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マルチホップ無線通信ネットワーク、モバイルノード、および通信方法 コモンズ

国内特許コード P110004857
整理番号 08-004JP00
掲載日 2011年8月18日
出願番号 特願2008-184938
公開番号 特開2010-028294
登録番号 特許第5142107号
出願日 平成20年7月16日(2008.7.16)
公開日 平成22年2月4日(2010.2.4)
登録日 平成24年11月30日(2012.11.30)
発明者
  • 藤井 威生
出願人
  • 国立大学法人電気通信大学
発明の名称 マルチホップ無線通信ネットワーク、モバイルノード、および通信方法 コモンズ
発明の概要

【課題】電波干渉を抑え、データ転送効率を最適化するマルチホップ無線通信ネットワークを提供する。
【解決手段】モバイルノードの各々は、データ送信に使用するサブキャリアを選択し、転送元モバイルノードとの間の無線通信品質に基づいて1OFDMシンボルでの送信可能ビット数を算出し、送信元モバイルノードは、転送経路において最も伝送容量の低いモバイルノード間における1OFDMシンボルでの送信可能ビット数に基づいて固定パケット長を決定する。各モバイルノードは、隣接するモバイルノードとは送信タイミングの異なるタイムスロットを決定して、固定パケット長からなるデータの転送を行う。最低必要サブキャリアを選択する時に、モバイルノードのサブキャリアと、転送経路における次次ホップのサブキャリアとが重複する場合、1OFDMシンボルでの送信可能ビット数が多い側のサブキャリアを減少させる。
【選択図】図9

従来技術、競合技術の概要


アドホックネットワークの研究が進んでいる。アドホックネットワークは、無線基地局と無線端末の間のような、一対向間を基本とする通信(シングルホップ通信)に対して、複数の無線装置間を経由した通信(マルチホップ無線通信)を行う。アドホックネットワークは、IETF(The Internet Engineering Task Force)のMANET-WG(Mobile Ad-hoc Networks Working Groupe)や、IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc.)における802.11委員会のMesh Networking Task Group(TGs)等で標準化が進められている。アドホックネットワークは、多数のセンサを使用するセンサネットワークや、交通の問題を解決するためITS(Intelligent TransPort System)等に応用することが可能な技術として期待されている。



マルチホップ無線通信は、複数の無線装置を経由して通信を行うため、隣接する無線装置との間で電波干渉が発生する。以下に、マルチホップ無線通信における課題を説明する。



[隠れ端末問題の説明]
図1は、マルチホップ無線通信における隠れ端末問題を説明するための図である。マルチホップ無線通信では、各無線装置がデータを送受信することでデータの転送を実現する。そのため、同一転送経路において同じ占有周波数帯幅の無線チャネルを用いて送受信を行う場合に電波干渉が発生する。
図1は、データの送受信を行うモバイルノード(以下、MN)1からMN5へデータの送信を行う場合を示している。図1において、MN1が送信元MN(以下、S-Node)であり、MN5が送信先MN(以下、D-Node)である。図1の例では、AODV(Ad Hoc On-Demand Distance Vecter)やDSR(Dynamic Source Routeing)に代表されるような、マルチホップ無線通信で使用されるルーティングプロトコルによって、予めMN1からMN5までの転送経路が形成されているものとする。また、MN1からMN5までの経路において、各MNは、同じ無線チャネルを使用して通信を行う。なお、図1において、(a1)から(a3)は、それぞれ時間的な経過を示している。
(a1)において、MN1は、無線チャネルCH1(以下、CH1)を使用してMN2へデータを送信する。ここで、CH1は、IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc.)802.11bに規定される無線LAN(Local Area Network)の無線チャネルを例として用いる。
次に、(a2)において、MN2は、MN1と同様にCH1を使用してMN3へデータを送信する。この時、MN1は、MN2の通信をキャリアセンスによって検知するため、データの送信を行わない。
さらに、(a3)において、MN3は、CH1を使用してMN4へデータを送信する。この時、MN1は、位置的な要因によって、MN3の送信電波を検知できない場合がある。そのため、MN1は、送信データがある場合、CH1が空いていると判断して、CH1を使用してMN2へデータの送信を開始してしまう。この結果、MN2は、MN3及びMN1の双方から、CH1を使用した送信電波を受信することになる。そのため、MN2は、MN1からの送信データを正常に受信をすることができない。このような原因により、隠れ端末問題が発生する。



