JP2006050244A - 無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＳＭＡ方式の無線通信システムにおいて、フレーム送信を開始する際、通信中の他の端末装置に与える干渉を低減できる無線通信装置を提供する。
【解決手段】 優先度制御部１７はフレームの送信に先立って、優先度格納部１８に固有に割り当てられた本来の優先度より低い優先度を設定しておく。送信部１３は、送信バッファ１２から随時必要な量のデータを取り出しフレーミングして無線インタフェース１４を介し送出する。このとき、送信部１３は、優先度格納部１８に格納された優先度に従ってフレーム送信間隔を決定し送信する。監視部１５はタイマ期間中送信バッファ１２の滞留データ状況を観測し、この結果に基づいて優先度制御部１７は、無線回線の輻輳のため自らのデータを送出できないと判断したとき、これ以上に回線の輻輳を避けるため送信部１３を制御し送信を停止させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、端末局や基地局などの複数の無線通信装置から構成される無線通信システムに関するものであり、特にＣＳＭＡ方式の通信システムに用いられる干渉を低減する技術に関するものである。

最近の通信システムは、有線通信に比較して使用場所の制限の少ない、利用者にとって自由度の高い、携帯電話や無線ＬＡＮ等に代表される無線通信システムが、主流となっている。ユーザはオフィスやホームに設置されたアクセスポイントから容易にネットワークにアクセスできるようになり、また、一部のキャリヤは駅やホテルなどにホットスポットと呼ばれる場所を設け、新たなネットワークビジネスを模索している。

一般的に複数の機器を収容する通信システムでは、同時に多くの機器が送信を開始すると混信が生じることから、混信を防ぐための様々なアクセス方式が採用されている。

このような混信を防ぐアクセス方式の１つに、所定時間以上回線が空いた場合、何時でも端末局がフレームの送信を開始できるＣＳＭＡ（Carrier Sense Multiple Access）方式がある。そしてこのＣＳＭＡ方式を採用した通信システムとしては、イーサネット（登録商標）やＩＥＥＥ８０２．１１で規定される無線ＬＡＮが代表的である。

以下に、前記ＩＥＥＥ８０２．１１で規定される無線ＬＡＮを使った、ＣＳＭＡ方式の通信システムについて説明する。

図４は、ＩＥＥＥ８０２．１１で規定される無線ＬＡＮのシステム構成例である。（ａ）では４１で示された３つの端末局間でフレームの送受信を行っている。（ｂ）では、局の１つ４２が基地局の役割を果たし、残りの２つの端末局は基地局との間でフレームの送受を行っている。このとき、端末局４１では最初のフレーム送信宛先として基地局アドレスが固定的に割り当てられている。通常基地局には有線ＬＡＮなどが接続され、ネットワークアクセスなどで用いられるのが一般的である。フレームは一旦基地局に送られ、そこから目的の端末局に転送される。尚、相手端末はリモートのネットワーク上にある場合もあり、必ずしも無線ＬＡＮ上にあるとは限らない。

端末局もしくは基地局はフレームの送信に先立ち所定時間電波を監視し、キャリヤが存在しない場合にフレームの送信を開始することができる。もし、自分より先にフレームを送信している局が存在していることをキャリヤ検出で認知した場合は、フレームを送信しようとしている局はそのキャリヤが検出されなくなるまで待ち、更にキャリヤの無い状態が所定時間以上継続していることを確認した後、自分のフレームを送出することが可能となる。

このとき偶然複数の端末局が同時にフレーム送信を開始する「衝突」が発生する可能性もあるが、このような可能性を減らすためＩＥＥＥ８０２．１１ではキャリヤ無しの状態を監視する期間を端末局ごとに変える仕組みを用意している。

図５は、８０２．１１における衝突確率低減方法を説明する図である。図において５１は先行するフレームである。送信を開始しようとしている端末局は、先行フレームが終了するのを待ち、その後Ｔｃ期間キャリヤが検出されない状態が継続すると、更にある時間待ってこの間にキャリヤがない場合フレームの送信が可能となる。図では５２の時点から５３で示されたフレームの送信を開始している。

