JPWO2013088498A1 - 送信制御方法、ノードおよび送信制御プログラム - Google Patents

送信制御方法、ノードおよび送信制御プログラム Download PDF

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Abstract

各ノードは、マルチホップネットワークを形成するノードの中で、自ノードの通信範囲に含まれる他ノードの数を計数し、計数したノード数に基づいて、フレームを再送する回数を決定する。そして、各ノードは、宛先ノードに対してフレームを送信し、送信したフレームに対する応答を受信するまで、フレームの再送を決定した回数繰り返す。その後、各ノードは、フレームの再送を決定しか回数繰り返した結果として応答を受信できなかった場合に、宛先ノードまでの経路を他の経路に切り替える。

Description

本発明は、送信制御方法、ノードおよび送信制御プログラムに関する。
近年、無線通信装置にセンサを搭載させ、マルチホップ・アドホック通信でセンサの計測データをGW(GateWay)などの管理装置で収集する無線センサネットワークが注目されている。無線センサネットワークを形成する無線通信装置は、IP(Internet Protocol)アドレスやGWなどのネットワーク設定が不要であり、ネットワークに配置後、自律分散的に最終宛先装置までの経路を確定する。
例えば、各無線通信装置は、1ホップで通信可能な隣接装置と制御メッセージを交換してお互いの存在を把握する。また、各無線通信装置は、自装置が保持する経路情報を制御メッセージに含めて送信することで、隣接装置との間で経路情報を交換する。このように、無線センサネットワーク内で制御メッセージを交換することで、各無線通信装置は、最終宛先装置までの経路を確定する。
無線センサネットワークに用いられるフレーム送信方式としては、無線LAN(Local Area Network)規格IEEE802.11b等で採用されているCSMA(Carrier Sense Multiple Access)/CA(Collision Avoidance)方式がある。CSMA/CA方式では、電波の衝突を避けるために受信電力強度(RSSI:Received Signal Strength Indication)を監視する。そして、一定以下のRSSIであれば他の装置が送信していない状況と判断し、さらに一定時間待機後にフレームを送信する。フレームを送信した無線通信装置は、送信先からACKを受信するまで、再送を指定回数繰り返す。また、無線通信装置は、再送を指定回数繰り返してもACKを受信できない場合には、送信経路を別の経路に切り替えてフレーム送信を実行する。
特開2009−267532号公報 特開2010−233187号公報 国際公開第2011/013165号
しかしながら、従来技術では、再送回数を増やすことでフレームの到達可能性を高くすることができる。一方で、再送回数を増やすことにより無線帯域の占有率が高くなってしまう。すなわち、再送回数を増やしてフレームの到達可能性を高くすることと、無線帯域を確保することとはトレードオフの関係にあり、両立させることができないという問題がある。
例えば、従来技術では、フレームの未達が発生して主経路から冗長経路に切り替える場合でも、冗長経路の方が主経路よりも電波状態の悪い不安定な経路であることもあり、再送を上限まで繰り返すことが多い。一方で、主経路と冗長経路とで電波状態も変わらない場合もあり、この場合には経路を切り替えた方がフレームの到達可能性を高めることができる。
ところで、通信装置の通信機能を階層構造に分割したモデルとしてOSI基本参照モデルが知られている。OSI基本参照モデルでは、パラメータ操作や関数呼び出しなど各層の処理が他の層へ影響しない、いわゆる依存関係を疎にすることが理想の通信システムとされている。
従来技術の場合、宛先までの経路を選択したり切り替えたりする経路制御が第3層で実行される処理であり、フレームの送信や再送を行う再送制御が第2層で実行される処理である。したがって、再送制御と経路制御とは無関係であり、関連付けて制御することができない。このため、再送回数を増やしてフレームの到達可能性を高くすることが行われるが、その一方で、再送処理が多発することによる無線帯域の占有が発生する。
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、無線帯域の確保と経路安定とを両立させることができる送信制御方法、ノードおよび送信制御プログラムを提供することを目的とする。
本願の開示する送信制御方法、ノードおよび送信制御プログラムは、一つの態様において、アドホックネットワークを構成するノードの中で、自ノードの通信範囲に含まれる他ノードの数を計数する。計数したノード数に基づいて、フレームを再送する回数を決定し、宛先ノードに対してフレームを送信し、送信したフレームに対する応答を受信するまで、前記フレームの再送を前記決定した回数繰り返す。前記フレームの再送を前記決定した回数繰り返した結果として前記応答を受信できなかった場合に、前記宛先ノードまでの経路を他の経路に切り替える処理を含むことを特徴とする。
本願の開示する送信制御方法、ノードおよび送信制御プログラムの一つの態様によれば、無線帯域の確保と経路安定とを両立させることができるという効果を奏する。
図1は、実施例1に係るアドホックネットワークを示す図である。 図2は、アドホックネットワークの一部を抽出した図である。 図3は、実施例1に係るノードの機能ブロック図である。 図4は、ルーティングテーブルに記憶される経路情報の例を示す図である。 図5は、リンク管理テーブルに記憶されるリンク情報の例を示す図である。 図6は、データフレームの例を示す図である。 図7は、HELLOフレームの例を示す図である。 図8は、HELLOフレームの送信処理の流れを示すシーケンス図である。 図9は、再送回数決定処理の流れを示すフローチャートである。 図10は、データフレーム送信処理の流れを示すフローチャートである。 図11は、ネットワークが密である場合の送信制御例を示す図である。 図12は、ネットワークが疎である場合の送信制御例を示す図である。 図13は、送信制御プログラムを実行するコンピュータのハードウェア例を示す図である。
以下に、本発明にかかる送信制御方法、ノードおよび送信制御プログラムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
[全体構成]
