JP4680191B2 - 無線通信ネットワークおよび無線通信ネットワークのチャネルを介してパケットを送信するための方法 - Google Patents

Description

この発明は、包括的には、通信システムに関し、より詳細には、パケット交換無線ネットワークの媒体アクセス制御に関する。

無線通信ネットワークにおいて、一般的なトポロジーは、インフラストラクチャモードで動作する「スター」ネットワーク、およびアドホックモードで動作する「クラスタ」ネットワークである。スターネットワークにおいて、たとえば移動端末といったすべてのノードは、たとえば基地局といったコーディネータまたはアクセスポイント（ＡＰ）と呼ばれる中央ノードを介して互いに間接的にパケットを通信する。ＡＰは、送信ノードからパケットを受信し、それらパケットを受信ノードへ転送する。クラスタネットワークにおいて、すべての端末は、互いに直接パケットを通信する。

このようなネットワークのオペレーションは、ＩＥＥＥ８０２．１５．３標準規格およびＩＥＥＥ８０２．１５．４標準規格に従うことができる。これらの標準規格については、「IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks: "Specific requirements Part 15.3: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for High Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs)," 2003」および「IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks "Specific requirements Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for High Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs)," 2003」を参照願いたい。

すべてのノードによって送信される信号は、同じ周波数帯域を共有するので、ネットワーク帯域幅を効率的に利用するために、チャネルアクセス手法を実施することが必要である。これは、チャネルアクセススケジュールにより行うことができる。このチャネルアクセススケジュールは、端末がいつどのようにチャネルにアクセスできるかを決定するものである。このアクセススケジュールは、ビーコンフレームを使用して周期的にブロードキャストすることができる。

ビーコンは、ネットワークパラメータ、すなわち、送信速度、論理チャネル、ネットワーク識別子、およびチャネルアクセススケジュールを指定する。連続したビーコン信号間の周期は、フレームと呼ばれる。ビーコンの後には、衝突通信期間および非衝突通信期間が続く。ビーコンフレームは、衝突通信期間の開始、非衝突通信期間の開始、および非衝突通信期間のアクセススケジュールを定義する。

衝突通信期間の間、端末は、物理チャネルへのアクセスを得るために互いに競合する。通常、アロハまたはＣＳＭＡ等のランダムアクセス方法が使用される。端末は、アクセスを得た後、非衝突通信期間の間、アクセススケジュールに厳密に従いチャネルでパケットを送信して、干渉のないパケット送信が保証される。

スマートアンテナ、デジタル信号処理、ＶＬＳＩ等の無線通信における最近の進展により、物理媒体レイヤにおいて、非常に高容量の無線チャネルを提供することが可能である。これらの新興の物理レイヤ技術は、現世代の標準規格によって使用される帯域幅よりも少なくとも１桁大きな帯域幅を提供する。

たとえば、物理レイヤの仕様のＩＥＥＥ８０２．１１ｎ標準規格は、媒体アクセス制御（ＭＡＣ）レイヤにおいて、最大１００Ｍｂ／ｓまでのスループットを提供する。高容量無線パーソナルエリアネットワークのＩＥＥＥ８０２．１５．３ａ標準規格は、超広帯域（ＵＷＢ）通信を使用して１１０Ｍｂ／ｓ以上のデータ転送速度を目指している。

ＣＳＭＡ／ＣＡ媒体アクセス制御
ＩＥＥＥ８０２．１１標準規格に基づく無線ネットワークは、分散制御機能（ＤＣＦ（distributed coordination function））を使用して、物理チャネルへのアクセスを制御する。ＤＣＦは、インフラストラクチャモードおよびアドホックモードの双方に適用され、既知のＣＳＭＡ／ＣＡ媒体アクセス制御（ＭＡＣ）を採用することができる。

各パケットが送信される前に、ノードは、チャネルを検知し、チャネルがアイドルになるまで待ち、次いで、ＤＣＦフレーム間スペース（ＤＩＦＳ）と呼ばれる時間間隔の間、延期する。次に、ノードは、バックオフ段階に入り、バックオフ時間と呼ばれるランダムな時間間隔を決定する。このランダムな時間間隔は、０とコンテンションウィンドウ（ＣＷ）のサイズとの間で、一様に分布している。バックオフ時間が満了した後、オプションの送信要求／送信可（ＲＴＳ／ＣＴＳ）が、２つの通信ノード間で開始される。ＲＴＳ／ＣＴＳが成功した後、１つのデータパケットのみがチャネルを介して送信される。そのパケットが正しく受信されると、そのパケットがすべてのノードへブロードキャストされていない限り、受信ノードは、その単一の送信パケットについて受信確認応答パケット（ＡＣＫ）を送信する。ＡＣＫパケットが受信されない場合、そのパケットは、正しく受信されるまで再送される。

衝突の確率を低減するために、ＣＷのサイズは、感知された各衝突の後に、最大値ＣＷｍａｘに達するまで２倍にされる。パケットの送信に成功した後、チャネル効率を維持するために、ＣＷのサイズは、一定の最小値ＣＷｍｉｎにリセットされる。

