JP3812838B2 - 無線チャネル数の制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、多数の無線ノードがメッシュ状に配置されたネットワークにおいて、対向ノード間に無線チャネルを追加、あるいは既設の無線チャネルを削除して無線チャネル数を制御する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
無線通信を行う複数の無線ノードを分散配置して構成され、リンクのトポロジーがメッシュ状である従来の無線ネットワークでは、各無線リンクに対して無線チャネルが固定的に割り当てられていた。このため、各無線リンクにおける伝送品質の変動によって発生する迂回トラヒックに対して無線リンク帯域を有効に割り当てることが不可能であり、迂回トラヒックの通過する無線リンクが過負荷となるなどの問題があった。
【0003】
また、インターネットをはじめとするデータ通信においては、無線ノード間でのトラヒック需要の偏在性から、無線リンク上のトラヒック需要が無線リンク毎に異なり、また、これが時間と共に変動することが考えられる。
【0004】
このようなトラヒック需要の時間的な変動に対しても、従来のメッシュ型無線通信システムでは無線リンク帯域を有効に利用することが不可能であった。このため、各無線リンク毎の最大トラヒック需要を元に無線リンク帯域を設計した場合には、トラヒックが少ない時間帯に容量が過剰となる。また、平均的なトラヒック需要に基づいて無線リンク帯域を設計した場合には、トラヒックが多い時間帯に過負荷が発生する。
【0005】
一方、トラヒック量の増減やネットワークトポロジの変動に応じて、既設の無線リンクに無線チャネルを追加したり、あるいは既設の無線リンクから無線チャネルの一部を削除したり、あるいはノード間に無線チャネルを新規に立ち上げて無線リンクを新たに確立するなどの無線チャネル数の制御を、特別な制御ノードにより一括して行うことも考えられる。
【0006】
しかしながら、一つの制御ノードが、メッシュ網に存在する全てのノードのトラフィック情報およびネットワークトポロジを把握して各リンクの適正チャネル数を算出し、その結果を全てのノードへ正確に配信することは、制御ノードの負荷増大、瞬時変動するトラフィック量への追従性、あるいはネットワークのスケーラビリティなどの点から非現実的である。
【0007】
そこで、特定の制御ノードが集中制御するのではなく、各ノードが近隣の情報を得ながら、自ノードで終端する無線リンクに対して適正な数の無線チャネルを割り当てる「自律分散型」のチャネル数制御が有効と考えられる。
【0008】
なお、無線メッシュ網におけるチャネル割当に関しては、特願2002−70258号あるいは特願2002−70259号に開示されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
各ノードがトラフィック量やネットワークトポロジを把握して最適なチャネル数を独自に求め、自ノードで終端する無線リンクのチャネル数を自律分散的に増減すると、例えば無線リンクを挟んで対向する一対のノードのいずれもが当該無線リンクに対してチャネル数の制御を行う場合などに、一方のノードによる要求が「無線チャネルの追加」であるのに対して、他方のノードによる要求が「無線チャネルの削除」あるいは「現状維持」であると、当該無線リンクに対して無線チャネルを「追加」する処理と「削除」する処理とが頻繁に繰り返されてしまう事態が起こり得る。
【0010】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、自律分散型のメッシュ網において、各無線リンクのチャネル数を適正値に制御できる無線チャネル数の制御方法を提供することになる。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、複数の無線ノードがメッシュ状に配置されるネットワーク上で、自ノードと対向ノードとを接続する無線リンクのチャネル数を制御する無線チャネル数の制御方法において、以下の手順を含むことを特徴とする。
(1)自ノードで一端が終端される少なくとも一つの無線リンクに要求されるチャネル数をネットワークの状態に基づいて求める手順
(2)各無線リンクに確立されている現行チャネル数と要求チャネル数との差分に基づいて、チャネルの増減方向および増減数を代表する変数mを無線リンクごとに設定する手順
(3)今回の処理対象リンクを選択する手順
(4)選択された今回の処理対象リンクに関して、その変数mに応じたチャネルの追加/削除要求を対向ノードへ通知してチャネルを追加または削除する手順
(5)追加または削除の実績に基づいて前記変数mを更新する手順
(6)全ての無線リンクにおけるチャネルの追加/削除が終了するまで、前記処理対象リンクを選択する手順へ戻ってその後の手順を繰り返す手順
【0012】
さらに、前記各手順とは別に、
(7)対向ノードから通知されるチャネルの追加/削除要求を受信する手順
(8)追加/削除要求に応答してチャネルを追加または削除する手順
(9)追加または削除の実績に基づいて変数mを更新する手順
【0013】
そして、手順(8)でチャネルを追加または削除した際に、そのチャネルの増減方向が手順(4)でチャネルを追加または削除する際のチャネルの増減方向と異なる場合に変数mを更新しないようにした。
【0014】
上記した特徴によれば、自ノードでネットワークトポロジ等に基づいてリンクごとに求めたチャネルの増減方向と、対向ノードから当該リンクに対して要求されたチャネルの増減方向とが異なる場合には、対向ノードからの要求に応じてチャネルが追加又は削除されても変数mが更新されない。ここで、変数mは自ノードにおけるチャネルの追加および削除の実行回数を代表でき、変数mが更新されなければ実行回数が増加しない。したがって、自ノードで求めたチャネルの増減方向と対向ノードから要求されたチャネルの増減方向とが異なる場合に対向ノードからの要求に応じてチャネルを追加または削除しても自ノードにおいて実行しなければならないチャネルの追加および削除回数が増えず、その結果、チャネル追加および削除が無駄に繰り返されてしまうことを防止できる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明が適用される無線ネットワークの構成を示した図であり、ここでは、メッシュ状に配置された複数の固定無線ノードNが、自ノードと対向ノードとを接続する無線リンクLのチャネル数を自律分散的に制御する。
