無線ネットワークのための制御装置
【課題】高優先度のフローに対する低優先度フローの干渉を最小限にするように低優先度フローを制御し高優先度のフローのスループットを向上させる。
【解決手段】複数の無線局を備え、各無線局間で異なる優先度を有する複数のパケットフローを用いて発信元無線局から宛先無線局に対してパケット信号を伝送することによりパケット無線通信を行う。低優先度フローの発信元無線局は当該低優先度フローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）と、所定の期間内に受信された自局で伝送しない他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）を計数してなるＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）とに基づいて、当該低優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）を計算し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信する。
【解決手段】複数の無線局を備え、各無線局間で異なる優先度を有する複数のパケットフローを用いて発信元無線局から宛先無線局に対してパケット信号を伝送することによりパケット無線通信を行う。低優先度フローの発信元無線局は当該低優先度フローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）と、所定の期間内に受信された自局で伝送しない他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）を計数してなるＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）とに基づいて、当該低優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）を計算し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のノード無線局を備えた、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ための制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信システム及びパーソナルコンピュータの最近の進歩に伴い、移動体ルータとして動作する複数のノード無線局からなり、迅速に配置可能なインフラストラクチャなしのネットワークであることが想定されたアドホック無線ネットワークが研究されている。このアドホック無線ネットワークにおいて、最近、モバイルアドホックネットワークにおけるＱｏＳを提供する課題に対して様々な解決方法が提案されている（非特許文献１及び２を参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２４４９８３号公報。
【特許文献２】特開２００１−０２４４３１号公報。
【非特許文献１】Kui Wu et al., “QoS Support in Mobile Ad hoc Networks”, Crossing Boundaries an interdisciplinary journal, Vol.1, No.1, Fall 2001。
【非特許文献２】Satyabrata Chakrabarti et al., “QoS issues in Ad Hoc Wireless Networks”, IEEE Communications Magazine, Vol.39, No.2, pp.142-148, February 2001。
【非特許文献３】X. Pallot et al., “Implementing Message Priority Policies over an 802.11 Based Mobile Ad Hoc Network”, Proceedings of MILCOM 2001, Washington, U.S.A., October 2001。
【非特許文献４】Kolarov et al., “A control theoretic approach to the design of close loop rate based flow control for high speed ATM networks”, Proceedings of IEEE INFOCOM'97, pp.293-300, April 1997。
【非特許文献５】S. Keshav, “A control-theoretic approach to flow control”, Proceedings of ACM SIGCOMM'91, pp.3-15, Zurich, Switzerland, September 1991。
【非特許文献６】C. R. Kalmanek et al., “Rate Controlled Servers for Very High Speed Networks”, Proceedings of Globecom 1990, 300.3.1-300.3.9, December 1990。
【非特許文献７】L. Benmohamed et al., “Feedback Control of Congestion in Packet Switching Networks: The Case of a Single Congested Node”, IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol.1, No.6, pp.693-707, 1993。
【非特許文献８】Siuli Roy et al., “A Network-Aware MAC and Routing Protocol for Effective Load Balancing in Ad Hoc Wireless Networks with Directional Antenna”, Proceedings of ACM MobiHoc 2003, Maryland, U.S.A., 1-3 June 2003。
【非特許文献９】Thyagarajan Nandagopal et al., “Service differentiation through end-to-end rate control in low bandwidth wireless packet networks”, Proceedings of the 6th International Workshop on Mobile Multimedia Communications, San Diego, California, U.S.A., November 1999。
【非特許文献１０】Seung-Seok Kang et al., “Provisioning Service Differentiation in Ad Hoc Networks by the Modification of Back off Algorithm”, International Conference on Computer Communication and Network (ICCCN) 2001, Scottsdale, Arizona, U.S.A., October 2001。
【非特許文献１１】S. Mangold et al., “IEEE 802.11e Wireless LAN for Quality of Service”, (invited paper), Proceedings of the European Wireless 2002, Florence, Italy, February 2002。
【非特許文献１２】Xue Yang et al., “Priority Scheduling in Wireless Ad Hoc Networks”, ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing (MobiHoc), June 2002。
【非特許文献１３】Vance J. VanDoren, “Understanding PID Control: Familiar examples show how and why proportional-integral-derivative controllers behave the way they do”, Control Engineering, http://www.controleng.com, June 1, 2000。
【非特許文献１４】Minorsky, “Directional Stability of automatically steered bodies”, Journal of American Social of Naval Engineering, Vol. 34, pp.284, 1922。
【非特許文献１５】G. F. Franklin et al., “Feedback Control of Dynamic Systems”, Addison-Wesley, Singapore, 1988。
【非特許文献１６】Tetsuro Ueda et al., “A Rotational Sector-based, Receiver-Oriented Mechanism for Location Tracking and Medium Access Control in Ad Hoc Networks Using Directional Antenna”, Proceedings of the IFIP conference on Personal Wireless Communications PWC 2003, Venice, Italy, September 23-25, 2003。
【非特許文献１７】T. Ueda et al., “Evaluating the Performance of Wireless Ad Hoc Network Testbed Smart Antenna”, Fourth IEEE Conference on Mobile and Wireless Communication Networks (MWCN2002), September 2002。
【非特許文献１８】QualNet Simulator Version 3.1, Scalable Network Technologies, http://www.scalable-networks.com, accessible on June 11, 2004。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献３で指摘されているように、移動体の無線チャンネルは帯域幅が限定されていて、トラフィックのあらゆるクラスに対して同じＱｏＳを与えることができない。従って、あるクラスに他のクラスを上回る優先度を割り当てることによって、各クラスに異なるＱｏＳを提供するための何らかの手段を実装する必要がある。有線環境に対してはいくつかの解決方法がすでに存在するが、これらの解決方法は、アドホック無線ネットワークにおいては、共用された通信環境とホストの移動性とに起因してうまく機能しない。
【０００５】
何人かの研究者らは、ネットワーク内の輻輳を制御し、フローに基づくエンド・ツー・エンドのＱｏＳを提供しかつ公平性の問題に対処するために、有線ネットワークにおいてフローレートを制御するための制御理論的アプローチの考案について探究している（非特許文献４乃至７を参照）。非特許文献４では、利用可能なビットレートサービスをサポートするコントローラを設計するために使用可能な制御機構が提案され、ここでは、ユーザは、フローレートをフィードバックして分散されたコントローラのセットを調整することにより、利用可能な帯域幅を公平にかつ動的に共用することができる。非特許文献５では、予約なしのネットワークにおけるトランスポート接続を制御するために使用可能な制御理論的アプローチを提示している。これらのフローレート制御方式は、ネットワーク内に存在する複数のフローがその時刻におけるネットワークの状態に依存して利用可能な帯域幅を等しく共用することを可能にするフィードバック制御機構を使用している。しかしながらこれらの方式は、いくつかのフローを他のフローよりも優先するという、優先度に基づいたサービスの問題をまったく取り扱っていない。さらに、これらの文献で調査されているものは有線ネットワーク環境である。
【０００６】
アドホック無線ネットワークにおける２つのフローのルートが共通のノード無線局を共用するとき、もしくは互いに干渉し合うほど十分に近接しているときには、互いに影響し合い、ルートカップリングを生じさせる（非特許文献８を参照）。この場合、これら２つのルート内の複数のノード無線局は、それらのルートによって共用される媒体に対してアクセスするために常に競合するであろう。このような状況においては、低優先度フローのフローレートが減少されると、高優先度フローは、共用する媒体へアクセスする多くの機会を得ることになり、結果として輻輳は減少し、高優先度フローのスループットが向上する。このように、優先度に基づくフローレート制御は、異なるクラスのフローに対してサービスの差別化を提供する効果的な手段である。
【０００７】
研究者の中には、サービスの差別化を達成するために、トランスポート層にエンド・ツー・エンドのフローレート制御を導入した者もいる（非特許文献９を参照）。しかしながら、これらの方式では、高優先度のトラフィックに対して所望のレートを保証することができない。フローのレート制御を用いたサービスの差別化に関する非特許文献９の研究は、個別化されたフローレート制御に焦点を合わせている。この場合、フローは、エンド・ツー・エンドのフィードバックに基づいたレートベクトルにより個別に制御され、高優先度フローのフローレートは低優先度フローのフローレートよりも緩やかに低下される。よって、高優先度フローのフローレートは向上するものの、所望のレベルのフローレートを保持できない可能性がある。
【０００８】
また、サービスの差別化に関する他の既存のＭＡＣ層（メディアアクセスコントロール層）の解決方法として、非特許文献１０乃至１２に開示された技術が存在する。ＭＡＮＥＴ（Mobile Ad Hoc Network）においては、ＭＡＣ層内のトラフィックの優先度に従ってフレーム間隔（ＩＦＳ）と競合窓（コンテンションウィンドウ：ＣＷ）のサイズとを変更しかつバックオフアルゴリズムを適宜修正することにより、ＱｏＳをサポートするいくつかの試みが行われている。しかしながら、これは、高優先度のパケットがデータ通信のための媒体に対する競合のないアクセスを常に獲得することを保証するものではない（非特許文献１２を参照）。これらの方式では、媒体を求めて競合する多数の高優先度フローは、媒体に公平にアクセスすることの保証を必ずしも獲得できるわけではない。さらに、高優先度のトラフィックが存在しない場合の多数の低優先度のトラフィックは、大きい競合窓を選択する可能性があり、このことは媒体の不十分な利用に繋がる。上述の文献において取り組まれていないＭＡＣ層におけるＱｏＳに係る他の重要な側面として、パケット伝送率がある。中間のノード無線局のＭＡＣ層における低優先度のパケットは、増大されたバックオフカウンタを選択していることがしばしば見出だされる場合があり、このカウンタ値は発信元無線局には未知のままであり、発信元無線局はそれでも非常に高いレートでパケットを注入し続けている可能性がある。その結果、低優先度フローのパケット信号を伝送する中間のノード無線局に非常に高いレートで到着するパケットは、ＭＡＣ層によって迅速にサービスされることはなくキューメモリに格納されたままとなり、上記キューメモリはオーバーフローしてパケット廃棄をもたらす可能性がある。
【０００９】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、異なる複数の優先度のフローが存在するアドホック無線ネットワークにおいて、各フローの優先度に基づいて当該フローのＱｏＳをサポートすることができ、これにより、高優先度のフローに対する低優先度フローの干渉を最小限にするように低優先度フローを制御し、高優先度のフローの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ための制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る無線ネットワークのための制御装置は、複数の無線局を備え、各無線局間で異なる優先度を有する複数のパケットフローを用いて発信元無線局から宛先無線局に対してパケット信号を伝送することによりパケット無線通信を行う無線ネットワークのための制御装置において、
各無線局は、発信元無線局から宛先無線局への低優先度フローである同一の各パケットフローについて、上記各パケットフローのパケット信号を受信したとき、当該パケットフローのパケット到着間隔（ＰＡＩ）を計算してＰＡＩテーブルとして記憶装置に記憶するとともに、所定の期間内に受信された自局で伝送しない他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）を計数してＨＰＦテーブルとして上記記憶装置に記憶し、
低優先度フローの無線信号を受信したパケットフローの発信元無線局以外の中継無線局は、上記ＰＡＩテーブルにおける当該パケットフローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）と、上記受信したパケットフローのパケット信号に含まれるパケットフローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）の少なくとも大きい値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）及び上記他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）を含むパケット信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させて送信し、
高優先度フローの無線信号を受信したパケットフローの発信元無線局以外の中継無線局は、上記他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）を含むパケット信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させて送信し、
低優先度フローの発信元無線局は、当該低優先度フローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）と、上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）とに基づいて、当該低優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）を計算し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信することを特徴とする。
【００１１】
上記無線ネットワークのための制御装置において、低優先度フローの発信元無線局は、当該低優先度フローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）及び上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）から決定される設定値Ｒｐとの誤差に基づいて、当該低優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）を計算し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信することを特徴とする。
【００１２】
また、上記無線ネットワークのための制御装置において、低優先度フローの発信元無線局は、当該低優先度フローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）及び上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）から決定される設定値Ｒｐとの誤差に基づいて、当該誤差が最小となるように、比例積分及び微分制御（ＰＩＤ制御）方法を用いて、新しいパケット注入レート（ＰＩＩ）を計算し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信することを特徴とする。
【００１３】
さらに、無線ネットワークのための制御装置において、高優先度のフローの発信元無線局は、上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）に基づいて、当該高優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）を決定し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
従って、本発明によれば、異なる複数の優先度のフローが存在するアドホック無線ネットワークにおいて、各フローの優先度に基づいて当該フローのＱｏＳをサポートすることができ、これにより、高優先度のフローに対する低優先度フローの干渉を最小限にするように低優先度フローを制御し、高優先度のフローのスループットを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
本発明に係る実施形態においては、上述の問題点を解決し、無線媒体の十分な利用が適応型レート制御に従って達成されるように、高優先度フロー（高優先度を有するパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して所定の無線媒体パスのフローを介して伝送するときのセッション接続のフローをいう。）を所望のレベルに保持しながら低優先度フロー（高優先度よりも低い優先度である低優先度を有するパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して所定の無線媒体パスのフローを介して伝送するときのセッション接続のフローをいう。）を適応的に最大化することができる無線ネットワークのための制御装置を提供する。ここで、高優先度フローにこの望ましいサービスの差別化を提供するためには、高優先度フローとの干渉の原因である低優先度フローがそのルート上の各ノード無線局において高優先度フローのフローレートを検出してこれを測定し、最終的に制御理論的アプローチを使用して当該低優先度フローのフローレートを調整し、高優先度フローがその所望レベルに保持されるように制御するフローレート制御アルゴリズムが必要である。この検出及び測定は、発信元無線局から宛先無線局までのルーティングに関与する各ノード無線局のＭＡＣ層において行う必要がある。
【００１７】
図１は、本発明に係る一実施形態の無線通信システム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ノード無線局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の各ノード無線局１の構成を示すブロック図である。
【００１８】
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、各ノード無線局１は、無指向性のオムニパターンと、所定の方位角幅を有するセクターパターンと、上記セクターパターンを回転しながら走査する回転セクターパターンとを少なくとも用いて放射パターンの制御を実行する可変ビームアンテナ１０１を備え、以下の処理を実行することを特徴としている。
（ｉ）自局のサービスエリア内の各ノード無線局１に対してオムニパターンを用いてブロードキャストで自局ＩＤを含むビーコン信号を送信する。
（ii）回転セクターパターンを用いて上記ビーコン信号を受信し、上記ビーコン信号の方位角と信号強度レベルとノード無線局ＩＤ（すなわち、送信局ＩＤ）を検出することにより、上記複数のノード無線局１のうちのサービスエリア内の各ノード無線局１に対する、方位角と信号強度レベルを方位角及び信号強度レベルテーブル（以下、ＡＳテーブルという。なお、ＡＳはAngle-Signal Strengthの略である。）としてデータベースメモリ１５４に記憶する。
（iii）パケット信号を宛先無線局に伝送するときに、当該ＡＳテーブルにより示される方位角のセクターパターンを用いて当該宛先無線局に対してパケット信号を送信することにより、パケット信号をルーティングする。
（iv）従来技術に係るＲＴＳ（Request To Send）／ＣＴＳ（Clear To Send）信号の基本的な通信手順をベースとして用い、図４（ａ）に示す信号フォーマットを有するＲＴＳパケット信号（以下、ＲＴＳ信号という。）と、図４（ｂ）に示す信号フォーマットを有するＣＴＳパケット信号（以下、ＣＴＳ信号という。）とを用いて、図１５乃至図１９のパケット送受信制御処理を実行することにより、以下の信号処理を実行する。
（ａ）低優先度フローのＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を受信したとき、同一のパケットフローについてパケット到着間隔（Packet Arrival Interval：ＰＡＩ）を計算してデータベースメモリ１５４内のＰＡＩテーブルに記憶し（図１６のステップＳ４１）、自局が当該低優先度フローの発信元無線局であるときデータベースメモリ１５４内のＰＡＩテーブルにおける当該フローのパケット信号を伝搬するノード無線局において検出される最大のパケット到着間隔（Detected Maximum Packet Arrival Interval：ＤＭＰＡＩ）及びＨＰＦテーブル（自局の所定の時間Ｔａ内に受信した高優先度のフローの数（以下、ＨＰＦという。）を計数してデータベースメモリ１５４内の高優先度フローテーブルを、以下、ＨＰＦテーブルという。）内のＨＰＦに基づいて、ＰＩＤ（Proportional Integral Derivative：比例積分及び微分）制御を用いたフローレート制御方法を用いて、当該フローのパケット注入レート又はパケット注入レート（Packet Injection Rate：ＰＩＲ）を計算してパケット注入レートＰＩＲを更新する（図１６のステップＳ４３）一方、自局が当該低優先度フローの発信元無線局でなくかつ中継無線局であるときＰＡＩテーブルにおいてＤＭＰＡＩを伝搬されたＰＡＩ（Propagated Packet Arrival Interval：ＰＰＡＩ)として選択して当該ＰＰＡＩを含むＣＴＳ信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させる（図１６のステップＳ４４）。
（ｂ）高優先度のフローのＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を受信しかつ自局が低優先度フローを伝送しないノード無線局であるとき、受信したＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号に基づいて、所定の時間Ｔａ内に受信した高優先度のフローの数であるＨＰＦを計数してデータベースメモリ１５４内のＨＰＦテーブルに格納して更新し（図１７のステップＳ５１）、
（ｂ１）自局が高優先度のフローの発信元無線局でなく中継無線局であるとき上記ＨＰＦを含む高優先度のフローのＣＴＳ信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させる（図１７のステップＳ５４）一方、
（ｂ２）自局が高優先度のフローの発信元無線局であるとき自局のＨＰＦテーブル内のＨＰＦに基づいて自局が発信する高優先度のフローの無線信号のパケット注入レートＰＩＲの設定値Ｒｐを決定し、決定された設定値Ｒｐに基づいて自局が発信する高優先度のフローの無線信号のパケット注入レートＰＩＲを設定し、上記設定された無線信号の注入レートＰＩＲに基づいて自局が発信する高優先度のフローの無線信号を制御し（図１７のステップＳ５３）、
（ｃ）高優先度のフローのＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を受信しかつ自局が低優先度フローを伝送するノード無線局であるとき、受信したＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号の時刻に基づいて、同一のパケットフローについてパケット到着間隔ＰＡＩを計算してＰＡＩテーブルに格納し、受信した信号内のＨＰＦを高優先度のフローのＩＤに対応してＨＰＦテーブルに格納した後、
（ｃ１）自局が低優先度フローの発信元無線局であるとき、ＰＡＩテーブルにおける当該フローのパケット信号を伝搬するノード無線局において検出される最大のパケット到着間隔ＤＭＰＡＩに基づいて、ＰＩＤ制御を用いたフローレート制御方法を用いて、当該低優先度フローのパケット注入レートＰＩＲを計算して更新し、上記設定された無線信号の注入レートＰＩＲに基づいて自局が発信する低優先度フローの無線信号を制御する（図１６のステップＳ３７）一方、
