(57)【要約】【課題】エンド・ツー・エンドの平均遅延時間を低下させるとともに、スループットを向上させる。【解決手段】各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークのルーティング方法において、各無線局が通信可能な状態であるか否かを示すデータを通信フローの通信ＩＤ毎であって各無線局毎に格納するＡＮＬテーブルと、各無線局から無線通信可能な隣接無線局と当該各無線局から当該隣接無線局への方位角のデータを各無線局毎に格納するＧＬＳテーブルとを保存する。発信無線局から宛先無線局までのパスの各リンクにおいて、処理対象の通信フローを除く、現在通信中の無線局によって取り扱われている通信フローの全数と、処理対象の通信フローの無線信号のホップ計数値との線形和であるリンクウェイトを計算し、計算された線形和の合計である全リンクウェイトを計算し、計算された全リンクウェイトが最小であるパスを選択して無線信号をルーティングする。【選択図】図１２
2005167304.tif 000002
【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ルーティング方法において、
上記複数の無線局が通信可能な状態であるか否かを示すデータを通信フローの通信ＩＤ毎であって上記各無線局毎に格納する第１のテーブルと、上記各無線局から無線通信可能な隣接無線局と当該各無線局から当該隣接無線局への方位角のデータを上記各無線局毎に格納する第２のテーブルとを上記各無線局の記憶手段に保存するステップと、
上記第１のテーブルを含む第１の無線信号を所定の第１の送信周期で周期的に送信するとともに、上記第２のテーブルを含む第２の無線信号を所定の第２の送信周期で周期的に送信するステップと、
上記送信された第１の無線信号を受信したとき、自局の記憶手段に保存された第１のテーブルのデータを更新するとともに、上記送信された第２の無線信号を受信したとき、自局の記憶手段に保存された第２のテーブルのデータを更新するステップと、
発信無線局から宛先無線局までのパスの各リンクにおいて、上記第１と第２のテーブルを参照して、処理対象の通信フローを除く、現在通信中の無線局によって取り扱われている通信フローの全数と、処理対象の通信フローの無線信号のホップ計数値との線形和であるリンクウェイトをそれぞれ計算し、計算された線形和の合計である全リンクウェイトを計算し、計算された全リンクウェイトが最小であるパスを選択して無線信号をルーティングする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ルーティング方法。
【請求項２】
上記ルーティングするステップは、計算された全リンクウェイトが最小である第１のパスと、上記第１のパスと異なり、上記第１のパスの次に小さい全リンクウェイトを有する第２のパスとを少なくとも選択して無線信号をルーティングすることを特徴とする請求項１記載の無線ネットワークのルーティング方法。
【請求項３】
上記ルーティングするステップは、最初の無線信号の送信時を除き、直前に送信した無線信号を送信した次のホップの無線局を含む各パスに対して全リンクウェイトを計算し、計算された全リンクウェイトが最小であるパスを用いて、処理対象の同一の通信フローに関する連続する無線信号を順次ルーティングすることを特徴とする請求項１記載の無線ネットワークのルーティング方法。
【請求項４】
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無線通信システムにおいて、
上記複数の無線局が通信可能な状態であるか否かを示すデータを通信フローの通信ＩＤ毎であって上記各無線局毎に格納する第１のテーブルと、上記各無線局から無線通信可能な隣接無線局と当該各無線局から当該隣接無線局への方位角のデータを上記各無線局毎に格納する第２のテーブルとを上記各無線局において保存する記憶手段と、
上記第１のテーブルを含む第１の無線信号を所定の第１の送信周期で周期的に送信するとともに、上記第２のテーブルを含む第２の無線信号を所定の第２の送信周期で周期的に送信する送信手段と、
上記送信された第１の無線信号を受信したとき、自局の記憶手段に保存された第１のテーブルのデータを更新するとともに、上記送信された第２の無線信号を受信したとき、自局の記憶手段に保存された第２のテーブルのデータを更新する更新手段と、
発信無線局から宛先無線局までのパスの各リンクにおいて、上記第１と第２のテーブルを参照して、処理対象の通信フローを除く、現在通信中の無線局によって取り扱われている通信フローの全数と、処理対象の通信フローの無線信号のホップ計数値との線形和であるリンクウェイトをそれぞれ計算し、計算された線形和の合計である全リンクウェイトを計算し、計算された全リンクウェイトが最小であるパスを選択して無線信号をルーティングするルーティング手段とを備えたことを特徴とする無線通信システム。
【請求項５】
上記ルーティング手段は、計算された全リンクウェイトが最小である第１のパスと、上記第１のパスと異なり、上記第１のパスの次に小さい全リンクウェイトを有する第２のパスとを少なくとも選択して無線信号をルーティングすることを特徴とする請求項４記載の無線通信システム。
【請求項６】
上記ルーティング手段は、最初の無線信号の送信時を除き、直前に送信した無線信号を送信した次のホップの無線局を含む各パスに対して全リンクウェイトを計算し、計算された全リンクウェイトが最小であるパスを用いて、処理対象の同一の通信フローに関する連続する無線信号を順次ルーティングすることを特徴とする請求項４記載の無線通信システム。
【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ルーティング方法及び無線通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一時的に特定の地域内に集まった不特定多数の人々の間の通信を無線回線を用いてサポートするアドホック無線ネットワークでは、例えばインターネットのルータ装置のようなインフラストラクチャが存在しないために、ネットワーク中のユーザが協調してパケットを中継し、ルーティングを行う必要がある。
【０００３】
アドホック無線ネットワークのルーティング方法は通常、単一パスによるルーティングを採用している（例えば、非特許文献１参照。）。ここで、発信無線局Ｓと宛先無線局Ｄとの間のパスセットが発見されれば、データの総容量を複数の個々のブロックに分割してこれらを選択された複数のパスを介して発信無線局Ｓから宛先無線局Ｄに送信することによりエンド・ツー・エンドの遅延時間を改善することはおそらく可能である。これにより、最終的には、負荷バランス化を介して輻輳が軽減され、スループットが向上される（例えば、非特許文献２参照。）。移動体のアドホック無線ネットワークにおけるマルチパス技術のアプリケーションは、マルチパスルーティングによって信頼度の低い無線リンク及び絶えず変化するトポロジーによる影響を減少させることができるために当然のことのように思われる。
【０００４】
例えば、非特許文献３では、非特許文献１において開示された動的ソースルーティング（Dynamic Source Routing:ＤＳＲ）のマルチパスの拡張としてオンデマンド式のマルチパスルーティング方法が提示されているが、この場合は代替ルートが保持されていて、主要ルートが機能不全になればこれらを利用することができる。ノード無線局が宛先無線局への複数のパスを保持していれば、新たなルートの検索頻度は大幅に下がることが分かっている。ここで、マルチパスルーティングがネットワークの負荷バランス化に及ぼす性能の改善については、大規模な研究が行われていない。
【０００５】
例えば、非特許文献４は、その最近の論文において、マルチパスルーティングがネットワーク負荷を平衡させることができる点を実証している。ここで、彼らの研究は、競合はないもののほとんどの場合に利用不可であるマルチチャネルネットワークを基礎としている。非特許文献５で提案されている分割マルチパスルーティング（Split Multipath Routing:ＳＭＲ）は、非連結性を最大化したマルチパスの構築及び保持に注目している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−０２４４３１号公報。
【特許文献２】特開２００１−２４４９８３号公報。
【非特許文献１】E. M. Royer et al., “A Review of Current Routing Protocols for Ad hoc Wireless Networks”, IEEE Personal Communication, pp. 46-55, April 1999.
【非特許文献２】Aristotelis Tsirigos Zygmunt J. Haas et al., “Multi-path Routing in mobile ad hoc networks or how to route in the presence of frequent topology changes”, MILCOM 2001, Virginia U.S.A., October 28-30, 2001.
【非特許文献３】A. Nasipuri et al., “On-Demand Multi-path Routing for Mobile Ad Hoc Networks,” Proceedings of IEEE ICCCN'99, Boston, Massachusetts, U.S.A., October 1999.
【非特許文献４】M. R. Pearlman et al. “On the Impact of Alternate Path Routing for Load Balancing in Mobile Ad Hoc Networks”, MobiHOC 2000, Long Beach, California, U.S.A., 3-10, pp. 150, 2000.
