JP2006094320A

JP2006094320A - 回線制御方式

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Publication number: JP2006094320A
Application number: JP2004279653A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kashima; 謙一加島
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2006-04-06

Abstract

【課題】データ伝送中に、多くの隠れ端末関係が成立してしまうネットワークでは、RTS /CTS制御だけでは、回線を効率よく使用することが難しい。
【解決手段】通信に先立って宛先アドレス含む送信リクエストパケット（RTS）、及び送信リクエストにパケットの応答である伝送路開放要求パケット（CTS）を用いて通信する機能を持つ端末局を含む通信通信システムにおいて、端末局同士がRTS及びCTSを中継する、若しくは、中継局がＲＴＳ及びCTSを中継する、ことにより閉空間における無線回線の使用効率を向上する回線制御方式とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信システムにおける回線の使用効率を向上するための回線制御の改善に関するものであり、特に閉空間における無線回線の回線制御方式に関するものである。

各々の無線局が、無線パケット送信に先立って無線チャネルをキャリアセンスし、チャネルの使用中（チャネルビジー）を確認した場合は無線パケットの送信を控え、チャネルの未使用を確認した後、無線パケットを送信する無線アクセス方式をCSMA（Carrier Sence Multipul Access）と呼び、無線パケット通信方式で用いられる。

ここで二つの無線局が互いに電波の届かないほど距離を隔てて存在するとき、あるいは、二局間に電波を遮断する障害物が存在するときなど、一方の無線局の送信信号を直接受信できない状況がある。このような二つの無線局を隠れ端末と呼ぶ。
隠れ端末に相当する無線局間では、キャリアセンスが有効に機能しないため、一方が無線パケット送信中に他方が無線パケットの送信を開始してしまい、両局の中間位置に存在する無線局での受信に無線パケットの衝突が生じ、正常受信できなくなる問題がある。

これを解決するために、無線パケット送信前に予め通信の予約の意味でRTS /CTSパケットの送受信を用いる米国の無線LAN標準規格、IEEE802.11標準(Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications IEEE Std 802.11,Aug.1999. )等の方法がある。
上述した無線LAN標準規格に記されているように、RTS/CTSを使用するか否かはオプション機能である。例えば、マルチキャスト、ブロードキャスト時は使用しない。またパラメータを変更することにより、RTS、CTSを常に使用、不使用、特定の長さ以上のフレームに対して使用という構成が可能である。しかしながら、フレーム伝送の際にRTS/CTSを使用すると、その特性上、回線の使用効率が低下する。

ここで、従来のデジタル移動無線システムについて図面を参照して説明する。
図９は従来の無線通信システムの例である無線ＬＡＮシステムについて説明する。
図９は無線局Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅからなる無線ネットワークを表している。このネットワークにおいては、各無線局の電波の届く範囲を円で表わしている。また使用する周波数は一波である。今、無線局Ａから無線局Ｅまでパケットを伝送する経路がＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅとなるよう設定されている場合において、例えば、無線局相互間ＡＢ間で通信を行うものとし説明する。無線局Ａの電波が届く範囲を６ａとし、無線局Ｂの電波の届く範囲を６ｂ、無線局Ｃの電波が届く範囲を６ｃ、無線局Ｄの電波の届く範囲を６ｄ、無線局Ｅの電波の届く範囲を６ｅとする。この図より、無線局Ａに対しては、Ｃ、Ｄ、Ｅ局が隠れ端末である。

図８は本ネットワークにおけるＲＴＳ／ＣＴＳを用いたデータ伝送のシーケンスを表している。以下の説明について、無線局の配置は図９に示したもの、データ伝送のシーケンスは図８を用いて説明する。
無線局Ａは無線局Ｂにデータを送信するため、まずＲＴＳを電波の届く範囲内にある全ての無線局に対して送信する。
ＲＴＳのフレームフォーマットを、図４を用いて説明する。
図４中のＲＡ（ＲｅｃｅｉｖｅｒＡｄｄｒｅｓｓ）には、この例でいうと無線局Ｂに割り当てられているアドレス（受信端末アドレス）が入る。また、同図中のＴＡ（ＴｒａｎｓｍｉｔｔｅｒＡｄｄｒｅｓｓ）には、無線局Ａに割り当てられているアドレス（送信端末アドレス）が入る。また、Ｄｕｒａｔｉｏｎにはフレーム交換に要する時間が入る。同図中に示したその他のフレームフォーマットの説明については省略する。
図９を見ても分かるように、無線局Ｃは無線局Ａの隠れ端末になっているため、無線局Ａの送信したＲＴＳは受信できない。

