本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
図1は、この発明の実施の形態による無線通信システムの構成を示す概略図である。図1を参照して、この発明の実施の形態による無線通信システム10は、アクセスポイント1と、端末装置2〜4とを備える。
アクセスポイント1および端末装置2〜4は、無線通信空間に配置される。端末装置2〜4の各々は、静止している端末装置、または移動可能な端末装置からなる。そして、端末装置2〜4は、アクセスポイントの通信範囲内に配置される。
アクセスポイント1および端末装置2〜4は、同じ周波数チャネルを用いて後述する方法によって相互に無線通信を行う。
図2は、図1に示すアクセスポイント1の構成を示す機能ブロック図である。図2を参照して、アクセスポイント1は、アンテナ11と、送受信手段12と、制御手段13と、バッファ14と、通信手段15とを含む。
アンテナ11は、パケット、Replyフレーム、PollフレームおよびACKフレームのいずれかを送受信手段12から受け、その受けたパケット、Replyフレーム、PollフレームおよびACKフレームのいずれかを端末装置2〜4へ送信する。
また、アンテナ11は、Requestフレーム、CTSフレーム、パケットおよびACKフレームのいずれかを端末装置2〜4から受信し、その受信したRequestフレーム、CTSフレーム、パケットおよびACKフレームのいずれかを送受信手段12へ出力する。
送受信手段12は、ReplyフレームまたはPollフレームを制御手段13から受け、その受けたReplyフレームまたはPollフレームをアンテナ11を介して端末装置2〜4へ送信する。
また、送受信手段12は、ACKフレームを通信手段15から受け、その受けたACKフレームをアンテナ11を介して端末装置2〜4へ送信する。
更に、送受信手段12は、Requestフレームをアンテナ11から受けると、その受けたRequestフレームを制御手段13へ出力する。
更に、送受信手段12は、パケットまたはACKフレームをアンテナ11から受けると、その受けたパケットまたはACKフレームを通信手段15へ出力する。
更に、送受信手段12は、アンテナ11がCTSフレームを受信したときの雑音パワーに対する受信信号強度の比である信号対雑音比を検出し、その検出した信号対雑音比に対応する通信レートを後述する方法によって検出する。そして、送受信手段12は、CTSフレームをアンテナ11から受けると、その受けたCTSフレームに含まれるMAC(Media Access Control)アドレスを宛先とするパケットをバッファ14から取り出す。そうすると、送受信手段12は、その取り出したパケットを信号対雑音比に対応する通信レートでCTSフレームの送信元(端末装置2〜4のいずれか)へ送信する。
更に、送受信手段12は、アンテナ11を介してACKフレームを端末装置(端末装置2〜4のいずれか)から受信した後、一定期間(=Nスロット、Nは正の整数)、CTSフレームを端末装置(端末装置2〜4のいずれか)から受信しないとき、またはACKフレームを端末装置(端末装置2〜4のいずれか)へ送信してから一定期間(=Nスロット)、端末装置(端末装置2〜4のいずれか)からパケットを受信しないとき、Pollフレームの送信要求を生成して制御手段13へ出力する。
制御手段13は、送受信手段12からRequestフレームを受けると、その受けたRequestフレームに含まれるMACアドレスを取り出す。そして、制御手段13は、その取り出したMACアドレスによって指定された端末装置(端末装置2〜4のいずれか)に参加IDを割り当てる。この参加IDは、1,2,3,・・・の整数値からなる。
制御手段13は、参加IDを割り当てると、MACアドレスと参加IDとを対応付けて管理する。
その後、制御手段13は、参加IDを含むReplyフレームを生成し、その生成したReplyフレームをRequestフレームの送信元(端末装置2〜4のいずれか)へ送受信手段12およびアンテナ11を介して送信する。
また、制御手段13は、Requestフレームを送受信手段12から受ける度に、アクセスポイント1へアクセスする端末装置の数を“1”だけインクリメントする。そして、制御手段13は、最終的に、アクセスポイント1へアクセスする端末装置の総数M(Mは正の整数)を取得する。
そうすると、制御手段13は、その取得した総数Mに基づいて、しきい値γ0を後述する方法によって演算する。このしきい値γ0について、後に詳細に説明する。その後、制御手段13は、バッファ14を参照して、端末装置2〜4宛てのパケットの有無を検索する。そして、制御手段13は、端末装置2〜4宛てのパケットの有無を示すビット値と、しきい値γ0とを含むPollフレームを生成し、その生成したPollフレームを送受信手段12およびアンテナ11を介して端末装置2〜4へ送信する。
更に、制御手段13は、送受信手段12からのPollフレームの送信要求に応じて、Pollフレームを再度生成し、その生成したPollフレームを送受信手段12およびアンテナ11を介して端末装置2〜4へ送信する。
バッファ14は、通信手段15からパケットを受け、その受けたパケットを一定時間保持する。
通信手段15は、外部のインターネットに接続されている。そして、通信手段15は、インターネットからパケットを受け、その受けたパケットをバッファ14へ格納する。
また、通信手段15は、端末装置(端末装置2〜4のいずれか)からのパケットを送受信手段12から受け、その受けたパケットをインターネットへ送信するとともに、ACKフレームを生成して送受信手段12へ出力する。
図3は、図1に示す端末装置2の構成を示す機能ブロック図である。図3を参照して、端末装置2は、アンテナ21と、送受信手段22と、バッファ23と、通信手段24とを含む。
アンテナ21は、Requestフレーム、CTSフレーム、パケットおよびACKフレームのいずれかを送受信手段22から受け、その受けたRequestフレーム、CTSフレーム、パケットおよびACKフレームのいずれかをアクセスポイント1へ送信する。
また、アンテナ21は、Replyフレーム、Pollフレーム、パケットおよびACKフレームのいずれかをアクセスポイント1から受信し、その受信したReplyフレーム、Pollフレーム、パケットおよびACKフレームのいずれかを送受信手段22へ出力する。
送受信手段22は、アクセスポイント1へアクセスするとき、端末装置2のMACアドレスを含むRequestフレームを生成し、その生成したRequestフレームをアンテナ21を介してアクセスポイント1へ送信する。
