萬代 雅希

In recent years, several MAC (Medium Access Control) protocols using directional antennas have been proposed for mobile ad hoc networks (MANETs) including our proposed MAC protocol called SWAMP (Smart antennas based Wider-range Access MAC Protocol). These are typically referred to as directional MAC protocols. This paper first summarizes the proposed directional MAC protocols and outlines these common issues, which reduce the probability of successful transmissions, such as location information staleness, deafness and directional hidden- and exposed-terminal problems arisen due to directional transmissions. This paper formulates and analyzes the issues of directional MAC protocols, and proposes solutions of these issues, especially for location information staleness. The experimental results show that the mobility prediction and the optimization of parameters associated with location information staleness, such as the beamwidth and lifetime of the table information, may mitigate location information staleness and improve the overall network performance.

単一の端末に複数の通信インタフェースを接続し, 複数経路を利用するマルチホーミング通信環境においては, 往路と復路で異なる経路を利用すれば, より効率的な情報通信が可能となる場合がある. これを可能とするためには, 片方向の遅延を考慮して適切なインタフェースを選択する必要がある. しかしながら, 通信経路の負荷が時間帯, 通信量などによって変動することや, 往路遅延と復路遅延を簡単には分離できないことなどから, 正確な片方向遅延を直接求めることは一般的には困難である. 本論文では, 複数のパターンの往復概遅延の組から片方向の概遅延差を簡便に求め, これに基づいて経路を選択する方式を提案する. 本方式は, 通信相手との時刻同期, 測定のための制御パケットが不要で, ネットワーク層に依存しないため拡張性があることなどの特徴をもつ. また, 提案方式をICMPで計算機上に実装し, 種々のマルチホーミング通信環境で実験評価する. その結果から片方向経路選択が可能であり, 提案方式が有効であることを示す.

本論文ではResource reSerVation Protocol (RSVP)コネクションのホップ数を増加することなく,RSVPコネクション更新時間を低減するために,Mobile IPにおける隣接ルータアドレスを用いたRSVPコネクション更新方式を提案する.提案方式では各ルータに隣接ルータアドレスを記録するためのNext HOP(NHOP)フィールドを付加し,SEARCHメッセージを新たに定義することにより,木構造のネットワークにおいて既存のRSVPコネクションを最大限利用することができるため,RSVPコネクションを延長することなくRSVPコネクション更新時間を低減することができる.更に,提案方式ではCorrespondent Node (CN)がMobile Node (MN)に定期的に送信するPATHメッセージをルータが受信した時点で判断される次ホップのエントリとルータ自身が記録するNHOPを比較することにより,メッシュ構造のネットワークにおいても既存のRSVPコネクションを最大限利用するだけでなく,RSVPコネクションのホップ数を低減することができる.計算機シミュレーションにより提案方式におけるRSVPコネクション更新時間及びホップ数を評価し,提案方式はRSVPコネクションのホップ数を増加することなく,RSVPコネクション更新時間を低減できることを示す.

本研究では,経路制御情報量や経路探索情報量を削減し,ネットワークの多階層化を実現するために,階層依頼型経路探索を用いた多階層ZHLSルーチング方式を提案する.提案方式では,各端末はGPSを利用してあらかじめ区切られたゾーンに対応させることで,各々が属する各階層におけるゾーンIDを認識する.また提案方式では,経路制御情報量を削減するために,複数の下位層のゾーンを形成することによって,ZHLSルーチング方式を多階層化する.更に提案方式では,経路探索情報量を削減するために,送信端末が経路探索を行うときに,送信端末は上位層の各ゾーンにおいて他ゾーンとリンク状態にあるゲートウェイ端末に対して,所属する下位層の各ゾーンへの問合せを依頼することによって,全ゾーンに対するあて先端末のゾーンIDの問合せを可能にすることができる.数値解析及び計算機シミュレーションによって特性を評価し,従来のZHLSルーチング方式と比較して,特にゾーン数が多い場合や端末の送信半径が大きい場合に,経路制御情報量や経路探索情報量を大幅に削減できることを示す.更に,提案方式において最適な階層数やゾーン数,端末間でリンク状態を確認する周期の決定法を明らかにする.

