特許 6082994 伝送ルート決定方法、及び無線通信システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6082994

(24)【登録日】2017年2月3日

(45)【発行日】2017年2月22日

(54)【発明の名称】伝送ルート決定方法、及び無線通信システム

(51)【国際特許分類】

   H04W 40/12 20090101AFI20170213BHJP

   H04W 16/28 20090101ALI20170213BHJP

   H04W 84/18 20090101ALI20170213BHJP

   H04W 84/04 20090101ALI20170213BHJP

【ＦＩ】

   H04W40/12

   H04W16/28 150

   H04W84/18

   H04W84/04

【請求項の数】5

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-175010(P2013-175010)

(22)【出願日】2013年8月26日

(65)【公開番号】特開2015-43546(P2015-43546A)

(43)【公開日】2015年3月5日

【審査請求日】2015年7月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】特許業務法人 志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】姜 聞杰

(72)【発明者】

【氏名】アベーセーカラ ヒランタシティラ

(72)【発明者】

【氏名】鷹取 泰司

(72)【発明者】

【氏名】宮本 伸一

(72)【発明者】

【氏名】三瓶 政一

(72)【発明者】

【氏名】衣斐 信介

【審査官】 田部井 和彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−３５２８９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５０４３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２９８２５０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２０１１−５１２７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０６８１１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０３４１８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３４７８７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｂ ７／２４− ７／２６

Ｈ０４Ｗ ４／００−９９／００

３ＧＰＰ ＴＳＧ ＲＡＮ ＷＧ１−４

ＳＡ ＷＧ１−４

ＣＴ ＷＧ１、４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の無線局を有する無線通信システムが実行する伝送ルート決定方法であって、
前記無線局からなるマルチホップ伝送の伝送ルートにおいて開始局と終了局との間の送信フレームを中継する中継局である前記無線局と前記終了局である前記無線局が、
前記伝送ルートにおける前記開始局側の他の無線局から第１の制御フレームを受信し、受信した前記第１の制御フレームに基づいて直接伝送の伝送品質を算出するとともに、前記第１の制御フレームに設定されている前記他の無線局における伝送品質に基づいて中継伝送の伝送品質及び協力中継伝送の伝送品質を算出する伝送品質算出ステップと、
前記伝送ルートにおいて自局との無線リンクを有する前記開始局側の他の無線局から前記第１の制御フレームを受信した場合に、前記伝送品質算出ステップにおいて算出した前記直接伝送の伝送品質、前記中継伝送の伝送品質、及び前記協力中継伝送の伝送品質に基づいて伝送方法を選択し、選択した前記伝送方法に基づいて前記伝送ルートを再設定するルート再選択ステップと、
前記中継局である前記無線局が、前記ルート再選択ステップにおいて選択した前記伝送方法を用いた場合の前記伝送品質を前記第１の制御フレームに設定して送信する第１の制御フレーム送信ステップと、
前記終了局である前記無線局が、前記ルート再選択ステップにおいて再設定した伝送ルートを逆に辿った伝送ルートを、再設定前の前記伝送ルートの逆順で前記開始局側に第２の制御フレームを送信することにより通知する第２の制御フレーム送信ステップと、
を有することを特徴とする伝送ルート決定方法。

【請求項2】

マルチホップ伝送の前記伝送ルートにおいて前記開始局から前記終了局側へスライド幅だけウィンドウを順にスライドさせ、
前記ウィンドウ内の前記中継局である前記無線局と前記終了局である前記無線局は、前記ウィンドウ内の前記開始局側の他の無線局から前記第１の制御フレームを受信した場合に前記伝送品質算出ステップを実行する、
ことを特徴とする請求項１に記載の伝送ルート決定方法。

【請求項3】

前記ルート再選択ステップにおいて再設定された前記伝送ルートにおける前記無線局が、選択した前記伝送方法により、再設定された前記伝送ルートに従って、前記開始局と前記終了局との間のマルチホップ伝送を行うマルチホップ伝送ステップをさらに有する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の伝送ルート決定方法。

【請求項4】

前記開始局である前記無線局が、
媒体アクセス制御方式に従って通信権を獲得する通信権獲得ステップと、
前記通信権獲得ステップにおいて通信権が獲得された場合に、制御フレームを送信する前処理開始ステップと、
前記マルチホップ伝送ステップが終了した場合に前記通信権を解放する通信権解放ステップとをさらに有する、
ことを特徴とする請求項３に記載の伝送ルート決定方法。

【請求項5】

複数の無線局を有する無線通信システムであって、
前記無線局からなるマルチホップ伝送の伝送ルートにおいて開始局と終了局との間の送信フレームを中継する中継局である前記無線局と前記終了局である前記無線局は、
前記伝送ルートにおける前記開始局側の他の無線局から第１の制御フレームを受信し、受信した前記第１の制御フレームに基づいて直接伝送の伝送品質を算出するとともに、前記第１の制御フレームに設定されている前記他の無線局における伝送品質に基づいて中継伝送の伝送品質及び協力中継伝送の伝送品質を算出する伝送品質算出部と、
前記伝送ルートにおいて自局との無線リンクを有する前記開始局側の他の無線局から前記第１の制御フレームを受信した場合に、前記伝送品質算出部において算出した前記直接伝送の伝送品質、前記中継伝送の伝送品質、及び前記協力中継伝送の伝送品質に基づいて伝送方法を選択し、選択した前記伝送方法に基づいて前記伝送ルートを再設定するルート再選択部とを備え、
前記中継局である前記無線局は、
前記ルート再選択部が選択した前記伝送方法を用いた場合の前記伝送品質を前記第１の制御フレームに設定して送信する第１の制御フレーム送信部をさらに備え、
前記終了局である前記無線局は、
前記ルート再選択部が再設定した伝送ルートを逆に辿った伝送ルートを、再設定前の前記伝送ルートの逆順で前記開始局側に第２の制御フレームを送信することにより通知する第２の制御フレーム送信部をさらに備える、
ことを特徴とする無線通信システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線通信ネットワークにおける通信技術、特に、送信局と受信局との間に中継局が存在する無線通信ネットワークにおける通信技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、無線通信ネットワークの通信品質を向上させるために、送信局と受信局との間に中継局を導入する協力中継伝送が注目されている。無線リンクの観点からは、協力中継伝送におけるさまざまな物理層での信号処理技術、例えば、ＡＦ（Amplify and Forward）やＤＦ（Decode and Forward）、分散自空間符号などが提案されている。
一方、多数の無線リンクによって構築される無線通信ネットワークの観点からは、協力中継伝送における媒体アクセス制御（ＭＡＣ：Media Access Control）層でのさまざまなプロトコルが提案されている。このように、通信ネットワークの各階層において、協力中継伝送の導入に向けた検討が展開されている。

