(57)【要約】既存の無線アクセスリソース（時間、帯域幅、コードスペース、電力）、プロトコル、および基地局インフラストラクチャを使用して、基地局間の無線のメッシュバックホールを使用可能にするために使用できるアクセス端末ルーティング機能が提供される。したがって、本発明は、有線または特化された無線バックホールなしでスタンドアロンの基地局を追加することにより、既存のネットワークのカバレッジを拡張する手段を提供する。
2011518493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つのアクセス端末および少なくとも２つの基地局を含む無線通信システムにおける、前記アクセス端末を介して第１の基地局と第２の基地局との間に通信パスを提供する方法であって、
前記第１および第２の基地局双方の送信／受信機能を補足する送信／受信機能を前記アクセス端末に提供するステップと、
前記アクセス端末に、前記第１の基地局によって送信されたメッセージを受信させ、次に前記メッセージを前記第２の基地局に再送信させるステップとを備える、方法。
【請求項２】
アクセス端末およびネットワークが相互にネゴシエートして協調できるようにする許可プロトコルを提供するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記アクセス端末は別個のモードで操作できるようにされ、第１のモードは第１の基地局からのメッセージの前記受信および前記第２の基地局への前記メッセージの再送信であり（これ以降「バックホールモード」）、第２のモードは前記基地局の少なくとも１つによって送信されたメッセージを受信し、次いで応答メッセージを前記少なくとも１つの基地局に送信する（これ以降「アクセスモード」）、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
エアインターフェイス・リソースはデバイスプロトコルの単一セットを使用して前記アクセスモードとバックホールモードとの間で動的に共有される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
無線媒体を介して２つ以上の独立したデータのストリームを２つ以上の基地局に同時に送信するために確立されたアクセス端末であって、各データストリームは異なる基地局に送信される、アクセス端末。
【請求項６】
２つ以上の独立したデータストリームを前記アクセス端末がデータを送信している基地局から同時に受信するためにさらに確立された、請求項５に記載のアクセス端末。
【請求項７】
アップリンクおよびダウンリンクは周波数分割二重である、請求項６に記載のアクセス端末。
【請求項８】
前記アクセス端末と前記第１および第２の基地局のいずれかとの間で送信された制御シグナリングに基づいて各アップリンク−ダウンリンクチャネルペアでサポート可能なデータ転送速度の前記アクセス端末による決定をさらに含む、請求項６に記載のアクセス端末。
【請求項９】
前記アクセス端末は、前記アクセス端末による前記バックホールモードの操作の要請に応答して前記サポート可能なデータ転送速度をレポートする、請求項８に記載のアクセス端末。
【請求項１０】
前記第１および第２の基地局の少なくとも１つはフェムトセルであり、前記アクセス端末は前記フェムトセルを自動構成するためのシグナリングおよび制御を提供する、請求項６に記載のアクセス端末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、本明細書において参照により主題が全体として援用される２００８年４月２日に出願された「ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＲＯＵＴＩＮＧ  ＶＩＡ  ＡＣＣＥＳＳ  ＴＥＲＭＩＮＡＬＳ」と題する米国仮特許出願第６１／０７２，７０４号に対し米国特許法第１１９（ｅ）条により優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、通信システムに関し、さらに詳細には、無線通信システムにおいてトラフィックをルーティングするためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
標準的な無線アクセスネットワークは、有線リンク（銅、同軸ケーブル、ファイバ）を使用して中央コントローラ（無線ネットワークコントローラ／基地局コントローラ）に接続された複数の基地局（アクセスポイント）で構成される。無線ネットワークコントローラは、回路交換機またはパケットデータルータに戻って接続されるが、これはさらに有線電気通信インフラストラクチャ（コアネットワーク）に接続される。この従来の階層ネットワークを図１に示す。
【０００４】
現在のネットワークの標準的な基地局の配置において、各基地局からコントローラ、さらにコアネットワークへの有線接続が通常必要とされる。大多数の事例において、これらの有線リンクは、Ｔ１、Ｅ１、イーサネット、またはファイバリンクである。場合によってはまれに、別個のスペクトルを使用する特化された専用の見通しマイクロ波リンクが採用されることもある。そのような専用のバックホール接続の実施は通常、高価である。専用のバックホール接続を確実に、または経済的に実施することができない既存のネットワークには、基地局のペアがある場合もある。したがって、バックホールの費用を軽減するための代替的手法を考慮することには価値がある。１つのそのような代替的手法は、基地局自身の間の無線バックホールリンクを何らかの形で提供し、それによりバックホール通信パスを提供することである。さらに、別個のスペクトルおよび特化された機器を、そのようなバックホールに専用にしないことが望ましいと考えられる。
【０００５】
