マルチホップ通信とは

無線を搭載した各デバイスにデータの中継機能を持たせることで、バケツリレー式にデータの転送を繰り返し、電波が直接到達する範囲の外にある端末との通信を可能にする技術のことです。

multihop

マルチホップをサポートする無線ネットワークでは、中継機能を持つ端末が、移動やバッテリー切れ、無線環境の悪化などによって、突然利用できなくなることがあります。その場合、可能な限り素早く別の中継ルートを形成する必要があり、効率的で信頼性の高い経路制御技術が重要になってきます。マルチホップ通信での経路制御については、すでに様々な研究と提案がなされています。

経路制御

マルチホップ通信での経路制御 (ルーティング)は、大きくテーブル駆動型(プロアクティブ型)、オンデマンド型(リアクティブ型)、及びそれらのハイブリッド型(フラッディングのみで通信するタイプもここに含む)に分類されます。

テーブル駆動型(プロアクティブ)

各端末がネットワーク内の他端末と経路に関する情報(トポロジー情報)を交換し、あらかじめ経路表を作成する方式です。

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代表例:

  • Wi-SUN FAN(Wi-SUN Alliance)
  • U-Bus Air(テレメータリング推進協議会)
  • SmartHop(沖電気)
  • Thread(Thread Group)
  • Dust Network(アナログデバイセズ)
  • PicoCELA(PicoCELA)
  • IEEE 802.11s(IEEE)
  • RPL(RFC6550)

採用が進むRPL(RFC650)

プロアクティブ型の中でもとりわけRPLは、様々な通信規格で採用が進んでいます。RPLには大きくstoring-modeとnon-storing-modeがありますが、主にnon-storing-modeが使われています。

その理由として、non-storing-modeにはネットワークの収容台数が増えても各Routerの経路制御テーブルが一定サイズに収まる特性があり、これが、限られたメモリしか利用できないIoT用途のプロセッサと相性が良いためです。

ただし、下り方向の経路はRoot(Border Router)がすべてを管理する必要があり、Rootデバイスには大量のメモリが必要です。

上りはフォワーディング、下りはソースルーティングを使う、非対称経路制御の代表例でもあります。

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各Routerは、自端末の直上の親デバイスのみを管理する。各Routerは自身の親デバイスの情報を格納したDAOメッセージをRoot宛てに送信することで、Rootが下り方向の通信経路(各Routerの親がどのRouterなのか)をすべて保存します。

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経路の変化を検出すると、Routerは再びDAOをRoot宛てに送信して、経路変化を通知します。

下り方向(Root -> Router)の通信では、最初にRootが、パケットが通過すべき途中経路の情報(Routerのアドレスの配列)をヘッダに書き込んで送出します。各Routerは書き込まれたアドレス情報に従って次々と転送を行っていきます(=ソースルーティング)。多くの場合、ソースルーティングにはIPv6の拡張ヘッダ(Routing Header)が利用されます。

下り方向の経路変化をいち早く察知するため、各Routerが周期的にDAOを送信するなど、様々な最適化のテクニックがあります。

オンデマンド型(リアクティブ)

データ送信の要求が発生した際にのみ経路を構築することで、経路形成の通信オーバヘッドを軽減させる方式です。

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代表例:

  • ZigBee (ZigBee Alliance)
  • MeshVista(シンクチューブ)

オンデマンド型はZigBeeが最も有名です。ただし、ZigBeeでも最新規格ではLink Statusと呼ばれるリンク品質情報を周期的に交換するメカニズムが導入されており、純粋にオンデマンドのみで経路構築する製品はほとんどありません。それはオンデマンドな1往復のメッセージ交換だけでは、良好な経路を形成するのが難しいためです。

ハイブリッド型

オンデマンド方式とプロアクティブ方式を併用します。主に「ゾーン」あるいはこれに類似する概念を導入し、ゾーン内ではプロアクティブ方式,ゾーン外の端末へはゾーン境界にいる端末がオンデマンド方式で経路探索を行うなどによって、経路形成を効率化します。

代表例:

  • DECENTRA II (スカイリーネットワークス)

またあえて経路制御を行わず、フラッディングだけで通信を行うタイプもあります。

代表例:

  • BLE Mesh (Bluetooth SIG)
  • UNISONet (ソナス)
  • DECENTRA Lite(スカイリーネットワークス)

注記

「代表例」に挙げた製品及び通信規格は、一般公開されている情報に基づき当社が独自に分類を行いました。

マルチホップ通信の弱点

マルチホップ通信の弱点はデータレート (スループット)の低下です。参考データとして、MAC層にCSMA/CAを採用した無線デバイスをシングルチャンネルで4ホップさせた時のスループット測定データを挙げます。

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約60Kbpsだったスループットが4hopで15Kbpsまで低下します。

市販のWi-Fiメッシュルータでは、ホップ毎に別のアンテナや周波数を動的にアサインする等でパイプライン的なパケット転送を実現し、スループットの低下を避ける工夫をしています。

最後に

本文章の文責はスカイリー・ネットワークスにあります。 ご意見、ご要望、ご指摘は「info atmark skyley.com」宛てにお寄せください。 製品等の名称にはそれぞれの団体または企業のトレードマークが含まれます。

Skyley Networks, Inc. all rights reserved. http://www.skyley.com/


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Last-modified: 2019-09-03 (火) 11:23:43 (15d)