JP4597652B2 - 無線通信システムにおいてチャネル相関を使ってアクセス・ポイントを選択するための方法および装置 - Google Patents

無線通信システムにおいてチャネル相関を使ってアクセス・ポイントを選択するための方法および装置 Download PDF

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Description

本発明は、一般に、無線ローカル・エリア・ネットワーク(LAN)などの無線通信システムに関し、より詳細には、そのような無線通信システムにおけるデータ速度制御技術に関する。
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、2003年12月9日に出願した米国仮出願第60/528,171号の優先権を主張するものである。
無線ローカル・エリア・ネットワーク(LAN)などの一般的な無線ネットワーク環境においては、いくつかの無線局が1つまたは複数の無線チャネルを介して通信を行っている。アクセス・ポイントは、一般的に、制御機能および管理機能を提供する。アクセス・ポイントは、すべてのトラフィックが中継される中央ノードとしての役割を果たす。多くの無線ネットワークは、IEEE802.11標準、または801.11a、bおよびgなどの802.11の様々な拡張版、あるいはHIPERLAN/2標準に従って実装される。IEEE802.11プロトコルは、全ての通信がアクセス・ポイントを介して中継されることを規定しており、したがって、対象となる各送信(同じ無線チャネル上で他のアクセス・ポイントがアクティブである場合もある)は、局が関連付けられているアクセス・ポイントからのものである。
IEEEの「Supplement to Standard for Telecommunications and Information Exchange Between Systems−LAN/MAN Specific Requirements−Part 11: Wireless MAC and PHY Specifications: Spectrum and Transmit Power Management Extensions in the 5 GHz band in Europe(システム間の電気通信および情報交換のための標準の補遺―LAN/MAN特定要件―第2部:無線MACおよびPHYの仕様:ヨーロッパにおける5GHz帯域のスペクトルおよび伝送電力の拡張)」P.802.11h・D2.0(2002年3月) A.van Zelst、J.S.Hammerschmidt著「A Single Coefficient Spatial Correlation Model for Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Radio Channels(複数入力複数出力(MIMO)無線チャネルのための単一係数空間相関モデル)」(URSI XXVII総会(2002年8月17〜24日)議事録、1〜4(2002年))
一般に、あらゆる局は、すでにアクセス・ポイントに関連付けられているものを含めて、周囲のアクセス・ポイントの数、およびそれらのアクセス・ポイントへの無線リンクの品質を知るために、ときどき周囲をスキャンする。局はこの情報を使って、最良の品質のリンクを有するアクセス・ポイントを選択する。局は、まだその最良のリンクを有するアクセス・ポイントに接続されていない場合には、その新しいアクセス・ポイントに関連付けられることを試みる。既存のシステムでは、現在のところ、リンクの品質はそのリンクのSNR値にのみ基づいている。無線LANなどの無線通信システムにおいてアクセス・ポイントを選択するための改良された方法および装置が必要とされている。
一般に、無線LANなどの無線通信システムにおいてアクセス・ポイントを選択するための方法および装置が提供される。本発明による無線通信デバイスは、1つまたは複数の周囲のアクセス・ポイントへのチャネルに対する相関の測定値に基づいてアクセス・ポイントを選択するローミング・プロセスを含む。一実装では、このローミング・プロセスは、相関値が最も小さいアクセス・ポイントを選択する。このローミング・プロセスはまた、アクセス・ポイントを選択するにあたって、信号の品質、またはチャネルの遅延スプレッド、またはその両方を考慮することもできる。
以下の詳細な説明および図面を参照することによって、本発明および本発明のさらなる特徴および利点をより完全に理解できるであろう。
