JP6296335B2 - モバイルアドホックネットワーククラスタリングにおける送信電力制御装置及び送信電力制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、携帯電話やスマートフォン（多機能形態電話）のような移動する無線通信端末（以下単に端末という）のみで構成されるモバイルアドホックネットワーククラスタリングにおける送信電力制御装置及び送信電力制御方法に関する。
発明者等は、複雑性要因が存在した場合でもパフォーマンス（データパケット到達率や遅延時間）が維持可能なアシュアランスネットワーク（非特許文献１）及びアシュアランスネットワーク技術を適用した自律分散クラスタリング（非特許文献２）と自律分散クラスタリングに基づく階層ルーティングHi-AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector）（非特許文献３）を提案している。自律分散クラスタリングとHi-AODVは、ノード数が多くカバーエリアが広い大規模モバイルアドホックネットワーク(mobile
ad hoc network；以下MANETという)の効率的な管理と経路制御が可能であるが（非特許文献４）、常に一定の送信電力(例えば送信範囲２５０mで固定)で通信するために、ノード密度の大きな変化への高い適応力を持たない。その結果電波干渉や無駄な消費電力増加を誘発する。
ad hoc network；以下MANETという)の効率的な管理と経路制御が可能であるが（非特許文献４）、常に一定の送信電力(例えば送信範囲２５０mで固定)で通信するために、ノード密度の大きな変化への高い適応力を持たない。その結果電波干渉や無駄な消費電力増加を誘発する。
自律分散クラスタリング
自律分散クラスタリングは、MANETをクラスタと呼ばれるサブネットワークに分割し、階層的に管理する方法である。クラスタの管理は、一定間隔で送信される２種類の制御パケットを用いる。その特徴は、各クラスタが独立していること、複数のクラスタに属するノードが存在しないことである。クラスタは、クラスタを管理する端末であるクラスタヘッドCH及びその他の端末であるメンバノードから構成される。
自律分散クラスタリングは、MANETをクラスタと呼ばれるサブネットワークに分割し、階層的に管理する方法である。クラスタの管理は、一定間隔で送信される２種類の制御パケットを用いる。その特徴は、各クラスタが独立していること、複数のクラスタに属するノードが存在しないことである。クラスタは、クラスタを管理する端末であるクラスタヘッドCH及びその他の端末であるメンバノードから構成される。
クラスタヘッドCHは、クラスタ内に自身を根とするクラスタヘッドベースツリー（以下CHBTという）を構築することでクラスタを管理する。クラスタサイズは、事前に与えた上限と下限の間に収まる。クラスタサイズが上限と下限の間に収まっているとき、クラスタは安定しているとする。
図１４に、自律分散クラスタリングにより2つのクラスタAとBが構築されている例を示す。各クラスタヘッドCH（◎で示す）はクラスタを根とするCHBTを構築する。また、隣接クラスタ同士はゲートウェイノード（●で示す）を介してリンクを確立する。クラスタヘッドCHは、クラスタを構築／管理するために、MEP(Member Packet)およびMEPに対する応答であるMAP(Member Ack
Packet)と呼ばれる２つの制御パケットを用いる。図中の数字１〜２５はノードIDを示す。
Packet)と呼ばれる２つの制御パケットを用いる。図中の数字１〜２５はノードIDを示す。
クラスタの構築は以下の手順で行う。クラスタヘッドCHは、クラスタ内に一定間隔でMEPをブロードキャストする。MEPにはクラスタIDと自身のノードIDが付加されている。MEPを受信したノードは、それらの情報を隣接ノード情報としてリストに保存し、隣接ノード情報を基に自身の状態や所属するクラスタを決定する。MEPを受信したノードは、その MEP送信元ノードを親ノードとし、MEPを転送する。受信したMEPに付加されているクラスタIDと自身のクラスタIDが異なる場合、MEPを受信したノードはBN(Border Node)となる。BNとはゲートウェイの役割をするノードである。BNは受信したMEPから隣接クラスタ情報を取得し、隣接クラスタリストを構築する。隣接クラスタリストには、隣接クラスタのクラスタID、クラスタメンバ数が格納されている。
また、各ノードはMEP転送時に応答タイマをセットする。応答タイマはクラスタヘッドCHからのホップ数が大きなノードから切れるように設定される。応答タイマが切れたノードは、親ノードに向けてMAPを送信する。ここで、MEPに付加されるクラスタIDと自身のクラスタIDが異なる場合はMEPを転送しない。これは、不用意な制御パケットの転送を防ぐためである。MAPにはクラスタメンバリストと隣接クラスタリストが付加されている。クラスタメンバリストとは、クラスタメンバの情報を格納したリストである。MAPを受信したノードは、クラスタメンバリストに自身の情報（ノードID、ホップ数、親ノードID、状態）を追加し、親ノードに向けてMAPを送信する。以上の動作を繰り返すことで、クラスタおよびCHBTは構築される。
また、クラスタヘッドCHは、クラスタ構築動作によりリストを収集することで、クラスタメンバおよび隣接クラスタの情報を収集する。クラスタの管理は以下の手順で行われる。クラスタの管理とは、事前に与えたクラスタサイズの上限と下限に収まるようクラスタを分割・結合することである。
