JP2013255143A - 無線通信装置、無線通信方法、無線通信システム、処理装置 - Google Patents

無線通信装置、無線通信方法、無線通信システム、処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】DCFの仕組みを殆ど変えずにMU-MIMOを実現する。
【解決手段】１つの無線基地局と、複数の無線端末局で構成される無線通信システムに使用する無線端末局装置であって、前記無線端末局装置は複数のグループのいずれかに属するように振り分けられ、少なくとも１つのグループに属する前記無線端末局装置の、ランダムバックオフを行う際のバックオフ値を、所定の制限をされた数で構成された値の集合であるバックオフ値候補の集合から選ぶように制御するバックオフ制御部を有することを特徴とする無線端末局装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信技術に関する。
IEEE802.11の規格では、同一の周波数を複数端末が共有できるようにアクセス制御が行われている。そのアクセス制御例としてCSMA／CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance:衝突回避機能付きキャリア感知多重アクセス方式)が採用されている。CSMA／CAとは、フレームの送信をしようとするそれぞれの無線端末局が、事前に、キャリアセンス(無線チャネルの使用状況の確認)を行ってから、ランダムバックオフ制御という送信データの衝突を回避する制御を用いて送信を開始する方式である。ランダムバックオフ制御とは、送信データを保有する無線端末局がキャリアセンスをして、データ送信に用いるチャネルがDIFS(Distributed Coordination Function Inter Frame Space)時間アイドル状態となった後に、無線端末局は規定のCW(Contention Window)範囲内で乱数を発生させ、その乱数をもとにランダムバックオフ時間を決定する制御のことをいう。
また、各無線端末局の送信タイミングが衝突してしまった場合、CWの範囲をさらに広くして、再送をすることにより送信タイミングの衝突を避けるようにしている。IEEE802.11a規格においては、CWサイズが１５から１０２３まで６段階を通して広げることが可能となっている。また、CWサイズが最大値に達した場合は、あらかじめ決められた最大再送回数までCWの範囲を広げず、最大値のままとする。最大再送回数を超えても失敗する場合は、送信フレームは破棄される。
従来のIEEE802.11の規格が想定するモデルは、上り通信において、１ノードがAP（Access Point）に送信することを順番に繰り返すものであった。そのため、IEEE802.11の規格ではAPに複数の端末が同時に送信して衝突をおこさないように、上記のCSMA/CAを用いたDCF(Distributed Coordination Function：分散コーディネーション)という技術を採用している。DCF技術とは、送信データを保有する無線端末局がAPにRTS(送信要求：Request to Send)を送り、APはそれに対し無線端末局にCTS(Clear to Send)を送ることで、隠れ端末問題によって生じる送信データの衝突を回避している。この一連の流れをRTS/CTS交換と呼び、RTS/CTS交換はdot11RTSThresholdに基づいて行っている。dot11RTSThresholdより短いフレームを送信する際は、RTS/CTS交換を行わないものとなっている。
以上のように、IEEE802.11規格では、無線端末間の送信タイミングができるだけ衝突をしないようなDCF技術が採用されている。
また、近年、上り通信において、複数の端末が同時に同じチャネルを用いてデータを送信するMU-MIMO(Multi User-Multi Input Multi Output )技術が検討されている。MU-MIMO技術では、複数の端末のデータ送信タイミングが同時である点と、使用する周波数帯域が同じである点が重要である。
下記特許文献１に記載の技術では、DCFを拡張する形(追加のRTS/CTS交換を行う)ことにより、MU−MIMOを実現している。
また、下記特許文献２に記載の技術では、バックオフ値の制御により同時送信を実現している。
特開２０１０−１３０６２５号公報 特開２０１１−２１７２３４号公報
特許文献１では、送信パケット長が短い場合でもRTS/CTS交換を行うためスループットが低下するという問題がある。また、送信タイミングを基地局が指定する必要がある。
また、特許文献２では、同時送信する端末の組み合わせ全てにバックオフ値を割り当てるため、組み合わせによっては、バックオフ値が長いものとなるという問題がある。また、全ての組み合わせに対するバックオフ値のテーブルを送信端末が保持する必要がある。
上り通信においてMU-MIMO技術を実現しようとする場合、現在のDCFを採用すると、複数端末が同時送信しないという問題がある。
本発明は、DCFの仕組みを殆ど変えずにMU-MIMOの実現することを目的とする。また、送信タイミングを端末側で指定できるようにすることを目的とする。
本発明の一観点によれば、１つの無線基地局と、複数の無線端末局で構成される無線通信システムに使用する無線端末局装置であって、前記無線端末局装置は複数のグループのいずれかに属するように振り分けられ、少なくとも１つのグループに属する前記無線端末局装置の、ランダムバックオフを行う際のバックオフ値を、所定の制限をされた数で構成された値の集合であるバックオフ値候補の集合から選ぶように制御するバックオフ制御部を有することを特徴とする無線端末局装置が提供される。
このように、バックオフ値候補の集合を制御することで、従来方式からのプロトコルの変更を少なくして同時に複数の無線端末局との通信を行うことができる。
前記バックオフ値候補の集合として、前記無線端末局が有する送信データの再送回数に基づいたバックオフ値候補範囲から０までの連続した値から選択された、前記所定の制限をされた数で構成された値の集合を用いるようにしても良く、前記バックオフ値候補の集合として、前記所定の制限をされた数で構成された０から連続した整数の集合を用いても良い。また、前記バックオフ値候補の集合として、前記所定の制限をされた数で構成され、所定の値を集合の期待値とする集合を用いても良いし、前記バックオフ値候補の集合として、前記無線基地局から通知された制御変数を用いて決定した集合、または前記無線基地局から通知された集合を用いても良い。
前記バックオフ値候補の集合を、前記無線端末局装置が保持する送信データのフレーム長に基づき、前記無線端末局装置が属するグループを決定するようにしても良い。
また、前記バックオフ値のカウントダウンが途中で停止した場合に、停止した状態のバックオフ値が前記バックオフ値候補の集合の中に含まれない値である場合、前記バックオフ値を前記バックオフ値候補の集合に含まれる値に補正するようにすると良い。
また、本発明は、１つの無線基地局と、複数の無線端末局で構成される無線通信システムに使用する無線基地局装置であって、前記無線端末局は複数のグループのいずれかに属するように振り分けられ、前記システムで使用する、少なくとも１つのグループに属する前記無線端末局装置が選択するバックオフ値の候補であるバックオフ値候補の集合に含まれる値の数を制御する為の制御変数を決定するランダムバックオフ制御変数決定部を有することを特徴とする無線基地局装置である。
前記ランダムバックオフ制御変数決定部は、前記制御変数を、無線基地局装置が収容する無線端末局装置の数と、前記無線基地局装置が有するアンテナの数の、少なくともいずれか一方の値に基づいて決定することができる。
また、前記無線端末局が有する送信データの再送回数に基づいたバックオフ値候補範囲から０までの値から、前記バックオフ値に含まれる値の数選択したものを、前記バックオフ値候補の集合とするランダムバックオフ値候補の集合生成部を更に備えるようにしても良い。
前記ランダムバックオフ値の集合生成部は、複数のグル―プのバックオフ値候補の集合を生成する場合、其々のバックオフ値候補の集合に含まれる値が異なるように制御するようにしても良い。
前記バックオフ値候補の集合生成部は、前記ランダムバックオフ値候補の集合に含まれる値の期待値を所定の値にすることもできる。
前記制御変数と、前記バックオフ値候補の集合の、少なくともいずれか一方を、更新毎に前記無線端末局装置に通知するようにしても良い。
