JP5780601B2

JP5780601B2 - データ転送方法および無線ネットワークシステム

Info

Publication number: JP5780601B2
Application number: JP2012180426A
Authority: JP
Inventors: 中平　勝也; 勝也中平; 杉山　隆利; 隆利杉山; 大樹西山; 寧加藤
Original assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-08-16
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2032-08-16
Also published as: JP2014039157A

Description

本発明は、データ転送を開始する端末（以下「データ転送端末」という）から１台以上の他の端末を経由して基地局へデータ転送を行う無線ネットワークにおいて、基地局へのデータ到着率を向上させるデータ転送方法および無線ネットワークシステムに関する。

データ転送端末と基地局との間のリンクが途絶している場合に、リンクが確保された１台以上の他の端末を経由し、各端末でデータを複製しながらデータ転送端末から基地局へ転送する無線ネットワークは、遅延許容ネットワークと呼ばれている（非特許文献１）。遅延許容ネットワークでは、ＴＣＰ／ＩＰでは対応できなかったデータ転送時の大きな遅延時間やリンク途絶に対応することができる。また、遅延許容ネットワークにおける端末は経路を決める処理を行わない。

図７は、遅延許容ネットワークにおけるデータ転送例を示す。
図７において、データ転送端末はまず、基地局とのリンクが確保されているか否かを確認し、基地局とのリンクが確保されていれば、基地局にデータを転送して通信を終了する。基地局とのリンクか確保されていなければ、リンクが確保されている他の端末にデータを転送し、データ転送端末自身は通信を終了する。データを受け取った端末は、データをバッファに蓄積し、複製したデータを同様の手順で転送する。このように、転送されてきたデータをバッファに蓄積し、リンクがあれば転送を行うという制御を蓄積伝送方式と呼ぶ。以上により、遅延許容ネットワークは蓄積伝送方式によってリンクの途絶に対応することができる。

蓄積伝送方式におけるデータ到着率を向上させる従来技術として、ＥＲ(Epidemic Routing)（非特許文献２）やＢＳＷ（Binary Spray and Wait)（非特許文献３）がある。ＥＲとＢＳＷは、各端末が複製したデータをＴＴＬ（Time To Live）の期間、ネットワーク内に配布することで、転送するデータに冗長性を持たせてデータ到着率を向上させる。ＴＴＬはデータの有効期限を表し、データ転送端末がデータ作成からＴＴＬ時間を超過したデータはネットワーク内から削除される。

K.Fall, "A Delay-Tolerant Network Architecture for Challengied Internets ",Proceedings of ACM SIGCOMM, pp.27-34, Aug.2003. A.Vahdat and D.Beeker, "Epidemic Routing for Partially-Connected Ad Hoc Networks",Technical Report CS-2000-06, Apr.2000. T.Spyropoulos, K.Psounis, C.S.Raghavendra,"Spray and Wait: An E.cient Routing Scheme for Intermit-tently Connected Mobile Networks ",Proc. of ACM on WDTN, 2005. BHATTI,S., BATEMAN,M.,"Transport Protocol Throughput Fairness",Journal of Networks, North America, 4, nov.2009.

ＥＲは、図８に示すように、各端末がデータを制限なく複製する。したがって、各端末は多くの複製データをバッファに保存する必要があり、保存すべき全複製データ量が各端末のバッファ容量をオーバーしやすくなる。バッファ容量をオーバーした複製データは破棄されるため、ＥＲは基地局までのデータ転送に失敗する確率が高くなる問題がある。

ＢＳＷは、各データに複製制限数ｎを導入し、この変数によってデータの複製数を制限する。ｎの初期値をＬとし、ｎをデータ転送時に変化させることで、最終的にネットワーク内の複製データ数をＬ個以下にすることができる。例えば図９(a) に示すように、データ転送端末がｎ＝Ｌのデータを生成する。次に図９(b) に示すように、複製制限数ｎ≠１のデータを受け取った端末がそのデータを次の端末に転送するとき、複製制限数ｎをｎ／２に変換する。また図９(c) に示すように、複製制限数ｎ＝１のデータを受け取った端末は基地局以外への転送を行わない。

