電子情報通信学会ワードテンプレート (タイトル)

スマートアンテナを用いるアドホックネットワークの さらし端末問題に関する一検討

河村 直哉

萬代 雅希

渡辺 尚

†静岡大学大学院情報学研究科 ‡静岡大学情報学部 ‡‡静岡大学創造技術大学院

〒432-8011 静岡県浜松市中区城北 3-5-1

E-mail: {kohmura, bandai, watanabe}@aurum.cs.inf.shizuoka.ac.jp

あらまし

スマートアンテナを利用する手法が注目されてい

る．スマートアンテナは信号の送信向を制御できるため，空間利用効率が向上する．一方，他局宛の不要なパケッ トを受信するために自身の効率的な通信が妨げられる問題（指向性さらし端末問題）が発生する．この問題の根本 は，物理層においては検知された信号を自身が受信すべきかどうかを決定できず，信号をすべて受信しデコード成 功後パケットを作成し，パケットが MAC 層に送られて初めて自身宛であるかどうかを判断される点にある． MAC 層において，自身宛でない不要なパケットは破棄されるが，その際の処理により，自身にとって必要な通信も妨害 され，無線資源の浪費が発生する．本稿では，アンテナの指向性をより有効に利用すればこの問題を解決できる点 に着目し解決策を提案する．まず指向性 MAC の問題点をシミュレーションにより分析する．そして，指向性さら し端末問題に対し，特に MAC 層とルーティング層を連携させるクロスレイヤ解決法を提案する．提案方式は， MAC 層において検出した干渉方向を物理層に伝えその方向からの信号受信を抑制する．また，ルーティング層では，各 ルート上のさらし端末数を管理しさらし端末数が最小となるルートを選択する．

キーワード スマートアンテナ，指向性さらし端末問題， MAC ，ルーティング

A Cross-layered Method for Exposed Terminal Problem in Ad hoc Networks Using Smart Antennas

Naoya KOHMURA

Masaki BANDAI

and Takashi WATANABE

†Graduate School of Informatics, Shizuoka University

‡Faculty of Informatics, Shizuoka University

‡‡Graduate School of Science and Technology, Shizuoka University 3-5-1 Johoku, Naka-ku, Hamamatsu-shi, Shizuoka 432-8011 Japan E-mail: {kohmura, bandai, watanabe}@aurum.cs.inf.shizuoka.ac.jp

Abstract Smart antennas have great potential such as higher spatial reuse a

nd range extension and have been shown to improve the network capacity in wireless ad hoc network. However, new type problems happen in directional protocols using smart antennas. Among the problems is directional exposed terminal problem. PHY layer can not decide whether the current signal should be received or not. Instead, PHY receives all signals and attempts to decode them to create a packet. After the packet passed to MAC, the address is checked to determine if it should be received. If the node is not detained, the processing so far is found to have been in vain. This disables the node to process other useful communications in progress, which results in wasting the wireless channel capacity. A directional antenna has a potential to solve the problem. In this paper, we propose a cross-layered protocol to solve the problem. The MAC protocol indicates PHY to suppress the interference from undesirable nodes. The routing protocol deals with exposed terminals in all routes and chooses a route with the least exposure.

Keyword Smart Antennas

， directional exposed terminal problem ， MAC ， routing

1.

は じ め に

IEEE 802.11 [1]，Bluetooth，Zigbee等 に 代 表 さ れ る 近 距 離 無 線 通 信 技 術 の 進 歩 に 伴 い ， 無 線 ア ド ホ ッ ク ネ ッ ト ワ ー ク が 注 目 さ れ て い る ． 無 線 ア ド ホ ッ ク ネ ッ ト

ワ ー ク で は ， 無 線 移 動 端 末 が 特 定 の 基 地 局 に 依 存 す る こ と な く 自 律 分 散 的 に ネ ッ ト ワ ー ク を 構 築 し ， 直 接 相 互 通 信 が 可 能 に な る ． 災 害 時 の 復 旧 活 動 等 の 緊 急 時 通 信 や イ ン フ ラ 構 築 が 困 難 な 域 内 に お い て の 簡 易 な ネ ッ

