JP2006157637A - 無線通信方法及び無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】 無線マルチホップ通信ネットワークにおいて、低遅延、低遅延ゆらぎ、高スループット、高いＱｏＳの保証を実現する。
【解決手段】 一つの無線局を入側のゲートウェイ無線局とし、他の一つの無線局を出側のゲートウェイ無線局とする。各無線局は、自局が送信元又は中継するパケットを、上述の２個のゲートウェイ無線局間の自局が介在している一方向経路に沿った次の無線局に送出する。出側のゲートウェイ無線局は、自局が送信元又は受信したパケットの宛先に応じ、パケットを、外部ネットワークへ、又は、入側のゲートウェイ無線局へ各無線局を介さない経路で転送する。入側のゲートウェイ無線局は、自局が送信元のパケット、外部ネットワークや出側のゲートウェイ無線局から届いたパケットを、そのパケットの宛先に応じ、自局から出側のゲートウェイ無線局への一方向経路に沿った次の無線局に送出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の無線局で構成される無線マルチホップ通信ネットワークにおける無線通信方法及び無線通信システムに関する。

現在、複数の無線局（ノード）でネットワークを構成し、隣接したノード間でパケットを中継することで、直接電波の届かない無線局同士間での通信を実現する無線マルチホップ通信ネットワークと呼ばれる技術が注目されている。

無線マルチホップ通信ネットワークにおいては、リアルタイム通信などを行う場合に、リアルタイム通信のパケットと他のデータパケットとを区別して、前者を優先させて中継する優先制御などを行っている。

例えば、通常であれば、ＩＥＥＥ８０２．１１標準規格のＭＡＣプロトコルにも採用されているＣＳＭＡ／ＣＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ｗｉｔｈ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）におけるように、中継の際に、ランダム時間だけ待機した後に、無線チャネルの使用状況を観測してパケットの送受信を行う。それに対して、優先制御されたパケットの場合は、中継の際に待機する時間が、より短く、固定時間などである場合もある。

また、特許文献１で述べられているように、集中制御によって、中継経路上の各無線局が、無線アクセス時刻及び無線チャネルを割り当てられて、その割り当てに従って中継を行う方法などもある。
特開２００２−３２５２７３号公報

しかしながら、無線マルチホップ通信ネットワークにおいては、ネットワーク上に複数の無線局があって、複数の経路を同時にデータが流れる。無線局から無線局へと中継が繰り返される際に、無線資源を使用する領域が複数の経路間で、あるいは同一経路における上りのフローと下りのフローとでたびたび無線資源の利用領域が重なり合い、無線の干渉、信号の衝突などが発生する。

無線の干渉、信号の衝突を回避する機構として、従来方式があるが、ＣＳＭＡ／ＣＡでは待機時間を長めに設定する必要があり、特許文献１の開示技術では、管理する経路が複数になるごとに、別々の無線アクセス時刻ないしは無線チャネルを割り当てる必要があり、通信容量の減少が著しいという問題点がある。

本発明は、無線マルチホップ通信ネットワークにおいて、多数の接続経路に対して、伝送遅延をできるだけ押さえつつ、同時通信をできるだけ可能とし、しかも、無線の干渉、信号の衝突を回避して通信品質を高くできる無線通信方法及び無線通信システムを提供しようとしたものである。

第１の本発明は、複数の無線局を有し、上記各無線局が、他の上記無線局と、直接に又は少なくとも一つの上記無線局を介して通信する無線通信方法であって、少なくとも一つの上記無線局が入側のゲートウェイ無線局になると共に、別の少なくとも一つの無線局が出側のゲートウェイ無線局となり、上記各無線局は、自局が送信元のパケットや自局が中継するパケットを、上記入側のゲートウェイ無線局から上記出側のゲートウェイ無線局への自局が介在している所定の一方向経路に沿った次の上記無線局又は上記出側のゲートウェイ無線局に送出することを特徴とする。

第２の本発明は、複数の無線局を有し、上記各無線局が、他の上記無線局と、直接に又は少なくとも一つの上記無線局を介して通信する無線通信システムであって、少なくとも一つの上記無線局が入側のゲートウェイ無線局になっていると共に、別の少なくとも一つの無線局が出側のゲートウェイ無線局となっており、上記各無線局は、自局が送信元のパケットや自局が中継するパケットを、上記入側のゲートウェイ無線局から上記出側のゲートウェイ無線局への自局が介在している所定の一方向経路に沿った次の上記無線局又は上記出側のゲートウェイ無線局に送出する経路情報を記憶、管理する第１の経路管理手段と、自局が送信元のパケットや自局が中継するパケットを、上記第１の経路管理手段が記憶、管理している経路情報に従って送信制御する第１の送信制御手段とを有することを特徴とする。

第３の本発明は、第２の本発明の無線通信システムを単位システムとし、複数の単位システムで構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、無線マルチホップ通信ネットワークにおいて、伝送遅延をできるだけ押さえつつ、同時通信をできるだけ可能とし、しかも、無線の干渉、信号の衝突を回避して通信品質を高くできる無線通信方法及び無線通信システムを提供できる。

（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による無線通信方法及び無線通信システムの第１の実施形態を、図面を参照しながら説明する。第１の実施形態の無線通信システムは、無線マルチホップ通信ネットワークにおけるシステムである。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図１は、第１の実施形態の無線通信システム１の構成例を示している。図１において、第１の実施形態の無線通信システムは、図２に詳細構成を示す無線局Ａ〜Ｏと、図２に詳細構成を示すゲートウェイ無線局ＧＩｎ、Ｇｏｕｔとを配したものである。第１の実施形態の無線通信システムは、２つのゲートウェイ無線局ＧＩｎ、ＧＯｕｔを両端にし、複数（図１の例では１５個）の無線局Ａ〜Ｏを六角格子状など適当に配置してあるように、複数の無線局Ａ〜Ｏが、２つのゲートウェイ無線局ＧＩｎ、ＧＯｕｔを両終端とする経路上に存在するように構成している。

