JP2008503965A - データ送信効率を上げたスーパーフレーム - Google Patents

Abstract

ＴＤＤ／ＴＤＭＡ無線スーパーフレームは、複数のＯＦＤＭシンボルを有するスロットを含む。ガード・タイム・インターバルが、ＯＦＤＭシンボルを備えたスロットの後に配置される。ガード・タイム・インターバルに続いて配置された複数のパケットがある。複数のパケットの大多数は、異なるプロトコルに基づいてＬＡＮ環境で動作している１つまたは複数のレガシー装置への／からのアクセスを提供するために、連結して動的に割り当てられたペイロード・フレームを備える。ＴＤＤ／ＴＤＭＡプロトコルは、ＣＳＭＡ／ＣＡに基づく既存のレガシー装置と互換性がある。通信を受信している少なくとも１つのレガシー装置および１つの非レガシー装置がある場合、レガシー装置は、ダイナミック・コンテンション・パケット・サービスをイネーブルにすることによって、同じ周波数帯で通信を受信しているレガシー装置と非レガシー装置の両方との通信を提供される。

Description

本発明は、パケットを使用したデータ送信の形で使用するように設計された装置およびプロセスに関する。さらに詳細には、本発明は、パケットのプロトコル必要条件に関連して送信されるデータの量が増加されるように、データ・パケットのより効率のよいグループ化を提供することによって、無線ＬＡＮ、サテライト、ブロードキャスト、さらには有線送信の効率を上げるための技法に関する。

例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１などのアクセス・プロトコルに基づいて動作するものなどの現在の無線ＬＡＮは、変調および符号化のためにいくつかの異なるオプションを有する。これらのオプションの選択は、パック・エラー・レートが所与の閾値より小さければ普通は最大データ・レートによって決定される。

しかし、選択基準は上位層による「サービス」を区別しないので、スループットの効率を劇的に低減することができるいくつかのトラフィック・パターンがある。例えば、現在の８０２．１１ａ／ｇのプロトコルは物理層では５４Ｍｂｐｓのデータ・レートを有するが、ＭＡＣ（媒体アクセス制御―Medium Access Control―）のトップ・ゲートであるＭＡＣ−ＳＡＰ（サービス・アクセス・ポイント―Service Access Point―）で測定された平均スループットは２３Ｍｂｐｓにすぎない。

ＭＡＣの効率がそれほど悪い理由の１つは、統計によれば、ほぼ７５％のパケットは長さが１２８バイト未満であるからである。特定のパケットのオーバーヘッドの長さは固定されているので、パケット長が短い場合は、効率が低い。したがって、ＭＡＣ層の効率を上げる必要がある。

また、現在の搬送波感知多重アクセス／衝突回避（ＣＳＭＡ／ＣＡ ―Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance―）多重アクセス方式を改善する必要もある。ＣＳＭＡ／ＣＡを使用する８０２．１１に関する問題の１つは、無線ネットワーク上の全てのノードに、送信ノードが送りたい（および、送る用意ができた）データを有することを最低の無線速度で送られるこれらのパケットをネットワーク全体にわたってブロードキャストすることにより警告するために、特別のパケット（送信要求、受信確認、送信許可）が使用されることであり、このことは、小さなパケットには、送信されるデータ量に比べて無線プリアンブルが比較的大きいという別の問題があることを意味する。

さらに、無線ＬＡＮ環境に合わせて調整されたＰＨＹ層は、短いパケットの効率の悪い送信では難しい、パケットのほぼピーク・レートのスループットでのデータ送信を可能にする、一連のサービスを必要とすることがある。

しかし、ＣＳＭＡ／ＣＡの場合でも、特別なパケットの互いのブロードキャストを聞くことができなかったので同時に／重なるときにブロードキャストすることによって有害干渉を引き起こす、（無線ノードのうちの１つがその他の無線ノードのうちの少なくとも１つを聞くことができない場合に生じる）隠された送信機に関する問題がある。

したがって、必要なことはパケットがより多くのデータを運ぶことができ、したがって短いパケットに入れて送信されるデータの最小量に対しても必要とされるパケットの全ての部分を送るのに比較的短い時間を使うように、パケットの効率を上げる方法である。

