JP2011515035A - ミリ波無線ｐａｎにおける干渉を回避し通信レイテンシーを改善するメカニズム - Google Patents

Abstract

簡潔には、ミリ波の無線ＰＡＮ（ＷＰＡＮ）において干渉を回避し、チャネル効率を改善するメカニズムを開示する。具体的には、様々な時間期間の干渉情報を追跡し、送信スケジュールの最適化に用いる。さらに、複数の送信機器でスロットのコーディネーションの責任を分け合うことで通信レイテンシーを改善するメカニズムを提供する。
【選択図】図１

Description

６０ＧＨｚ周波数帯で動作するミリ波の無線ＰＡＮ（ＷＰＡＮ）通信システムは、約１０メートルの距離における毎秒数ギガビット（Ｇｂｐｓ）のスループットの提供が期待されており、数年後にはサービスが開始する。現在、マルチＧｐｂｓのＷＰＡＮアプリケーションに最適なシステムを定義すべく、ＩＥＥＥ８０２．１５．３ｃ、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＤ分科会、ＥＣＭＡ ＴＧ２０、ＣＯＭＰＡなどのいくつかの標準化団体が、ミリ波ＷＰＡＮシステムの様々な概念を検討している。

ミリ波通信システムは、２．４ＧＨｚおよび５ＧＨｚ帯などの低周波数のシステムに比べ、ロバスト性が低い。これは、長距離信号を減衰させる酸素吸収と、壁および天井などの障壁によって大きく減衰する短波長との両方に起因する。この結果、６０ＧＨｚのアプリケーションでは、ビームフォームアンテナ、扇状アンテナ（Ｓｅｃｔｉｏｒｉｚｅｄ Ａｎｔｅｎｎａ）、または固定ビームアンテナなどの指向性のあるアンテナが有用であると想定されている。

スループットとレイテンシーの改善は、あらゆる無線通信システムにおいて内在的に必要である。したがって、ミリ波無線ＰＡＮを改善する技術が必要である。

本発明は、添付の図面を参照することにより良く理解され、また様々な機能および利点が当業者にとって明らかになる。

本発明のある実施形態による、無線機器を示す。 本発明のある実施形態による、相互干渉しない同時送信に対応する環境を示す。 本発明のある実施形態による、チャネル利用モデルを示す。 本発明のある実施形態による、フローベースのチャネル時間スケジュールの最適化の一例を示す。 本発明のある実施形態による、別のチャネル利用モデルを示す。 本発明のある実施形態による、スケジューリングの流れを示す。

異なる図面における同一の参照符号は、類似または等しい要素を示す。

以下の説明では、様々な具体的な詳細を示す。但し、これらの具体的な詳細なしに本発明を実施可能であることが理解されるべきである。また、以下の説明の理解を不明瞭にすることを避けるべく、周知の方法、構造、および技術については詳述しない。

「１つの実施形態」、「ある実施形態」、「例示的な実施形態」、「様々な実施形態」、およびその類似は、説明された発明の実施形態に、特定の機能、構造、または特徴が含まれてよいが、全ての実施形態が特定の機能、構造、または特徴を必ずしも含まないことを示す。さらに、繰り返し使用される「１つの実施形態」という文言は、必ずしも同じ実施形態を参照しない場合もあれば、同じ実施形態を参照する場合もある。

特に規定のない場合、「第１の」、「第２の」、「第３の」、およびその類似の序数の形容詞の使用は、共通の対象物を示し、類似の対象物が参照される異なる場合を示すに過ぎず、時間的、空間的、順位的、またはその他のあらゆる点において、対象物が特定の順番である必要を暗示するものではない。