（ｃ２）自局が低優先度フローの発信元無線局でなく中継無線局であるときに低優先度フローのＣＴＳ信号を受信したとき自局のＰＡＩテーブルにおいてＤＭＰＡＩを伝搬されたＰＡＩ（ＰＰＡＩ)として選択して当該ＰＰＡＩ及び受信されたＣＴＳ信号内の伝搬されたＨＰＦ（Propagated High Priority Flow：ＰＨＰＦ）を含むＣＴＳ信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させる（図１６のステップＳ３９）。
（ｃ３）また、自局が低優先度フローの発信元無線局でなく中継無線局であるときに低優先度フローのＣＴＳ信号を受信しないとき自局のＨＰＦテーブルと受信されたＣＴＳ信号内のＨＰＦとの平均値を、新しいＰＨＰＦとして更新し、このときに、自局が高優先度のフローの発信元無線局でなく中継無線局であるとき上記新しいＰＨＰＦを含む高優先度のフローのＣＴＳ信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させる（図１８のステップＳ５９）一方、自局が高優先度のフローの発信元無線局であるとき上記新しいＰＨＰＦに基づいて自局が発信する高優先度のフローの無線信号の注入レートＰＩＲの設定値Ｒｐを決定し、決定された設定値Ｒｐに基づいて自局が発信する高優先度のフローの無線信号の注入レートＰＩＲを設定し、上記設定された無線信号の注入レートＰＩＲに基づいて自局が発信する高優先度のフローの無線信号を制御する（図１８のステップＳ５８）。
【００１９】
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、複数のノード無線局１が平面的に散在して存在し、各ノード無線局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ノード無線局１とパケット通信を行うときは、サービスエリア内のノード無線局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、各ノード無線局１は、パケットのルーティングを行うルータ装置を備え、発信端末、中継局、又は宛先端末として動作する。
【００２０】
次いで、図２を参照して、各ノード無線局１の装置構成について説明する。図２において、ノード無線局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放射パターン制御部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、上位レイヤ処理部１０７とを備える。
【００２１】
送受信すべきデータを処理する上位レイヤ処理装置１０７に従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ン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から他のノード無線局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ンネル用受信信号は、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ン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。
【００２２】
本実施形態においては、可変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放射パターン制御部１０３から構成されるものであって、より具体的には、無線信号が給電される給電素子と、この給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない複数個の非給電素子と、これら各非給電素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記アレーアンテナの指向特性を変化させる、特許文献２において開示された、いわゆる電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いることができる。本実施形態においては、可変ビームアンテナ１０１は、例えば所定のビーム幅を有するメインビームの方向を、所定の走査間隔で電気的な制御により変更可能であり、以下の放射パターンを選択的に設定して動作する。
【００２３】
（ｉ）無指向性のオムニパターン。
（ｉｉ）所定の方位角幅を有するセクターパターン。
（ｉｉｉ）上記セクターパターンを所定の方位角（例えば３０度）毎に回転しながら走査する回転セクターパターン。
（ｉｖ）例えば、公知の最急勾配法などの適応制御方法を用いて可変ビームアンテナ１０１の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向ける適応制御パターン。
【００２４】
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。
【００２５】
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とを備え、後述のパケット送受信制御処理を実行するとともに、ノード無線局１が他のノード無線局１とのパケット通信において使用すべき通信チャンネルを決定して、決定した通信チャン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、決定した通信チャン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による通信チャン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ン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。
【００２６】
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には、方位角及び信号強度レベルテーブル（ＡＳテーブル）、パケット到着間隔テーブル（ＰＡＩテーブル）及び高優先度フローテーブル（ＨＰＦテーブル）を記憶する。
【００２７】
データベースメモリ１５４に格納されたＡＳテーブルは、図１０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ＨＰＦテーブルは、図１１に示すように、高優先度フローの通信ＩＤ毎に近傍のノード無線局により伝送される他の高優先度フローの数ＨＰＦを格納する。データベースメモリ１５４に格納されたＰＡＩテーブルは、図１２に示すように、無線局１において定義された各方位角に対する、各高優先度フローのパケット到着間隔ＰＡＩを格納する。
【００２８】
本実施形態のアドホック無線ネットワークはパケット通信システムであり、このパケット通信システムで用いるパケットデータは、図３に示す一般的な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、宛先のＩＤと、パケット種別（ビーコン、ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＤＡＴＡ、ＡＣＫなど）と、自局のＩＤと、データ（上位レイヤでのデータなどを含む）とを含む。なお、本実施形態では、図４（ａ）に示すような特殊なフォーマット形式のＲＴＳ信号と、図４（ｂ）に示すような特殊なフォーマット形式のＣＴＳ信号を使用する。
【００２９】
ＲＴＳ信号は、図４（ａ）に示すように、宛先無線局ＩＤフィールド、パケット種別フィールド、発信元無線局ＩＤフィールド、通信ＩＤフィールド、優先度レベルフィールド、ＨＰＦフィールド、伝送すべきデータのフィールドを含む。ここで、通信ＩＤフィールドは、そのパケットが帰属するフローの通信ＩＤを示すために付加され、優先度レベルフィールドは、そのパケットが帰属するフローの優先度レベル（すなわち、高優先度フロー又は低優先度フロー）を示すために付加されている。ＲＴＳ信号における通信ＩＤフィールド及び優先度レベルフィールドは、進行中の通信の優先度レベルを近傍のノード無線局に通知させるために必要とされる。また、ＨＰＦフィールドは、近傍無線局における他の高優先度フローの数ＨＰＦを示す。
【００３０】
ＣＴＳ信号は、図４（ｂ）に示すように、当該信号が高優先度フローのＣＴＳ信号である場合には、宛先無線局ＩＤフィールド、パケット種別フィールド、発信元無線局ＩＤフィールド、通信ＩＤフィールド、優先度レベルフィールド（高優先度フロー又は低優先度フロー）、ＨＰＦフィールド、ＰＨＰＦフィールド、伝送すべきデータのフィールドを含む。ＣＴＳ信号における通信ＩＤフィールド及び優先度レベルフィールドは、ＲＴＳ信号の場合と同様に、進行中の通信の優先度レベルを近傍のノード無線局に通知させるために必要とされる。また、ＣＴＳ信号が低優先度フローのＣＴＳ信号である場合には、ＰＰＡＩフィールドをさらに含む。ＰＰＡＩフィールドは、その近傍における高優先度の通信の最大パケット到着間隔を示す。１つの低優先度フローの近傍に２つ以上の高優先度フローが存在する場合でも、高優先度フローの最大パケット到着間隔の逆伝搬が行われる。これは、高優先度フローが媒体にアクセスする最大の機会を得ることができてかつその期待されるパケット到着間隔が保持されるように、低優先度フローがそれ自体を繰り返し適応的に調整できることを示している。これらＲＴＳ信号やＣＴＳ信号の送受信処理については詳細後述する。
【００３１】
次いで、本実施形態のアドホック無線ネットワークで用いるＭＡＣ通信プロトコルについて以下に説明する。本実施形態に係るアドホック無線ネットワークにおいて、互いに無線通信を行う１組のノード無線局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。各ノード無線局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。各ノード無線局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つのノード無線局１で複数の送受信を行うことはできない。
【００３２】
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、ＡＳテーブルを形成するためのフェーズが追加の命令信号や応答信号と共に加えられる。従って、データ通信は周期的な、ＡＳテーブル生成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。
【００３３】
図１３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端末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、ＲＴＳ送信及びＲＴＳ／ＣＴＳ受信における開始部分では、オムニパターンとセクターパターンが使用される。さらに、待ちノード無線局１は指向性ＲＴＳ信号がどの方向から到着するかを認識しないため、回転セクターパターンが使用される。本実施形態に係るＡＳテーブルの場合のＲＴＳ信号の送信時間は、特許文献１において開示された従来技術のＭＡＣプロトコルで用いるＳＩＮＲテーブルにおけるＲＴＳ信号の送信時間の２倍であることに注意を要する。また、ＲＴＳ信号の送信及びＣＴＳ信号の受信におけるセクターパターンのビームの方向は、図１０のＡＳテーブルから得ることができる。
【００３４】
次いで、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ノード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１３の制御パターンについて以下に詳細に説明する。まず、送信元ノード無線局はＡＳテーブルにより示される宛先無線局にビームを向けるセクターパターンを用いて当該宛先無線局に対してＲＴＳ信号を送信する一方、宛先無線局は回転セクターパターンを用いてＲＴＳ信号を受信し、上記ＲＴＳ信号内のノード無線局ＩＤを検出したときは、当該送信元ノード無線局のノード無線局ＩＤに基づいて方位角及び信号強度レベルテーブルにより示される当該送信元ノード無線局にビームを向けるセクターパターンを介して適応制御パターンに変更してＲＴＳ信号を受信する。次いで、宛先無線局は、引き続き上記適応制御パターンを用いてＣＴＳ信号を送信元ノード無線局に送信する一方、送信元ノード無線局は上記セクターパターンから上記適応制御パターンに変更してＣＴＳ信号を受信することにより、宛先無線局との無線リンクを確立する。その後、送信元ノード無線局及び宛先無線局はともに上記適応制御パターンを用いてデータ信号及びＡＣＫ信号の送受信を実行する。すなわち、送信元ノード無線局は適応制御パターンを用いてデータ信号を送信する一方、宛先無線局は送信されたデータ信号を適応制御パターンを用いて受信する。次いで、宛先無線局は、データ信号を受信したことの確認信号としてＡＣＫ信号を適応制御パターンを用いて送信元ノード無線局に対して送信し、一方、送信元ノード無線局はこのＡＣＫ信号を適応制御パターンを用いて受信する。
【００３５】
図１３に図示する本実施形態に係る制御パターンにおいては、ＲＴＳ信号の受信から、セクターパターンから適応制御パターンに変更したアンテナの放射パターンを、宛先無線局及び送信元ノード無線局において用いているが、適応制御パターンを用いず、セクターパターンのみを用いるようにしてもよい。
【００３６】
本実施形態に係る図１０のＡＳテーブルを使用する提案されたＭＡＣプロトコルにおいては、各ノード無線局１は下記のステップを周期的に実行する。
【００３７】
（ｉ）隣接ノード無線局１−ｉ，１−ｊ，１−ｋを有するノード無線局１−ｎは、常に回転セクターパターンを用いた受信モードで待機している。回転セクターパターンでは、ノード無線局１−ｎはその可変ビームアンテナ１０１を制御し、各方向において受信される信号を全方向における順次方向性受信の形式で検出する。本実施形態においては、３０度のビーム幅を有しかつ水平面内で互いに隣接した１２個のセクターパターンを順次に用いて、３６０度の方位角をすべて走査する。
（ｉｉ）無線チャンネルが空いている場合はいつでも、各ノード無線局１はオムニパターンを用いてビーコン信号をその近傍のノード無線局に対して送信する。提案されたこのＭＡＣプロトコルの方法においては、図１４が示すように２つのパケット信号がビーコンとして順次送信される。ビーコンの第１のパケット信号は、回転セクターパターンにおける受信するノード無線局によるビーコン信号が送信中であるか否かの検出において一助となる。次いで、受信機がビーコンの第２のパケット信号を受信し、復号化する。ビーコンの第２のパケット信号は、ノード無線局ＩＤを含んでいる。ここで、全１２方向を回転する時間は、１つのパケット信号の持続時間よりも短く設定する必要がある。
（ｉｉｉ）回転セクターパターンでは、ノード無線局１−ｉがその回転の間に１つの回転セクターパターンにおいて他のノード無線局１−ｎからのビーコンの第１のパケットを検出すると、ノード無線局１−ｉはその検出されたセクターパターンにおいて回転を停止し、ノード無線局１−ｉからのビーコンの第２のパケットを受信する。第２のパケットの信号強度レベルが測定され、ノード無線局１−ｉのノード無線局ＩＤが復号されると、検出されたセクターパターンの方位角がそのビーコン信号を送信した隣接ノード無線局１−ｉの方位角になる。
（ｉｖ）ノード無線局１−ｎは、ノード無線局１−ｎのＡＳテーブルのノード無線局１−ｉのエントリにこれら検出された情報の書込みをする。図１０において、方位角ＡＮＧＬＥｎ，ｉ（ｔ）は、その時刻ｔにおける受信されたセクターパターンのノード無線局１−ｉからノード無線局１−ｎへの方向の方位角であり、ＳＩＧＮＡＬｎ，ｉ（ｔ）はノード無線局１−ｎのそのセクターパターンにおけるノード無線局１−ｉから受信された信号レベルである。
（ｖ）ノード無線局１−ｎは、ノード無線局１−ｉ，１−ｊ，１−ｋから順次ビーコン信号を受信することにより、ノード無線局１−ｎのＡＳテーブルのノード無線局１−ｉ，１−ｊ，１−ｋのエントリ全体を累積して更新格納する。
【００３８】
ところで、特許文献１に係る従来技術のプロトコルでは、任意のノード無線局１−ｎがセットアップ信号を送信してそれに基づくＳＩＮＲテーブルの形成を開始する。ここで、送信機のための方位角は必ず受信機用の方位角とは異なるため、ノード無線局１−ｎからの方向の同報通信を行わない（例えば１２個のＲＱパケット信号なしの）受信ノード無線局における回転セクターパターンによる方位角予測は適当でない。従って、方位角情報による１２個のＲＱパケット信号だけでなく、ＲＥパケット信号によるセットアップパケット信号及び１２個のＲＱパケット信号の受信機からの方位角情報の変換を使用することも必要である。また、あらゆる周辺ノード無線局から多くのセットアップパケット信号と１２個のＲＱパケット信号を受信する各ノード無線局は、ＲＥパケット信号を介してすべての隣接ノード無線局にそれぞれ応答しなければならないという問題点を有していた。
【００３９】
これに対して、本実施形態のアドホック無線ネットワークにおいて使用されるＭＡＣ通信プロトコルでは、各ＡＳテーブルはビーコンの受信ノード無線局において作成されるため、回転セクターパターンを受信モードとして使用して無指向性ビーコンの方位角予測を行うことが可能である。各ノード無線局における異なる送信電力の非対称性リンクの問題は、ビーコンに送信電力情報を追加することにより回避することができる。結果的に、１２個のＲＱパケット信号やＲＥパケット信号なしであってもわずか２つのパケット信号をビーコン信号として送信すればよい。さらに、このビーコン信号はオムニパターンで送信されるために、各ノード無線局は近傍に向けてビーコン信号を一度だけ送信すれば足りる。つまり、各ノード無線局は、わずか１つのビーコン信号を送信するだけで隣接するすべてのノード無線局に受信された方位角を予測させることが可能であり、隣接ノード無線局の数だけビーコン信号を送信する必要はない。
【００４０】
さらに、提案された本実施形態に係るＭＡＣプロトコルでは、各ノード無線局が隣接ノード無線局の方位角を予測する際にＳＩＮＲではなく信号強度レベルをリンク品質のパラメータとして使用するために、本実施形態に係るＭＡＣプロトコルは、特許文献１に開示された従来技術のプロトコルにおける方位角毎のＳＩＮＲテーブルにおける干渉の問題を回避することができる。
【００４１】
各ノード無線局からのビーコンのパケット信号は、同じ送信間隔で送信される。この場合は、各ノード無線局がビーコン信号の遷移タイミングをランダムに選ぶとしても、複数のビーコン信号が同時に送信されれば、その受信機側で発生する衝突により無指向性ビーコン信号の幾つかが失われる可能性もある。オムニパターンでの受信モードではビーコン信号は復号され得ないが、回転セクターパターンでは、複数のビーコン信号をセクターパターンで分割することができる点に注意することを必要とする。ここで、この衝突の確率は、各ノード無線局１が送信間隔を選択することに従ってより低く抑えることができる。例えば、当該無線ネットワークシステムにおける基準周期時間間隔ｔｉに対する持続時刻ｔｄのウィンドウからランダムなタイミングを選択することができる（ｔｄ＜ｔｉ）。
【００４２】
次いで、本発明に係る実施形態のアドホック無線ネットワークにおいて用いるフローレート制御方式について、すなわち、パケット注入レートを制御することによってサービスを差別化する方法について以下に説明する。
【００４３】
図５は、従来技術における問題点を示す図であって、オムニアンテナを用いたとき、ルートカップリングに起因して低優先度フロー（Ｓ２−Ｄ２）が高優先度フロー（Ｓ１−Ｄ１）を妨害する（又は２つのフローが競合する）場合を示す平面図であり、ここで、点線はオムニアンテナを用いたことに起因するノード無線局間の無線接続を示す。
【００４４】
低優先度フローのルート上の各ノード無線局は高優先度フローのフローレートを検出してこれを測定するが、この検出及び測定は、発信元無線局から宛先無線局までのルーティングに関与する各ノード無線局のＭＡＣ層において行う必要がある。詳しくは、低優先度フローのパケット信号を伝送するノード無線局（例えば図５のノード無線局Ｓ２，Ｎ２，Ｎ３，Ｄ２）は、高優先度フローのパケット信号を伝送するノード無線局（例えば図５のノード無線局Ｓ１，Ｎ１，Ｄ１）からの連続的なＲＴＳ信号及び／又はＣＴＳ信号の受信間隔を記録することにより、低優先度フローのパケット信号を伝送するノード無線局の各近傍における高優先度フローのフローレートを測定できるようになる。例えば、図５の例では、ノード無線局Ｎ３は、高優先度フローのパケット信号を伝送するノード無線局Ｎ１からＲＴＳ信号を受信し、各時刻における高優先度フローのフローレートを測定することができる。測定されたフローレートの情報は、低優先度フローの発信元無線局であるノード無線局Ｓ２に逆伝搬され、ノード無線局Ｓ２は、高優先度フローのフローレートをその所望レベルに保持するために、計算により制御量を決定してそのパケット注入レートを適応的に調整する。
【００４５】
例えば図５において、連続的な低優先度フローであるフロー「Ｓ２−Ｎ２−Ｎ３−Ｄ２」（又は、フロー「Ｓ２−Ｄ２」と表記する。）が存在したとする。このフローが単独で動作する場合、そのフローレートは予め定義された値に固定される。ここで、高優先度フローであるフロー「Ｓ１−Ｎ１−Ｄ１」（又は、フロー「Ｓ１−Ｄ１」と表記する。）が動作を開始する。この高優先度フローのフローレートを予め定義されたレベルに固定して保持することを所望していると仮定する。しかしながら、図５におけるこれらの２つのルートはルートカップリングを発生させるほど十分に近接しているため互いに干渉し合い、これにより、高優先度フローのフローレートは、低優先度フローとの間で干渉しているノード無線局Ｎ１及びＤ１において低下する。
【００４６】
本実施形態に係るフローレート制御方式を構築する際における本発明者らの目的は、低優先度フローに属するノード無線局において、高優先度フローのフローレートの低下を検出し、かつ検出された低下についての情報を低優先度フローの発信元無線局へ逆伝搬して戻すことにあり、これにより、低優先度フローの発信元無線局は、低優先度フローのフローレートを適応的に低下させて、高優先度フローのフローレートをその予め定義された値に保持することができる。
【００４７】
これを実行するに当たって、ノード無線局Ｎ３及びＤ２はともに、ノード無線局Ｎ１によって送信されるＲＴＳ信号とノード無線局Ｄ１によって送信されるＣＴＳ信号とから、高優先度フロー「Ｓ１−Ｄ１」の存在を検出する。高優先度フロー「Ｓ１−Ｄ１」が検出されたことは、この高優先度フローから遠く離れた、低優先度フローの発信元無線局Ｓ２には未知のままである。よって、ノード無線局Ｄ２は、ＣＴＳ信号の援助により、高優先度フロー「Ｓ１−Ｄ１」が検出されたという情報をノード無線局Ｎ３に送信する。ノード無線局Ｎ３は、ノード無線局Ｎ２にＣＴＳ信号を送信しなければならない際に、それ自体が検出した高優先度のトラフィックについての情報と、ノード無線局Ｄ２から受信した情報（すなわち、ノード無線局Ｄ２において高優先度フロー「Ｓ１−Ｄ１」が検出されたという情報）とを結合し、フロー内の競合についての１つ又は複数の情報を重複的に考慮して、ＣＴＳ信号を用いてこれをノード無線局Ｎ２に送信する。次に、ノード無線局Ｎ２は、ＣＴＳ信号を用いて、ノード無線局Ｎ３から受信された情報とノード無線局Ｎ２において取得された情報とをノード無線局Ｓ２に送信して戻す。最後に、発信元無線局であるノード無線局Ｓ２は、フローの媒体における競合を考慮して、適応的にパケット注入レートを低下させるように決定する。ゆえに、媒体における高優先度フローとの競合についての情報は、余分なパケットの送信を必要とせずに、低優先度フローの発信元無線局Ｓ２へ送信され、この発信元無線局Ｓ２は低優先度フローのパケット注入レートを適応的に低下させる。以上のようなシステムによれば、媒体内に競合が存在しない場合には、低優先度フローであってもその予め定義されたフローレートで動作することができる。
【００４８】
本実施形態では、高優先度フローが低優先度フローと競合する場合に、高優先度フローへのフローレートに関して特定レベルのサービス保証を達成しようとしている。このために、本願明細書では、オムニアンテナ（無指向性アンテナ）を使用するオーバーヘッドの極めて少ないプロトコルを用いたフローレート制御方式を提案し、次いで、全体のスループットが向上するように指向性アンテナを使用してこのフローレート制御方式を変形した実施形態を提案する。
【００４９】
次に、本実施形態のアドホック無線ネットワークにおいて使用されるフローレート制御方式の原理として用いている、制御理論的アプローチについて説明する。なお、本願明細書において、数式がイメージ入力された墨付き括弧の数番号と、数式が文字入力された大括弧の数番号とを混在して用いており、また、当該明細書での一連の数式番号として「式（１）」の形式を用いて数式番号を式の最後部に付与して用いることとする。
【００５０】
まず、本実施形態で使用されるフローレート制御方式に係る制御理論的アプローチである比例積分微分（ＰＩＤ）制御方式に関するいくつかの準備段階から説明する。
【００５１】
図６は、基本的な帰還型コントローラ装置の構成を示すブロック図である。帰還型コントローラ装置を、測定可能なプロセス変数である出力信号Ｙを設定値として、周知の所望の設定値Ｒ（設定値信号）の方向へ駆動すべくプロセスに何らかの制御を働かせる制御信号の出力ｕを発生させるように設計する（図６）。帰還型コントローラ装置は、アクチュエータを使用してプロセスに作用し、センサを使用して結果を測定する。
【００５２】
図６において、帰還型コントローラ装置は、減算器１１ｔと、コントローラ１２と、制御対象のプラント装置１３とを備えて構成される。加算器１１は入力される設定値信号Ｒから、プラント装置１３から出力される出力信号Ｙを減算して、減算結果の信号であるトラッキング誤差信号ｅをコントローラ１２に出力する。コントローラ１２は、入力されるトラッキング誤差信号ｅに基づいて所定の制御方法を用いて制御するための制御信号ｕを発生してプラント装置１３に出力する。プラント装置１３は、入力される制御信号ｕに基づいてその動作が制御され、そのときのプラント装置１３からの出力信号Ｙが減算器１１に出力されるとともに、外部装置に出力される。
【００５３】
以上説明したように、図６の帰還型コントローラにおいては、設定値信号（Ｒ）とプロセス変数である出力信号（Ｙ）の測定値との誤差信号ｅを観察することによりその出力信号を決定する。誤差信号ｅは、プロセス上の外乱又は負荷がプロセス変数を変更すると発生するが、図６の帰還型コントローラ装置の役割は、この誤差信号ｅを自動的に排除して０にすることにある（例えば、非特許文献１３参照。）。
【００５４】
初期の帰還型制御装置は、その制御構成において明示的又は暗示的に比例積分及び微分（ＰＩＤ）制御の各動作の考案を使用した。ここで、ＰＩＤ制御を厳密に理論的に考察したのは、１９２２年に発表されたミノルスキー（Minorsky）による船舶操舵に関する現象研究であった（例えば、非特許文献１４参照。）。ＰＩＤコントローラは、現代の産業プロセスにおいていまだ最も広範囲に使用されている制御構成である（例えば、非特許文献１５参照。）。ここで、ＰＩＤ制御アルゴリズムの一般式は、次式で表される。
【００５５】
【数１】
【００５６】
ここで、変数（ｅ）は、減算器１１により計算され、所望の入力値である設定値信号（Ｒ）と実際の出力信号（Ｙ）との差であるトラッキング誤差信号を表す。この誤差信号（ｅ）はＰＩＤコントローラ１２に送られ、ＰＩＤコントローラ１２はこの誤差信号ｅの導関数及び積分の双方を計算する。ＰＩＤコントローラ１２を通過した直後の制御信号（ｕ）は、この時点で、比例利得（Ｋｐ）×誤差信号の大きさ（ｅ）＋積分利得（Ｋｉ）×誤差信号（ｅ）の積分＋微分利得（Ｋｄ）×誤差信号（ｅ）の導関数に等しい。
【００５７】
比例利得（Ｋｐ）は、制御信号ｕの立ち上り時間を短縮する効果を有し、かつ定常状態の誤差を、完全に排除はしないものの低減させる。積分利得（Ｋｉ）は定常状態の誤差を排除する効果を有するが、過渡応答を悪化させる場合がある。微分利得（Ｋｄ）は、システムの安定度を高め、オーバーシュートを低減し、過渡応答を向上させる効果を有する。上記の式はＰＩＤコントローラ１２の連続表示の式であり、離散表示に変換されなければならない。これを行う方法は幾つか存在するが、一次有限差分を使用するものが最も簡単である。ここで、比例する誤差項も、やはり基準値と現在値との誤差を用いる。微分項及び積分項は、次式で置き換えできる。
【００５８】
【数２】
【数３】
【００５９】
ここで、ｗは積分制御のウィンドウである。従って、上記式の最終形式は、次式で表される。
【００６０】
【数４】
【００６１】
従って、所望の出力信号Ｙを計算するためには、現在の誤差、誤差合計及び誤差の最近の変化を求めることが必要になる。
