JP5125572B2 - 無線ネットワークのトラヒック性能評価システム及びその方法並びにプログラム - Google Patents

無線ネットワークのトラヒック性能評価システム及びその方法並びにプログラム Download PDF

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Description

本発明は無線ネットワークのトラヒック性能評価システム及びその方法並びにプログラムに関し、特にCSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance )のツリー型マルチホップ無線ネットワークにおけるトラヒック性能評価方式に関するものである。
アクセス制御方式としてCSMA/CA方式がある。この方式は、衝突回避機能付き搬送波感知多重アクセス方式と称されるもので、同一チャネルに複数のユーザがアクセスする際の競合を回避する機能を有するアクセス方式である。この方式では、データの送信の衝突確率を小さくするために、ランダムな待ち時間(いわゆるバックオフ時間)を各送信ノードが有する様になっている。
このようなCSMA/CA方式を採用するIEEE802.15.4(ZigBeeがPHY(Physical)レイヤおよびMAC(Media Access Control)レイヤとして採用)や無線LANでは、トラヒックが増加するとフレームの衝突率が急増することが知られている。衝突の度にフレームの再送が必要となるため、ネットワークの性能指標であるスループットおよび遅延時間を推定することは困難である。
シングルホップ無線ネットワークはともかく、マルチホップ無線ネットワークの場合には、その困難さが急激に増すことになる。その理由は、マルチホップ無線ネットワークでは、いわゆる隠れ端末問題(Hidden Terminal Problem )(特許文献1,2参照)が顕著となり、フレーム衝突が増加するためである。隠れ端末問題とは、ノード同士が互いにキャリアをセンスすることができないために、両者が送信したフレームが衝突する問題であり、フレームの再送によりスループットの低下を招くことになる。
本発明に関連する技術として、無線LANのスループットおよび遅延時間の推定方法が特許文献3に開示されており、また、無線LANのストリーム通信におけるチャネル帯域占有率の推定方法が特許文献4に開示されている。これらの方法は、共にCSMA/CA方式のシングルホップ無線ネットワークにおけるパケット衝突率を計算で求めるようになっている。
特開2003−244161号公報 特開2006−197483号公報 特開2005−210684号公報 特開2007−074193号公報
上述した関連技術である特許文献3,4には、下記に述べるような問題点がある。第1の問題点は、CSMA/CA方式のツリー型マルチホップ無線ネットワークにおけるトラヒック性能評価を行うことができないことである。その理由は、これら関連技術による方法がシングルホップ無線ネットワークを前提にしているためである。
第2の問題点は、マルチホップ無線ネットワークにおけるトラヒック性能指標を高精度に推定することができないことである。その理由は、関連技術による方法をマルチホップ無線ネットワークに適用できたとしても、隠れ端末問題の深刻な影響を考慮することができないためである。
本発明の目的は、CSMA/CA方式のツリー型マルチホップ無線ネットワークにおけるトラヒック性能評価を容易にかつ高精度に行うことが可能なネットワークのトラヒック性能評価システム及びその方法並びにプログラムを提供することである。
本発明によるシステムは、マルチホップ無線ネットワークにおけるトラヒック性能評価システムであって、前記マルチホップ無線ネットワークを複数のシングルホップ無線ネットワークの組合わせとみなして、前記ネットワークを構成する各ノードのトラヒック性能指標を推定する第一の手段と、前記第一の手段による全てのノードの推定結果を基に、前記マルチホップ無線ネットワーク全体のトラヒック性能指標を決定する第二の手段とを含むことを特徴とする。
