WO2010084775A1

WO2010084775A1 - 中継装置、制御方法、およびプログラム

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Publication number: WO2010084775A1
Application number: PCT/JP2010/000400
Authority: WO
Inventors: 石井友規; 山口孝雄; 吉田篤
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2010-07-29
Also published as: EP2293642A1; CN102113404B; JPWO2010084775A1; EP2293642B1; CN102113404A; EP2293642A4; JP4573914B2; US20110047291A1; US8392607B2

Abstract

　中継ノード（２０３）は、互いにリンクで接続されることで通信ネットワークを構成する複数の中継ノードの１つであって、中継ノード（２０３）を経由して通信データを伝送するための複数の経路が定められ、中継ノード（２０３）の下流の１つ以上の中継ノードから、前記下流の各中継ノードにおけるリンク切断に対する耐性の強さに応じて累積的に回送されてくるリンク状態通知メッセージを受信するリンク状態受信部（１０４）と、所定の確率分布に従って確率値を発生させる確率生成部（１０６）と、前記リンク状態通知メッセージの個数と前記確率値とを基に、前記複数の経路の１つを選択する経路選択部（１０７）と、経路選択部（１０７）によって選択された経路の下流の中継ノードへ、上流からの通信データを中継する中継処理部（１０８）とを備える。

Description

中継装置、制御方法、およびプログラム

　本発明は、ＩＰ網や無線アドホック網に代表されるパケット交換網における、データ伝送経路のルーティング技術を備えた中継装置、制御方法、およびプログラムに関するものである。

　ＩＰ網に代表される帯域共用型のネットワーク上でデータ送信を行う場合、クロストラフィックと呼ばれる他のサービスやアプリケーションが送受信するトラフィックが原因となり、通信品質の時間的変動が発生することが知られている。通信経路上に無線リンクが存在する場合には、クロストラフィックや外的ノイズによるリンク品質の変動が有線リンクに比べてとくに顕著である。

　無線リンクを用いた通信の場合には、送信された信号波は、飛距離と共に減衰する為、一定の範囲内に存在する受信ノードとの間でしか直接通信をすることができない。この範囲は無線通信レイヤーにおける使用周波数帯や変調方式の違いによって異なる。例えば、ＩＥＥＥ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）によって規格化が行われた５．２ＧＨｚ帯無線通信方式である８０２１１ａを例にとれば、送信電力１６ｄＢｍ、受信感度－６９ｄＢｍ、送信レート５４Ｍｂｐｓの条件下で、約７０ｍ程度になる。この範囲外に存在する受信ノードとの通信は、範囲内に存在する他のノードがデータをバケツリレー中継することによって行われる。このような通信の形態をマルチホップ通信と呼ぶ。

　マルチホップ通信では、送信ノードから送信されるデータは、通常、最短距離を通って受信ノードに到達するのが望ましい。その為には、経路上に位置する各中継ノードが、最適な隣接の中継ノードにデータをリレーしていく必要がある。このような送信ノードから受信ノードへとデータを中継していく為の最適な経路を決定する処理をルーティングと呼び、ルーティングを決定する為にノード上で稼働するプロトコルをルーティングプロトコルと呼ぶ。

　無線網に対しても用途に応じた様々なルーティングプロトコルが提案されており、最短距離の経路を選ぶ以外にも、経路全体としての伝送状態が最も良い経路を選ぶものが存在する。どの経路が良いかという経路評価の指標は、ルーティングのメトリックスと呼ばれ、ルーティングプロトコルによって様々な評価の基準が存在する。

　送信ノードと受信ノード間で単一のデータ送信経路を用いるルーティングプロトコルは、単一経路方式と呼ばれる。無線アドホック網における代表的な単一経路方式として、ＯＬＳＲ（Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　Ｌｉｎｋ　Ｓｔａｔｅ　Ｒｏｕｔｉｎｇ）や、ＡＯＤＶ（Ａｄ　ｈｏｃ　Ｏｎ－Ｄｅｍａｎｄ　Ｄｉｓｔａｎｃｅ　Ｖｅｃｔｏｒ）が知られている。

　単一経路方式の場合、前述のような経路上の無線リンクのリンク品質の低下が起こると、経路切断が発生してデータの送信は中断され、別の経路を発見する処理に入る。発見された経路を用いて通信が再開されるが、経路の回復遅延が大きく、その間に送信されたデータも失われる。

　経路の切換を円滑に短時間で行う為に、予め送信に使用する経路（主経路、またはプライマリーパス）の他に、単数または複数の代替経路（セカンダリーパス）を構築しておく方式が存在する。そのような方式は、複数経路方式、またはマルチパスルーティングと呼ばれる。マルチパスルーティングの従来技術の例として、ルーティングテーブル上に各々の経路に対応するネクストホップノードをその経路の評価値と共に記録しておき、最も評価値の高い経路を選択する方式が、特許文献１に開示されている。

　図１２は、従来技術のネットワークの一例を示す構成図である。

　送信ノード４０１から受信ノード４０６へのデータの送信が、中継ノード４０２、中継ノード４０４を経て行われる場合、この経路が主経路となる。中継ノード４０２から中継ノード４０３を経て受信ノード４０６に至る経路、及び、中継ノード４０２から中継ノード４０５を経て受信ノード４０６に至る経路は、予備的に確保された代替経路である。この代替経路は、主経路でのデータ送信に不具合が生じた場合に交代的に使用される。主経路及び代替経路のルーティングの情報は、マルチパスルーティングのプロトコルに従って、ルーティングテーブルに記録され管理される。

