JP5113217B2 - セッション待ち行列を用いる多重アクセス通信用の動的帯域幅割当て - Google Patents

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Description

本発明は、既存のセルラ信号方式によって、標準無線コネクションを介して高速データおよび音声サービスを提供する技術に関する。
無線電話およびパーソナル・コンピュータの増加により、以前には特殊な用途だけに利用されると考えられていた高性能なテレコミュニケーション・サービスに対する要求が生じてきた。１９８０年代には、携帯電話ネットワークを介して無線音声通信が広く利用できるようになった。最初、このようなサービスは、一般に、加入者コストが高いために、ビジネスマンの専用領域であると考えられていた。このことは、遠隔分散コンピュータ・ネットワークにアクセスすることについても同じであると考えられていた。最近まで、ビジネス関係者および大規模な機関だけが、必要なコンピュータおよび有線アクセス装置を持つ余裕があった。両方の技術を広く利用できるようになった結果として、現在は一般大衆が、インターネットおよび専用イントラネットなどのネットワークにアクセスするだけでなく、無線方式でこれらネットワークにアクセスすることも望んでいる。これは特に、電話回線に接続せずにこのようなネットワークにアクセスすることを望む、携帯用コンピュータ、ラップトップ・コンピュータ、携帯情報端末などのユーザーの関心事である。
既存の無線インフラを利用して、インターネット、専用イントラネットおよび他のネットワークに対する低コストで高速なアクセスを提供する、広く利用できる満足な解決手段はいまだ存在しない。この状況はいくつかの望ましくない状況によるものと考えられる。１つには、ビジネス環境において有線ネットワークを介して高速データ・サービスを提供する一般的方法は、ほとんどの家庭またはオフィスで利用できる音声グレード・サービスに容易に適合しないことである。このような標準高速データ・サービスはまた、標準セルラ無線端末機を介して効率よく伝送するのには適していない。さらに、既存のセルラ・ネットワークは音声サービス配信だけのために設計されたものであった。その結果、一定の方式はデータ伝送に適合する非対称動作のいくつかの基準を備えているとはいえ、今日のディジタル無線通信プロトコルおよび変調方式の重点は音声に置かれている。例えば、ＩＳ−９５順方向トラフィック・チャネルのデータ・レートは、いわゆるレート・セット１に対しては１．２キロビット／秒（kbps）から９．６kbpsまでの増加に調整でき、またレート・セット２に対しては１．８kbpsから１４．４kbpsまでの増加に調整できる。しかし、逆リンク・トラフィック・チャネルについては、データ・レートは４．８kbpsに固定されている。
したがって、このような既存システムの設計は、一般に、順方向に最大でも１４．４kbpsの範囲の最大データ・レートに適合できる無線チャネルを提供する。このような低速データ・レートのチャネルは、ＩＳＤＮ（統合サービス・ディジタル・ネットワーク）方式の装置で利用できる１２８kbpsのような高速レートは言うまでもなく、今日では低コストである有線モデムを用いて一般に利用できる５６．６kbpsのレートでデータを伝送するのにも全く役に立たない。これらレベルのデータ・レートは、ｗｅｂページのブラウジングのような動作に対して、急速に最低許容レートになりつつある。今日の米国では、ディジタル加入者回線（ｘＤＳＬ）サービスのような高速ビルディング・ブロックを利用する別の方式のデータ・ネットワークが利用されてきている。しかし、これらのコストは、最近になってようやくホームユーザを引き付けるレベルまで引き下げられた。
このようなネットワークは、セルラ・システムが最初に採用された時点で知られていたが、大部分は、セルラ・ネットワークトポロジーを介する高速ＩＳＤＮまたはｘＤＳＬグレードのデータ・サービスを提供する設備が存在しない。不都合な点は、無線環境では、複数加入者によるチャネルへのアクセスにコストがかかり、それらに対する競合が存在することである。多重アクセスが、無線搬送波グループのアナログ変調を用いる従来のＦＤＭＡ（周波数分割多重アクセス）によって提供される場合も、ＴＤＭＡ（時分割多重アクセス）またはＣＤＭＡ（符号分割多重アクセス）を用いる無線搬送波の共有を可能にする新しいディジタル変調方式によって提供される場合も、無線スペクトルの本質は、共有される媒体である。これは、従来のデータ伝送環境と全く異なる。従来のデータ伝送環境では、有線媒体を取得するのが相対的に低コストであり、したがって一般には共有を意図しない。
他の考慮すべき事項は、データそのものの性質である。例えば、ｗｅｂベージへのアクセスは一般に、非対称データ・レートを要するバースト方式であると考えられる。詳細には、先ず、遠隔のクライアント・コンピュータが、ブラウザ・プログラムに対してｗｅｂページのアドレスを指定する。次にブラウザ・プログラムが、一般には長さが１００バイト以下のこのｗｅｂページ・アドレス・データを、ネットワークを介してサーバ・コンピュータに送る。次にサーバ・コンピュータが要求されたｗｅｂページのコンテンツで応答する。コンテンツは、１０キロバイト〜数メガバイトのテキスト、画像、オーディオ、さらにはビデオ・データを含むことがある。次にユーザーは、そのページのコンテンツを見るのに少なくとも数秒または数分さえも費やし、その後別のページのダウンロードを要求する。したがって、要求される順方向チャネル・データ・レート、すなわち基地局から加入者へのデータ・レートは一般に、要求される逆チャネル・データ・レートに比べて数倍である。
