JP4679578B2

JP4679578B2 - 無線アドホックネットワークにおける分散リソース予約

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Publication number: JP4679578B2
Application number: JP2007516118A
Authority: JP
Inventors: ハベタ，イェルク
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-06-16
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: DE602005017392D1; AR049919A1; TWI393384B; MXPA06014557A; ZA200700431B; TW200623728A; CN1969480B; ES2334451T3; US7953053B2; BRPI0512066B1; EP1762020A1; US8289942B2; RU2007101374A; US20070248063A1; KR20070039921A; CN1969480A; CA2570269C; BRPI0512066A; CA2570269A1; UA91506C2

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の無線通信システムにおける通信方法に関する。

本発明はまた、無線通信システム及び無線通信装置に関する。

このような無線通信システムにおける通信方法は、IEEE Std. 802.11a, 1999, Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical(PHY) specifications: High Speed Physical Layer in the 5GHz Band, IEEE, NY, 1999に開示されている。この標準に従った無線通信システムは、5GHzのライセンスフリーのISM帯で動作し、直交周波数分割多重（OFDM：orthogonal frequency division multiplexing）を使用して6〜54Mbit/secの範囲での生のデータレートをサポートすることができる。IEEE Std. 802.11bは、2.4GHzのISM帯で動作する同様の通信システムを開示する。IEEE Std. 802.11a及び11gでは、20MHzの帯域を有するチャネルが通信リンクを確立するために使用される。一般的に、無線通信システムのチャネルは、システムが動作する周波数帯内で通信リンクを確立するサブバンドである。遅延の制約のあるアプリケーションの要件を満たすために、新しい仕様は、静的QoS（static Qos）と帯域保証QoS（parameterized QoS）との双方を提供するデータリンクレイヤ機能を組み込んだp802.11eを提案している。

データリンクレイヤで約100Mbit/secまでのデータレートをサポートするために、新しい仕様p802.11nが提案されている。この提案では、特定のレベルの下位互換性を保持する一方で、11aに基づくPHYと11eに基づくMAC標準とに対する拡張が取り入れられている。PHYの拡張は、複数アンテナシステム（MIMO）のサポートと、40MHz帯域での伝送（いわゆるデュアルチャネル動作）とに基づく。

IEEE Std. 802.11のバージョンのうち１つ又はその提案された拡張に準拠する無線通信システムのような無線ローカルエリアネットワーク（WLAN：wireless local area network）は、セル又はいわゆる基本サービスセット（BSS：basic service set）で構成される。このようなセルは複数の無線局を有する。第１の動作モード（いわゆるインフラストラクチャモード）では、このようなセル内の１つの局が、セル間システム又は分散システムを介して他のセル、主局又はアクセスポイントとの通信を提供するように構成される。更なる局は、アクセスポイントを介して相互に及び他のセルの局と通信するように構成される。代替として、第２のモード（いわゆるアドホックモード）では、主局又はアクセスポイントは存在しない。アドホックモードで動作するセルは、通常は独立基本サービスセット（IBSS：independent basic service set）と呼ばれる。アドホックモードで動作するセルは、必要なインフラストラクチャ（基本的にはアクセスポイント）がないため、他のセルと通信する見込みがない。

P802.11nのMAC仕様のドラフトでは、主局がBSS内で局に対して媒体のタイムスロットを予約するアクセス機構が想定されている。RDR（Reverse Direction Request）と呼ばれるこのアクセス機構は、IEEE Std. 802.11eから知られている機構の拡張版であり、局への保証型の（定期的な）リソース割り当て（タイムスロット及び帯域）を可能にする。これは、リアルタイム又はタイムクリティカルなデータの伝送をサポートする。

