JP2009206573A - Wireless communication device and wireless communication method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、無線LAN(Local Area Network)やPAN(Personal Area Network )のように複数の無線局間で相互に通信を行う無線通信システムにおいて、特にCSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)に基づいてランダムアクセス制御を行う無線通信装置および無線通信方法に関する。 The present invention relates to a wireless communication system in which a plurality of wireless stations communicate with each other such as a wireless LAN (Local Area Network) or a PAN (Personal Area Network), and in particular, CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). The present invention relates to a wireless communication apparatus and a wireless communication method that perform random access control based on the above.
無線ネットワークの標準規格として、IEEE802.11(非特許文献1)やIEEE802.15などがある。 Examples of wireless network standards include IEEE802.11 (Non-patent Document 1) and IEEE802.15.
ここで、CSMA(Carrier Sense Multiple Access )とは、送信を開始する際にキャリアセンスを行うことにより多重アクセスに対応する接続方式である。有線通信では、多重アクセス方式としてCSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)があり、送信を開始する前にチャネルのキャリアセンスを行い、チャネルがアイドルのときに送信を開始し、それでも信号の衝突を検出した場合にはバックオフアルゴリズムで算出されるランダム時間後にデータ再送を行う。 Here, CSMA (Carrier Sense Multiple Access) is a connection method corresponding to multiple access by performing carrier sense when transmission is started. In wired communication, there is CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) as a multiple access method. The carrier sense of the channel is performed before the transmission is started, and the transmission is started when the channel is idle. When a collision is detected, data is retransmitted after a random time calculated by the backoff algorithm.
しかし、無線通信では、送信電力と受信電力の差が大きく、衝突を検出することが困難であることから、CSMA/CAによって衝突を回避する方式が採用されている。CSMA/CAは、送信を開始する前にチャネルのキャリアセンスを行い、チャネルがアイドルのときに、コンテンション・ウインドウ(CW)の範囲からランダムなバックオフ・タイムを発生させ、そのバックオフ・タイムの期間だけ待機した後にパケットを送信する。複数の無線局のバックオフ・タイムがランダムになることから衝突が回避される確率が高いが、所定時間内にACK信号を受信しない場合には送信失敗と判断してコンテンション・ウインドウを拡大し、バックオフ・タイムをランダムに発生させる範囲を広げる。その後も送信失敗となった場合にはコンテンション・ウインドウをさらに拡大するが、送信成功またはパケット廃棄後に後続パケットを送信する際には、コンテンション・ウインドウを初期値CWmin にリセットする。 However, in wireless communication, since a difference between transmission power and reception power is large and it is difficult to detect a collision, a method of avoiding a collision by CSMA / CA is adopted. CSMA / CA performs channel carrier sense before starting transmission, and generates random backoff time from the contention window (CW) range when the channel is idle, and the backoff time. The packet is transmitted after waiting for this period. There is a high probability that collisions will be avoided because the back-off times of multiple radio stations will be random, but if the ACK signal is not received within the specified time, it will be judged as transmission failure and the contention window will be expanded. Expand the range of random generation of backoff time. If the transmission fails after that, the contention window is further expanded. However, when a subsequent packet is transmitted after successful transmission or packet discard, the contention window is reset to the initial value CWmin.
図7は、CSMA/CAが適用される無線通信システムの構成例を示す。図において、無線通信システムは、通信エリア内の複数の無線局51,52,53が相互に無線通信を行う構成である。各無線局は、アンテナ54、送受信部55および制御部56により構成され、各無線局の制御部56は通信を開始する際にCSMA/CAによるアクセス制御を行う。
IEEE802.11標準規格では、図4に示すように再送回数が増えるごとにチャネルが混雑していると判断し、コンテンション・ウインドウを拡大して衝突回避のためのバックオフ・タイムの発生範囲を広げる(2進指数バックオフ)。図4に示すCWmin はコンテンション・ウインドウの初期値を示し、CWmax はコンテンション・ウインドウの上限値を示す。ここでは、再送3回目でコンテンション・ウインドウが上限値CWmax に達し、再送4回目で送信成功または再送回数が規定値に達してパケットが廃棄され、後続パケットを送信する際にコンテンション・ウインドウが初期値CWmin にリセットされる様子を示す。 According to the IEEE 802.11 standard, as shown in FIG. 4, it is determined that the channel is congested as the number of retransmissions increases, and the contention window is expanded to reduce the occurrence range of backoff time for collision avoidance. Widen (binary exponent backoff). CWmin shown in FIG. 4 indicates an initial value of the contention window, and CWmax indicates an upper limit value of the contention window. Here, the contention window reaches the upper limit value CWmax at the third retransmission, the transmission success or the number of retransmissions reaches the specified value at the fourth retransmission, the packet is discarded, and the contention window is displayed when a subsequent packet is transmitted. A state where the initial value CWmin is reset is shown.
