JP4161988B2 - ネットワーク内の通信局のエネルギー消費を最適化する方法および通信局 - Google Patents

Description

本発明はネットワーク内、好ましくはＩＥＥＥ標準８０２．１１に準拠した無線ＬＡＮ内における、たとえばラップトップ型、パームトップ型あるいは移動可能型の通信局（ＳＴＡ）のエネルギー消費を最適化する方法に関する。

無線ネットワークでは、一般に充電式バッテリで動作する移動局が相互接続される。移動局のエネルギー消費は極めて重要なファクタであるので、移動局の省電力モード（ＰＳＭ: Power Save Mode）をサポートするために特別の機能が規定されている。ＩＥＥＥ８０２．１１標準で規定されているＰＳＭでは、ビーコン間隔（ＢＩ）とダウンリンク遅延との間に依存関係がある。ダウンリンク遅延は、フレームがＭＡＣ（媒体アクセス制御）層でアクセスポイント（ＡＰ）によって受信された時から通信局ＳＴＡによってＭＡＣ層で正しく受信されるまでの遅延として定義される。ビーコン間隔は、ビーコンがＡＰから周期的に送信される間隔である。従って、ビーコン間隔が長い場合には、ＰＳポーリングを送出した後にＡＰにＳＴＡ宛のデータが到着しても、次のビーコンを受信するまでＳＴＡは自己宛のデータがあることを知ることができない。いくつかのＢＩコンフィグレーションでは、ビーコン間隔ＢＩとダウンリンク遅延との間の依存関係の結果として、ダウンリンク遅延がある特定の閾値限界を超えてしまい、アプリケーションによってはもはや許容できなくなることがある。これは、例えばＶｏＩＰ（Voice over IP）のようなリアルタイムアプリケーションにとっては極めて重大である。

ビーコン間隔ＢＩとダウンリンク遅延との間の依存関係を解消するために、標準の省電力モードのいくつかの修正が検討されている。考慮されている手法は、異なる２つのグループに分けることができる。

ひとつはプロアクティブ手法（以下、事前対応型手法という。）である。この手法によれば、通信局が、ビーコンの受信とは無関係に、ある特定の時にＰＳポーリングを送出することで、ＢＩとダウンリンク遅延の間の依存関係が解消される。

もうひとつはリアクティブ手法（以下、事後対応型手法という。）である。この手法によれば、通信局が、データフレームを送信するために省電力モードＰＳＭから目覚める時を利用して、ＰＳポーリングを送出する。これによりＢＩとダウンリンク遅延との間の依存関係が解消される。ただし、事後対応型手法の場合には、通信局からのデータ送信タイミングを利用するので、アップリンクデータ伝送レートへの依存関係が生じるという不都合が残る。なお、事前対応型手法および事後対応型手法については、本出願人が２００３年２月２５日に日本国特許庁に出願した特願２００３−４６９９１号の明細書（２００４年９月１６日公開の特開２００４−２６０３８６号公報）を参照されたい。

上記の２つの改良、すなわち、事前対応型および事後対応型の手法は、ある一定のダウンリンク／アップリンクのトラフィックパターンを仮定する点に関して類似の問題点がある。一般的に、事前対応型手法の場合、ＰＳポーリングが送信される間隔として、ビーコン間隔よりも短いある一定の間隔を設定することにより、最大ダウンリンク遅延を超過しないことを保証する。しかしながら、アプリケーションによっては、この手法の結果、ＰＳポーリングが不必要に生成されることがある。たとえば、フレームが一定レートではなくバーストとしてアクセスポイントで受信されるウェブブラウジングの場合、不要ＰＳポーリングの生成が起こりやすい。

事後対応型手法では、極めて大量のアップリンクデータトラフィックの場合に（例えば、ｆｔｐアップリンク転送に関連して）、多量のＰＳポーリングが生成される点が非常に不利である。このような多量のＰＳポーリングは、より低いデータレートのダウンリンクアプリケーションにとっては全く不要である。
特開２００４−２６０３８６号公報

上記の問題点を解決するため、それぞれのアプリケーションに必要なダウンリンク遅延に応じて、いくつかのＰＳＭコンフィグレーションを規定することができる。しかし、これはユーザにとってかなりの追加的オーバーヘッドを意味する。というのは、ユーザは、それぞれの状況に応じていくつかの選択肢の間で選択をしなければならないことになるからである。このような追加的オーバーヘッドは実際ユーザフレンドリではない。

本発明は、通信局の実際のデータトラフィックへの適応がユーザの能動的関与なしに可能であるように、上記ネットワーク内の通信局のエネルギー消費を最適化する方法を提供する。

