JP5455886B2 - 無線ネットワークにおいて固定送信間隔でデータを送信するための方法 - Google Patents

無線ネットワークにおいて固定送信間隔でデータを送信するための方法 Download PDF

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Description

この発明は、包括的には無線通信ネットワークに関し、特に、協調しているネットワークノードにネットワークリソースを動的に割り当てて通信信頼度を改善することに関する。
この出願のパリ条約に基づく優先権主張を行う基礎出願のうちの１つである、Yim他によって２０１０年１月３日に米国に出願された、「Cooperative Relay Communication in Wireless OFDMA Star Networks」と題する米国特許出願第１２／６５１，４７２号は、参照により本明細書に援用される。
米国特許第７，３３０，４５７号は、中継によって遅延が低減する場合に、無線ソースノード(ソース)が中継ノードを使用して宛先ノード(宛先)にデータを転送する協調無線通信ネットワークを記載している。低減しない場合、トラフィックはソースから宛先に直接送信される。
米国特許第６，５０５，０３５号は、無線ネットワークにおけるレート制御を記載している。
米国特許第７，３３０，４５７号は、中継によって遅延が低減する場合に、無線ソースノード(ソース)が中継ノードを使用して宛先ノード(宛先)にデータを転送する協調無線通信ネットワークを記載している。低減しない場合、トラフィックはソースから宛先に直接送信される。ソースと、中継器と、宛先との間のリンクの伝送レートは、チャネル状態に依拠する。しかしながら、その方法は、無線ローカルエリアネットワーク(ＬＡＮ)にのみ適用可能であり、中継器を使用するか否かの判定はソースノードにおいて行われる。
米国特許第６，５０５，０３５号は、無線ネットワークにおけるレート制御を記載している。基地局と各移動局との間の伝送レートは、チャネル状態情報及び受信品質に応じて変化し得る。移動局は基地局に受信品質を報告することができ、基地局はそれに従って伝送レートを切り換える。この方法は、中継ノードの使用を考慮していない。
図１Ａに示すように、上記米国特許出願第１２／６５１，４７２号は、Ｎ個のスレーブノード(スレーブ)１０１と、マスターノード１０２(マスター)とを含むスター型ネットワークを記載している。スレーブは、直交周波数分割多元接続(ＯＦＤＭＡ)及び符号分割多元接続(ＣＤＭＡ)を使用して、コーディネーターに対し同時に送受信することができる。ネットワークのＮｃ個のサブキャリアは、各スレーブがＮｃ／Ｎ個のサブキャリアを割り当てられるように、均等に割り当てられる。通常、データはパケットとして送信される。
図１Ｂに示すように、マスターによってブロードキャストされる２つのビーコン１０５間の送信間隔は、スーパーフレーム１１０を構成する。スレーブはグループに割り当てられる。同じグループ内のスレーブの場合、それらのスレーブは同じアクティブ間隔１１１及び非アクティブ間隔１１２を有する。異なるグループ内のスレーブは異なるアクティブ間隔及び非アクティブ間隔を有する。スレーブは、ビーコンを受信した後の該スレーブのそれぞれのアクティブ間隔中に、マスターに同時にデータを送信し、該スレーブは該スレーブのそれぞれの非アクティブ間隔中、非アクティブである。この方法は、スレーブとマスターとの間のチャネル状態に関わらず、全てのスレーブが同じ変調及び符号化方式を使用すると想定する。
説明注記：スレーブによっては、最初に非アクティブ期間、次にアクティブ期間を有し、次に再び非アクティブになる場合がある。したがって、同じグループ内のスレーブの場合、それらのスレーブは同じアクティブ間隔(単数)を有し、１つ又は複数の非アクティブ間隔を有する。
この発明では、無線ネットワークマスターノードが、後続の固定長スーパーフレームの構造を特定するビーコンを周期的にブロードキャストする。スレーブノードは各スレーブとマスターとの間のチャネル状態を測定する。
次に、チャネル状態に従って、スレーブのセットがスレーブのサブセットに分割される。マスターは、チャネル状態に従って、各スレーブに昇順で伝送レートを割り当てる。
