JP4777614B2 - 無線媒体で高速チャネル切り替えを実行するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して無線ローカルエリアネットワーク（WLAN）に関するものである。特に、本発明は、高速チャネル切り替えを実行するために、WLANに優先アクセスを提供するための方法とシステムに関するものである。

一般的な802.11に基づく無線ローカルエリアネットワーク（WLAN）において、無線媒体へのアクセスは協調機能によりMAC層で制御される。802.11標準は、２つの協調機能（分散型協調機能（DCF）とポイント協調機能（PCF））を提供する。非競合サービスが必要な場合、それはDCFの上位に構成されたポイント協調機能（PCF）により提供され得る。PCFは、802.11標準の任意的な部分であり、現在まで広く実装されていない。DCFでのネットワークステーションSTA間のフレーム交換が、現在配置されているWLANで普及している。DCFは、IEEE802.11標準に記載されている通り、CSMA/CA（キャリア検知多重アクセス衝突回避）と称される伝送前に傾聴する機構に基づく。

DCF機構によると、フレームを伝送することを試みる前に、各ステーションは媒体が未使用であるか否かを検査する。媒体が未使用でない場合、ステーションは相互に譲歩し、伝送の衝突を回避するために指数バックオフ・アルゴリズムを使用する。

DCF機構の１つの欠点は、ネットワークの高トラヒック負荷の場合に、ネットワークステーションが無線媒体でフレームを交換することを試みる際に相対的に長い遅延を受けることである。

その潜在的な伝送遅延の結果は、欧州での5GHz対での動作のための動的周波数選択（DFS）の法的な要件との準拠が満たされないことがあることである。DFSの法的な要件は、無線STAが、(1)所定の時間内に現在のチャネルの伝送を素早く中止しなければならいことと、(2)プライマリのユーザが検出されると、所定の時間内にチャネルを切り替えなければならないこととを特に規定する。プライマリのユーザは、例えばレーダー追跡システム又は衛星システムであることがある。

従って、無線媒体への高速のチャネルアクセスを提供し、チャネル切り替えを素早く実行し、及び／又は現在のチャネルの伝送を素早く中止し、同じ場所に配置されたシステムのプライマリのユーザにより実行されるミッションクリティカルの機能との潜在的な干渉を回避するMAC層で実行される改善された媒体アクセス機構の必要性が存在する。

本発明は、例えば802.11に基づく無線通信システムのような通信システムのMAC層のプロトコルで、スペクトル管理動作フレーム（Spectrum Management Action Frame）のような時間重視のフレームを伝送するために、高速チャネル優先アクセスを提供するための方法とシステムを対象にする。

本発明の新規性の要点は、無線媒体への優先アクセスが獲得され、発信ノード（例えばAP又はSTA）からの１つ以上のスペクトル管理フレームの優先された伝送を可能にし、高速チャネル切り替えを実行することである。ここに記載される高速チャネル切り替えは、チャネル切り替えの通知、又は現在の動作チャネルにおける全ての伝送の中止を含む。本発明は、その１つの態様において、無線媒体への高速のチャネルアクセスを提供するための方法を含む。前記方法は、一般的に、PCFフレーム間間隔（PIFS）の期間に無線媒体が未使用であることを判断するステップと、前記１つのPIFSの期間に続くタイムスロットの間に第１の管理フレームを伝送するステップであって、前記タイムスロットでの伝送が前記無線媒体への優先アクセスを実質的に保証するステップと、前記管理フレームに含まれる指示に従って、ネットワークの高速チャネル切り替えを実行するステップとを有する。前記方法は、１つ以上の更なる管理フレームを伝送する更なるステップを更に有することがあり、そのフォーマットは前記第１の管理フレームと同一であり、それぞれの更なるフレームはPIFSフレーム間間隔により分けられ、高度の伝送の信頼性を提供する。前記方法は、好ましくはインフラ・ネットワークのアクセスポイント（AP）又はアドホック・ネットワークのSTAで実行される。

