WO2011105371A1 - 通信システム、スレーブノード、ルート構築方法及びプログラム - Google Patents

通信システム、スレーブノード、ルート構築方法及びプログラム Download PDF

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WO2011105371A1
WO2011105371A1 PCT/JP2011/053845 JP2011053845W WO2011105371A1 WO 2011105371 A1 WO2011105371 A1 WO 2011105371A1 JP 2011053845 W JP2011053845 W JP 2011053845W WO 2011105371 A1 WO2011105371 A1 WO 2011105371A1
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node
evaluation value
route
received
received power
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PCT/JP2011/053845
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古川　浩
光日 金
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国立大学法人九州大学
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    • H04W40/00—Communication routing or communication path finding
    • H04W40/02—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing
    • H04W40/04—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing based on wireless node resources
    • H04W40/08—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing based on wireless node resources based on transmission power
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    • H04W40/14—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing based on transmission quality or channel quality based on stability
    • H—ELECTRICITY
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    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W40/00—Communication routing or communication path finding
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Definitions

  • the present invention relates to a communication system, a slave node, a route construction method, and a program, and more particularly, a communication including a core node connected to a backbone network and a plurality of slave nodes connected to the core node by wireless communication directly or via other nodes. It relates to systems.
  • a cellular system in which a small cell base station group having a radius of several tens of meters is wirelessly connected by multi-hop relay is being studied.
  • some base stations called core nodes in the base station group are connected to the backbone network by wire, and others communicate with the backbone network by wireless multi-hop relay via the core node.
  • Such a wireless relay network is commonly called a wireless backhaul.
  • the stable operation and capacity increase depend on the realization of a high-quality wireless multi-hop relay protocol.
  • the wireless backhaul routing protocol is characterized by a metric and an algorithm, and the corresponding algorithm varies depending on the definition of the metric.
  • the metrics proposed so far include, for example, hop count and radio link quality between nodes. These include ETX (Expected Transmission Count) metric, RTT (Per-hop Round Trip Time) metric, and WCETT (Weighted Cumulative Expected Transmission) metric.
  • ETX Exected Transmission Count
  • RTT Per-hop Round Trip Time
  • WCETT Weighted Cumulative Expected Transmission
  • the inventors have also proposed a routing method using propagation loss as a metric (hereinafter referred to as “conventional minimum propagation loss routing”) (see Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1).
  • the conventional minimum propagation loss routing calculates the propagation loss from the received power between nodes (RSSI, Received Signal Strength Indicator), and uses this as a metric, and the propagation loss from each slave node to the core node is minimized by the Bellman-Ford algorithm. Such a relay route is constructed.
  • the conventional minimum propagation loss routing will be specifically described with reference to FIG.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the slave node in the conventional minimum propagation loss routing.
  • step STSP1 When the core node broadcasts a routing packet of metric 0 once and the slave node receives the routing packet (step STSP1), the propagation loss is calculated by RSSI at the time of reception, and the cumulative metric included in the received packet (the received reception) A new metric is calculated (step STSP2) by adding the transmission loss from the node that transmitted the packet to the core node. If this new metric is smaller than the accumulated metric held by the own node (step STSP3), the route is updated and a routing packet including the new metric is broadcast to the surroundings (step STSP4). If it is not smaller in step STSP3, the route update process is not performed. By repeating the above, a route is formed.
  • step STSP5 the node registration packet is transmitted (step STSP6), and the process is terminated.
  • step STSP6 a tree-type path centering on the core node is constructed. Since the minimum propagation loss routing uses the propagation loss between nodes as a metric, the entire relay route is highly resistant to interference, and high-quality and high-efficiency transmission characteristics can be expected.
  • the hop count is used as a metric
  • a link between distant nodes is used for the route, which is contrary to obtaining the stability of the route.
  • Non-Patent Document 1 the effectiveness of the minimum propagation loss routing is evaluated by computer simulation without considering the influence of propagation path fluctuation.
  • the RSSI varies due to traffic of people (see line a in FIG. 2).
  • the metric is calculated only by the RSSI of the received routing packet. Therefore, if the RSSI changes, the metric used for route construction also changes, and the constructed route also changes depending on the execution time. That is, it becomes unstable.
  • the routing protocol for wireless multi-hop relay that has already been proposed does not have a mechanism for acquiring a stable path against propagation path fluctuations. Therefore, the route constructed by these is only an optimum route at a specific time, and frequent route reconstruction is required to cope with propagation path fluctuations, which increases the load on the network.
  • routing protocols When specifically examined, these routing protocols can be classified into on-demand type and static type.
  • on-demand routing protocol routing processing is performed every time a communication request is generated, and the constructed route lasts for a certain lifetime (TTL). When the communication ends, the route is deleted.
  • TTL time since the communication ends, the route is deleted.
  • On-demand type routing protocols are suitable for mobile ad hoc networks with high mobility because they can handle changes in the network topology quickly although the load of routing processing is large.
  • Each base station is fixedly installed in the wireless backhaul, but the propagation path fluctuates due to fading due to human movement.
  • an algorithm is not designed in consideration of propagation path variations as in the conventional minimum propagation loss routing. Since the time variation of the propagation path is completely ignored, different relay paths are constructed depending on the routing execution time even in the same node arrangement. It has also been reported that the route of the route constructed by the fluctuation of the propagation path in the wireless backhaul is investigated using a unique test bed, and the throughput of the system changes accordingly.
  • routing is performed only by looking at the propagation path status at the time of system startup. If the propagation path subsequently fluctuates, the performance of the system by that route cannot be guaranteed, and in the worst case, the relay path is disconnected. There is also a case.
  • an object of the present invention is to propose a communication system or the like that can construct a stable relay path even if a propagation path changes due to a change in RSSI.
  • a first aspect of the present invention is a communication system including a core node connected to a backbone network and a plurality of slave nodes connected to the core node by wireless communication directly or via other slave nodes, wherein the core node is The slave node is transmitted with a reset routing packet instructing initialization of a communication path from the core node to the slave node, and then instructed to establish a communication path from the core node to the slave node.
  • each slave node has its own route evaluation value storage means for storing its own route evaluation value that is an evaluation value of a communication route from the core node to the slave node, and The first communication path from the slave node to the core node Uplink relay destination storage means for storing uplink relay destination information indicating an uplink relay destination node that is a successor node, and n (n is a natural number) normal routing packets after receiving the reset routing packet
  • the route construction processing means for determining a communication path from the core node to the slave node by determining whether the source node is a new uplink relay destination node
  • the route construction processing unit calculates a received power evaluation value, which is an evaluation value of the received power between the slave node and the transmission source node, based on the received power of the n-th received normal routing packet.
  • Received power evaluation value calculating means an evaluation value of a relay path from the core node to the transmission source node, and the received power
  • a new cumulative route evaluation value calculating means for calculating a new cumulative route evaluation value, which is an evaluation value of a communication route through which the normal routing packet received n-th time passes, based on the value;
  • the uplink relay destination storage unit stores the packet transmission source of the normal routing packet received as the new uplink relay destination node information, and the own route evaluation value Storage means having path update means for storing the accumulated path evaluation value as a new self-path evaluation value and performing update processing; and when the received power evaluation means is n or more, n
  • a received power evaluation value that is an evaluation value of the received power between the slave node and the transmission source node is calculated.
  • a second aspect of the present invention is the communication system according to the first aspect, wherein the received power evaluation value calculation means is an evaluation value of the received power R n of the n-th received normal routing packet.
  • ⁇ n and ⁇ n are functions of n , ⁇ n is uniformly 0, with the received power evaluation value An being a constant or the received power of the reset routing packet as an initial value. Is calculated by the equation (eq1).
  • a fourth aspect of the present invention is the communication system according to the second aspect, wherein ⁇ n or / and ⁇ n is a constant in the equation (eq1).
  • a fifth aspect of the present invention is a slave node that is connected to a core node connected to a backbone network by wireless communication directly or via another node, and is an evaluation value of a communication path from the core node to the slave node.
  • Self-route evaluation value storage means for storing a certain self-route evaluation value, and an uplink relay destination for storing uplink relay destination information indicating an uplink relay destination node that is the first relay destination node in the communication path from the slave node to the core node
  • a route construction processing unit that determines whether or not the transmission source node is a new uplink relay destination node and determines a communication path from the core node to the slave node, the route construction processing unit
  • a sixth aspect of the present invention is a route construction method in a communication system including a core node connected to a backbone network and a plurality of slave nodes connected to the core node by wireless communication directly or via other slave nodes.
  • Each slave node has its own route evaluation value storage means for storing its own route evaluation value, which is an evaluation value of a communication route from the core node to the slave node, and a first communication route from the slave node to the core node.
  • Uplink relay destination storage means for storing uplink relay destination information indicating an uplink relay destination node that is a relay destination node, a node capable of transmitting and receiving packets, and a received power evaluation that is an evaluation value of received power at the time of packet transmission and reception with the node
  • Peripheral node storage means for storing a combination of values, wherein the core node is the slave node.
