JP5378015B2

JP5378015B2 - 再伝送時間ベースのリンク・メトリックを用いるネットワーク・ルーティング

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Publication number: JP5378015B2
Application number: JP2009057339A
Authority: JP
Inventors: イーモスコマーク
Original assignee: パロアルトリサーチセンターインコーポレイテッド
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2029-03-11
Also published as: EP2104280B1; US8130657B2; JP2009225444A; US20090238075A1; EP2104280A1

Description

本発明の実施形態は、一般に、ネットワークにおいてデータをルーティングするための技術に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、再伝送時間ベースのリンク・メトリックに基づいて、マルチホップ・ネットワークにおけるルーティングを行なうための方法に関する。

マルチホップ・ルーティング・ネットワークにおいて、ソース・ノードと宛先ノードとの間の経路（ｐａｔｈ）又はルート（全体にわたって交換可能に用いられる）は、１組のホップ又はリンクで構成される。ここでホップ又はリンク（全体にわたって交換可能に用いられる）は、１対の隣接するノード間の論理的な直接通信経路（有線又は無線の）として定義される。マルチホップ・ルーティング・ネットワーク内のそれぞれのリンクは、一般的に、１つ又はそれ以上のリンク・メトリックと関連付けられており、このリンク・メトリックを用いて、データ伝送のためのリンクの使用と関連したコストを計算することができる。次に、経路コストは、経路を含む各リンクのリンクコストの合計として計算することができる。次に、マルチホップ無線ネットワークを介する効率的なルーティングを促進するために、マルチホップ・ルーティング・プロトコルを使用し、関連した経路コストに基づいてソース・ノードと宛先ノードとの間の経路を選択する。

例えば、１つのルーティング・プロトコルが、最小のホップ・カウントすなわち「ｍｉｎｈｏｐ」を有するルートを探す。このプロトコルにおいて、プロトコルにより用いられるリンク・メトリックは、単に、各リンクが「１」のコストを有し、経路コストがルート内のホップ数に等しいと仮定する。別のルーティング・プロトコルは、待ち時間又は遅延が最小のルートを検索する。このプロトコルにおいては、プロトコルにより用いられるリンク・メトリックは、リンクのトラバーサル時間であり、経路コストは、経路にわたる各リンク・トラバーサル時間の合計である。多くの場合、ルーティング・プロトコルは、１つより多いタイプのリンク・メトリックを考慮し、多数のリンク・メトリックの中でトレードオフに基づいた経路を探すことができる。

Ｄ．ＤｅＣｏｕｔｏ、Ｄ．Ａｇｕａｙｏ、Ｊ．Ｂｉｃｋｅｔ、Ｒ．Ｍｏｒｒｉｓ著、「Ｈｉｇｈ−ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔｐａｔｈｍｅｔｒｉｃｆｏｒｍｕｌｔｉ−ｈｏｐｗｉｒｅｌｅｓｓｒｏｕｔｉｎｇ」、ＭｏｂｉＣｏｍ２００４Ｒ．Ｄｒａｖｅｓ、Ｊ．Ｐａｄｈｙｅ、Ｂ．Ｚｉｌｌ著、「Ｒｏｕｔｉｎｇｉｎｍｕｌｔｉ−ｒａｄｉｏ、ｍｕｌｔｉ−ｈｏｐｗｉｒｅｌｅｓｓｍｅｓｈｎｅｔｗｏｒｋｓ」、ＭｏｂｉＣｏｍ２００４

上述の最小遅延メトリックは、有線ネットワークにおいて良好な経路コストの推定を与えることに留意されたい。これは、データ伝送において、有線ネットワークが、一般に高い成功率を示すためである。従って、リンク遅延は、比較的決定論的なものであり、例えば、往復（ＲＴ）時間を測定することによって容易に取得できる。しかしながら、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）ベースの無線ネットワークにおいては、リンク遅延は、多数の非決定論的な要因の影響を受ける可能性があり、そのことが、リンクコストの計算を困難にする。これらの要因は、ＴＤＭＡスケジューリングに起因する待ち行列遅延、衝突（ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ）を回避するために媒体が使われていない状態になるまで待つための媒体アクセス遅延、及びデータ伝送の失敗に起因する再伝送遅延を含むことができる。従って、ＴＤＭＡ無線ネットワークにおいては、上述のリンク・メトリックは、リンクコストを正確に表すのに十分なものではない。

