(57)【要約】【課題】無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）の総システムスループット及び性能を最大化するためのシステムを提供する。【解決手段】多数のチャンネルを用いて多数の周波数において同時に送信及び受信するよう構成される少なくとも１つのトランシーバを備える少なくとも１つのアクセスポイントを含む無線ローカルエリアネットワークの総スループットを改良するシステムであり、アクセスポイントはユーザのチャンネル状態を取得するように構成され、チャンネル状態に基づいてチャンネル上にユーザの組をプールする。【選択図】      図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線ローカルエリアネットワークの総スループットを改善するためのシステムであって、
ａ）  多数のチャンネルを用いて多数の周波数で同時に送信及び受信するよう構成される少なくとも１つのトランシーバを備える少なくとも１つのアクセスポイントによって構成され、
ｂ）  前記アクセスポイントはユーザのチャンネル状態を取得し、さらに前記チャンネル状態に基づいて前記チャンネル上のユーザの組をプールするよう構成されている、システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つのアクセスポイントは動作周波数を動的に変化するよう構成される単一無線を持つ、請求項１のシステム。
【請求項３】
前記アクセスポイントは発見的アルゴリズムに基づいてユーザをチャンネルへ割り当てるよう構成される、請求項１のシステム。
【請求項４】
前記アクセスポイントはＰＡＣＫアルゴリズムに基づいてユーザをチャンネルへ割り当てるよう構成される、請求項１のシステム。
【請求項５】
前記システムは少なくとも二つの異なるネットワーク構築仕様のために構成されるユーザ端末を含み、さらに第１の前記ネットワーク構築仕様に関するユーザは第１のチャンネルに設定され、第２の前記ネットワーク構築仕様に関するユーザは第２のチャンネルに設定される、請求項１のシステム。
【請求項６】
前記少なくとも２つのネットワーク構築仕様がＩＥＥＥ  ８０２．１１ｇ及びＩＥＥＥ  ８０２．１１ｇのネットワーク構築仕様を含む、請求項５のシステム。
【請求項７】
無線ローカルネットワークの性能を改善するための方法であって、
ａ）多重チャンネル上で同時に通信を送信及び受信するアクセスポイントを持つこと、
ｂ）前記アクセスポイントにアクセスするユーザをユーザのチャンネル状態の強度の差異に基づいて前記チャンネルのうちの異なるチャンネルへ分けることを含む、方法。
【請求項８】
単一無線を用いて動的な方法において動作周波数を変更する前記アクセスポイントを持つことをさらに含む、請求項７の方法。
【請求項９】
チャンネル品質に基づいてユーザの組をプールする前記アクセスポイントを持つことをさらに含む、請求項７の方法。
【請求項１０】
ＩＰネットワークへの無線通信における性能を改善するためのシステムであって、
ａ）  多重チャンネル上で同時に送信及び受信するよう構成される少なくとも１つのトランシーバを備える少なくとも１つのアクセスポイントを具備し、
ｂ）  前記アクセスポイントはチャンネル状態に基づいて前記チャンネルにユーザを集めるように構成される、システム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのアクセスポイントは前記チャンネルの１つのみで送信又は受信するよう構成される複数のユーザ局からの複数の関連要求に一時に応答するよう構成され、前記ユーザ局は異なる位置にあり、かつ異なるチャンネル速度を使うことができる、請求項１０のシステム。
【請求項１２】
前記局は有線ネットワークにおけるノードと通話中である、請求項１０のシステム。
【請求項１３】
前記アクセスポイントは音声トラフィックを可能にするよう構成される、請求項１０のシステム。
【請求項１４】
前記アクセスポイントはパケットデータトラフィックを可能にするよう構成される、請求項１０のシステム。
【請求項１５】
前記アクセスポイントは発見的アルゴリズムに基づいてユーザをチャンネルへ割り当てるよう構成される、請求項１０のシステム。
【請求項１６】
ａ）  アクセスポイントは個別のスループットレベルを持つ多数のユーザクラスにユーザを分けるよう構成され、
ｂ）  ユーザを許可できる場合、アクセスポイントは前記ユーザを前記チャンネルに次のように割り当てるよう構成される、即ち、（：は「即ち」の意味）
i）  各チャンネルに、アクセスポイントはそれぞれのクラスからできるだけ多くのユーザを割り当て、
１）  前記それぞれのクラスにおけるユーザの数がそのクラスに関するチャンネル容量よりも少ない場合には、呼の流出トラフィックは無く、さらに前記それぞれのクラスにおける全ての前記ユーザはそのチャンネルに割り当てられ、
２）  クラスにおけるユーザの数がそのクラスに関するチャンネル容量よりも多い場合、呼の流出トラフィックがあり、その呼はより高いスループットを持つ流出トラフィックとより低いスループットを持つ流出トラフィックを組み合わせるためにより高いスループットのクラスで開始する段階的な方法で前記クラスを通過するアクセスポイントによりさらに割り当てられる、
請求項１５のシステム。
【請求項１７】
ａ）  アクセスポイントは異なるスループットのレベルを有する多数のユーザクラスにユーザを分けるよう構成され、
ｂ）  アクセスポイントが全てのユーザを収容できなければ、アクセスポイントはより高いスループットの第１のクラスで開始し、そのようなユーザをできるだけ多く割り当て、それから次のクラスさらにその次のクラスへと移動する段階的な方法においてユーザクラスを通過することによりユーザを割り当てるよう構成される、
請求項１５のシステム。
【請求項１８】
前記アクセスポイントは同じチャンネル状態を持つユーザのみを対応する前記チャンネルに許可することで非同期の呼を扱うよう構成される、請求項１０のシステム。
【請求項１９】
前記アクセスポイントが増設のアクセスポイントの存在に関係する外部の干渉を受信する状況において、前記アクセスポイントは各チャンネルの稼働時間を測定し、選ばれた前記チャンネルのサブセットを規定するよう構成される、請求項１０のシステム。
【請求項２０】
前記アクセスポイントは各チャンネル上のチャンネル負荷活動の移動窓平均を維持するよう構成される、請求項１９のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は無線通信に関し、いくつかの好適実施形態はさらに具体的には無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）の総システムスループット及び性能を最大化するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
［ネットワーク及びインターネット（登録商標）プロトコル］
最も有名なインターネットと共に、多くのタイプのコンピュータネットワークがある。インターネットはコンピュータネットワークの世界的なネットワークである。今日、インターネットは何百万ものユーザに利用可能な公衆かつ自立的ネットワークである。インターネットはホストを接続するためにＴＣＰ／ＩＰ（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）と呼ばれる１組の通信プロトコルを用いる。インターネットはインターネットバックボーンとして知られる通信インフラを持つ。インターネットバックボーンへのアクセスは企業と個人へのアクセスを転売するインターネットサービスプロバイダ（ＩＳＰ）によって大部分は管理される。
【０００３】
ＩＰ（Internet Protocol）に関して、これはネットワーク上である機器（例えば、電話、ＰＤＡ［Personal Digital Assistant］、コンピュータ等）から別の機器へデータを送ることができるプロトコルである。今日では、例えば、ＩＰｖ４、ＩＰｖ６などを含むＩＰの様々なバージョンがある。ネットワーク上の各ホスト機器はそれ自身の一意の名称である少なくとも１つのＩＰアドレスを持つ。
【０００４】
ＩＰは無接続のプロトコルである。通信中の端点同士の接続は連続的でない。ユーザがデータ又はメッセージを送信するか受信する際、データ又はメッセージはパケットとして知られる成分に分割される。すべてのパケットはデータから独立したユニットとして扱われる。
【０００５】
インターネット又は類似のネットワーク上のポイント間の伝送を標準化するためにＯＳＩ（Open System Interconnection）モデルが確立された。ＯＳＩモデルはネットワーク中の２ポイント間の通信プロセスを７つの積み重ねられた層に分離し、各層は独自の機能の組を追加している。送信終端における各層を通る下向きの流れと受信終端における各層を通る上向きの流れが存在するように各機器はメッセージを扱う。７つの機能層を提供するプログラミング及び／又はハードウエアは通常は機器ＯＳ、アプリケーションソフトウエア、ＴＣＰ／ＩＰ及び／又は他のトランスポート及びネットワークプロトコルと他のソフトウエア及びハードウエアの組み合わせである。
【０００６】
通常は、上部４層はユーザから又はユーザにメッセージを渡す際に使われ、下部３層はメッセージが機器（例えば、ＩＰホスト機器）を通過する際に使われる。ＩＰホストはサーバ、ルータ又はワークステーションのような、ＩＰパケットを送信及び受信することができるネットワーク上の任意の装置である。他のホストに予定されているメッセージは上側の層まで通されなく、他のホストへ転送される。ＯＳＩ及び他の相似モデルにおいて、ＩＰは第３層、ネットワーク層にある。
【０００７】
［無線ネットワーク］
無線ネットワークは、例えば、携帯電話や無線電話、ＰＣ（personal computer）、ラップトップ型コンピュータ、ウェアラブルコンピュータ、コードレス電話、ポケベル、マイク付きヘッドホン、プリンタ、ＰＤＡなどといった多様なタイプの携帯機器を組み込める。例えば、携帯機器は音声及び／又はデータの高速な無線伝送を確保するためにデジタルシステムを含むことができる。典型的な携帯機器は次の構成要素、即ちトランシーバ（即ち、例えば、集積化送信機、受信機、必要ならば、他の機能を備えたシングルチップトランシーバを含む送信機及び受信機）、アンテナ、プロセッサ、１つ以上の音声変換器（例えば、音声通信のための機器において見られるスピーカ又はマイク）、電磁気データ記憶装置（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、デジタルデータ記憶装置などのようなもの、データ処理が提供される機器において見られるようなもの）、メモリ、フラッシュ・メモリ、十分なチップセット又は集積回路、インターフェース（例えばＵＳＢ、ＣＯＤＥＣ、ＵＡＲＴ、ＰＣＭ等のようなもの）及び／又は同種のものの幾つか又は全てを含む。
【０００８】
モバイルユーザが無線接続を通じてローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）に接続できる無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ）は、無線通信のために使用できる。
【０００９】
無線通信は、例えば、光、赤外線、無線、マイクロ波のような電磁波によって伝播する通信を含むことができる。例えば、ブルートゥース（登録商標）、ＩＥＥＥ  ８０２．１１及びＨｏｍｅＲＦといった現存する様々なＷＬＡＮ標準規格がある。
【００１０】
一例として、ブルートゥース製品はモバイルコンピュータ、携帯電話、携帯手持ちサイズ機器、個人用デジタル補助装置（ＰＤＡ）及び他の携帯機器の間のリンク及びインターネットへの接続性を提供するのに用いられる。ブルートゥースは携帯機器が短距離無線接続を用いて互いに及び非携帯機器とどのようにして簡単に相互接続できるかを詳述するコンピュータ及び通信事業仕様である。ブルートゥースは１つの機器から他の機器への同期化及び一貫したデータを保持する必要性のある様々な携帯機器の急増に起因するエンドユーザの問題を扱うデジタル無線プロトコルを作成し、それによって異なるベンダーからの装置をシームレスに一体的に動作することを可能にする。ブルートゥース機器は共通の命名概念によって名づけられる。例えば、ブルートゥース機器はブルートゥースデバイスネーム（ＢＤＮ）又は一意的なブルートゥースデバイスアドレス（ＢＤＡ）に関連する名称を所有できる。ブルートゥース機器はインターネットプロトコル（ＩＰ）ネットワークにも参加できる。ブルートゥース機器がＩＰネットワーク上で機能するなら、ＩＰアドレス及びＩＰ（ネットワーク）名を設けてもよい。故に、ＩＰネットワーク上に参加するよう構成されたブルートゥース機器は、例えば、ＢＤＮ、ＢＤＡ、ＩＰアドレス、ＩＰ名を含むことができる。項目「ＩＰ名」はインターフェースのＩＰアドレスに対応する名称を参照する。
【００１１】