このような、同一経路内の隠れ端末問題における相互干渉の低減策として、マルチチャネルの無線装置を用いて、各MNが、送受信で異なる無線チャネルを用いて通信を行う(以下、マルチチャネル方式)ことが考えられる。しかし、このような、マルチチャネル方式を用いた場合、隣接する無線チャネルにおける廻り込み干渉の影響を受けることが考えられる。



[廻り込み干渉問題の説明]
図2は、マルチチャネル方式における廻り込み干渉問題を説明するための図である。図2は、図1とほぼ同様の条件であるが、各MNが複数の無線チャネルを使用して通信を行うことが異なる。なお、図2において、(b1)から(b3)は、それぞれ時間的な経過を示している。
(b1)において、MN1は、CH1を用いてMN2へデータを送信する。
次に、(b2)において、MN2は、CH6を用いてMN3へデータの送信を行う。この時、MN1は、MN2がCH6を使用しているため、CH1は空いていると判断する。そのため、MN1は、送信データが存在する場合、CH1を使用して通信を開始する。MN2は、CH6データを送信すると同時に、CH1でデータを受信することとなる。
さらに、(b3)において、MN3は、CH11を使用してMN4へデータ送信を行う。MN2は、CH6を使用しているため、CH6は空いていると判断し、送信データが存在する場合は通信を開始する。同様に、MN1は、CH1を使用しているため、CH1は空いていると判断し、送信データが存在する場合は通信を開始する。
このように、マルチチャネル方式は、各MNで複数の異なる無線チャネルを使用して通信を行うため、隠れ端末問題を回避することができる。しかし、マルチチャネル方式では、異なる無線チャネルを使用しての同時送受信が可能となるゆえに、廻り込み干渉問題が存在する。
(b2)において、CH1とCH6は、異なる無線チャネルであり電波干渉は発生しないように思える。しかし、実際には、各無線チャネルの占有帯域幅外へのスプリアス発射の影響により、電波干渉が発生する。つまり、MN2は、自身のCH6を使用した送信が、CH1の占有帯域幅への不要な電波発射を含むため、MN1からのCH1による受信電波を同時に受信する際に、電波干渉を受けることとなる。
同様に(b3)において、MN3は、CH11を使用してMN4へデータ送信を行う。MN3は、この時に、同時にMN2からCH6によるデータ受信を行うため、同様の理由により電波干渉を受ける。このような原因により、廻り込み干渉問題が発生する。



このように、マルチチャネル方式を用いた場合でも、廻り込み干渉という干渉問題が発生する。そのため複数の無線チャネルを用いるという手段のみでは、全体のスループット向上は難しい。そこで、隠れ端末問題と廻り込み干渉問題を解決する手段として、マルチチャネル方式にTDMA(Time Division Multiple Access)を組み合わせた、TDMAマルチチャネル方式が考えられる。



