JP2002218004A - データを分配の際の遅延時間を低減する方法と装置 - Google Patents
データを分配の際の遅延時間を低減する方法と装置Info
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Abstract
イヤレス通信を介してデータブロックから構成されたメ
ッセージを通信するための方法と装置を改善することを
提供すること。 【解決手段】 本発明の方法と装置は、より高いレイヤ
ーのPDUとパケットの遅延に基づいている。本発明
は、データブロックのスループットの平均値を最大にす
るために自動的に変調と符号化スキームを採用して遅延
を減らす。
Description
リンクで通信するデータシステムに関し、特にデータを
ワイヤレスリンクで通信する際に全体的な遅延を低減す
るためにパケットのサイズを適合化すること及び符号化
する技術に関する。
e(EGPRS)のようなワイヤレスパケットデータシ
ステムにおいては、Automatic Repeat Request(AR
Q)が無線リンクを介したエラーからの再生のために用
いられている。 無線リンク制御(Radio Link Control;
RLC)の性能は、スループットの観点から特徴づけら
れており、一方送信されるべきパケット或いはより高い
レイヤーのプロトコルデータユニット(Protocol Data
Units;PDUs)のサイズは無視されていた。
Ejzak ,S.Nanda著の「Efficient transmission of
ARQ feedback for EGPRS Radio link control」のIEEE
Vehicular Technology Conf.,May 1999を参照のこと。
現在9種類の変調と符号化スキーム(Modulation and C
oding Schemes;MCSs)がEGPRSに対して提案さ
れており、MCS−1が最も頑強な符号化系であり、M
CS−9が最も脆弱な符号化系である。
は、複数の無線リンク制御(Radio Link Control;RL
C)ブロックに分けられる。RLCブロックのサイズと
20msブロック周期の間に送信されるRLCブロック
の数は送信用に選択されたMCSに依存して変動する。
例えば、MCS−1のRLCブロックサイズは22オク
テッドであり、MCS−2に対するRLCブロックサイ
ズは28オクテッドである。MCS−1からMCS−6
に対しては1個のRLCブロックは各タイムスロット上
で20msのブロック周期で送信される。MCS−7か
らMCS−9に於いては2個のRLCブロックが各タイ
ムスロットで20msブロック周期で送信される。これ
に関する最新技術は、A.Furuskar ,S.Mazur ,F.M
uller ,H.Olofsson著の「EDGE:enhanced data r
ates for GSM and TDMA/136 evolution,」IEEE persona
l Communications ,PP.56-66 ,June 1999とETSI GSM 0
3.60,「Digital cellular telecommunications system
(phase 2+);General Packet Radio Service(GPR
S);Service description:stage 2」とK.Balachndr
an,K.Conner ,R.Ejzak , S.Nanda著の「A Propo
sal for EGPRS Radio link control Using Link Adapta
tion and Incremental Redundancy,」Bell Labs Techni
cal Journal,vol.4,no.3,pp.19-36,July-Sept.1999を参
照のこと。移動局が複数のスロットの機能を有する場合
には、複数のタイムスロット(EGPRSにおいては最
大8個)利用可能である。
ror Rate;BLER)は、より頑強な符号体系を用いること
により大幅に低減することが出来る。例えば、MCS−
1のような頑強なスキーム(体系)を用いると、送信を
完了するために再伝送の繰り返し回数が少なくなる。し
かし、より頑強な符号化系は1個のRLCブロック内で
送信出来るデータビットの数が減ることになる。MCS
−9のようなあまり頑強ではない(脆弱な)スキーム
は、1個のRLCブロック内により多くのビットを詰め
込むことができるが、通常のチャネル条件の下ではより
高いBLERで動作することとなり、そして送信を完了
させるためには再送信の数が増えることになる。選択的
ARQにおいては、許容可能なスループットはR(1−
Pe)である。ここでRは送信レートでPeはブロック
エラーレートである。これは大量のデータの転送には十
分適応できる(例えば、ファイルトランスファープロト
コル(file transfer protocol;ftp)のアプリケーショ
ンに対して)。しかし、webのブラウザやテレネット
のようなアプリケーションにおいては、関心事は短いパ
ケットを送信する際の遅延問題である。斯くして、短い
パケットを送信するには、長期の観点からのスループッ
ト(伝送効率)では、クオリティオブサービス(qualit
y of service)を計測することは出来ない。さらにフォ
ワードエラー修正(Forward Error Correction;FEC)
と、遅延の観点から異なるパケットサイズに対するAR
Qとの間のトレードオフを検討するためには、EGPR
Sフレームワークが仮定されている。
ARQの遅延性能に関する研究が行われている。M.