本発明による方法は、マルチホップ無線ネットワークにおけるトラヒック性能評価方法であって、前記マルチホップ無線ネットワークを複数のシングルホップ無線ネットワークの組合わせとみなして、前記ネットワークを構成する各ノードのトラヒック性能指標を推定する第一のステップと、前記第一のステップによる全てのノードの推定結果を基に、前記マルチホップ無線ネットワーク全体のトラヒック性能指標を決定する第二のステップとを含むことを特徴とする。
本発明によるプログラムは、マルチホップ無線ネットワークにおけるトラヒック性能評価方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記マルチホップ無線ネットワークを複数のシングルホップ無線ネットワークの組合わせとみなして、前記ネットワークを構成する各ノードのトラヒック性能指標を推定する第一の処理と、前記第一の処理による全てのノードの推定結果を基に、前記マルチホップ無線ネットワーク全体のトラヒック性能指標を決定する第二の処理とを含むことを特徴とする。
本発明による第1の効果は、CSMA/CA方式のツリー型マルチホップ無線ネットワークにおけるトラヒック性能評価を容易に実施できることである。その理由は、マルチホップ無線ネットワークを複数のシングルホップ無線ネットワークの組合せと見なして各ノード周辺のトラヒック性能評価を行い、その結果をもとにマルチホップ無線ネットワーク全体のトラヒック性能指標を決定するためである。
本発明による第2の効果は、マルチホップ無線ネットワークにおけるトラヒック性能指標を高精度に推定することである。その理由は、各ノードに対する隠れ端末を抽出して、マルチホップ無線ネットワークのトラヒック性能評価に隠れ端末問題の影響を加味するためである。
次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明が適用されるマルチホップ無線ネットワークの構成例を示す図である。マルチホップ無線ネットワークは、基地局1と複数(図1では6台であるが、これに限定されない)の無線端末2−1〜2−6とにより構成されている。各ノード(基地局および無線端末の総称)間は、点線で示されるように無線で経路が構築されており、マルチホップ転送でデータが中継されるものとする。
図2は、本発明の実施の形態によるトラヒック性能評価システムの機能ブロック図である。図2を参照すると、本発明の実施の形態によるトラヒック性能評価システム10は、入力部11、記憶部12、ノード抽出部13、性能推定部14、性能決定部15、出力部16を備えている。
入力部11は、各ノードで生成されるトラヒック量、各ノードの電波到達領域内に存在するノード、ツリートポロジの親子関係に関するの各情報を入力するものである。記憶部12は、この入力部11から入力された情報を保存するものである。
ノード抽出部13は、記憶部12から、各ノードから電波到達領域内に存在するノードと、ツリートポロジの親子関係に関する情報を読出して、各ノードに対する競合ノードと隠れノードとを抽出し、その抽出結果を性能推定部14に送信するものである。なお、これら競合ノードおよび隠れノードについては、後に詳述する。
性能推定部14は、記憶部12から、各ノードで生成されるトラヒック量と、ツリートポロジの親子関係に関する情報とを読出して、ノード抽出部13で抽出された、あるノード、このあるノードに対する競合ノード、このあるノードに対する隠れノードがそれぞれ送信するトラヒック量を計算し、このあるノードのトラヒック性能としてスループットおよび送信遅延時間を推定するものである。
性能決定部15は、性能推定部14から全てのノードのスループットおよび送信遅延時間を受信し、マルチホップ無線ネットワーク全体のスループットおよびEnd-to-End遅延時間を決定するものである。出力部16は、その結果をトラヒック性能指標として出力するものである。
図3は、図2に示した本発明の実施の形態によるトラヒック性能評価システムの動作を示すフローチャートである。本発明では、図1に示した様なマルチホップ無線ネットワークを、複数のシングルホップ無線ネットワークの組合せと見なして、各ノードの周辺のトラヒック性能指標をそれぞれ推定して、全てのノードの推定結果を基に、マルチホップ無線ネットワーク全体のトラヒック性能指標を決定するものである。