ここで、一方のゲートウェイ無線局ＧＩｎが入り側のゲートウェイ無線局（以下、入ゲートウェイ無線局と呼ぶ）であり、他方のゲートウェイ無線局Ｇｏｕｔが出側のゲートウェイ無線局で（以下、出ゲートウェイ無線局と呼ぶ）ある。

各無線局Ａ〜Ｏは、上述したように、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎから出ゲートウェイ無線局Ｇｏｕｔへの多数の一方向経路のうちの１以上の経路に介在している。経路情報は、後述するように内部管理している。

各無線局Ａ〜Ｏは、自己が送信元となるパケットを、出ゲートウェイ無線局Ｇｏｕｔへの全て又は一部の一方向経路に送出し、また、自己が中継するパケットも出ゲートウェイ無線局Ｇｏｕｔへの全て又は一部の一方向経路に送出する。なお、逆方向の無線局に到達したとしても意味のないものであり、経路の一方向性が確保されている。

入ゲートウェイ無線局ＧＩｎは、外部ネットワーク又は出ゲートウェイ無線局Ｇｏｕｔから、各無線局Ａ〜Ｏ、Ｇｏｕｔに宛てたパケットが与えられた際には、そのパケットを、出ゲートウェイ無線局Ｇｏｕｔへの全て又は一部の一方向経路に送出する。なお、出ゲートウェイ無線局Ｇｏｕｔから入ゲートウェイ無線局ＧＩｎへは、図１に示したネットワーク以外の無線又は有線のネットワーク又は専用回線等を介して、パケットを転送し得るようになされている。

出ゲートウェイ無線局Ｇｏｕｔは、図１に示したネットワーク内の無線局からＡ〜Ｏから到達した、自己以外を宛先とするパケットを、外部ネットワーク又は入ゲートウェイ無線局ＧＩｎへ転送する。

以上のように、第１の実施形態では、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎから出ゲートウェイ無線局Ｇｏｕｔへの一方向経路を利用して、パケットの無線マルチホップ通信を実現する。

図２は、第１の実施形態の無線局１００（図１での無線局Ａ〜Ｏが対応）の基本構成を示したブロック図である。

図２において、無線局１００は、無線送信部１０１、無線受信部１０２、送信制御部１０３、受信制御部１０４、同期制御接続管理部１０５、経路管理部１０７及び中央制御部１０８を有する。

無線送信部１０１は、無線信号を送信するものである。無線受信部１０２は、無線信号を受信するものである。なお、無線回線の通信方式は限定されない。

送信制御部１０３は、宛先、ホップ数などのパケット内の管理情報を生成又は更新し、パケットを無線信号化するものである。送信するパケットは、中央制御部１０８から与えられた自己を送信元とするものか、又は、受信制御部１０４から与えられた当該無線局が中継するものである。

受信制御部１０４は、受信した無線信号からパケットを取り出し、パケット内の管理情報を参照するものである。受信制御部１０４は、受信したパケットが、自己を宛先とするものの場合には中央制御部１０８に与え、受信したパケットが、自己が中継処理するものの場合には送信制御部１０３に与える。

経路管理部１０７は、当該無線局を送信元とするパケットや中継パケットの宛先に応じた経路情報（図４参照）を管理し、接続先（中継先や送信先など）を送信制御部１０３に通知するものである。

同期制御接続管理部１０５は、他の無線局やゲートウェイ無線局と同期して無線メディアアクセス制御を行うものである。同期制御接続管理部１０５は、自無線局が送信しても良いタイミング情報（図４参照）を格納しており、内部のタイマなどによる値がそのタイミング情報で規定する値になると、送信制御部１０３の送信動作を有効とする。各無線局やゲートウェイ無線局は、それぞれが、同期制御接続管理部１０５によって示されるタイミングに基づいて無線資源へのメディアアクセスを行う。

従来の無線局（図示せず）においては、ＣＳＭＡ／ＣＡ動作による無線メディアアクセス制御を行うＣＳＭＡ／ＣＡ制御接続管理部が備えられていたが、この第１の実施形態では、ＣＳＭＡ／ＣＡ制御接続管理部に代えて、上述した同期制御接続管理部１０５が設けられている。

中央制御部１０８は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどで構成されており、上述した各部１０１〜１０７を制御するものである。なお、中央制御部１０８は、通常の通信動作時だけでなく、管理情報（タイムスロット割り当て情報など）の取得のための通信動作時などでも、各部１０１〜１０７を制御する。

図３は、第１の実施形態のゲートウェイ無線局２００（図１でのゲートウェイ無線局ＧＩｎ、ＧＯｕｔが対応）の基本構成を示したブロック図である。ゲートウェイ無線局２００は、無線局１００としての機能に加え、有線などでインターネットなどの外部ネットワークに接続するゲートウェイ機能を併せ持ったものである。

図３において、ゲートウェイ無線局２００は、一般の無線局１００における対応要素とほぼ同様な無線送信部２０１、無線受信部２０２、送信制御部２０３、受信制御部２０４、同期制御接続管理部２０５、経路管理部２０７及び中央制御部２０８に加え、ゲートウェイ送信部（ＧＷ送信部）２０９及びゲートウェイ受信部（ＧＷ受信部）２１０を有する。

ＧＷ送信部２０９は、インターネットなどの外部ネットワークに接続するために有線などで信号を送信するものであり、ＧＷ受信部２１０は、インターネットなどの外部ネットワークに接続するために有線などを介して信号を受信するものであり、これらのＧＷ送信部２０９及びＧＷ受信部２１０は、同期制御接続管理部２０５によって示される、有線接続であればＣＳＭＡ／ＣＤ制御によるタイミングに基づいて、外部ネットワークへのメディアアクセスを実行するものである。

