JP4728324B2 - 管理マイクロセル無線メッシュ・ネットワーク・アーキテクチャ - Google Patents

Description

本発明は、主に無線ネットワークの帯域幅密度を増大することによって、無線ネットワークが、ローカル・ループの音声、ビデオ、及びデータのサービスの送達を行うことを可能にすることに関する。より詳細には、本発明は、限定ではないが主に、集中管理と、空間放射制御と、階層型メッセージング・アーキテクチャとを使用して、限定ではないが主に、帯域幅密度及び信頼性を改善することによって、無線伝送の性能を増大することに関する。帯域幅密度は、所与の地理的領域の加入者の集団に送達することができる一意の同時発生のトラフィックの量である。

（発明の背景）
通信産業の規制緩和は、通信会社が、以前は競争が禁止されていた地域において競争することを可能にした。その結果、電話会社は、従来の音声通信製品に加えて、高速データ通信及びテレビ番組を提供することになった。同様に、ケーブル会社は、それらの既存のケーブル・インフラストラクチャ上で音声及び高速データ通信を提供する。既存のケーブル及び電話網を改修するコストは、より高い月次請求書として顧客に転嫁されている。潜在的な競争者が既存のケーブル会社及び電話会社と競争するために新しい有線インフラストラクチャを構築するために負担するコストは、非常に高いため、ケーブル会社及び電話会社は、顧客を失うことをほとんど心配せずに顧客の月間請求を値上げすることができる。

現在、無線通信会社は、セルラ・ネットワークによって一連の通信サービスの提供を試みている。例えば、幾つかの無線通信会社は、それらのセルラ・ネットワークを介して高速データ及びビデオ通信を提供している。セルラ・ネットワークを介して高速データ及びビデオ通信を提供することは、従来の音声セルラ・ネットワークの大規模な改修を必要とする。大規模な改修の後であっても、これらの改修されたセルラ・ネットワークにおいて使用可能な実際の帯域幅密度は、既存の有線インフラストラクチャの帯域幅密度よりかなり低く、通常は、大きな集団の利用者に、デジタル・テレビジョン信号とデジタル電話サービスと高速インターネット・アクセスとを同時に送達するために十分ではない。これは、部分的には、従来のセルラ・ネットワークの自己干渉の性質と、各セル・タワーが、大きなサービス半径をカバーしなければならず、その利用可能なスループットを、利用者当たりのコストを均一に許容レベルに近づけるために、多数の潜在的利用者の間で分割しなければならない事実とに起因する。高い改修コストと、セルラ・アーキテクチャ・モデルによって提供される限られた帯域密度とのため、高速無線データ及びビデオ通信は、主に商用利用者によって利用されるが、それは、商用利用者が、そのようなサービスに関連する高い請求書を支払う能力があるためである。

既存のセルラ・ネットワークは、ポイント・ツー・マルチポイント通信モデルに基づく。詳細には、基地局（即ち、ポイント）が、ある特定のセル内の幾つかの移動局（即ち、マルチポイント）にサービスする。特定のセルにより提供されうる帯域幅は、限られており、特定のセル内の全ての移動局の間で分割されなければならない。従って、特定のセル内の移動局が増えるほど、特定の移動局に割り当てることができる帯域幅量が小さくなる。更に、１つのセルラ・ネットワーク内の各セルは、そのネットワーク内で近接して位置する他のセルに対して干渉をもたらし、各移動局は、他の移動局に対して干渉をもたらす。このセル対セルの干渉は、通常、隣接のセルに対する異なる周波数割当てを用いることによって軽減されるが、それにより、セルラ・モデルの使用のコスト及び複雑さが更に増大する。

セル・タワーと移動局の間の潜在的に長い距離は、タワーと移動局の間のスループットを制限するまたは除去しうる多数の障害及び干渉源をもたらすおそれがある。これは、特に、中央のタワーからかなりの距離に位置する移動局について、接続の確実性及び速度を、予測不能で信頼できないものにする。これらの要因の全ては、更に、特定のセル内の基地局によって提供することができる全帯域幅を、特に、移動局がセル・タワーに送信しているときのリターン経路上において、縮小させる。これらの理由から、ほとんどの消費者サービスは、上流に提供される帯域幅が利用者に向かう下流よりもかなり小さい、非対称サービスとして構成される。

その他のサービスでは、いわゆるメッシュ・アーキテクチャを設計することにより、ポイント・ツー・マルチポイント無線アーキテクチャの帯域密度制限を克服しようと試みる。これらの設計を用いて、多くの低出力の無線送受信機が、各無線機の信号が複数の他の無線機によって受信できるように、互いに近接して配置される。これらの無線機は、それぞれ、ストア・アンド・フォワード・ルーティング機能を装備し、トラフィックのパケットを受信する各無線機が、ある点で、それを別の無線機に転送し、次いで、この別の無線機が、パケットを最終的な宛先に転送できるようになされている。

典型的なメッシュ・アーキテクチャの１つの問題は、送信を行おうとする任意の無線機は、それの範囲内のメッシュ・ネットワークにおける全ての他の無線機が送信を行っていない状態まで、待機しなければならないことである。この結果、大きなメッシュ・ネットワークにおけるほとんどの無線機は、送信状態よりも送信待機状態にあることになる。送信待機状態における大量の時間のため、ネットワーク内の各ノードの平均スループットが大幅に減少し、結果として、ネットワーク全体における総体的な帯域幅密度の性能が悪くなる。メッシュ・ネットワーク内の各ノードに複数の指向性アンテナを装備して、これらのアンテナをネットワーク内の特定の他のノードに物理的に照準を向けることによって、自己干渉を軽減し、メッシュ・ネットワーク内のノード間の実用距離を増大する試みが行われている。これは、メッシュ・ネットワークの性能を改善することができるが、ノードが追加されまたネットワークから除去されるのに伴い、物理的にアンテナの照準を向けること及び向け直すことは、コストがかかり操作的に複雑であり、環境条件の変更が個々のノードの間のスループット性能に影響する。

