JP4648405B2 - 分散ピコセルモビリティ - Google Patents

Description

本発明はピコセルシステムのための無線アクセス技術の分野に関する。特に、本発明はＩＥＥＥ８０２．１１ＭＡＣレイヤについてのモビリティ拡張の分野並びに、システム及びその利用方法に関する。

ＷＬＡＮに関する現行の標準であるＩＥＥＥ８０２．１１は有線イーサネット(登録商標)ＬＡＮを無線アクセスで置き換える目的で広く用いられ、近年成功を収めている。現在展開されている標準である８０２．１１ｂは、２．４ＧＨｚの免許不要帯域を用いている。本願の執筆時において、このままのスピードでの展開が進めば、２．４ＧＨｚ帯はすぐに足りなくなり、５ＧＨｚ帯及び８０２．１１ａへの遷移が起こるであろうと予想されている。８０２．１１ａの仕様は、ＰＨＹレイヤでＯＦＤＭシグナリングを用いるとともに、より高速なＰＨＹレートを用いる ＩＥＥＥ８０２．１１ＭＡＣレイヤ及びＭＡＣ管理は８０２．１１で規定される全てのＰＨＹレイヤに共通である。

ＩＥＥＥ８０２．１６モバイルブロードバンド無線アクセス（ＭＢＷＡ）研究班は、時速２００Ｋｍまでの速度で高速で移動する車両に対する無線アクセスを取り扱っている。ＩＥＥＥ８０２．１６においてモバイルアクセスに関する新たなプロトコルを策定する際、ＩＥＥＥ８０２．１１ＷＬＡＮの展開の成功をうまく利用しようとしてきた。しかし、ＩＥＥＥ８０２．１１システムの一般的な範囲は１００ｍに制限されており、高速に移動する車両は複数のセルを非常に短い時間で通過してしまう。

８０２．１１モビリティプロトコルは、高いモビリティを有するセルラシステムのような展開には適合されていない。８０２．１１システムはフラットで分散されたアーキテクチャを有する。アクセスポイントは全て相互接続され、ＬＡＮレベル上の専用プロトコルを用いておそらくは相互に通信可能である。８０２．１１システムにおいて、アクセスポイント間のハンドオーバ（ＨＯ）は移動機によって開始されるが、それは移動機が新しいアクセスポイントの存在をそのビーコンを読むことで検出した場合に限られる。

ＧＳＭでは、アンブレラセルとも呼ばれるマイクロセルの内部に、ピコセルが分散された構成が知られている。高速移動する移動機が大きなアンブレラセルへ押し上げられ、ピコセル内には存在しないように無線ネットワークパラメータを定めることで、多量のハンドオーバを回避している。

従来技術文献ＷＯ９８／３５５１１は、鉄道沿いに設置された無線電話機システムを示しており、列車上の移動電話機は線路に沿って基地局から基地局へハンドオーバされる。移動電話機と基地局との間の１チャンネル上での呼設定があると、システムは次の基地局でそれと同じチャネルを確保し、これから生じる呼のハンドオーバ手順の準備を行う。

８０２．１１ＭＡＣ管理によれば、事前認証(pre-authentication)が提供される。予期されるハンドオーバをよりスムーズに行えるように、事前認証オプションは、移動機が所与のアクセスポイントに事前にアソシエーション及び認証されることを可能とするとともに、最初のアクセスポイントにアソシエーションされた状態で引き続き事前に他の所与のアクセスポイントに事前認証されることを可能にする。B. O'hara及びA. Petrickによる、”８０２．１１２ハンドブック”(IEEE press, 1999)によれば、１回の初期認証以外の必要性を取り除くため、あるアクセスポイントから別のアクセスポイントへ、分散システムＤＳを通じて移動機の認証を伝播させることを選択することができる。
国際特許公開第ＷＯ９８／３５５１１号

