JP4335481B2 - 無線非同期伝送モード（ａｔｍ）システムのための適応セルスケジューリングアルゴリズム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速無線ネットワークの分野に関する。より具体的には、本発明は、コンテンション方式と要求・許可方式間を切り換えるためにスケジューリングアルゴリズムを統合して非同期伝送モード（ＡＴＭ）セルにおける高性能を達成する分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速無線ネットワークの一般構成では、セントラルハブおよび多数のエンドユーザノード（ＥＵＮ）を利用する。このシステムの基本動作単位はセルであり、このシステムにおいてハブはセルの中心に位置し、一方、ＥＵＮはハブのサービス範囲内に分散している。下り（ハブからＥＵＮ）方向において、通信チャネルは同報チャネルである。換言すると、ハブから送信されるすべての信号はシステム内のあらゆるＥＵＮにより受信される。
【０００３】
上り（ＥＵＮからハブ）方向において、各ＥＵＮの伝送は、ハブのみにより聴取されるユニキャストである。通常の高速無線ネットワークにおいては、ＥＵＮは、他のＥＵＮからの送信を受信する構成となっていない。上り通信チャネルは、2種類のアクセス方式のいずれかを使用する多数のＥＵＮにより共用される。一つのアクセス方式は時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）に基づく方式として知られており、この方式ではすべてのＥＵＮが同一周波数を使用して送信するが、異なる時刻に送信することにより衝突を回避する。もう一つの方式は周波数分割多重アクセス（ＦＤＭＡ）方式と呼ばれており、この方式では送信を調整するときに各ＥＵＮに別々の周波数を割り当てることにより衝突を避ける。これらの両アクセス方式において、下り信号は上り信号と異なる搬送周波数により伝送される。しかし、上りおよび下りのスロットは同じ長さであるので、両チャネルは同一の帯域幅を持っている。
【０００４】
ＥＵＮ群に電源が投入されたとき、ハブは一回の照準動作を行う。照準動作により各ＥＵＮとハブ間の距離を測定する。ハブから遠いＥＵＮは、ハブに近いＥＵＮより早く送信しなければならない。ハブは、その照準動作を完了した後、それに従って各ＥＵＮをタイムスロット中にハブの基準フレームから順に並べる。
【０００５】
どの任意のタイムスロット中においても、同時に一つのみが送信を許容される。任意のタイムスロットにおけるＥＵＮ送信を調整するために、ハブは２つの基本調整方式のいずれかを利用できる。
【０００６】
コンテンション方式は、システム中で上り帯域幅を捕捉しようとするＥＵＮの個数が比較的少ない場合に送信を調整するために利用される。システム中に多数のＥＵＮが存在する場合、要求・許可方式すなわちピギーバック方式が使用される。
【０００７】
コンテンション方式では、ハブからの同報により特定のタイムスロットの獲得競争に参加してよいＥＵＮの名前を通知する。各競合ＥＵＮは、次に、そのＥＵＮが送信したいならばこの同報に応答する。この方式は、システム中のＥＵＮ数が比較的少ない場合または空きＥＵＮが許可を速やかに要求する手段を必要とする場合に特に有効である。
【０００８】
要求・許可方式すなわちピギーバック方式は、コンテンション方式と反対に働く。ピギーバック方式では、送信したい各個別ＥＵＮはハブのタイムスロットに対する要求をユニキャストする。次にハブは、タイムスロット許可信号をすべてのＥＵＮに同報する。この状態になったとき、各個別ＥＵＮはこの信号を受信し、自己または他のＥＵＮのいずれがタイムスロット許可を受信したのか認識する。これらの許可は、帯域幅の利用可能性に基づいてＥＵＮにタイムスロットを割り当てる。この方式は、非常に多くのＥＵＮが連続して送信する場合に最も効果的である。
【０００９】
