JP5036602B2

JP5036602B2 - 無線アドホック端末およびアドホック・ネットワーク・システム

Info

Publication number: JP5036602B2
Application number: JP2008061354A
Authority: JP
Inventors: 孝一石橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: JP2009218922A

Description

この発明は、複数のノードが自律的にネットワークを構成するアドホック・ネットワークのノードとしての無線アドホック端末および複数のこの無線アドホック端末により構成されるアドホック・ネットワーク・システム、特に、自端末と通信可能な範囲に位置する無線アドホック端末の管理、及び管理する無線アドホック端末に対する処理に関する。

近年の無線通信技術の進展と電子機器の小型化及び高度化に伴い、従来のインフラストラクチャ型の通信形態に対して、既存ネットワーク・インフラを利用することなく通信機器間での通信を可能とするアドホック・ネットワークへの関心が高まっている。このアドホック・ネットワークは、従来の固定的なインフラストラクチャ型のネットワークとは異なり、(１)物やデバイス間の通信、(２)膨大な数の物やデバイスによる自律的なネットワークの構築、(３)既存の通信インフラに依存しないネットワーク構築、(４)手軽で、そして一時的に利用するネットワークの構築、といった特徴を持っており、トポロジーの変化に対しても自律的に対応することが求められる。現在、上記の特徴を満たすため、アドホック・ネットワークを形成するための多くのルーティング・プロトコル(アドホック・ルーティング・プロトコル)が提案されている。例えば、ＤＳＲ(Dynamic Source Routing) (RFC4728)、ＡＯＤＶ(Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing) (RFC3561)、ＯＬＳＲ(Optimized Link State Routing) (RFC3626)等がある。

ＤＲＳやＡＯＤＶは、オンデマンド(On-Demand)型のルーティング・プロトコルであり、通信の要求が生じた際に送信元から送信先までの経路を求め、通信を行うものである。一方、ＯＬＳＲは、プロアクティブ(Proactive)型のルーティング・プロトコルであり、常時、経路情報を交換することにより、通信の要求が生じた際に保持する経路情報をもとに通信の開始が可能となっている。

また、下記特許文献１では、スループットを低下させることなく既存経路から新経路への移行を実現するため、通信可能な範囲に位置する無線端末との間の隣接リンクの受信状態を監視することにより、既存の経路上で受信状態が所定の閾値を下回る不良リンクを検出した際に、当該既存経路による通信を継続したまま前記不良リンクを含まない他の経路を確立し、既存から前記他の経路に切り替えるための手段を示している。さらに、下記特許文献２では、リンク切断に伴うデータや音声の損失を最小限に抑えるために、通信可能な範囲に位置する無線端末との間の隣接リンクの受信状態を監視することにより、不良リンクに接続する無線端末を迂回する経路を仲介端末により構築し、移行する手段を示している。

特開２００５−２５２８５８号公報特開２００５−２２３６９７号公報

ＯＬＳＲ等の従来のプロアクティブ型のアドホック・ルーティング・プロトコルでは、各無線端末がトポロジー情報を管理するために、定期的に自無線端末の存在を示すパケット(Hello packet)を報知しており、無線リソースや無線端末のリソースを浪費するという問題点があった。

また、オンデマンド型の従来のアドホック・ルーティング・プロトコルにおいては、通信の要求が生じた際に送信先の無線端末までの経路を求めることを基本としているが、無線リソースや無線端末が持つＣＰＵ処理能力やメモリ量、バッテリーなどのリソースを有効に利用するために、求めた送信先の無線端末までの経路、ここでは、次に転送する無線端末、をキャッシュすることにより、経路探索に伴うオーバヘッドの削減などが行われている。この場合、キャッシュされている送信先宛のパケットを転送する時に、該当送信先に対する経路情報から得られる次の転送先の無線端末が既に自無線端末の通信範囲内に存在しない時には、パケットが所望の送信先の無線端末まで転送されないこととなる。更に、該当パケットを所望の送信先の無線端末まで転送するために経路の再探索を行う場合、転送に伴う遅延や経路探索に伴うトラヒックが増大するという問題点があった。

