JP2013533679A

JP2013533679A - 無線ホワイトスペースネットワークでのデータの送信

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Publication number: JP2013533679A
Application number: JP2013514191A
Authority: JP
Inventors: チャンドラランヴィール; モスキブローダトーマス; ワンシャオホイ
Original assignee: Microsoft Corp
Current assignee: Microsoft Corp
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: KR101783070B1; US20110306375A1; CN102934375A; HK1180117A1; EP2580877B1; KR20130120986A; CN102934375B; JP5823509B2; US9094837B2; WO2011156114A3; EP2580877A4; WO2011156114A2; EP2580877A2

Abstract

ホワイトスペースを使用する無線ネットワークを介してデータを送信するコンピュータ実施される方法を提供する。第１のホワイトスペース送信チャネルが、モバイルクライアントデバイスとの通信のために判定される。モバイルクライアントデバイスとの無線通信が、第１のホワイトスペース送信チャネルを介して行われる。第１のホワイトスペース送信チャネルが、第１のホワイトスペース送信チャネル上の主ユーザの存在のゆえにモバイルクライアントデバイスのうちの１つから使用不能になる場合には、異なるホワイトスペース送信チャネルが、影響を受けるモバイルクライアントデバイスとの通信のために判定される。その後、影響を受ける無線デバイスとの通信は、異なるホワイトスペース送信チャネル上で行われ、影響を受けないデバイスは、第１のホワイトスペース送信チャネル上で通信し続ける。

Description

本発明は、ホワイトスペースを使用する無線ネットワークを介してデータを送信するコンピュータ実施される方法、及び、ホワイトスペースを使用してデータを送信し受信するモバイルクライアントデバイスに関する。

２００８年に、ＦＣＣ（連邦通信委員会）による決定が、ホワイトスペースを介して動作する市販無線ネットワーキング製品の道を開いた。ホワイトスペースとは、ＶＨＦおよびＵＨＦの周波数スペクトル内の空きチャネルである。成熟した無線ネットワーキングプロトコル（たとえば、Ｗｉ−Ｆｉネットワーキング）に使用可能な周波数スペクトルとは異なって、ホワイトスペースネットワークに使用可能なスペクトルは、比較的広い区域をカバーするのによく適する。たとえば、ホワイトスペースネットワークを、会社キャンパスセッティングまたは大学キャンパスセッティングで使用して、多数のユーザが数百平方フィート（数千平方ｃｍ）から１平方マイル（２．５６平方ｋｍ）以上の区域の複数のビルディングにまたがって共通のネットワークにアクセスすることを可能にすることができる。

ホワイトスペース無線デバイスの作成を認可したＦＣＣ決定は、都市キャンパス環境でのホワイトスペースネットワークの実施をよりむずかしくする可能性があるいくつかのルールをも確立した。たとえば、ＦＣＣ決定の要件は、新しいホワイトスペース無線デバイスが主ユーザまたは現職のデバイス（ｉｎｃｕｍｂｅｎｔｄｅｖｉｃｅ）との干渉を避けることである。主ユーザおよび現職のデバイスは、ＴＶ送信器および無線マイクロホンを含む。さらに、新しいホワイトスペースデバイスは、主ユーザ（たとえば、ＵＨＦＴＶ帯ではテレビ局および免許を交付された無線マイクロホン）がホワイトスペースデバイスの後でブロードキャストを開始する場合であっても、主ユーザによって使用されているチャネルで送信することを許可されない。

多くの既存の無線通信プロトコル（Ｗｉ−Ｆｉプロトコルなど）では、基地局およびすべての接続されたクライアントデバイスは、プロトコルが正しく働くことを可能にするために、同一チャネル上にある必要がある。ホワイトスペースネットワークデバイスが同一の戦略（すなわち、同一の基地局に接続されたすべてのクライアントデバイスが同一チャネル上にある必要がある）に従う場合には、複数の無線クライアントと通信している無線基地局は、無線マイクロホンなどの主ユーザが、その無線基地局によって使用されているチャネル上で識別される場合に、すべての接続されたクライアントデバイスから切断するか、使用可能なチャネルにチャネルを変更する必要がある。このルールは、ホワイトスペースネットワークのスループットに対して重大な悪影響を有する。さらに、関連するクライアントのうちの１つだけが、チャネルが使用不能になるのを見る場合であっても、このクライアントが切断されるか、あるいは、基地局およびすべての他の関連するクライアントが、すべてのクライアントならびに基地局で使用可能な新しいチャネルに切り替える必要があるかのいずれかである。これは、すべての関連するクライアントデバイスならびに基地局で使用可能なチャネルがない場合があるので、問題である。そのような共通して使用可能なチャネルが存在する場合であっても、チャネルが単一のクライアントで使用不能になるときに必ず、すべてのクライアントおよび基地局に切り替えさせることは、大きいオーバーヘッドをこうむる可能性がある。都市環境では、無線マイクロホンの存在に起因して、そのようなシナリオ（すなわち、１つまたは少数のクライアントだけがチャネルが使用不能になるのを見る）が頻繁に発生する可能性が高い。

以下では、本明細書で説明されるいくつかの態様の基本的な理解を提供するために、本革新の単純化された要約を提示する。この要約は、請求される主題の広範囲の概要ではない。請求される主題の主要な要素またはクリティカルな要素を識別することも、本革新の範囲を区切ることも、意図されていない。その唯一の目的は、後で提示されるより詳細な説明の前置きとして、請求される主題のいくつかの概念を単純化された形で提示することである。

本革新は、ホワイトスペースネットワークを介する無線通信に関する。例示的な方法では、第１のホワイトスペース送信チャネルは、モバイルクライアントデバイスとの通信のために判定される。モバイルクライアントデバイスとの無線通信は、第１のホワイトスペース送信チャネルを介して行われる。第１のホワイトスペース送信チャネルが、第１のホワイトスペース送信チャネル上の主ユーザの存在のゆえにモバイルクライアントデバイスのうちの１つから使用不能になる場合には、異なるホワイトスペース送信チャネルが、影響を受けるモバイルクライアントデバイスとの通信のために判定される。第１のホワイトスペース送信チャネルは、たとえば、主ユーザが影響を受けるクライアントデバイスに近接する第１のホワイトスペース送信チャネルを使用し始める場合、またはクライアントデバイスがアクティブ主ユーザの範囲内に移動する場合に、影響を受けるモバイルクライアントデバイスから使用不能になる可能性がある。主ユーザを、無線マイクロホンまたはＴＶ局とすることができる。その後、影響を受けるモバイルクライアントデバイスとの通信は、異なるホワイトスペース送信チャネルで行われ、影響を受けないクライアントデバイスは、第１のホワイトスペース送信チャネル上で通信し続ける。

本革新による無線基地局は、さまざまなモバイルクライアントデバイスから使用可能なスペクトルに依存して、異なるチャネル上で無線クライアントと通信する。たとえば、第１のホワイトスペース通信チャネルが、１つまたは複数のモバイルクライアントデバイスから使用可能である場合には、これらのクライアントデバイスは、第１のホワイトスペース通信チャネル上で無線基地局と通信することができる。無線基地局は、第１のホワイトスペース通信チャネルが他のモバイルクライアントデバイスから使用可能ではない場合に、第２のホワイトスペース通信チャネル上で他のモバイルクライアントデバイスと通信することができる。たとえば、他のモバイルクライアントデバイスは、第１のホワイトスペース通信チャネル上で通信している主ユーザのローカル存在によって、第１のホワイトスペース通信チャネルを使用することを禁止される可能性がある。本革新の例示的実施形態は、ホワイトスペースネットワークでのローカルスペクトル非対称（ｌｏｃａｌｓｐｅｃｔｒｕｍａｓｙｍｍｅｔｒｙ）状況に対処する。

本革新によるモバイルクライアントデバイスは、ホワイトスペースを介してデータを送信し、受信する。モバイルクライアントデバイスは、第１のホワイトスペース通信チャネルが主ユーザによって使用されているのではないときに、第１のホワイトスペース通信チャネルを介して無線基地局と通信する。第１のホワイトスペース通信チャネルが主ユーザによって使用されているときには、第２のホワイトスペース通信チャネルを介して無線基地局との通信を行う。

次の説明および添付図面は、請求される主題のある種の例示的態様を詳細に示す。しかし、これらの態様は、本革新の原理を使用できるさまざまな形のうちの少数のみを示し、請求される主題は、すべてのそのような態様およびその同等物を含むことが意図されている。請求される主題の他の利益および新規の特徴は、図面と共に検討されるときに、本革新の次の詳細な説明から明白になる。

本革新に従って動作させることができる無線ホワイトスペースネットワークを示すブロック図である。本革新によるチャネル選択アルゴリズムの動作を説明するのに有用なグラフを示す図である。本革新によるホワイトスペースネットワーキングを実行するように構成されたネットワーキングスタックを示すブロック図である。本革新による、ホワイトスペースを使用する無線ネットワークを介してデータを送信するコンピュータ実施される方法を示す処理流れ図である。

請求される主題を、これから図面を参照して説明するが、図面では、同様の符号が、終始、同様の要素を参照するのに使用される。次の説明では、説明において、本革新の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細を示す。しかし、請求される主題を、これらの特定の詳細なしで実践できることは明白であろう。他の場合には、本革新の説明を容易にするために、周知の構造およびデバイスをブロック図の形で示す。

本明細書で利用されるときに、用語「コンポーネント」、「無線基地局」、「無線クライアント」、「ホワイトスペースネットワーク」、および類似物は、ハードウェア、ソフトウェア（たとえば、実行中の）、および／またはファームウェアのいずれであれ、コンピュータ関連のエンティティを指すことが意図されている。たとえば、コンポーネントを、プロセッサ上で動作するプロセス、プロセッサ、オブジェクト、実行可能ファイル、プログラム、関数、ライブラリ、サブルーチン、および／もしくはコンピュータ、またはソフトウェアとハードウェアとの組合せとすることができる。たとえば、サーバ上で動作するアプリケーションとそのサーバとの両方を、コンポーネントとすることができる。１つまたは複数のコンポーネントが、１つのプロセス内に存在することができ、１つのコンポーネントを、１つのコンピュータ上に局所化し、かつ／または複数のコンピュータの間で分散させることができる。

さらに、請求される主題を、開示される主題を実施するようにコンピュータを制御するためにソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはその組合せを作るのに標準的なプログラミング技法および／もしくは工学技法を使用して方法、装置、または製造品として実施することができる。用語「製造品」は、本明細書で使用されるときに、任意の非一時的コンピュータ可読デバイスまたは媒体からアクセス可能なコンピュータプログラムを含むことが意図されている。非一時的コンピュータ可読記憶媒体は、磁気ストレージデバイス（たとえば、とりわけハードディスク、フロッピディスク、および磁気ストリップ）、光ディスク（たとえば、とりわけコンパクトディスク（ＣＤ）およびディジタル多用途ディスク（ＤＶＤ））、スマートカード、およびフラッシュメモリデバイス（たとえば、とりわけカード、スティック、およびキードライブ）を含むことができるが、これに限定はされない。もちろん、当業者は、請求される主題の範囲または趣旨から逸脱せずに、この構成に対して多数の変更を行えることを認めるであろう。さらに、単語「例示的な」は、本明細書では、例、実例、または例示として働くことを意味する。本明細書で「例示的」として説明されるすべての態様または設計は、必ずしも、他の態様または設計より好ましいまたは有利とは解釈されない。

本改革は、ホワイトスペースネットワークを介する無線通信にかかわるときに生じる問題に対処する。具体的には、無線クライアントは、その無線クライアントが使用可能ではないホワイトスペース通信チャネルで他の無線クライアントと既にかかわっている無線基地局との通信にかかわることを望む場合がある。この状況に対処するために、本改革の例示的実施形態は、基地局が、それぞれのクライアントの使用可能なホワイトスペーススペクトルを考慮に入れてスペクトルの異なる部分で複数のクライアントに同時にサービスすることを可能にするプロトコルを提供することができる。本革新の例示的実施形態を、最適に近いスループットを達成すると同時に切替オーバーヘッドを最小にもするように構成することができる。この切替オーバーヘッドは、基地局があるチャネル（そのチャネルでクライアントにサービスする）から別のチャネルに切り替えるときに、必ず、その基地局で発生する。

