JP2008172784A

JP2008172784A - 移動体アドホックネットワークでのデータパスの動的リンク管理

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Publication number: JP2008172784A
Application number: JP2008000484A
Authority: JP
Inventors: William M Rudnick; エムルドニックウィリアム; David A Clark; エイクラークデイヴィッド
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 2007-01-08
Filing date: 2008-01-07
Publication date: 2008-07-24
Also published as: EP1942595A1; CA2618280A1; US20080165745A1; US7894416B2

Abstract

【課題】エンドツーエンド待ち時間を低減することを目的とする。
【解決手段】通信システム及び方法は、時分割多重アクセス（TDMA）メッシュネットワークを形成する複数の無線ノードを有する。各無線ノードは送信機と受信機とを有し、無線ノードがデータパケットを送信する前にチャネル時間のスロットが時間及びTDMAエポックの双方で割り当てられるように、TDMAエポックを使用してTDMAメッシュネットワークを通じてソースノードから中間ノードを介して宛先ノードにデータパケットを送信するように動作可能である。
【選択図】図３

Description

本発明は、通信分野に関し、特にTDMAメッシュネットワークでの通信に関する。

メッシュネットワークは、ノード間でデータと音声と命令とをルーティングし、接続の成功が確立されるまで、１つのノードから他のノードに“ホップ”することにより、連続的な接続を可能にし、妨げられたパスの周りで再構成を可能にする。ノードが壊れた場合であっても、又は接続が悪い場合であっても、ネットワークが無線であれ、有線であれ、ソフトウェアの相互作用であれ、メッシュネットワークは依然として動作する。このことにより、安価なピアネットワークノードが同じネットワークの他のノードにバックホールサービスを提供することが可能になり、高コストのネットワークインフラへのアクセスを共有することにより、メッシュネットワークを拡張することが可能になる。

無線メッシュネットワークは、無線ノードを使用して無線ローカルエリアネットワークで実施される。この形式のメッシュネットワークは分散化されており、しばしばアドホックで動作する。無線ノードはリピータとして動作し、近くの無線ノードから他のピアにデータを送信し、長距離に及び得るメッシュネットワークを形成する。アドホックネットワークでは、ノードが脱落すると、隣接は他のルートを発見する。ノードは固定でも移動体でもよく、移動体装置は、当業者に既知の移動体アドホックネットワーク（MANET：mobile ad-hoc network）を形成する。

メッシュネットワークは、動的なルーティング機能を使用する。ルーティングアルゴリズムは、データが宛先への適切で典型的には最速のルートを取ることを確保する。いくつかの移動体メッシュネットワークは、複数の固定の基地局を有してもよく、“カットスルー（cut through）”の高帯域地上波リンクが、固定の基地局又はインターネットを含む他のサービスへのゲートウェイとして動作する。最小の基地局インフラのみでメッシュネットワークを拡張することが可能である。また、メッシュネットワークで使用可能な多くの異なる形式のルーティングプロトコル（例えば、非限定的な例として、Ad-hoc On-Demand Distance Vector（AODV）、Dynamic Source Routing（DSR）、Optimized Link State Routing protocol（OLSR）及びTemporally-Ordered Routing Algorithm（TORA））が存在する。

多くのメッシュネットワークは、時分割多重アクセス（TDMA：Time Division Multiple Access）プロトコルを使用して動作する。TDMAメッシュネットワークの構成に応じて、エンドツーエンド待ち時間が問題になり得る。エンドツーエンド待ち時間は、ソースノードから宛先ノードにデータ（典型的にはデータパケット）を配信するために要する時間である。従って、エンドツーエンド待ち時間は、パケットがソースノードのスタックのデータ通信レイヤに提示されたときから、パケットが宛先ノードのスタックのデータ通信レイヤに渡されるときまでの期間とみなされ得る。マルチホップのアドホック無線データ通信ネットワークは、ソースノードから宛先ノードにネットワークを横断するときに、複数のホップを使用して異なる中間ノードの間でパケットを送信する。TDMAネットワークでは、ノードデータが送信される前に、チャネル時間スロットが割り当てられ得る。典型的には、チャネル送信時間は反復するスロットに割り当てられる。典型的には、チャネル時間はエポック（epoch）としてブロックに分割され、ブロックはデータを送信するためにノードにより使用されるスロットに分割される。データが等時性ストリームである場合、データは、宛先ノードに配信するために、ソースノードで繰り返し生成及び提示され得る。データは時間に依存し、指定の時間で配信される。

エンドツーエンド待ち時間（ETEL：End-to-End Latency）は、多くの用途で最小化される重要なサービス品質（QOS：Quality of Service）パラメータの１つである。例えば、インタラクティブ双方向音声は、要求の厳しいサービス品質のETEL要件を有する。人間は伝送遅延に極めて敏感であり、人間に認知できる欠点及び問題を最小化する（例えば、衛星遅延により長距離衛星会話で相互に話しをする）ために、典型的な待ち時間は150msec未満になる必要がある。“標準的な”TDMA割り当てでは、ルート割り当てはエポックで特定の順序ではなく、ルートを横断するために複数のエポックを要し得る。

本発明は、エンドツーエンド待ち時間を低減することを目的とする。

通信システム及び方法は、時分割多重アクセス（TDMA）メッシュネットワークを形成する複数の無線ノードを有する。各無線ノードは送信機と受信機とを有し、無線ノードがデータパケットを送信する前にチャネル時間のスロットが割り当てられるように、TDMAエポックを使用してTDMAメッシュネットワークを通じてデータパケットを送信するように動作可能である。各TDMAエポック内でTDMAメッシュネットワークを通じたデータパケットのルートに参加する各無線ノードに割り当てられているチャネル時間は、エンドツーエンドルート横断待ち時間を最小化するように変更される。

TDMAエポック内での各無線ノードの割り当てスロットは、ルート順に並び替えられてもよい。データパケットのルート内の各無線ノードは、ルートのその隣接の割り当てスロットの次のエポックに割り当てられた時間スロットを有してもよい。各TDMAエポックは複数の時間スロットとして形成されてもよい。