[TDMAマルチチャネル方式の説明]
図3は、TDMAマルチチャネル方式を説明するための図である。図3は、図2とほぼ同様の条件であるが、同一経路内の各MNが、それぞれ割り当てられたタイムスロットでデータ送信を行う点が異なる。TDMAマルチチャネル方式は、同一経路内の各MNに時分割にデータ送信タイミングを割り当てる。各MNは、各MNに割り当てられたタイムスロット(以下、TS)においてデータ送信を行う。また、同一経路内の隣接するMNは、異なるタイムスロットで送信する。例えば、図3において、MN1、3、5は、奇数TS(TS=2T+1)でデータ送信を行い、MN2、4は、偶数TS(TS=2T)でデータ送信を行う。また、各MNは、マルチチャネル方式により、各TSにおいて異なる無線チャネルを用いて通信を行う。
図3を用いて説明を行うと、まず、図3のTS1において、MN1は、CH1を使用してMN2へデータ送信を行う。次に、TS2において、MN2は、CH6を使用してMN3へデータ送信を行う。TS3において、MN3は、CH11を使用してMN4へデータ送信を行う。また、同じTS3において、MN1は、CH1を使用してMN2へ次のデータ送信を行う。さらに、TS4において、MN4は、CH14を使用してMN5へデータ送信を行う。また同時にTS4において、MN2は、CH6を使用してMN3へデータ送信を行う。このように、TDMAマルチチャネル方式では、同一経路内の隣接するMNが、異なるTSにおいてデータ送信する。そのため、隣接する各MNは、同時に送受信をすることがないため廻り込み干渉問題を解決することができる。また、各MNは、同じTSにおいて異なる無線チャネルを用いてデータ送信を行うことにより、隠れ端末問題を解決することができる。



[無線通信品質に起因するボトルネック問題]
しかし、TDMAマルチチャネル方式を用いたマルチホップ無線通信ネットワークにも課題が存在する。TDMAマルチチャネル方式では、TDMAにより送信タイミングが明確に時分割されている。そのため各TSの時間長(以下、フレーム長)が、厳格に割り当てられており、当該フレーム長において送信可能なシンボル数が制限される。このことは、特に、リンク毎のデータ伝送速度を向上させるために適応変調を用いるような場合に、各MN間の無線通信品質(以下、SNR:Signal to Noise Ratio)のばらつきに起因するデータ伝送容量の違いとなって現れる。マルチホップ無線通信は、複数のMNによってデータが転送される。各MN間は、MN間の距離やフェージング等の影響によりSNRが異なる。適応変調を行う無線通信では、SNRに応じて変調方式が変化するのでデータ伝送容量が異なる。そのため、SNRの良好な区間と良好でない区間とでは、同じフレーム長において送信可能なデータ伝送容量が異なる。
例えば、IEEE802.11aやIEEE802.11gでは、一次変調おいて、BPSK(Binary Phase Shift Keying)から64QAM(Quadrature Amplitude Modulation)までの変調方式を用い、各サブキャリアにおけるSNRに応じて適応変調を行っている。図4は、MN間におけるSNRに対応する変調方式の例を示す図である。図4の例を参照すると、各MNは、各サブキャリアのSNRが、SNR=6.8dBを超えるとBPSK、SNR=9.8dBを超えるとQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)、SNR=16.5dBを越えると16QAM、SNR=22.5dBを超えると64QAMを使用して変調を行う。このように、適応変調を行う場合、各MN間のSNRによって変調方式がことなり、送信可能なデータ伝送容量が異なる。



図5は、SNRに基づくサブキャリアの適応変調と送信可能ビット数対応を示す図である。(a)は、MN1とMN2との間が、高SNRである場合を示している。本説明においては、グラフに示すとおり、MN1が送信を行う使用周波数帯域において、6つのサブキャリアを用いるとする。6つのサブキャリアは、周波数の低いほうからそれぞれ1番から6番のサブキャリア番号が振られている。(a)においては、グラフに示すとおり全てのサブキャリアにおいて、SNRが良好であり、SNR=22.5dB以上であるとする。そのため、MN1は、1番から6番の全てのサブキャリアにおいて、64QAMを用いて変調を行う。各サブキャリアは、64QAMを用いた場合、表に示すとおり1シンボルで6ビットを送信できる。つまり、サブキャリア1番から6番までを1OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)シンボルへ変調して送信すると、1OFDMシンボル当たり、36bitのデータを送信することが可能である。
一方、(b)は、MN1とMN2との間が、低SNRである場合を示している。(b)においては、グラフに示すとおり、MN1とMN2との距離的要因やフェージングの影響を受けて、SNRがあまり良好でない。そのため、表に示すとおり、各サブキャリアの変調方式は、QPSKや16QAMを用いて変調を行う。そのため、サブキャリア1番から6番までを1OFDMシンボルへ変調して送信すると、1OFDMシンボルあたり16bitのデータしか送信できないことになる。



