JP5108263B2

JP5108263B2 - 通信装置

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Publication number: JP5108263B2
Application number: JP2006214690A
Authority: JP
Inventors: 秀和三好
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Sumitomo Electric Networks Inc
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Sumitomo Electric Networks Inc
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2026-08-07
Also published as: JP2008042548A

Description

本発明は、無線、電力線などを物理媒体とする１対多のネットワークにおける通信技術に関し、特に、通信状態が時間とともに変動するような通信環境において、装置間の公平性を維持することが可能な通信装置に関する。

近年、１対多のネットワーク形態で使用される通信装置が広く開発されてきている。このような１対多のネットワーク形態の一例として、無線装置による通信システムを挙げることができる。

一般に、無線チャネル状態は時間とともに変化する。また、無線で高速通信を実現するためには、単一キャリアに対して複数のビットを割当てる通信方式が採用される。この方式では、よりチャネル状態がよければ、より多くのビットをアサインし、チャネル状態が悪ければ、より少ないビットをアサインする。

図３は、ＩＥＥＥ（The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.）８０２．１１ａ標準で規定される伝送モードを示す図である。このＩＥＥＥ８０２．１１ａでは８つの伝送モードが規定されており、それぞれ、変調方式、コーディングレート、単一キャリア当りのビット数の違いによってデータレートが異なっている。

変調方式として、モード１〜２ではＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）が用いられ、モード３〜４ではＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）が用いられ、モード５〜６では１６−ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）が用いられ、モード７〜８では６４−ＱＡＭが用いられる。図３に示すように、モード１が最もデータレートが小さく、モード８が最もデータレートが大きくなっている。

一般に、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ準拠の無線装置は、チャネル状態に応じてこれらのモードを切替えて通信を行なっており、その結果伝送レートが絶えず変化する。

図４は、１対多通信をサポートする無線装置の一例であるアクセスポイントの構成例を示すブロック図である。このアクセスポイント１００は、複数の端末２０１−１〜２０１−Ｎとの間で無線通信を行なうものであり、端末２０１−１〜２０１−Ｎのそれぞれに対応するキュー＃１〜＃Ｎ（１１０−１〜１１０−Ｎ）を含むキュー部１０１と、どのキューに格納されているパケットを送信するかを決定するスケジューラ部１０２と、時間とともに変化するチャネル３０１を介して端末２０１−１〜２０１−Ｎとの間で無線通信を行なう無線トランシーバ１０３とを含む。

図４において、キュー＃１〜＃Ｎ（１１０−１〜１１０−Ｎ）は、端末２０１−１〜２０１−Ｎのそれぞれに対応しており、キュー部１０１には各端末へのパケットを格納するためのキューが少なくとも１つ存在する。上流側ネットワークから受信したパケットは、宛先アドレスに応じてクラシファイされ、対応するキューにキューイングされる。

スケジューラ部１０２は、パケット送信ごとにどのキュー（端末）を選択するかを所定のアルゴリズムによって決定する。また、パケット送信時に、現状のチャネル状態に応じて適当な送信モードが選択される。この動作は、リンクアダプテーションまたはレートアダプテーションと呼ばれる。

もし、送信時点におけるチャネル状態を正確に把握できれば、最適な送信モードを選択することができる。しかしながら、チャネル状態は、パケット受信時に受信側でしか判定することができず、また、受信側で判定されたチャネル状態を送信側にフィードバックするにしてもタイムラグがあることから、次のパケット送信時点では必ずしも正確なチャネル状態を把握することができない。このような理由から、送信側で正確なチャネル状態を把握することは不可能であり、その結果最適な送信モードを選択することは難しい。

上述したリンクアダプテーションの一般的なアルゴリズムとして、送信パケットが正常に送信できたか否かによってチャネル状態を推定し、その推定結果から送信モードを選択するという方法がある。たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇ／ａで規定される無線方式においては、受信側の端末がパケットを正しく受信できた場合には、送信側にＡＣＫパケットを返送するように規定されている。送信側でＡＣＫパケットを受信できたか否かにより、自身の送信パケットが正常に送信できたか否かを知ることができる。

パケット送信時によりよいチャネル状態の端末を選択してパケットを送信することにより、システム全体の性能を向上させることもできる。一般に、チャネル状態は端末ごとに独立して変化するため、複数のチャネルが存在する場合には同時にすべてのチャネル状態が悪い状態になることは確率的に低いと予想される。

