(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の無線ノードが分散配置され、各無線ノードが自ノードと他ノードとの間に無線チャネルを割り当てて無線リンクを確立する無線ネットワークにおける無線チャネル割当システムにおいて、
各無線ノードが、
それぞれが一つの無線チャネルを制御する複数の無線送受信ユニットと、
無線ネットワーク全体の無線リンクを定期的に監視し、所定のネットワークパラメータに基づいて、自ノードの各無線リンクと当該各無線リンクに割り当てられる無線送受信ユニットとの対応関係を最適化する手段と、
前記最適化された対応関係に基づいて、自ノードの各無線リンクに無線チャネルを動的に割り当てる手段とを含み、
前記対応関係を最適化する手段は、
無線ネットワーク内のＳＤペア（始点ノードと終点ノードとの組）ごとに、その始点ノードから全ての隣接ノードに流れるトラヒック量の総和を求め、これを全てのSDペアに関して繰り返し、その総和を求める目的関数を設定し、
当該目的関数が最大値を示すときの各無線リンクのチャネル数を、
各リンクに流れるトラヒック量が当該リンクの無線伝送品質およびチャネル数に依存した最大伝送量を超えない第１条件と、
各ノードが隣接ノードとの間に割り当てるチャネル数の総和が当該各ノードで使用可能な総チャネル数を超えない第２条件と、
各SDペアの始点ノードから全ての隣接ノードに流れるトラヒック量の総和が、当該SDペア間のトラヒック需要を超えない第３条件と、
を含む複数の条件を解いて求めることを特徴とする無線ネットワークにおける無線チャネル割当システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線ネットワークにおける無線チャネル割当システムに係り、特に、分散配置された複数の無線ノード同士が無線リンクによって接続されるＭＰ−ＭＰ（Multipoint-to-Multipoint）型の無線ネットワークに好適な無線チャネル割当システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
メッシュ型無線通信システムは、無線通信を行う複数の無線ノードを分散配置して構成され、各無線ノードが近隣の複数の無線ノードとの間にＰ−Ｐ型（Point-to-Point ）の無線リンクを確立することによって、任意の無線ノード間において、直接もしくは複数の無線ノードを介した通信が可能になる。メッシュ型無線通信システムは、複数の無線ノード同士が無線リンクによって接続されることから、従来のＰ−Ｐ型あるいはＰ−ＭＰ型（Point-to-Multipoint）に対して、ＭＰ−ＭＰ（Multipoint-to-Multipoint）型とも呼ばれる。
【０００３】
従来、Ｐ−Ｐ型の無線リンクによってメッシュ型無線通信システムを構成する場合、無線ノード間を接続する各Ｐ−Ｐ型無線リンクには、物理伝送媒体である無線チャネルが固定的に割り当てられており、常に一定の伝送帯域が提供されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
無線を利用した通信システムでは、降雨等による無線回線品質（CNR）の変動に伴って、無線伝送品質（伝送速度、エラーレートなど）の劣化や回線切断が発生し得る。一般に、無線伝送品質変動に影響する強い降雨現象は、場所による依存性が大きいことが指摘されている。そこで、メッシュ型無線通信システムでは、伝送品質の劣化した無線リンクを迂回してトラヒックを疎通することが可能である。
【０００５】
しかしながら、従来のメッシュ型無線通信システムでは、各無線リンクに対して無線チャネルが固定的に割り当てられていた。このため、各無線リンクにおける伝送品質の変動によって発生する迂回トラヒックに対して無線リンク帯域を有効に割り当てることが不可能であり、迂回トラヒックが通過する無線リンクが過負荷となり得る。
【０００６】
また、現在主流となっているインターネットをはじめとするデータ通信においては、無線ノード間でのトラヒック需要の偏在性から、無線リンク上のトラヒック需要が無線リンク毎に異なり、またこれが時間と共に変動することが考えられる。
【０００７】
このようなトラヒック需要の時間的な変動に対しても、従来のメッシュ型無線通信システムでは無線リンク帯域を有効に利用することが不可能であった。このため、各無線リンク毎の最大トラヒック需要を元に無線リンク帯域を設計した場合には、トラヒックが少ない時間帯に容量が過剰となる。また、平均的なトラヒック需要に基づいて無線リンク帯域を設計した場合には、トラヒックが多い時間帯に過負荷が発生する。
