(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線ネットワークにおいてノードのビームフォーム方向を選択する装置であって、
個々のステップでビームアングルを変更し、前記装置に接続されたアンテナのビームフォーム方向を制御する制御モジュールと、
進行中の送信をオーバーヒアするとともに、異なるアングルステップでオーバーヒアした送信を示す１つ以上の近傍パラメータを抽出する受信モジュールと
を備え、
前記制御モジュールは、アングルステップごとに判定パラメータを計算するとともに、前記異なるアングルステップの判定パラメータを比較し、その比較結果に基づいて前記アンテナのビームフォーム方向として最適な判定パラメータに対応するアングルを選択するものであり、
ノードによって送信される近傍パラメータは、あるアングルステップにおける近傍ノードの数を含むものであり、
近傍ノードの数が最大となるような、アンテナのビームフォーム方向のアングルが選択され、
前記近傍ノードの数はｎホップ以内で到達できる近傍ノードの数であって、ｎは１以上の数である、装置。
【請求項２】
前記近傍パラメータは、ルーティングプロトコルが動作する層より下位の層におけるデータ送信または専用のビーコンメッセージに含まれるものである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ノードによって送信される前記近傍パラメータは、
バッテリレベルと、
コンジェスチョンレベルと、
チャネル品質と、
相対的または絶対的な位置と
のうちの１つ以上を含むものであり、
２つ以上の近傍パラメータを考慮する場合には、その複数の近傍パラメータに基づいてアングルごとに累積的な判定パラメータが計算されるものである、
請求項１または２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４】
前記制御モジュールは、
ビーム方向を所定のアングルずつ変化させることにより近傍ノードをスウィープするステップと、
近傍ノードによるデータパケットの送信と、ビーコンメッセージが使用される場合の、近傍ノードによるビーコンの送信とをオーバーヒアするステップと、
次のアングルに移動する前に所定の時間にわたって各アングル方向を維持するステップと、
受信した関連する全ての近傍パラメータｐ_ｋ（ｋ＝１，・・・，ｍ）を含むステータスパラメータの集合Ｐに基づいて、判定パラメータＦ（Ｐ）を構成するステップと、
あるビーム方向によりＦ（Ｐ）が増加し、以前の値を上回ってある閾値よりも大きい場合には新たなビーム方向を使用するステップと、
規則的な間隔か、またはマニュアルトリガに基づいて追加的に上記ステップを反復するステップと
を実行するものである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記制御モジュールは、対応する方向におけるステータスの最新情報についての統計学的に重要なサンプルを得るために、スウィープ中のアングルのインクリメントのステップサイズとあるアングルにおけるステップ時間とのうちのいずれかまたは両方を適応させるものである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記近傍パラメータは、通常のトラフィックにピギーバックされた前記ノードにより送信されるか、または前記近傍パラメータを送信するための専用のビーコンメッセージを使用して送信されるものである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記判定パラメータの変化がビームフォーム方向を変更するのに十分であるかどうかを決定するために適用される閾値を変更するモジュールであって、ネットワークが非常に不安定であることを検出した場合には前記閾値を増加させるか、および／またはネットワークが非常に安定であることを検出した場合には前記閾値を減少させるものであるモジュールを備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
ホップ数１の距離にある近傍ノードから前記近傍パラメータを受信するとともに、前記ホップ数１の距離にある近傍ノードから受信した前記近傍パラメータに基づいて、前記判定パラメータを計算する請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
ホップ数が２以上の距離にある近傍ノードから前記近傍パラメータを受信するステップと、
前記ホップ数が２以上の距離にある近傍ノードを含む近傍ノードから受信した前記近傍パラメータに基づいて前記判定パラメータを計算するステップと
を実行する請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
あるアングルで検出された近傍ノードの最大数に基づいて前記判定パラメータを決定する請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
あるノードにより実行される最初のビームフォーム選択のタイミングをランダムに選択するとともに、後続のビームフォーム選択のタイミングを規則的な間隔で選択するモジュールを備える請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記規則的な間隔は、前記モジュールによって選ばれたランダムパラメータに従って変化するものである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記ネットワーク内のノードがビームフォーム選択を実行する順序を定めるタイミング選択モジュールを備える請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置を備える複数のノードを含むネットワークであって、
センサネットワークと、