基地局の障害分離およびトラブルシューティングの場合において、現在のセルラーネットワークの技法は、多種多様なソースからの情報を相関させることができるネットワークオペレータの機能に依存する。非常に多くの場合、バックホール接続は、サードパーティ・サービスプロバイダからリースされる。往々にして、サービス不足が基地局から検出される場合、根本的原因は、数時間にわたり、それ以上長くなければ、有線ネットワークまたは基地局ＲＦチェーンに対して明確に分離することはできない。現在、バックホールが誤動作している可能性がある場合、影響を受ける基地局にリモートにログインするために使用可能な機構は他にない。誤動作している基地局を確認または除外するために、技術者によるサイト訪問が必要とされる。この非常に高価なサイト訪問は、別の機構がリモートに基地局を診断するために使用可能にされた場合、回避することもできる。
【０００６】
さらに、インフラストラクチャ・ノード（基地局またはアクセスポイント）の実際の数は、数桁ずつ増大する傾向がある。通常、今日の大規模サービスプロバイダ・ネットワークはそれぞれ、基地局が位置する５０，０００を超えるセルサイトで構成される。そのような数が１００倍の約５００万にまで増大すると予想することは、非現実的なことではない。そのような膨大数の基地局は、真にユビキタスなデータカバレッジ（通信可能範囲）を確実にするために必要とされる。また、これらの新しいアクセスポイントの多くは、コアネットワークへの有線バックホールでは容易にサポートできないこともありうる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
背景技術の節で説明された問題に対処するため、発明者は、本明細書において、無線技術を使用した基地局（アクセスポイント）間でアクセス端末（ＡＴ）を介してパケットをルーティングするための方法論を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
例示の実施形態において、アクセス端末ルーティング機能は、既存の無線アクセスリソース（時間、帯域幅、コードスペース、電力）、プロトコル、および基地局インフラストラクチャを使用して、基地局間の無線のメッシュバックホールを提供するために使用されてもよい。したがって、有線または特化された無線バックホールなしでスタンドアロンの基地局を追加することにより、既存のネットワークのカバレッジを拡張する手段が提供される。
【０００９】
原則的に、本発明の方法論によれば、ＡＴは、要求された場合には「プロキシルータ」として機能することができる。ＡＴを使用して基地局間でパケットをルーティングする機能は、基地局を構成して制御するためのさらなる柔軟性、および既存のバックホールに輻輳または障害が生じた場合の冗長性をもたらす。
【００１０】
本発明によれば、アクセス端末ルーティング機能は、周波数分割二重（ＦＤＤ）無線システムにおいてネットワーク統合およびより効率的なリソース割り振りをもたらし、しかもアクセス端末の費用および複雑さを低く抑える。本発明の手法の特定の利点はまた、時分割二重（ＴＤＤ）システムにおいても実現される。
【００１１】
もう１つの実施形態において、すべて無線のネットワーク（有線または特化された無線のバックホールを持たない）は、エアインターフェイス・リソースがアクセス・プロトコルの単一セットを使用してアクセス機能とバックホール機能との間で動的に（オンデマンドおよび随時）共有される場合に実現されてもよい。高いデータ転送速度のバックホールを達成するために、複数のアクセス端末が並行して使用されてもよい。
【００１２】
さらなる実施形態において、アクセス端末の所有者（無線ネットワークオペレータの顧客）が、各自のデバイスの使用をネゴシエートして、各自のデバイスを介して基地局をリンクすることによりネットワークオペレータへの接続サービスを提供するサービスモデルが説明される。
【００１３】
さらにもう１つの実施形態において、ＡＴルーティング機能を使用可能にする現行のＥＶＤＯエアインターフェイス規格への新しい拡張が提供される。ＡＴが、アップリンクおよびダウンリンクで同時に異なる基地局と通信できるようにして、それによりＡＴを介する基地局間の無線リレーおよびメッシュネットワーキングを可能にするため、現行のＥＶＤＯ規格は、追加のエアインターフェイス・リソース（電力制御、時間および周波数）管理および協調により機能強化される。
【００１４】
さらなる実施形態において、本発明により提供されるＡＴルーティングおよび中継機能は、ＬＴＥ、ＵＭＢ、およびＷｉＭＡＸのような第４世代携帯電話規格向けに検討されている新しいＯＦＤＭベースのエアインターフェイス技術まで拡張されてもよい。
【００１５】
ＩＰアドレス指定可能な基地局およびＩＰアドレス指定可能なアクセス端末を可能にさせるネットワークの進歩は、これらのネットワーク要素間のシームレスなＩＰルーティングを拡張するための理にかなった基礎をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】階層無線ネットワークを示す概略図である。
【図２】パケットデータ無線アクセスネットワークを概略的に示す図である。
【図３】第１の基地局のリレーとして機能する第２の基地局を示す図である。
【図４】２層メッシュネットワークを概略的に示す図である。
【図５】フラットな１層メッシュネットワークを概略的に示す図である。
【図６】８０２．１１ｓ規格のメッシュネットワークを形成するさまざまなネットワーク要素を示す図である。
【図７】例示的なＩＥＥＥ８０２．１６ベースのメッシュネットワークを示す概略図である。
【図８】８０２．１６ｊ（Ｍｏｂｉｌｅ  Ｍｕｌｔｉ−ｈｏｐ  Ｒａｄｉｏ）規格に従って提供されるネットワークを示す概略図である。
【図９】８０２．１５．ｘ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）規格に従って提供されるネットワークを示す概略図である。
【図１０】本発明の方法によるアクセス端末の操作を概略的に示す図である。
【図１１】本発明によるリレー操作において標準的なプロトコルスタックに沿って横断するパスを示す図である。
【図１２】本発明の方法においてＡＴルータと通信基地局との間の基礎となるエアインターフェイスリンクおよび高レベル情報交換を概略的および機能的に示す図である。
【図１３】本発明の基本ネットワーク要素を示す概略図である。
【図１４】本発明により実施される例示的なルーティングネットワークを示す概略図である。
