JP5508292B2 - 無線マルチホップ・メッシュ・ネットワークにおけるアソシエーション、ルーティング、およびレート割当ての統合 - Google Patents

Description

本発明は、無線の自治体メッシュ・ネットワークに関し、具体的には、公平な手法でのアソシエーション、ルーティング、およびレート割当ての統合を提供する方法および装置に関する。

マルチホップ無線ネットワークにおいては、ネットワークのパフォーマンスに対して干渉が大きな影響を与えることが判明している。従来技術の或る研究では、干渉がオール・オア・ナッシング（全か無か）の現象であることを想定したプロトコル・モデルと、干渉のある伝送のＳＮ比に対する影響を考慮した物理的なモデルとを使用した、干渉の２つのモデルの下で、無線ネットワークのスループットが調査されている。従来技術の別の研究では、マルチホップ無線ネットワークのパフォーマンスに対する干渉の影響を考慮している。この研究では、無線干渉の影響をモデル化するコンフリクト・グラフを使用し、所与のネットワークおよび作業負荷についての最適なスループットの上限および下限を算出する方法を提供している。

無線メッシュ・ネットワークにおいては、スループットに加え、公平性（ｆａｉｒｎｅｓｓ）が重要である。公平性は、無線ネットワークにおいて、広範囲に研究されている。別の従来技術の検討は、無線バックホール・ネットワークのための現行のＩＥＥＥ８０２．１１媒体アクセス・プロトコルの使用により深刻な不公平が生じ、ゲートウエイの遠方のフローでは、スターベイションさえ生じていることを示している。従って、研究者は、メッシュ・アクセス・ポイント（ＭＡＰ：ｍｅｓｈ ａｃｃｅｓｓ ｐｏｉｎｔ）総計の精度で公平性を得るために、分散型のレイヤー２公平性アルゴリズム（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｌａｙｅｒ ２ ｆａｉｒｎｅｓｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を開発した。別の研究においては、研究者は、無線ネットワークにおけるユーザ効用を総計で最大にするスケジューリング・スキームを提案し、ｍａｘ‐ｍｉｎの公平性（ｍａｘ‐ｍｉｎ ｆａｉｒｎｅｓｓ）は、特定の効用関数を使用した特定の場合に達成できると指摘している。ｍａｘ‐ｍｉｎの公平な帯域幅の割当てについての解決法を得るために、他の研究者は、幾つかの仮定が簡略化されたネットワーク・モデルを使用し、例えば、ノードを共有しないリンクは、チャネル・アクセスに対してコンテンションを発生させないものと仮定している。さらに、シングルホップ・フローのみを考慮している。他の従来技術は、任意のリンク・コンテンション・グラフを研究しているが、やはりまた、シングルホップ・フローのみを考慮している。別の従来技術の研究では、研究者は、マルチホップ無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ）における公平な帯域幅の割当てに焦点を当てている。ツリー構造が決定されると、公平な帯域幅の割当てが、ポンプおよびドレーン（Ｐｕｍｐ‐ａｎｄ‐Ｄｒａｉｎ）処理を介して実行された。さらに、研究者は、スループットを向上させるために、ツリー構造を構築するアルゴリズムを設計している。しかしながら、従来技術の中には、無線メッシュ・ネットワークにおいて、アソシエーション、ルーティングおよび帯域幅／レート割当ての問題に統合的に対処するものは存在しない。

参加する各局に対して可能な限り最大の帯域幅を割当てると共に、同時に、公平な手法で（可能な限り均等に）帯域幅を割当てるために、アソシエーション、ルーティング、および帯域幅／レート割当ての問題に統合的に対処する方法および装置を有することが望ましい。

無線の自治体メッシュ（ｍｕｎｉ‐ｍｅｓｈ）ネットワークにおいては、クライアント局（ＳＴＡ）がメッシュ・アクセス・ポイント（ＭＡＰ）に関連付けられるようにするアソシエーション機構と中継バックホールの論理トポロジーを決定するルーティング・アルゴリズムは、メッシュ・アクセス・ポイントおよびクライアント装置を２段の通信構造にまとめている。本明細書中で使用する「／（スラッシュ）」は、同一または同様のコンポーネントまたは構造に対する代替的な名称を表す。即ち、「／」は、本明細書において、「または」の意味を有するものと理解できる。本発明では、無線の自治体メッシュ・ネットワークにおけるアソシエーション、ルーティングおよび帯域幅／レート割当ての統合の問題は、アソシエーションおよびバックホール・ルーティングによって決定される通信構造が、結果として割当てられるレートに影響を及ぼすという観察に基づいて調査され、その動機付けが行われている。無線干渉は、２段の自治体メッシュ・ネットワークに特有の成分を捉えるコンフリクト・グラフを使用してモデル化される。最適化の目的は、ネットワークのスループットを最大にするとともに、公平性を向上させることである。まず、スループットを最大にする目的で、線形計画法（ＬＰ：Ｌｉｎｅａｒ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ）の問題が定式化される。しかしながら、スループットを単純に最大にすると、各ＳＴＡに割当てられるレートに深刻な偏りが生ずることがある。スループットと公平性との間で良好なトレードオフを得るために、ｍａｘ‐ｍｉｎの公平性のモデルが考慮される。厳密な定式を提供することにより、ネットワークのスループットが最大となる一方で、ｍａｘ‐ｍｉｎのレート割当てが保証される。本明細書において、複数のＭＡＰのアソシエーションおよびマルチパス・バックホール・ルーティングを可能とする場合のために、アソシエーション、ルーティング、およびレート割当ての統合のための最適なアルゴリズムが開発される。さらに、インテグラル・アソシエーションおよびシングルパス・ルーティングの各制約が考慮される。インテグラル・アソシエーションおよびシングルパス・ルーティングが必要である場合には、問題の定式は、一般的に、ＮＰ困難な、混合整数非線形計画法に属する。このため、論理トポロジー構築の問題とレート割当ての問題とを切り離す方法について説明する。ヒューリスティックな方法が２段の論理通信トポロジーを構築するために使用され、次に、帯域幅が、決定された論理トポロジー内で各ＳＴＡに割当てられる。

無線の自治体メッシュ・ネットワークの出現は、ラストマイル・ブロードバンド・インターネット・アクセスのために有望な解決法としてのものである。フラットなアドホック・ネットワークとは異なり、図１に示すように、メッシュ・ネットワークは、階層型アーキテクチャを有する。上位レイヤー（中継レイヤーとも呼ばれる）は、メッシュ・アクセス・ポイント（ＭＡＰ）を含む。各ＭＡＰは、無線リンクを介して相互接続されてマルチホップ・バックホールを構成し、クライアント局（ＳＴＡ）がネットワークにアクセスしてデータを転送できるようにする。ＭＡＰのうちの幾つかは、有線のインターネット・バックボーンに接続する。これらのＭＡＰは、ゲートウエイと呼ばれる。各クライアントのノード／ＳＴＡ（例えば、ラップトップ、コンピュータ、プロセッサ、モバイル端末、携帯情報端末（ＰＤＡ：ｐｅｒｓｏｎａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、デュアルモード・スマートフォンなど）は、下位のレイヤー（アクセス・レイヤーとも呼ばれる）を構成する。各ＳＴＡは、近隣のＭＡＰとのアソシエーションを行い、ネットワークにアクセスする。ＳＴＡは、パケット中継およびルーティングの処理には参加しない。即ち、ＳＴＡは、ＭＡＰの背後にあるバックホール・トポロジーを把握していない。ＳＴＡは、シングル・ホップ無線ＬＡＮの場合と同様に、アソシエーションを行っているＭＡＰにパケットを単純に送信する（または、アソシエーションを行っているＭＡＰからパケットを単純に受信する）だけである。一般的に、中継レイヤーおよびアクセス・レイヤーは、干渉を回避するために、直交チャネル上で動作する。

無線の自治体メッシュ・ネットワークにおけるデータ・トラフィックの大部分は、ＭＡＰおよびゲートウエイを介した各ＳＴＡとインターネットとの間のデータ・トラフィックであると予想される。このようなトラフィックは、アクセス・リンク（アクセス・レイヤー）およびマルチホップ・バックホール・パス（中継レイヤー）を介して、帯域幅が制限された無線チャネル上で効率的に伝送される必要がある。さらに、インターネット・アクセスを得るために、各ユーザは、一般に、同一の固定料金を支払っているので、制限された帯域幅を全てのＳＴＡに公平に割当てること、即ち、ＳＴＡがメッシュ・ネットワークに対して送受信することのできるトラフィック量を制御することが重要である。

