JP5474562B2 - 無線メッシュネットワークにおける輻輳管理の方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線メッシュネットワークの分野に関し、より具体的には、無線媒体にアクセスするのにＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムが使用される無線メッシュネットワークにおける輻輳管理の方法に関する。

無線ネットワークにおいて、局は無線媒体を共有する。これは、同時のメッセージが衝突する可能性があるので、無線媒体に対する競争を引き起こす。公平な共有を可能にするために、ＩＥＥＥ８０２．１１規格は、局が媒体にアクセスするのに周知のＣＳＭＡ又はＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムを実行するＤＣＦ及びＥＤＣＡ機構を導入した。これらの機構は、ある程度、衝突を防ぎ、媒体の比較的効率的な使用を可能にする。しかしながら、V. Vishnevsky and A.I. Lyakhov, Cluster computing 5, 133-144, 2002において、これらの機構が占有効果により不公平を引き起こすことが示されている。ＣＳＭＡ又はＣＳＭＡ／ＣＡを用いて、メッセージを送信する前に、局は、媒体が利用可能であるかどうかを知り、後でメッセージを送信するために前記媒体を予約するために前記媒体を試験する。この動作は、コンテンションウィンドウと称される時間窓の中で局により実施される。送信を終了したばかりの局は、次の送信に対する競争に勝つのに有利である。実際に、成功した送信の後に、ＣＳＭＡ又はＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムは、コンテンションウィンドウのサイズが最小ウィンドウサイズにリセットされることを指示する。したがって、成功したばかりの局は、小さなウィンドウサイズで前記媒体にアクセスし、コンテンションに勝つのに最近成功していない他の局より有利である。これは、バックログ（backlogged）局が長期の時間期間に対してチャネルに対する排他的アクセスを得ることができるので、前記チャネルを独占することができるという不所望な状況を引き起こす可能性がある。

標準的なＷＬＡＮにおいて生じるこの状況は、メッシュネットワークにおいてより高い度合いで経験される。これは、このようなメッシュに関与する無線局の増大された密度による。更に、この効果の結果は、標準的なＷＬＡＮよりメッシュネットワークにおいて更に深刻であり、S. Xu and T. Sadaawi, "Does the IEEE 802.11 MAC protocol work well in multihop wireless ad hoc networks?", IEEE Communications Magazine June 2001, p. 130-137に示されるように劇的なスループット劣化を引き起こす可能性がある。

例えば、占有効果によりバックログ局がチャネルを占有すると仮定する。この場合、前記局は、近隣局ダウンストリームにたくさんのメッセージを送信することができる。しかしながら、前記近隣局は、アップストリームの近隣のバックログ局が前記チャネルを占有しているので、十分に媒体にアクセスすることができない。結局、前記近隣局は、キューがオーバーフローを開始するので入ってくるパケットを落とすしかない。この状況は性能劣化を引き起こす。

ドラフトされた規格ＩＥＥＥ Ｐ８０２．１１ｓ／Ｄ１．００、２００６年１１月、"Draft Amendment to Standard for Information Technology - Telecommunications and Information Exchange Between Systems - LAN/MAN Specific Requirements - Part 11: Wireless Medium Access Control (MAC) and physical layer (PHY) specifications: Amendment: ESS Mesh Networking."において、輻輳管理の問題は、ＭＡＣレベルにおける放送"近隣輻輳通知（Neighbourhood Congestion Announcement）"及び／又はユニキャスト"輻輳制御要求（Congestion Control Request）"の作成により予期される。これらのメッセージは、前記ドラフトの段落７．２．４．３において規定されるメッシュ管理フレームフォーマットを使用し、メッシュ管理アクションフィールド（前記ドラフトの段落７．４及び７．３）において規定される。

しかしながら、前記ドラフトは、"輻輳レベル"フィールドもこのメッセージがメッシュネットワークにおいて輻輳を管理するのに使用されなければならない方法も指定していない。段落１１Ａ．７において、前記ドラフトは、輻輳を検出する、すなわち送信及び受信レート並びにこれら２つの合計されたレート間の差をモニタするか、若しくはキューサイズをモニタするか、又は両方の混合を行うために、局により使用されることができる幾つかの可能なルールを記載している。

"近隣輻輳通知"又は"輻輳制御要求"メッセージのいずれかを受信すると、受信ノードは、トラフィックを局所的に制限することにより適宜に有効ＭＡＣ送信レートを減少させる必要がある。局所的レート制御機構は、ＡＩＦＳＮ、ＣＷｍｉｎ又は両方のようなＥＤＣＡパラメータを動的に調整することに基づくことができる。

