JP2005051781A - Ｃｓｍａ／ｃａ方式を用いた無線ｌａｎステーションの消費電力制御方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＳＭＡ／ＣＡ方式の無線ＬＡＮ上での受信消費電力制御方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、階層構造を利用して無線信号を送受信するステーションにおける無線信号の受信時の消費電力制御方法を提供し、この消費電力制御方法は、無線信号から、第１階層および第２階層におけるフレームの伝送速度情報および伝送時間情報を抽出する段階と、抽出した情報から、第１階層および第２階層の電力制御時間をそれぞれ決定する段階と、抽出した情報に含まれる受信アドレスが、当該ステーションのアドレスと一致しない場合に、電力制御時間の間、第１階層および第２階層をそれぞれ所定の電力供給モードに切換え、第１階層および第２階層の消費電力を減少させる段階とを含むことを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は搬送波感知多重アクセス／衝突検出（ＣＳＭＡ／ＣＡ：Carrier Sense Multiple Access／Collision Avoidance）方式を用いた無線ＬＡＮステーションにおける消費電力制御方法およびその装置に係り、特に、無線ＬＡＮシステムの受信信号待機時における消費電力を抑制する消費電力制御方法およびその装置に関する。

ＩＥＥＥ８０２.１１標準の無線ＬＡＮシステムは、無線資源共有のためにＣＳＭＡ／ＣＡ方式をアクセス制御方式として使用する。図１は、ＩＥＥＥ８０２.１１標準による無線ＬＡＮシステムの構成例を示す図である。図１に示した無線ＬＡＮシステムは、ＢＳＳ（Basic Service Set）１０、インターネット１１およびコンテンツサーバ１２より構成される。
ＢＳＳ１０は、無線端末１０１およびアクセスポイント（ＡＰ：Access Point）１０２を備える。無線端末１０１は、無線ＬＡＮサービスを要請する加入者端末であってステーションといい、ＡＰ１０２はインターネット１１のような有線網に接続されるか、またはＤＳ（Distribution System）を通じて他のＢＳＳを構成するＡＰ（図示せず）に有線で接続されて、他ネットワークと連携するブリッジング機能を行う。
前記したステーションは、図２に示した階層構造を有しており、ＲＦ（Radio Frequency）階層２０、基底帯域階層２１および媒体アクセス制御（ＭＡＣ：Media Access Control）階層２２から構成される。ここで、ＲＦ階層２０および基底帯域階層２１を物理階層という。

ＭＡＣ階層２２では、受信側のステーションにフレームを伝送する前に、物理階層から搬送波感知情報を受信して、無線媒体が使用されているか否かを判断する。そして、無線媒体が待機状態であれば、送信側のステーションは、フレームを受信側のステーションに伝送する。
このとき、送信側のステーションの伝播範囲内にある全てのステーションは、伝送されたフレームに含まれる所要時間（duration）フィールド値を判読することによって、フレームが伝送される間は、無線媒体が使用状態であることが分かる。
フレームを受信したステーションは、図３Ａに示すように、送信側のステーションに確認応答（ＡＣＫ：Acknowledgement）フレームを伝送する。このように、伝送フレームに無線媒体の使用時間を記録して伝送し、各ステーションが使用時間を判読する方法を仮想搬送波感知という。

前記のような無線ＬＡＮシステムは、主に携帯およびモバイル用途の装置に使われる。このような特性上、バッテリー電力の消費は、重要な問題として残っている。現在の無線ＬＡＮシステムでは、物理階層で８０％以上の電力を消費している。
この電力消費を抑制するために、ステーションには、低い電力消費で動作させる電力管理プログラムが用いられている。このような電力管理プログラムは、ＡＰ１０２を利用する基盤ネットワークで使われ、電力管理の周期は、ビーコンの周期である平均１００ｍｓｅｃの倍数単位で行われる。ネットワークにおける電力管理フレームの交換の間、ＡＰ１０２は、この電力管理フレームをバッファリングしなければならない。したがって、１００ｍｓｅｃ以下のレベルでは電力制御を行うことができない。したがって、音声／映像通話のようなリアルタイム双方向サービスでは、ステーションで大量の電力が消費されるため、要求されるサービスを、十分に提供することができない。

