JP5686926B2

JP5686926B2 - ＴＶホワイトスペースにおける動作のためのＱｏＳアウェアな複数無線機アクセスポイント

Info

Publication number: JP5686926B2
Application number: JP2014503221A
Authority: JP
Inventors: デブ，スプラテイム; グプタ，ピユシユ; シー・エヌ，カンテイ; スリニバサン，ビクラム
Original assignee: アルカテル−ルーセント
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: WO2012137029A1; KR101538913B1; CN103621160A; CN103621160B; US20140112275A1; JP2014510500A; KR20140002029A; US9282464B2; EP2695460A1

Description

本発明はアクセスポイントの動作に関し、より具体的にはＴＶホワイトスペースにおけるアクセスポイントの動作に関する。

ブロードバンドサービスに対する需要は急拡大しつつある。過去数年間にわたって多様な通信装置が、多様なサービスのためにインターネットに接続されている。さらに、無線通信を通して新しいサービスが提供されており、サービスのためのスペクトルの要件が増大している。その結果、認可されたスペクトルの未使用部分を活用するための試みがなされている。このスペクトルの未使用部分はＴＶホワイトスペースと呼ばれる。スペクトルのホワイトスペース部分は、米国では５０−６９８ＭＨｚの周波数範囲内にあり、英国では４７０−７９０ＭＨｚにわたって広がるので、スペクトルは加入者に提供される様々な無線サービスのために利用することができる。

既存の通信機構は、通信のためにホワイトスペーススペクトルを使用する様々なサービスを進展させた。サービスの１つは、ホワイトスペーススペクトルを通して動作する無線アクセスポイントを含む。しかし既存のアクセスポイントはそれ自体の制限事項を有する。例えばこれらのアクセスポイントは、利用可能なホワイトスペースをインテリジェントに選び、クライアントをホワイトスペースに割り当てる機構をもたない。さらにアクセスポイントはスペクトル固有の特性を勘案していない。これは現在の割り当て機構が、スペクトルが事実上一様であることを仮定しており、したがって割り当てはスペクトルの一部分に集中されるからである。このような仮定は、利用可能なスペクトルの合計範囲がそれほど多様でない場合にのみ正しい。しかし多くの場合に割り当ては、スペクトル内の一領域または帯域に集中されず、利用可能なスペクトルにわたって分散される。さらにこれらに機構は、スペクトルの異種性の性質、およびスペクトルにわたる帯域の利用可能性を考慮していない。その結果殆どの時点でスペクトル内のすべての利用可能な帯域は活用されず、割り当てはスペクトルの探索された部分のみに集中するようになる。したがって周波数依存性の伝播を無視したホワイトスペース選択は、より低い周波数帯域によってもたらされる恩恵を得ることができず、結果として非効率的なスペクトル割り当てとなる。

また今日のアクセスポイントは、効率的なクライアント位置識別手段をもたず、その結果、クライアントに対するホワイトスペースの選択は適切に行われない。例えば単位帯域幅当たりの伝送のデータレートは、クライアントがアクセスポイントの近くに位置する場合はアクセスポイントから遠くに位置するクライアントと比べて、高くすることができる。さらにクライアントがカバレージエリアの縁部近くに位置するかどうかなどの要因を考慮する必要がある。しかるに今日のアクセスポイントではこれらの要因は考慮されておらず、したがってホワイトスペースは効率的に利用されていない。

さらに既存のアクセスポイントは、無線システムが単一のレートを有することを前提としているのに対し、最近の無線システムはマルチレートであり、適応型の変調および符号化機構をサポートしている。言い換えれば、より良い信号強度を有するクライアントはより良いデータレートを獲得し、低い信号強度を有するクライアントは低いデータレートを獲得する。既存のアクセスポイントは、クライアントデータレートが信号強度に無関係であり、クライアントがアクセスポイントのある特定の範囲内に位置すればデータレートを達成することができることを前提としている。

さらに既存のアクセスポイントは限られた無線機を有し、スペクトルが多様であるということにより、複数のクライアントのために働くためには複数の無線機が必然となる。チャネル割り当てのための複数無線機をベースとするソリューションの実現についていくつかの研究がなされているが、既存の機構で明確に複数無線機をベースとするアーキテクチャのためのスペクトル割り当てに有効なものはない。さらに、既存のアクセスポイントにおける単一無線機をベースとするソリューションは、複数無線機ソリューションに拡張することができない。

また既存の機構は、異なるサービスに対するＱｏＳ要件を考慮していない。したがってアクセスポイントは、ユーザに対してそれらのＱｏＳ要件に基づいて働くことはない。

さらに既存のソリューションのいくつかは、企業内無線ＬＡＮにおけるスペクトル計画をもたらす。しかしこれらのソリューションは、企業環境におけるアクセスポイントの干渉マップを知るために中央コントローラを使用し、それらはまた各アクセスポイントに関連するクライアントの数を決定する必要がある。まとまりのない配備（ｕｎｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ）の場合にはこのような情報は利用不可能となり得る。上述の欠点により既存のアクセスポイントは、クライアントのために働き、帯域幅を有効に利用するには有効ではない。