先ず、情報取得ステップS0に示す様に、入力部11は、各ノードで生成されるトラヒック量、各ノードから電波到達領域内に存在するノード、ツリートポロジの親子関係に関する情報を取得する。なお、この取得情報は記憶部12に保存される。
次に、ノード抽出ステップS1に示す様に、ノード抽出部13は、各ノードから電波到達領域内に存在するノードとツリートポロジの親子関係に関する情報を基に、あるノードの電波到達領域内に存在するノード(これをあるノードに対する競合ノードと称す)と、あるノードが親ノードまたは子ノードにフレームを送信する際に、あるノードから見て隠れ端末の関係にあるノード(これをあるノードに対する隠れノードと称す)を抽出する。
次に、性能推定ステップS2に示す様に、性能推定部14は、各ノードで生成されるトラヒック量とツリートポロジの親子関係に関する情報を基に、あるノード、このあるノードに対する競合ノード、このあるノードに対する隠れノードが送信するトラヒック量(マルチホップ転送によるフレームの中継を含む)を計算して、あるノード周辺のトラヒック性能指標としてスループットおよび送信遅延時間を推定する。そして、全てのノードについて、上記のステップS1およびS2を行った後、次の性能決定ステップS3に示す様に、性能決定部15は、ステップS2で推定された各ノードのスループットおよび送信遅延時間を基に、マルチホップ無線ネットワーク全体のスループットおよびEnd-to-End遅延時間を決定する。
ノード抽出部13におけるノード抽出ステップS1のノード抽出方法の詳細について説明する。図4は、ノードAがノードBにフレームを送信する場合のノードAに対する競合ノードおよび隠れノードを示すものである。ノードAに対する競合ノードは、ノードAの電波到達領域(網掛けで示す領域)内に存在するノードであり、図4の例では、ノードB,C,D,E,Fが該当する。
一方、ノードAに対する隠れノードは、ノードAがノードBにフレームを送信する際に隠れ端末の関係にあるノードであり、ノードBの電波到達領域からノードAの電波到達領域を差し引いた領域(白抜きで示す領域)である隠れノード領域内に存在するノードである。図4の例では、ノードG,H,Iが該当する。以上の方法により、各ノードに対する競合ノードおよび隠れノードを抽出することができる。
次に、性能推定部14における性能推定ステップS2の性能推定方法の詳細について説明する。シングルホップ無線ネットワークでは、アクセスポイントと、このアクセスポイントが収容する全ての端末で共通の無線帯域を共有すると考えてよいが、マルチホップ無線ネットワークでは、全てのノードが同一無線チャネルを使用しても、ネットワークが広範囲に及ぶので、全てのノードが共通の無線帯域を共有する訳ではない。
そこで、各ノードが競合ノードのみと共通の無線帯域を共有するものとし、マルチホップ無線ネットワークを複数のシングルホップ無線ネットワークの組合せと仮定する。このような仮定のもとで、あるノードの電波到達領域内におけるスループットおよび送信遅延時間を推定する。
図4において、ノードAに対する競合ノードB,C,D,E,Fは、CSMA/CA方式に基づいて、ノードAとフレーム送信を競うことになるが、ノードAに対する隠れノードG,H,Iは、ノードAからの電波が届かないために、CSMA/CA方式に基づいた動作は期待できない。
ここで、ノードAと隠れノードの送信フレームが送信開始時だけでなく、送信中でも常にランダムに衝突すると見なすと、ノードAでは、隠れ端末によるフレーム衝突がCRC(Cyclic Redundancy Check )フレームエラーと同様の現象に見えることになる。
以上のような競合ノードおよび隠れノードのノードAに対する影響の違いを考慮して、トラヒック性能指標を推定することにより、高精度なトラヒック性能評価が可能となる。
最後に、性能決定部15における性能決定ステップS3の性能決定方法の詳細について説明する。マルチホップ無線ネットワーク全体のスループットとして、性能推定部14における性能推定ステップS2にて推定された各ノードのスループットの中から、最小値が選択される。また、End-to-End遅延時間として、各無線端末−基地局間(無線端末−無線端末間もあり得る)の経路上のノードの送信遅延時間を全て加算した値の中から、最大値が選択される。
