JP5041491B2 - 周期的なチャネル時間割り当てを使用するステップを提供する通信品質 - Google Patents

Description

本願は、ここに参照として含まれる２００４年３月８日出願の先行する米国特許出願第60/659,613号の優先権を享受する。

ワイヤレス通信帯域幅は、チャネル変調技術の進歩に伴ってかなり増えてきており、ワイヤレスメディア（媒体）が、有線（ワイヤード）及び光ファイバソリューションの代わりに実現され得る。従って、音声通信及びデータにおけるワイヤレスコネクティビティの使用は増え続ける。これらのデバイスは、ほんの少し名称を挙げると、モバイル電話、ワイヤレスネットワーク（例えばワイヤレスローカルエリアネットワーク（wireless local area networks (WLANS)）におけるポータブルコンピュータ、オーディオ／ビジュアルストリーミング、ビデオ／オーディオ電話、ワイヤレスネットワークにおける固定型コンピュータ、及びポータブルハンドセットを含む。

各々のワイヤレスネットワークは、メディア（媒体）アクセス制御（Medium Access Control (MAC)）サブレイヤ（副層）及び物理（Physical (PHY)）レイヤのような多くのレイヤ（層）及びサブレイヤを含む。ＭＡＣレイヤは、開放型システム間相互接続（Open System Interconnection (OSI)）スタックにおけるデータリンクレイヤの二つのサブレイヤのうちの下位になる。ＭＡＣレイヤは、同じワイヤレスメディアへの同時アクセス（接続）を必要とする多くのユーザの間の調整（連携）をもたらす。

ＭＡＣレイヤプロトコルは、ネットワーク内でユーザによって共有されるブロードキャストメディアへのアクセスを制御（管理）する多くのルールを含む。知られているように、（多くの場合、ＭＡＣプロトコルと称される）いくつかの異なる多重（多元）アクセス（multiple access）技術は、ＭＡＣレイヤを制御するプロトコル内で動作するように規定されている。これらは、限定されることはないが、搬送波感知多重アクセス（Carrier Sensing Multiple Access (CSMA)）、周波数分割多元接続（Frequency Division Multiple Access (FDMA)）、時分割多元接続（Time Division Multiple Access (TDMA)を含む。

標準規格（スタンダード）及びプロトコルはボイス（音声）及びデータトラフィックの制御においてかなりの改善をもたらしているが、通信（サービス）品質（QoS）の要求仕様がサポートされる一方で、増大するチャネルレートにおけるネットワークアクセスに対する需要の継続的な増大は、プロトコル及び標準規格並びにそれらに対する変更点の継続的な評価を必要としている。例えば、WiMedia超広帯域MAC 1.0（WiMedia Ultra-Wide Band (UWB) MAC 1.0 (ECMA standard 368として発表されている)）及びIEEE 802.11のような他の非スロットベースの（スロットに基づく）ＷＬＡＮ（non-slot based WLAN）のような多くの知られているプロトコルは、アプリケーションからのQoS要求仕様が、アプリケーションストリーム（application stream）のトラフィック仕様（スペック）（Traffic Specifications (TSPEC)）の点でネットワーキングスタック（networking stack）の下位層にもたらされることを必要としている。アプリケーションストリームのTSPECが受信されるとき、ＭＡＣのような下位層は、QoS要求仕様を満たすようにトラフィックストリーム（traffic stream）を処理するようにリソースを割り当てる。様々なＭＡＣプロトコルにおいて、一つのこのようなリソースは、データ又は他の情報の送信に利用可能なエアタイム（通話時間）（airtime）になる。これらのワイヤレスＭＡＣプロトコルにおいてもたらされるQoSは通常、例えばTSPECにおいて特定されるQoS要求仕様によるエアタイムの割り当てを含む。例えば、WiMedia UWB MACのようなスロットベースのＭＡＣプロトコルにおいて、遅延及び節電等における特性の差をもたらすメディアアクセススロット（MAS）（すなわちメディア（媒体）アクセス時間（medium access time））を割り当てる様々な方法が存在する。