Wireless 1934方式のIsochronous転送を用いてMPEG-2等のVBR (Variable Bit Rate)動画像データを伝送する場合,動画像を伝送する端末はピークレートに相当する帯域をIsoスロットとして固定で割り当てられるため,動画像データのビットレートがピークレートでない場合にIsoスロット内に空きの帯域が生じてしまい,チャネル利用率特性が劣化するという問題である.そこで,本研究ではWireless 1394方式のIsochronous転送においてVBR動画像データを転送する際,Isoスロット内に発生する空きの帯域を動画像の品質を劣化させず有効利用するため,Isoスロットに割り当てる帯域を削減し,Isoスロットで送りきれない動画像のデータをAsyncスロットを用いて転送するVBR動画像伝送方式を提案し,提案方式がチャネル利用率特性を改善できることを示す.

本論文では,無線家庭内ネットワークのインタフェースであるWireless 1394のIsochronous転送において,伝送誤りによる動画像品質の劣化を低減させるために,チヤネル状態が悪化した場合に動画像符号化レートを下げて画像データ量を削減し,空いた帯域を用いてコピーデータをもとのデータの送信後に一定の時間間隔を空けてから送信する動画像通信方式を提案する。提案方式では,コビーデータをもとのデータの送信後に時間を空けて送信することでバースト誤りに対応し,動画像品質を向上させる。計算機シミュレーションによってPSNR (Peak Signal to Noise Ratio)特性を評価し,提案方式の有効性を示す。また,コピーデータを送信する方式とReed-Solomon符号の冗長ビット数を増やして誤り訂正能力を高めた方式のPSNR特性を比較し,家庭内のようにノードの移動速度が遅く,伝送誤りのバースト長が長い環境においては,ニつの同一データを時間間隔を空けて送信する方式のほうが有効であることを示す。更に視覚評価を示すことにより,コピーデータを送信することによって,実際に人間の目で見た場合の動画像品質が向上することを示す。

本論文では,無線アドホックネットワークにおいてブロードキャスト及びユニキャスト通信をサポートし,またネットワークトポロジーの変化に対応し,更にデッドロックを回避できるメディアアクセス制御プロトコルを提案する.提案方式では,従来方式であるCATA方式のようにスロットごとに予約を受け付けることでネットワークトポロジーの変化に対応し,アクセス遅延を減少させる.更に従来方式であるRBRP方式のように複数のミニスロットを用いて制御パケットの交換を行うことで,隣接する送信要求をもつ複数の端末どうしが相互に認識することにより,予約デッドロックとなる複数端末による同時データパケット送信の回避を可能とする.また複数のミニスロットから一つを選択して制御パケットを送信し,更に先に送信された送信要求パケットを優先して扱うことで,送信要求パケットどうしの衝突を軽減し,スループットを改善する.計算機シミュレーションを用いて提案方式のスループット,データパケット遅延特性について評価を行い,提案方式の有効性を示す.

本研究では,Wireless1394方式のAsynchronous転送におけるデータパケットの送信待ち時間特性を改善するために,トークンパッシングとハブステーションによる代理パケット再送信を適用したWireless1394方式を提案する.提案方式では,トークンパッシング方式を適用することで,従来のWireless1394方式で用いられるポーリング方式のようにタイムアウトによって送信要求の有無を判断しないため,ポーリング方式と比較して送信権を得るまでの遅延を低減することができる.更に提案方式では,パケットの受信誤りが発生した場合,ノード間で繰り返しデータパケットの再送を行わず,送信ノードがハブステーションにデータパケットの再送を依頼し,ハブステーションが受信ノードに対してデータパケットを再送する.これにより,しゃへいされた伝送路を用いて再送を繰り返すことによって劣化していた送信待ち時間特性を改善することができる.計算機シミュレーションによって提案方式の特性評価を行い,従来のWireless1394方式と比較して,データパケットの送信待ち時間特性を改善できることを示す.