【非特許文献５】S.J. Lee et al., “Split Multi-path Routing with Maximally Disjoint Paths in Ad Hoc Networks”, ICC 2001, Burbank, California, U.S.A., October 18-21, 2001.
【非特許文献６】Kui Wu and Janelle Harms, “On-Demand Multipath Routing for Mobile Ad Hoc Networks”, EPMCC 2001, Vienna, Austria, 20-22 February 2001.
【非特許文献７】Somprakash Bandyopadhyay et al., “An Adaptive MAC Protocol for Wireless Ad Hoc Community Network (WACNet) Using Electronically Steerable Passive Array Radiator Antenna”, Proceedings of the GLOBECOM 2001, San Antonio, Texas, U.S.A., November 25-29, 2001.
【非特許文献８】Y. B. Ko et al., “Medium access control protocols using directional antennas in ad hoc networks”, Proceedings of the IEEE INFOCOM 2000, Anchorage, Alaska, U.S.A., March 2000.
【非特許文献９】Romit RoyChouldhury et al., “A Distributed Mechanism for Topology Discovery in Ad hoc Wireless Networks using Mobile Agents”, Proceedings of the First Annual Workshop On Mobile Ad Hoc Networking & Computing (MOBIHOC 2000), Boston, Massachusetts, U.S.A., August 11, 2000.
【非特許文献１０】S. Bandyopadhyay et al., “Multipath Routing in Ad Hoc Networks with Directional Antenna”, in IFIP conference on Personal Wireless Communications PWC 2002, Singapore, October 22-24, 2002.
【非特許文献１１】T. Ueda et al., “Evaluating the Performance of Wireless Ad Hoc Network Testbed With ESPAR Antenna”, Fourth IEEE Conference on Mobile and Wireless Communication Networks (MWCN2002), September 2002
【非特許文献１２】QualNet Simulator Version 3.1, Scalable Network Technologies, http://www.scalable-networks.com, November 20, 2003.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、マルチパスを配備しても必ずしもエンド・ツー・エンドの遅延時間を縮小させる結果にはならないこともまた実証されている（非特許文献４及び６参照。）。非特許文献４では、移動体のアドホック無線ネットワークにおける代替パスルーティング（Alternate Path Routing:ＡＰＲ）の効果が検討され、ネットワークトポロジー及びチャネル特性（ルート結合等）がＡＰＲの方法によって提供される利得を大幅に制限する場合のある点が主張されている。
【０００８】
例えば、図１５に示すように、発信無線局Ｓがデータを無線媒体において宛先無線局Ｄに伝送しようとしているとする。２つのノード非連結パス、即ちＳ−ａ−ｂ−Ｄ及びＳ−ｃ−ｄ−Ｄ（図１５）を選択して通信するものとすると、両方のパスがノード非連結性であるとしても、これらの２つのルートのメンバー達が近接していて互いに干渉し合っていれば、発信無線局Ｓからこれらの２つのパスを介するデータフローは同時には発生し得ない。これは、ルート結合として周知の現象である。ルート結合は、２つのルートがデータ通信の間に互いに干渉し合うほど物理的に近接して位置づけられている場合に発生する。結果的には、発信無線局Ｓ−宛先無線局Ｄ間のマルチパス通信においては、これらの複数ルートにおけるノード無線局は、絶えずこれらが共用する媒体へのアクセスを求めて競合している可能性があり、最終的にその発信無線局Ｓ−宛先無線局Ｄペア間の単一パスによるルーティングよりも性能が悪くなることがある。従って、この場合では、ノード非連結ルートは性能改善の十分条件とはなり得ない。よって、ノード非連結性又はノード非連結性を最大化させたルートを発見しようとする努力（非特許文献４，５及び６参照。）は、ルート結合に起因して効果的ではない場合がある。
【０００９】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、同時通信するフローがあっても、従来技術に比較して、エンド・ツー・エンドの平均遅延時間を低下させるとともに、スループットを向上させることができる無線ネットワークのルーティング方法及び無線通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明に係る無線ネットワーク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ルーティング方法において、
上記複数の無線局が通信可能な状態であるか否かを示すデータを通信フローの通信ＩＤ毎であって上記各無線局毎に格納する第１のテーブルと、上記各無線局から無線通信可能な隣接無線局と当該各無線局から当該隣接無線局への方位角のデータを上記各無線局毎に格納する第２のテーブルとを上記各無線局の記憶手段に保存するステップと、
上記第１のテーブルを含む第１の無線信号を所定の第１の送信周期で周期的に送信するとともに、上記第２のテーブルを含む第２の無線信号を所定の第２の送信周期で周期的に送信するステップと、
上記送信された第１の無線信号を受信したとき、自局の記憶手段に保存された第１のテーブルのデータを更新するとともに、上記送信された第２の無線信号を受信したとき、自局の記憶手段に保存された第２のテーブルのデータを更新するステップと、
発信無線局から宛先無線局までのパスの各リンクにおいて、上記第１と第２のテーブルを参照して、処理対象の通信フローを除く、現在通信中の無線局によって取り扱われている通信フローの全数と、処理対象の通信フローの無線信号のホップ計数値との線形和であるリンクウェイトをそれぞれ計算し、計算された線形和の合計である全リンクウェイトを計算し、計算された全リンクウェイトが最小であるパスを選択して無線信号をルーティングするステップとを含むことを特徴とする。
【００１１】
上記無線ネットワークのルーティング方法において、上記ルーティングするステップは、計算された全リンクウェイトが最小である第１のパスと、上記第１のパスと異なり、上記第１のパスの次に小さい全リンクウェイトを有する第２のパスとを少なくとも選択して無線信号をルーティングすることを特徴とする。
【００１２】
また、上記無線ネットワークのルーティング方法において、上記ルーティングするステップは、最初の無線信号の送信時を除き、直前に送信した無線信号を送信した次のホップの無線局を含む各パスに対して全リンクウェイトを計算し、計算された全リンクウェイトが最小であるパスを用いて、処理対象の同一の通信フローに関する連続する無線信号を順次ルーティングすることを特徴とする。
【００１３】
第２の発明に係る無線通信システムは、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無線通信システムにおいて、
上記複数の無線局が通信可能な状態であるか否かを示すデータを通信フローの通信ＩＤ毎であって上記各無線局毎に格納する第１のテーブルと、上記各無線局から無線通信可能な隣接無線局と当該各無線局から当該隣接無線局への方位角のデータを上記各無線局毎に格納する第２のテーブルとを上記各無線局において保存する記憶手段と、
上記第１のテーブルを含む第１の無線信号を所定の第１の送信周期で周期的に送信するとともに、上記第２のテーブルを含む第２の無線信号を所定の第２の送信周期で周期的に送信する送信手段と、
上記送信された第１の無線信号を受信したとき、自局の記憶手段に保存された第１のテーブルのデータを更新するとともに、上記送信された第２の無線信号を受信したとき、自局の記憶手段に保存された第２のテーブルのデータを更新する更新手段と、
発信無線局から宛先無線局までのパスの各リンクにおいて、上記第１と第２のテーブルを参照して、処理対象の通信フローを除く、現在通信中の無線局によって取り扱われている通信フローの全数と、処理対象の通信フローの無線信号のホップ計数値との線形和であるリンクウェイトをそれぞれ計算し、計算された線形和の合計である全リンクウェイトを計算し、計算された全リンクウェイトが最小であるパスを選択して無線信号をルーティングするルーティング手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
上記無線通信システムにおいて、上記ルーティング手段は、計算された全リンクウェイトが最小である第１のパスと、上記第１のパスと異なり、上記第１のパスの次に小さい全リンクウェイトを有する第２のパスとを少なくとも選択して無線信号をルーティングすることを特徴とする。