  • a reset routing packet instructing initialization of a communication path from the core node to the slave node is transmitted to the slave node, and an initialization unit of the slave node that receives the reset routing packet receives the reset routing packet. It is determined whether or not a routing packet has been received for the first time.
  • the same reset routing packet is transmitted to the node stored in the peripheral node storage means, and the peripheral node storage means is transmitted.
  • the received power evaluation value calculation means when the transmission source node of the received normal routing packet is not stored in the peripheral node storage means, Based on the received power of the normal routing packet, a received power evaluation value that is an evaluation value of the received power between the slave node and the source node is calculated, and the source A combination of a node and the received power evaluation value is stored, and when the transmission source node of the received normal routing packet is stored in the peripheral node storage unit, only the received power of the normal routing packet is stored.
  • the received power evaluation value stored in the peripheral node storage means Based on this, a new received power evaluation value is calculated, and a combination of the transmission source node and the new received power evaluation value is stored in the peripheral node storage unit, and a new round processing unit is transmitted Based on the order, it is determined whether or not the received normal routing packet is the normal routing packet that has not been received before.
  • the new cumulative route evaluation value calculation means uses the received normal routing packet based on the evaluation value of the relay route from the core node to the transmission source node and the received power evaluation value. When a new cumulative route evaluation value, which is an evaluation value of a communication route, is calculated, the route update means determines that the new cumulative route evaluation value is smaller than the own route evaluation value.
  • the upstream relay destination storage unit stores the packet source of the normal routing packet received as new upstream relay destination node information, and the new route evaluation value storage means The accumulated route evaluation value is stored as the own route evaluation value, the update process is performed, and the new self route evaluation value is transmitted to the node stored in the peripheral node storage unit, thereby the slave node from the core node.
  • a seventh aspect of the present invention is a program for causing a computer to function as a slave node according to the fifth aspect.
  • the received power evaluation value may be calculated as / (n + 1).
  • the initialization means of the slave node that has received the reset routing packet deletes the information stored in the peripheral node storage means
  • the received power of the reset routing packet may be used as the initial value of the received power evaluation value, and the source node of the reset routing packet and the initial value of the received power evaluation value may be stored in combination.
  • the program according to the seventh aspect of the present invention may be regarded as a computer-readable recording medium in which the program of the seventh aspect is recorded (steadily).
  • the present invention unlike the conventional minimum propagation loss routing, not only the RSSI of the normal routing packet that triggers the start of each route construction process, but also the reception after the most recent reset routing packet is received.
  • each node is fixedly installed after the reception of the reset routing packet, and the RSSI changes with no change in the installation position. Even in this case, it is possible to construct a stable relay route.
  • n-th from the reception of the reset routing packet (n is a natural number of 2 or more) received power evaluation value A n of normal routing packets received Is obtained using the received power evaluation value A n-1 in addition to the received power R n of the normal routing packet, thereby limiting the variables stored in each slave node and further reducing the calculation processing. Therefore, the slave node can be easily realized.
  • RSSI is generally known to follow a log-normal distribution, as in the third aspect of the present invention, by determining the sequential averaging A n, asymptotically stable Can be obtained.
  • the fourth aspect of the present invention by making the function ⁇ n or / and ⁇ n constant, it is possible to mitigate fluctuations in RSSI.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an example of the operation of the core node 5 of FIG. 3.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an example of the operation of the slave node 7 i in FIG. 5.
  • FIG. 5 shows the stable route
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of a communication system 1 which is an embodiment of the present invention.
  • the communication system 1 is a wireless backhaul system, and each base station is fixedly installed.
  • There BS two types of communication system 1 a core node 5 to a wired connection to a backbone network 3 (an example of "core node” in the claims), a plurality of slave nodes 71, ..., 7 10 (the claims Example of “slave node”.
  • Wireless communication is possible between base stations (hereinafter, a wireless communication line between base stations is referred to as a “relay line”). As shown in FIG. The path is constructed.
  • Each base station has an area (cluster cell) in which wireless communication is possible.
  • a mobile terminal 9 that can move and wirelessly communicate with a base station, such as a mobile phone, performs wireless communication with the base station if it exists in a cluster cell of a base station (hereinafter referred to as base station).
  • a wireless communication line between a station and a portable terminal is called an “access line”).
  • the portable terminal 9 can be connected to the backbone network 3 through an access line and a relay line.
  • the present protocol is composed of a plurality of rounds. In each round, each relay node repeatedly transmits / receives a routing packet to / from surrounding nodes, calculates a sequential average of RSSI, and constructs one complete routing.
  • RSSI generally follows a lognormal distribution in a wireless backhaul propagation path (see Non-Patent Document 2). That is, RSSI displayed in decibels is a stochastic process in which the amplitude distribution follows a normal distribution.
  • a line a plotted with a triangle mark indicates a state of time variation of RSSI actually observed when IEEE802.11a is used as a wireless interface.
  • RSSI varies violently over time. For this reason, if the conventional minimum propagation loss routing or the like is used to constantly follow the RSSI fluctuation, the route of the trunk line becomes unstable.
  • a line b plotted with crosses indicates a change in the sequential average obtained by the equation (1).
  • the line b in FIG. 2 is stable at this value after changing from ⁇ 52 dBm to ⁇ 55 dBm.
  • routing packets handled by this protocol the routing variables and parameters held by each node, etc. are defined.
  • the “own node metric” (an example of the “own route evaluation value” in the claims of this application) is the sum of propagation losses on the relay route from the node to the core node at each node. Each node retains its own node metric and is initialized with the maximum value when the power is turned on.
  • the “routing packet” is transmitted from the core node 5 to each slave node 7 i .
  • There are two types of routing packets and the core node 5 uses a reset routing packet (an example of “reset routing packet” in the claims of the present application) used when issuing a clear request for clearing existing route information to each slave node 7 i.
  • a normal routing packet (an example of a “normal routing packet” in the claims of the present application) used when constructing a route.
  • the routing packet includes information on a cumulative metric (an example of “cumulative route evaluation value” in the claims of the present application) and a packet ID.
  • the cumulative metric included in the routing packet is a self-node metric held by the node that transmitted the routing packet at the time of transmission.
  • the “peripheral node table” is a table that records addresses of peripheral nodes, sequential averages of RSSIs, and the number of times routing packets are transmitted.
  • the peripheral node is a node within a range in which packets can be transmitted and received with the own node.
  • the “uplink relay destination” is an address of the uplink relay destination node (an example of “uplink relay destination node information” in the claims of the present application) held as routing information in each slave node 7 i .
  • This protocol uses the Bellman-Ford algorithm. Therefore, the constructed relay route has a tree structure as shown in FIG. 1, and each slave node 7 i has only one upstream relay destination. Therefore, each slave node 7 i holds the address of the upstream relay destination node as routing information. Since the downstream relay destination can check the source address of the packet relayed in the upstream direction during the relay operation, it is not determined at the time of routing, but is checked after the route is determined.
  • “Own node TimeID” is a time stamp for identifying the transmission time of each routing packet.
  • Parameters required for this protocol are the routing history clearing waiting time Tw of each slave node, the round execution count Nr, the interval Tc between rounds, the waiting time Tr of the core node in each round, and the waiting time of the slave node. Time Ts.
  • Core node 5 a node storage unit 13 for storing the peripheral node table, a parameter storage unit 15 for storing various parameters, an input unit 21 to a power switch 17 and the reset button 19 is provided, the slave node 7 i and the wireless communication
  • a wireless communication unit 23 that controls the operation of the core node 5, and a node registration processing unit 27 that updates the peripheral node table of the node storage unit 13.
  • the wireless communication unit 23 includes an antenna 29 and a communication control unit 31 that controls communication by the antenna 29.
  • the power switch 19 is operated when the core node 5 is powered on.
  • the reset button 21 is used when, for example, the arrangement of a part or all of the core node 5 and the slave node 7 i is changed, a part of the slave node 7 i is deleted from the communication system 1, or a slave node is newly added. As in the case of the case, there is a change in the arranged node, which is operated from the outside to instruct to newly construct a relay route.
  • the control unit 25 determines whether the power-on or reset button 21 has been pressed (step STC1). When operated, in the core node 5, the control unit 25 sets the packet ID of the reset / routing packet and the own node TimeID of the core node 5 to the time to transmit the routing packet, and the communication control unit 31 of the wireless communication unit 23. And a reset routing packet is transmitted from the antenna unit 29 to each slave node 7 i (step STC2), waits for Tw time (for example, 7 seconds) (step STC3), and each slave is set at an interval of Tc. A normal routing packet is transmitted to the node 7 i (step STC4).
  • step STC1 when the power is turned on and the reset button 21 is not pressed, the process of step STC4 is performed. This is one round, and the core node 5 ends the round when Tr time elapses after the round starts, and the communication system 1 completes one routing.
  • the node registration processing unit 27 registers the packet transmission source node of the packet as a peripheral node in the peripheral node table of the node storage unit 13 (step STC5).
