JP2008521323A - 無線ネットワークに関する明確なトラフィック仕様を用いない通信時間公平伝送規定 - Google Patents

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Abstract

いかなる増加も検出するために各リンクによって消費される伝送時間308を追跡すること、且つそれにより導出される使用のパターンに基づき通信時間割り当て309を実行させることによる、非TSPEC(non-transmission specification)公平通信時間(すなわち(NT-AirFair))割り当て制御に関するシステム及び方法が提供される。

Description

本発明は、無線マルチメディア通信システムにおける伝送制御に関する。
無線ネットワークにおいて、複数のノードが通信媒体へのアクセスを共有する。様々なメディアアクセス制御(MAC)の仕組みが、媒体を効率的に共有することを可能にするために設計されてきた。通信時間公平(又はエアフェア(AirFair))伝送制御は、他のリンクの状況にかかわらず、必要に応じて、割り当てられる通信時間の各トラフィックフローを保証する追加的な仕組みとしてMACプロトコルの最上部に重ねられている。このアプローチは、もし用いなければ良好なリンクを有する局へ発生し得るような送信時間の不公平な割当を回避する。言い換えると、リンクがリンク劣化による各パケットに関するかなり長い送信時間を経験する場合に現在のエアフェア制御技術を用いると、当該リンクは、他の局により用いられていない余剰の通信時間が存在する場合にのみ、割り当てられた送信時間を超え得る。このことは、この種類のビデオトラフィックが高データレート、遅延不耐性、及びデータ損失に対して敏感であるので、無線ネットワークにおける高品質ビデオ送信に関して重要である。
既存のエアフェア技術の制限の1つは、アプリケーション層が、認証制御及びスケジューリングモジュールに対して、ビットレート及び遅延耐性などの各トラフィックフローに関する情報を特定して渡す必要があることである。実際、斯様な情報は、常に利用可能であるわけではなく、斯様な情報を通過させるインターフェイスは、標準化及び実施化されていない状態のままである。
本発明のシステム及び方法は、既存のエアフェア技術の制限を克服する非TSPEC(トラフィック仕様)公平通信時間割り当て制御仕組みを提供する。本発明のシステム及び方法は、各リンクによって消費される送信時間の追跡、斯様な送信時間におけるいずれの増加の検出、及びそれにより導かれる使用のパターンに基づく通信時間割当の強化を実行する。
更に、本発明のシステム及び方法は、いかなるトラフィック仕様(TSPEC)も利用可能にされる必要なく通信時間割り当てを実施させ、これにより、広範囲の無線装置及びアプリケーションに関するサービス機能の品質を向上させる。
以下の説明において、制限ではなく説明を用いることにより、本発明の完全な理解を提供するために、特定のアーキテクチャ、インターフェイス、及び技法などの具体的な詳細が開示される。しかし、本発明がこれらの詳細から外れる他の実施例において実施化され得ることは、当業者にとって明らかである。
提案される多くのQoSネットワークアーキテクチャの重要なコンポーネントは、様々な入力フローに関して共有される出力リンクにおけるパケットを転送する順序を決定するために、ネットワークコンポーネントによって利用されるパケットスケジューリングアルゴリズムである。パケットスケジューラは、様々な独立したフローのパケットが、共有される出力リンクにおいて転送される順序を決定する。最も簡単なアルゴリズムの1つは、パケットの到着の順序がこれらパケットが出力リンクにおいて転送される順序をも決定する先入れ先出し(FIFO)である。FIFOは、実施化することに関してはほとんど些細なことである一方、明らかに、FIFOが不正フローが出力帯域幅の任意の部分を捕らえることを可能にするので、QoS保証を実施することが可能でない。
一般的に、パケットスケジューラは、以下の特性を有するべきである。
1.公平性:パケットスケジューラは、同一の共有出力リンクに関して競合する複数のフロー間における特定の量の絶縁を提供するべきである。特に、各フローは、利用可能な帯域幅の公平な共有を得るべきであり、この共有は、他のフローの存在及び(不正)行為によって影響されるべきでない。例えば、この共有は、他のフローの活動に関わらず、フローに対して利用可能であるべき帯域幅の所定の割り当て量であるべきである。
