(57)【要約】【課題】簡単な構成でデータ通信の輻輳時にデータ信号を確実に宛先無線局に伝送してルーティングを集束させる。【解決手段】ルータ装置のための管理制御部１５１は、発信元無線局において予め決められた初期パス長Ｌとパケット信号の既伝搬のホップ長Ｈとデータとを含むパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して伝送するときに、発信元無線局及び中継無線局においてルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する。また、管理制御部１５１は既伝搬のホップ長Ｈが初期パス長Ｌ以下であるときの中継無線局において、ネットワーク層でパケットのドロップが発生したときすでに選択された最短のパスを除いてルーティングテーブルを用いて次の最短のパスを選択しパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて送信する。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのためのルーティング方法において、
発信元無線局において予め決められた初期パス長Ｌと、パケット信号の既伝搬のホップ長Ｈと、データとを含むパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して伝送するときに、発信元無線局及び中継無線局において、所定のルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する送信ステップと、
発信元無線局及び、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Ｈが初期パス長Ｌ以下であるときの中継無線局において、ネットワーク層でパケットのドロップが発生したか否かを判断し、上記ドロップが発生したと判断したときに、すでに選択された最短のパスを除いて上記ルーティングテーブルを用いて次の最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第１の制御ステップとを含むことを特徴とする無線ネットワークのためのルーティング方法。
【請求項２】
パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Ｈが初期パス長Ｌを超えるときの中継無線局において、上記ルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第２の制御ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の無線ネットワークのためのルーティング方法。
【請求項３】
複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのためのルータ装置において、
発信元無線局において予め決められた初期パス長Ｌと、パケット信号の既伝搬のホップ長Ｈと、データとを含むパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して伝送するときに、発信元無線局及び中継無線局において、所定のルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する送信手段と、
発信元無線局及び、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Ｈが初期パス長Ｌ以下であるときの中継無線局において、ネットワーク層でパケットのドロップが発生したか否かを判断し、上記ドロップが発生したと判断したときに、すでに選択された最短のパスを除いて上記ルーティングテーブルを用いて次の最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第１の制御手段とを備えたことを特徴とする無線ネットワークのためのルータ装置。
【請求項４】
パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Ｈが初期パス長Ｌを超えるときの中継無線局において、上記ルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第２の制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項３記載の無線ネットワークのためのルータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の無線局を備えた、例えば無線ＬＡＮなどの無線ネットワークにおいてパケット通信を行う、例えばアドホック無線ネットワークなどの無線ネットワークのための無線ネットワークのルーティング方法及びルータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アドホック無線ネットワークは、各ノード無線局が無線トランシーバ（もしくは、無線送受信機又は無線通信装置）を備える移動ルータとして機能する高速配備が可能なインフラなしのネットワークとして想定されている。アドホック無線ネットワークは、ここ数年来多大な注目を集めている。幾つかのプロトコルがこのコンテキストで提案され、その通信性能がｎｓ−２、クアルネット（ＱｕａｌＮｅｔ）などの規格シミュレータを使用して評価されている。しかしながら、アドホック無線ネットワークの通信性能の妥当性を現実の状態において確認する研究は、これに対してかなり少ない。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−０４３１２６号公報。
【特許文献２】特開２００１−０２４４３１号公報。
【特許文献３】特開２００１−２４４９８３号公報。
【非特許文献１】Tetsuro Ueda et al., “A Rotational Sector-based, Receiver-Oriented mechanism for Location Tracking and Medium Access Control in Ad Hoc Networks using Directional Antenna”, IFIP conference on Personal Wireless Communications (PWC) 2003, Venice, ITALY, September 23-25, 2003.
【非特許文献２】A. Nasipuri et al., “A MAC protocol for mobile ad hoc networks using directional antennas”, in Proceedings of IEEE Wireless Communication and Networking Conference, Vol.3, pp.1214-1219, September 2000.
【非特許文献３】R. Roy Choudhury et al., “Using directional antennas for medium access control in ad hoc networks”, in Proceedings of ACM MOBICOM, September 2002.
【非特許文献４】K. Gyoda et al., “Beam and null steering capability of espar antennas,” in Proceedings of IEEE AP-S International Symposium, July 2000.
【非特許文献５】R. Ramanathan et al., “Ad hoc networking with directional antennas: A complete system solution”, Journal of Selected Areas in Communications, January 2005.
【非特許文献６】D. Maltz et al., “Quantitative lessons from a full-scale multi-hop wireless ad hoc network testbed”, in Proceedings of Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), September 2000.
【非特許文献７】David A. Maltz et al., “Experiences designing and building a multi-hop wireless ad hoc network testbed”, Technical Report, Carnegie Mellon University, School of Computer Science, March 1999.
【非特許文献８】K. Chin et al., “Implementation experience with manet outing protocols”, in Proceedings of ACM SigComm Computer Communications Review, November, 2002.
【非特許文献９】Y. Hu et al., “Design and demonstration of live audio and video over multihop wireless ad hoc networks”, in Proceedings of IEEE Military Communications Conference (MILCOM), October 2002.
