JP7020548B2 - 無線ネットワークにおけるオンデマンドルート同期及びビームフォーミング - Google Patents
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Description
本出願は、2017年11月6日に出願された米国仮特許出願第62/581,827号に対する優先権及びその利益を主張するものであり、この文献はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。
該当なし
該当なし
本特許文献中の資料の一部は、アメリカ合衆国及びその他の国の著作権法の下で著作権保護を受けることができる。著作権の権利所有者は、合衆国特許商標庁の一般公開ファイル又は記録内に表される通りに第三者が特許文献又は特許開示を複製することには異議を唱えないが、それ以外は全ての著作権を留保する。著作権所有者は、限定ではないが米国特許法施行規則§1.14に従う権利を含め、本特許文献を秘密裏に保持しておく権利のいずれも本明細書によって放棄するものではない。
1.1 WLANシステム
WLANシステムの802.11では、パッシブスキャン及びアクティブスキャンという2つのスキャンモードが規定される。以下は、パッシブスキャンの特性である。(a)ネットワークに参加しようと試みる新規局(STA)が、各チャネルを検査し、最大でMaxChannelTimeにわたってビーコンフレームを待つ。(b)ビーコンが受け取られなかった場合、新規STAは別のチャネルに移行し、従ってスキャンモードで信号を送信しないのでバッテリ電力を節約する。STAは、ビーコンを見逃さないように各チャネルにおいて十分な時間にわたって待つべきである。ビーコンが失われた場合、STAはさらなるビーコン送信間隔(BTI)にわたって待つべきである。
IEEE 802.11s(以下、802.11s)は、802.11標準に無線メッシュネットワーキング能力を加えた標準である。802.11sでは、新たなタイプの無線局と、メッシュネットワーク発見、ピアツーピア接続の確立及びメッシュネットワークを通じたデータのルーティングを可能にする新たなシグナリングとが規定される。
一般に、ミリメートル波帯におけるWLANでは、高い経路損失を考慮して通信にとって十分なSNRを提供するために、送信、受信、又はこれらの両方に指向性アンテナを使用する必要がある。送信又は受信において指向性アンテナを使用すると、スキャンプロセスも指向性になる。IEEE 802.11ad及び新たな標準802.11ayでは、ミリメートル波帯を介した指向性送受信のためのスキャン及びビームフォーミング手順が規定される。
mm波WLANの最先端システムの例は、802.11ad標準である。
新規STAは、特定のSSID、SSIDリスト、又は全ての発見されたSSIDをスキャンするためにパッシブ又はアクティブスキャンモードで動作する。パッシブなスキャンを行うには、STAが、SSIDを含むDMGビーコンフレームをスキャンする。アクティブなスキャンを行うには、DMG STAが、所望のSSID又は1又は2以上のSSIDリスト要素を含むプローブ要求フレームを送信する。DMG STAは、プローブ要求フレームの送信前に、DMGビーコンフレームの送信又はビームフォーミングトレーニングの実行を行うことが必要な場合もある。
BFトレーニングは、セクタスイープを使用するBFトレーニングフレーム送信の双方向シーケンスであり、各STAが送信及び受信の両方に適したアンテナシステム設定を決定するために必要なシグナリングを行う。
ここでは、802.11ad標準のセクタレベルスイープ(SLS)必須段階に焦点を置く。SLS中には、一対のSTAが、異なるアンテナセクタを介して一連のセクタスイープ(SSW)フレーム(又は、PCP/APにおける送信セクタトレーニングの場合にはビーコン)を交換して、最も高い信号品質を提供するセクタを発見する。最初に送信を行う局はイニシエータと呼ばれ、2番目に行う局はレスポンダと呼ばれる。
2.1.課題の記述
IEEE802.11WLAN標準には、STA間のタイミング同期を実現するためのタイミング同期機能(TSF)が指定されている。タイミング同期は、局がビーコンフレームを通じて定期的にタイミング情報を交換することによって達成される。
