JP2009044725A - 無線通信システムにおける所定の端末のコンテンションウインドウ適合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線通信システムにおいて、所定の端末にコンテンションウインドウを適応させる方法を提供する。
【解決手段】その方法は、送信媒体における混雑を示す目標パラメータを定義し、送信媒体へのアクセスを準備している送信端末の数を決定し、そして、送信媒体を介して送信する際の遅延値を選択するためのコンテンションウインドウを決定することを含み、コンテンションウインドウは、目標パラメータ及び送信端末の数の関数として定義される。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、チャネルアクセス制御メカニズムに関し、特に、無線通信システムの媒体アクセス制御（Medium Access Control：MAC）に関するものである。

規格のＩＥＥＥ８０２．１１ファミリーに従って動作する無線ローカルエリアネットワーク（WLAN）において、各々の通信源は、未送信のフレームをいつ送信すべきか決定するために、媒体アクセス制御（ＭＡＣ）手順を用いる。フレームが、通信源において未送信であるとき、通信源は、通信チャネル（媒体）が使用中（ビジー）であるか、未使用（アイドル）であるかを判別する。通信媒体が未使用であれば、通信源は、送信前に、少なくともフレーム間隔（Inter-Frame Spacing：IFS）時間の間、未使用である通信媒体を待つ。しかし、フレームが準備されたときに通信媒体が使用中であると、ＭＡＣ手順が、ある範囲の値からコンテンションウインドウ（Contention Window：CW）バックオフ値をランダムに選択する。その値の範囲である遅延範囲は、０から(Ｃ−１)までの整数の範囲である。この場合、Ｃが遅延範囲を定義する。

バックオフのためのＭＡＣ手順によれば、通信源は、通信媒体が未使用となるまで待機する。そして、通信源は、通信媒体が未使用である状態が、ＣＷバックオフ値ｘに依存する累積時間だけ継続するまで、待機する。つまり、通信源は、各使用期間後に、ＩＦＳ時間を超過すると、累積時間に向かって未使用時間をカウントする。ＣＷバックオフ値ｘに対応する累積時間が経過すると、通信源は未送信のフレームを送信する。この方法は、タイマ（カウントダウンタイマ）を用いることで実行可能なもので、通信源は、タイムアウトが生じる（つまりカウントダウンタイマがゼロに達する）まで、ＩＦＳ時間を超過した未使用時間を計測する。

異なる通信源は、異なるＣＷバックオフ値を選択するため、それらの異なる通信源は、送信前に異なる期間だけ待機し、それにより衝突を回避している。しかしながら、選択はランダムであるため、２個以上の通信源が同じＣＷバックオフ値を選択し、同じ期間だけ待機し、同時に送信を行うかもしれない。遅延範囲が長くなるほど、２個以上の通信源がランダムに同じＣＷバックオフ値を選択する確率は小さくなる。ただし、異なる通信源が異なったバックオフ値を選択しながら、それらのバックオフが同時にタイムアウトしたならば、やはり衝突が発生してしまう。

ＭＡＣ手順によれば、通信源は、ブロードキャストフレームとユニキャストフレームとを異なって取り扱う。それゆえ、フレームはいろいろな理由で失われてしまう。ユニキャストフレームが閾値よりも大きい場合、ＭＡＣは、送信要求（request to send：RTS）フレーム、受信準備完了（clear to send：CTS）フレーム、データフレーム、及び受領通知（acknowledgment：ACK）フレームを含む４種類の受け渡しを用いる。通信源が、ＲＴＳフレームあるいはデータフレームにそれぞれ応答するＣＴＳフレームあるいはＡＣＫフレームを受信しない場合、通信源は、失敗が生じたと判断する。ＭＡＣ手順によれば、通信源は、失敗が生じたとき、遅延範囲の上限を増加する。その手順により、Ｃ値は、より大きな２のべき乗値を採用することで、指数関数的に増大される。

しかしながら、たとえＣＴＳフレームが通信源によって受信されたとしても、もし別の通信源（隠れ端末）がそのＣＴＳフレームを受信せず、通信源のデータフレームと衝突する別のフレームを送信してしまった場合には、ＡＣＫフレームは送信されないかもしれない。ただし、ブロードキャストフレーム（及び閾値よりも小さいユニキャストフレーム）は、上記の受け渡しを使用しない。そのため、それらのフレームに対して、ＭＡＣの受け渡しメカニズムは、失敗を検出するために利用されず、ＭＡＣ手順は、遅延範囲を増大させない。

２個の通信源からのブロードキャストフレームは、もし両方の通信源が同時に送信を試みたならば、衝突するかもしれない。この衝突は、２つのフレームが異なる２個の通信源において未送信であり、２個の通信源に同時に送信を行なわせる、同じＣＷバックオフ値を、それらの通信源がランダムに選択してしまったときに発生する。他の態様では、衝突は、２つのフレームが異なる時間に送信保留状態を開始させたが、その２つのフレームが送信保留状態を開始させた間の累積的な未使用時間分だけ偶然異なる、異なったＣＷバックオフ値を２個の通信源がランダムに選択した場合にも発生する。

２個以上の通信源が同時にフレームを送信したときに、衝突が発生する。受信側は、フレームの１つを復号化することができるかもしれないが、他のフレームは失われる。もしくは、干渉により、受信側はいずれのフレームも復号化することができないかもしれない。フレームがブロードキャストフレームであった場合、ＭＡＣの受け渡しメカニズムは使用されず、そのため、通信源は、衝突が生じて１つもしくは複数のフレームが受信されなかったことを検出することができない。従って、例えばブロードキャストフレームのような、失敗検出メカニズムを有していないフレームのためにバックオフ手順を適応させることが望ましい。