図1は、実施例1に係るアドホックネットワークを示す図である。図1に示すように、アドホックネットワークは、GWと複数のノードとを有し、送信元ノードから宛先ノードまで1台以上のノードを経由するマルチホップネットワークである。また、図1に示したアドホックネットワークは、各ノードが自動で経路情報を確定するネットワークである。ノードは、無線通信装置の一例であり、内部または外部にセンサを有し、センシングした値(以下、センサ値と表記する)をGW装置に送信する。GWは、各ノードからセンサ値を収集する管理装置が接続される無線通信装置の一例である。なお、センサ値の例としては、温度、湿度、加速度などがある。
ノード各々は、経路探索プロトコルに従って経路情報を交換する。このとき、ノード各々は、HELLOフレームと呼ばれる制御フレームを用いる。ノード各々は、例えば、宛先ノードであるGWに対して冗長な経路情報を保持する。
一例を挙げると、ノードxは、主経路として、ノードBを経由してGWにフレームを送信する経路を保持する。また、ノードxは、代替経路として、ノードK、ノードJ、ノードI、ノードF、ノードC、ノードAを順に経由する経路を保持する。つまり、ノードxは、GWに対してフレームを送信する場合には、主経路を用いてフレームを送信する。そして、主経路で障害などが発生して主経路が通信できなくなった場合に、ノードxは、経路を代替経路に切り替えて、代替経路でフレームを送信する。
[ネットワークの抜粋]
ここで、説明上、アドホックネットワークを簡略化した図2を用いて以降の実施例を説明する。図2は、アドホックネットワークの一部を抽出した図である。図2に示すように、実施例1では、ノードa、ノードd、ノードe、ノードf、ノードx、ノードvから構成されるアドホックネットワークを例にして説明する。
図2に示した各ノードは、定期的に、自身が保持する経路情報を含めたHELLOフレームを送信する。具体的には、ノードaから送信されたHELLOフレームは、ノードaと直接通信することができるノードdとノードeに受信される。同様に、ノードdから送信されたHELLOフレームは、ノードdと直接通信することができる各隣接ノードに受信される。ノードeからHELLOフレームは、ノードeと直接通信することができる各隣接ノードに受信される。ノードfから送信されたHELLOフレームは、ノードfと直接通信することができる各隣接ノードに受信される。ノードxから送信されたHELLOフレームは、ノードxと直接通信することができる各隣接ノードに受信される。ノードvから送信されたHELLOフレームは、ノードvと直接通信することができる各隣接ノードに受信される。
このように、各ノードは、隣接するノードとHELLOフレームを交換することで、互いの存在確認、生死確認、経路情報の交換を実施することができる。また、各ノードは、HELLOフレームを受信したときの電波強度や各ノードが指定する優先度等に基づいて、各経路情報の評価値を記憶する。そして、各ノードは、同じ宛先とする経路情報が複数ある場合には、評価値の高い経路情報を優先して使用する。
このような各ノードは、アドホックネットワークを形成するノードの中で、自ノードの通信範囲に含まれる他ノードの数を計数し、計数したノード数に基づいて、フレームを再送する回数を決定する。そして、各ノードは、宛先ノードに対してフレームを送信し、送信したフレームに対する応答を受信するまで、フレームの再送を決定した回数繰り返す。その後、各ノードは、フレームの再送を決定した回数繰り返した結果として応答を受信できなかった場合に、宛先ノードまでの経路を他の経路に切り替える。
例えば、各ノードは、ノードが密集している場合には、再送回数を減らして経路を切り替える。一方、各ノードは、ノードが密集していない場合には、再送回数を増やして経路切替を抑制する。
このように、ノードが密集しているか密集していないかによって再送回数を制御することで、OSI基本参照モデルの第2層と第3層との処理を関連付けて制御することができる。したがって、各ノードは、再送回数が増えることによる帯域の占有を防止しつつ、再送回数が減少することによるフレーム到達可能性の低下を抑制することができる。この結果、各ノードは、帯域確保と経路安定を両立させることができる。
[ノードの構成]
次に、ノードの機能ブロック図を説明する。図2に示した各ノードは、同様の構成を有するので、ここではノード10として説明する。図3は、実施例1に係るノードの機能ブロック図である。
図3に示すように、ノード10は、ルーティングテーブル10aとリンク管理テーブル10bとを有する。また、ノード10は、受信部11、送信部12、フレーム分岐処理部13、テーブル管理部14、HELLOフレーム処理部15、データフレーム処理部16、上位処理部17、再送回数制御部18を有する。なお、ルーティングテーブル10aとリンク管理テーブル10bは、例えば半導体素子やハードディスクなどの記憶装置に設けられる。また、受信部11、送信部12、再送回数制御部18は、無線モジュールなどが実行する。また、フレーム分岐処理部13、テーブル管理部14、HELLOフレーム処理部15、データフレーム処理部16、上位処理部17は、MPU(Micro−Processing Unit)などのプロセッサが実行する。
ルーティングテーブル10aは、図4に示すように、経路情報を記憶する。図4は、ルーティングテーブルに記憶される経路情報の例を示す図である。なお、図4では、ノードxのルーティングテーブルを説明する。
図4に示すように、ルーティングテーブル10aは、「宛先、隣接、経路重み、評価値、順位、送信フラグ」を対応付けて記憶する。ここで記憶される「宛先」は、フレームの宛先となるノードを示す情報であり、「隣接」は、フレームを中継するノードのうち、自ノードと相互に接続するノードを示す情報である。「経路重み」は、宛先ノードと隣接ノードとの間の経路の品質を示す情報であり、「評価値」は、自ノードから宛先ノードまでの経路の品質を示す情報である。「順位」は、経路情報の優先順位を示す情報であり、「送信フラグ」は、HELLOフレーム等を用いて経路情報を隣接ノードに送信したか否かを示す情報である。
図4の場合、ルーティングテーブル10aは、宛先ノード「d」、隣接ノード「d」、評価値「50」の経路情報を記憶する。すなわち、ルーティングテーブル10aは、ノード「d」を宛先としてパケットを送信する場合には、隣接ノード「d」にパケットを送信する経路があり、経路の品質が評価値「50」であることを記憶する。また、ルーティングテーブル10aは、宛先ノード「e」、隣接ノード「f」、評価値「55」の経路情報を記憶する。すなわち、ルーティングテーブル10aは、ノード「e」を宛先としてパケットを送信する場合には、隣接ノード「f」にパケットを送信する経路があり、経路の品質が評価値「55」であることを記憶する。
図3に戻り、リンク管理テーブル10bは、リンク情報を記憶する。リンク情報とは、自ノードと隣接ノードとの間のリンクについて、品質を評価した値を示すものである。図5は、リンク管理テーブルに記憶されるリンク情報の例を示す図である。
