JP2007235445A - 無線通信端末及び無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＳＭＡ方式の移動通信システムにおいて無線パケットを周期的にアクセスポイントに送信する複数の通信端末の間で、各通信端末が送信時刻を自律的に決定できるようにすること。
【解決手段】通信端末は自端末とは異なる他端末又は基地局が送信する無線パケットを受信する受信手段と、受信した無線パケットに含まれている判断基準情報から自端末の周期的な送信タイミングを決定する決定手段と、決定された送信タイミングで無線パケットを基地局に周期的に送信する送信手段とを有する。基地局を変更せずに、周期的なパケットの送信時刻を通信端末が自律的に決定することができる。複数の通信端末の送信時刻を簡易に一意に決定し、パケットの衝突確率を大幅に減らすことができる。本発明による機能を実現するには、HCCAのような集中制御局は必須でなく、通信端末側の変更しか必要とされない。
【選択図】図３

Description

本発明は無線通信の技術分野に関連し、特にキャリアセンス多重アクセス(CSMA: Carrier Sense Multiple Access)方式の移動通信システムにおける無線通信端末及び無線通信方法に関連する。

CSMA方式では端末は送信前に仮想キャリアセンスを行い、他端末が基地局（アクセスポイントとも呼ばれる）と通信を行っているか否かを判別する。他端末が通信中であった場合にはその通信完了後に自端末の無線パケットが送信される。原則としてどの端末も平等にパケットを送信する権利を有する。概して仮想キャリアセンスは次のようにして行われる：先ず、チャネルがIFS（Inter Frame Space）と呼ばれる期間だけアイドル状態になった後に、規定のCW(Contention Window)の範囲内で乱数を発生させ、その乱数に基づいて或る期間（ランダム期間）が定められ、ランダム期間内でバックオフ(back-off)制御が行われる。アイドル状態とは無線区間が使用されていない状態をいう。バックオフ制御では、算出された乱数が初期値に設定され、時間経過と共にそれが減らされ、０になった時点で無線パケットが実際に送信される。ISFは無線ローカルエリアネットワーク（LAN）標準規格IEEE802.11で規定されており、送信に先立って検出されるべきアイドル状態の期間である。CWはバックオフでとり得る乱数の最大値であり、ユーザ多重を実現するのに必要なパラメータである。IEEE802.11ではCWの最小値CW_minと最大値CW_maxが規定されており、初回送信におけるバックオフはCW_minを用いて乱数を発生させ、再送が行われるたびにそのCWの値を２倍に増やしてバックオフが行われる。なお、CW_maxはCWの上限値である。CWの値を徐々に増やすことで衝突頻度及び総トラフィック量（初回送信及び再送を含む）を確実に減らすことができる。しかしながらこの方式では複数の端末が同時に無線パケットを送信する可能性があり、パケットの衝突が起こった場合には通信品質が劣化したり、再送による遅延が長期化したりするおそれがある。

非特許文献１では或る優先制御を行うことでこの問題に対処することが記載されている。この技術ではIEEE802.11eで規定されたEDCA（Enhanced Distributed Channel Access）が使用される。パケットに４種類の優先度（プライオリティ）が付与され、プライオリティの高いパケットのIFS,CW_min,CW_maxを短く設定することでそれらが優先的に送信されるようにする。これにより音声通信やデータ通信等のような様々なアプリケーションが混在する通信環境で相対的な優先制御を行うことができる。非特許文献１に記載されるようにIEEE802.11eで規定されたHCCA(HCF controlled channel access)では、基地局がチャネル使用期間(TXOP: Transmission Opportunity)情報を記載したポーリング用フレームを通信端末に送信し、それを受信した通信端末はバックオフを経ることなく優先的な送信権を得る。

更に特許文献１記載の発明では、セル全体のトラフィック量に応じて基地局が各端末に送信待ち時間に関するパラメータを通知し、各端末は送信のたびにそのパラメータに従って送信を行い、これによりパケットの衝突のおそれを減らすことが意図されている。特許文献２記載発明では、或る周期で繰り返される所定時間内で割り当てられた送信可能時刻においてのみ送信が許可され、各端末が円滑に通信できるようにすることが意図されている。
特開2005-12725号公報 特開2005-184522号公報 ANSI/IEEE std 802.11,Wireless LAN medium access control(MAC) and physical layer (PHY) specifications, 1999