【非特許文献１０】H. Lundergren et al., “A large-scale testbed for reproducible ad hoc protocol evaluations”, in Proceedings of Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), March 2002.
【非特許文献１１】S. Douglas et al., “Effects of loss rate on ad hoc wireless routing”, in MIT Laboratory of Computer Science Technical Report, MIT-LCS-TR-836, March 2002.
【非特許文献１２】C. Toh et al., “Experimenting with ad hoc wireless network on campus: Insights and experiences”, ACM Sigmetrics Performance Evaluation Review, December 2000.
【非特許文献１３】G. Pei et al., “Fisheye State Routing in Mobile Ad Hoc Networks,” in ICDCS Workshop on Wireless Networks and Mobile Computing, Taipei, Taiwan, April 10 2000.
【非特許文献１４】S. Roy et al., “A network-aware MAC and routing protocol for effective load balancing in ad hoc wireless networks with directional antenna”, in Proceedings of ACM MobiHoc, pp.88-89, June 2003.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現実の状態では、無線ネットワークの性能は、地形、天候、障害物、ノード無線局の移動性及び電磁放射線エミッタの存在といった距離ベースの減衰、マルチパス・フェーディング、シャドーイング及び干渉等の問題を生じさせる幾つかの要因によって影響される可能性がある。シミュレーションは通常、それらのすべてを明らかにはしない。言い替えれば、現実でのシステムは、シミュレーションでは発生しない問題に直面する。現実的なシステムを構築する場合、シミュレーション・モデルは近似であって正確なディテールを捕捉しないというケースに対応せざるを得ない。従って、アドホック無線ネットワークの現実的なプロトコルの開発はまさしく、このようなネットワークにおいて達成可能な実用性及び性能を評価する上で適正に対応されることが必要な困難なタスクである。この点が、今回の発明の核心的なモチベーションとなっている。シミュレータ実験とは異なり、テストベッドによる実験は完全に再現可能であり得ないことは事実である。干渉及び無線伝搬条件は各実験で異なり、かつあらゆる実際的目的において実験者には制御不能である。しかしながら、同じ実験を数回実行すれば、一貫した結果が得られる。
【０００５】
通常、アドホック無線ネットワークにおけるユーザ端末は、無指向性アンテナを使用する。しかしながら、指向性アンテナを使用すると無線干渉を大幅に低減させることが可能であり、これにより、無線媒体の利用、ひいてはネットワークのスループットは向上することが証明されている（例えば、非特許文献１、２及び３参照。）。これを達成するために本発明者らは、特許出願人において、ユーザ端末が電子制御導波器アレーアンテナ装置（Electronically Steerable Passive Array Radiator Array Antenna Apparatus）として知られる小型で低コストの指向性アンテナを備えた無線アドホック無線ネットワーク・テストベッドを開発した（例えば、非特許文献４参照。）。
【０００６】
ここ数年来、無指向性アンテナを使用するアドホック無線ネットワークのテストベッドを実装する幾つかの取り組みが行われた。しかしながら、指向性アンテナを使用するアドホック無線ネットワークに関しては、指向性アンテナが空間再使用、送信エリアの拡大及びより優れたネットワーク接続性といった無指向性アンテナを凌ぐ幾つかの優位点を有するという事実にも関わらず、１つのテストベッド・プロジェクトしか報告されていない（例えば、非特許文献５参照。）。
【０００７】
例えば、非特許文献６及び７に記述されているテストベッド・プロジェクトの場合、その主たる目的は、屋外環境で真に移動性であるノード無線局を使用して動作するアドホック無線ネットワークのプロトコルの実際の実装の行動に関する基本研究を可能にするプラットフォームを構築することであった。このテストベッドにおける各ノード無線局は、ＤＳＲ（Dynamic Source Routing）ルーティングプロトコルを使用している。ここでは、マルチホップ通信の間のリンク品質の変動に起因する多大なパケット損失が観察された。環境の可変性は、時としてソースと宛先との間に直接的であるが過渡的なリンクを生成する場合があり、ルーティングの間にこれらの過渡的リンクが選択されれば損失率は著しく増大することが指摘されている。研究者らは、遠く離れた２つのノード無線局間の全通信過程を通じてマルチホップ・ルートが保証可能でありさえすれば、より優れたスループットを達成できると主張している。
【０００８】
また、非特許文献８では、ＭＡＮＥＴ（Mobile Ad-hoc Network）テストベッドを構築して類似行動が報告されている。著者達は、フェーディング・チャンネル上で送信されるパケットにより、ルーティングプロトコルがさらに遠くにあるノード無線局へすらもより低い計数値（ホップ計数値）のルートを提供する可能性のある新たな１ホップの近傍ノード無線局が存在すると間違って結論付けることになると報告している。これは、ノード無線局が静止している場合でも発生する可能性があり、移動性ではさらに低いルート安定性をもたらした。彼らは、「パワーウェーブ」と呼ばれる単純な信号強度ベースの近傍ノード無線局選択手順を実装し、フェーディング・チャンネル及び信頼性のないネットワーク・リンクがルーティングプロトコルの失敗の原因であるというその主張を試験した。結果は、近傍ノード無線局の発見及びルーティングを目的とする信頼性のある（安定した）近傍ノード無線局のろ波が信頼性のあるマルチホップ・ルートの生成を有効化することを示している。
【０００９】
マルツ（Ｍａｌｔｚ）ほからもまた、パワーウェーブに類似する手法を採用し（例えば、非特許文献６参照。）、好ましくないＭＡＣ（Media Access Control）アドレスからのトラフィックをろ波して除去するＭＡＣフィルタと呼ばれるプログラムを開発した。ＭＡＣフィルタの新規使用はＭＡＮＥＴのエミュレーションであり、複数のノード無線局を近接配置しかつ近傍ノード無線局からの信号を適切にろ波して異なるトポロジーを与えることができる。ＭＡＣフィルタとパワーウェーブとの主たる相違点は、パワーウェーブが信号対雑音比（以下、ＳＮＲという。）に基づいてどのＩＰアドレスをろ波して除去するかを動的に決定するのに対して、ＭＡＣフィルタは問題のトポロジーに合わせて静的に構成されることにある。従って、概して、テストベッド・ネットワークは、パケットがある終端ノード無線局から他の終端ノード無線局へ直接送信されないようにＭＡＣフィルタ（例えば、非特許文献６参照。）又はパワーウェーブ（例えば、非特許文献８参照。）といったパケットろ波ソフトウェアを含んでいた。
【００１０】
さらに、非特許文献９では、各ノード無線局が２Ｍｂｐｓのルーセント・ウェーブ（Ｌｕｃｅｎｔ  Ｗａｖｅ）ＬＡＮ−ＩＩの無線ＬＡＮ上でＤＳＲルーティングプロトコルを使用する８個のノード無線局のテストベッドが開発されている。その目的は、テレビ会議、リモートサイト監視などの何らかのアプリケーションにおけるアドホック無線ネットワークの性能を示すことであった。著者達は、あるノード無線局、例えば、ノード無線局Ｂによってノード無線局Ａから受信されるパケットのＳＮＲ値がかなりの時間期間に渡って所定のしきい値を下回ることが分かれば、ノード無線局Ａ−Ｂリンクはおそらくすぐに壊れると提言している。よって、リンク破壊が実際に発生する前に、ノード無線局Ａは、例えばＳであるソース・ノード無線局へそのリンクを避ける新たなルートを発見するように警告を送らなければならない。これにより、ルート保全の待ち時間は確実に短縮される。
【００１１】
さらに、非特許文献１０では、特に多数のノード無線局（この場合は３７個）を使用してスケーラビリティを調査しかつアドホック無線ネットワークのために提案された異なるルーティングプロトコルを比較する実験を行うためのアドホック・プロトコル評価テストベッド（ＡＰＥ）が開発されている。その方法は厳密に構成され、最初の「ｒｅａｄｙ−ｓｅｔ−ｇｏ（準備、設定、実行）」の後、テストベッド参加者はただいつ、どこへ移動するかに関するスクリーン上へ表れる指示に従うだけである。ノード無線局は、通常の歩行速度（約１ｍ／秒）で移動する。ノード無線局のペア間でログ通信による信号品質を基礎としてスクリーン上へノード無線局を配置することにより当該通信方法を可能にする、ＡＰＥビューと呼ばれるログ駆動のアニメーション・ツールが書き込まれている。
【００１２】