本発明は、その他の態様において、高速チャネル優先アクセスを提供するためのシステムを含み、例えば802.11に基づく無線通信システムに関するような無線通信システムのMACプロトコルで、スペクトル管理動作フレーム（Spectrum Management Action Frame）の優先された伝送を可能にする。前記システムは、１つのPCFフレーム間間隔（PIFS）の期間の間に無線ローカルエリアネットワーク（WLAN）が未使用であることを判断するための手段と、前記PIFSの期間のスロットの境界時に第１の管理フレームを伝送するための手段であって、前記PIFSのスロットの境界時での前記第１の管理フレームの伝送が前記WALNへの前記ノードの優先アクセスと一致する手段と、第１の管理フレームに含まれる指示に従って、ネットワークの高速チャネル切り替えを実行するための手段と、高度の伝送の信頼性を提供するために、前記第１の管理フレームの伝送の後で１つ以上の更なる管理フレームを伝送するための手段とを有し、それぞれの更なる管理フレームはPIFSの期間により分けられる。

本発明の前述の及びその他の対象と特徴と態様と利点が、添付の図面を適切に参照して、以下に提供される詳細な説明を慎重に読むことから明らかになる。

本発明は、コアのフレーム動作を提供するMAC層で制御される802.11に基づく無線媒体への優先アクセスを得ることに関して、以下に説明される。しかし、ここで説明された本発明の教示はそれに限定されないことがわかる。すなわち、本発明は、ネットワークステーション（例えば移動又は固定）が基地局又はその他の通信システムのアクセスポイントに関連する媒体に安全なアクセスを試み、ここに記載される高速チャネル切り替えを実行するその他の通信システムに適用可能である。

好ましい実施例において、本発明は、インフラ・ネットワークのアクセスポイント（AP）又はアドホック・ネットワークのステーション（STA）であることがある発信ノードが、802.11に基づく無線媒体への優先アクセスを獲得し、１つ以上の優先されたスペクトル管理フレームを伝送し、高速チャネル切り替えを実行する（すなわち、チャネル切り替えを素早く通知し、及び／又は現在のチャネルの全ての伝送を中止する）ことを可能にするシステム及び関連する方法を提供する。アクセス保留や指数バックオフのような分散アクセス競合プロトコルに関連する周知のネットワークの遅延を回避するために、無線媒体への優先アクセスは、その他のノードとの競合の開始より前の時点での管理フレームの伝送を可能にする。

図１は、本発明の方法を実施するための無線LAN（WLAN）20システムを示したものである。無線LAN20は、複数のセル22を有するインフラ・ネットワークを規定する。セル22はアクセスポイント（AP）24（時には無線ローカルブリッジ又は基地局と称される）を有する。

図１を参照し続けると、セル22は遠隔のネットワークステーション（STA）26を有することがある。アクセスポイント24と遠隔のSTA26は、システムの送信機と受信機になることがある。各STA26は、移動端末、携帯用端末又は静止端末であることがある。各STAは、デスクトップ・ワークステーション、ラップトップ・コンピュータ、パームトップ・コンピュータ、ハンドヘルド・パーソナルコンピュータ、ペン・コンピュータ、個人情報端末、ハンドヘルド・スキャナ、データ収集装置、ハンドヘルド・プリンタ等であることがある。

存在する場合には、AP24は、無線ネットワーク20と有線ネットワークとの通信用のインタフェースになることがある。AP24は、セル22にあるSTA26とAP24との間で、及び有線ネットワークとSTA26との間で、通信ゲートウェイを提供するように構成されることがある。AP24は、一般的に有線通信媒体と無線通信媒体との間で、信号を変換するように構成される。その変換は、アクセスポイントが有線ネットワークと無線STA26との間で通信情報を渡すことを可能にする。有線ネットワークは、外部ネットワーク（例えばPBX、PSTN、インターネット等）に結合されることがある。

次に図２を参照すると、AP24とSTA26の双方は、ディスプレイ30と、CPU32と、送信機／受信機34と、入力装置36と、ストレージ・モジュール38と、ランダムアクセスメモリ（RAM）40と、読み取り専用メモリ（42）と、共通バス41とを有することがある。特定のコンピュータシステムを説明する際に共通に使用される用語を説明が参照することがあるが、その説明と概念は、図２に示されたものと異なるアーキテクチャを有するシステムを含むその他の処理システムに同様に当てはまる。送信機／受信機34は、望ましいデータを伝送するためにアンテナ（図示なし）に結合され、その受信機が受信信号を対応するデジタルデータに変換する。CPU32は、ROM42に含まれるオペレーティングシステムの制御下で動作し、インフラ・ネットワークのAP又はアドホック・ネットワークのSTAが、残りのステーション（STA）に新しいチャネル又は無線リンクを提供することを可能にすることにより、無線ローカルエリアネットワーク（WLAN）内で周波数選択を実施するためにRAM40を利用する。