なお、図３は、入ゲートウェイ無線局にも出ゲートウェイ無線局にもなり得る、ゲートウェイ無線局の詳細構成を示したが、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎにだけ適用されるのであれば、図３の構成から、無線受信部２０２及びＧＷ送信部２０９を除外して構成しても良く、また、出ゲートウェイ無線局ＧＯｕｔにだけ適用されるのであれば、図３の構成から、無線送信部２０１及びＧＷ受信部２１０を除外して構成しても良い。

図４は、図１に示したゲートウェイ無線局及び一般無線局の配置において、２つのゲートウェイ無線局及び複数の無線局のうちの２つの無線局間のリンクに対する、リンク動作タイミングのスロット割当てを示す説明図である。

図４において、スロット割当ては、二つのスロット組Ｘ及びＹに分かれている。

スロット組Ｘには、０１〜１０と割り振られているスロット番号の若い順から、２つのゲートウェイ無線局ＧＩｎ及びＧＯｕｔを両終端とする経路上を、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎからのホップ数がおよそ小さい順にリンクが並べられている。

スロット組Ｙには、スロット組Ｘの並びをいくつかずらしたものである（図４のものは５タイムスロットずらしている）。スロット組Ｙのスロット組Ｘからのずれ量は、各スロット番号について、一方のスロット組Ｘの該当するスロット番号枠内に記載されているリンクの中の任意の一つのリンクと、スロット組Ｙの該当するスロット番号枠内に記載されているリンクの中の任意の一つのリンクとが、同時に利用できる組み合わせになるように選定されており、しかも、このような関係が成立するように、同一スロット番号枠内のリンクが選定されている。

各無線局１００（Ａ〜Ｏ）や各ゲートウェイ無線局２００（ＧＩｎ、ＧＯｕｔ）は、この図４で示したタイムスロット割当情報に基づいて、無線信号を送信するタイミングを決定する。図４の例であれば、ゲートウェイ無線局ＧＩｎからゲートウェイ無線局ＧＯｕｔに向かって固定的に割り当てられた複数のリンクから一つのリンクを選択しながら１スロットごとに１ホップ信号を転送する。この動作により、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎは、入のゲートウェイとし、出ゲートウェイ無線局ＧＯｕｔは出のゲートウェイとして機能する。

また、図４に示す情報は、単なるタイムスロットの割り当てだけでなく、各無線局１００（Ａ〜Ｏ）や各ゲートウェイ無線局２００（ＧＩｎ、ＧＯｕｔ）がパケットを通信し得る相手をも規定している。例えば、無線局Ｂは、無線局Ａからのみパケットを受信でき、無線局Ｆ及びＣにパケットを送信し得ることを表している。

なお、各無線局１００（Ａ〜Ｏ）や各ゲートウェイ無線局２００（ＧＩｎ、ＧＯｕｔ）は、パケットは図４に示すような通信相手にだけ送信し得る一方向の通信だけ認められているが、かかる通信を実行する際に必要となる、リンク要求やリンク承諾要求の交換など、リンク確立、切断のための通信は双方向で可能となされている。

各無線局１００（Ａ〜Ｏ）や各ゲートウェイ無線局２００（ＧＩｎ、ＧＯｕｔ）は、図４に示す情報の全て、又は、自局に関係する部分を記憶保持している。

なお、図４は、スロット組Ｘとスロット組Ｙとがタイミングのずれを除けば同じリンクの並びを記述しているものであるが、異なっていても良い。例えば、スロット組Ｘは、ＧＩｎ→Ａだけを最初のリンク割り当てとするリンクの並びを記述した組とし、スロット組Ｙは、ＧＩｎ→Ｅだけを最初のリンク割り当てとするリンクの並びを記述した組とするようにしても良い（但し、タイミングのずれは図４と同様）。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、第１の実施形態の無線通信システムの動作を説明する。以下の動作説明は、無線局１００及びゲートウェイ無線局２００の配置が、上述した図１に示す配置であるとして行う。

まず、全ての無線局１００（Ａ〜Ｏ）やゲートウェイ無線局２００（ＧＩｎ、ＧＯｕｔ）に同じ情報を共有させるための通信動作を、図４と同様な図５をも参照しながら説明する。

例えば、このような場合、そのような情報の供給元無線局は、後述する２局間の通信動作によって、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎに対して、その情報の同報送信を依頼する。

入ゲートウェイ無線局ＧＩｎは、そのような情報の同報送信の依頼を受けると、自己に割り当てられているタイミングで、リンクを確立させた上でその同報パケットを全ての経路上の次の無線局Ａ、Ｅに送信する。例えば、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎは、上記依頼をスロット番号０３のタイミングで受ければ、スロット組Ｙでの自己の送信タイミングであるスロット番号０６のタイミングで同報パケットを送信する。

同報パケットを受信した無線局Ａ及びＥも、スロット番号０７のタイミングでリンクを確立させた上で同報パケットを送信する。以下同様に、無線局Ｂ及びＤがスロット番号０８のタイミングでリンクを確立させた上で同報パケットを送信し、無線局Ｆ、Ｃ及びＬがスロット番号０９のタイミングでリンクを確立させた上で同報パケットを送信し、無線局Ｇ、Ｉ及びＫがスロット番号１０のタイミングでリンクを確立させた上で同報パケットを送信し、無線局Ｈ及びＪがスロット番号０１のタイミングでリンクを確立させた上で同報パケットを送信し、無線局Ｍ及びＯがスロット番号０２のタイミングでリンクを確立させた上で同報パケットを送信し、無線局Ｎがスロット番号０３のタイミングでリンクを確立させた上で同報パケットを送信する。