また、上記特許文献１では、通信可能な範囲に位置する無線端末との間の隣接リンクの受信状態を監視する手段、受信状態が所定の閾値を下回るリンクを含む宛先端末への経路に対するエラー通知を行う手段、及び宛先までの経路の再探索を行う手段を示している。しかし、受信状態が所定の閾値を下回るリンクを含む宛先端末を送信先とする送信元端末へのエラー通知に伴うオーバヘッドや送信元端末による該当宛先端末に対する経路の再探索に伴うトラヒックの増大、或いは経路の再探索に伴う遅延という問題点があった。

更に、上記特許文献２では、通信可能な範囲に位置する無線端末との間の隣接リンクの受信状態を監視する手段、及び所定のリンク切断予期条件を満足する隣接リンクを挟んで対応する無線端末間で仲介端末による経路を求める手段を示している。しかし、リンク切断予期条件を満足する隣接リンクに接続する無線端末を介して存在する無線端末を管理、或いは解決する必要があるといった問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、無線リソースの浪費を行うことなく、通信可能な範囲に位置する無線端末の管理を実現する無線アドホック端末およびアドホック・ネットワーク・システムを提供することを目的とする。

また、通信可能な範囲に位置していた無線端末の通信状態変化を検出し、通信不可の場合に、前記無線端末を含む経路において自無線端末から前記無線端末までの経路を挿入することにより、リンク切断に伴う経路の再確立に要するトラヒックの削減や迅速な経路の再確立を目的とする。

さらに、通信可能な範囲に位置していた無線端末の状態変化の検出に伴い、前記無線端末の生き死に(動作の可否)の確認を行い、前記無線端末が動作可能であることを確認できない際には該当結果を通知することにより、ネットワークを構成する無線端末の生き死にの確認に必要となるトラヒックの削減を目的とする。

この発明は、複数の無線端末同士で通信を行うことで自律的にネットワークを形成し、通信可能な範囲に位置する隣接端末を示す隣接端末リストと、受信するアプリケーションメッセージの送信先端末に対する自端末でのメッセージの転送先端末を示す経路情報とに基づき、隣接端末間でのメッセージの転送を順番に行って通信を行うアドホック・ネットワークの無線アドホック端末であって、受信したアプリケーションメッセージの転送元端末に基づき前記隣接端末リストの隣接端末の登録、更新を行う手段と、ネットワーク内のリソースの有効利用を図るために、転送される広告通信を除くアプリケーションメッセージの周期性を求め、求めた周期性に合わせて他の無線端末へ自端末の存在を知らせるための広告通信の送信周期を大きく設定するように調整する手段と、を備えたことを特徴とする無線アドホック端末にある。

この発明では、無線リソースの浪費を行うことなく、通信可能な範囲に位置する無線端末の管理を実現できる。

実施の形態１．
図１はこの発明によるアドホック・ネットワーク・システムの一例を示す構成図である。アドホック・ネットワーク・システム１００は、ネットワークのノードとなる複数の無線アドホック端末101-a〜101-Y同士が通信を行うことで自律的にネットワークを構成している。無線アドホック端末は、オンデマンド型のＤＲＳやＡＯＤＶ、プロアクティブ型のＯＬＳＲ、その他のアドホック・ルーティング・プロトコルを実行することにより、アドホック・ネットワーク１００を構築している。

また、各無線アドホック端末は、周期的に自身の存在を示すメッセージ(ここでは、Hello packetと呼ぶ)を1-Ｈｏｐブロードキャストにて送信している。送信するHello packetは、自端末、すなわち送信元端末の情報に加えて、例えば、自端末に隣接する、すなわち、無線の電波伝搬範囲内に位置する無線アドホック端末のリストを含んでいる。また、上記Hello packetを受信する各無線アドホック端末は、受信するHello packetが含む送信元端末の情報に従って、それぞれ格納している周辺ノードのリスト(隣接端末リスト)への当該無線アドホック端末に関する登録、更新を行う。

