JP2011514114A - マルチホップ・ネットワークにおけるロバスト符号化 - Google Patents

Abstract

本発明は、いくつかの宛先受信側の群による、単一のパケット・データ・ユニットの肯定応答を必要とするように、データ・ユニットを作成するために複数の受信側（ＭＲ）フレーム集約を使用する方法及び装置に関する。宛先ノードの近傍に関するマルチホップ・トポロジ情報は、パケットの一次宛先ノードに加えてパケット送信に肯定応答する宛先受信側を導き出すために使用することが可能である。

Description

本発明は一般に、限定されないが無線ローカル・エリア・ネットワーク（ＷＬＡＮ）などの伝送システムにおける他の複数の伝送端にマルチユーザ伝送を行う方法、システム、送信装置、及び受信装置に関する。

例えばＩＥＥＥ８０２．１１標準で規定された無線ローカル・エリア・ネットワーク（ＷＬＡＮ）は、現在、ほぼどこにも存在している。利用可能なチャネルのスループットの増加は１つの主要な課題であり、研究は、物理プロトコル層内の変調及び符号化の改善を中心に行われている。

８０２．１１標準では、無線ノード又は無線局は、キャリア検知多重アクセス衝突回避（ＣＳＭＡ／ＣＡ）の形態である分散連係機能（ＤＣＦ）を実現する。ＣＳＭＡ／ＣＡは、局全てがまず、送信前に媒体を検知することを確かめるコンテンションベースのプロトコルである。主な目標は、局に同時に送信させることを回避することであり、これは、衝突及び対応する再送信をもたらす。フレームを送出したい局が、媒体上の特定の閾値を超えるエネルギを検知した場合（これは、別の局の送信を意味し得る）、アクセスしたい局は、フレーム送信前に媒体がアイドル状態になるまで待つ。プロトコルの衝突回避の局面は、誤りのない受信を検証するために受信局が送出局に送出する肯定応答の使用に関する。多少複雑であるが、媒体にアクセスするこの処理は、皆が礼儀正しく、他の者が誰も話していない時にのみ、それぞれの個人が話す打ち合わせとしてみることが可能である。更に、その個人が何を話しているかが分かる参加者は、一致して、その頭を縦に振る。

ランダムに動作するバックオフ手順にでは、送信する対象のデータ・パケットを備えた局は、タイムスロット数でカウントされるバックオフ・タイマの持続時間を求めるコンテンション・ウィンドウ（ＣＷ）サイズと０との間の乱数を生成する。ＣＷは、１５という最小開始値を有し、衝突後に２倍になり、１０２３まで上昇し得、肯定応答（ＡＣＫ）フレームによって示される、首尾良く行われた転送後、減らされる。ＤＣＦインタフレーム空間（ＤＩＦＳ）の持続時間の間に空き状態の媒体を検知した後、移動局は、バックオフ・タイマを、それがゼロに達するまでカウントダウンし、次いで、その送信を開始する。カウントダウン中に、別の移動局が媒体を占有した場合、バックオフにおける移動局は全て、少なくともＤＩＦＳの間、空き状態の媒体を検知するまで、カウントダウンを中断する。標準は、送信前の任意の送信要求（ＲＴＳ）−送信可（ＣＴＳ）ハンドシェークを含む。

最近、ネットワーク符号化及びブロードキャストの結合は、送信毎の情報量を増やすために８０２．１１ベースのマルチホップ無線ネットワークにおいて適用されており、データ・アプリケーションに関するスループットの利点が明らかになっている。

図１は、いくつかの無線ノードのトポロジを略示する。この図において提示されたシナリオでは、各ノードにおいて提供されたルーティング・テーブルに応じて、ノード１及び２は、それらのパケットａ及びｂをノード４及び５それぞれに送信する必要がある。ノード４及び５はノ―ド１の無線範囲内にないので、ノード２は前述のパケットの発送者としてふるまわなければならない。ネットワーク符号化の基本原理に応じて、パケットａをノード４に転送し、パケットｂをノード５に転送する代わりに、ノード２は符号化パケット（例えば、ａ

ｂ）をブロードキャストする。このようにして、ノード４及び５は、２つの専用送信の代わりに、ノード２からの物理層におけるブロードキャスト送信のみでその元のパケットを復号化することが可能である。これは、より高いスループットにつながり得る。しかし、前述の原理に基づいて提案された実用的な手法は、パケットの機会主義的な符号化及び伝送を使用する。これは、前述の手法が、既存の媒体アクセス制御（ＭＡＣ）プロトコルよりも、統合に対してロバストな訳でないことを意味する。更に、それは、クリーンな（ｃｌｅａｎ）ソリューションの潜在性を妨げる、ＭＡＣプロトコル・ルーティングプロトコル間のクロスレイヤ相互作用を必要とする。
ネットワーク符号化に対するいわゆる「機会主義的手法」では、無線ノードは、リアルタイムで符号化機会を検出し、活用するために局所情報に依存する。ノードは、機会主義的リスニングに参加した場合、無線媒体上で傍受する通信全てをスヌーピングする。ノードは、傍受したパケットがどれかをその近傍に伝えるよう、送出するパケットに注釈を付けることもできる。ノードは、送出する場合、機会主義的符号化を行うためにその近傍が受信したものが何であるかの知識を使用することができる。これは、ノードが、複数のパケットを結合し（例えば、ＸＯＲ、

