JP3828939B2 - 複数ステーション間における送信制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のステーション間でのメッセージの送信制御方法であって、このステーションは、少なくとも一本の上りチャネルを備えた通信チャネルを経由して相互に接続され、この上りチャネルは、少なくともその一部が上記ステーションに共有され、これらのステーションの一つで生成される少なくとも一のメッセージを送信するデータ部と、メッセージの送信が成功しなかった場合に利用可能なデータスロットの予約信号の形態で送信要求を送るＭ個のミニスロットとを各々が含むメッセージスロットでなる所定の長さの連続したフレームに分割されたものである送信制御方法に関する。この方法は、例えば、衛星通信網における低い信号レベルでの対話を可能にする好適なマルチアクセス通信プロトコルを構成することができる。
伝統的なテレビ番組に加えて、大容量の対話型サービス、特にサービス提供者との間で情報を交換する機会が現在頻繁にテレビ視聴者に提案されている。対話は、静止衛星のトランスポンダを経由してユーザの家屋からサービス提供会社とを接続する、ビット伝送速度が低いリターンリンクのおかげで利用可能になる。しかしながら、通信量やバースト性、時間上の制約条件がそれぞれ異なる、多数のユーザ端末装置に単純で堅固なチャネルアクセスを提供する技術を開発することは、一つの挑戦である。
このような応用に好適な、競合を前提としたプロトコルは、例えば、米国特許第４６４１３０４号に記載されている。第１図は、地上ステーション１と、複数の地上ステーション（図示せず）によって共有された通信チャネル２のいくつかのフレームＩ，・・・，Ｉ＋Ｒ，Ｉ＋Ｒ＋１を示している。同図に示すように、地上ステーション、即ち、ハブ１は、これらのステーションの１つで良いが、下りリンクを経由してチャネルの上りリンクを監視するフィードバックを同報通信することができるマスタステーションを構成する。同図に示す場合は、ステーションとハブ間で（静止衛星を経由して）生ずるダブルホップに対応する周期遅延は、０．５４秒に等しい。
第２図に示すように、ＡＲＲＡ（アナウンスド・リトランスミッション・ランダム・アクセス：Ａnnounced Ｒetransmission Ｒandom Ａccess）と呼ばれる上記プロトコルは、ｔ（ｆ）秒の長さを有するフレームをなす上りリンク（即ち、チャネル）の体系に基づいている。このフレームは、Ｋ個のメッセージスロット２１（１）から２１（Ｋ）とコモン・ミニスロット・プール（Ｃommon Ｍinislot Ｐool）、即ちＣＭＰと呼ばれる特定のスロットを含む。各メッセージスロット（即ち、データスロット）は、ｔ（ｍ）の持続時間を有し、データ部（即ち、データメッセージＤＭ）とＫ個のミニスロットを含み、また、ＣＭＰもＫ個のミニスロットを有するが、データ部は有しない。ＣＭＰのミニスロットと各メッセージスロットの持続時間は、ｔ（ｍ）と比較して非常に短く、各メッセージスロットのミニスロットは、メッセージスロットの最初で発生する。
第１のステーションから第２のステーションへメッセージを送信しなければならない時は、このメッセージは、次のフレーム（ここでは、フレームＩと呼ぶ）の最初が発生するまで待機しなければならない（フレームＩより前では、ステーションは、すべてハブからフィードバックメッセージや、どのスロットに空きがあって新しいメッセージを送信できるか、および、送信要求が首尾良く送られた旨のメッセージがどのスロットですでに予約されたかを示す信号を受け取っている）。もし実際に空きのメッセージスロットがあれば、送信ステーションは、衝突が発生した場合にどこへ再送信するかを知らせるため、これらの利用可能なスロットのうちの一つを無作為に選出し、このスロットのデータ部にメッセージを送信し、関係するメッセージスロットのミニスロットの一つ（無作為に選出する）に、組み合わせた送信要求を搭載する。利用可能なスロットがなければ、このステーションは、ＣＭＰのミニスロットの一つに送信要求を搭載する。