更に他の態様では、送信機と受信機とを形成する各無線ノードは、無線ノードがデータパケットを送信する前にチャネル時間のスロットが割り当てられ、各データパケットストリームが全二重通信を形成する各方向でチャネル割り当ての異なる順序を有するように、TDMAエポックを使用して反対方向にデータパケットストリームのTDMAメッシュネットワークを通じてデータパケットを送信するように動作可能である。

時分割多重アクセス（TDMA）エポックを使用してTDMAメッシュネットワークを形成する複数の無線ノードを通じてデータパケットを送信し、無線ノードがデータパケットを送信する前にチャネル時間のスロットを割り当てることを有する方法の態様も示される。各TDMAエポック内でデータパケットのルートに参加する各無線ノードに割り当てられているTDMAチャネル時間スロットは、エンドツーエンドルート横断待ち時間を最小化するように変更される。

データパケットは等時性データストリームとして送信されてもよい。データパケットのルートでの如何なる検出された変化も割り当ての変更を生成してもよい。また、この方法は、前の要求がアクティブである間に割り当て要求を行うステップを有してもよい。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付図面を踏まえて考慮されると、以下の本発明の詳細な説明から明らかになる。

本発明の実施例によれば、エンドツーエンド待ち時間を低減することが可能になる。

異なる実施例について、添付図面を参照して以下に詳細に説明する。添付図面には本発明の好ましい実施例が図示されている。多くの異なる形式が提示可能であり、記載の実施例はここに示す実施例に限定するものとして解釈されるべきではない。むりろ、これらの実施例は、この開示が十分且つ完全であり、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるために提供されている。

本発明の非限定的な例によれば、Expressサービス品質（QOS）TDMAチャネル時間割り当てアルゴリズムは、隣接する割り当ての間に無駄な介在時間がないホップ順に、エポック内でルートを通じて割り当てを並び替え、エンドツーエンド待ち時間（ETEL：End-to-End Latency）を最小化しようとするが、隣接スロットの間に介在時間（例えばスロットガード時間）が存在してもよい。

Expressサービス品質アルゴリズムは、マルチホップメッシュネットワークを横断するルートを通じたエンドツーエンド待ち時間を最小化するための、TDMAチャネル割り当てアルゴリズムの拡張である。本発明の非限定的な例によれば、システム及び方法は、TDMAアルゴリズムへの待ち時間を最小化する拡張を可能にし、ホップ間の時間を最小化するように、各ホップの送信チャネル時間割り当てを時間及びエポックで並び替えることにより、これを実現する。Expressサービス品質アルゴリズムは、無線TDMAマルチホップメッシュネットワークを流れるサービス品質ストリームに属するパケットにより受ける待ち時間を実質的に低減し得る。この優れた性能は、QOS待ち時間を最小化可能であり、双方向リアルタイム音声のような要求の厳しいサービス品質に敏感な用途に特に関係する。

本発明で使用可能であり、本発明での使用に変更可能な通信システムの例は、図１に関して示される。

このようなシステム及び方法で使用され得る無線機の例は、Florida州MelbourneのHarris Corporationにより製造及び販売されているFalcon^TMIII無線機である。典型的には比較的標準的なプロセッサ及びハードウェアコンポーネントで実装され得るソフトウェア定義の無線機を含み、異なる無線機が使用され得ることがわかる。１つの特定の種類のソフトウェア無線機は、Joint Tactical Radio（JTR）であり、無線機が使用する通信波形を実装する何らかの適切な波形ソフトウェアモジュールと共に、比較的標準的な無線機及び処理ハードウェアを有する。JTR無線機はまた、ソフトウェア通信アーキテクチャ（SCA：software communications architecture）仕様（www.jtrs.saalt.mil参照）に準拠するオペレーティングシステムソフトウェアを使用する。この仕様の全てが参照として取り込まれる。SCAは、異なる製造者及び開発者がそれぞれのコンポーネントを単一の装置に容易に統合可能なように、どのようにハードウェア及びソフトウェアコンポーネントが相互運用するかを指定するオープンアーキテクチャフレームワークである。

Joint Tactical Radio System（JTRS）ソフトウェアコンポーネントアーキテクチャ（SCA：Software Component Architecture）は、ソフトウェア定義の無線機（SDR：Software Defined Radio）を実装するために、しばしばCommon Object Request Broker Architecture（CORBA）に基づく一式のインタフェース及びプロトコルを規定する。部分的には、JTRS及びそのSCAは、一群のソフトウェア再プログラム可能無線機で使用される。従って、SCAは、ソフトウェア再プログラム可能デジタル無線機を実装するための特定の一式の規則、方法及び設計基準である。

JTRS SCA仕様は、JTRS Joint Program Office（JPO）により発行されている。JTRS SCAは、異なるJTRS SCAの実装の間でアプリケーションソフトウェアの移植性を提供し、商業規格を利用して開発コストを低減し、設計モジュールを再利用する機能を通じて新しい波形の開発時間を低減し、発展する商用フレームワーク及びアーキテクチャを基礎とするように構成されている。

JTRS SCAは、実装を独立にすることを目的としたシステム仕様ではないが、所望のJTRSの目的を実現するためにシステムの設計を制約する一式の規則である。JTRS SCAのソフトウェアフレームワークは、動作環境（OE：Operating Environment）を規定し、アプリケーションがその環境から使用するサービス及びインタフェースを指定する。SCA OEは、関連する基板サポートパッケージで、コアフレームワーク（CF：Core Framework）と、CORBAミドルウェアと、Portable Operating System Interface（POSIX）に基づくオペレーティングシステム（OS：Operating System）とを有する。JTRS SCAはまた、アプリケーションソフトウェアコンポーネントの間でアプリケーションプログラムインタフェース（API：application programming interface）を規定するビルディングブロック構造（API Supplementに規定される）を提供する。

