JP2010514332A - 適応的なキュー待ち時間を伴うスケジューリング及びキューマネージメント - Google Patents

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Abstract

本発明は、TCP/IPに基づくデータ通信システムのためのスケジューラ及びそのスケジューラのための方法に関する。その通信システムは、TCP/IP送信機と受信装置UEを含む。スケジューラはTCP/IPデータレートをTCP/IP送信機から計測するためのレート計測デバイスと、TCP/IP送信機からデータセグメントをバッファリングするためのキューバッファデバイスとを含むノードに関する。本スケジューラは、TCP/IPデータレートのレート計測デバイスから情報を受信する。そして本スケジューラは、TCP/IP送信機がスロースタートモードであるときに許容キュー待ち時間を最小値にし、TCP/IPレートが閾値に達したときには、許容キュー待ち時間を増加させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、TCP/IP送信機及び受信装置UEを含むTCP/IPに基づくデータ伝送システムのためのスケジューラに関する。本スケジューラは、TCP/IP送信機からのTCP/IPデータレートを計測するためのレート計測デバイスとTCP/IP送信機からのデータセグメントをバッファリングするためのキューバッファデバイスとを含むノードに関する。スケジューラは、TCP/IPデータレートについてのレート計測デバイスから情報を受け取るように設計されている。そしてスケジューラは、アクティブキューマネージメントAQM(Active Queue Management)のためにバッファデバイスと通信するよう設計されている。本発明は、またそのようなスケジューラのための方法に関する。
TCP(Transmission Control Protocol)は、仮想回線プロトコルであり、インターネットプロトコル群の中核となるプロトコルのうちのひとつである。そして多くの場合、単にTCP/IPと呼ばれる。TCPを用いると、ネットワークに接続されたホスト上のアプリケーションは、互いにコネクションを張ることが出来る。そしてそのコネクション上でアプリケーションはデータのストリームを交換することが出来る。当該プロトコルは、信頼性及び送信機から受信機までデータを順序通り配送することを保証する。TCPはまた、同じホスト上で並列的に実行されているアプリケーション(例.ウェブサーバとEメールサーバ)による複数の接続のためにデータを区別する。
TCPは、ワールドワイドウェブ(WWW:World Wide Web)、E−メール、及びセキュアシェル(SSH:Secure SHell)を含む、インターネットの最も一般的なアプリケーションプロトコル及びそれらによるアプリケーションのうちの多くをサポートしている。
インターネットプロトコル群の中で、TCPは、TCPの下位にあるインターネットプロトコル(IP)と、TCPの上位にあるアプリケーションとの間の中間レイヤである。アプリケーションは、度々相互に信頼性のあるパイプのようなコネクションを必要とする。一方、インターネットプロトコルは、そのようなストリームを提供せず、ベストエフォート型の配送(即ち、信頼性のないパケット)のみを提供する。TCPは、コンピュータネットワークの簡易化したOSIモデルの中でトランスポート層の役割を行う。その他の主なトランスポートレベルのインターネットプロトコルは、UDPである。
そのため、TCP/IPは、コンピュータを含む機器に対するインターネットトラフィックのために用いられるプロトコルである。このプロトコルは、パッケージ型の多くのデータセグメントを含むデータストリームを送受信することを可能にする。データストリームは、セグメントが出来る限り速いデータ伝送レート(以下、レートと呼ばれる。)で、即ち、出来る限り多くの単位時間当たりに伝送されるセグメントをもって、ユーザ装置(以下、UEと呼ばれる。)からユーザ装置へ送られるのに都合がいいように分割される。データセグメントを受信するためのUEは、受信したセグメントを組み立てて、送信されたデータストリームと対応するデータストリームを生成するための受信機を含む。UEがあるセグメントを受信したとき、確認応答信号であるACKが、そのセグメントを送信したUEに返送される。もしあるセグメントに対する確認応答がない場合、送信機はそのセグメントを再送する。TCP/IPプロトコルは、ネットワークにおける輻輳を避けるためのレート制御を含む。2つの異なるレート制御フェーズ(又は制御モード)が存在する。そしてそれらは、”スロースタート”及び”輻輳回避”である。送信は、いつもスロースタートモードで、低レートで始まる。そしてそれぞれのラウンドトリップタイムRTTの間に、レートは倍にされる。TCP/IP送信機は、あるメッセージが送信されてから、TCP/IP受信機から対応する応答メッセージが受信されるまでの時間に基づいてRTTを計算する。
2つの異なる理由により、TCP/IP送信機はそのレートを下げることになる。
1)送信機が、送信されたセグメントのACKをラウンドトリップタイムのタイムアウトRTOの間受信しない。このRTOは、計算されたRTTに基づいたある関数によって決定される。このRTOが終了したとき、送信機はスロースタートモードで再始動する。
2)重複するACKが何度も、しばしば3度も受信される。重複するACKは、前のACKが指し示すセグメント番号と同じセグメント番号を示すACKである。これは、送信機は、受信機によってそのACKに指定されたセグメントが受信されなかったことを知ることを意味する。さらに、送信機はまた、受信機が後に送信されたいくつかのセグメントを受信していることを知る。そのため送信機は、コネクションはまだ有効であるが、そのセグメントが失われたということを知る。このような場合には、送信機は、高速再送を実行し、送信レートを現在の送信レートの半分のレートに下げる。この処理が含まれることにより、送信機が時間のかかるスロースタートモードで再起動すること(ACKがRTOの間に送信機によって受信されなかった場合、即ち失われたセグメントが再送されないでRTOの間に応答されなかった場合に引き起こされる)を回避することが出来る。