【図１５】本発明により実施される例示的なメッシュネットワーク機能を示す図である。
【図１６】本発明により実施されるもう１つの例示的なルーティングネットワークを示す概略図である。
【図１７】基本のタイプＡおよびタイプＢのネットワークデバイスの機能を組み合わせ、デバイスタイプＣとも称されるネットワークデバイスを概略的に示す図である。
【図１８】本発明により実施されるさらなる例示的なルーティングネットワークを示す概略図である。
【図１９】本発明の方法論を介して実施される室内のカバレッジ拡張を概略的に示す図である。
【図２０】本発明の方法論を介して実施される単一ホップを使用したレンジおよびカバレッジの拡張の例示的な事例を概略的に示す図である。
【図２１】本発明の方法論を介してタイプＣデバイスを中間リレーとして使用したレンジ拡張のさらなる実施態様を概略的に示す図である。
【図２２】本発明の方法論を介してレンジ拡張の代替的なさらなる実施態様を概略的に示す図である。
【図２３】本発明の方法論を介して提供される一時的な通信カバレッジの例示的な事例を概略的に示す図である。
【図２４】本発明の方法論を使用した自動構成およびＲＦ最適化のためのマクロセルおよびピコまたはフェムトセルの間の協調を示す概略図である。
【図２５】固定インフラストラクチャの事例において本発明の方法論を介した障害／パフォーマンス管理機能を示す図である。
【図２６】移動体の事例において本発明の方法論を介した障害／パフォーマンス管理を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
無線アクセスネットワークは、（回線交換とは対照的に）パケット交換、およびインターネットプロトコルのエンドツーエンド使用に向けて進化しつつある。そのような進化型パケットデータ無線アクセスネットワークを図２に示す。進化型アクセスネットワークは、エッジルータ（ゲートウェイとして知られる）を介してコアパケットデータネットワークに接続するＩＰアドレス指定可能な基地局で構成される。進化型基地局とゲートウェイとの間のインターフェイスは、ＩＰインターフェイスである。（基地局に統合されるか、またはスタンドアロンのネットワーク要素のいずれかであってもよい）アクセスネットワーク内のその他のシグナリングおよび制御エンティティもまた、ＩＰプロトコルを使用する。
【００１８】
アクセスネットワークの操作をサポートするコアネットワーク内のエンティティは、ＩＰベースのネットワーク上でマルチメディアサービスを供給するためのＡＡＡサーバおよびＩＭＳ（ＩＰマルチメディアサブシステム）ノードを含む。図２の上部の分岐は、現在配置されているＥＶＤＯネットワークの要素を示す。
【００１９】
現在、アクセス端末と基地局との間のエアインターフェイス・プロトコルもまた、パケット化およびインターネットプロトコルの使用が増大する方向に進化し続けている。進化型アクセス端末はＩＰアドレス指定可能であり、進化型エアインターフェイス・プロトコルは、これらのアクセス端末と基地局との間のインターネットプロトコルをサポートする。
【００２０】
アクセスネットワークが進化し続けるもう１つの方向は、メッシュ／リレー機能をサポートすることである。メッシュネットワークは、ネットワークノードが複数のパスに沿って接続される（または接続されうる）ネットワークである。リレーは、あるエンティティから別のエンティティへ（たとえば、基地局からアクセス端末へ、およびその逆に）データを無線で転送する特化されたネットワーク機器である。図３は、ＢＳ１のリレーとして機能するＢＳ２を表す例を示す。ＢＳ間の通信は、有線のバックホールまたは見通し（ＬＯＳ：ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ）マイクロ波無線リンクを介して行われてもよい。
【００２１】
メッシュネットワークは、２層メッシュネットワーク、およびフラットな１層メッシュネットワークという２つの主要なカテゴリに分類される。図４に示される２層メッシュネットワークにおいて、第１のレイヤは相互接続されたメッシュ基地局のセットを形成する。引き続き通常モードで機能するアクセス端末には、変更はない。アクセス端末は、メッシュ機能を備えていない。図５に示されるフラットな１層メッシュネットワークにおいて、すべての端末は、メッシュノードとなることができる。基地局とアクセス端末の区別はない。各ノードは、基地局およびアクセス端末のいずれとしても機能する。
【００２２】
無線メッシュおよびリレーネットワークは、現在、ＩＥＥＥ８０２規格に規定されているとおり存在する。これらの規格は、既存の無線ＬＡＮ（８０２．１１）、無線ＰＡＮ（８０２．１５）の拡張として、および場合によっては無線ＷＡＮ（８０２．１６）の拡張として考案された。これらの８０２規格を、ＵＭＢ、ＥＶＤＯ、ＬＴＥなどのような既存または新生のセルラーネットワーク規格にオーバレイとして統合することは、非常に困難な操作およびネットワーク管理の取り組みとなる。そのような統合には、複雑なマルチスタンダードハンドセット、困難なハンドオフプロトコル、および異なる規格に準ずるさまざまなネットワーク要素間の極めて複雑な相互作用が必要となる。
【００２３】
ＩＥＥＥ８０２規格で確立されたメッシュ／リレー原理の関連する部分について、これ以降、コンテキストおよび比較のために簡単に説明する。
【００２４】
８０２メッシュ／リレーネットワークにおけるさまざまなネットワーク要素間のデータおよびシグナリング転送のためのリソース割り振りに対する２つの主要な機構は、搬送波感知多重アクセス／衝突回避方式（ＣＳＭＡ／ＣＡ；Ｃａｒｒｉｅｒ  ｓｅｎｓｅ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ａｃｃｅｓｓ  ｗｉｔｈ  ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ  ａｖｏｉｄａｎｃｅ）および時分割多重（ＴＤＭ；ｔｉｍｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）／時分割二重（ＴＤＤ；ｔｉｍｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ−ｄｕｐｌｅｘ）である。