【００６２】
次に、以上説明したＰＩＤ制御方式を図１のアドホック無線ネットワークに適用した場合の、優先度に基づいたフローレート制御方法について説明する。
【００６３】
図７は、図６のフィードバックコントローラを図１のアドホック無線ネットワークに適用した場合の、優先度に基づいたフローレート制御装置を概略的に示すブロック図である。図７は、図１のアドホック無線ネットワークにおいて単一の高優先度フローと複数ｎ個の低優先度フローとが存在する場合に、当該ネットワーク内の基本的なフローレート制御を１つのフローレート制御装置として概略的に示している。
【００６４】
図７のフローレート制御装置は、高優先度フローの設定値信号Ｒｐからフィードバック信号である出力信号Ｙを減算して、その減算結果であるトラッキング誤差信号ｅを出力する減算器２０と、各低優先度フローＬ１，…，Ｌｎの発信元無線局にそれぞれ設けられ、トラッキング誤差信号ｅの入力に基づいて、各低優先度フローＬ１，…，ＬｎのフローレートをＰＩＤ制御する低優先度フローコントローラＬＰＣ１，…，ＬＰＣｎからなるフローコントローラ２１と、１つの高優先度フローＨ及びｎ個の低優先度フローＬ１，…，Ｌｎのパケット信号を伝送するネットワークにおけるフローシステム２２と、各低優先度フローＬ１，…，Ｌｎのパケット信号を伝送する無線局にそれぞれ設けられ、これら各低優先度フローＬ１，…，Ｌｎのパケット信号と結合する高優先度フローＨのフローレートを測定し、当該フローレートを逆伝搬させるシステム２３とを備えている。従って、フローコントローラ２１によってそれぞれ制御された各低優先度フローＬ１，…，Ｌｎのフローレートが図６のコントローラ１１の制御信号ｕに対応し、図７のフローシステム２２からの出力信号が図６の出力信号Ｙに対応し、当該出力信号Ｙはシステム２３により逆伝搬されて減算器２０にフィードバックされる。
【００６５】
図７の説明では、特に、無線ネットワーク内の単一の高優先度フローと複数ｎ個の低優先度フローが互いにカップリングされる場合、すなわちこれらのフローのルートは（１つ又は複数の）共通のノード無線局を共用し、もしくは互いに干渉し合うほど十分に近接しているかの何れかである場合を仮定する。この場合、高優先度フローを所望のフローレートの設定値Ｒｐに保持するために、各低優先度フローは、高優先度フローのフローレートの出力信号Ｙが可能な限り設定値Ｒｐに近づくように、ＰＩＤ制御方式を用いて各低優先度フローの発信元無線局においてそのフローレートの制御信号ｕを適応的に変化させている。各低優先度フローは、高優先度フローを保護するために同様の制御方式を使用している。各低優先度フローＬｉのパケット信号を伝送するノード無線局は、高優先度フローとのカップリングが存在すれば、その高優先度フローのフローレートを測定して、測定値Ｍｉを取得する。この情報は、低優先度フローのパケット信号をそれぞれ発信した各発信元無線局ＳＬに逆伝搬される。これにより、各低優先度フローＬｉの発信元無線局はフローレートＹを決定し、ＰＩＤ制御方法を用いて当該制御処理が実行される。これに基づいて、各低優先度フローの発信元無線局は当該低優先度フローのフローレートを調整し、当該プロセスが反復される。
【００６６】
上述した従来技術のＰＩＤコントローラと、本発明に係る実施形態において用いられるフローレート制御方式との間には、重大な違いがあることは注目すべき点である。本実施形態において用いられるフローレート制御方式では、低優先度フローコントローラＬＰＣ１，…，ＬＰＣｎの出力信号値ｕ（すなわち低優先度フローのフローレート）をゼロに設定するとき、他に低優先度フローがまったく存在しなければ、高優先度フローのフローレートＹはその所望のフローレートの設定値Ｒｐに達することが容易に分かる。よって、高優先度フローのフローレートを所望の値に保持する課題だけに焦点が合わされていれば、この解決方法は従来的な意味でのコントローラをまったく必要としない。しかしながら、本実施形態に係るアドホック無線ネットワークにおける目的は、高優先度フローのフローレートの設定値ＲｐＨをその所望レベルに保持しつつ低優先度フローのフローレートの設定値ＲｐＬを最大化することにある。これは、最大−最小（max-min）フローレート制御に類似するものであり、この場合、本実施形態において用いられるフローレート制御方式は、高優先度フローのフローレートの設定値ＲｐＨをその所望値より低下させることなしに低優先度フローのフローレートの設定値ＲｐＬをさらに増加させることができなくなるような方法で、設定値ＲｐＬの値を動的に調整しかつ制御することにより、設定値ＲｐＨをその所望のレベルに保持する。この種の必要条件は従来のＰＩＤ制御には存在せず、よって、本発明に係る実施形態のアプローチは従来技術のＰＩＤ制御方法に対して新規性を有するものである。引き続き、これについて説明する。
【００６７】
無線通信システム内に複数の高優先度フローが複数の低優先度フローとともに存在し、これらが互いにカップリングされている場合、単一の高優先度フローに割り当てられる所望のフローレートの設定値Ｒｐはもはや有効ではない。これは、低優先度フローが存在しないときであっても、２つ以上の高優先度フローの間のカップリングにより、高優先度フローのすべてがそれらのフローレートを保持する余地がないからである。よって、複数の高優先度フローが互いにカップリングされる場合には、高優先度フローのための新たな設定値を動的に決定する必要がある。例えば、単一の高優先度フローが毎秒５０パケットの保証されたフローレートで動作することを無線通信システムが許容しているとき、この同じシステムは、システム内に２つのカップリングされた高優先度フローが存在する場合に同一のフローレートを保証することはできない。この場合、各高優先度フローに保証されるフローレートは、例えば毎秒３０パケットになる。そして他の低優先度フローは、この時点で、各高優先度フローに割り当てられた新たなフローレートを保護しようとする。
【００６８】
分散環境において高優先度フローの設定値を動的に変化させるために、各高優先度フローは、その近傍における他の高優先度フローの存在をモニタリングする。高優先度フローＨ１がその近傍にもう１つの高優先度フローＨ２を検出し、これらの２つの高優先度フローが互いにカップリングされる可能性が生じる場合には、フローＨ１は、その設定値を、予め定義された値Ｒｎｅｗ１に変化させる。ここで、Ｒ＞Ｒｎｅｗ１であり、単位はパケット／秒とする。同様に、高優先度フローＨ２も高優先度フローＨ１を検出し、同じくその設定値を値Ｒｎｅｗ１に変化させる。
【００６９】
また、高優先度フローＨ１がその近傍に２つの高優先度フローを検出すれば、高優先度フローＨ１は、その設定値を、予め定義された他の値Ｒｎｅｗ２に変化させる。これらの設定値は、実験により予め定義される場合もあり、また最適な媒体利用のために適応的に計算されることも可能である。後述のシミュレーションでは、簡単化のために、設定値は実験で予め定義されていることを仮定している。
【００７０】
高優先度フローＨ１のフローレートの設定値が値Ｒｎｅｗ１又はＲｎｅｗ２に変更された後で、指定された時間期間にわたって高優先度フローＨ１がその近傍に他の高優先度フローの存在を何ら検出しなければ、高優先度フローＨ１のフローレートの設定値は元の値Ｒに戻される。
【００７１】
低優先度フローはその近傍における高優先度フローのフローレートを測定し、さらに高優先度フローの設定値を取得する。低優先度フローは、これに応じてそのフローレートを調整し、最も弱い高優先度フローを保護する。本実施形態における「最も弱い高優先度フロー」とは、当該高優先度フローの設定値が値Ｒｎｅｗであるときに、最大の誤差信号値ｅ＝（Ｒｎｅｗ−Ｙ）を有するフローである。以上述べた低優先度フローの処理は、当然ながらその近傍における他の高優先度フローの保護を保証する。
【００７２】
次に、指向性の可変ビームアンテナ１０１を使用するフローレート制御方式の実装について説明する。
【００７３】
ここまでは、図５を参照し、近傍ノード無線局として、オムニアンテナを使用する無指向性のノード無線局が存在する場合について考察した。しかしながら、図２のように、指向性の可変ビームアンテナ１０１を用いたアドホック無線ネットワークに適応させるように、本実施形態に係るフローレート制御方式を変形するためには、指向性のＭＡＣと、その指向性の近傍ノード無線局とについて考察する必要がある。本発明者らは、非特許文献１６及び１７において、近傍ノード無線局のロケーションを追跡する能力のある、受信機が使用する回転セクタに基づく指向性ＭＡＣプロトコルを実装した。従って、各ノード無線局１−ｎは、その近傍に位置しかつ指向性の可変ビームアンテナ１０１を備えたノード無線局１−ｍを認識し、この情報は各ノード無線局１−ｎ内のデータベースメモリ１５４に格納された方位角及び信号強度テーブル（ＡＳテーブル）に記録される。
【００７４】
ある実施形態では、ＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号は無指向性のアンテナパターンを用いて送信されるのに対して、データパケット信号及びＡＣＫパケット信号は指向性のアンテナパターンを用いて送信される。アドホック無線ネットワークにおける指向性の可変ビームアンテナ１０１の使用により、無線干渉を大幅に低下させることが可能であり、従って、無線媒体の利用は向上する（非特許文献８、１６及び１７を参照）。指向性の可変ビームアンテナ１０１のこの特性は、本発明の実施形態に係るフローレート制御方式のプロトコルの効率を改善するために使用される。
【００７５】
図８は以上のことを示し、本実施形態において、セクターパターンのアンテナパターンを可変ビームアンテナ１０１に設定して用いたとき、低優先度フロー（Ｓ２−Ｄ２）が高優先度フロー（Ｓ１−Ｄ１）と同時に存在することができることを示す平面図である。図８の状況では、図５の同時に存在する高優先度のトラフィック「Ｓ１−Ｄ１」及び低優先度のトラフィック「Ｓ２−Ｄ２」は、可変ビームアンテナ１０１を各ノード無線局Ｓ１，Ｎ１，Ｄ１，Ｓ２，Ｎ２，Ｎ３，Ｄ２に設けることによって、互いに妨害し合うことなく共存することが可能である。オムニアンテナを使用する場合（図５）、このことは不可能であろう。よって、指向性の可変ビームアンテナ１０１を用いた場合、低優先度のトラフィック「Ｓ２−Ｄ２」は、高優先度のトラフィック「Ｓ１−Ｄ１」が存在していても、当該トラフィック「Ｓ２−Ｄ２」のパケット注入レートを制御する必要がない。指向性の可変ビームアンテナ１０１を使用すれば、優先度レベルの異なる複数のトラフィックが近接して存在していてもフロー方向にある通信からの競合だけが考慮されるという意味において、媒体における競合の検出もまた「指向性」になる（すなわち、所定の方位角における競合を検出する）。
【００７６】
ＭＡＣ（メディアアクセスコントロール）は、そのＡＳテーブルを調べて、媒体における所定の方位角における競合を検出する。指向性の可変ビームアンテナ１０１はＳＤＭＡ（空間分割多重アクセス）の効率を向上させるので、これは媒体内の他のフローの妨害を最小限に抑えながら低優先度フローのパケット注入レートをも増大させ、よって、高優先度のトラフィック及び低優先度のトラフィックのスループットが増大するに至る。それと同時に、複数の高優先度フローがカップリングされる機会は減少され、高優先度フローの性能が改善されることになる。
【００７７】
次に、本実施形態に係るフローレート制御方式における、ある高優先度フローの、他のフローによる検出及び当該高優先度フローのフローレートの測定について説明する。
【００７８】
フローによるパケット信号の送信が開始されると、パケット信号は、複数のホップを介し、かつＭＡＣ層において送信され、中間の各ノード無線局におけるパケット配送は、ＲＴＳ信号、ＣＴＳ信号、ＤＡＴＡ信号及びＡＣＫ信号の交換によって確認される。本実施形態において、ＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号は、低優先度フローの発信元無線局においてパケット注入レート制御に対して下される決定に関する、フローに関連した情報を検出しかつ逆伝搬するために使用される。
【００７９】
図８が示すように、低優先度フローは、低優先度フローと高優先度フローの向きが重なる場合にのみ、当該高優先度フローに干渉する。図８では、ノード無線局Ｎ１及びＮ３は、互いに、オムニパターンのアンテナパターンを用いた場合の送信レンジ内にあるが、ノード無線局Ｎ１からノード無線局Ｄ１へのフローは、ノード無線局Ｎ３からノード無線局Ｄ２へのフローに干渉しない。これを保証するためには、低優先度フローにおける各ノード無線局は、当該ノード無線局の可変ビームアンテナ１０１によって低優先度フローの方向に形成された送信ゾーンが、高優先度フローのパケット信号を伝送するノード無線局を含むか否かを検出することが不可欠である。送信ゾーンがそのようなノード無線局を含むならば（すなわち干渉が存在するならば）、このことは、低優先度フローが高優先度フローを妨害することを含意し、必然的に低優先度フローのフローレートを制御して高優先度フローのフローレートを保護する必要がある。以下、任意のノード無線局１−ｎが高優先度フローを検出しかつ当該高優先度フローのフローレートを測定するための機構を定式化する。そのために、まず、いくつかのパラメータを定義する。
【００８０】
＜定義１＞ノード無線局１−ｎが、可変ビームアンテナ１０１を用いて、送信レンジ（送信半径）Ｒで方位角α及びビーム幅（角度）βの送信ビームを形成するとき、方位角αにおけるノード無線局１−ｎの有効到達範囲をノード無線局１−ｎの送信ゾーンＴＺｎ（α，β，Ｒ）と定義する。図９に、この送信ゾーンＴＺｎ（α，β，Ｒ）を示す。これは、ノード無線局１−ｍが送信ゾーンＴＺｎ（α，β，Ｒ）内にありかつノード無線局１−ｍが受信モードにある場合に、ノード無線局１−ｎが、当該ノード無線局１−ｎに関する送信方位角α、ビーム幅β及び送信レンジＲでメッセージを送信するときはいつでも、上記メッセージがノード無線局１−ｍによって受信されることを含意する。ノード無線局１−ｍが送信ゾーンＴＺｎ（α，β，Ｒ）の外に移動すると、ノード無線局１−ｎとノード無線局１−ｍとの間の接続性は失われる。本実施形態では送信ビーム幅（角度）β及び送信レンジＺが一定であるので、後の議論では、送信ゾーンＴＺｎ（α，β，Ｒ）を送信ゾーンＴＺｎ（α）と呼ぶ。
【００８１】
＜定義２＞ＲＲＴＨｉ，α，ｎ（ｔ）（ＲＴＳ信号受信時刻）は、その時点で高優先度フローＨｉを取り扱っている任意のノード無線局から、ノード無線局１−ｎが、ノード無線局１−ｎに関する方位角αでＲＴＳ信号を受信する時刻ｔと定義される。
【００８２】
＜定義３＞ＰＡＩＨｉ，α，ｎ（ｔ）（パケット到着間隔）は、ノード無線局１−ｎにおいて、時刻ｔに、ノード無線局１−ｎに関する方位角αで高優先度フローＨｉから受信される、２つの連続的なＲＲＴの受信時刻の間隔と定義される。これは、指向性の可変ビームアンテナ１０１を備えた任意のノード無線局１−ｎにより、その近傍における高優先度フローのフローレート（すなわち、単位時間当たりのパケット数：１／ＰＡＩＨｉ，α，ｎ（ｔ））を測定するために使用される。この定義により、次式が成り立つ。
【００８３】
［数１］
ＰＡＩＨｉ，α，ｎ（ｔ）
＝ＲＲＴＨｉ，α，ｎ（ｔ）−ＲＲＴＨｉ，α，ｎ（ｔｐｒｅｖｉｏｕｓ） （５）
【００８４】
ここで、ＲＲＴの以前の受信時刻ｔｐｒｅｖｉｏｕｓは、ｔ−Δｔ＜ｔｐｒｅｖｉｏｕｓ≦ｔを満たす。Δｔは、ノード無線局１−ｎに到着する２つのＲＴＳ信号の有効な連続性を保証するために導入される時間周期である。例えば、ノード無線局１−ｎが、ランダムなチャンネル誤差、衝突又は移動性に起因してＲＴＳ信号を受信し損なえば、ノード無線局１−ｎは誤ったフローレートを計算する可能性がある。このようなアドホック無線ネットワークにおいて、時間周期Δｔの導入は必要である。ＲＴＳ信号を発行することのない高優先度フローの宛先無線局の場合、その高優先度フローの宛先無線局において高優先度フローのフローレートを計算するために、ＣＴＳ信号受信時刻がモニタリングされる。
【００８５】
＜定義４＞ＰＡＩＴｎ（ｔ）（ＰＡＩテーブル）は、図１２に示されたような、各方位角αにおける各高優先度フローＨｉのパケット到着間隔ＰＡＩＨｉ，α，ｎ（ｔ）を記憶した、ノード無線局１−ｎにおける時刻ｔでのパケット到着間隔テーブルと定義される。
【００８６】
これで、ノード無線局１−ｎにおける低優先度フローが高優先度フローとの競合を発生させているか否かは、低優先度フローの送信方向又は送信ゾーンと、そのゾーン内で進行中の高優先度の通信とに依存する。ここで、ノード無線局１−ｎにおける低優先度フローは、ノード無線局１−ｎに関する送信ゾーンＴＺγを使用しているものと仮定する。言い替えれば、送信ゾーンＴＺγの方位角γは、ノード無線局１−ｎにおける、ある時刻ｔでの低優先度フローの向きである。ノード無線局１−ｎにおけるこの低優先度フローがその近傍における任意の高優先度フローとの競合を発生させているか否かは、送信ゾーンＴＺγの方位角γ方向におけるＰＡＩテーブルのエントリに依存する。すなわち、送信ゾーンＴＺγの方位角γ方向において、ＰＡＩテーブルが｛＜ＰＡＩＨｊ，γ，ｎ（ｔ）＞＜ＰＡＩＨｋ，γ，ｎ（ｔ）＞…｝のような高優先度フローに関する何らかのＰＡＩのエントリを含んでいる場合には、低優先度フローのレート調整のために、次式で定義される高優先度フローに関するＰＡＩの最大値ＭＡＸＰＡＩ（γ，ｔ）が、当該低優先度フローの発信元無線局に逆伝搬される必要がある。
【００８７】
［数２］
ＭＡＸＰＡＩ（γ，ｔ）
＝ＭＡＸ｛＜ＰＡＩＨｊ，γ，ｎ（ｔ）＞，＜ＰＡＩＨｋ，γ，ｎ（ｔ）＞，…｝ （６）
【００８８】
ＭＡＸＰＡＩ（γ，ｔ）は、低優先度フローのパケット信号を伝送するノード無線局が、これらのＰＡＩ値の最大値がフローレートの最小値を示すという意味において最も影響される高優先度フローを識別することを援助することは注目すべき点である。従って、この低優先度フローは、この最大のＰＡＩを保護するために当該低優先度フローのフローレートを調整するように試み、これにより、ＰＡＩの最大値を有する高優先度フローだけではなく、他の高優先度フローも自動的に保護される。
【００８９】
次に、低優先度フローの発信元無線局による、高優先度フローのフローレートの分散測定技術について検討する。発信元無線局Ｓから宛先無線局Ｄへのルート「Ｓ→Ｎ１→…→Ｎｋ−１→Ｎｋ→Ｎｋ＋１→…→Ｄ」が低優先度フローであるとすると、各ノード無線局は、ＰＡＩＨｉ，α，Ｎｋ（ｔ）を用いて、高優先度フローのフローレートを独立に測定している。低優先度フローの各ノード無線局で測定される高優先度フローのフローレートは、互いに異なっている可能性がある。ただし、制御決定を下すためには、低優先度フローの発信元無線局は、フローレートのボトルネック情報、すなわち、フロー「Ｓ→Ｎ１→…→Ｎｋ−１→Ｎｋ→Ｎｋ＋１→…→Ｄ」における各ノード無線局で測定されたすべてのフローレート値のうちの最低値を認識する必要がある。言い替えれば、発信元無線局Ｓは、低優先度フロー「Ｓ→Ｎ１→…→Ｎｋ−１→Ｎｋ→Ｎｋ＋１→…→Ｄ」の全ノード無線局におけるＭＡＸＰＡＩの最大値を知る必要がある。
【００９０】
議論を簡単化するため、これまでは１つだけの低優先度フローが存在する場合について考察してきた。しかしながら、１つのノード無線局は複数の低優先度フローに含まれている可能性がある。よって、ＭＡＸＰＡＩを、任意の方位角γの絶対値ではなく、フローの通信ＩＤ及びその通信ＩＤに係るフローの向きに関連付ける必要がある。そこで定義５において、ＭＡＸＰＡＩの定義を下記のように変更する。
【００９１】
＜定義５＞ＤＭＰＡＩ（Ｎｋ）Ｌｉ（ｔ）又は時刻ｔにおいて低優先度フローＬｉのパケット信号を取り扱って伝送するノード無線局Ｎｋで検出される最大パケット到着間隔を、ノード無線局Ｎｋで検出される低優先度フローＬｉの向きにおける高優先度フローの最大ＰＡＩと定義する。
【００９２】
＜定義６＞ＰＰＡＩ（Ｎｋ）Ｌｉ（ｔ）（伝搬パケット到着間隔）は、低優先度フローＬｉの一部「Ｎｋ＋１→…→Ｄ」の各ノード無線局によって測定された値であって、ノード無線局Ｎｋ＋１からの、ノード無線局Ｎｋにおける、高優先度フローの最大のＰＡＩの伝搬された値である。よって、次式が成り立つ。
【００９３】
［数３］
ＰＰＡＩ（Ｎｋ）Ｌｉ（ｔ）
＝ＭＡＸ｛ＤＭＰＡＩ（Ｎｋ＋１）Ｌｉ（ｔ），…，ＤＭＰＡＩ（Ｄ）Ｌｉ（ｔ）｝ （７）
［数４］
ＰＰＡＩ（Ｎｋ−１）Ｌｉ（ｔ）
＝ＭＡＸ｛ＤＭＰＡＩ（Ｎｋ）Ｌｉ（ｔ），ＰＰＡＩ（Ｎｋ）Ｌｉ（ｔ）｝ （８）
【００９４】
よって、ＰＰＡＩ（Ｓ）Ｌｉは、低優先度フローＬｉの発信元無線局Ｓによって最終的に検出される、高優先度フローの最大パケット到着間隔である。低優先度フローＬｉの発信元無線局Ｓは、この情報を使用して低優先度フローＬｉのフローレートを適応的に制御する。
【００９５】
次に、本実施形態に係るフローレート制御方式における、低優先度フローのフローレートのフィードバック制御について説明する。
【００９６】
以下の議論では、発信元無線局におけるパケット注入間隔（ＰＩＩ）を、フローレートを制御するための尺度として考慮している。発信元無線局におけるフローのパケット注入レートＰＩＲ「パケット／秒」は、次式により計算される。
【００９７】
［数５］
ＰＩＩ＝１／ＰＩＲ （９）
【００９８】
例えば、発信元無線局におけるＰＩＩが２０ミリ秒（ｍｓｅｃ）であれば、ＰＩＲ＝５０パケット／秒である。
【００９９】
フローレートに対して何らかの制御決定を下すためには、前述のように、まずＰＩＤコントローラにおける誤差項を計算する必要がある。従って、次式の誤差信号値ｅを用いる。
【０１００】
［数６］
「任意の低優先度フローＬｉのその発信元無線局Ｓにおける誤差信号値ｅ」
＝Ｒｐ−ＰＰＡＩ（Ｓ）Ｌｉ （１０）
【０１０１】
ここで、Ｒｐは、高優先度フローの所望されるＰＡＩであり、この値Ｒｐを設定値として用いる。ＰＰＡＩ（Ｓ）Ｌｉは、低優先度フローＬｉにおけるノード無線局によって検出されかつ低優先度フローＬｉの発信元無線局Ｓへ逆伝搬される、低優先度フローＬｉの近傍における高優先度フローの最大パケット到着間隔である。各高優先度フローは予め指定されたパケット注入レートの設定値Ｒｐを有し、このパケット注入レートの設定値Ｒｐは、高優先度フローがいかなる競合に直面する必要もないときは、任意の中間のノード無線局におけるパケット到着間隔に対応するはずであることが仮定される。ネットワーク内のすべてのノード無線局がこの値を認識し、これは所望の高優先度フローのＰＡＩに対応している。前述した通り、複数の高優先度フローが存在するアドホック無線ネットワークにおいては、高優先度フローＨ１がその近傍においてもう１つの高優先度フローＨ２を検出し、これらの２つの高優先度フローがカップリングされる可能性がある場合には、フローＨ１及びＨ２は、それらの設定値を、予め定義された新しい値Ｒｎｅｗに変更し、この情報がこれらの近傍における低優先度フローに伝送される。フローＨ１が、設定値を値Ｒｎｅｗに変更した後で、指定された時間期間にわたってその近傍において他の高優先度フローの存在を検出しなければ、フローＨ１のフローレートは設定値Ｒｐに戻る。
【０１０２】
誤差信号値ｅ（ｎ）及び連続する２つの誤差信号値間の時間周期Δｔが計算されると、低優先度フローＬｉ（Ｓ）のＰＩＩは、次式のように計算される。
【０１０３】
【数５】
【０１０４】
パラメータｋｐ，ｋｉ及びｋｄの値は、最適な性能を得るように調整する必要がある。以上説明したコントローラを実装したアドホック無線ネットワークの性能についてのシミュレーション結果を後述する。
【０１０５】
図１５乃至図１９は、本実施形態に係るフローレート制御方式として、図２のノード無線局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。
【０１０６】
図１５において、まず、ステップＳ１において回転セクターパターンで可変ビームアンテナ１０１を所定方位角（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Ｓ８に進む。ステップＳ８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Ｓ９に進む一方、ＮＯのときは図１９のサブルーチンであるＰＡＩ削除処理のステップＳ１２を実行した後、ステップＳ１に戻る。ステップＳ９において送信すべきパケット信号はビーコン信号で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Ｓ１１に進む。ステップＳ１０においてオムニパターンでビーコン信号を送信した後、ステップＳ１に戻る。一方、ステップＳ１１においてその他の信号をセクターパターン又は適応制御パターンで送信し、すなわち、図１３に示すように、各信号に応じて対応する放射パターンで送信を行った後、ステップＳ１に戻る。
【０１０７】
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において受信信号はビーコン信号か否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ６に進む一方、ＮＯのときはステップＳ７に進む。ステップＳ６においてパケット情報内のノード無線局ＩＤと検出された方位角と信号強度レベルに基づいてＡＳテーブルの内容を更新した後、ステップＳ１に戻る。一方、ステップＳ７において、図１６乃至図１８のサブルーチンである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。
【０１０８】
図１５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。
【０１０９】
図１６乃至図１８は図１５のサブルーチンであるその他の信号の受信処理（ステップＳ７）を示すフローチャートである。
【０１１０】
図１６のステップＳ３１において、まず、高優先度フローのＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を受信したか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３４に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３２に進む。ステップＳ３２においてＰＰＡＩとＰＨＰＦの両方を含む低優先度フローのＣＴＳ信号を受信したか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ４０に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３３においてその他の受信処理を実行した後、元のメインルーチンに戻る。ここで、ステップＳ３３のその他の受信処理は、受信された低優先度フローのＲＴＳ信号をそのまま宛先無線局に向けて中継伝搬させる処理を含む。
【０１１１】
ステップＳ３４においては、自局が低優先度フローのパケット信号を伝送する無線局であるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３５に進み、ＮＯのときは図１７のステップＳ５１に進む。ステップＳ５１において、受信したＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号に基づいて、所定時間Ｔａ内に受信したＨＰＦの値を１だけインクリメントした後、更新したＨＰＦの値を、高優先度のフローのＩＤに対応してＨＰＦテーブルに格納する。このステップでは、高優先度フロー（例えば、フローＨｉとする。）のパケット信号を取り扱って伝送するノード無線局において、ＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を受信すると、そのノード無線局がこれまでに所定の時間内に受信したＨＰＦの値を１だけインクリメントする。その上で、そのインクリメントされたＨＰＦの値を、そのノード無線局が取り扱っているフローＨ１の通信ＩＤに対応したＨＰＦとして格納する。つまり、高優先度フローＨｉのパケット信号を取り扱って伝送するノード無線局では、常に自局のノード無線局の通信エリア内における他の隣接した高優先度フローＨｊ（ｉ≠ｊ）の数をモニタリングし、自局で取り扱っているフローＨｉのＨＰＦの値を更新する。
【０１１２】
次いで、ステップＳ５２において、自局が高優先度フローの発信元無線局か否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ５３に進み、ＮＯの時はステップＳ５４に進む。ステップＳ５３において、自局のＨＰＦテーブルのＨＰＦから決まる設定値Ｒｐに基づいて高優先度フローのＰＩＲを計算してパケット注入レートＰＩＲを更新する。その設定値Ｒｐは、予め決められた定数ｒと、ＨＰＦテーブルに格納されている中で、自局で取り扱っているフローに対するＨＰＦの値とに基づいて、次式を用いて計算される。
【０１１３】
［数７］
ＨＰＦ＝０のとき：Ｒｐ＝ｒ，
ＨＰＦ＝１のとき：Ｒｐ＝ｒ／２，
ＨＰＦ＝２のとき：Ｒｐ＝ｒ／３，
...........
