JP4787556B2 - 無線ネットワークにおけるサービス品質を改善する方法、アクセスポイントおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、アクセスポイント（ＡＰ）および少なくとも１つの移動局（ＳＴＡ）を有する無線ネットワーク、特にＩＥＥＥ標準化草案８０２．１１ｅに準拠したＷＬＡＮにおけるサービス品質（ＱｏＳ）を改善する方法に関する。このＷＬＡＮでは、フレームの送信について複数のアクセスカテゴリ（ＡＣ）が規定され、フレームはそれらの優先度に従って、ネットワーク、好ましくはＩＥＥＥ標準８０２．１１に準拠したネットワークにおける省電力モード（ＰＳＭ）を用いて送信される。

無線ネットワーク、特に無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）は、有線ＬＡＮの直接の拡張であり、ＩＥＥＥ８０２．１１標準ファミリの進展によって広く使用されている。ＷＬＡＮは、アクセスポイント（ＡＰ）を含むとともに、一般に複数の移動局（ＳＴＡ）を含み、ＡＰとそれぞれの移動局の間のデータの送信が無線リンクによって実現される。この種のネットワークは、いわゆるホットスポットエリアで広く用いられ、例えばオフィス、空港、ホテルあるいは会議場において、ブロードバンドインターネットアクセスを提供している。

ＷＬＡＮと３Ｇシステムの統合が現在精力的に進められており、これにより、さらに興味深いアプリケーションが提供される。両方の技術の円滑な協調を達成するためには、いくつかの前提条件を満たさなければならない。主要な条件の１つとして、両方のシステムに対して同等のサービス品質（ＱｏＳ）を保証することにより、例えばボイスオーバーＩＰ（ＶｏＩＰ）のような基本的サービスをサポートすることがある。ＩＥＥＥ８０２．１１ｅのＭＡＣ（媒体アクセス制御）拡張は既に、ＷＬＡＮにおいてＱｏＳをサポートするための機能を提供している（非特許文献１）。したがって、３ＧおよびＷＬＡＮ対応のデバイスでは、ＩＥＥＥ８０２．１１ｅ標準化草案を実装することにより、例えばＶｏＩＰのようなＱｏＳ保証を要求するアプリケーションがサポートされる。

無線ＬＡＮ技術を例えば携帯電話のような移動デバイスに導入する場合、一般にバッテリ駆動であるという移動デバイスの制限を考慮に入れなければならない。送信が共有媒体上のＷＬＡＮにおいて実行されることにより、データフレームは、任意の時刻に宛先に到着する可能性があるので、ＷＬＡＮデバイスは通常フルパワーで動作する。

これに対して、バッテリ動作の理由から制約のあるデバイスは、常にフルパワーで動作することはできないので、エネルギー節減メカニズムを使用する。ＩＥＥＥ８０２．１１標準では、このようなデバイスで使用可能な省電力モード（ＰＳＭ）が規定されている（非特許文献２）。これに関連して、ＩＥＥＥ８０２．１１−ＰＳＭと８０２．１１ｅのＱｏＳメカニズムとの相互作用から問題が生じる。

８０２．１１ｅ標準化草案では、送信すべきフレームのさまざまな優先度に基づく（データ）トラフィックの区分が規定されている。この区分は、さまざまなパラメータを変化させることによって達成される。すなわち、それぞれの優先度に応じて、ネットワーク内の移動局が、いわゆるバックオフまたは送信を開始する前に、無線チャネルを空いていると識別するために必要な期間であるＡｒｂｉｔｒａｔｏｒ ＩｎｔｅｒＦｒａｍｅ Ｓｐａｃｅ（ＡＩＦＳ）パラメータは変わり得る。さらに、バックオフに用いられるいわゆるコンテンションウィンドウ（ＣＷ）パラメータの調整、および移動局がチャネルへのアクセスを許可された後に送信が可能な期間であるＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ（ＴＸＯＰ）パラメータの調整がある。