等を行い）、宛先受信側（ｒｅｃｅｉｖｅｒ）それぞれがそのパケットを符号化するために十分な情報を有する場合に単一の送信において送信することが可能であるということを意味し得る。しかし、現在の無線ネットワーク符号化手法が直面する問題は、ノードが、そのノード宛てでないパケットの伝送をノードが機会主義的に傍受するという点である。例えば、図１では、ノード１は、ノード２を宛先とするパケットａを送信するが、ノード１の無線範囲にあり、（ノード２の無線範囲にある）ノード５によって傍受される。しかし、既存のＭＡＣプロトコルでは、宛先受信側でないノード（例えば、図１のノード５）は、傍受したパケットの正しい受信を肯定応答することが可能でない。これは、ネットワーク符号化アルゴリズムを使用するノード（例えば、図１のノード２）が、行った符号化決定が正しいものであるかを知ることが可能でないということを意味する。不正確な符号化決定は、究極的には、ネットワーク符号化で理論的に可能なものとはかけ離れた、より低いスループットにつながる。

Ｓａｃｈｉｎ Ｋａｔｔｉらによる「ＸＯＲｓ ｉｎ Ｔｈｅ Ａｉｒ：Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｄｉｎｇ， ＳＩＧＣＯＭＭ， ２００６」では、非同期帯域外肯定応答は、上記課題を解決するやり方として提案されている。しかし、この手法では、ノードが、符号化するパケットがどれであるかを決定する場合、傍受したパケットの運命を推定するために確率的手法をなお使用しなければならない。明らかに、これは、ネットワーク符号化の実用的な採用の妥当な手法でない。

更に、別の重要な問題は、隠れたノードの問題である。例えば、図１のノード１がパケットａを送信するとする。しかし、ノードｔ２はノード１の無線範囲外である。ＭＡＣプロトコルが、（ＷｉＭｅｄｉａＭＡＣにおけるコンテンションベースの機構や８０２．１１ ＤＣＦのような）コンテンションベースの機構を使用した場合、ノードｔ２は、ノード１からのパケットａの送信と衝突するパケットを送信する。しかし、ノード５が機会主義的受信側であり、送信に肯定応答しない場合、ノード１もノード２もパケットを受信しなかった旨は分からない。この事実により、使用されるアルゴリズムにかかわらず、行わなければならない最適な符号化決定が何であるかを決定論的に知ることから、ノード２がディセーブルされる。

本発明の目的は、無線マルチホップ・ネットワークのよりロバストな符号化手法である。

この目的は、請求項１に記載の装置、請求項９に記載の方法、及び請求項１２に記載のマルチホップ・ブロードキャスト・パケット信号によって達成される。

よって、いくつかの宛先受信側によって受信されなければならないパケットは一度しか送出することが可能でないので、システム・スループット全体を増加させることが可能である。更に、単一のパケット・データ・ユニットの送信は、宛先受信側を表すために必要なフィールドを削減することが可能であり、ルーティング・プロトコルからのクロスレイヤ情報は必要でない。複数受信パケットはよって、ネットワーク符号化機能によって、最適な符号化決定を行うことが可能であるように構成することが可能である。

装置は、ネットワーク・ノード又はネットワーク局に設けられるプロセッサ装置、モジュール、チップ、チップ・セット又は回路として実現することができる。プロセッサは、コンピュータ上又はプロセッサ装置上で実行されると上記方法クレームの工程を行うためのコード手段を備えたコンピュータ・プログラム・プロダクトによって制御することができる。

第１の局面によれば、マルチホップ・トポロジ情報は、ビーコン手順によって導き出すことができる。特定の例では、マルチホップ・トポロジ情報は、宛先ノードの直近の近傍のビーコン群、及びビーコン群の少なくとも１つのノードの近傍ノードの拡張ビーコン群を含み得る。よって、トポロジ推論の上記課題は、既存の媒体アクセス制御プロトコルにおいて既に利用であり得るビーコン手順を利用することによって解決することが可能である。

上記第１の局面と組み合わせることが可能な第２の局面によれば、受信ノードの群は、先行して受信されたパケットを潜在的な受信ノードが受信した旨を必要とする第１の条件、及びを送信する対象のパケットを復号化することができる別の少なくとも１つの潜在的な受信ノードを必要とする第２の条件に基づいて求めることができる。よって、ネットワーク符号化は、確率的な基準に基づくものでなく、先行して送信されたパケットの運命についての決定論的知識に基づく。