本発明においては、ネットワークのスループットを最大にし、公平性を向上させる目的で、アソシエーション、ルーティングおよび帯域幅／レート割当ての統合の問題が研究されている。無線媒体は共有されるものであるため、共通の近隣の範囲で行われる伝送は、互いに干渉を生じさせる。従って、有線ネットワークの場合とは全く異なるレート割当ての問題が発生する。無線の自治体メッシュ・ネットワークにおいては、ノード（ＳＴＡおよびＭＡＰ）のどのペアの間にも、これらが、互いに直接の伝送範囲に存在すれば、リンクが存在する。ここで、ノードは、ＳＴＡおよびＭＡＰのいずれかを含む。しかしながら、実際に使用され、データ／トラフィックを搬送するＳＴＡ−ＭＡＰおよびＭＡＰ−ＭＡＰのリンクのセットを決定するのは、アソシエーションおよびバックホール・ルーティングである。結果として、全てのノード（ＳＴＡおよびＭＡＰ）が通信のために論理トポロジー内にまとめられる。相異なる論理トポロジーは、相異なるリンクのセットから構成され、相異なる干渉パターンを有するため、特定の論理トポロジーは、所与のレート割当てポリシーの下でＳＴＡに割当てることのできる帯域幅の量を決定する。各ＳＴＡに対して割当てられる合計のレート／帯域幅が可能な限り大きいこと、さらに、公平性の観点から、各ＳＴＡに対して割当てられるレート／帯域幅が可能な限り均一であることが望ましい。

ネットワーク情報を収集し、この収集されたネットワーク情報に基づいてアソシエーション、帯域幅割当ておよびルーティング・スキームを決定し、メッシュ・アクセス・ポイントにアソシエーション、帯域幅割当ておよびルーティング・スキームを通知し、クライアント・ノードにこのクライアント・ノードのアソシエーション情報を通知する方法および装置について記載する。また、リンク品質およびチャネル状態を測定し、測定の結果をコントローラに報告し、コントローラからルーティング決定およびデータ転送命令を受信し、ルーティング決定およびデータ転送命令をクライアント・ノードに転送する方法および装置について記載する。さらに、リンク品質およびチャネル状態を測定し、測定の結果をコントローラに報告し、集中型のコントラーラからアソシエーション命令を受信し、受信したアソシエーション命令に基づいて既に記憶されたアソシエーション命令を更新する方法および装置について記載する。

本発明は、以下の詳細な説明を添付図面と併せて読むことによって最良に理解できるであろう。各図面は、以下に簡単に説明する図を含む。各図面における同様の参照符号は、同様の構成要素を表す。

本発明に係るネットワークの概略図である。 ３ＭＡＰネットワークの概略図である。 図２Ａの３ＭＡＰネットワークの接続グラフある。 図２Ｂの接続グラフのコンフリクト・グラフである。 メッシュ・ネットワークが集中型のコントローラを有し、メッシュ・ネットワークが集中型のＭＡＣプロトコルを使用するゲートウエイにおける本発明の方法の例示的な実施の形態のフローチャートである。 システムが集中型のコントローラを有し、集中型のＭＡＣプロトコルを使用するＭＡＰのための本発明の方法の例示的な実施の形態のフローチャートである。 システムが集中型のコントローラを有し、集中型のＭＡＣプロトコルを使用するＳＴＡのための本発明の方法の例示的な実施の形態のフローチャートである。 分散型のＭＡＣプロトコルを使用する集中型のコントローラのための本発明の方法の例示的な実施の形態のフローチャートである。 システムが集中型のコントローラを有し、分散型のＭＡＣプロトコルを使用するＳＴＡのための本発明の方法の例示的な実施の形態のフローチャートである。 システムが集中型のコントローラを有し、分散型のＭＡＣプロトコルを使用するＭＡＰのための本発明の方法の例示的な実施の形態のフローチャートである。 本発明の原理に係るゲートウエイの例示的な実施の形態のブロック図である。 本発明の原理に係るＭＡＰの例示的な実施の形態のブロック図である。 本発明の原理に係るＳＴＡの例示的な実施の形態のブロック図である。

図１を参照すると、本発明において考慮されるネットワーク・システムが例示されている。ネットワーク・システムは、３つの構成要素、即ち、中継ノード（ＲＮ：ｒｅｌａｙ ｎｏｄｅ）１０５（例えば、ＭＡＰ）と、クライアントＳＴＡ（エンド装置）１１０と、ゲートウエイ１１５（ベース局）とを含む。中継ノードは、複数の物理的な無線インターフェースを有するものでもよいし、複数の論理インターフェースに分割される単一の物理的な無線インターフェースを有するものでもよい。１つ以上の物理的または論理的な無線インターフェースは、アクセス・インターフェースである。他のインターフェースは、中継インターフェースである。アクセス・インターフェースは、エンド・ユーザ／クライアント・ノード／ＳＴＡが、１つ以上のＭＡＰ／ＲＮとアソシエーションを行ってネットワークにアクセスするために使用され、中継インターフェースは、中継ノード間のパケット転送のためのバックボーンとなるマルチホップ無線ネットワークを構築するために使用される。１つ以上の中継ノードは、有線インターネット・バックホール・インターフェース１２５を介して有線のインフラストラクチャ１２０に接続し、インターネット・ゲートウエイまたはベース局として機能する。クライアント／エンド装置／ＳＴＡ１１０は、パケットの中継またはルーティング処理には参加せず、ネットワークに対するアクセスを得るために１つ以上のＭＡＰ／ＲＮとのアソシエーションを行う必要はない。各ＳＴＡ１１０は、単に、各々とアソシエーションを行っているＭＡＰ１０５にパケットを送信するか、または、ＭＡＰ１０５からパケットを受信するのみである。送信元から送信先への残りのパケット伝送は、ルーティング・プロトコルを使用して中継ノード１０５によって実行される。本発明のシステム・モデルにおいては、全ての無線インターフェースは、半二重である。即ち、各インターフェースは、一度に送信および受信のいずれかしか行えない。

インフラストラクチャ・マルチホップ・ネットワークにおけるトラフィックの大部分は、有線ネットワークまたはインターネットとの間のトラフィックであると予想される。本発明においては、ベース局を介したクライアント／ＳＴＡと外部の有線インターネットとの通信のパフォーマンスを向上させることに焦点が置かれる。バックホールの接続性を確保するために、全てのＭＡＰの中継インターフェースが共通のチャネルにチューニングされる。各ＭＡＰは、２つのインターフェースをサポートする。ＭＡＰのアクセス・インターフェースは、ＭＡＰとアソシエーションを行っているＳＴＡにネットワーク・アクセスを提供し、ＭＡＰの中継インターフェースは、バックホールを介して、ゲートウエイとＭＡＰとアソシエーションを行っているＳＴＡとの間のバックホール中継データ／トラフィックの構築、通信を行うために使用される。なお、コンフリクト・グラフを修正して、本発明をマルチ無線マルチチャネル・ネットワークに一般化することができる。アクセス・レイヤーにおいて、重なり合ったセルをチューニングして直交チャネル上で動作させ、セル間干渉を回避する。中継インターフェースおよびアクセス・インターフェースもまた、アクセス・レイヤーおよび中継レイヤーでの通信が互いに干渉しないように、直交チャネルで動作する。クライアント装置／ＳＴＡは、アクセスのための１つの単一のインターフェースをサポートするのみでよい。このインターフェースのために動作するチャネルは、ＳＴＡとアソシエーションが行っているＭＡＰによって決定される。各ノードが同一の固定伝送パワーで伝送を行うもの、即ち、固定の伝送範囲Ｔ_ｒと、各ノードに関連する固定干渉範囲Ｉ_ｒが存在するものと仮定する。ネットワークにおいては、各ＳＴＡのみがデータ／トラフィックを生成する。各ＭＡＰは、各ＳＴＡとゲートウエイとの間のパケットを中継する。

Ｍ個のＭＡＰおよびＮ個のＳＴＡを有するメッシュ・ネットワークでは、接続グラフＧ（Ｖ^＋，Ｅ）は、以下のように作成される。ここで、Ｖ^＋＝Ｖ_ａ＋Ｖ_ｓである。各頂点ａ∈Ｖ_ａは、ネットワークにおけるＭＡＰに対応する。エッジｅ＝（ａ_１，ａ_２）∈Ｅは、ｄ（ａ_１，ａ_２）≦Ｔ_ｒであれば、ａ_１∈Ｖ_ａとａ_２∈Ｖ_ａとの間の無線リンクに対応する。ここで、ｄは、ａ_１とａ_２との間のユークリッド距離である。各頂点ｕ∈Ｖ_ｓは、ＳＴＡである。ｄ（ｕ，ｖ）≦Ｔ_ｒであればｕとｖとの間にエッジが存在し、ｖ∈Ｖ_ａは、ＭＡＰである。エッジ（ｕ，ｖ）は、ＳＴＡ ｕとＭＡＰ ｖとの間の無線リンクに対応する。第２の条件は、ＳＴＡが各ＭＡＰのみと通信することを意味する。２つのＳＴＡ間の直接通信は許されていない。即ち、各ＳＴＡは、互いの間でピア・ツー・ピア・ネットワークを形成しない。

