JP5037585B2 - 無線ｍａｎネットワークにおける所定の伝送品質を維持する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、メトロポリタンエリアの無線ネットワークに関し、詳しくは、メトロポリタンエリアの無線ネットワークにおいて所定の伝送リンク品質を維持する方法に関する。

企業内環境で用いられているコンピュータの多くは、ローカルエリアネットワーク（local area network：以下、ＬＡＮという。）に接続されている。ＬＡＮを用いることにより、ユーザは、例えばネットワークに接続されたプリンタ等の共通のリソースを共有することができ、また、情報ファイルを共有することができる。さらに、ユーザは、通常、電子メッセージを介して互いに情報通信を行うことができる。最も一般的に使用されているＬＡＮは、イーサネット（登録商標）である。現在、イーサネット（登録商標）をサポートする製品が様々な業者から市販されている。

会社組織及びその系列会社は、メトロポリタンエリア又は所定の地域において、複数のサイトに亘って広がっている。会社組織は、例えば本部と、１つ以上の支店と、他の様々な機関とから構成されている。このような会社組織において、複数のサイトに亘る複数のＬＡＮは、互いに情報通信を行う必要があることが多い。ＬＡＮを接続する無線通信リンクが知られている。例えば、米国特許番号第４，８７６，７４２号「２つのエリアネットワークシステム間の無線通信リンクを提供する装置及び方法（"Apparatus and Method for Providing a Wireless Link Between Two Area Network Systems"）」及び米国特許番号第５，４３６，９０２号「イーサネット（登録商標）拡張装置（Ethernet（登録商標） Extender）」には、ＬＡＮを接続するための無線通信リンクが開示されている。

国際公開第９４／０２７３８２号 特開平０８−２７４７５６号公報 特開平０８−１３０５３０号公報 特開平０３−１９８５４６号公報 特開昭６３−３０４７３７号公報 特開平０８−１９５６９９号公報 特開平０５−３１６２０５号公報

無線通信リンクの稼働率（availability）は、通常、無線通信リンクの特性を示すビット誤り率が所定の閾値以下である時間の割合として表される。降雨環境では、特にミリ波帯を使用する無線通信リンクにおいては、深刻な伝送信号減衰が起こる。例えば、降雨環境において、９９．９９％の稼働率を維持するためには、信号を２４ｄＢ／ｋｍあるいはそれ以上のレベルで伝送する必要がある。したがって、予想されるあらゆる状況下でデータ誤り率を許容範囲内に抑えるためには、データを、通常、無線通信リンクを介して、比較的高い電力で、かつ比較的低い速度で送信する必要がある。しかしながら、無線通信リンクを介して通信する必要があるデータの量は、時間によって大幅に変化し、また、環境条件に無関係に変化する。さらに、無線通信リンク、特に高い電力レベルの無線通信リンクでは、同一地域内の他の無線通信リンクとの干渉が生じやすい。

したがって、メトロポリタンエリアネットワーク（metropolitan area network：以下、ＭＡＮという。）内の無線通信リンクを介したデータ伝送において、所定の伝送品質を維持する技術の実現が望まれている。さらに、ＭＡＮ内の無線通信リンクにおいて、要求を十分満たす伝送速度でデータを伝送する技術が望まれている。さらにまた、ＭＡＮ内の無線データリンクにおいて、比較的低い電力でデータを伝送する技術が望まれている。さらに、同一地域内で動作している複数の無線通信リンク間の干渉を軽減する技術の実現が望まれている。

本発明は、無線メトロポリタンエリアネットワーク（metropolitan area network：以下、ＭＡＮという。）において、所定の伝送品質でデータを伝送する装置及び方法を提供する。複数のローカルエリアネットワーク（local area network：以下、ＬＡＮという。）は、それぞれ対応するルータに接続される。各ルータは、１つ以上の送受信機に接続されており、送受信機は、ルータを無線通信リンクによって相互接続し、このようにして、ＭＡＮが構成されている。ＭＡＮを介して通信されるデータは、転送元ＬＡＮ内の転送元ノードでユーザ又はアプリケーションによって生成され、この転送元ＬＡＮに接続された転送元ルータに送られる。データを用いて搬送波が変調される。転送元ルータの送受信機は、変調データを、１つ以上の無線通信リンクからなる通信経路を介して、データの転送先ルータの受信機に伝送する。通信経路内に複数の無線通信リンクが存在する場合、通信経路の途中で１つ以上の中間ルータが変調信号を受信し、送信する。転送先ルータは、変調信号を復調し、転送先ＬＡＮ内の転送先ノードにデータを配信する。

各ルータは、１つ以上の無線通信リンクに接続されており、ルータは、これらの無線通信リンクを介して選択的にデータを送信することができる。さらに、各ルータは、ＭＡＮ全体のトポロジーを表すテーブルを記憶している。各ルータは、ＭＡＮ内の無線通信リンクの伝送品質を示す検出された指標（indicia）を受信する。各ルータは、記憶しているトポロジーと検出された指標に基づいて、対応する複数の無線通信リンクのうちの選択された無線通信リンクを介してデータを送信する送信方式を決定する。

従来の無線通信とは異なり、本発明によれば、伝送方式と通信経路とを（伝送品質を検出することにより得られる）環境及びその他の条件と、（トラフィック負荷を検出することにより得られる）ネットワークに対する要求とに適合させることにより、及びパケット交換通信の遅延許容性を利用することにより、全体で９９．９９％以上の稼働率を維持することができる。この結果、本発明は、より広範な地域及びより高いネットワーク密度を扱うネットワークに対応することができ、コスト、電力及び帯域幅の利用について非常に効率的なＭＡＮを構築することができる。

伝送方式を検出された伝送品質に適合させる例を提示する。各無線通信リンクから受信される信号の信号強度を、周期的に監視し、受信信号が所定の範囲内にあるか否かを判定する。信号強度が所定の範囲から外れた場合、変調信号の強度が所定の範囲内に戻るように、変調信号を送信する電力を調整する。さらに、各無線通信リンクを介して受信されたデータの誤り率を監視する。

