4. Scenario Considerations and Parameters for 6LoWPAN Routing (6LoWPAN ルーティングのシナリオ考慮事項とパラメータ)

IP ベースの LoWPAN 技術はまだ開発の初期段階にありますが、考えられる使用シナリオの範囲は膨大です。センサーネットワークの数多くの可能なアプリケーションは、メッシュトポロジーが LoWPAN 環境で普及し、堅牢なルーティングが迅速な通信の必要条件となることを明らかにしています。センサーネットワーキングの分野における研究活動は、多数のマルチホップルーティングアルゴリズムを提示してきました [Bulusu]。関連する作業のほとんどは、特定のアプリケーションシナリオに対するルーティングの最適化に焦点を当てており、以下を含むいくつかの通信モードを使用して実現できます [Watteyne]:

o フラッディング (Flooding)（非常に小規模なネットワーク内）

o 階層的ルーティング (Hierarchical routing)

o 地理的ルーティング (Geographic routing)

o 自己組織化座標ルーティング (Self-organizing coordinate routing)

LoWPAN のトポロジーとその上で実行されるアプリケーションに応じて、異なるタイプのルーティングが使用される可能性があります (may)。しかし、本文書はアプリケーション固有の通信から抽象化し、LoWPAN における全体的なルーティングに有効な一般的なルーティング要件を記述します。

以下のパラメータを使用して、候補ルーティングプロトコルが評価される可能性のある特定のシナリオを記述できます。

a. ネットワーク特性 (Network Properties):

• デバイス数、密度、およびネットワーク直径 (Number of Devices, Density, and Network Diameter): これらのパラメータは通常、ルーティング状態に直接影響します（例えば、ルーティングテーブルまたは隣接リスト内のエントリ数）。特に大規模で密集したネットワークでは、メモリオーバーフローを防ぐために、「低品質」および古いルーティングエントリを破棄するためのポリシーを適用する必要があります (must)。

• 接続性 (Connectivity): 外部要因またはプログラムされた切断により、LoWPAN は複数の接続状態になる可能性があります -- 「常に接続」から「まれに接続」までの範囲のいずれか。これは、LoWPAN 全体のルートの動的発見に大きな課題をもたらします。

• 動的性（モビリティを含む）(Dynamicity, including mobility): 位置の変更は、予測不可能な外部要因または制御された動きによって引き起こされる可能性があり、これが順にルートの変更を引き起こす可能性があります。また、ノードは動的に LoWPAN に導入され、後で削除される可能性があります。ルーティング状態と制御メッセージの量は、LoWPAN 内の移動ノードの数とその速度、および無線伝搬に影響を与える環境特性が変化する速度と頻度に大きく依存する可能性があります (may)。

• 展開 (Deployment): LoWPAN では、ノードをランダムに散在させることも、組織的な方法で展開することも可能です。展開は一度に行うことも、反復プロセスとして行うこともでき、これもルーティング状態に影響を与える可能性があります (may)。

• ノードとゲートウェイの空間分布 (Spatial Distribution of Nodes and Gateways): ネットワーク接続性は、ノードの空間分布および他の要因（デバイス番号、密度、送信範囲など）に依存します。例えば、ノードはグリッド上に配置することも、エリア内にランダムに配置すること（二次元ポアソン分布でモデル化できる）もできます。ランダムな空間分布を仮定すると、約 95% のネットワーク接続性を実現するには、ノードあたり平均 7 つの隣接ノードが必要です（99% の接続性には、ノードあたり 10 の隣接ノードが必要です）[Kuhn]。さらに、LoWPAN がゲートウェイと呼ばれるインフラストラクチャノードを介して他のネットワークに接続されている場合、これらのゲートウェイの数と空間分布は、とりわけネットワークの輻輳と利用可能なデータレートに影響します。

• トラフィックパターン、トポロジー、およびアプリケーション (Traffic Patterns, Topology, and Applications): LoWPAN の設計とそのアプリケーションの要件は、ネットワークトポロジーと使用される最も効率的なルーティングタイプに大きな影響を与えます。さまざまなトラフィックパターン（ポイントツーポイント、マルチポイントツーポイント、ポイントツーマルチポイント）とネットワークアーキテクチャに対して、データ中心 (data-centric)、イベント駆動 (event-driven)、アドレス中心 (address-centric)、および地理的ルーティング (geographic routing) などの様々なルーティングメカニズムが開発されています。

• サービスクラス (Classes of Service): 1 つの LoWPAN で異なる重要度のアプリケーションを混在させる場合、リソース制約のある LoWPAN で複数のサービスクラスのサポートが必要になる可能性があり (may)、新しいルーティングプロトコル機能が必要になる可能性があります (may)。

• セキュリティ (Security): LoWPAN は機密情報を運ぶ可能性があり (may)、データの可用性、完全性、機密性が最も重要である高レベルのセキュリティサポートを必要とします。セキュリティ保護されたメッセージはオーバーヘッドを引き起こし、LoWPAN ルーティングプロトコルの電力消費に影響を与えます。

b. ノードパラメータ (Node Parameters):