ト ワ ー ク 構 築 の 手 段 と し て の 運 用 が 期 待 さ れ て い る ． 近 年 は 無 線 ア ド ホ ッ ク ネ ッ ト ワ ー ク に お い て ， 適 応 的 に ア ン テ ナ の ビ ー ム 制 御 が 可 能 な ス マ ー ト ア ン テ ナ の 利 用 を 想 定 し た 研 究 が 盛 ん に な さ れ て い る ． ス マ ー ト ア ン テ ナ を 利 用 す る こ と で ， 従 来 の 無 指 向 性 ア ン テ ナ と 比 較 し ， 同 時 通 信 数 の 増 加 ・ 通 信 距 離 の 拡 張 等 に よ り ， ネ ッ ト ワ ー ク 性 能 の 向 上 を 図 れ る こ と が 報 告 さ れ て い る ． し か し ， ス マ ー ト ア ン テ ナ を 用 い た プ ロ ト コ ル 開 発 に お い て はMAC（Medium Access Control）層 に お い て 新 た な 問 題 が 発 生 す る [2]．指 向 性 MACプ ロ ト コ ル の 問 題 と し て 大 き く 以 下 の 4つ が 挙 げ ら れ る ．

1. 指 向 性 さ ら し 端 末 問 題 2. 指 向 性 隠 れ 端 末 問 題 3. Deafness [3-7]

4. 位 置 情 報 取 得 問 題 [8]

本 稿 で は 上 記 の 中 か ら 指 向 性 さ ら し 端 末 問 題 に 着 目 し ， 既 存 方 式 の 問 題 に つ い て 考 察 し ， こ の 問 題 を 回 避 す るMAC と ル ー テ ィ ン グ プ ロ ト コ ル を 提 案 す る ．

2.

関 連 研 究

2.1. 指 向 性 さらし端 末 問 題

IEEE 802.11 [1] に 代 表 さ れ る CSMA ベ ー ス の プ ロ ト コ ル で は ， 物 理 層 は 受 信 し た 信 号 の ア ド レ ス を 判 断 す る こ と が 不 可 能 で あ る ． そ の た め 物 理 層 は 受 信 し た す べ て の 信 号 を 復 号 し て 上 位 層 へ 渡 し ， 上 位 層 に お い て 他 局 宛 の 信 号 は 廃 棄 さ れ る ． 結 果 と し て ， 端 末 は 不 要 な 信 号 の 復 号 処 理 に よ り ， 自 身 の 通 信 が 遮 ら れ る た め ， 無 線 資 源 が 有 効 活 用 さ れ な い [9]． こ の 問 題 は MAC-layer Captureと も 呼 ば れ る ．

A B

C

D

A B

C

D

図 1 指 向 性 さ ら し 端 末 問 題 Fig.1. Directional Exposed Terminal Problem

図1に 指 向 性 さ ら し 端 末 問 題 が 発 生 す る 状 況 の 例 を 示 す ．図1に お い て ，端 末Aが 端 末 Bへ ，端 末Cが 端 末Dへ そ れ ぞ れ デ ー タ を 送 信 す る と 仮 定 す る ．DMAC (Directional MAC) [2] の よ う な 指 向 性 MAC プ ロ ト コ ル を 使 用 し た 場 合 ，端 末Aが 端 末Cよ り 先 に 送 信 を 開 始 す る と ，端 末 Aの 送 信 範 囲 内 に 存 在 す る 端 末Dは こ の パ ケ ッ ト を 受 信 す る ． こ れ は 受 信 待 機 状 態 時 に 無 指

向 性 で 待 機 し て い る こ と に 起 因 す る ．端 末 Dは 本 来 不 必 要 な 端 末Aか ら の 信 号 に さ ら さ れ 続 け る こ と に な り ， 端 末 C か ら の 信 号 を 正 し く 受 信 す る こ と が で き な い ． ま た ，端 末 Aか ら の 信 号 に さ ら さ れ て い る 端 末 Dが 端 末C宛 の デ ー タ を 保 持 し て い る 場 合 ，端 末Aか ら の 信 号 が 終 了 す る ま で は 端 末Dは 自 身 の 送 信 を 延 期 し な け れ ば な ら な い ．端 末 Cが 最 初 に 送 信 開 始 し た 場 合 も 端 末Bが さ ら さ れ る 状 態 に 陥 り ，同 様 の 問 題 が 発 生 す る ． ゆ え に こ の ケ ー ス に お い て は 2つ の 通 信 は 同 時 に 実 行 す る こ と が 不 可 能 で あ る ．

DMAC で 採 用 さ れ て い る DVCS (Directional Virtual Carrier Sensing) [10] は ，制 御 信 号 を 受 信 し た 端 末 に 制 御 信 号 送 信 端 末 方 向 へ の 送 信 開 始 を 延 期 さ せ る 方 式 で ， 隠 れ 端 末 対 策 と し て 非 常 に 効 果 的 な 方 式 で あ る が ， 指 向 性 さ ら し 端 末 問 題 を 回 避 す る 目 的 で 設 計 さ れ て い な い た め ， こ の 問 題 に 対 し て の 解 決 策 に な ら な い ． 2.2. MAC 層 での解 決 法