本発明の他の観点によれば、１つの無線基地局と、複数の無線端末局で構成される無線通信システムに使用する無線端末局装置における無線通信方法であって、前記無線端末局装置は複数のグループのいずれかに属するように振り分けられ、少なくとも１つのグループに属する前記無線端末局装置の、ランダムバックオフを行う際のバックオフ値を、所定の制限をされた数で構成された値の集合であるバックオフ値候補の集合から選ぶように制御を行うステップを有することを特徴とする無線通信方法が提供される。
また、本発明は、１つの無線基地局と、複数の無線端末局で構成される無線通信システムに使用する無線端末局装置に所定の機能を発揮させる処理装置であって、前記無線端末局装置は複数のグループのいずれかに属するように振り分けられ、少なくとも１つのグループに属する前記無線端末局装置の、ランダムバックオフを行う際のバックオフ値を、所定の制限をされた数で構成された値の集合であるバックオフ値候補の集合から選ぶ制御機能を発揮させることを特徴とする処理装置である。
また、本発明は、１つの無線基地局と、複数の無線端末局で構成される無線通信システムに使用する無線基地局装置における無線通信方法であって、前記無線端末局は複数のグループのいずれかに属するように振り分けられ、前記システムで使用する、少なくとも１つのグループに属する前記無線端末局装置が選択するバックオフ値の候補であるバックオフ値候補の集合に含まれる値の数を制御する為の制御変数を決定するステップを有することを特徴とする無線通信方法である。
また、本発明は、１つの無線基地局と、複数の無線端末局で構成される無線通信システムに使用する無線基地局装置に所定の機能を発揮させる処理装置であって、前記無線端末局は複数のグループのいずれかに属するように振り分けられ、前記システムで使用する、少なくとも１つのグループに属する前記無線端末局装置が選択するバックオフ値の候補であるバックオフ値候補の集合に含まれる値の数を制御する為の制御変数を決定する機能を発揮させることを特徴とする処理装置である。
また、本発明は、１つの無線基地局と、複数の無線端末局で構成される無線通信システムであって、前記無線端末局装置は複数のグループのいずれかに属するように振り分けられ、少なくとも１つのグループに属する前記無線端末局装置の、ランダムバックオフを行う際のバックオフ値を、所定の制限をされた数で構成された値の集合であるバックオフ値候補の集合から選ぶように制御するバックオフ制御部を有することを特徴とする無線端末局装置と、前記システムで使用する、前記バックオフ値候補の集合に含まれる値の数を制御する為の制御変数を決定するランダムバックオフ制御変数決定部を有することを特徴とする無線基地局装置と、を有する無線通信システムであっても良い。
バックオフ値候補の集合を制御することで、従来方式からのプロトコルの変更を少なくして同時に複数の無線端末局との通信を行うことができる。また、送信するタイミングを無線端末局側で決めることが可能である。
本発明の実施形態による無線通信システムの概略構成例を示す機能ブロック図である。 本発明の第１の実施形態による無線基地局１の一構成例を示す機能ブロック図である。 無線基地局が接続要求をうけてから、AID(Association ID)と、プリアンブルの送信リソースの通知を行うまでのアソシエーション確立処理の流れを示すフローチャート図である。 端末のプリアンブルの送信リソースの割り当て処理を説明する図である。 図２の各要素の動作の流れを示すフローチャート図である。 本発明の第１の実施形態による無線端末局２の一構成例を示す機能ブロック図である。 無線端末局が無線基地局に接続要求し、アソシエーションが確立するまでの処理の流れを示すフローチャート図である。 無線端末局から、無線基地局にデータを送信する処理の流れを示すフローチャート図である。 無線端末局が無線基地局に送信しようとした場合、無線送信端末局の送信タイミングが重なりMU-MIMO送信する際のタイミング図である。 式（５）で示したランダムバックオフ制御変数を用いた場合と、従来のIEEE802.11a規格の場合での収容端末局数に対する、送信タイミングの衝突局数の期待値を示す図である。 第２の実施形態による無線基地局１の一構成例を示す機能ブロック図である。 無線基地局が、MU-MIMOさせたい端末が用いるランダムバックオフの乱数値候補の集合を決定し、無線端末局からの信号を受信し終わるまででの処理の流れを示すフローチャート図である。 図６のCWサイズ変更部の代わりにランダムバックオフ乱数保持部が挿入された図である。 無線端末局の、MU-MIMOをさせたい端末局用のランダムバックオフ値候補の集合を受信してから、送信フレームを送信するまでの処理の流れを示すフローチャート図である。 無線端末局の一構成例を示す機能ブロック図を示す。 無線端末局の処理の流れを示すフローチャート図である。 本実施形態のタイミング図である。 CWサイズが１５の時のランダムバックオフ値候補の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態による無線基地局の一構成例を示す機能ブロック図である。 無線基地局がそれぞれのグループのランダムバックオフ値候補の集合を通知してから、ある無線端末局からデータを受信するまでのフローチャート図である。 本実施形態における無線通信の端末局の一構成例を示す機能ブロック図である。 図２１に示す無線端末局の処理の流れを示すフローチャート図である。 本実施形態の通信におけるタイミング図である。 本実施形態のMU-MIMOさせたい端末のランダムバックオフ値候補の集合と従来方式の端末のランダムバックオフ値候補の集合の例を示す図である。
(第１の実施形態)
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態による無線通信技術について詳細に説明する。尚、以下においては、特に記載していない限り、基本的にIEEE802.11規格、ならびにIEEE802.11a規格に基づくことを前提とする。
図１は、本発明の実施形態による無線通信システムの概略構成例を示す機能ブロック図である。
図１に示すように、本実施形態による無線通信システムＡは、無線基地局１と、無線端末局２から５までと、を有している。各通信局１から５までは、それぞれの通信範囲内に全ての通信局を収容するものとする。図１に示す無線通信システムＡでは、例えば、アクセスポイント(AP)である無線基地局１と、送信周波数が等しい無線端末局２から５までと、を有して構成されている。また、無線基地局１は、複数のアンテナを持っており、無線端末局２から５までは、それぞれ１アンテナずつ持っている。尚、本発明の全ての実施形態においては、説明を簡単にするため無線端末局２から５までが持つアンテナ数を１としたが、複数のアンテナを持つようにしても良い。同様に、無線基地局１が持つアンテナ数も変更可能である。また、本実施形態では、特に記載がない場合は、送信フレーム長はIEEE802.11におけるdot11RTSThresholdより短いものとし、RTS/CTS交換は行わないものとする。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る無線基地局１の一構成例を示す機能ブロック図である。図２に示す無線基地局１は、２つのアンテナ１００ａ・１００ｂ、各アンテナに対応する２つの第１無線通信部１０１ａ・第２無線通信局１０１ｂ、スイッチ（ＳＷ）１０２、送信部１０４、フレーム生成部１１６、制御部１１１、プリアンブル送信リソース割り当て決定部１１０、ランダムバックオフ制御変数決定部１１５、プリアンブル受信部１０５、チャネル推定部１０６、MIMO復調部１０７、復調部１０８、エラーチェック部１０９、を備える。制御部１１１では、受信した信号から、送信フレームの生成、ランダムバックオフ制御変数の設定、プリアンブル送信リソースの割り当てを制御する。ここでプリアンブル送信リソース割り当ての決定方法の一例を以下に示す。
本実施形態においては、無線基地局１が収容する端末数それぞれに、プリアンブルの送信リソースを割り当てるものとする。
図３は、無線基地局１が接続要求をうけてから、AID(Association ID)と、プリアンブルの送信リソースの通知を行うまでのアソシエーション確立処理の流れを示すフローチャート図である。IEEE802.11規格では、無線端末局と無線基地局とのアソシエーションの確立時には、無線基地局はパラメータの１つとして、MACアドレスをもとに各無線端末局にAIDの割り当てを行う方式を採用している。AIDは１〜２００７までの範囲で割り当てられる。図３に示すフローチャートでは、最初はアンテナ１００ａまたはアンテナ１００ｂで接続要求を受けるまで、無線基地局１は待機している(ステップＳ１)。接続要求をアンテナ１００ａまたはアンテナ１００ｂで受信すると（ＹＥＳ）、送信した端末のMACアドレスが含まれた接続要求信号が、無線通信部１０１ａまたは１０１ｂ、スイッチ１０２、受信部１０３を介して、制御部１１１に入力される。制御部１１１では、全てのハッシュ値が使用されている場合は無線基地局には接続できないとする(ステップＳ１５)。使用されていないハッシュ値がある場合、制御部１１１で接続要求を送信した端末のAIDを割り当てる(ステップＳ２)。この後の処理が、本実施形態では、特に従来とは異なる部分となる。制御部１１１で設定されたAIDをハッシュ関数でマッピングする（ステップＳ３）。このハッシュ値は１〜制限数までを割り当てるとする。本実施形態では、この制限数を４として、１〜４の値にマッピングする。ハッシュ関数の一例として以下に示す。
