JP2007243952A - 無線ｌａｎにおいてトラフィック予測を用いる適応ｅｄｃａアルゴリズム - Google Patents

Abstract

【課題】無線ＬＡＮにおいて、特にＶＢＲ送信用にＱｏＳサポートを増加させるためのシステム及び方法。
【解決手段】本発明の方法は、送信キューにある特定のアクセスカテゴリついて少なくとも一つのフレームをバッファし、無線メディアへのアクセスのために競合に基づいた手続を実行し、送信キューにある少なくとも一つのフレームサイズを計算し、フレームの既知パターンを使用して無線メディアへの送信キューにある少なくとも一つのフレームの送信中に時間領域又はウェーブレット領域予測アルゴリズムを使用して送信キューに到着する少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測し、送信キューにある少なくとも一つのフレームサイズ及び少なくとも一つの予測された将来のフレームサイズに基づいてＴＸＯＰを調節する。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、無線ネットワークに関係し、特に無線ＬＡＮにおいてトラフィック予測を用いる適応ＥＤＣＡアルゴリズムを提供する。

無線通信の利便性により、ユーザは更に多くのサポートを必要としている。無線ネットワークアドレス上の代表的なアプリケーションにはビデオストリーミング、ビデオ会議又は通信教育等がある。しかし、利用可能な無線帯域幅が制限されているため、ＩＥＥＥ８０２．１１ネットワークではサービス品質（ＱｏＳ：Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）管理がますます重要になっている。

ＩＥＥＥ８０２．１１ｅは、音声及びビデオ等、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装置のためのＱｏＳメカニズムを定義するよう提案している。

最初のＩＥＥＥ８０２．１１メディアアクセス制御（ＭＡＣ：Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）プロトコルでは、無線局に対し二つの通信モードが設計された。第１のモードは分散制御機能（ＤＣＦ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）で、キャリアセンス多元接続／衝突回避方式（ＣＳＭＡ／ＣＡ：Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ｗｉｔｈ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）に基づいており、リッスン・ビフォア・トーク（ｌｉｓｔｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔａｌｋ）と呼ばれる。無線局は、ネットワーク上で待機時間の間待機し、それからデータ送信及び衝突検知を開始する。第２のモードは集中制御機能（ＰＣＦ：Ｐｏｉｎｔ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）で、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定期的にビーコンフレームを送信することによって、無線ネットワークに特有のネットワーク識別子及び管理パラメータを通信する。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間で違いがないため、ＩＥＥＥはＱｏＳを促進するために両制御のモードに対する拡張を提案した。これらの変更は、重要なサービス要求を満たすと同時に、現在のＩＥＥＥ８０２．１１の標準規格の古いバージョンとの上位互換性を持たせるようにしている。

拡張分散制御アクセス（ＥＤＣＡ：Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ａｃｃｅｓｓ）は、トラフィックカテゴリの概念を導入する。無線局はＥＤＣＡを使用して、メディアが対応するトラフィックカテゴリによって定義される待ち時間の間アイドル状態であることを検出した後、データ送信しようとする。優先度の高いトラフィックカテゴリの方が優先度の低いトラフィックカテゴリより待ち時間が短い。サービスに対する保証があるわけではないが、ＥＤＣＡは確率的な優先度に基づくメカニズムを確立するために、トラフィックカテゴリに基づいて帯域幅を割り当てる。

ＩＥＥＥ８０２．１１ｅＥＤＣＡ標準規格は、トラフィックを４つのアクセスカテゴリ（ＡＣ：Ａｃｃｅｓｓ Ｃａｔｅｇｏｒｙ）、すなわち、音声、ビデオ、ベストエフォート及びバックグラウンドにグループ化することによって、異なるＱｏＳを提供している。上位レイヤからの各フレームは、優先度の値（０〜７）を保持し、ＭＡＣレイヤに伝えられる。優先度の値に基づいて、フレームはＭＡＣレイヤで４つのＡＣに割り当てられる。音声ＡＣは優先度が最も高く、ビデオＡＣは優先度が２番目に高く、ベストエフォートＡＣは優先度が３番目に高く、バックグラウンドＡＣは優先度が最も低い。各ＡＣは、ＡＣ自体の送信キュー及びＡＣ自体のメディアアクセスパラメータのセットを有する。トラフィックの優先度の設定は、メディアアクセスパラメータ、すなわち、ＡＩＦＳ間隔、コンテンションウィンドウ（ＣＷ：Ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎ Ｗｉｎｄｏｗ）及び送信権（ＴＸＯＰ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ）を使用して、優先度の高いＡＣの方が優先度の低いＡＣより比較的多くのメディアアクセスの機会を有することを保障する。

一般に、フレーム送信間隔（ＡＩＦＳ：Ａｒｂｉｔｒａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｆｒａｍｅ Ｓｐａｃｅ）は、無線局がバックオフ又は送信する前に、メディアがアイドル状態であることを検出しなければならない時間間隔である。優先度の高いＡＣほど短いＡＩＦＳ間隔を使用する。コンテンションウィンドウ（ＣＷ、ＣＷ_min及びＣＷ_max）は無線局がメディアにアクセスできるまでのバックオフタイムスロットの数を示す。ＣＷは、最小値ＣＷ_minから開始して、最大値ＣＷ_maxに達するまで送信に失敗する度に２倍になる。つまり、ＣＷは送信が再試行制限を越えるまで最大値ＣＷ_maxを保持する。優先度順位の高いＡＣほど小さいＣＷ_min及びＣＷ_maxを使用する。ＴＸＯＰは、各ＡＣがメディアへのアクセスできた後に、フレーム送信が許可される最大持続時間を示す。衝突のオーバーヘッドを減少させるため、合計送信時間がＴＸＯＰの持続時間を越えない限り、取得した１つのＴＸＯＰの接続時間内で更に衝突することなく多数のフレームを送信できる。