【０００８】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、複数の無線ノードが分散配置され、各無線ノードが近隣の複数の無線ノードとの間に無線リンクを確立する無線ネットワークにおいて、各無線リンクに割り当てる無線チャネル数を、ネットワークのトラヒック変動に応じて最適化することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、複数の無線ノードが分散配置され、各無線ノードが自ノードと他ノードとの間に無線チャネルを割り当てて無線リンクを確立する無線ネットワークにおける無線チャネル割当システムにおいて、各無線リンクに割り当てる無線チャネル数が可変であることを特徴とする。
【００１０】
上記した特徴によれば、各無線リンクに割り当てる無線チャネル数を、ネットワーク上のトラヒックや各リンクの伝送品質に応じて任意に可変できるので、各無線リンクの伝送帯域を最適化できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本発明が適用される無線ネットワークの構成を示した図であり、ここでは、複数の固定無線ノードＮが１ないし４km程度の間隔で分散配置されて相互に無線リンクＬを確立する無線メッシュ網を例にして説明する。
【００１２】
図２は、前記無線メッシュ網の一部を抜き出して示した図であり、無線ノードＮに着目すると、これに隣接して無線ノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４が配置されている。無線ノードＮには各無線ノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４に向けて、パラボラアンテナ等の指向性の鋭いアンテナＡＴ１、ＡＴ２、ＡＴ３、ＡＴ４がそれぞれ設けられている。
【００１３】
無線ノードＮの各アンテナＡＴ１、ＡＴ２、ＡＴ３、ＡＴ４は、隣接する各無線ノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４のそれぞれに設けられたアンテナと対向し、それぞれ無線リンクＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４を確立する。
【００１４】
図３は、各無線ノードＮに搭載される無線通信システムの主要部の構成を示したブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。本実施形態では、各無線ノードが同等の構成を有する。
【００１５】
無線送受信装置１は、複数の無線送受信ユニットＣＨＵ（ＣＨＵ１〜ＣＨＵｎ）を含み、各無線送受信ユニットＣＨＵが１つの無線チャネルを制御する。無線帯域装置ＲＦＴ２は、自ノードの全ての無線リンク（本実施形態では、４つの無線リンクＬ１〜Ｌ４）のそれぞれに、前記無線送受信ユニットＣＨＵを、後述するリンク状態監視装置５からの指示に応答した個数だけ動的に割り当てる。図４は、前記無線帯域装置ＲＦＴ２の機能ブロック図であり、各無線リンクＬ１〜Ｌ４に対して、ゼロ、一つまたは複数個のＣＨＵを割り当てる。
【００１６】
リンク制御装置ＬＩＣ３は、リンク状態監視装置５からの指示に応答して、各無線リンクＬ１〜Ｌ４と各ＣＨＵとの関連付け、および各ＣＨＵへのトラヒックの分配制御を動的に行う。経路制御装置ＲＴＣ４は、各無線リンクＬ１〜Ｌ４のトラヒック量を計測してリンク状態監視装置５へ通知すると共に、リンク状態監視装置５からの指示に応答して、自ノードの端末が送受信するトラヒック、および自ノードを経由するトラヒックの転送経路を制御する。
【００１７】
このような構成において、当該ノードＮを中継するトラヒックのうち、無線リンクＬ１から入力されて無線リンクＬ２から出力されるトラヒックに着目すると、入力アンテナＡＴ１で検知されたデータは、予め当該無線リンクＬ１に割り当てられているＣＨＵ（本実施形態では、例えばＣＨＵ１）へＲＦＴ２により振り分けられる。当該無線リンクＬ１に複数のＣＨＵが割り当てられている場合には、いずれかのＣＨＵに対して振り分けられる。
【００１８】
データを振り分けられたＣＨＵ１はこれを受信してＬＩＣ３へ転送する。ＬＩＣ３には、無線リンクＬ１〜Ｌ４とＣＨＵ（ＣＨＵ１〜ＣＨＵｎ）との関係が予めリンク状態監視装置５から通知されている。ＬＩＣ３は、前記ＣＨＵ１から転送されたデータを、その無線リンク（本実施形態では、無線リンクＬ１）に予め割り当てられている経路Ｓ１からＲＴＣ４へ転送する。
【００１９】
ＲＴＣ４は、受信データの宛先を認識し、これを出力リンク（本実施形態では、無線リンクＬ２）に対応した経路Ｓ２からＬＩＣ３へ転送する。ＬＩＣ３は、無線リンクＬ２に対して予め割り当てられているＣＨＵ（本実施形態では、例えばＣＨＵ３）を認識し、このＣＨＵ３に対してデータを引き渡す。ＣＨＵ３が受信データを受け取って送信すると、ＲＦＴ２は、予めＣＨＵ３が割り当てられている無線リンクＬ２のアンテナＡＴ２に対してデータを振り分ける。