【００２５】
ＣＳＭＡ／ＣＡは単に、ｌｉｓｔｅｎ−ｂｅｆｏｒｅ−ｙｏｕ−ｔｒａｎｓｍｉｔの機構である。各メッシュポイントまたはアクセス端末は、送信する前にチャネルが他のメッシュポイントによって使用されていないことを確認するために待機する。ＣＳＭＡ／ＣＡプロトコルは、２つのメッシュポイントが偶然同時に送信する場合の衝突に対処する方法を指定する。ＣＳＭＡ／ＣＡは、リソース割り振りが集中ノードから制御されていないので配置が容易になるという利点を有する。欠点は、ＲＦリソースが非効率的に使用されることである。
【００２６】
ＴＤＤシステムにおいて、すべてのデータおよび制御は、単一周波数で転送される。しかし、時間は、さまざまなメッシュ／リレーポイント間のさまざまな量の送信フレームおよび受信フレームをスケジューリングおよび多重化（ＴＤＭ）するために多数の小さいタイムスロットに分割される。通常、基地局または特化されたゲートウェイのいずれにおいても、集中スケジューラベースのリソース割り振りは、さまざまなメッシュポイント間の制御情報交換に基づいてどのネットワーク要素がどのタイムスロットにおいて送信および受信するかを調整する。集中リソース管理は、より簡単に実施できるが、遅くしかも非効率的である。多くの分散スキームも、さらにいっそう複雑であるにもかかわらず、考慮対象となっている。
【００２７】
８０２．１１ｓ規格は、メッシュネットワーキングおよびプロトコルを、８０２．１１  ＷＬＡＮ  ＭＡＣ規格の拡張として統合する。図６は、メッシュネットワークを形成するさまざまなネットワーク要素を示す。それらの要素の特性について、以下に概略を示す。
−  Ｍｅｓｈ  Ｐｏｉｎｔ（メッシュポイント）（ＭＰ）：他のＭＰとのピアツーピアリンクを確立する。
−  Ｍｅｓｈ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｐｏｉｎｔ（メッシュアクセスポイント）（ＭＡＰ＝ＭＰ＋ＡＰ）：Ａｃｃｅｓｓ  Ｐｏｉｎｔ（ＡＰ）と併置されるＭＰ機能
−  Ｍｅｓｈ  Ｐｏｒｔａｌ  Ｐｏｉｎｔ（メッシュポータルポイント）（ＭＰＰ＝ＭＰ＋Ｐｏｒｔａｌ）：ネットワーク要素と併置されたＭＰ、またはポータルのゲートウェイ機能、データがメッシュに出入りする。
−  ＳＴＡ（ステーション）：エンドユーザアクセス端末、メッシュの外部にある。
−  ＳＴＡとＭＡＰ（ＭＰ＋ＡＰ）との間のＰＨＹおよびＭＡＣレイヤ通信は変更なし（８０２．１１ａ／ｂ／ｇ）。アクセス機構は引き続きＣＳＭＡ／ＣＡ。プロトコルは、衝突回避方式「ｌｉｓｔｅｎ  ｂｅｆｏｒｅ  ｙｏｕ  ｓｅｎｄ」機構に依存する。
−  ＭＰ間の通信は引き続き同じ８０２．１１ａ／ｂ／ｇのＣＳＭＡ／ＣＡパラダイムである。追加のＬＡＹＥＲ２ルート自動検出および転送仕様は、ＭＥＳＨ操作のＭＡＣレイヤ機能拡張で指定される。
−  ルーティングは、Ｒａｄｉｏ  Ｍｅｔｒｉｃ  ＡＯＤＶ（ａｄ−ｈｏｃ  ｄｉｓｔａｎｃｅ  ｖｅｃｔｏｒ：アドホック距離ベクトル）とツリーベースルーティングの混合であるＨＷＭＰ（Ｈｙｂｒｉｄ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｍｅｓｈ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）に基づく。
−  Ｒａｄｉｏ  Ａｗａｒｅ  ＯＬＳＲ（ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ  ｌｉｎｋ  ｓｔａｔｅ  ｒｏｕｔｉｎｇ：オンデマンドリンク状態ルーティング）はオプション
【００２８】
８０２．１１ｓのスループットは、衝突ベースのアクセスおよびデータ転送機構により、非常に低くすることができる。
【００２９】
図７は、ＩＥＥＥ８０２．１６ベースのメッシュネットワークの例を示す。ＩＥＥＥ８０２．１６のメッシュネットワークは、基地局（ＢＳ）および加入者ステーション（ＳＳ）で構成される。ＢＳは外部ネットワークのゲートウェイとして機能する。各ＳＳは、ＢＳおよび他のＳＳとも通信することができる。
【００３０】
メッシュノード間（ＢＳからＳＳおよびＳＳとＳＳ）の調整機能は、スケジューリングベースであり、スロット化される。制御およびデータは同じチャネルで送信されるが、異なる時間サブフレームを使用して送信される。集中および分散のスケジューリング機構はいずれも、制御およびデータを衝突することなく伝送するために規格で規定されている。集中スケジューリングにおいて、メッシュＢＳは、すべてのアップリンク（トラフィックはＳＳからメッシュＢＳへと流れる）およびダウンリンク（メッシュＢＳからＳＳへのトラフィック）を処理する。分散スケジューリングにおいて、すべてのＳＳはピアであり、タイムスロットを確保してＳＳ間で伝送するためにハンドシェーキングプロトコルを確立する。スロットは、メッシュノード間で制御メッセージを交換することにより確保される。ＴＤＤは、アップリンクとダウンリンクとの間でチャネルを共有するために使用される。それぞれのアクティブなメッシュノード（ＢＳおよびＳＳ）は、ネットワーク構成アドバタイズメントをブロードキャストする。メッシュに参加しようとする新しいＳＳは、アドバタイズされたメッシュネットワーク構成メッセージをスキャンする。接続先の適切なメッシュノード（スポンサーと呼ばれる）を選択すると、新しいＳＳは、スポンサー元のＳＳを介してネットワークに登録し、メッシュの一部となる。
【００３１】
８０２．１６ｊ  ＭＭＲ（Ｍｏｂｉｌｅ  Ｍｕｌｔｉ−ｈｏｐ  Ｒａｄｉｏ）規格は、主として、８０２．１６規格のリレー機能拡張として重点が置かれているが、これを図８に示す。その構成の要素の特性について、以下に概略を示す。
−  ＢＳ：Ｂａｓｅ  Ｓｔａｔｉｏｎ（基地局）、ＭＭＲ機能拡張を要求することが必要とされる。
−  ＲＳ：Ｒｅｌａｙ  Ｓｔａｔｉｏｎ（リレーステーション）。ＭＳに対してＢＳとして、ＢＳに対してＭＳとして機能する。