無線媒体にアクセスするのにＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムが使用される無線メッシュネットワークにおいて、前記ネットワークのスループットに対する影響における不公平の効果を制限又は防止する輻輳管理の方法を達成することは有利である。

１以上の懸案事項によりよく対処するために、本発明の第１の態様において、無線媒体にアクセスするのにＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムが使用される無線メッシュネットワークにおける輻輳管理の方法であって、前記ネットワークが第１の局及び前記第１の局と直接的に通信することができる少なくとも１つの近隣局を有する、当該方法は、
前記第１の局が前記第１の局の環境において輻輳を経験する場合に、前記第１の局により、輻輳レベルパラメータを有する通知メッセージを前記少なくとも１つの近隣局に放送するステップと、
前記通知メッセージの受信時に、前記近隣局により、メッセージの送信前に前記媒体にアクセスするコンテンションウィンドウと称される時間窓の最小サイズが輻輳の不在時に規定された最小サイズより厳密に大きい輻輳状態を始動するステップであって、前記輻輳状態における最小サイズが前記輻輳レベルパラメータの関数として規定される、当該始動するステップと、
を有する。

前記方法は、コンテンションウィンドウサイズを管理し、したがって占有効果を防止するように有利に使用される。輻輳通知メッセージを受信することにより、無線媒体を独占している局は、コンテンションウィンドウのサイズを増大しなければならない。したがって、近隣にある他の局は、前記無線媒体にアクセスし、メッセージを転送することができる、より良いチャンスがある。

特定の実施例において、前記輻輳状態を作動した後に、前記近隣局がパケットを送信するのを失敗する場合、前記近隣局は、前記パケットを再送信する前に前記コンテンションウィンドウを２倍にする。

他の実施例において、前記輻輳レベルパラメータは、輻輳の場合にセットされる輻輳フラグであり、前記コンテンションウィンドウのサイズは、輻輳状態において、輻輳の不在時に規定された最小サイズと比較して２倍にされる。前記輻輳フラグが、輻輳の不在の場合にアンセットされ、前記コンテンションウィンドウのサイズは、前記近隣局が前記輻輳状態を解除する場合に２倍で減少される。前記第１の局は、パケットの送信中の衝突の数が所定の閾値より上である場合に前記通知メッセージを放送する。この実施例は、実施するのが単純であるという利点を持つ。

他の実施例において、前記輻輳レベルパラメータは、厳密に正の整数であり、前記近隣局は、輻輳状態のコンテンションウィンドウのサイズを２の輻輳レベルマイナス１乗にセットする。前記輻輳レベルは、パケットを送信することができる前に前記第１の局により送信された前記通知メッセージの数に基づく。この実施例は、前記ウィンドウサイズの値をより正確に調整する利点を持つ。

他の実施例において、前記輻輳レベルパラメータは、輻輳状態において前記近隣局により使用されるべきコンテンションウィンドウのサイズを含む。前記第１の局は、アクティブな近隣局の数を記録し、前記アクティブな近隣局の数の逆数の送信確率を近似するように前記コンテンションウィンドウのサイズをセットする。この実施例において、前記コンテンションウィンドウのサイズは、前記通知メッセージを通して送信するより多くの情報を使って非常に正確に調整される。

本発明の他の態様において、無線媒体にアクセスするのにＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムが使用される無線メッシュネットワークにおける輻輳管理のシステムであって、前記ネットワークが第１の局及び前記第１の局と直接的に通信することができる少なくとも１つの近隣局を有する、当該システムは、
前記第１の局が前記第１の局の環境において輻輳を経験する場合に、前記第１の局により、輻輳レベルパラメータを有する通知メッセージを前記少なくとも１つの近隣局に放送する手段と、
前記近隣局により、前記通知メッセージの受信時に、メッセージの送信前に前記媒体にアクセスするコンテンションウィンドウと称される時間窓の最小サイズが輻輳の不在時に規定された最小サイズより大きい輻輳状態を始動する手段であって、前記輻輳状態における最小サイズが前記輻輳レベルパラメータの関数として規定される、当該始動する手段と、
を有する。

本発明の他の態様において、無線媒体にアクセスするのにＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムが使用される無線メッシュネットワーク内の局であって、少なくとも１つの近隣局と直接的に通信する当該局は、前記局が前記局の環境において輻輳を経験する場合に、前記少なくとも１つの近隣局に通知メッセージを放送する手段を有し、前記通知メッセージは、輻輳レベルパラメータを有し、前記輻輳レベルパラメータは、前記局により経験される衝突の数又はパケットを送信することができる前に前記局により送信される通知の数の関数である。