このように、TDMAマルチチャネル方式によるマルチホップ無線通信は、同一転送経路内における各MN間のSNRの状態によって、同じフレーム長であっても各MN間のデータ伝送容量が異なる。これにより、低SNRの区間は、転送経路内におけるボトルネックとなる。そのため、ボトルネック区間のデータ伝送容量によって、転送経路全体のデータ伝送容量が、制限されてしまうという問題が発生する。また、ボトルネック区間のMNには、大きな負荷が生じる。これは、ボトルネック区間のMNにおいて、送信データの転送待ちが発生し、転送経路全体の転送遅延時間の増加へつながる。また、ボトルネック区間のMNにおける負荷が大きくなると、MNにおいてバッファあふれ等が生じる可能性も有り、再送による輻輳の原因ともなる。



このような、マルチホップ無線通信における電波干渉や伝送効率化といった課題に対する技術が、特許文献1や特許文献2に開示されている。

【特許文献1】特開2007-116674号公報

【特許文献2】特開2006-033446号公報

産業上の利用分野


本発明は、マルチホップ無線通信に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
データを転送する転送経路を自律的に形成する複数のモバイルノードを備え、
前記複数のモバイルノードの各々は、使用周波数帯域における複数のサブキャリアのうちから前記データの転送に使用する最低必要サブキャリアを選択し、前記転送経路における転送元モバイルノードとの間の無線通信品質に基づいた前記最低必要サブキャリア毎の送信可能ビット数を累積して1OFDMシンボルでの送信可能ビット数を算出し、
前記各モバイルノードのうち、前記データの送信元モバイルノードは、前記転送経路において最も伝送容量の低いモバイルノード間における前記1OFDMシンボルでの送信可能ビット数に基づいて前記データを送信するべき固定パケット長を決定して、
前記各モバイルノードは、前記転送経路における送信元モバイルノードからのホップ数に基づいて、隣接するモバイルノードとは送信タイミングの異なる前記データを送信するべきタイムスロットを決定して、前記タイムスロットにおいて前記固定パケット長からなる前記データの転送を行い、
前記最低必要サブキャリアを選択する時に、当該モバイルノードの前記最低必要サブキャリアと、前記転送経路における当該モバイルノードから2ホップ先の次次ホップモバイルノードの前記最低必要サブキャリアとが重複する場合、前記重複が解消されるまで前記1OFDMシンボルでの送信可能ビット数が多い側のモバイルノードから前記選択サブキャリアを1つずつ減少させて、当該モバイルノードの前記1OFDMシンボルでの送信可能ビット数を算出する
マルチホップ無線通信ネットワーク。

【請求項2】
請求項1に記載のマルチホップ無線通信ネットワークであって、
前記各モバイルノードは、前記タイムスロットを、前記転送経路における送信元モバイルノードからのホップ数が、偶数であるモバイルノードと、奇数であるモバイルノードとが、それぞれ交互に前記データの転送を行うように設定する
マルチホップ無線通信ネットワーク。

【請求項3】
請求項2に記載のマルチホップ無線通信ネットワークであって、
前記各モバイルノードは、前記最低必要サブキャリアを、前記送信元モバイルノードからの前記ホップ数に基づいて設定されるアンカーサブキャリアを基準として選択し、
前記送信元モバイルノードからの前記ホップ数が2n+1(nは0以上の整数)、及び2n+2のモバイルノードは、前記アンカーサブキャリアを、前記各サブキャリアのうちで最も中心周波数の高いサブキャリアに設定して、前記最低必要サブキャリアを前記アンカーサブキャリアに隣接するサブキャリアから前記中心周波数が高い順に選択し、
前記送信元モバイルノードからの前記ホップ数が2n+3、及び2n+4のモバイルノードは、前記アンカーサブキャリアを、最も中心周波数が低いサブキャリアに設定して、前記最低必要サブキャリアを前記アンカーサブキャリアに隣接するサブキャリアから前記中心周波数が低い順に選択する
マルチホップ無線通信ネットワーク。