モバイルネットワーク(例えばIEEE 802.16及び3GPP(3rd Generation Partnership Project))において、スケジューラは、無線インタフェース上のあるセルで異なるUEに対する異なるデータ通信フローの間で通信容量を均等に分配するために存在する。同時に、スケジューラは、通信容量をそのネットワークにおける(即ち、例えばそのセルにおける)全体の通信レートが最大化される方法で利用しようとする。無線インタフェースにおいて通信容量が制限されているため、スケジューラは、それぞれの通信フローにおけるレートを規則正しい方法で制御することを必要とする。
通信フローレートを調整するために、幾つかの手法がある。ひとつの手法は、モバイルネットワークとTCP/IP送信機側との間で、どのレートがスケジューラにとって受け入れ可能であるかをネットワークが送信機に明示的に通知する制御通知用のインタフェースを取り入れることである。
他の手法は、モバイルネットワークが、必要なときに、ひとつのセグメントを廃棄し、さらに後続するセグメントをUEの受信機に送信することによって、TCP/IPプロトコルにそのレートを下げさせることである。これは、ACKの紛失を引き起こすだろう。そしてTCP/IP送信機は、セグメントが紛失されたと認識する。そしてその送信機は、上記項目1に従って高速再送モードになるだろう。即ち、その紛失したセグメントを再送し、TCP/IPレートを現在の通信レートの半分に下げる。この手法は、TCP/IPに、時間のかかるスロースタートモードを引き起こすRTOの場合の代わりに高速再送をさせるよう強いる。そのため、モバイルネットワークに含まれるスケジューラは、レート制御のスケジューリングとTCP/IPレート制御とがよい相互作用をするように、TCP/IPレートを制御することができる。このアイデアは、アクティブキューマネージメントAQMと呼ばれる機能に採用される。
さらに、高い平均通信レートを得るために、高速なTCP/IPレート制御を確立することは、ラウンドトリップタイムを最小化することであると知られている。そこで、RTTを最小化するために、モバイルネットワークにおいてデータ待ち時間を最小化することが望まれている。なぜなら、データ待ち時間はRTTに影響を与える1つのパラメータであるからである。しかしながら、TCP/IPプロトコルはそのレートをそれぞれ受け取ったACKに合わせる。それゆえ、ACKが受信されるのが速くなると、TCP/IPレートが増すのは速くなり、RTTと待ち時間に必要とされる時間は短くなる。これは問題である。なぜなら基地局及びUE間のチャネル性能は、常に時間によって、特にUEが動いているときには異なる。いくつかのUEがセルに接続されているとき、チャネル性能はそれぞれのUE接続に固有のものである。それゆえ、良好なチャネル性能は、異なる時間において、異なるコネクション毎に生じるだろう。
もしそのとき、上記に従って、高速なTCP/IPレート制御を得るためにそのネットワークにおいて許容される待ち時間が最小化されれば、スケジューラは、瞬間的なチャネル性能が良いか悪いかに関わらず、UEにデータを送らなければならない。これは、そのデータが、多くの通信容量(例えば、送信電力)と、恐らく多くの再送と、を必要とする粗悪な(poor)チャネル上を送信されるかもしれないことを意味する。これは、そのネットワークにとって(言い換えれば、そのネットワーク(即ち、例えば、そのセル)における全体の通信レートにとって)、スケジューリングによるゲインに悪い影響を与えるだろう。その問題は、そのセルにおけるUEの数が増えるほど大きくなる。なぜなら悪いチャネルにスケジュールされるUEが増えれば増えるほど、より大きな通信容量が必要とされるからである。
上記の理由により、AQMを用いたTCP/IPレートとスケジューラによって制御されるセルの中においてそれぞれのUEにとってよいチャネル性能との間のバランスを管理することの出来る改善されたスケジューラの必要性がある。そうすれば、そのセルにとってスケジューリングによるゲインを増すことは達成される。
本発明の目的は、TCP/IPデータ通信システムを取り扱うことの出来るスケジューラを用いることによって、多くのユーザ装置を含むシステムにおいてスケジューリングによるゲインを増すことが出来、上記の必要性に対応するものである。ここでスケジューリングによるゲインとは、TCP/IPに基づくシステムにおけるスケジューラが多くの装置を制御し、調整することが出来て、TCP/IP送信機がそのTCP/IPに基づくデータセグメントの通信レートを上げることのできる状況についてのものである。
そのため、本発明は、TCP/IPに基づいたシステムのスケジューリング方法及び上記システムを制御するためのスケジューラに関する。TCP/IPに基づいたシステムは、TCP/IP送信機及び受信装置を備える。TCP/IP送信機は、アップロードの間、ユーザ装置UEに含まれていてもよい。又はダウンロードの間、無線ネットワーク側の送受信装置に含まれていてもよい。ここで“アップロード”及び“ダウンロード”は、UEについてのものであり、即ちUEが情報を送信するとき、UEはアップロードを実行し、そしてUEが情報を受信するとき、UEはダウンロードを実行する。ノードは、送信機及び受信機を有する基地局であってもよい。ノードは、TCP/IP送信機からのTCP/IPデータレートを計測するレート計測デバイス及びTCP/IP送信機からのデータセグメントをバッファリングするキューバッファデバイスを有する。スケジューラは、TCP/IPデータレートについてのレート計測デバイスから情報(即ち、時間単位毎に送信されたデータセグメントの数)を受信する。スケジューラは、従来技術に従って、アクティブキューマネージメントAQMについてのバッファデバイスと通信する。