動作中に、図１の無線LAN20のような、一般的な802.11に基づく無線ローカルエリアネットワーク（WLAN）において、複数のSTA26は、存在する場合にはAP24に関連付けられることがある。各STA26は異なる通信機能と要件を有することがある。AP24は、STA26と有線ネットワークとの間の通信トラヒックを管理することがある。AP24は、フレームがセル22のそれぞれの遠隔のSTA26に伝送される時を制御することにより、通信トラヒックを管理することがある。セル22の通信トラヒックは、データフレーム（例えばデータ通信を提供するフレームを運ぶ信号）、音声フレーム（例えば音声通信を提供するフレームを運ぶ信号）、リアルタイムフレーム（例えばマルチメディア又は音声通信のようなリアルタイム通信を提供するフレームを運ぶ信号）、管理フレーム（ネットワーク管理通信を提供するフレームを運ぶ信号）等を含むことがある。

高速チャネル切り替えを実行するために、本発明の方法は、無線媒体への優先アクセスを必要とする。無線媒体への優先アクセスを獲得することは、以前にIEEE802.11e D3.2に説明されている。

一般的に、802.11標準は、無線媒体へのアクセスを獲得し、通信トラヒックを交換するための２つの協調機能を提供する。その機能はMAC層で制御される。２つの機能は、分散協調機能（DCF）とポイント協調機能（PCF）である。前述の通り、PCFは802.11標準の任意的な機能であり、現在まで広く実施されていない。DCFは802.11標準の必須の機能であり、IEEE802.11標準に記載されるようなCSMA/CA（キャリア検知多重アクセス衝突回避）と呼ばれる伝送前に傾聴する機構に基づく標準的なイーサーネットのような競合に基づいたサービスを提供する。PCFとDCFの双方は、媒体へのアクセスを調整するために、フレーム間間隔を利用する。特に、802.11標準は４つの異なるフレーム間間隔を規定する。３つが媒体アクセスを判断するために使用される。

図３を参照すると、媒体アクセスを判断するために使用される３つのフレーム間間隔（すなわち、SIFS、PIFS、DIFS）の関係を示した時系列50が示されている。技術的に周知である通り、３つのフレーム間間隔は、媒体上の異なる形式のフレームについて異なる優先度を作る。媒体が未使用になった後に、高優先度のフレームが低優先度のフレームほど長く待つ必要がないことを、異なる優先度が定める。従って、肯定応答フレームのように何らかの高優先度のフレームが存在する場合、低優先度のフレームがネットワークへのアクセスを獲得する機会を有する前に、それがネットワークへのアクセスを獲得する。

図３を参照すると、無線媒体が初めに使用中52として示されている。この使用中の間隔52の間に、１つのネットワークステーション24又は26が無線媒体への制御を獲得し、フレームを伝送していることが仮定される。使用中の間隔52の間に、無線媒体の制御を現在有していないその他の全てのステーション24、26は、不活動のままであり、何らかの対象とする信号通信を保留しなければならない。使用中の間隔の終わりに（時点“A”参照）、媒体が未使用になる。

使用中の間隔52に続く間隔は、未使用の間隔55として規定され、その未使用の間隔の中に３つのフレーム間間隔が示されている。３つのフレーム間間隔のそれぞれは、STA24又は26が未使用の媒体にアクセスする特有の優先度を提供する。高優先度の伝送に使用されるものは、短フレーム間間隔（SIFS）の期間54である。SIFSフレーム間間隔の期間54がSIFSのスロットの境界（時点“B”参照）で経過すると、高優先度の伝送が開始し得る。この高優先度の伝送が開始すると、媒体が再び使用中になり、それ故にSIFSフレーム間間隔の期間54が経過した後に伝送されるフレームは、PIFS56及びDIFS58フレーム間間隔の期間のような、より長い間隔の後にのみ伝送され得る低優先度のフレームより大きい優先度を有する。