Figure 2013255143
設定されたハッシュ値は、収容されている他の端末に既に設定されていないかを確認し（ステップＳ４）、他端末に設定されていないようであれば（ＹＥＳ）、AIDとプリアンブルの送信リソースを接続要求してきた端末に送信する（ステップＳ５）。また、ステップＳ４で収容端末に同じハッシュがすでに使用されていたら（ＮＯ）、現在のハッシュ値に１を加算するか、または、現在のハッシュ値が最大値なら１にして(ステップＳ１６))再びステップＳ４で確認する。ステップＳ１５で、全てのハッシュ値が利用されている場合は接続できないようにしているため、ステップＳ４を行っている端末は１から４までのいずれかのハッシュ値は割り当てる事が可能である。
図４は、端末のプリアンブルの送信リソースの割り当て処理を説明する図である。
プリアンブルの送信リソースの割り当てとしては、本実施形態では、図４（ａ）のように、それぞれのハッシュ値にＯＦＤＭのサブキャリア番号を４つおきに割り当てる。その割り当てる番号を、ハッシュ値ごとに１ずつ、ずらすことにより、各ハッシュ値を持つ端末のプリアンブルの送信リソースが重ならないようにすることができる。IEEE802.11aではＯＦＤＭのサブキャリアは、図４（ｂ）に示すようになっているので、全体で５２サブキャリアある。そのサブキャリアを本実施形態では、４つにマッピングされたハッシュ値に割り当てる。チャネル推定の方法を以下の式に示す。まず、あらかじめ決められたプリアンブルＡを以下の式で表す。
Figure 2013255143
同様に、無線端末局iから受信した信号Riを以下の式で表す。
Figure 2013255143
Figure 2013255143
プリアンブルから、チャネル推定をする際は、送信リソースが割り当てられていない周波数に関してはsinc関数等を使用して補間する。
図５は、図２の各要素の動作の流れを示すフローチャート図である。
無線基地局１は、定期的に収容端末数や無線基地局がもつアンテナ数を確認し、ランダムバックオフ制御変数を求める(ステップＳ６)。決定したバックオフ制御変数は、フレーム生成部１１６に入力され、送信部１０４、スイッチ１０２、無線通信部１０１ａまたは１０１ｂ、アンテナ１００ａまたは１００ｂを介して、無線基地局１の収容端末である無線端末局２から５に送信される(ステップＳ７)。
無線基地局１は、プリアンブルが受信されるのを待つ(ステップＳ８)。プリアンブルを受信したら、２つのアンテナ１００ａ・１００ｂから、それぞれの無線通信部１０１ａ・１０１ｂ、スイッチ１０２、受信部１０３を介して、プリアンブル受信部１０５にプリアンブルを入力する。チャネル推定部１０６では、受信したプリアンブルから、チャネルが推定される(ステップＳ９)。
また、プリアンブル受信部１０５では、受信信号の送信リソースを確認する。割り当てた送信リソースに対して、実際に送信されたリソースを確認することで、プリアンブルを送信した端末数を求めることができる。プリアンブル受信部１０５で、受信した信号が複数端末から受信したかを確認する(ステップＳ１０)。複数端末からの信号を受信した場合、チャネル推定値を用いてMIMO分離部１０７でそれぞれの端末からの信号をMIMO分離し(ステップＳ１１)、復調部１０８において復調を行う(ステップＳ１２)。ステップＳ１０で、複数端末から送信されていない場合、復調処理部１０８で復調を行う(ステップＳ１２)。
復調部１０８で復調された信号に対し、エラーチェック部１０９でエラーチェックを行い(ステップＳ１３)、エラーの有無をフレーム生成部１１６に入力する。
フレーム生成部１１６は、エラーチェックの結果に基づいたACK(Acknowledge:肯定確認応答)フレームを生成し、送信部１０４、スイッチ１０２、１つの無線通信部１０１ｂ、１つのアンテナ１００ｂを介してACKフレームを送信する(ステップＳ１４)。
無線基地局１は、ACKフレームを送信した後は、次のフレーム受信待ちを開始する。
図６は、本発明の第１の実施形態に係る無線端末局２の一構成例を示す機能ブロック図である。図６に示すように、無線端末局２は、アンテナ２００、無線通信部２０１、スイッチ２０２、受信部２０３、送信部２０４、復調部２０５、フレーム生成部２０６、エラーチェック部２０７、制御部２０８、データ保持部２０９、CWサイズ変更部２１０、ランダムバックオフ設定部２１１を備える。また、図において制御部２０８と、CWサイズ変更部２１０と、ランダムバックオフ設定部２１１と、を合わせてバックオフ制御部２１２とする。
従来のランダムバックオフの設定では、[０，CWサイズ]の一様乱数(整数)を設定し、一様乱数から選ばれた整数にスロット・タイムを掛け合わせたタイミングで送信を開始する。
従来方式では、CWサイズは予め決められた方式により定められているが、本実施形態では、従来の方式で定められたCWサイズを、無線基地局１が収容する端末数と、収容する端末が持つアンテナの数の少なくともいずれか一方に基づき狭めるように変更する。変更の一例としては、ランダムバックオフ制御変数(≦１)を従来方式で定められたCWサイズに掛け合わせたものを、MU-MIMOさせたい端末用のCWサイズとする方式が挙げられる。これにより、MU-MIMOさせたい端末同士が共有するCWサイズが小さくなる。一例として、無線基地局１が収容する端末数に基づいたランダムバックオフ制御変数Xの求め方の一例を以下の数式で示す。
Figure 2013255143
ここで、Nは収容端末数、CWminは従来の方式で定められたCWサイズの中で最小の大きさである。この時の、MU-MIMOさせたい端末の新たなCWサイズCWMU-MIMOを式６に示す。
Figure 2013255143
ここでCWとは、従来の方式で定められているCWサイズである。IEEE802.11aの規格では、CWサイズは１５〜１０２３までの範囲で、再送が行われるたびに広くしていく。従来のIEE802.11aにおけるCWサイズの求め方を式７に示す。ただし、n＝再送回数である。
Figure 2013255143
式５で求めたランダムバックオフ制御変数Xによる効果については、本実施形態で図１０を参照して後述する。
図７、８の無線端末局のフローチャートを用いて、図６の各要素の動作について説明する。
図７は、無線端末局２が無線基地局１に接続要求し、アソシエーションが確立するまでの処理の流れを示すフローチャート図である。無線端末局２は、無線基地局１に接続要求を送信し(ステップＳ１００)、無線基地局１から、接続許可フレーム(接続の許可通知、プリアンブル送信リソース、AIDを含む)を受信するのを待つ(ステップＳ１０１)。アンテナ２００で、接続許可フレームを受信すると、無線通信部２０１、スイッチ２０２、受信部２０３、復調部２０５を介して、エラーチェック部２０７でエラーチェックを行う(ステップＳ１０２)。ステップＳ１０２でエラーがないようだったら、接続が成功となり、処理を終了する。ステップＳ１０２でエラーが発生したら、接続要求フレームをフレーム生成部２０６で生成して、送信部２０４、スイッチ２０２、無線通信２０１を介して、アンテナ２００から、再度、接続要求を送信する。
図８は、無線端末局２から、無線基地局１にデータを送信する処理の流れを示すフローチャート図である。図６の無線端末局２は、無線基地局１から送信された、ランダムバックオフの制御変数を含む信号（制限信号）をアンテナ２００で受信する(ステップＳ１０３)。受信した信号は、無線通信部２０１、スイッチ２０２、受信部２０３、復調部２０５を介して、エラーチェック部２０７に入力される。エラーチェック部２０７に入力されたランダムバックオフ制御変数を含む信号（制限信号）は、エラーチェック部２０７でエラーチェックを受け、バックオフ制御部２１２に入力される。バックオフ制御部２１２に入力された信号は、制御部２０８を介してCWサイズ変更部２１０に入力される。CWサイズ変更部２１０では、通知されたランダムバックオフ制御変数により、無線端末局２のCWサイズを変更する制御が行われる(ステップＳ１３０)。