　図１３は、中継ノード４０２上で管理されるルーティングテーブルの一例を示す図である。ルーティングプロトコルに従って発見された複数の経路は、各中継ノードに設けられるルーティングテーブルに記録される。ルーティングテーブルでは、下流の転送先であるネクストホップの中継ノードのアドレスと共に、各経路に対するメトリックスも管理されている。そのため、主経路から代替経路への切換の条件が発生した場合には、代替経路の中から最もメトリックスの値が良好な経路が主経路として交代する。

　メトリックスの例としては、中継ノード４０２から受信ノード４０６に到達する迄に経由する中継ノードの個数が考えられ、この指標はホップ数と呼ばれる。代替経路が予め発見されルーティングテーブル上に記録されている為、単一経路方式と比較して、経路障害に対する回復遅延が小さく、経路切換時のデータ損失も少なくて済むのが特徴である。

特許第４０６０３１６号公報

ＩＥＴＦ　ＲＦＣ３５６１　Ａｄ　ｈｏｃ　Ｏｎ－Ｄｅｍａｎｄ　Ｄｉｓｔａｎｃｅ　Ｖｅｃｔｏｒ　（ＡＯＤＶ）　ＲｏｕｔｉｎｇＩＥＴＦ　ＲＦＣ３６２６　Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　Ｌｉｎｋ　Ｓｔａｔｅ　Ｒｏｕｔｉｎｇ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　（ＯＬＳＲ）Ｋ．　Ｌｅｉｂｎｉｔｚ，　Ｎ．　Ｗａｋａｍｉｙａ，　ａｎｄ　Ｍ．　Ｍｕｒａｔａ，　"Ｒｅｓｉｌｉｅｎｔ　ｍｕｌｔｉ－ｐａｔｈ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ａｔｔｒａｃｔｏｒ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ，"　ｉｎ　Ｔｈｅ　Ｓｅｃｏｎｄ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｏｎ　Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ　Ｉｎｓｐｉｒｅｄ　Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ　ｔｏ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　（ＢｉｏＡｄｉｔ　２００６），　Ｏｓａｋａ，　Ｊａｐａｎ，　Ｊａｎｕａｒｙ　２００６．

　従来技術の複数経路方式が有している課題として２つの点が挙げられる。

　第一の課題は、代替経路の維持コストが発生することである。主経路の障害が発生した時点で、事前に予約されている代替経路への交代を行った場合に、切り換えられた代替経路自体に障害が発生していては困る為、主経路通信中も代替経路の状態を管理しておく必要がある。代替経路の状態を逐一把握する為に、一定間隔での計測データの送信を行う必要があり、送信ノード、代替経路上の中継ノード、受信ノードに対する処理オーバーヘッド及び通信オーバーヘッドが発生する。

　オーバーヘッド削減の方法として、代替経路への計測間隔を長くする方法が考えられるが、代替経路の状態を把握する精度が低下する為、オーバーヘッドと代替経路監視精度はトレードオフの関係となる。そのため、平衡点の決定と調整は、網上を流れるトラフィックが要求するＱｏＳ性能や予約する代替経路数に大きく依存してしまうという問題がある。

　第二の課題は、主経路からの切換が発生した時点で、予約されている代替経路のいずれもが使用できない場合には、単一経路方式と同様に経路再探索に伴う回復遅延とデータ損失の増大を招くことである。

　本発明にある中継ノードは、前記従来の課題を解決するものであり、代替経路の維持コストを最小化しつつ、主経路障害時に確実に代替経路への切換を行う技術の提供を目的とする。

　前記従来の課題を解決する為に、本発明の中継装置は、互いにリンクで接続されることで通信ネットワークを構成する複数の中継装置の１つであって、前記通信ネットワークには、前記１つの中継装置を経由して通信データを伝送するための複数の経路が定められ、前記１つの中継装置の下流にある１つ以上の中継装置から、前記下流の各中継装置におけるリンク切断に対する耐性の強さに応じて累積的に回送されてくるリンク状態通知メッセージを受信するリンク状態受信部と、所定の確率分布に従って確率値を発生させる確率生成部と、前記リンク状態通知メッセージの個数と前記確率値とを基に、前記複数の経路の１つを選択する経路選択部と、前記経路選択部によって選択された経路の下流の中継装置へ、上流からの通信データを中継する中継処理部とを備える。

　また、前記経路選択部は、前記複数の経路のうち、通信データを伝送するために現在選択されている経路である主経路の下流の中継装置から受信されるリンク状態通知メッセージの個数に対する、前記主経路以外の各経路の下流の中継装置から受信されるリンク状態通知メッセージの個数の比率から、前記主経路の選択のふさわしさを表す活性度を算出する活性度算出部と、経路の選択頻度を指定するための経路ごとの選択頻度値を、前記活性度算出部によって算出された活性度で表されるふさわしさが劣っているほど、最大の選択頻度値と他の選択頻度値との差が小さくなるように決定し、決定された各経路の選択頻度値と前記確率生成部によって生成された確率値とを加算した頻度値によって表される確率分布に従って、通信データを伝送するための経路を新たに選択するリンク選択部とを有してもよい。

