JP2006109441A - 分割方法および関連装置を用いた最適チャネル割り振りの計算 - Google Patents
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Abstract
【課題】無線ローカル・エリア・ネットワーク(WLAN)内の各アクセス・ポイント(AP)に、妥当な時間内に最適チャネル割り振り方法のきわめて近い近似を提供すること。
【解決手段】干渉グラフをサブグラフに分解する(すなわち、分割する)ことによって、妥当な時間内に最適チャネル割り振り方法のきわめて近い近似を計算することが可能になる。このチャネル割り振り方法を使用して、個々のチャネルをWLAN内の各APに割り振ることができる。
【選択図】図3
【解決手段】干渉グラフをサブグラフに分解する(すなわち、分割する)ことによって、妥当な時間内に最適チャネル割り振り方法のきわめて近い近似を計算することが可能になる。このチャネル割り振り方法を使用して、個々のチャネルをWLAN内の各APに割り振ることができる。
【選択図】図3
Description
本発明は、無線ローカル・エリア・ネットワーク内部の各アクセス・ポイント(AP)にチャネルの最適割り振りの近似を提供する方法および装置に関する。
米国特許出願第10/953356号は、使用できるチャネル数が限られているときに、無線ローカル・エリア・ネットワーク(WLAN)の各アクセス・ポイント(AP)にAP間の干渉パターンを考慮してチャネルを割り振る、フレームベースのアーキテクチャを開示している。その開示の全体を本明細書に組み込む。
実際上は、非常に小規模なWLAN(すなわち、ごく少数のAPしか含まないWLAN)を除けば、米国特許出願第10/953356号に提示された解決策では、実際のチャネル割り振りを計算するのに長い時間を要することがある。
本出願と同時に提出された米国特許出願第10/953356号は、いわゆるグリーディ・ヒューリスティック技術(Greedy Heuristic technique)を用いてWLANの最適チャネル割り振りを近似することによって、この計算時間問題に対する1つの解決策を開示している。
この技術は有効であるが、他の技術を使用して、妥当な時間内に最適チャネル割り振りを近似することもできると考えられている。
さらに、このような他の技術は、最適チャネル割り振りに対するより近い近似を計算できるものと考えられている。
したがって、妥当な時間内にWLANの最適チャネル割り振りに対するより近い近似を計算できる代替技術の提供が望まれている。
WLAN内の1つまたは複数のAPに対する最適チャネル割り振りの近似は、干渉グラフを複数のサブグラフに分割(「分解」と呼ばれることもある)し、各サブグラフごとに、各サブグラフ内のアクティブなAPに割り振られた重みの最大の和を計算することによって、妥当な時間内に生成できることが知られている。次いで、各最大の和を加算することによって総和が計算される。この総和は、全体の干渉グラフに対する最適チャネル割り振り方法の近似を表している。
全体の干渉グラフに対する総和が計算された後で、元の干渉グラフは、サブグラフを分割し分離する干渉ストリップ(interference strip)と呼ばれるものをシフトすることによって、再度新たなサブグラフに分割される。各干渉ストリップの幅は最大干渉距離を表す。最大干渉距離とは、その距離を越えると、あるAPが他のAPと干渉することがないと想定される距離のことである。
先の説明と同様に、新しいサブグラフが生成された後で、各新しいサブグラフごとに最大の和が計算され、その和を再度加算して新しい総和が計算される。この処理は、干渉ストリップをシフトすることによって、それ以上新しいサブグラフを生成することができなくなるまで続けられ、その時点で、本発明は、すべての総和の中から最大の総和を選択する。最大の総和は、最適チャネル割り振りの最良の近似を表している。
形成された各サブグラフは小規模なWLANの干渉パターンを表すので、各サブグラフに、妥当な時間内にチャネルを最適に割り振ることが可能になる。また、妥当な時間内に、多数のサブグラフによって表されるWLANの全体にチャネルを割り当てることも可能になる。