あるネットワークを発見したノードがそのネットワークのメンバとして自機を登録できるようにし、このノードがアクティブになる必要性が生じてトラフィックが開始されるとすぐにビームフォーミング及び同期を実行するネットワークプロトコルについて説明する。
3.1.検討中のトポロジー
図10に、ノードがメッシュ様トポロジーで互いに接続されているがアクティブなリンクが確立又は維持されていない検討中のネットワーク例10のトポロジーを示す。図には、STA1(12)、STA2(14)、STA3(16)、STA4(18)、STA5(20)、STA6(22)、STA7(24)及びSTA8(26)を示す。各局の近隣リストも示しており、これらの局は、全方向に28個のビーコンを送信しているように示す。
図11に、ノード(ネットワーク内の無線局)のハードウェア構成の実施形態例30を示す。この例では、コンピュータプロセッサ(CPU)36及びメモリ(RAM)38がバス34に結合され、バス34は、ノードにセンサ、アクチュエータなどへの外部I/OをもたらすI/O経路32に結合される。プロセッサ36上では、通信プロトコルを実装するプログラムを実行するための、メモリからの命令が実行される。この図示のホストマシンは、近隣ノードとの間でフレームを送受信する複数のアンテナ44a、44b、44c~44n、46a、46b、46c~46n、及び48a、48b、48c~48nへの無線周波数(RF)回路42a、42b、42cに結合されたmmWモデル40を含むように構成される。また、このホストマシンは、(単複の)アンテナ54への無線周波数(RF)回路52に結合されたsub-6GHzモデム50を含むことも分かる。
メッシュネットワークに参加しようと試みる新規ノードは、近隣ノードからのビーコンをリスンするように構成される。これらのビーコンは、近隣ノードの存在を知らせるものであり、ネットワークが動作している帯域と同じ帯域又は異なる帯域で送信することができる。
図15A~図15Dに、ビームフォーミングを伴わない認証の実施形態例150を示す。図15Aでは、メッシュノード152が指向性ビーコンを送信し、新規ノード154が全方向アンテナを利用して受信する。図15Bでは、ノードが、発見された近隣IDを含む認証要求160を全ての方向にブロードキャストしているのが分かる。認証要求は、認証する必要があるメッシュノードから受け取られた最良のビーコンIDと、新規ノードが送信を行っている送信元ビームのIDとを含む。メッシュノード152は、認証要求と、受け取られた要求内の発見されたノードIDに一致するそのIDとを受け取る。
この認証機構では、ビーコンを送信したノードに戻されるビームフォーミングフレームを通じて、発見されたノードに新規ノードに関する通知が行われる。
1つのソースノードから宛先ノードへのトラフィックが開始された時には、常に通常のトラフィックルートを初期化して維持すべきである。リンク中断の発生時に遅延を避けるために、バックアップルートを準備することもできる。バックアップルートは、将来的に使用できるように初期化し、ビームフォーミングし、同期しておくべきである。
図18A~図18Cに、ルート要求伝播を開始する実施形態例270を示す。これらの図には、ローカルノードSTA1 12、STA2 14、STA3 16、STA4 18、STA5 20、STA6 22、STA7 24、STA8 26の例を示すとともに、ノード間の認証済みリンクを破線で示し、各ノードの近隣リスト例も示す。
図21A~図21Cに、ルートビームフォーミングの実施形態例330を示す。以下は、本開示によるルートビームフォーミングの属性である。(a)ルート設定によってビームフォーミングが引き起こされる。(b)ルート全体を通じたノードは、RRESをブロードキャストするか、それともビームフォーミングするかにかかわらず、RREQ及びRRES交換プロセスの最後に、互いに向けて自機のリンクをビームフォーミングする。(c)リンクは、ルート設定全体を通じてビームフォーミングされる。恒久的ルートテーブル内に存在するリンクは、従来のビームフォーミングプロセスを通じて維持され、選択ルート内に存在しないリンクは、将来的な高速ビームフォーミングのために、ビームフォーミング情報に関する情報を維持することができる。(d)図21A~図21Cに示すように、RREQ及びRRESフレームに加えてビーコン送信スイーピングを使用してセクタスイーピングを完了することができる。