オフィス環境では、大部分の従業員のコンピュータ作業習慣は一般に、２〜３のｗｅｂページをチェック後、長時間にわたり別の何らかの作業、例えばローカルに格納されたデータへのアクセスやコンピュータの利用を全く止めてしまうまでの作業を実行する。したがって、このようなユーザーが一日中インターネットまたは専用イントラネットに連続して接続を維持する場合でも、特定の加入者ユニットに対するおよび特定の加入者ユニットからのデータ伝送動作をサポートするのに必要な実際の全体特性は、現実には完全に散発的である。
さらに、従来技術の無線通信システムは個々の加入者に対して継続した帯域幅を提供する。すなわち、このようなネットワークでは、通信セッションの間、常に利用できる帯域幅は一定であり、前述のように、主として音声グレード用途向けに設計されてきた。
無線ネットワークを介してデータを伝送する従来技術の方法には多くの問題がある。前述のように、単一の加入者ユニット・チャネルは一般に、サイズが固定されている。しかし、バースト特性を持つ傾向のあるデータ通信は多くの場合、一定の時間に大きい帯域幅を必要とし、その一方で別の時間には、帯域幅をほとんど必要としないかまたは全く必要としない。このような必要帯域幅の大きな変動は、時間的に極めて接近して発生することがある。
例えば、ハイパー・テキスト転送プロトコル（ＨＴＴＰ）を用いてｗｅｂサイトをブラウジングするとき、ユーザーは一般に、ページに対する単一のリンクを選択すなわちクリックしてページを選択する。これより、クライアント・コンピュータがそのｗｅｂサーバにサイズが小さいページ要求パケットを送る。受信リンク方向の要求パケットは極めて小さい帯域幅を要求するだけである。要求に対する応答では、サーバは一般に、１０〜１００キロビット（ｋＢ）またはそれ以上のサイズ範囲の１つまたは複数のｗｅｂページを、順方向リンク方向にクライアントに向けて配信する。これらページを受信するために必要な帯域幅は、そのページ要求のための帯域幅よりもはるかに大きい。ページを許容できるように受信するのに必要な最適帯域幅は、最適条件下においても約９６００bpsの最大データ・レートしか提供しない現在の無線プロトコルの能力不足のために、ほとんど実現しない。この結果、ネットワークがデータ配信を「捕らえる(catch up)」まで、サーバは要求されたデータの一部を引き止めておかなければならない。これにより、ユーザーは遅い応答およびページ・ローディング時間に欲求不満を感じる。要するに、要求を送信するための帯域幅は必要としているよりも大きく、ページを受信するための帯域幅は許容できるレートでデータを配信するのに十分ではない。
従来技術のシステムにおける別の問題は、ページ要求メッセージが無線ネットワークを離れて有線区域になる時間と、要求されたデータのページがデータ通信セッションの無線部分に入る時間との差が、多くの場合、極めて長いことである。この「要求時間」と「受信時間」との間の遅れは、ネットワークおよびサーバの輻輳の程度に関係する。
本発明は、部分的に、有線ネットワークからのデータを待つ間において、帯域幅が無駄になっていないかを監視することに基づく。従来技術の無線通信システムは、無線クライアントが返信ページを待っているときでさえも、その全体データ通信セッションに対して９６００bps無線コネクションの全帯域幅の不断の利用可能性を維持する。実際に使用されていないこの帯域幅は、したがって無駄である。なぜならば、このデータ通信セッションに使用中のチャネル・リソースを、より多くの帯域幅を必要とする別の通信セッションに割り当てる方法がないためである。すなわち、競合する別の無線データ通信セッションが別の加入者ユニットで発生する場合、従来技術のシステムでは、競合する通信セッションが、この例のような、返信ページを単に待っているクライアントに割り当てられている未使用帯域幅のいずれかを利用する方法を持たない。
本発明は、特有のプロトコル統合およびＣＤＭＡ（符号分割多重アクセス）で利用できるような既存のセルラ信号方式によって、標準無線コネクションを介して高速データおよび音声サービスを提供する。本発明は、ＣＤＭＡチャネルへのアクセスのより効率的な割当てによって高速データ・レートを達成する。
詳細には、本発明は、Ｍ人のユーザーの間でＮ個の固定レート・チャネルを効率的に割り当てる方法を提供する。本発明は、最も効率的な方法で、チャネル利用が競合するユーザー間でこれらチャネルをいかに割り当てるかの問題を扱う。例えば、チャネル数よりも多くのユーザーが存在する場合、本発明はいずれのユーザーが何時にチャネル・アクセスを要求するかの複数の見込みを決定し、それに応じてチャネル・リソースを割り当てる。本発明また、アイドル状態の加入者からチャネル（すなわち、帯域幅）を動的に取り除き、すなわち割当てを解除し、これら未使用チャネルをこの帯域幅を要求する加入者に提供、すなわち割り当てる。