また、送受信手段22は、Replyフレームをアンテナ21から受けると、その受けたReplyフレームに含まれる参加IDを取り出し、その取り出した参加IDを端末装置2のアクセスポイント1における識別子として管理する。
更に、送受信手段22は、アンテナ21がPollフレームを受信したときの信号対雑音比、またはアンテナ21がACKフレームを受信したときの信号対雑音比を検出する。そして、送受信手段22は、Pollフレームをアンテナ21から受けると、その受けたPollフレームを管理するとともに、Pollフレームに含まれるしきい値γ0を取り出す。そうすると、送受信手段22は、その検出した信号対雑音比、しきい値γ0、およびPollフレームに基づいて、後述する方法によって、バッファ23からパケットを取り出してアクセスポイント1へ送信する。
更に、送受信手段22は、その検出した信号対雑音比、しきい値γ0、およびPollフレームに基づいて、後述する方法によって、CTSフレームをアクセスポイント1へ送信する。
更に、送受信手段22は、アンテナ21を介してアクセスポイント1からパケットを受信し、その受信したパケットを通信手段24へ出力する。
更に、送受信手段22は、ACKフレームを通信手段24から受け、その受けたACKフレームをアンテナ21を介してアクセスポイント1へ送信する。
バッファ23は、通信手段24からパケットを受け、その受けたパケットを一定時間保持する。
通信手段24は、上位層のアプリケーションからパケットを受け、その受けたパケットをバッファ23に格納する。
また、通信手段24は、送受信手段22からパケットを受け、その受けたパケットを上位層のアプリケーションへ出力するとともに、ACKフレームを生成して送受信手段22へ出力する。
なお、図1に示す端末装置3,4の各々も、図3に示す端末装置2と同じ構成からなる。
アクセスポイント1におけるしきい値γ0の算出方法について説明する。アクセスポイント1の通信範囲内に存在する端末装置の総数をMとし、コンテンションウィンドウの最大値をNとする。
この最大値Nは、無線通信システム10において、予め設計された値であり、アクセスポイント1の制御手段13は、最大値Nを予め保持している。また、アクセスポイント1の制御手段13は、アクセスポイント1にアクセスする端末装置の数を上述した方法によってカウントし、総数Mを取得する。
アクセスポイント1の通信範囲内に配置されたM個の端末装置のうち、i(i=1〜Mの整数)番目の端末装置と、アクセスポイント1との間のリンクの瞬時の信号対雑音比SNR(Signal to Noise Ratio)をγi’とし、その平均値を/γi’とする。なお、この明細書においては、/Aは、Aの平均値を意味する。また、平均値/γi’は、例えば、1秒間における瞬時のγi’を平均することにより求められる。
そして、γi=γi’/(/γi’)を正規化SNRと定義する。レイーレイフェージング(Rayleigh fading)の場合、全てのリンクの正規化SNRの分布は、f(γi)=exp(−γi)となり、同じである。
その結果、アクセスポイント1の制御手段13は、次の式(1)〜(4)に従ってしきい値γ0を算出する。
なお、式(1)におけるmは、m=1〜Mの整数である。また、式(1)におけるCM mは、M個の端末装置からm個の端末装置を抽出し、m個の端末装置からなる端末装置集合を構築する場合における異なる端末装置集合の数を意味する。例えば、C10 3=12×11×10/(3×2×1)=220である。
式(1)のPm T(γ0)は、M個の端末装置のうち、m個の端末装置における正規化SNR(=γ)がしきい値γ0よりも大きくなる確率である。即ち、Pm T(γ0)は、m個の端末装置におけるリンク品質が基準のリンク品質(=しきい値γ0からなる正規化SNRを有するリンクのリンク品質)よりも良くなる確率である。
また、式(2)のPm(γ0)は、パケットの衝突が発生しない確率である。端末装置の個数mが1個である場合、パケットの衝突は発生しないので、Pm(γ0)=1となる(式(2)の上段参照)。そして、端末装置の個数mが2以上である場合、パケットの衝突が発生しない確率Pm(γ0)は、式(2)の下段によって表わされる。
更に、式(3)のPS(γ0)は、パケットの衝突を回避しながらリンク品質が基準のリンク品質よりも良いリンクを有する端末装置との間で無線通信を行うことが可能な確率である。
そして、式(4)において、式(3)のPS(γ0)が最大になるようにγ0を決定するのであるから、しきい値γ0は、パケットの衝突を回避する確率が最も大きく、かつ、リンク品質が基準のリンク品質(=しきい値γ0からなる正規化SNRを有するリンクのリンク品質)よりも良い端末装置の個数が最大となるときの正規化SNRである。
このように、アクセスポイント1は、自己の通信範囲内に存在する端末装置2〜4の個数Mに基づいてしきい値γ0を演算する。
従って、アクセスポイント1と端末装置2〜4との間の通信環境の実情に沿ってしきい値γ0を決定できる。
図4は、Pollフレームの構成図である。図4を参照して、Pollフレームは、送信先(DST)と、送信元(SRC)と、しきい値γ0と、ビットマップBMとを含む。
送信先(DST)は、Pollフレームの送信先からなる。Pollフレームは、アクセスポイント1の通信範囲内に存在する全ての端末装置へ送信されるので、送信先(DST)は、ブロードキャストアドレス=0xffffffffffffからなる。
送信元(SRC)は、Pollフレームの送信元のMACアドレスからなる。Pollフレームは、アクセスポイント1によって送信されるので、送信元(SRC)は、アクセスポイント1のMACアドレスからなる。
しきい値γ0は、上述した方法によって算出されたしきい値からなる。ビットマップBMは、アクセスポイント1から端末装置2〜4へのパケットの有無、即ち、ダウンリンクにおいて各端末装置2〜4へ送信すべきパケットの有無を示すビット値からなる。
図4においては、ビットマップBMは、3行×16列のマップからなる。そして、第1行第1列のマス目、第1行第2列のマス目、・・・、第1行第16列のマス目、第2行第1列のマス目、第2行第2列のマス目、・・・、第2行第16列のマス目、第3行第1列のマス目、第3行第2列のマス目、・・・、第3行第16列のマス目は、それぞれ、参加ID=1〜48に対応付けられている。
