JP2007142612A - 無線マルチホップネットワーク、通信端末及びそれらに用いる資源予約通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 エンドツウエンドの通信において、端末の移動に対してもタイムスロットの衝突や経路変化によるスロットの再予約が発生せず、安定して帯域保証された通信を行うことが可能な無線マルチホップネットワークを提供する。
【解決手段】 帯域保証された通信を介する通信端末１−１はスロット割当サーバ２１に３Ｈｏｐ分のスロット割当要求を行う。スロット割当サーバ２１において割り当てられたネットワーク内でユニークなスロットを使用するため、他の通信端末によってそのスロットを干渉されることはない。送信端末１−１はそのスロット情報をオプションヘッダに入れてパケットを送信する。パケットを転送する転送端末１−２〜１−４はオプションヘッダのスロット情報と自分のホップカウントとを基に送信スロットをパケット転送時に決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は無線マルチホップネットワーク、通信端末及びそれらに用いる資源予約通信方法に関し、特にＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式で制御された無線マルチホップネットワークにおいて移動する端末を中継ノードとしてパケット転送を行う場合における帯域保証された通信方法及び通信端末に関する。

従来、無線ネットワークでは、端末同士が無線によって直接通信するだけでなく、自らの無線信号が届く通信範囲内に存在する他の端末を中継ノードとして経由することで、その無線通信範囲を超えて通信端末間でデータを送受信することを可能とする無線マルチホップネットワークが知られている。

この無線マルチホップネットワークは、複数の端末で構成されており、各通信端末は自分宛てでないパケットを転送するためのルータ機能を持っている。このルータ機能によって、各端末は直接無線の届かない端末に対してパケットを他の端末を介することによって目的の端末へ届けることができる。

このパケット転送経路を自律分散的に制御するルーティングプロトコルとしては、通信開始時に経路を探索するリアクティブ型プロトコル（例えば、非特許文献１，２参照）や、定期的に他の通信端末とメッセージを交換して常時最新経路を維持するプロアクティブ型プロトコル（例えば、非特許文献３，４参照）等が採用されている。

ＴＤＭＡ方式で制御される無線ネットワークで、帯域を確保して優先的にパケットを送信する方式としては、無線到達範囲において隣接する（すなわち、無線到達範囲内に存在する）端末との通信においてスロットを確保する方法がある（例えば、特許文献１，２及び非特許文献５，６参照）。

また、ＴＤＭＡにおける帯域保証ではないが、無線マルチホップネットワークにおいて遅延制御を伴う経路確立を行う方式もある（例えば、特許文献３参照）。この方式と、ＴＤＭＡの上述したスロット予約方式とを組み合わせることで、帯域保証された通信経路を確立することが可能である。

特許第２７９３９９１号公報 特開２００４−１８６９３５号公報 特表２００５−５０４４８４号公報 Ｃ．Ｐｅｒｋｉｎｓ，Ｅ．Ｂｅｌｄｉｎｇ−Ｒｏｙｅｒ，ａｎｄ Ｓ．Ｄａｓ，"Ａｄ ｈｏｃ Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ（ＡＯＤＶ） Ｒｏｕｔｉｎｇ"，ＩＥＴＦ ＲＦＣ３５６１．Ｊｕｌｙ ２００３ Ｄａｖｉｄ Ｂ．Ｊｈｏｎｓｏｎ，Ｄａｖｉｄ Ａ．Ｍａｌｔｚ，ａｎｄ Ｙｉｈ−Ｃｈｕｎ Ｈｕ，"Ｔｈｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｏｕｒｃｅ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ａｄ ｈｏｃ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＤＳＲ）"，ＩＥＴＦ ｄｒａｆｔ−ｉｅｔｆ−ｍａｎｅｔ−ｄｓｒ−０９．ｔｘｔ．Ａｐｒｉｌ ２００３． Ｔ．Ｃｌａｕｓｅ，他１名，"Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｌｉｎｋ Ｓｔａｔｅ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ （ＯＬＳＲ）"，ＩＥＴＦ ＲＦＣ３６２６，２００３年１０月 Ｒ．Ｏｇｉｅｒ，他２名，"Ｔｏｐｏｌｏｇｙ Ｄｉｓｓｅｍｉｎａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒｅｖｅｒｓｅ−Ｐａｔｈ Ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ（ＴＢＲＰＦ）"，ＩＥＴＦ ＲＦＣ３６８４，２００４年２ 月 Ｚｅｅｎｙｕ Ｔａｎｇ他，"Ａ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ−Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｉｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ"，ＩＥＥＥ ＷＣＮＣ’９９ Ｍａｈｅｓｈ Ｋ．Ｍａｒｉｎａ他，"ＲＢＲＰ：Ａ Ｒｏｂｕｓｔ Ｂｒｏａｄｃａｓｔ Ｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ａｄ ｈｏｃ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ"，ＩＥＥＥ ２００１ Ｇｌｏｂｅｃｏｍ

上述した従来の帯域保証された通信方法では、通信経路上の各端末が、次にパケットを転送する相手端末との間で干渉しないタイムスロットを予約することによって、エンドツウエンド（Ｅｎｄ−ｔｏ−Ｅｎｄ）で帯域保証を行う方式である。

しかしながら、無線マルチホップネットワークでは、端末それぞれが自律的に移動するため、隣接端末との間だけでタイムススロットを予約する従来方式では、同じスロットを使う異なる端末同士が接近することによって干渉が発生し、通信ができなくなる。