  • step STC1 the control unit 25 broadcasts a reset / routing packet at a predetermined time so as to change the relay route according to a time zone such as a weekend or even at night and during the day. It may be.
  • the slave node 7 i has its own route evaluation value storage unit 51 i (an example of “own route evaluation value storage means” in the claims) and an upstream relay destination that stores the address of the upstream relay destination node.
  • Storage means 53 i (an example of “uplink relay destination storage means” in the claims of the present application), a TimeID storage section 55 i that stores its own node TimeID, and a node storage section 57 i that stores a peripheral node table an example of a "node storage unit”), and a parameter storage unit 59 i for storing various parameters, and the wireless communication unit 65 i do other nodes and wireless communication, the control unit 71 controls the operation of the slave node 7 i i Is provided.
  • the wireless communication unit 65 i includes an antenna 61 i for performing wireless communication with other nodes, and a communication control unit 63 i for controlling communication by the antenna 61 i .
  • the control unit 71 i includes a determination unit 73 i that determines the type of the received packet, and an initialization unit 75 i that initializes the peripheral node table and the like when the reset routing packet is received. ) And a route construction processing unit 77 i that performs construction processing of a relay route from the core node 5 to the slave node 7 i when a normal routing packet is received (“route construction processing” in the claims) An example of “means”.
  • the route construction processing unit 77 i is a node registration processing unit 81 i that registers a packet transmission source when the packet transmission source of the received normal routing packet is not registered in the peripheral node table.
  • Received power evaluation value calculation unit 83 i an example of “received power evaluation value calculation means” in the claims of the present application, which compares the packet ID of the received packet with its own node TimeID.
  • New metrics (hereinafter, "new metric" hereinafter.) was added to the cumulative metric contained in the received packet an example of the "accumulated route evaluation value calculating means" of the accumulated path evaluation value calculating unit 87 i (the claims of calculating )
  • the comparison unit 89 i that compares the new metric and the own node metric, and if the new metric is smaller than the own node metric, the packet transmission source is set as the new uplink relay destination and the new metric is updated as the new own node metric.
  • It has a route update unit 89 i an example of “route update means” in the claims of the present application) that performs processing and transmits the updated node metric to each node stored in the peripheral node table.
  • the cumulative path evaluation value calculation unit 87 i calculates the propagation loss by the equation (2).
  • TX_POWER represents transmission power, and its unit is dBm.
  • the slave node 7 i waits for reception of the routing packet (step STS1), and when receiving the routing packet, the determination unit 73 i determines the type of the received routing packet (step STS2).
  • the initialization unit examines the packet ID of the received packet, and if it is newer than its own TimeID, broadcasts the same reset routing packet to the peripheral node, clears the peripheral node table, The own node metric is set to the maximum value, and the own node TimeID is set to the packet ID of the received packet (step STS3).
  • the node registration processing unit 81 i confirms the transmission source node, and checks whether the transmission source node is registered in the peripheral node table (step STS4). If it is not registered, it is registered in the peripheral node table. At that time, the RSSI at the time of reception is set as the initial value of the sequential average, and the number of consultations is set to 1 (step STS5).
  • the received power evaluation value calculation unit 83 i uses the current sequential average A n ⁇ 1 and received power R n for the transmission source node to newly The sequential average An is obtained, the sequential average of the node in the table is updated with the calculated value, and the number of receptions is increased by one (step STS6).
  • the new round processing unit 85 i checks the packet ID of the received packet. If the new round processing unit 85 i is newer than its own node TimeID, the new round processing unit 85 i determines that a new round has started (step STS7). Is set to the packet ID of the received packet (step STS8). If it is the previous round, the process proceeds to step STS9.
  • the accumulated path evaluation value calculation unit 87 i calculates a propagation loss from the transmission source node to the own node using the successively averaged RSSI, and adds it to the accumulated metric included in the received packet to obtain a new metric. (Step STS9).
  • the comparison unit 87 i compares the new metric with its own node metric (step STS10). If the new metric is smaller than the own node metric, the own node metric is updated with the value, and the uplink relay destination is updated to the address of the transmission source node of the received packet. Then, a new routing packet having the new metric as a cumulative metric is broadcast (step STS11). If not, the process returns to step STS1.
  • the slave node 7 i ends the round when Ts time has elapsed since the start of the new round.
  • LB Picomesh LunchBox
  • LB is equipped with 3 systems of general-purpose wireless LAN modules compliant with 802.11b / g / a, 2 systems for relay lines and 1 system for access lines. Each radio module is assigned a different frequency channel to avoid interference between the access line and the trunk line.
  • a communication system of a core node C and five slave nodes S 1 to S 5 is constructed.
  • the experimental protocol parameters are: core node waiting time Tr in each round is 2 seconds, slave node waiting time Ts in each round is 2 seconds, slave node reset waiting time Tw is 5 seconds, and interval Tc between each round is 3
  • the number of rounds Nr is 100.
  • Table 1 applies the conventional minimum propagation loss routing and applies the routing route pattern in the present embodiment and the pattern of the relay route that appears when a total of 100 routings are executed every 3 minutes.
  • Fig. 5 shows the result of the experiment of the pattern of the relay route that appeared after 100 times of routing.
  • this embodiment is based on the assumption that the system has one core node, but can be easily extended to a system having a plurality of core nodes.
  • a routing packet is transmitted from each core node. Therefore, for example, the core node 5 sets its own node TimeID to 0 at the time of initialization.
  • the core node 5 receives the reset routing packet, the core node 5 checks the packet ID. If it is newer than its own node TimeID, the core node 5 broadcasts the same reset routing packet, and updates its own node TimeID with the packet ID of the received packet. Then, a normal routing packet is broadcast to the surroundings at Tc intervals after Tw time, and is terminated when the number of transmissions reaches Nr.
  • Such a system can be realized even when there are a plurality of core nodes.
  • the calculation of the received power evaluation value of the received power evaluation value calculation unit 83 i is not limited to the present embodiment.
  • the received power R 0 of the reset routing packet is set to the initial value A 0 of the received power evaluation value, and the normal routing packet received n-th (n is a natural number) is received. for power evaluation value a n, or it may be calculated by successive average received power routing packets.
  • the initialization unit 75 i initializes the peripheral node storage unit 57 i in step STS3 of FIG. 6, the reset routing packet transmission source node and the peripheral node storage unit 57 i are The initial values of the received power evaluation values are stored in combination, and thereafter, a sequential average may be calculated.
  • the received power evaluation value may be calculated using the received power of the reset routing packet.
  • the received power evaluation value calculation unit 83 i not only receives the received power of the normal routing packet but also receives the received power of the reset routing packet or / and part of other normal routing packets.
  • the received power evaluation value may be calculated using all the received power.
  • the received power evaluation value An that is the evaluation value of the received power R n of the normal routing packet received n-th (n is a natural number of 2 or more) is expressed as ⁇ n and ⁇ n ( ⁇ n and ⁇ n are (a function of n and a function that is not equal to 0).
  • a 1 R 1 may be set.
  • a 1 may be calculated by adding a constant multiple, as in equation (4), where A 0 is the received power R 0 of the reset routing packet.
  • At least one of ⁇ n and ⁇ n may be a constant. By setting such a constant, fluctuations in RSSI can be reduced.
  • step STS9 may be performed before the processes of steps STS7 and STS8.

