(57)【要約】  パケットの衝突を回避することの出来る通信ノードを提供する。マルチホップで複数の通信ノードを接続する無線ネットワークにおいて、通信ノードは、送信に使う周波数を通信品質のよいものから選択して、パケットのチャネル割当情報部に周波数情報を設定して、パケットを次のホップ先の通信ノードに送信する。通信ノードは、受信したパケットのチャネル割当情報部に設定された周波数情報から、各ホップで使用された周波数を知ることが出来る。各ホップで使用された周波数を知ることにより、自装置では、隠れ端末問題を引き起こすような周波数の使用を抑制することが出来る。
2012131925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の通信ノードが接続され、マルチホップで複数の周波数を用いたカット＆スルー方式で通信が行われるネットワークにおける、通信ノードであって、
自通信ノードが送信に使用する周波数の情報を、パケットに挿入して送信先の通信ノードに送信する送信部と、
受信したパケットに挿入された周波数の情報から、送信元の通信ノードで使用されていない周波数を選択して、自装置の送信用周波数とする周波数選択部と、
を備えることを特徴とする通信ノード。
【請求項２】
前記周波数の情報として通信品質の情報を含み、前記通信ノードは、使用可能な周波数のキャリアセンスを行い、通信品質の最も良い周波数を送信周波数として設定することを特徴とする請求項１に記載の通信ノード。
【請求項３】
前記通信ノードは、無指向性のアンテナを備えることを特徴とする請求項１に記載の通信ノード。
【請求項４】
複数の通信ノードが接続され、マルチホップで複数の周波数を用いたカット＆スルー方式で通信が行われるネットワークにおける、通信ノードの通信方法であって、
自通信ノードが送信に使用する周波数の情報を、パケットに挿入して送信先の通信ノードに送信し、
受信したパケットに挿入された周波数の情報から、送信元の通信ノードで使用されていない周波数を選択して、自装置の送信用周波数とする、
ことを特徴とする通信方法。
【請求項５】
前記周波数の情報として通信品質の情報を含み、前記通信ノードは、使用可能な周波数のキャリアセンスを行い、通信品質の最も良い周波数を送信周波数として設定することを特徴とする請求項４に記載の通信方法。
【請求項６】
前記通信ノードは、無指向性のアンテナを備えることを特徴とする請求項１に記載の通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数の無線通信装置間で通信を行う無線通信技術に関する
【背景技術】
【０００２】
複数の通信装置を含む無線通信ネットワークにおけるマルチホップのデータ送信に関する技術が研究されている。
例えば、端末となる通信装置（以下適宜通信ノードあるいはノードと呼ぶことがある）同士が直接接続してネットワークを構築するアドホックネットワークなどの自律分散型ネットワークにおけるマルチホップのデータ通信が研究されている。
図１は、マルチホップで通信する複数の通信ノードにより構成された無線ネットワークの全体構成を示す図である。【０００３】
通信ノード１０−１〜１０−５は、無線回線で接続されており、通信ノード無線ネットワーク装置１０−１と１０−２の間、１０−２と１０−３の間、１０−３と１０−４の間、１０−４と１０−５の間がそれぞれホップ数が１となる通信区間である。それぞれの通信ノード１０−１〜１０−５は、送信部１１と受信部１２を備えている。このような無線ネットワークにおいては、通信ノード１０−１〜１０−５間で無線回線が干渉を起こさないように、また、通信の輻輳を軽減する対策として、各無線ネットワーク装置１０−１〜１０−５で送受信に異なる周波数を用いることが考えられている。【０００４】
しかし、周波数資源は有限であることから、同じ周波数の無線回線が干渉しないように、通信ノード１０−１〜１０−５に周波数を割り当てることで、同じ周波数を使用を認めるルーティングプロトコルが用いられる。したがって、各通信ノード１０−１〜１０−５で送受信に使用される周波数は、周囲の通信ノード１０−１〜１０−５が使用する周波数を含めてユニークなものとなるが、無線回線が干渉を起こさない場合には、同じ周波数を使用できる。【０００５】