【0003】

一般的には、協力中継伝送は２ホップ以上のマルチホップ伝送となる。マルチホップ伝送では、シングルホップ伝送のように１ホップの無線媒体を予約するだけでなく、マルチホップ広域空間に渡り無線媒体を予約する。
１ホップの無線媒体の予約手法として、無線ＬＡＮ（Local area network）の標準規格として普及しているＩＥＥＥ（the Institute of Electrical and Electronic Engineers）８０２．１１標準規格（例えば、非特許文献１を参照。）で規定されるＤＣＦ（Distributed Coordination Function）方式がある。
また、任意のホップ数を想定したマルチホップ広域空間に渡り無線媒体（無線リソース）の予約を行う技術として、ＥＭＡＣ方式がある（例えば、非特許文献２参照。）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】IEEE 802.11-2007, IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks-Specific requirements-Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications

【非特許文献2】S. Du, Y. Sun and D.B. Johnson, “EMAC: An asynchronous routing-enhanced MAC protocol in multihop wireless networks,” In Proc. GLOBECOM 2010, Miami, FL, USA, pp. 1-6, Dec. 2010.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＤＣＦ方式は、元来１ホップの伝送を想定した技術である。ＤＣＦ方式を用いたマルチホップ伝送により、トラヒックの生起端末から宛先端末へ至るＥｎｄ-ｔｏ-ｅｎｄでデータ伝送を行うには、各ホップでランダムな媒体アクセスを行う必要がある。そのため、ＤＣＦ方式では、各ホップでの媒体アクセスに伴って生じる衝突や、ランダムバックオフ制御などに起因する多大なオーバヘッドが生じ、無線リソースの浪費を招く。

【0006】

また、ＥＭＡＣ方式は、任意のホップ数を想定したＥｎｄ-ｔｏ-ｅｎｄの広域空間に渡り無線媒体を予約し、予約した無線媒体において、トラヒックの生起端末から単一もしくは複数の中継端末を経て、宛先端末へＥｎｄ-ｔｏ-ｅｎｄでデータ伝送を行う技術である。これにより、マルチホップ伝送経路上の各ホップでのランダムな媒体アクセスが不要となるため、ＤＣＦ方式で問題視されるオーバヘッドを削減し、伝送効率の向上が可能となる。

【0007】

しかしながら、非特許文献１、２は、いずれも既存のルーティング技術によって決定された既定のマルチホップルートの使用を前提としており、協力中継伝送の適用を考慮したマルチホップルートには最適化していない。一方、既存の協力中継伝送技術では、従来のルーティング技術を完全に廃棄するものが多く、従来ネットワークレイヤ技術との整合性が取りにくい。以上をまとめると、マルチホップ伝送において、協力中継伝送技術とルーティング技術のそれぞれの利点を生かしながら、互いに整合性を取った通信方法がないという課題がある。

【0008】

上記事情に鑑み、本発明は、無線通信ネットワークにおけるマルチホップ伝送において、協力中継伝送技術とルーティング技術のそれぞれの利点を生かしながら、互いに整合性を取った通信を行うための伝送ルート決定方法、及び無線通信システムを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様は、複数の無線局を有する無線通信システムが実行する伝送ルート決定方法であって、前記無線局からなるマルチホップ伝送の伝送ルートにおいて開始局と終了局との間の送信フレームを中継する中継局である前記無線局と前記終了局である前記無線局が、前記伝送ルートにおける前記開始局側の他の無線局から制御フレームを受信し、受信した前記制御フレームに基づいて直接伝送の伝送品質を算出するとともに、前記制御フレームに設定されている前記他の無線局における伝送品質に基づいて中継伝送の伝送品質及び協力中継伝送の伝送品質を算出する伝送品質算出ステップと、前記伝送ルートにおいて自局との無線リンクを有する前記開始局側の他の無線局から前記制御フレームを受信した場合に、前記伝送品質算出ステップにおいて算出した前記伝送品質に基づいて伝送方法を選択し、選択した前記伝送方法に基づいて前記伝送ルートを再設定するルート再選択ステップと、前記中継局である前記無線局が、前記ルート再選択ステップにおいて選択した前記伝送方法を用いた場合の前記伝送品質を前記制御フレームに設定して送信する制御フレーム送信ステップと、を有することを特徴とする伝送ルート決定方法である。

【0010】

また、本発明の一態様は、上述する伝送ルート決定方法であって、マルチホップ伝送の前記伝送ルートにおいて前記開始局から前記終了局側へスライド幅だけウィンドウを順にスライドさせ、前記ウィンドウ内の前記中継局である前記無線局と前記終了局である前記無線局は、前記ウィンドウ内の前記開始局側の他の無線局から前記制御フレームを受信した場合に前記伝送品質算出ステップを実行する、ことを特徴とする。

【0011】

また、本発明の一態様は、上述する伝送ルート決定方法であって、前記ルート再選択ステップにおいて再設定された前記伝送ルートにおける前記無線局が、選択した前記伝送方法により、再設定された前記伝送ルートに従って、前記開始局と前記終了局との間のマルチホップ伝送を行うマルチホップ伝送ステップをさらに有する、ことを特徴とする。

