隠れノード問題

無線ネットワークでは、隠れノード問題または隠れ端末問題は、ノードが無線アクセスポイント（AP）と通信できるが、そのAPと通信している他のノードと直接通信できない場合に発生します。 ^{[1]これにより、複数のノードが同時にAPにデータパケットを送信できるため、}メディアアクセス制御サブレイヤーで問題が発生し、APで干渉が発生し、パケットが通過できなくなります。

ワイヤレス ネットワークでは、ある程度のパケット損失は正常であり、上位層ではパケットを再送信しますが、ノードの 1 つが長期間にわたって大量の大きなパケットを転送している場合、他のノードはグッドパットをほとんど得られない可能性があります。

隠れノード問題に対する実用的なプロトコル ソリューションが存在します。たとえば、ノードが短いパケットを送信して、アクセス ポイントに長いデータ パケットを送信する許可を要求するRTS/CTS (送信要求/送信許可)メカニズムがあります。AP からの応答はすべてのノードで確認されるため、ノードは干渉しないように送信を同期できます。ただし、このメカニズムでは遅延が発生し、特に短いデータ パケットの場合は、オーバーヘッドがコストよりも大きくなることがよくあります。

ワイヤレス ネットワーク内の隠しノードとは、他のノードまたはノードの集合の範囲外にあるノードのことです。アクセス ポイントとその周囲を円形に取り囲む多数のノードがある物理的なスター トポロジを考えてみましょう。各ノードは AP の通信範囲内にありますが、ノード同士は通信できません。

たとえば、ワイヤレス ネットワークでは、アクセス ポイントの範囲の端にあるノード ( A ) はアクセス ポイントを認識できる可能性は高いですが、同じノードがアクセス ポイントの範囲の反対側にあるノード( C )と通信できる可能性は低いです。これらのノードは、非表示ノードと呼ばれます。

もう 1 つの例としては、A と C が電波を反射または強く吸収する障害物の両側にあるが、それでも両方とも同じ AP を見ることができる場合が挙げられます。

問題は、ノードAとCがアクセス ポイントBに同時にパケットを送信し始めたときです。ノードAとC は互いの信号を受信できないため、送信前または送信中に衝突を検出できず、衝突検出機能付きキャリア検知多重アクセス(CSMA/CD) が機能せず、衝突が発生し、アクセス ポイントが受信したデータが破損します。

隠れノード問題を克服するために、送信要求/送信許可 (RTS/CTS) ハンドシェイク ( IEEE 802.11 RTS/CTS ) が、衝突回避機能付きキャリア検知多重アクセス( CSMA/CA ) 方式と組み合わせてアクセス ポイントに実装されます。同じ問題がモバイル アドホック ネットワーク( MANET ) でも発生します。

IEEE 802.11 は、802.11 RTS/CTS確認応答およびハンドシェイク パケットを使用して、隠れノード問題を部分的に克服します。RTS/CTS は完全なソリューションではなく、スループットをさらに低下させる可能性がありますが、ベース ステーションからの適応型確認応答も役立ちます。

隠れたステーションとの比較では、各トラフィッククラスのRTS/CTSパッケージが有益であることが示されています（RTS/CTSフレームに高いオーバーヘッドを引き起こす短いオーディオフレームの場合でも）。^[2]

実験環境には、データ (時間的に重要ではない)、データ (時間的に重要)、ビデオ、オーディオのトラフィック クラスが含まれます。表記の例: (0|0|0|2) は 2 つのオーディオ ステーションを意味します。(1|1|2|0) は 1 つのデータ ステーション (時間的に重要ではない)、1 つのデータ ステーション (時間的に重要)、2 つのビデオ ステーションを意味します。

隠しノード問題を解決するために使用できる他の方法は次のとおりです。

• ノードからの送信電力を増加
• 全方向性アンテナを使用する
• 障害物を取り除く
• ノードを移動する
• プロトコル拡張ソフトウェアを使用する
• アンテナダイバーシティを使用する