データのためのエアタイム又はエアタイム送信の連続ブロックの割り当ては、アプリケーションストリームのための大きな最大通信（サービス）インタバル（service interval）をもたらし得る。これにより、大きなスケジューリングレイテンシ（scheduling latency）又は許容遅延時間（ディレイバウンド（delay bound））がもたらされる。しかしながら、均等に分散されると、スーパーフレームのコース（方向）に渡るデータ送信のためのより小さな時間割り当ては、送信デバイスが頻繁に"起動（ウェイクアップ（wake up））する"ことを必要とする。これにより、乏しい節電特性しかもたらされない。更に、スーパーフレームのコースに渡る時間割り当ての過度に多くのより小さな分散フラグメント（断片）が、特に各々のフラグメントの端部において完全なパケットの正常な送信を可能にし得ない。これにより、乏しい帯域幅（バンド幅）効率しかもたらされ得ない。

それ故に必要とされるものは、少なくとも記載の知られている方法の欠点をほぼ克服する方法及びシステムになる。

実施の態様によれば、ワイヤレスネットワークに渡って情報を送信する方法が、ローカルリソース及びレイテンシ要求仕様（条件）を含む送信仕様（スペック）（transmission specification (TSPEC)）に基づいて許容される最大周期的（反復）通信インタバルを決定するステップと、最大周期的通信インタバルを正規化して正規化された周期的通信インタバルを生成するステップと、正規化された周期的通信インタバル内にメディアアクセス時間の連続的な期間を決定するステップと、メディアアクセス時間内にデータを送信するステップとを含む。

一実施例において、正規化するステップは、正規化された周期的通信インタバルが最大周期的通信インタバルよりも小さくなるか、又は等しくなることを可能にする最小整数でスーパーフレームを除算（分割）するステップを含む。

一実施例において、正規化するステップは、n={0…∞}の場合に2ⁿになると共に、正規化された周期的通信インタバルが、最大周期的通信インタバルよりも小さくなるか、又は等しくなり、このような整数を選択することを可能にする最小整数でスーパーフレームを除算するステップを含む。

他の実施例において、周期的通信インタバルを決定するステップは、各々のストリームに対するＴＳＰＥＣ、遅延要求仕様、ローカルリソースに基づいて各々のアプリケーションストリームに対して許容される最大周期的通信インタバルを決定するステップと、全てのアプリケーションストリームに対して決定される最大周期的通信インタバルのうちの最小を選択するステップとを有する。

更に一態様において、ワイヤレスネットワークは、複数のワイヤレスデバイスを含む。各々のワイヤレスデバイスは、信号を送信するための送信器と、信号を受信するための受信器と、プロセッサと、電源とを含む。該プロセッサは、デバイスのＴＳＰＥＣ、遅延要求仕様、及びローカルリソースに基づいて周期的通信インタバルを決定し、最大周期的通信インタバルを正規化して、正規化された周期的通信インタバルを生成し、正規化された周期的通信インタバル内にメディアアクセス時間の連続的な期間を決定し、メディアアクセス時間内にアプリケーションストリームのデータを、正規化された通信インタバルで周期的に送信するように送信器に命令する。

本発明は、添付図面と共に読まれる場合に、以下の詳細な説明から最もよく理解される。様々な特徴が必ずしも同じ寸法で描かれているわけではないことは強調される。事実、ディメンションは、議論の明確性のために、任意に拡大又は縮小されても良い。

以下の詳細な説明において、説明的且つ非限定的な目的で、特定の詳細を開示する実施例は、該実施例の完全な理解を提供するために説明される。しかしながら、本開示の利益を得る当業者には、ここに開示された特定の詳細から外れる他の実施例が明らかであろう。更に、よく知られた装置、方法、システム、プロトコルの説明は、本発明の説明を明確にするために省かれ得る。それにもかかわらず、当業者の知られている範囲内にあるこのような装置、方法、システム、及びプロトコルは、一例の実施例により使用されてもよい。最後に、実用的な場合、同じ参照符号は、同じ特徴を参照する。

簡潔に、説明的な実施例によれば、分散ワイヤレスネットワークにおいて効率及びスループットを改善する方法及びシステムが記載される。該方法及びシステムは、１又はそれより多くのアプリケーションストリームのＴＳＰＥＣ及び遅延要求仕様を満たすであろう最大通信インタバルを計算する。このことは、例えば多くの"起動"動作による電力損失を最小化するために、連続したＭＡＳ（すなわち、メディアアクセス時間の部分）を割り当てることによって達成される。