また、第1行第1列のマス目、第1行第2列のマス目、・・・、第1行第16列のマス目、第2行第1列のマス目、第2行第2列のマス目、・・・、第2行第16列のマス目、第3行第1列のマス目、第3行第2列のマス目、・・・、第3行第16列のマス目は、それぞれ、参加ID=1〜48が付与された端末装置へ送信すべきパケットをアクセスポイントが保持していれば、“1”が格納され、参加ID=1〜48が付与された端末装置へ送信すべきパケットをアクセスポイント1が保持していなければ、“0”が格納される。
図4に示す例においては、第1行第1列のマス目、第1行第2列のマス目および第1行第3列のマス目は、“1”が格納され、第1行第4列のマス目〜第3行第16列のマス目は、“0”が格納されているので、アクセスポイント1は、参加ID=1〜3が付与された端末装置へ送信すべきパケットを保持し、参加ID=4〜48が付与された端末装置へ送信すべきパケットを保持していないことを表している。
なお、ビットマップBMは、3行×16列以外のマップからなっていてもよい。
図5は、受信SNRと送信レートとの関係を示す図である。受信SNR=γ’が閾値γ0と閾値γ01との間に存在する場合、1Mbpsの送信レートが割り当てられる。また、受信SNR=γ’が閾値γ01と閾値γ02との間に存在する場合、2Mbpsの送信レートが割り当てられる。更に、受信SNR=γ’が閾値γ02と閾値γ03との間に存在する場合、5.5Mbpsの送信レートが割り当てられる。更に、受信SNR=γ’が閾値γ03よりも大きい場合、11Mbpsの送信レートが割り当てられる。
端末装置2〜4の送受信手段22は、図5に示す受信SNRと送信レートとの関係を保持している。そして、端末装置2〜4の送受信手段22は、アップリンクにおいて、PollフレームまたはACKフレームを受信したときの瞬時の受信SNR=γ’を計測し、その計測した受信SNR=γ’に対応する送信レートを図5に示す受信SNRと送信レートとの関係を参照して検出する。
また、アクセスポイント1の送受信手段12は、図5に示す受信SNRと送信レートとの関係を保持している。そして、アクセスポイント1の送受信手段12は、ダウンリンクにおいて、CTSフレームまたはパケットを受信したときの瞬時の受信SNR=γ’を計測し、その計測した受信SNR=γ’に対応する送信レートを図5に示す受信SNRと送信レートとの関係を参照して検出する。
端末装置2〜4からアクセスポイント1へパケットを送信する方法について説明する。図6は、端末装置2〜4からアクセスポイント1へパケットを送信する方法を説明するための図である。
アクセスポイント1の制御手段13は、上述した方法によってしきい値γ0を算出する。そして、アクセスポイント1の制御手段13は、バッファ14を参照して端末装置2〜4へ送信すべきパケットを保持していることを検知する。
そうすると、アクセスポイント1の制御手段13は、DST=0xffffffffffff、SRC=MACadd_AP、しきい値γ0、および端末装置2〜4へ送信すべきパケットを保持していることを示すビットマップBM=1,1,1,0,・・・,0を含むPollフレームを生成し、その生成したPollフレームを送受信手段12およびアンテナ11を介して端末装置2〜4へ送信する。この場合、ビットマップBMの第1行第1列のマス目、第1行第2列のマス目、および第1行第3列のマス目は、それぞれ、端末装置2〜4の参加IDに対応付けられているものとする。また、端末装置2〜4の送受信手段22は、それぞれ、参加ID=1〜3をReplyフレームから取り出して保持しているものとする。
端末装置2〜4の送受信手段22は、アクセスポイント1から送信されたPollフレームをタイミングt1で受信し、それぞれ、Pollフレームを受信したときの受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を計測する。そして、端末装置2〜4の送受信手段22は、それぞれ、その計測した受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を用いて平均値/γ2’,/γ3’,/γ4’を更新する。その後、端末装置2〜4の送受信手段22は、その更新した平均値/γ2’,/γ3’,/γ4’を用いてそれぞれ正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)を求める。
そうすると、端末装置2〜4の送受信手段22は、Pollフレームからしきい値γ0を取り出し、正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)をしきい値γ0と比較する。この場合、γ2>γ0,γ3>γ0,γ4<γ0であるとする。
端末装置4の送受信手段22は、γ4<γ0であるので、次のチャネル取得競争に参加しない。
一方、端末装置2,3の送受信手段22は、γ2>γ0,γ3>γ0であるので、次のチャネル取得競争に参加し、それぞれ、バックオフタイマーを0〜Nの間の一様な乱数から選択した6,8に設定する。
そして、端末装置2の送受信手段22は、タイミングt1の後、DIFS(Distributed Inter Frame Spacing)が経過すると、バックオフタイマーが“6”から“0”になるのを計測する。また、端末装置2の送受信手段22は、図5に示す受信SNRと送信レートとの関係を参照して、計測した受信SNR(=γ2’)に対応する送信レートr2を検出する。
端末装置3の送受信手段22も、同様に、タイミングt1の後、DIFSが経過すると、バックオフタイマーが“8”から“0”になるのを計測するとともに、図5に示す受信SNRと送信レートとの関係を参照して、計測した受信SNR(=γ3’)に対応する送信レートr3を検出する。
端末装置2の送受信手段22は、タイミングt2で、自己におけるバックオフタイマーが“0”になったことを検知し、パケットPAUを送信レートr2でアクセスポイント1へ送信する。
そして、端末装置3の送受信手段22は、端末装置2から送信されたパケットPAUを7番目のスロットで受信し、チャネルが使用状態であることを検知する。従って、端末装置3の送受信手段22は、パケットPBUを送信しない。その結果、パケットPAUとパケットPBUとの衝突を回避できる。
その後、アクセスポイント1の送受信手段12は、アンテナ11を介してパケットPAUを端末装置2から受信し、その受信したパケットPAUを通信手段15へ出力する。
アクセスポイント1の通信手段15は、送受信手段12からパケットPAUを受け、パケットPAUを受理する。
