JP5189244B2 - 無線ｌａｎへのチャネルの割り当て - Google Patents

Description

無線ローカルエリア・ネットワーク（ＷＬＡＮ）に利用可能なチャネルの数は比較的少ない。いくつかの範例では重複部の無いチャネル（すなわち分離したチャネル）の数は１０よりもはるかに少ないことがあり得る。例えば、いわゆる８０２．１１ｂ規格で指定され、Ｆｅｄｅｒａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ（ＦＣＣ）によって割り当てられたＷＬＡＮ利用に対する７つのチャネルの中で、３つだけが重複部を持たない。無重複チャネルがそのように少ないせいで、複数の競合するＷＬＡＮあるいは１つのＷＬＡＮの中の様々なアクセス・ポイント（ＡＰ）（例えばＷＬＡＮのセルと回線の構造基盤との間の接続ポイント）にチャネルを割り当てることは極めて難しい。

事態をさらに複雑にすることは、上述した７つのチャネルのようなＦＣＣによって引き当てられたそれらのチャネルが現在統制されていないことである。すなわち、ＦＣＣはＷＬＡＮ利用のために特定のチャネルを割り当てたけれども、これらのチャネルを誰が使用するか、あるいはそれらがいつ使用され得るかということを決めていない。結果として、ネットワーク管理者の制御から外れた（例えば管理機能または特定のＷＬＡＮのエンティティの制御から外れた）ソースがそのようなチャネル上で操作を行なっているユーザに干渉することを防止するものがない。なおもさらに事態を複雑にしているものは、この干渉が予測不可能であるということである。すなわち、或る特定の時間では特定のチャネルは外部の干渉から解放されていることが可能であるが、別の時間では高いレベルの干渉のせいで利用不可能になる可能性がある。同様に、特定のチャネルに関してネットワークの一部分は干渉から開放されていることが可能であるが、その一方で別の部分は同じ時間に事実上使用不可能である。干渉の予測不可能な性質は、どのような時間的期間においてもネットワークに特定のチャネルを効率的に割り当てることを困難にする。

ＷＬＡＮへのチャネルの割り当てに関連する別の課題は、セルラー・ネットワークによって使用される現在のいわゆる六角形レイアウトをＷＬＡＮが活用することが不可能であるという事実である。これは、信号が殆ど屋外に伝わるセルラー・ネットワークと比較して、ＷＬＡＮによって伝搬される信号が普通では完全に屋内を伝わるからである。別の言い方をすると、ＷＬＡＮで生じる信号はほぼ屋内で伝わるのでセルの形状（すなわち各々のＡＰに付随するカバレージ・エリア）はＷＬＡＮが配置される建物の内部構造などによって大幅に影響される。

ＷＬＡＮに含まれる高いレベルの干渉、および六角形設計が利用不可能であることが理由で、ＷＬＡＮにチャネルを割り当てるための新たな枠組みが必要とされる。

最初に、各フレームが十分に短い持続時間を有する複数のフレームへと割り当ての時間的期間を分割する工程、各フレームの期間で割り当てベクトルに基づいて１つまたは複数のセルから稼動ＷＬＡＮセルのセットを作り出す工程、およびその後、各フレームの期間で各稼動ＷＬＡＮセルに対して利用可能なチャネルのグループの中から１つまたは複数のチャネルを割り当てる工程によって、容認できない干渉を生じさせることなく無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ）の中の１つまたは複数のセルにチャネルが割り当てられることが可能であることを筆者らは認識した。

本発明によると、チャネルを割り当てられたセルだけが特定のフレームの間に送信することが可能となる。相当するフレームの間では、その他のすべてのセルは送信することを阻止される。

最小の相互干渉の必要条件を満たすために、本発明は、

ただし、Ｌはセルの数を表わし、Ｎは利用可能なチャネルの数を表わし、

はセルｌに対するチャネルｎ内の外部干渉の量を表わし、

はチャネル割り当てベクトルのエントリを表わし、

として規定され、Ｉ_ｋ，ｌはセルｋおよびｌの両方が同じチャネル上で動作しているときのセルｋからセルｌに対する相互干渉を表わし、

は最大許容相互干渉を表わす。
によって与えられる最大許容相互干渉を満たす１つまたは複数のＷＬＡＮにチャネルの割り当てを提供する。

本発明はＷＬＡＮに対するチャネル、特に無線周波数（ＲＦ）チャネルの割り当てを提供する。それはセルラー・ネットワークで使用される少なくとも３つの方式の従来式の割り当て技術とは異なる。

