JP4703684B2 - 無線ネットワークにおけるマルチチャネルｍａｃ - Google Patents

Description

本発明は、無線ネットワークに関する。特に、多重無線（multiple radio or wireless）ローカル・エリア・ネットワーク（ＷＬＡＮ）デバイスで動作するマルチチャネルＭＡＣ（媒体アクセス制御：Media Access Control）に関する。

WiMedia MAC 及び物理層(PHY) 規格（参照により、ここに組み込まれている、ECMA, "Standard ECMA-368: High Rate Ultra Wideband PHY and MAC Standard," 2005）は、マルチバンドＯＦＤＭアライアンス（ＭＢＯＡ）の提案から考案された。

将来のWiMediaシステムの目標は、１Ｇｂｐｓを越えるスループットに適したＭＡＣレイヤを提供することにある。例えば、将来のWiMedia PHYは、２つのチャネルを結合し、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）を用いた２つの空間ストリームを提供し、高レートのチャネルコードを用いることで、より高いレートを達成することができるであろう。

WiMedia PHYは、８０２．１１ａのシングルＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）シンボルユニットの代わりに、６つのＯＦＤＭシンボルのユニットでデータを送信する。次式は、下記の表１のパラメータ値を用いて、将来のWiMedia PHYモードの最高レートの特性を計算するために用いることができる。

将来可能性のあるWiMedia ＰＨＹモードの特性を表２に示す。

２つの空間ストリームを提供するＭＩＭＯ導入は、物理レイヤコンバージェンスプロトコル（ＰＬＣＰ）・プリアンブルのオーバーヘッドを増加させることとなる。

８０２．１１ｎのグリーンフィールド・プリアンブルを考慮したアプローチが再現される場合、WiMedia PHYのための２つの空間ストリームＭＩＭＯプリアンブルは、同じ同期シーケンスから成ると考えられるが、２つのチャネル推定シーケンスをもつことになる。これは、標準プリアンブルが９．３７５μｓから１１．２５μｓに増加し、バーストプリアンブルが５．６２５μｓから７．５μｓに増加するという結果をもたらす。

上記から得られるPHYの前提は、期待できるＭＡＣレイヤのスループットを決定するために用いられる。WiMedia MACは、２つの主なアクセス方法を提供する。1つ目は、優先付けされたチャネルアクセス（PCA）であり、これは８０２．１１のEDCA（Enhanced Distributed Coordination Function (DCF) Channel Access）とほとんど同一であり、パラメータ値が違うのみである。２つ目のアクセス方法は、特定のユーザにタイムスロットを割り当てるDRP（Dynamic Access Protocol）である。送達確認のないバーストは、３つ目のアクセス方法として表すことができる。これは、MIFS（Minimum Inter Frame Space）とバーストプリアンブルを用い、ポイント・ツー・ポイント・リンクで動作する。このMIFSは、無線応答時間（ターンアラウンドタイム）を含まないため、SIFS（Short Inter Frame Space）よりも短い。バーストプリアンブルは、受信機が前のフレームから得た情報を保持することにより同期シーケンスを削減できるので、標準プリアンブルよりも短い。

図１は、上述した３つのアクセス方法の２つの結果を示している。ビーコン・オーバーヘッドは、論理的な最大スループットを説明するために無視されている。最初の結果は、１５００バイトのMACサービスデータユニット（ＭＳＤＵ）の場合を示している。これは、歴史的に元来のイーサネットフレームサイズである。ユーザデータグラムプロトコル（ＵＤＰ）フレームの最大は、一般的に１０２４バイトであり、トランスミッションコントロールプロトコル（ＴＣＰ）フレームの最大は、６４kバイトである。ＴＣＰフレームは、イーサネットフレームに分割され、その後、８０２．１１フレームに乗せられる。２つ目の結果は、４０９５バイトのＭＳＤＵについて示している。これは、WiMedia MACによりサポートされている最大ＭＳＤＵサイズである。ＴＣＰまたはＵＤＰプロトコルが採用された場合、４０９５バイトＭＳＤＵは、フレーム集約（aggregation）によってのみ達成できる。

図１は、２．３５Ｇｂｐｓ ＰＨＹでさえ、１ＧｂｐｓＭＡＣスループット（使用可能なＰＨＹレートの約５０％）を、ＭＡＣオーバヘッド（コントロールフレーム及びマネージメントフレーム）なしで、上位レイヤが生成するフレームよりも大きいフレーム長を採用することによって、単一のポイント・ツー・ポイント・リンクでのみ達成可能であることを示している。従って、コントロールフレーム及びマネージメントフレームなしで、いったんストリーミングが開始すると、信頼性のあるサービスが提供できることは疑わしい。

このような低い媒体キャパシティの利用率は、結合されたチャネルを使用するか否かにかかわらず、主に、高データレートのＰＨＹ媒体におけるキャリアセンシング、信号伝搬（すなわちＩＦＳ）、及びチャネル推定（例えばＰＬＣＰプリアンブル）を行うためにかける時間が必要な結果である。

最大ＭＳＤＵサイズを４０９５バイトよりも大きくして、または、フレーム集約（aggregation）を導入して機能を高めることにより、データ送信に要する時間を増加させることで、改善することが可能となる。これは、１ＧｂｐｓＭＡＣスループットの要求をもつアプリケーションに特化したいくつかのアプリケーションにとって有効なテクニックとなり得る。誤り発生率はパケットサイズが直接影響するのではなく送信時間の関数であるために、このサイズのパケットは当初予想されるほど大きくならないであろう。４０９５バイトのパケットを２．３５Ｇｂｐｓ ＰＨＹで送信すると１５μｓしかかからない。これはチャネルが出くわすコヒーレンス時間（可干渉時間）よりも充分に短い時間である。