その後、アクセスポイント1の通信手段15は、SIFS(Short Inter Frame Spacing)が経過すると、タイミングt3でACKフレームを生成し、その生成したACKフレームを送受信手段12へ出力する。そして、アクセスポイント1の送受信手段12は、通信手段15から受けたACKフレームをアンテナ11を介して端末装置2へ送信する。
この場合、端末装置2〜4の全てがACKフレームを受信できるものとする。
端末装置2〜4の送受信手段22は、タイミングt4でACKフレームを受信し、ACKフレームを受信したときの受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)をそれぞれ計測する。そして、端末装置2〜4の送受信手段22は、それぞれ、その計測した受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を用いて平均値/γ2’,/γ3’,/γ4’を更新するとともに、正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)を求める。
そうすると、端末装置2〜4の送受信手段22は、タイミングt1で受信したPollフレームから取り出したしきい値γ0と、正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)とを比較する。この場合も、γ2>γ0,γ3>γ0,γ4<γ0であるとする。
端末装置4の送受信手段22は、γ4<γ0であるので、次のチャネル取得競争に参加しない。
一方、端末装置2,3の送受信手段22は、γ2>γ0,γ3>γ0であるので、次のチャネル取得競争に参加し、それぞれ、バックオフタイマーを0〜Nの間の一様な乱数から選択した5,3に設定する。
そして、端末装置3の送受信手段22は、タイミングt4の後、DIFSが経過すると、バックオフタイマーが“3”から“0”になるのを計測する。また、端末装置3の送受信手段22は、図5に示す受信SNRと送信レートとの関係を参照して、計測した受信SNR(=γ2’)に対応する送信レートr2を検出する。
端末装置2の送受信手段22も、同様に、タイミングt4の後、DIFSが経過すると、バックオフタイマーが“5”から“0”になるのを計測するとともに、図5に示す受信SNRと送信レートとの関係を参照して、計測した受信SNR(=γ3’)に対応する送信レートr3を検出する。
端末装置3の送受信手段22は、タイミングt5で、自己におけるバックオフタイマーが“0”になったことを検知し、パケットPBUを送信レートr3でアクセスポイント1へ送信する。
そして、アクセスポイント1の送受信手段12は、アンテナ11を介してパケットPBUを端末装置3から受信し、その受信したパケットPBUを通信手段15へ出力する。
アクセスポイント1の通信手段15は、送受信手段12からパケットPBUを受け、パケットPBUを受理する。
その後、アクセスポイント1の通信手段15は、SIFSが経過すると、タイミングt6でACKフレームを生成し、その生成したACKフレームを送受信手段12へ出力する。そして、アクセスポイント1の送受信手段12は、通信手段15から受けたACKフレームをアンテナ11を介して端末装置3へ送信する。
そうすると、端末装置2〜4の送受信手段22は、タイミングt7でACKフレームを受信し、ACKフレームを受信したときの受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)をそれぞれ計測する。
その後、端末装置2〜4の送受信手段22は、それぞれ、その計測した受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を用いて平均値/γ2’,/γ3’,/γ4’を更新するとともに、正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)を求める。
端末装置2〜4のうち、1回目のPollフレームを受信したときの受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を用いて求められた正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)がしきい値γ0よりも大きい端末装置2,3は、それぞれ、パケットPAU,PBUを既にアクセスポイント1へ送信している。
その結果、タイミングt7以降、アクセスポイント1へパケットを送信する端末装置は存在しない。
従って、アクセスポイント1の送受信手段12は、タイミングt7以降、DIFSが経過すると、N×スロットを計測する。そして、アクセスポイント1の送受信手段12は、N×スロットが経過すると、Pollフレームを再度生成するように制御手段13へ要求し、制御手段13は、タイミングt8で、再度、Pollフレームを生成して端末装置2〜4へ送信する。
端末装置2〜4の送受信手段22は、タイミングt9でPollフレームを受信し、Pollフレームを受信したときの受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)をそれぞれ計測する。そして、端末装置2〜4の送受信手段22は、それぞれ、その計測した受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を用いて平均値/γ2’,/γ3’,/γ4’を更新するとともに、正規化SNR(γ2,γ3,γ4)を求める。
そうすると、端末装置2〜4の送受信手段22は、2回目に受信したPollフレームからしきい値γ0を取り出し、正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)をしきい値γ0と比較する。
この場合、γ2<γ0,γ3>γ0,γ4>γ0であるとする。
端末装置2の送受信手段22は、γ2<γ0であるので、次のチャネル取得競争に参加しない。
一方、端末装置3,4の送受信手段22は、γ3>γ0,γ4>γ0であるので、次のチャネル取得競争に参加し、それぞれ、バックオフタイマーを0〜Nの間の一様な乱数から選択した6,3に設定する。
そして、端末装置3の送受信手段22は、タイミングt9の後、DIFSが経過すると、バックオフタイマーが“6”から“0”になるのを計測する。また、端末装置3の送受信手段22は、図5に示す受信SNRと送信レートとの関係を参照して、計測した受信SNR(=γ3’)に対応する送信レートr3を検出する。