【００１５】
また、上記無線通信システムにおいて、上記ルーティング手段は、最初の無線信号の送信時を除き、直前に送信した無線信号を送信した次のホップの無線局を含む各パスに対して全リンクウェイトを計算し、計算された全リンクウェイトが最小であるパスを用いて、処理対象の同一の通信フローに関する連続する無線信号を順次ルーティングすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
従って、本発明に係る無線ネットワークのルーティング方法及び無線通信システムによれば、従来技術に比較して、エンド・ツー・エンドの平均遅延時間を低下させるとともに、スループットを向上させる。また、パスの選択の基準として、従来技術の相関係数とホップ数の積に代えて、上記線形和の基準を用いてパスを選択することにより、宛先無線局に近づくにつれて、ゾーン非結合であるパスよりも最短のパスを選択することができるので、宛先無線局に到達せずにループ状態となることを防止できる。さらに、上記線形和の計算において通信ＩＤの全通信数を考慮して計算しているので、従来技術に比較してより正確にゾーンとゾーンとの結合度を正確に計算でき、より最適なパスを選択できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００１８】
上記の従来技術における問題点を解決するために、本実施形態では、１つのパス上のデータ通信が他のパスにおけるデータ通信を妨害しない場合に両パスは「ゾーン非連結」であるとされる、無線媒体におけるゾーン非連結ルートの概念を提案する。本発明者らは、この概念をルートの選択基準として使用している。しかしながらまた、ゾーン非連結性だけでは性能の向上にとって十分ではない。パス長（ホップ回数）が大きければ、ゾーン非連結性のコンテキストにおいてもエンド・ツー・エンドの遅延時間を増大させる。従って、ゾーン非連結性を最大化させた最短パスを選択することが絶対に必要である。ここで、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においてたとえ部分的であってもゾーン非連結ルートを確保することは、各ノード無線局の送信ゾーンが指向性アンテナを使用する場合よりも大きいことから困難である。従って、ノード無線局のこの送信ゾーンを縮小させる一方法は、指向性アンテナの使用にある。
【００１９】
指向性アンテナの使用は無線干渉を大幅に低減させることが可能であり、これによって無線媒体の利用率を向上させ、これによりネットワークのスループットを向上させることができる。本実施形態では、指向性アンテナがゾーン非連結性のマルチパスルーティングに及ぼす影響を調査し、クアルネット（ＱｕａｌＮｅｔ）のネットワークシミュレータにおいてその効果を評価する。複数のルート間のルート結合の測定に当たっては相関係数の概念を使用しかつこれをマルチパスを選択する際の一基準として使用する。
【００２０】
図１５に示すように、指向性アンテナを使用すれば、これらの２つのルートを非結合にして完全にゾーン非連結にすることが可能である。例えば、図１５における各ノード無線局が指向性アンテナを使用してその送信ビームを次のノード無線局のみに向けて設定すれば、Ｓ−ａ−ｂ−Ｄ間の通信がＳ−ｃ−ｄ−Ｄ間の通信に影響することはない。これに対して、ＲＴＳ（Request To Send）−ＣＴＳ（Clear To Send）を基礎とするフロア確保方法を使用するオムニアンテナを使用すれば、ノード無線局ｃはノード無線局ａの全方向性の近傍ノード無線局であり、ノード無線局ｄはノード無線局ｂの全方向性の近傍ノード無線局であることから、これらの２つの通信は互いに干渉するであろう。
【００２１】
まず、本実施形態で用いるアドホック無線ネットワークの無線通信システムについて以下に説明する。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。
【００２２】
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、発信無線局、中継局、又は宛先無線局として動作する。
【００２３】
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ービームパターンと、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（ｄ）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。
【００２４】
（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）当該アドホック無線ネットワークにあるノード無線局のうち、当該アドホック無線ネットワークに参加しており通信可能状態（以下、アクティブ状態という。）にある各通信ＩＤのノード無線局のリストを含むアクティブノード無線局リストテーブル（Active Node List Table）（以下、ＡＮＬテーブルという。）。
（ｄ）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。）。
【００２５】
本実施形態においては、「ゾーン間非結合」を最大化するルートの選択処理を用いて、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ＭＡＣ及びルーティングプロトコルを示す。本発明者らが提示するＭＡＣプロトコルでは、各ノード無線局１が所定の隣接情報を動的に保持し、よって各ノード無線局１はその時点における「その隣接及びその隣接で発生している通信を認識」している。これは、各ノード無線局１がその時点におけるその隣接の他の通信中のノード無線局１を追跡することによって干渉を回避することを促進する。同時にこれは、その隣接ノード無線局１の指向性アクセス情報も追跡する。これは、各ノード無線局１が、その任意の隣接ノード無線局１との最良であると思われる通信方向を決定する際に役立つ。各ノード無線局１からのこの情報は、周期的にその隣接ノード無線局１へ伝搬され、隣接ノード無線局１はそれぞれこの情報を取り込み、周期間隔（送信周期）でさらにその隣接ノード無線局１へと伝搬する。こうして情報はネットワーク全体に浸透し、多くの制御トラフィックを生成することなく、各ノード無線局１が周期的に適正なネットワーク状態を捕捉することを促進する。従って、各ノード無線局は実質的におおむね「トポロジーを認識」し、かつ「ネットワークで発生している通信を認識」した状態になる。
【００２６】
本発明者らは、負荷のバランス化型ルーティングのテーブル駆動ルーティングプロトコルを提案し、「ゾーン間非結合」を最大化する度合いを測定するための基準を定義しかつ開発し、負荷のバランス化のためにこれをルート選択基準として使用した。しかしながら、各ノード無線局１におけるネットワークの認識は、ネットワークの「実際の」状態ではなくネットワークの状態の単なる「認知」であるに過ぎないため、中間の各ノード無線局１は、ルーティングの間にルーティングの決定を適応的に補正して変更する。なお、本発明において提案する本実施形態に係る無線通信システムのフレームワークの性能は、詳細後述するように、公知のクアルネット（Ｑｕａｌｎｅｔ）で実施されている動的ソースルーティング（Dynamic Source Routing；ＤＳＲ）をベンチマークに使用したクアルネットのネットワークシミュレータに基づいて評価を行う。
【００２７】
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。
【００２８】
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、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。
【００２９】
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ービームパターンと、
（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１及び２、並びに非特許文献１１に開示された電子制御導波器アレーアンテナ装置（Electronically Steerable Passive Array Radiator Array Antenna Apparatus）である可変ビームアンテナであってもよい。
【００３０】
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ネルを決定して、決定した通信チャ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。
【００３１】
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、ＡＮＬ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。
【００３２】
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ー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、パケットデータは、宛先無線局のＩＤと、パケット種別（トーン、ＧＬＳテーブル、ＡＮＬテーブル、ＲＴＳ（Request To Send）、ＣＴＳ（Clear To Send）、ＤＡＴＡなど）と、自局のＩＤと、通信フロー毎に割り当てられる通信ＩＤと、データ（上位レイヤでのデータなどを含む）とを含む。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５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。
【００３３】