しかし、IBSSでは、１つ以上の局に特定のサービス品質（QoS）を保証するようにアクセスを許可し得る主局が存在しない。局は、例えばIEEE Std. 802.11のCSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）プロトコルを使用することにより、多かれ少なかれランダムなアクセスモードで媒体にアクセスしなければならない。改善したサービス品質について例えばIEEE Std.802.11eにいわゆるEDCA（enhanced direkt carrier access）アクセスモードのようなCSMA/CAプロトコルの拡張が存在するとしても、割り当ては保証不可能であり、定期的なアクセスも不可能である。このことは、頻繁な衝突を生じ、データ損失を生じ、従って非効率な媒体の使用を生じることがある。更に、CSMA/CAプロトコルは、マルチホップ通信（他の局を介してルーティングされる局の間での通信）にあまり適していないことが知られている。

W02004/114598A1は、更なる伝送用の媒体を予約する方法を開示している。これは、予約情報がメッセージのMAC（Medium Access Control）ヘッダ又はデータメッセージ若しくは肯定応答メッセージのペイロードに抱き合わせて含まれる予約機構を開示している。しかし、これは複数アンテナモードと単一アンテナモードとの間を区別していない。

更なる伝送用の媒体を予約する更に他の方法は、非公開欧州特許出願PCT/IB2005/051454に記載されている。ここでは、局はその予約情報を専用のビーコンで配信する。インフラストラクチャ型のIEEE802.11ネットワークでは、通常ではBSSビーコンはアクセスポイントにより送信される。アドホックのIEEE802.11ネットワークでは、ビーコンは異なる局により交互に送信される。双方の場合に、スーパーフレーム毎に単一のアクセスポイント又は局のみがビーコンを送信する。しかし、802.11標準では、複数の局が自分のビーコンを送信することは、明示的に除外されていない。欧州特許出願PCT/IB2005/051454では、このようなビーコンは、予約情報を配信する目的のみで送信される。DRP（distributed reservation protocol）を理解しないが、元のIEEE Std. 802.11標準のみを理解する他の局は、これらのビーコンを、アクセスポイントから入来するものとして解釈する。局は必ずしもデータ及び肯定応答パケット又は他の局のメッセージを受信する必要はないが、他の局により送信されたビーコンを受信するため、予約はビーコンで配信される。予約が他の局により留意されていることを確保するために、他の局は隣接局の予約を認識しなければならない。更に、いわゆる“無衝突期間（contention-free period）”のような旧式の機構を用いてビーコンで予約を伝達することは、DRP（distributed reservation protocol）を理解しなくても、予約が旧式の局により留意されることを確保する。しかし、これも複数アンテナモードと単一アンテナモードとの間を区別していない。

特に、主局がない場合に媒体への保証型アクセスを可能にすることにより、アクセス衝突を低減する方法を提供することが、本発明の目的である。

このため、本発明は、第１の局と少なくとも第２の局とを有する無線通信システムでの通信方法を提供し、各局は少なくとも一部の時間にシステム内の通信を制御し、第１の局は少なくとも１つの通信チャネルを使用する第１のモードで第１のフォーマットを有するメッセージ、又は１つの通信チャネルを使用する第２のモードで第２のフォーマットを有するメッセージをエンコードして送信し、第１及び第２のフォーマットは共通部分を有し、第２の局は第１のモード又は第２のモードで送信されたメッセージの共通部分を少なくとも受信してデコードし、共通部分は第１の局の１つ以上の次の送信についての情報を有する。

本発明による方法は、可能なフォーマットのうち１つの情報のみをデコードすることができる局によりデコードされ得るメッセージフォーマットで、１つ以上の次の送信についての情報を提供することにより、各局が少なくとも一部の時間にシステム内の通信を制御するアドホックモードで動作する無線通信システムのアクセス衝突の問題を解決し、これによってメッセージの“受信者”を増加させる。

本発明は、複数アンテナフォーマットに従って送信されないヘッダの部分で予約情報送信するという概念に基づく。ヘッダは、複数アンテナをトレーニング又は較正するために使用される。ヘッダの第１の部分は単一アンテナフォーマットで送信され、第２の部分は複数アンテナモード又は複数アンテナフォーマットで送信される。共通部分とも呼ばれる第１の部分のヘッダに予約情報を組み込むことにより、予約は、複数アンテナフォーマットを受信又は認識することができない第２の局により認識される。第１の局は、複数アンテナモードに従って信号を受信することができ、第２の局は、複数アンテナモードを使用するようにトレーニングされておらず、又は基本的に複数アンテナモードを使用することができない。本発明は、インフラストラクチャシステム及びアドホックネットワークを対象とする。