次に、ＲＴＳを受信した無線局ＢはＲＴＳに対する応答信号であるＣＴＳを電波の届く範囲内にある全ての無線局に送信する。ＣＴＳのフレームフォーマットを、図５を用いて説明する。
図５中のＲＡ（ＲｅｃｅｉｖｅｒＡｄｄｒｅｓｓ）には、この例では、無線局Ａに割り当てられているアドレス（受信端末アドレス）が入り、Ｄｕｒａｔｉｏｎにはフレーム交換に要する時間が入る。同図中に示したその他のフレームフォーマットの説明は省略する。ここでは図９に示すように、無線局Ｂに対して無線局Ｄが隠れ端末になっていることから、無線局Ｄは無線局Ｂが送信したＣＴＳを受信することは出来ない。

ここで、上記の動作が行われている間、該無線局の送信する電波が届く範囲内にある無線局については、直接自局の通信に関係なくとも、やはりＲＴＳおよびＣＴＳを受信する。仮に宛先となっていない無線局がこのフレームを受信した場合、無駄なパケット衝突を避けるため、パケットの送信を禁止する。但しＤｕｒａｔｉｏｎに入っている時間データより、無線チャネルがアドレスに遷移する時間を知ることができるため、Ｄｕｒａｔｉｏｎによる時間以降はキャリアセンスを再開する。この後、無線局Ａはデータを送信し、無線局Ｂはデータ受信後、肯定応答であるＡＣＫを無線局Ａに送信し、データ伝送は終了する。以降、無線局ＢＣ間、ＣＤ間、ＤＥ間とも上記動作を繰り返すことで、無線局Ａから無線局Ｅにデータを伝送することができる。
また、従来の無線通信システムに関する技術として例えば特許文献１がある。

特開２００２−３５３９７５号公報

上述した従来の無線通信システムでは、無線局相互間AB間の通信時には無線局Cが送信禁止となることが分かる。この無線局A、B、C局のビジー状態を無線局Dは判別できないため、この時に無線局Dが無線局Cにデータを送信すると、RTSに対するCTSが返送されず、RTSを再送し続けてしまう。このRTSは無線局Dの電波が届く範囲６dにある無線局Eも受信してしまい、それが自分宛ではないためDurationの分だけ送信禁止状態になる。

このようにして無線局A、B、Cがビジー状態の時に無線局D、Eが通信できなくなる場合がある。但し無線局Dの再送したRTSが無線局A、B、Cにおける通信終了後の(DIFS＋バックオフ)時間中に送信できれば無線局CからのCTSを受信できるが、その確率は低く回線の使用効率が非常に悪い。この状態は無線局D、E間の通信時における無線局A、Bに対しても当てはまる。

本発明の目的は上記に鑑みて為されたものであり、このようにデータ伝送中に、多くの隠れ端末関係が成立してしまうネットワークでは、RTS /CTS制御だけでは、回線を効率よく使用することが難しいという問題を解決し、回線の使用効率を向上させる無線通信システムを提供することを目的とする。

上記従来の問題点を解決するため請求項１に記載の発明は、通信に先立って宛先アドレス含む送信リクエストパケット（RTS）、及び送信リクエストにパケットの応答である伝送路開放要求パケット（CTS）を用いて通信する機能を持つ端末局を含む通信通信システムにおいて、端末局同士がRTS及びCTSを中継する、若しくは、中継局がＲＴＳ及びCTSを中継する、ことにより閉空間における無線回線の使用効率を向上する回線制御方式である。

上記従来の問題点を解決するため請求項２に記載の発明は、端末間にてパケット通信を行う無線通信システムにおいて、任意の端末から他の目的とする任意の端末にデータを送信する際に目的とする端末以外の他の任意の端末（中継端末）を中継してデータ送受信を行う場合、前記中継端末が受信した送信リクエストフォーマットの所定の領域に中継する旨を示すカウント値（＝１）を加えて当該送信リクエストフォーマットを送信する、ことを特徴とする。

上記従来の問題点を解決するため請求項３に記載の発明は、端末間にてパケット通信を行う無線通信システムにおいて、各端末は、送信リクエストであるＲＴＳフォーマットを送信し、及び、該ＲＴＳフォーマットに応答するＣＴＳフォーマットを送信（返信）する無線システムであって、任意の端末から受信したＲＴＳフォーマットが自局宛である場合には、前記ＣＴＳフォーマットを送信し、自局宛でない場合、受信したＲＴＳフォーマットの所定の領域に中継した旨を示すカウント値（＝１）を加えて当該ＲＴＳフォーマットを送信することを特徴とする。
ここで、任意の端末から受信したＲＴＳフォーマットが自局宛である場合には、前述に加えてさらに、ＣＴＳフォーマットでの送信は行わないものである。

