JP5787351B2 - 中継ノード装置、アドホックネットワーク及びそれらに用いる無線中継方法 - Google Patents

Description

本発明は中継ノード装置、アドホックネットワーク及びそれらに用いる無線中継方法に関し、特にそれぞれの端末が互いに直接無線通信を行うアドホックネットワークの構築に関する。

複数の端末がアドホックモードで互いに直接無線通信を行う場合、その通信をバケツリレー方式でつないでいくと、複数の端末を介して無線の到達範囲を超えた通信を行うことができる。これがマルチホップ通信である。

上記のアドホックネットワークでは、省電力の経路を探索することができず、各端末が必要以上の無線出力にてデータ通信を行っている。この問題を解決するために、下記の特許文献１では、無線出力の設定において、リアルタイム性が要求されるデータ通信については通常電力、リアルタイム性が要求されないデータ通信については省電力としている。

また、上記のアドホックネットワークでは、中継ノードの重複時に通信速度の低下が発生している。この問題を解決するために、下記の特許文献２では、無線チャネル予約を行い、経路ノードの周辺ノードのうちの一部のノードの送信を一時停止して通信速度低下を防いでいる。

特許４５３１６８３号公報 特許４１６８１５２号公報

上述したアドホックモードでマルチホップ通信を行うアドホックネットワークの構築には、環境により、効率がよく安定した経路を選択することができるか、経路が重なる場合の通信速度の低下を防げるか、無線出力の最適化を行うことができるかという問題がある。

特許文献１では、リアルタイム性が要求されないデータ通信について省電力としているが、細かい省電力設定を行うことができない。また、特許文献２では、経路ノードの周辺ノードのうちの一部のノードの送信を一時停止して通信速度の低下を防いでいるが、ネットワーク全体のスループット向上を考慮していない。

そこで、本発明の目的は上記の問題点を解消し、アドホック通信の多段中継接続において、通信環境に応じて通信速度の低下を抑えることができる中継ノード装置、アドホックネットワーク及びそれらに用いる無線中継方法を提供することにある。

本発明による中継ノード装置は、複数の中継ノード装置各々がアドホックモードで互いに直接無線通信を行う際に、その通信をバケツリレー方式でつないでマルチホップ通信を行うアドホックネットワークに用いる中継ノード装置であって、
前記複数の中継ノード装置各々の優先度、使用通信帯域、中継ノード間のリンク速度を検出する第１の検出手段と、
前記複数の中継ノード装置各々による異なる経路の第１及び第２の通信経路の重複を検出する第２の検出手段と、
前記第２の検出手段にて前記第１及び第２の通信経路の重複を検出した場合に前記第１の検出手段の検出結果を基に前記第１及び第２の通信経路のいずれかの経路を変更させる制御手段とを備えている。

本発明によるアドホックネットワークは、上記の中継ノード装置を含むことを特徴とする。

本発明による無線中継方法は、複数の中継ノード装置各々がアドホックモードで互いに直接無線通信を行う際に、その通信をバケツリレー方式でつないでマルチホップ通信を行うアドホックネットワークに用いる無線中継方法であって、
前記中継ノード装置が、前記複数の中継ノード装置各々の優先度、使用通信帯域、中継ノード間のリンク速度を検出する第１の検出処理と、前記複数の中継ノード装置各々による異なる経路の第１及び第２の通信経路の重複を検出する第２の検出処理と、前記第２の検出処理にて前記第１及び第２の通信経路の重複を検出した場合に前記第１の検出処理の検出結果を基に前記第１及び第２の通信経路のいずれかの経路を変更させる制御処理とを実行している。