特に道路や鉄道での用途にＭＢＷＡを利用する状況において、ピコセル無線ネットワーク内を高速移動する移動機のより効率的なモビリティのための仕組みが必要である。

予め定められたセル間のハンドオーバ速度を向上させるための方法及びシステムを示すことが本発明の第１の目的である。

この方法は、方法請求項１、システム請求項５及びノード請求項１０に説明される主題により達成される。

隣接配置されたセル間のハンドオーバ速度の向上を示すことが本発明の第２の目的である。本発明の１見地によれば、ＭＢＷＡ無線アクセスに用いるべきＩＥＥＥ８０２．１１モビリティプロトコルの拡張が示される。しかし、ここで提示される考え方は任意のピコセル無線ネットワークに広く適用可能であり、さらに、ＰＨＹレイヤが他で提案されているＭＢＷＡ−ＰＨＹに改変されていれば、ＨｉｐｅｒＬＡＮ２ ＷＬＡＮにより適している。

さらなる利点は、以下の本発明の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明の好適な実施形態によれば、高速道路又は鉄道に沿ったピコセル配備は、ＩＥＥＥ８０２．１６ＭＢＷＡに基づき、８０２．１１系のアクセスポイントＡＰを用いるものとする。このような用途に関し、各アクセスポイントは通常高速道路脇に設置され、１００ｍの範囲をカバーする。従って、高速道路の一部をカバーするためには、アクセスポイントが１００ｍごとに存在することになるだろう。高速道路に沿って移動する車両は、最も近いアクセスポイントと通信する。次のアクセスポイントがカバーする領域（ピコセル）へ移動する際、移動機はまずセルの変化が生じたことを判別し、新しいアクセスポイントの周波数を見出し、さらに新しいアクセスポイントへの再アソシエーション(re-association)を行う必要がある。８０２．１１に規定されるアクセスポイントの発見と再アソシエーションの仕組みは、高速ハンドオーバに最適化されていないので、いくらかの時間を必要とするであろう。実際、８０２．１１ＰＨＹは（ＭＢＷＡとは対照的に）高速に移動する移動機による利用を想定していない。

上述した用途の、高速道路又は鉄道に沿って移動する移動機については、多くの場合「一方向へ移動(one way to go)」するだけである。つまり、移動局が所与の「次にやってくる」アクセスポイントへハンドオーバするという有意な見込みが存在する。本発明によれば、移動機にＨＯの開始を要求する必要はない。固定ネットワーク側が移動経路(traveling path)沿いのセル群に対するＨＯの開始及び準備を行うことが可能である。このようにして、アクセスポイント群は、相互に信号をやりとりすることにより、移動機自体と通信することなしに移動機を事前認証することができる。

ここで、事前認証領域ＰＡＡは、移動機が既知の順序で来訪するであろう複数のアクセスポイントからなる直線状又は他の連続した構造を有する。より一般的なケースでは、事前認証領域は特定な地理的な関係を持たないアクセスポイント群の任意のネットワークから構成されても良い。他の興味あるケースとしては、事前認証領域がサブネット、建造物、企業他における全てのアクセスポイントから構成されても良い。しかし、これらのケースはＨＯ最適化に関してはさほど面白みはない。建物内部での移動が高速であることは殆どないからである。

（第１の実施形態）
図１に、ネットワークの第１の実施形態を示す。ネットワークは、インターネットアクセスを提供する分散システムＤＳ上で相互接続される複数のアクセスポイントＡＰ３，ＡＰ４，ＡＰ５，・・・ＡＰ６を備えている。上述のアクセスポイントは本発明に従って事前認証領域ＰＡＡを形成するとともに、部分的に重複する連続的なカバー範囲を好適に定義することができる。連続的なカバー範囲は道路や鉄道を追随するように配置されて良い。ＰＡＡ領域の一部ではないアクセスポイントＡＰ１０がさらに設けられ、分散システムに接続されている。本発明によれば、認証を目的としてシステムノードＭＳＹＳが設けられうる。