このようなチャネル混雑時の状況でも、送信成功やパケット廃棄後に後続パケットを送信する際には、コンテンション・ウインドウが初期値CWmin にリセットされるので、後続パケットの衝突が生じやすくなり、再び再送処理が繰り返されてスループットが低下(遅延時間が増加)する。 Even in such a channel congestion situation, when a subsequent packet is transmitted after successful transmission or packet discard, the contention window is reset to the initial value CWmin. The process is repeated and throughput decreases (delay time increases).
本発明は、チャネルの混雑時または閑散時にコンテンション・ウインドウの初期値を適宜設定することにより、スループットを向上させることができる無線通信装置および無線通信方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a wireless communication apparatus and a wireless communication method capable of improving throughput by appropriately setting an initial value of a contention window when a channel is congested or quiet.
第1の発明は、通信に使用するチャネルでキャリアセンスを行い、当該チャネルがアイドルのときに、コンテンション・ウインドウの範囲からランダムなバックオフ・タイムを発生させ、そのバックオフ・タイムの期間だけ待機した後にパケット送信を行い、パケット送信後に受信応答であるACK信号を所定時間内に受信しないときにコンテンション・ウインドウを拡大し、再度キャリアセンスからの送信処理を行い、パケット送信が成功またはパケット廃棄したときにコンテンション・ウインドウを初期値CWmin にリセットする無線通信装置において、パケット送信後にACK信号を受信したときに送信成功数をカウントするとともに送信失敗数を0にリセットし、パケット送信後に所定時間内にACK信号を受信しないときに送信失敗数をカウントするとともに送信成功数を0にリセットする第1の手段と、送信成功数が第1の規定値に達したときにコンテンション・ウインドウの初期値CWmin を縮小するとともに送信成功数を0にリセットし、送信失敗数が第2の規定値に達したときにコンテンション・ウインドウの初期値CWmin を拡大するとともに送信失敗数を0にリセットする第2の手段とを備える。 In the first invention, carrier sense is performed on a channel used for communication, and when the channel is idle, a random back-off time is generated from the range of the contention window, and only the period of the back-off time is generated. Packet transmission is performed after waiting, and when the ACK signal that is a reception response is not received within a predetermined time after packet transmission, the contention window is expanded and transmission processing from carrier sense is performed again. In a wireless communication device that resets the contention window to the initial value CWmin when discarded, the number of successful transmissions is counted when an ACK signal is received after packet transmission, and the number of transmission failures is reset to 0. Transmission failure when ACK signal is not received in time A first means for counting the number and resetting the number of successful transmissions to 0, and reducing the initial value CWmin of the contention window when the number of successful transmissions reaches the first specified value and reducing the number of successful transmissions to 0 And a second means for expanding the initial value CWmin of the contention window and resetting the number of transmission failures to 0 when the number of transmission failures reaches a second specified value.
第1の発明における第2の手段は、コンテンション・ウインドウの初期値CWmin の縮小はCWmin /Nとし、コンテンション・ウインドウの初期値CWmin の拡大はCWmin *Nとする構成としてもよい。 The second means in the first invention may be configured such that the initial value CWmin of the contention window is reduced by CWmin / N, and the initial value CWmin of the contention window is increased by CWmin * N.
