(57)【要約】  【課題】  端末の電力消費を考慮しつつ、送信したデータをより確実に宛先に到達させることができる通信装置を提供する。  【解決手段】  Ｐd、Ｔd、Ｌを受け付けて（ステップＳ２００）、通信可能な範囲に存する端末数Ｎを計測する（ステップＳ２０１）。そして、Ｎ、Ｐd、Ｔd、Ｌを用いて送信レートλを算出し（ステップＳ２０２）、タイマをセットした後（ステップＳ２０３）、前記送信レートλでデータ長Ｌのデータを送信する（ステップＳ２０４）。所定時間が経過したら（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）、端末数Ｎを計測し（ステップＳ２０６）、Ｎが変化していたら（ステップＳ２０７：ＹＥＳ）、送信レートλを更新する（ステップＳ２０８）。その後、携帯端末は、タイマをセットして（ステップＳ２０９）、定周期送信を継続する。  【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の送信レートで相互にデータを送信するＮ台の通信装置の送信レートを算出する送信レート算出方法であって、
１回の送信で送信されるデータ長Ｌと、単位時間当りの電力消費量の上限Ｐdと、データの受信間隔時間の目標値Ｔdと、通信環境で定まる成功率から算出されるｋとを用いて、送信レートλを式
2005086557.tif 000020
ただし、
2005086557.tif 000021
にて算出する
ことを特徴とする送信レート算出方法。
【請求項２】
同一の送信レートで相互にデータを送信する通信装置の送信レートを制御する送信レート制御方法であって、
自機の近傍にある他の通信装置数Ｎを取得する通信装置数取得ステップと、
１回の送信で送信されるデータ長Ｌと、単位時間当りの電力消費量の上限Ｐdと、データの受信間隔時間の目標値Ｔdと、前記通信装置数値Ｎと、通信環境で定まる成功率から算出されるｋとを用いて、送信レートλを式
2005086557.tif 000022
ただし、
2005086557.tif 000023
にて算出する送信レート算出ステップと
を含むことを特徴とする送信レート制御方法。
【請求項３】
互いに同一の送信レートでデータを送信する通信装置であって、
自機の近傍にある他の通信装置数Ｎを取得する通信装置数取得手段と、
１回の送信で送信されるデータ長Ｌと、単位時間当りの電力消費量の上限Ｐdと、データの受信間隔時間の目標値Ｔdと、前記通信装置数Ｎと、通信環境で定まる成功率から算出されるｋとを用いて、送信レートλを式
2005086557.tif 000024
ただし、
2005086557.tif 000025
にて算出する送信レート算出手段と、
前記データ長Ｌのデータを前記送信レートλで送信するデータ送信手段と
を備えることを特徴とする通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、送信レート算出方法、送信レート制御方法、および、通信装置に関し、特に、通信の信頼性を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、多くのネットワーク・アプリケーションに用いられているブロードキャストは、今や欠かすことのできないデータ送信手段となっている。隣接ノードの個別アドレスが分からない場合、または、複数の隣接ノードに同じデータを送信する場合などに用いられる。センサ・ネットワークまたモバイルアドホックネットワーク等においては無線ブロードキャストが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の他、ブロードキャストは様々な用途に用いられている一方で、以下のような問題も有している。即ち、大規模なネットワークにおいて多数の端末が大量のデータをブロードキャストするような場合には、衝突（collision）によってデータが宛先に到達しないことがある。
このような問題を解決するためには、ブロードキャストされるデータがより確実に宛先に到達するように、データをブロードキャストするタイミングを上手く選ばなければならない。しかしながら、そのようなブロードキャストをネットワークの規模に応じて柔軟に実現するための解決策は未だ見い出されていない（非特許文献１〜５を参照されたい）。
【０００４】
また、前記センサ・ネットワークまたモバイルアドホックネットワーク等のように、携帯端末により構成されるネットワークにおいては、携帯端末の電源容量による制約も考慮しなければならない。
本願発明は、上述のような問題に鑑みて為されたものであって、端末の電力消費を考慮しつつ、送信したデータをより確実に宛先に到達させることができる送信レート算出方法、送信レート制御方法、および、通信装置を提供することを目的とする。
【非特許文献１】S.Y.Ni, Y.C.Tseng, and J.P.Sheu, "Broadcast storm problem in a mobile ad hoc network," In Proceedings of Mobile Computing (MobiCom), pp.151-162, August 1999.
【非特許文献２】B.Williams and T.Camp, "Comparison of broadcasting techniques for mobile ad hoc networks," In Proceedings of ACM Symposium on Mobile Ad Hoc Networking & Computing (MobiHoc) 2002, pp.194-205, July 2002.
