JP2007081524A - １対多型無線通信システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の加入者局に同一の信号を効率的に伝送し、かつ、基地局での処理能力の低下及び遅延増加を引き起こさない1対多型無線通信システム及び方法を提供する。
【解決手段】 基地局と、複数の加入者局とから構成され、基地局は、ネットワークから受信するデータの宛先情報と、加入者局番号との対応関係を有し、ネットワークからデータを受信した場合、受信したデータを、該データの宛先情報に対応する加入者局番号に関連付けして無線信号で送信し、加入者局は、自局独自の加入者局番号と、自局が属するマルチキャストグループ独自の加入者局番号とを有し、基地局が送信する無線信号のうち、自局独自の加入者局番号及び自局が属するマルチキャストグループ独自の加入者局番号に関連付けられているデータを受信する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、1つの基地局と複数の加入者局とで構成されるＰ−ＭＰ（Ｐｏｉｎｔ ｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ）、即ち、1対多型無線通信システムに関し、特に、アクセス方式としてＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：時分割多元アクセス）を使用する無線通信システムに関する。

1対多型のＦＷＡ（Ｆｉｘｅｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｃｃｅｓｓ：固定系無線アクセス）システムは、固定的に設置された1つの基地局が、固定的に設置された複数の加入者局とそれぞれ通信する無線通信システムであり、その中でも、送受信方向で共通の無線周波数を使用するＴＤＭＡ／ＴＤＤ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ：時分割複信）では、割り当てるタイムスロットを制御することで、柔軟かつ効率的なシステムを構築することができる（例えば、非特許文献１参照。）。

図２は、非特許文献1に記載のＴＤＭＡ／ＴＤＤ方式を用いる1対多型無線通信システムでの、無線フレーム構成を示す図である。フレーム周期は固定的であり、例えば１ｍｓである。図２（ａ）に示すとおり、無線フレームは、下り回線領域と、上り回線領域と、ＧＴ（Ｇｕａｒｄ Ｔｉｍｅ）領域とを有する。下り回線領域は、基地局が送信する領域であり、上り回線領域は、加入者局のいずれかが送信する領域であり、ＧＴは、上りから下りへの切り替わりでの信号の干渉を防止するための領域である。

下り回線領域は、更に、下りヘッダ領域と、下りデータ領域とを有する。下りヘッダ領域は、フレーム構造情報と、監視制御情報と、スロットデマンド領域を使用できる加入者局を通知するスロットデマンド割当指定と、加入者局に対して使用すべき上りデータ領域のスロット位置を通知する上りデータ割当指定の各情報を有する。

下りデータ領域は、図２（ｂ）に示す様に複数のスロット（図２（ｂ）ではＮ個）からなり、各スロットは、該スロットの宛先となる加入者局を識別するための情報である加入者局番号と、宛先加入者局へのデータと、誤り検出符号と、これらに先行するプリアンブル（ＰＲ：ＰＲｅａｍｂｌｅ）とを有する。

上り回線領域は、ＤＭＦ（Ｄｅｌａｙ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｆｒａｍｅ）領域と、スロットデマンド領域と、上りデータ領域とを有する。ＤＭＦ領域は、各加入者局から送信される信号の送信タイミングを調整して、各加入者局からの信号が衝突することを回避するための領域であり、スロットデマンド領域は、加入者局が信号送信を行いたい場合に、基地局にその旨を通知するために使用する領域であり、下りヘッダ領域のスロットデマンド割当指定で指定された加入者局のみが使用可能である。

上りデータ領域は、図２（ｃ）に示す様に複数のスロット（図２（ｃ）ではＭ個）からなり、各スロットは、該スロットの送信元である加入者局を識別するための情報である加入者局番号と、基地局へのデータと、誤り検出符号と、これらに先行するプリアンブルとを有し、更に、隣接するスロット間の衝突を防止するＧＴを有する。

図６は、従来のシステムでの加入者局番号の割当を示す図である。図６によると、加入者局番号には８ビットが割り当てられ、８ビットで表現可能な０〜２５５のうち、１〜２３９が加入者局番号として使用可能であり、０及び２４０〜２５５は未使用となっている。