本発明の他の態様において、無線媒体にアクセスするのにＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムが使用される無線メッシュネットワーク内の局であって、少なくとも１つの近隣局と直接的に通信する当該局において、前記近隣局が、前記近隣局の環境において輻輳を経験する場合に輻輳レベルパラメータを有する通知メッセージを放送するように構成され、前記局が、前記通知メッセージの受信時に、メッセージの送信前に前記媒体にアクセスするコンテンションウィンドウと称される時間窓の最小サイズが輻輳の不在時に規定された最小サイズより大きい輻輳状態を始動する手段であって、前記輻輳状態における最小サイズが前記輻輳レベルパラメータの関数として規定される、当該始動する手段を有する。

本発明は、最終的に、局の内部メモリに直接的にロード可能なコンピュータプログラムであって、前記局で実行される場合に前記輻輳管理の方法の全てのステップを実行するソフトウェアコード部分を有する当該コンピュータプログラムに関する。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施例を参照して説明され、明らかになる。

本発明の実施例は、添付の図面を参照して例としてのみここに記載される。

ストリング・トポロジの典型的なメッシュネットワークの概略図である。 古典的なネットワークにおけるトラフィックロードの関数としてのスループットの図である。 本発明の一実施例によるネットワークの動作の概略図である。

図１を参照すると、単純なメッシュネットワークは、ストリング・トポロジを持ち、ＡないしＦで参照される６つのノード、又は局を含む。外側のノードＡ、Ｆは、情報のソース及びシンクである。内側のノードＢ、Ｃ、Ｄ、Ｅは、適切な方向にメッセージを送る中継器である。前記メッシュネットワークのトポロジにより、内側ノードＢ、Ｃ、Ｄ、Ｅは、２つの近隣局を持ち、外側ノードＡ及びＦは、１つの近隣局Ｂ及びＥのみをそれぞれ持つ。結果として、衝突を経験する確率は、外側の局Ａ、Ｆより内側の局Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに対して高い。

古典的なネットワークにおいて、ＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムの占有効果により、外側ノードＡ、Ｆは、チャネルを占有するより多くの機会を持ち、前記内側ノードのルーティング機能は、妨害される。特定のレベルの輻輳において、前記内側ノードは、前記内側ノードのバッファが送信されるのを待機しているメッセージでいっぱいになり、新しいメッセージが前記外側ノードから押し出され続けると、パケットを落とさざるを得ない。

前記古典的なネットワークのスループットに対する効果は、トラフィックロードが約４００の上に増加するときの前記スループットの迅速な降下で図２に示される。

本発明の一実施例によると、前記ノードは、輻輳状況を経験する場合に通知メッセージを送信し、このような通知メッセージの受信時にコンテンションウィンドウのサイズを修正することができるように修正される。

したがって、前記ネットワークの動作は、以下の図３である。

ノード、例えばノードＢは、ステップ２０において、近隣における輻輳の状態を経験する。

輻輳の状態の定義は、異なる基準、すなわち、
−衝突の数が、所定の閾値より上である、
−アクティブな局、すなわちメッセージを送信する局の数、及び／又は
−G. Bianchi, "Performance anaylysis of the IEEE 802.11 Distributed coordination function", IEEE JSAC, Vol. 18, n 3, pp. 535-547, March 2000により記載された予測分析のような観測可能量に基づく動作のモデル
に基づく。

ノードＢは、ステップ２２において、ノードＢが輻輳の状態を経験していることを近隣ノードＡ、Ｃに知らせるために通知メッセージを近隣ノードＡ、Ｃに送信する。前記通知メッセージは、輻輳レベルパラメータを有する。

ステップ２４において、ノードＡ、Ｃは、前記通知メッセージを受信し、ステップ２６において、前記コンテンションウィンドウのサイズを増大させる。前記コンテンションウィンドウの新しいサイズは、前記輻輳レベルパラメータの関数である。

ステップ２８において、ノードＡ又はノードＣがメッセージを送信する必要がある場合、ステップ３０において前記チャネルを取得するのに前記新しいコンテンションウィンドウサイズを使用する。古典的には、前記無線媒体の取得が失敗する場合、前記ノードは、ステップ３２において、再び試行する前に前記コンテンションウィンドウサイズを２倍にする。