【非特許文献３】A.Woo and D.Culler, "A transmission Control Scheme for Media Access in Sensor Networks," in Proceedings of ACM MobiCom'01, Rome, Italy, July 2001, pages 221-235.
【非特許文献４】L.Kleinrock and F.Tobagi, Packet Switching in radio channels, part I: Carrier sense multiple-access models and their throughput-delay characteristics, 23(5), 1400-1416, 1975.
【非特許文献５】F.Tobagi and L.Kleinrock, Packet switching in radio channels part II: Hidden-terminal problem in carrier sense multiple access and the busy-tone solution, 23(5), 1437-1433, 1975.
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本願発明においては、同一の送信レートで相互にデータを送信するＮ台の通信装置の送信レートλを、１回の送信で送信されるデータ長Ｌと、単位時間当りの電力消費量の上限Ｐdと、データの受信間隔時間の目標値Ｔdと、通信環境で定まる成功率から算出されるｋとを用いて、式
2005086557.tif 000003
ただし、
2005086557.tif 000004
にて算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本願発明に係る送信レート算出方法は、同一の送信レートで相互にデータを送信するＮ台の通信装置の送信レートを算出する送信レート算出方法であって、１回の送信で送信されるデータ長Ｌと、単位時間当りの電力消費量の上限Ｐdと、データの受信間隔時間の目標値Ｔdと、通信環境で定まる成功率から算出されるｋとを用いて、送信レートλを式
2005086557.tif 000005
ただし、
2005086557.tif 000006
にて算出することを特徴とする。このようにすれば、通信装置の電力消費を抑えながら、送信したデータをより確実に宛先に到達させる送信レートを算出することができる。
【０００７】
また、本願発明に係る送信レート制御方法は、同一の送信レートで相互にデータを送信する通信装置の送信レートを制御する送信レート制御方法であって、自機の近傍にある他の通信装置数Ｎを取得する通信装置数取得ステップと、１回の送信で送信されるデータ長Ｌと、単位時間当りの電力消費量の上限Ｐdと、データの受信間隔時間の目標値Ｔdと、前記通信装置数値Ｎと、通信環境で定まる成功率から算出されるｋとを用いて、送信レートλを式
2005086557.tif 000007
ただし、
2005086557.tif 000008
にて算出する送信レート算出ステップとを含むことを特徴とする。このようにすれば、通信装置数が動的に変化する場合であっても、望ましい送信レートを算出することができる。
【０００８】
また、本願発明に係る通信装置は、互いに同一の送信レートでデータを送信する通信装置であって、自機の近傍にある他の通信装置数Ｎを取得する通信装置数取得手段と、１回の送信で送信されるデータ長Ｌと、単位時間当りの電力消費量の上限Ｐdと、データの受信間隔時間の目標値Ｔdと、前記通信装置数Ｎと、通信環境で定まる成功率から算出されるｋとを用いて、送信レートλを式
2005086557.tif 000009
ただし、
2005086557.tif 000010
にて算出する送信レート算出手段と、前記データ長Ｌのデータを前記送信レートλで送信するデータ送信手段とを備えることを特徴とする。このようにすれば、通信装置数が動的に変化する場合であっても、望ましい送信レートでデータを送信することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本願発明に係る送信レート算出方法、送信レート制御方法、および、通信装置の実施の形態について、無線ネットワークを例にとり、図面を参照しながら説明する。
［１］  実施の形態
本実施の形態に係る無線ネットワークは、パケットを無線送信する複数の携帯端末からなっており、何れの携帯端末も同一のデータ長のパケットを同一の送信レートで送信する。図１は、本実施の形態に係る無線ネットワークの構成を示すネットワーク構成図である。
【００１０】