JTRS SCAコアフレームワーク（CF）は、埋め込み式分散型コンピュータ通信システムでソフトウェアアプリケーションコンポーネントの開発、管理、相互接続及び相互通信を提供するオープンソフトウェアインタフェース及びプロファイルの基本的な“コア”のセットを規定するアーキテクチャ概念である。インタフェースはJTRS SCA仕様で規定され得る。しかし、開発者は、そのうちのいくつかを実装してもよく、いくつかは非コアアプリケーション（すなわち、波形等）により実装されてもよく、いくつかはハードウェア装置プロバイダにより実装されてもよい。

説明の目的のみで、本発明の非限定的な例に従って“帯域排除（bandwidth scavenging）を組み込み得る通信システムの例の簡単な説明について、図１に示す非限定的な例に関して説明する。通信システム50のこのハイレベルなブロック図は、基地局部分52と、本発明で使用されるように変更され得る無線メッセージ端末とを有する。基地局部分52は、無線リンクでVHFネット64又はHFネット66に音声又はデータを通信及び送信するVHF無線機60及びHF無線機62を有する。VHFネット64及びHFネット66のそれぞれは、複数のそれぞれのVHF無線機68及びHF無線機70と、無線機68、70に接続されたパーソナルコンピュータワークステーション72とを有する。アドホック通信ネットワーク73は、図示のように様々な構成要素と相互運用可能である。従って、HF又はVHFネットワークは、インフラのないアドホック通信ネットワークとして動作可能なHF及びVHFネット部分を有することがわかる。UHF無線機及びネット部分は図示されてないが、これらが含まれてもよい。

HF無線機は、非限定的な例として、復調回路62aと、適切な畳み込みエンコーダ回路62bと、ブロックインタリーバ62cと、データランダム化回路62dと、データ及びフレーム化回路62eと、変調回路62fと、照合フィルタ回路62gと、適切なクランプ装置（clamping device）を備えたブロック又はシンボル等化回路62hと、デインタリーバ及びデコーダ回路62iと、モデム62jと、電力適合回路62kとを有し得る。ボコーダ回路62lは、デコード及びエンコード機能と、記載の様々な回路又は別の回路の組み合わせでもよい変換ユニットとを組み込んでもよい。前記及び他の回路は、本発明に必要な何らかの機能と、当業者に示唆される他の機能とを実行するように動作する。全てのVHF移動体無線機と送受信局とを含み、他の図示の無線機も同様の機能回路を有してもよい。

基地局部分52は、PABX82に接続する公衆交換電話網（PSTN：public switched telephone network）80への陸線接続を有する。衛星地上局のような衛星インタフェース84はPABX82に接続し、PABX82は無線ゲートウェイ86a、86bを形成するプロセッサに接続する。これらは、それぞれVHF無線機60又はHF無線機62に相互接続する。プロセッサは、ローカルエリアネットワークを通じてPABX82及び電子メールクライアント90に接続する。無線機は、適切な信号生成器及び変調器を有する。

Ethernet（登録商標）/TCP-IPローカルエリアネットワークは“無線”メールサーバとして動作してもよい。電子メールメッセージは、第２世代プロトコル／波形としてのSTANAG-5066を使用して、無線リンク及びローカル無線ネットワークで送信され得る。STANAG-5066の開示の全てが参照として取り込まれる。当然に、第３世代相互運用規格のSTANAG-4538が好ましく、STANAG-4538の開示の全てが参照として取り込まれる。相互運用規格のFED-STD-1052も従来の無線装置で使用され得る。FED-STD-1052の開示の全てが参照として取り込まれる。本発明で使用され得る装置の例は、Florida州MelbourneのHarris Corporationにより製造される異なる無線ゲートウェイ及び無線機を有する。この装置には、非限定的な例として、RF5800、5022、7210、5710、5285並びにPRC117及び138シリーズの装置が含まれ得る。

これらのシステムは、RF-5710A高周波数（HF）モデムで、及びSTANAG4539として知られるNATO規格で動作可能であり、STANAG4539の開示の全てが参照として取り込まれる。STANAG4539は、9,600bpsまでのレートでの長距離HF無線回路の伝送を提供する。モデム技術に加えて、これらのシステムは、STANAG4538又はSTANAG5066のようなストレスのある戦術的なチャネルに設計されてこれに適した一連のデータリンクプロトコルを使用する無線電子メールプロダクトを使用し得る。STANAG4538及びSTANAG5066の開示の全てが参照として取り込まれる。また、無線機をISBモードに設定してHFモデムを固定データレートに設定して、19,200bpsほどの大きさの固定の非適応的データレートを使用することも可能である。符号合成技術及びARQを使用することも可能である。

以下に“帯域排除（bandwidth scavenging）”が続き、その後に、前述のエンドツーエンド待ち時間の問題に対処するサービス品質の拡張の詳細な説明が続く。多くのメッシュネットワークが時分割多重アクセス（TDMA）プロトコルを使用して動作することがわかる。TDMAメッシュネットワークの構成に応じて、構成された帯域の大部分又は過半数が浪費され得る。最大で可能な理論上のチャネル利用を考えても、このことが当てはまり得る。

典型的には、TDMAメッシュネットワークは、プライマリ及びセカンダリ周波数を使用して、また、ネットワーク制御間隔、場合によってはデジタル音声（DV：digital voice）間隔及びデジタルデータ（DD：digital data）間隔として動作可能なビーコン間隔に分割されるTDMAエポック（epoch）を使用して、相互に通信する複数の無線ノードを有する。この説明の目的で、TDMAネットワークは、割り当てられたスロットの間にノードがデータを実際に送信する前に、割り当てられたチャネル時間のスロットを使用する。どのようにTDMAチャネル割り当て機構が動作するかについての詳細は、何らかのアルゴリズムが特定のノードがデータを送信し得るチャネル時間の潜在的に反復するスロットを割り当てるために使用されることで十分であるため、詳細には説明しない。

