JP2005102228A - 無線通信システムにおけるレート・フォールバック方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無線通信システムにおいて現在のフレームの再送信に使用する送信レートを下げる方法および装置を提供すること。
【解決手段】送信レートを下げると、フレームが正常に送信および肯定応答される確率が高まる。現在のフレームの再試行回数が満了しないように、かつ、後続のフレームの送信レートに影響を及ぼさないように、現在のフレームの送信レートを漸進的に下げる。次のフレームは、信号品質によって許容される最高レートで送信しなければならない。開示する再試行回数満了回避アルゴリズムは、肯定応答が受信されない場合に現在のフレームの送信レートを下げることによって、再送信の信頼性を高める。肯定応答が受信されない場合、送信側ステーションは再送信状態に移行する。再送信状態に入った送信側ステーションは、まず、同じレートでのフレームの再送信を試みる。この「等レート試行」の回数を超えると、再試行回数満了回避アルゴリズムはフォールバック状態に入り、送信レートを漸進的に下げる。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般に無線通信システムのサービス品質に関し、特に、そのような無線通信システムにおいてデータを再送信する技法に関する。

無線デジタル通信システムでは、ステーションは、アクセス・アルゴリズムを採用して、伝送媒体（たとえば、無線周波数域）に対するアクセス権を取得する。たとえば、ＩＥＥＥ ８０２．１１ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ規格に従うシステムは、一般にＣＳＭＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ、搬送波感知多重アクセス）アルゴリズムを使用する。ＣＳＭＡアルゴリズムは、当初、媒体に対して待機し、信号レベルが特定のしきい値を下回ると送信を開始する。ただし、ＣＳＭＡアルゴリズムを使用していても、衝突は発生する。たとえば、２つ以上のステーションが同時に送信を開始すると、衝突が発生する。８０２．１１規格は、ランダム・バックオフ・カウンタを使用し、特定パケットの送信に優先ウィンドウを使用することにより衝突の確率を下げるメカニズムを提供する。衝突が発生しなくても、フレームが正しく送信または肯定応答されない場合がある。

８０２．１１規格には、メッセージが正常に受信されたことを確認する肯定応答メカニズムが含まれる。受信側ステーションは、メッセージを正しい順序で受信すると、送信側ステーションに肯定応答（ＡＣＫ）メッセージを送出する。このＡＣＫメカニズムは、（たとえば、衝突に起因する）パケット損失からシステムを保護する。衝突が発生すると、１つまたは２つのステーションは、それぞれの送信したメッセージに対するＡＣＫメッセージを受信しないことになる。衝突以外でも、送信したメッセージに対するＡＣＫメッセージが受信されない場合がある。その原因として、たとえば、（ｉ）固有の検出障害（誤警報確率と検出確率の関係）、（ｉｉ）信号品質が低い（時間拡散が過剰）、（ｉｉｉ）信号電力が弱い（距離が長すぎる）、（ｉｖ）受信側ステーションでの混信、などがある。

所与の８０２．１１の実装には必ず、メッセージを正常に送信することができない問題を克服するために使用できるメカニズムが複数含まれる。送信側ステーションがＡＣＫメッセージを受信しなかった場合、送信側ステーションは元のメッセージを最大Ｎ回再送信できる。送信側ステーションは、再送信を行うごとにランダム・アクセス時間を増やす。送信側ステーションは、これらのどの再試行においても、適すると考えられるあらゆる変調方式を用いて再送信を行うことができる。たとえば、送信側ステーションは、レート・フォールバック・アルゴリズムに従って、元のメッセージをより低いレートで（したがって、より安定した変調で）連続的に再送信できる。この再送信は、最大再試行回数（Ｎ）に達するまで、またはＡＣＫメッセージが受信されるまで行われる。宛先ステーションのデータ・トランスポート層は、たとえば、該トランスポート層が各パケットに割り当てるシーケンス番号に欠落があるなどの理由で、フレームが失われたと結論付ける可能性がある。フレーム損失は、システム全体の性能に悪影響を及ぼす可能性がある。たとえば、ＴＣＰ／ＩＰトランスポート層は、通常、複数件のパケット損失を検出した場合にその送出レートを下げるが、これにより、システムの総スループットが一時的に低下する。
Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ （ＭＡＣ） ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ （ＰＨＹ） Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ （１９９９）； ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１１ａ； Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ５ ＧＨｚ ｂａｎｄ； １９９９； ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１１ｂ； Ｈｉｇｈｅｒ−Ｓｐｅｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ２．４ ＧＨｚ Ｂａｎｄ； １９９９； ｏｒ ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１１ｇ／Ｄ１．１； Ｆｕｒｔｈｅｒ Ｈｉｇｈｅｒ−Ｓｐｅｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ２．４ ＧＨｚ Ｂａｎｄ； Ｄｒａｆｔ ｖｅｒｓｉｏｎ； Ｊａｎｕａｒｙ ２００

