マルチホップワイヤレスメッシュネットワークにおいて容量を改善するための方法
マルチホップマルチフローネットワークにおけるワイヤレスアクセス効率は、全ネットワークに亘ってマルチフローを最適化することにより改善される。この方法は、個々のフローについても効果がある。これらのメカニズムは、中間ホップでのマルチフローに対してジョイントルーティング及びトラフィックシェーピング技法を適用する。このルーティング及びトラフィックシェーピング技法は複数のホップ及び複数のフローに亘って考えるとき、全てのフローについて相当の性能を達成することができる。システム性能は、マルチホップマルチフローワイヤレスネットワークにおける複数のフローのルーティングパスを制御し、系統的方法でトラフィックシェーピングを適用することにより達成される。マルチホップ環境において、発信アプリケーション及び着信アプリケーションの両方に対する透過性という付加的な効果も達成される。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、Sean A. Ramprashad、Christine Pepin、Ulas C. Kozatにより、「METHOD FOR IMPROVING CAPACITY IN MULTI-HOP WIRELESS MESH NETWORKS」と題して、２００５年９月１６日に出願された米国仮出願第６０／７１７，９０３号、及び２００６年９月１３日に出願された米国非仮特許出願第１１／５３１，３８４号の優先権を主張し、これら両出願明細書は、ここに援用される。米国においてでは、本願は、前述の２００６年９月１３日に出願された米国非仮特許出願第１１／５３１，３８４号の継続出願である。
【発明の分野】
【０００２】
本発明は、一般に、複数のワイヤレスステーション（「ＷＳ」）及びアクセスポイント（「ＡＰ」）を有するワイヤレスネットワークに係る。より詳細には、本発明は、音声アプリケーションを含む多数のデータ及びメディアアプリケーションを有する多重アクセスワイヤレスネットワークに係る。このようなネットワークにおけるトラフィックは、その行先へ向けて複数のワイヤレスリンクを通して送信される。
【関連技術の説明】
【０００３】
８０２．１１ネットワークの如き多重アクセスネットワークにおいては、より低いレイヤーにおけるチャネル（媒体）アクセス及びワイヤレストランスポートにおいて本来的に非効率性が存在している。このような非効率性は、しばしば、このようなネットワークのアドホック及び多重アクセス特性から生ずることがある。８０２．１１ネットワークは、キャリア波感知多重アクセス（ＣＳＭＡ）スキームに基づく多重アクセスネットワークである。例えば、実時間トラフィックをサポートするに際して、このＣＳＭＡスキームは、媒体アクセス制御（ＭＡＣ）及び物理（ＰＨＹ）レイヤーの両者におけるメカニズムにおいて非効率性を有する。このような非効率性は、データパケットが小さなペイロードを有するとき、又はデータパケットがその実時間挙動においてある特定の統計学的特性を有するときに、特に重大となる。一例として、音声（例えば、インターネットプロトコル（「ＶｏＩＰ」）アプリケーションでの音声において）の二方向固定ビットレート送信がある。ＶｏＩＰにおいては、音声トラフィックは、１０ミリ秒と３０ミリ秒との間の平均パケット間隔でもって、各方向に、一般に毎秒６４ｋｂより低いビットレートで送信される。典型的なＶｏＩＰアプリケーションでは、各データパケットのペイロードは、数バイトから約２４０バイトまで変化する。
【０００４】
このような非効率性により、システムスループット又はサポートすることのできるユーザ又はコールの数が相当に減らされてしまう。以下の詳細な説明において、用語「システム容量」は、サポートされるユーザ又はコールの数及びシステムスループットの両方を指している。非効率性の１つの原因は、媒体へのアクセス毎に生ずるＭＡＣ-ＰＨＹオーバーヘッドである。所定のビットレートにおいて、パケットサイズが小さくなる程、ワイヤレス媒体へのアクセスがより頻繁となる。従って、最大パケット間隔（例えば、およそ３０ミリ秒）でも、特に、分散競合スキーム（例えば、ＣＳＭＡスキーム）が使用されているときには、１１Ｍｂ/ｓ物理レイヤー（ＰＨＹ）を有する単一８０２．１１アクセスポイントは、その容量限界に達してしまうことがあり、この容量限界では、１３の二方向音声コールしかサポートできないのである。ＩＴＵ-Ｔ Ｒｅｃ Ｇ.７１１の下での音声トラフィックの場合には、１１Ｍｂ/ｓＰＨＹレイヤーは、最大限容量１１Ｍｂ/ｓＰＨＹレイヤーの８．８２％の実効容量利用割合に相当する０．９７Ｍｂ/ｓ（即ち、（（２８０ｘ８）/０．０３）ｘ１３＝０．９７Ｍｂ/ｓ）実効音声ペイロードデータ送信レート（この例では、ＩＰ、ＵＤＰ及びＲＴＰヘッダー（４０バイト総計）の８０２．１１ペイロードにおけるオーバーヘッドもある）しか達しない。
【０００５】
単一ユーザ（又は単一コール）単一ホップシステムにおいて、ＭＡＣ-ＰＨＹレイヤー効率を改善するには限界がある。図１は、単一ゲートウエイアクセスポイント（ＧＡＰ）と直接通信する単一移動端末（ＭＴ）を示している。そのＭＴのＭＡＣ-ＰＨＹプロトコルレイヤー及びそのＧＡＰのＭＡＣ-ＰＨＹプロトコルレイヤーは、幾つかのフロー制御メカニズム（例えば、単一フローをバッファリングしたりバースティングしたりすること又は異なる優先度を有する複数のフローに亘るクラス分けをすること）を含むが、このようなメカニズムにより達成される改善には限界がある。パーフロー（又はパークラスオブフロー）ベースにて適用できる技法により、限られたシステム容量の下で、短期間トラフィック変動を軽減することができ且つ高優先度フロー（低優先度フローに対しては性能が低くなる）を有利に扱うことができる。このような技法には、主として、フロー間又はフロー内でのサービス品質（ＱｏＳ）のトレードオフの問題がある。これらのメカニズムは、一般的アプリケーションの十分に設計されたプロセスと違って、日和見的なものである。例えば、競合なし（バースト）ＭＡＣ/ＰＨＹメカニズムを利用するためには、トラフィック到着とチャネルアクセス機会とを十分に整合させなければならない。もし、単一フローがバースト到着統計量をもたない場合には、このバーストＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムは、なんら役に立たないか、又は、到着統計量が付加的遅延要素によって変更されるときのみ有効に作用する。
【０００６】
音声データが、２つ以上のワイヤレスリンク（ホップ）を横断するような複数のＡＰを有するマルチユーザ（又はマルチフロー）マルチホップシステムにおいては、単一ユーザ単一フロー技法は、依然として、パーユーザ及びパーホップベースにて適用できる。このような簡単な（パーユーザ、パーホップ、パーフロー）方法は、システム設計及び複雑さにおいて幾つかの利点を有するとしても、それらのワイヤレスインターフェースを介して相互接続されたＡＰのネットワーク（メッシュ）においては性能が悪くなってしまうことがある。
【０００７】
２００５年３月７日の週の間にサンホセで開催された「Voice over Net(VON) Conference」においてローカストワールドによるプレゼンテーションで、８０２．１１ＡＰのメッシュ内で使用される「スピーチサーバー」が開示されている。前述したように、音声は、ネットワークにとって都合のよいトラフィックであるとはされていない。音声トラフィック性能を改善するための１つの方法は、実質的無線リソースを提供することである。別の仕方として、ローカストワールドのプレゼンターによって開示されたように、スピーチが全ネットワークに亘って影響を及ぼしてしまうのを制限するため、特定のルートに沿ってスピーチトラフィックを集中させるためのスピーチスイッチとしてノードが作用するようにすることができる。このような方法は、そのメッシュ内にサブネットワークを重ね合わせ、その「スピーチサーバー」へ音声トラフィックを集中させるものであり、この方法に関連して、集合の形式であるトンネリングを使用することができる。しかしながら、これらの「スピーチサーバー」は、静的なものであり、即ち、ルーティングが適応せず、非スピーチサーバートラフィックを利用することもできない。スピーチサーバーは、ＭＡＣ-ＰＨＹ性能についての情報を利用することにより最適化もなされない。スピーチサーバーのためのトラフィック集合については、そこには全くふれられていない。
【０００８】
パケット集合によれば、ＩＳＯ標準の異なるレイヤーに関連する大きなヘッダーオーバーヘッドが軽減される。例えば、実時間プロトコル（ＲＴＰ）多重化においては、複数のＲＴＰストリームが単一ＲＴＰペイロードにカプセル化され、それから、それが２つのエンドポイント（例えば、ＩＰ電話ゲートウエイ）の間で送信される。インターネットエンジニアリングタスクフォース（ＩＥＴＦ）のインターネットアーカイブからdraft-ietf-avt-tcrtp-08.txtとして入手できるインターネットドラフト提案「Tunneling multiplexed compressed RTP(TCRTP)」には、ネットワークパスを通して圧縮、多重化及びトンネリングプロトコルを組み合わせることにより、ＲＴＰストリームにおける帯域幅利用度を改善することが記載されている。圧縮により、単一ＲＴＰストリームのＩＰ/ＵＤＰ/ＲＴＰヘッダーオーバーヘッドが減じられる。トンネリングは、リンク毎に解凍及び再圧縮をしたりする必要なしに、マルチホップＩＰネットワークを通して圧縮ヘッダー及びペイロードを搬送する。多重化は、多くのＲＴＰペイロードに亘って単一トンネルヘッダーを割り振ることによりトンネルヘッダーオーバーヘッドを減ずる。この方法を使用して、複数のＲＴＰストリームは、所定のパケットサイズ（バイトの数又はペイロードの数において）に達するか、又はタイマーが切れるか、するまで、単一ＲＴＰパケットへと多重化される。パケットサイズの最適値又はタイマー持続時間は、そのネットワークにおける必要とされたデータレート及び許容遅延に依存している。同様のフロー集合技法は、ＡＴＭネットワーク（「ＶｏＡＴＭ」）を通してのＶｏＩＰ及びＭＰＬＳ（「ＶｏＭＰＬＳ」）ネットワークを通してのＶｏＩＰにおいて使用される。音声パケットは非常に小さく（例えば、数バイト）でき且つＡＴＭセルは最小サイズ（即ち、４８バイト）を有するので、音声パケットを単一ＡＴＭセルへと多重化することにより、帯域幅利用度が改善される。しかしながら、今日までは、ＲＴＰ多重化は、ワイヤドＩＰネットワーク内の単一行先ホストに限られていた。
【０００９】
IEEETransactions on Vehicular Technology, Vol.54, No.1, Jan. 2005におけるW. Wang氏、S.C. Liew氏及びV.O.K. Li氏による「Solutions toperformance problems in VoIP over a 802.11 wireless LAN」と題する論文には、ワイヤレス８０２．１１ネットワークにおける低容量についての検討がなされている。これら著者は、音声ゲートウエイでのダウンリンク音声ストリームを単一のより大きなパケットへと多重化し、それから単一送信において全ての受信者へマルチキャストすることを提案している。図２は、この提案された解決法を例示している。この提案された解決法においては、セキュリティーは、それら音声パケットを暗号化することによって達成される。マルチプレクサにより、各音声パケットのＩＰ/ＵＤＰ/ＲＴＰヘッダーは、パケット識別子（ＩＤ）でもってＲＴＰセッションを識別する圧縮されたミニヘッダーに置き換えられる。各受信者は、そのパケットＩＤを使用して多重化されたパケットからその音声パケットを抽出し、そして、元のヘッダーを回復させる。
【００１０】
マルチプレックス−マルチキャスト方法によれば、最後のホップにおけるアップリンク通信とダウンリンク通信との間の不調和の問題も解決される（即ち、ＡＰは、送信する音声パケットの数と少なくとも同じ回数だけチャネルについて競合する必要はない）。しかしながら、この解決法は、中間のホップでブロードキャストが行われないので、マルチホップワイヤレスネットワークには容易には適用できない。それら中間のホップは、しばしばボトルネックが生ずるところである。コールは、音声ゲートウエイに達する前に１つ又は幾つかのリレーノード（アクセスポイント又はワイヤレスルーター）を通して送られ、他のローカルコールは、その経路に沿ってのＡＰに接続しようとすることがある。複数のＡＰがそのゲートウエイに送信する場合には、混雑がすぐに生じてしまうことがある。マルチキャスト技法は、マルチホップネットワークには適用できないものであり、一般的には、端末リンクでのダウンリンクオンリーメカニズムである。
【００１１】
ワイヤレス媒体のＭＡＣ／ＰＨＹレイヤーでのフレーム集合及び容量増大バースティングメカニズムに対する提案が、８０２．１１標準のタスクグループＮ（ＴＧｎ）で受領されている。ワールドワイドスペクトラムエフィシェンシー（ＷＷｉＳＥ）からの１つの提案は、ＰＬＣＰプロトコルデータユニット（ＰＰＤＵ）内の複数のＭＡＣプロトコルデータユニット（ＭＰＤＵ）を分離するため、信号フィールドを使用してＰＨＹレイヤーでフレームを集合するというものである。ＷＷｉＳＥは、又、８０２．１１標準内のバースティングメカニズムを使用することも推奨しており、そこでは、ＰＰＤＵは、互いにＲＩＦＳ（フレーム間スペース）内でワイヤレスチャネルにて連続して送られる。ＴＧｎシンクグループ（ＴＧｎＳｙｎｃ）からの提案は、ＭＡＣレイヤーで、又はＭＡＣレイヤーとＰＨＹレイヤーとの間のインターフェースで、フレーム集合を行うというものである。この提案によれば、ＭＰＤＵは、各ＭＰＤＵの始点に配設されたＭＰＤＵデリミタを有する１つのＰＬＣＰサービスデータユニット（ＰＳＤＵ）へと集合される。又、この提案によれば、ＭＡＣヘッダー及びＣＲＣビットを共用できるようにするため、複数のＭＡＣＳサービスデータユニット（ＭＳＤＵ）が１つのＭＳＤＵへと集合される。これらのＷＷｉＳＥ及びＴＧｎＳｙｎｃ提案によれば、ＭＡＣ及びＰＨＹレイヤー（即ち、レイヤー２）効率が改善される。
【００１２】
ＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーには、幾つかの付加的なメカニズムが使用される。例えば、既存の８０２．１１ａ/ｂ/ｇシステムは、ＭＡＣ-ＰＨＹレイヤー内でペイロードを集合しない。ＭＡＣペイロード限界を越える大きなペイロードの場合には、セグリゲーション又はフラグメンテーションアルゴリズムにより、ペイロードの断片が小さなフレーム間スペース（ＳＩＦＳ）間隔にて分離されたバースト形式にてワイヤレスチャネルへと送信される。８０２．１１ｅ標準は、競合期間中に使用されるＲＩＦＳ間隔でバースティングメカニズムを有する。しかしながら、このバースティングメカニズムは、同じＭＳＤＵの断片を送信することに限定されている。