E.AnagnostouとE.N.Protonotarios著の「Perform
ance analysis of the selective repeat ARQ protoco
l」IEEE Trans. on Communications,vol.34,no.2,pp.12
7-135,Feb.1986においては、RLCブロック遅延に関す
る詳細解析と近似解析が単一のスロットの場合で得られ
ている。R.Fantacci著の「Queueing analysis of the
selective repeat automatic repeat request protoco
l wireless packet network」IEEE transactions on Ve
hicular technologies,vol.45,no.2,pp.258-264,May 19
96の文献においては、著者はマルコフ2状態チャネルに
於いて、SR−ARQの性能を解析している。別の近似
結果がJ.ChangとT.Yang著の「End-to-end delay of
an adaptive selective repeat ARQ protocol」IEEE T
ranssactions on Communications,vol.42,no.11,pp.292
6-2928,Nov.1994の文献に開示されている。上記の文献
に開示された研究は、ブロックに対する遅延のみが計算
されている。
際の時間遅延ではなく、メッセージを通信する際の時間
遅延である。メッセージに対する遅延を更に研究には、
複数のRLCブロックを含むより高いレイヤーパケット
の順番通りの分配の時間遅延量を測定することが好まし
い。複数のブロックを含むより高いレベルのパッケット
の順番通りの分配の遅延時間の測定を行うと、無線通信
の現実の世界におけるデータブロックの通信する方法と
装置を改善することが出来る。
チャネル状態において、不完全な送信/受信チャネル状
態において、ワイヤレス通信を介してデータブロックか
ら構成されたメッセージを通信するための方法と装置を
改善することである。
延時間を低減させる方法は、請求項1に記載した特徴を
有する。即ち、(A) リンクを介して送信すべき少な
くとも1つのデータパケットを記憶するステップと、
(B) 第1の変調/符号化スキームレベルで、前記デ
ータパケットの第1セグメントを送信するステップと、
(C) より頑強な第2の変調/符号化スキームレベル
で、前記データパケットの第2セグメントを送信するス
テップとを有することを特徴とする。
遅延時間を低減させる装置は、請求項2に記載した特徴
を有する。即ち、(A) リンクを介して送信すべき少
なくとも1つのデータパケットを記憶するバッファと、
(B) 第1の変調/符号化レベルで、前記データパケ
ットの第1セグメントを変調/符号化し、より頑強な第
2の変調/符号化レベルで、前記データパケットの第2
セグメントを変調/符号化する変調器及び符号化器と、
(C) 前記第1と第2のセグメントを送信する送信器
とを有することを特徴とする。第2セグメントに対しよ
り頑強な符号を用いることによりユーザに対する時間遅
延を低減することが出来る。
ンテナ13に接続された基地局12を有する。システム
10はEGPRSシステムである。アンテナ13はワイ
ヤレスパケットデータを無線リンクを介して送受信す
る。アンテナ13は、無線装置を具備した自動車20と
ポータブルコンピュータ30と携帯電話40とデータパ
ケットを通信する。
たり、或いは他の装置から受信したりするトランシーバ
14を有する。トランシーバ14はバッファ16を有
し、その中に送信すべきメッセージを記憶する。メッセ
ージのデータは全てのメッセージを適切に受信するまで
バッファ16内に保持される。メッセージは自動車2
0,ポータブルコンピュータ30または携帯電話40の
ようなメッセージの宛先で修正不能なエラーなしに受信
したものとする。データブロックが最初の送信中に失わ
れたり或いは破壊した場合には、再送信が宛先の装置に
より要求される。このような再送信の要求はバッファ1