本発明は、上記のような構成及び動作とすることで、アドホック通信の多段中継接続において、通信環境に応じて通信速度の低下を抑えることができるという効果が得られる。

本発明の第１の実施の形態による無線基地局（中継ノード装置）の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態によるアドホックネットワークの構築例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態によるアドホックネットワークの構築例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態によるアドホックネットワークの構築例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態による無線基地局１の通信経路が重なった場合の通信経路の切替え動作を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態による無線基地局１の無線出力を下げる手順を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態によるアドホックネットワークの構築例を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、本発明によるアドホックネットワークの概要について説明する。本発明によるアドホックネットワークでは、アドホックモードで互いに直接無線通信を行う際に、その通信をバケツリレー方式でつないでいくマルチホップ通信を行っている。

アドホックネットワークにおいては、端末ａから端末ｂへ通信する経路と、端末ｃから端末ｄへ通信する経路とが重なる場合、通信速度の低下が発生する。そのため、本発明では、各中継ノード（無線基地局）内の機能を使用し、各中継ノードの優先度、使用通信帯域、中継ノード間のリンク速度を検出し、通信の優先度と帯域とにより、端末ａと端末ｂとの間の通信、端末ｃと端末ｄとの間の通信のうち優先度の低い通信を他の経路に変更することにより通信速度の低下を防いでいる。

また、本発明では、各中継ノードの使用帯域が中継ノード間のリンク速度以内であれば、同じ経路でも問題ないため、経路変更を行わない。

さらに、本発明では、端末ａから端末ｂへ通信する経路で、第１の中継ノードから次の第２の中継ノードへ通信する場合、第２の中継ノード周辺の電波環境が悪ければ、電波環境が悪くない第３の中継ノード周辺の第４の中継リードから第３の中継ノードへの通信及び第３の中継ノードから第５の中継ノードへの通信より、第４の中継ノードから第２の中継ノードへの通信及び第２の中継ノードから第５の中継ノードへの通信の通信速度が低くなる。

その際、本発明では、第１の中継ノードから次の第２の中継ノードへ通信する場合、事前に周辺の中継ノードのビーコンのレベルを監視し、その監視結果を経路選択に活用することにより、安定した経路を選択している。

本発明では、選択した経路を使用する中継ノードの使用帯域が中継ノード間のリンク速度より低い場合、中継ノードの無線出力を下げて、リンク速度を使用帯域近くまで下げることにより、省電力化することができる。

このように、本発明では、中継ノードの省電力を図り、通信環境に応じて通信速度の低下を抑えることにより、中継ノードの無線出力及び通信経路の最適化を図ることができる。

つまり、本発明では、アドホックモードでマルチホップ通信を行う多段中継接続における、中継ノードの省電力と通信環境に応じて通信速度の低下を抑えることを特徴としている。言い換えると、本発明では、アドホックモードでマルチホップ通信を行うアドホック通信の多段中継接続において、中継ノードの電波状況や通信データの優先度等により、中継ノードを選択することによって、快適な通信を提供することを特徴としている。

図１は本発明の第１の実施の形態による無線基地局（中継ノード装置）の構成例を示すブロック図である。図１において、無線基地局１は、制御部１１と、無線部１２と、記憶部１３とを備え、制御部１１に、通信情報検出部１１１と、重複検出部１１２と、経路制御部１１３と、出力制御部１１４とを備えている。

通信情報検出部１１１は、各無線基地局の優先度、使用通信帯域、無線基地局間のリンク速度を検出する。重複検出部１１２は、例えば、自局における端末ａから端末ｂへ通信する経路と端末ｃから端末ｄへ通信する経路との重複を検出する。

経路制御部１１３は、通信情報検出部１１１及び重複検出部１１２の検出結果を基に、例えば、端末ａから端末ｂへ通信する経路及び端末ｃから端末ｄへ通信する経路における経路の変更等を制御する。出力制御部１１４は、通信情報検出部１１１の検出結果を基に、自局の無線部１２からの無線出力を制御する。

図２〜図４は本発明の第１の実施の形態によるアドホックネットワークの構築例を示す図である。これら図１〜図４を参照して本発明の第１の実施の形態によるアドホックネットワークの構築例について説明する。尚、図２〜図４においては、Ａ〜Ｉが無線基地局を示し、ａ〜ｄが端末を示している。

