JP2005117505A - 無線中継方法及び装置、並びに無線中継システム - Google Patents

Abstract

【課題】 １つの周波数帯だけを使用して効率的な中継伝送が行えるようにする。
【解決手段】 複数の無線通信局の間でのデータ伝送を、所定の中継局で中継して伝送する場合に、それぞれの無線通信局は、送信させるために自局に蓄積されたデータ量に関するデータを中継局に対して送信し、中継局は、送信されたデータ量に関するデータと、中継局内のバッファに蓄積されたデータ量とを判断して、中継動作の実行割合を決定し、決定した実行割合に基づいて、それぞれの無線通信局との間のデータ伝送を行うようにした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、例えばデータ通信などを行う無線ＬＡＮ（Local Area Network：構内情報通信網）システムに適用して好適な無線中継方法及び無線中継装置、並びにその方法を適用した無線中継システムに関する。

従来、無線ＬＡＮなどの無線伝送システムで、電波の届きにくい２台の無線通信機器間をつなぐ方法として、無線中継器を設けて、その中継器で中継伝送を行うことが提案されている。

特許文献１には、中継伝送を行う一例についての開示がある。この特許文献１に記載されたものは、無線中継器に２系統の無線通信部を内蔵させて、無線中継器が中継元との通信と、中継先との通信とが同時にできる構成としてある。同時に伝送を行うので、無線中継器と中継元との通信に使用する周波数（チャネル）と、無線中継器と中継先との通信に使用する周波数（チャネル）とを変える必要がある。

特許文献２及び３には、同一周波数を使用して中継伝送を行う構成についての開示がある。この特許文献２及び３に記載されたものは、ＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access：時分割多元接続）方式で１つの伝送帯域を複数のスロットに分割し、無線中継器と中継元との通信と、無線中継器と中継先との通信とで、別のスロットを割り当てて、中継伝送を行うものである。

特許文献４及び５には、ＣＳＭＡ（Carrier Sense Multiple Access ）方式を適用して、同一周波数を使用して中継伝送を行う構成についての開示がある。このＣＳＭＡ方式の場合には、用意された伝送帯域内で無線伝送が行われていないことを確認して、送信を開始させるものであり、ＴＤＭＡ方式の場合と同様に、１つの伝送帯域を使用して中継伝送が可能である。このＣＳＭＡ方式を適用した無線伝送方式としては、例えばＩＥＥＥ（The Institute of Electrical and Electronics Engineers ）８０２．１１方式として規格化されている。
特開平１０−２８５０９６号公報 特開平６−１４０９７０号公報 特開平１０−５１３７４号公報 特開２００２−１２４９５３号公報 特開２００１−２３１０７８号公報

特許文献１に記載されたように、２系統の無線通信部を内蔵させた場合には、それだけ中継器の構成にコストがかかるという問題があった。また、２つの周波数チャネルを利用することが前提となっているので周波数利用効率の面でも問題となることがある。

特許文献２及び３に記載のように、ＴＤＭＡ方式を採用して、スロット分割で同一周波数による中継伝送を行うようにすれば、１系統の無線通信部を備えるだけで良く、周波数利用効率も向上する。しかしながら、ＴＤＭＡ方式で無線伝送を行う場合には、ネットワーク内のそれぞれの通信局で通信を行うスロットタイミングが同期している必要があり、複雑なタイミング制御動作が必要である。これに対して、特許文献４及び５に記載されたＣＳＭＡ方式の場合には、制御は比較的簡単になる。