以上により、失われたパケットを再送信するための、改良されたレート・フォールバック方法および装置が必要である。さらに、データ・トランスポート層に対する上記の悪影響が発生しないように、フレームが正常に送信および肯定応答される確率を高めるメカニズムが必要である。

概して言うと、現在のフレームが正常に送信および肯定応答される確率を高めるために、現在のフレームを再送信する際に送信レートを下げる方法および装置を開示する。送信レートを下げると、送信の信頼性が向上する。本発明は、送信レートを漸進的かつ一時的に下げて、フレームの再試行回数の満了を回避する。現在のフレームについては送信レートを下げ、後続のフレームの送信レートには影響を及ぼさない。ただし、後続のフレームをより低い送信レートで送信することもできる。通常は、次のフレームを、その信号品質で可能な最高レートで送信する。

本発明による無線通信装置は、肯定応答が受信されない場合に現在のフレームの送信レートを下げて再送信の信頼性を高める再試行回数満了回避アルゴリズムを含む。再試行回数満了回避アルゴリズムは、現在のフレームの送信レートを漸進的な方式で一時的に下げる。後続のフレームに使用する送信レートは、その信号品質で可能な最高レートを基準に選択する。

一般に無線通信装置は、フレームを送信し、各フレームの肯定応答を受信しているときには通常動作状態にある。肯定応答が受信されない場合、送信側ステーションは再送信状態に移行する。再送信状態に入った送信側ステーションは、まず、同じレートでのフレームの再送信を試みる。例示的な再試行回数満了回避アルゴリズムは本発明に従って、送信レートを下げる（フォールバックする）前に、まず、それまでと同じレートでのフレームの再送信を、あらかじめ定義された回数だけ行う。この「等レート試行」の回数を超えると、再試行回数満了回避アルゴリズムはフォールバック状態に入り、送信レートを漸進的に下げる。送信側ステーションが肯定応答を受信するか、このフレームの再試行回数が満了すると、再試行回数満了回避アルゴリズムは、フォールバック状態に入る前に使用していた送信レートを回復する。

後続の詳細な説明と図面を参照すると、本発明のさらなる特徴ならびに長所を含め、本発明のより完全な理解が得られるであろう。

本発明の一態様によれば、フレームが正常に送信および肯定応答される確率を高めるためのレート・フォールバック・メカニズムが得られる。本発明は、送信レート（および対応するＲＦ信号の変調）が低いほど送信の信頼性が高いという事実に基づいている。本発明は、データ・レートを漸進的かつ一時的に下げて、フレームの再試行回数の満了を回避する。このデータ・レートは一時的なものであり、現在のフレームにのみ使用され、後続のフレームの送信レートには影響を及ぼさない。ただし、後続のフレームをより低いデータ・レートで送信することもできる。通常は、次のフレームを、その信号品質で可能な最高レートで送信すべきである。

図１は、本発明が動作可能な無線ネットワーク環境１００を示している。無線ネットワーク環境１００の例として、無線ＬＡＮや無線ＬＡＮの一部が考えられる。図１に示すように、複数のステーション１１０−１〜１１０−Ｎ（一括して参照する場合はステーション１１０）は、無線デジタル通信システム１００の１つまたは複数の無線チャネルを介して通信を行う。アクセス・ポイント１２０は、一般に、他のアクセス・ポイント（図示せず）とともに有線配信ネットワーク１０５に接続される。アクセス・ポイント１２０は、一般に、制御機能とセキュリティ機能を周知の方式で提供する。ステーション１１０の個々の実施例として、パーソナル・コンピュータや、無線通信機能を有する任意の装置（たとえば、携帯電話、個人用携帯情報端末、ポケットベルなど）が考えられる。

