JP2014003480A - 無線通信システムおよび無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の無線通信グループが予約信号（ＮＡＶ）を用いて無線空間を順番に占有して無線通信を行う。
【解決手段】複数の無線通信グループの各基地局は、複数の無線通信グループが形成するエリア内に向けて所属する無線通信グループのネットワーク情報を含む報知信号を送信するとともに、予め登録している無線通信グループのネットワーク情報を有する報知信号を受信してその受信数ｍ（ｍは０または１以上の整数）をカウントし、各無線通信グループの基地局が順番にチャネルを予約する期間を指定した予約信号を１回送信した後にｍ回受信することを繰り返す手段を備え、予約信号を送信した無線通信グループの基地局および端末は、予約信号で指定した期間に通信を行い、予約信号を受信した無線通信グループの基地局および端末は、予約信号で指定された期間だけ送信を禁止する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ターゲットエリア内で同じチャネルを共用する複数の無線通信グループの基地局と端末が、予約信号（ＮＡＶ：Network Allocation Vector ）を用いて無線空間を順番に占有して無線通信を行う無線通信システムおよび無線通信方法に関する。

ＩＥＥＥ８０２．１１無線通信規格におけるアクセス手順である自律分散制御（ＤＣＦ：Distributed Coordination Function ）では、各無線端末は、送信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）の範囲から乱数を発生させ、当該乱数に相当する期間（バックオフタイム）だけ待機してもチャネルがアイドルであることを確認してパケットを送信するＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 方式が用いられている。バックオフタイム期間が経過する前にチャネルがビジーになった場合はパケットを送信せず、次にチャネルがアイドルになったときに、残りの待機時間によってキャリアセンスを行う。

一方、正常にパケットを受信した無線基地局は、その旨を送信元である無線端末に通知するために、ＡＣＫ信号を送信する。したがって、所定時間内にＡＣＫ信号を受信しない場合には、送信元である無線端末は、送信が失敗したと判断してＣＷを拡大することにより、乱数を発生させる範囲を広げて再送処理を行う。すなわち、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、ＣＷを拡大することによって衝突回避を行う。

しかし、無線通信では、無線局間の距離や電波を通さない障害物などの影響により、互いの無線信号が到達しない状態（キャリアセンスが機能しない電波環境）が起こりうる。この場合、キャリアセンスが有効に機能しないため、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式ではフレームの衝突の頻度が増し、スループット特性を悪化させる原因になる。

そこで、ＩＥＥＥ８０２．１１規格ではキャリアセンスが有効に機能しない伝播環境に対応するために、ＲＴＳ（Request to Send ）／ＣＴＳ（Clear to Send ）と呼ばれる対策機能が定義されている。

図４は、ＲＴＳ／ＣＴＳの動作手順を示す。
図４において、端末Ａはデータフレーム送信前にＤＩＦＳに加えてバックオフ時間をキャリアセンスし、ＲＴＳをデータフレームの宛先である基地局宛に送信する。端末Ａと端末Ｂは互いにキャリアセンスできる伝播環境下にあるため、端末Ａが送信するＲＴＳを端末Ｂも受信する。ＲＴＳとＣＴＳのフレームには、チャネルを使用する予定期間が記載されるデュレーションフィールドがあり、端末ＢはＲＴＳフレームに記載されている期間だけ予約信号（ＮＡＶ）を設定することにより、送信を禁止して衝突を防止する。ただし、このＲＴＳは端末Ｃには届かないものとする。

データフレームの宛先である基地局は、ＲＴＳ受信後のＳＩＦＳ時間空けて端末Ａ宛にＣＴＳを返す。基地局が送信したＣＴＳは端末Ｃも受信することができるので、端末ＣはＣＴＳフレームに記載されている期間だけ予約信号（ＮＡＶ）を設定することにより、送信を禁止して衝突を防止する。ＣＴＳを受信した端末Ａは、ＳＩＦＳ時間後にデータフレームを送信し、当該データフレームを受信した基地局もＳＩＦＳ時間後にＡＣＫ信号を送信して通信を終了する。ここで、ＳＩＦＳとＤＩＦＳは、ＳＩＦＳ＜ＤＩＦＳの関係にあるため、短い時間のＳＩＦＳを使って優先権をもたせることで、いったんＲＴＳが正常に受信されれば、以後の手順中はフレームは妨害されることなくデータフレームとＡＣＫ信号が交換される。

