JP5347850B2 - 通信経路選択装置及び通信経路選択方法 - Google Patents

Description

本発明は、始点から終点まで複数の通信経路を選択しうる場合における通信経路選択技術に関する。

従来、アドホックネットワークでは、各端末装置が中継機能を持ち、基地局装置から直接にデータを受信できない場所にある端末装置であっても、他の端末装置を経由してデータを受信することが可能となる。例えば、コンサート会場、イベント会場、会社構内などの限られた狭い場所において多数の端末装置が相互にデータを送受信する場合にアドホックネットワークは有用である。また、送受信されるデータの量は、近年の端末装置の多機能化に伴って増加傾向にあり、単一経路よりも複数経路での情報伝達が今後重要となると考えられる。

しかし、狭い空間において多数の端末装置がアドホックネットワークを経由してデータを送受信する場合、各端末装置が複数経路の中継局となるため、端末装置上での輻輳が大きな問題となる。このような問題は、アドホックネットワークに限られず、複数の端末装置が中継局として動作するネットワークでは共通して生じうる問題である。このような輻輳の緩和に対して、例えば非特許文献１に開示された技術のように、ニューラルネットワークを用いることで効果を上げている例もある。

Physica A, vol.1297, pp521-531 (2001)

しかしながら、非特許文献１に開示された技術では、中継局となる各端末装置において、事前にネットワーク上の全中継局に関する情報を取得する必要があり、実用的ではないという問題があった。なぜならば、アドホックネットワーク等のように中継局となる端末装置が移動通信端末装置として構成されるネットワークでは、各中継局の位置などは時間によって変化してしまい、全中継局に関する正確な情報を予め取得しておくことが困難なためである。

上記事情に鑑み、本発明は、中継局における輻輳を回避しつつネットワーク上の通信経路を選択する通信経路選択装置及び通信経路選択方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、自装置と隣接する複数の隣接中継局の中から、自装置から終点装置までの通信経路となる隣接中継局を選択する通信経路選択装置であって、各隣接中継局から前記終点装置までの距離に関する距離係数を、前記隣接中継局毎に取得する距離係数取得部と、各隣接中継局が輻輳を生じさせずに中継局として動作できる通信経路の数に関する輻輳係数を、前記隣接中継局毎に取得する輻輳係数取得部と、前記輻輳係数に対して所定の重み係数をかけた値と、前記距離係数とに基づいて、複数の隣接中継局の中から次隣接中継局を選択する選択部と、を備える。

本発明の一態様は、自装置と隣接する複数の隣接中継局の中から、自装置から終点装置までの通信経路となる隣接中継局を選択する通信経路選択装置が行う通信経路選択方法であって、前記通信経路選択装置が、各隣接中継局から前記終点装置までの距離に関する距離係数を、前記隣接中継局毎に取得する距離係数取得ステップと、前記通信経路選択装置が、各隣接中継局が輻輳を生じさせずに中継局として動作できる通信経路の数に関する輻輳係数を、前記隣接中継局毎に取得する輻輳係数取得ステップと、前記通信経路選択装置が、前記輻輳係数に対して所定の重み係数をかけた値と、前記距離係数とに基づいて、複数の隣接中継局の中から次隣接中継局を選択する選択ステップと、を備える。

本発明により、中継局における輻輳を回避しつつネットワーク上の通信経路を選択することが可能となる。

通信システムのシステム構成を表すシステム構成図である。 端末装置の機能構成を表す概略ブロック図である。 次端末装置選択部の動作の流れを表すフローチャートである。 シミュレーションの結果を表す図である。 シミュレーションの結果を表す図である。 シミュレーションの結果を表す図である。 シミュレーションの結果を表す図である。

図１は、通信システムのシステム構成を表すシステム構成図である。本通信システムは、通信可能な複数の端末装置１と、通信装置２により構成される。各端末装置１は互いに通信可能であり、データの送信元の端末装置（送信元端末装置１Ｓ）からデータの送信先の端末装置（送信先端末装置１Ｅ）までの通信が直接できない場合には、他の端末装置１が中継局として動作することによって送信元端末装置１Ｓから送信先端末装置１Ｅまでの通信経路を形成する。図１に示すように、送信元端末装置１Ｓから送信先端末装置１Ｅまでの通信経路として様々な通信経路が考えられる。実際の通信に用いられる通信経路は各端末装置１によって１つ以上選択される。例えば、各端末装置１は、ＩＥＥＥ８０２．１１無線ＬＡＮ（Local Area Network）の動作モードのひとつであるアドホックモード（ad hoc mode）で動作することによって、他の端末装置１と通信する。このような端末装置１は、例えば携帯電話機やモバイル端末（ノート型パソコン、ＰＤＡ、スマートフォンなど）を用いて構成される。

