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(In Japanese)通信制御方法および移動端末

Patent code P170014169
File No. (S2014-1092-N0)
Posted date May 30, 2017
Application number P2016-531201
Patent number P6323856
Date of filing May 29, 2015
Date of registration Apr 20, 2018
International application number JP2015065565
International publication number WO2016002404
Date of international filing May 29, 2015
Date of international publication Jan 7, 2016
Priority data
  • P2014-136232 (Jul 1, 2014) JP
Inventor
  • (In Japanese)加藤 寧
  • (In Japanese)西山 大樹
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人東北大学
Title (In Japanese)通信制御方法および移動端末
Abstract (In Japanese)
【課題】
 
従来のテーブル駆動型や蓄積転送型のルーティングよりも効率的なスター型のネットワーク接続トポロジに基づくルーティング方式において、3ホップ以上のマルチホップ通信を実現することができる通信制御方法および移動端末を提供する。
【解決手段】
 
グループの解散/再構成の反復実行によって、グループ解散以前から移動端末内に蓄積されていた転送データを、グループ外から新たにグループ仲間になった移動端末に中継する動作が何度でも繰り返し実行される。その結果、本発明は、スター接続型ルーティング方式における中継ホップ数の上限(2ホップ)を超えて転送データを中継転送するためのマルチホップ通信を実現する。
【選択図】
 図4
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

近年、例えば、無線アドホック・ネットワークのように無線アクセス・ポイントを介さずに移動端末間でEnd-To-End通信を行うための技術が知られてきている。無線アクセス・ポイントを介さずに移動端末間でEnd-To-End通信を行うためのパケット中継制御に関して現在広く知られている実現方式は、「テーブル駆動型(例えば、下記の非特許文献1と非特許文献2を参照)」および「蓄積転送型(例えば、下記の非特許文献3と非特許文献4を参照)」に大別される。

上述した蓄積転送型のパケット中継方式においては、データを蓄積している中継移動端末が近隣の2つ以上の移動端末と同時に無線通信可能な状態であり、これら2つ以上の移動端末を隣接ノードとして有している場合、データが最終宛先へ到達する確率を高めるために以下の経路制御方式を採用している。すなわち、データを蓄積した各中継移動端末が複数の隣接ノードにデータの複数のコピーを転送するデータ中継動作が順次繰り返され、相互に通信可能な移動端末間でデータの多数のコピーを拡散させる。このようなデータ拡散の仕組みは、感染型経路制御(Epidemic Routing)、評価型経路制御(Estimation Routing)または符号化型経路制御(Coding Routing)などとして知られている(例えば、下記の非特許文献9乃至非特許文献11を参照)。

また、非特許文献5乃至非特許文献8が開示する「スター接続型のパケット中継方式」は、上述した蓄積転送型のパケット中継方式において、端末グループを単位として移動端末間の通信を制御するように改変した改良型の方式である。また、スター接続型のパケット中継方式においては、端末グループ毎に、親ノード端末であるグループ・オーナー(GO:Group Owner)を中心として子ノード端末となる他の一つ以上の移動端末が無線接続することによりスター型のネットワーク接続トポロジが形成される。

上記のように無線アクセス・ポイントを介さずに移動端末間通信を行うための無線ネットワーク環境においては、多種多様なパケット中継方式を使用する形でネットワーク運用がされることが今後予想される。上述した多種多様なパケット中継方式には、テーブル駆動型および蓄積転送型などが含まれ、当該蓄積転送型の方式においては、パケットを中継転送するための経路制御方式として感染型経路制御(Epidemic Routing)、評価型経路制御(Estimation Routing)または符号化型経路制御(Coding Routing)などの様々な方式が使用される。その結果、上述した無線ネットワーク環境において、移動端末間の伝送データのパケット中継制御をシームレスに実現することを目的として、互いに異なるパケット中継制御方式同士の間で互いに連携動作する形で、ネットワーク運用がされることも今後予想される。また、データを中継転送する移動端末の各々は、自端末が置かれている状況(例えば、無線チャネル状態の安定性、端末モビリティまたは周辺エリア内の端末密度など)の変化に応じて適切なパケット中継制御方式に切り替えながらパケット中継動作を継続することが必要となるだろう。

上述した無線ネットワーク環境において、上述した様々なパケット中継方式を状況に応じて適切に使い分けたり、組み合わせて使用したとしても、以下のような問題が依然として残る。すなわち、各方式に起因する通信の到達性の問題、通信容量のスケーラビリティの問題および通信の効率化や端末電力の消費効率の最適化の問題が依然として解決されない。具体的には、以下のとおりである。