ＩＥＥＥ８０２．１１ｅ標準規格のＭＡＣは、複数の競合ノードにサービス品質（ＱｏＳ）を提供する。この標準規格は、ハイブリッド制御機能（ＨＣＦ（hybrid coordination function））を定義する。このＨＣＦは、ＤＣＦおよび集中制御機能（ＰＣＦ（point coordinated function））を、機能強化されたＱｏＳメカニズムと組み合わせたものである。ＨＣＦにおける競合に基づくチャネルアクセスメカニズムは、高度分散チャネルアクセス（ＥＤＣＡ（enhanced distributed channel access））と呼ばれる。これは、完全に分散された差動チャネル（differential channel）アクセスを提供する。

図１に示すように、ＥＤＣＡの仮想衝突ハンドラ１２０は、４つのアクセスカテゴリー（ＡＣ）１００〜１０３を使用する。ＡＣのそれぞれは、上述したＤＣＦのインスタンスとみなすことができる。異なるチャネルアクセス優先順位を達成するために、ＡＣは、ここでは、ＡＩＦＳ（arbitration IFS）１１０と呼ばれる、異なる値のＤＩＦＳ、ＣＷｍｉｎ、およびＣＷｍａｘで構成される。その上、アクセスポイントは、周期的なビーコンの適切なフィールドに新しい値を設定することによって、これらのパラメータを動的に調整することができる。４つのＡＣ内では、ＡＣ０およびＡＣ１が、通常、比較的低いデータ転送速度でベストエフォート型のバックグラウンドトラフィックを運ぶのに使用され、ビデオストリームは、ＡＣ２を使用し、音響ストリームは、ＡＣ３を使用して、比較的高いデータ転送速度の最も高い優先順位を獲得する。

現在のＣＳＭＡ／ＣＡ ＭＡＣの限界
現在の８０２．１１ＭＡＣは、高容量の物理レイヤには非効率的である。図２は、物理レイヤの公称ビットレートが２１６Ｍｂ／ｓである場合のＤＣＦによって達成されるＭＡＣレイヤのスループットを示している。曲線２０１によって示すように、現在のＤＣＦ ＭＡＣは、ＲＴＳ／ＣＴＳが無効にされている時に、約４８Ｍｂ／ｓのスループットを発揮できるにすぎず、曲線２０２は、ＲＴＳ／ＣＴＳが有効にされている時に、３０Ｍｂ／ｓのスループットにすぎないことを示している。これは、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎのＭＡＣ標準規格によって指定されたように、ＭＡＣレイヤにおける１００Ｍｂ／ｓの目標転送速度をはるかに下回っている。

基本的な問題は、ＩＥＥＥ８０２．１１標準規格による現在のＭＡＣがかなり非効率的であり、帯域幅の大幅な低減を引き起こしているということである。これらの非効率性は、ＲＴＳ／ＣＴＳ、パケットプリアンブル、受信確認応答、コンテンションウィンドウ、およびさまざまなフレーム間スペースパラメータの過度のオーバーヘッドによるものである。このオーバーヘッドは、データ転送速度が増加するにつれて、さらに著しくなる。この理由は、データを実際に運ぶチャネル時間の相対的な部分が減少する一方、オーバーヘッドは、一定のままであるからである。パケットプリアンブルおよびさまざまなフレーム間スペースは、物理レイヤに特定の設定によって決まる一定のパラメータである。

したがって、このオーバーヘッドを低減することがこの発明の目的である。

現在のＣＳＭＡ／ＣＡに基づく設計は、全体的なチャネル利用を増大させるのに、マルチレート機能を活用することができない。ＤＣＦ ＭＡＣは、各ノードについて、そのノードによって使用される送信速度を問わず、ほぼ同じ長期間のアクセス確率を保証し、したがって、スループットの公平性を保証する。その結果、チャネルは、チャネルアクセス時間の点で、低速ノードによって不必要に独占される。高速ノードは、不相応に低いアクセス時間量しか利用しない。これによって、全体的なチャネルスループットは、準最適になる。副産物として、この結果、異なる送信速度を有するノードに対する時間割り当ては、完全に不公平にもなる。この不公平さは、特に、高速ノードのスループットを不利にし、物理レイヤにおいて提供される高容量を大幅に相殺する。

したがって、マルチレート機能を十分に活用することも、この発明の目的である。

ビデオストリームおよび音響ストリーム等の通信を多く使用する用途は、この新たな物理レイヤによって可能にされる。これらの用途は、適切に機能するために、通常、最小の遅延および／または最小の帯域幅の点から、サービス品質（ＱｏＳ）の保証を必要とする。しかしながら、現在のＭＡＣソリューションは、どの性能限界も提供しない。

したがって、多様な用途間のサービスの差別化をサポートして、単一のＭＡＣ内において統計的にＱｏＳを保証することも、この発明の目的である。

この発明は、高容量の物理レイヤと共に動作する適応型分散チャネルアクセス（ＡＤＣＡ（adaptive distributed channel access））方法を提供して、チャネル効率およびサービス品質（ＱｏＳ）を大幅に改善する。

この発明によるＡＤＣＡは、パケットの適応型バッチ送信、および、高速ノードの便宜的な選択を活用して、無線チャネルのオーバーヘッドを低減し、無線チャネルの総体的なスループットを改善する。