2.制限付き遅延:ビデオ及び音声コンファレンスなどの双方向性アプリケーションは、ネットワークにおけるパケットによって経験される全体遅延が、終端間において制限されることを必要とする。パケットスケジューラは、パケットが出力リンクにおいて送信される順序を決定し、したがって、ネットワークにおいて各中間ステップにおけるパケットによって経験される待ち行列化遅延を決定し、これにより、全体遅延を決定する。
3.低複雑性:スケジュールするべき次のパケットを選択するのに費やされる時間は、小さくあり、且つフローの数nとは独立であるべきである。同様に重要なように、スケジューリングアルゴリズムは、リソースが必ずしも制限されない無線装置における効率的な実施化に対して修正可能であるべきである。
本発明のシステム及び方法は、可変な程度に、全ての3つの特徴を持つ。
本発明に従い修正される無線装置100は、図1のブロック図に例証されるアーキテクチャを有するシステムを含み得る。各無線装置100は、時間モニタ104によりフロー及び重みが割り当てられるn個の待ち行列101.1-101.nを有するメモリ102を含み得る。時間モニタ104は、各待ち行列により経験されるバイト毎の伝送時間の経過を追跡し、待ち行列の重み及びリトライ制限、並びに伝送機会(TXOP)を適宜調整する。当該装置は、更に、無線チャネル106において無線伝送モジュール105による伝送に関する様々な待ち行列において待ち行列化されるパケットをスケジュールするために、前記重みを用いる待ち行列レベルスケジューラ103を有する。
ここで図3を参照すると、好ましい実施例において、フローは、状態301において装置100に対して自身の要求を宣言し、遅延に敏感なトラフィックフローのそれぞれ(ビデオ、声、音声)が、フロー毎の遅延を制限する装置100のメモリ102に記憶される個別の待ち行列i 101.iに割り当てられる一方で、遅延に敏感でないトラフィックフローの全ては、本発明のシステム及び方法のNT-AirFair(Non-TSPEC AirFair)割り当てスキームの性能(公平性特性)に否定的に影響することなく、状態303において1つの待ち行列へ任意選択的にバンドルされる。各待ち行列は、状態302において、重みqi,old=qi,newを割り当てられる。その後、フローのパケットが受信される場合、これらのフローのパケットは、状態304において、フローが、これらの事前に割り当てられた重みに従い待ち行列レベルスケジューラ103により入力許可及びスケジュールされたときに確立された適切な待ち行列において待ち行列化される。しかし、本発明のシステム及び方法において、重みは、中間割り当ての公平性を保持する一方で、リンク状況を反映するために動的に調整される。
本発明の無線装置100に対するNT-AirFair修正は、図1に例証される、重み付けされたスケジュールをフロー毎に実行する既存の待ち行列レベルスケジューラ103とともに動作する。既存の待ち行列レベルスケジューラ103は、オペレーションシステムカーネル、無線装置ドライバ、又はMACにおいて位置され得る。当該装置は、バイト毎のウィンドウ平均伝送時間を計算し、この平均時間における増加を追跡し、重みのそれぞれを調整し、制限およびTXOPを適宜リトライし、更に、本発明を実施化するのに必要である全ての他の計算を実行する時間モニタモジュール104を備えるように更に構成される。状態305において、伝送用にパケットが利用可能である場合、伝送されるべき次のパケットは、既存の重み付けられた優先度スキームを用いて待ち行列レベルスケジューラによって決定される。通常、待ち行列スケジューラは、n個の異なるトラフィックフローiのそれぞれに関して個別の待ち行列を利用し、両方ともが優先度のある待ち行列に基づくような重み付けラウンドロビン及び重み付け公平待ち行列化などの高度の待ち行列化アルゴリズムに関しては、異なる重みqi,i=1,…,nを待ち行列に割り当てる。しかし、好ましい実施例において、重みは、本発明のシステム及び方法に従い調整され、多くの先行技術の優先度待ち行列スキームにおいて重みが静的であるのとは違い、静的でない。
