JP2008532332A - 無線チャネルによって接続される複数の局及び1つのアクセスポイントを含む通信ネットワークにおける無線チャネルにアクセスする方法及び無線通信ネットワーク - Google Patents
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Abstract
方法及びシステムは、無線チャネルによって接続される複数の局及び1つのアクセスポイントを含む通信ネットワークにおいて無線チャネルにアクセスする。アクセスポイントは、局が送信することができる時を示すポーリング情報を定期的にブロードキャストする。前にポーリングされた局によって送信されたデータを受信することに応じて、アクセスポイントによってブロードキャストされる確認応答において次の局がポーリングされる。
Description
本発明は、包括的には無線ネットワークに関し、特に、共有チャネルを有する無線ネットワークにおけるアクセス制御に関する。
無線通信、スマートアンテナ、デジタル信号処理及びVLSIの分野における最近の進歩により、物理(PHY)レイヤにおいて非常に大容量の無線チャネルが提供されている。これらの技術は、現在利用可能である帯域幅より少なくとも1桁広い帯域幅を提供する。IEEE802.11n標準規格は、媒体アクセス制御(MAC)レイヤにおいて最大100Mbpsのスループットを指定する。
しかしながら、MACで100Mbpsを配信するためには、従来のMACレイヤプロトコルによって著しいプロトコルオーバヘッドがもたらされるため、純粋なPHYレイヤソリューションでは不十分である。したがって、MACレイヤプロトコルを変更してからでなければ、アクセスポイント(AP)と、送受信器を含む端末、一般には局(STA)とを含む高スループット無線ネットワークに適用することができない。AP及びSTAは、基本サービスセット(BSS)を形成する。
IEEE802.11及び802.11e等の標準規格は、競合型(contention-based)チャネルアクセス機構及び非競合型(contention-free)チャネルアクセス機構、すなわちそれぞれ分散調整機能/高度分散調整機能(distributed coordination function/enhanced distributed coordination function)(DCF/EDCF)及びポイント調整機能/ハイブリッド調整機能(pointed coordination function/hybrid coordination function)(PCF/HCF)の両方をサポートする。特に、本発明は、HCF制御チャネルアクセスに関する。
IEEE802.11 PCF/IEEE802.11e HCCAポーリング
無線ローカルエリアネットワーク(WLAN)のためのIEEE802.11/11e標準規格は、ポーリング機構を使用することにより、APが非競合期間(CFP)中にSTAによる送信をスケジュールすることができるようにする。すなわち、各STAは、ポーリングされる時にのみ送信することができる。このため、隠れ端末も衝突もない。
無線ローカルエリアネットワーク(WLAN)のためのIEEE802.11/11e標準規格は、ポーリング機構を使用することにより、APが非競合期間(CFP)中にSTAによる送信をスケジュールすることができるようにする。すなわち、各STAは、ポーリングされる時にのみ送信することができる。このため、隠れ端末も衝突もない。
隠れ端末問題は、少なくとも3つの端末がある無線ネットワークにおける状況を表し、そこでは、少なくとも2つの端末ノードは、互いの範囲外にあるため互いに通信することができない。隠れ端末問題により、範囲外端末の双方が同時に送信する可能性があるため、データ衝突がもたらされるおそれがある。
図1及び図2は、それぞれ802.11 PCFポーリング方式100と、IEEE802.11e HCCAポーリング方式200とを示す。時間軸10の上のフレームはAPによって送信され、時間軸10の下のフレームはSTAによって送信される。
非競合期間101中、APは、チャネルへのアクセスを制御する。このため、CFP101は、STA間に競合がないようにチャネルアクセスがアクセスポイント(AP)によって制御される期間のことを言う。競合期間(CP)102中、STAは、搬送波感知多重アクセス/衝突回避(carrier-sensing-multiple-access/collision avoidance)(CSMA/CA)方式に従ってチャネルアクセスを得ようと競争する。図1は、CFPのみに関する。CFP及びCPは所定期間にわたって交互に現れるため、CPからCFPに切り替わるためにポイントフレーム間スペース(point inter-frame space)(PIFS)110が必要である。フレームは、短フレーム間スペース(short inter-frame space)(SIFS)111によって離間される。