（発明の概要）
例示的実施形態は、無線ネットワークの集中管理に関する。制御ノードは、ネットワーク内の各参加者ノードから制御ノードによって検出され制御ノードに送信される情報に基づいて、ネットワーク・トポロジを検査する。中央のノードは、各ノード及びネットワーク全体の性能を最適化するために、１つまたは複数の参加者ノードに指示を提供する。制御ノードからの指示は、制御ノードによって更新されるまで、各参加者ノードにローカルに格納され、この指示は、特定の受信する参加者ノードへの送信時に使用するための、送受信アンテナ指向方向と、可能なチャネル／周波数割当てと、送信電力の最適量との優先順位を含む。指示をローカルに格納することにより、参加者ノードは、制御ノードから直接指示を受け取るのを待たずに、ネットワーク環境において検出された変更に、迅速に反応することができる。適切なときに、制御ノードは、ネットワーク割当てを再最適化し、それらを影響される参加者ノードに送ることができる。

ネットワークの最適化は、ネットワーク内の他の経路が十分に活用されない状態で単一の経路が輻輳しないように、ネットワークのマルチホップ経路を管理することによって、ネットワークの容量及び信頼性を確定的に管理するために行われる。これは、参加者ノードの予期せぬ喪失や特定の経路上の信号の遮断から、ネットワークが、それ自体を「修復」することを可能にする。通常、マルチホップ・ネットワークのネットワーク・ノードは、直接隣接したルータについてのみ知っているルータを有し、従って、これらのネットワークは、特定のノードがそれ自体から１ホップよりも離れたスループットの制限を予測することができないため、本明細書に開示の集中管理によって提供される負荷バランシングを実現することができず、「ベスト・エフォート」のスループット性能、従って低レベルの帯域密度を提供できるだけである。

本発明の他の態様は、各到来パケットを検査する各参加者ノード内のパケット・プロセッサを組み込み、パケットが特定の参加者ノードに向けられているかどうか、または、パケットが別の参加者ノードに転送されるかどうかを決定する。パケットが転送される場合、プロセッサは、制御ノードから送られたパラメータを格納する、参加者ノードのローカル・テーブルを検査する。次いで、パケット・プロセッサは、この情報を使用して、アンテナの照準を向けること、使用すべき周波数／チャネルを任意選択すること、及び、指定された受信側にパケットを送信するために使用する電力レベルを調節することによって、所望の方向にパケットを転送する。ノードに格納されたネットワーク最適化情報と協調してこのブリッジ／ルータ・プロセッサを使用することにより、ネットワークを介したパケットの転送の待ち時間が減少し、それにより、ネットワークのスループットとその帯域密度が更に改善される。

動的交換無線接続のグリッドを構成するための多数の一元的に調整される電子的に操縦可能なビーム・アンテナの使用により、使用可能な割り当てられたスペクトルが、非常に効率的に再使用される。これは、互いに向き合うように配列されたアンテナ群は、一方の群におけるアンテナが他のアンテナ群から逸れた方向に向けられる限り、同じネットワーク内の他のアンテナ群に干渉しない傾向があるからである。これにより、ポイント・ツー・マルチポイント・アーキテクチャにおける単一のタワーによって処理されうる総トラフィックの何倍も搬送するために、並行して同じ周波数を複数回使用することができる管理された隔離空間サブネットが作られる。

本発明の他の態様は、時間ベースの決定をメッセージングにおける不当なオーバヘッドなしに処理することを可能にする、システムの要素と協調して動作する階層型制御プレーンを組み込む。階層型管理は、参加者ノードが、マイクロ秒単位でまたはパケット・プリアンブルの時間関数の範囲内でポリシまたはルート決定を行うこと、アンカ・ポイントが、ネットワーク・ルーティング及びトラフィック最適化のための、ミリ秒単位の決定を行うこと、ならびに、ネットワーク・オペレーション・センタが、参加者ノードにおける決定のためにテーブルにデータ投入しうる、数秒間にわたる決定を行うことを可能にする。

本発明の他の態様は、サブネットを組み込み、アドレッシング・スキーマが、近隣間のピア・ツー・ピアのデータの移動を可能にするために、ノード・セットまたはリンク・チェーン当たりの、制御ノードにブリッジされるプライベート・サブネットに基づく。カスタマＬＡＮインターフェースは、更に、ネットワーク・アドレス変換及びポート・アドレス変換に加え、望ましくないピア・ツー・ピア・トラフィックを阻止するための暗号化によって隔離される。

次に、添付の図面を参照して本発明が説明される。

図１は、例示的実施形態によるネットワーク１００を示す。ネットワークは、ネットワーク・オペレーション・センタ１０２と、アンカ・ポイント１０４と、複数の加入者ノード１０６ａ〜１０６ｈ（本明細書では参加者ノードと呼ばれる）とを含む。参加者ノード１０６ｈは、パケットの送信及び受信の両方に使用されるネットワークへの接続を１つだけ有するため、「リーフ（ｌｅａｆ）」参加者ノードと呼ばれる。図１には、複数の非加入者構内１０８ａ及び１０８ｂも示されており、これらの非加入者構内は、ネットワークの一部ではない。各参加者ノードは、（図１では単一の要素として示される）電子的に操縦可能なビーム・アンテナ及び参加者制御装置１１０と、コンピュータ、電話機、及びテレビのような顧客構内機器（ＣＰＥ）への接続のための屋内ユニット１１２とを含む。

アンカ・ポイント１０４は、ネットワーク１００と、ケーブルまたは衛星テレビジョン・ネットワーク、公衆交換電話網（ＰＳＴＮ）、及びインターネットのような他の通信ネットワークとの間の接続を提供する。様々なノードの間の無線通信リンクは、８０２．１１ａ、８０２．１１ｇ、及び８０２．１６などを含む幾つかの数の異なる無線技術を使用して提供されうる。更に、無線通信リンクは、政府の規制を条件として、任意の周波数スペクトル上で存在することができる。ノード間の無線通信リンクは、回線交換接続またはパケット交換接続とすることができる。無線通信リンクは、参加者ノードごとに、約４から３０メガビット毎秒のデータ転送速度を提供することができる。集中管理を用いて指向性ノード・アンテナを電子的に互いに照準を向け合わせることによって高利得リンクを作り出すことにより、自己干渉の軽減が実現されるため、８０２．１１ｇなどの接続技術は、一般に実現されるより何倍も長い距離において参加者ノードを動的にリンクすることができ、例えば、ノード間のリンクは、１．６０９ｋｍ（１マイル）ほどに長くすることができる。