上記従来の問題点を解決するため請求項４に記載の発明は、前記請求項２または３に記載の無線通信システムの回線制御方式であって、当該無線通信システムの複数の任意の端末が、閉空間内にあって端末局同士がRTS及びCTSを中継する、若しくは、中継局がＲＴＳ及びCTSを中継する、ことを特徴とする。

本発明により、データ伝送中に、多くの隠れ端末関係が成立してしまうネットワークでは、RTS /CTS制御だけでは、回線を効率よく使用することが難しいという問題を解決し、回線の使用効率を向上させる無線通信システムの回線制御方式を提供することができる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施の形態である洞道における無線LANシステムの実施例である。
図１は無線局A、B、C、D、Eからなる無線ネットワークを表している。このネットワークにおいては、各無線局の通信可能なエリアを楕円で表わされ、使用する周波数は一波である。今、無線局Ａから無線局Ｅまでパケットを伝送する経路がA→B→C→D→Eとなるよう設定されている場合において、各無線局は通信可能な他局の存在について既知であるとする。
例えば、無線局相互間AB間で通信を行うものとし説明する。無線局Aの電波が届く範囲を６aとし、無線局Bの電波の届く範囲を６b、無線局Cの電波が届く範囲を６c、無線局Dの電波の届く範囲を６d、無線局Eの電波の届く範囲を６eとする。この図より、無線局Aに対しては、無線局C、D、Eが隠れ端末である。
すなわち、閉空間となるトンネル、洞道などに前述した従来（図９）の無線ＬＡＮシステムを適用した場合にも隠れ端末の問題が生じてしまうこととなる。

図2は図１のネットワークにおけるRTS/CTSを用いたデータ伝送のシーケンスを表している。以下の説明において、無線局の配置は図１を、データ伝送のシーケンスは図2を用いて説明する。
なお、図４はRTSフレームフォーマットの図であり、図５はCTSフレームフォーマットの図であり、図６はACKフレームフォーマットの図である。
無線局Aは無線局Bにデータを送信するため、まずRTSを電波の届く範囲内にある全ての無線局に対して送信する。
前述した図4で説明したように、RA(Receiver Address)には、この例でいうと無線局Bに割り当てられているアドレス(受信端末アドレス)が入る。また、同図中のTA(Transmitter Address)には、無線局Aに割り当てられているアドレス（送信端末アドレス）が入る。また、Durationにはフレーム交換に要する時間が入る。
そして、図１を見ても分かるように、無線局Cは無線局Aの隠れ端末になっているため、無線局Aの送信したRTSは受信できない。

次に、RTSを受信した無線局BはRTSに対する応答信号であるCTSを電波の届く範囲内にある全ての無線局に送信する。
前述した図5で説明したように、RA(Receiver Address)には、この例でいうと無線局Ａに割り当てられているアドレス(受信端末アドレス)が入り、Durationにはフレーム交換に要する時間が入る。
そしてここでは図１に示すように、無線局Bに対して無線局Dが隠れ端末になっていることから、無線局Dは無線局Bが送信したCTSを受信することは出来ない。
このように、閉空間となるトンネル、洞道などに前述した従来（図９）の無線ＬＡＮシステムを適用した場合にも隠れ端末の問題が生じてしまう問題を解決する本発明の実施の形態について次に説明する。

図１の無線ＬＡＮシステムにおいて、このネットワークでのデータ伝送については、図３に本発明の実施の形態による回線制御方式を用いたシーケンスを用いて説明する。
先ず無線局Aは無線局Bにデータを送信するため、RTSを電波の届く範囲内にある全ての無線局に対して送信する。無線局AのRTSを受信した無線局BはRTSをRTSR（RTS Repeat）として無線局Cに中継する。この動作について図7のRTSRフレームフォーマットを用いて説明する。

図7中のRA(Receiver Address)には、この例でいうと無線局Bに割り当てられているアドレス(受信端末アドレス)が入る。またTA(Transmitter Address)には、無線局Aに割り当てられているアドレス（送信端末アドレス）が入る。またRN(Repeat Number)には、中継した回数が入り、DurationRには中継にかかる時間（RTS R送信分）をDurationから差引した値が入る。同図中に示したその他のフレームフォーマットの説明については省略する。
つづいて、ＲＴＳを受信した無線局BはRTSが自分宛であるか確認する。自局宛でなければDurationにより送信を禁止する。自局宛であればRTSのRAおよびTA情報をRTSRに転写し、RNに中継回数１を入れ送信する。その後PIFSの時間を空けCTSを送信する。