したがって、（ＣＳＭＡ／ＣＡよりはるかに効率のよい）次世代８０２．１１ｎのためにＴＤＤ／ＴＤＭＡ方式を使用して新しい規格が開発された。しかし、より新しい装置のためにプロトコルに変更があっても、より古い８０２．１１レガシー装置が依然として動作することができるように、両方のアクセス方式が同じ周波数帯で共存できるようにするために、新規格のＴＤＤ／ＴＤＭＡを後方互換性があるようにする必要がある。

本願発明は、ショート・パケット・サービス専用のサービスの１つと共にＴＤＭＡおよびＴＤＤの複数のサービスを使用／提供することができて、しかもＣＳＭＡ／ＣＡと後方に互換性のあるパケットを提供する方法、システムおよび装置を提供する。本願発明はまた、ＭＡＣ層の効率も改善し、パケットのほぼピーク・レートのスループットでデータ送信を可能にする一連のサービスも可能にする。

さらに、無線ＬＡＮ環境に合わせて調整された物理層内の一連のサービスが、スループットを最大化するために提供される。例えば、ビデオ・コンテンツやリモート・コントロール情報を同時に送信するなどのシナリオのために、複数の並列サービスがイネーブルにされる。

以降の説明は例示のために提供されるのであって、制限のために提供されるのではないことが、当業者によって理解されるべきである。本発明の主旨および添付の特許請求の範囲内にある多くの変形形態があることを当業者は理解する。知られている機能および動作の不必要な詳細は、本発明のより細かい点を不明瞭にしないように、現在の説明から省略されることがある。

図１は本願発明によるシステムの一例を示す。図示されたほとんど全てのアイテムに提供された例に対する多くの変形形態があってよい。内部ネットワーク１０１は、サーバ１０５、１０６、およびファイアウォール１０８を介してインターネット１０と通信中である。この特定の図においては、サーバは、ルータ／コントローラ１１１、アクセス・ポイント（ＡＰ）・バックボーン１１２、および複数のＡＰ１１３〜１１６を介して、無線クライアント１２０、１２５、１３０にサービスを提供する。サーバ１０５、１０６と通信する有線の他のクライアント（図示されていない）があってもよい。好ましいプロトコルはＩＥＥＥ８０２．１１であるが、このネットワークは異なるプロトコルに基づいて動作していてもよく、その場合、「アクセス・ポイント」以外の専門用語が、バックボーン１１２を介してサーバと通信する機能を有する無線クライアントを提供する送信機を表わすであろう。

（純粋に例示のための）この特定の例では、クライアント１装置１２０は、ＡＰ１１６を介してＣＳＭＡ／ＣＡに基づいて動作する８０２．１１レガシー装置１２０でよい。レガシー装置に関するコンテンション問題は、図２Ｂに示され、以下に論じられるダイナミック・コンテンション・パケット２３１を介して処理される。クライアント装置２および３（１２５、１３０）は、ＴＤＤ／ＴＤＭＡに基づいて動作し、ＡＰ１１３〜１１６を介して本発明によるスーパーフレームを送信または受信することができる。本発明によれば、８０２．１１に基づく既存のＣＳＭＡ／ＣＡ多重アクセス方式と後方に互換性のあるスーパーフレームであるこのスーパーフレームは、（前述の１つのＯＦＤＭシンボルおよび１つのＧＴに加えて）１６のフレームを備え、各フレームは３２スロット（それぞれ６４ｕｓに加えてガード・インターバル時間ＧＴ）を有し、これは、ＧＴを加えて（５１２シンボルに対して）合計２．２４ｍｓになる。

したがって、ＣＳＭＡ／ＣＡに対応するように形成されたレガシー装置は、自分のタイム・スロットでＣＳＭＡ／ＣＡを使用して通信し続けることができる。しかし、より新しい装置は、本発明によるスーパーフレームを使用して通信することができる。

全てのクライアント装置は、ピア・ツー・ピア・サービス２３２を使用しない限りは、ネットワークに接続するためには一般にＡＰと通信しなければならず、このことは本発明によるスーパーフレームを使用して動作してもよい新しいクライアント装置を含む。