二つの無線局が互いを監視できないことによって、無線局による送信が衝突する可能性を減少させるために、仮想キャリア検知メカニズムが標準に定義される。ある無線局がトランザクションを開始する前に、無線局は送信要求（ＲＴＳ：Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）と呼ばれる短い制御パケットを最初に送信する。この制御パケットは、送信元アドレス、宛先アドレス及び後続のトランザクションの持続時間（すなわちデータパケット及び各々のＡＣＫ）を含む。次に、宛先となる無線局は送信クリア（ＣＴＳ：Ｃｌｅａｒ ｔｏ Ｓｅｎｄ）と呼ばれる応答制御パケットで応答する（メディアが空いている場合）。この応答制御パケットは、同じ持続時間の情報を含める。ＲＴＳ及び／又はＣＴＳを受信した全ての無線局は、仮想キャリア検知インジケータを設定する。すなわち、任意の持続時間についてネットワーク割り当てベクトル（ＮＡＶ：Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ Ｖｅｃｔｏｒ）を設定してメディアを検出するときに、物理キャリア検知とともにＮＡＶを使用する。仮想キャリア検知メカニズムは、ＲＴＳ送信の短い持続時間の間、送信局から「隠れている」無線局による受信側領域での衝突の可能性を減少させるが、これは無線局がＣＴＳを監視し、トランザクション終了までメディアを使用中として「予約」することによる。ＲＴＳの持続時間の情報によって応答した無線局の範囲外にある無線局によるＡＣＫの間に発生する衝突から送信側を保護する。ＲＴＳ及びＣＴＳは短いフレームであるため、これらのフレームはデータパケット全体が送信される場合よりも速く認識されるので（データパケットがＲＴＳより大きいと仮定する）、仮想キャリア検知メカニズムは、衝突のオーバーヘッドを減少させる。仮想キャリア検知メカニズムの規格では、短いデータパケット、すなわち、ＲＴＳ閾値より短いパケットについては、ＲＴＳ／ＣＴＳのトランザクションなしで送信することができる。

これらのメディアアクセスパラメータを用いて、ＥＤＣＡは次のように動作する。送信局が何らかの送信を開始する前に、送信局は、最初に少なくともＡＩＦＳ間隔の間、チャネルが物理的及び仮想的にアイドル状態であることを検出する必要がある。ＡＩＦＳ間隔の後にチャネルが依然としてアイドル状態であれば、送信局はバックオフカウンタを使用してバックオフ手続を呼び出し、ランダムな数のバックオフ時間スロットをカウントダウンする。送信局はチャネルがアイドル状態であると検出される限り、バックオフカウンタを１ずつデクリメントする。バックオフカウンタがゼロに達すると、送信局はＲＴＳ送信を開始し、受信局からのＣＴＳ送信を待つ。送信局が受信局からのＣＴＳ送信を受信すると、送信局はトランザクションを開始する。無線局は、合計送信時間がＴＸＯＰ持続時間を越えない限り、競合することなく、複数のフレームを送信できる。

バックオフ手続を呼び出し中に、送信局でチャネルが使用中であると検出した場合、送信局は、現在のバックオフ手続を中断して、再びＡＩＦＳ間隔の間、チャネルがアイドル状態であると検出されるまで、バックオフカウンタを一時停止する。ＡＩＦＳ間隔の後に、チャネルが依然としてアイドル状態であれば、送信局は、残っているバックオフカウンタのデクリメントを再開する。送信が失敗する度に、ＣＷ_maxに達するまでＣＷを２倍にする。送信が成功した後には、ＣＷをＣＷ_minにする。各ＡＣについてＱｏＳ制御のレベルは、メディアアクセスパラメータ及びネットワーク内で競合する無線局数の組み合わせにより決定される。

非ＡＰＱｏＳ無線局（ＱＳＴＡｓ：Ｎｏｎ−ＡＰ ＱｏＳ Ｓｔａｔｉｏｎｓ）で使用されるＥＤＣＡパラメータのデフォルト値は以下の表のように識別される。ＴＸＯＰ＿Ｌｉｍｉｔ値が０というのは、単一のＭＡＣサービスデータユニット（ＭＳＤＵ：ＭＡＣ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｄａｔａ Ｕｎｉｔ）又はＭＡＣプロトコルデータユニット（ＭＰＤＵ：ＭＡＣ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｄａｔａ Ｕｎｉｔ）が交換するＲＴＳ／ＣＴＳ又は、自身へのＣＴＳに加えて、それぞれのＴＸＯＰにおける任意の速度で送信できることを表す。

ＩＥＥＥ８０２．１１ｅは、最初のＩＥＥＥ８０２．１１によるメディアアクセス制御を拡張しているが、包括的にＱｏＳをサポートするために、多数の解決すべき課題が存在する。例えば、前述したように、合計送信時間がＥＤＣＡ ＴＸＯＰ持続時間を越えない限り競合することなく、取得したＥＤＣＡ ＴＸＯＰ接続時間の一つを使用して、複数のフレームを送信することができる。図１は、従来技術による複数フレームの送信トランザクションの図１００であり、単一のＴＸＯＰ持続時間の間における多数のトランザクションである（ＩＥＥＥ８０２．１１ｅの規格においてＥＤＣＡ競合なしバースト（ＣＦＢ：Ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎ Ｆｒｅｅ Ｂｕｒｓｔ）と一般に呼ばれる。図１に示されるように、静的なＴＸＯＰ持続時間１２５の間、送信側１１０は３個のフレーム、すなわち、フレーム１０５ａ〜１０５ｃを受信側１１５へ送信可能である（受信側の確認応答、すなわち、ＡＣＫ１２０ａ〜１２０ｃを含む）。ＴＸＯＰ持続時間は、ビデオ通信の特性とは関係無く静的である。これは固定ビットレート（ＣＢＲ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｂｉｔ Ｒａｔｅ）通信では効率的だが（一定のフレームサイズと到着時刻を示す）、可変ビットレート（ＶＢＲ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｂｉｔ Ｒａｔｅ）通信に対しては効率的ではない。例えば、多くのリアルタイムビデオアプリケーション、例えば、ビデオ会議又はビデオストリーミングは、時間変動のフレームサイズと到着時刻を示す。十分なＥＤＣＡ ＴＸＯＰ持続時間がない場合、スループット低下、遅延時間増大又は送信側バッファのオーバフローによるパケットロス増加等が起こる。任意の長いＥＤＣＡ ＴＸＯＰ持続時間は、多くのビデオフレーム送信をサポートできるが、許容される無線局の少なさからネットワーク容量が減少する。