CFPの開始時、APはビーコンフレーム120を送信する。これに続いて、APからSTAへ第1のデータ及びD1+Pollフレーム121が送信される。STAは、第1のユーザデータ(U1+ack)フレーム123で応答する。後続するデータフレームでは、STAは、前のユーザデータフレームに対し確認応答する。このフレームの対が繰り返される。
矢印131は、STAから応答がなかったことを示す。この場合、APは、再びチャネルにアクセスする前にPIFSだけ待機する。
図1の下部は、ポーリングされないSTAのアクティビティを表す。その局がビーコンを受信すると、STAは、ネットワークアロケーションベクトル(NAV)を、矢印152によって示すCFMax持続時間に設定する。この期間中、STAは、チャネルへのアクセスを延期する(defer)141。STAは、時刻151においてCF−END124を受信すると、NAV値をリセットする。これにより、局は、チャネルアクセスを得ようと競合することができる。
図2において、期間201は、IEEE802.11eハイブリッド調整チャネルアクセス(hybrid coordination channel access)(HCCA)に対する期間を確定する。上述したように、APは、ビーコンフレーム221を送信し、その後QoS Pollフレーム222を送信する。STAは、QoS Dataフレーム223によって応答する。APによって送信されるフレームQoS Ack204は、IEEE802.11e標準規格によって定義される。CF−End205は、CFPの終了を示す。PIFS211及びSIFS212については上で定義されている。
図3は、MACフレーム300のフォーマットを示す。フレームは、図4にサブフィールドを示す、フレーム制御(FC)フィールド400で開始する。このフィールドは、MACフレームに関する必要な情報を含む。MACフレームはまた、持続時間/IDフィールド302も含む。フィールド303、304、305及び307はアドレスを含む。シーケンス制御フィールド306は、MACサービスデータユニット(MSDU)又は管理プロトコルデータユニット(MMPDU)のシーケンス番号を示す。QoS制御フィールド308は、QoS制御機能を定義するサブフィールドを含む。フレーム本体309は、可変長フィールドであり、個々のフレームタイプ及びサブタイプに特定の情報を含む。フレームは、CRCを含むフレーム検査シーケンスフィールド310で終了する。
図4は、従来技術によるフレーム制御(FC)フィールド400の詳細を示す。フィールドは、以下のサブフィールドを含む。すなわち、プロトコルバージョン401、タイプ402、サブタイプ403、分散システム(DS)へ404、DSから405、モアフラグメント406、リトライ407、電力管理408、モアデータ409、WEP(wired equivalent privacy)410及び順序411である。
PCF/HCCAでは、APは一度に1つのSTAしかポーリングしない。したがって、各STAは、ポーリングに応じてのみ送信することができるため、ネットワークに隠れ端末問題はない。
さらに、APは、ポーリング毎にSTAのアクティビティを監視する。ポーリングされたSTAがポーリングに応答しない場合、APは、タイムアウト期間を検出した後、ポーリングリストの次のSTAを即座にポーリングする。したがって、チャネル資源の浪費はわずかである。
IEEE802.11標準規格によれば、ポーリングメッセージはまた、確認応答及びデータを含むことも可能である。これは「ピギーバッキング」と呼ばれる。
標準プロトコルの限界
IEEE802.11/11e標準規格によって使用されるポーリング機構の主な限界は、ポーリングオーバヘッドにより効率が低いことである。さらに、IEEE802.11e標準規格によれば、APが前の送信機会(transmission opportunity:送信権、送信可能期間)(TXOP)の同じSTAに対して別のTXOPを許可する場合にしか、ポーリングメッセージにおいてQoS CF−Poll及びCF−Ackフレームをピギーバックすることができない。したがって、ピギーバッキング機構の利点が完全に実現されない。
IEEE802.11/11e標準規格によって使用されるポーリング機構の主な限界は、ポーリングオーバヘッドにより効率が低いことである。さらに、IEEE802.11e標準規格によれば、APが前の送信機会(transmission opportunity:送信権、送信可能期間)(TXOP)の同じSTAに対して別のTXOPを許可する場合にしか、ポーリングメッセージにおいてQoS CF−Poll及びCF−Ackフレームをピギーバックすることができない。したがって、ピギーバッキング機構の利点が完全に実現されない。