　前記中継装置は、さらに、自らの中継装置に関するリンク状態通知メッセージを生成して上流の中継装置へ送信するとともに、自らの中継装置のリンク切断に対する耐性を、下流の中継装置から受信されたリンク状態通知メッセージを基に評価し、評価された耐性が所定の条件を満たさない場合のみ、受信されたリンク状態通知メッセージを上流の中継装置へ回送し、その他の場合には破棄するリンク状態送信部を備えてもよい。

　また、前記リンク状態送信部は、前記自らの中継装置に関するリンク状態通知メッセージに、自らの中継装置が保持している経路の周波数チャンネル数、および自らの中継装置が保持している経路の周波数チャンネルの離れ具合の少なくともいずれか一方を含めて上流の中継装置へ送信してもよい。

　なお、本発明は、このような中継装置として実現することができるだけでなく、中継装置の制御方法としても実現できる。さらに、中継装置の制御方法をコンピュータによって実行するためのプログラムとして実現することもできる。

　本発明によれば、送信先の中継ノードを、中継先の経路構成を考慮して動的に調整することで、ランダムに発生する電波障害や輻輳によるリンク品質低下、リンク切断への耐性強化を図り、高信頼かつ消費電力の少ないデータ伝送を実現することができる。

図１は、本発明の中継ノードを含むネットワークの構成の一例を示す図である。図２は、中継ノードのルーティングテーブルの一例を示す図である。図３は、中継ノードのルーティングテーブルの一例を示す図である。図４は、中継ノードの構成の一例を示す機能ブロック図である。図５は、中継ノードの詳細な構成の一例を示す機能ブロック図である。図６は、経路要求メッセージのフォーマットの一例を示す図である。図７は、経路応答メッセージのフォーマットの一例を示す図である。図８は、リンク状態通知メッセージのフォーマットの一例を示す図である。図９は、実施の形態１におけるカメラ監視システムの初期状態の一例を示す図である。図１０は、実施の形態１におけるカメラ監視システムの過渡状態の一例を示す図である。図１１は、実施の形態１におけるカメラ監視システムの安定状態の一例を示す図である。図１２は、従来技術のネットワークの一例を示す構成図である。図１３は、従来技術のルーティングテーブルの一例を示す図である。

　以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

　（ネットワークの構成）
　図１は、本発明の実施の形態における中継ノードを含むネットワークの構成の一例を示す図である。

　図１のネットワークは、カメラ監視システムに用いられる。送信ノード２０１である監視カメラが撮影した映像及び音声信号は、本発明の中継ノード２０２～２０５、２０７～２１３を含むネットワークでマルチホップ伝送され、受信ノード２０６であるモニタ装置によって再生表示される。便宜上、送信ノード２０１へ向かう方向を上流、受信ノード２０６へ向かう方向を下流と呼ぶ。

　このような監視カメラシステムは、セキュリティ用途、セーフティ用途等に幅広く用いられ、無線アドホック網でインフラを構成することで設置が簡単になる等の効果が得られる。

　各中継ノードでは、リアクティブ型のマルチパスルーティングのプロトコルに従ってルーティング情報が管理される。

　（ルーティングテーブル）
　図２は、中継ノード２０２におけるルーティングテーブルに記録されているルーティング情報の一例を示す図であり、図３は、中継ノード２０３におけるルーティングテーブルに記録されているルーティング情報の一例を示す図である。図２及び図３に示されるいずれのルーティング情報も、ルーティングプロトコルの種類に依存して決まる共通のフォーマットで表されている。ルーティング情報の１行は、１つの宛先への１つの経路に対応する経路エントリである。

　各経路エントリの第一列は宛先となる受信ノード、即ちモニタのアドレスであり、第二列は受信ノードを宛先とする３つの有効な経路に対応したネクストホップの中継ノードのアドレスである。ネクストホップのアドレスの末尾に＊が付記されている場合は、そのネクストホップの中継ノードが、主経路として使用されていることを示す。また第三列は、ルーティングプロトコルに従って経路の優劣を決める為の指標であるメトリックスの値である。メトリックスの値は、受信ノード迄のホップ数やリンクの物理帯域等、経路の品質に影響を与える要因を総合的に考慮して定められるのが一般的である。

　ルーティングテーブルへは、ルーティングプロトコルに従って経路が発見された順番に複数の経路エントリが登録可能である。そのため、同一の宛先についてメトリックスの値が同じ経路エントリが複数ある場合は、ルーティングテーブルの上にある経路エントリに従って主経路のネクストホップが選択される。

　この規則に従い、現在、中継ノード２０２は、下流のネクストホップに中継ノード２０３を選択し、中継ノード２０３は、中継ノード２０４を選択している。この為、送信ノード２０１から受信ノード２０６にデータを送信する場合の主経路は、中継ノード２０２、２０３、２０４、２０５を経る経路である。

　（中継ノードの構成）
　図４は、中継ノード２０３の構成の一例を示す機能ブロック図である。中継ノード２０２～２０５、２０７～２１３はいずれも中継ノード２０３と同一に構成されるため、説明を省略する。