発明の実施形態は、様々なアプリケーションで使用され得る。本発明の一部の実施形態は、例えば、送信機、受信機、送受信機、送受信装置、無線通信端末、無線通信機器、無線アクセスポイント（ＡＰ）、モデム、無線モデム、ＰＣ、デスクトップコンピュータ、携帯型コンピュータ、ラップトップコンピュータ、ノートブックコンピュータ、タブレットコンピュータ、サーバコンピュータ、携帯用コンピュータ、携帯用機器、ＰＤＡ機器、携帯型ＰＤＡ機器、またはＰＡＮネットワークの高精細テレビジョン信号などの様々な機器およびシステムと共に使用されてよい。

本発明の実施形態はこの点について限定されないが、例えば「処理」、「コンピューティング」、「計算」、「決定」、「確立」、「分析」、「確認」またはその類似の用語を用いた議論は、コンピュータのレジスタおよび／またはメモリ内で物理的な（例えば、電子的な）数量として表現されたデータを、コンピュータのレジスタおよび／またはメモリ、もしくは動作および／またはプロセスを実行する命令を格納可能なその他の情報格納媒体内で同様に物理的な数量として表現されたデータへと操作および／または変換する、コンピュータ、コンピューティングプラットフォーム、コンピューティングシステム、またはその他のコンピューティング機器の動作および／またはプロセスを示してよい。

本発明の実施形態はこの点について限定されないが、ここで用いられる用語「複数」および「複数の」は、例えば「複数」または「２つ以上」を含み得る。明細書全体において、用語「複数」または「複数の」は、２つ以上の構成要素、機器、要素、ユニット、パラメータ、またはその類似を示すべく用いられてよい。例えば「複数の端末」は、２つ以上の端末を含んでよい。

ネットワークにおける指向性のあるアンテナの使用は、利用可能なチャネルの空間的な再利用性を向上させる機会を提供する。空間の再利用性とは、相互に干渉しない同時送信に対応するネットワークの機能である。本発明の実施形態は、干渉を回避し、空間の再利用性の効率を改善するメカニズムを備えたミリ波無線ＰＡＮ（ＷＰＡＮ）通信システムを提供する。特に、様々な時間期間の干渉情報が追跡され、送信のスケジューリングを最適化する。さらに、複数の送信機器でスロットの調整に対する責任を分かち合うことで通信レイテンシーを改善するメカニズムを提供する。

図１は、本発明のある実施形態による、無線機器を示す。機器１００は、受信機（ＲＸ）１０２、送信機（ＴＸ）１０４、およびアンテナシステム１０６を備える。機器１００は、指向性を伴ってデータを送受信可能な回路を含んでよい。例えば、アンテナシステム１０６は、ビームフォームのアンテナシステム、扇状アンテナシステム、または固定ビームアンテナシステムを含んでよい。機器１００がコーディネータ、つまりネットワーク内で時間スロットの割り当てを調整する機器である場合、機器１００は、例えば機器間の干渉を最小化し、ネットワークの帯域幅を最大化するべくスーパーフレームを最適化するなど、様々な機能を実行するスケジューラを含んでよい。機器１００は、ストレージ、処理回路、他の通信インタフェース、およびその類似（図示なし）を含んでよい。

図２は、本発明のある実施形態による、相互干渉しない同時送信に対応する環境を示す。図のように、無線機器Ａ２０２およびＢ２０４はそれぞれ、指向性のある送信範囲２０８および２１０によって無線機器Ｃ２０６と通信する。図のように、無線機器Ｃ２０６は、指向性のある送信範囲２１２によって無線機器Ａ２０２およびＢ２０４と通信する。図のように、無線機器Ｄ２１４は、指向性のある送信範囲２１８によって無線機器Ｅ２１６と通信する。図のように、無線機器Ｅ２１６は、指向性のある送信範囲２２０によって無線機器Ｄ２１４と通信する。このような送信のそれぞれは、リンクと呼ばれ得る、一方向のフローを表す。リンクとは、送信機から受信機への単一の送信である。例えば、機器Ａ２０２と機器Ｃ２０６との間の全二重のフローは、２つのリンクを生成する。