【0016】
図2は、前記無線メッシュ網の一部を抜き出して示した図であり、ノードNに着目すると、これに隣接してノードN1、N2、N3、N4が配置されている。各ノードには対向ノードに向けてパラボラアンテナ等の指向性の鋭いアンテナがそれぞれ設けられており、ノードNは対向ノードN1、N2、N3、N4との間に、それぞれ少なくとも一つの無線チャネルを含む無線リンクL1、L2、L3、L4を確立する。
【0017】
図3は、各無線ノードに搭載される無線通信システムの主要部の構成を示したブロック図であり、本実施形態では各無線ノードが同等の構成を有する。
【0018】
ノードNは、屋外無線装置2および屋内無線装置3を含む。屋外無線装置2は、複数の屋外無線ユニット(#1〜#n)21を含む。屋内無線装置3は、複数の無線チャネルユニット(#1〜#n)33、スイッチ31、無線チャネルマネージャ(CHM)32およびネットワーク制御装置34を含む。
【0019】
前記ネットワーク制御装置34は、ネットワークトポロジや各無線リンクのトラヒック量を監視し、各無線リンクL1〜L4に割り当てる適正なチャネル数を求めて無線チャネルマネージャ32へ通知する。無線チャネルマネージャ32は、各無線チャネルユニット33(#1〜#n)を、前記ネットワーク制御装置33からの通知に応答した個数だけ各無線リンクL1〜L4に動的に割り当てる。前記各無線チャネルユニット33は、対向ノードの無線チャネルユニットとの間でTDD方式の無線チャネルを確立し、そのTDDフレームやTDDバウンダリを制御する。前記スイッチ31は、各無線チャネルユニット33(#1〜#n)を前記割り当て結果に基づいて各無線リンクL1〜L4に接続する。
【0020】
次いで、本実施形態の動作をフローチャートに沿って詳細に説明する。図4は、本実施形態の動作を示したフローチャートであり、ここでは、前記図2に示したように、対向する4つのノードN1,N2、N3、N4との間に、それぞれ無線リンクL1,L2,L3,L4を確立するノードNの動作を例にして説明する。
【0021】
ステップS1では、ネットワーク制御装置34から要求チャネル数Lreqが通知されたか否かが判定される。前記ネットワーク制御装置34は、ネットワークトポロジやトラヒック量に基づいて、一端が自ノードで終端される各無線リンクL1,L2,L3,L4に適正なチャネル数を定期的または不定期に演算し、演算結果を要求チャネル数Lreq(Lreq(1)〜Lreq(4))として無線チャネルマネージャ32の所定のメモリ領域に書き込む。無線チャネルマネージャ32は前記メモリ領域をフレームごとに参照し、要求チャネル数Lreqが新規に通知されていればステップS2へ進む。
【0022】
ステップS2では、リンクL1に対する要求チャネル数Lreq(1)から当該リンクL1の現行チャネル数Lcrt(1)を減じた値[Lreq(1)−Lcrt(1)]が、チャネルの増減方向および増減数を代表する変数として、ここでは追加/削除処理の実行回数m(L1)に設定される。同様に、他の無線リンクL2,L3,L4に関しても実行回数m(L2),m(L3),m(L4)が設定される。
【0023】
本実施形態では、図5に示したように、各無線リンクL1,L2,L3,L4の現行チャネル数Lcrt(L1),Lcrt(L2),Lcrt(L3),Lcrt(L4)を、それぞれ「2」,「1」,「0」,「0」とする。また、各無線リンクに対する要求チャネル数Lreq(L1),Lreq(L2),Lreq(L3),Lreq(L4)を、それぞれ「1」,「3」,「1」,「1」とする。したがって、各無線リンクの追加/削除処理の実行回数m(L1),m(L2),m(L3),m(L4)は、それぞれ「−1」,「2」,「1」,「1」となる。既に明らかなように、本実施形態ではm>0であればチャネルの追加要求であり、m<0であればチャネルの削除要求である。
【0024】
なお、前記各無線リンクL1,L2,L3,L4の実行回数m(L1),m(L2),m(L3),m(L4)は、上記とは別に、各無線リンクにおいてチャネルのダウンが検知されるごとに「1」だけ追加(m=m+1)され、さらに、停電等からの復旧時に屋外無線ユニット21が自動的に運用状態へ移行したことを検知したときにはm=1とされる。
【0025】
ステップS3では、チャネル追加/削除処理の必要な処理候補リンクの有無が前記実行回数mに基づいてノード単位で判定される。全てのリンクの実行回数mが「0」であれば、当該ノードに関してはチャネル追加/削除処理が不要なので終了する。これに対して、図5に示したように、実行回数mが「0」以外のリンクが一つでも存在すれば、チャネル追加/削除処理を実行すべくステップS4へ進む。
【0026】
ステップS4では、チャネル追加をチャネル削除よりも優先させるために、チャネル追加の必要なリンク(m>0)であって、かつ次の条件(1),(2)を満足するリンクの有無が判定される。
【0027】
条件1:(FL=1かつnf>0)
【0028】
条件2:(FL=0かつnf−nF>0)
【0029】
ここで、「FL」は追加しようとするチャネルがリンクを新規に確立するために最初に立ち上げられるリンク第1チャネル(FL=1)、および既存のリンクに追加される通常チャネル(FL=0)のいずれであるかを示す識別子である。本実施形態では、図5に示したように、リンクL1,L2のFLは「0」,リンクL3,L4のFLは「1」である。「nf」は、空きチャネル数すなわち空きCHU数を示す。「nF」は、前記リンク第1チャネルの追加が必要なリンク数、すなわち新規に確立されるリンク数を示す。本実施形態では、リンク第1チャネルの追加が必要なリンクはL3,L4の2つなので、前記「nF」が「2」となる。
【0030】
したがって、前記条件1が成立すれば、リンク第1チャネルの追加が要求されたときに空きCHUが存在することを示し、条件2が成立すれば、通常チャネルの追加が要求されたときに、空きCHU数からリンク第1チャネルの追加が必要なリンク数を減じても、さらに空きCHUが存在することを意味する。条件1、条件2のいずれかが成立すればステップS5へ進む。