このＣＳＭＡ方式で同一周波数チャネル中継を実現する場合には、例えば図６に示した処理で実行される。図６は、ＩＥＥＥ８０２．１１方式のＭＡＣ（Media Access Control）プロトコルに準拠した中継動作例を示したものである。ここでは第１の無線局から中継局を経由して第２の無線局にデータを伝送すると想定すると、最初に第１の無線局から中継局に送信要求ＲＴＳ（Request To Send ）を送り、その送信要求ＲＴＳを受信した中継局で受信ができる状態のとき、受信準備完了ＣＴＳ（Clear To Send ）を返送し、そのＣＴＳを受信できた第１の無線局で、データの送信を開始させ、中継局でデータが正しく受信できた場合に、確認応答ＡＣＫを返送する。中継局では受信した中継データを一旦蓄積させ、その中継データを蓄積した中継局から第２の無線局に送信要求ＲＴＳを送り、その送信要求ＲＴＳを受信した第２の無線局で受信ができる状態のとき、受信準備完了ＣＴＳを返送し、そのＣＴＳを受信できた中継局で、蓄積された中継データの送信を開始させ、第２の無線局でデータが正しく受信できた場合に、確認応答ＡＣＫを返送する。なお、周辺の局で送信要求ＲＴＳと準備完了ＣＴＳが受信できた場合には、通信を禁止する区間であるＮＡＶ（Network Allocation Vector ）を、一定の期間設定する。

この図６の中継伝送処理で問題になるのは、最初に第１の無線局が送信要求ＲＴＳを送信する際に、第２の無線局などの周辺の無線局が送信を行っている可能性がある、ということである。こうなると、中継局は受信準備完了ＣＴＳを返送することはできない。すなわちフレーム交換は失敗する。一度フレーム交換が失敗すると、第１の無線局は再度メディア（伝送帯域）のアクセス権を確保するために、ランダムバックオフの待ち時間を経たのち、ＣＡＭＡ方式の手法でアクセスを試みることになる。つまり、ＣＳＭＡ方式の場合には、最初の段階でメディアの確保に成功しなければ、伝送遅延が増大してしまう、という欠点があった。また、実際の通信では中継は、第１の無線局→第２の無線局と、第２の無線局→第１の無線局という双方向で行われるのが一般的であるが、短い時間軸でみると各伝送方向に対する要求帯域幅は当然異なる。単純にＣＡＭＡ方式で中継を行うと、帯域要求幅によらずに基本的に両方向の伝送はほぼ均等になってしまい、必要以上に帯域を占有してしまう場合がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、１つの周波数帯だけを使用して効率的な中継伝送が行えるようにすることを目的とする。

本発明は、複数の無線通信局の間でのデータ伝送を、所定の中継局で中継して伝送する場合に、それぞれの無線通信局は、送信させるために自局に蓄積されたデータ量に関するデータを中継局に対して送信し、中継局は、送信されたデータ量に関するデータと、中継局内のバッファに蓄積されたデータ量とを判断して、中継動作の実行割合を決定し、決定した実行割合に基づいて、それぞれの無線通信局との間のデータ伝送を行うようにしたものである。

本発明によると、中継動作を行う中継局が、中継元と中継先のメディアの状態を把握した上で中継動作を開始するので、メディアの確保に失敗する確率を低く押さえることができる。また、各無線局がバッファしている送信待ちのキューの数はプライオリティに応じて中継動作を割り当てるので、無線ネットワークとしてバランスのとれた動作を行うことができる。これにより中継動作に伴う伝送遅延の増大を抑えることができるので、音楽や映像といった伝送遅延の影響を受けやすいストリームデータの伝送を確実に行うことができる。

以下、本発明の一実施の形態を、図１〜図５を参照して説明する。
図１は、本例の無線ネットワーク構成例を示した図である。この例では、第１の無線局１，第２の無線局２‥‥と複数の無線局で構成される無線ネットワークとしてあり、第１の無線局１と第２の無線局２との間の無線データ伝送を行う際には、間に存在する中継局９で中継する必要があるネットワーク構成としてある。図１では、各無線局１，２と中継局９が直接無線通信可能なサービスエリア１ａ，２ａ，９ａを示してある。なお、中継局９は、各無線局１，２と無線通信装置としての基本的な構成は同じであり、ネットワーク構成によっては無線局１，２が中継局になる場合もある。