図２に示すように、端末ａと端末ｂとの間の通信と、端末ｃと端末ｄとの間の通信とにおいて、無線基地局の重複（無線基地局Ｄと無線基地局Ｅとの間）が発生した場合、通信経路が重複した無線基地局Ｄでは、無線部１２で受信した各無線基地局Ｃ，Ｉ，Ｅのデータから、制御部１１（通信情報検出部１１１）で各無線基地局Ｃ，Ｉ，Ｅの優先順位を検出して記憶部１３に保存する。同様に、制御部１１（通信情報検出部１１１）では、無線基地局Ｃ，Ｉ，Ｅの使用帯域も記憶部１３に保存する。

また、制御部１１は、通信情報検出部１１１で検出した無線基地局Ｄと無線基地局Ｅとの間のリンク速度と、各無線基地局Ｃ，Ｉ，Ｅの使用帯域を比較し、通信の優先順位が端末ａと端末ｂとの間の通信より端末ｃと端末ｄとの間の通信のほうが低く、各無線基地局Ｃ，Ｉ，Ｅの使用帯域が無線基地局間のリンク速度を超えている場合、制御部１１から端末ｃと端末ｄとの間の通信ノードが無線基地局Ｄと無線基地局Ｅとの間を経由しないルートに（図４の無線基地局Ｇ，Ｈ，Ｉ）に変更される。

制御部１１は、通信情報検出部１１１で検出した無線基地局Ｂ−Ｃ−Ｄ，Ｂ−Ｆ−Ｄの使用帯域と無線基地局Ｂ−Ｃ−Ｄ，Ｂ−Ｆ−Ｄのリンク速度を比較し、使用帯域が低い場合、記憶部１３に保存されている無線出力及びリンク速度のデータから、該当するリンク速度で接続できるレベルまで無線部１２の出力を下げる（図３参照）。

図５は本発明の第１の実施の形態による無線基地局１の通信経路が重なった場合の通信経路の切替え動作を示すフローチャートであり、図６は本発明の第１の実施の形態による無線基地局１の無線出力を下げる手順を示すフローチャートである。これら図１〜図６を参照して本発明の第１の実施の形態による無線基地局１の動作について説明する。尚、図５及び図６に示す処理動作は、無線基地局１の制御部１１が記憶部１３に格納されたプログラムを実行することで実現可能である。

まず、無線基地局Ｄと無線基地局Ｅとの間で通信経路が重なった場合（図２参照）の切替え動作について図５を参照して説明する。以下は無線基地局Ｄの制御部１１の処理である。

制御部１１は、中継ノード重複発生時（図２に示す無線基地局Ｄにおいて、３つの無線基地局と通信状態にあることで検出）に、それぞれの通信量が無線基地局の通信可能量を上まわっている場合（図５ステップＳ１のＹＥＳ）、通信の優先順位を確認する（図５ステップＳ３）。制御部１１は、それぞれの通信量が無線基地局の通信可能量を上まわっていない場合（図５ステップＳ１のＮＯ）、中継ノード重複が問題ないため、無線基地局の変更を行わない（図５ステップＳ２）。

制御部１１は、それぞれの通信量が無線基地局の通信可能量を上まわっていて（図５ステップＳ１のＹＥＳ）、優先順位に差がある場合（図５ステップＳ３のＹＥＳ）、優先順位の低い無線基地局を重複しない経路（図４の無線基地局Ｇ，Ｈ，Ｉ）に変更するよう無線基地局Ｉに指示する（図５ステップＳ４）。

制御部１１は、優先順位に差がない場合（図５ステップＳ３のＮＯ）、後から重複した無線基地局の経路（この場合も図４の無線基地局Ｇ，Ｈ，Ｉの経路）を変更するよう無線基地局Ｉに指示する（図５ステップＳ５）。