無線ネットワーク環境１００は、たとえば、ＩＥＥＥ ８０２．１１ Ｓｔａｎｄａｒｄにより実現可能である。たとえば、「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ （ＭＡＣ） ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ （ＰＨＹ） Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ （１９９９）； ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１１ａ； Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ５ ＧＨｚ ｂａｎｄ； １９９９； ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１１ｂ； Ｈｉｇｈｅｒ−Ｓｐｅｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ２．４ ＧＨｚ Ｂａｎｄ； １９９９； ｏｒ ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１１ｇ／Ｄ１．１； Ｆｕｒｔｈｅｒ Ｈｉｇｈｅｒ−Ｓｐｅｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ２．４ ＧＨｚ Ｂａｎｄ； Ｄｒａｆｔ ｖｅｒｓｉｏｎ； Ｊａｎｕａｒｙ ２００」で説明されているように実現できる。

前述のように、ステーション１１０は、図２に示すアクセス・アルゴリズム２００を採用して、伝送媒体（たとえば、無線周波数域）に対するアクセス権を取得する。図２は、ＩＥＥＥ８０２．１１規格に従う例示的なアクセス・アルゴリズムのタイム・チャート２００である。図２に示すように、送信側ステーション１１０−ｔは、時刻２０５にデータ送信を開始する。受信側ステーション１１０−ｒにおいてデータが正常に受信されると、受信側ステーション１１０−ｒは送信側ステーション１１０−ｔにＡＣＫメッセージを返信する。この返信は時刻２１５に開始される。受信側ステーション１１０−ｒがデータを受信してからＡＣＫメッセージを送信側ステーション１１０−ｔに送信するまでの間に、ＳＩＦＳ（Ｓｈｏｒｔ Ｉｎｔｅｒ Ｆｒａｍｅ Ｓｐａｃｅ）が発生する。また、ＤＩＦＳ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｉｎｔｅｒｆｒａｍｅ Ｓｐａｃｅ）は、他のステーションが新しいメッセージの送信を開始できるようになるまでの待機時間である。新しいメッセージの開始は、衝突を回避するために、ランダム・バックオフ時間だけ遅れる。したがって、別のステーションからの新しいメッセージは、コンテンション・ウィンドウ２２５内の任意の時点で開始できる。ＳＩＦＳ時間がＤＩＦＳ時間より短いため、他のステーションはそれが観測できるステーションのＡＣＫメッセージを待つことが保証されている。前述のように、アクセス・アルゴリズム２００を使用していても、衝突が発生したり、衝突が発生しなくてもフレームが正常に送信または肯定応答されなかったりする可能性がある。たとえば、複数のステーションのランダム・バックオフ時間が等しい場合には、衝突が発生する可能性がある。

図３は、本発明の特徴を組み込んだレート選択メカニズム３０７を内蔵する例示的な送信機／受信機３００の概略ブロック図である。図３に示すように、送信機／受信機３００は、データ伝送を制御するＭＡＣ（媒体アクセス制御部）３０５を内蔵する。例示的な実施形態では、ＭＡＣ３０５はレート選択メカニズム３０７を含む。代替実施態様では、レート選択メカニズム３０７を、ＭＡＣ３０５と相互に作用する独立した装置にすることができる。一般に、レート選択メカニズム３０７は、ＰＨＹ（物理）層３２０で使用されるレートおよび変調を決定する。周知の方式で、ＰＨＹ層３２０はＲＦ層３３０に信号を供給し、ＲＦ層３３０はその信号をアンテナ３４０に供給する。

図３に示すように、レート選択メカニズム３０７は、レート選択アルゴリズム３１０と再試行回数満了回避アルゴリズム４００とを含む（試行回数満了回避アルゴリズム４００については、後で図４と併せて詳細に説明する）。一般に、レート選択アルゴリズム３１０は、周知のデータ・レート選択アルゴリズムを用いて最大限の送信レートを選択する。再試行回数満了回避アルゴリズム４００は、肯定応答が受信されない場合に現在のフレームのレートを下げて送信の信頼性を高める。より具体的には、再試行回数満了回避アルゴリズム４００は、現在のフレームを確実に送信するためにのみ、現在のフレームの送信レートを非常に漸進的な方式で一時的に下げる。後続のフレームに使用するデータ・レートは影響を受けない。

図４は、再試行回数満了回避アルゴリズム４００の例示的な実施態様を示すフロー・チャート（状態遷移機械）である。図４に示すように、再試行回数満了回避アルゴリズム４００は、最初は通常動作状態４０５にあり、フレームの送信と各フレームの肯定応答の受信を遅れずに実施している。肯定応答が受信されない場合、送信側ステーション１１０−ｔは再送信状態４１５に移行する。再送信状態に入った送信側ステーション１１０−ｔは、まず、同じレートでのフレームの再送信を試みる。同じレートでの再送信試行の回数は、たとえば、変数ＭａｘＥｑｕａｌＲａｔｅＡｔｔｅｍｐｔｓに格納されている。