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Abstract

　本願発明は、受信電力（ＲＳＳＩ）の変動により伝搬路が変動しても、安定した中継経路を構築可能な通信システム等を提案する。無線バックホールシステムにおいて、コアノードを根とするツリー構造の通信経路を構築するときに、各スレーブノードにおいて、直近のリセット・ルーティング・パケットを受信してから、同じ送信元ノードより受信したｎ個のルーティングパケットの受信電力の逐次平均などを用いて、この送信元ノードを、ツリー構造における親とするか否かを決定する。受信電力は一般に対数正規分布に従うことから、特に逐次平均を用いることにより、漸近的に安定した中継経路を獲得することができる。

Description

通信システム、スレーブノード、ルート構築方法及びプログラム
　本発明は、通信システム、スレーブノード、ルート構築方法及びプログラムに関し、特に、基幹網に接続するコアノードと、直接又は他のノードを経由して無線通信によりコアノードに接続する複数のスレーブノードを備える通信システム等に関する。
　新世代ブロードバンドモバイルを実現する一形態として、半径が数十メートルの狭小セル基地局群を無線でマルチホップ中継接続するセルラシステムが検討されている。このシステムでは、基地局群のうち、コアノードと呼ばれるいくつかの基地局は有線で基幹網に接続され、その他はコアノードを介した無線マルチホップ中継により基幹網との通信が行われる。
　このような無線中継網は、通称、無線バックホールと呼ばれる。その安定運用と大容量化は、良質な無線マルチホップ中継プロトコルの実現にかかっている。無線バックホールのルーティングプロトコルは、メトリックとアルゴリズムにより特徴づけられ、メトリックの定義により対応するアルゴリズムも異なる。これまでに提案されているメトリックには、例えば、ホップカウントや、ノード間の無線リンクの品質などがある。ＥＴＸ(Expected　Transmission　Count)メトリック、ＲＴＴ（Per-hop　Round　Trip　Time）メトリック、ＷＣＥＴＴ（Weighted　Cumulative　Expected　Transmission）メトリックなどである。また、従来よく使われているアルゴリズムには、Bellman-FordアルゴリズムやDijkstraアルゴリズムなどがある。
　また、発明者らは、伝搬損をメトリックとするルーティング手法（以下、「従来の最小伝搬損ルーティング」という。）を提案した（特許文献１～３、非特許文献１参照）。従来の最小伝搬損ルーティングは、ノード間の受信電力（ＲＳＳＩ，Received　Signal　Strength　Indicator）により伝搬損を求め、これをメトリックとし、Bellman-Fordアルゴリズムにより各スレーブノードからコアノードまでの伝搬損が最小になるような中継経路を構築するものである。図８を参照して、従来の最小伝播損ルーティングについて具体的に説明する。図８は、従来の最小伝播損ルーティングにおけるスレーブノードの動作を示すフロー図である。コアノードがメトリック０のルーティングパケットを１回ブロードキャストし、スレーブノードがルーティングパケットを受信すると（ステップＳＴＳＰ１）、受信時のＲＳＳＩにより伝搬損を計算し、これと受信パケット中に含まれる累積メトリック（当該受信パケットを送信したノードからコアノードまでの伝搬損の和を表す）とを加算して新しいメトリックを計算する（ステップＳＴＳＰ２）。この新しいメトリックが自ノードの保持している累積メトリックより小さいなら（ステップＳＴＳＰ３）、ルートを更新し、新メトリックを含むルーティングパケットを周囲にブロードキャストする（ステップＳＴＳＰ４）。ステップＳＴＳＰ３において、小さくないならば、ルートの更新処理は行わない。以上を繰り返すことでルートが形成される。また、ルーティングパケットを受信せず、所定の時間が経過した後には（ステップＳＴＳＰ５）、ノード登録パケットを送信し（ステップＳＴＳＰ６）、処理を終了する。最終的には、コアノードを中心とするツリー型の経路が構築される。最小伝搬損ルーティングは、ノード間の伝搬損をメトリックとしているので、中継経路全体として干渉への耐性が高く、高品質・高効率な伝送特性が期待できるものである。
　また、無線マルチホップ中継におけるルーティングプロトコルについては、既に多数の手法が提案されており、アドホック型の無線バックホールにおいてはＩＥＴＦ（Internet　Engineering　Task　Force）のＭＡＮＥＴ（Mobile　Ad-Hoc　Networks）ＷＧにより標準化も進められている。
　しかしながら、ホップカウントをメトリックとする場合、遠くの離れたノード間のリンクがルートに使われてしまい、ルートの安定性獲得とは逆行する。
　また、従来の最小伝播損ルーティングでは、伝搬路の変動によりルートが不安定となる問題がある。すなわち、非特許文献１では、最小伝搬損ルーティングについて、伝搬路の変動の影響を考慮せずに計算機シミュレーションによりその有効性を評価している。しかし、実環境においては、各ノードは固定的に設置されているにもかかわらず、人の往来等によりＲＳＳＩは変動する（図２の線ａ参照）。従来の最小伝搬損ルーティングにおいては、メトリックは、受信されたルーティングパケットのＲＳＳＩのみにより計算されるので、ＲＳＳＩが変動すれば経路構築に用いられるメトリックも変動し、構築されたルートも実行時刻によって変動、すなわち不安定となる。
　既に提案されている無線マルチホップ中継におけるルーティングプロトコルも、伝搬路の変動に対して安定的な経路を獲得するような機構は持ち合わせていない。そのため、これらにより構築されたルートは、特定時刻に最適なルートにすぎず、伝搬路の変動に対処するためには頻繁な経路再構築が必要となり、ネットワークの負荷を高めてしまう。
　具体的に検討すると、これらのルーティングプロトコルはオン・デマンド型とスタティック型に分類できる。
　オン・デマンド型のルーティングプロトコルでは、通信要求が発生する都度ルーティング処理が行われ、構築されたルートは一定の生存期間（ＴＴＬ）存続する。通信が終了すると該ルートは削除される。オン・デマンド型のルーティングプロトコルはルーティング処理の負荷は大きいがネットワークトポロジーの変化に早く対応できるので、移動性の大きいモバイルアドホックネットワーク向きである。
　他方、スタティック型ルーティングプロトコルでは、ネットワークを構築する際、システムの起動と同時にルートを構築し、その後は該ルートを保持したままサービスを開始する。無線バックホールでは、各基地局は固定して設置されるためスタティック型のルーティングプロトコルが適している。
　無線バックホールで各基地局は固定設置されるが、伝搬路は人の動きなどによるフェージングの影響を受け変動する。しかし、従来のスタティック型ルーティングプロトコルでは、従来の最小伝播損ルーティングと同様に、伝搬路の変動を考慮したアルゴリズムの設計がなされていない。伝搬路の時間変動をまったく無視しているので、同じノード配置でもルーティングの実行時刻によって異なる中継経路が構築される。また、独自のテストベッドを用いて、無線バックホールにおける伝搬路の変動により構築されたルートが時間変動する現象を調べ、それによりシステムのスループットが変動することも報告されている。
　スタティック型ルーティングにおいて、システム起動時の伝搬路状況だけを見てルーティングを行うと、その後、伝搬路が変動すれば、当該ルートによるシステムの性能が保証できなくなり、最悪の場合、中継経路が断絶される場合もある。
　そこで、本願発明は、ＲＳＳＩの変動により伝搬路が変動しても、安定した中継経路を構築可能な通信システム等を提案することを目的とする。
　本願発明の第１の観点は、基幹網に接続するコアノードと、前記コアノードに直接又は他のスレーブノードを経由して無線通信により接続する複数のスレーブノードを備える通信システムであって、前記コアノードは、前記スレーブノードに対して、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の初期化を指示するリセット・ルーティング・パケットを送信し、その後、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の構築を指示するノーマル・ルーティング・パケットを複数送信するものであり、前記各スレーブノードは、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の評価値である自経路評価値を記憶する自経路評価値記憶手段と、当該スレーブノードから前記コアノードへ至る通信経路における最初の中継先ノードである上り中継先ノードを示す上り中継先情報を記憶する上り中継先記憶手段と、前記リセット・ルーティング・パケットを受信してからｎ個（ｎは自然数）の前記ノーマル・ルーティング・パケットを同じ送信元ノードより受信した場合、前記送信元ノードを新たな前記上り中継先ノードとするか否かを判断して前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路を決定するルート構築処理手段を備え、前記ルート構築処理手段は、ｎ番目に受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットの受信電力に基づき、当該スレーブノードと前記送信元ノードとの間の受信電力の評価値である受信電力評価値を計算する受信電力評価値計算手段と、前記コアノードから前記送信元ノードに至る中継経路の評価値及び前記受信電力評価値に基づいて、ｎ番目に受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットが経由した通信経路の評価値である新累積経路評価値を計算する新累積経路評価値計算手段と、前記新累積経路評価値が前記自経路評価値よりも小さい場合、前記上り中継先記憶部に対して、新たな前記上り中継先ノード情報として受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットのパケット送信元を記憶させ、前記自経路評価値記憶手段に対して、新たな前記自経路評価値として前記累積経路評価値を記憶させて更新処理を行う経路更新手段を有し、前記受信電力評価手段は、ｎが２以上の場合に、ｎ番目に受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットの受信電力だけでなく、前記リセット・ルーティング・パケットの受信電力又は／及び他に受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットの一部又は全部の受信電力にも基づき、当該スレーブノードと前記送信元ノードとの間の受信電力の評価値である受信電力評価値を計算するものである。