車両ネットワークと、
無線メッシュネットワークと、
無線アクセスネットワークと
のうちのいずれかであるネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアンテナアレイのビームフォームに関する。
【背景技術】
【０００２】
ビームアンテナの利用は無線装置にとって有望な技術であることがわかっている。ビームアンテナを備えたモバイル装置は、無線ネットワークにおいてそのビームパターンの方向を選択することができ、それによりネットワークの接続性および安定性にプラスに作用することができる。ビーム方向とはアンテナパターンの指向性を指すが、そのパターンはアンテナアレイによって決定される任意の形状を有することができる。ビームフォームは、特に無線アクセスネットワーク、メッシュネットワーク、車両ネットワークおよびセンサネットワークに適用することができる。
【０００３】
一般的に、ビームフォームには次のような２つの周知アプローチがある。
ａ）ランダム方向ビームフォーム（Ｒａｎｄｏｍ  Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ  Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ：ＲＤＢ）
ｂ）通信ベースのビームフォーム（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ−ｂａｓｅｄ  Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）
【０００４】
第１のソリューション（アプローチａ）はオーバヘッドを軽減したシンプルなものであるが、そのパフォーマンスは制限されたままである。ＲＤＢ（例えば非特許文献１参照）は、指向性アンテナのビームをランダムな方向に向けること（および固定すること）から成るシンプルな方法である。ＲＤＢは、全方向性（ｏｍｎｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）アンテナを使用する場合と比較してかなりの改善を示している。しかしながら、このアプローチは、ネットワークの境界に近いか、または障害物に隣接するノードが、（ノードｘおよびｙが、近傍にノードが全くない方向にビームを向けているケースを示す）図１に示されているように、近傍ノードが全く存在しない方向にビームフォームするときには限界である。このようなノードはネットワークの他の部分から孤立している。
【０００５】
通信ベースのビームフォームを利用する第２のソリューション（アプローチｂ）は、システムのパフォーマンスを大きく向上させるものの複雑度が増す。このアプローチの詳細については例えば非特許文献２を参照されたい。このアプローチは、ルーティング情報に基づいてビームの方向を選択することを含んでいる。通信ベースのビームフォームでは、ノードは継続的に自分の通信相手の位置を検索し、それに適応することを余儀なくされる。このときノード間のタイトな調整が必要とされ、その結果、複雑度が増し、オーバヘッドが増加する。このことは、ビームフォームメカニズムとルーティングメカニズムが相互作用し、互いに独立ではないということを意味する。ビームフォームメカニズムは、ノードの通信相手（または少なくとも隣のホップ）のＩＤとその場所といったルーティング情報が必要であり、このためシステム全体の複雑度が増す。各ノードは各々の通信相手に到達することができるアングルを知らなければならない。このアングルは、到来角（ａｎｇｌｅ−ｏｆ−ａｒｒｉｖａｌ）の推定、または各ノードの位置とそれらの直近の通信相手（隣のホップ）の位置とに関する情報を利用して得られる。このことは、ルーティングを受け持つ（ＯＳＩ）層とビームフォームを受け持つ層（例えばＭＡＣ層）が相互に作用するとともに情報を交換し、相互に依存する関係になくてはならないことを意味する。この状況はビームフォームメカニズム全体の複雑度の点で好ましくない。さらに、ＩＳＯ−ＯＳＩモデルの異なる２つの層で修正が必要となることから既存のネットワークインフラへの実装が難しくなる。
【０００６】
【非特許文献１】Ｃ．  Ｂｅｔｔｓｔｅｔｔｅｒ，  Ｃ．  Ｈａｒｔｍａｎｎ  ａｎｄ  Ｃ．  Ｍｏｓｅｒ，  “Ｈｏｗ  ｄｏｅｓ  ｒａｎｄｏｍｉｚｅｄ  ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ  ｉｍｐｒｏｖｅ  ｔｈｅ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ  ｏｆ  ａｄ  ｈｏｃ  ｎｅｔｗｏｒｋｓ？”，  Ｉｎ  Ｐｒｏｃ．  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎ．  Ｃｏｎｆ．  ｏｎ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  （ＩＣＣ），  Ｓｅｏｕｌ，  Ｋｏｒｅａ，  Ｍａｙ  １６−２０，  ２００５
【非特許文献２】Ｒ．  Ｒｏｙ  Ｃｈｏｕｄｈｕｒｙ，  Ｘ．  Ｙａｎｇ，  Ｒ．  Ｒａｍａｎａｔｈａｎ  ａｎｄ  Ｎ．  Ｈ．  Ｖａｉｄｙａ，  “Ｕｓｉｎｇ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ａｎｔｅｎｎａｓ  ｆｏｒ  ｍｅｄｉｕｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｉｎ  ａｄ  ｈｏｃ  ｎｅｔｗｏｒｋｓ”，  ｉｎ  ＡＣＭ  ＭｏｂｉＣｏｍ  ２００２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記に鑑みて、本発明の目的は、「通信ベースのビームフォーム」の複雑度を要せずにＲＤＢを大きく改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態によれば、アドホックネットワークにおいてノードのビームフォーム方向を選択する装置であって、個々のステップでビームアングルを変更し、前記装置に接続されたアンテナのビームフォーム方向を制御する制御モジュールと、進行中の送信をオーバーヒアするとともに、異なるアングルステップでオーバーヒアした送信を示す１つ以上のパラメータを抽出する受信モジュールとを備え、前記制御モジュールは、アングルステップごとに判定パラメータを計算するとともに、前記異なるアングルステップの判定パラメータを比較し、その比較結果に基づいて前記アンテナのビームフォーム方向として最適な判定パラメータに対応するアングルを選択するものである、装置が提供される。