本発明によれば、スーパーフレームは、フォワード・リンクでは衝突を避けるために様々な装置にそれぞれ異なる「時間」を割り当てる。リバース・リンクでは、それらは第２フレームで登録または競合する。レガシー装置は、例えばスーパーフレームが８０２．１１に基づく装置と通信するために使用されるとすれば、通信を容易にするために、ＤＩＦＳ、ＳＩＦＳなどを依然として使用する。

本発明の理解を容易にするために、直交周波数分割変調の簡単な概略図が提供される。直交周波数分割変調（ＯＦＤＭ）は、複数の低データ・レート搬送波を低データ・レート搬送波の複合である高データ・レート送信に組み込む技法である。ＯＦＤＭは、帯域幅を少しでも無駄にしないように、変調搬送波のできるだけ近くの配置を可能にするようにする。

本発明の一態様によれば、ＯＦＤＭシンボル期間は約４ｕｓである。高データ・レートで送信することが望ましい場合は、短いシンボル期間が使用される必要がある。シンボル期間はベースバンド・データ・レートの逆数であると定義されてよい（Ｔ＝１／Ｒ）。高データ・レートで送信するためには短いシンボル期間を有することが望ましいが、逆に、短いシンボル期間はシンボル間干渉（ＩＳＩ）の可能性を増大させるので、シンボル期間は注意して選択されなければならない。ＩＳＩは、例えばサンプル「ｘ」の遅延バージョンがそれ自体の処理期間ではなく、次のサンプル（Ｘ＋１）の処理期間の一部分中に到着した場合に生じる。

理論的には、次の所定の帯域幅の搬送波は、現在の搬送波に隣接していて、したがって無駄なスペクトルはないであろう。しかし、周波数のドリフトが衝突を引き起こす可能性はある。この問題が起こらないようにするには、ガード・バンドが各搬送波帯域幅間に配置されなければならない。ガード・バンドは本質的に無駄なスペースであり、隣接する搬送波の信号を減衰させるために、ガード・バンドでフィルタが使用される。

本発明では、ガード・タイム（ＧＴ）・インターバル２１０ｕｓが使用されており、前の送信からの重複がないことを保証するためにスーパーフレームの開始点近くに配置される。ＧＴの目的は、搬送波間干渉（ＩＣＩ）を防止することである。本発明のこの態様では、６ｕｓのガード・タイムが提供されるが、そのようなＧＴは増大されても低減されてもよい。

さらに、最適の時間に関して、ＯＦＤＭシンボル２０５は約４ｕｓであり、１スロットは、１６ＯＦＤＭシンボル、または１６回ｘ４ｕｓすなわち約６４ｕｓに等しい長さである。１６ＯＦＤＭシンボル＝６４ｕｓに等しいスロット。１フレームは（３２スロット＋ＧＴ）＝５１２シンボル＝２．２４ｍｓに等しい。したがって、スーパーフレームの継続時間は、約３５．８４ｍｓ（１６フレーム＋ＧＴ）に等しい。

図２Ａに示されているように、（１６のうちの）第１パケットはフォワード・リンク制御／管理２１５のためのパケットを備え、第２パケットはリバース・リンク制御管理２２０のためである。１６は最適数と考えられるが、この数は部分的には説明のために提供されるので、１６よりかなり少ないまたは多いパケットがあってよいことに留意すべきである。第３から第１６までのパケット２２１は、ペイロード・フレームを備え、図２Ｂに詳しく示されているように、そのようなペイロード・フレームは、
フォワード・ロングパケット・サービス２２５、
リバース・ロングパケット・サービス２２６、
フォワード・ショートパケット・サービス２２７、
リバース・ショートパケット・サービス２２８、
フォワードＭＩＭＯ（マルチインプット、マルチアウトプット）データ・サービス２２９、
リバースＭＩＭＯデータ・サービス２３０、
ダイナミック・コンテンション・サービス２３１、および
ピア・ツー・ピア・サービス２３２
などのアイテムのために動的にスケジュールされてよい。

