JP4005361B2 - 通信網におけるデータ伝送 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は通信網におけるデータ伝送、必ずしも限定的ではないが、特に汎用移動通信システム（ＵＭＴＳ）におけるデータ伝送に関するものである。
【０００２】
（発明の背景）
現在、ＥＴＳＩ（The European Telecommunications Standardisation Institute）において移動体通信システム用の新しいプロトコルセットの標準化作業が進められている。そのプロトコルセットは一括して汎用移動通信システム（ＵＭＴＳ）として知られている。図１は、移動局（例えば、移動電話）とＵＭＴＳ網の無線網コントローラ（ＲＮＣ）との間で行われる通信にかかわるＵＭＴＳ層２のプロトコル構造を単純化した例を示している。ＲＮＣは既存のＧＳＭ移動体通信網の基地局コントローラ（ＢＳＣ）に類似しており、トランシーバ基地局（ＢＴＳ）を介して移動局と通信する。
【０００３】
図１に示す層２の構造には、無線リソース（およびサービス）をユーザアプリケーションで利用可能にする１セットの無線アクセスベアラ（Radio Access Bearers：ＲＢＳ）が含まれる。各移動局には１つ以上のＲＢＳを設けることができる。ＲＢＳからのデータフロー（セグメント形式）はそれぞれの無線リンクコントロール（ＲＬＣ）エンティティに送られ、そこで受信データセグメントのバッファリング等のタスクが実行される。各ＲＢＳあたりのＲＬＣエンティティは１つである。ＲＬＣ層においてＲＡＢはそれぞれの論理チャネルにマッピングされる。論理チャネルで送信されたデータは、媒体アクセス制御（ＭＡＣ）エンティティで受信され、そこで論理チャネルは更に１セットのトランスポートチャンネルにマッピングされる。トランスポートチャンネルは最終的に単一の物理トランスポートチャンネルにマッピングされ、物理トランスポートチャンネルの総帯域幅（＜２Ｍｂｉｔｓ／秒）は網によって割り当てられる。物理チャンネルが１つの移動局によって排他的に使用されるか、複数の移動局で共有されるかによって、「専用物理チャンネル」あるいは「共通チャンネル」と呼ばれる。専用物理チャンネルに接続されるＭＡＣエンティティはＭＡＣ−ｄとして知られ、各移動局あたり１つのＭＡＣ−ｄエンティティが対応する。共通チャンネルに接続されるＭＡＣエンティティはＭＡＣ−ｃとして知られ、各セルあたり１つのＭＡＣ−ｃエンティティが対応する。
【０００４】
トランスポートチャンネルの帯域幅は、物理層の能力による直接的な制約を受けず、トランスポートフォーマットを用いる無線リソースコントローラ（ＲＲＣ）エンティティによって構成される。各トランスポートチャンネルに関しては、ＲＲＣエンティティが１つ以上のトランスポートブロック（Ｔｂ）のサイズを定める。それぞれのトランスポートブロックのサイズは可能なＭＡＣプロトコルデータユニット（ＰＤＵ）に直接対応しており、それにより、ＭＡＣエンティティは物理層へのデータ送信に使用可能なパケットサイズを認識できる。ＲＲＣエンティティはブロックサイズのほかに、単一の送信期間（ＴＴＩ）内にＭＡＣエンティティから物理層に送信することができるビット総数であるトランスポートブロックセット（ＴＢＳ）のサイズをＭＡＣエンティティに知らせる。ＴｂサイズおよびＴＢＳサイズと、可能な物理層構成に関連する何らかの付加情報とによってトランスポートフォーマット（ＴＦ）が形成される。例えばＴＢ＝８０ビット、ＴＢＳ＝１６０ビットとすれば、ＴＦはＭＡＣエンティティが単一の送信期間に２つの８０ビットパケットを送信可能なことを表すことができる。したがって、ＴＦをＴＦ＝（８０、１６０）と書くことができる。
【０００５】
また、ＲＲＣエンティティは、与えられたトランスポートチャンネルに可能なすべてのＴＦをＭＡＣエンティティに知らせる。このＴＦの組み合わせはトランスポート・フォーマット・コンビネーション（ＴＦＣ）と呼ばれる。ＴＦＣは例えば｛ＴＦ１＝（８０、８０）、ＴＦ２＝（８０、１６０）｝となる。この例では、ＭＡＣエンティティは、対象となる特定のトランスポートチャンネル上で１ＴＴＩ期間中に１つまたは２つのＰＤＵの送信を選択することができる。いずれの場合も、ＰＤＵサイズは８０ビットである。