制御ノードは、参加者ノード１０６ａ〜１０６ｈから情報を受信し、ネットワーク最適化指示を参加者ノード１０６ａ〜１０６ｈのそれぞれに提供して、ネットワークのトポロジを制御する。制御ノードは、ネットワーク・オペレーション・センタ１０２またはアンカ・ポイント１０４に配置されうる。制御ノードは、各参加者ノード１０６ａ〜１０６ｈに、下流の参加者ノードから情報を受信するための電子的に操縦可能なビーム・アンテナについての方向と、情報を上流に向けて参加者ノードまたは制御ノードに送信するための電子的に操縦可能なビーム・アンテナについての方向とを提供する。制御ノードはまた、複数の参加者ノード１０６ａ〜１０６ｈのそれぞれについて、第２及び第３の上流及び下流の方向のセットを提供する。空間の再使用は、動的に定義された空間サブネットの一部分ではない他のノードからの自己干渉を低減することによって帯域密度を作り出す参加者ノードに、制御ノードからアンテナ指向方向を提供することによって実現される。更に、アンテナ指向方向の集中管理は、自己修復及び干渉回避機能を提供し、最適化されたレイヤ１ネットワーク性能をもたらす。

例示的実施形態によれば、ネットワークは、アンカ・ポイント１０４から、４つの参加者ノード・ホップをサポートする。更に、ネットワークは、特定のノード・チェーンに対するサブネット・アドレッシングを用いてインターネット・プロトコル（ＩＰ）アドレッシングを利用する。ノード・チェーンは、アンカ・ポイント１０４とネットワークのエッジの参加者ノードとの間の複数の直列に配置されたノードを含む。図１では、参加者ノード１０６ａ、１０６ｄ、１０６ｇ、及び１０６ｈが、ノード・チェーンを形成している。ノード・チェーンに対するサブネット・アドレッシングの使用は、特定のノード・チェーンのノード間で伝達されるパケットの待ち時間を減少させる。サブネット・アドレッシングなしでは、特定のノード・チェーンの２つのノード間におけるパケットは、チェーンを介してアンカ・ポイント１０４に移動しなければならず、そのアンカ・ポイント１０４が、パケットを、ノード・チェーンの特定の参加者ノードに送り返すことになる。サブネット・アドレッシングを用いて実現される待ち時間の減少は、ノード・チェーンの参加者ノード間のビデオの転送、または、ノード・チェーンの参加者ノード間のリアルタイム・ゲームに関するデータの転送に有用である。

ネットワークは、ノード間のパケットのルーティングのためにマルチプロトコル・ラベル・スイッチング（Ｍｕｌｔｉｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｌａｂｅｌ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）（ＭＰＬＳ）を利用することができる。ＭＰＬＳを利用する結果、制御ノードは、入口と出口の両方のラベル・スイッチ・ルータ（Ｌａｂｅｌ Ｓｗｉｔｃｈ Ｒｏｕｔｅｒ）（ＬＳＲ）となる。従って、制御ノードは、着信パケットに対するラベル・スタックを与え、発信パケットに対するラベルを破棄する。各参加者ノードは、ＬＳＲとして動作することができ、ラベルの内容だけに基づいて転送の決定を行う。レイヤ３でのＩＰＳｅｃバーチャル・プライベート・ネットワーク（ＶＰＮ）暗号化をＭＰＬＳと適合して使用して、ネットワークのためのセキュリティを利用することができる。ラベル・スイッチ・パスは、一定のレベルの性能を保証するために、ネットワークの輻輳を回避してルーティングするために、または、ネットワーク・ベースのＶＰＮのためのＩＰトンネルと併せて、適用されうる。ネットワークは、他のタイプのラベル・スイッチング、または、ＭＰＬＳの修正形態を利用することができる。

図２は、例示的参加者ノード２００を示す。参加者ノードは、屋上ユニット２１０及び屋内ユニット２６０を含む。屋内ユニット２６０は、コンピュータ・データ用のイーサネット（登録商標）、ビデオ用の同軸ケーブル、及び電話用のツイスト・ペアなどのような、ＣＰＥへの接続を提供する。システムは、屋内ユニットの代わりに屋外ユニットを使用して動作することもできる。例えば、屋外ユニットは、参加者ノードの構内への主要な電話接続に接続することができる。この主要な電話接続は、ホーム・フォンライン・ネットワーク・アライアンス（Ｈｏｍｅ Ｐｈｏｎｅｌｉｎｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｌｌｉａｎｃｅ）（ＨＰＮＡ）技術を用いて、データ、ビデオ、及び電話通信を、既存の電話線を介して提供することができる。代替として、屋外ユニットが、構内への主要な電線路に接続することができ、この電線路は、電源プラグ（ＰｏｗｅｒＰｌｕｇ）技術を用いて、データ、ビデオ、及び音声を、構内の既存の電気配線を介して提供することができる。他の代替として、無線ＬＡＮ基地局が、加入者構内におけるデータの配信のために使用されうる。屋内ユニットは、通信リンク２６５を介して屋上ユニットに接続され、屋上ユニットは、屋内ユニット２６０と屋上ユニット２１０との間でデータ及び電力を伝送し、電力を加入者構内から屋上ユニット２１０に提供する。通信リンク２６５は、ＲＧ６ケーブルなどとすることができる。