ＢＳＷでは、複製制限数ｎの初期値Ｌを全ユーザで一様に設定するため、ルーティングの性能は初期値Ｌに依存する。したがって、図１０(a) に示すように、データ転送端末から基地局が遠い場合に初期値Ｌを小さい値に設定すると、データが基地局に到着するデータ到着率が低下する。一方、図１０(b) に示すように、データ転送端末から基地局が近い場合に初期値Ｌを大きい値に設定すると、データ到着率は高くなるが、データ複製が続いて各端末のバッファを圧迫するため、データが破棄される確率が増えてデータ到着率が低下する要因になる。

このように、複製制限数ｎの初期値Ｌを固定にした場合、データ転送端末と基地局との距離によってデータの到着率に差が生じ、データ到着率の公平性が確保できない課題があった。

本発明は、データ転送端末と基地局との距離を考慮し、データ転送端末から基地局へ転送されるデータの到着率とデータ到着率の公平性を向上させることができるデータ転送方法および無線ネットワークシステムを提供することを目的とする。

第１の発明は、基地局宛てのデータ転送を開始するデータ転送端末が、基地局とのリンクが途絶しているときに、リンクが確保された他の端末を経由し、当該他の端末でデータを蓄積し複製しながら基地局へ転送する無線ネットワークのデータ転送方法において、データ転送端末は、基地局との距離を算出し、データに設定する複製制限数ｎの初期値Ｌを当該距離が遠いほど大きな値に設定し、他の端末は、ｎ≠１のデータを受信したときに複製制限数ｎを所定の割合で減算設定して転送し、ｎ＝１のデータを受信したときに基地局以外には転送しない。

第１の発明のデータ転送方法において、データ転送端末は、基地局との距離と比較するｍ種類（ｍは１以上の整数）の閾値と（ｍ＋１）種類の初期値Ｌを用意し、基地局との距離と各閾値との大小関係に応じて（ｍ＋１）種類の初期値Ｌの１つの選択して設定する。

第１の発明のデータ転送方法において、データ転送端末は、ＧＰＳシステムを用いて自端末の位置を取得し、当該自端末の位置と、予め把握している基地局の位置情報または別途取得する基地局の位置情報との比較により、基地局との距離を算出する。

第１の発明のデータ転送方法において、データ転送端末は、基地局が送信する電波の受信電波強度を測定し、当該受信電波強度に応じて基地局との距離を算出する。

第１の発明のデータ転送方法において、データ転送端末は、基地局との距離を算出する代わりに、基地局が送信する電波の受信電波強度を測定し、データに設定する複製制限数ｎの初期値Ｌを当該受信電波強度が小さいほど大きな値に設定する。

第２の発明は、基地局宛てのデータ転送を開始するデータ転送端末が、基地局とのリンクが途絶しているときに、リンクが確保された他の端末を経由し、当該他の端末でデータを蓄積し複製しながら基地局へ転送する無線ネットワークシステムにおいて、データ転送端末は、基地局との距離を算出し、データに設定する複製制限数ｎの初期値Ｌを当該距離が遠いほど大きな値に設定する構成であり、他の端末は、ｎ≠１のデータを受信したときに複製制限数ｎを所定の割合で減算設定して転送し、ｎ＝１のデータを受信したときに基地局以外には転送しない構成である。

本発明は、データ転送端末と基地局との距離が遠いほど複製制限数ｎの初期値Ｌを大きな値に設定することにより、データ転送端末から基地局が遠い場合にデータ到着率の低下を回避することができる。また、データ転送端末と基地局との距離が近いほど複製制限数ｎの初期値Ｌを小さな値に設定することにより、データ転送端末から基地局が近い場合に無用なデータ複製を回避してデータ到着率の低下要因を低減することができる。このように、データ転送端末と基地局との距離に応じた複製制限数ｎの初期値Ｌを設定することにより、データ到着率およびデータ到着率の公平性を向上させることができる。