本発明は、スケジューラが、TCP/IP送信機がスロースタートモードである場合に許容キュー待ち時間を最小値にするステップと、TCP/IPレートが、閾値に達したときに許容キュー待ち時間を増加させるステップと、を実行することを特徴とする。
本発明の1つの利点は、許容キュー待ち時間の適応的な増加は、スケジューラがキューバッファデバイスに貯められたセグメントの送信をチャネル品質が良好である期間に割振ることを可能にするであろうことである。それゆえ、通信容量の使用は削減されるだろう。例えば、少ないセグメントの欠落、少ない再送、そしてTCP/IP送信機が強制的にスロースタートモードにされる期間が少なくなることによって、スケジューリングゲインは増加する。
本発明のひとつのさらなる利点は、許容キュー待ち時間をスロースタートモードの間かなり低く設定することができる点である。それによりTCP/IPレートが最大値に達する期間は短くなるであろう。言い換えれば、期間毎のTCP/IPレートの増加は短い許容キュー待ち時間の使用によって増加されることが可能である。
スケジューラは、許容キュー待ち時間が選択された最大許容待ち時間に達するまで許容キュー待ち時間を増加させる。この選択された最大許容待ち時間は、多くの要素、例えば、RTO及びUEの数に依存する。しかしながら、スケジューラは、ラウンドトリップタイムアウトRTOを回避するのに十分低いレートで許容キュー待ち時間を増加させる。
スケジューラは、TCP/IPレートの閾値が到達された時又はその後に、許容キュー待ち時間を有利に増加させる。この閾値は、スケジューラがAQMを用いて強制的にTCP/IP送信機を高速再送モードにする場合に対応する。それゆえ、TCP/IPレートがその閾値に達したとき、スロースタートモードのリスクの代わりにTCP/IP送信機を強制的に高速再送モードにするために、スケジューラは、AQMを用いて少なくとも1つのデータセグメント、好ましくは最も古いセグメントを廃棄するように、キューバッファを制御する。
この実施形態の利点は、TCP/IPレートを高いレベルに保つことができること、及びTCP/IPレートが高い場合に許容キュー待ち時間を増加させることが出来るようスケジューラが継続的にTCP/IPレートを監視することである。高速再送モードは、高いTCP/IPレートの指標である。そしてこれは許容キュー待ち時間の増加のトリガとして適当である。
さらに、TCP/IPレートの監視のため、スケジューラは、計測されたTCP/IPレートが選択された最小レートを下回った場合にTCP/IPがスロースタートモードであるか否かを識別するために許容キュー待ち時間をリセットしてその最小値としてもよい。
本発明の一実施形態において、有利な点として、スケジューラは、スケジューラがAQMを用いてTCP/IP送信機を強制的に高速再送モードにした時又はその後に、許容キュー待ち時間を段階的に増加させることが出来る。しかしながら、許容キュー待ち時間は、連続的に増加されてもよい。上述の通り、データ通信システムは、無線ネットワーク、例えば、TCP/IP送信機と受信装置との間の無線インタフェースを含む電話及び/又はデータ通信ネットワークであってもよい。
本発明は、以下の複数の図面との関係において説明される。
本発明に係るスケジューラを含むTCP/IPに基づくネットワークにおけるダウンリンクのフローを示した図である。 本発明に係るスケジューラを含むTCP/IPに基づくネットワークにおけるアップリンクのフローを示した図である。 一組のTCP/IP送信機とUEについての従来技術における時間に依存したTCP/IPレートを示した図である。 一組のTCP/IP送信機とUEについての従来技術における時間に依存した許容キュー待ち時間を示した図である。 一組のTCP/IP送信機とUEについての本発明における時間に依存したTCP/IPレートを示した図である。 一組のTCP/IP送信機とUEについての本発明における時間に依存した許容キュー待ち時間の関係を示した図である。 UEについての従来技術における時間に依存したチャネル品質を示した図である。 従来技術における時間に依存したTCP/IP送信機から送信されたデータを示した図である。 最大許容キュー待ち時間が短い場合の従来技術における選択された送信機会を示す図である。 図5aと同様である。 図5bと同様である。 最大許容キュー待ち時間が長い場合の本発明における選択された送信機会を示す図である。
図1は、本発明に係るスケジューラを含むTCP/IPに基づくネットワークにおいて、ダウンリンクについてのフローを示す。図1において、TCP/IPに基づくシステムは、TCP/IP送信機を含む送受信装置と、TCP/IP受信機を含むユーザ装置の形の受信装置UEと、それらの間にあるノードとを含む。
UEは、モバイルネットワークにおけるモバイル装置であり、送受信装置とノードを介して通信する。UEは、ノードと無線インタフェース(即ち、無線通信リンク)を介して通信する。GSM(Global System for Mobile Communication)とUMTS (Universal Mobile Telecommunications System)において、無線インタフェースは、無線アクセスネットワークと呼ばれ、UEとノードとの間の回線の無線周波数部分である。
送受信装置は、2つめのUE又は有線ネットワークにつながれたUE又は有線ネットワーク中のサーバ又はTCP/IPによってエンド・トゥー・エンド通信(即ち、UEからUEへのデータの送受信)のためのいかなる装置であってもよいことは留意すべきである。ノードは、例えばGSMシステムにおける基地局であってよく、又はWCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)に基づくシステムにおけるノードBであってもよい。
基地局において、待ち時間は、パケットが基地局の入力ポートから出力ポートまでを伝わる時間についてのものである。そして基地局において待ち時間は全体のラウンドトリップタイムRTTと関係する。