データフレームの送信元の端末Ａ、受信先の基地局以外の周辺無線局（端末Ｂ，端末Ｃ）は、ＲＴＳあるいはＣＴＳの受信後、デュレーションフィールドに記載されている期間は無線回線が使用されていると見なし、予約信号（ＮＡＶ）が設定する期間だけ送信を禁止して衝突を防止する。

IEEE standard for Local and metropolitan area networks Part 11: Wireless LAN MAC and PHY Specifications, June 2007

従来の技術では、キャリアセンスが有効に機能しない伝播環境に対応するためにＲＴＳ／ＣＴＳと呼ばれる対策機能が定義されている。ＲＴＳやＣＴＳのデュレーションフィールドに記載されている期間はチャネルが使用されていると見なし、予約信号（ＮＡＶ）を設定することにより衝突を防止している。

ところで、昨今のＣＳＭＡ／ＣＡの無線通信環境は、ターゲットエリアに多くの端末，基地局が存在する稠密になってきており、良好な無線通信環境でのデータの送受信は厳しい状況にある。また、ターゲットエリア内に多数の無線通信グループが存在している場合、同一のチャネルを共有しているため、さらにデータの送受信は厳しい状況にある。すなわち、良好な無線通信環境を得るための手段の１つとして、一時的に無線空間を占有できるアルゴリズムが必要である。しかも、複数の無線通信グループで無線空間を順番に占有できるアルゴリズムが必要である。

本発明は、複数の無線通信グループが存在するターゲットエリアにおいて、各無線通信グループが予約信号（ＮＡＶ）を用いて無線空間を順番に占有して無線通信を行う無線通信システムおよび無線通信方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、基地局と、その基地局と通信を行う配下の端末により構成される無線通信グループが複数あり、当該複数の無線通信グループでそれぞれ通信に用いる共通の複数の伝送速度が用意される無線通信システムにおいて、複数の無線通信グループの各基地局は、複数の無線通信グループが形成するエリア内に向けて所属する無線通信グループのネットワーク情報を含む報知信号を送信するとともに、予め登録している無線通信グループのネットワーク情報を有する報知信号を受信してその受信数ｍ（ｍは０または１以上の整数）をカウントし、各無線通信グループの基地局が順番にチャネルを予約する期間を指定した予約信号を１回送信した後にｍ回受信することを繰り返す手段を備え、予約信号を送信した無線通信グループの基地局および端末は、予約信号で指定した期間に通信を行い、予約信号を受信した無線通信グループの基地局および端末は、予約信号で指定された期間だけ送信を禁止する。

第１の発明の無線通信システムにおいて、報知信号は、基地局の配下の端末に対して基地局との通信に用いる伝送速度の通知に用いられる。

第１の発明の無線通信システムにおいて、予約信号を送信する伝送速度は、共通の複数の伝送速度の中で一番低速の伝送速度である。

第１の発明の無線通信システムにおいて、各無線通信グループの基地局が予約信号で指定する期間は、所定時間（例えば予約信号で指定できる最大期間）を１／（ｍ＋１）に分割した均等期間とするか、各無線通信グループの基地局ごとに予約信号で指定できる最大期間の範囲で任意に設定する。

第２の発明は、基地局と、その基地局と通信を行う配下の端末により構成される無線通信グループが複数あり、当該複数の無線通信グループでそれぞれ通信に用いる共通の複数の伝送速度が用意される無線通信方法において、複数の無線通信グループの各基地局は、複数の無線通信グループが形成するエリア内に向けて所属する無線通信グループのネットワーク情報を含む報知信号を送信するとともに、予め登録している無線通信グループのネットワーク情報を有する報知信号を受信してその受信数ｍ（ｍは０または１以上の整数）をカウントし、各無線通信グループの基地局が順番にチャネルを予約する期間を指定した予約信号を１回送信した後にｍ回受信することを繰り返し、予約信号を送信した無線通信グループの基地局および端末は、予約信号で指定した期間に通信を行い、予約信号を受信した無線通信グループの基地局および端末は、予約信号で指定された期間だけ送信を禁止する。