　本願発明の第２の観点は、第１の観点の通信システムであって、前記受信電力評価値計算手段は、ｎ番目に受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットの受信電力Ｒnの評価値である受信電力評価値Ａnを、定数又は前記リセット・ルーティング・パケットの受信電力を初期値として、αn及びβn（αn及びβnはｎの関数であり、αnは恒等的に０でない関数。）に対して式(eq1)により計算する。
　本願発明の第３の観点は、第２の観点の通信システムであって、式(eq1)において、Ａ1＝Ｒ1であり、ｎが２以上の場合にαn＝（ｎ－１）／ｎかつβn＝１／ｎである。
　本願発明の第４の観点は、第２の観点の通信システムであって、式(eq1)において、αn又は／及びβnは定数である。
　本願発明の第５の観点は、基幹網に接続するコアノードに直接又は他のノードを経由して無線通信により接続するスレーブノードであって、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の評価値である自経路評価値を記憶する自経路評価値記憶手段と、当該スレーブノードから前記コアノードへ至る通信経路における最初の中継先ノードである上り中継先ノードを示す上り中継先情報を記憶する上り中継先記憶手段と、前記コアノードから、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の初期化を指示するリセット・ルーティング・パケットを受信してから、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の構築を指示するノーマル・ルーティング・パケットを同じ送信元ノードよりｎ個（ｎは自然数）受信した場合、前記送信元ノードを新たな前記上り中継先ノードとするか否かを判断して前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路を決定するルート構築処理手段を備え、前記ルート構築処理手段は、ｎ番目に受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットの受信電力Ｒnを評価する受信電力評価値Ａnを、前記リセット・ルーティング・パケットの受信電力及び受信したｎ個の前記ノーマル・ルーティング・パケットの逐次平均、又は、受信したｎ個の前記ノーマル・ルーティング・パケットの逐次平均により計算する受信電力評価値計算手段と、前記コアノードから前記送信元ノードに至る中継経路の評価値及び前記受信電力評価値に基づいて、ｎ番目に受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットが経由した通信経路の評価値である新累積経路評価値を計算する新累積経路評価値計算手段と、前記新累積経路評価値が前記自経路評価値よりも小さい場合、前記上り中継先記憶部に対して、新たな前記上り中継先ノード情報として受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットのパケット送信元を記憶させ、前記自経路評価値記憶手段に対して、新たな前記自経路評価値として前記累積経路評価値を記憶させて更新処理を行う経路更新手段を有する。
　本願発明の第６の観点は、基幹網に接続するコアノードと、前記コアノードに直接又は他のスレーブノードを経由して無線通信により接続する複数のスレーブノードを備える通信システムにおけるルート構築方法であって、前記各スレーブノードは、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の評価値である自経路評価値を記憶する自経路評価値記憶手段と、当該スレーブノードから前記コアノードへ至る通信経路における最初の中継先ノードである上り中継先ノードを示す上り中継先情報を記憶する上り中継先記憶手段と、パケットを送受信可能なノード及び当該ノードとのパケット送受信時の受信電力の評価値である受信電力評価値の組み合わせを記憶する周辺ノード記憶手段を備え、前記コアノードが、前記スレーブノードに対して、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の初期化を指示するリセット・ルーティング・パケットを送信し、前記リセット・ルーティング・パケットを受信したスレーブノードの初期化手段が、当該リセット・ルーティング・パケットを初めて受信したか否かを判断し、初めて受信した場合には、同じ前記リセット・ルーティング・パケットを前記周辺ノード記憶手段に記憶されたノードに送信して、前記周辺ノード記憶手段に記憶された情報を削除し、前記自経路評価値を最大値に設定する初期化ステップと、前記コアノードが、前記スレーブノードに対して、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の構築を指示するノーマル・ルーティング・パケットを、送信された順番を特定して複数送信し、前記ノーマル・ルーティング・パケットを受信した前記スレーブノードにおいて、受信電力評価値計算手段が、受信したノーマル・ルーティング・パケットの送信元ノードが、前記周辺ノード記憶手段に記憶されていない場合には、前記ノーマル・ルーティング・パケットの受信電力に基づき当該スレーブノードと前記送信元ノードとの間の受信電力の評価値である受信電力評価値を計算し、前記周辺ノード記憶手段に対して、前記送信元ノードと前記受信電力評価値の組み合わせを記憶させ、受信したノーマル・ルーティング・パケットの送信元ノードが、前記周辺ノード記憶手段に記憶されている場合には、前記ノーマル・ルーティング・パケットの受信電力だけでなく、前記周辺ノード記憶手段に記憶された前記受信電力評価値にも基づいて、新たな受信電力評価値を計算し、前記周辺ノード記憶手段に対して、前記送信元ノードと新たな前記受信電力評価値の組み合わせを記憶させ、新ラウンド処理手段が、前記送信された順番に基づいて、受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットが、以前に受信したことのない前記ノーマル・ルーティング・パケットであるか否かを判断し、受信したことがないならば、前記新自経路評価値を最大値とし、新累積経路評価値計算手段が、前記コアノードから前記送信元ノードに至る中継経路の評価値及び前記受信電力評価値に基づいて、受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットが経由した通信経路の評価値である新累積経路評価値を計算し、経路更新手段が、前記新累積経路評価値が前記自経路評価値よりも小さい場合、前記上り中継先記憶部に対して、新たな前記上り中継先ノード情報として受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットのパケット送信元を記憶させ、前記自経路評価値記憶手段に対して、新たな前記自経路評価値として前記累積経路評価値を記憶させて更新処理を行い、前記周辺ノード記憶手段に記憶されたノードに対して新たな前記自経路評価値を送信することにより、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路を決定するルート構築ステップを含む。
　本願発明の第７の観点は、コンピュータを、第５の観点のスレーブノードとして機能させるためのプログラムである。
　なお、受信電力評価値計算手段は、式(eq1)において、Ａ0をリセット・ルーティング・パケットの受信電力Ｒ0として、自然数ｎに対して、αn＝ｎ／（ｎ＋１）かつβn＝１／（ｎ＋１）として受信電力評価値を計算するものであってもよい。特に、本願発明の第６の観点において、リセット・ルーティング・パケットを受信したスレーブノードの初期化手段が、前記周辺ノード記憶手段に記憶された情報を削除した後、前記周辺ノード記憶手段に対して、リセット・ルーティング・パケットの受信電力を受信電力評価値の初期値とし、リセット・ルーティング・パケットの送信元ノードと受信電力評価値の初期値を組み合わせて記憶させるものであってもよい。また、本願発明の第７の観点のプログラムを（定常的に）記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体としてとらえてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　なお、関数αn及びβnは、例えば、αn＋βn≦１（特に、αn＋βn＝１。）である関数であってもよい。さらに、ｎ→∞に対してαn→１及びβn→０である関数とすることにより、受信電力評価値Ａnをより安定したものとして計算することができる。
　本願発明によれば、従来の最小伝搬損ルーティングとは異なり、各ルート構築処理の開始のきっかけとなるノーマル・ルーティング・パケットのＲＳＳＩだけでなく、直近のリセット・ルーティング・パケットの受信以降に受信された他のノーマル・ルーティング・パケットのＲＳＳＩも考慮してルート構築処理を行うことにより、リセット・ルーティング・パケットの受信以降、各ノードが固定設置され、設置位置の変動がない状態でＲＳＳＩが変動する場合においても、安定した中継経路を構築することが可能となる。
　さらに、本願発明の第２及び第５の観点にあるように、リセット・ルーティング・パケットの受信からｎ番目（ｎは２以上の自然数）に受信したノーマル・ルーティング・パケットの受信電力評価値Ａnを、このノーマル・ルーティング・パケットの受信電力Ｒnに加えて受信電力評価値Ａn-1を利用して求めることにより、各スレーブノードに記憶する変数を制限し、さらに、計算処理も軽減することができ、スレーブノードの実現を容易にすることができる。特に、無線バックホールの伝送路では、ＲＳＳＩは一般に対数正規分布に従うことが知られており、本願発明の第３の観点にあるように、Ａnを逐次平均により求めることにより、漸近的に安定した中継経路を獲得することができる。また、本願発明の第４の観点にあるように、関数αn又は／及びβnを定数とすることにより、ＲＳＳＩの変動を緩和することが可能となる。