以上のようにして、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎが同報パケットを送信してから８ホップ期間内で全ての無線局１００（Ａ〜Ｏ）やゲートウェイ無線局２００（ＧＩｎ、ＧＯｕｔ）がその情報を受信する。

次に、ある無線局から他のある無線局への通信動作（２局間の通信動作）を、図５をも参照しながら説明する。ここでは、無線局Ｍがパケットの送信元、無線局Ｈがパケットの宛先とする。図５は、選択されたタイムスロット及びリンクを示している。

無線局Ｍの送信タイミングは、スロット組Ｘではスロット番号０７、スロット組Ｙではスロット番号０２である。無線局Ｍにおいて、そのようなパケットの送信の必要性がスロット番号０４において生じたとすると、無線局Ｈは、スロット番号０７のタイミングでリンクを確立させた上で対象パケットを無線局Ｎに送信する。

無線局Ｎは、自局宛てでないので、スロット番号０８のタイミングでリンクを確立させた上で対象パケットを出ゲートウェイ無線局ＧＯｕｔに中継送信する。なお、中継送信は、純粋な中継送信であっても良く、その宛先へのデータを追加する中継送信であっても良い。

出ゲートウェイ無線局ＧＯｕｔは、自局宛てではなく、しかも、当該ネットワーク内の無線局Ｈ宛であるので、外部ネットワーク又は専用回線などを介して、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎに送信する。ここで、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎに、上述のパケットがスロット番号１０のタイミングで到達したとする。

入ゲートウェイ無線局ＧＩｎは、対象パケットが自局宛でないので中継送信を実行する。この場合において、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎは無線局Ａにも無線局Ｅにも送信し得るが、対象パケットの宛先に応じた一方の経路（図１の配置例の場合には無線局Ａへの経路）を選択する。例えば、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎは、スロット番号０１のタイミングでリンクを確立させた上で対象パケットを無線局Ａに送信する。以上のように、中継処理するパケットの宛先とどの無線局に送信するかの情報も、全ての無線局１００（Ａ〜Ｏ）やゲートウェイ無線局２００（ＧＩｎ、ＧＯｕｔ）がそれぞれ、経路情報の一部として保持している。

無線局Ａは、スロット番号０２のタイミングでリンクを確立させた上で中継する対象パケットを無線局Ｂに送信する。

無線局Ｂから無線局Ｈへは最小ホップ数３の経路が２経路ある。そのため、一方を選択経路とし、他方を代替経路として情報を管理している。例えば、上述した無線局Ｈを宛先とするパケットを受信したときには、無線局Ｆへの経路が選択経路であると、スロット番号０３のタイミングでリンクを確立させようとする。ここで、選択経路でのリンクが確立できない場合には、代替経路に係る無線局Ｃとのリンクを確立させた上で対象パケットを無線局Ｃに送信する。例えば、この際に、無線局Ｃへの経路を選択経路、無線局Ｆへの経路を代替経路に経路情報を更新する。なお、このような代替経路への切替が実行されても問題がないようにタイムスロットの時間を選定しておくことが好ましい。但し、自己に割り当てられている今回のスロット番号０３のタイミングでの送信が不可能であれば、他方のスロット組Ｙでの自己に割り当てられているスロット番号０８のタイミング、又は、スロット番号０３の次のタイミングで無線局Ｃへの中継送信を行う。

以下、無線局Ｃは、スロット番号０４のタイミングでリンクを確立させた上で対象パケットを無線局Ｉに送信し、無線局Ｉは、スロット番号０５のタイミングでリンクを確立させた上で対象パケットを無線局Ｈに送信し、無線局Ｈは自局宛であるので、そのパケットの情報を内部に取り込む。

なお、上記の場合の逆である、無線局Ｈがパケットの送信元、無線局Ｍがパケットの宛先である場合には、無線局Ｈが自己に割り当てられているタイミング（スロット番号０１又は０６）で無線局Ｍにパケットを送信すれば直ちに通信が終了する。

また、この第１の実施形態の無線通信システム内の無線局から、外部ネットワークへの通信の場合であれば、その無線局からのパケットが上述と同様にして出ゲートウェイ無線局ＧＯｕｔに転送され、出ゲートウェイ無線局ＧＯｕｔが外部ネットワークへの送信動作を行う。

さらに、外部ネットワークから、第１の実施形態の無線通信システム内の無線局へのパケットは、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎに与えられることになされており、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎから宛先無線局までの転送動作は上述の２局間の通信の場合と同様である。

図４に示したようなスロット割当情報を、ネットワーク管理者などが作成して無線局１００やゲートウェイ無線局２００に設定しても良いが、以下のようにすることにより、第１の実施形態の無線通信システムが自律的に獲得することができる。なお、以下の作成動作は、例えば、システムの立ち上がりだけでなく、メディアアクセス制御（ＭＡＣ）動作時に実行される。

［０］初期条件
無線局及びゲートウェイ無線局が、例えば、図１のように物理的に配置される。

［１］メディアアクセス制御層の設定準備動作
１．１：入ゲートウェイ無線局ＧＩｎより、ＨＥＬＬＯパケット［発信元：ＧＩｎ 宛先：ＧＯｕｔ 中継：[] ホップ数：０］を同報送信する。

１．２：入ゲートウェイ無線局ＧＩｎからのＨＥＬＬＯパケットを受信した無線局Ｎｉ１は、ＨＥＬＬＯパケット［発信元：ＧＩｎ 宛先：ＧＯｕｔ 中継[Ｎｉ１] ホップ数：１]を同報送信する。