はじめにMAPに付加されるクラスタメンバリストと隣接クラスタリストが保持する情報について述べる。クラスタメンバリストは、”クラスタメンバのノードID”、”クラスタヘッドからのホップ数”を保持する。よって、クラスタヘッドCHは、クラスタメンバリストを集計することでクラスタサイズを把握することができる。また、MEPにはクラスタサイズが記載されて付加されているため、隣接クラスタのクラスタサイズも把握できる。隣接クラスタリストは、”隣接クラスタID”、”BN”、”隣接クラスタサイズ”を保持する。クラスタヘッドCHは、自身が属するクラスタサイズが上限を超えたとき、クラスタメンバリストを基に下限を下回らないようクラスタを分割する。また、下限を下回るとき、隣接クラスタリストを基に上限を超えないよう隣接クラスタと結合する。クラスタが上限と下限の間に収まるときクラスタは安定しているとする。
階層ルーティングプロトコルHi-AODV
Hi-AODVは、自律分散クラスタリングに基づく階層ルーティングプロトコルである（非特許文献４）。クラスタ内はCHBTによるルーティングを行い、クラスタ間は一つのクラスタを仮想ノードとみなし、AODVに基づくルーティングを行う（非特許文献５）。クラスタ内ルーティングでは、データパケットは一度クラスタヘッドCHまで送信され、CHBTを基に宛先ノードへ送信される。クラスタ間ルーティングはクラスタ間でAODVに基づくルーティングを行う。共通する特徴は、クラスタヘッドCHのみが所持する経路表を参照するため、クラスタヘッドCHを経由することである。
Hi-AODVは、自律分散クラスタリングに基づく階層ルーティングプロトコルである（非特許文献４）。クラスタ内はCHBTによるルーティングを行い、クラスタ間は一つのクラスタを仮想ノードとみなし、AODVに基づくルーティングを行う（非特許文献５）。クラスタ内ルーティングでは、データパケットは一度クラスタヘッドCHまで送信され、CHBTを基に宛先ノードへ送信される。クラスタ間ルーティングはクラスタ間でAODVに基づくルーティングを行う。共通する特徴は、クラスタヘッドCHのみが所持する経路表を参照するため、クラスタヘッドCHを経由することである。
スマートフォン、タブレットPC等携帯情報端末をターゲットとしたプラットフォームであるアンドロイド（Android：登録商標）を搭載した端末において、様々なサービスが開発されている。本発明者らは、Android端末に搭載された無線通信機能を活用し、MANETで構成された児童見守りシステムを開発している（特許文献１）。
Yoshiaki Kakuda, "Assurance networks: concepts, technologies,andcase studies," Proc. Symposia and Workshops onUbiquitous, Autonomic and Trusted Computing (UICATC2010),pp.311-315, Xi’an, P.R.China,Oct. 2010.
Tomoyuki Ohta, Shinji Inoue, Yoshiaki Kakuda, and KenjiIshida, "An adaptive multihop clustering scheme for adhocnetworks with high mobility," IEICE Trans.Commun.,vol.E86-A, pp.1689-1697, July. 2003.
Tomoyuki Ohta, MunehikoFujimoto, Ryotaro Oda, andYoshiaki Kakuda, "A class of hierarchical routingprotocols based on autonomous clustering for large mobile ad hoc networks," IEICE Trans. Commun., vol.E87-B, no.9,pp.2500-2510, Sept. 2004.
C.-K. Toh, "Ad Hoc Mobile Wireless Networks: Protocols and Systems." Prentice Hall Inc., 2002.
C. Perkins, E. Belding-Royer, and S. Das, "Ad hoc on demand distancevector(AODV)routing,"IETFRFC3561, 2003.
本発明は、自律分散クラスタリングとHi-AODVにノード密度に適した送信電力を使用する機能（自己組織型送信電力制御機能）を利用することで、パフォーマンスを維持しつつ、総消費電力量を低減するMANETクラスタリングにおける送信電力制御装置及び送信電力制御方法を提供するものである。
送信電力制御機能は、最適な送信電力の選択、及び送信電力の変更から構成され、クラスタ分割・結合動作時およびクラスタ安定時に実施される。送信電力調整はクラスタヘッドCHにより実施される。最適な送信電力の選択は、クラスタ密度またはクラスタ内の最長距離に基づき選択される。クラスタ密度とは、クラスタの総密度であり、最長距離とはクラスタ内のノード間におけるリンクの長さである。また、すべてのノードはクラスタが安定するまで送信範囲250mを初期の送信電力とする。
本発明は、自律分散クラスタリングに基づいて複数のノードにて構築され、１つのノードよりなるクラスタヘッドと他のメンバノードよりなるクラスタを備え、前記クラスタヘッドが前記メンバノードを管理するモバイルアドホックネットワーククラスタリングにおける送信電力制御装置において、
前記クラスタヘッドが、
クラスタを構築するとともに、クラスタ内のメンバノードへの送信電力を決定するための情報を収集するクラスタ構築・次送信電力決定用情報収集部と、
該クラスタ構築・次送信電力決定用情報収集部からの送信電力制御用情報により送信電力を推測する次送信電力推測部と、
該次送信電力推測部からの次送信電力情報により送信電力の変更及びその通知を行う送信電力変更及び通知部とを備え、