上記に鑑みて本明細書における一実施形態は、テレビジョンホワイトスペーススペクトル内の帯域をクライアントに割り当てるためのアクセスポイントを提供する。アクセスポイントは、テレビジョンホワイトスペース選択およびクライアント割り振りエンジンを備える、ミドルウェアサービス品質処理モジュールを備える。エンジンは、動作のために選択することができる、アクセスポイントのための無線機の数を決定し、無線機に対応する利用可能なテレビジョンホワイトスペーススペクトルを選び、無線機に対する重み付き比例公平データレート割り当てがなされることを確実にすることによって、クライアントを無線機に割り振るように構成される。決定モジュールは、重み付き比例公平媒体アクセス制御モジュールから入力を取得し、必要に応じてクライアント割り振りを変更するようにテレビジョンホワイトスペース選択およびクライアント割り振りエンジンを起動するように構成される。アクセスポイントではクライアントは重み付き比例公平データレートに基づいて無線機に割り振られ、重みはクライアントのためのサービス品質要件を反映するように選ばれる。アクセスポイントはさらに、クライアントの場所および信号強度を取得するように構成された、クライアント測定および割り当てエンジンを備える。アクセスポイントはさらに、クライアントのサービスに対するサービス品質要件に基づいてクライアントに対する重みを供給する、重み付き比例公平媒体アクセス制御モジュールを備える。アクセスポイントはさらに、クライアントを第２の帯域へ移動することで明確な変化がある場合は、クライアントの再割り振りを行うように構成される。アクセスポイントでは重みは、クライアントの場所、異なる帯域にわたる信号強度、およびサービス品質要件の少なくとも１つを含む要因に基づいて割り振られる。アクセスポイントは、まとまりのない配備および純粋なクライアント戦略に基づいてホワイトスペースおよびクライアントを選択する。アクセスポイントはさらに、まとまりのない配備および混合型クライアント戦略に基づいてホワイトスペースおよびクライアントを選択する。

実施形態はさらに、アクセスポイントのクライアントをテレビジョンホワイトスペーススペクトルに割り当てるための方法を開示する。方法は、アクセスポイントが、アクセスポイントに加わるクライアントに対する信号強度を求めるステップと、アクセスポイントが、クライアントに対する信号強度に基づいて、テレビジョンホワイトスペーススペクトル内の利用可能な最良の帯域に加わるように、クライアントに指示するステップと、アクセスポイントが、クライアントに対するサービス品質要件が、先の割り当てから閾値を超えて変化したかどうかを判定するステップと、アクセスポイントが、クライアントに対するサービス品質要件が閾値を超えて変化した場合は、新しいクライアント割り振りを行うステップとアクセスポイントが、割り当ての詳細をブロードキャストするステップとを含む。方法はさらに、周期的、イベントベースのうちの１つで、クライアントに対する信号強度測定を行う。方法はさらに、クライアントの離脱を追跡し、必要に応じてクライアントを再割り当てする。

本明細書における実施形態はまた、テレビジョンホワイトスペーススペクトル内の周波数帯域にクライアントを割り振るための方法を開示する。方法は、ゼロでないデータレートに対応するテレビジョンホワイトスペーススペクトル内の周波数帯域を決定するステップと、クライアントを周波数帯域に割り振るステップと、新しいクライアントのための動作に対して最良の周波数帯域を決定するステップと、新しいクライアントを最良の周波数帯域に移動することで明確な改善があるかどうかをチェックするステップと、明確な改善がある場合は、新しいクライアントを最良の周波数帯域に移動するステップとを含む。方法は明確な改善に対してチェックし、明確な改善は、クライアントを別の周波数帯域に移動することによる比例公平性計量の変化、すでに周波数帯域内にあるクライアントに対する計量の減少、およびクライアントが初期の周波数帯域から除去されることによる計量の増加の少なくとも１つに基づいて決定される。方法はさらに、帯域の最良合計ログユーティリティに基づいて、クライアントへの割り当てのための最良の周波数帯域を決定する。

本明細書の実施形態の上記その他の態様は、以下の説明および添付の図面と共に考察すればより良く認識され理解されるであろう。

本明細書の実施形態は、図面を参照した以下の詳細な説明から、より良く理解されるであろう。

本明細書における一実施形態による、複数のクライアントのために働くアクセスポイントのネットワーク図である。本明細書における一実施形態によるアクセスポイントのアーキテクチャを示す図である。本明細書における一実施形態によるアクセスポイント機能プロセスを示すフロー図である。本明細書における一実施形態によるアルゴリズムの初期化を示すフロー図である。本明細書における一実施形態による、クライアントに対して無線機を選択するプロセスを示すフロー図である。本明細書における一実施形態による、クライアント割り振りアルゴリズムを示すフロー図である。本明細書における一実施形態による、アルゴリズムおよび公平性計量の間の比較を示すグラフである。本明細書における一実施形態による、アルゴリズムおよびレート比較の間の比較を示すグラフである。

本明細書の実施形態およびそれらの様々な特徴および有利な詳細は、添付の図面に示され、以下の説明で詳述される非限定的な実施形態を参照してより十分に説明される。良く知られた構成要素および処理技術の説明は、本明細書の実施形態が不必要に不明瞭とならないように省かれる。本明細書で用いられる例は単に、本明細書の実施形態が実施されるやり方の理解を容易にし、さらに当業者が本明細書の実施形態を実施できるようにするためのものである。したがって実施例は、本明細書の実施形態の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

本明細書における実施形態は、異なるサービスに対するＱｏＳ要件を考慮しそれに従ってクライアントにＴＶホワイトスペーススペクトルを割り当てる、アクセスポイントの方法およびアーキテクチャを開示する。次に図面を参照し、より具体的には図１から図８を参照し、それらにおいては同様な参照文字は、実施形態が示される諸図を通して一貫して対応する特徴を示す。