【００１３】
マルチプレックス−マルチキャスト方法の場合のように、これらのメカニズムは、パーホップ技法の範疇に入り、個々のリンクの効率を改善することによりマルチホップシナリオにおける性能を助長することができるが、これらは、マルチホップ環境において生ずることがある問題について十分に対応していないし、又、改善の可能性について十分に取り組んでいるものでもない。
【００１４】
マルチホップシナリオにおける性能を改善するものもある。しかしながら、（ＡＯＤＶ、ＤＳＲ、ＤＳＤＰ、ＴＯＲＡ）の如き初期のワイヤレスマルチホップルーティングプロトコルは、より低い（例えば、ＭＡＣ/ＰＨＹ）レイヤーとは独立してルーティング問題を取り扱っている。これらのプロトコルは、システム性能又はサービスの品質（ＱｏＳ）を保証又は考慮せずに、ベストエフォート形式にてパス発見を行うものである。これらのプロトコルは、主として、接続されたパスを見つけ出すことが高い優先度を有しているような移動アドホックネットワーク（ＭＡＮＥＴ）に使用される。しかしながら、現在のネットワークは、主として静的である（即ち、ワイヤレスリレーは固定しており、接続性は保証されている）。より重要なことは、８０２．１１ネットワークは、高いオーバーヘッドを有しており、これらのオーバーヘッドに対応していないルーティングプロトコルは、システム性能を悪いものとしているということである。ある幾つかのネットワークは、より低いレイヤーにおける不十分なリソースを測定するためパスコストメトリックを組み入れており、そのメトリックに従ってルーティング決定をなしている。
【００１５】
より最近においては、幾人かの研究者により、より低いレイヤーにおけるリソース割当てに関してワイヤレスネットワークにおいてルーティングを行うことが考えられている。その結果として、最適なネットワーク動作を提供するようなルーティング及びＭＡＣ/ＰＨＹレイヤーとの組合せメカニズムが考え出されている。又、より特定用途向けであって、更なる最適化がし易いようなワイヤレスセンサーネットワークにおいても同様の方法が使用されている。しかしながら、これらのルーティングアルゴリズムのうちの多くのものは、８０２．１１プロトコルに適用できないような前提に頼っているものである。
【００１６】
既存の解決法は、８０２．１１ネットワークの動作容量を追求しているものではない。８０２．１１のトランスポート容量は、各パケットが競合、送信及び確認オーバーヘッドを有しているため、非常に非効率的なものである。
【発明の概要】
【００１７】
本発明の１つの実施形態によれば、全ネットワークを通してマルチフローを最適化することにより、マルチホップ、マルチフローネットワークにおける正味のワイヤレスアクセス効率が改善される。この方法は、個々のフローにおいても利点のあるものである。これらのメカニズムは、ジョイントルーティング及びトラフィックシェーピング技法を、中間のホップでの複数のフローに適用する。このルーティング及びトラフィックシェーピング技法は、ある幾つかのホップでのフローに悪影響を与えるとしても、複数のホップ（所定のフローについて）を通じて及び複数のフロー（所定のホップ又は所定数のホップについて）を通じて平均化されるときに、全てのフローに対して相当の性能を達成することができる。従って、本発明は、非効率性により対処したものであり、パーホップ技法よりもマルチホップパスをより利用するものである。
【００１８】
本発明は、従来技術におけるように日和見的（即ち、ランダムに又は独立して最適化する）方法に頼るのでなく、系統的方法にて付加的なトラフィックシェーピングを行うように、複数のフローのルーティングパスを制御することによりシステム性能を改善する。マルチホップ環境では、本発明の方法は、発信アプリケーション（アプリケーションレイヤー）及び着信アプリケーション（アプリケーションレイヤー）の両者に対して透過性であるという付加的な効果をも有する。
【００１９】
本発明の１つの実施形態によれば、トラフィックは、直交ルーティングプロトコルを使用してワイヤレスメッシュ内のプリコンフィギュレーションされたサーバーポイントにトラフィックを集中させることによるのでなく、複数のフローに亘って、ルーティング決定とトラフィックシェーピング技法の適用とを連携して行うことによって、選択されたルートに沿って集中させられる。ルーティングパス及びトラフィックシェーピング技法の両者は、ネットワーク変化の条件（トラフィックエンタリング）に対して適応させることができる。静的及び動的ルーティングパス及びトラフィックシェーピング技法の両者を適用することができる。
【００２０】
本発明の適切なトラフィックシェーピング及びルーティングは、トラフィック統計量に対する下位ＭＡＣ-ＰＨＹ依存性に基づくものである。ワイヤドネットワーク又はワイヤド相当物を擬態しているワイヤレスネットワークとは違って、ワイヤレスＣＳＭＡ環境においては、トラフィックを特定のルーターに集中させても、必ずしもボトルネックを生じさせるものとはならない。このような環境においては、異なるルートが同じ下位送信媒体を共用することができる。更に又、システム容量は、前段のリレーイングステージにおける容量制限が妨げられないならば、適切なトラフィックシェーピングにつれて増大化させることができる。
【００２１】
本発明は、ＷＳ及びＡＰがワイヤレスＭＡＣ／ＰＨＹメカニズムを通して互いに接続されているような複数のフローを有するマルチユーザ環境に適用できる。多くのフローに亘るルーティング及びトラフィックシェーピングの組合せ（より高いレベルのレイヤーでの）は、ジョイントトラフィック統計量に影響を与え、システム性能（システム容量及びエンド・ツー・エンド遅延によって測定されるような）を改善又は変更することができる。本発明は、既存のＭＡＣ/ＰＨＹ設計を変更せずに実施することができ、アプリケーションレイヤーに対して透過性である。
【００２２】
本発明の１つの実施形態は、複数の８０２．１１アクセスポイント（ＡＰ）及びワイヤレスルーター（ＷＲ）を含むネットワークに適用できる。アクセスポイントは、エンドポイント（例えば、移動端末（ＭＴ））に対してサービスするデバイスである。このネットワークにおいては、ＷＲが異なるＡＰ及びＷＲを相互接続する。（ＷＲは、ＭＴのためのアクセスポイントとして作動することもでき、以下の説明では、特に断らない限り、ＷＲとＡＰとは区別されていないものとする）。又、必ずしも必要ではないが、ワイヤレスネットワークを１つ以上の外部（多分、ワイヤド）ネットワークへ接続するのに、１つ以上のゲートウエイアクセスポイント（ＧＡＰ）を提供することもできる。（以下の詳細な説明では、ＧＡＰは、複数のフローに対する共通の行先ポイントを例示するのに使用されている）。１つの実施形態では、それらの最終行先への経路の２つ以上のホップ（即ち、ワイヤレスリンク）を通しての幾つかのフローがある。ＡＰ、ＷＲ及びＧＡＰは、トラフィックの下位統計量（例えば、パケット間持続時間、媒体へのアクセスの数、トラフィックのバースト特性）に敏感に反応するワイヤレスリンクを通して通信する。ＭＴと他のデバイスとの間の通信は、このようなワイヤレスリンクを使用することができる。
【００２３】
ネットワークに亘る容量又は性能損失を最小とするため、ルーティング及びトラフィックシェーピングは、関連するＭＴ、ＡＰ、ＷＲ又はＧＡＰ内の下位ＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムに基づいて適用される。１つの実施形態では、ジョイントメカニズムは、３つの下位技法クラス：（ａ）ルーティングメカニズム；（ｂ）ＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーの上のトラフィックシェーピングメカニズム（送信トラフィックの統計量を変える）；及び（ｃ）ネットワークにあるＭＡＣ-ＰＨＹにおけるメカニズム又はケイパビリティ、に基づいている。
【００２４】
本発明によれば、ワイヤレスネットワーク効率を上げるための方法は、（ａ）前記ワイヤレスネットワークに対して複数のアクセスポイントを用意すること、（ｂ）移動端末のデータパケットのトラフィック統計量を含むネットワーク条件に従って前記アクセスポイントを通して前記ワイヤレスネットワークにアクセスするための複数の移動端末を指定すること、及び（ｃ）媒体アクセス制御レイヤーの上のプロトコルレベルで前記移動端末からのトラフィックフローをシェーピングすること、を含む。ワイヤレスルーターを含む前記アクセスポイントは、利用できるワイヤレスルーターの数、各ワイヤレスルーターでの集合及び各ワイヤレスルーターに関連する移動端末の最大数に従って、階層型構成にて編成される。前記構成の目的は、前記移動端末とゲートウエイアクセスポイントとの間のトラフィックフローを方向付けることである。
【００２５】
１つの実施形態では、ワイヤレスネットワークは、ＭＴへのトラフィックフロー及びＭＴからのトラフィックフローを送受信するゲートウエイアクセスポイントを含む。この実施形態においては、トラフィックフローをゲートウエイアクセスネットワークへ直接送信するか（１つのホップで）又は１つ以上のワイヤレスルーターを通して送信するかの決定がなされる。ある決定は制約されることがある（例えば、ＭＴ及びワイヤレスルーターの間の接続性に基づいて）。しかしながら、しばしば、多くの異なる決定は、サービス品質の制約、存在するワイヤレスルーター及び１つ以上のワイヤレスルーターのトラフィックシェーピングケイパビリティを含む考慮事項に基づいてなすことができる。実際に、本方法は、又、このワイヤレスネットワークに加わることを要求する移動端末に応答して、ワイヤレスルーターをアクティベートするか、又はデアクティベートするかを決定することを含む。
【００２６】
重要なことは、トラフィックフローをＧＡＰへ直接送信できるときでも、２つ以上のリンクを通してトラフィックフローを送信するのでは、より効率が悪いと思えても、パーフロー又はパーホップでの解析では、一方のトラフィックフローが他方のフローに与えるジョイント効果又はその逆に他方のトラフィックフローが一方のフローに与えるジョイント効果を見逃してしまうかもしれないということである。実際に、このようなジョイント効果は、全ネットワーク挙動を変えることができるものであり、ＧＡＰへワンホップの効果が得られるようなトラフィックフローの場合でも、そのトラフィックフローをその経路の複数のホップ（即ち、ルーター）を通してそのＧＡＰへルーティングするよりも性能が実際に悪くなってしまうことがある。極端な場合には、ワンホップ接続は、実際に、システムがサポートすることのできるトラフィック容量の限界を越えてしまい、全ての接続に悪影響を与えてしまうことがあるのに対して、ツー（又はそれより多い）ホップ接続によれば、システムがその容量限界内に留まるようなトラフィックシェーピングをなすことが可能となるのである。
【００２７】
本発明によるトラフィックシェーピングは、媒体制御レイヤーでのデータ到着のタイミング特性をシェーピングするホールドアンドリリースメカニズムに関連してバッファリングすることを含むことができる。このホールドアンドリリースメカニズムは、バッファリングされるデータパケットの入力トラフィック統計量及び望まれる出力トラフィック統計量に従って媒体アクセス制御レイヤーへデータパケットを解放する。望まれるトラフィック統計量は、全ネットワーク条件に適応でき、（ｉ）バッファリングされるパケットを有するフロー；（ii）バッファリングされるデータパケットを有する各フローのタイプ又はクラス；（iii）バッファの占拠率；及び（iv）各データパケットの到着時間のうちの１つに関連させることができる。
【００２８】
データパケットは、ＭＡＣ／ＰＨＹがより効率的に挙動できるようにするトラフィック特性となるようにする各ワイヤレスルーターでの媒体制御レイヤー又は物理レイヤーへリリースされる。例えば、パケットがグループにてリリースされる場合には、データを通信媒体へより効率的に送信するため、ＭＡＣ／ＰＨＹバースティングスキーム（もし、サポートされているならば）を使用することができる。トラフィックシェーピングは、又、受信されたデータを、フローに基づいて又はパケットレベルで、より少ないパケット又はフローへと集合することを含むことができ、この集合としては、フロー内の集合又は複数のフローに亘る集合を含むことができる。
【００２９】
これらの動作を行う能力及びネットワークにおけるパーホップ及びマルチホップ効率への影響については、ワイヤレスルーターへルーティングされるフローのタイプに依存しているものである。特に、出力トラフィックフロー特性は、入力トラフィックフロー特性に依存している。同様に、全ネットワーク効率に対するジョイント効果は、どのトラフィックフロー及びどんなトラフィックシェーピング技法がそのワイヤレスルーターにおいて実施されるのかに依存している。
【００３０】
従って、ルーティング及びトラフィックシェーピングに関する決定は、このようなジョイント依存性を考慮してなされるものであり、このジョイント依存性は、実際のネットワーク又は模擬ネットワークについて種々検討することにより分かるものである。
【００３１】
本発明は、図面に関してなされる以下の詳細な説明を参照することにより、より良く理解されよう。
【００３２】
図の間の相互参照を容易とするため、それら図における同様の要素には、同様の参照符号を割り当てている。
【好ましい実施形態の詳細な説明】
【００３３】
本発明は、全ネットワークを通してマルチフローを最適化することにより、マルチホップ、マルチフローネットワークにおける正味のワイヤレスアクセス効率を改善する。本発明は、全てのトラフィック及び全てのパスを考慮して、効率を改善するようにトラフィックをルーティングしシェーピングする。図７は、複数の移動端末ＭＴ１−ＭＴ６がゲートウエイアクセスポイント（ＧＡＰ）から直接サービスを得るようなネットワーク７００を示している。このような構成は、この詳細な説明では、「単一ホップ複数フローネットワーク」と称する。図７において、ＧＡＰは、サービス品質が相当に低下してしまうと、ＭＴ１−ＭＴ６にサービスを与えることができなくなってしまう。
【００３４】
本発明は、リレーイング及びトラフィックシェーピングの両者を使用することにより可能とされる容量増大化を利用している。図８は、複数の移動端末ＭＴ１−ＭＴ６が各々ワイヤレスリンクを通してゲートウエイアクセスポイント（ＧＡＰ）にアクセスするワイヤレスルーターＷＲ１−ＷＲ３（「中継ノード」）からサービスを得るようなネットワーク８００を示している。図８においては、同じ量のトラフィックがそのＧＡＰにアクセスするのに同じチャネルに対して競合するとしても、ＷＲ１−ＷＲ３を通してＭＴ１−ＭＴ６へのトラフィック及びＭＴ１−ＭＴ６からのトラフィックをルーティングし、そのトラフィックを中間のＷＲで集合することにより、全システム容量が増大化される。図７のネットワーク７００と違って、図８のＭＴ１−ＭＴ６は、全てより良いサービスを受けることができる。何故ならば、集合されたパケットのペイロードがより長くなるためにパケット送信時間がより長くなるとしても、それらは、ＷＲとＧＡＰとの間の送信のためのプロトコルオーバーヘッド及びチャネルアクセス競合が減じられることにより、十分に補償されているからである。パケット長さとＧＡＰアクセス競合との間の適当なトレードオフは、オフラインシミュレーション又はオンライン実験的測定によって得ることができる。特定のフロー又はトラフィックタイプに対して優先度を割り当てることもできる。