ところでこのある時間は、期間Ｔｗ以内の範囲で乱数を発生させることで決定される。その結果、小さな待ち時間となった端末局が先にフレームの送信権を獲得しフレームの送信を開始できることになる。大きな待ち時間となった端末局は、再びキャリヤを検出するためキャリヤが途切れるまで待つことになる。即ち、小さな値を付与された端末局が早期にフレーム送出を開始するため優先度が高くなる。
そこで、この考え方を拡張して優先度を管理することが可能である。

図６は、優先度制御方法を説明するための図である。図において、グループＡに属する無線通信装置は、Ｔｃ１期間キャリヤが検出されず、更にこの後Ｔｗ１期間以内のある期間キャリヤが検出されなければフレーム送出を開始するものとする。グループＢに属する無線通信装置も同様に、Ｔｃ２時間キャリヤが検出されず、更にＴｗ２期間以内のある期間キャリヤが検出されなければフレーム送出を開始するものとする。図のように、Ｔｃ１＋Ｔｗ１＜Ｔｃ２の関係があれば、グループＡに属する無線通信装置は、グループＢに属する無線通信装置より常に優先度が高くなる。６１、６２はそれぞれのグループの無線通信端末がフレーム送信を開始するタイミングを示している。期間Ｔｗ１と期間Ｔｗ２は一部重なるように設定され、グループＡはグループＢより確率的に優先度が高くなるように設定されることがある。このような性質を利用し、グループＡには例えば音声データやリアルタイム動画データのように途切れや遅延が許されないデータを、グループＢにはメールのような多少の遅延は問題にならないデータを割り当てることができる。即ち、アプリケーションごとに固有の優先度を割り当てるものである。

このような、優先度を管理する従来の無線通信装置の一例を図７に示す。簡単のため受信部は省略している。データソースで発生したデータは、上位インタフェース７１を経由し一旦バッファ７２に蓄えられ、その後送信部７３でフレームに組み立てられ無線インタフェース７４を介して送信される。このとき送信部７３は、優先度格納部７５に設定された優先度に従ってフレーム間隔を設定しフレームを送信する。優先度格納部７５には通常アプリケーション固有の値が固定的に設定される。
ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１１ 招待論文：ＩＥＥＥ８０２．１１準拠無線ＬＡＮの動向、守倉正博、信学技報、ＭｏＭｕＣ２００１−３７

しかしながら、図６で示したような従来の優先度管理方法は、１つのグループ内、例えば前述のグループＡ内で複数の無線通信が行われているとき、新たな無線通信が開始されると、通信中の無線通信装置の動作に妨害を与え、場合によっては全体のシステムが通信不能になる現象が確認されている。以下に、簡単な例を用いてこれを示す。

図８は、正常時の通信を説明した図である。図において、Ａ、Ｂの２つの無線通信が行われているものとする。簡単のためそれぞれのソース８１ａ、８１ｂは２Ｍｂｐｓの速度で定常的にデータを発生し、送信局８２ａ、８２ｂを経由し送信されているものとする。このデータは通信媒体８３を通り、受信局８４ａ、８４ｂで受信されるものとする。媒体８３における通信容量を５Ｍｂｐｓと仮定し、送信局８２ａ、８２ｂの送信優先度は同じに設定されているものとすると、２つのソースのデータ量の合計は４Ｍｂｐｓなので、全体の通信容量以下となり、通信は正常に行われる。

図９は、異常時の通信を説明した図である。前述のシステムに同じ構成の通信Ｃが新たに加わると、３つのソースのデータ量の合計は６Ｍｂｐｓとなり、通信全体の通信容量５Ｍｂｐｓを超える。各送信局は、それぞれ２Ｍｂｐｓのデータを送信しようとして互いに回線を争奪するが、トータルの容量が５Ｍｂｐｓと決まっているので、それぞれの優先度が同じであるとすると１台あたり平均的に１．６Ｍｂｐｓ程度しか帯域を確保できなくなる。この結果、ソース９１ａ、９１ｂ、９１ｃから送られてくるデータは送信局９２ａ、９２ｂ、９２ｃ内のバッファに溜りやがて入りきれなかった一部のデータは廃棄される。受信局９４ａ、９４ｂ、９４ｃでは、一部のデータを欠いた不完全なデータが受信されることになる。通常画像データなどは圧縮の過程で前フレームとの差分をとることが多く、僅かなデータ不足でも表示される画像は長時間に渡って乱れることになる。
このように、不用意に第３者が通信を開始するとシステム全体が動作不能に陥る問題があった。