ＩＥＥＥ規格、ＩＥＥＥ  ８０２．１１は、無線ＬＡＮ及び機器に関する技術を明確に記載している。８０２．１１を用いると、無線ネットワーク構築はいくつかの機器をサポートする各単独の基地局をもって達成できる。いくつかの実施形態においては、機器は無線ハードウエアを予め備えられていてもよく、又はユーザがアンテナを含むことができる、カードのようなハードウエアの別個の要素を導入してもよい。一例として、機器がアクセスポイント（ＡＰ）、移動局（ＳＴＡ）、ブリッジ、ＰＣＭＣＩＡカード又は別の機器のいずれであろうと８０２．１１で使われる機器は通常は３つの顕著な構成要素、即ち無線トランシーバ、アンテナ及びネットワーク中のポイント間でのパケットの流れを制御するＭＡＣ（Media Access Control）層を含む。
【００１２】
更に、マルチプルインタフェースデバイス（ＭＩＤ）はいくつかの無線ネットワークにおいて利用できる。ＭＩＤはブルートゥースインターフェースと８０２．１１インターフェースのような、２つの独立したネットワークインターフェースを含むことができ、故にＭＩＤにブルートゥース機器を備えるインターフェースと同じように２つの別個のネットワークへの参加を可能とする。ＭＩＤはＩＰアドレス及びＩＰアドレスに関係する一般的なＩＰ（ネットワーク）名を持つことができる。
【００１３】
無線通信機器はブルートゥース機器、マルチプルインタフェースデバイス（ＭＩＤ）、８０２．１１ｘ機器（ＩＥＥＥ  ８０２．１１機器は、例えば８０２．１１ａ、８０２．１１ｂ及び８０２．１１ｇ機器を含む）、ＨｏｍｅＲＦ（Home Radio Frequency）機器、ＷｉーＦｉ（Wireless Fidelity）機器、ＧＲＰＳ（General Packet Radio Service）機器、３Ｇ携帯電話機器、２．５Ｇ携帯電話機器、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communications）機器、ＥＤＧＥ（Enhanced Data for GSM Evolution）機器、ＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access）方式の機器、又はＣＤＭＡ２０００を含むＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）方式の機器に限られず含むことができる。
【００１４】
それぞれの通信機器はＩＰアドレス、ブルートゥース機器アドレス、ブルートゥース一般名、ブルートゥースＩＰアドレス、ブルートゥースＩＰ一般名、８０２．１１のＩＰアドレス、８０２．１１のＩＰ一般名、ＩＥＥＥ  ＭＡＣアドレスといった可変方式のアドレスに限られず含むことができる。
【００１５】
無線ネットワークは、例えばモバイルＩＰ（インターネットプロトコル）システムやＰＣＳシステム、及び他のモバイルネットワークシステムにおいて見られる方法及びプロトコルも含むことができる。モバイルＩＰに関して、これはインターネットエンジニアリングタスクフォース（ＩＥＴＦ）によって作られた標準通信プロトコルを含む。モバイルＩＰがあれば、携帯機器のユーザは一度割り当てられたＩＰアドレスを保持したままネットワークの至る所に移動できる。リクエストフォーコメント（ＲＦＣ）３３４４参照。ＮＢ：ＲＦＣはインターネットエンジニアリングタスクフォース（ＩＥＴＦ）の公式文書である。モバイルＩＰはインターネットプロトコル（ＩＰ）を強化し、さらにホームネットワークの外部に接続する際に携帯機器へインターネットトラフィックを転送する手段を追加する。モバイルＩＰはそれぞれのモバイルノードにホームネットワークにおけるホームアドレス、さらにネットワーク及びそのサブネットにおける機器の現在位置を識別する気付きアドレス（ＣｏＡ）を割り当てる。機器が異なるネットワークに移動された際に、それは新しい気付きアドレスを入手する。ホームネットワーク上のモビリティエージェントは各ホームアドレスをその気付きアドレスに関連付けることができる。モバイルノードはその気付きアドレスを変更するたびに、例えばインターネットコントロールメッセージプロトコル（ＩＣＭＰ）を用いてホームエージェントに拘束力のある最新情報を送ることができる。
【００１６】
基礎的なＩＰルーティング（すなわち、モバイルのＩＰの外側）において、通常は、ルーティングの仕組みは各ネットワークノードが、例えばインターネットへの一定の接続点を常に持ち、各ノードのＩＰアドレスはそれが接続されているネットワークリンクを識別すると仮定して応答する。この文書において、専門用語「ノード」は接続ポイントを含み、例えば、再分配ポイント又はデータ伝送に関する終点を含むことができ、他のノードへの処理及び又は／又は転送通信を認識できる。例えば、インターネットルータは、例えばＩＰアドレスコード又は機器のネットワークを識別する同種のものを調べることができる。それから、ネットワークレベルでは、ルータは、例えば特定のサブネットを識別するビットの組を調べることができる。それから、サブネットレベルでは、ルータは例えば特定の機器を識別するビットの組を調べることができる。典型的なモバイルＩＰ通信では、ユーザがモバイル機器を、例えばインターネットから接続を断ち、新しいサブネットに再接続しようとすれば、機器は新しいＩＰアドレス、適切なネットマスク及び既定値のルータによる再設定をしなければならない。そうでなければ、ルーティングプロトコルはパケットを適切に運ぶことができないだろう。
【００１７】
［既存の無線システムのいくつかの制限］
このセクションは本発明者の確信している知識を説明するが、必ずしも技術分野における知識を意味しない。
【００１８】
無線ネットワーク、特に、例えば、ＩＥＥＥ  ８０２．１１に基づくＷＬＡＮのような無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）は顕著な発展及び利用の増加に直面している。例えば、８０２．１１ｂ又はＷｉ―Ｆｉシステムは若干の例を指定するために職場、居住地及びホットスポットにおいて、臨時ネットワーキングテストベッドを見ることができる。さらに、８０２．１１ａ及び比較的新しい８０２．１１ｇの標準規格は８０２．１１ｂ（例えば、１１Ｍｂ／ｓ以内）より高いデータ転送速度（例えば５４Ｍｂ／ｓ以内）を提供する。更に、ＷＬＡＮチップセットのコストが縮小するに伴い、ノート型コンピュータのベンダーがこれら８０２．１１に基づく３つの標準規格全てに互換性のあるＷＬＡＮ機器を提供するのがより容易になっている。
【００１９】
従って、これら及び他の異なるＷＬＡＮシステムの性能強化の研究は価値を増している。現在のＷＬＡＮシステムの重要な欠点の１つは全てのユーザがチャンネルを時分割しており、同時のデータ伝送を維持する固有の機能が無いことである。これは全ての端末が同じ周波数、符号、空間を共有するＡＰに関連付けられた結果である。さらに、８０２．１１のＤＣＦ（Distributed Coordination Function）における媒体アクセスに使われるＣＳＭＡ／ＣＡプロトコルはチャンネルのデータ転送速度の差異に関わらず、全てのユーザが媒体へのアクセスを取得する同じ確率を持つという意味では全てのユーザに長期的な公平を提供するために設計された。生成されるトラフィックがすべてのユーザにとって同一ならば、それらはすべて本質的に同じ長期スループットを同様に達成する。故に、達成可能なスループットは最低の伝送速度を持っているユーザによって制限される。
【００２０】
これに関係する背景研究は、とりわけ、ＣＳＭＡ／ＣＡプロトコルの長期公平を扱う研究を含む。例えば以下にリストされた参考文献［２及び６］参照。Ｈｅｕｓｓｅらによる参考文献［２］を参照すると、この参考文献は８０２．１１ｂ  ＷＬＡＮを考察し、異なるデータ転送速度を有する異なるユーザが同じ長期スループットを達成することを示しており、この同じ長期スループットは高いデータ通信速度のユーザが得たと考えられるものよりものよりもかなり低い。例えば、各々が１１Ｍｂ／ｓのチャンネルを持つ二人のＵＤＰユーザはそれぞれおよそ３Ｍｂ／ｓのスループットを得る。しかしながら、あるユーザが１Ｍｂ／ｓであり、他のユーザが１１Ｍｂ／ｓであれば、両者は０．７Ｍｂ／ｓのスループットを得る。この現象も８０２．１１の公平さに基づくスループットと呼ばれる。例えば以下にリストされた参考文献［６］参照。ＴａｎとＧｕｔｔａｇによる参考文献［６］を参照すると、この参考文献は、すべての局に等しいチャンネル時間を与えるために時間に基づく公平さに基づく方法を提示している。異なるユーザに対するそのような均等時間割り当てはＩＳ―８５６  ３Ｇセルラ方式において提示された比例公平スケジューリング方式(Proportional Fair scheduling scheme)によって実現されたものに類似する。例えば以下に記載された参考文献［９］参照。ユーザに均等時間を割り当てることによって、ユーザは彼らのチャンネル速度に比例するスループットを達成することになる。更に、参考文献［１７］を見ると、Ｂｉａｎｃｈｉによる８０２．１１のＤＣＦの性能解析は、インフラ形式のＷＬＡＮを扱うためにＨｅｕｓｓｅらのモデルを変更した有用な解析的モデルを提供する。
【００２１】
さらに、セルラー方式の状況で多重チャンネルを提供することはよく研究されていた。その関連で、周波数再利用の概念はセルラー方式と本質的に同義である。例えば以下の参考文献［１１］参照。しかも、参考文献［１０］を見ると、そのような動的なチャンネル割り当てといった技術はよく知られている。さらに、その場限りのネットワークの状況において多重チャンネルを使用することもかなり注目を集めていた。そこで、その場限りのネットワークの状況において研究されている第１の態様は例えば接続性と最大化空間再利用を含んでいる。接続性の態様は、例えば、ルーティング及び媒体アクセス制御を含み、かつ２つの隣接するノードが異なる周波数で動作するときそれらノードが互いの送信について全くわからないといった多重チャンネル隠面端末問題を含んでいる。以下に記載されたＳｏとＶａｉｄｙａによる最近の研究、参考文献［７］、及びＲａｎｉｗａｌａらによる参考文献［１８］を見ると、多数チャンネルのその場限りのネットワークにおけるいくつかの背景の進展をまとめることに役立つ。
【００２２】
様々なシステム及び方法が知られているが、下記及び／又は他の制限の１つ以上を解消する改善されたシステム及び方法の必要性が残っている。
【００２３】
［参考文献］
[1] ITU Recommendation P.59, ”Artificial
Conversational Speech,” March 1993
[2] M. Heusse, F. Rousseau, G. Berger―Sabbatel, A. Duda, ”Performance Anomaly of 802.11b,” Proc. of INFOCOM 2003.
[3] K. MedepallIP. Gopalakrishnan, D. Famolari andT. Kodama, ”Voice Capacity of IEEE 802.11b, 802.11a and 802.11g WLAN Systems," To appear:Proc. of IEEE GLOBECOM 2004.
[4] IEEE 802.11b specification, 1999, Available at:http://standards.IEEE .org/getIEEE 802/download/802.11b1999.pdf
[5] IEEE 802.11a specification, 1999, Available at:http://standards.IEEE .org/getIEEE 802/download/802.11a―1999.pdf
[6] G. Tan and J. Guttag, ”Time―based FairnessImproves Performance in Multi―rate WLANs,” Proc. of USENIX 2004.
[7] J. So and N. Vaidya, ”Multi―Channel MAC for Ad Hoc Networks:Handling Multi―Channel Hidden Terminals Using A Single Transceiver,” Proc. of ACM MobiHoc 2004.
[8] L. Kleinrock and F.A. Tobagi, ”Packet Switching in Radio Channels:Part I ― Carrier Sense MultIPle Access and their Throughput―Delay Characteristics,” IEEE Transactions on Communications, Vol. 23, Issue:13, Dec 1975, pp. 1417―1433.
[9] P. Viswanath, D. Tse and R. Laroia, "Opportunisticbeamforming using dumb antennas," IEEE Transactions on Information Theory, vol. 48(6), June 2002.