【０００６】
各ＴＴＩにおいてＭＡＣエンティティは、接続される各トランスポートチャンネルで送信されるデータ量を定める必要がある。これらのトランスポートチャンネルは互いに独立しているのではなく、後で（上述のように）物理層の単一物理チャンネル上に多重化される。ＲＲＣエンティティは、すべてのトランスポートチャンネルの総送信能力が基礎（underlying）となる物理チャンネルの送信能力を超えないことを保証しなければならない。これは、すべてのトランスポートチャンネルに可能なトランスポート・フォーマット・コンビネーションを含むトランスポート・フォーマット・コンビネーション・セット（ＴＦＣＳ）をＭＡＣエンティティに与えることによって行われる。例えば、ＭＡＣエンティティに２つのトランスポートチャンネルがあって、それらが１送信期間あたりのトランスポート容量を１６０ビットとする（ＮＢすなわち事実上の容量は１６０を大幅に越える）単一物理チャンネルに更に多重化される場合を考える。ここで、両トランスポートチャンネルに対する割り当てとして３つのトランスポートフォーマットＴＦ１＝（８０、０）、ＴＦ２＝（８０、８０）、ＴＦ３＝（８０、１６０）をＲＲＣが定めたと仮定する。しかし、ＴＦ３を使って同時に両方のトランスポートチャンネルで送信しようとすると、送信能力が１６０ビットしかない物理チャンネルで３２０ビット送信が必要となり、この選択はＭＡＣエンティティにとって明らかに不可能である。ＲＲＣエンティティは、必ずしもすべてのＴＦコンビネーションを可能にせずに、総通信速度を制限しなければならない。この例におけるＴＦＣＳは［｛（８０，０），（８０，０）｝，（（８０，０），（８０，８０）），｛（８０，０），（８０，１６０）｝，｛（８０，８０），（８０，０）｝，｛（８０，８０），（８０，８０）｝，｛（８０，１６０），（８０，０）｝］となるだろう。ただし、トランスポートチャンネル１のトランスポートフォーマットは各要素対の第１要素、トランスポートチャンネル２のトランスポートフォーマットは第２要素として与えられる。ＭＡＣエンティティはトランスポート・フォーマット・コンビネーション・セットから可能なトランスポート・フォーマット・コンビネーションを１つしか選べないので、物理チャンネルの能力を超えることはあり得ない。
【０００７】
ＴＦＣＳの要素は、対応するＴＦＣのインデックスであるトランスポート・フォーマット・コンビネーション・インディケータ（ＴＦＣＩ）によって指示される。例えば前の例では６つの異なるＴＦＣがあり、ＴＦＣＩが１〜６の任意の値をとり得ることを意味する。ＴＦＣＩ＝２は第２のＴＦＣに対応することになり、｛（８０、０）、（８０、８０）であるから、第１のトランスポートチャンネルからは何も送信されず、第２のトランスポートチャンネルからは８０ビットの単一パケットが送信されることを意味する。
【０００８】
論理チャネル間で利用可能な総帯域幅はもちろん共有する必要がある。異なるトランスポートチャンネルへの帯域幅の配分は、ＭＡＣエンティティが各送信期間に適切なＴＦＣＩを選ぶことによって定められる。この帯域幅配分はいくつかの方法、例えば、他より重要であると考えられるフローに絶対優先権を与えることによって行うことができる。これは最も容易な実行方法だろうが、非常に不公平な（unfair）帯域幅分配になることがある。具体的な例として、優先権の低いフローの送信が長期間不可能になる場合がある。これに低優先権フローのフロー制御メカニズムが反応すると、性能が極度に悪化する結果となる。このようなフロー制御メカニズムの典型的な例は、インターネットで使用されるＴＣＰプロトコルで見られる。
【０００９】
ＩＰやＡＴＭ網などの既存技術では、単一の出力チャネル上のリソースが複数の入力フローに割り当てられる。しかし、そのようなシステムにおけるリソース配分に使用されるアルゴリズムは、複数の入力フローをそれぞれの論理出力チャネルで送信するＵＭＴＳではそのまま適用できない。