そこで、無線ＬＡＮにおいて、特にＶＢＲ送信用にＱｏＳサポートを増加させるためのシステム及び方法が必要とされる。

本発明の代表的な一形態によると、時間的に変化するＶＢＲ送信で静的なＴＸＯＰ持続時間の課題を解決するため、適応型ＥＤＣＡアルゴリズムは、アクセスカテゴリ（ＡＣ）例えばビデオアクセスカテゴリについて、現在の送信キュー長及び少なくとも一つの予測される到着フレームサイズに基づいて、動的にＥＤＣＡ ＴＸＯＰ持続時間を調整する。適応型ＥＤＣＡアルゴリズムは、ネットワーク容量を劣化させることなく（例えばネットワークに受け入れられる無線局数）、限られたバンド幅のネットワークにおけるスループット、遅延及びビット誤り率に関して送信のＱｏＳを改善できる。

また、本発明の他の実施形態によると、送信キューに特定のアクセスカテゴリについて少なくとも一つのフレームをバッファするステップと、無線メディアへアクセスするために競合に基づいた手続を実行するステップと、送信キューにある前記少なくとも一つのフレームサイズを計算するステップと、前記無線メディア上で送信キューにある前記少なくとも一つのフレームの送信中に前記送信キューに到着すると予想される将来の少なくとも一つのフレームサイズを予測するステップと、前記送信キューにある前記少なくとも一つのフレームサイズ及び前記少なくとも一つの予測された将来のフレームサイズに基づいてＭＡＣレイヤ時間値を調整するステップとを含む方法を提供する。

アクセスカテゴリはビデオアクセスカテゴリを含む。少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測するステップは到着フレームの既知のパターンを使用し当該パターンに基づいて前記少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測するステップを含む。前記少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測するステップは時間領域予測アルゴリズムを使用するステップを含む。前記少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測するステップはウェーブレット領域予測アルゴリズムを使用する。前記少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測するステップはフレームのタイプに基づいてフレームサイズを予測するステップを含む。フレームのタイプはＭＰＥＧフレームを含む。ＭＡＣレイヤ時間値はＴＸＯＰを含む。本方法はさらに送信キューにある前記少なくとも一つのフレームサイズ及び前記少なくとも一つの将来のフレームサイズを加算して合計を生成し、合計を推定送信時間に変換するステップを含む。また、本方法は送信オーバーヘッド時間を用いるステップを含む。

さらに別の実施形態によると、本発明は特定のアクセスカテゴリについて少なくとも一つのフレームをバッファするための送信キューと、無線メディアへアクセスするための競合に基づいた手続を実行するための競合部と、送信キューにある前記少なくとも一つのフレームサイズを計算するためのキュー長部と、無線メディア上へ前記送信キューにある少なくとも一つのフレームの送信中に送信キューへ到着すると予測される少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測するためのフレームサイズ予測部と、送信キューにある前記少なくとも一つのフレームサイズ及び前記少なくとも一つの予測された将来のフレームサイズに基づいてＭＡＣレイヤ持続時間値を調整するための調整部とを含むシステムを提供する。

アクセスカテゴリはビデオアクセスカテゴリを含む。フレームサイズ予測部は到着フレームの既知のパターンを用い当該パターンに基づいて前記少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測する。フレームサイズ予測部は時間領域予測アルゴリズムを使用する。フレームサイズ予測部はウェーブレット領域予測アルゴリズムを使用する。フレームサイズ予測部はフレームのタイプに基づいてフレームサイズを予測する。フレームのタイプはＭＰＥＧフレームを含む。ＭＡＣレイヤ時間値はＴＸＯＰを含む。本システムはさらに送信キューにある前記少なくとも一つのフレームサイズ及び前記少なくとも一つの将来のフレームサイズを加算して合計を生成するための加算部と、合計を推定送信時間に変換するための予測部とを含む。予測部は送信オーバーヘッド時間を用いる。

さらに別の実施形態によると、本発明は送信キューにある特定のアクセスカテゴリについて少なくとも一つのフレームをバッファするための手段と、無線メディアへアクセスするための競合に基づいた手続を実行するための手段と、送信キューにある前記少なくとも一つのフレームサイズを計算するための手段と、無線メディア上へ前記送信キューにある少なくとも一つのフレームの送信中に送信キューへ到着すると予想される少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測するための手段と、送信キューにある少なくとも一つのフレームサイズ及び前記少なくとも一つの予測された将来のフレームサイズに基づいてＭＡＣレイヤ時間値を調整するための手段とを含むシステムを提供する。

適応型ＥＤＣＡアルゴリズムが現在の送信キュー長及びアクセスカテゴリ（ＡＣ）、例えばビデオアクセスカテゴリ等の予測される少なくとも一つの到着フレームサイズに基づいて、ＥＤＣＡ ＴＸＯＰ持続時間を動的に調整することによって、適応型ＥＤＣＡアルゴリズムは、ネットワーク容量を減少させることなく（例えばネットワークで受け入れ可能な無線局数）、限られた帯域幅のネットワークにおいて高スループット、低遅延及び低ビット誤り率を実現できる。