参照によりここに組み込まれている非特許文献１には、電力依存コストファンクションを最適化することにより、コネクションを設定する方法が議論されている。この議論での結果は、省電力化の方針は、端末間が互いに届く範囲内（物理的に見える範囲内）でマルチホップ通信パスの活用を示唆し、それによってネットワークパフォーマンスが増加するということを示している。

例えば、参照によりここに組み込まれている非特許文献２には、ＵＷＢネットワーク内での最適電力制御、スケジューリング、及びルーティングが議論されている。ここでのあるアプローチでは、ある与えられたノード電力の基でフローレートを最大化することが目的である（受信機でのレートと信号対雑音比との間は線形従属である）。提案された最適ルーティング、スケジューリング、及び電力制御の解決方法は、以下の前提に特徴付けられている。

１）データがリンクを通じて送信されたとき、送信先（destination）周辺のノードが送信の間サイレントのままでいる除外領域をもつことが最適である。このとき、この除外領域外のノードは、該送信先に与える干渉にかかわりなく、パラレルに送信することができる。さらに、該除外領域外の送信元からの該送信先での干渉のレベルに応じて、送信元はその送信レートを適応させる。

２）この除外領域の最適サイズは、該リンクの長さまたは近接するノード間の位置ではなく、該リンクの送信元の送信電力にのみ依存する。

３）与えられたタイムスロット内の各ノードは、最大電力でデータを送信するか、または全く送信しない。

４）ルーティングに関しては、各連続するホップにおいて、送信先までの距離が減少するようなルートの集合に限定することにより、最小エネルギーおよび損失ルートに沿って中継することは、より長いホップを使用したり、または直接送信するよりも常に良好となることが示されているが、このことは、電力消費ではなく、レートを最適化するために顕著かではない。

５）最後に、最適ＭＡＣプロトコルの設計は、ルーティングプロトコルの選択に依存しない。

狭帯域ネットワークでは、上記２）、４）、及び５）の前提は当てはまらない。これは、ＵＷＢネットワークの設計は狭帯域ネットワークの場合とは異なる方法で解決すべきことを示している。

しかし、これはマルチホップ問題に対する単なる１つのアプローチにすぎない。例えば、ＮＬＯＳ（見通し外Non Line of Sight）の場合、最小エネルギーおよび損失ルートに沿った中継は、レートを低減し、レンジを増加させた場合と比較して能率が悪いかもしれない。従って、我々がデータレートをマルチパスのロバスト性（およびＮＬＯＳでのパフォーマンスの向上）とトレードオフするかどうかを動的に決定することができるため、ＭＡＣは、ルーティングの決定に依存するかもしれない。これはうまくルーティングを決定するためには必要なことである。また、（ＬＯＳ（見通し内Line of Sight）の場合でも、例えば）ランダムなノード配置では、マルチホップルーティングが常にパフォーマンスを向上させるとは限らない。

ＷＬＡＮ ＭＡＣスキームのスループット性能を向上するために、単一の共有チャネルを２つのサブチャネル、すなわち制御サブチャネルとデータサブチャネルとに分割する提案がある。制御サブチャネルは、データパケットが送信されるデータサブチャネルに対するアクセス予約のために使用される（参照によりここに組み込まれている非特許文献３）。

一般に、マルチチャネルＭＡＣは、より効率のよい方法でアクセスを図るために、１より多いチャネル（例えば、データチャネルおよびシグナリングチャネルの組合せ）を利用する。マルチチャネルＭＡＣは、通常、シングルまたはマルチホップ内で２またはそれより多いチャネルによるアクセスを図る最適化問題を扱う。

参照によりここに組み込まれる非特許文献４による、８０２．１１ｓ共通チャネルフレームワーク（ＣＣＦ：Common Channel Framework）アプローチにおいて、パフォーマンスにおける利得は、異なる複数のデバイスが、同時に異なるチャネルを使用し、その際他のチャネルへの“コンテンション・フリー”のアクセスを割り当てるために制御チャネル用いることにより得られる。

マルチレート・マルチチャネルＭＡＣ（参照によりここに組み込まれる非特許文献５）は、与えられた数のチャネルの下、あるトラフィックベースの基準（より具体的には複数のトラフィックレート）を満足するリンクにチャネルを最適に割り当てる方法を見い出す問題に言及する。典型的な最適化の目的は、マルチレートの干渉（例えば“スロー”レートが“高”レートに与える“迷惑”）を低減することである。

ＩＥＥＥ task group ＴＧｎによる８０２．１１ｎ Draft Amendment to STANDARDにおいて、結合されたチャネルが考慮されている（参照によりここに組み込まれている非特許文献６）。このドキュメントには、ＰＣＯ（Phased Coexistence Operation）が、ＰＣＯ ＡＰのコントロールの基、２０ＭＨｚ期間と４０ＭＨｚ期間とが交互に替わる状態でＢＳＳが動作する、オプションの共存メカニズムとして記述されている。ＰＣＯ ＡＰは、４０ＭＨｚ期間を開始するために、２０ＭＨｚ制御チャネルと２０ＭＨｚ拡張チャネルを順に予約し、２０ＭＨｚ期間を開始するために、各２０ＭＨｚチャネルでのＮＡＶを逆の順番でリセットする。

“２倍”送信レートのために２つのＷＬＡＮチャネルを用いることは、Atherosチップ（ダイナミック・ターボ（Dynamic Turbo）技術）で商品化されている。Atherosチップは、多くのメーカ（東芝、ソニー、Ｎｅｔｇｅａｒ、ＮＥＣ、富士通、Ｇｉｇａｂｙｔｅ、Ｄ−Ｌｉｎｋなどを含む）から出されている８０２．１１ｇ無線ルータ／ゲートウェイ製品で広く用いられている。この技術により、メーカは、２×５４Ｍｐｓ＝１０８Ｍｐｓの最大データレートを達成したと主張している。