なお、このセクションにおける記述は、本発明に関連する背景技術についての情報を示すものに過ぎず、公知技術に該当するものではない。また、本明細書に渡って、ＭＡＣについて言及するが、本発明は、さらに広範な観点から、より一般的なチャネルアクセス制御メカニズムに適用可能であることが理解されるべきである。

無線通信システムにおける所定の端末に、コンテンションウインドウを適合させるための方法が提供される。その方法は、送信媒体における混雑を示す目標パラメータを定義し、送信媒体へのアクセスを準備している送信端末の数を決定し、そして、送信媒体を介して送信する際の遅延値を選択するためのコンテンションウインドウを決定することを含み、コンテンションウインドウは、目標パラメータ及び送信端末の数の関数として定義される。

本発明の別の態様においては、無線通信システムにおいて、送信媒体へのアクセスを準備している端末の数を決定するための方法が提供される。その方法は、所定の端末において受信されたフレーム間の未使用時間を観測し、前記所定の端末において現在使用されているコンテンションウインドウを確定し、そして、未使用時間及び所定の端末によって現在使用されているコンテンションウインドウの関数として、送信媒体へのアクセスを準備している端末の数を見積もることを含む。

本発明のさらなる適用範囲は、以下に与えられる詳細な説明から明らかとなる。ただし、その詳細な説明及び特定の例は、説明のみを目的とすることが意図され、本発明の範囲を制限することは何ら意図されないことが理解されるべきである。また、図面は、実施形態を図示することを目的とするものであって、いかなる場合も、本発明の範囲を制限することを意図するものではない。

図１は、無線通信システムにおいて、所定の端末にコンテンションウインドウを適合させるための方法の好ましい一例が示されている。最初に、ステップ１４において、システムにおいて送信媒体へのアクセスを準備している送信端末の数に関しての決定がなされる（本明細書では、同時係属通信源とも言及される）。１つ以上の観測結果が、この決定処理に入力される。例えば、同時係属通信源の数の決定は、後述する方式に従い、所定の端末において受信されたフレーム間未使用時間、介在している通信源の数、無線局の数、もしくはそれらの組み合わせに基づいて行なわれる。決定処理へのその他の入力も、本実施形態において考慮されている。

目標動作パラメータは、ステップ１６において定義される。一般的に、スループットのような特定の変数を最大化するよりも、むしろシステムを目標動作点で動作するようにシステムを適合できることが望ましい。この理由は、トレードオフにある。例えば、目標動作点は、スループットの低下の下で、改善された信頼性を得ることができ、その一方、スループットを最大化することは、信頼性の犠牲を伴う。第２に、受領通知の仕組みなしには、通常、無線機は、フレームが衝突したことを知ることができない。そのため、無線機は、通常、通信システムがフレーム損失に関してどのように動作しているのかあるいは動作する予定であるかを知らない。さらに、望ましい目標動作点があったとしても、無線機は、目標が満たされているか否か判断するには不十分な情報しか有していない。第３に、衝突と損失の可能性を決定する、基本的なパラメータは、通常、未知である。例えば、１つの無線通信機の内部状態は、他の無線通信機には不明であるので、通常、同時係属通信源の数は未知である。例えば、１つの無線局において準備されたフレームがあるか否かは、通常、他の無線局では知ることができない。別の例として、他の無線機のＭＡＣ層によって使用される内部パラメータがある。このような全ての情報は、無線局間で通信可能ではあるが、オーバーヘッド（チャネル容量における負担）及び遅延（待ち時間の増加）を招いてしまう。

好ましい一例としての実施形態では、目標パラメータは、（例えば、Ｎ個のフレームに対する）一巡当たりの衝突の確率である。つまり、Ｎ個のフレームから１個以上のフレームが衝突する確率である。これは、関連するが、特定のフレームが失われる確率とは異なる。このように、他の確率も目標パラメータとして用いることができる。さらに、確率ではない他のパラメータも他の実施形態として使用することができる。例えば、混雑、待ち時間、スループット、もしくは負荷を示すパラメータが使用され得る。目標パラメータは、トレードオフをバランスさせる動作点をセットするので、遅延範囲を調整するアルゴリズムのための目的物として利用される。

中間目標パラメータも、繰り返される演算を単純化するために、アルゴリズムに都合よく使用され得るものである。好ましい一例としての実施形態において、衝突の確率に基づく中間パラメータは、適合当たりの演算数を減少させるために用いられる。中間パラメータは、目標パラメータ（衝突確率）の関数であり、いったん演算されると、Ｎが変化してもアルゴリズムに使用することができるので、アルゴリズムの実行に都合が良い。ただし、目標パラメータが変化したならば、そのときには、中間パラメータは再演算されるべきである。

コンテンションウインドウ（本明細書では、遅延範囲としても言及される）は、目標パラメータと同時係属通信源の数との関数として、ステップ１８において決定される。同時係属通信源の数Ｎは、媒体へのアクセスを同時に準備している、未送信のフレームを有している通信源の数である（それゆえ、一般的には、無線局と呼ばれるが、現在、通信源（送信機）となっている無線局と、現在、通信受部（受信機）となっている無線局とは区別される。）。従って、同時係属通信源の数Ｎは、同時に競合する無線局の数であり、すなわち、（以下の基本例として考慮するが）それらの各々が同時にフレーム（パケット）を送信するための準備を完了したか否かに係らず、現在、アクティブとなっている無線局の数である。なお、目標パラメータと同一視されうる別の性能尺度を決定するなど、Ｎの使用には他の選択肢もある。