無線システム中のＥＵＮ数はしばしば変動することがあり、しかもそれは短時間の内に変動することが多いので、要求・許可方式とコンテンション方式間の比率を調整するためにスケジューリングアルゴリズムが必要とされる。滑らかな移行を行うために、２つの調整スロット化多重アクセス方式間をシームレスに切り換えることができるアルゴリズムが望ましい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、複数のユーザにより共用される無線ネットワークチャネルにおける適応セルスケジューリングアルゴリズムの統合方法である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ユーザの送信を調整するために２つの調整スロット化多重アクセス方式間を切り換える。
【００１２】
２つの調整スロット化多重アクセス方式、すなわち、コンテンション方式および要求・許可方式は両者ともネットワークに常時存在し、両方式の各々のパーセンテージ値は動的に変化するが、それらの和は常に１００%である。
【００１３】
本発明は、コンテンションスロットを生成するために加重公平待ち行列中の待ち行列を割り当てる。２人のユーザ間で衝突が発生した場合、コンテンションスロットの生成を求める２つの新しい要求を加重公平待ち行列に付す。すべての競争が解決したとき、開始（starting）要求を加重公平待ち行列に付す。この方法により加重公平待ち行列は、コンテンションスロットの生成比率を自動的に調整することができる。ネットワークの負荷が軽いとき、加重公平待ち行列はコンテンションスロットの生成比率を増大させ、また、ネットワークの負荷が重いとき、加重公平待ち行列はコンテンションスロットの生成比率を減少させる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施形態においては、この種類の高速無線ネットワークにおける広帯域情報伝送は非同期伝送モード（ＡＴＭ）を基礎とする。図1に示す通常のスタック構成によりＡＴＭ立方体を考察することができる。具体的には、ハブはバックホール（back-haul）ネットワークからＡＴＭセルを受信し、それを特殊なフォーマットでＥＵＮに送出する。
【００１５】
上記と逆方向においては、ＥＵＮはその加入者からＡＴＭセルを受信するか、または、従来のインターフェイスをＡＴＭに変換し、これらのＡＴＭセルを特殊なフォーマットでハブに送出する。ハブは上り信号からＡＴＭセルを回復し、それらをバックホールネットワークに送出する。
【００１６】
どのようなＡＴＭシステムも通常の層化プロトコルスタック（図１）により考察できる。この枠組みにおいて、ＡＴＭレイヤ（１０）は複数の物理接続にわたるデータの伝送を受け持つ。ＡＴＭアダプションレイヤ（ＡＡＬ）（12）およびアプリケーションは、ＡＴＭレイヤ（１０）より上層で動作する。ネットワークレイヤより下層では、ＡＴＭ仕様は物理レイヤ（ＰＨＹ）（１８）を意味する。ＡＴＭのＰＨＹ（１８）は、伝送収束（ＴＣ）サブレイヤ（１４）および物理媒体（ＰＭ）からなる。通常のスタックモデルにおいては、ＴＣはデータリンクレイヤ（ＤＤＬ）（１６）およびＰＨＹ（１８）の組合せである。通常のスタックモデルでは、ＤＬＬ（１６）は一般的に2つのサブレイヤ、すなわち、ネットワークとインターフェイスする論理リンク制御レイヤ（ＬＬＣ）およびＰＨＹ（１８）とインターフェイスするＭＡＣレイヤに細分される。
【００１７】
再び図１を参照する。ＡＴＭシステムは垂直方向においてもすべてのプロトコルレイヤにおいて同様な働きを行ういくつかの面に分割される。これらの面は、制御面、ユーザ面、管理面である。ユーザ面（２２）は、制御情報および管理情報を含むデータを各種接続を介して運ぶこと、およびフロー制御のような機能を果たすことを受け持つ。制御面（２０）は、呼制御機能および接続制御機能を果たすことを受け持つ。管理面（２４）は、資源割当て、誤りおよび故障の報告、運用保守（ＯＡＭ）情報の流れ、所与レイヤに関する各種パラメータを受け持つ。また、総合レイヤ管理（２６）はすべてのレイヤにまたがり、システム全体の調整を受け持つ。
【００１８】