ダイナミック・ターボは、高速イーサネットネットワークに用いられているトランキング技術に類似する（この技術は全体的な帯域を増加するために２またはそれより多いワイヤーを用いる）。簡単に説明すると、ダイナミック・ターボは、要求されたときに、２つのチャネルを１つとして扱うことにより、実現される帯域を自動的に２倍にする。ダイナミック・ターボは、ネットワーク・トラフィック要求及び環境条件に基づき動作する。アクセスポイントは、関連する無線局が、該アクセスポイントと該局のペア間のリンク上の維持されているスループットに基づきより広い帯域を要求したとき、この高パフォーマンスモードへ動的に切り替える（参照によりここに組み込まれる非特許文献７）。

データレートを“２倍にする”ために８０２．１１において２つのチャネルを使用すると、レンジが減少することとなる。これは、（ヨーロッパでは１００ｍＷの）同じ実効等方放射電力（ＥＩＲＰ：Effective Isotropic Radiated Power）が必要となり（法規で規制されている）、電力を増加させることができず、より広い帯域内に電力を拡散させているにすぎないためである。ＵＷＢにとって、（ＥＩＲＰよりも電力スペクトル密度に基づき）規則は異なるかもしれない。これは、“２つの無線”すなわちチャネル結合アプローチにより、データレート及びレンジの両方を得ることができることを意味するかもしれない。明らかに、デバイスの複雑さとコストの増加という犠牲が伴う。
Luca De Nardis, Guerino Giancola, Maria-Gabriella Di Benedetto, "A power-efficient routing metric for UWB wireless mobile networks", Vehicular Technology Conference 2003, VTC 2003-Fall. 2003, Volume: 5, pages 3105-3109 Radunovic, B., Le Boudec, J.-Y., "Optimal power control, scheduling, and routing in UWB networks", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Sept. 2004, Volume: 22, Issue: 7, pages 1252-1270 J. Deng, Y.S. Han, and Z.J. Haas, Analyzing Split Channel Medium Access Control Schemes with ALOHA Reservation, Proc. Second Int'l Conf. AD-HOC Networks and Wireless, Oct. 2003 Sung-Won Lee and Rakesh Taori; "Common Channel Framework: A Simple Multi-Channel MAC Framework for 802.11s Mesh Network", IST Summit 2006 Niranjan, S. Pandey, and A. Ganz, "Design and evaluation of multichannel multirate wireless networks," Mobile Networks and Applications, Vol. 11, issue 5, pp. 697-709, 2006 IEEE P802.11n TM/D1.02, Draft Amendment to STANDARD for Information Technology- Telecommunications and information exchange between systems- Local and metropolitan area networks- Specific requirements- Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: Enhancements for Higher Throughput Atheros Communications White Paper: Super G: Maximizing Wireless Performance, 2004

本願発明の目的は、上述の問題点のうちの少なくともいくつかを解消し、高データレートでの高いネットワークパフォーマンスを提供することにある。

本発明の第１の側面によれば、複数のチャネルでデータを送信する方法を提供する。該複数のチャネルは、結合チャネルスーパーフレームを含む結合チャネルを形成する。結合チャネルスーパーフレームは、結合チャネルビーコン期間と、結合チャネルデータ期間を含む。制御メッセージは、結合チャネルスーパーフレームでブロードキャストされる。制御メッセージは、これに続く送信は別個の複数のチャネルで行われることを示し、別個の複数のチャネルのそれぞれは、ビーコン期間およびデータ期間を含む別個のスーパーフレームを含む。別個の複数のチャネルのそれぞれにおいて、一連の複数のスーパーフレームが送信され、各スーパーフレームは、別個のビーコン期間と、その後の別個のデータ期間を含む。

上記側面の第１の構成では、上記制御メッセージは上記結合チャネル媒体にアクセスするために用いるマネージメントフレームである。

この側面の他の構成では、上記制御メッセージは、上記結合チャネルビーコン期間内にブロードキャストされる情報エレメントを含む。

上記第１の側面のさらに他の構成では、上記制御メッセージは、他の可能性あるＭＡＣフレームに対し優先権をもつ。

上記側面の構成において、別個の複数のチャネルでの送信終了を示すさらなる制御メッセージが、別個の複数のチャネルのそれぞれでブロードキャストされる。

上記側面のさらなる構成では、結合チャネルは２つのチャネルからなる。

上記側面の他の構成では、別個の複数のチャネルのそれぞれは、他のチャネルとは独立のデータプロトコルを動作させる。

上記第１の側面のさらなる構成では、制御メッセージは、デバイスを別個の複数のチャネルのうちの少なくとも１つにマッピングする。

本発明の第２の側面によれば、複数のチャネルでデータ送信するための信号を提供する。該複数のチャネルは、結合チャネルスーパーフレームを含む結合チャネルを形成する。結合チャネルスーパーフレームは、結合チャネルビーコン期間と結合チャネルデータ期間を含む。該結合チャネルスーパーフレームは、制御メッセージの送信に適合され、制御メッセージは、これに続く送信は別個の複数のチャネルで行われることを示す。別個の複数のチャネルのそれぞれは、一連の別個の複数のスーパーフレームの送信に適合されている。各スーパーフレームは、別個のビーコン期間と別個のデータ期間を含む。