【0031】
ステップS5では、m>0のリンクすなわちチャネル追加対象のリンクが処理対象リンクとして選択される。図5に示したように、複数の処理対象リンク(m>0)が存在する場合には、その中のいずれかが今回の処理対象リンクとしてランダムに選択される。ステップS6では、選択された処理対象リンクに関して、リンク第1チャネルの追加および通常チャネルの追加のいずれが要求されているかが判定される。ここで、今回の処理対象リンクがL2であれば、通常チャネルの追加(FL=0)と判断されてステップS7へ進み、ここで「通常チャネルの追加処理」が実行される。
【0032】
ステップS7の「チャネル追加処理」では、始めに、自ノードに対する対向ノードからのチャネル追加あるいはチャネル削除を禁止するためのノードロックが実行(S7a)され、次いで、対向ノードへチャネル追加要求が送信(S7b)されて、追加するチャネルの周波数スロットやTDDバウンダリに関する取り決め、および時刻同期等に関するネゴシエーションが既存の無線チャネルを介して実行され、その後、周知の手順で無線チャネルが確立(S7c)される。
【0033】
ステップS8では、チャネルの追加に成功したか否かが判別される。成功していればステップS9へ進み、今回の処理対象リンクに関する実行回数mが更新される。すなわち、前記リンクL2に対するチャネルの追加が成功していれば、その実行回数m(L2)が現在の「2」から「1」へ更新される。ステップS10では、前記ステップS7aでセットされたノードロックが解除される。
【0034】
次の周期では、ステップS1からステップS3へジャンプし、ここでは、未だに全てのリンクに関して、その実行回数mが「0」ではないのでステップS4,S5へ進む。
【0035】
ステップS5において、例えばリンクL3が今回の処理対象リンクとして選択されると、ステップS6において、リンク第1チャネルの追加と判断されてステップS15へ進む。ステップS15では、リンク第1チャネルの追加を要求されたリンクが複数存在するときに、全てのリンクで同時にチャネル追加処理を実行できるだけの空きCHUが存在するか否かが判定される。そのために、ステップS15では(nf−nF)を求め、これが「0」以上であれば、全てのリンクで同時にチャネル追加処理を実行できるのでステップS20へ進む。
【0036】
これに対して、(nf−nF)が「0」未満であればステップS16へ進む。なお、前記ステップS4において、前記条件1,条件2のいずれもが成立しないと判定された場合もステップS16へ進む。
【0037】
図5に示した例では、リンク第1チャネルの追加が必要なリンク数nFがL3、L4の「2」なので、空きCHU数nfが「2」以上であればステップS20へ進み、空きCHU数nfが「2」未満であればステップS16へ進む。
【0038】
ステップS16では、チャネル削除を実行して空きCHU数を増やすために、チャネル削除対象リンク(m<0)の有無が判別される。本実施形態では、リンクL1がチャネル削除対象リンクなのでステップS17へ進む。ステップS17の「チャネル削除処理」では、始めにリンクL1に確立されている複数のチャネルのうちの一つが削除チャネルとして選択(S17a)される。次いで、自ノードに対する対向ノードからのチャネル追加あるいはチャネル削除を禁止するためのノードロックが実行(S17b)され、次いで、対向ノードへチャネル削除要求が送信(S17c)され、その後、チャネルが削除(S17d)される。
【0039】
ステップS8において、チャネルの削除に成功したと判定されるとステップS9へ進み、今回の処理対象リンク(L1)に関する実行回数mが更新される。すなわち、その実行回数m(L1)が現在の「−1」から「0」に更新される。ステップS10では、前記ステップS17bでセットされたノードロックが解除される。
【0040】
なお、チャネルの追加または削除に失敗すると、当該処理はステップS8からステップS11へ進み、前記ステップS7aまたはS17bでセットされたノードロックが解除される。ステップS12では所定時間待機し、その後、当該処理を終了する。すなわち、チャネルの追加または削除に失敗する原因の多くは、対向ノードでも同様の処理が実行されていたためにノードがロック状態であったことなので、本実施形態では、対向ノードにおけるチャネル追加/削除処理が終了するまでステップS12で待機するようにした。
【0041】
一方、前記ステップS16において、チャネル削除対象のリンクが存在しないと判定されるとステップS18へ進む。ステップS18では、空きCHUの有無が判定され、空きCHUが存在しなければチャネルを追加できないので当該処理を終了する。
【0042】
空きCHUが存在すればステップS19へ進み、リンク第1チャネルの追加を要求された全てのリンクへ同時にチャネルを追加するのを諦めて、空きCHU数分のリンクをランダムに選択し、その後、ステップS20へ進む。
【0043】
ステップS20では、後に詳述する「リンク第1チャネルの確立処理」が実行され、対向ノードとの間にリンク第1チャネルが新規に立ち上げられ、これにより、無線リンクが新規に確立される。
【0044】
ステップS21では、チャネルの追加に成功したか否かが判別される。成功していればステップS9へ進み、今回の処理対象リンクに関する実行回数mが更新される。たとえば、前記リンクL3に対するチャネルの追加が成功していれば、その実行回数m(L2)すなわちリンクL2に対して追加の必要なチャネル数が、それまでの「1」から「0」へ更新される。ステップS10では、前記ステップ20でセットされたノードロックが解除される。
【0045】
図6,7,8,9は、前記ステップS20で実行される「リンク第1チャネルの確立処理」の詳細を示したフローチャートであり、図10は、そのタイミングチャートである。
【0046】
TDMA/TDD方式を採用した無線ネットワークでは、ネットワーク内の各ノードが利用できる複数の周波数スロット(FID)が予約されており、無線通信を行おうとする対向ノードは同一のFIDを利用して送受信を行う必要がある。したがって、無線チャネルを新たに立ち上げるのであれば、そのための対向ノードとのネゴシエーションを予め行う必要がある。
【0047】