また、この発明は、長期的に、高速ノードおよび低速ノードの双方に比例した時間的な公平性も提供する。

図５に示すように、この発明によるパケット交換通信ネットワーク５００は、複数の端末ノード５０１およびコーディネータノードまたはアクセスポイント（ＡＰ）５０２を含む。ノード５０１のすべておよびＡＰ５０２の送信パケットは、同じ周波数帯域を共有する。端末は、パケット５２１を交換する。この交換は、ノード間で直接的に行うこともできるし、コーディネータノードまたはＡＰを介して間接的に行うこともできる。

後述するように、コーディネータノードは、チャネルアクセススケジュール５１０を決定する。このアクセススケジュールは、端末がいつどのようにチャネルにアクセスできるかを決定する。アクセススケジュールは、コーディネータが、以下でより詳細に説明するビーコンフレーム５２２を使用することにより、ブロードキャストされる。

図４に示すように、この発明は、適応型分散チャネルアクセス（ＡＤＣＡ）方法４００をパケット交換無線通信ネットワーク５００のノードに提供する。ネットワークのあらゆるノードは、単一のチャネルへのアクセスを得る（４１０）ために、変更されたＣＳＭＡ／ＣＡを使用して、チャネル４０１を求めて競合する。アクセスは、チャネル状態４１１に従って得ることができる。

アクセスを得た（４１０）後、方法４００は、パケットの適応型バッチ送信（adaptive batch transmission）を使用し、便宜的にノードの送信速度を選択して、長期間における全体的なチャネル効率を改善する。

従来技術のようにＲＴＳ／ＣＴＳ交換の成功後に、あるノードから別のノードへ単一のパケットを送信するのではなく、この発明によるＡＤＣＡ方法４００は、ノードがパケット４２６のブロック４２５を、チャネル４０１を介して受信ノード５０２へ送信する（４２０）ことを可能にする。これに応答して、単一の受信確認応答パケット（ＡＣＫ）４３１が、パケット４２６のブロック４２５全体について、チャネル４０１を介して受信される（４３０）。このＡＣＫパケットは、パケットのブロック全体が正しく受信されたことを示すこともできるし、パケットの一部または全部を再送する必要があることを示すこともできる。

また、ＡＤＣＡ方法は、チャネルへのアクセスを得るのに、高い送信速度、および、ＳＮＲの点から良好なチャネル状態４１１を有するノードを、低い送信速度および不良なチャネル状態を有するノードよりも優先的に選択する。

高速ノードの場合、ＡＤＣＡ方法は、このようなノードが、チャネルパラメータ４２２によって指定されるような、自身の現在の送信速度に比例してデータを送信するという点で、スループットに比例した公平性を達成する。

低速ノードの場合、ＡＤＣＡ方法は、スループットの重み付き公平性を達成する。このように、各ノードは、所定の最小限の公平な配分を受け取ると同時に、常に、より高い送信速度を有するノードを便宜的に選択することによって、全体的なチャネル利用が増大される。

この発明による方法のオペレーションは、新規なクレジット／デビットメカニズムを使用する。これに加えて、ＡＤＣＡ方法は、マルチアクセスのカテゴリーにおいて、ノードの差別的なバックオフを介してサービスの差別化を達成する。また、ＡＤＣＡ方法は、チャネルパラメータによって指定されるような可変サイズおよび可変送信速度を有するパケットも取り扱う。

ＡＤＣＡ方法の概要
本発明のＡＤＣＡ ＭＡＣプロトコルは、適応型バッチ送信パケットと便宜的な伝送との組み合わせを使用して、ＭＡＣオーバーヘッドの低減および全体的なチャネルスループットの改善の双方を行う。また、ＡＤＣＡ方法は、可変パケットサイズおよび複数の送信速度を使用して、異なる用途のサービスの差別化を提供することもできる。また、この方法は、適応的で公平な配分方式も競合ノードに提供する。

ＡＤＣＡ方法は、ＭＡＣオーバーヘッドを低減し、かつ、チャネル競合中にノードを便宜的に選択することによって、チャネルスループットを最大にする。オーバーヘッドは、パケットのブロックの適応型バッチ送信と、パケットのブロックについての単一の受信確認応答パケットの使用とによって低減される。

便宜的なチャネルスループットの獲得は、ＳＮＲの点から、より良好なチャネル状態４１１を有するノードを優先的に選択することによって達成される。サービスの差別化は、異なるアクセスカテゴリー（ＡＣ）について、差別的なバックオフ値を使用することによって達成される。各ＡＣは、所定の優先順位における配信（delivery）を提供する。

チャネルパラメータの要素
図３は、この発明によるチャネルパラメータの要素３００を示している。このチャネルパラメータの要素は、周期的にブロードキャストされるビーコンフレームの一部とすることができる。３００に示すパラメータは、次のフィールドを含む。すなわち、要素ＩＤ３０１、要素長さ３０２、ＡＣ情報３０３、予約３０４、および４つのＡＣフィールド３０５〜３０８を含む。これらは、従来型のものである。要素ＩＤは、パラメータセットのタイプを示すためのものであり、要素長さは、この要素フレームの長さを指定し、ＡＣ情報は、パラメータが変化した時間経過を記録する。

