JP2010538514A - 改善されたマルチユーザ伝送 - Google Patents

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Abstract

本発明は、複数の他の伝送端21-24へのマルチユーザ伝送を実行するための送信装置、受信装置、システム及び方法に関し、伝送のための要求は、前記複数の他の伝送端21-24に放送され、この要求は、当該要求に応答することを要求される受信端の少なくとも２つの識別情報のリストを含む媒体アクセス制御（Media Access Control:MAC）フレームを備えている。

Description

本発明は、一般に、無線ローカルエリアネットワーク（WLAN）のような（但しそれに限られない）伝送システム中の複数の他の伝送端へのマルチユーザ伝送を実行する送信装置、受信装置、システム及び方法に関する。
例えばIEEE802.11仕様において定められる無線ローカルエリアネットワーク(WLAN)は、今日、ほぼあまねく存在する。利用可能なチャネルのスループットの増強は１つの主要な問題であり、そして研究は物理レイヤにおける変調及び符号化を改善することに集中していた。ハイレート信号点配置と組み合わせて直交周波数多重方式(OFDM)を用いることによって、最高54Mbit/sが達成されることができた。（非常に限られた距離でのみ達成されたとしても）この大きな性能の跳躍はOFDMの固有の特徴によってもたらされ、それは特に高ビットレートシステムにとって魅力的になった。OFDMにおいて、所与のシステム帯域幅は、多くのサブチャネル(副搬送波とも呼ばれる)に分割される。１つの(非常に広い)チャネルで逐次的にシンボルを送信する代わりに、複数のシンボルが並列に送信される。これは、非常に長いシンボル継続時間につながり、シンボル間干渉の影響は大幅に低減されることができ、コストがかかる等化のような更なる手段は必要ない。
802.11規格は、全てのステーションが、衝突防止を伴う搬送波検知多重アクセス方式(CSMA/CA)の様態である分散調整機能(DCF)を実施することを必須とする。CSMA/CAは、全てのステーションが送信する前に最初に媒体を検出することを確かめる、競合ベースのプロトコルである。主な目的は、ステーションが同時に送信してしまって衝突及び対応する再送信の原因となることを回避することである。フレームを送信することを望むステーションが媒体上で特定の閾値を超えるエネルギー(それは他のステーションの送信を意味する可能性がある)を検出する場合、アクセスを望むステーションは、フレームを送信する前に、媒体がアイドル状態になるまで待つ。プロトコルの衝突防止態様は、エラーフリーの受信を確認するために受信ステーションが送信ステーションに送信する肯定応答の使用に関する。幾分複雑であるが、媒体にアクセスするこのプロセスは、誰もが礼儀正しく、他に誰も話していないときに各人が発言する会議とみなされることができる。加えて、人が何を言っているかを理解する参加者は、同意してうなずく。
その性質のために、DCFは、非同期信号の伝送をサポートする。非同期信号方式の特徴的な要因は、データ伝送フレーム間のタイミング要求がないことである。例えば、DCFプロトコルは、任意のタイムフレーム内で又は任意の時点において一連のデータフレームを伝達することを試みない。結果として、各々のデータフレーム伝送間にランダムな量の遅延が存在する。同期のこの様態は、企業アプリケーションに対するVPNアクセス、電子メール、ウェブブラウジングのようなネットワークアプリケーションに有効である。
更なるビットレート増強の可能性が、複数入力複数出力(MIMO)アンテナシステムの使用に見られる。したがって、IEEE802.11ベースの規格によるWLANにおけるマルチユーザ(MU)MIMO伝送をサポートする新たな媒体アクセス制御(MAC)プロトコルメカニズムが提案される。提案された新たなプロトコルは、異なるステーションが(異なる空間ストリーム上で同時に送信される一セットのパケットである)MIMOフレーム内のパケットの宛先ステーションであることができるように、シングルユーザ(SU)MIMOによってDCFを拡張する。
ランダムに動作するバックオフ手順によって、送信すべきデータパケットを有するステーションは0と競合ウィンドウ(CW)サイズとの間の乱数を生成し、それがタイムスロットの数でカウントされるバックオフタイマーの継続時間を決定する。CWの最小の開始値は15であり、衝突の後で倍増して最大1023まで増加することができ、肯定応答(ACK)フレームによって示される転送成功後に減らされる。DCFインターフレームスペース(DIFS)の間媒体がフリーであることを検出した後、移動局はバックオフタイマーを0に達するまでカウントダウンし、その後、その伝送を開始する。カウントダウンの間、他の移動局が媒体を占有する場合、バックオフ中の全ての移動局は、それらのカウントダウンを中断して、少なくともDIFSの間媒体がフリーであることを検出するまで延期する。規格はオプションとして、伝送前の送信要求(Request-to-Send:RTS)-送信許可(Clear-to-Send:CTS)ハンドシェイクを含む。
データ伝送前の関連付け手順において、ステーションは、それらのハードウェア機能に関する情報を互いの間で共有する。用いられるアンテナ素子に関する情報は、以下の段落に記載される拡張された型式のRTS及びCTS制御フレームを用いて交換されることができる。
拡張されたRTSフレーム(MIMO-RTS(M-RTS))及び拡張されたCTSフレーム(MIMO-CTS(M-CTS))は、IEEE 802.11a規格のRTS及びCTSフレームの構造に基づくことができる。複数のアンテナをサポートするために、両方は新たなフィールド(例えばビットマップ)を持ち、各々のビットが１つのアンテナを表す。したがって、１バイト長のビットマップは最高８つのアンテナをサポートすることができる。もちろん、ビットマップフィールドは、所与のシステムの移動局によってサポートされるアンテナの数に応じて、もっと長くても短くてもよい。M-RTSフレームにおいて、このフィールドは、提案されるアンテナビットマップ(Proposed Antenna Bitmap：PAB)と呼ばれる場合があり、次の伝送のために提案される利用可能なアンテナの選択されたサブセットをエンコードすることができる。そのフレームの受信機は、どのアンテナがM-CTSフレームの承認されたアンテナビットマップ(Confirmed Antenna Bitmap：CAB)フィールドにおいて活性化されるべきかを確認する。ACKフレームも、ストリーム単位の肯定応答をサポートするように拡張される。より具体的には、MIMO-ACK(M-ACK)フレームは、異なるストリームからの各々のパケットの受信を別々に確認する肯定応答パケットビットフレーム(Acknowledged Packet Bitmap:APB)と呼ばれる１バイト長のビットマップフィールドを持つことができる。それは、空間ストリームごとの肯定応答及び否定応答を含む。同時に送信されている複数のパケットが存在するが、それはやはり直ちに肯定応答することができる。ビットマップの長さ(L)は任意であることができる。
以下のポイントは、伝送サイクルの間のM-DCFの更なるMACプロトコル機能の概要を示し、CSMA/CAに関するものを省略する：
・送信機は、次の伝送のために利用可能なアンテナに対するPABフィールドにバイナリ"1"を設定したM-RTSフレームを送信する。
・直後に、受信機がM-RTSフレーム及び利用可能なアンテナを既に読んだ場合、送信機は、チャネル推定のために、各々の利用可能なアンテナのためのトレーニングシーケンスを送信する。あるいは、チャネル推定は、M-RTSフレームと並列に実行される。
・受信機は、チャネルを推定して、伝送に用いられるべきアンテナのためにCABフィールドにバイナリ"1"を設定したM-CTSフレームで応答する。MIMOスキームは、ステーションのハードウェア機能、接続のサービス品質(QoS)要求、無線伝播条件及びネットワークの現在のステータスのうちの少なくとも１つに基づいて選択されることができる。受信機がどのようにアンテナを選択するかは、その内部手続きであることができる。フレーム単位ベースのネットワーク運用の間に適用されるMIMOスキームを選択するこの手順は、高速リンク適応を提供する。
・M-CTSフレームの受信の後、送信機は、用いられるべきアンテナについての受信機の指示に基づいて、各々別のアンテナを用いて、(一つ以上の)パケットを送信する。
・データフレームの受信の後、受信機は、受信されたパケットの正しさを確認し、送信の結果を送信機に通知するために、拡張されたM-ACKフレームを生成することができる。正しく受信されたパケットのためにM-ACKビットマップにバイナリ"1"が設定される。
・送信機は、M-ACKフレームを受信すると、キューからそのパケットを削除し、他の伝送を開始する。M-ACKフレームが失われた場合、又はそれが全く送信されなかった場合、タイムアウトの後、送信機はデータを再送信する。