伝播遅延（上記の例では０．２７秒）の後、ハブは、フレームＩの中に送られたメッセージと送信要求を全て受け取る。ハブは、次に、データスロット内で生じた衝突を検出し、フレームＩ＋Ｒ＋１内、即ち、全てのステーションがハブからフィードバックメッセージ（フレームＩに送信したステーションは、全てフレームＩ＋Ｒ＋１より前にそのフィードバックを受け取るものとする）を受け取った後に始まるフレーム内で、予約がなされていないスロットの集合（即ち、利用可能なスロットの集合ＡＳＳ：Ａvailable Ｓlot Ｓet）を計算する。上記Ｉ＋Ｒ＋１のフレーム内のスロットは、一つの要求がこのスロット内に再送信をもし知らせ、かつ知らせた場合にのみ、予約がなされたといわれ、逆に、このような再送信を知らせる要求がない場合は、利用可能といわれる。もし、２以上の要求が同一のスロット内に再送信を知らせた場合は、送信の成功はあり得ず、このスロットは、新しく到着するもののため空きのままとされ、この一方、再送信要求がＣＭＰ内で発生する。
利用可能なスロット集合（ＡＳＳ）即ち、新たなメッセージを送信するために利用できるスロットの集合の計算を終えると、ハブは、上記ＡＳＳとフレーム内の各メッセージスロットの状態（空き、即ち利用可能＝Ｅ；使用され、通信成功＝Ｓ；衝突＝Ｃ）の両方をステーションの全てに伝播する。
（１）ステーションがデータスロット内にメッセージを送り、フィードバック信号Ｓ（送信成功）を受け取った場合は、プロトコルが存在する。
（２）ステーションがフィードバック信号Ｃ（衝突）を受け取り、または、ＣＭＰ内に要求を送った場合は、ステーションはハブから伝播されたＡＳＳを読む。
（ａ）ミニスロットの参照番号がＡＳＳのスロットのいずれにも対応しない場合は、この番号は予約されたスロットに対応し、再送信の要求がうまくなされたということを意味する。ステーションは、そのメッセージをこの予約されたデータスロットに送り、こうしてプロトコルが存在することになる。
（ｂ）ミニスロットの参照番号がＡＳＳのスロットの一つに対応している場合は、要求は失敗し、このスロットは、新たなメッセージを送信するために利用でき、この一方、関係するステーションは、その要求を再送信するためにＣＭＰを使用しなければならないということを意味する。
このＡＲＲＡプロトコルの実行に関する計算のなかには、スループットが０．４を超えることはあり得ない（即ち、データスロットの４０％は、送信に使用されていない）と示すものがある。負荷が大きくなると、より一層の要求がＣＭＰ内に実際に送られ、比較的少量のミニスロットを使用しようとする大量の再送信要求の間で、ＣＭＰ内で衝突が発生する可能性が高くなるために、要求を首尾良く送信することができなくなる。
本発明の目的は、従って、ミニスロットにおける衝突の可能性を低減し、平均スループットの点でプロトコルの性能を向上させる、改善されたプロトコルを提供することにある。
この目的を達成するため、本発明は、本明細書の最初で規定したとおりの方法に関するものであり、上記予約信号が上記再送信要求に対応してフレームのミニスロット領域のＫ×Ｍ個のミニスロットのいずれかで発生し、新たに到着したメッセージの送信要求に対応する予約信号と再送信要求に対応する予約信号との間で衝突が発生した場合に、上記再送信要求は、すでに予約されたスロットのミニスロット内でのみ発生し得ることを特徴とする。
上記方法の基本概念は、ミニスロット領域の全てを大きなＣＭＰとみなすことであり、これによりミニスロット内における衝突の可能性を低減することができる。さらに、再送信の要求は予約されたスロット内でのみ可能とすることにより、新たに到着したメッセージの送信要求がこのような再送信要求と衝突することを回避することができる。このような解決手段により、複雑性が顕著に増大することなく、最大に安定するスループットの限界が約０．９２まで向上する。
以下、図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。
第１図は、連続するフレームに分割された通信チャネルとこの通信チャネルを経由してステーション間のメッセージ送信を監視するために備えられたマスタステーションとを概略的に示す。
第２図および第３図は、それぞれ、既知のプロトコルＡＲＲＡを用いる場合と本発明に係るプロトコルを用いる場合の各フレームの構成を示す。
第４図は、その上方部（参照番号４１から４９）で送信されたメッセージの状態がＳになるまでにステーション内で実行される手順を示し、その下方部（参照番号５１から５５）でハブにおける手順を示す。