以下、無線伝送を成功させるための条件を定義するプロトコル・モデルを使用し、コンフリクト・グラフを使用して干渉をモデル化する。プロトコル・モデルにおいて、以下の条件の全てが満たされると、ノードｉとノードｊとの間の伝送が成功する。
１．ノードｉおよびノードｊが同一のチャネル上で通信する。
２．ｄ（ｉ，ｊ）≦Ｔ_ｒ である。ここで、ｄ（ｉ，ｊ）はｉとｊとの間の距離である。
３．伝送の間、ｄ（ｋ，ｉ）≦Ｉ_ｒまたはｄ（ｋ，ｊ）≦Ｉ_ｒとなるいずれのノードｋも動作しないままである。

第３の条件は、送信者と受信者の双方が干渉を受けないことを意味する。受信者の受信確認通知の受信に成功するために、送信者は、干渉を受けるべきではない。各ノードは、同一の固定パワーで伝送を行い、無線は、本質的に、通信チャネルが干渉範囲内の近接する複数のノードによって共有されるブロードキャスト媒体であるため、ノードｉの干渉エリアは、ｉを中心とする半径Ｉ_ｒのディスクＤ_ｉであると仮定することができる。混乱を招くことなく、Ｄ_ｉはまた、ディスクＤ_ｉの範囲内でｉと同一のチャネル上にある各ノードのセットを表すために使用することができる。即ち、Ｄ_ｉは、ノードｉに対する各干渉ノードのセットを表すために使用されている。この定義を使用することにより、リンクｅ＝（ｉ，ｊ）に干渉するリンク／エッジのセットを以下のように記述することができる。
Ｉｅ＝｛（ｕ，ｖ）｜ｕ∈Ｄ_ｉまたはｕ∈Ｄ_ｊ、またはｖ∈Ｄ_ｉ、またはｖ∈Ｄ_ｊ｝

問題の定式に無線干渉を盛り込むために、コンフリクト・グラフＧ´（Ｖ´，Ｅ´）が定義され、このグラフにおける各頂点は、接続グラフＧの各リンクに対応する。Ｇにおいて各リンクｅ_１およびｅ_２が互いに干渉する、即ち、同時にアクティブになることができない場合には、頂点ｅ_１＝（ｘ，ｙ）とｅ_２＝（ｕ，ｖ）との間のＧ´（Ｖ´，Ｅ´）内にエッジが存在する。プロトコル・モデルに基づいて、（ｕ，ｖ）がＩ_ｘｙまたはＩ_ｅ１の範囲に含まれる場合には、エッジが描かれる。バックホール中継レイヤーにおいては、これは、共通のエンドポイントを有するリンク（ｘ，ｙ）および（ｕ，ｖ）のためにコンフリクトが発生する場合を包含する（各中継インターフェースは、同一のチャネル上で動作するため、エンドポイントを共有する２つのリンクは、互いに対して干渉を及ぼすセットに存在する）。しかしながら、アクセス・レイヤーの場合は異なる。各ＳＴＡは、１つのアクセス・インターフェースのみをサポートする。インターフェースの動作チャネルは、予め設定（コンフィグレーション）されたものではない。代わりに、インターフェースの動作チャネルは、アソシエーションを行っているＭＡＰの動作チャネルのうちの１つに動的にチューニングされる。問題の定式化において、動的なフラクショナル・アソシエーション（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）が許されている、即ち、ＳＴＡは、１つ以上のＭＡＰとアソシエーションを行うことができ、これは、ＳＴＡは、１つの無線のみを有するため、時分割方式で複数のチャネル上で動作する必要があることを示唆している。潜在的には、ＳＴＡは、その範囲Ｔ_ｒ内の全てのＭＡＰとアソシエーションを行うことができ、接続グラフＧにおいてＳＴＡとこのようなＭＡＰの各々との間には、リンクが存在する。上述したコンフリクト・グラフの構成に基づけば、Ｇ´内のこれらのリンクは、直交チャネル上で動作するため、リンクのどの対の間にもエッジは存在しないであろう。しかしながら、各ＳＴＡが単一の無線を有するため、これらのリンクは、同時にアクティブとなることはない。即ち、ＳＴＡは、１つのチャネル上でのみ動作し、一度に１つのＭＡＰに対してのみ伝送を行う。従って、ＳＴＡ−ＭＡＰのリンクの干渉のセットは、明確に、所与のリンクと同じ無線を共有し、結果として、コンフリクト・グラフＧ´におけるこのようなリンクのどの対の間にもエッジが描かれる。コンフリクト・グラフを使用して、リンクｅ（ｘ，ｙ）に干渉するリンクのセットを別の方法によって表すことができる。
Ｉ_ｅ＝｛ｅ’｜（ｅ，ｅ´）∈ Ｅ´｝

図２Ａは、３ＭＡＰネットワークにおける接続グラフとコンフリクト・グラフの構成を示しており、ここで、ＭＡＰ Ａはゲートウエイ２０５である。ＭＡＰ Ｂ２１０およびＭＡＰ Ｃ２１０は、Ａへのリンクを有するが、互いの範囲からは外れている。３つのＭＡＰは、バックホール内のチャネルｃｈ１上で動作する。ＳＴＡ Ｓ２１５は、アクセス・インターフェースが直交チャネルｃｈ２およびｃｈ３上で動作するＢおよびＣの両方とアソシエーションを行う可能性がある。図２Ｂは、図２Ａと本質的に同一のグラフであるが、各要素は全てポイントとして示されている。即ち、ゲートウエイ２０５、ＭＡＰ Ｂ２１０、ＭＡＰ Ｃ２１０、およびＳＴＡ Ｓ２１５は、全て、円によって示されている。図２Ａは、３ＭＡＰネットワークの概略図であり、図２Ｂは、同じ３ＭＡＰネットワークの接続グラフである。図２Ｃは、コンフリクト・グラフである。ＳＴＡ Ｓは、ＭＡＰ Ｂおよび ＭＡＰ Ｃに接続することができるものの、無線インターフェースを１つしか持っていないため、一度にＭＡＰ ＢおよびＭＡＰ Ｃのいずれかとしか通信できない。ＳＴＡ Ｓは、１つの無線のみしか持っていないので、ＢＳリンクおよびＣＳグラフは、コンフリクト・グラフ上に存在する。ゲートウエイ２０５は、ＭＡＰ ＢおよびＭＡＰ Ｃのいずれか、または、両方と通信することができる。しかしながら、ＡＢリンクとＡＣリンクは、共通のエンドポイントを持っているため、コンフリクトが存在する。

次に、アソシエーション、ルーティング、およびレートの割当てを連係させる際の問題を数学的に定式化することについて記載する。ネットワーク内にＭ個のＭＡＰおよびＮ個のＳＴＡが存在すると仮定する。パフォーマンスの上限に達するように、まず、フラクショナル・アソシエーションおよびマルチパス・ルーティングが割当てられる。即ち、ＳＴＡは、複数のＭＡＰとアソシエーションを行うことができ、バックホールにおいて、トラフィックのフローは、複数のパスを介してゲートウエイにルーティングすることができる。ＳＴＡのレート割当てベクトルは、ｒ＝｛ｒ_ｉｊ｜ｉ∈Ｖ_ｓ，ｊ∈Ｖ_ａ｝によって示される。ここで、ｒ_ｉｊは、ＭＡＰ ｊとのアソシエーションのためにＳＴＡ ｉに割当てられるレートである。ＳＴＡ ｉに割当てられる合計のレートは、従って、

であり、ネットワークのスループットは、

である。ｒ_ｉの合計レートがＳＴＡに割当てられると、ＳＴＡは、ｒ_ｉの合計レートでゲートウエイを介して有線ネットワークと通信することができる。Ｍ要素ベクトルｆ＝〔ｆ_１，ｆ_２，…ｆ_Ｍ〕は、各ＭＡＰでのトラフィック量を表し、ｆ_ｊは、ｊとのアソシエーションを行っている各ＳＴＡの分を集めた合計トラフィックを表す。マルチパス・ルーティングの下で、ｆ_ｊは、複数のパスに分配され、ゲートウエイへの異なるリンクのセットを交差することがある。Ｒ_ｊ，ｅは、ｆ_ｊに属するフローを伝送するために、リンクｅに対して割当てられる帯域幅の量を示すために使用される。リンクｅ＝（ｕ，ｖ）∈Ｅの容量は、Ｃ_ｕｖまたはＣ_ｅを用いて表される。

