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JP4629065B2 - Device for selecting beamform direction - Google Patents

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JP4629065B2 JP2007104702A JP2007104702A JP4629065B2 JP 4629065 B2 JP4629065 B2 JP 4629065B2 JP 2007104702 A JP2007104702 A JP 2007104702A JP 2007104702 A JP2007104702 A JP 2007104702A JP 4629065 B2 JP4629065 B2 JP 4629065B2
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Description

本発明はアンテナアレイのビームフォームに関する。   The present invention relates to an antenna array beamform.

ビームアンテナの利用は無線装置にとって有望な技術であることがわかっている。ビームアンテナを備えたモバイル装置は、無線ネットワークにおいてそのビームパターンの方向を選択することができ、それによりネットワークの接続性および安定性にプラスに作用することができる。ビーム方向とはアンテナパターンの指向性を指すが、そのパターンはアンテナアレイによって決定される任意の形状を有することができる。ビームフォームは、特に無線アクセスネットワーク、メッシュネットワーク、車両ネットワークおよびセンサネットワークに適用することができる。   The use of beam antennas has proven to be a promising technology for wireless devices. A mobile device with a beam antenna can select the direction of its beam pattern in a wireless network, which can positively affect network connectivity and stability. The beam direction refers to the directivity of the antenna pattern, but the pattern can have any shape determined by the antenna array. Beamform can be applied to radio access networks, mesh networks, vehicle networks and sensor networks, among others.

一般的に、ビームフォームには次のような2つの周知アプローチがある。
a)ランダム方向ビームフォーム(Random Direction Beamforming:RDB)
b)通信ベースのビームフォーム(Communication−based Beamforming)
In general, there are two well-known approaches to beamforming:
a) Random Direction Beamforming (RDB)
b) Communication-based beamforming

第1のソリューション(アプローチa)はオーバヘッドを軽減したシンプルなものであるが、そのパフォーマンスは制限されたままである。RDB(例えば非特許文献1参照)は、指向性アンテナのビームをランダムな方向に向けること(および固定すること)から成るシンプルな方法である。RDBは、全方向性(omni−directional)アンテナを使用する場合と比較してかなりの改善を示している。しかしながら、このアプローチは、ネットワークの境界に近いか、または障害物に隣接するノードが、(ノードxおよびyが、近傍にノードが全くない方向にビームを向けているケースを示す)図1に示されているように、近傍ノードが全く存在しない方向にビームフォームするときには限界である。このようなノードはネットワークの他の部分から孤立している。   The first solution (approach a) is simple with reduced overhead, but its performance remains limited. RDB (see, for example, Non-Patent Document 1) is a simple method that consists of directing (and fixing) the beam of a directional antenna in a random direction. RDB shows a significant improvement compared to using omni-directional antennas. However, this approach is illustrated in FIG. 1 where nodes close to the network boundary or adjacent to obstacles (showing the case where nodes x and y are directing the beam in a direction with no nodes nearby). As described above, there is a limit when beamforming in a direction in which no neighboring nodes exist. Such nodes are isolated from the rest of the network.

通信ベースのビームフォームを利用する第2のソリューション(アプローチb)は、システムのパフォーマンスを大きく向上させるものの複雑度が増す。このアプローチの詳細については例えば非特許文献2を参照されたい。このアプローチは、ルーティング情報に基づいてビームの方向を選択することを含んでいる。通信ベースのビームフォームでは、ノードは継続的に自分の通信相手の位置を検索し、それに適応することを余儀なくされる。このときノード間のタイトな調整が必要とされ、その結果、複雑度が増し、オーバヘッドが増加する。このことは、ビームフォームメカニズムとルーティングメカニズムが相互作用し、互いに独立ではないということを意味する。ビームフォームメカニズムは、ノードの通信相手(または少なくとも隣のホップ)のIDとその場所といったルーティング情報が必要であり、このためシステム全体の複雑度が増す。各ノードは各々の通信相手に到達することができるアングルを知らなければならない。このアングルは、到来角(angle−of−arrival)の推定、または各ノードの位置とそれらの直近の通信相手(隣のホップ)の位置とに関する情報を利用して得られる。このことは、ルーティングを受け持つ(OSI)層とビームフォームを受け持つ層(例えばMAC層)が相互に作用するとともに情報を交換し、相互に依存する関係になくてはならないことを意味する。この状況はビームフォームメカニズム全体の複雑度の点で好ましくない。さらに、ISO−OSIモデルの異なる2つの層で修正が必要となることから既存のネットワークインフラへの実装が難しくなる。   The second solution (approach b), which uses a communication-based beamform, greatly improves system performance but increases complexity. For details of this approach, see, for example, Non-Patent Document 2. This approach involves selecting the beam direction based on the routing information. In communication-based beamforms, nodes are forced to continuously search for and adapt to their communication partner's location. At this time, tight adjustment between nodes is required, resulting in increased complexity and overhead. This means that the beamform mechanism and the routing mechanism interact and are not independent of each other. The beamform mechanism requires routing information such as the ID and location of the node's peer (or at least the next hop), which increases the overall system complexity. Each node must know the angle at which it can reach each communication partner. This angle is obtained by using an angle-of-arrival estimation or information on the position of each node and the position of their nearest communication partner (adjacent hop). This means that the (OSI) layer responsible for routing and the layer responsible for the beamform (for example, the MAC layer) must interact with each other and exchange information and be interdependent. This situation is undesirable in terms of the overall complexity of the beamform mechanism. Furthermore, since modification is required at two different layers of the ISO-OSI model, it becomes difficult to implement the existing network infrastructure.

C. Bettstetter, C. Hartmann and C. Moser, “How does randomized beamforming improve the connectivity of ad hoc networks?”, In Proc. IEEE Intern. Conf. on Communications (ICC), Seoul, Korea, May 16−20, 2005C. Bettsetter, C.I. Hartmann and C.M. Moser, “How does randomized improving the connectivity of ad hoc networks?”, In Proc. IEEE Intern. Conf. on Communications (ICC), Seoul, Korea, May 16-20, 2005. R. Roy Choudhury, X. Yang, R. Ramanathan and N. H. Vaidya, “Using directional antennas for medium access control in ad hoc networks”, in ACM MobiCom 2002R. Roy Chudhhury, X. Yang, R.A. Ramanathan and N.M. H. Vaidya, “Using directional antenna for medium access control in ad hoc networks”, in ACM MobileCom 2002

上記に鑑みて、本発明の目的は、「通信ベースのビームフォーム」の複雑度を要せずにRDBを大きく改善することにある。   In view of the above, an object of the present invention is to greatly improve RDB without requiring the complexity of “communication-based beamform”.

一実施形態によれば、アドホックネットワークにおいてノードのビームフォーム方向を選択する装置であって、個々のステップでビームアングルを変更し、前記装置に接続されたアンテナのビームフォーム方向を制御する制御モジュールと、進行中の送信をオーバーヒアするとともに、異なるアングルステップでオーバーヒアした送信を示す1つ以上のパラメータを抽出する受信モジュールとを備え、前記制御モジュールは、アングルステップごとに判定パラメータを計算するとともに、前記異なるアングルステップの判定パラメータを比較し、その比較結果に基づいて前記アンテナのビームフォーム方向として最適な判定パラメータに対応するアングルを選択するものである、装置が提供される。   According to one embodiment, an apparatus for selecting a beamform direction of a node in an ad hoc network, wherein the control module changes a beam angle in each step and controls a beamform direction of an antenna connected to the apparatus; A receiving module that overhears an ongoing transmission and extracts one or more parameters indicating transmission overheared at different angle steps, the control module calculating a decision parameter for each angle step An apparatus is provided that compares the determination parameters of the different angle steps and selects an angle corresponding to an optimal determination parameter as a beamform direction of the antenna based on the comparison result.

この実施形態によれば、ルーティングのロバスト性および接続性を向上させ、相互干渉を低減するために、無線ネットワーク内にビームフォームアンテナが導入することができる。   According to this embodiment, a beamform antenna can be introduced in the wireless network to improve routing robustness and connectivity and reduce mutual interference.

一実施形態によれば、近傍パラメータ(neighborhood parameters)は、ビームフォームアングルを選択するノードから特にリクエストがなくても他のノードによって送信されるものであり、異なるアングルで複数のノードから得られた近傍パラメータは、前記判定パラメータの計算に際してウェイトとともに考慮され、このウェイトはビームフォーム方向を選択するノードの現在または未来の通信相手とは無関係である。   According to one embodiment, the neighbor parameters are sent by other nodes even if there is no specific request from the node that selects the beamform angle, and are obtained from multiple nodes at different angles. The proximity parameter is considered together with a weight when calculating the determination parameter, and this weight is independent of the current or future communication partner of the node that selects the beamform direction.