【００１０】
複数の入力データフロー間におけるリソース配分が提案され、汎用プロセッサ共有（ＧＰＳ）呼ばれている。単一出力チャネルしか使わないシステムで採用されたとき、この提案は加重均等キューイング（ＷＦＱ）と呼ばれ、「A generalized Processor Sharing Approach to Flow Control in Integrated Services Networks: The Single Node Case“, A．K．Parekh, R. G. Gallager, published in IEEE／ACM Transactions On Networking， Vol. 1， no. 3, June 1993, pp344-357」に記述されている。簡単に説明すると、ＧＰＳでは、フローに関連するいくつかのパラメータに基づいて入力フロー毎にＧＰＳ加重が算出される。すべての入力フローについて算出された加重は合計され、利用可能な総出力帯域幅は各フローの加重に応じて総加重の各部分として入力フロー間に分割される。ＧＰＳをＵＭＴＳのＭＡＣエンティティに適用することが可能であり、その場合、網によって対応するＲＢＳに割り当てられるＲＢＳパラメータに基づいて各入力フローに対する加重が（ＲＲＣエンティティによって）定められる。特に、ＲＢＳパラメータは特定の網サービスのためにユーザに割り当てられるサービス品質（ＱｏＳ）あるいは保証レートと同等に考えてもよい。
【００１１】
（発明の記述）
ＧＰＳではＭＡＣエンティティの論理チャネルでデータを無限に小さいブロック状態で送ることができると仮定しているので、本発明の発明者はＧＰＳをそのままＵＭＴＳ網の帯域幅割り当てに適用するには困難があると認識している。これは、ＵＭＴＳが各送信期間に送信可能なデータ量を定義するメカニズムとしてトランスポート・フォーマット・コンビネーション・セット（ＴＦＣＳ）に依存しているので、ＵＭＴＳでは不可能である。ＧＰＳをＵＭＴＳで採用しようとすれば、ＧＰＳによって入力フローに割り当てられた帯域幅に最も近いＴＦＣを（ＴＦＣＳから）選択しなければならない。このアプローチの結果、与えられたフレームの入力ストリームで送られる実際のデータ量が最適化レート以下あるいはその最適化レート以上になる場合がある。前者の場合、未送信データの未処理分（backlog）が入力フローに累積するかもしれない。
【００１２】
本発明の目的は、上述の欠点を克服するか、少なくとも緩和することである。この目的およびその他の目的は、ＭＡＣエンティティへの入力フローの未送信データの未処理分を管理する未処理分カウンタを設けることによって少なくとも部分的に達成される。未処理分を考慮に入れて、後続フレームの入力フローに対する適切なＴＦＣを定める。
【００１３】
本発明の第１のアスペクトとして、汎用移動通信システム（ＵＭＴＳ）のノードの媒体アクセス制御（ＭＡＣ）エンティティにおいて送信リソースを割り当てる方法を提供する。この方法は各出力データフローに関して、
ＭＡＣエンティティへの各入力についてＭＡＣエンティティの利用可能な出力帯域幅の公平な配分（fair share）を算出するステップと、
各入力フローに割り当てられるトランスポートフォーマットにトランスポート・フォーマット・コンビネーション（ＴＦＣ）が含まれるものとして、入力フローについて算出された帯域幅共有に基づいてＴＦＣセット（ＴＦＣＳ）からＴＦＣを選択するステップと、
各入力フローについて、ＴＦを割り当てたことによりデータ伝送レートが定められた公平な分配（fair distribution）より小さくなった場合に、入力フローの未処理分カウンタ（backlog counter）に差分を加算するステップとを含み、
出力データフローの後続フレームに対するＴＦＣを選択するときに前記未処理分カウンタの値を考慮に入れるものとする。
【００１４】