これに加えて、各ＡＣフィールドは、さらに、ＡＣパラメータセット３１０および参照パラメータセット（ＲＰＳ）３２０を含む。各ＡＣパラメータセット３１０は、次のフィールドを含む。すなわち、ＡＣＩ／ＡＩＦＳＮ３１１、ＣＷｍｉｎおよびＣＷｍａｘ３１２、並びにＴＸＯＰリミット３１３を含む。ＡＣＩ／ＡＩＦＳＮは、所与のＡＣのＡＩＦＳ設定であり、ＣＷｍｉｎおよびＣＷｍａｘフィールドは、コンテンションウィンドウのサイズを定義し、ＴＸＯＰは、チャネルアクセス時間の最大継続期間を指定する。

ＲＰＳセット３２０は、次のフィールドを含む。すなわち、パケットサイズＳｆ３２１、送信速度Ｒｆ３２２、ブロックサイズＢｆ３２３、および受信確認応答Ａｆ３２４を含む。

ＲＰＳセット３２０のフィールド３２１〜３２４のパラメータは、ＡＰが保持することができ、ＡＰがチャネル状態に従って動的に調整することができ、ビーコンの一部として周期的にブロードキャストすることができる。

また、要素３００は、ＣＳＭＡ／ＣＡ内のチャネルアクセスを調整するための、各ＡＣのクレジットカウンタセット（ＣＣＳ）３３０も含む。ＣＣＳ３３０は、ｃｒｅｄｉｔ＿ｈフィールド３３１およびｃｒｅｄｉｔ＿ｌフィールド３３２を含む。ＣＣＳ３３０は、各ノードによって分散形式で保持される。

あるノードがチャネルへのアクセスを得ると（４１０）、そのノードは、Ｂｆ個のパケット４２６から成るブロック４２５を送信する。このパケットのブロック全体について、単一の受信確認応答パケット（ＡＣＫ）４３１が使用される。

ブロック４２５中のパケット４２６の個数Ｂｆは、チャネル状態４１１、並びに、たとえば、現在の送信速度ＲｆおよびパケットのサイズＳｆといったチャネルパラメータ４２２に依存する。

ＡＤＣＡ方法は、ＳＮＲによって示されるような良好なチャネル状態を有する高速ノードに、より高いアクセス確率を便宜的に提供するが、チャネルアクセスにおいて、低速ノードに最小限の公平な配分を確保する。

ＡＤＣＡは、いくつかの魅力的な特徴を有する。ＡＤＣＡは、競合バックオフ、オプションのＲＴＳ／ＣＴＳ交換、ＤＦＳフレーム間スペース、およびパケットのブロック送信後の単一のＡＣＫによって誘発されるオーバーヘッドを低減することによって、ＭＡＣスループットを大幅に改善する。

この方法は、高速ノードを便宜的に有利に扱うことによって、各ノードのチャネル品質に動的に影響を与え、総体的なチャネルスループットを最大にする。この方法は、高速ノード間で時間的な公平性を維持し、低速ノードには、ノードの現在の送信速度に比例したアクセスを提供する。

ＲＰＳセット３２０は、ＡＰ５０２によって管理され、競合ノードの現在のチャネル状態に従って、競合ノード間のチャネルアクセスに柔軟な制御を提供し、どの所与の時刻においても、競合ノードの個数を制限することによってスケーラブルな性能を可能にする。

低速の局によって引き起こされたチャネルの競合は、比例的に抑制することができると同時に、低速ノードについて適応型の時間公平性を維持する。方法４００は、マイナーチェンジを有するＩＥＥＥ８０２．１１標準規格と共に使用することができ、この方法は、従来の８０２．ｌ１標準規格および８０２．１１ｅ標準規格と下位互換性を有する。

プロトコルオペレーション
この発明によるＡＤＣＡ方法の擬似コードは、付録に与えられている。

ＡＤＣＡの詳細な設計
適応型バッチ送信およびブロック受信確認応答
ＡＤＣＡ方法によって、複数の連続的なパケット送信が可能になり、プロトコルのオーバーヘッドが低減される。この目標を達成するために、ＡＰは、３つのパラメータＲｆ、Ｓｆ、およびＢｆを各ノードへブロードキャストする。これら３つのチャネルパラメータは、ノードがＢｆ個の連続したパケットから成るブロックを、速度Ｒｆで送信することができ、パケットのそれぞれは、Ｓｆバイトを含むことを明言するものである。

所与のノードの各バッチ送信の間、Ｂｆ個の連続したパケットから成るブロックは、短フレーム間スペース（ＳＩＦＳ）と呼ばれる最小の時間間隔によってのみ分離される。これは、従来の８０２．１１ ＭＡＣとは際立って対照的である。従来の８０２．１１ ＭＡＣでは、２つの連続したパケット送信は、ＤＩＦＳの時間に、ランダムな競合バックオフの時間と、場合によってはオプションのＲＴＳ／ＣＴＳ交換の時間とを加えたものによって分離される。このように、本発明によるブロック送信は、ＭＡＣのオーバーヘッドを大幅に低減する。