送信データが発生したら、フレーム生成部２０６で送信フレームを生成する(ステップＳ１０５)。生成した送信フレームは送信部２０４に入力される。ランダムバックオフ設定部２１１では、CWサイズ変更部２１０で変更されたCWサイズをもとに、０からCWサイズまでの連続した整数の集合を一様乱数としバックオフ値を決定する(ステップＳ１０６)。次に、無線端末局２はキャリアセンスをして、チャネルがビジー状態でないか判断する(ステップＳ１０４)。ステップＳ１０４でチャネルがビジーであった場合、アイドル状態になるまで待機する。ステップＳ１０４でチャネルがビジー状態でない場合、バックオフ値が０であるか確認する(ステップＳ１０７)。ステップＳ１０７でバックオフ値が０でない場合、バックオフ値を１だけ減らす(ステップＳ１１２)。バックオフ値を減らしたら、IEEE802.11におけるスロット・タイム待機した後、再度キャリアセンスをし、チャネル状態を確認する(ステップＳ１０４)。ステップＳ１０７で、バックオフ値が０である場合、送信タイミングであるとして、フレーム生成部２０６で生成した送信フレームを、スイッチ２０２、無線通信部２０１を介して、アンテナ２００よりプリアンブル、送信データの順に送信する(ステップＳ１０８)。
ステップＳ１０８で、無線端末局２の送信データが送信された後、ACKを受信するまで待つ(ステップＳ１１３)。上記のACKとは、どの端末に対するACKかは、受信して復調するまで分からない。ステップＳ１１３でACKを受信したら、受信したACKが自分に向けたものなのかを確認する(ステップＳ１０９)。ステップＳ１１３で、ACKがIEEE802.11での「SIFS(Short Inter Frame Space )時間＋ACKフレーム長」相当送信されなかった場合、送信が失敗だったとし、CWサイズ変更部２１０でCWサイズを変更して(ステップＳ１１４)、再度ランダムバックオフ設定部２１１でバックオフ値を設定する(ステップＳ１０６)。CWサイズの変更方法はIEEE802.11の規格に準ずるものとする。ステップＳ１０９で受信したACKが自分に向けたものであった場合終了となる。受信したACKが自分向けでなかった場合、再度ACKが受信されるのを待つ(ステップＳ１１３)。
図９は、無線端末局ＡからＣが無線基地局に送信しようとした場合、無線送信端末局Ａ，Ｃの送信タイミングが重なりMU-MIMO送信する際のタイミング図である。
無線端末局ＡからＣは、前フレームが終了してから一定時間待ち、バックオフを始める。この時の空白期間３００は、IEEE802.11のDIFS（DCF Inter Frame Space）時間に相当するものである。空白時間３０１から３０９は、それぞれ、IEEE802.11におけるスロット・タイムに相当する。図９の例では、無線端末局ＡとＣの選択したバックオフ値が４で、無線端末局Ｂが選択したバックオフ値が５であるため、選択したバックオフの値が小さい無線端末局Ａ、Ｃが同時に送信権を得る。無線基地局に送信フレームを送信する端末が２端末である為、２端末のMU−MIMOが実現する。本実施形態では、このように複数の端末が選択するそれぞれのバックオフ値が同じ値をとる確率を上げる為に、ランダムバックオフ制御変数によりCWサイズを制限する。無線端末局Ａは、あらかじめ割り当てられた送信リソースでプリアンブル３１０を送信する。続いて、無線端末局Ａの占有帯域でデータ３１１を無線基地局に送信する。同様に無線端末局Ｃもプリアンブル３１２、データ３１３を無線基地局に送信する。この時、無線端末局Ａ、Ｃの占有帯域は同じである。
２端末から、同時にデータを受信した無線基地局は、それぞれの無線端末局Ａ，Ｃに無線端末局Ａに対するACK(A)３１４、無線端末局Ｃに対するACK(C)３１５を送信する。この時の空白時間３１６は、IEEE802.11の規格におけるSIFS(Short Inter Frame Space )時間に相当する。図９のタイミング図では、複数のACKを送信する度にSIFS時間空けたが、無線端末局はACKが受信されるまで受信動作をしている為、ACK(A)３１４とACK(C)３１５は、SIFS時間空けずに連続送信しても良い。無線端末局Ａ,ＣがそれぞれのACKを受信したら、再びデータの送受信が開始される。無線端末局Ｂは再び空白時間３１０の後、繰越分のバックオフ３０９のカウントダウンを始める。その後、プリアンブル３１７、データ３１８を無線基地局に送信し、無線端末局Ｂに対するACK(B)３１９を受信すると、無線端末局Ｂからの送信は終了となる。
図１０は、式（５）で示したランダムバックオフ制御変数を用いた場合と、従来のIEEE802.11a規格の場合での収容端末局数に対する、送信タイミングの衝突局数の期待値を示す図である。ただし、図１０において示す比較では、送信は初回であるため、従来のCWサイズとCWminは１５である。これはIEEE802.11aの規格の最小値である。[０，CW]の一様乱数をランダムバックオフに用いた場合、収容端末数をNとすると、従来方式での、送信タイミングが衝突する局数の期待値Eを以下に示す。
Figure 2013255143
図１０に示した提案方式ではCWを（式５）、（式６）を用いて求める。
Figure 2013255143
また、今の例ではCW=CWminなので（式９）はCWMU-MIMO＝N／２となる。このCWMU-MIMOを（式８）のCWに代入することで、提案方式における期待値Eが求められる。
図１０からもわかるように、CWサイズを小さくする事により複数端末の送信タイミングの衝突する確率が向上し、上り通信におけるMU-MIMOが実現できる。本実施形態で説明した方式では、従来方式に対して変更点が少ないため、実現が簡単である。また、送信タイミングは送信端末が決めることができる。本実施形態では、ランダムバックオフ値候補数を減らすためにCWサイズに制限を加えているが、近隣で同様の制御を行う無線基地局がある場合、それぞれの無線基地局と通信を行う無線端末局の送信が衝突し、通信エラーが発生する可能性がある。このような場合は、ランダムバックオフ値の候補数を減らす方法として、ランダムバックオフ値の候補を離散的な値を選択するものとし、近隣の無線基地局間で異なる候補値が使用されるようにしても良い。
(第２の実施形態)
本実施形態では、MU-MIMOをさせたい端末と、従来方式の端末が共通のAPに送信する場合の一実施形態を示す。本実施形態においても、特に記載されていない場合はIEEE802.11規格ならびに、IEEE802.11a規格に基づくものとする。また、特に記載がない場合は、送信フレーム長はIEEE802.11におけるdot11RTSThresholdより短いものとし、RTS/CTS交換は行わないものとする。以上のように、本実施形態では、DCFの仕組みを殆ど変えずにMU-MIMOの実現が可能である。
図１において、無線基地局１と、MU-MIMOをさせたい無線端末局２、４と、それ以外の無線端末局３、５と、のシステムモデルを想定した実施形態について説明する。図１１は、第２の実施形態に係る無線基地局１の一構成例を示す機能ブロック図である。ここで、図１１の機能ブロック図は、図２のランダムバックオフ制御変数決定部１１５とフレーム生成部１１６との間に、ランダムバックオフ値候補の集合生成部２５０を追加し、エラーチェック部１０９から制御部１１１に繋いだ構成を有する。また、制御部１１１とランダムバックオフ値候補の集合生成部２５０との間にCWサイズ保持部１１７を加えたものである。
本実施形態では、APが決めた共通のランダムバックオフ値候補の集合をMU-MIMOさせたい無線端末局同士が用いることにより、送信タイミングの衝突確率が向上する。ここでのランダムバックオフ値候補の集合とは、MU-MIMOさせたい端末が選択するバックオフ値の候補の集合である。ランダムバックオフ値候補の集合に含まれる全ての整数を一様乱数として、MU-MIMOさせたい端末はバックオフ値を選択する。
無線基地局１が無線端末局２から５までのいずれかから接続要求を受信し、接続要求を送信した無線端末局に対して接続許可フレームを送信する一連の流れについては、第１の実施形態と同様であるものとし、図３、図４を用いて説明したので省略する。
図１２は、無線基地局１が、MU-MIMOさせたい端末が用いるランダムバックオフの乱数値候補の集合を決定し、無線端末局２からの信号を受信し終わるまででの処理の流れを示すフローチャート図である。尚、第１の実施形態、図５の処理と同等の処理については同じ番号を使用して表記している。
無線基地局１は、図１１のランダムバックオフ制御変数決定部１１５で、定期的に収容端末数や無線基地局がもつアンテナ数から、MU-MIMOさせたい無線端末局用のランダムバックオフ制御変数を決定する(ステップＳ６)。決定されたランダムバックオフ制御変数をもとに、ランダムバックオフ値候補の集合生成部２５０では、MU-MIMOさせたい無線端末局のランダムバックオフ値候補の集合を求める(ステップＳ１７)。つまり、本実施形態では、MU-MIMOさせたい無線端末局それぞれがCWサイズを決定するのではなく、無線基地局がCWサイズを決定する。