図5に示すように、リンク管理テーブル10bは、「隣接、往路評価値、復路評価値、リンク重み」を対応付けて記憶する。ここで記憶される「隣接」は、隣接ノードを示す情報であり、「往路評価値」は、往路の品質を示す情報であり、「復路評価値」は、復路の品質を示す情報であり、「リンク重み」は、隣接ノードと自ノードとの間のリンクの品質を示す情報である。
具体的に例を挙げて説明すると、リンク管理テーブル10bは、隣接ノード「d」、往路評価値「30」、復路評価値「20」、リンク重み「50」のリンク情報を記憶する。すなわち、リンク管理テーブル10bは、隣接ノード「d」にとっての往路の品質が往路評価値「30」であり、隣接ノード「d」にとっての復路の品質が復路評価値「20」であることを記憶する。また、リンク管理テーブル10bは、隣接ノード「d」との間のリンクは、リンク重み「50」であることを記憶する。
ここで、往路評価値、復路評価値、リンク重みの概念について説明する。実施例1におけるノード10各々は、隣接ノードとの間でHELLOフレームを送受信するごとに、隣接ノードとの間のリンクの品質を評価し、最新の情報をリンク管理テーブル10bに格納する。
例えば、ノードxは、ノードdとHELLOフレームを交換し、ノードdからHELLOフレームを受信したときの電波強度「30(dBm)」をノードdにとっての往路評価値としてリンク管理テーブル10bに格納する。つまり、ノードxは、ノードdとのリンクの電波強度を往路評価値としてリンク管理テーブル10bに格納する。同様に、ノードxは、ノードdがノードxから送信されたHELLOフレームを受信した時の電波強度「20(dBm)」をノードdから受信し、この電波強度「20(dBm)」をノードdにとっての復路評価値としてリンク管理テーブル10bに格納する。また、ノードxは、ノードbに対する往路評価値と復路評価値とを加算した値をリンク重みとして、リンク管理テーブル10bに格納する。
次に、ルーティングテーブル10aの情報について説明する。ルーティングテーブル10aが記憶する経路重みとは、宛先ノードと隣接ノードとの間の経路の品質を示す情報である。例えば、ノードxからノードeを経由してノードaに到達する経路の場合、ノードxからノードeまでの重みに、ノードeからノードaまでの重みを加算した値となる。また、ルーティングテーブル10aが記憶する評価値とは、経路重みとリンク管理テーブル10bのリンク重みとを加算した値となる。なお、経路重みやリンク重みについても、電波強度等を用いることができる。また、別の情報として、例えば管理者等によって定められた安定度などを用いることもできる。
なお、ルーティングテーブル10aやリンク管理テーブル10bが記憶する情報はあくまで例示であり、図示したものに限定されず、管理者等によって任意に設定変更することができる。例えば、経路重みを用いずにリンク重みだけを用いてもよく、往路評価値か復路評価値のいずれか一方を用いてもよく、往路評価値と復路評価値との平均をリンク重みとしてよい。また、往路評価値や復路評価値として電波強度を用いる例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、HELLOフレームを所定数送受信した場合のHELLOフレームの受信率を用いることもできる。また、電波強度を所定の評価関数等に代入して算出した値を用いることもできる。
図3に戻り、受信部11は、HELLOフレームやデータフレームを受信する処理部である。例えば、受信部11は、アドホックネットワーク内の隣接ノードからHELLOフレームを受信した場合に、受信したHELLOフレームをフレーム分岐処理部13に出力する。また、受信部11は、アドホックネットワーク内の隣接ノードからデータフレームを受信した場合に、受信したデータフレームをフレーム分岐処理部13に出力する。また、受信部11は、送信したフレームに対する応答を隣接ノードから受信した場合に、フレーム分岐処理部13と再送回数制御部18に出力する。
送信部12は、HELLOフレーム処理部15やデータフレーム処理部16等の指示にしたがって、HELLOフレームやデータフレームを宛先に向けて送信する処理部である。例えば、送信部12は、HELLOフレーム処理部15からHELLOフレームが入力された場合に、当該HELLOフレームをブロードキャストで送信する。同様に、送信部12は、データフレーム処理部16からデータフレームが入力された場合に、当該データフレームを宛先ノードに向けてブロードキャストで送信する。なお、送信部12は、リンク管理テーブル10bを用いて算出された密度に応じた再送回数として、例えば5回などを保持する。
また、送信部12は、他のノードから受信したフレームが転送対象である場合に、宛先に向けて、受信したフレームを転送する。例えば、送信部12は、受信フレームの最終的な宛先を示すグローバル宛先アドレスが自ノードではない場合に、当該受信フレームをブロードキャストで転送する。このとき、送信部12は、受信フレームの転送を依頼するノードを示すローカル宛先アドレスが自ノードである場合に、受信フレームを転送してもよい。この場合、送信部12は、宛先までの経路上に位置する隣接ノードのアドレス情報でローカル宛先アドレスを書き換えて転送する。
ここで、図6と図7を用いて、データフレームとHELLOフレームの例を説明する。図6は、データフレームの例を示す図であり、図7は、HELLOフレームの例を示す図である。データフレームは、データフレーム処理部16によって生成され、HELLOフレームは、HELLOフレーム処理部15によって生成される。
図6に示すように、データフレームは、アドホックヘッダと時刻とデータヘッダとデータペイロードとを有する。アドホックヘッダは、アドホックネットワークで送受信されるフレームを識別する情報であり、時刻は、送信時の時刻を示す。データヘッダは、グローバル宛先アドレス、グローバル差出アドレス、FID、HTL、その他等を有し、これらによってデータフレームの詳細を示す。グローバル宛先アドレスは、データフレームの最終宛先となるノードを示す6バイトの情報であり、グローバル差出アドレスは、データフレームの生成元のノードを示す6バイトの情報である。FIDは、フレームを識別する識別子を示す2バイトの情報であり、HTLは、データフレームの有効期限を示す1バイトの情報である。その他は、管理者等が任意の情報を格納できる3バイトの情報である。また、データペイロードは、送信対象のデータが格納される。