ここで、前記ステップS7に関して説明した「通常チャネルの追加」であれば、チャネルを追加しようとしているリンクには、既に少なくとも一つの無線チャネルが確立されているので、当該無線チャネルを利用して対向ノード間でネゴシエーションを行って、追加しようとしている無線チャネルのFIDやTDDバウンダリを決定し、時刻同期を確立することができる。
【0048】
これに対して、「リンク第1チャネルの追加」では、上記したような事前のネゴシエーションが不可能である。そのために、本実施形態では以下に詳述するように、対向する一対の無線ノードを送信ノードまたは受信ノードとしてランダムに動作させると共に、送信ノードとして動作する無線ノードは、予約されている複数のFIDを切り換えながらユニークワードUWを繰り返し送信する一方、受信ノードとして動作する無線ノードも、予約されている複数のFIDを切り換えながらユニークワードUWの受信に備える。
【0049】
このようにすることで、対向する無線ノード同士が、同一のFIDで一方が送信ノード、他方が受信ノードで動作するタイミングが確率的に存在し、当該タイミングが訪れれば対向ノード間でネゴシエーションを行って無線チャネルの同期を確立できる。
【0050】
ここでは、対向する無線ノード間にリンク第1チャネルを新規に立ち上げて無線リンクを新規に確立する場合の各無線ノードの動作を、図2において相互に対向する無線ノードN,N3間に無線リンクL3を新規に確立する場合を例にして説明する。
【0051】
ノードNでは、図10の時刻t11においてリンク確立スイッチが投入されると、図6のステップS31において、無線チャネルマネージャ(CHM)32によりイニシャル処理が実行される。このイニシャル処理では、後に詳述するように、現在の他の無線リンクにおける無線チャネルの利用状況に基づいて、新規に無線チャネルを立ち上げられる条件が整っているか否かが予め判断される。そして、空きFID不足が原因で無線チャネルの新規立ち上げ条件が整っていない場合に、複数のチャネルを含むリンクから一部のチャネルを削除して空きFIDを確保したり、空きFIDを確保できない場合に当該処理を中断するなどの前処理が実行される。ここでは、新規に無線チャネルを立ち上げられる条件が整っているものとして説明を続ける。
【0052】
ステップS32では、対向ノードからのチャネル追加要求および削除要求に対して応答できないように、自ノードにロック処理を施す。ステップS33では、無線チャネルマネージャ32が自ノードの今回の動作パターンを「送信」および「受信」のいずれかにランダムに決定し、その結果を対応する無線チャネルユニット(CHU)33へ通知する。動作パターンの決定はノード単位で行われ、複数の無線チャネルユニットが無線チャネルを同時に立ち上げようとする場合には、全ての無線チャネルユニットが「送信」および「受信」のいずれかに振り分けられる。
【0053】
ステップS34では、前記ステップS33で決定された今回の動作パターンが判別され、「送信」であれば図8のステップS51へ進み、「受信」であれば図9のステップS71へ進む。ここでは、ノードNが「送信」に決定されたものとして図8のステップS51へ進む。
【0054】
ステップS51では、予約されている複数のFID(ここでは、F1〜F7)から、いずれのリンクにも未だ割り当てられていない未割当のFIDの全てが、新規に確立しようとするリンクL1に割り当てられるFIDの候補(以下、「割当候補」と表現する場合もある)として選択される。ステップS52では、選択された複数の割当候補の中から、別途に定められたデフォルト周波数プランで定義された優先順位に基づいて、優先度の最も高いFIDが、今回のユニークワード送信用のFIDとして選択され、ノードN3に対応する無線チャネルユニット(CHU)に設定される。
【0055】
本実施形態では、図11に示したように、7つのFID(F1〜F7)の優先度がデフォルト周波数プランで定義されており、その優先順位はF4>F2>F7>F5>F3>F6>F1である。したがって、全てのFIDが未割当ならば、優先度の最も高いFID(F4)が今回のUW送信用FIDとして選択される。なお、無線リンクを新規に確立しようとしている無線チャネルユニット(CHU)が複数存在する場合には、リンク間の干渉を避けるために、ステップS52では、無線チャネルユニット(CHU)ごとに異なるFIDが選択される。
【0056】
ステップS53では、選択されたFID(ここでは、F4)を利用して、フレームの全期間にわたってユニークワードUWを送信する全送信モード(Tx)が起動(時刻t12)され、ユニークワードUWが1フレーム分だけ連続的に送信される。1フレーム分の送信動作を完了すると、ステップS54では、フレームの全期間にわたってユニークワードUWの受信に備える全受信モード(Rx)が起動(時刻t13)され、これが所定の複数フレーム分だけ継続される。
【0057】
ステップS55では、前記全受信モード(Rx)の期間中に前記ユニークワードUWに対する応答信号ACK(UW)が受信されたか否かが判定される。応答信号ACK(UW)を受信できなければステップS52へ戻り、FIDを現在のF4から次に優先度の高いF2に切り換えて(時刻t14)、前記と同様に、ユニークワードUWの全送信モード(Tx)および全受信モード(Rx)を順次起動する。
【0058】
一方、ノードN3では、図10の時刻t21でリンク確立スイッチが投入されると、図6のステップS31において、後述するイニシャル処理を実行した後、ステップS32においてノードロック処理を行い。ステップS33では、前記ノードNと同様に、自ノードの今回の動作パターンを「送信」および「受信」のいずれかにランダムに決定する。ステップS34では今回の動作パターンが判別され、ここでは「受信」に決定されたものとして図9のステップS71へ進む。
【0059】
ステップS71では、予約されている複数のFID(F1〜F7)の中から、未割当のFID、および複数のチャネルから構成されるリンクのいずれかのチャネルで運用されており、かつ複数のリンクで共有されていないFIDが割当候補として選択される。ステップS72では、選択された複数の割当候補の中から、優先度の最も高いFID(本実施形態では、F4)が今回のユニークワード受信用のFIDとして選択され、ノードN4に対応する無線チャネルユニット(CHU)に設定される。