本発明の一実施形態は、マルチホップ無線ネットワークについてのリンクコストを計算するシステムを提供する。動作中、システムは、マルチホップ無線ネットワークと関連したトポロジー情報を受信する。このトポロジー情報は、１組のノードと、１組のリンクと、リンクに結合された第１のノードからリンクに結合された第２のノードにパケットを成功裏に伝送する確率を示す、それぞれのリンクｉの成功確率ｐ_iとを規定する。次に、システムは、マルチホップ無線ネットワークについての平均媒体アクセス時間を取得する。平均媒体アクセス時間は、媒体アクセス制御（ＭＡＣ）層がパケットを最初に受信した時間から、そのパケットが伝送媒体上で伝送される時間までの凡その時間である。システムはまた、伝送に失敗した後、ノードによりパケットを再伝送することと関連した凡その遅延である、ノードの組内のそれぞれのノードについての再伝送時間も取得する。次に、システムは、対応するリンク成功確率、平均媒体アクセス時間、及び対応する再伝送時間に基づいて、それぞれのリンクについてのリンク・メトリック値を計算する。次に、システムは、関連したリンク・メトリック値に基づいて、リンクについてのリンクコストを生成する。

本実施形態の変形においては、システムは、リンクの組と関連したリンクコストに基づいて、マルチホップ無線ネットワークにおけるソース・ノードと宛先ノードとの間のルーティング経路を決定する。そうするときに、システムは、ソース・ノードと宛先ノードとの間に１つ又はそれ以上の経路を見つけ、経路の各々についての全体のリンクコストを計算し、最小の全体リンクコストを有する、ソース・ノードと宛先ノードとの間の経路を選択する。

本実施形態の変形においては、平均媒体アクセス時間は、リンクに依存していない。
本実施形態の変形においては、無線ネットワークは、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）ベースのネットワークである。システムは、輻輳ウィンドウ・サイズ、ＴＤＭＡフレーム内のスロット時間、及びタイムスロット・スケジュールのうちの１つ又はそれ以上の関数として再伝送時間を計算することによって、ノードについての再伝送時間を取得する。

本実施形態の変形においては、無線ネットワークは、８０２．１１ベースのネットワークのような、コンテンション・ベースのネットワークである。システムは、輻輳ウィンドウ・サイズ、輻輳バックオフ時間、及び拡張フレーム間隔（ｅｘｔｅｎｄｅｄｉｎｔｅｒ−ｆｒａｍｅｓｐａｃｅ、ＥＩＦＳ）のようなエラー・バックオフ時間のうちの１つ又はそれ以上の関数として再伝送時間を計算することによって、ノードについての再伝送時間を取得する。
本実施形態の変形においては、再伝送時間は、実質的に、マルチホップ無線ネットワークについてのバックオフ時間に等しい。

本実施形態の変形においては、システムは、予想される伝送時間（ＥＲＴ）を計算することによってリンクについてのリンク・メトリック値を計算し、ＥＲＴ＝Ｅ_f×Ｒ＋Ｑである。Ｅ_fはリンクにおける成功したパケット伝送と関連した、予想される失敗数を表し、Ｒはリンクと関連した再伝送時間を表し、Ｑはマルチホップ無線ネットワークについての平均媒体アクセス時間を表す。ＥＲＴ値は、時間の単位を有することに留意されたい。

本発明の更に別の変形においては、システムは、幾何分布の下でリンクの成功確率ｐ_iに基づいてＥ_fを計算する。
更に別の変形においては、システムは、式：

に従ってＥ_fを計算する。
更に別の変形においては、システムは、リンク内の順方向リンクについてのパケット成功確率、及び、リンク内の逆方向リンクについてのパケット成功確率に基づいて、リンクの成功確率ｐ_iを計算する。

本発明の実施形態による、例示的なマルチホップ無線ネットワークを示す。本発明の実施形態による、ノードＡとノードＢとの間のデータ通信を制御するためのハンドシェイク・プロトコルと関連した種々のシナリオを示す。３つのノード及び３つのリンクを有する単純なマルチホップＴＤＭＡネットワークを示す。本発明の実施形態による、ＥＲＴリンク・メトリックを用いてマルチホップ・ネットワークにおけるルーティング経路を決定するプロセスを示すフローチャートを表す。本発明の一実施形態による、ＥＲＴリンク・メトリックを用いて無線ネットワークにおけるルーティング経路を決定するためのコンピュータ・システムを示す。

本発明の実施形態は、リンクに結合された１対のネットワーク・ノード間の、ネットワーク・リンクにおける往復交換（ｒｏｕｎｄ−ｔｒｉｐｅｘｃｈａｎｇｅ）を完了するための予想時間を表すリンク・メトリックを導入する。より具体的には、提案されるリンク・メトリックは、リンクにおける伝送の失敗後にリンクにおいてパケットを再伝送するのに必要とされる凡その遅延である、リンクについての再伝送時間を含む。さらに、リンク・メトリックは、リンクの信頼性に基づいて、リンクにおけるパケット伝送の成功の各々についての予想失敗数を計算する。本発明の一実施形態においては、リンク信頼性は、リンクの順方向リンク及び逆方向リンク両方のパケット損失率を含む。メトリックは、加法的であり、三角不等式を満たすので、標準的なルーティング・プロトコルに適用可能である。

