JP2009153168A - 論理的および物理的メッシュネットワークの分離 - Google Patents

Abstract

【課題】無線メッシュネットワークにおけるメッシュサブネットワークを作成する方法は、サブネットワークを作成するトリガ条件が存在するかどうかを決定することによって始まる。
【解決手段】メッシュネットワークのノードは、トリガ条件が存在する場合、サブネットワークを作成するために選択される。サブネットワークは、その後、選択されたノードで作成される。
無線メッシュネットワーク用のノードは、状態デバイス、ノードの状態を保持するための状態デバイスと通信する付属リスト、状態デバイスと通信するトリガデバイス、付属リストおよびトリガデバイスと通信するための付属デバイスを含む。
【選択図】図５

Description

本発明は、概して、無線のメッシュネットワークに関し、さらに詳しくは、メッシュネットワークを、より小さい論理的および／または物理的メッシュサブネットワークへ分離する方法に関する。

無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）の利用法の増加と広範囲の展開のために、無線メッシュネットワークのさらなるサポートが、最近、標準化団体において勢いがついてきている。メッシュネットワークは、無線ノードを接続し、インフラストラクチャおよびアドホック（Ａｄ−Ｈｏｃ）モードを補完するための第３のおよび補足的な方法である。メッシュネットワークの推進力およびアプリケーションの可能性のある分野は、ＷＬＡＮの少ない労力による範囲拡大、少ない労力および簡易な自己展開ネットワーク、ならびに高信頼性およびフォールトトレラントネットワークを含む。

インフラストラクチャモードにおいて、ステーション（ＳＴＡ）は、基地局またはアクセスポイント（ＡＴＰ）と、排他的に通信する。アドホックモード（ピアツーピア（Ｐｅｅｒ−ｔｏ−Ｐｅｅｒ））において、ＳＴＡは、ネットワークの他の任意のノードを介さずに直接通信できる。メッシュネットワークは、インフラストラクチャおよびアドホックモードの混合を提供する。たとえば、ネットワークのノード（ＳＴＡ，ＡＰなど）は、基地局の範囲内にいない、他のノードのための無線ルーターとして動作できる。

多くのシステム動作態様（保守運用（Ｏ＆Ｍ）、バックボーン接続性、長期のノードへの接続性、無線リソース管理（ＲＲＭ）、ユーザの行動など）は、無線メッシュネットワークを、インフラストラクチャモードおよびアドホックモードにおいてほとんど動作する従来型の無線ネットワークと比較したとき、大きく異なる。たとえば、シングル１００ノードのメッシュネットワークを展開する代わりに、分散ソフトウェアは、システムを２以上の分離メッシュサブネットワークへ自己編成する各ノード内に存在することができるだろう。これらのメッシュサブネットワークは、重複していることができるか、または重複を有さないが、隣接しているだろう。効率的な動作、および単純な論理的ネットワーク分離を通すメッシュネットワークの使用を可能にする必要がある。

本発明は、効率的な動作、および単純な論理的ネットワーク分離を通すメッシュネットワークの使用を可能にする多くの方法を含む。本発明は、１つの大きいネットワークの代わりに、１または複数のメッシュサブネットワークを生み出すための方法を含む。サブネットワークは、論理的または物理的のいずれかであることができる。

ノードのセットが与えられると、発明は、高度の編成を可能にし、論理的および物理的サブネットワークの概念を紹介することによって、メッシュネットワークの動作をさらなる柔軟性を可能にする。さらに、動作のモードを可能にするために、機能エンティティ、シグナリングなどの多くの追加の機能が開示される。

無線メッシュネットワークにおけるメッシュサブネットワークを作成する方法は、サブネットワークを作成するトリガ条件が存在するかどうかを決定することによって始まる。メッシュネットワークのノードは、トリガ条件が存在する場合、サブネットワークを作成するために選択される。サブネットワークは、その後、選択されたノードで作成される。

無線メッシュネットワーク用のノードは、状態デバイス、ノードの状態を保持するための状態デバイスと通信する付属リスト、ノードに発生するアクティビティに関するノードの状態、状態デバイスと通信するトリガデバイス、付属リストおよびトリガデバイスと通信するための付属デバイスを含む。