　中継ノード２０３は、リンク状態検出部１０１、プリコーサ管理部１０２、リンク状態送信部１０３、リンク状態受信部１０４、確率生成部１０６、経路選択部１０７、中継処理部１０８から構成される。

　リンク状態受信部１０４は、一定範囲に存在する下流の中継ノードから、下流の中継ノードのリンク切断への耐性の強さを表すリンク状態通知メッセージを受信する。

　経路選択部１０７は、受信されたリンク状態通知メッセージによって表される、主経路の下流でのリンク切断への耐性の強さの低下に応じて、全ての代替経路を確率的に用いて通信データを送信するように中継処理部１０８を制御する。代替経路を用いる確率は、確率生成部１０６で生成された確率値に従って定められる。

　通信データの一部が全ての代替経路を確率的に用いて送信されることで、各代替経路が利用可能かどうかが把握される。利用できない代替経路が存在する場合には、当該経路を代替経路としての対象から除外し、他の代替経路のみでデータ送信を行う。

　中継ノード２０３（中継ノード２０２～２０５、２０７～２１３も同様）は、主経路の下流においてリンク切断への耐性が維持されているときには代替経路に対する状態検出は行わない。主経路の下流においてリンク切断への耐性の低下が検出されたときに初めて、代替経路にデータの一部を送信することで、代替経路の状態を把握する。

　これにより、代替経路の状態を把握する為だけに行われる通信がなくなるので、経路の維持コストを最小化することが可能となる。

　このようにして、従来技術が有している第一の課題は解決される。

　また、中継ノード２０３（中継ノード２０２～２０５、２０７～２１３も同様）は、主経路の下流におけるリンク切断への耐性の低下に応じて、通信データの一部を確率的に全ての代替経路で送信する。

　これにより、主経路が完全に途絶してから代替経路への切り換えを試みるのではなく、主経路でのデータ送信を継続しながら、ルーティングテーブルに登録されている代替経路の状態を把握することが可能となる為、例えば、全ての代替経路が既に利用可能な状態ではないといった困難な状況が検知された場合であっても、主経路が完全に途絶する前に新たな代替経路を探索する時間的余裕が得られる。その結果、主経路途絶時の回復遅延を抑え、経路切換時に発生するデータ損失を最小化することが可能となる。

　このようにして、従来技術に挙げられた第二の課題が解決される。

　中継ノード２０３について、さらに詳細な説明を続ける。

　図５は、中継ノード２０３の詳細な構成の一例を示す機能ブロック図である。図５では、図４に示される経路選択部１０７が、活性度算出部３０５およびリンク選択部３０７に具体化される。

　中継ノード２０３は、主経路の下流での伝送品質が悪化したとき、状態変化に応じた確率バランスを保ちつつ下流の中継ノードを確率的に選択する為に、活性度と呼ばれる情報を計算し利用する。下流リンクの選択は、活性度と確率生成部１０６によって生成される確率値を基準に行われ、この為の構成が活性度算出部３０５である。

　以下に各構成部分の動作について詳細に説明をする。

　（リンク状態検出部１０１）
　図１における送信ノード２０１は、通信の宛先となる受信ノード２０６が確定すると、送信ノード２０１から受信ノード２０６に至る経路を発見する為の処理を行う。経路を発見するための処理は、経路要求（ＲＲＥＱ）メッセージを電波到達範囲に存在するノードに対してブロードキャストすることによって開始される。

　図６は、ＲＲＥＱメッセージのフォーマットの一例を示す図である。

　図１でノード間を結ぶ実線は、電波到達範囲を表しており、各ノードが出す電波は実線が引かれた隣接ノード迄しか届かないものと仮定すると、送信ノード２０１が発行したＲＲＥＱメッセージは、中継ノード２０２にのみ受信され得る。その他の中継ノード２０２～２０５、２０６～２１３、及び、受信ノード２０６には、伝搬損失により、ＲＲＥＱメッセージを受信することはできない。

　ＲＲＥＱメッセージを受信した中継ノード２０２は、送信ノード２０１が直接通信可能な上流ノードであることを検出し、ルーティングテーブルに送信ノード２０１へ戻るネクストホップが送信ノード２０１自体であることを表す経路エントリ情報を追記する。

　また中継ノード２０２は、受信ノード２０６への直接経路を持たない為、中継ノード２０２自身の電波到達範囲に位置するノードに対して、受信したＲＲＥＱメッセージを再度ブロードキャストする。

　このＲＲＥＱメッセージは、上流方向に隣接する中継ノードであるプリコーサにも受信されるが、シーケンス番号の照合により、既に処理したＲＲＥＱメッセージであることが検出できる為、プリコーサによって破棄され、下流の中継ノードである中継ノード２０３、２０７、２１１によってのみ受信され得る。

　他の中継ノード２０３～２０６、２０７～２１３でも、ＲＲＥＱメッセージは同様に処理される。その結果、ＲＲＥＱメッセージは受信ノード２０６に、図１に示す５つの経路で到着する。