そして、出力部16は、これらマルチホップ無線ネットワーク全体のスループットおよびEnd-to-End遅延時間を、ネットワーク全体のトラヒック評価のための性能指標として導出することになる。
以下に、上述した本発明の実施の形態における具体例について、図5〜図8を参照しつつ詳述する。入力部11における情報取得ステップS0にて必要となる、各ノードで生成されるトラヒック量、各ノードから電波到達領域内に存在するノード、ツリートポロジの親子関係に関する情報の例を、以下に説明する。
図5のツリートポロジ(図1のそれと同一であるものとする)において、全ての無線端末2−1〜2−6で生成されるトラヒック量を同一とし(トラヒック生成周期をtとする)、全ての無線端末2−1〜2−6が基地局1宛にフレームを送信するものとする(基地局1はフレームを送信しない)。
また、各ノードから電波到達領域内に存在するノードの情報として、図6にノード間の受信強度一覧を示す。ここでは、あるノードの電波到達領域内にノードが存在する場合の受信強度を−50dBm、存在しない場合を0dBmというように単純な値にしている。
本例では、本発明の基本動作を示すために、各ノードで生成されるトラヒック量を同一、トラヒックを無線端末から基地局への方向(上り)のみ、あるノードとその電波到達領域内に存在するノード間は、双方向通信が可能であることを前提にしているが、これに限らないものとする。
ノード抽出部13におけるノード抽出ステップS1では、上記の情報を基に、競合ノードおよび隠れノードの抽出を行う。例えば、無線端末2−3に着目すると、図6より、競合ノードは無線端末2−1,2−2,2−5であることがわかる。
また、隠れノードは次の手順で抽出することができる。無線端末2−3の次ホップである無線端末2−1の電波到達領域に存在するのは、基地局1、無線端末2−2,2−3,2−4の4つのノードである。この中から、自ノードと競合ノードとを除いたものが隠れノードとなる。つまり、隠れノードは、基地局1、無線端末2−4の2つのノードとなる。本例では、基地局1はフレームを送信しないが、隠れ端末には違いない。
性能推定部14における性能推定ステップS2では、先ず、各ノードの送信トラヒック量(フレームの送信周期)を計算する。図7に示すように、無線端末2−1と2−4とは、自ノードで生成されるフレーム以外にも、子ノードの無線端末からの受信フレームを基地局1に転送する必要がある。ここでは、無線端末2−2,2−3,2−5,2−6の送信周期はt、無線端末2−1および2−4の送信周期はt/3となる。つまり、各ノードの送信周期は、各ノードのトラヒック生成周期を用いて表すことができる。
各ノードのスループットの推定方法の一例について述べる。ただし、本例では、無線規格としてIEEE802.15.4を前提とする。ノードiにおけるフレーム衝突率ci は式1で表せる。ここで、i,jをノード番号、tj をノードjの送信周期、vをノードi周辺における無線帯域の未使用分の割合を示す帯域空き率とする。
Figure 0005125572
ノードiにおける再送率fi は、フレーム衝突率ci を用いて式2で表すことができる。ei はノードiにおけるフレームエラー率とする。
i =1−(1−ei )(1−ci ) (式2)
フレームエラーの要因は、CRCフレームエラーと隠れ端末によるフレーム衝突と見なせるので、フレームエラー率ei は式3となる。ここで、gi をノードiにおけるCRCフレームエラー率、hi を隠れ端末によるフレーム衝突率とする。
i =1−(1−gi )(1−hi ) (式3)
また、隠れノードは、CSMA/CAに基づいた動作が期待できないことを考慮すると、隠れ端末によるフレーム衝突率hi は式4で表せる。ここで、si をノードiの1フレーム送信時間、ti をノードiの送信周期とする。
Figure 0005125572
ところで、ノードi周辺における帯域使用率ui は再送率fi を用いて、式5となる。
i =si /ti (1−fi ) (式5)
一方、帯域空き率vは帯域使用率ui を用いて式6で表すことができる。
Figure 0005125572
