無線ネットワークにおけるデータ転送方法および装置
【課題】 無線ネットワークにおいてデータを効率的かつ確実に転送することができるデータ転送方法を提供する。
【解決手段】 無線ネットワークにおいてデータを転送するための中継クラスタのメンバノードを選択するデータ転送方法が提供される。無線ネットワークは１以上の中継クラスタＧ１＿１〜３（第１中継段階のクラスタ）およびＧ２＿１〜４（第２中継段階のクラスタ）を含み、その各クラスタは無線ネットワークの一群のノードから形成される。本方法では、無線ネットワークに属する１つの斯かる中継クラスタのノードによって受信されたデータは、中継クラスタのノードが集団的かつ同時に受信データの中継ノードとして働くように、その受信データを該一群のノードが受信した後に同時に転送することによって同期して転送される。
【解決手段】 無線ネットワークにおいてデータを転送するための中継クラスタのメンバノードを選択するデータ転送方法が提供される。無線ネットワークは１以上の中継クラスタＧ１＿１〜３（第１中継段階のクラスタ）およびＧ２＿１〜４（第２中継段階のクラスタ）を含み、その各クラスタは無線ネットワークの一群のノードから形成される。本方法では、無線ネットワークに属する１つの斯かる中継クラスタのノードによって受信されたデータは、中継クラスタのノードが集団的かつ同時に受信データの中継ノードとして働くように、その受信データを該一群のノードが受信した後に同時に転送することによって同期して転送される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は無線ネットワークにおけるデータ転送方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現行の無線ネットワークにおいてマルチキャストデータの伝送をサポートする技術は新しいマルチキャスト動画サービスの登場によってますます必要なものとなっている。この目的のための一部のソリューションは到来信号を増幅してから転送する中継基地局に重点を置いている。このソリューションの１つの不利な点は、これらの特殊な中継ノードは基地局ほど高価ではないがそれらのコストはそれでも相当なものであるということである。このソリューションの別の不利な点は、中継ノードは決まった場所に決まった設定で展開されているので動的なネットワークトポロジー、チャネル変動またはユーザプリファレンスに適応できないということである。ＣＳＭＡ／ＣＡといった特定のコンテンションベースのアクセスメカニズムを備えたネットワークではマルチキャストはうまくサポートされず、マルチキャスト伝送技術を改善するために提案されたソリューションのほとんどは端末から来るフィードバックまたはＡＣＫ(Acknowledgement)に依存し過ぎている。また一部の提案されたソリューションではＡＣＫフレームは代表格またはクラスタリーダの端末群によってＡＰ（アクセスポイント）に送られる。
【０００３】
以下、背景技術のいくつかの例を説明する。
【０００４】
最初の例は８０２．１１標準における従来のマルチキャストソリューションである。ＩＥＥＥ８０２．１１準拠ＷＬＡＮの標準的なマルチキャストソリューションではマルチキャストフレームを受信したいステーションはある特定のマルチキャストグループアドレスに登録（あるいは加入）しなければならない。斯かるマルチキャストグループアドレスに登録した宛先ステーションの各ステーションはマルチキャストフレームを受信することができるが、ＡＣＫで応答はしない。結果として、マルチキャストはある特定のグループアドレスに登録した全てのステーションへの完全で信頼できるデータフローを保証しない。一般的に言えば、ＷＬＡＮインフラにおけるアクセスポイント（ＡＰ）のマルチキャストデータレートが高い値に設定できた場合には、斯かるグループアドレスに登録したステーションのうち、ＡＰに近いものは受信状態が良く、それに対してＡＰから遠いものは何も受信できない可能性がある。これとは全く正反対にマルチキャストフレームのＡＰにおけるデータレートが最小値（８０２．１１標準で指定されたもの）に設定される場合、例えばＡＰに近い全てのステーションはマルチキャストフレームを本来ずっと高いデータレートでスムーズに受信することができたので、システムはきわめて非効率となろう。例えばＡＰに近いステーションの数がＡＰから遠いステーションの数よりも大きい場合には、上記の非効率性はさらに悪化する。
【０００５】
まとめると、８０２．１１標準に対するレガシーマルチキャストソリューションは開ループ系であり、このため受信ノードへ損失パケットを再送したりあるいは受信ノードへの通信路状態に基づいて最良の物理層データレートを選択することは可能ではない。
【０００６】
８０２．１１標準におけるマルチキャストでＡＣＫが欠如していることはアプリケーションが送るデータの一部が全ての宛先に行き渡っていない可能性があり、受信の成功を示すものが何もないことを意味する。しかし、例えば一部のアプリケーション、特にデータにギャップがあっても構わないようなものについては、このことは全く問題にならい場合がある。例えば、発電所における監視システムからの圧力情報の連続的なストリーミングはトラブルを引き起こすことなく状況更新を時々し損なうことがあり得る。しかしながら、パケットエラーが例えば音声や映像のユーザが認識するクォリティの大きな低下をもたらすことがあり得る他のリアルタイムアプリケーションが存在する。
【０００７】
別の例として、非特許文献１は固定されたインフラ中継局を用いた２ホップ伝送プロトコルの理論的な解析を示している。想定されたモデルは非常にシンプルで、２つの中継局と１つの移動局（移動端末）しか持たない。異なる中継メカニズムを平均レート（ビット／秒／Ｈｚ）で比較すると、最初のホップで、基地局が移動局を対象とするデータのサブセットだけを各中継局に送信するＭＩＭＯ同報符号化技術の使用は全データが両方のリレーへ送信されるＭＩＭＯマルチキャストと比べて優れたパフォーマンスを持つことが結論付けられる。
【０００８】
更なる例として、非特許文献２では３Ｇ（第三世代）ＷＣＤＭＡ方式のマルチキャスト伝送に分散アンテナを使用することが研究されている。その目的のため、多数のアンテナがカバレッジエリア内に分散し、そのパフォーマンスが従来のマクロセル方式のパフォーマンスと比較される。提案されたシステムは通信事業者（運営者）が膨大な数の加入者に豊富なマルチメディアをＷＣＤＭＡに割り当てられた無線周波数で同報（ブロードキャスト）することによって配信することを可能にするＭＢＭＳ（Multimedia Broadcast Multicast Service）の候補と見なされる。研究の結論は、分散アンテナを使用することでより高いデータレートがサポートされ、現行のマクロセルアーキテクチャよりも広いカバレッジが実現されるということである。同じくそれにより、容量（キャパシティ）の均一な分配が実現され、集中制御に対する依存度が低減される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】I. Hammerstrom, M.Kuh and A.Wittneben, “Distributed MIMO for Cellular Networks with Multihop Transmission Protocols", Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers 2006, Pacific Grove, CA, Oct. 2006
【非特許文献２】A. Boal, A.Soares and A. Correia, “Distributed Antenna Cellular System for Transmission of Broadcast/Multicast Services", Vehicular Technology Conference, 2007. VTC2007-Spring, IEEE 65th.
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、一態様において、無線ネットワークにおいてデータを転送するための中継クラスタ（relay cluster）のメンバノードを選択するデータ転送方法を提供する。前記無線ネットワークは１以上の前記中継クラスタを含み、その各クラスタは前記無線ネットワークの一群のノードから形成されており、前記無線ネットワークに含まれる１つの中継クラスタを構成する一群のノードによって受信されたデータは、中継クラスタのノードが集団的かつ同時に受信データの中継ノードとして働くように、該一群のノードが受信した後に当該受信データを同時に転送することによって、同期して転送され、本方法は、
前記一群のノードから形成された前記中継クラスタのクラスタヘッドを選択するステップと、
選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回るノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するステップとを含み、
前記一群のノードから形成された前記さらなる中継クラスタについて、既存の他のクラスタから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を下回っているノードのみが該クラスタヘッドの候補と見なされるように、クラスタヘッドを選択し、
前記クラスタヘッドが選択された後に、その選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回っているノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択することを含むことを特徴とする。
【００１１】
中継クラスタのノード達による同時かつ集団的な送信は中継されるべき信号の発信元である基地局またはアクセスポイントのカバレッジを拡大することを可能にする。集団的な行動によってノード達は単一の中継ノードとして働く。
【００１２】
本方法は、前記クラスタヘッドからの最大距離を確保することによって、クラスタの異なるノード同士の間のネガティブな干渉を避ける方法でクラスタ形成を実現することができる。
【００１３】
上記選択ステップは異なるクラスタ間の最小距離を確保することでクラスタの効率的な分布を実現する。
【００１４】
本方法において、その一態様として、前記無線ネットワークは複数の中継クラスタを含んでおり、前記データ転送は複数の連続する中継段階で実行され、各中継段階には前中継段階の間にその前中継段階に割り当てられた中継クラスタから受信したデータを転送する１以上の中継クラスタから構成される対応するグループが割り当てられる。
【００１５】
それぞれの対応するクラスタのグループが属する複数の中継段階により、信号伝送のカバレッジと効率を更に拡げる階層化アーキテクチャが実現される。
【００１６】
例えば、受信機における十分な高さの信号強度（これはシンプルな屋外伝搬環境では十分短い距離に相当する）によって前中継段階またはＡＰ送信からの良い受信クォリティを推測することができる。従って、以下の説明では用語“距離”は斯かるシンプルな屋外シナリオを想定して使用されることがあるが、このことは提案されたメカニズムの適用範囲を制限するものと解するべきではない。
【００１７】
本方法において、その一態様として、クラスタの複数のグループ（以下、それぞれのグループをクラスタグループと呼ぶ）が生成され、その各クラスタグループは対応する中継段階に属し、この対応する中継段階に属する全てのクラスタは信号を同時に送信して転送するように設定されており、
１つのクラスタグループに属するクラスタのメンバは以下の条件、
それらのクラスタヘッドは前中継段階からまたはゼロ番目の中継段階からある特定の閾値を上回る強度で信号を受信する、および／または、
異なるクラスタのクラスタヘッドはそれらが他の既存のクラスタから受信する信号の信号強度がある特定の閾値を下回るようにそれらを選択することによって確保される相互の最小距離を有する、および／または、
クラスタのメンバノードはそれらの対応するクラスタヘッドからある特定の閾値を上回る信号強度で信号を受信する、
に基づいて選択される。
【００１８】
クラスタヘッドに対する最小信号強度は基地局からまたは前中継段階からの最大距離（つまり良好な受信クォリティ）を保証する。本方法の一態様としてクラスタヘッドがゼロ番目の中継段階から受信する信号強度は前中継段階のクラスタヘッドがゼロ番目の中継段階から受信する信号強度より低いことが更に必要とされる。
【００１９】
クラスタ間の最大信号強度はそれらの間の最小距離を保証する。
【００２０】
クラスタメンバに対する最小信号強度はクラスタのメンバが互いに離れすぎていないことを保証する。
【００２１】
本方法は、その一態様として、同じ中継段階の２つの同時伝送の間に人為的な遅延時間を導入するステップを更に含む。
【００２２】
これにより受信ノードが２つのクラスタの間にあっても信号を復号する能力が確保される。
【００２３】