　受信ノード２０６は、中継ノード２０５、２０８、２０９、２１０、２１３に対して、経路応答（ＲＲＥＰ）メッセージをユニキャストする。

　図７は、ＲＲＥＰメッセージのフォーマットの一例を示す図である。

　ＲＲＥＰメッセージを受信した中継ノード２０５は、受信ノードからの直接通信によってＲＲＥＰメッセージが届いたことを検出し、自ノードのルーティングテーブルに受信ノード２０６に対するネクストホップが受信ノード２０６自体であることを表す経路エントリを追記する。またＲＲＥＱ受信時に追記した送信ノード２０１へ戻るネクストホップが中継ノード２０４であることを表す逆方向の経路エントリを用いることによって、プリコーサに対して、ＲＲＥＰをユニキャスト転送する。

　他の４つの中継ノード２０８、２０９、２１０、２１３においてもＲＲＥＰメッセージは同様に処理される。ＲＲＥＰメッセージが転送されていく段階で、中継ノード２０２及び中継ノード２０３には、送信ノード２０１から受信ノード２０６に向かう各々３つの経路エントリが追記される。

　図６に示したＲＲＥＱメッセージ内のホップ数には送信ノードで０をセットし、図７に示したＲＲＥＰメッセージ内のホップ数には受信ノードで０をセットする。各中継ノードは、中継動作に連動してホップ数をインクリメントする為、ルーティングテーブルへ経路エントリが追記される段階において、図２及び図３に示したルーティングテーブルの第三列のメトリックスの値が確定する。

　（プリコーサ管理部１０２）
　リンク状態検出部１０１によってルーティングテーブルが生成されるタイミングで、中継ノードを基準にした場合の上流と下流の関係が検出できる。プリコーサ管理部１０２は、この検出結果に基づき、送信ノードから受信ノードに向かう経路上で中継ノードの上流に隣接する他の中継ノードを、プリコーサとして内部に記録する。

　（リンク状態送信部１０３）
　リンク状態送信部１０３は、中継ノードが受信ノードに向けて有している下流経路の数を含むリンク状態通知メッセージを生成し、生成したリンク状態通知メッセージを、プリコーサ管理部１０２に記録されているプリコーサへ送信する。

　図８は、リンク状態通知メッセージのフォーマットの一例を示す図である。リンク状態通知元アドレスは、リンク状態通知メッセージを生成した中継ノードのアドレスであり、ホップ数は０にセットされる。下流経路数は、リンク状態検出部１０１によって検出され、ルーティングテーブルに追記された、送信ノード２０１から受信ノード２０６に至る経路に対する主経路及び代替経路数の総数である。

　リンク状態送信部１０３は、また、リンク状態受信部１０４によって下流の中継ノードから受信されたリンク状態通知メッセージを基に、自らの中継ノードのリンク切断への耐性を評価する。そして、受信されたリンク状態通知メッセージを、耐性が所定の基準を満たさないと判断される場合のみプリコーサへ回送し、その他の場合には破棄する。リンク状態送信部１０３は、リンク状態通知メッセージを回送する場合、リンク状態通知メッセージのホップ数をインクリメントする。

　これにより、リンク状態通知メッセージは、リンク切断への耐性が小さいと考えられるネットワーク区間において累積的に上流の中継ノードへ向けて回送されていく。そして、リンク状態通知メッセージの回送は、リンク切断への耐性が所定の基準を満たす程度に高いと判断された中継ノードで終端される。

　リンク状態送信部１０３は、リンク状態通知メッセージを回送する際に、例えば、リンク状態通知メッセージが上がってきた経路の数（つまり、ネクストホップとなる中継ノードの数）が所定の閾値よりも少ない場合に、自らの中継ノードがリンク切断への耐性が低いと判断してもよい。

　具体的に、閾値を２とすれば、リンク状態送信部１０３は、１以上のリンク状態通知メッセージがただ１つの中継ノードから受信された（つまり、ネクストホップとなる中継ノードの数がただ１つであるために迂回路が存在しない）場合のみ、受信されたリンク状態通知メッセージをプリコーサへ回送する。この構成では、リンク状態通知メッセージは、単一のリンクで連結されているために迂回路のない区間において累積的に上流へ伝搬する。これにより、下流経路に存在する迂回路を持たないリンクの数と同数のリンク状態通知メッセージが、その下流経路から上がってくることになる。

　その結果、各中継ノードは、より多くのリンク状態通知メッセージが上がってくる下流経路ほど、迂回路のない、より長い区間を持っていることを知ることができ、そのような下流経路はリンク切断への耐性が低いと判断することができる。

　なお、リンク状態通知メッセージが伝搬する範囲を制限するために、ホップ数が所定の閾値以上（例えばホップ数が５以上）となったリンク状態通知メッセージの回送を、無条件に打ち切ってもよい。

　なお、上記では、リンク状態通知メッセージが上がってくる経路の数が所定の閾値よりも少ない場合にリンク状態通知メッセージをプリコーサへ回送する例を説明したが、他に例えば、下流の各経路から上がってくるリンク状態通知メッセージの数の逆数の総和が所定の閾値よりも小さい場合にリンク状態通知メッセージをプリコーサへ回送してもよい。

　この構成では、迂回路のない区間が長い経路の重みを下げることによって、自らの中継ノードのリンク切断への耐性をより適切に評価できる。

　リンク状態通知メッセージを回送するか否かの決定には、さらに他の情報として周波数チャンネルに関する情報を用いることもできる。

　マルチインタフェースを有する中継ノードでは、同時に複数の周波数チャンネルを利用可能である。例えば２．４ＧＨｚ帯のＩＳＭバンドを用いるＩＥＥＥ８０２．１１ｂ方式では、利用可能帯域内に１４個の通信チャンネルを持ち、その内の４チャンネルを同時に利用することが可能である。