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何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。
【００３４】
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及び図１０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、ＡＮＬテーブル、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、ＡＮＬテーブルの生成及び更新フェーズ、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。
【００３５】
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。
【００３６】
まず、アンテナモデルについて以下に説明する。本発明者らは、各ユーザ端末（ノード無線局）が電子制御導波器アレーアンテナ装置として知られる小型で低コストの適応型アンテナ（例えば、非特許文献７及び１１参照。）を使用する無線アドホック地域ネットワークのテストベッドの実施に向けて努力している。適応型アレーアンテナは通常、デジタル式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ＲＦビーム形成に依存し、これが回路の複雑さを大幅に低減させる。電子制御導波器アレーアンテナ装置は、発信無線局に接続された１つの励振素子と、これを円形に取り囲む幾つかの非励振素子（典型的には、４本乃至６本）とで構成される。各非励振素子は、可変リアクタンス素子を介して接地される。各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の調整により、非励振素子は、アンテナアレーの放射パターンを異なる形状に形成する。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、同一の周波数の多重ビームの形成、可動（３６０度掃引）ビーム及びヌルステアリングの制御にある。本実施形態では、電子制御導波器アレーアンテナ装置を擬似スイッチビームアンテナとして使用する。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。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、ユーザ端末の電力消費の低減が促進され、スイッチビームアンテナのあらゆる優位点をもたらすことが可能になると思われる。
【００３７】
次いで、本実施形態に係る無線通信システムにおける幾つかの重要な定義について以下に説明する。
【００３８】
＜定義１＞ノード無線局ｎが、ノード無線局ｎに関してビーム角α及び送信レンジＲｄｉｒ指向性送信ビームを形成するとき、送信ゾーンＴＺｎ（α）を方位角αにおけるｎの有効範囲と定義する。
【００３９】
＜定義２＞ノード無線局ｎの近傍ノード無線局（Ｇｎ）を、ノード無線局ｎの全方向性送信半径Ｒｏｍｎｉ内のノード無線局の集合と定義する。
【００４０】
＜定義３＞Ｇｎα内のノード無線局がその送信ゾーンＴＺｎ（α）内に含まれるとき、ノード無線局ｎの指向性近傍ノード無線局をＧｎ（Ｇｎα∈Ｇｎ）の部分集合と定義する。
【００４１】
＜定義４＞通信ＩＤは、本質的には通信フローが進行中である、発信無線局と宛先無線局のペアを特定する固有のＩＤである。発信無線局から宛先無線局までマルチパス通信が存在する場合は、その通信ＩＤのサブＩＤがマルチパスフローの各々を表す。
【００４２】
＜定義５＞アクティブノード無線局リスト［ＡＮＬ（ｔ）］は、時刻ｔにおいて任意の通信プロセスにアクティブに関与しているネットワーク内のノード無線局の集合である。リスト内の各アクティブノード無線局は、それがアクティブに関わっている通信ＩＤの集合Ｃに関係している。
【００４３】
＜定義６＞送信ゾーンＴＺｎ（α）におけるノード無線局ｎのアクティブな指向性近傍ノード無線局［ＡｃｔＧｎα（ｔ）］は、その時刻に任意の通信プロセスにアクティブに関与している（即ち、ＡＮＬ（ｔ）に属する）送信ゾーンＴＺｎ（α）内のノード無線局の集合であり、次式で表される。
【００４４】
［数１］
ＡｃｔＧｎα（ｔ）＝Ｇｎα（ｔ）∩ＡＮＬ（ｔ）
【００４５】
＜定義７＞通信ＩＤｃのパスＰにおけるノード無線局ｎｉの相関係数［ηｎｉｃ（Ｐ）］（ここで、ｎｊはパスＰにおけるｎｉの次のホップであり、α（ｎｉ→ｎｊ）はｎｊと通信するためにｎｉによりｎｊに向けて形成される送信ゾーンである）を、通信ＩＤｃを除く送信ゾーンｎｉ（α（ｎｉ→ｎｊ））におけるノード無線局ｎｉの各アクティブ指向性近傍ノード無線局により処理される通信ＩＤ数の和と定義する。従って、次式で表される。
【００４６】
［数２］
ηｎｉｃ（Ｐ）＝Σ∀ｎ∈ＡｃｔＧ−ｎｉ−α（ｎｉ→ｎｊ）（ｔ）（｜Ｃ∩ｃ｜）
【００４７】
例えば、ノード無線局ｎｊが２つのアクティブな指向性近傍ノード無線局を有し、一方が２つの通信を処理しかつ他方が４つの通信を処理していて、さらにそれらのノード無線局のいずれかが通信ＩＤｃを処理していれば、相関係数［ηｎｉｃ（Ｐ）］は２＋４−１＝５となる。よって、ノード無線局ｎｉのアクティブな指向性近傍ノード無線局が現在の通信ＩＤｃに関してアクティブであれば、その通信ＩＤに関するそのノード無線局のアクティビティの状態は相関係数ηｎｉｃ（Ｐ）の計算に関して無視される点に留意することは重要である。言い換えれば、ノード無線局の相関係数はノード無線局のアクティビティの状態を測定することになる。
【００４８】
＜定義８＞通信ＩＤｃのパスＰの相関係数η［η（Ｐ）］を、パスＰにおける全ノード無線局の相関係数の和と定義し、次式で表される。
【００４９】
［数３］
η（Ｐ）＝Σ∀ｎｉ∈ｐ（ηｎｉｃ（Ｐ））
【００５０】
パスＰの相関係数η（Ｐ）＝０のとき、パスＰは他のすべてのアクティブなパスとは「ゾーン非連結」であるという。ここで、アクティブなパスは、その時刻に通信プロセスに関与しているパスのことである。パスＰの相関係数η（Ｐ）＝０でなければ、パスＰは、他のアクティブなパスとη関係にある。ルート結合の測定には、相関係数を使用する。相関係数が大きいほど、両パスの平均エンド・ツー・エンドの遅延時間が大きいことが証明されている（例えば、非特許文献６参照。）。
【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４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４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５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６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）ＡＮＬテーブル（ノード無線局ｎにおけるＡＮＬテーブルを、ＡＮＬｎと記載する。）：ＡＮＬテーブルは、当該アドホック無線ネットワークにおける通信アクティビティに関するノード無線局ｎの検出結果を含む。これは、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すべてのアクティブな通信ＩＤのノード無線局を含むノード無線局ｎに関するリストである。ＡＮＬテーブルは、その一例を図７に示すように、ノード無線局毎に、上述の通信状態のフラグ値とそのデータの更新回数（バージョンを示す）及び通信ＩＤを格納する。ＡＮＬテーブルについては、図７を参照して詳細後述する。
【００５６】
（４）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。ＧＬＳテーブルについては、図８を参照して詳細後述する。
【００５７】
本実施形態においては、各ノード無線局は、上述のＡＮＬテーブルを含むパケット信号及びＧＬＳテーブルを含むパケット信号（以下、前者をＡＮＬパケット信号といい、後者をＧＬＳパケット信号という。）をそれぞれ異なる所定の周期間隔でブロードキャストして、ＡＮＬテーブル及びＧＬＳテーブルの生成及び更新処理を行うことを特徴としている。以下、これについて説明する。
【００５８】
各ノード無線局ｎは、そのＡＮＬテーブルをある周期的間隔（ＡＮＬパケット信号の送信周期）ＴＡでブロードキャストを行う。ここで、ＡＮＬパケット信号のブロードキャストは、次の２つの目的を果たす。すなわち、ノード無線局ｎがそのすべての隣接ノード無線局（例えば、ｉ、ｊ及びｋ）からのＡＮＬテーブルを受信すると、以下の処理が実行される。
（１）ノード無線局ｎは、隣接ノード無線局ｉ、ｊ及びｋをその隣接ノード無線局として含むように、ＮＬＳテーブル（ＮＬＳＴｎ）を形成し、それらの隣接ノード無線局のうちの任意の隣接ノード無線局との通信方向として最良である可能性のあるものとして記録する。
（２）ノード無線局ｎはまた、ノード無線局ｉの通信状態フラグ値（通信のアクティビティ状態）を記録し、他の隣接ノード無線局についても同様に記録して、当該ノード無線局ｎ自身のＡＮＬテーブルを更新する。
【００５９】
また、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が、これについては詳細後述する。
【００６０】
２つのパケット信号（ＡＮＬパケット信号とＧＬＳパケット信号）を２種類の送信周期でブロードキャストを行うことには、次のような理由がある。すなわち、ＡＮＬテーブルは各ノード無線局の通信状態のフラグ値（通信アクティビティ状態）を捕捉しており、一旦通信が開始されるとすぐに、あるノード無線局の集合におけるＡＮＬテーブルのデータが影響を受ける（そのデータが最新データで更新される）。従って、ＡＮＬパケット信号は、ＧＬＳパケット信号より速く伝搬される必要がある。さらに、ＡＮＬパケット信号はあたかもビーコン信号として動作する。従って、ＡＮＬパケット信号のより速い伝搬に従って、アクティブな（通信可能な）ノード無線局の重要情報をより速く浸透させ得るだけでなく、正確な隣接ノード無線局の情報（方位角や信号強度レベル）を取得することが可能である。本実施形態において実施しようとしているのはフィッシュアイの概念であることから、正確な隣接ノード無線局の情報がより速く要求される。