−  ＲＳのタイプ：固定（インフラストラクチャ）、ノマディック（特殊イベント、屋内）、移動体（トレーン）
−  ＭＳ／ＳＳ：Ｍｏｂｉｌｅ  Ｓｔａｔｉｏｎ（移動局）／Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ  ｓｔａｔｉｏｎ（加入者ステーション）
−  標準的な８０２．１６  ＳＳ／ＭＳのみ。
−  移動体はリレーネットワークの外部にある。
【００３２】
直接のＢＳからＭＳへの通信では、８０２．１６  ＴＤＤエアインターフェイス規格を変更なしで使用する。ＢＳからＲＳの通信はまた、ダウンリンク（ＤＬ）およびアップリンク（ＵＬ）のＴＤＭスケジューリングによるＴＤＤにも基づく。タイムスロットはさらに、制御トラフィックおよびメッシュトラフィックに分割される。スケジューリングおよびルーティングメッセージは、メッシュトラフィックタイムスロットでベアラデータを送信する前に制御セグメントタイムスロットを通じて交換される。
【００３３】
ＲＳからＲＳへの通信プロトコルもまた、ＢＳからＲＳのプロトコルと同じ機構を使用する。集中ＢＳスケジューリングおよびルーティングは、実施をより簡単にするためのデフォルトオプションと見なされる。
【００３４】
８０２．１５．ｘ  Ｗ  ＰＡＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）については、メッシュ／リレーネットワークの３つの異なる変種が使用中および／または開発中である。この３つはいずれも、図９に示される基本デバイス間通信を備える。それらの変種について、関連する特性と共に、以下に概略を示す。
−  ８０２．１５．１  Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ−ＴＤＭ、マスター／スレーブ、競合ベースではない
−  高速／広帯域幅用途向け８０２．１５．３−ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）ベース。
−  （Ｚｉｇｂｅｅのような）低速センサーネットワーク向け８０２．１５．４。
【００３５】
８０２．１５  ＰＡＮｓ、クライアントは消費者でありアドホックメッシュネットワークのノードである。「ルータ」は固定または移動体であってもよい。インフラストラクチャＢＳまたはＡＰは関与しない。
【００３６】
無線ＰＡＮ  ＰＩＣＯＮＥＴは、複数のコンポーネントで構成される。基本コンポーネントは、ＤＥＶ（デバイス）である。１つのＤＥＶは、ピコネットのピコネットコーディネータ（ＰＮＣ）の役割を果たすことが必要とされる。ＰＮＣは、ビーコンでピコネットの基本タイミングをもたらす。加えて、ＰＮＣは、サービス品質（ＱｏＳ）要件、省電力モード、およびピコネットへのアクセス制御を管理する。ピコネットのデバイスは、ピアツーピアベースで通信することができる。
【００３７】
メッシュ／リレーネットワークの概念を無線セルラーネットワークと統合することが望ましいが、簡単で安価なバックホールのない無線メッシュおよびリレー機能をセルラーネットワーク操作に追加することは、新しい、より複雑なネットワーク要素の追加ならびに既存の無線プロトコルの重大な変更なくしては不可能である。発明者は、その目的を費用効率の高い手法で達成する手段を見出したが、これ以降、その発明を開示する。
【００３８】
本発明による統合されたメッシュ／リレー／無線−アクセスネットワークは、単一の共有エアインターフェイス上で単一のエアインターフェイスアクセス・プロトコルを使用して、無線ネットワークのアクセス端末と基地局間のすべてのメッシュおよびリレー機能を提供し、しかも無線移動体アクセスもサポートすることができるようにする。
【００３９】
本発明の方法論により、アクセス端末は二重の機能を備える。情報のアクセス端末ソース（またはその最終宛先）がアクセス端末ソースと基地局間で無線で通信されている場合、リンクはアクセスに使用されている。アクセス端末が、次に無線で基地局と通信する（別の基地局からの）情報の受信者である場合、アクセス端末は、全く同じエアインターフェイス・リソースおよびアクセス・プロトコルを使用してメッシュ／バックホール／リレー機能を実行している。
【００４０】
そのような機能を実行するため、アクセス端末は、本発明による、以下の機能で増強される。
−  アクセス端末の周囲（無線レンジ）の基地局への無線によるそのルーティング機能の自らのアドバタイズメント
−  ルーティングサービスの存続期間およびサービス品質（提供される帯域幅、待ち時間）に関するアクセス端末と基地局間のネゴシエーション
−  あるダウンリンクで受信したＩＰレイヤデータストリームの別のアップリンクへの転送
−  ダウンリンクおよびアップリンクの両方で複数の基地局との無線接続を保持する、つまりパケットを確実に送信および受信できる能力。
【００４１】
周囲の基地局間でデータ／シグナリング／制御情報を転送する際のリレーモードでのアクセス端末の操作は、図１０に概略的に示される。１、１’とマーク付けされたデータストリームは、ＡＴルータを介してＢＳ１からＢＳ２に伝達される。同様に、２、２’とマーク付けされたデータストリームは、ＡＴルータを介してＢＳ２からＢＳ１に伝達される。３とマーク付けされた双方向データストリームは、ストリーム１、１’、２、２’を包含し、ＡＴルータによって使用可能にされているエンドツーエンド通信パスを示す。同様に、図１１は、ルーティングＡＴを介してソースＢＳから始まり宛先ＢＳに至る情報によりプロトコルスタックに沿って横断するパスを示す。示されている事例は、Ｕｌｔｒａ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｂｒｏａｄｂａｎｄ（ＵＭＢ）エアインターフェイス（３ＧＰＰ２規格開発団体により標準化）のコンテキストにおいて作成されたが、本発明が、この例示の事例に決して限定されることはなく、ＣＤＭＡ技術に基づくＥＶＤＯ規格、およびＬＴＥおよびＷｉＭＡＸのような他のＯＦＤＭＡ規格に容易に拡張できることを理解されたい。
【００４２】