【0012】

また、本発明の一態様は、上述する伝送ルート決定方法であって、前記開始局である前記無線局が、媒体アクセス制御方式に従って通信権を獲得する通信権獲得ステップと、前記通信権獲得ステップにおいて通信権が獲得された場合に、制御フレームを送信する前処理開始ステップと、前記マルチホップ伝送ステップが終了した場合に前記通信権を解放する通信権解放ステップとをさらに有する、ことを特徴とする。

【0013】

また、本発明の一態様は、複数の無線局を有する無線通信システムであって、前記無線局からなるマルチホップ伝送の伝送ルートにおいて開始局と終了局との間の送信フレームを中継する中継局である前記無線局と前記終了局である前記無線局は、前記伝送ルートにおける前記開始局側の他の無線局から制御フレームを受信し、受信した前記制御フレームに基づいて直接伝送の伝送品質を算出するとともに、前記制御フレームに設定されている前記他の無線局における伝送品質に基づいて中継伝送の伝送品質及び協力中継伝送の伝送品質を算出する伝送品質算出部と、前記伝送ルートにおいて自局との無線リンクを有する前記開始局側の他の無線局から前記制御フレームを受信した場合に、前記伝送品質算出部において算出した前記伝送品質に基づいて伝送方法を選択し、選択した前記伝送方法に基づいて前記伝送ルートを再設定するルート再選択部とを備え、前記中継局である前記無線局は、前記ルート再選択部が選択した前記伝送方法を用いた場合の前記伝送品質を前記制御フレームに設定して送信する制御フレーム送信部をさらに備える、ことを特徴とする無線通信システムである。

【発明の効果】

【0014】

本発明により、無線通信ネットワークにおけるマルチホップ伝送において、協力中継伝送技術とルーティング技術のそれぞれの利点を生かしながら、互いに整合性を取った通信を行うための伝送ルートを決定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態による無線通信システムの構成図である。

【図2】同実施形態による無線局の内部構成を示すブロック図である。

【図3】同実施形態による無線通信ネットワークにおける全体処理の流れを示す図である。

【図4】同実施形態によるマルチホップ伝送の構成例を示す図である。

【図5】図４の例にスライドウィンドウを導入した場合を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による無線通信システムの構成図である。同図に示す無線通信システムにより実現される無線通信ネットワークは、複数の無線局１０に構成され、マルチホップ伝送を行う。無線通信システムにおける無線局１０のうち無線局Ｔ１及びＴ２は、無線通信ネットワークに属し、通信を行う任意の１つの無線局ペアである。無線局Ｔ１と無線局Ｔ２の通信方向は、無線局Ｔ１から無線局Ｔ２への方向でもよく、無線局Ｔ２から無線局Ｔ１への方向でもよく、あるいは無線局Ｔ１と無線局Ｔ２の双方向通信のいずれでもよい。また、無線通信システムにおける無線局１０のうち無線局Ｒ１、Ｒ２、…、Ｒｐ（ｐは１以上の整数）は、無線通信ネットワークにおいて無線局Ｔ１と無線局Ｔ２の間の通信に協力する中継局である。また、無線局Ｔ１、Ｔ２、Ｒ１〜Ｒｐ以外の無線局１０は、無線局Ｔ１と無線局Ｔ２の間の通信に協力せず、中継局として選ばれていない無線局である。なお、上記のいずれの無線局１０も、ＡＰ（Access Point：アクセスポイント）、あるいは、ＳＴＡ（Station：端末）に限定する必要はない。

【0017】

図２は、無線局１０の内部構成を示すブロック図であり、本実施形態と関係する機能ブロックのみ抽出して示してある。同図に示すように、無線局１０は、アンテナ１１、無線通信部１２、及び通信制御部１３を備えて構成される。アンテナ１１は、無線信号を送受信する。同図においては、アンテナ１１を複数備える場合を示しているが、１つでもよい。無線通信部１２は、無線信号の送信処理、受信処理、及び中継処理を行う。中継処理は、アンテナ１１が受信した無線信号を受信処理によって復調・復号して得たデータを、送信処理によって符号化・変調してアンテナ１１に出力してもよく、アンテナ１１が受信した無線信号の増幅のみを行ってアンテナ１１に出力してもよい。

【0018】

通信制御部１３は、無線通信部１２を制御し、ルート選択部１４、通信権獲得部１５、前処理部１６、及び伝送制御部１７を備えて構成される。ルート選択部１４は、既存のルーティング技術によって、マルチホップ伝送の伝送ルートを決定する。通信権獲得部１５は、既存の通信権獲得制御によって通信権を獲得する。

【0019】

前処理部１６は、マルチホップ伝送の前処理として、ルート選択部１４が決定したマルチホップ伝送の伝送ルートを再設定する。前処理部１６は、伝送品質算出部１６１、ルート再選択部１６２、及び制御フレーム送信部１６３を備えて構成される。伝送品質算出部１６１は、ルート選択部１４が決定したマルチホップ伝送の伝送ルートに沿ってリレーされた制御フレームや、伝送ルートには含まれない無線リンクにより受信した制御フレームに基づいて直接伝送の伝送品質を算出するとともに、中継伝送の伝送品質及び協力中継伝送の伝送品質を再帰的に算出する。ルート再選択部１６２は、伝送品質算出部１６１が算出した伝送品質に基づいて最も良い伝送方法を選択し、ルート選択部１４が決定したマルチホップ伝送の伝送ルートを、選択した伝送方法に基づいて再設定する。制御フレーム送信部１６３は、ルート再選択部１６２が選択した伝送方法を用いた場合の伝送品質の情報を、制御フレームに設定して送信する。
伝送制御部１７は、ルート再選択部１６２が再設定した伝送ルート及び選択した伝送方法に従って、マルチホップ伝送を行うよう無線通信部１２を制御する。また、伝送制御部１７は、マルチホップ伝送の成否を示す応答の伝送を制御する。