ここに記載された例となる実施例によれば、分散された（すなわち、スロットベースの（スロットに基づく））ワイヤレスネットワークは、ＷｉＭｅｄｉａ ＭＡＣ １．０下で動作する。当然のことながらこのことは、単に説明的なことに過ぎず、他のＭＡＣプロトコルが、実施例に関連して記載されるネットワーク内にデバイスの利用可能性の共有（共用）を組み込んでも良い。限定されることはないがこれらは、他の搬送波（キャリア）感知多重アクセス/衝突回避方式（ＣＳＭＡ／ＣＡ）プロトコル、又は時分割多元接続（ＴＤＭＡ）プロトコルだけでなく、現行のＷｉＭｅｄｉａ ＭＡＣプロトコルの後継を含む。更に、ここに記載された実施例は、非スロットベースのメディアアクセスを有するＷＬＡＮ、例えばＩＥＥＥ８０２．１１ＷＬＡＮに適用されても良い。これらのプロトコルは単に説明的なことに過ぎず、当業者に知られている他のプロトコルが、実施例によって実現されても良いということは強調される。

図１は、一実施例により、通信メディアを共有する（すなわち共存する）複数のワイヤレスデバイス又はシステムを含むワイヤレスネットワークシステムの概略的な図である。ワイヤレスデバイス／システム１０１は、その送信範囲１０２内の他のワイヤレスデバイス１０１にトラフィック１０４を送信してもよく、若しくは該他のワイヤレス装置１０１からトラフィック１０４を受信（又は送受信）してもよい。更に、あるワイヤレスデバイス／システム１０１の範囲１０２の外にあるが、あるデバイス１０１'の範囲内にある他のワイヤレスデバイス／システム１０３があってもよい。ワイヤレスデバイス１０１は、トランシーバ１１０（例えば何れかの知られている送信器／受信器の組合せ、又は別個の送信器及び受信器）、プロセッサ１１１（例えば情報のビットを処理する何れかの知られているデバイス）、及び電源１１２（例えばバッテリ）を含む。

図２は、第１のビーコン２０１と第２のビーコン２０２との間のスーパーフレームのタイムライン２００である。ここに使用されているように、ビーコンの開始地点は、ビーコン期間開始時間（Beacon Period Start Time (BPST)）と称され、ビーコンの間に規定された期間が存在する。一つの実施例において、スーパーフレームは、複数のメディアアクセススロット（ＭＡＳ）２０３に分割され、実施例に即して、組織化された送信及び受信がもたらされる。説明的な実施例において、２５６のスロット２０３が存在し、各々のスロットは、約２５６μｓの継続期間を有するので、スーパーフレームの全継続期間は、実施例において約６５．５３６ｍｓ（従ってＢＰＳＴ間で６５．５３６ｍｓ）になる。当然のことながら、スロット２０３の数及び継続期間は、単に説明の目的であり、スロット２０３の限定ではまったくない。

各々のスーパーフレーム２００の開始部において、ビーコン期間２０４が存在する。以下の記載においてより明確化されると、ビーコン期間２０４は、デバイス／システムが実施例のワイヤレスネットワーク１００の他のデバイス／システムにトラフィックを送信する必要性、及びネットワーク１００のデバイス／システム（例えばデバイス１０１、１０３）の利用可能性情報の共有のための伝達手段（ビークル）をもたらす。

ビーコン期間２０４の後に、複数のアプリケーションストリームに対して複数の通信インタバル２０５を含んでいてもよいデータ転送期間（data transfer period）２０６がもたらされる。各々の通信インタバルは、ある数のスロットを有する。異なるアプリケーションストリームは、完全なパケットの送信に十分なメディアアクセスを保証するために、異なる数のスロット２０３を必要とする。送信器におけるプロセッサは、自身のデータパケットを送信するのにどのくらいの通信インタバルを必要とするのかを決定する。この決定は、帯域幅要求仕様（条件）、遅延要求仕様、及びローカルリソースを含むアプリケーションストリームのＴＳＰＥＣを分析することにより行われる。更に、通信インタバルは周期的である（すなわちビーコン期間２０４及び通信インタバル２０６又は単なるスーパーフレームのいくつかのサイクルに渡って発生する）。

周期的な通信インタバルを計算するために、プロセッサ（例えば図１におけるプロセッサ１１１）は、例えば、送信器が動作するＭＡＣ内に自身のデータを送信するために送信器により必要とされるバッファ空き容量（スペース）及び利用可能なメディア時間のような通信レートｇをローカルリソース及びＴＳＰＥＣに応じて計算する。プロセッサは、計算されたｇを使用することにより、（ＴＳＰＥＣにおけるバーストサイズフィールドとして測定される）アプリケーションストリームのバーストによってもたらされる待ち行列（キュー）遅延（queuing delay）ｄ_ｑも計算する。開示されている周期的メディアアクセス割り当てを使用する最大通信インタバル２０６は、遅延要求仕様に基づいて、例えば、
ＳＩ≦ｄ_ｓ−ｄ_ｑ
ように計算され得る。ここでｄ_ｓは遅延要求仕様であり、ｄ_ｑは、アプリケーションストリームのバーストによってもたらされる更なる（追加の）待ち行列遅延である。