かつ前記メンバノードが、
クラスタを構築するとともに、クラスタ内のメンバノードへの送信電力を決定するための情報を伝達するクラスタ構築・次送信電力決定用情報伝達部と、
該クラスタ構築・次送信電力決定用情報伝達部からの次送信電力決定用情報により送信電力の変更及びその受信、転送を行う送信電力変更及び受信・転送部と、を備え、
前記クラスタヘッドは、
クラスタ内の平均隣接ノード数に基づいて、選択可能な送信電力の範囲を決定する、
ことを特徴とするものである。
前記クラスタヘッドが、
クラスタを構築するとともに、クラスタ内のメンバノードへの送信電力を決定するための情報を収集するクラスタ構築・次送信電力決定用情報収集部と、
該クラスタ構築・次送信電力決定用情報収集部からの送信電力制御用情報により送信電力を推測する次送信電力推測部と、
該次送信電力推測部からの次送信電力情報により送信電力の変更及びその通知を行う送信電力変更及び通知部とを備え、
かつ前記メンバノードが、
クラスタを構築するとともに、クラスタ内のメンバノードへの送信電力を決定するための情報を伝達するクラスタ構築・次送信電力決定用情報伝達部と、
該クラスタ構築・次送信電力決定用情報伝達部からの次送信電力決定用情報により送信電力の変更及びその受信、転送を行う送信電力変更及び受信・転送部と、を備え、
前記クラスタヘッドは、
クラスタ内の平均隣接ノード数に基づいて、選択可能な送信電力の範囲を決定する、
ことを特徴とするものである。
また、本発明は、自律分散クラスタリングに基づいて複数のノードにて構築され、１つのノードよりなるクラスタヘッドと他のメンバノードよりなるクラスタを備え、前記クラスタヘッドが前記メンバノードを管理するモバイルアドホックネットワーククラスタリングにおける送信電力制御装置の送信電力制御方法において、
前記クラスタヘッドが、
クラスタを構築するとともに、クラスタ内の前記メンバノードへの送信電力を決定する情報を収集するステップ、
前記メンバノード間の距離を推測するステップ、
クラスタ面積を推測するステップ、
クラスタ面積に基づきクラスタ密度を推測するステップ、
クラスタ内の平均隣接ノード数に基づいて、選択可能な送信電力の範囲を決定するステップ、
クラスタ密度に基づき次送信電力を決定するステップ、
自身の現送信電力を次送信電力に変更するステップ、
次送信電力を他のメンバノードへ通知するステップ、
よりなる処理を行い、
かつ前記メンバノードが、
クラスタを構築するとともに、クラスタ内の前記メンバノードへの送信電力を決定する情報を伝達するステップ、
次送信電力を受信したか否か判断するステップ、
次送信電力を受信したと判断されたとき、自身の送信電力を次送信電力に変更するステップ、
次送信電力を他のメンバノードへ転送するステップ、
よりなる処理を行うことを特徴とするものである。
前記クラスタヘッドが、
クラスタを構築するとともに、クラスタ内の前記メンバノードへの送信電力を決定する情報を収集するステップ、
前記メンバノード間の距離を推測するステップ、
クラスタ面積を推測するステップ、
クラスタ面積に基づきクラスタ密度を推測するステップ、
クラスタ内の平均隣接ノード数に基づいて、選択可能な送信電力の範囲を決定するステップ、
クラスタ密度に基づき次送信電力を決定するステップ、
自身の現送信電力を次送信電力に変更するステップ、
次送信電力を他のメンバノードへ通知するステップ、
よりなる処理を行い、
かつ前記メンバノードが、
クラスタを構築するとともに、クラスタ内の前記メンバノードへの送信電力を決定する情報を伝達するステップ、
次送信電力を受信したか否か判断するステップ、
次送信電力を受信したと判断されたとき、自身の送信電力を次送信電力に変更するステップ、
次送信電力を他のメンバノードへ転送するステップ、
よりなる処理を行うことを特徴とするものである。
本発明は、自律分散クラスタリングとHi-AODVに自己組織型送信電力制御機能を利用して、できるだけ少ない送信電力で通信することにより、パケットロスおよび消費電力の増加を抑制することができる。すなわちクラスタ毎に異なるノード密度であってもクラスタ密度に応じて最適な送信電力を選択することができる。送信電力調整の対象は、クラスタ内である。これにより、クラスタ毎に異なるノード密度であっても、クラスタ毎に最適な送信電力を選択できる。
前提と特徴
本発明の実施形態は、次の４つの前提又は特徴を有している。
１．自律分散クラスタリングおよびHi-AODVに基づく。
２．全ノードが7段階の送信電力を自律的に調整可能。
３．送信電力制御はネットワーク層で実施。
４．電力制御にGPSによる位置情報を用いない。
本発明の実施形態は、次の４つの前提又は特徴を有している。
１．自律分散クラスタリングおよびHi-AODVに基づく。
２．全ノードが7段階の送信電力を自律的に調整可能。
３．送信電力制御はネットワーク層で実施。
４．電力制御にGPSによる位置情報を用いない。
クラスタヘッドCHの構成
図１において、１は、クラスタを構築するとともに、クラスタ内のメンバノードへの送信電力を決定するための情報を収集するクラスタ構築・次送信電力決定用情報収集部、２は、クラスタ構築・次送信電力決定用情報収集部１からの送信電力制御用情報により送信電力を推測する次送信電力推測部、３は、次送信電力推測部２からの次送信電力情報により送信電力の変更及びその通知を行う送信電力変更及び通知部である。クラスタヘッドCHはこれらの各部を内蔵する。
図１において、１は、クラスタを構築するとともに、クラスタ内のメンバノードへの送信電力を決定するための情報を収集するクラスタ構築・次送信電力決定用情報収集部、２は、クラスタ構築・次送信電力決定用情報収集部１からの送信電力制御用情報により送信電力を推測する次送信電力推測部、３は、次送信電力推測部２からの次送信電力情報により送信電力の変更及びその通知を行う送信電力変更及び通知部である。クラスタヘッドCHはこれらの各部を内蔵する。