１つの空間ストリームにおいて（一つの）MACパケットを伝達することに限定されるM_DCFプロトコルは、MIMO技術を用いることにより達成される高いシステム容量のために、高負荷を伴うユーザのネットワークにおいて、非常によく機能する。しかしながら、負荷が高くない場合には、プロトコルによればステーションが送信すべきパケットがn個(nは空間ストリームの数)そろう前には送信を開始しないので、パケット遅延は大きくなる。ある接続の２つのパケット間の平均到着間時間がTである場合、最大許容遅延は、(n-1)T+平均伝送ウィンドウ長(チャネルにアクセスすることを含む)より大きくなければならない。さもなければ、いくつかのパケットは、遅延超過のために送信機において破棄される。この関係は、遅延要求が依然として満たされることができる与えられる負荷に対する下限を示す。与えられる負荷を(ネットワーク容量に達するまで)増加させることは、遅延特性を改善する。
ユビキタスネットワークでは、ステーションは、同時に複数の他のユーザと通信しているかもしれない。MIMOフレームを構築するのに十分なパケットをステーションが実際に持つにもかかわらず、M-DCFを直接適用することは各々の接続の大きな遅延につながる。したがって、複数のユーザに属するトラフィックを組み合わせることが可能にされなければならない。全ての組み合わされた接続から受信されるトラフィックがMIMOフレームの構築に寄与するので、この伝送方式は遅延特性を直ちに改善する。先の下限計算において、パラメータTは宛先に関係なく任意の２つのパケット間の到着間時間に対応し、したがって、各々の個々の接続の与えられる負荷に対する下限はさらに低い。重い負荷の下では、MU伝送はジッタを低減する手段である。さらに、遅延特性を改善することは、Voice-over-IP (VoIP)、テレビ会議、インタラクティブゲームなどのようなアプリケーションにとって特に重要である。
J.Gross等による"802.11 DYN: Protocol Extension for the Application of Dynamic OFDM(A) Schemes in 802.11a/g Systems", Telecommunication Networks Group (TKN) Technical Report TKN-07-002は、下位互換性を保証しつつ動的OFDMをサポートするために、広く受け入れられたIEEE802.11a/gシステムがどのように拡張されるかについて提案する。ポイントツーポイント(point-to-point)（例えばアップリンク）及びポイントツーマルチポイント(point-to-multi-point)（例えばダウンリンク）伝送シナリオの両方のための動的OFDMスキームをサポートする一連のプロトコル変更が示される。提案されたRTSフレームは、複数の受信機アドレスのリストが加えられた新たな物理レイヤ収束プロトコル(Physical Layer Convergence Protocol：PLCP)ヘッダを有する通常の(すなわち１つの送信アドレス及び１つの受信アドレスのみを含む)RTSフレームに対応する。
しかしながら、ネットワーク中のより古い又は以前の規格によるレガシー装置は、この信号を復号することができない。すなわち、レガシー装置は、信号から正しいビットを決定する又は抽出することができない。これは、レガシー装置が、意図される伝送の継続時間が分からないことを意味する。この情報はRTSフレーム中に含まれるからである。したがって、提案されたRTS送信は、それが全てのステーションによって(物理レイヤ上で)理解されることができるというわけではないので、ブロードキャスト伝送とみなされることができない。このために、上述の従来技術は、RTS送信の前に、レガシー物理レイヤにおいてそれ自体にアドレス指定されるCTSを送信することを提案し、それにより、他のレガシー装置は、その送信及びMACフレームを復号することができ、それらの送信タイミングのためのネットワーク割り当てベクトル(NAV)を適切に設定することができる。
加えて、上述の従来技術において、ポーリングされたステーションの識別情報は、例えば４ビットの識別情報に基づくことができる。依然として、この識別情報はMAC目的のために用いられ、すなわち、CTSフレームが構成及び送信されなければならない。これは、RTSフレームを受信した後に、PHYレイヤが識別情報リストを抽出し、それからMACレイヤが、このリストがそれ自身の識別情報を含むかどうかを確認し、フレームを復号し、場合により(受信機のうちの１つのアドレスである)受信機アドレスを上書きし、そしてCTSフレームを構成し、それからRTSを送信しなければならないことを意味する。これは、標準のRTS/CTS手順の相当な変更を必要とし、受信機のアーキテクチャに重大な影響を及ぼし、例えば、PHYとMACとの間を通過する新たな情報が定められなければならない。さらに、いくつかの特定の条件が、RTSフレームの解釈及び処理に適用されなければならない。
上述の従来技術はさらに、この４ビット識別情報のステーションへの割当てを必要とする。これは、アクセスポイント(AP)によって関連付け(Association)の間に実行されることができ、APが１つの特定の時間において、このMU-OFDM機能を持つ16のステーションとのみ関連付けられることができることを意味する。
本発明の目的は、レガシー装置及び手順の変更をあまり必要としない、より柔軟なマルチユーザ伝送スキームを提供することである。
この目的は、請求項1に記載の送信装置、請求項13に記載の受信装置、及び請求項24に記載の方法によって達成される。
それに応じて、改善されたMACフレーム(すなわちMU-RTS)が定義される。このフレームは、複数の受け側(Recipient)MACアドレスを持つので、通常のRTSフレームと異なる。これは、他の伝送端に識別情報又はアドレスのリストを伝達するための改善された態様を可能にする。改善されたMACフレーム案はMU装置に対してのみ意味があり理解可能な特定のフィールドを持つが、このフレームは、レガシー物理レイヤにおいて送信されることができ、全てのレガシー装置が理解できる共通のフィールドを持つ。したがって、レガシー装置は、ビットを復号することができ、共通のフィールドを解釈することができて、適切な設定を開始することができる。改善されたMACフレームの解釈は純粋なMACプロセスであることができ、さらなる情報は物理レイヤから必要とされない。さらに、対応する既存の又はレガシーMACフレームのために解釈ルールを変更する必要はない。全ての他の伝送端が全ての他の伝送端によって少なくとも部分的に解釈されることができるという事実を考慮して、その伝送は、物理レイヤの観点からブロードキャスト伝送とみなされることができる。結果的に、レガシー装置及び手順は、ほとんど変更を必要としない。
提案された送信装置は、伝送のための要求に応答した他の伝送端のうちの少なくとも１つの伝送端行きのパケットのみから伝送フレームを作成するように適応される。受信装置は、リスト中のその識別情報の順序に基づいてその応答のタイミングを導き出すように適応されることができる。それによって、それぞれの他の伝送端(例えばWLANステーション)がフレーム内のパケットの宛先であることができ、不均一なトラフィック状況において遅延とスループットのバランスが保たれることができる。
識別情報は例えばMACアドレスから成ることができ、冒頭に説明された従来技術において使用される物理レイヤアドレスと比較して非常に長いアドレスが用いられることができる。
特定の実施の形態において、前記他の伝送端は、送信しようとする意図を示すために送信要求を返信するようにアドレス指定される候補送信機であることができる。提案される装置は、それから、候補送信機のためのチャネル推定をそれらのチャネル状況(Channel Realization)に従って実行し、どの送信機がどのビーム形成ベクトル又は他の対応するチャネルアクセス情報によってチャネルにアクセスすることができるかを示す送信承認によって送信要求に応答するように適応されることができる。これは、異なる送信機からの同時マルチパケット受信がサポートされることができ、空間ストリーム間の干渉が最小化されることができるという利点を提供する。
他の一実施例において、送信装置は、チャネル状態情報をフィードバックすることを要求するために前記伝送のための要求を用いて、前記他の伝送端から受信されるチャネル状態フィードバック情報に基づいて前記他の伝送端のチャネル状況を評価して、前記他の伝送端のための適切なビーム形成ベクトル又はMU-OFDMの場合における副搬送波割り当てを導き出すように構成されることができる。受信装置は、チャネル状態情報及びオプションとしてその送信キュー中のデータの量を示す継続時間情報を含むチャネルフィードバックフレームによって前記伝送のための要求に応答するように適応されることができる。そして、送信装置は、他の伝送端のリスト及び他の伝送端のための適切なビーム形成ベクトルを含む送信要求(Sending Request)フレームを放送するように適応されることができる。伝送のための要求は、要求されるチャネル状態フィードバック情報のために用いられるべきフォーマットを特定する情報を有することができる。伝送の受信は、受信された前記伝送の送信元である他の伝送端を示すMACフレームを送信することによって、送信装置によって肯定応答されることができる。一例として、受信された伝送の送信元である他の伝送端(すなわち受信装置)は、MACフレーム中に提供されるビットマップのそれぞれのビットを設定することによって示されることができる。