オーバヘッドを低減するために、マルチポーリングについて説明されている。ポイントコーディネータ/ハイブリッドコーディネータ(point coordinator/hybrid coordinator)(PC/HC)であるAPは、ポーリンググループをポーリングすることができる。ポーリンググループは、同時に複数のトラフィックフロー、たとえば異なるSTAに対するデータの送信を含むことができる。同じポーリンググループにおける各STAは、マルチポーリングフレームを受信した後、それ自体の送信を順序正しく開始する。このマルチポーリング機構は、非競合型マルチポーリング(CF−マルチポーリング)と呼ばれる。
別のマルチポーリング機構では、ポーリング順序は時間領域で指定される。これについては、M. Fischer著、「QoS Baseline Proposal for the IEEE 802.11E」(IEEE Document 802.11-00/360, Nov 2000)を参照されたい。すなわち、ポーリンググループの各STAのトラフィックフローに対し、個々の時間間隔が割り当てられる。しかしながら、その機構により、ポーリングされたSTAがマルチポーリングフレームを受信することに失敗するか、又は送信するデータを有していない場合、このSTAに割り当てられた時間間隔が無駄になる。
ポーリングフレームの受信における失敗を低減するために、SuperPoll機構が、複製されたポーリングフレームを使用する。これについては、A. Ganz及びA. Phonphoem著、「Robust SuperPoll with Chaining Protocol for IEEE 802.11 Wireless LANs in Support of Multimedia」を参照されたい。そのポーリング機構では、各ポーリングされたSTAは、送信データフレームにポーリングフレームを付与し、ポーリングフレームは、残りのポーリングされたSTAのポーリングメッセージを含む。しかしながら、冗長ポーリングフレームがオーバヘッドを増大させる。
S. Lo、G. Lee及びW. Chen著、「An Efficient Multipolling Mechanism for IEEE 802.11 Wireless LANs」では、上記問題を解決するために競合型マルチポーリング機構について記載されている。その機構は通信の効率を向上させるが、局(STA)によってはネットワークの一部の情報しか有さず、マルチポーリングメッセージの後に中央制御がないため、マルチポーリング機構は隠れ端末問題による影響を受けやすい。
IEEE802.11n標準規格の改善では、アクセスポイント(AP)の媒体アクセス制御(MAC)レイヤにおいて100メガビット/秒(Mbps)以上のスループットが達成される必要がある。現行のIEEE802.11及び802.11e標準規格におけるさまざまなポーリング機構は、莫大なオーバヘッドを伴い、最終的に、深刻な性能劣化をもたらす。
プロトコル効率が低いため、IEEE802.11n標準規格にレガシMACプロトコルを直接適用することは実行可能なソリューションではない。
効率を向上させるために、レガシMACプロトコルにおけるオーバヘッドを低減させることは、非常に重要となった。
したがって、本発明は、HCCAに対し提案されているIEEE802.11e標準規格を改良する。
本発明は、マルチポーリング機構を使用して、非競合期間(CFP)の開始時にポーリング情報を広めることにより、ポーリングオーバヘッド及びハンドシェーキングオーバヘッドを低減する。
CFP中、APは、非常に単純なマルチポールフレームによりポーリングリストに従って各STAをポーリングする。したがって、ポーリングの効率が維持され、且つ隠れ端末問題が回避される。さらに、前の送信に対する確認応答を、単純なポーリングメッセージでピギーバックすることができる。
IEEE802.11e標準規格に比較して、本発明は、マルチポーリングを使用することによりネットワークにおけるポーリングの効率を向上させる。本発明はまた、STAが延期し且つバックオフするためにタイムスロットを利用する従来のマルチポーリング機構において固有である、隠れ端末問題も排除する。それは、アクセスポイントがネットワークの包括的な情報を有するためである。さらに、本発明によるマルチポーリングは、現行のIEEE802.11標準規格と互換性がある。
ネットワーク構造
図8に示すように、本発明は、まとめて基本サービスセット(BSS)を形成する、アクセスポイント(AP)801、たとえばポイントコーディネータ/ハイブリッドコーディネータ(PC/HC)と、複数の送受信器局STA810〜812とを含む無線通信ネットワーク800のためのマルチポーリングシステム及び方法を提供する。局810〜812のうちのいくつかが互いの範囲外にある場合、ネットワークにいわゆる「隠れ端末」問題が発生する可能性がある。この問題を解決することを目的とする。