本実施形態での、ランダムバックオフ値候補の集合の求め方の一例を以下に示す。
本実施形態でのランダムバックオフ値候補の集合決定法の一例としては、従来方式と同様の方式で求められるCWサイズを用いることが可能である。MU-MIMOさせたい無線端末局のランダムバックオフの候補の期待値が‘CWサイズ／２’、ランダムバックオフ値候補数が‘floor((１＋CWサイズ)*ランダムバックオフ制御変数)’と、なるように設定する。ここでの‘floor(x)’は整数a に対して、xの値が‘a≦x<a+1’の場合、‘floor(x)=a’とする。
ランダムバックオフ値候補の期待値を上記のようにすることにより、CWサイズが同じ場合の、MU-MIMOをさせたい端末と、従来の端末が選ぶバックオフ値の期待値が等しくなる。
これにより、MU-MIMOさせたい端末(本実施形態において無線端末局２、４)と従来の端末(本実施例においては無線端末局3，5)の間に優位差がなくなる。ここでのランダムバックオフ制御変数(≦１)は第１の実施形態で説明したものと同様のものである。MU-MIMOさせたい端末のランダムバックオフ値候補の集合を定期的に変更することで、さらに２種類の端末(MU-MIMOさせたい端末と従来の端末)の端末間での優位差がなくなる。
図２４に、本実施形態のMU-MIMOさせたい端末のランダムバックオフ値候補の集合と従来方式の端末のランダムバックオフ値候補の集合の例を示す。図２４において、空白時間５０２から５１０はそれぞれ、IEEE802.11の規格におけるスロット・タイムに相当する。また、それぞれ空白の中に書かれた数字(１から１５)はバックオフカウンタの値である。図２４の例では、MU-MIMOさせたい端末のCWサイズと従来端末のCWサイズが１５で等しい場合を示す。
ランダムバックオフ制御変数Ｘ＝０．２５である時、ランダムバックオフ値候補の集合の期待値は７．５、値候補の集合に含まれる整数の数は４である。図２４では、上記の関係を満たすランダムバックオフ値候補の集合の一例として｛１,５,９,１５｝を用いる。図２４では、バックオフ時間５０２、５０６、５１０はMU-MIMOさせたい端末が使用するランダムバックオフ値の候補である。また、従来の端末はCWサイズ内なら全てのバックオフ値を取りうるので、従来の端末のランダムバックオフ値候補の集合は[０，１５]となる。それぞれ一様乱数である。
決定したランダムバックオフ値候補の集合は、フレーム生成部１１６に入力され、送信部１０４、スイッチ１０２、無線通信部１０１ａまたは１０１ｂ、アンテナ１００ａまたは１００ｂを介して無線端末局２、４に送信される(ステップＳ１８)。無線基地局１は、プリアンブルを受信するのを待つ(ステップＳ８)。プリアンブルを受信してから(ステップＳ８)、復調処理を行うまで(ステップＳ１２)は、第１の実施形態と同様であるもの
とし、図５で説明したので省略する。
復調部１０８で復調処理された受信信号は、エラーチェック部１０９でエラーチェックを行う(ステップＳ１９)。エラーチェック部１０９でエラーが発生しなかった場合は、無線基地局1は受信した信号の端末分、フレーム生成部１１６でACKフレームを生成して、送信部１０４、スイッチ１０２、無線通信部１０１ａまたは１００ｂを介して、アンテナ１００ａまたは１００ｂより、それぞれにACKを送信する(ステップＳ１４)。ステップＳ１９でエラーが発生した場合、MU-MIMOさせたい端末のランダムバックオフ値の候補の集合の再設定をするため、CWサイズ保持部１１７で保持されているCWサイズを変更する(ステップＳ１２)。CWサイズの変更については、一例として従来のIEEE802.11の方式と同様の方式を用いることができる。
変更したCWサイズとランダムバックオフ制御変数を用いて、（式５）に基づいた処理を行ったMU-MIMOさせたい端末用のCWサイズをCWサイズ保持部１１７に入力する。その後、ランダムバックオフ値候補の集合生成部２５０で、バックオフ値候補の集合を決定し、フレーム生成部１１８、送信部１０４、スイッチ１０２、無線通信部１０１ａまたは１０１ｂを介して、アンテナ１００ａまたは１００ｂより、新しいランダムバックオフ値候補の集合を収容無線端末局(無線端末局２、４)に送信する。
図１３は、MU-MIMOをさせたい端末である無線端末局２の一構成例を示す機能ブロック図である。図１３に示す構成例は、図６のCWサイズ変更部２１０の代わりにランダムバックオフ乱数保持部３００が挿入されたものである。このランダムバックオフ値候補の集合保持部３００で、無線基地局１が通知した、MU-MIMOをさせたい端末が使用するランダムバックオフ値候補の集合を保持する。また、図において制御部２０８と、ランダムバックオフ乱数保持部３００と、ランダムバックオフ設定部２１１と、を合わせてバックオフ制御部２１３とする。
共通のMU-MIMOさせたい端末が使用するランダムバックオフ値候補の集合を各無線端末局が保持することで、MU-MIMOさせたい端末の送信タイミング衝突する確率が上がり、上りMU-MIMO通信が実現する。このランダムバックオフ値候補の集合保持部３００では、再度通知を受けるまでの間、現在のバックオフ値候補の集合を保持し続ける。
図１４は、本実施形態での無線端末局２の、MU-MIMOをさせたい端末局用のランダムバックオフ値候補の集合を受信してから、送信フレームを送信するまでの処理の流れを示すフローチャート図である。但し、この時、無線端末局２は、MU-MIMOさせたい端末である。また、無線端末局２が接続要求を無線基地局に送信してから、アソシエーションを確立するまでのフローチャート図は、第１実施形態例の図７で説明したものと同じでよいため省略する。図１４は、図８のランダムバックオフ制御変数受信(ステップＳ１０３)とCWサイズ変更(ステップＳ１３０)の代わりにランダムバックオフ値候補集合の受信(ステップＳ１５０)を挿入し、CWサイズ変更(ステップＳ１１４)の代わりにランダムバックオフ値候補の集合の受信確認(ステップＳ１２０)とランダムバックオフ値候補集合の書き換え(ステップＳ１５１)を挿入したものである。
無線端末局２は、無線基地局１から通知されたランダムバックオフ値候補の集合を受信する(ステップＳ１５０)。ランダムバックオフ値候補の集合を含む無線基地局１からの信号は、無線通信部２０１、スイッチ２０２、受信部２０３を介してエラーチェック部２０７に入力される。エラーチェック部２０７で、エラーチェックを受けたランダムバックオフ値候補の集合を含む信号はランダムバックオフ値候補の集合保持部３００に入力され、保持される。
送信データが発生したら、フレーム生成部２０６で送信フレームを生成する(ステップＳ１０５)。生成した送信フレームは送信部２０４に入力される。ランダムバックオフ設定部２１１では、ランダムバックオフ値候補の集合保持部３００で保持されている集合に含まれるそれぞれの数が同じ確率で選ばれるようにしてランダムにバックオフ値を決定する(ステップＳ１０６)。バックオフ値が決定したら、キャリアセンスをして、チャネルがビジー状態でないか確認をする(ステップＳ１０４)。ステップＳ１０４でチャネルがビジーであった場合、アイドル状態になるまで、待機する。チャネルがビジー状態でない場合、バックオフ値が０ではないか確認する(ステップＳ１０７)。ステップＳ１０７でバックオフ値が０である場合、送信タイミングとみなす。バックオフ値が０でなかった場合、送信部２０４では現在のバックオフ値のカウントを１つ減らす(ステップＳ１１２)。
バックオフカウンタを減らしたら、スロット・タイム待って、ランダムバックオフ設定(ステップＳ１０６)直後のステップに戻る。ステップＳ１０７で送信タイミングとみなされた場合、フレーム生成部２０６で生成した送信フレームを、スイッチ２０２、無線通信部２０１を介して、アンテナ２００よりプリアンブル、送信データの順に送信する(ステップＳ１０８)。ただし、プリアンブルは無線基地局より割り当てられた送信リソースで送信され、送信データは無線端末局２の占有帯域で送信される。