【０００９】
この実施形態によれば、ルーティングのロバスト性および接続性を向上させ、相互干渉を低減するために、無線ネットワーク内にビームフォームアンテナが導入することができる。
【００１０】
一実施形態によれば、近傍パラメータ（ｎｅｉｇｈｂｏｒｈｏｏｄ  ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）は、ビームフォームアングルを選択するノードから特にリクエストがなくても他のノードによって送信されるものであり、異なるアングルで複数のノードから得られた近傍パラメータは、前記判定パラメータの計算に際してウェイトとともに考慮され、このウェイトはビームフォーム方向を選択するノードの現在または未来の通信相手とは無関係である。
【００１１】
これは、選択のメカニズムが、追加の通信を含むであろうアクティブなリクエストよりも、進行中の通信を「パッシブに」オーバーヒアすることに基づくことができるということを意味する。さらに、ノードの現在または未来の通信相手（つまり隣のホップ）をその選択の基礎とするのではなく、その選択はオーバーヒアした送信から導かれたパラメータによって反映される近傍全体に基づいている。そうすることにより、通信相手のどんな変更も考慮する通信ベースのビームフォームの場合におけるアングルの頻繁な変更を避け、さらにはこのような変更から生じる可能性のあるカスケード効果を避けることができる。
【００１２】
一実施形態によれば、前記近傍パラメータは、ルーティングプロトコルが動作する層と異なる層か、または下位の層におけるデータ送信または専用のビーコンメッセージに含まれる。
【００１３】
これは、ビームフォーム方向選択がルーティングプロトコルとは無関係になり、その結果、通信ベースのビームフォームアプローチの場合にビームフォームとルーティングとの間の相互依存性によって生じる複雑度を避けることができるという有利な効果を奏する。
【００１４】
具体的には、この実施形態に基づくアプローチは、ノード間の調整（ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ）を必要としないため「通信ベースのビームフォーム」よりもずっと複雑度が低く、また同程度の複雑度でランダム方向ビームフォームのアプローチを大きく凌駕する。
【００１５】
このようにして、本方法は、ネットワーク接続性を向上させ、パスを短縮し（従ってエンドツーエンドの遅延を短縮し）、干渉を低減し、モバイル機器のバッテリ消費量を低減し、そしてネットワーク容量を増加させる。
【００１６】
一実施形態によれば、前記近傍パラメータは前記ノードにより規則的な間隔で送信されるものであり、前記近傍パラメータは、近傍ノードの数と、バッテリレベルと、コンジェスチョンレベルと、チャネル品質と、相対的または絶対的な位置とのうちの１つ以上を含むものであり、２つ以上の近傍パラメータを考慮する場合には、その複数の近傍パラメータに基づいてアングルごとに累積的な判定パラメータが計算される。
【００１７】
これにより、ノードは前記パラメータから得られる近傍についての情報、例えば近傍ノードの数、それらのエネルギーレベル、チャネル品質、コンジェスチョンレベル、位置など）を用いて最適なビーム方向を計算することができる。
【００１８】
一実施形態によれば、前記制御モジュールは、ビーム方向を所定のアングルずつ変化させることにより近傍ノードをスウィープするステップと、近傍ノードによるデータパケットの送信と、ビーコンメッセージが使用される場合の、近傍ノードによるビーコンの送信とをオーバーヒアするステップと、次のアングルに移動する前に所定の時間にわたって各アングル方向を維持するステップと、受信した関連する全ての近傍パラメータｐ_ｋ（ｋ＝１，・・・，ｍ）を含むステータスパラメータの集合Ｐに基づいて、判定パラメータＦ（Ｐ）を構成するステップと、あるビーム方向によりＦ（Ｐ）が増加し、以前の値を上回ってある閾値よりも大きい場合には新たなビーム方向を使用するステップと、規則的な間隔か、またはマニュアルトリガに基づいて追加的に上記ステップを反復するステップとを実行する。
【００１９】
このようにしてビームフォーム選択アルゴリズムを実行することができる。規則的に反復することにより、アルゴリズムがネットワーク状態の変化に適応することが確実なものとなる。加えて、例えばユーザまたはオペレータは、ネットワークが不安定になっているかもしれないと考える場合にはビームフォーム方向選択をマニュアルトリガする可能性を提供することができる。
【００２０】
一実施形態によれば、前記制御モジュールは、対応する方向におけるステータスの最新情報についての統計学的に重要なサンプルを得るために、スウィープ中のアングルをインクリメントするステップサイズとあるアングルにおけるステップ時間とのうちのいずれかまたは両方を適応させる。
【００２１】
これによりビームフォーム選択アルゴリズムの信頼性と効率が向上する。
【００２２】
一実施形態によれば、近傍に関する前記情報は、通常のトラフィックにピギーバックされた前記ノードにより送信されるか、または近傍に関する前記情報を送信するための専用のビーコンメッセージを使用して送信される。
