アドホックネットワークのパケット衝突を減少させる方式の提案

名城大学理工学部 名城大学大学院理工学研究科

１．はじめに

アドホックネットワークには，本質的に避け られない問題として「隠れ端末問題」が存在す る．「隠れ端末問題」とは，2つのノードが互い に隠れた位置におり(電波の到達範囲外)，両者 が同じ受信ノードに情報を送信しようとすると，

受信ノードにおいてデータの衝突を引き起こす 問題である．この「隠れ端末問題」への対策と して，IEEE802.11標準規格では RTS/CTS方式 が採用されている．RTS(Request To Send)は送 信要求，CTS(Clear To Send)は受信準備完了を 意味する．衝突を避けるには，受信ノードに隣 接する全てのノードにチャネルが使用中である ことを知らせる必要がある．そのために，RTS フレームは送信ノードがデータを送りたいとい う要求を示すために用いられる．受信ノードは CTS フレームを用いて送信を許可し，送信が可 能になる．RTS/CTS は全てのノードが監視して いるので隠れ端末に対しても受信ノードの状態 を知らせることができる．このようにして競合 する送信が禁止され，衝突を回避できる．

しかし，RTS/CTS方式では課題が完全には解 決されていない．その理由として，RTS/CTS 自 体の衝突が発生する可能性が高いことが言える．

そこで，本稿では制御信号(CS；Control Signal) を導入し，RTS/CTS フレームの衝突を回避する 方法を提案する．

２．RTS/CTS方式の課題

A

B

C

D

RTS

CTS

DATA

RTS RTS

CTS

DIFS

DIFS DIFS

Back off

Back off

Back off SIFS

SIFS

SIFS 衝突

衝突

ノードAが送信中のDATAとノードCが送信 しているCTSがノードBで衝突する

ノードDが送信中のRTSとノードBが送 信しているCTSがノードCで衝突する

図1 RTS/CTS方式の課題

ノードBが送信したCTSフレームと衝突が発生 する．これによりノードDはCTSフレームを受 信しないため，RTS フレームを再送信する．一 方，ノード A はノード B からの CTS フレーム を受信すると，ノード C で衝突が発生している ことに気がつかずにノード B に対してデータ送 信を始める．ノード C はノード D からの RTS フレームに応答して CTS フレームを送信するた め，ノードAのデータと衝突が発生する．

３．提案方式

こ の よ う な 衝 突 を 避 け る た め に ， 本 稿 で は RTSフレーム又はCTSフレームを送信するノー ドが，あらかじめ決められた特定の周波数(S1， S2，S3)を持つ制御信号CSを発生させる．CSは RTSフレーム又はCTSフレームの送信中のみ発 生させる．周囲のノードはCS受信中には送信が できないものとする．これにより，図 1 のよう な衝突を回避できる．CS は RTS フレームの場 合は 2ホップ，CTSフレームの場合は 1ホップ 先まで送る必要がある．その理由は，図 1 の RTS/CTSの課題の例では送信端末から 3ホップ 先にある隠れ端末の影響でデータの衝突が発生 するためである．

RTS/CTS方式の課題の例を図1に示す．ノー

ドAが送信したRTSフレームに対して，ノード B は CTSフレームを返信して送信を許可する．

しかし，RTS/CTSのやりとりの間にノードDが RTSフレームを送信すると，

“Proposal of Decreasing packet collision for Ad-hoc Networks”

†Hidenobu Goto and Akira Watanabe

Faculty of Science and Technology,Meijo University

‡Masatosi Ito

Graduate School of Science and Technology, Meijo University

図4 CSを導入した場合の動作 図2 RTS送信時のCSの動作

A CTS B C D

S2 S3

S3

CTS

図3 CTS送信時のCSの動作 を送信する．同様にしてノードCは周波数 S2受 信と同時に周波数 S3を送信する．このようにし て，CSがノードDまで中継される．これにより ノードAがRTSフレーム送信をしている間はノ ードB，C，Dはフレーム送信ができなくなる．

つまり，RTS/CTS の課題で問題となる RTS フ レーム送信時に隠れ端末からのフレーム送信に よる衝突を防ぐことができる．次に、ノード B がノードAにCTSフレーム送信をする．このと きも CTSフレームと同時に CSを発生させる．

RTS フレームの場合と同様にしてこれにより，

CS がノード A，C，D に中継され，ノード A，

C，Dはフレーム送信ができなくなる．ノード C はノードBからのCTSフレームを検出するとそ の内容によりNAV(Network Allocation Vector ) 期間に入る．以後の動作はRTS/CTSで規定され た内容に従う．即ち，ノードDがRTSフレーム をノードCに送信してもRTSフレームは破棄さ れる．このように CS を取り入れることにより RTS/CTS 方式に残されていた課題を解決できる．

そのため，3ホップ先のノードまで CSを伝える 必要がある．なお，RTSフレームやCTSフレー ムは制御フレームであるため受信してからフレ ーム内容の処理を実行するための処理時間を必 要とする．一方CSはデータを持たない信号であ るため処理時間を必要としない．つまり，ある ノードが RTS フレーム又は CTS フレームを送 信開始した瞬間からCSはノード間を中継し，周 囲のノードの送信を制御する．

次に，RTSフレーム送信時のCSの動作を図2 に，CTSフレーム送信時の CS の動作を図 3 に 示す．RTSフレーム送信の際はノードAがRTS を送信すると同時に周波数 S1の CS を発生させ る．ノード Bは周波数 S1のCSを受けたので即 座に周波数S2のCSを発生させる．周波数 S2の CS を受けたノード C はさらに周波数 S3の CS を発生させる．周波数 S3の CS を受けたノード Dはこれ以上CSを中継させない．