無線端末局２の送信データが送信された後、所定の時間の間、ACKを受信するまで待つ(ステップＳ１１３)。上記のACKが、どの端末に対するACKであるかは、受信して復調するまで分からない。また、ここでの所定の時間とは、IEEE802.11の規格における‘SIFS時間＋ACKフレーム長’である。ステップＳ１１３で時間内にACKが受信されたら、無線通信部２０１、スイッチ２０２、受信部２０３を介して復調部２０５で受信したACKを復調し、受信されたACKが自分に向けたものなのかを確認する(ステップＳ１０９)。ステップＳ１１３で、ACKが受信されなかったら、再度ランダムバックオフ値候補の集合を受信するか確認する(ステップＳ１２０)。ランダムバックオフ値候補の集合が受信された場合、受信したランダムバックオフ値候補の集合を含んだ信号は無線通信部２０１、スイッチ部２０２、受信部２０３、復調部２０５を介してエラーチェック部２０７に入力される。エラーチェック部２０７でエラーチェックを受けた信号は、バックオフ制御部２１３に入力される。バックオフ制御部２１３に入力された信号は、制御部２０８を介してランダムバックオフ値候補の集合保持部３００で保持されている、ランダムバックオフ値候補の集合を書き換え(ステップＳ１５１)、ランダムバックオフ設定部２１１でランダムバックオフ値の設定(ステップＳ１０６)から再開する。ステップＳ１２０でランダムバックオフ値候補の集合が受信されなかった場合、書き換えを行わず、ランダムバックオフ設定部２１１におけるランダムバックオフ設定(ステップＳ１０６)から再開する。ステップＳ１０９で受信されたACKが自分に向けたものであった場合終了となる。受信されたACKが自分向けでなかった場合、再度ACKが受信されるのを待つ(ステップＳ１１３)。
従来の無線端末局３、５は、従来のIEEE802.11の規格に基づいたデータ送信を行う。
図１５は、無線端末局３の一構成例を示す機能ブロック図を示す。図１５は、図６の無線端末局２を無線端末局３にしたものである。ただし、図６のCWサイズ変更部２１０と、図１５のCWサイズ変更部２６０は動作が異なるので、異なる番号が付されている。本実施形態でのCWサイズ変更部２６０では、第１実施形態とは異なり、ランダムバックオフ制御変数によりCWサイズを変更しない。ただし、送信が失敗した場合のCWサイズを広げる方式は第１の実施形態と同様でIEEE802.11方式に準ずるものを一例とする。
図１６は、無線端末局３の処理の流れを示すフローチャート図である。図１６に示す処理は、図８のランダムバックオフ制御変数受信処理(ステップＳ１０３)とCWサイズ変更処理(ステップＳ１３０)を無くしたものである。
無線端末局３は、送信データが発生すると、フレーム生成部２０６で送信フレームを生成する(ステップＳ１０５)。生成した送信フレームは、送信部２０４に入力される。ランダムバックオフ設定部２１１では、端末が持つCWサイズをもとに、[０，CWサイズ]の一様乱数として、バックオフ値を決定する(ステップＳ１０６)。
バックオフの設定(ステップＳ１０６)からendまでは第１実施形態と同等であるものとし、図８を用いて上記において説明したので説明を省略する。但し、第１実施形態でのCWサイズ変更部２１０は、本実施形態ではCWサイズ変更部２６０である。
図１７は、本実施形態のタイミング図である。無線端末局Ａ，ＣがMU-MIMOをさせたい端末であり、無線端末局Ｂは従来端末である。また、無線基地局はアンテナを２本持っている。図１７では、無線端末局Ａ、Ｂ，ＣCが１回目に選択したバックオフ値が全て一緒になってしまった場合を示している。前フレームの送信が終わった後、IEEE802.11におけるDIFS時間(空白時間４００)だけ待機してから、それぞれの無線端末局のバックオフ値のカウントダウンを開始する。ここで、空白時間４０１はIEEE802.11規格における、スロット・タイムである。無線端末局Ａ、Ｂ，Ｃは３端末ともバックオフ値が３であった為、３端末の送信フレーム４０２、４０３、４０４が同時に送信される。ここで、送信フレーム４０２は無線端末局Ａの送信フレームである。また送信フレーム４０２の中身は、指定されたリソースで送信するプリアンブル信号と、無線端末局Ａの占有帯域で送信する送信データである。同様に、送信フレーム４０３は、無線端末局Ｂの送信フレームであり、送信フレーム４０４は無線端末局Ｃの送信フレームである。
無線基地局は３端末から同時に送信フレームを受けた為、MIMO分離できず、エラーとなる。そこで、新しいランダムバックオフ値候補の集合４０５を、収容する無線端末局に送信する。ここでの空白時間４１０はIEEE802.11規格におけるSIFS時間に相当するものである。
新しいランダムバックオフ値候補の集合から、無線端末局Ａ，Ｃは、再度バックオフ値を設定する。従来の端末である無線端末局は、CWサイズを広くして再度バックオフ値を設定する。DIFS時間相当待機した後、それぞれの端末はバックオフ値のカウントダウンを開始する。ここで無線端末局Ａ、Ｃは再度設定したバックオフ値に２を、無線端末局Ｂは再度設定したバックオフ値に４を選択した為、無線端末局Ａ，Ｃの送信フレームが先に送信される。その為、無線端末局Ｂが保持している、２カウント分のスロット・タイム４２１は次回の送信の際に無線端末局Ｂが利用する。
無線端末局Ａ，Ｃは、バックオフ値が０になると、それぞれの送信フレーム４０６、４０７を送信する。送信フレーム４０６、４０７は、前回送信しようとして生成した送信フレーム４０２、４０４と等しい内容のフレームである。これは、無線端末局Ａ，Ｃは、それぞれ自分に向けたACKを前回受信できなかったので再送となったためである。
無線基地局は、２端末から受信したので、それぞれの端末にACK(A)４０８、ACK(B)４０９を送信する。無線端末局Ａ，Ｂがそれぞれ自分に対するACKを受信すると、送信が終了となる。
尚、本実施形態では、MU-MIMOさせたい端末の選択方法は特に指定しないが、例として送信フレームの大きさによって選択する方式が挙げられる。この送信フレームに対する、選択のしきい値を、IEEE802.11の規格のdot11RTSThresholdにした場合、RTS/CTS交換を行わない無線端末局はMU-MIMOを行い、RTS/CTS交換を行う端末は１端末のみで送信することができるため、ある端末が送信するRTS信号と、ある端末が送信するデータフレームが衝突する確率が下がる。
以上の様に、本実施形態では、MU-MIMOさせたい端末のバックオフ値候補の集合を制限することで、MU-MIMOさせたい端末も、従来方式の端末も同時にAPに接続可能である。
(第３の実施形態)
本実施形態では、収容している無線端末局を送信フレームの大きさで、２つのグループに分け、それぞれのグループが取りうるランダムバックオフ値候補が重複しないように振り分けることにより、グループ同士の送信データの衝突を避ける場合について説明する。本実施形態では、図１の無線基地局１と、無線基地局１に収容される無線端末局２から５までとで構成されているシステムモデルの実施形態を示す。
図１９は、第３の実施形態に係る無線基地局１の一構成例を示す機能ブロック図である。図１９は、図１１のランダムバックオフ制御変数決定部１１５、ランダムバックオフ値候補の集合の生成部２５０を無くし、ランダムバックオフ値候補の振り分け部５０１を制御部１１１とフレーム生成部１１６との間に挿入したものである。
図２０は、無線基地局１がそれぞれのグループのランダムバックオフ値候補の集合を通知してから、ある無線端末局からデータを受信するまでのフローチャートを示す。なお、無線端末局から接続要求を受け、アソシエーションが確立するまでについては、第１の実施形態と同様であるものとし図３、図４を用いて説明したので省略する。
図１９のランダムバックオフ値候補の振り分け部５０１では、各グループのランダムバックオフ値候補の集合を、定期的に[０，CWサイズ]の集合から振り分ける(ステップＳ２００)。この時の振り分け方の一例を以下に示す。
各グループの乱数値候補の集合の期待値がCWサイズ／２、ランダムバックオフ値の候補数がfloor((CWサイズ＋１)／２)、となるようにする。この時、２つのグループのランダムバックオフ値の候補が同じ値をとらないようにする。図１８は、CWサイズが１５の時のランダムバックオフ値の候補の一例を示す図である。ただし、図１８の時間５００は、IEEE802.11の規格におけるスロット・タイムに相当する。
それぞれのグループにランダムバックオフ値候補の振り分けが終わったら、それらのランダムバックオフ値候補の集合を含むフレームをフレーム生成部１１６で生成して、送信部１０４、スイッチ１０２、無線通信部１０１を介して、アンテナ１００より無線基地局の収容端末に送信する(ステップＳ１８)。それぞれの端末に送信し終わったら、プリアンブルを受信するのを待機する(ステップＳ８)。プリアンブル受信(ステップＳ８)から復調処理(ステップＳ１２)までは、第１の実施形態と同様であるものとし、図５を用いて説明したので省略する。
