JP5705845B2 - ワイヤレスネットワークにおいて媒体アクセスを許可するための方法及びその方法のためのネットワーク - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレスネットワークにおいて媒体アクセスを許可するための方法に関する。特に、本発明は、ワイヤレスネットワークにおいてアクセスレートを設定するための方法にも関する。

本発明は、例えばメッシュネットワークに適切であり、ここでは幾つかのノードが多数のネイバー(neighbour)で囲まれている。

標準的なＣＳＭＡ／ＣＡ形式の媒体アクセスアルゴリズムにおいて、無線ノードは乱数を使用して媒体にアクセスするタイミングを決める。標準的な８０２．１１及びＷｉＦｉシステムにおいて、この乱数は普通、ウィンドウから選ばれる。次いで、このウィンドウのサイズは、ノードが媒体にアクセスする頻度（すなわちノードが媒体へアクセスするレート）を決め、衝突を避けるのに役立つ。全ての無線ノードは同じアルゴリズムを使用し、同じレートで媒体にアクセスする。それ故に、この手続きは、完全に公正であり、媒体にアクセスするための同一の機会を全ての無線ノードに提供すると思われる。

しかしながら、メッシュ環境では、これらのアルゴリズムは全く公正ではないことが指摘されている。確かに、多くのネイバーを持つ無線ノード、すなわち、メッシュネットワークの真ん中に位置する無線ノードは、"Flow-in-the-Middle"環境とも呼ばれる飢餓に近い状態で苦しんでいる。これは、ネットワークのトラフィックが増大するとすぐに、これらのスループットは許容できないほど低いレベルに落ち込むことを意味している。

例えば、図１に示されるように、鎖トポロジーで配置される５つの無線ノードからなる簡単な構成を考えてみよう。各々のノードは、全ての無線ノードに対し同じである所与のレートで前記媒体にアクセスする。占有された媒体をノードが感知する場合、ノードはバックオフ(back off)を行い、前記所与のレートに従って新しくランダムな感知する瞬間をスケジューリングする。この構成において、感知するレートは、各々のノードが３つのホップまで離れたネイバーの活動を感知することができるように設定される。このキャリア感知範囲は、送信されるパケットの衝突が起こり得ないほど十分な大きさである。この媒体アクセス機構は、各々のノードが媒体を同時に感知して、媒体アクセスに対し同じアルゴリズムを正確に実施するので、完全に公正であると思われる。しかしながら、媒体アクセスのレート及び規則が全ての局に対し同じであったとしても、実際に達成されるレートではないことは、無線ノードにより達成される実際のスループットを示す表１に見られることができる。

他のアルゴリズムは、現在の標準的８０２．１１に存在する。例えば、指数バックオフアルゴリズムにおいて、バックオフウィンドウは、送信するデータを有する隣接する無線ノード間の衝突を避けるのに使用される。初めに、これら無線ノードは、衝突を避けるために、ある最小のバックオフウィンドウを使用する。依然として衝突が起こっている場合、前記ウィンドウは、衝突の可能性を減少させるために、ある最大のウィンドウサイズまで、通常は２倍に増大する。しかしながら、多くのネイバーを持つ局は、ネットワークの縁にある無線ノードよりもかなり多くの衝突を被ることが分かる。それ故に、このウィンドウアルゴリズムは、スループットの落ち込みをすでに被っている局のレートを正確に減少させる。

このような欠点は、図２に示される実施例を考慮して明らかになる。ここに、３つの相互に直交するフロー(flow)、すなわちフローａＡ、ｂＢ及びｃＣが構成される。この場合、各々のノードは、標準的８０２．１１の媒体アクセスを全く同様に実行し、これらアクセスレートは、バックオフウィンドウを介して整えられる。それ故に、ノードが送信するデータを持つとき、ノードは、このバックオフウィンドウからのランダムなバックオフ時間を、他のノードから全く同様に且つ独立して取り出す。このバックオフ時間は次いで、ノードが送信できる瞬間を決定し、そして感知レートを設定する。ノードｃは、ノードａ及びｂの両方のキャリア感知範囲にあり、ノードａ又はｂのどちらか一方が送信しているときは送信することができない。ノードａ及びｂは非同時性で送信するので、局ｃは送信する機会は少なく、フローｃＣは飢えている。再び、真ん中にあるノードは、これらノードのトポロジーのせいで極めて不利である。