本発明の目的は、ＣＳＭＡ方式の無線通信システムにおいて、フレーム送信を開始する際、通信中の他の端末装置に与える干渉を低減できる無線通信装置を提供することにある。

本発明は、搬送波感知多重アクセス方式によりフレーム単位でデータの送受信を行う無線通信装置であって、フレーム送信開始に関する優先度の値を格納する優先度格納手段と、前記優先度格納手段に格納されている優先度に従って、フレームの送信間隔を変動させることによりフレーム送信を行うフレーム送信手段と、前記優先度格納手段に格納されている優先度を変更するとともにフレーム送信手段の動作の開始停止を制御する優先度制御手段とを備えることを特徴とする。

前記優先度制御手段は、前記無線通信装置自身のフレーム送信開始時において前記優先度を予め設定された規定値より低く設定し、前記フレーム送信手段は、フレームの送信間隔を前記優先度の規定値に対応する値より長くして送信してもよい。

また、無線通信回線の輻輳状態を検出して監視する輻輳状態監視手段を備え、前記輻輳状態監視手段が、前記フレームの送信を開始した時点から、所定時間以内に無線通信回線の輻輳を検出できなかった場合に、前記優先度制御手段は、前記優先度を規定値に再設定し、前記フレームの送信間隔も再設定することでフレームの送信を行ってもよい。

更に、前記輻輳状態検出手段が、前記フレームの送信を開始した時点から、所定時間以内に無線通信回線の輻輳を検出できた場合に、前記優先度制御手段は、前記フレームの送信を停止してもよい。

更に、前記優先度制御手段は、前記輻輳状態が検出されずに、所定時間以上前記フレームの送信に成功した場合には、前記優先度を規定値に再設定してもよい。

また、前記無線通信装置において、送信データを一旦蓄積するバッファを備え、前記輻輳状態監視手段は、前記無線通信装置自身が送信しようとするデータが、他の無線通信装置が送信する搬送波を検知したために実際に送信できずに、前記バッファに残留しているデータ量により輻輳状態を検知することを特徴とする。

また、本発明は、複数の前記無線通信装置から構成されることを特徴とする無線通信システムである。

以上のように本発明によれば、優先度制御手段が優先度格納手段に格納されている優先度を変更するとともにフレーム送信手段の動作の開始停止を制御するので、優先度が予め設定されている値に固定されている従来技術に対して、通信全体の容量に応じて優先度を変更可能であり、状況に合わせて柔軟な対応が可能である。しかも、フレーム送信手段の動作の開始停止を制御するので、回線の輻輳に応じてフレーム送信手段を停止してデータの廃棄を防ぐことができる。

特に、通信開始時はフレーム送信の優先度を低く設定し、所定時間無線回線の輻輳を検出しなかった場合、フレーム送信間隔を規定値に再設定しフレーム送信を行うことで遅滞無く通信を開始すると共に、所定時間以内に無線回線の輻輳を検出した場合、フレーム送信を停止することで、自らのフレーム送信が既に通信を行っている他の通信端末に及ぼす妨害を低減することを可能としている。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。

図１は、本発明が適用される無線通信装置の構成を示す図である。
図１において、１１はデータソースで発生したデータを受け取る上位インタフェース、１２は送信データを一旦蓄積するバッファ、１３はデータをフレーミングして送信する送信部、１４は無線インタフェース、１５は通信状態（輻輳状態）を検出して監視する監視部、１６はタイマ、１７は優先度を変更する優先度制御部、１８は優先度を格納する優先度格納部である。送信部１３は、優先度格納部１８に設定された優先度に基づきフレーム送信間隔を決定し、フレームの送信を開始するようにできている。尚、データソースは２次側のネットワークでもよく、またデータはイーサフレームのように既にフレーミングされていてもよい。

通信が開始されると、優先度制御部１７はタイマ１６に監視時間を設定しタイマを起動する。また、優先度制御部１７はフレームの送信に先立って、優先度格納部１８にアプリケーションに固有に割り当てられた本来の優先度（規定値）より低い優先度を設定しておく。送信部１３は、送信バッファ１２から随時必要な量のデータを取り出しフレーミングして無線インタフェース１４を介し送出する。このとき、送信部１３は、優先度格納部１８に格納された優先度に従ってフレーム送信間隔を決定し送信する。