無線機器Ａ２０２、Ｂ２０４、およびＣ２０６を含むネットワークを、無線ＰＡＮ（ＷＰＡＮ）としてもよい。無線機器Ｄ２１４およびＥ２１６を含むネットワークは、機器Ａ２０２、Ｂ２０４、およびＣ２０６を含むＷＰＡＮ、または別のＷＰＡＮの一部であってよい。図２に示すように、機器Ａ２０２、Ｂ２０４、およびＣ２０６の送信範囲は、機器Ｄ２１４およびＥ２１６の送信範囲と干渉しない。従って、送信機器からのエネルギーは異なる方向に集中されており、互いに干渉を生じないことから、これらの機器間の通信は同時に行われてよい。但し、他の機器が存在する場合、または機器の位置が異なる場合には、送信範囲が互いにまたは他の機器の送信範囲と干渉する場合もある。例えば、機器Ａ２０２から機器Ｃ２０６へのリンクおよび機器Ｃ２０６から機器Ａ２０２へのリンクは、機器Ｄ２１４から機器Ｅ２１６へのリンクおよび機器Ｅ２１６から機器Ｄ２１４へのリンクとは独立していてよい。一部の環境では、機器Ａ２０２から機器Ｃ２０６への送信は、機器Ｄ２１４から機器Ｅ２１６への送信と並行して、つまり時間的に重なって発生してよい。一方で、送信範囲の干渉に起因して、機器Ａ２０２から機器Ｃ２０６への送信は、機器Ｅ２１６から機器Ｄ２１４への送信と並行して発生し得ない。

図３は、本発明のある実施形態による、チャネル利用モデルを示す。モデルは、複数のスーパーフレーム３０２、３０４、および３０６からなる。各スーパーフレームは、一般的に並行送信に対応しないＴＤＭＡ（時分割多重接続）技術を用いて情報を送受信するための複数の時間スロットに分割される。スーパーフレーム３０２は、ビーコンフレーム３１２ならびにデータ送信のために割り当てられた複数の送信スロット３１４、３１６、および３１８を含む。チャネル時間予約は通常、スーパーフレーム毎にコーディネータによって実行され、ビーコンフレーム３１２で通信される。機器２０２〜２０６および機器２１４〜２１６のいずれもがコーディネータに指定され得る。機器２０２〜２０６および機器２１４〜２１６が異なるＷＰＡＮにある場合は、機器２０２〜２０６のうちの１つおよび機器２１４〜２１６のうちの１つがコーディネータに指定され得る（図示なし）。通常、各チャネル時間ブロックは、例えば送信機器から受信機器へなど、一方向のフローに割り当てられる。

高密度な企業環境では、各機器の位置、アンテナの種類、およびその方向が機器の干渉レベルを決定する。この結果、異なる機器の送信の受信に成功する能力は時間の経過と共にに変化し得る。ＴＤＭＡシステムでは、スーパーフレームのスケジュールのパターンが繰り返される傾向にある。従って、近隣のＷＰＡＮに起因する干渉は、各チャネル時間ブロックについて、ある程度想定することができる。

本発明のある実施形態によると、ＴＤＭＡシステムが受信機器での干渉レベルを最小化するように送信をスケジュールして、ＷＰＡＮのスループットを最大化する。具体的には、干渉緩和スキームが、コーディネータがネットワークの機器から干渉情報を収集することを可能にする。当該情報は、各受信機における干渉を最小化するように送信をスケジュールするべく用いられ得る。

本発明のある実施形態によると、チャネル時間ブロックのリンクへの割り当てを最適化するように、受信機器での干渉レベルがリンク単位で確認および通信される。受信機は、システム内のリンク毎に、受信すべくスケジュールされた全てのチャネル時間ブロック中の干渉レベル（ノイズの強度またはパワー）について、コーディネータに通知する。アクティブなチャネル時間ブロックでは、受信機器は、実際のＳＮＲ（信号ノイズ比）を監視し、そのレベルをコーディネータに通知する。表１は、あるリンクにおける一般的な干渉報告の形式を示す。機器、つまり受信機が送信する干渉報告は、リンク毎に１つのベクトルを有する。これによって、コーディネータが特定のリンクで利用可能なチャネル時間ブロックを推測できるようになる。各機器は、同じまたは異なるＷＰＡＮにあってよい干渉レベルを発生源に関わらず報告する。例えば、図２が示すＷＰＡＮでは、２つのリンクについて機器Ｃによって、また１つのリンクについて機器Ｅによって、２つの干渉報告が生成される。