上記第１の局面及び上記第２の局面の一方又は両方と組み合わせることが可能な第３の局面によれば、少なくとも１つのチャネル・アクセス・パラメータを、送信する対象のパケットの情報コンテンツに応じて動的に構成することができる。それにより、ネットワーク符号化は、拡張されたやり方で利用することが可能であり、システム・スループットが最大にされる。例示的な実現形態では、少なくとも１つのチャネル・アクセス・パラメータは、コンテンション・ウィンドウ・サイズ及びアービトレーション・フレーム間空間の少なくとも一方を含み得る。

上記第１の局面乃至第３の局面の一方又は全てと組合せることが可能な第４の局面によれば、少なくとも１つのチャネル・アクセス・パラメータは、所定のトラフィック・クラスの関数としてスループットを推定することによって動的に構成することができる。この手法は、最適な性能のための解析モデルに基づいたパラメータ値の選択を可能にする。

上記第１乃至第４の局面の何れか１つ又は全てと組合せることが可能な第５の局面によれば、少なくとも１つのチャネル・アクセス・パラメータは、少なくとも１つのチャネル・アクセス・パラメータの予め定義された値を記憶するルックアップ・テーブルを使用することによって動的に構成することができる。これは、広範囲の実験から導き出した最適値を事前に記憶することが可能であるという効果を提供する。

無線マルチホップ・ネットワークにおけるいくつかの無線ノードの概略ネットワーク・トポロジを示す図である。 一実施例によるフレーム集約構造を示す図である。 一実施例による選択手順の概略フローを示す図である。 一実施例による、最適な受信群を算出するための例示的な算出手法を示す図である。 コア・ノード及びエッジ・ノードを備えた別の概略ネットワーク・トポロジを示す図である。 別々のトラフィック・クラスのノード数に対する正規化スループットの解析結果を示す図である。

更に効果的な実施例は、従属請求項に規定している。

次に、添付図面を参照して種々の実施例に基づいて本発明について説明する。

以下では、好ましい実施例は、例えば、図１において示す、無線マルチホップ・ネットワーク・トポロジを基に説明する。

体系的に前述の課題に対処するために、何れかの線形ネットワーク符号化アルゴリズムによる最適化符号化決定を容易にすることを可能にするネットワーク符号化手法を提案する。

特に、単一の物理層パケット・データ・ユニット（ＰＰＤＵ）にデータ・ユニット（例えば、ＭＡＣプロトコル・データ・ユニット（ＭＰＤＵ））をパッキングし、よって、少なくとも２つの受信側による、単一のＭＰＤＵの肯定応答が必要である複数の受信側（ＭＲ）フレーム集約が提案されている。このＭＲ集約手法は特に、別々のＭＡＣアドレスを備えた受信側を、同じパケットが宛先とする場合について特に企図されている。

更に、ネットワーク・ノードの近傍に関する２ホップ又はマルチホップのトポロジ情報が、ＭＡＣレベルにおけるトポロジ推論の問題を解決するために使用される。このトポロジ情報は、既存のＭＡＣプロトコルにおいて利用可能なビーコン手順などの分散ビーコン手順を使用することによって導き出すことができる。前述のビーコン手順では、各ノードは、その識別子（例えば、インターネット・プロトコル（ＩＰ）アドレス）及び位置を含むビーコンをブロードキャストＭＡＣアドレスに周期的に送信することができる。タイムアウト間隔よりも長い間、ビーコンを受信しないと、ルータは、近傍に障害が生じたか、又は近傍が退出したとみなし、そのエントリをそのテーブルから削除する。

更に、パケットの一次宛先ノード以外に、どのノードがパケット送信を肯定応答すべきかを決定する手順が各ノードで必要である。この手順は実質的に、ネットワーク符号化アルゴリズムによって、最適な符号化決定を行うことが可能であるようにＭＲパケットを「構成する」。次いで、実際のネットワーク符号化は、符号化決定に基づいて行われる。それにより、最適なＭＲパケットの構成が保証される。提案された手順の利点は、確率的基準に基づくものでなく、先行して送信されたパケットの運命に関する決定論的知識に基づく。