本発明をより詳細に理解することは、例として与えられた好適な実施形態の続く記述から得られ、添付の図面と併せて理解されることになる。

完全な物理的メッシュネットワークの図である。 第１の論理的メッシュネットワークの図である。 第２の論理的メッシュネットワークの図である。 ネットワークのノードの第３の状態の状態図である。 メッシュネットワークを複数のサブネットワークに分離する方法のフローチャートである。 図５に示される方法を実行するために構成されたノードのブロック図である。

ここで、「ステーション」（ＳＴＡ）という語は、ＷＴＲＵ（無線送受信ユニット）、ユーザ装置、固定またはモバイル加入者ユニット、ページャー、無線環境で動作可能な他の任意の種類のデバイスを含むが、それに限られない。以降、「アクセスポイント」（ＡＰ）という用語は、基地局、基地局と同じようにスター型トポロジーの中心ポイントとして振る舞うことを可能する追加機能つきＳＴＡ、ノードＢ、サイトコントローラ、または無線環境の他の任意の種類のインターフェースデバイスを含むが、これらに限られない。同様に、以降、「メッシュポイント」（ＭＰ）または「メッシュノード」という用語は、メッシュトポロジ内の前のノードとして振る舞うことを可能にし、ネットワーク内の他のノードからトラフィックを生成、送信、受信、およびまたは中継する追加の機能つきＳＴＡを含むが、それに限られない。これらの用語は、論理的機能性のことを言っているので、物理デバイスごとに１つの論理的機能性のみを有するか、または物理デバイス内に２以上の論理的機能性を結合することが可能である。よって、以降、「メッシュアクセスポイント」（ＭＡＰ）という用語は、ＡＰおよびＭＰ機能つきＳＴＡを含むが、それに限られない。

本発明は、効率的な動作および単一の論理ネットワーク動作を介するメッシュネットワークの使用を可能にする多くの方法を含む。現在、特定エリアのメッシュネットワークを展開する場合、一般的なアプローチは、単一（および場合によってはとても大きい）ネットワークを形成することである。あるシナリオにおいて、１つの大きいネットワークで動く代わりに１または複数のメッシュサブネットワークを生じさせることを考慮することは利点がある。サブネットワークは、論理的または物理的観点のいずれかから定義できる。

図１は、１６のメッシュノードおよび３つのゲートウェイ付きネットワークの一例を示し、ここでネットワークは、物理レベル、第１論理レベル（Ａまたはプライマリ）、および第２論理レベル（Ｂまたはセカンダリ）の３つの異なるレベルに分けられる。したがって、同じ物理ネットワークは３つの異なるネットワークとみなすことができる。図１は、すべての存在するノード及び可能性のある相互接続も示す。

ネットワークノードは、メッシュノードまたはゲートウェイノードのいずれかに分類できる。メッシュノードは、メッシュの形式で内部接続できる共通ノード（たとえば、８０２．１１ＭＰまたはＭＡＰ）である。ゲートウェイノードは、メッシュドメインの外部での接続性を提供するノードである。ノードは、たとえばネットワーク内のそれらの関係によって、アクティブ、受動、またはスタンバイとしてマークされる。

たとえばノード２で生成されるトラフィックはゲートウェイに向けられる必要がある場合、多くのとりうるパスがある。ポテンシャルパスは、２−３−Ａ、２−４−３−Ａ、２−８−Ｂ、２−９−８−Ｂなどを含む。しかし、アクティブとしてマークされるノードがのみを考慮するならば、可能性のあるパスの数は大幅に減る。この例において、パス２−４−３−Ａおよび２−９−８−Ｂはもはや有効でない。

図２は、アクティブノードのみを考慮した場合と同じネットワークを示す。データトラフィックの観点から、ネットワークトポロジーにおけるこの変化は、トラフィックの分離などの異なる目的で使用できるだろう。アクティブノードのみを考慮することによって、トラフィックは、より決定的なパスに前進し、これはサービス品質（ＱｏＳ）要求を保つのを助けることができる。