ここで、図３Ｂは、無線ＬＡＮ環境のステーションにおける仮想搬送波感知の動作を説明する図面である。無線ＬＡＮ環境で、各ステーションは、無線媒体を共有するために、周期的に搬送波感知を行う。例えば、ステーションＳＴＡ−１がステーションＳＴＡ−３にデータを伝送すると（３０）、フレームの受信アドレスではないステーションＳＴＡ−２および他のステーションも、ステーションＳＴＡ−３と同様に搬送波感知の動作を行い（３１）、このとき、電力を消費する。ステーションＳＴＡ−３は、ステーションＳＴＡ−１からフレームを受信すると、この受信したフレームのエラーの発生の有無を示すＡＣＫフレームを伝送する（３２）。このとき、ステーションＳＴＡ−２および他のステーションも搬送波感知の動作を行い（３３）、これにより、ステーションＳＴＡ−１と同様に電力を消費する。

無線ＬＡＮシステムを構成する各ステーションは、フレーム伝送、フレーム受信および搬送波感知の動作中に電力を消費する。電力消費の比率は、フレーム伝送時のほうが、フレーム受信時よりも、３０〜５０％程度大きい。加えて、フレーム伝送時には、搬送波感知の動作の後に、フレームを伝送するだけ、電力が消費される。搬送波感知時には、フレーム受信時と同様の電力を消費する。しかし、多数のステーションが同じ無線媒体を共有する場合には、搬送波感知時に消費される電力が、フレーム伝送時に消費される電力に比べて、より大きくなる。
例えば、２０以上のステーションが単一の無線媒体を共有する場合、一定期間内にステーションで搬送波感知のために消費される電力は、フレーム伝送時に消費される電力に比べて、１０倍以上多くなる。したがって、多数のステーションが、ＡＰのサービスを受ける形式のホットスポットのような無線ネットワーク構造では、電力消費の多くの部分が搬送波感知の過程で発生することになる。したがって、搬送波感知時に消費される電力を減少させる方法が求められている。

本発明が解決しようとする技術的課題は、無線ＬＡＮシステムのステーションの電源投入後に、安定化に必要な最小限の構成要素を除いた残りの構成要素への供給電源を抑制することで、搬送波感知の動作時に消費される電力を減少できる消費電力制御方法およびその装置を提供することである。

前記した課題を達成するために本発明は、階層構造を利用して無線信号を送受信するステーションにおける無線信号の受信時の消費電力制御方法を提供し、この消費電力制御方法は、無線信号に含まれる情報から第１階層フレームおよび第２階層フレームの伝送速度情報および伝送時間情報を抽出する段階と、抽出した情報から第１階層および第２階層の電力制御時間をそれぞれ決定する段階と、抽出した情報に含まれる受信アドレスが、当該ステーションのアドレスと一致しない場合は、電力制御時間の間、第１階層および第２階層をそれぞれ所定の電力供給モードに切換え、第１階層および第２階層の消費電力を減少させる段階とを含むことを特徴としている。

さらに、前記した課題を達成するために本発明は、階層構造を利用して無線信号を送受信するステーションにおける無線信号の受信時の消費電力を減少させる消費電力制御装置を提供し、この消費電力制御装置は、無線信号を基底帯域信号に変換する第１階層と、この基底帯域信号から原信号を復元する第２階層と、復元された原信号に含まれる受信アドレスが、当該ステーションのアドレスと一致しない場合に、第１階層および第２階層を所定の電力供給モードに切換え、第１階層および第２階層の消費電力を減少させる受信電力制御部とを含むことを特徴としている。

本発明によると、搬送波感知時にハードウェア上で電力制御が可能となるため、双方向リアルタイムデータ通信サービス時における、電力消費を抑えることができる。

以下、添付した図面を参照して本発明を適用した実施形態を詳細に説明する。

図４は、本実施形態の消費電力制御装置を備えたステーションの階層構造を示す機能ブロック図である。図４に示すように、ステーションの階層構造は、ＲＦ階層４１、基底帯域階層４２およびＭＡＣ階層４３を含む。ＲＦ階層４１は、アンテナ４０を通じてＲＦ信号を受信して中間周波数（ＩＦ：Intermediate Frequency）に変換して、このＩＦを基底帯域信号に変換するＲＦ／ＩＦ信号処理部４１１と、ＲＦ／ＩＦ信号処理部４１１に基準周波数を提供するＶＣＯ−ＰＬＬ（Voltage Controlled Oscillator-Phase Locked Loop）４１２と、ＲＦ／ＩＦ信号処理部４１１の動作に必要なデータを保存し、かつ供給する第１レジスタ４１３とを備える。