ＨＰＦ＝ｎのとき：Ｒｐ＝ｒ／ｎ
（１２）
【０１１４】
上記式（１２）により決定された設定値Ｒｐをそのまま、ＰＩＲとする。
【０１１５】
［数８］
ＰＩＲ＝１／ＰＩＩ＝Ｒｐ （１３）
【０１１６】
ステップＳ５３においては、パケット注入レートＰＩＲを更新した後、元のメインルーチンに戻る。また、ステップＳ５４において、受信したＲＴＳ信号に応答して、計算されたＨＰＦを含むＲＴＳ信号を宛先無線局に向けて中継伝搬させるとともに、上記更新されたＨＰＦテーブル内のＨＰＦの値を新しいＰＨＰＦとし、当該新しいＰＨＰＦを含むＣＴＳ信号を高優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させた後、元のメインルーチンに戻る。
【０１１７】
再び図１６を参照すると、ステップＳ３５においては、受信されたＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号の時刻に基づいて、式（５）を用いてＰＡＩを計算してＰＡＩテーブルに格納し、受信した信号内のＨＰＦを、高優先度フローの通信ＩＤに対応してＨＰＦテーブルに格納する。低優先度フローのパケット信号を伝送するノード無線局においては、単に高優先度フローのＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号に含まれているノードＩＤ（高優先度フローの通信ＩＤに相当する）とＨＰＦの値を、そのままＨＰＦテーブルに格納して更新する。
【０１１８】
次いでステップＳ３６において、自局が低優先度フローの発信元無線局であるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３７に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３８に進む。ステップＳ３７では、自局のＰＡＩテーブルにおけるＤＭＰＡＩに基づいて式（７）を用いて計算されるＰＰＡＩと、上記計算されたＰＰＡＩに対応する高優先度のフローのＨＰＦから決定される設定値Ｒｐとに基づいて、低優先度フローのＰＩＲを計算してＰＩＲを更新する。このステップにおいて計算されたＰＰＡＩはＰＡＩの最小値であり、このＰＡＩの最小値に相当する高優先度フローのＨＰＦの値から、式（１２）を用いて設定値Ｒｐを計算する。計算された設定値Ｒｐに基づいて、式（９）乃至式（１１）を用いてＰＩＲを計算して更新する。
【０１１９】
ステップＳ３７においてＰＩＲを更新した後、元のメインルーチンに戻る。
【０１２０】
ステップＳ３８では、ＰＨＰＦのみを含む高優先度のフローのＣＴＳ信号を受信したかが判断され、ＹＥＳのときは、図１８のステップＳ５５に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３９に進む。ステップＳ５５において、自局のＨＰＦテーブルにおいてＨＰＦがあるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ５６に進み、ＮＯのときはステップＳ５６Ａに進む。ステップＳ５６において、受信されたＣＴＳ信号内のＨＰＦと、自局で伝送しているＨＰＦとを平均化して、その平均値を新しいＰＨＰＦとして更新し、ステップＳ５７に進む。また、ステップＳ５６Ａでは、受信したＣＴＳ信号内のＨＰＦを新しいＰＨＰＦとして設定してステップＳ５７に進む。
【０１２１】
ステップＳ５７において、自局が高優先度フローの発信元無線局か否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ５８に進み、ＮＯのときはステップＳ５９に進む。ステップＳ５８において、新しいＰＨＰＦをＨＰＦとしたときに式（１３）を用いて計算される設定値Ｒｐに基づいて式（１３）を用いて高優先度フローのＰＩＲを計算してＰＩＲを更新した後で、元のメインルーチンに戻る。ステップＳ５９において、新しいＰＨＰＦを含む高優先度のフローのＣＴＳ信号を高優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させる。なお、ステップＳ５９では、高優先度フローの通信ＩＤの時にＣＴＳ信号にＰＨＰＦを挿入するか否かを判断して実行する。そして、元のメインルーチンに戻る。
【０１２２】
さらに、図１６のステップＳ３９において、受信したＲＴＳ信号に応答して計算されたＨＰＦを含むＲＴＳ信号を宛先無線局に向けて中継伝搬させるとともに、自局のＰＡＩテーブルにおいてＤＭＰＡＩをＰＰＡＩとして選択して上記選択されたＰＰＡＩと、上記受信されたＣＴＳ信号内のＰＨＰＦとを含むＣＴＳ信号を低優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させた後、元のメインルーチンに戻る。
【０１２３】
ステップＳ４０では、自局のＰＡＩテーブルにおいてＤＭＰＡＩはあるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ４１に進む一方、ＮＯのときはそのままステップＳ４２に進む。ステップＳ４１において、受信したＣＴＳ信号内のＰＰＡＩと、自局のＰＡＩテーブルにおけるＤＭＰＡＩとを比較してより大きい値を新しいＰＰＡＩとして更新し、次いで、ステップＳ４２において、自局が低優先度フローの発信元無線局であるか否かが判断される。ステップＳ４２でＹＥＳのときはステップＳ４３に進む一方、ＮＯのときはステップＳ４４に進む。ステップＳ４３では、新しいＰＰＡＩと、自局のＨＰＦテーブル内のＨＰＦから式（１２）を用いて決定される設定値Ｒｐとに基づいて、式（９）乃至式（１１）を用いて低優先度フローのＰＩＲを計算してＰＩＲを更新し、元のメインルーチンに戻る。また、ステップＳ４４では、新しいＰＰＡＩと、受信されたＣＴＳ信号内のＰＨＰＦを含むＣＴＳ信号を低優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させる。なお、ステップＳ４４において、低優先度フローの通信ＩＤのときにＣＴＳ信号にＰＰＡＩとＰＨＰＦを挿入するか否かを判断して実行することとする。そして、元のメインルーチンに戻る。
【０１２４】
図１９は、図１５のサブルーチンであるＰＡＩ削除処理（ステップＳ１２）を示すフローチャートである。
【０１２５】
図１９のステップＳ６１において、各高優先度フローについて時間Δｔの間ＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を受信していないか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ６２に進む一方、ＮＯのときはそのまま元のルーチンに戻る。ステップＳ６２では、当該高優先度フローに対するＰＡＩをＰＡＩテーブルから削除した後、元のルーチンに戻る。
【０１２６】
以上説明したように、本実施形態のアドホック無線ネットワーク内の各ノード無線局によって実行されるパケット送受信制御処理によれば、異なる複数の優先度のフローが存在するアドホック無線ネットワークにおいて、各フローの優先度に基づいて当該フローのＱｏＳをサポートすることができる。これにより、高優先度のフローに対する低優先度フローの干渉を最小限にするように低優先度フローを制御し、高優先度のフローのスループットを向上させることができる。
【実施例１】
【０１２７】
次いで、本実施形態のアドホック無線ネットワークのシミュレーションによる性能評価について説明する。
【０１２８】
本発明者らは、本発明の実施形態に係る、フローレート制御方式を用いたアドホック無線ネットワークの性能を、クアルネット（QualNet）・ネットワークシミュレータを用いたシミュレーションによって評価した（非特許文献１８を参照）。シミュレーションでは、ＩＥＥＥ８０２．１１に基づく指向性のＭＡＣ（非特許文献１６を参照）を考慮し、また、提案した実施形態に係るプロトコルを、可変ビームアンテナ１０１を用いた場合についてのみ実装した。シミュレーションは、３０度の方位角毎に離散的にステアリングされて３６０度の範囲をカバーする擬似スイッチング式のビームアンテナの形式である、電子制御導波器アレーアンテナ装置（非特許文献１６を参照）を指向性の可変ビームアンテナ１０１として用いて行った。クォールネット・ネットワークシミュレータには、提案した実施形態に係るプロトコルを実装するために必要な変更を加えた。表１に、シミュレーションに使用したパラメータのセットを示す。
【０１２９】
【表１】
【０１３０】
まず、本実施形態に係るフローレート制御方式が実装され、低優先度フローの発信元無線局が低優先度フローコントローラＬＰＣを備えたノード無線局として動作するアドホック無線ネットワークの性能評価について説明する。
【０１３１】
議論を簡単化するために、１つの列毎に６つのノード無線局を有し、必要な場合は常にそのうちの２つの端部のノード無線局が各々発信元無線局及び宛先無線局として動作する格子状のトポロジーを仮定する。低優先度フローコントローラＬＰＣの性能評価は、次のように設定された３つの格子状トポロジーの下で行った。
【０１３２】
（Ａ）格子の第１の列に沿った単一の高優先度フローと、格子の第２の列に沿った単一の低優先度フロー：両方のフローのルートは、ルートカップリングを発生させるのに十分なほど物理的に近接している（以下、第１のトポロジーという。）。
（Ｂ）格子の第２の列に沿った単一の高優先度フローと、格子の第１及び第３の列に沿った２つの低優先度フロー：３つのルートはすべて、ルートカップリングを発生させるのに十分なほど物理的に近接している（以下、第２のトポロジーという。）。
（Ｃ）格子の第２及び第３の列に沿った２つの高優先度フローと、格子の第１の列に沿った単一の低優先度フロー：これらはすべて、ルートカップリングを発生させるのに十分なほど物理的に近接している（以下、第３のトポロジーという。）。
【０１３３】
本実施形態に係るプロトコルにおいて得られる利得を明確に示すため、静的ルートを使用してルーティングプロトコルによる影響を除去した。また、ルーティングプロトコルに起因するいかなる制御パケットも発生させないために、静的ルートを使用した。発信元無線局及び宛先無線局のペアをランダムに選択する代わりに、高優先度フローと低優先度フローとの間に競合が存在するような発信元無線局及び宛先無線局のペアを選択し、パケット注入間隔の制御の効果を実証できる状況を人工的に創出した。
【０１３４】
最初のシミュレーション結果として、上述の第１のトポロジー、すなわち、１つの高優先度フローと１つの低優先度フローとが存在する場合の低優先度フローコントローラＬＰＣの性能について説明する。
【０１３５】
図２０乃至図２３は、１つの高優先度フローと１つの低優先度フローとが存在する場合の低優先度フローコントローラＬＰＣの性能を示している。高優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＩ）について所望される設定値Ｒｐは２０ミリ秒である、すなわち、所望のパケット注入レートは毎秒５０パケットである。５１２バイトのパケットサイズ及び１００％のパケット伝送率（ＰＤＲ）の場合、パケット注入間隔ＰＩＩ＝２０ミリ秒において期待されるスループットは２０４．８ｋｂｐｓである。
【０１３６】
図２０は、低優先度フローコントローラＬＰＣを用いた場合の、高優先度フローのパケット到着間隔（ＰＡＩ）と低優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＩ）との時間的変化を示すグラフである。図２０に示されたシミュレーションでは、高優先度フロー（Ｈ）を保護するための低優先度フロー（Ｌ）のフローレート適応制御が行われている。図２０に示されたシミュレーションでは、高優先度フローのＰＩＩ（Ｈ）及び低優先度フローのＰＩＩ（Ｌ）の両方の初期値は２０ミリ秒である。ＰＩＩ（Ｌ）＝２０ミリ秒で動作する低優先度フローがカップリングされている場合には高優先度フローは２０ミリ秒のフローレートを保持できないので、低優先度フローのＰＩＩは即時かつ急激に増大して高優先度フローのフローレートを保護する。低優先度フローのフローレートは、漸次減少し、平均してＰＩＩ（Ｌ）＝６０ミリ秒（近似値）に落ち着く。
【０１３７】
図２１は、本実施形態に係るフローレート制御として適応的なパケット注入レート制御を実行した場合における、対応するスループットとパケット伝送率の結果を示す表である。高優先度フローは、１の値であるパケット伝送率とともにスループット２０４ｋｂｐｓを保持することができる。低優先度フローのスループットは５３ｋｂｐｓであり、パケット伝送率は０．９９９である。このシミュレーション結果を得る際に使用されたパラメータｋｐ，ｋｉ及びｋｄの値はそれぞれ、０．８，０．１，０．１である。
【０１３８】
図２２及び図２３は、上記条件下で、本実施形態に係るフローレート制御を実行するコントローラを使用しない場合のシステムの動作を示す。図２２及び図２３のシミュレーションでは、１つの高優先度フロー（Ｈ）及び１つの低優先度フロー（Ｌ）が存在する場合に、高優先度フローのパケット注入間隔を２０ミリ秒（すなわち毎秒５０パケットに固定されたフローレート）に一定に保持し、かつ低優先度フローのパケット注入間隔を手動で増大させ、ここで、図２２は、低優先度フローのパケット注入間隔に対する各フローのスループットを示すグラフであり、図２３は、低優先度フローのパケット注入間隔に対する各フローのパケット伝送率（ＰＤＲ）を示すグラフである。
【０１３９】
高優先度フロー及び低優先度フローの両方がパケット注入間隔ＰＩＩ＝２０ミリ秒に設定されているとき、高優先度フローのスループットは１２９ｋｂｐｓであり、パケット伝送率は０．６３であり、一方、低優先度フローのスループットは１２４ｋｂｐｓであり、パケット伝送率は０．６である。ここで、低優先度フローのＰＩＩを手動で変化させることによって、高優先度フローのスループット及びパケット伝送率を測定した。低優先度フローのパケット注入間隔ＰＩＩ（すなわちＰＩＩ（Ｌ））を増大させると、高優先度フローのスループット及びパケット伝送率はともに増大する。パケット注入間隔ＰＩＩ（Ｌ）＝６０ミリ秒又はこれ以上のときに、高優先度フローはパケット伝送率０．９９３でスループットのピーク値２０４ｋｂｐｓに達する。よって、パケット注入間隔ＰＩＩ（Ｌ）＝６０ミリ秒が、手動で調整された低優先度フローの最適な設定値であり、この設定値のときに、高優先度フローをその所望のレベルに保持することができる。このことが、低優先度フローのフローレートを制御することによって達成しようとしているものである（図２０を参照）。この設定値における低優先度フローのスループットは、６７ｋｂｐｓである。
【０１４０】
次のシミュレーション結果として、上述の第２のトポロジー、すなわち、１つの高優先度フローと２つの低優先度フローとが存在する場合の低優先度フローコントローラＬＰＣの性能について説明する。
【０１４１】
図２４は、１つの高優先度フローＨと２つの低優先度フローＬ１及びＬ２とが存在し、すべてが互いにカップリングされる場合において、本実施形態に係るフローレート制御として適応的なパケット注入レート制御を実行したときの、対応するスループットとパケット伝送率を示す表であり、図２５は、低優先度フローコントローラＬＰＣの性能として、高優先度フローのパケット到着間隔と低優先度フローのパケット注入間隔との時間的変化を示すグラフである。図２４及び図２５のシミュレーションでは、高優先度フロー（Ｈ）のフローレートを保護しかつ低優先度フロー（Ｌ１及びＬ２）自体のスループットを最大化するために、２つの低優先度フローに対する適応的なフローレート制御が行われている。
【０１４２】
高優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＩ）の所望される設定値Ｒｐは２０ミリ秒である、すなわち所望されるパケット注入レートは毎秒５０パケットである。図２５に、低優先度フローコントローラＬＰＣの動作を示す。図２５のシミュレーションでは、パケット注入間隔ＰＩＩ（Ｈ）、ＰＩＩ（Ｌ１）及びＰＩＩ（Ｌ２）の初期値は２０ミリ秒である。低優先度フローコントローラＬＰＣの制御動作を示すため、フローＨ及びＬ１の通信は、シミュレーション開始後３０秒の時刻に同時に開始させてシミュレーションの終わりまで継続させ、それに対して、フローＬ２の通信はシミュレーション開始後１１０秒の時刻に開始させて、シミュレーション開始後１８０秒の時刻に停止させる。フローＬ２が存在しなければ、低優先度フローコントローラＬＰＣの動作は先の場合と同じである。しかしながら、フローＬ２を開始させると、フローＬ１及びＬ２の両方のＰＩＩは即時かつ急激に増大してフローＨのフローレート（すなわちパケット注入間隔ＰＩＩ）をＰＩＩ（Ｈ）＝２０ミリ秒に保護する。両方の低優先度フローのフローレートは、漸次減少し、平均してＰＩＩ（Ｌ）＝２２０ミリ秒（近似値）に落ち着く。フローＬ２が停止されると、図示するようにフローＬ１のＰＩＩはそのもとの値へと落ち着く。
【０１４３】
図２４を参照すると、高優先度フローは、図２０乃至図２３に示されたシミュレーション結果と同様に、１の値であるパケット伝送率とともにスループット２０４．８ｋｂｐｓを保持することができる。フローＬ１のスループットは３５．１５ｋｂｐｓであり、パケット伝送率は０．９９であり、一方、フローＬ２のスループットは１７．５ｋｂｐｓであり、パケット伝送率は１である。フローＬ１とＬ２のスループットの差は、フローＬ２が存在する場合と存在しない場合とでフローＬ１が異なるＰＩＩ（Ｌ１）で動作したという事実に起因する。このシミュレーション結果を得るために使用されたパラメータｋｐ，ｋｉ及びｋｄの値はそれぞれ、０．８，０．５，０．２である。本実施形態に係るフローレート制御を実行するコントローラが存在しなければ、フローＨのスループットは８２．０６ｋｂｐｓであり、パケット伝送率は０．４である。
【０１４４】
また、次のシミュレーション結果として、上述の第３のトポロジー、すなわち、２つの高優先度フローと１つの低優先度フローとが存在する場合の低優先度フローコントローラＬＰＣの性能について説明する。
【０１４５】
図２６は、２つの高優先度フローＨ１及びＨ２と１つの低優先度フローＬとが存在し、すべてが互いにカップリングされる場合において、本実施形態に係るフローレート制御として適応的なパケット注入レート制御を実行したときの、対応するスループットとパケット伝送率を示す表であり、図２７は、低優先度フローコントローラＬＰＣの性能として、高優先度フローのパケット到着間隔と低優先度フローのパケット注入間隔との時間的変化を示すグラフである。図２６及び図２７のシミュレーションでは、高優先度フローＨ１及びＨ２のフローレートを保護しかつ低優先度フローＬ自体のスループットを最大化するために、低優先度フローＬに対する適応的なフローレート制御が行われている。
【０１４６】
システムは、パケット注入間隔ＰＩＩの値を小さくするだけでは余裕のある状態で２つの高優先度フローを保持することができないので、高優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＩ）の所望される設定値Ｒｐは、このシミュレーションでは４０ミリ秒に設定される、すなわち所望のパケット注入レートは毎秒２５パケットに設定される。この値は、実験で得たものである。このシミュレーションにおける低優先度フローコントローラＬＰＣのタスクは、高優先度フローＨ１及びＨ２の両方をこの所望の設定値に保持することである。図２７は、低優先度フローコントローラＬＰＣの動作を示す。図２７のシミュレーションでは、パケット注入間隔ＰＩＩ（Ｈ１）、ＰＩＩ（Ｈ２）及びＰＩＩ（Ｌ）の初期値は４０ミリ秒である。低優先度フローは、最初の急激な増大の後、平均してパケット注入間隔ＰＩＩ（Ｌ）＝１２０ミリ秒（近似値）に落ち着く。図２６は、対応するスループットとパケット伝送率を示す。両方の高優先度フローは、ほぼ１の値であるパケット伝送率で所望のスループット１０２．３ｋｂｐｓを保持することができる。このシミュレーションにおいて、パケット注入間隔ＰＩＩ（Ｈ）は４０ミリ秒であるため、パケットサイズが５１２バイトであってかつ１００％のパケット伝送率でる場合の理想スループットは１０２．４ｋｂｐｓである。低優先度フローＬのスループットは、ほぼ１の値であるパケット伝送率で３３．７７ｋｂｐｓである。このシミュレーション結果を得るために使用されたパラメータｋｐ，ｋｉ及びｋｄの値は、０．８，０．８，０．１である。
【０１４７】
以上説明したシミュレーション結果は、オーバーヘッドのない理想的な環境の格子状トポロジーにおける低優先度フローコントローラＬＰＣの評価であるが、次に、ランダムトポロジーにおけるシステム性能の評価についてのシミュレーション結果を説明する。
【０１４８】
このシミュレーションでは、本発明者らが開発した指向性ＭＡＣプロトコルのようなロケーション追跡機構を有する、回転セクタに基づく受信機側に装備する指向性ＭＡＣプロトコル（非特許文献１６を参照）を実装した。また、このシミュレーションでは、本発明者らが開発した指向性ルーティングプロトコルのような、ネットワークを認識するルーティングプロトコル（非特許文献８を参照）を用いた。様々なＭＡＣ及びルーティング層制御パケットのオーバーヘッドを伴う実際的なシナリオにおいて本発明の実施形態に係るフローレート制御方式の有効性を示すため、このＭＡＣ及びルーティングプロトコル上に本実施形態に係るフローレート制御方式を実装した。１５００ｍ×１５００ｍの正方形の有界領域に１００個のノード無線局を有するランダムトポロジーにおいて、高優先度フローとしての１つの発信元無線局及び宛先無線局のペアと、低優先度フローとしてのさらに５つの発信元無線局及び宛先無線局のペアとをランダムに選択した。システム性能の評価は、各ノード無線局が静的に配置された場合と、各ノード無線局が移動する場合との両方に関して行った。
【０１４９】
まず、各ノード無線局が領域内に静的かつランダムに配置された場合のシミュレーション結果について説明する。
【０１５０】
図２８は、フローレート制御方式を実装したノード無線局からなる５つの低優先度フローが存在する場合の高優先度フローの性能を、低優先度フローに低優先度フローコントローラＬＰＣが割り当てられていない場合と、他にまったくフローが存在せず高優先度フローが単独で動作する場合との比較で示したものである。高優先度フローが単独で動作する場合、これはほぼ８６ｋｂｐｓのスループットを生み出す。他の５つの低優先度フローが導入されかつフローレート制御方式（すなわち、低優先度フローコントローラＬＰＣの制御方式）が割り当てられない場合は、図２８から明らかであるように、この高優先度フローの性能はその以前の値のほぼ半分にまで劣化する。低優先度フローが存在しても、本実施形態に係るフローレート制御方式を使用するならば、高優先度フローのスループットは単独で動作していたときの値とほぼ同じである。
【０１５１】
図２９は、低優先度フローコントローラＬＰＣをいっさい使用しない場合と使用する場合の２つのシナリオにおける、５つの低優先度フローの性能を示している。本実施形態に係るフローレート制御方式を導入すると、低優先度フローは引き続き、フローレート制御をまったく行わなかった場合のその平均スループットの９０％を保持することができる。このことは、低優先度フローのフローレートが高優先度フローのフローレートを保護するために十分なほど低下されなかったからではない。低優先度フローのパケット注入レートが最適に制御されると輻輳は低下し、媒体を適正に利用することがパケットロスを無視できるほど減少させる。この方式は低優先度フローのスループットをも最大化し、パケットは、ネットワークがその時点で処理し得る最適化されたレートで注入される。
【０１５２】
次に、各ノード無線局が領域内を移動する場合のシミュレーション結果について説明する。連続的に変化しているトポロジーにおいても本発明の実施形態に係るフローレート制御方式が頑健であることを示すために、ノード無線局装置が毎秒０−１０メートルで移動しているという条件下で、本実施形態に係るプロトコルを試験しかつ評価した。輻輳情報が低優先度フローの発信元無線局へ高速で逆伝搬され、当該発信元無線局はそのフローレートの制御量を適応的に決定できることから、より優れた性能を達成することが可能である。
【０１５３】
図３０は、本発明の実施形態に係るフローレート制御方式における高優先度フローの性能を、低優先度フローに低優先度フローコントローラＬＰＣが割り当てられていない場合と、他にまったくフローが存在せず高優先度フローが単独で動作する場合との比較で示したものである。単独で動作する高優先度フローは、ほぼ１３３ｋｂｐｓのスループットを生み出す。他の５つの低優先度フローが低優先度フローコントローラＬＰＣなしで導入される場合は、図３０から明らかであるように、この高優先度フローの性能はその以前の値のほぼ３分の１未満にまで劣化する。低優先度フローが存在しても、本発明の実施形態に係るフローレート制御方式を使用すれば、この高優先度フローのスループットはほぼ１２７ｋｂｐｓにまで増加する。
【０１５４】
図３１は、優先度に基づくフローレート制御方式をいっさい使用しない場合（低優先度フローコントローラＬＰＣなし）と、本発明の実施形態に係るフローレート制御としてパケット注入レート制御を導入した後（低優先度フローコントローラＬＰＣを使用）との２つのシナリオにおける低優先度フローの性能を示している。本シミュレーションによる評価において最も興味深い部分は、本実施形態に係るフローレート制御方式を導入すると、低優先度フローはむしろその平均スループットをも向上させ得ることを示している。この向上は、低優先度フローのパケット注入レートの最適な制御によりネットワークの輻輳が減少し、パケットロスを最小限に抑えた最適な媒体利用がもたらされることから可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１５５】
【図１】本発明に係る一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ノード無線局１−１乃至１−９の平面配置図である。
【図２】図１の各ノード無線局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一般的なフォーマットを示す図である。
【図４】（ａ）は図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いるＲＴＳパケット信号のフォーマットを示す図であり、（ｂ）は図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いるＣＴＳパケット信号のフォーマットを示す図である。
【図５】従来技術における問題点を示す図であって、オムニアンテナを用いたとき、低優先度フロー（Ｓ２−Ｄ２）が高優先度フロー（Ｓ１−Ｄ１）を妨害する場合を示す平面図である。
【図６】図１のアドホック無線ネットワークに適用される、基本的なフィードバックコントローラを概略的に示すブロック図である。
【図７】図６のフィードバックコントローラを図１のアドホック無線ネットワークに適用した場合の、優先度に基づいたフローレート制御装置を概略的に示すブロック図である。
【図８】本実施形態において、セクターパターンを可変ビームアンテナ１０１に設定して用いたとき、低優先度フロー（Ｓ２−Ｄ２）が高優先度フロー（Ｓ１−Ｄ１）と同時に存在することができることを示す平面図である。
【図９】図２の可変ビームアンテナ１０１によって形成されるノード無線局１−ｎの送信ゾーンＴＺｎ（α，β，Ｒ）を示す図である。
【図１０】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１１】図２のデータベースメモリ１５４において格納される高優先度フローテーブル（ＨＰＦテーブル）の一例を示す表である。
【図１２】図２のデータベースメモリ１５４において格納されるパケット到着間隔テーブル（ＰＡＩテーブル）の一例を示す表である。
【図１３】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ノード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１４】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ビーコン信号の動作を示すタイミングチャートである。
【図１５】図２のノード無線局１の管理制御部１０５に従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１６】図１５のサブルーチンであるその他の信号の受信処理（ステップＳ７）を示すフローチャートの第１の部分である。
【図１７】図１５のサブルーチンであるその他の信号の受信処理（ステップＳ７）を示すフローチャートの第２の部分である。
【図１８】図１５のサブルーチンであるその他の信号の受信処理（ステップＳ７）を示すフローチャートの第３の部分である。
【図１９】図１５のサブルーチンであるＰＡＩ削除処理（ステップＳ１２）を示すフローチャートである。
【図２０】本実施形態のシミュレーション結果であって、高優先度フローと低優先度フローとが存在するときの、高優先度フローのパケット到着間隔と低優先度フローのパケット注入間隔との時間的変化を示すグラフである。
【図２１】本実施形態のシミュレーション結果であって、高優先度フローと低優先度フローとが存在するときの、適応的パケット注入レート制御の結果を示す表である。
【図２２】本実施形態のシミュレーション結果であって、高優先度フローと低優先度フローとが存在するときの、低優先度フローのパケット注入間隔に対する各フローのスループットを示すグラフである。
【図２３】本実施形態のシミュレーション結果であって、高優先度フローと低優先度フローとが存在するときの、低優先度フローのパケット注入間隔に対する各フローのパケット伝送率を示すグラフである。
【図２４】本実施形態のシミュレーション結果であって、１つの高優先度フローと２つの低優先度フローとが存在するときの、適応的パケット注入レート制御の結果を示す表である。
【図２５】本実施形態のシミュレーション結果であって、１つの高優先度フローと２つの低優先度フローとが存在するときの、高優先度フローのパケット到着間隔と低優先度フローのパケット注入間隔との時間的変化を示すグラフである。
【図２６】本実施形態のシミュレーション結果であって、２つの高優先度フローと１つの低優先度フローとが存在するときの、適応的パケット注入レート制御の結果を示す表である。
【図２７】本実施形態のシミュレーション結果であって、２つの高優先度フローと１つの低優先度フローとが存在するときの、高優先度フローのパケット到着間隔と低優先度フローのパケット注入間隔との時間的変化を示すグラフである。
【図２８】本実施形態のシミュレーション結果であって、複数のノード無線局が領域内に静的かつランダムに配置された場合、高優先度フローのみのとき、高優先度フロー及び５つの低優先度フロー（フローレート制御なし）のとき、並びに、高優先度フロー及び５つの低優先度フロー（フローレート制御有り）のときにおける高優先度フローのスループットの比較を示すグラフである。
【図２９】本実施形態のシミュレーション結果であって、複数のノード無線局が領域内に静的かつランダムに配置された場合、低優先度フローについて、フローレート制御の有無に対する平均スループットを示すグラフである。
【図３０】本実施形態のシミュレーション結果であって、複数のノード無線局が領域内を移動する場合、高優先度フローのみのとき、高優先度フロー及び５つの低優先度フロー（フローレート制御なし）のとき、並びに、高優先度フロー及び５つの低優先度フロー（フローレート制御有り）のときにおける高優先度フローのスループットの比較を示すグラフである。
【図３１】本実施形態のシミュレーション結果であって、複数のノード無線局が領域内を移動する場合、低優先度フローについて、フローレート制御の有無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】
【０１５６】
１，１−１乃至１−９…ノード無線局、
１０，２０…減算器、