【００２３】
一実施形態によれば、前記装置は、前記判定パラメータの変化がビームフォーム方向を変更するのに十分であるかどうかを決定するために適用される閾値を変更するモジュールであって、ネットワークが非常に不安定であることを検出した場合には前記閾値を増加させるか、および／またはネットワークが非常に安定であることを検出した場合には前記閾値を減少させるものであるモジュールを備える。これにより、前記装置は、ネットワーク全体の安定条件に適応できる。
【００２４】
一実施形態によれば、前記装置は、ホップ数１の距離にある近傍ノードから前記近傍パラメータを受信するとともに、前記ホップ数１の距離にある近傍ノードから受信した前記近傍パラメータに基づいて、前記判定パラメータを計算する。
【００２５】
このようにすることで、個々のノードに大きな修正を加えずに既存のネットワーク構造へ本メカニズムを組み込むことが比較的容易になる。というのも、各ノードは近傍パラメータとして使用できるパラメータ（例えばＭＡＣアドレス）をとにかくある程度まで送信するからである。
【００２６】
一実施形態によれば、前記装置は、ホップ数が２以上の距離にある近傍ノードから前記近傍パラメータを受信するステップと、前記ホップ数が２以上の距離にある近傍ノードを含む近傍ノードから受信した前記近傍パラメータに基づいて前記判定パラメータを計算するステップとを実行する。これにより、ネットワーク全体の接続性が改善され、クラスタを形成する傾向が低減する。
【００２７】
一実施形態によれば、前記装置は、あるアングルで検出された近傍ノードの最大数に基づいて前記判定パラメータを決定する。
【００２８】
これは、適度に良好な結果を得る判定パラメータを計算するためのメトリクスを決定する比較的容易な方法である。
【００２９】
一実施形態によれば、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置を備える複数のノードを含むネットワークであって、センサネットワークと、車両ネットワークと、無線メッシュネットワークと、無線アクセスネットワークとのうちのいずれかであるネットワークが提供される。
【００３０】
一実施形態によれば、前記装置は、あるノードにより実行される最初のビームフォーム選択のタイミングをランダムに選択するとともに、後続のビームフォーム選択のタイミングを規則的な間隔で選択するモジュールを備える。
【００３１】
これにより、ネットワークの安定性にマイナスの影響を及ぼしかねない多くのビームフォーム方向選択の同時実行を避けることができる。
【００３２】
一実施形態によれば、前記規則的な間隔は、前記モジュールによって選ばれたランダムパラメータに従って変化する。
【００３３】
これにより、状況の変化に対して継続的に適応するために選択が規則的に実行されるとともに、ランダムな要素を導入することで、ある時刻または期間における選択のクラスタ化を避けることができる。
【００３４】
一実施形態によれば、前記選択はある順序で実行される。これにより、２つのノードがビームフォーム方向の選択を同時には実行しないことが保証される。しかしながら、これにはノード間のある程度の調整が必要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の典型的な実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
【００３６】
第１の実施形態によれば、通信ベースのビームフォームの複雑度を避けつつＲＤＢと比較してパフォーマンスが改善されたビームフォーム方法およびビームフォーム装置が提供される。一実施形態によれば、ビームフォーム方向の選択は、近傍ノードから収集した集約情報に基づく。
【００３７】
本実施形態では、各ノードにおいて他のノードの協力を一切必要とせずに、（例えば進行中の送信をオーバーヒアし、各ビーム方向における近傍ノードの数を推定することにより）一部の情報を収集することができる。近傍ノードの数に関する情報は、オーバーヒアした送信から見出すことができる異なるＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）アドレスの数を識別することによって得られる。この情報（ほとんどのネットワーク機器に割り当てられた固有識別子であるＭＡＣアドレス）は、一般的にはノードから送信されるデータストリーム内に送信元として含まれており、従って異なるＭＡＣアドレスの数を識別することによってノードの数を識別することができる。制御メカニズムにより、アンテナのビームは、アングルのインクリメント時にスウィープを実行することができる。ノードの最大数が見つかったときのアングルをアンテナのビーム方向として選ぶことができる。
【００３８】
これは次のようなことを意味する。一実施形態によれば。図２に概略的に示されているように、アンテナ２００に接続され、アングルをインクリメントしながら他のノードから送信されたデータをオーバーヒアする受信モジュール２１０と、制御信号２３０を通じてアンテナのビーム方向を制御でき、異なるアングルで（ステップをインクリメントしながら）スウィープし、アングルごとにオーバーヒアしたデータストリームから（一実施形態によればＭＡＣアドレスである）近傍パラメータを抽出し、次にそれら近傍パラメータに基づいてアングルごとに判定パラメータを計算する制御モジュール２２０とが提供される。異なるアングルに対する判定パラメータの比較に基づいて、制御モジュール２２０はあるアングルをアンテナのビームフォーム方向として選択する。一実施形態によれば、これはノードの最大数が見出されるアングル、つまり、最も多くの異なるＭＡＣアドレスが見つかるアングルである。
【００３９】
一実施形態によれば、受信モジュールと制御モジュールとは、上述したように機能するよう適切にプログラムされたデジタル信号プロセッサによって実装することができる。