この第２の側面の第１の構成では、上記制御メッセージは上記結合チャネル媒体にアクセスするために用いるマネージメントフレームである。

上記側面の他の構成では、上記制御メッセージは、ビーコンフレームでブロードキャストされる情報エレメントを含む。

上記側面のさらに他の構成では、上記制御メッセージは、他の可能性あるＭＡＣフレームに対し優先権をもつ。

上記側面の構成において、分離したチャネルでの送信終了を示すさらなる制御メッセージが、別個の複数のチャネルのそれぞれでブロードキャストされる。

上記第２の側面の他の構成では、結合チャネルは２つのチャネルからなる。

上記側面の他の構成では、別個の複数のチャネルのそれぞれは、他のチャネルとは独立のデータプロトコルを動作させる。

上記第２の側面のさらなる構成では、制御メッセージは、デバイスを別個の複数のチャネルのうちの少なくとも１つにマッピングする。

本発明の第３の側面によれば、単一のまたは複数の、特に２つの物理インターフェースをもつ送信機を提供する。該送信機は、本発明の上記第１の側面に従った複数チャネルで信号を送信するように構成されている。

本発明の第４の側面によれば、単一のまたは複数の、特に２つの物理インターフェースをもつ受信機を提供する。該受信機は、本発明の上記第２の側面に従った複数チャネルで信号を受信するように構成されている。

本発明の第５の側面によれば、単一のまたは複数の、特に２つの物理インターフェースをもつデバイスを提供する。該デバイスは、結合チャネルで制御メッセージを送信するように構成され、本発明の第２の側面に従って、別個の複数のチャネルのそれぞれのなかで、さらなる信号を送信、受信及びブリッジするように適合させている。

本発明の具体例について、例としてのみ、添付の図面を参照して説明する。

本発明では、２つの結合されたWiMediaチャネル上での単独送信よりむしろ、２つの標準WiMediaチャネルを用いた並列送信により、システムのスループットを増加する。この技術は、ＭＡＣオーバーヘッド及びＰＨＹオーバーヘッドのために失われる媒体アクセス時間をいくらか軽減する。この改善は、（例えば）２つのチャネルが低い（例えば半分の）ＰＨＹデータレートを使用すること、そして、結合チャネルとその分離した複数のチャネルの両方で同じＭＳＤＵサイズが送信されるという（トラフィック）前提とに基づく。

本発明で提案されているマルチチャネルＭＡＣは、チャネル及び時間（ＣＡＴ：channel and time）ＭＡＣとして作られ、距離、電力、データレート適応に関わりなく、かつ現在のＭＡＣ（データ／制御チャネル）プロトコルを置き換えることなく、よりよいＭＡＣ性能を得るために、そうでなければ結合チャネルで動作できる複数のデバイスに、別個の複数のチャネルを動的に割り当てる。ＣＡＴ ＭＡＣは、標準プロトコルの最上位で動作し、レガシーデバイスと完全に互換性があり、さらにマルチホップシナリオにおけるリンクアダプテーションを組み入れる点からみて、非常に拡張性がある。

ＣＡＴ ＭＡＣは、チャネルを割り当てるために、標準チャネル（ＭＡＣスーパーフレーム）内の制御機構を使用し、さらに各別個の（分離しているか、また分離していない）チャネル内で依然として同じコンテンション機構を使用する。８０２．１１ｓ ＣＣＦの改善とは逆に、ＣＡＴ ＭＡＣの改善は、同じＭＳＤＵサイズが、分離した個々のチャネルで送信されるのと同様に、結合チャネルで送信されるという（トラフィック）前提のみならず、２つのチャネルが低い（例えば半分の）ＰＨＹデータレートを使用することに基づく。この前提は、例えば、複数のデバイスが、ある複数のＭＳＤＵフレームをシーケンシャルに送信する場合とは対照的に、同じ複数のＭＳＤＵフレームを異なる複数のチャネルで送信することにより実現できる。

フレーム集約（aggregation）やバースト送信のような現在の技術は標準システムに適している。しかし、将来、１Ｇｂｐｓを越えるＰＨＹデータレートが（例えばチャネル結合技術を用いて）実現できると、フレーム集約及びブロック送信は充分ではないかもしれない。そこで、本発明に従ったＣＡＴ ＭＡＣがＭＡＣパフォーマンスをさらに向上させる手段として期待される。

ここで説明する本発明は、パラレルチャネルフレーム集約（aggregation）スキームとして理解してもよい。結合チャネルデータレート全体の一部として動作するパラレルチャネルは、あるトラフィック状態のもと、ＭＡＣ／ＰＨＹ時間オーバーヘッドを軽減し、高データレートでＭＡＣスループットを向上することができる。（時間領域での）フレーム集約とは反対に、本発明は、さらに、（マルチユーザアクセスの）公平性を向上し、遅延及びバッファリングを低減し、多くのＭＳＤＵを集約する必要もなく同様な結果を達成することができる。多くのＭＳＤＵを集約することは、与えられたあるネットワーク・トラフィックでは実現不可能であるかもしれない。チャネルでアクセス競合するデバイスの数が少ないと、媒体へのアクセス遅延を改善できる。

改善の機会を提供すると思われるトラフィック状態に関する限り、次のようにコメントすることができる。すなわち、４０バイトＴＣＰ ＡＣＫ（レイヤ３）または（ブロックＡＣＫスキームにおける）ＭＡＣ ＡＣＫ（レイヤ２）から生ずるような小さいＭＳＤＵフレームでは、パケットが小さいほどＰＨＹデータレートが高くなるほど、効率が悪くなるため、このＩＡＲの重要性が高まる。ブロック（または非）ＡＣＫスキームと同様、ＭＳＤＵサイズが大きいほど、議論されている改善は意味が無くなってくる。従って、大きい（固定の）ＭＳＤＵのシーケンスは、おそらく改善を表すためには最もやりがいのあるケースである。