[11] で は MAC 層 で の 指 向 性 さ ら し 端 末 問 題 の 解 決 法 を 提 案 し て い る ． 指 向 性 さ ら し 端 末 問 題 の 発 生 は ， 受 信 待 機 状 態 時 に 無 指 向 性 で 待 機 し て い る こ と に 起 因 す る ． そ こ で ， 自 身 宛 で な い 制 御 信 号 (RTS/CTS) を 受 信 後 ， そ の 信 号 を 干 渉 波 と み な し ， 制 御 信 号 の ヘ ッ ダ に 記 載 さ れ た durationの 期 間 ， そ の 信 号 を 受 信 し な い よ う に 物 理 層 に 指 示 す る 方 式 （ interference suppression方 式 ）を 提 案 し て い る ．図2にinterference suppression 方 式 の 流 れ を 示 す ．図 2に お い て ，端 末 A か ら 制 御 パ ケ ッ ト を 受 信 し た 端 末Bは 端 末A方 向 は 干 渉 波 と み な し 破 線 で 示 す よ う な 受 信 待 機 状 態 を と る ． Duration 時 間 を 元 に 干 渉 波 持 続 時 間 を 考 慮 に 入 れ 干 渉 波 抑 制 が で き る た め ， 効 率 的 な 方 式 で あ る が ， 指 向 性 さ ら し 端 末 問 題 は MAC 層 の み の 制 御 に は 限 界 が あ る と 考 え ら れ る ．図 3に 示 す よ う な{A-B}，{X-Y}の2ル ー ト が 構 築 さ れ た 場 合 ， 干 渉 波 方 向 か ら の 受 信 を し な い よ う に 設 定 し て し ま う と 自 身 宛 の 信 号 を 正 し く 受 信 で き な く な り ，2 つ の ル ー ト は 同 時 通 信 が 不 可 能 で あ る ．な お ，[11] は 方 式 提 案 の み で 評 価 が な さ れ て な い ．

A C B A C B

図 2 interference suppression Fig.2. interference suppression

B X

A Y B

X

A Y

図 3 MAC層 で の 解 決 法 の 限 界 Fig.3. Limit of MAC Layer Solutions

2.3. ルーティングによる解 決 法

MAC層 の 問 題 は ル ー ト 構 築 に 影 響 さ れ る ．そ の た め ル ー テ ィ ン グ は MAC 層 で の 問 題 解 決 の た め に 重 要 で あ る ． ル ー テ ィ ン グ に よ る 解 決 法 と し て [12] で は zone disjoint routing を 提 案 し て い る ．zone disjoint routing で は 互 い に 空 間 的 に 分 離 し た ル ー ト が 選 択 さ れ る た め に ， 空 間 分 割 に よ り 他 ル ー ト と の 衝 突 回 避 が で き る 一 方 ， 互 い に 交 差 す る ル ー ト は 選 択 さ れ な い ． し か し ，2 つ の ル ー ト が 互 い に 同 じ 領 域 を 通 過 し な け れ ば な ら な い よ う な ル ー ト 構 築 さ れ た 場 合 ，2 つ の フ ロ ー は 同 時 に 通 信 す る こ と が で き な い ．

2.4. クロスレイヤによる解 決 法

MAC 層 と ル ー テ ィ ン グ 層 の ク ロ ス レ イ ヤ に よ っ て 指 向 性 さ ら し 端 末 問 題 を 回 避 す る 方 式 と し て [9] で は CaDMAC (Capture-aware DMAC) ， CaRP (Capture-aware Routing Protocol) を 提 案 し て い る ．こ れ ら の 方 式 で は 全 端 末 は ク ロ ッ ク 同 期 す る こ と を 仮 定 す る ．CaDMACは 時 間 を 干 渉 波 学 習 期 間 と 干 渉 波 抑 制 の 期 間 に 分 割 す る ． 干 渉 波 学 習 期 間 で は 全 端 末 が 干 渉 波 を モ ニ タ リ ン グ す る ．一 定 期 間DMACと 同 様 に 振 る 舞 い ， 干 渉 状 況 を ト レ ー ニ ン グ す る ． 次 に 干 渉 波 抑 制 期 間 で は ， 全 端 末 は ト レ ー ニ ン グ し た 情 報 を も と に 一 斉 に 干 渉 波 方 向 か ら の 受 信 を し な い よ う に 物 理 層 に 指 示 を す る ．