このような事例について図１６を参照して説明する。図１６では、端末１−１から端末１−４への通信と、端末２−１から端末２−４への通信がそれぞれ行われているものとする。端末１−１から端末１−２、端末１−２から端末１−３、端末１−３から端末１−４へのパケットの転送はそれぞれタイムスロット２，３，４を使って行っている。端末２−１から端末２−２、端末２−２から端末２−３、端末２−３から端末２−４へのパケットの転送はそれぞれタイムスロット１，２，５を使って行っている。

通信を開始した時点では、端末１−１〜１−４と端末２−１〜２−４とは互いに無線の届かない範囲に存在しており、これらのスロットは上述したような従来方式で取得されるものとする。通信中に、端末１−２と端末２−２とが、図１６に示すように、互いに近づく方向へ移動し、端末２−２が送信する電波が届く範囲に端末１−２が入った場合、端末１−２では、端末１−１が発する電波と端末２−２が発する電波とをスロット２で同時に受信して衝突が起こり、正常なデータを受信することができなくなる。このような状態になると、端末１−１または端末２−２のどちらかが、使用するスロットを変更しない限り、端末１−２における通信が正常に戻らない。

また、無線マルチホップネットワークでは、通信経路が頻繁に変化する。通信経路の制御（ルーティング）は、上述したルーティングプロトコルによって行われるが、予約したタイムスロットは転送相手が変化するため、取り直さなければならない。

このような事例について図１７を参照して説明する。図１７では、端末１−１から端末１−２、端末１−３を経由して端末１−４への通信が行われているものとする。端末１−２から端末１−３、端末１−３から端末１−４へのパケットの転送はそれぞれタイムスロット２，３，４を使って行っている。こうしたスロットを予約した経路は、例えば、特許文献３に記載の応用方式等で確立されるものとする。これらのスロットは上述したような従来方式で取得されるものとする。

図１７に示すように、端末１−２が端末１−１及び端末１−３の無線範囲外に移動し、新たに端末１−５が入ってきた場合、ルーティングプロトコルによって端末１−１から端末１−４への経路は、端末１−１−端末１−５−端末１−３−端末１−４へと切り替わる。スロット３は端末１−２が確保したスロットであるため、新たに転送ノードとなった端末１−５はそのスロットを利用することはできない。

特許文献３に記載の方式によれば、経路の再確立と、それに伴うスロット確保とが必要となり、両方（経路再確立及びスロット確保）が終了するまでの間は通信ができない。従来のスロット確保はダイナミックであるが故に、失敗も多く、時間もかかる。そのため、長時間の通信途絶が発生する。

そこで、本発明の目的は上記の問題点を解消し、無線マルチホップネットワークにおけるエンドツウエンドの通信において、端末の移動に対してもタイムスロットの衝突や経路変化によるスロットの再予約が発生せず、安定して帯域保証された通信を行うことができる無線マルチホップネットワーク、通信端末及びそれらに用いる資源予約通信方法を提供することにある。

本発明による無線マルチホップネットワークは、複数の通信端末が無線によってパケットの送信、受信、転送を行う無線マルチホップネットワークであって、送信端末が、ヘッダに予約資源情報を挿入して前記パケットを送信している。

本発明による通信端末は、他の通信端末とともに無線によってパケットの送信、受信、転送を行う無線マルチホップネットワークを構成する通信端末であって、前記パケットの送信時にそのパケットのヘッダに予約資源情報を挿入して送信する手段を備えている。

本発明による資源予約通信方法は、複数の通信端末が無線によってパケットの送信、受信、転送を行う無線マルチホップネットワークに用いる資源予約通信方法であって、前記通信端末が、前記パケットの送信時にそのパケットのヘッダに予約資源情報を挿入して送信する処理を実行している。

すなわち、本発明の無線マルチホップネットワークは、ＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）で制御された無線マルチホップネットワークにおいて、パケットを送信するために予約されたタイムスロットをオプションヘッダでパケットに格納し、転送端末がオプションヘッダの情報から判断したタイムスロットでパケットを送信（転送）している。これによって、本発明の無線マルチホップネットワークでは、エンドツウエンド（Ｅｎｄ−ｔｏ−Ｅｎｄ）で安定しかつ帯域保証された通信を実現することを可能としている。

より具体的に説明すると、本発明の無線マルチホップネットワークでは、上記の目的を達成するために、帯域保証通信方法を、複数の通信端末と１つまたはそれ以上のスロット割当サーバとから構成して実現している。

これらの通信端末は、上記の帯域保証通信方法を備え、アプリケーションプログラムと、パケット受信処理部と、パケット転送処理部と、パケット作成処理部と、パケット送信処理部と、パケットスケジューリング処理部と、無線受信処理部と、無線送信処理部と、ＱｏＳ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）設定処理部とから構成されている。

また、これらの通信端末は、アプリケーションプログラムからのＱｏＳ設定要求に基づいてスロット要求を行い、フロー識別処理部へ該アプリケーションのフロー情報［宛先端末及びアプリケーションを特定する情報（ポート番号等）等を組とした情報］を登録するスロット要求処理部と、アプリケーションプログラムで作成された送信データがＱｏＳ設定されたフローであるかどうかを識別するフロー識別処理部と、ＱｏＳ設定されたフローであった場合に予約されたスロット情報を格納したオプションヘッダを作成するオプションヘッダ作成処理部と、オプションヘッダを含む全ヘッダを作成するヘッダ作成処理部と、パケット作成処理部で作成された送信パケットまたはパケット受信処理部から受け取った転送パケットのヘッダ情報を基に転送先端末を決定する転送先端末決定処理部と、オプションヘッダを解析して該パケットを送信するタイムスロットをパケットスケジューリング部に設定するオプションヘッダ解析部と、設定されたタイムスロットでパケットを送信するスケジューリング制御を行う送信スロット制御処理部とを有することを特徴とする。