遅延範囲を決定する理由は、衝突と、過去の又は予期される性能を表したり示したりする未知のパラメータとの関係に基づく。例えば、Ｎ個の同時係属通信源において、同時に全てのフレームの送信準備がなされ、各々が、同じ媒体使用期間に、バックオフ値のためのＣ個の異なる遅延値の選択を行なうことが可能であった場合を想定すると、衝突は、Ｎ個すべての同時係属通信源が、遅延範囲（コンテンションウインドウ）において異なる値を選択したときのみ、避けられうる。衝突が生じない確率は、従って、Ｃ個の固有値からなる遅延範囲において、Ｎ個の異なる値を全て選択する組み合せ方の数に、Ｎ個の通信源の置換数を乗算し、さらに、Ｎ個の同時係属通信源がＣ値（固有値であるか否かは問わない）を選択する全ての組み合せ方の数で除算したものに等しい。衝突の確率は、１から衝突が生じない確率をマイナスしたものとなる。ただし、Ｃの数がＮ個よりも少なければ、少なくとも２個の通信源が同じ値を選択する結果となり、従って、少なくとも２つのフレームが衝突することに注意すべきである。最後に、Ｎは、一般的に未知であり、また他の無線局によって使用されるＣの値も一般的に未知であることを思い起こすべきである。

フレームは、たとえ同じ媒体使用期間に準備されなくとも、衝突する可能性がある。フレームは、ランダムに選択されたバックオフ値同士の相違が、それらが準備された時点（バックオフがスタートした時点）間の、未使用期間における時間差に対応する場合、衝突する。ランダム値は一律に選択されるので、２つの状況は対比可能である。従って、例示の実施形態のため、フレームは、連続的な時間フレームに渡って送信され、平均的な数の同時係属通信源が用いられる。フレームの送信がスロットに割り当てられたとき、スロットの始まりにおいて多くの送信がスタートする可能性を有しており、そのスロットの始まりでスタートする数が用いられる。

最後に、演算された遅延範囲は、送信端末により、ランダムなバックオフ値を決定するために使用され（ステップ１９）、そのバックオフ値は、チャネルアクセス制御メカニズムに使用される。より具体的には、送信端末は、バックオフ時間として、遅延範囲内の値をランダムに選択し、その端末からフレームを送信する前にバックオフ時間が終了するまで待機する。

いくつかの実施形態において、遅延範囲は、入力パラメータ及び目標パラメータにおける変化に対応するように、時間の経過に伴って適合される。１つの実施形態では、Ｎの決定された値を与えられたとき、衝突の目標確率が、Ｃに対する適切な値を決定するために使用される。適合は、周期的に、あるいは、入力又は目標パラメータが変化したとき、もしくは、適合可能な速度に従って、繰り返される。１つの実施形態では、遅延範囲は、衝突の望ましい確率を達成するようにセットされ、その確率は、通信源の数と遅延範囲とに依存する。別の実施形態では、遅延範囲は、衝突の確率が望ましい確率より高い場合には増大され、衝突の確率が望ましい確率より低い場合には縮小される。例えば、１つの実施形態において、適合は、２０％又は４０％（ρ＝０．２又は０．４）の、一巡当たりの衝突の目標確率（２つ以上のフレームにおける１つ以上の衝突）のため、１６未使用期間毎（約１６フレーム毎）に実施される。それらの目標パラメータ値は、およそ２．２及び１の中間パラメータ値に対応している。遅延範囲Ｃは、好ましい実施形態において、Ｎの２乗に中間パラメータを乗算することによって決定される。

衝突のためにフレームが失われる確率は、通常、一巡間における衝突の確率よりも小さい。例えば、Ｎ＝４と仮定する。目標確率４０％（ρ＝０．４）のためには、中間パラメータはおよそ１であり、そのため、決定される遅延範囲はＣ＝１６である。それらの値のため、特定のフレームが固有値を選択する確率は、約８２％である。従って、所定のフレームが失われる確率は、４０％よりも小さい約１８％となる。ρは適合可能であるので、本実施形態では、望ましい性能を目標とするように適合されえる。

１つの実施形態において、遅延範囲の考えられる選択に制限はない。別の実施形態では、遅延範囲は、許容値に対応するように段階的に調整される。例えば、アルゴリズムは、２のべき乗に相当する指数関数的なステップで、遅延範囲の値Ｃを調整することができる。別の実施形態では、遅延範囲の適合は制限されない。さらに別の実施形態では、遅延範囲の選定は、最小値及び／又は最大値の間に制限される。例えば、Ｃは、現行の８０２．１１標準において利用可能な値（すなわち[１６，３２，６４，１２８，２５６，５１２，１０２４]）に制限され、それぞれ、２で乗算あるいは除算することによって増大あるいは減少される。適合は、周期的に、あるいは、入力又は目標パラメータが変化したとき、もしくは、適合可能な速度に従って、繰り返される。適合の速度も、状況の動的変化（移動度、メッセージ又は無線局の量など）に基づいて変更される。

アルゴリズムに対する任意的である改良は、予期される衝突確率によってＮの評価値を補正することである。この衝突補正は、高目標衝突比率で動作させる際により重要となり、そのため、低目標衝突比率に対しては省略可能であって、それにより、通常、より典型的であって合理的な動作点とすることができる。衝突補正の追加は、上記と同じ関係を用いて、ＮとＣとに基づく衝突確率を評価することによってなされうるもので、フレーム間未使用時間の間の使用期間の部分が実際に多数のフレーム（衝突）によるものであることを考慮して、Ｎに対する評価を再演算する際に、その評価を用いる。換言すると、別途評価されたものよりも大きくなる。このＮは、衝突の確率が既知であって、しかしその確率が低い場合、Ｎは演算可能であり、その差異は小さく、無視できる。簡素化の例として、衝突があったならば、平均的な衝突は、２つのフレームを含むとみなすことができる。そして、Ｎは、衝突補正されたＮの評価値を得るために、(１＋ρ)が乗算される。