【0020】

図３は、本実施形態の無線通信ネットワークにおける全体処理の流れを示す図である。
予め、各無線局１０のルート選択部１４は、無線通信部１２を制御してマルチホップ伝送の伝送ルートを選択するための制御フレームを送受信するなどして、マルチホップ伝送の伝送ルートを決定しておく。このマルチホップ伝送の伝送ルートの決定には、既存のルーティング技術を用いることができる。以下、この決定されたマルチホップ伝送の伝送ルートを、「既定ルート」と記載する。

【0021】

無線通信ネットワークにおいて、未送信の送信フレームを有する無線局１０同士が、既存の媒体アクセス方式に従い通信権を競合する。例えば、無線ＬＡＮ（Local Area Network）の場合、未送信の送信フレームを有する各無線局１０の通信権獲得部１５は、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance：搬送波感知多重アクセス）方式により通信権を競い合う。その結果、マルチホップ伝送を希望する無線局１０の通信権獲得部１５が、自局が属する無線通信ネットワークの中での通信権を獲得する（ステップＳ１）。例えば、図１における無線局Ｔ１が、無線通信ネットワーク内での通信権を獲得する。

【0022】

次に、既定ルートを構成する無線局１０は、通信権を獲得したマルチホップ伝送の無線局１０である開始局（送信局）と、マルチホップ伝送の宛先の無線局１０である終了局（受信局）との間で通信ができるように、マルチホップ伝送の前処理として、既定ルートに沿ってルート再選択手順を実施する。このルート再選択手順では、マルチホップ伝送の開始局（無線局Ｔ１）から途中の中継局（無線局Ｒ１、Ｒ２、…、Ｒｐ）および宛先の終了局（無線局Ｔ２）までの一部或いは全部の伝送ルートについて、伝送品質情報を再帰的に算出し、最も伝送品質の良い伝送ルートを再選択する（ステップＳ２）。

【0023】

ルート再選択手順の実施には、前処理用の制御フレーム（以下、「前処理制御フレーム」と記載する。）が用いられる。既定ルートの無線局１０は、既定ルートに沿って前処理制御フレームを開始局から終了局までリレーする。既定ルートの無線局１０の伝送品質算出部１６１は、前処理制御フレームをリレーする際に、無線リンク情報を用いて既定ルート以外に可能な伝送ルートについて伝送品質情報を再帰的に算出する。ルート再選択部１６２は、伝送品質算出部１６１が算出した伝送品質情報に基づいて最も伝送品質の良い伝送ルートを再選択する。制御フレーム送信部１６３は、終了局側の他の無線局１０において伝送品質を算出可能するために、ルート再選択部１６２が再選択した伝送ルートの伝送品質情報を前処理制御フレームに設定して無線通信部１２に送信を指示する。

【0024】

なお、ここでいう無線リンク情報とは、ある無線局ペア間の通信に利用できるさまざまな情報を意味する。例えば、無線リンク情報として、無線伝搬路情報（ＣＳＩ：Channel State Information）、受信信号対雑音電力比（ＳＮＲ：Signal to Noise power Ratio）情報、変調方式符号化方式（ＭＣＳ：Modulation Coding Scheme）情報、トラフィック（ＴＳＩ：Traffic State Information）情報などのさまざまな無線リンクに関連する情報が考えられる。無線伝搬路情報、受信信号対雑音電力比情報は、無線通信部１２におけるトレーニング信号などの受信状態から間接的な情報として得ることができる。また、変調方式符号化方式は、送信元の無線局１０が前処理制御フレームなどに設定した情報から直接得ることができる。また、トラフィック情報は、無線通信部１２において受信した無線信号の送信元を監視することにより得ることができる。
また、ここでいう伝送品質情報とは、ある伝送ルートにおける伝送容量、伝送誤り率、伝送遅延などの伝送品質を評価する指標を意味する。

【0025】

なお、本実施形態では、使用する無線リンク情報および伝送品質情報の種類によって、その技術の適用範囲が制限されるものではない。従って、実システムへの応用の際には、上記で列挙した無線リンク情報および伝送品質情報に限定する必要はない。

【0026】

次に、既定ルートの無線局１０は、ステップＳ２における処理でルート再選択部１６２が再選択した伝送ルート（以下、「再選択ルート」と記載する。）及び伝送方法に従って、マルチホップ伝送および成否応答を実施する（ステップＳ３）。つまり、開始局の伝送制御部１７は、送信フレームをマルチホップ伝送の無線フレームとして送信するよう無線通信部１２に指示し、アンテナ１１は、送信フレームを無線により送信する。中継局の伝送制御部１７は、再選択ルートに沿って開始局側の他の無線局１０（開始局または他の中継局）から送信され送信フレームを受信し、受信した送信フレームを中継処理して終了局側の他の無線局１０に送信するよう無線通信部１２に指示する。これを繰り返すことにより、宛先の無線局１０がマルチホップ伝送により送信フレームを受信する。さらに、終了局の伝送制御部１７は、成否応答を無線フレームとして送信するよう無線通信部１２に指示し、アンテナ１１は、成否応答を無線により送信する。この成否応答のフレームは、既定ルートを逆に辿った伝送ルート、再選択ルートを逆に辿った伝送ルート、あるいは、他の方法により選択された伝送ルートを用いて、開始局まで中継される。成否応答は、送信フレームと比較してデータ量が少ないため、そのデータ量に応じた伝送ルートを用いることができる。例えば、再選択ルートを逆に辿った伝送ルートは、ルート再選択終了後に既定ルートの逆順で終了局から開始局方向に制御フレームを送信することにより通知することができる。