キューバッファは、多くのデータパケット(即ち、多くのデータセグメント)を溜め込み、そしてそのパケットをキューバッファを制御するスケジューラに従ってBTS送信機に転送する。BTS送信機は、そしてそのパケットを実際の送信先であるUEに転送する。
本発明に係るスケジューラは、TCP/IP送信機からのTCP/IPデータレートを計測するレート計測デバイス及びTCP/IP送信機からのデータセグメントをバッファリングするためのキューバッファデバイスを有するノードと関係する。ここで“関係する”とは、本スケジューラがノードに含まれること、又はスケジューラがノードと接続することのできる外部装置であることを言う。データ伝送レートは、瞬間的なデータレートの情報を含む。レート計測デバイスは、データ伝送レートについての情報をスケジューラに転送する。
図1において、ノードは、またデータセグメントをキューバッファデバイスからUEに送信するためのノード送信機及びデータセグメントをUEから受信するためのノード受信機を有する。図1において、UEは、ノードにデータセグメントを送信するためのTCP/IP送信機及びノードからデータセグメントを受信するためのTCP/IP受信機を含む送受信ユニットを有する。
上述したように、スケジューラは、TCP/IPデータレートについてのレート計測デバイスからの情報を受信するよう設計されている。さらに、スケジューラは、アクティブキューマネージメントAQMについてのキューバッファと通信するよう設計されている。そのため、スケジューラはAQMを含む。ここで、スケジューラは、TCP/IPレートがその閾値に達したときには、キューバッファを制御し、少なくともひとつのデータセグメント(好ましくは最も古いセグメント)を廃棄するように設計されている。それにより、TCP/IP送信機を、スロースタートモードのリスクを避けて強制的に高速再送モードにすることができる。
図1において、多くの送受信装置及びそれに対応する数のUEを含むデータ通信システムが示されている。ノードは、対応する数の、レート計測デバイス、キューバッファデバイス、及びノード受信機を有する。しかしながら、ノードは、上記全てのデバイスをスケジューリングするためにたったひとつのスケジューラを有し、データセグメントをUEに送信するためにひとつのノード送信機を有する。TCP/IP通信システムは、一端にひとつの送受信装置、そして他の一端にひとつのUEを持つエンド・トゥー・エンドのシステムである。送受信装置から送信されたデータストリームは、従って他の一端においてある決まったひとつのUEに送られ、その逆もまたしかりである。スケジューラは多くのUEを選んで、全体の通信容量を分配する。そしてスケジューラは、多くの送信機がスケジューラによって選ばれた多くの受信機に送信できるようにする。送信機は送受信装置の中に内蔵されていてもよいし、UEの中に内蔵されていてもよい。しかしながら、ノードにおいて、UE毎にたったひとつのキューがあってもよいし、又はUE毎にいくつかのキューがあってもよい。このため、ノードにおいて、少なくとも1つのレート計測デバイス及び少なくとも1つのキューバッファデバイスが、ある決まった送受信装置とある決まったUEとの間のデータ通信を処理するよう準備される。一組以上の送受信装置とUEがある時、少なくとも対応する数の、レート計測デバイス、キューバッファデバイス、及び受信機が用いられる。
本発明の一実施形態において、送受信装置からのデータストリームは、1つのデータストリームばかりでなく、一人のユーザに向けた多くのデータストリームを含み、まとめてひとつのデータストリームキューにされた多重信号であるかもしれない。レート計測デバイスは、そのとき個々のデータストリームを計測する代わりにそのデータストリームキューを計測する。これは、本スケジューラにとって問題である。なぜならば、UEにとって、UEが個々のデータストリームに含まれる情報を使うためにUEが確認応答しなければならないのは、個々のデータストリームについてだからである。そのため、本実施形態に係るスケジューラは、AQMを用いることが出来る。そして、本実施形態に係るスケジューラは、バッファから溢れたセグメントを廃棄することによってではなく、統計的な見地(statistic ground)に基づいて選ばれたセグメントを廃棄することによって、TCP/IP送信機を強制的に高速再送モードにする。“統計的な見地”によってとは、ひとつのセグメントが時間軸上のある箇所において欠落させられ、二つ目のセグメントが他の箇所において欠落させられるなどのことをいう。そのため、データストリームキューに含まれる個々のデータストリームのそれぞれは、ひとつのセグメントを欠落させられたことになり、TCP/IP送信機は、個々のデータストリーム全てに対して強制的に高速再送モードにされる。これを実現する他の方法は、それぞれのデータストリームに対してひとつのキューバッファデバイスとなるように、ノードにおいてレート計測デバイスの前にデータストリームキューを逆多重化することである。この場合、本スケジューラは、それぞれのキューバッファに向けたセグメントを上記に従って廃棄することが出来る。
図1において、ノードは、セルと呼ばれるある特定の地理的領域に送信するよう設計されたたった1つのノード送信機を有することが示されている。ノード送信機は、スケジュールされた間隔で(即ち、ある特定の数のUE及び送受信装置が送信することを許されたスケジューラによって決められた時間周期の間)そのセル中の一つ又はさらに多くのUEに対して送信するよう設計されている。