本発明の無線マルチホップネットワークでは、スロット割当サーバにおいて割り当てられたネットワーク内でユニークなスロットを使用するため、他の端末によってそのスロットを干渉されることがない。

また、本発明の無線マルチホップネットワークでは、オプションヘッダ情報を基に転送端末が転送時にスロットを決定するため、移動によって経路が変化しても、従来の方式のように経路を構成する端末がそれぞれスロットを取り直す必要がない。

したがって、本発明の無線マルチホップネットワークでは、従来の方式でできなかった無線マルチホップネットワークにおける安定したエンドツウエンド帯域保証通信が可能となり、上述した課題を克服することが可能となる。

つまり、本発明の無線マルチホップネットワークでは、帯域保証された通信を介する通信端末が、スロット割当サーバに３Ｈｏｐ分のスロット割当要求（必要帯域のスロットの３倍）を行い、スロット割当サーバにおいて割り当てられたネットワーク内でユニークなスロットを使用するため、他の端末によってそのスロットを干渉されることはない。

次に、送信端末はそのスロット情報をオプションヘッダに入れてパケットを送信する。パケットを転送する端末はオプションヘッダのスロット情報と自分のホップカウントを基に送信スロットをパケット転送時に決定する。そのため、本発明の無線マルチホップネットワークでは、移動により経路（転送端末）が変化しても従来方式のように経路を構成する端末がそれぞれスロットを取り直す必要がなく、確保したスロットを使って通信を継続することが可能となる。

これによって、本発明の無線マルチホップネットワークでは、無線マルチホップネットワークにおける安定したエンドツウエンド帯域保証通信が可能となるので、無線マルチホップネットワークにおけるエンドツウエンドの通信において、端末の移動に対してもタイムスロットの衝突や経路変化によるスロットの再予約が発生せず、安定して帯域保証された通信が可能となる。

本発明は、上記のような構成及び動作とすることで、無線マルチホップネットワークにおけるエンドツウエンドの通信において、端末の移動に対してもタイムスロットの衝突や経路変化によるスロットの再予約が発生せず、安定して帯域保証された通信を行うことができるという効果が得られる。

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例による無線マルチホップネットワークの構成を示すブロック図である。図１において、本発明の第１の実施例による無線マルチホップネットワークは通信端末１−１〜１−５と、スロット割当サーバ２１とから構成されている。

各通信端末１−１〜１−５は、データ用チャネルと制御用チャネルとの２チャネルを持ち、それぞれのチャネルにおいて複数の通信端末１−１〜１−５がそれぞれ無線ネットワーク上のノードを構成し、それら各通信端末１−１〜１−５間で無線によって自律的にルーティングパケットを交換することで無線マルチホップネットワークが形成されている。

また、無線マルチホップネットワークのデータ用チャネルのメディアアクセスはＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）で制御され、タイムスロットはスロット割当サーバ２１が管理している。通信端末１１〜１５がスロット割当サーバ２１にスロット割当を要求する場合、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ｗｉｔｈ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）等で制御された別の制御用チャネルを利用してスロット割当サーバ２１にスロット割当要求パケットを送信する。制御用チャネル上でも、ルーティングによって無線マルチホップネットワークが形成されている。

本実施例では、スロット割当サーバ２１を１つとしているが、他の実施形態として複数のスロット割当サーバが無線マルチホップネットワーク内に存在することも可能である。また、通信端末１−１〜１−５は携帯電話機やノートＰＣ（パーソナルコンピュータ）、車両等のいずれでも適用可能である。

各通信端末１−１〜１−５は、それぞれ固有のノードＩＤ（ＩＤｅｎｔｉｆｉｅｒ）とＩＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）アドレスとを持っている。通信端末１１〜１５に割り当てられるＩＰアドレスは重複しないため、ＩＰアドレスをノードＩＤとして利用することも可能である。

図２は本発明の第１の実施例による通信端末１−１〜１−５の機能構成を示すブロック図である。図２において、通信端末１−１はアプリケーションプログラム（以下、アプリケーションとする）１０と、パケット受信処理部１１と、パケット転送処理部１２と、パケット作成処理部１３と、パケット送信処理部１４と、パケットスケジューリング処理部１５と、無線受信処理部１６と、無線送信処理部１７と、ＱｏＳ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）設定処理部１８とから構成されている。

また、パケット受信処理部１１はヘッダ解析処理部１１１を備え、パケット転送処理部１２は転送先端末決定処理部１２１を備え、パケット作成処理部１３はフロー識別処理部１３１とオプションヘッダ作成処理部１３２とヘッダ作成処理部１３３とを備えている。パケット送信処理部１４はオプションヘッダ解析部１４１を備え、パケットスケジューリング処理部１５は送信スロット制御処理部１５１を備え、ＱｏＳ設定処理部１８はスロット要求処理部１８１を備えている。尚、他の通信端末１−２〜１−５も上記の通信端末１−１と同様の構成となっている。

通信端末１−１ではアプリケーション１０からのＱｏＳ設定要求に基づいてスロット要求が行われると、スロット要求処理部１８１がフロー識別処理部１３１へ該アプリケーションのフロー情報［宛先端末及びアプリケーションを特定する情報（ポート番号等）等を組とした情報］を登録する。

フロー識別処理部１３１はアプリケーション１０で作成された送信データがＱｏＳ設定されたフローであるかどうかを識別し、オプションヘッダ作成処理部１３２はＱｏＳ設定されたフローであった場合に、予約されたスロット情報を格納したオプションヘッダを作成する。ヘッダ作成処理部１３３はオプションヘッダを含む全ヘッダを作成する。