さらに、非特許文献１１における著者達は、大部分のノード無線局間の無線リンクがかなりの損失率を有することを実証した。これらの損失率は、転送性能を低下させるに足るものであるが、既存のアドホック・ルーティングプロトコルによるそのリンクの使用を妨げるほどのものではない。リンク・レベルの再送信は、スループットの実質的低下を代償に高い損失率を覆い隠すことができる。多くの場合、実質的により優れた終端間スループット及びより高い合計システム・キャパシティを与えるより長い、但しより品質の高い経路が存在する。実装は、テストベッド・ノード無線局上のユーザ・レベルで実行されるモジュラ・ソフトウェア・ルータであるクリックにおいて行われた。
【００１３】
さらに、非特許文献１２では、著者達は、ルーティング・セッションの間の移動性又は他の任意の理由に起因して任意の中間ノード無線局を利用できない場合のルート再構成／修理のための局所化された問合せ／応答パケットの使用を提案している。
【００１４】
非特許文献５において、著者達は指向性アンテナを使用するテストベッドを実装し、このテストベッド上での指向性の電力制御ＭＡＣ、ビーム形成による近傍ノード無線局の発見、指向性アンテナのリンク特性化、プロアクティブなルーティング及び転送を提案している。ＵＤＡＡＮ（Utilizing Directional Antennas for Ad Hoc Networking）のシミュレーション結果は無指向性アンテナを凌ぐ指向性アンテナの有効性を示しているが、その近傍ノード無線局発見プロセスの精度及びルーティング性能を示す結果は何ら引用されていない。さらに、彼らの指向的な近傍無線局の発見方法は基本的に、ＧＰＳ（Global Positioning System）を使用する共通クロック同期法に依存している。
【００１５】
さらに、特許文献１では、アドホック無線ネットワークに参加しており、アクティブ（動作状態）にある隣接ノード無線局のリストを含むアクティブノードリストテーブル（以下、ＡＮＬテーブルという。）などのテーブルを用いて、２つのパス上のデータ通信間の非干渉度を示す「ゾーン間非結合」の度合いを最大化するルート選択処理を用いて効果的な負荷のバランス化を行うためのルーティング方法を開示しているが、ＡＮＬテーブルを用いているために無線局の構成が複雑になるという問題点があった。
【００１６】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、輻輳状態を示す従来技術のＡＮＬテーブルを用いず、従来技術に比較して構成が簡単であって、データ通信の輻輳時においてデータ信号を確実に宛先無線局に伝送してルーティングを集束させることができる無線ネットワークのためのルーティング方法及びルータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
第１の発明に係る無線ネットワークのためのルーティング方法は、複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのためのルーティング方法において、
発信元無線局において予め決められた初期パス長Ｌと、パケット信号の既伝搬のホップ長Ｈとデータとを含むパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して伝送するときに、発信元無線局及び中継無線局において、所定のルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する送信ステップと、
発信元無線局及び、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Ｈが初期パス長Ｌ以下であるときの中継無線局において、ネットワーク層でパケットのドロップが発生したか否かを判断し、上記ドロップが発生したと判断したときに、すでに選択された最短のパスを除いて上記ルーティングテーブルを用いて次の最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第１の制御ステップとを含むことを特徴とする。
【００１８】
上記無線ネットワークのためのルーティング方法において、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Ｈが初期パス長Ｌを超えるときの中継無線局において、上記ルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第２の制御ステップをさらに含むことを特徴とする。
【００１９】
第２の発明に係る無線ネットワークのためのルータ装置は、複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのためのルータ装置において、
発信元無線局において予め決められた初期パス長Ｌと、パケット信号の既伝搬のホップ長Ｈとデータとを含むパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して伝送するときに、発信元無線局及び中継無線局において、所定のルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する送信手段と、
発信元無線局及び、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Ｈが初期パス長Ｌ以下であるときの中継無線局において、ネットワーク層でパケットのドロップが発生したか否かを判断し、上記ドロップが発生したと判断したときに、すでに選択された最短のパスを除いて上記ルーティングテーブルを用いて次の最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第１の制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
上記無線ネットワークのためのルータ装置において、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Ｈが初期パス長Ｌを超えるときの中継無線局において、上記ルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信する第２の制御手段をさらに備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
従って、本発明によれば、発信元無線局及び、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Ｈが初期パス長Ｌ以下であるときの中継無線局において、ネットワーク層でパケットのドロップが発生したか否かを判断することにより、局所的なパケット信号の輻輳を検出して、その輻輳を検出したとき、すでに選択された最短のパスを除いて上記ルーティングテーブルを用いて次の最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信するように構成した。これにより、輻輳状態を示す従来技術のＡＮＬテーブルを用いず、従来技術に比較して構成が簡単であって、データ通信の輻輳時においてデータ信号を確実に宛先無線局に伝送してルーティングを集束させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００２３】
本発明の目的は、指向性の電子制御導波器アレーアンテナ装置を使用するマルチホップ・アドホック無線ネットワークの性能を監視しかつ制御するための環境を開発することにある。無指向性アンテナを使用するアドホック無線ネットワークの環境の開発を試行した研究者は幾人か存在するが、指向性アンテナを使用するアドホック無線ネットワークのための環境構築の例は極めて限られている（例えば、非特許文献５参照。）。本発明者らによる研究に係る本実施形態では、指向性の電子制御導波器アレーアンテナ装置を使用するアドホック無線ネットワークのテストベッドを実現し、共通クロック同期を何ら必要としない方向追跡メカニズムを実装したことを特徴としている。
【００２４】
図１は、本発明に係る実施形態であるアドホック無線ネットワークの構成を示す複数の無線局１−１乃至１−９（総称して、符号１を付す。）の平面配置図であり、図２は、図１の各無線局１の構成を示すブロック図である。
【００２５】
この実施形態の無線通信システムでは、図１に示すように、複数の無線局１が平面的に散在して存在し、各無線局１はそれぞれ、可変ビームアンテナ１０１の利得や送信電力、受信感度などのパラメータで決定される所定のサービスエリアを有し、このサービスエリア内でパケット通信を行うことができ、サービスエリア外の無線局１とパケット通信を行うときは、サービスエリア内の無線局１を中継局として用いてパケットデータを中継することにより、所望の宛先無線局１にパケットデータを伝送する。すなわち、各無線局１は、パケットのルーティングを行うルータ機能を備え、発信元無線局、中継局、又は宛先無線局として動作する。
【００２６】
この実施形態の無線通信システムは、例えば無線ＬＡＮなどのアドホック無線ネットワークのパケット通信システムに適用するものであって、無指向性放射パターンであるオムニパターンと、自局を中心とした水平面内の所定の方位角毎にセクタ形状のメインビームを選択的に変更可能なセクタビームパターンと、上記方位角毎にヌル点を形成可能な排他的セクターパターンとを選択的に切り換え可能な可変ビームアンテナ１０１を備え、下記の（ａ）乃至（ｃ）のテーブルをデータベースメモリ１５４に格納し、これらのテーブルに基づいて、可変ビームアンテナ１０１の放射パターンを制御しながらパケット信号のルーティングを行うことを特徴としている。
【００２７】
（ａ）自局を中心とするサービスエリア内の隣接ノード無線局（自局から無線通信可能なノード無線局を隣接ノード無線局という。）１から無線信号を受信するときに測定可能な隣接ノード無線局１に対する方位角及び信号強度レベルを格納する方位角及び信号強度レベルテーブル（Angle and Signal strength Table）（以下、ＡＳテーブルという。）。