そのセルの中にいくつかのUEがある場合、スケジューラは、全てのUEに関する情報を使って、どのUEに対して送信機は対応するバッファデバイスに記憶されたデータセグメントを送信するかを決定する。本スケジューラは、どのUEが次の順番であるかを決めるために多くのパラメータを用いる。そのパラメータは、スケジューラが公平にスケジューリングするために使うことが出来る情報(即ち、全てのUEが公平に取り扱われるように制御するためのアルゴリズム)を含む。しかしながら、一つのパラメータはチャネル品質の情報を含み、チャネル品質は、時間によって変動するものである(図5a−c及び図6a−cを参照)。これは、もしノード送信機が最も良いチャネル品質を持つUEに送信できるならば、UEの必要とされる通信容量を最小化することが出来るため有利である。本発明によれば、スケジューラは、許容されるバッファキュー待ち時間を現在の状況に合わせて変化させるものである。TCP/IPレートが高いときには、本スケジューラは、バッファデバイスをその許容キュー待ち時間を増加させるように制御する。それによって、スケジューラは、UEが良いチャネル品質を保っている時間の間にUEに対して送信を割振ることが出来る。ここで“割振る”とは、スケジューラが、データセグメントが送信され得るより長い時間間隔を使用してもよいことを意味する。そのため、その送信は、その期間(即ち、待ち時間)の間チャネル品質が十分に良好となるまで後回しにされるかもしれない。
さらに、もしTCP/IP送信機がスロースタートモードになったら、本発明に係るスケジューラは、バッファデバイスにおける許容キュー待ち時間を最小値にするように設計されている。本スケジューラは、そしてTCP/IPレートが閾値に達したときに許容キュー待ち時間を増加させる。
よって、本発明に係るスケジューラを用いてスケジューリングされるUEが増えれば増えるほど、スケジューリングによるゲインが高まることは明白である。
図2は、本発明に係るスケジューラを含むTCP/IPに基づくネットワークにおけるアップリンクのフローを示した図である。図2は、基本的には図1と同じであるが、UEが、ノードを介して送受信装置にデータを送信するためのTCP/IP送信機を有するという点において異なる。送受信装置は、受信する側であって、そのためTCP/IP受信機を有する。それゆえ、アップリンクの場合において、図2におけるデータストリームの方向は、図1に描かれた方向と逆向きである。
図2においてスケジューラは、どのUEにデータを送信することを許可するか決めることが出来るように、スケジューリング情報をUEに転送する。図1において示されたように、本スケジューラは、キューバッファデバイスを制御して、スケジューラがTCP/IPレートが高すぎることを検知したときに、受信されたセグメントのうち最も古いもの又はまだTCP/IP受信機に転送されていない他の適当なセグメントを廃棄する。図1に示したように、レート計測デバイスは、TCP/IP送信機(ここでは、UEの中にある)から送信されたデータレートを計測する。そして、その情報をスケジューラに転送する。そうすると、スケジューラは、TCP/IPレートがその閾値上限に達したかどうかを判別することができるようになる。許容キュー待ち時間の処理は、図1のダウンリンクの場合と同じである。
図3aは、一組のTCP/IP送信機とUEについての従来技術における時間に依存したTCP/IPレートの図を概略的に示している。図3aにおいて、図は、図中に導入された4本の破線によって4つのタイムゾーンI−IVに分けられる。第1ゾーンIにおいて、TCP/IP送信機は、スロースタートモードであって、TCP/IPレートは、非線形的にTCP/IPの値がX_minから、最大値であるX_maxまで増加する。TCP/IP送信機は、いくつかの理由のためにスロースタートモードであるかもしれない。例えば、UEがセルの中をあちこち移動する、シャットオフされた後に再接続される、ラウンドトリップタイムRTの後、送受信装置がシャットオフされる、又は他の理由によって接続が切断される、などの理由が挙げられる。このスロースタートモードになる理由は、TCP/IP標準がすでに従来技術から知られているものであり、そして上記のリストが全てではないことは留意すべきである。
TCP/IPレートがX_maxに等しいとき、スケジューラは、AQMを用いてTCP/IP送信機を強制的に高速再送モードにする。そして、TCP/IPレートは、スケジューラがTCP/IP送信機を強制的に高速再送モードにした時のレートの半分になる。図3aにおいて、高速再送レートは、第1ゾーンIと第2ゾーンIIとの間の境界におけるTCP/IPレートの落ち込みによって検知される。第2ゾーン、第3ゾーン、第4ゾーンII−IVにおいて、TCP/IPは、X_maxの半分のレートからスケジューラがTCP/IP送信機を強制的に高速再送にしたときのレートまで増加する。
図3aにおいて、平均TCP/IPレートがX1という値によって描かれている。図3bにおける低い許容キュー待ち時間のため、高速なTCP/IPレートは増加するが、図3aにおけるX_1レートの長期間の平均値は非常に低くなる。なぜならスケジューリングによるゲインは限られているからである。この低い長期間平均データレートは、以下の図5a,5b、及び5cに示される挙動によって引き起こされる。
図3bは、従来技術において時間に依存する許容キュー待ち時間を示す図である。図3bにおいて、許容キュー待ち時間は、図3aに示されたモードの違いに関わらず一定であることが示されている。
図4aは、一組のTCP/IP送信機とUEについての本発明における時間に依存したTCP/IPレートを示した図である。図4aにおいて、図は、図中に導入された4本の破線によって4つのタイムゾーンI−IVに分けられる。図4aにおける4つのゾーンI−IVは、図3aにおける4つのゾーンと対応している。第1ゾーンIにおいて、TCP/IP送信機は、スロースタートモードであり、TCP/IPレートは、X_minから最大値まで非線形的に増加する。TCP/IP送信機は、図3aとの関連で記述した理由のためにスロースタートモードであるかもしれない。
TCP/IPレートがX_maxと等しい時、スケジューラは、AQMを用いてTCP/IP送信機を強制的に高速再送モードにする。このときTCP/IPレートは、スケジューラがTCP/IP送信機を強制的に高速再送モードにしたときの半分のレートになる。図4aにおいて、高速再送レートは、第1ゾーンと第2ゾーンとの境界におけるTCP/IPレートの落ち込みによって検知される。第2ゾーン、第3ゾーン、第4ゾーンII−IVにおいて、TCP/IPは、X_maxの半分のレートからスケジューラがTCP/IP送信機を強制的に高速再送にしたときのレートまで増加する。