フレーム集約は、最大ＭＰＤＵサイズに制限されるが、複数のパラレルチャネルのそれぞれにおいて用いることができる。最大ＭＰＤＵサイズは結合チャネルにおける場合では大きいことが予想される。ＭＰＤＵの最大サイズ（すなわち、集約された複数のＭＳＤＵフレームの最大数にほぼ等しい）は、大きい複数のフレームを（高いデータレートで）ロバストに送信するためのＰＨＹの性能により決定される。この性能は、別個の送信が、（プリアンブルにより）送信された複数のチャネル推定パラメータが与えられる下、ロバストに受信され得る最大期間に依存する。この期間は、ある環境と、ある雑音及び干渉モデルとを想定して計算することができる。例えば、８０２．１１において、これは１ｍｓの範囲内である。ＭＰＤＵサイズに許容されている最大値は、ＰＨＹデータレートに比例する。ＰＨＹが高速になるほど、頑強な送信を維持する間に許容されるＭＰＤＵは長くなる。従って、このことから、複数のパラレルの（分離した）チャネルの最大ＭＰＤＵサイズは、結合されたチャネルのそれよりも小さくすべきであるとみなすことはもっともなことである。

ＣＡＴ ＭＡＣは、図２に示すように、標準ＷＬＡＮ／WiMedia MACプロトコルの上に追加される。少なくとも１つのマルチプルＰＨＹデバイスがＣＡＴ ＭＡＣに不可欠であり、これは、しかし、（ＣＡＴ機能なしに）完全にレガシーデバイスと互換性がある。レガシーデバイスは、１つのＣＡＴチャネル（または結合チャネル）内で、どのＣＡＴ ＭＡＣ動作も無視した標準ＭＡＣプロトコルで動作することができる。従ってＣＡＴ ＭＡＣは結合ＷＬＡＮチャネルまたは結合WiMediaチャネルと下位互換性がある。

当初は、ＣＡＴ ＭＡＣは、あるＭＡＣプロトコルを（すなわち、ＥＣＭＡ−３６８ＰＣＡまたはＤＲＰまたはＨＣＦ（Hybrid Coordination Function）のような８０２．１１のプロトコルでさえ）動作させる標準結合チャネルとして動作する。図３は、標準WiMediaスーパーフレームの一例を示している。各スーパーフレームｍ−１、ｍ、ｍ＋１は、ビーコン期間（ＢＰ）から開始する。

WiMedia 標準では、チャネル（DEV１−９）を用いる各デバイスはビーコンを送信する必要がある。ビーコン期間はこれらの全てのビーコンを含む。ビーコン期間は、最長でmMAX Beacon Period Lenfth（mMAXBP長）のビーコンスロットをもつ。ビーコン期間内の複数のビーコンスロットは、「０」から順番に番号が付けられている。ビーコン期間内の１番目のビーコンスロットは、シグナリングスロットとして参照され、隣接のビーコン期間長を延長するために用いられる。デバイスは、そのビーコンで、ビーコンスロット内でのそのデバイスのビーコン期間長をアナウンスする。アナウンスされたビーコン期間長は、前のスーパーフレームのビーコン期間内における、デバイス自身のビーコンスロットと利用できない全てのビーコンスロットとを含む。アナウンスされるビーコン期間長の最大値は、mMAXBP長を越えることはできない。デバイスにより報告されるビーコン期間長は、新たな複数のデバイスがその拡張されたビーコングループのメンバーとなるとき、及びその拡張されたビーコングループ内の当該デバイスまたは他のデバイスが、ビーコン衝突解消のため、またはビーコン期間短縮のために新たなビーコンスロットを選択するとき、変化する。

ＣＡＴ ＭＡＣ期間は、ＭＡＣスーパーフレームの間のある時間に、ブロードキャストされ、全てのデバイスが受信できしかも従うことができるメッセージで始まる。例えば、これは次のような方法により処理される。

・明示的に：ＣＡＴ ＭＡＣ期間は、選出されたＣＡＴコントローラ（一般的には複数のＰＨＹをもつデバイスである）によりブロードキャストされるＣＡＴ−ＭＡＰ制御メッセージに続いて開始する。ＣＡＴ−ＭＡＰは、特別なマネージメントフレームとして定義され、他の送信される可能性のあるＭＡＣフレーム（図４）より優先権をもつために、ＰＩＦＳ期間の後に（結合チャネルの）媒体へアクセスする。

・黙示的に：ＣＡＴ ＭＡＣ期間は、（結合チャネルの）ビーコン期間に続いて開始する。WiMedia ビーコンは、ある特定の制御および管理情報を伝える情報エレメント（ＩＥ：Information Elements）を含む。どのデバイスもそのビーコンフレーム中にＩＥを含めることができる。WiMediaは、リクエストに続くアプリケーションにより用いられるアプリケーションに特化したＩＥ（ASIE：Application-specific IE）を定義する。ＡＳＩＥの範囲はアプリケーションに依存する。この場合のアプリケーションは、ある特定のＣＡＴ構成を要求する（ＣＡＴデバイスの制御の）ＣＡＴ ＭＡＣプロトコルスタックであってもよい。

ある特定のCATネットワークに対する（ＣＡＴ−ＭＡＰで、またはＣＡＴ−ＡＳＩＥメッセージでの）リクエストは、デュアルＰＨＹ性能を有する（しかもＣＡＴ使用可能な）アクティブノードによりブロードキャストするようにしてもよい。ＣＡＴ−ＭＡＰまたはＣＡＴ−ＡＳＩＥは、複数のデバイスが同調ししかもアクセスする必要のある複数のＰＨＹチャネルについての情報を含む。

複数のチャネルのそれぞれは、ＷＬＡＮまたはWiMediaと互換性があるであろう。従って、各チャネルは、別個のWiMediaビーコン期間送信（図４）に続く、別個のＭＡＣプロトコルを動作させるであろう。