パラメータＢｆ３２３の選択は、ネットワークのノードが感知した平均チャネル状態に依存する。

上記バッチ送信は、送信ノードの現在の送信速度に適応する。ノードが基準速度Ｒｆで動作していない時、バッチサイズは、そのノードの現在の送信速度に比例して調整される。

ＭＡＣオーバーヘッドをさらに低減するために、本発明では、パラメータＡｆ３２４を介したブロック受信確認応答パケット（ＡＣＫ）も使用する。このパラメータＡｆ３２４は、感知されたチャネル状態に従って２つのノード間で折衝される。ＡＤＣＡでは、現在の８０２．１１ＭＡＣにおけるパケットごとのＡＣＫではなくて、連続的に送信された複数のパケットから成るブロックについて、単一のＡＣＫパケット４３１が、受信ノードによって送信側へ返信される。

ブロック中のいくつかのパケットが正しく受信されない場合、送信側ノードは、ブロック全体ではなく、ブロックＡＣＫパケットによって示された誤ったパケットのみを再送する。これは、ビット列によって示すことができる。０のビットは、ブロックにおける対応するパケットの失敗を示し、１のビットは、成功を示す。もう１つの方法としては、パケットシリアル番号も使用することができる。これによって、現在のＭＡＣのプロトコルオーバーヘッドがさらに低減される。

上記設計によって、良好なチャネル状態を有する高速ノードに、より高いアクセス確率を提供することによる全体的なチャネルスループットの最大化と、低速ノードに最小限の公平な配分を提供することとの均衡が図られる。

したがって、この方法は、最小限の公平な配分を各ノードに提供し、これに加えて、チャネルスループットを最大にする。提供された競合ノードの公平性は、次の通りである。

高速ノードの場合、本発明は、同一のチャネルアクセス時間の点から時間的な公平性を提供する。これは、単一速度のネットワークにおける従来のＭＡＣと類似している。同等に、これは、スループットがノードの現在の送信速度Ｒに比例しているという点で、比例したスループット公平性を意味する。

低速ノードの場合、各ノードには、そのノードのアクセス時間がそのノードの現在の送信速度の２乗に実質的に比例するという点で、比例した時間的公平性が提供される。したがって、そのノードのスループットは、そのノードの速度にかなり比例する。

高速ノードの便宜的な選択
ＡＤＣＡ方法４００によって、たとえば、チャネルのＳＮＲによって測定された、より良好なチャネル状態４１１を有するノードが、アクセスを得ることが優先的に可能になる一方、不良なチャネル状態を有するノードへのアクセスが抑制される。

具体的には、速度Ｒ≧Ｒｆを有する高速ノードの場合、ＡＤＣＡによって、それらのノードは、Ｂｆ個以上のパケットのバッチを送信できる限り、チャネル競合に「勝利」した後、直ちにチャネルへのアクセスを得ることが可能になる。

高速ノードがＢｆ個のパケット４２６のバッチ４２５を送信用に形成できない場合、そのノードは、チャネル競合を再開するが、自身のクレジットカウンタｃｒｅｄｉｔ＿ｈ３３１を介してチャネル時間クレジットを保持する。累積されたクレジットがＢｆ個のパケットのバッチに十分になると、そのノードは、チャネルへのアクセスを得た後、直ちにブロックを送信することができる。

速度Ｒ＜Ｒｆを有する低速ノードの場合、本発明では、チャネルアクセスを延期して、それらのノードのアクセスを得る確率を制御し、低速ノードが、ほぼＲｆ＝Ｒの間隔ごとにチャネルを求めて競合することのみを可能にする。これは、クレジットカウンタｃｒｅｄｉｔ＿ｌ３３２によって実現される。このクレジットカウンタは、低速ノードがチャネル競合中にチャネルへのアクセスを得るごとにインクリメントされる。

しかしながら、ノードは、どのパケットも送信しない。累積されたｃｒｅｄｉｔ＿ｌ３３１がＲｆ＝Ｒに達し、再びチャネルへのアクセスを得た時に、低速ノードは、Ｂｆ個のパケットのバッチを送信することができる。これらのパケットのそれぞれは、サイズＳｆを有する。

同時に、低速ノードが、このプロセス中に良好なチャネル状態を感知するとすぐに、チャネル時間補償を得る場合に備えて、本発明では、低速ノードのｃｒｅｄｉｔ＿ｈを依然として維持する。上記設計によって、現在良好なチャネル状態にある高速ノードに、より高いアクセス確率を提供することによる全体的なチャネルスループットの最大化と、低速ノードを完全にブロックすることを回避するためにチャネルの最小限の配分を提供することとの均衡が図られる。

したがって、本発明の方法は、最小の公平な配分を各ノードに提供し、これに加えて、チャネルスループットを最大にする。提供された競合ノードの公平性は次の通りである。

高速ノードの場合、本発明は、同一のチャネルアクセス時間の点から、時間的な公平性を提供する。これは、単一速度における従来のＭＡＣと類似している。同等に、これは、スループットが現在の送信速度Ｒに比例しているという点で、比例したスループット公平性を意味する。低速ノードの場合、各ノードには、アクセス時間が現在の送信速度の２乗にほぼ比例するという点で、比例した時間的公平性が提供される。したがって、そのスループットは、その速度に実質的に比例する。