例えば、無線アドホック端末101-aは、Hello packetの受信等により隣接無線アドホック端末として、無線アドホック端末101-b,-c,-d,-e,-f,-gをリストとして管理しており、上記情報を含むHelloメッセージを周期的にブロードキャストにて送信している。図２は、無線アドホック端末101-aが送信するHello packet２０１の構成の一例を示しており、送信元端末には、無線アドホック端末101-aの識別子が、ライフタイムには、該当Hello packetが有効な時間が、応答要求フラグには応答を必要としないことを示す値(NO_ACK)が、そして隣接リストには、無線アドホック端末101-aが管理する隣接無線アドホック端末のリスト、ここでは、無線アドホック端末101-b,-c,-d,-e,-f,-gの識別子が設定される。

なお、このHello packetの周期的なブロードキャストを広告(自己紹介)通信とし、Hello packetは所定のパワーでブロードキャストされる。各無線アドホック端末はそれぞれ周期的に広告通信を行うと共に、他の無線アドホック端末からのHello packetを検出し、その受信状態に従って記憶、格納している隣接端末リストの登録、更新を行う。

さらに、この発明のアドホック・ネットワーク・システムがあるアプリケーションに適用された場合の当該アプリケーションでの実際のデータや情報の伝送例として、例えば、各無線アドホック端末は、定期的或いはイベントの発生時などに、無線アドホック端末101-Yに対してメッセージ(アプリケーションメッセージ)の送信・通知を行う。無線アドホック端末101-Yに向けて送信・通知するメッセージは、複数の無線アドホック端末の間を順番に転送されて無線アドホック端末101-Yにたどり着く。各無線アドホック端末は、アプリケーションメッセージに含まれる送信先端末に対する自端末でのメッセージの転送先端末を示す経路情報も記憶、格納している。

なお、無線アドホック端末101-Yは、例えばアドホック・ネットワーク・システムの管理用端末或はゲートウェイ機器等の特別な端末からなり、ネットワークの管理や各端末の持つ情報の収集のために上述のような定期的なアプリケーションメッセージの送信を行うものであってもよい。

図３は、無線アドホック端末101-aが無線アドホック端末101-Yに向けたメッセージ(アプリケーションメッセージ)の構成の一例であり、無線アドホック端末101-eが該当メッセージを転送する際のメッセージの一例を示している。すなわち、図３のメッセージ３０１において、転送元端末及び転送先端末の識別子は各無線アドホック端末がメッセージを送信・転送するたびに変更される。一方、送信元端末及び送信先端末の識別子は送信元端末(ここでは無線アドホック端末101-a)が送信先端末(ここでは無線アドホック端末101-Y)に向けてメッセージを送信する際に設定され、送信先端末に通知されるまで変更されることはない。

次に、この発明における自無線アドホック端末と通信可能な範囲に位置する無線アドホック端末の管理について説明する。例えば、無線アドホック端末101-aは無線アドホック端末101-b, -c, -d, -e, -f, -gが発するメッセージを受信することにより、各無線端末が通信可能な範囲に位置する端末(隣接端末)として隣接端末リストに登録、更新を行う。すなわち、無線アドホック端末101-fが無線アドホック端末101-Yに向けてメッセージを送信する場合を考える。

図４にこの場合の動作の一例を説明するための流れ図を示す。無線アドホック端末101-fは最初に無線アドホック端末101-eに対してメッセージを転送する(図４のSQ4001)。このメッセージは、無線アドホック端末101-eだけでなく、端末101-a, -gやその他の無線アドホック端末も受信する。無線アドホック端末101-aは、従来であれば受信したメッセージの転送先端末の識別子が自端末の識別子と一致しないため、処理を行うことなく廃棄していたが、この実施の形態においては、転送元端末の識別子をチェックし、隣接端末リストへの端末101-fの登録、更新を行う(図４のSQ4002)。転送先は自端末ではないのでメッセージは廃棄する。また無線アドホック端末101-eは、無線アドホック端末101-fの登録がなければ同様に隣接端末リストの登録、更新を行うと共に、受信メッセージの転送先端末の識別子が自端末の識別子と一致するため、受信メッセージの処理を行い、送信先端末の識別子で示される無線アドホック端末101-Yに向けた経路情報から、転送先端末の識別子に無線アドホック端末101-hを、転送元端末の識別子に自端末の識別子101-eを設定し、メッセージの転送を行う(図４のSQ4003)。

