JP2010161516A - 無線通信方式、方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
さらし端末が2端末以上隣接して存在するような無線メッシュネットワークにおいても、自端末のパケット送信の可否判断を自律分散的に行うことができる無線通信方式、方法及び装置を提供する。
【解決手段】
複数の通信装置が配置され、複数の副搬送波を同時に使用した搬送波により通信装置間でのデータ送信が可能な無線通信方式において、自通信装置の周辺に位置する複数の前記通信装置の接続形態情報と前記通信装置のそれぞれに固有に割り当てられた副搬送波情報に基づき、通信相手先の通信装置を除く隣接通信装置に影響を与えない前記副搬送波を選択した搬送波を用いてデータの送信を行う送信側通信装置を含む。
【選択図】 図2
さらし端末が2端末以上隣接して存在するような無線メッシュネットワークにおいても、自端末のパケット送信の可否判断を自律分散的に行うことができる無線通信方式、方法及び装置を提供する。
【解決手段】
複数の通信装置が配置され、複数の副搬送波を同時に使用した搬送波により通信装置間でのデータ送信が可能な無線通信方式において、自通信装置の周辺に位置する複数の前記通信装置の接続形態情報と前記通信装置のそれぞれに固有に割り当てられた副搬送波情報に基づき、通信相手先の通信装置を除く隣接通信装置に影響を与えない前記副搬送波を選択した搬送波を用いてデータの送信を行う送信側通信装置を含む。
【選択図】 図2
Description
本発明は、無線通信方式、方法及び装置に関し、特に、搬送波検知多元接続(Carrier Sense Multiple Access: CSMA)方式または、それに類するキャリアセンス方法による媒体アクセス制御(Media Access Control: MAC)を用いて自律分散的にパケットの送受信を行う無線パケット通信方式、通信方法、及び通信装置に関する。
本発明に関連する無線パケット通信システムとして、IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11で規定されている無線LAN(Local Area Network)がある(非特許文献1、2、3参照)。この無線LANシステムでは、無線アクセス方式としてCSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance:衝突回避機能付き搬送波検知多元接続)方式が用いられている。ここでシステム、又は通信システムとは、1つ以上の端末が無線又は有線でお互いに通信可能であるような、端末、又は端末群(アクセスポイントを含む)を指す。
非特許文献1には、CSMA方式によるMACを用いたシステムの一例が記載されている。
図15及び図16を用いてCSMA/CA方式を用いた無線LAN端末の構成と動作について説明する。
図15は、CSMA/CA方式を用いた無線LAN端末のMAC層処理部と物理層処理部の構成を示すブロック図である。
このCSMA/CA方式による無線LANシステムでは、個々の端末が通信に使用しようとしている無線媒体(搬送波)を各端末で受信し、自分が送信しようとする無線媒体の周波数、チャンネルが空いているか否かを検知するキャリアセンスを行う。MAC層処理部1510の送信バッファ1512に送信すべきパケットを持つ端末は、物理層処理部1520から受信するキャリアセンス情報に基づいて無線媒体の空塞状態を識別する。そして、送信タイミング決定部1513は、無線媒体が使用中から空きになった時刻からの経過時間を計測し、乱数によって決定される衝突回避期間だけキャリアセンス状態を継続するバックオフ制御を行ってパケットを送出する。衝突回避期間は図15のDIFS(Distributed Inter Frame Space)・SIFS(Short Inter Frame Space)タイマ1514と、バックオフカウンタ1515によって計算される。
なお、キャリアセンスを行って個々の端末が自律分散的に送信を行う手段は必ずしもCSMA/CA方式だけではない。
次に、図16のパケットシーケンス図を用いてCSMA/CA方式を用いた無線LANシステムの動作の概要について説明する。
この無線LANシステムでは、端末A10、端末B20、端末C30が互いに無線を介してパケット通信を行っている。端末A10と端末C30が送信すべきパケットを持つ。このとき、他の端末が無線媒体を使用している期間は端末A10と端末C30はキャリアセンスを行って、無線媒体が空くまで待機する。無線媒体が空いたら、その後、端末A10、端末C30が共に、DIFSと呼ばれるシステム内で共通に規定された固定時間、送信を待機する。さらにDIFSの送信待機後、各端末が乱数を生成する。各端末は、生成した乱数にシステム内で規定される一定の固定時間を乗算した時間、さらに待機する。
各端末で異なる送信待機時間により送信を遅延させた後、初めに送信待機が終了した端末がデータを送信する。図16では、端末A10がデータパケット1601を送信し、それに対応して端末B20がAck(Acknowledgement:受信成功確認)パケット1602を端末A10に送信する。一方、端末C30は、送信を待機している時間中に端末A10の送信を検知するので、自端末C30の送信を更に延期する。
また、本発明の関連のある別の無線パケットシステムとして、IETF (Internet Engineering Task Force)のManet (Mobile Ad hoc Network)やIEEEの802.11 Task Group s (TGs)で標準化が進められているメッシュネットワークがある(非特許文献4、5参照)。メッシュネットワークでは、ネットワークを構成する各端末が基地局またはアクセスポイントを介した通信を行なわずに直接各端末間で通信を行う。これは各端末が行う個々の通信において、それを集中的に制御する役割の基地局は存在せず自律分散的に非同期の通信を行うことを意味する。
また、特にIEEE 802.11sでは、IEEE 802.11で規定されている上記CSMA/CA方式が無線アクセス方式として用いられている。これは各端末が送信を開始するときに確率的に衝突を回避するために用いられている。ここで、衝突とはある端末が受信処理を行うときに、同時に2波以上の電波が互いに干渉波として到着し、結果的に電波の受信側で当該端末宛の信号波を分離できない状態を指す。よって必ずしも、電波到達範囲内にある2端末が同時に送信を行った場合に衝突が生じるわけではない。
次に図17を用いて、一般的なメッシュネットワークの動作とそれに付随する「さらし端末問題」について説明する。
図17において、縦軸が各端末共通の時間軸であり、横軸が一次元空間の軸である。図17において、端末A100、端末B200、端末C300、端末D400が平面上に直列に並んでいる。ここで、各端末は隣接端末にのみ到達可能な電波によって通信を行っており、隣接端末の次の隣接端末との通信はできないものとする。これは、自端末が送信する電波が隣接端末のさらに次の端末に対する与干渉源とはならないと仮定することと同値である。
そして、端末B200は端末A100に対して送信すべきパケットを保持し、端末C300は端末D400に対して送信すべきパケットを保持している状態であるとする。
このような状態において、はじめに端末B200が端末A100に送信を開始し、データ1701を送信する。このデータ1701は、マルチキャリアを用いた伝送方式の場合は、当該端末に割り当てられた全サブキャリアを使用して送信され、シングルキャリアの場合はその割り当てられた単一、又は複数のシングルキャリアを用いて送信される。
ここで、CSMA/CA方式又はそれ以外のキャリアセンスを用いた無線アクセス方式の場合には、端末C300は、キャリアセンスの結果、端末B200からの電波を受信するので、端末D400へのデータ1702の送信を延期する。つまり、端末B200が端末A100に送信している電波は端末C300にも到達する。そのため、端末C300のキャリアセンス機能により、端末C300から端末D400へのデータ1702の送信を延期する。しかし、端末C200から端末D400に送信されるデータ1702は、端末D400においては、端末B200が端末A100に送信しているデータ1701との干渉が起こらないため、物理的には送信が可能である。
このように、CSMA/CA方式又はそれ以外のキャリアセンスを用いた無線アクセス方式においては、物理的には送信が可能であるにもかかわらず、送信ができない状況が発生する場合がある。このときの端末C300を「さらし端末」と呼び、このように受信端末とは衝突が発生しない位置関係にある隣接端末の送信の機会が奪われ、システム全体の無線の効率が低下する問題を「さらし端末問題」と呼ぶ。
上述した、CSMA/CA方式または、キャリアセンス方式を用いたメッシュネットワークを構成する端末A100乃至端末D400に例示した端末のブロック図を図18に示す。この端末の構成は、図15に例示した端末A10乃至端末C30と基本的な構成は同じである。ただし無線アクセス方式については、必ずしも無線が空きとなった後に固定時間送信を延期する必要はない。そのため、図15のDISF・SIFSタイマ1514及びバックオフカウンタ1515を含まない。
当該端末は、物理層処理部1820の変復調装置1821から送られるキャリアセンス情報を基に、MAC層処理部1810内の送信タイミング決定部1813が送信タイミングを決定する。また、送信バッファ1812は上位層処理部から送られて来た送信すべきパケットを格納し、送信タイミング決定部1813で決定された送信タイミングの情報を基にして、パケットを送信する。受信バッファ1811は、変復調装置1821で復調されたパケットを受け取り、MAC層処理部1810での制御の処理に用いられたのち、上位層処理部に渡すために、受信したパケットを一時的に格納する。
特許文献1は、前記の「さらし端末問題」を解決する発明を開示する。この特許文献1による、「さらし端末問題」を解決する発明について、図19及び図20を用いて説明する。