本発明の目的は、上述した欠点を克服する、媒体へのアクセスを許可するための方法を提案することである。

それ故に、本発明の目的は、"flow-in-the-middle"環境を防ぎ、それ故にメッシュネットワークにおいて体験するスループットの問題を防ぐ方法を提案することである。

本発明の他の目的は、メッシュ環境、又は多くの無線ノードを持つ何れかの環境において正しいアクセスを許可するための方法を提案することである。

本発明のさらに他の目的は、無線ネットワークにおいて、ノードが媒体にアクセスするレートを設定するための方法を提供することである。

本発明のさらに他の方法は、無線ネットワークにおいて、アクセスするためのバックオフウィンドウのサイズを設定するための方法を提供することである。

この目的のために、本発明は、少なくとも２つのノードを有するワイヤレスネットワークにおいてノードへの媒体アクセスを許可するための方法を提供し、前記方法は、ノードに対し使用される媒体アクセスレートを決定するステップを有する。ここで前記レートは、互いに異なり、ノードのネイバー数に依存すると判断される。

媒体アクセスレートは、データをネットワーク中に送信するために、ノードが媒体を感知する頻度を決定する値である。

無線ネットワークにおいて、第１のノードのネイバーは、第１のノードのキャリア感知範囲に位置する第２のノードである。メッシュネットワークにおいて、ネイバーは、第２のノードを前記第１のノードと区別するホップ数により識別されることもできる。

本発明による方法は、ネットワークの別々のノードに異なるアクセスレートを設定することを可能して、それ故に"flow-in-the-middle"問題を回避する。確かに、特定の実施例において、本発明による方法は、以下のステップ、
−各々のノードは自分のキャリア感知範囲にあるネットワークのノード数を決定するステップ、
−メッシュ内の何れかのノードのキャリア感知範囲に最小のノード数を分布させるステップ、及び
−この情報に基づいて、前記ネットワークの各々のノードに対し、使用される夫々の媒体アクセスレートを決定するステップ
を有する。

前記メッシュ内の何れかのノードのキャリア感知範囲に最小のノード数を分布させる上記ステップは、アクセスレートを決定し、各々のノードに自分夫々の媒体アクセスレートを使用するように指示する主局(master station)により実行されることができる。他の実施例において、メッシュネットワークではより一般的であり、各々のノードは、自分のキャリア感知範囲にあるネットワークのノード数及びメッシュ内の何れかのノードのキャリア感知範囲にある推定される最小のノード数を公表する。それ故に、この分布はネットワークにある各々のノードにより実行され、夫々の媒体アクセスレートの決定はネットワークにある各々のノードにおいて分布方式で行われることができる。

特に、使用される夫々のアクセスレートは、以下の通り計算され、各々のノードに対し、ノードのアクセスレートは、
ｉ＝σ（１＋σ）^{γ（ｉ）−γ＊}
であり、ここでσは基準レートに対応する正数であり、γ（ｉ）は局ｉのキャリア感知範囲にある局の数であり、及びγ^＊は、メッシュ内の何れかのノードのキャリア感知範囲にある最小のノード数である。

他の特定の実施例において、アクセスレートは、サイズＷのバックオフウィンドウにより実現される。特に、このような場合における方法は、以下のステップ、
−各々のノードは自分のキャリア感知範囲にあるネットワークのノード数を決定するステップ、
−メッシュ内の何れかのノードのキャリア感知範囲に最小のノード数を分布させるステップ、
−メッシュ内の何れかのノードのキャリア感知範囲に最大のノード数を分布させるステップ、
−最大のネイバー数を持つネットワークにおけるノードに対し、第１のウィンドウサイズを決定するステップ、
−最小のネイバー数を持つネットワークにおけるノードに対し、第２のウィンドウサイズを決定するステップ、及び
−各々のノードに対し、前記第１及び第２のウィンドウサイズの間に含まれるウィンドウサイズを決定するステップ
を有する。