本発明の実施例では、後続フレームに対するＴＦＣ選択プロセスにおいて、入力フローに現存する未処理分を考慮に入れる。選択されたＴＦＣによって未処理分が減少する傾向になる。ＴＦＣＳによる可能なデータ伝送には限界があるため、このような未処理分が発生する。
【００１５】
本発明の方法を採用することができるノードとして、移動局（移動電話、コミュニケータ装置等）と無線網コントローラ（ＲＮＣ）が含まれる。
【００１６】
ＭＡＣエンティティへの入力フローはそれぞれの無線リンク制御（ＲＬＣ）エンティティから提供されることが望ましい。それぞれのＲＬＣエンティティで関連データフローのバッファリングが行われることが更に望ましい。
【００１７】
入力フローについてリソースの公平な配分を算出するステップは、無線リソース制御（ＲＲＣ）エンティティによって実行されることが望ましい。
【００１８】
入力フローについてリソースの公平な配分を算出するステップにおいて、そのフローに対する加重がすべての入力に付加される合計加重の一部分として定められることが望ましい。そして、公平配分は、総出力帯域幅と定められた部分加重との乗算によって定められる。このステップにおいて、汎用プロセッサ共有（ＧＰＳ）メカニズムを使用することが更に望ましい。各ＭＡＣ入力フローに無線アクセスベアラ（ＲＡＢ）が関連する場合、データフローの加重はＵＭＴＳ網によってＲＡＢに割り当てられる１つ以上の無線アクセスベアラ（ＲＡＢ）パラメータによって定義することができる。
【００１９】
与えられた入力フローの未処理分カウンタの値が正である場合、そのフローについて算出された公平配分に未処理分カウンタの値を加算するステップと、すべての入力フローについて合計された加算結果に基づいてＴＦＣを選択するステップとが本方法に含まれることが望ましい。
【００２０】
本発明の実施例では、与えられた入力フローに対してＴＦを割り当てた結果として、データ伝送レートが定められた公平配分より大きくなる場合、その差分を入力フローの未処理分カウンタから減算することができる。
【００２１】
本発明の第２のアスペクトとして、汎用移動通信システム（ＵＭＴＳ）のノードを提供する。このノードは
複数の入力データフローを受信する媒体アクセス制御（ＭＡＣ）エンティティと、
ＭＡＣエンティティへの各入力フローについてＭＡＣエンティティの利用可能な出力帯域幅の公平配分を算出し、入力フローについて算出した帯域幅配分に基づいてＴＦＣセット（ＴＦＣＳ）から、各入力フローに割り当てられるトランスポートフォーマットを含むトランスポート・フォーマット・コンビネーション（ＴＦＣ）を選択するための第１のプロセッサ手段と、
データ伝送レートが定められた公平配分よりも小さい場合に、各入力フローに関連する未処理分カウンタに、選択されたＴＦＣに基づくフローのデータ伝送レートと定められた公平配分との差分を加算するための第２のプロセッサ手段とを有し、
前記未処理分カウンタの値を考慮しながら前記第１のプロセッサ手段が出力データフローの後続フレームに対するＴＦＣを選択する。
【００２２】
前記第１、第２のプロセッサ手段は無線リソースコントロール（ＲＲＣ）エンティティによって提供される。
【００２３】
（好ましい実施例の詳細説明）
既に記述されたように、単純化されたＵＭＴＳ層２は１つの無線リソースコントロール（ＲＲＣ）エンティティと、各移動局のための媒体アクセス制御（ＭＡＣ）エンティティと、それぞれの無線アクセスベアラ（ＲＢＳ）のための無線リンクコントロール（ＲＬＣ）エンティティから成る。ＭＡＣエンティティは出力データパケットのスケジューリングを行い、ＲＬＣエンティティはそれぞれの入力フローに対してバッファを提供する。ＲＲＣエンティティは各ＭＡＣ（ＴＦＣセットあるいはＴＦＣＳと呼ばれる）に対して１セットの可能なトランスポート・フォーマット・コンビネーション（ＴＦＣ）を割り当てることによって、各フローから送信可能な最大データ量の限度を設定するが、各ＭＡＣは利用可能な最善のトランスポート・フォーマット・コンビネーション（ＴＦＣ）をＴＦＣＳから選ぶことによって、各フローから送信されるデータ量を独自に決めなければならない。
【００２４】