ここで図1を参照すると、WLAN100を構成するAP1、2、...Nの概略図が示されている。また、各APを制御するように動作可能なコントローラ101も示されている。本発明の一実施形態では、APが基地局のときには、コントローラ101は基地局コントローラで構成することができる。コントローラ101は、最適チャネル割り振り方法の近似を使用して、妥当な時間内に各AP1、2、...Nにチャネルを割り振ろうと試みる際に、上記および下記に記載の本発明の特徴および機能を実行するように動作可能である。
本発明の詳細を論ずる前に、本発明が、前述の米国特許出願第10/953356号で開示されたフレームベースのチャネル割り振りアーキテクチャを採用していることを理解されたい。このアーキテクチャでは、ある時間枠tの間にチャネルが割り振られているAPだけが送信を許される。チャネルが割り振られていないAPは、時間枠tの間に送信することは許されない。
このアーキテクチャを前提として、本発明者らは、チャネル割り振り問題を次式で表すことができることを明らかにした。
本発明の一実施形態によれば、Wnは次式で定義することができる。
Wn def μn・Qn(t) (2)
上式で、μnは所与のAP、nに対する時間枠tの間の一定送信レートであり、Qn(t)はAP、nに対する時間枠tの間のパケット・キュー・サイズである。
上式で、μnは所与のAP、nに対する時間枠tの間の一定送信レートであり、Qn(t)はAP、nに対する時間枠tの間のパケット・キュー・サイズである。
次に進む前に、本発明者らが、式(1)および(2)を裏付ける証明を行ったことに留意されたい。当業者ならば、本発明を証明なしに理解し実施することができるので、証明は省略した。この省略により、本明細書の議論の焦点が絞られ、本明細書を理解し、把握することが容易になることが望ましい。
課題は、式(1)を解いて、AP干渉の結果として課せられた一定の制約と割り振りに使用可能な限られたチャネル数とを順守しながら、妥当な時間枠内に、すべてのアクティブなAPに対する最適チャネル割り振りの近似を提供することである。
本発明者らは次に、本発明による、最適チャネル割り振り方法の近似(すなわち、式(1)における和、ΣWnの近似)が、G(V,E)の形の干渉グラフを最初にサブグラフに分割することによって導かれることを明らかにした。ここで、Gは干渉グラフを表し、Vは各々がバーテックス(vertex)と見なされるAPの集合を表し、Eは一対のバーテックス間のエッジ(edge)の集合を表す。一対のバーテックス(AP)の両方が同一のチャネルを使用して送信しようと試みたときに干渉が発生したと判定された場合に、一対のバーテックスの間にエッジが存在すると言われる。
各サブグラフは小規模なWLANと見なすことができるので、各サブグラフごとに、妥当な時間内に(最適ΣWnに対応する)最適チャネル割り振りを正確に決定することができる。その後、このように決定された各最適チャネル割り振りを使用して、元の分割されていない干渉グラフについての最適チャネル割り振りの近似を生成することができる。
次に、図2を参照すると、複数のサブグラフ1〜9に分割された干渉グラフ200が示されている。図2に示されているように、複数の平行な水平および垂直干渉ストリップS1〜S6をグラフ200から削除することによって、元の分割されていない干渉グラフ200が分割(すなわち、細分)されたときに、サブグラフ1〜9が形成される。
より詳細には、干渉グラフ200は、代表してサブグラフ1の内部に示された複数のAP(または、バーテックス)を含む。当業者には理解されるはずであるが、最初にグラフ200をより小さなサブグラフに分割または細分することなく、グラフ200の最適チャネル割り振りを決定しようと試みた場合は、実際には、完成に時間がかかりすぎるため、そのような試みは達成できなくなるはずである。はるかに多くのAPとはるかに多くの可能なチャネル割り振りの可能性が存在することになる。(もちろん、これは、本出願と同時に提出された、米国特許出願第10/953356号に開示の近似技術は使用されていないことを想定している)。より小さなサブグラフ、例えば図2のサブグラフ1〜9を形成することによって、妥当な時間内に最適チャネル割り振りを近似することが可能になる。