【００４０】
図３は、本発明の更なる実施形態としてノードのブロック図とその動作とを示している。ビーム方向を最適化する段階で、トランシーバはオーバーヒアしたデータと（定期的に送信される）近傍パラメータｐ_ｋとを収集する。これらパラメータ（ｐ_ｋ）は、アンテナのビーム方向を制御する「ビーム方向計算」モジュールによって使用される。これらは到来角を推定せずに現時点のビームパターンを使用して収集される。通常のオペレーションでは、各ノードは定期的にそれ自体のステータスパラメータｐ_ｉをビーコンメッセージに含ませるか、またはデータパケットにピギーバックして送信する。
【００４１】
図３に示されているノードはそれ自体の内部パラメータｐ_ｉも送信する。内部パラメータｐ_ｉはそのあと他のノードにより「近傍パラメータ」ｐ_ｋとして受信され、それによって他のノードにおけるビームフォーム方向の選択に影響を及ぼす。一実施形態によれば、近傍パラメータは、データリンク層、または特にデータリンク層のサブレイヤであるＭＡＣ層において送信される。図３において、これはＭＡＣと示されている要素で示されている。図３に示されているようにデータは、ＭＡＣ層から上位層に受け渡される。しかしながら、近傍パラメータｐ_ｋは、上位層に受け渡されない。というのも、これらはＭＡＣ層において送信され、そのため既にこのレベルにおいてデータストリームから抽出されているからである。同様に、内部パラメータｐ_ｉはＭＡＣ層レベルで送信するデータストリームに提供される。
【００４２】
ＭＡＣ層における近傍パラメータの送信は、ビームフォーム方向選択の工程全体が例えばルーティングアルゴリズムに関係する層よりも下位の層で実行できるという利点を有する。これは、ビームフォームアングルの選択がルーティングアルゴリズムとは無関係に実行でき、その結果、通信ベースのビームフォームにおけるルーティングとビームフォームとの間の相互依存関係によってもたらされる複雑度を避けることができるということを意味する。
【００４３】
一実施形態によれば、ビームフォーム方向選択のメカニズムは、ビームフォームを選択するノードの通信相手についての情報とは一切無関係に機能する。これは、ビームフォームを選択するノードが、自分の現在の通信相手、つまり進行中の通信セッションにおける自分の現在の隣のホップなどを考慮しないことを意味する。言い換えるとそれは進行中の送信を異なるアングルでオーバーヒアすることでその近傍の「パッシブな」モニタリングを実行するだけである。これは、隣のホップおよび隣のホップの場所または方向といったルーティング情報がビームフォーム方向選択の決定に影響を及ぼしていないという意味であり、それ自体の通信意図または状態とは無関係である。代わりに、それ自体の通信状態および通信要件を考慮せずに、ノードは進行中のトラフィックに関して近傍をスキャンし、自分の通信相手に関する自分自身の状況や意図を反映するパラメータを考慮せずに、そこから近傍をまとめて示すパラメータ（累積的な近傍パラメータ）を決定する。仮にノードの現在のまたは意図した通信相手からの任意の情報を考慮する場合、これらは同じアングルステップにおける他のノードからの情報と同等に考慮されるだけである。つまり、その通信をオーバーヒアするどのノードに関しても優先順位は存在しない。このようにして、ノードはそれ自体の通信要件（例えば「自分の隣のホップがどこにあり、現在のまたは意図した通信パスの前後方向のどのアングルか」を決めること）に関するそれ自体の状況に関係のあるパラメータを取得するために他のノードとの広範囲の通信を必要としない。ノードはこの情報をアクティブに「リクエストする」ことはしないが「パッシブに」オーバーヒアことによって取得する。これは「パッシブに」進行中の送信をスキャンし、これらの送信に含まれる近傍パラメータを抽出することによって遂行することができる。近傍パラメータは、明示的なリクエストなく近傍ノードによって、例えばピギーバックメカニズムまたはビーコン信号を利用して規則的な間隔で送信される。
【００４４】
一実施形態によれば、ノードは、例えばそれら自体のエネルギーレベル、それらが有する近傍ノードの数などのステータスパラメータをそれらのビーコンに含ませるか、またはデータパケットにピギーバックすることもできる。この情報は後に他のノードにより「近傍パラメータ」として受信され、一実施形態において判定パラメータを決定または計算するために使用することができる。これによりビームフォーム方向選択を改善できる。ノードが有するネットワーク（またはホップ数１、２またはｎの距離にある近傍ノード）についての情報が多くなるほど、ノードはそれに基づいてビームアンテナを方向付けることによってより大きな改善が得られる。しかしながら、あるノードそれ自体についての情報（内部パラメータｐ_ｉ）だけでなく、そのノードの近傍ノードについての情報も送信する場合には、複雑度とオーバヘッドのコストが増加する。これはノードがそれ自体のステータス情報ｐ_ｉだけでなくその近傍ノードについての情報も送信データトラフィックまたはビーコンメッセージに含ませる場合には、このような情報が複数のホップを経由してネットワーク内を流れなければならないからである。
【００４５】
一実施形態によれば、ステータスパラメータｐ_ｉは、
・近傍ノードの数
・バッテリレベル
・チャネル品質（信号対ノイズ比）
・コンジェスチョンレベル
・位置（相対位置または絶対位置）
・その他
のうちの１つ以上を含むことができる。
【００４６】
一実施形態によれば、この情報は、これらを送信するノードのビーム方向に影響を及ぼすことなく、規則的な間隔、例えば周期Ｔ_ｂで定期的に送信される（つまりビーコンが現時点のビームの設定で送信される）。
【００４７】
近傍ノードの数は、既に述べたように近傍ノードの最大数が見つかるアングルを選択することによって考慮できる。
【００４８】