ここで、帯域使用率ui に、ある上限の閾値を設定することにより、帯域使用率が閾値以下となる最小のトラヒック生成周期tmin を求めることができる。これは、あるノード周辺における最大許容送信トラヒック量に相当する。ノードiのスループットTi は式7で求められる。但し、Bを1フレーム当たりのビット数とする。
i =B/tmin (式7)
次に、各ノードの送信遅延時間の推定方法の一例について述べる。送信遅延時間は、上記で算出したノードiにおける再送率fi を用いて求めることができる。
ここで、図8を参照すると、IEEE802.15.4に準拠したフレーム送信動作例を示している。本図において、バックオフ時間の経過後にチャネルに空きがあれば、フレーム送信となるが、チャネルに空きがなければ、再度のバックオフ時間経過後に、チャネル空きでフレーム送信となり、チャネルに空きがなければ、またバックオフ時間待ちとなる。以上の動作を繰り返して、フレーム送信後に、相手ノードからACK(Acknowledge )があれば、フレーム送信終了となる。
このようなフレーム送信動作において、フレーム衝突およびフレームエラーを考慮したノードiの送信遅延時間Di は式8で表せる。但し、pk を、k回目(k=1,2,3,4)のバックオフ後にフレームを送信できる確率、qを4回目のバックオフ後にフレームを送信できない確率、Dk をk回目のバックオフ後にフレームを送信する場合の送信遅延時間、Dq を4回目のバックオフ後にフレームを送信できない場合の送信遅延時間、Ds をフレーム送信までの送信遅延時間とする。
i =Ds /(1−q)(1−fi ) (式8)
但し、Ds は式9で表すことができる。
s =p11 +p22 +p33 +p44 +pqq (式9)
以上により、各ノードのスループットおよび送信遅延時間を算出することができる。
性能決定部15における性能決定ステップS3では、マルチホップ無線ネットワーク全体のトラヒック性能指標が決定される。スループットTは、各ノードのスループットTi の中の最小値とする。また、End-to-End遅延時間ΣDは、各無線端末−基地局間のツリー経路に沿って通過するノードの送信遅延時間Di を加算した値の中の最大値とする。
ネットワーク全体のトラヒック性能指標として、上記の例では、スループットおよび遅延時間の両者を算出しているが、これらのいずれか一つでも良いものである。
なお、上述した実施の形態及び具体例における各動作は、予めその動作手順をプログラとして記録媒体に格納しておき、これをコンピュータにより読取らせて実行させるように構成できることは明らかである。また、本発明は、IEEE802.15.4(ZigBeeのPHYおよびMACレイヤ)に限らず、無線LANなどCSMA/CA方式を用いる無線通信方式であれば、適用可能である。
本発明が適用されるマルチホップ無線ネットワークの構成例を示す図である。 本発明の実施の形態によるトラヒック性能評価システムの機能ブロック図である。 本発明の実施の形態によるトラヒック性能評価方法を示すフロー図である。 本発明の実施の形態における競合ノード群と隠れノード群を示す図である。 本発明の実施の形態の具体例を説明するためのツリートポロジの例を示す図である。 図5のツリートポロジにおける受信強度一覧を示す図である。 図5のツリートポロジにおける送信トラヒック量を示す図である。 IEEE802.15.4のフレーム送信動作例を示す図である。
符号の説明
1 基地局
2−1〜2−6 無線端末
10 トラヒック性能評価システム
11 入力部
12 記憶部
13 ノード抽出部
14 性能推定部
15 性能決定部
16 出力部

Claims (15)

  1. マルチホップ無線ネットワークにおけるトラヒック性能評価システムであって、前記マルチホップ無線ネットワークを複数のシングルホップ無線ネットワークの組合わせとみなして、前記ネットワークを構成する各ノードのトラヒック性能指標を推定する第一の手段と、
    前記第一の手段による全てのノードの推定結果を基に、前記マルチホップ無線ネットワーク全体のトラヒック性能指標を決定する第二の手段とを含むことを特徴とするシステム。