１１…コントローラ、
１２…プラント、
２１…フローコントローラ、
２２…ネットワークにおけるフローシステム、
２３…フローレートを逆伝搬させるシステム、
１０１…可変ビームアンテナ、
１０２…サーキュレータ、
１０３…放射パターン制御部、
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、
１６０…拡散符号発生器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のノード無線局を備えた、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ための制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信システム及びパーソナルコンピュータの最近の進歩に伴い、移動体ルータとして動作する複数のノード無線局からなり、迅速に配置可能なインフラストラクチャなしのネットワークであることが想定されたアドホック無線ネットワークが研究されている。このアドホック無線ネットワークにおいて、最近、モバイルアドホックネットワークにおけるＱｏＳを提供する課題に対して様々な解決方法が提案されている（非特許文献１及び２を参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２４４９８３号公報。
【特許文献２】特開２００１−０２４４３１号公報。
【非特許文献１】Kui Wu et al., “QoS Support in Mobile Ad hoc Networks”, Crossing Boundaries an interdisciplinary journal, Vol.1, No.1, Fall 2001。
【非特許文献２】Satyabrata Chakrabarti et al., “QoS issues in Ad Hoc Wireless Networks”, IEEE Communications Magazine, Vol.39, No.2, pp.142-148, February 2001。
【非特許文献３】X. Pallot et al., “Implementing Message Priority Policies over an 802.11 Based Mobile Ad Hoc Network”, Proceedings of MILCOM 2001, Washington, U.S.A., October 2001。
【非特許文献４】Kolarov et al., “A control theoretic approach to the design of close loop rate based flow control for high speed ATM networks”, Proceedings of IEEE INFOCOM'97, pp.293-300, April 1997。
【非特許文献５】S. Keshav, “A control-theoretic approach to flow control”, Proceedings of ACM SIGCOMM'91, pp.3-15, Zurich, Switzerland, September 1991。
【非特許文献６】C. R. Kalmanek et al., “Rate Controlled Servers for Very High Speed Networks”, Proceedings of Globecom 1990, 300.3.1-300.3.9, December 1990。
【非特許文献７】L. Benmohamed et al., “Feedback Control of Congestion in Packet Switching Networks: The Case of a Single Congested Node”, IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol.1, No.6, pp.693-707, 1993。
【非特許文献８】Siuli Roy et al., “A Network-Aware MAC and Routing Protocol for Effective Load Balancing in Ad Hoc Wireless Networks with Directional Antenna”, Proceedings of ACM MobiHoc 2003, Maryland, U.S.A., 1-3 June 2003。
【非特許文献９】Thyagarajan Nandagopal et al., “Service differentiation through end-to-end rate control in low bandwidth wireless packet networks”, Proceedings of the 6th International Workshop on Mobile Multimedia Communications, San Diego, California, U.S.A., November 1999。
【非特許文献１０】Seung-Seok Kang et al., “Provisioning Service Differentiation in Ad Hoc Networks by the Modification of Back off Algorithm”, International Conference on Computer Communication and Network (ICCCN) 2001, Scottsdale, Arizona, U.S.A., October 2001。
【非特許文献１１】S. Mangold et al., “IEEE 802.11e Wireless LAN for Quality of Service”, (invited paper), Proceedings of the European Wireless 2002, Florence, Italy, February 2002。
【非特許文献１２】Xue Yang et al., “Priority Scheduling in Wireless Ad Hoc Networks”, ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing (MobiHoc), June 2002。
【非特許文献１３】Vance J. VanDoren, “Understanding PID Control: Familiar examples show how and why proportional-integral-derivative controllers behave the way they do”, Control Engineering, http://www.controleng.com, June 1, 2000。
【非特許文献１４】Minorsky, “Directional Stability of automatically steered bodies”, Journal of American Social of Naval Engineering, Vol. 34, pp.284, 1922。
【非特許文献１５】G. F. Franklin et al., “Feedback Control of Dynamic Systems”, Addison-Wesley, Singapore, 1988。
【非特許文献１６】Tetsuro Ueda et al., “A Rotational Sector-based, Receiver-Oriented Mechanism for Location Tracking and Medium Access Control in Ad Hoc Networks Using Directional Antenna”, Proceedings of the IFIP conference on Personal Wireless Communications PWC 2003, Venice, Italy, September 23-25, 2003。
【非特許文献１７】T. Ueda et al., “Evaluating the Performance of Wireless Ad Hoc Network Testbed Smart Antenna”, Fourth IEEE Conference on Mobile and Wireless Communication Networks (MWCN2002), September 2002。
【非特許文献１８】QualNet Simulator Version 3.1, Scalable Network Technologies, http://www.scalable-networks.com, accessible on June 11, 2004。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献３で指摘されているように、移動体の無線チャンネルは帯域幅が限定されていて、トラフィックのあらゆるクラスに対して同じＱｏＳを与えることができない。従って、あるクラスに他のクラスを上回る優先度を割り当てることによって、各クラスに異なるＱｏＳを提供するための何らかの手段を実装する必要がある。有線環境に対してはいくつかの解決方法がすでに存在するが、これらの解決方法は、アドホック無線ネットワークにおいては、共用された通信環境とホストの移動性とに起因してうまく機能しない。
【０００５】
何人かの研究者らは、ネットワーク内の輻輳を制御し、フローに基づくエンド・ツー・エンドのＱｏＳを提供しかつ公平性の問題に対処するために、有線ネットワークにおいてフローレートを制御するための制御理論的アプローチの考案について探究している（非特許文献４乃至７を参照）。非特許文献４では、利用可能なビットレートサービスをサポートするコントローラを設計するために使用可能な制御機構が提案され、ここでは、ユーザは、フローレートをフィードバックして分散されたコントローラのセットを調整することにより、利用可能な帯域幅を公平にかつ動的に共用することができる。非特許文献５では、予約なしのネットワークにおけるトランスポート接続を制御するために使用可能な制御理論的アプローチを提示している。これらのフローレート制御方式は、ネットワーク内に存在する複数のフローがその時刻におけるネットワークの状態に依存して利用可能な帯域幅を等しく共用することを可能にするフィードバック制御機構を使用している。しかしながらこれらの方式は、いくつかのフローを他のフローよりも優先するという、優先度に基づいたサービスの問題をまったく取り扱っていない。さらに、これらの文献で調査されているものは有線ネットワーク環境である。
【０００６】
アドホック無線ネットワークにおける２つのフローのルートが共通のノード無線局を共用するとき、もしくは互いに干渉し合うほど十分に近接しているときには、互いに影響し合い、ルートカップリングを生じさせる（非特許文献８を参照）。この場合、これら２つのルート内の複数のノード無線局は、それらのルートによって共用される媒体に対してアクセスするために常に競合するであろう。このような状況においては、低優先度フローのフローレートが減少されると、高優先度フローは、共用する媒体へアクセスする多くの機会を得ることになり、結果として輻輳は減少し、高優先度フローのスループットが向上する。このように、優先度に基づくフローレート制御は、異なるクラスのフローに対してサービスの差別化を提供する効果的な手段である。
【０００７】
研究者の中には、サービスの差別化を達成するために、トランスポート層にエンド・ツー・エンドのフローレート制御を導入した者もいる（非特許文献９を参照）。しかしながら、これらの方式では、高優先度のトラフィックに対して所望のレートを保証することができない。フローのレート制御を用いたサービスの差別化に関する非特許文献９の研究は、個別化されたフローレート制御に焦点を合わせている。この場合、フローは、エンド・ツー・エンドのフィードバックに基づいたレートベクトルにより個別に制御され、高優先度フローのフローレートは低優先度フローのフローレートよりも緩やかに低下される。よって、高優先度フローのフローレートは向上するものの、所望のレベルのフローレートを保持できない可能性がある。
【０００８】
また、サービスの差別化に関する他の既存のＭＡＣ層（メディアアクセスコントロール層）の解決方法として、非特許文献１０乃至１２に開示された技術が存在する。ＭＡＮＥＴ（Mobile Ad Hoc Network）においては、ＭＡＣ層内のトラフィックの優先度に従ってフレーム間隔（ＩＦＳ）と競合窓（コンテンションウィンドウ：ＣＷ）のサイズとを変更しかつバックオフアルゴリズムを適宜修正することにより、ＱｏＳをサポートするいくつかの試みが行われている。しかしながら、これは、高優先度のパケットがデータ通信のための媒体に対する競合のないアクセスを常に獲得することを保証するものではない（非特許文献１２を参照）。これらの方式では、媒体を求めて競合する多数の高優先度フローは、媒体に公平にアクセスすることの保証を必ずしも獲得できるわけではない。さらに、高優先度のトラフィックが存在しない場合の多数の低優先度のトラフィックは、大きい競合窓を選択する可能性があり、このことは媒体の不十分な利用に繋がる。上述の文献において取り組まれていないＭＡＣ層におけるＱｏＳに係る他の重要な側面として、パケット伝送率がある。中間のノード無線局のＭＡＣ層における低優先度のパケットは、増大されたバックオフカウンタを選択していることがしばしば見出だされる場合があり、このカウンタ値は発信元無線局には未知のままであり、発信元無線局はそれでも非常に高いレートでパケットを注入し続けている可能性がある。その結果、低優先度フローのパケット信号を伝送する中間のノード無線局に非常に高いレートで到着するパケットは、ＭＡＣ層によって迅速にサービスされることはなくキューメモリに格納されたままとなり、上記キューメモリはオーバーフローしてパケット廃棄をもたらす可能性がある。
【０００９】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、異なる複数の優先度のフローが存在するアドホック無線ネットワークにおいて、各フローの優先度に基づいて当該フローのＱｏＳをサポートすることができ、これにより、高優先度のフローに対する低優先度フローの干渉を最小限にするように低優先度フローを制御し、高優先度のフローの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ための制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る無線ネットワークのための制御装置は、複数の無線局を備え、各無線局間で異なる優先度を有する複数のパケットフローを用いて発信元無線局から宛先無線局に対してパケット信号を伝送することによりパケット無線通信を行う無線ネットワークのための制御装置において、
各無線局は、発信元無線局から宛先無線局への低優先度フローである同一の各パケットフローについて、上記各パケットフローのパケット信号を受信したとき、当該パケットフローのパケット到着間隔（ＰＡＩ）を計算してＰＡＩテーブルとして記憶装置に記憶するとともに、所定の期間内に受信された自局で伝送しない他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）を計数してＨＰＦテーブルとして上記記憶装置に記憶し、
低優先度フローの無線信号を受信したパケットフローの発信元無線局以外の中継無線局は、上記ＰＡＩテーブルにおける当該パケットフローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）と、上記受信したパケットフローのパケット信号に含まれるパケットフローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）の少なくとも大きい値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）及び上記他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）を含むパケット信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させて送信し、
高優先度フローの無線信号を受信したパケットフローの発信元無線局以外の中継無線局は、上記他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）を含むパケット信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させて送信し、
低優先度フローの発信元無線局は、当該低優先度フローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）と、上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）とに基づいて、当該低優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）を計算し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信することを特徴とする。
【００１１】
上記無線ネットワークのための制御装置において、低優先度フローの発信元無線局は、当該低優先度フローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）及び上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）から決定される設定値Ｒｐとの誤差に基づいて、当該低優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）を計算し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信することを特徴とする。
【００１２】
また、上記無線ネットワークのための制御装置において、低優先度フローの発信元無線局は、当該低優先度フローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）及び上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）から決定される設定値Ｒｐとの誤差に基づいて、当該誤差が最小となるように、比例積分及び微分制御（ＰＩＤ制御）方法を用いて、新しいパケット注入レート（ＰＩＩ）を計算し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信することを特徴とする。
【００１３】
さらに、無線ネットワークのための制御装置において、高優先度のフローの発信元無線局は、上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）に基づいて、当該高優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）を決定し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
従って、本発明によれば、異なる複数の優先度のフローが存在するアドホック無線ネットワークにおいて、各フローの優先度に基づいて当該フローのＱｏＳをサポートすることができ、これにより、高優先度のフローに対する低優先度フローの干渉を最小限にするように低優先度フローを制御し、高優先度のフローのスループットを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
本発明に係る実施形態においては、上述の問題点を解決し、無線媒体の十分な利用が適応型レート制御に従って達成されるように、高優先度フロー（高優先度を有するパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して所定の無線媒体パスのフローを介して伝送するときのセッション接続のフローをいう。）を所望のレベルに保持しながら低優先度フロー（高優先度よりも低い優先度である低優先度を有するパケット信号を発信元無線局から宛先無線局に対して所定の無線媒体パスのフローを介して伝送するときのセッション接続のフローをいう。）を適応的に最大化することができる無線ネットワークのための制御装置を提供する。ここで、高優先度フローにこの望ましいサービスの差別化を提供するためには、高優先度フローとの干渉の原因である低優先度フローがそのルート上の各ノード無線局において高優先度フローのフローレートを検出してこれを測定し、最終的に制御理論的アプローチを使用して当該低優先度フローのフローレートを調整し、高優先度フローがその所望レベルに保持されるように制御するフローレート制御アルゴリズムが必要である。この検出及び測定は、発信元無線局から宛先無線局までのルーティングに関与する各ノード無線局のＭＡＣ層において行う必要がある。
【００１７】
図１は、本発明に係る一実施形態の無線通信システム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ノード無線局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の各ノード無線局１の構成を示すブロック図である。
【００１８】
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、各ノード無線局１は、無指向性のオムニパターンと、所定の方位角幅を有するセクターパターンと、上記セクターパターンを回転しながら走査する回転セクターパターンとを少なくとも用いて放射パターンの制御を実行する可変ビームアンテナ１０１を備え、以下の処理を実行することを特徴としている。
（ｉ）自局のサービスエリア内の各ノード無線局１に対してオムニパターンを用いてブロードキャストで自局ＩＤを含むビーコン信号を送信する。
（ii）回転セクターパターンを用いて上記ビーコン信号を受信し、上記ビーコン信号の方位角と信号強度レベルとノード無線局ＩＤ（すなわち、送信局ＩＤ）を検出することにより、上記複数のノード無線局１のうちのサービスエリア内の各ノード無線局１に対する、方位角と信号強度レベルを方位角及び信号強度レベルテーブル（以下、ＡＳテーブルという。なお、ＡＳはAngle-Signal Strengthの略である。）としてデータベースメモリ１５４に記憶する。
（iii）パケット信号を宛先無線局に伝送するときに、当該ＡＳテーブルにより示される方位角のセクターパターンを用いて当該宛先無線局に対してパケット信号を送信することにより、パケット信号をルーティングする。
（iv）従来技術に係るＲＴＳ（Request To Send）／ＣＴＳ（Clear To Send）信号の基本的な通信手順をベースとして用い、図４（ａ）に示す信号フォーマットを有するＲＴＳパケット信号（以下、ＲＴＳ信号という。）と、図４（ｂ）に示す信号フォーマットを有するＣＴＳパケット信号（以下、ＣＴＳ信号という。）とを用いて、図１５乃至図１９のパケット送受信制御処理を実行することにより、以下の信号処理を実行する。
（ａ）低優先度フローのＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を受信したとき、同一のパケットフローについてパケット到着間隔（Packet Arrival Interval：ＰＡＩ）を計算してデータベースメモリ１５４内のＰＡＩテーブルに記憶し（図１６のステップＳ４１）、自局が当該低優先度フローの発信元無線局であるときデータベースメモリ１５４内のＰＡＩテーブルにおける当該フローのパケット信号を伝搬するノード無線局において検出される最大のパケット到着間隔（Detected Maximum Packet Arrival Interval：ＤＭＰＡＩ）及びＨＰＦテーブル（自局の所定の時間Ｔａ内に受信した高優先度のフローの数（以下、ＨＰＦという。）を計数してデータベースメモリ１５４内の高優先度フローテーブルを、以下、ＨＰＦテーブルという。）内のＨＰＦに基づいて、ＰＩＤ（Proportional Integral Derivative：比例積分及び微分）制御を用いたフローレート制御方法を用いて、当該フローのパケット注入レート又はパケット注入レート（Packet Injection Rate：ＰＩＲ）を計算してパケット注入レートＰＩＲを更新する（図１６のステップＳ４３）一方、自局が当該低優先度フローの発信元無線局でなくかつ中継無線局であるときＰＡＩテーブルにおいてＤＭＰＡＩを伝搬されたＰＡＩ（Propagated Packet Arrival Interval：ＰＰＡＩ)として選択して当該ＰＰＡＩを含むＣＴＳ信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させる（図１６のステップＳ４４）。
（ｂ）高優先度のフローのＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を受信しかつ自局が低優先度フローを伝送しないノード無線局であるとき、受信したＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号に基づいて、所定の時間Ｔａ内に受信した高優先度のフローの数であるＨＰＦを計数してデータベースメモリ１５４内のＨＰＦテーブルに格納して更新し（図１７のステップＳ５１）、
（ｂ１）自局が高優先度のフローの発信元無線局でなく中継無線局であるとき上記ＨＰＦを含む高優先度のフローのＣＴＳ信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させる（図１７のステップＳ５４）一方、
（ｂ２）自局が高優先度のフローの発信元無線局であるとき自局のＨＰＦテーブル内のＨＰＦに基づいて自局が発信する高優先度のフローの無線信号のパケット注入レートＰＩＲの設定値Ｒｐを決定し、決定された設定値Ｒｐに基づいて自局が発信する高優先度のフローの無線信号のパケット注入レートＰＩＲを設定し、上記設定された無線信号の注入レートＰＩＲに基づいて自局が発信する高優先度のフローの無線信号を制御し（図１７のステップＳ５３）、
（ｃ）高優先度のフローのＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を受信しかつ自局が低優先度フローを伝送するノード無線局であるとき、受信したＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号の時刻に基づいて、同一のパケットフローについてパケット到着間隔ＰＡＩを計算してＰＡＩテーブルに格納し、受信した信号内のＨＰＦを高優先度のフローのＩＤに対応してＨＰＦテーブルに格納した後、
（ｃ１）自局が低優先度フローの発信元無線局であるとき、ＰＡＩテーブルにおける当該フローのパケット信号を伝搬するノード無線局において検出される最大のパケット到着間隔ＤＭＰＡＩに基づいて、ＰＩＤ制御を用いたフローレート制御方法を用いて、当該低優先度フローのパケット注入レートＰＩＲを計算して更新し、上記設定された無線信号の注入レートＰＩＲに基づいて自局が発信する低優先度フローの無線信号を制御する（図１６のステップＳ３７）一方、
（ｃ２）自局が低優先度フローの発信元無線局でなく中継無線局であるときに低優先度フローのＣＴＳ信号を受信したとき自局のＰＡＩテーブルにおいてＤＭＰＡＩを伝搬されたＰＡＩ（ＰＰＡＩ)として選択して当該ＰＰＡＩ及び受信されたＣＴＳ信号内の伝搬されたＨＰＦ（Propagated High Priority Flow：ＰＨＰＦ）を含むＣＴＳ信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させる（図１６のステップＳ３９）。
（ｃ３）また、自局が低優先度フローの発信元無線局でなく中継無線局であるときに低優先度フローのＣＴＳ信号を受信しないとき自局のＨＰＦテーブルと受信されたＣＴＳ信号内のＨＰＦとの平均値を、新しいＰＨＰＦとして更新し、このときに、自局が高優先度のフローの発信元無線局でなく中継無線局であるとき上記新しいＰＨＰＦを含む高優先度のフローのＣＴＳ信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させる（図１８のステップＳ５９）一方、自局が高優先度のフローの発信元無線局であるとき上記新しいＰＨＰＦに基づいて自局が発信する高優先度のフローの無線信号の注入レートＰＩＲの設定値Ｒｐを決定し、決定された設定値Ｒｐに基づいて自局が発信する高優先度のフローの無線信号の注入レートＰＩＲを設定し、上記設定された無線信号の注入レートＰＩＲに基づいて自局が発信する高優先度のフローの無線信号を制御する（図１８のステップＳ５８）。
【００１９】
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、複数のノード無線局１が平面的に散在して存在し、各ノード無線局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ノード無線局１とパケット通信を行うときは、サービスエリア内のノード無線局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、各ノード無線局１は、パケットのルーティングを行うルータ装置を備え、発信端末、中継局、又は宛先端末として動作する。
【００２０】
次いで、図２を参照して、各ノード無線局１の装置構成について説明する。図２において、ノード無線局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放射パターン制御部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、上位レイヤ処理部１０７とを備える。
【００２１】
送受信すべきデータを処理する上位レイヤ処理装置１０７に従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ン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から他のノード無線局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ンネル用受信信号は、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ン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。
【００２２】
本実施形態においては、可変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放射パターン制御部１０３から構成されるものであって、より具体的には、無線信号が給電される給電素子と、この給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない複数個の非給電素子と、これら各非給電素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記アレーアンテナの指向特性を変化させる、特許文献２において開示された、いわゆる電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いることができる。本実施形態においては、可変ビームアンテナ１０１は、例えば所定のビーム幅を有するメインビームの方向を、所定の走査間隔で電気的な制御により変更可能であり、以下の放射パターンを選択的に設定して動作する。
【００２３】
（ｉ）無指向性のオムニパターン。
（ｉｉ）所定の方位角幅を有するセクターパターン。