優先度待ち行列において、各到着パケットは、例えば高、中間、普通、及び低であり得る優先度に基づき待ち行列へ配置される。高い優先度の待ち行列はより好まれ、すなわちより高い優先度の待ち行列にあるパケットは、伝送に関して優先され、低い優先度の待ち行列は、高い優先度の待ち行列が伝送用に待機しているパケットを有さない場合にのみ、媒体へのアクセスを得る。ゆえに、斯様なスキームにおいては、高い優先度の待ち行列は、低い優先度の待ち行列を犠牲にしてサービスを受け、また低い優先度の待ち行列は、伝送遅延及び更に失敗をも経験する。
重み付けラウンドロビンは、何の待ち行列も他の待ち行列を犠牲にして支配的になることはないことを保証する。重み付けラウンドロビン待ち行列化は、優先度が待ち行列に割り当てられるラウンドロビンな順序で、すなわち待ち行列の長さを規定することによって待ち行列全体を伝送する。したがって、待ち行列が長いほど、待ち行列の優先度は高くなる。重み付けラウンドロビンは、より多くの高優先度トラフィックを処理し、低優先度のトラフィックを公平に取り扱う。
重い及び軽いトラフィックの両方を公平に取り扱うより包括的なスキームは、重み付け公平待ち行列(WFG)であり、重み付け公平待ち行列(WFG)は、各フローに対してリンク帯域幅の比例した部分、すなわち優先度レベルに比例した部分を動的に割り当てるために、フローに基づく待ち行列化を用いる。すなわち、WFQは、(1)フロー毎の待ち行列化及び(2)重み付けラウンドロビンスケジューリングの組合せである。
TSPECに基づくエアフェアスキームにおいて、トラフィックフローに関するTSPECは、待ち行列を計算するために用いられる。装置ドライバにおけるモジュールは、各トラフィックフローに関して消費される通信時間を測定する。待ち行列解除モジュールは、待ち行列化重みを調整することによって通信時間割り当てを強化するために、この情報を重みとともに用いる。
TSPECを用いない好ましい実施例、すなわち本発明のNT-AirFairにおいて、各フローiが初期重みqi,old=qi,newを割り当てられ、ウィンドウサイズtが、所定とされていることを仮定される。この場合、(再伝送時間を含む)データのバイト毎の伝送時間は、データが状態306において伝送された後に、状態308において、時間tにおける各トラフィックフローiに関してシーケンスTi,jを生成するために、サイズtの連続するウィンドウにわたって追跡される。

Ti,j=消費される伝送時間/パケットサイズ
ここで、j=1,2,…,及びi=1,…,n
別の態様において、正規化された伝送時間を測定することは、より正確に根本的なリンク条件を反映するために、MAC及びPHY(物理層)オーバーヘッドによって消費される通信時間を排除する。

Ti,j=(消費される伝送時間−MACヘッダーオーバーヘッド時間)/パケット時間
ここで、j=1,2…

これは、可変のPHYを用いてのみ適用し、オーバーヘッド時間は、長い伝送時間の主な原因である。したがって、本発明のNT-AirFairの時間複雑性は、低い。
ウィンドウ平均を基にして所定のしきい値を超えてシーケンスTi,jが増加する場合、トラフィックフローiに関する待ち行列化重みqi,newは、状態309において、フローiの対応する待ち行列化されたパケットを待ち行列解除をするステップにおいて、全ての他のトラフィックフローに比べて優先度を低くするように調整される。好ましい実施例は、待ち行列化重みを、通信時間の増加に反比例して調整する。

qi,new=qi,old*(Ti,old/Ti,new)
平均化に関するウィンドウサイズtは、リンク条件における散在的な変動の影響を効果的に除去するために十分大きくなければならない一方で、リンク劣化への素早い応答を可能にするのに十分小さくなければならない。
優先度に基づくMACにおいて、フローカテゴリ毎の遅延に敏感なトラフィックフローは、装置ドライバ及びMACにおいて1つの待ち行列にバンドルされる可能性が最も高い。待ち行列において停頓されるパケットが同一の待ち行列において後続のパケットをブロックし得るので、不可能でない場合、待ち行列解除処理において異なる局へ向かうトラフィックフロー間において区別することは実際的でない。したがって、待ち行列解除に基づかない(non-dequeuing-based)区別化の仕組みは、優先度に基づくMACに関して必要とされる。