基底帯域階層４２は、ＲＦ／ＩＦ信号処理部４１１から出力される基底帯域信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ（Analog to Digital Converter）４２１と、ＡＤＣ４２１から出力されるデジタル信号から公知のＦＳＫ（Frequency-Shift Keying）のような復調方法を利用して原信号を復元する基底帯域信号処理部４２２と、ＡＤＣ４２１および基底帯域信号処理部４２２の動作に必要なデータを保存し、かつ供給する第２レジスタ４２３とを備える。

ＭＡＣ階層４３は、基底帯域信号処理部４２２からフレームを受信するＭＡＣ−階層サービス接続点（ＳＡＰ：Service Access Point）４３１と、ＭＡＣ−ＳＡＰ４３１において受信したフレームを用いて電力制御を行う受信電力制御部（ＲＰＣ：Receive Power Controller）４３３と、プロトコル制御または直接メモリアクセスを実行してホスト（図示せず）と通信するフレーム処理部４３２とを備える。

前記した階層構造を有するステーションにおいて、信号受信時の電力制御は、以下のように行われる。ここで、図５は、ＲＰＣ４３３において行われる本実施形態の電力制御方法を説明する図面である。

はじめに、ＲＰＣ４３３は、ＭＡＣ−ＳＡＰ４３１から物理階層フレーム（ＰＬＣＰ：Physical Layer Convergence Protocol）およびＭＡＣフレームを受信する（ステップＳ５０）。ＰＬＣＰおよびＭＡＣフレームは、ヘッダ情報およびＭＡＣフレームの伝送速度情報を含んだ様々な情報を有している。ここで、図６は、ＰＬＣＰプリアンブル、ＰＬＣＰヘッダおよびＭＰＤＵ（MAC sublayer Protocol Data Unit）を含んだＰＬＣＰプロトコルデータユニット（ＰＰＤＵ：Plcp Protocol Data Unit）の構成を示す図面である。図６に示したフレーム構造において、“ｓｙｎｃ”（synchronization）は、流入する信号の取得および同期化のためのフィールドであり、“ＳＦＤ”（Start of Frame Delimiter）はＰＰＤＵの開始を示す情報を含むフィールドである。また、“信号”は変調方式を表すフィールドであり、“サービス”は予約フィールドである。さらに、“長さ”は、ＭＰＤＵの伝送に必要な時間を示すフィールドであり、“ＣＲＣ”は、送信側のステーションで計算されたフレーム検査列（ＦＣＳ：Frame Check Sequence）の値を有するフィールドである。ＰＬＣＰプリアンブルとＰＬＣＰヘッダとは、１Ｍｂｐｓの速度で伝送可能であり、ＭＰＤＵは１Ｍｂｐｓまたは２Ｍｂｐｓで伝送可能である。

ＲＰＣ４３３は、ステップＳ５０において受信した情報から、伝送速度情報およびフレーム伝送時間情報を抽出し（ステップＳ５１）、この抽出した情報を解釈して電力制御時間を決定する（ステップＳ５２）。ここで、前記したフレーム情報伝送時間情報は、各ＭＡＣフレームの所要時間フィールド値から得られる。
図７（ａ）ないし図７（ｃ）は、ＭＡＣフレームの構造の例を示す図面であって、図７（ａ）は、ＲＴＳ（Request To Send）フレームの構造を示す図面である。また、図７（ｂ）は、ＣＴＳ（Clear To Send）フレームの構造を示す図面であり、図７（ｃ）は、データフレームの構造を示す図面である。図７Ａないし図7Ｃにおいて、“ＲＡ”は、受信アドレス、“ＴＡ”は送信アドレスを表す。また、図７Ｃのデータフレーム構造において、ＡＤＤＲＥＳＳ１ないしＡＤＤＲＥＳＳ４は、データ種類に応じて、送信アドレス、受信アドレスまたはグループアドレスのいずれかに分類されるアドレスフィールドである。

電力制御時間は、基底帯域階層４２とＲＦ階層４１とに対し個別に計算される。その理由は、各階層の電源投入後の動作安定時間が異なるためである。例えば、現在販売されている商用製品の基底帯域階層の動作安定時間は５μ秒以下であり、ＲＦ階層の動作安定時間は１０μ秒程度である。