本革新の例示的実施形態は、ホワイトスペースネットワークで切替オーバーヘッドを減らすこともできる。基地局がダウンリンクスロットでクライアントに送信する順序および／またはクライアントがそのアップリンクスロットで基地局に送信する順序を決定するアルゴリズムを、本明細書で具体的に説明する。送信の順序の判断に加えて、各クライアントが送信し、かつ／または受信するスペクトルの部分（すなわち、チャネル）も、ネットワークスループットを最適化することを目標として判断される。さらに、本革新は、都市ホワイトスペースネットワークで高められた全体的なネットワークスループットおよび容量を提供することができる。本革新は、同一のホワイトスペースネットワーク内の複数のオーバーラップする（したがって、潜在的に干渉する）アクセスポイントの間での調整の形を提供することができる。

２００８年のＦＣＣ決定に続いて、ＴＶホワイトスペースを介するネットワーキングに関連する大量の興奮が生じた。免許不要のデバイスが占有されていないＴＶ帯で動作することを可能にする、この決定は、地方のブロードバンド接続性から家庭内のより高速の信頼できる接続までの複数の新しいネットワーキングの機会を開いた。シリコンベンダ、ハードウェア製造業者、およびソフトウェア会社を含む複数の技術会社が、スペクトルのこの部分を効率的に使用する技術を開発することによって、この機会を利用しようとしている。

ＴＶホワイトスペースの使用は、他の周波数スペクトルに対する利益を提供することができる。第１に、はるかにより多くのスペクトルが無線ネットワーキングに使用可能になる。領域に応じて、３００ＭＨｚまでを使用可能にすることができる。第２に、これらのホワイトスペースは、より低い周波数にあり、これらのより低い周波数は、非常によい伝搬特性を有する。これは、免許不要のデバイスがそのような低い周波数でより大きい帯域幅で穏当に高い送信電力で動作する機会を与えられる最初の時である。低周波数とより多くのスペクトルとのこの組合せは、新しいサービスを構築し、以前には技術的理由または経済的理由のいずれかに起因して可能ではなかったネットワーキングシナリオを可能にする機会を提供する。

本革新の例示的実施形態は、大きい大学キャンパスまたは工業団地のすべての屋外区域でネットワーク接続性を提供するシナリオに関係する。Ｗｉ−Ｆｉは、その限られた範囲および極端に損失が多い傾向のゆえに、このシナリオで非常に効果的ではないことが立証された。２階建キャンパスビルディングの屋上に３つから４つのＷｉ−Ｆｉアクセスポイントを展開することでさえ、ネットワーク内に複数のカバレージホールをもたらした。代替の提案は、キャンパスシャトル内でインターネット接続性を提供するのにセルラ技術を使用することである。そのような手法は、高価であり、低い帯域幅を提供する。さらに、セルラ技術の使用は、クライアントデバイスが、もはや会社ネットワークに直接には接続されないことを意味し、これは、追加のオーバーヘッドを導入し、したがって性能を下げる。対照的に、ホワイトスペースは、キャンパスのすべての部分の学生および従業員により多くの帯域幅を提供しながら、大学または従業員のＩＴ部門によるネットワークリソースの直接制御を維持する、より安価な代替案を提供する。

しかし、キャンパス全体のホワイトスペースネットワークを構築することは、複数の課題を提示する。第１に、認可された送信電力レベルでホワイトスペースネットワークによって提供されるカバレージは、未知である。本明細書で示すように、既存の伝搬モデルの使用は、そのような低い送信電力値でのかなりの過大評価につながる可能性がある。第２に、ＦＣＣが義務づける無線マイクロホンの−１１４ｄＢｍという感知しきい値を考慮すると、ホワイトスペースネットワークを構築するのに使用可能なチャネル数は、相対的に少ない。単一の無線マイクロホンが、キャンパス全体が特定のホワイトスペース通信チャネルを使用するのを潜在的に阻止できることが、理論的には可能と思われる。最後に、少数のチャネルだけがキャンパスにわたって共通して使用可能である場合には、既存のホワイトスペースプロトコルを使用するシステムスループットが、非常に低くなる可能性が高い。

本明細書で説明するように、本革新の例示的実施形態は、会社キャンパス環境で展開され、結果が測定された。この展開は、ＵＨＦおよびＶＨＦの周波数スペクトルで動作できるラジオを含み、ＦＣＣによって認可された送信電力レベルを使用した。得られた結果は、２つの基地局が、１平方マイル（２．５６平方ｋｍ）キャンパスのすべての領域をカバーするのに十分であることを示した。無線マイクロホンの影響が局所的であることも示された。

現職の無線マイクロホンの存在のゆえに、ホワイトスペースネットワーク内の基地局およびクライアントは、送信に使用可能な、周波数の異なる部分を有する場合がある。ホワイトスペースネットワークで無線クライアントが基地局に対する送信に使用可能な周波数スペクトルの異なる部分を有するという現象を、本明細書ではローカルスペクトル非対称（ＬＳＡ）と称する。さらに、キャンパス環境でのＬＳＡ状況の発生は、無線マイクロホンの存在のゆえに比較的一般的であることが発見された。本明細書で説明するように、基地局およびクライアントで共通して使用可能なチャネルの使用を提案するネットワーキングプロトコルは、そのようなセッティングでは非常に劣悪に動作する。本革新の例示的実施形態は、システム容量を改善する形で異なるチャネルにまたがってクライアントをクラスタ化する、本明細書で「クライアント割当アルゴリズム（ｃｌｉｅｎｔａｌｌｏｃａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ）」と称するアルゴリズムに関係する。コンピュータ科学の職業語では、本革新によるクライアント割当アルゴリズムを、「貪欲」アルゴリズムと称する場合がある。というのは、このアルゴリズムが、所与の反復でクライアントをどのチャネルに割り当てなければならないのかに関する判断を行いながら反復する形でクライアントを系統的に割り当てるからである。貪欲アルゴリズムは、割当が所与の反復での現在の条件に関して行われるので、最終的な出力において必ずしも最適ではない。それでも、貪欲アルゴリズムは、通常、最適解決策を近似することに近い。例示的なクライアント割当アルゴリズムの性能を、本明細書では実際の実施態様の詳細なシミュレーションおよび評価の文脈で説明する。例示的な実施態様は、会社キャンパスセッティングでビルディングの屋上に取り付けられた基地局を含む。シャトルバスが、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄＷｉＭａｘプロトコルを使用して、使用可能なホワイトスペースを介して動作するように構成された無線クライアントを組み込むように装備された。さらに、ホワイトスペースネットワークの例示的実施形態を、図１を参照して説明する。

図１は、本革新に従って動作させることができる無線ホワイトスペースネットワーク１００のブロック図である。ホワイトスペースネットワーク１００は、基地局１０２と、複数のモバイルクライアントデバイス１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｎとを含む。基地局１０２を、ホワイトスペース周波数スペクトル上でモバイルクライアントデバイス１０４ａ、１０４ｂ、および１０４ｎと無線で通信するように構成することができる。

ホワイトスペースネットワークの動作における非効率性の潜在性は、ホワイトスペースデバイスが主ユーザ（無線マイクロホンとＴＶ送信との両方）と干渉することを許容しないＦＣＣ規制である。ＦＣＣ規制は、さらに、主ユーザを、感知することまたはジオロケーション（ｇｅｏ−ｌｏｃａｔｉｏｎ）データベースに問い合わせることのいずれかによって識別できることを義務づける。主ユーザがこれらの方法によって検出される場合に、ホワイトスペース周波数スペクトラムのうちで主ユーザデバイスによって使用されている部分が、ホワイトスペースネットワーキングデバイスによって使用されてはならない。その結果、お互いと通信することを望む２つのホワイトスペースデバイスが、使用可能な同一のスペクトルを有しない場合がある。２つのノードの一方があるチャネルを使用できるが、他方がそのチャネルを使用できない場合がある。

結局のところ、空間スペクトル変動のこの現象は、特にオンキャンパスネットワークまたは都市環境で、ビルディングの内部の無線マイクロホンの存在に起因して、非常に頻繁に発生する。ビルディングは、マイクロホンの送信を遮蔽し、したがって、マイクロホンのトランシーバの放射範囲をビルディングの非常に近くだけに大幅に減らす傾向がある。したがって、アクティブマイクロホンを含むビルディングの近くのクライアントが、マイクロホンが主ユーザと考えられるのでマイクロホンチャネルの同一チャネルを使用することを許可されない可能性が非常に高い。これは、特定のクライアントが接続される基地局が、所与のチャネルを空いている（たとえば、マイクロホンからの離れた位置のゆえに）と考え、この基地局に関連する他のすべてのクライアント（ビルディングの近くに配置されていない可能性がある）も、このチャネルを空いていると考えるときに問題になる。基地局が、無線モバイルクライアントの非常に近くの主ユーザの存在のゆえに１つまたは複数の無線モバイルクライアントデバイスと通信できないことが、ＬＳＡ状況の一例である。測定結果は、ＬＳＡ条件が、オンキャンパス環境または都市環境で頻繁に発生することを示した。したがって、ＬＳＡは、都市ホワイトスペースネットワーク展開に対する課題を提示する。

本革新が対処することを意図されたＬＳＡ状況の特定の例を、図１に示す。モバイルクライアントデバイス１０４ｂが、図１に示されているようにビルディング１０６の内部に配置されると仮定する。ビルディング１０６の内部には、この例において主ユーザである無線マイクロホン１０８も配置されている。ＬＳＡ条件を示すために、無線マイクロホン１０８が、基地局１０２と同一のチャネルで動作していると仮定する。無線マイクロホン１０８によって使用されているチャネルが、基地局１０２と同一なので、モバイルクライアントデバイス１０４ｂは、そのチャネルで基地局１０２と通信することを許可されない。基地局１０２は、基地局１０２が無線マイクロホン１０８の範囲の外にある可能性があるので、無線マイクロホン１０８によって使用されるものと同一のチャネル上でモバイルクライアントデバイス１０４ａおよびモバイルクライアントデバイス１０４ｎと通信することができる。さらに、無線マイクロホン１０８の送信範囲が、ビルディング１０６の内部およびそれを直接に囲む区域に実質的に制限されるものとすることができる。

図１に示されたＬＳＡ状況に対する２つの潜在的な解決策は、すべてのモバイルクライアントデバイスが基地局から切断することを強制すること、または基地局１０２とモバイルクライアントデバイス１０４ａおよび１０４ｎがモバイルクライアントデバイス１０４ｂからも使用可能なチャネルに切り替えることを強制することである。しかし、これらの解決策は、少数の例を挙げると、ネットワーク切替に関連するオーバーヘッド、スペクトル利用、および／またはネットワーク容量／スループットを考慮するときに、非常に望ましくない可能性がある。制御チャネルベースの手法（ＣＭＡＣなど）を使用してホワイトスペースネットワーク１００を動作させることも、望ましくない可能性がある。

本明細書で説明するように、本革新の例示的実施形態は、基地局１０２が第１のホワイトスペース通信チャネル上でモバイルクライアントデバイス１０４ａおよび１０４ｎと、第２のホワイトスペース通信チャネル上でモバイルクライアントデバイス１０４ｂと通信できることを提供する。この形で、基地局１０２は、モバイルクライアントデバイス１０４ａおよび１０４ｎから切断し、モバイルクライアントデバイス１０４ｂからも使用可能な異なるホワイトスペース通信チャネル上でモバイルクライアントデバイス１０４ａおよび１０４ｎとの通信を再確立することの非効率性から解放される。