まず、スループットを最大限にするアソシエーション、ルーティングおよびレート割当てを決定するＬＰ定式を提供する。以下、ｈ（ｅ）およびｔ（ｅ）は、それぞれ、リンクｅのヘッド（送信者）およびテール（受信者）を表すために使用されている。“ｇｗ”は、ゲートウエイを表すために使用されている。ＬＰ問題は、最大スループットのレート割当て（ＭＴＲＡ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ Ｒａｔｅ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ）の問題と呼ばれる。

以下の制約を受ける。

ｒ≧０， Ｒ≧０， ｆ≧０ （１０）

不等式（２）および（３）において、Ｒ_ｉｊ／Ｃ_ｉｊは、自己のトラフィックをＭＡＰ ｊに送信するＳＴＡ ｉの時間の分数である。（２）は、ＳＴＡ上の無線の制約を表し（ＳＴＡは、時分割の方法で、複数のアソシエーションを行っているＭＡＰに送信する）、ＳＴＡ ｉに割当てられた合計のレートは、ＳＴＡ ｉが実際に有する送信時間よりも長い時間を必要とするべきではないことを示す。不等式（３）は、アソシエーションを行っているＳＴＡによってＭＡＰ ｊに対して課せられる合計トラフィックが、ＭＡＰ ｊの有する受信時間よりも長い時間を必要とするべきではないことを意味している。等式および不等式（４）〜（８）は、流量保存則を表している。不等式（４）は、ＭＡＰのトラフィックがアソシエーションを行っているＳＴＡからのトラフィックの合計であることを記載している。等式（５）は、ＭＡＰ ｊのトラフィックが各流出リンクに分配されることを意味しているが、これらのリンク上でのレートの合計は、ｆ_ｊと等しい。等式（６）は、バックホールにおいて、ｊがゲートウエイに対するソースなので、ＭＡＰ ｊへの流入リンク上でｆ_ｊに属するフローが存在しないことを示す。等式（７）は、ゲートウエイがシンクなので、ゲートウエイの流出リンク上のｆ_ｊに属するフローが存在しないことを示している。等式（８）は、バックホールにおけるゲートウエイに対するソースおよびゲートウエイを除き、どのＭＡＰにも、流入する量と流出する量とが等しいことを表している。不等式（９）は、無線干渉を考慮した実行可能性の条件を表し、干渉のセットにおけるリンクの合計使用率が１を超えるべきでないことを示している。等式（１）の目的は、ネットワークのスループットを最大にすることである。

以下に、ネットワークのスループットを最大にする目的を有する割当ては、各ＳＴＡ間で深刻な偏りを生じさせることがある、即ち、ＳＴＡの中には、極めて高いレートを割当てられるものもあるが、ほとんどレートを割当てられないものもあることを示す。無線の自治体メッシュ・ネットワークにおいては、ユーザは、一般的に、インターネット・アクセス・サービスを得るために同一の固定料金を支払っているため、各ＳＴＡ間で公平にリソースを割当てることが重要である。次に、公平性の問題は、ｍａｘ‐ｍｉｎの公平性モデルに基づいて取り扱われる。ＳＴＡに割当てられる最小のレートを最大にし、ｍａｘ‐ｍｉｎのレートが保証されたスループットを最大にするＬＰ定式を提供する。この問題は、ｍａｘ‐ｍｉｎのレート割当て（ＭＭＲＡ：Ｍａｘ‐Ｍｉｎ Ｒａｔｅ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ）の問題と呼ばれ、２つのステップで定式化される。
ステップ１：
ｒ^＊＝ｍａｘ ｒ_ｍｉｎ （１１）
制約（２）〜（９）、さらに、以下の制約（１２），（１３）を受ける。

ｒ≧０， Ｒ≧０， ｆ≧０，ｒ_ｍｉｎ≧０ （１３）
ステップ２：

制約（２）〜（９）、さらに、以下の制約（１５）を受ける。

ｒ≧０， Ｒ≧０， ｆ≧０

ステップ１において、ＳＴＡに割当てられる最小のレート（ｒ_ｍｉｎ）が最大にされる。ＳＴＡは、複数のＭＡＰとアソシエーションを行うことができるため、ＳＴＡ、例えば、ＳＴＡ ｉに割当てられる合計のレートは、

となる。ここで、ｊは、ＳＴＡ ｉとのアソシエーションを行っているＭＡＰである。初めの８つの条件、等式および不等式（２）〜（９）は、最大スループットのレート割当ての問題のものと同じである。不等式（１２）は、どのＳＴＡに割当てられるＳＴＡのレートも、ｒ_ｍｉｎ以上であるべきことを記載している。このＬＰ問題を解くことにより、他のどのレート割当てベクトル｛ｒ´_ｉｊ｝についても、割当てられる最小のレートは、ｍｉｎ｛ｒ´_ｉ｝≦ｒ^＊となる。ステップ１からの結果として得られるレート割当ては、ｍａｘ‐ｍｉｎのレート割当て値が確保されるが、ネットワーク・リソースを効率的に使用できないことがある。

ステップ２において、ネットワーク・スループットが最大にされる一方で、少なくともｒ^＊のレートが確実に各ＳＴＡに割当てられるようにする。従って、ステップ１を解いてｒ^＊を得て、ステップ２を解くことにより、最大のスループットが得られると共に、ｍａｘ‐ｍｉｎの公平性が確保される。

これまでのところ、フラクショナル・アソシエーション（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）およびマルチパス・ルーティングが考慮されている。フラクショナル・アソシエーションおよびマルチパス・ルーティングにおいては、ＳＴＡは、複数のＭＡＰとのアソシエーションを行うことができ、ソースからのトラフィックは、複数のパスを介してゲートウエイにルーティングされる。多くの既存のアソシエーション方式は、ＳＴＡが１つのＭＡＰのみとアソシエーションを行うインテグラル・アソシエーションに限られる。多くの現行のルーティング・プロトコルは、シングルパス・ルーティングに制約される。従って、インテグラル・アソシエーションおよびシングルパス・ルーティングのパフォーマンス限界を得るのに有用である。インテグラル・アソシエーションおよびシングルパス・ルーティングの導入による方法は、ａ_ｉｊ∈｛０，１｝およびｕ_ｊ，e∈｛０，１｝である、０〜１の変数の２セットを追加することによるものであり、ここで、ａ_ｉｊは、ＳＴＡ ｉがＭＡＰ ｊとのアソシエーションを行うかどうかを示し、ｕ_ｊ，ｅは、リンクｅがｆ_ｊに属するフローによって使用されるかどうかを示す。上述した問題の定式は、ｒ_ｉｊをａ_ｉｊｒ_ｉｊに置き換え、Ｒ_ｊ，ｅをｕ_ｊ，ｅＲ_ｊ，ｅに置き換え、以下の２つの条件を追加することによって、インテグラル・アソシエーションおよびシングルパス・ルーティングのために拡張することができる。
１．各ＳＴＡ ｉで、

である。ここで、ａ_ｉｊ∈｛０，１｝である。
２．任意のｆ_ｊ、任意のＭＡＰにおいて、

である。ここで、ｕ_ｊ，ｅ∈｛０，１｝である。

最初の条件は、ＳＴＡが１つのＭＡＰのみとアソシエーションを行うことができることを記載している。第２の条件の基本的な考え方は、シングルパス・ルーティングにおいて、任意のＭＡＰ ａにおいても、多くても１個のフローｊを有する流出リンクが存在することにある。この問題定式化は、混合整数非線形計画法に属する。理論的には、このような問題を解くことは、ＮＰ困難である。

インテグラル・アソシエーションおよびシングルパス・ルーティングの下でＮＰ困難な問題を解くことを回避するために、アソシエーション、ルーティングおよびレート割当ての問題を切り離す方法について記載する。通信のためのこの論理的なトポロジーを構築するために、ヒューリスティックなアソシエーションおよびルーティング・アルゴリズムが提供され、さらに、この論理トポロジーの中でレート割当てを実行する。このスキームは、実用的ではあるが、次善の解決法である。

ＩＥＥＥ８０２．１１ｓにおいて特定された通信時間のコストは、ルーティングのメトリック（尺度）として使用される。通信時間のコストは、特定のリンクを介してフレームを伝送するのに消費されるチャネル・リソースの量を反映する。リンクの通信時間のコストは、以下のように計算される。

ここで、Ｏは、フレームヘッダ、トレーニング・シーケンス、アクセス・プロトコル負荷を含むチャネル・アクセス・オーバーヘッドであり、Ｓは、標準的なテスト・フレームの長さである。これらの制約についてのＩＥＥＥ８０２．１１ｂネットワークにおける幾つかの代表値は、Ｏ＝６９９μ秒およびＳ＝１０２４バイトである。ｒおよびＥは、それぞれ、現行のチャネル条件の下でテスト・フレーム・サイズＳの場合のリンク・レートおよびフレーム・エラーレートである。これらの値は、ローカルに推定することができる。パスのコストは、パス上の各リンクの通信時間コストの合計である。