典型的には、TDMAチャネル時間割り当てアルゴリズムは、チャネル時間をブロックに分割する。各ブロックがエポックである。ブロックは、データを送信するためにノードにより使用されるスロットに再分割される。送信されるデータが等時性ストリームを構成することを仮定する。大部分のデータが、宛先ノードへの配信のためにソースノードで繰り返し生成及び提示されることを意味する。典型的には、データは時間に依存し、特定の時間制約内に配信されなければならない。複数の周波数がプライマリ周波数と複数のセカンダリ周波数（非限定的な例では、場合によっては４つのセカンダリ周波数まで）とを使用して単一のTDMAメッシュネットワークに割り当てられてもよい。

TDMAメッシュネットワークについて図２に示すように、デジタルデータ間隔のみが、実際にいくつかのセカンダリ周波数を使用する。ビーコン及びデジタル音声間隔の間の全てのセカンダリ周波数は未使用である。割り当てられた周波数のこれらの未使用の部分は、無駄なチャネル時間、又は簡単にチャネル浪費と呼ばれ得る。ビーコン、デジタル音声及びデジタルデータ間隔の相対サイズに応じて、また、何個のセカンダリ周波数が割り当てられるかに応じて、割り当てられた帯域のほとんどがチャネル浪費を構成し得る。

当然に、チャネル浪費を最小化するようにTDMAメッシュネットワークを構成することも可能である。例えば、TDMAメッシュネットワークは、プライマリ周波数のみを使用してセカンダリ周波数を使用せずに構成されてもよく、これはチャネル浪費を生じない。しかし、何らかのセカンダリ周波数が割り当てられると常に、チャネル浪費が生じる。この場合であっても、何らかのビーコン及びデジタル音声間隔のサイズを犠牲にしてデジタルデータ間隔の相対サイズを最大化することにより、チャネル浪費が最小化され得る。不都合なことに、どのくらいチャネル浪費が制限され得るかを制限する実用的な制約が存在する。

ビーコン間隔サイズは、典型的にはTDMAメッシュネットワークのノード数（例えば、典型的には無線ノード、しばしば移動体アドホックネットワーク（MANET）の場合の移動体又は固定ノード）により決定される。多くのノードは大きいビーコン間隔を意味する。デジタル音声又はビデオ間隔サイズは、同時に生じるデジタル音声及びビデオサービスについて予想ピークの要件により決定される。これらのデジタル音声及びビデオ間隔は、通常では、提供の失敗を犠牲にした予想ピークのニーズの下に、及びちょうどその領域のユーザにより最も必要になったときにデジタル音声又はビデオの動作が失敗することを犠牲にしたピークのニーズの下に低減され得る。

チャネル浪費に対する対策は、第２のTDMAメッシュネットワーク（例えば図３で“ネット2”と呼ばれる）が、第１（“ネット1”）のTDMAメッシュネットワークのセカンダリ周波数の未使用のTDMA部分を使用できることを認識することにより（そのセカンダリ周波数のデジタルデータ使用のため）、実現される。実際に、システムは、第１のTDMAメッシュネットワークにより使用されていないセカンダリ周波数チャネルの一部を排除し、これによってチャネル浪費を低減し得る。

記載の“帯域排除”の例が図３に図示されている。例えば、第６の周波数f6は、第２のTDMAメッシュネットワークのプライマリ周波数として割り当てられて使用される。そのエポックの開始は、第１のTDMAメッシュネットワークのエポックの開始からオフセットされ、これにより、第２のTDMAメッシュネットワークでのデジタルデータのセカンダリ周波数の使用が第１のTDMAメッシュネットワークのセカンダリ周波数の使用マップの未使用の部分に入る。この非限定的な例では、チャネル浪費は約50%だけ低減されている。

記載の“帯域排除”は以下のように機能することがわかる。

1.第２のTDMAメッシュネットワークのプライマリ周波数に新しい現在未使用の周波数を割り当てる。

2.第１のTDMAメッシュネットワークのエポックの開始から第２のTDMAメッシュネットワークのエポックの開始をオフセットし、これにより、第２のTDMAメッシュネットワークのセカンダリ周波数の使用が第１のTDMAメッシュネットワークのセカンダリ周波数の使用マップの未使用の部分に入る。

3.重複する動作の間に、エポックの開始のオフセットを維持する。

プライマリ周波数のような新しい現在未使用の周波数を割り当てること（前記の番号1）は、TDMAメッシュネットワークの初期構成中に行われてもよく、本発明の非限定的な例に従って自動“帯域排除”を可能にする構成を介して自動的に実現されてもよい。

初期のエポックの開始のオフセットを確立すること（前記の番号2）は、最小のステップで実現可能である。TDMAメッシュネットワーク（例えば第２のTDMAメッシュネットワーク）が他のメッシュネットワーク（例えば第１のTDMAメッシュネットワーク）を知り、他のメッシュネットワークと帯域排除を実行しようとすると、第１のTDMAメッシュネットワークの無線機又は無線ノードを知った第２のTDMAメッシュネットワークの無線機又は無線ノードは、人工の又は“見せかけの（phantom）”無線機又はノードを生成する。そのエポックの開始は、第１のTDMAメッシュネットワークの推測されるエポックの開始に基づく所望のオフセット時である。この“見せかけの”ノードは、第２のTDMAメッシュネットワークのノードのネットワーク同期アルゴリズム（すなわち、エポック同期、ビーコン同期又は平滑化（smoothing）アルゴリズム）に含まれる。この“見せかけの”ノードを含める効果は、第２のTDMAメッシュネットワークのエポックの開始を所望のオフセットに次第に系統的に移動させることである。初期のエポックのオフセットの開始を確立する他のアルゴリズムも可能である。

オフセットが最初に実現された後にエポックの開始のオフセットを維持すること（前記の番号2）も最小のステップを要する。ネットワーク同期アルゴリズムの“見せかけの”ノードが継続され得る。