もし、無線回線にデータソースで発生したデータを送信するのに十分な余裕がある場合、バッファ１２内のデータは即座に送信部１３の働きで送信され、この結果、バッファ１２内にはデータが蓄積されない。逆に、無線回線が込み合い、送信データ量が制限されるとバッファ１２には大量のデータが蓄積されることになる。更に無線回線が長時間に渡り込むと、やがてバッファ１２はオーバフローし、データソースから送られてくるデータは廃棄される。従って、監視部１５により、バッファ１２に蓄積されているデータの量、若しくはデータ量の変化などの滞留データ状況を監視することで、無線回線のトラフィックを推定できる。監視部１５は少なくともタイマ期間中送信バッファ１２の滞留データ状況を観測し、この結果に基づいて優先度制御部１７は、無線回線の輻輳のため自らのデータを送出できないと判断したとき、これ以上に回線の輻輳を避けるため送信部１３を制御し送信を停止させる。

優先度制御部１７による判断は、バッファ１２内に滞留したデータ量が所定の量を超えた場合、或いは滞留データの変化の状況から行われる。後者は、タイマ時間以内に滞留データ量が所定の量を超えなかったとしても、常に滞留データが増加方向にあればやがてオーバフローするであろうと判断するためである。
優先度制御部１７は、タイマ時間経過後、送信優先度をアプリケーションに割り当てられた適正な値（規定値）に戻し、優先度格納部１８にこれを設定する。

図２は、本発明による無線通信装置において、主要な役割を果たす優先度制御部１７の動作を説明するためのフローチャートである。
本無線装置の優先度制御部１７は、データソースにより送信が開始されると、Ｓｔｅｐ１で優先度格納部にアプリケーションに割り当てられた適正な優先度（規定値）より低い優先度を設定し、Ｓｔｅｐ２で監視部１５がバッファ１２内の滞留データを観測する期間を設定し、タイマ１６を起動する。尚、これ以前にバッファ１２はリセットされているものとする。Ｓｔｅｐ３では、監視部１５が滞留データ状況を検出して観測し、その結果に基づいて優先度制御部１７が前述の判断方法を実施する。Ｓｔｅｐ４で、優先度制御部１７が、判断結果として無線回線が輻輳しデータ送信不能と判断すると、Ｓｔｅｐ７で、優先度制御部１７が送信部１３に対し、直ちに送信の停止指示を行う。この作業は、Ｓｔｅｐ５でタイムオーバが検出されるまで続けられる。Ｓｔｅｐ７で無事にタイムオーバとなると、Ｓｔｅｐ６で、優先度制御部１７が優先度格納部１８に対して優先度をそのアプリケーションに適正な値（規定値）に戻す指示をする。

図３は、回線輻輳時における本発明の無線通信端末の振る舞いを説明する図である。
図において、Ａ、Ｂの２つの無線通信が行われているものとする。簡単のためそれぞれのソース３１ａ、３１ｂは２Ｍｂｐｓの速度で定常的にデータを発生し、このデータは送信局３２ａ、３２ｂでフレーミングされ送信されているものとする。このデータは通信媒体３３を通り、受信局３４ａ、３４ｂで受信されるものとする。媒体３３における通信容量を５Ｍｂｐｓと仮定し、３２ａ、３２ｂの送信優先度は同じに設定されているものとする。このとき、２つのビデオソースのデータ量の合計は４Ｍｂｐｓなので、全体の通信容量以下となり、通信は正常に行われる。

今、この系に本発明による無線通信装置が加わり通信Ｃを開始するものとする。ソース３１ｃで発生した２Ｍｂｐｓのデータは、送信局３２ｃを介して媒体３３に送出される。送信局３２ｃは、通信開始当初優先度が他の送信局３２ａ、３２ｂより低く設定されているため、送信権を獲得できず、せいぜい１Ｍｂｐｓ程度の伝送しかできなくなる。一方、ソースでは常時２Ｍｂｐｓのデータが発生しており、この結果送信局３２ｃ内のバッファには滞留データが発生する。滞留データはやがて所定値を超えるか、或いは、変化が常に増加方向であることから、前記判断により送信局３２ｃの送信は停止させられる。この間、送信局３２ｃの優先度は他の送信局より優先度が低いため、通信Ａ、Ｂは、通信Ｃにより妨害を殆ど受けず機能する。