安井、水本、桑原、"ワイヤレスＩＰアクセスシステム信号処理技術"、ＮＴＴ Ｒ＆Ｄ ２００２年１１月号、ｐｐ．７６−８５

例えば、複数の加入者局又は全加入者局に同一の信号を伝送したい場合、基地局は、送信先の加入者局ごとに、その加入者局の加入者局番号を含むスロットを生成し、下りデータ領域に格納して送信する必要がある。即ち、基地局は、下りデータ領域のスロットを、総ての宛先加入者局のためにそれぞれ確保して、同一データを各加入者局に送信する必要がある。このため、無線帯域の有効利用を図れず、基地局での処理能力の低下及び遅延増加が発生するという問題があった。

従って、本発明は、複数の加入者局及び／又は全加入者局に同一の信号を効率的に伝送する、即ち、効率的なマルチキャスト及び／又はブロードキャスト通信を行う1対多型無線通信システム及び方法を提供することを目的とする。

更に、本発明は、マルチキャスト及びブロードキャスト通信を行う際に、基地局での処理能力の低下及び遅延増加を引き起こさない1対多型無線通信システム及び方法を提供することも目的とする。

本発明における無線通信システムによれば、
基地局と、複数の加入者局とから構成される無線通信システムであって、基地局は、ネットワークから受信するデータの宛先情報と、加入者局番号との対応関係を有し、ネットワークからデータを受信した場合、受信したデータを、該データの宛先情報に対応する加入者局番号に関連付けして無線信号で送信し、加入者局は、自局独自の加入者局番号と、自局が属するマルチキャストグループ独自の加入者局番号とを有し、基地局が送信する無線信号のうち、自局独自の加入者局番号及び自局が属するマルチキャストグループ独自の加入者局番号に関連付けられているデータを受信することを特徴とする。

本発明の無線通信システムにおける他の実施形態によれば、
基地局は、マルチキャストグループに属する加入者局の一部にネットワークから受信したデータを送信する場合、受信したデータを、該マルチキャストグループ独自の加入者局番号に関連付けして送信すると共に、該マルチキャストグループに属する加入者局のうち、該受信したデータを受信可能又は受信不可能である加入者局を、加入者局独自の加入者局番号で指定する配信指示信号を送信し、加入者局は、自局が属するマルチキャストグループ独自の加入者局番号に関連付けられているデータを、配信指示で受信可能と指定され又は受信不可能と指定されなかった場合にのみ受信することも好ましい。

本発明の無線通信システムにおける他の実施形態によれば、
基地局は、加入者局番号に対応する暗号化キーを保持し、受信したデータを、関連付けした加入者局番号に対応する暗号化キーで暗号化して送信し、加入者局は、自局が有する加入者局番号に対応する暗号化キーを保持し、受信した暗号化されたデータを、関連付けられている加入者局番号に対応する暗号化キーで復号することも好ましい。

本発明における基地局によれば、
ネットワークから受信するデータの宛先情報と、加入者局番号との対応関係を有し、ネットワークからデータを受信した場合、受信したデータを、該データの宛先情報に対応する加入者局番号に関連付けして無線信号で送信する基地局であって、前記対応関係は、複数の加入者局を示す宛先情報に対しても、１つの加入者局番号を対応させていることを特徴とする。

本発明における無線通信方法によれば、
基地局と、複数の加入者局とから構成される無線通信システムにおける通信方法であって、各加入者局及び各マルチキャストグループは、独自の加入者局番号を有し、基地局は、データが１つの加入者局宛である場合、該データを、該加入者局独自の加入者局番号に関連付けして無線信号で送信し、データがマルチキャストグループ宛である場合は、該データをマルチキャストグループ独自の加入者局番号に関連付けして無線信号で送信し、加入者局は、基地局が送信する無線信号のうち、自局独自の加入者局番号及び自局が属するマルチキャストグループ独自の加入者局番号に関連付けられているデータを受信することを特徴とする。