これは、選択のメカニズムが、追加の通信を含むであろうアクティブなリクエストよりも、進行中の通信を「パッシブに」オーバーヒアすることに基づくことができるということを意味する。さらに、ノードの現在または未来の通信相手(つまり隣のホップ)をその選択の基礎とするのではなく、その選択はオーバーヒアした送信から導かれたパラメータによって反映される近傍全体に基づいている。そうすることにより、通信相手のどんな変更も考慮する通信ベースのビームフォームの場合におけるアングルの頻繁な変更を避け、さらにはこのような変更から生じる可能性のあるカスケード効果を避けることができる。   This means that the selection mechanism can be based on “passively” overhearing ongoing communications rather than active requests that would include additional communications. Further, rather than relying on the node's current or future communication partner (ie, adjacent hops) for the selection, the selection is based on the entire neighborhood reflected by parameters derived from overheard transmissions. By doing so, frequent changes in angle in the case of communication-based beamforms that take into account any changes in the communication partner can be avoided, as well as cascading effects that can arise from such changes.

一実施形態によれば、前記近傍パラメータは、ルーティングプロトコルが動作する層と異なる層か、または下位の層におけるデータ送信または専用のビーコンメッセージに含まれる。   According to one embodiment, the proximity parameter is included in a data transmission or dedicated beacon message at a layer different from or below the layer where the routing protocol operates.

これは、ビームフォーム方向選択がルーティングプロトコルとは無関係になり、その結果、通信ベースのビームフォームアプローチの場合にビームフォームとルーティングとの間の相互依存性によって生じる複雑度を避けることができるという有利な効果を奏する。   This has the advantage that beamform direction selection is independent of the routing protocol, and as a result, the complexity caused by the interdependence between beamform and routing can be avoided in the case of communication-based beamform approaches. Has an effect.

具体的には、この実施形態に基づくアプローチは、ノード間の調整(coordination)を必要としないため「通信ベースのビームフォーム」よりもずっと複雑度が低く、また同程度の複雑度でランダム方向ビームフォームのアプローチを大きく凌駕する。   Specifically, the approach based on this embodiment is much less complex than a “communication-based beamform” because it does not require coordination between nodes, and a random directional beam with similar complexity. Significantly surpasses the form approach.

このようにして、本方法は、ネットワーク接続性を向上させ、パスを短縮し(従ってエンドツーエンドの遅延を短縮し)、干渉を低減し、モバイル機器のバッテリ消費量を低減し、そしてネットワーク容量を増加させる。   In this way, the method improves network connectivity, shortens paths (and thus reduces end-to-end delay), reduces interference, reduces mobile device battery consumption, and network capacity. Increase.

一実施形態によれば、前記近傍パラメータは前記ノードにより規則的な間隔で送信されるものであり、前記近傍パラメータは、近傍ノードの数と、バッテリレベルと、コンジェスチョンレベルと、チャネル品質と、相対的または絶対的な位置とのうちの1つ以上を含むものであり、2つ以上の近傍パラメータを考慮する場合には、その複数の近傍パラメータに基づいてアングルごとに累積的な判定パラメータが計算される。   According to one embodiment, the neighborhood parameters are transmitted by the node at regular intervals, and the neighborhood parameters include the number of neighbor nodes, battery level, convergence level, channel quality, When one or more of relative or absolute positions are included and two or more neighboring parameters are considered, a cumulative determination parameter for each angle is determined based on the plurality of neighboring parameters. Calculated.

これにより、ノードは前記パラメータから得られる近傍についての情報、例えば近傍ノードの数、それらのエネルギーレベル、チャネル品質、コンジェスチョンレベル、位置など)を用いて最適なビーム方向を計算することができる。   Thereby, the node can calculate the optimum beam direction using information about the neighborhood obtained from the parameters, for example, the number of neighboring nodes, their energy level, channel quality, convergence level, position, and the like.

一実施形態によれば、前記制御モジュールは、ビーム方向を所定のアングルずつ変化させることにより近傍ノードをスウィープするステップと、近傍ノードによるデータパケットの送信と、ビーコンメッセージが使用される場合の、近傍ノードによるビーコンの送信とをオーバーヒアするステップと、次のアングルに移動する前に所定の時間にわたって各アングル方向を維持するステップと、受信した関連する全ての近傍パラメータp_k(k=1,・・・,m)を含むステータスパラメータの集合Pに基づいて、判定パラメータF(P)を構成するステップと、あるビーム方向によりF(P)が増加し、以前の値を上回ってある閾値よりも大きい場合には新たなビーム方向を使用するステップと、規則的な間隔か、またはマニュアルトリガに基づいて追加的に上記ステップを反復するステップとを実行する。   According to one embodiment, the control module sweeps neighboring nodes by changing the beam direction by a predetermined angle, transmission of data packets by neighboring nodes, and neighbors when a beacon message is used. Overhearing the beacon transmission by the node, maintaining each angle direction for a predetermined time before moving to the next angle, and all received related neighborhood parameters p_k (k = 1,... Based on a set P of status parameters including m), a step of constructing a determination parameter F (P), and F (P) is increased by a certain beam direction, and is larger than a threshold value that exceeds the previous value. In some cases, use a new beam direction and at regular intervals or manual trigger And repeating the above steps based on the above.

このようにしてビームフォーム選択アルゴリズムを実行することができる。規則的に反復することにより、アルゴリズムがネットワーク状態の変化に適応することが確実なものとなる。加えて、例えばユーザまたはオペレータは、ネットワークが不安定になっているかもしれないと考える場合にはビームフォーム方向選択をマニュアルトリガする可能性を提供することができる。   In this way, the beamform selection algorithm can be executed. Regular iteration ensures that the algorithm adapts to changes in network conditions. In addition, for example, a user or operator can provide the possibility of manually triggering beamform direction selection if he believes that the network may be unstable.

一実施形態によれば、前記制御モジュールは、対応する方向におけるステータスの最新情報についての統計学的に重要なサンプルを得るために、スウィープ中のアングルをインクリメントするステップサイズとあるアングルにおけるステップ時間とのうちのいずれかまたは両方を適応させる。   According to one embodiment, the control module includes a step size for incrementing an angle during a sweep and a step time at an angle to obtain a statistically significant sample of status updates in the corresponding direction. Adapt either or both.

これによりビームフォーム選択アルゴリズムの信頼性と効率が向上する。   This improves the reliability and efficiency of the beamform selection algorithm.

一実施形態によれば、近傍に関する前記情報は、通常のトラフィックにピギーバックされた前記ノードにより送信されるか、または近傍に関する前記情報を送信するための専用のビーコンメッセージを使用して送信される。   According to one embodiment, the information about the neighborhood is sent by the node piggybacked on normal traffic or sent using a dedicated beacon message to send the information about the neighborhood .

一実施形態によれば、前記装置は、前記判定パラメータの変化がビームフォーム方向を変更するのに十分であるかどうかを決定するために適用される閾値を変更するモジュールであって、ネットワークが非常に不安定であることを検出した場合には前記閾値を増加させるか、および/またはネットワークが非常に安定であることを検出した場合には前記閾値を減少させるものであるモジュールを備える。これにより、前記装置は、ネットワーク全体の安定条件に適応できる。   According to one embodiment, the apparatus is a module that changes a threshold applied to determine whether a change in the decision parameter is sufficient to change a beamform direction, wherein the network is A module that increases the threshold if it is detected to be unstable and / or decreases the threshold if it is detected that the network is very stable. This allows the device to adapt to the stability conditions of the entire network.

一実施形態によれば、前記装置は、ホップ数1の距離にある近傍ノードから前記近傍パラメータを受信するとともに、前記ホップ数1の距離にある近傍ノードから受信した前記近傍パラメータに基づいて、前記判定パラメータを計算する。   According to an embodiment, the apparatus receives the neighbor parameter from a neighboring node at a distance of hop number 1, and based on the neighbor parameter received from a neighboring node at a distance of hop number 1, Calculate judgment parameters.

このようにすることで、個々のノードに大きな修正を加えずに既存のネットワーク構造へ本メカニズムを組み込むことが比較的容易になる。というのも、各ノードは近傍パラメータとして使用できるパラメータ(例えばMACアドレス)をとにかくある程度まで送信するからである。   This makes it relatively easy to incorporate this mechanism into an existing network structure without significant modifications to individual nodes. This is because each node transmits a parameter (for example, a MAC address) that can be used as a neighborhood parameter to some extent.