キャンパス全体のネットワークカバレージ。本革新の例示的実施形態は、大規模キャンパス（会社キャンパス、大学、病院など）での無線ネットワークカバレージの提供に関する。そのようなキャンパスの、そのようなネットワークの設計に関係する複数の共通の特性がある。第１に、既存の高密度Ｗｉ−Ｆｉ展開は、通常、既にビルディングの内部でよいカバレージを提供する。その一方で、カバレージは、通常、ビルディングの外部で悪いか存在すらしない。第２に、これらのキャンパスは、モビリティの特徴がある。ほとんどのネットワークアクセスは、ビルディング内またはビルディングの近くで発生するが、人々は、時折、自動車によってまたは徒歩でのいずれかでビルディングの間で移動する。たとえば、本明細書で説明するホワイトスペースネットワーク展開での実験を行うのに使用される既存のキャンパス環境では、従業員をキャンパス内のあるビルディングから別のビルディングに運ぶ多数のシャトルバスがある。

Ｗｉ−Ｆｉネットワーキングを用いる、キャンパス内での完全な中断されないネットワークカバレージの提供は、むずかしい。たとえば、企業キャンパス環境では、発呼者がビルディングを出るとき、ビルディングの間で移動するとき、またはキャンパスのシャトルバスに乗るときに、内部ＶｏＩＰを中断されずに維持できることは、通常は不可能である。本革新の例示的実施形態は、既存の屋内Ｗｉ−Ｆｉ展開を有するキャンパス環境で屋外カバレージホールを定量化することに関する。本明細書で説明するように、ホワイトスペース上のネットワークを使用して、現在はよいネットワークカバレージに欠けている領域でネットワーク接続性を提供することができる。

ホワイトスペースを介するカバレージ。成熟したネットワーキングプロトコルに対する相対的に低い周波数のゆえに、ＵＨＦスペクトル帯およびＶＨＦスペクトル帯は、Ｗｉ−ＦｉのＩＳＭ帯より改善された信号伝搬プロパティを提供すると期待される。たとえば、同一の送信電力について、フリース公式は、２．４ＧｈｚＷｉ−Ｆｉに対して６００ＭＨｚで４倍の範囲を予測する。重要な問題は、この理論的に予測される範囲が、障害物、ビルディングなどを有するキャンパス様環境で使用されるときに実際にネットワークカバレージの対応する増加になるかどうかである。

基地局１０２から異なる位置にあるモバイルシャトル（たとえば、モバイルクライアントデバイス１０４ｎ）での生の受信電力を表す実験データを入手した。１つのそのような実験では、受信ラジオの雑音フロアは、スペクトルの１．７５ＭＨｚを介して送信するときに−１０５ｄＢｍであった。この状況では、ＵＨＦスペクトルとＶＨＦスペクトルとの両方が、優れた伝搬特性を提供することが実証された。

例示的なシステムでは、基地局１０２からの距離に伴う受信信号強度の変動を示す測定を行った。結果のデータによれば、信号は、距離が増加するときに平均してより弱い。しかし、同一距離の受信電力において大きい変動が観測された。この変動を、経路内の障害物の個数に帰することができる。たとえば、モバイルシャトルが、フリーウェイの同一の側の基地局からの類似する距離にある別のビルディングの近くの位置と比較して、フリーウェイの反対側のビルディングで１０ｄＢだけより強い信号を受信することが観察された。第２に、ＶＨＦ信号は、障害物によってより少なく影響を受けることが観察された。ＶＨＦ信号は、ＵＨＦ信号よりはるかに滑らかな減衰を有することがさらに観察された。実際に、伝搬は、フリース公式によって予測されるより強くなることが観察された。この公式によれば、５１８ＭＨｚの信号は、１１７ＭＨｚ（ＶＨＦ）より約１０ｄＢ多い減衰を経験する。類似する減衰が、より短い距離で観察されたが、減衰は、距離が増加する際に大幅により多い。最後に、ＵＨＦ周波数が、−１０５ｄＢｍの例示的な測定システムの雑音フロアに達する前に、７００ｍを超えて伝搬することができることに留意されたい。したがって、ホワイトスペース周波数の伝搬特性は、大規模キャンパスでネットワークカバレージを提供する際に有望と思われる。

無線マイクロホンの影響。通常のキャンパス環境は、複数の無線マイクロホンを有する可能性が高い。ビルディング内で、時には複数の、講演があり、キャンパスは、通常、複数の他のイベントをもホスティングする。ＦＣＣ制限は、ホワイトスペースデバイスが、無線マイクロホンによって使用されているＴＶチャネルで動作することを許可しないので、多数のホワイトスペース通信チャネルが、無線マイクロホンによって使用不能にされると思われる。ホワイトスペースネットワーキング動作に対する無線マイクロホンの影響を、本明細書で調べる。さらに、既知のキャンパスでのマイクロホンの人気ならびにそれらが使用するチャネルを検討する。動作中のマイクロホンによって阻止される領域を考慮し、阻止される領域のサイズに影響する要因を考慮する。

キャンパスセッティングにおけるマイクロホン。都市キャンパスセッティングでは、無線マイクロホンは、使用可能なＴＶ周波数スペクトルの事実上すべてのチャネルで動作する。既存キャンパス内の２つの異なるビルディングすなわち学部ビルディングおよび会議センタでのマイクロホン使用に関する実験を行った。通常の学部ビルディングは、ビルディング内の８つの異なる位置に無線マイクロホンを有することが観察された。位置ごとに、それぞれ３つ、４つ、または８つ（大きい会議室）の無線マイクロホンがあり、学部ビルディング内の合計３２個のマイクロホンがある。各マイクロホンを、異なるマイクロホンチャネルで動作するように同調させることができ、集合的に、３２個のマイクロホンが、１２個の異なるＴＶチャネルで動作することが観察された。会議ビルディングは、１６個のＴＶチャネルにまたがって分布する、すべてが異なるマイクロホンチャネル上の、通常使用のための８０個の無線マイクロホンを有することが観察された。通常、マイクロホンのいくつかは同時に使用中ではない。同一位置についても、マイクロホンオペレータは、通常、残りのバッテリ寿命に応じて、イベントにどのマイクロホンを使用すべきかを判断する。

マイクロホンによって阻止される領域。単一の無線マイクロホンが、大きい区域内のホワイトスペースネットワークアクセスに関して１つのＴＶチャネル全体を潜在的に遮断できると、一般に思われる。たとえば、単一の自由空間経路損モデルは、（α＝４もの高い経路損指数についてさえ）１４ｄＢｍで送信するマイクロホンが、−１１４ｄＢｍというＦＣＣによって義務づけられた感知しきい値で、マイクロホンの周囲約２．５ｋｍの範囲の区域内でチャネルを遮断すると予測する。エグリ（Ｅｇｌｉ）モデルなどのより保守的な伝搬モデルさえもが、１．３ｋｍの範囲内でチャネルが阻止されると予測する。したがって、理論的モデルは、既知のキャンパスの中央付近に配置された単一の無線マイクロホンさえもが、１つのＴＶチャネル全体を本質的に遮断でき、キャンパス全体でそのＴＶチャネルをホワイトスペースネットワークアクセスに使用不能にすると予測する。

実際に、単一の無線マイクロホンが、キャンパス上の１つのＴＶチャネル全体についてホワイトスペースネットワークアクセスを遮断する場合には、これは、システム容量の重大な問題を引き起こすはずである。というのは、多数の無線マイクロホンを有する区域には、非常に少数の使用可能なＴＶチャネルだけが残っているはずであるからである。幸いにも、これは事実ではない。その理由は、無線マイクロホンが、通常は屋内、たとえば会議室内で使用されることである。実験測定は、会議室内のマイクロホンからの信号放射が、外部から大きく遮蔽され、ビルディングの外部に漏れる残りの信号強度が低くなることを示した。

ビルディングの外部の無線マイクロホン信号の漏れに関する実験データを入手した。それを行う際に、５１８ＭＨｚの４Ｗ送信器を２つのビルディングの内部に配置し、シャトル経路付近の受信信号強度を測定した。この実験データは、ホワイトスペースアクセスがビルディングの内部の無線マイクロホンによって阻止される領域が、比較的小さいことを示す。さらに、阻止される領域は、基地局のカバレージ全体（すなわち、モバイルクライアントが、クライアントが１００ｍＷで送信し基地局が４Ｗで送信するように制限するＦＣＣ電力制限ルールの下で動作するときに基地局を成功してｐｉｎｇできる位置と比較して、区域のごく一部のみを含む可能性がある。１つの推定によれば、無線マイクロホンは、主として、その周囲３０ｍ未満を遮断すると判定された。

屋内マイクロホンからの屋外漏れ。実験観察は、ビルディングの内部の無線マイクロホンからの信号が、ビルディングの非常に近くでのみホワイトスペース使用に関してチャネルを遮断させるのに十分にビルディングによって減衰されることを示す。実験的に観察された強い減衰は、偶然ではなく、多くのキャンパスおよび都市区域全般の特徴と思われる。寄与する要因は、現代のビルディングが、エネルギを節約するために、いわゆる低放射（Ｌｏｗ−Ｅ）の窓およびドアを使用して、熱が窓を通過するのを防ぐことである。窓は、通常、熱およびＵＶを持ち込む長波光線を反射する金属コーティングを用いてＬｏｗ−Ｅを達成する。

ホワイトスペースネットワーキングの文脈では、Ｌｏｗ−Ｅコーティングされた窓が、無線マイクロホンによって放射される信号の減衰を大幅に増やすことに留意されたい。しかし、当業者は、異なるビルディングが、遮蔽および減衰に関して全く異なって振る舞う可能性があり、これが、実際の測定を実行せずに所与のシナリオでの無線マイクロホンの影響を正確にモデル化することをむずかしくすることに留意するであろう。現実には、異なるビルディングおよび窓の減衰は、大幅に変化する可能性がある。

さらなる実験を実行して、キャンパスのビルディングのドアによって引き起こされる減衰の影響を定量化した。値は、ドアおよび壁の構成ならびにＬｏｗ−Ｅ窓が使用されるか否かに応じて劇的に変化する。

この影響を定量化するために、さまざまな種類の（二重ドアおよび単一ドア）フロントドアおよびサイドドアを含めて、既存キャンパスおよびアパート住居で、３０個のビルディングドアの減衰を測定した。具体的には、ＵＨＦＴＶ帯で動作する無線マイクロホンを、ビルディングの内部に配置した。ビルディングの外部に配置されたスペクトルアナライザを使用して、ドアを開いた状態と閉じた状態との両方でのマイクロホンのチャネル電力を測定した。その結果は、一部のドアが、４または５ｄＢｍもの少ない減衰をもたらすが、他のドアが、２５ｄＢｍもの大きい減衰を有することである。さらに、この２つの極端の間のほとんどすべての値が観察された。

この結果は、屋内マイクロホン信号が直面する特定の減衰が、正確な位置およびビルディング構造に依存して劇的に変化する可能性があるが、ビルディングによって引き起こされる減衰が、通常は大きいことを暗示する。したがって、無線マイクロホンに起因して失われるホワイトスペースの量は、多数の会議室を有する忙しいキャンパスであっても、比較的少ないと結論することができる。その一方で、マイクロホンは、キャンパスセッティングまたは都市セッティングでのホワイトスペースネットワークの設計に影響する可能性があるＬＳＡ問題に寄与する。

ローカルスペクトル非対称。本明細書で説明するように、ホワイトスペースネットワークは、デバイスが、主ユーザの存在に起因してスペクトルのある部分を使用することを許可されないという制限を有する。その結果、通信することを望む２つのホワイトスペースデバイスが、使用可能な同一のスペクトルを有しない場合がある。このホワイトスペース固有の現象は、空間スペクトル変動と呼ばれてきたが、本明細書ではＬＳＡと称する。実験データは、ＬＳＡが、一般的にならびにキャンパス環境および都市環境の同一ネットワーク内で発生することを示す。さらに、ＬＳＡは、お互いに接続された２つのホワイトスペースデバイス（たとえば、基地局１０２およびモバイルクライアントデバイス１０４ｂ）が、同一のスペクトル可用性マップを見ないという影響を有する。

ＬＳＡは、基地局およびそのすべてのクライアントで共通して使用可能な単一のチャネル上で動作する、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｗｈｉｔｅ−Ｆｉ、ＩＥＥＥ８０２．２２、またはＣｏｇＮｅＡなどの既存のプロトコルの下で動作するホワイトスペースシステムの性能を劣化させる可能性が高い。そのようなプロトコルでは、単一のクライアントがＬＳＡ状況に直面するや否や、別のチャネルが使用可能であると仮定して、基地局および他のすべての関連するクライアントは、別のチャネルに移動する。モバイルクライアント（たとえば、シャトルバス上）は、多数のチャネル切替を引き起こす多数のマイクロホンのそばを頻繁に通る可能性がある。