本発明の第１の実施形態によれば、事前認証領域ＰＡＡは、図１におけるＭＳＹＳノード以外の非階層的なアクセスポイント群を備える。各アクセスポイントはインターネットへのゲートウェイを構成する。アクセスポイントはさらに、バックボーンネットワークをも意味する分散システムによって互いに接続されている。

図３に、本発明の第１の実施形態に関するタイミング図を示す。ここで、例示的なアクセスポイントＡＰ５及びＡＰ４は、より多くのアクセスポイント（図示せず）を備えうる事前認証領域の一部であることを理解されたい。

移動局ＳＴＡ１が事前認証領域ＰＡＡへ移動し、アクセスポイントＡＰ５に遭遇する前に、アソシエーション１１及び認証１２という従前の処理を実行しようとする。アクセスポイントとの認証は既知のＷＥＰ(Wired Equivalency Privacy)認証手法や、より高度なセキュリティを提供する他の代替方法に基づくことができる。

ステップ１３において、移動局ＳＴＡ１は、移動局が本発明による事前認証ＰＡの実行能力があり、興味があることを示すGroup_Reqメッセージ１３を発行する。Group_reqメッセージの発行は、上位ソフトウェアからの入力、例えば移動局が移動中であるか、又は移動局が予め定められたスピードを超えて移動することが予期されうるかに依存しうる。

これに応じて、ステップ１４で移動機は、事前認証領域ＰＡＡ内のアクセスポイントに関する周波数リストを含んだGroup_resメッセージを受信する。事前認証領域ＰＡＡが直線状に分散されたセルから構成される場合、周波数リストは好ましくはグループ内の地理的なインデックス位置に対応する順序で並べられていることが好ましい。このように、移動機は、予期される周波数探索を、２つの隣接する順序数、この場合はＡＰ６及びＡＰ４に限定することができる。なお、移動機は、事前認証領域ＰＡＡ内の外方のアクセスポイントの１つと最初にコンタクトが得られることを必ずしも予期できるわけではない。移動機の移動が速すぎる場合や、そのアクセスポイントについてのトラフィック状況が輻輳している場合などがこのケースに該当する。さらに、一旦移動方向が確立したら、移動局はその後１つの周波数のみをスキャンすればよい。第１のＰＡＡグループが一方向を向き、第２のＰＡＡグループがもう一方を向くように、複数の方向性アンテナを配置することもできる。

ステップ１５で、事前認証要求が移動局からその移動局がアソシエーションされているアクセスポイントへ発行される。そのアクセスポイントは、ステップ１６で事前認証要求を事前認証領域内の他の全てのアクセスポイントへ伝える。引き続き、ステップ１７で、アソシエーションされたアクセスポイントを介して、関与する全てのアクセスポイントからの事前認証応答が受信される。なお、全てのアクセスポイント間トラフィックは、通常のＢＳＳ方法でバックボーンを通じて配信される。

移動局が次のアクセスポイント−この場合はＡＰ４−のカバー範囲に移動すると、移動機は直ちにＡＰ４で用いられる周波数のスキャンを行うことが可能であり、さらに、移動局は事前認証されているためその後の認証なしにアソシエーションを実行することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態において、事前認証領域内で複数のＡＰが形成するＢＳＳを結合するシステムノードＭＳＹＳが、インターネットへのアクセスを提供するというという意味でＰＡ構成が階層的である。図２において、本発明に係るネットワークの第２の実施形態が与えられる。本実施形態のネットワークは、システムノードがインターネットアクセスネットワークへのゲートウェイである点で図１に示したネットワークと異なる。図４は、本発明の第２の実施形態に関するタイミング図を示す。

本実施形態において、ＭＳＹＳは事前認証領域に入る移動機の独占的な認証の実行又は移動局の追加認証の提供の役を負う。認証が所与の移動機に対して承認されれば、その移動機に対してアクセスが与えられる。

