JP2009522910A - 無線lanで隠れノードに制御フレームを伝達する方法及び装置 - Google Patents

無線lanで隠れノードに制御フレームを伝達する方法及び装置 Download PDF

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Abstract

無線LANで媒体接近における衝突を防止するための情報を無線LANに属するノードに通知する方法及び装置に係り、これにより、無線LANのアクセスポイントまたはIBSSの管理ステーションがCF−Endフレームを受信すれば、受信されたCF−EndフレームのBSSIDを自身のBSSIDと比較し、比較結果にBSSIDが一致すれば、受信されたCF−Endフレームを再びブロードキャストすることで、同じBSSに属するあらゆるステーションが媒体接近を制御する時間情報を同一に通知されて隠れノード問題を解決できる。

Description

本発明は無線LANに係り、さらに詳細には、無線LANで媒体接近における衝突を防止するための情報を無線LANに属するノードに通知する方法に関する。
無線LAN(Wireless LAN)環境では、CSMA/CA(Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance)方式のMAC(Medium Access Control)を使用する。
CSMA/CA方式は、キャリアセンシングのために物理的キャリアセンシングと仮想キャリアセンシングとを同時に使用するが、物理的キャリアセンシングは、PHYで特定値以上の受信電力感知如何を把握して、MACに媒体の<Busy>または<Idle>如何を知らせてキャリアをセンシングする技法であり、仮想キャリアセンシングは、受信されたPPDU(PHY Protocol Data Unit)から正確にMPDU(MAC Protocol Data Unit)を抽出できる場合、このMPDUのヘッダフィールドうち一つである<Duration/ID>fieldを解釈して、媒体使用予定時間中に仮想で媒体が<Busy>であると見なす技法である。ステーションはこれら2種のキャリアセンシング技法を利用して媒体の<Busy>如何を把握し、<Busy>期間中には媒体にアクセスしない。
図1に示したように、一般的なIEEE 802.11系列の無線LANで伝送されるフレームのMACヘッダには、フレームが伝送された後、それに対する受信確認フレームであるACKフレームが受信されるまでの時間である<duration>情報が含まれ、かかるフレームを受信したステーションは、MACヘッダを解釈して<duration>時間中には媒体接近を試みないようになって衝突が起きない。無線媒体の特性上、無線LAN内のあらゆるステーションは自身に送られたフレームでなくても、物理的には電波到達範囲内で伝送されたあらゆるフレームを受信できるためである。
図1では、一つのMPDU及びそれに対するACKフレームを受信するフレーム交換シーケンスを仮定したが、一つのPPDUに複数のMPDUを載せて伝送する場合もあり、図2Aには、このような場合のフレーム交換を示した。図2Aに示したように、送信ステーションと受信ステーションとは、RTS(Request To Send)フレーム及びCTS(Clear To Send)フレームを交換して、他のステーションが所定期間中に媒体に接近できないようにするが、このように送信ステーションがRTS/CTS交換シーケンスを通じて得た期間をTxOP(Transmission Opportunity)という。一方、媒体が使用可能になるまで残った時間を表す値をNAV(Network Allocation Vector)というが、送信ステーション及び受信ステーション以外のステーションは、RTSフレーム、CTSフレーム及びデータフレームの<duration>フィールドを参照してNAVタイマーを設定する。図2Aに示したように、送信ステーションは複数のMPDUを一つのPPDUに載せて伝送しており、さらに、一回のRTS/CTS交換シーケンスにより獲得したTxOP内で複数のPPDUを伝送している。かかる場合、図1のような一般的な場合に比べて多量のデータが伝送され、これによりエラーが発生する場合、再伝送時間などがさらに長くかかるので、十分な長さのNAV(long NAV)を設定する。このように長いNAVを設定した場合、送信ステーションがこれ以上伝送するデータがなくても、他のステーションは残っているTxOP中には媒体に接近しないので、チャンネルが無駄使いになる問題が発生しうるが、これを防止するために送信ステーションはCF−Endフレームを伝送する。図2Bに、そのような場合を示したが、図2Bに示したように、TxOP期間がまだ残っていても、これ以上媒体を使用する必要がない場合、送信ステーションはCF−Endフレームを伝送することによって残っているTxOPを返還し、CF−Endフレームを受信した他のステーションは、再び媒体使用のために競争する。