上記設計において、本発明は、可変パケットサイズの問題も取り扱う。パケットサイズがＳｆと異なる場合、バッチサイズおよびクレジットカウンタは、Ｓ＝Ｓｆに従ってリセットされる。これは、擬似コードからも明らかである。

サービスの差別化
本発明のＡＤＣＡ方法は、複数のサービスカテゴリーにおける差別的なバックオフを通じてサービスの差別化も達成する。この方法は、複数のアクセスカテゴリー（ＡＣ）を介してスループットおよび待ち時間の点から、異なるＱｏＳ要件を有するパケット中のデータに優先順位を付ける。各ＡＣは、個別のバックオフ値を有する。相対的に高い優先順位のＡＣほど、小さなバックオフ値を有するのに対して、低い優先順位のＡＣほど、大きなバックオフ値を有する。このように、高い優先順位のＡＣを有するパケットは、低い優先順位のＡＣよりも、チャネルアクセスを得ることで常に優先される。このメカニズムは、ＩＥＥＥ８０２．１１ｅのＥＤＣＡと類似している。

実施形態
このセクションでは、本発明のＡＤＣＡ方法が、ＣＳＭＡ／ＣＡフレームワーク内でどのように実施されるかを説明する。この実施形態は、マイナーな変更を有するＩＥＥＥ８０２．１１ｅＭＡＣの現在のＥＤＣＡモードを利用する。

ＲＰＳ分散およびＣＣＳ
ＡＤＣＡでは、各ＡＣは、特有のＲＰＳ設定を有する。このＲＰＳ設定は、ネットワークの現在の性能およびチャネル状態４２１に応じて調整することができる。ＡＰは、各ＲＰＳを管理する。ＲＰＳ構成は、周期的なビーコンフレームに含まれ、各ノードへブロードキャストされる。

図３は、ビーコンフレームのＥＤＣＡパラメータセットの要素３００を示している。これは、ＡＣのパラメータおよびこれらのパラメータの値を収容するフィールドを調整したものである。８０２．１１ｅのＡＣパラメータレコードは、所与のＡＣのＡＩＦＳ、ＣＷｍｉｎ、ＣＷｍａｘ、およびＴＸＯＰのフィールドを含む。本発明では、ＲＰＳのパラメータのフィールドを含むように、ＡＣパラメータレコードのフォーマットを拡張する。

ＲＰＳを各ＡＣパラメータレコードに追加することによって、ＡＰは、これらのパラメータを動的に調整することができる。ノードがネットワークに参加すると、そのノードは、まず、ビーコンを聞き取り、次いで、パラメータセットＲＰＳを抽出し、それに従ってパラメータを構成する。

ＣＣＳの２つのクレジットカウンタｃｒｅｄｉｔ＿ｈおよびｃｒｅｄｉｔ＿ｌは、すべてのＡＣについて整数配列として実施することができる。各ノードは、バッチ送信に十分でない場合にチャネルアクセス時間を累積するために、このパラメータセットを保持する。また、これらのクレジットカウンタは、現在の送信によって残された残り時間も保持する。

チャネル速度の適応
速度適応は、物理レイヤの送信速度を動的に調整して、現在のチャネル状態と一致させる。この目的は、現在のチャネルのＳＮＲと一致する最も高い可能な速度を選択することである。ＡＤＣＡを使用するために、各ノードは、この物理レイヤのデータ転送速度を、ＭＡＣレイヤ内に取り出す必要がある。次に、ノードは、この速度情報を活用して、自身がチャネルアクセスを得るのにふさわしいかどうかを決定する。

物理レイヤのデータ転送速度情報は、たとえば、８０２．１１ａのＯＦＤＭフレームヘッダといった現在のフレームから取得される。速度適応の２つの態様が、ＡＤＣＡオペレーションにとって重要である。チャネル推定の不正確さは、速度選択に影響を与える。これは、さらに、誤りのあるバッチサイズ設定および誤りのあるチャネルアクセスのために、ＡＤＣＡの性能劣化につながる可能性がある。しかしながら、ＡＤＣＡは、どの速度適応メカニズムとも連携し、たとえば、自動速度フォールバック（ＡＲＦ）および受信機ベース自動速度（ＲＢＡＲ）と連携する。これらについては、Borst他著「Dynamic rate control algorithms for HDR throughput optimization」, Proceedings of IEEE INFOCOM '01, April 2001およびHolland他著「A rate-adaptive MAC protocol for multi-hop wireless networks」, Proceedings of ACM MOBICOM '01, 2001を参照願いたい。

ＡＲＦでは、送信ノードは、前のデータパケット送信からの情報に基づいて最適な速度を選択し、複数の連続した成功または失敗の後に速度を徐々に増加および減少させる。ＲＢＡＲは、ＲＴＳ／ＣＴＳ交換を利用して、受信機がデータパケットの適切な速度を選択することを可能にする。このように、より良いチャネル推定が、ＡＤＣＡのバッチ送信に提供される。その上、パラメータＡｆも、ＲＴＳ／ＣＴＳ交換を介して取得された現在のチャネル状態に従って調整することができる。