したがって、２つの段階に基づく改善されたMU-DCFが提供されることができる。第１に、チャネル状態情報が候補ステーションから取得される。第２に、チャネルアクセスのための信号交換が実行される。これは、マルチユーザ伝送のより良好な調整及び起こりうる干渉の減少を提供する。
他の実施例において、送信装置は、予期される伝送全体の予測される継続時間を示す継続時間情報を前記伝送のための要求に加えるように適応されることができる。全ての受信端がそれらの送信を始める前に待たなければならない継続時間を計算することが可能になるので、この手法は隠れ問題へのソリューションを提供する。より具体的には、受信装置は、リストが当該装置の識別情報を含まない場合に、前記伝送のための要求中に提供される継続時間フィールドの内容に従ってそのネットワーク割り当てベクトルを設定するように適応されることができる。リストによってポーリングされる他の受信装置は、継続時間フィールドに基づいてそれらの応答のための待機時間を計算するように適応されることができる。
なお更なる実施の形態において、受信装置は、集合MACパケットデータユニット及びシングルユーザサウンディングフィードバックメカニズムを組み合わせることによって前記伝送のための要求に応答するように適応されることができる。それにより、この応答は従来のレスポンスフレーム(例えばCTSフレーム)をサウンディングフィードバックフレームと組み合わせることによって構成されることができ、レガシー整合性は改善されることができ、そして現在の規格はわずかな変更のみを必要とする。
他の実施例において、受信装置は、応答のためにマルチユーザ伝送信号の副搬送波の割り当てられたサブセットを用いるように適応されることができる。具体例では、割り当てられるサブセットは、リスト中の前記識別情報の順序から導き出されることができる。この手段は、フィードバック情報(例えばM-CTS及び/又はM-ACKフレーム)を送信するために必要な時間が、並列であることができて時分割方式ではないので、低減されることができるという利点を提供する。それによって、信号送信オーバーヘッドは低減されることができ、そして隠れノード問題は防止される。
送信又は受信装置は、少なくとも一つの多重入力チェーン及び多重出力チェーンを有する任意の種類のMUトランシーバを有することができる。MU MIMOトランシーバに限定されることは意図されない。
前記伝送のための要求はレガシーフォーマットで送信されることができ、全ての装置、MU及びレガシー装置はしかるべくそれらのNAVを設定することができる。レガシー装置は、継続時間フィールドを少なくとも理解することができ、したがって、それに応じてそれらのNAVを設定することができる。
さらに有利な成果は従属請求項に定義される。本発明は、添付の図面を参照してさまざまな実施の形態に基づいて説明される。
さまざまな実施の形態によるマルチユーザMIMO伝送システムの模式的なブロック図。 第１の実施の形態による４方向のハンドシェイク手順を示す図。 第１の実施の形態による複数の受信機アドレスフィールドを有するMU-RTSフレーム構造を示す図。 第１の実施の形態によるアンテナ使用指示を伴うM-ACKフレーム構造を示す図。 第２の実施の形態による２段階チャネルアクセス手順を示す図。 第２の実施の形態によるMU-CFRフレーム構造を示す図。 第２の実施の形態によるTxビーム形成ベクトルを伴うMU-RTSフレーム構造を示す図。 第２の実施の形態によるMU-CTSフレーム構造を示す図。 隠れノード問題の模式的な説明図。 第４の実施の形態による、より一般的なMU-RTSフレーム構造を示す図。 第５の実施の形態によるMU MIMOアップリンクメカニズムを示す図。 第５の実施の形態によるC4Tフレーム構造を示す図。 第５の実施の形態によるRTSフレーム構造を示す図。 第５の実施の形態によるTxビーム形成ベクトルを伴うMU-CTSフレーム構造を示す図。 第５の実施の形態によるMU-ACKフレーム構造を示す図。
以下において、図1に示されるMU MIMOシステムに基づいて好ましい実施の形態が説明される。
図1によれば、MU MIMOアクセスポイント(AP)10は、図1に示されて複数のアンテナを持つ例示的に４つのステーション21〜24にWLANアクセスを提供する。AP10は、異なる符号化及び/又は変調スキームを提供するためのN個の異なる処理ステージM1〜MNを有し、それらに対して入力信号が適用され、それらは複数のアンテナのうちの少なくとも１つに選択的に接続されることができる。
一般に、２種類のMIMO技術が、伝播チャネル特性(すなわち受信機のアンテナアレイの空間相関行列の構造)に基づいて、AP10とステーション21〜24の各々との間の両方向に用いられることができる。受信される信号の相関が高い場合、異なるビーム形成アルゴリズムが適用されることができ、一方、受信される信号の相関が低い場合、ダイバーシティ(DIV)及び多重化(MUX)アプローチがより良好な性能を与える場合がある。MUXスキームにおいて、複数のストリームが同時に送信され、各々が１つの専用のアンテナを用いる。これは、送信されているストリームの数と等しい係数でスループットを増加させる。DIVスキームにおいて、複数のアンテナが異なる態様で用いられる。基本的なDIVスキームでは、送信機は１つのアンテナのみを用いる。複数のアンテナを有する受信機は、送信された信号の複数のコピーを受信し、適切な信号処理アルゴリズムを用いることで、大幅に高い信号対雑音比(SNR)を達成する。MUX及びDIVを併用するスキームにおいて、より多くの送信アンテナがアクティブであり、全てのDIVスキームのように、受信機はストリームの数より多くのアンテナを依然として持つことができる。多重化が存在するが、受信機は、純粋なMUXの場合よりも多くの送信された信号に関する情報を得る。
以下の実施の形態は、チャネルにアクセスするためのMU-RTS及びM-CTSフレーム並びに正常に受信されたパケットに肯定応答するためのM-ACKを用いることによりIEEE 802.11ベースのネットワークのマルチユーザサポートのための拡張を提供する。オプションとして、次のMIMOフレームを構築するためにM-CTSによって応答したステーションのサブセットのみを選ぶことによって、チャネル適応伝送が選択されることができる。決定は、M-CTSから得られる情報に基づいて行われることができる。このようにして、MUダイバーシティが利用されることができる。さらに、チャネル品質情報は、M-CTS及びM-ACKフレームを用いてフィードバックされることができ、伝送に使用できるアンテナのサブセットを示す。複雑度及び許容できるオーバーヘッドに応じて、符号化情報は、各々のアンテナから受信されたSNRのように、より正確でありえる。隣接したパケット間のフレーム間間隔が、レガシーIEEE802.11ステーションとの共存を保証するために提供されることができる。
図2は、第１の実施の形態による四方向のハンドシェイク手順を示す。提案されるMU-DCFは、従来のM-DCFに基づき、四方向のハンドシェイク手順が、データ伝送前の複数のユーザによるチャネルアクセスを容易にするために提案される。
以下の追加的なMACプロトコル機能は、MU MIMOシナリオの送信サイクルにおいて提案され、従来のM-DCFプロトコルと比較される。
図2によれば、送信は、図1に示される４つの例示的なステーション21〜24のうちの例えば３つ(R#1〜R#3)をアドレス指定するために使用される複数の受信機アドレスを含むMACフレームである図３に示されるようなMU-RTSフレームを放送することにより例えばAP10によって開始される。MU-RTSフレームの後に、ステーション21〜24から選択されたステーションにおける受信機側でのチャネル推定を可能にするためのトレーニングシーケンスが続く場合がある。他のオプションとして、チャネル推定は、例えばプリアンブルの送信によってMU-RTSフレームの送信と並列に実行されることもできる。なお、チャネル推定のためのプリアンブルの送信は、結果として、MU-RTSフレームを物理レイヤ上で復号不能にする可能性がある。
MU-RTSフレームを受信した後に、受信機リスト中に存在するステーション(R#1〜R#3)から選択されたステーションは、M-CTSフレームで応答する。応答の順序は、リスト中のそれぞれの受信機の順序によって暗黙に決定される。最初のM-CTSは短いフレーム間間隔(Short InterFrame Space: SIFS)インターバルの後に送信されて、以降のM-CTSは低減されたフレーム間間隔(Reduced InterFrame Space: RIFS)インターバルの後で送信される。
上述の手順は、以下の擬似コード構造に基づくソフトウェアルーチンとしてプログラムされることができる。
Figure 2010538514
MU-RTSフレームを送信した後で、送信機(例えばAP10)は、チャネルを検出し始めて、(ソフトウェアルーチンとして実施される場合)下記の擬似コード構造に従って進行することができる。
Figure 2010538514