続いて、図7に示すように、HELLOフレームは、アドホックヘッダと時刻とHELLOフレームヘッダとHELLOヘッダとを有する。アドホックヘッダは、アドホックネットワークで送受信されるフレームを識別する情報であり、時刻は、送信時の時刻を示す。HELLOフレームヘッダは、送信元ノードと隣接する隣接ノードの情報を示す。 HELLOヘッダは、グローバル宛先アドレスとホップ数と重みとを有し、これらによって、経路情報を示す。グローバル宛先アドレスは、データフレームの最終宛先となるノードを示す6バイトの情報である。ホップ数は、最終宛先までのホップ数を示す1バイトの情報である。重みは、最終宛先までの経路品質を示す2バイトの情報である。
図3に戻り、フレーム分岐処理部13は、受信部11によって受信されたフレームを該当する処理部に振り分ける処理部である。例えば、フレーム分岐処理部13は、受信部11によってフレームが受信された場合に、当該フレームにデータヘッダがある場合には、受信フレームをデータフレーム処理部16に出力する。また、フレーム分岐処理部13は、受信部11によってフレームが受信された場合に、当該フレームにHELLOフレームヘッダがある場合には、受信フレームをテーブル管理部14等に出力する。
テーブル管理部14は、他のノードからHELLOフレームを受信した場合に、リンク管理テーブル10bに記憶される情報やルーティングテーブル10aに記憶される情報を更新する処理部である。例えば、評価値として電波強度を用いた例で説明すると、テーブル管理部14は、HELLOフレームが受信された場合、送信元の隣接ノードの情報とHELLOフレームを受信した時の電波強度とを取得する。そして、テーブル管理部14は、取得した隣接ノードに対応付けてリンク管理テーブル10bに格納される往路評価値をHELLOフレームから取得した電波強度で更新し、リンク重みについても更新する。また、テーブル管理部14は、リンク管理テーブル10bのリンク重みが更新された場合には、ルーティングテーブル10aの評価値等も更新する。なお、評価値として電波強度以外を用いる場合には、テーブル管理部14は、受信したHELLOフレームに含まれる評価値で、リンク管理テーブル10bに記憶される情報を更新してもよい。
図3に戻り、HELLOフレーム処理部15は、定期的にHELLOフレームを生成して送信する処理部である。例えば、HELLOフレーム処理部15は、所定間隔のクロックイベントごとに、ルーティングテーブル10aに記憶される各経路情報を各HELLOヘッダにそれぞれ格納したHELLOフレームを生成してブロードキャストで送信する。一例を挙げると、HELLOフレーム処理部15は、リンク管理テーブル10bに記憶される隣接ノードごとに、当該隣接ノードをグローバル宛先アドレスに格納し、各経路情報を各HELLOヘッダにそれぞれ格納したHELLOフレームを生成する。そして、HELLOフレーム処理部15は、生成したHELLOフレームをブロードキャストで送信する。このとき、HELLOフレーム処理部15は、HELLOフレーム内の時刻に送信時刻を格納して送信する。
また、HELLOフレーム処理部15は、隣接ノードからHELLOフレームを定期的に受信する。そして、HELLOフレーム処理部15は、受信したHELLOメッセージの送信元のノードの情報がリンク管理テーブル10bに格納されていない場合、リンク管理テーブル10bやルーティングテーブル10aを更新する。すなわち、HELLOフレーム処理部15は、新たな隣接ノードが検出された場合に当該ノードに対応するレコードをリンク管理テーブル10bやルーティングテーブル10aに生成する。また、HELLOフレーム処理部15は、受信したHELLOメッセージのグローバル宛先アドレスがルーティングテーブル10aに格納されていない場合、ルーティングテーブル10aに新たなレコードを生成する。なお、新たなレコードを生成する処理等は、テーブル管理部14が実行してもよい。
データフレーム処理部16は、上位処理部17からの指示によってデータフレームを生成して宛先に送信したり、他ノードから受信したデータフレームを上位処理部17に出力したりする処理部である。例えば、データフレーム処理部16は、上位処理部17から宛先と送信対象データの入力を受け付ける。そして、データフレーム処理部16は、入力された宛先のアドレス情報等をグローバル宛先アドレスに格納し、自ノードのアドレス情報等をグローバル差出アドレスに格納する。さらに、データフレーム処理部16は、FIDやHTLには上位処理部17や管理者によって指定された値を格納し、入力されたデータをデータペイロードに格納したデータフレームを生成する。その後、データフレーム処理部16は、入力された宛先をキーとしてルーティングテーブル10aを参照して、宛先に対応付けられた隣接ノードを特定する。そして、データフレーム処理部16は、特定された隣接ノードのうち順位の高い隣接ノードに、生成したデータフレームを送信する。このとき、データフレーム処理部16は、データフレーム内の時刻に送信時刻を格納して送信する。
また、データフレーム処理部16は、他ノードからデータフレームを受信した場合、データフレーム内の時刻とHTLとを参照する。そして、データフレーム処理部16は、有効期限を超過している場合には、エラーを上位処理部17に出力する。また、データフレーム処理部16は、有効期限を超過していない場合は、受信したデータフレームを上位処理部17に出力する。
上位処理部17は、アプリケーション等を実行する処理部である。例えば、上位処理部17は、送信対象のデータと送信先とをデータフレーム処理部16に入力して、データの送信を指示する。また、上位処理部17は、データフレーム処理部16から入力された受信データフレームをアプリケーションに出力する。
再送回数制御部18は、マルチホップネットワークを形成するノードのうち、自ノードと通信可能なノードの数を計数し、計数したノード数に基づいて、フレームを再送する回数を決定する処理部である。一例を挙げると、再送回数制御部18は、定期的にリンク管理テーブル10bを参照する。続いて、再送回数制御部18は、リンク管理テーブル10bの先頭レコードから順に、「隣接」に対応するリンク重みを抽出して閾値以上か否かを判定する。そして、再送回数制御部18は、リンク重みが閾値以上である「隣接」の数を計数する。続いて、再送回数制御部18は、計数した「隣接」の数が閾値以上である場合には、ノードが密集していると判定し、再送回数の初期値から所定数減らした値を送信部12に通知する。一方、再送回数制御部18は、計数した「隣接」の数が閾値未満である場合には、ノードが疎であると判定し、再送回数の初期値から所定数増やした値を送信部12に通知する。
再送回数の決定例については後述するが一例を挙げると、再送回数制御部18は、「隣接」の数が閾値よりどのくらい離れているかによって、再送回数を決定することもできる。例えば、再送回数制御部18は、「(計数した数/閾値)×初期」を再送回数とすることもできる。また、ビットエラー(BER)と受信信号強度(評価値)とを関連付けることもできるが、これについては後述する。