本発明は、一態様において、無線ネットワークにおいてデータを転送するための中継クラスタのメンバノードを選択するデータ転送装置も提供する。前記無線ネットワークは１以上の前記中継クラスタを含み、その各クラスタは前記無線ネットワークの一群のノードから形成されており、前記無線ネットワークに含まれる１つの中継クラスタを構成する一群のノードによって受信されたデータは、中継クラスタのノードが集団的かつ同時に受信データの中継ノードとして働くように、該一群のノードが受信した後に当該受信データを同時に転送することによって、同期して転送され、本装置は、
前記中継クラスタのクラスタヘッドを選択するためのモジュールと、
選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回るノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するためのモジュールとを備え、
前記クラスタヘッドを選択するためのモジュールは、前記さらなる中継クラスタについて、既存の他のクラスタから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を下回っているノードのみがクラスタヘッドの候補と見なされるように、クラスタヘッドを選択するように構成され、
前記メンバノードを選択するためのモジュールは、前記クラスタヘッドが選択された後に、その選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある所定の閾値を上回っているノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するように構成されることを特徴とする。
【００２４】
本装置において、その一態様として、前記無線ネットワークは複数の中継クラスタを含んでおり、前記データ転送は複数の連続する中継段階で実行され、各中継段階には前中継段階の間にその前中継段階に割り当てられた中継クラスタから受信したデータを転送する１以上の中継クラスタから成る対応するグループが割り当てられる。
【００２５】
本装置は、その一態様として、上記いずれかの態様の方法を実行するためのモジュールを更に備える。
【００２６】
本発明は、その一態様として、上記いずれかの態様の方法に従ってデータが転送される無線ネットワークにおいて中継ノードとして働くことを可能にするための１以上のモジュールを備えた無線ネットワークにおけるノードも提供する。
【００２７】
本発明は、その一態様として、コンピュータによって実行されたときにこのコンピュータが上記いずれかの態様の方法を実行することを可能にするコンピュータプログラムコードを含むコンピュータプログラムも提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】カバレッジ対データレートの特性曲線を示す図である。
【図２】本発明の実施形態が適用された無線ネットワークを示す図である。
【図３】本発明の実施形態における受信信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の最良の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
その前に最初に、以下の説明で用いられる用語（主に頭文字語）について説明する。
ＳＮＲ：Signal to Noise Ratio、信号対ノイズ比
ＣＲＣ：Cyclic Redundancy Check、巡回冗長検査
ＡＣＫ：Acknowledgement Frame、ＡＣＫフレーム
ＲＴＳ：Request-to-Send Frame defined by IEEE 802.11、ＩＥＥＥ８０２．１１に準拠した送信要求フレーム
ＣＴＳ：Clear-to-Send Frame defined by IEEE 802.11、ＩＥＥＥ８０２．１１に準拠した受信準備完了フレーム
ＣＳＭＡ／ＣＡ：Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance、搬送波感知多重アクセス／衝突回避方式
ＡＰ：ＡＰ
ＭＩＭＯ：Multiple Input Multiple Output、多入力多出力方式
ＭＡＣ：Medium Access Control、媒体アクセス制御
ＡＰ：Access Point、アクセスポイント
ＲＳＳＩ：Received Signal Strength Indicator、受信信号強度表示信号
ＳＩＦＳ：Short Inter-Frame Space defined by IEEE 802.11、ＩＥＥＥ８０２．１１に準拠した短フレーム間隔
ＰＨＹ：Physical Layer、物理レイヤ（または物理層）
【００３１】
実施の一形態によれば、無線ネットワーク内にノードから成る１以上のクラスタが形成される。各クラスタはクラスタを形成する複数のノードが受信信号を同時に転送（フォワード）する事実によって仮想的な単一の中継ノードの役割を果たす。
【００３２】
実施の一形態として、ＡＰまたは基地局によって最初に送信されたマルチキャストデータフレームを同時に送信する協調的中継クラスタを形成する完全分散型スキームが提供される。協調的中継クラスタは、マルチキャストサービスのために提案されたほとんどの代替ソリューションと同様、基地局から／までのリンクのクォリティが低いノードが特定ノードからＡＰへの大きなフィードバックオーバヘッドを負担する必要なしにマルチキャストパケットを復号するのを支援する分散型ＭＩＭＯシステムとして振る舞う。パケットを中継するためのノード達の協調のおかげで、本メカニズムはフレームの受信成功率を大きく増大させ、所与のエリアをカバーするためのホップ数を低減し、ネットワークの総スループットを押し上げる。斯かるシステムが８０２．１１標準で機能するようにするにはＭＡＣ（媒体アクセス制御）レイヤを少しだけ拡張するだけで済む。以下、これらの拡張の一例に言及する。
・推定段階と中継クラスタ形成段階の間、全てノードは全ての他のノードからの送信を立ち聞きできるようにプロミスキャスモード（Promiscuous Mode）で動作すべきである。
・ｍ番目の段階で形成されるクラスタの最大数はＡＰによって決定され、Ｎ＿ｍと表される。パラメータＮ＿ｍはあらゆるノードで事前に設定されるかまたはＡＰによってビーコンで通知される。後者の方法の場合、従来の８０２．１１ビーコンは変更されるべきである。
・ｍ番目の中継段階の最初のクラスタヘッド（第１クラスタヘッド）が自己選択された後、ＡＰは第１クラスタヘッドのＭＡＣアドレスを含む特別なＡＣＫパケットを同報し、第１クラスタヘッドが選ばれたことと、ｍ番目の中継段階伝送に対して最大Ｎ＿ｍ−１個のクラスタヘッドが残っていることがアナウンスされる。
・ｍ番目の中継段階のクラスタが選択された後、ＡＰは最大Ｎ＿（ｍ＋１）個のクラスタヘッドが存在する（ｍ＋１）番目の中継段階のクラスタ選択の開始をアナウンスするメッセージを送信する−一般にＮ＿（ｍ＋１）はＮ＿ｍより大きい（Ｎ＿（ｍ＋１）＞Ｎ＿ｍ）。段階の終了と（あれば）次の段階の開始をアナウンスするＡＰからの特別メッセージは８０２．１１の拡張と言える。
・隠れたクラスタ問題を処理するため、同じ中継段階における２つの連続する中継伝送の間に数ミリ秒程度の人為的な遅延時間Δが信号推定（等価器トレーニング）段階と一緒に導入されることがある。この遅延時間も８０２．１１の拡張を表しているといえる。
【００３３】
本発明の実施形態はどんな種類の無線ネットワークにも適用することが可能であり、マルチキャスト伝送とブロードキャスト伝送に適用することができる。以下、本発明の一部の実施形態をＩＥＥＥ８０２．１１技術に関連して説明する。しかし当業者であればここで説明される原理は他のタイプのネットワークにも、あるいはもっと一般的にどんな種類の無線ネットワークにも適用することができることは理解されよう。
【００３４】
実施の一形態によれば、協調的で良く調整された方法でマルチキャストパケットの即時即刻の同時中継を実行するノード（nodes）のクラスタ（cluster）が生成される。ノードクラスタは１つのクラスタからの総受信電力がＡＰからの受信電力に比肩できる場合に仮想ＡＰとして振る舞う。協調クラスタの形成およびそれらの伝送の調整は実施の一形態によれば４つの連続する段階をふむ。
ｉ）推定段階：あらゆるノードは自分自身と他の端末との間のリンクのチャネル状態（通信路状態）を推定する。
ｉｉ）データレートの選択段階：ＡＰは適正なデータレートを選択し、これは原則的にその後の中継伝送で逐次繰り返される。
ｉｉｉ）クラスタヘッドの選択段階：ノードは自己選択アルゴリズムを実行して中継クラスタのヘッドノードを選択する。
ｉｖ）マルチキャスト中継段階：段階ｉｉｉ）で形成されたクラスタ内部の中継ノードの日和見的選択(opportunistic selection)。この段階は段階ｉｉｉ）と同時に実行できる。
【００３５】
本発明の実施形態は従来技術と比較して次の様な利点を有する。
１．マルチキャストまたはブロードキャストに対する無線ネットワークのカバレッジエリアが大幅に拡大する。
２．マルチキャスト伝送に対するＡＣＫフレームその他のタイプのフィードバックを大幅に削減することが可能である。
３．ネットワークエリアの大きさを固定する場合、ユーザが認識するエンド・ツー・エンドのデータレートが増大する。
４．８０２．１１標準に適用した場合、この標準に対する少しの拡張だけで実装可能である。
【００３６】
次に実施の一形態によるメカニズムを以下のネットワーク要素と仮定を含む場合についてより詳しく説明する。
１）マルチキャストデータフレームをＭ個のマルチキャストグループに加入したいくつかの端末に送信するＡＰまたは基地局Ｎｏｄｅ−Ｂ。
２）ＡＰに付随しておりＭ個のマルチキャストグループに加入したＮ個の端末。簡単のため、端末はただ１つのマルチキャストグループに加入できると仮定する。
３）ネットワーク内の全てのノードは既存のチャネル状態に基づいてデータレートを変更する適応型レート選択を利用する。
４）Ｎ個の端末はＮｏｄｅ−Ｂがカバーするエリア内にランダムかつ均一に拡散している。
５）原則的にはクラスタヘッドノードは定位置にとどまっており、各クラスタの一般ノードの移動性レベルは適度である。
【００３７】
これらは本発明を実施するための絶対的な要件ではないが、以下に述べる実施形態の環境を規定するものであることは留意すべきである。当業者であればこの環境は変更できること、例えば上記の伝送はブロードキャスト伝送（同報伝送）も可能であることは理解されよう。
【００３８】
実施の一形態において本メカニズムは以下の４段階を包含する。
ｉ）推定段階：あらゆるノードは自分自身と他の端末との間のチャネル状態（通信路状態）を評価する。
ｉｉ）データレート選択段階。
ｉｉｉ）クラスタヘッドの選択段階：ノードは自己選択アルゴリズムを実行して中継クラスタのリーダーを選択する。
ｉｖ）マルチキャスト中継段階：クラスタ内の中継ノードの日和見的選択。
動的環境では、特にモビリティ（移動性）が存在する場合には、全ての段階は定期的に実行されるべきである。以下、これら４つの段階の各段階についてより詳しく説明する。
【００３９】
しかしながら、当業者であれば、中継ノードのクラスタがネットワーク管理者によって事前指定される場合には、例えばクラスタヘッド選択などの一部の段階は必要とはされない。この場合、実施形態はマルチキャスト中継段階（段階ｉｖ）だけから成り得る。
【００４０】
＜推定段階＞
推定段階の間、ノードはプロミスキャスモードに設定され、他のノードが基地局にデータパケットまたはプローブパケットを送信しているときにアップリンクチャネルを立ち聞きする。こうして、ノードはそれら自身と他の端末との間のチャネル状態情報、例えばＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator）、を収集することができる。この段階の最後にあらゆるノードは聞くことができる全てのノードのノードごとのＲＳＳＩを含むリストを手にする。推定段階のデュレーションはネットワーク管理者がネットワークトポロジーとトラフィック状態に基づいて設定することができる。
【００４１】
＜データレート選択＞
ノードは他のノードのチャネル状態についての十分な情報を収集し終わると第２段階（データレート選択）に進む。原則的には中継クラスタはＡＰがマルチキャストパケットを送信するために先に使用したのと正確に同じデータレートを使用しなければならない。従って、まず最初に、ＡＰは特定の８０２．１１ｇ屋外環境に対する図１に示すようなカバレッジ対データレートの特定曲線（例えば非特許文献［Romano, “The Range vs. Rate Dilemma of WLANs", April 2004, CommsDesign, http://www.commsdesign.com］参照）に基づいてマルチキャストパケットを送信するための適正なデータレートを決定しなければならない。この曲線は現場測定で得られる。受信側で遅延信号の重ね合わせ（これがあるとパケットの復号が不可能になる）を避けたいのであれば中継クラスタの選択は注意深く実行されなければならない。このプロセスは次の段階で実行される。