よいチャネル状態の端末への送信を優先的に行なうことによりシステム全体の性能を向上させることは一般にMultiuser Diversity効果と呼ばれ、このようなスケジューリング手法はOpportunistic Schedulingと呼ばれる。これに関する技術として、下記の非特許文献１に開示された技術がある。

非特許文献１は、宛先端末ごとにパケットがキューイングされるような無線装置、たとえばアクセスポイントにおいて、どの端末への通信を優先させるかを決定するアルゴリズム（キューのスケジューリング）を開示する。

このアルゴリズムによると、スケジューリング時刻（ｉ）において、端末＃ｋの過去のスループット（Ｔｋ［ｉ］）と、端末＃ｋへの現状のチャネルの送信可能レート（Ｒｋ［ｉ］）との関係から、その比（Ｒｋ［ｉ］／Ｔｋ［ｉ］）が最も大きくなる端末＃ｋを選択する。

たとえば、過去のスループットが同一の２つの端末がある場合、現状のチャネル状態がよりよい端末、すなわち送信データレートがより高い端末が選択されることになる。
P. Vishwanath, D. N. C. Tse, and R. Laroia, "Oppportunistic beamforming using dumb antennas," IEEE Trans. Inform. Theory, pp. 1277-96, June 2002

上述したOpportunistic Scheduling方式は、性能向上に貢献するが、端末間の公平性を維持することが難しい。

また、非特許文献１に開示された技術において、たとえば過去のスループットが他の端末に比べて極端に悪い端末が存在する場合、すなわちＴｋ［ｉ］の値が小さい端末が存在する場合には、その端末への送信が選択され続け、他の端末への送信が抑制されてしまい、他の端末の送信遅延が大きくなるといった問題点がある。

また、過去のスループットが極端に悪い端末が存在し、かつその端末への現状のチャネル状態が悪い場合、すなわち送信レートが低い場合には、その端末への送信が低レートで行なわれ続け、システム全体のパフォーマンスが劣化するといった問題点がある。

また、パケットの送信ごとに全キューに対してＲｋ［ｉ］／Ｔｋ［ｉ］の値を計算してその値を比較する必要があるため、複雑なロジックまたはより高性能なプロセッサが必要になる。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、チャネル状態がよい端末に対してはより高い送信レートを与えつつ、端末間の公平性を維持することが可能な通信装置を提供することである。

本発明のある局面に従えば、複数の端末にパケットを送信する通信装置であって、パケットを受信する受信手段と、受信手段によって受信されたパケットの宛先に応じて分類して当該パケットをキューイングするクラシフィケーション手段と、複数の端末が順次選択されるようにパケット送信のスケジューリングを行なうスケジューリング手段と、複数の端末に対する送信レートを変更しながら、スケジューリング手段によって選択された端末に対応するパケットを、パケットの送信時間に基づき端末に対する送信終了を判断するまで、当該端末に対する送信レートに合わせて連続送信する送信手段とを含み、スケジューリング手段は、送信手段による端末に対する連続送信後に、次の端末を選択する。

好ましくは、送信手段は、端末に対するパケットの送信が連続して第１の所定回だけ成功した場合に送信レートを上げる。

さらに好ましくは、送信手段は、端末に対するパケットの送信が連続して第２の所定回だけ失敗した場合に送信レートを下げる。

好ましくは、スケジューリング手段は、パケットの送信時間が第１のしきい値となるまで連続して同じ端末に対するパケット送信を選択する。

さらに好ましくは、第１のしきい値は、送信データレートがより高いほど、より大きい値である。

さらに好ましくは、第１のしきい値は、端末毎に個別の値を設定しうる。
好ましくは、スケジューリング手段は、一定時間内における端末に対するパケット送信時間が第２のしきい値となるまで当該端末に対するパケット送信を許容する。

さらに好ましくは、第２のしきい値は、端末毎に個別の値を設定しうる。
さらに好ましくは、第２のしきい値は、より高いスループットを許容する端末ほど、より大きな値が設定される。

本発明のある局面によれば、スケジューリング手段が、複数の端末が順次選択されるようにパケット送信のスケジューリングを行ない、送信手段が、複数の端末に対する送信レートを変更しながら、スケジューリング手段によって選択された端末に対応するパケットを送信するので、チャネル状態がよい端末に対してはより高い送信レートを与えつつ、端末間の公平性を維持することが可能となる。

また、送信手段は、端末に対するパケットの送信が連続して第１の所定回だけ成功した場合に送信レートを上げるので、受信側からのフィードバックのようなより複雑な機構なしに、送信レートの変更をより正確に行なうことが可能となる。