（ｂ）自局からの無線信号を隣接ノード無線局が受信したときのＳＩＮＲの測定値を含む隣接ノード無線局からの無線信号に基づいて予め取得された、自局を中心とした水平面内の所定の方位角毎のサービスエリア内の無線局１から見たＳＩＮＲに基づいて、各隣接ノード無線局毎に最大のＳＩＮＲを選択して各隣接ノード無線局との親和度とし、当該親和度と、それに対応する方位角及びそのデータの更新時刻とを含む隣接リンク状態テーブル（Neighbor Link-State Table）（以下、ＮＬＳテーブルという。）。
（ｃ）各無線局間でＮＬＳテーブルのトポロジー情報（アドホック無線ネットワーク内のすべての無線局間のリンク状態を示すパス情報をいい、以下同様である。）を交換することにより、当該アドホック無線ネットワーク内のすべての無線局１に関するＮＬＳテーブルのトポロジー情報を収集し、このトポロジー情報（各無線局１間のリンク状態を含む）と、これにおける各無線局毎の当該トポロジー情報の更新回数（バージョンを示す）と、その時点で任意の通信プロセスに関わる無線局１を示す通信状態フラグ値とを含むグローバルリンク状態テーブル（Global Link State Table）（以下、ＧＬＳテーブルという。）。
【００２８】
この本実施形態に係るノード無線局装置は各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのためのルータ装置機能を有し、図２の管理制御部１５１は、
（Ａ）発信元無線局において予め決められた初期パス長Ｌと、パケット信号の既伝搬のホップ長Ｈと、データとを含むパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して伝送するときに、発信元無線局及び中継無線局において、所定のルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信し、
（Ｂ）発信元無線局及び、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Ｈが初期パス長Ｌ以下であるときの中継無線局において、ネットワーク層でパケットのドロップが発生したか否かを判断し、上記ドロップが発生したと判断したときに、すでに選択された最短のパスを除いて上記ルーティングテーブルを用いて次の最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信することを特徴としている。
【００２９】
また、管理制御部１５１は、
（Ｃ）パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Ｈが初期パス長Ｌを超えるときの中継無線局において、上記ルーティングテーブルを用いて最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信することを特徴としている。
【００３０】
指向性アンテナを装備するアドホック無線ネットワークにおける２個のノード無線局間で首尾良く指向性通信が発生するためには、ノード無線局の各々がその近傍ノード無線局と最も良く通信できる方向又はアンテナパターンを認識する必要がある。従って、本発明者らは、あるノード無線局がその近傍ノード無線局との通信に使用すべきアンテナパターンの推定をも考慮するプロアクティブな（先を見越して事前の策を講じた周期的近傍ノード無線局発見方法を提案する。次いで、本発明者らは、プロアクティブなルーティングプロトコルに使用可能なネットワークの全体的認識を得るための近傍情報の周期的同報通信及び更新メカニズムを提案する。
【００３１】
まず、ＮＬＳテーブルの形成において、近傍ノード無線局の発見及び方向推定のための本方法の最初のステップにおいて、ノード無線局は、ビームインデックスがタグ付けされた指向性ビーコンを可能な全個の１２ビームパターンで周期的に順次同報通信する。ビーコンを受信するそのノード無線局の近傍ノード無線局は、パケットが到来した際の受信された各ビーコンの信号強度を記憶する。ビーコンと共に送信のビームインデックスも送信するために、ノード無線局は、その近傍ノード無線局の各々の各方向で受信されたビーコンの信号強度を記録する。従って、これにより、ＮＬＳテーブルが形成される。
【００３２】
次いで、ＡＳテーブルの形成においては、第２のステップにおいて、ノード無線局は、１２個の同報通信ビーコンを受信した後、受信した最大信号強度を有するビームパターンを全方向的に送信して返信する。従って、この情報を返されて受信したノード無線局は、そのＡＳテーブルを形成する。それによって、ノード無線局はその近傍ノード無線局に到達する最良のビームパターンを知る。ビーコン信号の発信は周期的に行われることから、近傍情報も周期的に更新される。ノード無線局がその近傍ノード無線局からかなりの時間に渡って何らビーコンを受信しなければ、当該ノード無線局はこの近傍ノード無線局をそのＡＳテーブルから削除する。
【００３３】
さらに、ＧＬＳテーブルの形成においては、最後に各ノード無線局は、グローバル・ネットワークの接続性情報を捕捉するためのＧＬＳテーブルを保持する。各ノード無線局において、ＧＬＳテーブルはまず、そのノード無線局のＡＳテーブルを更新される。よってネットワークが最初に開始されるとき、ノード無線局はすべてそれ自身の近傍ノード無線局を認識しているだけで当該無線システム内の他のノード無線局に関しては何も分からない状態にある。各ノード無線局は、周期的にそのＧＬＳテーブルを更新としてその近傍ノード無線局へ同報通信する。その近傍ノード無線局からのそれらの近傍ノード無線局に関するこの周期的な更新メッセージにより、ノード無線局は他のノード無線局及びそれらの近傍ノード無線局に関する情報を次第に蓄積していく。従って、各ノード無線局は、他のノード無線局から受信する更新メッセージを基礎としてその固有のＧＬＳテーブルを更新する。ここで、このメカニズムは、各ノード無線局がネットワークの正確な状態を知ることを保証するものではないことに留意すべきである。これは、各ノード無線局がネットワークのおおよそのステータスを理解する手助けとなる認識であるに過ぎない。これは、ノード無線局の直近に関する正確な状態情報を保持する手助けとなる、距離が増大すると詳細の正確さは漸次低下するフィッシュアイ手法（例えば、非特許文献１３参照。）に類似している。
【００３４】
次いで、本実施形態に係る輻輳認識ゾーン非結合ルーティング方法の概要について以下に説明する。
【００３５】
増大された数の同時通信を介する無線媒体利用を向上させるために、アドホック無線ネットワークの技術分野において幾つかの指向性ＭＡＣプロトコルが提案されている。しかしながら、アドホック無線ネットワークにおける独立した２つの通信が互いに干渉し得るだけの近距離で物理的に位置づけられる２つのルートを選択すれば、各ノード無線局で指向性アンテナを使用してもこれらの２ルートに沿った同時通信は不可能になる。よって、より多くの同時通信数を達成するためには、各通信に関して干渉のないゾーン非結合なルートが発見されない限り、効果的な指向性ＭＡＣプロトコルでは不十分である。本発明者らは初期の研究において（例えば、非特許文献１４参照。）、最大ゾーン非結合最短ルートの選択を介してアドホック無線ネットワークにおける指向性アンテナの優位点の真価を利用するテーブル駆動のアダプティブなルーティング方法を提案した。あるルート上のデータ通信の他のルート沿いのデータ通信への干渉が最小限に抑えられれば、これらの２ルートは「最大ゾーン非結合」であるとされる。本発明者らの初期の提案によれば、各ノード無線局は、ネットワーク中の各ノード無線局に保持される現在のネットワークの状態情報の周期的浸透を通じて、おおよそのグローバルなネットワークのトポロジー及びネットワーク内で現在進行中の通信イベント情報を認識することになる。従って、この状態情報に依存して、ノード無線局は、幾つかの他の通信に目下使用中であるノード無線局を可能な限り回避するゾーン非結合な経路を計算する。この方法は、ネットワーク中へのネットワーク・状態情報の周期的伝搬に依存するが、幾分かの制御オーバーヘッドが生じる。
【００３６】
実施形態における実装に関して、本発明者らは、ローカル輻輳の検出を基礎とする、より単純な方法を提案している。従って、ルート選択の間、ノード無線局はローカル輻輳を検出し、宛先へ向けて輻輳ゾーンを回避する適切な次のホップを選定しなければならない。ノード無線局は、上位レイヤでのＭＡＣ層でパケットドロップが繰り返されてそのネットワーク層に待ち行列（例えば、送信バッファメモリ１４２のキューメモリである）においてオーバーフローが生じてパケットのドロップが生じる場合にローカル輻輳を検出する。しかしながら、ネットワーク全体にトラフィックの輻輳が生じれば、パケットは最終的にネットワーク全体をトラバースして輻輳ノード無線局を回避するゾーン非結合なルートを捜すことになる可能性がある。
【００３７】
この問題を回避するために、本実施形態では、本発明者らは、発信元無線局によって選択される「初期パス長」Ｌ及び「既伝搬のホップ長（ホップ数の計数値）」Ｈの２個の計量値を使用することを提案している。この情報は、データ通信用の各パケット信号に添付される。初期パス長Ｌは、発信元無線局により選択されるルートに依存して発信元無線局によって設定され、そのパケット信号の伝送期間を通じて一定に保持される。ここで、初期パス長Ｌは、無線ネットワークの大きさに依存するが、例えば、１０に設定される。また、既伝搬のホップ長Ｈは、各ホップの後に増大していく。パケット信号が、輻輳認識ゾーン非結合のルーティング方法を使用してＬホップ数以内でその宛先に到達しなければ、これは宛先無線局Ｄへ向けて利用可能な最短経路を選択する。これは、本実施形態に係るルーティングプロトコルの収束を可能にする。従って、無線ネットワーク中を適切な経路を捜してまわるパケット信号の不必要な伝搬は制限される。従って、このプロトコルは、何ら追加オーバーヘッドのない収束及びローカル輻輳検出を保証する。この方法はまた、輻輳以外の理由によるリンク不良をも解決することに留意すべきである。