３から１６までの各フレームは２２５から２３２までのサービスのうちの１つに割り当てられることができ、図２Ｂに示されているものとは違う構成になることに留意すべきである。例えば、ピア・ツー・ピア・サービス、リバースＭＩＭＯデータ・サービスは、１つではなく３つのフレームを備えてよく、したがって、（プログラム可能であるとリストされている）２３３〜２３８からのフレームのうちいくつかは、それに応じて、一般に互いに隣接して、プログラムされてもよい。

ダイナミック・コンテンション・サービスは、主に、前の８０２．１１プロトコルのうちの１つに基づいて動作したレガシー装置のためであること、およびペイロード・フレームのための上記のリストのアイテムは、必ずしも特定のフレーム番号に対応するとは限らず、第３から第１６までのフレームのうちの複数のフレームであってもよいことに留意すべきである。

さらに、ダイナミック・コンテンション・サービス２３１に関しては、それは第３から第１５パケットまで変わってよく、コンテンション期間の終りは常に１６である。例えば、各フレームは２２５から２３２までの８つのサービスのうちの１つとして割り当てられてよく、ダイナミック・コンテンション・サービス２３１は、１つの列内のいくつかのフレームに割り当てられてよいが、依然としてフレーム３〜１６の一部でなければならない（例えば、１または２を使用することはできない）。

図３は、無線ＬＡＮのノード間でスーパーフレームを送信する方法の概略を提供する流れ図である。本発明が適用可能な多くの様々な構成があってよいが、説明のためだけに、このネットワークは、内部ネットワーク１０１と通信中の少なくとも１つのサーバ１０５、１０６と、内部ネットワーク１０１と通信中のルータ／コントローラ１１１と、１つまたは複数の無線装置１２０、１２５、１３０との通信のためにルータ／コントローラ１１１に接続されたバックボーン１１２と、１つまたは複数の無線装置１２０、１２５、１３０に／から送信する送信コントローラ１１３、１１４、１１５、１１６とを含む（方法を説明するためだけにであって、決して方法を限定するためにではない）図１に示された例と同様であると考えられるべきである。

ステップ３１０では、無線通信を受信する３つ以上の無線装置１２０、１２５、１３０のうちの特定の装置が、搬送波感知多重アクセス／衝突回避方式（ＣＳＭＡ／ＣＡ）プロトコルに基づいて動作しているレガシー装置であるかどうかが、送信／コントローラ１１３、１１４、１１５、１１６によって決定されることができる。そのような決定は、本願発明の後方互換性の一部を提供する。

ステップ３２０では、ステップ３１０での決定が、ＣＳＭＡ／ＣＡプロトコルに基づいて動作するレガシー装置があるということである場合は、該レガシー装置は従来の方式で送信を受信し、送信コントローラが、後方互換性のためのＣＳＭＡ／ＣＡプロトコルを提供する、イネーブルにされたダイナミック・コンテンション・パケット・サービス２３２を含むスーパーフレームを送信する。

ステップ３３０では、ステップ３２０での決定が、上記１つまたは複数の無線装置１２０、１２５、１３０のうちの上記特定の装置はＣＳＭＡ／ＣＡに基づいて動作するレガシー装置ではないということである場合、送信コントローラはスーパーフレームをＴＤＤ／ＴＤＭＡに基づいて送信する。

ステップ３４０では、サービスを必要としている別の無線装置があるかどうかが決定される。ある場合は、本方法は、別の無線装置がレガシー装置かどうか決定するためにステップ３１０を繰り返す。

ステップ３２０と３３０の両方で送信されたスーパーフレームは少なくとも１６パケットを有し、そのうちの１つのバージョンが図２Ａおよび２Ｂに示されており、複数のＯＦＤＭシンボル２０５を備えたスロットを含み、ガード・タイム・インターバル２１０はＯＦＤＭシンボルを備えたスロットのすぐ後に配置され、少なくとも１６パケット２１５、２２０、２２１がガード・タイム・インターバルに続いて配置される。さらに、複数の少なくとも１６パケットは、連結して動的に割り当てられたペイロード・パケット２２１を備える。