記載の“帯域排除”アルゴリズムは、重複するTDMAメッシュネットワークの構成にかかわらず柔軟である。これは、ビーコン間隔中にプライマリ周波数のみがTDMAメッシュネットワークにより使用され得るからである。従って、TDMAメッシュネットワークのセカンダリ周波数マップのビーコン間隔部分は、通常では他のTDMAメッシュネットワークによる使用に利用可能である。その結果、重複するTDMAメッシュネットワークのデジタル音声間隔が除去されたときであっても、記載の“帯域排除”が使用可能になる。

この形式のシステムの拡張も可能である。その共存構成の一部として、TDMAメッシュネットワークは、有効帯域を拡張するため、又は全体の使用帯域を節約するため、他のTDMAメッシュネットワークに直面したときに、記載の“帯域排除”に自動的に移行するように構成されてもよい。

他の拡張は、２つより多くのTDMAメッシュネットワークを重複させるために帯域排除を使用することである。３つのTDMAメッシュネットワークについてのこの例が図４に図示されている。図４は図３と類似する図を示すが、第３のTDMAメッシュネットワーク“ネット3”を示している。第３のTDMAメッシュネットワークは、そのプライマリ周波数f7を割り当て、そのデジタルデータのセカンダリ周波数の使用が第１及び第２のTDMAメッシュネットワークのセカンダリ周波数使用マップの未使用の部分と重複する又は未使用の部分に入ることを許容するように、この第３のTDMAメッシュネットワークのエポックの開始を調整する。

いくつかの例では、利用可能な未使用のセカンダリ周波数の間隔は小さすぎて、交互の第３のTDMAメッシュネットワークのデジタルデータ間隔に適合しない。これは重要な欠点ではなく、考えられる代替の機構がこの状況に対処することができる。

記載の“帯域排除”は、多くのRF通信装置に関係する。全体の無線機又は無線ノードの帯域を拡張し、デジタルデータ間隔の間にセカンダリ周波数を使用するために、複数のセカンダリ周波数が使用され得る。その結果、これらの周波数は、デジタル音声、デジタルビデオ及びビーコン間隔の間に浪費される。記載の“帯域排除”により、複数のTDMAメッシュネットワークが存在する場合に、セカンダリ周波数の何らかの浪費部分が使用されることが可能になる。

TDMA形式の方式はまた、TDMAメッシュネットワークの無線周波数対時間使用の特性に粗く（coarse-grained fashion）適用可能であり、各TDMAメッシュネットワークのセカンダリ周波数の使用を他のものに対して適切にオフセットすることにより、これらのTDMAメッシュネットワークが相互のセカンダリ周波数の未使用部分を“排除”することを可能にする。帯域排除は、無線ノード又は無線機のセカンダリ周波数の別法では浪費部分の再利用を実現するために、TDMAメッシュネットワークで使用可能である。

TDMAメッシュネットワークアーキテクチャは、異なる形式で構成可能であり、非限定的な例でのTDMAエポックは、ビーコン間隔及びデジタルデータ間隔としてネットワーク制御間隔を有する。複数のビーコンとしてのネットワーク制御間隔は、プライマリ周波数のみを使用する。デジタルデータ間隔は、TDMAチャネル割り当てを介してプライマリ周波数とセカンダリ周波数との双方を使用する。

何らかのセカンダリ周波数の使用が相互に入り込む（すなわち重複しない）という要件を低減することが可能である。複数のTDMAメッシュネットワークが同期するべきであることがわかる。セカンダリ周波数の使用が重複しないことは、望ましく適しているが、厳密には必要ではない。従って、重複しないセカンダリ周波数の使用は、一般的なメッシュネットワーク間同期の例として示され得る。

“見せかけのノード”の同期アルゴリズムは、複数の移動体、アドホック及びTDMAメッシュネットワークの間での同期を可能にする。更に、“帯域排除”がネットワーク間同期を実現し得る複数の方法が存在する。見せかけのノードの同期は単にその１つである。

“見せかけのノード”の同期アルゴリズムは、本発明の非限定的な例に従って前述した“帯域排除”と独立して、複数の移動体、アドホック、メッシュネットワークの間の同期を実現して維持する。従って、この形式の“見せかけのノード”の同期アルゴリズムは、互いにかみ合うTDMAメッシュネットワークの同期を“帯域排除”するために有用になり得るだけでなく、複数のメッシュネットワークが他の理由で（例えば、ゲートウェイノードの仕事を簡単にするため、又は同じ場所で同じ周波数での複数のTDMAメッシュネットワークの共存及び相互運用性を簡単にするため）同期するべきである場合にも有用になり得る。

１つの非限定的な例は、典型的にはビーコン間隔とデジタル音声間隔とデジタルデータ間隔とを有するTDMAエポックを使用して通信する２つの高性能TDMAメッシュネットワークの間のゲートウェイである。ゲートウェイノードは、双方のTDMAメッシュネットワークのメンバでもよい。ゲートウェイノードは、２つのビーコン（２つのTDMAメッシュネットワークのそれぞれに１つ）を送信するはずである。しかし、２つのTDMAメッシュネットワークが同期していない場合、問題が生じ得る。例えば、場合によっては２つのビーコン送信のビーコン送信時間が重複する。ゲートウェイノード（典型的には無線ノード）に２つの独立した無線機を含めることはコストの点で魅力がないため、ゲートウェイノードは、２つのビーコンのうち一方を送信することができる。更に、ゲートウェイが１つのノードに２つの独立した無線機を有する場合であっても、双方のTDMAメッシュネットワークが同じ周波数で動作している場合には、単一のビーコンのみが同時に送信される。そうでない場合、衝突が生じ、ノードがいずれのビーコンも正確に受信しないという結果になる。２つの重複するTDMAメッシュネットワークが同じエポック期間又はその整数倍を有することで、ゲートウェイノードの動作を簡単にするために同期され得る。このネットワーク間ゲートウェイ機能は、相互運用性の例である。