無線ネットワークのゲートウェイは、他の通信ノードからデータを収集する役目をになうが、装置構成は他の無線ノードと同じものである。ゲートウェイには通信処理上、各ノードが収集したデータが集中することとなる。【０００６】
図１のようなマルチホップ転送を行う無線ネットワークシステムにおいて、パケットの受信を開始し、パケット内のルーティング情報を読み込んだ時点で、パケットを受信している最中にも次のホップ先に、現在受信しているパケットを順次コピーして転送する方式（ここでは、カットアンドスルー方式と呼ぶ）がある。このように処理することで処理遅延を小さくすることができる。【０００７】
図２は、カット＆スルー方式について説明する図である。
図２（ａ）は、パケットのフォーマットを説明する図である。
パケットは、ルーティング情報、データ、ＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）の各部からなる。データ部は、ユーザデータを格納する部分であり、ＣＲＣ部は、誤り訂正符号の冗長ビットである。ルーティング情報部は、パケットの宛先通信ノードのアドレスを指定するものである。【０００８】
カット＆スルー方式は、先に述べたように、パケットの受信を開始し、パケット内のルーティング情報を読み込んだ時点で、送信用のパケットを生成し始め、パケットの受信途中であっても、順次、パケットを送信するものである。なお、ここでは、カット＆スルー方式を実現する無線ネットワークにおいて、ＦＤＤ（Frequency Division Duplex）方式が採用されているものとする。【０００９】
図２（ｂ）は、カット＆スルー方式における問題点を説明する図である。
図２（ｂ）においては、通信ノードが、ノードＡ〜ノードＤとして表されている。最初の送信元ノードをノードＡとし、最終送信先ノードをノードＤとして、ノードA〜ノードDへパケットを転送する際に、ノードA→ノードBは周波数f1を利用し、 ノードB→ノードCはf2を利用したとする。図２（ｂ）においては、カット＆スルー方式のパケットの送信の様子が示されており、横軸を時間として、パケットの送受信タイミングが重なっている様子が示されている。送信ノードＡからのパケットの送信終了から、最終送信先ノードＤへのパケットの受信完了までが、レイテンシーとして示されている。【００１０】
ところで、ノードCが、ノードAの信号を直接は受信できない距離にある場合(隠れ端末問題と呼ばれる)、ノードAが使用している周波数f1 を空きチャネルとしてキャリアセンスしてしまう。そして、周波数f１の信号が存在しないことを確認し、ノードＤにパケットを送ることを目的として、周波数f1でパケットを送信してしまう場合がある。このとき、ノードBにしてみると、各ノードのアンテナは無指向性であるため、ノードAからのパケットとノードCからのパケットを同じ周波数f1で同時に受信することになり、衝突が起こる。衝突が起こることにより、ノードＢはパケットを正確に受信できなくなるという問題があった。【００１１】
図３は、隠れ端末問題を説明する図である。
図３（ａ）にあるように、ノードＡからは周波数f１でパケットが送信される。また、上記したような理由で、ノードＣからも周波数f１でパケットが送信される。各ノードが用いるアンテナは、無指向性であるので、ノードＣから送信された周波数f１のパケットは、ノードＤのみではなく、ノードＢにも送られる。したがって、ノードＢにおいては、ノードＡからの周波数f１のパケットと、ノードＣからの周波数f１のパケットが受信される。しかし、本来受信すべきパケットは、ノードＡからのものだけであるので、ノードＢにおいては、ノードＡからのパケットの受信が阻害されてしまう。【００１２】
図３（ｂ）は、パケットの衝突を模式的に示した図である。
周波数f１でのノードＡからノードＢへのパケットの送信中に、周波数f２でのノードＢからノードＣへのパケットの送信が開始される。同様に、ノードＢからノードＣへのパケットの送信中に、周波数f１でノードＣからノードＤにパケットの送信が開始される。しかし、ノードＣからノードＤへのパケットは、ノードＢにも送られてしまうので、図３（ｂ）の重なっている部分において、ノードＢでは、ノードＣからノードＤへのパケットとノードＡからノードＢへのパケットが重複して受信されてしまう。このようなパケットの衝突が起こると、ノードＢでは、正しくパケットを受信できなくなってしまう。【００１３】