【００２０】
一方、自ノードの端末から他ノード宛てに送出されたデータも、ＲＴＣ４において、当該宛先に対応した無線リンク（本実施形態では、例えば無線リンクＬ３）が判別される。ＲＴＣ４は、無線リンクＬ３に対応した経路Ｓ３からデータをＬＩＣ３へ転送する。ＬＩＣ３は、無線リンクＬ３に割り当てられているＣＨＵ（本実施形態では、例えばＣＨＵ５）を認識し、このＣＨＵ５に対してデータを引き渡す。ＣＨＵ５がデータを受け取って送信すると、ＲＦＴ２は、予めＣＨＵ５が割り当てられている無線リンクＬ３のアンテナＡＴ３に対してデータを振り分ける。
【００２１】
これと平行して、前記ＲＴＣ４は、各無線リンクＬ１〜Ｌ４のトラヒックを検出してリンク状態監視装置５へ通知する。リンク状態監視装置５は各無線リンクのトラヒック量を定期的に監視し、トラヒック量の多い無線リンクに対して、より多くの無線チャネル（すなわち、無線送受信ユニットＣＨＵ）が割り当てられるように、あるいは伝送品質の高い無線リンクに対して、より多くの無線チャネルが割り当てられるように、無線リンクＬ１〜Ｌ４と各ＣＨＵとの対応関係をＲＦＴ２およびＬＩＣ３へ通知する。ＲＦＴ２およびＬＩＣ３は、前記通知に応答して、各無線リンクＬ１〜Ｌ４に割り当てられている無線チャネル数を動的に増減させる。
【００２２】
このように、本実施形態によれば、各無線リンクの状態に応じて、それぞれに割り当てる無線チャネル数（無線送受信ユニットＣＨＵ数）を動的に増減させることができる。換言すれば、本実施形態によれば、各無線リンクの状態に応じて、それぞれに割り当てる伝送帯域を動的に増減させることができる。したがって、一部のリンクの通信品質が降雨減衰等により一時的に悪化し、他のリンクのトラヒックが変動しても、各リンクに割り当てる伝送帯域を常に最適化できる。
【００２３】
ところで、例えばトラヒック量の多い無線リンクに、そのトラヒック量に見合った数のＣＨＵを割り当てて伝送帯域を広げても、その後段のリンク帯域が狭ければ帯域に見合った通信速度が得られない。また、隣接するノード同士は、共有するリンクに同数のＣＨＵを割り当てる必要があるため、各ノードが自身の各無線リンクに対して自律的にＣＨＵを割り当ててしまうと不整合が生じ得る。
【００２４】
そこで、本実施形態では各ノードがネットワーク全体の各リンクの帯域を把握し、各ノードが保有するＣＨＵの数の範囲内で、トラヒック需要や無線伝送品質などのネットワークパラメータに応じて、各無線リンクに割り当てる帯域を制御する。
【００２５】
このような無線リンク帯域制御を行うために、本実施形態では、 メッシュ型無線通信システム構成（無線ノード、無線リンク構成、各無線ノードの無線送受信装置：ＣＨＵ数）、各無線ノード間のトラヒック情報、各無線リンクの伝送品質情報（各無線リンクにおける１無線チャネル当りの最大伝送容量）に基づいて、各ノードのリンク状態監視装置５が、自ノードの各無線リンクに割り当てる無線チャネル数を最適化する。
【００２６】
以下、本実施形態における無線チャネル数の最適化方法を、線形計画問題の解法を利用した例について説明する。なお、以下の各関数式で用いられる各添字の定義は次の通りである。
(1)添字i,j
いずれもノードＩＤであり、i，jは隣接ノードである。
(2)添字k
始点ノード（Ｓ）と終点ノード（Ｎ）との組（ＳＤペア）を定義するＩＤ（k=1,2,...,K）である。但し、各ＳＤペアkでは、skを始点ノード、dkを終点ノードとする。
(3)パラメータＡi
ノードiを始点とするリンクの終点ノードjの集合（隣接ノード）であり、各ノードが既知のルーティングプロトコルを実行して得られたネットワークトポロジに基づいて認識される。
(4)パラメータＢi
ノードiを終点とするリンクの始点ノードj（隣接ノード）の集合であり、前記パラメータＡiと同様にネットワークトポロジに基づいて認識される。
(5)パラメータＭi
ノードiで使用可能な総チャネル数（前記ＣＨＵの数）であり、各ノードごとに予め登録されている。
(6)パラメータＤk
ＳＤペアk（エンドエンド）のトラフィック量であり、前記ＲＴＣ４が過去の測定値に基づいて決定する。
(7)パラメータＣij
ノードi〜ノードj間リンクの回線あるいは伝送品質によって定まる無線チャネル当たりの最大伝送速度であり、無線送受信ユニットＣＨＵから通知される。
(8)決定変数Ｓi,j
ノードi〜ノードj間の各リンクで使用すべき無線チャネル数である。
【００２７】
ここで、ネットワーク上の全てのＳＤペアに対してネットワークが収容するトラヒック量は、各無線リンク（i,j）で使用すべき無線チャネル数Ｓi,j、各無線リンク上に収容されるＳＤペア毎のトラヒック量Ｘ(k)ijをパラメータとすれば、次の目的関数として表される。
