JP5506651B2 - スタートポロジを有する無線ネットワーク及びその無線ネットワークを動作させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信ネットワークに関し、特に、デュアル適応中央ノードを有する無線通信ネットワークに関する。

従来のスター型ネットワークは、中央ノード（例えば、ＷｉＦｉアクセスポイント、ＷｉＭＡＸ基地局）と、この中央ノードに関連付けられた複数のリーフノード（例えば、ラップトップコンピューター）とを含む。リーフノードは、中央ノードに対して直接送受信することしかできない。同一の中央ノードに関連付けられた２つのリーフノード間の通信は、中央ノードを通さなければならない。したがって、ネットワークは、スタートポロジを有するグラフを形成する。

スター型ネットワークには多くの利点がある。最高でも３つのノード及び２つのリンク（チャネル）が、ネットワーク内の任意の２つのノード間での通信に関わる。したがって、性能が予測可能である。

中央ノードは、アクセス及びリソースの総合制御権を有する。中央ノードは、ネットワーク内のすべてのリーフノードの動作を調整する。したがって、中央ノードは、リーフノード間のあらゆる衝突及び競合を低減するか又はなくすことができる。

ネットワークの容量は、中央ノードの容量を増大することによってのみ拡張することができる。集中性により、ネットワークを通じてのトラフィックを監視して、異常な挙動を突き止めることも可能である。単純なスタートポロジは、複雑なルーティングプロトコル又はメッセージパッシングプロトコルの必要性をなくす。

しかしながら、スタートポロジの１つの欠点は、中央ノードへの依存である。中央ノードは、性能ボトルネックになり、単一故障点の原因にもなり得る。中央ノードの故障は、ネットワーク全体を動作不能にし、ひいては、ネットワーク可用性性能を大幅に低減する。さらに、ネットワークの性能及びスケーラビリティは、中央ノードの能力に依存する。

スタートポロジの別の欠点は、各リーフノードが、中央ノードへのリンクによってのみネットワークに接続されることである。或るリーフノードと中央ノードとの間の個々のリンクの信頼性が低くなった場合、該リーフノードはネットワーク内の他のノードと適切に通信することができない。中央ノードとリーフノードとの間の個々のリンクの故障は、リーフノードの分離に繋がる。

図１は、従来の無線スター型ネットワーク１００を示す。ネットワークは、中央ノードＣ１０１及びリーフノードＬｎ１０２を含み、ｎ∈｛１，２，・・・，Ｎ｝であり、Ｎは、ネットワーク内のリーフノードの最大数である。中央ノード及び各リーフノードは無線リンク１２０によって直接接続される。リーフノードは互いに直接通信しない。リーフノード間の通信は、中央ノードを介する。例えば、Ｌ１−Ｃ−Ｌ５は、Ｌ１からＬ５に送信されるデータのためのパスである。

スタンバイ中央ノードを従来のスター型ネットワークに追加することができる。スタンバイ中央ノードは、スター型ネットワークの信頼性及びシステム可用性を高めることができる。アクティブ中央ノードが故障した場合、スタンバイ中央ノードは、スタンバイモードからアクティブモードに切り替わり、故障したアクティブノードの動作を再開し、ほとんど又は全く中断することなくサービスを提供する。スタンバイ中央ノードは、アクティブ中央ノードとリーフノードとの間のデータ送出を支援するためにも使用可能とすることができる。

しかしながら、スタンバイ中央ノードには欠点がある。通常動作中、スタンバイ中央ノードは、アクティブ中央ノードのすべての機能を実行するわけではない。スタンバイ中央ノードの主な役割は、アクティブ中央ノード及びリーフノードによる送信を監視することである。アクティブ中央ノードが故障した場合、スタンバイ中央ノードがネットワークを適切に動作させることができるという保証はない。例えば、スタンバイ中央ノードにはネットワークの全体像が見えない。スタンバイ中央ノードは、ネットワーク内にいくつのリーフノードがあるのか分からない。スタンバイ中央ノードがネットワーク内のすべてのリーフノードと信頼できるリンクを有しているという保証はない。

スタンバイ中央ノードの別の欠点は、帯域幅の非効率性である。ネットワークが通常動作している間、スタンバイ中央ノードに割り振られている帯域幅は無駄になる。

別の欠点は、ネットワークが通常モードで動作している間、アクティブ中央ノードとスタンバイ中央ノードとの間の作業負荷が釣り合わないことである。

図２は、アクティブ中央ノードＡＣ１０１、スタンバイ中央ノードＳＣ２０１及びリーフノードＬｎ１０２を有する従来の無線スター型ネットワーク２００を示す。アクティブ中央ノードＡＣ及び各リーフノードは無線リンク１２０によって直接接続される。スタンバイ中央ノードＳＣ及び各リーフノードは無線リンク２２０によって直接接続される。２つの中央ノード１０１、２０１は別のリンク２０４によって互いに接続される。