これは、相異なる優先度が割り当てられた４つのアクセスカテゴリ（ＡＣ）を導入することにより実現される。詳細には、これらのカテゴリは、ＡＣ＿ＶＯ、ＡＣ＿ＶＩ、ＡＣ＿ＢＥおよびＡＣ＿ＢＫであり、拡張子は、それぞれのカテゴリが対象とするアプリケーションを示す。ＶＯは音声（最高優先度）、ＶＩはビデオ、ＢＥはベストエフォート、そしてＢＫはバックグラウンド（最低優先度）を表す。移動局は、ＡＣに対して８個までの送信キューを実装することができ、それらはバックオフエンティティとして移動局内に実現され、上記の個別のＱｏＳパラメータがＡＣの優先度を規定する。異なるＡＣキューは、それらの優先度に応じて、異なるレートで取り出しが行われる。各ＡＣがそれぞれ固有のキューを有するので、あるＡＣが処理されるレートは、残りのＡＣに影響を及ぼさない。

図１は、標準８０２．１１の省電力モードとＱｏＳ拡張８０２．１１ｅが同時に用いられる場合に使用される標準的なバッファ制御方式の概略図である。２つのＡＣを用いた例が示されている。ＡＣ＿ＶＯは高優先度クラス（音声）を表し、ＡＣ＿ＢＥは低優先度クラス（ベストエフォート）を表す。到来データフレームは、まず、それがどのような優先度を有するかにかかわらず、共通のＰＳＭにバッファリングされる。移動局の省電力（ＰＳ）ポーリング要求がＡＰによって受信されると、対応するフレームが共通のＰＳＭキューを出て、そのフレームはＴｏＳ（サービスタイプ）チェックを受ける。フレームの優先度に応じて、フレームは選別されて、いずれかのキューに入る。すなわち、図示の例では、ＡＣ＿ＶＯキューまたはＡＣ＿ＢＥキューのいずれかに入る。
IEEE 802.11 WG, IEEE 802.11e/D13.0, "Draft Supplement to Standard for Telecommunications and Information Exchange Between Systems - LAN/MAN Specific Requirements - Part 11: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Medium Access Control (MAC) Enhancements for Quality of Service (QoS)," Jan. 2005. IEEE, "Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications,"IEEE Standard 802.11, June 1999.

しかしながら、上述したＱｏＳ区分メカニズムが８０２．１１−ＰＳＭとともに用いられる場合には問題が生じる。この場合、通常、異なるアクセスカテゴリのすべてのフレームが、基地局あるいはアクセスポイントでは同じキュー（ＰＳＭキュー）にバッファリングされる。

輻輳条件下では、個々のＡＣを異なるレートで処理すると、ＰＳＭキューから高優先度のフレームが取り出される一方で、ＰＳＭキューが低優先度のフレームで満たされることになる。キューがフルである時には新着のフレームを廃棄するという通常の手続きを利用する場合、高優先度のＡＣのパフォーマンスは大幅に低下する。というのは、ＰＳＭキューが低優先度のフレームで満たされているために、高優先度のフレームのほとんどがそのまま捨てられてしまうからである。

図１に示す例で説明すれば、サービスレートがＡＣごとに異なる優先度に依存するため、ＰＳＭキューは低優先度のフレームで満たされる。ＰＳＭキューのバッファがフルである場合、上述したようにＰＳＭキューに新たに到着するフレームは通常捨てられる。したがって、輻輳条件下、すなわち、ＰＳＭキューのバッファがフルである場合、高優先度のフレームは低優先度のフレームよりも捨てられることが非常に多くなるため、ＡＣ＿ＶＯのサービスは大幅に低下する。その結果、標準のＰＳＭを利用すると、８０２．１１ｅの所望の機能に関してはかえって逆効果になる。

上記の問題点を回避するための可能な手法として、キューシステムの既定の挙動を修正することがある。１つの修正法として、新着のフレームを捨てるのではなく、最も古いフレームを捨てて新着のフレームで置き換えることが可能である。この解決法は、基本的にはシステムのパフォーマンスを向上させるけれども、高優先度のフレームが、より新しい低優先度のフレームに代わって捨てられることがない、ということをすべての場合に保証するわけではない。

そこで、本発明は、最小限のエネルギー消費で、フレームをその優先度に応じて送信することを可能にするために、簡単な手段で上記の種類のネットワークにおけるサービス品質（ＱｏＳ）を改善する一般的方法を提供するものである。