全ての実施例において、正規化されたバイト毎の伝送時間Ti,t,jは、測定及び追跡される。特定のフローに関する伝送時間が、状態308において、特定の所定のしきい値を超えて増加していると検出される場合、当該パケット及び当該フローに関するリトライ制限は、当該フローのパケットがチャネルにアクセスを繰り返し試み、これにより他のフローからのパケットをブロックするのを防ぐために、低くされる又は0に設定される。害を加えないフローに関するリトライ制限は、変更されない。また以前の「許可された」伝送時間は、状態309において、リンク適合モジュールがPHY比率を低すぎるように設定して、フローが多量の通信時間を消費し続けることになるのを避けるために、新しいリトライ制限の元に最小PHY比率を決定するのに用いられる。
全ての実施例において、パケット伝送が失敗する場合、TXOPは、状態307において調整され、伝送は状態305においてリトライされる。リトライ制限が超過される場合、状態311において待ち行列化されたパケットが降ろされ、これによりリトライ制限が使い尽くされる場合にパケットが待ち行列において積み上げられるのを防がれる。
状態310においてリトライ制限をリセットすることに関連して、TXOPは、各フローに関して「許可された」通信時間にも設定され得る。1つの待ち行列が異なるトラフィックフローに関するパケットを保持し得るので、TXOPは、パケット毎に確証及びリセットされる必要がある。
好ましい実施例において、非TSPECエアフェア(又はNT-AirFair)は、
・オペレーティングシステムカーネルの待ち行列モジュール、
・無線装置ドライバ、及び
・MAC、
などのプロトコルスタックの代替的な部分において実施化され得る。
ここで図2において、本発明によるNT-AirFairは、無線ネットワーク200の(局を構成する)アクセスポイント201.1及び局201.2−201.nの両方によって実行され得、各装置又は局201.iは、本発明に従う、図1に例証される機器(100)を用いて追加的に構成される。
本発明は、無線LAN(802.11)IC、無線PAN・IC、無線ビデオサーバ及びレシーバ、無線メディアアダプタ、メディアPC、並びに無線ビデオ伝送モジュールに適用され得る。
本発明の好ましい実施例が例証及び説明されているが、当業者によって、本発明の真の範囲から逸脱することなく、多数の変更態様及び修正態様がなされ得、これらの要素に関して等価物が置換され得ることを理解され得る。加えて、リンク条件に基づきウィンドウサイズを動的に調整するなどの多くの修正態様が特定の状況に対して適合するようになされ得、本発明の教示が、その中央の範囲から逸脱することなく等価であるような手法で適合され得る。したがって、本発明は、本発明を実施するのに考慮される最善のモードとして開示される特定の実施例に制限されないが、本発明が、添付の請求項の範囲内にある全ての実施例を含むように意図される。
図1は、本発明の実施例に従い修正された無線装置の簡略化されたブロック図を例証する。 図2は、本発明に従いそれぞれ修正された装置の無線通信ネットワークを例証する。 図3は、本発明の方法のFSD図を例証する。

Claims (35)

  1. 非TSPEC(トラフィック仕様)通信時間公平伝送制御規定に関する機器であって、
    対応する所定のスケジューリング重みqi,old=qi,new,i=1,2,…,nを有するn個の待ち行列を備えるメモリと、
    所定の待ち行列割り当てスキーム及び前記重みqi,new,i=1,2,…,nを用いて重み付けされる伝送スケジューリングスキームのそれぞれに従い、受信されたパケットを待ち行列化し、また前記n個の待ち行列のうちの1つの待ち行列における少なくとも1つのフローの待ち行列化されたパケットを伝送用に待ち行列解除化する待ち行列レベルスケジューラと、
    前記少なくとも1つの待ち行列化されたフローの各待ち行列に関してバイト毎の伝送時間Ti,t,jの増加が存在するかを決定するとともに、前記対応するスケジューリング重みqi,new,i=1,2,…,nを所定の重み調整スキームに従い調整する、時間モニタモジュール、
    を備える機器。
  2. 優先度に基づくMAC、
    を更に備え、