次に、無線局Bから送信されたRTSRを無線局Cが受信すると、無線局Cはフレーム長の差からＲＴＳではなく中継パケットであると認識する。その後RNに先の中継回数に１加算した値を入れ、DurationRには中継に掛かかる時間（ＲＴＳＲ送信分）を先のDurationRから差引した値が入れる。このようにしてRTSRパケットを更新し中継送信する。
更なる中継については、ＲＴＳＲを受信した無線局に送信すべきデータがある場合またはRTSRにある2つのアドレスのうち、自局と接続可能な無線局が含まれるか否かを判断し、RAに接続可能な無線局アドレスが含まれる場合には中継しない。このときデータ送信はRTSRを受信した後PIFSの時間を空け送信する。また送信すべきデータが無い場合またはRTSRにある2つのアドレスのうち自局と接続可能な無線局のアドレスが含まれない場合はRTSRを中継するが、その後DurationRにより送信を禁止し、受信のみ可能とする。
上述の方法で無線局D、無線局EにRTSRを中継していく。RTSRを受信した無線局は、これを合図に送信または受信を行う。特にRTSRにより送受信する場合は、ACKなどの通信や再送は行わない。
このようにしてRTS RTSの情報を中継することで、無線局相互間AB間の通信中に、無線局相互間ＤＥ間または無線局Ｄ―Ｃ間のデータ伝送を同時に行うことができる。従って無線局Ａ〜Ｅの5台中4台の無線局を同時に稼動できることになり、回線の使用効率の向上を図ることができる。

上記の動作により、任意の無線局の送信する電波が届く範囲内にある無線局については、直接自局の通信に関係なくとも、RTSおよびCTSを受信する。仮に宛先となっていない無線局がこのフレームを受信した場合、無駄なパケット衝突を避けるため、パケットの送信を禁止する。但しDurationに入っている時間データより、無線チャネルがアイドルに遷移する時間を知ることができるため、Durationによる時間以降はキャリアセンスを再開する。
例えば、無線局Aはデータを送信し、無線局Bはデータ受信後、肯定応答であるACKを無線局Aに送信し、データ伝送は終了する。
以降、無線局BC間、CD間、DE間とも上記動作を繰り返すことで、無線局Aから無線局Eにデータを伝送することができる。

また回線に様々なデータを伝送させる場合は、上述のRTSとRTSRを使い分けることで、従来に比べてより一層の回線使用効率の向上を図ることができる。例えば、ＲＴＳには再送制御のあるTCPなどのデータ、RTSRには再送の必要がないVoIPやストリーミング等のデータ伝送を割り当てる方法などが考えられる。

またネットワークの規模を考慮し、各無線局がRTSRのRNを判定して中継の可否を決定してもよい。図１では無線局Eは、無線局DからRTSRを受信しても、その先に接続される無線局が無いため中継の必要が無い。無線局Bから無線局AにRTSRを中継する場合についても同様である。このようにRTS Rの中継においても無用なパッケトを極力送信しないような調整も考えられる。

本発明の実施の形態は、通信に先立って宛先アドレス含む送信リクエストパケット（RTS）、及び送信リクエストにパケットの応答である伝送路開放要求パケット（CTS）を用いて通信する機能を持つ端末局を含む通信回線において、端末局同士がRTS及びCTSを中継することで、通信回線の使用効率を向上する回線制御方式とするものである。
また、本発明の実施の形態は、通信に先立って宛先アドレス含む送信リクエストパケット（RTS）、及び送信リクエストにパケットの応答である伝送路開放要求パケット（CTS）を用いて通信する機能を持つ端末局を含む通信回線において、中継局がＲＴＳ及びCTSを中継することで、回線の使用効率を向上する回線制御方式とするももである。
また、本発明の実施の形態は、通信に先立って宛先アドレス含む送信リクエストパケット（RTS）、及び送信リクエストにパケットの応答である伝送路開放要求パケット（CTS）を用いて通信する無線パケット通信機器を含む、無線通信回線において、無線パケット通信機器同士がRTS及びCTSを中継することで、無線回線の使用効率を向上する回線制御方式とするものである。
これらは特に、閉空間となるトンネル、洞道などにおける無線ＬＡＮシステムを適用した場合の隠れ端末の問題を効果的に解決することができる。

