適応型サービス品質マルチホップルーティング

マルチホップネットワークにおいて、適応型サービス品質ルーティング（AQoSまたはAQR）プロトコルはますます普及しており、多くの用途があります。特にモバイルアドホックネットワーキング（MANET）は、その有用性を示すアプリケーションの一つです。

アダプティブQoSルーティングは、クロスレイヤ最適化アダプティブルーティングメカニズムです。このクロスレイヤメカニズムは、ノードの移動性と下位レイヤリンクのパフォーマンスの影響を考慮し、アダプティブルーティングアルゴリズムに最新のローカルQoS情報を提供します。複数のQoS要件は、現在のネットワーク状態に基づいて、前方誤り訂正（FEC）とマルチパスルーティングメカニズムを適応的に使用することで満たされます。このルーティングメカニズムは、(1)ルート探索とQoS関連パラメータの収集を処理する修正動的ソースルーティングアルゴリズム、(2)各ノードに配置されたローカル統計計算およびリンク監視機能、(3)ルーティングパス数、コーディングパリティ長、およびトラフィック分散率を計算する統合意思決定システムの3つの部分で構成されます。

はじめに

無線アドホックネットワークは、無線送信機と受信機を備えたマルチホップ無線経路で相互接続されたモバイルノードの集合で構成されます。このようなネットワークは、既存のネットワークインフラストラクチャに依存しないため、自発的に構築され、自己組織的に運用できます

通信におけるマルチメディアアプリケーションの出現により 、アドホックネットワークにおいてモバイルQoS（Quality of Service）サポートを提供する必要性が高まっており、このようなアプリケーションではQoS要件を保証するために安定したパスが求められます。しかし、アドホックネットワークのトポロジは、ノードの移動性が予測不可能なため、非常に動的です。さらに、無線チャネルの帯域幅は限られています。そのため、このようなネットワークにおけるQoSのプロビジョニングは複雑で困難です。

QoSルーティングには通常、ネットワークに関する最新の状態情報を収集・維持することと、QoS要件に基づいて接続に適したパスを見つけることという2つのタスクが含まれます。現在、QoSルーティングを実行するためのアプローチは数多く存在し、そのほとんどはOSI参照モデルのネットワーク層のみを経由するルーティングで構成されています。ネットワーク層とデータリンク層の両方を利用するアプローチもありますが、層間の動作は考慮されていません。そのため、QoSパラメータの定量化が困難になり、QoSを考慮する必要はあっても、QoSが保証されるわけではありません。

この問題に対処するには、適切なクロスレイヤ連携が必要です。適応型QoSスキームは、ノードのモビリティと下位レイヤのリンクパラメータの影響をQoSパフォーマンスに考慮することで、QoS情報を提供します。

従来のQoSアプローチ

ほとんどのQoSアプローチは、1つのQoSパラメータ（例：パケット損失、エンドツーエンド遅延、帯域幅）のみに焦点を当てる傾向があります。例えば、多くのQoS関連スキームは、パケットに冗長性を追加することでパケット損失を削減することに成功していますが、エンドツーエンド遅延を犠牲にしています。パケット損失とエンドツーエンド遅延は逆相関しているため、遅延、パケット損失、帯域幅の制約を同時に満たすパスを見つけることができない場合があります。提案されているQoSルーティングアルゴリズムの中には、複数のメトリックを考慮しますが、クロスレイヤ連携は考慮していません。マルチパスルーティングは、負荷分散、フォールトトレランス、およびより高い集約帯域幅を提供できるため、多くの注目を集めている別のタイプのQoSルーティングです。このアプローチはパケット損失とエンドツーエンド遅延を削減しますが、パス数とQoS制約の間に関係が見いだせる場合にのみ効率的で信頼性があります

適応型QoSスキームの概要

適応型マルチパスルーティング方式を実装するには、ネットワークのさまざまな部分に分散された 3 つの機能が必要です。まず、修正された動的ソースルーティング機能が必要です。これは、ルートの検出と、選択されたルートに沿ったローカル QoS 関連情報の収集を処理します。次に、各ノードにはローカル統計計算およびリンク監視機能があります。この機能は、上記のルーティング機能をサポートするために使用されます。各ノードのローカルルーティング情報を管理および構築し、QoS 関連テーブルが含まれます。3 番目の機能は、最終的な意思決定プロセスを担当します。適応型ルーティングパラメータは、QoS 制約に基づく意思決定アルゴリズムから導出されます。これらは、選択されたパスの数 N、FEC のパリティ長 k、コード、および各パスのトラフィック分散レートのセット {R} です。これらの機能により、適応型マルチパス QoS ルーティングが実装されます。

QoS要件は、遅延要件、遅延と帯域幅要件、またはパケット損失要件のいずれかに基づきます。FECパリティ長は、パケット損失制約下で選択されたパスにおけるQoS遅延要件と平均遅延の差から算出されます。このFEC方式における平均パケット損失は、複数のルーティングパスを使用することで実現されます。同時に、各パスにおけるパケット分配率は、公平なパケット損失と負荷分散の原則に基づいて決定されます。計算の複雑さを増大させることなく、同じQoS保証下でのルーティング維持が実現されます。この点を理解する必要があります。

適応型QoSパフォーマンス

3つの機能（ルーティング機能、ローカル統計計算および監視機能、統合意思決定機能）がモバイルネットワークのさまざまな部分に実装されています。分散構造により、ルーティングスキームの計算と実装の複雑さが軽減されます。また、最新のローカル情報に基づいて経路が検出され、最適化計算によって選択されるため、ルーティングパラメータ（パス数、FECパリティ長、トラフィック分散率など）は動的かつ最適化されます。複数のQoS要件をサポートすることに加えて、トラフィックバランシングと帯域幅リソースが意思決定プロセスに組み込まれています。ルーティングで使用されるローカルQoS統計の分散構造により、このQoSサポートメカニズムはモバイルネットワークでスケーラブルになります。シミュレーション結果は、非適応型ルーティング戦略と比較して、パフォーマンス（パケット損失とエンドツーエンドの遅延）がはるかに優れており、ネットワークの状態変化（ノードの移動性、送信電力、チャネル特性、トラフィックパターン）の影響を受けにくいことを示しています

参照

• アドホックルーティングプロトコルの一覧

参考文献

• 「アドホックネットワークにおけるクロスレイヤ協調による適応型QoSルーティング」、Hongxia Sun & Herman Hughes、EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2005年5月、適応型QoSルーティング