図8に示すように、本発明は、まとめて基本サービスセット(BSS)を形成する、アクセスポイント(AP)801、たとえばポイントコーディネータ/ハイブリッドコーディネータ(PC/HC)と、複数の送受信器局STA810〜812とを含む無線通信ネットワーク800のためのマルチポーリングシステム及び方法を提供する。局810〜812のうちのいくつかが互いの範囲外にある場合、ネットワークにいわゆる「隠れ端末」問題が発生する可能性がある。この問題を解決することを目的とする。
従来技術と同様に、バックオフ時間が割り当てられる競合型マルチポーリング方法機構か、又は送信持続時間(time durations)が割り当てられる非競合型マルチポーリングを使用する代りに、本発明によるSTAは、マルチポールフレーム又はマルチポール/QoS CF−ACKフレーム700を受信した後にのみデータを送信する。図7を参照されたい。
本発明によるマルチポーリング方法は、隠れ端末問題を克服するために単一ポーリング及びマルチポーリングの両方の利点を保持し、同時に、非常に効率的なポーリング機構を維持する。
本発明の基礎となる概念は、APのみがBSSの完全な情報を有するということである。したがって、STAは、ネットワークのそれら自体の視点のみに頼るのではなく、APから受信する情報のみを信頼し、APによって提供されるポーリング情報を使用して送信をスケジュールするべきである。したがって、隠れ端末問題が排除される。
さらに、マルチポーリングにより、ピギーバックポーリングが適当であるため、802.11eのオーバヘッドが低減する。各STAには、CFPの開始時に送信される資源割当フレーム(RAL)500に示されるような送信機会(TXOP)が割り当てられる(図5を参照)。ここでは、各単一STAに対するTXOPを用いる明示的なポーリングはもはや必要ではない。
マルチポーリング方法は、CFP中に動作する。特に、STAのすべて又は1つのグループに対するポーリング情報は、各CFPの開始時に後述するRALフレーム500でブロードキャストされる。APは、STAの送信を開始するために単純なマルチポールメッセージ700でポーリングリストの次のSTAをポーリングする責任を有する。
各STAは、CFPの開始時にRALマルチポーリングフレームにおいてその割り当てられたTXOPを取り出す。
STAは、マルチポールメッセージ又はマルチポール/QoS CF−ACKフレームによってポーリングされた場合にのみチャネルにアクセスする。従来のIEEEレガシ802.11標準規格と同様に、暗黙的な確認応答が可能である。送信した後に特定の期間中に確認応答を受信するSTAは、確認応答がそのSTAに向けられているものとみなす。このため、マルチポール ポール/QoS CFP−Ackでは、ポーリングフレームはポーリングされたSTAにアドレス指定され、前にデータを送信したSTAに対して暗黙的な確認応答が採用される。
フレームフォーマット
資源割当(RAL)
各CFPの開始時、本発明によるマルチポーリング機構は、RALフレーム500を使用してAPに関連するSTAのすべて又は1つのグループに対しポーリング情報をブロードキャストする。
資源割当(RAL)
各CFPの開始時、本発明によるマルチポーリング機構は、RALフレーム500を使用してAPに関連するSTAのすべて又は1つのグループに対しポーリング情報をブロードキャストする。
図5に示すように、ビットのオクテットに関連して定義されるRALフレーム500は、サブタイプ0111を含む制御フィールド501を有する。このフレームはまた、持続時間フィールド502、RAフィールド503、BSSIDフィールド504及びFCSフィールド507も含む。長さフィールド505は、マルチスケジュール要素フィールド600の数を表す。RALを受信するSTAはすべて、RAフィールドがポーリングリストにおいて最初にポーリングされるSTAのアドレスを含む間、RAフィールドの値がいかなる値であっても、RALを処理する。
図6は、オクテットに関して定義されるマルチスケジュール要素フィールド600を示す。関連付けID(AID)フィールド601は、特定の予約割当に属するSTAの識別を含む。要素はまた、トラフィック識別子(TID)フィールド602と、32マイクロ秒の単位でSTAに許可される時間を指定するTXOPフィールド603とも含む。
RALフレームのマルチレートサポートは、IEEE802.11e標準規格で定義されるブロックACK要求/応答フレームと同じ規則に従う。
マルチポールフレーム