バッテリレベルは、ノードのバッテリ寿命が長くなるアングル、言い換えると累積エネルギーレベルが最大になるアングルを選ぶことによって考慮することができる。これは、ネットワークの安定性が増すという効果を有する。なぜなら、エネルギーが低いためにノードが１つまた１つと動作不能に陥るアングルでは、多くの通信パスが存在しなくなり、新しいパスを選ぶ必要性が生まれるという結果になるからである。
【００４９】
一実施形態によれば、ノードはそれらのコンジェスチョンレベルに基づいて重み付けがなされることがあり、それに基づいて異なるアングルに対して累積的なコンジェスチョンパラメータを決定できる。このときコンジェスチョンレベルが低いアングルを選択することができる。
【００５０】
「ホワイトスポット」（新たに入ってきたノードが接続するノードを見つけることが難しい場所）を一切残さないようにエリアを可能な限りカバーすることを試みるように位置を考慮することができる。そのため、ノードがそれらの絶対的または相対的な位置を決定かつ送信し、ビームフォームアングルを決定するノードによりオーバーヒアされたトラフィックからこの情報を抽出することが必要となる。
【００５１】
一実施形態によれば、異なるアングルに対して判定パラメータを決定するときに２つ以上の近傍パラメータを考慮することができる。これは例えば考慮すべき各近傍パラメータに基づいて個別の判定パラメータを決定し、その個別の判定パラメータに基づいて累積した判定パラメータを計算することにより実行することができる。このようなケースでは、異なる個別の判定パラメータに異なるウェイトを割り当てることができる。例えばエネルギーに特に関心のある場合にはバッテリレベルに基づく個別の判定パラメータに対して、例えば近傍ノードの数よりもより高いウェイトを割り当てることができる。
【００５２】
一実施形態によれば、複数の異なる近傍パラメータは、後に組み合わされる異なる判定パラメータを個別に決定するためには使用されないが、この異なる近傍パラメータから最終的な判定パラメータが直接的に得られる。
【００５３】
次に、本発明の一実施形態によるビームフォームアングルを選択するためのアルゴリズムをより詳しく説明する。このアルゴリズムはネットワーク内の各ノードによって実行される。
【００５４】
各ノードは、その他のノードとは独立にビーム方向を（再）計算するためのアルゴリズム（アルゴリズム１）を実行する。図４は、本発明の一実施形態によるこのアルゴリズムを実行するための疑似コードの一例を示したものである。各ノードは、ビームの方向のアングルをａｎｇｌｅ＿ｓｔｅｐずつ段階的に変えることにより近傍のスウィープを開始する。アングルステップごとに、各ノードはそれぞれの近傍ノードから送信されたデータパケットと、ビーコンが使用される場合にはそのビーコンとをオーバーヒアする。各アングル方向は、ノードが次のアングルステップに移る前にｔｉｍｅ＿ｓｔｅｐの間だけビーム方向を保持する。次にノードは受信した全ての近傍パラメータｐ＿ｋ（ｋ＝１，・・・，ｍ）を含むステータスパラメータの集合Ｐを構成する。スウィーピングループは、判定パラメータＦ（Ｐ）を最大にするビーム方向を探索する。ここでＦ（）は、関係のある全てのパラメータｐ＿ｋ（バッテリレベル、ＳＮＲ、近傍ノード数など）を組み合わせる。新しいビーム方向が以前のものと比べて（閾値を超えて）Ｆ（）をかなり増加させる結果をもたらす場合、その新しいビーム方向は保たれる。この探索アルゴリズムはあらゆるｓｅａｒｃｈ＿ｐｅｒｉｏｄ＿ｄｕｒａｔｉｏｎで反復される。
【００５５】
このケースでは、これらの変化は、Ｆ（Ｐ）の計算において（ａｖｇ＿ｓｔｅｐをあらゆる個別のタイムステップの平均として、例えば計算した値をファクタ（ｔｉｍｅ＿ｓｔｅｐまたはａｖｇ＿ｓｔｅｐ）で割ることにより）、考慮に入れなければならない。
【００５６】
（ピギーバックまたは専用のビーコンを通して行われる）ステータス更新の時間的な平均回数は、ビーム方向を計算するためのスウィーピングが起こるスピードを決定する。データパケットが非常に高い頻度で送信される場合には、ステータス情報をそれらの一部にピギーバックすれば十分かもしれない。これとは対照的に、非常にわずかなトラフィックしか生じないか、または全く生じない場合、専用のビーコンメッセージを使用せずに精確な画像（ａｃｃｕｒａｔｅ  ｉｍａｇｅ）を推定することはあまりも多くの時間がかかる。ノードがタイムステップごとにオーバーヒアできる更新の総数が相対的に一定のものとなるように、ビーコンの頻度を適応させることができる。
【００５７】
一実施形態によれば、判定パラメータまたは最適値ｏｐｔ＿ｖａｌｕｅの変化が実際にビーム方向を変えるのに十分大きいと見なすことができるかどうかを判定するために、閾値パラメータを使用することができる。閾値が小さくすると、ビーム方向は最適な方向により接近する。一方、ビーム方向が頻繁に変わるとネットワークの安定性に影響を及ぼす。ビーム方向を変えると近傍ノードのパラメータ値が変わり、ひいてはそれらのビーム方向も変える契機となり得る。この場合、提案されたビームフォームプロトコルに加えて実行される無線ルーティングプロトコルは、新たなルートを計算して無効な古いルートを破棄するなどして、近傍の変化に頻繁に適応せざるを得なくなる。それゆえ、ルーティングプロトコルの応答のほか、エネルギー消費量に関するネットワークの要件、代替パスの利用可能性などに閾値パラメータを適応させることが望ましい。
【００５８】
ビーム方向プロトコルと上位層（例えばルーティング層または更にはアプリケーション層）との間の更なる信号伝達を通じてインテリジェント調整を行うことができる。上位層は、ネットワークがあまりにも不安定であることを検出した場合には、閾値（およびアルゴリズムのその他のパラメータ）を変えることができる。これは、例えば平均的な接続持続時間を測定することによって検出することができる。これが短すぎると見なされた場合にはネットワークはあまりにも不安定であると見なすことができる。別の可能性としては、一定の時間内に接続が中断する回数を測定することが挙げられる。その回数が大き過ぎればネットワークは不安定であると見なすことができる。