図1は、本発明が動作可能な無線ネットワーク環境100を示す。無線ネットワーク環境100は、例えば、無線LANまたはその一部であってよい。図1に示すように、いくつかの局200−1〜200−Nが、無線ディジタル通信システム100において1つまたは複数の無線チャネルを介して通信を行っている。局200−1〜200−Nをまとめて「局200」と呼び、以下に図2に関連して説明する。アクセス・ポイント120は、一般的に、その他のアクセス・ポイント(図示せず)を有する有線配信ネットワーク105に接続されている。アクセス・ポイント120は、一般的に、周知の方法で制御機能および管理機能を提供している。さらに、アクセス・ポイント120は、すべてのトラフィックが中継される中央ノードとしての役割を果たしており、そのため、局200は、送信がアクセス・ポイント120から発するという事実に依拠することができる。無線ネットワーク環境100は、例えば、IEEE802.11標準、または802.11a、bおよびgなどの802.11標準の様々な拡張版、あるいはHIPERLAN/2標準に従って実装することができる。
IEEE802.11プロトコルは、全ての通信がアクセス・ポイント120を介して中継されることを規定しており、したがって、対象となる各送信(同じ無線チャネル上で他のアクセス・ポイント120がアクティブである場合もある)は、局200が関連付けられているアクセス・ポイント120からのものである。このような通信プロトコルの例として、IEEE802.11プロトコルの拡張サービスセット(ESS)モードが挙げられる。このプロトコルでは、局200が、全ての通信を中継するアクセス・ポイント120に関連付けられる。
アクセス・ポイント120と無線局200は、送信電力レベル制限に関する情報を含むフレームを交換する。アクセス・ポイント120では、ネットワーク・アドミニストレータが国の選択ができるようにアクセス・ポイント120を構成すると、国情報が利用可能になる。局200は、アクセス・ポイント120からこの情報を受信する。送信電力レベル制限を交換するためのフレーム・フォーマットについては、例えば、IEEEの「Supplement to Standard for Telecommunications and Information Exchange Between Systems−LAN/MAN Specific Requirements−Part 11: Wireless MAC and PHY Specifications: Spectrum and Transmit Power Management Extensions in the 5 GHz band in Europe(システム間の電気通信および情報交換のための標準の補遺―LAN/MAN特定要件―第2部:無線MACおよびPHYの仕様:ヨーロッパにおける5GHz帯域のスペクトルおよび伝送電力の拡張)」P.802.11h・D2.0(2002年3月)に記載されている。
図2は、本発明が動作可能な、例示的な従来のMIMO環境を示す。図2に示すように、例示的な従来のMIMOシステム200は、ソース信号S〜SNt、送信機TX〜TXNt、送信アンテナ210−1〜210−N、受信アンテナ215−1〜215−N、受信機RX〜RXNrを備えている。MIMOシステム200は、複数の送信アンテナ210で別々のデータ・ストリームを送信し、各受信機RXはこれらのデータ・ストリームの組合せを受信する。
本明細書で使用しているように、「MIMO」という用語は、複数の送信層が存在するシステム、すなわち、いくつかの区別できるストリームが、異なるアンテナから同じ周波数チャネルに送信されるシステムを意味するものとする。このようなMIMO送信を受信するための、様々な構成による1つまたは複数の受信アンテナが存在し得ることに注意されたい。速度向上のための代表的な実装においては、送信アンテナと同じ数の受信アンテナ、または送信アンテナよりも多数の受信アンテナが備えられる。
MIMOシステムのパフォーマンスは、無線チャネル中に提供された散乱に依拠する。散乱が不充分で、様々なチャネル要素間の相関(すなわち、空間チャネル相関)が所定の閾値を超える場合には、システムは、それらの複数アンテナを使ってデータ速度を向上させることができない。散乱は、送信機と受信機(あるいは、アクセス・ポイント(AP)と局(STA))の両方の周囲環境に依存する。