基地局は、ネットワークから受信するデータの宛先情報と、加入者局番号との対応関係を有するが、マルチキャストグループに対しても、マルチキャストグループ独自の加入者局番号が割り当てられているため、基地局は、マルチキャストグループ宛のデータを、該マルチキャストグループ独自の加入者局番号に関連付けして送信すれば、該マルチキャストグループに属し、該マルチキャストグループ独自の加入者局番号を有する加入者局はデータを受信でき、マルチキャストグループを構成する加入者局に対して、個別にデータを送信する必要はなくなる。

本発明を実施するための最良の実施形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明による１対多型無線通信システムのシステム構成図である。図１によると、基地局１は、複数の加入者局２と無線回線を設定している。基地局１はネットワーク３と接続しており、加入者局２は、それぞれ図示しない通信端末、例えば、パーソナルコンピュータと接続している。加入者局２と基地局１が構成する無線通信システムにより、加入者局２と接続している図示しない通信端末等は、ネットワーク３上の各通信装置と通信が可能となる。

ネットワーク３と基地局１とのインタフェース点においては、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１Ｑに準拠したＶＩＤ（ＶＬＡＮ ＩＤ）が使用され、基地局は、保存しているＶＩＤと加入者局２との対応関係から、受信するＶＬＡＮタグ付きレイヤ２フレームの宛先となる加入者局２を認識する。

図２は、本発明によるシステムにおいて、基地局１と加入者局２との間で使用する無線フレームの構成図である。無線フレーム構成自体は従来技術で説明した通りであり説明は省略する。

図３は、本発明による基地局１のブロック図である。図３によると、基地局１は、通信制御部１０と、高周波部１１と、アンテナ１２とを有する。高周波部１１は、アンテナ１２が受信した無線周波数の信号を低雑音増幅器で増幅した後、中間周波数に周波数変換を行い通信制御部１０に出力する受信機１１１と、通信制御部１０からの中間周波数の信号を無線周波数に周波数変換を行った後、電力増幅して出力する送信機１１２と、アンテナ１２の接続先を受信機１１１又は送信機１１２に切り替えるスイッチ１１３とを備える。

通信制御部１０は、変復調部１０１と、ＴＤＭＡ制御部１０２と、受信バッファ部１０３と、送信バッファ部１０４と、通信インタフェース部１０５と、パケット数計測部１０６と、スロット割当部１０７と、マルチキャストプロトコル対応部１０８とを有する。受信バッファ部１０３及び送信バッファ部１０４は、加入者局番号ごとのバッファを有している。

通信インタフェース部１０５は、ＩＰ網といったネットワーク３とのインタフェース部分であり、ネットワークから受信するフレームに含まれるタグ情報、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１Ｑに準拠したレイヤ２フレームのＶＩＤの値と、加入者局番号との対応関係を保持している。加入者局番号とフレームのタグ情報の対応関係は予め保守管理システムから設定しておく。

図５は、本発明で使用する加入者局番号とタグ情報との対応関係を示す図である。図５においては、加入者局番号１〜２３９には、ＶＩＤの値＃１〜＃９９９のいずれかを対応させて、これら値をユニキャスト通信に使用している。また、加入者局番号２４０とＶＩＤの値＃１０００を、加入者局番号２４５とＶＩＤの値＃１００１を対応させて、これら値をマルチキャスト通信に使用している。更に、加入者局番号２４６とＶＩＤの値＃１００６を対応させて、これら値をブロードキャスト通信に使用している。

通信インタフェース部１０５は、ネットワーク３から受信するフレームのうち、加入者局２に送信すべきデータを、送信バッファ部１０４内の、受信フレームのタグ情報に対応する加入者局番号のバッファに蓄積する。また、受信バッファ１０３のバッファに蓄積されているデータを読み出して、読み出したバッファの加入者局番号に対応するタグ情報を有するネットワーク３へのフレームを生成してネットワーク３へ送信する。