端末装置4の送受信手段22も、同様に、タイミングt9の後、DIFSが経過すると、バックオフタイマーが“3”から“0”になるのを計測するとともに、図5に示す受信SNRと送信レートとの関係を参照して、計測した受信SNR(=γ4’)に対応する送信レートr4を検出する。
端末装置4の送受信手段22は、タイミングt10で、自己におけるバックオフタイマーが“0”になったことを検知し、パケットPCUを送信レートr4でアクセスポイント1へ送信する。
そして、アクセスポイント1の送受信手段12は、アンテナ11を介してパケットPCUを端末装置4から受信し、その受信したパケットPCUを通信手段15へ出力する。
アクセスポイント1の通信手段15は、送受信手段12からパケットPCUを受け、パケットPCUを受理する。
上述したように、タイミングt1〜t7の間においては、しきい値γ0よりも大きい正規化SNR(=γ)を有する端末装置2,3だけがアクセスポイント1へパケットを送信する。このしきい値γ0は、上述したように、パケットの衝突を回避する確率が最も大きく、かつ、リンク品質が基準のリンク品質(=しきい値γ0からなる正規化SNRを有するリンクのリンク品質)よりも良い端末装置の個数が最大となるときの正規化SNRである。
また、タイミングt1〜t7の間においては、端末装置2,3は、バックオフタイマーを用いてパケットPAU,PBUの衝突を回避する。
更に、1回目のPollフレームを受信したときの受信SNRを用いて求めた正規化SNRがしきい値γ0よりも小さい端末装置4は、次のPollフレームを受信するまでパケットをアクセスポイント1へ送信できない。
その結果、しきい値γ0よりも大きい正規化SNR(=γ)を有する端末装置2,3は、パケットの衝突を回避しながら、基準のリンク品質よりも良いリンク品質を有するリンクを用いてパケットをアクセスポイント1へ送信する。つまり、しきい値γ0よりも大きい正規化SNR(=γ)を有する端末装置2,3は、アクセスポイント1の通信範囲内に存在する端末装置の数が増加しても、パケットの衝突を回避しながら、基準のリンク品質(=γ0)よりも良いリンク品質でパケットをアクセスポイント1へ送信する。
従って、この発明によれば、端末装置の数が増えても、アップリンクにおいて、通信特性を低下させないというスケーラビリティを向上できるとともに、スループットを向上できる。
また、上述したように、端末装置2は、Pollフレームを受信したときの受信SNRに対応する送信レートr2でパケットPAUをアクセスポイント1へ送信し、端末装置3は、ACKフレームを受信したときの受信SNRに対応する送信レートr3でパケットPBUをアクセスポイント1へ送信する。
即ち、端末装置2,3の各々は、基準のリンク品質(=しきい値γ0からなる正規化SNRを有するリンクのリンク品質)以上のリンク品質において、実際のリンク品質(=計測した受信SNRを有するリンクのリンク品質)に応じた送信レートでパケットを送信する(端末装置2は、送信レートr2でパケットPAUを送信し、端末装置3は、送信レートr3でパケットPBUを送信する)。
従って、実際のリンク品質が高い程、送信レートr2,r3が大きくなり、スループットを向上できる。
更に、端末装置3は、タイミングt2で開始される第7番目のスロットにおいて無線装置2からパケットPAUを受信したとき、自己のパケットPBUをアクセスポイント1へ送信せず、タイミングt4以降、バックオフタイマーを再度設定し、自己のバックオフタイマーが最初に“0”になったとき、パケットPBUをアクセスポイント1へ送信する。
従って、パケットPAUと、パケットPBUとの衝突を回避できる。
更に、端末装置4は、計測した受信SNR(=γ4’)がしきい値γ0よりも小さいとき、Pollフレームを再度受信するまで、パケットPCUをアクセスポイント1へ送信しない。
従って、リンク品質が低い端末装置4による無線通信を排除してスケーラビリティおよびスループットを高くできる。
アップリンクにおける異常対策について説明する。
(1)全てのリンクの正規化SNRがしきい値γ0よりも小さい場合、全ての端末装置は、アクセスポイント1へパケットを送信できない。その結果、アクセスポイント1がPollフレームまたはACKフレームを送信した後、チャネルは、N×スロットの間、アイドル状態になる。そこで、アクセスポイント1は、N×スロットが経過すると、再度、Pollフレームを端末装置2〜4へ送信する。
(2)2個以上の端末装置が同時にパケットを送信した場合、アクセスポイント1は、パケットを正しく受信できず、チャネルは、アイドル状態になる。そこで、アクセスポイント1は、N×スロットが経過すると、再度、Pollフレームを端末装置2〜4へ送信する。
(3)端末装置2〜4がアクセスポイント1へパケットを送信する途中で、チャネル状況が変わってしまい、アクセスポイント1は、パケットを正しく受信できず、チャネルは、アイドル状態になる。そこで、アクセスポイント1は、N×スロットが経過すると、再度、Pollフレームを端末装置2〜4へ送信する。
次に、アクセスポイント1から端末装置2〜4へパケットを送信する方法について説明する。図7は、アクセスポイント1から端末装置2〜4へパケットを送信する方法を説明するための図である。
アクセスポイント1は、それぞれ、端末装置2〜4へ送信するパケットPAD,PBD,PCDをバッファ14に格納している。
アクセスポイント1の制御手段13は、端末装置2〜4からアクセスポイント1へパケットを送信する場合と同様にしてPollフレームを生成して端末装置2〜4へ送信する。この場合、Pollフレームは、アクセスポイント1が端末装置2〜4へ送信すべきパケットを保持していることを示すビットマップBMを含む(図4参照)。
端末装置2〜4の送受信手段22は、アクセスポイント1から送信されたPollフレームをタイミングt11で受信し、それぞれ、受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を計測する。そして、端末装置2〜4の送受信手段22は、それぞれ、その計測した受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を用いて平均値/γ2’,/γ3’,/γ4’を更新する。その後、端末装置2〜4の送受信手段22は、その更新した平均値/γ2’,/γ3’,/γ4’を用いてそれぞれ正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)を求める。
そうすると、端末装置2〜4の送受信手段22は、Pollフレームからしきい値γ0を取り出し、正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)をしきい値γ0と比較する。この場合、γ2>γ0,γ3>γ0,γ4<γ0であるとする。