エアインターフェイス・リソースのセットアップおよび割り振り手順は、ＡＴルータによってレポートされ中継された情報を使用して、基地局によって協調的に行うことができる。もう１つのオプションは、基地局によってＡＴルータに搬送されるリソース制約およびルータ自身の制約に基づいて、リソース消費の決定がＡＴルータ自身によって行われる決定プロセスである。
【００４３】
ここで、全体の概要を示すため、これ以降、ＡＴルータとＢＳ間の基礎となるエアインターフェイスリンクのセットアップについて簡単に説明する。通信するユニット、およびユニット間の相互作用は、図１２に示す枠で囲まれたコールフローの上部分（通信ユニットおよび「通常操作」シグナリング）に概略的および機能的に示される。ここでも同様に、説明は、ＵＭＢエアインターフェイスのコンテキストであり、本発明の範囲を限定することなく、例示的なものとして理解されるべきである。ＡＴ−ＢＳリンクのセットアップにおける重要なステップは、以下のとおりである。
−  ＡＴルータは、その周辺の基地局からのダウンリンクパイロットチャネルを監視して、それらの基地局の各々からＡＴルータへのダウンリンクチャネルを追跡し、チャネル品質測度をレポートする
−  基地局は、ＡＴルータがそれらの基地局の各々へのそのチャネルの品質を追跡できるようにする、ＡＴルータから受信された（パイロット）信号強度の測度を無線でレポートする
−  ＡＴルータは、各アップリンク−ダウンリンクのチャネルペアでサポート可能なデータ転送速度を推定する。
【００４４】
ＡＴルーティング操作に固有の追加のシグナリング機能は、図１２の下部分（「バックホールルーティング」シグナリング）に示す。この場合、コアネットワークに有線リンクなしで基地局のＡＴルータによりルーティングするが、以下の重要なステップが実行される。
−  ＢＳは、ルータとして機能して意図された宛先（または有線ネットワークへの接続の第１のポイント）に向けてＢＳに代わりパケットを転送することができるＡＴルータを検出するためにルータ要請をブロードキャストするが、このステップはＢＳへのコールの開始に先行してもよい。
−  このＢＳの周囲のＡＴルータは、パケットをルーティングできること、パケットをルーティングできるＢＳ、およびそれらのＢＳ間でサポート可能なデータ転送速度をアドバタイズする。ＡＴルータはまた、要請要求を行うことなく、自律的にアドバタイズすることもできる。
−  ＢＳおよびＡＴルータは、提供されるルーティングサービスの存続期間（リース時間）およびサービス品質（帯域幅、待ち時間）をネゴシエートする。基地局とのネゴシエーションが完了すると、ＡＴは、送信元および送信先としてデータがルーティングされている基地局に、適切なリソース割り振り（使用される副搬送波、伝送時間など）を要求して受信する。
−  ＭＡＣおよびＲＬＣ（無線リンク制御）レイヤは、それぞれ、Ｈ−ＡＲＱ  ＲＬＣ再伝送プロトコルを通じてパケットの確実な受信を保証する。
−  「リース時間」の終わりに、ＡＴルータはルーティングサービスを終了し、割り当てられたエアインターフェイス・リソースを解放する。
【００４５】
本発明のさらなる特徴について、これ以降、発明者により基本ネットワークモデルとして特徴付けられた実施形態を始めとして、複数の例示的な実施形態に関して説明する。基本ネットワークモデルは、Ｄｅｖ  Ｔｙｐｅ  Ａおよびもう一方のＤｅｖ  Ｔｙｐｅ  Ｂとして指定されうる２つのデバイスタイプしかないモデルである。図１３に、このモデルを示す。
【００４６】
基本ネットワークモデルのネットワーク操作は、以下の規則により定義される。
１．Ｄｅｖ  Ｔｙｐｅ  Ａの操作は、Ｄｅｖ  Ｔｙｐｅ  Ｂに補足的である。
ａ）たとえば、周波数分割二重（ＦＤＤ）システムにおいて、これらの２つのデバイスタイプの送信および受信周波数は反転される。図１３に示される事例において、実効的な同時の送信および受信が発生する場合の送信周波数Ａ＿Ｔｘは受信周波数Ｂ＿Ｒｘと等しく、周波数Ｂ＿Ｔｘは周波数Ａ＿Ｒｘと等しい。
ｂ）対照的に、時間分割二重（ＴＤＤ）においては、単一周波数が使用されるので、同時の送信および受信が生じることはありえない。したがって、送信タイムスロットおよび受信タイムスロットは反転される。各デバイスは、他のデバイスが自身との間に妥当な通信を確立するために送話している間、聴取する必要がある。両方のデバイスが同時に送信しようとした場合、衝突が発生して、実効的な通話は行われない。ここでも同様に図１３を参照すると、デバイスタイプＡがタイムスロットＡ＿Ｔｘにおいて送信しているとき、デバイスタイプＢの受信機は同じ時間Ｂ＿Ｒｘにおいて聴取する必要がある。同様に、デバイスタイプＢがタイムスロットＢ＿Ｔｘにおいて送信するとき、デバイスタイプＡは同じタイムスロットＡ＿Ｒｘにおいて聴取する必要がある。
２．あるデバイスタイプは、同じタイプの別のデバイスと、無線で直接（つまり、中間ノードなしで）通信することはない。
【００４７】
この概念をＦＤＤセルラーネットワークシステムにおいて適用するための主要な利点は次のとおりである。
−  既存の２つのネットワーク要素（つまり、ＢＳおよびＡＴ）を持つメッシュ／リレーネットワークを、既存の規格またはデバイスの複雑さに最小の変更を加えて増設するほうが、はるかに簡単である。
−  ＩＥＥＥ８０２システムで考慮されるように、ＢＳおよびＡＴのいずれとしても機能することができるＦＤＤメッシュデバイスを有する費用は高価である。
−  ＦＤＤシステムにおけるリソース割り振りは衝突ベースではないので、スペクトルをさらに有効に利用する。ＢＳは、即時の需要および使用可能なリソースに基づいてリソース決定を行う。そうすることで、ＡＴ自身の通信の必要性とバックホールのリソースを確保する必要性との間で動的リソース共有が可能になる。
−  セルラーネットワークと関連し合う別個のＩＥＥＥ８０２ベースのメッシュネットワークを使用することは、操作上配置が困難である。
【００４８】
