JP2011521583A - ワイヤレスネットワークの空間再利用を改善する技法 - Google Patents

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Abstract

ワイヤレスネットワークの空間再利用を改善する方法400は、ワイヤレスネットワークにおいて同時送信をスケジュールするための媒体アクセススロット(MAS)タイプを選択するステップS410と、選択されたMASに予約を割り当てるステップS420と、選択されたMASを、ワイヤレスネットワークのソースノード及びシンクノードに適用するステップS430と、を含む。

Description

本願は、2008年5月19日出願の米国特許仮出願第61/054263号の利益を主張し、その出願の内容は、参照によってここに盛り込まれるものとする。
本発明は、概して、ブロック送信技法に関する。
ワイヤレスネットワークにおいて、互いに或る距離はなれたところに位置するノードは、同時に同じ周波数で成功裏に送信することが可能である。この能力は、一般に、空間再利用と呼ばれる。空間再利用は、複数の同時送信をサポートし、それによってネットワークスループットの増加を可能にするためのワイヤレスネットワークの重要なフィーチャである。
空間再利用は、10個のノード110―1乃至110―10を含むWiMediaに基づくワイヤレスネットワーク100を示す図1を参照して詳しく説明される。各ノード110―X(Xは1以上の整数)は、シンクモード、ソースモード又はアイドルモードのいずれかにありうる。ソースモードで動作するノード110―X(以下「ソースノード」)は、データ(DATA)フレーム及び送信要求(request to send、RTS)フレームを送信し、送信許可(clear to send、CTS)フレーム及びアクノリッジメント(ACK)フレームを受信する。シンクモードで動作するノード110―X(以下「シンクノード」)は、ACKフレーム及びCTSフレームを送信し、RTSフレームを受信する。アイドルモードのノード110―X(以下「アイドルノード」)は、フレームを受信せず、送信もしない。
ネットワーク100は、同時送信に関するいくつかの規則を定めるWiMedia標準仕様に従って動作する。規則のうちの1つは、ソースノード110―X及びシンクノード100―Y(Yは1以上の整数である)のネイバーノードはアイドルノードであることを規定する。すなわち、送信ノードのネイバーは、いかなるフレームも送信することができ、受信ノードのネイバーは、フレームを受信することができない。例えば、ワイヤレスネットワーク100においてこの規則を適用することは、空間再利用が、2対のノード110―1及び110―2並びに110―7及び110―8にのみ制限されることを意味する。ここで、110―1及び110―7がソースノードである。明らかに、これは、ネットワーク100のスループットを大幅に低下させる。
WiMedia MAC仕様の一部として規定される分散予約プロトコル(DRP)は、ノード110―X同士の間の同時通信のメカニズムを提供する。具体的には、DRPは、装置が、ネゴシエートされた予約の範囲内で、ワイヤレス媒体へのスケジュールされたアクセスを得ることを可能にする。概して、予約タイプは、ハード予約又はソフト予約でありうる。ハード予約において、予約オーナー及び(複数の)ターゲット以外のノード110―Xは、フレームを送信することを許されない。ソフト予約において、予約オーナーのネイバーでない予約ターゲットのネイバーは、ワイヤレス媒体へのアクセスを許されない。あらゆる種類の送信に関して、ソースノード110―Xのネイバーは、MACフレームを送信することを許されない。
フレームは、送信が多くの場合双方向性であるという理由のため、いくつかのノードで衝突する可能性があるので、DRPの同時送信規則及び予約規則を単に釣り合わせることは、ネットワークの性能を高めない。すなわち、シンクノード100―Yから送られるACKフレーム及びソースノード110―Xから送られるDATAフレームは、衝突する可能性がある。