アクティブルート、また場合によってはバックアップルートが形成されると、割り当てられた終端間ルートを通じて同期信号が送信され伝播される。デフォルトでは、選択ルート内の別のメッシュノードがクロックマスタ(同期マスタ)になることをイニシエータが許可することによって例示するような特別な状況が発生しない限り、イニシエータノードがこのルートのクロックマスタになって最初の同期信号を送信する。例えば、選択ルート内の1又は2以上のメッシュノードが特別な状態を有していてマスタクロックになるように要求した場合、RRESを通じてこの情報をイニシエータに転送し、イニシエータがクロックマスタになるノードを選択することができる。フレームは、イニシエータがマスタクロックとして機能するように選択したメッシュノードに送信される。
図24及び図25に、アクティブルートが既に存在するメッシュネットワークにおいて新たなルートを開始する実施形態例430、450を示す。これらの図には、局(STA1~8)12、14、16、18、20、22、24、26及びSTA9 432と、それぞれの近隣リスト例とを示す。図示のリンクには、認証済みリンク、アクティブリンク、或いはSTA3 16におけるイニシエータノード434からSTA6 22における宛先ノード436までを示す新たなアクティブルートとしてのマークを付けている。
3.6.1.ルート要求フレーム(RREQ)
図26に、RREQフレームの実施形態例470を示す。このフレームは、1つのノードから別のノードに送信されて、他のノードに宛先ノードまでのルートを発見するように要求する。宛先ノードが受信ノードである場合には、ルート応答フレームを生成すべきである。宛先ノードが受信ノードでない場合には、受信ノードがルート要求フレームを再生して、受け取られたルート要求の送信元であるノード以外の全てのノードに転送する。
図27に、RRESフレームの実施形態例480を示す。このフレームは、ルート要求フレームに応答するために1つのノードから別のノードに送信される。ソースノードが受信ノードである場合、ルート応答フレームはこのノードで終了する。ソースノードが受信ノードでない場合、受信ノードは、経路メトリックを計算してそのフィールドを更新した後に、受け取られたルート応答の送信元であるノード以外の全てのノードにルート応答フレームを転送する。
図28に、RRES ACKフレームの実施形態例490を示す。このフレームは、RRESフレームの受信を確認応答するためにユニキャストされる確認応答(ACK)フレームである。このACKフレームは、ビームフォーミングプロセスに役立つ情報を伝えることができる。このフレームには、近隣ID及びこの近隣の最良TXビームIDが追加され、この情報は受信RRESフレームから習得される。以下、RRES ACKフレームのフィールドについて概説する。
図29に、クロックマスタ同期フレームの実施形態例500を示す。このフレームは、ルート経路内のノードがルート設定イニシエータにこのルートのクロックマスタになるように要求するために送信するものであり、以下のフィールドを有する。
図30に、以下のフィールドを有するクロックマスタ同期割り当て応答の実施形態例510を示す。
図31に、クロックマスタ同期割り当てACKフレームの実施形態例520を示す。このフレームは、クロックマスタ同期割り当て応答の受信を確認応答するものである。このフレームは、ルートを通じた同期維持の役割を受け入れて開始するノードをルート設定イニシエータに通知するためのものであり、以下のフィールドを有する。
以下は、本開示に関連する態様の部分的要約である。ノードは、ネットワーク規模の同期、又は潜在的近隣間のアクティブリンクの形成を伴わずにメッシュネットワークを形成するように構成される。ルート設定手順によってデータ送信セッションが引き起こされて開始するとすぐに、同期及びアクティブリンクが確立される。新規ノードは、ネットワークに参加する度に認証され、利用可能な近隣ノードのリストが維持される。新規ノードは、ネットワークに参加すると、他のメッシュノードリストにも追加される。必要に応じて、利用可能な近隣ノードに関する収集された情報に基づいてリンクが確立される。データセッションが開始するとすぐにルート設定が開始され、メッシュノードが、他のメッシュノードを通じたソースノードと宛先ノードとの間のリンクを形成する。リンク形成は、ビームフォーミング及び同期の両方を含む。新たなルートが現在アクティブなルートに交わらない場合には、メッシュネットワーク内に確立された新たなルートが単独でアクティブなルートのイニシエータと同期する。新たに確立されたルートが他のアクティブなルートに交わって、ノードが両ルートにサービス提供する必要がある場合には、新たなルートを全ての交わったルートと同期させることが好ましい。全ての交わったルートの中から新たなマスタクロックを選択し、この新たなマスタが同期信号の送信を開始して、ノードが全ルートを通じてこの信号を伝播させる。新たなセッションイニシエータは、自動的に新たなマスタクロックとみなすことができる。