【００６１】
これに対して、ＧＬＳテーブルはすべてのノード無線局の結合性に関するグローバルな情報であり、ノード無線局の物理的な移動（信号の伝搬に比べて遙かに遅い）に関するトポロジーの変化を反映する。さらに、任意のノード無線局におけるＧＬＳテーブルは、さほど正確である必要がない。データ量が大きいＧＬＳパケット信号はその伝搬が遅く、ＧＬＳテーブルよりもデータ量が小さいＡＮＬパケット信号はその伝搬が速いのは、このためである。
【００６２】
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。
【００６３】
従来技術に係るＭＡＣプロトコルの方法においては、ビーコン信号、ＡＮＬパケット信号、ＧＬＳパケット信号の３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、ＡＮＬテーブル、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、ＡＮＬテーブル又はＧＬＳテーブルを含むＡＮＬパケット信号又は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。
【００６４】
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。
【００６５】
次いで、ＮＬＳテーブルの形成方法について以下に説明する。
【００６６】
例えば任意のノード無線局ｎは、例えば任意のその隣接ノード無線局ｍからＡＮＬパケット信号を受信すると、そのノード無線局ｎのＮＬＳテーブル（ＮＬＳＴｎ）を逐次そのデータをインクリメントしながら形成する。ノード無線局ｎは、その可変ビームアンテナ１０１をある特定の方位角の角度に設定してＡＮＬパケットを受信することから、その特定の方向でノード無線局ｎによって認知される隣接ノード無線局ｍとの通信方向として最良である可能性のある方位角、及び無線回線でのノード無線局間結合が最大である信号強度ＳＩＧＮＡＬθｎ，ｍ（ｔ）を認識している。本実施形態では、互いに隣接する２つのノード無線局間で対称性のリンクを想定している。
【００６７】
例えば任意のノード無線局ｎは、それ自身の通信状態のフラグ値（アクティビティ状態）を検出する。ノード無線局ｎは、それが通信を希望していることを指示するＲＴＳを発行する必要があればいつでも、それ自身を「アクティブなノード無線局」（通信状態のフラグ値＝１）として設定し、所定のしきい値期間の間にＲＴＳを発行しない場合はそれ自体を「非アクティブな（通信不可能な）ノード無線局」（通信状態のフラグ値＝０）として設定する。また、ノード無線局ｎは、例えばその隣接ノード無線局ｍからＲＴＳを受信すると、必ずそれ自身のＮＬＳテーブル（ＮＬＳＴｎ）にノード無線局ｍをアクティブノード無線局（通信状態のフラグ値＝１）として設定する。ノード無線局ｍがそれ自身を非アクティブにするとき（通信不可能状態とするとき）、この情報がノード無線局ｍからＡＮＬパケットの周期的なブロードキャストによりノード無線局ｎに到達する。
【００６８】
次いで、ＡＮＬテーブルの形成方法について以下に説明する。
【００６９】
各ノード無線局は、当該アドホック無線ネットワークにおける通信アクティビティに関するその認知を含むそのアクティブノード無線局リストを含むＡＮＬテーブルを含むＡＮＬパケット信号を、周期的にブロードキャストする。複数の異なるノード無線局から周期的なＡＮＬパケットを受信すると、各ノード無線局はこれらの情報を取り入れて改訂更新されたＡＮＬテーブルを形成し、周期的間隔を待って更新されたＡＮＬパケット信号をその隣接ノード無線局に対してブロードキャストする。
【００７０】
各ノード無線局では、ＡＮＬパケットはまず、そのノード無線局のＡＮＬ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のアクティビティ状態（通信可能状態）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、周期的にそれ自身のＡＮＬテーブルを更新して、更新したＡＮＬパケット信号をその（１つ又は複数の）隣接ノード無線局に対してブロードキャストを行う。その隣接ノード無線局からのそれらの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（ＡＮＬパケット信号）の送信により、各ノード無線局は次第に、他のノード無線局及びそれらの隣接ノード無線局に関するアクティビティ情報（ＡＮＬテーブルに含まれる情報）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（ＡＮＬパケット信号）を基礎としてそれ自身のＡＮＬテーブルを更新することができる。
【００７１】
移動中のノード無線局へのネットワーク状態情報の浸透処理における大きな概念は、伝送される情報がある程度正確に認識されなければならないことにある。複数の異なるノード無線局からの更新の伝搬は非同期的であるため、情報の更新回数（バージョン）の概念を導入することが肝要になる。例えば、２つのＡＮＬパケットＡ１及びＡ２がともにノード無線局ｎから複数ホップで離れているノード無線局ｍに関する情報を伝送しながらノード無線局ｎに到達するものとする。ノード無線局ｎにおいてノード無線局ｍに関する情報を更新するためには、ノード無線局ｍに関する最も新しい情報を伝送しているのはどれか、すなわち、「ＡＮＬパケットＡ１であるか、もしくはＡＮＬパケットＡ２であるか？」を発見するメカニズムが存在していなければならない。
【００７２】
これを実行するために、本発明者らは最新性トークンの同一概念（最も新しいかの指標であるバージョンを示す更新回数情報を有すること）及びこれを適正にインクリメントする機構を使用している。仮に２つの更新メッセージ（ＡＮＬパケット）が、例えばノード無線局ｎである同じノード無線局に関するデータ集合を保有していれば、ノード無線局ｎのより高い最新性の値（更新回数）を伝送している更新メッセージ（ＡＮＬパケット）の方がそれに関するより新しい情報を保有している。
【００７３】
ノード無線局ｎにおけるＡＮＬテーブルの一例を示す図７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の最新性を示す更新回数であり、Ｓｉは各ノード無線局の対応するアクティビティ状態を示す通信状態のフラグ値を示し、０（非アクティブ：通信不可能）又は１（アクティブ：通信可能）のいずれかである。
【００７４】
次いで、ＧＬＳテーブルの形成方法について以下に説明する。
【００７５】
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。
【００７６】
ここで、更新の周期性を制御すれば、当該アドホック無線ネットワーク内の更新トラフィック及び各ノード無線局に記憶されたネットワーク状態情報の精度を制御できることは留意されるべき点である。例えば、更新メッセージ（ＧＬＳパケット信号）の伝搬が頻繁すぎると、制御トラフィックは増大するが、各ノード無線局に記憶されたネットワーク状態情報の精度も上がる。ここで、当該アドホック無線ネットワークが更新の伝搬でフラッドされることは決してない。任意の時点におけるアドホック無線ネットワーク内の最大パケット数は、常時、アドホック無線ネットワーク内のノード無線局数より少ない。この場合もやはり、ＡＮＬパケットの伝搬について上述したような最新性の概念（更新回数の情報保持）を実施する必要がある。これは、仮に２つのＧＬＳパケット信号の更新メッセージが、例えばノード無線局ｎである同じノード無線局に関するデータ集合を保有していれば、ノード無線局ｎのより高い最新性トークン値（より大きい更新回数）を伝送している更新メッセージ（ＧＬＳパケット信号）の方がそれに関するより新しい情報を保有することを意味している。
【００７７】
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。
【００７８】
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」に類似している。
【００７９】
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。
【００８０】
次いで、本実施形態における「ネットワークにおける情報の浸透メカニズム」について以下に詳細に説明する。
【００８１】
情報の浸透メカニズムの目的は、各ノード無線局に近似トポロジーとネットワーク内で進行中の通信イベントとを認識させることにある。この場合の目的は、ローカル情報は正確に認知するが、グローバルなネットワーク情報は近似的に認知することにある。この近似的なネットワーク認識は、以下に説明するように、ＭＡＣ及びマルチパスによる適応型ルーティングプロトコルの双方を実装する上で役立つ。その近傍ノード無線局の方向を追跡するため、各ノード無線局ｎはその指向性近傍の情報を周期的に収集し、よってその任意の近傍ノード無線局との最良の通信可能方向を決定することができる。
【００８２】
ネットワークにおける各ノード無線局ｎは、少なくとも次の２つのネットワーク−ステータス情報を保有する。
（ａ）アクティブノード無線局リスト（ＡＮＬテーブル）（ＡＮＬｎ）：これは、ネットワーク全体における通信アクティビティに関するノード無線局ｎの認知を含んでいる。これは、ネットワーク内の全アクティブノード無線局及びそれらがアクティブとなっている対象である通信ＩＤを含むノード無線局ｎにおけるリストである。