本発明の特定の実施形態は、ワイヤレスネットワークの空間再利用を改善する方法を含む。方法は、ワイヤレスネットワークにおいて同時送信をスケジュールするための媒体アクセススロット(MAS)タイプを選択し、選択されたMASに予約を割り当て、選択されたMASをワイヤレスネットワークのソースノード及びシンクノードに適用することを含む。
本発明の特定の実施形態は更に、コンピュータ実行コードを記憶したコンピュータ可読媒体を含む。コードの実行は、コンピュータに、ワイヤレスネットワークにおける同時送信をスケジュールするための媒体アクセススロット(MAS)タイプを選択するプロセスと、選択されたMASに予約を割り当てるプロセスと、選択されたMASをワイヤレスネットワークのソースノード及びシンクノードに適用するプロセスと、を実施させる。
本発明は更に、同時送信を可能にするように適応されたワイヤレスネットワークを含む。ワイヤレスネットワークは、予め規定された媒体アクセススロット(MAS)タイプに従って及び予め割り当てられた予約に従って、少なくともDATAフレームを送信する複数のソースノードと、予め規定されたMASタイプに従って及び予め割り当てられた予約に従って、少なくともデータフレームを受信する複数のシンクノードと、を有する。
本発明は更に、ワイヤレスネットワークの空間再利用を改善するように適応されたDRP情報エレメントデータ構造を含む。DRP情報エレメントは、使用されるべき媒体アクセススロット(MAS)タイプを少なくとも含むDRPアベイラビリティステータスビットマップ情報エレメントと、DRP情報エレメントに内容を記述するための制御エレメントと、任意のタイプのMASをサポートするためのMASタイミング情報エレメントと、DRPアベイラビリティステータスビットマップ情報エレメント、制御エレメント及びMASタイミング情報エレメントの長さを含む長さエレメントと、を含む。
本発明として考えられる発明の主題は、本願明細書の終わりの特許請求の範囲に具体的に示され、明確に記述される。本発明の前述の及び他の特徴及び利点は、添付の図面に関連して理解される以下の詳細な説明から明らかになる。
WiMediaに基づくワイヤレスネットワークの概略図。 本発明の特定の実施形態を説明するのに有用なWiMediaに基づくワイヤレスネットワークのトポロジを示す図。 本発明の特定の実施形態に従って構築されるさまざまなMASタイプの図。 本発明の特定の実施形態に従って構築されるさまざまなMASタイプの図。 本発明の特定の実施形態に従って構築されるさまざまなMASタイプの図。 本発明の一実施形態による方法を記述するフローチャート。 本発明の一実施形態に従って構築される変更されたDRP情報エレメントフォーマットの図。
本発明によって開示される実施形態は、本願明細書における革新的な教示の多くの有利な使用の例にすぎないことに留意することが重要である。一般に、本願明細書になされる記述は、さまざまな請求項に記載の本発明の任意のものを必ずしも制限しない。更に、いくつかの記述は、幾つかの本発明のフィーチャに当てはまりうるが、他のものには当てはまらない。一般に、特に明記しない限り、単一の構成要素は、複数であってもよく、一般性の喪失なく逆もありうる。図面において、同様の参照数字は、いくつかの図を通して同様の部分をさす。
本発明は、ワイヤレスネットワークの空間再利用に有用であり、特に新しい媒体アクセススロット(MAS)スケジューリング送信メカニズムを提供することによって、WiMediaに基づくワイヤレスネットワークおいて有用である。従って、特定の実施形態において、ワイヤレスネットワークにおけるノードは、MASの固定の間隔に又はMAS全体の間に、フレームを送信することができるだけであり又は受信することができるだけである。
MAS送信スケジューリングメカニズムを使用するために及びネイバーノードが同時送信する際のフレームの衝突を回避するために、幾つかの新しい同時送信規則が規定される。第1の規則は、ただ1つのシンクノードのみが各ソースノード近傍にあることが可能であり、各シンクノード近傍にはただ1つのソースノードのみがあることを規定する。第2の規則は、同じMASの同時送信に関係するネイバーノード(すなわちシンクノード又はソースノード)が、同じMASタイプを採用しなければならず、すなわち、正確に同じ送信及び受信間隔に従わなければならないことを規定する。従って、互いの近傍におけるすべてのソースノードは、DATAフレームを送信することができ、同時にACKフレームを受信することができる。同様に、互いの近傍のすべてのシンクノードは、同時にDATAフレームを受信し、ACKフレームを送信することができる。従って、新しい同時の送信規則は、DATAフレーム及びACKフレームの間の衝突を回避し、成功する同時送信を増加させるのに有用である。