6内のデータにより満たされる。全てのメッセージが分
配された後は、バッファ16はクリアされるか或いは別
の有効データで上書きされるまで無効なものとマークさ
れる。バッファとデータブロックの送信を制御するリン
ク制御装置は、従来のシステムでもあるが、本発明の主
要な部分はデータ通信を提供するより高速且つ信頼性の
ある方法とシステムである。
速且つ信頼性の高い本発明の方法とシステムを示す。基
地局12'はさらにリンク適合装置18を有し、従来技
術を改善している。リンク適合装置18はバッファドレ
イニングモニター(図示せず)を有する。このバッファ
ドレイニングモニターとは、バッファ16'内のデータ
が最初に完全に送信された時を決定するものである。最
初とは、リンク適合装置18が送信のMCSレベルをよ
り頑強なものに変更するよう、バッファドレイニングモ
ニターが信号を送る時間である。同様に送信要求中の自
動車20',ポータブルコンピュータ30',携帯電話4
0'は、送信すべきそれぞれのメッセージのサイズを示
す。リンク適合装置18'は、メッセージの終了点に達
すると、送信装置である自動車20',ポータブルコン
ピュータ30'または携帯電話40'が使用中のMCSレ
ベルを変更する。
(radio link control;RLC)用のベースライン方法とし
て、トランシーバ14'、自動車20',ポータブルコン
ピュータ30',携帯電話40'の間の無線リンクが動作
するかをテストする。RLCは無線リンク上のノイズの
存在下で通信が出来るようにMCSレベルを選択する。
以下に説明するように、メッセージの送信中にRLCの
MCSレベルを賢明に選択することにより、伝送時間を
大幅にセーブできる。即ち大幅な遅延を回避することが
出来る。さらにまた選択されたARQ'sの遅延性能を
パケットサイズとチャネル符号化スキームの関数として
解析することも採用される。この解析は、シミュレーシ
ョンにより確認することが出来、これが本発明の利点で
ある。
すなわちトランシーバ14'において、より高いレイヤ
ーにより提供される各パケットは、K個のRLCブロッ
クに分割され、各K個のRLCブロックにシーケンス番
号が割り当てられる。RLCブロックは、その後送信を
スケジュールするために、送信器のバッファ例えばバッ
ファ16'内で待機させられ送信の順番を待つ。送信器
はウインドウを保持し、そのサイズはRLCブロックが
送信されたときには1個増やし、RLCブロックが受信
器により順番に受信したと受領確認が行われたときには
1個減らす。W個のブロックの最大ウインドウサイズが
存在し、これ以上ウインドウサイズを増分することはで
きない。各RLCブロックの最初の送信時或いは再送信
時に、そのブロックのタイマー(図示せず)を入れる。
タイマーが切れた後でもブロックの受領確認が行われな
い場合には、再送信が予定される。理想的にはタイマー
はトランシーバ14'と自動車20',ポータブルコンピ
ュータ30'または携帯電話40'の間の往復遅延時間
(或いは自動車20',ポータブルコンピュータ30'ま
たは携帯電話40'の1つからトランシーバ14'への遅
延時間)に等しく設定される。この往復遅延時間は両方
向での伝搬遅延と処理遅延を含み、伝搬と処理と再送信
を阻止している。
バックするために、トランシーバ14'が、受信器であ
る自動車20',ポータブルコンピュータ30'または携
帯電話40'をポーリングすると、受信器である自動車
20',ポータブルコンピュータ30'または携帯電話4
0'は、ARQフィードバックビットマットで応答し
て、ウインドウ内で各RLCブロックのACK/NAC
Kの受信状態を与える。ARQフィードバックメッセー
ジは、全てのRLCブロックが順番に受信する間でのシ
ーケンス番号を有する。
定をした。 1.B個のRLCブロックが20msブロック周期内に
送信することが出来る。この数は、MCSと移動局のマ
ルチスロット容量の関数である。 2.各RLCブロックのエラー確率は、Peにより与え
られ、RLCブロックエラーは、ブロック毎に独立して
いる。 3.タイマーは、T個のブロック周期の往復遅延後に、
切れる。 4.ウインドウサイズWはパケットのサイズよりも大き