[10] I. Katzela and M. Naghshineh, "Channel assignment schemes for cellular mobile telecommunication systems:A comprehensive survey," IEEE Personal Comm., pp.10―31, June 1996.
[11] T.S. Rappaport, ”Wireless Communications:PrincIPles & Practice,” Prentice Hall, 2002.
[12] F.A. Tobagi and L. Kleinrock, ”Packet Switching in Radio Channels:Part II ― the Hidden Terminal Problem in Carrier Sense MultIPle―Access and the Busy―Tone Solution,” IEEE Trans on Comm, Dec 1975, pp. 1417―1433.
[13] S. Boyd and L.Vandenberghe, ”Convex Optimization,”Cambridge University Press, 2003.
[14] A. Bykadorov, ”On quasiconvexity in fractional programming,” ― In:”Generalized Convexity,” S. Komlosi, T. Rapcsak, S. Schaible (Eds.)/Proceedings Pecs (Hungary), 1992:Lecture Notes in Economics and Mathematical Systems, no. 405, Springer―Verlag, Berlin ― Heidelberg ― New York, 1994, p.281―293.
[15] A. Caprara, H. Kellerer, U. Pferschy, ”The MultIPle subsets sum problem,” SIAM Journal on Optimization, Vol. 11, No. 2, pp. 308―319, 2000.
[16] C. Koksal et.al., ”An analysis of short―term fairness in wireless media access protocols,” in Proceedings of ACM SIGMETRICS, 2000.
[17] G. Bianchi, ”Performance analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function,” JSAC Wireless Series, vol. 18, no. 3, 2000.
[18] A Raniwala., K. GopaLAN and T. Chieuh, ”Centralized Algorithms for Multi―channel Wireless Mesh Networks,” ACM Mobile Computing and Communications Review (MC2R), vol. 8, no. 2, April 2004.
[19] IEEE 802.11g―2003, Available at http://standards.IEEE .org/getIEEE 802/download/802.11g―2003.pdf.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の好適実施形態は従来の方法及び／又は装置を著しく改善できる。
【００２５】
いくつかの好適実施形態によれば、付加的な直交性の次元が最弱のチャンネルを有するユーザから最強のチャンネル状態を有するユーザを潜在的に分離するために使うことができ、その結果、全体的性能が改善する。
【００２６】
好適実施形態において、付加的な直交性の次元を提供するための有利な方法として多数の直交チャンネルの同時使用を確立するシステムが提供される。
【００２７】
とりわけ、好適実施形態は複数チャンネルを用いることから大きな利得を達成できる。例えば、以下のセクションＩＶで議論されるように、Ｃ個のチャンネルを備える多重チャンネルＷＬＡＮにおいて、適切なチャンネル割当ては総計で単一チャンネルスループットのＣ倍以上の総スループットに増加できる（例えば、超線形利得が可能となる）ことが分る。
【００２８】
ＩＥＥＥ  ８０２．１１ｂ標準規格は、上記の参考文献［４］を見ると、３つの非重複チャンネルであるチャンネル番号１、６、１１を含む２．４ＧＨｚ周波数帯で動作する１４個のチャンネルを指定した。ＩＥＥＥ  ８０２．１１ａの場合には、上記の参考文献［５］を見ると、標準規格において定義された１２のチャンネル（すなわち、下位〜中位のＵーＮＩＩ帯域の８と上位ＵーＮＩＩ帯域の４）は全て、重複及び／又は隣接したセルにおいて使うことができる。８０２．１１ｇに関しては、上記の参考文献［１９］を見ると、２．４ＧＨｚ  ＩＳＭ帯域のために設計されていたので、それも３つの非重複チャンネルを持つ。
【００２９】
しかしながら、現在の標準規格に準拠したＷＬＡＮはそのような複数チャンネルをサポートするが、それらは静的方法において複数チャンネルのうちのたった１つしか使わない点に注意すべきである。そのような場合、各ＷＬＡＮアクセスポイント（ＡＰ）はただ１つのチャンネルで動作する。そのような場合、動作するチャンネルの選択は配置シナリオに依存する。例えば、自宅ユーザは、例えあったとしても、彼らのＷＬＡＮアクセスポイント（ＡＰ）によって用いられるチャンネルを指定することを軽視する。これは多くの場合実質的には何らかの会社、事務所、キャンパス及び他の職業環境における事例である。もう少し注意深く計画された配置では、用いられるチャンネルは伝播特性及びＡＰの間の結果としての相互干渉を明らかすることによって決定される。故に、そのような現今の機器はチャンネル変更機能を備えた単一の無線を用いるだけでよい。
【００３０】
他方では、本発明の好適実施形態において各ＡＰは多数の周波数で同時に送信及び受信ができるトランシーバを備えている。しかしながら、複数端末は動的方法で動作周波数を変更する能力を持つ一無線を今もなお好んで使用する。
【００３１】
この開示では、全ての許可されたユーザのＱｏＳ要求を満たしつつ、ＷＬＡＮにおいてキャリア（すなわち周波数）を最適に割り当てる問題が考慮される。とりわけ、現在の開示は以下の注目すべき概念を実証するのに役立つ。第一に、最適なチャンネル割当ての問題は凸の最適化問題として説明でき、かつ解決できることが示される。第二に、同様のチャンネル状態でユーザをプールすることに基づく、提案された発見的アルゴリズムを最適ポリシーに近似する手段として使えることが実証される。第三に、最適なチャンネル割り当てのメリットが定量化され、さらに提案された発見的アルゴリズムは呼阻止確率の最小化に関して最適に近い性能を達成できることが実証される。以下に見られるように、解析と結果はＩＥＥＥ  の８０２．１１ｂ、８０２．１１ａ、８０２．１１ｇの主要なＷＬＡＮ標準規格を扱うのみならず、更に、例えば、８０２．１１ｂと８０２．１１ｇの共存の有用な場合を考慮することまで拡張する。本発明に先立って、他者はこれら一連の問題を扱うそのような研究の要望を評価していなかった。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
発明のある実施形態によれば、無線ローカルエリアネットワークの総スループットを改善するためのシステムは次のものを含むと規定される。即ち、多重チャンネルを用いて多数の周波数で同時に送信及び受信するよう構成される少なくとも１つのトランシーバを備える少なくとも１つのアクセスポイント、そのアクセスポイントはユーザのチャンネル状態を獲得し、そのチャンネル状態に基づいてチャンネル上のユーザの組をプールするよう構成されている。ある実施形態において、少なくとも１つのアクセスポイントは動作周波数を動的に変更するよう構成された単一無線を持つ。好適実施形態において、アクセスポイントは発見的アルゴリズムに基づいて、さらに、望ましくは、ＰＡＣＫアルゴリズムに基づいてユーザをチャンネルに割り当てるよう構成される。ある実施形態において、システムは少なくとも二つの異なるネットワーク構築仕様のために構成されるユーザ端末を含み、その中で第一のネットワーク構築仕様のユーザは第一のチャンネルに設定され、第二のネットワーク構築仕様のユーザは第二のチャンネルに設定される。
【００３３】
発明のいくつかの他の実施形態によると、次のものを含む無線ローカルエリアネットワークの性能改善の方法が実行される。即ち、ａ）多重チャンネル上で通信を同時に送信及び受信するアクセスポイントを持ち、ｂ）アクセスポイントにアクセスするユーザをユーザのチャンネル状態の強度の差異に基づいて異なるチャンネルに分ける。ある実施形態において、この方法は単一無線を用いて動的に動作周波数を変更するアクセスポイントを持つことをさらに含む。ある実施形態において、この方法はチャンネル品質に基づきユーザの組をプールするアクセスポイントを持つことをさらに含む。
【００３４】
発明のいくつかの他の実施例によれば、以下のものを含む、ＩＰネットワークへの無線通信における性能を改善するためのシステムが提供される。即ち、複数のチャンネル上で同時に送信及び受信するよう構成される少なくとも１つのトランシーバを備えている少なくとも１つのアクセスポイントを含み、アクセスポイントはチャンネルに基づくチャンネル状態にユーザをプールするよう構成される。ある実施形態において、少なくとも１つのアクセスポイントは、一時にチャンネルの１つだけに送信又は受信するよう構成される複数ユーザ局からの関連付け要求に応答するように構成され、ユーザ局は異なる位置にあり、異なるチャンネル速度を使用できる。ある実施形態において、アクセスポイントは音声トラフィック及び／又はパケットデータトラフィックを可能にするよう構成される。好適実施形態において、アクセスポイントは発見的アルゴリズムに基づいてユーザをチャンネルに割り当てるよう構成される。
【００３５】
ある実施例において、アクセスポイントはそれぞれのスループットレベルを持つ多数のユーザクラスにユーザを分けるよう構成され、ユーザを許可できる場合、アクセスポイントは次のようにしてユーザをチャンネルに割り当てるよう構成される。即ち、各チャンネル上で、各クラスのユーザの数がそのクラスに対するチャンネル容量よりも少ない場合は、アクセスポイントは各クラスのユーザをできるだけ多く割り当て、呼の流出トラフィックは無く、各クラスの全てのユーザはそのチャンネルに割り当てられる。クラスにおけるユーザの数がそのクラスに対するチャンネル容量よりも多い場合、呼の流出トラフィックがあり、その呼はより高いスループットを持つ流出トラフィックとより低いスループットを持つ流出トラフィックを組み合わせるためにより高いスループットのクラスで開始する段階的な方法でクラスを通過するアクセスポイントによってさらに割り当てられる。
【００３６】
ある実施形態において、アクセスポイントは異なるスループットのレベルを有する多数のユーザクラスにユーザを分けるように構成される。アクセスポイントが全てのユーザを収容できなければ、アクセスポイントはより高いスループットの第一のクラスで開始し、そのようなユーザをできるだけ多く割り当て、それから次のクラス更にそれからその次のクラスへと移動する段階的な方法によってユーザのクラスを通過することによってユーザを割り当てるよう構成される。
【００３７】