チャネル・リソースは、基地局と複数の加入者ユニットの間の順方向リンクおよび逆方向リンク上に提供されるバッファ監視方式に従って割り当てられる。データ・バッファが基地局と加入者ユニットの間の各コネクションに対して維持される。各バッファ内の伝送データしきい値レベルが時間にわたって監視される。要するに、各加入者ユニットの時間にわたるバッファの「満杯度合い(fullness)」を測定するしきい値レベルが監視される。各バッファに対して、特定の加入者の特定のバッファがデータを伝送する必要がある頻度と、いかなる量のデータを送るであろうかを表わす見込みが計算される。この見込みは、データのバッファ内への到着レートと、バッファ内のいかなるしきい値レベルを超えているかと、チャネルの形をとっているリソースのいずれが加入者ユニットにすでに割り当てられているかとを考慮する。この見込みに基づき、予測される必要性に応じて、データ伝送のチャネル・リソースを加入者ユニットに対して割り当てるか、または割当て解除することができる。
本発明の前述およびその他の目的、特徴、および利点は、添付図面に示す本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明で明らかになるであろう。図面では、同一参照符号は異なる図面においても同一部品を指す。図面は必ずしも縮尺通りでなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
以上説明したように、本発明により、ＣＤＭＡチャネルへのアクセスのより効率的な割当てによって高速データ・レートを達成することができる。
本発明による帯域幅管理方式を用いる無線通信システムの例を示すブロック図である。 チャネルが所定の無線周波数（ＲＦ）チャネル内で割り当てられている方法を示す図である。 無線通信システムのプロトコル層を示す図である。 基地局内で用いられるセッション待ち行列およびデータ・バッファの示す構成図である。 バッファ・レベルの図である。 リソースが追加された場合のバッファ・レベルの図である。 リソースが取り除かれた場合のバッファ・レベルの図である。
次に、図面についてさらに詳しく説明する。図１は、例えば伝送制御プロトコル／インターネット・プロトコル（ＴＣＰ／ＩＰ）のような有線ディジタル・データ・プロトコルを、ＣＤＭＡ（符号分割多重アクセス）のようなディジタルに変調された無線サービスとシームレスに統合することによって、無線コネクションを介して高速データ・サービスを提供するシステム１００のブロック図である。
システム１００は、２つの異なるタイプの構成要素から構成され、加入者ユニット１０１−１，１０１−２，…，１０１−ｎ（集合的に加入者１０１）および１つまたは複数の基地局１０４を含む。これより、システム１００は、本発明の所望の具現化を達成するために必要な機能を提供する。加入者ユニット１０１は、無線データ・サービスおよび／または音声サービスを提供し、例えばラップトップ・コンピュータ、携帯用コンピュータ、ＰＤＡ（携帯情報端末）などのような装置を、基地局１０４を介してＰＳＴＮ（公衆交換電話網）、パケット交換コンピュータ・ネットワーク、またはインターネットもしくは専用イントラネットなどの他のデータ・ネットワークに接続できる。基地局１０４は、１次群速度ＩＳＤＮ、あるいはＩＳ−６３４もしくはＶ５．２、またはネットワーク１０５がインターネットのようなイーサネット（登録商標）・ネットワークである場合はＴＣＰ／ＩＰのような、別のＬＡＰＤベースのプロトコルなどの任意の数のさまざまな効率的な通信プロトコルを介してネットワーク１０５と通信できる。加入者ユニット１０１は実際には移動式（モバイル）であってもよく、基地局１０４との通信中に、ある場所から別の場所に移動しても良い。
図１は、１つの基地局１０４と３つの移動式加入者ユニット１０１を示すが、これは単に本発明の説明を容易にするための例であるにすぎない。本発明は一般に、１つまたは複数の基地局１０４と通信する多数の加入者ユニット１０１が存在するシステムに適用できる。
また、図１が、基地局１０４と加入者ユニット１０１の間を伝送するのに無線チャネルを割り当てるＣＤＭＡ、ＴＤＭＡ、ＧＳＭ、または他のシステムのような標準セルラ方式通信システムでよいことは、当業者には理解されるところである。しかし、本発明は詳細には、非音声伝送、好ましくは多様な帯域幅のディジタル・データ伝送にも適用できる。例えば、好ましい実施形態では、図１はエア・インタフェースに対して符号分割多重化原理を用いるＣＤＭＡのようなシステムである。ただし、本発明はＩＳ−９５のような標準ＣＤＭＡプロトコル、またはＩＳ−９５Ｂと呼ばれる新しく浮上してきたＣＤＭＡプロトコルを用いることに限定されないと理解されるべきである。本発明はまた、他の多重アクセス技術にも適用可能である。
加入者ユニット１０１と基地局１０４の間にデータ通信および音声通信を提供するために、限定された数の無線チャネル・リソースを介するデータの無線伝送が、基地局１０４から加入者ユニット１０１に情報を伝送する順方向通信チャネル１１０と、加入者ユニット１０１から基地局１０４に情報を伝送する逆方向通信チャネル１１１とを通して提供される。本発明は、各加入者ユニット１０１に対して、必要に応じて、これら限定されたチャネル・リソースの動的帯域幅管理を提供する。また、データ信号がＣＤＭＡ無線チャネル１１０および１１１を通して双方向に伝送されることが理解されるべきである。すなわち、加入者ユニット１０１で発信されたデータ信号はネットワーク１０５につながり、ネットワーク１０５から受け取られたデータ信号は加入者ユニット１０１につながる。