(1)テーブル駆動型の中継方式においては、各移動端末のモビリティが高くなり、移動端末間の無線チャネル状態が不安定になってくると、ネットワーク全体のトポロジが不安定化するので、End-To-Endにおけるパケット到達失敗率は急激に増加する。すなわち、テーブル駆動型のパケット中継転送方式においては、End-To-End通信経路が非常に不安定化する状況が生じ得る。

(2)テーブル駆動型の中継方式では、複数の移動端末相互間で常にルーティング情報を交換し合うことによる端末バッテリーの著しい消耗や通信容量の圧迫が生じる。

(3)蓄積転送型の中継方式においては、End-To-Endでのデータ転送に関してランダムで制限のない通信遅延が発生し得る。しかも、パケットが最終宛先に到達するまでEnd-To-Endの通信経路が決まらない蓄積転送型のパケット中継転送方式では、End-To-Endにおけるパケットの到達を保証することは通信状態の良否に関わらず不可能である。

(4)中継転送される通信量が、各中継端末上のバッファ・メモリ容量に応じてサポート可能な通信容量の上限を超えると、転送データが当該バッファ・メモリから溢れてしまうので、蓄積転送型のパケット中継転送方式においては中継転送データのドロップが発生し得る。

(5)蓄積転送型の方式が採用する経路制御方式として上記において例示した感染型経路制御(Epidemic Routing)、評価型経路制御(Estimation Routing)または符号化型経路制御(Coding Routing)などの方式は、以下の問題点を有する。すなわち、これらの経路制御方式は、データが最終宛先へ到達する確率を高めることができる反面、ネットワーク内の多数の中継移動端末間で同時並列的に非常に多数のデータ転送が発生し、通信の効率や端末消費電力の効率を低下させてしまう。

上述した(1)~(5)の問題点に共通する点として、無線ネットワーク内におけるパケットの送信元端末から最終宛先端末に至るEnd-To-End通信経路のホップ数が長くなれば長くなるほど、以下の問題が生じる。つまり、テーブル駆動型の中継方式を使用する場合、無線ネットワーク内の無線チャネル状態や電波状況が理想的な状態に維持されていない限り、その通信経路が安定して存在する期間が短くなったり安定に維持されている確率が低くなってしまうという問題が生じる。また、蓄積転送型の中継方式を使用する場合、End-To-End通信経路のホップ数が長くなれば長くなるほど、パケットが最終宛先に到達する確率が低下し、到達に要する通信遅延時間が増加するという問題が生じる。

他方、上述した「スター接続型の中継方式」においては、以下の理由により、テーブル駆動型と蓄積転送型に関する上記のとおり検討した種々の問題点の多くが克服される。

「スター接続型の中継方式」においては、ネットワーク全体のトポロジが非常に単純なスター型トポロジに単純化される。そのため、この方式においては、移動端末上で実行されるパケットの中継転送制御が単純化されるだけでなく、移動端末上のCPUによるパケット中継転送制御の処理負担も軽くなる。さらに、この方式においては、端末グループ内の移動端末同士の間でデータを共有するために実行する必要があるメッセージ送受信回数は、「テーブル駆動型」や「蓄積転送型」と比較して非常に少なくすることが出来る。その結果、端末グループ内の移動端末同士の間でデータを共有する際に端末グループ内の各移動端末が消費する端末電力を節約することが可能となる。このような利点は、「スター接続型の中継方式」に限らず、多数の移動端末を端末グループ毎にグループ化し、端末グループ毎にグループ内での端末間通信によるパケット中継転送を行う中継方式に共通の利点である。以下、上記のように多数の移動端末を端末グループ毎にグループ化し、端末グループ毎に端末間通信を行う中継方式を「端末グループに基づく中継方式」と呼ぶことにする。

上述した「端末グループに基づく中継方式」においては、パケットの送信元端末から最終宛先端末に至るEnd-To-End通信経路は、送信元端末が属する端末グループの外縁より先には伸びない。つまり、当該End-To-End通信経路のホップ数は、送信元端末が属する端末グループのサイズに依存し、端末グループのサイズとは、端末グループの外縁に位置する子ノード端末から親ノードであるGOに至る通信経路のホップ数の最大値である。

「端末グループに基づく中継方式」においては、送信元端末を中心とする周辺エリア内における無線チャネル状態、電波状況、他の移動端末の存在密度や地理的配置状況に応じて端末グループのサイズを適切に選択することが可能である。そこで、端末グループのサイズを上記のような状況に応じて適切に選択することにより、End-To-End通信経路のホップ数の上限を状況に応じて適切に制限することが出来る。その結果、End-To-End通信経路のホップ数が長くなることに伴う上述した問題を回避することが出来る。