共存は、システムが複数のTDMAメッシュネットワークの動作を同期させようとし得る場合の他の例である。各TDMAメッシュネットワークのビーコン間隔が同じ場所にあるTDMAメッシュネットワークのデジタルデータ間隔内に、あるネットワークでは、デジタル音声及び／又はデジタルデータ間隔内に入り、それにより、各TDMAメッシュネットワークのビーコン送信が他のTDMAメッシュネットワークのビーコン送信と衝突しないことが望ましい。TDMAメッシュネットワークは、他のTDMAメッシュネットワークのビーコン間隔に対応するデジタルデータ間隔の間に人工的な予約を行ってもよい。その結果、２つのTDMAメッシュネットワークは、何らかのこれらのノードが他のTDMAメッシュネットワークのビーコン送信と衝突するデジタルデータ送信又はビーコン送信を行うことを回避する。TDMAメッシュネットワークが確実且つロバストに機能し続けるために、そのビーコン送信の多くは、TDMAメッシュネットワークの隣接ノードにより正確に受信されなければならない。この場合、これらの“人工的”なTDMAチャネル予約が他のTDMAメッシュネットワークのビーコン間隔に関して静止するような同期が必要である。

“見せかけのノード同期”は、同期が望ましい理由に完全に無関係に、潜在的に複数のTDMAメッシュネットワークの間で同期を実現し、同期を維持するための簡単且つロバストな技術である。

本発明の非限定的な例によれば、エンドツーエンド待ち時間を最小化する問題も対処される。この説明では、サービス品質はリアルタイムデータの配信を代表し、特にマルチホップアドホック無線ネットワークで、エンドツーエンド待ち時間を最小化する問題が対処される。無線（OTA：over-the-air）ヘッダ、フレーム間間隔、周期的冗長検査（CRC：cyclic redundancy check）、トレーラ、スタッフビット（stuff bit）等に要する時間は、典型的にはOTA送信時間の一部として扱われることがわかる。

サービス品質(QoS)パラメータは、データ通信ネットワークを通じてリアルタイムデータを配信するときに最適化され、典型的には、エンドツーエンド待ち時間とジッタとスループットと信頼性とを有する。以下の説明は、エンドツーエンド待ち時間に焦点を当てる。

エンドツーエンド待ち時間は、ソースノードから宛先ノードにデータパケットを配信するために要する時間として規定され得る。エンドツーエンド待ち時間はまた、データパケットがソースノードのスタックのデータ通信レイヤに提示されたときから、データパケットが宛先ノードのスタックのデータ通信レイヤに渡されるときまでの期間として規定され得る。エンドツーエンドのジッタは、エンドツーエンド待ち時間の分散として規定され、場合によっては待ち時間の標準偏差として規定され得る。

マルチホップ、アドホック、無線データ通信ネットワークでは、一般的に、パケットはソースノードから宛先ノードに横断するときに、複数回送信される（すなわち、複数ホップを取る）。この説明の目的で、TDMAネットワークは、割り当てられたスロットの間にノードがデータを実際に送信する前に、割り当てられたチャネル時間のスロットを使用する。どのようにTDMAチャネル割り当て機構が動作するかについての詳細は、何らかのアルゴリズムが特定のノードがデータを送信し得るチャネル時間の反復するスロットを割り当てるために使用されることで十分であるため、詳細には説明しない。典型的には、TDMAチャネル時間割り当てアルゴリズムは、チャネル時間をブロックに分割する。各ブロックがエポックである。ブロックは、データを送信するためにノードにより使用されるスロットに再分割される。送信されるデータが等時性ストリームを構成することを仮定する。大部分のデータが、宛先ノードへの配信のためにソースノードで繰り返し生成及び提示されることを意味する。典型的には、データは時間に依存し、特定の時間制約内に配信されなければならない。

データパケットがソースノードから宛先ノードにTDMAメッシュネットワークを横断するときに、何らかのノードの系列により送信される。例えば、この系列は、宛先ノードEへのノードA、B、C及びDを有する。ノードAはソースノードである。説明の例で、システムは、各送信データパケットがそれぞれのホップの宛先ノードにより成功して受信されることを仮定する。

図５は、Non-express QoS（Quality of Service）TDMAチャネル割り当てアルゴリズムに基づいて、TDMAメッシュネットワークを横断する各ノードにより送信されるときに、どのように特定のデータパケットがソースノードAから宛先ノードに進み得るかを示すタイミングチャートである。TDMAメッシュネットワークを通じて等時性データストリームを伝達する各ノードは、各TDMAエポックで繰り返すTDMAアルゴリズムによりスロットを許可されている。TDMAエポックNの間に、ソースノードAは、第１のTDMAエポックの間にデータパケットをノードBに送信する。次に、TDMAエポックN+1の間に、ノードBはデータパケットをノードCに送信し、ノードCはそれをノードDに送信する。最後に、TDMAエポックN+2の間に、ノードDはデータパケットをノードE（最終の宛先）に送信する。データパケットの横断についてのエンドツーエンド無線（OTA：over-the-air）待ち時間は、まさに２つのTDMAエポックより下である。OTA待ち時間は、スタック処理時間と、ソース及び宛先ノード内でスタックが上／下に進む時間と、データパケットがソースノードのキューでソースノードの割り当てられた送信時間の到達を待機する時間とのいずれも有さない。これは、図５及び６のTDMAエポックNの最初の‘A’チャネル時間の割り当てとして図示されている。

図５及び６の太線部分は、無線（OTA）で送信されるデータパケットを表す。ノードEの“スロット”ではデータパケットは送信されない。スロットは、ノードEが存在することを示すために存在する。“架空の（imaginary）”スロットと考えられてもよい。これは、宛先ノードでない場合に、OTAデータパケットを送信するかのように、ノードEが送信し得る場合である。ノードEはかく乱（distraction）ノードになり得るため、この例ではパケットを送信するのみであり、データパケットを送信しない。