しかしながらEDCAのような従来の手法では異なるプライオリティを有するパケット間の相対的な送信優先順位が決定されるに過ぎず、同じプライオリティのパケットを送信しようとする端末間での品質保証や競合回避を行うものではない。従って同じプライオリティを有するパケットを複数の端末が同時に送信し、パケットの衝突が生じてしまうおそれを減らすことはできない。パケットの衝突が発生した場合に、再送を行うことでパケットの送受信自体が後に成功したとしても、再送に起因して遅延が発生してしまう。更に再送も失敗するとパケットが欠落し、復旧困難な信号品質の劣化を招くおそれが生じてしまう。

一方、複数の端末がパケットの送信権を獲得するためにバックオフ制御が行われる場合には、他端末に送信権を取られた端末は再度送信権を得るために待機しなければならず、遅延が大きくなってしまう。このような懸念は端末数が多くなるほど発生確率が高くなる。ボイスオーバーインターネットプロトコル（VoIP: Voice over Internet Protocol）のようなリアルタイム系アプリケーションではそのような遅延やパケットロスは特に重大な品質劣化を引き起こすおそれがある。

他方、上記のHCCAでは各端末にポーリング用フレームを送信することでチャネル使用期間が与えられ、信号品質保証を図ることができるかもしれない。しかしながらその具体的なスケジュール設計方法は明確には規定されておらず、再送タイミングやリンクアダプテーションによる伝送レート低下に配慮することも規定されていない。VoIPのような周期的にパケットが送信されることを要するアプリケーションでは、ポーリングの衝突がいったん発生すると以後も毎回衝突するおそれがあり、信号品質劣化の問題が深刻化する。更にHCCAの場合はEDCAの場合と異なり専用のチップセットが実装されることを要する。そのためHCCA方式を採用する場合には、端末及び基地局の双方にHCCAに対応する装置を備える必要がある。従ってこの手法は既存のシステムへの導入が容易でないことが懸念される。
特許文献１記載発明ではセル全体のトラフィック量に応じて基地局が各端末に送信待ち時間に関するパラメータを動的に変更するが、各端末に何らかの優先度による送信タイミングを与えるものではないので、パケットの競合や品質劣化に関する上記の懸念が残る。特許文献２では各端末が送信可能時刻を設定するかもしれないが、その具体的な手法は明記されていない。特に、再送がなされる場合、伝送レート低下に伴う送受信占有期間が変動する場合、特許文献２記載の機能を実装していない端末と両立を図る場合（特に、発明機能を実装していない端末と実装している端末との間でパケットが競合する場合）等の手法は不明である。

本発明は、上記問題点の少なくとも１つに対処するためになされたものであり、その課題は、ＣＳＭＡ方式の移動通信システムにおいて無線パケットを周期的にアクセスポイントに送信する複数の通信端末の間で、各通信端末が送信時刻を自律的に決定できるようにすることである。

本発明ではCSMA方式の移動通信システムで使用される通信端末が使用される。通信端末は自端末とは異なる他端末又は基地局が送信する無線パケットを受信する受信手段と、受信した無線パケットに含まれている判断基準情報から自端末の周期的な送信タイミングを決定する決定手段と、決定された送信タイミングで無線パケットを基地局に周期的に送信する送信手段とを有する。

本発明によれば、ＣＳＭＡ方式の移動通信システムにおいて無線パケットを周期的にアクセスポイントに送信する複数の通信端末の間で、各通信端末が送信時刻を自律的に決定することができる。

本発明の一形態によれば、基地局を変更せずに、周期的なパケットの送信時刻を通信端末が自律的に決定することができる。これにより複数の通信端末の送信時刻を簡易に一意に決定し、パケットの衝突確率を大幅に減らすことができる。本発明による機能を実現するには、HCCAのような集中制御局は必須でなく、通信端末側の変更しか必要とされない。