従って、近年の無線ネットワーク環境においては、「テーブル駆動型」や「蓄積転送型」の方式に見られる通信容量のスケーラビリティ、通信の効率化、端末電力の消費効率の最適化およびEnd-To-End通信経路の安定性の問題を解決可能なパケット中継方式として、「端末グループに基づく中継方式」が有望とされている。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、移動端末間における新規なパケット中継制御方式に関し、より具体的には、無線アクセス・ポイントを介さずに移動端末間でEnd-To-End通信を行う際の信頼性や効率を改善するために移動端末間で実行されるパケット中継制御方式の通信制御方法および移動端末に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
2個以上の移動端末の中から選出された中継端末および前記中継端末と接続する一つ以上の移動端末から成る端末グループを単位としてパケットの端末間通信が中継される無線網において:
第1端末グループ内における端末間の通信アクティビティが所定の閾値を下回ったことが前記第1端末グループ内のいずれかの端末により判定された場合、前記第1端末グループ内のいずれかの端末が、移動端末毎に算出された優先度に基づいて新たな中継端末を選出した上で前記第1端末グループを解散するステップ;および、
前記選出された新たな中継端末と無線接続可能な移動端末と共に、前記選出された新たな中継端末が第2端末グループを形成し、前記第2端末グループ内の各移動端末に通信を開始させるステップ、
を反復的に実行する通信制御動作を具備する通信制御方法であって、
前記優先度は、前記第1端末グループの解散と前記第2端末グループの形成を介して不特定多数の移動端末間での前記パケットの拡散効率を改善するように算出され、
前記第1と第2の端末グループ内において前記中継端末と接続する移動端末は、前記中継端末との間の通信経路が所定の安定性条件を充足することを特徴とする通信制御方法。

【請求項2】
 
前記優先度は、各移動端末を新たな中継端末として形成される第2端末グループに対して前記第1端末グループの外から新たに参加する移動端末の個数に応じて算出される、
ことを特徴とする、請求項1記載の通信制御方法。

【請求項3】
 
前記優先度を前記算出する動作は:
前記第1端末グループの外から前記第1端末グループ内の各移動端末に1ホップで無線接続可能な移動端末の個数を前記第1端末グループ内の各移動端末毎に算出する動作;および、
前記移動端末毎に算出した個数を、前記移動端末毎の優先度の値として設定する動作;
を含み、
前記新たな中継端末を前記選出する動作は、前記中継端末が前記第1端末グループ内の移動端末毎に優先度の値を収集し、前記第1端末グループの中から前記優先度の値が最大となる移動端末を前記新たな中継端末として選出する動作を含むことを特徴とする、請求項2記載の通信制御方法。

【請求項4】
 
前記優先度は、端末グループを単位とする前記パケットの端末間通信によって端末グループ内の各移動端末内に蓄積されたパケットの個数に応じて算出されることを特徴とする、請求項1記載の通信制御方法。

【請求項5】
 
前記移動端末毎の優先度を算出する命令を、前記第1端末グループ内において各移動端末が前記中継端末から受信したことに応答して、前記優先度を前記算出するために、前記各移動端末は:
端末グループを単位とする前記パケットの端末間通信によって端末グループ内の各移動端末内に蓄積されたパケットの個数を前記第1端末グループ内の各移動端末毎に算出する動作;および、
前記移動端末毎に算出した前記パケットの個数を、前記移動端末毎の優先度の値として設定する動作;
を実行するように構成されることを特徴とする、請求項4記載の通信制御方法。

【請求項6】
 
前記優先度は、端末グループ内において前記中継端末を中心とした各移動端末の相対的な位置に応じて算出され、端末グループ内における各移動端末と前記中継端末との間のホップ数又は距離が大きいほど、高い優先度が算出されることを特徴とする、請求項1記載の通信制御方法。

【請求項7】
 
前記移動端末毎の優先度を算出する命令を、前記第1端末グループ内において各移動端末が前記中継端末から受信したことに応答して、前記優先度を前記算出するために、前記各移動端末は:
前記第1端末グループ内の各移動端末毎の前記優先度として、端末グループ内において前記中継端末を中心とした各移動端末の相対的な位置に応じて前記優先度を算出する動作であって、端末グループ内における各移動端末と前記中継端末との間のホップ数又は距離が大きいほど、高い優先度が算出される、動作;および、
前記移動端末毎に算出した前記移動端末毎の優先度の値を自端末内に設定する動作;
を実行するように構成されることを特徴とする、請求項6に記載された通信制御方法。

【請求項8】
 
前記優先度は、各移動端末の過去一定時間内に参加したグループへの平均参加継続時間S[sec]、各移動端末の過去一定時間内の転送データの送信時間もしくは受信時間の平均時間A[sec]、または、これら2つの時間を、パラメータWで重み付けを行って、優先度P=W×S+(1-W)×A(Wは1~0の値)として求めたものから成ることを特徴とする、請求項1記載の通信制御方法。