どのノードがアクティブかを決定する基準は、より信頼性のあるリンク、電池レベル、トラフィック生成特性、ノードのセキュリティおよび認証コンテキスト、または資源利用のレベルなどの、より良いＲＲＭ特性に基づくことができる。使用される基準およびそれらの評価の方式は、実装特有で、どのノードがアクティブかを決定するために選ばれる特有の実装は、構造または本発明の動作を変更しない。

もう一つ論理ネットワークは、受動ノードがアクティブノードに追加して考慮される場合に、定義できる。これは、有効なパスの数が増加するかもしれないことを暗に示す。アクティブおよび受動ノードを考慮した場合に見られるのと同じネットワーク示す図３を見ると、パス２−９−８−Ｂは、もう一度有効になる。パスの数は増加するので、データ転送はより決定的でなくなる。データ転送がより決定的でなくなる場合、それは、（ＱｏＳの観点から）より望ましくない。しかし、これは、冗長なパスなどのほかの理由にとっては有益となりえる。たとえば、高優先度のシグナリングは、より短いパスを使用するこのセカンダリネットワークを通して転送でき、待ち時間の短縮を可能にする。

アクティブノードと受動ノードの間の主な違いは、それらを介して通るトラフィックの量と性質がとても異なることである。これは、ＲＲＭ機能を実行する場合に、考慮すべき違いを作る。アクティブノードが受動およびスタンバイノードより資源を必要とするであろうことが予測される。ＲＲＭ機能は、アクティブノードのみを考慮にいれるよう適用できる。アクティブノードは残りのネットワークより注意深く管理されるべきなので、このことは、ＲＲＭ機能の複雑さを減らし、より効率的にする。

スタンバイノードは、節電モードであることができるノードである。これらのノードは、ノードがトラフィックを生成しない、ノードが節電を実行する、またはこれらおよび他の理由の組合せのためといった、多くの起こりうる理由のためにスタンバイモードでいることができる。またノードは、パッシブおよびスタンバイノードの間を切り替えることができる。

この例が３つのノード状態（つまり、アクティブ、受動、スタンバイ）のみ示すにも関わらず、追加のノード状態は、当業者によって簡単に想定できる。

異なる論理ネットワークの追跡し続ける簡単な方法は、各ノードに状態マシンを実装することによる。したがって、異なる論理ネットワークは隣のノードの状態を知ることによってすぐに定義できる。

図４は、３つの目的の状態のための状態マシンを示す。各ノードの現在の状態は、メッシュネットワーク内のノード間での信号交換（無線または有線インターフェース）を用いて公示できる。この信号交換は、様々な可能性のあるプロトコル層で実装でき、ブロードキャスト、マルチキャスト（ポイントツーマルチポイント）、または専用（ポイントツーポイント）型のいずれかであることができる。代替として、既定のルールセットは、各ノードに実装でき、ネットワークが、トラフィックのフロー、質、遅延などのようなある特性を監視することから、ネットワークの現在の状態を明確にシグナリングする代わりに、ネットワークの現在の状態を推定するのを可能にする。

ネットワークを異なるクラスに分割するための多くのレベルがあり得て、クラスは他のクラスのサブグループとなることを要求されない。たとえば、アクティブとして定義されるが、データトラフィックのためのサービスの異なるクラスを扱うノードの異なるセットがありうる。

ネットワークを複数のサブネットワークに分割することは、ネットワークの動作中の始めにおいてまたはいつでも行うことができる。ネットワークを分割することは、パフォーマンスの最適化および／または信頼性のために、ネットワーク状態の変化（たとえばトラフィックの負荷）の結果として実行できる。トラフィック負荷が減る場合、サブネットワークは、１つの大きいメッシュネットワークを形成するために結合できる。