図２は、システム１００内で起こる無線帯域幅の動的割当て方法例を提供する。最初に、加入者ユニット１０１または基地局１０４内の一般的な受信機が、広い帯域幅内の任意の１．２５MHz（メガヘルツ）チャネルに対するコマンドに同調される。ここで、この広い帯域幅は、例えば、セルラ電話に割り当てられる無線スペクトルの場合には最大３０MHzである。この帯域幅は一般に、米国では８００〜９００MHzの範囲で利用可能になる。ＰＣＳ方式の無線システムに対しては一般に、１．８〜２．０GHz（ギガヘルツ）の範囲内で５または１０MHzの帯域幅が割り当てられる。さらに、一般には、ガード帯域で分離された２つのマッチング帯域がある。２つのマッチング帯域は基地局１０４と加入者ユニット１０１の間に順方向および逆方向の全二重リンクを形成する。
加入者ユニット１０１および基地局１０４内では、伝送プロセッサ（すなわち受信機）を、任意の所定時点において所定の１．２５MHz無線周波数チャネルに同調させることができる。一般に、このような１．２５MHzの無線周波数搬送波は、最高で、許容できるビット誤り率限界内で、約５００〜６００kbpsの最高データ・レート伝送速度に相当する総計値を提供すると理解されている。したがって従来技術では、一般に、１２８kbpsレートの情報を含むＸＤＳＬ方式のコネクションをサポートするためには、最高でも、約（５００kbps／１２８kbps）のみ、すなわち３つの加入者ユニット１０１のみが各無線チャネルでサポートされ得ると考えられていた。
これに反して、本発明のシステム１００は、利用できる無線チャネル・リソースを比較的多数のサブチャネルに細分し、基地局１０４から各加入者ユニット１０１および各加入者ユニット１０１から基地局１０４の間でデータを最高の状態で伝送するために、これらサブチャネルをいかに割り当てるかを決定する方法を提供する。図２の例に示すように、帯域幅は６４個のサブチャネル３００に割り当てられる。ＣＤＭＡ方式のシステム内では、複数の異なる疑似ランダム（ＰＮ）・コードまたは直交チャネル・コードのうちの１つでデータ伝送を符号化することによって、サブチャネル３００は物理的に実現されると理解されるべきである。例えば、画定されるサブチャネル３００それぞれに対して異なる直交コードを使用することによって、単一のＣＤＭＡ無線周波数（ＲＦ）搬送波内でサブチャネル３００が画定される。（サブチャネル３００は、以下の説明では「チャネル」とも称されるが、この２つの用語はこの箇所以後は同義に使用される）。
前述のように、チャネル３００は必要な場合にだけ割り当てられる。例えば、特定の加入者ユニット１０１が多量のデータ伝送を要求している間は、多数のチャネル３００が与えられる。好ましい実施形態では、単一の加入者ユニット１０１にこれらチャネルの内の２８チャネルを与えることによって、個々の加入者ユニット１０１に対して最大約５Mbit（メガビット）／秒のデータ・レートを可能にしている。次に、加入者ユニット１０１が比較的軽負荷である間は、これらチャネル３００は解放される。
チャネル数のような、各コネクションに用いられるコーディング・レートおよび変調方式を調整することによって、最高の柔軟性を得ることができる。チャネル・コードを割り当てる特定の1つの方法、フォワード・エラー訂正（ＦＥＣ）コード・レート、および符号変調方式が、同時係属の米国特許出願第09/773,253号（2001年1月31日出願の、発明の名称「ＣＤＭＡシステムにおいて、コードおよびコーディング・レートを調整することによるデータ・レートの最大化」）に記載されている。前記特許出願は、本発明の同一譲受人であるタンティビ・コミュニケーション・インコーポレーテッド（Tantivy Communications, Inc.,）に譲渡されており、またその内容は参照により本明細書に引用したものとする。
チャネル３００がどのように基地局１０４に割り当てられるのが望ましいかを論議する前に、基地局１０４は各データ・バッファ２１１〜２１３を確立して割り当てる。データ・バッファ２１１〜２１３は、対応する加入者ユニット１０１に伝送されるデータを格納する。すなわち、好ましい実施形態では、加入者ユニット１０１ごとに、基地局１０４内に個別のデータ・バッファが存在する。加入者ユニットが基地局１０４との通信セッションすなわちコネクションに入ったり出たりする際に、バッファの数は変化する。基地局１０４と通信する加入者ユニット１０１の数と、割り当てられるバッファ２１１〜２１３の数との間には、１対１の対応が常に存在する。バッファ２１１〜２１３は、例えば、ソフトウェアで制御される待ち行列もしくは他のメモリ構造体であってもよく、またはハードウェアで制御される高速キャッシュ・メモリであってもよい。
チャネルの割当ておよび割当て解除の方法を決定する詳細なプロセスは、基地局１０４および加入者ユニット１０１に実装されているプロトコルの上位層内に置かれたデータ・サービス機能内に備えられることができる。
次に図３を参照すると、第３世代（３Ｇ）無線通信サービスに一般に関連するプロトコル層の図を示している。プロトコル層は、開放型システム間相互接続層（ＯＳＩ）モデルに従い、物理層１２０、メディア・アクセス制御（ＭＡＣ）副層１３０、リンク・アクセス制御（ＬＡＣ）副層１４０、および上位通信層１５０を持つ。物理層１２０は、個々の論理チャネルのコーディングおよび変調などを処理する物理層を提供する。論理チャネルへのアクセスは、ＭＡＣ（メディア・アクセス制御）副層１３０内の種々の機能によって制御され、ＭＡＣ副層１３０は、チャネル多重副層１３２、多重制御チャネル多重副層１３１、無線リンク・プロトコル（ＲＬＰ）副層１３３、およびＳＲＢＰ（信号無線バースト・プロトコル） １３４を有する。信号リンク・アクセス制御機能部１４１が、ＬＡＣ（リンク・アクセス制御）副層１４０内に設けられている。