一実施形態によれば、前記装置は、ホップ数が2以上の距離にある近傍ノードから前記近傍パラメータを受信するステップと、前記ホップ数が2以上の距離にある近傍ノードを含む近傍ノードから受信した前記近傍パラメータに基づいて前記判定パラメータを計算するステップとを実行する。これにより、ネットワーク全体の接続性が改善され、クラスタを形成する傾向が低減する。   According to an embodiment, the apparatus receives the neighbor parameter from a neighbor node having a hop count of 2 or more, and receives from a neighbor node including a neighbor node having a hop count of 2 or more. Calculating the determination parameter based on the proximity parameter. This improves the connectivity of the entire network and reduces the tendency to form clusters.

一実施形態によれば、前記装置は、あるアングルで検出された近傍ノードの最大数に基づいて前記判定パラメータを決定する。   According to one embodiment, the apparatus determines the determination parameter based on a maximum number of neighboring nodes detected at a certain angle.

これは、適度に良好な結果を得る判定パラメータを計算するためのメトリクスを決定する比較的容易な方法である。   This is a relatively easy way to determine metrics for calculating decision parameters that yield reasonably good results.

一実施形態によれば、請求項1〜14のいずれか一項に記載の装置を備える複数のノードを含むネットワークであって、センサネットワークと、車両ネットワークと、無線メッシュネットワークと、無線アクセスネットワークとのうちのいずれかであるネットワークが提供される。   According to an embodiment, a network comprising a plurality of nodes comprising the device according to any one of claims 1 to 14, comprising a sensor network, a vehicle network, a wireless mesh network, a radio access network, A network that is any of the above is provided.

一実施形態によれば、前記装置は、あるノードにより実行される最初のビームフォーム選択のタイミングをランダムに選択するとともに、後続のビームフォーム選択のタイミングを規則的な間隔で選択するモジュールを備える。   According to one embodiment, the apparatus comprises a module that randomly selects the timing of the first beamform selection performed by a node and selects the timing of subsequent beamform selections at regular intervals.

これにより、ネットワークの安定性にマイナスの影響を及ぼしかねない多くのビームフォーム方向選択の同時実行を避けることができる。   This avoids simultaneous execution of many beamform direction selections that can negatively impact network stability.

一実施形態によれば、前記規則的な間隔は、前記モジュールによって選ばれたランダムパラメータに従って変化する。   According to one embodiment, the regular interval varies according to a random parameter chosen by the module.

これにより、状況の変化に対して継続的に適応するために選択が規則的に実行されるとともに、ランダムな要素を導入することで、ある時刻または期間における選択のクラスタ化を避けることができる。   This allows the selection to be performed regularly in order to adapt continuously to changes in the situation, and by introducing random elements, selection clustering at a certain time or period can be avoided.

一実施形態によれば、前記選択はある順序で実行される。これにより、2つのノードがビームフォーム方向の選択を同時には実行しないことが保証される。しかしながら、これにはノード間のある程度の調整が必要である。   According to one embodiment, the selection is performed in a certain order. This ensures that the two nodes do not perform beamform direction selection at the same time. However, this requires some adjustment between the nodes.

以下、本発明の典型的な実施形態について添付図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

第1の実施形態によれば、通信ベースのビームフォームの複雑度を避けつつRDBと比較してパフォーマンスが改善されたビームフォーム方法およびビームフォーム装置が提供される。一実施形態によれば、ビームフォーム方向の選択は、近傍ノードから収集した集約情報に基づく。   According to the first embodiment, a beamform method and a beamformer with improved performance compared to RDB while avoiding the complexity of communication-based beamforms are provided. According to one embodiment, the choice of beamform direction is based on aggregate information collected from neighboring nodes.

本実施形態では、各ノードにおいて他のノードの協力を一切必要とせずに、(例えば進行中の送信をオーバーヒアし、各ビーム方向における近傍ノードの数を推定することにより)一部の情報を収集することができる。近傍ノードの数に関する情報は、オーバーヒアした送信から見出すことができる異なるMAC(Media Access Control)アドレスの数を識別することによって得られる。この情報(ほとんどのネットワーク機器に割り当てられた固有識別子であるMACアドレス)は、一般的にはノードから送信されるデータストリーム内に送信元として含まれており、従って異なるMACアドレスの数を識別することによってノードの数を識別することができる。制御メカニズムにより、アンテナのビームは、アングルのインクリメント時にスウィープを実行することができる。ノードの最大数が見つかったときのアングルをアンテナのビーム方向として選ぶことができる。   In this embodiment, some information is obtained without requiring any other node's cooperation at each node (for example, by overhearing ongoing transmissions and estimating the number of neighboring nodes in each beam direction). Can be collected. Information about the number of neighboring nodes is obtained by identifying the number of different MAC (Media Access Control) addresses that can be found from overheard transmissions. This information (a MAC address that is a unique identifier assigned to most network devices) is typically included as a source in a data stream transmitted from a node, and thus identifies the number of different MAC addresses. Thus, the number of nodes can be identified. The control mechanism allows the antenna beam to sweep when the angle is incremented. The angle at which the maximum number of nodes is found can be chosen as the antenna beam direction.

これは次のようなことを意味する。一実施形態によれば。図2に概略的に示されているように、アンテナ200に接続され、アングルをインクリメントしながら他のノードから送信されたデータをオーバーヒアする受信モジュール210と、制御信号230を通じてアンテナのビーム方向を制御でき、異なるアングルで(ステップをインクリメントしながら)スウィープし、アングルごとにオーバーヒアしたデータストリームから(一実施形態によればMACアドレスである)近傍パラメータを抽出し、次にそれら近傍パラメータに基づいてアングルごとに判定パラメータを計算する制御モジュール220とが提供される。異なるアングルに対する判定パラメータの比較に基づいて、制御モジュール220はあるアングルをアンテナのビームフォーム方向として選択する。一実施形態によれば、これはノードの最大数が見出されるアングル、つまり、最も多くの異なるMACアドレスが見つかるアングルである。   This means the following. According to one embodiment. As schematically shown in FIG. 2, a receiving module 210 connected to the antenna 200 and overhearing data transmitted from other nodes while incrementing the angle, and the beam direction of the antenna through the control signal 230 are shown. Sweep at different angles (with incrementing steps), extract neighborhood parameters (which are MAC addresses according to one embodiment) from the overheared data stream for each angle, and then based on those neighborhood parameters And a control module 220 for calculating a determination parameter for each angle. Based on the comparison of decision parameters for different angles, the control module 220 selects an angle as the beamform direction of the antenna. According to one embodiment, this is the angle where the maximum number of nodes is found, ie the angle where the most different MAC addresses are found.

一実施形態によれば、受信モジュールと制御モジュールとは、上述したように機能するよう適切にプログラムされたデジタル信号プロセッサによって実装することができる。   According to one embodiment, the receiving module and the control module can be implemented by a digital signal processor suitably programmed to function as described above.

図3は、本発明の更なる実施形態としてノードのブロック図とその動作とを示している。ビーム方向を最適化する段階で、トランシーバはオーバーヒアしたデータと(定期的に送信される)近傍パラメータp_kとを収集する。これらパラメータ(p_k)は、アンテナのビーム方向を制御する「ビーム方向計算」モジュールによって使用される。これらは到来角を推定せずに現時点のビームパターンを使用して収集される。通常のオペレーションでは、各ノードは定期的にそれ自体のステータスパラメータp_iをビーコンメッセージに含ませるか、またはデータパケットにピギーバックして送信する。   FIG. 3 shows a block diagram of a node and its operation as a further embodiment of the present invention. In optimizing the beam direction, the transceiver collects overheared data and a neighborhood parameter p_k (transmitted periodically). These parameters (p_k) are used by a “beam direction calculation” module that controls the beam direction of the antenna. These are collected using the current beam pattern without estimating the angle of arrival. In normal operation, each node periodically includes its own status parameter p_i in a beacon message, or piggybacks on a data packet for transmission.