本発明の実施の形態は、スタートポロジを有する無線ネットワークの構造及び動作を提供する。該ネットワークは、リーフノードに加えて、等価に機能する２つ（又はそれ以上）の中央ノードを含む。該ネットワークは、非常に高い信頼性、システム可用性及び帯域幅効率を提供する。本発明はまた、媒体アクセス制御（ＭＡＣ）フレーム構造を提供する。本発明はまた、２つの中央ノードが交互に動作モードを切り替えるためのプロトコルを提供する。２つの等価に機能する中央ノードを用いる送信電力制御メカニズムが提供される。２つの等価に機能する中央ノードを用いるネットワーク管理方式も提供される。

単一の中央ノード及び複数のリーフノードを有する従来技術のスター型ネットワークの概略図である。 アクティブ中央ノード、スタンバイ中央ノード及び複数のリーフノードを有する従来技術のスター型ネットワークの概略図である。 本発明の実施の形態による、２つの等価に機能する中央ノード及び複数のリーフノードを有するスター型ネットワークの概略図である。 本発明の実施の形態によるスター型ネットワークのＭＡＣスーパーフレーム構造のブロック図である。 本発明の実施の形態による、２つの中央ノードによって交代で操作される２つのスーパーフレームのブロック図である。 本発明の実施の形態による、２つの等価に機能する中央ノードを用いるリーフノード送信電力制御のブロック図である。 本発明の実施の形態による、２つの等価に機能する中央ノードを用いるリーフノード受信機利得制御のブロック図である。

図３は、本発明の実施の形態によるスター型ネットワーク３００を示す。該ネットワークは、２つの中央ノードＣ１ １０１、Ｃ２ ３０１及びリーフノードＬｎ１０２を含む。中央ノードＣ１及びＣ２は、機能的に等価であり、有線又は無線リンク３０４を介して互いに通信する。各リーフノード１０２は、２つの無線リンク１２０及び３２０によってネットワーク３０２に接続する。各リンクは、アップリンク（ＵＬ）及びダウンリンク（ＤＬ）を含む。

中央ノードの動作モード
各スーパーフレームに関して、１つの中央ノードのみがＤＬ１において送信を行っており、アクティブモードで動作中であると定義される。そのスーパーフレームにおいて、他の中央ノードはスタンバイモードにあると定義される。

図４はスーパーフレーム４００を示す。１つのスーパーフレームは、複数の必須スロット４１０と、複数の適応スロット４２０及び４３０とを含む。スーパーフレームの長さ（持続時間）は、適応スロット数に応じて可変である。アクティブ中央ノードがスーパーフレームを必須スロット４１０の最後で終了した場合、適応スロット４２０及び４３０はなくなる。アクティブ中央ノードがスーパーフレームを適応スロット４２０の最後で終了した場合、適応スロット４３０はなくなる。

ダウンリンクスロットＤＬ１ ４０１において、アクティブ中央ノードはダウンリンクデータを送信する。すべてのリーフノード及びスタンバイモードにある中央ノードがデータを受信する。ダウンリンクデータは、ネットワークへの参加に成功したリーフノードへのアップリンクチャネルの割り当て及び新しいリーフノードがネットワークに参加するために必要なネットワーク制御情報等のメッセージを含む。

アップリンクスロットＵＬ１において、ネットワークへの参加に成功したすべてのリーフノードが、割り当てられたアップリンクチャネル上でアップリンクデータを送信する。新しいリーフノードは、どのリーフノードにも割り当てられていない選択されたアップリンクチャネル上で参加要求を送信する。中央ノードは、スロットＵＬ１においてアップリンクデータを受信する。中央−中央リンクスロットＰＬ１において、スタンバイ中央ノードは、メッセージを送信する。アクティブ中央ノード及びリーフノードは、スタンバイ中央ノードが送信したものを受信できるか、又は受信できない。

ＰＬ１において送信されるメッセージは、現在の状態のリポートを含み得る。新しい中央ノードが起動し既存の中央ノードに同期すると、この新しい中央ノードは、既存の中央ノードに、アクティブ中央ノードの役割を担うための要求を送信する。この要求は、その中央ノードがアクティブモードに切り替わるべきスーパーフレームを厳密に指定する。アクティブ中央ノードは、グループ肯定応答スロットＧＡ１において応答を送信する。新しい中央ノードは、肯定応答を受信するまではアクティブにならない。