提案された方法では（1送信期間ごとに）、ＭＡＣエンティティにおいて汎用プロセッサ共有ＧＰＳアプローチ（上記のＡ．Ｋ．Ｐａｒｅｋｈ他による資料参照）を用いて利用可能な帯域幅の最適分配を算出し、各フローについて最適帯域幅配分からの乖離を未処理分カウンタで管理する。利用可能な帯域幅は標準ＧＰＳ加重（weights）を用いてフローに配分される。ＧＰＳ加重はＲＡＢパラメータを使ってＲＲＣによって計算しなければならない。
【００２５】
この方法では、まず入力フローに対するＧＰＳを算出し、ＧＰＳに現在の各未処理分を加算する。これが１０ｍｓのＴＴＩごとに行われ、その結果、各フローに対する通信レートが公平になる。しかし、すべてのバッファに十分な送信データがあるとは限らないので、このレートは最適とは云えないかもしれない。公平性と同様に最適スループットを達成するために、現在のバッファ充満レベルあるいは論理チャネルに可能な最大レートを超えない程度にＧＰＳ配分の公平性が弱められる。そのため、２段階のレート調整プロセスが行われる。
【００２６】
まず、すべての入力フローについて算出された一組の公平なレートは可能なトランスポート・フォーマット・コンビネーション（ＴＦＣ）と順番に比較される。なお、各ＴＦＣには最適レートの送出にどの程度接近したかにしたがってスコアが付けられる。実際には、これは、ＴＦＣが送信に失敗した公平な構成の量を単純にカウントし（与えられたＴＦＣが公平レートで全パケットを送ることができるならば、そのＴＦＣのスコアはゼロ）、そして最低スコアのＴＦＣだけを考慮することによって行われる。各キューから送信されるパケット数を定めるために、最も近似するものを選択して使用する。スコアの等しいＴＦＣには、更に送信可能なビット数に応じてボーナススコアが与えられる（最高品質クラスのベアラに余剰能力が確実に行くように、サービス品質格付けによって更にこれに加重することができる）。
【００２７】
最終的な決定は２レベルスコアリングに基づいて行われ、最低スコアのＴＦＣが採用される。いくつかのＴＦＣのスコアが等しい場合、ボーナススコアの最も高いものが選択される。それによって確実に各ＴＴｌのレートが最大化される。選択されたＴＦＣですべてのフローが少なくとも定められた公平レートにならない場合には、対応するフローの未処理分カウンタに欠落ビットが加えられて次のＴＴＩに対して選択が反復されることを確認することによって、公平性が達成される。いずれのフローにも送信するものが含まれなければ、未処理分はゼロにセットされる。
【００２８】
このアルゴリズムはＧＰＳの帯域幅に近い帯域幅（および、ある条件下の遅延限界）を与えるものと考えることができる。しかし、それは公平性を維持するとともに、すべてのフロー間の分離性を維持する。また、ＭＡＣ層では複数のトランスポートチャンネルでの同時送信性を利用するので、アルゴリズムが加重均等キューイングの場合よりも演算が簡単である。したがって、ＵＭＴＳ無線リンクにおける無線インタフェースの最適利用に近いものが得られるはずである。
【００２９】
図２は上述の方法を更に詳しく示すフローチャートである。
【００３０】
以下は好ましい実施例を実行するためのアウトラインアルゴリズムである。
/*
* ＧＰＳに基づいたＴＦＣ選択。公平性（すなわち、保証レート）を保ちながらスループットの最適化によってパケットのスケジューリングを行う。
*/

/* 最初に、すべてのアクティブなキューの加重合計を算出する。*/

/* ＧＰＳを用いて利用可能な帯域幅の公平分配を算出する。バッファで十分なデータがないか、あるいはスケジューリングされたレートが、与えられた論理チャネルに対する最大レートよりも高ければ、レートを下げるようにＧＰＳスケジューリングを修正する。
*/

// ここで、ＧＰＳによる各チャンネル上の送信ビット数を算出する。

/* ここでＴＦＣを選択するための基礎が得られる。変更されたＧＰＳ結果からの乖離を算出することによって、すべての利用可能なＴＦＣにスコアをつける。全体のＧＰＳ結果を送ることができる（または、等しく近い）ＴＦＣがいくつかあれば、最も高いＱｏｓクラスのスループットを最大にするものを選択する。なお、ＴＦＣＩが帯域幅の使用に関して昇順にあると仮定する。