また、再送回数制御部18は、受信部11と送信部12とを監視し、送信したフレームに対する応答を受信するまで、再送を繰り返す指示を送信部12に出力する。そして、再送回数制御部18は、再送を繰り返して応答を受信できなかった場合に、宛先ノードまでの経路を他の経路に切り替える指示を送信部12に出力する。
例えば、再送回数制御部18は、送信部12を監視し、隣接ノードにデータフレームが送信されたことを検出すると、送信部12等から再送回数を取得する。そして、再送回数制御部18は、受信部11を監視し、送信したデータフレームに対するACKが所定時間内に受信できたか否かを判定する。なお、送信済みのデータフレームとACKとの結びつけは、既存の様々な技術を用いることができるが、例えばヘッダ内に含まれるFIDなどの識別子の一致で判定することができる。
そして、再送回数制御部18は、所定時間内にACKを受信できない場合には、データフレームの再送を送信部12に指示する。再送回数制御部18は、このような再送処理によってACKが受信できるまで、リンク管理テーブル10bに記憶される再送回数分繰り返す。そして、再送回数制御部18は、決定された再送回数分の再送処理を実行してもACKを受信できない場合には、送信部12に経路を切替えて送信する指示をする。送信部12は、経路切り替え指示を受信すると、ルーティングテーブル10aを参照して次に順位の高い経路を選択して、データフレームの再送を実行する。その後、再送回数制御部18は、上記処理と同様の処理を繰り返す。
[処理の流れ]
次に、図8から図10を用いて、実施例1に係るノードが実行する処理の流れを説明する。ここでは、HELLOフレームの送信処理、再送回数決定処理、データフレーム送信処理について説明する。
(HELLOフレームの送信処理)
図8は、HELLOフレームの送信処理の流れを示すシーケンス図である。図8に示すように、ノード10の受信部11は、ノード10と通信可能な範囲に位置する隣接ノードからHELLOフレームを受信する(S101)。
ノード10のテーブル管理部14は、受信されたHELLOフレームのHELLOヘッダに含まれるグローバル宛先アドレスごとに、リンク重みや経路情報等を抽出する(S102とS103)。続いて、テーブル管理部14は、グローバル宛先アドレスごとに、評価値等を再計算し(S104)、HELLOフレームから抽出した情報や生成した評価値等を用いて、リンク管理テーブル10bやルーティングテーブル10aを更新する(S105)。
さらに続いて、ノード10の受信部11は、ノード10と通信可能な範囲に位置する他の隣接ノードからHELLOフレームを受信する(S106)。すると、テーブル管理部14は、S102からS105までと同様の処理を実行し、S106で受信したHELLOフレームに基づいて、リンク管理テーブル10bやルーティングテーブル10aを更新する(S107からS110)。
一方で、ノード10は、所定の周期を計測するクロック19を有する。HELLOフレーム処理部15は、クロック19から契機が通知されると(S111)、ルーティングテーブル10aに記憶されている経路情報を用いてHELLOフレームを生成する(S112)。そして、HELLOフレーム処理部15は、リンク管理テーブル10b等に記憶される隣接ノードに対して、生成したHELLOフレームを送信する指示を送信部12に指示する(S113とS114)。送信部12は、指示された隣接ノードに向けて、指示されたHELLOフレームをブロードキャストで送信する(S115)。
(再送回数決定処理)
図9は、再送回数決定処理の流れを示すフローチャートである。図9に示すように、ノード10の再送回数制御部18は、電源投入時またはリセット時にプロセッサやメモリの内容を初期化し、さらに、隣接ノードの疎密を判断する閾値や再送回数に初期値を設定する(S201)。例えば、再送回数制御部18は、ハードウェアの設定ファイルまたはファームウェアの初期値から、設定する初期値を算出してもよく、予め定められた初期値を設定してもよい。
続いて、再送回数制御部18は、リンク管理テーブル10bを参照し(S202)、変数kに0を代入して(S203)、リンク管理テーブル10bの最初のエントリに注目する(S204)。
その後、再送回数制御部18は、注目したエントリのリンク重みが閾値以上か否かを判定する(S205)。そして、再送回数制御部18は、リンク重みが閾値以上である場合(S205肯定)、変数kをインクリメントし(S206)、リンク管理テーブル10bの次のエントリに注目する(S207)。一方、再送回数制御部18は、リンク重みが閾値未満である場合(S205否定)、変数kを更新することなく、S207を実行する。
そして、再送回数制御部18は、次のエントリが存在する場合には(S208肯定)、S205以降の処理を繰り返す。一方、再送回数制御部18は、次のエントリが存在しない場合には(S208否定)、現時点までで計数した変数kの値が閾値より大きいか否かを判定する(S209)。
続いて、再送回数制御部18は、変数kの値が閾値よりも大きいと判定した場合(S209肯定)、すなわちノード数が密集していると判定した場合、初期値から所定数減少させた値を再送回数として送信部12等に通知する(S210)。
一方、再送回数制御部18は、変数kの値が閾値よりも小さいと判定した場合(S209否定)、すなわちノード数が疎であると判定した場合、初期値から所定数増加させた値を再送回数として送信部12等に通知する(S211)。
(データフレーム送信処理)
図10は、データフレーム送信処理の流れを示すフローチャートである。ここでは、一例として、CSMA/CA方式を用いた送信処理を説明する。
図10に示すように、ノード10の送信部12は、データフレーム処理部16からデータフレームの送信指示を受信すると、周囲のフレーム送信状態をRSSI(受信信号強度:Received Signal Strength Indication)で監視する(S301とS302否定)。なお、監視方法は、CSMA/CA方式で用いられる手法と同様なので、詳細な説明は省略する。
そして、ノード10の送信部12は、RSSIが一定値以下となった場合には(S302肯定)、一定時間待機した後に(S303)、データフレーム処理部16から指示された宛先に向けて、指示されたデータフレームを送信する(S304)。
その後、ノード10の受信部11は、送信部12から送信されたデータフレームに対するACK待ちの状態となり(S305)、ACKを受信した場合に(S306肯定)、正常終了する。
一方、ノード10の受信部11は、送信部12から送信されたデータフレームに対するACKを受信できない場合(S306否定)、一定期間過ぎたか否かを判定する(S307)。そして、ノード10の受信部11は、一定期間過ぎていない場合には(S307否定)、S305に戻って、ACKの受信待ちに遷移する。