上述の適合アルゴリズムは、個々の無線送信機（無線局）において実行され、分散された方式で独立して動作する。無線局間において協同、合図、もしくは同期は一切要求されない。情報が交換される必要もない。適合アルゴリズムの関連するステップのみが説明されたが、他のソフトウエアにより実行される各指令も、無線局の動作全体を制御し管理するために必要とされることが理解されるべきである。

本発明による他の実施形態において、適合アルゴリズムは、１個以上の中央無線局が、他の無線局が使用すべき遅延範囲を決定する集中化された構成において実行されることも可能である。そして、中央無線局は、他の無線局と遅延範囲を分かち合い、それらの無線局はその値を採用する。いずれの構成においても、無線局は、１つの又は複数のフレームが無線局において未送信となっている、未送信となるであろう、あるいは未送信である状態が継続していたか否か、または使用している遅延範囲、あるいは（後述される）フレーム間の未使用時間の統計のような、チャネルの観測結果について、情報を交換することができる。この情報はアルゴリズムに入力される。

しかしながら、集中化された構成における性能は、局所の状態の考慮を欠くため、不利となるかもしれない点に注意すべきである。換言すると、１個の無線局の観点からの同時係属通信源の数は、もし異なる無線局が並んでいた場合、別の無線局の観点からとは異なるかもしれない。換言すると、チャネルの混雑のレベルは、場所によって変動し、そのため選択された目標パラメータに対する最適な遅延範囲も異なるかもしれない。分散実行は、そのような状況に適応するために好ましい。ただし、集中化された構成において、中央無線局は他の無線局とＣ値を分かち合うので、他の無線局において使用されるＣ値は既知となる。

アルゴリズムは、フレーム間未使用時間（Inter‐Frame Idle Time：IFIT）から同時係属無線局の数を評価するためのＣ値として、その遅延範囲値Ｃを使用することができる。分散された構成では、アルゴリズムは、評価のためのＣ値として、無線局において使用される局所Ｃを用いる。他の選択枝としての実施形態では、（時間経過に伴って）フィルタ処置されたＣ値あるいはＣ値のための別の評価値が使用されえる。Ｃ値は、異なっているかもしれないとしても、近隣の通信源によって使用されている一般的なＣを現している。例えば、Ｃ値は、近隣の通信源によって使用されている平均的なＣ値に向かう傾向がある。これを成し遂げるため、無線局は、例えば一般的なヘッダーの一部として使用中のＣ値を同報配信（ブロードキャスト）することができる。

本発明の他の態様によれば、１つ以上の観測値から同時係属通信源の数Ｎが決定される。図２は、例示としての実施形態を示している。この例示実施形態では、同時係属通信源の数が、所定の端末にて受信されたフレーム間の未使用時間と、その所定の端末において現在使用されているコンテンションウインドウの観測値から見積られる。ＭＡＣの環境では、この未使用時間は、通常、フレーム間未使用時間（ＩＦＩＴ）と呼ばれ、未使用時間へのフレーム間間隔（Inter‐Frame Spacing：IFS）の寄与を含まないフレーム間の連続的な未使用時間として定義される。換言すると、ＩＦＩＴは、バックオフカウントダウンに寄与する時間として定義される。他の代替例では、ＩＦＩＴは、フレーム間隔（ＩＦＳ）時間を含むことができる。ＩＦＩＴは、Ｎが増えるにつれ、同じＣの値に対して、フレーム間未使用時間はより短くなるので、同時係属通信源の数Ｎの指標としての役割を有する。

適合アルゴリズムを用いたもの以外の処理によって、通信システムにおいて、送信されるフレームがある場合、ＩＦＩＴの通常の期間は、それらの他の処理によって影響される。その例は、（ブロードキャストのためにコンテンションウインドウを適用していない）従来の無線局、ユニキャスト、あるいは異なるＱｏＳ（Quality of Service）クラス（アクセスカテゴリ又は優先レベル）である。それらの処理の存在及びそれによって生じるフレームはＩＦＩＴの特性に影響を与える。そのため、この影響を明らかにし、特定のプロセスを用いて送信された同時係属フレームの数に関連する情報のみを抽出することが望ましい。その効果は、仮想ＩＦＩＴを演算する方法を用いることによって明らかにされる。この方法は、本実施形態によって送信されないフレーム、つまり、（本実施形態の他の例を用いたとしても）異なるタイプ、クラス又は優先度のフレームによる影響を除去するものである。

仮想ＩＦＩＴ方法は、フレームの適用性（フレームが特定の適合処理に適用できるか否か）の決定、及び仮想ＩＦＩＴの演算を含む。フレームの適用性は、フレームの特性又は内容を検査することによって決定される。例えば、ブロードキャストコンテンションウインドウを適合されている無線局は、受信したフレームのアドレスがブロードキャストアドレス（適用可）か、あるいはユニキャストアドレス（適用不可）かをチェックし、それにより、いずれのフレームが適用できるものかを決定する。

図４は、適合アルゴリズムがブロードキャストフレームのみに適用された際の、ＩＦＩＴにおけるユニキャストフレームの実際の影響を決定するための、例示としての仮想ＩＦＩＴ方法を示す図である。フレームが特定の適合処理に適用不可である場合（例えば、ブロードキャストフレームではない）、ＩＦＩＴ方法は、(例えば、ブロードキャストフレームのための)特定の適合処理の目的のため仮想ＩＦＩＴ期間を得るべく、フレームに続くＩＦＩＴの長さを、そのフレームに先行するＩＦＩＴに付け加える。この付加プロセスは、仮想ＩＦＩＴが２つの引き続いている適用可能フレーム（例えば、同じ無線局からか、異なる無線局からかを問わず、２つのブロードキャストフレーム）の間の、（１つ以上の）全てのＩＦＩＴを明らかにするまで続けられる。