先に進む前に、干渉グラフ200のサブグラフ1〜9への分割は、結果的に干渉グラフ200の「分解」を意味するものだと言うことができる。
実際には、干渉ストリップS1〜S6により、ストリップと同じ領域に位置する(または割り当てられた)APが元の干渉グラフ200から取り除かれる、または削除されることにも留意されたい。
したがって、ある意味では、元の干渉グラフ200を構成するAPの数が、干渉ストリップS1〜S6によって削除されたAPの数分だけ減少したことになる。結果として得られた各サブグラフには、(割り当てられた重み、Wnを有する)比較的少数のAPが含まれることになる。
本発明の一実施形態では、サブグラフは、最大干渉距離および分割間隔Iを使用して形成される。最大干渉距離は、その距離を越えるとグラフ200内のAPが相互に干渉しないと想定される距離を意味する。図2を参照すると、各干渉ストリップS1〜S6の幅は、干渉グラフ200を構成するAPに関連する最大干渉距離に等しい。この距離は1に正規化する(すなわち、単位距離を1に等しくする)ことができる。図2に示されるように、分割間隔Iは、第1の干渉ストリップの先頭から第2の干渉ストリップの先頭まで(例えば、S4の先頭からS5の先頭まで)で測定される。また、所与のサブグラフの幅はいずれもI−1に等しいことが分かる(サブグラフ4参照)。同様に、2つの干渉ストリップ間の距離もI−1に等しくなる。
以下でより詳細に説明するように、本発明は、適切な分割間隔Iを選択することによって、全体の干渉グラフに対する最適チャネル割り振りのきわめて近い近似を提供する。
サブグラフが形成された後で、次に本発明は、各サブグラフごとの最適チャネル割り振りを決定する。より詳細には、本発明の一実施形態では、本発明は最初に各サブグラフ1〜9ごとの、APの最適アクティブまたはアクティブ化集合Uを決定する。より詳細には、本発明は第1のサブグラフを選択し、次いで以下のルールに従って、選択されたサブグラフ内の各APにチャネルを割り当てるように試みる。すなわち、(a)サブグラフ中でエッジを形成する(すなわち、実質的に相互に干渉する)APの両方に同一のチャネルを割り当てることはできない。(b)すべてのアクティブなAPについての(すなわち、チャネルが割り振られたすべてのAPについての)重みの和、ΣWnを計算する。この和は、あるサブグラフに関する可能なすべてのチャネル割り振りから算出された最大の和を表す。(c)個々のAPに割り振るために使用できるチャネルが存在しなければならない。(b)を他の方法で述べると、アクティブな集合Uについての重みの和ΣWnは、考慮中の個々のサブグラフについての可能な最大の重みの和である。この和を「最大の和(maximized sum)」と呼ぶことにする。この和は、選択されたサブグラフの最適チャネル割り振りに関係するものである。
各サブグラフごとに最大の和が計算される。最大の和は、各サブグラフごとの最適チャネル割り振りを表すものと考えられる。この様にして、各最大の和が決定された後で、これらの最大の和が合計されて重みの総和が生成される。この総和は、全体の干渉グラフ200に対する最適チャネル割り振りの近似を表す。
この総和は、各サブグラフごとの最適チャネル割り振りに対応する和に基づくものであるが、全体の干渉グラフ200に対する最適チャネル割り振りを表すものではないことに留意されたい。その理由は、各サブグラフごとの最適チャネル割り振りを生成することは可能だが、全体の干渉グラフ200に対する最適チャネル割り振りを生成するためには、干渉ストリップS1〜S6によって削除されたAPを含める必要があるからである。
このことを理解し、全体の干渉グラフ200に対する、最適チャネル割り振りに可能な限り近い近似を生成したいと望むので、次いで本発明は、干渉ストリップS1〜S6の位置をシフトさせる。