【００４２】
＜中継クラスタの形成段階＞
実施の一形態においてクラスタを形成するメインゴールは仮想的な中継ＡＰとして機能することが可能な互いに近いノードから成るグループを生成することにある。さらに、実施の一形態によれば、受信側で重畳信号を復号することが不可能なレベルのマルチユーザ干渉を避けることができるようにクラスタは互いに十分遠く離れていなければならない。
【００４３】
実施の一形態によれば中継クラスタの選択は完全分散方式で実行される。マルチキャスト伝送の間、ノードクラスタ群はＡＰが送信したマルチキャストパケットを一群の連続する中継伝送で中継する。これらの中継段階の各段階ごとに、中継伝送はマルチキャストパケットを受信した所定の期間、好ましくは短い期間（例えば８０２．１１標準におけるＳＩＦＳ期間）後に始まり、前中継段階（前回の中継段階）と正確に同じＰＨＹレートを使用する。
【００４４】
以下、実施の一形態によるクラスタ形成プロセスについてより詳しく説明する。
【００４５】
最初に、第１中継段階（１番目の中継段階）のクラスタが形成される。本実施形態では信号の発信元（０番目の中継段階）はアクセスポイントまたは基地局である。第１中継段階のクラスタは基地局から受信した信号の転送を実行し、第２中継段階のクラスタは第１中継段階の間にこの第１中継段階に属するクラスタから受信した信号を転送する。以下、同様である。
【００４６】
クラスタのノードを選択するため、実施の一形態によれば最初にクラスタヘッドがランダムに選択される。可能なクラスタヘッドの数を制限し、それらが前回の中継ステージに十分近くにあることを保証するため、前回の中継ステージからまたは信号の発信元であるアクセスポイントから所定の閾値を上回る強度で転送されるように信号を受信するノードだけがクラスタヘッドの候補と見なされることが許される。結果の候補の中からクラスタヘッドはランダムに選ぶことが許される。クラスタヘッドが選択されたら、クラスタの更なるノードはそれらがクラスタヘッドから所定の閾値を上回る強度で信号を受信するという基準に基づいて選択されることが許される。
【００４７】
次のクラスタヘッドは再びランダムに選ばれることが許される。この場合、更なる基準として既存のクラスタから信号を所定の閾値を下回る強度で受信するノードのみがクラスタヘッドの候補となり得ることが用いられることがある。これにより、クラスタ間の最初距離が確保され、クラスタ同士の間のネガティブな干渉が避けられる。
【００４８】
このようにしてクラスタヘッドおよびそれらの対応するノードは第１中継段階の全てのクラスタが形成されるまでに選択することができる。
【００４９】
２番目の中継段階のクラスタも同様に形成することができる。
【００５０】
次に実施の一形態によるクラスタ形成についてより詳しく説明する。
【００５１】
第１段階の間に形成されるクラスタの最大数（第１中継段階のクラスタの最大数）はＡＰによって決定され、Ｎ＿１で表される。パラメータＮ＿１はあらゆるノードで事前設定されるかまたはＡＰによってビーコンを通じて通知される。ＡＰからパケットを所定値Ｒ＿ＡＰ＿１よりも大きなＲＳＳＩで受信する全てのノードはクラスタヘッドに成ることを争うために一様分布確率ｐをローカルに計算する。この確率フィルタ（ｐ≦閾値）を通過するノードは「私が１番目の中継クラスタヘッドであり、フェーズ１における残りのクラスタヘッドは最大（Ｎ＿１−１）個である」と読めるメッセージを送信するためにチャネルを争い取る。この後すぐに、ＡＰは、第１クラスタヘッドのＭＡＣアドレスを含む特別なＡＣＫパケットを同報して、第１クラスタヘッドが選ばれており、第１段階の中継伝送の残りのクラスタヘッドは最大（Ｎ＿１−１）個であることをアナウンスする。このＡＣＫパケットはネットワーク内の全ての移動局がそれを復号することが可能なように可能な最低ＰＨＹレート（例えば８０２．１１ｇにおける６Ｍｂｐｓ）で送信されるべきである。
【００５２】
第１クラスタヘッドが選ばれた後、以下の条件を満足するノードは第１クラスタのメンバとして自己選択する。
条件：第１クラスタヘッドからパケットをＲＳＳＩ＿clusterよりも大きなＲＳＳＩで受信すること−第１クラスタヘッドのＭＡＣアドレスまたはＩＤ（identity）は全てのノードに既知である。
【００５３】
第１クラスタのメンバが選択されたら、クラスタヘッドのアナウンスＡＣＫから所与の時間（例えば８０２．１１におけるＳＩＦＳ）の後、それらの全てはネットワーク内の全ての他のノードによって聞かれる所定数のプローブパケットを同時に送信する。
【００５４】
第２クラスタヘッドを選択するために同じ基本手続きが繰り返される。つまり、ＡＰからメッセージを所定値Ｒ＿ＡＰ＿１よりも大きなＲＳＳＩで受信し（これによりＡＰからの最大距離が確保される）、かつ第１クラスタによる同時伝送をＲ＿Ｃ１より小さなＲＳＳＩで受信する（これにより既存クラスタからの最小距離が確保される）全てのノードはチャネルを獲得して第２クラスタヘッドに成ることを争うために一様分布確率ｐをローカルに計算する。最初のＲＳＳＩ条件をパスするとともに確率フィルタを通過するノードは第２クラスタヘッドになることを争う。第２クラスタヘッドは最小ＰＨＹレートで「私が第２クラスタヘッドであり、フェーズ１における残りのクラスタヘッドは最大（Ｎ＿１−２）個である」と読めるパケットを送信する。ＡＰはこのメッセージにＡＣＫ応答し、第２クラスタヘッドのＭＡＣアドレスを同報する。第２クラスタヘッドが選ばれたら、第２クラスタの他のメンバは以下の条件に従って第１クラスタのものと正確に同じ方法で自己選択する。
条件：第２クラスタヘッドからパケットをＲＳＳＩ＿clusterよりも大きなＲＳＳＩで受信すること−第２クラスタヘッドのＭＡＣアドレスまたはＩＤ（identity）は全てのノードに既知である。
【００５５】
第２クラスタの全てのメンバが選択された後、第２クラスタヘッドのアナウンスＡＣＫの受信から決まった時間の後、全てのノードはネットワーク内の全ての他のノードによって聞かれるいくつかのプローブパケットを同時に送信する。
【００５６】
第３クラスタヘッドはＡＰをＲ＿ＡＰよりも大きなＲＳＳＩで聞き、それと同時にクラスタ１および２による送信をＲ＿Ｃ１より小さなＲＳＳＩで聞かなければならない。以下、同様である。フェーズ１のＮ＿１個全てのクラスタが選択されるまであるいはｎ番目のクラスタの同時伝送とｎ＋１番目のクラスタヘッドからのメッセージの間でＳＩＦＳより長い期間が経過するまで、実施の一形態による全体の手続きが繰り返される。最初の中継段階のクラスタが選択された後、ＡＰは最大Ｎ＿２個のクラスタヘッドが存在する第２段階のクラスタ選択の開始をアナウンスするメッセージを送信する。ただし実施の一形態によればＮ＿２はＮ＿１よりも大きい。
【００５７】
第２中継段階のクラスタは第１段階と同じような方法で選択される。しかしながら、ＲＳＳＩの閾値レベルはこの場合ＡＰと他のクラスタの送信に対してそれぞれＲ＿ＡＰ＿２とＲ＿Ｃ２である。実施の一形態によれば強度Ｒ＿ＡＰ＿２はアクセスポイントまたは基地局（第ゼロ中継段階）から受信される信号の強度である。また更なる実施形態によればそれは前中継段階からの１以上のノードから受信される信号の強度である。第２段階の中継クラスタが第１段階の中継クラスタよりもアクセスポイントから更に遠く離れていることを確実にするため、追加の条件として、Ｒ＿ＡＰ＿２がある閾値を超えているという条件だけでなく更にそれがある閾値未満にあるという条件も使うことが許される。
【００５８】
第３段階または（必要なら）何か更なる段階に対して、クラスタノードを選択するための手続きが正確に同じ方法で実行することが許される。
【００５９】
全てのクラスタが形成されたら、システムはマルチキャスト中継段階に移行することができる。
【００６０】
＜マルチキャスト中継段階＞
前段階において全ての中継段階のあらゆるクラスタのメンバの選択が完了している。本段階では、クラスタノードはそれらがいくつかの中継段階でＡＰから受信するマルチキャストパケットを中継する。従って、第１中継段階のクラスタノード（基地局を中心とする最初の“円”上に存在するもの）はＡＰによって選ばれた同じデータレートで同時に送信する。第１中継段階から決まった時間（例えば実施の一形態によれば８０２．１１のケースにおけるＳＩＦＳ期間）の後に第２中継段階の全てのクラスタノード（基地局を中心とする２番目の“円”上に存在するもの）が同時に送信する。以下同様である。
【００６１】
同期は例えば実施の一形態によれば受信信号のユニット（フレームまたはパケット）を受信した後にある所定の時間（非常に短くほとんどゼロであることが可能である）が経過するのを待って中継伝送をトリガーすることによって実現可能である。このようにして信号（またはそのユニット）の受信の完了によって中継伝送をトリガーすることが可能である。このメカニズムは全ての中継ステージで次の中継伝送をトリガーすることに使用することができる。
【００６２】
集団的な中継伝送によってカバレッジを拡げることが可能であり、データレートが増大可能である。
【００６３】
説明を明確にするため、図２に示した例においてノードＡを議論することができる。ＡＰは図１に示したような特性曲線に基づいて伝送速度を１８Ｍｂｐｓに選択したとする。ノードＡはＡＰから非常に遠く離れているが、まもなく始まるマルチキャスト期間をアナウンスするビーコンを聞くことが可能である。ビーコンは６Ｍｂｐｓで送信されるからである。ノードＡはマルチキャストトラフィックが到来していることを知っているが、ＡＰによって１８Ｍｂｐｓで送信されたパケットも１８Ｍｂｐｓの第１中継伝送もＳＮＲが低いために復号することができない。ノードＡはクラスタＧ２＿１に近く、従って中継伝送の第２段階においてクラスタＧ２＿１のノードの同時伝送から非常に強い信号を受信し、図３に示すようなクラスタＧ２＿２、Ｇ２＿３およびＧ２＿４からはずっと弱い遅延信号を受信する。従って、ノードＡはＧ２＿１による伝送からマルチキャストパケットを復号することが可能である。
【００６４】
ノードが同じ中継段階のお互いに譲らない２以上の異なるクラスタの送信エリア内にある場合、高い確率で両方のクラスタから到来する重畳信号（重ね合わせ信号）を復号することは不可能である。図２に示した例ではノードＢはＧ２＿１とＧ２＿２の間のそのような位置にある。この問題に対処するため、同じ中継段階における２つの中継伝送の間に人為的な短い遅延時間Δ（例えば数ミリ秒程度の短さ）を信号推定（等価器トレーニング）段階と一緒に導入することができる。
【００６５】
しかしながら、その難しい位置関係にあっても図２のノードＢは、単に偶然に、ＡＰのまたは第１段階の中継伝送の際に、マルチキャストパケットを事前に復号することが可能な状態にあり、第２中継段階はそれにとっては既に関係のないものとなっていた可能性がある。以前の中継段階のこの日和見的受信は、ＡＰから遠く離れているノードにとってパケットを成功裏に復号するチャンスを増やし、実施の一形態によるメカニズムの複数の中継段階の別の利点である。
【００６６】
複数のクラスタの衝突を避けるための別の解決策として受信端末において指向性アンテナを使用することが考えられる。これにより特定のクラスタの方向に他のクラスタの方向よりも高い利得が得られる。
【００６７】
＜パフォーマンス評価＞
次に“グループ”形成と“同時”マルチキャストまたはブローキャスト伝送といった２つの特徴によって与えられる利得について説明する。“同時伝送”と“グループ形成”の利得を個別に説明する前に、非常にシンプルな例を最初に説明する。
【００６８】
＜一般例＞
図１に示すような屋外環境における８０２．１１ｇ標準の一般的なデータレート対距離曲線を議論することにする。またネットワークトポロジーはＡＰが同報パケット（ブロードキャストパケット）を送信している以下に示すものであると仮定する。従来の８０２．１１マルチキャスト方式ではＡＰは最低可能データレート（６Ｍｂｐｓ）で送信してＡＰから３００ｍ離れたところに位置するステーションＧとＨを含む全てのステーションに到達しなければならない。
【００６９】
従来のマルチキャスト方式：
Ａ Ｄ
（ＡＰ） Ｂ Ｅ Ｇ
Ｃ Ｆ Ｈ
←―――３００ｍ――――→
６Ｍｂｐｓ
【００７０】
ステーションの送信電力はＡＰの１／３であると考えることが許される。同時伝送を行う提案された中継クラスタを使用すると、ＡＰは代わりにカバレッジが１６０ｍの１８Ｍｂｐｓで送信ができる。このときノードＡＢＣはパケットをカバレッジが１６０ｍの１８Ｍｂｐｓで中継でき、最後にノードＤＥＦは再びパケットをカバレッジが１６０ｍの１８Ｍｂｐｓで中継できる。結果は、下の図が示すように、エンド・ツー・エンドのデータレートは６Ｍｂｐｓで、しかしカバレッジは４８０ｍである。これは当初の方式と比べてカバレッジが５０％以上増大することを示している。しかし結果はそれだけではない。多重中継伝送はネットワーク内の多数のノードに時間・空間ダイバーシチも与える。