一方、図3Aないし図3Cには、CF−Endフレームが媒体使用のための競争において、ステーション間の公平性を保証するための用途に使われる場合を図示した。
前述したように、仮想キャリアセンシングは、MPDU/PSDU(MAC Protocol Data Unit/PHY Service Data Unit)がエラーなしに正常に解釈されて初めて効果的なCSMA/CA適用ができる。すなわち、MACヘッダ値を正常に読み取って初めて仮想キャリアセンシングが可能になる。しかし、高速伝送データ率などを使用して伝送した時、チャンネル状態が不安でエラーが発生するか、または受信側ステーションで該当データ速度を処理できない場合には、受信されたMPDU/PSDUを解釈できないので、仮想キャリアセンシングが不可能でCSMA/CA方式が非効率的に動作し、したがって、IEEE 802.11a/b/g規格を遵守するレガシーステーションと、レガシーステーションより伝送能力が向上したステーションであるHT(High Throughput)ステーションとが共存する無線LANからHTフォーマットのフレームが伝送されれば、これを受信したレガシーステーションはHTフォーマットのフレームを解釈できないので、CSMA/CAメカニズムが正確に動作できなくなる。参考までに、HTステーションは、IEEE 802.11a/b/g規格によるステーションより向上したデータ伝送能力を持つ端末であり、MIMO(Multi Input Multi Output)ステーションなどがこれに該当する。
現在標準化が進行中の802.11nでは、かかる問題を解決するために、図3Aに示したように、無線LANにHTステーションとレガシーステーションとが共存する場合、レガシーステーションが理解できるようにHTフォーマットフレームの物理階層(PHY)ヘッダをレガシーフォーマット(L−Preamble、L−SIG)として使用し、レガシーステーションがL−SIGフィールド以後からACKフレームを受信完了するまでの時間を、PHYヘッダに含まれたRATEフィールド及びLENGTHフィールドを分析して分かるようにRATEフィールド値とLENGTHフィールド値とを設定する方法が提案された。以下では、このように設定されたRATEフィールド値とLENGTHフィールド値とにより特定される時間区間をEPP(Extended Phy Protection)と称する。
一方、EPPを使用する場合、媒体使用に対する衝突を防止することはできるが、媒体使用権限を得るための競争においてステーション間の不公平が発生する。
図3Bにかかる問題が発生する場合を図示したが、図3Bに示したように、レガシーステーションはPHYヘッダを解釈できるとしても、その以後、すなわち、HTフォーマットに該当する部分は解釈できないためにエラーが発生し、PHY(Baseband)レイヤーはMACレイヤーにエラーが発生したことを知らせる。エラーが発生したことを知らせる時点はEPPが終わる時点であるが、この時からレガシーステーションは、HTステーションよりさらに長時間を待った後で媒体使用のための競争に参与する。レガシーステーションがHTフォーマットのフレームを解釈できなくてエラーが発生した場合、レガシーステーションは、HTステーションとは異なって、DIFS(DCF InterFrame Space、IEEE 802.11aの場合に34us)ではないEIFS(Extended InterFrame Space、IEEE 802.11aの場合に94us)の時間ほど休んでbackoffを始めるためである。
図3Cには、かかる不公平な問題を解決するために、CF−Endフレームを使用する場合を示した。すなわち、送信ステーションは、HTフォーマットのデータフレームに対するACKフレームを受信した後、SIFS(Short Interframe Space)が経過すれば、CF−Endフレームをブロードキャストする。CF−Endフレームは媒体が使用できることを表すので、これを受信したHTステーションはもとよりレガシーステーションも、EIFSを待たずに直ちに媒体使用のための競争に参与するのである。
このように、無線LANでCF−Endフレームを使用すれば正確なCSMA/CAが可能になり、ステーション間の公平性も保証できるようになる。しかし、このようなCF−Endフレームが無線LANに属するあらゆるステーションに伝送されなければ、このような効果を得られなくなるが、無線LAN環境では図4に示したような隠れノード問題が発生しうる。図4では、Aステーションがフレームをブロードキャストした場合を仮定し、ステーションの電波到達範囲は点線で表示した。図4に示したように、無線媒体の特性上、Aステーションが伝送したフレームをCステーションは認識できるが、Bステーションは認識できない場合が発生しうるが、このような場合、フレームを認識できないBステーションがキャリアセンシングを通じて媒体が使用可能な状態であると認識してフレーム伝送を試みれば、媒体使用に関する衝突が発生するという問題が生じる。