別個の複数のチャネル内でのビーコン期間の送信は、ＷＬＡＮ／WiMediaの分散型の方法（各デバイスはあるビーコンスロットに送信する）で実行するようにしてもよい（注記：ビーコン期間は、別個のチャネルのそれぞれにおいてデバイスの数が異なるであろうことを示すために意図的に不規則なサイズで描かれている）。

ＣＡＴ送信は、デュアルＰＨＹデバイスが、（ＰＩＦＳに続いて）複数のチャネルでＣＡＴ−ＥＮＤメッセージを送信すると終了する。同じ（又は他の１つの）デュアルＰＨＹデバイスは、他の複数のチャネルのそれぞれでもＣＡＴ−ＥＮＤメッセージを送信する。このようにして、全てのデバイスは結合チャネルＰＨＹに参加できる。結合チャネルＰＨＹに関する詳細はＣＡＴ−ＥＮＤメッセージ及びまたはその後の結合チャネルビーコン期間に含める。

ネットワークアーキテクチャの例を図５から図７に示す。

図５では、デュアルＰＨＹを有するデバイスがただ１つある。このデバイスのみがＣＡＴ期間を開始させることができる。ＣＡＴネットワークでは、デュアルＰＨＹノードは別個のビーコンを両方のチャネルのビーコン期間に送信する。

図６では、デュアルＰＨＹを有するデバイスが２つある。ＣＡＴ期間は、どちらからでも開始させることができる。

図５及び図６に示したように、最初の２つの例では、複数のデバイスは、２つの（またはそれよりも多い）論理的なシングルホップチャネルにグループ分けされる。ＣＡＴ送信に対して結合チャネルの方が好ましいか、またはトラフィックがデュアルＰＨＹデバイスでブリッジされている（マルチホップ）場合、チャネル間の通信は可能となるであろう。

図７では、全てのデバイスはデュアルＰＨＹ機能を有する。ＣＡＴ期間は、どのデバイスからでも開始できる。この第３の例では、どのデバイスも他のデバイスと２つの可能なチャネル（及び２つのＭＡＣ）で通信することができる。

個個のチャネルは同期する必要はなく、各デバイスは、その個個のMACプロトコルに従って各チャネルに（同時に）アクセスできなくてはならないことに注意すべきである。

その中で表された本発明の主要な動作は、ＣＡＴ割り当てを開始すべきかどうか、
どのデバイスをどのチャネルにいれるか、（適切であれば）ＣＡＴ送信を終了して結合チャネルによる送信に切り替えるかどうかを選択することである。このようなＣＡＴプロトコルプロセスを図８に示す。

種々の複数のＣＡＴネットワーク構成が複数の状態として説明されている。これら複数の状態のそれぞれにおいて、ＣＡＴ ＭＡＣプロセスは、同じ状態に留まるか、または他の状態に遷移するかを決定する。図８の２番目の図は、ＣＡＴ ＭＡＣ動的ネットワーク構成動作に影響を与える入力データを示している。

次のコメントは、本発明に従ったチャネル及び時間プロトコルのパフォーマンスを扱っている。

ＣＡＴシステムは、ある特定のトラフィックシナリオに対し結合チャネルのＭＡＣスループットを改善する。

ここで議論されているトラフィックシナリオに対し、ある特定のＭＰＤＵフレームは相対的に短い媒体アクセスのための待ち（遅延）時間が期待される。

ネットワークのサイズを分割し、２つのデバイスに（異なるＣＡＴチャネルで）パラレル送信を許容することにより、ＭＡＣスーパーフレームの期間と比較して長い時間期間継続する、例えばＨＤＤ、バックアップ、ＨＤＶなどのアプリケーションのために、パラレルチャネルへアクセスが主にスケジューリングされることを考慮すると、公平性の向上が期待できる。

チャネル及び時間プロトコルは次に示すように、さらに最適化するようにしてもよい。

トラフィックシナリオ及びＭＡＣプロトコルに関し、ある特定のＭＡＣプロトコル／機能及びある特定のトラフィックシナリオ（例えばＭＳＤＵサイズ、ネットワークサイズ、フレーム集約、ブロック送信、コンテンションウィンドウ、制御及びマネージメントフレームなど）は、ＣＡＴと結合ＰＨＹ性能との間のバランスを直接決定する。

ネットワークアーキテクチャに関し、ある特定のＣＡＴ割り当ては、トラフィックがデュアルＰＨＹノードでブリッジされ、システムの負荷を２倍にする結果を招くかもしれない。これにより、ＭＡＣスループットは低下し、エンド・ツー・エンドの遅延は削減することになる。これらパフォーマンスの総量は、トラフィックシナリオ及びネットワークアーキテクチャ（例えばデュアルＰＨＹノードの数）に依存して減少する。このトラフィックオーバヘッドを考慮すると、ＣＡＴネットワークと結合ＰＨＹネットワークの性能が均衡するポイントが存在する。この閾値を越えるＣＡＴ性能劣化には、結合ＰＨＹの方が好ましい。この閾値はこのＩＡＲでさらに定義される。

ネットワークトポロジー及びクロスレイヤ最適化に関し、結合チャネルとＣＡＴとの間の比較はＰＨＹモード（データレート）に依存する。シングルホップ結合チャネルネットワークにおいて、ＢＥＲの増加はＰＨＹデータレートの低下をもたらす。しかし、マルチホップシナリオにおいては、より高いＰＨＹデータレートの方が、（短距離のために）この方が好ましいので、ＣＡＴに受け入れやすいであろう。同様な方法で、ＣＡＴシステムはレンジを拡大できる。また、ＢＥＲの増加はトラフィックシナリオの変更（例えばブロック送信なし、またフレーム集約なし）を示唆するかもしれず、これは、上述したように、引き続いて、ＣＡＴと結合ＰＨＹとの間のバランスを変化させる。全体的に、これは、距離、電力、性能などのような種々のパラメータを考慮に入れることになる、ルーティング及びリンクアダプテーション・クロスレイヤー（１−２−３）最適化問題である。