図２は、いくつかの宛先受信側及び単一のＭＰＤＵについて、一実施例による、ＰＰＤＵの概略フレーム構造を示す。このフレーム構造は、例えば、Ｎ． Ｓａｉ Ｓｈａｎｋａｒらによる「Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＭＡＣ （ＣＭＡＣ）−ａ ｎｅｗ ＭＡＣ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ ｎｅｘｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮｓ， Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ， Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ， ２００５」に開示されたフレーム構造に基づき得る。単一のＭＰＤＵの送信により、宛先受信側を表すために必要なフィールドを削減することが可能である。特に、フレーム構造は、プリアンブルを含み、続いて、ＰＬＣＰヘッダ、持続時間フィールド、伝達されるＭＰＤＵの数を規定するフィールドＮ、前方誤り訂正（ＦＥＣ）フィールド、アドレス、宛先受信側の長さ（ＬＥＮ）及び肯定応答（ＡＣＫ）フィールド、別のＦＥＣフィールド、巡回冗長符号（ＣＲＣ）フィールド、及び伝達されるＭＰＤＵを含む。

よって、図２の提案されたフレーム構造では、単一のＭＰＤＵのみがペイロードとして存在している一方、複数の宛先受信側がＰＰＤＵに規定されている。このフレーム構造の利点は、ＭＰＤＵに肯定応答すべき受信側群が通知される一方、宛先受信側全てによって受信されなければならないパケットは一度のみ、（一次受信ノード及び機会主義的なものに向けて）送信される。しかし、これは、高信頼度のマルチキャスト送信でなく、よって、これは、符号化パケットを受信すると、復号化後、ノードは、特定のものを宛先としていない高位層パケットに転送すべきでない。

受信ノードは、データ・パケットに追加すべきヘッダによって復号化したデータ・パケットの識別情報（ＩＤ）が分かる。既存の手法は、ほぼ５０バイトのヘッダを使用する一方、本願提案の実施例は、ＩＰレベル未満で動作するので、かなり小さい符号化／パケット・ヘッダを必要とする。

しかし、提案されたＭＲ集約が使用されると、ルーティング・プロトコルに応じて仮定される主要な受信側の他に、送出側は、肯定応答を実際に返送しなければならないネットワーク・ノードを特定しなければならない。この決定を行う手順は、実質的に、図２に表すような、宛先受信側と呼ばれるタプルを埋める。最適な受信側群を算出するために、分散ビーコン手順を施すことができる。これは、新生の無線ＭＡＣプロトコルにおいて利用可能であり、トポロジ推論のためのロバストな手順を策定するために使用することが可能であるからである。前述の分散ビーコン手順では、各チャネルは、スロット化されたビーコン期間に始まり、データ転送期間が続く、反復スーパフレームに論理的に分けることができる。ビーコン期間中、各ノードはビーコンをその指定された時間スロットにおいて送信する。ビーコンは、データ通信のためのマルチチャネル予約、スペクトル測定、及びスケジューリングされたクワイエット・ペリオド（ｑｕｉｅｔ ｐｅｒｉｏｄ）に関する情報を含むことができる。ビーコン期間が終わると、ノードは、他のチャネルに切り替えることができる。

図１に基づいて、次に、ビーコン手順及び、別々のノード群を維持するためのその用途を説明する。図１のノード１は、その隣接ノード（すなわち、ビーコン群）について分かっているものとする。しかし、ノード１のビーコン群（ＢＧ）における近傍は全て、その近傍についてノード１に通知する。前述の最後の２つのノードの組の集合は、拡張ビーコン群（ＥＢＧ）を形成することができる。例えば、図１では、明白なビーコン群に加え、ノード１及びノード２の拡張ビーコン群は以下として表す。

ＢＧ（１）＝｛６；５；２｝
ＥＢＧ（１）＝６→｛ｓ１｝；５→｛ｔ２；２｝；２→｛５；４；３｝
最後の表記は、ノード１が、ノード５の隣接ノードがノード２及びノードｔ２であるということを知っており、ノード２の隣接ノードがノード５、ノード４及びノード３であることを意味している。ノードのＢＧ及びＥＢＧに関する上記知識は、発信ＭＲパケットにおける宛先受信側の最適な群を生成するための鍵である。ノードにおけるこの最適な受信群（ＯＲＧ）は、特定の宛先毎に生成される。パケットが、「一次」宛先ノードを宛先とする場合、最適な受信群は、このパケット送信を傍受しなければならないノードの群を表す。この群がどのようにして埋められるかを説明するために、図１をもう一度参照する。ノード１が維持するＥＢＧにより、ノード５もノード２からの送信を傍受することが可能であることが分かる。したがって、ノード５は、ノード１がノード２に送信したいパケットａを機会主義的に獲得することが可能である。これは、ノード２がパケットａに肯定応答することを意味する。この動作の理由は、ノード２によって行われる将来の符号化決定／送信もノード５によって傍受されるという点である。したがって、これはノード５にとって、パケットａを受信し、符号化決定のためにノード２が使用することを可能にする機会である。この手法では、ノードは、どのパケットが傍受されているかが厳密に分かる。更に、この手法では、ノード６は、パケットａの肯定応答から除外される。そのノードに有用でないからである。ここで、この決定は、ルーティング・プロトコルからのクロスレイヤ情報を必要とすることなく、実現することが可能である。