第2の発明は、通信に使用するチャネルでキャリアセンスを行い、当該チャネルがアイドルのときに、コンテンション・ウインドウの範囲からランダムなバックオフ・タイムを発生させ、そのバックオフ・タイムの期間だけ待機した後にパケット送信を行い、パケット送信後に受信応答であるACK信号を所定時間内に受信しないときにコンテンション・ウインドウを拡大し、再度キャリアセンスからの送信処理を行い、パケット送信が成功またはパケット廃棄したときにコンテンション・ウインドウを初期値CWmin にリセットする無線通信方法において、パケット送信後にACK信号を受信したときに送信成功数をカウントするとともに送信失敗数を0にリセットし、パケット送信後に所定時間内にACK信号を受信しないときに送信失敗数をカウントするとともに送信成功数を0にリセットし、送信成功数が第1の規定値に達したときに、コンテンション・ウインドウの初期値CWmin を縮小するとともに送信成功数を0にリセットし、送信失敗数が第2の規定値に達したときに、コンテンション・ウインドウの初期値CWmin を拡大するとともに送信失敗数を0にリセットする。 In the second invention, carrier sense is performed on a channel used for communication, and when the channel is idle, a random back-off time is generated from the range of the contention window, and only the period of the back-off time is generated. Packet transmission is performed after waiting, and when the ACK signal that is a reception response is not received within a predetermined time after packet transmission, the contention window is expanded and transmission processing from carrier sense is performed again. In a wireless communication method in which the contention window is reset to the initial value CWmin when discarded, the number of successful transmissions is counted when an ACK signal is received after packet transmission, and the number of transmission failures is reset to 0. Transmission failure when ACK signal is not received in time The number of successful transmissions is reset to 0, and when the number of successful transmissions reaches the first specified value, the initial value CWmin of the contention window is reduced and the number of successful transmissions is reset to 0, When the number of transmission failures reaches the second specified value, the initial value CWmin of the contention window is expanded and the number of transmission failures is reset to zero.
第2の発明において、コンテンション・ウインドウの初期値CWmin の縮小はCWmin /Nとし、コンテンション・ウインドウの初期値CWmin の拡大はCWmin *Nとしてもよい。 In the second invention, the initial value CWmin of the contention window may be reduced by CWmin / N, and the initial value CWmin of the contention window may be increased by CWmin * N.
本発明は、送信失敗が連続して送信失敗数が第2の規定値に達したときにコンテンション・ウインドウの初期値CWmin を拡大し、例えばCWmin *Nとし、その後の送信成功やパケット廃棄後に後続パケットを送信する際に、拡大したコンテンション・ウインドウの初期値にリセットする。これにより、チャネル混雑時にコンテンション・ウインドウの初期値が大きくなり、バックオフ・タイムの発生範囲が広がって衝突確率が低減するので、従来に比べてスループットを向上(遅延時間が減少)させることができる。 The present invention expands the initial value CWmin of the contention window when the number of transmission failures reaches the second specified value continuously, for example, CWmin * N, and after subsequent transmission success or packet discard When the subsequent packet is transmitted, the initial value of the enlarged contention window is reset. As a result, the initial value of the contention window increases when the channel is congested, the backoff time generation range is expanded, and the collision probability is reduced, so that throughput can be improved (delay time is reduced) compared to the conventional case. it can.
また、送信成功が連続して送信成功数が第1の規定値に達したときにコンテンション・ウインドウの初期値CWmin を縮小し、例えばCWmin /Nとすることにより、拡大したコンテンション・ウインドウの初期値を当初のCWmin に戻すことができる。また、チャネル閑散時に送信成功が連続してコンテンション・ウインドウの初期値をCWmin からCWmin /Nとすることにより、バックオフ・タイムの発生範囲が狭まり、従来に比べてスループットを向上(遅延時間が減少)させることができる。 In addition, when the number of successful transmissions reaches the first specified value after successful transmission, the initial value CWmin of the contention window is reduced, for example, to CWmin / N, so that the expanded contention window The initial value can be returned to the original CWmin. In addition, when the transmission succeeds when the channel is quiet, the initial value of the contention window is changed from CWmin to CWmin / N, thereby reducing the range of occurrence of backoff time and improving throughput (delay time). Decrease).