本発明による、ネットワークにおいてサービス品質（ＱｏＳ）を提供する方法は、請求項１に記載の特徴によって上記の課題を解決する。請求項１によれば、当該方法は、複数のアクセスカテゴリがフレームの送信に関するそれらの優先度に応じて規定されており、 前記アクセスポイントにおいてＰＳＭバッファが前記複数のアクセスカテゴリに従って複数のサブキューに分割され、移動局からの省電力ポーリング要求の優先度に対応した前記複数のＰＳＭサブキューの１つから読み出されたフレームを当該フレームの優先度に応じて、前記複数のアクセスカテゴリに従って設けられた複数のキューのいずれかに格納し、前記複数のキューの優先度に応じてフレームを前記省電力ポーリング要求の送信元である移動局へ送信することを特徴とする。

すなわち、上述したように、８０２．１１省電力モードを８０２．１１ｅのＭＡＣ拡張とともに利用すると、十分なサービス品質を保証することができない。というのは、低優先度ＡＣのＡＰのＰＳＭキュー取り出しレートが低いために、アクセスポイント（ＡＰ）において高優先度のフレームの損失割合が非常に高くなり、音声等のリアルタイムアプリケーションを実現することができなくなるからである。

本発明によれば、低優先度のＡＣの取り出しレートが低いことによる高優先度のＡＣのフレーム損失は、基地局あるいはアクセスポイントにおけるＰＳＭキューを複数のサブキューに分割し、それによりそれぞれのＡＣを互いに分けることによって回避することができる。

本発明による方法は、複雑でないため、実施が容易であり、特に、移動局の修正が不要である。アクセスポイントでは、複数のサブキューのための記憶スペースを、共通のＰＳＭキューの代わりに設けることができる。したがって、到来フレームは、共通のＰＳＭキューにではなく、対応するサブキューにバッファリングされる。本発明による方法では、データフレームの存在に関して、共通のＰＳＭキューの代わりに複数の異なるＰＳＭサブキューをチェックしなければならないこと以外、その他のＰＳＭ動作は変更せずに済む。

具体的実施形態において、ＰＳＭキューはサブキューに論理的に分割される。別法として、ＰＳＭキューを物理的に分割してもよい。論理的分割とは、複数のサブキューをエミュレートするためにＰＳＭキュー容量を仮想的に分割することを意味する。物理的分割とは、ＡＣごとに個別のキューの導入を意味する。

特に有利には、ＰＳＭキューは、ＡＣの数に対応する個数のサブキューに分割され、それにより、各サブキューを具体的ＡＣに割り当てることができる。

本発明の教示を有利に具現化しさらに展開するにはいくつかの可能性がある。そのためには、一方では請求項１に従属する特許請求項を参照し、他方では、図面を用いながら本発明の好ましい実施例についての以下の説明を参照すべきである。図面による本発明の好ましい実施例に関しては、本発明の教示の一般的に好ましい具現化およびさらなる展開が説明される。

図２は本発明による方法の一実施例を実装したアクセスポイントのメモリメカニズムを示す概略図である。本実施例では、共通のＰＳＭキューが、実装されているＡＣの数に従って２個のサブキューに分割される。具体的には、高優先度のフレームが選別されて格納されるＡＣ＿ＶＯのＰＳＭサブキューと、低優先度のフレームが選別されて格納されるＡＣ＿ＢＥのＰＳＭサブキューに分割される。これらのＰＳＭサブキューは、１つのＰＳＭキューを論理的に分割することで構成してもよいし、物理的に２つのキューを設けてもよい。更に、優先度に依存して配列された複数のキュー、ここではＡＣ＿ＶＯキューおよびＡＣ＿ＢＥキューが設けられている。

図２において、到来したデータフレームは、まず、それがいずれの優先度を有するかがチェックされ、高優先度フレームであればＡＣ＿ＶＯのＰＳＭサブキューへ、低優先度フレームであればＡＣ＿ＢＥのＰＳＭサブキューへ、それぞれバッファリングされる。移動局の省電力（ＰＳ）ポーリング要求が受信されると、対応するＰＳＭサブキューから対応するフレームが読み出され、対応するキューに転送される。