バックホールにおいて使用されるルーティング・プロトコルは、ＩＥＥＥ８０２．１１ｓ規格で規定されたハイブリッド無線メッシュ・プロトコル（ＨＷＭＰ：Ｈｙｂｒｉｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｍｅｓｈ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）である。ＨＷＭＰは、プロアクティブ・ルーティング・モードおよびオンデマンド・ルーティング・モードを規定している。プロアクティブ・モードは、ゲートウエイなどの特定の重要なメッシュ・ノードとの通信のためのルートをプロアクティブに確立できるようにする。プロアクティブ・ルーティングを用いれば、ルート発見遅延や余分なデータ・バッファリング無しにＭＡＰおよびゲートの間のデータ転送が直ちに開始する。オンデマンド・ルーティング・モードは、拡張アドホック・オンデマンド距離ベクトル（ＡＯＤＶ：Ａｄ Ｈｏｃ Ｏｎ Ｄｅｍａｎｄ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ）プロトコル〔ＩＥＦＴ ＲＦＣ ３５６１〕に基づいており、どのメッシュ・ノードも、ルート要求／ルート返答処理を通じてオンデマンド・ルートの発見を開始することができる。オンデマンド・モードは、ＭＡＰとＭＡＰとの間のピア・ツー・ピア通信のためのものである。ここでは、各ＭＡＰとゲートウエイ間の通信のためのプロアクティブ・ルーティングに焦点を置く。

プロアクティブ・ルーティング・モードにおいて、ゲートウエイは、パス・コスト・フィールドおよびシーケンス番号を含む経路アナウンスメント・メッセージをブロードキャストすることによって、周期的に自己の情報を他に知らせる。パス・コストの値は、ゲートウエイにおいてゼロに初期化され、経路アナウンスメント・メッセージの伝播の間に、中間の各ＭＡＰで更新される。シーケンス番号は、経路アナウンスメントがゲートウエイによって送信される度に増やされる。経路アナウンスメントが受信されると、ＭＡＰは、経路アナウンスメントが有するパス・コストに流入するリンクのコストを追加することによって、流入するパスのコストを更新する。受信メッセージ内のシーケンス番号が、この時点までに見られていたものよりも大きい場合、または、同じシーケンス番号であるが、パス・コストが現在の値よりも良好である場合には、ＭＡＰは、ゲートウエイへのパスを更新し、経路アナウンスメントを再度ブロードキャストする。バックホール内の全てのＭＡＰが経路アナウンスメント・メッセージを受信するまでこの処理が繰り返されるため、トポロジーは、ゲートウエイから離れるように構築される。このように、パスは、プロアクティブに構築され、各ＭＡＰとゲートウエイとの間で維持される。構築されたパスは、ゲートウエイをルートとするツリーを形成する。なお、バックホールにおいて他のルーティング・メトリックおよびルーティング・プロトコルを使用して各ＭＡＰとゲートウエイとの間のパスを構築してもよい。さらに、アナウンスメント・メッセージに応答するツリーの各ノードにより、逆順パスを構築してもよい。

先願（ＰＣＴ／ＵＳ２００７／００５５６５）において、エンド・トゥ・エンドのパフォーマンスを意識したアソシエーション・メカニズムが教示されている。ＪＳＥＬとよばれるアソシエーション・メトリックは、以下のように規定される。
ＪＳＥＬ＝βＱ_ａｌ＋（１−β）Ｃ_ｂｐ （１６）
ここで、Ｑ_ａｌは、ＳＴＡとＭＡＰとの間のアクセス・リンクの品質を反映したアクセス・リンクのメトリックである。ＭＡＰ ｊおよび参加しようとするＳＴＡ ｉについて、以下の式が与えられる。

ここで、Ａ（ｊ）は、ＭＡＰ ｊと現在アソシエーションを行っている各ＳＴＡのセットを表している。Ｓは、テスト・フレーム・サイズ（例えば、１０２４バイト）であり、ｒ_ｎは、ＳＴＡ ｎとＭＡＰ ｊとの間のリンク・データ・レートである。Ｅ_ｉは、ＳＴＡ ｉがデータ・レートｒ_ｉでサイズＳのフレームの各フレームを伝送する場合のＳＴＡ ｉとＭＡＰ ｊとの間のリンク上のパケット損失レートを表す。Ｃ_ｂｐは、ＭＡＰからゲートウエイへのバックホール・パスの累積的なコストである。これは、ＭＡＰビーコンおよびプローブ応答フレームにおいて搬送され、このような情報を各ＳＴＡが利用できるようにする。β∈［０，１］は、チューナブル・パラメータであり、等式（１６）においてアクセス・リンクの品質とバックホール・パスの品質とのバランスを取るために使用される。

アソシエーションおよびバックホール・ルーティングは、ネットワークにおける通信のための論理トポロジーを規定する、即ち、どのリンクがトラフィックを搬送するために実際に使用されるかを示す。次の問題は、論理通信トポロジー内でレート割当てを実施し、スループットを最大にすること、または、ｍａｘ‐ｍｉｎのレートが保証されたスループットを最大にすることである。２つの定式化された問題は、それぞれ、ＭＴＲＡサブオプティマル（ＭＴＲＡ‐Ｓｕｂｏｐｔｉｍａｌ）、ＭＭＲＡサブオプティマル（ＭＭＲＡ‐Ｓｕｂｏｐｔｉｍａｌ）として表される。

論理通信トポロジー、即ち、各ＳＴＡと各ＭＡＰとのアソシエーション、さらに各ＭＡＰとゲートウエイとの間のバックホール・パスが既知であれば、最適化の変数は、各ＳＴＡに割当てられるレートである。Ｎ要素ベクトルｒ＝［ｒ_１，ｒ_２，・・・ｒ_Ｎ］を使用して各ＳＴＡのためのレート割当てベクトルを表す。ここで、ｒ_ｉは、ＳＴＡ ｉに割当てられるレートを表す。Ａ（ｊ）は、ＭＡＰ ｊとアソシエーションを行っているＳＴＡのセットを表し、Ｐ（ｊ）は、ＭＡＰ ｊとゲートウエイとの間のバックホール・パスを表すために使用される。ｆ_ｊによって表されているＭＡＰ ｊのデータ／トラフィックは、ｊとアソシエーションを行っているＳＴＡの全ての分を集めた合計のトラフィックである。ＳＴＡ ｉのアクセス・リンクの容量をＣ_ｉによって表し、バックホール内のリンクｅについて、Ｃ_ｅは、リンクｅの容量を表す。以下、ｍａｘ‐ｍｉｎのレート値が保証されたスループットを最大にするための問題の定式化を示す。ＭＭＲＡの問題は、２つのステップを含む。

ステップ１：
ｒ^＊＝ｍａｘ ｒ_ｍｉｎ （１７）
以下の制約を受ける。

ｒ≧０， Ｒ≧０， ｒ_ｍｉｎ≧０ （２３）
ステップ２：

以下の制約を受ける。

ｒ≧０， ｆ≧０ （３０）

等式（１７）の目的は、各ＳＴＡに割当てられる最小のレートを最大にすることである。不等式（１８）および（２５）は、ＳＴＡに割当てられるレートがアクセス・リンクの容量を超えることができないことを意味する。不等式（１９）および（２６）は、ＭＡＰ ｊとアソシエーションを行っているＳＴＡによりＭＡＰ ｊに対して課せられる合計トラフィックにより必要となる受信時間が、ＭＡＰ ｊが実際に必要とする受信時間よりも長くならないべきであることを意味している。等式（２０）および（２７）は、ＭＡＰのトラフィックが、アソシエーションを行っている各ＳＴＡの分を集めた合計トラフィックであることを記載している。不等式（２１）および（２８）は、実行可能性の条件であり、無線干渉を考慮している。これらは、干渉のセットにおけるリンクの使用率が１を超えるべきでないことを記載している。不等式（２２）は、どのＳＴＡに割当てられるレートもｒ_ｍｉｎ以上であることを求めている。ｒ^＊を解いた後、ステップ２において、スループットが最大にされる一方で、等式（２４）において示された少なくともｒ^＊のレートが各ＳＴＡに確実に割当てられるようにする。不等式（２９）は、いずれのＳＴＡに割当てられるレートもｒ^＊以上となることを示す。不等式（２３）および（３０）は、割当てられたレートが０以上であるべきことを示している。