送信電力を最大許容レベルに調整しても、無線通信リンクにおける信号強度が所定の範囲よりも低い場合、及び無線通信リンクを介して受信されるデータの誤り率が所定の限界値に近い、あるいは超える場合は、十分高いネットワークスループットを維持しながら、誤り率を低減するための１つ以上の手法が採用される。誤り率を低減する第１の手法は、通信経路におけるデータ伝送速度を低減することである。誤り率を低減する第２の手法は、通信経路においてデータを通信するための変調レベルを切り換えることである。誤り率を低減する第３の手法は、通信経路を介したデータ通信において採用される誤り訂正符号化方式を変更することである。誤り率を低減するための第４の手法は、通信経路を介したデータ通信において、スペクトラム拡散を行うことである。

データ通信経路を介して通信されるデータの誤り率を低減するためのこれらの手法のそれぞれは、単独又は組み合わされて動的に適用され、ＭＡＮに対する要求を満たす十分なデータ通信帯域幅を維持しながら、データの誤り率を所定の限界値以下に維持する。各リンクを介して、データを比較的低い電力で送信することにより、及び誤り訂正符号化及びスペクトラム拡散技術を用いることにより、リンク間の干渉は最小限に抑制され、ネットワーク密度を高くすることができる。

さらに、各リンクにおけるデータ通信量も監視する。通信経路は、好ましくは、オープンショーテストパスファースト（Open-Shortest-Path-First：以下、ＯＳＰＦという。）アルゴリズムに基づいて選択される。最短経路が十分な帯域幅を有していない場合、又は誤り率が過度になる場合、誤り率を低減し、データ通信量を増加させる手法として、少なくともデータの一部を通信するための１つ以上の代替通信経路を選択する。代替通信経路は、好ましくは、２番目に短い通信経路とする。

本発明により構築されるメトロポリタンエリアネットワーク（ＭＡＮ）を示す図である。 図２（ａ）〜（ｆ）は、本発明に基づくＭＡＮトポロジーの例を示す図である。 ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）に接続された本発明に基づくルータの機能ブロック図である。 無線周波数送受信機を備えた、本発明に基づく外部システムの機能ブロック図である。 無線通信リンクにおいて伝送品質を維持するための処理手順を示すフローチャートである。 深刻な降雨減衰が発生する期間における図５に示す処理手順に対応する、監視されたＲＳＬと送信電力との関係を示すタイミングチャートである。

図１は、本発明に基づいてメトロポリタンエリアネットワーク（metropolitan area network：以下、ＭＡＮという。）が構成されるメトロポリタンエリア１００の例を示す図である。この地域、すなわちメトロポリタンエリア１００には、複数のサイト１０２〜１１８が存在する。各サイト１０２〜１１８内には１つ以上のローカルエリアネットワーク（local area network：以下、ＬＡＮという。）が存在している。本発明を適用したルータ３００（図３）は、各ＬＡＮに接続されており、本発明を適用した１つ以上の外部システム４００（図４）は、各ルータ３００に接続されている。ルータ３００は、ＬＡＮとの接続を容易にするために、好ましくは、サイト１０２〜１１８の配線ボックス内に設けられている。外部システム４００は、それぞれサイト１０２〜１１８間でデータを通信する無線送受信機を備えている。各外部システム４００は、好ましくは、サイト１０２〜１１８の屋上に設けられた筐体１０２Ａ〜１１８Ａ内に設置されている。

各ルータ３００及び関連した外部システム４００により、ＭＡＮのノードが構成される。ノードは、無線通信リンクにより相互接続されている。１つサイトに対して複数の外部システム４００を設けることにより、複数の同時通信リンク（maltiple simultaneous communication link）を実現することができる。図１には、９つのサイトを示しているが、ＭＡＮ内に設けられるサイトの数は、メトロポリタンエリア１００の地理的条件及び相互接続されるＬＡＮの数に応じて、これ以上であっても、以下であってもよい。このような構成により、サイト１０２〜１１８の１つに配置されたＬＡＮのノードから送信されたデータを、ＭＡＮを介して、サイト１０２〜１１８の他の１つに配置されたＬＡＮの他のノードに配信することができる。本発明は、メトロポリタンエリア環境において特に有効であるが、環境条件のいかんでは、ネットワークをより広い領域に拡大してもよく、あるいはより狭い領域に縮小してもよい。例えば、本発明を２つ以上のメトロポリタンエリアに適用してもよく、あるいは、大学内、企業内等、より狭い領域に限定して適用してもよい。さらに、１つ以上のサイトが静止衛星と通信できるように構成してもよい。この場合、静止衛星は、離れて位置するＭＡＮを衛星リンクを介して相互接続する中継器として機能する。この場合、衛星リンクは、本発明に基づいて、又は周知の技術に基づいて動作する。

図２（ａ）〜（ｆ）は、本発明に基づいてノードＡ〜Ｅを相互接続した代表的なＭＡＮトポロジーを示す図である。図２Ａは、ノードＡとノードＢを相互接続したポイントツーポイント（point to point）トポロジーを有する最も単純なシステムを示す。図２（ｂ）は、ノードＡ〜Ｄを相互接続する線形トポロジーを示す。図２（ｃ）は、ノードＡ〜Ｄを相互接続するリングトポロジーを示す。図２（ｄ）は、ノードＢとノードＤ間のクロスリンクを有する、ノードＡ〜Ｄを相互接続するリングトポロジーを示す。図２（ｅ）は、ノードＡ〜Ｅを相互接続するスタートポロジーを示す。図２（ｆ）は、ノードＢ〜Ｅを相互接続するリングトポロジーを有する、ノードＡ〜Ｅを相互接続するスタートポロジーを示す。なお、本発明に基づいて、これら以外のトポロジーを構築することもでき、また、図２（ａ）〜（ｆ）に示すトポロジーに基づいて、任意の数のノードを相互接続することもでき、また、本発明に基づいて、図２に例示したトポロジー以外のトポロジーを構築することもできる。