本発明の他の態様は、少なくとも２つのノードを有するワイヤレス無線ネットワークに関し、ここでノードが使用する媒体アクセスレートは、互いに異なり、ノードのネイバー数に依存すると判断され、媒体アクセスレートはノードがデータをネットワーク中に送信する頻度を決定する。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施例から明らかであり、これら実施例を参照して説明される。

無線ネットワークの鎖トポロジーを示す。 他のメッシュトポロジーを示す。

本発明は、メッシュ環境、若しくは多くの無線ノードを持つ何れかの環境において、無線ノードに対し媒体アクセスレートを設定するための新しい機構に関する。本発明は、前記アクセスレートがバックオフウィンドウにより調節される場合、このバックオフウィンドウのサイズを決定するのにも使用されることができる。本発明は、簡単なメッシュネットワークにある全てのノードが送信するのに最良なレートが理論的に得られるという問題の理論的解析に基づいている。

隠し端末が発生しないように、ノードが自分のキャリア感知範囲を設定させる、線形のメッシュネットワーク、すなわちフローインメッシュネットワークを仮定してみる。各々のノードは、その範囲内にγ（ｉ）個のノードを持つキャリア感知範囲を持つ。このとき、本発明において、ｉとラベルが付いたノードが媒体にアクセスするレートは、式（１）
σ（１＋σ）^{γ（ｉ）−γ＊} （１）
に等しい。

ここでσは正数（基準レート）であり、γ（ｉ）は、局ｉのキャリア感知範囲にある局の数であり、γ^＊は、メッシュ内の何れかのノードのキャリア感知範囲における最小のノード数である。

ノードが等間隔に離間され、キャリア感知範囲が正確である簡単なトポロジー、例えば図１に描かれる鎖トポロジーにおいて、各々のノードは、それに応じて自分のレートを設定する場合、各々のノードのスループットは、

に等しいことが示される。

加えて、基準アクセスレートが高い場合、１ノード当たりのスループットが１／（１＋κ）に近づくことが分かり、これは上記メッシュにおいて達成され得る理論的最適である。

それ故に、前記メッシュ内にある無線ノードが式（１）に従ってアクセスレートを設定する場合、メッシュ内のデータ転送は、各々のノードが同じスループットを達成するという点で完全に公正である。その上、それ故に達成されるスループットは、メッシュにおいて達成され得る最も公正なスループットである。

それに応じて、本発明では、ネットワークの各々のノードに対するアクセスレートは、そのノードのキャリア感知範囲にある局の数と、メッシュ内の何れかのノードのキャリア感知範囲にある最小のノード数との所与の関係を考慮して設定される。特に、多くのネイバーを持つ局は、自分のアクセスレートをかなり高い値に設定し、僅かなネイバーしか持たない局は、自分のアクセスレートをかなり低い値に設定する。これら局がこのような方法で媒体にアクセスするレートを自ら操作する場合、これら局は全て同じスループットを実現する。その上、このスループットは達成され得る最良のスループットである。

本発明による方法はそれ故に、
１．このノードのキャリア感知範囲にあるノード数、
２．メッシュ内の何れかのノードのキャリア感知範囲にある最小のノード数
に依存してノードに対するアクセスレートを設定することにより、このアクセスレートを最適な方法で設定することを可能にする。

その結果、この情報１及び２をメッシュネットワークに分布させ、以下の規則、
ａ）キャリア感知範囲に僅かなノードしか持たない局は、アクセスレートをかなり低い値に設定する、
ｂ）キャリア感知範囲に多くのノードを持つ局は、アクセスレートをかなり高い値に設定する、
規則に従って、各々のノードの前記レートを設定する方法が提案されている。

メッシュのパフォーマンスは、式（１）に従ってアクセスレートを整えることによりさらに改善されることができる。以下の表２は、対応する図を示している。明らかに、各々のノードは、スループットの公正な分配を達成する。これは、縁にあるノードに、鎖の真ん中にあるノードよりも低いアクセスレートを与えることにより達成される。