ネットワークが複数のサブネットワークに分離できる１つの方法は、単一のメトリック（たとえば、ホップの数、遅延など）を有することであり、これは、１つの大きいメッシュネットワークまたは複数のより小さいメッシュネットワークを有することに意味があるかどうかを決定するために使用される。一般に、メッシュネットワークを管理するための２つのアプローチがある。それは、中央集約化または分散化である。ネットワーク分離は、ネットワークの中心制御ポイントから、またはノードのそれぞれによって個別に実行できる。複合型のアプローチも使用でき、ここでノードのサブセット（たとえばアクティブノード）が決定を行うためのノードである。複合型のアプローチにおいて、ノードは、新しい構成を第２（または受動）のノードへ知らせる選択枝を有するか、またはノードは、プロキシノードとして単に動作でき、第２のノードから構成を隠すことができる。もう一度、２つのメッシュネットワークは、お互いに散りばめられるかまたは単にバラバラにされてもされなくてもよい。各メッシュノードが有する地上回線ゲートウェイにメッシュするのに加えて、２つのメッシュネットワーク間でゲートウェイノードを有することも可能である。

メッシュノード内のあるノードを論理サブネットワークに組織することは、全体としてメッシュネットワークの管理を容易にすることを意図する。メッシュネットワーク内の任意の所与のノードは、メッシュ内の１または複数の論理サブネットワークに同時に属すことができる。異なる論理サブネットワークは、次の目的を達成するために作成されうる（しかしこれらに限られない）。

（１）メッシュネットワークの保守専用のノードセット（たとえば、ＲＲＭ、Ｏ＆Ｍ、モニタリングなど）。
（２）ルーティング専用の第１のノードセット。
（３）障害時のフォールバックとして、ルーティング専用の第２のノードセット。
（４）特定のトラフィッククラスのルーティング専用のノードセット。
（５）メッシュをブロードキャストし通知する専用の、メッシュネットワーク全体の端にあるノードセット。
（６）異なるサービスプロバイダから、または同じ物理的ネットワークを共有する異なるＱｏＳ要求でのトラフィックの分離。

ある物理的または論理的メッシュサブネットワークに属することは、いくつかの目的にとって実用的であるかもしれないが、自然ではない。様々な決定基準に基づいて、メッシュ内の任意の所与のノードは、動作の普通の過程の間の任意のときに、もう一つの物理的または論理的サブネットワークへ開放（release）および再付属(reattach)できる。ノードの再付属の可能性のあるトリガは、ＲＲＭ状態、トラフィック状態、またはセキュリティあるいは認証コンテキストの変化を含むかもしれない。

メッシュ内の物理的および論理的サブネットワークを管理するために、１または複数の以下の要素を使用できる。

（１）ノードの現在の付属の追跡を続けるためのノード内の１または複数の状態マシン／データベース。好適な実施形態において、各ノードは、それ自身の状態マシンおよび付属を管理し、状態が変わる度にシグナリングを介して他のノードに知らせる。中央集約化アプローチにおいて、中央およびマスターノードのみが状態の変化を知らされる必要がある。専用アプローチにおいて、状態の変化は、ネットワーク全体へブロードキャストされる。複合的アプローチにおいて、クラスタマスターは状態の変化を知らされ、これは付属されたノードを知らせる。複合的アプローチが好まれる一方で、ネットワークの特定の大きさ、展開の特性などに依存する、中央集約および分散アプローチに関連する利点がある。各ノードがその付属を管理する限り、ルーティングメカニズムは、ソースベース、ホップベース、または中央ベースの形式で実行できる（後者はマスターノードで実行される）。
（２）他のノードからの要求について他のノードに知らせるか、またはメッシュ内の他のノードの状態変化を強制するための、ノード間（有線および無線インターフェース、すべての有り得るプロトコル層）のシグナリングメカニズム。
（３）付属を決定または推定するための、ノード内に実装されたルールセット。

サブネットワーキング概念は、異なるシナリオに適用できる。例えば、物理的メッシュネットワークが、動的システム環境、ノードの移動などによってトポロジーを変える場合が有り得る。これは、元のメッシュに、あるポイントにおいて完全に接続を絶つことを引き起こし、これは２つの異なるメッシュ内でメッシュを分裂させる結果となる。（たとえば、有線または分散システム、コアネットワークなどの他のいくつかの種類を介して、）２つのメッシュ間での通信がまだあることが提供されると、２つの分離メッシュは、単一（またはそれらの複合）の論理的メッシュとまだみなすことができ、すべての元のネットワーク構成が依然として有効であることを可能にする。したがって、２以上の物理的メッシュネットワークは、動的トポロジー変換に関わらず、単一または複数の論理的メッシュとみなすことができるだろう。この概念もまた、物理的なものの代わりに、論理的構成および／または接続を考慮することによって、物理ネットワークトポロジーと独立して異なるネットワークノードにルールセットを適用し続けるために実装できる。

