JP5451775B2 - ワイヤレスネットワークにおけるリンク品質推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレスネットワークにおけるリンク品質推定方法に関する。

近年、特に携帯電話によるワイヤレス無線通信の急増のため、効果的で信頼性の高いリンク品質推定に対する需要が着実に増大している。ワイヤレスリンクの実際のチャネル状態を正確に知ることは、利用可能な帯域を経済的に使用し、その結果として、ワイヤレスネットワークの全体的パフォーマンスを向上させるために重要である。また、ワイヤレスネットワークにおけるリンク品質の詳細な知識は、ルーティングプロトコルにおける信頼性の高いエンドツーエンドパスを決定するために重要である。正確なチャネル品質情報により、ルーティングプロトコルは、効率的なルーティング決定を行い、十分な品質のワイヤレスリンクのみを含むルーティングパスを選択することができる。

リンク品質推定のための現在のシステムは、相互にデータを交換する２つのノード間でチャネル状態を測定することによる相互的アプローチを実行する。通常、物理層で測定される信号強度が、リンク品質を導出するための指標とされる。しかし、こうしたアプローチは、相互に通信していない隣接ノード間のリンク品質を決定することができない。

非特許文献１において、その著者は、リンク品質推定のためのＭＡＣ層に基づくアプローチを提案している。すなわち、ＭＡＣ層フレームにおける再送フラグ数を監視して、送信器と第三者ノードとの間のリンク品質を導出する。しかし、提示された方式は、信頼性のあるＭＡＣプロトコルが使用されている場合にのみ機能する。

K. Kyu-Han, S. Kang: "On Accurate Measurement of Link Quality in Multi-Hop Wireless Mesh Networks", MobiCom’06, ２００６年９月２３〜２６日, 米国カリフォルニア州ロサンゼルス

したがって、本発明の目的は、ワイヤレスネットワークにおけるリンク品質推定方法において、リンク品質推定の精度および有効性が向上するような改良およびさらなる展開を行うことである。

本発明によれば、上記の目的は、請求項１の構成を備えた方法によって達成される。この請求項に記載の通り、本方法は、以下のことを特徴とする。すなわち、前記ワイヤレスネットワークのノードが、他のノードへパケットを送信するステップと、通信範囲内に位置する他のノードから受信されるすべてのパケットを監視するステップと、他のノードに対する送受信比を計算し、その送受信比からそれぞれのノードへのリンク品質を導出するステップとを実行する。

本発明によって認識されたこととして、現在のところ、リンク品質測定は、測定のための入力として使用されるデータのタイプに関して限定されている。現在利用可能な解決法は、測定を実行するノード宛でないデータを無視するか、または、利用可能な情報の一部のみを使用するかのいずれかである。しかし、ワイヤレスネットワークはブロードキャスト方式に基づくため、通信範囲内のすべてのノードがすべてのパケットを受信し、したがって、目的の配信先であるかどうかにかかわらず、それらのパケットを処理することができる。本発明は、この事実を利用して、各ノードがその通信範囲内に位置する他のノードから受信されるすべてのパケット（データ、シグナリングおよび管理パケットを含む）を監視することを提案する。この監視される情報に基づいて、ノードは、他のノードに対する送受信比を計算し、その送受信比からそれぞれのノードへのリンク品質を導出する。第三者通信のこの追加的な、しかもこれまで無視されてきた情報を用いることにより、情報空間が拡大し、リンク品質推定の精度および有効性を大幅に向上させることができる。また、従来技術のシステムとは異なり、相互に通信していない隣接ノード間のリンク品質も、高い信頼性で導出することができる。

本発明は、一般的なワイヤレスレイヤ２機能に基づいて、ワイヤレスネットワークにおけるリンク品質を推定する簡易なメカニズムを提供する。この解決法の簡易さは、リンク品質の計算に必要なのはパケットカウンタだけであり、パケット内部を深く検査することは不要であることに由来する。

本発明による方法は、既に利用可能な情報のみを使用する。すなわち、ＭＡＣの拡張やアクティブプロ−ビングを必要としない。本解決法の占有リソースは少ないので、リソースが限定された小型デバイス上に配備可能である。