【００３８】
次いで、図２を参照して、各無線局１の装置構成について説明する。図２において、無線局１は、可変ビームアンテナ１０１と、その指向性を制御するための指向制御部１０３と、サーキュレータ１０２と、データパケット送信部１４０及びデータパケット受信部１３０を有するデータパケット送受信部１０４と、トラヒックモニタ部１０５と、回線制御部１０６と、上位レイヤ処理装置１０７とを備える。
【００３９】
送受信すべきデータを処理する上位レイヤ処理装置１０７によって発生されたパケット形式の通信用送信信号データは、ネットワーク層のキューメモリである送信バッファメモリ１４２を介して変調器１４３に入力され、変調器１４３は、所定の無線周波数の搬送波信号を、拡散符号発生器１６０でＣＤＭＡ方式で発生された所定の通信チャンネル用拡散符号を用いて、入力された通信用送信信号データに従ってスペクトル拡散変調して、変調後の送信信号を高周波送信機１４４に出力する。高周波送信機１４４は入力された送信信号に対して増幅などの処理を実行した後、サーキュレータ１０２を介して可変ビームアンテナ１０１から他の無線局１に向けて送信する。一方、可変ビームアンテナ１０１で受信されたパケット形式の通信チャンネル用受信信号は、サーキュレータ１０２を介して高周波受信機１３１に入力され、高周波受信機１３１は入力された受信信号に対して低雑音増幅などの処理を実行した後、復調器１３２に出力する。復調器１３２は、入力される受信信号を、拡散符号発生器１６０でＣＤＭＡ方式で発生された通信チャンネル用拡散符号を用いて、スペクトル逆拡散により復調して、復調後の受信信号データを受信バッファメモリ１３３を介して上位レイヤ処理装置１０７に出力するとともに、トラヒックモニタのためにトラヒックモニタ部１０５に出力する。
【００４０】
本実施形態においては、指向性アンテナである可変ビームアンテナ１０１は、複数のアンテナ素子とその指向性を制御する制御部１０３に接続され、
（ａ）無指向性放射パターンであるオムニパターンと、
（ｂ）例えば図３に示すように、自局を中心とした水平面内の所定の方位角毎にセクタ形状のメインビームを選択的に変更可能なセクタビームパターンと、
（ｃ）上記方位角毎にヌル点を形成可能な排他的セクターパターンと
を電気的な制御により選択的に切り換え可能なアンテナである。なお、可変ビームアンテナ１０１については、例えば、公知のフェーズドアレーアンテナ装置であってもよいし、もしくは、特許文献２及び３、並びに非特許文献４に開示された電子制御導波器アレーアンテナ装置である可変ビームアンテナであってもよい。
【００４１】
トラヒックモニタ部１０５は、検索エンジン１５２と、更新エンジン１５３と、データベースメモリ１５４と、クロック回路１５５とを備え、後述のルーティング及び通信処理を実行するとともに、無線局１が他の無線局１とのパケット通信において使用すべき通信チャンネルを決定して、決定した通信チャンネルに対応する拡散符号の指定データを回線制御部１０６を介して拡散符号発生器１６０に送ることにより、拡散符号発生器１６０が当該指定データに対応する拡散符号を発生するように制御するとともに、決定した通信チャンネルに対応するタイムスロットの指定データを回線制御部１０６を介して送信タイミング制御部１４１に送ることにより、送信タイミング制御部１４１が送信バッファメモリ１４２による通信チャンネル用送信信号データの書き込み及び読み出しを制御することにより通信チャンネル用送信信号が対応するタイムスロットで送信されるように制御する。なお、クロック回路１５５は、現在日時を計時してその情報を、必要に応じて管理制御部１５１に出力する。
【００４２】
トラヒックモニタ部１０５の検索エンジン１５２は、管理制御部１５１の制御によりデータベースメモリ１５４内のデータを検索して検索したデータを管理制御部１５１に返信する。また、更新エンジン１５３は、管理制御部１５１の制御によりデータベースメモリ１５４内のデータを更新する。さらに、データベースメモリ１５４に、ＡＳテーブル、ＮＬＳテーブル及びルーティングのためのテーブルであるＧＬＳテーブルを記憶している。
【００４３】
本実施形態においては、アンテナ放射パターンを単一の通信相手先方向の利得が最大となるように指向性を変化させるセクタビームパターンの実効的な送信ビーム幅を３０°としており、可変ビームアンテナ１０１は、方位角を３０°毎に選択的に変化可能に設定できる。ビーム幅及び方位角の変化角度は、６０°又は他の角度であってもよい。また、本実施形態のパケット通信システムで用いるパケットデータは、図４に示す形式のフォーマットを有する。すなわち、データ通信用以外のパケットデータは、図４（ａ）に示すように、宛先無線局のＩＤと、パケット種別（トーン、ＧＬＳテーブル、ＲＴＳ（Request To Send）、ＣＴＳ（Clear To Send）、ＤＡＴＡなど）と、自局のＩＤと、データ（上位レイヤでのデータなどを含む）とを含む。また、データ通信用のパケットデータは、図４（ｂ）に示すように、宛先無線局のＩＤと、パケット種別（トーン、ＧＬＳテーブル、ＲＴＳ（Request To Send）、ＣＴＳ（Clear To Send）、ＤＡＴＡなど）と、自局のＩＤと、初期パス長Ｌと、既伝搬のホップ長（又はホップ計数値）Ｈと、データ（上位レイヤでのデータなどを含む）とを含む。
【００４４】
さらに、データベースメモリ１５４に格納されたＡＳテーブルは、図６に示すように、自局のサービスエリア内の隣接ノード無線局毎に、方位角と、信号強度レベルの情報を格納し、後述する図１１乃至図１４のパケット送受信制御処理により作成更新される。また、データベースメモリ１５４に格納されたＧＬＳテーブルは、図８に示すように、当該アドホック無線ネットワーク内のノード無線局毎に、隣接ノード無線局とその方位角データと、そのデータの更新回数（バージョンを示す）を格納し、後述するパケット送受信制御処理により作成更新される。
【００４５】
次いで、本実施形態で用いるＭＡＣ通信プロトコルについて以下に説明する。本実施形態に係る無線通信ネットワークにおいて、互いに無線通信を行う１組の無線局１は二次元的な閉鎖空間内を動き回り、共通の無線通信チャンネルを共有するものと仮定する。各無線局１は、上述の４個の放射パターンを有する、例えば電子制御導波器アレーアンテナ装置である可変ビームアンテナ１０１を備える。各無線局１は一度に送信又は受信のいずれかを実行可能であるが、１つの無線局１で複数の送受信を行うことはできない。
【００４６】
ＩＥＥＥ８０２．１１のＭＡＣプロトコル基準では、ＲＴＳ／ＣＴＳ／ＤＡＴＡ／ＡＣＫアクセス制御方式を用いて、高信頼性のデータ通信が保証されているが、本実施形態の方法では、このアクセス制御方式をベースとして、図９を参照して詳細後述するように、トーン信号＋パケット信号を用いた制御信号を用いて、ＧＬＳテーブル、その他のデータを含むパケット信号を送受信する。従って、データ通信は周期的な、ＧＬＳテーブルの生成及び更新フェーズの合間に実行される。また、各フレームにはトレーニングシーケンスが追加されて送受信アンテナによるそのビーム及びヌルの制御及び適応制御モードへの移行が可能にされる。
【００４７】
次いで、図１の無線局１を用いた、アドホック無線ネットワークのための無線通信システムの詳細について以下に説明する。
【００４８】
図１の可変ビームアンテナ１０１としては、上述のように、好ましくは、電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いる。一般の適応型アレーアンテナは通常、ディジタル型ビーム形成アンテナである。これに対して、電子制御導波器アレーアンテナ装置は高周波ビーム形成に依存し、これが回路の複雑さを大幅に低減する。電子制御導波器アレーアンテナ装置は、発信元無線局の無線送受信機に接続された中央の励振素子と、当該励振素子を中心として所定の半径上に設けられて円形状で取り囲む複数本の非励振素子（典型的には、４乃至６本）とを備えて構成される。各非励振素子には、可変リアクタンス素子が接続され、そのリアクタンス値を調整することにより、各非励振素子は、当該アレーアンテナ装置の放射パターンを異なる形状に形成する。当該電子制御導波器アレーアンテナ装置の特徴は、ビーム方向の制御、同一の周波数による多重ビームの形成、可動式（３６０度の掃引走査が可能である）ビーム及びヌルステアリングの制御にある。当該電子制御導波器アレーアンテナ装置を一般化されたスイッチング用ビームアンテナとして使用することの優位点は、少数のアンテナ素子で継続して追跡が可能であり、かつ可変数のビームパターンを保有できることにある。当該電子制御導波器アレーアンテナ装置は低コスト、低電力の小型アンテナになるため、ユーザ端末であるノード無線局の電力消費の低減が促進され、スイッチング用ビームアンテナのあらゆる優位点を導出することが可能になる。
【００４９】