一方、ノード10の再送回数制御部18は、一定期間経過しても受信部11がACKを受信できない場合(S307肯定)、送信部12等に設定される再送回数を超えた再送処理が実行されたか否かを判定する(S308)。なお、再送回数制御部18は、メモリ等の記憶領域に再送回数を計数しておく。
そして、再送回数制御部18は、再送処理が再送回数を超えていない場合(S308否定)、つまり現時点で再送された回数が図9で決定された再送回数以下である場合、送信部12に再送を実行する指示を出力する(S309)。この再送指示を受けた送信部12は、S301に戻って以降の処理を実行する。
一方、再送回数制御部18は、再送処理が再送回数を超えている場合(S308肯定)、つまり現時点で再送された回数が図9で決定された再送回数を越える場合、送信部12に経路を切替える指示を出力する(S310)。この経路切り替えを指示された送信部12は、ルーティングテーブル10aを参照して新たな経路を選択した後、S301に戻って以降の処理を実行する。
[具体例]
次に、実施例1で説明した再送回数処理について具体的な例を用いて説明する。なお、ここで示す数値等はあくまで例示であり、これに限定されるものではない。また、図5に示したリンク重みはRSSIを表し、30及び20は各々−30dBm、−20dBmを指すものとする。また、ネットワーク構成は図2に示した構成とし、ここでは、ノードxが復路評価値にしたがって再送回数を決定する例について説明する。
例えば、CSMA/CA方式の特徴として単位時間当たりの送信フレーム数が増えると、パケット衝突が増し、スループットが急激に低下することが知られている。無線方式がIEEE802.11bで通信速度が1Mbpsで、例えば帯域1Mbpsの1/4、すなわち250Kbpsに相当するフレームを送信する場合、スループットが低下すると仮定する。このとき、1フレームの最大長を1500byteとすれば、スループットが低下するときのフレーム数は250Kbps/8bit/1500byte≒21となる。従って、疎密を判断する隣接ノード数の閾値nを21台とする。この閾値n=21を隣接ノード数の閾値として疎密の判断に用いる。また、最低受信信号強度を−90dBmとし、リンク管理テーブル10bにリンク重み90(−90dBm)以上のノードは疎密を判断する際に台数をカウントしないこととする。
このような状態において、ノードxの再送回数制御部18は、リンク管理テーブル10bを参照し、隣接ノードの台数をカウントする。まず、再送回数制御部18は、最初のエントリに注目する。図5において、ノードxのリンク管理テーブル10bの最初のエントリはノードdである。したがって、ノードxの再送回数制御部18は、ノードdに注目し、ノードxのHELLOフレームがノードdに受信されたときの復路評価値を確認する。このとき、再送回数制御部18は、復路評価値が20(−20dBm)であることから、最低受信強度である−90dBm以上であるので、隣接ノードとしてカウント(k=1)する。次に、再送回数制御部18は、次のエントリであるノードfに注目し、復路評価値が10(−10dBm)であるので、カウント(k=2)する。尚、再送回数制御部18は、次のエントリが存在しないので、隣接ノードの数をk=2とする。
再送回数制御部18は、隣接ノード数(k=2)が閾値の21を下回るため、ネットワークは疎と判断する。疎であるため、再送回数を増加することが好ましい。例えば、再送回数の初期値が一般的な無線LAN(Local Area Network)の一般的な初期値が4回であるとすると、5回以上の値を設定する。一方、隣接ノードの値が21以上であれば、ネットワークは密である。このときは、4回以下の値を設定する。
なお、連続したビット列のエラー比率(BER)は、受信信号強度で確率的に変化することから、復路評価値とBERとを対応付けて再送回数を増減させてもよい。例えば、受信信号強度が10dBm変化すると、BERは10倍または1/10倍などの一桁程度変化する。従って、−60dBmの受信信号強度の場合に再送回数が4回であれば、−70dBmの場合はBERが10倍となることから、−60dBmと等しい期待値で送信を成功させるための再送回数は10倍の40回となる。しかし、実際には上限が10回であることが多いことから、10回と設定する。
同様に、−50dBmの場合は、−60dBmの時のBERと比較して1/10となるため、再送回数は1から2回としてもよい。なお、上記はノード間でHELLOフレームによる評価値の交換で受信信号強度を交換する方式について述べたが、受信部からドライバ経由で送信元ノードに対する自ノードの受信信号強度を検出しても同様の結果が得られることは言うまでもない。
[効果]
上述したように、各ノードは、マルチホップネットワーク内のノード数が疎か密かによってフレーム送信が失敗した時の再送回数を決定し、再送処理に失敗した後に経路を切替えることで、切替えタイミングを制御し、帯域確保と経路安定を両立させることができる。この具体例を図11と図12とを用いて説明する。
図11は、ネットワークが密である場合の送信制御例を示す図である。図12は、ネットワークが疎である場合の送信制御例を示す図である。図11に示すように、隣接ノードが密である場合、再送回数が増えることによる無線帯域の占有が隣接ノードへ与える影響がより大きい。しかし、経路変更による総ホップ数などの影響は少なく、再送回数を増やすことなく経路変更してもフレームの到達可能性に与える影響は小さい。一方、図12に示すように、隣接ノードが疎である場合、再送回数増による影響は小さいが、経路変更によって総ホップ数が大きく変化し、フレーム到達可能性に影響を与える。
以上より、隣接ノードが密の場合には、再送により無線帯域占有の影響が大きいが経路変更による影響が小さいことから、主経路が不通の場合は経路変更を速やかに実施する。一方、隣接ノードが疎の場合には、再送により無線帯域の占有の影響が小さいが経路変更の影響が大きい。つまり、ノード数が疎なので代替経路の各リンクが不安定な可能性もあり、また、無線リソースには余裕がある。したがって、再送回数を増やし、信頼性の高い経路である主経路を維持する。このように、ネットワークのノード数の密集状況によって、早く経路を切替えるか再送回数を増やすかを制御することで、今まで第2層と第3層とで分かれていた処理を関連付けて制御することができる。このため、トレードオフの関係である、再送回数を増やしてフレームの到達可能性を高くすることと、無線帯域を確保することとを、両立させることができる。
さて、これまで本発明の実施例について説明したが、本発明は上述した実施例以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下に異なる実施例を説明する。
(ノード数の判定例)