【0060】
なお、「受信ノード」として動作するノードN3では、前記「送信ノード」として動作するノードNとは異なり、無線リンクを新規に確立しようとしている無線チャネルユニット(CHU)が複数存在する場合でも、全ての無線チャネルユニット(CHU)で同一のFIDが選択される。これにより、ユニークワードUWの誤検出が最小限に抑えられる。
【0061】
ステップS73では、選択されたFIDを利用して、フレームの全期間にわたってユニークワードUWの受信に備える全受信モード(Rx)が起動(時刻t22)される。なお、今回のFIDが自ノードの他のリンクで運用中ならば、この運用チャネルからの干渉を避けるために、運用チャネルとTDDバウンダリおよびその送受信タイミングを一致させることが望ましい。
【0062】
ステップS74では、ユニークワードUWの受信の有無が判定される。図10に示した例では、この時点でノードNのFIDがF2に切り替わっており、両者のFIDが一致しないので、ノードN3ではユニークワードUWを受信できない。したがってステップS84へ進み、全受信モード(Rx)が所定期間だけ経過したか否かが判定される。最初は所定期間が未だ経過していないと判定されるのでステップS74へ戻り、前記全受信モード(Rx)が継続される。
【0063】
その後、時刻t15でノードNのFIDがF4に切り替わり、ユニークワードUWの送信が開始されると、ノードN3はFIDがF4の全受信モード中なので、ステップS74において当該ユニークワードUWを受信(時刻t23)してステップS75へ進む。ステップS75では、今回のFID(F4)が他のリンクにおいて既に運用中であるか否かが判定される。運用中でなければステップS76へ進み、当該ユニークワードUWに対して応答信号ACK(UW)を返信し続ける(時刻t24〜t25)。
【0064】
これに対して、今回のFID(F4)が他のリンクにおいて既に運用中であればステップS86へ進み、TDDバウンダリおよびその送受信タイミングを前記運用中のチャネルに合わせたうえで応答信号ACK(UW)を返信する。ステップS87では、前記運用中のチャネルを削除する「チャネル削除処理」が実行される。
【0065】
この「チャネル削除処理」では、今回のFID(F4)と同一のFIDで運用中のチャネルを含むリンクに他のFIDによるチャネルも確立されているか否か、すなわちFIDの異なる他のチャネルが並列的に確立されているか否かを判別し、他のチャネルが確立されているならば、前記F4で運用中のチャネルが削除される。他のチャネルが確立されていなければ、今回のFID(F4)によるチャネル確立を中止してステップS72へ戻る。
【0066】
ステップS77では、一定期間(時刻t25〜t26)だけ応答信号ACK(UW)の送信を停止する。ステップS78では、無線チャネルマネージャ32から無線チャネルユニット33に対して同期マスタとしての動作が指示され、この無線チャネルユニットが同期マスタへ移行する。ステップS79では、同期確立用のユニークワードUW(SYN)を送信して同期確立処理を実行する。
【0067】
なお、今回のFIDによる全受信モードが所定期間を経過してもユニークワードUWを受信できない場合にはステップS74,S84を経由してステップS85へ進み、前記ステップS71で選択された割当候補の全てのFIDに関して前記ステップS72〜S74、S84の各処理が実行されたか否かが判定される。各処理を実行していないFIDが存在すれば、ステップS72へ戻って次のFIDを選択し、上記したステップS72〜S74、S84の各処理を繰り返す。
【0068】
図8へ戻り、このとき送信ノードとして動作中のノードNは、受信ノードとして動作中のノードN3が前記ステップS76で返信した応答信号ACK(UW)をステップS55で受信(時刻t16)すると、ステップS56では、各無線チャネルユニットに対して全受信モードの継続が指示される。ステップS57では、前記応答信号ACK(UW)の受信から所定の期間内に当該応答信号ACK(UW)を受信できなくなったか否かが判定される。この応答信号ACK(UW)が正規の対向ノードN3から返信されていれば、ノードN3が前記ステップS77で応答信号ACK(UW)の送信を一時的に停止し、したがって、ノードNでは当該応答信号ACK(UW)を受信できなくなるのでステップS58へ進む。ステップS58では、前記応答信号ACK(UW)が受信できなくなってから所定期間内に同期確立用のユニークワードUW(SYN)を受信できたか否かが判定される。前記応答信号ACK(UW)が正規の対向ノードN3から返信されたものであれば、ノードN3が前記ステップS79で同期確立用のユニークワードUW(SYN)を送信し、これを受信できるのでS59へ進む。ステップS59では、ノードNの各無線チャネルユニットに同期スレーブでの動作が指示される。ステップS60では、ノードN3との間で同期確立処理が実行される。
【0069】
同期確立処理が終了すると、ノードN,N3のいずれにおいても、ステップS61(S80)において同期が確立されたか否かが判定され、同期が確立されれば、ステップS62(S81)でノードIDを交換し合う。ステップS63(S82)では、ノードIDが既登録であるか否か、および既登録であれば受信したノードIDと既登録のノードIDとが一致するか否かが判定される。そして、ノードIDが未登録、または一致すると判断されれば当該処理を終了する。なお、ノードIDが不一致と判断されれば、ステップS64(S83)においてアラームが出力される、あるいは送信を停止してリンクを切断する。
【0070】
このように、本実施形態によればノードIDの交換手順が追加されているので、例えばリンク確立後に降雨減衰等によりリンクが遮断され、その後、リンクを再確立する場合でも、相手ノードが正規の対向ノードであるか否かを確実に認識できるようになる。
【0071】
次いで、前記図6のステップS31で実行されるイニシャル処理について説明する。図7はイニシャル処理の手順を示したフローチャートであり、ここでは、無線ノードN,N3が自ノードを一端として確立できる無線リンクの最大値Gmaxが「4」であるものとして説明する。
【0072】