【請求項4】
請求項3に記載のマルチホップ無線通信ネットワークであって、
前記送信元モバイルノードは、前記固定パケット長を、前記転送経路において最も伝送容量の低いモバイルノード間における1OFDMシンボルでの送信可能ビット数に、前記タイムスロットの1フレーム長において送信するOFDMシンボルの数を乗算して算出する
マルチホップ無線通信ネットワーク。

【請求項5】
請求項4に記載のマルチホップ無線通信ネットワークであって、
前記各モバイルノードは、前記転送経路を形成する時の経路形成要求であるRREQを受信するときに前記無線通信品質を取得する
マルチホップ無線通信ネットワーク。

【請求項6】
請求項5に記載のマルチホップ無線通信ネットワークであって、
前記各モバイルノードは、前記転送経路を形成する時の経路形成要求であるRREQから、前記送信元モバイルノードからの前記ホップ数を取得する
マルチホップ無線通信ネットワーク。

【請求項7】
請求項6に記載のマルチホップ無線通信ネットワークであって、
前記各モバイルノードは、当該モバイルノードが算出した1OFDMシンボルでの送信可能ビット数と、当該モバイルノードが選択した前記最低必要サブキャリアの数と、前記アンカーサブキャリアから前記最低必要サブキャリア毎までの送信可能ビット数の累積値とを、前記転送経路を形成する時の経路形成応答であるRREPに含めて転送する
マルチホップ無線通信ネットワーク。

【請求項8】
請求項7に記載のマルチホップ無線通信ネットワークであって、
前記各モバイルノードは、当該モバイルノードが選択した前記最低必要サブキャリアの数と、前記アンカーサブキャリアから前記最低必要サブキャリア毎までの送信可能ビット数の累積値とを、前記転送経路内における当該モバイルノードから2ホップ前の前前ホップまで、前記RREPに含めて転送を行う
マルチホップ無線通信ネットワーク。

【請求項9】
請求項8に記載のマルチホップ無線通信ネットワークであって、
前記各モバイルノードは、
前記転送経路によって一意に定める乱数生成の設定値を共有し、前記乱数生成の設定値によってPN符号出力を生成して、前記PN符号出力から現在時刻に基づく乱数を切り出し、前記乱数に基づいて共通の確率を算出して、前記共通の確率によって前記タイムスロットの同期をとる
マルチホップ無線通信ネットワーク。

【請求項10】
請求項9に記載のマルチホップ無線通信ネットワークであって、
前記各モバイルノードは、
前記RREPから前記乱数生成の設定値を取得する
マルチホップ無線通信ネットワーク。

【請求項11】
請求項1から請求項10までのいずれかに記載のマルチホップ無線通信ネットワークにおいて使用されるモバイルノード。

【請求項12】
データを転送する転送経路を自律的に形成するステップと、
使用周波数帯域における複数のサブキャリアのうちから前記データの転送に使用する最低必要サブキャリアを選択するステップと、
前記転送経路における転送元モバイルノードとの間の無線通信品質に基づいた前記最低必要サブキャリア毎の送信可能ビット数を累積して1OFDMシンボルでの送信可能ビット数を算出するステップと、
前記転送経路において最も伝送容量の低いモバイルノード間における前記1OFDMシンボルでの送信可能ビット数に基づいて前記データを送信するべき固定パケット長を決定するステップと、
前記転送経路における送信元モバイルノードからのホップ数に基づいて、隣接するモバイルノードとは送信タイミングの異なる前記データを送信するべきタイムスロットを決定するステップと、
前記タイムスロットにおいて前記固定パケット長からなる前記データの転送を行うステップと、
前記最低必要サブキャリアを選択する時に、当該モバイルノードの前記最低必要サブキャリアと、前記転送経路における当該モバイルノードから2ホップ先の次次ホップモバイルノードの前記最低必要サブキャリアとが重複する場合、前記重複が解消されるまで前記1OFDMシンボルでの送信可能ビット数が多い側のモバイルノードから前記選択サブキャリアを1つずつ減少させて、当該モバイルノードの前記1OFDMシンボルでの送信可能ビット数を算出するステップ
を備えるマルチホップ無線通信方法。