上位層処理部１５０は、上位層信号部１５１、データ・サービス１５２、および音声サービス１５３を有する。特定のネットワーク層コネクションにチャネルを割り当てるかまたは割当て解除するかの特定の決定処理は、上位層１５０のデータ・サービス機能部１５２内にある。データ・サービス機能部１５２は、ＭＡＣ（メディア・アクセス制御）副層１３０の無線リンク・プロトコル１３３と通信し、要求に従って端末から端末にチャネルを割当ておよび割当て解除するなどの機能を実行するメッセージを送る。
次に図４を参照して、基地局１０４および加入者ユニット１０１の種々の構成要素を、チャネルを割当ておよび割当て解除する時を決定するプロセスに関連付けて詳細に説明する。
図４は、データ・サービス機能１５２で実行されるセッション指向バッファリング方式の具現化の詳細図である。特に、図４はセッション指向バッファリング方式が基地局１０４内で実行される方法を示す。ネットワーク層のトラフィックは、伝送制御プロトコル／インターネット・プロトコル（ＴＣＰ／ＩＰ）のような一般的なネットワーク・ルーティング・プロトコルを用いて基地局１０４にルーティングされる。基地局１０４では、入ってくるトラフィックは、個々の加入者ユニット１０１−１，１０１−２，…，１０１−ｎを宛先とする個々のトラフィック・フローに分割される。トラフィック・フローの分割は、例えばＴＣＰ／ＩＰヘッダの宛先アドレス・フィールドを検査してなされる。個々のトラフィック・フローは最初に、意図する加入者ユニット１０１の各々に対応するトランスポート・モジュール４０１−１，４０１−２，…，４０１−ｎに配信される。所定のトランスポート・モジュール４０１は、各加入者ユニット１０１に宛てられたデータが処理される処理連鎖工程の第１工程である。この処理連鎖は、トランスポート・モジュール４０１で実行される機能部だけでなく、複数のセッション待ち行列４１０、セッション・マルチプレクサ４２０、および伝送バッファ４４０を有する。それぞれの伝送バッファ４４０−１，４４０−２，…，４４０−ｎの出力は、その後、伝送プロセッサ４５０によって組み合わされて、順方向無線リンク１１０を介して伝送されるデータに、フォーマットされる。
次に再度、図４の上の部分を参照すると、各トランスポート・モジュール４０１は、各トラフィック・フローを監視する役割を有する。この監視は、種々のトランスポート層セッションに属するデータを、トランスポート・モジュール４０１に対応するセッション待ち行列４１０の特定の一つにそれぞれ格納する方法によって行われる。例えば、加入者ユニット１０１−１にルーティングされるデータを処理するように割り当てられたトランスポート・モジュール４０１−１は、ｍ個の数のセッション待ち行列４１０−１，４１０−２，…，４１０−ｍに関連付けされている。好ましい実施形態では、所定のセッションは使用中の特定のトランスポート・プロトコルに特徴付けされる。例えば、セッション指向トランスポート・プロトコルでは、セッション待ち行列４１０は各セッションに割り当てられる。このようなセッション・トランスポート指向プロトコルは、例えばＴＣＰ（トランスポート制御プロトコル）を含む。セッションレス・トランスポート・プロトコルでは、セッション待ち行列４１０は、好ましくは各ストリームに割り当てられる。このようなセッションレス・プロトコルは、例えば、ＵＤＰ（Universal Datagram Protocol）であってもよい。このように、特定の加入者ユニット１０１−１に宛てられたトラフィックは、加入者ユニット１０１−１に簡単にルーティングされるわけではない。最初に、トランスポート層から見て異なる方式のトラフィックが、特定のコネクションに関連付けされた個々のセッション待ち行列４１０−１，４１０−２，…，４１０−ｍにルーティングされる。
トランスポート・モジュール４０１−１で実行される別の重要機能は、関連付けられた個々の待ち行列に対して優先度を割り当てることである。特定の加入者ユニット１０１が利用可能な帯域幅に依存して、低い優先度のトラフィックよりも先に高い優先度のトラフィックが伝送バッファ４４０−１に配信されることが、後に理解されるであろう。優先度の高いトラフィックには、セッション指向でないトラフィック、例えばリアルタイム・トラフィックまたは音声および／もしくはビデオ情報を伝送するストリーミング・プロトコルが含まれる。
詳細には、トランスポート・モジュール４０１−１は、個々のセッション待ち行列４１０−１の各優先度を、関連付けされたセッション・マルチプレクサ４２０に報告する。一般に、低い優先度のトラフィックをロードする代わりに、伝送バッファ４４０−１にロードするためにセッション・マルチプレクサ４２０によって高い優先度のトラフィックが選択される。等しい優先度のトラフィックは、ＷＦＱ（weighted fair queuing）として公知の手法、または最も古い待ち行列データを先にロードするなどの他の方法を用いて両方とも公平に選択される。
各セッション待ち行列に付随する優先度は、各ユーザーに対して保持されたプロファイル・データ・レコードのような情報から得られる。例えば、ＴＣＰ方式のセッション・コネクション上で伝送されるｗｅｂページ・トラフィックが、ＵＤＰ方式のコネクションで伝送されるストリーミング・オーディオ情報よりも低い優先度を有することを望むと、ユーザーが指定してもよい。また優先順位決定は、伝送されるデータ内容の別の側面に基づいてもよい。例えば、専用データ・ネットワークから送出されるトラフィックに、公衆ネットワークから送出されるトラフィックよりも高い優先度を与えることができる。