ＣＡＴ ＭＡＣは、これらＣＡＴ性能に影響を及ぼす全ての基準（トラフィックシナリオ及びＭＡＣプロトコル、ネットワークアーキテククチャ、ネットワークトポロジー、及びクロスレイヤー最適化）に基づき、結合チャネルＭＡＣとＣＡＴネットワークＭＡＣのうちのどちらがよりよく（ＭＡＣスループット、遅延及びバッファリング、公平性を）遂行すると考えられるか決定する。

ＣＡＴ ＭＡＣスループットは、論理的最大スループット（ＴＭＴ：Theoretical Maximum Throughput）技術（参照によりここに組み込まれる、基本８０２．１１ＣＳＭＡ／ＣＡプロトコルを評価するための「J. Jun, P. Peddabachagari, and M. Sichitiu, "Theoretical maximum throughput of IEEE 802.11 and its applications," Second IEEE International Symposium on Network Computing and Applications, pp. 249 - 256, 2003」に紹介され、さらに、ＥＣＭＡ−３６８ＭＡＣについて参照によりここに組み込まれている、「Y. Zang, G. R. Hiertz, J. Habetha, B. Otal, H. Sirin, and H.-J. Reumerman "Towards High Speed Wireless Personal Area Network - Efficiency Analysis of MBOA MAC" in International Workshop on Wireless Ad-hoc Networks. London, UK, 2005」にさらに議論されている）を用いて評価できる。

すでに広く文献にて研究されているマルチホップ・クロスレイヤー１−２−３の考察とは無関係のスループット最適化について、ＣＡＴ ＭＡＣがどのように動作するのかを説明するために、ケーススタディの目的で次の事項を想定する。全てのノードは比較的近距離に置かれている。全てのデバイスは、想定されているシングル／マルチホップ・ネットワークアーキテクチャ及びトポロジーに無関係の同じＰＨＹモードで動作する。想定されているＰＨＹモードは、ＢＥＲ及びパケット損失がゼロで動作する。ＣＡＴ及び結合ＰＨＹは同等のＰＨＹモードで常に比較される。

単純なＣＡＴルックアップテーブルは次のようなフォーマットをもつようにしてもよい。

ＣＡＴ ＭＡＣは次のように動作する。

・ある決まったやり方で現在の{トラフィックシナリオ、ネットワークアーキテクチャ}に調整されて、最も近い｛トラフィックシナリオ、ネットワークアーキテクチャ｝に対し、ＣＡＴルックアップテーブルを参照することにより、現在のネットワークパフォーマンスを計算する。

・同じアルゴリズムを適用して、現在のトラフィックシナリオを維持しながら、ネットワークアーキテクチャを変更し、可能性のある｛トラフィックシナリオ、ネットワークアーキテクチャ｝の複数のペアに対してネットワークパフォーマンスを計算する。

・最もよい推定性能のネットワークアーキテクチャを選択し、新たなＣＡＴネットワークへ切り替えるためのＣＡＴ ＭＡＣ制御メカニズムを例示する。

最も単純な可能性のあるルックアップテーブルは、
・制御／マネージメントオーバーヘッドと、固定ＭＳＤＵ長をもちフレーム集約を行うトラフィックシナリオとを伴わないＭＡＣプロトコル
・唯１つの性能測定基準としてＭＡＣスループット
のみを考慮するようにしてもよい。

例えば、結合チャネル及びＣＡＴ ＭＡＣへの応用について、（上記の）Y. Zang, G. R. Hiertz, J. Habetha, B. Otal, H. Sirin, and H.-J. Reumerman により記述されている、ＴＭＴ方法論を変更して、次のようなルックアップテーブルを構成できる（表４）。

表４を考慮すると、次のようなＣＡＴ ＭＡＣ公式が、与えられた｛トラフィックシナリオ、ネットワークアーキテクチャ｝の性能を決定できる。

式（２）は、データレート値の線形補間である。この方法論は重要性に限界があり、単純な実施例としてみなすべきである。（前述したように）改善を呈するための別の方法は、固定オーバーヘッド（データレートには依存しない）と可変オーバーヘッドと送信レート（選択されたチャネルデータレートに依存する）から成る関数である。ある特定のトラフィックシナリオでは、改善された結果は発展パフォーマンスモデルから得ることができる。

シングルホップ・アーキテクチャでは、ＣＡＴは、これと等価の結合ＰＨＹネットワークよりも常によい性能となる（単純な状況においてブリッジされるトラフィック負荷の総量はゼロである）。

マルチホップ・アーキテクチャでは、前記した式によれば、あるＣＡＴネットワークアーキテクチャが、結合チャネルでの関連するシングルホップ・ＣＡＴネットワークの改善が、デュアルＰＨＹノードでブリッジする必要のあるチャネル間トラフィックより大きくなる閾値までは好ましいことを示している。

必要とする閾値を計算するために、次のようなメカニズムを（一例として）用いることができる：シングルホップ・ネットワークの性能は、考慮しているトラフィックシナリオのＭＰＤＵ長の平均値を計算して、即時ＡＣＫまたはブロック送信ＭＡＣプロトコルのうちのどちらを動作させるかを決定することにより、概算できる。すると、平均ＭＰＤＵ長についてのＣＡＴ改善は、ルックアップテーブル中の最も近いＭＰＤＵ長を考慮して、これに従って改善の重み付けを行うことにより概算できる。

ネットワーク構成のレンジに対するI{PHY, Traf, Net}を計算することで、ＣＡＴ ＭＡＣはどのネットワークが最も適しているか（すなわち、ＣＡＴチャネルへのノードの割り当て）を決定する立場にある。