スレーブは、２つの連続したビーコン間で、マスターに昇順でデータを送信する。ここで、より高い伝送レートを有するスレーブのサブセットは、より低い伝送レートを有するスレーブのサブセットからのデータも受信し、より高い伝送レートを有するスレーブは、より低い伝送レートを有するスレーブからのデータの一部又は全てを含む。
関連技術の無線スター型ネットワークの概略図である。 図１Ａのネットワークにおける送信間隔の概略図である。 この発明の実施の形態による無線スター型ネットワークの概略図である。 図２Ａのネットワークにおける送信間隔の概略図である。 関連技術の伝送スケジュールの概略図である。 この発明の実施の形態による伝送スケジュールの概略図である。 この発明の実施の形態による伝送スケジュールの流れ図である。
図２Ａは、この発明の実施の形態による無線スター型ネットワークを示している。このネットワークは、ＩＥＥＥ８０２．１５．４標準規格に従って設計することができる。
ネットワークは、Ｎ個のスレーブノード(スレーブ)２０１のセットと、マスターノード(マスター)２０２とを含む。スレーブｉとマスターとの間の平均チャネル状態は、αｉ，ｍ２０３である。スレーブは、単一のスレーブノードのみが所与の時間に送信することを可能にする時分割多元接続(ＴＤＭＡ)を使用することができる。代替的に、スレーブは直交周波数分割多元接続(ＯＦＤＭＡ)又は符号分割多元接続(ＣＤＭＡ)も使用することができる。これらは、おそらく全てではないが複数のスレーブが、該スレーブのデータをマスターに同時に送信することを可能にする。データをパケットとして送信することができることが理解される。ＴＤＭＡ及びＯＦＤＭＡのような上述した多元接続技術の組み合わせを使用することができることも理解される。
図２Ｂ及び図３Ｂに示すように、スーパーフレーム間隔２１０はアクティブ間隔Ｔ２１１及び非アクティブ間隔２１２に分割される。アクティブ間隔は、第１のアクティブ間隔Ｔ１２２１及び第２のアクティブ間隔Ｔ２２２２にさらに分割される。アクティブ間隔を３つ以上の間隔に分割することも可能である。
非アクティブ間隔は、オプションでフレーム構造によって特定される。非アクティブ間隔を使用して、近接範囲内にある別のネットワークを衝突なしでサポートすることができる。第２のネットワークは、現在のネットワークの非アクティブ間隔内に動作することができる。
この発明は、特に、Ｎｃ個のデータサブキャリアを有するＯＦＤＭネットワークを検討する。Ｎｃ個のサブキャリアは、スレーブに均等に割り当てられる。マスターに対し比較的不良なチャネル状態を有するスレーブは、第１のサブセット内で仮想的に一緒にグループ化され、第１のアクティブ間隔中により低いデータレートで送信するように構成される。より良好なチャネル状態を有する残りのスレーブは第２のサブセットに一緒にグループ化され、第２のアクティブ間隔中により高いデータレートで送信するように構成される。３つ以上のサブセットを使用することができることが理解される。また、同じサブセット内のノードが同じ伝送レートで送信する必要がないことが理解される。
より低いデータレートを有するスレーブは、マスターによってブロードキャストされたビーコンを受信した後の、より高いデータレートを有するスレーブの前に、同時に送信する。より高いデータレートのサブセット内のスレーブは、より低いデータレートのスレーブの送信をモニタリングする。次に、より高いデータレートのサブセット内のスレーブがより高いデータレートで該スレーブ自身のデータを送信し、また、第１のサブセット内の対応する低いデータレートのスレーブから受信したデータも送信する。
基本シナリオ
図３Ａは、上記米国特許出願第１２／６５１，４７２号によるシナリオを示している。ここで、２つのスレーブノードＡ及びＢ、並びにマスターノードＭが存在する。ノードＡ及びＢは、マスターによって、２つの異なる間隔中に送信するように命令される。ノードＡはノードＢの前にデータを送信する。双方のノードが同じ量の情報を送信し、等しい量の周波数リソースを使用して該ノードのデータを送信する。フレーム構造はまた、各送信に同じ量の時間Ｔを割り当てる。