メンバノードの構成
図２において、４は、クラスタを構築するとともに、クラスタ内のメンバノードへの送信電力を決定するための情報を伝達するクラスタ構築・次送信電力決定用情報伝達部、５は、クラスタ構築・次送信電力決定情報伝達部４からの次送信電力決定用情報により送信電力の変更及びその受信、転送を行う送信電力変更及び受信・転送部である。メンバノードはこれらの各部を内蔵する。
図２において、４は、クラスタを構築するとともに、クラスタ内のメンバノードへの送信電力を決定するための情報を伝達するクラスタ構築・次送信電力決定用情報伝達部、５は、クラスタ構築・次送信電力決定情報伝達部４からの次送信電力決定用情報により送信電力の変更及びその受信、転送を行う送信電力変更及び受信・転送部である。メンバノードはこれらの各部を内蔵する。
クラスタヘッドCHによる処理
図３に基づいて、クラスタヘッドCHにおける処理手順（ステップS1〜S7）を順に説明する。
S1:クラスタを構築するとともに、クラスタ内のメンバノードへの送信電力を決定する情報を収集する。この処理は、クラスタ構築・次送信電力決定用情報収集部１にて実行される。
S2:メンバノード間の距離を推測する。
S3:クラスタ面積を推測する。
S4:クラスタ面積に基づきクラスタ密度を推測する。
S5:クラスタ密度に基づき次送信電力を決定する。
ステップS2〜S5の処理は、次送信電力推測部２にて実行される。
S6:自身の現送信電力を次送信電力に変更する。
S7:次送信電力を他のメンバノードへ通知する。
ステップS6,7の処理は、送信電力変更通知部３にて実行される。
図３に基づいて、クラスタヘッドCHにおける処理手順（ステップS1〜S7）を順に説明する。
S1:クラスタを構築するとともに、クラスタ内のメンバノードへの送信電力を決定する情報を収集する。この処理は、クラスタ構築・次送信電力決定用情報収集部１にて実行される。
S2:メンバノード間の距離を推測する。
S3:クラスタ面積を推測する。
S4:クラスタ面積に基づきクラスタ密度を推測する。
S5:クラスタ密度に基づき次送信電力を決定する。
ステップS2〜S5の処理は、次送信電力推測部２にて実行される。
S6:自身の現送信電力を次送信電力に変更する。
S7:次送信電力を他のメンバノードへ通知する。
ステップS6,7の処理は、送信電力変更通知部３にて実行される。
メンバノードによる処理
図４に基づいて、メンバノードにおける処理手順（ステップS11〜S14）を順に説明する。
S11:クラスタを構築するとともに、クラスタ内のメンバノードへの送信電力を決定する情報を伝達する。この処理はクラスタ構築・次送信電力決定用情報伝達部４にて実行される。
S12:次送信電力を受信したか否か判断する。次送信電力を受信したと判断されなかったときは、前ステップS11に戻って、この判断処理が繰り返される。
S13:次送信電力を受信したと判断されたとき、自身の送信電力を次送信電力に変更する。
S14:次送信電力を他のメンバノードへ転送する。
ステップS12〜S14の処理は、送信電力変更及び受信・転送部５にて実行される。
図４に基づいて、メンバノードにおける処理手順（ステップS11〜S14）を順に説明する。
S11:クラスタを構築するとともに、クラスタ内のメンバノードへの送信電力を決定する情報を伝達する。この処理はクラスタ構築・次送信電力決定用情報伝達部４にて実行される。
S12:次送信電力を受信したか否か判断する。次送信電力を受信したと判断されなかったときは、前ステップS11に戻って、この判断処理が繰り返される。
S13:次送信電力を受信したと判断されたとき、自身の送信電力を次送信電力に変更する。
S14:次送信電力を他のメンバノードへ転送する。
ステップS12〜S14の処理は、送信電力変更及び受信・転送部５にて実行される。
干渉予測個所の定義
干渉予測箇所とは、CHBTにみられる特徴的なノード分布が原因となり電波干渉が予測される三角形型の箇所である。CHBTは木構造であるため、親ノードが複数の子ノードを持つことがある。特に、クラスタヘッドCH付近では、この特徴的なノード分布が多くみられるため、多くの電波干渉が予測される。本実施形態では、図５に示すように、特徴的なノード分布を基に、クラスタ内の 3つのノードを点、3つのノードによる各リンクを辺とみなした仮想的な三角形(Si-j,Sj-k,Sk-i)を干渉予測箇所とする(i,j,k:ノードID、図中１〜１４に対応する。右図斜線部)。また、干渉予測箇所の抽出結果はこの三角形の密度値である。抽出された全干渉予測箇所における密度値の総和をクラスタ密度として扱う。
干渉予測箇所とは、CHBTにみられる特徴的なノード分布が原因となり電波干渉が予測される三角形型の箇所である。CHBTは木構造であるため、親ノードが複数の子ノードを持つことがある。特に、クラスタヘッドCH付近では、この特徴的なノード分布が多くみられるため、多くの電波干渉が予測される。本実施形態では、図５に示すように、特徴的なノード分布を基に、クラスタ内の 3つのノードを点、3つのノードによる各リンクを辺とみなした仮想的な三角形(Si-j,Sj-k,Sk-i)を干渉予測箇所とする(i,j,k:ノードID、図中１〜１４に対応する。右図斜線部)。また、干渉予測箇所の抽出結果はこの三角形の密度値である。抽出された全干渉予測箇所における密度値の総和をクラスタ密度として扱う。
干渉予測箇所の推測
隣接ノード間距離の推測