また、送信手段は、端末に対するパケットの送信が連続して第２の所定回だけ失敗した場合に送信レートを下げるので、受信側からのフィードバックのようなより複雑な機構なしに、送信レートの変更をより正確に行なうことが可能となる。

また、スケジューリング手段は、パケットの送信時間が第１のしきい値となるまで連続して同じ端末に対するパケット送信を選択するので、遅延の上限を保証することが可能となる。

また、第１のしきい値は、送信データレートがより高いほど、より大きな値であるので、チャネル状態のよい端末に対してはより多くのパケットを送信させることが可能となる。

また、第１のしきい値は、端末毎に個別の値を設定しうるので、端末ごとに異なるサービスを提供することが可能となる。

また、スケジューリング手段は、一定時間内における端末に対するパケット送信時間が第２のしきい値となるまで当該端末に対するパケット送信を許容するので、端末間で公平なサービスを提供することが可能となる。

また、第２のしきい値は、端末毎に個別の値を設定しうるので、端末ごとに異なるサービスを提供することが可能となる。

また、第２のしきい値は、より高いスループットを許容する端末ほど、より大きな値が設定されうるので、システム全体のスループット性能を向上させることが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態における通信装置の概略構成を示すブロック図である。この通信装置１は、図示しない複数の端末との間で無線通信を行なうものであり、上流側ネットワークを介してパケットを受信する受信部１１と、受信部によって受信されたパケットをどのキューにキューイングするかを判定してキューイングするクラシフィケーション部１２と、少なくとも端末台数分のキュー＃１〜＃Ｎ（１３−１〜１３−Ｎ）を保持するキュー部と、どのキューに格納されているパケットを送信するかを決定するスケジューラ部１４と、スケジューラ部１４によって選択されたキューからのパケットを下流側ネットワークに送信する送信部１５とを含む。

受信部１１は、上流側ネットワーク、たとえばイーサネット（登録商標）を介してパケットを受信する。

クラシフィケーション部１２は、受信部１１によって受信されたパケットのヘッダ情報を参照してどの端末へのパケットかを判定し、宛先端末に対応するキューにパケットをキューイングする。

キュー＃１〜＃Ｎ（１３−１〜１３−Ｎ）は、少なくとも端末台数分のキューから構成され、宛先端末ごとに独立してパケットをキューイングする。１つの端末に１つのキューが対応してもよいし、１つの端末に複数のキューが対応してもよい。

スケジューラ部１４は、パケット送信時にどのキューのパケットを送信するかを決定するスケジューリング機能を有している。このスケジューリングアルゴリズムの詳細は後述する。

送信部１５は、スケジューラ部１４によって選択されたキューからパケットを受け、下流側ネットワークを介して宛先端末に送信する。この送信部１５は、メディアアクセス制御、レートアダプテーション、変調、コーディング、Ｄ／Ａ（Digital/Analog）変換などの機能を有している。

レートアダプテーションは、端末アドレスごとに管理され、直近の送信データレート、連続送信成功カウンタ、および連続送信失敗カウンタを記憶するテーブルによって制御される。端末に対するパケット送信が成功するごとに、当該端末に対応する連続送信成功カウンタをインクリメントする。この連続送信成功カウンタがあるしきい値（ＴＨｕｐ）を超えた場合に、送信レートを１段階引き上げる。

一方、端末に対するパケット送信が失敗するごとに、当該端末に対応する連続送信失敗カウンタをインクリメントする。この連続送信失敗カウンタがあるしきい値（ＴＨｄｗｎ）を超えた場合に、送信レートを１段階引き下げる。

連続送信成功カウンタがＴＨｕｐになる前に送信失敗が検出されると、連続送信成功カウンタはゼロリセットされる。同様に、連続送信失敗カウンタがＴＨｄｗｎになる前に送信成功が検出されると、連続送信失敗カウンタはゼロリセットされる。

図２は、本発明の実施の形態における送信装置のスケジューリング処理手順を説明するためのフローチャートである。このフローチャートにおいて、ｓｅｌＱは指定するキュー番号を示しており、１，２，...，ｍａｘＱ（ｍａｘＱは最大のキュー番号）となる。本実施の形態において、キューはラウンドロビンで選択される。したがって、次のキューが選択されるときにｓｅｌＱがインクリメントされて更新される。

ｗＴ１［ｉ，ｒ］は、キュー（ｉ）が選択されたときに、そのキューからパケットが送信レート（ｒ）で送信される場合の最大連続送信許容時間（しきい値１）が設定される。したがって、このしきい値１は、キューごとに、また送信レートごとに設定することができる。