図19は、特許文献1に記載されている無線パケットネットワークのトポロジを示すシステム概念図である。
図19では、端末A1903、端末B1902、端末C1904、端末D1905及び端末E1906の5端末で構成されるシステムを例示する。ここで端末A1903は、端末B1902に対して送信すべきパケットを持ち、端末C1904は端末D1905に対して送信すべきパケットを持つ。また、点線で示す領域1901は端末B1902の電波到達範囲を示し、実線で示す領域1907は端末A1903の電波到達範囲を示す。
このように構成されるシステムにおいて、端末D1905は端末A1903の電波到達範囲である領域1907の外側に位置するので、端末A1903が端末B1902に対してパケットを送信中であっても、端末C1904は端末D1905に対してパケットを送信することが可能である。しかし、実際には各端末のキャリアセンス機能により、端末C1904は端末A1903と同時にパケットを送信することができない、「さらし端末問題」が発生する。
特許文献1が開示する発明は、いわゆる「隠れ端末」問題を避けるために用いる、コントロールメッセージを用いる技術である。なお、「隠れ端末」問題とは、互いに信号到達範囲外にある端末同士A、Bが互いにキャリアセンスをすることができないために生じる。つまり、互いが電波を出していることを認識できずに通信を始めてしまい、端末Aの通信相手となる端末Cにおいて、端末Aのキャリアと、端末Aのキャリアをセンスできない「隠れ端末B」のキャリアとが衝突し、データの転送効率の低下をもたらす事象をいう。
このコントロールメッセージは、データ送信を希望する送信端末がRTS(Request To Send:送信要求)を受信端末に送信し、受信端末がCTS(Clear To Send:送信許可)を送信端末に返信して送信端末のデータ送信を許可する。これにより、送信端末と受信端末の全ての隣接端末に対して、無線チャネルが使用されていることを知らせることができる。
特許文献1が開示する発明では、端末A1903が端末B1902に送信するRTSパケットを端末C1904が傍受する。端末C1904は傍受したRTSパケットから当該通信に関わる情報を抽出し、さらに、別途取得してある信号品質―アドレス対応関係表から隣接端末の位置関係を把握する。そして、端末C1904からの送信が端末B1902に影響を与えないことを確認してから、端末D1905への送信を実行する。
端末C1904から端末D1905へのデータパケット送信にあたって、端末C1904は、傍受したRTSパケットから抽出した情報から、端末A1903が実行するパケット送信の送信予約(他端末送信抑止)時間を確認しておく。端末C1904は、この時間を参照して、干渉が発生しないように端末D1905へのデータパケットの送信と端末D1905からのAckパケットの受信を行なうように時間制御を行う。
図20は、特許文献1における端末A、端末Cが送信するデータパケットと、それに対応する端末B、端末Dが送信するAckパケットの送信のタイミングを示すパケットシーケンス図である。
端末A1903は、端末B1902に対してRTSパケット2001を送信する。このRTSパケット2001は同時に端末C1904にも到達する。RTSパケット2001を傍受した端末C1904は、そのRTSパケット2001の情報を抽出し、RTSパケット2001の送信先アドレスと、送信予約時間に関するNAV(Network Allocation Vector:ネットワーク割当ベクトル)情報2002を抽出する。一方、RTSパケット2001を受信した端末B1902は、端末A1903に対してCTSパケット2007を送信する。
端末A1903は端末B1902からのCTSパケット2007を受信した後、固定時間待機した後にデータパケット2003を端末B1902に対して送信する。
一方、端末C1904は、前記抽出した送信先アドレス情報から、別途取得してある信号品質―アドレス対応関係表を参照して自端末の端末D1905へのデータパケットの送信が可能であると判断する。さらに、端末C1904は、前記抽出したNAV情報2002から、端末A1903の送信予約時間を参照して、データパケット2005の送信に利用できる最大送信時間に関する情報を得る。そして、端末C1904は、その送信可能時間に関する情報を基に、端末D1905に対してデータパケット2005を送信する。
端末C1904は、送信するデータパケット2005の送信終了が、端末A1903が送信するデータパケット2003の送信終了と同時刻になるように、データパケット2005のパケットの長さを調整して送信を行う。
ここで、データパケット2003に対するAckパケット2004及びデータパケット2005に対するAckパケット2006が、それぞれ同時に端末B1902から端末A1903へと、端末D1905から端末C1904へ送信される。しかし、端末A1903は、端末D1905の信号到達範囲外であり、端末C1904は、端末B1902の信号到達範囲外なので、Ackパケット2004及びAckパケット2006は、同時に送受信したとしても、衝突することなくそれぞれ端末A1903と端末C1904で受信することができる。
なお、図19において、端末E1906も端末D1905に対してデータ送信するために待機しているとすると、端末E1906が、端末C1904と同様の処理を行なってデータ送信すると、端末E1906と端末C1904のデータの衝突が発生する。そこで、端末E1906や端末C1904の処理においては、ランダムな時間だけ待機してから送信を開始するバックオフ機能を持たせることも開示している。
しかし、上述の特許文献1に開示されている発明を、さらし端末が2端末以上隣接して存在するようなメッシュネットワークに適用すると次のような問題が発生する。
図21(a)、(b)は、本発明が解決しようとする課題を説明するための模式図である。
端末A2101、端末B2102、端末C2103、端末D2104、端末E2105及び端末F2106の6台の端末が、図21(a)に示すように二次元上に配置されている。各端末はそれぞれ実線2112で示された部分で他の端末と隣接関係にある。隣接関係にはない端末との通信はできないとする。また、各端末は無線LANのCSMA/CA方式による無線アクセス方式が用いられている。
また、図21(a)の矢印で示すように、端末B2102は、端末A2101に対して送信すべきパケットを持ち、端末C2103は端末D2104に対して送信すべきパケットを持ち、端末E2105は端末F2106に対して送信すべきパケットを持つ。
図21(b)は、それぞれの端末がパケットを送信する様子を示す。
まず端末B2102が端末A2101に対してパケット2107の送信を開始する。このパケット2107の電波は端末C2103と端末E2105でも傍受される。
端末C2103はこのケット2107に含まれている情報を解析し、さらに通信開始の前に予め情報収集して生成してある自端末と隣接局との隣接関係の表を参照して、端末D2104へのパケット2108の送信を開始する。このパケット2108の電波は端末B2102と端末E2105でも傍受される。
ここで端末F2106に対して送信すべきパケットを持つ端末E2105は、端末B2102からのパケット2107と端末C2103からのパケット2108を同時に傍受することになる。従って、端末B2102と端末C2103からの電波は互いに干渉し、端末E2105においては、正常な受信動作ができず、端末F2106に対してのパケットの送信可否判断を行うことができない。
このように、さらし端末が2端末以上隣接して存在するようなメッシュネットワークにおいては、隣接端末から送信されるパケットを傍受してそのパケットに含まれる情報を解析することで自端末のパケット送信の可否判断をしようとしても、複数の隣接端末からのパケット送信電波による干渉が発生するので、特許文献1に開示されている発明を適用することができない。
本発明の目的は、さらし端末が2端末以上隣接して存在するような無線メッシュネットワークにおいても、自端末のパケット送信の可否判断を自律分散的に行うことができる無線通信方式、方法及び装置を提供することにある。
本発明に係る無線通信方式は、複数の通信装置が配置され、複数の副搬送波を同時に使用した搬送波により通信装置間でのデータ送信が可能な無線通信方式において、自通信装置の周辺に位置する複数の前記通信装置の接続形態情報と前記通信装置のそれぞれに固有に割り当てられた副搬送波情報に基づき、通信相手先の通信装置を除く隣接通信装置に影響を与えない前記副搬送波を選択した搬送波を用いてデータの送信を行う送信側通信装置を含む。
本発明に係る無線通信方法は、複数の通信装置が配置され、複数の副搬送波を同時に使用した搬送波により前記通信装置間でのデータ送信を行う無線通信方法において、自通信装置の周辺に位置する複数の前記通信装置の接続形態情報と前記通信装置のそれぞれに固有に割り当てられた副搬送波情報に基づき、通信相手先の通信装置を除く隣接通信装置に影響を与えない前記副搬送波を選択した搬送波を用いてデータを送信することを特徴とする。
本発明に係る無線通信装置は、複数の通信装置が配置され、複数の副搬送波を同時に使用した搬送波により前記通信装置間でのデータ送信が可能な無線通信方式における無線通信装置であって、自通信装置の周辺に位置する複数の前記通信装置の接続形態情報と前記通信装置のそれぞれに固有に割り当てられた副搬送波情報に基づき、通信相手先の通信装置を除く隣接通信装置に影響を与えない前記副搬送波を選択するMAC層処理部と、選択した前記副搬送波を含む搬送波を用いて隣接通信装置にデータの送信を行う物理層処理部とを含む。
本発明は、無線メッシュネットワークにおける無線の利用効率を改善し、各パケットの送信元の通信装置と宛先の通信装置間での通信遅延を減少させることができる。