各セッション・マルチプレクサ４２０−１，４２０−２，…，４２０−ｎは、セッション・マネージャ４３０に、現在管理している全セッション待ち行列４１０の状態の指示を発する。セッション・マネージャ４３０はまた、チャネル割当部２０９によって各加入者ユニット１０１に与えられた現在の順方向チャネル割当ての指示を受け取る。チャネル割当部２０９は、基地局内の伝送バッファの使用状態を監視する。伝送バッファ４４０にいかなる量のデータが待ち状態とされているか（キューイングされているか）の状態に関する特性情報を受け取ると、チャネル・リソース割当部２０９は、各加入者ユニット１０１が利用可能な順方向リンク無線チャネル１１０上でデータを受け取る相対的必要性を表わす緊急度係数（urgency factor）を決定する。これら緊急度係数を用いて、チャネル・リソース割当部２０９は、各加入者ユニット１０１に割り当てられる最適数のチャネル・リソースを動的に割当てできる。チャネル割当てにおける緊急度係数の詳細な説明を以下に詳しく述べる。
任意の時点においていかなる量のデータが有線ネットワークを介して伝送されるかを推計するために、セッション・マネージャ４３０は、待ち時間すなわちトランスポート層セッションの多端に存在するすべての特定サーバへのバック・コール・ネットワーク１０５の現時点の推計を維持する必要がある。したがって、トランスポート・モジュール４０１は、有線ネットワーク１０５内に位置する種々のネットワーク・サーバからの各セッション・フローを監視し、その結果一般的なＴＣＰのラウンドトリップ時間の推計を決定することなどによって、待ち時間を推計できる。トランスポート・モジュール４０１は、この情報をセッション・マネージャ４３０に報告する。
次に、この情報のすべてを有するセッション・マネージャ４３０は、特定の加入者ユニット１０１−１に対する有線ネットワークからの現在の入力データ・フローが、その加入者ユニットの現在のチャネル構成によりその加入者ユニットに認められているデータ・レートよりも大きいことを認識すると、チャネル・リソース割当部２０９に対してチャネル要求を送ることができる。前述の点から、チャネル構成は、割り当てられるチャネル数、コーディング・レート、および各チャネルに対する符号変調レートを含むことを再度述べておく。同様に、セッション・マネージャ４３０は、有線ネットワーク１０５からの入力データ・フローがその順方向リンクに現在割り当てられている最大データ・レートよりも小さい場合、特定の加入者ユニット１０１−１に対するチャネル・リソースを解放することができるならば、チャネル・リソース割当部２０９に通知する。
分割コネクション法を使用する場合（ＲＦＣ２７５７−Long Thin Networkに記載されているように、http://www.ietf.org/rfc/rfc2757.tx?nmber=2757を参照）、セッション・マネージャ４３０は、１つまたは複数の特定のセッションに対してデータ・フローを一時停止するという要求を、トランスポート・モジュール４０１に送ることができる。セッションがＴＣＰセッションである場合、トランスポート・モジュール４０１はネットワーク１０５の多端のＴＣＰ送信部を有効的にいわゆる持続モードにして、それによりすべての後続のセッション・フローを一時停止させることができる。セッションがＵＤＰのようなストリーミングすなわち低信頼性のプロトコルである場合、損失プロファイルが、待ち行列データおよび入力データがいかに失われるかの特性を決定する。セッション・マネージャ４３０がさらなる順方向帯域幅を特定の加入者ユニット１０１−１に割り当てることを要求し、その要求が拒絶された場合、セッション情報は一時停止されるか、または失われる。
チャネル要求が拒絶された場合、セッション・マネージャ４３０は、内容の優先度情報に基づいて、いずれのセッション情報がデータを調整、一時停止、または失うかを決定する。前述のように、トランスポート・セッション・マネージャ４０１が情報を維持することで内容に基づいて各セッション待ち行列４１０の優先度を決定するので、これらトランスポート・モジュール４０１が優先度に基づいて適切なセッション待ち行列を選択して有効および／または無効にできる。
各伝送バッファ４４０に対する緊急度係数を計算するのに用いられるレベルを用いて、各伝送バッファ４４０はマーク付けされている。チャネル割当部２０９が各加入者の各内容をベースとして、チャネル割当てを決定するために、緊急度係数が使用される。図４でＬ１，Ｌ２，Ｌ３で示されるレベルは、チャネル割当ておよび／または割当て解除の分界点を表わす。詳細には、伝送バッファ４４０−１が満杯になり、かつあるレベルと交わると、チャネル・リソース割当部２０９に指示が送られ、その指示により、加入者ユニット１０１−１に、より多くの順方向リンク帯域幅を割り当てる必要があることを示す。この指示が拒絶されると、チャネル・リソース割当部２０９は、この指示をセッション・マネージャ４３０に送る。
これとは逆に、伝送バッファ４４０−１が空で、かつあるレベルと交わると、チャネル・リソース割当部２０９に指示が送られ、その指示により、対応する加入者ユニット１０１−１が、端末間の性能に影響を与えることなく、切り離されるか、または割当て解除される順方向トラフィック・チャネルを有することを示す。