図4左 に 示 す よ う に{A-B-C}，{E-F-G}の2ル ー ト が 構 築 さ れ た 場 合 ， 干 渉 波 学 習 期 間 に て 端 末 B， 端 末 F は そ れ ぞ れ 互 い に 交 差 す る ル ー ト を 干 渉 波 と み な し ， 受 信 待 機 状 態 時 に 破 線 で 示 す よ う な 受 信 状 態 で 待 機 す る ． そ の 後 ， 互 い に 送 信 開 始 時 に な る と 互 い に 干 渉 波 方 向 に は 信 号 を 受 信 し な い 状 態 で 待 機 し て い る た め ， 図 4右 に 示 す よ う な 2つ の 通 信 が 同 時 に 可 能 に な り ， 空 間 利 用 効 率 が 向 上 す る ．

CaRPは DSR [7] を ベ ー ス と し ， 以 下 の3つ ル ー ト メ ト リ ッ ク に よ り ル ー ト を 構 築 す る ．

1. 干 渉 波 学 習 期 間 に て ト レ ー ニ ン グ し た 干 渉 度 合 の ル ー ト 上 の 合 計 値

2. 中 継 端 末 が 他 ル ー ト の 中 継 役 を 担 っ て い る 数

（ 独 立 し た ル ー ト 構 築 で き る か 表 す 指 標 ）

3. ホ ッ プ 数

こ れ ら 3つ の メ ト リ ッ ク に 重 み 付 け を し ， コ ス ト が 低 い ル ー ト が 選 択 さ れ る ．

A

E B

F G

C A

E B

F G

A C

E B

F G

C A

E B

F G

C

図 4 CaDMACの 動 作 例 Fig.4. Operation of CaDMAC

CaDMAC/CaRP は 無 線 メ ッ シ ュ ネ ッ ト ワ ー ク を 想 定 し て 設 計 さ れ て い る ． そ の た め 端 末 が 移 動 す る MANET (Mobile Ad hoc Network) に そ の ま ま で は 適 用 困 難 で あ る ． 一 般 に MANETに お い て 同 期 取 得 は 困 難 で あ る ． ま た ， 全 て の 端 末 が 同 期 し て 動 作 し 干 渉 波 抑 制 期 間 に 一 斉 に 制 御 す る 方 式 は ， 干 渉 波 抑 制 期 間 に 必 ず し も 干 渉 波 が 発 生 す る と は 限 ら ず ， 図 5に 示 す よ う に 破 線 の よ う な 干 渉 波 抑 制 制 御 の た め に 本 来 受 信 す べ き 信 号（RREQ）を 受 信 で き な い 場 合 が あ る ．CaRPの ル ー ト 構 築 要 求RREQが 干 渉 波 抑 制 期 間 内 に 発 生 し た 場 合 ，本 来 到 達 す る は ず の RREQが 到 達 せ ず ル ー ト が 構 築 さ れ な い 可 能 性 が あ る ． 仮 に ル ー ト が 構 築 さ れ て も 最 適 で は な い ル ー ト が 構 築 さ れ MAC 層 で 干 渉 波 抑 制 が ル ー ト 構 築 に 影 響 を 及 ぼ す ． ル ー ト 構 築 に 失 敗 し た 場 合 ，CaRP は 干 渉 波 抑 制 が 解 除 さ れ る 次 の 干 渉 波 学 習 期 間 ま で 待 機 し ，再 度 RREQを 送 信 す る た め ，ル ー ト 構 築 遅 延 が 増 大 す る ． こ の よ う に ， 干 渉 波 抑 制 と 最 適 な ル ー ト 構 築 の 間 に は ト レ ー ド オ フ の 関 係 が あ る と 考 え ら れ ， こ れ ら を 考 慮 し た プ ロ ト コ ル 設 計 が 必 要 で あ る ．

RREQ

DROP

RREQ RREQ

DROP

図 5 干 渉 波 抑 制 に よ る パ ケ ッ ト ド ロ ッ プ Fig.5. Packet Drop due to Interference Suppression

以 上 の よ う に ， 指 向 性 さ ら し 端 末 問 題 を 解 決 策 と し

てMAC，ル ー テ ィ ン グ ，ク ロ ス レ イ ヤ の3つ の 観 点 が 挙 げ ら れ る ．MACの 解 決 法 で は 図 3の よ う な ル ー ト が 構 築 さ れ た 場 合 に 限 界 が 考 え ら れ る ． ル ー テ ィ ン グ に よ る 解 決 法 で は 互 い に 交 差 す る ル ー ト は 構 築 さ れ ず 同 時 通 信 数 を 最 大 化 す る こ が で き な い ． そ の た め ， 本 稿 で は MAC と ル ー テ ィ ン グ の ク ロ ス レ イ ヤ 設 計 に よ る 指 向 性 隠 れ 端 末 問 題 の 解 決 法 を 提 案 す る ．

3.