• 処理速度とメモリサイズ (Processing Speed and Memory Size): これらの基本パラメータは、ルーティング状態の最大サイズとその処理の最大複雑さを定義します。LoWPAN ノードは、異なるパフォーマンス特性、キューイング戦略、およびキューバッファサイズを持つ可能性があります (may)。

• 消費電力と電源 (Power Consumption and Power Source): バッテリー駆動ノードと電源駆動ノードの数、および LoWPAN でそれらによって作成されるトポロジー内のそれらの位置は、ネットワークライフタイムを最適化するパスの選択においてルーティングプロトコルに影響を与えます。

• 送信範囲 (Transmission Range): このパラメータはルーティングに影響します。例えば、高い送信範囲は密集したネットワークを引き起こす可能性があり (may)、これが順にノードのより多くの直接隣接ノード、より高い接続性、およびより大きなルーティング状態をもたらします。

• トラフィックパターン (Traffic Pattern): このパラメータはルーティングに影響します。高負荷ノード（送信されるパケットのソースであるため、または転送によるため）は、より高い配信遅延に寄与する可能性があり (may)、軽負荷ノードよりも多くのエネルギーを消費する可能性があります (may)。これは、データパケットとルーティング制御メッセージの両方に適用されます。

c. リンクパラメータ (Link Parameters): このセクションでは、IEEE 802.15.4 レガシーモード（つまり、改善された変調方式を使用しない）に適用されるリンクパラメータについて説明します。

• スループット (Throughput): 理想的な条件下で、スロット化されていない IEEE 802.15.4 2.4 GHz チャネルを介した単一の送信者と単一の受信者間のバルクデータ送信の最大ユーザーデータスループットは以下のとおりです [Latre]:

  • 16 ビット MAC アドレス、信頼性のないモード: 151.6 kbit/s
  • 16 ビット MAC アドレス、信頼性のあるモード: 139.0 kbit/s
  • 64 ビット MAC アドレス、信頼性のないモード: 135.6 kbit/s
  • 64 ビット MAC アドレス、信頼性のあるモード: 124.4 kbit/s

  915 MHz 帯域のスループットは以下のとおりです:

  • 16 ビット MAC アドレス、信頼性のないモード: 31.1 kbit/s
  • 16 ビット MAC アドレス、信頼性のあるモード: 28.6 kbit/s
  • 64 ビット MAC アドレス、信頼性のないモード: 27.8 kbit/s
  • 64 ビット MAC アドレス、信頼性のあるモード: 25.6 kbit/s

  868 MHz 帯域のスループットは以下のとおりです:

  • 16 ビット MAC アドレス、信頼性のないモード: 15.5 kbit/s
  • 16 ビット MAC アドレス、信頼性のあるモード: 14.3 kbit/s
  • 64 ビット MAC アドレス、信頼性のないモード: 13.9 kbit/s
  • 64 ビット MAC アドレス、信頼性のあるモード: 12.8 kbit/s

• レイテンシ (Latency): 理想的な条件下で、スロット化されていない IEEE 802.15.4 2.4 GHz チャネルを介した単一の送信者と単一の受信者間のフレーム送信のレイテンシ範囲（ペイロードサイズに依存）は以下のとおりです [Latre]。信頼性のないモードの場合、実際のレイテンシが提供されます。信頼性のあるモードの場合、レイヤー 2 確認応答の送信を含む往復時間が提供されます:

  • 16 ビット MAC アドレス、信頼性のないモード: [1.92 ms, 6.02 ms]
  • 16 ビット MAC アドレス、信頼性のあるモード: [2.46 ms, 6.56 ms]
  • 64 ビット MAC アドレス、信頼性のないモード: [2.75 ms, 6.02 ms]
  • 64 ビット MAC アドレス、信頼性のあるモード: [3.30 ms, 6.56 ms]

  915 MHz 帯域のレイテンシ範囲は以下のとおりです:

  • 16 ビット MAC アドレス、信頼性のないモード: [5.85 ms, 29.35 ms]
  • 16 ビット MAC アドレス、信頼性のあるモード: [8.35 ms, 31.85 ms]
  • 64 ビット MAC アドレス、信頼性のないモード: [8.95 ms, 29.35 ms]
  • 64 ビット MAC アドレス、信頼性のあるモード: [11.45 ms, 31.82 ms]

  868 MHz 帯域のレイテンシ範囲は以下のとおりです:

  • 16 ビット MAC アドレス、信頼性のないモード: [11.7 ms, 58.7 ms]
  • 16 ビット MAC アドレス、信頼性のあるモード: [16.7 ms, 63.7 ms]
  • 64 ビット MAC アドレス、信頼性のないモード: [17.9 ms, 58.7 ms]
  • 64 ビット MAC アドレス、信頼性のあるモード: [22.9 ms, 63.7 ms]

このセクションで提示されたパラメータの一部は、リンクまたはノード評価メトリックとして使用される可能性があることに注意してください。しかし、複数基準ルーティングは 6LoWPAN ノードにとって高価すぎる可能性があります。むしろ、様々な単一基準メトリックが利用可能であり、環境またはアプリケーションに適したものを選択できます。

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