JP2011176498A

JP2011176498A - 無線通信方法、無線基地局、無線アクセスシステム

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Publication number: JP2011176498A
Application number: JP2010037960A
Authority: JP
Inventors: Fusao Nuno; 房夫布; Yoshitaka Shimizu; 芳孝清水; Kazuto Goto; 和人後藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2011-09-08
Anticipated expiration: 2030-02-23
Also published as: JP5378269B2

Abstract

【課題】非優先クラスの端末装置数が増加してトラヒックが増加した場合であっても優先クラスの端末装置の通信品質を所定の品質に維持する無線通信方法を提供する。
【解決手段】優先クラスの端末装置と非優先クラスの端末装置とがランダムアクセス方式によって無線基地局と通信を行う無線アクセスシステムにおける無線通信方法であって、前記無線基地局は、前記優先クラスで規定されている伝送遅延時間、優先クラスのアクセスパラメータ、実効ＲＡスロット長とから、優先クラスで規定されている伝送遅延時間を維持可能な送信失敗確率の最大値を算出し、算出された送信失敗確率の最大値から、非優先クラスのアクセスパラメータを算出し、前記算出されたアクセスパラメータを各端末装置に報知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線回線を介して接続される無線データ受信装置(無線基地局)と複数の無線データ送信装置(無線端末局)との間での通信を行う無線通信方法、無線基地局、無線アクセスシステムに関する。

有線ネットワークのアクセス系として用いられる無線アクセスシステムのアクセス方式は、無線基地局により全無線端末の送信タイミングを管理する集中制御方式と、各無線端末が各々独立に送信タイミングを決め送信を行う分散制御方式の２つの方式に大別できる。
分散制御方式は、集中制御方式に比べ基地局構成が簡易となる。また、基地局から無線端末を制御する必要がないことから、制御用信号が不要であり、高いスループットが実現できる。

この分散制御方式では、各無線端末局が個別に送信タイミングを決定するため、複数の無線端末局において送信が行われた場合、送信パケットが衝突する可能性がある。特に輻輳状態においては、パケット衝突が頻繁に発生しスループットを低減させる。そのため、分散制御方式では、衝突回避アルゴリズムが用いられる。

IEEE802.11では、衝突回避アルゴリズムとして、Exponential back off アルゴリズムが用いられる。IEEE802.11で用いられる衝突回避アルゴリズムのバックオフの動作を図１０に示す。このアルゴリズムを用いて送信する場合、0からある規定値(ウィンドウ・サイズ)の間の乱数を算出し、その値だけ、送信を遅らせて(バックオフさせて)送信を行う。最初に送信する場合の乱数の最大値は初期バックオフ・ウィンドウ・サイズとして規定される。衝突等でパケットの送信に失敗した場合、ウィンドウ・サイズをx倍し、その範囲でバックオフ時間を算出し、その値だけ送信を遅らせて再送する。ウィンドウ・サイズを大きくさせる値(上記のx)はパーシステント・ファクタ(PF)と呼ばれる。再び送信に失敗した場合、更にウィンドウ・サイズをx倍しバックオフ値を算出し、バックオフしたのち送信を行う。Exponential back off アルゴリズムでは、この動作を送信が成功するまで、もしくは、再送回数が予め設定された最大再送回数に達するまで繰り返す。

Exponential back off アルゴリズムを用いた分散制御方式においてQoS (Quality of Service)を提供する方式として、IFS (Inter Frame Space )、初期バックオフ・ウィンドウ・サイズ、PFのパラメータをサービスクラス毎に規定し、サービスクラス毎に優先制御を行う方式がある(参考文献1)。ここで、IFSとは、時間的に前の送信が終了し、無線回線が空に変わった時刻からバックオフを開始するまでに空ける必要のある時間のことであり、IFSが短い場合、送信優先度が高く、IFSが長い場合、優先度が低いと言える。

IEEE Std 802.11-1997 (p.73-80)

このような無線アクセスシステムにおいて、下記の（１）〜（３）の要求を満たすことが必要となる場合がある。
（１）広域性(一つの基地局により広い範囲をカバー (例えば、半径3.5kmのエリア))
（２）超多次元マルチアクセスを実現(例えば、収容端末100万台以上等)
（３）QoSの提供 (QoSを規定する指標として平均伝送遅延時間を使用)