例えば、２個の無線局がブロードキャストフレームを送信しており、第３の無線局がユニキャストフレームを送信していると仮定する。また、本実施形態は、ブロードキャストのみに適用されるものとする。さらに、第１及び第２の無線局によって送信された２つのブロードキャストフレームの間に、第３の無線局が２つのユニキャストフレームを送信したケースを想定する。仮想ＩＦＩＴ方法によれば、第１の無線局が、ブロードキャストフレーム間の３つのＩＦＩＴの合計に等しい仮想ＩＦＩＴを演算する。その仮想ＩＦＩＴは、ブロードキャストコンテンションウインドウの適合処理の目的のため、同時係属無線局の数を決定する際に用いられる。

このように、仮想ＩＦＩＴ方法は、過去のものとの互換性、ユニキャストとブロードキャストとの混在、あるいは本実施形態を種々のＱｏＳレベル、あるいは異なる又は別個のプロセスによってＩＦＩＴが影響を受ける他の状況に適用するために有効である。ＱｏＳのため、全ての優先レベルに対して単一のＣを用いることができ、あるいは１組のＣ値（各優先レベルに１つのＣ値）を一緒に用いる（組として増加、減少される）こともできるし、Ｃ値を各優先レベルに対して独立して適用することもできる。

図３は、バックオフ値の決定に基づいて、フレーム間未使用時間（ＩＦＩＴ）がどのように生じるかの例を図示するものである。Ｎ個の通信源が、同一の媒体使用期間に、スタートを保留しているフレームを有し、Ｎ個のＣＷバックオフ値を選択したとき、連続的なバックオフ値間の予期される相違は、ＣをＮで除算したものに近似する。ただし、これは、フレームの到達タイミングに依存して異なる。それらの通信源が、新たな未送信フレームを有していなければ、未送信フレームの平均数は、Ｎ／２である。それゆえ、平均数を用いることができる。

そして、本実施形態では、通常、たとえ同時係属通信源が、新しい未送信のフレームで、送信されるフレームを絶えず置き換えないとしても、他の通信源がそのうちに未送信のフレームを持つようになるので、継続的に同時係属している通信源Ｎの平均値を見積もるために、現在のフレーム間未使用時間（ＩＦＩＴ）ｂと、現在のＣ値の測定値を用いる。それゆえ、例示としての実施形態では、Ｎは、平均（又は予想）ＩＦＩＴのｂを２倍したもので、Ｃを除算することによって概算される。他の無線局によって使用されるＣ値は、通常、未知であることに注意すべきである。このため、上記動作に用いられるＣ値は、無線局（通信源）それ自体によって使用されている値である。

通信源の近隣、すなわちその通信源から所定範囲内に存在する無線局の数Ｕも、同時係属無線局の数Ｎの指標となりうる。Ｎ値は、Ｕ値に等しいか（多くても、全ての無線局が同時に送信するために準備されたフレーム有するだけであるため）、それよりも小さい。従って、Ｕ値は、Ｎ値の見積もりにおいて上限値として用いられうる。例示としての実施形態では、Ｕ値は、他の通信源から受信され、その受信機に向けられていないフレームを除去する前に、フレームに含まれている固有のＭＡＣアドレスを観測することによって決定される。送信は時間の経過に伴い拡散されるので、現時点よりも、又は間近に多くのフレームが受信される以前の時間の経過に伴って多様な通信源が観測される。無線局は、自身もカウントすべきである。また、ＭＡＣアドレスの使用のため、それらのアドレスは、固有値であって、観測速度よりも速く変化すべきでない。ＩＰアドレスや移動局ＩＤのような他のアドレスも、代替的に使用可能である。Ｕ値を決定する他の技術を採用することも、本実施形態によって意図されている。

同一の通信源によって送信される２つの連続的な未送信フレーム（ただし、通信媒体において必ずしも連続するフレームである必要はない）間の時間は、コンテンションメカニズムに依存し、その間（２つのフレーム間）に他の通信源によって送信されるフレームの数Ｌも、同時係属通信源の数Ｎの指標となり、通常、Ｌ値は、Ｎ値に等しいか、それよりも小さい。従って、Ｌ値は、本実施形態では、Ｎ値の見積もりにおいて下限値として用いられる。図５は、下限値Ｌを決定するための例示としての方法を示す図である。示された例では、無線局ＳＴＡ１からの連続的なフレームの間に、２つのフレームがあるので、Ｌ＝２となる。

無線局が、フレームを送信した後に、即座に準備できる別のフレームを有していない場合には、代替方法を用いることができる。例示としての代替方法では、Ｌの値は、バックオフ（送信待機）しているいずれかの無線局が、平均バックオフ遅延時間（例えば（Ｃ−１）／２）を積算する時間の間に、送信されるフレームの数を観測することによって演算され、これは、もし無線局が未送信のフレームを連続的に持っていたとしたら、それらを送信する間に、平均してそれぐらいの時間を待つためである。観測無線局は、それ自身を考慮するため、１を加える。この方法は、一般的に使用されても良いし、無線局が送信後に即座に準備される別のフレームを有していないときのみに使用されても良い。あるいは、別の無線局が絶えず未送信のフレームを有していることが分かっているならば、他の無線局は、それらの連続的なフレームの間に送信されるフレームの数を観測して、Ｌ値（自身の無線局を考慮するため１を加える）を得ることができる。