ステップS41では、無線リンクの新規確立に必須の「第1条件」が成立しているか否かが判定され、ここでは、利用可能なFID数を「Nfid」としたときに、次式(1)の条件が成立しているか否かが判定される。そして、「条件1」が成立すれば、リンクを立ち上げるFIDが少なくとも一つは存在するのでステップS42へ進み、「条件1」が成立しなければ、無線リンクの新規立ち上げが不可能な場合が有り得ると判断して当該処理を直ちに終了する。
【0073】
Nfid>2(Gmax−1) … (1)
【0074】
すなわち、図12に示したように、Gmaxが「4」であるときに前記条件(1)が成立せず、利用可能なFID数Nfidが「6」(:F1〜F6)であると、図12に示したように、ノードNのリンクLaがFID(F1)の無線チャネルを利用し、リンクLbが同F2の無線チャネルを利用し、リンクLcが同F5の無線チャネルを利用している状況下では、空きFIDが3つのみ(F4,F5,F6)となる。したがって、ノードN3の各リンクLd,Le,Lfがそれぞれ、FIDがF2,F3,F4の無線チャネルを利用していれば、F5,F6がノードN,N3に共通する空きFIDとなるので、このF5,F6のいずれかを利用して無線チャネルを新規に確立することができる。
【0075】
しかしながら、ノードN3の各リンクLd,Le,Lfがそれぞれ、図13に示したように、FIDがF4,F5,F6の無線チャネルを利用していれば、ノードN,N3に共通する空きFIDが存在しないので、ノードN,N3に無線リンクを新規に立ち上げることが物理的に不可能となる。すなわち、利用可能なFID数Nfidが、Gmax(ここでは、「4」)から「1」だけ減じた値の2倍(ここでは、「6」)以下であると、無線リンクを新規に立ち上げることが物理的に不可能な場合がある。
【0076】
これに対して、利用可能なFID数Nfidが前記「条件1」を満足し、Gmaxから「1」だけ減じた値の2倍よりも大きい「7」以上であれば、少なくとも一つのFIDが空きFIDとなるので、無線リンクを新規に立ち上げることが物理的には可能になる。
【0077】
そこで、本実施形態では「条件1」として上式(1)を定め、この「条件1」が成立しないときには、その後の処理を全て中断するようにしている。
【0078】
ステップS42では、前記「条件1」が満足されていることを前提として、さらに別の観点から、ノードN,N3間に新規に無線チャネルを立ち上げられる「条件2」が整っているか否かが判断される。
【0079】
すなわち、一つのリンクに複数のチャネルが張られている場合には、上記第1条件が成立していても、未割当のFIDが不足してしまう場合がある。一方、このような場合であっても、複数のチャネルが張られているリンクに関しては、少なくとも一つのチャネルを残せば他のチャネルを削除しても当該リンクは保持され、削除したチャネルで利用されていたFIDを未割当として活用できる。
【0080】
このような観点から、本実施形態では、いずれのリンクにも割り当てられていない未割当のFID数を「f」、チャネル数が「1」のリンクに割り当てられているFID数を「k」としたとき、次式(2)で表される条件が成立しているか否かが判定される。
【0081】
f>k … (2)
【0082】
すなわち、上記した実施形態では、対向する2つのノードN,N3間に無線チャネルが確実に確立されるためには、送信ノードにおける未割当FID数「fs」が、対向する受信ノードにおいてチャネル数が「1」のリンクに割り当てられているチャネルで利用されているFID数「kr」よりも大きければ良い。すなわち、fs>krが成立すれば良い。
【0083】
ここで、ノードNの未割当FID数を「f1」、ノードNにおいてチャネル数が「1」のリンクに割り当てられているチャネルで利用されているFID数を「k1」とする。同様に、ノードN3の未割当FID数を「f2」、ノードN3においてチャネル数が「1」のリンクに割り当てられているチャネルで利用されているFID数を「k2」とする。
【0084】
ここで、ノードN,N3のいずれもが前記「条件2」を満足(f1>k1かつf2>k2)すれば、k1=k2ならばf1>k2が成立するので、ノードNが送信ノードとして動作するタイミングでチャネル接続が可能であり、同様に、f2>k1が成立するので、ノードN3が送信ノードとして動作するタイミングでもチャネル接続が可能となる。
【0085】
また、k1>k2であればf1>k1>k2であってf1>k2が成立するので、ノードNが送信ノードとして動作するタイミングでチャネル接続が可能である。これとは逆に、k2>k1であれば、f2>k2>k1であってf2>k1が成立するので、ノードN3が送信ノードとして動作するタイミングでチャネル接続が可能となる。このように、本実施形態ではノードN,N3のいずれもが前記「条件2」を満足すればチャネルの新規立ち上げが可能になる。
【0086】
そして、「条件2」も成立していれば次のステップ(図6のステップS32)へ進む。「条件2」が成立しなければステップS43へ進み、未割当FID数「f」を増やして前記「条件2」を満足させるべく、複数のチャネルを含むリンクから少なくとも一つのチャネルを削除チャネルとして選択する。ステップS44ではノードロックが実行され、ステップS45では、前記選択された削除チャネルに対して「削除処理」が実行される。
【0087】
ステップS46では、チャネルを削除したリンクの前記「実行回数m」が負であるか否かが判定される。m<0であれば、要求通りにチャネル数を削除したことになるので、ステップS47でmが更新(m=m+1)される。ステップS48では、前記ステップS44で設定したノードロックが解除される。
【0088】
このように、本実施形態によれば、対向するノードとの間に無線チャネルを新規に立ち上げて無線リンクを新規に確立する場合であっても、TDDバウンダリやFIDを意識することなく、各ノードにリンク立ち上げの指示を出すだけ良い。
【0089】
ところで、本実施形態では各ノードが自ノードで終端される無線チャネルの数を自律分散的に制御するので、対向ノードにおいて上記した各処理が実行されれば、対向ノードからも無線チャネルの追加要求や削除要求が通知され、これに応答する必要がある。
【0090】
図14,15は、対向ノードからのチャネル追加要求または削除要求に応答して無線チャネルを追加または削除する追加/削除応答処理の動作を示したフローチャートであり、上記した追加/削除処理と同様にフレーム単位で起動される。