２つのノードはまた、同じ変調及び符号化方式を使用して該ノードのデータを送信する。実施例では、双方のノードがレートＲでデータを送信する。異なるスレーブノードはマスターからの異なる距離を有するということにおそらく起因して、ノードＢは、マスターに対し、平均でノードＡよりも良好なチャネル状態を有する。したがって、この伝送方式では、ノードＡの誤り確率はノードＢの誤り確率よりも高い。
図３Ｂに示すように、ノードＡはまずＴ１秒内にデータレートＲＡでパケット３０１を送信する。伝送パラメーター(たとえば、変調、符号化方式、送信電力)及びＡとマスターノードとの間のチャネル状態を所与とすると、パケット３０１の送信の誤り確率ＰＥＡを計算することが可能である。
ノードＡからマスターノードへの送信中、ノードＢもパケット３０１を受信する。ノードＢが送信するとき、ノードＢはノードＡよりもマスターに対し良好なチャネルを有するため、マスターはノードＢに、伝送パラメータの異なるセット、したがってより高いレートＲＢを使用して該ノードＢのデータを送信するように事前に(a-priori)命令する。たとえば、ノードＡが送信するための変調方式としてＱＰＳＫを使用する場合、ノードＢは、１６−ＱＡＭを使用するように命令される場合がある。代替的に、ノードＡ及びノードＢは同じ変調方式を使用する場合があるが、ノードＡはレート１／３畳み込み符号を使用し、一方でノードＢはレート１／２畳み込み符号を使用する。最後に、ノードＢは異なる電力を使用して該ノードＢのデータを送信してもよい。
伝送パラメーターは、ノードＢからの送信のパケット誤り確率がＰＥＡを超えないようにマスターによって選択される。ノードＢのデータ３０２はノードＡのデータと同じ量の情報を有するため、より高い伝送レートは、ノードＢのデータが送信にＴ１秒未満かかることを意味する。
上記米国特許出願第１２／６５１，４７２号では、ノードＢがＴ１秒未満で送信を終了する場合、残りのリソースは固定のフレーム構造に起因するか又はＯＦＤＭＡネットワークにおける他の送信に起因して無駄になる。
この発明において、ノードＢは、時間Ｔ２全体を使用してデータを送信する。これはノードＢから発生するデータのみでなく、ソースノードＡから発生し、ノードＢによって受信されたデータ３０２の任意の部分も含む。
換言すれば、ノードＡからのデータは、ノードＢによって送信されるパケット上にピギーバックされる。ノードＢはノードＡからのデータを送信する必要がないことに留意されたい。ノードＢがハッシュ関数を使用して、データＡ内に含まれる情報、たとえばデータＡの異なる複数の部分のビット単位の排他ＯＲを粗く要約することが可能である。マスターはこの情報を使用して、ノードＡから受信するデータの復号性能を改善することができる。
時間Ｔ１及びＴ２は、フレーム構造、及びビーコン信号を使用してマスターノードによって特定することができる持続期間に従って割り当てられる。パケット送信のための全てのスレーブノードによって使用される伝送パラメーターの命令、及びまたピギーバックするために使用されるパラメーターも、マスターノードによって指定される。
この発明が米国特許第７，３３０，４５７号に記載されている発明と異なることに留意することが重要である。ここでは、パケットＡのための伝送パラメーターは、好ましいチャネル状態が観察されるときのみデータがノードＢに送信されるように変更される。ノードＢを使用するか否かの判定がノードＡによって行われる。
対照的に、この発明におけるノードＡは、該ノードＡのデータをマスターノードに送信し、ノードＢも該データを受信する。次に、ノードＢはノードＢの伝送パラメーターを、より高いデータレートをサポートするように、かつ少なくともノードＡと同じか又はノードＡよりも良好なパケット誤り性能を有する形で変更し、ノードＢはノードＡからのデータをピギーバックしながら該ノードＢのデータを送信する。ここで、決定はマスターによって行われる。
変形形態
図３ＢはノードＡが最初に送信し、ノードＢが２番目に送信するＴＤＭＡシナリオを示している。加えて、この方法は、複数のノードがデータを同時に送信するＯＦＤＭＡネットワークにも適用する。たとえば、図３Ｂに示すシナリオでは、ノードＣが、異なる周波数リソースを使用して、ノードＡと同時に送信すると共に、ノードＤが、異なる周波数リソースを使用して、ノードＢと同時に送信することが可能である。また、このシナリオは、所与のスーパーフレーム中に３つ以上の送信機会が存在するケースに一般化される。たとえば、ノードＥはノードＢの後に送信することができ、ノードＥからの送信は、データＡ及びデータＢのうちの任意のもの又は双方からの情報をピギーバックしながら、パケットＥを含む。