上述の２つの方法は、上下限値のために用いられるが、一方あるいは他方のみが使用されても良い。例えば、上限値は、下限値の関数として決定されても良いし、その逆であっても良い。１つの実施形態において、上限値は、下限値の１．５倍の値として演算された。別の実施形態では、下限値は、上限値の２／３の値として演算された。これは、一方又は他方の観測値が利用できない場合に有効である。また、短期間の変動を補償するために、下限値Ｌを上方に偏らせて、収束速度を速めることも有効である。１つの実施形態において、下限値は、１．２５または１．５の係数によって上方に偏らせられた。ただし、下限値が、上限値Ｕを超えることはない。例示としての実施形態において、下限値Ｌ及び上限値Ｕの両方が移動平均又はサンプルの最終的な数を用いて平滑化される。例えば、あるケースでは、上限値Ｕが１秒間にわたる観測値に基づいて演算され、下限値Ｌは、約１００フレームにわたる観測値の平均に基づいて演算された。ここで、観測値の割合や期間は、状況における動的特性（無線局の移動度、送信無線局の数量の変化など）に応じるもので、その動的特性に基づき適合されえることが示唆される。

上述した例示実施形態の根拠が以下に説明される。[０、Ｃ−１]の範囲において、Ｎ個の同時係属通信源がＮ個のバックオフ値を決定したとする。それらのバックオフ値を式５のように表すこととする。

もし同一の媒体使用期間に、ｎ＝２Ｎの通信源が、０からＣ−１アイドルスロットの間のランダム値でバックオフをスタートした場合、次のＣ−１アイドルスロット（連続的又は非連続的）にわたって、未送信フレームの予想される平均数はＮ，つまり式６のようになる。

このように、所定時間にわたる、未送信フレームの平均数は、所定数の未送信フレームの初期状態に関連する。スタート時間は拡散し、ランダム値は均一に分散されているので、連続的な動作の間の同時係属フレームの平均数は、同時にバックオフをスタートした均等数に関連する。

Ｎ個の同時係属通信源の各々ｉが、各通信源において未送信のフレームを送信する前に、フレーム間隔（ＩＦＳ）を含まずに、Ｘｉアイドルスロットだけ待機したとすると、フレーム間隔（ＩＦＳ）を含まないフレーム間未使用時間の予想される期間は、式７によって近似される。なおＥ｛ｂ｝は予想フレーム間未使用時間（ＩＦＩＴ）である。

同時係属フレームの数Ｎは、式８のように無線局の数Ｕを越えることはできない。

連続して同時係属フレームを有する通信源が、それ自身のフレームを送信する間に、連続して同時係属フレームを有するＬ個の固有の通信源からフレームを受信した場合、以下に示すように、一般的に、ＮはＬ+１より少ないことはない。

これは、最悪の場合でも、観測無線局が、最も長いバックオフ値を選択し、その観測無線局の前にフレームを送信するＮ−１個の無線局が存在するためである。

フレーム間隔（ＩＦＳ）を含まないフレーム間未使用時間ＩＦＩＴ、つまりＥ｛ｂ｝の観測無線局は、解答方程式７に用いられたＣの値に基づいて、Ｎを決定することができ、さらに、式８及び式９に従い、Ｕ及びＬによって、その範囲を見積もることができる。アルゴリズムは、Ｎを決定するためにフィルタを用いても良い。

１つの実施形態において、Ｎに関する上下限値は、フレーム間未使用時間（ＩＦＩＴ）ｂに基づいてＮ’を見積もるために適用されえる。もしくは、上下限値は、フィルタ処理後のＮ’に適用されても良い。あるいは、上下限値の一方がフィルタ処理前に適用され、他方がフィルタ処理後に適用されても良い。例えば、上限値をフィルタ処理前に適用し、下限値をフィルタ処理後に適用する。この例において、必ず整数の無線局が存在するので、値は次ぎの整数に切り上げられる（好ましい実施形態において、上方に偏らせられる）。

１つの実施形態において、ＩＩＲフィルタと上下限値の組み合わせが、ｋ＝０．８３３３（すなわち、（１−ｋ）＝１／６）の係数で用いられた。

Ｎ個の同時係属無線局が、独立した固有のランダム変数として、各々［０、Ｃ−１］の範囲においてＮ個のバックオフ値を決定した場合、２個以上の値が同じである確率は、次式によって表される。

ｐの値は、次のＣ−１アイドルスロットにわたる、衝突の確率である（２個以上のフレームでの１回以上の衝突）。上記した、標準的な角括弧の形式は、１組をなすｉ個の固有要素からｊ個の要素を選択する組み合わせ方の数を示すために用いられた。

特定の衝突確率ｐを求めるために必要なＣの値は、同時係属通信源の数Ｎが与えられると、次式のように近似される。

一旦、Ｎが決定され、望ましい衝突確率ｐが決定されると、Ｃのために使われる値が、式１３、あるいはより間便な次式を用いて決定される。

ここで、係数αは、ｐが変化しない限り、１度で演算することができる。

１つの実施形態では、ｐ＝０．２であるため、αは、約２．２４となった。他の実施形態では、ｐ＝０．４であるため、αは約１となった。

そして、アルゴリズムは、通信源にＣ値をセットするか、あるいは現在のＣ値を決定されたＣ値に向かって増加（例えば、２のべき乗の増加）又は減少することができる。アルゴリズムは、上下限値によってＣ値を制限しても良い。