無線アクセスポイント（ＡＰ）の動作のためのアーキテクチャが開示される。提案されるアーキテクチャは、ＡＰの動作のためのシステムおよび方法を使用する。方法はさらに、ＡＰの動作のためのアルゴリズムを使用する。ＡＰは、その動作のためにインテリジェントに無線機を選び、次いでスペクトル内の利用可能なＴＶホワイトスペースを決定し、無線機をスペクトル内の利用可能なＴＶホワイトスペースに割り当てるように構成される。次いで方法は、ＡＰがサービスする必要のあるクライアントを決定し、ＡＰに関連する各クライアントを無線機に割り振る。さらに方法はまた、異なるサービスに対するＱｏＳ要件に配慮し、したがってあらゆるサービスは、そのＱｏＳ要件を満足するように対処される。方法は、スペクトル固有の特性を勘案することにより、利用可能なＴＶホワイトスペーススペクトルの最大限の利用を生じることを確実にする。方法は、動作のための帯域がスペクトルにわたって広がることを考慮し、したがってスペクトル全体にわたる帯域の利用可能性に基づいてクライアントを割り当てる。この形の周波数依存性の伝播は、より低い周波数帯域によってもたらされる恩恵が活用されることを確実にし、その結果効率的なスペクトル利用を生じる。

図１は、本明細書における一実施形態による、複数のクライアントのために働くアクセスポイントのネットワーク図を示す。図示のようにＡＰのアーキテクチャは、それが異なるサービスに対して複数のクライアントにサービスできるように設計される。ＡＰ１０１は、その動作の近傍にあるクライアントにサービスする無線ＡＰである。ＡＰ１０１は、ネットワーク１０２を通してクライアント１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、および１０３ｄに接続する。一実施形態ではネットワークは、無線ネットワーク、有線ネットワーク、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）などとすることができる。ＡＰ１０１は、クライアントの検出を可能にする無線機を備え、ネットワーク１０２を通してクライアントとの接続を確立する。

最初にＡＰ１０１は、クライアントのために働くように利用可能な無線機を決定する。この例では、サービスのために利用可能な３つの無線機があるものとする。ＡＰ１０１は３つの無線機を選択する。次いでＡＰ１０１は、３つの無線機を用いてクライアントのために働くように使用できるＴＶホワイトスペーススペクトル内の帯域を決定する。帯域はスペクトルの複数の異なる部分に分布することができる。さらに、利用可能な帯域が選択される。次いでＡＰ１０１は、その近傍で利用可能なクライアント１０３を決定する。例えばクライアント１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、および１０３ｄがその近傍で利用可能となり得る。ＡＰ１０１は、クライアント１０３のためのサービス要件のタイプを決定する。サービス要件からサービスに対するＱｏＳ要件が決定される。ＱｏＳ要件に基づいてクライアントは、スペクトル内の帯域に割り振られる。他の実施形態ではＡＰは、ＱｏＳ要件が閾値から逸脱したかどうかを見るために一定の間隔で（間隔は予め規定することができる）チェックするように構成することができ、それが逸脱した場合はＡＰ１０１は、スペクトル内の帯域の再割り振りを行うことができる。一実施形態では再割り振りは、このような割り振りによってクライアントに対して明確な改善があるかどうか、およびこのような割り振りによって他の既存のクライアントは影響を受けないかどうかの、２つの条件下で行われる。その結果、方法は、クライアント１０３が、それらの要件をサービスするように、スペクトル内の帯域に割り当てられることを確実にする。

図２は、本明細書における一実施形態によるアクセスポイントのアーキテクチャを示す。ＡＰ１０１はその中にあるいくつかのモジュールを備え、それらはクライアント測定モジュール２０１、重み付き比例公平ＭＡＣモジュール２０２、ミドルウェアＱｏＳモジュール２０３を含む。ミドルウェアＱｏＳモジュール２０３はさらに、ホワイトスペース選択およびクライアント選択エンジン２０４と、決定モジュール２０５とを備える。モジュールは、ＡＰ１０１の機能をサポートするように互いにインターフェースされる。

クライアント測定モジュール２０１は、クライアント１０３の活動を追跡する責任をもつ。活動は、異なる帯域でのクライアント１０３の測定値、信号強度、異なるクライアントサービスに対するＱｏＳ要件などを含む。クライアント測定モジュール２０１は、異なる帯域に割り当てられたクライアントの数を記録する。新しいクライアントがＡＰ１０１のサービスエリアに入ったときは、クライアント測定モジュール２０１はクライアントの信号強度を記録し、またクライアントの信号強度を周期的に追跡する。クライアントの信号強度またはＱｏＳに変化があった場合は、クライアント測定モジュール２０１は、その旨をミドルウェアモジュール２０３に通知する。さらにクライアント測定モジュールはまた、クライアントを適切な帯域に割り当てるためにクライアントの場所を記録する。

重み付き比例公平媒体アクセス制御（ＭＡＣ）モジュール２０２は、クライアントへの帯域の割り当てにおいて比例公平性を確実にする責任をもつ。この目的のためにＭＡＣモジュール２０２は、クライアント測定モジュール２０１と対話して、クライアント１０３の信号強度および場所データを決定し、次いで割り当てが行われる。