通常、ノードの数に対して多数のリンクを設けることにより、ＭＡＮの容量及び信頼性は向上するが、コストも増大する。例えば、図２（ｂ）に示すトポロジーは、ノードＡ〜Ｄを接続するために必要なリンクの数が最小限であり、したがって、図２（ｂ）に示すトポロジーは、最小限のコストで実現できる。しかしながら、図２（ｂ）に示すトポロジーでは、ノードＡとノードＤとの間で通信を行うためには、ノードＢ及びノードＣを経由する必要がある。したがって、ノードＢとノードＣ間のリンクで通信が混雑しやすい。さらに、図２（ｂ）に示すトポロジーでは、降雨環境に起因して特性が劣化したリンク、又は構成機器の故障により動作不能となったリンクを回避する代替通信経路を確保することができない。これに対し、図２（ｃ）に示すトポロジーでは、ノードＡとノードＤとの間でデータを直接通信することができる。ノードＡとノードＤとの間に更なるリンクを設けることにより、データ通信用の代替経路が形成され、ネットワークの容量及び信頼性が向上する。しかしながら、図２（ｃ）に示すトポロジーにおいても、なお、ノードＢとノードＤとの間の通信は、ノードＡ又はノードＣを経由して行う必要がある。図２（ｄ）に示すように、クロスリンクを設けることにより、ノードＢとノードＤとの間で直接データを通信する追加的経路が実現され、ネットワークの容量及び信頼性が更に向上する。更に必要であれば、図２（ｄ）に示すトポロジーに、ノードＡとノードＣとを結ぶクロスリンクを追加することもできる。さらに、ＭＡＮ内の１組のノード間に冗長的リンクを設けてもよい。代替通信経路を設けることにより、ネットワーク内で通信されるデータは、環境条件に起因して特性が現在劣化している無線通信リンクや、大量のネットワーク要求に起因して現在混雑している無線通信リンクや、構成機器の故障により動作不能となっている無線通信リンクを回避して伝送することができる。

ネットワークトポロジーは、ネットワークに求められる要求を予測して、その予測に基づいて構築してもよい。例えば、本部オフィスから支部オフィスに対しては大量のデータ通信が行われるが、支部オフィス間で通信されるデータ量は、少ないとする。このようなＭＡＮは、本部オフィスをノードＡとし、支部オフィスをノードＢ〜Ｅとする図２（ｅ）に示すトポロジーが適している。もちろん、本部オフィスと支部オフィスとからなるＭＡＮに対して、例えばリングトポロジー（図２Ｃ又は図２Ｄに示す）を用いてもよい。スタートポロジーにおいては、各支部オフィスと本部オフィスとの間では、データは直接通信されるが、支部オフィス間では、データは本部オフィスを介して間接的に通信される。各支部オフィス間においても大量のデータ通信を行う必要がある場合は、図２（ｆ）に示すような更なるリンクを設ければよい。図２（ｆ）に示すネットワークは、多くの代替通信経路を有しているので、大容量及び高い信頼性を有している。例えば、ノードＢとノードＤとの間で通信されるデータは、ノードＥを経由してもよく、ノードＡを経由してもよく、ノードＣを経由してもよい。

このように、必要なコストを抑制しながら、十分な容量及び信頼性を確保できる代替経路が提供されるように、所定の数のノードを接続する任意の数のリンクを選択してネットワークトポロジーを設計することができる。なお、要求の増大に対応するために、既存のＭＡＮにリンクを追加することもできる。さらに、ＬＡＮに接続されていないノードも代替経路を増加させる、及び長距離に亘ってデータを伝送するための中継局として機能させることができる。

図３は、ＬＡＮ３０２に接続された本発明を適用したルータ３００の機能ブロック図である。ルータ３００は、相互接続線３２０により相互接続された複数の機能ブロック３０４〜３１８を備える。機能ブロック３０４〜３１８の機能は、ハードウェア回路により実現してもよい。この場合、相互接続線３２０は、通信バスを表す。これに代えて、機能ブロック３０４〜３１８の機能を、格納されたソフトウェアプログラムに基づいて動作するプロセッサにより実現してもよい。ルータ３００は、専用のスタンドアローンユニットであってもよく、既存のコンピュータシステムに１つ以上の回路基板及びソフトウェアを追加して構築してもよい。

ＬＡＮ３０２は、如何なるＬＡＮプロトコルに準拠して動作してもよいが、イーサネット（登録商標）ＬＡＮが、通常、多くの建築物に既に配線されている電話線を利用していること等を鑑みると、既存のサイトで広く利用するためには、イーサネット（登録商標）を用いることが望ましい。媒体アクセス制御（medium access control：以下、ＭＡＣという。）レベルにおいて、イーサネット（登録商標）は、ＣＳＭＡ／ＣＤプロトコルに基づいて、データをパケットで伝送する。各イーサネット（登録商標）データパケットは、プリアンブルと、転送先ノードアドレスと、転送元ノードアドレスと、データフィールドと、データチェックフィールドとを含んでいる。

ルータ３００は、ＬＡＮ３０２に接続されており、ＬＡＮ３０２の更なるノードとして機能する。これにより、ルータ３００は、ＬＡＮ３０２の通信プロトコルに基づいて、ＬＡＮ３０２内の他のノードにデータパケットを送信し、あるいは他のノードからデータパケットを受信する。ＬＡＮ３０２は、ＬＡＮインタフェース３０８を介してルータ３００に相互接続されている。ＬＡＮインタフェース３０８は、ＬＡＮ３０２のデータパケットを監視し、データパケットの転送先ノードアドレスによって、テータパケットがＬＡＮ３０２以外のＬＡＮ内のノードに宛てられたものであることが示されている場合、ＬＡＮインタフェース３０８は、そのデータパケットを受信する。転送先ノードアドレスにより、データパケットがＬＡＮ３０２内のノードに宛てられたものであることが示されている場合、ＬＡＮインタフェース３０８は、そのデータパケットの受信を拒否する。

ＬＡＮ３０２から受信されたデータパケットは、バッファ３１８に記憶され、システム制御部３０６の制御の下に、ＭＡＮを介して伝送できる状態となるように処理される。この処理には、データのフォーマットをＭＡＮを介した伝送に適したフォーマットに変換する処理が含まれる。このような変換は、ＬＡＮ３０２がイーサネット（登録商標）ではない種類のＬＡＮである場合等に必要となる。

経路選択テーブル（routing table）３０４には、ＭＡＮのトポロジーを示すデータが記憶されている。この経路選択テーブル３０４には、ＭＡＮ内のどのルータが、そのＭＡＮによって相互接続されている各ＬＡＮの各ノードに接続されているかを識別するテーブルが含まれている。ルータ３００は、ＬＡＮ３０２から受信されたデータパケット内に含まれる転送先アドレスを読み出し、経路選択テーブル３０４を用いて、どのルータ（転送先ルータ）がその転送先ノードを含むＬＡＮに接続されているかを判定する。そして、データパケットには、そのデータパケットを受信する転送先ルータを識別するためのヘッダが付加される。さらに、データチェックフィールドを各データパケットに付加して、元のデータパケットをカプセル化してもよい。