基底帯域階層４２およびＲＦ階層４１の電力制御時間が決定されると、ＲＰＣ４３３は受信したＭＡＣフレームのアドレスと自身のアドレスとを比較する（ステップＳ５３）。受信したＭＡＣフレームのアドレスと自身のアドレスとが同一であれば、ステップＳ５０に戻ってＰＬＣＰを受信する動作にもどり、フレーム処理部４３２は受信したフレームに対応する動作を行う。また、ステップＳ５３において、ＭＡＣフレーム受信アドレスと自身のアドレスとが同一でない場合は、ＲＰＣ４３３は、ステップＳ５２で決定した電力制御時間の間、基底帯域階層４２およびＲＦ階層４１の電力供給モードを、低電力モードに切換える（ステップＳ５４）。基底帯域階層４２において低電力モードでは、動作レジスタである第２レジスタ４２３以外の残りの構成要素の供給電力が抑制されるとともに入力されるクロックが遮断される。また、ＲＦ階層４１において低電力モードでは、ＶＣＯ−ＰＬＬ４１２および第１レジスタ４１３以外の残りの構成要素の供給電力が抑制される。なお、第２レジスタ４２３、第１レジスタ４１３およびＶＣＯ−ＰＬＬ４１２は、供給電力の復帰後に動作が安定するまでの時間が、他の構成要素より長くかかるため、電力を供給し続けることが望ましい。

供給電力が抑制されると、ＲＰＣ４３３は、電力制御時間をカウントする（ステップＳ５５）。ステップＳ５５のカウントにおいて、ＲＦ階層４１の電力制御時間が終了すると、ＲＰＣ４３３は、ＲＦ階層４１の各構成要素の供給電力を復帰して低電力モードから正常動作モードに切換える（ステップＳ５６）。供給電力が復帰すると、ＲＦ階層４１では、１０μ秒以内に動作が安定する。
ＲＦ階層４１が正常動作に復帰した後、基底帯域階層４２の電力制御時間が終了すると、ＲＰＣ４３３は、基底帯域階層４２の供給電力を復帰して正常動作モードに切換える（ステップＳ５７）。供給電力が復帰すると、基底帯域階層４２では、５μ秒以内に動作が安定する。
そして、再び、ＲＰＣ４３３は、初期ＰＬＣＰ受信状態（ステップＳ５０）となり、ステーションは搬送波感知を行う。

図８は、本実施形態の消費電力制御方法を適用した場合の、搬送波感知の動作時におけるステーションの消費電力を説明する図面である。図８において、はじめに、ステーションＳＴＡ−１が、ステーションＳＴＡ−３にＭＡＣフレームを伝送すると（８０）、ステーションＳＴＡ−２および他のステーションも、ステーションＳＴＡ−３と同様に搬送波感知の動作を行って、ステーションＳＴＡ−３と同じ電力を消費する（８１）。しかしながら、ステーションＳＴＡ−２および他のステーションは、ＭＡＣフレームの受信アドレスが自身のアドレスではないと判断すると、前記のように各階層を低電力モードに切換える（８２）。
さらに、ステーションＳＴＡ−３からステーションＳＴＡ−１にＡＣＫフレームを伝送する場合（８３）にも、ＳＴＡ−２および他のステーションは、はじめには同様に搬送波感知の動作（８４）を行うが、ＡＣＫフレームの受信アドレスが自身のアドレスではないと判断した場合は、それ以降、それぞれ低電力モード（８５）に切換える。

本発明による電力制御方法を２つのステーションおよびＡＰを運用する状況で、インターネットのトラフィックがある場合に適用してシミュレーションを行った。その結果、本発明を適用したステーションの消費電力は、既存のステーションの消費電力の３０〜５０％に減少した。

本発明はＩＥＥＥ８０２.１１標準の無線ＬＡＮシステムの規格に準拠しているため、ＩＥＥＥ８０２.１１標準の無線ＬＡＮシステムに適用可能であり、ＭＡＣ階層、基底帯域階層およびＲＦ階層を一体形成したＳｏＣ（Silicon-on-Chip）にも適用可能である。また、ＦＰＧＡ（Field programmable gate array）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）などにも容易に適用可能である。

ＩＥＥＥ８０２.１１標準による無線ＬＡＮシステムの構成図である。 ステーションの階層構造を示す図面である。 ２つのステーション間のデータフレームおよびＡＣＫフレームの伝送過程を説明する図面である。 無線ＬＡＮ環境において各ステーションの搬送波感知動作を説明する図面である。 ステーションの階層構造を示すブロック構成図である。 電力制御方法を説明するフローチャートである。 ＰＬＣＰプロトコルデータユニットの構造を示す図面である。 （ａ）ＲＴＳフレーム、（ｂ）ＣＴＳフレームおよび（ｃ）データフフレームの構造を示す図面である。 消費電力制御方法が適用された場合の、搬送波感知の動作における消費電力を説明する図面である。