したがって、すべての通信はＤｅｖ  Ｔｙｐｅ  Ａ＜＝＞Ｄｅｖ  Ｔｙｐｅ  ＢまたはＤｅｖ  Ｔｙｐｅ  Ｂ＜＝＞Ｄｅｖ  Ｔｙｐｅ  Ａである。Ｄｅｖ  Ｔｙｐｅ  Ａの２つのデバイスは、たとえば、Ｄｅｖ  Ｔｙｐｅ  Ｂを介して、Ｄｅｖ  Ｔｙｐｅ  Ａ（１）＜＝＞Ｄｅｖ  Ｔｙｐｅ  Ｂ＜＝＞Ｄｅｖ  Ｔｙｐｅ  Ａ（２）のように通信する。基本的に、メッシュまたはリレーの従来のポイントツーマルチポイントのセルラーネットワークなど、任意のタイプのネットワークは、逆のＴｘ／Ｒｘ極性を持つこれらの２つのタイプのネットワーク要素のみを使用して考案することができる。そのような場合の例を図１４に示す。
【００４９】
図１５に、メッシュネットワーク機能の説明図を示す。複数の独立したリンクを介してソース基地局から宛先基地局にメッセージを中継またはルーティングする機能は、タイプＡ（基地局）およびタイプＢ（アクセス端末）デバイスを使用する基本ネットワークモデルを介して示される。
【００５０】
従来のセルラーシステムにマップした場合、このシステムにより任意の２つの基地局が中間ＡＴおよびＢＳを使用して相互に通信できることが容易に見てとれる。また、任意の２つのＡＴは、中間ＢＳおよびＡＴのサービスのみを使用して（つまり、有線または特化された無線バックホールを使用することなく）相互に通信することができる。そのような例示のルーティングの配置を図１６に示す。
【００５１】
必要に応じて、図１７に示すように、タイプＡおよびタイプＢの２つのデバイスを統合することによって、デバイスタイプＣが派生されてもよい。デバイスタイプＣ内でデバイスタイプＡとデバイスタイプＢとの間の有線インターフェイスは、無線インターフェイスと同じになりうる。外面的な観点からは、図１８に示すように、タイプＡまたはタイプＢいずれかのデバイスは、Ｄｅｖ  Ｔｙｐｅ  Ｃと通信することができる。Ｄｅｖ  Ｔｙｐｅ  Ｃの構成要素デバイスタイプ間の干渉は、干渉信号の情報内容が先験的に知られているので、干渉除去技術を使用することにより軽減されうる。本質的に、このデバイスはＴｘ／Ｒｘインバータとして機能する。
【００５２】
ＡＴおよびＢＳの組み合わせを使用してネットワーク接続を提供する本発明の基本ネットワークモデルは、多種多様な用途に適用することができるが、そのいくつかを本発明のさらなる実施形態として以下に説明する。しかし、説明される実施形態は、本発明の有用性を例示するものに過ぎず、ＢＳおよびＡＴルータの組み合わせにより使用可能となる本発明の使用モデルの範囲を決して限定することはないと見なされるべきである。カテゴリのうちのいくつかを以下に一覧する。
【００５３】
Ａ．レンジまたはカバレッジの拡張
無線アクセス端末および基地局の間で確立されたリレーおよびメッシュネットワークは、レンジおよびカバレッジ拡張機能の提供に容易に適用される。そのような機能の２つの重要な用途について、さらなる本発明の実施形態として以下に説明する。
【００５４】
屋内のカバレッジ拡張
図１９は、家庭内のバックホールのないカバレッジを提供するために使用されるデバイスタイプＣを示す。そのようなデバイスを戦略的に配置することにより、構内または屋内のカバレッジは、本発明のＡＴルーティング機能を使用して提供することができる。重要な利点は、建物の内部および外部のいずれでも同じ移動体およびプロトコルを使用できることである。
【００５５】
固定インフラストラクチャのカバレッジ拡張
本発明のＡＴルーティング方法論の特に重要な用途は、基地局の専用バックホールを提供することが実施困難および／または非常に費用が高くなる状況において、コア無線ネットワークの周辺のＢＳを使用してレンジ拡張をもたらす場合である。カバレッジ拡張の例示的なインフラストラクチャリレーを図２０に示す。
【００５６】
ＡＴルータを介して接続されている２つの基地局が、見通し（ＬＯＳ）または非見通し（ＮＬＯＳ）信号パスをそれらの間に有するかどうかに応じて、カバレッジ拡張に２つの実施のオプションがある。ＢＳとＡＴルータとの間の完全な無線接続を、図２１に示す。このオプションは、ＢＳが見通し（ＬＯＳ）伝送を備えていない場合に有用である。リレーステーション間のリンクを提供する併設の、場合によっては有線で接続されたＢＳとＡＴルータの組み合わせ（以前タイプＣデバイスと呼ばれた）を図２２に示す。このオプションは、ＬＯＳの状態が配置中に確実に存在する場合に有用である。
【００５７】
一時スポットカバレッジ緊急：および特殊イベント
本発明のＡＴルータの方法論はまた、緊急および特殊イベント通信のカバレッジのような、一時的な通信要件に対して通信カバレッジを確立するために適用することもできる。この事例は図２３に示すが、これは車両に搭載されたＢＳと、分散したユニットまたはサービス間の通信を必要とする緊急事態の即時ネットワークカバレッジをセットアップするために使用されるＡＴルータの組み合わせを示す。同様の方法は、頻繁には行われず、永続的で高価な固定資産を保証することはないスポーツ大会、会議などのような特殊な場所およびイベントに導入することができる。
【００５８】
Ｂ．ＲＦ構成および最適化
フェムトおよびピコセル管理
数百万のピコセルおよびフェムトセルが配置されるようになり、ピコセルおよびフェムトセルの構成および最適化は、サービスプロバイダもエンドユーザにも同様に大きな負担となるであろう。さまざまなＲＦ相互作用の組み合わせ、つまりマクロからピコ、マクロ−フェムト、フェムト−フェムト、ピコ−フェムトなどは、最小限の技術者およびエンドユーザの労力で効率的に管理される必要がある。大規模なカバレッジエリアを備え、フェムトセルＢＳと重複するマクロセルＢＳの標準的な事例（極めて低電力の家庭カバレッジエリア）を、図２４に示す。マクロセルへの干渉を最小化し、フェムト／ピコカバレッジを最適化することは、特に偶然同一のＲＦ搬送波上にある場合、多大な時間を要する可能性がある。簡単なマクロセル基地局が、フェムト／ピコセルで構成および最適化を調整できるようにすることは、非常に有益であろう。
【００５９】
本発明のＡＴルータの方法論は、まさにそのような機構をもたらす。ＡＴルータは、ＢＳとフェムト／ピコセル間の接続をもたらす機能があるので、必要とされる調整を容易に行えるようにすることができる。ＡＴルータは、フェムトセルを自動構成および最適化するためのシグナリングおよび制御を提供するために使用される。
【００６０】
マクロセルラーＲＦ最適化
