段階(データレート選択)に進む。原則的には中継クラスタはAPがマルチキャストパケットを送信するために先に使用したのと正確に同じデータレートを使用しなければならない。従って、まず最初に、APは特定の802.11g屋外環境に対する図1に示すようなカバレッジ対データレートの特定曲線(例えば非特許文献[Romano, “The Range vs. Rate Dilemma of WLANs", April 2004, CommsDesign, http://www.commsdesign.com]参照)に基づいてマルチキャストパケットを送信するための適正なデータレートを決定しなければならない。この曲線は現場測定で得られる。受信側で遅延信号の重ね合わせ(これがあるとパケットの復号が不可能になる)を避けたいのであれば中継クラスタの選択は注意深く実行されなければならない。このプロセスは次の段階で実行される。
実施の一形態においてクラスタを形成するメインゴールは仮想的な中継APとして機能することが可能な互いに近いノードから成るグループを生成することにある。さらに、実施の一形態によれば、受信側で重畳信号を復号することが不可能なレベルのマルチユーザ干渉を避けることができるようにクラスタは互いに十分遠く離れていなければならない。
条件:第1クラスタヘッドからパケットをRSSI_clusterよりも大きなRSSIで受信すること−第1クラスタヘッドのMACアドレスまたはID(identity)は全てのノードに既知である。
条件:第2クラスタヘッドからパケットをRSSI_clusterよりも大きなRSSIで受信すること−第2クラスタヘッドのMACアドレスまたはID(identity)は全てのノードに既知である。
前段階において全ての中継段階のあらゆるクラスタのメンバの選択が完了している。本段階では、クラスタノードはそれらがいくつかの中継段階でAPから受信するマルチキャストパケットを中継する。従って、第1中継段階のクラスタノード(基地局を中心とする最初の“円”上に存在するもの)はAPによって選ばれた同じデータレートで同時に送信する。第1中継段階から決まった時間(例えば実施の一形態によれば802.11のケースにおけるSIFS期間)の後に第2中継段階の全てのクラスタノード(基地局を中心とする2番目の“円”上に存在するもの)が同時に送信する。以下同様である。
次に“グループ”形成と“同時”マルチキャストまたはブローキャスト伝送といった2つの特徴によって与えられる利得について説明する。“同時伝送”と“グループ形成”の利得を個別に説明する前に、非常にシンプルな例を最初に説明する。
図1に示すような屋外環境における802.11g標準の一般的なデータレート対距離曲線を議論することにする。またネットワークトポロジーはAPが同報パケット(ブロードキャストパケット)を送信している以下に示すものであると仮定する。従来の802.11マルチキャスト方式ではAPは最低可能データレート(6Mbps)で送信してAPから300m離れたところに位置するステーションGとHを含む全てのステーションに到達しなければならない。
A D
(AP) B E G
C F H
←―――300m――――→
6Mbps
A D K L
(AP) B E G M N
C F H O
←――――――480m――――――→
6Mbps
A D
(AP) B E G
C F H
←―――315m―――→
8Mbps
次の様なトポロジーを考えることが許される。
(AP)
A B
C D
(AP):アクセスポイント
A、B:2つの別個のノード
次の様なシナリオを考えることが許される。
(AP) ABC DE F
(AP):アクセスポイント
A、B、C、D、E、F:6つの別個のノード
A.マルチホップ対シングルホップ
−−−−−−−−−−−−−−−−
APがシングルホップ(単一ホップ)であらゆるノードに限られた送信電力で到達しようとする場合、APは長い距離を低い誤り率でカバーするために低いデータレートを使用しなければならない。マルチホップを使用すると、1つの時間スロットの代わりに少なくとも2つの時間スロットを必要とするが、より高いエンド・ツー・エンドレートが実現できる。
B.クラスタヘッド単独またはクラスタ全体が中継すべきか?