本発明は、無線LANのあらゆるステーションが媒体接近に関する情報を記録した制御フレームを受信可能にする装置及び方法を提供するところにその目的がある。
このような目的を達成するための本発明は、無線LANで通信するデバイスが制御フレームを伝達する方法において、媒体接近を制御する時間情報及び受信アドレス情報が含まれた制御フレームを受信するステップと、前記受信アドレス情報を確認するステップと、確認結果に基づいて前記受信された制御フレームを選択的にブロードキャストするステップと、を含むことを特徴とする。
このとき、前記制御フレームは、CF−Endフレームであり、前記ブロードキャストするステップは、前記確認結果、前記CF−Endフレームに記録されたBSSIDが、前記デバイスが属するBSS(Basic Service Set)のBSSIDと一致する場合、前記CF−Endフレームをブロードキャストすることが望ましい。
また、前記ブロードキャストするステップは、前記受信ステップで前記CF−Endフレームが受信された後、SIFSが経過した時、前記受信されたCF−Endフレームをブロードキャストすることが望ましい。
前記無線LANがInfrastructure BSSである場合、前記デバイスは、前記Infrastructure BSSのアクセスポイントであり、前記無線LANがIBSS(Independent BSS)である場合、前記デバイスは、ビーコンフレームを伝送するIBSS管理ステーションであることが望ましい。
また、本発明は、前記制御フレーム伝達方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体を提供する。
また、本発明は、無線LANで受信された制御フレームを伝達する装置において、媒体接近を制御する時間情報が含まれた制御フレームが受信されれば、前記制御フレームに含まれた受信アドレス情報を確認する受信アドレス情報確認部と、前記確認結果に基づいて前記受信された制御フレームを選択的にブロードキャストする再伝送部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明は、前記制御フレーム伝達装置を備えたアクセスポイントを提供する。
また、本発明は、前記制御フレーム伝達装置を備え、Independent BSSでビーコンフレームを伝送するIBSS管理ステーションである期間中にのみ前記装置を駆動する無線LANステーションを提供する。
本発明によれば、同じBSSに属するあらゆるステーションが媒体の接近を制御する時間情報を同一に通知されて隠れノード問題を解決でき、窮極的には、無線LANでの正確なCSMA/CAメカニズムを具現し、ステーション間の媒体使用のための工程一競争を保証できる。
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。
図5は、本発明の一実施形態によって隠れノード問題を解決する原理を説明するための概念図である。図5に示したように、CステーションはAステーションが伝送したCF−Endフレームを受信できるが、BステーションはAステーションの電波到達範囲外に位置するので、Aステーションが伝送したCF−Endフレームを受信できず、結局Cステーションと同一にNAVをリセットできない。本発明の一実施形態によれば、このような場合、Aステーション及びBステーションとも通信できる距離にあるCステーションが、Aステーションから受信したCF−EndフレームをBステーションに伝達することによって隠れノード問題を解決する。かかるフレームの伝達は、infrastructure basic serviceset(BSS)ではアクセスポイントが、independent basicservice set(IBSS)では最近にビーコンフレームを伝送したステーションであるIBSS管理ステーションが行うことが望ましい。
本実施形態では、送信ステーションがTxOPを返還するために使用する制御フレームをCF−Endと仮定して説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、MACヘッダの<duration>フィールド値が0であるフレームであって、ステーションのNAVをリセットする機能を持つフレームならば、他の種類の制御フレームも使われうる。以下でも同一である。
図6は、本発明によって隠れノードにCF−Endフレームを伝達する方法を説明するための図面である。
図6に示したように、Bステーションが、Aステーションが伝送したCF−Endフレームを受信できない隠れノードである場合、Cステーションは、Aステーションが伝送したCF−EndフレームをBステーションに伝達する。すなわち、AステーションがブロードキャストしたCF−Endフレームは、Cステーションにより再びブロードキャストされ、Bステーションは、CステーションがブロードキャストしたCF−Endフレームを受信するのである。この時、Bステーションは、Aステーションが伝送したCF−Endフレームを受信した後、SIFSが経過した時に受信されたCF−Endフレームを再びブロードキャストすることが望ましい。