第１に、本発明によって提供されるチャネル割り当て技術は理論的出発点ですら六角形レイアウトによって導かれるものではない。

第２に、本発明によって提供される技術は静的ではなく動的にＷＬＡＮのセルにチャネルを割り当てる。すなわち、相対的に述べるとセルラー・ネットワークで為されるように長い時間的期間についてＷＬＡＮのセルにチャネルを割り当てるのではなく、チャネルは十分に短い時間的期間についてＷＬＡＮのセルに割り当てられる。本明細書ではそのような時間的期間は「フレーム」と称される。フレームの持続時間はミリ秒もしくはその一部程度に小さいことが可能である。この時間的長さは、最低でも携帯電話通話にかかる時間的長さ程度となり得るセルラー・ネットワークのセルにチャネルが割り当てられる時間的長さよりもはるかに短い。

第３に、本発明は動的なチャネルの割り当てを提供するので、割り当てのために利用可能なチャネルのセットが（例えばＷＬＡＮの制御から外れたソースから由来する干渉に応じて）経時的に変化する状況に適用されることが可能である。

本発明の説明を単純化するために、以下の考察はＷＬＡＮが予め指定された場所に特定の数のＡＰを有することを想定する。したがって、本発明の一実施形態では適切なＡＰの数または特定のＷＬＡＮに関する配置を決定することを必要としない。

以下の説明をさらに単純化するために、電力制御の問題は措置されない。その代わりに、本発明の追加的な実施形態で、各々のＡＰおよびそのユーザに付随する電力レベルは予め決められ、一定であると仮定されている。

ＡＰの配置およびそれらの電力レベルは予め決められて一定であると仮定されるので、送信中のＡＰとそれに関連するユーザに寄与する干渉のレベルが事前に知られることにつながる。

さらなる単純化もやはり為されることが可能である。例えば、各々のＷＬＡＮセルおよびすべてのチャネルによって受信される外部干渉の実際のレベルが知られていることを仮定し、かつＷＬＡＮへのチャネルの割り当てがどのようなユーザとＡＰとのつながりの変更も含み得ない（すなわち特定のＡＰに対するユーザの割り当てを変更、制御、あるいはそうでなければ影響を与えることなくチャネルがＷＬＡＮに割り当てられる）ことを仮定することによって以下の説明は単純化される。

理想的なネットワーク管理のシナリオでは、外部ソースによってＷＬＡＮセルに課される干渉のレベルが時間依存性である可能性があるので、この干渉の情報はリアルタイムの測定を継続することによって判定されることが可能である。そのような測定はまた同様に、ＷＬＡＮの複数のセルの中の相互干渉をさらに正確に判定するために使用されることも可能である。

単純化のための仮定に基づいていくつかの実施形態を述べているが、本発明の範囲がこれらの仮定を組み入れる実施形態に限定されないことは理解されるはずである。そうではなく、これらの仮定のうちの１つまたは複数を考慮に入れないで実現される追加的な実施形態もやはり本発明の範囲内に入ることが可能である。

ここで図１を参照すると、対応するｌ＝１、２、．．．、Ｌのアクセス・ポイントによって表わされるＬ個のセルで構成されるＷＬＡＮ１００が示されており、そこでは制御器２００などによる各セルｌへの割り当てに利用可能なＮ個のチャネルが存在し、ｎ＝１、２、．．．、Ｎで示される。課題は、何らかの性能判定基準に基づいてこれらのチャネルＮをセルＬに割り当てる最良の方式を決定することになる。

本発明の一実施形態では、割り当ての時間的期間は複数のフレームへと分割され、各々のフレームが十分に短い持続時間を有する。次に、各々のフレームについて、その詳細が下記でさらに検討されるであろう割り当てベクトルに基づいて稼動ＷＬＡＮセルのセットが作り出される。その後、各フレームの期間で、利用可能なチャネルのグループの中からチャネルのセットが各々の稼動ＷＬＡＮセルに割り当てられることが可能である。場合によっては、各フレームの持続時間は実質的に同じであることが可能であり、あるいは異なってもよい。チャネルを割り当てられる稼動セルは対応するフレームの期間に送信することを許容され、その一方で所定のフレーム期間にチャネルを割り当てられないセル（すなわち休止セル）は所定のフレームの持続時間全体についてオフに切り換えられる。すなわち、そのようなセルのＡＰおよび／またはそれに関連するユーザは対応するフレームの期間に送信することを阻止される。割り当てに利用可能なチャネルのセットは経時的に変化する可能性があることもさらに理解されるはずである。