隣接ノード間距離の推測は、物理層（現実世界）から取得した送受信電力情報を用いる。はじめに電波伝搬によるパスロス値を受信電力の算出式から算出する。次に、得られたパスロス値と電波伝搬モデルに与えられるパスロス値の算出式から隣接ノード間距離を算出し、これを推測距離とする。本実施形態では、電波伝搬モデルとして TWO-RAYモデル（図６）を想定している。クラスタメンバは、自律分散クラスタリングの管理に用いる制御パケットMEPとMEPの応答であるMAPに自身の送受信電力を付与する。クラスタヘッドCHは、2種類の制御パケットにより取得したクラスタ内の全ノードの送受信電力とCHBTを基に全隣接ノード間距離を推測する。これらの処理は、クラスタ構築・次送信電力決定用情報収集部１及びクラスタ構築・次送信電力決定用情報伝達部４にてなされる。
隣接ノード間距離の推測
隣接ノード間距離の推測は、物理層（現実世界）から取得した送受信電力情報を用いる。はじめに電波伝搬によるパスロス値を受信電力の算出式から算出する。次に、得られたパスロス値と電波伝搬モデルに与えられるパスロス値の算出式から隣接ノード間距離を算出し、これを推測距離とする。本実施形態では、電波伝搬モデルとして TWO-RAYモデル（図６）を想定している。クラスタメンバは、自律分散クラスタリングの管理に用いる制御パケットMEPとMEPの応答であるMAPに自身の送受信電力を付与する。クラスタヘッドCHは、2種類の制御パケットにより取得したクラスタ内の全ノードの送受信電力とCHBTを基に全隣接ノード間距離を推測する。これらの処理は、クラスタ構築・次送信電力決定用情報収集部１及びクラスタ構築・次送信電力決定用情報伝達部４にてなされる。
電波伝搬モデルにおけるパスロス値の計測
受信電力の算出式から電波伝搬によるパスロス値の算出方法について述べる。本実施形態で使用する高速・高精度ネットワークシミュレータQualnetでは受信電力を数式１で算出する。
受信電力の算出式から電波伝搬によるパスロス値の算出方法について述べる。本実施形態で使用する高速・高精度ネットワークシミュレータQualnetでは受信電力を数式１で算出する。
数式１内の固定パラメータ(fixed value)は、表1の送受信電力を除く変数および値から構成される。
各変数においてtx,rxはそれぞれ送信側と受信側を示す。また、AntennaGain dB,SystemLoss
dBはそれぞれアンテナによる利得、接続などによるアンテナの効率性のロスを示す。各ノードは、MAP送信時に自身の送受信電力(txPower dBm,rxPower
dBm)をMAPに付加する。クラスタヘッドCHは、得られた全クラスタメンバの送受信電力を数式１に代入することで電波伝搬によるパスロス値(pathloss dB)を算出する。
dBはそれぞれアンテナによる利得、接続などによるアンテナの効率性のロスを示す。各ノードは、MAP送信時に自身の送受信電力(txPower dBm,rxPower
dBm)をMAPに付加する。クラスタヘッドCHは、得られた全クラスタメンバの送受信電力を数式１に代入することで電波伝搬によるパスロス値(pathloss dB)を算出する。
電波伝搬モデル（TWO-RAYモデル）におけるパスロス値の計測
図６に示すTWO-RAYモデルは、送信アンテナ６から出た電波が受信アンテナ７に直接届く直接波aと、いったん地表で反射して受信アンテナ７に届く間接波bの２つの波が想定されている。直接波a(FreeSpaceLoss)と間接波b(PlaneEarthLoss)におけるパスロス値の算出式は、数式２、数式３で表される。
図６に示すTWO-RAYモデルは、送信アンテナ６から出た電波が受信アンテナ７に直接届く直接波aと、いったん地表で反射して受信アンテナ７に届く間接波bの２つの波が想定されている。直接波a(FreeSpaceLoss)と間接波b(PlaneEarthLoss)におけるパスロス値の算出式は、数式２、数式３で表される。
電波伝搬モデルにおけるパスロス値は直接波aと間接波bにおけるパスロス値(数式２，３)を比較し算出する。比較の結果、大きいパスロス値を電波伝搬におけるパスロス値とする。
隣接ノード間距離の算出
数式１に送受信電力を代入し、パスロス値 X(pathloss dB)を求める。次に、数式２と数式３を用いて、得られた値Xが直接波aによるパスロス値なのか、間接波bによるパスロス値なのかを判定する。はじめに、パスロス値Xが直接波aによるパスロス値FreeSpaceLossであったと仮定する。数式２のFreeSpaceLossにXを代入することで、そのときの隣接ノード間距離Distanceが求められる。得られた隣接ノード間距離を数式３に代入し、同じ条件下での間接波bによるパスロス値Y(PlaneEarthLoss)を求める。
１．Y<X:直接波によるパスロス値がXであるという仮定が成り立つ。算出された隣接ノード間距離を推測結果とする。
２．X<Y:直接波aによるパスロス値がXであるという仮定が成り立たない。この場合、間接波bによるパスロス値が Xであると仮定し、数式３を用いて隣接ノード間距離を再計算する。再計算した隣接ノード間距離を推測結果とする。このノード間距離の推測は、次送信電力推測部２にてなされる。
数式１に送受信電力を代入し、パスロス値 X(pathloss dB)を求める。次に、数式２と数式３を用いて、得られた値Xが直接波aによるパスロス値なのか、間接波bによるパスロス値なのかを判定する。はじめに、パスロス値Xが直接波aによるパスロス値FreeSpaceLossであったと仮定する。数式２のFreeSpaceLossにXを代入することで、そのときの隣接ノード間距離Distanceが求められる。得られた隣接ノード間距離を数式３に代入し、同じ条件下での間接波bによるパスロス値Y(PlaneEarthLoss)を求める。
１．Y<X:直接波によるパスロス値がXであるという仮定が成り立つ。算出された隣接ノード間距離を推測結果とする。