（ｂ）グローバルリンク状態テーブル（ＧＬＳテーブルＧＬＳＴｎ）：これは、その時刻においてｎが認知するグローバルネットワークのトポロジー情報を含んでいる。
【００８３】
各ノード無線局は、そのＡＮＬテーブルをある周期間隔、例えばＴＡでブロードキャストする。ＡＮＬテーブルのブロードキャストは、次の２つの目的を果たす。即ち、ノード無線局ｎがそのすべての近傍ノード無線局（例えばノード無線局ｉ、ｊ及びｋ）からＡＮＬテーブルを受信すると、ノード無線局ｎは、ノード無線局ｉ、ｊ及びｋをその近傍ノード無線局として包含するＧＬＳテーブルＧＬＳＴｎを形成し、それらの各々との最良の通信可能方向を記録する。ノード無線局ｎはまた、ノード無線局ｉの通信アクティビティの状態を記録し、かつ他の近傍ノード無線局についても同様に記録し、受信した情報の最新性に依存してその独自のＡＮＬテーブルを形成する（非特許文献９参照。）。各ノード無線局は、そのＧＬＳテーブルをある周期間隔、例えばＴＧでブロードキャストする。ノード無線局ｎは、その近傍ノード無線局からＧＬＳテーブルを受信すると、受信した情報の最新性に依存してその独自のＧＬＳテーブルを更新する（非特許文献９参照。）。
【００８４】
ＡＮＬテーブルは、ビーコンとして作用することからＧＬＳテーブルより速く伝播される必要がある。従って、ＡＮＬテーブルのより速い伝播によって、アクティブなノード無線局の重要情報をより速く浸透させるだけでなく、正確な近傍情報（方向、信号レベル）を取得することが可能である。ＧＬＳテーブルは、物理的移動（信号の伝播に比べて遙かに遅い）に関するトポロジーの変化を反映するため、超高速で伝播される必要はない。オーバーヘッドは、周期間隔ＴＡ及びＴＧを調整して制御することができる。周期間隔ＴＡ及びＴＧの好ましい現在の値はそれぞれ２００ミリ秒及び５秒である。
【００８５】
次いで、「位置の追跡とＭＡＣプロトコル」について以下に説明する。
【００８６】
指向性アンテナの能力を十分に活用するためには、発信無線局及び宛先無線局の近傍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。従って、各ノード無線局においてその近傍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。本実施形態においては、各ノード無線局はアイドルの間、全方向性検出モード（オムニパターンモード）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、回転セクターパターンの受信モードに入る。回転セクターパターンの受信モードでは、ノード無線局ｎはその指向性アンテナを全方向へ３０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最良の受信可能方向を決定する。次にこれはそのビームをその方向へ設定し、信号を受信する。
【００８７】
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、受信機の回転性受信ビームを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が送信される。
【００８８】
提案した本実施形態に係るフレームワークでは、媒体アクセス制御に次の４タイプのブロードキャスト（全方向性）制御パケット、即ちアクティブノード無線局リスト（ＡＮＬテーブル）、グローバルリンク状態テーブル（ＧＬＳテーブル）、ＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号を使用している。この他、制御パケットのＡＣＫ（肯定応答）信号も、指向性の制御パケットである。ＡＮＬテーブル及びＧＬＳテーブルは周期的な信号であり、各ノード無線局から予め画定された間隔で送信される。各周期的間隔において、例えばｍである各ノード無線局は、ＡＮＬテーブルをその近傍ノード無線局へ、もしその無線媒体がフリーであればブロードキャストする。先に指摘した通り、ＡＮＬテーブルは、無線受信機がビーコン信号の最良の受信可能方向を検出する際に役立つ先行のトーン信号を伴って送信される。次いで各受信機はそのビームをその方向へ設定し、パケット信号を受信して復号する。
【００８９】
ノード無線局ｎは、例えばｊとのデータ通信の開始を希望する毎に無線媒体をチェックし、媒体がフリーであれば全方向性のＲＴＳ信号を発行する。送信目標のノード無線局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の近傍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の近傍ノード無線局にｊがｎからデータ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のすべての近傍ノード無線局は、それらの指向性ネットワークアロケーションベクトル（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の近傍に存在するノード無線局は、ノード無線局ｎと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。
【００９０】
さらに、本実施形態に係る「適応型マルチパスルーティング」について以下に詳細に説明する。
【００９１】
ネットワーク内の各ノード無線局は、ネットワークステータスに関する現在の情報（近似トポロジー情報及び進行中の通信情報）を使用して、何らかの通信に既に関与しているノード無線局への干渉を最小限に抑えるように、複数のパスを介して指定された宛先無線局へ到達するための適切な次のホップを計算する。本実施形態の目的は、ネットワーク負荷を多様なパスセットに沿って分散させ、効果的なスループット利得のためにマルチパスを介する負荷バランス化を達成することにある。本発明者らは先の研究（非特許文献１０）において、指向性アンテナを使用するマルチパスルーティングでは、２つのパスで十分にネットワーク性能を向上させ得ることを示した。よって提案のルーティングメカニズムでは、ネットワーク内の各発信無線局はデータパケットを２つのゾーン非連結パスに沿って交互に分散することを試行している。各ノード無線局はその固有のアクティブノード無線局リスト（ＡＮＬテーブル）を調べてゾーン非連結パスを計算するため、既に複数の通信に携わっているノード無線局（高い相関係数を有するノード無線局）を現在のルート選択プロセスから可能な限り外すことができる。しかしながら、通信方法によっては、ある特定の宛先無線局を求めて、各中間ノード無線局がアクティブゾーンを避けるルートの選択を試行し、最終的にゾーン非連結ルートを求めてネットワーク中を横断するという事態が発生することがある。この問題を軽減するために、ルートの選択基準として以下で説明するような２つの基準、即ち相関係数及びホップ計数の伝播の使用を提案する。
【００９２】
まず、発信無線局からパケットを送信するときは、ゾーン非連結パス選択基準が優先される。パケットが既に複数のホップを経験していれば、宛先無線局へ向けた漸次最短ホップルートが選択される。従って、この適応型ルート計算メカニズムは、提案のルーティングアルゴリズムの収束を保証する。本発明者らは下記の関数を使用し、少ない伝搬ホップ計数にはより少ないηパスの選択を、かつより多い伝搬ホップ計数にはより少ないホップパスの選択を保証するリンクウェイトを計算した。すなわち、通信ＩＤｃを有する現在の通信フローに対する各リンク（ｎｉ，ｎｊ）のリンクウェイトＬＷ（ｎｉ，ｎｊ）は次式で表される。また、全リンクウェイトＬＷＴは、発信無線局Ｓから宛先無線局Ｄまでのすべてのリンクに対するリンクウェイトＬＷ（ｎｉ，ｎｊ）の線形和であり次式で表される。
【００９３】
［数４］
ＬＷ（ｎｉ，ｎｊ）＝α＋ηｎｉｃ＋γＨ
［数５］
ＬＷＴ（Ｓ，Ｄ）＝ΣＬＷ（ｎｉ，ｎｊ）
【００９４】
ここで、αは初期リンクウェイトであり、本実施形態において好ましくは０．０１である。なお、α≪ηｎｉｃかつα≪Ｈである。また、ηｎｉｃは現在の通信フローの通信ＩＤｃを除き、指向性ゾーン（ｎｉ→ｎｊ）における指向性の各アクティブ近傍ノード無線局によって処理される全通信数の和、即ち、次式で表される。
【００９５】
［数６］
ηｎｉｃ＝Σ∀ｎ∈ＡｃｔＧ−ｎｉ−α（ｎｉ→ｎｊ）（ｔ）（｜Ｃ∩ｃ｜）
【００９６】
また、Ｈは、ルートパスが計算されている現在処理対象のパケット信号の伝搬されたホップ計数値であり、γはウェイト係数であり、本実施形態では好ましくは０．５である。
【００９７】
ウェイト係数は、まず多様なパスが選択されるが、収束を保証するために、相関係数ηの駆動ルートよりも漸次最短ホップルートが優先されるような方法で調整される。ホップ計数値Ｈ及び相関係数ηがゼロのときは、初期リンクウェイトαを使用して最短パスが求められる。公知のＤｉｊｋｓｔｒａの最短パスアルゴリズムは、最小のリンクウェイトを有するパスを選択するように、即ちその選択されたパス上の全リンクの合計リンクウェイトが最小になるように修正されている。
【００９８】
まず、パケットが発信無線局Ｓにより通信ＩＤｃに向けて送信される場合は、サブＩＤであるｃｓ１が割り当てられ、次に、発信無線局ＳがそのＡＮＬテーブル及びＧＬＳテーブルを調べ、リンクウェイトを割当て、最小ウェイトのパス沿いにパケットを伝送すべく宛先無線局方向への適切な次のホップを選択する。通信サブＩＤであるｃｓ１及び現在の次のホップは、発信無線局Ｓ内に後のルート計算のための履歴情報として保持される。よって、発信無線局Ｓに次のパケットが同じ宛先無線局、即ち通信ＩＤｃに向けて到来すると、パケット信号に例えばｃｓ２という新たなサブＩＤが割り当てられ、パケット信号は、発信無線局Ｓが先に選択したパスとはゾーン非連結であるパスに沿ってルーティングされることが可能である。この第２のパケットに関しては、発信無線局Ｓは先のゾーン（最初のパケットの次のホップを含むゾーン）を回避しようとし、同様にして第２のパケットの次のホップを計算する。次に、履歴はこの新たな次のホップ及び通信サブＩＤであるｃｓ２で上書きされる。次回、第３のパケット信号に割り当てられる通信サブＩＤは、ｃｓ１になる。よって、サブＩＤは、ｃｓ１とｃｓ２との間で切り替わり、発信無線局Ｓによるゾーン非連結最短ルートの交互選択が保証される。従って基本的に、発信無線局Ｓはデータパケットを２つのゾーン非連結パスに沿って交互に送信する。