本発明によるネットワーク通信局のエネルギー消費を最適化する方法は、請求項１によれば、通信局が、受信するダウンリンクデータトラフィックおよび送信するアップリンクデータトラフィックをある特定の間隔でＭＡＣ（媒体アクセス制御）層で監視し、ダウンリンクデータトラフィックとアップリンクデータトラフィックの比、または、ある特定の間隔で受信されるダウンリンクデータトラフィックであるデータフレームの数に基づいて、適応した省電力モードを選択することを特徴とする。

従来の一般的方法では、通信局の実際のデータトラフィックを考慮しないので、不要に送信されるＰＳポーリングのために、局のエネルギー消費は最適化されない。

これに対して、本発明によれば、通信局が、受信するダウンリンクデータトラフィックおよびある時間間隔で送信するアップリンクデータトラフィックをＭＡＣ層で監視する場合に、エネルギー消費を最適化することができる。この情報に基づいて、通信局は、現在のアップリンクおよびダウンリンクのトラフィックが、対称的または非対称的のいずれの特性を示すかを判定することができる。

本発明によれば、この状況に適応する省電力モードが、ダウンリンクデータトラフィックとアップリンクデータトラフィックとの比、または、ある特定の間隔で受信されるダウンリンクデータトラフィックであるデータフレームの数、に基づいて選択される。この省電力モードでは、許容される最大ダウンリンク遅延を満たすために必要なＰＳポーリングが送信されるので、本発明による方法によれば、通信局が省エネルギーの「スリープモード」にとどまることができる期間を延長することができるだけでなく、シグナリング負荷も低減される。

なお、本発明による方法の場合、将来のデータトラフィックが予測可能でなければならないことに留意すべきである。ここで、「将来」とは、十分の数ミリ秒の範囲内の期間を意味する。この条件は通常満たされ、特に、例えば音声アプリケーションのようなリアルタイムアプリケーションの場合には満たされる。

図１は本発明によるネットワーク通信局エネルギー消費最適化方法の一実施形態を概略的に示す模式図、図２は本実施形態による通信局の概略的構成を示すブロック図、図３は本実施形態の動作を示すフローチャートである。
図２に示すＵＬ／ＤＬデータモニタにより上位レイヤからＭＡＣレイヤを通して下位レイヤへ送られ送信されるアップリンクデータと下位レイヤからＭＡＣレイヤを通して上位レイヤに送られる受信されたダウンリンクデータとがそれぞれ監視され、ＰＳＭ制御部により後述する省電力モードＰＳＭの制御が行われる。

好ましい実施形態に関して、ダウンリンクデータトラフィックとアップリンクデータトラフィックとの比を計算する際に、図３のステップＳ１０１に示すように、通信局が送受信したフレームの数のみが参照され、データの絶対量は参照されない。このような手法は、一般に、データ伝送に必要な期間が無線チャネルにアクセスするのに必要な時間を十分下回るので、有益である。

計算された比が１に近い場合、これは、ダウンリンクデータトラフィックとアップリンクデータトラフィックとがかなり対称的であることを示す。これに対して、比が１から遠く離れていることは、非対称的であることを示す。
図３のステップＳ１０２およびＳ１０３に示すように、ダウンリンクデータトラフィックのアップリンクデータトラフィックに対する比が１よりも大きい場合（ステップＳ１０３のＹＥＳ）、事前対応型の省電力モードを選択することが好ましい（ステップＳ１０４）。事後対応型手法とは異なり、ダウンリンクデータトラフィックの多い状況において、事前対応型省電力モード（すなわち、ビーコンを受信したかどうかとは無関係にある特定の間隔でＰＳポーリングを送信する）は、アクセスポイントでバッファリングされる通信局宛のパケットの遅延が短くなるという利点がある。

これに対して、ダウンリンクデータトラフィックのアップリンクデータトラフィックに対する比が１よりも小さい場合（ステップＳ１０３のＮＯ）、事後対応型の省電力モードを選択することが望ましい（ステップＳ１０５）。事後対応型省電力モードでは、アップリンクデータトラフィックによって通信局が起きている場合にはいずれにせよＰＳポーリングが送信される。したがってアップリンクデータトラフィックの方が大きい場合の事後対応型手法はエネルギーをより良く節約することができる。

できるだけ効率的にＰＳポーリングを送信するために、ＰＳポーリングが通信局からアクセスポイントへ送信される時間間隔は、ダウンリンクデータトラフィックとアップリンクデータトラフィックとの比、または、ある特定の時間間隔の間に受信されるダウンリンクデータトラフィック（ＤＬ／ｔｉｍｅ）に基づいて規定される。言い換えれば、このトラフィック比またはＤＬ／ｔｉｍｅを参照することにより、事前対応型省電力モードにおけるＰＳポーリング間隔を規定するとともに、事後対応型省電力モードにおいてＰＳポーリングの送信レートを決定することができる。