ＬＳＡの影響。基地局およびすべてのモバイルクライアントデバイスが単一のチャネル上で通信するホワイトスペースネットワーキングプロトコルを、「オールオンワンチャネル（ａｌｌ−ｏｎ−ｏｎｅ−ｃｈａｎｎｅｌ）」プロトコルと称し、本明細書ではこれを「ＡＯＯＣプロトコル」と省略する。単純な数学モデルを使用して、本明細書で、任意のそのようなＡＯＯＣプロトコルが、使用可能なホワイトスペースのうちのかなりの量を浪費するので、大幅な固有の性能損失を引き起こすことを示す。次の議論は、単純な理論モデルを使用するさまざまなシステムメトリックに対するＬＳＡの影響に関する。

ＬＳＡモデルの次の議論では、ｎ個の基地局があり、そのそれぞれがｍ個のクライアントを有すると仮定する。さらに、Ｃ個の使用可能なチャネルがある（無線マイクロホンの検出の前に）と仮定する。各チャネルで、確率ｑでマイクロホンがあり、あるマイクロホンが、確率ｐでクライアントがこのチャネルを使用するのを防ぐと仮定する（したがって、集合的に、ｑおよびｐは、モバイルクライアントがＬＳＡ状況に直面する可能性がどれほど高いのかを取り込む）。

本明細書では、さまざまなマイクロホンの間の地理的依存性を考慮に入れる、ＬＳＡ＊モデルと称する、より複雑なモデルをも説明する。ＬＳＡ＊モデルは、そのうちの複数が同一チャネル上にあるものとすることができる特定の個数のマイクロホンをも企図する。

ホワイトスペース可用性に対する影響。ＬＳＡは、システム容量を劣化させ、ＡＯＯＣプロトコルについてはるかにより深刻に劣化させる。Ｅ_A［Ｓ］およびＥ_O［Ｓ］が、それぞれ、ＡＯＯＣまたは最適プロトコル（本明細書では「ＯＰＴ」と省略する）を使用するときにクライアントが使用できるホワイトスペースチャネルＳの期待される個数であるものとする。これらの値は、
Ｅ_A［Ｓ］＝Ｃ［（１−ｑ）＋ｑ（１−ｐ）^m］
Ｅ_O［Ｓ］＝Ｃ［（１−ｑ）＋ｑ（１−ｐ）］
として計算することができる。

したがって、ホワイトスペースチャネルの個数は、最適プロトコルでｐにおいて線形に劣化するが、ＡＯＯＣプロトコルははるかにより速く劣化する。たとえば、ｑ→∞について、ＡＯＯＣプロトコルは、全体的に使用可能なホワイトスペーススペクトルの（１−ｐ）^m部分だけを利用し、残りを浪費する。これが、基地局あたりのクライアントの個数において指数関数であることに留意されたい。

負荷および切断に対する影響。ホワイトスペースを「失う」ことの結果として、ＡＯＯＣプロトコルの基地局は、すべてのクライアントで共通して使用可能な少数のチャネルに詰め込まれる傾向がある。これは、これらのチャネルに対する増加した負荷に、したがって増加した干渉に現れる。具体的には、チャネルの負荷を、このチャネルを共有すると期待されるクライアントの個数になるように定義し、Ｅ_A［Ｌ］およびＥ_O［Ｌ］が、重い負荷を有するチャネル（マイクロホンを有しないチャネル）に対する期待される負荷を表すものとする。ＬＳＡモデルでは、これらの式を、

になるように導出することができる。

ＡＯＯＣプロトコルの下で動作するＬＳＡ＊モデルについて入手された（３０個の期待されるマイクロホンで）実験データは、３０個もの多数のクライアント（システム全体のクライアントの６０％）が、１つの単一のチャネルに詰め込まれることを示す。対照的に、最適化するプロトコルは、断片化されたスペクトルの使用を改善し、最も負荷の高いチャネルが平均して多くとも１０個のクライアントを有する負荷平衡化を達成する。マイクロホンが３０個を超えると、ＡＯＯＣの負荷は減るが、これは、この点で、切断の回数がすばやく増加し始めるからである。すなわち、ますます多くのクライアントが全く接続できなくなり、これが、もちろん、負荷を減らす。ＡＯＯＣプロトコルが、高い負荷によって引き起こされる大幅により多い干渉ならびに必要な切断を有すると結論することができる。

チャネル幅に対する影響。ホワイトスペーススペクトルは、断片化され（主ユーザの存在のゆえに）、異なるサイズのスペクトルチャンクを含む。したがって、適応ベース（ａｄａｐｔｉｖｅｂａｓｉｓ）でチャネル幅を調整することが、これらのネットワークで性能を最大にするための有用なツールである。ＬＲＡモデルでは、あるクライアントがＸ個の連続するＴＶチャネルからなる特定のチャネルを見る尤度は（チャネルが、マイクロホン用でない場合に使用可能であると仮定して）、（１−ｐｑ）^Xである。しかし、ＡＯＯＣプロトコルでは、この幅のチャネルを実際に使用できる確率は、（１−ｐｑ）^mXに過ぎない。したがって、ＡＯＯＣプロトコルは、クライアントの効果的に使用可能なチャネル幅を大幅に減らす。

モビリティを有するＬＳＡ。本革新の例示的実施形態は、オンキャンパスシャトルへの接続性をシームレスに提供するように努力する。そのようなモビリティの場合に、ＬＳＡ問題の結果は、相対的に中断となる。たとえば、シャトルが、ビルディングの十分に近くを通過する場合に、シャトル内での受信は、ビルディング内の無線マイクロホンの存在のゆえに切断またはチャネル切替を強制することによって中断される可能性がある。

隣接チャネルを有するＬＳＡ。ＦＣＣの決定は、隣接チャネルが空いているか否かに応じた基地局の異なる最大電力レベルを義務づける。実際には、これは、使用可能なチャネルのセットを２つのカテゴリすなわち、より低い最大電力を有するノーマルチャネル（ｎｏｒｍａｌｃｈａｎｎｅｌ）と、その上で基地局がより高い送信電力を使用できる少数のデラックスチャネル（ｄｅｌｕｘｅｃｈａｎｎｅｌ）とに分割する。１つの既存のキャンパスでは、１つのそのようなデラックスチャネルだけがある。ノーマルチャネルおよびデラックスチャネルの存在は、ＡＯＯＣプロトコルに関するＬＳＡ問題をさらに悪化させる。これらのプロトコルは、すべてのクライアントが送信できる少数のチャネルを有するだけではなく、さらに少数のデラックスチャネルを見つける。

要約。ＡＯＯＣプロトコルを使用するホワイトスペースネットワークの分析は、そのようなネットワークが、多数の屋内マイクロホンを有する都市環境で生得的に非効率的であることを示す。１つの暗示は、すべてのノードが同一のチャネル上で動作するプロトコル（搬送波の意味で競合機構）が、オンキャンパスホワイトスペースネットワークで効率的ではないことである。

マルチチャネル解決策。ＡＯＯＣは、周知のＷｉ−Ｆｉ原理に従うので、相対的に単純である。すべてのクライアントを同一チャネル上に有することは、競合解決機構（適応ＴＤＭＡタイププロトコル、ＲＴＳ−ＣＴＳハンドシェーク、および類似物）を含む効率的なＭＡＣ層プロトコルの使用を可能にする。その一方で、ＬＳＡに直面して、そのようなプロトコルの使用に関連する重大な固有のコストがあることが示された。無線マイクロホンが多ければ多いほど、ＬＳＡはより頻繁に発生し、そのようなプロトコルはより非効率的になる。

本革新の例示的実施形態は、基地局が、そのクライアントにサービスするのに複数のチャネルを使用し、チャネルの間で適当に切り替える、ホワイトスペースネットワーキングプロトコルに関する。１つの例示的実施形態では、基地局１０２が、単一のチャネル上で通信するようにグループ化されたクライアントのアップロードトラフィックのためにクライアントにタイムスロットを割り当てる、ＴＤＭＡ（時分割多元接続）ベースの手法。ダウンロードトラフィックは、やはりＴＤＭＡを使用することができ、または、ＯＦＤＭＡ（直交周波数分割多元接続）に基づくものとすることができる。異なるクライアントは、異なるホワイトスペースＴＶチャネル内で（そのタイムスロット中に）送信することができる。基地局は、各タイムスロットにどのクライアントがどのチャネル上で送信するのかを知っており、後続のタイムスロットの間でそのラジオ周波数をそれ相応に切り替えることができる。

クライアント駆動のアルゴリズム。チャネルにクライアントデバイスを割り当てる１つの潜在的なアルゴリズムを、本明細書ではクライアント駆動のアルゴリズムと称する。クライアント駆動のアルゴリズムでは、各クライアントが、それ自体の通信チャネルを選択する。クライアントは、多分、クライアント位置と基地局との両方で使用可能な、最も好ましい送信特性を有する使用可能なチャネル（たとえば、最小の雑音を有するチャネル）を選択するはずである。クライアント駆動のアルゴリズムを使用するすべてのクライアントが、その上で送信すべきチャネルを自由に選択することができるので、基地局は、単純にそれに従って切り替える。

完全にクライアントドライブのアルゴリズムに関する潜在的な問題は、多くの実用的なケースで、そのようなシナリオが、可能でも望ましくもない可能性があることである。その理由は、基地局でのハードウェアによって誘導される切替オーバーヘッドである。このオーバーヘッドが、通常、２〜３ＭＨｚまでの同一のより幅広いチャネル内で周波数を切り替える他のＦＤＭＡ（周波数分割多元接続）プロトコル（ＯＦＤＭＡを含む）で大きくないことに留意されたい。ここでは、５１２ＭＨｚと６９８ＭＨｚとの間のどこかにある可能性がある異なるＴＶチャネル（それぞれが６ＭＨｚ幅である）にまたがって切り替えることが有用である可能性があり、切替オーバーヘッドを回避することがむずかしい可能性が高い。

切替オーバーヘッドの結果は、すべてのクライアントがそれ自体の異なるチャネル上にあることを許すことが、ネットワークスループットに関して実用的ではないことである。望ましくは、多数のモバイルクライアントを、同一チャネル上で一緒にバンドルすることができ、その結果、切替に関するオーバーヘッドがこれらのすべてのモバイルクライアントにまたがって割賦償還されるようになることである。その一方で、モバイルクライアントが１つのチャネル上にあることを強制することは、ＬＳＡ問題のゆえに、問題があり、非効率的である。したがって、一方では多数のチャネルを使用し、その中でクライアントに選択させることと、少数のチャネルを使用し、したがってクライアントが一緒に少数のチャネル上にあることを強制することとの間に、トレードオフがある。多数のチャネルを使用し、その間で切り替えることの１つの利益は、チャネルダイバーシティを利用するより多くの機会が使用可能であることである。もう１つの利益は、ＬＳＡ状況に関するより少ない問題である（たとえば、切断の可能性がより低い）。さらに、クライアント駆動の手法の不利益は、多数のクライアントが異なるチャネル上にある場合に、適応ＴＤＭＡ方式を実施することがむずかしい可能性があることである。すなわち、チャネルごとの適応ＴＤＭＡ方式を使用することの効率が、減らされる。もう１つの不利益は、チャネル切替オーバーヘッドが増えることであり、これは、全体的なスループットに悪影響する。本革新の例示的実施形態は、これらの対立する目標の間でのよいバランスを達成するアルゴリズムを提供することを試みる。