本発明の主旨あるいは添付の特許請求の範囲から逸脱しない上記の発明に対する様々な変更が当業者によって行われてもよい。例えば、図２Ｂに示されたスーパーフレーム内のパケットのレイアウトは、単なる説明のために提供されるだけで、添付の特許請求の範囲は、パケットの順序はスーパーフレームがＯＦＤＭシンボルから開始しガード・インターバルを有する限り、いかなる可能な組合せででも置き換えられてよいので、決して図示された配置に限定されると解釈されるべきではない。少なくとも１６パケットを有するスーパーフレームは、部分的には効率を向上し、将来使用するためのいくらかのスペースを残すために好ましく、１６より小さいまたは大きいいかなる数量でも全てを有するスーパーフレームを提供することは、本発明の主旨および添付の特許請求の範囲の範囲内にある。さらに、本発明によるスーパーフレームは、事実上ネットワークのいかなる構成にも適していて、サテライト、ブロードキャスト、さらには有線にも使用されてよいので、図１に示されたシステム構成は、決して本発明の主旨および添付の特許請求の範囲の範囲を限定すべきではない。

本発明による無線システムの一例を示す図である。 本発明によるスーパーフレームの概略図である。 本発明によるスーパーフレームの１つの可能な配列に関する詳細を提供する図である。 本発明による方法の概略流れ図である。

Claims (23)