２．X<Y:直接波aによるパスロス値がXであるという仮定が成り立たない。この場合、間接波bによるパスロス値が Xであると仮定し、数式３を用いて隣接ノード間距離を再計算する。再計算した隣接ノード間距離を推測結果とする。このノード間距離の推測は、次送信電力推測部２にてなされる。
干渉予測箇所の抽出
干渉予測箇所の抽出は、クラスタヘッドCHが保持している隣接ノード間距離リストをもとに行う。リストには、CHBTに基づく隣接ノード間距離、CHBTには基づかないが通信可能な隣接ノード情報（Non-CHBT）から推測した隣接ノード間距離が含まれる。CHBTに基づく隣接ノード間距離は、自律分散クラスタリング及び隣接ノード間距離の推測方法を用いて推測する。Non-CHBTに基づく隣接ノード間距離は、オーバヒアリング及び隣接ノード間距離の推測方法を用いて推測する。
干渉予測箇所の抽出は、クラスタヘッドCHが保持している隣接ノード間距離リストをもとに行う。リストには、CHBTに基づく隣接ノード間距離、CHBTには基づかないが通信可能な隣接ノード情報（Non-CHBT）から推測した隣接ノード間距離が含まれる。CHBTに基づく隣接ノード間距離は、自律分散クラスタリング及び隣接ノード間距離の推測方法を用いて推測する。Non-CHBTに基づく隣接ノード間距離は、オーバヒアリング及び隣接ノード間距離の推測方法を用いて推測する。
はじめにオーバヒアリングにより、Non-CHBTに基づく隣接ノード間距離を取得する方法を述べる。次に、干渉予測箇所の抽出方法を述べる。オーバヒアリングにより、Non-CHBTに基づく隣接ノード間距離を取得するため、ネットワークを構成するノードはプロミスキャスモードとする。これにより自身が受信可能なすべての MAPが受信可能となる。MAPを受信したノードは、”MAPの送信元ノードID”、”自身のノード ID”、”送信元の送信電力”、”MAP受信時の自身の受信電力”をMAPに付加して親ノードに送信する。これにより、クラスタヘッドCHはNon-CHBT情報を収集する。
干渉予測箇所(Si-j,Sj-k,Sk-i)をは、CHBTおよびNon-CHBTに基づく隣接ノード間距離リストをもとに、三辺が次を満たすよう抽出される。
１．CHBTから得た2辺とNon-CHBTから得た1辺
２．CHBTから得た1辺とNon-CHBTから得た2辺
１．CHBTから得た2辺とNon-CHBTから得た1辺
２．CHBTから得た1辺とNon-CHBTから得た2辺
図５に示す送信電力制御実施時のクラスタにおいて、(i)(S1-3,S3-4,S4-1)、(ii) (S5-6,S6-14,S14-5)を含む計８個の干渉予測箇所を抽出している（図中斜線部）。同図において、個々の干渉予測箇所は、干渉予測箇所を構成する三辺と２４個のノードで推測される(３×８.重複含む)。よって、全干渉予測箇所の密度値は(２４÷８個の干渉予測箇所の面積)×100により抽出される。こうして得られた全干渉予測箇所の密度値をクラスタ密度として扱う。このクラスタ面積の推測及びクラスタ密度の推測は、次送信電力推測部２にてなされる。
送信電力制御
最適な送信電力の選択
最適な送信電力の選択、決定は、クラスタの状態に基づく３つのケースにおいて実施される。３つのケースとは、クラスタサイズが(1)下限を下回る（結合）、(2)上限を超える（分割）、(3)下限と上限の間（安定）である。ここで、（結合）（分割）（安定）なる表現は、クラスタの動作及び状態を表している。
(1)結合：自身の送信電力と結合対象のクラスタの送信電力を比較した結果、大きい送信電力を結合後のクラスタの最適な送信電力とする。比較は、結合動作に用いる制御パケットを用いてクラスタヘッドCHが行う。
(2)分割：クラスタヘッドCHは分割動作時に最適な送信電力選択動作を行わない。分割後、生成された２つのクラスタの送信電力は分割前の送信電力と同じである。
(3)安定：クラスタ密度又はCHBT内の最大距離を用いて最適な送信電力を推測する。この次送信電力の決定は、次送信電力推測部２にてなされる。
最適な送信電力の選択
最適な送信電力の選択、決定は、クラスタの状態に基づく３つのケースにおいて実施される。３つのケースとは、クラスタサイズが(1)下限を下回る（結合）、(2)上限を超える（分割）、(3)下限と上限の間（安定）である。ここで、（結合）（分割）（安定）なる表現は、クラスタの動作及び状態を表している。
(1)結合：自身の送信電力と結合対象のクラスタの送信電力を比較した結果、大きい送信電力を結合後のクラスタの最適な送信電力とする。比較は、結合動作に用いる制御パケットを用いてクラスタヘッドCHが行う。
(2)分割：クラスタヘッドCHは分割動作時に最適な送信電力選択動作を行わない。分割後、生成された２つのクラスタの送信電力は分割前の送信電力と同じである。
(3)安定：クラスタ密度又はCHBT内の最大距離を用いて最適な送信電力を推測する。この次送信電力の決定は、次送信電力推測部２にてなされる。
はじめにクラスタ密度およびCHBT内の最大距離に基づく送信電力制御機能について述べ、次に、ノード密度に基づく送信電力幅の決定方法について述べる。クラスタ密度に基づく送信電力制御は、クラスタヘッドCHがクラスタ密度と表２に示す密度の閾値を比較する。比較の結果、クラスタ密度を上回る直近の送信電力レベルを最適な送信電力レベルとする。閾値は、CHBT内の距離がすべて等しいと仮定し、各レベルにおける送信半径を用いて算出した。送信電力レベルが７のとき、三辺は250mである。このとき干渉予測箇所の面積は27063m2、密度は0.011（個数÷m2）である（表2参照）。その他の送信電力レベルにおいても同様に求める。もしクラスタ密度が0.013であれば、最適な送信電力レベルは7となる。