図4aにおいて、平均TCP/IPレートがX2という値によって描かれている。X2の値は、許容キュー待ち時間が可変である本発明によるスケジューリングゲインのために、図1におけるX1の値よりも高い。許容キュー待ち時間が可変であるために、TCP/IP最大レートであるX_maxは、従来技術に比べて高くすることが出来る。本発明は、さらに図4bと関連して説明されるだろう。
図4bは、本発明において時間に依存した許容キュー待ち時間を示した図を概略的に示している。図4bは、本スケジューラが、TCP/IPレート及びTCP/IP送信機のモードを考慮して許容キュー待ち時間を調整するようバッファデバイスを制御することを示している。図4bにおいて、許容キュー待ち時間は、TCP/IP送信機がゾーンIにおいてスロースタートモードである時には、LATENCY_MINの値に設定されうる。このLATENCY_MINは、図3bにおける一定の許容キュー待ち時間よりも低い値に設定されるかもしれない。なぜなら、本発明は、許容キュー待ち時間が増加することを許容するからである。従来技術において、一定の許容キュー待ち時間は、スロースタートモードの間には長すぎることと、TCP/IPが上昇して正常なペースで稼動しているときには短すぎることとの間のトレードオフに従った値に設定されなければならない。一方では、待ち時間が短いときには、多くの通信容量を消耗し、また一方では、TCP/IPがその最大値X_maxに達した時、短いRTTの必要性はなくなり、許容キュー待ち時間は増加することが出来る。
この理由のために、本発明に係るスケジューラは、TCP/IP送信機が強制的に高速再送にされたときにその許容キュー待ち時間を増加させる。図4a及び図4bにおいて、第1ゾーンIと第2ゾーンIIの間の送信、第2ゾーンIIと第3ゾーンIIIの間の送信、及び第3ゾーンIIIと第4ゾーンIIとの間の送信においてこのイベントは起こっている。
許容キュー待ち時間は、異なるゾーン間における通信(即ち、TCP/IP送信機が強制的に高速再送にされたとき、又はされた後)において図4bに描かれたように段階的に増加することが出来る。しかし、異なるゾーンにおいて線形的に増やしてもよい。また、ゾーンの中で段階的に増やされてもよい。図4aにおけるTCP/IPレートの増加は、第2ゾーン、第3ゾーン、及び第4ゾーンII−IVにおいて線形的である。しかし、TCP/IPの増加は、許容キュー待ち時間の増加に従って段階的であってもよいし、非線形的であってもよい。
図5aは、UEについて従来技術において時間に依存したチャネル品質を示した図を概略的に示す。図5aにおいて、チャネル品質は、時間と共に示されている。
図5bは、従来技術における時間に依存したTCP/IP送信機から送信されたデータを示す図を概略的に示す。図5aにおいて、データセグメントはD1−D9にラベル付けされている。データセグメントD1−D9は、ノードのキューバッファデバイスに貯められている。そして、スケジューラは、セル内の異なるUEに送信するようにそれぞれのキューバッファデバイスとノード送信機とを制御しなければならない。図5bにおいて、許容キュー待ち時間は、図3bにおける一定値に対応する値に設定されていることが示されている。
図5cは、従来技術による最大許容キュー待ち時間が短い時の選択された送信機会を示す図を概略的に示す。図5b及び図5cにおける許容キュー待ち時間は、とても短いためスケジューラは、ノード送信機がバッファされたセグメントを決められたUEに送信するにあたって、チャネル品質が良好であるときを待つことが出来ない。そのため、例えば、セグメントD1,D5,及びD6は、たとえチャネル品質が粗悪であったとしても送信されなければならない。この動作は、多くの通信容量を使用する。そしてスロースタートモードに陥る多数の再送のリスクがある。
図6aは、図5aと同様であり、図6bは、図5bと同様である。しかしながら、図6bには許容キュー待ち時間が図5bに示されたものと比べて増えていることが示されている。
図6cは、許容キュー待ち時間が増加(即ち、従来技術に比べて長く)している時の選択された送信機会を示している。スケジューラは、より長い許容キュー待ち時間を用いてもよい。そしてそのため、セグメントD1−D4及びD5−D9の送信をチャネル品質が良好であるときにそれぞれ割振ることが出来る。必要とされる通信容量は従来技術と比べて削減される。スケジューラは、AQMを用いてTCP/IPを図4aにおけるTCP/IP平均値X2の周囲で変動(即ち、X_maxとX_maxの半分の値との間の周囲で変動)するように保つようにTCP/IPレートを制御するためにレート計測デバイスから受け取った値を用いる。
本発明をまとめると、本発明に係るスケジューラは、1または複数のキューバッファデバイスを選択し、それらを使用して、それぞれのUEのチャネルパフォーマンスに基づいてスケジューリングされたその時点の間隔でデータを送信し、及びそれぞれのキューに対して許容キュー待ち時間を許可する。しかしながら、他のメカニズムが、またスケジューラのためのキュー選択決定に影響を与えてもよい。
さらに、スケジューラはTCP/IP送信機を強制的に高速再送モードにし、より長い待ち時間を特定のキューに許容する。そして、それによって、そのキューが新しくより長い最大待ち時間内にあるスケジューラが、より好ましいスケジューリング間隔、例えば、キューが属するUEのチャネル状態が良好である時、を選択することが可能となる。
本発明についての次の説明は、図1,2,4、及び6について有効である。