図3は、無線LANシステム300のためのネットワーク環境を示す。図3に示すように、無線ネットワーク環境では、局(STA)は、一般に、1つまたは複数のアクセス・ポイント(AP)に接続することができる。利用可能なアクセス・ポイントの数は、将来、ネットワークの配備の密度がますます高くなるのにつれて増加するばかりである。あるアクセス・ポイントとある局の間のチャネル要素(H)が高く相関している場合に、その一方で、その同じ局と別のアクセス・ポイントの間のチャネル要素の方がより良い相関特性を示す場合がある。局がその第2のアクセス・ポイントとの接続を選択できると、(高速度の)送信が成功する可能性はより高くなる。例えば、図3に示すように、局310は、アクセス・ポイントAP1、AP2、またはAP3と接続することができる。
本発明の一態様によれば、図7に関連して以下に説明するローミング・プロセス700は、相関情報を使って所与の局のアクセス・ポイントを選択する。
相関の原理
前述したように、ローミング・プロセス700は、局とアクセス・ポイントの間の相関に基づいてアクセス・ポイントを選択する。この相関を測定するための測定値の1つとして、MIMOチャネルの対応する1組の固有値が挙げられる。これは、チャネル応答から推定することができる。さらに、MIMOリンクのパフォーマンスはまた信号対雑音比(SNR)またはチャネルの遅延スプレッドにも非常に依拠している。SNRは、パケットのプリアンブルから、または前に受信したパケットから推定することができる。MIMOチャネルの推定は、あらゆる場合において、送信データの復旧を成功させるために必要である。リンクの品質を測定するための別の測定値としては、送信され、誤りありで、または誤りなしで宛先によって受信されたパケットのパーセンテージが挙げられる。例えば、これらは、それぞれ、受信されなかった肯定応答の数または受信された肯定応答の数から決定される。本発明は、ローミング局が、相関情報を使って新しいアクセス・ポイントを選択できるようにするものである。
図4は、本発明の特徴を組み込んでいる例示的な送受信局400の概略構成図である。送受信局400はそれぞれ、例えば、パーソナル・コンピュータ・デバイス、または、本発明の特徴および機能を提供するように本明細書において修正された、セルラ電話、携帯情報端末、ページャなどの、無線通信機能を有するいずれかのデバイスとして実施することができる。
図4に示すように、例示的な局400は、図7に関連して以下にさらに説明するローミング・プロセス700を含む。さらに、送受信局400は、データの送信を制御する媒体アクセス制御装置(MAC)405を含む。この例示的実施形態では、MAC405がローミング・プロセス700を含む。別の実装では、ローミング・プロセス700を、MAC405と対話する別個のデバイスによって実装することができる。一般に、ローミング・プロセス700は、局400が使用するアクセス・ポイントを選択する。ベースバンド・プロセッサ420は、RF回路430に信号を供給し、RF回路430は、周知の方法でその信号を1つまたは複数のアンテナ440−1〜440−Nに供給する。
図5は、MIMOベースのOFDM無線デバイスのパフォーマンスに対するSNRおよびチャネル相関の影響を示す。図5は、IEEE802.11aシステムの拡張版である、2台の送信機と2台の受信機(2×2)のシステムのビット誤り率(BER)パフォーマンス500を示す。この例示のシステムは、コーディング速度が0.75で108(2×54)Mbpsのデータ速度をもたらす、64−QAM変調を使用する。A.van ZelstおよびJ.S.Hammerschmidt著「A Single Coefficient Spatial Correlation Model for Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Radio Channels(複数入力複数出力(MIMO)無線チャネルのための単一係数空間相関モデル)」(URSI XXVII総会(2002年8月17〜24日)議事録、1〜4(2002年))中に記載されているように、MIMOチャネルにおける相関はモデル化される。
ここで、ρは0から1の間で変化する、相関をモデル化するパラメータである。特に、0に等しいρは、全く相関していないことに対応し、1に等しいρは完全に相関していることに対応する。レイリー・フェージングによる減衰電力遅延プロファイルが適用される。一般に、図5に示すように、SNRが増加するとパフォーマンスは向上し(すなわち、BERは低下し)、相関係数が増加するとパフォーマンスは低下する。