　中継ノードが第１チャンネル上で複数の経路を有している場合よりも、例えば第１チャンネルと第６チャンネルの両方で複数の経路を有しているほうが、狭帯域の干渉波への耐性が強くなる。

　そこで、中継ノードが保持している経路の周波数チャンネル数をリンク状態通知メッセージに含めて上流の中継ノードへ送信し、そのリンク状態通知メッセージを受信した中継ノードのリンク切断への耐性を評価する際に、周波数チャンネルの数が少ないことを示すリンク状態通知メッセージが上がってきた経路の重みを下げてもよい。

　また、中継ノードが第１チャンネルと第６チャンネルとで複数の経路を有している場合よりも、さらに周波数が離れた第１チャンネルと第１３チャンネルとで複数の経路を有している場合のほうが、広帯域の干渉波への耐性が強くなる。

　そこで、中継ノードが保持している経路の周波数チャンネルの離れ具合をリンク状態通知メッセージに含めて上流の中継ノードへ送信し、そのリンク状態通知メッセージを受信した中継ノードのリンク切断への耐性を評価する際に、周波数チャンネルの離れ具合が少ないことを示すリンク状態通知メッセージが上がってきた経路の重みを下げてもよい。

　また下流の各経路から上がってくるリンク状態通知メッセージの数、ならびに、リンク状態通知メッセージに示される周波数チャンネルの数および重みを組み合わせて、中継ノードのリンク切断への耐性を評価してもよい。

　（リンク状態受信部１０４）
　リンク状態受信部１０４は、下流の中継ノードのリンク状態送信部１０３が送信したリンク状態通知メッセージを受信する。

　図１において中継ノード２０３は、中継ノード２０４、２０９、２１０のプリコーサである為、中継ノード２０４、２０９、２１０の各々が中継ノード２０３に対して送信したリンク状態通知メッセージを受信することで、中継ノード２０３自身が３本の下流経路を有していることを知る。

　中継ノード２０３が閾値以上の中継ノードからリンク状態通知メッセージを受信した場合（典型的には２以上の中継ノードからリンク状態通知メッセージが受信され、迂回路があると分かる場合）には、中継ノード２０４、２０９、２１０から受信したリンク状態通知メッセージの回送は終端され、それ以上、上流には回送されない。

　他方、閾値未満の中継ノードからリンク状態通知メッセージを受信した場合（典型的にはただ１つの中継ノードからリンク状態通知メッセージが受信され、迂回路がないと分かる場合）には、リンク状態受信部１０４は、下流ノードから受信したリンク状態通知メッセージをリンク状態送信部１０３に転送し中継させる。

　これによって単一リンクで連結されていて迂回路がない区間においてリンク状態通知メッセージが伝搬する。またこの中継動作は、リンク状態通知メッセージのホップ数の値を閾値として、例えばホップ数が５以上の場合には、無条件に中継を打ち切ってもよい。

　（活性度算出部３０５）
　活性度算出部３０５は、各中継ノードにおいて、複数予約された経路のうち、現在データ送信に利用されている主経路が、他の代替経路と比較して、主経路としてのふさわしさを代表する量である活性度αを算出する。活性度αをダイナミクスで制御する場合の具体的な方法の例を（式１）に示す。

　（式１）のαは閉区間［０，１］上で定義された活性度、ｌ_primは主経路から受信したリンク状態通知メッセージの数、ｌ_sec(i)はｉ番目の代替経路から受信したリンク状態通知メッセージの数、Ｍ、Ｃは調整係数、Ｋは活性度の中間状態、即ち０から１への遷移の速さを決定する定数、δは活性度αの応答速度を決定する定数である。

　このダイナミクスに従えば、下流経路の代替経路の状態を含む自ノードのリンク状態の見積り値に従って、活性度αが［０，１］区間を、Ｋに依存した遷移プロファイルに従って変動することになる。値としての活性度αは、（式２）によって更新され得る。

　（式２）のα_currentは、更新後の活性度値、α_prevは更新前の活性度値、Δｔは更新間隔である。更新間隔はリンク情報通知イベントに連動したタイマー等を制御することによって計測してもよい。

　（確率生成部１０６）
　確率生成部１０６は、リンク選択部３０７がデータを送信する下流経路を確率的に選択する為に必要なランダム性を有する確率値を発生させる。確率分布としては、例えば（式３）に示す一様分布（ａ＝０、ｂ＝１）を適用可能であるが、これに限るものではない。

　確率値η（ｉ）は、（式４）で与えられる。

　確率値の変動範囲は、０を基準として正負対称の範囲に限定してもよい。

　（リンク選択部３０７）
　リンク選択部は、活性度算出部３０５が制御する活性度、及び、確率生成部１０６が発生させる確率値に従って、通信データを流す為の経路に対応するネクストホップノードを確率的に選択する。ネクストホップノードの選択方法として、例えば（式５）を用いることができる。