なお、簡単のため、以下「パケット」という用語のみを用いる。これは、例えば３Ｇネットワークにおける一般的用語法である。しかし、これに関しては、いかなる意味でも本発明の範囲を限定することを意図していない。当業者には容易に認識されるように、本発明による方法は、「フレーム」にも同様に当てはまる。「フレーム」は、例えばＷＬＡＮ（ワイヤレスローカルエリアネットワーク）に関して一般的に適用されるもう１つの用語法にすぎない。

好ましい実施形態によれば、送信ノードが流出パケットに対する監視期間を規定し、その監視期間について、通信範囲内に位置する他のノードに通知するようにしてもよい。こうして監視期間を同期させることにより、ノードは、送受信された同じパケットを正確に同じ期間に監視することができる。なお、監視期間は、送受信値の計算に対する時間リファレンスとして作用する。その結果、不正確にカウントされたパケット数を比較することに関する不具合、すなわち、送受信された期間に対し送信パケット群と受信パケット群が相互に一致しないこと、が回避される。

具体的実施形態において、監視期間に関する取り決めは、送信ノードとその通信範囲内に位置する他のノードとの間の明示的シグナリングによって達成される。例えば、送信器とその隣接ノードとの間の同期は、このような明示的指示を送信することによって、またはそれを送信パケット上にピギーバックすることによるトリガによって、達成することができる。

別法として、新しい監視期間は、コネクション確立のための各要求とともに開始されるようにしてもよい。例えば、明示的な同期フラグを、例えばＴＣＰ（Transmission Control Protocol）セッションに対する要求メッセージ内にリファレンスとして統合してもよい。

さらに別の実施形態によれば、監視期間は、所定の時点に開始される固定時間長として規定されてもよい。このような実施態様は、厳密に同期したシステムクロックを必要とする。しかし、現在の多くの装置はこのようなシステムクロックを内蔵している。そのような装置の例として、例えばＧＰＳ（全地球測位システム）のような位置決定手段を備えた携帯電話が挙げられる。このような装置は、既に現在でも、監視期間の時間ベースのネゴシエーションをサポートする。

有利な態様として、ノードは、パケットを受信する相手となる他のノード（送信ノード）について、個別の受信レポートを作成するように構成される。特に、受信レポートは、取り決めた監視期間内にそれぞれの送信ノードから受信されたパケットに関する情報を含んでもよい。

具体的実施形態において、受信レポートは、監視期間ごとに送信ノードから受信されたパケットのパケットカウンタを含む。この情報と、送信ノードが監視期間内に送信したパケット数の知識とに基づいて、送信ノードは、隣接ノードへのリンク品質を判定するために、それぞれの送受信比を導出することができる。

受信レポートは、監視期間の開始を示すためのリファレンス信号として使用されてもよい。例えば、ノードが別のノードから受信レポートを受信するたびに、この受信は、新しい監視期間を開始するためのトリガとされてもよい。

高い信頼性に関して、送信パケットは、パケットリファレンス、特にシーケンス番号を含むようにしてもよい。このような場合、受信ノードは、自ら送受信比を計算することができる。この比は、それぞれの受信レポートに含まれることが可能である。受信レポートを受信した後、送信ノードは、追加的動作を実行する必要はなく、受信レポートから直接に送受信比を（そしてそれによりリンク品質を）取り出すことができる。

実用性を確保するため、受信レポートは、それぞれの送信ノードへ周期的に送信されるようにしてもよい。このため、ワイヤレスチャネル状態の変化や障害が即時に検出されることにより、ノードは、例えばルーティングパスの変更のように、適切なアクションをとることができる。

好ましい実施形態によれば、ノードは、自己の送信パケットに関する情報を記録する。特に、記録される情報は、監視期間ごとの送信パケット数に関する情報項目を含んでもよい。これに加えて、または別法として、記録される情報は、パケットリファレンス、特にパケットシーケンス番号に関する情報項目を含んでもよい。この情報に基づいて、両方のいずれの場合にも、ノードは、別のノードから受信レポートを受信したときに、当該別のノードへのリンク品質を容易に導出することができる。