通信装置２は、例えば無線ＬＡＮ（Local Area Network）等の無線通信用の基地局（アクセスポイント）などの通信装置を用いて構成される。通信装置２は、少なくとも送信元端末装置１Ｓ及び送信先端末装置１Ｅと通信可能であり、送信元端末装置１Ｓに対し送信先端末装置１Ｅの位置情報を通知する。

図２は、端末装置１の機能構成を表す概略ブロック図である。端末装置１は、バスで接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリや補助記憶装置などを備え、通信プログラムを実行することによって、通信経路選択装置１０及び通信管理部１１を備える装置として機能する。なお、端末装置１の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）等のハードウェアを用いて実現されても良い。

通信経路選択装置１０は、隣接装置情報取得部１０１、隣接装置情報記憶部１０２、自装置位置情報取得部１０３、自装置位置情報記憶部１０４、送信先位置情報取得部１０５、残バッファ量管理部１０６、通信可能距離記憶部１０７、次端末装置選択部１０８を備える。通信経路選択装置１０は、通信管理部１１からの要求に応じて、自装置から送信先端末装置１Ｅまでの通信経路となる次の端末装置１（次端末装置）を選択する。

通信管理部１１は、自装置と他の端末装置１との間の無線通信を制御する。通信管理部１１は、例えばアドホックモードでの動作を行うことによって他の端末装置１との間の無線通信を制御する。通信管理部１１は、他の端末装置１から通信経路形成要求を受信すると、通信経路を形成するために次端末装置の選択要求を次端末装置選択部１０８へ送信する。なお、通信経路形成要求や選択要求については後述する。

次に、通信経路選択装置１０が備える各機能部について説明する。
隣接装置情報取得部１０１は、隣接装置情報を取得する。隣接装置情報とは、隣接装置の確保済みバッファ量、最大バッファ容量、隣接装置の位置情報、隣接装置の識別情報を含む。隣接装置とは、自装置と直接通信可能な他の端末装置１であり、理論的には自装置から自装置の通信可能距離以内に位置する他の端末装置１である。隣接装置情報取得部１０１は、例えば端末装置１の無線通信機能を用いて周囲の隣接装置と定期的に通信を行い、隣接装置から隣接装置情報を受信する。また、隣接装置情報取得部１０１は、隣接装置に対して自装置の確保済みバッファ量、最大バッファ容量、位置情報を通知する。

隣接装置情報記憶部１０２は、半導体記憶装置や磁気記憶装置などの記憶装置を用いて構成され、隣接装置情報取得部１０１によって取得された各隣接装置情報を記憶する。
自装置位置情報取得部１０３は、自装置の位置情報を取得する。自装置位置情報取得部１０３は、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）を用いることによって自装置が位置する経度及び緯度を自装置位置情報として取得する。また、自装置位置情報取得部１０３は、自装置位置情報を通信装置２へ通知する。

自装置位置情報記憶部１０４は、半導体記憶装置や磁気記憶装置などの記憶装置を用いて構成され、自装置位置情報取得部１０３によって取得された自装置位置情報を記憶する。
送信先位置情報取得部１０５は、端末装置１が送信又は転送しようとしているデータの到着先となる送信先端末装置１Ｅの位置情報を取得する。送信先位置情報取得部１０５は、例えば通信装置２から送信先位置情報を取得しても良い。この場合、通信装置２は、送信元端末装置１Ｓ及び送信先端末装置１Ｅのみならず、中継局となりうる全ての端末装置１と通信可能に構成される。通信装置２は、通信可能な各端末装置１と定期的に通信を行うことによって各端末装置１それぞれの位置情報を取得して記憶しておく。送信先位置情報取得部１０５は、このように構成された通信装置２と通信することによって、送信先端末装置１Ｅの位置情報（送信先位置情報）を取得する。

残バッファ量管理部１０６は、自装置の確保済みバッファ量及び残バッファ量を管理する。残バッファ量とは、各端末装置１が中継局として動作する際に使用するバッファの残容量を表す値であり、各端末装置１が中継局として収容可能な通信経路の残数を表す。残バッファ量は、端末装置１の最大バッファ容量（ＭＡＸＢ）から、既存の通信経路用に既に確保されているバッファ量（確保済みバッファ量：Ｂ）を引くことによって得られる値である。上記のバッファが溢れた場合に、その端末装置１において輻輳が発生する。各端末装置１の最大バッファ容量ＭＡＸＢの大きさは共通であっても良いし、端末装置１毎に異なるように設定されても良い。