図３は、一実施例によるネットワーク符号化手法の概略フロー図を示す。当初の工程Ｓ１０１では、例えば、上記ビーコン手順、又は近傍ノードについての情報の導出に適した何れかの他の適切な手順によって導き出される。更に、近傍ノードの先行パケットについての受信履歴が導き出される。更に、受信ノードの最適化群が、工程Ｓ１０２において、トポロジ情報及び受信履歴に基づいて判定される。最後に、工程Ｓ１０３で、判定された群の少なくとも２つの受信ノードが、ＭＲフレーム集約手法における宛先受信側として特定される。

図４は、ノード毎における上記最適な受信群を算出するための算出又はソフトウェア手順の更に詳細な例を示す。実際のネットワーク符号化手順は図４の下部に提示する。その部分では、変数ｄｅｃｏｄｅ＿ｎｏｄｅｓは、現在、符号化が検討されているパケットを復号化することが可能なノードの数を維持する。手順の入力パラメータは、ターゲット・ノードＸ、並びに、ターゲット・ノードＸのＢＧ及びＥＢＧである。手順の出力は最適受信群（ＯＲＧ）である。下の符号化ループの第１のｉｆ条件（工程２．１８）は、近傍におけるどのノードが、先行して送信されたパケットｌを受信したかを検査し、よって、送信を検討されている現在のパケットの符号化バージョンｌ’を復号化することが可能である。一般に、ＯＲＧ（ｋ；ｌ）＝＝ＯＲＧ（ｌ；ｋ）であるとみなし、常にそれが正しい。

下の符号化ループは第２の条件的ｉｆステートメント（工程２．２３）は、このパケットを符号化する価値があるか否かを検査する。これが必要であるのは、１つのノードのみがパケットの符号化バージョンｌ’を復号化することが可能であるからである。

上記符号化手順は、システム・スループット全体の増加である新生の無線マルチホップ・ネットワークにおける基本的な課題に対処する。特に、高密度のメッシュ又はアドホックの無線ローカル・エリア・ネットワークで動作する高データ・レート・アプリケーションは、かなり恩恵を受ける。本願提案の符号化手順又は機構は、例えば、Ｊ． Ｐｒａｄｏ ｄｅｌ Ｐａｖｏｎ他による「Ｔｈｅ ＭＢＯＡ− ＷｉＭｅｄｉａ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ ｗｉｄｅｂａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋｓ， ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｍａｇａｚｉｎｅ， ４４（６）：１２８−１３４， Ｊｕｎｅ ２００６」に開示されたような,ＷｉＭｅｄｉａＭＡＣなどの既存のプロトコルの上で実現することが可能である。

移動体又は無線の機会主義的ネットワークでは、機会主義的通信リンクは、互いの無線範囲にノード対が移動する際に設定することが可能である。上記ネットワーク符号化手順は、ネットワ―クにおける情報速度を最大にするために、無線チャネルのこの同報通信性を活用するために使用することが可能である。

しかし、機会主義的ネットワーク符号化プロトコル・媒体アクセスプロトコル間の相互作用はなお、改善することができる。実際の無線システム及び標準に無線ネットワーク符号化を埋め込むために、基本的な機構及びアルゴリズムの組は、ＭＡＣ層における上記最適化された符号化決定を行使することができるために策定しなければならない。以下の実施例では、無線媒体上の符号化／非符号化パケットの適切な送信及び優先順位付けを扱う。

拡張分散チャネル・アクセス（ＥＤＣＡ）は、技術標準８０２．１ｉｅの一部として当初規定された完全分散サービス差別化機構である。しかし、これは、コンテンションベースの媒体アクセスにおいてサービス差別化をもたらすためにＷｉＭｅｄｉａＭＡＣによって最近採用されている。ＥＤＣＡでは、媒体アクセスは、別々のトラフィック・クラスの優先順位付けが、コンテンション・ウィンドウ・サイズ（ＣＷ）及びアービトレーション・フレーム間空間（ＡＩＦＳ）という、構成可能な２つのパラメータによって達成される一方で、コンテンションベースの機構を使用することによって付与される。コンテンション・ウィンドウ・サイズは、送信試行を行うことが可能な状態になる前に局がカウントダウンしなければならないバックオフ・スロットの数を定める。ＡＩＦＳ値は、バックオフ手順が初期化／再開される状態になる前に検知されなければならないスロットの数を定める。別々のクラス／優先度に割り当てられているパケット及びノードは、無線媒体へのアクセスを得る可能性を増減させるために別々のパラメータ値で構成される。