上記実施例に係るノード10は、リンク管理テーブル10bを参照して、隣接するノードの数を計数する例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ノード10は、HELLOフレームをブロードキャストで送信し、応答があった数を隣接するノードの数とすることもできる。
また、上記実施例に係るノード10は、リンク管理テーブル10bに記憶されるノードのうち復路評価値が所定以上のノードを計数する例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ノード10は、リンク管理テーブル10bに記憶されるノードそのものをノードの数としてもよく、リンク重みまたは往路評価値が所定以上のノードの数を計数してもよい。
また、位置情報を用いることもできる。例えば、各ノードは、HELLOフレームに自ノードの位置情報を含めて他のノードに送信する。そして、各ノードは、受信した位置情報と自ノードの位置情報とを用いて、各ノードと自ノードとの距離を算出する。その後、各ノードは、自ノードから所定距離内に位置するノードの数を計数し、この値を隣接するノードの数とすることもできる。なお、位置情報は、各ノードにGPSを備えさせることで計測できる。また、位置情報としては、例えば経度と緯度の情報や、座標等を用いることができる。
(各テーブル)
実施例で説明したリンク管理テーブル10bやルーティングテーブル10aに記憶される情報は、図示したものに限定されない。例えば、実施例では、経路重み、リンク重み、評価値などをHELLOフレームに基づいて、自動で最新の情報に更新する例を説明したが、管理者等が設定登録したものであってもよい。つまり、各情報は、変動値であっても固定値であってもよい。
また、実施例で説明した各テーブルの更新手法についても、説明した手法に限定されるものではなく、既存の様々な技術を用いて更新してもよく、管理者等が定期的に手動で更新してもよい。
また、経路重み、リンク重み、評価値にRSSIを用いる例を説明したが、これら以外にも様々な指標を用いることができ、例えば、HELLOフレームの受信率や評価関数等を用いることもできる。また、経路重み、リンク重み、評価値それぞれを別々の指標を用いることもできる。
(データ形式)
また、実施例で説明したHELLOフレームやデータフレームはあくまで一例であり、フレーム形式を限定するものではない。また、上記実施例では、伝送単位としてフレームを用いて説明したが、伝送単位を限定するものではなく、例えばパケットなど伝送対象のデータであればよい。
(経路切替)
例えば、ノード10は、決定した回数分再送を繰り返してもACKを受信できない場合に経路を切替える例を説明したが、切替えた後も、決定した回数分再送を繰り返す。そして、ノード10は、決定した回数分再送を繰り返してもACKを受信できない場合には、さらに経路を切替える。ここで、ノード10は、切替える経路が他にない場合には、送信エラーを管理端末等に通知してもよく、一番初めの経路に戻って再送を繰り返してもよい。
(システム)
また、本実施例において説明した各処理のうち、自動的におこなわれるものとして説明した処理の全部または一部を手動的におこなうこともできる。あるいは、手動的におこなわれるものとして説明した処理の全部または一部を公知の方法で自動的におこなうこともできる。この他、上記文書中や図面中で示した処理手順、制御手順、具体的名称、各種のデータやパラメータを含む情報については、特記する場合を除いて任意に変更することができる。
また、図示した各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られない。つまり、その全部または一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的または物理的に分散・統合して構成することができる。例えば、受信部11と送信部12とを統合することができる。さらに、各装置にて行なわれる各処理機能は、その全部または任意の一部が、CPUおよび当該CPUにて解析実行されるプログラムにて実現され、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現され得る。
(ハードウェア)
図13は、送信制御プログラムを実行するコンピュータのハードウェア例を示す図である。図13に示すように、コンピュータ100は、MPU(マイクロプロセッサユニット)201、PHYチップ202、タイマIC203を有する。さらに、コンピュータ100は、センサ204、DRAM(ダイナミックランダムアクセスメモリ)205、フラッシュメモリ206、無線モジュール207を有する。
MPU201とPHYチップ202とは、とMII(Media Independent Interface)またはMDIO(Management Data Input/Output)インタフェース208で接続される。MIIとMDIOは、物理層とMAC層(Media Access Control sub layer)との間のインタフェースである。MPU201とタイマIC203およびMPU201とセンサ204とは、I2C(Inter-Integrated Circuit)またはPIO(Parallel Input/Output)バス209を介して接続される。また、MPU201とDRAM205、フラッシュメモリ206、無線モジュール207各々は、PCI(Peripheral Component Interconnect)バス210で接続される。なお、ここで例示したバスやインタフェースは、あくまで例示であり、規格や種類を限定するものではない。
MPU201は、フラッシュメモリ206に格納されるプログラムをDRAM205上にロードして実行することで、様々な処理を実行することができる。例えば、MPU201は、フラッシュメモリ206に格納される送信制御プログラムをDRAM205上にロードして実行することで、図3で説明した各処理部と同様の機能を実行することができる。つまり、MPU201は、送信制御プログラムを実行して送信制御プロセスを動作させて、フレーム分岐処理部13とテーブル管理部14とHELLOフレーム処理部15とデータフレーム処理部16と上位処理部17と再送回数制御部18と同様の機能を実行する。なお、送信制御プログラムが格納される場所は、フラッシュメモリ206ではなく、例えば図示しないハードディスク、磁気ディスク、光ディスクなどの記憶媒体などであってもよい。
また、DRAM205は、フレームの送信バッファや受信バッファとして使用することができる。フラッシュメモリ206は、送信制御プログラムを格納するとともに、図3に示したルーティングテーブル10aやリンク管理テーブル10bなどに記憶される情報を記憶する。また、フラッシュメモリ206は、ノードに割り与えられる識別子やMACアドレスなども格納できる。