屋上ユニット２１０は、アンテナ２１２と、ビーム・スイッチャ２１４と、無線機２１６と、ブリッジ及びルータ２１８と、制御装置２２０とを含む。アンテナ２１２は、ソリッド・ステート・アンテナとすることができる。更に、アンテナ２１２は、そのサイズを最小限にするよう設計されうる。開示のシステムで使用されうるアンテナは、約２５．４ｃｍ（１０インチ）の高さとすることができる。ビーム・スイッチャ２１４は、アンテナ２１２の様々なビームのどれが送信及び受信のためにアクティブであるかを個別に制御する。ビーム・スイッチャ２１４は、動的にエネルギーを収束する、即ち、約２６ミリ秒以内に、別の参加者ノードの方向に送信することができる。アンテナ２１２のビームの高速スイッチング時間により、ネットワークが、干渉、輻輳、または接続損失のようなネットワークにおける変化に迅速に反応することが可能になる。無線機２１６は、８０２．１１ａ、８０２．１１ｇ、及び８０２．１６などを含む幾つかの無線技術を用いて動作することができ、あるいは、独自の無線技術を利用してもよい。

ブリッジ及びルータ２１８は、プロセッサ２１９を含む。プロセッサ２１９は、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、または、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）などとすることができる。ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡの使用のマイクロプロセッサに対して有利な点は、パケットが参加者ノードに向けられるかあるいはネットワーク内の次の参加者ノードに転送されるべきかを判定するために、パケットを検査することができる速度である。詳細には、高速ハッシュ・アルゴリズムをＡＳＩＣまたはＦＰＧＡにプログラムして、宛先アドレスなど特定のパケット・ヘッダ情報について、無線パケット・レイヤでパケットを検査することができる。ベースＴＣＰ／ＩＰスタックにおいて検査することにより係る機能を実行するためにプロセッサ２２２を利用する従来の技法では、固有の取出し／書込み周期のために、パケットの転送に遅延が持ち込まれることになる。

制御装置２２０は、プロセッサ２２２及びメモリ２２４を含む。プロセッサ２２２は、内蔵プログラムを実行しているマイクロプロセッサ、またはＡＳＩＣなどとして実装されうる。

メモリ２２４は、とりわけ、ローカル制御テーブル２２６を格納する。ローカル制御テーブルは、最初に、制御ノードによって各参加者ノードに提供される。各ローカル制御テーブルは、パケットを受信するためのアンテナ指向方向と、パケットを送信するためのアンテナ指向方向及び電力レベルとを含む。送信電力レベルの制御は、送信ノードが、特定のノードに送信するとき、許容できる信号対雑音効率及び最適なスループットを実現するためにちょうど十分な電力を使用するように実施され、その電力は、ネットワーク内の他のノードに対する雑音レベルが不必要に上昇させるような必要より大きい電力ではない。参加者ノードは、ローカル制御テーブルを使用して、即時の経路決定を行う。制御ノードは、各参加者ノードに情報を提供してそのローカル制御テーブルを更新するために、参加者ノードから取得した情報を使用する。

ネットワークの信頼性を高めるために、ローカル制御テーブルは、アンテナ指向方向及び関連する送信電力レベルの第２及び第３のセットを含むことができ、それらは、例えば他の参加者ノードの１つに対するリンクが切れたために、アンテナ指向方向の第１のセットが使用できない場合に使用される。ローカル制御テーブルは、修正されたオープン・ショーテスト・パス・ファースト（Ｏｐｅｎ Ｓｈｏｒｔｅｓｔ Ｐａｔｈ Ｆｉｒｓｔ）（ＯＳＰＦ）ルーティング・プロトコルなどの様々な形態で実装されうる。ＯＳＰＦは、トラフィック・モデルに対して最適化された幾つかの変数の基準を用いて、他の経路に対して最短の経路を比較するように修正されうる。それらの変数は、経路の信号対雑音比、経路に対し使用される電力レベル、及び、媒体アクセス制御（ＭＡＣ）宛先アドレスを含むことができるが、これらに限定されない。

一時的干渉源が、参加者ノードと、参加者ノードがパケットを受け取る元である他の参加者ノードとの間に発生したとき、参加者ノードは、そのローカル制御テーブルで第２の受信アンテナ指向方向を調べて、ネットワークの継続性を維持する。同様に、この参加者ノードに第１のアンテナ受信指向方向の方向から送信を行う参加者ノードは、第２の送信アンテナ指向方向を使用して、ネットワークの継続性を維持しようと試みる。参加者ノードは、許容できる通信リンクを有する場合、第２の受信アンテナ指向方向を使用しながら、第１の送信アンテナ指向方向を継続して使用する。

通信リンクが、許容できる通信リンクであるかどうかは、通信リンクによって提供される帯域幅量に依存する。帯域幅量は、ノード・チェーンにおける参加者ノードの最大数に対する、音声、ビデオ、及びデータ通信を提供するために、帯域幅の最小量に基づいて決定された所定の固定値とすることができる。代替として、帯域幅量は、参加者ノードに対する特定の条件に基づいて決定することもできる。例えば、アンカ・ポイントと直接接続された参加者ノードが、ノード・チェーン内の全てのアクティブな参加者ノードに対する通信をサポートするための帯域幅が必要であるのに対し、リーフ参加者ノードは、それ自体についての通信をサポートする帯域幅のみを必要とするので、リーフ参加者ノードは、アンカ・ポイントと直接接続された参加者ノードよりかなり小さい帯域幅を必要とするだけでよい。更に、帯域幅量は、参加者ノードに提供されるサービスのタイプに基づいてもよい。例えば、音声サービスのみを受け取るリーフ参加者ノードは、音声、データ、及びビデオ・サービスを受け取るノードより、必要とする帯域幅がかなり小さい。

参加者ノードが、アンテナ指向方向の新しいセットを制御ノードから受信する、第１の送信アンテナ指向方向が、所望の参加者ノードへのリンクを提供しなくなる、第２の受信アンテナ指向方向が、所望の参加者ノードへのリンクを提供しなくなる、または、第１の受信アンテナ指向方向における干渉が、第１の受信アンテナ指向方向における所望の参加者ノードに対してリンクが確立されるように減少するまで、参加者ノードは、第１の送信アンテナ指向方向及び第２の受信アンテナ指向方向を継続して使用する。