干渉報告の送信は、例えば、報告時間スロット３２０のような、スーパーフレームの末尾に位置する、受信機毎に特に割り当てられたチャネル時間ブロックの時間スロットを用いて、周期的に行われてよい。これに代えて、報告は、例えば対象のリンクがアクティブである場合のチャネル時間ブロック中の信号品質の劣化または干渉レベルの顕著な変化によって引き起こされた場合など、ＯＯＢ（アウトオブバンド）制御チャネルを介して、または非周期的にコーディネータへ配信されてよい。報告がコーディネータに到達すると、スケジュールに対する必要な更新は、後続のスーパーフレームで行われてよい。図のように、スーパーフレーム３０４は、ビーコン３２２、時間スロット３２０で受信した干渉報告に沿って最適化されてデータ送信に割り当てられた複数の送信スロット３２４、３２６、および３２８を含む。受信機によって生成された新たな干渉報告は、時間スロット３３０で送信され、スーパーフレーム３０６のスケジューリングの最適化に用いられる。

開示したスキームは、干渉報告に基づいてスケジューリングを最適化することによって、効果的な空間の再利用性を提供し、近隣のＷＰＡＮまたは同じＷＰＡＮ内の機器間における干渉のない同時送信を実現する。スキームはまた、高密度な環境のミリ波ＷＰＡＮの能力および全体的なスループットを向上し、干渉レベルが変化した場合のスーパーフレームのスケジューリングの迅速な調整を可能とする。さらに、提案したスキームは、機器のアンテナの種類が異なる不均一な環境に対応し、単純な集中型のアルゴリズムに基づくことから効率的な実装を受け入れやすい。

図４は、本発明のある実施形態による、フローベースのチャネル時間スケジュールの最適化を示す。図４に示したモデルは、複数のスーパーフレーム４０２、４０４、および４０６を含む。システムは、それぞれが１つ以上の一方向のフローを有する、複数の複合的なフローを含んでよい。さらに、１つの機器が複数のフローに参加してよい。空間の再利用性を改善するべく、一対多のフローは、空間的に近接する位置にある機器を含んでよい。これらは概して類似のパターンの干渉を受ける。例えば、図２に示したＷＰＡＮは、一対多の｛Ｃ→Ａ、Ｃ→Ｂ、Ａ→Ｃ，Ｂ→Ｃ｝および双方向の｛Ｄ→Ｅ、Ｅ→Ｄ｝の２つの複合的なフローを有する。

本発明のある実施形態によると、一方向のフロー毎に別個のブロックを割り当てるのではなく、同一のチャネル時間ブロック内で双方向または一対多の通信フローをスケジュールすることにより、一部のネットワークは顕著な恩恵を受け得る。図のように、スーパーフレーム４０４は、スケジュールを通信するビーコンフレーム４１２、およびデータを送信する複数の時間スロット４１４〜４１８を含む。時間スロット４１４〜４１８はそれぞれ、双方向または一対多の複数のフローを含み、スループットを最適化する。

ＴＣＰ（通信制御プロトコル）などの大量のデータを一方向へ送信して逆方向から確認（Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｍｅｎｔ）メッセージを受信するプロトコルは、ＴＣＰデータおよびＡＣＫの両方を単一の時間スロットで送信することを許可することで、スループットの向上を実現可能である。これに代えて、コーディネータが機器群をポーリングする場合、または群の全ての機器によって確認される必要のある信頼性の高いマルチキャストを実行する場合は、全ての通信を１つのチャネル時間ブロックで実行する方が効率的である。