しかしながら、（１）〜（３）に示すような無線アクセスシステムにおいて、上述した方式を用いた場合、下記の問題点がある。
ａ）上記の要求条件（１）〜（３）を前提とした想定システムにおいては、無線端末間でキャリアスキャンができない場合があり、IFS (Inter Frame Space)による優先制御方式を用いることができない。
ｂ）システムに加わるトラヒックの増加の原因としては、原因（i）各端末の発生トラヒックが増加することによる場合と、原因（ii）端末当たりのトラヒック量は変化しないが端末数が増加することよる場合の２通りがある。トラヒック増加が原因（i）でもたらされる場合、低優先度の端末の送信を十分に抑制できるため従来方式の優先制御方式でも効果が見込めるが、原因（ii）の場合では、低優先度端末の送信を十分に抑制できないため従来方式でQoSを提供することは困難である。さらに、想定システムは、超多次元マルチアクセスを実現することを目的とした通信システムであり、収容端末数が多く、原因（ii）によってトラヒックが増加することが頻繁に起こると予測される。
c）従来方式で送信制御に用いるパラメータ(IFS、初期バックオフ・ウィンドウ・サイズ、PF)と伝送遅延時間との間には定性的な関係はあるが、それぞれのパラメータのトラヒック制御に対する効果は、1台の基地局に収容する端末の数により変わるため、定量的な関係を一意に決めることができない。

従って、a）〜c）の要求条件を満たす無線アクセスシステムを実現するためには下記の課題を解決する必要がある。
(A)キャリアスキャンおよびIFSを用いない優先制御方式の確立
(B)端末数の増加によるトラヒック増加が起きた場合でもQoSを提供できる優先制御方式の確立
(C)QoSを規定する具体的指標に従って、その条件を満足させることのできる優先制御方式の確立
(D)アクセス方式(分散制御方式、集中制御方式)をトラヒックに応じて適応的に選択するアクセス切替方式の確立

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、非優先クラスの端末装置数が増加してトラヒックが増加した場合であっても優先クラスの端末装置の通信品質を所定の品質に維持する無線通信方法、無線基地局、無線アクセスシステムを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、優先クラスの端末装置と非優先クラスの端末装置とがランダムアクセス方式によって無線基地局と通信を行う無線アクセスシステムにおける無線通信方法であって、前記無線基地局は、前記優先クラスで規定されている伝送遅延時間、優先クラスのアクセスパラメータ、実効ＲＡスロット長とから、優先クラスで規定されている伝送遅延時間を維持可能な送信失敗確率の最大値を算出し、算出された送信失敗確率の最大値から、非優先クラスのアクセスパラメータを算出し、前記算出されたアクセスパラメータを各端末装置に報知することを特徴とする。

また、本発明は、上述の無線通信方法において、前記無線基地局は、前記ＭＡＣフレーム長を当該ＭＡＣフレームに割り当てられる平均ＲＡスロット数で割ることにより実効ＲＡスロット長を算出し、算出された実効ＲＡスロット長を用いて送信失敗確率の最大値を算出することを特徴とする。

また、本発明は、上述の無線通信方法において、前記無線基地局は、前記非優先クラスのアクセスパラメータ、送信確率、データ発生確率、最大再送回数、優先クラスおよび非優先クラスのそれぞれの端末装置の台数とから、アクセスパラメータを算出することを特徴とする。