スロットＰＬ１は、スタンバイ中央ノードがアクティブ中央ノードとリーフノードとの間でデータを中継するためにも用いられることができる。例えば、或るリーフノードがアクティブ中央ノードとの間に有するアップリンクの信頼性が低い場合、スタンバイ中央ノードがスロットＰＬ１において、そのリーフノードのアップリンクデータを中継することができる。スタンバイ中央ノードは、アクティブ中央ノードとのダウンリンク接続の信頼性が低いリーフノードへのダウンリンクデータを中継することもできる。この場合、対応するリーフノードも受信する。

スロットＧＡ１において、アクティブ中央ノードは、すべてのリーフノード及びスタンバイ中央ノードにグループ肯定応答（ＧＡ）を送信する。したがって、すべてのリーフノード及びスタンバイ中央ノードがスロットＧＡ１において受信する。最も重要なこととして、ＧＡ１は、スーパーフレーム終了の指標となり得る。

スロットＤＬ１、ＵＬ１及びＰＬ１における通信がすべて成功した場合、アクティブ中央ノードは、スーパーフレーム終了信号をグループ肯定応答に含め、スタンバイモードに切り替わる。すると、スーパーフレームは終了する。ＧＡ１がスタンバイ中央ノードによって正確に受信されなかった場合、中央ノードは単に次にフレームの開始まで待って、スロットＤＬ１において送信する。

必須期間４１０の最後に、再送信が必要である場合、適応期間４２０が開始される。

スロットＵＬ１において、いずれかのリーフノードが、スロットＤＬ１において送信されたダウンリンクデータの受信に成功しなかったことを示す場合、アクティブ中央ノードは、そのリーフノードへのダウンリンクデータの再送信をスロットＧＡ１に含める。

アクティブ中央ノードがスロットＵＬ１において送信されたいずれかのリーフノードからのアップリンクデータを正確に受信しなかったことをグループ肯定応答が示す場合、これらのリーフノードは、アップリンクデータをスロットＵＬ２において再送信し、両中央ノードＣ１及びＣ２が受信する。

スロットＰＬ２は、スタンバイ中央ノードがアクティブ中央ノードとリーフノードとの間でデータを中継するため、又はスタンバイ中央ノード自身がアクティブ中央ノードへの送信を行うために使用することができる。スロットＰＬ２においてアクティブ中央ノードが受信すると共に、リーフノードが受信することができる。

スロットＧＡ２は、アクティブ中央ノードが、スロットＵＬ２及びＰＬ２で行われた送信に対するグループ肯定応答を送信するために使用することができ、スタンバイ中央ノード及びいくつかのリーフノードが受信する。スロットＵＬ２及びＰＬ２において送信が成功した場合、アクティブ中央ノードは、ＧＡ２においてスーパーフレームの終了を示す。適応スロット４３０は必要ない。

図５は、２つの中央ノードＣ１及びＣ２の、釣り合いの取れたスーパーフレーム送信構造を示す。このような本発明の実施の形態による送信方式において、中央ノードＣ１及びＣ２は、交代でアクティブノードとして働く。スーパーフレーム４００１中は、Ｃ１がアクティブであり、Ｃ２がスタンバイモードにある。スーパーフレーム４００２中は、Ｃ２がアクティブであり、Ｃ１がスタンバイモードにある。したがって、２つの連続するスーパーフレームにおいて、ＤＬ１、ＤＬ２、ＰＬ１、ＰＬ２、ＧＡ１、ＧＡ２の送信元ノードは異なる。２つの連続するスーパーフレームをスーパーフレームＡ及びスーパーフレームＢとして区別する。

デュアル中央ノードを用いる送信電力及び受信機利得制御
図６は、リーフノードの電力制御有限状態機械６００を示す。１つのリーフノードが２つの独立した電力利得値６０１及び６０２を保持する。各値は、２種類のスーパーフレームのうちの１つの間にＴＸ電力を制御するために用いられる。すなわち、スーパーフレームＡの間、このリーフノードは電力レベルＰＷＲ＿Ａ６０１で送信し、スーパーフレームＢの間、このリーフノードは電力レベルＰＷＲ＿Ｂ６０２で送信する。

ＤＬ１において受信したダウンリンク制御シグナリング情報に基づいて、各リーフノードは、アクティブ中央ノードが現フレームにおいてＣ１であるかＣ２であるかを判定し、それに従って対応する電力パラメータ設定をアップリンク送信のために選択することができる。ＰＷＲ＿Ａ及びＰＷＲ＿Ｂはそれぞれ独立して調整される（６１０及び６１１）。ＰＷＲ＿Ａは、スーパーフレームＡ６２１中に受信する電力制御コマンドに基づいて調整され、ＰＷＲ＿Ｂは、スーパーフレームＢ６２２中に受信する電力制御コマンドに基づいて調整される。