基 礎 評 価

3.1. シミュレーション仮 定

指 向 性 さ ら し 端 末 問 題 の 発 生 頻 度 を 定 量 的 に 示 す た め に 計 算 機 シ ミ ュ レ ー タ を 用 い た 基 礎 評 価 を 行 う ． シ ミ ュ レ ー タ は イ ベ ン ト ド リ ブ ン 型 の 自 作 シ ミ ュ レ ー タ を 用 い る ． シ ミ ュ レ ー シ ョ ン パ ラ メ ー タ を 表1に 示 す ．1500m×1500m の エ リ ア に 100 の 端 末 を ラ ン ダ ム に 配 置 す る ． パ ケ ッ ト は 各 端 末 に お い て パ ケ ッ ト 発 生 率 λ(packets/s) の ポ ア ソ ン 分 布 に 従 っ て 発 生 す る ． 送 信 元 と 宛 先 の ペ ア は ラ ン ダ ム に 選 択 さ れ ， 宛 先 ま で の ル ー ト は DSRに よ っ て 求 め る ．MAC層 に はDMACを 使 用 す る ．そ の 他 ，記 載 の な いIFS (Inter Frame Space) 等 の パ ラ メ ー タ は IEEE 802.11 b [1]に 従 う ． 評 価 は 10 回 試 行 の 平 均 値 を と る ．

表 1 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 仮 定 Table 1. Simulation Parameters

＃of Nodes 100 Area size 1500m×1500m

Omni-range 250 m

Directional-range 500 m Data size 512 bytes Retry limit 7

Data rate 11 Mbps

＃of CBR flow 5

＃of Beams 8

Mobility No Simulation time 300 sec

MAC DMAC Routing DSR

本 稿 で は 全 て の 端 末 が ビ ー ム 数Mで 構 成 さ れ る ス イ ッ チ ビ ー ム ア ン テ ナ (図 6) を 搭 載 し て い る こ と を 仮 定 す る ． こ の ア ン テ ナ は 無 指 向 性 モ ー ド と 指 向 性 モ ー ド を 保 持 す る ． 無 指 向 性 モ ー ド は 受 信 待 機 状 態 時 に 選 択 さ れ ，端 末 は 利 得G^oで 全 方 向 か ら 信 号 受 信 可 能 で あ る ． そ の 後 ， 信 号 強 度 が 最 大 の 信 号 （ ビ ー ム ） を 検 知 し ， 指 向 性 モ ー ド （ 利 得G^d） に 移 行 す る ．

Omni-beam

Beam 1

Beam 2

Beam 3 Beam M

Beam M-1

Omni-beam

Beam 1

Beam 2

Beam 3 Beam M

Beam M-1

図6 ア ン テ ナ モ デ ル Fig.6. Antenna model

3.2. 通 信 エラーにおける各 失 敗 要 因 の割 合

DMAC の 通 信 エ ラ ー に お け る 各 失 敗 要 因 の 割 合 を 図7に 示 す ． 各 失 敗 要 因 に つ い て は 以 下 の と お り 定 義 す る ． な お ， 本 評 価 で は モ ビ リ テ ィ 環 境 を 考 慮 に 入 れ な い た め ， モ ビ リ テ ィ 環 境 下 で の 要 因 で あ る Out of range，Location information stalenessは 発 生 し な い ．

・ Directional Exposed Terminal Problem 1. 他 局 宛 通 信 受 信 中 ， 自 身 の 通 信 開 始 不 可 2. 他 局 宛 通 信 受 信 中 ， 自 宛 の 受 信 不 可

・ Directional Hidden Terminal Problem

¾ 指 向 性/無 指 向 性 利 得 の 差 異 に よ る 隠 れ 端 末 に よ る 衝 突

・ Deafness

¾ 受 信 者 が 他 局 と 他 方 向 に 通 信 中 ，送 信 者 の 通 信 の 受 信 不 可

・ RTS Collision

¾ 複 数 端 末 の 同 時 通 信 開 始 に よ るRTS衝 突

・ CTS Collision

¾ CTS送 信 後 ，RTS送 信 端 末 に お け る 衝 突

・ DNAV blocking

¾ RTS受 信 後 ，RTS送 信 元 方 向 に DNAV設 定 に よ り ，CTS送 信 不 可

・ Out of range

¾ 宛 先 端 末 の 移 動 に よ り ，送 信 端 末 の 送 信 範 囲 内 か ら 除 外

・ Location information staleness

¾ 宛 先 端 末 の 移 動 に よ り ，送 信 端 末 が 取 得 し た 宛 先 情 報 と 実 際 の 宛 先 情 報 の 不 一 致

図7の 結 果 か ら ， 通 信 エ ラ ー に 対 す る 指 向 性 さ ら し 端 末 問 題 の 割 合 が 全 体 を 通 し て50%弱 を 占 め て い る こ と が わ か る ． 低 負 荷 時 は 不 要 信 号 受 信 に よ る 自 身 の 送 信 不 可 が 発 生 し ， 割 合 が 他 と 比 べ 大 き い ． 逆 に 高 負 荷 は 上 記 の 現 象 に 加 え て 不 要 信 号 受 信 に よ る 自 局 宛 の 信 号 が 衝 突 に よ り 受 信 で き な い た め ， エ ラ ー が 多 く な る と 考 え ら れ る が ，そ れ 以 上 に Deafnessに よ る エ ラ ー が 発 生 す る た め 相 対 的 に わ ず か に 小 さ く な っ て い る と 考

