JP2007189690A - 無線ネットワークにおけるアクセス制御のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線局の数が増大しても、コリジュンの発生を抑えるシステムの提供。
【解決手段】無線チャネルで通信されるアクセスクラスの情報のフレームを取得する手順と、無線チャネルがアイドル状態であるか否かを判定する手順と、フレームのアクセスクラスに基づいてランダムな調停用フレーム間隔を選択する手順と、選択された調停用フレーム間隔に適合する第１の期間だけ待機する手順と、第１の期間の後、無線チャネルによって情報のフレームの通信を開始する手順と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、無線通信プロトコルに関し、特に、無線ネットワークにおけるアクセス制御のためのシステム及び方法に関する。

無線接続の利便性を経験すると、利用者は、有線ネットワークを介して実行するものと同じアプリケーションに対するサポートを要求する。無線帯域幅の利用は制限されているため、８０２．１１ネットワークではＱｏＳがますます重要となっている。ＩＥＥＥ８０２．１１ｅは、音声及びビデオのような帯域幅に影響を受けやすいアプリケーションをサポートする無線通信装置のためのＱｏＳ制御の手順の定義を提案している。

ＩＥＥＥ８０２．１１ｅの元となった８０２．１１メディアアクセス制御プロトコルでは、無線局に対する通信について、二つの方式が設計された。第１の方式である分散制御機能（ＤＣＦ）は、「リッスン・ビフォア・トーク」とも呼ばれ、搬送波感知多重アクセス／衝突回避方式（ＣＳＭＡ／ＣＡ）に基づく。無線局は、ネットワーク上で静止期間だけ待機し、それからデータの送信及びコリジョンの検出を開始する。第２の方式である集中制御機能（ＰＣＦ）は、時間に影響を受けやすいトラフィックフローをサポートする。無線アクセスポイントは、無線ネットワークに固有のネットワーク識別及び管理パラメータを通信するために、ビーコンフレームを定期的に送信する。ビーコンフレームを送信する間、ＰＣＦは、時間を、非競合期間と競合期間とに分割する。ＰＣＦを使用する無線局は、非競合ポーリング期間中にデータを送信する。

ＤＣＦ及びＰＣＦはトラフィックタイプ又はトラフィックソースを区別しないため、ＩＥＥＥは、ＱｏＳを実現するために両制御モードに対する拡張を提案した。これらの変更は、現８０２．１１標準規格との旧規格との互換性を維持しながら、重大なサービス要求を満たすように意図されている。

拡張分散制御機能（ＥＤＣＦ）は、トラフィックカテゴリの概念を導入している。各無線局は、８つのトラフィックカテゴリ、言いかえれば、優先度レベルを有する。無線局は、ＥＤＣＦを使用して、ネットワーク媒体（メディア）が通信が行なわれていない状態（アイドル状態）にあることを検出し、さらに対応するトラフィックカテゴリによって定義される調停用フレーム間隔（ＡＩＦＳ：Arbitration Interframe Space）と呼ばれる設定期間だけ待機した後、データの送信を試みる。優先度の高いトラフィックカテゴリほど、優先度の低いトラフィックカテゴリよりＡＩＦＳが短い。このため、トラフィックの優先度が低い無線局は、メディアへのアクセスを試みるまでに、トラフィックの優先度が高い無線局よりも長く待機しなければならない。

トラフィックカテゴリ内のコリジョン発生の機会を低減するために、無線局は、データを送信しようと試みる前に、コンテンションウィンドウとして知られる追加されたタイムスロットのランダムな数をカウントダウンする。カウントダウンが終了する前に別の無線局が送信する場合、その無線局は次のアイドル期間を待機する。ＥＤＣＦは、いかなるサービスの提供も保証されないが、トラフィックカテゴリに基づいて帯域幅を割り当てる確率的優先度メカニズムを確立する。

より詳細には、ＩＥＥＥ８０２．１１ｅ標準規格は、トラフィックを異なる優先度ごとにアクセスクラス（ＡＣ）としてグループ化することによって、ＱｏＳの識別を規定する。トラフィックの優先度の設定は、各クラス単位に定義される拡張分散制御アクセス（ＥＤＣＡ）パラメータ、すなわち、ＡＩＦＳ間隔、コンテンションウィンドウ（ＣＷ）及び送信権（ＴＸＯＰ）、を使用して、各クラスごとにチャネルをアクセスする確率が異なることを保証するように規定される。ＩＥＥＥ８０２．１１ｅ標準規格では、各無線局は、属するＡＣに割り当てられたＡＩＦＳＮ値によって決定される一定の時間間隔だけ待機することを要する。ＡＩＦＳ時間内にメディアがアイドル状態であることを検知すると、各無線局は、自身のランダムな待機時間（バックオフ期間）を計算する。この手順は、図１に示すように、ＡＣ内におけるトラフィックの分離を保証するよう試みる。