ｃＴ１［ｉ］は、キュー（ｉ）が選択されたときに、そのキューから実際にパケットが送信された時間を示すカウンタであり、当該キューのサービス開始前にゼロリセットされる。

ｗＴ２［ｉ］は、ある一定期間（Ｔ）内の、キュー（ｉ）からのパケット最大許容送信時間（しきい値２）が設定される。

ｃＴ２［ｉ］は、ある一定期間（Ｔ）内に、キュー（ｉ）から実際にパケットが送信された時間を示すカウンタであり、一定期間（Ｔ）ごとにゼロリセットされる。

Ｌｅｎｇｔｈは、送信パケット長を示す。また、Ｒａｔｅは、送信データレートを示す。

まず、パラメータの初期設定を行なう（Ｓ１１）。ｓｅｌＱに“１”を代入し、ｗＴ１［ｉ，ｒ］にＸ［ｉ，ｒ］を代入し、ｗＴ２［ｉ］にＹ［ｉ］を代入し、ｃＴ１［ｉ］に“０”を代入し、ｃＴ２［ｉ］に“０”を代入する。なお、Ｘ［ｉ，ｒ］はキュー（ｉ）からパケットが送信レート（ｒ）で送信される場合の最大連続送信許容時間であり、Ｙ（ｉ）は一定期間（Ｔ）内のキュー（ｉ）からのパケット最大許容送信時間である。

次に、ｓｅｌＱで指定されるキューを選択し（Ｓ１２）、そのキューに対応するカウンタｃＴ１［ｓｅｌＱ］に“０”を代入する（Ｓ１３）。そして、そのキューが空であるか否かを判定する（Ｓ１４）。

キューが空であれば（Ｓ１４，Ｙｅｓ）、ステップＳ１９に進んで次のキューを選択する。また、キューが空でなければ（Ｓ１４，Ｎｏ）、カウンタの値ｃＴ２［ｓｅｌＱ］が、ｗＴ２［ｓｅｌＱ］よりも小さいか否かを判定する（Ｓ１５）。これは、一定期間（Ｔ）内における当該キューからの送信時間（ｃＴ２［ｓｅｌＱ］）が一定期間（Ｔ）で許可される最大送信時間（ｗＴ２［ｓｅｌＱ］）を既に経過しているか否かを判定する処理である。

ｃＴ２［ｓｅｌＱ］が、ｗＴ２［ｓｅｌＱ］以上であれば（Ｓ１５，Ｎｏ）、ステップＳ１９に進んで次のキューを選択する。また、ｃＴ２［ｓｅｌＱ］が、ｗＴ２［ｓｅｌＱ］よりも小さければ（Ｓ１５，Ｙｅｓ）、ｓｅｌＱで指定されるキューから１パケットを取出して送信部１５に送信させる（Ｓ１６）。

次に、ｃＴ１［ｓｅｌＱ］にＬｅｎｇｔｈ／Ｒａｔｅの値を加算し、ｃＴ２［ｓｅｌＱ］にＬｅｎｇｔｈ／Ｒａｔｅの値を加算して、カウンタの値を更新する（Ｓ１７）。

次に、カウンタの値ｃＴ１［ｓｅｌＱ］が、ｗＴ１［ｓｅｌＱ，ｒ］よりも小さいか否かを判定する（Ｓ１８）。これは、１回のスケジューリングサイクル（１回のキュー選択）で許容される最大連続送信許容時間（ｗＴ１［ｓｅｌＱ，ｒ］）を超えて送信されているか否かを判定する処理である。

ｃＴ１［ｓｅｌＱ］が、ｗＴ１［ｓｅｌＱ，ｒ］よりも小さければ（Ｓ１８，Ｙｅｓ）、ステップＳ１４に戻って同じキューの処理を行なう。また、ｃＴ１［ｓｅｌＱ］が、ｗＴ１［ｓｅｌＱ，ｒ］以上であれば（Ｓ１８，Ｎｏ）、ステップＳ１９に進んで次のキューを選択する。

ステップＳ１９において、ｓｅｌＱをインクリメントし、ｓｅｌＱが最大キュー番号ｍａｘＱを超えたか否かを判定する（Ｓ２０）。ｓｅｌＱが最大キュー番号ｍａｘＱを超えていなければ（Ｓ２０，Ｎｏ）、そのままステップＳ１２に戻って以降の処理を繰返す。