【請求項13】
請求項12に記載のマルチホップ無線通信方法であって、前記タイムスロットを決定するステップは、
前記タイムスロットを、前記転送経路における送信元モバイルノードからのホップ数が、偶数であるモバイルノードと、奇数であるモバイルノードとが、それぞれ交互に前記データの転送を行うように設定するステップ
を含むマルチホップ無線通信方法。

【請求項14】
請求項13に記載のマルチホップ無線通信方法であって、前記最低必要サブキャリアを選択するステップは、
前記最低必要サブキャリアを、前記送信元モバイルノードからの前記ホップ数に基づいて設定されるアンカーサブキャリアを基準として選択するステップと、
前記アンカーサブキャリアを、前記各サブキャリアのうちで最も中心周波数の高いサブキャリアに設定して、前記最低必要サブキャリアを前記アンカーサブキャリアに隣接するサブキャリアから前記中心周波数が高い順に選択するステップと、
前記アンカーサブキャリアを、最も中心周波数が低いサブキャリアに設定して、前記最低必要サブキャリアを前記アンカーサブキャリアに隣接するサブキャリアから前記中心周波数が低い順に選択するステップと
を含むマルチホップ無線通信方法。

【請求項15】
請求項14に記載のマルチホップ無線通信方法であって、前記固定パケット長を決定するステップは、
前記固定パケット長を、前記転送経路において最も伝送容量の低いモバイルノード間における1OFDMシンボルでの送信可能ビット数に、前記タイムスロットの1フレーム長において送信するOFDMシンボルの数を乗算して算出するステップ
を含むマルチホップ無線通信方法。

【請求項16】
請求項15に記載のマルチホップ無線通信方法であって、
前記転送経路を形成する時の経路形成要求であるRREQを受信するときに前記無線通信品質を取得するステップ
をさらに備えるマルチホップ無線通信方法。

【請求項17】
請求項16に記載のマルチホップ無線通信方法であって、
前記転送経路を形成する時の経路形成要求であるRREQから、前記送信元モバイルノードからの前記ホップ数を取得するステップ
をさらに備えるマルチホップ無線通信方法。

【請求項18】
請求項17に記載のマルチホップ無線通信方法であって、
当該モバイルノードが算出した1OFDMシンボルでの送信可能ビット数と、当該モバイルノードが選択した前記最低必要サブキャリアの数と、前記アンカーサブキャリアから前記最低必要サブキャリア毎までの送信可能ビット数の累積値とを、前記転送経路を形成する時の経路形成応答であるRREPに含めて転送するステップ
をさらに備えるマルチホップ無線通信方法。

【請求項19】
請求項18に記載のマルチホップ無線通信方法であって、RREPに含めて転送するステップは、
当該モバイルノードが選択した前記最低必要サブキャリアの数と、前記アンカーサブキャリアから前記最低必要サブキャリア毎までの送信可能ビット数の累積値とを、前記転送経路内における当該モバイルノードから2ホップ前の前前ホップまで、前記RREPに含めて転送を行うステップ
を含むマルチホップ無線通信方法。

【請求項20】
請求項19に記載のマルチホップ無線通信方法であって、
前記転送経路によって一意に定める乱数生成の設定値を共有するステップと、
前記乱数生成の設定値によってPN符号出力を生成するステップと、
前記PN符号出力から現在時刻に基づく乱数を切り出すステップと、
前記乱数に基づいて共通の確率を算出するステップと、
前記共通の確率によって前記タイムスロットの同期をとるステップと
をさらに備えるマルチホップ無線通信方法。

【請求項21】
請求項20に記載のマルチホップ無線通信方法であって、乱数生成の設定値を共有するステップは、
前記RREPから前記乱数生成の設定値を取得するステップ
を含むマルチホップ無線通信方法。
産業区分
  • 伝送方式
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2008184938thum.jpg
出願権利状態 権利存続中


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