レート計測デバイスは、瞬間的なデータレートを計測し、その情報をAQMを含むスケジューラに転送する。瞬間的なレートが増加している間、スケジューラは、TCP/IP送信機はスロースタートモードを使っていることを知ることになる。このフェーズの間、キューにおけるデータ待ち時間はスケジューラによって最小化される(QUEUE_LATENCY = LATENCY−MIN)。即ち、キューバッファデバイスはTCP/IPレートがなるべく速くなるようにキューバッファデバイスは可能な限り頻繁にスケジュールされる。スケジューラが、例えば公平性の結果TCP/IPレートが速すぎることを検知した場合、スケジューラはキューに対して最新のセグメントを廃棄するように命令する。これは、スケジューラがTCP/IP送信機を強制的に高速再送モードにし、TCP/IPレートは現在のTCP/IPレートの半分に下げられることを意味する。同時に、スケジューラは、内部パラメータQUEUE_LATENCYをQUEUE_LATENCY = QUEUE_LATENCY + DELTA_LATENCYに増加させる。スケジューラは、バッファにおいてより長い待ち時間を許容するようになるだろう。そのため、スケジューリングゲインを上げることが出来る。
高速再送の後、TCP/IP送信機は、輻輳回避モードを使うだろう。これはTCP/IPレートが基本的に線形的に増加するであろうことを意味する。スケジューラが再びそのレートが高すぎることを検知した場合、同じ手順が再び実行される。スケジューラは、キューに最も古いセグメントを廃棄するよう命令し、それは高速再送を引き起こす。そして、TCP/IPレートは現在のTCP/IPレートの半分に減らされる。QUEUE_LATENCYは、再びDELTA_LATENCYに増加させられ、それは再びスケジューリングゲインの増加を引き起こす。
このQUEUE_LATENCYの増加は、それが最大許容待ち時間に達するまで続く。このような場合において、QUEUE_LATENCYは増加されない。
QUEUE_LATENCYは、高速再送が終わったそれぞれの時点よりもより頻繁に増加されてもよい。このような場合において、DELTA_LATENCYは適度に小さくなる。TCP/IP送信機の中のRTT推定器がRTTの変化に追随できることを保証できるように、その絶対値は設定される。
RATE MEASUREMENTは、継続的に瞬間的なTCP/IPレートを計測する。もしこの計測が、そのレートがある決まった最小レート(MIN_RATE)より低いことを検知した場合、それは我々がTCP/IP送信機がスロースタートモードで再起動されることを検知したことを意味する。TCP/IP送信機がスロースタートで再起動されるいくつかの理由がある。
レート計測デバイスがスケジューラに送信がスロースタートモードで再開されたことを通知すると、スケジューラはパラメータQUEUE_LATENCYをリセットしLATENCY_MINにする。この結果、スケジューラは再び許容キュー待ち時間を最小化し、TCP/IPレートが出来る限り速くなるようにする。
本発明の1つの利点は、UEにとってチャネルパフォーマンスが良好になるまで、スケジューラが、送信を待つことが出来る点である。そのような処理は、スケジューリングゲインの上昇を引き起こす。なぜならば、データは、チャネル状態が良好であるときのみ送信されるからである。しかしながら、より長い待ち時間は、TCP/IP送信者にとってより高いRTTを引き起こす。そしてその結果、TCP/IPレートはより緩やかに上昇する。
本発明はスロースタートフェーズの間ラウンドトリップタイムRTTを最小化し、TCP/IPレートの上昇を最大化するものである。そして、TCP/IPレートが輻輳回避フェーズに入ったとき(これはTCP/IPレートが高いレベルに達したことと等しい)、基地局における許容データ待ち時間はより良好なスケジューリングゲインのために増やされることが出来る。
ここで“より良好なスケジューリングゲイン”とは、セルにおける全体のデータレートを高めることである。そしてそれは、よいチャネル上でデータを送信できる可能性は、送信機会が長い時間(即ちノードにおける許容データ待ち時間)のなかで選択され得る場合に高まるという事実に従って達成される。スケジューリングゲインを利用する他の要件は、ある特定の送信機会において、どのUEにデータを送るべきであるかを決めたときに、スケジューラが、いくつかの選択できるUEを持っていることである。スケジューリングゲインは、これらのUEが少なくともひとつの良好なチャネル品質を有しているときに一定の基準に達する。
本発明の一つの利点は、キューバッファにおける許容データ待ち時間がスムーズに増加することである。そしてそれはTCP/IP送信機のラウンドトリップタイムRTT推定器によってRTTの変化に追随することができることによってもたらされる。これは、さらにRTTの変化に起因したスロースタートモードを引き起こすラウンドトリップタイムアウトRTOのリスクを最小化することになる。
RTT推定器は、TCPプロトコルにおいてTCPプロトコルを不定のラウンドトリップタイムを持つコネクションに適合させるように割振る機能である。そしてラウンドトリップタイムアウトRTOのためのタイマーは、推定されたラウンドトリップタイムの関数として設定される。
本発明は、TCP/IP送信機において高速なレートの上昇を得るための短い待ち時間とする要求と、高いスケジューリングゲインを達成するためのスケジューラにおいて長い待ち時間とする要求とを組み合わせる可能性を許容する。高いスケジューリングゲインは、全体として高いデータスループットをもたらし、それはセル内の全てのUEにとって利益があるだろう。

Claims (20)

  1. TCP/IP送信機及び受信装置(UE)を備えるTCP/IPに基づくデータ通信システムのためのスケジューラであって、
    前記スケジューラは、前記TCP/IP送信機からのTCP/IPデータレートを計測するためのレート計測デバイス及び前記TCP/IP送信機からのデータセグメントをバッファリングするためのキューバッファデバイスを含むノードに関連付けられており、
    前記スケジューラは、前記TCP/IPデータレートに関する前記レート計測デバイスからの情報を受信し、及びアクティブキューマネージメントAQMについての前記バッファデバイスと通信し、
    並びに、
    前記TCP/IP送信機がスロースタートモードである場合に、前記許容キュー待ち時間を最小値に適応させるステップと、
    前記TCP/IPレートが閾値に達した場合に、前記許容キュー待ち時間を増加させるステップと、