本発明の他の実施例は、アクセスレートがウィンドウにより実現される場合に関する。このような実施例において、局は、０からＷ−１までの間にあるランダムなバックオフを取り出し、ここでＷは、バックオフウィンドウのサイズである。局が媒体はアイドル状態であると感知した後、前記バックオフに等しい多くの時間スロットをカウントダウンする。媒体が再びビジーになるとすぐに、カウントダウンを中断する。カウンターが０に達するとすぐに、局はそのパッケージを送信することができる。前記ランダムなバックオフは、様々なノードに対し媒体へのアクセスを優先順に配置することに加え、衝突を防ぐのにも有用である。例えば、媒体がノードｉの周りでアイドル状態になり、ノードｉは多くのｎ個のネイバーを持つと仮定する。この場合、各々のノードは、
ｐ＝１／Ｗ
の確率で媒体にアクセスする。この場合、送信が成功する確率は、
（ｎ＋１）ｐ（１−ｐ）^ｎ
である。

（ｎよりも大きい）多くのネイバーがいる場合、媒体にアクセスする確率ｐは、同時に終了するバックオフタイマによって多くの衝突を回避するために、各々のノードにおいて低くなるべきであるということになる。特に、衝突の確率が低い、又はできる限り低いように、これらノードは、自分のアクセスレートの確率を設定することができる。例えば、上述した送信が成功する確率を分析すると、ノードは、自分のアクセスレートを値ｐ＝１／（ｎ＋１）に設定すべきことが分かる。

この情報を使用して、局は最大のネイバーを有するメッシュにおける局に対し最適なウィンドウサイズを計算することができる。このウィンドウサイズから、このノードにおける衝突率が最適であるようにこのノードに対するウィンドウサイズＷ^＊を計算することができる。このウィンドウサイズからアクセスレートを２／（Ｗ^＊τ）と計算することができる。

ここでτは、バックオフウィンドウにある１つのスロットの期間、すなわちスロット時間である。干渉範囲に最大のノード数を持つノードのアクセスレートから、最小のネイバー数を持つノードのアクセスレートを計算することができる。このために、例えば式（１）を用いて、低いレートを設定するために、何らかの事前設定した手段を使用することができる。このアクセスレートから、各々のノードは、自分自身のアクセスレートを、例えば上述した状況のように、１より下に設定することができる。再び、このアクセスレート、例えばλが与えられたとすると、自分自身のウィンドウサイズを計算することができ、ここでは
Ｗ＝２／（λτ）
を使用する。

これを達成するために、上記の状況に加え、各々の局がメッシュ内の何れかのノードのキャリア感知範囲にある最大のノード数を知る必要もある。

その結果、本発明は、現在は８０２．１１の場合であるように、前記感知レートがバックオフウィンドウを介して調節される一般的事例に対するプロトコルを提供する。各々のノードに対するウィンドウサイズは、
１．このノードのキャリア感知範囲にあるノード数、
２．メッシュ内の何れかのノードのキャリア感知範囲にある最大のノード数、
３．メッシュ内の何れかのノードのキャリア感知範囲にある最小のノード数、
に依存していることが示されている。

その結果、この情報１、２及び３をメッシュネットワークに分布させ、以下の規則、
ａ）局は、最大のネイバー数を持つメッシュにあるノードに対しウィンドウサイズを決定する、
ｂ）局は、ａ）で計算されたウィンドウサイズよりも大きい、最小のネイバー数を持つメッシュにあるノードに対しウィンドウサイズを決定する、
ｃ）キャリア感知範囲に僅かなノードしか持たない局は、これらノードのウィンドウサイズをａ）及びｂ）で計算されたウィンドウサイズの間のかなり大きな値に設定する、並びに
ｄ）キャリア感知範囲に多くのノードを持つ局は、これらノードのウィンドウサイズをａ）及びｂ）で計算されたウィンドウサイズの間のかなり低い値に設定する、
規則に従ってウィンドウサイズを設定するプロトコルを提案される。