1. 複数のＯＦＤＭシンボルを備えたスロットと、
   前記ＯＦＤＭシンボルを備えた前記スロットのすぐ後に配置されたガード・タイム・インターバルと、
   前記ガード・タイム・インターバルに続いて配置された複数のパケットと
   を備えたＴＤＤ／ＴＤＭＡ無線スーパーフレームであって、
   前記複数のパケットの大多数は、異なるプロトコルに基づいてＬＡＮ環境で動作している１つまたは複数のレガシー装置への／からのアクセスを提供するために、連結して動的に割り当てられたペイロード・パケットを備える、
   ＴＤＤ／ＴＤＭＡ無線スーパーフレーム。
2. １つまたは複数のレガシー装置がそれに基づいて動作する前記異なるプロトコルは搬送波感知多重アクセス／衝突回避方式（ＣＳＭＡ／ＣＡ）を備える、請求項１に記載のスーパーフレーム。
3. 前記ガード・インターバルに続いて配置された前記複数のパケットは少なくとも１６パケットを有する、請求項１に記載のスーパーフレーム。
4. 前記ペイロード・パケットは共通の周波数帯のレガシー装置との通信を可能にするダイナミック・コンテンション・サービスを含む、請求項１に記載のスーパーフレーム。
5. 前記ペイロード・パケットはピア・ツー・ピア・サービスを含む、請求項１に記載のスーパーフレーム。
6. 前記ガード・タイム・インターバルに続いて配置された１つのパケットは、フォワード・リンク／制御管理パケットを備える、請求項１に記載のスーパーフレーム。
7. 別のパケットはリバース・リンク制御管理パケットを備える、請求項６に記載のスーパーフレーム。
8. 前記複数のパケットの残りは、以降のそれぞれの１つまたは複数のパケット、
   フォワード・ロングパケット・サービス、
   リバース・ロングパケット・サービス、
   フォワード・ショートパケット・サービス、
   リバース・ショートパケット・サービス、
   フォワードＭＩＭＯ（マルチインプット、マルチアウトプット）データ・サービス、
   リバースＭＩＭＯデータ・サービス、
   ダイナミック・コンテンション・サービス、および
   ピア・ツー・ピア・サービス、
   を備える請求項７に記載のスーパーフレーム。
9. 内部ネットワークと、
   前記内部ネットワークと通信中の少なくとも１つのサーバと、
   前記内部ネットワークと通信中のルータ／コントローラと、
   １つまたは複数の無線装置と通信するための前記ルータ／コントローラに接続されたバックボーンと、
   前記１つまたは複数の無線装置との無線通信を提供する送信コントローラと
   を備えたＴＤＤ／ＴＤＭＡスーパーフレームを送信するためのシステムであって、
   前記送信コントローラと前記１つまたは複数の無線装置の間の通信が、レガシー装置と後方互換性のための少なくとも１つのダイナミック・コンテンション・パケットを含む複数のパケットを備えたスーパーフレームで構成されるシステム。
10. 前記送信コントローラは、ＩＥＥＥ８０２．１１に基づくアクセス・ポイント（ＡＰ）を備える、請求項９に記載のシステム。
11. 前記１つまたは複数の無線装置のうちの１つは、搬送波感知多重アクセス／衝突回避方式（ＣＳＭＡ／ＣＡ）プロトコルを使用するレガシー装置を備える、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記レガシー装置と同じ周波数帯でスーパーフレームと共にＴＤＤ／ＴＤＭＡプロトコルを使用した少なくとも第２無線装置を備える、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記スーパーフレームは、
    複数のＯＦＤＭシンボルを備えたスロットと、
    前記ＯＦＤＭシンボルを含む前記スロットのすぐ後に配置されたガード・タイム・インターバルと、
    前記ガード・タイム・インターバルに続いて配置された複数のパケットと
    を備え、
    前記複数のパケットの大多数は、搬送波感知多重アクセス／衝突回避方式（ＣＳＭＡ／ＣＡ）に基づいて動作しているレガシー装置への／からのアクセスを提供するために、連結して動的に割り当てられたペイロード・パケットを備える、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記ペイロード・フレームの１つは、ピア・ツー・ピア・サービスを含むことをさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記ペイロード・フレームの１つは、前記レガシー装置との後方互換性のためにダイナミック・コンテンション・パケット・サービスを含むことをさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記ガード・タイム・インターバルに続いて配置された前記複数のパケットのうちの第１パケットが、フォワード・リンク／制御管理パケットを備える、請求項１３に記載のシステム。
17. 前記複数のフレームの第２パケットは、リバース・リンク制御管理パケットを備える、請求項１６に記載のシステム。
18. 内部ネットワークと通信中の少なくとも１つのサーバと、前記内部ネットワークと通信中のルータ／コントローラと、１つまたは複数の無線装置との通信のために前記ルータ／コントローラに接続されたバックボーンと、１つまたは複数の無線装置に／から送信する送信コントローラとを含む無線ＬＡＮ内のノード間でスーパーフレームを送信する方法であって、
    （ａ）無線通信を受信する前記１つまたは複数の無線装置のうちの特定の装置が、搬送波感知多重アクセス／衝突回避方式（ＣＳＭＡ／ＣＡ）プロトコルに基づいて動作するレガシー装置かどうかを送信／コントローラによって決定するステップと、
    （ｂ）ステップ（ａ）での決定が、ＣＳＭＡ／ＣＡプロトコルに基づいて動作するレガシー装置があるということであった場合は、後方互換性のためのＣＳＭＡ／ＣＡプロトコルを提供する、イネーブルにされたダイナミック・コンテンション・パケット・サービスを含むスーパーフレームを送信するステップと、
    （ｃ）ステップ（ａ）での決定が、前記１つまたは複数の無線装置のうちの前記特定の装置がＣＳＭＡ／ＣＡプロトコルに基づいて動作するレガシー装置ではないということであった場合は、ＴＤＤ／ＴＤＭＡに基づいてスーパーフレームを送信するステップと
    を備え、
    ステップ（ａ）とステップ（ｂ）の両方で送信された前記スーパーフレームは、複数のＯＦＤＭシンボルと、前記ＯＦＤＭシンボルを含むスロットのすぐ後に配置されたガード・タイム・インターバルと、前記ガード・タイム・インターバルに続いて配置されたパケット２１５、２２０、２２５〜２３８の大多数とを備えたスロットを含む複数のパケットを備え、
    前記複数のパケットの大多数は連結して動的に割り当てられたペイロード・パケットを備える方法。
19. 前記送信コントローラは、ＩＥＥＥ８０２．１１に基づくアクセス・ポイント（ＡＰ）を備える、請求項１８に記載の方法。
20. 少なくとも１つのレガシー無線装置および１つの非レガシー装置はそれぞれ同じ周波数帯で通信する、請求項１９に記載の方法。
21. 前記ペイロード・パケットのうちの１つは、ピア・ツー・ピア・サービスを含む、請求項１８に記載の方法。
22. 前記ガード・タイム・インターバルに続いて配置された、１つのパケットは、フォワード・リンク／制御管理パケットを備える、請求項１８に記載の方法。
23. 別のパケットは、リバース・リンク制御管理パケットを備える、請求項２２に記載の方法。

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