図２は、無線局１，２及び中継局９の構成例を示した図である。この例では、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格を使用した場合の構成例であり、１伝送チャンネルで複数本のサブキャリアを伝送するマルチキャリア方式であるＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplex ：直交周波数分割多重）方式を無線通信方式として採用してある。

まず、図２に従って受信系の構成を説明すると、アンテナ１１がＲＦ部１２に接続してあり、ＲＦ部１２で受信信号のフィルタリング，周波数変換などのアナログ処理を行う。ＲＦ部１２で処理された受信信号は、アナログ／デジタル変換器１３に供給して、デジタル化された受信系列に変換する。デジタル変換された受信系列は、ウィンドウ検出部１４に供給して、高速フーリエ変換するデータの切れ目やフレームの切れ目を検出する同期検出処理を行い、その同期検出された受信系列を、高速フーリエ変換部３５に供給して、検出されたタイミングに同期した高速フーリエ処理を行い、送信時の逆高速フーリエ変換と逆の処理を行う。

高速フーリエ変換部１５でフーリエ変換された信号は、復調部１６に供給して、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying ）などの送信時の変調方式に対応した復調処理を行い、受信シンボルストリームを生成させる。生成された受信シンボルストリームは、デインターリーバ１７に供給して、分散されたビット系列を再配置させ、受信符号化ビット系列を生成させる。この受信符号化ビット系列は、ビタビ復号器１８に供給してビタビ復号し、受信情報ビット系列に変調し、受信データ処理部１９に供給する。

受信データ処理部１９では、受信情報ビット系列として供給された受信パケットの中から、必要なデータを抽出する処理を行い、また必要によりエラー訂正符号に基づいたエラー訂正処理を行い、処理されたデータをメモリ２０に供給して蓄積させる。

この無線局（中継局）の制御手段である中央制御ユニット２１は、メモリ２０に蓄積された受信データが、中継伝送するデータであると判断した場合には、ルーティングテーブル２２を参照して、パケットのＭＡＣヘッダを書き換えて、送信系のメモリ２３に送る。また、メモリ２０に蓄積された受信データが、この通信局宛のデータである場合には、メモリ２０に蓄積された受信データの中から、各々のアプリケーションに合ったデータや、画像データなどの各種データを分離して出力させる。

送信系の構成について説明すると、送信バッファとして機能する送信系のメモリ２３に蓄積された送信データは、送信データ処理部２４に供給する。送信データ処理部２４は、ＭＡＣ処理を行う回路である。具体的には、メモリ２３から供給されたデータを、パケット形式データとして処理を行う。

送信データ処理部２４で得られたパケットデータは、畳み込み部２５で系列間距離の伸長を行い、送信符号化ビット系列を生成させる畳み込み符号化処理を行う。畳み込み部２５で得られた送信符号化ビット系列は、インターリーバ２６に供給して、符号化ビット系列の並び替えを行い、ビット系列を分散させる。分散されたビット系列は、変調部２７に供給して、プリアンブル信号をビット系列内に挿入し、次に１次変調としてＱＰＳＫ変調を行う。ここでは、ＱＰＳＫ変調以外の変調方式として、ＢＰＳＫ，８ＰＳＫ，ＱＡＭ等の変調方式（絶対変調でも差動変調でも良い）を適用しても良い。

変調部２７で変調された送信シンボルストリームは、逆高速フーリエ変換部２８に供給し、逆高速フーリエ変換処理を行い、さらに窓がけ処理を行う。逆高速フーリエ変換部２８での処理により、仮想的に周波数軸上に配置されていた送信シンボルストリームが時間軸上で平均化され、ＯＦＤＭ変調された送信系列となる。

この逆高速フーリエ変換部２８で得られた送信系列を、デジタル・アナログ変換器２９に供給し、アナログ信号に変換する。変換されたアナログ信号は、ＲＦ部１２に供給して、フィルタリング，周波数変換などのアナログ処理を行い、周波数変換された信号を、接続されたアンテナ１１から無線送信させる。