当該周期的通信インタバル２０５は、送信器がデータを送信し得る一連のメディアブロック（medium block）を表す。図４は、メディアアクセスがいくつかの非連続メディアブロック４０１に渡ってもたらされる通信インタバル２０５を示す。送信器（例えば図１におけるトランシーバ１１０）は、全ての非連続ブロック４０１の前に"起動"しなければならないと共に、その間に自身のパケット化されたデータの部分を送信しなければならない。各々の"起動"は、送信器の電源投入（パワーアップ）を必要とする。更に、多くの非連続ブロック４０１に渡ってデータ転送を分ける（セグメント化する）ステップは、オーバヘッドの危険性（リスク）を増大させる。オーバヘッドは例えば、ＭＡＣインタフレームスペース（フレーム間待ち時間（inter-frame space (IFS)））、ブロックの端部における再送信及びスケジューリング遅延になり得るので、送信するのに十分な時間が存在しない場合、送信器は、自信の完全なパケットを送信するために、後続するブロックを待たなければならないであろう。

アプリケーションストリームのQoS要求仕様について妥協することなく節電特性を最大化するため、周期的通信インタバル２０５内のブロックのサブセットが使用され得ると共にデータが連続ブロックに送信され得る。通信インタバルを下回る期間のこの選択は、データ送信が行われ得る連続ＭＡＳの選択を許容する。図５は、連続ＭＡＳ５０１及び５０２に渡ってデータ送信が行われるスーパーフレーム３０１を示す。本実施例において、送信器が、図４のスーパーフレーム３０１と同じ量のデータを送信するために２回だけ"起動"してもよい。これにより、かなりの節電が可能になる。

アプリケーションストリームのQoS要求仕様と、連続ＭＡＳに渡ってデータを送信する要求との間のバランス（均衡）を達成するため、両方の要求仕様を受け入れ得る通信インタバルが決定されなければならない。周期的通信インタバルのサブセットを選択するために使用され得る特定のＭＡＣプロトコルに利用可能な方法の少なくとも二つの例が存在する。周期的通信インタバルのサブセットを選択する当該プロセスは正規化プロセスとして説明され得る。

最初に、IEEE 802.11 WLANのような非スロットベースのＭＡＣプロトコルの場合、周期的通信インタバルは、特定のＭＡＣのスーパーフレーム内で適合するように正規化される。このことは、例えば、アプリケーションストリームのＴＳＰＥＣにおいて特定される帯域幅及びレイテンシ要求仕様に対応するために許容されるスーパーウレームよりも少ない時間の最大量を決定することによって達成されてもよい。例えば図３において、スーパーフレーム３０１は１００ｍｓに等しくなることが仮定されている。正規化機能は、正規化された周期的通信インタバル３０３が最大周期的通信インタバル３０２よりも小さくなるか、又は等しくなることを可能にする最小整数でスーパーフレーム３０１を除する。従って、最大周期的通信インタバル３０２が６０ｍｓになる場合、正規化された周期的通信インタバル３０３は、例えば５０ｍｓになってもよい。これにより、データ送信に対する連続ＭＡＳの最大化が許容され、レイテンシ要求仕様が満たされる一方でオーバヘッドの危険性は最小化される。

WiMedia UWB MAC 1.0のようなスロットベースのＭＡＣプロトコルの場合、図３の正規化された周期的通信インタバル３０３はスロット時間の倍数になり得る。最大周期的通信インタバルを正規化するステップは、n={0…∞}の場合に2ⁿになると共に、正規化された周期的通信インタバルが、最大周期的通信インタバルよりも小さくなるか、又は等しくなり、このような整数を選択することを可能にする最小整数でスーパーフレームを除算することによって実現され得る。

最大周期的通信インタバル３０２の正規化に後続して、送信器は、正規化された周期的通信インタバル３０３内でＭＡＳの連続期間を決定する。このことは、WiMedia UWB MAC 1.0において規定されるか、又はスーパーフレームにおけるデータ転送のためにＭＡＳを選択する、何れかの他の知られている手段によって規定される分散予約プロトコル（Distributed Reservation Protocol (DRP)）を使用してビーコン期間２０４又はデータ転送期間２０６の間に予約することによって実現されてもよい。その後、送信器は、選択されたＭＡＳの間にデータを送信するであろう。