本発明の別の実施形態では、各々のフレームの期間で、利用可能なチャネルのセットから１つのチャネルが１つのセルに割り当てられることが可能である。しかしながら、チャネル不足を克服するために複数のＷＬＡＮセルに特定のチャネルが割り当てられる（すなわち再割り当てされる）ことが可能であることは理解されるはずである。

そのような不足は、チャネルＮの数が普通ではセルＬの数よりもはるかに少ないという事実に起因する。不足を克服するために、本発明はチャネル再利用技術（例えば同時にいくつかのセルに１つのチャネルが割り当てられる）の使用を提供する。本発明のなおもさらなる実施形態では、同じチャネルを割り当てられるセルの各々が互いに十分に離れていてそれらの間の相互干渉を最小にする（すなわち相互干渉が許容範囲内であることを確実化する）ことを前提にして、いくつかの稼動セルに同じチャネルが割り当てられることが可能である。

１つまたは複数のセルに同じチャネルが割り当てられるときの干渉を最小にするためにセルが十分に離されるという必要条件の正式の表現は、すべてのソースからセルｌに加えられる最大許容干渉である、

で始まるいくつかのパラメータの考察を含む。次に、Ｉ_ｋ，ｌで表わされる相互干渉はセルｋおよびｌの両方が同じチャネル上で動作するときのセルｋからセルｌへの相互干渉として定義される。さらに先に進む前に、セルｋ内のＡＰまたは送信中のユーザによって引き起こされる干渉が「セルｋからの相互干渉」によって意味されることが理解されるべきである。同様に、「セルｌへの相互干渉」はそのセル内のＡＰまたは受信中のユーザに影響を及ぼす干渉に関する。

本発明によると、Ｉ_ｋ，ｌの値はセルｋおよびｌ内のユーザの所在の変動性を明らかにすることによって決定される。そうではあるが、この主題の詳細は本発明の範囲を超えており、本発明の特徴を理解するために必要とされるわけではない。セルｋおよびｌの送信パワーは異なることが可能であるので、概してＩ_ｋ，ｌとＩ_ｌ，ｋは等しくないこともさらに留意されるべきである。

干渉の効果に加えて、チャンネル割り当ての配慮が導入される必要がある。前述したように、割り当ての時間的期間は複数のフレームへと分割される。本発明の一実施形態では、各々のフレームの時間的期間はθで表わされる実質的に同じ持続時間について続き、各フレームの始まりにチャネルが各々のセルに割り当てられることが可能である。本発明の一実施形態でこれらの時間フレームがｆ＝１、２、３、．．．で表わされるとすると、チャネル割り当ての決定は非２進のＬ次元ベクトルＡ^ｆによって表現されることが可能であり、

として定義される整数エントリの

を有する。
場合によっては、所定のチャネルｎに関するチャネル配置の決定は、

のエントリを有する２進のＬ次元ベクトルＡ^ｎ，ｆを使用して表現されることが可能である。

Ａ^ｆは「割り当てベクトル」と称され、Ａ^ｎ，ｆは（チャネルｎに関する）「チャネル割り当てベクトル」と称される。一方の割り当てベクトルＡ^ｆと他方のチャネル割り当てベクトルの組｛Ａ^ｎ，ｆ，ｎ＝１、２、．．．、Ｎ｝の間に独特の対応が存在することは留意されるべきである。

最後ではあるが最小ではないベクトルが考察される必要がある。稼動ベクトル

もまた、稼動中、すなわちｆの期間にチャネルを割り当てられたセルを特定するベクトルとして定義され、

は

として定義されるエントリを有する。

稼動ベクトルは特定のフレーム期間に送信することを許される稼動ＷＬＡＮセル（および初期設定によって、送信を阻止されるであろう休止セル）を作り出すために使用される。

セル間の最大相互干渉の必要条件に着手する前にさらに１つの因子が検討されねばならず、すなわちセルｌに影響を与える外部ソースからチャネルｎへの干渉の量であって

で示される量である。上付き文字ｆは外部干渉の経時的に変化する性質を強調するために含まれる。しかしながらそのような変化はむしろ遅い可能性がある。いずれにしても、本発明は各々のフレームｆに先行してそのフレームの期間での外部干渉