　（式５）のｍ（ｉ）はｉ番目のネクストホップノードの選択頻度、β，γ，φはダイナミクスの変化速度を司る定数、η（ｉ）は確率生成部１０６によって生成された確率値であり経路の選択確率に寄与し、ｗは確率振幅を表す定数である。非特許文献３によると、この非線形常微分方程式の主経路に対する定常解は（式６）のようになることが分かっている。

　また、代替経路に対する定常解は（式７）のようになる。

　（式５）で算出された経路選択頻度ｍ（ｉ）の変化分を用いて、（式８）で更新前の経路選択頻度ｍ（ｉ）_prevから更新後の経路選択頻度ｍ（ｉ）_currentを決定することができる。

　式中のΔＴは経路選択頻度の更新周期によって決定される時間間隔である。

　（式８）によって決定された各経路の選択頻度を（式９）によって正規化することで、各経路の選択確率とすることができる。

活性度α＝１における代替経路に対する経路選択頻度は、（式６）にα＝１を代入することによって得ることができる有限値である。これは、（式９）で決定される経路選択確率を用いると、活性度αが閾値α_thよりも高い場合であっても、代替経路にデータが流れることを表している。

　活性度が閾値以上の場合に、主経路のみへのデータ送信を行うには、（式９）に選択確率閾値ｍ_thによる閾値処理と再正規化の処理を行う必要がある。この処理は、例えば（式１０）及び（式１１）によって行うこともできる。

　（中継処理部１０８）
　中継処理部１０８は、リンク選択部３０７によって選択された下流の中継ノードを中継先として、映像及び音声データの送信を行う。

　（中継ノードの動作例）
　図１のネットワークにおいて、送信ノード２０１から受信ノード２０６にデータを送信する場合の全体としての動作の一例を説明する。

　初期状態として、送信ノード２０１から受信ノード２０６への主経路として、中継ノード２０２～２０５を経る経路が選択されている場合を考える。

　図９は、初期状態において、各中継ノードから上流方向に送られるリンク状態通知メッセージを示す図である。

　図９において、中継ノード間の経路に沿って描かれている１つの矢印は、１つのリンク状態通知メッセージを表している。また、中継ノード間の経路に沿って描かれているｐ×ｑの表記は、当該経路を通って、下流経路数がｐであることを示すｑ個のリンク状態通知メッセージが送られることを表している。

　中継ノード２０３には、３つの下流経路の中継ノード２０４、２０９、２１０から、それぞれ１つ、２つ、１つのリンク状態通知メッセージが上がってくる。中継ノード２０３は、リンク状態通知メッセージが上がってきた経路の数である３と、閾値である２とを比較に基づいて、中継ノード２０４、２０９、２１０から受け取ったリンク状態通知メッセージを中継ノード２０２へ転送せずに破棄する。中継ノード２０３は、下流経路数が３であることを示す自ら生成した１つのリンク状態通知メッセージのみを中継ノード２０２へ送信する。

　中継ノード２０７には、唯一の下流経路の中継ノード２０８から、下流経路数が１であることを示す１つのリンク状態通知メッセージが上がってくる。また、中継ノード２１１には、唯一の下流経路の中継ノード２１２から、下流経路数が１であることを示す２つのリンク状態通知メッセージが上がってくる。

　中継ノード２０７、２１１は、それぞれ、受け取ったリンク状態通知メッセージを、下流経路数が１であることを示す自ら生成したリンク状態通知メッセージとともに、中継ノード２０２へ送信する。

　その結果、中継ノード２０２には、主経路の中継ノード２０３、および代替経路の中継ノード２０７、２１１から、それぞれ１つ、２つ、３つのリンク状態通知メッセージが上がってくる。主経路から中継ノード２０２が受信するリンク状態通知メッセージの数が最小となることで、中継ノード２０２上の活性度αは高い値で安定している。

　図１０は、次に、いくつかの無線リンクが切断された直後の過渡状態において送られるリンク状態通知メッセージを示す図である。図９と同様に、リンク状態通知メッセージを表す矢印と、下流経路数がｐであることを示すｑ個のリンク状態通知メッセージが送られることを表すｐ×ｑの表記とが示される。　過渡状態では、リンクの切断の結果として、中継ノード２０３には、唯一の下流経路の中継ノード２０４から、下流経路数が１であることを示す２つのリンク状態通知メッセージが上がってくる。そのため、中継ノード２０３は、受け取ったリンク状態通知メッセージを、下流経路数が１であることを示す自ら生成したリンク状態通知メッセージとともに、中継ノード２０２へ送信するようになる。

　その結果、中継ノード２０２には、主経路の中継ノード２０３、および代替経路の中継ノード２０７、２１１から、それぞれ３つ、２つ、３つのリンク状態通知メッセージが上がってくる。中継ノード２０２が主経路から受信するリンク状態通知メッセージの数と代替経路から受信するリンク状態通知メッセージ数の逆転が起こり、（式１）に従い中継ノード２０２上の活性度αは低下する為、（式５）による主経路の再選択が起こりやすくなる。

　図１１は、再選択の結果として、中継ノード２０２、２０７、２０８を経る経路が主経路に変更された状態を示す。図９と同様に、リンク状態通知メッセージを表す矢印と、下流経路数がｐであることを示すｑ個のリンク状態通知メッセージが送られることを表すｐ×ｑの表記とが示される。