次に、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明を実施するための形態において、自律分散的にパケットの送受信を行う無線通信装置を端末と称する。また、本発明を実施するための形態における無線通信方式で用いる無線アクセス方式は、搬送波検知多重アクセス衝突回避方式を用い、直交周波数分割多重(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplex)方式の副搬送波(サブキャリア)毎に搬送波検知(キャリアセンス)を行うものとする。
図1−A及び図1−Bは、本発明の実施形態に係るシステム構成図である。図1−Aでは、端末A1、端末B2、端末C3、端末D4、端末E5及び端末F6が図示するようなメッシュネットワークを構成する。また、図1−Bでは、端末A1、端末B2、端末C3及び端末D4が図示するようなメッシュネットワークを構成する。
各端末は、互いに自端末以外の隣接する端末からの電波が正常に受信できる距離を置いて配置されている。さらに各端末は、正常に電波の受信ができる場合には、必ずそのうえで、無線媒体を介してのパケット送受信を行うための論理的なリンクを確立する。
図1−A及び図1−Bのいずれに示すシステムにおいても、各端末のパケット送信を中継する基地局またはアクセスポイントは存在しない構成となっている。そのため、例えば、図1−Aにおいて、端末A1が端末C3に対してパケットを送信する場合は、予め該システム内で用いられているルーティングプロトコルに従って、例えば端末B2を中継して送信を行う。
図2は、本発明の実施形態に係る端末のMAC層処理部21と物理層処理部22の機能構成を示すブロック図である。
MAC層処理部21は、受信バッファ211、送信バッファ212、送信タイミング決定部213、送信サブキャリア決定部214、フレーム内容解析部215及び隣接端末情報管理部216を含む。
受信バッファ211は、物理層処理部22を介して受信したデータを格納する。送信バッファ212は、上位層処理部から転送されてくる送信すべきデータを格納する。送信タイミング決定部213は、無線媒体を介して送信データを送信する際の送信タイミングを決定する。送信サブキャリア決定部214は、後述するように、隣接端末情報管理部216で管理する情報を基に、自端末から2ホップ先に存在する端末の識別子に対応するサブキャリア番号のサブキャリアを空けた状態の無線媒体でパケットを送信する。フレーム内容解析部215は、受信または傍受したパケットに含まれる情報を解析して、送信タイミング決定部213や隣接端末情報管理部216に情報を送る。そして、隣接端末情報管理部216は、自端末から4ホップ先までに存在する各隣接端末の識別子と、そのうち2ホップ先までに存在する各隣接端末の識別子に対応するサブキャリア番号を保持し、さらに、1ホップの隣接関係を各隣接端末に送るためのテーブルを作成する。
また物理層処理部22は、サブキャリア変復調装置221及びサブキャリア毎受信電力検出部222を含む。
サブキャリア変復調装置221は、MAC層処理部21の送信サブキャリア決定部214で決定したサブキャリアを用いて、送信すべきデータを変調する。サブキャリア毎受信電力検出部222は、自分宛のデータパケットを受信する電波、または、他端末宛のパケットを傍受する電波、または、他端末宛のパケットが自端末に同時に複数届いて干渉状態になっている電波から、送信側端末の送信サブキャリア決定部214によって送信時に決定された空き状態となっているサブキャリアを検出し、この空きとなっているサブキャリアに対応するサブキャリア番号を検出する。
ここでサブキャリア毎受信電力検出部222は、サブキャリア毎の受信電力の検出を目的として使われるとともに、通常の全サブキャリアに渡る受信電力検出(キャリアセンス)の目的としても使用される。
また、各端末の識別子とは、例えば、通常IEEEが規定しているMACアドレスやIPアドレス、アプリケーションで割り当てられる各端末に固有の値、さらに他の方法で割り当てられる各端末に固有の識別子が用いられる。しかし、必ずしもそれらの方法による必要はなく、自端末から少なくとも4ホップ以内において、各端末を一意に識別することができる固有の値であればよい。
また、識別子に対応して割り当てるサブキャリア番号は、自端末から少なくとも4ホップ以内の各端末において共通の方法により生成されなければならない。例えば、各端末に固有の識別子としてMACアドレスを用いる場合には、MACアドレスそのものの値やその最終バイトなどを、そのシステム内でデータの送信用として用いられている全サブキャリアの数を基にして、その剰余を各端末のサブキャリア番号とすることができる。
図3は、本発明の原理を説明するためのシーケンス図である。
図3において、端末A1、端末B2、端末C3及び端末D4が直線上に配置されているものとする。そして、各端末は、互いに隣接する端末との通信のみが可能であり、2ホップ先に存在する端末との通信を直接行うことはできない。2ホップ先に存在する端末に対してパケットを送信する場合は、まず隣接する端末(1ホップ先の端末)に対してパケット送信を行い、そのパケットを受信した端末が、さらにその端末と隣接する端末(最終的な宛先端末)に対して送信を行う。
ここで、全端末A乃至Dのうち、端末B2と端末C3がそれぞれ端末A1と端末D3に対して送信すべきパケットを保持しているものとする。
ここで、全端末A乃至Dのうち、端末B2と端末C3がそれぞれ端末A1と端末D3に対して送信すべきパケットを保持しているものとする。
端末B2では、後述する方法で既に作成している隣接端末情報から、端末A1が自端末からみて隣接関係(1ホップ)にあり、直接パケットの送受信が可能であることが既知であるとする。また、各端末のそれぞれの識別子をA、B、C、Dとし、対応するサブキャリア番号を1、2、3、4とする。なお、ここで云う隣接端末情報は、後述する隣接端末管理テーブルと割り当てサブキャリア管理テーブルを概念的に説明するものである。
まず、端末B2が保持していた端末A1宛のパケットを端末A1に対して送信する。端末B2では、この送信にあたって、自端末からみて2ホップ先である端末D4の識別子に対応するサブキャリア番号を認識する。各端末で作成している隣接端末情報315を参照することにより、自端末からみて2ホップ先の端末の識別子に対応するサブキャリア番号を認識することができる。そして端末B2は、データパケット301を送信する時に、図3に示すキャリアB312のようにサブキャリア番号4のサブキャリアを空けたキャリアを用いて送信を行う。このように、本発明の実施形態における端末は、パケットを送信するに当たって、自端末からみて2ホップ先の端末の識別子に対応するサブキャリア番号のサブキャリアを空けたキャリアを用いる。
端末B2が端末A1に送信したパケット301のキャリアB312は隣接関係にある端末C3でも傍受される。端末C3は、物理層22のサブキャリア変復調装置221でキャリアB312の受信処理を行った後、サブキャリア毎受信電力検出部222において、このキャリアB312はサブキャリア番号4が空きであることを検出する。この検出された情報はMAC層処理部21の送信タイミング決定部213と隣接端末情報管理部216に送られる。
端末C3の送信タイミング決定部213は、これから送信すべきパケットの宛先である端末D4の識別子に対応するサブキャリア番号4が空きであることを検出した旨の通知を受けた後、端末D4宛のデータパケットの送信を物理層処理部22に指示する。
このように端末C3は、端末B2が端末A1に送信しているデータパケットのキャリアB312の受信を検出していても、つまり、端末B2が送信するキャリアB312にさらされていても、端末D4宛のデータパケットを送信することができる。このときに端末C3から送信されるデータパケットは、前記と同様にして、端末C3から2ホップ先の端末A1の識別子に対応するサブキャリア番号1のサブキャリアが空の状態のキャリアC313を用いて送信される。
次に、端末B2から端末A1へのデータパケットの送信が正常に終了すると、端末A1は端末B2に対して前記データパケットに対応するAckパケットの送信を行う。
ここで各端末が、自端末から見て2ホップ先の端末の識別子に対応するサブキャリア番号のサブキャリアを空きにしてパケット送信するということは、互いに隠れ端末の関係にある端末以外の、そのパケットを受信可能な複数存在する可能性のある1ホップ先の端末のうち、自端末(端末A1)の識別子に対応したサブキャリア番号を用いて送信を行っている(行おうとしている)端末(自端末に送信している端末)数はある時点で必ず唯1つであるということができる。そこで、自端末(端末A1)に対しデータパケットの送信を行っていた端末B2がその唯一つの端末に該当し、その送信が終了した時点で、自端末(端末A1)に対応するサブキャリアが空きになることが、予め判断可能となる。
または、自端末(端末A1)に対してデータパケットの送信を行っている送信元端末(端末B2)の1ホップ先に端末C3以外にも複数の端末があったとしても、それらのいずれの端末(端末B2の1ホップ先の端末C3を含む端末)も、データパケットを他の端末に送信する際には、それらの端末からみて2ホップ先に存在する自端末(端末A1)に対応するサブキャリアを空きにしたキャリアを用いて送信することになる。従って、自端末(端末A1)に対してデータパケットの送信を行っている送信元端末(端末B2)においては、その送信が終了した時点で、自端末(端末A1)に対応するサブキャリアの受信はいずれの端末のキャリアからも影響されないことが、予め判断可能となる。
よって端末A1は、前記自端末の識別子に対応したサブキャリア番号を、隣接端末情報315を参照して取得し、そのサブキャリア番号1に対応するサブキャリアのみを用いてAckパケットの送信を行う(キャリアA311)。
次に、端末C3からのデータパケットを正常に受信した端末D4も前記と同様にして、自端末(端末D4)に対応したサブキャリア番号4のサブキャリアのみを用いてAckパケットを送信する(キャリアD314)。
関連する技術においては、Ackパケットはそれ自体が一つのパケット種別として定義されており、受信したAckパケットに含まれる情報を解析してはじめてAckパケットであると検出可能である。従って、データパケットの受信側でデータパケットを正常に受信できていたとしても、データパケットの送信側でAckパケットを正常に受信できなかった(Ackパケットを検出できなかった)場合には、データパケットの再送処理が行われる。