無線基地局の経路を変更する場合、無線基地局Ｉでは、無線基地局Ｄからの指示［通信（接続）できない旨の通知］を受けると、他の無線基地局Ｈと通信し、端末ｃから端末ｄまでの通信経路を形成する。

次に、無線基地局Ｂの無線出力を下げる手順について図６を参照して説明する。以下は無線基地局Ｂの制御部１１の処理である。

無線基地局Ｂ−Ｃ間で通信開始後、制御部１１は、無線基地局Ｂの使用帯域と無線基地局Ｂ−Ｃ間のリンク速度を比較し、リンク速度が使用帯域より高くなければ（図６ステップＳ１１のＮＯ）、無線基地局Ｂの無線出力を変更しない（図６ステップＳ１２）。

制御部１１は、リンク速度が使用帯域より高ければ（図６ステップＳ１１のＹＥＳ）、無線基地局Ｂ−Ｃ間同士の受信レベル、ノイズレベルを計測する（図６ステップＳ１３）。この場合、制御部１１は、無線部１２を介して無線基地局Ｃの受信レベル、ノイズレベルの計測結果を取得する。

制御部１１は、測定レベルから無線基地局Ｂの使用帯域までリンク速度を落とせない場合（図６ステップＳ１４のＮＯ）、無線基地局Ｂの無線出力を変更しない（図６ステップＳ１５）。

制御部１１は、測定レベルから無線基地局Ｂの使用帯域までリンク速度を落とせる場合（図６ステップＳ１４のＹＥＳ）、無線基地局Ｂの無線出力を下げる（図６ステップＳ１４）。

このように、本実施の形態では、上記のように処理することで、通信の優先順位から中継ノード（無線基地局）の無線出力及び通信経路を最適化することにより、通信環境に応じて通信速度の低下を抑えることができる。

また、本実施の形態では、上記のように処理することで、接続先との通信速度から中継ノード（無線基地局）の無線出力及び通信経路を最適化することにより、無線基地局の無線出力を抑えて省電力とすることができる。

本発明の第２の実施の形態としては、通信の優先度、使用帯域の情報から中継ノード（無線基地局）を複数使用する点で工夫している。図７は本発明の第２の実施の形態によるアドホックネットワークの構築例を示す図である。

図７において、ストリーミングデータ等の大容量でリアルタイム性のあるデータは、複数の無線基地局の通信経路（無線基地局Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅの通信経路、無線基地局Ａ−Ｇ−Ｈ−Ｉの通信経路）でデータを送ることにより、コマ落ち等の発生を防ぐ。

この場合、本実施の形態では、端末ａ−ｂ間の通信経路において、通信速度が低い箇所があり、端末ａと無線基地局Ａとの間の通信速度が高いと、コマ落ち等が発生することがある。そこで、本実施の形態では、端末ａからのデータを無線基地局Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅの通信経路と無線基地局Ａ−Ｇ−Ｈ−Ｉの通信経路とに分けて転送している。

無線基地局Ａでは、無線基地局Ｂ−Ｃ間で通信が行われている場合、端末ａからのデータを無線基地局Ｇに送る。また、無線基地局Ａでは、無線基地局Ｇ−Ｈ間で通信が行われている場合、端末ａからのデータを無線基地局Ｂに送る。このように、端末ａと無線基地局Ａとの間の通信速度が高い場合でも、無線基地局Ａにて２つの通信経路に時分割でそれぞれ送ることで、コマ落ち等の発生を防ぐことができる。