【００９９】
各中間ノード無線局は、個々のＡＮＬテーブル及びＧＬＳテーブルによって宛先無線局に向かう適切な次のホップをアダプティブに選択し、適切なリンクウェイトを割り当てるが、発信無線局Ｓのようには履歴情報を保持しない。本メカニズムは、各ノード無線局がネットワークの正確なステータスを認識することを保証しないため、パス内の各ノード無線局ｎは宛先無線局へ到達するためのその最良の次のホップを計算する。
【０１００】
適応化されたマルチパスルーティング及びシングルパスルーティングの処理の詳細を図１１乃至１４を参照して以下に説明する。なお、図１１のサブルーチンであるルーティング及び通信処理（Ｓ１２）については、以下の３つの実施形態に分けて実行することができる。
（Ａ）図１２の第１の実施形態：シングルパスルーティングに係るルーティング及び通信処理。
（Ｂ）図１３の第２の実施形態：例えば互いに異なる２つのパスを用いるマルチパスルーティングに係るルーティング及び通信処理。
（Ｃ）図１４の第３の実施形態：例えば２つのパスを交互に用いるマルチパスルーティングに係るルーティング及び通信処理。
【０１０１】
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る。
【０１０２】
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ＡＮＬパケット信号、もしくは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、前者のＡＮＬパケットは、所定の周期期間ＴＡで周期的にそのイベントが発生され、後者の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、このステップでＹＥＳとなる。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。
【０１０３】
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，Ｓ７又はＳ８に分岐する。
【０１０４】
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。また、ステップＳ５では、受信信号ＲＳ＝ＡＮＬパケット信号であるときは、ステップＳ７に進み、ＡＳ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ＡＳテーブル等更新処理では、パケット信号内のノード無線局のＩＤと、当該受信信号を受信するときに検出された方位角と信号強度レベルに基づいてＡＳテーブルを更新するとともに、上記のＧＬＳテーブルの更新方法と同様に、現在格納されているＡＮＬテーブルと、受信信号に含まれるＡＮＬ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ＡＮＬ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して更新する。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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
図１２は図１１のサブルーチンである、第１の実施形態に係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。
【０１０７】
図１２において、まず、ステップＳ２１において、ＧＬＳテーブルを参照して、発信無線局と宛先無線局との間において、すべてのパスを見つける。次いで、ステップＳ２２において、ＡＮＬテーブルを参照して、上記各パスに対して全リンクウェイトを計算し、ステップＳ２３において上記計算された各パスの全リンクウェイトのうちの最小のリンクウェイトのパスを選択する。そして、ステップＳ２４において、上記選択されたパスに属するノード無線局に対するＡＮＬテーブルの通信状態フラグ値を１にセットした後、ステップＳ２５において上記選択されたパスに属するノード無線局に対するアクティブノードリスト情報を含むＡＮＬテーブルを、それを含むＡＮＬパケット信号により他のノード無線局に送信し、各ノード無線局のＡＮＬテーブルを更新させる。さらに、ステップＳ２６において、発信無線局はＧＬＳテーブル内のルーティング情報に基づいて上記選択されたパスを介して宛先無線局と通信した後、ステップＳ２７において、上記通信終了後、ＧＬＳテーブル内の上記選択されたパスに含まれるノード無線局に対するＡＮＬテーブルの通信状態フラグ値を０にリセットし、上記選択されたパスに含まれるノード無線局に対するアクティブノードリスト情報を含むＡＮＬテーブルを、それを含むＡＮＬパケット信号により他のノード無線局に送信し、各ノード無線局のＡＮＬテーブルを更新させ、元のメインルーチンに戻る。
【０１０８】
以上の図１２の処理においては、シングルパスルーティングであって、発信無線局から宛先無線局までのパスの各リンクにおいて、ＧＬＳテーブルとＡＮＬテーブルとを参照して、処理対象の通信フローを除く、現在通信中の無線局によって取り扱われている通信フローの全数と、処理対象の通信フローの無線信号のホップ計数値との線形和であるリンクウェイトをそれぞれ計算し、計算された線形和の合計である全リンクウェイトを計算し、計算された全リンクウェイトが最小であるパスを選択してパケット信号をルーティングしている。
【０１０９】
図１３は図１１のサブルーチンである、第２の実施形態に係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り、図１２と同様の処理については同一のステップ番号を付している。
【０１１０】
図１３において、まず、ステップＳ２１において、ＧＬＳテーブルを参照して、発信無線局と宛先無線局との間において、すべてのパスを見つける。次いで、ステップＳ２２において、ＡＮＬテーブルを参照して、上記各パスに対して全リンクウェイトを計算し、ステップＳ２３Ａにおいて上記計算された各パスの全リンクウェイトのうちの最小のリンクウェイトのパス（以下、第１のパスという。）を選択する。なお、第１のパスは奇数番目のパケット信号を送信するためのパスである。そして、ステップＳ２４Ａにおいて、上記選択された第１のパスに属するノード無線局に対するＡＮＬテーブルの通信状態フラグ値を１にセットし、ステップＳ２５Ａにおいて上記選択された第１のパスに属するノード無線局に対するアクティブノードリスト情報を含むＡＮＬテーブルを、それを含むＡＮＬパケット信号により他のノード無線局に送信し、各ノード無線局のＡＮＬテーブルを更新させる。
【０１１１】
また、ステップＳ２３Ｂにおいて、上記計算された各パスの全リンクウェイトのうちの上記第１のパスを除いて最小のリンクウェイトの別のパス（第１のパスとは異なるパスであり、以下、第２のパスという。）を選択する。なお、第２のパスは偶数番目のパケット信号を送信するためのパスである。さらに、ステップＳ２４Ｂにおいて、上記選択された第２のパスに属するノード無線局に対するＡＮＬテーブルの通信状態フラグ値を１にセットし、ステップＳ２５Ｂにおいて、上記選択された第２のパスに属するノード無線局に対するアクティブノードリスト情報を含むＡＮＬテーブルを、それを含むＡＮＬパケット信号により他のノード無線局に送信し、各ノード無線局のＡＮＬテーブルを更新させる。そして、ステップＳ２６Ａにおいて、発信無線局はＧＬＳテーブル内のルーティング情報に基づいて上記選択された第１と第２のパスを介して宛先無線局と通信する。ここで、発信無線局は、奇数番目のパケット信号を第１のパスを介して宛先無線局に対して送信する一方、偶数番目のパケット信号を第２のパスを介して宛先無線局に対して送信する。さらに、ステップＳ２７において、上記通信終了後、ＧＬＳテーブル内の上記選択された第１と第２のパスに含まれるノード無線局に対するＡＮＬテーブルの通信状態フラグ値を０にリセットし、上記選択された第１と第２のパスに含まれるノード無線局に対するアクティブノードリスト情報を含むＡＮＬテーブルを、それを含むＡＮＬパケット信号により他のノード無線局に送信し、各ノード無線局のＡＮＬテーブルを更新させ、元のメインルーチンに戻る。
【０１１２】
以上の図１３の処理においては、互いに異なる２つのパスを用いるマルチパスルーティングであって、ＧＬＳテーブルとＡＮＬテーブルとを参照して、計算された全リンクウェイトが最小である第１のパスと、上記第１のパスと異なり、上記第１のパスの次に小さい全リンクウェイトを有する第２のパスとを少なくとも選択して無線信号をルーティングしている。
【０１１３】
図１４は図１１のサブルーチンである、第３の実施形態に係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。
【０１１４】
図１４において、まず、ステップＳ３１において、ＧＬＳテーブルを参照して、発信無線局と宛先無線局との間において、すべてのパスを見つける。次いで、ステップＳ３２において、現在の処理対象の通信ＩＤの最初のパケット信号の送信か否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３３に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３４に進む。ステップＳ３３においては、現在の処理対象の通信ＩＤに属する通信状態のフラグ値を除くＡＮＬテーブルのみを参照して、上記各パスに対して全リンクウェイトを計算した後、ステップＳ３５に進む。一方、ステップＳ３４では、現在の処理対象の通信ＩＤに属する通信状態のフラグ値を除くＡＮＬテーブルを参照して直前に送信したパケット信号を、送信した次のホップのノード無線局を含む上記各パスに対して全リンクウェイトを計算した後、ステップＳ３５に進む。ステップＳ３５において、上記計算された各パスの全リンクウェイトのうち最小のリンクウェイトのパスを選択する。