本発明の一形態によれば、基地局からの他端末宛の無線パケットの宛先アドレスが抽出され、他端末のアドレス及び自端末のアドレスが比較され、送信タイミングが決定される。例えばMACアドレスのような各端末に固有の情報を利用することで、各端末の送信順序を簡易且つ一義的に各端末で送信タイミングを決定できる。

本発明の一形態では、基地局からのビーコンに含まれている接続端末数を示す情報（例えば、ステーションカウント数）が抽出され、接続済みの端末の後に自端末が送信するように送信タイミングが決定される。これにより送信タイミングを簡易に決定することができる。

本発明の一形態では、他端末が基地局に報告する受信信号品質と自端末の受信信号品質とが比較され、送信タイミングが決定される。これによりチャネル状態の良い端末が優先的に送信権を得ることができ、システム全体のスループットの向上を図ることができる。

所定値を超えるパケットエラーレートに応じて再同期要求信号が基地局及び他端末に送信されてもよい。他端末から受信した再同期要求信号に応じて、前記決定手段が、自端末の周期的な送信タイミングが改めて決定されてもよい。

本発明の様々な形態による送信タイミングの決定法はそれぞれ単独に使用されてもよいし、それらの組み合わせが使用されてもよい。

図１は本発明の一実施例による移動通信システムの概略図を示す。図１にはアクセスポイント（AP）と、複数の通信端末A,B,Cとが描かれている。アクセスポイントは例えば無線LANの基地局であり、複数の通信端末A,B,Cと無線通信を行い、且つ不図示の上位装置と有線又は無線による通信を行う。基地局及び複数の通信端末は無線LANを構成する。複数の通信端末の各々は一例としてIEEE802.11bに規定する機能を実行することができ、更に以下に説明される本発明による機能を実行することができる。説明の便宜上、各通信端末はVoIPのような音声データ（より一般的にはリアルタイムデータ）を表すパケットを通信する。リアルタイムデータは、ノンリアルタイムデータとは異なり、一定の周期でデータが発生し、それらが順に伝送される必要がある。データ伝送間隔は本実施例では一例として２０ミリ秒間隔である。一般的にはデータ伝送間隔はサービス内容や設定レート等によって異なってよいが、以下に説明される実施例では各通信端末A,B,Cは同じ発生周期のデータを送受信するものとする。伝送されるデータは、音声通信、テレビ電話、ストリーミング等の内容を含んでもよい。

図２は図１に示される通信端末のブロック図を示す。通信端末は、中央処理装置（CPU）１０１、読み取り専用メモリ（ROM）１０２、ランダムアクセスメモリ（RAM）１０３、ボタンやスイッチを含む操作部１０４、CSMA方式の通信が可能な無線通信部１０５及びディスプレイ１０６を有する。図示の例は通信端末の一例に過ぎず、これら全ての要素が本発明に必須ではない。例えば組み込み装置に本発明が適用される場合には、ディスプレイが備わっていなくてもよい。

図３は本発明に特に関連する通信端末の機能を示し、これらの機能は図２に描かれているハードウエア要素により実行される。以下に説明される様々な機能がハードウエアとして、ソフトウエアとして又はそれらの組み合わせとして実現されてよいことは当業者に明白である。図３には、パケット情報検出部２０１、自ノード送信順序決定部２０２、時刻管理部２０３、送信タイミング決定部２０５、送信キュー２０６、パケット衝突回数管理部２０７及び再同期要求パケット送信部２０８が描かれている。

パケット情報検出部２０１は、受信したパケットに含まれている判断基準情報を抽出する。判断基準情報は後述の送信タイミングを決定するのに使用可能などんな情報でもよく、例えば他端末のアドレス、同一基地局に接続している端末数、他端末で測定された受信信号品質等を含んでよい。受信したパケットが基地局からのビーコンであった場合には、判断基準情報だけでなく、同期をとるために必要な時刻情報も抽出され、時刻情報は時刻管理部２０５に与えられる。