図3に示されているノードはそれ自体の内部パラメータp_iも送信する。内部パラメータp_iはそのあと他のノードにより「近傍パラメータ」p_kとして受信され、それによって他のノードにおけるビームフォーム方向の選択に影響を及ぼす。一実施形態によれば、近傍パラメータは、データリンク層、または特にデータリンク層のサブレイヤであるMAC層において送信される。図3において、これはMACと示されている要素で示されている。図3に示されているようにデータは、MAC層から上位層に受け渡される。しかしながら、近傍パラメータp_kは、上位層に受け渡されない。というのも、これらはMAC層において送信され、そのため既にこのレベルにおいてデータストリームから抽出されているからである。同様に、内部パラメータp_iはMAC層レベルで送信するデータストリームに提供される。   The node shown in FIG. 3 also transmits its own internal parameter p_i. The internal parameter p_i is then received as a “neighbor parameter” p_k by another node, thereby affecting the selection of the beamform direction at the other node. According to one embodiment, the proximity parameters are transmitted at the data link layer, or in particular at the MAC layer, which is a sublayer of the data link layer. In FIG. 3, this is indicated by the element labeled MAC. As shown in FIG. 3, data is passed from the MAC layer to the upper layer. However, the neighborhood parameter p_k is not passed to the upper layer. This is because they are transmitted at the MAC layer and are therefore already extracted from the data stream at this level. Similarly, the internal parameter p_i is provided for data streams transmitted at the MAC layer level.

MAC層における近傍パラメータの送信は、ビームフォーム方向選択の工程全体が例えばルーティングアルゴリズムに関係する層よりも下位の層で実行できるという利点を有する。これは、ビームフォームアングルの選択がルーティングアルゴリズムとは無関係に実行でき、その結果、通信ベースのビームフォームにおけるルーティングとビームフォームとの間の相互依存関係によってもたらされる複雑度を避けることができるということを意味する。   The transmission of neighborhood parameters in the MAC layer has the advantage that the whole beamform direction selection process can be performed in a layer below, for example, a layer related to the routing algorithm. This means that beamform angle selection can be performed independently of the routing algorithm, thus avoiding the complexity introduced by interdependencies between routing and beamform in communication-based beamforms. Means.

一実施形態によれば、ビームフォーム方向選択のメカニズムは、ビームフォームを選択するノードの通信相手についての情報とは一切無関係に機能する。これは、ビームフォームを選択するノードが、自分の現在の通信相手、つまり進行中の通信セッションにおける自分の現在の隣のホップなどを考慮しないことを意味する。言い換えるとそれは進行中の送信を異なるアングルでオーバーヒアすることでその近傍の「パッシブな」モニタリングを実行するだけである。これは、隣のホップおよび隣のホップの場所または方向といったルーティング情報がビームフォーム方向選択の決定に影響を及ぼしていないという意味であり、それ自体の通信意図または状態とは無関係である。代わりに、それ自体の通信状態および通信要件を考慮せずに、ノードは進行中のトラフィックに関して近傍をスキャンし、自分の通信相手に関する自分自身の状況や意図を反映するパラメータを考慮せずに、そこから近傍をまとめて示すパラメータ(累積的な近傍パラメータ)を決定する。仮にノードの現在のまたは意図した通信相手からの任意の情報を考慮する場合、これらは同じアングルステップにおける他のノードからの情報と同等に考慮されるだけである。つまり、その通信をオーバーヒアするどのノードに関しても優先順位は存在しない。このようにして、ノードはそれ自体の通信要件(例えば「自分の隣のホップがどこにあり、現在のまたは意図した通信パスの前後方向のどのアングルか」を決めること)に関するそれ自体の状況に関係のあるパラメータを取得するために他のノードとの広範囲の通信を必要としない。ノードはこの情報をアクティブに「リクエストする」ことはしないが「パッシブに」オーバーヒアことによって取得する。これは「パッシブに」進行中の送信をスキャンし、これらの送信に含まれる近傍パラメータを抽出することによって遂行することができる。近傍パラメータは、明示的なリクエストなく近傍ノードによって、例えばピギーバックメカニズムまたはビーコン信号を利用して規則的な間隔で送信される。   According to one embodiment, the beamform direction selection mechanism functions independently of any information about the communication partner of the node that selects the beamform. This means that the node that selects the beamform does not consider its current communication partner, such as its current neighbor hop in an ongoing communication session. In other words, it only performs “passive” monitoring of its neighbors by overhearing ongoing transmissions at different angles. This means that routing information such as neighbor hops and neighbor hop location or direction does not affect the beamform direction selection decision and is independent of its own communication intent or state. Instead, without considering its own communication state and requirements, the node scans the neighborhood for ongoing traffic and without taking into account parameters reflecting its own situation and intent regarding its peers, From there, parameters that collectively indicate the neighborhood (cumulative neighborhood parameters) are determined. If any information from a node's current or intended communication partner is considered, these are only considered equivalent to information from other nodes in the same angle step. That is, there is no priority for any node that overhears the communication. In this way, a node is concerned with its own situation with respect to its own communication requirements (for example, "determining where its next hop is and which angle in the front or back direction of the current or intended communication path"). It does not require extensive communication with other nodes to obtain certain parameters. The node does not actively "request" this information, but obtains it by "passively" overhearing. This can be accomplished by scanning “passively” ongoing transmissions and extracting the neighborhood parameters included in these transmissions. Neighbor parameters are transmitted at regular intervals by neighboring nodes without explicit requests, for example using a piggyback mechanism or a beacon signal.

一実施形態によれば、ノードは、例えばそれら自体のエネルギーレベル、それらが有する近傍ノードの数などのステータスパラメータをそれらのビーコンに含ませるか、またはデータパケットにピギーバックすることもできる。この情報は後に他のノードにより「近傍パラメータ」として受信され、一実施形態において判定パラメータを決定または計算するために使用することができる。これによりビームフォーム方向選択を改善できる。ノードが有するネットワーク(またはホップ数1、2またはnの距離にある近傍ノード)についての情報が多くなるほど、ノードはそれに基づいてビームアンテナを方向付けることによってより大きな改善が得られる。しかしながら、あるノードそれ自体についての情報(内部パラメータp_i)だけでなく、そのノードの近傍ノードについての情報も送信する場合には、複雑度とオーバヘッドのコストが増加する。これはノードがそれ自体のステータス情報p_iだけでなくその近傍ノードについての情報も送信データトラフィックまたはビーコンメッセージに含ませる場合には、このような情報が複数のホップを経由してネットワーク内を流れなければならないからである。   According to one embodiment, nodes may include status parameters in their beacons, such as their own energy level, the number of neighboring nodes they have, or piggyback into data packets. This information is later received as “neighbor parameters” by other nodes and can be used in one embodiment to determine or calculate decision parameters. This can improve beamform direction selection. The more information about the network that a node has (or neighboring nodes that are at a distance of 1, 2 or n hops), the greater the node will gain by directing beam antennas based on it. However, when not only information about a node itself (internal parameter p_i) but also information about a neighboring node of the node is transmitted, complexity and overhead cost increase. This is because if a node includes not only its own status information p_i but also information about its neighbors in the transmitted data traffic or beacon message, such information must flow through the network via multiple hops. Because it must.

一実施形態によれば、ステータスパラメータp_iは、
・近傍ノードの数
・バッテリレベル
・チャネル品質(信号対ノイズ比)
・コンジェスチョンレベル
・位置(相対位置または絶対位置)
・その他
のうちの1つ以上を含むことができる。
According to one embodiment, the status parameter p_i is
• Number of nearby nodes • Battery level • Channel quality (signal to noise ratio)
・ Congestion level ・ Position (relative or absolute position)
May include one or more of the others.

一実施形態によれば、この情報は、これらを送信するノードのビーム方向に影響を及ぼすことなく、規則的な間隔、例えば周期T_bで定期的に送信される(つまりビーコンが現時点のビームの設定で送信される)。   According to one embodiment, this information is transmitted periodically at regular intervals, eg, period T_b, without affecting the beam direction of the node transmitting them (ie, the beacon is set to the current beam). Sent by).

近傍ノードの数は、既に述べたように近傍ノードの最大数が見つかるアングルを選択することによって考慮できる。   The number of neighboring nodes can be taken into account by selecting the angle at which the maximum number of neighboring nodes is found, as already mentioned.

バッテリレベルは、ノードのバッテリ寿命が長くなるアングル、言い換えると累積エネルギーレベルが最大になるアングルを選ぶことによって考慮することができる。これは、ネットワークの安定性が増すという効果を有する。なぜなら、エネルギーが低いためにノードが1つまた1つと動作不能に陥るアングルでは、多くの通信パスが存在しなくなり、新しいパスを選ぶ必要性が生まれるという結果になるからである。   The battery level can be taken into account by choosing the angle that increases the battery life of the node, in other words, the angle that maximizes the cumulative energy level. This has the effect of increasing the stability of the network. This is because, at an angle where one node or another node becomes inoperable due to low energy, many communication paths do not exist, and a new path needs to be selected.