以下の説明は、当業者が本発明を実施し使用することができるように提供され、特定の用途及びその要件に関連して提供されるものである。実施形態に対する様々な変更が当業者には可能であり、本明細書で定義される一般原理は、これら及びその他の実施形態並びに用途へ、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく適用される。つまり、本発明は図示した実施形態に制限されることを意図するものではなく、本明細書に開示される原理、特徴及び教示と整合する最大範囲に認容されるべきものである。

時間とともに変化するＶＢＲ送信において静的なＴＸＯＰ持続時間の課題を解決するために、実施形態において、適応型ＥＤＣＡアルゴリズムが現在の送信キュー長及びアクセスカテゴリ（ＡＣ）、例えばビデオアクセスカテゴリ等の予測される少なくとも一つの到着フレームサイズに基づいて、ＥＤＣＡ ＴＸＯＰ持続時間を動的に調整する。適応型ＥＤＣＡアルゴリズムはネットワーク容量を減少させることなく（例えばネットワークに受け入れ可能な無線局数）限られたバンド幅のネットワークにおいてのスループット、遅延及びビット誤り率に関して送信のＱｏＳを改善する。

図２Ａは本発明の実施形態の適応型ＴＸＯＰメカニズムによる単一のＡＣでのＭＡＣレイヤのアーキテクチャ２００を示すブロック図である。アーキテクチャ２００は、単一のＡＣ、例えばビデオＡＣでの上位レイヤ処理部２０２及びＭＡＣレイヤ処理部２０４を含む。

上位レイヤ処理部２０２は、全ての種類のフレーム、例えばデータフレーム、オーディオフレーム又はビデオフレーム等を生成する。上位レイヤ処理部２０２は、フレームを８つの優先度レベルに分類して、特定のＡＣのフレーム、例えばフレーム２０６をそのＡＣのＭＡＣレイヤ処理部２０４へ転送する。これ以外に、フレームはＭＡＣレイヤ処理部２０４内部で優先度レベルに基づいて分割することができる。フレーム２０６はビデオフレームを含み、ビデオフレームはＩ、Ｐ及びＢフレームを含む。ＭＡＣレイヤ処理部２０４はビデオＡＣ専用である。

特定のＡＣのためのＭＡＣレイヤ処理部２０４は、ＡＣ送信キュー２０８を含み、キュー２０８は、例えばＦＩＦＯバッファへ、上位レイヤ処理部２０２からのフレーム２０６を受信してバッファする。ＭＡＣレイヤ処理部２０４は、ＡＣ送信キュー２０８に結合された競合調停部２１０も含む。ＡＣ送信キュー２０８が少なくとも一つのフレーム２０６を受信すると、競合調停部２１０は、例えばＡＩＦＳ又はＣＷ等、ＥＤＣＡ競合調停手続を開始して無線メディアへのアクセスを取得する。メディアへのアクセスができるようになると、競合調停部２１０はＴＸＯＰ、ＮＡＶ又はＲＴＳ／ＣＴＳ等に関連する転送手続を開始する。

また、ＭＡＣレイヤ処理部２０４は、キュー長判定部２１２及びフレーム長予測部２１４も含む。キュー長判定部２１２はＡＣ送信キュー２０８を監視して、無線メディア上へ転送準備ができているフレーム２０６のサイズを判定する。例えば、フレーム２０６がＡＣ送信キュー２０８で保留されている場合、キュー長判定部２１２はフレームサイズを加算する。フレーム長予測部２１４は、送信セッション中にＡＣ送信キュー２０８へ到着すると予想される少なくとも次のフレーム２０６のサイズを予測する。フレーム長予測部２１４は、例えば静的なＭＰＥＧのＧｏＰパターン等において、到着するフレーム２０６のパターン２１６が分かる。各種類の例えば、後述するＩフレーム、Ｐフレーム及びＢフレームのＡＣ送信キュー２０８へ到着するフレーム２０６のサイズをモニターする。

フレーム長予測部２１４は、過去及び現在のフレーム２０６のサイズを用いて、次に到着するフレーム２０６のサイズを予測することができる。例えば、現在のビデオ状態がかなり複雑な場合、ＡＣ送信キュー２０８にある過去及び現在のＩフレーム２０６は大きいので、次に到着するＩフレームも大きいであろうと予測される。例えば、到着するＩフレーム２０６の予測サイズは、過去のＩフレーム２０６から平均して求めることができる。別の例では、到着するフレーム２０６の予測サイズは時間領域又はウェーブレット領域のＮＬＭＳアルゴリズムに基づいて求まる。時間領域又はウェーブレット領域のアルゴリズムについては、後述する図６でウェーブレット領域のＮＬＭＳアルゴリズムを用いた例について説明する。

また、ＭＡＣレイヤ処理部２０４は、加算ブロック２１８、ＥＤＣＡ ＴＸＯＰ推定部２２０及びＴＸＯＰ調整部を含む。加算ブロック２１８は、キュー長判定部２１２によって決定されたＡＣ送信キュー２０８のキュー長及びフレーム長予測部２１４によって決定された予測到着フレーム２０６を合計する。ＥＤＣＡ ＴＸＯＰ推定部２２０は、送信キュー長及び予測到着フレーム２０６長の合計フレームサイズを全てのオーバーヘッド時間（例えばＲＴＳ／ＣＴＳ及び全てのＡＣＫ）を含む送信持続時間に変換して適応型ＴＸＯＰ（ＡＴＸＯＰ：Ａｄａｐｔｉｖｅ ＴＸＯＰ）持続時間値を生成する。変換には無線メディアの予測転送スピードを用いる。ＴＸＯＰ調整部２２２は、ＭＡＣレイヤ処理部２０４にあるＴＸＯＰの値を調整する。