通信可能距離記憶部１０７は、半導体記憶装置や磁気記憶装置などの記憶装置を用いて構成され、自装置が直接通信可能な距離（通信可能距離Ｒ）を記憶する。各端末装置１の通信可能距離は共通であっても良いし、端末装置１毎に異なるように設定されても良い。

次端末装置選択部１０８は、輻輳係数Ｃ及び距離係数Ｄを算出し、輻輳係数Ｃに対して所定の重み係数αをかけた値と距離係数Ｄとを用いて選択係数Ｚを算出し、選択係数Ｚに基づいて複数の隣接装置の中から次端末装置を選択する。距離係数Ｄとは、各隣接装置から送信先端末装置１Ｅまでの距離に関する値であり、式１に基づいて算出される。次端末装置選択部１０８は、隣接装置毎に式１に基づいて距離係数Ｄを算出する。

ｒ＿ＲＥは、各隣接装置から送信先端末装置１Ｅまでの距離を示す。ｒ＿ＳＥは、自装置から送信先端末装置１Ｅまでの距離を示す。Ｒは、自装置の通信可能距離を示す。
輻輳係数Ｃとは、各隣接装置が輻輳を生じさせずに中継局として動作できる通信経路の数に関する値であり、式２に基づいて算出される。次端末装置選択部１０８は、隣接装置毎に式２に基づいて輻輳係数Ｃを算出する。

ＡＶは、全ての隣接装置の確保済みバッファ量の合計値を隣接装置数で除算することによって得られる値であり、隣接装置の確保済みバッファ量の平均値を示す。ＭＡＸＢは、隣接装置の最大バッファ容量を示す。Ｂは、隣接装置の確保済みバッファ量を示す。

選択係数Ｚは、式３に基づいて算出される。次端末装置選択部１０８は、隣接装置毎に式３に基づいて選択係数Ｚを算出する。

次端末装置選択部１０８は、隣接装置のうち選択係数Ｚが最も小さい隣接装置を次端末装置として選択する。すなわち、次端末装置選択部１０８は、輻輳係数に対して所定の重み係数αをかけた値と距離係数とに基づいて、次端末装置を選択する。αの値は、負の値であっても良いし正の値であっても良い。好ましくは、αの値は０．３〜２．０の値であり、１以外の値である。さらに好ましくは、αの値は通信システムの状況に応じて適宜設定される値である。例えば、通信システムに用いられる各端末装置１の最大バッファ容量が、通信システムで形成される通信経路の数に対して相対的に大きい場合には、αの値はより小さい値に設定されても良い。また、通信システムに用いられる各端末装置１の最大バッファ容量が、通信システムで形成される通信経路の数に対して相対的に小さい場合には、αの値はより大きい値に設定されても良い。

次端末装置選択部１０８は以下の条件（除外条件）のいずれかに適合する隣接装置を選択対象から除外し、残った隣接装置の中で最も選択係数Ｚが小さい隣接装置を次端末装置として選択しても良い。
条件１：新たな通信経路を確保するだけの残バッファ量がない隣接装置
条件２：選択対象となっている通信経路として既に選択されている隣接装置
条件３：他の通信経路として既に選択したことのある隣接装置

図３は、次端末装置選択部１０８の動作の流れを表すフローチャートである。以下、図３を用いて次端末装置選択部１０８の動作の流れについて説明する。まず、次端末装置選択部１０８は、通信管理部１１から次端末装置の選択要求を受信する（ステップＳ１０１）。次端末装置の選択要求は、通信管理部１１が他の端末装置１から通信経路形成要求を受信すると通信経路選択装置１０に対して出力する信号であり、通信経路を形成するために次端末装置を選択することを通信経路選択装置１０に対して要求するための信号である。次端末装置の選択要求は、形成しようとする通信経路に含まれている各端末装置１の識別情報と、送信先端末装置１Ｅの識別情報とを含む。通信経路形成要求は、端末装置１が自装置を送信元端末装置１Ｓ又は中継局として動作させる場合に、次端末装置に対して通信経路を形成することを要求するために送信する信号である。通信経路形成要求は、形成される通信経路の到達先となる送信先端末装置１Ｅの識別情報を含む。なお、通信経路形成要求は、さらに送信先端末装置１Ｅの位置情報を含むように構成されても良い。