【００３５】
図９は、３つの異なるリレー戦略について行われた集合の関数として全システム容量（即ち、ユーザフローの最大数）のオフライン測定値を示している。図９は、全てのコールが一定ビットレート（ＣＢＲ）パターン（例えば、６４Ｋbpsデータレート）に従うような均質なＶｏＩＰトラフィックに対して得られる。各ＭＴでのパケット間持続時間は、３０ミリ秒である。６４Ｋbpsでは、この持続時間は、送信時間の２４０バイトに相当する。各パケットは、ＩＰヘッダー（２０バイト）、ＵＤＰヘッダー（８バイト）及びＲＴＰヘッダー（１２バイト）のオーバーヘッドを担持している。異質のトラフィック及び他のパラメータ(例えば、データレート、オーバーヘッド又はＩＰネットワーク)の変化においても、同様のプロットを得ることができる。
【００３６】
図９のプロットのｘ軸は、ＷＲによってより大きなパケットサイズを使用する単一フローへ集合される音声コールの数Ｌｋを示している。集合されたパケットは、例えば、（ａ）所定の時間期間中に受信された全てのパケットが集合されるとき；（ｂ）所定数のパケットがＷＲに関連した各ＭＴから受信され集合されるとき；又は（ｃ）パケットがＷＲに関連した所定数のＭＴから受信され集合されるとき、に完全である。勿論、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）のいかなる変形又は組合せも、本発明の範囲内に入るものである。
【００３７】
例示のため、所定のＷＲによってサポートされる各コールからの１つのパケットが集合されると仮定する。各ＷＲで「Ｌ」のアグリゲーションの場合（即ち、各ＷＲがＬ個のコールを集合する）には、数ｎ（Ｌ）は、ＧＡＰによって支援できるＷＲの数を示している。ツーホップネットワーク（例えば、図８のネットワーク８００）の下では、全システム容量Ｕ（Ｌ）は、次の式によって与えられる。
Ｕ（Ｌ）＝ｎ（Ｌ）×Ｌ
【００３８】
システム容量は、集合につれて増すことに注意されたい。即ち、Ｌ＞１の場合、Ｕ（１）≦Ｕ（Ｌ）である。換言すれば、中間ＷＲを使用することにより、ＧＡＰによってサポートできるユーザ（ＭＴ）の数を増すことができる。逆に、システムにおけるユーザの数が知られているときには、図９により、リレーイング戦略の各々について所定のターゲットＵ＊に対する可能な集合オペレーティングポイントを決定することができる。このような容量を達成し又はこのような容量を越えることさえできるような集合レベル又はＷＲの数の多くの組合せがある。例えば、異なるＷＲで異なる集合レベルとすることにより、図９に示した容量値を越えるようにすることができる。このとき、使用する戦略の選択について、エンド・ツー・エンド遅延、電力、地理的接近性、チャネル品質及びユーザプロファイルの如き付加的な基準を使用することにより評価することができる。オペレーティングポイントは、（ａ）使用するＷＲの数；（ｂ）そのネットワークに入るＭＴがＷＲを通してサービスを得るべきか又はＧＡＰを通して直接にサービスを得るべきか；及び（ｃ）各ＷＲでの集合及び各ＷＲに関連する最大ユーザ及びＧＡＰに直接の最大ユーザ、を決定するのに使用できる。
【００３９】
更に又、図９は、容量の限界を示しており、又、本来的に、多くのその他の動作ポイントに関する情報を与えていることに注意されたい。特に、ネットワークは、常に、そのような容量より低いところで動作することができ、このことは、実際に、新しいトラフィックのためのヘッド余地を維持し及び／又はサービスの品質を維持するのに望ましいことである。例えば、ある容量が、「ｍ」個のＷＲの各々で集合レベル「Ｌ」を使用して達成されているとするならば、レベルＬより低いレベル「Ｌ１」の集合でｍ個より少ない「ｍ１」個のＷＲを作動させるように「ｍ」個のＷＲを使用することも可能である。同様に、各々が「Ｌ」以下の集合レベル（潜在的に異なる）で動作するようにして、ｍ個より少ない「ｍ１」個のＷＲを使用することも可能である。
【００４０】
図９によって例証されていないような他の動作特性、例えば、幾つかのルーターが集合レベル「Ｌ」より高いレベルを使用するような場合についても、ネットワークロードを取り扱い及び／又は望むサービス品質を達成することができるようにするため検討することができる。
【００４１】
階層度がより高い（例えば、２ホップより高い）ネットワークの場合には、図８のネットワーク８００におけるＧＡＰは、ＷＲとして見ることができる。このような第２レベルのＷＲの多くを相互接続し又は別のＧＡＰに接続することができる。図９の測定値は、マルチＧＡＰネットワークへ拡張することができる。
【００４２】
本発明は、混合階層型のネットワーク、即ち、ある幾つかの移動端末がＧＡＰに直接に接続されるような、ネットワーク８００の如きネットワークにも適用できる。ネットワーク８００のような構成におけるように、このような構成は、この詳細な説明においては、「マルチホップマルチフローネットワーク」と称される。ＷＲ、ＭＴ、ＡＰ及びＧＡＰは、例えば、８０２．１１標準のいずれかの下でのアドホック又はインフラストラクチャモードにおいて通信することができる。干渉を避け且つフルデュプレックス動作とするため、各ＷＲは、異なる周波数スペクトラム（例えば、８０２．１１ａ及び８０２．１１ｂ）を占有する異なるチャネル又は異なる標準で動作する複数の８０２．１１インターフェースを担持することができる。これらインターフェースは、ＭＴ及びＧＡＰと通信する。
【００４３】
主としてワイヤドＩＰネットワーク内の単一行先ホストに対して働くＲＴＰ多重化と違って、本発明は、ありうる異なるユーザ及び異なる行先からの複数のフローを集合し、より一般的には、トラフィックシェーピングすることにより、ワイヤレスマルチホップＩＰネットワークのシステムスループットを改善する。又、パーリンクベースで有利な従来技術のトンネリングと違って、本発明の方法は、全ネットワークに対してより高い帯域幅利用度を達成するように、集合サービスを行う複数のルーター（ルーティング決定により）を使用する。本発明は、又、ＭＡＣ及びＰＨＹレイヤーをより効率的にしようとしている従来の提案とは異なる。本発明の方法は、既存のＭＡＣ及びＰＨＹレイヤーにトラフィックシェーピング及びルーティングメカニズムを適用して、レイヤー２メカニズム以上にて動作するものである。
【００４４】
本発明の１つの実施形態によれば、どのアクセスポイントも、統計量を変更するように中間ホップを使用するルーティング戦略（トンネリングとは別の）を有する「スピーチサーバー」と見ることができる。しかしながら、トラフィックをスピーチサーバーに沿って流すだけの従来のルーティング戦略では、マルチホップ集合による効果を得ることができないし、又、中間ホップノードをアクティベートすることによる効果を得ることはできない。本発明は、競合を軽減し且つマルチホップ８０２．１１ネットワークを通しての音声容量を増大させるため、特定のワイヤレスルーターでアップリンク音声ストリーム及びダウンリンク音声ストリームの両方を集合するのである。ヘッダー圧縮及び多重化を含む集合により、帯域幅効率が増大化される。ワイヤレスルートは、ＷＬＡＮのワイヤレスエンドホストとワイヤドアクセスポイントとの間の可能なフローパスである。トラフィック集合及びパケットリフォーマティング（即ち、パケットヘッダーを変更する）と関連してルーティングを行うことにより、非効率性を相当に減少させることができる。
【００４５】
図３及び図４は、それぞれアップリンクトラフィック及びダウンリンクトラフィックに対する移動端末ＭＴ１及びＭＴ２とゲートウエイアクセスポイントＧＡＰとの間の中間ホップでのネットワークレイヤーとＭＡＣ/ＰＨＹレイヤーとの間でメカニズム３００によって行われるルーティング及びトラフィックシェーピングを示している。図５は、図３及び図４のメカニズム３００をより詳細に示している。図５に示されるように、メカニズム３００は、トラフィック監視（ＴＭ）モジュール５０１、ジョイントルーティング及びトラフィックシェーピング決定（ＪＲＴＤ）モジュール５０２、トラフィックシェーピング（ＴＳ）モジュール５０３−１、５０３−２、……５０３−ｎ及びトラフィックシェーピング反転（ＴＳＩ）モジュール５０４−１、５０４−２、……５０４−ｎを含む。
【００４６】
全てのＭＴ、ＡＰ/ＷＲ及びＧＰＡに共通のＴＭＭ５０１は、ネットワーク状態（例えば、チャネル状態及びリンク品質）及びデータトラフィックの両方を監視する。ＪＲＴＤモジュール５０２は、ＴＭＭ５０１からの入力を受信してＴＳＩモジュールによって行われるべき動作及びネットワークに亘るフローのルーティングを決定する。ＪＲＴＤモジュール５０２は、又、ＭＴ-ＡＰ関連を決定し、且つ、付加的なＷＲをアクティベートするべきか否かを決定する。ネットワークに亘るルーティング及びトラフィックシェーピングの両者に関するジョイント決定は、フローのジョイント統計量に対する下位ＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムの性能依存性を考慮して行われる。ＪＲＴＤモジュール５０２は、ネットワークにおけるマルチプルホップ及び複数のフローを考慮して且つより高いレベルのレイヤー（例えば、アプリケーショレイヤー）に対して透過性であるようにして、個々のＭＡＣ/ＰＨＹレイヤー性能を最適化する。
【００４７】
ＴＳモジュール５０３−１、５０３−２、……５０３−ｎの各々は、選択されたＡＰ、ＷＲ又はＧＡＰにあって、集合及びパケットバッファリングを行うことができる。１つの実施形態では、各ＴＳモジュールは、複数のフローに亘るパケットを単一パケットへと集合して、中間ホップ（リンク）におけるチャネルアクセスの数を減少させ、それにより、そのリンクの容量を増大化させ、そのネットワークにおける遅延を減少させることができる。各ＴＳモジュールは、パケットをバッファリングし、それから、対応するＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーでの処理の所定の統計的時間プロファイルに従ってそれらパケットをリリースすることができる。バッファリングにより幾つかのパケットが遅延させられることがあるが、全てのパケットに亘っての平均遅延は、減じられる。何故ならば、ＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーは、競合なしバースティングメカニズム（即ち、単一アクセス許可に基づいて複数のパケットを送信する）を利用することができるからである。ＴＳモジュールは、又、パケット到着のタイミングを変更する他の技法を適用することができる。例えば、ＲＴＰ-ＵＤＰヘッダーは、個々のフローの生ビットレート（Ｋbpsでの）を減少させるため圧縮することができる。ＴＳモジュールは、データペイロードの可逆圧縮（例えば、レンペルジフアルゴリズムを使用して）を適用して）することができる。音声データの場合には、ＴＳモジュールは、ある特定のフローに対して非可逆圧縮でも適用できる。バースティングにより、ネットワーク競合オーバーヘッド（従って、パケット当たりの平均チャネルアクセス競合オーバーヘッドも）を減じることができ、ネットワークのネットワーク容量を増大化することができる。ＴＳＩモジュール５０４−１、５０４−２、……５０４−ｎは、各々、データパケットの集合を反転させるため（必要なときに）、選択されたＡＰ、ＷＲ又はＧＡＰに設けることができる。
【００４８】
図６は、本発明の１つの実施形態によるジョイントルーティング及びトラフィックシェーピングメカニズム３００を使用する単一フローマルチホップネットワークを示している。図６に示されるように、第２のホップでのチャネルアクセス統計量は、トラフィックシェーピングを使用して変更される。この場合におけるトラフィックシェーピングは、又、多くのネットワークエンティティによって共用されているワイヤレス媒体のスループットに影響を及ぼす。しかしながら、図１におけるように、より高いレイヤーでの透過性を維持しながらの統計学的シェーピングには限界がある（例えば、着信アプリケーションレイヤーのＱｏＳ要件）。図３及び図４の各々を参照するに、複数のホップ及び複数のユーザ又はフローを有するネットワークは、着信エンドポイントＭＴによって必要とされるいずれのフローのＱｏＳ制約に影響を及ぼしたりそのＱｏＳ制約を犯したりせずに、ＭＡＣ-ＰＨＹデバイス（例えば、図３及び図４の各々における「トラフィックシェーピング１」モジュール）に対する２つ以上のフローを集合することを可能とする。（例えば、図４に示されるようなＴＳＩモジュールは、集合されたパケットの分割を行う）。トラフィックシェーピングは、複数のユーザによってアクセスされる第１のホップ（図４）でのようにそのフローの初期において生ずることがある。
【００４９】
本発明は、複数のフローに亘ってルーティング決定をトラフィックシェーピングにリンクする。ＪＲＴＤ５０２は個々のＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーより上で動作するので、これは、それらのトラフィック統計量によって表されるようなＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーの挙動を考慮して決定をなす。トラフィックシェーピングは、ＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーの効率に直接に影響し、ルーティングは、適用するトラフィックシェーピングのタイプ及び両に影響を及ぼす。パケット及びフロー集合は、ネットワークに亘るコールを１つ以上の共通のポイントへルーティングすることによって行うことができる。多くのフローに亘るＪＲＴＤモジュール５０２におけるジョイント統計学的処理は、全ネットワーク及び個々のＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムの性能に影響を及ぼす。例えば、フロー内のバースティング挙動及びこの挙動に対する変化は、チャネルアクセスパターン及びそのフローに含まれるＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムの挙動に影響する重要なパラメータである。マルチホップマルチフローネットワークにおいて、ジョイントフローは、ＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムによって知られる。集合の他に、ジョイントトラフィック統計量をシェーピングするのに、適応遅延要素（例えば、適応バッファ）を使用することができる。パケットサイズ及びチャネルアクセスパターンを含む着信パラメータも、ＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムに影響を及ぼすことがある。