ある実施形態において、その中でアクセスポイントは同じチャンネル条件を持つユーザのみを対応するチャンネルに許可することで非同期の呼を扱うよう構成される。さらに、他の実施形態では、アクセスポイントが増設のアクセスポイントの存在に関係する外部の干渉を受信する状況において、アクセスポイントは各チャンネルの稼働時間を測定し、選ばれたチャンネルのサブセットを規定するよう構成される。いくつかの他の実施形態において、アクセスポイントは各チャンネル上のチャンネル負荷活動の移動窓平均を維持するように構成される。
【００３８】
上記の及び／又は他の態様、様々な実施形態の特徴及び／又は利点は添付の図面と併せて以下の説明を考慮することでさらに評価される。適用できる場合には様々な実施形態は異なる態様、特徴及び／又は利点を含み及び／又は除くことができる。加えて、適用できる場合には様々な実施形態は一又はそれ以上の他の実施形態の態様又は特徴を組み合わせることができる。個々の実施例の態様、特徴及び／又は利点の記述は他の実施形態又は請求項を制限するように解釈されるべきでない。
【００３９】
本発明の好適実施形態は実施の一方法により、限定無く添付図面より示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
本発明は多くの異なる形式で実施できるが、本開示は発明の原理の例を提供するものとみなされ、そのような例はここで記載される及び／又は図示される好適実施形態に発明を限定する意図が無いという了解の下で多数の実施形態がここに記載される。
【００４１】
１．好適実施形態の紹介
無線ＬＡＮの人気が高まるに従って、異なるアプリケーションシナリオ下でのそれらの性能を理解し、それらの性能を向上できる様々な方法を研究することが重要になってきた。本発明者は潜在的な性能を向上する特徴の１つは多数の直交するチャンネルの同時使用であると判断していた。そうは言うものの、単一チャンネルＷＬＡＮと対比して、複数チャンネル及びユーザトラフィック（例えば、音声、データなどといったもの）の複数のクラスをサポートするＷＬＡＮは、リソース（例えば、チャンネル）割り当て問題に直面する。
【００４２】
好適実施形態では、個々の呼のＱｏＳ要求を維持しながらチャンネルの１つに到来呼を最適に割り当てる問題は条件付最適化問題として位置づけることができる。好適実施形態において、呼阻止確率の最小化と総システムスループットの最大化は二つの関心目的機能である。
【００４３】
望ましくは、同様のチャンネル利得とトラフィック特性を有するユーザを同じチャンネルに集める簡単な発見的アルゴリズム（ここではＰＡＣＫとして言及する）が使用される。特に、これは次の３つの主要なＷＬＡＮシステム、即ちＩＥＥＥ  ８０２．１１ｂ、８０２．１１ａ及び８０２．１１ｇのそれぞれに対して最適に近い性能を達成できる。異なるチャンネル状態を有する異なる音声ユーザの場合には、８０２．１１ｂシステムに対してスループットの６０％の増加が達成できる。更に、以下に実証されるとおり、そのようなプール化が実行されなければ呼阻止確率の７５％もの大きな増加を招くことがある。以下でさらに実証されるとおり、ユーザのグループ化は例えば、８０２．１１ｂ端末が８０２．１１ｇ端末と共存するような場合に次につながるメリットをもたらす。そのような場合には、８０２．１１ｇ端末は８０２．１１ｂ端末に用いられるチャンネルと異なるチャンネルに設定することができる。故に、とりわけ、これは開発者がＣＴＳーｔｏーＳｅｌｆ及びＲＴＳーＣＴＳといったスループット低減保護方式を廃止することを可能にする。以下でさらに実証されるとおり、１以上のＡＰが地理的区域で展開される場合に分散型かつ適応性のある方法で最適方式が実現できる。
【００４４】
各セクションでは、好適実施形態に関するさらなる詳細が説明される。それから、単一チャンネルを使う単独のＡＰの容量解析に対する解析的枠組みが紹介される。それから、並列チャンネルの使用に対する動機付けが提示され、枠組みは複数チャンネルを用いるＡＰにおけるチャンネル割り当ての問題を定式化するために拡張される。さらにそれから、多数のＡＰが地理的区域を共有する場合のチャンネル割り当てが扱われ、チャンネル割り当て戦略の性能を定量化することで数値結果が提示される。
【００４５】
２．具体的システムモデル
図１１及び１２を参照すると、いくつかの具体的で限定されない例において、インフラストラクチャーは少なくとも１つのＡＰがＣ個の直交周波数キャリアへのアクセスを持つ場合の例えば８０２．１１  ＷＬＡＮに基ついている。ＡＰは全二重トランシーバＴＲを備えるものと仮定され、即ち、それは図１２に図示されているように、同時に各Ｃ個のチャンネル上で、同時送信及び受信の能力を持っている。各チャンネル上で、ＡＰはビーコンを送る、局からの関連メッセージに応答するなどの通常の８０２．１１の動作を行う。局Ｓ１〜Ｓ４は既存の半二重８０２．１１機器に類似すると仮定され、これにより、それらはいつでもＣ個のチャンネルのうちの１つだけで送信及び受信できる。８０２．１１のベイシックサービスセット（ＢＳＳ）内、例えばセル内のユーザはＡＰから異なる距離にいると一般に仮定される。故に、異なるユーザは異なるチャンネル速度を使っているかもしれない。
【００４６】
様々な実施形態において、ユーザはＷＬＡＮ上で任意の適切なアプリケーションを実行可能である。しかしながら、ＡＰは好ましくはアプリケーショントラフィック記述を承知しているものと仮定される。この情報を用いると、ＡＰはｉ番目のユーザλｉに必要とするリソースを推定でき、ユーザを許可するかどうか、更には、ユーザを許可するなら、ユーザがどのチャンネルに許可されるかを決定するためにそれを使用する。ある実施形態は、多くの実施形態において以下で議論されるように、及びここでさらに詳細に説明されるように、多重干渉するＡＰを含むことができるが、複数チャンネル及び例えば、ボイスオーバーＷＬＡＮをサポートする単独型ＡＰが使われる。音声トラフィックの場合には、図１１に示されるようないくつかの図示実施形態において、局は有線ネットワークにおいて例えば、ノードＮ１、Ｎ２等と対話中であると仮定される。
【００４７】
ａ．音声トラフィックモデル
リコメンデーションＰ．５９において指定されるとおり、我々は対話形のスピーチの生成のためにＩＴＵリコメンデーションを用いる。例えば上記の参考文献［１］参照。用いられる音声コーデックは６４ｋｂ／ｓの速度で音声パケットを生成するＧ．７１１コーデックである。我々はシステムの配線された部分において生じる遅延が０であると仮定し、全ての伝播遅延を無視する。Ｐ．５９リコメンデーションの顕著な特徴は、（ａ）Ａが会話中、Ｂが沈黙、（ｂ）Ａが沈黙、Ｂが会話中、（ｃ）両方が会話中、（ｄ）両方が沈黙、という状態を有する（マルコフ確率解析技術の）４状態マルコフ連鎖として２人のユーザＡとＢの間の対話をモデル化することである。これは図１に示されている。いくつかの例では、状態の持続期間は互いに独立し、それぞれ平均値８５４ｍｓ、８５４ｍｓ、２２６ｍｓ及び４５６ｍｓを有し、完全に同じように分布された指数確率変数である。本発明者による実証的な研究において、ユーザが会話状態である場合にのみ音声パケットが生成されると仮定されていた。すなわち、ユーザが沈黙している場合には音声パケットは生成されないという無言の抑圧の簡単な仮定がなされていた。
【００４８】
図１において、対話形のスピーチは４状態マルコフ連鎖としてモデル化され、その中でｐ１＝０．４、ｐ２＝ｐ３＝０．５である。
【００４９】
ｂ．プロトコル層及びヘッダ
コーデックパケット化間隔が１０ｍｓとみなす例において、生の音声パケットは８０バイトである。そのような場合には、ヘッダはＭＡＣのための２８バイト、ＵＤＰのための２０バイト、ＩＰのための８バイト及びＲＴＰのための１２バイトから構成される。いくつかの例において、パケットサイズを増やすために他のヘッダは追加されない。しかしながら、物理層ヘッダ（８０２．１１ｂのための１９２μｓ、８０２．１１ａのための２０μｓ及び８０２．１１ｇのための付加的な６μｓ）はパケット送信毎に生じる。
【００５０】
ｃ．ＭＡＣ層記述
８０２．１１のＭＡＣ仕様は媒体アクセスのための２つのモード、即ち中央組織化ＰＣＦ（Point Coordination Function）及び分散型アクセス方式ＤＣＦを規定する。ＤＣＦと異なり、ＰＣＦモードは標準規格によってオプションとして指定される。さらに、それはＡＰのチャンネルアクセス制御にさらなる複雑さを伴うため商用のＷＬＡＮ機器ではほとんど実施されない。他方のＤＣＦはＣＳＭＡ（Carrier Sense MultIPle Access）として本来知られる、「話す前に聞く」プロトコルによって管理される。例えば、上記参考文献［８］参照。そのような場合には、パケットを送ることを必要とする各局は先ず少なくとも１つのＤＩＦＳ（Distributed Inter Frame Spacing）の持続期間にチャンネルを感知する。チャンネルが遊休状態として感知されると、局は［０、ＣＷ］の範囲で均等に分布するランダムバックオフカウンタ値を選択する。但し、ＣＷはコンテンションウィンドウを表す。コンテンションウィンドウはＳＬＯＴ単位で維持され、最初はＣＷｍｉｎに設定される。一旦、バックオフカウンタ値が選択されると、それはチャンネルが遊休状態として感知されるスロット毎に１つデクリメントされる。カウンタが０に達する前にチャンネルが使用中であると感知されれば、デクリメント処理は凍結され、再度ＤＩＦＳ期間にチャンネルが遊休状態として感知された場合に限って再開される。送信の後、送り手はアクナリッジメント（ＡＣＫ）をＳＩＦＳ（Short Inter Frame Spacing）期間中に受信することを期待する。ＡＣＫが受信されなければ、パケットは失われたとみなされる。パケットが（例えば、衝突あるいはチャンネル誤りのいずれかによって）失われる度に、ＣＷｍａｘという最大値に達するまでコンテンションウィンドウは２倍される。さらに、次のパケットが送られる前に、ＤＩＦＳでなく、ＥＩＦＳ（Extended Interframe Spacing）の持続期間にチャンネルは感知される。ＲＥＴＲＹ＿ＬＩＭＩＴパラメータによって指定されるとおり、局はパケットを再送しようとする制限された試みをする。パケットの送信が成功すると、ＣＷはＣＷｍｉｎにリセットされる。
【００５１】
互いに送信範囲内に無い２つの局が周知の隠面端末問題に起因して隣接ノードで衝突を引き起こすことがある。例えば、上記の参考文献［１２］参照。標準規格はこれらの発生を減らすためにＲＴＳ（Request―To―Send）とＣＴＳ（Clear―To―Send）のメッセージ交換を指定する。解析を簡単にするため、全ての局は互いの無線範囲内にあると仮定でき、したがって、必要に応じて１つはＲＴＳ／ＣＴＳサイクルを省略できる。
【００５２】
図１０はＩＥＥＥ  ８０２．１１ｂ、８０２．１１ａ及び８０２．１１ｇシステムに関係する注目すべき定数をまとめる、表１と称する表を示す。８０２．１１ｇシステムに関しては、以下のポイントが注目される。８０２．１１ｇは８０２．１１ｂと同じ２．４ＧＨｚ帯域で動作するが、８０２．１１ｂ端末はＯＦＤＭ変調高速な８０２．１１ｇ送信を復号できない。従って、衝突数が増加することがある。ここで、８０２．１１ｇの標準規格は高速８０２．１１ｇユーザと低速８０２．１１ｂユーザの間のクロストークを最小化するための２つの機構を特定する。これらの機構はレガシー８０２．１１ｂユーザが８０２．１１ｇアクセスポイントに登録するとすぐに初期化される。図１０に示される表の最後の列はいくつかのシステム変数により生じた変更を反映する。レガシー端末の第一の効果は９μｓから２０μｓまでのＳＬＯＴ持続時間の増加である。第二の効果は８０２．１１ｇと８０２．１１ｂユーザの間の穏やかな共存を促進するＭＡＣ層における付加的なメッセージ交換サイクルの導入である。以下のパラグラフでは、ＭＡＣ層において用いられる２つの保護方法が記載される。即ち、