以上のように、端末局や基地局など複数の無線通信装置から構成され、所定期間以上回線が空いた場合、それぞれの無線通信装置はフレームの送信を開始できるＣＳＭＡ方式の通信システムにおいて、通信開始時はフレーム送信の優先度を低く設定し、所定時間無線回線の輻輳を検出しなかった場合フレーム送信間隔を規定値に再設定しフレーム送信を行うことで遅滞無く通信を開始すると共に、所定時間以内に無線回線の輻輳を検出した場合、フレーム送信を停止することで、自らのフレーム送信が既に通信を行っている他の通信端末に及ぼす妨害を低減することを可能としている。

本発明が適用される無線通信装置の構成を示す図である。 本発明の優先度制御部の動作を説明するためのフローチャートである。 回線混雑時における本発明の無線通信端末の振る舞いを説明する図である。 ＩＥＥＥ８０２．１１で規定される無線ＬＡＮのシステム構成例である。 ８０２．１１における衝突確率低減方法を説明する図である。 優先度制御方法を説明するための図である。 従来の無線通信装置の一例を示すブロック図である。 正常時の通信を説明した図である。 異常時の通信を説明した図である。

符号の説明

１１ 上位インタフェース
１２ バッファ
１３ 送信部
１４ 無線インタフェース
１５ 監視部
１６ タイマ
１７ 優先度制御部
１８ 優先度格納部
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ ソース
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ 送信局
３３ 媒体
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ 受信局
４１ 端末局
４２ 基地局
５１ 先行フレーム
５２ 送信開始タイミング
５３ 次フレーム
６１ グループＡの送信開始タイミング
６２ グループＢの送信開始タイミング
７１ 上位インタフェース
７２ バッファ
７３ 送信部
７４ 無線インタフェース
７５ 優先度格納部
８１ａ、８１ｂ ソース
８２ａ、８２ｂ 送信局
８３ 媒体
８４ａ、８４ｂ 受信局
９１ａ、９１ｂ、９１ｃ ソース
９２ａ、９２ｂ、９２ｃ 送信局
９３ 媒体
９４ａ、９４ｂ、９４ｃ 受信局

Claims (7)

1. 搬送波感知多重アクセス方式によりフレーム単位でデータの送受信を行う無線通信装置であって、
   フレーム送信開始に関する優先度の値を格納する優先度格納手段と、
   前記優先度格納手段に格納されている優先度に従って、フレームの送信間隔を変動させることによりフレーム送信を行うフレーム送信手段と、
   前記優先度格納手段に格納されている優先度を変更するとともにフレーム送信手段の動作の開始停止を制御する優先度制御手段とを備えることを特徴とする無線通信装置。
2. 前記優先度制御手段は、前記無線通信装置自身のフレーム送信開始時において前記優先度を予め設定された規定値より低く設定し、
   前記フレーム送信手段は、フレームの送信間隔を前記優先度の規定値に対応する値より長くして送信することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 無線通信回線の輻輳状態を検出して監視する輻輳状態監視手段を備え、
   前記輻輳状態監視手段が、前記フレームの送信を開始した時点から、所定時間以内に無線通信回線の輻輳を検出できなかった場合に、前記優先度制御手段は、前記優先度を規定値に再設定し、前記フレームの送信間隔も再設定することでフレームの送信を行うことを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
4. 更に、前記輻輳状態検出手段が、前記フレームの送信を開始した時点から、所定時間以内に無線通信回線の輻輳を検出できた場合に、前記優先度制御手段は、前記フレームの送信を停止することを特徴とする請求項３に記載の無線通信装置。
5. 更に、前記優先度制御手段は、前記輻輳状態が検出されずに、所定時間以上前記フレームの送信に成功した場合には、前記優先度を規定値に再設定することを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
6. 送信データを一旦蓄積するバッファを備え、
   前記輻輳状態監視手段は、前記無線通信装置自身が送信しようとするデータが、他の無線通信装置が送信する搬送波を検知したために実際に送信できずに、前記バッファに残留しているデータ量により輻輳状態を検知することを特徴とする請求項３から請求項５記載の無線通信装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれかに記載の複数の無線通信装置から構成されることを特徴とする無線通信システム。

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