なお、アドホック通信ネットワークにおいてカットアンドスルー方式を用いた技術に関連する文献として下記特許文献がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００６−１７４１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
以下の実施形態においては、パケットの衝突を回避することの出来る通信ノードを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本実施形態の一側面における通信ノードは、マルチホップで複数の通信ノードを接続する、カット＆スルー方式を採用したネットワークにおける、複数の送信用周波数の任意の１つを使用可能な通信ノードであって、自装置が送信に使用する周波数の情報を、パケットに挿入して次ホップ先の通信ノードに送信する送信部と、受信したパケットに挿入された周波数の情報から、他のホップで使用されていない周波数を選択して、自装置の送信用周波数とする周波数選択部とを備える。
【発明の効果】
【００１７】
以下の実施形態によれば、パケットの衝突を回避することの出来る通信ノードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】マルチホップで複数の無線端末を接続する無線ネットワークの全体構成を示す図である。
【図２】カット＆スルー方式について説明する図である。
【図３】隠れ端末問題を説明する図である。
【図４】本実施形態を説明する図（その１）である。
【図５】本実施形態を説明する図（その２）である。
【図６】本実施形態を説明する図（その３）である。
【図７】本実施形態を説明する図（その４）である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本実施形態においては、パケットのルーティング情報部にChannel Assign Information.(ＣＡＩ：チャネル割当情報部)が挿入され、転送されてきたパケットの利用チャネル状態が格納される。また、パケットを受信したノードは、ＣＡＩの情報を確認し、利用されていないチャネルを用いることで隠れ端末問題を解決する。
【００２０】
処理の流れとしては、自分宛のパケットが到来するまで待ち、送信元からのパケットが到来してきたら、チャネル割当情報部に格納されている送信元のチャネル状況を確認し、通信品質の良いチャネルを選択する。ここで、チャネル割当情報部には送信元のRSSI(Received Signal Strength Indicator:受信電力)やCINR（Carrier to Interference plus Noise Ratio:通信品質）が格納されており、当該情報を用いて送信元のチャネル状況を把握することが可能である。例えば、４つのチャネルが存在し、それらの通信品質が0dB、10dB、20dB、30dBであれば、一番通信品質がよい30dBのチャネルを選択する。通常の環境においては、RSSIは、−９０ｄＢｍから−６０ｄＢｍ程度であり、CINRは、０ｄＢから３０ｄＢの程度の値をとる。
【００２１】
次に、自分のチャネル状況を測定し、その情報をパケットのチャネル割当情報部に追加した後に、次の送信先に転送する。
以上のような構成によれば、隠れ端末の問題を解決することにより、転送遅延の短縮とスループットの増加が見込まれる。
【００２２】
図４〜図７は、本実施形態を説明する図である。
以下の説明においては、ノードの構成は、ノードＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅが順次無線接続される構成とし、最初の送信元ノードをノードＡ、最終送信先ノードをノードＥとするものとする。また、周波数は、f１〜f４の４つの周波数のいずれかを使用するものとする。
【００２３】
図４は、パケットのフォーマットを説明する図である。