図1は、本発明の無線通信装置の実施形態を示す。ここでは、本発明の無線通信装置および無線通信方法が図7に示す各無線局の制御部56で実現される例を示す。
FIG. 1 shows an embodiment of a wireless communication apparatus of the present invention. Here, an example is shown in which the wireless communication apparatus and the wireless communication method of the present invention are realized by the
図1において、制御部56は、キャリアセンスを行い、受信パケットおよび送信パケットを送受信し、ACK信号を送受信して再送処理を制御する送受信制御部11と、ACK信号を生成する受信応答生成部12と、再送処理に対応する送信パケットをバッファリングする送信バッファ13と、再送回数に応じてコンテンション・ウインドウを制御するコンテンション・ウインドウ制御部14と、連続する送信成功数および送信失敗数をカウントする送信成功・失敗カウント部15を備える。
In FIG. 1, a
図2は、本発明の無線通信装置および無線通信方法の処理手順を示す。この処理手順は、図1に示す送受信制御部11、コンテンション・ウインドウ制御部14および送信成功・失敗カウント部15で実行される。
FIG. 2 shows a processing procedure of the wireless communication apparatus and the wireless communication method of the present invention. This processing procedure is executed by the transmission / reception control unit 11, the contention
送受信制御部11がパケット送信を行うと(S1)、所定時間内に受信応答であるACK信号を受信するか否かを判断する(S2)。ここで、ACK信号を受信すると、コンテンション・ウインドウ制御部14に通知し、次の送信処理におけるコンテンション・ウインドウを初期値CWmin にリセットする(S3)。また、送信成功・失敗カウント部15に通知して送信失敗数Nf を0にリセットし、送信成功数Ns をインクリメントする(S4)。次に、送信成功数Ns が送信成功数の規定値Nsth に達したか否かを判定し(S5)、達していればコンテンション・ウインドウの初期値CWmin をCWmin /Nに縮小するとともに送信失敗数Nf を0にリセットし(S6)、後続パケットの送信処理に戻る。
When the transmission / reception controller 11 transmits a packet (S1), it is determined whether or not an ACK signal as a reception response is received within a predetermined time (S2). Here, when the ACK signal is received, the contention
一方、所定時間内にACK信号を受信しない場合には、送受信制御部11からコンテンション・ウインドウ制御部14に通知し、CSMA/CAの2進指数バックオフアルゴリズムに基づいてコンテンション・ウインドウを上限値になるまで拡大する(S7)。また、送信成功・失敗カウント部15に通知して送信成功数Ns を0にリセットし、送信失敗数Nf をインクリメントする(S8)。次に、送信失敗数Nf が送信失敗数の規定値Nfth に達したか否かを判定し(S9)、達していればコンテンション・ウインドウの初期値CWmin をCWmin *Nに拡大するとともに送信成功数Ns を0にリセットし(S10)、後続パケットの送信処理に戻る。
On the other hand, when the ACK signal is not received within a predetermined time, the transmission / reception control unit 11 notifies the contention
図3は、本発明によるコンテンション・ウインドウの初期値の制御例を示す。
図3において、CWmin はコンテンション・ウインドウの初期値(規定値)を示し、CWmax はコンテンション・ウインドウの上限値を示す。再送回数が増えるごとにチャネルが混雑していると判断し、コンテンション・ウインドウを拡大して衝突回避のためのバックオフ・タイムの発生範囲を広げる(2進指数バックオフ)。ここでは、再送3回目でコンテンション・ウインドウが上限値CWmax に達するとともに、送信失敗数Nf が送信失敗数の規定値Nfth =3に達し、コンテンション・ウインドウの初期値がCWmin *Nに拡大し、送信失敗数Nf を0にリセットする。再送4回目のときのコンテンション・ウインドウは上限値CWmax で再送処理が行われ、送信成功または再送回数が規定値に達してパケットが廃棄されると、後続パケットの送信の際にコンテンション・ウインドウが初期値CWmin *Nから始まる。これにより、バックオフ・タイムの発生範囲が広がり、衝突確率が低減して送信成功となり、スループットが向上する。
FIG. 3 shows an example of controlling the initial value of the contention window according to the present invention.