スレーブが別のパケットをオーバーヒアするかどうかの報告
ノードは、以前の送信から部分データ又は完全データをピギーバックする代わりに、該ノードが以前に送信したノードから送信のコピーを受信したかどうかを示すフラグビットを含むことができる。このフラグビットは、マスターが、データの送信元のスレーブに再送信させるのではなく、再送信をスケジューリングして、より良好なチャネル状態を有するノードにデータを中継するように要求するのに使用することができる。このケースでは、マスターは必要に応じて、グループ肯定応答(ＧＡＣＫ)を、中継データを有する全てのスレーブに送信することができる。
グルーピングを通じたスケジュールの確定
図４は、この発明の実施の形態によるスレーブのグルーピングのためのステップを示している。この方法のステップは、マスターにおいて実行されるステップと、各スレーブにおいて実行されるステップとを含む。
ネットワークは最初にトレーニングモードで動作する。トレーニングモード中、マスターは該マスターと各スレーブとの間のチャネル状態、及びオプションで任意の２つのスレーブ間のチャネル状態を判断する(４１０)。このタスクを達成する１つの例は、スレーブが要求されるチャネル状態を推定し、この推定をマスターにフィードバックすることである。
トレーニングモードの最後に、マスターはネットワーク全体のチャネル状態を有する。チャネル状態は、所定の時間量全体を通じてほぼ一定であり続ける。これは、ネットワーク動作環境並びにスレーブ及びマスターのロケーションが固定したままであるためである。
マスターは全てのスレーブを非中継グループに割り当てる(４２０)。グループ内のスレーブ毎に、マスターはスレーブのための中継を求める必要性を評価する(４２５)。中継が必要とされていると判断される場合、マスターはスレーブのための中継スレーブを見つけようとする(４３０)。
中継スレーブが見つかった場合、マスターはスレーブを中継スレーブと対にする(４３５)。各ソーススレーブを複数の中継スレーブと対にすることができる。マスターは、非中継グループから双方のノードを取り除いた(４４０)後、スレーブを中継を求めるグループに割り当てると共に、該スレーブの対応する中継スレーブを中継グループに割り当て、全てのスレーブが検査される(４５０)まで繰り返す。
中継が要求されないか又は中継スレーブを見つけることができない場合、この方法は、非中継グループ内の全てのスレーブが検査される(４５０)まで、該非中継グループ内の次のスレーブを検査することへと進む。
全てのスレーブが検査された後、マスターは、中継を求めるスレーブが最初に送信し(４７１)、一方で中継スレーブが後で送信する(４７２)ようにスケジューリングを実行する(４５５)。ブロードキャストビーコン４６０は、各スレーブのデータレート割り当てと、他のサブセットからの対応するスレーブパートナーの識別とを含むスケジューリング決定を含む。
スレーブ毎のサブセット割り当て情報が、マスターによってブロードキャストされる(４６０)ビーコン内に暗黙的に含まれる。以下の２つのタイプのデータレート、すなわちスレーブｉからマスターへ送信するときのデータレートＲｉ，ｍ、又はスレーブｉからスレーブｊに送信するときのデータレートＲｉ，ｊのうちの一方が各スレーブに割り当てられる。
スレーブｉは、以下の条件、すなわち、
Ｒｉ，ｊ＞Ｒｉ，ｍ、スレーブｊが高データレートのスレーブグループに属する；及び
Ｒｊ，ｍ＞Ｒｉ，ｍ
が満たされた場合のみ、該スレーブｉのパケットをＲｉ，ｊでスレーブｊに送信する。
中継を求めるスレーブは、スケジュール決定を受信すると、最初に送信し、一方でマスター及び中継スレーブは受信する。その後、中継スレーブは対応するソーススレーブから受信したデータを、該中継スレーブ自身のデータと一緒に送信する。この発明によれば、スレーブは、全ての中継を求めるスレーブが該スレーブの中継相手よりも早く送信する限り、３つ以上のサブセットに分割することができる。