本実施形態では、各ノード無線局１は指向性アンテナである可変ビームアンテナ１０１を備え、二次元のエリア空間Ａに分散された複数Ｎ個のノード無線局１からなるアドホック無線ネットワークを想定する。各ノード無線局１−ｎ（以下、ノード無線局１−ｎの符号をｎと略記する。ここで、ｎ∈Ｎである。）は、唯一のノード無線局ｎの識別子を有する。各ノード無線局ｎは、送信到達距離（送信信号が到達する範囲の距離（半径））Ｒと、本実施形態ではすべてのノード無線局ｎについて同一であることが想定されたビーム幅βとを有する。ビーム幅βを３６０度に設定すれば、これは全方向モードで動作する。本発明者らのシミュレーション環境では、指向性に関するビーム幅βは４５度であることが想定されている。移動型ノード無線局モデルとしては、ランダムウェイ・ポイントモデルを設定した。すなわち、ノード無線局ｎは宛先無線局のポイントをランダムに選定し、指定されたｖｍａｘ乃至ｖｍｉｎ間の速度集合から均一に選択された一定の速度ｖで目的地ポイントへ移動する。そして、目的地に到達すると、ノード無線局はポーズタイムと呼ばれる一定の時間だけ停止し、次いでプロセスが反復される。
【００５０】
さらに、ノード無線局ｎが送信到達距離Ｒで方位角α及びビーム幅βの送信ビームを形成するとき、方位角αにおけるノード無線局ｎからのその有効範囲は、図５に示すように、ノード無線局ｎの送信ゾーンＢｎ（α，β，Ｒ）と定義される。これは、ノード無線局ｍ（ｍ∈Ｎ）が送信ゾーンＢｎ（α，β，Ｒ）内にあり、かつノード無線局ｍが受信モードにあれば、ノード無線局ｎがノード無線局ｎに対する送信方位角α、ビーム幅β及び送信到達距離Ｒでメッセージの無線信号を送信する毎に、当該メッセージの無線信号は必ずノード無線局ｍによって受信されることを意味する。ノード無線局ｍが送信ゾーンＢｎ（α，β，Ｒ）の外へ移動すると、ノード無線局ｎとノード無線局ｍとの接続性は失われる。本実施形態では、送信ビーム幅βと、送信到達距離Ｒとが一定であるため、後述の説明では、送信ゾーンＢｎ（α，β，Ｒ）を送信ゾーンＢｎ（α）と呼ぶ。
【００５１】
次いで、本実施形態に係る無線通信システムにおける各ノード無線局１における「ネットワーク認識」について以下に詳細に説明する。
【００５２】
本実施形態では、各ノード無線局が隣接ノード無線局のみを認識しているだけではなく、当該アドホック無線ネットワーク全体のネットワーク認識でもあるような機構を有する無線通信システムを提案する。この「ネットワーク認識」は、後述する前向きな（積極的に率先して行う）ルーティング方法を実施する際に役立つ。当該アドホック無線ネットワークにおける各ノード無線局ｎは、次のようなネットワーク状態情報を示す５つのテーブルを有し、これらのテーブルは図２の各無線局内のデータベースメモリ１５４内に格納される。以下に、これら３つのテーブルの詳細について説明する。
【００５３】
（１）ＡＳテーブル：ＡＳテーブルは、その一例を図６に示すように、自局のサービスエリア内の隣接ノード無線局毎に、方位角と、信号強度レベルの情報を格納し、後述する図１１乃至図１４のパケット送受信制御処理により作成更新される。
【００５４】
（２）ＮＬＳテーブル（ノード無線局ｎにおけるＮＬＳテーブルを、ＮＬＳＴｎと記載する。）：各ノード無線局ｎは、その隣接ノード無線局の方向を追跡するために、周期的にその隣接情報を「収集」してＮＬＳテーブルを形成する。時刻ｔにおけるノード無線局ｎのＮＬＳテーブル（ＮＬＳＴｎ（ｔ））は、隣接ノード無線局ｍ（ｍ∈Ｇｎ）の各々について、ある特定方向でノード無線局ｎにより検出された無線結合の最大信号強度ＳＩＧＮＡＬθｎ，ｍ（ｔ）を特定することができる。従って、最大信号強度ＳＩＧＮＡＬθｎ，ｍ（ｔ）は、ノード無線局ｎにおいてその隣接ノード無線局ｍからノード無線局ｎに対する方位角θで受信され、かつノード無線局ｎにより任意の時刻で検出されたときの最大信号強度である。ノード無線局ｎのＮＬＳテーブルは、その任意の隣接ノード無線局との最も可能性の高い通信方向を決定する際の手助けとなる。ここで、各ノード無線局は、予め取得された各隣接ノード無線局についてのＳＩＮＲ値が最大となる方位角を選び、このＳＩＮＲ値を隣接ノード無線局との間の親和度とする。各ノード無線局はこの方位角と親和度の値を各隣接ノード無線局毎に取り出し、現在日時を更新日時として、ＮＬＳテーブルを生成して更新する。当該ＮＬＳテーブルには、その一例を図７に示すように、各隣接ノード無線局毎に、最大のＳＩＮＲ値に対応する方位角、最大のＳＩＮＲ値である親和度、更新日時が格納されている。
【００５５】
（３）ＧＬＳテーブル（ノード無線局ｎにおけるＧＬＳテーブルを、ＧＬＳｎと記載する。）：ＧＬＳテーブルは、時刻ｔにおいてノード無線局ｎが検出できたアドホック無線ネットワーク内のトポロジー情報を含む。具体的には、ＧＬＳテーブルは、その一例を図８に示すように、各ノード無線局毎に、隣接ノード無線局とその方位角データと、そのデータの更新回数（バージョンを示す）とを格納する。
【００５６】
本実施形態においては、各ノード無線局は、上述のＧＬＳテーブルを含むパケット信号（以下、ＧＬＳパケット信号という。）を所定の周期間隔でブロードキャストして、ＧＬＳテーブルの生成及び更新処理を行う。すなわち、各ノード無線局ｎは、そのＧＬＳパケット信号をある周期的間隔（ＧＬＳパケット信号の送信周期）ＴＧでブロードキャストを行う。ここで、あるノード無線局ｎが、その隣接ノード無線局からＧＬＳパケット信号を受信すると、それ自身のＧＬＳテーブルを更新する。
【００５７】
図９は図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いられるトーン信号とパケット信号の送受信処理を示すタイミングチャートである。ＭＡＣプロトコルの方法においては、ビーコン信号とＧＬＳパケット信号の２つのパケット信号の定期的な送信が必要であり、占有時間が比較的長く、スループットが落ちるという問題点があった。この問題点を解決するために、本実施形態に係るＭＡＣプロトコルでは、図９に示すように、送信側の無線局は、無変調搬送波であるトーン信号に続いて、ＧＬＳテーブル、ＲＴＳ又はＣＴＳ、もしくは送信したいデータを含むパケット信号を送信する。これに対して、受信側の無線局は、トーン信号を検出した後、パケット信号を復号化して復号化したデータを取り込み、データ処理を実行する。なお、ＧＬＳテーブルを含むＧＬＳパケット信号の送信は上述のように周期的に実行される。
【００５８】
図１０は図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いられる各無線局での放射パターンの種類と無線通信プロトコルを示すタイミングチャートである。図１０では、本実施形態に係る４方向ハンドシェイクのアンテナモードの使用例を示している。適応制御パターンは移動中のノード無線局を追跡することはできるが、ビーム及びヌルはパケット信号が受信されなければ形成され得ない。従って、送信側のノード無線局からのトーン信号＋ＲＴＳの送信やトーン信号＋ＣＴＳの送信では、オムニパターンが使用される。これに対して、受信側のノード無線局におけるトーン信号＋ＲＴＳの受信やトーン信号＋ＣＴＳの受信では、その開始時に回転セクターパターンが使用された後、ＡＳテーブルに基づいた方位角に向けられたセクターパターンを使用し、当該セクターパターンを用いた通信中において適応制御のための準備処理を実行し、最後に適応制御用放射パターンに移行する。
【００５９】
次いで、ＧＬＳテーブルの形成方法について以下に説明する。
【００６０】
各ノード無線局は、ネットワーク連結情報を捕捉するためのＧＬＳテーブルを保持している。各ノード無線局では、ＧＬＳテーブルはまず、そのノード無線局のＮＬＳテーブルによって更新される。従って、初期状態では、アドホック無線ネットワークの開始時には、すべてのノード無線局は単にそれ自身の隣接ノード無線局を認識しているだけであって、当該無線通信システム内の他のノード無線局に関しては「何も知らない状態」にある。各ノード無線局は、周期的にそのＧＬＳテーブルを更新して、更新したＧＬＳパケット信号を所定の送信周期でその隣接ノード無線局に対してブロードキャストする。その隣接ノード無線局からのそれらの各隣接ノード無線局に関するこの周期的な更新メッセージ（ＧＬＳパケット信号）により、ノード無線局は次第に、他のノード無線局及びそれらの各隣接ノード無線局に関するＧＬＳテーブル情報を取得していく。このように、各ノード無線局は、他のノード無線局から受信した更新メッセージ（ＧＬＳパケット信号）を基礎として、それ自身のＧＬＳテーブルを更新する。
【００６１】
ノード無線局ｎは、他のノード無線局からＧＬＳパケット信号を受信すると、それ自身のＧＬＳテーブルを更新する。これを行うために、ノード無線局ｎのＧＬＳテーブルに記憶されたすべてのノード無線局の最新性トークン値（更新回数）と、最近に到着した更新のためのＧＬＳパケット信号に記憶されたすべてのノード無線局の最新性トークン値（更新回数）とが比較される。ノード無線局ｎのＧＬＳテーブルにおける任意のノード無線局、例えばノード無線局Ｘの最新性トークン（更新回数）の方が更新するＧＬＳパケット信号におけるそれより少ないことが分かれば、更新するＧＬＳパケット信号の方がノード無線局Ｘに関する最新の情報を伝送していることは明らかである。従って、ノード無線局ｎのＧＬＳテーブルにおけるノード無線局Ｘに関する全体情報は、受信された更新ＧＬＳパケット信号におけるノード無線局Ｘの情報によって上書きされる。このステップは、すべての更新ＧＬＳパケット信号について、それらのそのホストノード無線局ｎへの到着に伴って非同期的に実行される。このステップにより、更新ＧＬＳパケット信号から収集することのできるすべての最新情報のノード無線局ｎによる捕捉が促進される。
【００６２】
ここで、この機構は、各ノード無線局がアドホック無線ネットワークの正確な状態を認識することを保証するものでないことを留意する必要がある。各ノード無線局がアドホック無線ネットワークのおおよその状態を解明する際に手助けとなるものは、単なる「認識」でしかない。これは、ノード無線局に近接した周辺のノード無線局においてはより正確な状態情報の保持を促進するが、距離が大きくなると（離れてくると）次第にネットワーク情報の詳細の精度が下がる「フィッシュアイアプローチ」（例えば、非特許文献１３参照）に類似している。