【００５０】
ＧＡＰ及びＭＴは、異なるトラフィックタイプ及び特性（例えば、パケット長さ及び到着間分布）を生成する。マルチホップ環境においては、ＧＡＰは、各ホップが異なるトラフィック容量（例えば、リンク品質、ＭＡＣ及びＰＨＹメカニズム）を有した状態で、複数のＡＰ及びＷＲを通してＭＴに接続することができる。マルチフローマルチホップネットワークでは、ＭＴとＷＲ又はＡＰとの間のリンク、ＭＴとＧＡＰとの間のリンク、ＷＲとＡＰとの間のリンク及びＷＲ、ＡＰ及びＧＡＰの間のリンクがある。ワイヤレスリンクは、トラフィック統計量に敏感に反応する下位ＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムを有する。ＡＰ、ＷＲ及びＧＡＰは、フロー及び従って送信イベントの統計量を変化させる技法を支援することができる。
【００５１】
１つのジョイントルーティング（リレーイングを含む）及び統計学的トラフィックシェーピング決定は、（ａ）ＧＡＰへ直接送信するフロー；（i）各フローのＱｏＳ制約（例えば、遅延、ジッタ及び帯域幅）、（ii）ＭＴ、ＷＲ及びＧＡＰの間の接続性及び（iii）各ワイヤレスルーターのトラフィックシェーピングケイパビリティ、及び（iv）各リンクの品質が与えられている選択リレーノードを通して送信するフロー；及び（ｃ）ＷＲのアクティべーション及びデアクティべーションを考慮して行うことができる。
【００５２】
１つのリレーイング決定は、（１）フローがＧＡＰへ直接送信されること及び（２）フローが、各フローの所定の（１）ＱｏＳ制約（例えば、遅延、ジッタ及び帯域幅）及び各ワイヤレスルーターの所定の（２）トラフィックシェーピングケイパビリティの下で、ツーホップ形式にてリレーノードを通して送信されること、を考慮して行うことができる。これらの決定は、例えば、システム容量最大化、サポートされる音声コールの数、ネットワークにおける正味のデータスループット及び平均遅延最小化を示すメトリックを使用して評価することができる。ワイヤレスルーターによって中継されるＩＰパケットは、同じ又は異なるＭＴから発する異なるトラフィックフロー又は同じ又は異なるＭＴに終端する異なるトラフィックフローに属することができる。ＷＲは、ＩＰパケットをバッファリングし、同じ行先（例えば、ＭＴ又はＧＡＰ）に対する異なるフローのパケット又は同じフローにおけるパケットを集合することによりトラフィックシェーピングを行うことができる。ＷＲが媒体アクセスを得るとき、ＩＰパケットは、１つ以上のバーストにおいて、それらバースト間でチャネルアクセスをリリースせずに、ＭＡＣレイヤーによって送信される。
【００５３】
図１０は、本発明の１つの実施形態によるトラフィックシェーピングを行うのに使用されるバッファリング及びホールドアンドリリース決定メカニズム１０００を概略的に示している。これは、相対的タイミング及び技法変化（例えば、アグリゲーション）の両方を考慮して行う。図１０に示されるように、複数の入来パケットは、バッファ１００１へ受け入れられる。フィルタリング回路（図示していない）が、バッファ１００１におけるパケットの統計量を収集し、それら統計量をホールドアンドリリース決定モジュール１００２へ与える。同時に、タイマー１００３が、最後のリリース以後の経過時間を追跡する。１つの実施形態では、パケットをホールドするかの決定又はパケットをリリースするかの決定は、収集された統計量及びタイムリミットの完了の両方に依存している。バッファ１００１のパケットは、リリースされるときは、基礎ＭＡＣレイヤーへと送られる。このリリースのタイミングは、受入ＭＡＣレイヤーの要件によって制約される。典型的には、ＭＡＣレイヤーによるタイミング制約が相当なものとならないようにするため、ＭＡＣレイヤーにはバッファがある。このホールド又はリリース決定は、（ａ）時間及び（ｂ）バッファ占拠率に関する統計量に依存しており、（i）バッファ１００１にパケットを有するフロー；（ii）各フローのタイプ又はクラス；（iii）バッファ１００１におけるパケットの数；及び（iv）各パケットの到着時間、を考慮してなされる。時間的展望からは、その決定は、個々のパケットがバッファに存在していた持続時間又は最後のリリース又はホールド以後の経過時間を考慮してなされる。
【００５４】
メカニズム１０００は、ＭＡＣレイヤーによって知られるような時間における望む到着統計量を生成する。この望む統計量は、ＪＲＴＤモジュール５０２によって選択され指示されてもよいし、又は、各トラフィックシェーピングワイヤレスルーター５０３−１、……５０３−ｎは、単に、半独立的に動作して、ＪＲＴＤモジュール５０２及び所定のＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーからの制約の下で局部最適化をなすことができる。例えば、ホールドアンドリリースメカニズムは、ＭＡＣレイヤーがスピーチクラスバッファにおいて複数の「スピーチ」クラスパケットを有するようにして、そのバッファに対するチャネルアクセスの競合が起こらないようにするようなポリシーを維持することができる。ＪＲＴＤモジュール５０２は、フローの数、従って、最良のリリース基準を設定することができる。付加的な考慮事項としては、ａ）バッファ１００１における許容最大遅延、又はｂ）バッファ１００１に保持できるパケットの最大数、がある。別の仕方として、フローの異なるサブセットに対して働く１つ以上のバッファを設けることができる。（例えば、トラフィッククラス依存バッファ）。
【００５５】
ホールドアンドリリースバッファメカニズムは、所定のフロークラス（特定のメディアフローにおける）に対するチャネルアクセス競合を、そのクラスにおける複数の送信待ちパケットに亘って競合オーバーヘッドを分担させることにより、減少させる。競合なしバースティング（ＣＦＢ）メカニズムを使用するＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーは、更に、下位ワイヤレス媒体における効率を増す。ホールドアンドリリースバッファメカニズムは個々のパケットの遅延を増すのであるが、チャネルアクセス競合が低減されるため、その平均遅延は低減されるのである。チャネルアクセス競合が低減されることにより、ＣＳＭＡに使用される競合回避バックオフカウンターの平均遅延を減少させることができる。
【００５６】
図１１は、本発明の１つの実施形態による複数のフローのための集合メカニズム１１００を概略的に示している。複数のフロー１１０１は、収集回路１１０２に入り、そこで、それらフローは、収集されグループ分けされる。それから、集合回路１１０３−１及び１１０３−２は、フローの選択されたグループ１１０４−１及び１１０４−２を集合する。集合されるべきでないフロー１１０３は、変更又は遅延なしに送られる。
【００５７】
図１２は、本発明の１つの実施形態によるパケットレベルで集合を行う集合メカニズム１２００を概略的に示している。図１２に示されるように、フロー１２０１−１、……、１２０１−ｎからの入来パケットは、バッファ１２０２−１、……、１２０２−ｎで別々にバッファリングされる。必要ならば、後のステージでのＴＳＩモジュール（例えば、ＴＳＩモジュール５０４−１、……、５０４−ｎ）が集合されたパケットから元のパケットを再構成できるようにするため、付加的なヘッダーを負荷することができる。さもなければ、既存のヘッダーを変更するか、又は、単に、既存のペイロードと共に集合されたパケットのペイロード内へ既存のヘッダーを置くことができる。バッファ１２０２−１、……、１２０２−ｎにおけるパケットは、集合スキームに従って集合され、集合パケット１２０３にてＭＡＣ/ＰＨＹレイヤーへ送信される。
【００５８】
ホールドアンドリリース決定スキームでのバッファリングを使用するトラフィックシェーピングは、フロー又はパケット集合と組み合わせることができる。図１３は、ホールドアンドリリース決定が集合されたフローに適用される実施形態を示している。図１４は、ホールドアンドリリース決定が集合前に入来フローに適用される実施形態を示している。個々のフローの特性（例えば、パケットの数及び到着の頻度）に依存して、本発明の範囲内においてこれらのように変更することにより、システム容量及びサービス品質パラメータに種々異なる影響を与えることができよう。これらの影響は、実験的に又はシミュレーションにより確認することができる。勿論、本発明によれば、集合の前又は後に複数のバッファ（即ち、複数のホールドアンドリリース決定）を置き、集合の複数のストリームとするが如き他の変形も可能であると考えられる。
【００５９】
ホールドアンドリリース決定メカニズムと同様に、特にパケットレベルでの集合は、チャネルアクセスイベントの数を減少させることにより、チャネルアクセス競合を減少させる。更に又、集合は、オーバーヘッド送信（例えば、ＭＡＣ-ＰＨＹヘッダー、ワイヤレス送信におけるプリアンブル及び確認（ＡＣＫ）パケット）によって占められる送信容量の部分を減少することにより、ＭＡＣ-ＰＨＹ送信オーバーヘッドを減少させる。下位ワイヤレス媒体においてより大きな効率が達成される。従って、ルーティング、バッファリング及び集合メカニズムを組み合わせることにより、ＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーの効率が改善される。
【００６０】
前述の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を例示するために与えられたものであり、本発明をこれに限定しようとしているものでない。本発明の範囲内で種々な変形及び変更が可能である。本発明は、特許請求の範囲の記載により限定される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】単一ゲートウエイアクセスポイント（ＧＡＰ）と直接通信する単一移動端末（ＭＴ）を示している。
【図２】複数の移動ステーションからの音声データがマルチキャストパケットへと多重化されて、それから、そのマルチキャストパケットが同時に全ての受信者へ送信されるような従来技術による１つの解決法を例示している。
【図３】本発明の１つの実施形態によるアップリンクトラフィックのための移動端末ＭＴ１及びＭＴ２とゲートウエイアクセスポイントＧＡＰとの間の中間ホップでのネットワークレイヤーとＭＡＣ/ＰＨＹレイヤーとの間でメカニズム３００によって行われるルーティング及びトラフィックシェーピングを示している。
【図４】本発明の１つの実施形態によるダウンリンクトラフィックのための移動端末ＭＴ１及びＭＴ２とゲートウエイアクセスポイントＧＡＰとの間の中間ホップでのネットワークレイヤーとＭＡＣ/ＰＨＹレイヤーとの間でメカニズム３００によって行われるルーティング及びトラフィックシェーピングを示している。
【図５】図３及び図４のメカニズム３００をより詳細に示している。
【図６】本発明の１つの実施形態によるジョイントルーティング及びトラフィックシェーピングメカニズム３００を使用する単一フローマルチホップネットワークを示している。
【図７】複数の移動端末ＭＴ１−ＭＴ６がゲートウエイアクセスポイント（ＧＡＰ）から直接サービスを得るようなネットワーク７００を示している。
【図８】複数の移動端末ＭＴ１−ＭＴ６が各々ワイヤレスリンクを通してゲートウエイアクセスポイント（ＧＡＰ）にアクセスするワイヤレスルーターＷＲ１−ＷＲ３からサービスを得るようなネットワーク８００を示している。
【図９】３つの異なるリレー戦略について集合の関数として全システム容量（ユーザフローの数での）のオフライン測定値を示している。
【図１０】本発明の１つの実施形態によるトラフィックシェーピングを行うのに使用することのできるバッファリング及びホールドアンドリリース決定メカニズム１０００を概略的に示している。
【図１１】本発明の１つの実施形態による複数のフローのための集合メカニズム１１００を概略的に示している。
【図１２】本発明の１つの実施形態によるパケットレベルで集合を行う集合メカニズム１２００を概略的に示している。
【図１３】ホールドアンドリリース決定が集合されたフローに適用される実施形態を示している。
【図１４】ホールドアンドリリースが集合前に入来フローに適用される実施形態を示している。
【符号の説明】
【００６２】
ＭＴ、ＭＴ１−ＭＴ６・・・移動端末、ＧＡＰ・・・ゲートウエイアクセスポイント、ＷＲ１−ＷＲ３・・・ワイヤレスルーター、３００・・・ジョイントルーティング及びトラフィックシェーピングメカニズム、５０１・・・トラフィック監視モジュール、５０２・・・ジョイントルーティング及びトラフィックシェーピング決定モジュール、５０３−１〜５０３−ｎ・・・トラフィックシェーピングモジュール、５０４−１〜５０４−ｎ・・・トラフィックシェーピング反転モジュール、７００・・・ネットワーク、８００・・・ネットワーク、１０００・・・バッファリング及びホールドアンドリリース決定メカニズム、１００１・・・バッファ、１００２・・・ホールドアンドリリース決定モジュール、１００３・・・タイマー、１００４・・・オープン（リリース）又はクローズ（ホールド）、１１００・・・集合メカニズム、１１０１・・・フロー、１１０２・・・収集回路、１００３・・・集合されるべきでないフロー（変化されないフロー）、１１０４−１〜１１０４−ｎ・・・集合回路、１１０５・・・集合されたフロー、１２００・・・アグリゲーションメカニズム、１２０１−１〜１２０１−ｎ・・・フロー、１２０２−１〜１２０２−ｎ・・・バッファ、１２０３・・・集合されたパケット（集合されたフロー）
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、Sean A. Ramprashad、Christine Pepin、Ulas C. Kozatにより、「METHOD FOR IMPROVING CAPACITY IN MULTI-HOP WIRELESS MESH NETWORKS」と題して、２００５年９月１６日に出願された米国仮出願第６０／７１７，９０３号、及び２００６年９月１３日に出願された米国非仮特許出願第１１／５３１，３８４号の優先権を主張し、これら両出願明細書は、ここに援用される。米国においてでは、本願は、前述の２００６年９月１３日に出願された米国非仮特許出願第１１／５３１，３８４号の継続出願である。
【発明の分野】
【０００２】