尚、本発明では、無線基地局で信号受信強度を監視し、無線基地局間の状況（受信強度）を対向の無線基地局に通知することで、無線出力の最適化に活用することができる。

上記の実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下の記載に限定されない。

［付記１］
複数の中継ノード装置各々がアドホックモードで互いに直接無線通信を行う際に、その通信をバケツリレー方式でつないでマルチホップ通信を行うアドホックネットワークに用いる無線中継方法であって、
前記中継ノード装置が、前記複数の中継ノード装置各々の優先度、使用通信帯域、中継ノード間のリンク速度を検出する第１の検出処理と、前記複数の中継ノード装置各々による異なる経路の第１及び第２の通信経路の重複を検出する第２の検出処理と、前記第２の検出処理にて前記第１及び第２の通信経路の重複を検出した場合に前記第１の検出処理の検出結果を基に前記第１及び第２の通信経路のいずれかの経路を変更させる制御処理とを実行し、
前記制御処理において、前記第１及び第２の通信経路のうちの優先度の低い通信経路を他の経路に変更させることを特徴とする無線中継方法。

［付記２］
前記制御処理において、前記第１及び第２の通信経路のうちの後から重複した通信経路を他の経路に変更させることを特徴とする付記１に記載の無線中継方法。

［付記３］
前記中継ノード装置が、自装置の使用帯域を自装置と次段の装置との間のリンク速度と比較する処理と、その比較結果に応じて自装置の無線出力の変更を制御する処理とを実行することを特徴とする付記１または付記２に記載の無線中継方法。

［付記４］
前記自装置の無線出力の変更を制御する処理において、前記リンク速度を前記使用帯域近傍まで下げることを特徴とする付記３に記載の無線中継方法。

［付記５］
前記中継ノード装置が、通信量に応じて、入力データを複数の通信経路に分けて転送することを特徴とする付記１から付記４のいずれかに記載の無線中継方法。

［付記６］
前記中継ノード装置が、前記入力データが高速に入力され、かつ通信速度が低い箇所がある通信経路を用いて当該入力データを転送する場合、当該通信経路と他の通信経路とを用いて当該入力データを転送することを特徴とする付記５に記載の無線中継方法。

［付記７］
複数の中継ノード装置各々がアドホックモードで互いに直接無線通信を行う際に、その通信をバケツリレー方式でつないでマルチホップ通信を行うアドホックネットワークに用いる無線中継方法であって、
前記中継ノード装置が、前記複数の中継ノード装置各々の優先度、使用通信帯域、中継ノード間のリンク速度を検出する第１の検出処理と、前記複数の中継ノード装置各々による異なる経路の第１及び第２の通信経路の重複を検出する第２の検出処理と、前記第２の検出処理にて前記第１及び第２の通信経路の重複を検出した場合に前記第１の検出処理の検出結果を基に前記第１及び第２の通信経路のいずれかの経路を変更させる制御処理とを実行し、
前記制御処理において、前記第１及び第２の通信経路のうちの後から重複した通信経路を他の経路に変更させることを特徴とする無線中継方法。

［付記８］
複数の中継ノード装置各々がアドホックモードで互いに直接無線通信を行う際に、その通信をバケツリレー方式でつないでマルチホップ通信を行うアドホックネットワークに用いる無線中継方法であって、
前記中継ノード装置が、前記複数の中継ノード装置各々の優先度、使用通信帯域、中継ノード間のリンク速度を検出する第１の検出処理と、前記複数の中継ノード装置各々による異なる経路の第１及び第２の通信経路の重複を検出する第２の検出処理と、前記第２の検出処理にて前記第１及び第２の通信経路の重複を検出した場合に前記第１の検出処理の検出結果を基に前記第１及び第２の通信経路のいずれかの経路を変更させる制御処理とを実行し、
前記中継ノード装置が、自装置の使用帯域を自装置と次段の装置との間のリンク速度と比較する処理と、その比較結果に応じて自装置の無線出力の変更を制御する処理とを実行することを特徴とする無線中継方法。