たとえば、ＡＣ＿ＶＯのフレームを要求する移動局からＡＣ＿ＶＯのＰＳポーリング要求を受信すると、ＡＣ＿ＶＯのＰＳＭサブキューを検索し、当該移動局宛のフレームがＡＣ＿ＶＯキューに転送され、送信バッファを通して当該移動局へ送信される。

このように、ＰＳＭキューを２個の別々のサブキューに分割することによって、ＡＣ＿ＶＯのサービスがＡＣ＿ＢＥの低いサービスレートの影響を受けないので、高優先度のフレームの損失が最大限に回避される。

最後に、上記の実施例は、特許請求の範囲に記載された教示の単なる例示のためのものであり、特許請求の範囲を上記の実施例に限定するものでは全くないことに特に留意されたい。

標準８０２．１１によるＰＳＭを用いたＱｏＳ区分メカニズムの従来例を示す図である。 本発明による方法の一実施例を実装したアクセスポイントのメモリメカニズムを示す概略図である。

Claims (7)

1. アクセスポイントおよび少なくとも１つの移動局を備え、省電力モード（ＰＳＭ）で動作可能であり、かつ、サービス品質をサポートする無線ネットワークにおけるサービス品質を改善する方法において、
   複数のアクセスカテゴリがフレームの送信に関するそれらの優先度に応じて規定されており、
   前記アクセスポイントにおいてＰＳＭバッファが前記複数のアクセスカテゴリに従って複数のサブキューに分割され、
   移動局からの省電力ポーリング要求の優先度に対応した前記複数のＰＳＭサブキューの１つから読み出されたフレームを当該フレームの優先度に応じて、前記複数のアクセスカテゴリに従って設けられた複数のキューのいずれかに格納し、
   前記複数のキューの優先度に応じてフレームを前記省電力ポーリング要求の送信元である移動局へ送信する、
   ことを特徴とするサービス品質を改善する方法。
2. 前記ＰＳＭバッファが論理的に分割されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ＰＳＭバッファが物理的に分割されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記ＰＳＭバッファが、前記複数のアクセスカテゴリの数に対応する個数のサブキューに分割されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記省電力モード（ＰＳＭ）はＩＥＥＥ標準８０２．１１に準拠することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 省電力モード（ＰＳＭ）で動作可能であり、かつ、サービス品質をサポートする無線ネットワークのアクセスポイントにおいて、
   複数のアクセスカテゴリがフレームの送信に関するそれらの優先度に応じて規定されており、
   前記複数のアクセスカテゴリに従ったフレームの送信に関する優先度に基づいて予め規定された複数のＰＳＭサブキューと、
   移動局からの省電力ポーリング要求の優先度に従って前記複数のＰＳＭサブキューの対応するサブキューから読み出されたフレームを当該フレームの優先度に応じてそれぞれ格納するための、前記複数のアクセスカテゴリに従って設けられた複数のキューと、
   前記複数のキューの優先度に応じて前記省電力ポーリング要求の送信元である移動局へ送信すべきフレームを格納する送信バッファと、
   を有することを特徴とするアクセスポイント。
7. 省電力モード（ＰＳＭ）で動作可能であり、かつ、サービス品質をサポートする無線ネットワークのアクセスポイントの制御方法において、
   複数のアクセスカテゴリがフレームの送信に関するそれらの優先度に応じて規定されており、
   到来したフレームの優先度に従って、この到来フレームを、前記複数のアクセスカテゴリに従ったフレームの送信に関する優先度に基づいて予め規定された複数のＰＳＭサブキューのいずれかに格納し、
   前記アクセスポイントに収容された移動端末からの省電力ポーリング要求に応じて、当該要求の優先度に対応したＰＳＭサブキューから当該要求に対応したフレームを選択し、
   前記複数のＰＳＭサブキューから選択されたフレームを当該フレームの優先度に応じて、前記複数のアクセスカテゴリに従って設けられた複数のキューのいずれかに格納し、
   前記複数のキューの優先度に応じてフレームを前記省電力ポーリング要求の送信元である移動局へ送信する、
   ことを特徴とするアクセスポイントの制御方法。

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