システムは、記載のExpressサービス品質（QoS）アルゴリズムで横断するルートを通じて適合するホップ待ち時間を分析し、エンドツーエンド待ち時間を低減する。エンドツーエンドOTAルート横断待ち時間は、図６に示す各TDMAエポック内でデータストリームのルートに参加する各ノードへの送信割り当てを並び替えるようにTDMAチャネル時間割り当てアルゴリズムを変更することにより、実質的に低減可能である。

最小のエンドツーエンド待ち時間は、中継されるQoSデータパケットが受信された後に、システムが待ち時間を最小化しようとするデータストリームの次のホップの送信機会（TxOp）ができるだけ早く（理想的には受信に続くデータスロットで）生じるときに実現され得る。TxOpの系列としてみなされるときに、最適のQoS TxOpの系列は、ソースノードから宛先ノードに対して、ホップ毎に１つのTxOpでエポックの一連の隣接する時間的に連続するTxOpを有する。どのようにホップ待ち時間が適合するかに注目し、エポック内でのチャネル時間の割り当ての結果の系列を最適に並び替えることにより、図６に示すエンドツーエンド待ち時間がエポックの半分未満に低減される。

最小のOTAエンドツーエンド待ち時間を実現するために、Express QoS割り当てアルゴリズムは、ルートを横断する系列の（すなわち、ソースノードから宛先ノードへのエポックデータ間隔で順次に）エポック内で各ノードの反復する送信時間を並び替えることができる。このことは、エンドツーエンドOTA待ち時間の低減の過半数を提供する。

更に、Express QoS割り当てアルゴリズムは、ルート系列のそれぞれの割り当てをルート系列のその隣接の割り当てにできるだけ近く配置することができる。割り当てられたスロットの並び替えほど重要ではないが、このことは、エンドツーエンドOTA待ち時間の更なる低減を提供し、長いルートが単一のエポック内に適合することを可能にする。

Express QoSがエンドツーエンド待ち時間を低減可能にするために、Express QoSがルートを通じた複数のノードでの割り当ての選択肢を有するように、十分なチャネル時間（すなわち、スロット）が利用可能であり、未割り当てであるべきである。Express QoSがスロットの選択肢を多く利用可能であるほど、エンドツーエンド待ち時間を最小化することが可能である。

Express QoS割り当てアルゴリズムは、ソースから宛先への横断ルートの空間的範囲を通じてローカルノードのチャネル時間割り当てを調整し得る。このことは、何らかのノード間通信を必要とする。典型的には、隣接ノード間での通信が必要になり、ルートに沿った隣接する周辺を超えた通信は必要ない。

無線TDMAメッシュネットワークでの全二重動作は、典型的には２つのデータストリーム（進行方向毎に１つ）を生成することにより実現されることがわかる。一方の方向の最適なスロット割り当て系列は反対方向の最悪の割り当てになるため、記載のExpress QoSは、各方向にチャネル割り当ての異なる並び替えを必要とする。

記載のExpress QoSは、無線TDMA“マルチホップ”メッシュネットワークを通じて進むQoSデータストリームに属するパケットにより受ける待ち時間を実質的に低減し得る。記載のこの改善したQoS待ち時間は、双方向リアルタイム音声のような要求の厳しいQoSに敏感な用途にも適用可能である。

予想され得る待ち時間の改善を定量化及び特徴付けるために、ネットワークの一方の端から反対の端までの直径“D”の無線TDMAメッシュネットワークを通じて移動するパケットの予想待ち時間について検討する。全ての場合に、各ホップで、TDMAエポックのデジタルデータ間隔内の送信スロットの配置は、TDMAチャネル割り当てアルゴリズムの動作の詳細に完全に依存する。多くのアルゴリズムが可能である。しかし、ルートを横断するパケットにより受ける待ち時間を最小化するために、アルゴリズムがルートを通じた相対スロット位置を明示的に最適化しなければ、データパケットがランダムスロット配置により予想される約0.5TDMAエポック未満の“平均の”ホップ毎の横断待ち時間を実現することを期待する理由は存在しない。しかし、記載のExpress QoS TDMAチャネル割り当てアルゴリズムを使用して、全ての割り当てが単一のエポック内に適合可能であることを仮定して、OTAデータ伝送時間ほど小さいホップ毎の横断待ち時間が実現可能である。図６に示すように、記載のExpress QoSを使用して、データパケットは、単一のエポック未満で全体ルートを横断し得る。

Express QOSは、TDMAアルゴリズムに待ち時間最小化の拡張を追加して、マルチホップTDMAメッシュネットワークを通じたルートに沿ってエンドツーエンド待ち時間を最小化するためのTDMAチャネル割り当てアルゴリズムの拡張である。

他の考えられる拡張も存在する。例えば、ノードが移動すると、確立された既存のルートが変更し得る。Express QOS TDMAチャネル時間割り当てはルートに依存するため、ノードが移動してルートが変化すると、Express QOSチャネル時間割り当てアルゴリズム／機構は、何が最善の割り当てであるか（すなわち、最小の待ち時間）を再び尋ねて再解明し、それに従って既存の割り当てを変更しなければならない。この再解明は、ルートの変化を検出することにより起動されてもよく、どのくらい迅速に関連部分又は全体ネットワークトポロジが変化するかについてのメトリックに基づいてやり直しの周波数で周期的に実現されてもよい。

前の要求が依然としてアクティブである間に、新しいExpress QOS割り当て要求が行われたときに何が生じるかについて検討することも可能である。このことが生じると、全体として考えられる割り当ての効率を最適化するために（すなわち、古いものと新しいものとの双方の全てのアクティブなExpressサービス品質ストリームを通じた待ち時間を最小化するために）、前に許可された要求（すなわち、前に行われた割り当て）を再び尋ねることが有利になる可能性がある。