本発明においては、各端末に割り当てられているサブキャリア番号は、互いに共通の情報として既知である。よって、端末に対応したサブキャリア番号のサブキャリアのみを用いたAckパケットを受信した場合は、パケットに含まれている情報を解析しなくても、そのAckパケットの送信元とそのパケット種別がAckであることが一意に決定可能である。よって、必ずしも関連する技術において用いられているようなAckパケットを用いる必要はなく、Ackパケットの受信側で明らかに信号であるとわかるパターンなど、キャリアセンス機能を用いて検知できるものでもよい。
図4は、本発明をメッシュネトワークに適用した場合の動作を説明するシーケンス図である。図4のシーケンス図を参照して、各端末が二次元上に配置されている場合について説明する。
通信システム内には端末A1、端末B2、端末C3、端末D4、端末E5、端末F6が存在する。図3のシーケンス図と同様に、各端末は互いに隣接する端末との通信のみが可能であり、2ホップ先の端末との通信を直接行うことはできない。
ここで、全端末A乃至Fのうち、端末B2と端末C3と端末E5はそれぞれ、端末A1、端末D4、端末F6に対して、送信すべきパケットを保持しているものとする。また図3と同様に、各端末は、既に作成していている隣接端末情報にもとづいて、自端末と隣接関係(1ホップ)にあり、直接パケットの送受信が可能である端末を予め既知であるとする。また、各端末のそれぞれの識別子をA、B、C、D、E、Fとし、それに対応するサブキャリア番号を1、2、3、4、5、6とする。
まず端末B2が、端末A1に対してデータパケットを送信する。端末B2からの2ホップ先の端末の識別子はDとFであり、それらの識別子に対応するサブキャリア番号は4、6である。このため、端末B2の送信サブキャリア決定部214は、2ホップ先の端末の識別子に対応したサブキャリア番号4、6を空きにして端末A1にデータパケット401の送信を行う(キャリアB418)。このデータパケットは端末B2と隣接関係にある端末C3と端末E5に到達する。
端末C3は、端末B2から送信されたデータパケット403を傍受し、サブキャリア毎受信電力検出部222を用いて、端末D4と端末F6の識別子に対応するサブキャリア番号4、6が空であることを検出する。そして端末D4への送信が可能であると判断し、データパケット405の送信を行う。このとき、前記と同様にして、端末C3から2ホップ先の端末A1と端末F6の識別子に対応するサブキャリア番号1、6を空にして送信する(キャリアC419)。
端末C3が送信したデータパケットは、端末E5にも到達する。端末E5は、端末B2からのキャリアB418で示されるサブキャリアで送信されたデータパケット404と、端末C3からのキャリアC419で示されるサブキャリアで送信されたデータパケット408をほぼ同時に受信する。そのため、端末E5においては、これらの複数の送信パケットの電波が互いに干渉波となり、それらを正常に受信することができない。つまり、端末E5においては、それぞれのデータパケットに含まれている情報に基づく、自端末(端末E5)のデータパケットの送信可否判断ができないことになる。
しかし、各端末のサブキャリアシンボルレベルでの同期がとれていれば、各端末が受信する電波は、サブキャリア毎に加算されて受信される。よって端末B2が送信するキャリアB418と端末C3が送信するキャリアC419はサブキャリア毎に加算されて、端末E5では端末E受信波423に示すように受信される。
よって端末E5は、互いに干渉波となる電波を受信している場合でもサブキャリア番号6が空きであることを検出し、さらし端末である端末E5が端末F6にパケットを送信することが可能となる。上記の電波の性質を利用し、端末E5は端末F6に対してデータパケット409の送信を行う。このときも、端末E5から2ホップ先の端末A1と端末D4の識別子に対応するサブキャリア番号1、4を空にして送信する(キャリアE421)。
端末B2からデータパケットを受信した端末A1は、図3と同様の仕組みを利用して自端末の識別子に対応したサブキャリア番号1を用いて端末B2に対してAckパケットの送信を行う(キャリアA417)。このとき、端末B2は、端末C3が端末D4に送信している電波も受信していることになるが、端末C3が送信している電波は、サブキャリア番号1と6が空いているので端末A1がサブキャリア番号1を用いて送信するAckパケットを正常に受信することができる。また時間によっては、端末B2は、端末E5が端末F6に送信している電波も受信していることになる。この場合も端末E5が送信している電波は、サブキャリア番号1と4が空いているので端末A1がサブキャリア番号1を用いて送信するAckパケットを正常に受信することができる。
同様に端末C3からのデータパケットを受信した端末D4は、端末C3に対してサブキャリア番号4でAckパケットの送信を行う(キャリアD420)。このとき、端末C3は、端末E5が端末F6に送信している電波も受信していることになるが、端末E5が送信している電波は、サブキャリア番号1と4が空いているので端末D4がサブキャリア番号4を用いて送信するAckパケットを正常に受信することができる。また時間によっては、端末C3は、端末B2が端末A1に送信している電波も受信していることになる。この場合も端末B2が送信している電波は、サブキャリア番号4と6が空いているので端末D4がサブキャリア番号4を用いて送信するAckパケットを正常に受信することができる。
また、同様に端末F6は端末E5に対してサブキャリア番号6でAckパケットの送信を行う(キャリアF422)。このとき、端末E5は、端末C3が端末D4に送信している電波も受信していることになるが、端末C3が送信している電波は、サブキャリア番号1と6が空いているので端末F6がサブキャリア番号6を用いて送信するAckパケットを正常に受信することができる。また時間によっては、端末E5は、端末B2が端末A1に送信している電波も受信していることになる。この場合も端末B2が送信している電波は、サブキャリア番号4と6が空いているので端末F6がサブキャリア番号6を用いて送信するAckパケットを正常に受信することができる。
このようにして、本発明は、たとえさらし端末が2端末以上隣接して存在するようなメッシュネットワークであったとしても、さらし端末の問題が発生することなく、目的とする隣接端末にパケットを送信し、Ackパケットを正常に受信することができる。
次に、図5の模式図を用いて、各端末が保持している隣接端末管理テーブルと割り当てサブキャリア管理テーブルの概要について説明する。なお、それらのテーブルの作成の詳細については図7及び図8を参照して後述する。
まず、隣接端末管理テーブルを構築するためには、各端末が自端末からみて2ホップ先の端末に対応する識別子まで知る必要がある。通常、自端末からみて1ホップ先の端末(隣接端末)とは論理的なリンクが確立されているため、新たに情報を取得する必要はない。さらに1ホップ先につながっている2ホップ先の端末の情報を取得するには様々な方法がある。
IETFのOLSR(Optimized Link State Routing)のHELLOパケットを利用して取得する方法がある。このHELLOパケットは、通常OSI参照モデルのレイヤ3におけるルーティングパスを確立するために定常的に隣接端末に同報されるパケットである。
また、IEEE802.11s Draft v2.0で規定されているメッシュネットワークでは、各端末が隣接端末に対して周期的にビーコンを送信している。従って、各端末が、自端末に隣接している端末の識別子をビーコンフレームに含めて送信を行うことで、それを受信した各端末は2ホップ先までの端末の識別子を取得することが可能である。図6はこのビーコンフレームの例を示し、図5の端末A1が隣接端末に同報しているビーコンフレームを示している。このようにビーコンはビーコンフレーム内に送信元アドレスを情報として入れるため、これを受信した隣接端末は、送信元アドレスを1ホップ先とした2ホップ先に隣接する端末に関する情報を取得することができる。例えば、図6に示すビーコンフレームを端末A1から受信した端末D4は、ビーコンフレームに含まれる隣接端末リスト605の情報から、端末A1の1ホップ先、つまり自端末から2ホップ先に端末B2が存在することを知ることがきる。
上記のようにして各端末が取得した2ホップ先までの隣接端末に関する情報を一覧にしたものが隣接端末管理テーブルである。
図5に、各端末が保持する隣接端末管理テーブルを示す。
図5において、端末A1は隣接端末管理テーブル501、端末B2は隣接端末管理テーブル502、端末C3は隣接端末管理テーブル503、端末D4は隣接端末管理テーブル504、端末E5は隣接端末管理テーブル505、端末F6は隣接端末管理テーブル506をそれぞれ保持する。
例えば隣接端末管理テーブル501では、端末A1の1ホップ先には端末B2と端末D4が存在し、さらにそこから1ホップ先(端末A1からみて2ホップ先)には、端末B2からみて端末C3と端末E5が、端末D4からみて端末C3が存在することを示す。
ただし、各端末からみて2ホップ先として取得した情報の中に自端末や1ホップ先の端末(隣接端末)が含まれている場合には、自端末あるいは1ホップ先の端末として取り扱う。例えば、端末B2は、隣接端末である端末E5からの1ホップ先の端末情報として、端末B2、端末C3及び端末F5を取得する。しかし実際は、端末B2は自端末であるので処理せず、端末C3は端末B2と1ホップでリンクを確立しているため1ホップとして取り扱う。よって端末B2が端末E5を介して2ホップ先となるのは端末F5のみとなる。