それより長時間が経過すれば、CF−Endフレームを受信した他のステーションが媒体を使用可能なものと判断してフレーム伝送を試みることができる。
Cステーションは、受信されたあらゆるCF−Endフレームを再伝送してはならない。ステーションの媒体接近制御(MAC)は一つのBSSで使われる媒体を基準とするので、もし、Cステーションが相異なる二つ以上のBSSから伝送されたフレームを受信できる位置にある場合、ステーションの媒体接近の制御にエラーが生じうるためである。
したがって、CステーションはCF−Endフレームを受信すれば、アドレスフィールドを参照してそのCF−EndフレームのBSSIDを自身の属するBSSのBSSIDと比較した後、両者が一致する場合にのみ再伝送し、BSSIDが一致しない場合には廃棄(drop)する。このようなCF−Endフレームの構造図を図7に示した。
図8は、本発明の一実施形態によって隠れノードにCF−Endフレームを伝達する過程を示すフローチャートである。
アクセスポイントまたはIBSS管理ステーションはCF−Endフレームを受信すれば(710)、受信されたCF−Endフレームのアドレスフィールドに記録されたBSSIDを自身の属するBSSのBSSIDと比較するが(720)、もし、CF−Endフレームのアドレスフィールドに記録されたBSSIDが自身の属するBSSのBSSIDと一致すれば、受信されたCF−Endフレームを再びブロードキャストして自身の属するBSSの隠れノードに伝達し(740)、一致しなければ廃棄する(730)。
図9は、本発明の一実施形態によって隠れノードにCF−Endフレームを伝達する装置800の構造図である。
図9に示したように、本発明の一実施形態によってCF−Endフレームを隠れノードに伝達する装置800は、受信アドレス情報確認部810及び再伝送部820を備え、本実施形態では、かかる装置800がアクセスポイント870に備えられていると仮定したが、ビーコンフレームを伝送するIBSS管理ステーションに備えられてもよいということは前述した通りである。
受信情報確認部800は、ステーション1 850が伝送したCF−Endフレームを受信すれば、受信されたCF−Endフレームのアドレスフィールドに記録されたBSSIDをアクセスポイント870が管理するBSSのBSSIDと比較して、不一致ならば、CF−Endフレームを廃棄する。
受信されたCF−Endフレームのアドレスフィールドに記録されたBSSIDがアクセスポイント870が管理するBSSのBSSIDと一致する場合、再伝送部820は、受信されたCF−Endフレームをブロードキャストして隠れノードのステーション2 860に伝達する。
一方、前述した本発明の実施形態はコンピュータで実行できるプログラムで作成可能であり、コンピュータで読み取り可能な記録媒体を利用して、前記プログラムを動作させる汎用ディジタルコンピューターで具現できる。
前記コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、マグネチック記録媒体(例えば、ROM、フロッピー(登録商標)ディスク、ハードディスクなど)、光学的判読媒体(例えば、CD−ROM、DVDなど)及びキャリアウェーブ(例えば、インターネットを通じる伝送)のような記録媒体を含む。
これまで本発明についてその望ましい実施形態を中心に説明した。当業者ならば本発明が本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で変形された形態で具現できるということを理解できるであろう。したがって、開示された実施形態は限定的な観点ではなく説明的な観点で考慮されねばならない。本発明の範囲は、前述した説明ではなく特許請求の範囲に現れており、それと同等な範囲内にあるあらゆる差異点は本発明に含まれていると解釈されねばならない。
無線LANでのCSMA/CAメカニズムを説明するための図である。 CF−Endフレームの用途を説明するための図である。 CF−Endフレームの用途を説明するための図である。 CF−Endフレームの他の用途を説明するための図である。 CF−Endフレームの他の用途を説明するための図である。 CF−Endフレームの他の用途を説明するための図である。 隠れノード問題を説明するための図である。 本発明の一実施形態によって隠れノード問題を解決する原理を説明するための概念図である。 本発明の一実施形態によって隠れノードにCF−Endフレームを伝達する方法を説明するための図である。 CF−Endフレームの構造図である。 本発明の一実施形態によって隠れノードにCF−Endフレームを伝達する過程を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態によって隠れノードにCF−Endフレームを伝達する装置の構造図である。