本発明のデータ転送方法の概要を示す図である。本発明のデータ転送方法の処理手順を示すフローチャートである。本発明におけるデータ転送例を説明する図である。データ転送端末と基地局の距離ｄの算出方法を示す図である。本発明の無線ネットワークシステムを構成する装置の構成例を示す図である。本発明と従来のＥＲおよびＢＳＷの評価指標を示す図である。遅延許容ネットワークにおけるデータ転送例を示す図である。従来のＥＲにおけるデータ転送例を示す図である。従来のＢＳＷにおけるデータ転送例を示す図である。従来のＢＳＷにおけるデータ転送の課題を説明する図である。

図１は、本発明のデータ転送方法の概要を示す。
図１において、基地局１１から所定の距離ｄ_borderにある境界線１２を設定し、データ転送端末１３が当該境界線１２の内側か外側かに応じて、データ転送端末１３が転送するデータに設定する複製制限数ｎの初期値ＬをＬ_nearまたはＬ_farとする（Ｌ_near＜Ｌ_far）。その処理手順を図２に示す。

図２において、データを生成したデータ転送端末は、当該データの宛て先となる基地局との距離ｄを算出し（Ｓ１）、境界線１２の距離ｄ_borderと比較する（Ｓ２）。ここで、ｄ≦ｄ_borderであれば、データ転送端末は基地局から近い位置にいると判断し、Ｌ＝Ｌ_nearとする（Ｓ３）。一方、ｄ＞ｄ_borderであれば、データ転送端末は基地局から遠い位置にいると判断し、Ｌ＝Ｌ_farとする（Ｓ４）。このように、距離ｄ_borderを閾値として複製制限数ｎの初期値Ｌを決定し、データ転送を開始する（Ｓ５）。

ここで、Ｌ_near＜Ｌ_farとすることにより、ネットワーク全体のデータ到着率を向上させることができる。例えば、図３(a) に示すように、データ転送端末と基地局との距離が遠い場合には、データ転送端末から基地局までの間に多くの端末を経由してデータ転送を行う必要があるため、データ転送端末の複製制限数ｎの初期値をＬ_farとすることで、基地局までのデータ到着率を向上させることができる。また、図３(b) に示すように、データ転送端末と基地局との距離が近い場合には、データ転送端末から基地局までの間に経由する端末が少ないので、データ転送端末の複製制限数ｎの初期値をＬ_nearとすることで、基地局までのデータ到着率を向上させつつ、無駄な複製データの蓄積による各端末のバッファ溢れを回避する。その結果、ネットワーク全体としてバッファ溢れによるデータ破棄が減少し、データ到着率を向上させることができる。

図４は、データ転送端末と基地局の距離ｄの算出方法を示す。
図４(a) は、データ転送端末が予め基地局の位置情報を把握している場合である。データ転送端末は、ＧＰＳ衛星から自身の位置情報を取得し、基地局の位置情報との比較により距離ｄを算出する。

図４(b) は、データ転送端末が基地局の位置情報を把握していない場合である。データ転送端末は、通信衛星から報知される基地局の位置情報と、ＧＰＳ衛星から自身の位置情報を取得し、両者の比較により距離ｄを算出する。

図４(c) は、データ転送端末が基地局から送信される電波の受信電波強度を測定し、受信電波強度に対応する距離ｄを算出する。なお、受信電波強度から距離ｄを算出せずに、受信電波強度に応じた複製制限数ｎの初期値を直接算出してもよい。例えば、図１および図２において、距離ｄ_borderを受信電波強度の閾値に置き換え、受信電波強度が当該閾値より大きいときにデータ転送端末は基地局から近いと判断し、受信電波強度が当該閾値より小さいときにデータ転送端末は基地局から遠いと判断し、それぞれ対応する複製制限数ｎの初期値Ｌ_near，Ｌ_farを決定してもよい。