本願発明の実施例である通信システム１の概要を示す図である。 ＲＳＳＩの変動（線ａ）及び逐次平均の変化（線ｂ）を示すグラフである。 図１のコアノード５の構成の一例を示すブロック図である。 図３のコアノード５の動作の一例を示すフロー図である。 図１のスレーブノード７iの構成の一例を示すブロック図である。 図５のスレーブノード７iの動作の一例を示すフロー図である。 本実施例の実験により構築された安定ルートを示す図である。 従来の最小伝播損ルーティングにおけるスレーブノードの動作を示すフロー図である。
　以下では、図面を参照して、本願発明の実施例について説明する。なお、本願発明は、この実施例に限定されるものではない。
　図１は、本願発明の実施例である通信システム１の概要を示す図である。通信システム１は無線バックホールシステムであり、各基地局は固定設置される。通信システム１の基地局は２種類あり、基幹網３に有線接続するコアノード５（本願請求項の「コアノード」の一例）と、複数のスレーブノード７1，・・・，７10（本願請求項の「スレーブノード」の一例）である。基地局間は無線通信が可能であり（以下では、基地局間の無線通信回線を「中継回線」という。）、中継回線では、図１に示されるように、コアノード５を中心とするツリー型の経路が構築される。また、各基地局には無線通信が可能な領域（クラスターセル）がある。例えば携帯電話のように、移動可能で、基地局と無線通信可能な携帯端末９は、ある基地局のクラスターセル内に存在すれば、この基地局との間で無線通信を行う（以下、基地局と携帯端末等との間の無線通信回線を「アクセス回線」という。）。携帯端末９は、アクセス回線及び中継回線により基幹網３に接続することができる。
　続いて、本実施例におけるルーティングプロトコルについて、ＲＳＳＩの逐次平均により、ＲＳＳＩの評価値を計算する場合について説明する（以下、「本プロトコル」という。）。本プロトコルは複数回のラウンドにより構成され、各ラウンドでは、各中継ノードが周辺のノードとルーティングパケットの送受信を繰り返し行い、ＲＳＳＩの逐次平均を計算して、完全なルーティングを一つ構築する。
　無線バックホールの伝搬路において、ＲＳＳＩは一般に対数正規分布に従うことが知られている（非特許文献２参照）。すなわち、デシベルで表示されたＲＳＳＩは、振幅の分布が正規分布に従う確率過程である。
　ノード間のＲＳＳＩを一定時間間隔で均一サンプリングした値の系列{Rn，n=1，2，…}の逐次平均値{An,n=1,2,…}を式(1)により定義する。逐次平均の系列{An}は、ｎが大きくなるにつれ当該確率過程の平均値に収束する（非特許文献３参照）。そのため、ラウンドの回数を増やすと、各ノード間のＲＳＳＩの逐次平均は一定の値に収束するので、各ラウンドで構築したルートは漸近的に安定したルートへと収束する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　図１の中継回線において、伝搬路は人の動きなどによるフェージングの影響を受け変動する。図２のグラフにおいて、三角形の印でプロットされた線ａは、IEEE802.11aを無線インターフェースにした場合に、実際に観測されたＲＳＳＩの時間変動の様子を示すものである。ＲＳＳＩは、時間とともに激しく変動する。そのため、従来の最小伝播損ルーティング等を用いて、このＲＳＳＩの変動に常に追従しようとすれば、中継回線の経路は不安定なものとなってしまう。
　それに対し、図２のグラフにおいて、バツ印でプロットされた線ｂは、式(1)によって得られる逐次平均の変化を示すものである。図２の線ｂは、－５２ｄＢｍから－５５ｄＢｍに変化した後、この値に安定している。このように、ノード間のＲＳＳＩを一定間隔でサンプリングして逐次平均をとることにより、一定時間後、ＲＳＳＩの変動は抑制できることが分かる。
　続いて、図３乃至図６を参照して、本プロトコルにおける図１のコアノード５及びスレーブノード７i（ｉはスレーブノードの個数以下の自然数）の構成及び動作の一例について説明する。
　まず、本プロトコルで扱っているルーティングパケット、各ノードが保持するルーティング変数及びパラメータ等について定義する。
　「自ノードメトリック」（本願請求項の「自経路評価値」の一例）は、各ノードにおいて、当該ノードからコアノードまでの中継経路上の伝搬損の和である。各ノードは、この自ノードメトリックを保持し、電源投入時に最大値で初期化する。
　「ルーティングパケット」は、コアノード５が、各スレーブノード７iに対して送信するものである。ルーティングパケットには２種類あり、コアノード５が各スレーブノード７iに対し既存ルート情報のクリア要求を出すときに使うリセット・ルーティング・パケット（本願請求項の「リセット・ルーティング・パケット」の一例）と、ルートを構築する時に使うノーマル・ルーティング・パケット（本願請求項の「ノーマル・ルーティング・パケット」の一例）である。ルーティングパケットには、累積メトリック（本願請求項の「累積経路評価値」の一例）とパケットＩＤの情報が含まれる。ここで、ルーティングパケットに含まれる累積メトリックは、当該ルーティングパケットを送信したノードが送信時に保持していた自ノードメトリックである。
　「周辺ノードテーブル」は、周辺ノードのアドレス、ＲＳＳＩの逐次平均並びにルーティングパケットの送信回数を記録したテーブルである。ここで、周辺ノードとは、自ノードとパケットの送受信ができる範囲内にあるノードである。
　「上り中継先」は、各スレーブノード７iにおいてルーティング情報として保持された、上り中継先ノードのアドレス（本願請求項の「上り中継先ノード情報」の一例）である。本プロトコルでは、Bellman-Fordアルゴリズムを採用する。そのため、構築される中継経路は、図１のようなツリー構造であり、各スレーブノード７iは唯一の上り中継先のみを持つ。そこで、各スレーブノード７iは、ルーティング情報として上り中継先ノードのアドレスを保持する。下り中継先は中継動作時、上り方向に中継されるパケットの送信元アドレスを調べて確認することができるので、ルーティング時には決定せず、経路が確定後に調べる。
　「自ノードTimeID」は、各ルーティングパケットの送信時刻を識別するために持つタイムスタンプである。
　また、本プロトコルで必要とするパラメータは、各スレーブノードのルーティング履歴クリアの待ち時間Ｔｗ、ラウンドの実行回数Ｎｒ、ラウンド間の間隔Ｔｃ、各ラウンドでコアノードの待ち時間Ｔｒ、及び、スレーブノードの待ち時間Ｔｓである。
　まず、図３を参照して、図１のコアノード５について構成の一例を説明する。
　コアノード５は、周辺ノードテーブルを記憶するノード記憶部１３と、各種パラメータを記憶するパラメータ記憶部１５と、電源スイッチ１７及びリセットボタン１９が設けられた入力部２１と、スレーブノード７iと無線通信する無線通信部２３と、コアノード５の動作を制御する制御部２５と、ノード記憶部１３の周辺ノードテーブルを更新するノード登録処理部２７を備える。無線通信部２３は、アンテナ２９と、アンテナ２９による通信を制御する通信制御部３１を備える。電源スイッチ１９は、コアノード５の電源投入時に操作されるものである。リセットボタン２１は、例えば、コアノード５及びスレーブノード７iの一部又は全部の配置を変更した場合や、スレーブノード７iの一部を通信システム１から削除したり、スレーブノードを新たに追加したりする場合のように、配置されたノードに変更があり、外部から、中継経路を新たに構築するよう指示するために操作されるものである。
　次に、図４を参照して、図１のコアノード５の動作の一例を説明する。図４は、この処理は、初期化が必要な場合と、それからＴｃ時間間隔でＮｒ回行われるものである。図４では、初期化が必要な場合として、電源スイッチ１９又はリセットボタン２１が操作された場合を例に説明する。
　制御部２５は、パワーオン又はリセットボタン２１が押されたか否かを判断する（ステップＳＴＣ１）。操作された場合、コアノード５において、制御部２５は、リセット・ルーティング・パケットのパケットＩＤとコアノード５の自ノードTimeIDは、ルーティングパケットを送信する時刻に設定し、無線通信部２３の通信制御部３１を制御して、アンテナ部２９より、各スレーブノード７iに対してリセット・ルーティング・パケットを送信し（ステップＳＴＣ２）、Ｔｗ時間（例えば７秒）待ち（ステップＳＴＣ３）、Ｔｃ間隔で、各スレーブノード７iに対してノーマル・ルーティング・パケットを送信する（ステップＳＴＣ４）。この時、ルーティングパケットの累積メトリックは０で、パケットＩＤはコアノードがブロードキャストパケットを送信する時刻に設定する。他方、ステップＳＴＣ１において、パワーオンでもリセットボタン２１が押されてもいない場合には、ステップＳＴＣ４の処理を行う。これが一回のラウンドであり、コアノード５はラウンドが始まってからＴｒ時間経つとラウンドを終了し、通信システム１は一回のルーティングを完了する。また、ノード登録パケットを受信すると、ノード登録処理部２７は、そのパケットのパケット送信元のノードを周辺ノードとして、ノード記憶部１３の周辺ノードテーブルに登録する（ステップＳＴＣ５）。
　なお、時間間隔Ｔｃは、一定間隔だけでなく、本プロトコルでは、漸近的に安定することから、回数に応じて時間間隔を変更するようにしてもよい。また、制御部２５は、ステップＳＴＣ１において、例えば週末や、一日でも夜間と昼間などの時間帯に応じて中継経路を変更するように、所定の時刻でリセット・ルーティング・パケットのブロードキャストを行うようにしてもよい。
　続いて、図５及び図６を参照して、図１のスレーブノード７iについて説明する。
　図５を参照して、図１のスレーブノード７iの構成の一例を説明する。スレーブノード７iは、自ノードメトリックを記憶する自経路評価値記憶部５１i（本願請求項の「自経路評価値記憶手段」の一例）と、上り中継先ノードのアドレスを記憶する上り中継先記憶手段５３i（本願請求項の「上り中継先記憶手段」の一例）と、自ノードTimeIDを記憶するＴｉｍｅＩＤ記憶部５５iと、周辺ノードテーブルを記憶するノード記憶部５７i（本願請求項の「ノード記憶手段」の一例）と、各種パラメータを記憶するパラメータ記憶部５９iと、他のノードと無線通信を行う無線通信部６５iと、スレーブノード７iの動作を制御する制御部７１iを備える。無線通信部６５iは、他のノードと無線通信を行うためのアンテナ６１iと、アンテナ６１iによる通信を制御する通信制御部６３iを備える。