In FIG. 3, CWmin represents an initial value (specified value) of the contention window, and CWmax represents an upper limit value of the contention window. As the number of retransmissions increases, it is determined that the channel is congested, and the contention window is expanded to widen the range of occurrence of backoff time for collision avoidance (binary exponent backoff). Here, the contention window reaches the upper limit value CWmax at the third retransmission, the number of transmission failures Nf reaches the specified value Nfth = 3 of the number of transmission failures, and the initial value of the contention window expands to CWmin * N. The transmission failure number Nf is reset to zero. The contention window for the fourth retransmission is retransmitted with the upper limit value CWmax. If the transmission is successful or the number of retransmissions reaches a specified value and the packet is discarded, the contention window is transmitted when the subsequent packet is transmitted. Starts from the initial value CWmin * N. As a result, the occurrence range of the back-off time is expanded, the collision probability is reduced, the transmission is successful, and the throughput is improved.
送信成功が3回連続すると、コンテンション・ウインドウの初期値がCWmin /Nに縮小し、送信成功数Ns を0にリセットする。これにより、コンテンション・ウインドウの初期値(前回の拡大処理でCWmin *N)が当初の規定値CWmin に戻る。さらに、送信成功が3回連続すると、コンテンション・ウインドウの初期値がCWmin /Nに縮小し、送信成功数Ns を0にリセットする。このときのコンテンション・ウインドウの初期値は、規定値CWmin の1/Nになり、バックオフ・タイムの発生範囲が狭まってスループットが向上する。 When the transmission success is continued three times, the initial value of the contention window is reduced to CWmin / N, and the transmission success number Ns is reset to zero. As a result, the initial value of the contention window (CWmin * N in the previous enlargement process) returns to the original specified value CWmin. Further, when the transmission success is continued three times, the initial value of the contention window is reduced to CWmin / N, and the transmission success number Ns is reset to zero. The initial value of the contention window at this time is 1 / N of the specified value CWmin, and the generation range of the back-off time is narrowed to improve the throughput.
なお、図2に示す本実施形態の処理アルゴリズムでは、コンテンション・ウインドウの初期値はコンテンション・ウインドウの上限値CWmax を超える場合、また当初の規定値(下限値)CWmin を下回る場合も想定しているが、コンテンション・ウインドウの規定の上限値および下限値の範囲で本実施形態のコンテンション・ウインドウの初期値の拡大・縮小処理を行うようにしてもよい。 In the processing algorithm of the present embodiment shown in FIG. 2, it is assumed that the initial value of the contention window exceeds the upper limit value CWmax of the contention window or falls below the initial specified value (lower limit value) CWmin. However, the enlargement / reduction processing of the initial value of the contention window according to the present embodiment may be performed within the range of the specified upper limit value and lower limit value of the contention window.
図5は、本発明におけるスループットでみたシミュレーション評価例を示す。図6は、本発明における遅延時間でみたシミュレーション評価例を示す。図5および図6において、破線は従来構成、実線は本発明構成によるものである。 FIG. 5 shows a simulation evaluation example in terms of throughput in the present invention. FIG. 6 shows an example of simulation evaluation seen from the delay time in the present invention. In FIG. 5 and FIG. 6, the broken line is the conventional configuration, and the solid line is the configuration of the present invention.
図5および図6に示すように、本発明構成では、無線局数が増加してチャネルが混雑する場合でも、コンテンション・ウインドウの初期値を拡大する処理を行うことにより、スループットの低下および遅延時間の増加を抑えることができることがわかる。 As shown in FIG. 5 and FIG. 6, in the configuration of the present invention, even when the number of radio stations increases and the channel is congested, throughput reduction and delay can be achieved by performing processing for expanding the initial value of the contention window. It can be seen that the increase in time can be suppressed.