【００７１】
本発明の実施の一形態によるマルチキャスト方式：
Ａ Ｄ Ｋ Ｌ
（ＡＰ） Ｂ Ｅ Ｇ Ｍ Ｎ
Ｃ Ｆ Ｈ Ｏ
←――――――４８０ｍ――――――→
６Ｍｂｐｓ
【００７２】
次に、上記ネットワーク例の３００ｍのカバレッジは固定されたと考えることが許される。図１の特性曲線によれば、このケースではＡＰはカバレッジが１０５ｍの２４Ｍｂｐｓで送信することができる。このときクラスタ｛ＡＢＣ｝はカバレッジが１０５ｍの２４Ｍｂｐｓで中継し、最後にクラスタ｛ＤＥＦ｝はカバレッジが１０５ｍの２４Ｍｂｐｓで中継する。従って下の図が示すように、エンド・ツー・エンドのデータレートは８ＭＢｐｓでカバレッジは３１５ｍになる。このことは従来のマルチキャスト方式と比べてデータレート利得は３３％であり、カバレッジ利得はわずかに増大することを示している。
【００７３】
本発明の実施の一形態によるマルチキャスト方式：
Ａ Ｄ
（ＡＰ） Ｂ Ｅ Ｇ
Ｃ Ｆ Ｈ
←―――３１５ｍ―――→
８Ｍｂｐｓ
【００７４】
上述した利点が現実のものとなるには、クラスタ｛ＡＢＣ｝およびクラスタ｛ＤＥＦ｝はそれらの送信電力、相互距離およびネットワーク内の全ての他のノードまでの距離を考慮に入れて注意深く形成されるべきである。前述の説明では効率的な方法でクラスタを形成するためにこの問題に対処するためのメカニズムが提案された。
【００７５】
次に、単純化したシナリオを使用して、“同時”伝送と“グループ”伝送を個別に説明する。
【００７６】
＜“同時”伝送の利得＞
次の様なトポロジーを考えることが許される。
（ＡＰ）
Ａ Ｂ
Ｃ Ｄ
（ＡＰ）：アクセスポイント
Ａ、Ｂ：２つの別個のノード
【００７７】
ＡＰがＡとＢによって（それらの“領域”ＣとＤをそれぞれカバーするために）中継されるデータを流す古典的なマルチキャストシナリオでは、３つの時間スロットが必要とされる。つまり、ＡＰが送信し、次にＡが送信し、次いでＢが送信する。
【００７８】
ＡとＢが“同時”に送信することを許すことにより、マルチキャストは２つの時間スロットで済まされる（３つの時間スロットに対して２つの時間スロットで済むので、利得＝３／２）。これが成功裏に実行されるためには、ＡとＢの間の距離にいくつかの制約（以下、制約群１と呼ぶ）を課すことが必要である。
【００７９】
＜“グループ”伝送の利得＞
次の様なシナリオを考えることが許される。
（ＡＰ） ＡＢＣ ＤＥ Ｆ
（ＡＰ）：アクセスポイント
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ：６つの別個のノード
【００８０】
ＡＰは、全てのエリアをカバーすることを意図して、ブロードキャストデータを流す。
Ａ．マルチホップ対シングルホップ
−−−−−−−−−−−−−−−−
ＡＰがシングルホップ（単一ホップ）であらゆるノードに限られた送信電力で到達しようとする場合、ＡＰは長い距離を低い誤り率でカバーするために低いデータレートを使用しなければならない。マルチホップを使用すると、１つの時間スロットの代わりに少なくとも２つの時間スロットを必要とするが、より高いエンド・ツー・エンドレートが実現できる。
Ｂ．クラスタヘッド単独またはクラスタ全体が中継すべきか？
−−−−−−−−−−−−−−−−
ＢがクラスタＡＢＣのクラスタヘッドであると仮定することが許される。グループ再送が一切用いられない場合、クラスタヘッドＢはＡＰからのデータを中継し、次いで（例えば）Ｄがそれを最終的に３ホップでＦに到達するように再び中継する。
その他の可能性は単一の送信でＦに到達するのに十分な合成電力を持つ“中継グループ”ＡＢＣを形成することであろう。
前パラグラフではホップ数を増やすことが好まれたが、いまの場合はホップ数を減らすことを考えていることに留意すべきである。しかしながら、これは最適なエンド・ツー・エンドのデータレートはシングルホップと多すぎるホップとの間のどこかにあるからである。
３ホップの代わりに２ホップはデータレートの利得３／２をもたらす。
宛先で復号可能でありながら（ちょうどマルチパス無線伝搬のような）斯かる中継“グループ”を形成することが“第２制約群”と見なされる。
【００８１】
＜考察＞
前例に示したグループ中継の利得（３／２）は線形トポロジーに相当する。２Ｄトポロジーでは、それは前述の同時（単一ノード）中継の利得（３／２）と組み合わされる。
【００８２】
一般例は下図のようなものである。
ＡＰ
／ ＼
ＡＢＣ−−ＤＥＦ
／ ＼
ＧＨ ＩＪ
／ ＼
Ｋ Ｌ
【００８３】
同時伝送のない単一ノード（クラスタヘッド）中継のみを考える場合には、あらゆるものに到達するのに５回の送信で終わる。つまり、
ＡＰが送信し、次にＢ、次にＥが送信し、続いてＧ（Ｂの後）、続いてＩ（Ｅの後）が送信する。
【００８４】
同時グループ中継を使用する場合には、２回の送信（時間スロット）だけを用いてあらゆるものに到達することができる。つまり、
ＡＰが送信し、次にＡＢＣとＤＥＦが（同時に）送信する。
【００８５】
従って、このときの利得は５／２である。これは楽観的シナリオであるが、しかしネットワークトポロジーが何であれ、グループが適正に形成されるならばネガティブな利得は決して得られることはない。
【００８６】
それ故、“同時”中継“グループ”を構築するための制約は両方の制約群の組み合わせである。同様にこれらの同時中継伝送からの利得は前述した両方のシナリオの結果である。
【００８７】
上記の実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、あるいはハードウェアとソフトウェアの組み合わせによって実施することができることは当業者であれば理解できよう。本発明の実施形態に関連して説明されたモジュールおよび機能は、全体的または部分的に、本発明の実施形態に関連して説明された方法の通りに動作するように適切にプログラムされたマイクロプロセッサまたはコンピュータによって実現することができる。本発明の実施形態を実現する装置は例えば、本発明の実施形態で説明された方法を実行することが可能なように適切にプログラムされており無線ネットワーク内のノードその他の構成要素として働くコンピュータデバイスまたは携帯電話機その他のモバイル機器を構成することができる。
【００８８】
本発明の実施の一形態として、データキャリアに格納された、あるいは他の方法で記録媒体もしくは伝送リンクといった何らかの物理的手段によって具現化されたコンピュータプログラムであって、コンピュータ上で実行されたときにこのコンピュータが上記実施形態に従って動作することを可能にするコンピュータプログラムが提供される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は無線ネットワークにおけるデータ転送方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現行の無線ネットワークにおいてマルチキャストデータの伝送をサポートする技術は新しいマルチキャスト動画サービスの登場によってますます必要なものとなっている。この目的のための一部のソリューションは到来信号を増幅してから転送する中継基地局に重点を置いている。このソリューションの１つの不利な点は、これらの特殊な中継ノードは基地局ほど高価ではないがそれらのコストはそれでも相当なものであるということである。このソリューションの別の不利な点は、中継ノードは決まった場所に決まった設定で展開されているので動的なネットワークトポロジー、チャネル変動またはユーザプリファレンスに適応できないということである。ＣＳＭＡ／ＣＡといった特定のコンテンションベースのアクセスメカニズムを備えたネットワークではマルチキャストはうまくサポートされず、マルチキャスト伝送技術を改善するために提案されたソリューションのほとんどは端末から来るフィードバックまたはＡＣＫ(Acknowledgement)に依存し過ぎている。また一部の提案されたソリューションではＡＣＫフレームは代表格またはクラスタリーダの端末群によってＡＰ（アクセスポイント）に送られる。
【０００３】
以下、背景技術のいくつかの例を説明する。
【０００４】
最初の例は８０２．１１標準における従来のマルチキャストソリューションである。ＩＥＥＥ８０２．１１準拠ＷＬＡＮの標準的なマルチキャストソリューションではマルチキャストフレームを受信したいステーションはある特定のマルチキャストグループアドレスに登録（あるいは加入）しなければならない。斯かるマルチキャストグループアドレスに登録した宛先ステーションの各ステーションはマルチキャストフレームを受信することができるが、ＡＣＫで応答はしない。結果として、マルチキャストはある特定のグループアドレスに登録した全てのステーションへの完全で信頼できるデータフローを保証しない。一般的に言えば、ＷＬＡＮインフラにおけるアクセスポイント（ＡＰ）のマルチキャストデータレートが高い値に設定できた場合には、斯かるグループアドレスに登録したステーションのうち、ＡＰに近いものは受信状態が良く、それに対してＡＰから遠いものは何も受信できない可能性がある。これとは全く正反対にマルチキャストフレームのＡＰにおけるデータレートが最小値（８０２．１１標準で指定されたもの）に設定される場合、例えばＡＰに近い全てのステーションはマルチキャストフレームを本来ずっと高いデータレートでスムーズに受信することができたので、システムはきわめて非効率となろう。例えばＡＰに近いステーションの数がＡＰから遠いステーションの数よりも大きい場合には、上記の非効率性はさらに悪化する。
【０００５】
まとめると、８０２．１１標準に対するレガシーマルチキャストソリューションは開ループ系であり、このため受信ノードへ損失パケットを再送したりあるいは受信ノードへの通信路状態に基づいて最良の物理層データレートを選択することは可能ではない。
【０００６】
８０２．１１標準におけるマルチキャストでＡＣＫが欠如していることはアプリケーションが送るデータの一部が全ての宛先に行き渡っていない可能性があり、受信の成功を示すものが何もないことを意味する。しかし、例えば一部のアプリケーション、特にデータにギャップがあっても構わないようなものについては、このことは全く問題にならい場合がある。例えば、発電所における監視システムからの圧力情報の連続的なストリーミングはトラブルを引き起こすことなく状況更新を時々し損なうことがあり得る。しかしながら、パケットエラーが例えば音声や映像のユーザが認識するクォリティの大きな低下をもたらすことがあり得る他のリアルタイムアプリケーションが存在する。
【０００７】
別の例として、非特許文献１は固定されたインフラ中継局を用いた２ホップ伝送プロトコルの理論的な解析を示している。想定されたモデルは非常にシンプルで、２つの中継局と１つの移動局（移動端末）しか持たない。異なる中継メカニズムを平均レート（ビット／秒／Ｈｚ）で比較すると、最初のホップで、基地局が移動局を対象とするデータのサブセットだけを各中継局に送信するＭＩＭＯ同報符号化技術の使用は全データが両方のリレーへ送信されるＭＩＭＯマルチキャストと比べて優れたパフォーマンスを持つことが結論付けられる。
【０００８】
更なる例として、非特許文献２では３Ｇ（第三世代）ＷＣＤＭＡ方式のマルチキャスト伝送に分散アンテナを使用することが研究されている。その目的のため、多数のアンテナがカバレッジエリア内に分散し、そのパフォーマンスが従来のマクロセル方式のパフォーマンスと比較される。提案されたシステムは通信事業者（運営者）が膨大な数の加入者に豊富なマルチメディアをＷＣＤＭＡに割り当てられた無線周波数で同報（ブロードキャスト）することによって配信することを可能にするＭＢＭＳ（Multimedia Broadcast Multicast Service）の候補と見なされる。研究の結論は、分散アンテナを使用することでより高いデータレートがサポートされ、現行のマクロセルアーキテクチャよりも広いカバレッジが実現されるということである。同じくそれにより、容量（キャパシティ）の均一な分配が実現され、集中制御に対する依存度が低減される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】I. Hammerstrom, M.Kuh and A.Wittneben, “Distributed MIMO for Cellular Networks with Multihop Transmission Protocols", Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers 2006, Pacific Grove, CA, Oct. 2006
【非特許文献２】A. Boal, A.Soares and A. Correia, “Distributed Antenna Cellular System for Transmission of Broadcast/Multicast Services", Vehicular Technology Conference, 2007. VTC2007-Spring, IEEE 65th.