所定の１組において独自の値である確率は、以下のように表せる。

［０、Ｃ−１］の間隔にわたる、係属フレームの平均数は、以下のようになる。

２次元の計算を、ｘ次元において、１次元の計算に単純化する。

［０、Ｃ−１］の間隔にわたる、係属フレームの予想平均数は、以下の多次元計算によって与えられる。

上記算出式に、方程式を代入する。

ｘ_ｉに関して、式を整理すると、以下の式が導かれる。

有限級数の合計を代入すると、

ｋ+１番目とｋ番目の最も短いバックオフ値の差異は、ｋ番目のフレーム間未使用時間を決定し、それは以下のように与えられる。

ここで、最小関数の下付文字は、ｋ番目の最小値を示す。

フレーム間未使用時間の予想値は、以下のようになる。

［０、Ｃ−１］の間隔にわたる変形を適用する。

いずれかの（ｑ+１）番目のバックオフ値の差異を１番目にシフトする。

従って、

均一なランダムバックオフ値の範囲［０、Ｃ−１］の対称性により、以下の式が成り立つ。

それらの関係の組み合わせにより、ｋの独立した結果を生み出し、

また、指数ｋをｂから切り離すことを動機付ける。ｎ−１個のバックオフ値の差異に、最小のバックオフ値をプラスし、Ｃと最大のバックオフ値との差異をプラスした合計は、Ｃに等しくなる。

均一なランダムバックオフ値の範囲［０、Ｃ−１］の対称性により、以下の式が成り立つ。

従って、

予想されるｂ値について解くと、

最小のバックオフ値の予想値は、

多次元計算を、次の３つの部分に分けると、以下の数式が導かれる。（１）すべての通信源が［０、Ｃ−２］の範囲の値を持つ。（２）ｊ個の通信源の順列がすべてＣ−１の値を持つ一方、他の通信源のすべてが［０、Ｃ−２］の範囲の値を持つ。（３）全ての値がＣ−１である。

第２項における最小関数の議論は、ありえる最大値がＣ−１であるため、単純化される。すべての大きさ［０、Ｃ−１］に対する一部分に、バックオフ値が入る可能性は、すべての大きさが［０、Ｃ−ｄ］（ｄ＞０）である場合の、最小の一部分に関して、以下のように表される。

さらに、

最初の２項を総括すると、以下の回帰式の動機付けとなる。

上式は、分析的に解くことが可能であり、ここで、反復の基礎が下記の式によって与えられる。

しかし、第３項における乗数、及び第２項における乗数は、Ｃのべき指数のため、大きなｎに関し、第１項に比較して小さい。しかし、Ｃ＞＞ｎ＞１であるため、

従って、

同時係属フレームの平均数に関する期待値を示すと、以下の式が与えられる。

大きな値に対して、更なる簡素化が動機付けられるならば、下記の式となることに留意すべきである。

すなわち、

所定のバックオフ値となる確率は、均一のランダム選択によって与えられる。

衝突を避けるためには、すべての通信源が異なるバックオフ値を選択しなければならない。すなわち、

バックオフ値の組み合わせ数は、Ｃ^Ｎであり、Ｎ個の通信源が異なるバックオフ値を選択する組み合わせ数は、Ｃ個からＮ個の選び方の数であり、それら各々の順列である。従って、衝突の確率は、以下のようになる。

整理して、自然対数を取ると、以下のようになる。

階乗に対して、以下のスターリングの近似式を代入する。

すると、以下の簡素化された式が与えられる。

無限級数で右辺の自然対数を拡張すると、以下のようになる。

３つの総和項に拡張しつつ、最初の項でＮを消去すると、以下のようになる。

第１項における指数をシフトして、第１及び第２の総和項を合体させると以下のようになる。

さらに、２つの総和項を合体すると、以下のようになる。

ここで、以下のように定義する。

３番目の角括弧内の数量は、ｉ＝ｊの条件でゼロとなり、以下の式を満足する。

先の項はマイナスとなり、後の項はプラスとなる。それらの項の大きさは、以下の条件を満足する。

ここで、Ｃ_０は以下の通りである。

従って、総和の項は、以下の式を満足する。

ここで、ｈ_ｉは、以下の通りである。

Ｎ＞Ｃの範囲でシステムを動作させると、衝突を招く結果となり、従って、適切な動作点のため、Ｎ＜Ｃであることが動機付けられる。ｉに関しての導関数を求めると、以下のようになる。

上式の範囲は以下のようになる。

ここで、Ｃ_１は以下の通りである。

項の大きさに関する上限値は、上限項自体に比例する減少速度よりも速い速度で減少するので、以下のような第１項の近似が動機付けられる。

Ｃについて解くと、以下のようになる。

Ｎ＞１の条件で、更なる簡素化が動機付けられるならば、ｐは定常偏差ガウスとして、次のように表されることに留意する。

そして、式６６は以下のように簡素化される。

ｐが変化しない限り、係数は１度で演算することができるので、アルゴリズムのため都合の良い形式は、以下の通りである。

以上の説明は実際のところ単なる例示にすぎず、本発明、その適用や使用を制限することを意図するものではない。

無線通信システムにおいて、コンテンションウインドウを適応させるための方法の好ましい一例を示す図である。 無線通信システムにおいて、観測された未使用時間から同時係属通信源の数を決定する方法の好ましい一例を示す図である。 無線通信システムにおいて、バックオフが終了するタイミングと、結果として生じる、フレーム送信間の時間の一例を示す図である。 無線通信システムにおいて、媒体アクセスに関する異なるプロセスからの、フレームの実際の影響を決定する方法の好ましい一例を示す図である。 無線通信システムにおいて、同一無線局による連続的な送信の間に、受信されたフレームの数を観測することから、同時係属通信源の数に関する限界値を決定する方法の好ましい一例を示す図である。

Claims (31)