本発明は、ｍａｘ‐ｍｉｎの公平性モデルに基づいた２段の自治体メッシュ・ネットワークにおけるアソシエーション、ルーティングおよびレート割当てを統合して最適化することを達成する集中型の方法に基づく。一つの目的は、公平性を犠牲にすることなく、即ち、ｍａｘ‐ｍｉｎのレート割当てが保証されたネットワークのスループットを向上させることにある。実際には、ネットワーク・トポロジー、リンク状態、さらに、トラフィックのダイナミクスの理由で、短期的にスループットおよび公平性を最適化することは、不可能ではないにせよ、困難である。本明細書において開示された方法は、全てのＳＴＡに対して長期的にｍａｘ‐ｍｉｎの公平性を達成する。この方法は、公平性の問題に取り組み、ネットワークのスループットを最大にする自治体メッシュ・ネットワークの設計の土台として使用することができる。

実施の観点から述べると、本発明のシステムおよび方法は、第１に、物理的なメッシュ・トポロジー、リンク・レート、リンクの干渉セットなどのメッシュ・バックホール・ネットワークについての情報、さらに、各ＳＴＡと各ＭＡＰとの間で経験されるアクセス・リンク・レートなどの各ＳＴＡについての情報を必要とする。第２に、本発明のシステムおよび方法は、バックホール・ルーティングおよびＳＴＡとＭＡＰとのアソシエーションを含む論理的な２段の論理通信トポロジー、さらに、各ＳＴＡに対する公平な帯域幅の割当てを決定する手段を必要とする。第３に、本発明のシステムおよび方法は、これらのルーティング、アソシエーションおよびレート割当て決定を実施するメカニズムを必要とする。無線リンクが対称的なものである場合には、ＳＴＡの上流および下流のトラフィックの合計帯域幅は、上述したアルゴリズムを使用して割当てられる。トラフィック・パターンに基づいて、合計の帯域幅は、上流および下流のフローに分けられる。

図３は、メッシュ・ネットワークが集中型のコントローラを有し、メッシュ・ネットワークが、ＩＥＥＥ８０２．１６ｊ（マルチホップ中継制御）などの集中型媒体アクセス制御（ＭＡＣ：Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）を使用するゲートウエイにおける本発明の方法の例示的な実施の形態のフローチャートである。メッシュ・ネットワークが中継ネットワークのためのＩＥＥＥ８０２．１６ｊなどの集中型のＭＡＣプロトコルを使用する場合には、各ＭＡＰおよびＳＴＡは、リンク・レートおよびチャネル状態などの必要な情報のローカル測定および推定を定期的に実施する。収集された情報は、ゲートウエイに報告され、ゲートウエイは、本発明の方法を実行し、最適なＳＴＡ−ＭＡＰのアソシエーション、バックホール・ルーティング、および各ＳＴＡに対する帯域幅割当て（図３）を判定する。ゲートウエイは、収集された情報、さらに、新たに収集された情報があればそのような情報に基づいて自己の決定を定期的に更新することができる。ルーティングおよびＳＴＡ−ＭＡＰのアソシエーションを決定した後、ゲートウエイは、自己の決定を各ＭＡＰおよびＳＴＡに知らせる。

再び図３を参照すると、ゲートウエイは、ステップ３０５において、各ＭＡＰおよび各ＳＴＡからネットワーク情報を収集する。次に、ゲートウエイは、ステップ３１０において、本発明の方法を使用して、最適なＳＴＡ−ＭＡＰアソシエーション、バックホール・ルーティングおよび帯域割当てを決定する。この方法は、等式（１）〜（１０）に記載したような、最大のスループットのレート割当て、または、等式（１１）〜（１５）に記載したような、ｍａｘ‐ｍｉｎのレート割当てを達成する。ステップ３１５において、次に、ゲートウエイは、各ＭＡＰおよび各ＳＴＡに、ゲートウエイが決定したＭＡＰ−ＳＴＡのアソシエーションおよびバックホール・ルーティングを通知する。ゲートウエイは、集中型のＭＡＣプロトコルを介して帯域幅の割当て通知を実行する。次に、ステップ３２０において、ゲートウエイは、決定された帯域幅の割当てに基づいて、集中型のＭＡＣプロトコルに送信のスケジューリングを行うように指示する。次に、ステップ３２５において、ゲートウエイはテストを実行して、新たな情報を受信しているかどうかを判定し、各ＭＡＰおよび各ＳＴＡから受信した新たな情報に基づいて自己の決定を更新する必要があるかどうかを判定する。

各ＭＡＰ（図４）および各ＳＴＡ（図５）は、これに応じてルーティングおよびアソシエーション処理を実行する。集中型のＭＡＣプロトコルが使用されているため、ゲートウエイは、送信のスケジューリングを行うことにより、ＳＴＡの帯域幅の割当てを実施することができる。

図４は、ＭＡＰのための本発明の方法の例示的な実施の形態のフローチャートである。システムは、集中型のコントローラを有し、集中型のＭＡＣプロトコルを使用する。ステップ４０５において、ＭＡＰは、リンク品質およびチャネルの状態を測定する。ステップ４１０において、ＭＡＰは、測定したリンク品質およびのチャネルの状態をゲートウエイに報告（送信／転送）する。ステップ４１５において、テストを実行して、ＭＡＰが（ゲートウエイ内に存在する）中央コントローラからのバックホール・ルーティング決定／命令を受信したかどうかを判定する。ＭＡＰが中央コントローラからバックホール・ルーティング決定を受信している場合には、ステップ４２０において、ＭＡＰは、このＭＡＰ内に既に記憶されているルーティングおよびデータの転送／送信・命令／ポリシーを更新し、更新したルーティングおよびデータの転送／送信・命令／ポリシーを、受信した命令／決定に従って、ＭＡＰとアソシエーションを行っているＳＴＡに転送する。アソシエーション決定に基づいて、コントローラは、（ＭＡＰを介して、）ＳＴＡに対し、ＳＴＡがどのＭＡＰとアソシエーションを行う必要があるかどうか、さらに、このＭＡＰと現在アソシエーションを行っているＳＴＡが別のＭＡＰとアソシエーションを行うように変更する必要があるかどうかを知らせる。ステップ４２５において、テストを実行して、ＭＡＰを継続するかどうかを判定する。ＭＡＰを継続する場合には、方法は、ステップ４０５に進む。ＭＡＰを継続しない場合には、ＭＡＰは、リンク品質およびチャネル状態を測定する動作を終了する。ＭＡＰが中央コントローラからのバックホール・ルーティング決定／命令を受信していない場合には、方法は、ステップ４２５に進む。

図５は、ＳＴＡのための本発明の方法の例示的な実施の形態のフローチャートである。システムは、集中型のコントローラを有し、集中型のＭＡＣプロトコルを使用する。ステップ５０５において、ＳＴＡは、リンク品質およびチャネル状態を測定する。ステップ５１０において、ＳＴＡは、（ＭＡＰを介して、）測定されたリンク品質およびチャネルの状態をゲートウエイに報告（送信／転送）する。ステップ５１５において、テストを実行して、ＳＴＡが、このＳＴＡとアソシエーションを行っているＭＡＰを介して、（ゲートウエイ内に存在する）中央コントローラからのアソシエーション決定／命令を受信しているかどうかを判定する。ＳＴＡが、（アソシエーションを行っているＭＡＰを介して、）中央コントローラからアソシエーション決定を受信している場合には、ステップ５２０において、ＳＴＡは、自己のアソシエーション情報を、受信した命令／決定に従って更新する。ステップ５２５において、テストを実行して、ＳＴＡを継続するかどうかを判定する。ＳＴＡを継続する場合には、方法は、ステップ５０５に進む。ＳＴＡを継続しない場合には、ＳＴＡは、リンク品質およびチャネル状態を測定する動作を終了する。ステップ５１５において、ＳＴＡがアソシエーション決定／命令を受信していない場合には、方法は、ステップ５２５に進む。