CHBT内の最長距離に基づく送信電力制御は、表２に示す送信半径を用いる。クラスタヘッドCHは CHBT内の最長距離と表２内の送信半径を比較する。比較の結果、最長距離を上回る直近の送信電力レベルを最適な送信電力レベルとする。
クラスタヘッドCHは、干渉予測箇所内のリンクの数(links-w/i)と干渉予測箇所にないリンクの数(links-w/o)に基づき、クラスタ密度及びCHBT内の最長距離どちらに基づく送信電力制御を実施するか決定する。links-w/iの数がlinks-w/oよりも多い場合、クラスタヘッドCHはクラスタ密度に基づく送信電力制御を実施する。links-w/oの数がlinks-w/iよりも多い場合、クラスタヘッドCHはCHBT内の最長距離に基づく送信電力制御を実施する。
図５に示す送信電力制御実施時のクラスタ（全ノード数１４個(ID:１-１４)）において、クラスタ内の全リンク数は２１本である(内訳は、CHBTに基づくリンクは１３本、Non-CHBTに基づくリンクは８本である)。このとき、links-w/iは、18本（1-2,1-3,1-4,1-5,1-6,2-3,2-6,2-7,2-8,3-4,4-5,4-10,4-11,5-6,5-14,6-14,7-8,10-11）であり、links-w/oは3本（3-9,5-12,5-13）である（ここで、括弧内の数値 i-jはノードID:I,jにおけるリンクを示す）。よって、このクラスタのクラスタヘッドCHは、クラスタ密度に基づく送信電力制御を実施する。
本実施形態では、選択可能な送信電力を可変させる。すなわち、選択可能な送信電力に幅をもたせる。なぜなら、各ノード密度においてデータパケット到達率の維持／向上及び消費電力の低減化を同時に図ることができる送信電力を選択するためである。各クラスタヘッド CHは自身と隣接するノードの数を推測できるが、ネットワーク全体のノード密度を推測することはできない。よって、本実施形態ではクラスタヘッドCHが推測可能な隣接ノード数をノード密度として扱う。なぜなら、隣接ノード数はノード密度の変化に依存して変化するからである。
７段階の送信電力レベルから選択可能な送信電力幅を決定するために実施した予備実験から、図７に示すように、７段階の送信半径 (100m-250m)を平均隣接ノード数に応じて(1) 6.0以下:250mのみ、(2)7.2〜8.7:225m-250m、(3)8.7以上:175m-250mと可変させる。クラスタヘッドCHは、はじめに平均隣接ノード数から送信電力幅を決定し、次にクラスタ密度をもとに送信電力幅から最適な送信電力を選択する。
送信電力の変更
送信電力の変更は、クラスタヘッドCHが定期的に送信するMEPに、隣接ノード数を基に選択した最適な送信電力を付与しクラスタメンバに伝達することで実施する。クラスタ構築と送信電力制御のタイミングは以下の通りである。
１．クラスタ構築
２．クラスタ状態確認
３．送信電力変更実施の通知
４．送信電力変更
送信電力の変更は、クラスタヘッドCHが定期的に送信するMEPに、隣接ノード数を基に選択した最適な送信電力を付与しクラスタメンバに伝達することで実施する。クラスタ構築と送信電力制御のタイミングは以下の通りである。
１．クラスタ構築
２．クラスタ状態確認
３．送信電力変更実施の通知
４．送信電力変更
図８にクラスタ構築と送信電力制御のタイミングを示す。図には、３つのノード（クラスタヘッドCH（◎示す）と２つのクラスタメンバ（○印で示す））が存在する。クラスタヘッドCHは、クラスタ構築後、MEP送信前にクラスタ状態を確認する。クラスタ状態が安定しているとき、送信電力制御実施の通知を MEPに付与する。通知を MEPに付与した後、クラスタヘッドCHはそのMEPを送信し、そのMEPを受信したノードは通知をMEPに付与しMEPを転送する。MEP送信間隔後もなお、クラスタが安定状態を維持しているとき、クラスタヘッドCHは最適な送信電力を選択する。自身の送信電力を最適な送信電力に変更後、最適な送信電力をMEPに付与し、送信する。MEPを受信したノードは、自身の送信電力を最適な送信電力に変更後、MEPを転送する。クラスタの安定確認は３度行われ、3度連続で安定した場合のみ送信電力制御が実施される。クラスタヘッドCHにおける自身の送信電力を次送信電力に変更する処理及び次送信電力を他端末（他のメンバノード）に通知する処理は、送信電力変更及び通知部３にてなされ、ノードにおける次送信電力を受信したか否かの判断、自身の送信電力を次送信電力に変更する処理及び次送信電力を他端末（他のメンバノード）に転送する処理は、送信電力変更及び受信・転送部５にてなされる。
シミュレーションモデルとパラメータ
本実施形態のノード密度の大きな変化への適応能力を評価するため、シミュレーション実験による従来法との比較、評価を行った。実験パラメータを表３に示す。連続的にノード密度を変化させるため、時間経過に伴いノード数が変化する移動モデルを用いた。
本実施形態のノード密度の大きな変化への適応能力を評価するため、シミュレーション実験による従来法との比較、評価を行った。実験パラメータを表３に示す。連続的にノード密度を変化させるため、時間経過に伴いノード数が変化する移動モデルを用いた。
図９に示すようにフィールドは4×2の格子状であり、2000m〜1000mである。また、各時間におけるノード数は図１０に示す通りである。ノード数の変化からフィールドの左側を密エリア、右側を疎エリアとする。ランダムに選択されたノードが、時間経過とともに右から左へ移動していくことで、各時間におけるノード数の変化を実現している。ノードの速度は、図９における四角内の数値であり、単位は m/sである。このとき平均隣接ノード数は、図１１に示す通りである。