図１に示されるように、無線ネットワーク１は、複数の携帯端末１０からなっている。携帯端末１０は、何れも同一のデータ長のパケットを同一の送信レートで送信する。本実施の形態において、送信レートとは単位時間当りのパケット送信回数をいう。この送信レートは、次のようにして決定される。
［２］  パケットの送信レートの決定
パケットの送信レートを決定するためには、本実施の形態においては、予め次の３つの定数を与える必要がある。
【００１１】
ひとつは単位時間当りの電力消費量の上限Ｐdである。これは携帯端末の電源容量の制約を表すものである。すなわち、無制限に電力を消費しても良いとすると電力不足により通信不能となるおそれがあるので予め制限を課すものであって、例えば、１日に１度充電するのであれば、その間に電力が枯渇しないような値を用いる。
一般的に、携帯端末はパケットの送信時に多くの電力を消費する。このため、Ｐdは送信レートと、ひとつのパケットを送信するのに要する時間（以下、この時間を「パケット長」という。）Ｌとの積にて表される。
【００１２】
すなわち、本願明細書において、単位時間当たりの電力消費量は、単位を有しない無次元数で表される。
予め与えるべきもうひとつの定数は、パケットの平均受信間隔時間の目標値Ｔdである。これは、パケットを送信しても衝突等により宛先の携帯端末に到達しない場合があるためで、パケットが宛先に受信される時間間隔を目標として送信レートを決定するのが妥当だからである。
【００１３】
本実施の形態においては、上記ＰdとＴd とは携帯端末によらず同一であるものとする。
本実施の形態においては、単位時間当りの電力消費量の上限Ｐdを優先して考慮するものとして、単位時間当りの電力消費量がＰdを超えない範囲でパケットの受信間隔時間を最小化するか、又は目標値Ｔｄとすることを考える。
【００１４】
図２は、携帯端末毎の送信レートを決定するための処理の流れを示すフローチャートである。図２に示されるように、先ず、前記単位時間当りの電力消費量の上限Ｐd、平均受信間隔時間の目標値Ｔd、および、パケット長Ｌの入力を受け付ける（ステップＳ１００）。
次に、無線ネットワークを構成する携帯端末の数Ｎを受け付ける（ステップＳ１０１）。
【００１５】
そして、受け付けたＮと、前記Ｐd、Ｔd、Ｎ、Ｌ、および、定数ｋ（＝１．２）を用いて、送信レートλを次式により算出する（ステップＳ１０２）。
【００１６】
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ここで、
2005086557.tif 000012
【００１７】
以上のようにして得られたパケット長Ｌと送信レートλとに従って、各携帯端末はデータを送信する。
［３］  携帯端末数と受信間隔時間、電力消費量の関係
次に、本実施の形態に係る無線ネットワークにおける、携帯端末数と受信間隔時間、電力消費量の関係について説明する。
【００１８】
（１）  電源容量に余裕がある例
まず、携帯端末の電源容量に余裕がある例として、Ｐd＝０．００６、Ｔd＝５秒、Ｌ＝１５ｍ秒の場合を例にとって説明する。
図３は、Ｐd＝０．００６、Ｔd＝５秒、Ｌ＝１５ｍ秒とした場合であって、図３（ａ）は携帯端末数Ｎと受信間隔時間Ｔとの関係を示すグラフであり、図３（ｂ）は携帯端末数Ｎと電力消費量Ｐとの関係を示すグラフである。この場合には、次式
2005086557.tif 000013
より、パケットの平均受信間隔の目標値Ｔdを達成することができる最大の端末数Ｎ*（以下、「限界端末数」という。）が１００となる。
【００１９】
図３（ａ）に示されるように、携帯端末数ＮがＮ*よりも小さい範囲では、携帯端末数Ｎに関わり無く受信間隔時間Ｔは望ましい受信間隔時間Ｔdに等しい値をとる。一方、携帯端末数ＮがＮ*よりも大きい場合には、携帯端末数Ｎが大きくなるに連れて受信間隔時間Ｔも増大する。
【００２０】
すなわち、携帯端末数ＮがＮ*よりも大きい場合には、望ましい受信間隔時間Ｔdを維持することはできないが、受信間隔時間Ｔが最も小さくなるようにするのが望ましい。このため、携帯端末数ＮがＮ*よりも大きくなるにつれて、衝突を回避するために、送信レートλは小さくされる。
【００２１】
また、図３（ｂ）に示されるように、携帯端末数ＮがＮ*よりも小さい範囲では、携帯端末数Ｎが大きくなるに連れて、受信間隔時間ＴがＴdとなるようにするために送信レートλが大きくされるので、これに合わせて消費電力量Ｐも増大する。
【００２２】
しかしながら、携帯端末数ＮがＮ*に達した後は、携帯端末数Ｎが大きくなるに連れて送信レートλが小さくなるので、これに合わせて消費電力量Ｐも小さくなる。
（２）  電源容量に余裕がない例
次に、携帯端末の電源容量に余裕がない例として、Ｐd＝０．００３５、Ｔd＝５秒、Ｌ＝１５ｍ秒の場合を例にとって説明する。
【００２３】
図４は、Ｐd＝０．００３５、Ｔd＝５秒、Ｌ＝１５ｍ秒とした場合であって、図４（ａ）は携帯端末数Ｎと受信間隔時間Ｔとの関係を示すグラフであり、図４（ｂ）は携帯端末数Ｎと電力消費量Ｐとの関係を示すグラフである。この場合も、前式より、限界端末数Ｎ*は１００となる。