メッシュ・ネットワークが、ＩＥＥＥ８０２．１１の分散型のコーディネーション機能のような分散型のＭＡＣプロトコルを使用している場合には、各ＳＴＡおよび各ＭＡＰは、本発明の方法によって必要とされる情報を定期的に収集するモジュール（ソフトウエア、ファームウエア、または、その任意の組み合わせ）を備えていてもよい。収集された情報は、中央コントローラに報告される。中央コントローラは、本発明の方法を使用して、最適なＳＴＡ−ＭＡＰのアソシエーション、バックホール・ルーティング、および各ＳＴＡに対する帯域幅の割当ての自己の決定を行い、またはその決定の定期的な更新を行う（図６）。この方法は、等式（１）〜（１０）に記載されているような最大スループットのレート割当てまたは等式（１１）〜（１５）に記載されたｍａｘ‐ｍｉｎのレート割当てのいずれかを達成する。中央コントローラは、各ＳＴＡおよび各ＭＡＰに自己の決定を通知する。各ＳＴＡ（図７）および各ＭＡＰ（図８）は、中央コントローラの命令に従って、対応するアソシエーションおよびルーティング処理を実行する。分散型のＭＡＣプロトコルが使用されているため、ＳＴＡは、ネットワークへの自己の上流側のトラフィックを調節するモジュール（ソフトウエア、ハードウエア、ファームウエア、またはその任意の組み合わせ）を備えてもよく、ゲートウエイは、ＳＴＡのための下流側のトラフィックを調節する。中央コントローラは、等式（１）〜（１０）に記載されているような最大スループットのレート割当てまたは（１１）〜（１５）に記載されたｍａｘ‐ｍｉｎの公平性レート割当てを使用して、最適なルーティング、アソシエーション、および帯域幅割当てを、比較的長い期間に渡って再計算し、更新することができる。２つの連続した実行処理の間では、等式（１７）〜（３０）に記載されたレート割当てアルゴリズムに基づいて、決定された論理トポロジー内で帯域幅の割当てを更新できるのみである。さらに、分散型のルーティングおよびアソシエーションの方法が論理的な２段の通信トポロジーを構築するのに使用される場合には、中央コントローラは、等式（１７）〜（３０）を用いて決定された論理トポロジー内で帯域幅の割当てを実行するのみである。新たな帯域幅の割当てを決定した後、中央コントローラは、決定された論理トポロジー内で帯域幅の割当てを実行するだけである。新たな帯域幅の割当てを判定した後、中央コントローラは、ＳＴＡに自己の決定を知らせる。ＳＴＡは、自己の帯域幅割当てパラメータを更新する。

図６は、分散型のＭＡＣプロトコルを使用した集中型のコントローラのための本発明の方法の例示的な実施の形態のフローチャートである。ステップ６０５において、ゲートウエイは、各ＭＡＰおよび各ＳＴＡからネットワーク情報を取得する。次に、ステップ６１０において、ゲートウエイは、本発明の方法を使用して、最適なＳＴＡ−ＭＡＰのアソシエーション、バックホール・ルーティング、および帯域幅の割当てを決定する。この方法は、等式（１）〜（１０）に記載されているような最大スループットのレート割当て、または、等式（１１）〜（１５）に記載されたｍａｘ‐ｍｉｎのレート割当てを実現する。ステップ６１５において、次に、ゲートウエイは、各ＭＡＰおよび各ＳＴＡに、ゲートウエイが決定したＭＡＰ−ＳＴＡのアソシエーションおよびバックホール・ルーティングを通知する。さらに、ゲートウエイは、ステップ６２０において、（自己とアソシエーションを行っているＭＡＰを介して、）各ＳＴＡに帯域幅の割当てを通知する。次に、ゲートウエイは、ステップ６２５において、テストを実行し、各ＭＡＰおよび各ＳＴＡから新たな情報を受信しているかどうかを判定し、各ＭＡＰおよび各ＳＴＡからの新しい情報の受信に基づいて、自己が行った決定を更新する必要があるかどうかを判定する。

図７は、ＭＡＰのための本発明の方法の例示的な実施の形態のフローチャートであり、システムは、集中型のコントローラを有し、分散型のＭＡＣプロトコルを使用している。ステップ７０５において、ＭＡＰは、リンク品質およびチャネル状態を測定する。ステップ７１０において、ＭＡＰは、（ＭＡＰを介して、）測定されたリンク品質およびチャネル状態をゲートウエイに報告（送信／転送）する。ステップ７１５において、テストを実行して、ＭＡＰが（ゲートウエイに存在する）中央コントローラからバックホール・ルーティング決定／命令を受信しているかどうかを判定する。ＭＡＰが中央コントローラからバックホール・ルーティング決定を受信している場合には、ステップ７２０において、ＭＡＰはこのＭＡＰ内に既に記憶されているルーティングおよびデータの転送／送信・命令／ポリシーを更新し、更新したルーティングおよびデータの転送／送信・命令を、受信した命令／決定に従って転送する。ステップ７２５において、テストを実行して、ＭＡＰを継続するかどうかを判定する。ＭＡＰを継続する場合には、方法は、ステップ７０５に進む。ＭＡＰを継続しない場合には、ＭＡＰは、リンク品質およびチャネル状態を測定する動作を終了する。ＭＡＰが中央コントローラからのバックホール・ルーティング決定／命令を受信していない場合には、方法は、ステップ７２５に進む。

図８は、ＳＴＡのための本発明の方法の例示的な実施の形態のフローチャートであり、システムは、集中型のコントローラを有し、分散型のＭＡＣプロトコルを使用している。ステップ８０５において、ＳＴＡは、リンク品質およびチャネル状態を測定する。ステップ８１０において、ＳＴＡは、測定されたリンク品質およびチャネルの状態をゲートウエイに報告（送信／転送）する。ステップ８１５において、テストを実行して、ＳＴＡが、ゲートウエイ内に存在する）中央コントローラからアソシエーション決定／命令を受信しているかどうかを判定する。ＳＴＡが、中央コントローラからアソシエーション決定を受信している場合には、ＳＴＡは、アソシエーションを更新する。ステップ８２５において、テストを実行して、ＳＴＡが集中型のコントローラから帯域幅の割当て決定／命令を受信しているかどうかを判定する。ＳＴＡが集中型のコントローラから帯域幅の割当て命令を受信している場合には、ステップ８３０において、ＳＴＡは、受信した命令に従ってレート制御ポリシーを更新する。ステップ８３５において、テストを実行して、ＳＴＡを継続するかどうかを判定する。ＳＴＡを継続する場合には、方法は、ステップ８０５に進む。ＳＴＡを継続しない場合には、ＳＴＡは、リンク品質およびチャネル状態を測定する動作を終了する。ＳＴＡが帯域幅の割当て命令を受信していない場合には、方法は、ステップ８３５に進む。ステップ８１５において、ＭＡＰが集中型のコントローラからアソシエーション命令／決定を受信していない場合には、方法は、ステップ８２５に進む。

図９は、本発明の原理に従ったゲートウエイの例示的な実施の形態のブロック図である。ゲートウエイは、無線インターフェース９０５を有する。無線インターフェース９０５は、各ＳＴＡと直接通信するために、または、アソシエーションを行っているＭＡＰを介してＳＴＡと通信するために、複数の論理インターフェースを備えた単一の無線インターフェースあってもよいし、複数の無線インターフェースであってもよい。さらに、無線インターフェース９０５は、インターネットと通信するために使用されてもよく、あるいは、有線通信インターフェース９１０を介して他の有線回線ネットワークと通信するために使用されてもよい。さらに、無線インターフェース９０５は、ネットワーク情報収集モジュール９１５と通信する。ネットワーク情報収集モジュール９１５は、各ＭＡＰおよび各ＳＴＡからゲートウエイが受信する、各ＭＡＰおよび各ＳＴＡからのリンク品質およびチャネル状態情報を記憶するために、１つ以上のデータベース、記憶装置、またはメモリを含んでいてもよい。さらに、ネットワーク情報収集モジュール９１５は、意思決定モジュール９２０と通信する。意思決定モジュール９２０は、ネットワーク情報収集モジュール９１５において収集、記憶された情報に基づいて、バックホール・ルーティング、アソシエーション、および帯域幅の割当てに関する決定を行う。さらに、意思決定モジュール９２０は、自己が行った決定を各ＭＡＰおよび（アソシエーションを行っている各ＭＡＰを介して）各ＳＴＡに送信するために、無線通信インターフェース・モジュール９０５と通信する。さらに、意思決定モジュール９２０は、データ・レート制御モジュールおよびＭＡＣプロトコル・モジュール９２５と通信する。さらに、データ・レート制御およびＭＡＣモジュール９２５は、各ＳＴＡのためのデータ・トラフィック量を制御するために、無線通信インターフェース・モジュール９０５と通信する。