本発明の他の実施形態では、干渉ストリップがシフトされたときに、新しいサブグラフが生成される。
次に図3を参照すると、水平干渉ストリップS1〜S3が最大干渉距離に等しい距離だけ(すなわち、上方に1単位分)シフトされた後の干渉グラフ200が示されている。干渉ストリップはシフトされたが、分割間隔Iおよび各サブグラフの幅I−1は同一のまま維持されていることに留意されたい。サブグラフの数が同一のまま維持されている(図2に示されたサブグラフ1〜3の上部が、実際には、図3に示された干渉グラフ200の下部に「折り返されている」)ことにも留意されたい。
しかし、このシフト処理によって、各サブグラフ内のAPは変化する。例えば、図3に単純化して示されているように、干渉ストリップS3が図2のj=8の位置から図3のj=9の位置までシフトしたとき、干渉ストリップS3がj=8の位置にあったときに削除されていたいくつかのAPが復元される(これらは、サブグラフ5および6の内部の円で囲われたAPによって示されている)。したがって、干渉ストリップをシフトすることによって、以前は削除されていたAPが再度サブグラフに追加されることが分かる。より詳細には、これらのAPに割り当てられた重みは、次いで、各サブグラフごとの重みの最大の和の計算、したがってチャネル割り振りの計算に含められる。
図3では、水平ストリップS1〜S3がシフトされているが、垂直ストリップS4〜S6を同様にシフトできることを理解されたい。
本発明の他の実施形態では、これらの新しいサブグラフが形成された後で、本発明は、各サブグラフごとの重みの最大の和を再度計算する。今回は、これまで削除されていたAPの重みが含まれる。先に述べたと同様に、各サブグラフごとの重みの最大の和が計算された後で、その和が合計され、図3の干渉グラフ200についての新しい重みの総和が得られる。この新しい重みの総和は、全体の干渉グラフ200の最適チャネル割り振りのもう1つの近似を表す。しかし、この近似もまた、最適チャネル割り振りと見なすことはできない。なぜならば、いくつかのAPは追加されたが、他のAPがそれに割り当てられていた重みと共に削除されたからである。
干渉ストリップをシフトするこの処理は、新しいサブグラフが形成できなくなるまで続けられる。言い換えれば、このシフトは、干渉ストリップのそれまでの位置で削除されていたAPのすべてが復元され、それらが個々のサブグラフの最大の和を計算するのに使用されるまで継続される。例えば、干渉ストリップS3がj=12の位置から始まるようにシフトされるとき、形成されるサブグラフは、実際には干渉ストリップS3がj=8に位置していたときに形成されたものと同一である。干渉ストリップをシフトさせることによって新しいサブグラフを生成することがもはや不可能になった後で、次いで本発明は、あらゆる(重みの)総和の中から最大の総和を選択する。この選択された総和は、干渉グラフ200に対する最適チャネル割り振りの最良の近似を表す。言い換えると、干渉グラフ200の各APに対して、使用されるチャネル割り振りは、最大の重みの総和に対応する、参照中のAPを含むサブグラフ中でそのAPに使用されるチャネル割り振りと一致することになる。
上で論じた最大の総和は最適チャネル割り振りの最良の近似を表すものであるが、本発明者らは、生成された近似が最適チャネル割り振りのある範囲内に入ることを予測することができるという、ある種の保証を通信事業者らに提供しようと努めた。このことを踏まえ、本発明者らは、最大の選択された総和に対応するAPの集合を表す干渉グラフが「擬似単位円グラフ(quasi-unit disk graph)」に従う場合は、計算された近似が、最適チャネル割り振りに対する予測可能な(1+ε)近似を提供することを明らかにした。