また、本発明は、優先クラスの端末装置と非優先クラスの端末装置とがランダムアクセス方式によって無線基地局と通信を行う無線アクセスシステムにおける無線基地局であって、前記優先クラスで規定されている伝送遅延時間、優先クラスのアクセスパラメータ、実効ＲＡスロット長とから、優先クラスで規定されている伝送遅延時間を維持可能な送信失敗確率の最大値を算出する送信失敗確率算出部と、算出された送信失敗確率の最大値から、非優先クラスのアクセスパラメータを算出するアクセスパラメータ算出部と、前記算出されたアクセスパラメータを各端末装置に報知する報知部と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、上述の無線通信方法において、優先クラスの端末装置と非優先クラスの端末装置とがランダムアクセス方式によって無線基地局と通信を行う無線アクセスシステムであって、前記無線基地局は、前記優先クラスで規定されている伝送遅延時間、優先クラスのアクセスパラメータ、実効ＲＡスロット長とから、優先クラスで規定されている伝送遅延時間を維持可能な送信失敗確率の最大値を算出する送信失敗確率算出部と、算出された送信失敗確率の最大値から、非優先クラスのアクセスパラメータを算出するアクセスパラメータ算出部と、前記算出されたアクセスパラメータを各端末装置に報知する報知部と、を有し、前記端末装置は、前記無線基地局から送信されるアクセスパラメータに従ってバックオフを行い、帯域要求を送信する送信部を有することを特徴とする。

以上説明したように、この発明によれば、非優先クラスの端末数が増加することによりトラヒックが増加した場合であっても、最適なアクセスパラメータを選択することにより、通信品質を維持しつつ、スループットを最大にすることが可能である。

この発明の一実施形態による無線アクセスシステムの構成を示す図である。本実施形態における無線アクセスシステム１で用いるMACフレームの構成を示す図である。無線アクセスシステム１の機能を説明するブロック図である。アップリンクにおいてデータを送信する場合のアクセスシーケンスを示す図である。ランダムアクセスにおけるバックオフシーケンスを示す図である。無線基地局１０が行うアクセスパラメーラを算出する処理を説明するフローチャートである。実効ＲＡスロット長について説明する図である。送信失敗確率と伝送遅延時間とを関係を表す図である。非飽和状態における無線端末２０の送信動作を表すマルコフモデルの図である。衝突回避アルゴリズムのバックオフの動作を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態による無線アクセスシステムについて図面を参照して説明する。図１は、この発明の一実施形態による無線アクセスシステムの構成を示す図である。
無線アクセスシステム１は、有線ネットワーク２に接続された一つの無線基地局１０と、その無線基地局１０を経由して有線ネットワーク２に接続する複数の無線端末２０とから構成される。無線を介した無線端末２０同士の通信では、分散制御アルゴリズムを用いたアクセス方式が用いられる場合がある。

図２は、本実施形態における無線アクセスシステム１で用いるMACフレームの構成を示す図である。アクセス方式としてはTDMA/TDD(Time Division Multiple Access/Time Division Duplex)を用い、多次元接続および双方向通信を実現する。この図において、MACフレームの長さは固定長であり、MACフレーム前半が基地局から端末へ向かうダウンリンクであり、後半が逆方向のアップリンクである。

ダウンリンクは、報知情報を送信するブロードキャスト領域（ＢＣ）とユニキャスト・データを送信するデマンドアサイン領域（ＤＡ）から構成され、ブロードキャスト領域ではBCCH（Broadcast Control CHannel）、FCCH（Frame Control CHannel）、RFCH(Random access Feedback CHannel)が送信される。BCCHは、基地局ID、MACフレーム番号等のシステム共通情報の報知に用いられ、FCCHは、そのMACフレームの構成を示す情報を報知し、RFCHは、前MACフレームにおけるランダムアクセスの成否および無線端末２０で用いられるランダムアクセスパラメータ(初期バックオフ・ウィンドウ・サイズ、PF)、RAスロット数およびその位置が報知される。

アップリンクは、ユニキャスト・データを送信するデマンドアサイン領域（ＤＡ）とRAスロットで構成されるランダムアクセス領域から構成される。ダウンリンク、アップリンクともデマンドアサイン領域では、ユニキャスト・データが送信される。