確かに、ＲＴＳ／ＣＴＳは、各ノードのチャネル状態４２１に関する最新の情報を提供することによって、システム性能を改善することができる。ＡＤＣＡは、この目的でＲＴＳ／ＣＴＳを有効にする。

アドホックモードへの拡張
これまでは、インフラストラクチャモードの場合の、ＡＤＣＡ方法を説明してきた。インフラストラクチャモードでは、ＡＰは、ノード間におけるある程度の中央調整を提供するが、チャネルアクセスは、ＣＳＭＡ／ＣＡパラダイムに従って十分に分散されている。この設計は、現在の８０２．１１ＤＣＦに適合する。

ＡＤＣＡ方法は、アドホックモードにも適応することができる。アドホックモードでは、ＲＴＳ／ＣＴＳ交換が有効にされる。各送信ノードは、自身から１ホップにあるアクティブな受信ノードのリストを保持する。このリストを用いて、送信ノードは、データ通信を実行することができる。アクティブなノードの場合、パケットは、ＲＰＳが受信された時に送信される。これらのパラメータは、ＲＴＳ／ＣＴＳ交換を使用してチャネル推定に従い選択される。各アクティブな隣接ノードは、パラメータ設定を記録し、現在のチャネル状態に従ってパラメータを更新する。

不正に動作するノードの取り扱い
ＡＤＣＡは、準拠していないノードをある程度取り扱うこともできる。準拠していないノードは、自身の有する権利よりも大きなチャネル配分を得るノードである。本発明では、ＡＰを介してこれらの準拠しないノードを監視して取り締まることにより、これらのノードを軽減することができる。ＡＰは、各ノードが実際に受け取ったチャネル配分を追跡し、そのノードの送信速度および他のＲＰＳ設定に基づいて公平な配分を決定する。ＡＰは、所定のしきい値を超えるアクセス時間を有する準拠しないノードを検出すると、その準拠しないノードがチャネルへのアクセス権を得る権利を一時的に無効にする。これは、現在の８０２．１１ＭＡＣ管理エージェントによって提供される「認証取り消し」メカニズムを介して実現することができる。

セキュリティおよび節電
ＡＤＣＡは、８０２．１１ＭＡＣの現在のすべてのセキュリティメカニズムと協調して動作することができる。その上、ＡＤＣＡは、現在の仕様の節電モードにおいても良好に動作する。

発明の効果
この発明は、無線ネットワークの高容量物理レイヤと協調して動作する方法を提供する。この方法は、適応型バッチ送信およびブロックＡＣＫパケットを介してオーバーヘッドを最小にする。各ノードは、チャネルへのアクセスの取得に成功した後、複数の連続的なパケットから成るブロックを送信する。受信ノードは、複数のパケットから成るブロックを受信すると、単一のＡＣＫパケットのみを返信する必要がある。また、ＡＤＣＡは、高速ノード、すなわち、Ｒｆよりも高い送信速度を有するノードが、より高い確率でチャネルアクセスを得ることも可能にすると同時に、不良なチャネル状態にある低速ノードのアクセス確率を制限する。

この方法は、高速ノード間では時間的に公平なチャネル配分を確保し、低速ノードには、低速ノードの現在の送信速度に比例した公平なアクセスを提供する。その結果、各ノードは、最小のチャネル配分を受け取ると同時に、全体的なチャネルスループットが改善される。これに加えて、この方法は、さまざまなアクセスカテゴリーに対して異なるバックオフを介してサービスの差別化も達成する。

シミュレーションは、この発明による方法が、最大で１２８％のスループットの利得を達成できると同時に、従来の８０２．１１ＭＡＣと比較して平均遅延を５４％削減することを示している。

２１６Ｍｂ／ｓの物理レイヤの送信速度の場合、この方法は、ＲＴＳ／ＣＴＳがオンにされた状態で、従来技術の８０２．１１ＭＡＣによる単なる３５Ｍｂ／ｓとは異なり、１０６Ｍｂ／ｓのＭＡＣレイヤのスループットを提供することができる。

この発明を好ましい実施の形態を例として説明してきたが、この発明の精神および範囲内において、他の様々な適応および変更を行うことができることが理解されるべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、この発明の真の精神および範囲に入るこのようなすべての変形および変更を包含することである。

付録
ノードがネットワークに参加する時：
１ 受信ビーコンに従ってＳｆ、Ｒｆ、Ｂｆ、およびＡｆの値を起動し、かつ、
２ ｃｒｅｄｉｔ＿ｈ＝０；
３ ｃｒｅｄｉｔ＿ｌ＝０；