また、PCFサービスのもとで動作するSTA24とAP26により使用されるPCFフレーム間間隔の期間（PIFS）56も図３に示されている。SIFSフレーム間間隔の期間54に関連して前述されたことと同様に、媒体がPIFSのスロットの境界（時点“C”参照）で未使用であると判断された場合に、STA24とAP26は媒体への即時のアクセスを許可される。PIFSのフレーム間間隔の期間56は、非競合サービスを提供するために、PCFサービスのモードでのみ現在使用されている。前述の通り、PCFサービスは802.11に基づくLANの配置にほとんど組み込まれておらず、それ故に更に説明されない。

続いて図３を参照すると、DIFSフレーム間間隔の期間58が、競合に基づくDCFサービスのモードで動作するSTA24とAP26により使用される。DCFサービスによると、媒体がDIFSのスロットの境界（時点“C”参照）で未使用であると判断された場合に、STA24とAP26は媒体への即時のアクセスを許可される。

拡張フレーム間間隔（EIFS）と称される第４のフレーム間間隔の期間は、固定の間隔ではなく、フレーム伝送にエラーが存在する時にのみ使用されるため、図３に示されておらず、更に説明されない。

周知の通り、DCFの競合に基づくサービスは、最初に無線媒体を検知し、伝送の前にDIFSフレーム間間隔の期間36の間に未使用であるか否かを判断することにより、動作する。DIFSフレーム間間隔の期間58が経過した後、指数バックオフ動作が続く。バックオフを実行するために、STA24は0と競合ウィンドウ60の間の乱数を作る。この乱数は、STAが伝送前に待たなければならないスロットの数62である。チャネルが空いている期間中に、伝送ノードはそのバックオフ・カウンタを減少させる。バックオフ・カウンタが0になると、ノードがパケットを伝送する。明らかな通り、DCFサービスは故障やアクセス保留のような遅延を受ける。

本発明の原理による高速チャネル切り替えを実行するためには、従来のDCFサービスに関連する前述の遅延が許容され得ない。本発明は、後述される通り、媒体への優先アクセスを獲得し、非競合の方法で高速チャネル切り替えに関連する動作を実行するための技術を使用することにより、この遅延の問題を克服する。

高速のチャネルアクセスを獲得するための１つの実施例によると、STA24又はAP26は媒体を検知し、PIFSフレーム間間隔の期間56の間に媒体が未使用であるか否かを判断する。PIFSのスロットの境界（図３の時点“C”参照）で媒体が未使用のままである場合、AP26又はSTA24はPIFSのスロットの境界（時点“C”）で管理フレームを伝送し、それによりチャネルへの優先されたアクセスを獲得することがある。管理フレームは高速チャネル切り替えを実行するための指示を有し、それは、(1)所定の時間内に現在のチャネルの伝送を素早く中止することと、(2)プライマリのユーザが検出されると、所定の時間内にチャネルを素早く切り替えることとを含むことがある。

留意すべき点は、本発明の優先アクセス機構は従来の競合に基づくサービスを取り替えるものではないが、管理フレームを素早く伝送することが必要な状況において、AP26又はSTA24により優先アクセスを獲得するための補助的な機能としての役割をする。更に留意すべき点は、前述の通り、“バックオフ”手順を有する従来の競合に基づくサービスに対して、本発明のチャネル優先アクセス機構に関連するバックオフ手順は存在しない。関連するバックオフ手順を本発明の方法に含めないことにより、その他のSTAとの競合が回避され、それにより優先アクセスが実質的に確保される。

次に図４を参照すると、本発明の方法に従って伝送される３つの管理フレームが示されている。前述の通り、単一の管理フレーム61は、PIFSのスロットの境界（図３の時点“C”）で伝送される。しかし、管理フレームの正確な受信は、単一の伝送で保証されないことがある。従って、本発明は、好ましくはPIFS時間の期間により分けられた更なる管理フレーム63、65の伝送を企図し、より高度の伝送の信頼性を提供する。図４に３つが示されているが、より多い又は少ない管理フレームが使用されることがある。

従って、それに限定されないが、前記に示唆したような変更形態は、本発明の範囲内であると考えられる。

本発明による例示的な無線ローカルエリアネットワークを有する例示的な通信ネットワークの図である。 本発明の実施例によるセル内のアクセスポイント（AP）と各ステーション（STA）の簡略化したブロック図を示したものである。 無線媒体への優先アクセスを判断するために、３つのフレーム間間隔の関係を示した時系列である。 本発明の方法による３つの管理フレームの伝送を示したものである。