これまで、既存の技術では単位円グラフが使用されており、擬似単位円グラフは使用されていなかった。しかし、通信事業者らに保証を提供する必要性を考慮する間に、本発明者らは、APを表すある干渉グラフが単位円グラフとは異なる特定のパターンに従う場合には、保証が可能になることに気付いた。より詳細には、単位円(最大干渉距離)よりさらに離れた一対のバーテックス(AP)は干渉グラフのエッジによって接続することはできないという制約が満たされる場合は、結果として得られる近似が最適チャネル割り振りの(1+ε)の範囲内にあることを保証することができる。この制約に従う所与の干渉パターンを、本発明者らは擬似単位円グラフと呼ぶ。
とは言うものの、この様な近似を導くために各サブグラフをどの程度の大きさにすべきかを決定するという課題が残されている。この問題は決して簡単ではない、なぜならば各サブグラフのサイズが大きすぎる場合には(したがって、非常に多くのAPまたはバーテックスが含まれる場合には)、妥当な時間枠の中で、全体の干渉グラフ200に対する最適チャネル割り振り方法を近似することはおろか、個々のサブグラフに対する最適チャネル割り振り方法を決定することさえできなくなる可能性がある。
本発明の他の実施形態によれば、本発明者らは、分割間隔IがO(1/ε)になるように選択された場合は、結果として得られる近似が、最適チャネル割り振りの(1+ε)の範囲内にあることを保証できることを明らかにした(ただし、干渉パターンは擬似円グラフに従うものとする)。ここで、εは最適値からの偏差を表し、一般にO(x)は、ある意味でパラメータx(この場合は、x=1/ε)に比例する値である。
本出願と同時に提出された米国特許出願第10/953356号で与えられる近似と本発明で与えられる近似を比較したとき、本発明者らは、本発明の近似が最適チャネル割り振りの(1+ε)近似だと見なせるときには、本発明の近似が米国特許出願第10/953356号で与えられる近似よりも改善された近似になっていることを理解している。
少し戻って、最大の総和が選択された後で、その和を使用して、干渉グラフ200に対するチャネル割り振り方法の最良の近似を生成することができる。しかし、この最良の近似でさえ、不完全な干渉グラフから導かれたものである。すなわち、この最良の近似でさえ、分割された干渉グラフに関連する干渉ストリップによって削除されたAPからの寄与は含まない。例えば、図2の干渉グラフによって示される総和が、図3の干渉グラフによって示される総和より大きいことが分かった場合には、本発明は、図2の干渉グラフから導かれた近似チャネル割り振り方法を選択することになる。しかし、図2の干渉グラフによって表されるチャネル割り振り方法が最適チャネル割り振り方法の最良の近似を表す場合でも、直感的には、干渉ストリップS1〜S6によって削除されたAPを考慮することができれば、この最良の近似がさらに改良できるはずであることを本発明者らは認識している。したがって、本発明の他の実施形態では、干渉ストリップによってそれまで削除されていたAPが、選択された総和に対応する干渉グラフに1つずつ追加される。それまでストリップによって削除されていたAPがグラフに追加された後で、次いで本発明は、上述の技術を使用して、この追加されたAPにチャネルの割り振りを試みる。この様にしてチャネルを割り振ることができた場合には、干渉グラフ200に関連する重みの総和は増加するはずである。この総和は最良の近似チャネル割り振りに関連しているので、この和の増加は、最適チャネル割り振り方法の最良の近似の改善に帰着する。この処理は、干渉ストリップS1〜S6によって削除されていた各APに対して繰り返される。
これらの計算および結果として得られた近似を先に論じたものと区別するために、これらを修正総和計算、修正最良近似などと呼ぶ。
上記の議論は、WLANに対する最適チャネル割り振り方法の近似を計算するための分割方法および関連する装置の例を説明したものである。図1に示されたコントローラ101が、上記の各工程を実施するように動作可能であることに留意されたい。コントローラ101は、各APから分離して示されているが、このコントローラは1つまたは複数のAPに組み込むか、または1つまたは複数のAPと同一場所に配置することができる。
本発明の真の範囲は、特許請求の範囲によって与えられることもさらに理解されたい。
Claims (10)