符号の説明

４０ アンテナ
４１ ＲＦ階層
４２ 基底帯域階層
４３ ＭＡＣ階層
４１１ ＲＦ／ＩＦ信号処理部
４１２ ＶＣＯ−ＰＬＬ
４１３ 第１レジスタ
４２１ ＡＤＣ
４２２ 基底帯域信号処理部
４２３ 第２レジスタ
４３１ ＭＡＣ−ＳＡＰ
４３２ フレーム処理部
４３３ ＲＰＣ

Claims (8)

1. 階層構造を利用して無線信号を送受信するステーションにおける無線信号の受信時の消費電力制御方法であって、
   前記無線信号から、第１階層および第２階層におけるフレームの伝送速度情報および伝送時間情報を抽出する段階と、
   前記抽出した情報から、前記第１階層および前記第２階層の電力制御時間をそれぞれ決定する段階と、
   前記抽出した情報に含まれる受信アドレスが、当該ステーションのアドレスと一致しない場合に、前記第１階層および前記第２階層を、前記電力制御時間の間、それぞれ所定の電力供給モードに切換え、前記第１階層および前記第２階層の消費電力を減少させる段階とを含むこと、
   を特徴とする消費電力制御方法。
2. 前記所定の電力供給モードは、
   前記第１階層および前記第２階層の構成要素のうち、電源投入後に動作安定時間が相対的に長い構成要素には通常の電力を供給し、それ以外の構成要素には電力の供給を抑制するモードであること、
   を特徴とする請求項１に記載の消費電力制御方法。
3. 前記第１階層および前記第２階層の電力制御時間をそれぞれカウントする段階と、
   前記第１階層の電力制御時間が終了すると、前記第１階層を前記切換え以前の電力供給モードに復帰する段階と、
   前記第２階層の電力制御時間が終了すると、前記第２階層を前記切換え以前の電力供給モードに復帰する段階とをさらに備えること、
   を特徴とする請求項１に記載の消費電力制御方法。
4. 前記抽出した情報に含まれる受信アドレスが、当該ステーションのアドレスと一致する場合に、前記ステーションが、前記第１階層および前記第２階層を介して、前記無線信号を受信し続ける段階をさらに含むこと、
   を特徴とする請求項１に記載の消費電力制御方法。
5. 階層構造を利用して無線信号を送受信するステーションにおける無線信号の受信時の消費電力制御装置であって、
   前記無線信号を基底帯域信号に変換する第１階層と、
   前記基底帯域信号から原信号を復元する第２階層と、
   前記復元された原信号に含まれる受信アドレスが、当該ステーションのアドレスと一致しない場合に、前記第１階層および前記第２階層をそれぞれ所定の電力供給モードに切換え、前記第１階層および前記第２階層の消費電力を減少させる受信電力制御部とを含むこと、
   を特徴とする消費電力制御装置。
6. 前記第１階層は、
   前記無線信号を前記基底帯域信号に変換する信号処理部と、
   前記信号処理部に基準周波数を提供する基準周波数提供部と、
   前記信号変換に必要なデータを保存する第１レジスタとを備え、
   前記受信電力制御部は、
   前記所定の電力供給モードへの切換え時に、前記基準周波数提供部および前記第１レジスタにだけ電力を供給すること、
   を特徴とする請求項５に記載の消費電力制御装置。
7. 前記第２階層は、
   前記基底帯域信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器と、
   前記変換された信号から原信号を復元する基底帯域信号処理部と、
   前記アナログ−デジタル変換器または前記基底帯域信号処理部に必要なデータを保存する第２レジスタとを備え、
   前記受信電力制御部は、
   前記所定の電力供給モードへの切換え時に前記第２レジスタにだけ電力を供給すること、
   を特徴とする請求項５または６に記載の消費電力制御装置。
8. 前記受信電力制御部は、
   前記所定の電力供給モードへの切換え時に、前記原信号に含まれる前記第１階層および前記第２階層におけるフレームの伝送速度情報および伝送時間情報から、前記第１階層および前記第２階層の電力制御時間をそれぞれ決定し、この電力制御時間の間、前記第１階層および前記第２階層に対して、前記所定の電力供給モードへの切換えを行うこと、
   を特徴とする請求項５に記載の消費電力制御装置。

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