特定の複合的なフローに割り当てられた、チャネル時間ブロック内のチャネルアクセスのルールは、フローの種類によって決定する。複合的なフローの動作が、同じチャネル時間ブロックに関連付けられた２つ以上の関連フローを伴う場合は、これらのうち一方が主要フロー、他方が非主要フローとして指定される。例えば、双方向のＴＣＰフローでは、ＴＣＰデータが第１フローであり、ＴＣＰ ＡＣＫが第２フローである。初めは、主要フローの送信機がチャネルアクセス制御を有する。非主要フローは、主要フローによって明確にアクティベートされる。その後のチャネルアクセス制御は、主要フローに戻されてよい。以下同様。

図５は、本発明のある実施形態による、別のチャネル利用モデルを示す。このモデルは、ビーコンフレーム５１２、データ送信のための複数の時間スロット５１４〜５１８、および報告時間スロット５２０を含むスーパーフレーム５０２を有する。時間スロット５１２および５１６が示すように、時間スロット毎に複数の関連フローが割り当てられてよい。さらに、空間の再利用性は、時間スロット５１８が示すように、同じＷＰＡＮにおける干渉のない同時送信のスケジュールを実現する。図のように、干渉しない送信範囲を機器が有する場合は、機器Ａ２０２と機器Ｃ２０６との間の通信は、機器Ｄ２１４と機器Ｅ２１６との間の通信と同時に、つまり図のように同じ時間スロット５１８でスケジュールされてよい。

図６は、本発明のある実施形態による、スケジューリングの流れを示す。ステップ６０２では、フローの確立期間中に、開始する機器がコーディネータ自身でない限り、開始する機器がフローをコーディネータに登録し、帯域幅割り当て要求を送信する。ステップ６０４では、コーディネータが、対応する一方向フローの受信機から収集した干渉情報を処理し、チャネル時間ブロックの割り当てを最適化して干渉のレベルを最小化する。さらに、ステップ６０６では、コーディネータが複数の関連フローについてスケジュールを最適化し、ステップ６０８では、複数の非関連フローについて最適化を行う。

開示したスキームは、高密度な環境におけるミリ波のＷＰＡＮの能力と全体のスループットを向上すると同時に、プロトコルの効率とレイテンシーを維持する。提案したスキームは、隣接するＷＰＡＮにおける機器の同時送信を可能にし、干渉を緩和する。提案したスキームは、単純な集中型のアルゴリズムに基づくことから、効率的な実装を受け入れやすい。

以上に説明した技術は、方法を実行するべくコンピューティングシステムを設定するコンピュータ可読な媒体で具体化されてよい。コンピュータ可読な媒体は、これらに限定されないが、一部の例として、ディスクおよびテープストレージ媒体を含む磁気ストレージ媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒコンパクトディスク媒体などの光ストレージ媒体およびデジタルビデオディスクストレージ媒体、ホログラムメモリ、ＦＬＡＳＨメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）、ＥＰＲＯＭ，ＲＯＭなどの半導体ベースのメモリユニットを含む不揮発性メモリストレージ媒体、強磁性デジタルメモリ、レジスタ、バッファまたはキャッシュ、メインメモリ、ＲＡＭなどを含む揮発性ストレージ媒体、さらには永続的および断続的なコンピュータネットワークを含むデータ送信媒体、ポイントツーポイント通信機器、搬送波送信媒体、インターネットのいずれを含んでもよい。他の新しく、かつ多様な種類のコンピュータ可読な媒体が、ここに説明したソフトウェアモジュールの格納および／または送信に用いられてよい。コンピューティングシステムは、これらに限定されないが、一部の例として、メインフレーム、ミニコンピュータ、サーバ、ワークステーション、ＰＣ，ノートパッド、ＰＤＡ、様々な無線機器および組み込みシステムのような様々な形式であってよい。典型的なコンピューティングシステムは、少なくとも１つの処理ユニット、関連付けられたメモリ、および複数のＩ／Ｏデバイスを含む。コンピューティングシステムは、プログラムに従って情報を処理し、Ｉ／Ｏデバイスを介して結果の出力情報を生じさせる。