２つの独立した電力制御ループの利点は、リーフノードと２つの異なる中央ノードとの間の無線リンクの異なる特性を探究することである。ＰＷＲ＿Ａ及びＰＷＲ＿Ｂはそれぞれ、中央ノードＣ１及びＣ２において受信が最適になるように調整される。

同様に図７の有限状態機械７００に示すように、各リーフノードは、２つの独立した受信機利得制御ループ７０１及び７０２を保持する。この利得制御プロセスは、スーパーフレームの開始と同期されている。スーパーフレームＡの開始（７２１）時には、第１の自動利得制御（ＡＧＣ）ループ７１０がアクティブであり、受信機利得は、ＡＧＣループ７１０により生成された値によって制御される。この期間中、第２のＡＧＣループは非アクティブであり、その利得値が維持される。スーパーフレームＢの開始（７２２）時には、第２のＡＧＣループがアクティブになり、利得値を調整する。この期間中、第１のＡＧＣループは非アクティブであり、値が維持される。

２つの中央ノードを用いるネットワーク管理
ネットワーク内の中央ノードは、ネットワーク識別子（ＩＤ）等の共通ネットワークパラメータのセット及び該ネットワークに許容されるリーフノードの数を有して構成される。各中央ノードはノードＩＤを有して構成される。ネットワークＩＤはネットワークを一意に識別し、ノードＩＤはネットワーク内のノードを一意に識別する。

起動された最初の中央ノードは、ネットワークパラメータをブロードキャストすると共にネットワークにリーフノードを受け入れることによってネットワークを形成する。この中央ノードは、次の中央ノードがネットワークに参加するまでアクティブモードにある。ネットワークが形成された後に起動された中央ノードは、動作を行う前に最初の中央ノードに同期する。

競合を防止するために、中央ノードは起動されると、まずすべてのチャネルを監視する。送信活動がない場合、該ノードはネットワークを形成する。ネットワークが開始されている場合、該中央ノードはネットワークに同期する。次に、該ノードは、ＰＬ１においてリンク３０４を用いて他の中央ノードと通信し、それらのノードがいつアクティブモード又はスタンバイモードになるかをネゴシエーションする。

ネゴシエーションが完了すると、図５に示すように、２つの中央ノードがアクティブな役割を交代で担う。該２つの中央ノードは、アクティブモード及びスタンバイモードを交代で切り替える。追加の中央ノードがある場合、これらのノードを順繰りに切り替えることができる。

１つの中央ノードから故障が検出された場合、他の中央ノードがアクティブモードに切り替わることができる。

ネットワークへの参加時に、リーフノードは、まずチャネルを監視し、ネットワーク構成パラメータを取得する。ネットワーク参加プロセスを開始する前に、リーフノードは、該ネットワーク内の中央ノードの数を特定する。これは、中央ノードによってアップリンクチャネルの割り当てが異なるからである。リーフノードはまた、該リーフノードがアップリンクデータを送信する間、どの中央ノードがアクティブであるかを特定する必要がある。

ネットワークへ参加するために、リーフノードは、中央ノード（複数可）に同期し、他のどのリーフノードにも割り当てられていないアップリンクチャネルを選択する。

次に、リーフノードは、選択したアップリンクチャネル上で、ネットワークへ参加するための要求を送信する。該要求は、すべての中央ノードによって受信される。リーフノードからの要求の受信に応答して、アクティブ中央ノードは、要求元のリーフノードにダウンリンクデータを送信する。要求は、許可されるか、又は拒否され得る。許可された場合、要求元のリーフノードは、通常動作を行い始める。スタンバイ中央ノードは、ダウンリンクデータを監視し、それに従って自身のリーフノード情報を更新することにより、すべての中央ノードが同一のネットワーク情報を有するようにする。

ネットワークが全容量で動作していない場合、中央ノードは、ネットワークへの参加だけのためのアップリンクチャネルをいくつか選択することができる。ネットワークへの参加の衝突を避けるために、ランダム・バックオフ・メカニズムを適用することができる。要求の送信後、応答が受信されない場合、リーフノードは、次の参加要求を送信する前に、ランダムバックオフを行うことができる。

リーフノードが複数のネットワークを検出した場合、参加するネットワークを１つ選択することができる。

発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、発明の精神及び範囲内で様々な他の適応及び変更を行ってもよいことが理解される。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、発明の真の精神及び範囲に入る変形及び変更をすべて網羅することである。