図１は、従来技術によるＥＤＣＦ競合制御プロトコルの詳細を示すタイミング図である。図示するように、メディアがアイドル状態であることが確認されるとすぐに、アクセスクラス１で無線局１に対して送信されている情報（ＳＴＡ−Ａ１）は、アクセスクラス１に対するＡＩＦＳ間隔（ＡＩＦＳ［ＡＣ１］）だけ先のタイミングで送信される。同様に、アクセスクラス１で無線局ｋに対して送信されている情報（ＳＴＡ−Ａｋ）もまた、アクセスクラス１に対するＡＩＦＳ間隔（ＡＩＦＳ［ＡＣ１］）だけ先のタイミングで送信される。無線局１によって送信されている情報及び無線局２によって送信されている情報は、コリジョン発生の可能性を低減するために、各々、ランダムな待機時間分さらに先のタイミングで送信される。アクセスクラス２で無線局１に対して送信されている情報（ＳＴＡ−Ｂ１）は、アクセスクラス２に対するＡＩＦＳ間隔（ＡＩＦＳ［ＡＣ２］）だけ先のタイミングで送信される。アクセスクラス２の情報はアクセスクラス１の情報より優先度が低く、ＡＩＦＳ［ＡＣ２］はＡＩＦＳ［ＡＣ１］より大きい。既知であるように、ＡＩＦＳ値はＤＣＦフレーム間隔（ＤＩＦＳ）より大きく、ＤＩＦＳはＰＣＦフレーム間隔（ＰＩＦＳ）より大きく、ＰＩＦＳは短フレーム間隔（ＳＩＦＳ）より大きい。

ＡＣ内の無線局の数が増大するに従い、二つ以上の無線局が同じ待機時間を選択し、それによってパケット衝突が生じる確率もまた増大する。したがって、コリジョンの発生を低減するシステム及び方法が必要である。

前述したように、無線局ＳＴＡ−Ａ１及びＳＴＡ−Ａｋは、アクセスクラス１の情報を送信している。各々、アクセスクラス１に対する同じＡＩＦＳ間隔を待機する。しかしながら、本発明の一実施形態によれば、すべての無線局がランダムなＡＩＦＳＮ値を選択し、当該ＡＩＦＳＮ値は、Ｎ及びＭがＡＣに固有の所定の整数である所定区間［Ｎ，Ｍ］の一様分布にできるだけ従う整数である。

一実施形態では、本方法は、無線チャネルで通信されるアクセスクラスの情報のフレームを取得する手順と、前記無線チャネルがアイドル状態であるか否かを判定する手順と、前記フレームの前記アクセスクラスに基づいてランダムな調停用フレーム間隔を選択する手順と、前記選択されたランダムな調停用フレーム間隔に適合する第１の期間だけ待機する手順と、前記第１の期間の後、前記無線チャネルによって前記情報のフレームの通信を開始する手順とを含む。本方法は、前記情報のフレームの通信を開始する前に、ランダムな待ち時間を選択する手順と、前記情報のフレームの通信を開始する前に、前記ランダムな待ち時間に適合する第２の期間だけ待機する手順とをさらに含んでもよい。前記ランダムな調停用フレーム間隔を、所定の値の集合から選択してもよい。前記所定の集合に含まれる値の数は、前記アクセスクラスでフレームを送信可能な無線局の数に適合するようにしてもよい。

別の実施形態では、本システムは、無線チャネルで通信されるアクセスクラスの情報のフレームが通信されるシステムであって、前記無線チャネルがアイドル状態であるか否かを判定するメディアモニタと、前記フレームの前記アクセスクラスに基づいてランダムな調停用フレーム間隔を選択し、前記選択されたランダムな調停用フレーム間隔に適合する第１の期間だけ待機するＡＩＦＳモジュールと、前記第１の期間の後、前記無線チャネルによって前記情報のフレームの通信を開始する送信モジュールとを備える。本システムは、前記情報のフレームの通信を開始する前に、ランダムな待ち時間を選択し、前記選択されたランダムな待ち時間に適合する第２の期間だけ待機するバックオフモジュールをさらに備えてもよい。前記ランダムな調停用フレーム間隔を、所定の値の集合から選択してもよい。前記所定の集合に含まれる値の数は、前記アクセスクラスで送信可能な無線局の数に適合するようにしてもよい。