なお、既に説明したように、中継伝送を行う際には、中央制御ユニット２１に接続されたルーティングテーブル２２を使用した処理を行う。即ち、ルーティングテーブル２２、この受信したパケットが中継用パケットである場合に、パケットの送信先の変更（ＭＡＣヘッダの書き換え処理）を行うための内容が書かれたテーブルである。具体的には、ルーティングテーブル２２の中身として、送信元ＩＤと送信先ＩＤが１対１で対応してテーブル化されており、中央制御ユニット２１は、送信元のＩＤを読み出した後、このテーブルから次に送信すべきＩＤをピックアップし、ＭＡＣヘッダの書き換えを行い、送信処理用バッファへ転送する。

次に、本例の無線ネットワークで中継伝送を行う処理動作について説明する。まず本例においては、無線ネットワーク内の各無線局は、所定の周期で、中継すべきデータが送信バッファ内にどの程度溜まっているかを中継局へ通知するようにしてある。この通知は、通知を行うための専用のパケットを、周期的に送信しても良いが、例えば何らかのパケットを送信する際に、そのための情報を付加しても良い。

そして、この通知を受信した中継局では、図３のフローチャートに示した処理で、通信を行う相手を決定する。即ち、中継局内の制御手段（中央制御ユニット）では、この受信した通知に基づいて、中継局の周辺の各無線局にバッファされた送信データ量を判断し（ステップＳ１）、さらに自局内にバッファされた送信データ量についても判断し（ステップＳ２）、これらのデータ量に基づいて、中継動作の実行割合を決定する（ステップＳ３）。そして、その決定した実行割合に基づいて、通信先を順に選定する（ステップＳ４）。

ステップＳ２での各無線局との中継動作の実行割合を決定する場合には、各無線局がバッファしている送信キューのプライオリティを元に、中継動作の実行割合を決めるようにしても良い。すなわち、伝送遅延を最小にしたい通信データがある無線局にバッファされている場合、その無線局との中継動作を優先して行うようにする。この優先して行う処理としては、バッファされた通信データそのものに、優先的に伝送することが設定されている場合が想定される。例えば、映像データなどのストリームデータがバッファされた場合には、そのデータのプライオリティを高く設定して、伝送遅延を少なくするようにする。また、データの種類ではなく、それぞれの通信局に優先順位を設定して、優先順位が高く設定された通信局に蓄積されたデータから先に伝送させるようにしても良い。

次に、このようにして通信先が選定された上で実行される中継動作の具体例について、図４のフローチャートを参照して説明する。まず中継局では、中央制御ユニットの制御でメディアセンス処理を行い、チャネル（伝送帯域）の空き状態を確認する（ステップＳ１１）。この確認を行って、チャネルに空きがあるか否か判断する（ステップＳ１２）。この判断で、チャネルに空きがあると判断すると、この中継局と直接通信が可能な１つの無線局に対して送信要求ＲＴＳを送信する（ステップＳ１３）。このとき送信要求ＲＴＳを送信する相手の無線局が、上述した図３のフローチャートのステップＳ４で選定された無線局である。その後、その送信要求に対する応答としての受信準備完了ＣＴＳを受信したか否か判断する（ステップＳ１４）。ステップＳ１２でチャネルに空きがないと判断した場合や、ステップＳ１４で受信準備完了ＣＴＳを受信できない場合には、ステップＳ１１のメディアセンス処理に戻る。

ステップＳ１４で受信準備完了ＣＴＳを受信できたと判断した場合には、受信準備完了ＣＴＳの送信元に対して送信するデータが、バッファとしてのメモリ（図２でのメモリ２３に相当）に蓄積されているか否か判断し（ステップＳ１５）、該当するデータが蓄積されている場合には、そのデータをパケット化して送信する（ステップＳ１６）。また、該当するデータが蓄積されていない場合には、ペイロードの区間にゼロデータなどが配置された実データのないいわゆるヌルパケットを送信する（ステップＳ１７）。その後、これらのパケットデータの送信先からの確認応答ＡＣＫが受信できたか否か判断し（ステップＳ１８）、確認応答ＡＣＫが受信できない場合には、ステップＳ１５に戻って、パケットの送信が繰り返される。