- ネットワーク内部での、ある時間枠tの間の、アクセス・ポイント(AP)へのチャネルの最適割り振りを近似する方法であって、
(a) 各APに重みWnを割り当てる工程と、
(b) 干渉グラフを複数のサブグラフに分割する工程と、
(c) 各サブグラフごとに、アクティブなAPに割り当てられた重みの最大の和を計算する工程と、
(d) 前記各最大の和を組み合わせて、すべての前記サブグラフについての重みの総和を計算する工程と、
(e) 新しいサブグラフを形成する工程と、
(f) 前記新しいサブグラフを使用して工程(c)および(d)を実行する工程と、
(g) 前記新しいサブグラフに関する和を組み合わせて、新しい重みの総和を計算する工程と、
(h) すべての前記重みの総和の中から最大の重みの総和を選択する工程と
を含み、
前記選択された総和が最適チャネル割り振りの最良の近似を表す方法。 - 複数の平行な水平および垂直干渉ストリップを使用して前記干渉グラフを分割する工程と、
前記干渉グラフから、前記複数の平行な水平および平行な垂直干渉ストリップに対応する領域に関連するAPを削除する工程と
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 各ストリップの幅が最大干渉距離に等しい、請求項2に記載の方法。
- 前記最大干渉距離が、あるAPが他のAPとその距離を越えて干渉することがない距離で構成される、請求項3に記載の方法。
- 前記平行なストリップを、ある平行なストリップの先頭が他の平行なストリップの先頭から選択された分割間隔Iだけ離れるように位置決めする工程をさらに含む、請求項2に記載の方法。
- 前記分割間隔がO(1/ε)になるように選択され、εが最適値からの偏差を表し、O(1/ε)が1/εに比例する値を表す、請求項5に記載の方法。
- 前記選択された総和に関連しているAPの干渉パターンが擬似単位円グラフに従うときは、前記最良の近似が前記最適チャネル割り振りの(1+ε)近似で構成される、請求項6に記載の方法。
- 前記各サブグラフ内のアクティブなAPの集合を識別する工程と、
前記サブグラフを表す干渉グラフのエッジを形成する一対のAPには同一のチャネルを割り当てることができないという前提で、一群の使用可能なチャネルからサブグラフ内の各APにチャネルを割り振る工程と
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記選択された最大の重みの総和に関連する干渉グラフを選択する工程と、
これまで削除されていたAPを前記選択された干渉グラフに追加する工程と、
エッジを形成する一対のAPには同一のチャネルを割り当てることができないという前提で、追加された各APにチャネルの割り振りを試みる工程と、
チャネルが割り振られた各APに与えられた重みを、前記選択された重みの総和に加算して、修正された総和を形成する工程と
をさらに含み、
前記修正された総和が、前記最適チャネル割り振りの前記最良の近似よりさらに近い近似を表す、請求項2に記載の方法。 - 無線ローカル・エリア・ネットワーク内部での、時間枠tの間の、アクセス・ポイント(AP)へのチャネルの最適割り振りを近似する装置であって、
(a) 各APに重みWnを割り当て、
(b) 干渉グラフを複数のサブグラフに分割し、
(c) 各サブグラフごとに、アクティブなAPに割り当てられた重みの最大の和を計算し、
(d) 前記各最大の和を組み合わせて、すべての前記サブグラフについての重みの総和を計算し、
(e) 新しいサブグラフを形成し、
(f) 前記新しいサブグラフを使用して工程(c)および(d)を実行し、
(g) 前記新しいサブグラフに関する和を組み合わせて、新しい重みの総和を形成し、かつ
(h) すべての前記重みの総和の中から最大の重みの総和を選択する
ように動作可能であり、
前記選択された総和に関連するAPの干渉パターンが擬似単位円グラフに従うときは、前記選択された総和が、最適チャネル割り振りの(1+ε)近似を表す装置。
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