本方法の好ましい実施形態では、各物理ＥＵＮにログオン中に使用する６バイトの固有物理ＩＤを割り当てる。その後、ＥＵＮに１から２５４まで（すなわち、００００_０００１から１１１１_１１１０）の論理ＥＵＮ_ＩＤを割り当てる。ＥＵＮ_ＩＤは実行中に変更可能であり、また、物理ＥＵＮが２５６を超える仮想回線（ＶＣ）を有することができるようにするため１物理ＥＵＮに複数個のＥＵＮ_ＩＤを割り当てることもできる。リンクアドレスは１６ビットの番号であり、８ビットのＥＵＮ_ＩＤと８ビットのサブアドレスに細分される。これらのビットは、空白アドレス、ユニキャストアドレスまたはマルチキャスト/ブロードキャストアドレスを指定するために使用できる。
【００１９】
図２に示す本発明の好ましい実施形態によれば、マルチキャストアドレス指定は制御メッセージを送信するため、および、コンテンションスロットを割り当てるために使用される。マルチキャストアドレスは２５５（１１１１＿１１１１）のＥＵＮ＿ＩＤを使用する。この形式のアドレス指定は、８ビットのサブアドレスを使用してＥＵＮのグループを指定する。図２に示すように、特定の１ＥＵＮに至るまでのすべてのＥＵＮからグループを構成できる。
【００２０】
好ましい実施形態の上り電波インターフェイスはＴＤＭＡを使用する。個々の上りスロットは、特定ＥＵＮ中の特定ＶＣに割り当てられる。コンテンションタイムスロットは、マルチキャストアドレス指定方式を使用してＥＵＮのグループに割り当てられる。再試行の仕組みはないので、セル要求のみコンテンションスロットで送信できる。
【００２１】
ＭＡＣメッセージングフィールド中の各上りバーストには２つの要求が含まれる。各要求は、８ビットのリンクレイヤ接続（ＶＣＩ）アドレス（すなわち、ＥＵＮ＿ＩＤを持たないリンクアドレスであり、リンクアドレスフィールド中のアドレスと同じもの）および現在当該ＥＵＮで行列しているセルの個数を示す８ビットの長さのフィールドを含む。実際の長さが送信されるので、要求の紛失または複写による影響は最小化される。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態は、ＥＵＮからハブに対して待ち状態トラフィックの通知を可能にするコンテンション機構も提供する。大部分の要求は通常のＭＡＣセル（ピギーバック方式）で運ばれるものと予期されるが、このコンテンション機構は空きＥＵＮが許可を迅速に要求する手段を提供する。上りコンテンションスロットはハブによりマルチキャストアドレス指定方式を使用して許可経由ですべてのＥＵＮに通知され、これによって競争に参加してよいＥＵＮのグループが指示される。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態が図３に示されており、要求・許可方式とコンテンション方式間でシームレスな切り換えを行うよう構成される。優先待ち行列（３２）、バイパス待ち行列（３４）、加重公平待ち行列（３６）、およびコンテンション待ち行列（３８）を含むスケジューリングブロック（３０）に組み込まれるスケジューリングアルゴリズムを使用してこのアルゴリズムを実行する。バイパス待ち行列（３６）により、一定ビットレート（Constant Bit Rate （ＣＢＲ））のようなリアルタイムトラフィックは加重公平待ち行列（３４）をバイパスすることができ、コンテンション方式と要求・許可方式を有するアルゴリズムに含まれないことになる。したがって、バイパス待ち行列（３６）が空でない場合、優先待ち行列は加重公平待ち行列（３４）の内容を送信する前にバイパス待ち行列（３６）の内容の送信を可能にする。
【００２４】
再び図３を参照すると、加重公平待ち行列（３６）は、ＥＵＮ要求（４０）およびコンテンション待ち行列（３８）からの出力のような種々のストリームがサービス品質（ＱｏＳ）に基づいて優先順位を与えられ得るようにするため非リアルタイムトラフィッククラスを扱うスケジューリングアルゴリズムを実際に実行する。ＱｏＳは、無線ネットワークを使用するためにＥＵＮの支払った金銭的価値に基づいて任意の所与のＥＵＮに与えられる優先順位である。たとえば、ＱｏＳにおいて多く支払ったＥＵＮは高い優先順位を与えられ、したがって支払いの少ないＥＵＮより高い順位に置かれる。しかし、コンテンション待ち行列の優先順位は、加重公平待ち行列（３４）に帯域幅を要求するあらゆるＥＵＮ入力（４０）の優先順位よりも低い。