ノードの送信電力を増加させると、各ノードの周囲のセルのサイズが拡大し、他のすべてのノードを包含できるようになるため、隠れノードの問題を解決できます。この構成により、隠れていないノードが隠れノードを検出、つまり聞くことができます。隠れていないノードが隠れノードを聞くことができれば、隠れノードは隠れなくなります。無線 LAN はCSMA/CAプロトコルを使用するため、ノードはアクセス ポイントと通信する前に順番を待ちます。

この解決策は、隠れているノードの送信電力を増加させた場合にのみ機能します。WiFi ネットワークの一般的なケースでは、アクセス ポイントの送信電力を増加させるだけでは問題は解決しません。隠れているノードは通常、アクセス ポイント自体ではなくクライアント (ラップトップ、モバイル デバイスなど) であり、クライアントは依然として互いの音を聞くことができないためです。アクセス ポイントの送信電力を増加させると、実際には問題が悪化する可能性があります。アクセス ポイントの範囲内に新しいクライアントが配置され、他のクライアントから隠れている新しいノードがネットワークに追加されるためです。

指向性アンテナを使用するノードは、アンテナが向けられている方向に配置されていないノードにはほとんど見えないため、指向性アンテナは非常に小規模なネットワーク (専用のポイントツーポイント接続など) にのみ使用してください。2 つ以上のノードで構成される広範囲のネットワークには、 全方向性アンテナを使用してください。

たとえば、あるノードが隠れている理由が、他のノードとの通信を妨げるコンクリートや鋼鉄の壁である場合、モバイル ノードの電力を増加しても効果がない可能性があります。このような障害物を取り除くことができるかどうかは疑問ですが、障害物を取り除くことは隠れたノードの問題に対するもう 1 つの解決策です。

隠れたノードの問題を解決するもう 1 つの方法は、すべてのノードが互いに聞こえるようにノードを移動することです。隠れたノードの問題が、ユーザーが自分のコンピューターを他のワイヤレス ノードから隠れた領域に移動したことによるものであることが判明した場合、そのユーザーを再度移動させる必要がある場合があります。ユーザーを強制的に移動させる代わりに、ワイヤレスLAN を拡張して隠れた領域に適切なカバレッジを追加する方法があります。これには、追加のアクセス ポイントを使用する方法などがあります。

ポーリングまたはトークン パッシング戦略を本質的に実装する追加プロトコルのソフトウェア実装がいくつかあります。次に、マスター (通常はアクセス ポイント) がクライアントにデータを動的にポーリングします。クライアントはマスターの招待なしではデータを送信できません。これにより、待ち時間の増加と最大スループットの低下を犠牲にして、隠れたノードの問題が解消されます。

Wi-Fi IEEE 802.11 RTS/CTSは、使用されるハンドシェイク プロトコルの 1 つです。データを送信したいクライアントは RTS フレームを送信し、アクセス ポイントはその特定のノードの準備ができると CTS フレームを送信します。短いパケットの場合、オーバーヘッドが非常に大きいため、通常は使用されません。最小サイズは一般に構成可能です。

セルラー ネットワークでは、隠れたノードの問題は、マストごとに特定のクライアントを時間領域で多重化し、空間的に多様な送信機を使用することで実用的な解決策があります。これにより、各ノードは 3 つのマストのいずれかによってサービスを受けることが可能になり、無線伝搬を妨げる障害物の問題を大幅に最小限に抑えることができます。

• 露出ノードの問題
• ハイブリッドコーディネーション機能
• ポイント調整機能
• 無線LAN

• 隠れノード問題のソフトウェアソリューションであるワイヤレス中央協調プロトコル (WiCCP)
• Frottle、クライアント/サーバーソフトウェアソリューション
• 純粋な CSMA/CA と RTS/CTS およびポーリングを比較したベンチマーク
• NetEqualizer、隠れノード問題に対処するスロットリングシステム