前述のように、送信エラーは珍しいことではない。したがって、再試行回数満了回避アルゴリズム４００が次の試行でフレームの送信レートをすぐに下げると、帯域幅を浪費することになる。これを避けるために、再試行回数満了回避アルゴリズム４００は、まず、それまでと同じレートで回数を限定してフレームを再送信する。これが状態４１５の動作であり、送信レートを下げる（フォールバックする）のは、この後である。

「等レート試行」が最大回数（ＭａｘＥｑｕａｌＲａｔｅＡｔｔｅｍｐｔｓ）に達すると、再試行回数満了回避アルゴリズム４００はフォールバック状態４２５に移行する。再試行回数満了回避アルゴリズム４００は、現在の送信レートを、たとえば、変数ｓａｖｅＴｘＲａｔｅに格納する。この状態４２５では、送信レートを急激に下げる。各再試行で使用された送信レートは、送信レート・テーブル５００に格納される（このテーブルについては、後で図５と併せて詳細に説明する）。送信レート・テーブル５００は、ステーション１１０がＩＥＥＥ ８０２．１１のＢＳＳ（基本サービス・セット）に接続する際か、ステーション１１０が特定のステーションとの通信を開始する際に作成される。

ステーション１１０が肯定応答を受信するか、このフレームの再試行回数が満了すると、再試行回数満了回避アルゴリズム４００が通常動作状態４０５に戻り、ステーションがフォールバックを開始する前に使用していた送信レートを（変数ｓａｖｅＴｘＲａｔｅにより）回復する。ステーション１１０は、現在のデータ・レートに対してチャネル状態が十分良好とは言えないと判断する理由がある場合には、後続のフレームに使用するデータ・レートを下げることを決定できる。

再試行回数満了回避アルゴリズム４００の一変形形態では、再送信状態４１５の間に実施する「等レート再試行」を省くことができ、信号品質が不十分なために現在のデータ・レートを使用できない場合には、再試行回数満了回避アルゴリズム４００がフォールバック状態４２５に直接移行することができる。

図５は、図１のネットワーク環境１００においてステーションで使用する例示的な再試行送信レートのテーブルの例５００である。図５に示すように、送信レート・テーブル５００はいくつかのレコードを含み、各レコードは使用可能な別個のデータ・レートに対応する。送信レート・テーブル５００は、使用可能なデータ・レートごとに、等レート試行のエントリと、対応するフォールバック・レートとを含む。例示的な送信レート・テーブル５００は、（ＭａｘＥｑｕａｌＲａｔｅＡｔｔｅｍｐｔｓ＝ｌの場合に）各再試行で使用するデータ・レートを与える。１列目は、最初の送信試行を行う際のオリジナルのデータ・レートを示す。２列目は、等レート再試行である。３列目以降は、後続の各再試行に使用するデータ・レートを示す。

例示的な送信レート・テーブル５００は、次の方法で作成される。まず、ステーション１１０が、ＩＥＥＥ ８０２．１１規格の従来の手順に従い、通信しようとする相手のステーションからＳｕｐｐｏｒｔｅｄＲａｔｅｓ要素を受信することにより、ＣｕｒｒｅｎｔｌｙＵｓｅｄＲａｔｅｓのリストを取得する。送信レート・テーブル５００は、ＣｕｒｒｅｎｔｌｙＵｓｅｄＲａｔｅｓリストにあるデータ・レートと、必要に応じて、それ以外のいくつかの固有のデータ・レートとで構成される。たとえば、ＣＣＫとＯＦＤＭのデータ・レートを含むＣｕｒｒｅｎｔｌｙＵｓｅｄＲａｔｅｓセットでは、６Ｍｂｐｓのデータ・レートが除外される場合がある。６Ｍｂｐｓは５．５Ｍｂｐｓに近く、信頼性があまり向上しないためである。同様に、１２Ｍｂｐｓのデータ・レートも１１Ｍｂｐｓのレートに近いために除外される場合がある。どのデータ・レートが除外されるかは、ＢＳＳ（Ｂａｓｉｃ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｓｅｔ）の個々のセットアップ（すなわち、８０２．１１ｂ／ｇ ｍｉｘｅｄ ＢＳＳか、８０２．１１ｇ ｏｎｌｙ ＢＳＳか、８０２．１１ａ ＢＳＳか）によって決まる。