ＣＴＳ―ｔｏ―Ｓｅｌｆ：この方式では、ＤＩＦＳの通常の感知時間と任意のバックオフ時間の後、送り手は全ての隣接する８０２．１１ｂノードに次期到来パケット送信を知らせるためにＣＴＳメッセージ（自身のアドレスと一緒に）を送信する。ＣＴＳメッセージに続いて、送信者はＳＩＦＳ持続時間を待ち、それからペイロードパケットを送信し、通常通りＳＩＦＳ時間内のＡＣＫを期待する。
【００５３】
ＲＴＳ―ＣＴＳ交換：８０２．１１ｇ端末がＣＴＳ―ｔｏ―Ｓｅｌｆ手順を用いているにも関わらず重大なパケット損失を受ければ、端末は完全なＲＴＳ―ＣＴＳ交換サイクルを用いるというオプションを持っている。ここで再び、最初のチャンネル感知と任意のバックオフの後、局はＲＴＳメッセージを送信し、ＳＩＦＳ持続時間後のＣＴＳを期待する。一旦ＣＴＳパケットが受信されれば、ペイロードパケットはＳＩＦＳ持続時間の後に送られる。このＲＴＳ／ＣＴＳ交換は標準的なＲＴＳ／ＣＴＳ交換である。
【００５４】
これらの両方式において、ＣＴＳとＲＴＳメッセージは全ての端末に分かる速度で送られなければならない。故に、１１Ｍｂ／ｓがこれらのパケットの最高速度である。さらに、長いＰＣＬＰヘッダを使用する必要がある。従って、完全なＲＴＳ／ＣＴＳサイクルはＣＴＳ―ｔｏ―Ｓｅｌｆサイクルを越えて８０２．１１ｇシステムの能力を引き下げる。一旦どちらかの機構が完結すれば、８０２．１１ｇ端末は、２０μｓのより長いＳＬＯＴ持続時間が存在することを除いて、８０２．１１ａ端末とほとんど同じ５４Ｍｂ／ｓＯＦＤＭ物理層を使用することは注目に値する。
【００５５】
ｄ．物理層モデル
サポートされるデータ速度は関心標準規格の機能である。従って、そのようなものは発明者の研究においては単にパラメータに過ぎない。以下で説明する定量的結果はサポートされる最高の物理速度のためである。その関連で、ＩＥＥＥ  ８０２．１１ｂ物理層は１、２、５．５及び１１Ｍｂ／ｓをサポートし、４つは全て必須である。更に、ＩＥＥＥ  ８０２．１１ａは物理層に基づくＯＦＤＭを持ち、６、９、１２、１８、２４、３６、４８、及び５４Ｍｂ／ｓをサポートし、その内６、１２、及び２４Ｍｂ／ｓは必須である。さらに、ＩＥＥＥ  ８０２．１１ｇの物理層は８０２．１１ｂと８０２．１１ａの両方のデータ速度をサポートし、その必須データ速度は１、２、５．５、１１、６、１２及び２４Ｍｂ／ｓである。
【００５６】
下記の解析において、機器は静止しており、チャンネルはエラーを取り込まないことが簡単化のため仮定された。しかしながら、パケットはなおも衝突により失われかねない。さらに、ＢＳＳ内の全てのユーザが互いの範囲内とＡＰ内に存在することが簡単化のため仮定された。
【００５７】
３．単一チャンネルを有する単独アクセスポイント
このセクションは、とりわけ、いかにして単一キャリアＷＬＡＮのスループットが計算できるのかを明らかにする。説明上、サービスを要求する音声及びデータのユーザの総数をそれぞれＶ及びＤと考える。我々は、サブグループ内の全ての音声呼が本質的に同じチャンネル品質及びボコーダプロフィールを有する場合にＶの音声ユーザをＭのサブグループにグループ化する。サブグループ、望ましくは、ボコーダプロフィールはボコーダタイプ（例えば、Ｇ．７１１、Ｇ．７２３等）及びパケット化間隔（例えば、１０ｍｓ、２０ｍｓ等）を示す。この情報は、例えば、音声呼の開始中にＳＩＰ（Session Initiation Protocol）信号メッセージの構文解析をすることによりＡＰから容易に得られる。同様に、我々は、サブグループ内の全てのデータ呼が同じチャンネル品質を持っている場合にデータユーザをＮのサブグループへグループ化できる。一般に、データ呼は最善努力型であるとみなされるので、データ呼が（例えば、最小データ速度、最大データ速度、パケットサイズなどのような）トラフィックプロフィールを指定することはありそうもないことに留意する。そのようなプロフィールが実際に指定されるとしたら、トラフィックプロフィールを計算にいれるようなやり方でサブグループは形成される。そのようなサブグループ分割の最終的な影響はサブグループ内の全てのユーザが本質的に同じパケット送信時間を持つことである。ｉ番目の音声サブグループにおける音声ユーザの平均実効パケット送信時間をＴｉＶとして、そしてｉ番目のデータユーザのそれをＴｉＤとして表すものとする。実効送信時間はここではユーザデータの実際の送信時間に加えてオーバーヘッド時間を含む。
【００５８】
上記の８０２．１１  ＤＣＦの記述に基づいて、
【数１】
2008510326.tif 000003
【００５９】
【数２】
2008510326.tif 000004
【００６０】
【数３】
2008510326.tif 000005
【００６１】
上述のＴ０の３つの式はそれぞれ（ｉ）８０２．１１ｂ、８０２．１１ａ及び８０２．１１ｇのみ、（ｉｉ）ＣＴＳ―ｔｏ―Ｓｅｌｆを有する８０２．１１ｇ、及び（ｉｉｉ）ＲＴＳーＣＴＳを有する８０２．１１ｇのためのものである。Ｐｃｏｌは送信から送信まで独立していると見なされる衝突確率であり、８０２．１１ｂに対して１／３２、８０２．１１ａ及び８０２．１１ｇに対して１／１６に近似している。Ｎｍａｘは再送信の最大数である。ＴＰは生音声パケットを送信するのに必要とする時間である。ＴＬａｙｅｒｓはＲＴＰ／ＵＤＰ／ＩＰ／ＭＡＣ／ＰＨＹヘッダの送信に使われる時間である。ＴＡＣＫはアクナリッジメント（ＡＣＫ）の送信に使われる時間である。そして、Ｄは数秒間のコーデックパケット化間隔である。ＴｉＶの計算には音声パケットサイズが使われるが、ＴｉＤには平均データパケットサイズが使われることを除いて、ＴｉＶ及びＴｉＤもまた上記の式を用いて計算される。ところで、８０２．１１  ＤＣＦは等しい長期間チャンネルアクセス確率を全ての対立するノードに提供するので、上記システムに対する総サイクル時間は次のように与えられる（注：各ノードはこのサイクル中に１パケットを送信する）。即ち、
【数４】
2008510326.tif 000006
【００６２】
ただしａｉ及びｐｉは各ｉ番目の音声及びデータのサブグループにおける音声及びデータユーザの数である。ｉ番目の音声及びデータのサブグループに対するユーザデータパケットサイズがそれぞれＢｉＶ及びＢｉＤであれば、対応するスループットはそれぞれＢｉＶ及びＢｉＤとして与えられる。故に、与えられたキャリア上のすべての総システムスループットは次のように与えられる。即ち、
【数５】
2008510326.tif 000007
【００６３】
とりわけ、上記式を導くにあたり、長期スループットは注目された。短時間スケール（例えば、数百ミリ秒）に、８０２．１１  ＭＡＣは異なるユーザが異なるスループットを獲得できる場合において不公平さを示すことが知られている。例えば、上記参考文献［１５］参照。呼（λ）によって消費されたリソースの概念は許可制御で用いられる測定基準になると考えられる。本質的に、それは僅かな時間を示し、ＷＬＡＮシステムはユーザ「専用」となる。それがＷＬＡＮの音声容量をうまく予測することを示していた場合に、それは上記の参考文献［３］において本来計算されている。それらの解析において、基本の考えはマルコフ連鎖の４状態それぞれの条件付け及び状態に依存する実効送信時間の計算を含んでいた。概略を言えば、毎秒生成されるパケットの数とパケット毎に必要とされる時間との積がλとなる。
【数６】
2008510326.tif 000008
【００６４】
【数７】
2008510326.tif 000009
【００６５】
【数８】
2008510326.tif 000010
【００６６】
さらに、前述のとおり、他のトラフィックタイプを含めるようなこのアプローチの延長は、例えば、ＡＰがトラフィック特性の適度な知識を持つならば、かなり容易である。
【００６７】
４．多重チャンネルを有する単独アクセスポイント
このセクションでは、我々は、その処理時にＣ個のキャリアを有する単一アクセスポイントを考える。説明上、ユーザは音声ユーザ又はパケットデータユーザのいずれかであると考えることができる。ユーザがチャンネルへのアクセスを要求したとき、ユーザが許可されている場合は、ＡＰはどのチャンネルユーザに割り当てるかを決定する。簡単のため、先ず、Ｃ個のキャリアへＶ個の音声呼及びＤ個のデータ呼を最適に割り当てる問題を考えるとする。そのような問題がリアリティーをモデル化するためでなく簡単化のためだけに考えられていることは明らかである。実際には、呼はふつう非同期の方法で到来及び離脱する。故に、ＡＰは１ステップでユーザにチャンネルを割り当てる能力を持たない。全てのユーザについての知識を伴うチャンネル割り当てを解決するこのアプローチが如何にして、呼が非同期に発着する場合のチャンネル割り当て問題の解決を容易にする手助けになり得るかについては、我々は後述する。次のセクションにおいて、多数のチャンネルを用いる利点は、例えば以下で説明される超線形利得の可能性により容易に評価される。
【００６８】
ａ．複数のチャンネルの使用に基づく利得
複数チャンネルの使用に基づく利得を評価するために、１例として、３名のユーザから成る単純なＷＬＡＮシステムを考えることができる。３名のユーザ全てがＵＤＰ及び１５００バイトのパケットサイズを用いて有線ネットワークにデータを送っているとする。さらに第一のユーザのチャンネルデータ速度が１１Ｍｂ／ｓであり、第二のユーザのそれがは５．５Ｍｂ／ｓであり、第三のユーザのそれがは１Ｍｂ／ｓと仮定する。先のセクションの解析に次いで、１つのＵＤＰパケットを首尾よく送信するために必要とされる平均時間は約１．９９ｍｓ、３．１７ｍｓ、１３．９ｍｓである。
【数９】
2008510326.tif 000011
【００６９】
３チャンネルシステムでは、これらの各ユーザは１０．７Ｍｂ／ｓのスループットを達成するためにそれぞれ１つのチャンネルに設定できる。２つのチャンネルがある場合、最高のスループットを達成する組み合わせはユーザ１をチャンネル１に設定し、他の２名のユーザをチャンネル２に設定することである。結果のスループットは５．５Ｍｂ／ｓである。
【００７０】
図２は複数チャンネルを用いることで得られる具体的利得を示している。特に、図２は、複数チャンネルの使用の動機付けを明らかにしている総スループット（例えばバー）スケールを超線形的に示している。全てのユーザが同じデータ速度にあるときに可能となるそのような利得は存在しないことに留意する。しかしながら、現実世界の環境において、ＷＬＡＮユーザは異なるチャンネル状態に直面し、異なるチャンネル速度となる。そのような場合には、複数チャンネルはシステムの幅広い性能に対して顕著な改善を成すことができる。
【００７１】
そのような３名のユーザが複雑化されないためにこのチャンネル割り当てを考える場合には、そのようなユーザは、特に呼阻止率のような他の要素を考えるときに、一般事例に不適切に予測されるべきでないことに留意すべきである。
【００７２】
従って、このセクションが本発明者により導かれる研究に対する更なる動機付けを提供することを明らかにする必要がある。
【００７３】
ｂ．線形プログラムとしての最適チャンネル割り当て
先のセクションの記述を拡張すると、αｉｊをｊ番目の周波数キャリアに割り当てられるｉ番目の音声サブグループ中のユーザの数として示すものとする。同様に、βｉｊはｊ番目の周波数キャリアに割り当てられるｉ番目のデータサブグループ中のユーザの数である。これらの定義に従って、全ての呼が認められた場合、
【数１０】
2008510326.tif 000012
【００７４】
我々の課題の目指すものは許可されたユーザのＱｏＳ要求を満たしつつ最大の総システムスループットが達成されるαｉｊ及びβｉｊの値を見つけることである。ｊ番目のチャンネルのスループットは次のように与えられる。即ち、
【数１１】
2008510326.tif 000013
【００７５】