クライアント割当アルゴリズム。次の議論は、本革新によるホワイトスペースネットワーク内のチャネルにモバイルクライアントデバイスを割り当てるアルゴリズムに関する。本革新の例示的実施形態によれば、すべてのクライアントが同一チャネル上にあることは、望ましくない。さらに、基地局は、できる限りまれに、チャネルの間で望ましく切り替えることができる。例示的アルゴリズムは、モバイルクライアントデバイスが別々のチャネルを選択することを可能にすることと、すべてのデバイスが同一チャネル上で通信することを強制することとの間のトレードオフにおける最適スポットを見つけることを試みる。さらに、例示的なクライアント割当アルゴリズムは、それが使用するチャネルの個数において柔軟であり、それでも、おそらくは効率的な性能を達成する。具体的には、本革新によるアルゴリズムは、基地局１０２のモバイルクライアントのうちの多数が異なる無線マイクロホンの非常に近くに位置する場合であっても、ＬＳＡ状況に適合することができる。

図２は、本革新によるチャネル選択アルゴリズムの動作を説明するのに有用なグラフ２００である。グラフ２００は、基地局による８つのモバイルクライアント｛Ｃ₁，…，Ｃ₈｝へのチャネルの割当を示す。チャネルが、ｙ軸上に示され、タイムスロットが、ｘ軸上に示されている。チャネル４は、主ユーザ（すなわち、ＴＶ局などの主ユーザ）の存在によって、すべてのデバイスについて遮断されている。２つのマイクロホンＭ₁およびＭ₂は、クライアント｛Ｃ₄，Ｃ₅，Ｃ₆｝がチャネル１を使用するのを防ぎ、クライアント｛Ｃ₇，Ｃ₈｝がチャネル３を使用するのを防ぐように配置される。図２に示されたチャネルの割当は、チャネル５がクライアント｛Ｃ₇，Ｃ₈｝にとって最高のチャネル品質を有すると仮定して、最適である。

本革新の例示的実施形態は、すべてのモバイルクライアントがそのタイムスロット中に送信するＴＤＭＡベースの方式を使用する。すべてのモバイルクライアントが同一チャネルで送信できるわけではない（すなわち、基地局は、チャネルの間で切り替える）が、同一チャネル上で送信するすべてのクライアントは、通信フレーム内の定義されたタイムスロット中に連続してサービスされる。これは、基地局がチャネルを切り替える必要がある回数を減らし、したがって、切替オーバーヘッドを減らす。したがって、主要なアルゴリズム的問題は、通信フレーム内で、どのクライアントがどのチャネル上で送信するのかを判断することである。この問題を解決するために、本革新によるクライアントアルゴリズムを使用して、すべてのクライアントが良好にサービスされる少数のコスト効率のよいチャネルを選択することができる。本明細書で示すように、適応チャネル幅を採用することは、スループットを最大にするのに有用であり、クライアント割当アルゴリズムが、複数のＴＶチャネルにまたがるチャネルを使用することを可能にすることができる。１つの例示的なチャネル選択および割当アルゴリズムを、表１に示す。

表１に示されたクライアント割当アルゴリズムの各ラウンドで、このアルゴリズムは、クライアントごとに最大のスペクトル効率を有するチャネルを選択する。チャネルＤ上のクライアントｖ_iのスペクトル効率Ｓ_i（Ｄ）は、チャネルＤを使用するときの期待されるスループットを取り込む測定値である。この測定値は、Ｄのチャネル品質ならびにチャネル切替オーバーヘッドおよびやはりチャネルＤに割り当てられる他のクライアントの個数に依存する。直観的には、共通のチャネルＤを使用するクライアントが多ければ多いほど、クライアントあたりの割賦償還されるチャネル切替コストがより多くなる。

例示のために、Ｖ＝｛ｖ₁，…ｖ_n｝すなわち、基地局に関連するクライアントの集合であるものとする。Ｃが、基地局でのＴＶチャネルの集合を表すものとし、Ｄが、そのようなチャネルの連続する部分集合の集合であるものとする。たとえば、ＴＶチャネル２１、２２、２３、および２６が空いている場合には、集合Ｄは、チャネル［２１］、［２２］、［２３］、［２６］、［２１−２２］、［２２−２３］、［２１−２３］になるはずである。例示的実施形態は、適応チャネル幅および静的チャネル幅をサポートする。固定された幅の静的チャネルをサポートする例示的実施形態では、集合Ｄは、集合Ｃと同一になるはずである。このアルゴリズムの残りは、変更されない。任意のチャネルＤ∈Ｄについて、Ｖ（Ｄ）は、基地局への送信にこのチャネルを使用できるクライアントの集合である（すなわち、ＬＳＡ状況では、クライアントはもはやＶ（Ｄ）に含まれない）。最後に、ｑ_i（Ｄ）が、チャネル品質すなわち、クライアントｖ_iが基地局への接続にチャネルＤを使用する場合の１Ｈｚあたりの期待されるスループットを取り込む測定値であるものとする。実際には、複数のＴＶチャネルにまたがるチャネルＤの値ｑ_i（Ｄ）を、これらの個々のＴＶチャネルのチャネル品質推定値ｑ_i（Ｃ）に基づいてさまざまな形で計算することができる。単純だが穏当に正確な形は、任意のサブチャネルの最小チャネル品質、すなわち

として品質ｑ_i（Ｄ）を判定することである。

このアルゴリズムの各反復では、あるチャネルを選択し、これにクライアントを割り当てることが望まれる。具体的には、最高のクライアントあたりのスペクトル効率を有する、すなわち、クライアントあたりのスペクトルの使用を最適化するチャネルおよびクライアントを見つけることが望ましい。Ｗ⊆Ｖ（Ｄ）が、あるチャネルＤを使用するクライアントの集合であるものとする。クライアントあたりのスペクトル効率Ｓ_W（Ｄ）は、このチャネルを使用してクライアントが達成する有効な期待されるスループットである。

したがって、Ｓ_W（Ｄ）を、

として定義することができ、ここで、ＣＷ（Ｄ）は、Ｄのチャネル幅（すなわち、Ｄを構成するＴＶチャネルの個数）であり、Δは、フレーム内の１スロット時間の分数として表された、チャネル切替時間である。

最初の２つの項は、本質的に、このチャネル上で送信するクライアントがどれほどの総スループットを有するのかを表す。式（１）の最後の項は、チャネルＤ上でクライアントＷにサービスした後に、基地局が別のチャネルに切り替える必要があるという事実を考慮に入れるためのものである。潜在的な例外は、すべてのクライアントに単一のチャネル上でサービスできるケースであり、これは、すべてのクライアントがそのチャネルに関連すると仮定して各チャネルの効率をチェックすることによって、このアルゴリズムによって別々に簡単に処理できる、まれなケースである。したがって、選択されたチャネルのクライアントあたりのスペクトル効率を、切替に費やされる時間の分数だけ減らすことができる（｜Ｗ｜−Δ）／｜Ｗ｜。

ここで、このアルゴリズムは、複数のステップで進行する。各ステップでは、このアルゴリズムは、チャネルとクライアントの集合とを貪欲に選択し、これらのクライアントをこのチャネルに関連付ける。クライアントがそのように「サービス」された後に、そのクライアントは、このアルゴリズムの後続の反復ではもはや考慮されない。各ステップの目標は、クライアントあたりのスペクトル効率を最大にするチャネルおよびサービスされていないクライアント部分集合を選択することである（表１の行１１を参照されたい）。

このアルゴリズムは、おそらくは、同一のチャネルを複数回（異なるクライアントと共に）選択することができる。明らかに、基地局は、これらのクライアントのすべてに、これらの間で切り替える必要なしに連続してサービスすることができ、したがって、１つのチャネル切替を除去することができる。したがって、チャネルのクライアントあたりのスペクトル効率を計算するときには、既に選択されているすべてのチャネルからのチャネル切替オーバーヘッドを度外視することが望ましい。式１は、望ましくは、そのようなチャネルについて適当に調整される。具体的には、Ｄが既に選択されている場合には、

である。

チャネル切替オーバーヘッドの度外視は、アルゴリズムがあるチャネル上でそのクライアントの少なくとも一部にサービスすると判断した後に、この存在するチャネルに追加のクライアントを追加することがより安価になり、これが、切替コストを割賦償還するという効果を有するという結果を有する。したがって、このアルゴリズムは、クライアントをチャネル上にクラスタ化するという自然な傾向を有する（もちろん、これがＬＳＡに起因して可能でない場合または新しいチャネルの開始がよりスペクトル効率のよいものになるほどにチャネルダイバーシティが大きい場合を除く）。

チャネルごとに、このアルゴリズムは、このチャネルで送信できるすべてのクライアントＶ（Ｄ）のうちでまだサービスされていないものの中から、クライアントの最もスペクトル効率のよい部分集合Ｗ＊を見つける（表１の行６、８を参照されたい）。指数関数的に多数のそのような集合Ｗ＝２^Vがあるにもかかわらず、クライアントのチャネル品質ｑ_i（Ｄ）に従ってクライアントを１つずつ考慮することによって、最適の部分集合を簡単に多項式時間で見つけることができる。例示的なアルゴリズムは、各クライアントが基地局と共通する少なくとも１つのＴＶチャネルを有する限り、すべてのクライアントにサービスする。

このアルゴリズムの目標は、ＬＳＡ状況、チャネル品質、およびチャネル切替オーバーヘッドを考慮に入れることによって、総スループットを最適化することである。このアルゴリズムを、理論的に分析することができる。具体的には、次の定理が適用可能であることを示すことができ、これは、このアルゴリズムが、ワーストケースシナリオであっても、最適に近い集約スループットをどうにか達成できることを示す。

定理１例示的アルゴリズムによって各フレーム内で達成される集約スループットが、最適チャネル割当の１−１／ｅ倍以内であるものとする。

証明は、ｋヒッティングセット問題（ｋ−ｈｉｔｔｉｎｇｓｅｔｐｒｏｂｌｅｍ）に対する近似保存リダクション（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ−ｐｒｅｓｅｒｖｉｎｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）に基づく。実際には、このアルゴリズムは、本明細書で示すように、理論的なワーストケース境界より有効に実行する。

複数基地局のケースへの一般化。下で示すように、例示的実施形態（クライアント駆動のアルゴリズムと例示的なクライアント割当アルゴリズムとの両方）を、複数のおそらくは干渉しオーバーラップする基地局がある場合に効率的に動作し続けるように適合させることができる。チャネル割当のクライアント駆動のアルゴリズムとクライアント割当アルゴリズムとの両方を、些細な変更を伴って複数の基地局を有するシナリオで使用できることがわかる。

干渉の軽減。複数の基地局のシナリオでの潜在的な問題は、隣接する基地局（およびそれらに関連するクライアント）が、お互いに干渉する可能性があることである。複数基地局干渉最小化問題の保証を、オンキャンパスのある中央サーバで解くことのできる複雑な組合せ最適化問題として定式化することが可能である。このサーバは、基地局ごとに、干渉を回避するために、どのクライアントにサービスするのにどのチャネルを使用すべきかならびに各フレーム内のタイムスロットのタイミングを判断することができる。これは、可能であり、効率的なスケジュールにつながることができるが、現在のオンキャンパス展開に適当と思われる高オーバーヘッド解決策でもある。

その代わりに、ゲーム理論的手法を選択することができ、この手法では、各基地局（それに関連するクライアントと一緒に）が、ローカルに、干渉の強いチャネルを避けることによってそれ自体の性能を最適化することを求める。具体的には、単一基地局アルゴリズムを、２つの形で調整することができる。

両方のアルゴリズムが、基地局／クライアントが他のチャネルによって使用中であるチャネルを選択することを固有にやめさせる傾向がある。チャネル品質ｑ_i（Ｄ）（このチャネルを使用するときの期待されるスループットを取り込む測定値である）は、他の基地局またはクライアントがこのチャネル上で送信する場合に低下する。例示的実施形態では、この挙動は、パケットが衝突に起因して捨てられたすべてのチャネルＤについて値ｑ_i（Ｄ）を減らすことによってサポートされる。これは、隣接する基地局がオーバーラップするチャネルを回避することにつながり、改善された負荷平衡化を生じる。オーバーラップが回避不能である場合には、基地局は、望ましくは、干渉を最小にするために、少なくとも、同一フレーム内でオーバーラップするタイムスロットを割り当てないものとすることができる（基地局を、フレーム境界に同期化することができる）。これは、オーバーラップする基地局で異なるチャネル順序付けを有することによってかなりの程度まで達成でき、この異なるチャネル順序付けは、これらの基地局がそのチャネルに異なる順序でサービスすることを保証する。この手法は、パケット衝突を最小にするのを助ける。