そして、データパケットは、リンク３２２Ａ〜リンク３２２Ｃのうちの適切なリンクを介して、適切な外部システム４００（図４）に供給される。外部システム４００が複数個ある場合は、経路選択アルゴリズム（routing algorithm）３１２に基づいて、適切な外部システム４００が選択される。経路選択アルゴリズム３１２は、他の経路を選択することもできるが、好ましくは、以下に説明するようにして検出されたＭＡＮの伝送品質及びトラフィックレベルに基づいて実行されるオープンショーテストパスファースト（Open-Shortest-Path-First：以下、ＯＳＰＦという。）アルゴリズムを含んでいる。

適切な外部システム４００（図４）がデータパケットの伝送に利用可能である場合、データパケットは、外部システムインタフェース３１６により、リンク３２２Ａ〜３２２Ｃのうちの選択されたリンクを介して適切な外部システム４００に供給される。図３に示す外部システムインタフェース３１６は、リンク３２２Ａ〜リンク３２２Ｃを介して最大３つの外部システム４００とルータ３００との間のインタフェースを司るが、リンクの数は、３つ以上あるいは以下であってもよく、すなわち１つのルータ３００と３つ以上又は以下の外部システム４００とをインタフェースしてもよい。リンク３２２Ａ〜３２２Ｃは、例えば１００ＢＡＳＥ−ＴＸ、１００ＢＡＳＥ−ＦＸ、１００ＢＡＳＥ−Ｔ４等の高速イーサネット（登録商標）規格に基づいて動作することが望ましいが、例えば１０ＢＡＳＥ−Ｔ又は１０ＢＡＳＥ−Ｆ等の他の規格に準拠するものであってもよい。好ましくは、ルータ３００は、配線ボックス内に設置され、１つ以上の外部システム４００は、屋上に設置され、リンク３２２Ａ〜３２２Ｃは、通常、配線ボックスから屋上に亘って配線されている。ＭＡＮを介して通信されるデータパケット、外部システム４００とルータ３００との間で通信されるコマンド（ノードコマンド）、ルータ３００間で通信されるコマンド（ネットワークコマンド）は、全て適切なタイミングでリンク３２２Ａ〜３２２Ｃを介して通信される。

図４は、本発明を適用した外部システム４００の機能ブロック図である。ルータ３００の外部システムインタフェース３１６（図３）から送出されたデータパケットは、リンク３２２Ａ〜３２２Ｃのうちの何れかを介して、ルータインタフェース４０２により受信された後、ベースバンドプロセッサ４０４に供給される。ベースバンドプロセッサ４０４は、必要に応じて、データパケットのビットレートを選択的に変更し、データパケットに対して誤り訂正符号化を選択的に実行し、データパケットに対してスペクトラム拡散を実行する。好ましくは、ベースバンドプロセッサ４０４は、セキュリティを目的として、周知の暗号化技術を用いて、データを選択的に暗号化する。そして、以上のような処理が施されたデータパケットは、変／復調器４０８内の変調器４０８Ａに供給される。変調器４０８Ａは、選択された変調方式に基づいて、データで無線周波数搬送波を変調し、変調信号を生成する。

そして、変調信号は、アップコンバートされ、増幅され、無線周波数（ＲＦ）の送受信機４１０内の送信機４１０ＡによりＭＡＮの無線通信リンクを介して送信される。このために、送受信機４１０は、アンテナ４１２に接続されている。好ましくは、最長１０ｋｍまでの伝送距離に対応できる高利得の指向性アンテナを用いるとよい。この範囲は、好ましい伝送周波数である３８ＧＨｚ帯に対応するものであるが、伝送周波数としては、これより低いものを用いてもよく、この場合、最長伝送距離を更に延長することができる。同様に、より狭い範囲においては、３８ＧＨｚよりも高い伝送周波数を用いてもよい。送受信機４１０は、変調搬送波信号を送信するための電力を調整する機能を備えている。この電力の調整は、ルータ３００のシステム制御部３０６の制御の下に、ノードコマンドを、リンク３２２Ａ〜３２２Ｃのうちの適切なリンクを介して外部システム４００に送ることにより、行われる。

無線通信リンクから受信されるデータパケットは、アンテナ４１２を介して無線周波数の送受信機４１０内の受信機４１０Ｂにより受信される。受信信号は、変／復調器４０８内の復調器４０８Ｂにより適切に復調され、すなわちデータが無線通信リンクを介して送信される前に施された変調と逆の処理が施される。そして、復調データは、ベースバンドプロセッサ４０４に供給され、ベースバンドプロセッサ４０４は、復調データに、誤り訂正符号化、及びデータが無線通信リンクを介して送信される前に行われたスペクトラム拡散又は暗号化と逆の処理を施して、データを復号する。そして、復号されたデータパケットは、ルータインタフェース４０２を介してルータ３００に供給される。

ルータインタフェース４０２、ベースバンドプロセッサ４０４、変／復調器４０８及び無線周波数の送受信機４１０には、伝送品質モニタ４０６が接続されている。伝送品質モニタ４０６は、データが送信されてくる無線通信リンクを様々な手法で監視する。例えば、伝送品質モニタ４０６は、ベースバンドプロセッサ４０４から報告されるデータエラーに基づいて、ビット誤り率（bit error rate：以下、ＢＥＲという。）を算出する。さらに、伝送品質モニタ４０６は、受信機４１０Ｂからの受信信号強度（received signal strength：以下、ＲＳＬという。）を監視することもでき、又は復調器４０８Ｂからの信号対雑音比（signal-to-noise ratio：以下、ＳＮＲという。）を監視することもできる。さらに、群遅延分散（cluster variance）、アイパターンの開度、未訂正エラーの数等の他の特性パラメータを監視することもできる。