復調処理された信号はエラーチェック部１０９でエラーチェックを行う(ステップＳ１９)。もしエラーがなかった場合、データを送信した端末それぞれに対するACKを返す。もしステップＳ１９でエラーが発生していた場合、CWサイズ保持部１１７で、保持するCWのサイズを広げる(ステップＳ２０２)。広げるCWサイズは、従来のIEEE802.11の規格と同様であるものとして、（式７）により求めるものとする。図２１は、本実施形態における無線通信の端末局２の一構成例を示す機能ブロック図である。図２１は、図１３の制御部２０８とデータ保持部２０９とを、双方向につなげたものである。図２２は、図２１に関する処理の流れを示すフローチャート図である。
無線端末局２は、無線基地局から各グループのランダムバックオフ値候補の集合を含んだ信号をアンテナ２００で受信する(ステップＳ１５０)。受信した信号は無線通信部２０１、スイッチ２０２、受信部２０３、復調部２０５を介してエラーチェック部２０７に入力される。エラーチェック部２０７でエラーがないことを確認された信号は、制御部による処理を開始し、ランダムバックオフ値候補の集合保持部３００に入力される。このランダムバックオフ値候補の集合保持部３００は、各グループが取り得るバックオフ値の候補の集合を保持する。ランダムバックオフ値候補の集合保持部３００は第２の実施形態で説明したもの同様に、無線基地局１から再度ランダムバックオフ値候補の集合の通知を受けるまで、現在のバックオフ値候補の集合を保持し続ける。
データ保持部２０９にあるデータはフレーム生成部２０６に入力され、送信フレームが生成される(ステップＳ１０５)。その生成フレームをもとにグループ分けを行う(ステップＳ２０１)。グループ分けの一例を以下で説明する。
本実施形態では、グループ分けに送信フレーム長の長さを用いる。送信データのフレーム長に対してあるしきい値を用いることで、２つのグループに分ける。本実施形態では、このしきい値を『グループ化しきい値』と呼ぶ。『送信フレーム長≦グループ化しきい値』の場合、グループ１、送信フレーム長＞グループ化しきい値』の場合、グループ２、というように分けていく。
尚、一例としてこのグループ化しきい値をIEEE802.11の規格のdot11RTSThresholdにした場合、RTS/CTS交換を行わない無線端末局と、RTS/CTS交換を行う端末の送信タイミングが衝突する可能性が減る。
以上の方法でグループ分けを行った後、ランダムバックオフ値候補の集合保持部３００に保持されているランダムバックオフ値候補の集合の中から、無線端末局２が割り当てられたグループのランダムバックオフ値候補の集合を用いて、ランダムバックオフ設定部２１１で、バックオフ値を設定する(ステップＳ１０６)。
バックオフ値の設定が終わったら、キャリアセンスをしてチャネルがビジーでないかを確認する(ステップＳ１０４)。チャネルがビジーであった場合、バックオフ値補正を行う(ステップＳ１５２)。バックオフ値補正とは、自分のグループが振り分けられたランダムバックオフ値候補の集合に含まれた値に、現在のバックオフ値を補正するものである。その為、バックオフ設定(ステップＳ１０６)直後の場合、特に補正の必要はない。ステップＳ１５２に関しては、バックオフ値を減らした(ステップＳ１１２)後に、説明する。ステップＳ１０４でチャネルがビジーでない場合、バックオフ値が０であるか確認する(ステップＳ１０７)。バックオフカウンタが０でない場合、再度キャリアセンスをして、チャネルがビジーでないか確認する。チャネルがビジーである場合、既に他の端末が送信を開始したと判断する。第１、第２の実施形態では、バックオフ値のカウントダウン中に、他の無線端末局が送信を開始した場合、カウントダウンをした現在のバックオフ値を保持しておいて、送信を再び試みる際の保持していたバックオフ値を現在のバックオフ値として使用したのに対し、本実施形態では、グループごとで取り得るバックオフ値を分けているため、残ったカウントが自分のグループが振り分けられたバックオフ値でない可能性がある。
その為、ランダムバックオフ設定(ステップＳ１０６)直後のステップに戻す前に、バックオフ値を自分のグループが振り分けられたランダムバックオフ値候補の集合に含まれた値に補正する(ステップＳ１５２)。この補正方法の例として、「自分のグループに振り分けられたバックオフ値の中で、最も現在のカウントに近い値に補正する」、または「自分のグループの中で、残ったカウントより低い値、かつ最も残ったカウントに近い値に補正する」、あるいは「同一グループ内であれば停止した現在のバックオフ値が等しい可能性が高いものとし、補正を行わない」などを用いることができる。
チャネルがアイドル状態になると、IEEE802.11におけるDIFS時間待機後、ステップＳ１５２で補正されたバックオフ値を使用して、再度バックオフ値のカウントダウンを開始する。ステップＳ１１０でバックオフ値が０である場合、送信タイミングとみなし送信データを送信する(ステップＳ１０８)。
データ送信(ステップＳ１０８)をした後、ACKが受信されるのを待機する(ステップＳ１１３)。ACKが受信されたら、そのACKは自分向けかを確認する(ステップＳ１０９)。ステップＳ１１３でACKが受信されない場合、ランダムバックオフ値候補の集合を含んだ信号を再度受信するか確認する(ステップＳ１２０)。ランダムバックオフ値候補の集合を再度受信した場合、その候補値を使用して再度、バックオフ値の設定を行う(ステップＳ１０６)。ステップＳ１２０でランダムバックオフ値候補の集合を受信しなかった場合はランダムバックオフ値候補の集合やグループの変更はなく、再度バックオフ値を決定する(ステップＳ１０６)。
ステップＳ１０９で受信したACKが自分向けであった場合、処理は終了となる。受信したACKが自分向けでなかった場合、再度ACKが受信されるのを待機する。
図２３は、本実施形態のタイミング図である。また図２３の例では、全ての送信フレーム長がIEEE802.11の規格のdot11RTSThreshold以下であるとする。その為、RTS/ CTS交換は行わない。また、図２３の例ではグループ化しきい値はIEEE802.11規格のdot11RTSThresholdより小さい所定の値である。
図２３に示す例は、無線基地局１台と、無線端末局ＡからＣまでで構成されている。本実施形態では、送信データのフレーム長によりグループを分けるが、図２３では説明を分かりやすくするために、あらかじめ、送信データをフレーム生成した後、端末が属すグループを表記している。
前フレームの送信が終了した後、IEEE802.11規格におけるDIFS時間(空白時間６００)待機した後、それぞれの端末はバックオフ値のカウントダウンを開始する。ここで空白時間６０１は全てIEEE802.11規格におけるスロット・タイムに相応する。送信フレームの長さにより、グループ１に属している無線端末局Ａ，Ｃのバックオフ値は３が選択され、グループ２に属している無線端末局Ｂのバックオフ値は４が選択されたものとする。その為、無線端末局Ａ，Ｃが同時に送信フレーム６０２、送信フレーム６０３を無線基地局に送信し、MU-MIMO通信を実現する。なお、ここでの送信フレーム６０２は、無線端末局Ａの送信フレームであり、指定されたプリアンブルのリソースで送信するプリアンブルと、無線端末局Ａの占有帯域で送信する送信データである。同様に、送信フレーム６０３は、無線端末局Ｃが送信する送信フレームである。
２端末から同時に送信フレームを受信した無線基地局は、無線端末局Ａ，ＣそれぞれにIEEE802.11規格におけるSIFS時間に相当する時間(空白時間６０４)待機した後、ACK(A)６０５、さらにSIFS時間相当待機した後、ACK(C)６０６を送信する。ACK(A)６０５は無線端末局Aに対するACKであり、同様にACK(C)６０６は無線端末局Ｃに対するACKである。
無線端末局Ａ，Ｃに対するACKの送信が終了したら、送信データがある端末は、再設定したバックオフ値を用いて、バックオフ値のカウントダウンを開始する。
バックオフ値のカウントダウンの途中である無線端末局Ｂの残りのバックオフ値は１である。しかしグループ２が割り当てられたランダムバックオフ値候補の集合には１はなく、無線端末局Ｂのバックオフ値は、グループ2が振り分けられたランダムバックオフ値候補の集合の中で、１より小さく、最も１に近い値である０に補正される。その為、無線端末局ＢはDIFS時間(空白時間６００)だけ待機した後すぐに送信フレーム６０７を送信する。送信フレーム６０７は無線端末局Ｂが無線基地局に指定されたプリアンブルの送信リソースで送信するプリアンブルと、無線端末局Ｂの占有帯域で送信する送信データである。
無線端末局Ｂからの送信フレーム６０７を受信した無線基地局は、無線端末局Ｂに対してACK(B)６１０を送信する。尚、第２実施形態と同様に本実施形態においても、無線基地局から複数のACKを送信する際にACK間に空白時間を入れる場合について記載しているが、ACK間の空白時間が無い例もありうる。