転送先端末決定処理部１２１はパケット作成処理部１３で作成された送信パケットまたはパケット受信処理部１１から受け取った転送パケットのヘッダ情報を基に転送先端末を決定する。オプションヘッダ解析部１４１はオプションヘッダを解析して該パケットを送信するタイムスロットをパケットスケジューリング部１５に設定する。送信スロット制御処理部１５１は設定されたタイムスロットでパケットを送信するスケジューリング制御を行う。

図３は本発明の第１の実施例で用いるＴＤＭＡフレーム構成を示す図である。図３において、ＴＤＭＡフレームは１フレームがフレーム同期用スロット（Ｓ）と、データ送信用スロット（１〜２００）とから構成されている。本実施例では、上記のような１フレーム２００スロットで構成されたＴＤＭＡを前提として以下の説明を行う。

図４は本発明の第１の実施例において作成されるオプションヘッダの構成を示す図であり、図５は図２のヘッダ作成処理部１３３に渡されるオプションヘッダの構成を示す図であり、図６は本発明の第１の実施例において作成される送信パケットの構成を示す図である。

図７は図２のフロー識別処理部１３１が保持するフローテーブルを示す図であり、図８は図２のオプションヘッダ作成処理部１３２が保持するスロット情報テーブルを示す図である。図９は本発明の第１の実施例におけるフローキャッシュテーブルの構成を示す図であり、図１０は本発明の第１の実施例におけるキャッシュテーブルの構成を図であり、図１１は本発明の第１の実施例におけるスケジューリング動作の概要を示す図である。

図４において、オプションヘッダは“Ｓｌｏｔ＃１ ｆｏｒ ｈｏｐ１”〜“Ｓｌｏｔ＃Ｎ ｆｏｒ ｈｏｐＭ”の前に付加され、“Ｏｐｔｉｏｎ Ｔｙｐｅ”、“Ｌｅｎｇｔｈ（４＋Ｍ＊４Ｎ）”、“Ｆｌｏｗ ＩＤ”、“Ｈｏｐ Ｃｏｕｎｔ”、“Ｓｌｏｔ＃ ｐｅｒ ｈｏｐ（Ｎ）”、“Ｈｏｐ Ｃｙｃｌｅ（Ｍ）”、“Ｒｅｓｅｒｖｅｄ（０）”を含んでいる。

図５において、オプションヘッダは“Ｓｌｏｔ＃１ ｆｏｒ ｈｏｐ１”＝２，“Ｓｌｏｔ＃１ ｆｏｒ ｈｏｐ２”＝５０，“Ｓｌｏｔ＃１ ｆｏｒ ｈｏｐ３”＝８０の前に付加され、“Ｏｐｔｉｏｎ Ｔｙｐｅ”、“Ｌｅｎｇｔｈ（４＋Ｍ＊４Ｎ）”＝２０、“Ｆｌｏｗ ＩＤ”＝１０００、“Ｈｏｐ Ｃｏｕｎｔ”＝０、“Ｓｌｏｔ＃ ｐｅｒ ｈｏｐ（Ｎ）”＝１、“Ｈｏｐ Ｃｙｃｌｅ（Ｍ）”＝３、“Ｒｅｓｅｒｖｅｄ（０）”＝０を含んでいる。

図６において、送信パケットは“ＩＰ Ｈｅａｄｅｒ”と、“ＩＰ Ｏｐｔｉｏｎ Ｈｅａｄｅｒ”と、“Ｕｐｐｅｒ Ｌａｙｅｒ Ｈｅａｄｅｒｓ（ＴＣＰ／ＵＤＰ／ＲＴＰ ｅｔｃ）”と、“Ｄａｔａ”とから構成されている。

図７において、フローテーブルには、フローＩＤ（「１０００」，「１００１」，・・・）、送信ポート（「１４５６０」，「１３００」，・・・）、宛先アドレス（「１７２．１６．５．４」，「１９２．１．１．１００」，・・・）、宛先ポート（「８０」，「２２」，・・・）の各項目が設けられている。

図８において、スロット情報テーブルには、フローＩＤ（「１０００」，「１００１」，・・・）、“Ｈｏｐ Ｃｙｃｌｅ”（「３」，「５」，・・・）、“Ｓｌｏｔ ｐｅｒ Ｈｏｐ”（「１」，「２」，・・・）、予約スロット１（「２」，「３，４」，・・・）、予約スロット２（「５０」，「１４，１５」，・・・）、予約スロット３（「８０」，「７５，７６」，・・・）、・・・、予約スロットＭ（「−」，「−」，・・・）の各項目が設けられている。

図９において、フローキャッシュテーブルには、送信者アドレス（「１７２．１６．１．１」，「１９２．２．３．４」，・・・）、フローＩＤ（「１０００」，「１２０１」，・・・）、“Ｈｏｐ Ｃｏｕｎｔ”（「０」，「２」，・・・）、“Ｓｌｏｔ ｐｅｒ Ｈｏｐ”（「１」，「２」，・・・）、使用スロット（「２」，「３，４」，・・・）、キューＩＤ（「１」，「２」，・・・）の各項目が設けられている。

図１０において、キャッシュテーブルには、キューＩＤ（「１」，「２」，・・・）、送信スロット（「２」，「３，４」，・・・）の各項目が設けられている。

これら図１〜図１１を参照して本発明の第１の実施例による無線マルチホップネットワークの動作について説明する。

まず、（１）パケットの送信について説明する。通信端末１−１上で動作するアプリケーション１０が通信端末１−５上のアプリケーションに対して帯域保証された通信を行う場合、はじめに通信端末１−１のアプリケーション１０はＱｏＳ設定処理部１８に対してＱｏＳ設定要求を行う。ＱｏＳ設定処理部１８はアプリケーション１０が要求する帯域等を保証するスロットの割当要求をスロット割当サーバ２１に送信する。