【００５９】
一方、ネットワークが非常に安定していれば閾値を減少させることができる。ネットワークの安定度を測るための同様のメカニズムがこのケースに適用できる。
【００６０】
次に、一実施形態に基づくビームフォームの技術についてより詳しく説明する。
【００６１】
本実施形態では、モバイル端末は最初にランダムな方向にビームフォームする。次に各ノードは、ビームフォームアングルを所定量だけインクリメントすることによりメインローブをスウィープする。スウィープが完了するとノードは、ノード次数（ｎｏｄｅ  ｄｅｇｒｅｅ）が最大だった（つまり近傍ノードの最大数が見つかった）方向にビームフォームする。この最大ノード次数が２方向以上で生じた場合には、これら方向の中から１つの方向がランダムに選ばれる。このプロセスは、起こりうるネットワークトポロジーの変化を考慮するために定期的に繰り返される。
【００６２】
このケースでは、Ｆ（Ｐ）はスウィープ段階のステップごとにオーバーヒアした異なるＭＡＣソースアドレスの数に対応する。このメカニズムを以下の説明では最大ノード次数ビームフォーム（ｍａｘｉｍｕｍ  ｎｏｄｅ  ｄｅｇｒｅｅ  ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ：ＭＮＤＢ）と呼ぶ。
【００６３】
次に、更なる一実施形態に基づくビームフォームの技術についてより詳しく説明する。
【００６４】
一部の不均一な（ｎｏｎ−ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ）トポロジーでは、ＭＮＤＢは次善最適な接続という結果をもたらす可能性がある。この場合、ノードは、各クラスタ内では強く接続したクラスタを形成し、異なるクラスタとの間では接続がほとんどなくなるようにビームを向ける。こうした状況が起こる理由は、ノードは近傍ノードの最大数に「直接的に」到達することができるようにビームを向ける傾向にあるからである。ここで、「直接的に」とは中間のホップがないということを意味する。しかしながら、ノードＸがそのビームをクラスタＡへ向けることによってホップの最大数に直接的に到達することができる状況を示している図５Ａからわかるように、これは全てのケースで最善のソリューションというわけではない。しかしながら、全体の接続性という点では、ノードＸがビームをクラスタＢに向ければ有利なこともある。というのも、それによりこれら２つのクラスタ間で接続が確立でき、その結果、全体の接続性が高めることができるからである。
【００６５】
この問題を解決するため、一実施形態によれば、以下に明らかにするように、ノードは、ホップ数１およびホップ数２の距離にある異なる近傍ノードの数を最大にするために２ホップノード次数ビームフォーム（Ｔｗｏ−ｈｏｐ  Ｎｏｄｅ  Ｄｅｇｒｅｅ  Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ：ＴＮＤＢ）アルゴリズムを使用することができる。
【００６６】
本実施形態では、ノードはステータス情報または近傍の情報として自分自身のＭＡＣアドレスを送信するだけでなく、その１ホップ隣の近傍ノードのＭＡＣアドレスも追加的に送信する。これを行うにはＭＡＣ層におけるプロトコルを一部修正する必要がある場合があることは理解されよう。というのも、自分自身のＭＡＣアドレスは、通常は任意の通信データと一緒に送信されるが、１ホップ隣の近傍ノードのＭＡＣアドレスは通常含まれないからである。しかしながら、これは受信データとともに受信したＭＡＣアドレスを保持し、次にそれらを近傍パラメータとして送信データストリーム内に入れて再送することによって行うことができる。これら近傍パラメータを受信する任意のノードは、判定パラメータＦ（Ｐ）を計算するための入力パラメータとして、それらＭＡＣアドレス全て（送信元ノードのＭＡＣアドレスとその近傍ノードのＭＡＣアドレス）を利用する。
【００６７】
このようなケースでは、個別のステータス最新情報ｐ_ｋはノードｋがオーバーヒアしたＭＡＣソースアドレスのリストを含み、Ｆ（Ｐ）は、ｐ_ｋを合計して重複するＭＡＣアドレスを取り除くことにより２ホップまでの距離にある近傍ノードの異なるＭＡＣアドレスの数を計算する。このメカニズムを図５Ｂに示されている状況に適用すると、このケースではクラスタＢはクラスタＡより有利になることが明らかとなる。というのも、２ホップ接続を通じてより大きな数の到達可能なノードを含み、それに応じてノードＸはビームをクラスタＢに向けるからである。
【００６８】
図５Ｂに示されているようなＴＮＤＢを使用すると、ノードＸは、サイドローブを通じてクラスタＡ内の近傍ノードに接続されるとともにメインローブを使用してクラスタＢ内にある近傍ノードに到達し、その結果これら２つのクラスタ間の接続性が改善される。
【００６９】
全方向性アンテナを利用した場合とランダム方向ビームフォームを利用した場合と比べて、ＭＮＤＢとＴＮＤＢとはともに、より良いネットワークの接続性、より短いパス（それゆえエンドツーエンドの遅延の短縮）およびより低い干渉を実現する。これらのアルゴリズムは、例えば利用可能なエネルギー、コンジェスチョンレベルおよびチャネル品質などの近傍ノードからの追加の情報を使用することによって更に改善できる。これはユーザの満足度（例えばモバイル機器のバッテリ消費量の低減、増加したネットワーク容量など）を増しつつもネットワークを稼働させるコストを軽減する。さらに、２ホップより遠い距離（３ホップ、４ホップ、・・・、ｎホップ）にある近傍ノードを考慮することができる。
【００７０】
一実施形態によれば、ステータス情報または近傍に関する情報は、各ノードによって所定の間隔で定期的に送信される。最初の送信時刻は、例えばノードが動作を開始した後のあるタイミングウィンドウの中でランダムに選ぶことができる。その後の送信（ビーコンまたはピギーバックされたデータパケット）は所定の間隔で行うことができるが、一実施形態によれば、その間隔はある程度ランダムに変化する。