【００２５】
したがって、本発明の好ましい実施形態によると、ネットワークの負荷が重く、かつ、多数のＥＵＮが加重公平待ち行列（３４）に帯域幅（４０）を要求しているとき、コンテンション待ち行列（３８）が加重公平待ち行列（３４）に対する全要求に占めるパーセンテージは低い。たとえば、９個のＥＵＮが要求・許可方式で加重公平待ち行列（３４）に帯域幅（４０）を要求しているとき、要求・許可／コンテンションの比率は９／１、すなわち、要求・許可９０％、コンテンション１０%である。
【００２６】
再び図３を参照すると、本発明の好ましい実施形態においては、ネットワークの負荷が軽くなるにつれ、加重公平待ち行列（３４）に帯域幅（４０）を要求するＥＵＮの数が減少する。しかし、コンテンション待ち行列（３８）は加重公平待ち行列（３４）に対する１入力を保持する。したがって、要求・許可方式で帯域幅（４０）を要求するＥＵＮの数が減少するにつれ、要求・許可／コンテンションの比率は減少する。たとえば、帯域幅（４０）を要求するＥＵＮの数が３に減った場合、方式比率は３／１、すなわち、要求・許可７５％、コンテンション２５％となる。換言すると、システムにおけるコンテンションのパーセンテージは、システム中のＥＵＮ要求数（４０）が減少するにつれシームレスに増加する。
【００２７】
本発明の代替実施形態は、優先待ち行列（３２）またはバイパス待ち行列（３６）の省略、追加、再編成のようなスケジューラ・ブロック（３０）の変形を含む。しかし、加重公平待ち行列（３４）、コンテンション待ち行列（３８）、ＥＵＮ要求（４０）の構成は、好ましい実施形態と異ならない。
【００２８】
本発明の好ましい実施形態は、別の側面として、下り方向に送信するためおよび特定のＥＵＮにおいて上りスロットを特定のＶＣに割り当てるためセルを連続的に選択するＭＡＣを含んでいる。下り方向は単純明快であり、既存有線ＡＴＭシステムに非常によく似ている。データトラフィックについて加重公平行列（Weighted Fair Queue （ＷＦＱ））を使用する一方、ＣＢＲのトラフィックを先入れ先出し（First In First Out （ＦＩＦＯ））法により即座に送信している。
【００２９】
好ましい実施形態における上り帯域幅の割当は、相当により複雑である。各ＥＵＮは特定のＶＣに対する要求をハブに送出し、これらの要求は他の上りセルとともに伝送されるか、またはコンテンション機構に非常に重要なものである。ハブはこれらの要求を取り入れ、これらを擬似セルに変換し、この擬似セルをＡＴＭスケジューラに入力する。ハブはＣＢＲトラフィックの到着の予測も行い、それらのために擬似セルを自動的に生成する。各割当を行うために、ハブはスケジューラにより選択された仮想セルを調べ、次に当該ＥＵＮにおける対応ＶＣに対する割当を許可する。通常、要求は、上りＭＡＣセルの要求フィールドにおいて他のトラフィックとともに運ばれる。しかし、空きＥＵＮが上流に送信するためのセルを受信するときの待ち時間を大幅に短縮するためにコンテンション機構を設ける。
【００３０】
好ましい実施形態のログオン手順は初期照準および電力調整を確立するためおよびハブとのＭＡＣレベル接続を確立するためにＥＵＮにより使用されるものであり、「照準・較正アルゴリズムの調査、ＫＡ」で記述されている標準照準方法の変形である。ログオンに続いて、ＤＬＬは新しく接続されたＥＵＮおよびVCの認証を行う。ハブまたはローカルオペレータがＥＵＮ接続を手際よく終了できるようにするため標準ログオフ手順が設けられている。極端なＲＦ状態による接続中断を検出する仕組および接続を自動的に再確立するアルゴリズムも設けられている。
【００３１】
添付した特許請求の範囲により定義されている本発明の精神および範囲から逸脱することなく、好ましい実施形態に対してその他種々の改良をなし得ることが、当業者には容易に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスタック構成におけるＡＴＭ立方体を示す図である。