実際に、ＡＲＲＡプロトコルの限界は、多数の要求がＣＭＰ内で衝突することが原因であり、この要求が少量のミニスロット内で衝突するために、要求がハブに受け取られる可能性が非常に小さいためであると考えられていた。本発明により、仮に、フレームのミニスロット領域の全てを大きなＣＭＰとみなすと、衝突の可能性が低減することがわかった。今、上りリンクは、Ｋ個のメッセージスロット含むフレームを備え、各スロットは、第３図に示すように、一つのデータスロットとＭ個のミニスロットを含み、ミニスロットの総数は、Ｋ×Ｍ個である。フィードバックは、Ｋ個のスロットを有するフレーム内で（下りリンクで）送信され、各スロットは、２つの情報を備えている。即ち、
（ａ）上りフレーム内における対応するデータスロットの状態Ｅ（空き）、Ｓ（成功）、またはＣ（衝突）を表す第１の情報（２ビット）
（ｂ）ウイニング（winning）ミニスロット、即ち、ステーションによって現実に使用され、次の上りフレーム内で対応するスロットのデータ部においてメッセージを送信することが許されたミニスロットを示す（この場合はせいぜい６ビットの）第２の情報（この情報は、１からＫ²までの一つの数字に等しく、また、上記メッセージスロットのデータ部が、新たに到着したメッセージを送信できるように空きのままとされる場合は、０に等しい）
次に、送信されたメッセージの状態がＳになるまでにステーションで実行される手順を第４図を参照しながら説明する。トラフィック生成器４１の出力側で利用できる新たなメッセージＮＭがフレームＩ−１を経由してあるステーションに到達すると、このメッセージＮＭは、次のフレームＩを待たなければならない（このフレームＩの先頭が到着する前に、メッセージＮＭは、ハブによって送られたフィードバックを含む下りフレームを受け取る）。次に、第１のテスト４２が実行される。
（ａ）一個または数個のスロットが空いていれば（出力Ｙ）ステーションは、（ステップ４３）これらのスロット（Ｄ＝この空きスロットの番号）の一つを無作為に選出し、このスロット内にメッセージを送信し、上記スロットＤのＭ個のミニスロットの一つに要求を送信し、この一方、このメッセージのコピーとミニスロット番号ｄを記憶する。
（ｂ）いずれのスロットにも空きがなく、新たに到着したメッセージを送信できない場合は（出力Ｎ）、これに関係するステーション（ステップ４４）は、メッセージのコピーを維持し、上記フレームのＫ×Ｍ個のミニスロットの一つに予約信号（メッセージ送信要求）を送信し、この一方、このミニスロットの番号Ｊを記憶する。
周期遅延の後、上りフレームＩに対応する下りフレームが上記ステーションによって受け取られる（ステップ４５）。次に、第２のテストが実行される。
（ａ）上りフレームＩのスロットＤ内にメッセージが送信されている場合は（出力Ｎ、「衝突なし」の状態に該当する）、上記ステーションが受け取られた下りフレームのスロットＤを含むフィードバックを調べる。その状態がＳ（送信成功）であれば、そのメッセージのコピーは消去される（ステップ４７）。
（ｂ）データスロットの状態がＣ（衝突、出力Ｙ）である場合、即ち、メッセージが何も送られていない（要求のみが送られている）場合は、上記ステーションは、ｄ（ステップ４３で選出されたミニスロットの番号）に対応するスロット内に含まれたフィードバックを調べ、第３のテスト４８が実行される。
（ｉ）ウイニングミニスロットがＪと識別された場合は、このスロットは、上りフレーム（Ｉ＋Ｒ＋１）内のこのステーションのために予約されていることを意味する。このステーションは、そのメッセージを、意味がないため要求なしで、上記予約済みスロットに送信する（ステップ４９）。
（ii）ウイニングミニスロットがＪではないと識別された場合は、このステーションは、そのメッセージを送信することができない。このステーションは、上記予約済みスロットのミニスロットの一つに予約信号（ステップ４４）を送信し、対応するミニスロット番号を記憶する。
ハブにおける手順は、第４図にも示すように、次の通りである。ハブがフレームＩを受け取ると（ステップ５１）、成功した要求が送信されたミニスロットの全てとメッセージ送信に成功したデータスロットの全て（検出された衝突に対応する、フレームＩの他のデータスロットとミニスロット）を収集する（検出ステップ５２）。これらのデータスロットのなかには、新たに到着したものとしてフレームＩ内の空きスロットに送られたものもあり、これに対応する送信要求は、要求が成功した上記ミニスロットのＪＫの数字から廃棄しなければならない。この結果残るデータスロットの集合は、ＳＫである。この廃棄ステップに関して、フレームＩ内のスロットの状態（空きであるため新たに到着したものを受け入れることができるか、または予約済みであるか）をハブが記憶する必要があり、また、従って、ハブは、ＳＫを計算するため（Ｒ＋Ｉ）フレームの状態を記憶しなければならない（ステップ５３）。これにより、フィードバックの定式化が発生する。要求を受けたスロットは、それぞれの予約信号を割り付けられ（ステップ５４）、関係するスロットはそれぞれこうして予約され、さらに、すでに説明したように、ハブは２つの情報を下りフレームの各スロットに送信し（データスロットの状態Ｅ、ＳまたはＣと、ウイニングミニスロットを識別する数量ＪＫ、即ち、次の上りフレームにおける上記データスロットで許容された送信に対応する予約信号の数量）、上記下りフレームの伝播は、ハブでの手順のステップ５５である。