次に、次端末装置選択部１０８は、自装置が送信先端末装置１Ｅであるか否か判定する（ステップＳ１０２）。自装置が送信先端末装置１Ｅである場合（ステップＳ１０２−ＹＥＳ）、次端末装置選択部１０８は自装置が送信先端末装置１Ｅであることを通信管理部１１に通知する。この場合、通信管理部１１は、これまでに形成された通信経路を用いて送信元端末装置１Ｓとの通信を開始する。なお、ステップＳ１０２の判定処理は通信管理部１１によって行われても良い。

自装置が送信先端末１Ｅではない場合（ステップＳ１０２−ＮＯ）、次端末装置選択部１０８は、隣接装置情報記憶部１０２に記憶される隣接装置情報を参照し、隣接装置の中に送信先端末装置１Ｅが含まれているか否か判定する（ステップＳ１０３）。隣接装置の中に送信先端末装置１Ｅが含まれている場合（ステップＳ１０３−ＹＥＳ）、次端末装置選択部１０８は、次端末装置として送信先端末装置１Ｅを選択し、選択結果を通信管理部１１に通知する。この場合、通信管理部１１は、選択された次端末装置に対し通信経路形成要求を送信する。

一方、隣接装置の中に送信先端末装置１Ｅが含まれていない場合（ステップＳ１０３−ＮＯ）、次端末装置選択部１０８は、隣接装置情報記憶部１０２に記憶される隣接装置情報を参照し、除外条件のいずれにも該当しない隣接装置の有無を判定する（ステップＳ１０５）。除外条件のいずれにも該当しない隣接装置が無い場合（ステップＳ１０５−ＮＯ）、次端末装置選択部１０８は、通信管理部１１を介して、上流側に位置する隣接装置（上流側端末）に対して、自装置の識別情報を含む再選択要求を送信する（ステップＳ１０６）。再選択要求を受信した端末装置１の次端末装置選択部１０８は、再選択要求に含まれる識別情報に対応する隣接装置を除外した他の隣接装置の中から選択係数Ｚが最も小さい隣接装置を選択する。

除外条件に該当しない隣接装置がある場合（ステップＳ１０５−ＹＥＳ）、次端末装置選択部１０８は、除外条件に該当しない隣接装置それぞれについて選択係数Ｚを算出する（ステップＳ１０７）。そして、次端末装置選択部１０８は、選択係数Ｚが最も小さい隣接装置を次端末装置として選択する（ステップＳ１０８）。この場合、通信管理部１１は、選択された次端末装置に対し通信経路形成要求を送信する。

図４〜７はシミュレーションの結果を表す図である。図４〜７に表されるシミュレーションでは、重み付け係数αの値は０．５に設定された。以下、シミュレーションの内容と結果について説明する。

シミュレーション空間は全体の大きさを１０００×１０００の正方形とし、通信可能距離Ｒは全端末装置１で共通の２００とした。全体端末装置の数は１０００個とし、送信元端末装置１Ｓは９０個、送信先端末装置１Ｅは９０個とした。特に輻輳の効果を調べるため、送信元端末装置１Ｓを半径４９０の半円上に等間隔に配置させ、送信先端末装置１Ｅをその円上の反対側になるように配置させた。また残る８２０個の端末装置１はランダムに配置させた。また、それぞれの送信元端末装置１Ｓからは２０本の複数経路を探索させた。

本シミュレーションでは、三つの方式によって通信経路を選択した。一つは従来方式（Ｇｒｅｅｄｙ方式）の複数経路応用であり、一つは通信経路選択装置１０によって重み付け係数αを用いずに選択係数を算出する方式（非重み付け係数方式）であり、一つは通信経路選択装置１０によって重み付け係数αを用いて選択係数を算出する方式（重み付け係数方式）である。

図５にシミュレーション結果の輻輳状況を示す。図５では、横軸は端末装置の識別情報の番号を表し、縦軸は各端末装置のバッファ占有数（確保済みバッファ量）を表す。Ｇｒｅｅｄｙ方式の場合、バッファ占有数（確保済みバッファ量）がＭＡＸＢの２１に達する端末装置が全体の約４１％に達しており、輻輳が発生していることが確認できる。一方、非重み付け係数方式及び重み付け係数方式の場合、バッファ占有数が最大１８であり輻輳が緩和されている。