【図２】本発明のマルチキャストＩＤ一覧表を示す図である。
【図３】本発明の好ましいスケジューリングブロックを示す図である。

Claims (7)

1. 複数のユーザにより共用される無線ネットワークにおけるスケジューリングアルゴリズムを統合する方法であって、
   所与の時間におけるエンドユーザノード送信を調整するために用いられる要求・許可モードとコンテンションモードの間をシームレスに切り換えるために、競合を適応的に調節するステップを含み、
   スロットされた２つの多重アクセスモードが双方とも前記無線ネットワーク中に終始存在し、および
   前記スロット化された多重アクセスモードの各々に割り当てられるパーセント値が、負荷の軽重に基づいて動的に変化する値となっているスケジューリングアルゴリズムの統合方法。
2. 前記スロット化された多重アクセスモードは要求・許可モードおよびコンテンションモードを含み、
   前記競合を適応的に調節するステップが、複数のコンテンションスロットを生成するために加重公平待ち行列中に待ち行列を割り当てる処理を含み、
   ２人のユーザ間において衝突が発生したとき、コンテンションスロットの生成を求める複数の新しい要求を前記加重公平待ち行列に付し、かつ、
   すべての競合が解決されたとき、開始要求を前記加重公平待ち行列に付す、請求項１に記載のスケジューリングアルゴリズムの統合方法。
3. 前記複数のコンテンションスロットの生成比率を自動的に調整するために前記加重公平待ち行列を利用することをさらに含み、
   前記無線ネットワークの負荷が軽いとき前記複数のコンテンションスロットの前記生成比率を増大させ、前記無線ネットワークの負荷が重いとき該比率を減少させる、請求項２に記載のスケジューリングアルゴリズムの統合方法。
4. 複数のユーザにより共用される無線ネットワークにスケジューリングアルゴリズムを統合するための装置であって、
   所与の時間におけるエンドユーザノード送信を調整するために用いられる要求・許可モードとコンテンションモードの間をシームレスに切り換えるために、競合を適応的に調節する手段を備え、スロット化された２つの多重アクセスモードが、双方とも前記無線ネットワーク中に終始存在し、および前記スロット化された多重アクセスモードの各々に割り当てられるパーセント値が、負荷の軽重に基づいて動的に変化する値となっているスケジューリングアルゴリズムを統合するための装置。
5. ａ．要求を受信し、通信帯域幅を部分的に割り当てるように無線ネットワーク信号を送受信するハブと、
   ｂ．複数のユーザが前記通信帯域幅を部分的に要求し、これを与えられるように無線ネットワーク信号を送受信する複数のエンドユーザノードとを含み、
   前記適応的に調節する手段は、
   ｃ．サービス品質規格に従ってエンドユーザノード要求およびコンテンション要求に優先順位を付けるために、競合を適応的に調節するための加重公平待ち行列を含む、請求項４に記載のスケジューリングアルゴリズムを統合するための装置。
6. 前記スロット化された多重アクセスモードが、要求・許可モードおよびコンテンションモードを含み、
   前記競合を適応的に調節する手段が、複数のコンテンションスロットを発生するための加重公平待ち行列を割り当てするものであり、
   コンテンションスロットを発生するための多重化された新たな要求が、２つのユーザ間で衝突が生じたときに、前記加重公平待ち行列内に配置され、およびすべての競合が解消したときに、加重公平待ち行列内に配置されるようになっている請求項４または５に記載のスケジューリングアルゴリズムの統合方法。
7. 前記複数のコンテンションスロットの生成比率を自動的に調整するために前記加重公平待ち行列を利用する手段をさらに含み、
   前記無線ネットワークの負荷が軽いとき前記複数のコンテンションスロットの前記生成比率を増大させ、前記無線ネットワークの負荷が重いとき該比率を減少させる、請求項６に記載のスケジューリングアルゴリズムを統合するための装置。

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