パケットは、ＭＡＣヘッダとフレームボディからなる。フレームボディは、ＡＤＨＯＣヘッダ（アドホックヘッダ）と、暗号化されたＡＤＨＯＣフレーム（アドホックフレーム）からなる。アドホックヘッダは、マルチホップのアドホックネットワークを構成するための制御情報である。このアドホックヘッダ内に、Channel Assign Information.(ＣＡＩ：チャネル割当情報部)を設ける。チャネル割当情報部は、先頭から順に、最初の送信元ノードに最も近いホップで用いられた周波数から各ホップで用いられた周波数と、送信元における通信品質を格納する。また、周波数の情報と共に、周波数設定領域には、当該周波数の受信電波強度（通信品質としてのRSSI、CINR）を設定する。使用周波数は、使用されたホップに対応する領域に格納する。周波数が格納されていない領域には、測定したCINRを格納するようにする。
【００２４】
図５（ａ）にあるように、ノードＡからノードＢへのパケット、ノードＢからノードＣへのパケット、ノードＣからノードＤへのパケット、ノードＤからノードＥへのパケットは、それぞれ周波数f１〜f４の異なる周波数で送信される。図４（ｂ）は、このときに各ノードから送信されるパケットに設けられたChannel Assign Information(ＣＡＩ：チャネル割当情報部)の内容を説明する図である。本実施の形態では、チャネル割当情報部には、（１）〜（４）の４つの領域があり、各通信において、どの周波数を用いたかを登録することが出来るようになっている。本実施の形態では、領域（１）に最も新しいチャネル割当情報が登録され、領域（２）〜（４）には２番目、３番目、及び４番目に新しいチャネル割当情報が登録されている。領域（１）が最も新しく、領域（４）が最も古いチャネル割当情報となる。図４（ｂ）において、ノードＡは、４つの周波数のキャリアセンスを行い、周波数f１を選択している。ノードＢは、ノードＡから受信したパケット内のチャネル割当情報部により、周波数f１が既に使われていることを知ることが出来る。したがって、ノードＢでは、周波数f２〜f４のキャリアセンスを行い、０ｄＢとなっている（使用されていない）周波数のうちの一つを選択する。ここでは、周波数f２を選択している。
【００２５】
ノードＣでは、ノードＢからのチャネル割当情報部により周波数f１とf２が使われていることを知ることが出来る。ノードＣでは、周波数f３、f４をキャリアセンスし、周波数f４を選択している。ノードＤでは、ノードＣからのチャネル割当情報部により周波数f１、f２、f４が使われていることを知ることが出来る。したがって、ノードＤでは、残っている周波数f３を選択し、ノードＥにパケットを送信する。
なお、ＣＡＩには、使用された周波数のほか、送信元において検出された、その周波数のCINR等の通信品質が格納される。使用されていない周波数がない等の場合には、使用されている周波数のなかでもっとも通信品質の良い周波数を選択する。
【００２６】
キャリアセンスにおいては、予め無線ネットワークにおいて使用される周波数を設定しておき、当該周波数の電波がどの程度の強度で受信されるかを検出し、電波の強度によってキャリアが存在するか否かを判断する。判断する際には、受信電波の強度に、予め設計者が設定した閾値を用意しておき、この閾値と受信電波強度とを比較することにより、キャリアが存在するか否かを判断する。
【００２７】
図６は、本実施形態の通信ノードの処理の一例を説明するフローチャートである。
Ｓ１０において、自分宛のパケットが到来してきたか否かを判断する。ここでは、自分宛のパケットが到来するまで待機する。Ｓ１１において、自分宛のパケットが送られてきた場合には、パケットを受信する。Ｓ１２において、チャネル割当情報を取得する。チャネル割当情報には、送信元の使用周波数とチャネル状況（通信品質）が入れられている。ここでは、周波数f１〜f４までのチャネルを利用可能とする。チャネル割当情報の通信品質から、送信元での通信品質が分かる。
【００２８】