い(即ち、W>K)、その結果プロトコルスターリング
(protocol stalling)は発生しない。 5.ポーリング周期はP=1である。その結果各20m
s毎に受信器はその受領状態を送信器に通知する。 6.受領確認通知にはエラーが存在しない。 7.検出できないエラーは存在しない。
と、自動車20',ポータブルコンピュータ30'または
携帯電話40'の内の何れかの装置との間のシステム1
0'の性能は、RLCレイヤーにおけるパケットの到着
時間と、パケットを含む各RLCブロックへの受領確認
の受領時間との間の時間差として定義されたパケット遅
延(D)で特徴づけることが出来る。
ッファ(例えば、バッファ16')を見い出し、パケッ
トの待ち行列遅延が存在しないという動作条件を考えて
みる。待機遅延とRLCブロックの送信と受領確認のみ
を考慮した場合には、パケットの遅延は次式で表され
る。
(近似)値である。A(K)の近似の説明を次に行う。
パケットの遅延は2つの部分、即ちドレイニング遅延
(draining delay)とテイル遅延(tail delay)からな
る。各往復遅延期間の間十分な未送信量が存在するとき
には、BT個のブロックが送信される。平均的には送信
するために残っているブロックの残余数は、一定割合、
即ち各往復周期に対してBT(1−Pe)で減少する。
そのためサイズKのパケットをドレインするためには
下の時、或いはパケット長さKがBTより短い場合に
は、空乏率(depletion rate)はBT(1−Pe)より
小さい。その理由は、各往復毎に伝送期間を充填する十
分なブロックが存在しないからである。この「テイル遅
延」はエラーレートがPeの時に残りのブロックを成功
裏に送信するのに必要な往復回数数に依存する。パケッ
トサイズがBT以下の場合には、全遅延時間は「テイル
遅延」のみからなり、これはパケットサイズに依存して
いる。より大きなパケットに対しては全遅延はK−BT
個のブロックに対するドレイニング遅延と残りのBT個
のブロックに対するテイル遅延からなる。中間的なサイ
ズのパケットに対しては「テイル遅延」の影響は無視で
き、「テイル遅延」は、パケットサイズが十分大きいと
きには無視可能となる。このことを次に示す。A(K)
に対する近似結果に基づいて遅延表示はブロック周期で
表される。ポーリング周期が1ではないときには遅延は
次式で近似できる。
いるが、その理由は、この方法は、通信時間を低減する
ために、MCSレベルを、より高いスループットのデー
タ送信形式からより低いスループットのデータ送信形式
に変更させるからである。
するために、即ち本発明の方法と装置を証明するために
シミュレーションを行った。これ等のシミュレーション
の結果を考慮し、そしてそれを用いて基地局12'と、
移動局である自動車20',ポータブルコンピュータ3
0',携帯電話40'の間のパケット遅延を低減するため
に、システム10'、即ちEGPRSシステムにおける
変調と符号化スキームMCSの選択を導出する。
解析結果を示す。図3、4はMCS5,MCS6,MC
S7の比較に用いられたパラメータの一部とMCS−7
の遅延を示し、より高いスループットの符号化スキーム
はタイプHT−100(GSM hilly terrain (山岳
地方)model,100kmph mobile speed(携帯電話の速
度))のチャネル状態では、SNRはそれぞれ12d
B,18dB,22dBに等しくなる。往復遅延時間は
80msである。即ちT=4である。MCS符号のパラ
メータの一部を図3(表1)に示す。同図から判るよう
に解析結果はシミュレーション結果と良く一致する。
は、シミュレーションにより証明された。従来技術で説
明したように本発明に対する満たすことのできないニー
ズは、ユーザーが知覚する遅延を最小にするような適宜
の変調と符号化スキーム(modulation and coding sche
me;MCS)を提供することである。これを検証するために
図5−7はMCS5からMCS7の変調と符号化スキー
ムの比較を示す。
CS−5,MCS−6,MCS−7はEGPRSで用い