え ら れ る ． 全 て の 上 記 の 結 果 に よ り 指 向 性 さ ら り 端 末 問 題 の 影 響 は 負 荷 状 態 に お い て 大 き い こ と が 定 量 的 に 示 さ れ た ． し た が っ て 指 向 性 さ ら し 端 末 問 題 を 解 決 す る プ ロ ト コ ル の 設 計 が 必 要 で あ る ．

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0.1 0.2 0.3 0.5 1 2 3 4 5

Sending Rate per Session (Mbps)

Failure Factor

Directional Hidden Terminal Prob.

CTS Collision DNAV blocking RTS Collision Deafness

Directional Exposed Terminal Prob.

図7 DMACに お け る 通 信 エ ラ ー の 各 要 因 の 割 合 Fig.7. Communication failure factors of DMAC

4.

提 案 方 式

本 稿 で は ク ロ ス レ イ ヤ に よ る 指 向 性 さ ら し 端 末 問 題 を 回 避 す る 方 式 を 提 案 す る ．概 し て 言 え ば ，MAC層 に 関 連 研 究 [11] のinterference suppression方 式 を 利 用 す る こ と を 前 提 と し た ル ー テ ィ ン グ 方 式 で あ る ． す な わ ち ，MAC層 で は RTS/CTS制 御 信 号 を 受 信 し た 近 隣 端 末 は 信 号 方 向 へ DNAV (Directional Network Allocation Vector) を 設 定 す る と 同 時 に ，制 御 信 号 の ヘ ッ ダ に 記 載 さ れ た duration 時 間 の 間 ，信 号 方 向 か ら 受 信 し な い よ う に 物 理 層 に 指 示 す る ． こ れ に よ り 制 御 信 号 以 降 の さ ら し 端 末 の 発 生 を 回 避 す る ． ル ー テ ィ ン グ で は ， 各 ル ー ト 上 の さ ら し 端 末 数 を テ ー ブ ル に て 管 理 し ， さ ら し 端 末 数 が 少 な い ル ー ト を 選 択 す る ． こ れ に よ り ， さ ら し 端 末 が 多 い ル ー ト を 避 け ， 互 い に 交 差 す る 複 数 の ル ー ト の 同 時 通 信 を 可 能 に し ， ス ル ー プ ッ ト の 向 上 を 達 成 す る ． 提 案 手 法 は 近 隣 端 末 発 見 フ ェ ー ズ と ル ー ト 構 築 フ ェ ー ズ の 2つ か ら 構 成 さ れ る ．

4.2. 近 隣 端 末 発 見 フェーズ

各 端 末 は 定 期 的 な Hello パ ケ ッ ト 交 換 を 行 い ， 近 隣 端 末 と の リ ン ク 状 態 を 認 識 し ， セ ク タ テ ー ブ ル を 形 成 す る ． こ の セ ク タ テ ー ブ ル は 最 適 な ル ー ト 構 築 の た め の 最 小 限 のRREQ転 送 とRREQ転 送 時 に さ ら し 端 末 の 発 生 を 抑 制 す る た め に ヘ ッ ダ に 記 載 す る た め 情 報 の た め に 使 用 す る ．RREQ 転 送 方 法 に つ い て は 4.3 節 で 述 べ る ．

1 2 3 5 4 6 7 8

X A

B D

C E

F G

- 8

- 7

E, F, G 6

- 5

C, D 4

B 3

- 2

A 1

ID Sector No.

- 8

- 7

E, F, G 6

- 5

C, D 4

B 3

- 2

A 1

ID Sector No.

X’s sector table

図8 セ ク タ テ ー ブ ル の 例 Fig.8. Sector Table

4.3. ルート構 築 フェーズ

4.2 節 で 作 成 し た セ ク タ テ ー ブ ル を 元 に ル ー ト 構 築 を 行 う ． 提 案 方 式 の ル ー ト 構 築 フ ェ ー ズ の 特 徴 は 以 下 の と お り で あ る ．

1. 指 向 性 RREQ転 送 2. ル ー ト メ ト リ ッ ク (1) セ ク タ 端 末 数 (2) 他 ル ー ト 中 継 数 (3) ホ ッ プ 数 3. RREQ転 送 条 件 4.3.1.