既存のＥＤＣＡ手法は、その基本的な問題の１つとして、発信元のノードにかかわらず、パケット送信がシステム・スループットに対して同じ影響を有するという前提に基づいてサービス差別化をもたらすという点がある。しかし、何れのトラフィック・タイプからの首尾良く行われるパケット送信も、全体システム・スループットに同様に寄与し得る。例えば、ボイス・オーバＩＰ（ＶｏＩＰ）パケットは、高優先度ＥＤＣＡサービス・クラスに割り当てられる一方、ベスト・エフォート型ウェブ・トラフィックは、低位クラスに割り当てられる。これは、ノードがパケットを転送するにすぎない伝統的な無線ネットワークにおいて妥当な前提である。しかし、線形符号化パケットが送信される場合、上記説明はあてはまらないことがあり得る。パケットはもう、同じ情報コンテンツを有しないからである。

図１に示す分散無線アドホック・ネットワークの単純なトポロジをもう一度参照すれば、ノード１が、サイズｄのパケットをノード２に送信することが当初、考えられる。送信が首尾良く行われると、ノード１は、ＤＣＦ又はＥＤＣＡアルゴリズムに応じてバックオフを起動させる。次いで、チャネルが、バックオフ・タイマが最初に満了するノードから捕捉される。この場合、ノード２が、チャネルへのアクセスを取得し、ｃと呼ばれる別のパケットを送信する。当該シナリオによれば、チャネルは、パケットｂをノード２に送信するノード３によって次に捕捉される。ネットワーク符号化が施された場合、ノード２は符号化パケット（すなわち、

）を送信する。しかし、通常の８０２．１１ＤＣＦ機構が使用された場合、少なくとも、ノード４及び５が送信されるまで、ノード２にはアクセスが付与されず、それは、ノード１がもう一度送信した後になる可能性が最も高い。これは、受け入れ可能でない遅延をもたらす。次にＥＤＣＡが使用された場合、同じコンテンション・クラスに属する（８０２／１１ｅ／ＷｉＭｅｄｉａ技術標準による同様なトラフィック・タイプについておそらくあてはまる）ノードは全て、ＤＣＦと同様に媒体に対して競合する。

性能に対する影響を強調するために、例えば、ノード２は、ノード３及び４におけるパケットの復号化が首尾良く行われることをもたらし得る符号化パケットを有する。したがって、ノード２は、他のノードが、要求されるパケットよりも速く復号化することが可能であるように、媒体アクセスに対する優先度を事実上、有する。前述の状況は、現在の現実（すなわち、ネットワーク符号化により、ロバストな相互動作についてエンジニアリングされないＭＡＣプロトコル）を表す。ネットワーク符号化の出現により、既存の適合手法は、最適未満であるばかりでなく、発見的に使用された場合、システム性能をかなり低下させ得る。

媒体を最適に割り当てることができるために、ＥＤＣＡは、パラメータＡＩＦＳ及びＣＷの動的な適合とともに使用することが可能である。しかし、ノードが受けるサービス差別化の厳密な量は、算出するのが単純でない。ネットワーク符号化を使用するとＥＤＣＡとともにノードが受信するサービス差別化の最適レベルは、まだ明確にされていない。したがって、以下の実施例において回答する質問は、ネットワーク符号化を最もフルに活用し、システム・スループットが最大にされるようにＥＤＣＡパラメータをどのようにして適合させるかというものである。

ネットワーク符号化のための、ロバストなサービス差別化機構は、送信を傍受することが可能な近傍ノード、及びどのノードからであるかを各ノードが厳密に分かるように、上記最適化符号化手順を使用することによって実現することが可能である。更に、ＭＡＣ層における単一のＭＰＤＵの単一の送信によって復号化することが可能なパケットの数を求めることが可能である。更に、体系的に前述の課題に対処するために、例えば、ＭＡＣ層において、使用することが可能なサービス差別化手法が提案される。特に、各ノード（例えば、ＡＩＦＳ及びＣＷ）のＥＤＣＡパラメータを動的に構成する手順が提案される。

全体的に、システムにわたる情報速度が最大にされる。ノード間の公平性ということは、全く新たな意義を持つ。情報速度には、データ・レートのみならず、ノード送信間で比例的に割り当てられることが意図されているからである。

図４の上記符号化手順では、パラメータｄｅｃｏｄａｂｌｅ＿ｎｏｄｅｓは、送信が首尾良く行われるとネイティブ・パケットを復号化することが可能なノードの近傍の数を表すために使用される。表記の便宜上、このパラメータは、この場合、パケットｌを復号化することが可能なノードはいくつであるかを示すために、ｃ（ｌ）と表す。実質的に、この数量は、パケットｌの情報コンテンツとしてみなすことが可能である。更に、パラメータＮｊは、クラスｊに属するノードの数を表す一方、パラメータη_ｊは、そのクラスｊのノードすべてによって実現される合計データ・レートを表す。

本実施例では、ネットワークにおける情報フローが最大にされる一方、比例的なアクセス公平性も別々のＦＤＣＡクラスにもたらされる。したがって、主な差異は、情報フローが比例的であるという点である（これは、ノード間のデータ・レートが比例的でないということを意味する）。ネットワーク符号化の場合、各クラスｊは、システム帯域幅の以下
の比を受け取る。