また、図5に示す割当てサブキャリア管理テーブル507は、システム内の各端末が共通の方法で自端末と自端末から2ホップ先までの各端末の識別子を基にして算出した、サブキャリア番号を管理するテーブルの例である。割当てサブキャリア管理テーブルは、隣接端末識別子とそれに対応して割り当てられたサブキャリア番号の情報を含む。例えば、図5に示す割当てサブキャリア管理テーブル507においては、隣接端末識別子「A」を有する端末に割り当てられたサブキャリア番号は「1」、隣接端末識別子「B」を有する端末に割り当てられたサブキャリア番号は「2」、以下同様に「C」−「3」、「D」−「4」、「E」−「5」、「F」−「6」の対応を示す。
関連する全端末が同じアルゴリズムで、自端末に対応するサブキャリア番号を生成して相互に通知するために、関連する全端末が同じサブキャリア番号の割り当て情報を持つことになる。実際は、システム内では2ホップ先の端末の識別子とサブキャリア番号に関する情報までを管理すれば良いため、各端末が管理する情報は割当てサブキャリア管理テーブル507のサブセットとなる。図5に示す割当てサブキャリア管理テーブル507は各端末が管理する情報を足し合わせたものである。
このように、各端末では、隣接端末管理テーブルにより2ホップ先までの端末の識別子を知ることができ、割り当てサブキャリア管理テーブルによりその端末の識別子に対応するサブキャリア番号を知ることができる。
図7、図8及び図9のフローチャートを参照して、各端末の動作と各端末において作成される隣接端末管理テーブル及び割当てサブキャリア管理テーブルの作成方法について説明する。
図7は、各端末のリンク確立時の動作のフローチャートである。このリンク確立時の動作は、各端末に共通する動作である。
「はじめ」の状態は、各端末がリンクを確立すべき相手端末の存在を検知した後であり、まだリンクを確立していない状態を示す。ステップS701において、関連する技術に規定された方法により、1ホップ先の隣接端末との間で論理的なリンクを確立する。その後ステップS702において、リンクを確立している1ホップ先の隣接端末から、自端末から2ホップ先の端末の識別子に関する情報を前述の方法で取得して、隣接端末管理テーブルと割り当てサブキャリア管理テーブルを作成する。
図8は、図7のステップS702の隣接端末管理テーブルと割り当てサブキャリア管理テーブルの生成方法を詳細に説明するフローチャートである。
「はじめ」の状態は、端末が隣接端末とリンクを確立した後(図7のステップS701の後)であることを示す。
まず、自端末において保持しているMACアドレス、IPアドレス又は端末固有の識別子の有無を、それぞれステップS801、S802、S803で確認する。いずれも保持していない場合は、ステップS804において乱数を生成する。
前記のステップで求めた、MACアドレス、IPアドレス、端末固有の識別子又は乱数の値をステップS805において自端末から4ホップ内の端末に通知する。
これは、識別子及びその識別子から算出されるサブキャリア番号が2ホップ内の端末で重複するのを防ぐためである。しかし、これはシステムで予め使用する端末固有の識別子が定義されていない場合を想定した動作であり、必ずしも各端末が独自に識別子を決定する必要はない。
また、上記の求めた値を4ホップ内の端末に通知する方法として、次の方法で実現可能である。例えば、パケットの生存期間(TTL、Time To Live)を4に指定したパケットに自端末で決定した値を含め、そのパケットを各端末が隣接端末を介して同報する。そして、そのパケットを受信した端末が、そのパケットの送信元に自端末で求めた値を返す。
次に、ステップS806において、各端末が4ホップ以内で識別子の重複があるかどうかを確認する。もし重複が検知された場合は(ステップS806、NO)ステップS804に帰還して、乱数を生成した後、ステップS805で同様の処理を行う。このステップS806の確認処理は、各端末から4ホップ以内の端末の中での識別子の重複がなくなるまで行われる。
ただし、複数端末間での識別子の重複を防ぐ方法として、必ずしも上記のように乱数を生成する必要はなく、それ以外の端末固有の値、例えば位置情報等を基に識別子の重複の解消を行っても良い。
また、識別子の重複を解消するために、新しく生成した値を必ずしもすべての端末に同報する必要はない。識別子が重複している端末間でのみ、識別子の重複を解決するための通信を行った後、決定した識別子をすべての端末に同報してもよい。
次に、ステップS807において、前ステップで決定した自端末の識別子の値を基にして、少なくとも4ホップ以内の間で決められた方法で、自端末に対応するサブキャリア番号を算出する。この4ホップ内で決められた各識別子からサブキャリア番号を算出する方法は、すでにシステム内で定義されていればそれを用いて行う。もし、自端末が、そのシステムで最初に算出する端末であれば、自端末内で算出方法を決定し、隣接端末に同報する。
サブキャリア番号の算出方法としては、たとえば自端末に割り当てられた識別子を、システム内で使用している全サブキャリア数で割った剰余等を用いることができる。なお、図8では、識別子がMACアドレスである場合に、その最終バイトを自端末から4ホップ以内の端末数で割った剰余を求める例を示している。
なお、上記の説明では、各端末の識別子の重複を無くしてから、各端末に対応するサブキャリア番号を算出したが、必ずしもこの方法に限らなくてもよい。自端末の識別子からまず自端末に対応するサブキャリア番号を算出して、それを同報して、その後に各端末のサブキャリア番号の重複が存在すればそれを解決する方法でも良い。
以上に説明したような方法により、各端末では隣接端末管理テーブルと割り当てサブキャリア管理テーブルを作成して保持する。これらの動作制御は、図2に示す隣接端末情報管理部216により実行される。なお、以上の説明では隣接端末管理テーブルと割り当てサブキャリア管理テーブルをそれぞれ別のテーブルとして説明したが、隣接端末管理テーブルが2ホップ先までの端末の識別子とそれに対応するサブキャリア番号を含んで管理する形態であっても良い。
図9は、各端末に共通するパケットの送受信動作を示すフローチャートである。
図9の「はじめ」は、隣接端末とのリンクが確立しており、また前述の隣接端末管理テーブル等も作成されている後の状態を示す。
まずステップS911において、現在データパケットを受信中であるかどうかを確認する。データパケットを受信中である場合には(ステップS911、YES)、データパケットの受信完了後に、前述のように、自端末に対応するサブキャリア番号を用いてAckパケットをデータパケットの送信元に対して送信する(ステップS912)。
もしステップS911において、データパケットを受信していない場合は(ステップS911、NO)、ステップS901において、他の端末へ送信すべきパケットがあるかどうかを確認する。他の端末へ送信すべきパケットが存在しない場合には(ステップS901、NO)、ステップS911に戻る。
ステップS901において、他の端末に対して送信すべきパケットがある場合は(ステップS901、YES)、無線媒体(全サブキャリア)が空きであるかどうかを確認する(ステップS902)。
ステップS902で無線媒体が空いていることを確認した場合は、送信が可能と判断してステップS905に遷移する。
ステップS902で無線媒体が空いていないことを確認した場合は(ステップS902、NO)、送信すべきパケットの宛先に対応するサブキャリア番号のサブキャリアが空きであるかを確認する(ステップS903)。
もしそのサブキャリアが空いていない場合は、無線媒体が空くまで、または送信すべきパケットの宛先に対応するサブキャリアが空くまで送信を待機(ステップS909)し、ステップS902に戻る。
ステップS903において、送信すべきパケットの宛先に対応するサブキャリアが空いていたら(ステップS903、YES)、送信可能と判断し(ステップS904)、ステップS905に遷移する。
ステップS905では、自端末から2ホップ先の端末に対応するサブキャリア番号の情報を取得する。
次に、ステップS905で取得した、自端末から2ホップ先に存在する端末のいずれかが、これから送信するパケットの宛先端末と隣接する他の端末と1ホップでつながっていないかどうかを確認する(ステップS906)。
これは例えば、図1−Bのトポロジにおいて、端末B2が端末A1に対して送信を行う場合に、端末D4に対応するサブキャリアを空にして端末A1に対してパケットを送信すると、そのパケットを傍受した端末C3は端末D4に対して送信が可能と判断し、端末D4にパケットを送信する。この端末D4宛のパケットは端末A1にも到達してしまうため端末B2から端末A1へのパケットの送信と端末A1において干渉となってしまう。このような状況を防ぐため、端末B2が端末A1に送信を行うときに、端末D4に対応するサブキャリアを空にしないで送る。
もし、ステップS906において、前記のような端末が存在した場合には(ステップS906、YES)、送信パケットの宛先端末と隣接する他の端末と1ホップでつながっているその端末、つまり自端末から2ホップ先の端末であっても、その端末に対応するサブキャリアを空にしないと判断する(ステップS910)。
次に、どの2ホップ先の端末も、宛先端末と隣接する他の端末と1ホップを介して隣接していない場合には(ステップS906、NO)、同様の動作を行っている別のさらし端末との衝突を避けるために、パケットの送信をランダムな時間待機する(ステップS907)。
その後、ステップS905で決定した空にすべきサブキャリア番号を空にして、宛先に対してパケットを送信する(ステップS908)。もちろん、ステップS910で空きにしないと判断した場合には、サブキャリア番号を空にしないで宛先にパケットを送信する。
なお、図9では、ステップS903において、送信すべきパケットの宛先に対応するサブキャリアが空いているかどうかのみを確認しているが、必ずしも本発明に記載した組み合わせが全ての組み合わせとは限らない。関連する技術との組み合わせも本発明に含まれ得る。例えばもしステップS903において、実際に傍受したパケットに含まれる情報を利用できる場合は、それも用いて送信可否の判断を行っても良い。
また、ステップS908において、さらし端末問題とともに隠れ端末問題を解決するために用いられている、RTSパケットとCTSパケットの交換をパケットの送信元と宛先との間で行っても良い。ただし、RTSパケットやCTSパケットを送信する際も上記に説明した動作フローに従って送信するものとする。