本発明の一実施形態によれば、ＡＣ内で同じＡＩＦＳＮ値を選択する無線局の数を低減することができ、２つ以上の無線局が同じバックオフ値を選択する確率がさらに低減する。さらに、パケット衝突の確率が低減し、他のＡＣに属しているノードがチャネルにアクセスする機会が増大する。ＡＩＦＳＮ値のランダム化によって、ＡＣ内でトラフィックをさらに適切に分散させることができ、ネットワークパフォーマンス全体を向上させることができる。

以下の説明は、いかなる当業者も本発明を作成し、かつ、使用することができるようにするために提供され、特定の応用及びその要件に関連して提供されるものである。当業者には実施形態に対するさまざまな変更が可能であり、本明細書で定義する包括的な原理を、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、これらの実施形態及び他の実施形態並びに応用に適用することができる。このため、本発明は、本明細書に示す実施形態に限定されるように意図されておらず、本明細書で開示される原理、特徴及び教示に一貫する最も広い範囲に一致するものである。

前述したように、無線局ＳＡＴ−Ａ１及びＳＴＡ−Ａｋは、アクセスクラス１の情報を送信している。各々は、アクセスクラス１に対する同じＡＩＦＳ間隔待機する。しかしながら、本発明の一実施形態によれば、すべての無線局はランダムなＡＩＦＳＮ値を選択し、当該ＡＩＦＳＮ値は、Ｎ及びＭがＡＣに固有の所定の整数である区間［Ｎ，Ｍ］の一様分布にできるだけ従う整数である。こうした手順によって、ＡＣ内で同じＡＩＦＳＮ値を選択する無線局の数を低減することができ、２つ以上の無線局が同じバックオフ値を選択する確率がさらに低減される。その結果、コリジョン発生の確率が低減し、他のＡＣに属するノードがチャネルにアクセスする機会が増大する。ＡＩＦＳＮ値のランダム化によって、ＡＣ内でトラフィックをさらに適切に分散させることができ、ネットワークパフォーマンス全体を向上させることができる。

所与のＡＣに対し、Ｍ＞Ｎ≧ＡＩＦＳＮ［ＡＣ］のようにＩＥＥＥ８０２．１１ｅで規定されるようなＡＩＦＳＮ値の初期値に非常に近い整数Ｎ及びＭが選択される。たとえば、ビデオトラフィックの場合、８０２．１１ｅ標準規格は、２というＡＩＦＳＮ値を指定する。本発明の一実施形態による方法は、集合［２，３］又は［２，３，４］からＡＩＦＳＮ値をランダムに選択するビデオノードを得ることができる。Ｎ及びＭの値の最適な集合を、繰返し確定することができる。別の実施形態では、本方法は、「２，３」から選択する音声ノードと、［３，４，５］から選択するビデオノードと、「６，７，８，９，１０］から選択するベストエフォートノードとを得ることができる。異なる組合わせも可能である。各ノードタイプは、各集合に含まれる値の数と同じ数を選択する必要はない。集合に含まれる値の数を、ネットワークに含まれる当該タイプに該当する可能性のある無線局の数に基づいて決定してもよい。

一実施形態では、Ｎ及びＭがＡＣに固有の所定の整数であって、区間［Ｎ，Ｍ］の一様分布から得られる整数を、ランダムなＡＩＦＳＮ値として選択することを各無線局に要求してもよい。こうした手順によって、ＡＣ内で同じＡＩＦＳＮ値を選択する無線局の数が１／（Ｍ−Ｎ＋１）に低減し、図２に示すように２つ以上の無線局が同じバックオフ値を選択する確率がさらに低減する。コリジョン発生の確率が低減することによって、他のＡＣに属するノードに対するチャネルアクセスの機会が増大する結果となる。