ミドルウェアＱｏＳモジュール２０３は、ＡＰ１０１の基本的な構成要素である。ミドルウェアＱｏＳモジュール２０３は、複数の異なる帯域におけるクライアント割り当てを行うために、ホワイトスペース選択およびクライアント選択エンジン２０４と、決定モジュール２０５とを使用する。テレビジョンホワイトスペース選択およびクライアント選択エンジン２０４は、ＡＰ１０１の各無線機に対応するテレビジョンホワイトスペースをインテリジェントに選び、異なるクライアント１０３を無線機に割り振り、各無線機に対してＭＡＣが重み付き比例公平データレートを供給することを確実にする。一実施形態では公平な割り当てのために、それらのＱｏＳに対してサービスに重みが割り振られる。さらにサービス、およびサービスに対するＱｏＳの要件に基づいて、サービスに重みが割り振られる。一例ではＶＯＩＰサービスは、音声サービスに比べて高い重みをもつことができる。サービスに対するＱｏＳの優先度に基づいて割り当てが行われる。次いでテレビジョンホワイトスペース選択およびクライアント選択エンジン２０４は、決定モジュール２０５にＴＶホワイトスペース選択およびクライアント割り振りを行うように指示する。

決定モジュール２０５は、ＴＶホワイトスペース選択およびクライアント選択エンジン２０４から入力を受け取り、それに従って決定を行う責任をもつ。決定モジュール２０５は、いつホワイトスペース選択を起動し、クライアント割り振りを行うかを決定する。これはまた、必要に応じていつクライアントの割り当てを変更すべきかについて決定する。決定モジュール２０５は、クライアントが過度に頻繁に帯域を変更しなくてもよいことを確実にする。それらの帯域を変えることによって大幅に有利になる場合は、それが実行される。

一実施形態ではミドルウェアＱｏＳモジュール２０３は、サービスに対するハードＱｏＳおよびソフトＱｏＳ要件の両方に対処する。サービスに対するソフトＱｏＳの場合は、必要なＱｏＳはサービスが使用されるアプリケーションのタイプに依存し、ＱｏＳの絶対的な保証はない。一方、ハードＱｏＳの場合は、各サービスに対するＱｏＳのＱｏＳ要件はほぼ一定であり、アプリケーションで変わらない。

図３は、本明細書における一実施形態によるアクセスポイント機能プロセスを示すフロー図である。ＡＰ１０１は、近傍のクライアントの決定、およびクライアントに対するＱｏＳ要件に基づくクライアント１０３に対するスペクトル内の帯域の割り当てに関与する。新しいクライアント１０３がＡＰ１０１の近傍に入ったときは、ＡＰ１０１はクライアントがそのサービスエリア内にあるかどうかのチェックを行う（３０１）。クライアント１０３が新しいクライアントである場合は、ＡＰ１０１は信号強度測定値を記録し、それを報告する（３０２）。報告に基づいてＡＰ１０１は、どの帯域がクライアント１０３に最適であるかを決定し、そのＱｏＳ要件に最適な帯域に加わるようにクライアント１０３に指示する（３０４）。一方、ＡＰ１０１はまた、ＡＰ１０１のカバレージエリアの外へ移動するクライアントを追跡する（３０３）。さらにＡＰ１０１は、信号強度の変化があるかどうかを判定するために、クライアント１０３の信号強度を周期的に記録する（３０５）。一実施形態では信号強度はまた、イベントベースで、すなわちクライアント１０３によってイベントが引き起こされたときなどに測定することができる。これらすべての出力に基づいてＡＰ１０１は、割り当てられたクライアント１０３のＱｏＳ要件が先の割り当てから制限された閾値を超えて変化したかどうかのチェックを行う（３０６）。一実施形態では閾値は予め規定することができる。規定された閾値からのＱｏＳ値の変化があった場合は、クライアント１０３のために帯域に対する再割り振りが必要かどうかのチェックが行われる（３０７）。再割り振りが必要な場合はＡＰ１０１は、新しいＱｏＳアウェアなクライアント割り振りを行う（３０８）。この新しい割り振りでは、クライアントはそれらの変化するＱｏＳ要件に基づいてホワイトスペーススペクトル内の帯域が再割り振りされる。さらに新しい割り当て計画は、クライアント１０３にブロードキャストされる（３０９）。方法３００における様々な動作は、述べられた順序で、異なる順序で、または同時に行うことができる。さらに一部の実施形態では、図３に列挙された一部の動作は省略することができる。

図４は、本明細書における一実施形態によるアルゴリズムの初期化を示すフロー図である。提案されるアルゴリズムは、ＴＶホワイトスペース選択およびクライアント割り振りの連動した問題に対する戦略を用いる。クライアントに対する戦略空間は、帯域およびクライアントのさらなる再割り当てが行われるまで、特定のホワイトスペースにわたって動作することである。この手法は、再割り当てが頻繁に行われない場合は必要なオーバヘッドが低いので利点がある。

アルゴリズムに対する前提は次の通りである：ＡＰ１０１は動作のためにＫ個の無線機を有すると仮定する。ホワイトスペースは「Ｍ」個のＴＶで利用可能であり、Ｋ個の無線機に必要な帯域はＫ個である。さらに、帯域の幅は６ＭＨｚ以上とすることができるが、無線機の最大動作帯域幅を超えないことに留意することが重要である。次いでクライアント１０３は、適切な目的を最大化するようにＫ個の帯域に割り振られる。さらに無線機が選ぶ各帯域は、複数のＴＶチャネルからなるものとすることができるが、これらの複数のＴＶチャネルによって占められるスペクトルが無線機の同調可能な帯域幅を超えないことが条件となる。