無線アドホック端末101-eが転送するメッセージについても同様に無線アドホック端末101-a, -d, -hやその他の無線アドホック端末が該当メッセージを受信し、無線アドホック端末101-aは転送元端末の識別子(ここでは、101-e)を隣接端末リストに登録、更新を行う(図４のSQ4004)。以下同様の動作が繰り返されて、無線アドホック端末101-fからのメッセージが無線アドホック端末101-Yまで送信される。

続いて、隣接端末リストのメンテナンスについて説明する。隣接端末リストの各エントリは余命時間(Lifetime)持っており、余命時間以内に次の更新が行われない場合には、該当エントリに対応する無線アドホック端末は、もはや通信可能な範囲に存在しないものとして該当エントリを削除する。ここで、各エントリの余命時間は、コンフィグレーションによる設定や各端末が周期的に報知するHello packetに含まれる値による設定、或いは過去の該当エントリが更新される間隔に基づく予測、例えば、過去Ｎ回の更新された間隔の平均などによる設定がある。

以上のように、周辺に位置する無線アドホック端末が発するメッセージの転送元端末の識別子をチェックすることにより、各端末が定期的に自端末の存在を示すメッセージの報知に依存することなく、自無線アドホック端末と通信可能な範囲に位置する無線アドホック端末(隣接端末)の管理を実現できる。

また、隣接端末ごとに、広告通信を除く該当端末が発するメッセージ(アプリケーションメッセージ)の周期性を検出し、これに合わせて広告通信の送信周期を大きく設定する等の調整を行うことが可能であり、これによりネットワーク内のリソースの有効利用を図ることが可能である。

さらに、広告通信なしに、例えばアプリケーションメッセージの通信だけに基づき隣接端末リストの管理を行うことも可能になる。

実施の形態２．
実施の形態１では、各端末が発するメッセージの受信をもとに自無線アドホック端末と通信可能な範囲に位置する無線アドホック端末(隣接端末)を管理する手法について述べたが、この実施の形態は、隣接端末として管理していた無線アドホック端末が自無線アドホック端末と通信可能な範囲に存在しなくなった際に、該当無線アドホック端末が関係する経路の更新に関する。なお、アドホック・ネットワーク・システムの全体の構成は図１のものと基本的に同じである。

図５は、図１に示す複数の無線アドホック端末が自律的にネットワークを構成するアドホック・ネットワーク・システムにおける、無線アドホック端末101-bが無線アドホック端末101-Yに向けてメッセージを送信、通知する際の経路を抽出した図である。無線アドホック端末101-bが送信するメッセージは、端末間のリンク状態の変化がなければ、無線アドホック端末101-a, -d, -iを介して無線アドホック端末101-Yに転送されている。図６は、この際の無線アドホック端末101-aと端末101-dのリンク状態変化(隣接端末の変化)に伴う経路更新の動作を示す流れ図である。

無線アドホック端末101-aと101-d間の無線リンクが何らかの要因により切断される際の経路の更新について説明する。無線アドホック端末101-a、101-dは、実施の形態１に従い自端末と通信可能な範囲に位置する無線端末(隣接端末)を管理しており、無線アドホック端末101-aが101-dを、又は無線アドホック端末101-dが101-aを通信範囲内に存在しなくなったと判断する際に、無線アドホック端末101-a(又は101-d)は、無線アドホック端末101-d(又は101-a)に向けて、メッセージがフラッディングされる範囲を限定(例えば送信パワーを調整)した“真の送信元と真の送信先を含む経路探索要求メッセージ”(代理経路探索要求メッセージ)をフラッディングする(図６のSQ6001)。なお、以下の説明では、無線アドホック端末101-aが先に無線アドホック端末101-dが通信範囲内に存在しなくなったことを検出し、経路の更新を行う場合を示す。