本発明は、一般に、複数のワイヤレスステーション（「ＷＳ」）及びアクセスポイント（「ＡＰ」）を有するワイヤレスネットワークに係る。より詳細には、本発明は、音声アプリケーションを含む多数のデータ及びメディアアプリケーションを有する多重アクセスワイヤレスネットワークに係る。このようなネットワークにおけるトラフィックは、その行先へ向けて複数のワイヤレスリンクを通して送信される。
【関連技術の説明】
【０００３】
８０２．１１ネットワークの如き多重アクセスネットワークにおいては、より低いレイヤーにおけるチャネル（媒体）アクセス及びワイヤレストランスポートにおいて本来的に非効率性が存在している。このような非効率性は、しばしば、このようなネットワークのアドホック及び多重アクセス特性から生ずることがある。８０２．１１ネットワークは、キャリア波感知多重アクセス（ＣＳＭＡ）スキームに基づく多重アクセスネットワークである。例えば、実時間トラフィックをサポートするに際して、このＣＳＭＡスキームは、媒体アクセス制御（ＭＡＣ）及び物理（ＰＨＹ）レイヤーの両者におけるメカニズムにおいて非効率性を有する。このような非効率性は、データパケットが小さなペイロードを有するとき、又はデータパケットがその実時間挙動においてある特定の統計学的特性を有するときに、特に重大となる。一例として、音声（例えば、インターネットプロトコル（「ＶｏＩＰ」）アプリケーションでの音声において）の二方向固定ビットレート送信がある。ＶｏＩＰにおいては、音声トラフィックは、１０ミリ秒と３０ミリ秒との間の平均パケット間隔でもって、各方向に、一般に毎秒６４ｋｂより低いビットレートで送信される。典型的なＶｏＩＰアプリケーションでは、各データパケットのペイロードは、数バイトから約２４０バイトまで変化する。
【０００４】
このような非効率性により、システムスループット又はサポートすることのできるユーザ又はコールの数が相当に減らされてしまう。以下の詳細な説明において、用語「システム容量」は、サポートされるユーザ又はコールの数及びシステムスループットの両方を指している。非効率性の１つの原因は、媒体へのアクセス毎に生ずるＭＡＣ-ＰＨＹオーバーヘッドである。所定のビットレートにおいて、パケットサイズが小さくなる程、ワイヤレス媒体へのアクセスがより頻繁となる。従って、最大パケット間隔（例えば、およそ３０ミリ秒）でも、特に、分散競合スキーム（例えば、ＣＳＭＡスキーム）が使用されているときには、１１Ｍｂ/ｓ物理レイヤー（ＰＨＹ）を有する単一８０２．１１アクセスポイントは、その容量限界に達してしまうことがあり、この容量限界では、１３の二方向音声コールしかサポートできないのである。ＩＴＵ-Ｔ Ｒｅｃ Ｇ.７１１の下での音声トラフィックの場合には、１１Ｍｂ/ｓＰＨＹレイヤーは、最大限容量１１Ｍｂ/ｓＰＨＹレイヤーの８．８２％の実効容量利用割合に相当する０．９７Ｍｂ/ｓ（即ち、（（２８０ｘ８）/０．０３）ｘ１３＝０．９７Ｍｂ/ｓ）実効音声ペイロードデータ送信レート（この例では、ＩＰ、ＵＤＰ及びＲＴＰヘッダー（４０バイト総計）の８０２．１１ペイロードにおけるオーバーヘッドもある）しか達しない。
【０００５】
単一ユーザ（又は単一コール）単一ホップシステムにおいて、ＭＡＣ-ＰＨＹレイヤー効率を改善するには限界がある。図１は、単一ゲートウエイアクセスポイント（ＧＡＰ）と直接通信する単一移動端末（ＭＴ）を示している。そのＭＴのＭＡＣ-ＰＨＹプロトコルレイヤー及びそのＧＡＰのＭＡＣ-ＰＨＹプロトコルレイヤーは、幾つかのフロー制御メカニズム（例えば、単一フローをバッファリングしたりバースティングしたりすること又は異なる優先度を有する複数のフローに亘るクラス分けをすること）を含むが、このようなメカニズムにより達成される改善には限界がある。パーフロー（又はパークラスオブフロー）ベースにて適用できる技法により、限られたシステム容量の下で、短期間トラフィック変動を軽減することができ且つ高優先度フロー（低優先度フローに対しては性能が低くなる）を有利に扱うことができる。このような技法には、主として、フロー間又はフロー内でのサービス品質（ＱｏＳ）のトレードオフの問題がある。これらのメカニズムは、一般的アプリケーションの十分に設計されたプロセスと違って、日和見的なものである。例えば、競合なし（バースト）ＭＡＣ/ＰＨＹメカニズムを利用するためには、トラフィック到着とチャネルアクセス機会とを十分に整合させなければならない。もし、単一フローがバースト到着統計量をもたない場合には、このバーストＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムは、なんら役に立たないか、又は、到着統計量が付加的遅延要素によって変更されるときのみ有効に作用する。
【０００６】
音声データが、２つ以上のワイヤレスリンク（ホップ）を横断するような複数のＡＰを有するマルチユーザ（又はマルチフロー）マルチホップシステムにおいては、単一ユーザ単一フロー技法は、依然として、パーユーザ及びパーホップベースにて適用できる。このような簡単な（パーユーザ、パーホップ、パーフロー）方法は、システム設計及び複雑さにおいて幾つかの利点を有するとしても、それらのワイヤレスインターフェースを介して相互接続されたＡＰのネットワーク（メッシュ）においては性能が悪くなってしまうことがある。
【０００７】
２００５年３月７日の週の間にサンホセで開催された「Voice over Net(VON) Conference」においてローカストワールドによるプレゼンテーションで、８０２．１１ＡＰのメッシュ内で使用される「スピーチサーバー」が開示されている。前述したように、音声は、ネットワークにとって都合のよいトラフィックであるとはされていない。音声トラフィック性能を改善するための１つの方法は、実質的無線リソースを提供することである。別の仕方として、ローカストワールドのプレゼンターによって開示されたように、スピーチが全ネットワークに亘って影響を及ぼしてしまうのを制限するため、特定のルートに沿ってスピーチトラフィックを集中させるためのスピーチスイッチとしてノードが作用するようにすることができる。このような方法は、そのメッシュ内にサブネットワークを重ね合わせ、その「スピーチサーバー」へ音声トラフィックを集中させるものであり、この方法に関連して、集合の形式であるトンネリングを使用することができる。しかしながら、これらの「スピーチサーバー」は、静的なものであり、即ち、ルーティングが適応せず、非スピーチサーバートラフィックを利用することもできない。スピーチサーバーは、ＭＡＣ-ＰＨＹ性能についての情報を利用することにより最適化もなされない。スピーチサーバーのためのトラフィック集合については、そこには全くふれられていない。
【０００８】
パケット集合によれば、ＩＳＯ標準の異なるレイヤーに関連する大きなヘッダーオーバーヘッドが軽減される。例えば、実時間プロトコル（ＲＴＰ）多重化においては、複数のＲＴＰストリームが単一ＲＴＰペイロードにカプセル化され、それから、それが２つのエンドポイント（例えば、ＩＰ電話ゲートウエイ）の間で送信される。インターネットエンジニアリングタスクフォース（ＩＥＴＦ）のインターネットアーカイブからdraft-ietf-avt-tcrtp-08.txtとして入手できるインターネットドラフト提案「Tunneling multiplexed compressed RTP(TCRTP)」には、ネットワークパスを通して圧縮、多重化及びトンネリングプロトコルを組み合わせることにより、ＲＴＰストリームにおける帯域幅利用度を改善することが記載されている。圧縮により、単一ＲＴＰストリームのＩＰ/ＵＤＰ/ＲＴＰヘッダーオーバーヘッドが減じられる。トンネリングは、リンク毎に解凍及び再圧縮をしたりする必要なしに、マルチホップＩＰネットワークを通して圧縮ヘッダー及びペイロードを搬送する。多重化は、多くのＲＴＰペイロードに亘って単一トンネルヘッダーを割り振ることによりトンネルヘッダーオーバーヘッドを減ずる。この方法を使用して、複数のＲＴＰストリームは、所定のパケットサイズ（バイトの数又はペイロードの数において）に達するか、又はタイマーが切れるか、するまで、単一ＲＴＰパケットへと多重化される。パケットサイズの最適値又はタイマー持続時間は、そのネットワークにおける必要とされたデータレート及び許容遅延に依存している。同様のフロー集合技法は、ＡＴＭネットワーク（「ＶｏＡＴＭ」）を通してのＶｏＩＰ及びＭＰＬＳ（「ＶｏＭＰＬＳ」）ネットワークを通してのＶｏＩＰにおいて使用される。音声パケットは非常に小さく（例えば、数バイト）でき且つＡＴＭセルは最小サイズ（即ち、４８バイト）を有するので、音声パケットを単一ＡＴＭセルへと多重化することにより、帯域幅利用度が改善される。しかしながら、今日までは、ＲＴＰ多重化は、ワイヤドＩＰネットワーク内の単一行先ホストに限られていた。
【０００９】
IEEETransactions on Vehicular Technology, Vol.54, No.1, Jan. 2005におけるW. Wang氏、S.C. Liew氏及びV.O.K. Li氏による「Solutions toperformance problems in VoIP over a 802.11 wireless LAN」と題する論文には、ワイヤレス８０２．１１ネットワークにおける低容量についての検討がなされている。これら著者は、音声ゲートウエイでのダウンリンク音声ストリームを単一のより大きなパケットへと多重化し、それから単一送信において全ての受信者へマルチキャストすることを提案している。図２は、この提案された解決法を例示している。この提案された解決法においては、セキュリティーは、それら音声パケットを暗号化することによって達成される。マルチプレクサにより、各音声パケットのＩＰ/ＵＤＰ/ＲＴＰヘッダーは、パケット識別子（ＩＤ）でもってＲＴＰセッションを識別する圧縮されたミニヘッダーに置き換えられる。各受信者は、そのパケットＩＤを使用して多重化されたパケットからその音声パケットを抽出し、そして、元のヘッダーを回復させる。
【００１０】
マルチプレックス−マルチキャスト方法によれば、最後のホップにおけるアップリンク通信とダウンリンク通信との間の不調和の問題も解決される（即ち、ＡＰは、送信する音声パケットの数と少なくとも同じ回数だけチャネルについて競合する必要はない）。しかしながら、この解決法は、中間のホップでブロードキャストが行われないので、マルチホップワイヤレスネットワークには容易には適用できない。それら中間のホップは、しばしばボトルネックが生ずるところである。コールは、音声ゲートウエイに達する前に１つ又は幾つかのリレーノード（アクセスポイント又はワイヤレスルーター）を通して送られ、他のローカルコールは、その経路に沿ってのＡＰに接続しようとすることがある。複数のＡＰがそのゲートウエイに送信する場合には、混雑がすぐに生じてしまうことがある。マルチキャスト技法は、マルチホップネットワークには適用できないものであり、一般的には、端末リンクでのダウンリンクオンリーメカニズムである。
【００１１】
ワイヤレス媒体のＭＡＣ／ＰＨＹレイヤーでのフレーム集合及び容量増大バースティングメカニズムに対する提案が、８０２．１１標準のタスクグループＮ（ＴＧｎ）で受領されている。ワールドワイドスペクトラムエフィシェンシー（ＷＷｉＳＥ）からの１つの提案は、ＰＬＣＰプロトコルデータユニット（ＰＰＤＵ）内の複数のＭＡＣプロトコルデータユニット（ＭＰＤＵ）を分離するため、信号フィールドを使用してＰＨＹレイヤーでフレームを集合するというものである。ＷＷｉＳＥは、又、８０２．１１標準内のバースティングメカニズムを使用することも推奨しており、そこでは、ＰＰＤＵは、互いにＲＩＦＳ（フレーム間スペース）内でワイヤレスチャネルにて連続して送られる。ＴＧｎシンクグループ（ＴＧｎＳｙｎｃ）からの提案は、ＭＡＣレイヤーで、又はＭＡＣレイヤーとＰＨＹレイヤーとの間のインターフェースで、フレーム集合を行うというものである。この提案によれば、ＭＰＤＵは、各ＭＰＤＵの始点に配設されたＭＰＤＵデリミタを有する１つのＰＬＣＰサービスデータユニット（ＰＳＤＵ）へと集合される。又、この提案によれば、ＭＡＣヘッダー及びＣＲＣビットを共用できるようにするため、複数のＭＡＣＳサービスデータユニット（ＭＳＤＵ）が１つのＭＳＤＵへと集合される。これらのＷＷｉＳＥ及びＴＧｎＳｙｎｃ提案によれば、ＭＡＣ及びＰＨＹレイヤー（即ち、レイヤー２）効率が改善される。
【００１２】
ＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーには、幾つかの付加的なメカニズムが使用される。例えば、既存の８０２．１１ａ/ｂ/ｇシステムは、ＭＡＣ-ＰＨＹレイヤー内でペイロードを集合しない。ＭＡＣペイロード限界を越える大きなペイロードの場合には、セグリゲーション又はフラグメンテーションアルゴリズムにより、ペイロードの断片が小さなフレーム間スペース（ＳＩＦＳ）間隔にて分離されたバースト形式にてワイヤレスチャネルへと送信される。８０２．１１ｅ標準は、競合期間中に使用されるＲＩＦＳ間隔でバースティングメカニズムを有する。しかしながら、このバースティングメカニズムは、同じＭＳＤＵの断片を送信することに限定されている。
【００１３】
マルチプレックス−マルチキャスト方法の場合のように、これらのメカニズムは、パーホップ技法の範疇に入り、個々のリンクの効率を改善することによりマルチホップシナリオにおける性能を助長することができるが、これらは、マルチホップ環境において生ずることがある問題について十分に対応していないし、又、改善の可能性について十分に取り組んでいるものでもない。
【００１４】
マルチホップシナリオにおける性能を改善するものもある。しかしながら、（ＡＯＤＶ、ＤＳＲ、ＤＳＤＰ、ＴＯＲＡ）の如き初期のワイヤレスマルチホップルーティングプロトコルは、より低い（例えば、ＭＡＣ/ＰＨＹ）レイヤーとは独立してルーティング問題を取り扱っている。これらのプロトコルは、システム性能又はサービスの品質（ＱｏＳ）を保証又は考慮せずに、ベストエフォート形式にてパス発見を行うものである。これらのプロトコルは、主として、接続されたパスを見つけ出すことが高い優先度を有しているような移動アドホックネットワーク（ＭＡＮＥＴ）に使用される。しかしながら、現在のネットワークは、主として静的である（即ち、ワイヤレスリレーは固定しており、接続性は保証されている）。より重要なことは、８０２．１１ネットワークは、高いオーバーヘッドを有しており、これらのオーバーヘッドに対応していないルーティングプロトコルは、システム性能を悪いものとしているということである。ある幾つかのネットワークは、より低いレイヤーにおける不十分なリソースを測定するためパスコストメトリックを組み入れており、そのメトリックに従ってルーティング決定をなしている。
【００１５】