図３は、例示的制御ノード３００を示す。図３に示される実施形態では、アンカ・ポイントは、制御ノードである。しかし、上述のように、制御ノードは、ネットワーク・オペレーション・センタに配置することもでき、図３では、ネットワーク・オペレーション・センタは、広域ネットワーク３１４を介してアンカ・ポイントに接続される。例示的実施形態によれば、アンカ・ポイントは、約５００個の参加者ノードをサポートすることができる。アンカ・ポイントは、複数のアンテナ／無線機要素３０２と、制御装置３０４と、強化ルータ３１０とを含む。例示的実施形態では、アンテナ／無線機要素３０２は、６つにセクタ化されたトラフィック集約ポイントを作成して、６．４３６ｋｍ（４マイル）までのサービス・エリアからのトラフィックを集約する。アンカ・ポイントを構成するために、より多いまたは少ないアンテナ／無線機要素を使用して、より大きいまたは小さい数のセクタを利用することもできることは、理解されよう。

制御装置３０４は、プロセッサ３０６及びメモリ３０８を含む。制御装置３０４は、無線パフォーマンス監視と、照準アルゴリズムと、経路負荷バランシングと、リンク・レイヤ割当てと、ボイス・オーバ・インターネット・プロトコル（ＶｏＩＰ）サービス品質（ＱｏＳ）管理インターフェース応答と、喪失参加者ノード再計算と、ネットワークＶＰＮ終了と、コントローラ・フェイルオーバと、ネットワーク制御プレーンとのための制御プレーン・ソフトウェアを含む。プロセッサ３０６は、マイクロプロセッサ、またはＡＳＩＣなどとすることができる。

メモリ３０８は、とりわけ、参加者ノードから受信した制御情報とともにネットワーク・トポロジを含む経路管理テーブルを格納する。制御装置３０４は、ネットワークの参加者ノード間及び例えばインターネットでありうる広域ネットワーク３１４へのパケットの転送のために使用される、物理（レイヤ１）ならびに論理（レイヤ２及び３）経路の割当てを制御する。更に、広域ネットワークは、ＰＳＴＮ、及び／または、ケーブルもしくは衛星テレビジョン・プロバイダなどのビデオ・プロバイダへの接続を含むことができる。

強化ルータ３１０は、パケットの署名及び確認と、パケットの暗号化及び解読と、トラフィック統計の提供と、パケットのフィルタリング及び制限との追加機能を備えた従来のルータである。強化ルータは、ネットワークに対するセキュリティの追加レイヤを提供する。強化ルータは、バックホール接続３１２を介して、ローカル・ネットワークと広域ネットワーク３１４との間でパケットを転送する。ローカル・ネットワークと広域ネットワークとの間で転送されるトラフィック量に応じて、バックホール接続３１２は、１つまたは複数のＴ１またはＴ３接続、あるいはそれ以上のものなどにすることができる。

図４は、無線ネットワークの集中管理のための例示的方法を示す。制御ノードは、ネットワーク・トポロジを決定する（ステップ４１０）。ネットワークが最初にセットアップされるとき、制御ノードには、最も効率的なネットワーク・トポロジのコンピュータ・シミュレーションに基づいた初期ネットワーク・トポロジが提供されうる。ネットワークがいったん稼動すると、以前に決定されたネットワーク・トポロジに基づく格納されたトポロジにアクセスすることによって、ネットワーク・トポロジを決定することができる。決定されたネットワーク・トポロジに基づいて、制御ノードは、複数の参加者ノードのそれぞれのための少なくとも第１（送信）及び第２（受信）アンテナ指向方向を提供する（ステップ４０２）。制御ノードはまた、第１のアンテナ方向に関連付けられた送信電力レベルを提供することができる。更に、制御ノードは、第１及び第２のアンテナ指向方向とそれに関連する送信電力レベルとの第２及び第３のセットを提供することができる。

制御ノードは、複数の参加者ノードのそれぞれから情報を受信する（ステップ４３０）。詳細には、複数の参加者ノードのそれぞれが、制御ノードにネットワークを介して送り返される制御チャネルを介して情報を送信する。制御チャネルは、例えば周波数が、トラフィック・チャネルと物理的に異なるチャネルとしても、トラフィック・チャネルと同じ物理チャネルを共用する論理チャネル（経路指定された経路）としてもよい。複数のノードのそれぞれが送信する情報は、特定のノードによって転送されているトラフィックの量と、その特定の参加者ノードが「見る」ことができる他の参加者ノードの信号対雑音比の値（即ち、それらの参加者ノードについては、特定の参加者ノードが、それらの参加者ノードによって送信された信号を周囲雑音から実際に検出することができる）と、特定の参加者ノードと特定の参加者ノードが見ることができるそれら他の参加者ノードとの間に存在する雑音の推定値とを含む。更に、制御ノードは、参加者ノードのうち任意の２つに、実際の信号対雑音比と、２つの参加者ノード間の結果として生じるスループットとを決定するために、テスト・トラフィックを送るように指示することができる。制御チャネルは、パケット・ヘッダ、ペイロード、または両方の暗号化によってセキュリティを利用することができる。

参加者ノード間の送信に使用される電力の量と、制御チャネルを介して受信された情報とを含むネットワーク・トポロジに関する格納された情報を使用して、制御ノードは、スループット、即ち帯域幅及び遅延の量を、ネットワークを再構成することによって最適化できるかどうかを判定する（ステップ４４０）。制御ノードが、ネットワーク・トポロジはスループットについて既に最適化されたと決定した場合（判定ステップ４４０からの「いいえ」経路）、制御ノードは、複数の参加者ノードのそれぞれからの情報を引き続き受信する（ステップ４３０）。