【請求項9】
 
前記移動端末毎の優先度を算出する命令を、前記第1端末グループ内において各移動端末が前記中継端末から受信したことに応答して、前記優先度を前記算出するために、前記各移動端末は:
前記第1端末グループ内の各移動端末毎の前記優先度として、各移動端末の過去一定時間内に参加したグループへの平均参加継続時間S[sec]、各移動端末の過去一定時間内の転送データの送信時間もしくは受信時間の平均時間A[sec]、または、これら2つの時間を、パラメータWで重み付けを行って、優先度P=W×S+(1-W)×A(Wは1~0の値)として求めたものを算出する、動作;および、
前記移動端末毎に算出した前記移動端末毎の優先度の値を自端末内に設定する動作;
を実行するように構成されることを特徴とする、請求項8に記載された通信制御方法。

【請求項10】
 
前記選出された新たな中継端末が前記第2端末グループを前記形成する動作は、前記中継端末から送出された端末発見信号に応答した移動端末のうち、前記中継端末との間の地理的な直線距離および/または前記中継端末との間の通信経路のホップ数が所定の閾値を下回る移動端末のみを前記中継端末と接続させることによって、端末グループを形成する動作を具備することを特徴とする、請求項1乃至請求項9の中のいずれか一項に記載された通信制御方法。

【請求項11】
 
前記選出された新たな中継端末が前記第2端末グループを前記形成する動作は、前記中継端末から送出された端末発見信号に応答した移動端末の各々について:
前記中継端末との間で診断用ビーコンを複数回にわたって往復させる段階;
前記診断用ビーコンの通信成功率および/または前記診断用ビーコンの平均ラウンド・トリップ時間を計測する段階;および、
前記通信成功率および/または前記平均ラウンド・トリップ時間が所定の閾値を下回る場合にのみ、前記中継端末との接続を許可する段階;
を具備することを特徴とする、請求項1乃至請求項10の中のいずれか一項に記載された通信制御方法。

【請求項12】
 
前記無線網内において前記端末グループが一つも形成されていない初期状態においては、前記無線網内の移動端末の各々が、自端末の優先度を算出した上で、他の移動端末との間で前記算出した優先度を交換し合い、
移動端末毎に算出される前記優先度は、各移動端末に1ホップで無線接続可能な状態の他の移動端末の個数に応じて算出され、
前記無線網内の移動端末の中で、自端末の前記優先度が最高であると判定した移動端末が、前記初期状態から最初に形成される端末グループの中継端末としての動作を開始する、
ことを特徴とする、請求項1乃至請求項11の中のいずれか一項記載の通信制御方法。

【請求項13】
 
各移動端末は通信用のチャネルを複数有し、他の移動端末との間で多重通信を行うよう構成されており、分割された各周波数領域および/または各時間領域を各チャネルに割り当てると共に、各チャネルを互いに異なる用途の通信に使用するよう設定されていることを特徴とする、請求項1乃至請求項12の中のいずれか一項記載の通信制御方法。

【請求項14】
 
2個以上の移動端末の中から選出された中継端末および前記中継端末と接続する一つ以上の移動端末から成る端末グループを単位としてパケットの端末間通信が中継される無線網において動作する移動端末であって:
移動端末の通信動作を制御する制御部;および、
他の移動端末との間でデータを送受信する無線送受信部;
を具備し、第1端末グループ内において自端末が前記中継端末として選出されているならば、前記制御部は、
前記第1端末グループ内において端末間の通信アクティビティが所定の閾値を下回ると判定した場合、前記第1端末グループ内の各移動端末に対して移動端末毎の優先度を算出する命令を送出するように前記無線送受信部に指示する動作;および、
前記第1端末グループ内において移動端末毎に算出した優先度を各移動端末から収集し、前記収集された優先度に基づいて選出した移動端末に対して、新たな中継端末として選出された旨の通知を送出するように前記無線送受信部に指示する動作;
を実行するように構成され、
前記優先度は、前記第1端末グループの解散と前記第2端末グループの形成を介して不特定多数の移動端末間での前記パケットの拡散効率を改善するように算出され、
前記第1と第2の端末グループ内において前記中継端末と接続する移動端末は、前記中継端末との間の通信経路が所定の安定性条件を充足することを特徴とする、移動端末。

【請求項15】
 
前記第1端末グループ内において自端末が前記中継端末として前記選出されていないならば、前記制御部は、
前記無線送受信部を介して前記通知を受信した際に、第2端末グループを形成するために他の移動端末に対して端末発見信号を送出するように、前記無線送受信部に指示する動作;および、
前記無線送受信部を介して前記新たな中継端末から前記端末発見信号を受信した際に、前記無線送受信部を介して自端末を前記新たな中継端末に無線接続する動作;
を実行するようにさらに構成されていることを特徴とする、請求項14記載の移動端末。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2016531201thum.jpg
State of application right Registered
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