ＣＡＴ割り当ては、デュアルＰＨＹノードの存在が対処するであろう特定のトラフィックシナリオ及び可能性あるネットワーク構成について、等価の結合ＰＨＹチャネルＭＡＣと比較して改善されたＭＡＣ性能を提供する。

この発明で説明されるメカニズムは、レガシーＷＬＡＮ／WiMedia標準と完全に互換性を有する。これは、種々のネットワークとチャネル構成との間を動的に選択するための追加された柔軟性に起因する。

ＣＡＴ ＭＡＣは、フレーム集約、バースト送信、リンクアダプテーション、マルチホップ最適化、及びレンジ拡張のような他のよく知られている最適化技術を組み込むという点からみて、非常に拡張性がある。

本発明は、ＭＡＣ性能（例えばリンク使用）をさらに向上するために、このような技術と合わせてオプションで用いるようにしてもよい。

当業者には、他の多くの効果的な代替案も想到し得ることは疑いない。本発明はここで説明された実施形態に限定するものではなく、ここに添付されている請求項の精神と範囲内に熟練した当業者にとって明かな変形をも包含することは容易に理解できよう。

１５００バイトのパケットのスループットを示している。 ４０９５バイトのパケットのスループットを示している。 ＣＡＴ ＭＡＣプロトコルスタックを示している。 WiMedia ＭＡＣスーパーフレームを示している。 本発明に従ったＣＡＴ ＭＡＣスーパーフレームを示した図。 １つのデュアルＰＨＹノードがいるＣＡＴネットワークアーキテクチャを示す。 ２つのデュアルＰＨＹノードがいるＣＡＴネットワークアーキテクチャを示す。 全てのノードがデュアルＰＨＹノードのＣＡＴネットワークアーキテクチャを示す。 ＣＡＴ ＭＡＣネットワーク構成の動作を示すフローチャート。

Claims (16)

1. 複数のチャネルでデータを送信する方法であって、
   前記複数のチャネルは、１つの結合チャネルスーパーフレームを含む１つの結合チャネルを形成し、前記結合チャネルスーパーフレームは結合チャネルビーコン期間及び結合チャネルデータ期間を含み、
   制御メッセージを結合チャネルスーパーフレームでブロードキャストし、前記制御メッセージは、これに続く送信は別個の複数のチャネルで行われることを示し、前記複数のチャネルのそれぞれは、ビーコン期間およびデータ期間を含む別個のスーパーフレームを含み、
   別個の複数のチャネルのそれぞれで、一連の複数のスーパーフレームを送信し、各スーパーフレームは、別個のビーコン期間と、これに続く別個のデータ期間を含む方法。
2. 前記制御メッセージは、前記結合チャネル媒体にアクセスするために用いるマネージメントフレームである請求項１記載の方法。
3. 前記制御メッセージは、上記結合チャネルビーコン期間内にブロードキャストされる情報エレメントを含む請求項１乃至２のうちのいずれか１つに記載の方法。
4. 前記制御メッセージは、他の可能性あるＭＡＣフレームに対し優先権がある請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載の方法。
5. 別個の複数のチャネルでの送信終了を示すさらなる制御メッセージが、前記別個の複数のチャネルのそれぞれでブロードキャストされる請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載の方法。
6. 前記結合チャネルは２つのチャネルからなる請求項１乃至５のうちのいずれか１つに記載の方法。
7. 前記別個の複数のチャネルのそれぞれは、他のチャネルとは独立のデータプロトコルを動作させる請求項１乃至６のうちのいずれか１つに記載の方法。
8. 前記制御メッセージは、デバイスを前記別個の複数のチャネルのうちの少なくとも１つにマッピングする請求項１乃至７のうちのいずれか１つに記載の方法。
9. 単一のまたは複数の、特に２つの物理インターフェースをもつ送信機であって、請求項１乃至８のうちのいずれか１つに記載の複数のチャネルで信号を送信するように構成されている送信機。
10. 単一のまたは複数の、特に２つの物理インターフェースをもつ受信機であって、
    複数のチャネルでデータ送信用の信号を受信するように構成され、前記複数のチャネルは１つの結合チャネルスーパーフレームを含む１つの結合チャネルを形成し、前記結合チャネルスーパーフレームは結合チャネルビーコン期間及び結合チャネルデータ期間を含み、
    前記結合チャネルスーパーフレームは制御メッセージを送信するように適合され、前記制御メッセージは、その後の送信は別個の前記複数のチャネルで行われることを示し、
    別個の前記複数のチャネルのそれぞれは、一連の別個の複数のスーパーフレームを送信するように適合され、各スーパーフレームは、別個のビーコン期間及び別個のデータ期間を含む受信機。
11. 前記制御メッセージは前記結合チャネル媒体にアクセスするために用いるマネージメントフレームである請求項１０記載の受信機。
12. 前記制御メッセージは、ビーコンフレームでブロードキャストされる情報エレメントを含む請求項１０乃至１１のうちのいずれか１つに記載の受信機。
13. 前記制御メッセージは、他の可能性あるＭＡＣフレームに対し優先権がある請求項１０乃至１２のうちのいずれか１つに記載の受信機。
14. 分離したチャネルでの送信終了を示すさらなる制御メッセージが、前記別個の複数のチャネルのそれぞれでブロードキャストされる請求項１０乃至１３のうちのいずれか１つに記載の受信機。
15. 前記結合チャネルは２つのチャネルからなる請求項１０乃至１２のうちのいずれか１つに記載の受信機。
16. 前記別個の複数のチャネルのそれぞれは、他のチャネルとは独立のデータプロトコルを動作させる請求項１０乃至１５のうちのいずれか１つに記載の受信機。

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