パケット数計測部１０６は、送信バッファ部１０４内の各加入者局番号に対応するバッファに蓄積されているデータ量から、それぞれ蓄積されているパケット数を計測してスロット割当部１０７に通知する。ここで１パケットとは、図２に示す無線フレームの下りデータ領域の１スロットで送信できるデータ量である。つまり、パケット数計測部１０６は、各バッファに蓄積されているデータ量を、無線フレームのスロット数に換算してスロット割当部１０７に通知する。

スロット割当部１０７は、パケット数計測部１０６が通知する各バッファに蓄積されているパケット数に基づき、所定の方法で、次の無線フレームで送信するデータを取得する、送信バッファ部１０４内のバッファを決定してＴＤＭＡ制御部１０２に通知する。つまり、データ送信を行うバッファの加入者局番号を決定して、スロット割当指示でＴＤＭＡ制御部１０２に通知する。また、ＴＤＭＡ制御部１０２経由で受信する、各加入者局２からの上り割当要求に基づき、加入者局２が無線フレーム送信に使用する上りデータ領域のスロットの割当を決定して、割り当てたスロットをＴＤＭＡ制御部１０２経由で加入者局２に通知する。スロット割当の方法としては、加入者局間で公平に割当を行うラウンドロビン方式や、加入者局毎に最低帯域を保証するように割り当てる方法等がある。

ＴＤＭＡ制御部１０２は、スロット割当部１０７からのスロット割当指示で指定された加入者局番号に基づき、送信バッファ部１０４の対応するバッファから下りデータ領域のスロットに応じた量のデータを読出す。続いて、読み出したデータ及びその加入者局番号を、図２に示す無線フレームの下りデータ領域に格納して加入者局に送信する信号を生成する。また、変復調部１０１から受信する信号を終端して、上りデータ領域の各スロットのデータを、受信バッファ１０３内に設けられている対応する加入者局番号のバッファに蓄積する。

変復調部１０１は、ＴＤＭＡ制御部１０２が生成した無線フレームを変調して高周波部１１へ出力し、高周波部１１からの信号を復調してＴＤＭＡ制御部１０２に出力する。尚、マルチキャストプロトコル対応部１０８の機能については、後述する。

図４は、本発明による加入者局２のブロック図である。図４によると、加入者局２は、通信制御部２０と、高周波部２１と、アンテナ２２とを有する。高周波部２１は、アンテナ２２が受信した無線周波数の信号を低雑音増幅器で増幅した後、中間周波数に周波数変換を行い通信制御部２０に出力する受信機２１１と、通信制御部２０からの中間周波数の信号を無線周波数に周波数変換を行った後、電力増幅して出力する送信機２１２と、アンテナ２２の接続先を受信機２１１又は送信機２１２に切り替えるスイッチ２１３とを備える。

通信制御部２０は、変復調部２０１と、ＴＤＭＡ制御部２０２と、受信バッファ部２０３と、送信バッファ部２０４と、通信インタフェース部２０５と、パケット数計測部２０６と、制御部２０９とを有する。

制御部２０９は、予め外部から設定される加入者局番号と、後述する基地局からの配信指示で指定される加入者局番号から、受信すべき加入者局番号をＴＤＭＡ制御部２０１に通知する。

変復調部２０１は、高周波部２１からの信号を復調してＴＤＭＡ制御部２０２に出力し、ＴＤＭＡ制御部２０２が生成した無線フレームを変調して高周波部２１へ出力する。

ＴＤＭＡ制御部２０２は、変復調部１０１から受信する信号を終端して、下りデータ領域の各スロットのうち、制御部２０９から通知される受信すべき加入者局番号に一致するスロットのデータのみを、受信バッファ２０３内に設けられている対応する加入者局番号のバッファに蓄積する。また、送信バッファ部２０４の対応するバッファから上りデータ領域のスロットに応じた量のデータを読出して基地局１に送信する信号を生成する。尚、図５での加入者局番号２４６の様に、ブロードキャストに割り当てられている加入者局番号は全加入者局が受信すべき加入者局番号として保持しておく。

通信インタフェース部２０５は、パーソナルコンピュータ等の通信端末とのインタフェース部分であり、受信バッファ２０３のバッファに蓄積されているデータを読み出し、通信端末に送信するフレームを生成して送信する。また、通信端末から受信するフレームを送信バッファ部２０４のバッファに蓄積する。