ステップＳ１８で確認応答ＡＣＫが受信できたと判断した場合には、その後、その確認応答ＡＣＫの送信先からのデータパケット（又はヌルパケット）が受信できたか否か判断し（ステップＳ１９）、該当するパケットが受信できた場合には、確認応答ＡＣＫを返送する（ステップＳ２０）。その後、ステップＳ１１の処理に戻り、データの送受信処理が繰り返される。

図５は、図４のフローチャートに従って通信を行って、第１の通信局１と中継局９との間でデータ伝送を行う処理状態の例を示した図である。図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ第１の通信局１，中継局９，第２の通信局２での送信状態を示している。この例では、中継局９での通信割合の決定処理で、第１の通信局１との通信を行う状態であるとする。まず、中継局はメディアセンスを行って、中継局の周囲でチャネルに空きがあることを確認すると、第１の通信局宛の送信要求ＲＴＳを送信する。このとき、この第１の通信局宛の送信要求ＲＴＳを受信した第２の通信局では、通信を禁止する区間であるＮＡＶを、一定の期間（中継局から第１の通信局への送信が完了すると想定される期間）設定する。

この状態で、第１の通信局からの準備完了ＣＴＳを中継局が受信し、中継局からデータパケットが送信される。この中継局からのデータパケットの送信が行われることで、第２の通信局では、通信禁止区間ＮＡＶが更新される。その後、第１の通信局からの確認応答ＡＣＫの送信と、データパケットの送信とがあり、さらにそのデータパケットの送信に対する確認応答ＡＣＫを中継局から送信して、このときの中継局と第１の通信局との間のデータ伝送処理が終了する。

以上説明したように本例の場合には、中継動作のプロセスは中継局によってスタートされる。これは、基本的に中継局は中継元（例えば無線局１）および中継先（例えば無線局２）のほぼ中間に位置しているので、中継元および中継先の周辺のメディアの状態を把握することが可能であるからである。

本例の処理を行うことで、中継動作を行う無線局が、中継元と中継先のメディアの状態を把握した上で中継動作を開始するので、メディアの確保に失敗する確率を低く押さえることができる。また、各無線局がバッファしている送信待ちのキューの数はプライオリティに応じて中継動作を割り当てるので、無線ネットワークとしてバランスのとれた動作を行うことができる。これにより中継動作に伴う伝送遅延の増大を抑えることができるので、音楽や映像といった伝送遅延の影響を受けやすいストリームデータの伝送を確実に行うことができる。

なお、ここまで説明した処理は、無線ＬＡＮなどの無線ネットワークへの適用を想定したが、例えば、幾つかの無線通信基地局とそれぞれの基地局と通信する移動局からなる無線通信ネットワークにおける、基地局間の通信にも適用することができる。この場合、基地局間の同期などをとる必要がないので、簡単に無線通信ネットワークを構成することができる。

なお、上述した実施の形態では、無線局（中継局）を構成する無線通信装置として、図２に示した送信や受信を行う専用の通信装置による構成例を説明したが、例えば各種データ処理を行うパーソナルコンピュータ装置に、本例での送信部や受信部に相当する通信処理を行うボードやカードなどを装着させた上で、通信制御処理を、コンピュータ装置側で実行させるようにして、その通信制御処理を実行するソフトウェアをパーソナルコンピュータ装置に実装させる構成としても良い。そのパーソナルコンピュータ装置などのデータ処理装置に実装されるプログラムについては、光ディスク，メモリカードなどの各種記録（記憶）媒体を介して配付しても良く、或いはインターネットなどの通信手段を介して配付しても良い。

また、図２に示した通信装置の構成は一例を示したものであり、図２に示したＯＦＤＭ方式以外の通信方式で通信を行う通信装置で構成される通信ネットワークにも適用可能であることは勿論である。