図１は、本発明の実施形態による、例示的なマルチホップ無線ネットワーク１００を示す。
具体的には、ネットワーク１００は、１組の通信ノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、及びＧを含み、各々の通信ノードには、無線送信・受信装置が装備されている。通信ノードの組は、１組のリンク１０２−１１８を介し、ネットワークを通してデータを伝送する。例えば、ノードＡ及びＢは、リンク１０２を通して互いにデータを伝送することができ、ノードＡ及びＣは、リンク１０４を通して互いにデータを伝送することができ、ノードＢ及びＣは、リンク１０６を通して互いにデータを伝送することができる。各々のリンクは、リンクにおけるデータ伝送と関連したコストを計算するために用い得る１つ又はそれ以上のリンク・メトリクスと関連付けられることに留意されたい。また、ネットワーク１００内の各リンクは、リンクに結合された１対のノード間の順方向チャネル及び逆方向チャネルを含むことができることにも留意されたい。従って、図１の各リンクは、データがいずれの方向にも流れることができる双方向通信チャネルとみなすことができる。

本発明の一実施形態において、図１の各リンクは、順方向のパケット損失率及び逆方向のパケット損失率と関連付けられ、それぞれのパケット損失率は、伝送されたパケットの合計数に対する、伝送の失敗に起因する損失パケット数の比である。マルチホップ・ネットワークにおけるパケット損失に対抗するために、ハンドシェイク・プロトコルを用いて、伝送制御を行ない得ることに留意されたい。図２は、本発明の実施形態による、ノードＡとノードＢとの間のデータ通信を制御するためのハンドシェイク・プロトコルと関連した種々のシナリオを示す。

図２のシナリオ２０２に示されるように、ノードＡは、データ・パケット２０４をノードＢに成功裏に伝送し、ノードＢは、ＡＣＫ２０６により、データ・パケットの受信をノードＡに成功裏に肯定応答する。このシナリオにおいて、ノードＡに対して再伝送は要求されない。

幾つかの実施形態においては、システムは、ＡＣＫ２０６のような「明示的」ＡＣＫではなく、「暗黙的」ＡＣＫを用いることができる。シナリオ２０２においては、ノードＡは、ノードＢが余分な明示的ＡＣＫパケット２０６を生成することを必要とする代わりに、肯定応答として、ノードＢの、受信したＤＡＴＡ２０４の再伝送を用いることができる。

図２のシナリオ２０８に示されるように、ノードＡは、データ・パケット２１０をノードＢに伝送することができない。ノードＢがデータを受信しないので、ノードＢからノードＡにＡＣＫが送られなかった。パケット２１０が送られた後の所定のタイムアウト後、ノードＡは、データが失われたと判断する。このシナリオにおいて、データ・パケット２１０の再伝送は一般的に、ノードＡに対して要求される。データ・パケット２１０の２つの連続する伝送間の時間は、「再伝送時間」又は「再試行時間」と呼ばれることに留意されたい。

図２のシナリオ２１２に示されるように、ノードＡは、データ・パケット２１４をノードＢに成功裏に伝送するが、ノードＢは、ＡＣＫ２１６をノードＡに伝送することができない。パケット２１０が送られた後の所定のタイムアウト後、ノードＡは、データが失われたと判断する（ノードＡは、シナリオ２０８と２１２を区別できないためである）。このシナリオにおいて、データ・パケット２１４の再伝送は、一般的にノードＡに対して要求される。

各々の再伝送について、パケットを成功裏に送る合計時間に、付加的な時間が追加されることに留意されたい。その結果、低い信頼性（すなわち、高いパケット損失率）と関連したリンク上のデータ・ルーティングにおいて、再伝送により引き起こされるコストは、著しいものになり得る。
用いられる伝送プロトコルに応じて、ノードＡによる再伝送が行われる、図２に示されていない他のシナリオがあり得ることに留意されたい。従って、図２は、全ての再伝送シナリオを論じ尽くすことを意図するものではない。

再び図１を参照すると、ノードＡ及びノードＤが、間に直接リンクを有していないことに留意されたい。これは、２つのノード間の距離が、これらのノードの無線装置の範囲より長いことから生じた結果である。従って、ノードＡからノードＤにデータを伝送するために、マルチホップ経路が用いられる。具体的には、ネットワーク１００において、ノードＡは、（１）経路１０２−１０８、（２）経路１０４−１１０、（３）経路１０２−１０６−１１０、又は（４）経路１０４−１０６−１０８のうちの１つを通して、データ・パケットをノードＤに送ることができる。本発明の一実施形態においては、次に、マルチホップ・ルーティング・プロトコルを用いて、この４つの候補経路の各々の経路コストを計算し、最小の経路コストを有するものを選択する。ノードＤは、４つの経路の各々を用いて、ノードＡに逆方向に伝送することに留意されたい。
本発明の一実施形態においては、ネットワーク１００は、ＴＤＭＡベースの無線ネットワークである。