次いでアルゴリズムへの入力が規定される（４０１）。このプロセスの間では割り当ては、ｊとして定義される周波数帯域からクライアント１０３が得ることができる、１Ｈｚ当たりのデータ伝送レート（以下ではＲＰＨと呼ばれる）を勘案する。さらに帯域ｊにおけるクライアントｉの１Ｈｚ当たりのレートは、η_ｉｊによって表される。パラメータη_ｉｊは、帯域にわたるスペクトル効率と、クライアント１０３によって帯域が自由であると認識される占有時間との積である。η_ｉｊがアップリンクトラフィックとダウンリンクトラフィックとで異なる場合は、ダウンリンクトラフィックが支配的であるのでダウンリンクシナリオに対応するものを採用するか、またはダウンリンクＲＰＨに対してより大きな重みを用いて加重平均を取ることができる。η_ｉｊは、様々な帯域の場合に、例えばワイヤレスマイクロホンが存在する帯域の場合にゼロとなり得ることが留意される。

次のステップでは制約条件が規定される（４０２）。ここではあらゆるクライアント１０３が、少なくとも１つの周波数帯域においてゼロでないＲＰＨを認識するという仮定がなされる。２つの制約条件が存在する：第１はあらゆるクライアント１０３が何らかの帯域に割り振られるべきであり、いずれのクライアント１０３も２つ以上の帯域に割り振ることはできない。第２の制約条件は、各クライアント１０３は通信目的のために１つの無線機を有するということから来る。

次いで目的関数が規定される（４０３）。目的関数の選択には、ＱｏＳならびに効率的なシステム利用が反映されるべきである。このためには、ＥＶ−ＤＯ、ＧＰＲＳ、および多くの他のセルラーシステムで好結果で利用されている重み付き比例公平性が使用される。一実施形態では、比例公平性においてシステムは、Σ_ｉＷ_ｉｌｏｇ（Ｒ_ｉ）を最大化するように試み、ただしＲｉはクライアントＩが受け取る平均レートであり、Ｗ_ＩはＱｏＳ保証を反映する、クライアントに対する重みである。概略的に言えば比例公平性においては、あらゆるクライアントは「チャネル」およびそれらの重みに比例したレートを得る。

次いで、ＱｏＳ要件がそれに従って満足されることを確実にするように、重みが選ばれる（４０４）。選ばれた重みは事実上ＱｏＳクラスを決定し、相対重みのみが重要となる。２つのクライアント１０３ａ、１０３ｂに重み１および２が割り振られた場合は、これはすべてのもの（場所、信号強度、利用可能な帯域）が等しい場合は、重み付き比例公平性の下では、一方のクライアント１０３ｂが他方の２倍のデータレートを得ることを事実上意味する。一実施形態では重みを選ぶために以下が行われ、すなわち（ｉ）ＱｏＳ空間を少数のＱｏＳクラスに分割し、（ｉｉ）ＱｏＳクラスを優先付けし、（ｉｉｉ）相対的な重みが相対的な優先度を反映するように、より高い重みを高い優先度のＱｏＳクラスに割り振る。さらにすべての重みが等しい場合は、３Ｇ／ＥＶ−ＤＯのように単に比例公平データレートが保証されることが留意される。

図５は、本明細書における一実施形態による、クライアントに対する無線機を選択するプロセスを示すフロー図である。本明細書における一実施形態ではアルゴリズムは、Ｋの小さな値に対して示され、ただしＫは無線機の数である。このアルゴリズムは、クライアントおよび周波数帯域の数の多項式であるが、Ｋの指数関数である。後に我々は、このアルゴリズムをＫの多項式である発見的方法を展開するように拡張する。小さなＫに対してアルゴリズムを展開することは３つの利点を有する。第１に多くの実際的なシナリオでは、我々は典型的なＫの値は３または４より小さくなると想像する。第２に、それを前提として一般的な問題は、より難しいＮＰハード問題の中にある集合カバーのように難しく（定数の係数近似の保証を有する知られているアルゴリズムがないという意味で）、立証できる保証を有するアルゴリズムを展開することは、制限された領域においてのみ期待できる。最後にここでの問題は２つの重要な要素をもつことに留意すべきであり、すなわち１組のＫ個の周波数帯域を選ぶこと、および選ばれた帯域を最適にクライアントに割り振ることである。明らかにアルゴリズムのこれら２つの構成要素は互いに依存する。小さなＫの値に対して提案されるアルゴリズムは、クライアントを、ＡＰ１０１によって選ばれた周波数帯域の所与の組に最適に割り振るという問題に取り組む。

最初に伝送のために利用可能な無線機が選択される（５０１）。ＴＶホワイトスペーススペクトルにおいて割り当てのために利用可能な複数の帯域が選択される（５０２）。選ばれた帯域においてサービスすることができるクライアント１０３が選択され、クライアント１０３は選ばれたＫ個の帯域に最適に割り振られる（５０３）。さらに合計ログユーティリティが取得される（５０４）。ログユーティリティを取得するこのプロセスは、試みがなされるＫ個の帯域のいずれかの周波数帯域においてゼロでないデータレートを得るクライアント１０３に対して行うことができる。あらゆるクライアント１０３がいずれかの帯域においてゼロでないデータレートを得る、Ｋ個の帯域のすべての可能な選択（Ｏ（Ｍ^Ｋ）通りの選択がある）の中で、最良ログユーティリティの帯域が選ばれる（５０５）。さらに最良ログユーティリティを有する帯域が選ばれる（５０６）。いくつかの反復が行われ（５０７）、クライアント１０３はそれらの計量に従って帯域が割り振られる。それにより方法は、クライアント１０３に対して最大比例公平性が達成されることを確実にする。