本発明の実施の形態によると、RTSの中継制御により、隠れ端末間の無駄なビジー状態を回避する無線回線の回線制御方式を構築することができる。
このことは、RTS/CTSを使用して無線通信回線を確立する方法は、隠れ端末問題の解決策としては重要であるが、しかしながら、RTS/CTSは送信先以外の端末局の送信を禁止するコマンドであるため、ネットワークの構成によっては、連鎖的に通信不能な端末局が発生し、無線回線の使用効率が低下する場合があって、このような問題を防ぎ、単にRTS/CTSを使用するよりも、無線回線の使用効率が向上する回線制御方式とするものである。
具体的には、RTS/CTSを使用して通信する際に、通信に先立って送信元と宛先アドレスを含む送信リクエストパケット（RTS）を各端末局が中継制御し、その際どの端末局が通信するのか否かを判定することで、ネットワーク内において任意の時間に電波干渉が起こらない関係上にある通信を同時に確立する回線制御方式である。

すなわち、本発明は、複数の隠れ端末関係が発生するネットワーク上でRTS /CTSを利用して通信する際に、ＲＴＳ即ち通信する一対の端末アドレスが入っているパケットを各端末局が中継制御することで、ネットワーク内において任意の時間に電波干渉が起こらない関係上にある通信を、同時に確立することが可能になる。これにより回線の使用効率を向上させる回線制御方式を提供することができる。
また、本発明により、各無線局が平等に回線を使用できるような安定した無線通信回線も実現している。これは、本来隠れ端末関係が発生しやすい無線ネットワーク、例えば電波の伝搬しにくい複雑な形状の構内や、トンネル等の細長い形状の閉鎖空間では、RTS /CTSの使用が不可欠であるがゆえ、一部の無線局が慢性的なビジー状態に陥りやすい、という問題を、本発明によりRTSRより各無線局における送受信の機会が増えるため、平等に回線を使用できるようになる。また回線の使用効率の向上は、スループットの向上につながる。

本発明の実施の形態である洞道における無線LANシステムの実施例。図１のネットワークにおけるRTS/CTSを用いたデータ伝送のシーケンス。本発明の実施の形態による回線制御方式（RTS中継制御方式）を用いたシーケンス。 RTSフレームフォーマットの図。 CTSフレームフォーマットの図。 ACKフレームフォーマットの図。 RTSRフレームフォーマットの図。従来のＲＴＳ／ＣＴＳを用いたデータ伝送のシーケンス。従来の無線通信システムの例である無線ＬＡＮシステム。

符号の説明

１：無線局A、２：無線局B、３：無線局C、４：無線局D、５：無線局E、
６a：無線局Aの電波が届く範囲、
６b：無線局Bの電波が届く範囲、
６c：無線局Cの電波が届く範囲、
６d：無線局Dの電波が届く範囲、
６e：無線局Eの電波が届く範囲。

Claims

通信に先立って宛先アドレス含む送信リクエストパケット（RTS）、及び送信リクエストにパケットの応答である伝送路開放要求パケット（CTS）を用いて通信する機能を持つ端末局を含む通信通信システムにおいて、
端末局同士がRTS及びCTSを中継する、若しくは、中継局がＲＴＳ及びCTSを中継する、
ことにより閉空間における無線回線の使用効率を向上する回線制御方式。
端末間にてパケット通信を行う無線通信システムにおいて、
任意の端末から他の目的とする任意の端末にデータを送信する際に目的とする端末以外の他の任意の端末を中継してデータ送受信を行う場合、
前記中継端末が受信した送信リクエストフォーマットの所定の領域に中継する旨を示すカウント値を加えて当該送信リクエストフォーマットを送信する、ことを特徴とする回線制御方式。
端末間にてパケット通信を行う無線通信システムにおいて、
各端末は、送信リクエストであるＲＴＳフォーマットを送信し、及び、該ＲＴＳフォーマットに応答するＣＴＳフォーマットを送信（返信）する無線システムであって、
任意の端末から受信したＲＴＳフォーマットが自局宛である場合には、前記ＣＴＳフォーマットを送信し、
自局宛でない場合、受信したＲＴＳフォーマットの所定の領域に中継した旨を示すカウント値を加えて当該ＲＴＳフォーマットを送信することを特徴とする回線制御方式。
前記請求項２または３に記載の無線通信システムの回線制御方式であって、
当該無線通信システムの複数の任意の端末が、閉空間内にあって端末局同士がRTS及びCTSを中継する、若しくは、中継局がＲＴＳ及びCTSを中継する、ことを特徴とする無線通信システムの回線制御方式。