上記の方式に加えて、リンク品質を導出するために、使用されている通信プロトコルの知識を追加的に使用してもよい。例えば、音声通信では、例えば６４ｋｂｉｔ／ｓのコーデックが指定される。データが、より低いビットレートで監視される場合、この効果は、信号品質の低下と解釈することができる。実際の受信ビットレートと、最初にネゴシエーションをしたビットレートとの比を計算することにより、リンク品質の定量的な評価を導出することができる。

リンク品質を計算した後、そのリンク品質がどのくらい安定であるかを表す安定性値を求めてもよい。一般的に、安定性値は、リファレンスパケット（監視期間の開始を示す）および受信レポートがどの程度の信頼性でワイヤレス媒体を通じてトランスポートできるかに依存する。特に、信頼性の高いトランスポートが実現不可能な場合、安定性の計算は、安定性値を徐々に変化させる場合がある。このため、最後に受信された値を考慮してもよい。例えば、安定性値は、最後に受信された値の平均に基づいて変化させてもよい。欠損した受信レポートの所定の数Ｎ（例えばＮ＝３）を、コネクションが失われたことの指標としてもよく、その場合、安定性値を０としてもよい。

本発明を好適な態様で実施するにはいくつもの可能性がある。このためには、一方で独立請求項１に従属する諸請求項を参照しつつ、他方で図面により例示された本発明の好ましい実施形態についての以下の説明を参照されたい。図面を用いて本発明の好ましい実施形態を説明する際には、本発明の教示による好ましい実施形態一般およびその変形例について説明する。

送信ノード、監視ノードおよび受信ノードとして機能するノードを含む、本発明による方法の適用場面を模式的に例示する図である。 図１に例示した実施形態のノードによる送信／受信パケットの特性を模式的に例示する図である。

図１は、ワイヤレスネットワークの一部を例示しており、その４個のノードが例として図示されている。ノードのうちの１つは送信器として機能し、別の１つはモニタ（監視ノード）として機能し、残りの２つのノードは受信器として機能する。なお、この機能の割当は全く任意であり、単なる例示のためであることは言うまでもない。実際には、各ノードが、同時に送信器、受信器、およびモニタとして機能してもよい。

図１に例示した具体的場面を参照すると、送信ノードの通信範囲および監視ノードの通信範囲が点線の円の形で例示されている。図からわかるように、すべてのノードは送信ノードの通信範囲内に位置するが、監視ノードの通信範囲内には、送信器および１つの受信ノードのみが位置する。これは、パケットの目的の配信先自体がモニタの通信範囲内に位置するかどうかにかかわらず、監視ノードが、送信ノードによって送信されるすべてのパケットを受信することを意味する。本発明によれば、監視ノード宛でなく受動的に監視されるパケットを含めて、これらすべてのパケットが、リンク品質推定のための基礎となる送受信比の計算に含められる。なお、あらゆるパケットが、すなわち、ペイロードデータを伝送するパケットだけでなく、確認および制御パケットもまた、それぞれのリンクのリンク品質測定に寄与することに注意すべきである。

図２は、図１のブロードキャスト環境におけるパケット受信特性をさらに詳細に例示している。上側の実線矢印で示すように、送信器は受信器１へパケットを送信する。しかし、パケットは受信器１によって受信されるだけでなく、受信器２およびモニタによっても受信される（点線矢印で示す）。というのは、これらのノードは両方とも、送信器の通信範囲内にも位置するからである。受信器２およびモニタは、パケットが正しく受信されたことを確認するために、パケットの構文解析を実行してもよい。また、それらのノードは、パケットの宛先アドレスが自己のアドレスと一致しないことを認識し、パケットを黙って破棄する。しかし、本発明によるリンク品質推定のためには、パケットが正しく受信されたことだけが重要であるので、受信ノードが目的の配信先であるかどうかとは無関係に、パケットは送受信比の計算に寄与することができる。

図２は、さらに３つの状況を例示している。それらは、パケットが受信器１から送信器へ返送される場合、パケットが送信器から受信器２へ送信される場合、およびパケットが受信器２から送信器へ返送される場合である。最後のパケット、すなわち、受信器２から送信器へ送信されるパケットだけは、モニタによって受動的に監視されない。というのは、受信器２は、監視ノードの通信範囲外に位置するからである。