Claims (15)

1. 無線ローカルエリアネットワーク（WLAN）のノードのための高速のチャネルアクセスを獲得するための方法であって、
   前記ノードで、１つのPCFフレーム間間隔（PIFS）の期間に前記WLANが未使用であることを判断するステップと、
   PIFSのスロット境界に第１の管理フレームを伝送するステップと、
   前記第１の管理フレームの伝送の後であり、前記WLANに関連する複数の関連するノードが前記WLANへのアクセスを競争する開始前に、少なくとも１つの更なる管理フレームを伝送するステップとを有し、
   前記PIFSのスロット境界での前記第１の管理フレームの伝送が、前記WLANへの優先アクセスを提供し、
   前記第１の管理フレームが、高速チャネル切り替えを実行するための指示を有する方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   高速チャネル切り替えを実行するための前記指示が、所定の時間内に現在の動作チャネルから新しい動作チャネルに切り替えることと、所定の時間内に前記現在の動作チャネルの伝送を中止することとのうちの１つを有する方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   前記ノードが、インフラWLANのアクセスポイントとアドホックWLANの無線ステーションである方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、
   前記伝送するステップが、前記WLANにおいて、前記ノードから複数の関連するノードに無線で伝送することを更に有する方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、
   前記第１の管理フレームの前記伝送が、複数の関連するノードとの競合の開始前に生じ、それにより前記WLANへの前記優先アクセスを提供し、
   前記WLANに関連する前記複数の関連するノードが前記WLANへのアクセスを競争することにより、前記競合が定められる方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、
   前記複数の関連するノードとの前記競合が、DIFSのスロットの境界で開始し、
   前記DIFSのスロットの境界が、前記PIFSのスロット境界より後の時間に生じる方法。
7. 請求項１に記載の方法であって、
   前記第１の管理フレームと前記少なくとも１つの更なる管理フレームのそれぞれが、その間にPIFSの間隔を有して伝送される方法。
8. 無線ローカルエリアネットワーク（WLAN）で使用されるノードであって、
   １つのPCFフレーム間間隔（PIFS）の期間に前記WLANが未使用であることを判断し、
   PIFSのスロット境界に第１の管理フレームを伝送し、
   前記第１の管理フレームの伝送の後であり、前記WLANに関連する複数の関連するノードが前記WLANへのアクセスを競争する開始前に、少なくとも１つの更なる管理フレームを伝送するように構成され、
   前記PIFSのスロット境界での前記第１の管理フレームの前記伝送が、前記WLANへの優先アクセスを提供するノード。
9. 請求項８に記載のノードであって、
   インフラ・ネットワークのアクセスポイントと、アドホック・ネットワークの無線STAとのうちの１つであるノード。
10. 請求項８に記載のノードであって、
    前記WLANの複数の関連するノードに無線で前記管理フレームを伝送するように更に構成されたノード。
11. 請求項８に記載のノードであって、
    前記第１の管理フレームと前記少なくとも１つの更なる管理フレームのそれぞれが、その間にPIFSの間隔を有して伝送されるノード。
12. 無線ローカルエリアネットワーク（WLAN）のノードへの優先アクセスを与えるためのシステムであって、
    コンピュータ読み取り可能コードを保存するためのメモリと、
    前記メモリに動作可能に結合されたプロセッサとを有し、
    前記プロセッサが、
    (1)前記ノードで、１つのPCFフレーム間間隔（PIFS）の期間に前記WLANが未使用であることを判断し、
    (2)PIFSのスロット境界に第１の管理フレームを伝送し、
    (3)前記第１の管理フレームの後のDIFSフレーム間間隔の期間の終了前に、少なくとも１つの更なる管理フレームを伝送するように構成され、
    前記第１の管理フレームが、高速チャネル切り替えを実行するための指示を有するシステム。
13. 請求項１２に記載のシステムであって、
    前記第１の管理フレームと前記少なくとも１つの更なる管理フレームが、その間にPIFSの間隔を有して伝送されるシステム。
14. 請求項１２に記載のシステムであって、
    前記伝送ノードが、インフラWLANのアクセスポイント又はアドホックWLANの無線ステーションであるシステム。
15. 請求項１２に記載のシステムであって、
    前記プロセッサが、前記WLANの複数の関連するノードに無線で伝送するように構成されたシステム。

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