Ｓ１３において、通信品質が良く、使用されていないチャネルを選択する。使用されていないチャネルは、０ｄＢなどとなっているので、これらのうちから１つの周波数を選択する。未使用周波数が無い場合には、使用済み周波数のうち、通信品質の良い周波数を選択する。未使用周波数が無い場合には、通信品質が良い周波数を選択し、自装置で送信を行なうことにより、その周波数の通信品質が悪くなりすぎないことが期待される。例えば、S12で取得したチャネル割当情報が、周波数f１ CINR=10dB、周波数f2 CINR=20dB、周波数f3 Used ChannelI（送信元が使っているチャネル）、周波数f4 CINR=0dBである場合には、CINR=0dB（未使用と考えられる）である周波数（チャネル）f４を選択する。
Ｓ１４において、チャネルの通信品質を測定する。すなわち、自装置におけるチャネルの通信品質を測定する。例えば、周波数f１ CINR=30dB、周波数f2 CINR=10dB、周波数f3CINR=20dB周波数f4 Used ChannelI（自身が使う予定チャネル）等の通信品質のデータが得られると、Ｓ１５において、チャネル割当情報部の通信品質情報を更新し、次の通信ノードに送信するパケットに挿入する。そして、Ｓ１６において、Ｓ１３で選んだチャネルで送信先に転送する。ここでは、周波数f４で送信して、処理を終了する。
【００２９】
図７は、通信ノードのブロック構成図である。
図７において、アンテナ２２から受信したデータは、ＲＦ受信機１１において、ダウンコンバートされ、Ａ／Ｄ変換器１２に入力される。Ａ／Ｄ変換器１２でアナログ信号をデジタル信号に変換し、デコーダ１３において、デコードする。デコードされたデータは、ルーティング情報処理部・データ処理部１４において、ルーティング情報、データの処理が行われる。Ａ／Ｄ変換器１２からは、通信品質計算部１８に信号が入力され、各チャネルの通信品質が測定される。各チャネルの通信品質の測定は、アンテナの受信周波数を、無線ネットワークで使用される周波数にチューニングし、チューニングした周波数の受信電波強度を検出することにより行なう。受信電波強度内の信号成分の強度とその他の強度との比を取ることによりCINRを測定することが出来る。通信品質計算部１８は、周波数選択信号を発振器２１に入力し、所定の周波数へのチューニングを行なうチャネルの周波数の発振波を出力させる。
【００３０】
また、通信品質計算部１８からの通信品質情報は、送信チャネル選択部１９に入力される。送信チャネル選択部１９は、通信品質情報から最も通信品質の良いチャネルを選択し、その選択されたチャネルの周波数にあわせるための制御信号を、発振器２０とエンコーダ１５に入力する。
【００３１】
ルーティング情報処理部・データ処理部１４は、送信データを生成し、エンコーダ１５に入力する。エンコーダ１５は、送信データを符号化し、Ｄ／Ａ変換器１６に入力する。Ｄ／Ａ変換器１６は、デジタル信号をアナログ信号に変換し、ＲＦ送信機１７でアップコンバートして、アンテナ２２から送信させる。
【００３２】
以上の本実施形態では、送信に既に使われた周波数情報だけを利用するため、ネットワークを構成する全ての通信ノードの周波数情報を必要としない。したがって、送信元が送信する際に、当該送信元の周波数情報も同時に送るため、ネットワークを構成する全ての通信ノードの周波数情報を全ての通信ノードが知る必要が無いため、そのための転送が不要で、転送を効率よくすることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１０−１〜１０−４      通信ノード
１０−５      通信ノード（基地局）
１１      ＲＦ受信機
１２      Ａ／Ｄ変換器
１３      デコーダ
１４      ルーティング情報処理部・データ処理部
１５      エンコーダ
１６      Ｄ／Ａ変換器
１７      ＲＦ送信機
１８      通信品質計算部
１９      送信チャネル選択部
２０、２１      発振器
２２      アンテナ
【図１】
2012131925.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2012131925.tif 000008
【図７】
2012131925.tif 000009
【国際調査報告】
2012131925.tif 000010
2012131925.tif 000011
2012131925.tif 000012