本革新の例示的実施形態は、２つの基地局が同一のチャネルを使用してお互いを見つけ、その後、別のチャネルに切り替えて、もう一度お互いに干渉していることに気付くのみである、古典的な対称性の破れ問題（ｓｙｍｍｅｔｒｙｂｒｅａｋｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍ）に対処する。具体的には、例示的実施形態は、２つの隣接する基地局が同時に判断を行わないように、基地局ごとに判断点を時間シフトする。例示的実施形態では、モバイルクライアントは、基地局に最高のＲＳＳＩ値を関連付けることができる。

実験結果。本革新の例示的実施形態の実験データを入手する過程で、ホワイトスペースジオデータベースが、ＦＣＣによって推奨されているように実施された。このジオデータベースは、ＮＡＳＡのウェブサイトからの地勢データと、ＦＣＣデータベースからのＴＶ塔の位置とを使用する。このジオデータベースは、ロングリーライス（Ｌｏｎｇｌｅｙ−Ｒｉｃｅ）伝搬モデル化を使用して、所与の位置でのホワイトスペース可用性を判定する。このデータベースを、キャンパス実施態様で使用可能なホワイトスペースを判定するのに使用した。

１つの例示的実施形態は、本明細書で説明するラジオを使用する３ノードネットワークを使用する。１つのラジオは、キャンパスのビルディングの屋上の基地局としてセットアップされる。もう１つのラジオは、規則的な経路に沿ってキャンパスを周回するシャトルバス内のモバイルクライアントとして使用される。第３のラジオは、キャンパスの異なる部分に移動される遊動モバイルクライアントとして展開される。

モバイルクライアントとして展開されるホワイトスペースラジオを制御できるＰＣが、クライアントの位置を基地局に周期的に通信し、この基地局は、使用可能なチャネルについてジオロケーションデータベースに照会する。感知のために、ＦＣＣによって課せられる下しきい値で感知できるＵＳＲＰベースのスキャナを使用することができる。さらに、無線マイクロホンオペレータは、彼らがホワイトスペースネットワークからの干渉に出会う場合にジオロケーションデータベースを更新するためのウェブＡＰＩをも有する。

１つの例示的実施形態では、シャトル内のホワイトスペースラジオを動作させるＰＣが、Ｗｉ−Ｆｉアクセスポイントとしてラジオを動作させることができる。これは、ユーザが、ホワイトスペーススペクトル上で無料でインターネットへのアクセスを有することによって利益を得ることを可能にする。

実験ネットワーク内の基地局は、４ＷＥＩＲＰで送信する。モバイルクライアントは、電力制御を使用し、１００ｍＷＥＩＲＰの最大値を使用する。基地局およびモバイルクライアントでＢＰＳＫ変調を使用し、上記のセッティングを使用して、基地局は、ＶＨＦ上でシャトル内のすべてのポイントからｐｉｎｇされることができた。ＵＨＦ上では、カバレージがより制限され、カバレージの結果の凸閉包を有した。

シャトルが移動しているときのシャトルの内部の連続カバレージを提供するために、ＶＨＦホワイトスペースが使用された。これは、部分的には、ＶＨＦ無線マイクロホンの人気がなく、ＶＨＦＴＶチャネルがＬＳＡに出会う可能性が低いという結果を伴うからである。さらに、ＶＨＦは、よい伝搬特性を有する。さらに、例示的実施形態を、クライアントデバイスが移動している（たとえば、シャトル上で移動している）ときにＶＨＦチャネルにクライアントデバイスを割り当てるように構成することができる。しかし、シャトルが移動していないときにはＵＨＦチャネルに切り替えることが望ましい可能性がある。というのは、７つのみのＶＨＦチャネルと比較して、３０個の使用可能なＵＨＦチャネルがあるからである。

チャネル割当アルゴリズム実施態様。例示的なホワイトスペースネットワークは、本明細書で説明する例示的なクライアント割当アルゴリズムを実施した。この実施態様は、ＷｉＭａｘプロトコルが複数の不連続チャネルにまたがるフレームをサポートしないことを考慮に入れるものである。したがって、この実施態様は、異なるチャネル上の複数のクライアントに同一の基地局によってサービスすることを可能にする。既存のラジオは、チャネル切替および対応する関連付けのオーバーヘッドを割賦償還するために、２００ｍｓタイムスロットを割り当てるように変更された。タイムスロットを切り替えるときに、必要な場合には異なる周波数チャネルへの切替を行うことができる。さらに、フレームを、クライアントの新しい集合にサービスするために変更することができる。

図３は、本革新によるホワイトスペースネットワーキングを実行するように構成されたネットワークスタック３００のブロック図である。ネットワークスタック３００は、ホワイトスペースをサポートするために基地局およびモバイルクライアント上で使用できる変更されたＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ネットワークスタックを表す。ネットワークスタック３００は、ユーザモード空間３０２およびカーネルモード空間３０４を含む。ほとんどのコンポーネントは、ユーザモード空間３０２に常駐するが、カーネルモード空間３０４内の変更は、異なる帯域幅のサポートを提供し、主ユーザの存在下で周波数を切り替える。

Ｗｉ−Ｆｉおよび上位層へのイーサネット（登録商標）様インターフェースを公開する他の無線プロトコルとは異なって、ホワイトスペースラジオに関するＦＣＣ規制は、スペクトル可用性の判定を提供する。この判定を、ＩＰを介してジオロケーションサービスと通信することならびにラジオから感知することによって行うことができる。この機能性は、ネットワークスタック３００内でサポートされる。

図３に示された例示的実施形態では、ユーザモード空間３０２は、スペクトルアクセス制御モジュール３０６を含む。スペクトルアクセス制御モジュール３０６は、デバイスによって使用できるホワイトスペースを判定するユーザレベルサービスである。スペクトルアクセス制御モジュール３０６は、（ｉ）ジオロケーションサービスモジュール３１８（それに関するロケーションが必要な）と通信すること、（ｉｉ）ＴＶおよび無線マイクロホンのスペクトルを感知すること、または（ｉｉｉ）近くのノードからのスペクトルレポートを使用することによって、それを行う。さらに、使用できるスペクトルは、国または地域の政策（ポリシ）に依存する。これを、スペクトルアクセス制御モジュール３０６のポリシモジュール３２８によって考慮することができる。スペクトルアクセス制御モジュール３０６によって公開される主ＡＰＩは、デバイスによって使用できるチャネルの集合である。

スペクトルアクセス制御モジュール３０６は、ＷＬＡＮサービスモジュール３０８とインターフェースし、ＷＬＡＮサービスモジュール３０８は、ホワイトスペース拡張モジュール３１０を含む。ＷＬＡＮサービスモジュール３０８は、Ｗｉ−Ｆｉネットワークへのアクセスを提供できる無線ネットワーキングカードの関連付けを管理する。ホワイトスペース拡張モジュール３１０は、Ｗｉ−Ｆｉネットワークが使用不能であるときにホワイトスペースネットワークへの遷移を行うために、ＷＬＡＮサービスモジュール３０８によって提供されるサービスを機能強化する。ＷＬＡＮサービスモジュール３０８は、スペクトルアクセス制御モジュール３０６が、その現在のチャネルが使用不能であることをシグナリングする場合に、スペクトルの異なる部分に切り替える責任をも負う。

スペクトルアクセス制御モジュール３０６は、位置ＡＰＩ３１２から測位データを受け取る。位置ＡＰＩ３１２は、ＧＰＳモジュール３１４および／またはＷｉ−Ｆｉモジュール３１６を含む広範囲のソースから測位情報を受け取ることができる。スペクトルアクセス制御モジュール３０６は、ジオロケーションサービスモジュール３１８からもデータを受け取る。

カーネルモード空間３０４は、ＴＣＰ／ＩＰモジュール３２０、ネイティブＷｉ−Ｆｉフィルタドライバ３２２、および無線カードドライバ３２４を含む。ホワイトスペースドライバ３２６を実施して、周波数および帯域幅の制御を提供することができる。さらに、ネットワークおよびチャネルにまたがって切り替えるときに、パケットをバッファリングすることができる。ホワイトスペースドライバ３２６は、スペクトル感知を提供することもできる。

実験データおよびシミュレーションデータの評価。本革新の実施態様に関する実験データの入手に加えて、例示的なチャネル割当アルゴリズムに関してシミュレーションを実行した。次の議論は、実験ネットワーク実施態様から入手されたデータならびにシミュレーションによって入手されたデータの評価に関する。

本革新によるチャネル割当アルゴリズムの性能を、単一基地局ネットワークおよび複数基地局ネットワークに関して評価することができる。単一基地局評価は、さまざまなアルゴリズムが異なるシステムパラメータの変化にどのように反応するのかを示すマイクロベンチマークのためのものである。複数基地局のケースについて、既知のキャンパス環境をモデル化する。

セットアップ。ＱｕａｌＮｅｔに対するホワイトスペース拡張を実施した。具体的には、モデル化される態様は、ＴＶチャネルの可用性および非可用性、フラグメンテーション、適応チャネル幅、ならびに類似物を含む。無線マイクロホンを、アクティブまたはインアクティブである、ある確率を有するマルコフ過程としてモデル化した。無線マイクロホンは、ランダムなＴＶチャネル上で動作すると仮定され、これは、潜在的に実際のキャンパス環境を反映する。単一基地局のケースでは、無線マイクロホンは、平面内にランダムに配置される。複数基地局のケースでは、マイクロホンは、既知のキャンパス内の会議室を有する実際のビルディングに対応する位置に配置される。

アルゴリズム。本革新の実施態様では、使用されるプロトコルは、ＴＤＭＡベースであった（アップリンクとダウンリンクとの両方について）。競合オーバーヘッドは、ＡＯＯＣベースラインプロトコルについてはモデル化されない。これは、比較をより保守的にすることによって、ＡＯＯＣベースラインプロトコルの性能を改善するという効果を有する。３つのフレーム割当アルゴリズムすなわち、すべてのモバイルクライアントが基地局と同一のチャネル上にある包括的ＡＯＯＣプロトコル、クライアント駆動のアルゴリズム、および本明細書で説明するクライアント割当アルゴリズムを実施した。クライアント駆動のアルゴリズムおよびクライアント割当アルゴリズムについて、チャネル切替時間は、切替が行われる前のタイムスロットから演繹される。フレーム中に、基地局が同一チャネル上で複数のクライアントにサービスする場合には、これらのクライアントのスロットが、不必要なチャネル切替を回避するためにバンドルされる。したがって、クライアント駆動のアルゴリズムは、必ずしもチャネルを切り替えない可能性がある。

重要なパラメータ。シミュレーションセットアップは、当然、モデル挙動に関連するパラメータの大きいセットを含む。表２に、これらのパラメータのデフォルト値を示す（可能なときには必ず、実施態様または文献に基づく）。さまざまなパラメータは、システム性能に対する異なるパラメータの影響を評価するために、このデフォルトセッティングに対して相対的に変更される。そうではないと述べられない限り、すべてのそのような感度分析は、デフォルト構成に対して相対的に行われる。

スペクトル可用性（無線マイクロホン以前の）は、実施されるネットワークの実際のチャネル可用性マップに基づく。マイクロホンは、オンキャンパスの会議ビルディング内に配置されることがわかっている。ある状況では、５０個のマイクロホンが配布され、各マイクロホンは、０．５の確率で電源を入れられる。

シミュレーションは、平均して約２５個のマイクロホンがオンになっていることをモデル化する。これは、保守的な推定である可能性が高い。不確かな証拠は、１日の中のピークタイムに、５０から６０個もの多数のマイクロホンが同時に動作することを暗示した。デフォルトセッティングは、５０％の高い平均パケット消失レートおよび比較的低いチャネル密度（ｓｔｄ＝０．５）を有する。これは、２つの理由による意識的選択である。第１に、平均値は、すべてのチャネルにまたがってとられ、多数のチャネルが、雑音のゆえに非常に悪い可能性がある。第２に、評価は、高いパケット消失レートおよび比較的低いチャネルダイバーシティが、ＡＯＯＣアルゴリズムに対する本革新のむずかしいシナリオであることを示す。