第２の発明の無線通信方法において、報知信号は、基地局の配下の端末に対して基地局との通信に用いる伝送速度の通知に用いられる。

第２の発明の無線通信方法において、予約信号を送信する伝送速度は、共通の複数の伝送速度の中で一番低速の伝送速度である。

第２の発明の無線通信方法において、各無線通信グループの基地局が予約信号で指定する期間は、所定時間（例えば予約信号で指定できる最大期間）を１／（ｍ＋１）に分割した均等期間とするか、各無線通信グループの基地局ごとに予約信号で指定できる最大期間の範囲で任意に設定する。

本発明は、ターゲットエリア内に存在する複数の無線通信グループの基地局が、互いに所属する無線通信グループのネットワーク情報（ＳＳＩＤ）を含む報知信号を送信し、各基地局が登録しているネットワーク情報を有する報知信号の受信数ｍをカウントすることにより、自局を含む報知信号を送信した基地局数（ｍ＋１）が求める。そして、この（ｍ＋１）個の基地局は、順番に予約信号（ＮＡＶ）を１回送信した後にｍ回受信することを繰り返すことにより、各無線通信グループの基地局と端末が予約信号を用いて無線空間を順番に占有して通信を行うことができる。

本発明の無線通信システムの基地局の装置構成例を示す図である。 伝送速度制御部４の処理例を示すフローチャートである。 本発明の無線通信システムの動作例を示すタイムチャートである。 ＲＴＳ／ＣＴＳの動作手順を示すタイムチャートである。

図１は、本発明の無線通信システムにおける基地局の装置構成例を示す。
図１において、基地局は、データ信号入出力部１、報知信号生成部２、予約信号生成部３、伝送速度制御部４、送受信制御部５およびアンテナ６を備える。

データ信号入出力部１は、伝送速度制御部４を介して送受信制御部５に接続される。報知信号生成部２は、通信に用いる伝送速度を端末に通知する報知信号を生成し、伝送速度制御部４を介して送受信制御部５に出力する。予約信号生成部３は、チャネルを予約する予約信号（ＮＡＶ）を生成し、伝送速度制御部４を介して送受信制御部５に出力する。

伝送速度制御部４は、図２に示すように、入力するデータ信号または報知信号または予約信号によって伝送速度を制御する。予約信号は、無線通信システムに用意されている複数の共通の伝送速度（１Ｍbps ，２Ｍbps ， 5.5Ｍbps ，６Ｍbps ，11Ｍbps ，12Ｍbps ，…）のうち、例えば一番低速の伝送速度（１Ｍbps ）に設定される。報知信号は、予約信号の伝送速度以外で例えば次に低速の伝送速度（２Ｍbps ）に設定され、当該報知信号によりデータ信号に用いる伝送速度として、予約信号の伝送速度以外の伝送速度（例えば 5.5Ｍbps ）が各端末に通知される。データ信号は、報知信号により通知される伝送速度が設定される。それ以後、データ信号に用いる伝送速度を通知する報知信号は、当該データ信号に用いる伝送速度が設定される。

送受信制御部５は、伝送速度制御部４により指定された伝送速度で無線通信グループのネットワーク情報（ＳＳＩＤ）を有する報知信号を送信する。端末は、所属するネットワーク情報（ＳＳＩＤ）を有する報知信号を受信し、データ信号の送信に用いる伝送速度を取得する。これは、無線ＬＡＮの規格であるＩＥＥＥ８０２．１１標準において規定されるSuppored Rate を利用したものである。すなわち、端末は基地局との間でネゴシエートした伝送速度を用いて当該基地局とデータ通信を行う。

また、ターゲットエリア内に複数の無線通信グループが存在し、各無線通信グループの基地局が送信する報知信号は、配下の端末とともに、他の無線通信グループの基地局にも受信される。各無線通信グループの基地局の送受信制御部５は、他の無線通信グループの基地局から送信された報知信号を受信し、予めリストに登録してある無線通信グループのネットワーク情報（ＳＳＩＤ）を確認すると、当該報知信号の受信数ｍをカウントして予約信号生成部３に通知する。予約信号生成部２および送受信制御部５は、生成した予約信号を１回送信してｍ回休み、その間に他の無線通信グループの基地局から送信される予約信号を受信する処理を行う。