られており、これ等を比較する。図5に於いては、チャ
ネルのSN比は12dBである。このような条件の下に
於いて、MCS−5の遅延はMCS−7よりも小さいこ
と(即ち、より強いMCS−5の符号化系が好まい)が
観測できる。チャネルの信号対ノイズ(SN比)の条件
が改善されたときには(各図に示すように)MCS−5
(より強い符号化)を用いる利点はなくなる。チャネル
損失を無くすためのより頑強な符号化系と、伝送レート
を上げるより脆弱な符号化系との間のトレードオフは、
図5−7の移動通信システムに於いてより顕著となる。
18dBの信号対ノイズ比(SNR)に於いて、MCS
−6はパケットサイズが10kbit以上の時に3つの符号
化スキームの中で最良の性能を示す。非常に良好なチャ
ネル条件の下では(図6に示すように22dBのSN
比)の場合にはMCS−7がパケットサイズが42kbit
以上の時には最良の遅延性能を示す。
が非常に小さいのときには、最も頑強な符号化系(図5
−7のMCS5)が最良の通信を提供する。パケットサ
イズが増加するにつれて異なる符号化系へ間を切り替え
る交点が存在する。交点の存在する場所は、テイル遅延
とドレイニング遅延に依存する。パケットサイズが十分
に大きいとドレイニング遅延が主要なファクタとなり、
最小の遅延を生成するような変調と符号化スキームが最
も高い長期スループットを達成する。斯くして変調と符
号化スキームの選択は、従来の方法とシステムにより選
択されてきた一般的なチャネル状態のもとでは、スルー
プットのベースのみに依存することは出来ない。そうで
はなくて、変調と符号化スキームの選択は、例えば音
声、FTP、テルネット、webブラウジング等で用い
られる基となるアプリケーション及び遅延を低減するた
めのチャネル状態に合わせる必要がある。
点は、リンクが1人のユーザ専用でパケット遅延を最小
にするのが目的のものに適用可能である。共用チャネル
においては、チャネルのスループットを最大にすること
が目的であるが、符号化スキームの間の交点は異なって
いる。パケットの送信は2つの相(フェーズ)「ドレイ
ニング相」と「テイル相」から構成されているために、
ドレイニング相においてはパケットサイズは一定の割合
で減少する。一方テイル相においてはパケットサイズは
減少するが、その比率は減っていく。その理由は各往復
に於いては伝送インターバルを充填するのに十分なブロ
ックが存在しないからである。共用チャネルを統計的に
共有する複数のユーザーが存在する場合には、1人のユ
ーザーのアイドルスロットは他のユーザーにより埋めら
れる。システムの負荷が高いときには共用チャネルは決
してアイドル状態とは成らない。その場合には複数のユ
ーザーのシステムは、各システムの自分のパケットを共
用チャネル内でピークレートでもってドレイニングす
る。このような場合、変調と符号化スキームはドレイニ
ングレートを最大にするため、即ち最も長周期スループ
ットが高いものが選択される。本発明の方法と装置は、
システムの負荷が低い場合或いはユーザーによるチャネ
ルの共用が可能でないような場合に適切な変調と符号化
スキームを選択する指針を与えることが出来る。
号は本発明の一実施例の対応関係を示すもので本発明の
範囲を限定するものと解釈してはならない。
ロック図。
図。
を表す図。
を表す図。
を表す図。
を表す図。
Claims (19)
- 【請求項1】(A) リンクを介して送信すべき少なく
とも1つのデータパケットを記憶するステップと、 (B) 第1の変調/符号化スキームレベルで、前記デ
ータパケットの第1セグメントを送信するステップと、 (C) より頑強な第2の変調/符号化スキームレベル
で、前記データパケットの第2セグメントを送信するス
テップとを有することを特徴とするデータを分配の際の
遅延時間を低減する方法。 - 【請求項2】(A) リンクを介して送信すべき少なく
とも1つのデータパケットを記憶するバッファと、 (B) 第1の変調/符号化レベルで、前記データパケ
ットの第1セグメントを変調/符号化し、より頑強な第
2の変調/符号化レベルで、前記データパケットの第2