本発明が上述した実施例に限るものでないのは明白であり、本発明の技術範囲から逸脱することなく他の実施例に適用することができる。例えば、本発明に係る通信方法、大きな負荷にジッタ（jitter）を有するものでも良い。これを縮小するため、成功した要求（即ち、次のフレーム内で予約済みスロットを有することになる要求）をハブがこのフレームのミニスロット内で衝突が発生しなかった要求の中から選出する間、ハブは、これらの要求をＦＩＦＯの待ち行列の中に配置することにより、これらの要求をより効率的に考慮することとしても良い。これにより、アクセス遅延は、次の３要素で構成される。
（ａ）次のフレームを待つことによる遅延、即ち、メッセージの到着からメッセージが初めて送信されるフレームの先頭までの間の時間間隔
（ｂ）競合遅延、即ち、メッセージが初めて送信される、フレームの先頭から要求がハブの中で首尾良く受け取られた、フレームの完全な受取までの時間間隔
（ｃ）送信を待つことによる遅延、即ち、要求がハブの中で首尾良く受け取られた、フレームの完全な受取からメッセージが送信された最初のスロットまでの時間間隔
送信の待ち行列を導入することにより、送信待ちによる遅延の要素が加わるが、競合遅延は減少する。この競合遅延は、多重周期遅延時間（上述の例ではｎ×０．５４秒）であるため、この競合遅延の減少により、ジッタが顕著に減少する。この一方、送信待ちによる遅延が１フレーム（即ち、数スロット）以上になることはあり得ない。パケットの過半数が最初に送信が成功した後に送信されるため、ジッタは、大きな負荷においても低減される。パケットは、待ち行列による遅延により生じるジッタを受けるが、この待ち行列による遅延は、要求の再送信が原因で生じるジッタよりもずっと短い。しかしながら、データスロットにおける衝突とミニスロットにおける衝突（非常にまれである）を受けるパケットは、要求を再送信しなければならない。これらの時代遅れの競合による待ち行列遅延を低減し、新たに到着したメッセージとの競合を回避するため、送信の待ち行列における優先順位をこれらのパケットに与えても良い。
とにかく、以上に提案された方法は、例えば、非常に大きなバースト性の母集団を有する衛星チャネルのプロトコルへの非常に優秀な候補であり、特に、一定の短期のメッセージの生成を含む応用に（例えば、認証、ペイ・パー・ビュー、データベースコンサルティングのような対話の応用のみならず、短時間での接続を確立する必要がある応用の全てにも）好適である。

Claims (2)

1. 複数のステーション間でのメッセージの送信制御方法であって、このステーションは、少なくとも一本の上りチャネルを備えた通信チャネルを経由して相互に接続され、この上りチャネルは、少なくともその一部が上記ステーションに共有され、これらのステーションの一つで生成される少なくとも一のメッセージを送信するデータ部と、メッセージの送信が成功しなかった場合に利用可能なデータスロットの予約信号の形態で送信要求を送るＭ個のミニスロットとを各々が含むメッセージスロットでなる所定の長さの連続するフレームに分割されたものである送信制御方法において、上記予約信号が再送信要求に対応して上記フレームのミニスロット領域のＫ×Ｍ個のミニスロットのいずれかで発生し、新たに到着したメッセージの送信要求に対応する予約信号と再送信要求に対応する予約信号との間で衝突が発生した場合に、上記再送信要求は、すでに予約されたスロットのミニスロット内でのみ発生し得る、ことを特徴とする送信制御方法。
2. 新たに生成されたメッセージに関し、上記衝突に対応するメッセージに高い優先順位を与えることにより上記衝突に対応するメッセージを循環処理するステップを備えた、請求の範囲第１項に記載の送信制御方法。

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