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、一態様において、無線ネットワークにおいてデータを転送するための中継クラスタ（relay cluster）のメンバノードを選択するデータ転送方法を提供する。前記無線ネットワークは１以上の前記中継クラスタを含み、その各クラスタは前記無線ネットワークの一群のノードから形成されており、前記無線ネットワークに含まれる１つの中継クラスタを構成する一群のノードによって受信されたデータは、中継クラスタのノードが集団的かつ同時に受信データの中継ノードとして働くように、該一群のノードが受信した後に当該受信データを同時に転送することによって、同期して転送され、本方法は、
前記一群のノードから形成された前記中継クラスタのクラスタヘッドを選択するステップと、
選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回るノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するステップとを含み、
前記一群のノードから形成された前記さらなる中継クラスタについて、既存の他のクラスタから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を下回っているノードのみが該クラスタヘッドの候補と見なされるように、クラスタヘッドを選択し、
前記クラスタヘッドが選択された後に、その選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回っているノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択することを含むことを特徴とする。
【００１１】
中継クラスタのノード達による同時かつ集団的な送信は中継されるべき信号の発信元である基地局またはアクセスポイントのカバレッジを拡大することを可能にする。集団的な行動によってノード達は単一の中継ノードとして働く。
【００１２】
本方法は、前記クラスタヘッドからの最大距離を確保することによって、クラスタの異なるノード同士の間のネガティブな干渉を避ける方法でクラスタ形成を実現することができる。
【００１３】
上記選択ステップは異なるクラスタ間の最小距離を確保することでクラスタの効率的な分布を実現する。
【００１４】
本方法において、その一態様として、前記無線ネットワークは複数の中継クラスタを含んでおり、前記データ転送は複数の連続する中継段階で実行され、各中継段階には前中継段階の間にその前中継段階に割り当てられた中継クラスタから受信したデータを転送する１以上の中継クラスタから構成される対応するグループが割り当てられる。
【００１５】
それぞれの対応するクラスタのグループが属する複数の中継段階により、信号伝送のカバレッジと効率を更に拡げる階層化アーキテクチャが実現される。
【００１６】
例えば、受信機における十分な高さの信号強度（これはシンプルな屋外伝搬環境では十分短い距離に相当する）によって前中継段階またはＡＰ送信からの良い受信クォリティを推測することができる。従って、以下の説明では用語“距離”は斯かるシンプルな屋外シナリオを想定して使用されることがあるが、このことは提案されたメカニズムの適用範囲を制限するものと解するべきではない。
【００１７】
本方法において、その一態様として、クラスタの複数のグループ（以下、それぞれのグループをクラスタグループと呼ぶ）が生成され、その各クラスタグループは対応する中継段階に属し、この対応する中継段階に属する全てのクラスタは信号を同時に送信して転送するように設定されており、
１つのクラスタグループに属するクラスタのメンバは以下の条件、
それらのクラスタヘッドは前中継段階からまたはゼロ番目の中継段階からある特定の閾値を上回る強度で信号を受信する、および／または、
異なるクラスタのクラスタヘッドはそれらが他の既存のクラスタから受信する信号の信号強度がある特定の閾値を下回るようにそれらを選択することによって確保される相互の最小距離を有する、および／または、
クラスタのメンバノードはそれらの対応するクラスタヘッドからある特定の閾値を上回る信号強度で信号を受信する、
に基づいて選択される。
【００１８】
クラスタヘッドに対する最小信号強度は基地局からまたは前中継段階からの最大距離（つまり良好な受信クォリティ）を保証する。本方法の一態様としてクラスタヘッドがゼロ番目の中継段階から受信する信号強度は前中継段階のクラスタヘッドがゼロ番目の中継段階から受信する信号強度より低いことが更に必要とされる。
【００１９】
クラスタ間の最大信号強度はそれらの間の最小距離を保証する。
【００２０】
クラスタメンバに対する最小信号強度はクラスタのメンバが互いに離れすぎていないことを保証する。
【００２１】
本方法は、その一態様として、同じ中継段階の２つの同時伝送の間に人為的な遅延時間を導入するステップを更に含む。
【００２２】
これにより受信ノードが２つのクラスタの間にあっても信号を復号する能力が確保される。
【００２３】
本発明は、一態様において、無線ネットワークにおいてデータを転送するための中継クラスタのメンバノードを選択するデータ転送装置も提供する。前記無線ネットワークは１以上の前記中継クラスタを含み、その各クラスタは前記無線ネットワークの一群のノードから形成されており、前記無線ネットワークに含まれる１つの中継クラスタを構成する一群のノードによって受信されたデータは、中継クラスタのノードが集団的かつ同時に受信データの中継ノードとして働くように、該一群のノードが受信した後に当該受信データを同時に転送することによって、同期して転送され、本装置は、
前記中継クラスタのクラスタヘッドを選択するためのモジュールと、
選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回るノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するためのモジュールとを備え、
前記クラスタヘッドを選択するためのモジュールは、前記さらなる中継クラスタについて、既存の他のクラスタから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を下回っているノードのみがクラスタヘッドの候補と見なされるように、クラスタヘッドを選択するように構成され、
前記メンバノードを選択するためのモジュールは、前記クラスタヘッドが選択された後に、その選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある所定の閾値を上回っているノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するように構成されることを特徴とする。
【００２４】
本装置において、その一態様として、前記無線ネットワークは複数の中継クラスタを含んでおり、前記データ転送は複数の連続する中継段階で実行され、各中継段階には前中継段階の間にその前中継段階に割り当てられた中継クラスタから受信したデータを転送する１以上の中継クラスタから成る対応するグループが割り当てられる。
【００２５】
本装置は、その一態様として、上記いずれかの態様の方法を実行するためのモジュールを更に備える。
【００２６】
本発明は、その一態様として、上記いずれかの態様の方法に従ってデータが転送される無線ネットワークにおいて中継ノードとして働くことを可能にするための１以上のモジュールを備えた無線ネットワークにおけるノードも提供する。
【００２７】
本発明は、その一態様として、コンピュータによって実行されたときにこのコンピュータが上記いずれかの態様の方法を実行することを可能にするコンピュータプログラムコードを含むコンピュータプログラムも提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】カバレッジ対データレートの特性曲線を示す図である。
【図２】本発明の実施形態が適用された無線ネットワークを示す図である。
【図３】本発明の実施形態における受信信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の最良の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
その前に最初に、以下の説明で用いられる用語（主に頭文字語）について説明する。
ＳＮＲ：Signal to Noise Ratio、信号対ノイズ比
ＣＲＣ：Cyclic Redundancy Check、巡回冗長検査
ＡＣＫ：Acknowledgement Frame、ＡＣＫフレーム
ＲＴＳ：Request-to-Send Frame defined by IEEE 802.11、ＩＥＥＥ８０２．１１に準拠した送信要求フレーム
ＣＴＳ：Clear-to-Send Frame defined by IEEE 802.11、ＩＥＥＥ８０２．１１に準拠した受信準備完了フレーム
ＣＳＭＡ／ＣＡ：Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance、搬送波感知多重アクセス／衝突回避方式
ＡＰ：ＡＰ
ＭＩＭＯ：Multiple Input Multiple Output、多入力多出力方式
ＭＡＣ：Medium Access Control、媒体アクセス制御
ＡＰ：Access Point、アクセスポイント
ＲＳＳＩ：Received Signal Strength Indicator、受信信号強度表示信号
ＳＩＦＳ：Short Inter-Frame Space defined by IEEE 802.11、ＩＥＥＥ８０２．１１に準拠した短フレーム間隔
ＰＨＹ：Physical Layer、物理レイヤ（または物理層）
【００３１】
実施の一形態によれば、無線ネットワーク内にノードから成る１以上のクラスタが形成される。各クラスタはクラスタを形成する複数のノードが受信信号を同時に転送（フォワード）する事実によって仮想的な単一の中継ノードの役割を果たす。
【００３２】
実施の一形態として、ＡＰまたは基地局によって最初に送信されたマルチキャストデータフレームを同時に送信する協調的中継クラスタを形成する完全分散型スキームが提供される。協調的中継クラスタは、マルチキャストサービスのために提案されたほとんどの代替ソリューションと同様、基地局から／までのリンクのクォリティが低いノードが特定ノードからＡＰへの大きなフィードバックオーバヘッドを負担する必要なしにマルチキャストパケットを復号するのを支援する分散型ＭＩＭＯシステムとして振る舞う。パケットを中継するためのノード達の協調のおかげで、本メカニズムはフレームの受信成功率を大きく増大させ、所与のエリアをカバーするためのホップ数を低減し、ネットワークの総スループットを押し上げる。斯かるシステムが８０２．１１標準で機能するようにするにはＭＡＣ（媒体アクセス制御）レイヤを少しだけ拡張するだけで済む。以下、これらの拡張の一例に言及する。
・推定段階と中継クラスタ形成段階の間、全てノードは全ての他のノードからの送信を立ち聞きできるようにプロミスキャスモード（Promiscuous Mode）で動作すべきである。
・ｍ番目の段階で形成されるクラスタの最大数はＡＰによって決定され、Ｎ＿ｍと表される。パラメータＮ＿ｍはあらゆるノードで事前に設定されるかまたはＡＰによってビーコンで通知される。後者の方法の場合、従来の８０２．１１ビーコンは変更されるべきである。
・ｍ番目の中継段階の最初のクラスタヘッド（第１クラスタヘッド）が自己選択された後、ＡＰは第１クラスタヘッドのＭＡＣアドレスを含む特別なＡＣＫパケットを同報し、第１クラスタヘッドが選ばれたことと、ｍ番目の中継段階伝送に対して最大Ｎ＿ｍ−１個のクラスタヘッドが残っていることがアナウンスされる。
・ｍ番目の中継段階のクラスタが選択された後、ＡＰは最大Ｎ＿（ｍ＋１）個のクラスタヘッドが存在する（ｍ＋１）番目の中継段階のクラスタ選択の開始をアナウンスするメッセージを送信する−一般にＮ＿（ｍ＋１）はＮ＿ｍより大きい（Ｎ＿（ｍ＋１）＞Ｎ＿ｍ）。段階の終了と（あれば）次の段階の開始をアナウンスするＡＰからの特別メッセージは８０２．１１の拡張と言える。
・隠れたクラスタ問題を処理するため、同じ中継段階における２つの連続する中継伝送の間に数ミリ秒程度の人為的な遅延時間Δが信号推定（等価器トレーニング）段階と一緒に導入されることがある。この遅延時間も８０２．１１の拡張を表しているといえる。
【００３３】
本発明の実施形態はどんな種類の無線ネットワークにも適用することが可能であり、マルチキャスト伝送とブロードキャスト伝送に適用することができる。以下、本発明の一部の実施形態をＩＥＥＥ８０２．１１技術に関連して説明する。しかし当業者であればここで説明される原理は他のタイプのネットワークにも、あるいはもっと一般的にどんな種類の無線ネットワークにも適用することができることは理解されよう。