【0027】

最後に、開始局の通信権獲得部１５は、マルチホップ伝送および成否応答が完了した後、無線通信ネットワークに通信権を解放する（ステップＳ４）。

【0028】

続いて、ルーティングで決定したマルチホップ伝送の既定ルートに沿って、前処理により伝送ルートを再選択するステップＳ２の処理の詳細について説明する。
ステップＳ２において、既定ルートの無線局１０は、以下のように動作する。
（１） 既定ルートの無線局１０は、ルーティング技術で決定されたマルチホップ伝送の既定ルートに沿って、前処理制御フレームをリレーする。
（２） 既定ルートの各中継局は、自局において最も品質の良い伝送ルートを選択し、選択した伝送ルートの伝送品質情報Ｃを制御フレームに格納してリレーする。

【0029】

伝送品質情報Ｃは、以下の式（１）のように表される。なお、ｍａｘは、｛｝内に列挙した要素のうち、最大の要素を選択することを示す。直接伝送品質は、開始局からの直接伝送の伝送品質であり、中継伝送品質は、開始局側の他の中継局を経由した中継伝送の伝送品質であり、協力中継伝送品質は、開始局及び開始局側の他の中継局のうち２以上を用いた協力中継伝送の伝送品質である。

【0030】

Ｃ＝ｍａｘ｛直接伝送品質，中継伝送品質，協力中継伝送品質｝ …（１）

【0031】

ここで、中継局が５個であり、開始局から終了局の間に６ホップあるマルチホップ伝送について、前処理によるルート再選択の方法を説明する。なお、任意の中継局数およびホップ数あるマルチホップ伝送についても、ここで説明した前処理を適用する方法は自明であり、本実施形態の説明の範疇を超えるものではない。

【0032】

図４は、マルチホップ伝送の構成例を示す図であり、中継局が５個の場合の例を示している。ここでは、ルーティング技術によって決定されたマルチホップ伝送の既定ルートに沿って、マルチホップ伝送に参加するすべての無線局１０を開始局から終了局まで順番に並べている。以下では、開始局である無線局１０を開始局１、既定ルートにおける中継局である無線局１０を中継局２〜中継局６、終了局である無線局１０を終了局７と記載する。

【0033】

最適な伝送ルートを選択するには、開始局１から終了局７までのすべての所望リンクおよび傍聴リンクの情報を終了局７に集約し、それらの情報に基づいて伝送品質情報を算出するのは一般的な手法である。ここでいう所望リンクとは、既定ルート上にある無線リンクであり、傍聴リンクとは、既定ルート上にない無線リンクである。例えば、図４の実線で示している無線リンクＬｋ１２は開始局１と中継局２との間の所望リンクであり、点線で示している無線リンクＬｋ１３は開始局１と中継局３との間の傍聴リンクである。また、伝送品質情報Ｃｉ（ｉ＝２〜６）は、中継局ｉにおいて式（１）により算出した伝送品質情報Ｃである。

【0034】

マルチホップ伝送のホップ数の増加に伴い、傍聴リンクの数は急激に増加するため、傍聴リンクの情報を全てマルチホップ伝送の終了局７に伝達することはかなりのオーバヘッドが生じる。それを回避するため、以下に示す再帰的な方法で、前処理制御フレームのリレーと共に、潜在ルートにおける伝送品質情報の算出を行う。

【0035】

開始局１、中継局２〜６、及び終了局７は、ルート再選択の実施に用いられる前処理制御フレームを、ルーティング技術で決定された既定ルートに沿って、開始局１から終了局７までリレーする。図４に示す例では、前処理制御フレームを開始局１・中継局２・中継局３・中継局４・中継局５・中継局６・終了局７の伝送ルートでリレーし、合計で６個のホップと対応する６個の時間ステップを使用する。以下、ｊ番目の時間ステップを、時間ステップ＃ｊ（ｊ＝１〜６）と記載する。

【0036】

時間ステップ＃１、すなわち、ホップ１・２において、開始局１は、前処理制御フレームを無線送信する。既定ルートにおいて開始局１との所望リンクを有する中継局２と、傍聴局である中継局３〜６、及び終了局７（以下、「傍聴局３〜７」と記載する。）は、この前処理制御フレームを受信する。つまり、開始局１の制御フレーム送信部１６３は、前処理制御フレームの送信を無線通信部１２に指示し、無線通信部１２は、トレーニング信号を含んだ前処理制御フレームを生成してアンテナ１１から無線により送信させる。中継局２と傍聴局３〜７は、アンテナ１１により前処理制御フレームを受信し、無線通信部１２は、前処理制御フレームの受信処理を行う。中継局２と傍聴局３〜７の伝送品質算出部１６１は、無線通信部１２により受信処理された前処理制御フレームに含まれるトレーニング信号を利用して、開始局１と自局の間の無線リンク情報を推定する。中継局２が推定した開始局１と自局の間の無線リンク情報を所望無線リンク情報Ｌ−１２とし、傍聴局３、４、５、６、７が推定した開始局１と自局の間の無線リンク情報をそれぞれ、傍聴無線リンク情報Ｌ−１３、Ｌ−１４、Ｌ−１５、Ｌ−１６、Ｌ−１７とする。ただし、開始局１からの距離や障害物などが原因で推定できない無線リンク情報も存在し得る。

【0037】

中継局２の伝送品質算出部１６１は、得られた所望無線リンク情報Ｌ−１２を用いて、以下の式（２）に示すように、自局における開始局１との直接伝送による伝送品質情報を算出し、伝送品質情報Ｃ２とする。

【0038】

Ｃ２＝ｆ（Ｌ−１２） …（２）

【0039】

なお、ｆ（）は、無線リンク情報をパラメータとして用い、直接伝送の伝送品質情報を算出する関数である。中継局２の制御フレーム送信部１６３は、開始局１から受信した前処理制御フレームに伝送品質情報Ｃ２を追加し、次の中継局３に知らせる準備をしておく。

【0040】

同様に、傍聴無線リンク情報Ｌ−１ｉ（ｉ＝３，４，５，６，７）の推定ができた傍聴局ｉの伝送品質算出部１６１も、傍聴無線リンク情報Ｌ−１ｉを用いて、自局における開始局１との直接伝送による伝送品質情報を算出する。これにより、傍聴局３、４、５、６、７の伝送品質算出部１６１はそれぞれ、開始局１との直接伝送による伝送品質情報ｆ（Ｌ−１３）、ｆ（Ｌ−１４）、ｆ（Ｌ−１５）、ｆ（Ｌ−１６）、ｆ（Ｌ−１７）を得る。