    前記待ち行列レベルスケジューラが、オペレーティングシステムカーネルの待ち行列化モジュール、装置ドライバ、MACからなる群から選択されるコンポーネントのうちの1つにおいて含まれ、
    フローカテゴリ毎の遅延に敏感なトラフィックフローが、前記待ち行列レベルスケジューラによってフロー毎の個別の待ち行列において待ち行列化される、
    請求項1に記載の機器。
  3. 前記時間モニタが、所定のウィンドウサイズtに関してバイト毎のウィンドウ平均伝送時間としてTi,jを計算する、請求項1に記載の機器。
  4. 前記割り当てスキームが、前記n個の待ち行列のうちの個別の待ち行列において各遅延に敏感なフローを待ち行列化するステップを含む、請求項1に記載の機器。
  5. 前記時間モニタが、所定のウィンドウサイズtに関してバイト毎のウィンドウ平均伝送時間としてTi,jを計算する、請求項4に記載の機器。
  6. 前記割り当てスキームが、前記n個の待ち行列のうちの1つの個別の待ち行列において全ての遅延に敏感でないフローを待ち行列化するステップを含む、請求項1に記載の機器。
  7. 前記時間モニタが、所定のウィンドウサイズtに関してバイト毎のウィンドウ平均伝送時間としてTi,jを計算する、請求項6に記載の機器。
  8. 前記割り当てスキームが、前記n個の待ち行列のうちの1つの個別の待ち行列において各遅延に敏感なフロー及び全ての遅延に敏感でないフローを待ち行列化するステップを含む、請求項1に記載の機器。
  9. 前記時間モニタが、所定のウィンドウサイズtに関してバイト毎のウィンドウ平均伝送時間としてTi,jを計算する、請求項8に記載の機器。
  10. 前記重み付けされる伝送スケジューリングスキームが、重み付けラウンドロビン及び重み付け公平待ち行列化からなる群から選択される、請求項9に記載の機器。
  11. j=1,2,…,及びi=1,…,nに関して、Ti,j=消費される伝送時間/パケットサイズであり、
    前記所定の重み調整スキームが、前記ウィンドウtにおいてj=1,…kに関してシーケンスTi,jを獲得し、またこのシーケンスがウィンドウ平均に基づいて所定のしきい値を越えて増加する場合、前記増加に反比例して前記待ち行列化重みを調整する、請求項10に記載の機器。
  12. 前記待ち行列重みが、以下の式、
    qi,new=qi,old*(Ti,old/Ti,new)
    に従い調整される、請求項11に記載の機器。
  13. 前記所定の重み調整スキームが、前記フローIに関するリトライ制限に対する調整と、前記調整されたリトライ制限の下における最小PHY比率の決定とを更に含む、請求項11に記載の機器。
  14. 前記所定の重み調整スキームが、TXOPを、所定の許可された通信時間に設定するステップを更に有する、請求項13に記載の機器。
  15. 前記調整が、前記リトライ制限を所定の減らす量だけ減らすステップと、前記リトライ制限を0へ設定するステップとからなる群から選択される、請求項13に記載の機器。
  16. 前記所定の重み調整スキームが、TXOPを、所定の許可された通信時間に設定するステップを更に有する、請求項15に記載の機器。
  17. 前記機器が、IEEE802.11無線ローカルエリアネットワーク集積回路、無線パーソナルエリアネットワークIC、無線ビデオサーバ、無線ビデオレシーバ、無線メディアアダプタ、メディアパーソナルコンピュータ、及び無線ビデオ伝送モジュールからなる群から選択される、請求項16に記載の機器。
  18. 請求項17に記載の機器をそれぞれ含む複数の装置を有する非TSPEC(トラフィック仕様)通信時間公平伝送制御規制に関する通信ネットワーク。
  19. 請求項16に記載の機器をそれぞれ含む複数の装置を有する非TSPEC(トラフィック仕様)通信時間公平伝送制御規制に関する通信ネットワーク。
    通信ネットワーク。
  20. 非TSPEC(トラフィック仕様)通信時間公平伝送制御規定に関する方法であって、
    対応する所定のスケジューリング重みqi,old=qi,new,i=1,2,…,nをそれぞれ有するn個の待ち行列を提供するステップと、
    前記n個の待ち行列のうちの個別の待ち行列における少なくとも1つのフローの受信されたパケットを、所定の待ち行列割り当てスキームに従い待ち行列化するステップと、