ただし、ＢｉｊＶ（ＢｉｊＤ）はｉ番目の音声（データ）サブグループ及びｊ番目のキャリアにおけるユーザのパケットサイズである。Ｔｊはｊ番目のチャンネルの総サイクル時間であり、単一ＡＰ、単一チャンネルの事例に類似した方法で計算される。Ｃ個のキャリア全てにわたる総スループットは次のように与えられる。
【数１２】
2008510326.tif 000014
【００７６】
強制ＱｏＳ制約に関して、我々は１より少ないリソース消費に関する合計制約は許可呼のＱｏＳ要求を満たすに十分であると考える。この推測は上記の参考文献［３］において正しいと証明されている。故に、異なるチャンネルにユーザを割り当てる問題は次の最適化問題として提起できる。即ち、
【数１３】
2008510326.tif 000015
【００７７】
次のものを条件とする。即ち、
【数１４】
2008510326.tif 000016
【００７８】
上記の定式化において、我々は目的関数中に阻止確率を含めた。音声及びデータ呼に対する阻止確率はそれぞれ
【数１５】
2008510326.tif 000017
【００７９】
である。定数θＶ及びθＤは正であり、音声及びデータ呼阻止確率の間のトレードオフを制御するためのノブと見なすことができる。最後に、定数ｗｉ及びｕｉはそれぞれ、許可対象音声及びデータユーザクラスのｉ番目のクラスの最小部分である。それが必要ならば、これらの定数もまた異なるクラスの間の優先及び公平の強化のためのノブと見なすことができる。我々は単純な線形プログラム（ＬＰ）として定式化できるように許可呼のＱｏＳを条件として許可呼の数を最大化する問題を定式化してきたことがここで観察できる。しかしながら、最適化変数αｉｊ及びβｉｊは整数で評価されるので、我々は整数ＬＰを解く必要がある。
【００８０】
ＬＰは内点手法を用いて非常に効率的に解けるが、他方では整数ＬＰを解くことは非常に計算が激しいことが知られている。例えば、上記の参考文献［１３］参照。他方では、好適実施形態において、我々は以下により重大に詳細に説明される発見的アルゴリズムを使う。問題の定式化に照らし本発明者はより低いλを有するグループからのより多くのユーザを許可する方向に沿う最適解を考えてきた。これが我々の発見的アルゴリズムＰＡＣＫの基礎である。目的関数の一部としてスループットの最大化を含められたことは注目に値する。しかしながら、我々はスループットの式が線形分数関数の合計であることに気づく。各線形分数はαｉｊ又はβｉｊの１つを除いて全てを０に設定することで最大化されることは簡単にわかる。
【数１６】
2008510326.tif 000018
【００８１】
より低いレベル及びより高いレベルの組はどちらも凸である（すなわち、それらは半空間である）から、線形分数関数は準線形である。しかしながら、線形分数関数の和は必ずしも凸ではない。実際、それは準凸であることさえも保証されない。例えば、上記の参考文献［１４］参照。我々はスループット最大化目標を試み、結果が非常に不安定になり、凸（又は凹）でない関数の最大化を示すことがわかった。数値結果の提示を伴う阻止確率及びスループット目標に関する追加コメントは以下に提示される。
【００８２】
ｃ．我々の発見的アルゴリズム（ＰＡＣＫ）の説明
とりわけ、発見的アルゴリズムを追求する２つの注目すべき動機がある。第一に、ＡＰが許可制御とチャンネル割り当ての動作の実行のために最適化ルーチンをいつも実行できるとは限らないかもしれない。第二に、最適化の枠組みは全ての呼が、多かれ少なかれ、同時にやって来て、それからＡＰはどの呼がどこに行くかを決定する必要があると仮定する。しかしながら、実際には、呼は非同期に到来し離脱する。故に、発見的アルゴリズムを適所に持つことはもしかすると実世界の状況を扱うために役立つことができる。説明上、これまで使われたモデルを考慮し続けるとする。すなわち、ＡＰはどのユーザがどのチャンネルに行くかを決定する必要がある。例えば、Ｎ個のユーザクラス及びＮ個のチャンネルを検討する。一般性を損なうことなく我々は、全てのユーザが音声ユーザであるとき、個々のスループットの降順、例えば、
【数１７】
2008510326.tif 000019
【００８３】
に配置されると仮定する。ＡＰがサービスを要求する全てのユーザを許可できると判断するなら、そのときＡＰは次のように進行する。ｉ番目のチャンネル上では、ＡＰはｉ番目のクラスからできるだけ多くのユーザを割り当てる。各クラスのユーザの数がそのクラスに対する単一チャンネル容量未満の場合には、流出トラフィックはない。そのような場合において、上記で行ったように異なるユーザグループの分離はスループット式における個々の線形分数関数の最大化と同様である。クラスのうちのいくつかにおけるユーザの数がそのクラスの対応する単一チャンネル容量を超える場合、いくつかの呼はこの割り当ての第１段階終了後に割り当てられていないままである。そのような場合において、ＡＰはクラス１から始動する、順次的な方法でユーザクラスのリストを検討する。例えば、何らかの割り当てられていない呼がチャンネル１で見つかったら、それらは最低のスループットを備えるユーザから成るチャンネル（チャンネルＮ）と組み合わせられる。チャンネルＮがふさがれているなら、それからそれらはチャンネルＮ−１などと組み合わせようとする。一旦チャンネル１からの全ての呼が割り当てられたなら、チャンネル２の呼に進み、Ｎから始まり、１までずっとデクリメントするチャンネルにそれらを組み合わせようとする。この後の基本的な原理は全てのユーザが割り当てられることが可能である場合、重要な目的が許可ユーザから見られるスループットの最大化になるということである。高スループットを有する流出ユーザと低スループットを有する流出ユーザを組み合わせることはリソースを効率的に使う１つの手段である。
【００８４】
ここで、Ｎ個のチャンネルはＮ個のクラス全てからのユーザ全てを受け入れることができないと考える。この場合、許可呼の数の最大化が関心目標となる。この場合、我々はリソース消費の昇順、即ち、λ１≦λ２≦・・・≦λＮに並び替えが行われるユーザクラスの並び替えリストを考える必要がある。我々はユーザクラス１から始めて、それらを可能な限り多く割り当て、クラス１の全ての呼が割り当てられたなら、我々はクラス２の呼などへ移動する。例えば、クラス１ユーザがＮ個のチャンネル全てを詰めれば、他の全てのクラスからのユーザは阻止される。しかしながら、他のいかなる方式はそれ以上のユーザを許可できる他の方式は存在しない。許可対象ユーザの最小分数は非ゼロであるという制約がある場合には、我々は上記の偏析方式で（可能であれば）最小数のユーザを許容できる。残りの呼は許可呼の数を最大化するように許可される。関連した話では、多重サブセットサム問題に関連しながら阻止確率を最小にするためのチャンネル割り当てを考えることができる。例えば、上記の参考文献［１５］参照。多重サブセット問題において、異なる重さを持つボール、例えばｇ１、ｇ２、・・・、ｇＮがあり、そしてその全てが等しい容量であるＮ個の箱がある。課題は個々の箱の容量を超えることなく、各箱の重さを最大化することである。この問題の解決はＮＰ困難であると知られている。故に、次のセクションで実証するように、ＰＡＣＫアルゴリズムは近最適性能を与えたより魅力的な解法である。
【００８５】
非同期的着呼及び発呼の場合にはＡＰはなおさら柔軟性を持たない。そのような場合、ＡＰは同じチャンネル状態を持つユーザを１つのチャンネルへ簡単に許可できる。全てのユーザが同一のトラフィックプロフィールを持つ場合にはこれは単純だが最適である。我々が数値結果において提示する結果はこのケースのためであると考えることができる。
【００８６】
５．多重チャンネルを有する多重アクセスポイント
多重アクセスポイントの場合には、単独ＡＰのために記載された方法は、例えば、全てのＣチャンネルがＡＰ間の干渉によって各ＡＰで使用可能ではないかもしれない変更に適用できる。これは、組織的方法で、例えば、セル間干渉及び周波数再利用に特別な注意を払うことによってエンドユーザによって殆ど展開されないのでかなり現実的なシナリオである。セルラシステムと無線ＬＡＮにおける周期的再利用間の重要な差はセルラシステムにおいて、干渉ユーザは、多かれ少なかれ、ノイズフロアーを高める影響を持っていることである。しかしながら、ＷＬＡＮにおいては、干渉信号がキャリア感知閾値以上の任意のレベルで受信されれば、ユーザはチャンネルが使用中であると推測し、それ故に送信を控える。故に、ＷＬＡＮユーザはこの期間中にゼロ速度を達成するが、セルラユーザは非ゼロ速度を依然として達成できると考えられる。
【００８７】
多数のＡＰが地理的区域において展開される場合に、我々は各ＡＰが任意の一定時間に利用可能チャンネルのサブセットのみを使う解決法を提起する。ＡＰは多重チャンネルを備えているので、ＡＰは各チャンネル上のキャリア感知動作を行うようになる。ある好適実施形態において、我々は各チャンネルの利用を計るためにそれらの動作を使うことを提案する。
【００８８】
例えば、ＡＰはＣ個の窓の各窓に関するチャンネルアクティビティの移動窓平均を維持できる。ただし、窓の長さは、例えば１０００万スロットのような大きな値であると考えられる。この具体的例は８０２．１１ｂの場合における約３．３分及び８０２．１１ａの場合における約１．５分の時間に相当する。一般的に言えば、ユーザ発着は分の時間スケールで生じる可能性があるので、より小さい時間窓に対するチャンネル負荷の追跡はそれほど有用ではないかもしれない。しかしながら、（例えば、均等な秒のような）より小さい時間スケールでチャンネル負荷を追跡することは必ずしも何らの付加的な利益を与えることがないと推測すべきでない。数学的に、我々がρiをチャンネルi（i＝１、２、・・・、Ｃ）上の負荷として表すとすれば、ｎ番目のスロット中では、
ｉ番目のチャネルが使用中の場合、
【数１８】
2008510326.tif 000020
【００８９】
ｉ番目のチャネルが使用されていない場合、
【数１９】
2008510326.tif 000021
【００９０】
上記の平均化において、Ｔは平均化のために用いられるＩＩＲフィルタの時定数と理解され、例えば１０７（すなわち、１０００万）であると理解される。Ｃの初期値は全てのチャンネルに対して０であると分かる。更に、ＡＰがそのスロットに対してチャンネルが使用中であることを感知していれば、又はそれがそのスロット中に送信していれば、チャンネルは使用中であると考えられている。これらの更新がなされた後、ＡＰは３チャンネルのどの1つを使用する必要があるか、例えば、３つ全てのチャンネル、２つのチャンネルだけ、１つのチャンネル又はどのチャンネルも使用すべきでないかを決定するためにＡＰは必要である。そのような意志決定のためのアルゴリズムは、例えば、以下のように進行できる。即ち、
ｏ  最初に、例えば、ＡＰが起動されると、それはその有効チャンネル集合、ΨのＣ個のチャンネル全てを含む。有効チャンネル集合の一部である任意のチャンネルはユーザへ割り当てるために考慮できる。
【００９１】
ｏ  ｎ番目のスロットの後に、（ρｉ＜Λ）ならば、
チャンネルiを有効チャンネル集合、すなわちΨに加え、
ほかに（ρi＞ΓかつCard（Ψ）＞０）ならば、集合Ψからチャンネルiを除く。
【００９２】
ただし、Λ及びΓは、例えば、主としてネットワークオペレータの管理下にある許可及び削除閾値（Λ＜Γ）であり、Card（Ψ）は集合Ψの濃度を表す。質的に、Λ及びΓの小さな値は、比較的、より少ないチャンネルが使われている場合を表し、一方、より大きな値は有効集合内のより多くの数のチャンネルを示す。
【００９３】
故に、各スロットの後、各ＡＰは使うべきチャンネルの正確な知識を持つことができる。使用対象チャンネルの合計数がＣ’であるならば、ＡＰはＣがＣ’に置き換えられた「Single Access Point with a Single Channel」と題されるセクションに記述された最適化を実行できる。この方法の利点のいくつかは次のものを含む。即ち、