提示した技術の説明した強化は、様々な無線(例えば、mm波)送信機、受信機及び送受信機内に容易に実装することができる。また、最新の無線送信機、受信機及び送受信機が、1又は2以上のコンピュータプロセッサ装置(例えば、CPU、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、コンピュータ対応ASICなど)、及び命令を記憶する関連するメモリ(例えば、RAM、DRAM、NVRAM、FLASH、コンピュータ可読媒体など)を含むように実装されることにより、メモリに記憶されたプログラム(命令)がプロセッサ上で実行されて、本明細書で説明した様々なプロセス法のステップを実行することが好ましいと理解されたい。
14 STA2
16 STA3
18 STA4
20 STA5
22 STA6
24 STA7
26 STA8
28 全方向に送信されるビーコン
Claims (13)
- メッシュネットワークにおける無線通信のための装置であって、ここで、メッシュネットワークは複数のノードからなり、各ノードは局でもあり、各局は無線通信のための前記装置を備え、各装置は、
(a)それぞれが異なる送信方向を有する複数のアンテナパターンセクタを有する指向性ミリメートル波(mmW)通信を利用して、同じメッシュネットワークに含まれる他の1又は2以上のノードの無線通信のための装置と無線で通信するように構成された無線通信回路であって、と、
(b)前記メッシュネットワーク上で動作するように構成された局内の、前記無線通信回路に結合されたプロセッサと、
(c)前記プロセッサが実行できる命令を記憶した非一時的メモリと、
を備え、
(d)前記命令は、前記プロセッサによって実行された時に、
(i)前記局を、前記メッシュネットワーク上の近隣ピア局に関する情報を決定するように動作させるステップと、
(ii)ネットワーク規模の同期を伴わず、近隣局間のアクティブリンクを形成する必要なく、それぞれが局からなるノードをメッシュネットワーク内に形成するステップと、
(iii)ルート設定手順によってデータ送信セッションが引き起こされて開始するとすぐに、同期及びアクティブリンクを確立するステップと、
を実行し、
前記命令は、前記プロセッサによって実行された時に、データセッションの開始時にルート設定を開始するステップをさらに実行し、ルート設定中、メッシュノードは、他のメッシュノードを通じたルーティングによってソースノードと宛先ノードとの間の前記データセッションのリンクを形成するように構成され、リンク形成プロセスは、ビームフォーミング動作及び同期動作の両方を含み、
前記命令は、前記プロセッサによって実行された時に、前記メッシュネットワーク内で確立された新たなルートが現在アクティブなルートに交わらない状況において、前記新たなルートを前記アクティブなルートのイニシエータに単独で同期させるステップをさらに実行する、
ことを特徴とする装置。 - 前記無線通信回路は、sub-6GHz無線通信を利用して、他の無線通信局の無線通信回路と無線で通信するようにも構成される、
請求項1に記載の装置。 - 前記命令は、前記プロセッサによって実行された時に、前記メッシュネットワークに新規ノードが参加する際に前記新規ノードを認証するステップと、前記メッシュネットワーク内の各ノードにおける利用可能な近隣ノードのリストを維持するステップとをさらに実行する、
請求項1に記載の装置。 - 前記命令は、前記プロセッサによって実行された時に、前記メッシュネットワークに新規ノードが参加した時点で前記新規ノードを他のメッシュノードリストに追加し、データセッションにおいてデータ通信を実行することが必要になった時点で、利用可能な近隣ノードに関する収集された情報に基づいて他のノードとのリンクを確立するステップをさらに実行する、
請求項1に記載の装置。 - 前記命令は、前記プロセッサによって実行された時に、前記新たなルートが他のアクティブなルートに交わってノードが両ルートにサービス提供するように構成された状況において、前記新たなルートを全ての交わったルートに同期させるステップをさらに実行する、