また、以上の説明では、データ転送端末が基地局から近いか遠いかを示す距離の閾値が１つ（ｄ_border）としたが、一般的にｍ種類（ｍは１以上の整数）の閾値を用い、当該閾値に対して（ｍ＋１）種類の距離の大小関係に応じた（ｍ＋１）種類の初期値Ｌをそれぞれ選択して設定してもよい。例えば、２つの閾値を用いる場合は、データ転送端末が基地局から近い距離、中間の距離、遠い距離があり、初期値Ｌ_near，Ｌ_middle，Ｌ_farを設定する。さらに、閾値との比較ではなく、データ転送端末と基地局との距離ｄまたは受信電波強度と複製制限数ｎの初期値Ｌとの関係式に基づいて、初期値Ｌを設定してもよい。当該関係式は、距離ｄが大きいほど、受信電波強度が小さいほど、初期値Ｌが大きい値になる関数である。

また、以上の説明では、データ転送端末から基地局へのデータ転送を例にしたが、基地局から端末へのデータ転送の場合は、データの送信元と宛先を入れ替えることにより、同様に本発明を適用することができる。なお、基地局から宛先となる端末との距離は、例えば端末から送信されたデータに端末の位置情報を入れ、基地局で記録しておけば、当該位置情報を用いて基地局から端末までの距離を算出し、対応する初期値Ｌを設定することができる。

図５は、本発明の無線ネットワークシステムを構成する装置の構成例を示す。ここに示す装置は、データ転送端末としての構成、データ転送端末と基地局との間で中継処理を行う他の端末としての構成、基地局装置としての構成のいずれにも対応するものとして説明する。

図５において、データ転送装置は、データ入力部２１、データ出力部２２、距離判定部２３、複製制限数初期値決定部２４、バッファ部２５、リンク判定部２６、アンテナ・送受信部２７、宛先判定部２８、複製制限数制御部２９により構成される。

データ転送端末の場合、複製制限数初期値決定部２４は、データ入力部２１を介して転送するデータが入力されると、距離判定部２３で判定した基地局との間の距離情報を入力し、当該距離に応じた複製制限数ｎの初期値Ｌを決定し、データに複製制限数ｎの初期値Ｌ（上記の例ではＬ_nearまたはＬ_far）とＴＴＬの初期値を付与してバッファ部２５に蓄積する。

基地局装置の場合、アンテナおよび送受信部２７に受信したデータは宛先判定部２８に入力して宛先が判定され、基地局宛と判定した場合にはデータ出力部２２から当該データを出力する。

他の端末の場合、アンテナおよび送受信部２７に受信したデータは宛先判定部２８に入力して宛先が判定され、基地局宛（自端末宛でない）と判定した場合には複製制限数制御部２９に入力し、データの複製制限数をｎ／２に変更した後に、バッファ部２５に蓄積する。

データ転送端末および他の端末のバッファ部２５では、蓄積した全データのＴＴＬを一定時間毎ににカウントダウンしており、ＴＴＬが０になったデータはバッファ部２５から削除する。リンク判定部２６は、他の端末および基地局とのリンク確立状況と、他の端末がバッファに保持する全データの宛先情報を把握している。ここで、基地局とのリンクが確立した時には、バッファ部２５内の全データを基地局に転送した後、全データを削除する。また、他の端末とのリンクが確立した時には、他の端末がバッファに保持する全データの宛先情報と重複しない条件を満たし、さらにバッファ部２５に保持するｎ≠１のデータを他の端末に転送すると共に、転送したデータの複製制限数をｎ／２に変更して再びバッファ部２５に蓄積する。

図６は、本発明と従来のＥＲおよびＢＳＷの評価指標を示す。
図６(a) は、バッファサイズ１〜10ＭＢに対するデータ到着率を示す。データ到着率は、全ユーザが生成したデータ数に対する基地局に到着したデータ数の割合である。ＢＳＷにおける複製制限数ｎの初期値Ｌは20とした。本発明における複製制限数ｎの初期値はＬ_near＝５、Ｌ_far＝20とした。その他のパラメータは次の通りである。