また、端末装置2〜4の送受信手段22は、PollフレームのビットマップBMを参照して、アクセスポイント1が自端末宛てのパケットを保持していることを検知する。
端末装置4の送受信手段22は、γ4<γ0であるので、次のチャネル取得競争に参加しない。
一方、端末装置2,3の送受信手段22は、アクセスポイント1が自端末宛てのパケットを保持しており、かつ、γ2>γ0,γ3>γ0であるので、次のチャネル取得競争に参加し、それぞれ、バックオフタイマーを0〜Nの間の一様な乱数から選択した6,8に設定する。
そして、端末装置2の送受信手段22は、タイミングt11の後、DIFSが経過すると、バックオフタイマーが“6”から“0”になるのを計測する。
端末装置3の送受信手段22も、同様に、タイミングt11の後、DIFSが経過すると、バックオフタイマーが“8”から“0”になるのを計測する。
端末装置2の送受信手段22は、タイミングt12で、自己におけるバックオフタイマーが“0”になったことを検知し、端末装置2のMACアドレスMACadd_2を含むCTSフレームを生成してアクセスポイント1へ送信する。
そうすると、端末装置3の送受信手段22は、端末装置2から送信されたCTSフレームを7番目のスロットで受信し、チャネルが使用状態であることを検知する。従って、端末装置3の送受信手段22は、端末装置3のMACアドレスMACadd_3を含むCTSフレームをアクセスポイント1へ送信するのを停止する。
アクセスポイント1の送受信手段12は、端末装置2から送信されたCTSフレームをタイミングt13で受信し、その受信したCTSフレームが端末装置2のMACアドレスMACadd_2を含むことを検知する。つまり、アクセスポイント1の送受信手段12は、端末装置2がパケットの送信を要求していることを検知する。
また、アクセスポイント1の送受信手段12は、CTSフレームを受信したときの受信SNR(=γ1’)を計測し、図5に示す受信SNRと送信レートとの関係を参照して、その計測した受信SNR(=γ1’)に対応する送信レートr1を検出する。
そうすると、アクセスポイント1の送受信手段12は、タイミングt13からSIFSが経過したタイミングt14で、端末装置2宛てのパケットPADをバッファ14から取り出し、その取り出したパケットPADを送信レートr1で端末装置2へ送信する。
端末装置2の送受信手段22は、タイミングt15で、アクセスポイント1からパケットPADを受信し、パケットPADを受信したときの受信SNR(=γ2’)を計測する。そして、端末装置2の送受信手段22は、その受信したパケットPADを通信手段24へ出力し、通信手段24は、パケットPADを受理する。
また、端末装置3,4の送受信手段22も、タイミングt15でパケットPADを受信し、パケットPADを受信したときの受信SNR(=γ3’,γ4’)をそれぞれ計測する。
その後、端末装置2の通信手段24は、タイミングt15からSIFSが経過すると、ACKフレームを生成して送受信手段22へ出力し、送受信手段24は、ACKフレームをアクセスポイント1へ送信する。
アクセスポイント1が端末装置2からのACKフレームを受信したタイミングt16からDIFSが経過すると、端末装置2〜4の送受信手段22は、それぞれ、受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を用いて平均値/γ2’,/γ3’,/γ4’を更新するとともに、その更新した平均値/γ2’,/γ3’,/γ4’を用いて正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)を求める。
そして、端末装置2〜4の送受信手段22は、正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)をしきい値γ0と比較する。この場合も、γ2>γ0,γ3>γ0,γ4<γ0であるとする。
端末装置4の送受信手段22は、γ4<γ0であるので、次のチャネル取得競争に参加しない。また、端末装置2の送受信手段22は、γ2>γ0であるが、アクセスポイント1からパケットPADを既に受信しているので、次のチャネル取得競争に参加しない。
そして、端末装置3の送受信手段22は、アクセスポイント1が端末装置3宛てのパケットPBDを保持しており、かつ、γ3>γ0であるので、次のチャネル取得競争に参加し、バックオフタイマーを0〜Nの間の一様な乱数から選択した3に設定する。
その後、端末装置3の送受信手段22は、バックオフタイマーが“3”から“0”になると、タイミングt17で、端末装置3のMACアドレスMACadd_3を含むCTSフレームを生成してアクセスポイント1へ送信する。
アクセスポイント1の送受信手段12は、端末装置3から送信されたCTSフレームをタイミングt18で受信し、その受信したCTSフレームが端末装置3のMACアドレスMACadd_3を含むことを検知する。つまり、アクセスポイント1の送受信手段12は、端末装置3がパケットの送信を要求していることを検知する。
また、アクセスポイント1の送受信手段12は、CTSフレームを受信したときの受信SNR(=γ1’)を計測し、図5に示す受信SNRと送信レートとの関係を参照して、その計測した受信SNR(=γ1’)に対応する送信レートr1を検出する。
そうすると、アクセスポイント1の送受信手段12は、タイミングt18からSIFSが経過したタイミングt19で、端末装置3宛てのパケットPBDをバッファ14から取り出し、その取り出したパケットPBDを送信レートr1で端末装置3へ送信する。
端末装置3の送受信手段22は、タイミングt20で、アクセスポイント1からパケットPBDを受信する。そして、端末装置3の送受信手段22は、その受信したパケットPBDを通信手段24へ出力し、通信手段24は、パケットPBDを受理する。
そうすると、端末装置3の通信手段24は、タイミングt20からSIFSが経過した後、ACKフレームを生成して送受信手段22へ出力し、送受信手段24は、ACKフレームをアクセスポイント1へ送信する。
そして、アクセスポイント1の送受信手段12は、端末装置3からACKフレームを受信する。