図2は、新しい通信規則がどのように空間再利用を改善することができるかを示すワイヤレスネットワーク200のトポロジを示す。ネットワーク200は、エッジと接続されるノードがネイバーである10個のノード210―1乃至210―10を含む。本発明によれば、ノード210―2、210―3、210―5、210―8及び210―10がソースノードであり、すべての他のノードがシンクノードである場合、最適な空間再利用が達成される。これは、前述の第1の規則に従う。例えば、ただ1つのシンクノードがソースノード210―2、210―3及び210―5の近傍にあることができるので、ノード210―6は、シンクノードである。このような構成において達成可能な同時送信の数は、5であり、すなわち、ノード210―2からノード210―1へ、ノード210―3からノード210―4へ、ノード210―5からノード210―6へ、ノード210―8からノード210―7へ、及びノード210―10からノード210―9へ、の送信である。関連技術に開示される従来の同時送信メカニズムと比較すると、このようなトポロジの場合、同時送信は、同じMASにおいて、ノード210―5からノード210―6への送信以外は許容されない。従って、図示されるように、この例示の実施形態は、空間再利用を大幅に改善する。
本発明の特定の実施形態によれば、3つの異なるタイプのMASが、同時送信を容易にするために利用されることができる。MASは、そのタイプに関係なく、予め規定された長さをもつ1又は複数の間隔に分割される。送信間隔及び受信間隔の2種類の間隔がある。送信間隔において、ソースノードは、RTSフレーム又はDATAフレームを送信し、シンクノードは、RTSフレーム又はDATAフレームを受信する。受信間隔において、シンクノードは、CTSフレーム又はACKフレームを送信し、ソースノードは、それらのフレームを受信する。
図3Aは、本発明の一実施形態に従って構築される同時送信をスケジュールするための一方向送信MAS310の例示的な図を示す。MAS310は、単一送信間隔311を含み、受信間隔を含まない。従って、送信をスケジュールするためにMAS310を利用する場合、ソースノードは、DATAフレームのみを送信し、シンクノードは、DATAフレームのみを受信する。他のいかなる媒体アクセスも許容されない。
図3Bは、本発明の別の実施形態に従って構築される同時送信をスケジュールするための双方向送信MAS320の例示的な図を示す。MAS320は、送信間隔321及び受信間隔322に分割される。加えて、送信から受信へ及び受信から送信への転換を可能にするために、間隔スペーシング323が、間隔321及び322の間にある。送信間隔321において、ソースノードは、DATAフレームを送信し、シンクノードは、DATAフレームを受信する。受信間隔322において、シンクノードは、ACKフレーム(ブロックアクノリッジメントでありうる)を送信し、ソースノードは、ACKフレームを受信する。
図3Cは、本発明の別の実施形態に従って構築される同時送信をスケジュールするための双方向送信MAS330の例示的な図を示す。このタイプのMASは、2つの送信間隔331及び333並びに2つの受信間隔332及び334を含み、それらの間に、間隔スペーシング335がある。送信間隔の後には必ず受信間隔がある。本発明の一実施形態によれば、間隔331において、ソースノードは、RTSフレームを送信し、シンクノードは、RTSフレームを受信する。間隔332において、シンクノードは、CTSフレームを送信し、ソースノードは、CTSフレームを受信する。間隔333において、ソースノードは、DATAフレームを送信し、シンクノードは、DATAフレームを受信する。間隔334において、シンクノードは、ACKフレームを送信し、ソースノードは、ACKフレームを受信する。当業者であれば、他のタイプのMASを規定するために、本願明細書に開示される教示を採用することができることが分かるであろう。