PHYチップ202は、有線接続における物理層の処理を実行する回路である。無線モジュール207は、無線接続における物理層の処理を実行するハードウェアであり、図3で説明した受信部11や送信部12と同様の機能を実行する。例えば、無線モジュール207は、アンテナ、ADC(Analog to Digital Converter)、DAC(Digital to Analog Converter)、変調器、復調器などを含み、これらの処理によって無線通信でデータを送受信する。タイマIC203は、図8で説明したクロック19と同様の処理を実行する。例えば、タイマIC203は、設定された時間までカウントアップし、設定された時間に到達すると、割込み信号をMPU201に出力する回路である。このようにコンピュータ100は、プログラムを読み出して実行することで送信制御方法を実行する無線通信装置として動作する。
10 ノード
10a ルーティングテーブル
10b リンク管理テーブル
11 受信部
12 送信部
13 フレーム分岐処理部
14 テーブル管理部
15 HELLOフレーム処理部
16 データフレーム処理部
17 上位処理部
18 再送回数制御部

Claims (15)

  1. アドホックネットワークを構成するノードにおける送信制御方法であって、
    前記アドホックネットワークを構成するノードの中で、自ノードの通信範囲に含まれる他ノードの数を計数し、
    計数したノード数に基づいて、フレームを再送する回数を決定し、
    宛先ノードに対してフレームを送信し、送信したフレームに対する応答を受信するまで、前記フレームの再送を前記決定した回数繰り返し、
    前記フレームの再送を前記決定した回数繰り返した結果として前記応答を受信できなかった場合に、前記宛先ノードまでの経路を他の経路に切り替える
    処理を含むことを特徴とする送信制御方法。
  2. 前記計数する処理は、前記アドホックネットワークを構成する各他ノードに対して制御メッセージを送信し、制御メッセージに対する応答の数を計数することを特徴とする請求項1に記載の送信制御方法。
  3. 前記計数する処理は、前記アドホックネットワークを構成する各他ノードから前記自ノードの位置情報を含む制御メッセージを受信し、受信した位置情報と前記自ノードの位置情報とから、前記自ノードと各他ノードとの距離を算出し、算出した距離が所定値以下のノードの数を計数することを特徴とする請求項1に記載の送信制御方法。
  4. 前記計数する処理は、前記自ノードに隣接する他ノードに関する情報を記憶するリンク管理記憶部から、前記隣接するノードの数を計数することを特徴とする請求項1に記載の送信制御方法。
  5. 前記リンク管理記憶部は、前記隣接する他ノードごとに、前記自ノードとの間の通信経路の品質を示す評価値を記憶し、
    前記計数する処理は、前記リンク管理記憶部が記憶する隣接する他ノードのうち、前記評価値が閾値を超えるノードの数を計数することを特徴とする請求項4に記載の送信制御方法。
  6. アドホックネットワークを構成するノードの中で、自ノードの通信範囲に含まれるノードの数を計数する計数部と、
    前記計数部によって計数されたノード数に基づいて、フレームを再送する回数を決定する決定部と、
    宛先ノードに対してフレームを送信し、送信したフレームに対する応答を受信するまで、前記フレームの再送を前記決定部によって決定された回数繰り返して実行する再送実行部と、
    前記再送実行部が再送を繰り返して前記応答を受信できなかった場合に、前記宛先ノードまでの経路を他の経路に切り替える経路切替部と
    を有することを特徴とするノード。
  7. 前記計数部は、前記アドホックネットワークを構成する各他ノードに対して制御メッセージを送信し、制御メッセージに対する応答の数を計数することを特徴とする請求項6に記載のノード。
  8. 前記計数部は、前記アドホックネットワークを構成する各他ノードから前記自ノードの位置情報を含む制御メッセージを受信し、受信した位置情報と前記自ノードの位置情報とから、前記自ノードと各他ノードとの距離を算出し、算出した距離が所定値以下のノードの数を計数することを特徴とする請求項6に記載のノード。
  9. 前記自ノードに隣接する他ノードに関する情報を記憶するリンク管理記憶部をさらに有し、
    前記計数部は、前記リンク管理記憶部を参照して前記隣接するノードの数を計数することを特徴とする請求項6に記載のノード。
  10. 前記リンク管理記憶部は、前記隣接する他ノードごとに、前記自ノードとの間の通信経路の品質を示す評価値を記憶し、
    前記計数部は、前記リンク管理記憶部が記憶する隣接する他ノードのうち、前記評価値が閾値を超えるノードの数を計数することを特徴とする請求項9に記載のノード。
  11. アドホックネットワークを構成するノードが有するコンピュータに、
    前記アドホックネットワークを構成するノードの中で、自ノードの通信範囲に含まれるノードの数を計数し、
    計数したノード数に基づいて、フレームを再送する回数を決定し、
    宛先ノードに対してフレームを送信し、送信したフレームに対する応答を受信するまで、前記フレームの再送を前記決定した回数繰り返し、
    前記フレームの再送を前記決定した回数繰り返した結果として前記応答を受信できなかった場合に、前記宛先ノードまでの経路を他の経路に切り替える
    処理を実行させるための送信制御プログラム。
  12. 前記計数する処理に、前記アドホックネットワークを構成する各他ノードに対して制御メッセージを送信し、制御メッセージに対する応答の数を計数させるための請求項11に記載の送信制御プログラム。
  13. 前記計数する処理に、前記アドホックネットワークを構成する各他ノードから自ノードの位置情報を含む制御メッセージを受信し、受信した位置情報と前記自ノードの位置情報とから、前記自ノードと各他ノードとの距離を算出し、算出した距離が所定値以下のノードの数を計数させるための請求項11に記載の送信制御プログラム。
  14. 前記計数する処理に、前記自ノードに隣接する他ノードに関する情報を記憶するリンク管理記憶部から、前記隣接するノードの数を計数させるための請求項11に記載の送信制御プログラム。
  15. 前記リンク管理記憶部は、前記隣接する他ノードごとに、前記自ノードとの間の通信経路の品質を示す評価値を記憶し、
    前記計数する処理に、前記リンク管理記憶部が記憶する隣接する他ノードのうち、前記評価値が閾値を超えるノードの数を計数させるための請求項14に記載の送信制御プログラム。
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