【0091】
図14のステップS101では、対向ノードからチャネル追加または削除を要求されたか否かが判定され、要求があれば、ステップS102において自ノードがロック中であるか否かが判定される。ノードロック中であれば、ステップS103において対向ノードへビジー通知した後に処理を終了する。
【0092】
ノードロック中でなければステップS104へ進み、チャネルの追加要求および削除要求のいずれであるかが判定される。追加要求であればステップS105へ進み、空きCHUの有無が判定される。空きCHUが無ければ、ステップS103において対向ノードへビジー通知した後に処理を終了する。空きCHUが有れば、ステップS106へ進んでノードをロックし、ステップS107で対向ノードへACK通知を送信し、ステップS108で通常チャネルを追加する。
【0093】
これに対して、前記ステップS104において、チャネルの削除要求と判定されればステップS109へ進んでノードをロックし、ステップS110で対向ノードへACK通知を送信し、ステップS111でチャネルを削除する。
【0094】
ステップS112では、チャネルの追加処理または削除処理に成功したか否かが判別される。成功していればステップS113へ進み、後述する「mの更新処理」が実行される。ステップS114では、前記ステップS106またはS109でセットされたノードロックが解除される。
【0095】
図15は、前記「mの更新処理」の動作を示したフローチャートである。本実施形態では、自ノードのネットワーク制御装置34から通知された要求チャネル数Lreqに従って無線チャネルを追加または削除した場合であれば、「実行回数m」を追加成功時には「1」ずつ増加し、削除成功時には「1」ずつ減じるものとして説明した。
【0096】
しかしながら、対向ノードからの要求に応答してチャネル数を追加または削除した場合にも「m」を同様に増減させてしまうと、例えばネットワーク制御装置34からの要求が「チャネル追加」であるのに対して対向ノードからの要求が「チャネル削除」であるような場合に、当該無線リンクに対して「チャネル追加」と「チャネル削除」とが頻繁に繰り返されてしまう事態が起こり得る。
【0097】
そこで、本実施形態ではこのような場合でも「チャネル追加」と「チャネル削除」とが頻繁に繰り返されないようにするために、所定の条件下ではチャネルが追加または削除された場合でも「m」を更新しないようにしている。
【0098】
図15において、ステップS201では、チャネルの追加および削除のいずれが実行されたかが判定される。チャネルが追加されていればステップS202へ進んで前記実行回数mが参照される。mが正であればステップS203へ進んでmが更新(m=m-1)されるが、mが正以外であれば、mを更新することなく終了する。
【0099】
これに対して、チャネルが削除されていればステップS201からステップS204へ進んで実行回数mが参照される。mが負であればステップS205へ進んでmが更新(m=m+1)されるが、mが負以外であれば、mを更新することなく終了する。
【0100】
すなわち、本実施形態では対向ノードからチャネルの追加または削除を要求され、これに応答してチャネルを追加または削除した際、このときのチャネルの増減方向が変数mで定義されているチャネルの増減方向と異なる場合には変数mを更新しないようにした。したがって、自ノードが変数mに基づいて実行すべきチャネルの追加および削除回数が増えず、その結果、チャネル追加および削除が無駄に繰り返されてしまうことを防止できる。
【0101】
【発明の効果】
本発明によれば、自ノードでネットワークトポロジ等に基づいてリンクごとに求めたチャネルの増減方向と、対向ノードから当該リンクに対して要求されたチャネルの増減方向とが異なる場合には、対向ノードからの要求に応じてチャネルが追加又は削除されても変数mが更新されない。ここで、変数mは自ノードにおけるチャネルの追加および削除の実行回数を代表でき、変数mが更新されなければ実行回数が増加しない。したがって、自ノードで求めたチャネルの増減方向と対向ノードから要求されたチャネルの増減方向とが異なる場合に対向ノードからの要求に応じてチャネルを追加または削除しても自ノードにおいて実行しなければならないチャネルの追加および削除回数が増えず、その結果、チャネル追加および削除が無駄に繰り返されてしまうことを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明が適用されるメッシュ状無線ネットワークの構成を示した図である。
【図2】 無線メッシュ網の一部を抜き出して示した図である。
【図3】 各無線ノードに搭載される無線通信システムの主要部の構成を示したブロック図である。
【図4】 本実施形態の動作を示したフローチャートである。
【図5】 各無線リンクにおける現行チャネル数Lcrt、要求チャネル数Lreqおよび実行回数mの関係を示した図である。
【図6】 リンク第1チャネル確立処理のフローチャートである。
【図7】 リンク第1チャネル確立処理におけるイニシャル処理のフローチャートである。
【図8】 リンク第1チャネル確立処理における送信ノードの動作を示したフローチャートである。
【図9】 リンク第1チャネル確立処理における受信ノードの動作を示したフローチャートである。
【図10】 リンク第1チャネル確立処理のタイミングチャートである。
【図11】 デフォルト周波数プランの一例を示した図である。
【図12】 リンク確立のための第1条件を説明するための図である。
【図13】 リンク確立のための第2条件を説明するための図である。
【図14】 追加/削除応答処理のフローチャートである。
【図15】 追加/削除応答処理における「mの更新」の手順を示したフローチャートである。
【符号の説明】
2…屋外無線装置,3…屋内無線装置,31…スイッチ,32…無線チャネルマネージャ,33…無線リンク制御装置,34…ネットワーク制御装置
Claims (12)
- 複数の無線ノードがメッシュ状に配置されるネットワーク上で、自ノードと対向ノードとを接続する無線リンクのチャネル数を制御する無線チャネル数の制御方法において、
自ノードで一端が終端される少なくとも一つの無線リンクに要求されるチャネル数をネットワークの状態に基づいて求める手順と、