請求項1に記載の装置。 - 前記命令は、前記プロセッサによって実行された時に、全ての交わったルートから新たなマスタクロックを選択するステップをさらに実行し、前記新たなマスタクロックは、同期信号の送信を開始するように構成され、他のノードは、全てのルートを通じて前記同期信号を伝播するように構成される、
請求項5に記載の装置。 - 前記命令は、前記プロセッサによって実行された時に、新たなセッションイニシエータを前記新たなマスタクロックとして自動的に確立するステップを実行する、
請求項8に記載の装置。 - メッシュネットワークにおける無線通信のための装置であって、ここで、メッシュネットワークは複数のノードからなり、各ノードは局でもあり、各局は無線通信のための前記装置を備え、各装置は、
(a)それぞれが異なる送信方向を有する複数のアンテナパターンセクタを有する指向性ミリメートル波(mmW)通信を利用して、同じメッシュネットワークに含まれる他の1又は2以上のノードの無線通信のための装置と無線で通信するように構成された無線通信回路と、
(b)前記メッシュネットワーク上で動作するように構成された局内の、前記無線通信回路に結合されたプロセッサと、
(c)前記プロセッサが実行できる命令を記憶した非一時的メモリと、
を備え、
(d)前記命令は、前記プロセッサによって実行された時に、
(i)前記局を、前記メッシュネットワーク上の近隣ピア局に関する情報を決定するように動作させるステップと、
(ii)ネットワーク規模の同期を伴わず、近隣局間のアクティブリンクを形成する必要なく、それぞれが局からなるノードをメッシュネットワーク内に形成するステップと、
(iii)新規ノードが前記メッシュネットワークに参加する際に前記新規ノードを認証し、前記メッシュネットワーク内の各ノードにおける利用可能な近隣ノードのリストを維持するステップと、
(iv)ルート設定手順によってデータ送信セッションが引き起こされて開始するとすぐに、同期及びアクティブリンクを確立するステップと、
を実行し、
前記命令は、前記プロセッサによって実行された時に、データセッションの開始時にルート設定を開始するステップをさらに実行し、ルート設定中、メッシュノードは、他のメッシュノードを通じたルーティングによってソースノードと宛先ノードとの間の前記データセッションのリンクを形成するように構成され、リンク形成プロセスは、ビームフォーミング動作及び同期動作の両方を含み、
前記命令は、前記プロセッサによって実行された時に、前記メッシュネットワーク内で確立された新たなルートが現在アクティブなルートに交わらない状況において、前記新たなルートを前記アクティブなルートのイニシエータに単独で同期させるステップをさらに実行する、
ことを特徴とする装置。 - 前記無線通信回路は、sub-6GHz無線通信を利用して、他の無線通信局の無線通信回路と無線で通信するようにも構成される、
請求項8に記載の装置。 - 前記命令は、前記プロセッサによって実行された時に、前記メッシュネットワークに新規ノードが参加した時点で前記新規ノードを他のメッシュノードリストに追加し、データセッションにおいてデータ通信を実行することが必要になった時点で、利用可能な近隣ノードに関する収集された情報に基づいて他のノードとのリンクを確立するステップをさらに実行する、
請求項8に記載の装置。 - 前記命令は、前記プロセッサによって実行された時に、前記新たなルートが他のアクティブなルートに交わってノードが両ルートにサービス提供するように構成された状況において、前記新たなルートを全ての交わったルートに同期させるステップをさらに実行する、
請求項8に記載の装置。 - 前記命令は、前記プロセッサによって実行された時に、全ての交わったルートから新たなマスタクロックを選択するステップをさらに実行し、前記新たなマスタクロックは、同期信号の送信を開始するように構成され、他のノードは、全てのルートを通じて前記同期信号を伝播するように構成される、
請求項11に記載の装置。 - 前記命令は、前記プロセッサによって実行された時に、新たなセッションイニシエータを前記新たなマスタクロックとして自動的に確立するステップを実行する、
請求項12に記載の装置。
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