Ｋ個の帯域へのクライアントの最適な割り振りが行われる。あらゆるクライアントに対して、それがゼロでないデータレートでＡＰに伝送することができる帯域が存在すると仮定して、クライアント割り振りのための簡単なアルゴリズムを考える。ＡＰは集合Ｆで表されるＦ個の帯域を選んでいるものとし、集合Ｆは考慮中の周波数帯域の指数を表す（すべての周波数帯域の集合は、Ｂ１；Ｂ２、・・・；ＢＭとすることができる。ここでＦは考慮中の帯域の数である）。クライアントｉが、帯域ｊにおける唯一のクライアントである場合に達成するデータレートをｒ_ｉｊとする。アルゴリズムは以下の重要な事実に依存する。Ｎ個のクライアントが、クライアントの合計の重みＷを有して周波数帯域Ｂｊに割り振られた場合は、比例公平性の下で、クライアントｉが得るべきデータレートはｒ_ｉｊ／Ｗである。

図６は、本明細書における一実施形態によるクライアント割り振りアルゴリズムを示すフロー図である。アルゴリズムでの最初のステップでは初期化が行われる。あらゆるクライアントは、クライアントがゼロでない１Ｈｚ当たりのデータレートを得る帯域に割り振られる（６０１）。次のステップでは、ランダムに他のクライアントを取得するために反復が行われる（６０２）。選ばれたクライアントに適した最良の帯域が決定される（６０３）。さらに、クライアントに対して選択された最良の帯域にクライアントを移動することで明確な改善があるかどうかのチェックが行われる（６０４）。一実施形態では明確な改善とは、重み付き比例公平性の変化、他のクライアントに対する計量の減少などがあるかどうかを意味することができる。クライアントを移動することで明確な改善がない場合は、クライアントは同じ帯域に保持される（６０５）。一方クライアントを移動することで明確な改善がある場合は、クライアントはその帯域に移動される（６０６）。さらに何らかの変化がある場合は他のクライアントに対する重みが更新され（６０７）、プロセスは繰り返される。方法６００における様々な動作は、述べられた順序で、異なる順序で、または同時に行うことができる。さらに一部の実施形態では、図６に列挙された一部の動作は省略することができる。

アルゴリズムは以下に示される：
アルゴリズム１クライアント割り振り（Ｆ，Ｃ）：Ｃ内のクライアントの周波数帯域Ｆへの割り振り
１：初期化：あらゆるクライアントを、それがゼロでない１Ｈｚ当たりのデータレートを得る帯域に割り振る。Ｃ_ｊを周波数帯域ｊに割り振られるクライアントとし、

とする。
２：ＡＣを、依然としてクライアントの割り振りが行われるべきクライアントの集合ＡＣとする。始めはＡＣ＝Ｃすべてのクライアントの集合である。
３：ｗｈｉｌｅＡＣ≠φ ｄｏ
４：集合ＡＣからクライアントをランダムに選定する。このクライアントの指数をｉとする。ｌ∈Ｂによって初期化ステップにおいてｉが割り振られた帯域を表す。
５：重み付き比例公平性計量における最大の改善を与えるようにクライアントｉが移動されるべき帯域を求める。すなわち帯域ｊ_ｉを以下のように求める。

６：ｊ_ｉに対する独立変数がゼロの場合は、割り振りはそのままとし、ＡＣをＡＣ←ＡＣ＼ｉとして更新し、ステップ４でｗｈｉｌｅループの次の繰り返しに移る。この場合はｊ_ｉ＝ｌである。
７：ｊ_ｉに対する独立変数がゼロでない場合は、帯域ｊ_ｉをクライアントｉに割り振り、以下の更新を行う。

をｗ_ｉだけ増加し、Ｗ_ｌをｗ_ｉだけ減少する。
８：ＡＣ←ＡＣ＼ｉ
９：ｅｎｄｗｈｉｌｅ
１０：クライアントｉに対するデータレートは、

であり、合計ユーティリティは、Σ_ｉｌｎｄ_ｉである。合計ユーティリティおよびクライアント割り振りｊ_ｉを戻す。

最初は初期化ステップであり（ステップ１）、ここではあらゆるクライアントは、それがゼロでないデータレートを得ることができる帯域に移動される。次は貪欲な反復（ｗｈｉｌｅループ）ステップである。反復の各ステップでは残りのクライアントの１つがランダムに選定され（ステップ４）、その最良の帯域が取得され（ステップ５）、その帯域にクライアントを移動することによって目的における明確な改善がある場合は、クライアントはその帯域に移動される（ステップ６−７）。考慮中のクライアントに対して最良の帯域が決定されるステップ４は以下のように説明することができる。ここで式（１）内の独立変数は４つの項を有することが留意され、最初の２つの項はクライアントを帯域ｊに移動したことによる重み付き比例公平性計量の変化を定量化し、第２の項はすでに帯域ｊにあるすべてのクライアントに対する計量の減少であり、最後の項はクライアントｉが初期の帯域から取り除かれたことによる計量の増加である。比例公平性計量における増加および減少は事実１から生じる。

一実施形態では、総称的なＫ個の無線機に対するアルゴリズムは以下のように示される。先のアルゴリズムはＯ（Ｍ^Ｋ）の計算量を有する。提案されるアルゴリズムはＫの指数関数ではない。アルゴリズムは、Ｋ個の帯域が選ばれるまでの時点で帯域「ｒ」を増分的に選ぶ。パラメータ「ｒ」は計算量と性能のトレードオフをとるように選ぶことができる。アルゴリズムは以下のステップを有する。始めには、すべての帯域がＫ個の帯域の選択に対する可能な選択肢である。次いですべての可能なｒ≦Ｋ個の帯域の集合は、クライアント割り振りアルゴリズム１への入力として供給され、ログユーティリティを最も増加させる帯域の集合が選ばれる。これらのｒ個の可能な帯域の最良の集合は、動作する帯域の組の中に含まれる。先のステップは、Ｋ個の帯域が選ばれるまで、またはすべての帯域が使い尽くされるまで繰り返される。