ステップ２１及びステップ２２において、最初に遭遇したアクセスポイント−この場合はＡＰ５−に対する従来のアソシエーションステップが完了する。ステップ２２−アクセスポイントより前の移動局認証自体はオプションである。

引き続きステップ２３において、アソシエーションされたアクセスポイントＡＰ５が、ゲートウェイノードＭＳＹＳの前で移動機ＳＴＡ１の認証を行おうとしている。

認証が成功すれば、移動機はインターネットへのアクセスを許可される。さらに、ＭＳＹＳはステップ２４において、移動機に対し、事前認証領域内の残りのアクセスポイントの前で移動機の事前認証を行っている最中であることを示すGroup-response信号で応答する。ステップ２４のGroup response信号は、上述したように、事前認証領域の全メンバの周波数のリストを含み、上述と同様の効果を有する。

続いて、ステップ２５及び２６において、ゲートウェイノードは事前認証領域ＰＡＡ内の残りのアクセスポイントに対し、事前認証要求を発行する。これらのアクセスポイントのうち要求を受け付けたものは、オプションの事前認証応答信号２６で応答する。

この結果に基づき、ＭＳＹＳは必要に応じて、移動機に対し、どのアクセスポイントについて移動機が事前認証されたかを、事前認証通知信号２７によって知らせることができる。これにより、移動機はハンドオーバ候補の探索を修正、即ち、事前認証されていないアクセスポイントの周波数の探索を省略することができる。

移動機が次のアクセスポイント、本例ではＡＰ４、へ移動したら、移動機はステップ２８のアソシエーション処理のみを必要とする素速いハンドオーバを行うことができる。

（第３の実施形態）
本実施形態は上述の実施形態と同様、図２に示すように、インターネットへのアクセスを制御するゲートウェイノードを備える。図５は、本発明の第３の実施形態に関するタイミング図を示す。

本実施形態において、事前認証領域ＰＡＡのアクセスポイントの前の認証は存在しない。

アソシエーションステップ３２の後、移動機はステップ３３で、ゲートウェイノードＭＳＹＳと認証を行う。アソシエーションされたアクセスポイントとゲートウェイノードとの間で、分散システム上をメッセージが通信される。

そして、移動機は、グループ要求メッセージ３４を発行し、事前認証領域ＰＡＡ内の他のアクセスポイントに対する事前認証されることに興味があることをゲートウェイノードに通知する。例えば、移動機が静止している場合や、事前認証領域の一部ではない、他のアクセスポイントを含むローカルエリア内で移動している場合など、これが上位プログラムよって判定される場合には、移動機は要求を行わなくても良い。

ゲートウェイは、上述した目的のために、周波数リストを含んだグループ応答メッセージ３５で応答する。

引き続き、移動機はＭＳＹＳに対し、移動機が選択した順番に従って、事前認証領域ＰＡＡ内の残りのアクセスポイントにおける事前認証要求を開始する。

移動機が次のＡＰ−ＡＰ４−のカバー範囲内に移動すると、アソシエーションが実行可能であり、トラフィックは直ちにゲートウェイノードへ転送されることが可能になる。

（他の実施形態）
上述の全ての実施形態について、高速に移動する移動機に対し、アソシエーション及び認証の最初のステップを実行するための十分な時間を与えられるように、外側のアクセスポイントはそのアンテナ特性が一般的なトラフィックパターンに適合するように配置されることが好ましい。例えば、外端のインデックスを有するアクセスポイント(outer index access point)は、長距離のコンタクトを提供するように、高速道路に対応するような直線的な拡がりを示す狭ビームアンテナを有してもよいであろう。指向性のある性能を提供するアンテナは広く知られている。

ＰＡ領域の設定時におけるアクセスポイント間のシグナリング方法は、任意の独自プロトコルまたは、ＩＥＥＥ８０２．１１ｆで定められるようなＩＡＰＰのような標準化されたＩＡＰＰであって良い。