キュー長の決定、将来のフレーム長予測、ＴＸＯＰの推定、及び／又はＴＸＯＰの調整は、連続して動作することができ、競合調停部２１０からの要求時又は競合調停部２１０によるＲＴＳ送信の認識後等に開始することができる。

図２Ｂは本発明のＭＰＥＧ−１の実施形態によるＭＡＣレイヤビデオＡＣの構造を示すブロック図２５０である。図２Ｂのブロック図について説明する前に、まずＭＰＥＧ−１をについて簡単に説明する。ビデオ信号を一定のピクチャ（フレーム）レートに圧縮するＭＰＥＧエンコーダは、可変ビットレートで符号化ストリームを生成する。圧縮中に３種類のフレーム、すなわち、Ｉフレーム（イントラフレーム）、Ｐフレーム（予測フレーム）及びＢフレーム（双方向予測フレーム）が生成され、各々は異なる符号化方法を用いる。ＩフレームはＰフレームより多くのビットを有し、ＰフレームはＢフレームより多くのビットを有する。符号化の後、各フレームは、グループオブピクチャ（ＧＯＰ：Ｇｒｏｕｐ ｏｆ Ｐｉｃｔｕｒｅｓ）と呼ばれる定められた周期シーケンス、例えばＩＢＢＰＢＢＰＢＢＰＢＢに配列される。図３は、配列が長さ１２のＩＢＢＰＢＢＰＢＢＰＢＢＩ（第２のＩフレームは第２のＧＯＰのはじまりである）となっているＧＯＰのパターン３００の例を示す。

Ｉ、Ｐ及びＢフレームの圧縮レートが異なる結果、ＭＰＥＧビデオストリームは大きく変動する時系列になる。図４は図３に示したフレームの繰り返しシーケンス例（フレーム番号４１２による）でのフレームサイズ４０２の例である。この例では、Ｉフレーム４０４は３３キロバイトから３６キロバイトの間で可変するフレームサイズを有する。Ｐフレーム４０６は１５キロバイトから１８キロバイトの間で可変するフレームサイズを有する。Ｂフレーム４０８は８から１３キロバイトの間の可変フレームサイズを有する。フレーム１〜１２は、繰り返されるフレームパターンの最初のグループオブピクチャ（ＧＯＰ）４１０を構成する。

ＭＡＣレイヤビデオＡＣのブロック図２５０は、ビデオＡＣ送信キュー２５８を含む。ビデオＡＣ送信キュー２５８は、ＭＰＥＧ−１符号化ビデオストリームフレーム２５６（例えばＩ、Ｐ及びＢフレーム）を上位レイヤ処理部２５２から受信する。ビデオアクセスカテゴリ競合部２６０は、例えばＡＩＦＳ又はＣＷを含むＥＤＣＡ競合調停手続を実行する。

本発明の実施形態で、ビデオアクセスカテゴリ競合部２６０が競合に勝つと、ビデオアクセスカテゴリ競合部２６０は持続時間計算／予測部を起動する。

本発明の実施形態で、持続時間計算／予測部は、受信キュー長判定部２６２及びフレームサイズ予測部２６４を含む。受信キュー長判定部２６２は、ビデオＡＣ送信キュー２５８に保留されているフレームの送信キュー長を決定する。フレームサイズ予測部２６４は、上位レイヤ処理部２５２から次に到着するフレームサイズを予測する。

フレームサイズ予測部２６４は、３種類の特定のフレームのタイプに、専用の３個のフレームサイズ予測部２６４、すなわち、Ｉフレーム予測部２６６、Ｐフレーム予測部２６８及びＢフレーム予測部２７０を含む。Ｉフレーム予測部２６６は、ビデオＡＣ送信キュー２５８にある過去及び現在のＩフレーム２５６のＩフレームサイズの情報を受け取り、次に到着するＩフレームの予測Ｉフレームサイズを生成する。Ｐフレーム予測部２６８は、ビデオＡＣ送信キュー２５８にある過去及び現在のＰフレーム２５６のＰフレームサイズの情報を受け取り、次に到着するＰフレームの予測Ｐフレームサイズを生成する。Ｂフレーム予測部２７０は、ビデオＡＣ送信キュー２５８にある過去及び現在のＢフレーム２５６のＢフレームサイズの情報を受け取り、次に到着するＢフレームの予測Ｂフレームサイズを生成する。

本発明の実施形態で、フレームサイズ予測部２６４が、Ｉフレーム、Ｐフレーム及びＢフレームの予測をそれぞれ分離しているのは、異なるフレームのタイプが異なる統計的特性を有するためである。良好な予測結果を得るためには、差分予測を用いて変動雑音を補償する。フレームサイズ予測部２６４はビデオフレームの既知のパターン、例えば静的なＭＰＥＧのＧＯＰパターンを用いて、次のビデオフレームサイズを推定する。ＭＰＥＧ−１のＧＯＰは、Ｉ、Ｐ及びＢフレームの決定パターンを有するので、フレームのパターンは次のビデオフレームのタイプ及びビデオサイズの予測に利用できる。

加算部２７４は、受信キュー長判定部２６２によって決定されたビデオＡＣ送信キュー２５８にあるフレーム２５６の長さ及びフレームサイズ予測部２６４によって予測された次に到着するフレーム２５６の長さを加算する。ＥＤＣＡ ＴＸＯＰ推定部２７６は、加算部２７４から加算情報を受け取り、適応型ＴＸＯＰ（ＡＴＸＯＰ）持続時間値を生成する。ＥＤＣＡ ＴＸＯＰ推定部２７６は、ＲＴＳ、ＣＴＳ及びＡＣＫ等を含む全てのオーバーヘッド時間を用いてＡＴＸＯＰ持続時間値を生成する。ＴＸＯＰ調整部２７８は、ＥＤＣＡ ＴＸＯＰ推定部２７６からＡＴＸＯＰ持続時間値を受け取り、ＴＸＯＰを調節する。