実験時間[h] ： 12
ユーザ数： 500
転送速度[Mbps] ： 2
転送可能距離[m] ： 50
移動モデル：Random Walk
移動速度[m/s] ： 0.5〜1.5
移動間隔[s] ： 0〜120
データ作成間隔[s] ： 25〜35
データサイズ[MB] ： 0.5〜1.0
ＴＴＬ[h] ： 5
ｄ_border[m] ： 300
フィールド範囲[m] ：1000×1000

図６(b) は、バッファサイズ１〜10ＭＢに対するFairness Indexを示す。Fairness Indexは、公平性を示す一般的な指標であり（非特許文献４）、０から１までの値をとり、１に近いほど公平性が高い。ここでは、基地局との距離がｄ_borderより近いデータ転送端末で作成されたデータのデータ到着率ＤＲ_nearと、遠いデータ転送端末で作成されたデータのデータ到着率ＤＲ_farに基づき、Fairness Indexを次式で定義して両者の公平性を評価した。
Fairness Index＝（ＤＲ_near＋ＤＲ_far)²／２(ＤＲ_near ²＋ＤＲ_far ²)
なお、データ転送端末と基地局との間の距離に拘らずデータ到着率が等しく、ＤＲ_near＝ＤＲ_farのときに、Fairness Index＝１となる。

１１基地局
１２境界線
１３データ転送端末
２１データ入力部
２２データ出力部
２３距離判定部
２４複製制限数初期値決定部
２５バッファ部
２６リンク判定部
２７アンテナ・送受信部
２８宛先判定部
２９複製制限数制御部

Claims

基地局宛てのデータ転送を開始するデータ転送端末が、基地局とのリンクが途絶しているときに、リンクが確保された他の端末を経由し、当該他の端末でデータを蓄積し複製しながら基地局へ転送する無線ネットワークのデータ転送方法において、
前記データ転送端末は、前記基地局との距離を算出し、前記データに設定する複製制限数ｎの初期値Ｌを当該距離が遠いほど大きな値に設定し、
前記他の端末は、ｎ≠１のデータを受信したときに前記複製制限数ｎを所定の割合で減算設定して転送し、ｎ＝１のデータを受信したときに前記基地局以外には転送しない
ことを特徴とするデータ転送方法。
請求項１に記載のデータ転送方法において、
前記データ転送端末は、前記基地局との距離と比較するｍ種類（ｍは１以上の整数）の閾値と（ｍ＋１）種類の初期値Ｌを用意し、前記基地局との距離と各閾値との大小関係に応じて（ｍ＋１）種類の初期値Ｌの１つの選択して設定する
ことを特徴とするデータ転送方法。
請求項１に記載のデータ転送方法において、
前記データ転送端末は、ＧＰＳシステムを用いて自端末の位置を取得し、当該自端末の位置と、予め把握している前記基地局の位置情報または別途取得する前記基地局の位置情報との比較により、前記基地局との距離を算出する
ことを特徴とするデータ転送方法。
請求項１に記載のデータ転送方法において、
前記データ転送端末は、前記基地局が送信する電波の受信電波強度を測定し、当該受信電波強度に応じて前記基地局との距離を算出する
ことを特徴とするデータ転送方法。
請求項１に記載のデータ転送方法において、
前記データ転送端末は、前記基地局との距離を算出する代わりに、前記基地局が送信する電波の受信電波強度を測定し、前記データに設定する複製制限数ｎの初期値Ｌを当該受信電波強度が小さいほど大きな値に設定する
ことを特徴とするデータ転送方法。
基地局宛てのデータ転送を開始するデータ転送端末が、基地局とのリンクが途絶しているときに、リンクが確保された他の端末を経由し、当該他の端末でデータを蓄積し複製しながら基地局へ転送する無線ネットワークシステムにおいて、
前記データ転送端末は、前記基地局との距離を算出し、前記データに設定する複製制限数ｎの初期値Ｌを当該距離が遠いほど大きな値に設定する構成であり、
前記他の端末は、ｎ≠１のデータを受信したときに前記複製制限数ｎを所定の割合で減算設定して転送し、ｎ＝１のデータを受信したときに前記基地局以外には転送しない構成である
ことを特徴とする無線ネットワークシステム。