制御ノードが、ネットワークの再構成がスループットを最適化することになると決定した場合（判定ステップ４４０からの「はい」経路）、制御ノードは、少なくとも２つの参加者ノードに新しいアンテナ指向方向を提供することによってネットワークを再構成する。新しいアンテナ指向方向が２つのノードに提供されるのは、一方のノードが、送信のために新しいアンテナ指向方向を使用し、対応する参加者ノードが、その送信を受信するために新しいアンテナ指向方向を使用しなければならないからである。代替または追加として、制御ノードは、１つまたは複数の参加者ノードの送信電力レベルを調節することによって、ネットワークを再構成することができる。ネットワークが、少なくとも２つの物理チャネル、例えば２つの別の周波数帯を提供する場合、制御ノードは、少なくとも２つの参加者ノードに、物理チャネルを変更するよう指示することによって、ネットワークを再構成することができる。

図５は、ネットワーク内の新しい参加者ノードを初期設定するための例示的方法を示す。新しい参加者ノードがセットアップされると、即ち、アンテナが実装されて制御装置が電源投入されると、参加者ノードの制御装置は、アンテナのスピン・レートを決定し、決定されたレートでアンテナの回転を開始する（ステップ５０５）。アンテナの回転は、アンテナ・ビームを例えば３６０°の所定の回転で電子的に操縦することを意味する。各新しい参加者ノードは、スピン・レートを任意に選択し、スピン・レートは、いったん決定されると、ノードに対し固定される。新しい参加者ノードは、隣接応答パラメータＮをゼロにセットする（ステップ５１０）。

ノードは、回転を行っている間、そのノードＩＤ（ＮＩＤ）とノードのプロビジョニング要求など関連した情報とを、パイロット・チャネルを介してブロードキャストする（ステップ５１５）。例示的実施形態によれば、ノードＩＤは、参加者ノードのＭＡＣアドレスと、参加者ノード及び制御ノードによって共有される秘密鍵とを使用して形成される。パイロット・チャネルは、制御及びトラフィック・チャネルから物理的に分離したチャネルとしても、制御チャネル及びトラフィック・チャネルと同じ物理チャネルを共用する論理チャネルとしてもよい。ノードは、回転を行っている間、ノードが隣接参加者ノードから何らかの応答を受信したかどうか、即ち、ノードが何らかの隣接ノードを発見したかどうかを判定する（ステップ５２０）。新しい参加者ノードが何れの隣接参加者ノードも発見しなかった場合（判定ステップ５２０からの「いいえ」経路）、新しい参加者ノードは、引き続きパケット・チャネルを介して情報をブロードキャストする（ステップ５１５）。しかし、新しい参加者ノードが隣接参加者ノードを発見した場合（判定ステップ５２０からの「はい」経路）、新しい参加者ノードは、発見された隣接ノードからの応答として受け取った情報を格納し、隣接応答パラメータＮを１だけ増分する（ステップ５２５）。

次いで、新しい参加者ノードは、隣接応答パラメータＮが、隣接参加者ノードの所定の数と等しいかどうかを判定する（ステップ５３０）。隣接参加者ノードの所定の数は、制御ノードが、ネットワークを介して新しい参加者ノードに対して基本または代替の経路を提供するために十分な情報を提供されるように、選択されうる。この数は、例えば、４つの隣接参加者ノードとしてセットすることができる。隣接参加者ノードパラメータＮが、隣接参加者ノードの所定の数と等しくない場合（判定ステップ５３０からの「いいえ」の経路）、新しい参加者ノードは、引き続きパイロット・チャネルを介して情報をブロードキャストする（ステップ５１５）。しかし、隣接参加者ノードパラメータＮが、隣接参加者ノードの所定の数と等しい場合（判定ステップ５３０からの「はい」の経路）、新しい参加者ノードは、ネットワークへの接続を開始する（ステップ５３５）。

図５に関連して説明された方法は、ある種の修正とともに、孤立参加者ノードと呼ばれるネットワークへの接続を失った参加者ノードのために使用することもできる。違いは、孤立参加者ノードが、最初にネットワークで確立されたとき、そのスピン・レートを決定し、従って、パイロット・チャネルを介して情報をブロードキャストしている間、このスピン・レートを利用することである。更に、リーフ・ノードは、ネットワークへの別の接続を発見することを試みる際に、孤立ノードと同じ手順を用いることができる。更に、他の参加者ノードは、タイムスタンプと、ノードとの同期の仕方についての情報と、他の送信経路についての情報と、ノードに対する送信オプションとを定期的に送信する。

図６は、既存の参加者ノードによって新しいノードを検出するための例示的方法を示す。参加者ノードは、トラフィックを送信または受信していないとき、新しいノードを探して走査する。従って、参加者ノードは、参加者ノードがトラフィックを送信中または受信中であるかどうかを判定する（ステップ６０５）。参加者ノードは、トラフィックを送信中または受信中である場合（判定ステップ６０５からの「はい」経路）、引き続きトラフィックを送信または受信する（ステップ６１０）。しかし、参加者ノードは、トラフィックを送信中または受信中でない場合（判定ステップ６０５からの「いいえ」経路）、次に参加者ノードは、新しいノードが特定の象限に存在するという指示を制御ノードから受信したかどうかを判定する（ステップ６１５）。

参加者ノードは、新しいノードが特定の象限に存在するという指示を受け取っていない場合（判定ステップ６１５からの「いいえ」経路）、参加者ノードは、送信または受信するトラフィックがあるかどうかを判定するなどのノードの処理を継続する（ステップ６０５）。しかし、参加者ノードは、新しいノードが特定の象限に存在するという指示を受け取った場合（判定ステップ６１５からの「はい」経路）、参加者ノードは、信号対雑音比に基づいて、そのアンテナをその象限に位置付けし、新しいノードの方向にロックオンを試みる（ステップ６２０）。詳細には、参加者ノードが、象限を走査し、象限内の複数の位置で、例えば象限内の１０°ごとにおいて、信号対雑音比の測定を行う。これらの測定のうち最も高い信号対雑音比に対応する位置が、新しい参加者ノードの方向として選択される。参加者ノードは、最も高い信号対雑音比に対応する位置を見つけるまで（判定ステップ６２５からの「いいえ」経路）、参加者ノードは、新しいノードに対するロックオンを試みて、象限にわたってノードのアンテナの移動を継続する（ステップ６２０）。