以下、同様に、ＨＥＬＬＯパケット［発信元：ＧＩｎ 宛先：ＧＯｕｔ 中継：［Ｎｉ１、Ｎｉ２、Ｎｉ３、…、Ｎｉｍ］ ホップ数：ｍ］を受け取った無線局Ｎｉ（ｍ＋１）は、ＨＥＬＬＯパケット［発信元：ＧＩｎ 宛先：ＧＯｕｔ 中継：［Ｎｉ１、Ｎｉ２、Ｎｉ３、…、Ｎｉｍ、Ｎｉ（ｍ＋１）］ ホップ数：ｍ＋１］を同報送信する。

１．３：多数のＨＥＬＬＯパケット［発信元：ＧＩｎ 宛先：ＧＯｕｔ 中継：［Ｎｉ１、Ｎｉ２、Ｎｉ３、…、Ｎｉｎ］ ホップ数：ｎ］を受け取ったゲートウェイ無線局ＧＯｕｔは、各ＨＥＬＬＯパケットの中継情報及びホップ数に基づいて、経路表を作成した上でリンク情報を新規作成又は更新し、リンク情報をＧＩｎに外部ネットワークなどを経由して転送する。

１．４：リンク情報を受け取ったゲートウェイ無線局ＧＩｎは、そのリンク情報が最初に獲得された場合や、そのリンク情報が既存のリンク情報から更新されたものであると、そのリンク情報をＧＩｎ→ＧＯｕｔ経路上の次の無線局に送信する。

同様に、リンク情報を受け取った無線局も、リンク情報をＧＩｎ→ＧＯｕｔ経路上の次の無線局に送信する。

以上の１．１〜１．６により、図１に示すような配置関係を表すリンク情報が得られる。

［２］スロットの割り当て
このスロットの割当て処理を、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎや出ゲートウェイ無線局ＧＯｕｔや図示しない管理局などの特定局が実行しても良く、複数の無線局（ゲートウェイ無線局が含まれていても良い）が分散処理しても良く、実行主体は問われない。このスロット割り当てでは、通信を実行することなく、上述したメディアアクセス制御層の設定準備動作［１］で得られた情報を処理対象とする。

２．０：各無線局のそれぞれについて、入ゲートウェイ無線局ＧＩｎから出ゲートウェイ無線局ＧＯｕｔへの経路上に、その無線局が含まれる最短ホップ数の経路が、上述したメディアアクセス制御層の設定準備動作［１］で得られている。図１の場合には、全ての無線局Ａ〜Ｏのそれぞれについて最短ホップ数の経路のホップ数は８であるが、無線局の配置によっては、各無線局の最短ホップ数に多少ができることがある。また、各無線局について、最短ホップ数の経路として複数が存在することもある（例えば、無線局Ｃは４経路、無線局Ｆは１経路）。

２．１：最短ホップ数の各経路のリンクを１ホップずつたどり、そのホップ数での無線局間でのリンクを、各経路での同じリンクの割り当ての重複を排除しつつ、そのホップ数のスロット（スロット番号）に入るように割り当てる。

（ア）この際、ある同じ無線局を送信側とするリンクまでのホップ数が経路によって異なる場合（なお、図１の配置ではこのようなことは生じていない）、ホップ数の多い方の経路のリンクを先にスロットに割り当てる。ホップ数の少ない方の経路は、同じ無線局を送信側とするリンクのスロットへの割り当てが行われるまで待機し、それ以降の経路部分は再び割り当て対象とする。

（イ）ある無線局についての最短ホップ数の経路として、同じ無線局を送信側とするリンクを含むものが複数ある場合、異なるリンク毎にスロットに割り当てる。

以上の処理により形成されたスロット割り当ての組をスロット組Ｘとする。但し、この段階では、スロット番号０９、１０のスロットは形成されていない。

［３］同時利用可能なリンクの確認
スロット組Ｙを形成するために、同時に利用しても干渉などの問題が生じない同時利用が可能なリンクの確認を行う。この動作は、干渉などを問題とするので、全ての無線局及びゲートウェイ無線局の協働作業となる。このような協働作業を、リーダーシップをとって制御する局は、ゲートウェイ無線局Ｇｉｎなどの特定局とする。

３．１．１：ゲートウェイ無線局Ｇｉｎを送信元とするリンクと同時に使用できるリンクを探索する。ゲートウェイ無線局ＧＩｎからの信号が干渉波になっていないリンク（例えば、受信可能信号強度として干渉波との相対値−１０ｄＢ以下になる位置で使用されるリンク）を探索する。ゲートウェイ無線局Ｇｉｎからのリンクでパケット転送を行っている間に、別の無線局においてキャリアセンスされるかどうかのチェックを行い、キャリアセンスされなかった無線局同士の組からなるリンクで、ゲートウェイ無線局Ｇｉｎからのリンクでのパケット転送と同時のパケット転送が成功するか否かにより、同時使用か否かを判定する。例えば、この際の探索では、リンクＦ→Ｇ、Ｇ→Ｈ、Ｉ→Ｈ、Ｉ→Ｊ、Ｌ→Ｋ、Ｋ→Ｊ、Ｈ→Ｍ、Ｊ→Ｏ、Ｍ→Ｎ、Ｏ→Ｎ、Ｎ→ＧＯｕｔが同時使用なリンクとなったとする。

３．１．２：ＧＩｎ→ＧＯｕｔ経路上にある入ゲートウェイ無線局ＧＩｎから１ホップの無線局を送信元とするリンク（図４では、無線局Ａ→Ｂ、Ｅ→Ｄ）と同時に使用できるリンクを探索する。具体的な探索方法は、上述の３．１．１の場合と同様である。例えば、この際の探索では、リンクＨ→Ｍ、Ｊ→Ｏ、Ｍ→Ｎ、Ｏ→Ｎ、Ｎ→ＧＯｕｔが同時使用なリンクとなったとする。