Claims (21)

  1. 無線LANで通信するデバイスが制御フレームを伝達する方法において、
    媒体接近を制御する時間情報及び受信アドレス情報が含まれた制御フレームを受信するステップと、
    前記受信アドレス情報を確認するステップと、
    確認結果に基づいて前記受信された制御フレームを選択的にブロードキャストするステップと、を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記制御フレームは、MACヘッダのdurationフィールド値が0であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記制御フレームは、CF−Endフレームであることを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 前記ブロードキャストするステップは、
    前記確認結果、前記CF−Endフレームに記録されたBSSIDが、前記デバイスが属するBSSのBSSIDと一致する場合、前記CF−Endフレームをブロードキャストすることを特徴とする請求項3に記載の方法。
  5. 前記ブロードキャストするステップは、
    前記受信ステップで前記CF−Endフレームが受信された後、SIFSが経過した時、前記受信されたCF−Endフレームをブロードキャストすることを特徴とする請求項4に記載の方法。
  6. 前記無線LANは、Infrastructure BSSであり、前記デバイスは、前記Infrastructure BSSのアクセスポイントであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  7. 前記無線LANはIBSSであり、前記デバイスは、ビーコンフレームを伝送するIBSS管理ステーションであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  8. 請求項1に記載の方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
  9. 請求項2に記載の方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
  10. 請求項3に記載の方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
  11. 請求項4に記載の方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
  12. 請求項5に記載の方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
  13. 請求項6に記載の方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
  14. 請求項7に記載の方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
  15. 無線LANで受信された制御フレームを伝達する装置において、
    媒体接近を制御する時間情報が含まれた制御フレームが受信されれば、前記制御フレームに含まれた受信アドレス情報を確認する受信アドレス情報確認部と、
    前記確認結果に基づいて前記受信された制御フレームを選択的にブロードキャストする再伝送部と、を備えることを特徴とする装置。
  16. 前記制御フレームは、MACヘッダのdurationフィールド値が0であることを特徴とする請求項15に記載の装置。
  17. 前記制御フレームは、CF−Endフレームであることを特徴とする請求項16に記載の装置。
  18. 前記再伝送部は、
    前記確認結果、前記CF−Endフレームに記録された受信者アドレスがブロードキャストアドレスであり、そのBSSIDが前記デバイスが属するBSSのBSSIDと一致する場合、前記CF−Endフレームをブロードキャストすることを特徴とする請求項17に記載の装置。
  19. 前記再伝送部は、
    前記CF−Endフレームが受信された後、SIFSが経過した時、前記受信されたCF−Endフレームをブロードキャストすることを特徴とする請求項18に記載の装置。
  20. 請求項15に記載の装置を備えたアクセスポイント。
  21. 請求項15に記載の装置を備え、Independent BSSでビーコンフレームを伝送するIBSS管理ステーションである期間中にのみ前記装置を駆動する無線LANステーション。
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