セグメントを変調/符号化する変調器及び符号化器と、 (C) 前記第1と第2のセグメントを送信する送信器
とを有することを特徴とするデータを分配の際の遅延時
間を低減する装置。 - 【請求項3】通信チャネルを介して可変長のユーザーデ
ータパケットを送信するデータ通信システムに於いて、 (A) 通信チャネル上で伝送用の各データパケットを
分割する手段と、 (B) 各データセグメントを送信するために異なった
変調と符号化スキームを選択するために、リンク適合装
置を用いる手段と、 (C) チャネル品質とパケット遅延性能の両方に基づ
いて、各パケット伝送用に変調と符号化スキームを選択
する手段とを有することを特徴とする通信チャネルを介
して可変長のユーザーデータパケットを送信するデータ
通信システム。 - 【請求項4】各パケットサイズは、既知で、MCSはパ
ケットに対しより遅延量の小さいものが選択されること
を特徴とする請求項3記載のシステム。 - 【請求項5】前記MCSは、パケットのx%に対し遅延
量の小さいものを選択するここでxは所望のクオリティ
オブサービスに依存することを特徴とする請求項4記載
のシステム。 - 【請求項6】前記MCSは、μ+aσの値が低くなるよ
う選択され、ここでμはパケットに対する予測遅延であ
り、σは遅延の標準偏差であり、aは所望のクオリティ
オブサービスに依存して選択される正の値であることを
特徴とする請求項4記載のシステム。 - 【請求項7】前記MCSは、チャネルの往復遅延時間に
依存することを特徴とする請求項3記載のシステム。 - 【請求項8】前記MCSは、実際のパケットサイズでは
なく一般的なパケットサイズに依存することを特徴とす
る請求項3記載のシステム。 - 【請求項9】前記MCSは、パケット当たりの予測遅延
量が低くなるよう選択されることを特徴とする請求項8
記載のシステム。 - 【請求項10】前記MCSは、ユーザーデータ内の未送
信量と、残りのデータを送信する際に予測遅延が低くな
るよう選択されることを特徴とする請求項3記載のシス
テム。 - 【請求項11】あるMCSは、バッファの未送信量がx
より大きいときに選択され、 別のMCSは、バッファの未送信量がyより小さいとき
に選択されることを特徴とする請求項10記載のシステ
ム。 - 【請求項12】前記MCSは、パケット当たりのユーザ
ーデータのバッファの未送信量と各パケットを送信する
際の予測遅延の低さに基づいて決定されることを特徴と
する請求項3記載のシステム。 - 【請求項13】あるMCSは、バッファの未送信量がx
より大きいときに選択され、 別のMCSは、バッファの未送信量がyより小さいとき
に選択されることを特徴とする請求項12記載のシステ
ム。 - 【請求項14】xは、yに等しいことを特徴とする請求
項13記載のシステム。 - 【請求項15】xの決定は、最も低い予測遅延となるよ
うに選択されたMCSが最も高いスループットとなるよ
うに決定されることを特徴とする請求項13記載のシス
テム。 - 【請求項16】通信チャネルを介して長さの異なるデー
タパッケトによりデータ通信を行う方法に於いて、 (A) 通信チャネル上で送信用の各データパケットを
分割するステップと、 (B) 各データセグメントを送信用するための複数の
変調と符号化スキームからリンク適合に従ってある変調
と符号化スキームを決定するステップとを有することを
特徴とする通信チャネルを介して可変長のデータパッケ
トによりデータ通信を行う方法。 - 【請求項17】各パケットセグメントを伝送するために
変調と符号化スキームの選択は、チャネル品質とパケッ
ト遅延性能の両方に基づいて行われることを特徴とする
請求項16記載の方法。 - 【請求項18】各パケットセグメントを伝送するために
変調と符号化スキームの選択は、チャネル品質に基づい
て行われることを特徴とする請求項16記載の方法。 - 【請求項19】各パケットセグメントを伝送するために
変調と符号化スキームの選択は、パケット遅延性能に基
づいて行われることを特徴とする請求項16記載の方
法。
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