シミュレーション結果。さまざまなアルゴリズムの性能を比較するときには、結果を、ＡＯＯＣアルゴリズムの性能を表すベースラインに対して正規化する。データ点は、５０回のシミュレーション実行にわたって平均をとられる。

次の議論は、総合システムスループットに対するさまざまな関連パラメータの影響の調査に関する。パラメータごとに、適応チャネル幅のケースおよび適応チャネル幅なしのケース。具体的には、本革新による例示的なアルゴリズムならびにＡＯＯＣアルゴリズムが、１つのＴＶチャネルの使用に制限されるケース（単一チャネル）、ならびに、ベースラインＡＯＯＣと例示的実施形態との両方が、使用可能な場合により幅広いチャネルを使用できるケース（適応チャネル）をシミュレートされたい。議論される第１のケースは、単一チャネルのケースである。

チャネル切替時間の影響。異なるチャネル上のクライアントにサービスするために、本革新による例示的なマルチチャネル手法（特にクライアント駆動の手法）の基地局は、チャネル切替の際に余分な時間を費やす。対照的に、チャネル切替は、ＡＯＯＣプロトコルについては不要である。したがって、チャネル切替時間が増えるにつれて、ＡＯＯＣが、クライアント駆動の手法より相対的に高い性能を提供することは明白である。例示的なクライアント割当アルゴリズムは、望ましくは、非常に短いチャネル切替時間についてクライアント駆動の手法のように振る舞い、その後、切替オーバーヘッドが増えるにつれて、徐々によりＡＯＯＣに似て振る舞い始める。すなわち、任意のチャネル切替時間について、クライアント割当アルゴリズムは、望ましくは、この２つの極端の間のスイートスポットを見つける。

観察による証拠は、この期待される挙動が発生することを確認する。チャネル切替時間が１ｍｓから１０ｍｓ（フルスロット時間）まで変更されるときに、ＡＯＯＣアルゴリズムのスループットは一定のままになるが、クライアントドライブ手法は、線形に劣化する。クライアント割当アルゴリズムは、約２ｍｓまではこの劣化に従うが、その後には、より少数のチャネル上でクライアントをより効率的にクラスタ化し始め、したがって、ＡＯＯＣとクライアント駆動との両方を大幅にしのぐ。非常に長いチャネル切替時間についても、クライアント割当アルゴリズムのスループットは、ＡＯＯＣより約２０％高い。これは、そのような高い切替オーバーヘッドであっても、クライアント割当アルゴリズムが、時々、たとえば、そうでなければベースチャネル上の非常に悪いチャネル品質を有したはずのチャネル上の２つのクライアントをバンドルすることによる、チャネルダイバーシティの極端な形を回避できるからである。

チャネル品質／ダイバーシティの影響。チャネル品質は、平均パケット消失レートに対応する測定値であり、したがって、システムスループットが平均チャネル品質において本質的に線形であると期待される。チャネルダイバーシティに関して、チャネル品質がますます多様になる（標準偏差が増える）につれて、マルチチャネルアルゴリズムは、異なるクライアントに異なるチャネルを割り当てることができるので、このダイバーシティをより活用できると期待される。したがって、ダイバーシティが高ければ高いほど、これらのアルゴリズムは、チャネル切替オーバーヘッドをより効率的に割賦償還できるようになる。

観察による証拠によれば、ＡＯＯＣ性能は、チャネル品質ダイバーシティが増えるときに、平均値が同一のままである限り、わずかに改善するのみである。その理由は、これらのアルゴリズムが、共通して使用可能なチャネルを選択することだけができるからである。したがって、比較的少数のチャネルが使用可能である。対照的に、マルチチャネルアルゴリズムは、チャネルダイバーシティの増加に伴ってその性能を大幅に改善する。たとえば、等しいチャネル（ｓｔｄ＝０）から完全に多様なチャネル（ｓｔｄ＝１）に進む総合性能の増加は、ＡＯＯＣについて約１０％に過ぎないが、クライアント駆動のアルゴリズムおよびクライアント割当アルゴリズムは、それぞれ３３％および３２％だけ改善する。

マイクロホン／ＬＳＡの影響。無線マイクロホンのゆえのＬＳＡ問題の発生は、ホワイトスペースネットワークにおける関連する区別する制約である。無線マイクロホンが全くない場合には、３つすべてのアルゴリズムが、ほぼ等しく実行し、小さい差は、チャネルダイバーシティを活用する可能性から生じる。しかし、マイクロホンの数が増え、ＬＳＡが頻繁になるにつれて、適応マルチチャネルアルゴリズムとＡＯＯＣアルゴリズムとの間の主要な差は、劇的である。マルチチャネル性能は、穏やかに低下する（クライアント割当アルゴリズムとクライアント駆動のアルゴリズムとの両方）が、ＡＯＯＣプロトコルの性能は、少ない個数のマイクロホン（たとえば、１５個または２０個を超えるマイクロホン）についても劇的に低下する。これは、期待と一致する。これは、マルチチャネルプロトコルだけが、システムスループットの大幅な劣化を伴わずにマイクロホンの存在をこうむることができることを暗示する。

適応チャネル。本明細書で説明するように、チャネルをバンドルする可能性は、ＡＯＯＣプロトコルよりマルチチャネルプロトコルをさらに奨励する。これは、本革新に関する観察によっても示される。以前に説明した単一チャネルプロットに対応する適応チャネル幅プロットは、定性的には類似するが定量的にはより極端な挙動を示す。単一チャネルのケースと比較して、ＡＯＯＣプロトコルの性能劣化は、さらによりすばやい。単一チャネルのケースでは、ＡＯＯＣは、約１０個のマイクロホンまで良好に実行するが、その性能は、マイクロホンなしのシナリオと比較して、既に約２５％低下している。

複数の基地局。ここまでで説明した結果は、単一基地局ネットワークに関する。以下は、複数基地局のケースでの異なるアルゴリズムの性能に関する。述べたように、基地局ならびにマイクロホンは、実際の実施態様の基地局に対応する実際の物理位置ならびにマイクロホンを有する会議室に配置される。クライアントは、最も近い基地局に関連付けられると仮定する。

観察による証拠は、すべてのクライアントが同一チャネル上にある場合に、両方のマルチチャネルアルゴリズム（すなわち、クライアント駆動のアルゴリズムおよびクライアント割当アルゴリズム）が、ＡＯＯＣベースの手法より有効に実行することを示唆する。単一の基地局が使用される場合には（たとえば、カバーされるキャンパスのサイズのゆえに、基地局が使用すべき共通して使用可能なチャネルがない可能性が高い。モバイルクライアントは、切断を強制される。しかし、基地局密度が高まるときには、ＡＯＯＣベースのプロトコルの性能も改善される。これは、局所性のゆえである。複数の基地局が所与のキャンパスエリアをカバーする状態では、各関連するクライアントの平均距離が減る。マイクロホンの個数が一定であると仮定すると、ＬＳＡの尤度も減る。したがって、より多くのチャネルが使用可能になる。マルチチャネル解決策の性能が改善されることがわかる（たとえば、２つの基地局について２倍のスループット）。基地局の数が増えるにつれて、マルチチャネルとＡＯＯＣとの間の差が減る。これも、ＬＳＡが減るので期待される。

テストベッド妥当性検査。２つのクライアントノードが、ホワイトスペース基地局と通信するためにセットアップされた。ダウンストリームｉｐｅｒｆＴＣＰセッションが、基地局からクライアントへ開始され、チャネル条件が変更された。３／４符号化を用いるＱＰＳＫが、１．７５ＭＨｚチャネルで使用され、カスタムシナリオが、実施態様の２つの態様を実証するために評価された。この２つの態様は、実施態様が期待された通りに働くことと、チャネル切替コストが低いこととである。

カスタムセットアップが、３つのＴＶチャネルすなわち２１、２２、および２６を使用して実行され、これらのチャネルは、すべて、特定のキャンパス環境で使用可能である。クライアント１について、チャネル２１は当初に使用可能であり、チャネル２２はマイクロホンを有し、チャネル２６は悪い品質を有する。クライアント２について、チャネル２１および２２は使用可能であり、２６は悪い品質を有する。これは、本革新の評価に関する多くのシナリオをカバーする。

当初に、チャネル２１が両方のクライアントで使用可能であるときに、基地局は、同一のチャネルを使用する。２５秒後に、マイクロホンが、クライアント２についてチャネル２１で導入され、これが、基地局に２つのチャネルすなわち２１および２２にまたがって切り替えさせた。やはり、開始から５０秒後に、チャネル２１が、ノード１でも阻止され、この場合に、ノード１は、チャネル２６の品質が相対的に悪いが、チャネル２６に切り替える必要がある。７５秒後に、マイクロホンが、クライアント１についてチャネル２１から除去される。１００秒後に、初期条件がもう一度課せられる。観察データによれば、実施態様は、期待される通りに実行する。さらに、２５秒と５０秒との間の時間に強調されるチャネル切替オーバーヘッドは、非常に大きくはない。

図４は、ホワイトスペースを使用する無線ネットワークを介してデータを送信するコンピュータ実施される方法４００の処理流れ図である。方法４００は、本革新によるホワイトスペースネットワーク内で１つまたは複数の無線基地局とモバイルクライアントデバイスとの間の通信のためのチャネルの割当を提供する。ブロック４０２では、第１のモバイルクライアントデバイスおよび第２のモバイルクライアントデバイスとの通信のための第１のホワイトスペース送信チャネルを判定する。ブロック４０４に示されているように、第１のホワイトスペース送信チャネル上で、第１のモバイルクライアントデバイスおよび第２のモバイルクライアントデバイスとの通信を行う。

方法４００は、ホワイトスペースネットワークでのＬＳＡ問題に対処する。ブロック４０６に示されているように、第１のホワイトスペース送信チャネルが第１のホワイトスペース送信チャネル上の主ユーザの存在のゆえに第２のモバイルクライアントデバイスから使用不能であるときには、第１のホワイトスペース送信チャネルとは異なる第２のホワイトスペース送信チャネルを、第２のモバイルクライアントデバイスとの通信のために判定する。第１のホワイトスペースチャネルの使用不能性は、第２のモバイルクライアントデバイスの付近の第１のホワイトスペース送信チャネル上の主ユーザの存在のゆえに、第２のモバイルクライアントデバイスに対して発生する可能性がある。たとえば、無線マイクロホンが、第２のモバイルクライアントデバイスが配置されるビルディング内で第１のホワイトスペース送信チャネルを使用し始める場合がある。ブロック４０８では、第１のモバイルクライアントデバイスとの通信が第１のホワイトスペース送信チャネル上で行われるとの同時に、第２の無線デバイスとの通信を第２のホワイトスペース送信チャネル上で行う。

本革新の例示的実施形態は、ＦＣＣによって示された電力制限を守りながらのホワイトスペースネットワークの測定をもたらした。さらに、標準規格を設計するかホワイトスペース上のネットワークを構築するときに望ましくは考慮に入れられるホワイトスペースネットワークのプロパティを、本明細書で説明する。

本革新の例示的実施形態は、キャンパスネットワークでの屋外カバレージの提供に関する。実験データを介して、ホワイトスペースのより低い周波数が、非常に少数の基地局を用いてキャンパス全体をカバーするためのよい伝搬特性を有することが示された。しかし、キャンパスでの無線マイクロホンの流行している使用は、課題を提示する。無線マイクロホンのカバレージエリアが、本明細書で分析され、ビルディング内で一般的に使用される遮蔽材料が、無線マイクロホンの信号を大きく減衰させ、これによって、マイクロホンによって影響される領域を制限することが示された。これは、チャネルがモバイルクライアントから使用不能であるが基地局からは使用可能である、本明細書でＬＳＡと称する都市ホワイトスペースネットワークのプロパティにつながる。本明細書では、基地局が単一のチャネル上のすべてのモバイルクライアントと通信するプロトコルが、大きい性能劣化をもたらすことが示される。例示的なチャネル選択アルゴリズムが、この問題に対処するために、本明細書で提案される。例示的アルゴリズムの性能が、プロトタイプ展開を参照して説明される。実験結果は、例示的アルゴリズムが、共通して使用可能なチャネル上で動作するプロトコルに対して大幅に改善された性能を提供することを示す。