図３は、上述した無線アクセスシステム１の機能を説明するブロック図である。
この図において、無線基地局１０は、中央処理装置や記憶装置から構成され、実効ＲＡスロット長算出部１１と、送信失敗確率算出部１２と、アクセスパラメータ算出部１３と、報知信号生成部１４と、通信部１５とを有する。実効ＲＡスロット長算出部１１は、ＭＡＣフレーム長を当該ＭＡＣフレームに割り当てられる平均ＲＡスロット数で割ることにより実効ＲＡスロット数を算出する。送信失敗確率算出部１２は、優先クラスで規定されている伝送遅延時間、優先クラスのアクセスパラメータ、実効ＲＡスロット長とから、優先クラスで規定されている伝送遅延時間を維持可能な送信失敗確率の最大値を算出する。ここでは、送信失敗確率算出部１２は、実効ＲＡスロット長算出部１１によって算出された値を用いる。アクセスパラメータ算出部１３は、算出された送信失敗確率の最大値から、非優先クラスのアクセスパラメータを算出する。報知信号生成部１４は、算出されたアクセスパラメータを各端末装置に報知するための報知信号を生成する。通信部１５は、各無線端末２０と通信を行う機能を有するとともに、報知信号生成部１４が生成した報知信号を無線端末２０に送信する機能を有する。

無線端末２０は、中央処理装置や記憶装置から構成され、通信部２１、通信制御部２２を有する。通信部２１は、無線基地局１０と通信を行う。通信制御部２２は、無線基地局１０から送信されるアクセスパラメータに従ってバックオフを行い、帯域要求を送信する制御を行う。

図４は、アップリンクにおいてデータを送信する場合のアクセスシーケンスを示す図である。アクセスシーケンスは、大別すると、帯域要求フェーズ、データ送信フェーズ、ACK受信フェーズ、の３つのフェーズから成る。
帯域要求フェーズでは、ランダムアクセスによりデータを送信するための帯域を要求する。ランダムアクセスが成功し、無線基地局へ帯域要求を送信できた場合、データ送信フェーズへ移行する。
無線端末２０は、データ送信フェーズにおいて無線基地局１０によりデータ送信用帯域が割り当てられるのを待つ。帯域の割当はFCCHにより指示される。無線基地局１０により帯域が割り当てられた場合、無線端末２０は、その帯域を用いてデータを送信し、ACK受信フェーズへ移行する。
ACK受信フェーズでは、無線端末２０は、無線基地局１０が正常にデータを受信したことを示すACKが無線基地局１０から送られてくるのを待つ。無線端末２０が無線基地局１０からのACKを受信することで一つのアクセスシーケンスが終了する。

《具体例》
ランダムアクセスでは、各無線端末２０から送信されるパケット同士の衝突を回避するためバックオフを実施する。
図５は、ランダムアクセスにおけるバックオフシーケンスを示す図である。
無線基地局１０の通信部１５は、MACフレーム先頭のブロードキャスト領域においてRFCHを用いて、各クラスの初期バックオフ・ウィンドウ・サイズ、PF、およびそのMACフレームにおけるRAスロット数とそのRAスロットの位置を示すＲＡスロット位置情報を送信する（ステップＳ１０）。無線端末２０の通信部２１は、毎MACフレーム、RFCHを受信することで、最新のパラメータに更新する（ステップＳ１１）。

次に、無線端末２０の通信制御部２２は、送信データが発生すると（ステップＳ１２）、初期バックオフ・ウィンドウ・サイズからバックオフ・スロット数を算出する（ステップＳ１３）。ここで算出されるバックオフ・スロット数は、0〜(初期バックオフ・ウィンドウ・サイズ-1)の範囲の乱数を用いる。そして、無線端末２０は、MACフレームのRA領域において、算出したバックオフ・スロット数だけバックオフを実施したのち、RAスロットにおいて帯域割当要求を通信部２１を介して送信する（ステップＳ１４）。送信データの発生したMACフレームにおけるRAスロット数が、算出したバックオフ・スロット数よりも少ない場合、バックオフの動作は、次MACフレームにおいて引き続き実施される。

上記の通り、無線端末２０で実施されるバックオフは、無線基地局１０で決定された初期バックオフ・ウィンドウ・サイズおよびPFを元に算出されたバックオフ・スロット数だけ行われる。