一実施形態ではＡＰ１０１はクライアントを、クライアントの場所、複数の異なる帯域にわたる信号強度、および異なるサービスに対するクライアントのＱｏＳ要件などの要因に基づいて、スペクトル内のホワイトスペースに割り振る。

一実施形態ではＡＰ１０１は、ホワイトスペース選択を、まとまりのない配備および純粋なクライアント戦略において使用する。この場合は、ホワイトスペース選択およびクライアント割り振り戦略は、純粋な割り振りによって異なるクライアントに公平なデータレートを与える。純粋なクライアント割り振りでは、クライアントの特定の無線機に対する関連付けが固定される。

一実施形態ではＡＰ１０１は、ホワイトスペース選択をまとまりのない配備および純粋なクライアント戦略にて使用する。この場合はホワイトスペース選択およびクライアント割り振り戦略は、混合型クライアント割り振りによって複数の異なるクライアントに公平なデータレートを与える。混合型クライアント割り振りでは、特定の無線機に対するクライアントの関連は混合される。

図７は本明細書における一実施形態による、アルゴリズムおよび公平性計量の間の比較を示すグラフである。グラフでは、公平性計量を比較するために、提案されるアルゴリズムの、ＡＰに対する最適データレートとの比較がなされる。グラフは、合計ログユーティリティに対するクライアントの数のプロットである。この目的のために半径は３００ｍと仮定され、経路損失指数は３．０とされた。無線機の数は３個であり、スペクトル内の利用可能なホワイトスペースは８個である。さらにクライアントはカバレージエリア内にランダムに配置され、各結果は複数のこのような実行にわたって平均される。一実施形態では、一部のＴＶチャネルを停止するようにワイヤレスマイクの影響も生成された。さらにアルゴリズムに対する重みは、クライアントの間で公平なデータレートを保証するように等しく選ばれた。得られた結果から、提案されるアルゴリズムの全体の公平性計量または合計ログユーティリティは、最適値に近いことが明らかである。さらに提案されるアルゴリズムによって達成されるデータレートは、最適比例公平性割り当てによって達成されるものの９０％以内である。

図８は、本明細書における一実施形態による、アルゴリズムとレート比較の間の比較を示すグラフである。グラフではデータレートを比較するために、提案されるアルゴリズムと、ＡＰに対する最適データレートとの比較がなされた。グラフは、クライアントの数と、合計データレートとのプロットである。この目的のために半径は３００ｍと仮定され、経路損失指数は３．０とされた。無線機の数は３個であり、スペクトル内の利用可能なホワイトスペースは８個である。さらにクライアントはカバレージエリア内にランダムに配置され、各結果は複数のこのような実行にわたって平均される。一実施形態では、一部のＴＶチャネルを停止するようにワイヤレスマイクの影響も生成された。さらにアルゴリズムに対する重みは、クライアントの間で公平なデータレートを保証するように等しく選ばれた。得られた結果から、提案されるアルゴリズムの全体の公平性計量または合計ログユーティリティは、最適値に近いことが明らかである。さらに提案されるアルゴリズムによって達成されるデータレートは、最適比例公平性割り当てによって達成されるものの９０％以内である。

提案されるアルゴリズムの利点は以下の通りである。１．ＱｏＳクラス：ソリューションは複数の異なるＱｏＳクラスに複数の差別化されたサービスを提供することが可能である。これはＡＰが同時にマルチメディア、音声、オンラインゲームを供給するように配備されるときに非常に重要となり得る。実際、ＴＶホワイトスペースの潜在的な用途は、ホームマルチメディア、およびＬＴＥ電話からのＬＴＥデータのオフロードである。ソリューションは、一方のトラフィックラスに他方より優先度を与えるために役立つ。

２．スペクトル固有の特性（すなわち周波数依存性の伝播を勘案する）。物理法則から無線信号は、低い周波数帯域にわたって受ける経路損失がずっと低く、それにより遠くまで伝播することが良く知られている。したがってもし両方の帯域において経験される環境干渉がほぼ同じレベルであれば、１００−１０６ＭＨｚは、５００−５０６ＭＨｚに比べてデータレートが高くなる。ソリューションは、ホワイトスペースを選択しクライアントを無線機の１つに割り振る際に、この事実を活用する。

３．クライアントの場所：８０２．１１を直接にＴＶホワイトスペースに拡張するいずれのソリューションとも異なり、我々の研究は、ＡＰに対するクライアントの場所を明確に勘案しており、したがってより多くの利用可能なホワイトスペースが取り出される。

４．複数無線機：スペクトルは断片化されることから、複数無線機をベースとするソリューションが必然となる。殆どの以前の研究は、複数無線機アーキテクチャを勘案していない。アーキテクチャおよびアルゴリズムは、複数無線機をベースとするアーキテクチャを明確に勘案している。

本明細書で開示される実施形態は、少なくとも１つのハードウェア装置上で作動しネットワーク要素を制御するようにネットワーク管理機能を行う、少なくとも１つのソフトウェアプログラムによって実現することができる。図１および図２に示されるネットワーク要素は、ハードウェア装置、またはハードウェア装置とソフトウェアモジュールの組み合わせの少なくとも１つとすることができるブロックを含む。