端末装置2〜4のうち、1回目のPollフレームを受信したときの受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を用いて求められた正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)がしきい値γ0以上である端末装置2,3は、それぞれ、パケットPAD,PBDを既にアクセスポイント1から受信している。
その結果、タイミングt21以降、アクセスポイント1へパケットの送信を要求する端末装置は存在しない。
従って、アクセスポイント1の送受信手段12は、タイミングt21以降、DIFSが経過すると、N×スロットを計測する。そして、アクセスポイント1の送受信手段12は、N×スロットが経過すると、Pollフレームを再度生成するように制御手段13へ要求し、制御手段13は、タイミングt22で、再度、Pollフレームを生成して端末装置2〜4へ送信する。
それ以降、上述した動作を繰り返し、パケットがアクセスポイント1から端末装置2〜4へ送信される。
上述したように、タイミングt11〜t21の間においては、しきい値γ0以上である正規化SNR(=γ)を有する端末装置2,3だけがアクセスポイント1からパケットを受信する。このしきい値γ0は、上述したように、パケットの衝突を回避する確率が最も大きく、かつ、リンク品質が基準のリンク品質(=γ0)よりも良い端末装置の個数が最大となるときの正規化SNRである。
また、タイミングt11〜t21の間においては、端末装置2,3は、バックオフタイマーを用いてCTSフレームの衝突を回避する。
更に、1回目のPollフレームを受信したときの受信SNRを用いて求めた正規化SNRがしきい値γ0よりも小さい端末装置4は、次のPollフレームを受信するまでパケットをアクセスポイント1から受信できない。
その結果、しきい値γ0以上である正規化SNR(=γ)を有する端末装置2,3は、パケットの衝突を回避しながら、基準のリンク品質よりも良いリンク品質を有するリンクを用いてパケットをアクセスポイント1から受信する。つまり、しきい値γ0以上である正規化SNR(=γ)を有する端末装置2,3は、アクセスポイント1の通信範囲内に存在する端末装置の数が増加しても、パケットの衝突を回避しながら、基準のリンク品質(=しきい値γ0からなる正規化SNRを有するリンクのリンク品質)よりも良いリンク品質でパケットをアクセスポイント1から受信する。
従って、この発明によれば、端末装置の数が増えても、ダウンリンクにおいて、通信特性を低下させないというスケーラビリティを向上できるとともに、スループットを向上できる。
その他、上述したアップリンクにおける効果と同じ効果がダウンリンクにおいても得られる。
ダウンリンクにおける異常対策について説明する。
(4)全てのリンクの正規化SNRがしきい値γ0よりも小さい場合、全ての端末装置は、アクセスポイント1へパケットの送信を要求できない。その結果、アクセスポイント1がACKフレームを受信した後、チャネルは、N×スロットの間、アイドル状態になる。そこで、アクセスポイント1は、N×スロットが経過すると、再度、Pollフレームを端末装置2〜4へ送信する。
(5)端末装置2〜4がアクセスポイント1からのパケットを傍受できる確率は、リンク品質に依存する。ある端末装置は、パケットを正しく傍受できない場合、受信SNRを計測できず、次のPollフレームを受信するまでチャネル取得競争に参加しない。
(6)アクセスポイント1からパケットを既に受信した端末装置は、アクセスポイント1が自己宛ての別のパケットを保持しているか否かを検知できないので、次のPollフレームを受信するまでチャネル取得競争に参加しない。
図8は、アップリンクにおける動作を説明するためのフローチャートである。図8を参照して、アップリンクにおける動作が開始されると、アクセスポイント1は、上述した方法によってPollフレームを生成して端末装置2〜4へ送信する(ステップS1)。
そして、端末装置2〜4は、Pollフレームを受信し、Pollフレームを受信したときの受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を計測する(ステップS2)。
その後、端末装置2〜4は、その計測した受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を用いて平均値/γ2’,/γ3’,/γ4’を更新し、その更新した平均値/γ2’,/γ3’,/γ4’を用いてそれぞれ正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)を算出する(ステップS3)。
そうすると、端末装置2〜4は、受信したPollフレームからしきい値γ0を取り出し、正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)をしきい値γ0と比較し、正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)の全てがしきい値γ0よりも小さいか否かを判定する(ステップS4)。
ステップS4において、正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)の全てがしきい値γ0よりも小さいと判定されたとき、アクセスポイント1は、N×スロットの経過後、次のPollフレームを端末装置2〜4へ送信する(ステップS5)。そして、一連の動作は、ステップS2へ戻る。
一方、ステップS4において、正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)の全てがしきい値γ0よりも小さくないと判定されたとき、しきい値γ0以上の正規化SNRを有する端末装置のうち、バックオフタイマーが最も早く“0”になった端末装置がパケットをアクセスポイント1へ送信する(ステップS6)。
そして、アクセスポイント1は、パケットを受信し(ステップS7)、ACKフレームを送信する(ステップS8)。
その後、端末装置2〜4は、ACKフレームを受信し、ACKフレームを受信したときの受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を計測する(ステップS9)。
そして、しきい値γ0以上の正規化SNRを有する端末装置の全てがパケットを送信したか否かが判定される(ステップS10)。