この発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、この発明の精神及び範囲内で様々な他の適応及び変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、この発明の真の精神及び範囲内に入るすべての変形及び変更を包含することである。

Claims (14)

  1. マスターノード(マスター)と、スレーブノード(スレーブ)のセットと、を含む無線ネットワークにおいてデータを通信するための方法であって、
    前記マスターによってビーコンを周期的にブロードキャストすることであって、該ビーコンは後続の固定長のスーパーフレームの構造を特定すること、
    各前記スレーブと前記マスターとの間のチャネル状態を測定すること、
    前記チャネル状態に従って、前記スレーブのセットをスレーブの複数のサブセットに分割すること、
    前記チャネル状態に従って、前記マスターによって、各前記スレーブに、伝送レートを昇順で割り当てること、及び
    前記スーパーフレーム中に、２つの連続したビーコン間で、前記スレーブの各サブセットから前記マスターにデータを昇順で送信することであって、より高い伝送レートを有する前記スレーブのサブセットが、より低い伝送レートを有する前記スレーブのサブセットからのデータも受信し、より高い伝送レートを有する前記スレーブは、より低い伝送レートを有する前記スレーブからのデータの一部又は全てを含むこと、
    を備えた方法。
  2. ２つのスレーブ間のスレーブ対スレーブ(ＳＳ)チャネル状態を確定すること、
    前記ＳＳチャネル状態に従ってＳＳ伝送レートを確定すること、及び
    スレーブＡとスレーブＢとの間の前記ＳＳ伝送レートが前記スレーブＡのスレーブ対マスター(ＳＭ)伝送レートより高い場合、かつ前記スレーブＢが前記スレーブＡの後にデータを送信する場合、かつ前記スレーブＢの前記ＳＭ伝送レートが前記スレーブＡの前記ＳＭ伝送レートよりも高い場合、前記スレーブＡによって、該スレーブＡと前記スレーブＢとの間の前記ＳＳ伝送レートで前記スレーブＢにデータを送信すること、
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ネットワークは直交周波数分割多元接続(ＯＦＤＭＡ)を使用する、請求項１に記載の方法。
  4. 前記スレーブは複数の別個のサブセットに分割され、１つのサブセットグループ内の前記スレーブは受信モードで動作し、一方で別のサブセット内の前記スレーブは送信する、請求項３に記載の方法。
  5. 前記ネットワークは時分割多元接続(ＴＤＭＡ)を使用する、請求項１に記載の方法。
  6. 前記ネットワークはＩＥＥＥ８０２．１５．４標準規格で規定されたフレーム構造を使用する、請求項１に記載の方法。
  7. 前記スレーブ及び前記マスターは所定の時間固定である、請求項１に記載の方法。
  8. 前記マスターは或る期間にわたって平均チャネル状態を確定し、前記マスターは前記スレーブがデータを送信する順序を特定するスケジュールを割り当てる、請求項７に記載の方法。
  9. 各前記スレーブからのデータは、該スレーブが、送信前に他のスレーブからデータを受信したかどうかの指示を含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記マスターは、グループ肯定応答(ＧＡＣＫ)信号により、各前記スレーブからのデータの受信が成功したかどうかを指示する、請求項１に記載の方法。
  11. 前記スレーブは固定長フレーム構造中に送信を行う、請求項１に記載の方法。
  12. 前記送信の持続期間は前記フレーム構造の持続期間以下である、請求項１１に記載の方法。
  13. より高い伝送レートを有する前記スレーブのサブセットからの前記送信のパケット誤り確率は、より低い伝送レートを有する前記スレーブのサブセットからの前記送信のパケット誤り確率を超えない、請求項１に記載の方法。
  14. 特定のグループ内のいくつかの前記スレーブは異なるデータレートで送信する、請求項１に記載の方法。
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