送信機(例えばAP 10)は、ステーションのうちのアドレス指定されたサブセットからのM-CTSフレームのどれも受信しないか、それらの幾つかを受信するか、又はそれらの全てを受信する。受信されたものから、それは、CABフィールド中に提供される情報(又はM-CTSフレーム中に含まれることができる任意の他のチャネル状態情報)を読むことができ、応答したステーション行きのパケットのみからMIMOフレームを作成することができる。これは、以下の擬似コード構造によって表現されることができる。
Figure 2010538514
スケジューリング方針を適用する場合、MIMOフレームは、M-RTSフレームで応答したいくつかのステーションからのパケットを含まないかもしれない。スケジューリングは、SU動作モードとMU動作モードとの間の適応スイッチングを含むことができる。
ステーションは、MIMOフレームを受信して、例えばM-DCFと同じ規則によってM-ACKフレームを生成する。M-ACKフレームの順序及び分離は、M-CTSフレームと同じであることができる。
最後に、送信機(例えばAP10)は、M-ACKフレームを受信すると、肯定応答されたパケットをキューから除去し、さらなる送信を開始する。肯定応答されないパケットは、再送信されることができる。
図2から推測されることができるように、連続するM-CTS及びM-ACKフレームはRIFSによって分離される。このようにしてサポートされる複数のユーザの数mは、下記の関係によって決定されることができる。
Figure 2010538514
この条件は、最後のもの以外の全てのM-CTS/M-ACKパケットが失われる場合であっても、最後のステーションがそれ自身のM-CTS/M-ACKパケットを送信するための自由なチャネルを依然として持つことを保証する。条件が満たされない場合、チャネルは継続中の送信の間、DIFSよりフリーとなる可能性があり、新たな送信を開始することを許してしまう。
図4は、次の送信のためのアンテナ使用の指示を伴う第１の実施の形態によるM-ACKフレーム構造を示す。すでに述べられたように、M-DCF手順によるM-CTSフレームは、アンテナフィードバックのためのビットマップ(CABフィールド)を含む。この情報は、適応チャネル使用のために送信機で用いられることができ、良好なチャネル状態を有するステーションに向かうパケットのみが、MIMOフレームに関与することができる。図4に示されるようにM-ACKフレーム中にCABフィールドを含むことによって、チャネルフィードバックは、M(U)-RTS-M-CTSハンドシェイク手順を必要とせずに取得されることができる。
加えて、さらに性能を改善するために、IEEE802.11eの他のオプションは(例えば送信機会(TxOP)、ブロック肯定応答(Block Acknowledgement: BA)又は肯定応答無し(No Acknowledgement))が上述の手順と組み合わせられることもできる。
さらに、オーバーヘッド推定が実行されることができる。一つの送信機（AP10）が４つのステーション21-24の各々に４つの計１６個のパケットを送信する図１の例に基づいて、誘発されるオーバーヘッドが次に説明される。全てのステーション21〜24が4つのアンテナを持つ場合(それは必須ではなく単に図1の例に反した例である)、4x4多重化スキームが以下のように適用されることができる。
Figure 2010538514
これは、送信手順が明らかに後者のMUの場合により長く持続し、パケットあたりの平均遅延が両方の場合で同じであることを示す。しかしながら、SUの場合におけるステーションあたりの平均遅延は、ステーションがそのパケットを受信する最初のステーションであるか又は最後のステーションであるかどうかに依存して、かなり異なる。いくつかのステーションにとって、そのような長い遅延は許容できない可能性がある。
今までは、上述の例において、最初に４つ全てのステーション21〜24のための４つ全てのパケットが既に生成されていることが仮定された。しかしながら、多くのアプリケーションにおいては、与えられる負荷が少ない一方で、遅延要求が非常に厳しく、完全なMIMOフレームを構築するために目下のステーションのための更なるパケットをあまり長い間待つことは許されない。一方、キュー中に存在するものを直ちに送信することは、多くの場合、単一の空間ストリームの送信を意味し、事実上オーバーヘッドの増殖を意味する。しかしながら、空間ストリームマッピングに対するMACパケットにおける制限がない場合、MACパケットは複数の空間ストリームを用いて同様に送信されることができる。
負荷が重い場合には、ジッタを低減することによって、提案されたMUアプローチは非常に有益である。
第１の実施の形態に関連して前述されたMU RTS/CTSハンドシェイクの前に、送信機(例えばAP10)は、MU MIMOチャネルフィードバックリクエストパケット(MU-CFR)を送信することができ、その後トレーニングシーケンスが続き、候補受信局からのチャネル状態情報(CSI)フィードバックを要求する。送信機は、したがって、全ての候補受信機のCSIを受け取り、考え得るMU MIMO送信の全ての候補を評価することができ、適切な送信ビーム形成ベクトルを空間ストリーム間の干渉を低減するように選択することができる。
MU RTSパケットは、提案されるアンテナビットマップを伝達する代わりに、各々のストリームのための提案されるビーム形成ベクトルがステーション21〜24に伝達されるように、変更されることができる。このメカニズムは、MU MIMO送信メカニズムとして送信ビーム形成を用いることを可能にし、送信機によって選択されるビーム形成ベクトル案を用いるMU MIMO送信によってステーション21〜24が同時に扱われることができるかを確認することを可能にする。全体として、提案された拡張は、MU MIMO送信のより良好な調整を提供し、ストリームの間で起こりうる干渉を低減する。したがって、それは、ネットワーク全体の性能を改善する。
第２の実施の形態において、２段階チャネルアクセス手順を伴う新たなMU-DCFが示される。MU MIMO送信は、MACフレーム（例えば、チャネルにアクセスするためのMU-CFR、MIMOチャネルフィードバック(M-CF)、MU-RTS及びM-CTSフレーム、並びに、正しく受信されたパケットに肯定応答するためのMACフレームM-ACK）を用いることにより、IEEE 802.11ベースのネットワークのためのビーム形成サポートによって実行される。オプションとして、次のMIMOフレームを構築するために、M-CTSで応答したステーションのサブセットのみのMU MIMO送信のためにビーム形成ベクトルを変更することによって、適応MU MIMO送信が実行されることができる。決定は、M-CTSフレームから得られる情報に基づいて行われることができる。チャネルが既に分かっている場合、MU-CFR及びM-CFフレームはMU MIMO伝送のチャネルアクセスメカニズムのために必要ない。
MU MIMO伝送は、スペクトル効率を増加させて、リソースのより良好な使用を提供する。しかしながら、MIMOシステムにおいて、無線ネットワークが密集している場合、同時に複数のステーションに高いスループットを提供することが重要になる。
図5は、第２の実施の形態による２段階チャネルアクセス手順を示す。提案されるMU-DCF手順は、候補ステーション/受信機からチャネル状態情報を取得する第１段階、及び、第１の実施の形態と同様のチャネルアクセスのためのMU-RTS及びM-CTS交換の第２段階に基づく。
第１段階において、伝送は、送信機(例えば図1のAP10)が複数の受信機(例えば図1のステーション21〜24のサブセット)からのチャネル状態情報を基本的に要求するマルチユーザチャネル状態情報フィードバック要求(Multi-User Channel state information Feedback Request：MU-CFR)フレームによって開始される。
図6は第２の実施の形態によるMU-CFRフレーム構造を示し、この後に、受信機におけるチャネル推定のためのトレーニングシーケンスが続く場合がある。提案されるMU-CFRフレームは、複数の受信機アドレスフィールドを有するMACフレームである。
MU-CFRフレームを受信した後に、受信機リスト中に存在するステーションは、MIMOチャネルフィードバック(MIMO Channel Feedback：M-CF)フレームで応答する。M-CFフレームはMACフレームであり、IEEE802.11nによるSU MIMOシステムにおけるMIMO CSIフィードバックフレームと同じフレームフォーマットを持つことができる。応答の順序は、リスト中の受信機の順序によって暗黙に決定されることができる。最初のM-CFフレームはSIFSインターバル後に送信され、以降のM-CFフレームはそれぞれRIFSインターバル後に送信される。
送信機は、MU-CFRフレームを送信し、各々の候補受信機の対応するMIMOチャネル状態情報を受信した後で、第２段階において、可能なMU MIMO伝送のためにステーションのチャネル状況を評価して、ステーション/空間ストリームごとに適切な送信ビーム形成ベクトルを決定する。それから、第１の実施の形態のようだが、異なるMU-RTS及びM-CTSフレームフォーマットによって、チャネル予約段階を開始する。