ここでは、クラス毎に初期バックオフ・ウィンドウ・サイズとPFとのいずれか一方、または初期バックオフ・ウィンドウ・サイズとPFとの両方を設定することで、優先制御を実現できる。これらのパラメータを設定する方法において本発明を使用する。無線基地局１０において初期バックオフ・ウィンドウ・サイズをどのように決定するかについて、以下に示す。
この例では、PFは固定値とし、初期バックオフ・ウィンドウ・サイズのみを動的に変える場合について説明する。また、この例における無線アクセスシステム１では、2つのクラス（優先クラス、非優先クラス）を設け、優先クラスでは“平均遅延時間≦要求品質閾値”で規定されるQoSを提供するものとする。

ここでは、通信品質クラスとして優先クラス、非優先クラスの二つがある場合について考える。この優先クラスは、満たすべき通信品質が規定されており、非優先クラスは、ベストエフォートである。そして、発生トラヒックに応じ、非優先クラスのアクセスパラメータを制御することによって、非優先クラスのトラヒックを抑制し、優先クラスの通信品質を維持する方式を考える。
また、優先クラスのアクセスパラメータについては通信品質を常に維持する必要があることから今回のケースでは動的制御は行わないと仮定する。

無線基地局１０は、この非優先クラスの適切なアクセスパラメータの算出を行い、算出した値を、報知チャネルを用いて、各無線端末２０へ通知する。このアクセスパラメータの算出は、実効RAスロット長算出、RAスロット送信失敗確率算出、初期バックオフ・ウィンドウ・サイズ(アクセスパラメータ)算出の3つのステップにより行われる。

図６は、無線基地局１０が行うアクセスパラメータを算出する処理を説明するフローチャートである。
まず、無線基地局１０の実効ＲＡスロット長算出部１１は、ＭＡＣフレームに割り当てられたＲＡスロット数とＭＡＣフレーム長から実効ＲＡスロット長を算出する（ステップＳ２０）。実効ＲＡスロット長が算出されると、送信失敗確率算出部１２は、規定された遅延時間条件を満足させるために必要となるＲＡスロット送信失敗確率ｐの算出をする（ステップＳ２１）。そして、アクセスパラメータ算出部１３は、ＲＡスロット送信失敗確率ｐから非優先クラスのアクセスパラメータを算出する（ステップＳ２２）。

次に、上述の実効ＲＡスロット長の算出と、送信失敗確率の算出について説明する。
図７は、実効ＲＡスロット長について説明する図である。バックオフ動作において1バックオフ・スロットあたりに経過する平均時間を実効RAスロット長T_erssとすると、実効RAスロット長T_erssは、１つのMACフレームあたりに割り当てられる平均RAスロット数ＮでMACフレーム長を割った値となる。

図８は、送信失敗確率と伝送遅延時間との関係を表す図である。
無線基地局１０の送信失敗確率算出部１２は、送信失敗確率の算出を、優先クラスで規定されている伝送遅延時間と優先クラスのアクセスパラメータ、そして実効RAスロット長から、品質を維持する際に満たすべき送信失敗確率pの最大値を下記の（２）式により算出する。

ただし、（２）式のDelayは優先クラスの規定平均遅延時間、Woは優先クラスの初期バックオフ・ウィンドウ・サイズ、nは最大再送回数である。

図９は、Wo=32、N=10、n=1023として算出した送信失敗確率に対する平均伝送遅延時間特性の一例である。例えば、平均伝送遅延時間を８秒以下にする場合、ＲＡスロット送信失敗確率は０．４以下にする必要がある。

次に、初期バックオフ・ウィンドウ・サイズの算出について説明する。
図９は、非飽和状態における無線端末２０の送信動作を表すマルコフモデルの図である。初期バックオフ・ウィンドウ・サイズおよびデータ発生確率Pgは、クラス毎に異なるため、マルコフモデルも通信クラス毎に存在する。

ここで、優先クラスおよび非優先クラスの初期バックオフ・ウィンドウ・サイズ、送信確率、データ発生確率をそれぞれW0ｈ、τh、Pgh、およびW0l、τl、Pglとすると、それぞれの関係式はマルコフモデルを解くことにより式(３)から(６)が得られる。