ｏ  選択対象チャンネル集合は独立した方法によって決定できる。例えば、解決策は高分散解決法となり得る。
【００９４】
ｏ  各ＡＰはあまり付加されないと推測されるチャンネル集合に最適呼許可制御を局所的に実行できる。故に、この方法は多重ＡＰ間で調和リソース分割を促進する。
【００９５】
６．具体的数値結果
我々はいくつかの具体的例で我々の最適チャンネル割り当て方式の性能を実証する数値結果を示す。例えば、多重ＡＰの事例はチャンネルサブセット選択の付加的特徴だけを本質的に含むので、単独ＡＰと多重チャンネルの事例を解析することは少なくとも最初は、より有効な利用となる。全ての数値結果は音声のみのトラフィックの場合に、即ち、Ｄ＝０の場合に得られた。この選択はユーザの間の物理データ速度の差が一般的に単一チャンネルＷＬＡＮにおいて性能低下の根源となる状態を明らかにすることになった。故に、それらの言外の意味を理解することは、例えば、アプリケーションの混合のような他の目的に優先する。
【００９６】
ａ．ＩＥＥＥ  ８０２．１１ｂシステムに関する具体的結果
我々は最初に８０２．１１ｂシステムを考える。従って、直交チャンネルの数は３であると捉えられる。ユーザを区別するパラメータはチャンネル状態である。この典型的な研究において、我々は３つのユーザクラス、即ち、１１Ｍｂ／ｓのチャンネルデータ速度を持つものと、５．５Ｍｂ／ｓの他のものと１Ｍｂ／ｓの残りのものを取る。そのような最適化を伴わない実世界システムのための基準として寄与するため、我々はチャンネルへのユーザの連続許可を用いる。以下の段落では、我々はいくつか詳細に連続方法を説明する。即ち、
ユーザの連続許可：この事例は「通常の」ＡＰはある意味では到来呼に必要とされるリソース及び特定のチャンネルに残っているリソースに基づく許可制御のみを本質的に行うという意味で行うことを表すと考えられる。具体的に言うと、手続きは例えば、次のように機能する。即ち、呼要求が到着すると、ＡＰはこの呼（μ）に必要とされるリソースを計算し、このユーザがチャンネル１へ許可できるかどうか判断する。チャンネル１に既に許可されたユーザによって消費された正味リソース、即ち、Σ１が１−Σ１≧μならば、ユーザはチャンネル１へ許可され、Σ１はΣ１＝Σ１＋μとして更新される。そうでなければ、ＡＰはチャンネル２をチェックする。更に、再度失敗すれば、ＡＰはチャンネル３をチェックする。ユーザが３つのチャンネルのいずれにも許可されなければ、その呼は阻止呼であると扱われる。
【００９７】
上記から、到来順序が重要であることは十分理解できる。例えば、多くの１Ｍｂ／ｓユーザが他の誰かの前にシステムに到着していれば、彼らはチャンネルが与えることのできるリソースのほとんどを占有でき、故に後で到着したより高い速度のユーザを阻止する。同じ集団の大きさ及びユーザ分配に対して（例えば、１１のメンバ、５．５及び１Ｍｂ／ｓユーザに対して）、阻止確率は変えることができる。故に、具体的シミュレーションにおいて、我々は同じユーザ分配のため、１００００のランダムなユーザ到着パターンを生成し、１００００の値の平均値として阻止確率を計算する。同様に、我々は各ユーザのランダム到着パターンからスループットを測定し、１００００のそのような値の平均をとる。
【００９８】
最適割り当てポリシーは上記セクション４において記載された整数ＬＰを、例えば、ＣＰＬＥＸ最適化ツールを用いて解くことにより得ることができる。異なる割り当て戦略の性能を比較するため、我々は異なる負荷シナリオを考えた。例えば、［３５ ３５ ３５］で識別される具体的シナリオは１１Ｍｂ／ｓ、５．５Ｍｂ／ｓ、１Ｍｂ／ｓのデータ速度でそれぞれ３５名のユーザがいることを示す。これらユーザ、合計で１０５の音声ユーザは、ＡＰの支配権で３つのチャンネルへ許可を要求している。これら３つのユーザクラスに対するλ値は、ＩＴＵ  ４状態マルコフモデル、Ｇ．７１１コーデック及び３０ｍｓのパケット化間隔に対して、０．０３２、０．０３９２及び０．１０４に達した。これらのλ値によって、各ユーザクラスの容量は（例えば、他のユーザクラスは存在しないと仮定すると）３１、２５及び９にそれぞれ達する。故に、単一チャンネル上に、例えば３１の同時音声呼は音声ユーザが１１Ｍｂ／ｓの物理データ速度を持つ場合にはサポートでき、又は、例えば、２５及び９の同時呼は物理データ速度がそれぞれ５．５Ｍｂ／ｓ及び１Ｍｂ／ｓの場合にはサポート可能である。
【００９９】
この負荷シナリオに対する連続許可を考えるなら、平均して、例えば、約５１％の高い阻止確率を達成できることがわかる。対応するスループットは典型的な研究では６．４Ｍｂ／ｓに達している。とりわけ、そのような例において、３５名のユーザがいるが、具体的モデルはこれらユーザの各ユーザが有線ネットワーク内のノードと会話すると仮定する。故に、各無線ユーザは望ましくは一方は有線から無線へ、他方は無線から有線への２つのデータストリームに対応する。スループットを計算する際にこの２による乗算は考慮される。ＳＡのスループットを最適戦略と比較することによってＳＡは約７３％の高い阻止確率を持つだけでなく、スループットペナルティ受けることに我々は注目している。最適方式はより低い阻止確率を達成すると同時にほぼ４７％高いスループットを達成する。
【０１００】
図３及び４はこれらの典型的な結果をまとめている。特に、図３は８０２．１１ｂに関する最適、シリアル及びＰＡＣＫ戦略のスループット比較を示し、図４は８０２．１１ｂに対する最適、シリアル、及びＰＡＣＫ方式に関する阻止確率の比較を示す。
【０１０１】
我々は好適ＰＡＣＫアルゴリズムが最適ポリシーによって得られたものと同様なスループットと阻止確率を達成することに最初に注目している。図３は、例えば、［３０ ３０ ３０］、［３５ ３５ ３５］及び［４０ ４０ ４０］の３つの負荷シナリオに関する３つのチャンネル全体にわたる総スループットを示す。そこでは、３つの事例の全てにおけるスループットがＳＡ方式に関して６．４Ｍｂ／ｓで飽和していることが理解できる。減少しないでスループットが飽和した理由はＳＡ方式においてさえ、我々はなるべく許可制御を行っているからである。一旦正味リソース消費が１に近づけば、誰一人ユーザは許可されない。
【０１０２】
このような負荷体制全体に渡って、最適方式のスループットはランダム到達を伴うＳＡ方式よりも約６０％高い。次の関心測定基準は図４に示される阻止確率である。再度、ＳＡ方式は、例えば、最適方式よりも約７５％高い阻止確率程度に達する。これらの結果は、例えば、ＰＡＣＫアルゴリズムによって行うことができるようにチャンネル品質に基づいて、例えばプールユーザの数を明確に示している。
【０１０３】
我々はこれからチャンネルタイプ別の阻止ユーザの数を考える。図５は整数ＬＰを解くことにより得られるように阻止ユーザの数をプロットしている。具体的には、図５は最適及びＰＡＣＫに関する８０２．１１ｂにおけるタイプ別の阻止呼の数を示している。図示のように、この場合により低いチャンネルデータ速度に変換されるより高いλを持つユーザは、もっとも阻止されているユーザとなる。３つの負荷事例全てに対して、ＰＡＣＫは実質的に同一のチャンネル割り当てを最適として求めた。従って、我々が最良のチャンネル状態を有するユーザを選ぶときに最大数の呼が許可できることが実証されている。
【０１０４】
ＳＡの場合において、図６に示されるように、異なるユーザクラスに関して格差が見られないから、全てのクラスは同じ数の阻止呼を経験する。具体的には、図６はシリアル割り当てに関する８０２．１１ｂにおけるタイプ別の阻止呼の数を示す。さらに、許可呼の数は与えられたチャンネル容量に関して実質的に一定のままである。故に、負荷が増えるにしたがって、阻止呼の数は本質的に同量だけ増える。例えば、我々が［３０ ３０ ３０］から［３５ ３５ ３５］まで進むと図６の各バーが５だけ増える。スループット対阻止確率の比較に関して、最適及びＰＡＣＫに関するスループットが高くなると結果として許可ユーザの数が高くなると主張するかもしれないが、よりよいチャンネル状態を有するより多数のユーザが許可されるという事実がより優れた性能を達成する。
【０１０５】
前述の結果は、任意のクラスにおいて許可されたユーザの最小分数が０に設定されるという仮定に基づいていた。これは、例えば、阻止呼の数が１Ｍｂ／ｓユーザに対しては非常に多い理由である。その目的のために、我々は許可対象ユーザの最小分数（我々の系統的論述においてはｗｉ）の制約を全てのユーザに対して、例えば、１／３に変更することを検討できる。最適ポリシーに関するタイプ別の阻止呼の結果数が図７に示されている。特に、図７は各クラスにおける許可対象呼の最小分数が１／３に設定されるときに最適方式に関するタイプ別の阻止呼の数（公平に最適のためのタイプ別の阻止ユーザの数）を示す。実証されるように、１Ｍｂ／ｓ以外のユーザも同様に阻止される。しかしながら、最適ポリシーは最小数の低速ユーザを許可するに過ぎず、できるだけ多くの残りの高速ユーザを許可することに留意する。さらに、ｗｉ＝０のときに総スループットが増加するのとは対照的に負荷が［３０ ３０ ３０］から［３５ ３５ ３５］乃至［４０ ４０ ４０］へと変化した際に、スループットは実際には８．１Ｍｂ／ｓから８Ｍｂ／ｓへ７．６Ｍｂ／ｓへと減衰した。この影響はこのシステムに許可されている低データ速度を持つユーザのより大きな分数によって説明できる。
【０１０６】
ｂ．ＩＥＥＥ  ８０２．１１ａシステムに関する具体的結果
このセクションでは、我々はＩＥＥＥ  ８０２．１１ａシステムに関する具体的結果を提示する。前述の通り、８０２．１１ａ標準規格は我々に１２個のチャンネルを持つことを可能にする。さらに、８０２．１１ａにおいて使われるデータ速度の数は８０２．１１ｂにおいては３であるのに対し、８である。いくつかの例として、我々は１２のチャンネルのうち８つだけが使われる場合の結果を示す。８０２．１１ａシステムにおいてサポートされる８つの異なるデータ速度は６、９、１２、１８、２４、３６、４８及び５４Ｍｂ／ｓを含む。それらのデータ速度に対応する単一チャンネル音声容量はそれぞれ５１、６９、８１、１００、１１３、１３０、１４２及び１４５である。ここで、我々は次の８０２．１１ａに関する３つの負荷シナリオを定義できる。
【０１０７】
シナリオＡ：データ速度毎のユーザ数がその速度を持つ単一チャンネル容量に対応する（例えば、負荷ベクトルは［５１、６９、８１、１００、１１３、１３０、１４２、１４５］である）。
【０１０８】
シナリオＢ：データ速度毎のユーザ数が１４５に等しい。
【０１０９】
シナリオＣ：データ速度毎のユーザ数が２００に等しい。
【０１１０】
これらのシナリオの各々に対する結果は図８及び９で見られる。特に、図８は８チャンネルＩＥＥＥ  ８０２．１１ａシステムにおける全てのチャンネルにわたる総スループットを示し、図９は８チャンネルＩＥＥＥ  ８０２．１１ａシステムにおける負荷関数としての阻止確率を示す。
【０１１１】
最初に、再度、ＰＡＣＫアルゴリズムが最適のものとほとんど同一の性能を達成することが理解できる。更に、負荷がデータ速度に対応するユーザ数がそのデータ速度に関する単一チャンネル容量（例えばシナリオＡ）に等しくなるようなときには、到着の順番は必ずしも重要でない。これはＳＡ、最適及びＰＡＣＫが全て同じ性能を達成できることを意味する。これは次のように説明できる。箱詰め問題としてユーザ許可をチャンネルと比較するならば、一定の箱及びボールのサイズに関して（例えば、異なるボールは異なるサイズにできる場合、しかしそれら全ては小さくなる必要がある場合）、ボールの総数が箱の総容量を超えないと仮定すれば、ボールが選ばれた順序に関わらず箱詰めできる。
【０１１２】