前記コンテンションウィンドウのサイズを増大することにより、前記占有効果は、有利に減少又は抑制される。

成功した局は、今後は前記無線媒体を独占することができない。最小コンテンションウィンドウがより大きくなると、成功した局の優位性は、他の局と比較して減少される。

他の利点は、より良好な公平性をもたらす前記メッシュネットワークの前記局の最小コンテンションウィンドウサイズの減少された可変性である。前記最小コンテンションウィンドウサイズが増大され、小さすぎない場合、大きなコンテンションウィンドウサイズで小さなコンテンションウィンドウサイズを是正する減少された必要性が存在する。

前記減少された可変性の他の利点は、上で参照された文書においてBianchiにより示されたように前記ネットワークにおけるスループットの増加である。

前記通知メッセージのフォーマット、すなわち前記輻輳レベルパラメータは、選択された信号伝達のタイプによって異なり、依存する。

第１の実施例において、前記輻輳の状態は、１ビットのみにより信号伝達される。前記ビットがセットされる場合、輻輳の状態が信号伝達され、前記ビットがアンセットされる場合、輻輳の状態が存在しない。

輻輳の状態が信号伝達される場合、全ての近隣局は、最小コンテンションウィンドウサイズを２倍にし、同様に、前記通知メッセージがビットをアンセットされる場合、前記近隣局は、最小コンテンションウィンドウサイズを２で除算する。

この実施例は、単純性の利点を持つ。この信号伝達の方法の潜在的な欠点は、局が、異なる数の通知メッセージを受信し、前記最小コンテンションウィンドウサイズに対する異なる値で終わる可能性があり、これが不公平性を作り、前記実施例の有効性を制限することである。

第２の実施例において、前記輻輳の状態は、輻輳レベルを規定する整数として信号伝達される。前記輻輳レベルは、非輻輳状態に対して１にセットされ、輻輳とともに増大する。例えば、前記輻輳レベルは、アクティブな近隣局の数として規定される。他の例において、前記輻輳レベルは、輻輳を経験している局が、パケットを送信することができる前に送信した前記通知メッセージの数に基づく。前記輻輳レベルの受信時に、前記局は、前記コンテンションウィンドウの最小サイズを輻輳不在時の最小サイズの２の前記輻輳レベルマイナス１乗倍として規定するか、又はＣＷｃｏｎｇが輻輳に対して規定された最小サイズである場合に、ＣＷｍｉｎが輻輳不在時の最小サイズであり、Ｍが前記通知メッセージにより伝搬された前記輻輳レベルである。

この実施例において、より多くのビットが、前記通知メッセージにおいて前記輻輳レベルを送信するのに必要とされる。しかしながら、この実施例は、全ての近隣局に対して共通サイズの前記コンテンションウィンドウを維持する利点を持つ。結果的に、前記ネットワークは、より速く、すなわちより少ない量の輻輳通知メッセージで、全ての局が所望の最小コンテンションウィンドウサイズを共有する状態に移動する。

第３の実施例において、前記通知メッセージは、前記近隣局により使用されるべき前記コンテンションウィンドウの最小サイズを直接的に含む。この実施例は、前記通知メッセージにおいて前記サイズを輸送するためにより多くのスペースを使用して前記コンテンションウィンドウのサイズのきめ細かい制御を可能にする利点を持つ。この実施例は、前記コンテンションウィンドウサイズが衝突後に２倍になる現在の習慣から外れている。

本発明は、図面及び先行する記載において詳細に図示及び記載されているが、このような図示及び記載は、実例又は模範的であり、限定的ではないと見なされるべきであり、本発明は、開示された実施例に限定されない。

前記開示された実施例に対する他の変形例は、図面、開示及び添付の請求項の検討から、請求の範囲に記載された発明を実施する当業者により理解及び達成されることができる。請求項において、用語"有する"は、他の要素を除外せず、不定冠詞"１つの"は、複数を除外しない。

本発明は、複数の別個の要素を有するハードウェアを用いて、及び適切にプログラムされたコンピュータを用いて実施されることができる。複数の手段を列挙する装置請求項において、これらの手段の幾つかが同一のハードウェアアイテムにより実施されてもよい。特定の方策が相互に異なる従属請求項に記載されるという単なる事実は、これらの方策の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。

Claims (12)