一実施形態によれば、ノードはそれらのコンジェスチョンレベルに基づいて重み付けがなされることがあり、それに基づいて異なるアングルに対して累積的なコンジェスチョンパラメータを決定できる。このときコンジェスチョンレベルが低いアングルを選択することができる。   According to one embodiment, nodes may be weighted based on their congestion level, and based on that, cumulative congestion parameters can be determined for different angles. At this time, it is possible to select an angle with a low conversation level.

「ホワイトスポット」(新たに入ってきたノードが接続するノードを見つけることが難しい場所)を一切残さないようにエリアを可能な限りカバーすることを試みるように位置を考慮することができる。そのため、ノードがそれらの絶対的または相対的な位置を決定かつ送信し、ビームフォームアングルを決定するノードによりオーバーヒアされたトラフィックからこの情報を抽出することが必要となる。   The location can be considered to try to cover the area as much as possible without leaving any “white spots” (places where it is difficult for new incoming nodes to find nodes to connect to). It is therefore necessary for the nodes to determine and transmit their absolute or relative position and extract this information from the traffic overheard by the node that determines the beamform angle.

一実施形態によれば、異なるアングルに対して判定パラメータを決定するときに2つ以上の近傍パラメータを考慮することができる。これは例えば考慮すべき各近傍パラメータに基づいて個別の判定パラメータを決定し、その個別の判定パラメータに基づいて累積した判定パラメータを計算することにより実行することができる。このようなケースでは、異なる個別の判定パラメータに異なるウェイトを割り当てることができる。例えばエネルギーに特に関心のある場合にはバッテリレベルに基づく個別の判定パラメータに対して、例えば近傍ノードの数よりもより高いウェイトを割り当てることができる。   According to one embodiment, two or more neighboring parameters can be considered when determining the decision parameters for different angles. This can be performed, for example, by determining individual determination parameters based on each neighboring parameter to be considered and calculating the accumulated determination parameters based on the individual determination parameters. In such a case, different weights can be assigned to different individual determination parameters. For example, if there is a particular interest in energy, a higher weight than the number of neighboring nodes, for example, can be assigned to individual decision parameters based on the battery level.

一実施形態によれば、複数の異なる近傍パラメータは、後に組み合わされる異なる判定パラメータを個別に決定するためには使用されないが、この異なる近傍パラメータから最終的な判定パラメータが直接的に得られる。   According to one embodiment, a plurality of different neighborhood parameters are not used to individually determine different decision parameters to be combined later, but the final decision parameters are obtained directly from the different neighborhood parameters.

次に、本発明の一実施形態によるビームフォームアングルを選択するためのアルゴリズムをより詳しく説明する。このアルゴリズムはネットワーク内の各ノードによって実行される。   Next, an algorithm for selecting a beamform angle according to an embodiment of the present invention will be described in more detail. This algorithm is executed by each node in the network.

各ノードは、その他のノードとは独立にビーム方向を(再)計算するためのアルゴリズム(アルゴリズム1)を実行する。図4は、本発明の一実施形態によるこのアルゴリズムを実行するための疑似コードの一例を示したものである。各ノードは、ビームの方向のアングルをangle_stepずつ段階的に変えることにより近傍のスウィープを開始する。アングルステップごとに、各ノードはそれぞれの近傍ノードから送信されたデータパケットと、ビーコンが使用される場合にはそのビーコンとをオーバーヒアする。各アングル方向は、ノードが次のアングルステップに移る前にtime_stepの間だけビーム方向を保持する。次にノードは受信した全ての近傍パラメータp_k(k=1,・・・,m)を含むステータスパラメータの集合Pを構成する。スウィーピングループは、判定パラメータF(P)を最大にするビーム方向を探索する。ここでF()は、関係のある全てのパラメータp_k(バッテリレベル、SNR、近傍ノード数など)を組み合わせる。新しいビーム方向が以前のものと比べて(閾値を超えて)F()をかなり増加させる結果をもたらす場合、その新しいビーム方向は保たれる。この探索アルゴリズムはあらゆるsearch_period_durationで反復される。   Each node executes an algorithm (algorithm 1) for (re) calculating the beam direction independently of the other nodes. FIG. 4 shows an example of pseudo code for executing this algorithm according to an embodiment of the present invention. Each node starts a nearby sweep by changing the angle of the beam direction in steps of angle_step. For each angle step, each node overhears the data packet transmitted from its respective neighboring node and the beacon if a beacon is used. Each angle direction holds the beam direction only for time_step before the node moves to the next angle step. Next, the node constructs a set P of status parameters including all received neighborhood parameters p_k (k = 1,..., M). The sweepin group searches for a beam direction that maximizes the determination parameter F (P). Here, F () combines all related parameters p_k (battery level, SNR, number of neighboring nodes, etc.). If the new beam direction results in a significant increase in F () compared to the previous one (beyond the threshold), the new beam direction is retained. This search algorithm is iterated at every search_period_duration.

このケースでは、これらの変化は、F(P)の計算において(avg_stepをあらゆる個別のタイムステップの平均として、例えば計算した値をファクタ(time_stepまたはavg_step)で割ることにより)、考慮に入れなければならない。   In this case, these changes must be taken into account in the calculation of F (P) (avg_step as the average of every individual time step, eg by dividing the calculated value by a factor (time_step or avg_step)). Don't be.

(ピギーバックまたは専用のビーコンを通して行われる)ステータス更新の時間的な平均回数は、ビーム方向を計算するためのスウィーピングが起こるスピードを決定する。データパケットが非常に高い頻度で送信される場合には、ステータス情報をそれらの一部にピギーバックすれば十分かもしれない。これとは対照的に、非常にわずかなトラフィックしか生じないか、または全く生じない場合、専用のビーコンメッセージを使用せずに精確な画像(accurate image)を推定することはあまりも多くの時間がかかる。ノードがタイムステップごとにオーバーヒアできる更新の総数が相対的に一定のものとなるように、ビーコンの頻度を適応させることができる。   The temporal average number of status updates (done through piggyback or dedicated beacons) determines the speed at which sweeping to calculate the beam direction occurs. If data packets are sent very frequently, it may be sufficient to piggyback status information to some of them. In contrast, if there is very little or no traffic, estimating an accurate image without using a dedicated beacon message takes too much time. Take it. The frequency of beacons can be adapted so that the total number of updates that a node can overhear at each time step is relatively constant.

一実施形態によれば、判定パラメータまたは最適値opt_valueの変化が実際にビーム方向を変えるのに十分大きいと見なすことができるかどうかを判定するために、閾値パラメータを使用することができる。閾値が小さくすると、ビーム方向は最適な方向により接近する。一方、ビーム方向が頻繁に変わるとネットワークの安定性に影響を及ぼす。ビーム方向を変えると近傍ノードのパラメータ値が変わり、ひいてはそれらのビーム方向も変える契機となり得る。この場合、提案されたビームフォームプロトコルに加えて実行される無線ルーティングプロトコルは、新たなルートを計算して無効な古いルートを破棄するなどして、近傍の変化に頻繁に適応せざるを得なくなる。それゆえ、ルーティングプロトコルの応答のほか、エネルギー消費量に関するネットワークの要件、代替パスの利用可能性などに閾値パラメータを適応させることが望ましい。   According to one embodiment, a threshold parameter can be used to determine whether a change in the decision parameter or optimal value opt_value can be considered large enough to actually change the beam direction. As the threshold is reduced, the beam direction approaches the optimal direction. On the other hand, frequent changes in beam direction affect the stability of the network. When the beam direction is changed, the parameter values of neighboring nodes change, and as a result, the beam direction can be changed. In this case, the wireless routing protocol that is implemented in addition to the proposed beamform protocol has to adapt frequently to neighborhood changes, such as calculating new routes and discarding invalid old routes. . Therefore, it is desirable to adapt the threshold parameter to routing protocol responses, network requirements for energy consumption, availability of alternative paths, etc.