参加者ノードは、新しいノードにロックオンした場合（判定ステップ６２５からの「はい」経路）、参加者ノードは、新しいノードのネットワーク識別子及びスピン・レートを受け取る（ステップ６３０）。次いで、参加者ノードは、新しいノードのネットワーク識別子、スピン・レート、及び相対方向を、制御チャネルを介して制御ノードに報告する（ステップ６３５）。

参加者ノードは、参加者ノードが新しいノードに接続するために許可を制御ノードから受信したかどうかを判定する（ステップ６４０）。新しいノードがネットワーク内に配置されたとき、許可されたノードのみがネットワークの一部分となることを可能にすることによってネットワークにセキュリティを提供するために、新しいノードのノードＩＤが、制御ノードに格納される。制御ノードに格納されたノードＩＤを有するノードのみが、ネットワークの一部分となることを可能にされる。従って、参加者ノードは、所定の時間量内に新しいノードに接続するための許可を受け取らなかった場合（判定ステップ６４０からの「いいえ」経路）、参加者ノードが更に新しいノードに対してロックオンする試みを止めることによって、新しいノードを拒否する。

参加者ノードは、新しいノードに接続するための許可を受け取った場合（判定ステップ６４０からの「はい」経路）、パケットの送信及び受信のためのアンテナ指向方向などの通信パラメータを用いて新しいノードに応答する。通信パラメータはまた、パケットの送信及び受信のための第２及び第３のアンテナ指向方向を含むことができ、第２及び第３のアンテナ指向方向は、第１のアンテナ指向方向が有効でないとき、即ち、新しいノードと、その指向方向に対応する参加者ノードとの間のリンクが有効でないとき、新しいノードによって使用される。参加者ノードは、送信または受信すべきパケットを有する場合、通信パラメータを新しいノードに送るために、参加者ノードは、送信または受信すべきパケットがない状態まで待機する。

図６には示されていないが、プロセス中に参加者ノードがパケットを送信または受信する場合はいつでも、参加者ノードは、手順を中断する。次いで、参加者ノードは、その送信または受信を完了すると、手順を再開することができる。更に、参加者ノードは、プロセスを終了するために制御ノードからメッセージを受信する。これは、制御ノードが、新しいノードにロックオンした１つまたは複数の他の参加者ノードから、情報を既に受信したときに発生しうる。

２つの参加者ノード間の通信を行うためには、アソシエーション・プロセスを必要とする。詳細には、双方の参加者ノードが、互いにアソシエーション要求を送り、他方の参加者ノードが応答することを要求する。双方のノードが応答すると、双方のノードは、それら自体をパートナーとして識別するための必要なアソシエーション識別子を有することになる。再アソシエーションは、開示の無線ネットワークの多対多アーキテクチャのため、不必要である。しかし、ノードが所定の時間量にわたり互いに連絡されない場合、それらは、アソシエーション解除プロセスを行うことができる。

ネットワークのノード間の通信は、８０２．１１プロトコルの修正形態を使用することができる。ネットワークは、単一の物理チャネルを利用する場合、ネットワークが、データ転送動作がコンテンション環境においてアトミックであること、及び、現行のノード・ペアのデータ転送時にいかなる他のノードもそれらの要求を遅延することを保証するために、ネットワーク・アロケーション・ベクトル（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ Ｖｅｃｔｏｒ）（ＮＡＶ）を利用することができる。しかし、ネットワークが、１つまたは複数の物理チャネルを利用する場合は、コンテンション・ベースのＮＡＶは、ノードの走査の処理の際に使用できるだけである。

送信要求（ＲＴＳ）は、それにＮＡＶタイマ・カウントダウンが続くＲＴＳを用いて利用される。しかし、１つまたは複数の物理チャネルが利用される場合、ＮＡＶを利用する必要はないが、代わりに、この情報は、制御チャネルで送られて、送信準備完了（ＣＴＳ）が、制御チャネルと異なる物理チャネルから送られる。ＲＴＳの後、データを送信する時間となる。ＣＴＳが、受信側が準備完了していることを、送信側に通知する。受信側がデータを受信すると、肯定応答（ＡＣＫ）が、送信側に送り返される。１つまたは複数の物理チャネルが利用される場合、手順は、第１のペアのＲＴＳ／ＣＴＳの後、送信側が、次のパケットを送るために受信側からのＡＣＫのみを期待するように変更されうる。送信側がデータ転送を終了した場合、送信が完了したことを受信側に示すフラグが生じる。１つまたは複数のチャネルが使用されるとき、キャリアにコンテンションがないため、コンテンションフリー・ポイント・コーディネーション機能（Ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎ−Ｆｒｅｅ Ｐｏｉｎｔ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）（ＣＦ−ＰＣＦ）が利用されうる。この場合、ＡＣＫをＣＦ−ＡＣＫに置き換えることができ、送信フラグの終了のために、ＣＦ−Ｅｎｄフレームが使用される。

ネットワークは、音声情報が安全に送達されることを可能にするために、制御ノード及び参加者ノードに、ポート・アドレス変換（ＰＡＴ）及びネットワーク・アドレス変換（ＮＡＴ）を管理させることによって、ボイス・オーバ・インターネット・プロトコル（ＶｏＩＰ）サービスを提供することができる。更に、制御ノードは、市内及び市外電話を全てのネットワーク参加者ノードに提供するために、ＶｏＩＰスイッチを含む。

例示的実施形態は、音声、高速データ、及びビデオ通信を提供することに関連して説明されたが、上記の特徴は、音声、高速データ、またはビデオ通信のみ、あるいはこれら３つの組合せを提供するシステムにおいて使用されうる。

上記の開示は、単に本発明を例示するために説明されており、限定を意図するものではない。本発明の精神及び実体が組み込まれる開示の実施形態の修正形態は、当業者には認識できるため、本発明は、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内の全てを含むと解釈されるべきである。

例示的実施形態によるネットワークを示す図である。 例示的参加者ノードを示す図である。 例示的制御ノードを示す図である。 無線ネットワークの集中管理のための例示的方法を示す図である。 ネットワークにおいて新しい参加者ノードを確立するための例示的方法を示す図である。 既存の参加者ノードによって新しい参加者ノードを検出するための例示的方法を示す図である。