【００２８】
0003794471.tif 000002
上式において、Ｘ(k)skjは、ＳＤペアkの始点ノードｓkから隣接ノードｊに流れるトラヒック量を表す。したがって、これを全ての隣接ノードｊ（ｊ∈Ａsk）について求め、かつ全てのＳＤペアkについて繰り返して総和を求めれば、全てのＳＤペアに対してネットワークが収容するトラヒック（ネットワークのキャパシティ）となる。
そして、本実施形態では前記リンク状態監視装置５により、上記目的関数が最大値を示すときの無線チャネル数Ｓi,jが求められ、これに基づいて、各ノードが自身の各無線リンクに最適な無線チャネルを割り当てる。
本実施形態では、この目的関数を、以下の５つの条件式(1)から(5)を解くことによって求めている。
【００２９】
0003794471.tif 000003
上式(1)では、左辺はＳＤペアkの始点ノードから全隣接ノードｊ（ｊ∈Ａsk）に流れるトラヒック量、すなわちＳＤペアkについてネットワークに収容されるトラヒックを表す。したがって、上式(1)は、あるノードskを始点するリンクから、すべての終点ノードｊ（ｊ∈Ａsk）に至るリンクのトラヒック量の和が、指定されたトラヒック量Ｄk（過去の測定値による）を超えてはならないという条件を表す。
【００３０】
0003794471.tif 000004
上式(2)は、あるＳＤペアkに関して、ノードiから流れるトラヒック量とノードiに流れるトラヒックの総和が等しいという条件を表す。
【００３１】
0003794471.tif 000005
上式(3)は、各無線リンクを流れるトラヒック量がマイナスにならないという条件を表す。
【００３２】
0003794471.tif 000006
上式(4)は、あるリンクの上り下りで流れるトラヒックの総和は、割り当てられた無線チャネル数×最大転送速度（＝使用可能なリンクの最大伝送容量）を超えないという条件を表す。
【００３３】
0003794471.tif 000007
上式(5)の左辺は、ノードiにおいて、隣接ノードjとの間に割り当てられるチャネル数を表すので、あるノードiと当該ノードiに隣接するすべての隣接ノード間で使用するチャネル数の総和がノードiで使用可能な総チャネル数を超えないという条件を表す。
【００３４】
各ノードのリンク状態監視装置５は、以上の各式を線形計画問題として解いて前記目的関数Ｓi,jを求めると、この目的関数Ｓi,jに基づいて各無線リンクに割り当てる無線チャネル数を決定して前記ＲＦＴ２およびＬＩＣ３へ通知する。ＲＦＴ２およびＬＩＣ３は、リンク状態監視装置５から前記通知を受け取ると、これに応答して、各無線リンクに割り当てる無線チャネル数を動的に増減させる。
【００３５】
本実施形態によれば、各ノードが自身の各無線リンクに割り当てるＣＨＵ数すなわち無線帯域を、ネットワーク上の他のノードや無線リンクの状態を考慮して動的に増減させるので、ネットワーク上の各無線リンクに対して無線帯域を効率よく割り当てられるようになる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1)各無線リンクに対して割り当てる無線チャネル数を動的に増減させることができるので、各無線リンクに対して任意の伝送帯域を割り当てられる。
(2) 各無線リンクに割り当てる無線チャネル数を、各リンクの伝送品質やネットワークのトラヒックに応じて増減させるようにしたので、各リンクに割り当てる帯域を最適化できる。
(3)一部のリンクの通信品質が降雨減衰等により一時的に悪化し、他のリンクのトラヒックが変動すると、トラヒックの変動に応答して各リンクに割り当てられる無線チャネル数が増減されるので、各リンクに割り当てられる伝送帯域が常に最適化される。
(4)全てのＳＤペアについて収容されるトラヒック量の総和が最大となるように、各無線リンクに割り当てられる無線チャネル数を決定するので、ネットワーク全体で無線チャネルの有効利用が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明が適用される無線ネットワークの構成を示した図である。
【図２】  図１の無線メッシュ網の一部を抜き出して示した図である。
【図３】  無線ノードの構成を示したブロック図である。
【図４】  無線帯域装置ＲＦＴ２の機能ブロック図である。
【符号の説明】
１…無線送受信装置，２…無線帯域装置ＲＦＴ，３…リンク制御装置ＬＩＣ，４…経路制御装置ＲＴＣ，５…リンク状態監視装置
【図１】
0003794471.tif 000008
【図２】
0003794471.tif 000009
【図３】
0003794471.tif 000010
【図４】
0003794471.tif 000011