リンク品質を推定するため、具体的実施形態によれば、以下の手順を実行することが考えられる。

１．各ノードが、送信パケットの関連情報、例えば、監視期間ごとの送信パケット数や、ある種のパケットリファレンス（例えばシーケンス番号）を記録し、最近の監視期間の履歴を保持する。

２．各リモートノードが、自己の通信範囲内に位置する隣接ノードのすべての受信情報を監視する。すなわち、リモートノードは、自己宛のパケットだけでなく、他のノード宛のパケット（当該リモートノードは、それらのパケットを「見過ごす」）も監視する（受動監視、パッシブモニタリング）。

３．各ノードが、パケットを受信する相手となるすべてのノードについて、個別の「受信レポート」を作成する。例えば、この受信レポートは、監視期間ごとの受信パケットのパケットカウンタおよび監視期間（監視期間長）に対するリファレンス、または、パケットリファレンス（監視期間の開始を示す）、または、損失比（受信器がパケット／シーケンスカウンタからこれを導出することができる場合）を含む。

４．パケットのすべての配信先が、専用のメッセージで、または、他のメッセージにピギーバックして、自己の受信レポートを送信器へ周期的に送信する。

５．受信レポートに含まれる情報と、過去の監視期間に送信されたパケットに関する自己の知識とに基づいて、送信器は、送受信比を計算し、その送受信比からリンク品質を導出する。

上記の例では、スケーラビリティが保証される。というのは、隣接ノードごとに１つのパケット受信カウンタと、履歴における各監視期間ごとに１つのパケット送信カウンタとがあればよいからである。

送信／受信パケットの監視とそれぞれの比の計算に基づく効率的なリンク品質推定を達成するため、以下のさまざまな変形例を実施することができる。実際の導入のためには、前提条件として、ノードはどの変形例が実際に実施されるのかを知っていることが仮定される。

ｉ．シーケンス番号に基づく場合
データパケットがある種のシーケンス番号あるいはカウンタを含む場合、モニタは、その情報から、中間パケットが失われたかどうかを導き出すことができる。その場合、受信器は、任意の時点に監視を開始し、送受信比を周期的に計算することができる。そして、その送受信比は、送信器へ報告として返送される。

ｉｉ．期間が送信器からの明示的トリガに基づく場合
この場合、送信器がすべての隣接ノードに対して、それらの監視期間をいつ開始するかを明示的に指示する。送信器とその隣接ノードとの間の同期は、例えば、そのような指示を送信パケットにピギーバックして送信することにより、または、送信器（同時に受信器として作用する）の周期的受信レポートを通じて、達成することができる。

ｉｉｉ．リファレンスに基づく場合
明示的なトリガが使用されず、シーケンス番号／カウンタが利用可能でない場合にも、モニタは、報告期間の最初および最後のパケットを一意的に識別することができるその他のリファレンスを使用することができる。例えば、明示的な同期フラグを含めることによって、識別可能なパケットを作成してもよい。このような識別可能なパケットを受信した後、モニタは、その送信器から正しく受信されるパケットをカウントし始める。送信器が送受信比を導出することを可能にするため、この解決法では、監視ノードが受信レポートにおいて報告期間の開始および終了リファレンスを指示することが必要である。

ｉｖ．時間に基づく場合
厳密に同期したシステムクロックがある場合、監視期間は、所定の時点に開始される固定時間長として規定されてもよい。モニタは、受信レポートにおいて、開始時刻およびカウントしたパケット数を送信する。

ｖ．プロトコルに基づく場合
配信先が通信プロトコルの追加的知識を有する場合、リンク品質は、データ自体から導出することができる。例えば、ＲＴＰ（Real-Time Transport Protocol）ストリームのデータレートは、受信されるＳＤＰ（Session Description Protocol）メッセージから導出可能であり、実際に受信したデータ量と比較することができる。

第２の実施形態の場合、意味のある送受信比を計算するためには、送信器とモニタとの間の同期が必要である。以下の方法は、この同期を実現することが可能な特定のメカニズムを規定している。