【００３４】
実施の一形態によれば、協調的で良く調整された方法でマルチキャストパケットの即時即刻の同時中継を実行するノード（nodes）のクラスタ（cluster）が生成される。ノードクラスタは１つのクラスタからの総受信電力がＡＰからの受信電力に比肩できる場合に仮想ＡＰとして振る舞う。協調クラスタの形成およびそれらの伝送の調整は実施の一形態によれば４つの連続する段階をふむ。
ｉ）推定段階：あらゆるノードは自分自身と他の端末との間のリンクのチャネル状態（通信路状態）を推定する。
ｉｉ）データレートの選択段階：ＡＰは適正なデータレートを選択し、これは原則的にその後の中継伝送で逐次繰り返される。
ｉｉｉ）クラスタヘッドの選択段階：ノードは自己選択アルゴリズムを実行して中継クラスタのヘッドノードを選択する。
ｉｖ）マルチキャスト中継段階：段階ｉｉｉ）で形成されたクラスタ内部の中継ノードの日和見的選択(opportunistic selection)。この段階は段階ｉｉｉ）と同時に実行できる。
【００３５】
本発明の実施形態は従来技術と比較して次の様な利点を有する。
１．マルチキャストまたはブロードキャストに対する無線ネットワークのカバレッジエリアが大幅に拡大する。
２．マルチキャスト伝送に対するＡＣＫフレームその他のタイプのフィードバックを大幅に削減することが可能である。
３．ネットワークエリアの大きさを固定する場合、ユーザが認識するエンド・ツー・エンドのデータレートが増大する。
４．８０２．１１標準に適用した場合、この標準に対する少しの拡張だけで実装可能である。
【００３６】
次に実施の一形態によるメカニズムを以下のネットワーク要素と仮定を含む場合についてより詳しく説明する。
１）マルチキャストデータフレームをＭ個のマルチキャストグループに加入したいくつかの端末に送信するＡＰまたは基地局Ｎｏｄｅ−Ｂ。
２）ＡＰに付随しておりＭ個のマルチキャストグループに加入したＮ個の端末。簡単のため、端末はただ１つのマルチキャストグループに加入できると仮定する。
３）ネットワーク内の全てのノードは既存のチャネル状態に基づいてデータレートを変更する適応型レート選択を利用する。
４）Ｎ個の端末はＮｏｄｅ−Ｂがカバーするエリア内にランダムかつ均一に拡散している。
５）原則的にはクラスタヘッドノードは定位置にとどまっており、各クラスタの一般ノードの移動性レベルは適度である。
【００３７】
これらは本発明を実施するための絶対的な要件ではないが、以下に述べる実施形態の環境を規定するものであることは留意すべきである。当業者であればこの環境は変更できること、例えば上記の伝送はブロードキャスト伝送（同報伝送）も可能であることは理解されよう。
【００３８】
実施の一形態において本メカニズムは以下の４段階を包含する。
ｉ）推定段階：あらゆるノードは自分自身と他の端末との間のチャネル状態（通信路状態）を評価する。
ｉｉ）データレート選択段階。
ｉｉｉ）クラスタヘッドの選択段階：ノードは自己選択アルゴリズムを実行して中継クラスタのリーダーを選択する。
ｉｖ）マルチキャスト中継段階：クラスタ内の中継ノードの日和見的選択。
動的環境では、特にモビリティ（移動性）が存在する場合には、全ての段階は定期的に実行されるべきである。以下、これら４つの段階の各段階についてより詳しく説明する。
【００３９】
しかしながら、当業者であれば、中継ノードのクラスタがネットワーク管理者によって事前指定される場合には、例えばクラスタヘッド選択などの一部の段階は必要とはされない。この場合、実施形態はマルチキャスト中継段階（段階ｉｖ）だけから成り得る。
【００４０】
＜推定段階＞
推定段階の間、ノードはプロミスキャスモードに設定され、他のノードが基地局にデータパケットまたはプローブパケットを送信しているときにアップリンクチャネルを立ち聞きする。こうして、ノードはそれら自身と他の端末との間のチャネル状態情報、例えばＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator）、を収集することができる。この段階の最後にあらゆるノードは聞くことができる全てのノードのノードごとのＲＳＳＩを含むリストを手にする。推定段階のデュレーションはネットワーク管理者がネットワークトポロジーとトラフィック状態に基づいて設定することができる。
【００４１】
＜データレート選択＞
ノードは他のノードのチャネル状態についての十分な情報を収集し終わると第２段階（データレート選択）に進む。原則的には中継クラスタはＡＰがマルチキャストパケットを送信するために先に使用したのと正確に同じデータレートを使用しなければならない。従って、まず最初に、ＡＰは特定の８０２．１１ｇ屋外環境に対する図１に示すようなカバレッジ対データレートの特定曲線（例えば非特許文献［Romano, “The Range vs. Rate Dilemma of WLANs", April 2004, CommsDesign, http://www.commsdesign.com］参照）に基づいてマルチキャストパケットを送信するための適正なデータレートを決定しなければならない。この曲線は現場測定で得られる。受信側で遅延信号の重ね合わせ（これがあるとパケットの復号が不可能になる）を避けたいのであれば中継クラスタの選択は注意深く実行されなければならない。このプロセスは次の段階で実行される。
【００４２】
＜中継クラスタの形成段階＞
実施の一形態においてクラスタを形成するメインゴールは仮想的な中継ＡＰとして機能することが可能な互いに近いノードから成るグループを生成することにある。さらに、実施の一形態によれば、受信側で重畳信号を復号することが不可能なレベルのマルチユーザ干渉を避けることができるようにクラスタは互いに十分遠く離れていなければならない。
【００４３】
実施の一形態によれば中継クラスタの選択は完全分散方式で実行される。マルチキャスト伝送の間、ノードクラスタ群はＡＰが送信したマルチキャストパケットを一群の連続する中継伝送で中継する。これらの中継段階の各段階ごとに、中継伝送はマルチキャストパケットを受信した所定の期間、好ましくは短い期間（例えば８０２．１１標準におけるＳＩＦＳ期間）後に始まり、前中継段階（前回の中継段階）と正確に同じＰＨＹレートを使用する。
【００４４】
以下、実施の一形態によるクラスタ形成プロセスについてより詳しく説明する。
【００４５】
最初に、第１中継段階（１番目の中継段階）のクラスタが形成される。本実施形態では信号の発信元（０番目の中継段階）はアクセスポイントまたは基地局である。第１中継段階のクラスタは基地局から受信した信号の転送を実行し、第２中継段階のクラスタは第１中継段階の間にこの第１中継段階に属するクラスタから受信した信号を転送する。以下、同様である。
【００４６】
クラスタのノードを選択するため、実施の一形態によれば最初にクラスタヘッドがランダムに選択される。可能なクラスタヘッドの数を制限し、それらが前回の中継ステージに十分近くにあることを保証するため、前回の中継ステージからまたは信号の発信元であるアクセスポイントから所定の閾値を上回る強度で転送されるように信号を受信するノードだけがクラスタヘッドの候補と見なされることが許される。結果の候補の中からクラスタヘッドはランダムに選ぶことが許される。クラスタヘッドが選択されたら、クラスタの更なるノードはそれらがクラスタヘッドから所定の閾値を上回る強度で信号を受信するという基準に基づいて選択されることが許される。
【００４７】
次のクラスタヘッドは再びランダムに選ばれることが許される。この場合、更なる基準として既存のクラスタから信号を所定の閾値を下回る強度で受信するノードのみがクラスタヘッドの候補となり得ることが用いられることがある。これにより、クラスタ間の最初距離が確保され、クラスタ同士の間のネガティブな干渉が避けられる。
【００４８】
このようにしてクラスタヘッドおよびそれらの対応するノードは第１中継段階の全てのクラスタが形成されるまでに選択することができる。
【００４９】
２番目の中継段階のクラスタも同様に形成することができる。
【００５０】
次に実施の一形態によるクラスタ形成についてより詳しく説明する。
【００５１】
第１段階の間に形成されるクラスタの最大数（第１中継段階のクラスタの最大数）はＡＰによって決定され、Ｎ＿１で表される。パラメータＮ＿１はあらゆるノードで事前設定されるかまたはＡＰによってビーコンを通じて通知される。ＡＰからパケットを所定値Ｒ＿ＡＰ＿１よりも大きなＲＳＳＩで受信する全てのノードはクラスタヘッドに成ることを争うために一様分布確率ｐをローカルに計算する。この確率フィルタ（ｐ≦閾値）を通過するノードは「私が１番目の中継クラスタヘッドであり、フェーズ１における残りのクラスタヘッドは最大（Ｎ＿１−１）個である」と読めるメッセージを送信するためにチャネルを争い取る。この後すぐに、ＡＰは、第１クラスタヘッドのＭＡＣアドレスを含む特別なＡＣＫパケットを同報して、第１クラスタヘッドが選ばれており、第１段階の中継伝送の残りのクラスタヘッドは最大（Ｎ＿１−１）個であることをアナウンスする。このＡＣＫパケットはネットワーク内の全ての移動局がそれを復号することが可能なように可能な最低ＰＨＹレート（例えば８０２．１１ｇにおける６Ｍｂｐｓ）で送信されるべきである。
【００５２】
第１クラスタヘッドが選ばれた後、以下の条件を満足するノードは第１クラスタのメンバとして自己選択する。
条件：第１クラスタヘッドからパケットをＲＳＳＩ＿clusterよりも大きなＲＳＳＩで受信すること−第１クラスタヘッドのＭＡＣアドレスまたはＩＤ（identity）は全てのノードに既知である。
【００５３】
第１クラスタのメンバが選択されたら、クラスタヘッドのアナウンスＡＣＫから所与の時間（例えば８０２．１１におけるＳＩＦＳ）の後、それらの全てはネットワーク内の全ての他のノードによって聞かれる所定数のプローブパケットを同時に送信する。
【００５４】
第２クラスタヘッドを選択するために同じ基本手続きが繰り返される。つまり、ＡＰからメッセージを所定値Ｒ＿ＡＰ＿１よりも大きなＲＳＳＩで受信し（これによりＡＰからの最大距離が確保される）、かつ第１クラスタによる同時伝送をＲ＿Ｃ１より小さなＲＳＳＩで受信する（これにより既存クラスタからの最小距離が確保される）全てのノードはチャネルを獲得して第２クラスタヘッドに成ることを争うために一様分布確率ｐをローカルに計算する。最初のＲＳＳＩ条件をパスするとともに確率フィルタを通過するノードは第２クラスタヘッドになることを争う。第２クラスタヘッドは最小ＰＨＹレートで「私が第２クラスタヘッドであり、フェーズ１における残りのクラスタヘッドは最大（Ｎ＿１−２）個である」と読めるパケットを送信する。ＡＰはこのメッセージにＡＣＫ応答し、第２クラスタヘッドのＭＡＣアドレスを同報する。第２クラスタヘッドが選ばれたら、第２クラスタの他のメンバは以下の条件に従って第１クラスタのものと正確に同じ方法で自己選択する。
条件：第２クラスタヘッドからパケットをＲＳＳＩ＿clusterよりも大きなＲＳＳＩで受信すること−第２クラスタヘッドのＭＡＣアドレスまたはＩＤ（identity）は全てのノードに既知である。
【００５５】
第２クラスタの全てのメンバが選択された後、第２クラスタヘッドのアナウンスＡＣＫの受信から決まった時間の後、全てのノードはネットワーク内の全ての他のノードによって聞かれるいくつかのプローブパケットを同時に送信する。
【００５６】
第３クラスタヘッドはＡＰをＲ＿ＡＰよりも大きなＲＳＳＩで聞き、それと同時にクラスタ１および２による送信をＲ＿Ｃ１より小さなＲＳＳＩで聞かなければならない。以下、同様である。フェーズ１のＮ＿１個全てのクラスタが選択されるまであるいはｎ番目のクラスタの同時伝送とｎ＋１番目のクラスタヘッドからのメッセージの間でＳＩＦＳより長い期間が経過するまで、実施の一形態による全体の手続きが繰り返される。最初の中継段階のクラスタが選択された後、ＡＰは最大Ｎ＿２個のクラスタヘッドが存在する第２段階のクラスタ選択の開始をアナウンスするメッセージを送信する。ただし実施の一形態によればＮ＿２はＮ＿１よりも大きい。
【００５７】
第２中継段階のクラスタは第１段階と同じような方法で選択される。しかしながら、ＲＳＳＩの閾値レベルはこの場合ＡＰと他のクラスタの送信に対してそれぞれＲ＿ＡＰ＿２とＲ＿Ｃ２である。実施の一形態によれば強度Ｒ＿ＡＰ＿２はアクセスポイントまたは基地局（第ゼロ中継段階）から受信される信号の強度である。また更なる実施形態によればそれは前中継段階からの１以上のノードから受信される信号の強度である。第２段階の中継クラスタが第１段階の中継クラスタよりもアクセスポイントから更に遠く離れていることを確実にするため、追加の条件として、Ｒ＿ＡＰ＿２がある閾値を超えているという条件だけでなく更にそれがある閾値未満にあるという条件も使うことが許される。