ステップS10において、しきい値γ0以上の正規化SNRを有する端末装置の全てがパケットを送信していないと判定されたとき、一連の動作は、ステップS3へ戻り、上述したステップS3〜ステップS10が順次実行される。この場合、ステップS3において、ステップS9において計測された受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を用いて、平均値/γ2’,/γ3’,/γ4’が更新され、その更新された平均値/γ2’,/γ3’,/γ4’を用いてそれぞれ正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)が算出される。
一方、ステップS10において、しきい値γ0以上の正規化SNRを有する端末装置の全てがパケットを送信したと判定されたとき、一連の動作は、ステップS5へ戻り、上述したステップS5,S2〜S10が実行される。
アクセスポイント1および端末装置2〜4は、図8に示すフローチャートを繰り返し実行してアップリンクにおける無線通信を行う。
図9は、ダウンリンクにおける動作を説明するためのフローチャートである。図9を参照して、ダウンリンクにおける動作が開始されると、アップリンクにおけるステップS1〜S5とそれぞれ同じステップS21〜ステップS25が順次実行される。
そして、ステップS24において、正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)の全てがしきい値γ0よりも小さくないと判定されたとき、しきい値γ0以上の正規化SNRを有し、かつ、自己宛てのパケットがある端末装置のうち、バックオフタイマーが最も早く“0”になった端末装置は、自己のMACアドレスを含むCTSフレームを生成して送信する(ステップS26)。
その後、アクセスポイント1は、CTSフレームを受信し(ステップS27)、CTSフレームを受信したときの瞬時の受信SNRを検出する。そして、アクセスポイント1は、その検出した受信SNRに対応する送信レートr1を検出する。
そうすると、アクセスポイント1は、CTSフレームに含まれるMACアドレスを宛先とするパケットを送信レートr1で送信する(ステップS28)。
端末装置2〜4は、パケットを受信し、パケットを受信したときの受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を計測する(ステップS29)。
そして、CTSフレームを送信した端末装置は、ACKフレームを生成して送信し(ステップS30)、アクセスポイント1は、ACKフレームを受信する(ステップS31)。
その後、しきい値γ0以上の正規化SNRを有する端末装置の全てがCTSフレームを送信したか否かが判定される(ステップS32)。
ステップS32において、しきい値γ0以上の正規化SNRを有する端末装置の全てがCTSフレームを送信したと判定されたとき、一連の動作は、ステップS25へ戻り、上述したステップS25,S22〜S32が実行される。
一方、ステップS32において、しきい値γ0以上の正規化SNRを有する端末装置の全てがCTSフレームを送信していないと判定されたとき、一連の動作は、ステップS23へ戻り、上述したステップS23〜ステップS32が実行される。この場合、ステップS23において、ステップS29において計測された受信SNR(=γ2’,γ3’,γ4’)を用いて、平均値/γ2’,/γ3’,/γ4’が更新され、その更新された平均値/γ2’,/γ3’,/γ4’を用いてそれぞれ正規化SNR(=γ2,γ3,γ4)が算出される。
アクセスポイント1および端末装置2〜4は、図9に示すフローチャートを繰り返し実行してダウンリンクにおける無線通信を行う。
アクセスポイント1および端末装置2〜4は、アップリンクおよびダウンリンクの両方において無線通信を行なうことも可能である。
この場合、端末装置2〜4の各々は、アクセスポイント1からPollフレームを受信したとき、またはアクセスポイント1がパケットの送受信を終了した時点で、下記の2つの条件を同時に満たせば、チャネルにアクセスする。
(Cnd1)自端末で計測した正規化SNRが前回受信したPollフレームに含まれるしきい値γ0よりも大きい。
(Cnd2)Pollフレームに含まれるビットマップBMに示されているアクセスポイントから自端末へのパケットを受信していない、または自端末からアクセスポイントへパケットを送信する予定がある。
そして、アクセスポイント1および端末装置2〜4は、上述した図8に示すフローチャートに従ってアップリンクにおける動作を実行し、上述した図9に示すフローチャートに従ってダウンリンクにおける動作を実行する。
図10は、アップリンクにおけるスループットと端末装置の個数との関係を示す図である。
図10において、縦軸は、スループットを表し、横軸は、端末装置の個数を表す。また、曲線k1は、この発明による通信方式を用いた場合のスループットと端末装置の個数との関係を示し、曲線k2は、通信の順番が予め決定されている場合のスループットと端末装置の個数との関係を示し、曲線k3は、CSMA/CA方式を用いた場合のスループットと端末装置の個数との関係を示す。
図10に示すように、スループットは、この発明による通信方式を用いた場合、端末装置の個数の増加に対して向上し、10個以上の端末装置の個数に対してほぼ一定になる(曲線k1参照)。
また、スループットは、通信の順番が予め決定されている場合またはCSMA/CA方式を用いた場合、端末装置の個数の増加に対して減少する(曲線k2,k3参照)。
従って、この発明による通信方式を用いることによって、端末装置の個数が増加しても高いスループットを実現できることが解った。
上記においては、アップリンクにおける無線通信、ダウンリンクにおける無線通信、およびアップリンクおよびダウンリンクにおける無線通信について説明したが、この発明は、アップリンクにおける無線通信を行なう無線通信システム、ダウンリンクにおける無線通信を行なう無線通信システム、およびアップリンクおよびダウンリンクにおける無線通信を行なう無線通信システムのいずれかであればよい。
なお、この発明の実施の形態においては、アクセスポイント1は、「第1の無線装置」を構成し、端末装置2〜4は、「n(nは正の整数)個の第2の無線装置」を構成する。
また、この発明の実施の形態においては、N×スロットは、「一定の空き期間」を構成する。
更に、この発明の実施の形態においては、Pollフレームは、「制御フレーム」または「第1の制御フレーム」を構成する。
更に、この発明の実施の形態においては、CTSフレームは、「第2の制御フレーム」を構成する。
更に、この発明の実施の形態においては、Pollフレームに含まれるビットマップBMは、「宛先情報」を構成する。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。