自ノード送信順序決定部２０２は、自端末（自ノード）がどの他端末の前又は後にパケットを送信してよいかを示す送信順序を、取得した判断基準情報に基づいて判断する。即ち、自他の複数の通信端末の間でパケットを送信する順序が決定され、送信順序情報としてそれが出力される。その順序がどのようにして決定されるかについては後述される。

時刻管理部２０３はビーコンから取得された時刻情報に基づいて送信タイミング決定部２０５に時刻情報を与える。後者の時刻情報は、例えば、ビーコンの受信時点から○○ｍｓ後に送信すべきことを示す情報を含む。

送信タイミング決定部２０５は送信順序情報及び時刻情報に基づいて自端末の送信キュー（送信バッファ）中のパケットを周期的に送信するタイミングを決定する。

送信キュー２０６は送信タイミング決定部２０５からの送信トリガを契機にパケットを出力する。出力されたパケットは無線通信部を経て無線送信される。

パケット衝突回数管理部２０７は送信したパケットの送達確認又は肯定応答（ACK）が得られなかったことをカウントし、その計数値が所定数を上回った場合に再同期要求パケット送信部２０８に通知が行われる。

再同期要求パケット送信部２０８はその通知に応答して再同期要求パケットを出力し、それは周辺の他端末向けにブロードキャストされる。

図４は本発明の一実施例による送信タイミング決定法のフローチャートを示す。説明の簡明化を図るため、通信端末A,Bが既にVoIPパケットを通信中であり、VoIPパケットを通信する通信端末Cが新たに参入しようとしているものとする。ステップS12では通信端末Cは基地局及び通信端末A,Bが送信するパケットを受信する。

ステップS14では通信端末Cは受信したパケットから判断基準情報を取得する。一例として判断基準情報はパケットに含まれる宛先アドレスであり、目下の例では、基地局が通信端末Aに送信したパケットに含まれる宛先アドレス、及び基地局が通信端末Bに送信したパケットに含まれる宛先アドレスである。即ち、通信端末Cは通信端末A宛のパケットを受信し、そのパケットの宛先アドレスから通信端末Aのアドレス情報（より具体的にはMACアドレス）を取得する。同様に通信端末Cは通信端末B宛のパケットを受信し、そのパケットの宛先アドレスから通信端末Bのアドレス情報（MACアドレス）を取得する。このように通信端末Cは自端末以外の他端末のアドレス情報を取得することで、現在参加しようとしているシステム内で接続済みの端末が何であるかを知ることができる。

ステップS16では判断基準情報に基づいて自端末のパケットを送信するためのタイミング（送信時刻）が決定される。目下の具体例では、判断基準情報として、他端末A,B及び自端末CのMACアドレスが用意されている。MACアドレスはその通信端末に固有の情報でもあり、異なる通信端末間で競合することはない。従って例えばMACアドレスの大小関係から端末の順序を決定することができ、その順序は全ての端末で共通に一義的に導出することができる。本実施例ではMACアドレスの小さい順に通信端末の順序が決定される。例えば通信端末AのMACアドレスが“xx:xx:xx:00:00:01”であり、通信端末ＢのMACアドレスが“xx:xx:xx:00:00:03”であり、通信端末CのMACアドレスが“xx:xx:xx:00:00:02”であったとする。通信端末Cは取得したこれらのMACアドレスの大小関係を調べることで、自端末が２番目、即ち通信端末Aの後であって、通信端末Bの前にパケットを送信できることを知ることができる。この例ではMACアドレスの昇順に順序が決定されたが、降順に決定されてもよいし、別の方法で順序が決定されてもよい。どのような順序にせよ、一組のMACアドレス群から一義的に定まる順序であればよい。