【0041】

時間ステップ＃２、すなわち、ホップ２・３において、中継局２は、前処理制御フレームをリレーする。つまり、中継局２の制御フレーム送信部１６３は、伝送品質情報Ｃ２を追加した前処理制御フレームを送信するよう無線通信部１２に指示する。無線通信部１２は、前処理制御フレームの送信処理を行い、アンテナ１１から無線により送信させる。

【0042】

既定ルートにおいて中継局２との所望リンクを有する中継局３と、傍聴局である中継局４、５、６、及び終了局７（以下、「傍聴局４〜７」と記載する。）は、中継局２が送信した前処理制御フレームをアンテナ１１により受信し、無線通信部１２は、前処理制御フレームの受信処理を行う。中継局３と傍聴局４〜７の伝送品質算出部１６１は、無線通信部１２により受信処理された前処理制御フレームに含まれるトレーニング信号を利用して、中継局２と自局の間の無線リンク情報を推定する。中継局３が推定した中継局２と自局の間の無線リンク情報を所望無線リンク情報Ｌ−２３とし、傍聴局４、５、６、７が推定した中継局２と自局の間の無線リンク情報をそれぞれ、傍聴無線リンク情報Ｌ−２４、Ｌ−２５、Ｌ−２６、Ｌ−２７とする。

【0043】

中継局３の伝送品質算出部１６１は、得られた所望無線リンク情報Ｌ−２３と、中継局２から受信した前処理制御フレームに設定されている伝送品質情報Ｃ２とを用いて、以下の式（３）に示すように、自局における中継局２を中継した中継伝送による伝送品質情報を算出する。

【0044】

中継局３における中継局２を中継した中継伝送による伝送品質情報＝ｇ（Ｃ２，Ｌ−２３） …（３）

【0045】

なお、ｇ（）は、無線リンク情報と伝送品質情報をパラメータとして用い、中継伝送の伝送品質情報を算出する関数である。この関数ｇ（）により、現在のラストホップまでの伝送品質情報（ここでは、伝送品質情報Ｃ２）と、現在のラストホップとの無線リンク情報（ここでは、所望無線リンク情報Ｌ−２３）の両者によって中継伝送の伝送品質情報を一意に決定できる。

【0046】

更に、中継局３の伝送品質算出部１６１は、以下の式（４）により、開始局１と中継局２を用いた協力中継伝送による伝送品質情報を次のように算出する。算出には、１つ前のホップで計算した開始局１との直接伝送による伝送品質情報ｆ（Ｌ−１３）と、式（３）により算出した中継局２を中継した中継伝送による伝送品質情報ｇ（Ｃ２，Ｌ−２３)が用いられる。

【0047】

中継局３における開始局１と中継局２を用いた協力中継伝送による伝送品質情報＝ｈ（ｆ（Ｌ−１３），ｇ（Ｃ２，Ｌ−２３）） …（４）

【0048】

なお、ｈ（）は、協力中継伝送の伝送品質情報を算出する関数である。この関数ｈ（）により、直接伝送による伝送品質（ここでは、ｆ（Ｌ−１３））と、中継伝送による伝送品質（ここでは、ｇ（Ｃ２，Ｌ−２３））との組合せによって、協力中継伝送の伝送品質情報を一意に決定できる。

【0049】

最後に、中継局３のルート再選択部１６２は、開始局１からの直接伝送と、中継伝送と、協力中継伝送の３者の中から最も伝送品質が良い伝送方法を選択し、選択した伝送方法に対応する伝送ルートおよびその伝送方法を記憶する。ルート再選択により決定した中継局３の伝送品質情報Ｃ３は、以下の式（５）のように表せる。

【0050】

Ｃ３＝ｍａｘ｛ｆ（Ｌ−１３），ｇ（Ｃ２，Ｌ−２３），ｈ（ｆ（Ｌ−１３），ｇ（Ｃ２，Ｌ−２３））｝ …（５）

【0051】

中継局３の制御フレーム送信部１６３は、受信した前処理制御フレームに算出した伝送品質情報Ｃ３を追加し、次の中継局４に知らせる準備をしておく。

【0052】

同様に、傍聴無線リンク情報Ｌ−２ｉ（ｉ＝４，５，６，７）の推定ができた傍聴局ｉも、自局における伝送品質情報を算出する。つまり、傍聴局ｉの伝送品質算出部１６１は、ｆ（Ｌ−２ｉ）、ｇ（Ｃ２，Ｌ−２ｉ），ｈ（ｆ（Ｌ−１ｉ），ｇ（Ｃ２，Ｌ−２ｉ））を算出する。

【0053】

時間ステップ＃３、ホップ３・４〜時間ステップ＃６、ホップ６・７まで、上記と同様に、各中継局４〜６及び終了局７は、前処理制御フレームをリレーし、直接伝送、中継伝送、協力中継伝送による伝送品質情報を算出し、既定ルートにおいて１ホップ前（自局と所望リンクを有する１つ開始局側）の中継局から前処理制御フレームを受信した場合は、算出した伝送品質情報に基づいて最もよい伝送方法を選択し、選択した伝送方法に基づいて伝送ルートを再設定する。中継局の場合、選択した伝送ルートとその伝送方法を記憶した上、選択した伝送方法に対応する伝送品質情報を前処理制御フレームに追加して、終了局側の中継局または終了局に送信する。