より最近においては、幾人かの研究者により、より低いレイヤーにおけるリソース割当てに関してワイヤレスネットワークにおいてルーティングを行うことが考えられている。その結果として、最適なネットワーク動作を提供するようなルーティング及びＭＡＣ/ＰＨＹレイヤーとの組合せメカニズムが考え出されている。又、より特定用途向けであって、更なる最適化がし易いようなワイヤレスセンサーネットワークにおいても同様の方法が使用されている。しかしながら、これらのルーティングアルゴリズムのうちの多くのものは、８０２．１１プロトコルに適用できないような前提に頼っているものである。
【００１６】
既存の解決法は、８０２．１１ネットワークの動作容量を追求しているものではない。８０２．１１のトランスポート容量は、各パケットが競合、送信及び確認オーバーヘッドを有しているため、非常に非効率的なものである。
【発明の概要】
【００１７】
本発明の１つの実施形態によれば、全ネットワークを通してマルチフローを最適化することにより、マルチホップ、マルチフローネットワークにおける正味のワイヤレスアクセス効率が改善される。この方法は、個々のフローにおいても利点のあるものである。これらのメカニズムは、ジョイントルーティング及びトラフィックシェーピング技法を、中間のホップでの複数のフローに適用する。このルーティング及びトラフィックシェーピング技法は、ある幾つかのホップでのフローに悪影響を与えるとしても、複数のホップ（所定のフローについて）を通じて及び複数のフロー（所定のホップ又は所定数のホップについて）を通じて平均化されるときに、全てのフローに対して相当の性能を達成することができる。従って、本発明は、非効率性により対処したものであり、パーホップ技法よりもマルチホップパスをより利用するものである。
【００１８】
本発明は、従来技術におけるように日和見的（即ち、ランダムに又は独立して最適化する）方法に頼るのでなく、系統的方法にて付加的なトラフィックシェーピングを行うように、複数のフローのルーティングパスを制御することによりシステム性能を改善する。マルチホップ環境では、本発明の方法は、発信アプリケーション（アプリケーションレイヤー）及び着信アプリケーション（アプリケーションレイヤー）の両者に対して透過性であるという付加的な効果をも有する。
【００１９】
本発明の１つの実施形態によれば、トラフィックは、直交ルーティングプロトコルを使用してワイヤレスメッシュ内のプリコンフィギュレーションされたサーバーポイントにトラフィックを集中させることによるのでなく、複数のフローに亘って、ルーティング決定とトラフィックシェーピング技法の適用とを連携して行うことによって、選択されたルートに沿って集中させられる。ルーティングパス及びトラフィックシェーピング技法の両者は、ネットワーク変化の条件（トラフィックエンタリング）に対して適応させることができる。静的及び動的ルーティングパス及びトラフィックシェーピング技法の両者を適用することができる。
【００２０】
本発明の適切なトラフィックシェーピング及びルーティングは、トラフィック統計量に対する下位ＭＡＣ-ＰＨＹ依存性に基づくものである。ワイヤドネットワーク又はワイヤド相当物を擬態しているワイヤレスネットワークとは違って、ワイヤレスＣＳＭＡ環境においては、トラフィックを特定のルーターに集中させても、必ずしもボトルネックを生じさせるものとはならない。このような環境においては、異なるルートが同じ下位送信媒体を共用することができる。更に又、システム容量は、前段のリレーイングステージにおける容量制限が妨げられないならば、適切なトラフィックシェーピングにつれて増大化させることができる。
【００２１】
本発明は、ＷＳ及びＡＰがワイヤレスＭＡＣ／ＰＨＹメカニズムを通して互いに接続されているような複数のフローを有するマルチユーザ環境に適用できる。多くのフローに亘るルーティング及びトラフィックシェーピングの組合せ（より高いレベルのレイヤーでの）は、ジョイントトラフィック統計量に影響を与え、システム性能（システム容量及びエンド・ツー・エンド遅延によって測定されるような）を改善又は変更することができる。本発明は、既存のＭＡＣ/ＰＨＹ設計を変更せずに実施することができ、アプリケーションレイヤーに対して透過性である。
【００２２】
本発明の１つの実施形態は、複数の８０２．１１アクセスポイント（ＡＰ）及びワイヤレスルーター（ＷＲ）を含むネットワークに適用できる。アクセスポイントは、エンドポイント（例えば、移動端末（ＭＴ））に対してサービスするデバイスである。このネットワークにおいては、ＷＲが異なるＡＰ及びＷＲを相互接続する。（ＷＲは、ＭＴのためのアクセスポイントとして作動することもでき、以下の説明では、特に断らない限り、ＷＲとＡＰとは区別されていないものとする）。又、必ずしも必要ではないが、ワイヤレスネットワークを１つ以上の外部（多分、ワイヤド）ネットワークへ接続するのに、１つ以上のゲートウエイアクセスポイント（ＧＡＰ）を提供することもできる。（以下の詳細な説明では、ＧＡＰは、複数のフローに対する共通の行先ポイントを例示するのに使用されている）。１つの実施形態では、それらの最終行先への経路の２つ以上のホップ（即ち、ワイヤレスリンク）を通しての幾つかのフローがある。ＡＰ、ＷＲ及びＧＡＰは、トラフィックの下位統計量（例えば、パケット間持続時間、媒体へのアクセスの数、トラフィックのバースト特性）に敏感に反応するワイヤレスリンクを通して通信する。ＭＴと他のデバイスとの間の通信は、このようなワイヤレスリンクを使用することができる。
【００２３】
ネットワークに亘る容量又は性能損失を最小とするため、ルーティング及びトラフィックシェーピングは、関連するＭＴ、ＡＰ、ＷＲ又はＧＡＰ内の下位ＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムに基づいて適用される。１つの実施形態では、ジョイントメカニズムは、３つの下位技法クラス：（ａ）ルーティングメカニズム；（ｂ）ＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーの上のトラフィックシェーピングメカニズム（送信トラフィックの統計量を変える）；及び（ｃ）ネットワークにあるＭＡＣ-ＰＨＹにおけるメカニズム又はケイパビリティ、に基づいている。
【００２４】
本発明によれば、ワイヤレスネットワーク効率を上げるための方法は、（ａ）前記ワイヤレスネットワークに対して複数のアクセスポイントを用意すること、（ｂ）移動端末のデータパケットのトラフィック統計量を含むネットワーク条件に従って前記アクセスポイントを通して前記ワイヤレスネットワークにアクセスするための複数の移動端末を指定すること、及び（ｃ）媒体アクセス制御レイヤーの上のプロトコルレベルで前記移動端末からのトラフィックフローをシェーピングすること、を含む。ワイヤレスルーターを含む前記アクセスポイントは、利用できるワイヤレスルーターの数、各ワイヤレスルーターでの集合及び各ワイヤレスルーターに関連する移動端末の最大数に従って、階層型構成にて編成される。前記構成の目的は、前記移動端末とゲートウエイアクセスポイントとの間のトラフィックフローを方向付けることである。
【００２５】
１つの実施形態では、ワイヤレスネットワークは、ＭＴへのトラフィックフロー及びＭＴからのトラフィックフローを送受信するゲートウエイアクセスポイントを含む。この実施形態においては、トラフィックフローをゲートウエイアクセスネットワークへ直接送信するか（１つのホップで）又は１つ以上のワイヤレスルーターを通して送信するかの決定がなされる。ある決定は制約されることがある（例えば、ＭＴ及びワイヤレスルーターの間の接続性に基づいて）。しかしながら、しばしば、多くの異なる決定は、サービス品質の制約、存在するワイヤレスルーター及び１つ以上のワイヤレスルーターのトラフィックシェーピングケイパビリティを含む考慮事項に基づいてなすことができる。実際に、本方法は、又、このワイヤレスネットワークに加わることを要求する移動端末に応答して、ワイヤレスルーターをアクティベートするか、又はデアクティベートするかを決定することを含む。
【００２６】
重要なことは、トラフィックフローをＧＡＰへ直接送信できるときでも、２つ以上のリンクを通してトラフィックフローを送信するのでは、より効率が悪いと思えても、パーフロー又はパーホップでの解析では、一方のトラフィックフローが他方のフローに与えるジョイント効果又はその逆に他方のトラフィックフローが一方のフローに与えるジョイント効果を見逃してしまうかもしれないということである。実際に、このようなジョイント効果は、全ネットワーク挙動を変えることができるものであり、ＧＡＰへワンホップの効果が得られるようなトラフィックフローの場合でも、そのトラフィックフローをその経路の複数のホップ（即ち、ルーター）を通してそのＧＡＰへルーティングするよりも性能が実際に悪くなってしまうことがある。極端な場合には、ワンホップ接続は、実際に、システムがサポートすることのできるトラフィック容量の限界を越えてしまい、全ての接続に悪影響を与えてしまうことがあるのに対して、ツー（又はそれより多い）ホップ接続によれば、システムがその容量限界内に留まるようなトラフィックシェーピングをなすことが可能となるのである。
【００２７】
本発明によるトラフィックシェーピングは、媒体制御レイヤーでのデータ到着のタイミング特性をシェーピングするホールドアンドリリースメカニズムに関連してバッファリングすることを含むことができる。このホールドアンドリリースメカニズムは、バッファリングされるデータパケットの入力トラフィック統計量及び望まれる出力トラフィック統計量に従って媒体アクセス制御レイヤーへデータパケットを解放する。望まれるトラフィック統計量は、全ネットワーク条件に適応でき、（ｉ）バッファリングされるパケットを有するフロー；（ii）バッファリングされるデータパケットを有する各フローのタイプ又はクラス；（iii）バッファの占拠率；及び（iv）各データパケットの到着時間のうちの１つに関連させることができる。
【００２８】
データパケットは、ＭＡＣ／ＰＨＹがより効率的に挙動できるようにするトラフィック特性となるようにする各ワイヤレスルーターでの媒体制御レイヤー又は物理レイヤーへリリースされる。例えば、パケットがグループにてリリースされる場合には、データを通信媒体へより効率的に送信するため、ＭＡＣ／ＰＨＹバースティングスキーム（もし、サポートされているならば）を使用することができる。トラフィックシェーピングは、又、受信されたデータを、フローに基づいて又はパケットレベルで、より少ないパケット又はフローへと集合することを含むことができ、この集合としては、フロー内の集合又は複数のフローに亘る集合を含むことができる。
【００２９】
これらの動作を行う能力及びネットワークにおけるパーホップ及びマルチホップ効率への影響については、ワイヤレスルーターへルーティングされるフローのタイプに依存しているものである。特に、出力トラフィックフロー特性は、入力トラフィックフロー特性に依存している。同様に、全ネットワーク効率に対するジョイント効果は、どのトラフィックフロー及びどんなトラフィックシェーピング技法がそのワイヤレスルーターにおいて実施されるのかに依存している。
【００３０】
従って、ルーティング及びトラフィックシェーピングに関する決定は、このようなジョイント依存性を考慮してなされるものであり、このジョイント依存性は、実際のネットワーク又は模擬ネットワークについて種々検討することにより分かるものである。
【００３１】
本発明は、図面に関してなされる以下の詳細な説明を参照することにより、より良く理解されよう。
【００３２】
図の間の相互参照を容易とするため、それら図における同様の要素には、同様の参照符号を割り当てている。
【好ましい実施形態の詳細な説明】
【００３３】
本発明は、全ネットワークを通してマルチフローを最適化することにより、マルチホップ、マルチフローネットワークにおける正味のワイヤレスアクセス効率を改善する。本発明は、全てのトラフィック及び全てのパスを考慮して、効率を改善するようにトラフィックをルーティングしシェーピングする。図７は、複数の移動端末ＭＴ１−ＭＴ６がゲートウエイアクセスポイント（ＧＡＰ）から直接サービスを得るようなネットワーク７００を示している。このような構成は、この詳細な説明では、「単一ホップ複数フローネットワーク」と称する。図７において、ＧＡＰは、サービス品質が相当に低下してしまうと、ＭＴ１−ＭＴ６にサービスを与えることができなくなってしまう。
【００３４】
本発明は、リレーイング及びトラフィックシェーピングの両者を使用することにより可能とされる容量増大化を利用している。図８は、複数の移動端末ＭＴ１−ＭＴ６が各々ワイヤレスリンクを通してゲートウエイアクセスポイント（ＧＡＰ）にアクセスするワイヤレスルーターＷＲ１−ＷＲ３（「中継ノード」）からサービスを得るようなネットワーク８００を示している。図８においては、同じ量のトラフィックがそのＧＡＰにアクセスするのに同じチャネルに対して競合するとしても、ＷＲ１−ＷＲ３を通してＭＴ１−ＭＴ６へのトラフィック及びＭＴ１−ＭＴ６からのトラフィックをルーティングし、そのトラフィックを中間のＷＲで集合することにより、全システム容量が増大化される。図７のネットワーク７００と違って、図８のＭＴ１−ＭＴ６は、全てより良いサービスを受けることができる。何故ならば、集合されたパケットのペイロードがより長くなるためにパケット送信時間がより長くなるとしても、それらは、ＷＲとＧＡＰとの間の送信のためのプロトコルオーバーヘッド及びチャネルアクセス競合が減じられることにより、十分に補償されているからである。パケット長さとＧＡＰアクセス競合との間の適当なトレードオフは、オフラインシミュレーション又はオンライン実験的測定によって得ることができる。特定のフロー又はトラフィックタイプに対して優先度を割り当てることもできる。
【００３５】
図９は、３つの異なるリレー戦略について行われた集合の関数として全システム容量（即ち、ユーザフローの最大数）のオフライン測定値を示している。図９は、全てのコールが一定ビットレート（ＣＢＲ）パターン（例えば、６４Ｋbpsデータレート）に従うような均質なＶｏＩＰトラフィックに対して得られる。各ＭＴでのパケット間持続時間は、３０ミリ秒である。６４Ｋbpsでは、この持続時間は、送信時間の２４０バイトに相当する。各パケットは、ＩＰヘッダー（２０バイト）、ＵＤＰヘッダー（８バイト）及びＲＴＰヘッダー（１２バイト）のオーバーヘッドを担持している。異質のトラフィック及び他のパラメータ(例えば、データレート、オーバーヘッド又はＩＰネットワーク)の変化においても、同様のプロットを得ることができる。
【００３６】