1. 無線通信システムにおいて、所定の端末にコンテンションウインドウを適合させるための方法であって、
   送信媒体における混雑を示す目標パラメータを定義し、
   前記送信媒体へのアクセスを準備している送信端末の数を決定し、そして、
   前記送信媒体を介して送信する際の遅延値を選択するためのコンテンションウインドウを決定することを含み、前記コンテンションウインドウは、前記目標パラメータ及び前記送信端末の数の関数として定義されることを特徴とする方法。
2. 前記目標パラメータを、別のフレームと衝突するフレームの確率として定義することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 送信端末の数を決定することには、所定の端末にて、フレーム間の未使用時間を観測すること、及び観測された未使用時間の関数として送信端末の数を演算することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. フレームが適合処理に適用可能か決定し、２つの連続する適用可能フレーム間に、適合処理に適用できない１つ以上のフレームが挿入された場合、その２つの連続する適用可能フレーム間の未使用時間を付け加えることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 観測された未使用時間、及び前記所定端末により現在使用されているコンテンションウインドウの関数として、送信端末の数を演算することを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 下記の式に従って、コンテンションウインドウＣを決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
   

   

   ただし、ｐはフレームが別のフレームと衝突する確率であり、Ｎは送信端末の数である。
7. バックオフ時間として、コンテンションウインドウの範囲からランダムに値を選択し、前記所定の端末からフレームを送信する前、前記バックオフ時間が満了する時間だけ待機することを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記所定の端末の近隣に存在する端末の数を示す上限値の範囲に、送信端末の数を抑えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記所定の端末において、他の端末から受信されたフレームの固有アドレスを観測することによって前記上限値を決定することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記送信端末の数を下限値の範囲に抑えるものであって、前記下限値は、前記所定の端末によって送信された２つの連続したフレームの間に、フレームが受信された端末の数に相関することを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 無線通信システムにおいて、送信媒体へのアクセスを準備している端末の数を決定するための方法であって、
    前記無線通信システムにおける所定の端末に受信されたフレーム間の未使用時間を観測し、
    前記所定の端末によって現在使用されているコンテンションウインドウを決定し、そして、
    前記未使用時間、及び前記所定の端末によって現在使用されているコンテンションウインドウの関数として、送信媒体へのアクセスを準備している端末の数を見積もることを特徴とする方法。
12. 下記の式に従って、端末の数を見積もることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
    

    

    ただし、Ｃは現在使用されているコンテンションウインドウであり、Ｅ｛ｂ｝は未使用時間である。
13. 前記所定の端末の近隣に存在する端末の数を示す上限値の範囲に、送信端末の数を抑えることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記所定の端末において、他の端末から受信されたフレームの固有アドレスを観測することによって前記上限値を決定することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 送信端末の数を下限値の範囲に抑えるものであって、前記下限値は、前記所定の端末によって送信された２つの連続したフレームの間に、フレームが受信された端末の数に相関することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
16. 無線通信システムにおいて、所定の端末にコンテンションウインドウを適合させるための方法であって、
    フレームが別のフレームと衝突する目標確率を定め、
    前記送信媒体へのアクセスを準備している送信端末の数を決定し、そして、
    前記送信媒体を介して送信する際の遅延値を選択するためのコンテンションウインドウを決定することを含み、前記コンテンションウインドウは、前記目標確率及び前記送信端末の数の関数として定義されることを特徴とする方法。
17. 送信端末の数を決定することには、所定の端末にて、フレーム間の未使用時間を観測すること、及び観測された未使用時間の関数として送信端末の数を演算することを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. フレームが適合処理に適用可能か決定し、２つの連続する適用可能フレーム間に、適合処理に適用できないフレームに隣接し、その２つの連続する適用可能フレーム間に介在する未使用時間を付け加えることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 観測された未使用時間、及び前記所定端末により現在使用されているコンテンションウインドウの関数として、送信端末の数を演算することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. 下記の式に従って、コンテンションウインドウＣを決定することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
    

    

    ただし、ｐはフレームが別のフレームと衝突する目標確率であり、Ｎは送信端末の数である。
21. バックオフ時間として、コンテンションウインドウの範囲からランダムに値を選択し、前記所定の端末からフレームを送信する前、前記バックオフ時間が満了する時間だけ待機することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
22. 前記所定の端末の近隣に存在する端末の数を示す上限値の範囲に、送信端末の数を抑えることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
23. 前記所定の端末において、他の端末から受信されたフレームの固有アドレスを観測することによって前記上限値を決定することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
24. 前記送信端末の数を下限値の範囲に抑えるものであって、前記下限値は、前記所定の端末によって送信された２つの連続したフレームの間に、フレームが受信された端末の数に相関することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
25. 無線通信システムにおいて、所定の端末にコンテンションウインドウを適合させるための方法であって、
    送信媒体における混雑を示す目標パラメータを定義し、
    前記所定の端末にて、フレーム間の未使用時間を観測し、
    観測された未使用時間の関数として、前記送信媒体へのアクセスを準備している送信端末の数を見積もり、そして、
    前記送信媒体を介して送信する際の遅延値を選択するためのコンテンションウインドウを決定することを含み、前記コンテンションウインドウは、前記目標パラメータ及び前記送信端末の数の関数として定義されることを特徴とする方法。
26. 前記目標パラメータを、別のフレームと衝突するフレームの確率として定義することを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. 下記の式に従って、コンテンションウインドウＣを決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
    

    

    ただし、ｐはフレームが別のフレームと衝突する確率であり、Ｎは送信端末の数である。
28. バックオフ時間として、コンテンションウインドウの範囲からランダムに値を選択し、前記所定の端末からフレームを送信する前、前記バックオフ時間が満了する時間だけ待機することを特徴とする請求項２５に記載の方法。
29. 前記所定の端末の近隣に存在する端末の数を示す上限値の範囲に、送信端末の数を抑えることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
30. 前記所定の端末において、他の端末から受信されたフレームの固有アドレスを観測することによって前記上限値を決定することを特徴とする請求項２９に記載の方法。
31. 前記送信端末の数を下限値の範囲に抑えるものであって、前記下限値は、前記所定の端末によって送信された２つの連続したフレームの間に、フレームが受信された端末の数に相関することを特徴とする請求項２５に記載の方法。

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