Claims (6)

1. スタートポロジを有する無線ネットワークであって、
   最初に起動し、リーフノードとともにネットワークを形成するように構成される第１の中央ノードと、
   前記第１の中央ノード及び前記ネットワークにリンクを介して同期するように構成される第２の中央ノードであって、１つのスーパーフレームの持続期間毎に前記第１の中央ノード及び前記第２の中央ノードの間でアクティブ中央ノードを交代で切り替えるように、常に前記第１又は第２の中央ノードの一方のみが前記アクティブ中央ノードとして動作する、第２の中央ノードと、
   前記アクティブ中央ノードと通信するように構成される前記リーフノードのセットと
   を備え、
   前記第１の中央ノード及び前記第２の中央ノードは、リーフノード送信電力を独立して制御し、前記リーフノードのセットは、２つの独立した送信電力利得値を保持し、各送信電力利得値は、スーパーフレームにおける前記アクティブ中央ノードに応じて送信電力を制御するために用いられる、
   スタートポロジを有する無線ネットワーク。
2. 前記第１及び第２の中央ノードは基地局であり、前記リーフノードは移動局である
   請求項１記載のネットワーク。
3. 各前記リーフノードは、２つの独立した受信機利得制御ループを保持し、
   スーパーフレームＡの開始時に、第１の自動利得制御ループがアクティブになり、第１の受信機利得が各前記リーフノードによって生成された値によって制御されるとともに、第２の自動利得制御ループは非アクティブになり、第２の受信機利得は前記スーパーフレームＡの期間中維持され、
   スーパーフレームＢの開始時に、前記第２の自動利得制御ループがアクティブになって前記第２の受信機利得を調整するとともに、前記第１の自動利得制御ループが非アクティブになって、前記スーパーフレームＢの期間中、前記第１の受信機利得が維持される
   請求項１記載のネットワーク。
4. ２つの中央ノードが共通のネットワークを管理し、前記第１の中央ノードがネットワーク形成を開始し、前記第２の中央ノードが前記第１の中央ノードに同期してから、前記第１の中央ノードと共にネットワーク管理を行い、前記２つの中央ノードは同一のリーフノード情報を有し、前記リーフノードはネットワーク参加要求をいずれかの中央ノードに送信し、いずれかの中央ノードが要求元のリーフノードに参加応答を送信する
   請求項１記載のネットワーク。
5. スタートポロジを有する無線ネットワークを動作させる方法であって、
   第１の中央ノードが最初に起動し、リーフノードとともにネットワークを形成するステップと、
   第２の中央ノードを前記第１の中央ノード及び前記ネットワークとリンクを介して同期させるステップであって、１つのスーパーフレームの持続期間毎に前記第１の中央ノード及び前記第２の中央ノードの間でアクティブ中央ノードを交代で切り替えるように、常に中央ノードのいずれか一方のみが前記アクティブ中央ノードとして動作する、同期させるステップと、
   前記リーフノードのセットが前記アクティブ中央ノードのみと通信するステップと
   を含み、
   前記第１の中央ノード及び前記第２の中央ノードは、リーフノード送信電力を独立して制御し、前記リーフノードのセットは、２つの独立した送信電力利得値を保持し、各送信電力利得値は、スーパーフレームにおける前記アクティブ中央ノードに応じて送信電力を制御するために用いられる、
   スタートポロジを有する無線ネットワークを動作させる方法。
6. スタートポロジを有する無線ネットワークであって、
   最初に起動し、リーフノードとともにネットワークを形成するように構成される第１の中央ノードと、
   前記第１の中央ノード及び前記ネットワークノードにリンクを介して同期するように構成される第２の中央ノードであって、常に前記第１又は第２の中央ノードの一方のみがアクティブ中央ノードとして動作する、第２の中央ノードと、
   前記アクティブ中央ノードと通信するように構成される前記リーフノードのセットと
   を備え、
   各前記リーフノードは、２つの独立した受信機利得制御ループを保持し、
   スーパーフレームＡの開始時に、第１の自動利得制御ループがアクティブになり、第１の受信機利得が各前記リーフノードによって生成された値によって制御されるとともに、第２の自動利得制御ループは非アクティブになり、第２の受信機利得は、前記スーパーフレームＡの期間中維持され、
   スーパーフレームＢの開始時に、前記第２の自動利得制御ループがアクティブになって前記第２の受信機利得を調整するとともに、前記第１の自動利得制御ループが非アクティブになって、前記スーパーフレームＢの期間中、前記第１の受信機利得が維持される、
   スタートポロジを有する無線ネットワーク。

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