図２は、本発明の一実施形態による競合制御プロトコルの詳細を示すタイミング図である。図示するように、メディアがアイドル状態であることが確認されるとすぐに、アクセスクラス１で無線局１に対して送信されている情報（ＳＴＡ−Ａ１）は、アクセスクラス１に属している第１のランダムなＡＩＦＳ間隔（ＡＩＦＳ［ＡＣ１］Ａ１）だけ先のタイミングで送信される。同様に、アクセスクラス１で無線局ｋに対して送信されている情報（ＳＴＡ−Ａｋ）は、アクセスクラス１に属している第２のランダムなＡＩＦＳ間隔（ＡＩＦＳ［ＡＣ１］Ａｋ）だけ先のタイミングで送信される。無線局１によって送信されている情報及び無線局２によって送信されている情報は、各々、ランダムな数の待機時間枠（バックオフスロット）分さらに先のタイミングで送信されることによって、コリジョン発生の可能性がさらに低減する。図示するように、アクセスクラス２で無線局１に対して送信されている情報（ＳＴＡ−Ｂ１）は、アクセスクラス２に属している第１のランダムなＡＩＦＳ間隔（ＡＩＦＳ［ＡＣ２］）だけ先のタイミングで送信される。アクセスクラス２の情報は、アクセスクラス１の情報より優先度が低く、且つ本実施形態ではそのＡＩＦＳ［ＡＣ２］は、ＡＩＦＳ［ＡＣ１］Ａ１及びＡＩＦＳ［ＡＣ１］Ａｋより大きい。

本発明の実施形態の利点として、特にアクセスクラスごとにかなりの数の無線局が存在する場合には、ＩＥＥＥ８０２．１１ｅ無線ネットワークのスループット及び遅延性能が向上する、という点が含まれる。本発明の実施形態の別の利点として、こうした状況下でコリジョンの発生数が低減し、そのためネットワークパフォーマンスが全体的に向上する、という点が含まれる。さらに、本発明の一実施形態であれば、低コストで、かつ、低オーバヘッドで実現することができる。単一のトラフィッククラス内の処理に対するランダム性の導入は、容易に実装することができる。

図３は、本発明の一実施形態による、チャネルアクセスシステムにおいて競合を制御する方法３００の詳細を示すフローチャートである。方法３００は、ステップ３０５において、無線局が上位の層のフレームの送信を待機することから開始する。無線局は、ステップ３１０において、メディアがアイドル状態であるか否かを判定する。

無線局は、ステップ３１０において、メディアがアイドル状態であると判定すると、ステップ３１５において、送信しようとするフレームのアクセスクラスに基づいて（好ましくは特定のアクセスクラスに対応する値の所定の集合から）ランダムなＡＩＦＳ値を選択する。無線局は、ステップ３２０において、ＡＩＦＳ持続期間の待機を開始する。無線局は、ステップ３２５において、メディアが依然としてアイドル状態であると判定し、かつ、ステップ３３０において、ＡＩＦＳ持続期間が終了したと判定すると、ステップ３３５において、フレームを送信しステップ３０５に戻る。無線局は、ステップ３３０において、ＡＩＦＳ持続期間が終了していないと判定した場合、ステップ３２０に戻り待機を継続する。ステップ３２５において、無線局が、ＡＩＦＳ持続期間中に、メディアがもはやアイドル状態ではないと判定すると、方法３００はステップ３４０に進む。また、ステップ３１０において、メディアがアイドル状態ではないと無線局が判定すると、方法はステップ３４０に進む。

無線局は、ステップ３４０において、メディアがアイドル状態になるまで待機する。アイドル状態となると、無線局は、ステップ３４５において、送信しようとするフレームのアクセスクラスに基づいてランダムなＡＩＦＳ値を選択する。当然のことながら、無線局がＡＩＦＳ値を最初に選択している時点であってもそうでなくてもよい。無線局は、ステップ３５０において、ＡＩＦＳ持続期間が終了するまで待機を始める。無線局が、ステップ３５５において、ＡＩＦＳ持続期間中に、メディアがもはやアイドル状態ではないと判定すると、方法はステップ３４０に戻り、メディアが再びアイドル状態になるまで待機する。無線局が、ステップ３６０において、ＡＩＦＳ持続時間が終了していないと判定すると、方法３００はステップ３５０に戻り待機を継続する。無線局が、ステップ３６０において、ＡＩＦＳ持続期間が終了したと判定し、かつ、ステップ３５５において、メディアが依然としてアイドル状態であると判定した場合、方法３００はステップ３６５に進み、バックオフプロセスを開始する。