３．１．３：ＧＩｎ→ＧＯｕｔ経路上にある入ゲートウェイ無線局ＧＩｎから２ホップの無線局を送信元とするリンク（図４では、無線局Ｂ→Ｆ、Ｂ→Ｃ、Ｄ→Ｃ、Ｄ→Ｌ）と同時に使用できるリンクを探索する。具体的な探索方法は、上述の３．１．１の場合と同様である。例えば、この際の探索では、リンクＮ→ＧＯｕｔが同時使用なリンクとなったとする。

３．１．ｎ：ＧＩｎ→ＧＯｕｔ経路上にある入ゲートウェイ無線局ＧＩｎから（ｎ−１）ホップの無線局を送信元とするリンクと同時に使用できるリンクを上述と同様にして探索する。

３．１．１〜３．１．ｎの動作を、同時に使用できるリンクを探索できなくなるまで繰り返す。因みに、図１の配置例では、ｎ＝３では同時に使用できるリンクを探索できるが、ｎ＝４では同時に使用できるリンクを探索できない。

３．２：スロット組Ｘに並べて別表（スロット組Ｙ用の表）を設け、同じスロット番号に、同時利用可能なリンクを割り当てる。この際、３．１〜３．３での同時使用可能なリンクが１ホップずつ異なる経路のリンクに絞り込んで割り当てる。また、代替リンクは同じスロットに入れる。これをスロット組Ｙとする。これにより、図４ではスロット番号０１〜０８までが埋まる。

３．３：スロット組Ｘに含まれるリンクで、スロット組Ｙに割り当てられていない分のためにスロットを追加してスロット組Ｙでリンクを割り当てる。これにより、図４ではスロット番号０９〜１０が追加され、スロット組Ｙの段でリンクが埋められる。

以上のようにして作成されたタイムスロットの割り当て情報が上述のような通信動作時の各局の送信タイミングの制御に利用される。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
従来ならば、ＣＳＭＡ／ＣＡ制御によりリンクには無線資源を割り当てていたため、いずれのリンクにも無線資源が利用されない時間が多く発生し、大きなオーバヘッドになっていた。

この実施形態の無線通信システムでは、このようにリンクを使用するタイミングが固定的な組み合わせの中から選択的に決定されることにより、従来のＣＳＭＡ／ＣＡ制御で発生していたオーバヘッドによるスループットの低下、遅延の増加を回避して、スループットの向上、遅延の短縮を計ることができる。

詳しく言い換えるならば、この無線通信システムでは、ゲートウェイ無線局及び無線局の配置された地理領域において、２つのゲートウェイ無線局間を一定方向に転送が繰り返されることにより、以下に挙げる効果が得られる。

１．上りの際の無線資源利用と下りの際の無線資源利用とで衝突が発生することを回避でき、スループットの向上、遅延の短縮を計ることができる。

２．隣接する地域における無線資源利用との連携が取りやすくなり、無線資源の空間再利用効率が向上して、スループットの向上を計ることができる。なぜならば、隣接する地域から見ても一定方向に無線資源の利用が遷移するため、無線資源の空間再利用が容易になるからである。

３．各無線局がインターネットなど外部ネットワークと接続する場合の、信号の上りと下りに要する遅延の和が一定の大きさになる。それにより、上りと下りの遅延の和が最大の無線局も、平均遅延とそれほど変わらなくなる。従来ならば、ゲートウェイから遠い無線局は、ゲートウェイから近い無線局と比べて、信号の上りに要する遅延も下りに要する遅延もともに大きくなり、上りと下りに要する遅延の和は、ゲートウェイからの距離に比例して大きくなるため、平均遅延に対して、２倍程度遅延の大きい無線局があった。このことにより、遅延の短縮を計ることができる。

４．ゲートウェイを２つ用いることで、スループット及び遅延のボトルネックとなりやすいゲートウェイ発及びゲートウェイ宛ての信号を分散することができ、負荷を軽減することができ、スループットの向上、遅延の短縮を計ることができる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明による無線通信方法及び無線通信システムの第２の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図６は、第２の実施形態の無線通信システムでの無線局及びゲートウェイ無線局の配置例を示す説明図である。

図６において、第２の実施形態の無線通信システムは、複数のサブネットａ１、ａ２、ｂ１〜ｂ３、ｃ１〜ｃ３、ｄ２、ｄ３、…からなる。

各サブネットは、サブネットｂ１を例にして言及すれば、図３に詳細構成を示した２つのゲートウェイ無線局ｂ１、ｂ２を両端に、図２に詳細構成を示した１５個の無線局を六角格子状など適当に配置しであるように、複数の無線局が、２つのゲートウェイ無線局を両終端とする経路上に存在するように構成されている。

また、サブネット同士は、縦横に平面状に広がって並び、各無線局はいずれかのサブネットに属し、一方、各ゲートウェイ無線局は２個のサブネットの共通の要素となっている。例えば、ゲートウェイ無線局ｂ２は、サブネットｂ１の出ゲートウェイ無線局であると共に、サブネットｂ２の入ゲートウェイ無線局になっている。別の観点からみると、サブネットｂ２も、入ゲートウェイ無線局ｂ２と出ゲートウェイ無線局ｂ３を有し、第１の実施形態の無線通信システムと同様なものである。

図７は、図６の配置例の無線通信システムにおいて、各サブネットに対して、チャネルを割り当てた表である。例えば、４チャンネル利用可能な場合で、４つのチャネルに対して、それぞれ縦横の並びで連続しないようにサブネットが割り当てられている。ここで、各チャネルの相違は、キャリア周波数が異なるものであっても良く、スペクトラム拡散通信での拡散符号が異なるものであっても良く、適用している通信方式でチャネルを区別できる要素が異なっていれば良い。