ＴＤＭＡは、伝送媒体のようなリソースへのアクセスを調節することによって無線チャネル（すなわち、通信ノード）間のデータ通信リソースを分割する、チャネル・アクセス・スケジューリング機構である。より具体的には、ＴＤＭＡスケジューリングは、ネットワーク内の各ノードについて、いつデータを伝送するか、及び、いつデータの受信が予想されるかを決定する。このスケジューリングは、チャネルにおける時間を、通常は固定サイズである「タイムスロット」に分割することによって達成される。ネットワーク内の各ノードは、その間にノードを伝送できる特定の数のスロットに割り当てられる。タイムスロットがノードに割り当てられない間は、ノードは、順番を待たなくてはならない。タイムスロットは、一般に、規則的に反復されるフレームで編成される。ＴＤＭＡスケジューリングを用いるマルチホップ無線ネットワーク内のリンクは、一般に、ＴＤＭＡチャネルと呼ばれる。

マルチホップ・ネットワーク内のＴＤＭＡチャネルは、一般に、１対の通信ノード間に順方向リンク及び逆方向リンクを含み、マルチホップ経路は、こうしたチャネルの一連の構成からなる。本発明の一実施形態においては、各々のＴＤＭＡチャネルは、順方向リンクについてのパケット損失率、及び、逆方向リンクについてのパケット損失率と関連付けられる。本発明の一実施形態においては、ＴＤＭＡチャネルについてのリンク・メトリックは、パケット損失率に基づいて取得される。

ＩＥＥＥ８０２．１１（ＷｉＦｉ）ネットワークについてのリンクコストを計算するためにパケット損失率を用いる１つの技術は、非特許文献１（以下、ＤｅＣｏｕｔｏ）に記載されている。具体的には、Ｄｅｃｏｕｔｏは、データ・パケットの伝送を完了するために必要とされるＤＡＴＡ／ＡＣＫの対の伝送数を推定する予想伝送カウント（ＥｘｐｅｃｔｅｄＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＣｏｕｎｔ、ＥＴＸ）リンク・メトリックを提案した。このＥＴＸメトリックは、伝送チャネルの予想パケット損失率に基づいて計算される。例えば、ｐ_s及びｐ_rが、それぞれ送信側及び受信側のパケット成功確率（すなわち、１−パケット損失率）を表す場合には、成功したハンドシェイクについてのリンク成功率は、ｐ_link＝ｐ_s×ｐ_rであり、従って、ＥＴＸ＝１／（ｐ_s×ｐ_r）である。ＥＴＸは、ＤｅＣｏｕｔｏにおけるリンクコストであり、経路コストを得るために、ＥＴＸ値は、経路全体にわたって合計されることに留意されたい。Ｄｒａｖｅｓは、伝送されるデータ・パケットの長さをさらに考慮することによって、ＥＴＸメトリックを拡張する（非特許文献２を参照されたい）。より具体的には、Ｄｒａｖｅｓは、ＥＴＸ値及びデータ・パケットのサイズに基づいて、予想伝送時間（ＥｓｔｉｍａｔｅｄＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＴｉｍｅ、ＥＴＴ）を計算し、ＥＴＴ＝ＥＴＸ×（データ・パケットの通信時間）となる。

しかしながら、ＥＴＸ技術及びＥＴＴ技術の両方とも、再伝送が立て続けに行なわれる間、リンクにおける主コストが、多重伝送の重荷と関連付けられると仮定する。言い換えると、これらの技術は、伝送コストが本質的に再伝送コストに等しいと仮定する。しかしながら、ＴＤＭＡネットワークにおいては、再伝送の時間遅延コストは、一般に単一の伝送のコストを大きく上回るので、これらのメトリックの両方ともＴＤＭＡベースのマルチホップ・ルーティングには十分ではない。

上述のように、ＴＤＭＡネットワークにおいて、ノードは、割り当てられたタイムスロットで伝送し、伝送スロット間には著しい待ち時間があり得る。例えば、１ミリ秒（ｍｓｅｃ）のスロットを用いるＴＤＭＡネットワークにおいては、伝送スロット間に２０ｍｓｅｃの待ち時間があり得る。この例においては、再伝送が、２０ｍｓｅｃ毎に１回より速く生じることはないので、再伝送コストは、伝送コストよりずっと高くなる。ＴＤＭＡシステム内の異なるノードについての実際の再伝送時間は、大きく異なることがあり、予想が困難であることに留意されたい。例えば、ノードＡがデータ・パケットをノードＢに送るとき、ノードＡは、ＡＣＫをノードＡに送り返すために、ノードＢが使用可能なスロットを取得するまで待たなくてはならない。しかしながら、ノードＢにおける大きな待ち行列遅延のために、ＡＣＫがＢから送り返されない（例えば、ノードＢがノードＣとの通信で忙しい）場合、ノードＡは、長い再伝送時間に悩むことがある。