新たに定義されたデータフレームとしてQoS CF−ACKでピギーバックされる非常に単純なマルチポールフレームがあることが好ましい。IEEE802.11e標準規格はデータタイプフレームのサブタイプの組合せをすべて使用するため、ここでは、「マルチポール」フレームとしてフレーム制御フィールド400のタイプフィールド402における予約されたフレームタイプ2値「11」を使用する。
新たに定義されたデータフレームとしてQoS CF−ACKでピギーバックされる非常に単純なマルチポールフレームがあることが好ましい。IEEE802.11e標準規格はデータタイプフレームのサブタイプの組合せをすべて使用するため、ここでは、「マルチポール」フレームとしてフレーム制御フィールド400のタイプフィールド402における予約されたフレームタイプ2値「11」を使用する。
表Aは、タイプフィールド402及びサブタイプフィールド403に対する値を示す。サブタイプフィールド403は、単純なマルチポール及びマルチポール/QoS CF−ACKモードを示し、後述するように、「1110」というサブタイプ値は単純なポーリングを示し、「1111」というサブタイプ値はポーリング+QoS CF−ACKを表す。
図7は、ビットのオクテットとして定義されるマルチポールフレーム700に対するフォーマットを示す。フレームは、フレーム制御フィールド701、持続時間フィールド702、受信器アドレスフィールド703、TIDフィールド704及びFCSフィールド705を含む。マルチポールフレーム700はAPによってのみ送信されるため、ポーリングされたSTAのアドレスのみが必要である。単純なポーリングとポーリング/QoS CF−ACKとの唯一の相違は、サブタイプフィールド403の値である。
マルチポールフレームのマルチレートサポートは、IEEE802.11e標準規格のQoS CF−ACK、QoS CF−Pollフレームと同じ規則に従うが、オーバヘッドは61.1%低減した。
データ送信
CFPの開始時、APは、マルチポーリング情報600を含むRALフレーム500をブロードキャストする。各STAは、AIDフィールド及びTIDフィールドの組合せに従って各トラフィック識別子(TID)に対するTXOPを取り出す。STAは、単純なマルチポール又はマルチポール/QoS CFP−ACK700によってポーリングされる時、各特定のTIDに対して最大時間TXOPの間に送信する。さらに、RALフレームにおけるRAフィールド503に等しいアドレスを有するSTAは、それ自体がポーリングされているものとみなし、RALフレームを受信してSIFS時間後に送信を開始する。このため、本発明によるRALフレームは、暗黙的なポーリングとしての役割も果たす。
CFPの開始時、APは、マルチポーリング情報600を含むRALフレーム500をブロードキャストする。各STAは、AIDフィールド及びTIDフィールドの組合せに従って各トラフィック識別子(TID)に対するTXOPを取り出す。STAは、単純なマルチポール又はマルチポール/QoS CFP−ACK700によってポーリングされる時、各特定のTIDに対して最大時間TXOPの間に送信する。さらに、RALフレームにおけるRAフィールド503に等しいアドレスを有するSTAは、それ自体がポーリングされているものとみなし、RALフレームを受信してSIFS時間後に送信を開始する。このため、本発明によるRALフレームは、暗黙的なポーリングとしての役割も果たす。
たとえば、STA S1に対し、最大3フレーム送信のTXOPが割り当てられる。APは、従来のQoS CF−ACKフレームで最初の2つのフレームに対し確認応答する。最後のフレームに対し、APは、ポーリングリストの次のSTA、この場合はSTA S2をポーリングするためにマルチポール/QoS CF−ACKフレーム700を送信する。
STA S1は、受信したマルチポール/QoS CFP−ACKを、第3のフレームに対する暗黙的な確認応答としてみなす。これは、IEEE802.11標準規格と互換性がある。
マルチポール/QoS CFP−ACKフレーム700を受信することに応じて、STA S2は、SFIS時間後に、且つ局S2に対する持続時間TXOPの間に送信を開始する。APはSTA S2に対して確認応答し、ポーリングリストの次のSTAをポーリングし、以下同様に行う。最後に、ACPは、最後にポーリングされたSTAがその送信を終了した後にCF−EndフレームでCFPを終了する。
システム構造
図9に示すように、AP801は、資源割当ブロック(RAL)910、ポールリスト920、RALフォーマッタ930、ポーリング/QoS CF−ACKフォーマッタブロック940及び送受信器950を有する。
図9に示すように、AP801は、資源割当ブロック(RAL)910、ポールリスト920、RALフォーマッタ930、ポーリング/QoS CF−ACKフォーマッタブロック940及び送受信器950を有する。