ステップS18では決定されたパケット送信順序に従ってパケットが周期的に送信される。上記の例では通信端末Cは２番目である。

以後必要に応じてステップS20で再同期要求信号が送信され、フローはステップS12に戻る。ステップS20の再同期については後述される。

通信端末A,Bでも同様な手順が行われる。通信端末Cが移動通信システムに参加しようとする場合には、図４に示される手順が通信端末Cで行われる前に、既存のCSMA方式で何らかのパケットが通信端末Cから基地局に届く（当該技術分野で周知のようにCSMA方式によるパケットの競合回避法ではパケットが送信されるたびに競合回避のプロトコルが実行され、図４で説明されたような周期的な送信タイミングを決定することはできない）。通信端末Cから基地局に競合無く送信されたパケットは、通信端末A,Bにも届く。従って通信端末A,BはステップS12,S14のステップを実行し、通信端末CのMACアドレスが何であるかを知ることができる。通信端末Aに対するステップS16では、通信端末AのMACアドレスは通信端末CのMACアドレスより小さいので、通信端末Aは送信タイミングを変えなくてよいことを知る。通信端末Bに対するステップS16では、通信端末BのMACアドレス（・・・:03）は通信端末CのMACアドレス（・・・:02）より大きいので、通信端末Bは送信順序を遅らせる必要のあることを知る。このように各通信端末が互いのMACアドレスを知ることで、全端末に共通の順序が一義的に導出される。

図５は上記の動作例を時間軸に沿って表現した説明図である。VoIPによる音声データ通信を行う通信端末VoIP-A,Bが基地局APとの間で例えば２０ｍｓのような周期的に発生する音声データの送受信を行っている様子が左側に示されている。基地局は例えば１ｍｓのような１シーケンス（Ts）毎に異なる通信端末とパケットの送受信を行っている。新規に参入する通信端末Cは基地局から通信端末A,B宛の下りパケットを観測し、上述の手法で自端末の順序を決定する。各通信端末A,B,Cは各自で決定した順序に従って自端末の送信タイミングを決定し、図中右側に示されるように各自のパケットが順に送信される。各端末の送信タイミングは例えばビーコンのタイミングを基準に設定することができる。

第1実施例では各端末に固有のMACアドレスを利用して送信順序が決定されたが、他の基準（判断基準情報）を用いて送信順序が決定されてもよい。例えば、基地局はビーコンやプローブレスポンス等のパケットを配下の通信端末に向けて送信している。これらのパケットにはステーション（STA）カウントフィールドと呼ばれるフィールドがあり、そこには現在接続中の通信端末数を示す情報が含まれている。図５の例で通信端末Cが参加する前では、基地局に接続中の通信端末はA,Bの２つであり、STAカウントは２である。通信端末Cはこの情報をビーコンから受信することで、自端末が参加するとSTAカウント数が２から３に増えることが分かる。そこで例えば通信端末Cはビーコンの受信タイミングから２（STAカウント数）×Ts（シーケンス期間）だけ経過した後に自身のパケットを送信すれば、互いに衝突せずに送信できることが分かる。このように基地局からの下り報知情報を利用することは、簡易に送信順序を決定する観点から好ましい。

更に別の基準（判断基準情報）を用いて送信順序が決定されてもよい。基地局配下の全ての通信端末は、下りパイロットチャネルの受信信号品質を測定し、それを基地局に報告しなければならないことが間々ある。受信信号品質は信号雑音電力比(SNR: Signal to Noise Ratio)やSIRその他の何らかのチャネル状態情報（CQI: Channel Quality Indicator）で測定されてもよい。各端末は測定した受信信号品質（情報）を含むパケットを周期的にブロードキャストすることで基地局にそれを報告する。従って近隣の通信端末もブロードキャストされたパケットを受信できるかもしれない。他端末がブロードキャストしたパケットを受信し、分析することで、他端末で測定された受信信号品質がどの程度であるかを知ることができる。１以上の他端末の受信信号品質と自端末の受信信号品質を比較し、より高品質な受信信号品質の端末が優先して送信できるように送信順序が決定されてもよい。これによりチャネル状態の良好な通信端末が優先して送信権を獲得することは、システム全体のスループットを向上させる観点から好ましい。

複数の通信端末から基地局へ送信されたパケットが競合すると、それらは基地局で適切に受信されず、パケットエラーレート(PER: Packet Error Rate)が悪化したり、再送によるパケット遅延が長くなったりする。上記の各実施例はそのような競合がなるべく生じないように各通信端末の送信順序を適切に決定しようとしていた。しかしながら第２実施例では複数の通信端末が同時にシステムに参加しようとした場合に、競合が生じるおそれがある。例えばSTAカウント＝２であることを、新規参入しようとする通信端末C,Dが同時に検出し、ビーコンの受信から２×Tsの時点で通信端末C,Dが各自のパケットを送信するおそれがある。また、第３実施例では自他の端末で測定された受信信号品質が同程度であり、チャネル状態の優劣ひいては送信順序が明確に決定できないおそれもある。しかしながら受信信号品質の報告は周期的に行われるにすぎないことに加えて、チャネル状態は刻々と変化することも予想される。