図７には、代理経路探索要求メッセージ及び後述の代理経路探索応答メッセージの一例を示す。図７では無線アドホック端末101-aが代理経路探索要求メッセージを転送する際のメッセージの一例を示している。図７のメッセージ７０１において、転送元端末の識別子は端末101-aの識別子、転送先端末の識別子はブロードキャスト(制限なし)、送信元端末の識別子は端末101-aの識別子、送信先端末の識別子は端末101-dの識別子、さらに真の送信元端末の識別子は端末101-bの識別子、真の送信先端末の識別子は端末101-Yの識別子になる。なお、無線アドホック端末101-dの代理経路探索応答メッセージでは、転送元端末の識別子は端末101-dの識別子、転送先端末の識別子は端末101-eの識別子(後述の中継端末からのメッセージから確認)、送信元端末の識別子は端末101-dの識別子、送信先端末の識別子は端末101-aの識別子、真の送信元端末の識別子は端末101-Yの識別子、真の送信先端末の識別子は端末101-bの識別子になる。

また、代理経路探索要求メッセージとは、経路探索要求メッセージは本来、メッセージの送信元が発するものであり、図５においては真の送信元端末である端末101-bが真の送信先端末である端末101-Yに送信するものであるが(経路探索応答メッセージはその逆)、この実施の形態においては、端末101-bの代わりに端末101-a、端末101-Yの代わりに端末101-dがそれぞれ代理で送信する。なお、代理経路探索要求メッセージを送信することにより代理経路探索応答メッセージを送信することを合わせて代理経路探索要求応答通信とする。但し、「代理」は説明を分かり易くするために付けたもので、端末101-aから経路探索要求メッセージを送って端末101-dから経路探索応答メッセージを受けることをこの発明における経路探索要求応答通信又は狭域経路探索要求応答通信とする。

代理経路探索要求メッセージ及び代理経路探索応答メッセージを受ける無線アドホック端末101-eを中継端末として、代理経路探索要求メッセージを受信する無線アドホック端末101-d(又は101-a)は、従来の経路探索要求メッセージの受信処理と同様に、該当代理経路探索要求メッセージの送信元端末である無線アドホック端末101-a(又は101-d)に向けて“真の送信元と真の送信先を含む経路探索応答メッセージ”(代理経路探索応答メッセージ)を端末101-eを中継して通知する(図６のSQ6002)。代理経路探索応答メッセージを受信する無線アドホック端末101-a(又は101-d)は、切断された無線リンクの先に接続されていた無線アドホック端末への迂回経路として、該当無線アドホック端末(ここでは、101-d又は101-a)を転送先端末(次の経路)として含む経路情報の更新を行う。ここでは、無線アドホック端末101-Y(又は101-b)に向けた転送先端末として、無線アドホック端末101-d(又は101-a)に替わり中継した隣接する無線アドホック端末101-eが設定される。

なお、新たな中継端末となる無線アドホック端末101-eは、代理経路探索応答メッセージの転送時に、該当メッセージが示す真の送信先と送信元である無線アドホック端末101-b及び101-Yを送信先端末とする経路情報の転送先端末(次の経路)としてそれぞれ端末101-a、101-dを登録、更新する。

以上のように、隣接端末として管理していた無線アドホック端末が、自無線アドホック端末と通信可能な範囲に存在しなくなった際に、経路探索要求応答通信(狭域経路探索要求応答通信)により自無線アドホック端末から該当無線アドホック端末に対する経路を再探索し、該当無線アドホック端末が関係する経路の更新を実施することにより、ネットワーク全体に影響を及ぼすことなく、無線リンクの影響により接続ができなくなった経路の更新が可能である。