関連する技術においては、RTSパケットとCTSパケットの交換を行った場合には、RTSパケットやCTSパケットを傍受した端末は、RTSパケットやCTSパケットに含まれている情報を基にして自端末の送信を延期するが、本発明と上記RTSパケットとCTSパケットの交換の組み合わせを用いる場合には、RTSパケットを傍受した端末やRTSパケットを受信した端末はそれを処理せず、CTSパケットを傍受した場合のみ、自端末の送信を延期することで、隠れ端末問題とさらし端末問題を同時に解決することができる。なお、隠れ端末問題とさらし端末問題を同時に解決する実施形態については、図13−A乃至Eを参照して後述する。
図10、図11、図12は、図9で説明した動作を図4のトポロジの各端末に適用した場合の各端末における動作を説明するフローチャートである。図10は端末B2、図11は端末C3、図12は端末E5の、それぞれの動作を示す。
まず、図10のフローチャートを用いて、端末B2の動作について説明する。
図10の「はじめ」の状態では、端末B2には送信すべきパケットが存在しない状態を示す。次にステップS1001において、端末A1に送信すべきパケットが生起する。
ステップS1002において、自端末から2ホップ先の端末の識別子と対応するサブキャリア番号を隣接端末テーブルと割り当てサブキャリア管理テーブルから取得し、送信サブキャリア決定部2104において、パケットの送信に用いることができるサブキャリア番号を決定する。
ステップS1003において、自端末から2ホップ先の端末(端末D4と端末F6)に対応するサブキャリア番号(4,6)を空にして端末A1に対してパケットを送信する。
次に図11のフローチャートを用いて、端末C3の動作について説明する。
図11の「はじめ」の状態は、端末C3に送信すべきパケットが存在しない状態を示す。次に、ステップS1101において、端末D4に対して送信すべきパケットが生起する。さらに、ステップS1102において、図10において端末B2が端末A1に対して送信したパケットの電波を傍受する。
端末C3は、サブキャリア毎受信電力検出部2202により、傍受した端末B2の送信パケットの電波においてこれから送信すべきパケットの宛先(端末D4)に対応するサブキャリア番号4が空であること検知する(ステップS1103)。そして端末C3は、端末D4に対して送信すべきパケットの送信時に、自端末から2ホップ先の端末(端末A1と端末F6)に対応するサブキャリア番号(1,6)を空にして端末D4に対してパケットを送信する(ステップS1104)。
次に図12のフローチャートを用いて、端末E5の動作について説明する。
図12の「はじめ」の状態は、端末E5に送信すべきパケットが存在しない状態を示す。次に、ステップS1201において、端末F6に対して送信すべきパケットが生起する。さらに、ステップS1202において、キャリアセンス機能により端末B2と端末C3が送信しているパケットの電波を傍受する。実際には二つの電波が互いに干渉波となって到達するため、端末E5はどの端末からの電波であるかを確認することはできない。
ステップS1203において、これから送信すべきパケットの宛先である端末F6に対応するサブキャリア番号6が空であることを検知する。よって端末F6に対してパケット送信が可能であると判断し、そのパケットの送信時に自端末(端末E5)から2ホップ先の端末(端末A1と端末D4)に対応するサブキャリア番号(1,4)を空にして端末F6に対してパケットを送信する(ステップS1204)。
以上のようにして各端末宛に送信したデータパケットに対するAckパケットは、図9のステップS912で説明したように、各受信端末が自端末のサブキャリア番号を用いて送信する。つまり、端末A1はサブキャリア番号1、端末D4はサブキャリア番号4、そして端末F6はサブキャリア番号6をそれぞれ用いてAckパケットを送信する。
図13−A乃至Eは、本発明の実施形態における隠れ端末問題とさらし端末問題を同時に解決する実施形態を説明する模式図である。
図13−Aは、互いに信号到達範囲外にある端末A1と端末E5が互いにキャリアセンスをすることができず、互いが電波を出していることを認識できずに通信を始めてしまい、端末B2において、端末A1のキャリアと端末E5のキャリアとが衝突する、いわゆる「隠れ端末問題」が発生する状況を示す。
このような隠れ端末問題及びさらし端末問題を、本発明の実施形態によれば以下に説明するようにして解決することができる。
まず、図13−Bに示すように、端末A1は隠れ端末問題を回避するために、コントロールメッセージとしてのRTSパケットを端末B2に送信する。この送信電波は隣接する端末D4にも到達するため、端末D4がさらし端末問題を起こさないように、端末A1は2ホップ先の端末で使用するサブキャリアを空けたキャリア1301を送信する。これは、本発明の実施形態として前述したとおりである。
端末C3に送信データを持っている端末D4は、図13−Cに示すように、傍受したRTSパケットのフレームタイプではなくサブキャリアを識別する。つまり、傍受したRTSパケットのサブキャリアを、図2に示したサブキャリア毎受信電力検出部222で検出する。その結果、端末C3に対応するサブキャリアが空いていることから、送信可能と判断して端末C3にパケットを送信することができる。このとき端末D4が送信する電波においても、端末D4から2ホップ先の端末で使用するサブキャリアを空けたキャリア1302を送信する。なお、特許文献1が開示する発明においては、このような場合に、端末A1から送信されるRTSパケットのフレームタイプが「RTS」であることを識別し、端末D4では送信が抑制されて、端末D4においてさらし端末問題が発生してしまう。
次に、図13−Dに示すように、端末A1からのRTSパケットを受信した端末B2は、端末A1に送信を許可するCTSパケットを送信する。このCTSパケットの送信電波は隣接する端末C3や端末E5にも到達する。しかし、本発明の実施形態においては、このCTSパケットは、自端末に対応するサブキャリアのみを用いたキャリア1303で送信される。そのため、端末C3においては、端末D4から送信されているキャリア1302を受信中に端末B2から送信されているCTSパケットのキャリア1303が到達したとしても、端末D4から送信されているキャリア1302に含まれるデータを確実に識別して受信することができる。
一方、端末B2に送信データを持っている端末E5においても、端末B2が送信するCTSパケットのキャリア1303を傍受する。そして、図2に示したサブキャリア毎受信電力検出部222でそのサブキャリア番号2を検出する。サブキャリア番号2を検出したことにより端末B2が他の端末と通信中であると認識して、端末E5は端末B2への送信を抑制する。このような制御動作を実行することにより隠れ端末問題を回避することができる(図13−E参照)。
このように、RTSパケットとCTSパケットを上記のように本発明の実施形態に適用することにより、メッシュネットワークにおける隠れ端末問題とさらし端末問題を同時に解決することができる。
さらし端末問題は、その定義から、本来物理的には同時送信可能な端末が同時送信不可能になる問題である。従って、一般的に隣接端末数が多くなればなる程、そのような同時送信不可能になる端末数が増加することにより、システム全体の無線の効率が益々悪化する。また、本発明の実施形態では、さらし端末問題を解決するために、少なくとも4ホップ以内で各端末に一意な周波数を割り当てる必要があり、パケット送信時に同時に利用できる周波数幅が減少する。
そこで、さらし端末問題自体をなるべく減少させるためや、その解決策である本発明の実施形態をなるべく効果的に利用するためには、各端末からみた隣接端末数は少ないほどよいことになる。
図14は送信電力と隣接端末数の関係を示す模式図であり、例えば、端末1401が送信する電波の到達範囲が近似的に二次元平面上で円形であると仮定したものである。この場合、端末1401の送信電力が最も小さいときは、電波の到達範囲は領域1402であり、端末1401の隣接端末数は4である。しかし、中間の円の領域1403の大きさまで端末1401の送信電力を増加させた場合には、端末1401の隣接端末数は8まで増加する。さらに最も外側の円の領域1404の大きさまで端末1401の送信電力を増加させた場合には、隣接端末数は20まで増加する。
よって、例えば本発明の実施形態において、無線通信システム全体で各端末に対して隣接端末数に上限値を設け、その隣接端末数の上限値を下回るまで送信電力を低減させることで、本発明の実施形態を効果的に利用することができる。これは、図2のブロック図には示していないが、自端末から1ホップで直接通信が可能な隣接端末の数に予め決めた閾値を設け、接続端末情報に含まれる隣接端末の数がその閾値を下回る数となるように、自端末の送信電力を制御する制御手段を設けることにより実現できる。
以上に説明したように、関連する技術においては解決できないような、さらし端末が複数の干渉波にさらされるようなさらし端末問題であっても、本発明の実施形態においては、干渉波の受信電力の傍受のみによりそれを解決することができる。それは、関連する技術においては、干渉波を受信することになるさらし端末側で全て行っていたさらし端末問題の解決手段の一部を、本発明の実施形態においては、干渉波を送信する側でも担当するような構成としたからである。つまり、本発明の実施形態においては、各端末において隣接端末情報を保持し、パケットを送信する際に、自端末から2ホップ先の端末で使用するサブキャリア番号を識別し、送信するパケットの電波においてはそのサブキャリア番号を空けて送信するように構成した。
本発明に係る無線通信方法、装置及びシステムは、自律分散的にパケットの送受信を行う無線通信システムに利用可能である。
21 MAC層処理部
22 物理層処理部
211 受信バッファ
212 送信バッファ
213 送信タイミング決定部
214 送信サブキャリア決定部
215 フレーム内容解析部
216 隣接端末情報管理部
221 サブキャリア変復調装置