例えば、予め登録している無線通信グループのネットワーク情報（ＳＳＩＤ）を含む報知信号の受信数ｍが２で、自局を含めて３つの無線通信グループの基地局で予約信号を送信することになった場合、各無線通信グループの基地局は順番に予約信号を１回送信して２回受信することを繰り返す。

図３は、本発明の無線通信システムの動作例を示す。
図３において、無線通信グループ１の基地局１０は配下の端末１１，１２に対して、無線通信グループ２の基地局２０は配下の端末２１，２２に対して、無線通信グループ３の基地局３０は配下の端末３１，３２に対して、それぞれデータ信号に用いる伝送速度を通知する報知信号（ビーコン）を送信し、配下の端末との間でデータ信号を送受信する伝送速度を設定する。

さらに、各無線通信グループの基地局１０，２０，３０は、それぞれ送信する報知信号を互いに受信することにより、ターゲットエリア内に無線通信グループが３つ存在するものと判断し、予約信号を送信する順番を調整する制御を行う。ここでは、例えば各基地局が所属する無線通信グループのネットワーク情報（ＳＳＩＤ）の値に応じて、基地局１０，２０，３０の順番が予め設定されるものとする。

無線通信グループ１の基地局１０は、チャネルを予約する期間を指定した予約信号（ＮＡＶ）を所定の伝送速度（上記の例では１Ｍbps ）で送信する。この予約信号は、無線通信グループ２の基地局２０および端末２１，２２、無線通信グループ３の基地局３０および端末３１，３２にも受信され、当該基地局２０，３０および端末２１，２２，３１，３２では当該予約信号（ＮＡＶ）による送信禁止期間が設定される。

一方、無線通信グループ１の基地局１０の配下の端末１１，１２は、基地局１０が送信する予約信号を無視する。すなわち、予約信号による送信禁止期間は、他の無線通信グループ２，３の基地局２０および端末２１，２２と、基地局３０および端末３１，３２に設定され、当該無線通信グループ１の基地局１０と端末１１，１２との間でデータ信号を優先的に送受信することができる。

次に、基地局１０により設定された送信禁止期間が終了すると、無線通信グループ２の基地局２０が予約信号（ＮＡＶ）を送信する。この予約信号は、無線通信グループ１の基地局１０および端末１１，１２、無線通信グループ３の基地局３０および端末３１，３２にも受信され、当該基地局１０，３０および端末１１，１２，３１，３２では当該予約信号（ＮＡＶ）による送信禁止期間が設定される。

一方、無線通信グループ２の基地局２０の配下の端末２１，２２は、基地局２０が送信する予約信号を無視する。すなわち、予約信号による送信禁止期間は、他の無線通信グループ１，３の基地局１０および端末１１，１２と、基地局３０および端末３１，３２に設定され、当該無線通信グループ２の基地局２０と端末２１，２２との間でデータ信号を優先的に送受信することができる。

次に、基地局２０により設定された送信禁止期間が終了すると、無線通信グループ３の基地局３０が予約信号（ＮＡＶ）を送信する。この予約信号は、無線通信グループ１の基地局１０および端末１１，１２、無線通信グループ２の基地局２０および端末２１，２２にも受信され、当該基地局１０，２０および端末１１，１２，２１，２２では当該予約信号（ＮＡＶ）による送信禁止期間が設定される。

一方、無線通信グループ３の基地局３０の配下の端末３１，３２は、基地局３０が送信する予約信号を無視する。すなわち、予約信号による送信禁止期間は、他の無線通信グループ１，２の基地局１０および端末１１，１２と、基地局２０および端末２１，２２に設定され、当該無線通信グループ３の基地局３０と端末３１，３２との間でデータ信号を優先的に送受信することができる。

以下同様に、基地局１０，２０，３０の順番に予約信号（ＮＡＶ）が送信される。このように、各基地局１０，２０，３０が予約信号を送信するタイミングは、３回に１回の割合でずらしながら２回分の時間の休止を挟んで繰り返されることになる。