音声とデータの統合サービスを実現する予約方式のプロトコルとしてDRMA(Dynamic Reservation Multiple Access)方式が提案されている。DRMA方式は予約用に一定の帯城をあらかじめ確保する必要がなく, 空きスロットを用いて予約を行うため, チャネル状況に対応したパケット送信が可能な方式である。しかしながら, DRMA方式において複数パケットからなるデータメッセージを送信する際には1パケットを送信するごとに予約をとり直さねばならず, データメッセージ遅延が大きくなるという問題点がある。本研究では, 音声パケット棄却率特性を劣化させずにデータメッセージ遅延特性を改善するために, 提案方式1としてデータ端末に1フレーム中の複数スロットの予約を許すDRMA方式を提案する。また, データ端末の送信許可確率P_dあらかじめ設定することなく, 良好な音声パケット棄却率特性及びデータメッセージ遅延特性を実現するために, 提案方式2としてデータ端末に複数スロットの予約を許し, 端末の予約ミニパケットの送信状況に応じて指数関数バックオフ方式を用いて送信許可確率を制御するDRMA方式を提案する。計算機シミュレーションによって特性評価を行い, 提案方式は従来方式と比較して, 音声バケット棄却率特性を劣化させることなくデータメッセージ遅延特性を改善できることを示す。

現在, さまざまなメディアから発生する通信品質の要求が異なる多種のトラヒックを, 同一のネットワーク上で取り扱うことのできる通信網の構築が求められている. その要求にこたえるために通信品質に応じたスイッチング制御を行う必要があるが, 従来の呼種を考慮しないノックアウトスイッチでは, 通信品質の要求が異なる複数の種類のパケットが混在する場合に十分に対応できないという問題がある. そこで, 本研究では, パケット棄却率に対する要求が異なる2種類の優先クラスのパケットの要求に応じたパケットの棄却率を得ることができる, バッチャ網を用いたノックアウトスイッチを提案する. 提案モデルは, N個のモジュールより構成され, 各モジュールはフィルタ, バッチャ網, シック, 出力バッファによって構成される. モジュール内のバッチャ網を用いたスイッチングによって棄却に対する要求が厳しいクラス1パケットを優先的に処理することで, クラス1パケットの棄却率を低減できる. 提案モデルのパケット棄却率について計算機シミュレーション及び理論解析により特性評価を行う. また, クラス1パケットを優先的に処理したときの各クラスの平均待ち時間について計算機シミュレーションにより, 特性評価を行う. 更に, 総平均待ち時間について理論解析を行う. その結果, 提案モデルではスイッチ全体のクラス1パケットとクラス2パケットの総パケット棄却率及び出力バッファでの平均待ち時間を低下させることなく, 優先度に応じたパケット棄却率特性が得られることを示す.

本論文では, まずマルチキャストパケットを扱うために制御パケットに複数の目的アドレスを含むようにSURP方式を修正し, マルチキャストパケット混在トラヒックにおける修正SURP方式の特性を理論解析する. 解析及び計算機シミュレーションにより, 修正SURP方式はマルチキャストパケット混在トラヒックにおいて, 低中負荷状態において良好な特性が得られることを示す. また高負荷状態においては, 制御パケットどうしの衝突の増加に加えて, マルチキャストトラヒックのように目的アドレスの競合が起こりやすい状況では, 特性が著しく劣化することを示す. つぎに, 修正SURP方式の高負荷状態における特性を向上させるために, 修正SURP方式に新たに二つの操作を付加し, 制御チャネルの一部を優先ミニスロットとして用いるSURP方式を提案する. 第1の操作として, 他の制御パケットと衝突しなかったにもかかわらず, 目的アドレスの競合によりチャネル予約の獲得できなかったユーザに対し, 他のユーザからの制御パケットが転送されない優先ミニスロットを割り当てる. この操作を付加することで, 一度制御パケットが衝突しなかったユーザは確実に予約を獲得できる. 第2の操作として, 優先ミニスロットを設けることによる制御チャネルでの競合を低減させるために, 優先ミニスロットに割り当てられたユーザの目的アドレスと重複するアドレスをもつユーザの制御パケットの転送を, 優先ミニスロットに割り当てられたユーザのアドレスと重複しなくなるまで延期させる. マルチキャストパケット混在トラヒックにおける, 修正SURP方式のスループット及び遅延特性については, 理論解析及び計算機シミュレーションを用いて, また提案SURP方式については計算機シミュレーションにより特性評価を行った結果, 提案SURP方式は, 高負荷状態における特性劣化を低減させることができ, マルチキャスト混在トラヒックに対して有効な方式であることを示す.