図6は、相関ρが0に等しい、2台の送信機と2台の受信機(2×2)の構成の場合の、SNRの関数としてのBERパフォーマンス600を示す。異なるデータ速度610−1〜610−6は、それぞれ、12、24、48、72、108Mbpsの速度に対応する。これらの異なる速度610−1〜610−6は、コーディング速度と変調を変えることによって(802.11a/gにおいてもなされているように)得られる。図6に示すように、BERパフォーマンスはSNRとデータ速度の関数である。あるSNRで受信機が動作している場合、要求BERパフォーマンスを達成するデータ速度を選択することができる。図6は、BERパフォーマンスおよびSNR要件に対する変調およびコーディング速度の影響を示している。
例示的なパフォーマンス・パラメータの推定
信号対雑音比(SNR)
他の端末との無線チャネルのSNRを、受信したパケットのプリアンブルを使って推定することができる。これは、いずれかの受信パケットのプリアンブル中にあるロング・トレーニング(LT)記号を使って行うことができる。例えば、IEEE標準802.11a「5GHz帯域の高速物理層」(1999)で提案されているロング・トレーニング記号は、記号と循環プレフィックスの反復である。同期化の後、2種類のバージョンのトーニング記号の唯一の相違は雑音である。したがって、2つの記号の減算を行うことによって、雑音の推定値が得られる。
別のより正確なSNR測定方法としては、パケット中の検出データを使用することが挙げられる。例えば、最小二乗推定を使って、コンスタレーション・ポイントの推定値から、スライスした後の検出コンスタレーション・ポイントを減算する。その結果、推定の中の誤りが得られる。誤りの統計は、信号と雑音のレベルの比率に関する。SNRを測定するための別の技術として、パケット受信中に受け取ったエネルギー・レベル(信号レベル)と、チャネル上の休止期間中に受け取ったエネルギー・レベル(雑音レベル)を測定することが挙げられる。SNRの数字は、これら2つの値の減算を行うことによって得られる。
これらのパラメータ、またはいくつかのパケットの移動平均をテーブルに記憶させることができる。このテーブルは、以下にさらに説明するように、拡張ローミング・アルゴリズムおよび接続制御アルゴリズムにおいて使用することができる。
チャネル相関
チャネル相関、すなわちMIMO相関は、MIMOチャネル・マトリックスHから推定することができる。コヒーレント検波を使用しているシステムには、あらゆる場合においてチャネルの推定値が必要である。有効自由度(EDOF)や有効寸法(ED)など、この相関を測定するための測定値がいくつか提案されている。それらの測定値は全て、チャネルを介していくつの独立データ・ストリームを送信することができるかを判断するために使用される。
本発明は、チャネル・マトリックスの固有値(EV)または特異値(SV)を計算することを提案する。この値は、特異値分解(SVD)を使って計算することができる。全く相関していないMIMOチャネルでは、これらのEVは全て同じ値であり、高い値になる。相関しているチャネルでは、いくつかのEVが低い値になる。したがって、相関を測定するための好ましい測定値は、複数EVのうちの最大値およびそれらの間の比である。
受信したACKの数と受信できなかったACKの数の差
受信したACKの数と受信できなかったACKの数の差を計算することができる。この測定では、受信した肯定応答の数と受信できなかった肯定応答の数を記憶する。この統計を計算するために使用されるパケットの数は、所与のデータ速度で送信されたパケットに関連する全てのACK、または所与のデータ速度における最後のX個のパケットに基づくことができる。
チャネル相関に基づくローミング・プロセス
現在の非MIMOシステムでは、あるアクセス・ポイントに関連付けられているものを含めて、あらゆる局は、周囲のアクセス・ポイントの数と、それらのアクセス・ポイントへの無線リンクの品質を見出すために、時々、周囲をスキャンする。局は、周知の方法で、この情報を使って最良品質のリンクを有するアクセス・ポイントを選択する。次いで、局は、まだその最良のリンクを有するアクセス・ポイントに接続されていない場合には、この新しいアクセス・ポイントに関連付けられることを試みる。既存のシステムでは、現在のところ、リンクの品質はそのリンクのSNR値にのみ基づいている。