図7は、可変数の受信機アドレスを伴い、可変数の追加的なTxビーム形成ベクトルによって拡張された、第２の実施の形態による提案されるMU-RTSフレーム構造を示す。
しかしながら、このMU-RTSフレーム構造の変形例が存在する。MU-RTSは、Txビーム形成ベクトルのない一般的なMU-RTSでもよい。MU-RTSの直後に続くトレーニングシーケンスがTXビーム形成ベクトルに従ってビーム形成されていてもよい。そして受信機は、ビーム形成されたチャネルを評価して、受信機に対するCSIをフィードバックする。この情報は、ステーション21〜24によってAP10へとフィードバックされる承認済みビーム形成ベクトルと同じ目的を果たす。このアプローチは、交換されるビットの量を低減するので、より有利である。しかしながら、ステーションがフィードバックをフォーマット化することができるだけでなく、ステーションによって送信されるM-CTSフレームの継続時間を他のステーションが予測することができるように、各々のステーションから予期されるフィードバックのフォーマットはMU-RTSフレームにおいて伝達されなければならない。
図8は、第２の実施の形態によって提案される新たなMU-CTSフレーム構造を示す。
送信機は、単一のステーションに複数の空間ストリームを送信することを意図する場合、単に、その受信機を対象とする空間ストリームの数と同じ回数連続して受信機アドレスを繰り返す。この場合には、予想されるように、各々の空間ストリームに対して提案されるTxビーム形成ベクトルは異なる。このようにして、送信機は、MU MIMO送信からSU MIMO送信へとモードを容易に変更することができる。
第２の実施の形態による提案された新たなM-CTSフレームは、可変数の承認済みTXビーム形成ベクトルを含み、ステーション行きの可変数のストリームが独立に評価されることができる。この情報はさらに、より適切にチャネルを利用するためにビーム形成ベクトルを最適に変更するように送信機において用いられることができる。したがって、第２の実施の形態によって提供される上述の拡張によって、送信機は、それが送信する空間ストリーム間の干渉を低減するために送信ビーム形成を用いることができる。
例えば上述の第１及び第２の実施の形態により提案されたプロトコルハンドシェイク手順は、いわゆる「隠れノード問題」を被る可能性がある。第３の実施の形態において、この隠れノード問題を解決するための変更が示される。
図9は、この隠れノード問題を示す。通信範囲CR10を有する図1のAP10が、AP10がステーション21と22との間に配置される状況において、それぞれ通信範囲CR21及びCR22を有するステーション21及び22へのMU MIMO伝送を確立することを望むと仮定する。ステーション21と22の位置のために、第１のステーション21はAP10からの送信をリスンすることができるが、第２のステーション22からの送信をリスンすることはできない。同様に、第２のステーション22はAP10からの送信をリスンすることはできるが、第１のステーション21からの送信をリスンすることはできない。これは、第１のステーション21からのM-CTSフレームが第２のステーション22によって受信されることができないことを意味する。第２のステーション22が空のチャネル(すなわち他の送信又は干渉が存在しない)を検出した場合、第１の実施の形態において説明されたアルゴリズムに基づいて、第２のステーション22は、SIFS+RIFS期間の間待った後にM-CTSフレームを送信する。結果として、第２のステーション22によって送信されるM-CTSフレームは、AP10において第１のステーション21によって送信されるM-CTSフレームと衝突する。
MU MIMO受信のためにポーリングされるいくつかのステーションが各々の他の通信範囲中に存在しない可能性があるので、第３の実施の形態において、MU MIMO受信のためにポーリングされる全てのステーションは、MU-RTSフレームの終了を監視し、M-CTS送信の順序、各々の送信間の間隔及び各々のM-CTS送信の継続時間を考慮して、それらのM-CTSフレームを送信する前に待たなければならない継続時間を計算することが提案される。そしてポーリングされたステーションは、(MU-RTSフレームの最後の送信が各々のステーションによって受信された時刻から始まる)決定された継続時間が経過した後で、そのM-CTSフレームを送信する。M-CTSフレームを送信するために待っている間、関連するステーションは、MU-RTSフレームの正しい受信がそのステーションとAP10との間の予約チャネルを示すので、チャネルを検出する必要がない。
第３の実施の形態によれば、ダウンリンクMU MIMO伝送を設定するために以下の改善された手順が提案される。
第１の実施の形態のように、AP10は、複数の受信機アドレスを含むMACフレームであって、さらに継続時間フィールドを含むMU-RTSフレームを送信することによってMU MIMO送信を開始する。提案される継続時間フィールドは、MU-RTSフレームの終了から最後のM-ACKフレームまでの、予期される伝送全体の予測される継続時間dを含むことができる。MU MIMO受信のためにポーリングされる受信機の数がNであり、T(x)がx(xは無線で送信されるデータ又は制御フレーム)の継続時間である場合、予測される継続時間dは以下のように求められる。
Figure 2010538514
ここで、aSIFStimeはSIFSの継続時間であり、aRIFStimeはRIFSの継続時間である。さらに、T(MU MIMO frame)は、MU MIMO送信機のスケジューラによって計算されるMU MIMOフレームの推定継続時間である。そのようなスケジューラの動作は、各々の個々の実施態様による。
M-CTSフレームは固定の長さを持つ。さらに、全てのM-CTSフレームは、同じ変調及び符号化スキームを用いて送信される。したがって、M-CTSフレームの継続時間T(M-CTS)はAP10に知られている。同様に、M-ACKフレームは固定の長さを持ち、さらに同じ変調及び符号化スキームを用いて送信されることを必要とされ、したがって、M-ACKフレームの継続時間T(M-ACK)も同様にAP10に知られている。
提案された継続時間フィールドを設定することによって、MU MIMO受信のためにポーリングされないがMU-RTSフレームを受信する全てのステーションは、MU-RTSフレーム中の継続時間フィールドに従ってそれらのネットワーク割り当てベクトル(NAV)を設定することができ、したがって予約された継続時間の間は送信を行わない。
MU-RTSフレームを受信した後に、ポーリングされたステーションは、従来のM-DCFにおいて提案されるように構築されるM-CTSフレームで応答する。応答の順序は、MU-RTSフレームのアドレスリスト中の受信機の順序によって決定される。最初のM-CTSフレームは、継続時間aSIFStimeの経過の後で送信され、その後のM-CTSフレームは、M-CTSフレーム+ aRIFStimeの継続時間の経過の後で送信される。ポーリングされたステーションからAP10への伝送媒体がMU-RTS送信によって予約されているので、送信する前にステーション21〜24が媒体を検出する必要はもはや無い。
さらに、起こりうる隠れノード問題のために、先行するM-CTSフレームの受信は、別のM-CTSの送信に合図するために用いられることができない。したがって、以下のようにM-CTS送信を制御することが提案される。
MU-RTSフレームを受信した後に、受信機の順序における関連するステーションの位置nが決定され、ステーションがそのM-CTSフレームを送信する前に待つ必要がある時間tが、以下の式に基づいて計算される。
Figure 2010538514
M-CTS中の継続時間フィールドは、値(t + T(M-CTS))が減じられたMU-RTSフレームの継続時間フィールドから取得されることができる。MU-RTSフレームの送信の後のAP10における手順は、第１の実施の形態に対応することができる。MU MIMOフレームを受信した後、ステーションは、それらのM-ACKフレームを送信する際に、同じ手順に従うことができる。
MU MIMOフレームを受信した後に、STAがそのM-ACKフレームを送信する前に待たなければならない時間t'は、下記の式に基づいて計算されることができる。
Figure 2010538514
したがって、M-ACKフレーム中の継続時間フィールドは、値(t'+T(M-ACK))が減じられたMU MIMOフレームの継続時間フィールドから取得されることができる。
提案されたメカニズムはさらに、第２の実施の形態によるMU MIMOケースにおける２段階チャネルアクセスの第１の段階に、すなわち、ポーリングされたステーションによるM-CFフレームの送信を制御するために、適用されることができる。
さらに、提案されたメカニズムは、第２の実施の形態で説明されたMU MIMOケースにおける２段階チャネルアクセスの第２段階に、すなわちM-CTSフレームの送信を制御するために、適用されることができる。なお、一つの受信機を対象とする複数の空間ストリームが存在する場合があるので、各々のM-CTSフレームの継続時間はそれぞれ異なる場合がある。しかしながら、この情報はMU-RTSフレームにおいて提供され、したがって、AP10及び全てのポーリングされたステーションは、パラメータtの計算においてこれを考慮することができる。