【０１１５】
次いで、ステップＳ３６において、現在の処理対象の通信ＩＤの最初のパケット信号の送信か否かが判断され、ＹＥＳのときはそのままステップＳ３８に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３７に進む。ステップＳ３７では、直前にパケット信号を送信した次のホップのノード無線局に対するＡＮＬテーブルの通信状態フラグ値を０にリセットし、ステップＳ３８では、これからパケット信号を送信する、上記選択されたパスにおける次のホップのノード無線局に対するＡＮＬテーブルの通信状態フラグ値を１にセットする。そして、ステップＳ３９において、発信無線局はＧＬＳテーブル内のルーティング情報に基づいて上記選択されたパスを介して宛先無線局と通信した後、ステップＳ４０において、上記選択されたパスに含まれるノード無線局に対するアクティブノードリスト情報を含むＡＮＬテーブルを、それを含むＡＮＬパケット信号により他のノード無線局に送信し、各ノード無線局のＡＮＬテーブルを更新させる。そして、ステップＳ４１において、現在の処理対象の通信ＩＤにおいて送信すべきパケット信号が残っているか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３１に戻る一方、ＮＯのときはステップＳ４２に進む。ステップＳ４２において、直前にパケット信号を送信した次のホップのノード無線局に対するＡＮＬテーブルの通信状態フラグ値を０にリセットした後、元のメインルーチンに戻る。
【０１１６】
以上の図１４の処理においては、ＧＬＳテーブルとＡＮＬテーブルとを参照して、最初の無線信号の送信時を除き、直前に送信した無線信号を送信した次のホップの無線局を含む各パスに対して全リンクウェイトを計算し、計算された全リンクウェイトが最小であるパスを用いて、処理対象の同一の通信フローに関する連続する無線信号を順次ルーティングしている。すなわち、例えば、奇数番目のパケット信号を第１のパスで送信する一方、偶数番目のパケット信号を第２のパスで送信することができる。
【実施例１】
【０１１７】
次いで、本発明者らは、本実施形態の無線通信システムを用いて、その性能を検証するために、以下の通りシミュレーションを実行した。
【０１１８】
まず、オムニパターン及びセクターパターンの指向性アンテナを使用するマルチパスルーティングのパフォーマンスを調査するために、独自のシミュレータを開発した。最初に、ノード無線局数が４０である環境下で理想的なセクターパターン（指向性ビームパターン）を使用し、同時通信数を増加させてこれを観察すると、パケット当たりの平均エンド・ツー・エンドの遅延時間は、図１６が示すように、セクターパターンを使用する場合よりもオムニパターンの方が遙かに急に増大した。よって、複数パスを使用するルーティング性能は、オムニパターンを使用する場合よりもセクターパターンを使用する方が実質的に向上すると結論することができる。これは、セクターパターンによってルート結合が低減された結果である。
【０１１９】
続いて、クアルネット（ＱｕａｌＮｅｔ）シミュレータ上で提案プロトコルのパフォーマンスを評価した（例えば、非特許文献１２参照。）。シミュレーションは、方位角３０度で離散的に操向されて３６０度の範囲をカバーする擬似スイッチビームアンテナの形式の電子制御導波器アレーアンテナ装置に対して実行した。クアルネットシミュレータには、上述したように、ＭＡＣ及びルーティングプロトコルを実装するための必要な変更を行った。表１は、使用パラメータをまとめたものである。
【０１２０】
【表１】
2005167304.tif 000003
【０１２１】
ＩＥＥＥ８０２．１１準拠のＡＯＤＶ（Ad hoc On Demand Distance Vector）のルーティング方法（例えば、非特許文献１参照。）及びそのＭＡＣをベンチマークとして使用し、ＭＰＲ−Ｅ（電子制御導波器アレーアンテナ装置によるマルチパスルーティング）と称した提案プロトコルを比較して評価した。その結果は、図１７に示すように、ノード無線局の移動度の増加に伴い（静止状態、０−１０ｍｐｓ、０−２０ｍｐｓ）、平均スループットは両ケース共に下がるが、各移動度におけるパフォーマンスの比較利得は提案プロトコルのパフォーマンスの方が格段に大きいことを示している。これは、マルチパスによる負荷バランス化ルーティングの明白な帰結である。また、移動度の増加に伴って相対利得も増大することが注目される（静止状態で３．３倍、０−１０ｍｐｓの移動で４．５倍及び０−２０ｍｐｓの移動で４．９倍）。これもまた、マルチパスルーティングの帰結の１つである。移動性に起因してマルチパスのうちの１つにおいてリンクが機能しなくなれば、パケットは、破損したパスの再計算が行われるまで他のパスを介して宛先無線局に到達することも可能である。
【０１２２】
以上説明したように、クアルネットシミュレータに電子制御導波器アレーアンテナ装置のビームパターンを実装し、実際の指向性アンテナパターンによるパフォーマンスを評価した。パフォーマンスの向上は、スループットの向上に関して、指向性アンテナを使用するゾーン非連結マルチパスルーティングの概念が真に効果的であることを示唆している。すなわち、本実施形態によれば、従来技術に比較して、エンド・ツー・エンドの平均遅延時間を低下させるとともに、スループットを向上させる。また、パスの選択の基準として、従来技術の相関係数とホップ数の積に代えて、上記数４の線形和の基準を用いてパスを選択することにより、宛先無線局に近づくにつれて、ゾーン非結合であるパスよりも最短のパスを選択することができるので、宛先無線局に到達せずにループ状態となることを防止できる。さらに、上記数４において通信ＩＤの全通信数を考慮して計算しているので、従来技術に比較してより正確にゾーンとゾーンとの結合度を正確に計算でき、より最適なパスを選択できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【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のセクター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る。
【図５】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６】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７】図２のデータベースメモリ１５４に格納されるアクティブノード無線局テーブル（ＡＮＬ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、第１の実施形態に係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。
【図１３】図１１のサブルーチンである、第２の実施形態に係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。
【図１４】図１１のサブルーチンである、第３の実施形態に係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。
【図１５】従来技術のアドホック無線ネットワークにおける発信無線局Ｓと宛先無線局Ｄと間でのマルチパスルーティングを示す平面図である。
【図１６】本発明に係る実施形態のシミュレーション結果であって、オムニパターンとセクターパターンを用いたときの同時通信数に対するエンド・ツー・エンドの平均遅延時間を示すグラフである。
【図１７】本発明に係る実施形態のシミュレーション結果であって、ＩＥＥＥ８０２．１１に準拠するＡＯＤＶ（Ad hoc On Demand Distance Vector）ルーティング方法と、ＭＰＲ−Ｅ（電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いたマルチパスルーティング）方法とを用いたときの無線局の移動度に対する平均スループットを示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２４】
１，１−１乃至１−９…ノード無線局、
Ｓ…発信無線局、
Ｄ…宛先無線局、
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】
2005167304.tif 000004
【図２】
2005167304.tif 000005
【図３】
2005167304.tif 000006
【図４】
2005167304.tif 000007
【図５】
2005167304.tif 000008
【図６】
2005167304.tif 000009
【図７】
2005167304.tif 000010
【図８】
2005167304.tif 000011
【図９】
2005167304.tif 000012
【図１０】
2005167304.tif 000013
【図１１】
2005167304.tif 000014
【図１２】
2005167304.tif 000015
【図１３】
2005167304.tif 000016
【図１４】
2005167304.tif 000017
【図１５】
2005167304.tif 000018
【図１６】
2005167304.tif 000019
【図１７】
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