222 サブキャリア毎受信電力検出部
22 物理層処理部
211 受信バッファ
212 送信バッファ
213 送信タイミング決定部
214 送信サブキャリア決定部
215 フレーム内容解析部
216 隣接端末情報管理部
221 サブキャリア変復調装置
222 サブキャリア毎受信電力検出部
Claims (41)
- 複数の通信装置が配置され、複数の副搬送波を同時に使用した搬送波により前記通信装置間でデータ送信が可能な無線通信方式において、
自通信装置の周辺に位置する複数の前記通信装置の接続形態情報と前記通信装置のそれぞれに固有に割り当てられた副搬送波情報に基づき、通信相手先の通信装置を除く隣接通信装置に影響を与えない前記副搬送波を選択した搬送波を用いてデータの送信を行う第一の送信側通信装置
を備えたことを特徴とする無線通信方式。 - 前記第一の送信側通信装置が送信する前記搬送波を傍受し、自通信装置がデータを送信しようとする通信相手先の通信装置に固有に割り当てられた副搬送波が当該搬送波において使用されていない場合に、自通信装置の周辺に位置する複数の前記通信装置の接続形態情報と前記通信装置のそれぞれに固有に割り当てられた副搬送波情報に基づき、通信相手先の通信装置を除く隣接通信装置に影響を与えない前記副搬送波を選択した搬送波を用いて、通信相手先の通信装置にデータの送信を行う第二の送信側通信装置
を更に備えたことを特徴とする請求項1に記載の無線通信方式。 - 前記第一の送信側通信装置が送信する搬送波及び前記第二の送信側通信装置が送信する搬送波の複数の搬送波から、使用されていない副搬送波を検知し、自通信装置がデータを送信しようとする通信相手先の通信装置に固有に割り当てられた副搬送波が使用されていないことを検知した場合に、自通信装置の周辺に位置する複数の前記通信装置の接続形態情報と前記通信装置のそれぞれに固有に割り当てられた副搬送波情報に基づき、通信相手先の通信装置を除く隣接通信装置に影響を与えない前記副搬送波を選択した搬送波を用いて、通信相手先の通信装置にデータの送信を行う第三の送信側通信装置
を更に備えたことを特徴とする請求項2に記載の無線通信方式。 - 自通信装置宛の前記データを受信し、自通信装置に固有に割り当てられた副搬送波のみの搬送波を用いて前記データの受信確認応答を、前記データの送信元の送信側通信装置に返送する受信側通信装置
を更に備えたことを特徴とする請求項3に記載の無線通信方式。 - 前記複数の通信装置の接続形態は、互いに1ホップで隣接する通信装置との直接通信が可能で、2ホップ先に存在する通信装置とは直接に通信ができない接続形態であり、
前記第一乃至第三の送信側通信装置は、自通信装置から2ホップ先に存在する通信装置に固有に割り当てられた副搬送波を空きの状態にした搬送波を用いてデータを送信することを特徴とする請求項4に記載の無線通信方式。 - 前記無線通信方式で用いる無線アクセス方式は、搬送波検知多重アクセス衝突回避方式を用い、直交周波数分割多重の副搬送波毎に搬送波検知を行うことを特徴とする請求項5に記載の無線通信方式。
- 前記複数の通信装置のそれぞれは、前記接続形態情報と前記副搬送波情報として、自通信装置から1ホップ先の通信装置及び2ホップ先の通信装置のそれぞれの識別子及び当該識別子に基づいて生成した副搬送波番号を含む隣接端末管理テーブルを有し、
前記識別子は、自通信装置から少なくとも4ホップ以内の各通信装置を一意に識別することができる固有の値である
ことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の無線通信方式。 - 前記通信装置の識別子は、当該通信装置のMACアドレス、IPアドレス及び当該通信装置が生成する乱数のいずれかの値を用いることを特徴とする請求項7に記載の無線通信方式。
- 前記副搬送波番号は、自通信装置の前記識別子を、自通信装置から少なくとも4ホップ以内の各通信装置において共通する方法で生成することを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の無線通信方式。
- 前記複数の通信装置のそれぞれは、自通信装置の前記識別子を含むパケットを、自通信装置から少なくとも4ホップ以内の通信装置に同報送信することを特徴とする請求項9に記載の無線通信方式。
- 前記無線通信方式で用いる無線アクセス方式は、データ送信を希望する送信装置がRTS(Request To Send:送信要求)パケットを受信装置に送信し、当該受信装置がCTS(Clear To Send:送信許可)パケットを前記送信装置に返信して前記送信装置のデータ送信を許可する方式であって、
前記第一の送信側通信装置は、自通信装置から2ホップ先に存在する通信装置に固有に割り当てられた副搬送波を空きの状態にした搬送波を用いて前記RTSパケットを送信する手段を備え、
前記受信側通信装置は、自通信装置宛の前記RTSパケットを受信し、自通信装置に固有に割り当てられた副搬送波のみの搬送波を用いて前記CTSパケットを、前記RTSパケットの送信元の前記第一の送信側通信装置に返送する手段を備える
ことを特徴とする請求項6に記載の無線通信方式。 - 前記第二の送信側通信装置は、前記第一の送信側通信装置が送信する前記RTSパケットを傍受すると、前記RTSパケットに使用されている副搬送波を識別し、自通信装置がデータを送信しようとする通信相手先の通信装置に固有に割り当てられた副搬送波が使用されていない場合に、当該通信相手先の通信装置にデータの送信を行う手段を備えることを特徴とする請求項11に記載の無線通信方式。
- 前記受信側通信装置が送信する前記CTSパケットを傍受し、前記CTSパケットに使用されている副搬送波が、自通信装置がデータを送信しようとする通信相手先の通信装置に固有に割り当てられた副搬送波である場合には、送信を抑制する第四の送信側通信装置を更に含むことを特徴とする請求項11に記載の無線通信方式。
- 自通信装置から1ホップで直接通信が可能な隣接通信装置の数に予め決めた閾値を設け、前記接続形態情報に含まれる前記隣接通信装置の数が前記閾値を下回る数となるように、自通信装置の送信電力を制御することを特徴とする請求項7記載の無線通信方式。
- 複数の通信装置が配置され、複数の副搬送波を同時に使用した搬送波により前記通信装置間でデータ送信を行う無線通信方法において、
自通信装置の周辺に位置する複数の前記通信装置の接続形態情報と前記通信装置のそれぞれに固有に割り当てられた副搬送波情報に基づき、通信相手先の通信装置を除く隣接通信装置に影響を与えない前記副搬送波を選択した搬送波を用いてデータを送信する
ことを特徴とする無線通信方法。 - 他の通信装置が送信する前記搬送波を傍受し、
自通信装置がデータを送信しようとする通信相手先の通信装置に固有に割り当てられた副搬送波が当該搬送波において使用されていない場合に、自通信装置の周辺に位置する複数の前記通信装置の接続形態情報と前記通信装置のそれぞれに固有に割り当てられた副搬送波情報に基づき、通信相手先の通信装置を除く隣接通信装置に影響を与えない前記副搬送波を選択した搬送波を用いて、通信相手先の通信装置にデータを送信する
ことを更に含むことを特徴とする請求項15に記載の無線通信方法。 - 他の複数の通信装置のそれぞれが送信する複数の搬送波から、使用されていない副搬送波を検知し、
自通信装置がデータを送信しようとする通信相手先の通信装置に固有に割り当てられた副搬送波が使用されていないことを検知した場合に、自通信装置の周辺に位置する複数の前記通信装置の接続形態情報と前記通信装置のそれぞれに固有に割り当てられた副搬送波情報に基づき、通信相手先の通信装置を除く隣接通信装置に影響を与えない前記副搬送波を選択した搬送波を用いて、通信相手先の通信装置にデータを送信する
ことを更に備えたことを特徴とする請求項16に記載の無線通信方式。 - 自通信装置宛の前記データを受信し、
自通信装置に固有に割り当てられた副搬送波のみの搬送波を用いて前記データの受信確認応答を、前記データの送信元の通信装置に返送する
ことを更に備えたことを特徴とする請求項17に記載の無線通信方法。 - 前記複数の通信装置の接続形態は、互いに1ホップで隣接する通信装置との直接通信が可能で、2ホップ先に存在する通信装置とは直接に通信ができない接続形態であり、
自通信装置から2ホップ先に存在する通信装置に固有に割り当てられた副搬送波を空きの状態にした搬送波を用いて通信相手先の通信装置にデータを送信する
ことを特徴とする請求項15乃至請求項18のいずれかの請求項に記載の無線通信方法。 - 前記接続形態情報と前記副搬送波情報として、自通信装置から1ホップ先の通信装置及び2ホップ先の通信装置のそれぞれの識別子及び当該識別子に基づいて生成した副搬送波番号を含む隣接端末管理テーブルを有し、
前記識別子は、自通信装置から少なくとも4ホップ以内の各通信装置を一意に識別することができる固有の値である
ことを特徴とする請求項19に記載の無線通信方法。 - 前記識別子は、自通信装置のMACアドレス、IPアドレス及び自通信装置が生成する乱数のいずれかの値を用いることを特徴とする請求項20に記載の無線通信方法。
- 前記副搬送波番号は、自通信装置の前記識別子を、自通信装置から少なくとも4ホップ以内の各通信装置において共通する方法で生成することを特徴とする請求項20又は請求項21に記載の無線通信方法。
- 自通信装置の前記識別子を含むパケットを、自通信装置から少なくとも4ホップ以内の通信装置に同報送信することを特徴とする請求項22に記載の無線通信方法。
- 前記無線通信方式で用いる無線アクセス方式は、搬送波検知多重アクセス衝突回避方式を用い、直交周波数分割多重の副搬送波毎に搬送波検知を行い、データ送信を希望する送信装置がRTS(Request To Send:送信要求)パケットを受信装置に送信し、当該受信装置がCTS(Clear To Send:送信許可)パケットを前記送信装置に返信して前記送信装置のデータ送信を許可する方式であって、
送信データを有する送信側通信装置は、自通信装置から2ホップ先に存在する通信装置に固有に割り当てられた副搬送波を空きの状態にした搬送波を用いて前記RTSパケットを送信し、