本発明による実現を具体的な実施形態を照らして説明した。これらの実施形態は、例示的であり、限定的なものではない。様々な変化、変更、追加、および改善が可能である。従って、本明細書に１つの例を挙げた構成要素については、複数の例が存在し得る。様々な構成要素、動作、およびデータの格納における境界は、ある程度任意に決めることができ、具体的な動作は特定の例示的な構成に照らして示されている。機能性についての、想定される他の割り当ては、以下の請求の範囲に含まれ得る。最後に、様々な構成において個別の構成要素として提示された構造および機能は、組み合わせられた構成または構成要素として実装されてよい。これらのおよび他の変化、変更、追加、および改善は、以下の請求の範囲に定義された発明の範囲に含まれ得る。

Claims (15)

1. 送信機器から受信機器へのデータの転送を有する、１つ以上の送信フローを登録する段階と、
   前記１つ以上の送信フローの少なくとも１つの伝送フローのための、帯域幅要求を受信する段階と、
   前記少なくとも１つの伝送フローをスーパーフレーム内の時間スロットにスケジューリングする段階と、
   １つ以上の機器から干渉報告を受信する段階と、
   前記１つ以上の機器からの前記干渉報告に基づいて、後続のスーパーフレームの送信スケジュールを最適化し、干渉を最小化および帯域幅を最大化する段階と
   を備える方法。
2. 前記スケジューリングする段階は、２つ以上のフローを同じ時間スロットに割り当てる段階を有する請求項１に記載の方法。
3. 前記スケジューリングする段階は、一次フローを時間スロットに割り当てる段階を有し、前記一次フローは、前記時間スロット内のあらゆる二次フローを調整する請求項１に記載の方法。
4. 前記スケジューリングする段階は、前記少なくとも１つの送信フローを登録されていないフローがアクティブである時間スロットに割り当てる段階を有する請求項１に記載の方法。
5. 前記干渉報告は、前記１つ以上の機器の１つがアクティブである期間および前記１つ以上の機器の前記１つが非アクティブである期間の干渉情報を含む請求項１に記載の方法。
6. 前記１つ以上の機器の前記１つがアクティブである期間の前記干渉情報は、信号ノイズ比情報を含む請求項５に記載の方法。
7. 前記１つ以上の機器の前記１つが非アクティブである前記期間の前記干渉情報は、ノイズの強度およびパワーに関する情報を含む請求項５に記載の方法。
8. 前記干渉報告は、予めスケジュールされた時間スロット期間中に受信される請求項１に記載の方法。
9. 前記干渉報告は、帯域外チャネルで受信される請求項１に記載の方法。
10. 前記１つ以上の送信フローは、指向性のある通信である請求項１に記載の方法。
11. アンテナシステムと、
    前記アンテナシステムで１つ以上の送信フローの帯域幅要求を受信する受信機と、
    スーパーフレームの送信スケジュールを最適化し、干渉を最小化および帯域幅を最大化するスケジューラと
    を備える装置。
12. 送信機器から受信機器へのデータの転送を有する、前記送信フローを１つ以上登録する前記スケジューラをさらに備える請求項１１に記載の装置。
13. ２つ以上のフローを同じ時間スロットに割り当てる前記スケジューラをさらに備える請求項１１に記載の装置。
14. 第１フローを時間スロットに割り当てる前記スケジューラをさらに備え、前記第１フローは前記時間スロット内のあらゆる第２フローを調整する請求項１１に記載の装置。
15. 前記受信機は、さらに干渉報告を受信し、前記スケジューラは、さらに前記干渉報告を処理し、前記干渉報告に基づいて前記送信スケジュールを最適化する請求項１１に記載の装置。

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