フレームサイズ予測部２６４は、平均法、時間領域又はウェーブレット領域の手法を適用することができる。ＬＭＳ予測アルゴリズムの例及びウェーブレット領域予測アルゴリズムの例を以下で説明する。ウェーブレット領域予測アルゴリズムの例は図６を参照して説明する。

図５は本発明の実施形態による適応型ＥＤＣＡ ＴＸＯＰ持続時間の間の複数フレームの送信トランザクションのタイミング図５００である。タイミング図５００では、４フレームのトランザクション、すなわち、単一の適応型ＴＸＯＰ（ＡＴＸＯＰ）持続時間５１５の間に発生するフレーム１、フレーム２、フレーム３及びフレーム４について送信側５０５の事象と受信側５１０の事象を示す。図５で示されているように、ＥＤＣＡ ＡＴＸＯＰ持続時間５１５は送信キューの３個のフレームを送信するための送信時間５２０（すなわちフレーム１、フレーム２及びフレーム３と各々のＡＣＫ）と、予測された次に到着するフレーム（すなわちフレーム４とそのＡＣＫ）を送信するための送信時間５２５とに分割できる。

上述したように、ビデオ予測部２２５は、ＬＭＳ予測アルゴリズム又はウェーブレット領域予測アルゴリズムを適用することができる。

ＬＭＳ予測器：ｋステップ先のＬＭＳ線形予測アルゴリズムは、ｘ（ｎ）の現在及び過去の値の線形結合に基づいてｘ（ｎ＋ｋ）を推定することを含む。ｐ次予測器を、以下のように表すことができる。

ここで、Ｗ_nは、時間で変化し且つ

である場合に平均二乗誤差ξを最小化することにより更新される予測係数ベクトルである。Ｘ（ｎ）、Ｗ_n及びｅ（ｎ）は、μがステップサイズである場合、数式３〜数式６に定義される。

正規化ＬＭＳ（ＮＬＭＳ：Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ＬＭＳ）はＬＭＳを変更したものであり、ここで、Ｗ_n+1は、‖Ｘ（ｎ）‖²＝Ｘ（ｎ）^T Ｘ（ｎ）である場合、

として更新される。時刻ｎにおいて、ｅ（ｎ）を計算するためにｘ（ｎ＋ｋ）の値は利用できないため、数式７の代りにｅ（ｎ−ｋ）を使用する。

ウェーブレット領域ＮＬＭＳ予測器：トラフィック解析のためにウェーブレット変換を使用することができる。ウェーブレット変換は、適応予測と結合された場合、時間領域変換に比べて利点を示す。基本的に、解析するウェーブレットファミリ自体のスケールが不変である特徴、すなわち他の解析方法には共有されない特性を有する。

ビデオフレームを分解するために、アトゥルーウェーブレット変換を使用してもよい。アトゥルーハール変換は、そのままの近似及び詳細な情報を生成するために、ダウンサンプリング効果を除去することにより冗長情報を利用する。アトゥルーウェーブレット変換を使用して、スケールｊにおけるスケーリング係数を以下のように取得することができる。

ここで、１≦ｊ≦Ｊであり、ｈは、コンパクトな台を持つローパスフィルタである。スケールｊにおけるウェーブレット係数を、信号の連続する平滑化されたバージョンの差を

としてとることによって得ることができる。ベクトル

は、分解レベルＪまでの信号のアトゥルーウェーブレット変換を表す。信号を、ウェーブレット係数とスケーリング係数との線形結合として再構成することができる。

Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓファミリのウェーブレットフィルタ、Ｂ３スプラインフィルタ等の多くのウェーブレットフィルタが利用可能である。ここでは、アトゥルーウェーブレット変換を実装するためにハールウェーブレットフィルタを選択する。ハールウェーブレットフィルタを選択する主な理由は、任意の時刻ｔにおいて、スケーリング係数及びウェーブレット係数を計算するために時刻ｔの後の情報が使用される必要がない（これは、時系列予測における望ましい特徴である）ためである。ハールウェーブレットは、単純なフィルタｈ＝（１／２；１／２）を使用する。より高いスケールでのスケーリング係数を、より低いスケールでのスケーリング係数から容易に取得することができる。

実施の形態では、ウェーブレット領域ＮＬＭＳ予測方式は、まず、ビデオフレームをＩサブグループ、Ｐサブグループ及びＢサブグループに分離し、アトゥルーハールウェーブレット変換を使用して各サブグループを異なるスケールに分割する。そして、各スケールにおいてウェーブレット係数及びスケーリング係数が個々に予測される。最後に、元のフレームの予測された値は、予測されたウェーブレット係数とスケーリング係数との和として構成することができる。係数の予測は以下のように表すことができる。

ここで、ＮＬＭＳはＮＬＭＳ予測器を表し、次数はＮＬＭＳ予測器の長さである。図５は、本発明の実施の形態によるウェーブレット分解及び係数予測メカニズム５００のアーキテクチャの例を示す。

ウェーブレット領域ＮＬＭＳ予測を使用することは、その時間領域を用いた予測に比較して利点を有するということが当業者には理解できる。例えば、ＮＬＭＳ予測は、ウェーブレット変換と結合した場合、異なる時間のスケールにおける相関構造の利用を可能にし、これは、時間領域では容易に検査することができない。また、ウェーブレット変換を使用することにより、ＮＬＭＳ予測が、時間領域の変換より高速に収束するのが容易になる。その結果、ウェーブレット領域ＮＬＭＳ予測アルゴリズムは、計算の複雑性が低く、より適切な精度を達成することができる。