本発明の一実施形態は、予想再伝送時間（ＥｘｐｅｃｔｅｄＲｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＴｉｍｅ、ＥＲＴ）と呼ばれるリンク・メトリックを計算し、ＴＤＭＡベースの無線ネットワークにおける再伝送と関連したリンクコストを獲得する。本発明の一実施形態においては、ＥＲＴは、１組のリンク・パラメータの関数である。

本発明の一実施形態においては、特定のリンクｉについてＥＲＴによって考慮されるリンク・パラメータは、リンクｉに結合された送信側ノードについての再伝送時間Ｒ_iを含み、ここで、Ｒ_iは、リンクにおける伝送の失敗の後に送信側によってパケットを再伝送するために必要とされる凡その遅延である。Ｒ_iは、ネットワークにより用いられる特定の媒体アクセス制御（ＭｅｄｉｕｍＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ、ＭＡＣ）プロトコル、及び、伝送プロトコルの両方によって決まり、異なるノードについて別個のものであり得ることに留意されたい。本発明の別の実施形態においては、再伝送時間Ｒは、全てのノードについての平均再伝送時間である。この実施形態においては、Ｒは、グローバル・バックオフ又はグローバル・コンテンション・ウィンドウのようなグローバル・パラメータに基づいて計算されるが、ノード特有のものではない。以下に再伝送時間の計算に関するさらなる詳細を提供する。

一実施形態においては、ＥＲＴにより考慮されるリンクｉのリンク・パラメータはまた、リンクｉに結合された送信側ノードからリンクｉに結合された受信側ノードにパケットを成功裏に伝送する確率を規定するリンクの成功確率ｐ_iも含む。ＤＡＴＡ／ＡＣＫプロトコルにおいて、成功確率ｐ_iは、順方向リンク上で送信側によりＤＡＴＡを成功裏に送信し、逆方向リンク上で受信側によりＡＣＫを成功裏に送信する確率を測定することに留意されたい。一実施形態においては、ｐ_s及びｐ_rが、それぞれリンクｉ内の順方向リンク及び逆方向リンクについてのパケット成功確率（すなわち、１−パケット損失率）を表す場合には、成功確率ｐ_iは、ｐ_s×ｐ_rである。

本発明の一実施形態においては、ＥＲＴ値はまた、平均媒体アクセス時間Ｑによっても影響され、この平均媒体アクセス時間Ｑは、ＭＡＣ層がパケットを最初に受信した時間からそのパケットが伝送媒体（例えば、空気）上で伝送される時間までの凡その時間である。一実施形態においては、媒体アクセス時間Ｑは、リンクに特有のものではない。言い換えると、Ｑについての共通の値を用いて、経路内の全てのリンクについてのＥＲＴを計算することができる。

本発明の一実施形態においては、リンクｉについてのＥＲＴ値は、次の式：
ERT_i = E_f × R_i + Q, 式１
に基づいて計算される。
ここで、Ｅ_fは、リンク上でのパケットの伝送の成功と関連した予想される失敗数を表す。この式は、リンクコストが、信頼性の高いリンク（小さい又はゼロのＥ_fを有する）リンク上より、信頼性の低いリンク（大きいＥ_fを有する）上で著しく高くなり得ることを示す。一実施形態においては、Ｅ_fは、特定の確率分布の下でリンクの成功確率ｐ_iに基づいて計算される。例えば、幾何分布が仮定される場合には、Ｅ_fは、式：

式２
に基づいて計算される。
従って、リンク・メトリックＥＲＴは：

式３
になる。
平均再伝送時間が考慮される場合には、全てのリンクについてＲ_i＝Ｒであることに留意されたい。

以下の例は、ＥＴＸメトリック又はＥＲＴメトリックのいずれかに基づいたマルチホップ経路選択の結果を比較する。３つのノード及び３つのリンクを有する簡単なマルチホップＴＤＭＡネットワーク３００を示す図３を参照されたい。図３に示されるように、ノードＡとノードＢとの間のリンク及びノードＢとノードＣとの間のリンクは、両方とも０．９のリンク成功率を有する信頼性の高いリンクであり、ノードＡとノードＣとの間のリンクは、０．７のより低いリンク成功率を有する。データをソース・ノードＡから宛先ノードＣにルーティングするために、経路Ａ−Ｂ−Ｃ又は経路（すなわち、リンク）Ａ−Ｃのいずれかを用いることができる。ネットワーク３００内の各ノードは、１ｍｓｅｃのタイムスロット及び２０ｍｓｅｃのスロット間待ち時間と関連付けられると仮定すると、経路Ａ−Ｂ−Ｃの予想経路待ち時間は、２×（０．９×１ｍｓｅｃ＋０．１×２０ｍｓｅｃ）＝５．８ｍｓｅｃであり、経路Ａ−Ｃは、０．７×１ｍｓｅｃ＋０．３×２０ｍｓｅｃ＝６．７ｍｓｅｃであると計算することができる。従って、より長い経路待ち時間を有する直接的なＡ−Ｃ経路ではなく、より短い経路待ち時間を有するＡ−Ｂ−Ｃ経路上でパケットをルーティングすることが望ましい。