【００６３】
任意のノード無線局ｎにおけるＧＬＳテーブルの構造を示す図９において、ＲｉはＮ個のノード無線局よりなるアドホック無線ネットワークにおけるノード無線局ｎｉの最新性トークン値（更新回数）であり、＜ｎｊ，α（ｎｉ，ｎｊ）＞はノード無線局ｎｊがノード無線局ｎｉの隣接ノード無線局であることを示している。ここで、α（ｎｉ，ｎｊ）はノード無線局ｎｉがノード無線局ｎｊと最も良好に通信できる送信ビーム方位角αを示している。
【００６４】
次いで、各ノード無線局の位置の追跡とＭＡＣプロトコルについて以下に説明する。
【００６５】
通常、アドホック無線ネットワークでは、すべてのノード無線局にオムニアンテナが装備されている。しかしながら、オムニアンテナを使用するアドホック無線ネットワークは、無線媒体を広域に渡って保持することにネットワーク容量の大部分を浪費するＲＴＳ／ＣＴＳベースのフロア予約方法を使用している。従って、送信機及び受信機の隣接にある多くのノード無線局は、送信機と受信機との間のデータ通信が終わるのを待って、無為に存在することを余儀なくされる。この問題を緩和するため、当該技術分野の研究者達は、無線干渉を大幅に低減し、これにより無線媒体の利用及び必然的にネットワークのスループットを増進させる指向性アンテナの使用を提案している（例えば、非特許文献４など参照）。
【００６６】
指向性アンテナの能力を十分に活用するためには、発信元無線局及び宛先無線局の隣接ノード無線局はすべて、他の方向で新たな通信を開始することができて発信元無線局と宛先無線局との間で現に行われているデータ通信との干渉を防止できるように、通信の方向を認識していなければならない。こうして、各ノード無線局においてその隣接ノード無線局の方向を追跡するメカニズムを保有することが不可欠になる。
【００６７】
しかしながら、指向性アンテナを使用する無線アドホック無線ネットワークにおけるこの方向追跡メカニズムは、多大な制御オーバーヘッドを被ることから重大な問題である。
【００６８】
ある従来技術では、方向の追跡は、トーン信号の集合を使用しかつアドホック無線ネットワーク内の各ノード無線局で広範なネットワーク状態情報を保持することによって実行されている。ここで、各ノード無線局が移動する動的状態の場合には、これは非現実的である。また、非特許文献２では、提案されたＭＡＣプロトコルは位置情報を認識する必要がなく、発信元無線局及び宛先無線局は全方向性のＲＴＳ−ＣＴＳ交換の間にお互いの方向をオンデマンドベースで同定する。このＲＴＳ−ＣＴＳの対話通信を聞いている発信元無線局ｓ及び宛先無線局ｄのすべての隣接ノード無線局は、この情報を使用して実行中のデータ送信との干渉を防止するように想定されている。しかしながら、ＲＴＳ及びＣＴＳパケットの全方向性の送信に起因して、このプロトコルは無線チャンネルの空間再利用という恩典をもたらさない。
【００６９】
さらに、別の従来技術では、各ノード無線局の位置の追跡にＧＰＳ（Global Positioning System）の使用が提案されているが、情報交換の正確なメカニズム及び結果的に生じるオーバーヘッドについては論じられていない。また、例えば非特許文献３では、ノード無線局はその隣接ノード無線局へ指向的にアクセスするために送信方向を認識していることが想定されているが、位置の追跡機構は示されていない。さらに、非特許文献２及び３の方法はともに、各ユーザ端末におけるハードウェアの追加を必要としている。本発明者の１人ほかによる先の研究結果では、各ノード無線局が方位角対ＳＩＮＲテーブル（ＡＳテーブル）の保全を介して隣接情報を動的に維持するＭＡＣプロトコルが提案されている。この方法では、ＡＳテーブルを作成するために各ノード無線局は、指向性ビーコン信号を周期的に指向性のブロードキャストの形式で全方向へ３０度間隔で順次送信し、３６０度の空間全体をカバーする。ここで、この従来技術の方法では、制御パケットに起因するオーバーヘッドが極めて高い。
【００７０】
本実施形態における本発明者らにより発明されたＭＡＣプロトコルは、基本的に「受信機による指向、回転セクタベースの指向性のＭＡＣプロトコル」であり、これはまた位置追跡メカニズムとしても機能する。この場合、各ノード無線局はアイドルの間、全方向性の検出モードで待機する。これは、しきい値を超える何らかの信号を検出するたびに、「回転セクタ受信モード」に入る。「回転セクタ受信モード」では、ノード無線局ｎはその指向性アンテナを全方向へ４５度間隔で順次回転させて、各方向における順次指向性受信の形式で３６０度の空間全体をカバーし、各方向で受信された信号を検出する。一回転の後、これは、受信された最大の信号強度によって信号の受信方向として最良である可能性のあるものを決定する。次に、そのビームをその方向へ設定し、信号を受信する。
【００７１】
ここで、受信された信号を復号する受信機を有効化するために、各制御パケットは、受信機の回転受信ビームを３６０度回転させる時間がトーン信号の持続時間（本発明者らのシミュレーションでのケースでは２００マイクロ秒）より少し短いような持続時間を有する先行トーン信号を伴って送信される。任意の制御パケット信号より前にこのトーン信号を送信する目的は、受信機が、信号の受信方向として最良である可能性のあるものを追跡できるようにすることにある。これがそのビームをその方向へ設定すると、トーン信号の目的は果たされ、続いて制御パケット信号が送信される。
【００７２】
本発明者らにより提案した本実施形態に係るフレームワークでは、媒体アクセス制御のために、次の３タイプのブロードキャスト（全方向性）制御パケットを使用している。
（１）ＧＬＳテーブルを含むパケット信号（ＧＬＳパケット信号）、
（２）ＲＴＳ（送信要求）信号を含むパケット信号、及び
（３）ＣＴＳ（送信可）信号を含むパケット信号。
【００７３】
このほか、制御パケットＡＣＫ信号も、指向性の制御パケットである。データを含むパケット信号は、ＲＴＳ／ＣＴＳのハンドシェイクが行われた後に方向を決めて送信される。ＧＬＳパケット信号は上述のように、周期的な信号であり、各ノード無線局から予め決められた送信周期（送信間隔）で送信される。各周期的間隔において、例えば各ノード無線局ｍは、ＡＮＬパケットをその隣接ノード無線局へ、もしその無線媒体（無線チャンネル）が空き状態であればブロードキャストを行う。次いで、各受信機はそのビームをその方向へ設定し、パケットを受信して復号する（図９参照）。
【００７４】
さらに、ノード無線局ｎは、例えばノード無線局ｊとのデータ通信の開始を希望する度に無線媒体（無線チャンネル）をチェックし、無線媒体が空き状態であれば全方向性のＲＴＳ信号を発行して送信する。宛先無線局ｊは、ＲＴＳ信号を受信すると全方向性のＣＴＳ信号を発行して送信する。この場合のＲＴＳ／ＣＴＳの目的は、（オムニアンテナを使用する場合のように）ノード無線局ｎ及びｊの隣接ノード無線局による送信又は受信を禁止することではなく、ノード無線局ｎ及びｊの隣接ノード無線局に、隣接ノード無線局ｊがノード無線局ｎからデータパケットを受信しようとしていることを知らせることにある。これはまた、通信のおおよその持続時間も特定する。ノード無線局ｎ及びｊのすべての隣接ノード無線局は、それらの指向性ネットワーク配置ベクトル（Directional Network Allocation Vector（ＤＮＡＶ））をノード無線局ｎ及びｊの方向へ設定することにより、ノード無線局ｎとｊとの間の通信を追跡する。従って、ノード無線局ｎ及びｊの隣接に存在するノード無線局は、「ノード無線局ｎとノード無線局ｊとの間で行われている通信を妨害することなく」他の方向への通信を開始することができる。発信元無線局と宛先無線局は、指向性の受信モードでそれぞれ肯定応答信号及びデータパケット信号を待つ。
【００７５】
以上の処理の詳細を図１１乃至図１４のフローチャートを参照して以下に説明する。図１１は図２の無線局１の管理制御部１０５によって実行されるパケット送受信制御処理を示すフローチャートであり、図１２乃至図１４は図１１のサブルーチンであるルーティング及び通信処理（ステップＳ１２）の処理を示すフローチャートである。
【００７６】
図１１において、まず、ステップＳ１で回転セクターパターンで可変ビームアンテナ１０１を所定の方位角（例えば、３０度）毎に変化して回転走査するように制御して受信信号を受信し、ステップＳ２において所定のしきい値以上の信号強度レベルの受信信号を受信したか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３に進む一方、ＮＯのときはステップＳ９に進む。ステップＳ９において送信すべきパケット信号があるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ１０に進む一方、ＮＯのときはステップＳ１に戻る。ステップＳ１０において送信すべきパケット信号はＧＬＳパケットであるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ１１に進む一方、ＮＯのときはステップＳ１２に進む。ここで、ＧＬＳパケットは、所定の周期期間ＴＧで周期的にそのイベントが発生され、このときこのステップＳ１０でＹＥＳとなると、ステップＳ１１においてオムニパターンで当該テーブルを含むパケット信号を送信した後、ステップＳ１に戻る。一方、ステップＳ１２において図１２乃至図１４のサブルーチンであるルーティング及び通信処理を実行した後、ステップＳ１に戻る。
【００７７】