パケット数計測部２０６は、送信バッファ部２０４内のバッファに蓄積されているパケット数を計測して、上りデータ領域のスロットの割当要求を、ＴＤＭＡ制御部２０２経由で基地局１に通知する。

以上説明したように、マルチキャスト又はブロードキャストにも加入者局番号を割当て、各加入者局２には、その加入者局２独自の加入者局番号と、その加入者局２が属しているマルチキャストグループに割り当てられた加入者局番号及びブロードキャストに割り当てた加入者局番号を予め設定しておく。

基地局１は、各加入者局２独自の加入者局番号と、各マルチキャストグループに割り当てられた加入者局番号と、ブロードキャストに割り当てられた加入者局番号と、ネットワーク３から受信するデータの、例えばタグ情報といった、宛先情報との関係を認識しており、ネットワーク３から受信するデータが示す宛先情報が、特定の加入者局２である場合には、その加入者局２独自の加入者局番号を用いて、マルチキャストグループである場合には、そのマルチキャストグループに割り当てられた加入者局番号を用いて、ブロードキャストである場合は、ブロードキャストに割り当てられた加入者局番号を用いて、受信データを送信し、各加入者局２は、自局に設定された加入者局番号のスロットのみを受信する。

これにより、ユニキャスト通信と同じ処理で、マルチキャスト及びブロードキャストを実現することができる。従って、従来技術のように基地局での処理能力の低下や遅延の増大等の問題を引き起こすことはなく、更に、マルチキャストグループに属する加入者局数と同数の下りデータ領域のスロットを使用して同一データを個別に送信する必要がなく、無線帯域の有効利用を図ることが可能となる。

続いて、基地局１のマルチキャストプロトコル対応部１０８について説明する。上述した構成において、あるマルチキャストグループに属する加入者局に対しては、当該マルチキャストグループに割り当てられた加入者局番号を用いることで一括してデータを送信することが可能であるが、更に、当該マルチキャストグループに属する加入者局の一部に対してのみ受信を許可し、残りの一部に対しては受信を不許可としたい場合が生じる。このため、基地局１にマルチキャストプロトコル対応部１０８を設ける。

通信インタフェース部１０５は、ネットワーク３から受信するデータの宛先情報に対応する加入者局が、あるマルチキャストグループの部分集合、例えば、１０局から構成されるマルチキャストグループのうち９局を示すものである場合、当該マルチキャストグループに割り当てられた加入者局番号を使用して既に説明した通りに無線信号で送信すると共に、マルチキャストプロトコル対応部１０８に、その旨を通知する。

マルチキャストプロトコル対応部１０８は、ＴＤＭＡ制御部１０２経由で、各加入者局２に、上記マルチキャストを示す加入者局番号に関連付けされたデータを受信可能な加入者局を示す、又は、受信不可能な加入者局を示す配信指示信号を送信する。受信可能な加入者局又は受信不可能な加入者局は、加入者局独自の加入者局番号で指定される。

各加入者局２の制御部２０９は、例えば、配信指示が受信可能な加入者局を示す場合、自局が配信指示で示されている場合は、ＴＤＭＡ制御部２０２に配信指示で示されたマルチキャスト用加入者局番号を通知し、自局が配信指示で示されていない場合は、ＴＤＭＡ制御部２０２に配信指示で示されたマルチキャスト用加入者局番号を通知しない。これにより、マルチキャストグループに属する加入者局の一部に対してのみ送信を行うことができる。

更に、加入者局番号毎に異なる暗号化キーを割当て、基地局１は、総ての使用している加入者局番号に対応する暗号化キーを保持し、下りデータ領域の各スロットのデータを、宛先の加入者局番号に対応する暗号化キーで暗号化して送信し、加入者局２は、自身が受信すべき加入者局番号に対応する暗号化キーを保持し、受信データを、宛先として示されている加入者局番号に対応する暗号化キーで復号して受信し、同様の方法で上り方向も暗号化することで秘匿性の高い通信を実現することができる。