本発明の前記及び他の目的及び特徴は、添付図面と共に検討される以下の詳細な説明から明らかになる。

これらの図面において、同一の部分は同一の参照符号で特定される。

図１は、IEEE Std. 802.11仕様のグループのうち１つに従ったインフラストラクチャを有する通信システムの概要を示している。ネットワークアーキテクチャの基本要素は、基本サービスセット（BSS：basic service set）と呼ばれる。BSSは、（通信障害、物質又は他のもののない理想的な環境を想定して）各局（STA）が理論的に他の全てのSTAと通信することができる一般的に限られた物理範囲内にある局（無線ノード）のグループとして定められる。

２つの基本的な無線ネットワークの設計構造（アドホック及びインフラストラクチャネットワーク）が規定されている。インフラストラクチャ型の802.11無線ネットワーク又は通信システムは、IEEE802.3の有線Ethernet（登録商標）ネットワークのような他のネットワークを通じて相互接続された１つ以上のBSSを有する。この接続インフラストラクチャは、DS（Distribution System）と呼ばれる。このインフラストラクチャで、各BSSは、DSに接続されたちょうど１つの無線局を有さなければならない。この局は、BSSの他の局からDSにメッセージを中継する機能を提供する。このSTAは、関連のBSSではアクセスポイント（AP）と呼ばれる。DS及びこれに接続されたBSSに含まれるエンティティは、拡張サービスセット（ESS：Extended Service Set）と呼ばれる。IEEE802.11の目的で、DSがBSS間で及び外部のポータルへ／から移動することができるという事実が仮定されるが、この機能を実現するためにDSにより使用される方法は規定されていない。

P802.11nの提案されているドラフト版での無線通信は同様の設定を有する。提案は、アクセスポイント又は主局でHCCA（Hybrid Coordinator Controlled Access）と呼ばれる（この場合、HC（Hybrid Coordinator）と呼ばれる）アクセス機構が局について媒体の時間を予約することを想定する。このアクセス機構はIEEE Std. 802.11eから受け継がれているが、定期RDR（Reverse Direction Request）と呼ばれる更なる種類のトラヒック仕様を有する。この定期RDRは、局へのリソースの定期的な割り当てを可能にする。この結果、定期的な及び／又は保証型のリソース割り当てを必要とするリアルタイム及び他のタイムクリティカルなアプリケーションが、インフラストラクチャ動作モードでうまくサポートされる。しかし、このアクセス機構では、アクセスポイントが存在しないアドホックモードで動作する無線通信システムについてサポートを提供しない。

図２は、IEEE Std. 802.11仕様のグループのうち１つに従ったアドホック通信システムの概要を示している。これは３つの局STA1、STA2及びSTA3を有する。アドホックネットワークのBSSは、独立BSS（IBSS：Independent BSS9と呼ばれる。基本的には、アドホック無線ネットワークはインフラストラクチャ型の無線LAN（WLAN）と対照的である。アドホックWLANはインフラストラクチャを有さず、従って外部ネットワークと通信する機能を有さない。通常ではアドホックWLANは、できるだけ小さい外部ハードウェア又は管理サポートを必要としつつ、複数の無線局が純粋に相互に通信することを許容するように設定される。

アドホック通信モードで動作する既知の無線通信システムでは、定期的な割り当てを許容することができる主局又はアクセスポイントが存在しないため、いわゆる独立基本サービスセットIBSS、定期割り当て及びサービス品質（QoS）保証が提供されていない。既知のシステムでは、局は、例えばCSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）プロトコルを使用して、ランダムなアクセスモードで媒体にアクセスしなければならない。IEEE802.11eが、EDCAアクセスモードでの改善したサービス品質サポートについてCSMA/CAの何らかの拡張を提供するとしても、保証は提供不可能であり、定期的な割り当ても不可能である。この結果、媒体の効率的な使用を妨げる頻繁な衝突が生じ得る。更に、マルチホップ通信でのCSMA/CAプロトコルの欠点を様々なシミュレーションプログラムが示している。