ビーム方向プロトコルと上位層(例えばルーティング層または更にはアプリケーション層)との間の更なる信号伝達を通じてインテリジェント調整を行うことができる。上位層は、ネットワークがあまりにも不安定であることを検出した場合には、閾値(およびアルゴリズムのその他のパラメータ)を変えることができる。これは、例えば平均的な接続持続時間を測定することによって検出することができる。これが短すぎると見なされた場合にはネットワークはあまりにも不安定であると見なすことができる。別の可能性としては、一定の時間内に接続が中断する回数を測定することが挙げられる。その回数が大き過ぎればネットワークは不安定であると見なすことができる。   Intelligent adjustments can be made through further signaling between the beam direction protocol and higher layers (eg, routing layer or even application layer). If the upper layer detects that the network is too unstable, it can change the threshold (and other parameters of the algorithm). This can be detected, for example, by measuring the average connection duration. If this is considered too short, the network can be considered too unstable. Another possibility is to measure the number of times a connection is interrupted within a certain time. If the number is too large, the network can be considered unstable.

一方、ネットワークが非常に安定していれば閾値を減少させることができる。ネットワークの安定度を測るための同様のメカニズムがこのケースに適用できる。   On the other hand, if the network is very stable, the threshold can be reduced. A similar mechanism for measuring network stability can be applied in this case.

次に、一実施形態に基づくビームフォームの技術についてより詳しく説明する。   Next, the beamforming technology according to one embodiment will be described in more detail.

本実施形態では、モバイル端末は最初にランダムな方向にビームフォームする。次に各ノードは、ビームフォームアングルを所定量だけインクリメントすることによりメインローブをスウィープする。スウィープが完了するとノードは、ノード次数(node degree)が最大だった(つまり近傍ノードの最大数が見つかった)方向にビームフォームする。この最大ノード次数が2方向以上で生じた場合には、これら方向の中から1つの方向がランダムに選ばれる。このプロセスは、起こりうるネットワークトポロジーの変化を考慮するために定期的に繰り返される。   In this embodiment, the mobile terminal initially beamforms in a random direction. Each node then sweeps the main lobe by incrementing the beamform angle by a predetermined amount. When the sweep is complete, the node beamforms in the direction where the node degree is maximum (ie, the maximum number of neighboring nodes is found). When the maximum node order occurs in two or more directions, one direction is randomly selected from these directions. This process is repeated periodically to take into account possible network topology changes.

このケースでは、F(P)はスウィープ段階のステップごとにオーバーヒアした異なるMACソースアドレスの数に対応する。このメカニズムを以下の説明では最大ノード次数ビームフォーム(maximum node degree beamforming:MNDB)と呼ぶ。   In this case, F (P) corresponds to the number of different MAC source addresses overheard for each step of the sweep phase. In the following description, this mechanism is referred to as maximum node degree beamforming (MNDB).

次に、更なる一実施形態に基づくビームフォームの技術についてより詳しく説明する。   Next, a beamforming technique according to a further embodiment will be described in more detail.

一部の不均一な(non−homogeneous)トポロジーでは、MNDBは次善最適な接続という結果をもたらす可能性がある。この場合、ノードは、各クラスタ内では強く接続したクラスタを形成し、異なるクラスタとの間では接続がほとんどなくなるようにビームを向ける。こうした状況が起こる理由は、ノードは近傍ノードの最大数に「直接的に」到達することができるようにビームを向ける傾向にあるからである。ここで、「直接的に」とは中間のホップがないということを意味する。しかしながら、ノードXがそのビームをクラスタAへ向けることによってホップの最大数に直接的に到達することができる状況を示している図5Aからわかるように、これは全てのケースで最善のソリューションというわけではない。しかしながら、全体の接続性という点では、ノードXがビームをクラスタBに向ければ有利なこともある。というのも、それによりこれら2つのクラスタ間で接続が確立でき、その結果、全体の接続性が高めることができるからである。   In some non-homogeneous topologies, the MNDB may result in sub-optimal connectivity. In this case, the nodes form a strongly connected cluster in each cluster and direct the beam so that there is almost no connection between different clusters. The reason for this situation is that nodes tend to direct the beam so that they can reach the maximum number of neighboring nodes “directly”. Here, “directly” means that there is no intermediate hop. However, as can be seen from FIG. 5A which shows a situation where node X can reach the maximum number of hops directly by directing its beam to cluster A, this is the best solution in all cases. is not. However, in terms of overall connectivity, it may be advantageous if node X directs the beam to cluster B. This is because a connection can be established between these two clusters, and as a result, the overall connectivity can be improved.

この問題を解決するため、一実施形態によれば、以下に明らかにするように、ノードは、ホップ数1およびホップ数2の距離にある異なる近傍ノードの数を最大にするために2ホップノード次数ビームフォーム(Two−hop Node Degree Beamforming:TNDB)アルゴリズムを使用することができる。   In order to solve this problem, according to one embodiment, as will be clarified below, a node is a two-hop node to maximize the number of different neighboring nodes at a distance of hop number 1 and hop number 2. The order-beam form (TNDB) algorithm can be used.

本実施形態では、ノードはステータス情報または近傍の情報として自分自身のMACアドレスを送信するだけでなく、その1ホップ隣の近傍ノードのMACアドレスも追加的に送信する。これを行うにはMAC層におけるプロトコルを一部修正する必要がある場合があることは理解されよう。というのも、自分自身のMACアドレスは、通常は任意の通信データと一緒に送信されるが、1ホップ隣の近傍ノードのMACアドレスは通常含まれないからである。しかしながら、これは受信データとともに受信したMACアドレスを保持し、次にそれらを近傍パラメータとして送信データストリーム内に入れて再送することによって行うことができる。これら近傍パラメータを受信する任意のノードは、判定パラメータF(P)を計算するための入力パラメータとして、それらMACアドレス全て(送信元ノードのMACアドレスとその近傍ノードのMACアドレス)を利用する。   In the present embodiment, a node not only transmits its own MAC address as status information or neighbor information, but additionally transmits a MAC address of a neighboring node adjacent to the hop. It will be appreciated that this may require some modifications to the protocol at the MAC layer. This is because its own MAC address is normally transmitted together with arbitrary communication data, but the MAC address of a neighboring node adjacent to one hop is not usually included. However, this can be done by holding the received MAC addresses along with the received data and then resending them in the transmitted data stream as neighborhood parameters. Any node that receives these neighbor parameters uses all of these MAC addresses (the MAC address of the transmission source node and the MAC address of the neighbor node) as input parameters for calculating the determination parameter F (P).

このようなケースでは、個別のステータス最新情報p_kはノードkがオーバーヒアしたMACソースアドレスのリストを含み、F(P)は、p_kを合計して重複するMACアドレスを取り除くことにより2ホップまでの距離にある近傍ノードの異なるMACアドレスの数を計算する。このメカニズムを図5Bに示されている状況に適用すると、このケースではクラスタBはクラスタAより有利になることが明らかとなる。というのも、2ホップ接続を通じてより大きな数の到達可能なノードを含み、それに応じてノードXはビームをクラスタBに向けるからである。   In such a case, the individual status update information p_k includes a list of MAC source addresses overheared by the node k, and F (P) can add up to 2 hops by summing p_k and removing duplicate MAC addresses. Calculate the number of different MAC addresses of neighboring nodes at a distance. Applying this mechanism to the situation shown in FIG. 5B reveals that cluster B has an advantage over cluster A in this case. This is because it includes a larger number of reachable nodes through a two-hop connection, and accordingly node X directs the beam to cluster B.

図5Bに示されているようなTNDBを使用すると、ノードXは、サイドローブを通じてクラスタA内の近傍ノードに接続されるとともにメインローブを使用してクラスタB内にある近傍ノードに到達し、その結果これら2つのクラスタ間の接続性が改善される。   Using TNDB as shown in FIG. 5B, node X is connected to a neighboring node in cluster A through a side lobe and uses the main lobe to reach a neighboring node in cluster B, The result is improved connectivity between these two clusters.

全方向性アンテナを利用した場合とランダム方向ビームフォームを利用した場合と比べて、MNDBとTNDBとはともに、より良いネットワークの接続性、より短いパス(それゆえエンドツーエンドの遅延の短縮)およびより低い干渉を実現する。これらのアルゴリズムは、例えば利用可能なエネルギー、コンジェスチョンレベルおよびチャネル品質などの近傍ノードからの追加の情報を使用することによって更に改善できる。これはユーザの満足度(例えばモバイル機器のバッテリ消費量の低減、増加したネットワーク容量など)を増しつつもネットワークを稼働させるコストを軽減する。さらに、2ホップより遠い距離(3ホップ、4ホップ、・・・、nホップ)にある近傍ノードを考慮することができる。   Both MNDB and TNDB have better network connectivity, shorter paths (and hence reduced end-to-end delay) and both omnidirectional antennas and random directional beamforms. Achieve lower interference. These algorithms can be further improved by using additional information from neighboring nodes such as available energy, congestion level and channel quality. This reduces the cost of operating the network while increasing user satisfaction (eg, reducing battery consumption of mobile devices, increased network capacity, etc.). Furthermore, it is possible to consider neighboring nodes that are farther than 2 hops (3 hops, 4 hops,..., N hops).