1. 無線媒体にアクセスするのにＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムが使用される無線メッシュネットワークにおける輻輳管理の方法であって、前記ネットワークが第１の局及び前記第１の局と直接的に通信することができる少なくとも１つの近隣局を有する、当該方法において、
   前記第１の局が前記第１の局の環境において輻輳を経験する場合に、前記第１の局により、輻輳レベルパラメータを有する通知メッセージを前記少なくとも１つの近隣局に放送するステップと、
   前記近隣局により、前記通知メッセージの受信時に、メッセージの送信前に前記媒体にアクセスするコンテンションウィンドウと称される時間窓の最小サイズが輻輳の不在時に規定された最小サイズより厳密に大きい輻輳状態を始動するステップであって、前記輻輳状態における最小サイズが前記輻輳レベルパラメータの関数として規定される、当該始動するステップと、
   を有し、前記輻輳レベルパラメータが、パケットを送信することができる前に前記第１の局により送信された前記通知メッセージの数に基づく、方法。
2. 前記輻輳状態を始動した後に、前記近隣局がパケットを送信するのを失敗する場合、前記近隣局が、前記パケットを再送信する前に前記コンテンションウィンドウのサイズを２倍にする、請求項１に記載の方法。
3. 前記輻輳レベルパラメータが、輻輳の場合にセットされる輻輳フラグであり、前記コンテンションウィンドウのサイズが、輻輳状態において、輻輳の不在時に規定される最小サイズと比較して２倍にされる、請求項１に記載の方法。
4. 輻輳の不在の場合に前記輻輳フラグがアンセットされ、前記近隣局が前記輻輳状態を解除する場合に、前記コンテンションウィンドウのサイズが２倍で減少される、請求項３に記載の方法。
5. パケットの送信中の衝突の数が所定の閾値より上である場合に、前記第１の局が前記通知メッセージを放送する、請求項３に記載の方法。
6. 前記輻輳レベルパラメータが、厳密に正の整数であり、前記近隣局が、前記輻輳状態における前記コンテンションウィンドウのサイズを２の前記輻輳レベルマイナス１乗にセットする、請求項１に記載の方法。
7. 前記輻輳レベルパラメータが、輻輳状態において前記近隣局により使用されるべき前記コンテンションウィンドウのサイズを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記第１の局が、アクティブな近隣局の数を記録し、前記アクティブな近隣局の数の逆数の送信確率を近似するように前記コンテンションウィンドウのサイズをセットする、請求項７に記載の方法。
9. 無線媒体にアクセスするのにＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムが使用される無線メッシュネットワークにおける輻輳管理のシステムであって、前記ネットワークが第１の局及び前記第１の局と直接的に通信することができる少なくとも１つの近隣局を有する、当該システムにおいて、
   前記第１の局が前記第１の局の環境において輻輳を経験する場合に、前記第１の局により、輻輳レベルパラメータを有する通知メッセージを前記少なくとも１つの近隣局に放送する手段と、
   前記近隣局により、前記通知メッセージの受信時に、メッセージの送信前に前記媒体にアクセスするコンテンションウィンドウと称される時間窓の最小サイズが輻輳の不在時に規定された最小サイズより厳密に大きい輻輳状態を始動する手段であって、前記輻輳状態における最小サイズが前記輻輳レベルパラメータの関数として規定される、当該始動する手段と、
   を有し、前記輻輳レベルパラメータが、パケットを送信することができる前に前記第１の局により送信された前記通知メッセージの数に基づくことを特徴とするシステム。
10. 無線媒体にアクセスするのにＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムが使用される無線メッシュネットワーク内の局であって、少なくとも１つの近隣局と直接的に通信する局において、前記局は、前記局が前記局の環境において輻輳を経験する場合に、通知メッセージを前記少なくとも１つの近隣局に放送する手段を有し、前記通知メッセージが輻輳レベルパラメータを有し、前記輻輳レベルが、前記局により経験される衝突の数又はパケットを送信することができる前に前記局により送信される前記通知メッセージの数の関数であることを特徴とする局。
11. 無線媒体にアクセスするのにＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムが使用される無線メッシュネットワーク内の局であって、前記局が少なくとも１つの近隣局と直接的に通信し、前記近隣局が前記近隣局の環境において輻輳を経験する場合に、前記近隣局が、輻輳レベルパラメータを有する通知メッセージを放送するように構成される、当該局において、前記局が、前記通知メッセージの受信時に、メッセージを送信する前に前記媒体にアクセスするコンテンションウィンドウと称される時間窓の最小サイズが輻輳の不在時に規定された最小サイズより大きい輻輳状態を始動する手段を有し、前記輻輳状態の最小サイズが、前記輻輳レベルパラメータの関数として規定され、前記輻輳レベルパラメータが、パケットを送信することができる前に前記第１の局により送信された前記通知メッセージの数に基づくことを特徴とする局。
12. 局の内部メモリに直接的にロード可能なコンピュータプログラムであって、前記局において実行される場合に請求項１の全てのステップを実行するソフトウェアコード部分を有するコンピュータプログラム。

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