自通信装置宛の前記RTSパケットを受信した受信側通信装置は、自通信装置に固有に割り当てられた副搬送波のみの搬送波を用いて前記CTSパケットを、前記RTSパケットの送信元の前記送信側通信装置に返送する
ことを特徴とする請求項19に記載の無線通信方法。 - 前記RTSパケットを傍受した通信装置が、前記RTSパケットに使用されている副搬送波を識別し、自通信装置がデータを送信しようとする通信相手先の通信装置に固有に割り当てられた副搬送波が使用されていない場合に、当該通信相手先の通信装置にデータの送信を行う
ことを特徴とする請求項24に記載の無線通信方法。 - 前記CTSパケットを傍受した通信装置が、前記CTSパケットに使用されている副搬送波が、自通信装置がデータを送信しようとする通信相手先の通信装置に固有に割り当てられた副搬送波である場合には、送信を抑制する
ことを特徴とする請求項24に記載の無線通信方式。 - 自通信装置から1ホップで直接通信が可能な隣接通信装置の数に予め決めた閾値を設け、前記接続形態情報に含まれる前記隣接通信装置の数が前記閾値を下回る数となるように、送信電力を制御することを特徴とする請求項20に記載の無線通信方法。
- 複数の通信装置が配置され、複数の副搬送波を同時に使用した搬送波により前記通信装間でデータ送信が可能な無線通信方式における無線通信装置であって、
自通信装置の周辺に位置する複数の前記通信装置の接続形態情報と前記通信装置のそれぞれに固有に割り当てられた副搬送波情報に基づき、通信相手先の通信装置を除く隣接通信装置に影響を与えない前記副搬送波を選択するMAC層処理部と、
選択した前記副搬送波を含む搬送波を用いて隣接通信装置にデータの送信を行う物理層処理部と
を備えたことを特徴とする無線通信装置。 - 前記物理層処理部は、
他の通信装置が送信する前記搬送波を傍受し、自通信装置がデータを送信しようとする通信相手先の通信装置に固有に割り当てられた副搬送波が当該搬送波において使用されているか否かを識別する副搬送波受信電力検出部を含み、
前記MAC層処理部は、
前記接続形態情報と前記副搬送波情報を管理する隣接通信装置情報管理部と、
前記副搬送波受信電力検出部が、前記通信相手先の通信装置に固有に割り当てられた副搬送波が前記搬送波に使用されていないことを識別した場合に、前記接続形態情報と前記副搬送波情報に基づき、前記通信相手先の通信装置を除く隣接通信装置に影響を与えない副搬送波を選択して、前記通信相手先の通信装置へのデータ送信を前記物理層処理部に指示する送信副搬送波決定部を含む
ことを特徴とする請求項28に記載の無線通信装置。 - 前記副搬送波受信電力検出部は、他の複数の通信装置のそれぞれが送信する複数の搬送波から、使用されていない副搬送波を検知する検知手段を含み、
前記送信副搬送波決定部は、自通信装置がデータを送信しようとする通信相手先の通信装置に固有に割り当てられた副搬送波が使用されていないことを前記副搬送波受信電力検出部が検知した場合に、前記接続形態情報と前記副搬送波情報に基づき、前記通信相手先の通信装置を除く隣接通信装置に影響を与えない副搬送波を選択する第一の副搬送波選択手段を含む
ことを特徴とする請求項29に記載の無線通信装置。 - 前記隣接通信装置情報管理部は、自通信装置に固有に割り当てられた副搬送波情報を管理し、
前記送信副搬送波決定部は、自通信装置宛に受信したデータの受信確認応答を当該データの送信元の通信装置に返送する際、前記副搬送波情報に基づき自通信装置に固有に割り当てられた副搬送波のみを選択する第二の副搬送波選択手段を含む
ことを特徴とする請求項28乃至請求項30のいずれかの請求項に記載の無線通信装置。 - 前記複数の通信装置の接続形態は、互いに1ホップで隣接する通信装置との直接通信が可能で、2ホップ先に存在する通信装置とは直接に通信ができない接続形態であり、
前記送信副搬送波決定部は、自通信装置から2ホップ先に存在する通信装置に固有に割り当てられた副搬送波を空きの状態にした搬送波を用いてデータを送信することを前記物理層処理部に指示することを特徴とする請求項31に記載の無線通信装置。 - 前記無線通信方式で用いる無線アクセス方式は、搬送波検知多重アクセス衝突回避方式を用い、直交周波数分割多重の副搬送波毎に搬送波検知を行うことを特徴とする請求項32に記載の無線通信装置。
- 前記隣接通信装置情報管理部は、前記接続形態情報と前記副搬送波情報として、自通信装置から1ホップ先の通信装置及び2ホップ先の通信装置のそれぞれの識別子及び当該識別子に基づいて生成した副搬送波番号を含み、
前記識別子は、自通信装置から少なくとも4ホップ以内の各通信装置を一意に識別することができる固有の値である
ことを特徴とする請求項32又は請求項33に記載の無線通信装置。 - 前記識別子は、当該通信装置のMACアドレス、IPアドレス及び当該通信装置が生成する乱数のいずれかの値を用いることを特徴とする請求項34に記載の無線通信装置。
- 前記副搬送波番号は、自通信装置の前記識別子を、自通信装置から少なくとも4ホップ以内の各通信装置において共通する方法で生成することを特徴とする請求項34又は請求項35に記載の無線通信装置。
- 前記隣接通信装置情報管理部は、自通信装置の前記識別子を含むパケットを、自通信装置から少なくとも4ホップ以内の通信装置に同報送信して前記接続形態情報を生成することを特徴とする請求項36に記載の無線通信装置。
- 前記無線通信方式で用いる無線アクセス方式は、データ送信を希望する送信装置がRTS(Request To Send:送信要求)パケットを受信装置に送信し、当該受信装置がCTS(Clear To Send:送信許可)パケットを前記送信装置に返信して前記送信装置のデータ送信を許可する方式であって、
前記送信副搬送波決定部は、
前記RTSパケットを送信するにあたり、自通信装置から2ホップ先に存在する通信装置に固有に割り当てられた副搬送波を空きの状態にした副搬送波を選択する手段と、
自通信装置宛の前記RTSパケットを受信し、前記RTSパケットの応答として前記CTSパケットを送信するにあたり、自通信装置に固有に割り当てられた副搬送波のみを選択する手段と
を備えることを特徴とする請求項33に記載の無線通信装置。 - 前記副搬送波受信電力検出部は、前記RTSパケットを傍受して前記RTSパケットに使用されている副搬送波を検知する手段を含み、
前記第一の副搬送波選択手段は、自通信装置がデータを送信しようとする通信相手先の通信装置に固有に割り当てられた副搬送波が、前記RTSパケットに使用されていないことを前記副搬送波受信電力検出部が検知した場合に、前記接続形態情報と前記副搬送波情報に基づき、自通信装置から2ホップ先に存在する通信装置に固有に割り当てられた副搬送波を空きの状態にした副搬送波を選択する手段を含む
ことを特徴とする請求項38に記載の無線通信装置。 - 前記副搬送波受信電力検出部は、前記CTSパケットを傍受して前記CTSパケットに使用されている副搬送波を検知する手段を含み、
前記CTSパケットに使用されている副搬送波が、自通信装置がデータを送信しようとする通信相手先の通信装置に固有に割り当てられた副搬送波である場合には、送信を抑制する制御手段を更に含むことを特徴とする請求項38に記載の無線通信装置。 - 自通信装置から1ホップで直接通信が可能な隣接通信装置の数に予め決めた閾値を設け、前記接続形態情報に含まれる前記隣接通信装置の数が前記閾値を下回る数となるように、自通信装置の送信電力を制御する手段を有することを特徴とする請求項34記載の無線通信装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009001228A JP2010161516A (ja) | 2009-01-07 | 2009-01-07 | 無線通信方式、方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2010161516A true JP2010161516A (ja) | 2010-07-22 |
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ID=42578369
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JP2009001228A Withdrawn JP2010161516A (ja) | 2009-01-07 | 2009-01-07 | 無線通信方式、方法及び装置 |
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JP (1) | JP2010161516A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012105036A (ja) * | 2010-11-10 | 2012-05-31 | Panasonic Corp | 無線通信システム、無線端末及びプログラム |
JP2013090012A (ja) * | 2011-10-13 | 2013-05-13 | Toyota Infotechnology Center Co Ltd | 無線通信システムおよび無線通信装置 |
US9020557B2 (en) | 2011-11-30 | 2015-04-28 | Fujitsu Limited | Wireless communication apparatus and method for wireless communication |
JP2017526275A (ja) * | 2015-03-10 | 2017-09-07 | 株式会社東芝 | 露出ノード問題を軽減するためのワイヤレス通信の方法及び装置 |
-
2009
- 2009-01-07 JP JP2009001228A patent/JP2010161516A/ja not_active Withdrawn
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