一実施形態によれば、ステータス情報または近傍に関する情報は、各ノードによって所定の間隔で定期的に送信される。最初の送信時刻は、例えばノードが動作を開始した後のあるタイミングウィンドウの中でランダムに選ぶことができる。その後の送信(ビーコンまたはピギーバックされたデータパケット)は所定の間隔で行うことができるが、一実施形態によれば、その間隔はある程度ランダムに変化する。   According to one embodiment, status information or information about the neighborhood is periodically transmitted at predetermined intervals by each node. The first transmission time can be selected at random within a certain timing window after the node starts operation, for example. Subsequent transmissions (beacons or piggybacked data packets) can occur at predetermined intervals, but according to one embodiment, the intervals vary somewhat randomly.

開始時におけるビームフォーム方向選択のタイミングと、可能であればそれ以降の選択とに対してもランダム性を導入することで、複数のビームフォーム方向選択が同時に行われる可能性(これはネットワークの安定性にマイナスの影響を及ぼしかねない)を減らすことができる。一方、(ある程度はランダムに変化可能な)規則的な間隔を提供し、その間にビームフォーム方向の選択を行うようにすることで、ノードの移動に主に起因する状況の変化に対し、ネットワークが継続的かつ定期的に適応することが保証される。   By introducing randomness to the timing of beamform direction selection at the start and possibly subsequent selections, multiple beamform direction selections can be made simultaneously (this is the stability of the network Which can negatively affect sex). On the other hand, by providing regular intervals (which can be changed to some extent randomly) and selecting the beamform direction during that time, the network will respond to changes in the situation mainly due to node movement. It is guaranteed to adapt continuously and regularly.

更なる実施形態として、個々のノードが送信する順序は所定のものであるか、または固定的である。言い換えると、個々のノードがビームフォーム方向を選択する順序は変わらない。しかしながら、このような固定的な順序は、少なくとも順序を確定するために個々のノード間の最小限の調整を必要とする。そのため選択のプロセスが時間的に多かれ少なかれ分散して行われることを保証するランダムな要素を取り入れながら各ノードがその選択のタイミングを選ぶ場合よりも少し複雑である。   As a further embodiment, the order in which individual nodes transmit is either predetermined or fixed. In other words, the order in which individual nodes select the beamform direction remains the same. However, such a fixed order requires minimal adjustment between individual nodes to at least establish the order. This is a bit more complicated than when each node chooses the timing of its selection, incorporating random elements that ensure that the selection process is more or less distributed in time.

次に、本発明の実施形態を適用することができるいくつかの実例について説明する。   Next, some examples to which embodiments of the present invention can be applied will be described.

ネットワーク要素(センサ)がビームアンテナを使用するセンサネットワークを考える。全方向性アンテナを使用するセンサと比較すると、ビームアンテナは、送信レートおよび送信レンジの増加、エネルギーの節約、センサ寿命の長期化およびネットワークの接続性の改善に役立つ。しかしながら、一部のセンサは、トポロジーの不均一性(heterogeneity)(トポロジー境界、空エリアなど)が原因でネットワークの他の部分から切断される場合がある。本発明の実施形態を使用してビームフォーム方向を選択することは、全てのセンサが自らをネットワーク(の他の部分)により良く接続する方向を見つけるのに役立つ。   Consider a sensor network in which network elements (sensors) use beam antennas. Compared to sensors that use omni-directional antennas, beam antennas help increase transmission rate and transmission range, save energy, extend sensor life, and improve network connectivity. However, some sensors may be disconnected from other parts of the network due to topology heterogeneity (topology boundaries, empty areas, etc.). Choosing the beamform direction using embodiments of the present invention helps to find the direction in which all sensors connect better to the network (other parts).

本発明の実施形態を適用することができる別の例は、車両ネットワークである。   Another example to which embodiments of the present invention can be applied is a vehicle network.

ビームアンテナを使用してワイヤレスに接続された車両ノードのネットワークを考える。車両は、シングルホップ通信またはマルチホップ通信のうちのいずれかを使用して、緊急情報、トラフィック情報などを交換することができる。本発明の実施形態を使用してビームフォーム方向を選択することは、車両がそのビームを接続性が増加する方向に向けるのに役立つ。それはまた車両がそのビームを「空」エリア(例えば、湖、高速道路の路側帯)に向けないようにトポロジーのダイナミクスに適応するのにも役立つ。ビームフォームは一般に無線レンジを拡大するのに役立つとともに、本発明の実施形態を使用してビームフォーム方向を選択することは更に、エンドツーエンドパスを短縮してパケット遅延を短縮するために「正しい」ビームフォーム方向を選ぶのに役立つ。   Consider a network of vehicle nodes connected wirelessly using a beam antenna. Vehicles can exchange emergency information, traffic information, etc. using either single-hop communication or multi-hop communication. Selecting a beamform direction using embodiments of the present invention helps the vehicle direct its beam in a direction that increases connectivity. It also helps to adapt the topology dynamics so that the vehicle does not direct its beam to “sky” areas (eg, lakes, highway roadsides). Beamform generally helps to expand radio range, and using the embodiments of the present invention to select the beamform direction further “correct” to shorten the end-to-end path and reduce packet delay. "Useful for choosing beamform direction."

本発明の実施形態を適用することができる別の例は、自動設定可能な無線アクセスネットワーク(Auto−configurable Radio−Access Networks)である。   Another example to which embodiments of the present invention can be applied is an auto-configurable radio-access network (Auto-configurable Radio-Access Networks).

無線アクセスネットワークでは、ビームアンテナを使用するアクセスポイントは、所定の方向においてその送信レンジ(およびその受信ゲイン)を増加させる。本発明の実施形態を使用してビームフォーム方向を選択することは更に、より多くのユーザをカバーし、トポロジーのダイナミクス(例えばホテル内のどの会議室が使用されるか)に適応するとともにユーザの満足度を増やすために、アンテナビームの指向性を適応化することに役立つ。   In a radio access network, an access point using a beam antenna increases its transmission range (and its reception gain) in a given direction. Selecting beamform directions using embodiments of the present invention further covers more users, adapts to topology dynamics (eg, which conference room in the hotel is used) and the user's It helps to adapt the directivity of the antenna beam to increase satisfaction.

本発明の実施形態を適用することができる別の例は、自動設定可能なメッシュネットワーク(Auto−configurable Mesh Networks)である。   Another example to which the embodiments of the present invention can be applied is an auto-configurable mesh network (Auto-configurable Mesh Networks).

上記の無線アクセスネットワークの例の拡張として、メッシュネットワーク内の要素は、本発明の実施形態を使用してネットワークの接続性を改善し、干渉を軽減するとともにネットワークの偶発的なダイナミクスに適応することができる。   As an extension of the above radio access network example, elements in a mesh network can use the embodiments of the present invention to improve network connectivity, reduce interference and adapt to accidental network dynamics. Can do.

当業者であれば上記実施形態は、ハードウェア、ソフトウェアまたはソフトウェアとハードウェアとの組み合わせによって実施できることは理解されよう。本発明の実施形態と関連して述べたモジュールは、本発明の実施形態と関連して説明した方法を実行するように適切にプログラムされたマイクロプロセッサまたはコンピュータによって全体的または部分的に実現することができる。   Those skilled in the art will appreciate that the above embodiments can be implemented by hardware, software or a combination of software and hardware. The modules described in connection with embodiments of the present invention may be implemented in whole or in part by a microprocessor or computer appropriately programmed to perform the methods described in connection with embodiments of the present invention. Can do.

従来技術のビームフォームメカニズムを概略的に説明するための図である。It is a figure for demonstrating schematically the beamform mechanism of a prior art. 本発明の一実施形態による装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態によるノードの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the node by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による装置によって実行されるアルゴリズムを示す図である。FIG. 6 shows an algorithm executed by an apparatus according to an embodiment of the present invention. 本発明のビームフォーム状況の一例を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly an example of the beam form condition of this invention. 本発明のビームフォーム状況の別の一例を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly another example of the beam form condition of this invention.