また、この実施の形態では、隣接端末として管理していた無線アドホック端末が、自無線アドホック端末と通信可能な範囲に存在しなくなった際に、自無線アドホック端末から該当無線アドホック端末に対する経路を再探索する例を示したが、上述のHello packetを使用した広告通信、又はさらに下位層のビーコンの送受信の通信結果により、該当無線アドホック端末と通信が可能か否か(端末の生き死に)の確認を行い、該当無線アドホック端末の存在が確認できないすなわち通信不能の際には、該当無線アドホック端末の状態を例えばシステムの管理用端末である無線アドホック端末101-Yを介してシステムに報知、通知する通信可否確認通信を行うことも可能である。

以上のように、この発明の無線アドホック端末およびアドホック・ネットワーク・システムによれば、各無線端末が周期的に報知する自身の存在を示すHello packetを使用した広告通信に依存することなく、又は広告通信無しに、自無線アドホック端末と通信可能な範囲に位置する無線アドホック端末の管理が可能となり、また、各無線端末が報知するHello packetの周期を長くすることによりネットワーク内のトラヒックの削減が図れると共に、迅速な通信可能な範囲に位置する無線アドホック端末の管理が図れる。

また、隣接端末として管理していた無線アドホック端末が、自無線アドホック端末と通信可能な範囲に存在しなくなった際に、従来の経路探索要求応答通信に習って自無線アドホック端末から該当無線アドホック端末に対する経路を再探索する狭域の経路探索要求応答通信を行うことにより該当無線アドホック端末が関係する経路の更新が可能となり、ネットワーク全体に及ぼす影響を少なくして、無線リンクの影響により接続ができなくなった経路の更新が図れる。

さらに、隣接端末として管理していた無線アドホック端末が、自無線アドホック端末と通信可能な範囲に存在しなくなった際に、該当無線アドホック端末に対する通信可否(端末の生き死に)の確認を行い、生存が確認できない(通信不能)ときに該当無線アドホック端末の状態をシステムに報知、通知する通信可否確認通信を行うことにより、個々の端末の管理に伴うネットワーク全体で生じるトラヒックの削減が図れる。

この発明によるアドホック・ネットワーク・システムの一例を示す構成図である。この発明におけるHello packetの構成の一例を示す図である。この発明におけるアプリケーションメッセージの構成の一例を示す図である。この発明の実施の形態１における動作の一例を説明するための流れ図である。この発明の実施の形態２の動作を説明するための、メッセージを送信、通知する際の経路を抽出した図である。この発明の実施の形態２における動作の一例を説明するための流れ図である。この発明における代理経路探索要求メッセージ及び代理経路探索応答メッセージの一例を示す図である。

符号の説明

１００アドホック・ネットワーク・システム、101-a〜101-i，101-Y 無線アドホック端末。

Claims

複数の無線端末同士で通信を行うことで自律的にネットワークを形成し、通信可能な範囲に位置する隣接端末を示す隣接端末リストと、受信するアプリケーションメッセージの送信先端末に対する自端末でのメッセージの転送先端末を示す経路情報とに基づき、隣接端末間でのメッセージの転送を順番に行って通信を行うアドホック・ネットワークの無線アドホック端末であって、
受信したアプリケーションメッセージの転送元端末に基づき前記隣接端末リストの隣接端末の登録、更新を行う手段と、
ネットワーク内のリソースの有効利用を図るために、転送される広告通信を除くアプリケーションメッセージの周期性を求め、求めた周期性に合わせて他の無線端末へ自端末の存在を知らせるための広告通信の送信周期を大きく設定するように調整する手段と、
と、
を備えたことを特徴とする無線アドホック端末。
隣接端末が通信可能な範囲から外れたことを検出した時に、該無線端末への経路となる隣接の無線端末を求めるための経路探索要求応答通信を行い、範囲から外れた無線端末を転送先端末として含む経路情報の転送先端末を経路探索要求応答通信により求めた無線端末に更新する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の無線アドホック端末。
隣接端末が通信可能な範囲から外れたことを検出した時に、範囲から外れた無線端末に対し通信の可否を確認し報知するための通信可否確認通信を行う手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の無線アドホック端末。
前記請求項１から３までのいずれかの無線アドホック端末を複数設けて構成されたアドホック・ネットワーク・システム。