    待ち行列化されたパケットを、前記重みqi,new,i=1,2,…,nを用いて重み付けされる伝送スケジューリングスキームに従い伝送用に待ち行列解除化するステップと、
    各待ち行列に関してバイト毎の伝送時間Ti,t,jの増加が存在するかを決定するステップと、
    前記対応するスケジューリング重みqi,new,i=1,2,…,nを、所定の重み調整スキームに従い調整するステップと、
    を有する、方法。
  21. 優先度に基づくMACを提供するステップ、
    を更に有し、
    前記待ち行列化ステップが、フローカテゴリー毎の遅延に敏感なトラフィックフローを、オペレーティングシステムカーネルの待ち行列化モジュール、装置ドライバ、MACからなる群から選択されるコンポーネントのうちの1つにおけるフロー毎の個別の待ち行列において待ち行列化するステップを更に有する、
    請求項20に記載の方法。
  22. 前記決定するステップが、所定のウィンドウサイズtに関してバイト毎のウィンドウ平均伝送時間としてTi,jを計算するステップを更に有する、請求項20に記載の方法。
  23. 前記待ち行列割り当てスキームが、前記n個の待ち行列のうちの個別の待ち行列に対して各遅延に敏感なフローを割り当てるステップを含む、請求項20に記載の方法。
  24. 前記決定するステップが、所定のウィンドウサイズtに関してバイト毎のウィンドウ平均伝送時間としてTi,jを計算するステップを更に有する、請求項23に記載の方法。
  25. 前記待ち行列割り当てスキームが、前記n個の待ち行列のうちの1つの個別の待ち行列に対して全ての遅延に敏感でないフローを割り当てるステップを含む、請求項20に記載の方法。
  26. 前記決定するステップが、所定のウィンドウサイズtに関してバイト毎のウィンドウ平均伝送時間としてTi,jを計算するステップを更に有する、請求項25に記載の方法。
  27. 前記割り当てスキームが、
    前記n個の待ち行列のうちの個別の待ち行列に対して各遅延に敏感なフローを割り当てるステップと、
    前記n個の待ち行列のうちの個別の待ち行列に対して全ての遅延に敏感でないフローを割り当てるステップと、
    を含む、請求項20に記載の方法。
  28. 前記決定するステップが、所定のウィンドウサイズtに関してバイト毎のウィンドウ平均伝送時間としてTi,jを計算するステップを更に有する、請求項27に記載の方法。
  29. 前記重み付けされる伝送スケジューリングスキームが、重み付けラウンドロビン及び重み付け公平待ち行列化からなる群から選択される、請求項28に記載の方法。
  30. j=1,2,…,及びi=1,…,nに関して、Ti,j=消費される伝送時間/パケットサイズであり、
    前記所定の重み調整スキームが、
    i.前記ウィンドウtにおいてj=1,…kに関してシーケンスTi,jを獲得ステップと、
    ii.前記獲得されたシーケンスが、ウィンドウ平均に基づいて所定のしきい値を越えて増加するかを決定するステップと、
    iii.前記増加が前記しきい値を越える場合、前記増加に反比例して前記待ち行列化重みを調整するステップと、
    を有する、請求項29に記載の方法。
  31. 前記待ち行列重みを、以下の式、
    qi,new=qi,old*(Ti,old/Ti,new)
    に従い調整するステップを含む、請求項30に記載の方法。
  32. 前記所定の重み調整スキームが、
    該リトライ制限を調整するステップと、
    前記調整されたリトライ制限の下において最小PHY比率を決定するステップと、
    を更に含む、請求項30に記載の方法。
  33. 前記所定の重み調整スキームが、TXOPを、所定の許可された通信時間に設定するステップを更に有する、請求項32に記載の方法。
  34. 前記リトライ制限を調整するステップが、前記リトライ制限を所定の減らす量だけ減らすステップと、前記リトライ制限を0へ設定するステップとからなる群から調整を選択するステップを有する、請求項32に記載の方法。
  35. 前記所定の重み調整スキームが、TXOPを、所定の許可された通信時間に設定するステップを更に有する、請求項34に記載の方法。
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