Claims (17)

1. アンテナ及び制御装置を含む制御ノードと、
   それぞれ参加者ユニットを含む複数の参加者ノードと、
   を含むシステムであって、
   各参加者ノードは、電子的に操縦可能なビーム・アンテナと、参加者制御装置と、を含み、
   前記制御ノードが、システム・トポロジ情報に基づいて、前記システムのトポロジを再構成することにより、前記システムのスループットを最適化することができると判定したときに、前記制御ノードが、前記複数の参加者ノードのそれぞれに、アンテナ方向に関する情報を提供し、前記複数の参加者ノードの１つの前記アンテナ方向は、前記複数の参加者ノードの別の１つからの情報の送信または受信を可能にする、システム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、前記制御ノードはまた、前記複数のノードのそれぞれに送信電力レベルを提供する、システム。
3. 請求項１に記載のシステムであって、前記システム・トポロジ情報は、前記複数の参加者ノードのそれぞれによって転送されるトラフィックの量を含む、システム。
4. 請求項１に記載のシステムであって、第１の物理的方向における前記複数の参加者ノードの１つによって受信される情報は、第２の物理的方向における前記複数の参加者ノードの別の１つに転送される、システム。
5. 請求項１に記載のシステムであって、前記参加者制御装置は、前記パケットをどこに送るかを決定するために、受信した各パケットと関連付けられたラベルを検査する、システム。
6. 請求項１に記載のシステムであって、前記制御ノードは、ボイス・オーバ・インターネット・プロトコル（ＶｏＩＰ）スイッチを含み、それによって、電話サービスを前記複数の参加者ノードに提供する、システム。
7. 請求項１に記載のシステムであって、前記制御ノードは、電話網、データ・ネットワーク、及び／またはビデオ・ネットワークに接続される、システム。
8. 無線ネットワークを制御するための方法であって、
   前記ネットワークのトポロジを決定するステップと、
   前記決定されたネットワーク・トポロジを実現するために、制御ノードによって、前記ネットワークの複数の参加者ノードのそれぞれのための第１及び第２のアンテナ指向方向を提供するステップと、
   前記制御ノードによって、前記複数の参加者ノードから情報を受信するステップであって、前記情報は、特定の参加者ノードが信号を受信できる元である他の参加者ノードのそれぞれに対する通信パラメータを識別する、ステップと、
   前記制御ノードによって、前記複数の参加者ノードからの前記情報に基づいて、前記ネットワークのトポロジを再構成することにより、前記ネットワークのスループットを最適化することができると判定するステップと、
   前記制御ノードによって、前記情報に基づいて前記ネットワークを再構成するステップであって、前記再構成は、前記複数の参加者ノードの少なくとも１つのための新しい第１及び第２のアンテナ指向方向の識別子を含む、ステップと、
   を含む方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、前記通信パラメータは、信号対雑音比である、方法。
10. 請求項８に記載の方法であって、前記再構成は、前記複数の参加者ノードのそれぞれによって転送されるトラフィックの量にも基づく、方法。
11. 請求項８に記載の方法であって、
    パケットを受信するステップと、
    前記パケットのラベルを検査するステップと、
    前記ラベルに基づいて前記パケットをどこに送るかを決定するステップと、
    を更に含む方法。
12. 請求項８に記載の方法であって、前記複数の参加者ノードのそれぞれは、サブネット・アドレスを割り当てられ、前記方法は、
    参加者ノードによってパケットを受信するステップと、
    前記パケットのサブネット・アドレスに基づいて前記パケットを送信するステップと、
    を更に含む方法。
13. 請求項８に記載の方法であって、
    前記複数の参加者ノードの１つによって、別の参加者ノードとの接続が切れていることを決定するステップと、
    前記複数の参加者ノードの前記１つによって、制御テーブルを検査するステップと、
    前記制御テーブルにおける情報に基づいて、前記第１または第２のアンテナ方向を変更するステップと、
    を更に含む方法。
14. 制御ノードと第１、第２、及び第３の参加者ノードとを含むネットワークにおける方法であって、
    第１のパケットを、前記第１の参加者ノードから前記第２の参加者ノードに送信するステップと、
    前記第２の参加者ノードが前記第１のパケットを受信しなかったことを決定するステップと、
    前記制御ノードから受信された情報、または前記第１の参加者ノードに格納された情報に基づいて、前記第１のパケットを前記第３の参加者ノードに送信するステップであって、前記第１の参加者ノードに格納された前記情報は、前記制御ノードから受信された、ステップと、を含んでおり、前記制御ノードが、システムのトポロジ情報に基づいて、前記ネットワークのトポロジを再構成することにより、前記ネットワークのスループットを最適化することができると判定したときに、前記制御ノードが、前記第１、第２、及び第３の参加者ノードにアンテナ方向に関する情報を提供し、
    前記第１、第２、及び第３の参加者ノードの１つの前記アンテナ方向は、前記第１、第２、及び第３の参加者ノードの別の１つからの情報の送信又は受信を可能にすることを特徴とする、方法。
15. 請求項１４に記載の方法であって、
    前記第２の参加者ノードによって、前記第２の参加者ノードが前記第１の参加者ノードからパケットを受信できないことを決定するステップと、
    前記制御ノードから受信された情報、または前記第２の参加者ノードに格納された情報に基づいて、前記第２の参加者ノードのアンテナの方向を調節するステップであって、前記アンテナの前記方向は、パケットを受信するための方向である、ステップと、
    を更に含む方法。
16. 請求項１４に記載の方法であって、
    通信パラメータを、前記第１、第２、及び第３のノードから前記制御ノードに送るステップと、
    前記制御ノードによって、前記通信パラメータと関連付けられた情報を、前記第１、第２、及び第３のノードに提供するステップと、
    を更に含む方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、前記通信パラメータと関連付けられた前記情報は、アンテナ指向方向、送信電力レベル、または送信周波数である、方法。