上で説明されたように、第１及び第２の実施の形態で定義されるMU-RTS及びM-CTSフレーム構造は、新たなMACフレームフォーマットの定義を必要とする。
第４の実施の形態において、現在の仕様(例えばIEEE802.11n ) に対する最小限の追加及び変更によってダウンリンクMU MIMO伝送を可能にするために、集合MACプロトコルデータユニット(Aggregate MAC Protocol Data Unit：A-MPDU)及びサウンディングフィードバックメカニズム（sounding feedback mechanism）を組み合わせることが提案される。提案されるダウンリンクMU MIMOがそれによって以前の規格バージョンに準拠するので、これは有利である。
提案された組み合わせを用いることにより、MU-RTSフレームのみが定義されなければならず、一方、M-CTSフレームは、従来のCTSフレームとサウンディングフィードバックフレームとを結合することによって構成されることができる。さらに、MPDUに結合される追加的なフレーム中で運ばれるMU-RTSにおいて必要とされるいくつかの追加の情報と共に、より一般的なMU-RTSフレームが用いられることができる。
規格IEEE.802.11nは、A-MPDUフレームを定義し、そこで２つ以上のMAC MPDU又はMACフレームが一回の送信機会において送信されることができる。A-MPDUの中でMPDUの位置を決めるために、デリミタがMPDUに先行する。一般に、この集合体は、データフレーム又は制御応答フレーム送信(例えばCTS)中にAction No Ack管理フレーム(例えばサウンディングフィードバックフレーム)をピギーバックするために作られる。
IEEE802.11nにおいて定義されるいくつかのサウンディングメカニズムが存在し、そのいくつかは、サウンディング結果をフィードバックするための専用のフレームを持つ。これらのフレームは、CSIフレーム、非圧縮のステアリングフレーム、圧縮されたステアリングフレーム、アンテナ選択インデックスフィードバックフレームであることができる。CSIフレームは、各々の空間ストリームにおける各々の副搬送波のチャネル状態情報及びストリームごとのSNRを含む。非圧縮のステアリングフレームは、空間ストリームごとのSNRのみならず、各々の空間ストリームにおける各々の副搬送波のための送信ステアリングマトリクスを含む。圧縮されたステアリングマトリクスは、ステアリングマトリクスの圧縮されたフォーマットを含む。アンテナ選択インデックスフィードバックフレームは、受信機への次の送信のための選択されたアンテナに関する情報を含む。
提案された集合MPDU及び明示的フィードバックフレームを用いることにより、第１の実施の形態において提案されたM-CTSフレームは、従来のCTSフレーム及びアンテナ選択インデックスフィードバックフレームの集合体として再定義されることができる。提案されたアンテナビットマップ(PAB)フィールドは、アンテナ選択インデックスフィードバックフレームにおいて運ばれることができる。第２の好ましい実施の形態において提案されたM-CTSフレームは、従来のCTSフレーム及び圧縮された又は非圧縮のステアリングフレームの集合体として再定義されることができる。承認されたTxビーム形成ベクトルフィールドは、ステアリングフレームにおいて運ばれることができる。ステアリングフレーム中のMIMO制御フィールドは、パラメータNrが、CTS送信機を対象とする空間ストリームの数を示し、パラメータNcが、RTS送信機(例えば図1のAP10)が送信する空間ストリーム(又は時空間ストリーム)の数を示し(この情報は、受信機アドレスの数又はパケットのプリアンブル中に設定される高スループットロングトレーニングフィールド(HT-LTF)の数から取得されることができる)、パラメータNb(係数を表すために使用されるビットの数)が、MU-RTSフレームにおいてAP10によって使用される係数の数と同じに設定され、パラメータNgが、1つにグループ化されるキャリアの数を示すように、設定されることができる。
第１及び第２の実施の形態において提案されるMU-RTS中の追加的なフィールドがM-CTSフレーム中の追加的なフィールドと同じであるので、より一般的なMU-RTSフレームと、アンテナ選択インデックスフィードバックフレーム又は非圧縮のステアリングフィードバックフレームとの集合体としてMU-RTSフレームを再定義することが提案される。
図10は、第４の実施の形態によるそのようなより一般的なMU-RTSフレーム構造を示す。この一般的なMU-RTSフレームは、他のマルチユーザ伝送(例えば冒頭に述べられたようなマルチユーザOFDM伝送)のためにも同様に用いられることができる。
M-CTSフレームの再定義と同様に、追加的なフィールドはアンテナ選択インデックスフィードバックフレーム又はステアリングフレームにおいて運ばれることができる。なお、AP10は、MIMO制御フィールド中の対応する設定を通してフィードバックのフォーマットを決定することができる。
第１及び第２の実施の形態において提案されたMU-RTSフレームは、アドレス指定されたステーションからの送信ビーム形成ベクトル又はアンテナビットマップの承認を必要とする。これは、アドレス指定されたステーションがチャネル測定を実行しなければならないことを意味する。したがって、図1のAP10は、トレーニングシーケンス(例えばプリアンブル中のHT-LTF)を送信することができる。送信されるHT-LTFの数は、AP10が実際のMU MIMO伝送において送信することを意図する空間ストリーム(又は時空間ストリーム)の数と等しいか又はその数より大きくなければならない。
サウンディングメカニズムのためのキャリアとしてMU-RTS/CTSメッセージ交換を用いることが、第４の実施の形態においてさらに提案される。MU-RTS/CTSメッセージによって運ばれるこのサウンディングメカニズムは、最後のM-CTSの受信後のタイミングaSIFStimeにおいてMU MIMOフレームがスケジューリングされることができるように十分に速くM-CTSフレームにおいてフィードバックされるチャネル状態情報(CSI)をスケジューラが処理することができる場合に、用いられることができる。そうでない場合には、２段階アプローチが用いられることができる。なお、段階１と段階２との間のインターバルは特定されていない。したがって、第２の段階において、AP10中のCSIが古くなっていないことを確認するために、TXビーム形成の承認が求められる場合がある。
提案されるビーム形成ベクトル又はアンテナビットマップを有するMU-RTSフレームを送信する代わりに、AP10は、HT_SIGNALフィールド中の"Not Sounding"ビットを"0"に設定することによって、リストの全てのアドレス指定されたステーションに、チャネル測定を実行することを指示することができる。このビット及びMU-RTSフレームの組み合わせは、アドレス指定されたステーションに、チャネル測定を実行させ、CTSフレームと合わせてチャネル状態情報(CSI)をフィードバックさせることができる。各々のステーションによって送信されるCSIフレームのフォーマット(すなわち、上述のNb及びNgビット)は、各々のステーションに対して同じであることができる。これらのパラメータは、AP10によって設定されるか、制御ラッパーフレームフォーマット(control wrapper frame format)を使用してMU-RTSフレーム中に含まれる高スループット制御フィールド(HTC)によって伝達されるか、又はある固定の値に特定されることができる。このフォーマットが伝達される場合、新たなフィールドは現在予備のフィールドを使用することができるHTCフィールド中に導入されることができ、又は、既存のフィールドが再定義されることができる。パラメータNcはAP10が測ることを望む空間次元の数によって決定され、それはHT-LTFの数から明らかである。さらに、ステーションごとのNr値は、各々のステーションが集合CTSフレームの継続時間を予測することができるように、AP10によって伝達されることができる。これらの値は、HTCフィールド中に定義される追加のフィールドを介して伝達されることもできる。
以下の第５の実施の形態において、MU伝送システム(例えばIEEE 802.11ベースのWLAN)のアップリンク方向におけるビーム形成によるMU MIMO伝送をサポートするMACプロトコル拡張が提案される。第５の実施の形態は、したがって、共通の受信機が同時に複数の送信機に応対することができるアップリンクシナリオに第１の実施の形態を拡張する。第５の実施の形態は、共通の受信機(例えば図1のAP10)が、候補送信機(例えば図1のステーション21〜23)に送信要求(Call for Transmission: C4T)フレーム放送することによって伝送を開始するMACメカニズムに基づく。アドレス指定された候補送信機は、共通の受信機へと送信しようとするそれらの意図を示すためにM-RTSフレームを送信することによって応答し、その後、受信機におけるチャネル推定のためのトレーニングシーケンスが続く。変形例として、トレーニングシーケンスは、それぞれのプリアンブル中に提供されることができる。受信機は、各々の送信機からのチャネルを推定して、それらのチャネル状況に従って候補送信機を評価する。受信機はさらに、各々の送信機のための適切な送信ビーム形成ベクトルを見いだすことができ、MU-CTSフレームによってM-RTSフレームに応答することができ、どの送信機がどの送信ビーム形成ベクトルを用いることによりチャネルにアクセスすることができるかを示す。それから、MU MIMO伝送が開始されることができる。