スロット割当サーバ２１は無線マルチホップネットワークのデータ用チャネルの全ＴＤＭＡタイムスロットを管理しており、スロット要求に対して必要なスロット割当を行う。スロット割当はネットワーク内でユニークになるように行われる。つまり、割り当てられたスロットは、要求した通信端末１−１が発信するフローのみが利用可能となる。スロット割当サーバ２１は帯域保証に必要なスロットのＭ倍［例えば、１０Ｋｂｐｓの要求に対して（１０＊Ｍ）Ｋｂｐｓ］のスロットを要求者に割当応答を返す。

スロットの割当が成功すると、ＱｏＳ設定処理部１８はフロー識別処理部１３１に対して、該アプリケーションのパケットを帯域保証されたスロットで通信するためのフロー情報を設定する。フロー情報は、送信元ＩＰアドレス、宛先ＩＰアドレス、送信元ポート番号、宛先ポート番号等で構成される。フロー識別処理部１３１は新たなフローが登録されると、そのフローに対して識別し（フローＩＤ）を割り当てる。図７にフロー識別処理部１３１が保持するフローテーブルを示す。

フロー識別処理部１３１はフローＩＤを割り当てると、オプションヘッダ作成処理部１３２にフロー情報とそのフローで予約されたスロット情報とを登録する。オプションヘッダ作成処理部１３２が保持するスロット情報テーブルを図８に示す。図８において、“Ｓｌｏｔ ｐｅｒ Ｈｏｐ”は１ホップでパケットの転送に必要なスロットの数、“Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”はスロットを再利用するホップ数サイクルである。以下の説明では、簡単のため、“Ｓｌｏｔ ｐｅｒ Ｈｏｐ”＝１（１スロットでパケットを転送可能）、“Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”＝３（３ホップ毎にスロットを再利用）とする。

“Ｓｌｏｔ ｐｅｒ Ｈｏｐ”はスロット設定要求で要求された予約帯域情報等からスロット割当サーバ２１が必要スロット数を計算し、スロット割当応答によって返される値である。“Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”はＱｏＳ設定処理部１８が計算してスロット割当要求に入れる情報である。通常、“Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”は３であるが、パケット転送中に衝突が発生する場合や指向性アンテナを利用できる場合等の状況によって、この値を変えることもできる（詳細については後述する）。本実施例では、スロット割当サーバ２１から割り当てられたスロットを２番，５０番，８０番とし、このアプリケーションのフローＩＤを１０００番とする。

ＱｏＳ設定要求が成功すると、通信端末１−１のアプリケーション１０はデータの送信を開始する。アプリケーション１０から送信されたデータは、パケット作成処理部１３に渡される。パケット作成処理部１３のフロー識別処理部１３１は、このデータがＱｏＳ保証対象のデータであることを識別し、オプションヘッダ作成処理部１３２に渡す。オプションヘッダ作成処理部１３２は、該フローに予約されたスロット情報を基に図４に示すオプションヘッダ（ＩＰ通信の場合、ＩＰオプションヘッダ）を作成し、ヘッダ作成処理部１３３へ渡す。その場合、オプションヘッダは図５に示すような構成となる。

ヘッダ作成処理部１３３は、上位レイヤヘッダ［ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）、ＵＤＰ（Ｕｓｅｒ Ｄａｔａｇｒａｍ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）、ＲＴＰ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）等］のヘッダとＩＰヘッダとを作成し、オプションヘッダやデータとマージして送信パケットを作成する。作成された送信パケットの構成を図８に示す。

スロット番号の表現方法は、図４に示すように、個別に示す以外にも複数存在する。一つは、複数のスロットをまとめたブロックを予め定義しておき、そのブロック番号を記述する方式である。別の方法としては、スロット番号を階層化し、上位Ｎビットは固定化し、下位Ｍビットをサイクルする方法も考えられる。こうしたスロット表現方法を用いることで、オプションヘッダに入れる情報を減らすことができる。

また、スロットのセットを複数記述しておき、Ｎホップ目の端末からは何番目のスロットセットを利用するという指定も可能である。さらに、特定の端末は指定したスロットを利用することをオプションヘッダ内に記述することもできる。

パケット作成処理部１３は送信パケットをパケット転送処理部１２に渡す。パケット転送処理部１２ではＩＰヘッダの宛先アドレスからＩＰ経路表を検索し、パケットを転送するネクストホップを決定する。ネクストホップが決まると、パケットをパケット送信処理部１４に渡す。ＩＰ経路表はルーティングプロトコルによって予め設定され、逐次更新されているものとする。

パケット送信処理部１４のオプションヘッダ解析部１４１では、ＩＰオプションヘッダの有無を確認し、あれば中身を解析する。具体的には、オプションヘッダの“Ｈｏｐ Ｃｏｕｎｔ”フィールドと、“Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”フィールドを参照する。それぞれの値が、Ｃ、Ｕであったとすると、“Ｃ ｍｏｄ Ｕ”を計算する。パケット送信処理部１４はその結果を基に、どのスロットを利用してこのパケットを送信するかを決定する。

通信端末１−１がパケットを送信する場合、Ｃ＝０、Ｕ＝３であるので、“Ｃ ｍｏｄ Ｕ”＝０である。“Ｃ ｍｏｄ Ｕ”＝０であれば、Ｓｌｏｔ ｆｏｒ Ｈｏｐ １（この場合、２）を使用してパケットを送信するように送信スロット設定要求を送信スロット制御処理部１５１に行い、オプションヘッダの“Ｈｏｐ Ｃｏｕｎｔ”フィールドの値に１を足して該フィールドを書き換え、パケットをパケットスケジューリング部１５に渡す。