平均隣接ノード数は送信半径を 250mとして算出した。比較対象は、送信電力制御機能を持たない自律分散クラスタリングおよび Hi-AODVである（以下、従来法と呼ぶ）。従来法における送信範囲は一定であり250mである。本実施形態の初期送信半径は250mである。評価項目は、データパケット到達率、物理層においてパケット送信に要する総消費電力である。物理層におけるパケット送信に要する総消費電力を、数式４にて算出する。数式４は、本実施形態で使用したネットワークシミュレータQualNetに初期実装されている。
ここで、Durationと NON DBはそれぞれパケット送信に要するデュレーション、各送信電力におけるパケット送信に要する消費電力（表 2参照）を示している。”16÷SEC”は、QualNetに初期実装されている送信電力係数を示している。
シミュレーション実験の結果を図１２、１３に示す。縦軸は、図１２においてはデータパケット到達率を、図１３においては消費電力を、横軸は、それぞれシミュレーション時間を示している。この結果から、データパケット到達率においては差がみられなかったが、ネットワーク全体における消費電力量は約１３%抑制できたことを確認した。
データパケット到達率に差がみられない理由は、両方法においてクラスタが安定していることが考えられる。両方法において、クラスタ構築および管理に用いるMEPとMAPの総送信数には差がみられなかった。送信電力制御において、送信電力を削減したことによりクラスタの接続性が損なわれることを防ぐ必要がある。すなわち、送信電力を削減したことによりクラスタサイズが下限を下回り、クラスタ結合動作が頻繁に生じることを防がなければならない。
両方法におけるクラスタ分割・結合回数を比較した結果、本実施形態は分割数が0.9倍、結合数が1.5倍であった。しかし、いずれもシミュレーション開始直後であるため、送信電力制御による影響ではなく、クラスタが安定するまでに生じた動作と考えられる。以上のことから各クラスタ密度に応じて最適な送信電力を選択できたと考えられる。また、各ノードにおける使用した通信範囲の分布を調べた結果、最も使用された通信範囲が225mであり、これにより消費電力を約13%改善できたと考えられる。
図１３において、１０秒付近まで消費電力量が多い理由は、本実施形態の初期の通信範囲が250mだからである。クラスタが構築されて以降は、225mの通信範囲が多く使用されているため消費電力量が減少している。
本発明は、災害時における通信を行うネットワークに利用できる。また、平常時においても端末の情報を近隣の端末に伝搬させるネットワークとしても使うことができる。さらに、各種イベント会場内で移動する互いに面識の無い人間にイベントのための情報を徐々に提供するシステムに使用できる。
１ クラスタ構築・次送信電力決定用情報収集部
２ 次送信電力推測部
３ 送信電力変更及び通知部
４ クラスタ構築・次送信電力決定用情報伝達部
５ 送信電力変更及び受信転送部
６，７ アンテナ
２ 次送信電力推測部
３ 送信電力変更及び通知部
４ クラスタ構築・次送信電力決定用情報伝達部
５ 送信電力変更及び受信転送部
６，７ アンテナ
Claims (2)
- 自律分散クラスタリングに基づいて複数のノードにて構築され、１つのノードよりなるクラスタヘッドと他のメンバノードよりなるクラスタを備え、前記クラスタヘッドが前記メンバノードを管理するモバイルアドホックネットワーククラスタリングにおける送信電力制御装置において、
前記クラスタヘッドが、
クラスタを構築するとともに、クラスタ内のメンバノードへの送信電力を決定するための情報を収集するクラスタ構築・次送信電力決定用情報収集部と、
該クラスタ構築・次送信電力決定用情報収集部からの送信電力制御用情報により送信電力を推測する次送信電力推測部と、
該次送信電力推測部からの次送信電力情報により送信電力の変更及びその通知を行う送信電力変更及び通知部と、を備え、
かつ前記メンバノードが、
クラスタを構築するとともに、クラスタ内のメンバノードへの送信電力を決定するための情報を伝達するクラスタ構築・次送信電力決定用情報伝達部と、
該クラスタ構築・次送信電力決定用情報伝達部からの次送信電力決定用情報により送信電力の変更及びその受信、転送を行う送信電力変更及び受信・転送部と、を備え、
前記クラスタヘッドは、
クラスタ内の平均隣接ノード数に基づいて、選択可能な送信電力の範囲を決定する、
ことを特徴とするモバイルアドホックネットワーククラスタリングにおける送信電力制御装置。 - 自律分散クラスタリングに基づいて複数のノードにて構築され、１つのノードよりなるクラスタヘッドと他のメンバノードよりなるクラスタを備え、前記クラスタヘッドが前記メンバノードを管理するモバイルアドホックネットワーククラスタリングにおける送信電力制御装置の送信電力制御方法において、
前記クラスタヘッドが、
クラスタを構築するとともに、クラスタ内の前記メンバノードへの送信電力を決定する情報を収集するステップ、
前記メンバノード間の距離を推測するステップ、
クラスタ面積を推測するステップ、
クラスタ面積に基づきクラスタ密度を推測するステップ、
クラスタ内の平均隣接ノード数に基づいて、選択可能な送信電力の範囲を決定するステップ、
クラスタ密度に基づき次送信電力を決定するステップ、
自身の現送信電力を次送信電力に変更するステップ、
次送信電力を他のメンバノードへ通知するステップ、
よりなる処理を行い、
かつ前記メンバノードが、
クラスタを構築するとともに、クラスタ内の前記メンバノードへの送信電力を決定する情報を伝達するステップ、
次送信電力を受信したか否か判断するステップ、
次送信電力を受信したと判断されたとき、自身の送信電力を次送信電力に変更するステップ、
次送信電力を他のメンバノードへ転送するステップ、
よりなる処理を行うことを特徴とする送信電力制御方法。
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