以上、基地局１は、ネットワーク３からＶＬＡＮタグ付きレイヤ２フレームを受信する場合を用いて説明したが、本発明は上記例に限定されない。即ち、ネットワーク３から受信するデータが特定の加入者局２に宛てたものである場合は、その加入者局２を、マルチキャストであれば、そのマルチキャストグループを、ブロードキャストであればその旨を基地局１がネットワーク３から受信するデータ又はフレームから認識できれば、本発明の適用は可能である。

本発明による１対多型無線通信システムのシステム構成図である。 1対多型無線通信システムの無線フレーム構成を示す図である。 本発明による基地局のブロック図である。 本発明による加入者局のブロック図である。 加入者局番号とフレームのタグ情報の設定例を示す図である。 従来のシステムでの加入者局番号の割当を示す図である。

符号の説明

１ 基地局
２ 加入者局
３ ネットワーク
１０、２０ 通信制御部
１１、２１ 高周波部
１２、２２ アンテナ
１０１、２０１ 変復調部
１０２、２０２ ＴＤＭＡ制御部
１０３、２０３ 受信バッファ部
１０４、２０４ 送信バッファ部
１０５、２０５ 通信インタフェース部
１０６、２０６ フレーム数計測部
１０７ スロット割当部
１０８ マルチキャストプロトコル対応部
１１１、２１１ 受信機
１１２、２１２ 送信機
１１３、２１３ スイッチ
２０９ 制御部

Claims (5)

1. 基地局と、複数の加入者局とから構成される無線通信システムであって、
   基地局は、ネットワークから受信するデータの宛先情報と、加入者局番号との対応関係を有し、ネットワークからデータを受信した場合、受信したデータを、該データの宛先情報に対応する加入者局番号に関連付けして無線信号で送信し、
   加入者局は、自局独自の加入者局番号と、自局が属するマルチキャストグループ独自の加入者局番号とを有し、基地局が送信する無線信号のうち、自局独自の加入者局番号及び自局が属するマルチキャストグループ独自の加入者局番号に関連付けられているデータを受信することを特徴とするシステム。
2. 基地局は、マルチキャストグループに属する加入者局の一部にネットワークから受信したデータを送信する場合、
   受信したデータを、該マルチキャストグループ独自の加入者局番号に関連付けして送信すると共に、該マルチキャストグループに属する加入者局のうち、該受信したデータを受信可能又は受信不可能である加入者局を、加入者局独自の加入者局番号で指定する配信指示信号を送信し、
   加入者局は、自局が属するマルチキャストグループ独自の加入者局番号に関連付けられているデータを、配信指示で受信可能と指定され又は受信不可能と指定されなかった場合にのみ受信することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 基地局は、加入者局番号に対応する暗号化キーを保持し、受信したデータを、関連付けした加入者局番号に対応する暗号化キーで暗号化して送信し、
   加入者局は、自局が有する加入者局番号に対応する暗号化キーを保持し、受信した暗号化されたデータを、関連付けられている加入者局番号に対応する暗号化キーで復号することを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
4. ネットワークから受信するデータの宛先情報と、加入者局番号との対応関係を有し、ネットワークからデータを受信した場合、受信したデータを、該データの宛先情報に対応する加入者局番号に関連付けして無線信号で送信する基地局であって、
   前記対応関係は、複数の加入者局を示す宛先情報に対しても、１つの加入者局番号を対応させていることを特徴とする基地局。
5. 基地局と、複数の加入者局とから構成される無線通信システムにおける通信方法であって、
   各加入者局及び各マルチキャストグループは、独自の加入者局番号を有し、
   基地局は、データが１つの加入者局宛である場合、該データを、該加入者局独自の加入者局番号に関連付けして無線信号で送信し、データがマルチキャストグループ宛である場合は、該データをマルチキャストグループ独自の加入者局番号に関連付けして無線信号で送信し、
   加入者局は、基地局が送信する無線信号のうち、自局独自の加入者局番号及び自局が属するマルチキャストグループ独自の加入者局番号に関連付けられているデータを受信することを特徴とする方法。

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