上述されるすべてのMASタイプについて、送信、受信及びスペーシング間隔の持続時間は、送信されるフレームの長さに従って予め決められる。具体的には、間隔スペーシングは、一般に、ガード時間間隔の最大値(例えば、装置間の最大同期エラー又は最大クロックドリフト及びショートフレーム間スペーシング)より大きく又はそれに等しい。受信間隔は、ACKフレーム及びRTSフレームの長さに基づく。間隔331及び332は、RTS及びCTSフレームの長さに基づくものであり、一般に固定である。
図4は、本発明の一実施形態に従って実現される方法を記述する例示の非限定的なフローチャート400を示す。S410において、ソース及びシンクノードによって使用されるべきMASのタイプが、選択される。選択は、最適化された性能を達成するために、ワイヤレスネットワークの通信アプリケーションに基づく。例えば、アプリケーションが、フレーム受信のアクノリッジメントを必要としない場合、MAS310が選択される。MASの組み合わせが、ノードによって利用されることができることに留意すべきである。例えば、ACKフレームが、MASシーケンス内でDATAフレームが送信された後に送信されるべきである場合、MAS310及びMAS320の組み合わせが選択される。S420において、各MASにおける一層同時である送信を可能にするために、予約が、選択されたMASに割り当てられる。予約の割り当ては、ただ1つのシンクノードがソースノードの近傍にあることができ、ただ1つのソースノードがシンクノードの近傍にあることができるという規則に従う。S430において、選択されたMAS又はMASの組み合わせが、ネットワーク内のシンクノード及びソースノードに適用される。アイドルノードは、選択されたMASタイプを採用してもよく又は採用しなくてもよいことに留意すべきである。更に、同じMASの間に、互いに遠く離れている2対のソースノード及びシンクノードは、第1の対のソースノード及びシンクノードのいずれか一方が第2の対のソースノード及びシンクノードのいずれか一方のネイバーでない限り、それぞれ異なるタイプのMASを使用することができることに留意すべきである。
本発明の一実施形態において、本願明細書に記述される教示は、WiMedia MAC仕様に含まれるように適応されることができ、それによってWiMediaに基づくワイヤレスネットワークの空間再利用を改善する。この目的で、DRP情報エレメント(IE)のDRP制御フィールドの2つの予約ビットが、MAS送信スケジュールのタイプを示すために利用される。MASタイプは、上述されるもののうちの1つ、又はWiMedia標準によって現在採用されているMASでありうる。これは、既存のWiMediaに基づく装置との下位互換性を可能にする。加えて、DRP IEのフォーマットは、MASのステータスを示すために変更される。変更されたDRP IEデータ構造500が、図5に示されている。DRPアベイラビリティIEのDRPアベイラビリティビットマップにゼロとセットされる各ビットについて、使用されるべきMASタイプを示すためにDRPアベイラビリティステータスビットマップIE510に割り当てられる2ビットがある。DRP IEフォーマット500は更に、制御IE 520と、MASタイミングIE 530と、エレメント510、520及び530の長さを示す長さIE 540と、を含む。
制御IE 520は、変更されたDRP IE500の情報をどのように復号するかを示し、少なくとも以下の情報フィールド(図示せず)を含む:a)制御エレメント520が、予約オーナー及びターゲットによってアドバタイズされた予約のMASタイプを説明するために使用されるかどうか、又はIE 520が、任意の装置によってアドバタイズされたMASアベイラビリティ情報のMASタイプを説明するために使用されるかどうか、の標示;b)すべてのMASが同じMASタイプを有するか否かの標示;c)変更されたDRP IE500が単一の予約アドバタイズメント又はすべての予約アドバタイズメントを説明するために使用されるかの標示;d)装置が予約オーナー又は予約ターゲットのレンジ内にあるかどうかの標示;及びe)MASタイプを示すために使用されるビット数。