  2. 前記第一の手段は、前記ノードの各々の電波到達領域内に存在するノードとネットワークトポロジの情報を基に、前記ノードの各々の電波到達領域内に存在するノード(競合ノードと称す)および前記ノードの各々に対して隠れ端末の関係にあるノード(隠れノードと称す)を抽出する手段と、前記ノードの各々に対して、その送信トラヒック量、競合ノードの送信トラヒック量、隠れノードの送信トラヒック量をそれぞれ計算して、前記トラヒック性能指標を推定する手段とを有することを特徴とする請求項1記載のシステム。
  3. 前記第一の手段は、前記ノードの各々が競合ノードのみと共通無線チャネルを共有するものとして、前記トラヒック性能指標を推定することを特徴とする請求項1または2記載のシステム。
  4. 前記第一の手段は、前記隠れノードの影響を考慮して前記トラヒック性能指標を推定することを特徴とする請求項3記載のシステム。
  5. 前記トラヒック性能指標は、スループットおよび送信遅延時間の少なくとも一つであることを特徴とする請求項1〜4いずれか記載のシステム。
  6. マルチホップ無線ネットワークにおけるトラヒック性能評価方法であって、前記マルチホップ無線ネットワークを複数のシングルホップ無線ネットワークの組合わせとみなして、前記ネットワークを構成する各ノードのトラヒック性能指標を推定する第一のステップと、
    前記第一のステップによる全てのノードの推定結果を基に、前記マルチホップ無線ネットワーク全体のトラヒック性能指標を決定する第二のステップとを含むことを特徴とする方法。
  7. 前記第一のステップは、前記ノードの各々の電波到達領域内に存在するノードとネットワークトポロジの情報を基に、前記ノードの各々の電波到達領域内に存在するノード(競合ノードと称す)および前記ノードの各々に対して隠れ端末の関係にあるノード(隠れノードと称す)を抽出するステップと、前記ノードの各々に対して、その送信トラヒック量、競合ノードの送信トラヒック量、隠れノードの送信トラヒック量をそれぞれ計算して、前記トラヒック性能指標を推定するステップとを有することを特徴とする請求項6記載の方法。
  8. 前記第一のステップは、前記ノードの各々が競合ノードのみと共通無線チャネルを共有するものとして、前記トラヒック性能指標を推定することを特徴とする請求項6または7記載の方法。
  9. 前記第一のステップは、前記隠れノードの影響を考慮して前記トラヒック性能指標を推定することを特徴とする請求項8記載の方法。
  10. 前記トラヒック性能指標は、スループットおよび送信遅延時間の少なくとも一つであることを特徴とする請求項6〜9いずれか記載の方法。
  11. マルチホップ無線ネットワークにおけるトラヒック性能評価方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記マルチホップ無線ネットワークを複数のシングルホップ無線ネットワークの組合わせとみなして、前記ネットワークを構成する各ノードのトラヒック性能指標を推定する第一の処理と、
    前記第一の処理による全てのノードの推定結果を基に、前記マルチホップ無線ネットワーク全体のトラヒック性能指標を決定する第二の処理とを含むことを特徴とするプログラム。
  12. 前記第一の処理は、前記ノードの各々の電波到達領域内に存在するノードとネットワークトポロジの情報を基に、前記ノードの各々の電波到達領域内に存在するノード(競合ノードと称す)および前記ノードの各々に対して隠れ端末の関係にあるノード(隠れノードと称す)を抽出するステップと、前記ノードの各々に対して、その送信トラヒック量、競合ノードの送信トラヒック量、隠れノードの送信トラヒック量をそれぞれ計算して、前記トラヒック性能指標を推定するステップとを有することを特徴とする請求項11記載のプログラム。
  13. 前記第一の処理は、前記ノードの各々が競合ノードのみと共通無線チャネルを共有するものとして、前記トラヒック性能指標を推定することを特徴とする請求項11または12記載のプログラム。
  14. 前記第一の処理は、前記隠れノードの影響を考慮して前記トラヒック性能指標を推定することを特徴とする請求項13記載のプログラム。
  15. 前記トラヒック性能指標は、スループットおよび送信遅延時間の少なくとも一つであることを特徴とする請求項11〜14いずれか記載のプログラム。
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