パケットスケジューリング部１５は設定されたスロット２番を使って、ネクストホップである通信端末１−２にパケットを送信する。パケットスケジューリング処理部１５はパケット送信処理部１４から受け取ったパケットを、フロー毎にキューで管理して送信を行う。そのスケジューリング動作の概要を図１１に示す。

オプションヘッダ解析部１４１では、２回目からの解析を高速化するため、フローキャッシュテーブルを持つこともできる。そのフローキャッシュテーブルの構成を図９に示す。フローキャッシュテーブルには、そのパケットの送信者ＩＰアドレス、フローＩＤ、Ｈｏｐ Ｃｏｕｎｔ、Ｓｌｏｔ ｐｅｒ Ｈｏｐ、使用スロット番号を記録しておく。

次に、同じフローからのパケットを受信し、オプションヘッダを見た場合、送信者ＩＰアドレス、フローＩＤ、“Ｈｏｐ Ｃｏｕｎｔ”が同じであれば、上記の計算をせず、テーブル（図示せず）に記録されたスロットを利用すると判断する。さらに、パケットスケジューリング部１５にも、図１０に示すようなキャッシュテーブルを持たせることによって、オプションヘッダ解析部１４１でフローキャッシュテーブルにヒットしたパケットは送信スロット制御処理部１５１への送信スロット設定要求を省略することができる。

続いて、（２）パケットの転送について説明する。通信端末１−１からパケットを受信した通信端末１−２では、パケット受信処理部１１にパケットを渡す。パケット受信処理部１１はＩＰヘッダの宛先ＩＰアドレスが自分宛でないことを確認し、パケットをパケット転送処理部１２へ渡す。パケット転送処理部１２ではＩＰ経路表から次にパケットを転送するネクストホップを決定し、パケット送信処理部１４へ渡す。

パケット送信処理部１４では、ＩＰオプションヘッダの有無を確認し、ＩＰオプションヘッダがあれば、上記の（１）の場合と同様に、中身を解析する。Ｃ＝１、Ｕ＝３であるので、“Ｃ ｍｏｄ Ｕ”＝１である。“Ｃ ｍｏｄ Ｕ”＝１であれば、Ｓｌｏｔ ｆｏｒ Ｈｏｐ ２（この場合、５０）を使用してパケットを送信するよう送信スロット制御処理部１５１に設定し、オプションヘッダの“Ｈｏｐ Ｃｏｕｎｔ”フィールドの値に１を足して該フィールドを書き換え、パケットをパケットスケジューリング部１５に渡す。パケットスケジューリング部１５は、設定されたスロット５０番を使って、ネクストホップである通信端末１−３パケットを送信する。

以下同様に、通信端末１−３から通信端末１−４へはスロット８０番を利用してパケットが転送され、通信端末１−４から通信端末１−５へはスロット２番を使ってパケットが転送される。

ここで、各通信端末の電波送信範囲が同じであるとすると、スロットの再利用ができる条件は、２Ｈｏｐ以上離れているとなる。図１に示すように、通信端末１−１が通信端末１−２へスロット２番を使ってパケットを送信した場合、通信端末１−２はスロット２番を使うことはできない。さらに、通信端末１−３もスロット２番を使って通信端末１−４にパケットを送信することができない。なぜならば、通信端末１−３の電波は通信端末１−２にも届くため、通信端末１−２では通信端末１−１からの電波と通信端末１−３からの電波をスロット２番で同時に受信してしまうため、通信端末１−１から正常にパケットを受信できなくなるからである。通信端末１−４は、スロット２番を再利用して通信端末１−５にパケットを送ることができる。

こうして、本実施例では、３ホップ毎にスロットを再利用することによって、スロットの利用効率を高めることができる。これが、通常、“Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”が３である理由である。

次に、（３）パケットの受信について説明する。通信端末１−４からパケットを受け取った通信端末１−５の無線受信処理部１６は、パケットをパケット受信処理部１１へ渡す。パケット受信処理部１１は、ＩＰヘッダの宛先ＩＰアドレスが自分であるため、受信データをアプリケーション１０へ渡す。尚、この説明では、ＴＣＰ、ＲＴＰ、ＵＤＰ等の上位レイヤーの処理の記述を省略している。

このように、本実施例では、上述した（１）〜（３）の処理によって、確保されたスロットを使って通信端末１−１と通信端末１−５との間で帯域保証されたマルチホップ通信を行うことができる。

上記のように、本発明の第１の実施例による資源予約通信方法によれば、上述した課題を克服することが可能となる。まず、本発明の第１の実施例による資源予約通信方法では、スロット割当サーバ２１において割り当てられたネットワーク内でユニークなスロットを使用するため、他の通信端末によってそのスロットが干渉されることがない。また、本発明の第１の実施例による資源予約通信方法では、オプションヘッダ情報を基に転送端末が転送時にスロットを決定するため、転送端末の移動によって経路が変化しても、従来の資源予約通信方法のように経路を構成する端末がそれぞれスロットを取り直す必要がない。

よって、本発明の第１の実施例による資源予約通信方法では、従来の資源予約通信方法においてできなかった無線マルチホップネットワークにおける安定したエンドツウエンド（Ｅｎｄ−ｔｏ−Ｅｎｄ）帯域保証通信が可能となる。

上述した本発明の第１の実施例においては、”Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”（スロットを再利用するホップ数サイクル）を、上記の理由によって、通常、３であるとしているが、指向性アンテナを用いることによって、この値を２にすることも可能である。