本発明の他の実施形態によれば、移動局が予期される次のアクセスポイントからのシグナリングが所定の時刻に出現することを予期できるように、アクセスポイント間は時間同期が取られる。この場合、高速応答及びビーコン（ＢＣＣＨ）のより正確なタイミングを提供するＨｉｐｅｒＬＡＮ２がより適しているであろう。

ＨＩＰＥＲＬＡＮ／２及びＩＥＥＥ８０２．１１ａにおいて、ＲＦキャリア及びシステムクロック周波数は同一の基準発振器から得られる。要求される発振器精度は±２０ｐｐｍである。これは、たとえビーコン間隔がアクセスポイント（ＡＰ）に対して固定されているとしても、２つのアクセスポイント（ＡＰ）間のビーコン送信タイミングオフセットが、１秒間に４０μｓ，１０ＯＦＤＭシンボル分変化しうることを意味する。ビーコン送信間の固定オフセットを維持するためには、何らかのアクセスポイント同期が必要である。

同期は様々な方法で実現できる。本発明によれば、全てのアクセスポイントに対して基準クロックを有線又は無線によってシステムノードから、又は事前認証領域内の専用アクセスポイントから送信することができる。あるいは、アクセスポイントが互いにリスンし、隣接するアクセスポイントの周波数オフセットを推定することもできる。

そして、ビーコン間隔を共通した間隔に調整することができる。即ち、ビーコン間のサンプル数は固定されないが、時間は固定される。アクセスポイント基準発振器を調整するようにしてもよい。そして、ビーコン間のサンプル数もまた固定される。全てのアクセスポイントに対する基準発振器の同期がとれたら、チャネル間隔は正確に２０ＭＨｚとなり、アクセスポイント間の周波数オフセットは無くなる。従って、移動機は全てのアクセスポイント、即ち全チャネルに対し、正確に同一の周波数オフセットを体験するであろう。この知見は移動機の受信機性能を向上させるために利用することができる。

本発明によれば、事前認証領域ＰＡＡ内の中央ノードでも、アクセスポイント間のビーコンオフセットを制御することができる。これは、ビーコンオフセットについての情報を移動機へ中継するためのオーバヘッドを削減することができる。例えば、道に沿って移動している移動機は、次のアクセスポイントが現在のアクセスポイントと比較して規定されたビーコンオフセットを有するであろうことを知る。即ち、次のアクセスポイントは常に＋ｘμｓのビーコンオフセット、又は移動機が逆の方向に移動していれば−ｘμｓのビーコンオフセットを有するであろう。従って、事前認証領域ＰＡＡ内についてのビーコン間隔及びオフセットに関して移動機に送信すべき情報量を削減することができる。

本発明の第１の実施形態に係るシステムを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るシステムを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るタイミング図である。 本発明の第２の実施形態に係るタイミング図である。 本発明の第２の実施形態に係る別のタイミング図である。 運送経路に沿ったアクセスポイント配置の例示的な方法を示す図である。

Claims (13)