MASタイミングIE530は、図3A、図3B及び図3Cに示されるMAS以外の任意のタイプのMASに関して使用される。付加のタイプのMASをサポートするために、MASタイミングIE530は、MASのすべての送信及び受信間隔の位置及び長さを記述する。一対のソースノード及びシンクノードは、任意の新しいタイプのMASを確立するために、MASタイミングIE530を使用することができる。
送信又は受信のためにDRPを使用するすべてのノードは、それらのビーコンにMASタイプフィールドを有するDRP IEを含むことによって、それらの予約をアナウンスする。予約ネゴシエーションにおいて、予約が、それ自身又はそのネイバーの予約との競合により、認められることができない場合、予約ターゲットは、DRP予約応答コマンドフレームに、DRPアベイラビリティIE及びDRP MASステータスビットマップIE510を含む。マルチキャスト予約のためのDRP予約応答コマンドフレームに、予約ターゲットは、否定以外の別の理由コードのために、DRPアベイラビリティIE及びDRP MASステータスビットマップIE510を含む。
本願明細書に記述される改善された空間再利用技法は、限定的でないが、超広帯域(UWB)に基づくワイヤレスパーソナルエリアネットワーク(PAN)、WiMediaに基づくワイヤレスネットワーク、又は任意の時分割多重アクセス(TDMA)又はスーパーフレームに基づくワイヤレスネットワークを含む通信システムにおいて実現されることができる。
前述の詳細な説明は、本発明がとりうる多くの形態のうちの幾つかを記述している。前述の詳細な説明は、本発明がとりうる選択された形式の例示として理解されることを意図しており、本発明の規定に対する制限として存在することを意図しない。制限は、本発明の範囲を規定することを意図するすべての等価なものを含む請求項のみである。
最も好適には、本発明の原理は、ハードウェア、ファームウェア及びソフトウェアの組み合わせとして実現される。更に、ソフトウェアは、好適には、プログラム記憶ユニット又はコンピュータ可読媒体上に明白に具体化されるアプリケーションプログラムとして実現される。アプリケーションプログラムは、任意の適切なアーキテクチャを含むマシンにアップロードされることができ、それによって実行されることができる。好適には、マシンは、例えば1又は複数の中央処理装置(「CPU」)、メモリ及び入力/出力インタフェースのようなハードウェアを有するコンピュータプラットフォーム上で実現される。コンピュータプラットフォームは更に、オペレーティングシステム及びマイクロ命令コードを含むことができる。本願明細書に記述されるさまざまなプロセス及び機能は、そのようなコンピュータ又はプロセッサが明確に示されているか否かに関わらず、CPUによって実行されうるマイクロ命令コードの一部又はアプリケーションプログラムの一部又はそれらの任意の組み合わせでありうる。加えて、例えば付加のデータ記憶ユニット及び印刷ユニットのようなさまざまな他の周辺ユニットが、コンピュータプラットフォームに接続されうる。

Claims (15)

  1. ワイヤレスネットワークの空間再利用の方法であって、
    前記ワイヤレスネットワークにおいて同時送信をスケジュールするための媒体アクセススロットタイプを選択するステップと、
    前記選択された媒体アクセススロットに予約を割り当てるステップと、
    前記選択された媒体アクセススロットを、前記ワイヤレスネットワークにおけるソースノード及びシンクノードに適用するステップと、
    を含む方法。
  2. 前記媒体アクセススロットタイプは、一方向送信媒体アクセススロット、双方向送信媒体アクセススロット又はそれらの組み合わせを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記一方向送信媒体アクセススロットは、少なくともデータフレームを送信するための単一の送信間隔を含む、請求項2に記載の方法。