図１２は本発明の第２の実施例によるパケットの転送例を示す図である。図１２においては、指向性アンテナを利用した場合の２スロットを再利用したパケットの転送例を示している。図１２に示す転送例の場合、通信端末１−３が送信する電波は通信端末１−２に届かないため、スロットを２ホップサイクルで再利用することができる。

図１３は本発明の第３の実施例における送信干渉の例を示す図であり、図１４は本発明の第３の実施例において“Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”を増やしたオプションヘッダの例を示す図である。図１３においては、通信端末１−１〜１−５毎に電波送信出力が異なる場合、特に通信端末１−４の出力が大きく、通信端末１−２まで届く場合を示している。この場合、通信端末１−４がスロット１番を再利用すると、端末１−１から端末１−２への送信と干渉し、通信端末１−２で頻繁に受信エラーが発生し、安定した通信ができなくなる。

このように、ある通信端末で受信エラーが頻発する場合、“Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”を大きくすることで事態が緩和されることがある。例えば、“Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”を４とし、４つのスロットを使うことによって、図１３に示す通信端末１−１と通信端末１−４との送信干渉を解消することができる。

そこで、通信端末１−２は帯域保証された通信（本発明のオプションヘッダ付きパケットのフロー）で確保されたスロットにおいて頻繁にエラーが発生する場合、フローの送信者である通信端末１−１に対して、制御用チャネルを使ってスロット再割当要求を出す。スロット再割当要求を受信した通信端末１−１は、“Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”を増やしてＱｏＳ設定要求を再度行い、新たに追加スロットをスロット割当サーバ２１から割り当ててもらう。

それが完了すると、次のパケットから図１４に示すように“Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”を増やしたオプションヘッダを付けて送信する。また、通信開始時に、予め多めにスロットを割り当ててもらうことで、スロット再割り当て要求を他の通信端末から受けた後、スロット割当サーバ２１にスロット割り当て要求を送信する手順を省き、“Ｈｏｐ Ｃｙｃｌｅ”を増やすことが可能である。

また、上述した非特許文献３に記載されているようなルーティングプロトコルに対して片方向リンクを広告するように拡張することによって、送信端末はＱｏＳ設定時に宛先端末までの経路上に存在する通信端末を確認し、片方向リンクが存在してスロットが干渉する部分を発見した場合、予め干渉しない“Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”を計算してスロット要求を行うことができる。

図１３でいうと、通信端末１−２は通信端末１−４との片方向リンクを持っており、通信端末１−４は通信端末１−１〜１−５の通信経路上で通信端末１−２が受信するスロットを使うホップ数にあることが判明した場合、“Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”を４に設定しスロット要求を行い、４“Ｈｏｐ Ｃｙｃｌｅ”で通信を行うようにする。これによって、予め“Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”＝３では干渉が発生することがわかっている場合には、ＱｏＳ設定時にそれを避けることができる。

また、送信端末は、通信開始の前に宛先端末までの経路上にあるすべての端末に対して干渉しないスロット数の調査を行うことで、ルーティングプロトコルで片方向リンク情報を広告しない場合でも、予め必要なスロット数を知ることができる。

転送端末で予約されたスロットにおいて受信エラーが頻発する原因としては、上記の場合以外に、通信端末の移動による干渉範囲の変化やトポロジーの変化が考えられる。本発明の第３の実施例の場合との区別は、図１４に示す場合で言えば、通信端末１−２が通信端末１−４との間に片方向リンクを持っているかどうかで判断することができる（片方向リンクは、例えば非特許文献３においては、Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｎｅｉｇｈｂｏｒとして扱われるものである）。

この場合には、ルーティングプロトコルに制御メッセージを送信するトリガーをかけて経路更新を促すことによって、通信経路が更新され受信エラーを解消することができる。

また、これまでの通信における干渉頻度やルーティングプロトコル等から得られた他の端末の分布状況等を考慮して、干渉しないスロット数を推測し、通信開始時に推測したスロット数を予約することもできる。こうした推測ができない場合には、予め決められた数のスロットを予約することも考えられる。

図１５は本発明の第４の実施例による資源予約通信方法を示す図である。図１５においては、有線ネットワーク１０２と無線マルチホップネットワーク１０１，１０３とが混在する環境を示している。有線ネットワーク１０２と無線マルチホップネットワーク１０１，１０３とは変換接続点３１，３２で接続され、無線マルチホップネットワーク１０１内には通信端末１−１，１−２とスロット割当サーバ２１とを含み、有線ネットワーク１０２内にはルータ４１を含み、無線マルチホップネットワーク１０３内には通信端末１−３，１−４とスロット割当サーバ２２とを含んでいる。

示すような、有線ネットワークと無線ネットワークとが混在する環境において、無線ネットワークから有線ネットワークへの変換接続点３１ではオプションヘッダのスロット情報を基に有線ネットワークでの帯域予約を行い、逆に有線ネットワークから無線ネットワークへの変換接続点３２では有線ネットワークの帯域予約情報を基に無線ネットワークのスロットを予約する。
これによって、本実施例では、無線マルチホップネットワーク内だけでなく、無線ネットワークと有線ネットワークとの混在環境においても、エンドツウエンド（Ｅｎｄ−ｔｏ−Ｅｎｄ）の帯域保証通信が可能となる。

上述した本発明の第１の実施例から第４の実施例では、無線制御方式としてＴＤＭＡを前提とし、帯域保証に必要なリソースをタイムスロットとしたが、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式で制御される無線ネットワークにおいては、コードを資源とすることで、上記と同様に、本発明による資源予約通信方法を適用することができる。