次に、我々はより高い負荷シナリオに移行するにつれて、我々はＳＡがスループットペナルティを受け始め、一方で最適及びＰＡＣＫ戦略が実際にスループットの増加を見ることになることが解る。この低下についての理論的説明は低チャンネル速度を有するユーザの数がシナリオＡからＢ乃至Ｃへと増加することに注意することで理解できる。チャンネルの容量が一定であるから、これら低速度ユーザ（例えば、高いリソース消費者）が高データ速度ユーザより先に到着する確率が増加する。故に、より多数の高速ユーザが阻止され、より多数の低速度ユーザが許可される。ＳＡ方式は全てのユーザを一様に許可するのに対して、最適戦略はよりよいチャンネル状態を持つユーザのより大きい分数を受け入れる。同じ概念が、例えば、２００のユーザが各データ速度から取り込まれる場合まで拡張する。
【０１１３】
３つのシナリオの各々毎に各データ速度で許可されたユーザの数は８０２．１１ｂの結果と一致した。ＳＡは本質的に全てのユーザを一様に阻止する一方で最適及びＰＡＣＫは低データ速度ユーザのほとんどを阻止することが実証された。とりわけ、８０２．１１ｂと違って、８０２．１１ａに関するＰＡＣＫ割り当ては最適割り当てと若干異なり最適よりもおよそ合計で３から４多いユーザを阻止することになる。
【０１１４】
ｃ．ＩＥＥＥ  ８０２．１１ｂと共存するＩＥＥＥ  ８０２．１１ｇに関する具体的結果
上述の通り、ＩＥＥＥ ８０２．１１ｇシステムはＩＳＭ帯域で動作し、８０２．１１ｂ機器との互換性が後退すると考えられる。８０２．１１ｂ端末が無い場合、８０２．１１ｇのユーザはＯＦＤＭ使用を何らの保護機構を用いないで使うことができる。それ故に、ＩＥＥＥ  ８０２．１１ｇのみのシステムにおける性能及び呼搬送容量は、８０２．１１ａシステムのものと実質的に同一である。従って、８０２．１１ａに対してここに提示された結果は８０２．１１ｇのみのシステムに実質的に同一に適用する。しかしながら、例えば、前述の２つの保護方式のため８０２．１１ｂ及び８０２．１１ｇが混合したシナリオを考える場合には状況は異なる。
【０１１５】
説明のため、我々は、その全てのメンバが１１Ｍｂ／ｓであり、有線ネットワーク上でノードと音声通信している８０２．１１ｂユーザの１つのグループと、この８０２．１１ｂユーザグループに加えて、８０２．１１ｇユーザの２つのグループがある場合を考える。この例では、８０２．１１ｇの第１のユーザグループは１４５のユーザから成り、その全てはＣＴＳ―ｔｏ―Ｓｅｌｆ保護機構を使用する。他方、第二のグループは１４５のユーザから成り、その全てはＲＴＳ―ＣＴＳサイクルを使用する。番号１４５は８０２．１１ｇ唯一システムの単一キャリア音声容量であるから、番号１４５はこの例において選ばれる。同様に、３１の８０２．１１ｂユーザは１１Ｍｂ／ｓで単一ユーザ容量に対応する。ＣＴＳ―ｔｏ―Ｓｅｌｆを持つ８０２．１１ｇシステムは５７の音声呼をサポートできるが、それはＲＴＳ―ＣＴＳ保護が使用されると８０２．１１ｇシステムは４１の呼しかサポートできない。これらの数は、８０２．１１ｂ及び８０２．１１ｇが共存する場合、８０２．１１ｇパケットを伝えるために必要とされる実効時間が、特にＲＴＳ―ＣＴＳの保護状況のために著しく増加することを直接反映する。この場合、ユーザのグループ化は８０２．１１ｂユーザの全てが第１のチャンネルに割り当てられ、８０２．１１ｇ  ＣＴＳ―ｔｏ―Ｓｅｌｆユーザの全てが第２のチャンネルに割り当てられ、さらに８０２．１１ｇ―ＲＴＳ―ＣＴＳユーザの全てが第三のチャンネルに割り当てられることになる。ここで、第二及び第三のチャンネルのいずれにも８０２．１１ｂユーザは存在しないので、８０２．１１ｇユーザはＣＴＳ―ｔｏ―Ｓｅｌｆ又はＲＴＳ―ＣＴＳ手順を使用する必要がない。従って、我々は各チャンネルにおいて１４５のユーザ全てをサポートできる。３１の８０２．１１ｂユーザも単一チャンネルによってサポートできるので、我々はグループ化が０阻止確率を達成することに気づく。対応するスループットは約４０Ｍｂ／ｓとなる。
【０１１６】
ＳＡ戦略を使用することになっていたならば、阻止確率は約６０％に近づくとことが分り、さらにスループットはほぼ１７Ｍｂ／ｓである。この実行はユーザのグループ化が性能向上の観点からカスケード効果をどのように引き起こすかを示す。８０２．１１ｂ及び８０２．１１ｇユーザがリソースの消費に基づき析出できるという事実は、８０２．１１ｇシステムの高スピード能力の十分に活用する間接的利益を導いた。
【０１１７】
７．具体的呼セットアップ課題
我々は適切なチャンネルへユーザを許可するためにＡＰ及びモバイルによって使用できる２つの可能な方法を記述する。第一の方法は標準規格のサポートを一切必要としないが、第２の方法は８０２．１１の管理メッセージにいくつかの変更を行うことができると仮定している。
【０１１８】
直接の関連：局はＡＰによって送信されたビーコンを用いてＣ個のチャンネルそれぞれにおけるＳＮＲ（signal―to―noise ratio）を測定する。局はＳＮＲの降順にチャンネル番号を順序付ける。局は（他のチャンネルの品質又はトラフィックタイプ／特性を示さないで）最も強いチャンネルについての関連付けメッセージを送信する。関連付け応答が受信されなければ、それは次のチャンネルを順に試し、以下同様にする。ＡＰは現在のチャンネル上の合計のリソース消費が１未満である限りは関連付け要求を受信すると関連付け応答を送ることになる。それが首尾よくＣ個のチャンネルのうちの１つに許可されたなら、局はトラフィックの送信及び（又は）受信を始めることになる。この段階で、局が音声呼で通話中であれば、ＡＰはコーデックタイプ、間隔サイズなどの情報を得るためにＳＩＰ信号メッセージを構文解析できる。同様に、データトラフィックに関しては、それはＴＣＰによって用いられるＭＳＳ（maximum segment size）を決定できる。これらのパラメータを用いると、ＡＰはこの呼によって消費されるリソースを決定できる。更に、望ましくはここに記載の最適化方法を用いることで、ＡＰはこの局に対して正確なチャンネルを決定できる。これを決定すると、ＡＰは望ましくはユーザを現在のチャンネルに保ち続けるか、現在のチャンネルから局を関連付け解除するかを行い、この局が正確なチャンネルに関連付け要求を送った場合にのみ関連付け応答を送る。
【０１１９】
この方法の１つの潜在的な欠点は呼セットアップ中の待ち時間となり得る。局は、２回チャンネルのそれぞれを順次に試す必要があるかもしれない。即ち、ＡＰがユーザをチャンネルへ最適に割り当てるために必要とする全ての情報を持つと仮定すれば、初回はＡＰがトラフィック情報を得るために、２回目は正確なチャンネルに割り当てるために試す必要があるかもしれない。８０２．１１ｂの場合には、３チャンネルしかないから、待ち時間は１２チャンネルを持つ８０２．１１ａと比べて高くないかもしれない。しかしながら、待ち時間は呼セットアップ段階のみにあるから、標準のメッセージフォーマットに対する変更の強制を回避できるようにすることは魅力のある解決策になるかもしれない。
【０１２０】
測定リストを用いる関連付け：システムリソースを必要とする局は異なるチャンネル上のビーコンをＣ個のチャンネルそれぞれにあわせ、最も強い受信ビーコンに対応するＡＰを選択することで監視できる。それからそれはそのチャンネル上のＡＰに関連付けメッセージを送ることができる。ＡＰは関連付けメッセージを受け取り、（全てのＣチャンネルに対して）そのメッセージの内部の信号強度測定及びトラフィッククラス（例えば、音声、データ）サブフィールドを用いることによって、そのチャンネルにユーザを許可するかどうかを決定する。とりわけ、８０２．１１標準関連付けメッセージはそのような意思決定をサポートするために修正する必要があると考えられる。これに関して、ＡＰが同じチャンネル上でユーザを許可する決定をするなら、それは望ましくは関連付け応答メッセージ内でそのように言うことになる。しかしながら、ＡＰが別のチャンネル上にユーザを許可すると決定するなら、それは望ましくは関連付け応答メッセージ内で対応するチャンネルを指示することになる。
【０１２１】
発明の広い範囲
発明の具体的実施形態が説明してきたが、この発明はここに記載された種々の好適実施形態に限定されないが、この明細書に基づいた技術のものによって分かるように等化な素子を持つ任意及び全ての実施形態、変形例、削除、（種々実施形態の態様の）組み合わせ、適応及び／又は変更を含む。請求項における限定は請求項で使用されている言語に基づいて広く解釈されるものであり、この明細書に又は出願の継続中に記載され、非排他的となるように構成される例に限定されない。例えば、この明細書では、用語「好ましくは」は非排他的であり、「好ましいが限定されない」ことを意味する。この明細書に及びこの出願の継続中において、手段プラス機能又はステッププラス機能の限定は特定の請求項の限定に対して次の条件、即ち、ａ）「ための手段」又は「ためのステップ」が明確に記載され、ｂ）対応する機能が明確に記載され、そしてｃ）構成、物質又はその構成を裏づけする作用が記載されていないことがその限定に含まれる。この明細書において及びこの出願の継続中での言語「本発明」又は「発明」はこの明細書内で1以上の態様を参照として使用してもよい。言語本発明又は発明は臨界の識別として不適切に解釈されるべきでなく、全ての態様又は実施形態に渡って適用するように不適切に解釈されるべきでなく（即ち、本発明が多数の態様及び実施形態を有することは理解されるべきである）、そして出願又は請求項の範囲を限定するように不適切に解釈されるべきでない。この明細書において及びこの出願の継続中において、用語「実施形態」は任意の態様、特徴、プロセス又はステップ、それらの任意の組み合わせ及び／又はそれらの任意の部分などを説明するために使用できる。ある例では、種々の実施形態が重複する特徴を含んでもよい。この明細書では、略語、「例えば」を表すe.g.が使用されている。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】ｐ１＝０．４、ｐ２＝ｐ３＝０．５の４状態マルコフ連鎖としてモデル化された対話型音声を示す概要図である。
【図２】多数のチャンネルを用いることで達成できる具体的利得を示すグラフである。
【図３】８０２．１１ｂに対する最適、シリアル及びＰＡＣＫ戦略の具体的スループット比較を示すグラフである。
【図４】８０２．１１ｂに対する最適、シリアル及びＰＡＣＫ方式の具体的阻止確率の比較を示すグラフである。
【図５】最適及びＰＡＣＫに対する８０２．１１ｂにおけるタイプ別の具体的阻止ユーザの数を示すグラフである。
【図６】シリアル割り当てに対する８０２．１１ｂにおけるタイプ別の具体的阻止ユーザの数を示すグラフである。
【図７】各クラスにおいて許可呼の最小分数が１／３に設定された場合の最適方式に対するタイプ別の具体的阻止呼の数を示すグラフである。
【図８】８チャンネルＩＥＥＥ  ８０２．１１ａシステムにおける全てのチャンネルにわたる具体的総スループットを示すグラフである。
【図９】８チャンネル８０２．１１ａシステムにおける負荷作用としての愚痴的阻止確率を示すグラフである。
【図１０】８０２．１１ｂ、８０２．１１ａ及び８０２．１１ｇにおける注目すべき定数の具体的まとめを示す表である。
【図１１】具体的かつ限定されない例として有線ネットワークに接続されるアクセスポイントを介して無線で通信する複数局を示す構造図である。
【図１２】いくつかの実施形態に従った多数のチャンネル上で通信するトランシーバを持つアクセスポイントを示す構造図である。
【図１】
2008510326.tif 000022
【図２】
2008510326.tif 000023
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008510326.tif 000027
【図７】
2008510326.tif 000028
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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