*/

/* これで、使用するＴＦＣの選択完了。未処理分を更新して正しいＴＦＣＩを出力する。
*/

【００３１】
当業者には明らかなとおり、本発明の範囲内において上記実施例に様々な変更を加算することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＵＭＴＳの層２の概要。
【図２】 図１に示す層２のＭＡＣエンティティの入力フローストリームに帯域幅リソースを割り当てる方法を示すフローチャート。

Claims (9)

1. 汎用移動通信システム（ＵＭＴＳ）のノードの媒体アクセス制御（ＭＡＣ）エンティティにおいて送信リソースを割り当てる方法であって、各出力データフローに関して、
   ＭＡＣエンティティへの各入力についてＭＡＣエンティティの利用可能な出力帯域幅の公平な配分を算出するステップと、
   各入力フローに割り当てられるトランスポートフォーマットにトランスポート・フォーマット・コンビネーション（ＴＦＣ）が含まれるものとして、入力フローについて算出された帯域幅配分に基づいてＴＦＣセット（ＴＦＣＳ）からＴＦＣを選択するステップと、
   各入力フローについて、ＴＦを割り当てたことによりデータ伝送レートが定められた均等分配より小さくなった場合に、入力フローの未処理分カウンタに差分を加算するステップとを含み、
   出力データフローの後続フレームに対するＴＦＣを選択するときに前記未処理分カウンタの値を考慮に入れるものとする方法。
2. 前記方法を採用する前記ノードが移動局あるいは無線網コントローラ（ＲＮＣ）である請求項１記載の方法。
3. データフローのバッファリングを行うそれぞれの無線リンク制御（ＲＬＣ）エンティティによってＭＡＣエンティティへの入力フローが供給される請求項１または２記載の方法。
4. 入力フローについて公平なリソース配分を算出する前記ステップが無線リソース制御（ＲＲＣ）エンティティによって実行される前記いずれかの請求項記載の方法。
5. 入力フローについて公平なリソース配分を算出する前記ステップが
   そのフローに与える加重を、全入力フローに与える加重合計の一部分として定めるステップと、
   前記定められた加重と総出力帯域幅によって定められる部分加重とを乗算するステップとを含む前記いずれかの請求項記載の方法。
6. 入力フローについて公平なリソース配分を算出する前記ステップで汎用プロセッサ共有（ＧＰＳ）メカニズムを使用する請求項５記載の方法。
7. 与えられた入力フローの未処理分カウンタの値が正である場合、そのフローについて算出された公平配分に未処理分カウンタの値を加算するステップと、それぞれの入力フローにかかわる加算合計に基づいてＴＦＣを選択するステップとを含む前記いずれかの請求項記載の方法。
8. 汎用移動通信システム（ＵＭＴＳ）であって、ノードが、
   複数の入力データフローを受信する媒体アクセス制御（ＭＡＣ）エンティティと、
   ＭＡＣエンティティへの各入力フローについてＭＡＣエンティティの利用可能な出力帯域幅の公平な配分を算出し、入力フローについて算出した帯域幅配分に基づいてＴＦＣセット（ＴＦＣＳ）から、各入力フローに割り当てられるトランスポートフォーマットを含むトランスポート・フォーマット・コンビネーション（ＴＦＣ）を選択するための第１のプロセッサ手段と、
   データ伝送レートが定められた公平な配分よりも小さい場合に、各入力フローに関連する未処理分カウンタに、選択されたＴＦＣに基づくフローのデータ伝送レートと定められた公平な配分との差分を加算するための第２のプロセッサ手段とを有し、
   前記未処理分カウンタの値を考慮しながら前記第１のプロセッサ手段が出力データフローの後続フレームに対するＴＦＣを選択する汎用移動通信システム。
9. 前記第１、第２のプロセッサ手段が無線リソースコントロール（ＲＲＣ）エンティティによって提供される請求項８記載のノード。

Images