したがって、レベルＬ１，Ｌ２，…，Ｌ３は、アンダーフローしきい値と称することができる。このレベルは基本的に、各加入者ユニット１０１に対する利用可能なコード・レートおよびチャネル・コードの割当ての限界を示す。しきい値レベルを決定するには２つの条件を必要とする。第１は、有線ネットワーク上のルートトリップ転送時間を推計するか、または初期近似値の設定が必要であるかのいずれかである。ＴＣＰセッションに対しては、現ラウンドトリップ時間（ＲＴＴ）の推計がなされる。ＵＤＰのようなストリーム指向セッションに対しては、別の近似がなされ、この近似は、例えば、ＵＤＰプロトコルを用いる特定のリアルタイムアプリケーションに対するユーザーの経験を最適化するのに、いかなる量のデータを待ち行列に入れてもよいかの関数にできる。
第２に、エア・インタフェースを介するデータ・レートを決定する必要がある。これは、特定の加入者ユニットに割り当てられた現在のコード・レート（ＣＲ）と、割当てチャネル数（ＮＣＨ）との関数である。これらはチャネル・リソース割当部２０９によって決定される値である。
コーディング・レートは、無線コネクションの品質によって決定され、加入者ユニット１０１に割り当てられる。各割り当てられたコーディング・レートに対して、加入者ユニットに複数のチャネルを割り当てることができる。したがって、１つの方法では、各利用可能な割り当てられたチャネルにレベルを割り当てる。したがって、レベルＬ１〜ＬＣは（ここでＣは割り当てられたチャネル数を示す）、任意の所定時間においてコネクションを提供するのに利用可能である。したがって、レベルＬ１〜ＬＣは、チャネル数が割り当てられる毎、およびコーディング・レートが変化する毎に変化する。特に、各Ｌに関連する特定のバッファ・レベルが、利用できるコーディング・レートに応じて変化する。
図５は特定の伝送バッファ４４０を図示したものである。ネットワーク１０５のラウンドトリップ転送時間、および特定の加入者ユニット１０１に割り当てられた順方向リンク無線チャネル１１０上で現在利用可能なデータ・レートを知ることにより、レベルＬ１〜ＬＣは以下のように計算できる。
Ｌｎ＝アンダーフローしきい値＝ＤＲAir（コード・レート＆チャネル構成）*Δｔ
ここでＤＲAirはエア・インタフェースを介するデータ・レートであり、ラウンドトリップ転送時間は、推計時間または有線ネットワーク１０５上の設定されたラウンドトリップ時間である。Δｔは入力データ・フローを監視するのに用いられる微小時間である。この方法がＴＣＰコネクション指向セッションを最適化するためだけに用いられる場合、Δｔは、ＴＣＰの末端で推計される全ラウンドトリップ時間の最大値または平均値の両方に対して表現でき、利用可能なバッファ空間に依存する。
特定の加入者ユニット１０１により大きい帯域幅を割り当てる要求を送るための条件は、以下の関係で説明できる。
Figure 0005113217
ここで、Δｔは入力データ・フローを監視するのに用いられる微小時間であり、ＢＣΔｔは特定の時間フレームの開始時点の現在の伝送バッファ容量を表す。Ｆｉｎ1マイナスＦｉｎmaxはセッションまたはストリームから伝送バッファ４４０への全入力データ・フローを表わし、Ｌ（ｎ＋１）は次の増加するチャネル構成に対して時間Δｔ内で無線順方向リンク１１０を介して送信できるデータ量を表す。
なお、セッション指向ＴＣＰストリームに対しては、最大のＦｉｎは、ラウンドトリップ転送時間で分割された最大の公示された受取りウィンドウに等しい。この条件が発生するのは、特定の期間における全入力フローの合計が、次の増加するチャネル容量割当てにおいて一期間Δｔの間に伝送できるデータ量よりも多い場合である。
図６はこの事例を、時間フレームΔｔの間に入力するフロー量を表すブロック体矢印を用いて図示している。
加入者ユニットに対してチャネル割当て解除要求を送信する条件は、以下の関係で与えられる。
Figure 0005113217
ここで、Ｌ（ｎ）は、現在のチャネル構成に対して、時間Δｔで割り当てられた順方向リンク・チャネル１１０を介して送信できるデータ量である。この条件が発生するのは、特定の期間Δｔにおける全入力フローの合計が、現在のチャネル容量割当てにおいてその期間の間に伝送できるデータ量よりも少ない場合である。この状態は、図７で、時間Δｔの間に入力するフロー量を表すブロック体矢印を用いて示されている。
なお、実際の具現化では、伝送バッファ４４０は、セッション・マネージャ４３０またはセション・マルチプレクサ４２０内のデータ構造体によって表される理論的待ち行列にすぎなくしてもよい。伝送バッファ４４０は、実際には、任意の加入者ユニット１０１の全セッション待ち行列４１０内に存在する全データの合計である。これと同一の論理を、伝送バッファ・データ構造体に対する緊急度係数およびレベルを決定する場合に適用できる。すなわち、別個の物理的データ格納構造体および関連する論理ではなく、セッション・マネージャ４３０および／またはセッション・マルチプレクサ４２０内で、このような論理が実装される。