同様の無線（OTA）パケットデータでOptimized Link State Routing（OLSR）を使用し、リンクステートルーティングアルゴリズムを交換することも可能である。OLSRは、複数OLRS処理（MOP：multiple OLRS process）（波形毎に各ノードで別々のOLSR処理）を動作することにより、異なる無線範囲を有する複数の波形を処理するように適合可能である。各OLSR処理は、異なる波形を使用して、HELLO及びTCメッセージ送信の独立したセットを実行し得る。各OLSR処理は、通常のOLSRのように、波形の範囲に基づいてネットワーク伝導性のモデルを構築し得る。

各OLSR処理は、その波形の伝導性のルーティングテーブルを作り、単一の合成のルーティングテーブルが波形ルーティングテーブルの集合から構築され得る。合成のルーティングテーブルは、何のルーティング基準又は基準の組み合わせが最適化されるかに応じて構成されてもよい。最小数のホップの組み合わせ、最小のエンドツーエンド待ち時間、最大データスループット、混雑回避、最小電力消費、最小のパケット損失のような高信頼性、及び使用される最小帯域を含み、考えられるルーティング基準が最適化されてもよい。

帯域及び計算上のコストを低減することも可能である。波形毎に各ノードで並列のOLSR処理を動作する代わりに、単一のOLSR処理のみが各ノードで動作する。この単一のOLSR処理は、波形毎に１ホップ隣接のHELLOメッセージの個別の独立したセットを交換するように変更され得る。HELLOメッセージは、その波形について１ホップ隣接の情報のみを有してもよい。各ノードは、波形毎に２ホップ隣接のものを構築してもよい。

OLSR状態テーブルは、波形によりそれぞれ１ホップ隣接のものについてリンク状態情報を分離するように拡張可能である。波形毎に各ノードの１ホップ隣接のものは、単一のTCメッセージを配信可能である。このことは、波形毎に接続性のネットワークトポロジモデルを構築するために必要な情報を各ノードに提供する。この複数波形のネットワークトポロジは、自分の合成のルートテーブルを構築する。この改良は、波形毎に独立したHELLOメッセージを保持しつつ、MOPの複数のOLSR処理を単一のOLSR処理に結合する。波形毎に別々のTCメッセージを送信する代わりに、各波形の１ホップ隣接のものが単一のTCメッセージに含まれる。波形毎の別々のOLSR処理の計算上及びメモリの負荷と、波形毎の別々のTCメッセージデータストリームの処理と共に、消費される帯域はかなり低減される。

また、OLSRメッセージは、最長範囲の波形でもよく、そうでなくてもよい“基本”波形のみを使用して送信されてもよい。基本波形のそれぞれ受信されたOLSRパケットの受信特性が記録される。非基本波形毎に各ノードの１ホップ隣接の接続性を予測するために、監視されたOLSRパケットの受信特性と、前に特徴付けられた異なる波形の相対的な性能とに基づくヒューリスティック（heuristic）が使用される。各ノードのTCメッセージの生成の前ではなく、各ノードのTCメッセージの受信の後に、受信特性対１ホップ隣接の干渉を実行することも可能である。

本発明での使用のために変更可能な通信システムの例のブロック図単一のTDMAメッシュネットワークでの周波数使用を示すグラフネット1及びネット2として記載の２つのTDMAメッシュネットワークでの“帯域排除（bandwidth scavenging）”としての周波数使用の重複を示す、図２に類似するグラフネット1、ネット2及びネット3として記載の３つのTDMAメッシュネットワークでの“帯域排除”としての周波数使用の重複を示す他のグラフ本発明の非限定的な例に従ってNon-expressサービス品質（QOS）TDMAチャネル割り当てを示し、また、ノードにより送信されてTDMAネットワークを横断するときにどのようにデータパケットがソースノードAから宛先ノードEに移動し得るかを示す図本発明の非限定的な例に従ってExpressサービス品質及びエンドツーエンド待ち時間（ETEL）を示す図

符号の説明

ネット1、ネット2、ネット3 ネットワーク

Claims

時分割多重アクセス（TDMA）メッシュネットワークを形成する複数の無線ノードを有する通信システムであって、
各無線ノードは、送信機と受信機とを有し、無線ノードがデータパケットを送信する前にチャネル時間のスロットが時間及びTDMAエポックの双方で割り当てられるように、TDMAエポックを使用して前記TDMAメッシュネットワークを通じてソースノードから中間隣接ノードを介して宛先ノードにデータパケットを送信するように動作可能である通信システム。
無線ノードの各TDMAチャネル時間スロットは、ソースノードから中間ノードを介して宛先ノードに前記TDMAエポックのルート横断順に配置される、請求項１に記載のシステム。
データパケットのルート内の各無線ノードは、前記ルートの前の隣接の割り当てられた時間スロットに続いて、前記TDMAエポックに割り当てられた時間スロットを有する、請求項１に記載のシステム。
データパケットのルート内の各無線ノードは、そのルートの前の隣接の割り当てられた時間スロットの直後に、前記TDMAエポックに割り当てられた時間スロットを有する、請求項１に記載のシステム。
時分割多重アクセス（TDMA）エポックを使用してソースノードから中間隣接ノードを介して宛先ノードへのTDMAメッシュネットワークを形成する複数の無線ノードを通じてデータパケットを送信し、
無線ノードが前記データパケットを送信する前にチャネル時間のスロットを時間及びTDMAエポックの双方で割り当てることを有する通信方法。
無線ノードの各TDMAチャネル時間スロットを、ソースノードから中間ノードを介して宛先ノードに前記TDMAエポックのルート横断順に配置することを更に有する、請求項５に記載の方法。
前記ルートの前の隣接の割り当てられた時間スロットに続いて、前記TDMAエポックで時間スロットを割り当てることを更に有する、請求項５に記載の方法。
ソースから宛先への横断ルートの順に合致するように、無線ノードのエポックのチャネル時間割り当てを並び替えることを更に有する、請求項５に記載の方法。
前記データパケットのルートの変化を検出し、割り当てを変更することを更に有する、請求項５に記載の方法。
前の要求がアクティブである間に割り当て要求を行うことを更に有する、請求項５に記載の方法。