11 送受信制御部
12 受信応答生成部
13 送信バッファ
14 コンテンション・ウインドウ制御部
15 送信成功・失敗カウント部
51,52,53 無線局
54 アンテナ
55 送受信部
56 制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Transmission /
Claims (4)
前記パケット送信後に前記ACK信号を受信したときに送信成功数をカウントするとともに送信失敗数を0にリセットし、前記パケット送信後に所定時間内に前記ACK信号を受信しないときに送信失敗数をカウントするとともに送信成功数を0にリセットする第1の手段と、
前記送信成功数が第1の規定値に達したときに前記コンテンション・ウインドウの初期値CWmin を縮小するとともに前記送信成功数を0にリセットし、前記送信失敗数が第2の規定値に達したときに前記コンテンション・ウインドウの初期値CWmin を拡大するとともに前記送信失敗数を0にリセットする第2の手段と
を備えたことを特徴とする無線通信装置。 Carrier sense is performed on the channel used for communication, and when the channel is idle, a random back-off time is generated from the range of the contention window, and packet transmission is performed after waiting for the back-off time period. If the ACK signal that is a reception response is not received within a predetermined time after packet transmission, the contention window is expanded, the transmission processing from the carrier sense is performed again, and the contention is performed when the packet transmission is successful or the packet is discarded. In a wireless communication device that resets the window to the initial value CWmin,
When the ACK signal is received after the packet transmission, the number of successful transmissions is counted and the number of transmission failures is reset to 0. When the ACK signal is not received within a predetermined time after the packet transmission, the number of transmission failures is counted And a first means for resetting the number of successful transmissions to 0,
When the number of successful transmissions reaches a first specified value, the initial value CWmin of the contention window is reduced and the number of successful transmissions is reset to 0, and the number of failed transmissions reaches a second specified value. And a second means for enlarging the initial value CWmin of the contention window and resetting the number of transmission failures to zero.
前記第2の手段は、前記コンテンション・ウインドウの初期値CWmin の縮小はCWmin /Nとし(Nは整数)、前記コンテンション・ウインドウの初期値CWmin の拡大はCWmin *Nとする構成である
ことを特徴とする無線通信装置。 The wireless communication device according to claim 1,
The second means is configured to reduce the initial value CWmin of the contention window to CWmin / N (N is an integer), and to increase the initial value CWmin of the contention window to CWmin * N. A wireless communication device.
前記パケット送信後に前記ACK信号を受信したときに送信成功数をカウントするとともに送信失敗数を0にリセットし、
前記パケット送信後に所定時間内に前記ACK信号を受信しないときに前記送信失敗数をカウントするとともに前記送信成功数を0にリセットし、
前記送信成功数が第1の規定値に達したときに、前記コンテンション・ウインドウの初期値CWmin を縮小するとともに前記送信成功数を0にリセットし、
前記送信失敗数が第2の規定値に達したときに、前記コンテンション・ウインドウの初期値CWmin を拡大するとともに前記送信失敗数を0にリセットする
ことを特徴とする無線通信方法。 Carrier sense is performed on the channel used for communication, and when the channel is idle, a random back-off time is generated from the range of the contention window, and packet transmission is performed after waiting for the back-off time period. If the ACK signal that is a reception response is not received within a predetermined time after packet transmission, the contention window is expanded, the transmission processing from the carrier sense is performed again, and the contention is performed when the packet transmission is successful or the packet is discarded. In the wireless communication method for resetting the window to the initial value CWmin,
Counting the number of successful transmissions when receiving the ACK signal after the packet transmission and resetting the number of transmission failures to 0,
Counting the number of transmission failures when not receiving the ACK signal within a predetermined time after transmitting the packet and resetting the number of successful transmissions to 0,
When the number of successful transmissions reaches a first specified value, the initial value CWmin of the contention window is reduced and the number of successful transmissions is reset to 0,
When the number of transmission failures reaches a second specified value, the initial value CWmin of the contention window is expanded and the number of transmission failures is reset to zero.
前記コンテンション・ウインドウの初期値CWmin の縮小はCWmin /Nとし(Nは整数)、前記コンテンション・ウインドウの初期値CWmin の拡大はCWmin *Nとする
ことを特徴とする無線通信方法。 The wireless communication method according to claim 3,
The wireless communication method, wherein the initial value CWmin of the contention window is reduced by CWmin / N (N is an integer), and the initial value CWmin of the contention window is enlarged by CWmin * N.
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