測定方法論。本革新の例示的実施態様は、取り付けられた２５から１５００ＭＨｚのＶＨＦ／ＵＨＦアンテナを有するモバイルシャトルバスを使用する。アンテナは、ＲＧ−８ケーブルを使用してシャトル内のラジオに接続される。ホワイトスペースラジオに接続されたＰＣを、シャトルがキャンパス全体を移動するときの信号強度を測定するのに使用することができる。１つの例示的実施形態では、ＰＣは、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）７などのＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）オペレーティングシステムを使用して動作する。ＰＣを使用して、ネットワークアクティビティに関する測定値（たとえば、信号強度）を記録し、ＧＰＳ読みを用いてアクティビティデータにジオタグを付けることができる。

ＷｉＭａｘＩＥＥＥ８０２．１６ｄチップセットを使用して、無線ネットワーキングプロトコルを使用する通信を提供することができる。そのようなチップセットは、１ＧＨｚ未満で動作することができる場合がある。動作の特定の周波数は、ポリシファイルを介してセット可能である場合がある。１つの例示的実施形態では、動作の範囲が、上側ＶＨＦおよびＵＨＦホワイトスペース周波数上、たとえば、１７４ＭＨｚから２１６ＭＨｚおよび５１２ＭＨｚから６９８ＭＨｚである場合がある。ハードウェアを、１０Ｗまでで送信するように構成することができるが、この電力レベルは、ＦＣＣ実験免許によって許容される周波数を超える可能性がある。

１つの例示的実施形態では、２つの基地局ノードが、１マイル（１．６ｋｍ）×０．７５マイル（１．２ｋｍ）にまたがるキャンパスでの測定のために展開された。２ｄＢｉ利得を有する２５〜１５００ＭＨｚジスコンアンテナが、４階建ビルディングの屋上に配置された。１００フィート（３０ｍ）ＲＧ−８ケーブルが、アンテナをラジオに接続するのに使用され、このラジオは、ビルディングの２階のサーバルームに配置された。ＲＦケーブルは、２ｄＢの減衰を追加し、この減衰は、アンテナの利得によって打ち消された。

キャンパスシャトルは、ホワイトスペースで動作するように変更された。ラジオは、シャトルバッテリに接続され、システムは、シャトルの連結器に取り付けられた２つの異なるアンテナを用いてテストされた。より小さいアンテナの性能は、ＵＨＦスペクトルでよく、より大きいアンテナは、ＵＨＦ帯およびＶＨＦ帯で良好に実行した。５１８ＭＨｚの周波数が、ホワイトスペースカバレージをテストするのに使用され、１７７ＭＨｚの周波数が、ＶＨＦ周波数を介するカバレージをテストするのに使用された。両方の対応するＴＶチャネルが、キャンパス位置で使用可能であった。

例示的実施形態では、各ラジオは、ＰＣを使用して制御され、このＰＣには、ＧＰＳユニットも取り付けられた。たとえば、ＧｌｏｂａｌＳａｔ社のＢＵ−３５３ＧＰＳは、ＳｉＲＦＳｔａｒｔＩＩＩチップセットに基づき、その位置精度は、９５％の時に３ｍ以内である。このＰＣを、規則的なインターバルで、たとえば１秒おきに１回、ＧＰＳ位置を記録するのに使用することができる。シャトル内でカバーするのに４５分から１時間を要する例示的な経路で、約２５００から３０００個のデータ点を、すべての構成について記録することができる（毎秒１つの読み）。

例示的なシステムを、ＦＣＣからの実験免許の下で動作させ、この実験免許は、キャンパス環境内でのすべてのホワイトスペース上の動作を許可した。この免許は、固定されたノードから４ＷＥＩＲＰ、モバイルノードから１００ｍＷＥＩＲＰでの送信を許可する。この免許は、ＵＨＦ周波数帯（５１２ＭＨｚから６９８ＭＨｚ）およびＶＨＦ周波数帯（１７４ＭＨｚから２１６ＭＨｚ）でのモバイルノードからの送信をも許可する。

既存のＷｉ−Ｆｉ展開に関するカバレージホール。本明細書で説明するように、既存のＷｉ−Ｆｉ展開は、屋外で比較的限られたカバレージを有する。例示的実施形態は、ビルディングの近くで速度を下げながら、既存キャンパス上のさまざまなシャトル経路に沿って運転することによって、カバレージを定量化するのに使用された。Ａｔｈｅｒｏｓチップセットを有するラップトップＰＣが、車で移動された。外部アンテナを用い、キャンパス上のＷｉ−ＦｉアクセスポイントからのビーコンのＲＳＳＩ（ｒｅｃｅｉｖｅｄｓｉｇｎａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｉｎｄｉｃａｔｏｒ）を測定した。Ｗｉ−Ｆｉカードは、１３０ｍｓのドエルタイムで１１２．４ＧＨｚＷｉ−Ｆｉチャネルのすべてをスキャンしていた。記録された結果は、２秒のインターバルに分割された。すべてのインターバルについて、最大の受信されたＲＳＳＩビーコンが記録され、累積分布関数（ＣＤＦ）が、すべてのタイムスロットにまたがってプロットされた。公開を簡単にするために、結果を示すグラフは、ＲＳＳＩの絶対値を表すのにＸ軸を使用する場合がある。使用されたＷｉ−Ｆｉチップセットの雑音フロアは、−９５ｄＢｍである。結果は、６０％を超える時間に、ラップトップＰＣがＷｉ−Ｆｉカバレージを有しなかったことを示した。カバレージがあるときであっても（たとえば、キャンパスビルディングの非常に近く）、ＲＳＳＩは、極端に低かった。

もう１つの実験は、すべてのキャンパスビルディング内に複数（４つまで）のＷｉ−Ｆｉアクセスポイントを配置することによって、車両内の屋外Ｗｉ−Ｆｉカバレージを改善することを試みた。しかし、Ｗｉ−Ｆｉのより高い周波数（２．４ＧＨｚ）は、非常に悪い伝搬特性を有し、いくつかのカバレージホールにつながった。また、キャンパスの大きい部分（ビルディングの間など）は、全くカバーされなかった。

結論。上で説明されたものは、本革新の例を含む。もちろん、請求される主題の説明において、コンポーネントまたは方法論の考えられるすべての組合せを記述することは不可能であるが、当業者は、本革新の多数のさらなる組合せと置換とが可能であることを認めるであろう。したがって、請求される主題は、添付の特許請求の範囲の趣旨と範囲とに含まれるすべての代替形態、修正形態、および変形形態を包含することが意図されている。

具体的には、上で説明されたコンポーネント、デバイス、回路、システム、および類似物によって実行されるさまざまな機能に関して、そのようなコンポーネントを説明するのに使用された用語（「手段」への言及を含む）は、そうではないと示されない限り、請求される主題の本明細書で示された例示的態様の機能を実行する開示された構造と構造的に同等ではない場合であっても、説明されたコンポーネントの指定された機能を実行するすべてのコンポーネント（たとえば、機能的同等物）に対応することが意図されている。これに関して、本革新が、システムと、請求される主題のさまざまな方法の行為および／またはイベントを実行するコンピュータ実行可能命令を有するコンピュータ可読記憶媒体とを含むことをも認められたい。

本革新を実施する複数の形、たとえば、アプリケーションおよびサービスが本明細書で説明される技法を使用することを可能にする、適当なＡＰＩ、ツールキット、ドライバコード、オペレーティングシステム、コントロール、独立のまたはダウンロード可能なソフトウェアオブジェクトなどがある。請求される主題は、ＡＰＩ（または他のソフトウェアオブジェクト）の観点からならびに本明細書で示される技法に従って動作するソフトウェアオブジェクトまたはハードウェアオブジェクトからの使用を企図するものである。したがって、本明細書で説明される本革新のさまざまな実施態様は、完全にハードウェア、部分的にハードウェアおよび部分的にソフトウェア、ならびにソフトウェアの諸態様を有することができる。

前述のシステムは、複数のコンポーネントの間の相互作用に関して説明された。そのようなシステムおよびコンポーネントが、これらのコンポーネントもしくは指定されたサブコンポーネント、指定されたコンポーネントもしくはサブコンポーネントのうちのいくつか、および／または追加のコンポーネントを、前述のさまざまな置換および組合せに従って含むことができることを了解されたい。サブコンポーネントを、親コンポーネント内に含まれる（階層的）のではなく他のコンポーネントに通信的に結合されたコンポーネントとして実施することもできる。さらに、１つまたは複数のコンポーネントを、集約機能性を提供する単一のコンポーネントに組み合わせ、または複数の別々のサブコンポーネントに分割することができ、管理レイヤなどの任意の１つまたは複数の中間レイヤを提供して、一体化された機能性を提供するためにそのようなサブコンポーネントを通信的に結合することができることに留意されたい。本明細書で説明されるすべてのコンポーネントが、本明細書で具体的に説明されないが当業者に一般に既知の１つまたは複数の他のコンポーネントと相互作用することもできる。

さらに、本革新の特定の特徴が、複数の実施態様のうちの１つだけに関して開示された場合があるが、そのような特徴を、任意の所与のまたは特定の応用について望まれ、有利である可能性があるように、他の実施態様の１つまたは複数の他の特徴と組み合わせることができる。さらに、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」、その変形および他の類似する単語がこの詳細な説明または特許請求の範囲で使用される範囲で、これらの用語は、すべての追加要素または他の要素を除外せずに、開かれた前後を接続する語としての用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」に類似する形で包含的であることが意図されている。

Claims

ホワイトスペースを使用する無線ネットワークを介してデータを送信するコンピュータ実施される方法であって、
第１のモバイルクライアントデバイスおよび第２のモバイルクライアントデバイスとの通信のための第１のホワイトスペース送信チャネルを判定するステップと、
前記第１のホワイトスペース送信チャネル上で前記第１のモバイルクライアントデバイスおよび前記第２のモバイルクライアントデバイスと通信するステップと、
前記第１のホワイトスペース送信チャネルが主ユーザによって使用されているときに、前記第２のモバイルクライアントデバイスとの通信のための、前記第１のホワイトスペース送信チャネルとは異なる第２のホワイトスペース送信チャネルを判定するステップと、
前記第２のホワイトスペース送信チャネル上で前記第２のモバイルクライアントデバイスと通信するステップと
を含むことを特徴とするコンピュータ実施される方法。
前記第１のホワイトスペース送信チャネル上の前記主ユーザの送信は、前記第１のモバイルクライアントデバイスの範囲の外であることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ実施される方法。
前記主ユーザは、無線マイクロホンを含むことを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ実施される方法。
前記第１のモバイルクライアントデバイスとの通信は、通信フレームの特定のタイムスロット中に行われることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ実施される方法。
前記特定のタイムスロットは、時分割多元接続プロトコルを使用して識別されることを特徴とする請求項４に記載のコンピュータ実施される方法。
前記第１のモバイルクライアントデバイスが移動しているときに、前記第１のホワイトスペース送信チャネルをＶＨＦチャネルに割り当てるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ実施される方法。
適応ベースで前記第１のホワイトスペース送信チャネルの幅を選択するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ実施される方法。
ホワイトスペースを使用してデータを送信し受信するモバイルクライアントデバイスであって、前記モバイルクライアントデバイスは、第１のホワイトスペース通信チャネルが主ユーザによって使用されているのではないときに、前記第１のホワイトスペース通信チャネルを介して無線基地局と通信し、前記第１のホワイトスペース通信チャネルが前記主ユーザによって使用されているときに、第２のホワイトスペース通信チャネルを介して前記無線基地局と通信することを特徴とするモバイルクライアントデバイス。
前記主ユーザは、前記主ユーザの範囲の外に配置された第２のモバイルクライアントデバイスによる前記第１のホワイトスペース通信チャネル上の通信に干渉しないことを特徴とする請求項８に記載のモバイルクライアントデバイス。
前記主ユーザは、無線マイクロホンを含むことを特徴とする請求項８に記載のモバイルクライアントデバイス。