ステップＳ３では、回転セクターパターンを停止して、可変ビームアンテナ１０１の放射パターンを、停止した所定の方位角に向けるセクターパターンに設定する。次いで、ステップＳ４において適応制御パターンで受信信号を受信し、パケット情報を復号化し受信信号の信号強度レベルを測定し、ステップＳ５において受信信号ＲＳを判別して以下のようにステップＳ６又はＳ８に分岐する。ここで、受信信号ＲＳ＝ＧＬＳパケット信号であるときは、ステップＳ６でＧＬＳテーブル等更新処理を実行した後、ステップＳ１に戻る。このＧＬＳテーブル等更新処理では、現在格納されているＧＬＳテーブルと、受信信号に含まれるＧＬＳテーブルとを比較して、更新回数がより多いバージョンが新しいデータのみをそれを用いてＧＬＳテーブルを更新し、新しいノード無線局であるときはそのノード無線局についての情報を追加する。さらに、ステップＳ５で受信信号ＲＳ＝その他の信号であるときは、ステップＳ８でその他の信号の受信処理を実行した後、ステップＳ１に戻る。
【００７８】
図１１の制御フローにおいては、ステップＳ１，Ｓ２において、可変ビームアンテナ１０１を回転走査して所定のしきい値以上の信号強度レベルの受信信号を受信したときに、その受信信号を検出しているが、本発明はこれに限らず、可変ビームアンテナ１０１を３６０度にわたって回転走査して、所定のしきい値以上の信号強度レベルの受信信号を受信しかつそのうちの最大の受信信号を、検出された受信信号としてもよい。
【００７９】
図１２のルーティング及び通信処理（ステップＳ１２）においては、まず、ステップＳ２１において送信パケットの発信元無線局かであるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ２２に進む一方、ＮＯのときは図１３のステップＳ３１に進む。以下のステップＳ２２からステップＳ２８までの処理は送信パケットの発信元無線局であるときの処理を示しており、ステップＳ２２において既伝搬のホップ長Ｈを０に初期化し、ステップＳ２３においてＧＬＳテーブルに基づいて最短のパスを検索して選択し、ステップＳ２４において検索できたかであるか否かが判断される。ステップＳ２４において、ＹＥＳのときはステップＳ２５に進む一方、ＮＯのときはステップＳ２８に進む。ステップＳ２５において初期パス長Ｌとして、例えば好ましくは１０である予め決められた値Ｌ０を設定し、ステップＳ２６において送信パケットを上記選択された最短のパスの次のノード無線局に向けて無線送信するために例えば送信バッファメモリ１４２であるキューメモリに格納し、ステップＳ２７に進む。ここで、当該キューメモリに格納された送信パケットは順次次の無線局に向けて送信される。ステップＳ２７においてネットワーク層でパケットのドロップ（又は損失）がキューメモリにおいて発生したかであるか否か（すなわち、上位レイヤでのＭＡＣ層でパケットドロップが繰り返されてそのネットワーク層に待ち行列（例えば、送信バッファメモリ１４２のキューメモリである）においてオーバーフローが生じてパケットのドロップが生じたか否か）が判断され、ＮＯのときは元のメインルーチンに戻る一方、ＹＥＳのときはステップＳ２８に進み、すでに選択された最短のパスを除いて、ＧＬＳテーブルに基づいて次の最短のパスを選択した後、ステップＳ２４に戻る。
【００８０】
次いで、図１３及び図１４は、送信パケットの発信元無線局以外の中継無線局であるときの処理を示しており、図１３のステップＳ３１において、既伝搬のホップ長Ｈを１だけインクリメントし、ステップＳ３２においてＨ＞Ｌであるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３３に進む一方、ＮＯのときは図１４のステップＳ４１に進む。ステップＳ３３においてＧＬＳテーブルテーブルに基づいて最短のパスを検索して選択し、ステップＳ３４において検索できたかであるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３５に進む一方、ＮＯのときは元のメインルーチンに戻る。ステップＳ３５において送信パケットを上記選択された最短のパスの次のノード無線局に向けて無線送信するために例えば送信バッファメモリ１４２であるキューメモリに格納し、元のメインルーチンに戻る。ここで、当該キューメモリに格納された送信パケットは順次次の無線局に向けて送信される。
【００８１】
さらに、図１４のステップＳ４１においてＧＬＳテーブルに基づいて最短のパスを検索して選択し、ステップＳ４２において検索できたかであるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ４３に進む一方、ＮＯのときは元のメインルーチンに戻る。ステップＳ４３において送信パケットを上記選択された最短のパスの次のノード無線局に向けて無線送信するために例えば送信バッファメモリ１４２であるキューメモリに格納し、ステップＳ４４に進む。ここで、当該キューメモリに格納された送信パケットは順次次の無線局に向けて送信される。一方、ステップＳ４４において、ステップＳ２７と同様に、ネットワーク層でパケットのドロップ（又は損失）がキューメモリで発生したかであるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ４５に進む一方、ＮＯのときは元のメインルーチンに戻る。ステップＳ４５では、すでに選択された最短のパスを除いて、ＧＬＳテーブルに基づいて次の最短パスを選択した後、ステップＳ４２に戻る。
【００８２】
以上の実施形態においては、ＧＬＳテーブルを用いてルーティングしているが、本発明はこれに限らず、公知のＤＳＲなどの他の経路制御プロトコルを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
以上説明したように、本発明によれば、発信元無線局及び、パケット信号に含まれる既伝搬のホップ長Ｈが初期パス長Ｌ以下であるときの中継無線局において、ネットワーク層でパケットのドロップが発生したか否かを判断することにより、局所的なパケット信号の輻輳を検出して、その輻輳を検出したとき、すでに選択された最短のパスを除いて上記ルーティングテーブルを用いて次の最短のパスを選択し、上記送信すべきパケット信号を送信するためにキューメモリに格納して次の無線局に向けて無線送信するように構成した。これにより、輻輳状態を示す従来技術のＡＮＬテーブルを用いず、従来技術に比較して構成が簡単であって、データ通信の輻輳時においてデータ信号を確実に宛先無線局に伝送してルーティングを集束させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明に係る実施形態であるアドホック無線ネットワークを構成する複数の無線局１−１乃至１−９の平面配置図である。
【図２】図１の各無線局１の内部構成を示すブロック図である。
【図３】図１の可変ビームアンテナ１０１のセクタビームパターンの一例を示す図である。
【図４】図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いられるパケットデータのフォーマットを示す図であり、図４（ａ）はデータ通信用以外のパケットデータのフォーマットを示す図であり、図４（ｂ）はデータ通信用のパケットデータのフォーマットを示す図である。
【図５】本実施形態に係る無線通信システムの説明において用いる各ノード無線局からの送信セクタ放射パターンである送信ゾーンＢｎ（α，β，Ｒ）を示す平面図である。
【図６】図２のデータベースメモリ１５４において格納される方位角及び信号強度レベルテーブル（ＡＳテーブル）の一例を示す表である。
【図７】図２のデータベースメモリ１５４に格納される隣接リンク状態テーブル（ＮＬＳテーブル）の一例を示す図である。
【図８】図２のデータベースメモリ１５４に格納されるグローバルリンク状態テーブル（ＧＬＳテーブル）の一例を示す図である。
【図９】図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いられるトーン信号とパケット信号の送受信処理を示すタイミングチャートである。
【図１０】図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いられる各無線局での放射パターンの種類と無線通信プロトコルを示すタイミングチャートである。
【図１１】図２の無線局１の管理制御部１０５によって実行されるパケット送受信制御処理を示すフローチャートである。
【図１２】図１１のサブルーチンであるルーティング及び通信処理（ステップＳ１２）の第１の部分を示すフローチャートである。
【図１３】図１１のサブルーチンであるルーティング及び通信処理（ステップＳ１２）の第２の部分を示すフローチャートである。
【図１４】図１１のサブルーチンであるルーティング及び通信処理（ステップＳ１２）の第３の部分を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８５】
１，１−１乃至１−９，１−ｉ，１−ｊ，１−ｋ，…ノード無線局、
１０１…可変ビームアンテナ、
１０２…サーキュレータ、
１０３…指向制御部、
１０４…パケット送受信部、
１０５…トラヒックモニタ部、
１０６…回線制御部、
１０７…上位レイヤ処理装置、
１３０…パケット受信部、
１３１…高周波受信機、
１３２…復調器、
１３３…受信バッファメモリ、
１４０…パケット送信部、
１４１…送信タイミング制御部、
１４２…送信バッファメモリ、
１４３…変調器、
１４４…高周波送信機、
１５１…管理制御部、
１５２…検索エンジン、
１５３…更新エンジン、
１５４…データベースメモリ、
１５５…クロック回路、
１６０…拡散符号発生器。
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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