図８は、図６の配置例の無線通信システムにおいて、各サブネットが図１のような構成のとき、サブネットの各リンクにスロットを割り当てた表である。同じチャネルが別のサブネットで再利用されるため、干渉波に対する所望波の利得を１０ｄＢ保つため、同一のサブネット内では無線資源の空間再利用は行っていない場合を示している（スロット組が１組）。この場合でも、スロット割り当て表の作成は、第１の実施形態における動作の説明の項で、スロット組Ｘを作成した手順に準じて行う。

なお、サブネットの大きさが小さく、各サブネットに同一のタイムスロットの割り当てを行った場合に、近傍のサブネットの無線波が干渉波となる場合には、近傍サブネット間で異なるタイムスロットの割り当てを行うようにする。言い換えると、各サブネットに同一のタイムスロットの割り当てを行うことができるのは、サブネット間での干渉などがない場合である。干渉波が生じているか否かは、上述した同時利用リンクの確認動作のように行う。この場合、両サブネットに共通なゲートウェイ無線局がこの確認動作の主導権をとることが好ましい。

その他の構成や作用は、第１の実施形態とほぼ同様であるので説明を省略する。

第２の実施形態の無線通信システムでは、以上のようにリンクを使用するタイミングが固定的な組み合わせの中から選択的に決定されることと、サブネットに対するチャネルの割り当てを固定的に行うことなどにより、従来のＣＳＭＡ／ＣＡ制御で発生していたオーバヘッドによるスループットの低下、遅延の増加や、隣接するサブネットに対する無線の干渉を回避して、スループットの向上、遅延の短縮を計ることができる。

詳しく言い換えるならば、この無線通信システムでは、第１の実施形態で挙げた効果に加えて、以下にあげる効果が得られる。

複数のゲートウェイ無線局を設置できる競技場、テーマパーク、市街地など広域環境において、複数のサブネットを面的に展開し、広い地理領域を被覆する無線通信システムを構築する際において、効率的な無線資源の空間再利用を実現することができる。

（Ｃ）他の実施形態
上記各実施形態の説明においても、種々変形実施形態に言及したが、さらに、以下に例示するような変形実施形態を挙げることができる。

上記第１の実施形態においては、スロット組を２組割り当てたものを示したが、同時利用可能なリンクが多数存在する場合には、３組以上を割り当てるようにしても良い。例えば、同時利用可能なリンクの探索で、リンクを発見できなくなったｎの値に応じて、何組を割り当てるか、また、スロット組でのずれ量を予め定めておいて３組以上を割り当てるようにしても良い。

また、上記第２の実施形態においては、各サブネットについて、スロット組が１組のものを示したが、各サブネットについて、２組以上のスロット組を割り当てるようにしても良い。

さらに、上記第１の実施形態においては無線通信システム内では同一チャネルを用いるものを示し、また、第２の実施形態においてはサブネット内では同一チャネルを用いるものを示したが、１個の無線通信システム内やサブネット内で複数チャネルを利用するようにしても良い。

さらにまた、上記第１の実施形態においては、第１のゲートウェイ無線局（入ゲートウェイ無線局）から第２のゲートウェイ無線局（出ゲートウェイ無線局）への方向のみの通信を認めたものであったが、これに加え、第２のゲートウェイ無線局から第１のゲートウェイ無線局への方向の通信を認めるようにしても良い。例えば、前者の方向と後者の方向とで、チャネル（例えばキャリア周波数）を変え、双方向での混信を避けるようにする。

また、第１の実施形態においては、入ゲートウェイ無線局及び出ゲートウェイ無線局が一つずつのものを示したが、入ゲートウェイ無線局から出ゲートウェイ無線局へという方向性を確保できるのであれば、入ゲートウェイ無線局や出ゲートウェイ無線局が２個以上あっても良い。例えば、この場合に、入ゲートウェイ無線局及び出ゲートウェイ無線局の組合せ毎にタイムスロットの割り当てを行ったスロット組を例えば１組ずつ得、各リンクの同時利用可能かによって、各組のスロット組での位相をずらせる。

上記第１の実施形態では、各リンクの同時利用可能性を、実際の通信を実行させた測定結果に応じて判断するものを示したが、各無線局間の距離等に応じて、演算処理で定めるようにしても良い。

第１の実施形態に無線通信システムでの無線局配置例の説明図である。 第１の実施形態の無線局の構成を示すブロックである。 第１の実施形態のゲートウェイ無線局の構成を示すブロックである。 第１の実施形態の各無線局へのタイムスロットの割り当て例を示す説明図である。 第１の実施形態の２局間での通信で機能するタイムスロット及びリンクの説明図である。 第２の実施形態に無線通信システムでの無線局配置例の説明図である。 第２の実施形態の各サブネットのチャネルの割り当て例を示す説明図である。 第２の実施形態の各サブネットのタイムスロットの割り当て例を示す説明図である。

符号の説明

１００…無線局、１０１、２０１…無線送信部、１０２、２０２…無線受信部、１０３、２０３…送信制御部、１０４、２０４…受信制御部、１０５、２０５…同期制御接続管理部、１０７、２０７…経路管理部、１０８、２０８…中央制御部、２００…ゲートウェイ無線局、２０９…ゲートウェイ送信部（ＧＷ送信部）、２１０…ゲートウェイ受信部（ＧＷ受信部）。

Claims (15)