セルフタイミング期間管理
１．各送信器が、流出パケットに対する自己の監視期間を規定する。

２．指示を例えば送信パケットに、または周期的な受信レポートにピギーバックすることによりすべての隣接ノードへ送信することによって、報告／監視期間が開始される。

３．最後の期間の流出パケットカウンタが送信器によって保存される。

４．すべての受信器が、受信パケットカウンタをリセットする（最後の期間のパケットカウンタはセーブする）ことによって、当該送信器に対する新しい監視期間を開始する。

５．受信器は、このセーブされたパケットカウンタを、監視期間の長さを含む次回の更新メッセージで送信する。監視期間の長さを含めることにより、送信器は、その長さが自己の監視期間と整合しているかどうかをクロスチェックすることができる。送信器からのトリガメッセージが失われてしまった場合には、長さは整合しないことになる。別の実施形態として、ノードは、受信レポートを正しく受信した場合に確認応答を送信するように構成されてもよい。このような場合、送信器は、過去の監視期間のパケットカウンタの履歴をセーブすることを省略してもよい。

６．受信器によって示された期間長が、送信器におけるタイミングと一致する場合、送信器は、それぞれのリンク品質を導出するために送受信比を計算することができる。そうでない場合、最後の期間の監視データは破棄される。

上記の説明および添付図面の記載に基づいて、当業者は本発明の多くの変形例および他の実施形態に想到し得るであろう。したがって、本発明は、開示した具体的実施形態に限定されるものではなく、変形例および他の実施形態も、添付の特許請求の範囲内に含まれるものと解すべきである。本明細書では特定の用語を用いているが、それらは総称的・説明的意味でのみ用いられており、限定を目的としたものではない。

Claims (13)

1. ワイヤレスネットワークにおけるリンク品質推定方法において、
   前記ワイヤレスネットワークのノードのそれぞれである送信ノードが、他のノードへパケットを送信するステップと、
   前記送信ノードの通信範囲内に位置する前記ワイヤレスネットワークのノードのそれぞれである監視ノードが、前記送信ノードから受信されるデータパケット、シグナリングパケットおよび管理パケットを含むすべてのパケットを、前記監視ノードが目的の配信先であるか否かにかかわらず、監視し、前記送信ノードについて、監視期間内にそれぞれの送信ノードから受信されたパケットに関する情報を含む受信レポートを作成するステップと、
   前記送信ノードが、前記監視期間内に前記監視ノードで受信されたパケット数を前記送信ノードから送信されたパケット数で除した比として、それぞれのノードへのリンク品質の推定のために前記送信ノードに受信レポートを提供した他のノードに対する送受信比を計算するステップと
   を備えたことを特徴とする、ワイヤレスネットワークにおけるリンク品質推定方法。
2. パケットを送信するノードが監視期間を規定し、その監視期間について、通信範囲内に位置する他のノードに通知することにより、監視期間に関する取り決めを行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記監視期間に関する取り決めが、送信ノードとその通信範囲内に位置する他のノードとの間の明示的シグナリングによって達成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 新しい監視期間が、コネクション確立のための各要求とともに開始されることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
5. 監視期間が、所定の時点に開始される固定時間長として規定されることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記受信レポートが、監視期間ごとに送信ノードから受信されたパケットのパケットカウンタを含むことを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記受信レポートが、前記監視期間の開始を示すパケットリファレンスを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記送信パケットが、パケットリファレンス、特にシーケンス番号を含み、前記受信レポートが、それぞれの受信ノードによって導出されたパケット損失比を含むことを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
9. 前記受信レポートが、それぞれの送信ノードへ周期的に送信されることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の方法。
10. パケットを送信するノードが、前記送信パケットに関する情報を記録することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記送信パケットに関して記録される情報が、監視期間ごとの送信パケット数に関する情報項目を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記送信パケットに関して記録される情報が、パケットリファレンス、特にパケットシーケンス番号に関する情報項目を含むことを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
13. リンク品質を導出するために、使用されている通信プロトコルの知識が追加的に使用されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
    

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