図４（ａ）に示されるように、携帯端末数Ｎが小さい時、携帯端末の数Ｎに関わりなく受信間隔時間Ｔは受信間隔時間の目標値Ｔdに等しい値をとるが、電力消費量が最大電力消費量Ｐdを越えないように送信レートの増加が制約されるため、携帯端末数のＮがＮ*よりも小さい値でも受信間隔時間Ｔが受信間隔時間の目標値Ｔdよりも大きくなる。
【００２４】
一方、図４（ｂ）に示されるように、受信間隔時間Ｔが受信間隔時間の目標値Ｔdに等しくなるように、または、受信間隔時間Ｔを最小とするために必要な電力消費量Ｐが最大電力消費量Ｐdを超える場合には、消費電力量Ｐが最大電力消費量Ｐdに等しくなるようにする。
携帯端末数ＮがＮ*に達した後、しばらくは、送信レートλは一定値Ｐd/Ｌをとる。これは、電力消費量Ｐが上限Ｐdを超えないようにするためである。
【００２５】
そして、受信間隔時間Ｔを最小化する送信レートλが前記Ｐd/Ｌを下回るようになると、これに合わせて電力消費量Ｐも低下する。
［４］  変形例
以上、本願発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本願発明が上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例を実施することができる。
【００２６】
（１）  上記実施の形態においては、無線ネットワーク１を構成する携帯端末数Ｎが一定の場合について、携帯端末数Ｎに応じた送信レートを求める場合について説明したが、本願発明がこれに限定されないのは言うまでも無く、次のようにするとしても良い。
すなわち、無線ネットワーク１を構成する携帯端末が互いに通信不能な範囲にまで広がって分布しているような場合には、通信可能な範囲に存する携帯端末数Ｎに応じて送信レートを決定するとしても良い。
【００２７】
図５は、本変形例に係る携帯端末が送信レートを更新する処理を示すフローチャートである。図５に示されるように、先ず、携帯端末は、Ｐd、Ｔd、Ｌの設定を受け付ける（ステップＳ２００）。本変形例に係る無線ネットワークを構成する携帯端末にはすべて同一のＰd、Ｔd、Ｌが設定される。
携帯端末は、通信可能な範囲に存在する携帯端末数Ｎを計測する（ステップＳ２０１）。そして、得られたＮと、Ｐd、Ｔd、Ｌを用いて送信レートλを算出する（ステップＳ２０２）。
【００２８】
携帯端末は、タイマをセットした後（ステップＳ２０３）、算出した送信レートλでデータ長Ｌのデータを送信する（ステップＳ２０４）。
前記タイマにより所定時間を経過したことを検出すると（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）、携帯端末は、再び、通信可能な範囲に存する携帯端末数Ｎを計測する（ステップＳ２０６）。その結果、新たに取得したＮが前回取得したＮと異なっていたら（ステップＳ２０７：ＹＥＳ）、新たに取得したＮを用いて送信レートλを算出し、更新する（ステップＳ２０８）。
【００２９】
新たに取得したＮが前回取得したＮと異なっていなかった場合（ステップＳ２０７：ＮＯ）、または、ステップＳ２０９の処理の後、携帯端末は、タイマをセットして（ステップＳ２０９）、定周期送信を継続する。
このようにすれば、通信可能な範囲に存在する携帯端末数Ｎが動的に変化するような場合であっても、携帯端末毎に電力消費を考慮しつつ、データをより確実に宛先に到達させることができる。
【００３０】
なお、上記において、通信可能な範囲に存在する携帯端末数Ｎは、例えば、現時点までの所定の時間内に受信したデータの送信元の数を計数することによって、取得することができる。また、他の方法によって、通信可能な範囲に存在する携帯端末数Ｎを得るとしても良い。
また、通信可能な範囲として、自機と通信可能な携帯端末と、携帯端末と通信可能なすべての携帯端末数を取得するとしても良い。このようにすれば、自機とは通信可能でないが、自機と通信可能な携帯端末と通信可能な携帯端末からのトラフィックも考慮することができるので、さらに送信データの不達を低減することができる。
【００３１】
（２）  上記実施の形態においては、相互に無線通信する携帯端末からなる無線ネットワークを例にとって本願発明を説明したが、本願発明がこれに限定されないのは言うまでも無く、次のようにするとしても良い。
すなわち、一般的に、平均受信間隔時間は
2005086557.tif 000014
で表される。ここで関数Ｓは、Ｎ、Ｌ、λの何れについても単調減少関数であって、成功率と呼ばれる。すなわち、端末から送信したデータが宛先端末に受信される確率であり、１から０へと単調に減少する。
【００３２】
すなわち、平均受信間隔時間ＴはＮ、Ｌ、λの関数であって、最小値を有するような関数となる。そして、携帯端末数Ｎを増加させると、平均受信間隔時間Ｔの最小値は減少し、また、平均受信間隔時間Ｔの最小値を与える送信レートλも減少する。