    を実行することを特徴とするスケジューラ。
  2. 前記スケジューラは、選択された最大許容待ち時間に前記許容キュー待ち時間が達するまで前記許容キュー待ち時間(QUEUE_LATENCY)を増加させることを特徴とする、請求項1に記載のスケジューラ。
  3. 前記スケジューラは、ラウンドトリップタイムアウトRTOを回避するために十分低い割合で前記許容キュー待ち時間を増加させることを特徴とする、請求項1または2に記載のスケジューラ。
  4. 前記スケジューラは、前記TCP/IPレートの前記閾値が、前記スケジューラが前記TCP/IP送信機を強制的に高速再送モードにするために前記AQMを用いる場合に対応する時又はその後に、前記許容キュー待ち時間を増加させることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1項に記載のスケジューラ。
  5. 前記スケジューラは、前記スケジューラが前記TCP/IP送信機を強制的に前記高速再送モードにするために前記AQMを用いた時又はその後に、前記許容キュー待ち時間を段階的に増加させることを特徴とする、請求項4に記載のスケジューラ。
  6. 前記スケジューラは、前記TCP/IPレートがその閾値に達した場合に前記TCP/IP送信機を強制的に高速再送モードにするために、好ましくは最も古い少なくとも1つのデータセグメントを欠落させるように前記キューバッファデバイスを制御することを特徴とする、請求項4又は5のいずれかに記載のスケジューラ。
  7. 前記スケジューラは、前記計測されたTCP/IPレートが選択された最小レート以下である場合に、前記TCP/IPがスロースタートモードであるか否かを識別するために、前記許容キュー待ち時間をリセットしてその最小値にすることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1項に記載のスケジューラ。
  8. 前記スケジューラは、UEの観点から見てアップリンク及びダウンリンクの両方のためのものであることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1項に記載のスケジューラ。
  9. 前記データ通信システムは、前記TCP/IP送信機及び前記受信装置の間の無線インタフェースを備えることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1項に記載のスケジューラ。
  10. 前記通信システムは、無線電話及び/又はデータ通信ネットワークであることを特徴とする、請求項9に記載のスケジューラ。
  11. TCP/IP送信機及び受信装置(UE)を備えるTCP/IPに基づいたデータ通信システムのためのスケジューラのための方法であって、
    前記スケジューラは、前記TCP/IP送信機からのTCP/IPデータレートを計測するためのレート計測デバイス及び前記TCP/IP送信機からのデータセグメントをバッファリングするためのキューバッファデバイスを含むノードに関連付けられており、
    前記スケジューラは、前記TCP/IPデータレートに関する前記レート計測デバイスからの情報を受信し、及びアクティブキューマネージメントAQMについての前記バッファデバイスと通信し、
    並びに、前記スケジューラは、
    前記TCP/IP送信機がスロースタートモードである場合に、前記許容キュー待ち時間を最小値に適応させるステップと、
    前記TCP/IPレートが閾値に達した場合に、前記許容キュー待ち時間を増加させるステップと、
    を実行することを特徴とする方法。
  12. 前記スケジューラは、選択された最大許容待ち時間に前記許容キュー待ち時間が達するまで前記許容キュー待ち時間(QUEUE_LATENCY)を増加させることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
  13. 前記スケジューラは、ラウンドトリップタイムアウトRTOを回避するために十分低い割合で前記許容キュー待ち時間を増加させることを特徴とする、請求項11又は12のいずれかに記載の方法。
  14. 前記スケジューラは、前記TCP/IPレートの前記閾値が、前記スケジューラが前記TCP/IP送信機を強制的に高速再送モードにするために前記AQMを用いる場合に対応した時又はその後に、前記許容キュー待ち時間を増加させることを特徴とする、請求項11〜13のいずれか1項に記載の方法。
  15. 前記スケジューラは、前記スケジューラが前記TCP/IP送信機を強制的に前記高速再送モードにするために前記AQMを用いた時又はその後に、前記許容キュー待ち時間を段階的に増加させることを特徴とする、請求項14に記載の方法。
  16. 前記スケジューラは、前記TCP/IPレートがその閾値に達した場合に前記TCP/IP送信機を強制的に高速再送モードにするために、好ましくは最も古い少なくとも1つのデータセグメントを欠落させるように前記キューバッファデバイスを制御することを特徴とする、請求項14又は15のいずれかに記載の方法。
  17. 前記スケジューラは、前記計測されたTCP/IPレートが選択された最小レート以下である場合に、前記TCP/IPがスロースタートモードであるか否かを識別するために、前記許容キュー待ち時間をリセットしてその最小値にすることを特徴とする、請求項11〜16のいずれか1項に記載の方法。
  18. 前記スケジューラは、UEの観点から見てアップリンク及びダウンリンクの両方を扱うことを特徴とする、請求項11〜17のいずれか1項に記載の方法。
  19. 前記データ通信システムは、前記TCP/IP送信機及び前記受信装置の間の無線インタフェースを備えることを特徴とする、請求項11〜17のいずれか1項に記載の方法。
  20. 前記通信システムは、無線電話及び/又はデータ通信ネットワークであることを特徴とする、請求項19に記載の方法。



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