図９のプロットのｘ軸は、ＷＲによってより大きなパケットサイズを使用する単一フローへ集合される音声コールの数Ｌｋを示している。集合されたパケットは、例えば、（ａ）所定の時間期間中に受信された全てのパケットが集合されるとき；（ｂ）所定数のパケットがＷＲに関連した各ＭＴから受信され集合されるとき；又は（ｃ）パケットがＷＲに関連した所定数のＭＴから受信され集合されるとき、に完全である。勿論、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）のいかなる変形又は組合せも、本発明の範囲内に入るものである。
【００３７】
例示のため、所定のＷＲによってサポートされる各コールからの１つのパケットが集合されると仮定する。各ＷＲで「Ｌ」のアグリゲーションの場合（即ち、各ＷＲがＬ個のコールを集合する）には、数ｎ（Ｌ）は、ＧＡＰによって支援できるＷＲの数を示している。ツーホップネットワーク（例えば、図８のネットワーク８００）の下では、全システム容量Ｕ（Ｌ）は、次の式によって与えられる。
Ｕ（Ｌ）＝ｎ（Ｌ）×Ｌ
【００３８】
システム容量は、集合につれて増すことに注意されたい。即ち、Ｌ＞１の場合、Ｕ（１）≦Ｕ（Ｌ）である。換言すれば、中間ＷＲを使用することにより、ＧＡＰによってサポートできるユーザ（ＭＴ）の数を増すことができる。逆に、システムにおけるユーザの数が知られているときには、図９により、リレーイング戦略の各々について所定のターゲットＵ＊に対する可能な集合オペレーティングポイントを決定することができる。このような容量を達成し又はこのような容量を越えることさえできるような集合レベル又はＷＲの数の多くの組合せがある。例えば、異なるＷＲで異なる集合レベルとすることにより、図９に示した容量値を越えるようにすることができる。このとき、使用する戦略の選択について、エンド・ツー・エンド遅延、電力、地理的接近性、チャネル品質及びユーザプロファイルの如き付加的な基準を使用することにより評価することができる。オペレーティングポイントは、（ａ）使用するＷＲの数；（ｂ）そのネットワークに入るＭＴがＷＲを通してサービスを得るべきか又はＧＡＰを通して直接にサービスを得るべきか；及び（ｃ）各ＷＲでの集合及び各ＷＲに関連する最大ユーザ及びＧＡＰに直接の最大ユーザ、を決定するのに使用できる。
【００３９】
更に又、図９は、容量の限界を示しており、又、本来的に、多くのその他の動作ポイントに関する情報を与えていることに注意されたい。特に、ネットワークは、常に、そのような容量より低いところで動作することができ、このことは、実際に、新しいトラフィックのためのヘッド余地を維持し及び／又はサービスの品質を維持するのに望ましいことである。例えば、ある容量が、「ｍ」個のＷＲの各々で集合レベル「Ｌ」を使用して達成されているとするならば、レベルＬより低いレベル「Ｌ１」の集合でｍ個より少ない「ｍ１」個のＷＲを作動させるように「ｍ」個のＷＲを使用することも可能である。同様に、各々が「Ｌ」以下の集合レベル（潜在的に異なる）で動作するようにして、ｍ個より少ない「ｍ１」個のＷＲを使用することも可能である。
【００４０】
図９によって例証されていないような他の動作特性、例えば、幾つかのルーターが集合レベル「Ｌ」より高いレベルを使用するような場合についても、ネットワークロードを取り扱い及び／又は望むサービス品質を達成することができるようにするため検討することができる。
【００４１】
階層度がより高い（例えば、２ホップより高い）ネットワークの場合には、図８のネットワーク８００におけるＧＡＰは、ＷＲとして見ることができる。このような第２レベルのＷＲの多くを相互接続し又は別のＧＡＰに接続することができる。図９の測定値は、マルチＧＡＰネットワークへ拡張することができる。
【００４２】
本発明は、混合階層型のネットワーク、即ち、ある幾つかの移動端末がＧＡＰに直接に接続されるような、ネットワーク８００の如きネットワークにも適用できる。ネットワーク８００のような構成におけるように、このような構成は、この詳細な説明においては、「マルチホップマルチフローネットワーク」と称される。ＷＲ、ＭＴ、ＡＰ及びＧＡＰは、例えば、８０２．１１標準のいずれかの下でのアドホック又はインフラストラクチャモードにおいて通信することができる。干渉を避け且つフルデュプレックス動作とするため、各ＷＲは、異なる周波数スペクトラム（例えば、８０２．１１ａ及び８０２．１１ｂ）を占有する異なるチャネル又は異なる標準で動作する複数の８０２．１１インターフェースを担持することができる。これらインターフェースは、ＭＴ及びＧＡＰと通信する。
【００４３】
主としてワイヤドＩＰネットワーク内の単一行先ホストに対して働くＲＴＰ多重化と違って、本発明は、ありうる異なるユーザ及び異なる行先からの複数のフローを集合し、より一般的には、トラフィックシェーピングすることにより、ワイヤレスマルチホップＩＰネットワークのシステムスループットを改善する。又、パーリンクベースで有利な従来技術のトンネリングと違って、本発明の方法は、全ネットワークに対してより高い帯域幅利用度を達成するように、集合サービスを行う複数のルーター（ルーティング決定により）を使用する。本発明は、又、ＭＡＣ及びＰＨＹレイヤーをより効率的にしようとしている従来の提案とは異なる。本発明の方法は、既存のＭＡＣ及びＰＨＹレイヤーにトラフィックシェーピング及びルーティングメカニズムを適用して、レイヤー２メカニズム以上にて動作するものである。
【００４４】
本発明の１つの実施形態によれば、どのアクセスポイントも、統計量を変更するように中間ホップを使用するルーティング戦略（トンネリングとは別の）を有する「スピーチサーバー」と見ることができる。しかしながら、トラフィックをスピーチサーバーに沿って流すだけの従来のルーティング戦略では、マルチホップ集合による効果を得ることができないし、又、中間ホップノードをアクティベートすることによる効果を得ることはできない。本発明は、競合を軽減し且つマルチホップ８０２．１１ネットワークを通しての音声容量を増大させるため、特定のワイヤレスルーターでアップリンク音声ストリーム及びダウンリンク音声ストリームの両方を集合するのである。ヘッダー圧縮及び多重化を含む集合により、帯域幅効率が増大化される。ワイヤレスルートは、ＷＬＡＮのワイヤレスエンドホストとワイヤドアクセスポイントとの間の可能なフローパスである。トラフィック集合及びパケットリフォーマティング（即ち、パケットヘッダーを変更する）と関連してルーティングを行うことにより、非効率性を相当に減少させることができる。
【００４５】
図３及び図４は、それぞれアップリンクトラフィック及びダウンリンクトラフィックに対する移動端末ＭＴ１及びＭＴ２とゲートウエイアクセスポイントＧＡＰとの間の中間ホップでのネットワークレイヤーとＭＡＣ/ＰＨＹレイヤーとの間でメカニズム３００によって行われるルーティング及びトラフィックシェーピングを示している。図５は、図３及び図４のメカニズム３００をより詳細に示している。図５に示されるように、メカニズム３００は、トラフィック監視（ＴＭ）モジュール５０１、ジョイントルーティング及びトラフィックシェーピング決定（ＪＲＴＤ）モジュール５０２、トラフィックシェーピング（ＴＳ）モジュール５０３−１、５０３−２、……５０３−ｎ及びトラフィックシェーピング反転（ＴＳＩ）モジュール５０４−１、５０４−２、……５０４−ｎを含む。
【００４６】
全てのＭＴ、ＡＰ/ＷＲ及びＧＰＡに共通のＴＭＭ５０１は、ネットワーク状態（例えば、チャネル状態及びリンク品質）及びデータトラフィックの両方を監視する。ＪＲＴＤモジュール５０２は、ＴＭＭ５０１からの入力を受信してＴＳＩモジュールによって行われるべき動作及びネットワークに亘るフローのルーティングを決定する。ＪＲＴＤモジュール５０２は、又、ＭＴ-ＡＰ関連を決定し、且つ、付加的なＷＲをアクティベートするべきか否かを決定する。ネットワークに亘るルーティング及びトラフィックシェーピングの両者に関するジョイント決定は、フローのジョイント統計量に対する下位ＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムの性能依存性を考慮して行われる。ＪＲＴＤモジュール５０２は、ネットワークにおけるマルチプルホップ及び複数のフローを考慮して且つより高いレベルのレイヤー（例えば、アプリケーショレイヤー）に対して透過性であるようにして、個々のＭＡＣ/ＰＨＹレイヤー性能を最適化する。
【００４７】
ＴＳモジュール５０３−１、５０３−２、……５０３−ｎの各々は、選択されたＡＰ、ＷＲ又はＧＡＰにあって、集合及びパケットバッファリングを行うことができる。１つの実施形態では、各ＴＳモジュールは、複数のフローに亘るパケットを単一パケットへと集合して、中間ホップ（リンク）におけるチャネルアクセスの数を減少させ、それにより、そのリンクの容量を増大化させ、そのネットワークにおける遅延を減少させることができる。各ＴＳモジュールは、パケットをバッファリングし、それから、対応するＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーでの処理の所定の統計的時間プロファイルに従ってそれらパケットをリリースすることができる。バッファリングにより幾つかのパケットが遅延させられることがあるが、全てのパケットに亘っての平均遅延は、減じられる。何故ならば、ＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーは、競合なしバースティングメカニズム（即ち、単一アクセス許可に基づいて複数のパケットを送信する）を利用することができるからである。ＴＳモジュールは、又、パケット到着のタイミングを変更する他の技法を適用することができる。例えば、ＲＴＰ-ＵＤＰヘッダーは、個々のフローの生ビットレート（Ｋbpsでの）を減少させるため圧縮することができる。ＴＳモジュールは、データペイロードの可逆圧縮（例えば、レンペルジフアルゴリズムを使用して）を適用して）することができる。音声データの場合には、ＴＳモジュールは、ある特定のフローに対して非可逆圧縮でも適用できる。バースティングにより、ネットワーク競合オーバーヘッド（従って、パケット当たりの平均チャネルアクセス競合オーバーヘッドも）を減じることができ、ネットワークのネットワーク容量を増大化することができる。ＴＳＩモジュール５０４−１、５０４−２、……５０４−ｎは、各々、データパケットの集合を反転させるため（必要なときに）、選択されたＡＰ、ＷＲ又はＧＡＰに設けることができる。
【００４８】
図６は、本発明の１つの実施形態によるジョイントルーティング及びトラフィックシェーピングメカニズム３００を使用する単一フローマルチホップネットワークを示している。図６に示されるように、第２のホップでのチャネルアクセス統計量は、トラフィックシェーピングを使用して変更される。この場合におけるトラフィックシェーピングは、又、多くのネットワークエンティティによって共用されているワイヤレス媒体のスループットに影響を及ぼす。しかしながら、図１におけるように、より高いレイヤーでの透過性を維持しながらの統計学的シェーピングには限界がある（例えば、着信アプリケーションレイヤーのＱｏＳ要件）。図３及び図４の各々を参照するに、複数のホップ及び複数のユーザ又はフローを有するネットワークは、着信エンドポイントＭＴによって必要とされるいずれのフローのＱｏＳ制約に影響を及ぼしたりそのＱｏＳ制約を犯したりせずに、ＭＡＣ-ＰＨＹデバイス（例えば、図３及び図４の各々における「トラフィックシェーピング１」モジュール）に対する２つ以上のフローを集合することを可能とする。（例えば、図４に示されるようなＴＳＩモジュールは、集合されたパケットの分割を行う）。トラフィックシェーピングは、複数のユーザによってアクセスされる第１のホップ（図４）でのようにそのフローの初期において生ずることがある。
【００４９】
本発明は、複数のフローに亘ってルーティング決定をトラフィックシェーピングにリンクする。ＪＲＴＤ５０２は個々のＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーより上で動作するので、これは、それらのトラフィック統計量によって表されるようなＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーの挙動を考慮して決定をなす。トラフィックシェーピングは、ＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーの効率に直接に影響し、ルーティングは、適用するトラフィックシェーピングのタイプ及び両に影響を及ぼす。パケット及びフロー集合は、ネットワークに亘るコールを１つ以上の共通のポイントへルーティングすることによって行うことができる。多くのフローに亘るＪＲＴＤモジュール５０２におけるジョイント統計学的処理は、全ネットワーク及び個々のＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムの性能に影響を及ぼす。例えば、フロー内のバースティング挙動及びこの挙動に対する変化は、チャネルアクセスパターン及びそのフローに含まれるＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムの挙動に影響する重要なパラメータである。マルチホップマルチフローネットワークにおいて、ジョイントフローは、ＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムによって知られる。集合の他に、ジョイントトラフィック統計量をシェーピングするのに、適応遅延要素（例えば、適応バッファ）を使用することができる。パケットサイズ及びチャネルアクセスパターンを含む着信パラメータも、ＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムに影響を及ぼすことがある。
【００５０】
ＧＡＰ及びＭＴは、異なるトラフィックタイプ及び特性（例えば、パケット長さ及び到着間分布）を生成する。マルチホップ環境においては、ＧＡＰは、各ホップが異なるトラフィック容量（例えば、リンク品質、ＭＡＣ及びＰＨＹメカニズム）を有した状態で、複数のＡＰ及びＷＲを通してＭＴに接続することができる。マルチフローマルチホップネットワークでは、ＭＴとＷＲ又はＡＰとの間のリンク、ＭＴとＧＡＰとの間のリンク、ＷＲとＡＰとの間のリンク及びＷＲ、ＡＰ及びＧＡＰの間のリンクがある。ワイヤレスリンクは、トラフィック統計量に敏感に反応する下位ＭＡＣ-ＰＨＹメカニズムを有する。ＡＰ、ＷＲ及びＧＡＰは、フロー及び従って送信イベントの統計量を変化させる技法を支援することができる。
【００５１】
１つのジョイントルーティング（リレーイングを含む）及び統計学的トラフィックシェーピング決定は、（ａ）ＧＡＰへ直接送信するフロー；（i）各フローのＱｏＳ制約（例えば、遅延、ジッタ及び帯域幅）、（ii）ＭＴ、ＷＲ及びＧＡＰの間の接続性及び（iii）各ワイヤレスルーターのトラフィックシェーピングケイパビリティ、及び（iv）各リンクの品質が与えられている選択リレーノードを通して送信するフロー；及び（ｃ）ＷＲのアクティべーション及びデアクティべーションを考慮して行うことができる。