【００５８】
第３段階または（必要なら）何か更なる段階に対して、クラスタノードを選択するための手続きが正確に同じ方法で実行することが許される。
【００５９】
全てのクラスタが形成されたら、システムはマルチキャスト中継段階に移行することができる。
【００６０】
＜マルチキャスト中継段階＞
前段階において全ての中継段階のあらゆるクラスタのメンバの選択が完了している。本段階では、クラスタノードはそれらがいくつかの中継段階でＡＰから受信するマルチキャストパケットを中継する。従って、第１中継段階のクラスタノード（基地局を中心とする最初の“円”上に存在するもの）はＡＰによって選ばれた同じデータレートで同時に送信する。第１中継段階から決まった時間（例えば実施の一形態によれば８０２．１１のケースにおけるＳＩＦＳ期間）の後に第２中継段階の全てのクラスタノード（基地局を中心とする２番目の“円”上に存在するもの）が同時に送信する。以下同様である。
【００６１】
同期は例えば実施の一形態によれば受信信号のユニット（フレームまたはパケット）を受信した後にある所定の時間（非常に短くほとんどゼロであることが可能である）が経過するのを待って中継伝送をトリガーすることによって実現可能である。このようにして信号（またはそのユニット）の受信の完了によって中継伝送をトリガーすることが可能である。このメカニズムは全ての中継ステージで次の中継伝送をトリガーすることに使用することができる。
【００６２】
集団的な中継伝送によってカバレッジを拡げることが可能であり、データレートが増大可能である。
【００６３】
説明を明確にするため、図２に示した例においてノードＡを議論することができる。ＡＰは図１に示したような特性曲線に基づいて伝送速度を１８Ｍｂｐｓに選択したとする。ノードＡはＡＰから非常に遠く離れているが、まもなく始まるマルチキャスト期間をアナウンスするビーコンを聞くことが可能である。ビーコンは６Ｍｂｐｓで送信されるからである。ノードＡはマルチキャストトラフィックが到来していることを知っているが、ＡＰによって１８Ｍｂｐｓで送信されたパケットも１８Ｍｂｐｓの第１中継伝送もＳＮＲが低いために復号することができない。ノードＡはクラスタＧ２＿１に近く、従って中継伝送の第２段階においてクラスタＧ２＿１のノードの同時伝送から非常に強い信号を受信し、図３に示すようなクラスタＧ２＿２、Ｇ２＿３およびＧ２＿４からはずっと弱い遅延信号を受信する。従って、ノードＡはＧ２＿１による伝送からマルチキャストパケットを復号することが可能である。
【００６４】
ノードが同じ中継段階のお互いに譲らない２以上の異なるクラスタの送信エリア内にある場合、高い確率で両方のクラスタから到来する重畳信号（重ね合わせ信号）を復号することは不可能である。図２に示した例ではノードＢはＧ２＿１とＧ２＿２の間のそのような位置にある。この問題に対処するため、同じ中継段階における２つの中継伝送の間に人為的な短い遅延時間Δ（例えば数ミリ秒程度の短さ）を信号推定（等価器トレーニング）段階と一緒に導入することができる。
【００６５】
しかしながら、その難しい位置関係にあっても図２のノードＢは、単に偶然に、ＡＰのまたは第１段階の中継伝送の際に、マルチキャストパケットを事前に復号することが可能な状態にあり、第２中継段階はそれにとっては既に関係のないものとなっていた可能性がある。以前の中継段階のこの日和見的受信は、ＡＰから遠く離れているノードにとってパケットを成功裏に復号するチャンスを増やし、実施の一形態によるメカニズムの複数の中継段階の別の利点である。
【００６６】
複数のクラスタの衝突を避けるための別の解決策として受信端末において指向性アンテナを使用することが考えられる。これにより特定のクラスタの方向に他のクラスタの方向よりも高い利得が得られる。
【００６７】
＜パフォーマンス評価＞
次に“グループ”形成と“同時”マルチキャストまたはブローキャスト伝送といった２つの特徴によって与えられる利得について説明する。“同時伝送”と“グループ形成”の利得を個別に説明する前に、非常にシンプルな例を最初に説明する。
【００６８】
＜一般例＞
図１に示すような屋外環境における８０２．１１ｇ標準の一般的なデータレート対距離曲線を議論することにする。またネットワークトポロジーはＡＰが同報パケット（ブロードキャストパケット）を送信している以下に示すものであると仮定する。従来の８０２．１１マルチキャスト方式ではＡＰは最低可能データレート（６Ｍｂｐｓ）で送信してＡＰから３００ｍ離れたところに位置するステーションＧとＨを含む全てのステーションに到達しなければならない。
【００６９】
従来のマルチキャスト方式：
Ａ Ｄ
（ＡＰ） Ｂ Ｅ Ｇ
Ｃ Ｆ Ｈ
←―――３００ｍ――――→
６Ｍｂｐｓ
【００７０】
ステーションの送信電力はＡＰの１／３であると考えることが許される。同時伝送を行う提案された中継クラスタを使用すると、ＡＰは代わりにカバレッジが１６０ｍの１８Ｍｂｐｓで送信ができる。このときノードＡＢＣはパケットをカバレッジが１６０ｍの１８Ｍｂｐｓで中継でき、最後にノードＤＥＦは再びパケットをカバレッジが１６０ｍの１８Ｍｂｐｓで中継できる。結果は、下の図が示すように、エンド・ツー・エンドのデータレートは６Ｍｂｐｓで、しかしカバレッジは４８０ｍである。これは当初の方式と比べてカバレッジが５０％以上増大することを示している。しかし結果はそれだけではない。多重中継伝送はネットワーク内の多数のノードに時間・空間ダイバーシチも与える。
【００７１】
本発明の実施の一形態によるマルチキャスト方式：
Ａ Ｄ Ｋ Ｌ
（ＡＰ） Ｂ Ｅ Ｇ Ｍ Ｎ
Ｃ Ｆ Ｈ Ｏ
←――――――４８０ｍ――――――→
６Ｍｂｐｓ
【００７２】
次に、上記ネットワーク例の３００ｍのカバレッジは固定されたと考えることが許される。図１の特性曲線によれば、このケースではＡＰはカバレッジが１０５ｍの２４Ｍｂｐｓで送信することができる。このときクラスタ｛ＡＢＣ｝はカバレッジが１０５ｍの２４Ｍｂｐｓで中継し、最後にクラスタ｛ＤＥＦ｝はカバレッジが１０５ｍの２４Ｍｂｐｓで中継する。従って下の図が示すように、エンド・ツー・エンドのデータレートは８ＭＢｐｓでカバレッジは３１５ｍになる。このことは従来のマルチキャスト方式と比べてデータレート利得は３３％であり、カバレッジ利得はわずかに増大することを示している。
【００７３】
本発明の実施の一形態によるマルチキャスト方式：
Ａ Ｄ
（ＡＰ） Ｂ Ｅ Ｇ
Ｃ Ｆ Ｈ
←―――３１５ｍ―――→
８Ｍｂｐｓ
【００７４】
上述した利点が現実のものとなるには、クラスタ｛ＡＢＣ｝およびクラスタ｛ＤＥＦ｝はそれらの送信電力、相互距離およびネットワーク内の全ての他のノードまでの距離を考慮に入れて注意深く形成されるべきである。前述の説明では効率的な方法でクラスタを形成するためにこの問題に対処するためのメカニズムが提案された。
【００７５】
次に、単純化したシナリオを使用して、“同時”伝送と“グループ”伝送を個別に説明する。
【００７６】
＜“同時”伝送の利得＞
次の様なトポロジーを考えることが許される。
（ＡＰ）
Ａ Ｂ
Ｃ Ｄ
（ＡＰ）：アクセスポイント
Ａ、Ｂ：２つの別個のノード
【００７７】
ＡＰがＡとＢによって（それらの“領域”ＣとＤをそれぞれカバーするために）中継されるデータを流す古典的なマルチキャストシナリオでは、３つの時間スロットが必要とされる。つまり、ＡＰが送信し、次にＡが送信し、次いでＢが送信する。
【００７８】
ＡとＢが“同時”に送信することを許すことにより、マルチキャストは２つの時間スロットで済まされる（３つの時間スロットに対して２つの時間スロットで済むので、利得＝３／２）。これが成功裏に実行されるためには、ＡとＢの間の距離にいくつかの制約（以下、制約群１と呼ぶ）を課すことが必要である。
【００７９】
＜“グループ”伝送の利得＞
次の様なシナリオを考えることが許される。
（ＡＰ） ＡＢＣ ＤＥ Ｆ
（ＡＰ）：アクセスポイント
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ：６つの別個のノード
【００８０】
ＡＰは、全てのエリアをカバーすることを意図して、ブロードキャストデータを流す。
Ａ．マルチホップ対シングルホップ
−−−−−−−−−−−−−−−−
ＡＰがシングルホップ（単一ホップ）であらゆるノードに限られた送信電力で到達しようとする場合、ＡＰは長い距離を低い誤り率でカバーするために低いデータレートを使用しなければならない。マルチホップを使用すると、１つの時間スロットの代わりに少なくとも２つの時間スロットを必要とするが、より高いエンド・ツー・エンドレートが実現できる。
Ｂ．クラスタヘッド単独またはクラスタ全体が中継すべきか？
−−−−−−−−−−−−−−−−
ＢがクラスタＡＢＣのクラスタヘッドであると仮定することが許される。グループ再送が一切用いられない場合、クラスタヘッドＢはＡＰからのデータを中継し、次いで（例えば）Ｄがそれを最終的に３ホップでＦに到達するように再び中継する。
その他の可能性は単一の送信でＦに到達するのに十分な合成電力を持つ“中継グループ”ＡＢＣを形成することであろう。
前パラグラフではホップ数を増やすことが好まれたが、いまの場合はホップ数を減らすことを考えていることに留意すべきである。しかしながら、これは最適なエンド・ツー・エンドのデータレートはシングルホップと多すぎるホップとの間のどこかにあるからである。
３ホップの代わりに２ホップはデータレートの利得３／２をもたらす。
宛先で復号可能でありながら（ちょうどマルチパス無線伝搬のような）斯かる中継“グループ”を形成することが“第２制約群”と見なされる。
【００８１】
＜考察＞
前例に示したグループ中継の利得（３／２）は線形トポロジーに相当する。２Ｄトポロジーでは、それは前述の同時（単一ノード）中継の利得（３／２）と組み合わされる。
【００８２】
一般例は下図のようなものである。
ＡＰ
／ ＼
ＡＢＣ−−ＤＥＦ
／ ＼
ＧＨ ＩＪ
／ ＼
Ｋ Ｌ
【００８３】
同時伝送のない単一ノード（クラスタヘッド）中継のみを考える場合には、あらゆるものに到達するのに５回の送信で終わる。つまり、
ＡＰが送信し、次にＢ、次にＥが送信し、続いてＧ（Ｂの後）、続いてＩ（Ｅの後）が送信する。
【００８４】
同時グループ中継を使用する場合には、２回の送信（時間スロット）だけを用いてあらゆるものに到達することができる。つまり、
ＡＰが送信し、次にＡＢＣとＤＥＦが（同時に）送信する。
【００８５】
従って、このときの利得は５／２である。これは楽観的シナリオであるが、しかしネットワークトポロジーが何であれ、グループが適正に形成されるならばネガティブな利得は決して得られることはない。
【００８６】
それ故、“同時”中継“グループ”を構築するための制約は両方の制約群の組み合わせである。同様にこれらの同時中継伝送からの利得は前述した両方のシナリオの結果である。
【００８７】
上記の実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、あるいはハードウェアとソフトウェアの組み合わせによって実施することができることは当業者であれば理解できよう。本発明の実施形態に関連して説明されたモジュールおよび機能は、全体的または部分的に、本発明の実施形態に関連して説明された方法の通りに動作するように適切にプログラムされたマイクロプロセッサまたはコンピュータによって実現することができる。本発明の実施形態を実現する装置は例えば、本発明の実施形態で説明された方法を実行することが可能なように適切にプログラムされており無線ネットワーク内のノードその他の構成要素として働くコンピュータデバイスまたは携帯電話機その他のモバイル機器を構成することができる。
【００８８】
本発明の実施の一形態として、データキャリアに格納された、あるいは他の方法で記録媒体もしくは伝送リンクといった何らかの物理的手段によって具現化されたコンピュータプログラムであって、コンピュータ上で実行されたときにこのコンピュータが上記実施形態に従って動作することを可能にするコンピュータプログラムが提供される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線ネットワークにおいてデータを転送するための中継クラスタのメンバノードを選択する方法であって、前記無線ネットワークは１以上の前記中継クラスタを含み、その各クラスタは前記無線ネットワークの一群のノードから形成されており、前記無線ネットワークに含まれる１つの中継クラスタを構成する一群のノードによって受信されたデータは、中継クラスタのノードが集団的かつ同時に受信データの中継ノードとして働くように、該一群のノードが当該受信データを受信した後に同時に転送することによって、同期して転送され、