チャネルへのアクセスを得た後、パケットの送信準備ができた時：
１ ／＊ Ｒはデータ転送速度であり、Ｓはパケットサイズである ＊／
２ Ｒ≧Ｒｆの場合
３ ／＊ 高速ノード間の時間的な公平性を維持する ＊／
４ ｉｎｔ Ｂ＝（（Ｓｆ／Ｒｆ）＊Ｂｆ＋ｃｒｅｄｉｔ＿ｈ)／（Ｓ／Ｒ）；
５ Ｂ＜Ｂｆの場合
６ ｃｒｅｄｉｔ＿ｈ＋＝（Ｓｆ／Ｒｆ）＊Ｂｆ；
７ ｃｒｅｄｉｔ＿ｌ＋＝１；
８ バックオフ手順に戻って再開する；
９ その他の場合
１０ （（Ｓｆ＋Ｒｆ）＊Ｂｆ＋ｃｒｅｄｉｔ＿ｈ）時間の間、送信する
１１ ｃｒｅｄｉｔ＿ｈ＝０；
１２ ｃｒｅｄｉｔ＿ｌ＝０；
１３ その他の場合 ／＊ 低速の局Ｒ＜Ｒｆの場合 ＊／
１４ ／＊ それら局の比例した公平性を維持する、それらの速度に比例した公平な配分 ＊／
１５ ｃｒｅｄｉｔ＿ｌ＜（Ｒｆ／Ｒ）の場合
１６ ｃｒｅｄｉｔ＿ｌ＋＝１；
１７ ｃｒｅｄｉｔ＿ｈ＋＝（Ｓｆ／Ｒｆ）＊Ｂｆ；
１８ バックオフ手順に戻って再開する；
１９ その他の場合
２０ （（Ｓｆ／Ｒｆ）＊Ｂｆ）時間の間、送信する
２１ ｃｒｅｄｉｔ＿ｈ＝０；
２２ ｃｒｅｄｉｔ＿ｌ＝０；

従来技術のアクセスカテゴリーのブロック図である。 ＲＴＳ／ＣＴＳを有する従来技術のチャネルスループットとＲＴＳ／ＣＴＳを有しない従来技術のチャネルスループットとを比較するグラフである。 この発明によるチャネルパラメータの要素の図である。 この発明による方法のブロック図である。 この発明を使用するネットワークのブロック図である。

Claims (13)

1. 複数のノードを含む無線通信ネットワークのチャネルを介してパケットを送信するための方法であって、
   送信ノードにおいて、前記チャネルへのアクセスを得ることと、
   前記チャネルを介してパケットのブロックを受信ノードへ送信することと、
   前記パケットのブロックを送信することに応答して、前記送信ノードにおいて、前記受信ノードから単一の受信確認応答パケットを受信することと
   を含み、
   ビーコンフレームを周期的に送信することをさらに含み、
   前記ビーコンフレームは、複数のアクセスカテゴリーフィールドを含み、各アクセスカテゴリーフィールドは、アクセスカテゴリーパラメータセットおよび参照パラメータセットをさらに含み、
   前記参照パラメータセットは、パケットサイズフィールド、送信速度フィールド、ブロックサイズフィールド、および受信確認応答フィールドを含む
   複数のノードを含む無線通信ネットワークのチャネルを介してパケットを送信するための方法。
2. 前記アクセスは、前記チャネルの状態に従って得られる請求項１に記載の方法。
3. 前記状態は、信号対雑音比を含む請求項２に記載の方法。
4. 前記受信確認応答パケットは、前記受信ノードによって受信された誤ったパケットを示し、
   前記誤ったパケットを再送することをさらに含む請求項１に記載の方法。
5. 前記参照パラメータセットは、クレジットカウンタセットを含み、
   前記クレジットカウンタセットは、ｃｒｅｄｉｔ＿ｈフィールドおよびｃｒｅｄｉｔ＿ｌフィールドを含む請求項１に記載の方法。
6. 前記ブロック中の前記パケットは、短フレーム間スペースによって分離される請求項１に記載の方法。
7. 前記ブロック中のパケットの個数は、前記チャネル状態に依存する請求項１に記載の方法。
8. 前記ブロック中のパケットの個数は、前記送信ノードの現在の送信速度に依存する請求項１に記載の方法。
9. 前記送信ノードによる前記チャネルへのアクセス時間の量は、該送信ノードの現在の送信速度に実質的に比例する請求項１に記載の方法。
10. 前記アクセスは、前記パケット中のデータの優先順位に従って得られる請求項１に記載の方法。
11. 前記パケットのブロックを送信する速度は、前記チャネルの状態に依存する請求項１に記載の方法。
12. 送信要求／送信可交換であるＲＴＳ−ＣＴＳ交換で前記チャネルの状態を評価することをさらに含む請求項１に記載の方法。
13. 複数のノードを含む無線通信ネットワークであって、
    チャネルへのアクセスを得るように構成され、かつ、アクセスを得た後に前記チャネルを介してパケットのブロックを送信するように構成された送信ノードと、
    前記パケットのブロックを受信するように構成され、かつ、前記パケットのブロックを受信することに応答して、単一の受信確認応答パケットを前記送信ノードへ送信するように構成された受信ノードと
    を備え、
    前記無線ネットワークは、ビーコンフレームを周期的に送信し、
    前記ビーコンフレームは、複数のアクセスカテゴリーフィールドを含み、各アクセスカテゴリーフィールドは、アクセスカテゴリーパラメータセットおよび参照パラメータセットをさらに含み、
    前記参照パラメータセットは、パケットサイズフィールド、送信速度フィールド、ブロックサイズフィールド、および受信確認応答フィールドを含む
    無線通信ネットワーク。

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