また、ｓｅｌＱが最大キュー番号ｍａｘＱを超えていれば（Ｓ２０，Ｙｅｓ）、ｓｅｌＱに“１”を代入して最初のキューの処理に戻り（Ｓ２１）、ステップＳ１２以降の処理を繰返す。なお、図２には記載されていないが、カウンタｃＴ２［ｉ］は一定期間（Ｔ）ごとにゼロリセットされる。

以上説明したように、本実施の形態における通信装置によれば、スケジューラ部１４がラウンドロビン方式でスケジューリングを行ない、送信部１５が連続送信成功カウンタの値がしきい値ＴＨｕｐを超えたときに送信レートを上げ、連続送信失敗カウンタの値がしきい値ＴＨｄｗｎを超えたときに送信レートを下げるようにしたので、チャネル状態がよい端末に対してはより高い送信レートを与えつつ、端末間の公平性を維持することが可能となった。

また、連続送信パケット時間に上限値（ｗＴ１［ｉ，ｒ］）を設けることにより、遅延の上限を保証することができ、リアルタイム性が要求される音声、ビデオなどのサービスを提供できるようになり、より柔軟なシステムを構築することが可能となった。

また、送信レートが高いときに連続送信パケット時間の上限値（ｗＴ１［ｉ，ｒ］）を高い値に設定することにより、チャネル状態のよい端末に対してはより多くのパケットを送信させることが可能となった。

また、端末ごとに連続送信パケット時間の上限値（ｗＴ１［ｉ，ｒ］）を設定できるようにしたので、端末ごとに異なるサービスを提供することが可能となった。

また、一定期間内の送信パケット時間に上限値（ｗＴ２［ｉ］）を設定するようにしたので、端末間で公平なサービスを提供することが可能になった。また、上限値（ｗＴ２［ｉ］）を端末ごとに設定できるようにしたので、端末ごとに異なるサービスを提供することが可能となった。

また、一定期間内の送信パケット時間の上限値（ｗＴ２［ｉ］）を、より高いデータレートを期待する端末ほど、高い値に設定することにより、全体のスループット性能を向上させることが可能となった。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態における通信装置の概略構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態における送信装置のスケジューリング処理手順を説明するためのフローチャートである。ＩＥＥＥ８０２．１１ａ標準で規定される伝送モードを示す図である。１対多通信をサポートする無線装置の一例であるアクセスポイントの構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１１受信部、１２クラシフィケーション部、１３−１〜１３−Ｎ，１１０−１〜１１０−Ｎキュー、１４，１０２スケジューラ部、１５送信部、１００アクセスポイント、１０１キュー部、１０３無線トランシーバ、２０１−１〜２０１−Ｎ端末、３０１チャネル。

Claims

複数の端末にパケットを送信する通信装置であって、
パケットを受信する受信手段と、
前記受信手段によって受信されたパケットの宛先に応じて分類して当該パケットをキューイングするクラシフィケーション手段と、
前記複数の端末が順次選択されるようにパケット送信のスケジューリングを行なうスケジューリング手段と、
前記複数の端末に対する送信レートを変更しながら、前記スケジューリング手段によって選択された端末に対応するパケットを、パケットの送信時間に基づき前記端末に対する送信終了を判断するまで、当該端末に対する送信レートに合わせて連続送信する送信手段とを含み、
前記スケジューリング手段は、前記送信手段による前記端末に対する連続送信後に、次の端末を選択する、通信装置。
前記送信手段は、端末に対するパケットの送信が連続して第１の所定回だけ成功した場合に送信レートを上げる、請求項１記載の通信装置。
前記送信手段は、端末に対するパケットの送信が連続して第２の所定回だけ失敗した場合に送信レートを下げる、請求項１または２記載の通信装置。
前記スケジューリング手段は、パケットの送信時間が第１のしきい値となるまで連続して同じ端末に対するパケット送信を選択する、請求項１〜３のいずれかに記載の通信装置。
前記第１のしきい値は、送信データレートがより高いほど、より大きい値である、請求項４記載の通信装置。
前記第１のしきい値は、端末毎に個別の値を設定しうる、請求項４または５記載の通信装置。
前記スケジューリング手段は、一定時間内における端末に対するパケット送信時間が第２のしきい値となるまで当該端末に対するパケット送信を許容する、請求項１〜６のいずれかに記載の通信装置。
前記第２のしきい値は、端末毎に個別の値を設定しうる、請求項７記載の通信装置。
前記第２のしきい値は、より高いスループットを許容する端末ほど、より大きな値が設定される、請求項７または８記載の通信装置。