頻繁に遭遇する現場の問題は、初期の基地局インストール時にバックホールがないことである。ＲＦ資産の最適化には、バックホールが使用可能になった後に引き続きサイト訪問が必要となり、運用費用を増大させる。
【００６１】
ＡＴルータもまた、新しいＢＳがネットワークに追加されるとき、ＲＦ最適化に使用されうる。新しいＢＳまたは新しい搬送波のカバレッジは、その隣接局に関して調整される必要がある。ＡＴルータが２つの隣接する基地局と同時に通信するようにすることで、これらの基地局はそのＲＦカバレッジ、ハンドオフ、および隣接リストパラメータを容易にリアルタイムで協調し、調整して微調整することができる。
【００６２】
Ｃ．障害およびパフォーマンス管理
無線ネットワークオペレータは、他のアクティビティの中でも特に障害およびパフォーマンス管理を含む多数のＯＡ＆ＭＰアクティビティを実行するために多大な運用費用（ＯＰＥＸ）を負担する。障害およびネットワークパフォーマンスの劣化は、可用性および信頼性メトリックの低下に寄与する。それゆえに、緊急時および障害時の可用性、信頼性、応答時間、および関連する運用費用は、サービスプロバイダおよびネットワークオペレータの主要な懸念事項である。
【００６３】
特定クラスの障害状態の間、基地局とネットワークの間でハートビートが失われた場合、トラブルシューティングおよび障害分離は重大な問題となる。一般に、これは技術者をセルサイトに派遣することによってしか達成されないが、それには多大な時間、労力、および費用を要することも多い。
【００６４】
本発明のＡＴルータは、障害およびパフォーマンス監視のための費用効果の高い代替案をもたらす。ＡＴルータによって提供されるサービスカバレッジおよび品質をリアルタイムで監視できる機能は、サービスプロバイダにとって重要な競争上の優位となりうる。
【００６５】
（１）固定インフラストラクチャの事例、および（２）移動体の事例、という２つの可能な配置のシナリオを検討する。
【００６６】
固定インフラストラクチャの事例では、ＲＦネットワーク監視、審査、測定結果のレポート、および警報の目的で戦略的位置に配置されるサービスプロバイダによって所有されるＡＴルータを検討する。これらの固定ＡＴルータは、連続的、断続的、または要求に応じてセンサーとして機能して、主要なＡＴ測定のパフォーマンス指標をレポートするようにプログラムすることができる。例示的な固定インフラストラクチャ配置の説明図を図２５に示す。この場合の１つのオプションは、観察結果をレポートし、また基地局の誤動作をトラブルシューティングするルートとしても使用される移動体ＡＴルータを使用することである。
【００６７】
移動体の事例では、極めて移動性が高く、ルーティング機能の存続期間が短いＡＴルータを検討する。そのような極めて移動性の高いＡＴは、結果として要請ごとに数キロバイトのデータ転送を行う短期の要求−応答およびクエリータイプの操作に使用されてもよい。例示的な移動体配置の説明図を図２６に示す。例示の用途において、メッセージは基地局に送信されて、固有の自己診断テストを実行して、結果を応答することができる。そのために必要となるのは、わずかなメッセージおよび少量のデータの転送だけである。周辺に並列または順次のいずれかで複数のＡＴを使用することにより、より高いデータスループットを達成することもできる。
【００６８】
発明者がサービスモデルと指定した本発明のさらにもう１つの実施形態において、本発明のＡＴルータの方法論は、加入者が所有し操作するＡＴまで拡張される。本発明の前述の説明から明らかであるように、ＡＴを使用して前述のルーティングサービスを提供するために（および基地局メッシュ／バックホールを使用可能にするために）、ＡＴはその有利な場所を活用している、つまりＡＴはその現在の場所により、基地局のセット間でパケット信頼性を送信および受信できるようになっている。
【００６９】
往々にして、そのような場所が加入者の住居または職場、つまり追加の基地局を設置してカバレッジを拡張するためにサービスプロバイダが一般にアクセス可能ではない場所であることもある。さらに、事実上、ＡＴの所有者／加入者は、ルーティングサービスをネットワークオペレータまたはサービスプロバイダに提供するために自身のＡＴを使用する立場にあってもよい。本発明のサービスモデルの実施形態は、消費者が、接続サービスをサービスプロバイダに提供するためにサービスプロバイダにより補償される手段を対象とする。補償は、無線アクセスサービスの将来の使用に向けた支払いまたは信用貸しを含むことができる。
【００７０】
消費者への補償は、そのサービス契約の一部として（つまり、ＡＴが顧客の住居にあり、そのためルータとして使用可能な期間に対応する）、またはルーティングサービスが提供される実際の時間中にネゴシエートすることができる。後者の場合、ＡＴがルーティングのその転送速度をアドバタイズすることができるか、または基地局がルーティングの提示された転送速度を指示することができ、希望するＡＴと希望するＢＳが所与のルーティング用途／期間について提示された条件およびネゴシエートされた条件を受け入れることに同意する。
【００７１】
本明細書において、発明者は、アクセス端末ルータを使用してセルラー無線通信システムにおいてメッシュ／リレー接続を実施するための方法およびシステムを開示してきた。本発明の多数の変更、および代替的実施形態は、上記の説明を考慮すれば、当業者には明らかとなろう。
【００７２】
したがって、この説明は例示的なものとしてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最善の実施態様を当業者に教示することを目的としており、そのすべての可能な形態を示すことは意図していない。また、使用される語が、限定的ではなく、記述の語であり、構造の詳細が本発明の精神を逸脱することなく実質上変更されてもよく、添付の特許請求の範囲に含まれるすべての変更の排他的使用が留保されることも理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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