ＥＴＸメトリックが用いられる場合には、Ａ−Ｂリンク及びＢ−Ｃリンクの両方が、１／０．９のＥＴＸメトリックを有するので、経路ＥＴＸメトリックは、２／０．９＝２．２２となる。Ａ−Ｃリンクが１／０．７＝１．４３の経路メトリックを有するので、ＥＴＸメトリックに基づいたルーティング・プロトコルは、Ａ−Ｃ経路の方を好む。ＥＴＴメトリックを用いることにより類似した結果がもたらされることに留意されたい。

ここで、ＥＲＴメトリックを用いて同じルーティング問題を考慮されたい。平均媒体アクセス時間Ｑは、単に１ｍｓｅｃのタイムスロットの長さにすぎないことに留意されたい。式３を用いて、各リンクのＥＲＴメトリックが：ERT_AB = ERT_BC = 0.1 / 0.9 × 20 + 1 = 3.2 msec、及び、ERT_AC = 0.3/0.7 × 20 + 1 = 8.6 msecのように計算される。従って、Ａ−Ｂ−Ｃについての経路メトリックは、ERT_ABC = 6.4 msecであり、Ａ−Ｃについての経路メトリックは、ERT_AC = 8.6 msecである。その結果、ＥＲＴメトリックを用いるルーティング・プロトコルは、ＥＲＴに基づいたより低い経路コストを有する経路Ａ−Ｂ−Ｃを選択することになる。従って、ＥＲＴベースのルーティング・プロトコルは、より少ない経路待ち時間を有するルートを選択する。上記の２つのルーティング技術間の１つの重要な違いは、ＥＲＴ技術が再伝送時間を考慮し、ＥＴＸ／ＥＴＴ技術はそれを考慮しないことである点に留意されたい。

式１は、ＥＲＴリンク・メトリックを計算するためのより一般的な式を提供する。しかしながら、Ｒパラメータ及びＱパラメータは、８０２．１１システム及びＴＤＭＡシステムのような、異なるシステムについて異なるように計算することができる。

ここで、８０２．１１プロトコルに基づいた、ネットワーク・システム上でのＥＲＴベースのルーティング・プロトコルのより詳細な実施例を説明する。しかしながら、次の説明は、ＷｉＭａｘ８０２．１６又は軍事用ＴＤＭＡシステムのようなＴＤＭＡベースのＭＡＣプロトコルなどの、他のタイプのＴＤＭＡ無線システムにも適用することができる。

式２において、Ｑパラメータが平均媒体アクセス時間であることを想起されたい。これは、ＭＡＣ層が最初にパケットを受信した時間から、パケットが空気中で送り出される時間までの時間である。本発明の一実施形態においては、Ｑは、システム平均であり、特に隣接するノードに依存しているわけではない。典型的な８０２．１１システムにおいては、Ｑは、デバイス・ドライバがパケット・バッファにパケットを受信した時間から、ドライバが、ハードウェアからの割り込みを受信し、対応するパケットが処理されていることを示す時間までの時間と見積もることができる。

Ｑパラメータは、コンテンション遅延として考えることができ、多くの要因に依存し得ることに留意されたい。これらの要因は、これらに限られるものではないが、システム内のノードの数、ノードへの荷重、及びネットワークの伝送速度を含むことができる。異なる８０２．１１システムのハードウェアにおける違いのために、パケットとハードウェア割り込みとの間に一対一の対応は、必ずしも存在しない。従って、Ｑパラメータの推定は、システムによって変わり得る。一実施形態においては、Ｑパラメータの推定には、特定のハードウェア構成を知ることが必要とされる。

式２において、Ｒパラメータは、グローバル平均再伝送時間、又は、ノード特有の再伝送時間のいずれかとして計算できることを想起されたい。ここで、Ｒパラメータをグローバル平均再伝送時間として計算するための幾つかの実施形態を説明する。

８０２．１１システム内では、再伝送時間Ｒは、システムの輻輳ウィンドウ（ＣＷ）に基づいて計算することができることに留意されたい。一実施形態においては、
R = 1/2 × CW × aSlotTime + EIFS
を用いて、エラーに関するバックオフ時間に対応するＲパラメータを計算することができ、
ここで、ＣＷは、現在の輻輳ウィンドウ・サイズを表し、ａＳｌｏｔＴｉｍｅは、特定の８０２．１１システムがコンテンション・バックオフを測定する量を表し、ＥＩＦＳは、８０２．１１システムについての拡張フレーム間隔である。幾つかの実施形態においては、８０２．１１規格は、ＣＷ値への限界、すなわち最小値ＣＷ_min及び最大値ＣＷ_maxを除く、システムの現在のＣＷをデバイス・ドライバが知るための方法をもたらすものではない。これらの実施形態においては、エラーに起因する対応するバックオフ時間は：
R = 1/4 × (CW_min + CW_max) × aSlotTime + EIFS
として計算される。