第５の実施の形態による提案された新たなメカニズムは、したがって、送信ビーム形成をサポートするMU MIMO伝送のためのアップリンクチャネルアクセスメカニズムを提供し、共通の受信機は、異なる送信機からの同時複数パケット受信をサポートする。したがって、システムのスペクトル効率は増加することができる。組み込まれた送信ビーム形成メカニズムは、空間ストリーム間の干渉が最小化されるように、複数の送信機間の良好なMU MIMO伝送調整を提供する。また、新たなメカニズムは、チャネル状況がMU MIMO伝送に適していない場合に、SU MIMO伝送モードとMU MIMO伝送モードとを切り替えることを可能にする。
より具体的には、アップリンクシナリオのための提案されたMU MIMO MACメカニズムにおいて、C4T、M-RTS及びMU-CTSフレームが、チャネルにアクセスするために用いられることができ、そしてMU-ACKフレームが、正常に受信されたパケットに肯定応答するために用いられることができる。オプションとして、次のMIMOフレームを構築するために、空間ストリームが正しく受信されるステーションのサブセットのみのMU MIMO伝送のために送信ビーム形成ベクトルを修正することによって、適応MU MIMO伝送が提供されることができる。この決定は、例えば受信されたパケットの誤り訂正符号(例えば巡回冗長符号(CRC))チェックから得られる情報に基づくことができる。
以下において、提案されたMU MIMOアップリンクMAC手順が、図11に示される５つのステップに基づいてさらに詳細に説明される。
第１のステップにおいて、共通の受信機(例えば図1のAP 10)は、アップリンクにおけるMU MIMO伝送を開始するために、送信要求(C4T)フレームを放送する。C4Tフレームにおいて、それは、可変の数の全てのアップリンクMU MIMO可能ステーションのアドレスを示す。あるいは、AP10は、アップリンクMU MIMO可能ステーションのサブセットのみをポーリングすることを決定することができる。
C4Tフレームはさらに、サウンディング要求及び測られるべき空間次元の数の指示を伝達することができる。あるいは、測られるべき空間次元の数は、AP10のチャネル推定機能に標準化されることができ、AP10のHT機能フィールドから取得されることができ、ビーコンフレーム、関連付けレスポンスフレームなどにおいて送信されることができる。継続時間フィールドは、MU MIMO伝送の開始に至るまでの送信継続時間をカバーするように設定されることができる。上で説明されるように、この継続時間は、ステーションからの応答の継続時間、MU-CTSフレームの継続時間及びフレームを分離するSIFS/RIFSインターバルの和から取得されることができる。C4Tフレームが構成される時点ではMU MIMO伝送に割り当てられるステーションの数が分からないので、MU-CTSフレームの継続時間は分からない。C4Tの継続時間フィールドの計算のために、MU-CTSフレームは最大の数のフィールドを含むと仮定され、そして使用されるMCSは、C4Tフレーム送信のために使用されるものと同じである。なお、同じフレームにおいて、各々のステーションについてのCSIレポート(例えばパラメータNb, Ng, Nc, Nr)のフォーマットが伝えられなければならない。この情報を伝えるためのメカニズムは、ダウンリンクMU MIMO伝送に用いられるものと同じであることができる。継続時間はさらに、CSIレポートを考慮しなければならない。C4Tフレームは定期的に送信されることができる。反復の頻度は、アップリンクMU MIMO可能APの数によって決まることができる。この頻度は、ビーコンフレームにおいて他のAPに伝達されることができる。
図12は、第５の実施の形態による複数の送信機アドレスフィールドを有するC4Tフレーム構造の例を示す。
各々のステーションは、呼び出し(例えばC4Tフレーム)を受信した後で、指示された受信機に送信しようとするそれらの意図を示すために、M-RTSフレームを送信することによって手順の第２のステップにおいて応答する。ここで、"M-RTSフレーム"は、M-DCF RTSフレームを表し、RTSフレームフィールド及び追加的なフィールド(例えばCSIフィールド)を含む。M-RTSフレームは、RTSフレーム及びCSIフィードバックフレームの集合体によって置き換えられることができる。
M-RTSフレームの順序は、C4Tフレームのリスト中の送信機の順序によって暗黙に決定される。最初のM-RTSフレームはSIFSインターバルの後に送信され、そして以降のM-RTSフレームはそれぞれのRIFSインターバルの後に送信される。M-RTSフレームを運ぶ物理プロトコルデータユニット(PPDU)は、サウンディングPPDUであることができる。継続時間は、２つの継続時間の和であることができ、第１の継続時間は、M-RTS送信の完了後のSIFSインターバルから始まってMU MIMO伝送の開始までであり、第２の継続時間は、M-RTSフレームのために使用されるMCSが待機中のデータを送信するために用いられる場合、データフレーム送信の継続時間である。この継続時間フィールドから、AP10はステーションによって送信されるデータの量について知ることができ、したがって、MU-CTSフレーム中の継続時間フィールドを適切に設定することができる。
図13は、第５の実施の形態において使用されるM-RTSフレーム構造を示す。
AP10は、候補送信ステーションからM-RTSフレームを受信して、ステーションのチャネル状況を推定した後で、手順の第３のステップにおいて、可能なMU MIMO伝送のためにステーションのチャネル状況を評価して、ステーション又は空間ストリームごとに適切な送信ビーム形成ベクトルを見いだす。次に、それは、MU-CTSフレームを放送することによるチャネル予約へ進み、そこでそれは、どの送信機がどの送信ビーム形成ベクトルを用いることによってチャネルにアクセスすることができるかを示す。
図14は、第５の実施の形態によるTxビーム形成ベクトルを有する改善されたMU-CTSフレーム構造案の例を示す。
代わりに、Txビーム形成ベクトルを運ばないより一般的なMU-CTSフレームが用いられることができる。そして、(圧縮された又は非圧縮の)集合ステアリングフレームが、Txビーム形成ベクトルを運ぶために用いられることができる。指定されたステーションによる送信において用いられるMCSは、これらのフレームの中で(例えばHTCフィールドの中で)伝達されることもできる。継続時間フィールドは、SIFSインターバル及びM-ACKフレームを送信するために必要な時間に加えて最長の空間ストリームの継続時間に設定されることができる。
手順の第４のステップにおいて、ステーションは、MU-CTSフレーム中で指示されるTxビーム形成ベクトルを用いることにより、チャネルにアクセスすることができる。
最後に、第５のステップにおいて、MU MIMOアップリンク送信が完了した後、AP10は、MU-ACKフレームを送信することができ、そこで、割り当てられたステーションによって同時に送信されたパケットの成功した受信に肯定応答する。
図15は、第５の実施の形態による対応するMU-ACKフレーム構造を示す。この肯定応答は、MU-CTSフレーム中のRxアドレスの数と長さが同じである肯定応答パケットビットマップ(Acknowledged Packet Bitmap：APB)フィールドにおいて伝達されることができる。受信に成功したパケットは、例えばその送信ステーションに対応するビットを"1"に設定することによって肯定応答されることができる。
第５の実施の形態の提案されたメカニズムによって、受信機は、適切な送信ビーム形成ベクトルを見いだして、送信機にこの情報を供給することによって、アップリンクのMU MIMO送信を開始及び調整することができ、したがって、MU MIMOアップリンク送信のための効率的なチャネルアクセスメカニズム及び干渉回避技術を提供する。
第６の実施の形態において、MU-DCFにおけるオーバーヘッドを低減するためのメカニズムが提案される。MU-DCFにおける大部分のオーバーヘッドは、SIFSインターバル及び各々のフレーム前のプリアンブルを伴う複数のM-CTS及びM-ACKフレーム応答に起因して引き起こされる。時分割多重アクセス(TDMA)以外の多重アクセススキームを適用することは、MU-DCFネットワークの性能を大幅に改善する。
MIMOシステムにおいて、フレームを空間的に多重化することは可能であるが、送信機におけるチャネル情報は仮定されることができない。OFDMシステム(例えばIEEE802.11a)では、OFDMA送信の使用が最も小さいハードウェア複雑度につながる。しかしながら、MC-CDMA又はCDMAのような他のスキームも同様の効果を持つことができる。