本発明の一実施の形態によるシステム構成例を示した説明図である。 本発明の一実施の形態による装置構成例を示したブロック図である。 本発明の一実施の形態による通信相手の判断処理例を示したフローチャートである。 本発明の一実施の形態による中継局での処理例を示したフローチャートである。 本発明の一実施の形態による中継動作例を示した説明図である。 ＣＳＭＡ方式による中継動作例を示した説明図である。

符号の説明

１…第１の無線局、２…第２の無線局、９…中継局、２０…受信メモリ、２１…中央制御ユニット、２３…送信メモリ

Claims (9)

1. 複数の無線通信局の間でのデータ伝送を、所定の中継局で中継して伝送する無線中継方法において、
   前記それぞれの無線通信局は、送信させるために自局に蓄積されたデータ量に関するデータを前記中継局に対して送信し、
   前記中継局は、送信されたデータ量に関するデータと、中継局内のバッファに蓄積されたデータ量とを判断して、中継動作の実行割合を決定し、
   前記決定した実行割合に基づいて、前記それぞれの無線通信局との間のデータ伝送を行う
   無線中継方法。
2. 請求項１記載の無線中継方法において、
   前記中継動作の実行割合を決定する際には、無線通信局の優先順位又はその無線通信局に蓄積されたデータの優先順位についても判断して決定する
   無線中継方法。
3. 請求項１記載の無線中継方法において、
   前記各無線通信局と前記中継局との間のデータ伝送は、ＣＳＭＡ方式により帯域を確保して実行する
   無線中継方法。
4. 複数の無線通信局の間でのデータ伝送の中継を行う無線中継装置において、
   他局と送信及び受信を行う通信手段と、
   前記通信手段で通信するデータを蓄積するバッファと、
   前記通信手段で受信した他局で送信させるために蓄積されたデータ量に関するデータと、前記バッファに蓄積されたデータ量とを判断して、中継動作の実行割合を決定し、その決定した実行割合に基づいて、前記通信手段で前記それぞれの無線通信局との間のデータ伝送を実行させる制御手段とを備えた
   無線中継装置。
5. 請求項４記載の無線中継装置において、
   前記制御手段は、中継動作の実行割合を決定する際に、無線通信局の優先順位又はその無線通信局に蓄積されたデータの優先順位についても判断して決定する
   無線中継装置。
6. 請求項４記載の無線中継装置において、
   前記通信手段による各無線通信局とのデータ伝送は、ＣＳＭＡ方式により帯域を確保して実行する
   無線中継装置。
7. 複数の無線通信局と、前記各無線通信局間でのデータ伝送の中継を行う中継局とで構成される無線中継システムにおいて、
   前記中継局は、
   他局と送信及び受信を行う通信手段と、
   前記通信手段で通信するデータを蓄積するバッファと、
   前記通信手段で受信した他局で送信させるために蓄積されたデータ量に関するデータと、前記バッファに蓄積されたデータ量とを判断して、中継動作の実行割合を決定し、その決定した実行割合に基づいて、前記通信手段で前記それぞれの無線通信局との間のデータ伝送を実行させる制御手段とを備え、
   前記各無線通信局は、
   他局と送信及び受信を行う通信手段と、
   前記通信手段で通信するデータを蓄積するバッファと、
   前記バッファに蓄積されたデータ量に関するデータを前記中継局に対して送信させ、前記中継局からの指示に基づいて、前記中継局との間のデータ伝送を実行させる制御手段とを備えた
   無線中継システム。
8. 請求項７記載の無線中継システムにおいて、
   前記中継局の制御手段は、中継動作の実行割合を決定する際に、無線通信局の優先順位又はその無線通信局に蓄積されたデータの優先順位についても判断して決定する
   無線中継システム。
9. 請求項７記載の無線中継システムにおいて、
   前記中継局及び前記無線通信局の通信手段によるデータ伝送は、ＣＳＭＡ方式により帯域を確保して実行する
   無線中継システム。

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