図７は、本発明の実施形態によるトラフィック予測を用いた適応型ＥＤＣＡの処理７００を示すフローチャートである。まず処理７００は、ステップ７０５で、ＭＡＣレイヤが優先度レベル付きの到着フレームを受信することによって開始する。ＭＡＣレイヤは、ステップ７１０で優先度レベルに基づいて、到着フレームをトラフィックカテゴリにグループ分けする。ＡＣ送信キュー２０８、例えばビデオＡＣ送信キュー２５８は、ステップ７１５でＡＣフレーム２０６、例えばビデオフレーム２５６をバッファする。競合調停部２１０、例えばビデオアクセスカテゴリ競合部２６０は、ステップ７２０で競合調停手続を実行して無線メディアへのアクセスの競合を調停する。キュー長判定部２１２、例えば受信キュー長判定部２６２は、ステップ７２５で送信キュー２０８にあるフレームサイズを計算する。フレーム長予測部２１４、例えば将来のビデオフレームサイズ予測部２６４は、ステップ７３０で次に到着するフレームサイズを予測する。なお、ステップ７３０は、到着フレームの既知のパターン２１６、例えばＭＰＥＧ−１フレームのＧＯＰパターンを用いて、次のフレームのタイプを予測する。また、ステップ７３０は、フレームのタイプに基づいてフレームサイズ予測を実行する。例えば、Ｉフレームサイズ予測部２６６、Ｐフレームサイズ予測部２６８及びＢフレームサイズ予測部２７０を用いる。加算ブロック２１８、例えば加算ブロック２７４は、ステップ７３５で送信キューのサイズと予測された将来のフレームサイズとを合計する。ＥＤＣＡ ＴＸＯＰ推定部２２０、例えばＥＤＣＡ ＴＸＯＰ推定部２７６は、ステップ７４０で合計フレームサイズをＡＴＸＯＰ持続時間に変換する。なお、ステップ７４０は、無線メディアの平均、現在、ネゴシエーション、セット及びその他の送信速度に基づいて変換係数を用いる。また、ステップ７４０は、フレームサイズの予測が幾らか低い場合に、推定された持続時間に余分な時間を少し追加する。ＴＸＯＰ調整部２２２、例えばＴＸＯＰ調整部２７８は、ステップ７４５で推定された持続時間に基づいてＭＡＣレイヤのＴＸＯＰ値を調整する。そして、処理７００は終了する。

上記システム及び方法は、適応型ＴＸＯＰ持続時間について説明したが、その他のＥＤＣＡパラメータを代わりに及び／又は追加して適応できることが当業者には理解できる。また、上記システム及び方法は、単一の将来フレームを予測するとして説明したが、その他の実施形態で一つ又はそれ以上の将来のフレームサイズに基づいてＴＸＯＰ及び／又はその他のＥＤＣＡパラメータを変更できることが当業者には理解できる。

図８は、コンピュータシステム８００の詳細を示すブロック図であり、各無線局はその一例であってもよい。コンピュータシステム８００は、例えば通信チャネル８２０に接続されたＩｎｔｅｌ Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）マイクロプロセッサ又はＭｏｔｏｒｏｌａ Ｐｏｗｅｒ ＰＣ（登録商標）マイクロプロセッサ等のプロセッサ８０５を含む。コンピュータシステム８００は、更にキーボード又はマウス等の入力デバイス８１０、例えばブラウン管ディスプレイ等の出力デバイス８１５、通信デバイス８２５、磁気ディスク等のデータ記憶装置８３０及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等のメモリ８３５を含み、各々通信チャンネル８２０に接続されている。通信インタフェース８２５は一般にインターネットと呼ばれる広域ネットワークなどのネットワークへ接続されてもよい。データ記憶装置８３０及びメモリ８３５は、別のユニットであるように示されているが、データ記憶装置８３０及びメモリ８３５は同一ユニットの部分、分散ユニット、仮想メモリ又はその他であってもよいことを当業者には理解できる。

データ記憶装置８３０及び／又はメモリ８３５は、例えばＭｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ（登録商標、以下同じ）又はＷｉｎｄｏｗｓ９５オペレーティングシステム（ＯＳ）、ＩＢＭ（登録商標） ＯＳ／２オペレーティングシステム、ＭＡＣ ＯＳ、又はＵＮＩＸ（登録商標）オペレーティングシステム等のオペレーティングシステム８４０及び／又はその他のプログラム８４５を格納することができる。好適な実施形態は、前述した以外のプラットホーム及びオペレーティングシステム上に実装してもよい。実施形態は、ＪＡＶＡ（登録商標）言語、Ｃ言語、及び／又はＣ＋＋言語、又はその他のプログラミング言語を使用して、場合によってはオブジェクト指向プログラミング手法を使用して記述してもよい。

コンピュータシステム８００は、追加の情報、ネットワーク接続、追加メモリ、追加のプロセッサ、ＬＡＮ、ハードウェアチャネル、インターネット、又はイントラネット上で情報を転送するための入出力ラインなども含むことができることは当業者には理解できる。プログラム及びデータは、これ以外の方法でシステムにより受信されて格納されることも当業者には理解できる。コンピュータで読み取り可能な記憶媒体（ＣＲＳＭ）読み取り装置８５０、例えば磁気ディスクドライブ、ハードディスクドライブ、光磁気読み取り装置又はＣＰＵ等が、コンピュータで読み取り可能な記憶媒体（ＣＲＳＭ）８５５、例えば磁気ディスク、ハードディスク、光磁気ディスク又はＲＡＭ等に接続される。したがって、コンピュータシステム８００は、ＣＲＳＭ読み取り装置８５０を経由して、プログラム及び／又はデータを受信することができる。更に、本明細書で用いている「メモリ」という用語は、永久又は一時的いずれかに関わらず全てのデータ記憶媒体を包含することが意図されている。