1. 複数の無線局を有し、上記各無線局が、他の上記無線局と、直接に又は少なくとも一つの上記無線局を介して通信する無線通信方法であって、
   少なくとも一つの上記無線局が入側のゲートウェイ無線局になると共に、別の少なくとも一つの無線局が出側のゲートウェイ無線局となり、
   上記各無線局は、自局が送信元のパケットや自局が中継するパケットを、上記入側のゲートウェイ無線局から上記出側のゲートウェイ無線局への自局が介在している所定の一方向経路に沿った次の上記無線局又は上記出側のゲートウェイ無線局に送出する
   ことを特徴とする無線通信方法。
2. 上記出側のゲートウェイ無線局は、自局が送信元のパケット又は受信したパケットの宛先に応じ、自局が送信元のパケット又は受信したパケットを、外部ネットワークへ転送し、又は、上記入側のゲートウェイ無線局へ上記各無線局を介さない経路で転送することを特徴とする請求項１に記載の無線通信方法。
3. 上記入側のゲートウェイ無線局は、自局が送信元のパケット、外部ネットワークから届いたパケット、又は、上記出側のゲートウェイ無線局から届いたパケットを、そのパケットの宛先に応じ、自局から上記出側のゲートウェイ無線局への所定の一方向経路に沿った次の上記無線局に送出することを特徴とする請求項１又は２に記載の無線通信方法。
4. 複数の無線局を有し、上記各無線局が、他の上記無線局と、直接に又は少なくとも一つの上記無線局を介して通信する無線通信システムであって、
   少なくとも一つの上記無線局が入側のゲートウェイ無線局になっていると共に、別の少なくとも一つの無線局が出側のゲートウェイ無線局となっており、
   上記各無線局は、
   自局が送信元のパケットや自局が中継するパケットを、上記入側のゲートウェイ無線局から上記出側のゲートウェイ無線局への自局が介在している所定の一方向経路に沿った次の上記無線局又は上記出側のゲートウェイ無線局に送出する経路情報を記憶、管理する第１の経路管理手段と、
   自局が送信元のパケットや自局が中継するパケットを、上記第１の経路管理手段が記憶、管理している経路情報に従って送信制御する第１の送信制御手段とを有する
   ことを特徴とする無線通信システム。
5. 上記出側のゲートウェイ無線局は、
   自局が送信元のパケット又は受信したパケットの宛先に応じ、自局が送信元のパケット又は受信したパケットを、外部ネットワークへ転送し、又は、上記入側のゲートウェイ無線局へ上記各無線局を介さない経路で転送する経路情報を記憶、管理する第２の経路管理手段と、
   自局が送信元のパケット又は受信したパケットを、上記第２の経路管理手段が記憶、管理している経路情報に従って送信制御する第２の送信制御手段とを有する
   ことを特徴とする請求項４に記載の無線通信システム。
6. 上記入側のゲートウェイ無線局は、
   自局が送信元のパケット、外部ネットワークから届いたパケット、又は、上記出側のゲートウェイ無線局から届いたパケットを、そのパケットの宛先に応じ、自局から上記出側のゲートウェイ無線局への所定の一方向経路に沿った次の上記無線局に送出する経路情報を記憶、管理する第３の経路管理手段と、
   自局が送信元のパケット、外部ネットワークから届いたパケット、又は、上記出側のゲートウェイ無線局から届いたパケットを、上記第３の経路管理手段が記憶、管理している経路情報に従って送信制御する第３の送信制御手段とを有することを特徴とする請求項４又は５に記載の無線通信システム。
7. 上記第１の経路管理手段が記憶、管理する経路情報は、上記入側のゲートウェイ無線局から自局を介して上記出側のゲートウェイ無線局へ至るまでの一方向経路の中で、中継数が最小となるものであることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の無線通信システム。
8. メディアアクセス制御動作時に、上記入側のゲートウェイ無線局から上記出側のゲートウェイ無線局に向かって経路探索制御パケットを同報送信し、上記各無線局が転送の際に経路探索制御パケットに記載の経路情報を更新することで、ネットワークのリンク情報を収集し、上記第１〜第３の経路管理手段が記憶、管理する経路情報を得ることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の無線通信システム。
9. 上記第１〜第３の経路管理手段の全て又は一部は、上記入側のゲートウェイ無線局から上記出側のゲートウェイ無線局への所定の一方向経路に対する、部分的な代替経路をも管理しており、上記第１〜第３の送信制御手段の全て又は一部は、主経路状態の悪化の際には代替経路に切り替えて送信させる４〜８のいずれかに記載の無線通信システム。
10. 上記入側のゲートウェイ無線局から上記出側のゲートウェイ無線局へのある一方向性経路に関係する、上記入側のゲートウェイ無線局、上記各無線局、上記出側のゲートウェイ無線局の通信タイミングが、その経路の進行順序に従って、１タイムスロットずつ異なっており、上記入側のゲートウェイ無線局、上記各無線局、上記出側のゲートウェイ無線局がそれぞれ、その通信タイミングを記憶、管理する同期制御接続管理手段を備えていることを特徴とする請求項４〜９のいずれかに記載の無線通信システム。
11. １タイムスロットずつ異なっている上記通信タイミングの組が、各組での相互干渉を排除できるタイミングずつずれている複数組用意されていることを特徴とする請求項４〜１０のいずれかに記載の無線通信システム。
12. 請求項４〜１１のいずれかに記載の無線通信システムを単位システムとし、複数の単位システムで構成されていることを特徴とする無線通信システム。
13. 上記複数の単位システム内のそれぞれで使用される通信タイミングの組が、上記複数の単位システムで同一であることを特徴とする請求項１２に記載の無線通信システム。
14. 上記複数の単位システムはそれぞれ、同一のチャネルを使用した場合に同時使用可能でない隣接する単位システムに対し、異なるチャネルが割り当てられていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の無線通信システム。
15. ある単位システムの入側のゲートウェイ無線局が隣接する単位システムの出側のゲートウェイ無線局として動作することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の無線通信システム。
    
    

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