の概算が利用可能であることを仮定しており、式中、ｌ＝１、２、．．．Ｌ、ｎ＝１、２、．．．Ｎである。

以下の記述を単純化するために、以下の考察が単一のフレームｆに関連すると理解される限り、上述のベクトル、エントリ、および干渉はそれぞれＡ、ａ_ｋ、Ａ^ｎ、

および

で表現されることが可能である。

ちょうど与えられた表記を使用すると、各々のフレームｆの期間のチャネルの割り当てに使用され、セル間の最大相互干渉に設定される必要条件は次式で表現されることが可能であり、

ここで単純化するためにＩ_ｌ，ｌ ^ｄｅｆ０、ｌ＝１、２、．．．、Ｌである。ｎがｌに割り当てられないときは常に式（４）が自動的に満たされることを確実化するために、項

は式（４）の左手側に現れる。

本発明の一実施形態では、各々のフレームの期間に式（４）を満たす割り当てベクトルに基づいて１つまたは複数のチャネルがセルに割り当てられる。

式（４）を満たす割り当てベクトルに関係させられる上に、割り当てベクトルが最大であることを確実化する、すなわち式（４）に違反することなく追加的なセルが稼動にされることが不可能であることがやはり望ましい。これを確実化するために、本発明は見込まれる割り当てベクトルに以下の追加的な制限を設定する。

ＡとＢが２つの割り当てベクトルである場合、すべてのチャネルｎ＝１、２、．．．、Ｎに関して、ｎのうちの少なくとも１つについて完全な不等式を伴なってＡ^ｎ≧Ｂ^ｎであればＡがＢよりも優位である。

付け加えると、最大限に実現可能または略して実現可能である割り当てベクトルに関すると、それは式（４）を満たさねばならず、それよりも優位にある割り当てベクトルが式（４）を満たし得ることはない。最大限に実現可能な割り当てベクトルのセットはＦで示され、実現可能セットと呼ばれる。

したがって、本発明のさらに別の実施形態では、各々の時間フレームｆに関して割り当てベクトルは最大限に実現可能な割り当てベクトルのセットＦの中から選択される。

ここで、すべてのベクトルの中の最良の割り当てベクトルを判定するために本発明が利用されることが可能な法則および判定基準の検討に目を向ける。例えば、本発明は稼動ベクトルの選択に以下の一般的判定基準を設けることが可能である。

ｗ_ｌで示される何らかの正の重みが各々のセルｌに付随することを前提とすると、チャネルは以下の割り当てベクトル、すなわち

に従って割り当てられる。

式（５）は最大重みチャネル割り当て（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｗｅｉｇｈｔ Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ）法則と称される。本発明の一実施形態では、式（５）は見込まれる割り当てベクトルの中から最良の割り当てベクトルを識別するために使用される。

式（５）では上付き文字ｆが示されていないけれども、重みｗ_ｌは経時的に変化する可能性がある。したがって、ベクトルＡ^＊に従った割り当ては同様に経時的に変わる可能性がある。

例えば、重みｗ_ｌはフレーム毎に変わる可能性がある。相応して、割り当てベクトルもやはり同様にフレーム当たりのベースで選択される可能性がある。

式（５）で使用されるセルの重みｗ_ｌに応じて、見込まれる異なる特性に伴なった異なる割り当て方策が結果的に生じるであろう。

例えば、本発明のなおもさらなる実施形態では、式（５）の中の重みはｗ_ｌ＝ｑ_ｌとして選択されることが可能であり、ここでｑ_ｌは各々の対応するフレームｆの開始時のｌの事実上の待ち行列の長さであり、セルｌの事実上の待ち行列はｌおよびｌに関連するユーザに付随するアクセス・ポイントの集合である。結果的に生じる方策は最大待ち行列長さチャネル割り当て（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｑｕｅｕｅ Ｌｅｎｇｔｈ Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ）と称されることが可能であり、Ｐで示される。