（ｉｉｉ）上記セクターパターンを所定の方位角（例えば３０度）毎に回転しながら走査する回転セクターパターン。
（ｉｖ）例えば、公知の最急勾配法などの適応制御方法を用いて可変ビームアンテナ１０１の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向ける適応制御パターン。
【００２４】
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。
【００２５】
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とを備え、後述のパケット送受信制御処理を実行するとともに、ノード無線局１が他のノード無線局１とのパケット通信において使用すべき通信チャンネルを決定して、決定した通信チャン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、決定した通信チャン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による通信チャン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ン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。
【００２６】
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には、方位角及び信号強度レベルテーブル（ＡＳテーブル）、パケット到着間隔テーブル（ＰＡＩテーブル）及び高優先度フローテーブル（ＨＰＦテーブル）を記憶する。
【００２７】
データベースメモリ１５４に格納されたＡＳテーブルは、図１０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ＨＰＦテーブルは、図１１に示すように、高優先度フローの通信ＩＤ毎に近傍のノード無線局により伝送される他の高優先度フローの数ＨＰＦを格納する。データベースメモリ１５４に格納されたＰＡＩテーブルは、図１２に示すように、無線局１において定義された各方位角に対する、各高優先度フローのパケット到着間隔ＰＡＩを格納する。
【００２８】
本実施形態のアドホック無線ネットワークはパケット通信システムであり、このパケット通信システムで用いるパケットデータは、図３に示す一般的な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、宛先のＩＤと、パケット種別（ビーコン、ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＤＡＴＡ、ＡＣＫなど）と、自局のＩＤと、データ（上位レイヤでのデータなどを含む）とを含む。なお、本実施形態では、図４（ａ）に示すような特殊なフォーマット形式のＲＴＳ信号と、図４（ｂ）に示すような特殊なフォーマット形式のＣＴＳ信号を使用する。
【００２９】
ＲＴＳ信号は、図４（ａ）に示すように、宛先無線局ＩＤフィールド、パケット種別フィールド、発信元無線局ＩＤフィールド、通信ＩＤフィールド、優先度レベルフィールド、ＨＰＦフィールド、伝送すべきデータのフィールドを含む。ここで、通信ＩＤフィールドは、そのパケットが帰属するフローの通信ＩＤを示すために付加され、優先度レベルフィールドは、そのパケットが帰属するフローの優先度レベル（すなわち、高優先度フロー又は低優先度フロー）を示すために付加されている。ＲＴＳ信号における通信ＩＤフィールド及び優先度レベルフィールドは、進行中の通信の優先度レベルを近傍のノード無線局に通知させるために必要とされる。また、ＨＰＦフィールドは、近傍無線局における他の高優先度フローの数ＨＰＦを示す。
【００３０】
ＣＴＳ信号は、図４（ｂ）に示すように、当該信号が高優先度フローのＣＴＳ信号である場合には、宛先無線局ＩＤフィールド、パケット種別フィールド、発信元無線局ＩＤフィールド、通信ＩＤフィールド、優先度レベルフィールド（高優先度フロー又は低優先度フロー）、ＨＰＦフィールド、ＰＨＰＦフィールド、伝送すべきデータのフィールドを含む。ＣＴＳ信号における通信ＩＤフィールド及び優先度レベルフィールドは、ＲＴＳ信号の場合と同様に、進行中の通信の優先度レベルを近傍のノード無線局に通知させるために必要とされる。また、ＣＴＳ信号が低優先度フローのＣＴＳ信号である場合には、ＰＰＡＩフィールドをさらに含む。ＰＰＡＩフィールドは、その近傍における高優先度の通信の最大パケット到着間隔を示す。１つの低優先度フローの近傍に２つ以上の高優先度フローが存在する場合でも、高優先度フローの最大パケット到着間隔の逆伝搬が行われる。これは、高優先度フローが媒体にアクセスする最大の機会を得ることができてかつその期待されるパケット到着間隔が保持されるように、低優先度フローがそれ自体を繰り返し適応的に調整できることを示している。これらＲＴＳ信号やＣＴＳ信号の送受信処理については詳細後述する。
【００３１】
次いで、本実施形態のアドホック無線ネットワークで用いるＭＡＣ通信プロトコルについて以下に説明する。本実施形態に係るアドホック無線ネットワークにおいて、互いに無線通信を行う１組のノード無線局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。各ノード無線局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。各ノード無線局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つのノード無線局１で複数の送受信を行うことはできない。
【００３２】
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、ＡＳテーブルを形成するためのフェーズが追加の命令信号や応答信号と共に加えられる。従って、データ通信は周期的な、ＡＳテーブル生成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。
【００３３】
図１３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端末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、ＲＴＳ送信及びＲＴＳ／ＣＴＳ受信における開始部分では、オムニパターンとセクターパターンが使用される。さらに、待ちノード無線局１は指向性ＲＴＳ信号がどの方向から到着するかを認識しないため、回転セクターパターンが使用される。本実施形態に係るＡＳテーブルの場合のＲＴＳ信号の送信時間は、特許文献１において開示された従来技術のＭＡＣプロトコルで用いるＳＩＮＲテーブルにおけるＲＴＳ信号の送信時間の２倍であることに注意を要する。また、ＲＴＳ信号の送信及びＣＴＳ信号の受信におけるセクターパターンのビームの方向は、図１０のＡＳテーブルから得ることができる。
【００３４】
次いで、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ノード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１３の制御パターンについて以下に詳細に説明する。まず、送信元ノード無線局はＡＳテーブルにより示される宛先無線局にビームを向けるセクターパターンを用いて当該宛先無線局に対してＲＴＳ信号を送信する一方、宛先無線局は回転セクターパターンを用いてＲＴＳ信号を受信し、上記ＲＴＳ信号内のノード無線局ＩＤを検出したときは、当該送信元ノード無線局のノード無線局ＩＤに基づいて方位角及び信号強度レベルテーブルにより示される当該送信元ノード無線局にビームを向けるセクターパターンを介して適応制御パターンに変更してＲＴＳ信号を受信する。次いで、宛先無線局は、引き続き上記適応制御パターンを用いてＣＴＳ信号を送信元ノード無線局に送信する一方、送信元ノード無線局は上記セクターパターンから上記適応制御パターンに変更してＣＴＳ信号を受信することにより、宛先無線局との無線リンクを確立する。その後、送信元ノード無線局及び宛先無線局はともに上記適応制御パターンを用いてデータ信号及びＡＣＫ信号の送受信を実行する。すなわち、送信元ノード無線局は適応制御パターンを用いてデータ信号を送信する一方、宛先無線局は送信されたデータ信号を適応制御パターンを用いて受信する。次いで、宛先無線局は、データ信号を受信したことの確認信号としてＡＣＫ信号を適応制御パターンを用いて送信元ノード無線局に対して送信し、一方、送信元ノード無線局はこのＡＣＫ信号を適応制御パターンを用いて受信する。
【００３５】
図１３に図示する本実施形態に係る制御パターンにおいては、ＲＴＳ信号の受信から、セクターパターンから適応制御パターンに変更したアンテナの放射パターンを、宛先無線局及び送信元ノード無線局において用いているが、適応制御パターンを用いず、セクターパターンのみを用いるようにしてもよい。
【００３６】
本実施形態に係る図１０のＡＳテーブルを使用する提案されたＭＡＣプロトコルにおいては、各ノード無線局１は下記のステップを周期的に実行する。
【００３７】
（ｉ）隣接ノード無線局１−ｉ，１−ｊ，１−ｋを有するノード無線局１−ｎは、常に回転セクターパターンを用いた受信モードで待機している。回転セクターパターンでは、ノード無線局１−ｎはその可変ビームアンテナ１０１を制御し、各方向において受信される信号を全方向における順次方向性受信の形式で検出する。本実施形態においては、３０度のビーム幅を有しかつ水平面内で互いに隣接した１２個のセクターパターンを順次に用いて、３６０度の方位角をすべて走査する。
（ｉｉ）無線チャンネルが空いている場合はいつでも、各ノード無線局１はオムニパターンを用いてビーコン信号をその近傍のノード無線局に対して送信する。提案されたこのＭＡＣプロトコルの方法においては、図１４が示すように２つのパケット信号がビーコンとして順次送信される。ビーコンの第１のパケット信号は、回転セクターパターンにおける受信するノード無線局によるビーコン信号が送信中であるか否かの検出において一助となる。次いで、受信機がビーコンの第２のパケット信号を受信し、復号化する。ビーコンの第２のパケット信号は、ノード無線局ＩＤを含んでいる。ここで、全１２方向を回転する時間は、１つのパケット信号の持続時間よりも短く設定する必要がある。
（ｉｉｉ）回転セクターパターンでは、ノード無線局１−ｉがその回転の間に１つの回転セクターパターンにおいて他のノード無線局１−ｎからのビーコンの第１のパケットを検出すると、ノード無線局１−ｉはその検出されたセクターパターンにおいて回転を停止し、ノード無線局１−ｉからのビーコンの第２のパケットを受信する。第２のパケットの信号強度レベルが測定され、ノード無線局１−ｉのノード無線局ＩＤが復号されると、検出されたセクターパターンの方位角がそのビーコン信号を送信した隣接ノード無線局１−ｉの方位角になる。
（ｉｖ）ノード無線局１−ｎは、ノード無線局１−ｎのＡＳテーブルのノード無線局１−ｉのエントリにこれら検出された情報の書込みをする。図１０において、方位角ＡＮＧＬＥｎ，ｉ（ｔ）は、その時刻ｔにおける受信されたセクターパターンのノード無線局１−ｉからノード無線局１−ｎへの方向の方位角であり、ＳＩＧＮＡＬｎ，ｉ（ｔ）はノード無線局１−ｎのそのセクターパターンにおけるノード無線局１−ｉから受信された信号レベルである。
（ｖ）ノード無線局１−ｎは、ノード無線局１−ｉ，１−ｊ，１−ｋから順次ビーコン信号を受信することにより、ノード無線局１−ｎのＡＳテーブルのノード無線局１−ｉ，１−ｊ，１−ｋのエントリ全体を累積して更新格納する。
【００３８】
ところで、特許文献１に係る従来技術のプロトコルでは、任意のノード無線局１−ｎがセットアップ信号を送信してそれに基づくＳＩＮＲテーブルの形成を開始する。ここで、送信機のための方位角は必ず受信機用の方位角とは異なるため、ノード無線局１−ｎからの方向の同報通信を行わない（例えば１２個のＲＱパケット信号なしの）受信ノード無線局における回転セクターパターンによる方位角予測は適当でない。従って、方位角情報による１２個のＲＱパケット信号だけでなく、ＲＥパケット信号によるセットアップパケット信号及び１２個のＲＱパケット信号の受信機からの方位角情報の変換を使用することも必要である。また、あらゆる周辺ノード無線局から多くのセットアップパケット信号と１２個のＲＱパケット信号を受信する各ノード無線局は、ＲＥパケット信号を介してすべての隣接ノード無線局にそれぞれ応答しなければならないという問題点を有していた。
【００３９】
これに対して、本実施形態のアドホック無線ネットワークにおいて使用されるＭＡＣ通信プロトコルでは、各ＡＳテーブルはビーコンの受信ノード無線局において作成されるため、回転セクターパターンを受信モードとして使用して無指向性ビーコンの方位角予測を行うことが可能である。各ノード無線局における異なる送信電力の非対称性リンクの問題は、ビーコンに送信電力情報を追加することにより回避することができる。結果的に、１２個のＲＱパケット信号やＲＥパケット信号なしであってもわずか２つのパケット信号をビーコン信号として送信すればよい。さらに、このビーコン信号はオムニパターンで送信されるために、各ノード無線局は近傍に向けてビーコン信号を一度だけ送信すれば足りる。つまり、各ノード無線局は、わずか１つのビーコン信号を送信するだけで隣接するすべてのノード無線局に受信された方位角を予測させることが可能であり、隣接ノード無線局の数だけビーコン信号を送信する必要はない。
【００４０】
さらに、提案された本実施形態に係るＭＡＣプロトコルでは、各ノード無線局が隣接ノード無線局の方位角を予測する際にＳＩＮＲではなく信号強度レベルをリンク品質のパラメータとして使用するために、本実施形態に係るＭＡＣプロトコルは、特許文献１に開示された従来技術のプロトコルにおける方位角毎のＳＩＮＲテーブルにおける干渉の問題を回避することができる。
【００４１】
各ノード無線局からのビーコンのパケット信号は、同じ送信間隔で送信される。この場合は、各ノード無線局がビーコン信号の遷移タイミングをランダムに選ぶとしても、複数のビーコン信号が同時に送信されれば、その受信機側で発生する衝突により無指向性ビーコン信号の幾つかが失われる可能性もある。オムニパターンでの受信モードではビーコン信号は復号され得ないが、回転セクターパターンでは、複数のビーコン信号をセクターパターンで分割することができる点に注意することを必要とする。ここで、この衝突の確率は、各ノード無線局１が送信間隔を選択することに従ってより低く抑えることができる。例えば、当該無線ネットワークシステムにおける基準周期時間間隔ｔｉに対する持続時刻ｔｄのウィンドウからランダムなタイミングを選択することができる（ｔｄ＜ｔｉ）。
【００４２】
次いで、本発明に係る実施形態のアドホック無線ネットワークにおいて用いるフローレート制御方式について、すなわち、パケット注入レートを制御することによってサービスを差別化する方法について以下に説明する。
【００４３】
図５は、従来技術における問題点を示す図であって、オムニアンテナを用いたとき、ルートカップリングに起因して低優先度フロー（Ｓ２−Ｄ２）が高優先度フロー（Ｓ１−Ｄ１）を妨害する（又は２つのフローが競合する）場合を示す平面図であり、ここで、点線はオムニアンテナを用いたことに起因するノード無線局間の無線接続を示す。
【００４４】
低優先度フローのルート上の各ノード無線局は高優先度フローのフローレートを検出してこれを測定するが、この検出及び測定は、発信元無線局から宛先無線局までのルーティングに関与する各ノード無線局のＭＡＣ層において行う必要がある。詳しくは、低優先度フローのパケット信号を伝送するノード無線局（例えば図５のノード無線局Ｓ２，Ｎ２，Ｎ３，Ｄ２）は、高優先度フローのパケット信号を伝送するノード無線局（例えば図５のノード無線局Ｓ１，Ｎ１，Ｄ１）からの連続的なＲＴＳ信号及び／又はＣＴＳ信号の受信間隔を記録することにより、低優先度フローのパケット信号を伝送するノード無線局の各近傍における高優先度フローのフローレートを測定できるようになる。例えば、図５の例では、ノード無線局Ｎ３は、高優先度フローのパケット信号を伝送するノード無線局Ｎ１からＲＴＳ信号を受信し、各時刻における高優先度フローのフローレートを測定することができる。測定されたフローレートの情報は、低優先度フローの発信元無線局であるノード無線局Ｓ２に逆伝搬され、ノード無線局Ｓ２は、高優先度フローのフローレートをその所望レベルに保持するために、計算により制御量を決定してそのパケット注入レートを適応的に調整する。
【００４５】
例えば図５において、連続的な低優先度フローであるフロー「Ｓ２−Ｎ２−Ｎ３−Ｄ２」（又は、フロー「Ｓ２−Ｄ２」と表記する。）が存在したとする。このフローが単独で動作する場合、そのフローレートは予め定義された値に固定される。ここで、高優先度フローであるフロー「Ｓ１−Ｎ１−Ｄ１」（又は、フロー「Ｓ１−Ｄ１」と表記する。）が動作を開始する。この高優先度フローのフローレートを予め定義されたレベルに固定して保持することを所望していると仮定する。しかしながら、図５におけるこれらの２つのルートはルートカップリングを発生させるほど十分に近接しているため互いに干渉し合い、これにより、高優先度フローのフローレートは、低優先度フローとの間で干渉しているノード無線局Ｎ１及びＤ１において低下する。
【００４６】
本実施形態に係るフローレート制御方式を構築する際における本発明者らの目的は、低優先度フローに属するノード無線局において、高優先度フローのフローレートの低下を検出し、かつ検出された低下についての情報を低優先度フローの発信元無線局へ逆伝搬して戻すことにあり、これにより、低優先度フローの発信元無線局は、低優先度フローのフローレートを適応的に低下させて、高優先度フローのフローレートをその予め定義された値に保持することができる。
【００４７】
これを実行するに当たって、ノード無線局Ｎ３及びＤ２はともに、ノード無線局Ｎ１によって送信されるＲＴＳ信号とノード無線局Ｄ１によって送信されるＣＴＳ信号とから、高優先度フロー「Ｓ１−Ｄ１」の存在を検出する。高優先度フロー「Ｓ１−Ｄ１」が検出されたことは、この高優先度フローから遠く離れた、低優先度フローの発信元無線局Ｓ２には未知のままである。よって、ノード無線局Ｄ２は、ＣＴＳ信号の援助により、高優先度フロー「Ｓ１−Ｄ１」が検出されたという情報をノード無線局Ｎ３に送信する。ノード無線局Ｎ３は、ノード無線局Ｎ２にＣＴＳ信号を送信しなければならない際に、それ自体が検出した高優先度のトラフィックについての情報と、ノード無線局Ｄ２から受信した情報（すなわち、ノード無線局Ｄ２において高優先度フロー「Ｓ１−Ｄ１」が検出されたという情報）とを結合し、フロー内の競合についての１つ又は複数の情報を重複的に考慮して、ＣＴＳ信号を用いてこれをノード無線局Ｎ２に送信する。次に、ノード無線局Ｎ２は、ＣＴＳ信号を用いて、ノード無線局Ｎ３から受信された情報とノード無線局Ｎ２において取得された情報とをノード無線局Ｓ２に送信して戻す。最後に、発信元無線局であるノード無線局Ｓ２は、フローの媒体における競合を考慮して、適応的にパケット注入レートを低下させるように決定する。ゆえに、媒体における高優先度フローとの競合についての情報は、余分なパケットの送信を必要とせずに、低優先度フローの発信元無線局Ｓ２へ送信され、この発信元無線局Ｓ２は低優先度フローのパケット注入レートを適応的に低下させる。以上のようなシステムによれば、媒体内に競合が存在しない場合には、低優先度フローであってもその予め定義されたフローレートで動作することができる。
【００４８】
本実施形態では、高優先度フローが低優先度フローと競合する場合に、高優先度フローへのフローレートに関して特定レベルのサービス保証を達成しようとしている。このために、本願明細書では、オムニアンテナ（無指向性アンテナ）を使用するオーバーヘッドの極めて少ないプロトコルを用いたフローレート制御方式を提案し、次いで、全体のスループットが向上するように指向性アンテナを使用してこのフローレート制御方式を変形した実施形態を提案する。
【００４９】
次に、本実施形態のアドホック無線ネットワークにおいて使用されるフローレート制御方式の原理として用いている、制御理論的アプローチについて説明する。なお、本願明細書において、数式がイメージ入力された墨付き括弧の数番号と、数式が文字入力された大括弧の数番号とを混在して用いており、また、当該明細書での一連の数式番号として「式（１）」の形式を用いて数式番号を式の最後部に付与して用いることとする。
【００５０】
まず、本実施形態で使用されるフローレート制御方式に係る制御理論的アプローチである比例積分微分（ＰＩＤ）制御方式に関するいくつかの準備段階から説明する。
【００５１】
図６は、基本的な帰還型コントローラ装置の構成を示すブロック図である。帰還型コントローラ装置を、測定可能なプロセス変数である出力信号Ｙを設定値として、周知の所望の設定値Ｒ（設定値信号）の方向へ駆動すべくプロセスに何らかの制御を働かせる制御信号の出力ｕを発生させるように設計する（図６）。帰還型コントローラ装置は、アクチュエータを使用してプロセスに作用し、センサを使用して結果を測定する。
【００５２】
図６において、帰還型コントローラ装置は、減算器１１ｔと、コントローラ１２と、制御対象のプラント装置１３とを備えて構成される。加算器１１は入力される設定値信号Ｒから、プラント装置１３から出力される出力信号Ｙを減算して、減算結果の信号であるトラッキング誤差信号ｅをコントローラ１２に出力する。コントローラ１２は、入力されるトラッキング誤差信号ｅに基づいて所定の制御方法を用いて制御するための制御信号ｕを発生してプラント装置１３に出力する。プラント装置１３は、入力される制御信号ｕに基づいてその動作が制御され、そのときのプラント装置１３からの出力信号Ｙが減算器１１に出力されるとともに、外部装置に出力される。
【００５３】
以上説明したように、図６の帰還型コントローラにおいては、設定値信号（Ｒ）とプロセス変数である出力信号（Ｙ）の測定値との誤差信号ｅを観察することによりその出力信号を決定する。誤差信号ｅは、プロセス上の外乱又は負荷がプロセス変数を変更すると発生するが、図６の帰還型コントローラ装置の役割は、この誤差信号ｅを自動的に排除して０にすることにある（例えば、非特許文献１３参照。）。
【００５４】
初期の帰還型制御装置は、その制御構成において明示的又は暗示的に比例積分及び微分（ＰＩＤ）制御の各動作の考案を使用した。ここで、ＰＩＤ制御を厳密に理論的に考察したのは、１９２２年に発表されたミノルスキー（Minorsky）による船舶操舵に関する現象研究であった（例えば、非特許文献１４参照。）。ＰＩＤコントローラは、現代の産業プロセスにおいていまだ最も広範囲に使用されている制御構成である（例えば、非特許文献１５参照。）。ここで、ＰＩＤ制御アルゴリズムの一般式は、次式で表される。
【００５５】
【数１】
【００５６】
ここで、変数（ｅ）は、減算器１１により計算され、所望の入力値である設定値信号（Ｒ）と実際の出力信号（Ｙ）との差であるトラッキング誤差信号を表す。この誤差信号（ｅ）はＰＩＤコントローラ１２に送られ、ＰＩＤコントローラ１２はこの誤差信号ｅの導関数及び積分の双方を計算する。ＰＩＤコントローラ１２を通過した直後の制御信号（ｕ）は、この時点で、比例利得（Ｋｐ）×誤差信号の大きさ（ｅ）＋積分利得（Ｋｉ）×誤差信号（ｅ）の積分＋微分利得（Ｋｄ）×誤差信号（ｅ）の導関数に等しい。
【００５７】
比例利得（Ｋｐ）は、制御信号ｕの立ち上り時間を短縮する効果を有し、かつ定常状態の誤差を、完全に排除はしないものの低減させる。積分利得（Ｋｉ）は定常状態の誤差を排除する効果を有するが、過渡応答を悪化させる場合がある。微分利得（Ｋｄ）は、システムの安定度を高め、オーバーシュートを低減し、過渡応答を向上させる効果を有する。上記の式はＰＩＤコントローラ１２の連続表示の式であり、離散表示に変換されなければならない。これを行う方法は幾つか存在するが、一次有限差分を使用するものが最も簡単である。ここで、比例する誤差項も、やはり基準値と現在値との誤差を用いる。微分項及び積分項は、次式で置き換えできる。
【００５８】
【数２】
【数３】
【００５９】
ここで、ｗは積分制御のウィンドウである。従って、上記式の最終形式は、次式で表される。
【００６０】
【数４】
【００６１】
従って、所望の出力信号Ｙを計算するためには、現在の誤差、誤差合計及び誤差の最近の変化を求めることが必要になる。
【００６２】
次に、以上説明したＰＩＤ制御方式を図１のアドホック無線ネットワークに適用した場合の、優先度に基づいたフローレート制御方法について説明する。
【００６３】
図７は、図６のフィードバックコントローラを図１のアドホック無線ネットワークに適用した場合の、優先度に基づいたフローレート制御装置を概略的に示すブロック図である。図７は、図１のアドホック無線ネットワークにおいて単一の高優先度フローと複数ｎ個の低優先度フローとが存在する場合に、当該ネットワーク内の基本的なフローレート制御を１つのフローレート制御装置として概略的に示している。
【００６４】
図７のフローレート制御装置は、高優先度フローの設定値信号Ｒｐからフィードバック信号である出力信号Ｙを減算して、その減算結果であるトラッキング誤差信号ｅを出力する減算器２０と、各低優先度フローＬ１，…，Ｌｎの発信元無線局にそれぞれ設けられ、トラッキング誤差信号ｅの入力に基づいて、各低優先度フローＬ１，…，ＬｎのフローレートをＰＩＤ制御する低優先度フローコントローラＬＰＣ１，…，ＬＰＣｎからなるフローコントローラ２１と、１つの高優先度フローＨ及びｎ個の低優先度フローＬ１，…，Ｌｎのパケット信号を伝送するネットワークにおけるフローシステム２２と、各低優先度フローＬ１，…，Ｌｎのパケット信号を伝送する無線局にそれぞれ設けられ、これら各低優先度フローＬ１，…，Ｌｎのパケット信号と結合する高優先度フローＨのフローレートを測定し、当該フローレートを逆伝搬させるシステム２３とを備えている。従って、フローコントローラ２１によってそれぞれ制御された各低優先度フローＬ１，…，Ｌｎのフローレートが図６のコントローラ１１の制御信号ｕに対応し、図７のフローシステム２２からの出力信号が図６の出力信号Ｙに対応し、当該出力信号Ｙはシステム２３により逆伝搬されて減算器２０にフィードバックされる。
【００６５】
図７の説明では、特に、無線ネットワーク内の単一の高優先度フローと複数ｎ個の低優先度フローが互いにカップリングされる場合、すなわちこれらのフローのルートは（１つ又は複数の）共通のノード無線局を共用し、もしくは互いに干渉し合うほど十分に近接しているかの何れかである場合を仮定する。この場合、高優先度フローを所望のフローレートの設定値Ｒｐに保持するために、各低優先度フローは、高優先度フローのフローレートの出力信号Ｙが可能な限り設定値Ｒｐに近づくように、ＰＩＤ制御方式を用いて各低優先度フローの発信元無線局においてそのフローレートの制御信号ｕを適応的に変化させている。各低優先度フローは、高優先度フローを保護するために同様の制御方式を使用している。各低優先度フローＬｉのパケット信号を伝送するノード無線局は、高優先度フローとのカップリングが存在すれば、その高優先度フローのフローレートを測定して、測定値Ｍｉを取得する。この情報は、低優先度フローのパケット信号をそれぞれ発信した各発信元無線局ＳＬに逆伝搬される。これにより、各低優先度フローＬｉの発信元無線局はフローレートＹを決定し、ＰＩＤ制御方法を用いて当該制御処理が実行される。これに基づいて、各低優先度フローの発信元無線局は当該低優先度フローのフローレートを調整し、当該プロセスが反復される。
【００６６】
上述した従来技術のＰＩＤコントローラと、本発明に係る実施形態において用いられるフローレート制御方式との間には、重大な違いがあることは注目すべき点である。本実施形態において用いられるフローレート制御方式では、低優先度フローコントローラＬＰＣ１，…，ＬＰＣｎの出力信号値ｕ（すなわち低優先度フローのフローレート）をゼロに設定するとき、他に低優先度フローがまったく存在しなければ、高優先度フローのフローレートＹはその所望のフローレートの設定値Ｒｐに達することが容易に分かる。よって、高優先度フローのフローレートを所望の値に保持する課題だけに焦点が合わされていれば、この解決方法は従来的な意味でのコントローラをまったく必要としない。しかしながら、本実施形態に係るアドホック無線ネットワークにおける目的は、高優先度フローのフローレートの設定値ＲｐＨをその所望レベルに保持しつつ低優先度フローのフローレートの設定値ＲｐＬを最大化することにある。これは、最大−最小（max-min）フローレート制御に類似するものであり、この場合、本実施形態において用いられるフローレート制御方式は、高優先度フローのフローレートの設定値ＲｐＨをその所望値より低下させることなしに低優先度フローのフローレートの設定値ＲｐＬをさらに増加させることができなくなるような方法で、設定値ＲｐＬの値を動的に調整しかつ制御することにより、設定値ＲｐＨをその所望のレベルに保持する。この種の必要条件は従来のＰＩＤ制御には存在せず、よって、本発明に係る実施形態のアプローチは従来技術のＰＩＤ制御方法に対して新規性を有するものである。引き続き、これについて説明する。
【００６７】
無線通信システム内に複数の高優先度フローが複数の低優先度フローとともに存在し、これらが互いにカップリングされている場合、単一の高優先度フローに割り当てられる所望のフローレートの設定値Ｒｐはもはや有効ではない。これは、低優先度フローが存在しないときであっても、２つ以上の高優先度フローの間のカップリングにより、高優先度フローのすべてがそれらのフローレートを保持する余地がないからである。よって、複数の高優先度フローが互いにカップリングされる場合には、高優先度フローのための新たな設定値を動的に決定する必要がある。例えば、単一の高優先度フローが毎秒５０パケットの保証されたフローレートで動作することを無線通信システムが許容しているとき、この同じシステムは、システム内に２つのカップリングされた高優先度フローが存在する場合に同一のフローレートを保証することはできない。この場合、各高優先度フローに保証されるフローレートは、例えば毎秒３０パケットになる。そして他の低優先度フローは、この時点で、各高優先度フローに割り当てられた新たなフローレートを保護しようとする。
【００６８】
分散環境において高優先度フローの設定値を動的に変化させるために、各高優先度フローは、その近傍における他の高優先度フローの存在をモニタリングする。高優先度フローＨ１がその近傍にもう１つの高優先度フローＨ２を検出し、これらの２つの高優先度フローが互いにカップリングされる可能性が生じる場合には、フローＨ１は、その設定値を、予め定義された値Ｒｎｅｗ１に変化させる。ここで、Ｒ＞Ｒｎｅｗ１であり、単位はパケット／秒とする。同様に、高優先度フローＨ２も高優先度フローＨ１を検出し、同じくその設定値を値Ｒｎｅｗ１に変化させる。
【００６９】
また、高優先度フローＨ１がその近傍に２つの高優先度フローを検出すれば、高優先度フローＨ１は、その設定値を、予め定義された他の値Ｒｎｅｗ２に変化させる。これらの設定値は、実験により予め定義される場合もあり、また最適な媒体利用のために適応的に計算されることも可能である。後述のシミュレーションでは、簡単化のために、設定値は実験で予め定義されていることを仮定している。
【００７０】
高優先度フローＨ１のフローレートの設定値が値Ｒｎｅｗ１又はＲｎｅｗ２に変更された後で、指定された時間期間にわたって高優先度フローＨ１がその近傍に他の高優先度フローの存在を何ら検出しなければ、高優先度フローＨ１のフローレートの設定値は元の値Ｒに戻される。
【００７１】
低優先度フローはその近傍における高優先度フローのフローレートを測定し、さらに高優先度フローの設定値を取得する。低優先度フローは、これに応じてそのフローレートを調整し、最も弱い高優先度フローを保護する。本実施形態における「最も弱い高優先度フロー」とは、当該高優先度フローの設定値が値Ｒｎｅｗであるときに、最大の誤差信号値ｅ＝（Ｒｎｅｗ−Ｙ）を有するフローである。以上述べた低優先度フローの処理は、当然ながらその近傍における他の高優先度フローの保護を保証する。