本発明による媒体アクセス方法は、アドホック動作モードにおけるアクセス衝突及び定期的な予約の問題を解決する。この分散型の性質のため、本発明による方法は、システムでの通信を調整する中央ユニット又は主局を必ずしも必要としない。

図１に関して説明したように、IEEE802.11nの提案されているドラフトは、いわゆるDRP（Distributed Reservation Protocol）を提供する。P802.11nの提案は、アドホック動作モードでのこのような予約機構を有さない。P802.11nの提案に準拠するシステムは、様々な可能なデータレートを有するいわゆる多入力多出力（MIMO：Multiple Input Multiple Output）システムである。このことは、トラヒックストリームが特定の受信機（又は受信機のグループ）に最適化され、他の局はこのような伝送を必ずしも傍受できないことがあることを意味する。しかし、DRP（distributed reservation protocol）は、他の局が隣接のパケットに含まれる予約通知を傍受することを必要とする。従って、本発明による方法は、ロバストな低スループットのデータレートで送信され、結局は単一アンテナの伝送モードで送信されるパケットの物理レイヤ（PHY）ヘッダの部分に予約情報が含まれることを想定する。このパケットの物理レイヤヘッダの部分は、ほとんどの隣接局により理解され得る。

DRPは、データ伝送を計画している局が、送信の開始時点及び期間、最終的に予約パケットの周波数又は符号チャネルを通知することを想定する。この予約パケットは、予約要求の送信局の受信範囲内の他の局により傍受される。他の局は、この情報を格納し、各周波数符号チャネルの通知された時点及び計画された伝送の期間に何らかの媒体のアクセスを保留する。予約情報は、単一の予約を示してもよく、多数の定期的な予約を示してもよい。

DRPの好ましい実施例では、予約要求の受信局は、この予約情報を繰り返すメッセージを返信することにより予約情報を肯定応答し、この受信局の伝送受信範囲で対象の受信局以外の局は、この予約情報をローカルに格納する動作を実行し、この肯定応答メッセージを傍受することで今後の伝送の期間中及びチャネルでの媒体のアクセスを保留する。これによって、受信側でも媒体をクリアにするために、予約パケットは送信局から受信されると、対象の受信局に返信される。これらの手段により、対象の受信局の受信範囲内の他の局は、送信局の計画された伝送について通知され、また、通知された期間中の何らかの媒体を保留することができる。DRPの更に好ましい実施例では、予約要求（及び応答）は、予約期間中に計画された伝送の優先度又は優先／トラヒッククラスについての情報を有する。

前述のように、DRP予約情報は、DATA、ACK又は他のフレームに抱き合わせて送信され得る。更に、隣接局が予約情報を傍受し、ローカルのエントリーを作り、通知された期間に今後の媒体のアクセスを保留することが必要である。１つの問題は、最近の実装では、局がフレームのヘッダの受信アドレスまでしかパケットをデコードしない点にある。受信アドレスが自分のアドレス又は局が参加するマルチキャストグループに合致する場合にのみ、残りのフレームがデコードされる。このことは、受信アドレスの前に予約情報を送信すること、又は如何なるパケットも予約情報までデコードされなければならないという規則を追加することを示唆する。

PHYヘッダはフレーム交換の期間（DURATION）を有するため、局はほとんどのフレームのPHYヘッダをデコードする。この期間は、媒体へのアクセスを制御するいわゆる“NAV（Network Allocation Vector）”を設定するために隣接局により使用される。このことは、期間（DURATION）フィールドと同様に予約情報がPHYヘッダに含まれることを示唆する。

最後に、P802.11nの提案は、MIMOシステムに関する。MIMOシステムでは、隣接局は、複数送信アンテナモードで送信されるパケットをうまくデコードできないことがある（データストリームが特定の受信機を対象としているため）。従って、DRPプロトコルを動作させるために、予約情報が、単一送信アンテナで低データレートで送信されるフレームの部分に含まれることが必要になる。データレートが低いほど、信号が遠くに到達し、このことが干渉となる送信から次の送信を効率的に保護するために必要になる点に留意すべきである。P802.11nの提案では、旧式のPHYヘッダに加えて（この直後に）送信される２つのPHYヘッダが存在する。これらのHTSIG1及びHTSIG2ヘッダは、ロバストBPSK変調で単一送信アンテナで送信される。