本発明は、MIMOシステムの場合、SNRだけでなくリンクのチャネル相関も使って、最良のリンクを有するアクセス・ポイントを選択するように、ローミング・アルゴリズムおよび接続制御アルゴリズムを改良できることを認識している。言い換えれば、局は、SNRとチャネル相関の組合せが最良のアクセス・ポイントに関連付けられることを試みる。図7に関連して以下に説明するように、アクティブなスキャン・プロトコルは、局が現在、関連付けられているアクセス・ポイント以外のアクセス・ポイントへのリンクの相関を判断するように改良される。
図7は、本発明の特徴を組み込んでいるローミング・プロセス700の例示的な実装を説明する流れ図である。図7のローミング・プロセス700は継続的に実行され、あるいは、接続の切断、現在のアクセス・ポイントに対する不充分なSNR、現在のアクセス・ポイントに対する高い相関など、1つまたは複数のイベントによってトリガされる。ローミング・プロセス700が開始されると、工程710で、1つまたは複数の周波数チャネルにおいてスキャンが実行される。これについては、以下に、図8に関連してさらに説明する。このスキャン・プロセスの間、局は、それが検出した様々なアクセス・ポイントに関する情報を収集する。その後、工程720で、スキャン中に得られた情報を記憶するためのスキャン結果テーブル(SRT)が作成される。スキャン結果テーブルには、例えば、各アクセス・ポイントについて、動作チャネル、BSSID、AP機能、SNR値、およびセル中のネットワーク負荷が含まれ得る。本発明の一態様によれば、局はまた、スキャン結果テーブルの追加コラムに相関係数の値を記憶する。局はまた、APがサポートするアンテナの数も記憶するべきである。
次いで、ローミング・プロセスは、工程730で、スキャン結果テーブルから、可能な最良のパフォーマンスが得られるアクセス・ポイントを選択する。この選択の基準は、例えば、経験SNR、様々なAPのネットワーク負荷、およびAPの特定の能力(例えば、レガシー局が関連付けられることが可能かどうか)に基づいたものであってよい。本発明は、この選択プロセスに、相関係数とアンテナ最大数を追加する。したがって、局は、高品質MIMO通信が得られる可能性が最も高いAPへの接続を試みる。
工程740で、局がすでに最適アクセス・ポイントに接続しているかどうかを判断するためのテストが実施される。局がまだ最適アクセス・ポイントに接続していない場合、ローミング・プロセス700は、工程760で、局を最適アクセス・ポイントに引き渡す。すでに最適APに接続している場合には、工程750で、ローミング・プロセス(またはプロセスの現在の反復)は終了する。
図8は、ローミング・プロセス700がプローブ要求をアクセス・ポイントに送信するために使用する、例示的なフレーム・フォーマット800を示す。MIMO局およびアクセス・ポイントは、レガシー局(例えば、IEEE802.11aまたはIEEE802.11gのいずれかに基く局)も含む環境において動作するため、アクセス・ポイントおよび局(BSSモードの)は、それらがMIMOが可能であるかどうかを伝達することが重要である。例示的なIEEE802.11の実装においては、ショート・トレーニング(ST)記号は160のサンプルを含み、10回繰り返され、また、ロング・トレーニング(LT)記号は160のサンプルを含み、2.5回繰り返され、また、信号フィールド(SIG)は80のサンプルを含む。現在のネットワークでは、アクセス・ポイントおよび局は、アクティブ・スキャン・プロセスの間に、すでに、サポートしているデータ速度を伝達している。本発明は、MACプロトコルのこの部分を拡張して、MIMO可能な端末が空間チャネル相関の測定値を推定できるようにすることを提案する。
現在のシステムでは、図8に示すように、局は、特定のチャネルで定期的にプローブ要求フレーム800を同報通信している。このプローブ要求で、局は、接続することを望んでいる接続先のサービス・セット識別子(SSID、ネットワーク識別子)、および1組のサポートしているデータ速度、すなわち、その局が送受信を行うことができる速度を報告する。その後、その要求を受信し、指定されたSSIDを供給するアクセス・ポイントは、そのアクセス・ポイントがサポートしているデータ速度が報告されているプローブ応答(図9に示す)で返答する。