［付記９］
前記自装置の無線出力の変更を制御する処理において、前記リンク速度を前記使用帯域近傍まで下げることを特徴とする付記８に記載の無線中継方法。

［付記１０］
複数の中継ノード装置各々がアドホックモードで互いに直接無線通信を行う際に、その通信をバケツリレー方式でつないでマルチホップ通信を行うアドホックネットワークに用いる無線中継方法であって、
前記中継ノード装置が、前記複数の中継ノード装置各々の優先度、使用通信帯域、中継ノード間のリンク速度を検出する第１の検出処理と、前記複数の中継ノード装置各々による異なる経路の第１及び第２の通信経路の重複を検出する第２の検出処理と、前記第２の検出処理にて前記第１及び第２の通信経路の重複を検出した場合に前記第１の検出処理の検出結果を基に前記第１及び第２の通信経路のいずれかの経路を変更させる制御処理とを実行と、
前記中継ノード装置が、通信量に応じて、入力データを複数の通信経路に分けて転送することを特徴とする無線中継方法。

［付記１１］
前記中継ノード装置が、前記入力データが高速に入力され、かつ通信速度が低い箇所がある通信経路を用いて当該入力データを転送する場合、当該通信経路と他の通信経路とを用いて当該入力データを転送することを特徴とする付記１０に記載の無線中継方法。

１，Ａ〜Ｉ 無線基地局
１１ 制御部
１２ 無線部
１３ 記憶部
１１１ 通信情報検出部
１１２ 重複検出部
１１３ 経路制御部
１１４ 出力制御部
ａ，ｂ 端末

Claims (9)

1. 複数の中継ノード装置各々がアドホックモードで互いに直接無線通信を行う際に、その通信をバケツリレー方式でつないでマルチホップ通信を行うアドホックネットワークに用いる中継ノード装置であって、
   前記複数の中継ノード装置各々の優先度、使用通信帯域、中継ノード間のリンク速度を検出する第１の検出手段と、
   前記複数の中継ノード装置各々による異なる経路の第１及び第２の通信経路の重複を検出する第２の検出手段と、
   前記第２の検出手段にて前記第１及び第２の通信経路の重複を検出した場合に前記第１の検出手段の検出結果を基に前記第１及び第２の通信経路のいずれかの経路を変更させる制御手段とを有することを特徴とする中継ノード装置。
2. 前記制御手段は、前記第１及び第２の通信経路のうちの優先度の低い通信経路を他の経路に変更させることを特徴とする請求項１記載の中継ノード装置。
3. 前記制御手段は、前記第１及び第２の通信経路のうちの後から重複した通信経路を他の経路に変更させることを特徴とする請求項１または請求項２記載の中継ノード装置。
4. 自装置の使用帯域を自装置と次段の装置との間のリンク速度と比較する手段と、その比較結果に応じて自装置の無線出力の変更を制御する手段とを含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか記載の中継ノード装置。
5. 前記自装置の無線出力の変更を制御する手段は、前記リンク速度を前記使用帯域近傍まで下げることを特徴とする請求項４記載の中継ノード装置。
6. 通信量に応じて、入力データを複数の通信経路に分けて転送することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか記載の中継ノード装置。
7. 前記入力データが高速に入力され、かつ通信速度が低い箇所がある通信経路を用いて当該入力データを転送する場合、当該通信経路と他の通信経路とを用いて当該入力データを転送することを特徴とする請求項６記載の中継ノード装置。
8. 上記の請求項１から請求項７のいずれかに記載の中継ノード装置を含むことを特徴とするアドホックネットワーク。
9. 複数の中継ノード装置各々がアドホックモードで互いに直接無線通信を行う際に、その通信をバケツリレー方式でつないでマルチホップ通信を行うアドホックネットワークに用いる無線中継方法であって、
   前記中継ノード装置が、前記複数の中継ノード装置各々の優先度、使用通信帯域、中継ノード間のリンク速度を検出する第１の検出処理と、前記複数の中継ノード装置各々による異なる経路の第１及び第２の通信経路の重複を検出する第２の検出処理と、前記第２の検出処理にて前記第１及び第２の通信経路の重複を検出した場合に前記第１の検出処理の検出結果を基に前記第１及び第２の通信経路のいずれかの経路を変更させる制御処理とを実行することを特徴とする無線中継方法。

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