幾つかの実施形態においては、Ｒパラメータは、平均再試行間隔として考えることができる。幾つかの他の実施形態においては、Ｒパラメータは、平均再試行間隔と全く等しくなる必要はない。しかしながら、各ノードが、リンク・メトリック測定と同じ方法でＲパラメータを推定することが望ましい。ＴＤＭＡシステムのような幾つかのシステムにおいては、ノードの所定のスケジュールに基づいて、Ｒパラメータをより正確に計算することが可能である。

以下は、ドット１１ＭＩＢ［８０２１１、ＡｎｎｅｘＤ］からの値を用いて、８０２．１１システム内のＣＷ値を推定する方法を提供する。ドット１１ＭＩＢにおいて、ドット１１ＲＴＳの閾値は、一般に２３４７オクテットであるので、全てのパケットは、「短い」パケットであると考えられる。さらに、ドット１１ＳｈｏｒｔＲｅｔｒｙＬｉｍｉｔは、７つの試行である。デバイス・ドライバは、ドット１１ＴｒａｎｓｍｉｔｔｅｄＦｒａｇｍｅｎｔＣｏｕｎｔ、ドット１１ＦａｉｌｅｄＣｏｕｎｔ、ドット１１ＲｅｔｒｙＣｏｕｎｔ、ドット１１ＲＴＳＳｕｃｃｅｓｓＣｏｕｎｔ、ドット１１ＲＴＳＦａｉｌｕｒｅＣｏｕｎｔ、ドット１１ＡＣＫＦａｉｌｕｒｅＣｏｕｎｔの値を読み取るために、ＭＩＢを定期的にポーリングすることができる。最初の伝送後の所定の間隔の間、システムは、例えば、Ｄドット１１ＲｅｔｒｙＣｏｕｎｔなどの上述したカウンタの各々について「Ｄドット１１．．．」と示されるデルタ値を計算することができる。ある間隔におけるパケット試行の総数は：
N = Ddot11TransmittedFragmentCount + Ddot11FailedCount
である。
成功率は：
S = Ddot11TransmittedFragmentCount / N
である。
失敗数は：
F = Ddot11FailedCount + dot11RetryCount
である。
ＣＷｈｏｌｄは：CWhold = Ddot11FailedCount / F
である。
その結果、推定されるＣＷは、
CW = CWhold * aCWmax + (1 - CWhold) * (aCWmax - aCWmin)/2
である。

上記は、ＣＷ値の粗い近似であるが、これを用いて異なるノード間のＲパラメータの比較を提供することができる。ドット１１ＲＴＳＦａｉｌｅｄＣｏｕｎｔ、又は他のタイマーを使用することに基づいた再伝送時間の他の推定は、より正確な推定をもたらすことができる。

図４は、本発明の実施形態による、ＥＲＴリンク・メトリックを用いてマルチホップ・ネットワークにおけるルーティング経路を決定するプロセスを示すフローチャートを表す。
動作中、システムは、マルチホップ無線ネットワークと関連したトポロジー情報を受信し、このトポロジー情報は、１組のノード、１組のリンク、及び関連したリンクの成功確率ｐ_iを含む（ステップ４０２）。システムはまた、マルチホップ無線ネットワークについての平均媒体アクセス時間も取得する（ステップ４０４）。上述のように、平均媒体アクセス時間は、ＭＡＣ層がパケットを最初に受信した時間からそのパケットが伝送媒体上で伝送される時間までの凡その時間である。システムはさらに、ノードの組内のそれぞれのノードについての再伝送時間を取得する（ステップ４０４）。また、上述のように、再伝送時間は、関連したリンク上での伝送の失敗後にノードによってパケットを再伝送するのに必要とされる凡その遅延である。本発明の一実施形態においては、システムは、１組のノード特有の再伝送時間を取得する代わりに、ノードの組についてのグローバル平均再伝送時間を取得する。

次に、システムは、対応するリンク成功確率、平均媒体アクセス時間、及び対応する再伝送時間に基づいて、マルチホップ・ネットワーク内のリンクについてのリンクコストを計算する（ステップ４０６）。本発明の一実施形態においては、リンクについてのリンクコストは、ＥＲＴメトリックである。一実施形態においては、ＥＲＴメトリックは、式１を用いて計算される。