次に，CTS フレーム送信の際，ノード B は CTS フレームを送信すると同時に周波数 S2 の CS を発生させる．ノード C は周波数 S2の CS を受けたので周波数 S3の CS を発生させる．ノ ードDはこれ以上CSを中継させない．

４．むすび

RTS/CTS方式の課題を解決するために，制 御信号CSを用いて他のノードからの送信を抑止 する方法を提案した．今後は，提案方式をシミ ュレーションにて評価する．

このように，提案方式ではRTS/CTSの送信状 況をCSを用いて遠方のノードにいち早く伝える ことができるため，RTS/CTS 自体の衝突の可能

性を大幅に軽減させることができる． 文 献

[1] 守倉正博，久保田周治，2006 図1の RTS/CTS方式に対し，CSを導入した

場合の動作を図 4に示す。まず，ノード A から ノードBにRTSフレームを送信すると同時に周 波数S1を発生させる．これにより，ノード A の 通信可能範囲にあるノード Bは周波数 S1を受信 するノードBは周波数S 受信と同時に周波数S

802.11 高速無線LAN教科書 [2] C-K.Toh，2003

アドホックモバイルワイヤレスネットワーク

アドホックネットワークのパケット衝突 を減少させる方式の提案

名城大学理工学部 後藤秀暢 伊藤将志 渡邊晃

研究背景

無線

LAN (Local Area Network)

配線工事が不要

端末の移動，設置が簡単 迅速な

LAN

無線 LAN のネットワークモード

アドホックモード

無線

LAN

アドホックネットワークへの応用

インフラストラクチャモード

アクセスポイントを介して通信する形態 ブロードバンド回線を通して

インターネットを利用

無線 LAN のアクセス制御方式

各端末が随時キャリア・センスを行い，チャネルが一定時間開い ていることを確認してから送信を行なう

無線上では衝突を

“

”

“

”

受信端末から

ACK

CSMA/CA

(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

隠れ端末問題

2

両者が同じ受信端末に情報を送信しようとすると，受信端末において データの衝突が発生

端末

A

B

C

B

A C

通信可能

通信不可 B

通信可能

RTS/CTS 方式

RTS (Request To Send)

CTS (Clear To Send)

「隠れ端末問題」のような衝突を避けるには

…

受信端末に隣接する全ての端末にチャネルが使用中であることを 知らせる必要がある

RTS/CTS

RTS/CTS

1

隠れ端末の影響はアドホックネットワークにおいて特にスループットを低下さ せる要因となっている

RTS

CTS

RTS/CTS 方式の課題

A

B

C

D

SIFS

DIFS

Back off

SIFS

CTS

提案方式

制御信号

(CS : Control Signal )

CS

RTS

CTS

CS

CS

RTS

2

CTS

1

CS

CS

(S

S

S

)

RTS

CTS

提案方式

RTS

CTS

CS

RTS,CTS

CS

RTS

CTS

CS

フレーム送信を制御することができる

CS の動作 ~RTS~

１．端末

A

RTS

S

CS

B

S

CS

ら即座に周波数

S

CS

S

CS

C

さらに周波数

S

CS

S

CS

D

これ以上

CS

A

RTS

CS

端末

B

C

D

CS の動作 ~CTS~

１．端末

B

CTS

S

CS

A

C

S

CS

を受けたら即座に周波数

S

CS

３．周波数

S

CS

D

CS

端末

B

CTS

CS

端末

A

C

D

CS の動作

RTS/CTS

CS

NS2(Network Simulator)

NS2

Wired/Wireless

TCP/IP

CS

NS2

Application

送信側 受信側

Link

Agent Agent

Node Node

NS2

FTP

TCP

ARP

NetIF MAC IFq

LL

RTagent

Prop

Ｓｉｎｋ

ARP

NetIF MAC

IFq LL

RTagent

Prop

Application

Agent Agent

Node Node

NS2 改造内容

むすび

まとめ

RTS/CTS

CS

NS2

CS

NS2

今後の予定

NS2

シミュレーション評価

RTS/CTS 方式の課題

DIFS

Back

off

RTS

SIFS

CTS

CS の広がり

NAV (Network Allocation Vector )

RTS

CTS

無線回線を使用する予定期間が記載されている

端末はフレームに記載されている期間

(NAV)

仮想的なキャリア・センスと呼ぶ

RTS

CTS

このようにして競合する送信が禁止され，衝突を回避できる

補足説明

DIFS(Distributed Coordination Function Interframe Space)

キャリア・センスを行う際に，ビジー状態のチャネルから未使用状態に変化した と判断されるまでに必要なチャネルの連続未使用期間

SIFS (short interframe space)

最短のフレーム送信間隔（待ち時間）

バックオフ時間

乱数の値に一定時間を掛けることで決める待ち時間

チャネルが空き状態になった後，発生させた乱数の数に応じて送信を待機する バックオフ時間＝乱数値×スロット・タイム

NAV (Network Allocation Vector)

RTS

CTS

2

補足説明

周波数帯については・・・

ガードバンドを使用する

ガードバンドとは・・・

ISM

補足説明

特定の周波数

S ₁

S ₂

S ₃

そこで・・・

パターンを複雑にした周波数を発生させる 通常の周波数

パターンをつけた周波数