図１０は、本発明の原理に従ったＭＡＰの例示的な実施の形態のブロック図である。ＭＡＰは、バックホール無線通信インターフェース・モジュール１００５を含む。バックホール無線通信インターフェース・モジュール１００５は、中継レイヤーにおける他のＭＡＰとの通信やゲートウエイとの通信のために使用される。さらに、バックホール無線通信インターフェース・モジュールは、ＳＴＡ−ＭＡＰ通信インターフェース・モジュール１０１０と通信して、データや制御パケットをバックホールから各ＳＴＡに、または各ＳＴＡからバックホールに転送する。さらに、バックホール無線通信インターフェース・モジュールは、ルーティングおよびデータ転送制御モジュール１０１５、メッセージ処理モジュール１０２０、およびリンク測定モジュール１０２５と通信する。さらに、ルーティングおよびデータ転送制御モジュール１０１５は、メッセージ処理モジュール１０２０と通信する。さらに、メッセージ処理モジュールは、バックホール無線通信インターフェース・モジュール１００５と、ＳＴＡ−ＭＡＰ無線通信インターフェース・モジュール１０１０との双方と通信する。メッセージ処理モジュールは、各ＳＴＡから受信された、または各ＳＴＡ宛のメッセージ、中継レイヤーにおける他のＭＡＰから受信されたメッセージまたは中継レイヤーにおける他のＭＡＰ宛のメッセージ、および、ゲートウエイから受信されたメッセージまたはゲートウエイ宛のメッセージを処理する。さらに、メッセージ処理モジュール１０２０は、リンク測定モジュール１０２５と通信する。リンク測定モジュール１０２５は、ＭＡＰとアソシエーションを行っている各ＳＴＡからのリンク品質測定およびチャネル状態情報を受信、記憶し、このＭＡＰのためのリンク品質およびチャネル状態の測定を行う。さらに、リンク品質測定モジュールは、リンク品質およびチャネル状態を中継レイヤーにおける他のＭＡＰに転送／送信するため、さらに、リンク品質およびチャネル状態情報をゲートウエイに通信するために、バックホール無線通信インターフェース・モジュール１００５と通信する。さらに、リンク測定モジュール１０２５は、自己とアソシエーションを行っている各ＳＴＡからリンク品質およびチャネル状態情報を受信するために、ＳＴＡ−ＭＡＰ無線通信インターフェース・モジュール１０１０と通信する。

図１１は、本発明の原理に従ったＳＴＡの例示的な実施の形態のブロック図である。ＳＴＡは、ＳＴＡ−ＭＡＰ無線通信インターフェース・モジュール１１０５を含む。ＳＴＡ−ＭＡＰ無線通信インターフェース・モジュール１１０５は、アソシエーション制御モジュール１１１０、メッセージ処理モジュール１１１５、レート制御モジュール１１２０、およびリンク測定モジュール１１２５と通信する。ＳＴＡ−ＭＡＰ無線通信インターフェース・モジュール１１０５は、無線通信インターフェースを提供し、このＳＴＡとアソシエーションを行っている各ＭＡＰと通信する。ＳＴＡは、１つの物理的な無線インターフェースのみを有するが、複数の論理的な無線インターフェースを有していてもよい。即ち、ＳＴＡは、複数のＭＡＰとのアソシエーションを行うことができ、その場合には、時分割多重スキームを使用して通信する。アソシエーション制御モジュール１１１０は、（このＳＴＡとのアソシエーションを行っているＭＡＰを介して）ゲートウエイからアソシエーション命令を受信し、アソシエーション情報を記憶し、自己とアソシエーションを行っている各ＭＡＰとの間で交換されたメッセージを介して、各接続を構築して確立する。各メッセージは、ＳＴＡ−ＭＡＰ無線通信インターフェース・モジュール１１０５を介して交換される。さらに、アソシエーション制御モジュール１１１０は、メッセージ処理モジュール１１１５と通信する。メッセージ処理モジュール１１１５は、このＳＴＡとのアソシエーションを行っている各ＭＡＰから受信されたメッセージまたはこのＳＴＡとのアソシエーションを行っている各ＭＡＰ宛のメッセージ、および、ゲートウエイから受信されたメッセージまたはゲートウエイ宛のメッセージを処理する。さらに、メッセージ処理モジュール１１１５は、レート制御モジュール１１２０と通信する。レート制御モジュール１１２０は、（このＳＴＡとのアソシエーションを行っているＭＡＰを介して）ゲートウエイからデータ・レート制御命令を受信し、データ・レート制御情報を格納し、データ・レート制御命令に従って動作する。さらに、ＳＴＡはリンク測定モジュール１１２５を有しており、このリンク測定モジュールは、メッセージ処理モジュール１１１５と通信し、その情報をアソシエーションを行っているＭＡＰを介してゲートウエイに提供するためにリンク品質およびチャネル状態を測定する。

本発明は、ハードウエア（例えば、ＡＳＩＣチップ）、ソフトウエア、ファームウエア、特定目的用途のプロセッサ、または、これらを組み合わせた様々な形態において、サーバー、中間装置（無線アクセスポイントまたは無線ルータ）、または、モバイル装置内で実施可能であることが理解できるであろう。好ましくは、本発明は、ハードウエアおよびソフトウエアを組み合わせて実施することができる。さらに、ソフトウエアは、好ましくは、プログラム記憶装置上で実際に実施されるアプリケーション・プログラムとして実装される。アプリケーション・プログラムは、適切なアーキテクチャを有するマシンにアップロードされ、このマシンによって実行されるようにしてもよい。好ましくは、このマシンは、一つ以上の中央処理装置（ＣＰＵ）、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェースを有するコンピュータ・プラットフォーム上に実装される。また、コンピュータ・プラットフォームは、オペレーティング・システムおよびマイクロインストラクション・コードを含む。本明細書中で記載される様々な処理および機能は、オペレーティング・システムを介して実行される、マイクロインストラクション・コードの一部を構成するものでもよいし、アプリケーション・プログラムの一部を構成するものであってもよいし、これらを組み合わせたものであってもよい。さらに、追加的なデータ記憶装置や印刷装置等、様々な他の周辺機器をコンピュータ・プラットフォームに接続してもよい。

さらに、各図面に示すシステムの構成要素および方法ステップの幾つかは、好ましくは、ソフトウエアの形態によって実施されるため、システムの構成要素間の実際の接続（または処理ステップ）は、本願の原理がプログラムされる方法によって異なる場合があることが理解できるであろう。関連する技術における当業者であれば、本明細書の開示内容に基づいて、本明細書の開示内容を理解し、さらに、本発明に類似した実施態様または構成を企図できるであろう。

Claims (10)

1. ゲートウエイにネットワーク情報を収集するステップと、
   前記収集したネットワーク情報に基づいて、ルーティング、アソシエーション、および帯域幅割当てを前記ゲートウエイで決定するステップであって、論理通信トポロジーが構築されており、メッシュ・アクセス・ポイントとクライアント・ノードとが２段の無線の自治体メッシュ通信ネットワークを構成し、帯域幅が前記論理通信トポロジー内の前記クライアント・ノードに割当てられており、前記帯域幅は、前記クライアント・ノードの各々に割当てられる最小レートを決定し、かつ前記自治体メッシュ通信ネットワークの最大スループットを決定することによって割当てられる、該ステップと、
   前記メッシュ・アクセス・ポイントに前記アソシエーション、前記帯域幅割当て、および前記ルーティングを通知するステップと、
   前記クライアント・ノードに前記アソシエーションを通知するステップであって、前記アソシエーションは、前記クライアント・ノードを前記メッシュ・アクセス・ポイントに関連付けるメカニズムである、該ステップと、
   前記クライアント・ノードに当該クライアント・ノードのための前記帯域幅割当てを通知するステップと、
   を含む方法。
2. 前記帯域幅割当てに基づいてデータの送信をスケジューリングするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記収集するステップは、集中型の媒体アクセス制御プロトコルおよび分散型の媒体アクセス制御プロトコルの一方を介して行われる、請求項１に記載の方法。
4. 前記スケジューリングするステップは、集中型の媒体アクセス制御プロトコルを介して行われる、請求項２に記載の方法。
5. 更新されたネットワーク情報を受信するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. ネットワーク情報を収集する手段と、
   前記収集された情報に基づいて、ルーティング、アソシエーション、および帯域幅割当てを決定する手段であって、論理通信トポロジーが構築されており、メッシュ・アクセス・ポイントとクライアント・ノードとが２段の無線の自治体メッシュ通信ネットワークを構成し、帯域幅が前記論理通信トポロジー内の前記クライアント・ノードに割当てられており、前記帯域幅は、前記クライアント・ノードの各々に割当てられる最小レートを決定し、かつ前記自治体メッシュ通信ネットワークの最大スループットを決定することによって割当てられる、該手段と、
   前記メッシュ・アクセス・ポイントに前記アソシエーション、前記帯域幅割当て、および前記ルーティングを通知する手段と、
   前記クライアント・ノードに前記アソシエーションを通知する手段であって、前記アソシエーションは、前記クライアント・ノードを前記メッシュ・アクセス・ポイントに関連付けるメカニズムである、該手段と、
   前記クライアント・ノードに当該クライアント・ノードのための前記帯域幅割当てを通知する手段と、
   を含む、ゲートウエイ。
7. 前記帯域幅割当てに基づいてデータの送信をスケジューリングする手段をさらに含む、請求項６に記載のゲートウエイ。
8. 前記収集する手段は、集中型の媒体アクセス制御プロトコルおよび分散型の媒体アクセス制御プロトコルの一方を用いて実施される、請求項６に記載のゲートウエイ。
9. 前記スケジューリングする手段は、集中型の媒体アクセス制御プロトコルを用いて実施される、請求項７に記載のゲートウエイ。
10. 更新されたネットワーク情報を受信する手段をさらに含む、請求項６に記載のゲートウエイ。

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