ここでは、ＢＥＲ、ＲＳＬ、ＳＮＲ等の特性パラメータは、無線通信リンクの受信方向における特性指標（performance indicator）を示すものとみなされる。伝送品質モニタ４０６は、監視により得られた特性指標を周期的にルータ３００に報告する。また、伝送品質モニタ４０６は、得られた特性指標を無線通信リンクの他方のノードの対応するユニットに送信し、両ノードは、無線通信リンクの両方向の特性パラメータに関する完全な情報を有することとなる。伝送品質モニタ４０６は、要求される伝送品質を維持するために、後述する適切な制御手順を実行する。例えば、図２（ｃ）に示すノードＢとノードＣを接続する無線通信リンクを例とすれば、ノードＢの伝送品質モニタ４０６と、ノードＣの伝送品質モニタ４０６とは、監視により得られた特性に関する情報を周期的に相互に報告し合う。両ノードＢ、Ｃの伝送品質モニタ４０６は、伝送品質モニタ４０６自身による、あるいは伝送品質プロセッサ３１４による更なる処理又は故障解析を行うために特性指標の履歴を保持する。特性指標の値は、周期的に交換されるので、反復伝送及びダイバーシチ伝送のビルトイン形式がある。ここで用いられる反復伝送とは、冗長的なデータ伝送であり、一方、ダイバーシチ伝送とは、複数の異なるフォーマットでデータを伝送することを意味する。これにより、本発明は、特性指標の変化を素早く検出し、このような変化に適切に応答することができる。したがって、新たな受信データ内の急激な変化は、直ちにフィルタリングされて取り除かれる。

各伝送品質プロセッサ３１４は、複数の外部システム４００に接続することができ、したがって、各ルータ３００は、これらの複数の無線通信リンクから伝送の特性指標を受信することができる。さらに、各伝送品質プロセッサ３１４は、ネットワークコマンドによって、ＭＡＮ内の他の無線通信リンクの特性指標を受信することができる。これにより、各伝送品質プロセッサ３１４は、ＭＡＮ内の無線通信リンクに関するグローバルな（すなわち、ＭＡＮ全体に亘る）伝送品質を解析することができ、また、ルータ３００に接続された各無線通信リンクの現在の品質状態、ルータ３００に接続された各無線通信リンクの過去の品質状態、及びＭＡＮ内の１つ以上の他のルータから報告された他の各無線通信リンクの現在又は過去の品質状態に基づいて、適切な応答を決定することができる。

外部システム４００からルータ３００に送られるデータパケットは、ルータ３００の外部システムインタフェース３１６により受信される。パケットに付加されたヘッダを調べることにより、外部システムインタフェース３１６は、ルータ３００がデータパケットの通信経路の中間ルータであるか、データパケットの最終転送先がＬＡＮ３０２であるかを判定する。ＬＡＮ３０２がデータパケットの最終転送先である場合、データパケットは、ＬＡＮ３０２に送られるように調整される。この調整は、送信の前にデータに付加された追加ヘッダの除去を含む。データパケットは、ＬＡＮ３０２がデータパケットを受信できる状態となるまで、バッファ３１８に記憶される。

ＬＡＮ３０２がデータパケットの最終転送先ではない場合、ルータ３００は、データパケットの通信経路の中間ルータである。この場合、外部システムインタフェース３１６は、データパケットをバッファ３１８に記憶する。ルータ３００に複数の外部システム４００が接続されている場合、経路選択アルゴリズム３１２は、ＭＡＮを介してデータパケットを送信するために、これらのうちのどの外部システム４００にデータパケットを送るかを決定する。この決定は、経路選択テーブル３０４及び経路選択アルゴリズム３１２を用いたＯＳＰＦアルゴリズムと、ＭＡＮにおける検出された伝送品質の状態及びトラフィックレベルに基づいて行われる。適切な外部システム４００がデータパケットの通信経路内の次のルータへのデータパケットの送信に利用可能な場合、外部システムインタフェース３１６は、データパケットをバッファ３１８から読み出して、適切な外部システム４００に供給し、この外部システム４００は、ＭＡＮを介してデータパケットを送信する。

以上、本発明の構成及び動作の原理が容易に理解されるように、詳細な特定の実施の形態を用いて本発明を説明した。上述の特定の実施の形態及びその詳細事項は、請求の範囲に示す発明の範囲を限定するものではない。当業者にとって、本発明の範囲から逸脱することなく、例示的に示した実施の形態が種々変更され得ることは明らかである。特に、当業者にとって、本発明が利用する機器は様々な形態で実現することができ、上に開示した装置は、本発明の好ましい実施の形態の一例に過ぎず、本発明を限定するものではないことは明らかである。

正常動作（normal operation）においては、ＭＡＮ全体の無線通信リンクのＢＥＲは、好ましくは、許容可能な閾値以下に維持される。リンク稼働率（Link availability）は、正常動作の時間の割合として定義される。例えば、リンク稼働率が９９．９９％であり、要求されるＢＥＲの閾値が１０^−９であるということは、全時間の９９．９９％の間、ＢＥＲが１０^−９以下に維持されているということを意味する。ＭＡＮにおいては、高いリンク稼働率と低いＢＥＲ閾値を実現することが望ましい。快晴環境では、信号減衰は、主に、自由空間伝搬損失による。送信信号の電力は、ＢＥＲを許容可能な閾値以下に維持するために十分な大きさである必要がある。しかしながら、異常状態（abnormal condition）では、例えば雨、霧、塵等の大気の変化により、更なる損失（降雨減衰（rain-fade））が生じる。したがって、異常状態において正常動作を維持するためには、送信機は、快晴環境で要求される送信電力よりも高い送信電力で動作しなければならない。この送信電力と快晴環境で必要とされる送信電力との差は、フェージングマージン（fade margin）と呼ばれている。リンク稼働率を高くする又は伝送距離を長くする場合、フェージングマージンを大きくする必要がある。例えば３８ＧＨｚ帯のような高い無線周波数バンドにおける降雨に起因した信号減衰は、非常に大きいので、従来のフェージングマージンに基づく無線通信リンクの設計は、過度に高い送信電力を要求し、あるいは要求される高い稼働率を満足させる伝送範囲が非常に狭く、実用的ではない。本発明は、降雨減衰対策として、適応変調（adaptive modulation）と、低速誤り訂正符号化（low-rate error correction coding）と、データ伝送速度の低減技術（data rate reduction technique）とを組み合わせて用いることにより、低い送信電力で長い伝送距離と高いリンク稼働率を同時に実現する方法及び装置を提供する。さらに、１つ以上のより適切に選択された経路（リンクダイバーシチ（link diversity））を介してノード間でデータを通信するインテリジェント経路選択方式（intelligent routing strategy）により、本発明は、ＭＡＮの容量及び信頼性を向上させることができる。