【００７１】
開始時におけるビームフォーム方向選択のタイミングと、可能であればそれ以降の選択とに対してもランダム性を導入することで、複数のビームフォーム方向選択が同時に行われる可能性（これはネットワークの安定性にマイナスの影響を及ぼしかねない）を減らすことができる。一方、（ある程度はランダムに変化可能な）規則的な間隔を提供し、その間にビームフォーム方向の選択を行うようにすることで、ノードの移動に主に起因する状況の変化に対し、ネットワークが継続的かつ定期的に適応することが保証される。
【００７２】
更なる実施形態として、個々のノードが送信する順序は所定のものであるか、または固定的である。言い換えると、個々のノードがビームフォーム方向を選択する順序は変わらない。しかしながら、このような固定的な順序は、少なくとも順序を確定するために個々のノード間の最小限の調整を必要とする。そのため選択のプロセスが時間的に多かれ少なかれ分散して行われることを保証するランダムな要素を取り入れながら各ノードがその選択のタイミングを選ぶ場合よりも少し複雑である。
【００７３】
次に、本発明の実施形態を適用することができるいくつかの実例について説明する。
【００７４】
ネットワーク要素（センサ）がビームアンテナを使用するセンサネットワークを考える。全方向性アンテナを使用するセンサと比較すると、ビームアンテナは、送信レートおよび送信レンジの増加、エネルギーの節約、センサ寿命の長期化およびネットワークの接続性の改善に役立つ。しかしながら、一部のセンサは、トポロジーの不均一性（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ）（トポロジー境界、空エリアなど）が原因でネットワークの他の部分から切断される場合がある。本発明の実施形態を使用してビームフォーム方向を選択することは、全てのセンサが自らをネットワーク（の他の部分）により良く接続する方向を見つけるのに役立つ。
【００７５】
本発明の実施形態を適用することができる別の例は、車両ネットワークである。
【００７６】
ビームアンテナを使用してワイヤレスに接続された車両ノードのネットワークを考える。車両は、シングルホップ通信またはマルチホップ通信のうちのいずれかを使用して、緊急情報、トラフィック情報などを交換することができる。本発明の実施形態を使用してビームフォーム方向を選択することは、車両がそのビームを接続性が増加する方向に向けるのに役立つ。それはまた車両がそのビームを「空」エリア（例えば、湖、高速道路の路側帯）に向けないようにトポロジーのダイナミクスに適応するのにも役立つ。ビームフォームは一般に無線レンジを拡大するのに役立つとともに、本発明の実施形態を使用してビームフォーム方向を選択することは更に、エンドツーエンドパスを短縮してパケット遅延を短縮するために「正しい」ビームフォーム方向を選ぶのに役立つ。
【００７７】
本発明の実施形態を適用することができる別の例は、自動設定可能な無線アクセスネットワーク（Ａｕｔｏ−ｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  Ｒａｄｉｏ−Ａｃｃｅｓｓ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）である。
【００７８】
無線アクセスネットワークでは、ビームアンテナを使用するアクセスポイントは、所定の方向においてその送信レンジ（およびその受信ゲイン）を増加させる。本発明の実施形態を使用してビームフォーム方向を選択することは更に、より多くのユーザをカバーし、トポロジーのダイナミクス（例えばホテル内のどの会議室が使用されるか）に適応するとともにユーザの満足度を増やすために、アンテナビームの指向性を適応化することに役立つ。
【００７９】
本発明の実施形態を適用することができる別の例は、自動設定可能なメッシュネットワーク（Ａｕｔｏ−ｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  Ｍｅｓｈ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）である。
【００８０】
上記の無線アクセスネットワークの例の拡張として、メッシュネットワーク内の要素は、本発明の実施形態を使用してネットワークの接続性を改善し、干渉を軽減するとともにネットワークの偶発的なダイナミクスに適応することができる。
【００８１】
当業者であれば上記実施形態は、ハードウェア、ソフトウェアまたはソフトウェアとハードウェアとの組み合わせによって実施できることは理解されよう。本発明の実施形態と関連して述べたモジュールは、本発明の実施形態と関連して説明した方法を実行するように適切にプログラムされたマイクロプロセッサまたはコンピュータによって全体的または部分的に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】従来技術のビームフォームメカニズムを概略的に説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態による装置の概略構成図である。
【図３】本発明の一実施形態によるノードの概略構成図である。
【図４】本発明の一実施形態による装置によって実行されるアルゴリズムを示す図である。
【図５Ａ】本発明のビームフォーム状況の一例を概略的に示す図である。
【図５Ｂ】本発明のビームフォーム状況の別の一例を概略的に示す図である。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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