【0054】

例えば、時間ステップ＃３、ホップ３・４において、中継局４，５，６及び終了局７はそれぞれ、中継局３が送信した前処理制御フレームを受信し、伝送品質情報ｆ（Ｌ−３４）、ｆ（Ｌ−３５）、ｆ（Ｌ−３６）、ｆ（Ｌ−３７）を算出する。続いて、中継局４，５，６及び終了局７はそれぞれ、中継局３が前処理制御フレームに設定した伝送品質情報Ｃ３を用いて、中継伝送の伝送品質情報ｇ（Ｃ３，Ｌ−３４）、ｇ（Ｃ３，Ｌ−３５）、ｇ（Ｃ３，Ｌ−３６）、ｇ（Ｃ３，Ｌ−３７）を算出する。さらに、中継局４，５，６及び終了局７はそれぞれ、取り得る協力中継伝送の伝送品質情報を算出する。取り得る協力中継伝送は、開始局１と中継局２、開始局１と中継局３、中継局２と中継局３、開始局１と中継局２と中継局３を用いたものである。中継局４は、開始局１からの直接伝送の伝送品質情報ｆ（Ｌ−１４）、中継伝送の伝送品質情報ｇ（Ｃ２，Ｌ−２４）、ｇ（Ｃ３，Ｌ−３４）、及び取り得る協力中継伝送の伝送品質情報の中から最もよい伝送品質情報を選択する。中継局４は、選択した伝送品質情報に対応する伝送ルートおよびその伝送方法を記憶し、次の時間ステップ＃４において、選択した伝送品質情報をＣ４として追加した前処理制御フレームを送信する。

【0055】

また、例えば、時間ステップ＃４、ホップ４・５において、中継局５，６及び終了局７はそれぞれ、中継局４が送信した前処理制御フレームを受信し、伝送品質情報ｆ（Ｌ−４５）、ｆ（Ｌ−４６）、ｆ（Ｌ−４７）を算出する。続いて、中継局５，６及び終了局７はそれぞれ、中継局４が前処理制御フレームに設定した伝送品質情報Ｃ４を用いて、中継伝送の伝送品質情報ｇ（Ｃ４，Ｌ−４５）、ｇ（Ｃ４，Ｌ−４６）、ｇ（Ｃ４，Ｌ−４７）を算出する。さらに、中継局５，６及び終了局７はそれぞれ、取り得る協力中継伝送の伝送品質情報を算出する。中継局５は、開始局１からの直接伝送の伝送品質情報ｆ（Ｌ−１５）、中継伝送の伝送品質情報ｇ（Ｃ２，Ｌ−２５）、ｇ（Ｃ３，Ｌ−３５）、ｇ（Ｃ４，Ｌ−４５）、及び取り得る協力中継伝送の伝送品質情報の中から最もよい伝送品質情報を選択する。中継局５は、選択した伝送品質情報に対応する伝送ルートおよびその伝送方法を記憶し、次の時間ステップ＃５において、選択した伝送品質情報をＣ５として追加した前処理制御フレームを送信する。

【0056】

時間ステップ＃５、ホップ５・６、時間ステップ＃６、ホップ６・７においても同様の処理が行われる。なお、上記においては、トレーニング信号から推定される無線リンク情報を利用した例を示したが、他の無線リンク情報を代わりに用いて、あるいは、他の無線リンク情報を併せて利用してもよい。

【0057】

上述したように、各中継局及び終了局においては、前処理制御フレーム等に基づいて得られた所望無線リンク情報及び傍聴無線リンク情報と、前処理制御フレームに格納されている現時点でのラストホップまでの伝送品質情報を用いて、直接伝送・中継伝送・協力中継伝送による伝送品質情報の算出が可能となる。従って、膨大な所望無線リンク情報および傍聴無線リンク情報の伝送が回避でき、結果として、ルート再選択のオーバヘッドを大幅に削減することができる。

【0058】

しかし、上述したルート再選択手順に必要な情報量・演算量は、マルチホップのホップ数に比例して増加する。これは、ホップ数が後の中継局ほど、協力中継伝送のパターンが顕著に増加してしまうからである。そこで、ルート再選択手順に必要な情報量・演算量を減らすために、スライドウィンドウを導入してウィンドウ幅およびスライド幅を制御する。この制御により、マルチホップ伝送範囲を細分化し、各細分化された範囲において伝送ルートを再選択する。これによって、マルチホップ伝送のホップ数が増加しても、細分化によりルート再選択範囲を制御できるため、必要な情報量・演算量の増加はホップ数の増加に比例することはない。このように、スライドウィンドウを導入し、ウィンドウ幅とスライド幅を制御することで、上記実施形態の特性と、伝送品質情報Ｃの算出に必要な演算量のトレードオフを可能にする。

【0059】

図５は、図４の例にスライドウィンドウを導入した場合を示す図である。ここでは、ウィンドウ幅Ｎｗ＝３ホップ、スライド幅Ｎｓ＝１ホップの場合と、ウィンドウ幅Ｎｗ＝３ホップ、スライド幅Ｎｓ＝３ホップの２つのパターンを示している。スライド幅Ｎｓ＝１ホップの場合のように、スライド幅の設定によって制御範囲をオーバーラップさせてもよい。

【0060】

ウィンドウのスライドは既定ルートの開始局１から始まり、終了局７に到達するまでスライドし続ける。このように、すべての経路においてウィンドウ制御付きの協力中継伝送を考慮したルーティングを実現するため、ウィンドウを開始局から終了局の方向にスライドさせていく。毎回のスライドにおいては、ウィンドウの始端にある無線局１０が送信した前処理制御フレームを、そのウィンドウの終端（ウィンドウ幅の範囲内）にある無線局１０までが受信し、前記のように再帰的に直接伝送、中継伝送、協力中継伝送の伝送品質情報を算出する。これにより、協力中継伝送のパターンがウィンドウ幅の範囲内の開始局または中継局を用いたものに限定されるため、スライドウィンドウを導入しない場合と比べて、協力中継伝送のパターン数が顕著に減少する。従って、ウィンドウ幅Ｎｗとスライド幅Ｎｓによって伝送品質情報の計算に必要な情報量と演算量が制御される。