適応出力制御（adaptive power control）、データ伝送速度の低減、変調レベルの低減、低速誤り訂正符号化の組合せにより、以下に説明するように、低い送信電力でより広い範囲に対応する信号伝送が実現できる。例えば、プログラマブルＭ元直交振幅変調（M-ary Quadrature Amplitude Modulation：以下、ＱＡＭという。）方式が図３に示す変／復調器４０８において用いられているとする。さらに、１６ＱＡＭ方式を用いて、ＭＡＮ内の無線通信リンクを介して１００Ｍｂ／ｓの全二重高速イーサネット（登録商標）通信を行うとする。１０^−４より良好なＢＥＲを実現するためには、ＲＳＬは、ここでＲＳＬ_１６として示す所定の閾値よりも高く維持する必要がある。さらに、非線形ＡＭ−ＡＭ及びＡＭ−ＰＭ歪み（AM-to-AM and AM-to-PM distortion）に起因する特性の劣化を回避するために、送信電力は、好ましくは、１６ＱＡＭ方式用の電力増幅器の１ｄＢ圧縮点（1dB-compression point）より６ｄＢ以上低く維持される。１ｄＢ圧縮点とは、電力増幅器の利得が線形の場合に期待される値より１ｄＢ低い出力信号が得られる、電力増幅器に供給される入力信号を意味する。

降雨減衰期間中の所定の時間間隔において、特定のリンクの監視されたＢＥＲ及びＲＳＬが所定の閾値（例えば１０^−４及びＲＳＬ_１６）に近づきつつある場合、リンク特性を改善し、要求された稼働率を維持するために、適切な対策が起動される。この対策としては、瞬間的にリンク伝送速度を低減すること、変調レベルを低減すること、低速誤り訂正符号化を導入することのうちの１つ以上を用いることができる。例えば、降雨減衰に対応して、リンクの動作は、伝送速度を５０Ｍｂ／ｓに低減し、変調レベルを、１０^−４に対するＲＳＬの閾値（以下、ＲＳＬ_４という。）が閾値ＲＳＬ_１６より８ｄＢ低い４ＱＡＭ方式に下げる。さらに、４ＱＡＭ方式は、ＡＭ−ＡＭ及びＡＭ−ＰＭ歪みの非線形許容度が高いので、送信電力は、電力増幅器の１ｄＢ圧縮点よりも２ｄＢ低い値まで増加させることができる。換言すれば、同じ電力増幅器を用いた場合、４ＱＡＭ方式に使用可能な送信電力は、１６ＱＡＭ方式の場合より４ｄＢ高い。したがって、１００Ｍｂ／ｓ及び１６ＱＡＭ方式から５０Ｍｂ／ｓ及び４ＱＡＭ方式に切り換えることにより、ＲＳＬの正味利得（net gain）は、１２ｄＢとなる。これにより、このリンクは、降雨減衰による１２ｄＢの信号減衰に対しても要求された稼働率を維持することができる。

伝送速度を更に６．２５Ｍｂ／ｓに低減し、４ＱＡＭ方式を用いることにより、５０Ｍｂ／ｓ及び４ＱＡＭ方式を用いた場合に比べて、伝送速度低減により得られる利得は、９ｄＢとなる。さらに、同じ占有周波数帯域幅に対して、例えば超直交畳込み符号（Super-Orthogonal Convolutional Code）等の低速誤り訂正符号化方式を用いることにより、更なる５ｄＢの符号化利得を得ることができる。さらに、データ伝送速度を低減するとともに、スペクトラム拡散技術を用いることにより、無線通信リンク間の干渉を低減することができる。すなわち、６．２５Ｍｂ／ｓ及び４ＱＡＭ方式による動作では、５０Ｍｂ／ｓ及び４ＱＡＭ方式に比べて１４ｄＢの利得を、１００Ｍｂ／ｓ及び１６ＱＡＭ方式に比べて２６ｄＢの利得を得ることができる。

上述のようにして得られた利得は、降雨に起因する比較的短い期間における信号減衰の増加分を補償するために使用される。例えば、１００Ｍｂ／ｓの全二重伝送高速イーサネット（登録商標）を提供する無線通信リンクに９９．９９％の目標稼働率が要求されるとする。従来の設計技術では、要求される稼働率を維持するために、このようなリンクは、１００Ｍｂ／ｓでの固定動作のための大きなフェージングマージンを含むリンク電力バジェット（link power budget）を有する必要があった。これに対し、本発明によれば、従来よりも長い伝送距離において１００Ｍｂ／ｓ及び１６ＱＡＭ方式を用い、９９．９％のリンク稼働率を達成することができる。さらに、本発明によれば、より低いデータ伝送速度及びより低い変調レベルによる動作により、９９．９９％よりも高い稼働率を実現することができる。

本発明は、ＭＡＮにおいて、イーサネット（登録商標）のパケット交換性（packet-switched nature of Ethernet（登録商標））を効果的に利用する。例えば、パケット交換通信は、要求が比較的高い期間と要求が比較的低い期間とによりネットワーク要求が特徴付けられるので、バースト的になりやすい。さらに、パケット交換通信は、パケットを一時的にバッファに記憶した後、送信する（store and forward）ので、若干の遅延耐性（delay tolerant）を有している。したがって、本発明によれば、ＭＡＮにおいて、９９．９％の時間における最大伝送速度（例えば、１００Ｍｂ／ｓ）と、残りの０．０９％の時間における深刻な降雨減衰期間中に許容できる特性を維持する低減された伝送速度（例えば、５０Ｍｂ／ｓ又は６．２５Ｍｂ／ｓ）とを提供する、全体で９９．９９％の稼働率を実現することができる。深刻な降雨減衰が発生した場合、そのリンクにおける実際のトラフィックの流れ（traffic flow）は、低減された伝送速度以下となり、更なる処理は不要である。また、リンクに対する要求が低減された伝送速度を超えた場合、ルータ３００は、超過したトラフィックを、ＭＡＮ内の他の代替リンクに変更（redirect）する。データパケットは、好ましくは、オープンショーテストパスファースト（Open-Shortest-Path-First：以下、ＯＳＰＦという。）アルゴリズムに基づいて送信される。したがって、転送元ルータと転送先ルータとの間の最短通信経路が十分利用可能な帯域幅を有する場合、全てのデータパケットは、この最短通信経路を介して伝送される。一方、最短通信経路が、伝送速度低減のために、現在のトラフィックの流れを収容する十分な容量を一時的に有さなくなった場合、全てのデータパケット又は選択されたデータパケットを、最短ではないが、混雑の少ない代替通信経路にルーティングすることができる。この場合、好ましくは、代替通信経路としては、次に短い通信経路が選択される。