さらなる変形形態では、個々の（ハードウェア）実施態様の変調の安定度に応じて、送信レート・テーブル５００に別のデータ・レートを含めたり、送信レート・テーブル５００から特定のデータ・レートを除外したりできる。たとえば、１１Ｍｂｉｔ／ｓ ＣＣＫ変調の特定の実施態様の安定度が、その実装仕様のために、１２Ｍｂｉｔ／ｓ ＯＦＤＭ変調の実施態様より大幅に劣る場合がある。この場合は、１２Ｍｂｐｓレートがテーブル５００に含まれ、１１Ｍｂｐｓレートが除外される。別の変形形態では、ステーション１１０は、所与の状況について最適なフォールバック・レートを選択するアルゴリズムにより、使用可能なフォールバック・データを取得できる。これは、当業者であれば、本発明の開示から明らかであろう。

たとえば、すべてのステーション１１０が８０２．１１ｇ ＯＦＤＭと８０２．１１ｂのすべてのデータ・レートを使用できるＢＳＳを考える。ＣｕｒｒｅｎｔｌｙＵｓｅｄＲａｔｅｓテーブルもすべてのデータ・レートで構成されるとする。フォールバック・テーブルは、ＣｕｒｒｅｎｔｌｙＵｓｅｄＲａｔｅｓから５４、４８、１２、６、１８および９を除外したデータ・レートで構成される。５４と４８は再送信には高すぎ、１２と６はＣＣＫデータ・レートに近く、１８と９は他のデータ・レートと比較して信頼性の向上が不十分だからである。したがって、フォールバック・テーブルに含まれる値は、３６、２４、１１、５．５、２および１（Ｍｂｐｓ）である。

本願明細書において図示および説明した実施形態および変形形態は本発明の原理を例示したものにすぎないこと、ならびに、当業者であれば本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく種々の修正を施しうることが理解されよう。

本発明が動作可能な無線ネットワーク環境を示す図である。 ＩＥＥＥ８０２．１１規格に従う例示的なアクセス・アルゴリズムのタイム・チャートである。 本発明の特徴を組み込んだレート選択メカニズムを内蔵する例示的な送信機／受信機の概略ブロック図である。 図３の再試行回数満了回避アルゴリズムの例示的な実施態様を表すフロー・チャートである。 図１のネットワーク環境においてステーションで使用する例示的な再試行送信レートの例を示すテーブルである。

Claims (10)

1. データの伝送を制御する制御部と、
   現在のフレームに対する肯定応答が受信されない場合に、前記現在のフレームに対してのみ再送信レートを下げるレート・フォールバック・メカニズムと
   を含む無線通信装置。
2. あらかじめ定義された回数の等レート試行が実行済となるまで、前記再送信レートを下げない、請求項１に記載の無線通信装置。
3. 後続フレームの送信レートを、使用可能な信号品質に基づいて選択する、請求項１に記載の無線通信装置。
4. 前記現在のフレームに対する肯定応答を受信する、または前記現在のフレームの再試行回数を超えるまで、前記再送信レートを漸進的に下げる、請求項１に記載の無線通信装置。
5. １つまたは複数のフレームを送信する工程と、
   現在のフレームに対する肯定応答が受信されない場合に、前記現在のフレームに対してのみ再送信レートを下げる工程と
   を含む無線通信方法。
6. 前記再送信レートを下げる工程を実施する前に等レート試行を何回か実施する工程をさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 後続フレームの送信レートを、使用可能な信号品質に基づいて選択する工程をさらに含む、請求項５に記載の方法。
8. 前記現在のフレームに対する肯定応答を受信する、または前記現在のフレームの再試行回数を超えるまで、前記再送信レートを下げる工程を繰り返し実施する、請求項５に記載の方法。
9. データの伝送を制御する制御部と、
   現在のフレームに対する肯定応答が受信されない場合に、前記現在のフレームに対して再送信レートを下げ、後続のフレームに対しては前記送信レートを上げるレート・フォールバック・メカニズムと
   を含む無線通信装置。
10. あらかじめ定義された回数の等レート試行が実行済となるまで、前記再送信レートを下げない、請求項９に記載の無線通信装置。
    

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