無線局は、ステップ３６５において、ランダムな数のバックオフスロットを選択し、ステップ３７０において、待機を開始する。バックオフ期間中に無線局がメディアがもはやアイドル状態ではないと判定すると、方法３００はステップ３８５に進み、メディアが再びアイドル状態になるまで待機する。そして、無線局はステップ３６５に戻り、別のランダムな数のバックオフスロットを選択する。無線局が、ステップ３８０において、バックオフ期間が終了したと判定し、かつ、ステップ３７５において、メディアが依然としてアイドル状態であると判定すると、方法３００はステップ３３５に進み、無線局はフレームを送信する。無線局が、ステップ３８０において、バックオフ期間が終了していないと判定すると、方法３００はステップ３７０に戻り待機を継続する。

図４は、本発明の一実施形態による無線ネットワークシステム４００を示すブロック図である。無線ネットワークシステム４００は、４つの無線局４０５ａ〜４０５ｄを含み、各無線局４０５は、アクセスプロトコルモジュール４１５を有し、無線ネットワーク４１０に接続される。図５は、別の実施形態によるアクセスプロトコルモジュール４１５の詳細を示す。アクセスプロトコルモジュール４１５は、メディアモニタ５０５、ステップ３０５〜３６０を実行するＡＩＦＳモジュール５１０、ステップ３６５〜３８５を実行するバックオフモジュール５１５、ステップ３３５を実行する送信モジュール５２０、及び入力されるフレームを受信する受信モジュール５２５を含む。

単純なマルチメディアネットワークに対しては、代替手段（クラス毎の単位で定義される一定のＡＩＦＳ間隔、ＣＷｍｉｎ及びＴＸＯＰ）がありうるが、それらは、同じ優先度を有する複数のストリーム、たとえば家庭内での複数の無線ＴＶチャネル分配を対処することができない可能性がある。

本発明の好ましい実施形態の前述した説明は、単なる一例としてのものであり、前述した開示に鑑みて、前述した実施形態及び方法の他の変形及び変更が可能である。本明細書で説明した実施形態は、網羅的であることも限定的であることも意図されていない。たとえば、本方法を有線ネットワークに適用してもよい。本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定される。

従来技術によるＩＥＥＥ８０２．１１ｅＥＤＣＡベースのチャネルアクセスタイミング図である。 本発明の一実施形態によるチャネルアクセスタイミングの詳細を示すタイミング図である。 本発明の一実施形態によるチャネルアクセスシステムの衝突を制御する方法の詳細を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による無線ネットワークを示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるアクセスプロトコルモジュール４１５の詳細を示す図である。

Claims (8)

1. 無線チャネルで通信されるアクセスクラスの情報のフレームを取得する手順と、
   前記無線チャネルがアイドル状態であるか否かを判定する手順と、
   前記フレームの前記アクセスクラスに基づいてランダムな調停用フレーム間隔を選択する手順と、
   前記選択されたランダムな調停用フレーム間隔に適合する第１の期間だけ待機する手順と、
   前記第１の期間の後、前記無線チャネルによって前記情報のフレームの通信を開始する手順と、を含むことを特徴とする方法。
2. 前記情報のフレームの通信を開始する前に、ランダムな待機時間を選択する手順と、
   前記情報のフレームの通信を開始する前に、前記ランダムな待機時間に適合する第２の期間だけ待機する手順と、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ランダムな調停用フレーム間隔は、所定の値の集合から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記所定の集合に含まれる値の数は、前記アクセスクラスでフレームを送信可能な無線局の数に適合することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 無線チャネルで通信されるアクセスクラスの情報のフレームが通信されるシステムであって、
   前記無線チャネルがアイドル状態であるか否かを判定するメディアモニタと、
   前記フレームの前記アクセスクラスに基づいてランダムな調停用フレーム間隔を選択し、前記選択されたランダムな調停用フレーム間隔に適合する第１の期間だけ待機するＡＩＦＳモジュールと、
   前記第１の期間の後、前記無線チャネルによって前記情報のフレームの通信を開始する送信モジュールと、を備えることを特徴とするシステム。
6. 前記情報のフレームの通信を開始する前に、ランダムな待機時間を選択し、前記選択されたランダムな待機時間に適合する第２の期間だけ待機するバックオフモジュールをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記ランダムな調停用フレーム間隔は、所定の値の集合から選択されることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
8. 前記所定の集合に含まれる値の数は、前記アクセスクラスでフレームを送信可能な無線局の数に適合することを特徴とする請求項７に記載のシステム。

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