各無線リンクに確立されている現行チャネル数と前記要求チャネル数との差分に基づいて、チャネルの増減方向および増減数を代表する変数mを無線リンクごとに設定する手順と、
今回の処理対象リンクを選択する手順と、
前記選択された今回の処理対象リンクに関して、その変数mに応じたチャネルの追加/削除要求を対向ノードへ通知してチャネルを追加または削除する手順と、
前記追加または削除の実績に基づいて前記変数mを更新する手順と、
全ての無線リンクにおけるチャネルの追加/削除が終了するまで、前記処理対象リンクを選択する手順へ戻って次の処理対象リンクを選択し、その後の手順を繰り返す手順とを含み、
さらに、前記各手順とは別に、
対向ノードから通知されるチャネルの追加/削除要求を受信する手順と、
前記追加/削除要求に応答してチャネルを追加または削除する手順と、
前記追加または削除の実績に基づいて前記変数mを更新する手順とを含み、
前記対向ノードからの要求に応答してチャネルを追加または削除した際のチャネルの増減方向が、前記変数mに応じたチャネルの増減方向と異なる場合は、前記変数mを更新しないことを特徴とする無線チャネル数の制御方法。 - 前記今回の処理対象リンクを選択する手順では、チャネル追加対象のリンクがチャネル削除対象のリンクに優先して選択されることを特徴とする請求項1に記載の無線チャネル数の制御方法。
- 今回の処理対象リンクへチャネルを追加する際に空きチャネルが不足していると、チャネル削除対象のリンクから前もってチャネルを削除することを特徴とする請求項1または2に記載の無線チャネル数の制御方法。
- 前記変数mに応じてチャネルを追加または削除する際に、対向ノードからの要求に応答したチャネルの追加または削除を禁止するノードロック手順を含むことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の無線チャネル数の制御方法。
- 前記対向ノードからの要求に応答してチャネルを追加または削除する際に、前記変数mに応じたチャネルの追加または削除を禁止するノードロック手順を含むことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の無線チャネル数の制御方法。
- 前記無線チャネルがTDD方式を採用し、追加しようとするチャネルが無線リンクを新規に確立するために最初に確立されるリンク第1チャネルであるときの当該チャネル追加手順が、
自ノードを「送信ノード」および「受信ノード」のいずれかとしてランダムに動作させる第1手順と、
「送信ノード」として動作する際に、予め確保されている複数の周波数スロットのいずれかを選択する第2手順と、
前記選択された周波数スロットを利用してユニークワードを送信する送信側送信モードおよび応答信号を受信する送信側受信モードを当該順序で実行する第3手順と、
前記第2および第3手順を所定回数だけ繰り返した後に前記第1手順へ戻る第4手順と、
前記送信側受信モードにおいて応答信号を受信すると、当該応答信号を返信したノードとの間でリンク確立処理を実行する第5手順とを含み、さらに、
「受信ノード」として動作する際に、複数の周波数スロットのいずれかを選択する第6手順と、
前記選択された周波数スロットを利用して受信側受信モードを実行する第7手順と、
前記第6および第7手順を所定回数だけ繰り返した後に前記第1手順へ戻る第8手順と、
前記受信側受信モードでユニークワードを受信すると応答信号を返信する第9手順と、
前記ユニークワードを送信したノードとの間でリンク確立処理を実行する第10手順とを含むことを特徴とする請求項1に記載の無線チャネル数の制御方法。 - 前記「受信ノード」として動作する際の第9手順が、
ユニークワードを受信して応答信号を所定期間だけ返信し続ける手順と、
その後、応答信号の返信を所定期間だけ停止する手順と、
その後、応答信号を再返信する手順とを含み、さらに、
前記「送信ノード」として動作する際の第5手順が、
前記応答信号の受信後に前記応答信号を受信できなくなり、その後、所定期間内に応答信号を受信できたときに、前記応答信号の送信元を正規の対向ノードと認定してリンク確立手順へ移行する手順を含むことを特徴とする請求項6に記載の無線チャネル数の制御方法。 - 前記「受信ノード」として動作する際の第9手順が、
前記ユニークワードを受信した際の今回の周波数スロットが自ノードの他のリンクで使用中であるか否かを判定する手順と、
前記今回の周波数スロットが他のリンクで使用中であり、かつ当該リンクに他の周波数スロットによる無線チャネルが確立されていると、前記他のリンクから前記今回の周波数スロットの無線チャネルを削除する手順とを含むことを特徴とする請求項6または7に記載の無線チャネル数の制御方法。 - 前記複数の周波数スロットには優先度が付され、前記第2および第6手順では、優先度の高い周波数スロットから順に選択されることを特徴とする請求項6ないし8のいずれかに記載の無線チャネル数の制御方法。
- 前記第10手順の後に 対向ノードとの間でノードIDを交換する第11手順と、
前記対向ノードのノードIDを既登録IDと比較する第12手順と、
前記比較結果に応じて所定の処理を実行する第13手順とを含むことを特徴とする請求項6ないし9のいずれかに記載の無線チャネル数の制御方法。 - 前記第1手順の前に、予め割り当てられている周波数スロットの個数Nfidと、各ノードで利用可能な最大リンク数Gmaxとが次の条件式(1)を満足しているか否かを判断する手順を含み、
当該条件式が満足されないときに、それ以降の手順を実行しないことを特徴とする請求項6ないし10のいずれかに記載の無線チャネル数の制御方法。
Nfid>2(Gmaxー1) … (1) - 前記請求項9の手順と第1手順との間に、未割当の周波数スロット数fと、チャネル数が「1」のリンクに割り当てられているチャネルで利用されているスロット数kとが次の条件式(2)を満足しているか否かを判断する手順を含み、
当該条件式が満足されないときに、複数のチャネルを含むリンクから少なくとも一つのチャネルを削除することを特徴とする請求項11に記載の無線チャネル数の制御方法。
f>k … (2)
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