次に、各通信経路において経路上に存在する中継局の数（中継局数）がより少なく準最適化されているかを比較するため、非重み付け係数方式の結果と重み付け係数方式について、中継局数の総数の比較を行う。その結果、非重み付け係数方式ではのべ１４８２２個、１経路あたり８．２３個であるのに対し、重み付け係数方式ではのべ１４４６３個、１経路あたり８．０４個であった。参考までに、Ｇｒｅｅｄｙ方式の複数経路応用方式と非重み付け係数方式と重み付け係数方式とのシミュレーション結果を、それぞれ図５、６、７に示す。

図５〜７では、各点が各端末装置１を表しており、線がその通信経路を示している。図５では、残バッファ量を考慮しないで最短距離を優先しているため、ほとんどの通信経路が、送信元端末装置１Ｓ及び送信先端末装置１Ｅによって形成される楕円の内側を通っている。そのため、端末装置１が密集しているところでは多くの輻輳が発生している。図６では、輻輳を避けるために送信元端末装置１Ｓ及び送信先端末装置１Ｅによって形成される楕円の外側の端末装置１の多くが通信経路の中継局となっている。ただし、上記の楕円からかなり離れた端末装置１も中継局として選択されている。図７では、図６と比べて、送信元端末装置１Ｓ及び送信先端末装置１Ｅによって形成される楕円の外側の端末装置１が中継局となっているものの、その数は減少しており、特に左上、左下で顕著である。すなわち、極端に迂回することとなってしまうような通信経路は形成されていない。

以上のように、通信経路選択装置１０を用いた端末装置１では、輻輳係数Ｃに対して所定の重み係数αをかけた値と距離係数Ｄとに基づいて自端末装置が選択される。輻輳係数Ｃ及び距離係数Ｄの算出には、ネットワーク上の全中継局に関する情報が必要なわけではなく、自装置、隣接端末、及び送信先端末装置１Ｅの情報があれば良い。そのため、各中継局において次端末装置を選択するために要する処理が簡易となり、選択処理に要する時間や処理のためのハードウェアコストなどを削減することが可能となる。
また、通信経路選択装置１０を用いた端末装置１では、輻輳係数Ｃに対して所定の重み係数αがかけられるため、ネットワークの状況に応じて選択処理における輻輳係数Ｃの影響度（重み）を重くしたり軽くしたりすることが可能となる。そのため、ネットワークの状況に応じて、最適な通信経路の選択を実現させることが可能となる。

＜変形例＞
送信先位置情報取得部１０５は、現在処理の対象となっている通信経路において自装置よりも上流側（送信元端末装置１Ｓ側）に位置する端末装置１、すなわち自装置を次端末装置として選択した端末装置１から、送信先位置情報を取得しても良い。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１…端末装置， ２…通信装置， １０…通信経路選択装置， １１…通信管理部， １０１…隣接装置情報取得部， １０２…隣接装置情報記憶部， １０３…自装置位置情報取得部， １０４…自装置位置情報記憶部， １０５…送信先位置情報取得部， １０６…残バッファ量管理部， １０７…通信可能距離記憶部， １０８…次端末装置選択部

Claims (2)

1. 自装置と隣接する複数の隣接中継局の中から、自装置から終点装置までの通信経路となる隣接中継局を選択する通信経路選択装置であって、
   各隣接中継局から前記終点装置までの距離に関する距離係数を、前記隣接中継局毎に取得する距離係数取得部と、
   各隣接中継局が輻輳を生じさせずに中継局として動作できる通信経路の数に関する輻輳係数を、前記隣接中継局毎に取得する輻輳係数取得部と、
   前記輻輳係数に対して所定の重み係数をかけた値と、前記距離係数とに基づいて、複数の隣接中継局の中から次隣接中継局を選択する選択部と、
   を備える通信経路選択装置。
2. 自装置と隣接する複数の隣接中継局の中から、自装置から終点装置までの通信経路となる隣接中継局を選択する通信経路選択装置が行う通信経路選択方法であって、
   前記通信経路選択装置が、各隣接中継局から前記終点装置までの距離に関する距離係数を、前記隣接中継局毎に取得する距離係数取得ステップと、
   前記通信経路選択装置が、各隣接中継局が輻輳を生じさせずに中継局として動作できる通信経路の数に関する輻輳係数を、前記隣接中継局毎に取得する輻輳係数取得ステップと、
   前記通信経路選択装置が、前記輻輳係数に対して所定の重み係数をかけた値と、前記距離係数とに基づいて、複数の隣接中継局の中から次隣接中継局を選択する選択ステップと、を備える通信経路選択方法。