  4. 前記双方向送信媒体アクセススロットは、少なくとも1つの送信間隔、少なくとも1つの受信間隔、及び前記少なくとも1つの送信間隔と前記少なくとも1つの受信間隔とを隔てるための少なくとも1つのスペーシング間隔を含む、請求項2に記載の方法。
  5. 前記少なくとも1つの送信間隔の間、少なくともデータフレームが、ソースノードからシンクノードに送信され、アクノリッジメントフレームが、シンクノードからソースノードに送信される、請求項4に記載の方法。
  6. 前記少なくとも1つの送信間隔の間、送信要求フレームを送るためのリクエストを送信し、前記少なくとも1つの受信間隔の間、送信許可フレームを送信することを更に含む、請求項5に記載の方法。
  7. 媒体アクセススロットに割り当てられた前記予約は、ただ1つのシンクノードが各ソースノードの近傍で動作することが可能であり、ただ1つのソースノードが各シンクノードの近傍で動作することが可能であることを規定する、請求項1に記載の方法。
  8. コンピュータ実行コードを記憶したコンピュータ可読媒体であって、前記コードの実行は、
    ワイヤレスネットワークにおける同時送信をスケジュールするための媒体アクセススロットタイプを選択する処理と、
    予約を前記選択された媒体アクセススロットに割り当てる処理と、
    前記選択された媒体アクセススロットを、前記ワイヤレスネットワークにおけるソースノード及びシンクノードに適用する処理と、
    をもたらす、コンピュータ可読媒体。
  9. 同時送信を可能にするように適応されるワイヤレスネットワークであって、
    予め規定された媒体アクセススロットタイプに従って、及び予め割り当てられた予約に従って、少なくともデータフレームを送信する複数のソースノードと、
    前記予め規定された媒体アクセススロットタイプに従って、及び前記予め割り当てられた予約に従って、少なくともデータフレームを受信する複数のシンクノードと、
    を有するワイヤレスネットワーク。
  10. 前記ソースノードは更に、前記シンクノードから送信されるアクノリッジメントフレームを受信することが可能である、請求項9に記載のワイヤレスネットワーク。
  11. 前記予め規定された媒体アクセススロットタイプは、一方向送信媒体アクセススロット、双方向送信媒体アクセススロット又はそれらの組み合わせを含む、請求項9に記載のワイヤレスネットワーク。
  12. 前記予め割り当てられた予約は、ただ1つのシンクノードが、前記複数のソースノードの各々の近傍で動作することが可能であり、ただ1つのソースノードが、前記複数のシンクノードの各々の近傍で動作することが可能であることを規定する、請求項9に記載のワイヤレスネットワーク。
  13. 前記ワイヤレスネットワークは、UWBに基づくワイヤレスパーソナルエリアネットワーク、WiMediaに基づくワイヤレスネットワーク、時分割多重アクセスに基づくワイヤレスネットワーク、スーパーフレームに基づくワイヤレスネットワークの少なくとも1つである、請求項9に記載のワイヤレスネットワーク。
  14. ワイヤレスネットワークの空間再利用を改善するように適応される分散予約プロトコル情報エレメントデータ構造であって、
    少なくとも、使用されるべき媒体アクセススロットタイプを含む分散予約プロトコルアベイラビリティステータスビットマップ情報エレメントと、
    前記分散予約プロトコル情報エレメントデータ構造にコンテントを記述するための制御エレメントと、
    任意のタイプの媒体アクセススロットをサポートするための媒体アクセススロットタイミング情報エレメントと、
    前記分散予約プロトコルアベイラビリティステータスビットマップ情報エレメント、前記制御情報エレメント及び前記媒体アクセススロットタイミング情報エレメントの長さを含む長さエレメントと、
    を含む分散予約プロトコル情報エレメントデータ構造。
  15. 前記ワイヤレスネットワークは、少なくともWiMediaに基づくワイヤレスネットワークである、請求項14に記載の分散予約情報エレメントデータ構造。
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