1. アクセスポイント間のハンドオーバのために移動機を準備する方法であって、
   前記移動機が、事前認証領域（ＰＡＡ）を規定する予め定められたアクセスポイント群（ＰＡＡ−ＢＳＳ）であって、前記移動機の予め定められた移動方向に沿ったカバー範囲を有するように配置されたアクセスポイント群の中の第１のアクセスポイントとのアソシエーションを行うステップ（１１，２１，３２）と、
   前記移動機が、前記アクセスポイント群（ＰＡＡ−ＢＳＳ）のうち、前記移動方向における次のアクセスポイントのカバー範囲に移動する前に自身の認証を行うステップ（１２，２２，３３）と、
   前記移動機が前記次のアクセスポイントのカバー範囲に移動する前に前記認証が受け付けられると、前記アクセスポイント群（ＰＡＡ−ＢＳＳ）のアクセスポイントに関連する周波数のリスト（１４，２４，３４）を含む応答を前記移動機が受信するステップとを有することを特徴とする方法。
2. 前記周波数のリスト（１４，２４，３５）が、前記事前認証領域（ＰＡＡ）のアクセスポイントについて、他の１つとの相対的なインデックス位置に関する情報を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記移動機が、前記認証が受け付けられた後、前記次のアクセスポイントのカバー範囲に移動する前に、前記事前認証領域の所与のアクセスポイントへグループ要求を送信するステップ（１３）をさらに有し、前記移動機が、当該グループ要求への応答として前記リストを含む応答を前記所与のアクセスポイントから受信することを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記移動機が前記次のアクセスポイントのカバー範囲に移動する前に、前記アクセスポイント群の中の前記第１のアクセスポイント以外のアクセスポイントからの事前認証表示（１８，２７，３７）が前記移動機へ送信されることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 事前認証領域（ＰＡＡ）を規定する複数のアクセスポイント（ＡＰ）を備えるシステムであって、前記アクセスポイントは、移動機の予め定められた移動方向に沿ったカバー範囲を有するように配置され、
   前記移動機が、前記現在アソシエーションされているアクセスポイントのカバー範囲から前記移動方向における次のアクセスポイントのカバー範囲に移動する前に、前記現在アソシエーションされているアクセスポイントまたは前記システム内の所与の認証ノードに認証されると、前記事前認証領域（ＰＡＡ）の前記複数のアクセスポイントに関する周波数リスト及び前記複数のアクセスポイントに関する相対位置に関する情報を、前記移動機に通信するとともに、前記移動機の前記複数のアクセスポイントに対する事前認証を行うことを特徴とするシステム。
6. 前記システム（ＰＡＡ−ＢＳＳ）の前記複数のアクセスポイントが輸送機関の主経路に実質的に沿ったカバー範囲を提供する直線又は曲線に沿って配置されていることを特徴とする請求項５記載のシステム。
7. 前記複数のアクセスポイントが、共通して定められた周期に従って予め定められたビーコン間隔でビーコン信号を発行できるよう、同期されていることを特徴とする請求項５記載のシステム。
8. 前記事前認証領域内の前記複数のアクセスポイントが連続的に、好ましくは直線又は曲線に沿って配置され、間に複数のアクセスポイントを有する外端の複数のアクセスポイントが規定されるように配置されることを特徴とする請求項５記載のシステム。
9. 所与のアクセスポイントが隣接するアクセスポイントの方向を向いた少なくとも１つの指向性アンテナを有することを特徴とする請求項５記載のシステム。
10. 前記システムが、前記事前認証領域に入る移動機の認証を行うシステムノード（ＭＳＹＳ）を前記所与の認証ノードとして有することを特徴とする請求項５記載のシステム。
11. 移動機（ＳＴＡ）であって、事前認証領域（ＰＡＡ）のアクセスポイント群（ＡＡＰ−ＢＳＳ）に関する周波数のリストを含んだ応答信号（Ｇｒｏｕｐ＿ｒｅｓ）を受信すると、前記移動機が現在アソシエーションされているアクセスポイントから前記アクセスポイント群の他のアクセスポイントのカバー範囲に移動する前に前記移動機を前記アクセスポイント群に認証させるため、事前認証要求を行うように適合された移動機。
12. 前記応答信号（Ｇｒｏｕｐ＿ｒｅｓ）が、前記移動機が前記現在アソシエーションされているアクセスポイントに隣接する複数のアクセスポイントを前記応答信号から解明し、ハンドオーバ候補の探索を前記隣接する複数のアクセスポイントに制限するための、前記事前認証領域の前記複数のアクセスポイントの好ましい相対インデックス位置に関する情報を含むことを特徴とする請求項１１記載の移動機。
13. 前記システムがさらに、前記複数のアクセスポイントからの事前認証表示を前記移動機に送信することを特徴とする請求項５記載のシステム。

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