Claims (14)

無線ネットワークにおいてノードのビームフォーム方向を選択する装置であって、
個々のステップでビームアングルを変更し、前記装置に接続されたアンテナのビームフォーム方向を制御する制御モジュールと、
進行中の送信をオーバーヒアするとともに、異なるアングルステップでオーバーヒアした送信を示す1つ以上の近傍パラメータを抽出する受信モジュールと
を備え、
前記制御モジュールは、アングルステップごとに判定パラメータを計算するとともに、前記異なるアングルステップの判定パラメータを比較し、その比較結果に基づいて前記アンテナのビームフォーム方向として最適な判定パラメータに対応するアングルを選択するものであり、
ノードによって送信される近傍パラメータは、あるアングルステップにおける近傍ノードの数を含むものであり、
近傍ノードの数が最大となるような、アンテナのビームフォーム方向のアングルが選択され、
前記近傍ノードの数はnホップ以内で到達できる近傍ノードの数であって、nは1以上の数である、装置。
An apparatus for selecting a beamform direction of a node in a wireless network,
A control module that changes the beam angle in individual steps and controls the beamform direction of the antenna connected to the device;
A receiving module that overhears an ongoing transmission and extracts one or more neighboring parameters indicating transmission overheared at different angle steps;
The control module calculates a determination parameter for each angle step, compares the determination parameter of the different angle step, and selects an angle corresponding to the optimal determination parameter as the beamform direction of the antenna based on the comparison result der which is,
The neighborhood parameters sent by a node include the number of neighborhood nodes in an angle step,
The angle in the beamform direction of the antenna that maximizes the number of neighboring nodes is selected,
The number of neighboring nodes is the number of neighboring nodes that can be reached within n hops, where n is a number greater than or equal to one .
前記近傍パラメータは、ルーティングプロトコルが動作する層より下位の層におけるデータ送信または専用のビーコンメッセージに含まれるものである、請求項に記載の装置。 The apparatus according to claim 1 , wherein the proximity parameter is included in data transmission or a dedicated beacon message in a layer lower than a layer in which a routing protocol operates. 前記ノードによって送信される前記近傍パラメータは
ッテリレベルと、
コンジェスチョンレベルと、
チャネル品質と、
相対的または絶対的な位置と
のうちの1つ以上を含むものであり、
2つ以上の近傍パラメータを考慮する場合には、その複数の近傍パラメータに基づいてアングルごとに累積的な判定パラメータが計算されるものである、
請求項1または2のいずれか一項に記載の装置。
The neighborhood parameter transmitted by the node is :
And server Tterireberu,
Congestion level,
Channel quality,
Including one or more of relative or absolute positions and
When considering two or more neighboring parameters, a cumulative judgment parameter is calculated for each angle based on the plurality of neighboring parameters.
Apparatus according to any one of claims 1 or 2 .
前記制御モジュールは、
ビーム方向を所定のアングルずつ変化させることにより近傍ノードをスウィープするステップと、
近傍ノードによるデータパケットの送信と、ビーコンメッセージが使用される場合の、近傍ノードによるビーコンの送信とをオーバーヒアするステップと、
次のアングルに移動する前に所定の時間にわたって各アングル方向を維持するステップと、
受信した関連する全ての近傍パラメータp_k(k=1,・・・,m)を含むステータスパラメータの集合Pに基づいて、判定パラメータF(P)を構成するステップと、
あるビーム方向によりF(P)が増加し、以前の値を上回ってある閾値よりも大きい場合には新たなビーム方向を使用するステップと、
規則的な間隔か、またはマニュアルトリガに基づいて追加的に上記ステップを反復するステップと
を実行するものである、請求項1〜のいずれか一項に記載の装置。
The control module is
Sweeping neighboring nodes by changing the beam direction by a predetermined angle;
Overhearing transmission of data packets by neighboring nodes and transmission of beacons by neighboring nodes when a beacon message is used;
Maintaining each angle direction for a predetermined time before moving to the next angle;
Configuring a determination parameter F (P) based on a set P of status parameters including all received related neighborhood parameters p_k (k = 1,..., M);
Using a new beam direction if F (P) increases with a certain beam direction and is greater than a threshold above a previous value;
Or regular intervals, or in which additionally executes a step of repeating the steps based on the manual trigger, device according to any one of claims 1-3.
前記制御モジュールは、対応する方向におけるステータスの最新情報についての統計学的に重要なサンプルを得るために、スウィープ中のアングルのインクリメントのステップサイズとあるアングルにおけるステップ時間とのうちのいずれかまたは両方を適応させるものである、請求項1〜のいずれか一項に記載の装置。 The control module may either or both of the step size of the angle increment during the sweep and the step time at an angle to obtain a statistically significant sample of status updates in the corresponding direction. it is intended to adapt the apparatus according to any one of claims 1-4. 前記近傍パラメータは、通常のトラフィックにピギーバックされた前記ノードにより送信されるか、または前記近傍パラメータを送信するための専用のビーコンメッセージを使用して送信されるものである、請求項1〜のいずれか一項に記載の装置。 The neighborhood parameters are intended to be transmitted or sent by piggybacked the node for normal traffic or by using a dedicated beacon message for transmitting said neighborhood parameters, Claim 1-5 The apparatus as described in any one of. 前記判定パラメータの変化がビームフォーム方向を変更するのに十分であるかどうかを決定するために適用される閾値を変更するモジュールであって、ネットワークが非常に不安定であることを検出した場合には前記閾値を増加させるか、および/またはネットワークが非常に安定であることを検出した場合には前記閾値を減少させるものであるモジュールを備える請求項1〜のいずれか一項に記載の装置。 A module that changes a threshold applied to determine whether a change in the decision parameter is sufficient to change the beamform direction, when detecting that the network is very unstable apparatus according to any one of claims 1 to 6, comprising a module when detecting is intended to reduce the threshold that either increase the threshold, and / or network is very stable . ホップ数1の距離にある近傍ノードから前記近傍パラメータを受信するとともに、前記ホップ数1の距離にある近傍ノードから受信した前記近傍パラメータに基づいて、前記判定パラメータを計算する請求項1〜のいずれか一項に記載の装置。 Which receives said neighborhood parameters from neighbors at a distance of hops 1, based on the neighborhood parameters received from the neighboring node at the distance of the hop number 1, according to claim 1 to 7 for calculating the decision parameter The device according to any one of the above. ホップ数が2以上の距離にある近傍ノードから前記近傍パラメータを受信するステップと、
前記ホップ数が2以上の距離にある近傍ノードを含む近傍ノードから受信した前記近傍パラメータに基づいて前記判定パラメータを計算するステップと
を実行する請求項1〜のいずれか一項に記載の装置。
Receiving the neighborhood parameter from a neighborhood node having a hop count of 2 or more;
Apparatus according to any one of claims 1 to 8 and a step of calculating said decision parameter based on the neighborhood parameters received from the neighboring node that includes a neighborhood node the number of hops is in two or more distance .
あるアングルで検出された近傍ノードの最大数に基づいて前記判定パラメータを決定する請求項1〜のいずれか一項に記載の装置。 Apparatus according to any one of claims 1 to 9 for determining the decision parameter based on the maximum number of detected neighboring node at a certain angle. あるノードにより実行される最初のビームフォーム選択のタイミングをランダムに選択するとともに、後続のビームフォーム選択のタイミングを規則的な間隔で選択するモジュールを備える請求項1〜10のいずれか一項に記載の装置。 11. The module according to any one of claims 1 to 10 , comprising a module for randomly selecting the timing of the first beamform selection performed by a node and selecting the timing of subsequent beamform selection at regular intervals. Equipment. 前記規則的な間隔は、前記モジュールによって選ばれたランダムパラメータに従って変化するものである、請求項11に記載の装置。 12. The apparatus of claim 11 , wherein the regular interval varies according to a random parameter selected by the module. 前記ネットワーク内のノードがビームフォーム選択を実行する順序を定めるタイミング選択モジュールを備える請求項1〜12のいずれか一項に記載の装置。 Apparatus according to any one of claims 1 to 12, comprising a timing selection module for determining the order in which nodes in the network performs the beamforming selection. 請求項1〜13のいずれか一項に記載の装置を備える複数のノードを含むネットワークであって、
センサネットワークと、
車両ネットワークと、
無線メッシュネットワークと、
無線アクセスネットワークと
のうちのいずれかであるネットワーク。
A network including a plurality of nodes comprising the device according to any one of claims 1 to 13 ,
A sensor network,
A vehicle network,
A wireless mesh network,
A network that is either a wireless access network.
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