次に、システムは、マルチホップ・ネットワークにおけるソース・ノードと宛先ノードとの間の１つ又はそれ以上の候補経路を決定し、候補経路の各々についての全体のリンクコストを計算する（ステップ４０８）。一実施形態においては、システムは、経路内のリンクの組と関連した１組の計算されたリンクコスト値を合計することによって、経路についての全体のリンクコストを計算する。次に、システムは、最小の全体リンクコストを有する、ソース・ノードと宛先ノードとの間の経路を選択する（ステップ４１０）。

図５は、本発明の一実施形態による、ＥＲＴリンク・メトリックを用いて無線ネットワークにおけるルーティング経路を決定するためのコンピュータ・システムを示す。コンピュータ・システム５０２は、プロセッサ５０４と、メモリ５０６と、記憶装置５０８とを含む。コンピュータ・システム５０２は、無線ネットワーク５０３に結合されている。記憶装置５０８は、一実施形態において、ＥＲＴベースのルート計算を行なうリンクコスト計算アプリケーション５１６を格納する。リンクコスト計算アプリケーション５１６は、コンピュータ・システム５０２と無線ネットワーク５０３との間のリンクについてのＥＲＴを計算するＥＲＴ計算モジュール５１８を含む。記憶装置５０８はまた、アプリケーション５２０及び５２２も格納する。動作中、リンクコスト計算アプリケーション５１６は、メモリ５０６にロードされ、プロセッサ５０４によって実行される。これに応じて、上述のように、プロセッサ５０４は、ＥＲＴベースのルートを計算する。

本発明の一実施形態においては、ＥＲＴメトリックは、受信側ノードにおける待ち行列遅延に起因する輻輳要因も考慮するように修正することができる。
本発明の一実施形態においては、リンクの双方向信頼性を用いる代わりに、リンクにおけるパケットの伝送の成功と関連した予想される失敗数が、リンクの順方向信頼性だけに依存していてもよい。

本発明の一実施形態においては、ＥＲＴメトリックを、トラフィック・クラスに適用させることができる。例えば、トラフィックが自動反復要求（ＡＲＱ）（すなわち、ＡＣＫ又は信頼性の低いトラフィックではなく、ＦＥＣを有するリアルタイム）を用いない場合、ＥＲＴは、双方向信頼性の代わりに順方向信頼性に基づいて評価される。

１００：マルチホップ無線ネットワーク
１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８：リンク
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ：通信ノード
２０２、２０８、２１２：シナリオ
２０４、２１０、２１４：データ・パケット
２０６、２１６：ＡＣＫ（肯定応答）

Claims

マルチホップ無線ネットワークについてのリンクコストを計算する方法であって、
１組のノードと、１組のリンクと、前記リンクに結合された第１のノードから該リンクに結合された第２のノードまでパケットを成功裏に伝送する確率を示すそれぞれのリンクｉについての成功確率ｐ_iとを規定する、前記マルチホップ無線ネットワークと関連したトポロジー情報を受信し、
媒体アクセス制御（ＭＡＣ）層がパケットを最初に受信した時間から、前記パケットが伝送媒体上で伝送される時間までの凡その時間である、前記マルチホップ無線ネットワークについての平均媒体アクセス時間を取得し、前記平均媒体アクセス時間は、前記マルチホップ無線ネットワークに対するリンクに依存しない平均値に対応しており、
伝送に失敗した後にノードによりパケットを再伝送することと関連した凡その遅延である、前記ノードの組内のそれぞれのノードについての再伝送時間を取得し、
それぞれのリンクについての予測される再伝送時間（ＥＲＴ）リンク・メトリック値を計算し、前記ＥＲＴリンク・メトリック値は、前記リンクに関連した再伝送の時間と、前記リンクにおける成功したパケット伝送に関連した予測される失敗数と、定数とに直接的関係を有しており、前記予測される失敗数は、前記リンクの成功確率に基づいて計算され、前記直接的関係の定数は、前記平均媒体アクセス時間であり、
前記リンクについての前記リンク・メトリック値に基づいて、該リンクについてのリンクコストを生成し、前記マルチホップ無線ネットワークを通したより効率的なルーティングを促進する、
ステップを含むことを特徴とする方法。
前記方法は、
前記ソース・ノードと前記宛先ノードとの間の１つ又はそれ以上の経路を見つけ、
前記経路の各々についての全体のリンクコストを計算し、
最小の全体リンクコストを有する、前記ソース・ノードと前記宛先ノードとの間の経路を選択する、
ことによって、前記リンクの組と関連した前記リンクコストに基づいて前記マルチホップ無線ネットワークにおける前記ソース・ノードと前記宛先ノードとの間のルーティング経路を決定する、
ステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記無線ネットワークは、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）ベースのネットワークであり、前記ノードについての前記再伝送時間を取得するステップは、
輻輳ウィンドウ・サイズと
ＴＤＭＡフレーム内のスロット時間と、
タイムスロット・スケジュールと、
のうちの１つ又はそれ以上の関数として前記再伝送時間を計算することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。