図３は、本発明による方法の実施例を示している。この実施例では、予約情報は、単一アンテナ及び／又はDATA及びACKフレームのロバスト変調及び符号化PHYヘッダに含まれる。図３に示すように、２つのHTヘッダのうち一方が予約情報を送信するために使用され得る。図３に示すヘッダは、ST、LT、LEGA SF及びHTフィールドを有する第１の部分を有する。第２の部分は、複数アンテナフォーマットMIMOに従ったフィールドを有する。第１の部分は予約情報を送信するために使用される。特に、予約情報はHTフィールドに含まれる。しかし、次の図４ａ、ｂ及び５に示すように、本発明による唯一の要件は、予約情報をヘッダの第１の部分に組み込むことである。ST及びLTフィールドは、ショートトレーニングシンボル及びロングトレーニングシンボルを伝達するために使用される。LEGA SFは、標準802.11a又は802.11e等による旧式の局にデータを伝達するために使用される。図示のように、HTフィールドは、一時的な及び／又は後の予約期間を伝達する予約情報を有する。

図４ａ、ｂ及び５は、本発明による方法の他の実施例を示している。この実施例では、図４ａ、ｂ及び５に示すように、専用のブロードキャスト／マルチキャストシグナリングパケットで予約情報を送信し、全体フレームが単一アンテナ及び／又はロバスト変調及び符号化モードで送信されることが提案される。第３の実施例では、局はビーコンフレームの一部として予約情報を配信する。このビーコンフレームの一部は、全ての隣接局により理解され得る送信モードで送信される。予約は、旧式の802.11局により理解され得る無衝突期間を通知することにより伝達されてもよい。

例えば、予約情報は、以下の１つ又は複数を有してもよい。
−トラヒックの期間
−媒体予約の期間
−データ送信の優先度
−次の予約期間の数
他の実施例では、予約情報が含まれるフレームの開始又は終了に対して予約の開始点／期間が伝達される。

更に他の実施例では、スーパーフレームの開始に対して予約の開始点／期間が伝達される。トラヒックフィールドの期間は、例えば“Target beacon Transmit Time Offset”と呼ばれ得る。スーパーフレーム期間より大きい予約期間をサポートするために、この第２の実施例では、予約が全てのスーパーフレームには含まれないがn番目毎のスーパーフレームに含まれることを伝達するフィールドが追加されなければならない。スーパーフレーム期間より小さい予約期間を伝達するために、複数の予約情報の要素が予約フレームに含まれなければならない。

ここで説明した本発明の実施例は、限定の意味ではなく、例として受け入れられることを目的とする。特許請求の範囲に記載の本発明の範囲を逸脱することなく、これらの実施例に様々な変更が当業者により行われてもよい。

本発明は無線通信システムでの使用に限定されず、有線通信システムにも適用可能であることが当業者に明らかである。

更に、IEEE Std. 802.11及び／又はこの標準への拡張に準拠する無線通信システムに関して本発明を説明したが、本発明は他の無線通信システムにも適用可能であることが当業者に明らかである。

また、前記の実施例は明示的に記載していないが、単一の予約メッセージを送信することにより繰り返しの又は定期的な予約を行うことも可能であることが、当業者に明らかである。

本発明はまた、MIMOシステム及び動的データレート適応を使用する如何なるシステムにも関係する。

本発明は、チップセットで及びIEEE802.11に基づくモジュール及び消費者側プロダクトで、将来のIEEE802.11n標準に準拠するプロダクトに有利に適用され得る。802.11nは、主用途としての家庭用電化製品（例えばオーディオ又はビデオ装置）のネットワーキングでの次世代のWLANである。この理由はまた、全ての家庭がアクセスポイントを備えているとは限らないため、アドホック動作モードが非常に重要であるだけでなく、いくつかの家庭用電化装置が相互に（アドホックモードで）直接通信し得るからである。