なお、従来の無線通信リンクにおいて、所定の範囲内で９９．９％の稼働率を維持するために９ｄＢ／ｋｍのフェージングマージンが要求される場合、９９．９９％の稼働率を維持するためには、フェージングマージンを２４ｄＢ／ｋｍにまで高める必要がある。したがって、従来の無線通信リンクと対照的に、本発明は、（伝送品質を検出することによる）環境条件及び（トラフィック負荷を検出することによる）ネットワークに対する要求に、伝送の方法及び通信経路を適応させるとともに、パケット交換通信の遅延耐性を利用することにより、全体として９９．９９％の稼働率を維持することができる。この結果、本発明によれば、従来の手法に比べて、コスト、電力、帯域幅の利用の観点からより効率的なＭＡＮを構築でき、実質的により長い伝送距離を実現することができる。例えば、所定の範囲内で５０ｍＷの送信電力を用いて９９．９９％の目標リンク稼働率を実現するためには、１００Ｍｂ／ｓ及び１６ＱＡＭ方式の固定フェージングマージンに基づく従来のリンクバジェット設計による予想伝送距離は、３．５ｋｍである。一方、降雨減衰対策の手法を用いた本発明によれば、同じ送信電力及び同じ環境条件において、一時的に深刻な降雨減衰が発生する期間に伝送速度を５０Ｍｂ／ｓ又は６．２５Ｍｂ／ｓに低減することにより、予測伝送距離をそれぞれ５ｋｍ又は７ｋｍとすることができる。

本発明に基づく監視及び制御の処理例について、図５及び図６を用いて説明する。図５は、処理手順を示すフローチャートであり、図６は、深刻な降雨減衰期間中の監視されたＲＳＬと送信電力との関係を示すタイミングチャートである。ここでは、図２（ｃ）に示すノードＢとノードＣとの間の無線通信リンクを例として説明する。図５に示すフローチャートは、ステップ５００から開始され、この処理手順は、ノードＢ側の処理を示すものである。ノードＣ側では、このフローチャートに示す処理手順に対応する処理フローが行われることは明らかである。ステップ５０１において（図５）、ノードＢは、ノードＢ自身の送信電力と、監視されたノードＣのＲＳＬ及びＢＥＲとを連続して監視し、また逆に、ノードＣは、ノードＣ自身の送信電力と、監視されたノードＢのＲＳＬ及びＢＥＲとを連続して監視する。正常状態では、ノードＢは、その送信電力６０２（図６）を１００Ｍｂ／ｓのデータ伝送速度及び１６ＱＡＭ方式用の公称レベル（nominal level）６０６に設定する。この公称レベル６０６は、ノードＢの送信電力増幅器及びノードＣの受信機のリンク特性おける非線形歪みを回避するのに十分低い値が選択される。１６ＱＡＭ方式に対しては、この公称レベル６０６は、好ましくは、電力増幅器の１ｄＢ圧縮点より６ｄＢ以上低い。また、公称レベル６０６は、無線通信リンクがビット誤り率（ＢＥＲ）を所定の最大レベル以下に抑えるのに十分な品質を有するとともに、伝送信号が他の無線通信リンクに干渉するほどの過度の電力を有さないように、選択される。ノードＣにおいても、同様の設定を行う。

ノードＢとノードＣとの間に降雨減衰が生じた場合、ノードＢ及びノードＣのＲＳＬは、低下する傾向がある。ノードＣのＲＳＬ６０１（図６）が閾値ＲＳＬ_１６６０４に近づくにつれて、監視されるＢＥＲは、増加する傾向にある。ステップ５０２（図５）において、ノードＢは、ノードＣの監視されたＲＳＬ６０１を所定の警告レベルＲＳＬ_Ｗ６０３（図６）と連続して比較する。警告レベルＲＳＬ_Ｗ６０３は、閾値ＲＳＬ_１６６０４よりも高い値に設定されている。ノードＣの監視されたＲＳＬ６０１が所定の警告レベルＲＳＬ_Ｗ６０３以下になった場合、ステップ５０３（図５）において、ノードＢは、ノードＣに、より低いデータ伝送速度及びより低い変調レベル（例えば、５０Ｍｂ／ｓ及び４ＱＡＭ方式）に切り換える準備するように指示する制御メッセージを送信する。ノードＢのルータは、必要に応じて、過剰なトラフィックの経路変更を準備するように調整される。ノードＣは、ノードＢからの制御メッセージを受信すると、変更を準備した後、ノードＢに肯定応答メッセージを送信する。ステップ５０４において、ノードＢは、肯定応答メッセージをノードＣから受信して、肯定応答メッセージを確認する。そして、ステップ５０５において、ノードＢは、ノードＣに対応するように、低減されたデータ伝送速度及び変調レベルをその送信信号に適用する。また、ノードＢは、その送信電力６０２（図６）を、４ＱＡＭ用の最大送信レベル６０７まで高める。警告レベルＲＳＬ_Ｗ６０３（図６）は、ノードＢとノードＣとの間のコマンドの処理及び交換による遅延時間６０８を考慮して、ＲＳＬ６０１が閾値ＲＳＬ_１６６０４よりも低くなる前に、低データ伝送速度（low data rate）及び低変調レベル（low modulation level）への切換処理が行われるように選択される。統計的には、最大降雨減衰率は約０．５ｄＢ／ｓであるので、警告レベルＲＳＬ_Ｗ６０３は、通常、閾値ＲＳＬ_１６６０４に比較的に近い値に設定する。