　制御部７１iは、受信したパケットの種類を判断する判断部７３iと、リセット・ルーティング・パケットを受信した場合に周辺ノードテーブル等を初期化する初期化部７５i（本願請求項の「初期化手段」の一例）と、ノーマル・ルーティング・パケットを受信した場合にコアノード５から当該スレーブノード７iへ至る中継経路の構築処理を行うルート構築処理部７７i（本願請求項の「ルート構築処理手段」の一例）を備える。
　ルート構築処理部７７iは、受信したノーマル・ルーティング・パケットのパケット送信元が周辺ノードテーブルに登録されていない場合にパケット送信元を登録するノード登録処理部８１i（本願請求項の「ノード登録処理手段」の一例）と、リセット・ルーティング・パケットの受信からｎ番目（ｎは自然数）に受信したノーマル・ルーティング・パケットの受信電力Ｒnの逐次平均Ａn（本願請求項の「受信電力評価値」の一例）を式(1)により計算する受信電力評価値計算部８３i（本願請求項の「受信電力評価値計算手段」の一例）と、受信パケットのパケットＩＤと自ノードTimeIDを比較し、新しいラウンドが始まったか否かを判断する新ラウンド処理部８５iと、逐次平均Ａnを用いて送信元ノードから自ノードまでの伝搬損を計算し、受信パケットに含まれる累積メトリックと加算して新しいメトリック（以下、「新メトリック」という。）を計算する累積経路評価値計算部８７i（本願請求項の「累積経路評価値計算手段」の一例）と、新メトリックと自ノードメトリックを比較する比較部８９iと、新メトリックが自ノードメトリックよりも小さい場合、パケット送信元を新たな上り中継先とし、新メトリックを新たな自ノードメトリックとして更新処理を行い、周辺ノードテーブルに記憶された各ノードに対して更新後の自ノードメトリックを送信する経路更新部８９i（本願請求項の「経路更新手段」の一例）を有する。
　ここで、累積経路評価値計算部８７iは、式(2)により伝搬損を計算する。ＴＸ＿ＰＯＷＥＲは送信電力を表し、単位はｄＢｍである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　次に、図６を参照して、図５のスレーブノード７iの動作について説明する。
　スレーブノード７iは、ルーティングパケットの受信を待ち（ステップＳＴＳ１）、ルーティングパケットを受信すると、判断部７３iは、受信したルーティングパケットの種類を判断する（ステップＳＴＳ２）。リセット・ルーティング・パケットの場合、初期化部は、受信パケットのパケットＩＤを調べ、自分のTimeIDより新しければ、同じリセット・ルーティング・パケットを周辺ノードにブロードキャストし、周辺ノードテーブルをクリアして、自ノードメトリックを最大値に設定し、自ノードTimeIDを受信パケットのパケットＩＤに設定する（ステップＳＴＳ３）。
　ノーマル・ルーティング・パケットを受信した場合、ノード登録処理部８１iは、送信元ノードを確認し、周辺ノードテーブルに当該送信元ノードの登録がないかを調べ（ステップＳＴＳ４）。登録されていない場合、周辺ノードテーブルに登録する。その際、受信時のＲＳＳＩを逐次平均の初期値とし、受診回数は１に設定する（ステップＳＴＳ５）。
　既にテーブルに登録されているノードからのルーティングパケットである場合、受信電力評価値計算部８３iは、当該送信元ノードに対する現逐次平均Ａn-1と受信電力Ｒnから式(1)により新たな逐次平均Ａnを求め、計算した値でテーブルの当該ノードの逐次平均を更新し、受信回数を１回増やす（ステップＳＴＳ６）。
　次に、新ラウンド処理部８５iは、受信パケットのパケットＩＤを調べ、自ノードTimeIDより新しい場合、新しいラウンドが始まったと判断し（ステップＳＴＳ７）、自ノードメトリックを最大値に、また自ノードTimeIDを受信パケットのパケットＩＤに設定する（ステップＳＴＳ８）。以前のラウンドであれば、ステップＳＴＳ９の処理へ進む。
　次に、累積経路評価値計算部８７iは、逐次平均されたＲＳＳＩを用いて送信元ノードから自ノードまでの伝搬損を計算し、受信パケットに含まれる累積メトリックと加算して新メトリックを得る（ステップＳＴＳ９）。
　次に、比較部８７iは、新メトリックと自ノードメトリックを比較する（ステップＳＴＳ１０）。新メトリックが自ノードメトリックより小さい場合、自ノードメトリックを当該値で更新し、上り中継先を受信パケットの送信元ノードのアドレスに更新する。そして、新メトリックを累積メトリックとする新しいルーティングパケットをブロードキャストする（ステップＳＴＳ１１）。小さくない場合には、ステップＳＴＳ１の処理に戻る。
　スレーブノード７iは、新しいラウンドが始まってからＴｓ時間が経過したらラウンドを終了する。
　続いて、ノード間ＲＳＳＩの逐次平均を用いたルーティング手法をテストベッド上に実装し、実フィールドで特性評価を行った。テストベッドには、発明者らが推進する文部科学省知的クラスタ創成事業II期「ＭＩＭＯ－ＭＥＳＨポイント」の開発プロジェクトの成果物であるPicomesh　LunchBox（以下、「ＬＢ」という。）を用いた。
　ＬＢは、802.11b/g/a準拠の汎用無線ＬＡＮモジュールを３系統搭載していて、中継回線用に２系統、アクセス回線用に１系統割り当てられている。各無線モジュールには異なる周波数チャネルを割り当て、アクセス回線と中継回線の間の干渉を回避する。
　図７に示すように、コアノードＣと５つのスレーブノードＳ1～Ｓ5の通信システムを構築する。実験時プロトコルのパラメータは、各ラウンドでコアノードの待ち時間Ｔｒが２秒、各ラウンドでスレーブノードの待ち時間Ｔｓが２秒、スレーブノードのリセット待ち時間Ｔｗが５秒、各ラウンドの間隔Ｔｃが３分、ラウンド回数Ｎｒが100回である。
　表１は、従来の最小伝搬損ルーティングを適用して、３分間毎に、計１００回のルーティングを実行した場合に出現した中継経路のパタンと、本実施例におけるルーティングプロトコルを適用して、同様に計１００回のルーティングを実行し、出現した中継経路のパタンの実験結果を示すものである。
　従来のルーティング手法を適用した場合は、時間帯により、８つの異なるパタンの中継経路が構築されている。ルーティング時の伝搬路の状況に依存しており、システムが不安定である。これに対し、提案プロトコルを適用した場合は、２、３回目のラウンドから図７に示すルート１に固定されることを確認した。よって、本実施例により、伝搬路が時間変動する実環境でも安定した中継経路が構築できるのが分かる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　なお、本実施例は、コアノードが一つのシステムを前提にしているが、複数のコアノードが存在するシステムにも容易に拡張することができる。コアノードが複数存在する場合、ルーティングパケットが、各コアノードから送信される。そのため、例えば、コアノード５は、初期化の際に自ノードTimeIDを０に設定する。コアノード５は、リセット・ルーティング・パケットを受信すると、パケットＩＤを調べ、自ノードTimeIDより新しければ、同じリセット・ルーティング・パケットをブロードキャストし、自ノードTimeIDを受信パケットのパケットＩＤで更新する。それから、Ｔｗ時間後Ｔｃ間隔で周囲にノーマル・ルーティング・パケットをブロードキャストし、送信回数がＮｒに達すると終了する。このようなシステムとすることにより、複数のコアノードが存在する場合でも実現することができる。
　また、本願発明は、受信電力評価値計算部８３iの受信電力評価値の計算も、本実施例に限定されない。例えば、式(3)にあるように、リセット・ルーティング・パケットの受信電力Ｒ0を受信電力評価値の初期値Ａ0とし、ｎ番目（ｎは自然数）に受信したノーマル・ルーティング・パケットの受信電力評価値Ａnについて、ルーティングパケットの受信電力の逐次平均により計算するものであってもよい。この場合、図６のステップＳＴＳ３において、初期化部７５iが周辺ノード記憶部５７iを初期化する場合には、周辺ノード記憶部５７iに対して、リセット・ルーティング・パケットの送信元ノードと受信電力評価値の初期値を組み合わせて記憶させ、その後は、逐次平均を計算すればよい。このように、リセット・ルーティング・パケットの受信電力を用いて受信電力評価値を計算するようにしてもよい。一般的には、受信電力評価値計算部８３iは、受信したノーマル・ルーティング・パケットの受信電力だけでなく、リセット・ルーティング・パケットの受信電力又は／及び他のノーマル・ルーティング・パケットの一部又は全部の受信電力も用いて受信電力評価値を計算するようにしてもよい。特に、ｎ番目（ｎは２以上の自然数）に受信したノーマル・ルーティング・パケットの受信電力Ｒnの評価値である受信電力評価値Ａnを、αn及びβn（αn及びβnはｎの関数であり、恒等的に０でない関数。）に対して式(4)により計算してもよい。この場合、ｎが１のときは、例えば、Ａ1＝Ｒ1としてもよい。さらに、Ａ0をリセット・ルーティング・パケットの受信電力Ｒ0として式(4)と同様に定数倍の加算によりＡ1を計算してもよい。
　さらに、式(4)において、αn及びβnの少なくとも一方は、定数であってもよい。このような定数とすることにより、ＲＳＳＩの変動を緩和することが可能となる。
　また、図６において、ステップＳＴＳ７及びＳＴＳ８の処理の前に、ステップＳＴＳ９の処理を行うようにしてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
特許第３９２８６３６号公報 特許第４２２７７３７号公報 特許第４３８９９２９号公報
　１　通信システム、３　基幹網、５　コアノード、７i　スレーブノード、５１i　自経路評価値記憶部、５３i　ノード記憶部、７５i　初期化部、８１i　ノード登録処理部、８３i　受信電力評価値計算部、８７i　累積経路評価値計算部、９１i　経路更新部

Claims (7)

  1. 　基幹網に接続するコアノードと、前記コアノードに直接又は他のスレーブノードを経由して無線通信により接続する複数のスレーブノードを備える通信システムであって、
    　前記コアノードは、前記スレーブノードに対して、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の初期化を指示するリセット・ルーティング・パケットを送信し、その後、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の構築を指示するノーマル・ルーティング・パケットを複数送信するものであり、