全体の開始および繰り返しの工程と共に、上述の本発明の実施形態に従って容認できない干渉を生じさせることなくセルにチャネルを割り当てる処理に含まれる工程のいくつかの概要が図２のフロー図に示されている。

重みをｗ_ｌとした場合の式（５）に基づいた最大待ち行列長さチャネル割り当てポリシーＰの使用に関する１つの結論は、システムへのトラフィックの到達の所定のパターンに関してセルの事実上の待ち行列のすべてが、それらがどのような他のチャネル割り当て方策の下でも安定であるならば方策Ｐの下で安定であろうという意味で、ＷＬＡＮの処理能力が最大化される事実上の待ち行列ｑ_ｌの長さとして選択される。

以上の検討は容認できない干渉を生じさせることなくＷＬＡＮにチャネルを割り当てるための方法のいくつかの範例を述べてきた。制御器２００または同様の装置が、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはそれら３つの何らかの組み合わせを使用して上記および下記の方法の特徴と機能の各々を実行するように動作可能であることは理解されるべきである。本発明の方法および制御器の他の範例もやはり想定される。例えば、本発明のさらに別の実施形態では、各々のフレームに付随する時間的期間は大幅に異なる持続時間であることが可能である。しかしながら、考えられる範例をすべて述べることは不可能に近い。したがって、当業者によって考えられ得る追加的な範例、改造例などは添付の特許請求項で規定される本発明の精神と範囲の中にとどまるものであり得る。

本発明の実施形態に従って、容認できない干渉を生じさせることなく多数のセルにチャネルを割り当てる方法を利用するいくつかのセルを有するＷＬＡＮの単純化された図である。 本発明の実施形態に従って、容認できない干渉を生じさせることなくセルにチャネルを割り当てるための方法の概要を示すフロー図である。

Claims (5)

1. 制御器を用いて、利用可能なチャネルのグループの中から、最大許容相互干渉を満たす無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ）内の１つまたは複数のセルにチャネルを割り当てる方法であって、
   時間的期間を、各々が十分に短い持続時間を有する複数のフレームへと分割する工程と、
   最大許容相互干渉値が、チャネルｎ内でセルｌに対する外部干渉の量と、セルｋとｌの両方が同じチャネル上で動作するときのセルｋからセルｌに対する相互干渉と２進のＬ次元割り当てベクトルとの積とから計算される相互干渉より大きいか等しいように、各々のフレームに関して、かつ１つまたは複数のＷＬＡＮセルの各々１つに対して、利用可能なチャネルのグループの中から１つのチャネルを割り当てる工程と、
   特定のフレーム期間にチャネルを割り当てられた前記ＷＬＡＮセルが送信を行なうことを許容する工程と、
   特定のフレーム期間にチャネルを割り当てられていないＷＬＡＮセルが前記特定のフレーム期間に送信することを阻止する工程とを含む方法。
2. 前記特定のフレーム期間にどのような他のセルとも同じチャネルを割り当てられる各々のセルが、相互干渉を最小にするために前記同じチャネルを割り当てられた各々の他のセルから十分に離される、請求項１に記載の方法。
3. 前記割り当て工程が、最大限に実現可能な割り当てベクトルのセットの中から前記２進のＬ次元割り当てベクトルを選択する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記２進のＬ次元割り当てベクトルの選択がフレーム当たりのベースで繰り返される、請求項３に記載の方法。
5. 利用可能なチャネルのグループの中から、最大許容相互干渉を満たす無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ）内の１つまたは複数のセルにチャネルを割り当てる制御器であって、
   時間的期間を、各々が十分に短い持続時間を有する複数のフレームへと分割し、
   最大許容相互干渉値が、チャネルｎ内でセルｌに対する外部干渉の量と、セルｋとｌの両方が同じチャネル上で動作するときのセルｋからセルｌに対する相互干渉と２進のＬ次元割り当てベクトルとの積とから計算される相互干渉より大きいか等しいように、各々のフレームに関して、かつ１つまたは複数のＷＬＡＮセルの各々１つに対して、利用可能なチャネルのグループの中から１つのチャネルを割り当て、
   特定のフレーム期間にチャネルを割り当てられた前記ＷＬＡＮセルが送信を行なうことを許容し、かつ
   特定のフレーム期間にチャネルを割り当てられていないＷＬＡＮセルが前記特定のフレーム期間に送信することを阻止する、ように動作することが可能な制御器。

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