　安定状態では、主経路から中継ノード２０２が受信するリンク状態通知メッセージの数が最小となることで、中継ノード２０２上の活性度αは再び高い値となり、（式５）による主経路の再選択が起こりにくくなって、主経路の選択状態が安定する。

　このように本実施の形態において、リンク切断への耐性が強い最も安全な経路が主経路として選択されやすくなる（確率的に選択される）ことによって、信頼性の高い通信が実現される。

　本発明は、ＩＰ網や無線アドホック網に代表されるパケット交換網における、データ伝送経路のルーティング技術を備えた通信装置、通信方法、及びプログラムに利用可能である。

　　１０１　リンク状態検出部
　　１０２　プリコーサ管理部
　　１０３　リンク状態送信部
　　１０４　リンク状態受信部
　　１０６　確率生成部
　　１０７　経路選択部
　　１０８　中継処理部
　　２０１　送信ノード
　　２０２～２０５、２０７～２１３　中継ノード
　　２０６　受信ノード
　　３０５　活性度算出部
　　３０７　リンク選択部
　　４０１　送信ノード
　　４０２～４０５　中継ノード
　　４０６　受信ノード

Claims

　互いにリンクで接続されることで通信ネットワークを構成する複数の中継装置の１つであって、
　前記通信ネットワークには、前記１つの中継装置を経由して通信データを伝送するための複数の経路が定められ、
　前記１つの中継装置の下流の１つ以上の中継装置から、前記下流の各中継装置におけるリンク切断に対する耐性の強さに応じて累積的に回送されてくるリンク状態通知メッセージを受信するリンク状態受信部と、
　所定の確率分布に従って確率値を発生させる確率生成部と、
　前記リンク状態通知メッセージの個数と前記確率値とを基に、前記複数の経路の１つを選択する経路選択部と、
　前記経路選択部によって選択された経路の下流の中継装置へ、上流からの通信データを中継する中継処理部と
　を備える中継装置。
　前記経路選択部は、
　前記複数の経路のうち、通信データを伝送するために現在選択されている経路である主経路の下流の中継装置から受信されるリンク状態通知メッセージの個数に対する、前記主経路以外の各経路の下流の中継装置から受信されるリンク状態通知メッセージの個数の比率から、前記主経路の選択のふさわしさを表す活性度を算出する活性度算出部と、
　経路の選択頻度を指定するための経路ごとの選択頻度値を、前記活性度算出部によって算出された活性度で表されるふさわしさが劣っているほど、最大の選択頻度値と他の選択頻度値との差が小さくなるように決定し、決定された各経路の選択頻度値と前記確率生成部によって生成された確率値とを加算した頻度値によって表される確率分布に従って、通信データを伝送するための経路を新たに選択するリンク選択部と
　を有する請求項１に記載の中継装置。
　さらに、
　自らの中継装置に関するリンク状態通知メッセージを生成して上流の中継装置へ送信するとともに、自らの中継装置のリンク切断に対する耐性を、下流の中継装置から受信されたリンク状態通知メッセージを基に評価し、評価された耐性が所定の条件を満たさない場合のみ、受信されたリンク状態通知メッセージを上流の中継装置へ回送し、その他の場合には破棄するリンク状態送信部
　を備える請求項１または請求項２に記載の中継装置。
　前記リンク状態送信部は、前記自らの中継装置に関するリンク状態通知メッセージに、自らの中継装置が保持している経路の周波数チャンネル数、および自らの中継装置が保持している経路の周波数チャンネルの離れ具合の少なくともいずれか一方を含めて上流の中継装置へ送信する
　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の中継装置。
　互いにリンクで接続されることで通信ネットワークを構成する複数の中継装置の１つを制御する制御方法であって、
　前記通信ネットワークには、前記１つの中継装置を経由して通信データを伝送するための複数の経路が定められ、
　前記１つの中継装置の下流の１つ以上の中継装置から、前記下流の各中継装置におけるリンク切断に対する耐性の強さに応じて累積的に回送されてくるリンク状態通知メッセージを受信するリンク状態受信ステップと、
　所定の確率分布に従って確率値を発生させる確率生成ステップと、
　前記リンク状態通知メッセージの個数と前記確率値とを基に、前記複数の経路の１つを選択する経路選択ステップと、
　前記経路選択部によって選択された経路の下流の中継装置へ、上流からの通信データを中継する中継処理ステップと
　を含む制御方法。
　互いにリンクで接続されることで通信ネットワークを構成する複数の中継装置の１つを制御するためのコンピュータ実行可能なプログラムであって、
　前記通信ネットワークには、前記１つの中継装置を経由して通信データを伝送するための複数の経路が定められ、
　前記１つの中継装置の下流の１つ以上の中継装置から、前記下流の各中継装置におけるリンク切断に対する耐性の強さに応じて累積的に回送されてくるリンク状態通知メッセージを受信するリンク状態受信ステップと、
　所定の確率分布に従って確率値を発生させる確率生成ステップと、
　前記リンク状態通知メッセージの個数と前記確率値とを基に、前記複数の経路の１つを選択する経路選択ステップと、
　前記経路選択部によって選択された経路の下流の中継装置へ、上流からの通信データを中継する中継処理ステップと
　をコンピュータに実行させるプログラム。