なお、式中のmは最大再送回数、nlは非優先クラスの端末数、nhは優先クラスの端末数である。Pgh,Pglは、無線基地局２０で測定された受信データの受信間隔から算出できる。
アクセスパラメータ算出部１３は、上述の式（３）から（６）を計算することにより、W_0lを求める。求めたW_0lが非優先クラスの適正バックウインドウサイズであることから、その値を示す報知信号を報知信号生成部１４が生成し、通信部１５を介して、無線基地局１０から各端末装置に対して報知する。

以上説明したこの具体例によれば、非優先クラスの端末数が増加することによりトラヒックが増加した場合であっても、最適なアクセスパラメータを選択することにより、通信品質を維持しつつ、スループットを最大にすることが可能である。

また、以上説明した実施形態によれば、キャリアスキャンおよびIFSを用いない優先制御方式を確率することができ、端末数の増加によるトラヒック増加が起きた場合でもQoSを提供できる優先制御方式を確立することができ、QoSを規定する具体的指標に従って、その条件を満足させることのできる優先制御方式を確立することができ、アクセス方式(分散制御方式、集中制御方式)をトラヒックに応じて適応的に選択するアクセス切替方式を確立することができる。

また、図１における無線基地局１０の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより初期バックオフ・ウィンドウ・サイズの算出を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１無線アクセスシステム
１０無線基地局
１１実効ＲＡスロット長算出部
１２送信失敗確率算出部
１３アクセスパラメータ算出部
１４報知信号生成部
２０無線端末
１５、２１通信部
２２通信制御部

Claims

優先クラスの端末装置と非優先クラスの端末装置とがランダムアクセス方式によって無線基地局と通信を行う無線アクセスシステムにおける無線通信方法であって、
前記無線基地局は、
前記優先クラスで規定されている伝送遅延時間、優先クラスのアクセスパラメータ、実効ＲＡスロット長とから、優先クラスで規定されている伝送遅延時間を維持可能な送信失敗確率の最大値を算出し、
算出された送信失敗確率の最大値から、非優先クラスのアクセスパラメータを算出し、
前記算出されたアクセスパラメータを各端末装置に報知する
ことを特徴とする無線通信方法。
前記無線基地局は、
前記ＭＡＣフレーム長を当該ＭＡＣフレームに割り当てられる平均ＲＡスロット数で割ることにより実効ＲＡスロット長を算出し、算出された実効ＲＡスロット長を用いて送信失敗確率の最大値を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の無線通信方法。
前記無線基地局は、前記非優先クラスのアクセスパラメータ、送信確率、データ発生確率、最大再送回数、優先クラスおよび非優先クラスのそれぞれの端末装置の台数とから、アクセスパラメータを算出する
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の無線通信方法。
優先クラスの端末装置と非優先クラスの端末装置とがランダムアクセス方式によって無線基地局と通信を行う無線アクセスシステムにおける無線基地局であって、
前記優先クラスで規定されている伝送遅延時間、優先クラスのアクセスパラメータ、実効ＲＡスロット長とから、優先クラスで規定されている伝送遅延時間を維持可能な送信失敗確率の最大値を算出する送信失敗確率算出部と、
算出された送信失敗確率の最大値から、非優先クラスのアクセスパラメータを算出するアクセスパラメータ算出部と、
前記算出されたアクセスパラメータを各端末装置に報知する報知部と、
を有することを特徴とする無線基地局。
優先クラスの端末装置と非優先クラスの端末装置とがランダムアクセス方式によって無線基地局と通信を行う無線アクセスシステムであって、
前記無線基地局は、
前記優先クラスで規定されている伝送遅延時間、優先クラスのアクセスパラメータ、実効ＲＡスロット長とから、優先クラスで規定されている伝送遅延時間を維持可能な送信失敗確率の最大値を算出する送信失敗確率算出部と、
算出された送信失敗確率の最大値から、非優先クラスのアクセスパラメータを算出するアクセスパラメータ算出部と、
前記算出されたアクセスパラメータを各端末装置に報知する報知部と、を有し、
前記端末装置は、
前記無線基地局から送信されるアクセスパラメータに従ってバックオフを行い、帯域要求を送信する送信部
を有することを特徴とする無線アクセスシステム。