IEEE Std. 802.11仕様のグループのうち１つに従ったインフラストラクチャを有する通信システムの概要 IEEE Std. 802.11仕様のグループのうち１つに従ったアドホック通信システムの概要本発明による方法の実施例本発明による方法の他の実施例本発明による方法の他の実施例本発明による方法の他の実施例

Claims

第１の局と少なくとも第２の局とを有する無線通信システムでの通信方法であって、
各局は少なくとも一部の時間に前記システム内の通信を制御し、
前記第１の局は少なくとも１つの通信チャネルを使用する第１のモードで第１のフォーマットを有するメッセージ、又は１つの通信チャネルを使用する第２のモードで第２のフォーマットを有するメッセージをエンコードして送信し、
前記第１及び第２のフォーマットは共通部分を有し、
前記第２の局は前記第１のモード又は前記第２のモードで送信されたメッセージの前記共通部分を少なくとも受信してデコードし、
前記共通部分は前記第１の局の１つ以上の次の送信についての情報を有する方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記第１のモードで、メッセージが少なくとも１つのチャネルで送信され、
前記第２のモードで、メッセージが１つのチャネルで送信されることを特徴とする方法。
請求項１又は２に記載の方法であって、
前記第１の局の情報は、少なくとも１つのチャネルでタイムスロットを予約し、前記第１の局の分散されていない定期的な送信を可能にするための少なくとも前記第２の局への要求を有することを特徴とする方法。
請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の方法であって、
前記共通部分は、第１のヘッダと第２のヘッダとを有し、
定期的な送信についての情報は、前記第１のヘッダ又は前記第２のヘッダにエンコードされることを特徴とする方法。
請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の方法であって、
前記第１のモードのメッセージは、IEEE Std. 802.11a、IEEE Std. 802.11b、IEEE Std. 802.11g及びIEEE Std. 802.11eのグループのうち１つの標準に準拠することを特徴とする方法。
請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の方法であって、
前記第１のフォーマットは、複数アンテナフォーマットであり、
前記第２のフォーマットは、単一アンテナフォーマットであることを特徴とする方法。
第１の局と少なくとも第２の局とを有する無線通信システムであって、
使用中に、各局は少なくとも一部の時間に前記システム内の通信を制御し、
前記第１の局は第１のモードで第１のフォーマットを有するメッセージ、又は第２のモードで第２のフォーマットを有するメッセージをエンコードして送信するように構成され、
前記第１及び第２のフォーマットは共通部分を有し、
前記第２の局は前記第１のモード又は前記第２のモードで送信されたメッセージの前記共通部分を少なくとも受信してデコードするように構成され、
前記共通部分は前記第１の局の定期的な送信についての情報を有する無線通信システム。
第１の局と少なくとも第２の局とを有する無線通信システムで第１の局として使用される無線通信装置であって、
各局は少なくとも一部の時間に前記システム内の通信を制御し、
前記第１の局は第１のモードで第１のフォーマットを有するメッセージ、又は第２のモードで第２のフォーマットを有するメッセージをエンコードして送信するように構成され、
前記第１及び第２のフォーマットは共通部分を有し、
前記第２の局は前記第１のモード又は前記第２のモードで送信されたメッセージの前記共通部分を少なくとも受信してデコードするように構成され、
前記共通部分は前記第１の局の定期的な送信についての情報を有する無線通信装置。
第１の局と少なくとも第２の局とを有する無線通信システムで第２の局として使用される無線通信装置であって、
各局は少なくとも一部の時間に前記システム内の通信を制御し、
前記第１の局は第１のモードで第１のフォーマットを有するメッセージ、又は第２のモードで第２のフォーマットを有するメッセージをエンコードして送信するように構成され、
前記第１及び第２のフォーマットは共通部分を有し、
前記第２の局は前記第１のモード又は前記第２のモードで送信されたメッセージの前記共通部分を少なくとも受信してデコードするように構成され、
前記共通部分は前記第１の局の定期的な送信についての情報を有する無線通信装置。