STA810は、RALプロセッサ960、ポーリング/QoS ACKプロセッサ970及びアクセスモニタブロック980を有する。局810は送受信器950を介してAP801と通信する901ということが理解される。
システム動作
AP801は、ポーリングリスト920に従ってRALフレームをフォーマットし930、CFPの開始時にRALフレーム500をSTAにブロードキャストする。ポーリング/QoS ACKフォーマッタ940は、ポーリングリストの次のSTAをポーリングし、且つ前の送信に対して暗黙的に確認応答するために、ポーリング/QoS ACKフレーム700を生成する。
AP801は、ポーリングリスト920に従ってRALフレームをフォーマットし930、CFPの開始時にRALフレーム500をSTAにブロードキャストする。ポーリング/QoS ACKフォーマッタ940は、ポーリングリストの次のSTAをポーリングし、且つ前の送信に対して暗黙的に確認応答するために、ポーリング/QoS ACKフレーム700を生成する。
STA801において、RALプロセッサ960は、RALフレーム500の適当なマルチスケジュール要素600からSTAに関連するTID602及びTXOP603を抽出する。TID及びTXOPはアクセスモニタ980に渡される。ポーリング/QoS ACKフレーム700を受信することに応じて、ポーリング/QoS ACKプロセッサ970は、STAがチャネルにアクセスすることができるか否かを判断し、それに従ってアクセスモニタを制御する。
本発明を好ましい実施形態の例を用いて説明したが、本発明の精神及び範囲内で他のさまざまな適応及び変更を行うことができる、ということが理解されるべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神及び範囲内にあるこうしたすべての変形及び変更を包含することである。
Claims (9)
- 無線チャネルによって接続される複数の局及び1つのアクセスポイントを含む通信ネットワークにおける無線チャネルにアクセスする方法であって、
アクセスポイントから、複数の局が送信できる時を示すポーリング情報をブロードキャストすること、及び
先にポーリングされた局によって送信されたデータを受信することに応じて、前記アクセスポイントによってブロードキャストされる確認応答メッセージにおける次の局をポーリングすること
を含む、無線チャネルによって接続される複数の局及び1つのアクセスポイントを含む通信ネットワークにおける無線チャネルにアクセスする方法。 - 送信するための時間が、交互に現れる非競合期間と競合期間とに分割され、
前記非競合期間の開始時にのみ前記ポーリング情報をブロードキャストすること
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記ポーリング情報は、前記複数の局の各々に対するマルチポーリングフィールドを含む資源割当フレームでブロードキャストされ、マルチポーリングフィールドの各々は、前記局の識別と、前記局からのトラフィックフローの識別と、送信機会時間とを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記資源割当フレームは、ポーリングされる前記局の数を示す長さフィールドを含む、請求項1に記載の方法。
- 局の各々は、前記局に関連する前記送信機会時間の間に前記アクセスポイントにデータを送信する、請求項4に記載の方法。
- 確認応答メッセージは、フレーム制御タイプフィールド、サブタイプフィールド、前記次の局の前記識別、前記トラフィックフローの前記識別を含む、請求項3に記載の方法。
- 前記受信データに対し暗黙的に確認応答すること
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記ポーリング情報を含む資源割当フレームにおけるアドレスを使用して前記次の局を明示的にポーリングすること
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 無線通信ネットワークのチャネルによりポーリング情報をブロードキャストするように構成されるアクセスポイントと、
複数の局が送信することができる時を示す、前記ポーリング情報を受信するように構成された、複数の局と、
先にポーリングされた局によって送信されたデータを受信することに応じて、前記アクセスポイントによってブロードキャストされる確認応答メッセージにおいて前記複数の局の中の次の局をポーリングする手段と
を具備する、無線通信ネットワーク。
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