図５は、メッシュネットワークを複数のサブネットワークに分離する方法５００のフローチャートである。方法５００は、ネットワーク内のすべてのノードの状態を決定することによって開始する（ステップ５０２）。ネットワークをサブネットワークに分離するのにトリガ状態を満たすかどうかの決定がなされる（ステップ５０４）。トリガ状態が満たされない場合、ネットワークは、トリガ状態が満たされるまで単一のネットワークとして動作を続ける。トリガ状態が満たされる場合、ノードは、サブネットワークを作成するために選択される（ステップ５０６）。上記のようにサブネットワークの一部となるノードを選択するのに複数の基準を使用できることに留意されたい。

複数のサブネットワークが作成され（ステップ５０８）、リストア状態が満たされるまでサブネットワークとして動作し続ける（ステップ５１０）。リストア状態が満たされると、複数のサブネットワークが１つのネットワークに結合され（ステップ５１２）、その方法は終了する（ステップ５１４）。上記のように、いつサブネットワークを再結合するべきかを決定するために複数の基準が使用される。

上記の方法は、任意の種類のメッシュネットワークの接続に使用でき、（８０２．１１ｓなどの）８０２．１１ＷＬＡＮ、無線個人エリアネットワーク（８０２．１５．５などのＷＰＡＮ）、および８０２．２１ネットワークを含むがそれに限られない。

図６は、方法５００を実装するために構成されたノード６００のブロック図である。ノード６００は、状態デバイス６０２、付属リスト６０４、トリガデバイス６０６、付属デバイス６０８、送信／受信器６１０、アンテナ６１２を含む。状態デバイス６０２は、ノード６００の状態を保持し（たとえば、アクティブ、受動、またはスタンバイ）、ノード６００を付属リスト６０４およびトリガデバイス６０６へ通信させる。付属リスト６０４は、ノード６００が現在付属しているすべての他のノードのリスト、およびこれらのノードの現在の状態を含む。トリガデバイス６０６は、ノード６００が現在付属するネットワークをいつ離れるべきかを決定するために使用される。この決定は、部分的に、ノード６００の現在の状態に基づくことができる。トリガデバイス６０６は、すべてのネットワーク構成、特に中心の実体によってサブネットワークの形成を決定するネットワークにおいて、動作可能でないかもしれない。

付属デバイス６０８は、ノード６００、およびノード６００がネットワークを付属リスト６０４のすべてのノードに変えることになるかどうかの状態の変化を通信する。送信／受信器６１０は、アンテナ６１２を介して付属デバイス６０８から変化を送信する。送信／受信器６１０もまた、継続的にアップデートされる付属リスト６０４内のノードの状態に関わらず、情報を受け取る。

本発明の特徴および要素が、特定の組合せにおいて、好適な実施形態で説明されているが、各特徴または要素は、（好適な実施形態の他の特徴および要素なしで）単独でも使用でき、または本発明の他の特徴および要素と共にあるいはそれらなし、様々な組合せで使用することができる。

Claims (3)

1. 無線メッシュネットワークからのサブネットワークを作成する方法であって、
   サブネットワークを作成するためのトリガ状態が存在するかどうかを決定するステップと、
   前記トリガ状態が存在する場合に、前記サブネットワークを作成するために、前記メッシュネットワークのノードを選択するステップと、
   前記選択されたノードで前記サブネットワークを作成するステップであって、前記サブネットワークは前記メッシュネットワークから分離され、これによって少なくとも２つの相異なるネットワークを作成するステップと
   を備えたことを特徴とする方法。
2. 前記トリガ状態は、前記メッシュネットワークの状態の変化を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記トリガ状態は、前記メッシュネットワークの中心制御ポイントによって生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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