−−−−−−−−−−−−−−−−
BがクラスタABCのクラスタヘッドであると仮定することが許される。グループ再送が一切用いられない場合、クラスタヘッドBはAPからのデータを中継し、次いで(例えば)Dがそれを最終的に3ホップでFに到達するように再び中継する。
その他の可能性は単一の送信でFに到達するのに十分な合成電力を持つ“中継グループ”ABCを形成することであろう。
前パラグラフではホップ数を増やすことが好まれたが、いまの場合はホップ数を減らすことを考えていることに留意すべきである。しかしながら、これは最適なエンド・ツー・エンドのデータレートはシングルホップと多すぎるホップとの間のどこかにあるからである。
3ホップの代わりに2ホップはデータレートの利得3/2をもたらす。
宛先で復号可能でありながら(ちょうどマルチパス無線伝搬のような)斯かる中継“グループ”を形成することが“第2制約群”と見なされる。
前例に示したグループ中継の利得(3/2)は線形トポロジーに相当する。2Dトポロジーでは、それは前述の同時(単一ノード)中継の利得(3/2)と組み合わされる。
AP
/ \
ABC−−DEF
/ \
GH IJ
/ \
K L
APが送信し、次にB、次にEが送信し、続いてG(Bの後)、続いてI(Eの後)が送信する。
APが送信し、次にABCとDEFが(同時に)送信する。
Claims (9)
- 無線ネットワークにおいてデータを転送するための中継クラスタのメンバノードを選択する方法であって、前記無線ネットワークは1以上の前記中継クラスタを含み、その各クラスタは前記無線ネットワークの一群のノードから形成されており、前記無線ネットワークに含まれる1つの中継クラスタを構成する一群のノードによって受信されたデータは、中継クラスタのノードが集団的かつ同時に受信データの中継ノードとして働くように、該一群のノードが当該受信データを受信した後に同時に転送することによって、同期して転送され、
前記中継クラスタのクラスタヘッドを選択するステップと、
選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回るノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するステップと、
さらなる中継クラスタについて、既存の他のクラスタから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を下回っているノードのみが次のクラスタヘッドの候補と見なされるように、前記次のクラスタヘッドを選択するステップと、
前記次のクラスタヘッドが選択された後に、その選択された次のクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回っているノードを前記さらなる中継クラスタのメンバノードとして選択するステップと
を含む、方法。 - 前記無線ネットワークは複数の中継クラスタを含んでおり、前記データ転送は複数の連続する中継段階で実行され、各中継段階には前中継段階の間にその前中継段階に割り当てられた中継クラスタから受信したデータを転送する1以上の中継クラスタから成る対応するグループが割り当てられている、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- クラスタの複数のグループが生成され、その各グループは対応する中継段階に属し、この対応する中継段階に属する全てのクラスタは信号を同時に送信して転送するように設定されており、
1つのグループに属するクラスタのメンバは以下の条件、
1)それらのクラスタヘッドは前中継段階の最大全てのノードまでの1以上のノードからまたはゼロ番目の中継段階からある特定の閾値を上回る強度で信号を受信する、および/または、
2)それらのクラスタヘッドは前中継段階の最大全てのノードまでの1以上のノードからまたはゼロ番目の中継段階からある更なる特定の閾値を下回る強度で信号を受信する、および/または、
3)異なるクラスタのクラスタヘッドはそれらが他の既存のクラスタから受信する信号の信号強度がある特定の閾値を下回るようにそれらを選択することによって確保される相互の最小距離を有する、および/または、
4)クラスタのメンバノードはそれらの対応するクラスタヘッドからある特定の閾値を上回る信号強度で信号を受信する、
に基づいて選択される、ことを特徴とする請求項1または2に記載の転送方法。 - 同じ中継段階の2つの同時伝送の間に人為的な遅延時間を導入するステップを更に含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。
- 無線ネットワークにおいてデータを転送するための中継クラスタのメンバノードを選択する装置であって、前記無線ネットワークは1以上の前記中継クラスタを含み、その各クラスタは前記無線ネットワークの一群のノードから形成されており、前記無線ネットワークに含まれる1つの中継クラスタを構成する一群のノードによって受信されたデータは、中継クラスタのノードが集団的かつ同時に受信データの中継ノードとして働くように、該一群のノードが当該受信データを受信した後に同時に転送することによって、同期して転送され、
前記中継クラスタのクラスタヘッドを選択するためのモジュールと、
選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回るノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するためのモジュールと、
さらなる中継クラスタについて、既存の他のクラスタから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を下回っているノードのみが次のクラスタヘッドの候補と見なされるように、前記次のクラスタヘッドを選択するためのモジュールと、
前記次のクラスタヘッドが選択された後に、その選択された次のクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある所定の閾値を上回っているノードを前記さらなる中継クラスタのメンバノードとして選択するためのモジュールと
を備える、装置。 - 前記無線ネットワークは複数の中継クラスタを含んでおり、前記データ転送は複数の連続する中継段階で実行され、各中継段階には前中継段階の間にその前中継段階に割り当てられた中継クラスタから受信したデータを転送する1以上の中継クラスタから構成される対応するグループが割り当てられている、ことを特徴とする請求項5に記載の装置。
- 請求項2乃至4のいずれか1項に記載された方法を実行するためのモジュールを更に備えていることを特徴とする請求項5または6に記載の装置。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載された方法に従ってデータが転送されるネットワークにおいて前記ノードが中継ノードとして働くことを可能にするための1以上のモジュールを備えていることを特徴とする無線ネットワークにおけるノード。
- コンピュータによって実行されたときにこのコンピュータが請求項1乃至4のいずれか1項に記載された方法を実行することを可能にするコンピュータプログラムコードを含むコンピュータプログラム。
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