【００７２】
次に、指向性の可変ビームアンテナ１０１を使用するフローレート制御方式の実装について説明する。
【００７３】
ここまでは、図５を参照し、近傍ノード無線局として、オムニアンテナを使用する無指向性のノード無線局が存在する場合について考察した。しかしながら、図２のように、指向性の可変ビームアンテナ１０１を用いたアドホック無線ネットワークに適応させるように、本実施形態に係るフローレート制御方式を変形するためには、指向性のＭＡＣと、その指向性の近傍ノード無線局とについて考察する必要がある。本発明者らは、非特許文献１６及び１７において、近傍ノード無線局のロケーションを追跡する能力のある、受信機が使用する回転セクタに基づく指向性ＭＡＣプロトコルを実装した。従って、各ノード無線局１−ｎは、その近傍に位置しかつ指向性の可変ビームアンテナ１０１を備えたノード無線局１−ｍを認識し、この情報は各ノード無線局１−ｎ内のデータベースメモリ１５４に格納された方位角及び信号強度テーブル（ＡＳテーブル）に記録される。
【００７４】
ある実施形態では、ＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号は無指向性のアンテナパターンを用いて送信されるのに対して、データパケット信号及びＡＣＫパケット信号は指向性のアンテナパターンを用いて送信される。アドホック無線ネットワークにおける指向性の可変ビームアンテナ１０１の使用により、無線干渉を大幅に低下させることが可能であり、従って、無線媒体の利用は向上する（非特許文献８、１６及び１７を参照）。指向性の可変ビームアンテナ１０１のこの特性は、本発明の実施形態に係るフローレート制御方式のプロトコルの効率を改善するために使用される。
【００７５】
図８は以上のことを示し、本実施形態において、セクターパターンのアンテナパターンを可変ビームアンテナ１０１に設定して用いたとき、低優先度フロー（Ｓ２−Ｄ２）が高優先度フロー（Ｓ１−Ｄ１）と同時に存在することができることを示す平面図である。図８の状況では、図５の同時に存在する高優先度のトラフィック「Ｓ１−Ｄ１」及び低優先度のトラフィック「Ｓ２−Ｄ２」は、可変ビームアンテナ１０１を各ノード無線局Ｓ１，Ｎ１，Ｄ１，Ｓ２，Ｎ２，Ｎ３，Ｄ２に設けることによって、互いに妨害し合うことなく共存することが可能である。オムニアンテナを使用する場合（図５）、このことは不可能であろう。よって、指向性の可変ビームアンテナ１０１を用いた場合、低優先度のトラフィック「Ｓ２−Ｄ２」は、高優先度のトラフィック「Ｓ１−Ｄ１」が存在していても、当該トラフィック「Ｓ２−Ｄ２」のパケット注入レートを制御する必要がない。指向性の可変ビームアンテナ１０１を使用すれば、優先度レベルの異なる複数のトラフィックが近接して存在していてもフロー方向にある通信からの競合だけが考慮されるという意味において、媒体における競合の検出もまた「指向性」になる（すなわち、所定の方位角における競合を検出する）。
【００７６】
ＭＡＣ（メディアアクセスコントロール）は、そのＡＳテーブルを調べて、媒体における所定の方位角における競合を検出する。指向性の可変ビームアンテナ１０１はＳＤＭＡ（空間分割多重アクセス）の効率を向上させるので、これは媒体内の他のフローの妨害を最小限に抑えながら低優先度フローのパケット注入レートをも増大させ、よって、高優先度のトラフィック及び低優先度のトラフィックのスループットが増大するに至る。それと同時に、複数の高優先度フローがカップリングされる機会は減少され、高優先度フローの性能が改善されることになる。
【００７７】
次に、本実施形態に係るフローレート制御方式における、ある高優先度フローの、他のフローによる検出及び当該高優先度フローのフローレートの測定について説明する。
【００７８】
フローによるパケット信号の送信が開始されると、パケット信号は、複数のホップを介し、かつＭＡＣ層において送信され、中間の各ノード無線局におけるパケット配送は、ＲＴＳ信号、ＣＴＳ信号、ＤＡＴＡ信号及びＡＣＫ信号の交換によって確認される。本実施形態において、ＲＴＳ信号及びＣＴＳ信号は、低優先度フローの発信元無線局においてパケット注入レート制御に対して下される決定に関する、フローに関連した情報を検出しかつ逆伝搬するために使用される。
【００７９】
図８が示すように、低優先度フローは、低優先度フローと高優先度フローの向きが重なる場合にのみ、当該高優先度フローに干渉する。図８では、ノード無線局Ｎ１及びＮ３は、互いに、オムニパターンのアンテナパターンを用いた場合の送信レンジ内にあるが、ノード無線局Ｎ１からノード無線局Ｄ１へのフローは、ノード無線局Ｎ３からノード無線局Ｄ２へのフローに干渉しない。これを保証するためには、低優先度フローにおける各ノード無線局は、当該ノード無線局の可変ビームアンテナ１０１によって低優先度フローの方向に形成された送信ゾーンが、高優先度フローのパケット信号を伝送するノード無線局を含むか否かを検出することが不可欠である。送信ゾーンがそのようなノード無線局を含むならば（すなわち干渉が存在するならば）、このことは、低優先度フローが高優先度フローを妨害することを含意し、必然的に低優先度フローのフローレートを制御して高優先度フローのフローレートを保護する必要がある。以下、任意のノード無線局１−ｎが高優先度フローを検出しかつ当該高優先度フローのフローレートを測定するための機構を定式化する。そのために、まず、いくつかのパラメータを定義する。
【００８０】
＜定義１＞ノード無線局１−ｎが、可変ビームアンテナ１０１を用いて、送信レンジ（送信半径）Ｒで方位角α及びビーム幅（角度）βの送信ビームを形成するとき、方位角αにおけるノード無線局１−ｎの有効到達範囲をノード無線局１−ｎの送信ゾーンＴＺｎ（α，β，Ｒ）と定義する。図９に、この送信ゾーンＴＺｎ（α，β，Ｒ）を示す。これは、ノード無線局１−ｍが送信ゾーンＴＺｎ（α，β，Ｒ）内にありかつノード無線局１−ｍが受信モードにある場合に、ノード無線局１−ｎが、当該ノード無線局１−ｎに関する送信方位角α、ビーム幅β及び送信レンジＲでメッセージを送信するときはいつでも、上記メッセージがノード無線局１−ｍによって受信されることを含意する。ノード無線局１−ｍが送信ゾーンＴＺｎ（α，β，Ｒ）の外に移動すると、ノード無線局１−ｎとノード無線局１−ｍとの間の接続性は失われる。本実施形態では送信ビーム幅（角度）β及び送信レンジＺが一定であるので、後の議論では、送信ゾーンＴＺｎ（α，β，Ｒ）を送信ゾーンＴＺｎ（α）と呼ぶ。
【００８１】
＜定義２＞ＲＲＴＨｉ，α，ｎ（ｔ）（ＲＴＳ信号受信時刻）は、その時点で高優先度フローＨｉを取り扱っている任意のノード無線局から、ノード無線局１−ｎが、ノード無線局１−ｎに関する方位角αでＲＴＳ信号を受信する時刻ｔと定義される。
【００８２】
＜定義３＞ＰＡＩＨｉ，α，ｎ（ｔ）（パケット到着間隔）は、ノード無線局１−ｎにおいて、時刻ｔに、ノード無線局１−ｎに関する方位角αで高優先度フローＨｉから受信される、２つの連続的なＲＲＴの受信時刻の間隔と定義される。これは、指向性の可変ビームアンテナ１０１を備えた任意のノード無線局１−ｎにより、その近傍における高優先度フローのフローレート（すなわち、単位時間当たりのパケット数：１／ＰＡＩＨｉ，α，ｎ（ｔ））を測定するために使用される。この定義により、次式が成り立つ。
【００８３】
［数１］
ＰＡＩＨｉ，α，ｎ（ｔ）
＝ＲＲＴＨｉ，α，ｎ（ｔ）−ＲＲＴＨｉ，α，ｎ（ｔｐｒｅｖｉｏｕｓ） （５）
【００８４】
ここで、ＲＲＴの以前の受信時刻ｔｐｒｅｖｉｏｕｓは、ｔ−Δｔ＜ｔｐｒｅｖｉｏｕｓ≦ｔを満たす。Δｔは、ノード無線局１−ｎに到着する２つのＲＴＳ信号の有効な連続性を保証するために導入される時間周期である。例えば、ノード無線局１−ｎが、ランダムなチャンネル誤差、衝突又は移動性に起因してＲＴＳ信号を受信し損なえば、ノード無線局１−ｎは誤ったフローレートを計算する可能性がある。このようなアドホック無線ネットワークにおいて、時間周期Δｔの導入は必要である。ＲＴＳ信号を発行することのない高優先度フローの宛先無線局の場合、その高優先度フローの宛先無線局において高優先度フローのフローレートを計算するために、ＣＴＳ信号受信時刻がモニタリングされる。
【００８５】
＜定義４＞ＰＡＩＴｎ（ｔ）（ＰＡＩテーブル）は、図１２に示されたような、各方位角αにおける各高優先度フローＨｉのパケット到着間隔ＰＡＩＨｉ，α，ｎ（ｔ）を記憶した、ノード無線局１−ｎにおける時刻ｔでのパケット到着間隔テーブルと定義される。
【００８６】
これで、ノード無線局１−ｎにおける低優先度フローが高優先度フローとの競合を発生させているか否かは、低優先度フローの送信方向又は送信ゾーンと、そのゾーン内で進行中の高優先度の通信とに依存する。ここで、ノード無線局１−ｎにおける低優先度フローは、ノード無線局１−ｎに関する送信ゾーンＴＺγを使用しているものと仮定する。言い替えれば、送信ゾーンＴＺγの方位角γは、ノード無線局１−ｎにおける、ある時刻ｔでの低優先度フローの向きである。ノード無線局１−ｎにおけるこの低優先度フローがその近傍における任意の高優先度フローとの競合を発生させているか否かは、送信ゾーンＴＺγの方位角γ方向におけるＰＡＩテーブルのエントリに依存する。すなわち、送信ゾーンＴＺγの方位角γ方向において、ＰＡＩテーブルが｛＜ＰＡＩＨｊ，γ，ｎ（ｔ）＞＜ＰＡＩＨｋ，γ，ｎ（ｔ）＞…｝のような高優先度フローに関する何らかのＰＡＩのエントリを含んでいる場合には、低優先度フローのレート調整のために、次式で定義される高優先度フローに関するＰＡＩの最大値ＭＡＸＰＡＩ（γ，ｔ）が、当該低優先度フローの発信元無線局に逆伝搬される必要がある。
【００８７】
［数２］
ＭＡＸＰＡＩ（γ，ｔ）
＝ＭＡＸ｛＜ＰＡＩＨｊ，γ，ｎ（ｔ）＞，＜ＰＡＩＨｋ，γ，ｎ（ｔ）＞，…｝ （６）
【００８８】
ＭＡＸＰＡＩ（γ，ｔ）は、低優先度フローのパケット信号を伝送するノード無線局が、これらのＰＡＩ値の最大値がフローレートの最小値を示すという意味において最も影響される高優先度フローを識別することを援助することは注目すべき点である。従って、この低優先度フローは、この最大のＰＡＩを保護するために当該低優先度フローのフローレートを調整するように試み、これにより、ＰＡＩの最大値を有する高優先度フローだけではなく、他の高優先度フローも自動的に保護される。
【００８９】
次に、低優先度フローの発信元無線局による、高優先度フローのフローレートの分散測定技術について検討する。発信元無線局Ｓから宛先無線局Ｄへのルート「Ｓ→Ｎ１→…→Ｎｋ−１→Ｎｋ→Ｎｋ＋１→…→Ｄ」が低優先度フローであるとすると、各ノード無線局は、ＰＡＩＨｉ，α，Ｎｋ（ｔ）を用いて、高優先度フローのフローレートを独立に測定している。低優先度フローの各ノード無線局で測定される高優先度フローのフローレートは、互いに異なっている可能性がある。ただし、制御決定を下すためには、低優先度フローの発信元無線局は、フローレートのボトルネック情報、すなわち、フロー「Ｓ→Ｎ１→…→Ｎｋ−１→Ｎｋ→Ｎｋ＋１→…→Ｄ」における各ノード無線局で測定されたすべてのフローレート値のうちの最低値を認識する必要がある。言い替えれば、発信元無線局Ｓは、低優先度フロー「Ｓ→Ｎ１→…→Ｎｋ−１→Ｎｋ→Ｎｋ＋１→…→Ｄ」の全ノード無線局におけるＭＡＸＰＡＩの最大値を知る必要がある。
【００９０】
議論を簡単化するため、これまでは１つだけの低優先度フローが存在する場合について考察してきた。しかしながら、１つのノード無線局は複数の低優先度フローに含まれている可能性がある。よって、ＭＡＸＰＡＩを、任意の方位角γの絶対値ではなく、フローの通信ＩＤ及びその通信ＩＤに係るフローの向きに関連付ける必要がある。そこで定義５において、ＭＡＸＰＡＩの定義を下記のように変更する。
【００９１】
＜定義５＞ＤＭＰＡＩ（Ｎｋ）Ｌｉ（ｔ）又は時刻ｔにおいて低優先度フローＬｉのパケット信号を取り扱って伝送するノード無線局Ｎｋで検出される最大パケット到着間隔を、ノード無線局Ｎｋで検出される低優先度フローＬｉの向きにおける高優先度フローの最大ＰＡＩと定義する。
【００９２】
＜定義６＞ＰＰＡＩ（Ｎｋ）Ｌｉ（ｔ）（伝搬パケット到着間隔）は、低優先度フローＬｉの一部「Ｎｋ＋１→…→Ｄ」の各ノード無線局によって測定された値であって、ノード無線局Ｎｋ＋１からの、ノード無線局Ｎｋにおける、高優先度フローの最大のＰＡＩの伝搬された値である。よって、次式が成り立つ。
【００９３】
［数３］
ＰＰＡＩ（Ｎｋ）Ｌｉ（ｔ）
＝ＭＡＸ｛ＤＭＰＡＩ（Ｎｋ＋１）Ｌｉ（ｔ），…，ＤＭＰＡＩ（Ｄ）Ｌｉ（ｔ）｝ （７）
［数４］
ＰＰＡＩ（Ｎｋ−１）Ｌｉ（ｔ）
＝ＭＡＸ｛ＤＭＰＡＩ（Ｎｋ）Ｌｉ（ｔ），ＰＰＡＩ（Ｎｋ）Ｌｉ（ｔ）｝ （８）
【００９４】
よって、ＰＰＡＩ（Ｓ）Ｌｉは、低優先度フローＬｉの発信元無線局Ｓによって最終的に検出される、高優先度フローの最大パケット到着間隔である。低優先度フローＬｉの発信元無線局Ｓは、この情報を使用して低優先度フローＬｉのフローレートを適応的に制御する。
【００９５】
次に、本実施形態に係るフローレート制御方式における、低優先度フローのフローレートのフィードバック制御について説明する。
【００９６】
以下の議論では、発信元無線局におけるパケット注入間隔（ＰＩＩ）を、フローレートを制御するための尺度として考慮している。発信元無線局におけるフローのパケット注入レートＰＩＲ「パケット／秒」は、次式により計算される。
【００９７】
［数５］
ＰＩＩ＝１／ＰＩＲ （９）
【００９８】
例えば、発信元無線局におけるＰＩＩが２０ミリ秒（ｍｓｅｃ）であれば、ＰＩＲ＝５０パケット／秒である。
【００９９】
フローレートに対して何らかの制御決定を下すためには、前述のように、まずＰＩＤコントローラにおける誤差項を計算する必要がある。従って、次式の誤差信号値ｅを用いる。
【０１００】
［数６］
「任意の低優先度フローＬｉのその発信元無線局Ｓにおける誤差信号値ｅ」
＝Ｒｐ−ＰＰＡＩ（Ｓ）Ｌｉ （１０）
【０１０１】
ここで、Ｒｐは、高優先度フローの所望されるＰＡＩであり、この値Ｒｐを設定値として用いる。ＰＰＡＩ（Ｓ）Ｌｉは、低優先度フローＬｉにおけるノード無線局によって検出されかつ低優先度フローＬｉの発信元無線局Ｓへ逆伝搬される、低優先度フローＬｉの近傍における高優先度フローの最大パケット到着間隔である。各高優先度フローは予め指定されたパケット注入レートの設定値Ｒｐを有し、このパケット注入レートの設定値Ｒｐは、高優先度フローがいかなる競合に直面する必要もないときは、任意の中間のノード無線局におけるパケット到着間隔に対応するはずであることが仮定される。ネットワーク内のすべてのノード無線局がこの値を認識し、これは所望の高優先度フローのＰＡＩに対応している。前述した通り、複数の高優先度フローが存在するアドホック無線ネットワークにおいては、高優先度フローＨ１がその近傍においてもう１つの高優先度フローＨ２を検出し、これらの２つの高優先度フローがカップリングされる可能性がある場合には、フローＨ１及びＨ２は、それらの設定値を、予め定義された新しい値Ｒｎｅｗに変更し、この情報がこれらの近傍における低優先度フローに伝送される。フローＨ１が、設定値を値Ｒｎｅｗに変更した後で、指定された時間期間にわたってその近傍において他の高優先度フローの存在を検出しなければ、フローＨ１のフローレートは設定値Ｒｐに戻る。
【０１０２】
誤差信号値ｅ（ｎ）及び連続する２つの誤差信号値間の時間周期Δｔが計算されると、低優先度フローＬｉ（Ｓ）のＰＩＩは、次式のように計算される。
【０１０３】
【数５】
【０１０４】
パラメータｋｐ，ｋｉ及びｋｄの値は、最適な性能を得るように調整する必要がある。以上説明したコントローラを実装したアドホック無線ネットワークの性能についてのシミュレーション結果を後述する。
【０１０５】
図１５乃至図１９は、本実施形態に係るフローレート制御方式として、図２のノード無線局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。
【０１０６】
図１５において、まず、ステップＳ１において回転セクターパターンで可変ビームアンテナ１０１を所定方位角（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Ｓ８に進む。ステップＳ８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Ｓ９に進む一方、ＮＯのときは図１９のサブルーチンであるＰＡＩ削除処理のステップＳ１２を実行した後、ステップＳ１に戻る。ステップＳ９において送信すべきパケット信号はビーコン信号で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Ｓ１１に進む。ステップＳ１０においてオムニパターンでビーコン信号を送信した後、ステップＳ１に戻る。一方、ステップＳ１１においてその他の信号をセクターパターン又は適応制御パターンで送信し、すなわち、図１３に示すように、各信号に応じて対応する放射パターンで送信を行った後、ステップＳ１に戻る。
【０１０７】
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において受信信号はビーコン信号か否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ６に進む一方、ＮＯのときはステップＳ７に進む。ステップＳ６においてパケット情報内のノード無線局ＩＤと検出された方位角と信号強度レベルに基づいてＡＳテーブルの内容を更新した後、ステップＳ１に戻る。一方、ステップＳ７において、図１６乃至図１８のサブルーチンである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。
【０１０８】
図１５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。
【０１０９】
図１６乃至図１８は図１５のサブルーチンであるその他の信号の受信処理（ステップＳ７）を示すフローチャートである。
【０１１０】
図１６のステップＳ３１において、まず、高優先度フローのＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を受信したか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３４に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３２に進む。ステップＳ３２においてＰＰＡＩとＰＨＰＦの両方を含む低優先度フローのＣＴＳ信号を受信したか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ４０に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３３においてその他の受信処理を実行した後、元のメインルーチンに戻る。ここで、ステップＳ３３のその他の受信処理は、受信された低優先度フローのＲＴＳ信号をそのまま宛先無線局に向けて中継伝搬させる処理を含む。
【０１１１】
ステップＳ３４においては、自局が低優先度フローのパケット信号を伝送する無線局であるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３５に進み、ＮＯのときは図１７のステップＳ５１に進む。ステップＳ５１において、受信したＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号に基づいて、所定時間Ｔａ内に受信したＨＰＦの値を１だけインクリメントした後、更新したＨＰＦの値を、高優先度のフローのＩＤに対応してＨＰＦテーブルに格納する。このステップでは、高優先度フロー（例えば、フローＨｉとする。）のパケット信号を取り扱って伝送するノード無線局において、ＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を受信すると、そのノード無線局がこれまでに所定の時間内に受信したＨＰＦの値を１だけインクリメントする。その上で、そのインクリメントされたＨＰＦの値を、そのノード無線局が取り扱っているフローＨ１の通信ＩＤに対応したＨＰＦとして格納する。つまり、高優先度フローＨｉのパケット信号を取り扱って伝送するノード無線局では、常に自局のノード無線局の通信エリア内における他の隣接した高優先度フローＨｊ（ｉ≠ｊ）の数をモニタリングし、自局で取り扱っているフローＨｉのＨＰＦの値を更新する。
【０１１２】
次いで、ステップＳ５２において、自局が高優先度フローの発信元無線局か否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ５３に進み、ＮＯの時はステップＳ５４に進む。ステップＳ５３において、自局のＨＰＦテーブルのＨＰＦから決まる設定値Ｒｐに基づいて高優先度フローのＰＩＲを計算してパケット注入レートＰＩＲを更新する。その設定値Ｒｐは、予め決められた定数ｒと、ＨＰＦテーブルに格納されている中で、自局で取り扱っているフローに対するＨＰＦの値とに基づいて、次式を用いて計算される。
【０１１３】
［数７］
ＨＰＦ＝０のとき：Ｒｐ＝ｒ，
ＨＰＦ＝１のとき：Ｒｐ＝ｒ／２，
ＨＰＦ＝２のとき：Ｒｐ＝ｒ／３，
...........
ＨＰＦ＝ｎのとき：Ｒｐ＝ｒ／ｎ
（１２）
【０１１４】
上記式（１２）により決定された設定値Ｒｐをそのまま、ＰＩＲとする。
【０１１５】
［数８］
ＰＩＲ＝１／ＰＩＩ＝Ｒｐ （１３）
【０１１６】
ステップＳ５３においては、パケット注入レートＰＩＲを更新した後、元のメインルーチンに戻る。また、ステップＳ５４において、受信したＲＴＳ信号に応答して、計算されたＨＰＦを含むＲＴＳ信号を宛先無線局に向けて中継伝搬させるとともに、上記更新されたＨＰＦテーブル内のＨＰＦの値を新しいＰＨＰＦとし、当該新しいＰＨＰＦを含むＣＴＳ信号を高優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させた後、元のメインルーチンに戻る。
【０１１７】
再び図１６を参照すると、ステップＳ３５においては、受信されたＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号の時刻に基づいて、式（５）を用いてＰＡＩを計算してＰＡＩテーブルに格納し、受信した信号内のＨＰＦを、高優先度フローの通信ＩＤに対応してＨＰＦテーブルに格納する。低優先度フローのパケット信号を伝送するノード無線局においては、単に高優先度フローのＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号に含まれているノードＩＤ（高優先度フローの通信ＩＤに相当する）とＨＰＦの値を、そのままＨＰＦテーブルに格納して更新する。
【０１１８】
次いでステップＳ３６において、自局が低優先度フローの発信元無線局であるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ３７に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３８に進む。ステップＳ３７では、自局のＰＡＩテーブルにおけるＤＭＰＡＩに基づいて式（７）を用いて計算されるＰＰＡＩと、上記計算されたＰＰＡＩに対応する高優先度のフローのＨＰＦから決定される設定値Ｒｐとに基づいて、低優先度フローのＰＩＲを計算してＰＩＲを更新する。このステップにおいて計算されたＰＰＡＩはＰＡＩの最小値であり、このＰＡＩの最小値に相当する高優先度フローのＨＰＦの値から、式（１２）を用いて設定値Ｒｐを計算する。計算された設定値Ｒｐに基づいて、式（９）乃至式（１１）を用いてＰＩＲを計算して更新する。
【０１１９】
ステップＳ３７においてＰＩＲを更新した後、元のメインルーチンに戻る。
【０１２０】
ステップＳ３８では、ＰＨＰＦのみを含む高優先度のフローのＣＴＳ信号を受信したかが判断され、ＹＥＳのときは、図１８のステップＳ５５に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３９に進む。ステップＳ５５において、自局のＨＰＦテーブルにおいてＨＰＦがあるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ５６に進み、ＮＯのときはステップＳ５６Ａに進む。ステップＳ５６において、受信されたＣＴＳ信号内のＨＰＦと、自局で伝送しているＨＰＦとを平均化して、その平均値を新しいＰＨＰＦとして更新し、ステップＳ５７に進む。また、ステップＳ５６Ａでは、受信したＣＴＳ信号内のＨＰＦを新しいＰＨＰＦとして設定してステップＳ５７に進む。
【０１２１】
ステップＳ５７において、自局が高優先度フローの発信元無線局か否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ５８に進み、ＮＯのときはステップＳ５９に進む。ステップＳ５８において、新しいＰＨＰＦをＨＰＦとしたときに式（１３）を用いて計算される設定値Ｒｐに基づいて式（１３）を用いて高優先度フローのＰＩＲを計算してＰＩＲを更新した後で、元のメインルーチンに戻る。ステップＳ５９において、新しいＰＨＰＦを含む高優先度のフローのＣＴＳ信号を高優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させる。なお、ステップＳ５９では、高優先度フローの通信ＩＤの時にＣＴＳ信号にＰＨＰＦを挿入するか否かを判断して実行する。そして、元のメインルーチンに戻る。
【０１２２】
さらに、図１６のステップＳ３９において、受信したＲＴＳ信号に応答して計算されたＨＰＦを含むＲＴＳ信号を宛先無線局に向けて中継伝搬させるとともに、自局のＰＡＩテーブルにおいてＤＭＰＡＩをＰＰＡＩとして選択して上記選択されたＰＰＡＩと、上記受信されたＣＴＳ信号内のＰＨＰＦとを含むＣＴＳ信号を低優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させた後、元のメインルーチンに戻る。
【０１２３】
ステップＳ４０では、自局のＰＡＩテーブルにおいてＤＭＰＡＩはあるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ４１に進む一方、ＮＯのときはそのままステップＳ４２に進む。ステップＳ４１において、受信したＣＴＳ信号内のＰＰＡＩと、自局のＰＡＩテーブルにおけるＤＭＰＡＩとを比較してより大きい値を新しいＰＰＡＩとして更新し、次いで、ステップＳ４２において、自局が低優先度フローの発信元無線局であるか否かが判断される。ステップＳ４２でＹＥＳのときはステップＳ４３に進む一方、ＮＯのときはステップＳ４４に進む。ステップＳ４３では、新しいＰＰＡＩと、自局のＨＰＦテーブル内のＨＰＦから式（１２）を用いて決定される設定値Ｒｐとに基づいて、式（９）乃至式（１１）を用いて低優先度フローのＰＩＲを計算してＰＩＲを更新し、元のメインルーチンに戻る。また、ステップＳ４４では、新しいＰＰＡＩと、受信されたＣＴＳ信号内のＰＨＰＦを含むＣＴＳ信号を低優先度フローの発信元無線局に向けて逆伝搬させる。なお、ステップＳ４４において、低優先度フローの通信ＩＤのときにＣＴＳ信号にＰＰＡＩとＰＨＰＦを挿入するか否かを判断して実行することとする。そして、元のメインルーチンに戻る。
【０１２４】
図１９は、図１５のサブルーチンであるＰＡＩ削除処理（ステップＳ１２）を示すフローチャートである。
【０１２５】
図１９のステップＳ６１において、各高優先度フローについて時間Δｔの間ＲＴＳ信号又はＣＴＳ信号を受信していないか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ６２に進む一方、ＮＯのときはそのまま元のルーチンに戻る。ステップＳ６２では、当該高優先度フローに対するＰＡＩをＰＡＩテーブルから削除した後、元のルーチンに戻る。
【０１２６】
以上説明したように、本実施形態のアドホック無線ネットワーク内の各ノード無線局によって実行されるパケット送受信制御処理によれば、異なる複数の優先度のフローが存在するアドホック無線ネットワークにおいて、各フローの優先度に基づいて当該フローのＱｏＳをサポートすることができる。これにより、高優先度のフローに対する低優先度フローの干渉を最小限にするように低優先度フローを制御し、高優先度のフローのスループットを向上させることができる。
【実施例１】
【０１２７】
次いで、本実施形態のアドホック無線ネットワークのシミュレーションによる性能評価について説明する。
【０１２８】
本発明者らは、本発明の実施形態に係る、フローレート制御方式を用いたアドホック無線ネットワークの性能を、クアルネット（QualNet）・ネットワークシミュレータを用いたシミュレーションによって評価した（非特許文献１８を参照）。シミュレーションでは、ＩＥＥＥ８０２．１１に基づく指向性のＭＡＣ（非特許文献１６を参照）を考慮し、また、提案した実施形態に係るプロトコルを、可変ビームアンテナ１０１を用いた場合についてのみ実装した。シミュレーションは、３０度の方位角毎に離散的にステアリングされて３６０度の範囲をカバーする擬似スイッチング式のビームアンテナの形式である、電子制御導波器アレーアンテナ装置（非特許文献１６を参照）を指向性の可変ビームアンテナ１０１として用いて行った。クォールネット・ネットワークシミュレータには、提案した実施形態に係るプロトコルを実装するために必要な変更を加えた。表１に、シミュレーションに使用したパラメータのセットを示す。
【０１２９】
【表１】
【０１３０】
まず、本実施形態に係るフローレート制御方式が実装され、低優先度フローの発信元無線局が低優先度フローコントローラＬＰＣを備えたノード無線局として動作するアドホック無線ネットワークの性能評価について説明する。
【０１３１】
議論を簡単化するために、１つの列毎に６つのノード無線局を有し、必要な場合は常にそのうちの２つの端部のノード無線局が各々発信元無線局及び宛先無線局として動作する格子状のトポロジーを仮定する。低優先度フローコントローラＬＰＣの性能評価は、次のように設定された３つの格子状トポロジーの下で行った。
【０１３２】
（Ａ）格子の第１の列に沿った単一の高優先度フローと、格子の第２の列に沿った単一の低優先度フロー：両方のフローのルートは、ルートカップリングを発生させるのに十分なほど物理的に近接している（以下、第１のトポロジーという。）。
（Ｂ）格子の第２の列に沿った単一の高優先度フローと、格子の第１及び第３の列に沿った２つの低優先度フロー：３つのルートはすべて、ルートカップリングを発生させるのに十分なほど物理的に近接している（以下、第２のトポロジーという。）。
（Ｃ）格子の第２及び第３の列に沿った２つの高優先度フローと、格子の第１の列に沿った単一の低優先度フロー：これらはすべて、ルートカップリングを発生させるのに十分なほど物理的に近接している（以下、第３のトポロジーという。）。
【０１３３】
本実施形態に係るプロトコルにおいて得られる利得を明確に示すため、静的ルートを使用してルーティングプロトコルによる影響を除去した。また、ルーティングプロトコルに起因するいかなる制御パケットも発生させないために、静的ルートを使用した。発信元無線局及び宛先無線局のペアをランダムに選択する代わりに、高優先度フローと低優先度フローとの間に競合が存在するような発信元無線局及び宛先無線局のペアを選択し、パケット注入間隔の制御の効果を実証できる状況を人工的に創出した。
【０１３４】
最初のシミュレーション結果として、上述の第１のトポロジー、すなわち、１つの高優先度フローと１つの低優先度フローとが存在する場合の低優先度フローコントローラＬＰＣの性能について説明する。
【０１３５】
図２０乃至図２３は、１つの高優先度フローと１つの低優先度フローとが存在する場合の低優先度フローコントローラＬＰＣの性能を示している。高優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＩ）について所望される設定値Ｒｐは２０ミリ秒である、すなわち、所望のパケット注入レートは毎秒５０パケットである。５１２バイトのパケットサイズ及び１００％のパケット伝送率（ＰＤＲ）の場合、パケット注入間隔ＰＩＩ＝２０ミリ秒において期待されるスループットは２０４．８ｋｂｐｓである。