【００５２】
１つのリレーイング決定は、（１）フローがＧＡＰへ直接送信されること及び（２）フローが、各フローの所定の（１）ＱｏＳ制約（例えば、遅延、ジッタ及び帯域幅）及び各ワイヤレスルーターの所定の（２）トラフィックシェーピングケイパビリティの下で、ツーホップ形式にてリレーノードを通して送信されること、を考慮して行うことができる。これらの決定は、例えば、システム容量最大化、サポートされる音声コールの数、ネットワークにおける正味のデータスループット及び平均遅延最小化を示すメトリックを使用して評価することができる。ワイヤレスルーターによって中継されるＩＰパケットは、同じ又は異なるＭＴから発する異なるトラフィックフロー又は同じ又は異なるＭＴに終端する異なるトラフィックフローに属することができる。ＷＲは、ＩＰパケットをバッファリングし、同じ行先（例えば、ＭＴ又はＧＡＰ）に対する異なるフローのパケット又は同じフローにおけるパケットを集合することによりトラフィックシェーピングを行うことができる。ＷＲが媒体アクセスを得るとき、ＩＰパケットは、１つ以上のバーストにおいて、それらバースト間でチャネルアクセスをリリースせずに、ＭＡＣレイヤーによって送信される。
【００５３】
図１０は、本発明の１つの実施形態によるトラフィックシェーピングを行うのに使用されるバッファリング及びホールドアンドリリース決定メカニズム１０００を概略的に示している。これは、相対的タイミング及び技法変化（例えば、アグリゲーション）の両方を考慮して行う。図１０に示されるように、複数の入来パケットは、バッファ１００１へ受け入れられる。フィルタリング回路（図示していない）が、バッファ１００１におけるパケットの統計量を収集し、それら統計量をホールドアンドリリース決定モジュール１００２へ与える。同時に、タイマー１００３が、最後のリリース以後の経過時間を追跡する。１つの実施形態では、パケットをホールドするかの決定又はパケットをリリースするかの決定は、収集された統計量及びタイムリミットの完了の両方に依存している。バッファ１００１のパケットは、リリースされるときは、基礎ＭＡＣレイヤーへと送られる。このリリースのタイミングは、受入ＭＡＣレイヤーの要件によって制約される。典型的には、ＭＡＣレイヤーによるタイミング制約が相当なものとならないようにするため、ＭＡＣレイヤーにはバッファがある。このホールド又はリリース決定は、（ａ）時間及び（ｂ）バッファ占拠率に関する統計量に依存しており、（i）バッファ１００１にパケットを有するフロー；（ii）各フローのタイプ又はクラス；（iii）バッファ１００１におけるパケットの数；及び（iv）各パケットの到着時間、を考慮してなされる。時間的展望からは、その決定は、個々のパケットがバッファに存在していた持続時間又は最後のリリース又はホールド以後の経過時間を考慮してなされる。
【００５４】
メカニズム１０００は、ＭＡＣレイヤーによって知られるような時間における望む到着統計量を生成する。この望む統計量は、ＪＲＴＤモジュール５０２によって選択され指示されてもよいし、又は、各トラフィックシェーピングワイヤレスルーター５０３−１、……５０３−ｎは、単に、半独立的に動作して、ＪＲＴＤモジュール５０２及び所定のＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーからの制約の下で局部最適化をなすことができる。例えば、ホールドアンドリリースメカニズムは、ＭＡＣレイヤーがスピーチクラスバッファにおいて複数の「スピーチ」クラスパケットを有するようにして、そのバッファに対するチャネルアクセスの競合が起こらないようにするようなポリシーを維持することができる。ＪＲＴＤモジュール５０２は、フローの数、従って、最良のリリース基準を設定することができる。付加的な考慮事項としては、ａ）バッファ１００１における許容最大遅延、又はｂ）バッファ１００１に保持できるパケットの最大数、がある。別の仕方として、フローの異なるサブセットに対して働く１つ以上のバッファを設けることができる。（例えば、トラフィッククラス依存バッファ）。
【００５５】
ホールドアンドリリースバッファメカニズムは、所定のフロークラス（特定のメディアフローにおける）に対するチャネルアクセス競合を、そのクラスにおける複数の送信待ちパケットに亘って競合オーバーヘッドを分担させることにより、減少させる。競合なしバースティング（ＣＦＢ）メカニズムを使用するＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーは、更に、下位ワイヤレス媒体における効率を増す。ホールドアンドリリースバッファメカニズムは個々のパケットの遅延を増すのであるが、チャネルアクセス競合が低減されるため、その平均遅延は低減されるのである。チャネルアクセス競合が低減されることにより、ＣＳＭＡに使用される競合回避バックオフカウンターの平均遅延を減少させることができる。
【００５６】
図１１は、本発明の１つの実施形態による複数のフローのための集合メカニズム１１００を概略的に示している。複数のフロー１１０１は、収集回路１１０２に入り、そこで、それらフローは、収集されグループ分けされる。それから、集合回路１１０３−１及び１１０３−２は、フローの選択されたグループ１１０４−１及び１１０４−２を集合する。集合されるべきでないフロー１１０３は、変更又は遅延なしに送られる。
【００５７】
図１２は、本発明の１つの実施形態によるパケットレベルで集合を行う集合メカニズム１２００を概略的に示している。図１２に示されるように、フロー１２０１−１、……、１２０１−ｎからの入来パケットは、バッファ１２０２−１、……、１２０２−ｎで別々にバッファリングされる。必要ならば、後のステージでのＴＳＩモジュール（例えば、ＴＳＩモジュール５０４−１、……、５０４−ｎ）が集合されたパケットから元のパケットを再構成できるようにするため、付加的なヘッダーを負荷することができる。さもなければ、既存のヘッダーを変更するか、又は、単に、既存のペイロードと共に集合されたパケットのペイロード内へ既存のヘッダーを置くことができる。バッファ１２０２−１、……、１２０２−ｎにおけるパケットは、集合スキームに従って集合され、集合パケット１２０３にてＭＡＣ/ＰＨＹレイヤーへ送信される。
【００５８】
ホールドアンドリリース決定スキームでのバッファリングを使用するトラフィックシェーピングは、フロー又はパケット集合と組み合わせることができる。図１３は、ホールドアンドリリース決定が集合されたフローに適用される実施形態を示している。図１４は、ホールドアンドリリース決定が集合前に入来フローに適用される実施形態を示している。個々のフローの特性（例えば、パケットの数及び到着の頻度）に依存して、本発明の範囲内においてこれらのように変更することにより、システム容量及びサービス品質パラメータに種々異なる影響を与えることができよう。これらの影響は、実験的に又はシミュレーションにより確認することができる。勿論、本発明によれば、集合の前又は後に複数のバッファ（即ち、複数のホールドアンドリリース決定）を置き、集合の複数のストリームとするが如き他の変形も可能であると考えられる。
【００５９】
ホールドアンドリリース決定メカニズムと同様に、特にパケットレベルでの集合は、チャネルアクセスイベントの数を減少させることにより、チャネルアクセス競合を減少させる。更に又、集合は、オーバーヘッド送信（例えば、ＭＡＣ-ＰＨＹヘッダー、ワイヤレス送信におけるプリアンブル及び確認（ＡＣＫ）パケット）によって占められる送信容量の部分を減少することにより、ＭＡＣ-ＰＨＹ送信オーバーヘッドを減少させる。下位ワイヤレス媒体においてより大きな効率が達成される。従って、ルーティング、バッファリング及び集合メカニズムを組み合わせることにより、ＭＡＣ-ＰＨＹレイヤーの効率が改善される。
【００６０】
前述の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を例示するために与えられたものであり、本発明をこれに限定しようとしているものでない。本発明の範囲内で種々な変形及び変更が可能である。本発明は、特許請求の範囲の記載により限定される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】単一ゲートウエイアクセスポイント（ＧＡＰ）と直接通信する単一移動端末（ＭＴ）を示している。
【図２】複数の移動ステーションからの音声データがマルチキャストパケットへと多重化されて、それから、そのマルチキャストパケットが同時に全ての受信者へ送信されるような従来技術による１つの解決法を例示している。
【図３】本発明の１つの実施形態によるアップリンクトラフィックのための移動端末ＭＴ１及びＭＴ２とゲートウエイアクセスポイントＧＡＰとの間の中間ホップでのネットワークレイヤーとＭＡＣ/ＰＨＹレイヤーとの間でメカニズム３００によって行われるルーティング及びトラフィックシェーピングを示している。
【図４】本発明の１つの実施形態によるダウンリンクトラフィックのための移動端末ＭＴ１及びＭＴ２とゲートウエイアクセスポイントＧＡＰとの間の中間ホップでのネットワークレイヤーとＭＡＣ/ＰＨＹレイヤーとの間でメカニズム３００によって行われるルーティング及びトラフィックシェーピングを示している。
【図５】図３及び図４のメカニズム３００をより詳細に示している。
【図６】本発明の１つの実施形態によるジョイントルーティング及びトラフィックシェーピングメカニズム３００を使用する単一フローマルチホップネットワークを示している。
【図７】複数の移動端末ＭＴ１−ＭＴ６がゲートウエイアクセスポイント（ＧＡＰ）から直接サービスを得るようなネットワーク７００を示している。
【図８】複数の移動端末ＭＴ１−ＭＴ６が各々ワイヤレスリンクを通してゲートウエイアクセスポイント（ＧＡＰ）にアクセスするワイヤレスルーターＷＲ１−ＷＲ３からサービスを得るようなネットワーク８００を示している。
【図９】３つの異なるリレー戦略について集合の関数として全システム容量（ユーザフローの数での）のオフライン測定値を示している。
【図１０】本発明の１つの実施形態によるトラフィックシェーピングを行うのに使用することのできるバッファリング及びホールドアンドリリース決定メカニズム１０００を概略的に示している。
【図１１】本発明の１つの実施形態による複数のフローのための集合メカニズム１１００を概略的に示している。
【図１２】本発明の１つの実施形態によるパケットレベルで集合を行う集合メカニズム１２００を概略的に示している。
【図１３】ホールドアンドリリース決定が集合されたフローに適用される実施形態を示している。
【図１４】ホールドアンドリリースが集合前に入来フローに適用される実施形態を示している。
【符号の説明】
【００６２】
ＭＴ、ＭＴ１−ＭＴ６・・・移動端末、ＧＡＰ・・・ゲートウエイアクセスポイント、ＷＲ１−ＷＲ３・・・ワイヤレスルーター、３００・・・ジョイントルーティング及びトラフィックシェーピングメカニズム、５０１・・・トラフィック監視モジュール、５０２・・・ジョイントルーティング及びトラフィックシェーピング決定モジュール、５０３−１〜５０３−ｎ・・・トラフィックシェーピングモジュール、５０４−１〜５０４−ｎ・・・トラフィックシェーピング反転モジュール、７００・・・ネットワーク、８００・・・ネットワーク、１０００・・・バッファリング及びホールドアンドリリース決定メカニズム、１００１・・・バッファ、１００２・・・ホールドアンドリリース決定モジュール、１００３・・・タイマー、１００４・・・オープン（リリース）又はクローズ（ホールド）、１１００・・・集合メカニズム、１１０１・・・フロー、１１０２・・・収集回路、１００３・・・集合されるべきでないフロー（変化されないフロー）、１１０４−１〜１１０４−ｎ・・・集合回路、１１０５・・・集合されたフロー、１２００・・・アグリゲーションメカニズム、１２０１−１〜１２０１−ｎ・・・フロー、１２０２−１〜１２０２−ｎ・・・バッファ、１２０３・・・集合されたパケット（集合されたフロー）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤレスネットワーク効率を上げるための方法において、
前記ワイヤレスネットワークへの複数のアクセスポイントを用意するステップと、
移動端末のデータパケットのトラフィック統計量に従って前記アクセスポイントを通して前記ワイヤレスネットワークにアクセスする複数の移動端末を指定するステップと、
媒体アクセス制御レイヤーより上のプロトコルレベルで前記移動端末からのトラフィックフローをシェーピングするステップと、
を備える方法。
【請求項１】
ワイヤレスネットワーク効率を上げるための方法において、
前記ワイヤレスネットワークへの複数のアクセスポイントを用意するステップと、
移動端末のデータパケットのトラフィック統計量に従って前記アクセスポイントを通して前記ワイヤレスネットワークにアクセスする複数の移動端末を指定するステップと、
媒体アクセス制御レイヤーより上のプロトコルレベルで前記移動端末からのトラフィックフローをシェーピングするステップと、
を備える方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公表番号】特表２００９−５０９４１４（Ｐ２００９−５０９４１４Ａ）
【公表日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５３１３４７（Ｐ２００８−５３１３４７）
【出願日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０３５９６９
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０３５４６２
【国際公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【出願人】（３９２０２６６９３）株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモ (5,876)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０３５９６９
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０３５４６２
【国際公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【出願人】（３９２０２６６９３）株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモ (5,876)
【Ｆターム（参考）】
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