ここで、

は、クラスｊのノードにおける送信について現在、検討されるパケットｌの情報量を表す。したがって、問題は、現在のパケットの情報量を

とすれば、次の送信イベントのコンテンション・ウィンドウ（ＣＷ）をどのようにして最適に構成するかということである。これを行うにはいくつかのやり方が存在している。第１のものは、解析モデルによってサポートされ、第２のものは、各パケットの情報量に応じて、パラメータＡＩＦＳ及びＣＷ値に、静的に構成された値の組からの値を実質的に割り当てる発見的な手法である。

まず、解析的に駆動されるＣＷ適応を説明する。すなわち、コンテンション・ウィンドウは、閉形式解に基づいて選択することが可能である。実質的に、特定のクラスｊの関数としてスループットを推定する何れのモデルも使用することが可能である。例として、Ｃ． Ｈｕらによる「Ｐｒｏｖｉｓｉｏｎｉｎｇ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ ｉｎ Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ−Ｏｐｅｒａｔｅｄ ＷＰＡＮｓ ｉｎ ＷＣＮＣ, ２００６」に開示された手法

に従って選択することが可能である。

この式は、

に拡張することが可能である。

しかし、上記モデルは、拘束的なものでない。本願提案のＣＷ適合は、Ｇ． Ｈｉｅｒｔｚらによる、「ＩＥＥＥ ８０２．１１ｅ／８０２．１１ｋ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ−Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ａｗａｒｅｎｅｓｓ ｆｏｒ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｓｈａｒｉｎｇ， Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ， Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ， Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００４」に開示された手法に基づき得る。しかし、適合は、パケット・レベルにおける以下の式に基づくべきであることが提案されている。

この修正式は実質的に、本実施例の提案（すなわち、適合は、各パケットのその容量のみならず、情報量も考慮することによって行われるべきである）を反映している。

別の静的手法は、パラメータＡＩＦＳ及びＣＷの最適値を静的に構成するためのルックアップ・テーブル（ＬＵＴ）に基づき得る。ＬＵＴを埋める実際の値は、先行する解析モデル又は同様な手法から導出することが可能である。更に、パケット容量は、性能モデルにおいて、かつ、考えられるＬＵＴにおいて容易に説明することが可能である。本願提案の手法が標準化されている場合、広範囲の実験を行った後、別々の動作領域について、最適値群を予め定義することが可能である。

図５は、本願提案の適合手法の解析評価に使用される概略トポロジを示す。４つのパケット・フローがネットワークに存在している。破線は、無線カバレッジ・エリアを示す。このトポロジは、全体トポロジの中心に配置され、互いに傍受することが可能な（濃い色の円形領域として示す）４つの「コア」ノードを含む。エッジでは、中心ノードの１つのみとの無線接続性を有する他の４つの「エッジ」ノード１乃至４が存在している。４つのパケット・フローがネットワーク内に存在しており（真っ直ぐの矢印及び曲がった矢印で示す）。それらの方向も図５で強調表示している。このトポロジは、密なネットワークにおいて提案された手法の利点を示すために使用される。解析評価の場合、２つのＥＤＣＡトラフィック・クラス１及び２のみが定義される。更に、増加したノード数の影響を検査するために、その数を以下のように変化させている。単一のノードが「コア」ノードに加えられると、別の「エッジ」ノードも加えられる。

図６は、別々の２つのＥＤＣＡトラフィック・クラス１及び２のノードの数に対する正規化された全体スループットの解析結果を示す。結果は、ＷｉｍｅｄｉａＭＡＣ層における改良ＱｏＳの提案と図６で比較している（Ｃ． Ｈｕらによる「Ｐｒｏｖｉｓｉｏｎｉｎｇ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ ｉｎ Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ−Ｏｐｅｒａｔｅｄ ＷＰＡＮｓ ｉｎ ＷＣＮＣ, ２００６」参照）。上記提案は、単なるＷｉｍｅｄｉａＭＡＣに対して性能を既にかなり向上させており、このことは、本願提案の手法によって実現することが可能なかなりのスループット増加を更に重要にさせている。更に高いスループット利得が、パケット・フロー及び関与ホストの数の増加に応じて期待され得る。

上記実施例は、単独でも組合せても、密であり、飽和した無線メッシュ又はアドホック・ネットワークにおいて、かなり高いスループットで、ロバストなプロトコルを提供することが可能である。

したがって、超広帯域（ＵＷＢ）ネットワークに基づいた低データ・レート・アプリケーション（例えば、センサ）又は高データ・レート・アプリケーション（例えば、無線マルチメディア家庭内娯楽システム）に使用することが可能である。