OFMDAの場合では、例えば副搬送波の４分の１を用いることにより、短いパケット(例えばM-CTS及びM-ACKフレーム)は、フレームの主要な部分がプリアンブルであるので、４倍は長くない。物理レイヤに応じて、M-CTS及びM-ACKフレームは数シンボル長い。1024バイトのパケットサイズ、54Mb/sのデータパケットのための物理レイヤモード、36Mb/sの物理レイヤモード(及びIEEE 802.11a規格における他の関連したパラメータ)を仮定すると、伝送ウィンドウは、SUモードにおける338μs、MUモード(TDMA)における578μs及びMUモード(OFDMA)における362μsの継続時間を持つ。
したがって、MU-DCFのMU動作モードでM-CTS及びM-ACKフレームを送信するために必要な時間を低減することが第６の実施の形態において提案される。これは、MU-MIMO伝送の上述の利点を維持しつつ、MUにおけるオーバーヘッドを、SUシステムのオーバーヘッドまでもう少しのところまで低減する。
TDMAモードでM-CTS及びM-ACKフレームを送信する代わりに、全ての副搬送波がサブセットに分割され、そして各々のサブセットはM-CTS又はM-ACKフレームを送信しなければならない一つのステーションに割り当てられる。
ステーションに対する副搬送波サブセットのマッピングに関する情報は、MU-RTSフレームで伝達されるアドレスリスト中の受信機の順序から決定されることができる。したがって、M-CTS及びM-ACKフレームは同時に送信され、SIFSインターバルと、IEEE802.11ネットワークの各々のフレームに先行してMU-MIMOシステムにおけるオーバーヘッドのキャリアであるプリアンブルとは、並列化される。物理レイヤ特性に応じて、M-CTS及びM-ACKフレームは、数シンボル長いだけであることができる。
要約すると、複数の他の伝送端とのマルチユーザ伝送を実行する送信装置、受信装置、システム及び方法が説明され、伝送のための要求(例えばMU-RTSフレーム、MU-CFRフレーム又はC4Tフレーム)が複数の他の伝送端に放送され、この要求は、要求に応答するように求められる受信端の少なくとも２つの識別情報のリストを含むMACフレームを備える。この根底にある一般的な構想のさまざまな有利な更なる拡張及び改善が、上述の実施の形態に示された。
本発明は上述の実施の形態に限定されず、MU MIMOに限らず任意のマルチユーザ伝送スキームのために用いられることができることに注意されたい。より具体的には、本発明は、全てのタイプのMIMOベースのWLAN (特にM-DCFシステム) に適用可能である。プロトコルは、シングルユーザ(SU)及びMUモードの両方において機能する。M-DCFと比較した性能改善が、複数の接続が存在する高度に相互接続されたシステム及びAPダウンリンクにおいて期待されることができる。さらに、本発明は、ランダムアクセスMACメカニズムを伴う全てのマルチユーザ無線システムに適用可能である。トラフィックが非対称であって大部分のトラフィックが単一の送信機(例えばダウンリンクシナリオにおけるAP又は複数のステーションにデータを配信するサーバ)に由来する無線ネットワーク、及び/又は、大部分のトラフィックが単一の受信機(例えばアップリンクシナリオにおけるAP又は外部ネットワークへのアクセスを提供するゲートウェイ)行きである無線ネットワークのスペクトル効率を増加させることが期待される。
最後になったが重要なことは、「含む」や「有する」との用語は、明細書や特許請求の範囲において用いられる場合に、述べられた特徴、手段、ステップ又はコンポーネントの存在を規定することを意図するが、一つ以上の他の特徴、手段、ステップ、コンポーネント又はそれらのグループの存在又は追加を除外しない。さらに、請求の範囲中の単数形の要素は、そのような要素が複数存在することを除外しない。さらに、任意の参照符号は、請求の範囲を限定しない。

Claims (27)

  1. 複数の他の伝送端へのマルチユーザ伝送を実行する送信装置であって、
    前記複数の他の伝送端に伝送のための要求(Request for transmission)を放送し、
    前記要求に応答することを要求される他の伝送端の少なくとも２つの識別情報のリストを含む媒体アクセス制御MACフレームを前記要求に提供する、送信装置。
  2. 前記伝送のための要求に応答した他の伝送端のうちの少なくとも一つ行きのパケットのみから伝送フレームを作成する、請求項１に記載の装置。
  3. 前記識別情報がMACアドレスからなる請求項２に記載の装置。
  4. 前記他の伝送端は、送信する意図を示す送信要求(Sending Request)を返信するようにアドレス指定される候補送信機である、請求項１に記載の装置。
  5. チャネル状況により前記候補送信機のためのチャネル推定を実行し、どの送信機がどのビーム形成ベクトルによってチャネルにアクセスできるかを示す送信承認により前記送信要求に応答する、請求項４に記載の装置。
  6. チャネル状態情報をフィードバックすることを要求するために前記伝送のための要求を使用し、前記他の伝送端から受信されたチャネル状態フィードバック情報に基づいて前記他の伝送端のチャネル状況を評価し、前記他の伝送端のための適切なビーム形成ベクトルを導出するように構成される、請求項１に記載の装置。
  7. 前記伝送のための要求が、要求された前記チャネル状態フィードバック情報のために用いられるべきフォーマットを特定する情報を含む、請求項６に記載の装置。
  8. 受信された伝送の発信元である他の伝送端を示すMACフレームを送信することによって、伝送の受信に肯定応答する、請求項６又は請求項７に記載の装置。
  9. 前記MACフレームに設けられるビットマップ中のそれぞれのビットを設定することにより、受信された前記伝送の発信元である前記他の伝送端を示す、請求項８に記載の装置。
  10. 他の伝送端及び当該他の伝送端のための適切なビーム形成ベクトルのリストを含む送信要求フレームを放送する、請求項６から請求項９のいずれか一項に記載の装置。
  11. 予期される伝送全体の予測される継続時間を示す継続時間情報を前記伝送のための要求に加える、請求項１に記載の装置。
  12. 多重入力チェーン及び多重出力チェーンのうちの少なくとも一方を備えるマルチユーザトランシーバを有する、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の装置。
  13. マルチユーザ伝送信号を受信するための受信装置であって、
    伝送のための要求を受信し、
    前記伝送のための要求によって提供される媒体アクセス制御MACフレーム中の少なくとも２つの受信機識別情報のリストを検出し、
    前記リストが当該装置の識別情報を含む場合、前記伝送のための要求に応答する装置。
  14. チャネル状態情報を含むチャネルフィードバックフレームと共に前記伝送のための要求に応答する、請求項１３に記載の装置。
  15. 前記リスト中の識別情報の順序に基づいて応答のタイミングを導出する、請求項１３又は請求項１４に記載の装置。
  16. 送信キュー中のデータの量を示す継続時間情報を前記応答に含める、請求項１３から請求項１５のいずれか一項に記載の装置。
  17. 前記リストが当該装置の識別情報を含まない場合、前記伝送のための要求に提供される継続時間フィールドの内容に従ってネットワーク割り当てベクトルを設定する、請求項１３に記載の装置。
  18. 前記伝送のための要求に提供される継続時間フィールドを用いて、応答のための待機時間を計算する、請求項１３に記載の装置。
  19. 集合MACパケットデータユニットとサウンディングフィードバック機構とを組み合わせることにより応答する、請求項１３に記載の装置。
  20. 応答のためにマルチユーザ伝送信号の副搬送波の割り当てられたサブセットを使用する、請求項１３に記載の装置。
  21. 前記リスト中の識別情報の順序から前記割り当てられたサブセットを導出する、請求項２０に記載の装置。
  22. 前記要求の受信後予め定められた時間で応答する、請求項２０に記載の装置。
  23. 多重入力チェーン及び多重出力チェーンのうちの少なくとも一方を備えるマルチユーザトランシーバを有する、請求項１３から請求項２２のいずれか一項に記載の装置。
  24. 第１伝送端と複数の第２伝送端との間のマルチユーザ伝送を実行するための方法であって、
    前記マルチユーザ伝送に応答することを要求される受信端の少なくとも２つの識別情報のリストを媒体アクセス制御MACフレームに組み込み、
    前記複数の第２伝送端への伝送のための要求において、前記リストを含む前記MACフレームを放送する、方法。
  25. 少なくとも１つの請求項１に記載の送信装置及び少なくとも１つの請求項１３に記載の受信装置を有するマルチユーザ伝送システム。
  26. 前記少なくとも１つの送信装置及び前記少なくとも１つの受信装置が無線ローカルエリアネットワークの少なくとも一部である、請求項２５に記載のシステム。
  27. コンピュータ装置上で実行される場合に請求項２４のステップを行うコードを有するコンピュータプログラム。
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