本発明の好適な実施形態についての前述の説明は、一例に過ぎず、上述した実施形態及び方法のその他の変形及び変更が前述した開示に鑑みて可能である。ネットワークサイトは別個の独立したサイトとして説明しているが、これらのサイトは統合サイトの一部であってもよく、各々が複数サイトの部分を含んでもよく、又は単一及び複数サイトの組み合わせを含んでもよいことが当業者には理解できる。本明細書で説明した各種実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、又はこれらの所望の組み合わせを用いて実施をしてもよい。これに関して、本明細書で説明した各種機能を実施することが可能な任意の種類の論理を利用してもよい。プログラムされた汎用デジタルコンピュータを用いて、特定用途向けの集積回路を用いて、又は相互接続された在来の構成要素及び回路のネットワークを用いて構成要素を実施してもよい。接続は有線、無線又はモデム等であってもよい。本明細書で説明した実施形態は、網羅的又は制限的なものとすることを意図していない。

デフォルトのＥＤＣＡ ＴＸＯＰウィンドウ中の複数フレーム送信トランザクションのタイミング図である。 本発明の実施形態によるアクセスカテゴリについて適応型ＥＤＣＡメカニズムを実現するＭＡＣレイヤのアーキテクチャを示すブロック図である。 は本発明のＭＰＥＧの実施形態によるビデオアクセスカテゴリについての適応型ＥＤＣＡメカニズムを実現するＭＡＣレイヤのアーキテクチャを示すブロック図である。 Ｉフレーム、Ｐフレーム及びＢフレームのシーケンス例を示す図である。 図３のＩフレーム、Ｐフレーム及びＢフレームのシーケンスに対するフレームサイズの例を示すグラフである。 本発明の実施形態による適応型ＥＤＣＡ ＴＸＯＰウィンドウ間の複数フレーム送信トランザクションのタイミング図である。 本発明の実施形態によるウェーブレット領域ＮＬＭＳ予測子の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態によるトラフィック予測を用いた適応型ＥＤＣＡの方法を示すフローチャートである。 コンピュータシステムのブロック図である。

Claims (21)

1. 送信キューにある特定のアクセスカテゴリについて少なくとも一つのフレームをバッファするステップと、
   無線メディアへアクセスするため競合に基づいた手続を実行するステップと、
   前記送信キューにある前記少なくとも一つのフレームサイズを計算するステップと、
   前記無線メディアへの前記送信キューにある前記少なくとも一つのフレームの送信中に前記送信キューに到着すると予想される少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測するステップと、
   前記送信キューにある前記少なくとも一つのフレームサイズ及び前記少なくとも一つの予測された将来のフレームサイズに基づいてＭＡＣレイヤ時間値を調節するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記アクセスカテゴリはビデオアクセスカテゴリを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測するステップは、到着フレームの既知のパターンを使用し、前記パターンに基づいて前記少なくとも一つの将来のフレームサイズを推定するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測するステップは、時間領域予測アルゴリズムを適用することを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測するステップは、ウェーブレット領域予測アルゴリズムを適用することを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 前記少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測するステップは、フレームのタイプに基づいてフレームサイズを予測することを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
7. 前記フレームのタイプはＭＰＥＧフレームを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記ＭＡＣレイヤ時間値はＴＸＯＰを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記送信キューにある前記少なくとも一つのフレームサイズ及び前記少なくとも一つの予測された将来のフレームサイズを加算して合計を生成するステップと、前記合計を推定送信時間に変換するステップ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。
10. 送信オーバーヘッド時間を用いるステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 特定のアクセスカテゴリについて少なくとも一つのフレームをバッファするための送信キューと、
    無線メディアへのアクセスのために競合に基づいた手続を実行するための競合部と、
    前記送信キューにある前記少なくとも一つのフレームサイズを計算するためのキュー長部と、
    前記送信キューにある前記少なくとも一つのフレームの前記無線メディアへの送信中に前記送信キューへ到着すると予想される少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測するためのフレームサイズ予測部と、
    前記送信キューにある前記少なくとも一つのフレームサイズ及び前記少なくとも一つの予測された将来のフレームサイズに基づいてＭＡＣレイヤ持続時間値を調節するための調節部と、
    を含むことを特徴とするシステム。
12. 前記アクセスカテゴリはビデオアクセスカテゴリを含むことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 前記フレームサイズ予測部は到着フレームの既知のパターンを使用して前記パターンに基づき前記少なくとも一つの将来のフレームサイズを推定することを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 前記フレームサイズ予測部は時間領域予測アルゴリズムを適用することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 前記フレームサイズ予測部はウェーブレット領域予測アルゴリズムを適用することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
16. 前記フレームサイズ予測部はフレームのタイプに基づいてフレームサイズを予測することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
17. 前記フレームのタイプはＭＰＥＧフレームを含むことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
18. 前記ＭＡＣレイヤ時間値はＴＸＯＰを含むことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
19. 前記送信キューにある前記少なくとも一つのフレームサイズ及び前記少なくとも一つの将来のフレームサイズを加算して合計を生成するための加算部と、前記合計を推定送信時間に変換するための推定部とをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
20. 前記推定部は送信オーバーヘッド時間を用いることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
21. 送信キューにある特定のアクセスカテゴリについて少なくとも一つのフレームをバッファするための手段と、
    無線メディアへのアクセスのために競合に基づいた手続を実行するための手段と、
    前記送信キューにある前記少なくとも一つのフレームサイズを計算するための手段と、
    前記無線媒体への前記送信キューにある前記少なくとも一つのフレームの送信中に前記送信キューへ到着すると推定される少なくとも一つの将来のフレームサイズを予測するための手段と、
    前記送信キューにある前記少なくとも一つのフレームサイズ及び前記少なくとも一つの予測された将来のフレームサイズに基づいてＭＡＣレイヤ時間値を調節するための手段と、
    を含むことを特徴とするシステム。

Images