これより、本発明は、各加入者ベースで、伝送待ち行列をロードし、追加リソースを要求ならびに／または割り当ておよび／もしくは割当て解除する、有利な方法を提供する。したがって、特定の加入者向けの個々の伝送待ち行列を、データ・レベル、および観測されたバッファ充満割合に応じて割り当てられたまたは割当て解除されたチャネルについて監視できる。このことから、チャネル・リソース割当部２０９は、アプリケーションの内容に基づいて、基地局を介するトラフィック・フローのタイプを認識している。これにより、利用可能なリソースに競合がある場合、さらにインテリジェントで効率的なチャネル割当てが可能になる。したがって、現在構成されている順方向リンク無線チャネル容量に基づく、オーバーフローおよびアンダーフローしきい値の計算と結びついたトランスポート層認識のチャネル割当ておよび割当て解除を有することにより、順方向リンク方向の基地局と加入者ユニットの間のコネクションを最適化できる。
本発明を好ましい実施形態により図示し、説明してきたが、当業者には、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態または細部に各種の変更を加えることが可能であるのは理解されるであろう。
発明は、一般的に無線通信システムに利用することができる。
１０１ 加入者ユニット
１０４ 基地局
１１０、１１１ 通信リンク
２０９ チャネル・リソース割当部
３００ チャネル
４１０ データ待ち行列
４５０ 伝送プロセッサ

Claims (10)

  1. 基地局送信機から複数の加入者ユニット受信機へデータを送信するのに使用される制限された数のチャネルリソースから、チャネルリソースを割り当ておよび割り当て解除する方法において、
    複数のデータ待ち行列の中に、前記複数の加入者ユニット受信機の１つに送信される前記データをストアするステップであって、各々の受信機に関連付けられた複数の待ち行列があり、各々の待ち行列はデータフローのデータトラフィックを取り扱うのに割り当てられ、各々の待ち行列は、送信される前記データの内容に基づいて決定されている関連付けられた優先度を有している、ストアするステップと、
    前記送信機内の送信プロセッサにおいて、ＣＤＭＡ送信として前記受信機への送信のための前記複数の待ち行列から到着しているデータを受け入れるステップであって、前記送信機は前記関連付けられた優先度に基づいて前記データ待ち行列のデータからデータフローをスケジューリングするよう構成されている、受け入れるステップと、
    前記関連付けられた優先度に基づいて、前記受信機へいくらかのチャンネルリソースを動的に割り当てるステップと、
    待ち行列に関連付けられた前記チャネルリソースが、送信のために、割り当てられおよび割り当て解除されるように、送信される前記データの内容に基づいて、個々の待ち行列を優先順位付けする情報を維持するステップと
    を備えることを特徴とする方法。
  2. 前記複数の待ち行列の各１つは、関連付けられた複数の閾値を有しており、各閾値は各々の待ち行列の中にストアされたデータのレベルに関連付けられていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記待ち行列閾値は、データアンダーフローを示していることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 前記複数の待ち行列の各々は、ユーザに対する異なるトランスポートレイヤセッションに関連付けられていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 前記待ち行列閾値は、前記送信機と前記受信機との間のリンクに関連付けられた前記通信チャネルに割り当てられた符号化レートから決定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  6. 前記待ち行列閾値は、ラウンドトリップ転送時間に依存することを特徴とする請求項２に記載の方法。
  7. 前記待ち行列閾値は、ラウンドトリップ転送時間および符号化レートに依存することを特徴とする請求項２に記載の方法。
  8. 前記待ち行列閾値は、期待品質および前記チャネルにおけるデータレートに依存することを特徴とする請求項２に記載の方法。
  9. 前記待ち行列に対する前記関連付けられた複数の閾値において、データの累積に対して収集された統計的情報に基づいて、各々の待ち行列に関連付けられた緊急度係数を計算するステップであって、前記緊急度係数は、各待ち行列に関連付けられた前記送信機がデータを送信する相対的な必要性を表しており、前記待ち行列に対する前記緊急度係数は、前記送信機と前記受信機との間の接続に再割り当てされるチャンネルリソースの数を決定するのに使用される、計算するステップ
    をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  10. 最も高い緊急度係数を持っている前記待ち行列がそれぞれの高閾値を越えるという条件、および、最も低い緊急度係数を持っている前記待ち行列がそれぞれの低閾値を越えるという条件で決定することによって、前記待ち行列の内で利用可能なチャネルリソースをどのように割り当てるかを決定するステップと、
    前記両方の条件が成り立つという場合に、前記最も低い緊急度係数を持っている前記待ち行列から１つのチャネルリソースを割り当て解除し、前記最も高い緊急度係数を持っている前記待ち行列に前記１つのチャネルリソースを割り当てるステップ
    をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の方法。
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