前記一群のノードから形成された前記中継クラスタのクラスタヘッドを選択するステップと、
選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回るノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するステップとを含む方法であり、
前記一群のノードから形成された前記さらなる中継クラスタについて、既存の他のクラスタから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を下回っているノードのみがクラスタヘッドの候補と見なされるように、クラスタヘッドを選択し、
前記クラスタヘッドが選択された後に、その選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回っているノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択する、方法。
【請求項２】
前記無線ネットワークは複数の中継クラスタを含んでおり、前記データ転送は複数の連続する中継段階で実行され、各中継段階には前中継段階の間にその前中継段階に割り当てられた中継クラスタから受信したデータを転送する１以上の中継クラスタから成る対応するグループが割り当てられている、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
クラスタの複数のグループが生成され、その各グループは対応する中継段階に属し、この対応する中継段階に属する全てのクラスタは信号を同時に送信して転送するように設定されており、
１つのグループに属するクラスタのメンバは以下の条件、
１）それらのクラスタヘッドは前中継段階の最大全てのノードまでの１以上のノードからまたはゼロ番目の中継段階からある特定の閾値を上回る強度で信号を受信する、および／または、
２）それらのクラスタヘッドは前中継段階の最大全てのノードまでの１以上のノードからまたはゼロ番目の中継段階からある更なる特定の閾値を下回る強度で信号を受信する、および／または、
３）異なるクラスタのクラスタヘッドはそれらが他の既存のクラスタから受信する信号の信号強度がある特定の閾値を下回るようにそれらを選択することによって確保される相互の最小距離を有する、および／または、
４）クラスタのメンバノードはそれらの対応するクラスタヘッドからある特定の閾値を上回る信号強度で信号を受信する、
に基づいて選択される、ことを特徴とする請求項１または２に記載の転送方法。
【請求項４】
同じ中継段階の２つの同時伝送の間に人為的な遅延時間を導入するステップを更に含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
無線ネットワークにおいてデータを転送するための中継クラスタのメンバノードを選択する装置であって、前記無線ネットワークは１以上の前記中継クラスタを含み、その各クラスタは前記無線ネットワークの一群のノードから形成されており、前記無線ネットワークに含まれる１つの中継クラスタを構成する一群のノードによって受信されたデータは、中継クラスタのノードが集団的かつ同時に受信データの中継ノードとして働くように、該一群のノードが当該受信データを受信した後に同時に転送することによって、同期して転送され、
前記中継クラスタのクラスタヘッドを選択するためのモジュールと、
選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回るノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するためのモジュールとを備えている装置であり、
前記クラスタヘッドを選択するためのモジュールは、前記さらなる中継クラスタについて、既存の他のクラスタから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を下回っているノードのみがクラスタヘッドの候補と見なされるように、クラスタヘッドを選択するように構成され、
前記メンバノードを選択するためのモジュールは、前記クラスタヘッドが選択された後に、その選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある所定の閾値を上回っているノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するように構成される、装置。
【請求項６】
前記無線ネットワークは複数の中継クラスタを含んでおり、前記データ転送は複数の連続する中継段階で実行され、各中継段階には前中継段階の間にその前中継段階に割り当てられた中継クラスタから受信したデータを転送する１以上の中継クラスタから構成される対応するグループが割り当てられている、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
請求項２乃至４のいずれか１項に記載された方法を実行するためのモジュールを更に備えていることを特徴とする請求項５または６に記載の装置。
【請求項８】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載された方法に従ってデータが転送されるネットワークにおいて前記ノードが中継ノードとして働くことを可能にするための１以上のモジュールを備えていることを特徴とする無線ネットワークにおけるノード。
【請求項９】
コンピュータによって実行されたときにこのコンピュータが請求項１乃至４のいずれか１項に記載された方法を実行することを可能にするコンピュータプログラムコードを含むコンピュータプログラム。
【請求項１】
無線ネットワークにおいてデータを転送するための中継クラスタのメンバノードを選択する方法であって、前記無線ネットワークは１以上の前記中継クラスタを含み、その各クラスタは前記無線ネットワークの一群のノードから形成されており、前記無線ネットワークに含まれる１つの中継クラスタを構成する一群のノードによって受信されたデータは、中継クラスタのノードが集団的かつ同時に受信データの中継ノードとして働くように、該一群のノードが当該受信データを受信した後に同時に転送することによって、同期して転送され、
前記一群のノードから形成された前記中継クラスタのクラスタヘッドを選択するステップと、
選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回るノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するステップとを含む方法であり、
前記一群のノードから形成された前記さらなる中継クラスタについて、既存の他のクラスタから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を下回っているノードのみがクラスタヘッドの候補と見なされるように、クラスタヘッドを選択し、
前記クラスタヘッドが選択された後に、その選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回っているノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択する、方法。
【請求項２】
前記無線ネットワークは複数の中継クラスタを含んでおり、前記データ転送は複数の連続する中継段階で実行され、各中継段階には前中継段階の間にその前中継段階に割り当てられた中継クラスタから受信したデータを転送する１以上の中継クラスタから成る対応するグループが割り当てられている、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
クラスタの複数のグループが生成され、その各グループは対応する中継段階に属し、この対応する中継段階に属する全てのクラスタは信号を同時に送信して転送するように設定されており、
１つのグループに属するクラスタのメンバは以下の条件、
１）それらのクラスタヘッドは前中継段階の最大全てのノードまでの１以上のノードからまたはゼロ番目の中継段階からある特定の閾値を上回る強度で信号を受信する、および／または、
２）それらのクラスタヘッドは前中継段階の最大全てのノードまでの１以上のノードからまたはゼロ番目の中継段階からある更なる特定の閾値を下回る強度で信号を受信する、および／または、
３）異なるクラスタのクラスタヘッドはそれらが他の既存のクラスタから受信する信号の信号強度がある特定の閾値を下回るようにそれらを選択することによって確保される相互の最小距離を有する、および／または、
４）クラスタのメンバノードはそれらの対応するクラスタヘッドからある特定の閾値を上回る信号強度で信号を受信する、
に基づいて選択される、ことを特徴とする請求項１または２に記載の転送方法。
【請求項４】
同じ中継段階の２つの同時伝送の間に人為的な遅延時間を導入するステップを更に含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
無線ネットワークにおいてデータを転送するための中継クラスタのメンバノードを選択する装置であって、前記無線ネットワークは１以上の前記中継クラスタを含み、その各クラスタは前記無線ネットワークの一群のノードから形成されており、前記無線ネットワークに含まれる１つの中継クラスタを構成する一群のノードによって受信されたデータは、中継クラスタのノードが集団的かつ同時に受信データの中継ノードとして働くように、該一群のノードが当該受信データを受信した後に同時に転送することによって、同期して転送され、
前記中継クラスタのクラスタヘッドを選択するためのモジュールと、
選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を上回るノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するためのモジュールとを備えている装置であり、
前記クラスタヘッドを選択するためのモジュールは、前記さらなる中継クラスタについて、既存の他のクラスタから受信された信号の信号強度がある特定の閾値を下回っているノードのみがクラスタヘッドの候補と見なされるように、クラスタヘッドを選択するように構成され、
前記メンバノードを選択するためのモジュールは、前記クラスタヘッドが選択された後に、その選択されたクラスタヘッドから受信された信号の信号強度がある所定の閾値を上回っているノードを当該中継クラスタのメンバノードとして選択するように構成される、装置。
【請求項６】
前記無線ネットワークは複数の中継クラスタを含んでおり、前記データ転送は複数の連続する中継段階で実行され、各中継段階には前中継段階の間にその前中継段階に割り当てられた中継クラスタから受信したデータを転送する１以上の中継クラスタから構成される対応するグループが割り当てられている、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
請求項２乃至４のいずれか１項に記載された方法を実行するためのモジュールを更に備えていることを特徴とする請求項５または６に記載の装置。
【請求項８】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載された方法に従ってデータが転送されるネットワークにおいて前記ノードが中継ノードとして働くことを可能にするための１以上のモジュールを備えていることを特徴とする無線ネットワークにおけるノード。
【請求項９】
コンピュータによって実行されたときにこのコンピュータが請求項１乃至４のいずれか１項に記載された方法を実行することを可能にするコンピュータプログラムコードを含むコンピュータプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−２６０９６７（Ｐ２００９−２６０９６７Ａ）
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−９７９９７（Ｐ２００９−９７９９７）
【出願日】平成２１年４月１４日（２００９．４．１４）
【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）】
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９７９９７（Ｐ２００９−９７９９７）
【出願日】平成２１年４月１４日（２００９．４．１４）
【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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