エネルギー消費をさらに最適化するために、選択される省電力モードは、ダウンリンクデータトラフィックとアップリンクデータトラフィックとの比の変化に自動的に適応する。このような適応的動作により、ダウンリンクデータトラフィックとアップリンクデータトラフィックとの比を計算する際に、集約されたデータトラフィックによるデータミックスに反応することができる。したがって、特に、ユーザが同時にいくつかのアプリケーションを実行しているような場合に、エネルギーを大幅に節約することができる。

特にリアルタイムアプリケーションを目的とする一実施形態に関しては、最大ダウンリンク遅延を許容値以下に抑えるように省電力モードが選択される。そうすることにより、遅延の影響を受けやすいデータ、例えば音声データが、通信局で時間どおりに受信されることが保証される。なお、最大ダウンリンク遅延に関するアルゴリズムについては種々のバリエションがあるが、ここでは特に限定されない。

なお、本発明による方法は、プログラム制御プロセッサ上で上述したトラフィック比の計算やその比較を行うプログラムを実行することにより、ネットワークの移動端末等の通信局ＳＴＡに実装することができる。最後に、留意されるべきであるが、本発明の教示を具現化し改良するにはいくつかの可能性があり、そのためには請求項１に従属する請求項を参照すべきである。

図１は本発明によるネットワーク通信局エネルギー消費最適化方法の一実施形態を概略的に示す模式図である。 本実施形態による通信局の概略的構成を示すブロック図である。 本実施形態の動作を示すフローチャートである。

Claims (11)

1. ネットワーク内の通信局（ＳＴＡ）のエネルギー消費を最適化する方法において、
   通信局（ＳＴＡ）が受信するダウンリンクデータトラフィックおよび送信するアップリ
   ンクデータトラフィックをある特定の時間間隔の間で監視し、
   前記ダウンリンクデータトラフィックと前記アップリンクデータトラフィックとの比に
   基づいて適応的に省電力モード（ＰＳＭ）を選択する、
   ことを特徴とする通信局のエネルギー消費を最適化する方法。
2. 前記ダウンリンクデータトラフィックと前記アップリンクデータトラフィックとの比を
   計算するために、送受信されるデータフレームの数が参照されることを特徴とする請求項
   １に記載の方法。
3. 前記ダウンリンクデータトラフィックの前記アップリンクデータトラフィックに対する
   比が１よりも大きい場合に事前対応型の省電力モード（ＰＳＭ）が選択されることを特徴
   とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ダウンリンクデータトラフィックの前記アップリンクデータトラフィックに対する
   比が１よりも小さい場合に事後対応型の省電力モード（ＰＳＭ）が選択されることを特徴
   とする請求項１または２に記載の方法。
5. 省電力（ＰＳ）ポーリングが前記通信局からアクセスポイント（ＡＰ）へ送信される時
   間間隔が、前記ダウンリンクデータトラフィックと前記アップリンクデータトラフィック
   との比に基づいて規定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法
   。
6. 省電力（ＰＳ）ポーリングが前記通信局からアクセスポイント（ＡＰ）へ送信される時
   間間隔が、ある特定の時間間隔の間に受信されるダウンリンクデータトラフィックに基づ
   いて規定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
7. 選択される省電力モード（ＰＳＭ）が、ダウンリンクデータトラフィックとアップリン
   整理番号:32500008 特願2005-194556
   提出日:平成20年 3月24日
   2
   クデータトラフィックとの間の比の変化に自動的に適応することを特徴とする請求項１〜
   ６のいずれか１項に記載の方法。
8. 最大ダウンリンク遅延に関するアルゴリズムによって前記省電力モード（ＰＳＭ）が選
   択されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記ダウンリンクデータトラフィックおよび前記送信するアップリンクデータトラフィ
   ックは、ＭＡＣ（媒体アクセス制御）層で監視されることを特徴とする請求項１〜８のい
   ずれかに記載の方法。
10. ネットワーク内で通信可能な通信局において、
    受信するダウンリンクデータトラフィックおよび送信するアップリンクデータトラフィ
    ックをある特定の時間間隔の間で監視する監視手段と、
    前記ダウンリンクデータトラフィックと前記アップリンクデータトラフィックとの比に
    基づいて適応的に省電力モード（ＰＳＭ）を選択するＰＳＭ制御手段と、
    を有することを特徴とする通信局。
11. コンピュータに、ネットワーク内の通信局（ＳＴＡ）のエネルギー消費を最適化する機
    能を実現するためのプログラムにおいて、
    通信局（ＳＴＡ）が受信するダウンリンクデータトラフィックおよび送信するアップリ
    ンクデータトラフィックをある特定の時間間隔の間で監視するステップと、
    前記ダウンリンクデータトラフィックと前記アップリンクデータトラフィックとの比に
    基づいて適応的に省電力モード（ＰＳＭ）を選択するステップと、
    を有することを特徴とするプログラム。
    
    

Images