指 向 性

転 送

CaRPで はRREQを 常 に 無 指 向 性 で 転 送 を 行 っ て い る ．無 指 向 性 フ ラ ッ デ ィ ン グ は ，範 囲 が 限 定 さ れ て し ま う た め 通 信 距 離 拡 張 効 果 が 得 ら れ な い ． 本 稿 で は ， 通 信 距 離 拡 張 効 果 を 得 る た め RREQ は 指 向 性 送 信 す る ． 具 体 的 に は セ ク タ テ ー ブ ル の 情 報 を 元 に し て ， RREQ 転 送 数 を 抑 え る た め に 端 末 が 位 置 す る セ ク タ の み に RREQを 転 送 す る ．

4.3.2.

ル ー ト メ ト リ ッ ク

RREQ転 送 時 は 以 下 の3つ の ル ー ト メ ト リ ッ ク を ヘ ッ ダ に 記 載 し 転 送 す る ．(1)セ ク タ に 位 置 す る 端 末 数 で あ る ． 図 8に お い て ， 端 末 Xが セ ク タ 6の 方 向 へ RREQ 転 送 す る こ と を 仮 定 す る ． 端 末 X は RREQ の ヘ ッ ダ に セ ク タ 6に 位 置 す る 端 末 数(E, F, G)3を 記 載 し 転 送 す る ． こ れ は 仮 に {X-E}の ル ー ト が 構 築 さ れ た 場 合 ， 同 セ ク タ 内 に い る 端 末 F, Gは 近 い 将 来 こ の 通 信 に さ ら さ れ る こ と に な る た め ，セ ク タ 端 末 数 の 少 な い ル ー ト を 選 択 す る た め で あ る ． 次 に(2)他 ル ー ト の 中 継 数 で あ る ． す な わ ち RREQ 受 信 端 末 が 他 ル ー ト に お い て 担 う ル ー ト 数 で あ る ．こ れ は い か に 独 立 し た ル ー ト を 構 築 す る か を 示 す 指 標 に 使 用 す る ．最 後 に 過 度 な ホ ッ プ 数 の 増 大 を 防 ぐ た め に (3)ホ ッ プ 数 を 記 載 す る ．こ れ ら3つ の ル ー ト メ ト リ ッ ク を 重 み 付 け し ， 宛 先 端 末 が 最 適 ル ー ト を 選 択 す る ．

4.3.3. RREQ

転 送 条 件

RREQ 転 送 に は 以 下 に 示 す 条 件 を 加 え る ．(1)図 3 に 示 す よ う な 互 い に 直 線 的 ル ー ト を 回 避 す る ．仮 に 他 ル ー ト （ こ こ で は route oldと 呼 ぶ ） が す で に 構 築 さ れ て い た 場 合 ， 新 た な RREQがroute oldの180度 方 向 か ら 到 着 し た 場 合 は ，図 3に 示 す MAC制 御 で は 回 避 で き な い 状 態 に な る ．こ の 場 合 ，仮 に そ の セ ク タ に 端 末 が 位 置 し て い て も 新 た な RREQ を 転 送 す る の を や め ， 回 避 に 努 め る ．

ま た ，RREQ転 送 を 繰 り 返 す と 複 数 の ル ー ト が 構 築 さ れ る ．そ の た め 最 初 に 宛 先 に 到 着 し た（ 最 短 ホ ッ プ 数 の 可 能 性 の 高 い ）RREQが 必 ず し も 最 適 な ル ー ト と は 限 ら な い ． そ こ で ， 中 継 端 末 は(2)過 去 の ル ー ト 情 報 を キ ャ ッ シ ュ し ， 新 た に 到 着 し た RREQ に 対 し て 過 去 の ル ー ト よ り も 適 し た ル ー ト で あ れ ば RREQ を 転 送 す る ．こ れ に よ り ホ ッ プ 数 が 多 く な っ て も 最 適 ル ー ト 構 築 を 可 能 に す る ．

5.