アルゴリズムの精密化において、局は、
Ｗ＝１／（ｎ＋１）
に従って最大のネイバー数を持つメッシュにおけるノードに対しウィンドウサイズを決定する。このメッシュのパフォーマンスは、式（１）に従ってアクセスレートを整えることによりさらに改善されることができる。

本発明は特に、メッシュネットワークに専ら使用されるが、ノードが多くのネイバーを有する如何なるネットワーク環境にも適用されることができる。

本明細書及び請求項において、複数あることを述べていないことは、それら要素が複数あることを排除するものではない。さらに、"有する"という用語は、挙げられた以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。

請求項に参照符号を含めることは、説明を目的とするものであり、制限することを意図していない。

本開示を読むことにより、他の修正案が当業者に明らかとなるだろう。このような修正案は、無線ネットワークの技術において既に知られてあり、ここに既に説明された特徴に代わって又はそれに加えて使用されてもよい他の特徴を含んでもよい。

Claims (6)

1. 少なくとも２つのノードを有するワイヤレスネットワークにおいてノードへの媒体アクセスを許可するための方法であり、
   ノードに対し使用される媒体アクセスレートを決定するステップを有し、前記媒体アクセスレートは、データを前記ネットワーク中に送信するために、ノードが前記媒体を感知する頻度を決定する値である、方法において、
   前記媒体アクセスレートは、ノード毎に互いに異なり、少なくとも自ノードのキャリア感知範囲にある前記ネットワークのノード数に依存して、キャリア感知範囲に多数のノードを持つノードの媒体アクセスレートが、キャリア感知範囲に少数のノードを持つノードの媒体アクセスレートより大きくなるように決定される、方法。
2. 各々のノードはノードのキャリア感知範囲にある前記ネットワークのノード数を決定するステップ、
   前記ネットワーク内の何れかのノードのキャリア感知範囲の最小のノード数を配信するステップ、及び
   この情報に基づいて、前記ネットワークの各々のノードに対し、使用される夫々の媒体アクセスレートを決定するステップ、
   を有する請求項１に記載の方法。
3. 各々のノードが使用する前記媒体アクセスレートは、
   ノードiのアクセスレート＝σ（１＋σ）^{γ（ｉ）−γ＊}
   であり、ここでσは基準アクセスレートに対応する正数であり、γ（ｉ）はノードiのキャリア感知範囲にある局の数であり、及びγ^＊は、前記ネットワーク内の何れかのノードのキャリア感知範囲にある最小のノード数である、請求項２に記載の方法。
4. 前記媒体アクセスレートは、バックオフウィンドウのサイズをノードの数によって決定することにより実現される請求項１に記載の方法。
5. 各々のノードは自分のキャリア感知範囲にある前記ネットワークのノード数を決定するステップ、
   前記ネットワーク内の何れかのノードのキャリア感知範囲の最小のノード数を配信するステップ、
   前記ネットワーク内の何れかのノードのキャリア感知範囲の最大のノード数を配信するステップ、
   最大のネイバー数を持つ前記ネットワークにおけるノードに対し、第１のウィンドウサイズを決定するステップ、
   最小のネイバー数を持つ前記ネットワークにおけるノードに対し、第２のウィンドウサイズを決定するステップ、及び
   前記最大のネイバー数を持つ前記ネットワークにおけるノード及び前記最小のネイバー数を持つ前記ネットワークにおけるノード以外の各々のノードに対し、前記第１及び第２のウィンドウサイズの間に含まれるウィンドウサイズを決定するステップ
   を有する請求項４に記載の方法。
6. 少なくとも２つのノードを有するワイヤレス無線ネットワークにおいて、ノードが使用する媒体アクセスレートは、ノード毎に互いに異なり、ノードのネイバー数に依存して、キャリア感知範囲に多数のノードを持つノードの媒体アクセスレートが、キャリア感知範囲に少数のノードを持つノードの媒体アクセスレートより大きくなるように決定され、媒体アクセスレートは、データをネットワーク中に送信するために、ノードが媒体を感知する頻度を決定する値である、ワイヤレス無線ネットワーク。

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