このため、平均受信間隔時間の目標値Ｔdを達成することができる送信レートλの解は、２つ以上あり得る。このため、解が２つ以上ある場合には、電力消費を考慮して最も小さい送信レートが採用される。また、解がない場合には、前記λminのように平均受信間隔時間を最小化する送信レートが用いられる。
【００３３】
成功率Ｓは、ネットワークトポロジーとＭＡＣ（media access control）プロトコルとによって異なる。成功率Ｓを表す関数を定義するのが困難な場合には、成功率Ｓとして、所与のネットワークにより良いパフォーマンスを与えるような定数を選ぶとしても良い。
また、実際に、或いは、シミュレーションによって、通信実験を行うことによって成功率Ｓを計測するとしても良く、これによって得られた成功率Ｓを用いて、送信レートを求めることもできる。
【００３４】
さて、上記実施の形態においては、成功率Ｓを表す関数として線形関数
2005086557.tif 000015
ただし、
2005086557.tif 000016
が用いられている。また、前述のように
2005086557.tif 000017
なので、この式からλを求めると、以下のようになる。
【００３５】
2005086557.tif 000018
【００３６】
従って、小さいほうの解（送信レートλ）をとると、
2005086557.tif 000019
を得る。
従って、成功率が上記実施の形態におけるのとは異なる関数によって与えられる場合であっても、上記と同様にして送信レートλを決定することができる。
【００３７】
（３）  上記実施の形態においては、携帯端末からなる無線ネットワークを例にとって説明したが、本願発明がこれに限定されないのは言うまでも無く、次のようにするとしても良い。
すなわち、本願発明を有線ネットワークに適用するとしても良い。特に、有線ネットワークが所謂共有メディア型（shared media）である場合には、データがブロードキャストにより送信されるかに関わらず、本願発明により通信の信頼性を高めることができる。
【００３８】
また、通信ネットワークを構成する通信装置は、必ずしも携帯端末である必要はない。どのような通信装置であっても、本願発明を適用して、その効果を得ることができる。
（４）  上記実施の携帯においては、成功率Ｓを表す式に含まれる定数ｋとして値１.２を用いる場合を例にとって説明したが、本願発明がこれに限定されないのは言うまでも無く、１.２以外の値を用いるとしても良い。
【００３９】
定数ｋの値を決定するためには、次のようにするのが好適である。例えば、先ず、実験、又はシミュレーションによって、様々な端末数Ｎと送信レートλについて成功率Ｓを計測する。そして、得られた成功率Ｓと自乗誤差が最小となるように定数ｋを決定するとしても良い。
また、成功率Ｓを縦軸、端末数Ｎを横軸とする平面において、端末数Ｎがゼロの場合に成功率Ｓが１となる直線であって、かつ、得られた成功率Ｓを表す曲線に下から１点で接するような直線を求めて、定数ｋを決定するとしても良い。
【００４０】
更に、端末数Ｎの範囲を定めて、その範囲内において、上述のような、最小自乗近似等を行うことによって、定数ｋを決定するとしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本願発明に係る送信レート算出方法、送信レート制御方法、および、通信装置は、通信の信頼性を向上させる技術として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本願発明の実施の形態に係る無線ネットワークの構成を示すネットワーク構成図である。
【図２】本願発明の実施の形態に係る携帯端末の送信レートを決定するための処理を示すフローチャートである。
【図３】本願発明の実施の形態においてＰd＝０．００６、Ｔd＝５秒、Ｌ＝１５ｍ秒とした場合であって、図３（ａ）は携帯端末数Ｎと受信間隔時間Ｔとの関係を示すグラフであり、図３（ｂ）は携帯端末数Ｎと電力消費量Ｐとの関係を示すグラフである。
【図４】本願発明の実施の形態においてＰd＝０．００３５、Ｔd＝５秒、Ｌ＝１５ｍ秒とした場合について、図３（ａ）は携帯端末数Ｎと受信間隔時間Ｔとの関係を示すグラフであり、図３（ｂ）は携帯端末数Ｎと電力消費量Ｐとの関係を示すグラフである。
【図５】本願発明の変形例に係る携帯端末が送信レートを更新する処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
１……無線ネットワーク
１０…携帯端末
【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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