このようにパケットエラーレートが悪化した場合に、本発明の第４実施例ではシステム内の通信端末が再度同期を取り直すことを促す。具体的には図３に示されるように、通信端末はパケット衝突回数管理部２０７で送達確認できなかった回数を計数する。この数が多ければ多いほどパケットエラーレートが悪いことを意味する。その回数が所定数を上回ると、その旨の通知が再同期要求パケット送信部２０８に通知される。再同期要求パケット送信部２０８はその通知に応答して再同期要求パケットを出力する。そして、従来のCSMA/CA方式で競合を回避しながら再同期要求パケットの送信及び受信がなされ、全ての通信端末が再同期の必要性を確認する。各通信端末は図４のステップ３０１以降の手順を実行することで再同期の手順をやり直し、自端末の送信順序を確認する。この場合において、再同期を要求する通信端末により導出された送信順序が、再同期要求パケットに含められてもよい。

本発明の一実施例による移動通信システムの概略図を示す。 本発明の一実施例による通信端末のブロック図を示す。 本発明に特に関連する機能を示す通信端末の機能ブロック図を示す。 本発明の一実施例による送信タイミング決定法のフローチャートを示す。 本発明の一実施例による動作例を時間軸に沿って表現した説明図である。

符号の説明

１０１ 中央処理装置（CPU）
１０２ 読み取り専用メモリ（ROM）
１０３ ランダムアクセスメモリ（RAM）
１０４ 操作部
１０５ 無線通信部
１０６ ディスプレイ
２０１ パケット情報検出部
２０２ 自ノード送信順序決定部
２０３ 時刻管理部
２０５ 送信タイミング決定部
２０６ 送信キュー
２０７ パケット衝突回数管理部
２０８ 再同期要求パケット送信部

Claims (7)

1. キャリアセンス多重アクセス（CSMA）方式の移動通信システムで使用される通信端末であって、
   自端末とは異なる他端末又は基地局が送信する無線パケットを受信する受信手段と、
   受信した無線パケットに含まれている判断基準情報から自端末の周期的な送信タイミングを決定する決定手段と、
   決定された送信タイミングで無線パケットを基地局に周期的に送信する送信手段と、
   を有することを特徴とする通信端末。
2. 前記決定手段は、基地局からの他端末宛の無線パケットの宛先アドレスを抽出し、他端末のアドレス及び自端末のアドレスを比較し、前記送信タイミングを決定する
   ことを特徴とする請求項１記載の通信端末。
3. 前記決定手段は、基地局からのビーコンに含まれている接続端末数を示す情報を抽出し、接続済みの端末の後に自端末が送信するように前記送信タイミングを決定する
   ことを特徴とする請求項１記載の通信端末。
4. 前記決定手段は、他端末が基地局に報告する受信信号品質と自端末の受信信号品質とを比較し、前記送信タイミングを決定する
   ことを特徴とする請求項１記載の通信端末。
5. 所定値を超えるパケットエラーレートに応じて再同期要求信号が基地局及び他端末に送信される
   ことを特徴とする請求項１記載の通信端末。
6. 他端末から受信した再同期要求信号に応じて、前記決定手段が、自端末の周期的な送信タイミングを決定し直す
   ことを特徴とする請求項５記載の通信端末。
7. キャリアセンス多重アクセス（CSMA）方式の移動通信システムで使用される通信方法であって、
   自端末とは異なる他端末又は基地局が送信する無線パケットを受信し、
   受信した無線パケットに含まれている判断基準情報から自端末の周期的な送信タイミングを決定し、
   決定された送信タイミングで無線パケットを基地局に周期的に送信する
   ことを特徴とする通信方法。

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