図６は、ワイヤレスネットワークに渡って情報を送信する方法のフローチャート図を示す。ステップ６０１において、プロセッサは、デバイスのローカルリソース及び遅延要求仕様を含むトラフィック仕様（ＴＳＰＥＣ）に基づいて許容される最大周期的通信インタバルを決定する。ステップ６０２において、プロセッサは、最大周期的通信インタバルを正規化して、少なくとも部分的に、デバイスが動作しているＭＡＣプロトコルのパラメータ、例えばＭＡＣプロトコルはスロットベースであるかに基づいて正規化された周期的通信インタバルを生成する。ステップ６０３において、プロセッサは、正規化された周期的通信インタバル内で連続ＭＡＳを決定する。ステップ６０４において、プロセッサは、連続ＭＡＳ内でデータを送信する。

この開示を考慮すると、ここに記載された様々な方法及び装置が、分散ワイヤレスネットワークにおける効率的なメディアアクセス及び共用を達成するために、知られているハードウェア及びソフトウェアで実現され得ることは留意される。更に、様々な方法及びパラメータは、単に例により含まれるに過ぎず、いかなる限定を意味するものでもない。この開示を考慮すると、当業者は、請求項の発明の範囲内であれば、自身の技術とこれらの技術に影響を及ぼす必要な装置とを決定する場合、様々な装置例及び方法例を実現することができる。

一例の実施例によるメディアを共有するワイヤレス通信ネットワークシステムを表す図である。 一例の実施例によるスーパーフレームのタイムラインである。 一例の実施例によるスーパーフレームである。 多くの非連続ＭＡＳに渡って送信されるデータを備えるスーパーフレームである。 より少ない非連続ＭＡＳに渡って送信されるデータを備えるスーパーフレームである。 ワイヤレスネットワークに渡って情報を送信する方法である。

Claims (4)

1. ワイヤレスネットワークに渡って情報を送信する方法であって、
   アプリケーションストリームのレイテンシ要求仕様を含むトラフィック仕様、及びデバイスのローカルリソースに基づいて許容される最大周期的通信インタバルを決定するステップと、
   周期的通信インタバルを生成するステップであって、前記生成される周期的通信インタバルが前記最大周期的通信インタバルよりも小さくなるか、又は等しくなることを可能にする最小整数でスーパーフレームを除算することにより実現される、当該生成するステップと、
   前記生成された周期的通信インタバル内にメディアアクセス時間の連続的な期間を決定するステップと、
   前記メディアアクセス時間内に前記情報を送信するステップと
   を有する方法。
2. 前記生成するステップは、前記生成される周期的通信インタバルが前記最大周期的通信インタバルよりも小さくなるか、又は等しくなることを可能にするように、n={0…∞}の場合に2nになる最小整数でスーパーフレームを除算するステップを更に有する請求項１に記載の方法。
3. 前記最大周期的通信インタバルを決定するステップは、
   遅延要求仕様を含む前記トラフィック仕様、及び各々の前記ストリームのための前記ローカルリソースに基づいて、各々の前記アプリケーションストリームに対して前記最大周期的通信インタバルを決定するステップと、
   全ての並行の前記アプリケーションストリームの複数の前記最大周期的通信インタバルのうちの最小を選択するステップと
   を更に有する請求項１に記載の方法。
4. 信号を送信するための送信器と、
   前記信号を受信するための受信器と、
   プロセッサと、
   電源と
   を各々有する複数のワイヤレスデバイス
   を有するワイヤレスネットワークであって、
   前記プロセッサは、アプリケーションストリームの遅延要求仕様を含むトラフィック仕様、及び前記デバイスのローカルリソースに基づいて、周期的通信インタバルを決定し、周期的通信インタバルを生成し、前記生成された周期的通信インタバル内にメディアアクセス時間の連続的な期間を決定し、前記メディアアクセス時間内にデータを送信するように前記送信器に命令し、
   前記周期的通信インタバルの生成は、前記生成される周期的通信インタバルが前記最大周期的通信インタバルよりも小さくなるか、又は等しくなることを可能にする最小整数でスーパーフレームを除算することにより実現される、
   ワイヤレスネットワーク。

Images