提案のMIMOネットワークでは、プローブ機構を向上させる必要がある。プローブ要求フレーム810は、局がサポートしているMIMOモード、例えば、独立受信パスを有する送受信アンテナの数などを識別するフィールドを含むべきである。フレームは、高レンジ(頑健性)のMIMOデータ速度でも、またはレガシーの非MIMOデータ速度でも送信することができる。前者は、レガシー速度と比較してレンジ・パフォーマンスが改良されている場合があるが、しかし、後者は、レガシーAPも応答するという利点を持っている。適用標準をサポートする全てのAPがフレームを受信して復号できるようにするためには、MIMOモードおよび/またはデータ速度が適用標準には必須であることに注意されたい。
図9は、アクセス・ポイントがプローブ応答を送信するために使用する、例示的なフレーム・フォーマット900を示す。プローブ応答フレームは、要求フレームの送信機に対して向けられる。プリアンブルの第1の部分は、802.11a/gプリアンブルからなり、これによって、レガシー端末は、送信中、バックオフすることができる。その後、余分の信号フィールドおよび最大トレーニング記号数(アクセス・ポイントの最大送信アンテナ数に対応)が送信され、その後に、アクセス・ポイントに関する情報、例えば、応答フレームのフィールドが、スループットのためにではなくレンジのために最適化されたレガシーまたはMIMOモードで送信される。いずれの場合も、アクセス・ポイントは、受信機が相関を計算できるように、そのアンテナの全てについてのトレーニング記号を送信するべきである。
本明細書に示し、説明した実施形態および変形実施形態は、単に本発明の原理を例示しているものにすぎず、当業者であれば、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなくさまざまな修正実施形態を実施できることを理解されたい。
本発明が動作可能な無線ネットワーク環境を示す図である。 本発明の特徴を組み込んでいる、図1の例示的な局の概略構成図である。 無線LANシステムのためのネットワーク環境を示す図である。 本発明の特徴を組み込んでいる例示的な送受信局の概略構成図である。 信号対雑音比(SNR)およびチャネルに対する相関がMIMOベースのOFDM無線デバイスのパフォーマンスに与える影響を示す図である。 相関ρがゼロ(0)に等しい、2台の送信機と2台の受信機(2×2)からなる例示的な構成について、SNRの関数としてのビット誤り率パフォーマンスを示す図である。 本発明の特徴を組み込んでいる、図4の例示的なローミング・プロセスを説明する流れ図である。 図7のローミング・プロセスがプローブ要求を送信するために使用するフレーム・フォーマットを示す図である。 アクセス・ポイントがプローブ要求を送信するために使用するフレーム・フォーマットを示す図である。

Claims (6)

  1. 1つまたは複数の周囲アクセス・ポイントへのチャネルに対する相関の測定値に基いてアクセス・ポイントを選択するローミング・プロセスを含み、
    このローミング・プロセスが、相関値が最も小さいアクセス・ポイントを選択し、および前記チャネルに対する相関が、チャネル・マトリックスの1つまたは複数の固有値およびチャネル・マトリックスの特異値を使って測定される、無線通信デバイス。
  2. 前記ローミング・プロセスが、さらに、現在のリンクの情報に基いて前記アクセス・ポイントを選択する、請求項1に記載の無線通信デバイス。
  3. 前記ローミング・プロセスが現在のアクセス・ポイントへの高い相関に基いて開始される、請求項1に記載の無線通信デバイス。
  4. 無線通信ネットワークにおいてアクセス・ポイントを選択するための方法であって、
    1つまたは複数の周囲アクセス・ポイントを識別する工程と、
    前記1つまたは複数の周囲アクセス・ポイントのそれぞれへのチャネルを評価する工程と、
    前記1つまたは複数の周囲アクセス・ポイントのそれぞれへの前記チャネルのそれぞれに対する相関の測定値に基いてアクセス・ポイントを選択する工程とを含み、
    この選択する工程が、相関値が最も小さいアクセス・ポイントを選択し、および前記チャネルに対する相関が、チャネル・マトリックスの固有値およびチャネル・マトリックスの1つまたは複数の特異値を使って測定される、方法。
  5. 前記選択する工程が、さらに、現在のリンクの情報に基いて前記アクセス・ポイントを選択する、請求項に記載の方法。
  6. 前記選択する工程が現在のアクセス・ポイントへの高い相関に基いて開始される、請求項に記載の方法。
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