特定の実施形態についての上記の説明により、本明細書の実施形態の全体的な性質は十分に明らかになり、それにより他者は、現在の知識を適用することで全体的な概念から逸脱せずにこのような特定の実施形態を容易に変更するおよび／または様々な用途に適合させることができ、したがってこのような適合化および変更は、開示された実施形態の意味および均等の範囲内であるべきであり、かつそのように解釈されることを意図するものである。本明細書で使用される語句または用語は説明のためのものであり、限定するものではないことを理解されたい。したがって本明細書の実施形態について好ましい実施形態に関して述べてきたが、当業者なら本明細書の実施形態は、本明細書で述べられる特許請求の範囲の趣旨および範囲内での変更を有して実施できることが認識されよう。

Claims

テレビジョンホワイトスペーススペクトル内の帯域をクライアントに割り当てるためのアクセスポイントであって、
前記アクセスポイントは、ミドルウェアサービス品質処理モジュールを備え、
前記ミドルウェアサービス品質処理モジュールは、
テレビジョンホワイトスペース選択およびクライアント割り振りエンジンと、
決定モジュールとを備え、
前記テレビジョンホワイトスペース選択およびクライアント割り振りエンジンが、
動作のために選択することができる、前記アクセスポイントのための無線機の数Ｋを決定し、
前記Ｋ個の無線機に対応する利用可能なテレビジョンホワイトスペーススペクトルのＭ（Ｍ＞Ｋ）個の帯域のセットからＫ個の周波数帯域を選び、前記無線機に対する重み付き比例公平データレート割り当てがなされることと、前記重み付き比例公平データレート割り当てに対して使用されるユーティリティ関数が最大化されることとを確実にすることによって、前記クライアントを前記無線機に割り振る
ように構成され、
前記決定モジュールが、
重み付き比例公平媒体アクセス制御モジュールから入力を取得し、
必要に応じて前記クライアント割り振りを変更するように前記テレビジョンホワイトスペース選択およびクライアント割り振りエンジンを起動する
ように構成されている、アクセスポイント。
前記クライアントが重み付き比例公平データレートに基づいて前記無線機に割り振られ、前記重みは前記クライアントのためのサービス品質要件を反映するように選ばれる、請求項１に記載のアクセスポイント。
前記アクセスポイントが、前記クライアントの場所および信号強度を取得するように構成されたクライアント測定および割り当てエンジンをさらに備える、請求項１に記載のアクセスポイント。
前記アクセスポイントが、前記クライアントのサービスに対するサービス品質要件に基づいて前記クライアントに対する重みを供給する、前記重み付き比例公平媒体アクセス制御モジュールをさらに備える、請求項１に記載のアクセスポイント。
前記アクセスポイントが、前記クライアントを第２の帯域へ移動することで明確な変化がある場合は、前記クライアントの再割り振りを行うようにさらに構成される、請求項１に記載のアクセスポイント。
前記重みが、クライアントの場所、複数の異なる帯域にわたる信号強度、およびサービス品質要件の少なくとも１つを含む要因に基づいて割り振られる、請求項１に記載のアクセスポイント。
アクセスポイントによって実行される、前記アクセスポイントのクライアントをテレビジョンホワイトスペーススペクトルに割り当てるための方法であって、
動作のために選択することができる、前記アクセスポイントのための無線機の数Ｋを決定するステップと、
前記Ｋ個の無線機に対応する利用可能なテレビジョンホワイトスペーススペクトルのＭ（Ｍ＞Ｋ）個の帯域のセットからＫ個の周波数帯域を選び、前記無線機に対する重み付き比例公平データレート割り当てがなされることと、前記重み付き比例公平データレート割り当てに対して使用されるユーティリティ関数が最大化されることとを確実にすることによって、前記クライアントを前記無線機に割り振るステップと、
前記アクセスポイントが、前記アクセスポイントに加わるクライアントに対する信号強度を求めるステップと、
前記アクセスポイントが、前記クライアントに対する前記信号強度に基づいて、前記テレビジョンホワイトスペーススペクトル内の利用可能な最良の帯域に加わるように、前記クライアントに指示するステップと、
前記アクセスポイントが、前記クライアントに対するサービス品質要件が、先の割り当てから閾値を超えて変化したかどうかを判定するステップと、
前記アクセスポイントが、前記クライアントに対する前記サービス品質要件が閾値を超えて変化した場合は、新しいクライアント割り振りを行うステップと
前記アクセスポイントが、前記割り当ての詳細をブロードキャストするステップと
を含む、方法。
周期的、イベントベースのうちの１つで、前記クライアントに対する信号強度測定をさらに行う、請求項７に記載の方法。
さらにクライアントの離脱を追跡し、必要に応じて前記クライアントを再割り当てする、請求項７に記載の方法。
Ｋ個の周波数帯域を選び、前記クライアントを前記無線機に割り振るステップは、
Ｋ個の帯域の、すべての可能な選択に対して、重み付き比例公平データレート割り当てがなされることを確実にすることにより前記クライアントを割り振り、ユーティリティ関数を決定するステップと、
最良のユーティリティ関数を有するＫ個の帯域を選ぶステップと
を含む、請求項７ないし９のいずれか一項に記載の方法。
Ｋ個の周波数帯域を選び、前記クライアントを前記無線機に割り振るステップは、
Ｋ個の帯域が選ばれるまでの時点でｒ個の帯域を選ぶステップを含み、
ユーティリティ関数を最も増加させるｒ個の帯域のセットが選ばれる、請求項７ないし９のいずれか一項に記載の方法。