以上の様に、本実施形態においても、従来のIEE802.11 の規格の方式をほとんど変えずにMU-MIMO通信を実現することが可能となる。また、グループごとに取りうるバックオフ値が異なるように振り分けられている為、グループ間で送信フレームの衝突が生じる事を避けることが可能となる。
尚、上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。
また、本実施の形態で説明した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各部の処理を行ってもよい。尚、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。
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また前記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。機能の少なくとも一部は、集積回路などのハードウェアで実現しても良い（処理装置などと称することがある）。
本発明は通信装置に利用可能である。
Ａ…無線通信システム、１…無線基地局、２〜５…無線端末局、１００ａ・１００ｂ…アンテナ、１０１ａ…第１無線通信部、１０１ｂ…第２無線通信局、１０２…スイッチ（ＳＷ）、１０４…送信部、１１６…フレーム生成部、１１１…制御部、１１０…プリアンブル送信リソース割り当て決定部、１１５…ランダムバックオフ制御変数決定部、１０５…プリアンブル受信部、１０６…チャネル推定部、１０７…MIMO復調部、１０８…復調部、１０９…エラーチェック部、２００…アンテナ、２０１…無線通信部、２０２…スイッチ、２０３…受信部、２０４…送信部、２０５…復調部、２０６…フレーム生成部、２０７…エラーチェック部、２０８…制御部、２０９…データ保持部、２１０…CWサイズ変更部、２１１…ランダムバックオフ設定部。

Claims (18)

  1. １つの無線基地局と、複数の無線端末局で構成される無線通信システムに使用する無線端末局装置であって、
    前記無線端末局装置は複数のグループのいずれかに属するように振り分けられ、
    少なくとも１つのグループに属する前記無線端末局装置の、ランダムバックオフを行う際のバックオフ値を、所定の制限をされた数で構成された値の集合であるバックオフ値候補の集合から選ぶように制御するバックオフ制御部を有することを特徴とする無線端末局装置。
  2. 前記バックオフ値候補の集合として、
    前記無線端末局が有する送信データの再送回数に基づいたバックオフ値候補範囲から０までの連続した値から選択された、前記所定の制限をされた数で構成された値の集合を用いることを特徴とする請求項１記載の無線端末局装置。
  3. 前記バックオフ値候補の集合として、
    前記所定の制限をされた数で構成された０から連続した整数の集合を用いることを特徴とする請求項１記載の無線端末局装置。
  4. 前記バックオフ値候補の集合として、
    前記所定の制限をされた数で構成され、所定の値を集合の期待値とする集合を用いることを特徴とする請求項１記載の無線端末局装置。
  5. 前記バックオフ値候補の集合として、
    前記無線基地局から通知された制御変数を用いて決定した集合、または前記無線基地局から通知された集合を用いることを特徴とする請求項１記載の無線端末局装置。
  6. 前記バックオフ値候補の集合を、前記無線端末局装置が保持する送信データのフレーム長に基づき、前記無線端末局装置が属するグループを決定することを特徴とする請求項１記載の無線端末局装置。
  7. 前記バックオフ値のカウントダウンが途中で停止した場合に、停止した状態のバックオフ値が前記バックオフ値候補の集合の中に含まれない値である場合、前記バックオフ値を前記バックオフ値候補の集合に含まれる値に補正することを特徴とする請求項５記載の無線端末局装置。
  8. １つの無線基地局と、複数の無線端末局で構成される無線通信システムに使用する無線基地局装置であって、
    前記無線端末局は複数のグループのいずれかに属するように振り分けられ、
    前記システムで使用する、少なくとも１つのグループに属する前記無線端末局装置が選択するバックオフ値の候補であるバックオフ値候補の集合に含まれる値の数を制御する為の制御変数を決定するランダムバックオフ制御変数決定部を有することを特徴とする無線基地局装置。
  9. 前記ランダムバックオフ制御変数決定部は、前記制御変数を、無線基地局装置が収容する無線端末局装置の数と、前記無線基地局装置が有するアンテナの数の、少なくともいずれか一方の値に基づいて決定することを特徴とする請求項８記載の無線基地局装置。
  10. 前記無線端末局が有する送信データの再送回数に基づいたバックオフ値候補範囲から０までの値から、前記バックオフ値に含まれる値の数選択したものを、前記バックオフ値候補の集合とするランダムバックオフ値候補の集合生成部を更に備えることを特徴とする請求項８記載の無線基地局装置。
  11. 前記ランダムバックオフ値の集合生成部は、
    複数のグル―プのバックオフ値候補の集合を生成する場合、其々のバックオフ値候補の集合に含まれる値が異なるように制御することを特徴とする請求項１０記載の無線基地局装置。
  12. 前記バックオフ値候補の集合生成部は、
    前記ランダムバックオフ値候補の集合に含まれる値の期待値を所定の値にすることを特徴とする請求項８記載の無線基地局装置。
  13. 前記制御変数と、前記バックオフ値候補の集合の、少なくともいずれか一方を、更新毎に前記無線端末局装置に通知することを特徴とする請求項８、または、請求項１０に記載の無線基地局装置。
  14. １つの無線基地局と、複数の無線端末局で構成される無線通信システムに使用する無線端末局装置における無線通信方法であって、
    前記無線端末局装置は複数のグループのいずれかに属するように振り分けられ、
    少なくとも１つのグループに属する前記無線端末局装置の、ランダムバックオフを行う際のバックオフ値を、
    所定の制限をされた数で構成された値の集合であるバックオフ値候補の集合から選ぶように制御を行うステップ
    を有することを特徴とする無線通信方法。
  15. １つの無線基地局と、複数の無線端末局で構成される無線通信システムに使用する無線端末局装置に所定の機能を発揮させる処理装置であって、
    前記無線端末局装置は複数のグループのいずれかに属するように振り分けられ、
    少なくとも１つのグループに属する前記無線端末局装置の、ランダムバックオフを行う際のバックオフ値を、
    所定の制限をされた数で構成された値の集合であるバックオフ値候補の集合から選ぶ制御機能を発揮させることを特徴とする処理装置。
  16. １つの無線基地局と、複数の無線端末局で構成される無線通信システムに使用する無線基地局装置における無線通信方法であって、
    前記無線端末局は複数のグループのいずれかに属するように振り分けられ、
    前記システムで使用する、少なくとも１つのグループに属する前記無線端末局装置が選択するバックオフ値の候補であるバックオフ値候補の集合に含まれる値の数を制御する為の制御変数を決定する
    ステップを有することを特徴とする無線通信方法。
  17. １つの無線基地局と、複数の無線端末局で構成される無線通信システムに使用する無線基地局装置に所定の機能を発揮させる処理装置であって、
    前記無線端末局は複数のグループのいずれかに属するように振り分けられ、
    前記システムで使用する、少なくとも１つのグループに属する前記無線端末局装置が選択するバックオフ値の候補であるバックオフ値候補の集合に含まれる値の数を制御する為の制御変数を決定する機能を発揮させることを特徴とする処理装置。
  18. １つの無線基地局と、複数の無線端末局で構成される無線通信システムであって、
    前記無線端末局装置は複数のグループのいずれかに属するように振り分けられ、
    少なくとも１つのグループに属する前記無線端末局装置の、ランダムバックオフを行う際のバックオフ値を、
    所定の制限をされた数で構成された値の集合であるバックオフ値候補の集合から選ぶように制御するバックオフ制御部を有することを特徴とする無線端末局装置と
    前記システムで使用する、前記バックオフ値候補の集合に含まれる値の数を制御する為の制御変数を決定するランダムバックオフ制御変数決定部を有することを特徴とする無線基地局装置と
    を有する無線通信システム。
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