む す び

本 稿 で は ス マ ー ト ア ン テ ナ を 用 い る ア ド ホ ッ ク ネ ッ ト ワ ー ク に お い て ， 指 向 性 さ ら し 端 末 問 題 に 対 す る 既 存 研 究 に つ い て 考 察 し ， 計 算 機 シ ミ ュ レ ー タ に よ る 基 礎 評 価 で 問 題 の 発 生 頻 度 を 定 量 的 に 示 し た ． ま た ， 解 決 策 と し て MAC と ル ー テ ィ ン グ の ク ロ ス レ イ ヤ に よ る 提 案 を 行 っ た ． 提 案 方 式 で は MAC 層 に リ ン ク 間 干 渉 波 を 抑 制 し ， ル ー テ ィ ン グ に お い て 交 差 す る ル ー ト を 選 択 す る こ と に よ り ， 既 存 方 式 と 比 較 し て 同 時 通 信 数 が 増 大 し ス ル ー プ ッ ト が 向 上 す る と 考 え ら れ る ． 今 後 の 課 題 と し て ， シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る 性 能 評 価 を 行 い ，提 案 方 式 の 有 効 性 を 示 す ．ま た ，MACと ル ー テ ィ ン グ の 情 報 共 有 に よ る さ ら な る 最 適 ル ー ト 構 築 ， 複 数 ル ー ト が 構 築 さ れ る 場 合 の ネ ッ ト ワ ー ク 環 境 に よ る 場 合 分 け ， さ ら に 端 末 の 移 動 を 考 慮 し た プ ロ ト コ ル の 修 正 を す る 予 定 で あ る ．

謝 辞

本 研 究 は 科 研 費 基 盤 研 究 A (17200003) お よ び ，文 部 科 学 省 知 的 ク ラ ス タ ー 創 成 事 業 （ 浜 松 地 域 オ プ ト ロ ニ ク ス ク ラ ス タ ー 構 想 ） の 助 成 を 受 け て 行 っ た ．

参 考 文 献

[1] ANSI/IEEE Std 802.11, “Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications,” 1999.

[2] R.R. Choudhury, X. Yang, R. Ramanathan and N.H.

Vaidya, “Using Directional Antennas for Medium Access Control in Ad Hoc Networks,” ACM Mobile computing and Network (MobiCom), Sep. 2002.

[3] T. Korakis, G. Jakllari, L. Tassiulas, “A MAC protocol for full exploitation of Directional Antennas

in Ad-hoc Wireless Networks,” Proc. ACM MobiHoc, pp. 98-107, June 2003.

[4] G. Jakllari, I. Broustis, T. Korakis, S. V.

Krishnamurthy and L. Tassiulas, “Handling Asymmetry in Gain in Directional Antenna Equipped Ad Hoc Networks,” Proc. IEEE PIMRC, pp.

1284-1288, Sept. 2005.

[5] H. Gossain, C. Cordeiro and D. P. Agrawal, “MDA:

An Efficient Directional MAC scheme for Wireless Ad Hoc Networks,” Proc. IEEE GLOBECOM, Nov.

2005.

[6] M. Takata, Masaki Bandai and Takashi Watanabe, "A Receiver-Initiated Directional MAC Protocol for Handling Deafness in Ad Hoc Networks," IEEE International Conference on Communications (ICC 2006), pp. 4089-4095, Istanbul, June 2006.

[7] M. Takata, Masaki Bandai and Takashi Watanabe, "A MAC Protocol with Directional Antennas for Deafness Avoidance in Ad Hoc Networks," IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2007), Washington, D.C., Nov. 2007.

[8] M. Takata, K. Nagashima and T. Watanabe, "A Dual Access Mode MAC Protocol for Ad Hoc Networks Using Smart Antennas," IEEE International Conference on Communications (ICC 2004), pp.

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[9] R. R. Choudhury, and N.H. Vaidya, “MAC-Layer Capture: A Problem in Wireless Mesh Networks using Beamforming Antennas,” Proc. IEEE SECON, June 2007.

[10] M. Takai, J. Martin, R. Bagrodia, and A. Ren,

“Directional virtual carrier sensing for directional antennas in mobile ad hoc networks,” in Proceedings of ACM MobiHoc, June 2002, pp. 39-46.

[11] M. Takata, M. Bandai and T. Watanabe,

"Performance Analysis of a Directional MAC Protocol for Location Information Staleness in MANETs," IPSJ (Information Processing Society of Japan) Journal, Vol. 46, No. 11, pp. 2623-2632, Nov.

2005, also in IPSJ Digital Courier, Vol. 1, pp.

518-527, Nov. 2005.

[12] S. Roy, D. Saha, S. Bandyopadhyay, T. Ueda, and S.

Tanaka, “A network-aware MAC and routing protocol for effective load balancing in ad hoc wireless networks with directional antenna,” Proc.

ACM MobiHoc, June 2003, pp. 88-89.

[13] D. Johnson, Y. Hu and D. Maltz, “The Dynamic Source Routing Protocol (DSR) for Mobile Ad Hoc Networks for IPv4,” IETF RFC 4728, Feb. 2007.

[14] R. R. Choudhury and N. H. Vaidya, “Impact of Directional Antennas on Ad Hoc Routing,” Proc.

IEEE PWC, pp. 590-600, Sept. 2003.