【０１３６】
図２０は、低優先度フローコントローラＬＰＣを用いた場合の、高優先度フローのパケット到着間隔（ＰＡＩ）と低優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＩ）との時間的変化を示すグラフである。図２０に示されたシミュレーションでは、高優先度フロー（Ｈ）を保護するための低優先度フロー（Ｌ）のフローレート適応制御が行われている。図２０に示されたシミュレーションでは、高優先度フローのＰＩＩ（Ｈ）及び低優先度フローのＰＩＩ（Ｌ）の両方の初期値は２０ミリ秒である。ＰＩＩ（Ｌ）＝２０ミリ秒で動作する低優先度フローがカップリングされている場合には高優先度フローは２０ミリ秒のフローレートを保持できないので、低優先度フローのＰＩＩは即時かつ急激に増大して高優先度フローのフローレートを保護する。低優先度フローのフローレートは、漸次減少し、平均してＰＩＩ（Ｌ）＝６０ミリ秒（近似値）に落ち着く。
【０１３７】
図２１は、本実施形態に係るフローレート制御として適応的なパケット注入レート制御を実行した場合における、対応するスループットとパケット伝送率の結果を示す表である。高優先度フローは、１の値であるパケット伝送率とともにスループット２０４ｋｂｐｓを保持することができる。低優先度フローのスループットは５３ｋｂｐｓであり、パケット伝送率は０．９９９である。このシミュレーション結果を得る際に使用されたパラメータｋｐ，ｋｉ及びｋｄの値はそれぞれ、０．８，０．１，０．１である。
【０１３８】
図２２及び図２３は、上記条件下で、本実施形態に係るフローレート制御を実行するコントローラを使用しない場合のシステムの動作を示す。図２２及び図２３のシミュレーションでは、１つの高優先度フロー（Ｈ）及び１つの低優先度フロー（Ｌ）が存在する場合に、高優先度フローのパケット注入間隔を２０ミリ秒（すなわち毎秒５０パケットに固定されたフローレート）に一定に保持し、かつ低優先度フローのパケット注入間隔を手動で増大させ、ここで、図２２は、低優先度フローのパケット注入間隔に対する各フローのスループットを示すグラフであり、図２３は、低優先度フローのパケット注入間隔に対する各フローのパケット伝送率（ＰＤＲ）を示すグラフである。
【０１３９】
高優先度フロー及び低優先度フローの両方がパケット注入間隔ＰＩＩ＝２０ミリ秒に設定されているとき、高優先度フローのスループットは１２９ｋｂｐｓであり、パケット伝送率は０．６３であり、一方、低優先度フローのスループットは１２４ｋｂｐｓであり、パケット伝送率は０．６である。ここで、低優先度フローのＰＩＩを手動で変化させることによって、高優先度フローのスループット及びパケット伝送率を測定した。低優先度フローのパケット注入間隔ＰＩＩ（すなわちＰＩＩ（Ｌ））を増大させると、高優先度フローのスループット及びパケット伝送率はともに増大する。パケット注入間隔ＰＩＩ（Ｌ）＝６０ミリ秒又はこれ以上のときに、高優先度フローはパケット伝送率０．９９３でスループットのピーク値２０４ｋｂｐｓに達する。よって、パケット注入間隔ＰＩＩ（Ｌ）＝６０ミリ秒が、手動で調整された低優先度フローの最適な設定値であり、この設定値のときに、高優先度フローをその所望のレベルに保持することができる。このことが、低優先度フローのフローレートを制御することによって達成しようとしているものである（図２０を参照）。この設定値における低優先度フローのスループットは、６７ｋｂｐｓである。
【０１４０】
次のシミュレーション結果として、上述の第２のトポロジー、すなわち、１つの高優先度フローと２つの低優先度フローとが存在する場合の低優先度フローコントローラＬＰＣの性能について説明する。
【０１４１】
図２４は、１つの高優先度フローＨと２つの低優先度フローＬ１及びＬ２とが存在し、すべてが互いにカップリングされる場合において、本実施形態に係るフローレート制御として適応的なパケット注入レート制御を実行したときの、対応するスループットとパケット伝送率を示す表であり、図２５は、低優先度フローコントローラＬＰＣの性能として、高優先度フローのパケット到着間隔と低優先度フローのパケット注入間隔との時間的変化を示すグラフである。図２４及び図２５のシミュレーションでは、高優先度フロー（Ｈ）のフローレートを保護しかつ低優先度フロー（Ｌ１及びＬ２）自体のスループットを最大化するために、２つの低優先度フローに対する適応的なフローレート制御が行われている。
【０１４２】
高優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＩ）の所望される設定値Ｒｐは２０ミリ秒である、すなわち所望されるパケット注入レートは毎秒５０パケットである。図２５に、低優先度フローコントローラＬＰＣの動作を示す。図２５のシミュレーションでは、パケット注入間隔ＰＩＩ（Ｈ）、ＰＩＩ（Ｌ１）及びＰＩＩ（Ｌ２）の初期値は２０ミリ秒である。低優先度フローコントローラＬＰＣの制御動作を示すため、フローＨ及びＬ１の通信は、シミュレーション開始後３０秒の時刻に同時に開始させてシミュレーションの終わりまで継続させ、それに対して、フローＬ２の通信はシミュレーション開始後１１０秒の時刻に開始させて、シミュレーション開始後１８０秒の時刻に停止させる。フローＬ２が存在しなければ、低優先度フローコントローラＬＰＣの動作は先の場合と同じである。しかしながら、フローＬ２を開始させると、フローＬ１及びＬ２の両方のＰＩＩは即時かつ急激に増大してフローＨのフローレート（すなわちパケット注入間隔ＰＩＩ）をＰＩＩ（Ｈ）＝２０ミリ秒に保護する。両方の低優先度フローのフローレートは、漸次減少し、平均してＰＩＩ（Ｌ）＝２２０ミリ秒（近似値）に落ち着く。フローＬ２が停止されると、図示するようにフローＬ１のＰＩＩはそのもとの値へと落ち着く。
【０１４３】
図２４を参照すると、高優先度フローは、図２０乃至図２３に示されたシミュレーション結果と同様に、１の値であるパケット伝送率とともにスループット２０４．８ｋｂｐｓを保持することができる。フローＬ１のスループットは３５．１５ｋｂｐｓであり、パケット伝送率は０．９９であり、一方、フローＬ２のスループットは１７．５ｋｂｐｓであり、パケット伝送率は１である。フローＬ１とＬ２のスループットの差は、フローＬ２が存在する場合と存在しない場合とでフローＬ１が異なるＰＩＩ（Ｌ１）で動作したという事実に起因する。このシミュレーション結果を得るために使用されたパラメータｋｐ，ｋｉ及びｋｄの値はそれぞれ、０．８，０．５，０．２である。本実施形態に係るフローレート制御を実行するコントローラが存在しなければ、フローＨのスループットは８２．０６ｋｂｐｓであり、パケット伝送率は０．４である。
【０１４４】
また、次のシミュレーション結果として、上述の第３のトポロジー、すなわち、２つの高優先度フローと１つの低優先度フローとが存在する場合の低優先度フローコントローラＬＰＣの性能について説明する。
【０１４５】
図２６は、２つの高優先度フローＨ１及びＨ２と１つの低優先度フローＬとが存在し、すべてが互いにカップリングされる場合において、本実施形態に係るフローレート制御として適応的なパケット注入レート制御を実行したときの、対応するスループットとパケット伝送率を示す表であり、図２７は、低優先度フローコントローラＬＰＣの性能として、高優先度フローのパケット到着間隔と低優先度フローのパケット注入間隔との時間的変化を示すグラフである。図２６及び図２７のシミュレーションでは、高優先度フローＨ１及びＨ２のフローレートを保護しかつ低優先度フローＬ自体のスループットを最大化するために、低優先度フローＬに対する適応的なフローレート制御が行われている。
【０１４６】
システムは、パケット注入間隔ＰＩＩの値を小さくするだけでは余裕のある状態で２つの高優先度フローを保持することができないので、高優先度フローのパケット注入間隔（ＰＩＩ）の所望される設定値Ｒｐは、このシミュレーションでは４０ミリ秒に設定される、すなわち所望のパケット注入レートは毎秒２５パケットに設定される。この値は、実験で得たものである。このシミュレーションにおける低優先度フローコントローラＬＰＣのタスクは、高優先度フローＨ１及びＨ２の両方をこの所望の設定値に保持することである。図２７は、低優先度フローコントローラＬＰＣの動作を示す。図２７のシミュレーションでは、パケット注入間隔ＰＩＩ（Ｈ１）、ＰＩＩ（Ｈ２）及びＰＩＩ（Ｌ）の初期値は４０ミリ秒である。低優先度フローは、最初の急激な増大の後、平均してパケット注入間隔ＰＩＩ（Ｌ）＝１２０ミリ秒（近似値）に落ち着く。図２６は、対応するスループットとパケット伝送率を示す。両方の高優先度フローは、ほぼ１の値であるパケット伝送率で所望のスループット１０２．３ｋｂｐｓを保持することができる。このシミュレーションにおいて、パケット注入間隔ＰＩＩ（Ｈ）は４０ミリ秒であるため、パケットサイズが５１２バイトであってかつ１００％のパケット伝送率でる場合の理想スループットは１０２．４ｋｂｐｓである。低優先度フローＬのスループットは、ほぼ１の値であるパケット伝送率で３３．７７ｋｂｐｓである。このシミュレーション結果を得るために使用されたパラメータｋｐ，ｋｉ及びｋｄの値は、０．８，０．８，０．１である。
【０１４７】
以上説明したシミュレーション結果は、オーバーヘッドのない理想的な環境の格子状トポロジーにおける低優先度フローコントローラＬＰＣの評価であるが、次に、ランダムトポロジーにおけるシステム性能の評価についてのシミュレーション結果を説明する。
【０１４８】
このシミュレーションでは、本発明者らが開発した指向性ＭＡＣプロトコルのようなロケーション追跡機構を有する、回転セクタに基づく受信機側に装備する指向性ＭＡＣプロトコル（非特許文献１６を参照）を実装した。また、このシミュレーションでは、本発明者らが開発した指向性ルーティングプロトコルのような、ネットワークを認識するルーティングプロトコル（非特許文献８を参照）を用いた。様々なＭＡＣ及びルーティング層制御パケットのオーバーヘッドを伴う実際的なシナリオにおいて本発明の実施形態に係るフローレート制御方式の有効性を示すため、このＭＡＣ及びルーティングプロトコル上に本実施形態に係るフローレート制御方式を実装した。１５００ｍ×１５００ｍの正方形の有界領域に１００個のノード無線局を有するランダムトポロジーにおいて、高優先度フローとしての１つの発信元無線局及び宛先無線局のペアと、低優先度フローとしてのさらに５つの発信元無線局及び宛先無線局のペアとをランダムに選択した。システム性能の評価は、各ノード無線局が静的に配置された場合と、各ノード無線局が移動する場合との両方に関して行った。
【０１４９】
まず、各ノード無線局が領域内に静的かつランダムに配置された場合のシミュレーション結果について説明する。
【０１５０】
図２８は、フローレート制御方式を実装したノード無線局からなる５つの低優先度フローが存在する場合の高優先度フローの性能を、低優先度フローに低優先度フローコントローラＬＰＣが割り当てられていない場合と、他にまったくフローが存在せず高優先度フローが単独で動作する場合との比較で示したものである。高優先度フローが単独で動作する場合、これはほぼ８６ｋｂｐｓのスループットを生み出す。他の５つの低優先度フローが導入されかつフローレート制御方式（すなわち、低優先度フローコントローラＬＰＣの制御方式）が割り当てられない場合は、図２８から明らかであるように、この高優先度フローの性能はその以前の値のほぼ半分にまで劣化する。低優先度フローが存在しても、本実施形態に係るフローレート制御方式を使用するならば、高優先度フローのスループットは単独で動作していたときの値とほぼ同じである。
【０１５１】
図２９は、低優先度フローコントローラＬＰＣをいっさい使用しない場合と使用する場合の２つのシナリオにおける、５つの低優先度フローの性能を示している。本実施形態に係るフローレート制御方式を導入すると、低優先度フローは引き続き、フローレート制御をまったく行わなかった場合のその平均スループットの９０％を保持することができる。このことは、低優先度フローのフローレートが高優先度フローのフローレートを保護するために十分なほど低下されなかったからではない。低優先度フローのパケット注入レートが最適に制御されると輻輳は低下し、媒体を適正に利用することがパケットロスを無視できるほど減少させる。この方式は低優先度フローのスループットをも最大化し、パケットは、ネットワークがその時点で処理し得る最適化されたレートで注入される。
【０１５２】
次に、各ノード無線局が領域内を移動する場合のシミュレーション結果について説明する。連続的に変化しているトポロジーにおいても本発明の実施形態に係るフローレート制御方式が頑健であることを示すために、ノード無線局装置が毎秒０−１０メートルで移動しているという条件下で、本実施形態に係るプロトコルを試験しかつ評価した。輻輳情報が低優先度フローの発信元無線局へ高速で逆伝搬され、当該発信元無線局はそのフローレートの制御量を適応的に決定できることから、より優れた性能を達成することが可能である。
【０１５３】
図３０は、本発明の実施形態に係るフローレート制御方式における高優先度フローの性能を、低優先度フローに低優先度フローコントローラＬＰＣが割り当てられていない場合と、他にまったくフローが存在せず高優先度フローが単独で動作する場合との比較で示したものである。単独で動作する高優先度フローは、ほぼ１３３ｋｂｐｓのスループットを生み出す。他の５つの低優先度フローが低優先度フローコントローラＬＰＣなしで導入される場合は、図３０から明らかであるように、この高優先度フローの性能はその以前の値のほぼ３分の１未満にまで劣化する。低優先度フローが存在しても、本発明の実施形態に係るフローレート制御方式を使用すれば、この高優先度フローのスループットはほぼ１２７ｋｂｐｓにまで増加する。
【０１５４】
図３１は、優先度に基づくフローレート制御方式をいっさい使用しない場合（低優先度フローコントローラＬＰＣなし）と、本発明の実施形態に係るフローレート制御としてパケット注入レート制御を導入した後（低優先度フローコントローラＬＰＣを使用）との２つのシナリオにおける低優先度フローの性能を示している。本シミュレーションによる評価において最も興味深い部分は、本実施形態に係るフローレート制御方式を導入すると、低優先度フローはむしろその平均スループットをも向上させ得ることを示している。この向上は、低優先度フローのパケット注入レートの最適な制御によりネットワークの輻輳が減少し、パケットロスを最小限に抑えた最適な媒体利用がもたらされることから可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１５５】
【図１】本発明に係る一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ノード無線局１−１乃至１−９の平面配置図である。
【図２】図１の各ノード無線局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一般的なフォーマットを示す図である。
【図４】（ａ）は図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いるＲＴＳパケット信号のフォーマットを示す図であり、（ｂ）は図１のアドホック無線ネットワークにおいて用いるＣＴＳパケット信号のフォーマットを示す図である。
【図５】従来技術における問題点を示す図であって、オムニアンテナを用いたとき、低優先度フロー（Ｓ２−Ｄ２）が高優先度フロー（Ｓ１−Ｄ１）を妨害する場合を示す平面図である。
【図６】図１のアドホック無線ネットワークに適用される、基本的なフィードバックコントローラを概略的に示すブロック図である。
【図７】図６のフィードバックコントローラを図１のアドホック無線ネットワークに適用した場合の、優先度に基づいたフローレート制御装置を概略的に示すブロック図である。
【図８】本実施形態において、セクターパターンを可変ビームアンテナ１０１に設定して用いたとき、低優先度フロー（Ｓ２−Ｄ２）が高優先度フロー（Ｓ１−Ｄ１）と同時に存在することができることを示す平面図である。
【図９】図２の可変ビームアンテナ１０１によって形成されるノード無線局１−ｎの送信ゾーンＴＺｎ（α，β，Ｒ）を示す図である。
【図１０】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１１】図２のデータベースメモリ１５４において格納される高優先度フローテーブル（ＨＰＦテーブル）の一例を示す表である。
【図１２】図２のデータベースメモリ１５４において格納されるパケット到着間隔テーブル（ＰＡＩテーブル）の一例を示す表である。
【図１３】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ノード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１４】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ビーコン信号の動作を示すタイミングチャートである。
【図１５】図２のノード無線局１の管理制御部１０５に従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１６】図１５のサブルーチンであるその他の信号の受信処理（ステップＳ７）を示すフローチャートの第１の部分である。
【図１７】図１５のサブルーチンであるその他の信号の受信処理（ステップＳ７）を示すフローチャートの第２の部分である。
【図１８】図１５のサブルーチンであるその他の信号の受信処理（ステップＳ７）を示すフローチャートの第３の部分である。
【図１９】図１５のサブルーチンであるＰＡＩ削除処理（ステップＳ１２）を示すフローチャートである。
【図２０】本実施形態のシミュレーション結果であって、高優先度フローと低優先度フローとが存在するときの、高優先度フローのパケット到着間隔と低優先度フローのパケット注入間隔との時間的変化を示すグラフである。
【図２１】本実施形態のシミュレーション結果であって、高優先度フローと低優先度フローとが存在するときの、適応的パケット注入レート制御の結果を示す表である。
【図２２】本実施形態のシミュレーション結果であって、高優先度フローと低優先度フローとが存在するときの、低優先度フローのパケット注入間隔に対する各フローのスループットを示すグラフである。
【図２３】本実施形態のシミュレーション結果であって、高優先度フローと低優先度フローとが存在するときの、低優先度フローのパケット注入間隔に対する各フローのパケット伝送率を示すグラフである。
【図２４】本実施形態のシミュレーション結果であって、１つの高優先度フローと２つの低優先度フローとが存在するときの、適応的パケット注入レート制御の結果を示す表である。
【図２５】本実施形態のシミュレーション結果であって、１つの高優先度フローと２つの低優先度フローとが存在するときの、高優先度フローのパケット到着間隔と低優先度フローのパケット注入間隔との時間的変化を示すグラフである。
【図２６】本実施形態のシミュレーション結果であって、２つの高優先度フローと１つの低優先度フローとが存在するときの、適応的パケット注入レート制御の結果を示す表である。
【図２７】本実施形態のシミュレーション結果であって、２つの高優先度フローと１つの低優先度フローとが存在するときの、高優先度フローのパケット到着間隔と低優先度フローのパケット注入間隔との時間的変化を示すグラフである。
【図２８】本実施形態のシミュレーション結果であって、複数のノード無線局が領域内に静的かつランダムに配置された場合、高優先度フローのみのとき、高優先度フロー及び５つの低優先度フロー（フローレート制御なし）のとき、並びに、高優先度フロー及び５つの低優先度フロー（フローレート制御有り）のときにおける高優先度フローのスループットの比較を示すグラフである。
【図２９】本実施形態のシミュレーション結果であって、複数のノード無線局が領域内に静的かつランダムに配置された場合、低優先度フローについて、フローレート制御の有無に対する平均スループットを示すグラフである。
【図３０】本実施形態のシミュレーション結果であって、複数のノード無線局が領域内を移動する場合、高優先度フローのみのとき、高優先度フロー及び５つの低優先度フロー（フローレート制御なし）のとき、並びに、高優先度フロー及び５つの低優先度フロー（フローレート制御有り）のときにおける高優先度フローのスループットの比較を示すグラフである。
【図３１】本実施形態のシミュレーション結果であって、複数のノード無線局が領域内を移動する場合、低優先度フローについて、フローレート制御の有無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】
【０１５６】
１，１−１乃至１−９…ノード無線局、
１０，２０…減算器、
１１…コントローラ、
１２…プラント、
２１…フローコントローラ、
２２…ネットワークにおけるフローシステム、
２３…フローレートを逆伝搬させるシステム、
１０１…可変ビームアンテナ、
１０２…サーキュレータ、
１０３…放射パターン制御部、
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、
１６０…拡散符号発生器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の無線局を備え、各無線局間で異なる優先度を有する複数のパケットフローを用いて発信元無線局から宛先無線局に対してパケット信号を伝送することによりパケット無線通信を行う無線ネットワークのための制御装置において、
各無線局は、発信元無線局から宛先無線局への低優先度フローである同一の各パケットフローについて、上記各パケットフローのパケット信号を受信したとき、当該パケットフローのパケット到着間隔（ＰＡＩ）を計算してＰＡＩテーブルとして記憶装置に記憶するとともに、所定の期間内に受信された自局で伝送しない他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）を計数してＨＰＦテーブルとして上記記憶装置に記憶し、
低優先度フローの無線信号を受信したパケットフローの発信元無線局以外の中継無線局は、上記ＰＡＩテーブルにおける当該パケットフローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）と、上記受信したパケットフローのパケット信号に含まれるパケットフローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）の少なくとも大きい値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）及び上記他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）を含むパケット信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させて送信し、
高優先度フローの無線信号を受信したパケットフローの発信元無線局以外の中継無線局は、上記他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）を含むパケット信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させて送信し、
低優先度フローの発信元無線局は、当該低優先度フローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）と、上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）とに基づいて、当該低優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）を計算し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信することを特徴とする無線ネットワークのための制御装置。
【請求項２】
低優先度フローの発信元無線局は、当該低優先度フローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）及び上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）から決定される設定値Ｒｐとの誤差に基づいて、当該低優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）を計算し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信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ための制御装置。
【請求項３】
低優先度フローの発信元無線局は、当該低優先度フローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）及び上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）から決定される設定値Ｒｐとの誤差に基づいて、当該誤差が最小となるように、比例積分及び微分制御（ＰＩＤ制御）方法を用いて、新しいパケット注入レート（ＰＩＩ）を計算し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信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ための制御装置。
【請求項４】
高優先度のフローの発信元無線局は、上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）に基づいて、当該高優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）を決定し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信することを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークのための制御装置。
【請求項１】
複数の無線局を備え、各無線局間で異なる優先度を有する複数のパケットフローを用いて発信元無線局から宛先無線局に対してパケット信号を伝送することによりパケット無線通信を行う無線ネットワークのための制御装置において、
各無線局は、発信元無線局から宛先無線局への低優先度フローである同一の各パケットフローについて、上記各パケットフローのパケット信号を受信したとき、当該パケットフローのパケット到着間隔（ＰＡＩ）を計算してＰＡＩテーブルとして記憶装置に記憶するとともに、所定の期間内に受信された自局で伝送しない他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）を計数してＨＰＦテーブルとして上記記憶装置に記憶し、
低優先度フローの無線信号を受信したパケットフローの発信元無線局以外の中継無線局は、上記ＰＡＩテーブルにおける当該パケットフローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）と、上記受信したパケットフローのパケット信号に含まれるパケットフローの最大のパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）の少なくとも大きい値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）及び上記他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）を含むパケット信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させて送信し、
高優先度フローの無線信号を受信したパケットフローの発信元無線局以外の中継無線局は、上記他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）を含むパケット信号を発信元無線局に向けて逆伝搬させて送信し、
低優先度フローの発信元無線局は、当該低優先度フローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）と、上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）とに基づいて、当該低優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）を計算し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信することを特徴とする無線ネットワークのための制御装置。
【請求項２】
低優先度フローの発信元無線局は、当該低優先度フローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）及び上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）から決定される設定値Ｒｐとの誤差に基づいて、当該低優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）を計算し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信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ための制御装置。
【請求項３】
低優先度フローの発信元無線局は、当該低優先度フローに現在設定されているパケット注入レート（ＰＩＩ）と、すべてのパケットフローにおいて最大値を有するパケット到着間隔（ＰＰＡＩ）及び上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）から決定される設定値Ｒｐとの誤差に基づいて、当該誤差が最小となるように、比例積分及び微分制御（ＰＩＤ制御）方法を用いて、新しいパケット注入レート（ＰＩＩ）を計算し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信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ための制御装置。
【請求項４】
高優先度のフローの発信元無線局は、上記ＨＰＦテーブル内の他の高優先度のフローの数（ＨＰＦ）に基づいて、当該高優先度フローのパケット注入レート（ＰＩＲ）を決定し、当該計算されたパケット注入レート（ＰＩＲ）で当該パケットフローのパケット信号を送信することを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークのための制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【公開番号】特開２００６−５７４９（Ｐ２００６−５７４９Ａ）
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１８１２９５（Ｐ２００４−１８１２９５）
【出願日】平成１６年６月１８日（２００４．６．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「自律分散型無線ネットワークの研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１８日（２００４．６．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「自律分散型無線ネットワークの研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
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