降雨減衰が一時的なものであれば、低データ伝送速度から高データ伝送速度（high data rate）への切換を行う。ステップ５０６（図５）において、ノードＢは、ノードＣからの監視されたＲＳＬ６０１及びＢＥＲを連続して受信する。降雨減衰が低下すると、ＲＳＬ６０１は増加する。ステップ５０７（図５）において、ノードＢは、ノードＣの監視されたＲＳＬ６０１を所定のレベルＲＳＬ_Ｓ６０５（図６）と連続して比較する。ノードＣのＲＳＬ６０１（図６）が所定のレベルＲＳＬ_Ｓ６０５より高くなると、ステップ５０８（図５）において、ノードＢは、ノードＣに、より高いデータ伝送速度及びより高い変調レベルへの切換を要求するメッセージを送信する。ノードＣは、このメッセージを受信すると、より高いデータ伝送速度及びより高いデータ変調レベルに準備するようにそれ自身を調整し、肯定応答メッセージをノードＢに送信する。ステップ５０９（図５）において、ノードＢは、ノードＣからこの肯定応答メッセージを受信し、この肯定応答メッセージを確認する。そして、ステップ５１０において、ノードＢは、ノードＣに協調して、より高いデータ伝送速度及びより高い変調レベルをその送信信号に適用する。また、ノードＢは、その送信電力を公称レベル６０６に戻し、この状態をノードＢのルータに報告する。所定のレベルＲＳＬ_Ｓ６０５（図６）は、データフォーマットが不必要に頻繁に変更されることを防止するヒステリシスを導入するために、警告レベルＲＳＬ_Ｗ６０３よりも高くなるように選択される。

上述の処理は、図３に示すシステム制御部３０６の制御の下に、伝送品質プロセッサ３１４により実行される。以上では、２組の動作セット、すなわち１００Ｍｂ／ｓ及び１６ＱＡＭ方式と、５０Ｍｂ／ｓ及び４ＱＡＭ方式とを用いて上述の方法を説明した。しかしながら、上述の方法は、他の低データ伝送速度及び２つ以上の動作セットにも容易に適用できることは明らかである。

以上、本発明の構造及び動作の原理が容易に理解されるように、詳細な特定の実施の形態を用いて本発明を記述した。上述の特定の実施の形態及びその詳細事項は、請求の範囲に示す発明の範囲を限定するものではない。当業者にとって、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、例示的に示した実施の形態が種々変更され得ることは明らかである。特に、当業者にとって、本発明が利用する機器は様々な形態で実現することができ、上に開示した装置は、本発明の好ましい実施の形態の一例に過ぎず、本発明を限定するものではないことは明らかである。

１００ ・・・ メトロポリタンエリア
１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８ ・・・ サイト
１０２Ａ、１０４Ａ、１０６Ａ、１０８Ａ、１１０Ａ、１１２Ａ、１１４Ａ、１１６Ａ、１１８Ａ ・・・ 筐体
３００ ・・・ ルータ
４００ ・・・ 外部システム

Claims (9)

1. メトロポリタンエリアネットワーク（ＭＡＮ）のローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）間の無線接続を確立するノードであって、
   前記ＭＡＮの遠隔ノードへと確立された、少なくとも１つの無線リンクからなる無線通信経路上でデータを伝送する、ＬＡＮに接続可能な送受信機と、
   前記無線通信経路の少なくとも１つの無線リンクの現在の伝送品質を示す現在のリンク性能指示子を取得する伝送品質モニタと、
   前記遠隔ノードが前記ＬＡＮから受信されたデータの転送先であるとき、前記ＬＡＮから受信されたデータを前記送受信機にルーティングし、前記ＬＡＮがデータの転送先であるとき、前記遠隔ノードから受信されたデータを前記ＬＡＮにルーティングし、前記ＬＡＮがデータの転送先でないとき、前記遠隔ノードから受信されたデータを前記ＭＡＮの他のノードにルーティングする、前記送受信機および前記ＬＡＮに結合されたルータと、
   を備え、
   少なくとも１つの無線リンクについての現在のリンク性能指示子が所定の閾値を下回ったことに応答して、前記送受信機は、前記現在のリンク性能指示子に基づいて、
   前記少なくとも１つの無線リンクにおける無線信号のための変調方式を、非線形歪み許容度がより高い新たな変調方式に適応的に調整し、かつ、
   前記少なくとも１つの無線リンクにおける無線信号の電力を、前記新たな変調方式の非線形歪みへの増加した許容度を利用するために、前記新たな変調方式に相応したレベルに増加させるノード。
2. 前記ルータは、所定の伝送品質を維持するように前記現在のリンク性能指示子を調整することができないならば、データ伝送のための代替の無線通信経路を選択する請求項１に記載のノード。
3. 前記送受信機は、所定の伝送品質を維持するように前記現在のリンク性能指示子を調整することができないならば、前記少なくとも１つの無線リンクにおける無線信号のデータ伝送速度を動的に調整する請求項１または２に記載のノード。
4. 前記送受信機は、所定の伝送品質を維持するように前記現在のリンク性能指示子を調整することができないならば、前記少なくとも１つの無線リンクにおける無線信号の誤り訂正符号化方式を動的に調整する請求項１から３のいずれか１項に記載のノード。
5. 前記送受信機は、前記少なくとも１つの無線リンクにおける無線信号の所定の伝送品質を維持するように前記現在のリンク性能指示子を調整することができないならば、誤り訂正符号化方式をより低い誤り率のために適した誤り訂正符号化方式に動的に調整する請求項１に記載のノード。
6. 前記リンク性能指示子は受信信号強度（ＲＳＬ）である請求項１から３のいずれか１項に記載のノード。
7. 前記リンク性能指示子は信号対雑音比（ＳＮＲ）である請求項１から３のいずれか１項に記載のノード。
8. 前記リンク性能指示子は群遅延分散、アイパターンの開度、未訂正エラーの数のうち１つまたは複数である請求項１から３のいずれか１項に記載のノード。
9. 前記無線リンクにおける伝送品質の低減に応答して、前記無線リンクにおける伝送速度が低減され、前記無線リンクに対する要求が前記低減された伝送速度を超えた場合、超過したトラフィックは代替リンクにリダイレクトされる請求項１に記載のノード。

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