要約すれば、マルチホップ無線ネットワークにおいてパケット・データをブロードキャストする方法及び装置を説明してきた。ターゲット・ノードのマルチホップ・トポロジ情報が導き出され、受信ノード群がマルチホップ・トポロジ情報に基づいて判定され、上記群の少なくとも２つの受信ノードが、データ・ユニットをパッキングするために複数の受信フレーム集約において特定される。

本発明は、上記実施例に限定されず、ＭＲフレーム集約を可能にする何れかのマルチホップ・パケット・ネットワーク環境に使用することが可能である。特に、本発明は、全てのタイプのＷＬＡＮに適用可能である。

本願記載の実施例に対する変形は、図面、明細書及び特許請求の範囲の検討により、当業者によって理解され、実施され得る。特許請求の範囲では、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」の語は他の構成要素又は工程を排除せず、「ａ」又は「ａｎ」の不定冠詞は複数の構成要素又は工程を排除しない。単一のプロセッサ又は他の装置は、特許請求の範囲記載のいくつかの事項の機能を満たし得る。単に特定の方策が相互に別々の従属請求項に記載されていることは、前述の方策の組合せを使用して効果を得ることが可能でないことを示すものでない。特許請求の範囲記載の構成を行うようプロセッサを制御するために使用されるコンピュータ・プログラムを、他のハードウェアとともに供給されるか、又は他のハードウェアの一部として供給されるソリッドステート媒体や光記憶媒体などの適切な媒体上に記憶／配布することができるが、インターネットや他の有線電気通信システムや無線電気通信システムなどの他の形態で配布することもできる。特許請求の範囲記載の参照符号は、前述の特許請求の範囲記載の範囲を限定するものと解されるべきでない。

Claims (12)

1. マルチホップ無線ネットワークにおいてパケット・データをブロードキャストする装置であって、前記装置は、
   ａ）ターゲット・ノードのマルチホップ・トポロジ情報を導き出し、
   ｂ）前記マルチホップ・トポロジ情報に基づいて受信ノード群を判定し、
   ｃ）データ・ユニットをパッキングするために複数の受信側フレーム集約における前記群の少なくとも２つの受信ノードを特定するよう適合された装置。
2. 請求項１記載の装置であって、前記装置は、ビーコン手順により、前記マルチホップ・トポロジ情報を導き出すよう適合された装置。
3. 請求項２記載の装置であって、前記マルチホップ・トポロジ情報は、宛先ノードに隣接するビーコン群、及び前記ビーコン群の少なくとも１つのノードの近傍ノードの拡張ビーコン群を含む装置。
4. 請求項１記載の装置であって、前記装置は、先行して送信されたパケットを潜在的な受信ノードが受信したことを必要とする第１の条件、及び、送信する対象のパケットを復号化することができる別の潜在的な少なくとも１つの受信ノードを必要とする第２の条件に基づいて前記受信ノード群を判定するよう適合された装置。
5. 請求項１記載の装置であって、前記装置は、送信する対象のパケットの情報量に応じて少なくとも１つのチャネル・アクセス・パラメータを動的に構成するよう適合される装置。
6. 請求項５記載の装置であって、前記少なくとも１つのチャネル・アクセス・パラメータは、コンテンション・ウィンドウ・サイズ及びアービトレーション・フレーム間空間の少なくとも一方を含む装置。
7. 請求項５又は６に記載の装置であって、前記装置は、所定のトラフィック・クラスの関数としてスループットを推定することにより、前記少なくとも１つのチャネル・アクセス・パラメータを動的に構成するよう適合される装置。
8. 請求項５又は６に記載の装置であって、前記装置は、前記少なくとも１つのチャネル・アクセス・パラメータの予め記憶された値を記憶するルックアップ・テーブルを使用することにより、前記少なくとも１つのチャネル・アクセス・パラメータを動的に構成するよう適合された装置。
9. マルチホップ無線ネットワークにおいてパケット・データをブロードキャストする方法であって、
   ａ）ターゲット・ノードのマルチホップ・トポロジ情報を導き出す工程と、
   ｂ）前記マルチホップ・トポロジ情報に基づいて受信ノード群を判定する工程と、
   ｃ）データ・ユニットをパッキングするために複数の受信側フレーム集約における前記群の少なくとも２つの受信ノードを特定する工程と
   を含む方法。
10. マルチホップ・ネットワークにおけるブロードキャスト送信のためのシステムであって、請求項１記載の装置をそれぞれが有する少なくとも２つのネットワーク・ノードを備えるシステム。
11. コンピュータ装置上で実行されると、請求項９記載の工程を生成するためのコード手段を備えたコンピュータ・プログラム・プロダクト。
12. 少なくとも２つの受信ノードを特定し、単一の媒体アクセス制御プロトコル・データ・ユニットを備える物理層フレーム構造を有するマルチホップ・ブロードキャスト・パケット信号。

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