本発明の第１の実施例による無線マルチホップネットワークの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例による通信端末の機能構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例で用いるＴＤＭＡフレーム構成を示す図である。 本発明の第１の実施例において作成されるオプションヘッダの構成を示す図である。 図２のヘッダ作成処理部に渡されるオプションヘッダの構成を示す図である。 本発明の第１の実施例において作成される送信パケットの構成を示す図である。 図２のフロー識別処理部が保持するフローテーブルを示す図である。 図２のオプションヘッダ作成処理部が保持するスロット情報テーブルを示す図である。 本発明の第１の実施例におけるフローキャッシュテーブルの構成を示す図である。 本発明の第１の実施例におけるキャッシュテーブルの構成を図である。 本発明の第１の実施例におけるスケジューリング動作の概要を示す図である。 本発明の第２の実施例によるパケットの転送例を示す図である。 本発明の第３の実施例における送信干渉の例を示す図である。 本発明の第３の実施例において“Ｈｏｐ ＣＹＣＬＥ”を増やしたオプションヘッダの例を示す図である。 本発明の第４の実施例による資源予約通信方法を示す図である。 従来の資源予約通信方法の問題点の一例を示す図である。 従来の資源予約通信方法の問題点の他の例を示す図である。

符号の説明

１−１〜１−５ 通信端末
１０ アプリケーションプログラム
１１ パケット受信処理部
１２ パケット転送処理部
１３ パケット作成処理部
１４ パケット送信処理部
１５ パケットスケジューリング処理部
１６ 無線受信処理部
１７ 無線送信処理部
１８ ＱｏＳ設定処理部
２１，２２ スロット割当サーバ
３１，３２ 変換接続点
４１ ルータ
１０１，１０３ 無線マルチホップネットワーク
１０２ 有線ネットワーク
１１１ ヘッダ解析処理部
１２１ 転送先端末決定処理部
１３１ フロー識別処理部
１３２ オプションヘッダ作成処理部
１３３ ヘッダ作成処理部
１４１ オプションヘッダ解析部
１５１ 送信スロット制御処理部
１８１ スロット要求処理部

Claims (15)

1. 複数の通信端末が無線によってパケットの送信、受信、転送を行う無線マルチホップネットワークであって、
   送信端末が、ヘッダに予約資源情報を挿入して前記パケットを送信することを特徴とする無線マルチホップネットワーク。
2. 転送端末が、前記ヘッダの情報から自端末が転送に利用できる予約資源を決定し、その資源を使って前記パケットを転送することを特徴とする請求項１記載の無線マルチホップネットワーク。
3. 前記転送端末が、前記予約資源において通信が失敗した場合に前記送信端末に失敗を通知し、
   前記送信端末が、その通知を受信した時に資源予約を再調整することを特徴とする請求項２記載の無線マルチホップネットワーク。
4. 前記転送端末が、前記予約資源において通信が失敗した場合にルーティングプロトコルに対して経路更新を行うトリガーを発することを特徴とする請求項２記載の無線マルチホップネットワーク。
5. 前記送信端末が、前記ルーティングプロトコルからの情報を用いて通信開始時に必要な資源を計算することを特徴とする請求項４記載の無線マルチホップネットワーク。
6. 他の通信端末とともに無線によってパケットの送信、受信、転送を行う無線マルチホップネットワークを構成する通信端末であって、
   前記パケットの送信時にそのパケットのヘッダに予約資源情報を挿入して送信する手段を有することを特徴とする通信端末。
7. 前記パケットの転送時に前記ヘッダの情報から自端末が転送に利用できる予約資源を決定する手段と、その決定した資源を使って前記パケットを転送する手段とを含むことを特徴とする請求項６記載の通信端末。
8. 前記パケットの転送時に前記予約資源において通信が失敗した場合に当該パケットを送信した送信端末に失敗を通知する手段と、
   前記パケットを送信する際に前記パケットを転送する転送端末から前記失敗の通知を受信した時に資源予約を再調整する手段とを含むことを特徴とする請求項７記載の通信端末。
9. 前記パケットの転送時に前記予約資源において通信が失敗した場合にルーティングプロトコルに対して経路更新を行うトリガーを発する手段を含むことを特徴とする請求項７記載の通信端末。
10. 前記パケットの送信時に前記ルーティングプロトコルからの情報を用いて通信開始時に必要な資源を計算する手段を含むことを特徴とする請求項９記載の通信端末。
11. 複数の通信端末が無線によってパケットの送信、受信、転送を行う無線マルチホップネットワークに用いる資源予約通信方法であって、
    前記通信端末が、前記パケットの送信時にそのパケットのヘッダに予約資源情報を挿入して送信する処理を実行することを特徴とする資源予約通信方法。
12. 前記通信端末が、前記パケットの転送時に前記ヘッダの情報から自端末が転送に利用できる予約資源を決定する処理と、その決定した資源を使って前記パケットを転送する処理とを実行することを特徴とする請求項１１記載の資源予約通信方法。
13. 前記通信端末が、前記パケットの転送時に前記予約資源において通信が失敗した場合に当該パケットを送信した送信端末に失敗を通知する処理と、前記パケットを送信する際に前記パケットを転送する転送端末から前記失敗の通知を受信した時に資源予約を再調整する処理とを実行することを特徴とする請求項１２記載の資源予約通信方法。
14. 前記通信端末が、前記パケットの転送時に前記予約資源において通信が失敗した場合にルーティングプロトコルに対して経路更新を行うトリガーを発する処理を実行することを特徴とする請求項１２記載の資源予約通信方法。
15. 前記通信端末が、前記パケットの送信時に前記ルーティングプロトコルからの情報を用いて通信開始時に必要な資源を計算する処理を実行することを特徴とする請求項１４記載の資源予約通信方法。

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