【0061】

ウィンドウ幅Ｎｗ＝３ホップ、スライド幅Ｎｓ＝１ホップの場合、最初にウィンドウの始端である開始局１が前処理制御フレームを送信する。この前処理制御フレームを、ウィンドウ幅Ｎｗ（＝３ホップ）内の中継局２、３、４が受信し、直接伝送の伝送品質情報を算出する。
ウィンドウ内でスライド幅Ｎｓ（＝１ホップ）分の前処理制御フレームの送信が終了したため、ウィンドウはスライド幅Ｎｓだけ移動し、ウィンドウの始端が中継局２となる。よって、中継局２が伝送品質情報Ｃ２を設定した前処理制御フレームを送信すると、始端からウィンドウ幅Ｎｗ（＝３ホップ）内の中継局３、４、５が受信して中継局２との直接伝送、及び中継局２を中継した中継伝送の伝送品質情報を算出し、前処理制御フレームを２以上受信した中継局３、４は、さらに協力中継伝送の伝送品質情報を算出する。中継局３は、算出した伝送品質情報に基づいて選択した伝送方法により既定ルートを再設定する。
ウィンドウ内でスライド幅Ｎｓ（＝１ホップ）分の前処理制御フレームの送信が終了したため、ウィンドウはスライド幅Ｎｓだけ移動し、ウィンドウの始端が中継局３となる。よって、中継局３が伝送品質情報Ｃ３を設定した前処理制御フレームを送信すると、始端からウィンドウ幅Ｎｗ（＝３ホップ）内の中継局４、５、６が受信し、中継局３との直接伝送、及び中継局３を中継した中継伝送の伝送品質情報を算出し、前処理制御フレームを２以上受信した中継局４、５は、さらに協力中継伝送の伝送品質情報を算出する。中継局４は、算出した伝送品質情報に基づいて選択した伝送方法により既定ルートを再設定する。
上記を繰り返し、ウィンドウを順にスライドさせていく。

【0062】

一方、ウィンドウ幅Ｎｗ＝３ホップ、スライド幅Ｎｓ＝３ホップの場合、最初にウィンドウの始端である開始局１が前処理制御フレームを送信する。この前処理制御フレームを、ウィンドウ幅Ｎｗ（＝３ホップ）内の中継局２、３、４が受信し、直接伝送の伝送品質情報を算出する。
ウィンドウ内でスライド幅Ｎｓ（＝３ホップ）分の前処理制御フレームの送信はまだ終了していないため、ウィンドウはスライドしない。よって、中継局２が伝送品質情報Ｃ２を設定した前処理制御フレームを送信すると、始端からウィンドウ幅Ｎｗ（＝３ホップ）内の中継局３、４が受信し、直接伝送、中継伝送、及び協力中継伝送の伝送品質情報を算出する。中継局３は、算出した伝送品質情報に基づいて選択した伝送方法により既定ルートを再設定する。
ウィンドウ内でスライド幅Ｎｓ（＝３ホップ）分の前処理制御フレームの送信はまだ終了していないため、ウィンドウはスライドしない。よって、中継局３が伝送品質情報Ｃ３を設定した前処理制御フレームを送信すると、始端からウィンドウ幅Ｎｗ（＝３ホップ）内の中継局４のみが受信し、直接伝送、中継伝送、及び協力中継伝送の伝送品質情報を算出する。中継局４は、算出した伝送品質情報に基づいて選択した伝送方法により既定ルートを再設定する。
これにより、ウィンドウ内でスライド幅Ｎｓ（＝３ホップ）分の前処理制御フレームの送信が終了したため、ウィンドウがスライド幅Ｎｓだけ移動し、ウィンドウの始端が中継局４となり、上記と同様の処理を繰り返す。

【0063】

以上説明した実施形態によれば、従来のルーティング技術により決定したマルチホップ伝送ルートをルート再探索の土台として利用し、協力中継伝送の効果を考慮したマルチホップルートの再探索を実現する。その結果、最終的に本実施形態を適用した無線通信ネットワークにおいては、従来の無線通信ネットワークに比べ、より高いシステムスループット、短い伝送遅延などの向上した通信品質が実現できる。

【0064】

既存のルーティング技術では、ホップバイホップのマルチホップ伝送を想定して伝送ルートを選定しているため、協力中継伝送に適用しても、協力中継伝送を考慮した伝送ルートの最適化がなされていなかった。そこで、上述したように、本実施形態では、既存のルーティング技術によって構築された既定ルートに沿って、ルート再選択に必要なトレーニング信号等を含む制御フレームを送信し、各中継局において、直接伝送の伝送品質を算出するとともに、中継伝送および協力中継伝送の伝送品質を再帰的に算出する。そして、算出した伝送品質に基づいてその最も良い伝送方法を選択して既定ルートを再設定し、その伝送品質情報を含む制御フレームを次ホップ先に送信する。これにより、協力中継伝送を含めた伝送方法の中で、最適な伝送方法を選択して、マルチホップ伝送を行うことが可能となる。
また、スライドウィンドウ制御をさらに行うことでルート再選択の範囲を制限し、ルート再選択における演算量を削減することが可能となる。

【0065】

上述した実施形態における無線局１０の無線通信部１２及び通信制御部１３の全てまたは一部の機能は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェア（電子回路）を用いて実現されても良く、コンピュータで実現するようにしても良い。無線局１０の無線通信部１２及び通信制御部１３の全てまたは一部の機能を、コンピュータで実現する場合、その機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現しても良い。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでも良い。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。

【0066】

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

【産業上の利用可能性】

【0067】

送信局と受信局との間に中継局が存在する無線通信ネットワークに適用可能である。

【符号の説明】

【0068】

１０ 無線局
１１ アンテナ
１２ 無線通信部
１３ 通信制御部
１４ ルート選択部
１５ 通信権獲得部
１６ 前処理部
１６１ 伝送品質算出部
１６２ ルート再選択部
１６３ 制御フレーム送信部
１７ 伝送制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】