    　前記各スレーブノードは、
    　　前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の評価値である自経路評価値を記憶する自経路評価値記憶手段と、
    　　当該スレーブノードから前記コアノードへ至る通信経路における最初の中継先ノードである上り中継先ノードを示す上り中継先情報を記憶する上り中継先記憶手段と、
    　　前記リセット・ルーティング・パケットを受信してからｎ個（ｎは自然数）の前記ノーマル・ルーティング・パケットを同じ送信元ノードより受信した場合、前記送信元ノードを新たな前記上り中継先ノードとするか否かを判断して前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路を決定するルート構築処理手段を備え、
    　　前記ルート構築処理手段は、
    　　　ｎ番目に受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットの受信電力に基づき、当該スレーブノードと前記送信元ノードとの間の受信電力の評価値である受信電力評価値を計算する受信電力評価値計算手段と、
    　　　前記コアノードから前記送信元ノードに至る中継経路の評価値及び前記受信電力評価値に基づいて、ｎ番目に受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットが経由した通信経路の評価値である新累積経路評価値を計算する新累積経路評価値計算手段と、
    　　　前記新累積経路評価値が前記自経路評価値よりも小さい場合、前記上り中継先記憶部に対して、新たな前記上り中継先ノード情報として受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットのパケット送信元を記憶させ、前記自経路評価値記憶手段に対して、新たな前記自経路評価値として前記累積経路評価値を記憶させて更新処理を行う経路更新手段を有し、
    　　前記受信電力評価手段は、ｎが２以上の場合に、ｎ番目に受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットの受信電力だけでなく、前記リセット・ルーティング・パケットの受信電力又は／及び他に受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットの一部又は全部の受信電力にも基づき、当該スレーブノードと前記送信元ノードとの間の受信電力の評価値である受信電力評価値を計算する、
    通信システム。
  2. 　前記受信電力評価値計算手段は、ｎ番目に受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットの受信電力Ｒnの評価値である受信電力評価値Ａnを、定数又は前記リセット・ルーティング・パケットの受信電力を初期値として、αn及びβn（αn及びβnはｎの関数であり、αnは恒等的に０でない関数。）に対して式(eq1)により計算する、請求項１記載の通信システム。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  3. 　式(eq1)において、Ａ1＝Ｒ1であり、ｎが２以上の場合にαn＝（ｎ－１）／ｎかつβn＝１／ｎである、請求項２記載の通信システム。
  4. 　式(eq1)において、αn又は／及びβnは定数である、請求項２記載の通信システム。
  5. 　基幹網に接続するコアノードに直接又は他のノードを経由して無線通信により接続するスレーブノードであって、
    　前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の評価値である自経路評価値を記憶する自経路評価値記憶手段と、
    　当該スレーブノードから前記コアノードへ至る通信経路における最初の中継先ノードである上り中継先ノードを示す上り中継先情報を記憶する上り中継先記憶手段と、
    　前記コアノードから、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の初期化を指示するリセット・ルーティング・パケットを受信してから、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の構築を指示するノーマル・ルーティング・パケットを同じ送信元ノードよりｎ個（ｎは自然数）受信した場合、前記送信元ノードを新たな前記上り中継先ノードとするか否かを判断して前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路を決定するルート構築処理手段を備え、
    　前記ルート構築処理手段は、
    　　ｎ番目に受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットの受信電力Ｒnを評価する受信電力評価値Ａnを、前記リセット・ルーティング・パケットの受信電力及び受信したｎ個の前記ノーマル・ルーティング・パケットの逐次平均、又は、受信したｎ個の前記ノーマル・ルーティング・パケットの逐次平均により計算する受信電力評価値計算手段と、
    　　前記コアノードから前記送信元ノードに至る中継経路の評価値及び前記受信電力評価値に基づいて、ｎ番目に受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットが経由した通信経路の評価値である新累積経路評価値を計算する新累積経路評価値計算手段と、
    　　前記新累積経路評価値が前記自経路評価値よりも小さい場合、前記上り中継先記憶部に対して、新たな前記上り中継先ノード情報として受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットのパケット送信元を記憶させ、前記自経路評価値記憶手段に対して、新たな前記自経路評価値として前記累積経路評価値を記憶させて更新処理を行う経路更新手段を有する、スレーブノード。
  6. 　基幹網に接続するコアノードと、前記コアノードに直接又は他のスレーブノードを経由して無線通信により接続する複数のスレーブノードを備える通信システムにおけるルート構築方法であって、
    　前記各スレーブノードは、
    　　前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の評価値である自経路評価値を記憶する自経路評価値記憶手段と、
    　　当該スレーブノードから前記コアノードへ至る通信経路における最初の中継先ノードである上り中継先ノードを示す上り中継先情報を記憶する上り中継先記憶手段と、
    　　パケットを送受信可能なノード及び当該ノードとのパケット送受信時の受信電力の評価値である受信電力評価値の組み合わせを記憶する周辺ノード記憶手段を備え、
    　前記コアノードが、前記スレーブノードに対して、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の初期化を指示するリセット・ルーティング・パケットを送信し、前記リセット・ルーティング・パケットを受信したスレーブノードの初期化手段が、当該リセット・ルーティング・パケットを初めて受信したか否かを判断し、初めて受信した場合には、同じ前記リセット・ルーティング・パケットを前記周辺ノード記憶手段に記憶されたノードに送信して、前記周辺ノード記憶手段に記憶された情報を削除し、前記自経路評価値を最大値に設定する初期化ステップと、
    　前記コアノードが、前記スレーブノードに対して、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路の構築を指示するノーマル・ルーティング・パケットを、送信された順番を特定して複数送信し、前記ノーマル・ルーティング・パケットを受信した前記スレーブノードにおいて、
    　　受信電力評価値計算手段が、
    　　　受信したノーマル・ルーティング・パケットの送信元ノードが、前記周辺ノード記憶手段に記憶されていない場合には、前記ノーマル・ルーティング・パケットの受信電力に基づき当該スレーブノードと前記送信元ノードとの間の受信電力の評価値である受信電力評価値を計算し、前記周辺ノード記憶手段に対して、前記送信元ノードと前記受信電力評価値の組み合わせを記憶させ、
    　　　受信したノーマル・ルーティング・パケットの送信元ノードが、前記周辺ノード記憶手段に記憶されている場合には、前記ノーマル・ルーティング・パケットの受信電力だけでなく、前記周辺ノード記憶手段に記憶された前記受信電力評価値にも基づいて、新たな受信電力評価値を計算し、前記周辺ノード記憶手段に対して、前記送信元ノードと新たな前記受信電力評価値の組み合わせを記憶させ、
    　　新ラウンド処理手段が、前記送信された順番に基づいて、受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットが、以前に受信したことのない前記ノーマル・ルーティング・パケットであるか否かを判断し、受信したことがないならば、前記新自経路評価値を最大値とし、
    　　新累積経路評価値計算手段が、前記コアノードから前記送信元ノードに至る中継経路の評価値及び前記受信電力評価値に基づいて、受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットが経由した通信経路の評価値である新累積経路評価値を計算し、
    　　経路更新手段が、前記新累積経路評価値が前記自経路評価値よりも小さい場合、前記上り中継先記憶部に対して、新たな前記上り中継先ノード情報として受信した前記ノーマル・ルーティング・パケットのパケット送信元を記憶させ、前記自経路評価値記憶手段に対して、新たな前記自経路評価値として前記累積経路評価値を記憶させて更新処理を行い、前記周辺ノード記憶手段に記憶されたノードに対して新たな前記自経路評価値を送信することにより、前記コアノードから当該スレーブノードへ至る通信経路を決定するルート構築ステップを含むルート構築方法。
  7. 　コンピュータを、請求項５記載のスレーブノードとして機能させるためのプログラム。
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