なお、以上の説明では、基地局１０，２０，３０の順番に予約信号を送信する例を示したが、報知信号の受信数ｍから予約信号の送信をシェアする無線通信グループ数（ｍ＋１）を把握した後は、各無線通信グループの基地局で１回送信してｍ回受信することを確定し、その順番は以下のようにして決めることができる。まず、（ｍ＋１）個の基地局が予約信号を送信するために所定の乱数から発生させた時間だけ待機し、最初に予約信号を送信した基地局を１番とする。１番の基地局は、予約信号を１回送信してｍ回受信することを繰り返す。他の基地局は、１番の基地局から予約信号（ＮＡＶ）を受信して送信禁止期間を設定し、その期間終了後に、同様に所定の乱数から発生させた時間だけ待機し、最初に予約信号を送信した基地局を２番とする。２番の基地局は、予約信号を１回送信してｍ回受信することを繰り返す。以下同様にｍ番の基地局まで繰り返し、最後の（ｍ＋１）番の基地局を決める。

また、各基地局が予約信号で指定する期間は、所定時間（例えば予約信号で指定できる最大期間）を１／（ｍ＋１）に分割した均等期間としてもよい。この場合には、当該所定時間に各基地局がデータ信号を送信する機会が必ず１回あるが、その基地局数（ｍ＋１）に応じて時間が短くなる。一方、各基地局が予約信号で指定する期間は、予約信号で指定できる最大期間の範囲で任意に設定してもよい。この場合には、無線通信グループ間のトラヒックに応じた期間を指定した予約信号を送信することにより、各無線通信グループの送信禁止期間を最小限に抑えて無線通信システム全体の伝送効率を高めることができる。

１ データ信号入出力部
２ 報知信号生成部
３ 予約信号生成部
４ 伝送速度制御部
５ 送受信部
６ アンテナ
１０，２０，３０ 基地局
１１，１２，２１，２２，３１，３２ 端末

Claims (8)

1. 基地局と、その基地局と通信を行う配下の端末により構成される無線通信グループが複数あり、当該複数の無線通信グループでそれぞれ通信に用いる共通の複数の伝送速度が用意される無線通信システムにおいて、
   前記複数の無線通信グループの各基地局は、前記複数の無線通信グループが形成するエリア内に向けて所属する無線通信グループのネットワーク情報を含む報知信号を送信するとともに、予め登録している無線通信グループのネットワーク情報を有する報知信号を受信してその受信数ｍ（ｍは０または１以上の整数）をカウントし、前記各無線通信グループの基地局が順番にチャネルを予約する期間を指定した予約信号を１回送信した後にｍ回受信することを繰り返す手段を備え、
   前記予約信号を送信した無線通信グループの基地局および端末は、前記予約信号で指定した期間に通信を行い、前記予約信号を受信した無線通信グループの基地局および端末は、前記予約信号で指定された期間だけ送信を禁止する
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記報知信号は、前記基地局の配下の端末に対して前記基地局との通信に用いる伝送速度の通知に用いられる
   ことを特徴とする無線通信システム。
3. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記予約信号を送信する伝送速度は、前記共通の複数の伝送速度の中で一番低速の伝送速度である
   ことを特徴とする無線通信システム。
4. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記各無線通信グループの基地局が前記予約信号で指定する期間は、所定時間を１／（ｍ＋１）に分割した均等期間とするか、前記各無線通信グループの基地局ごとに前記予約信号で指定できる最大期間の範囲で任意に設定する
   ことを特徴とする無線通信システム。
5. 基地局と、その基地局と通信を行う配下の端末により構成される無線通信グループが複数あり、当該複数の無線通信グループでそれぞれ通信に用いる共通の複数の伝送速度が用意される無線通信方法において、
   前記複数の無線通信グループの各基地局は、前記複数の無線通信グループが形成するエリア内に向けて所属する無線通信グループのネットワーク情報を含む報知信号を送信するとともに、予め登録している無線通信グループのネットワーク情報を有する報知信号を受信してその受信数ｍ（ｍは０または１以上の整数）をカウントし、前記各無線通信グループの基地局が順番にチャネルを予約する期間を指定した予約信号を１回送信した後にｍ回受信することを繰り返し、
   前記予約信号を送信した無線通信グループの基地局および端末は、前記予約信号で指定した期間に通信を行い、前記予約信号を受信した無線通信グループの基地局および端末は、前記予約信号で指定された期間だけ送信を禁止する
   ことを特徴とする無線通信方法。
6. 請求項５に記載の無線通信方法において、
   前記報知信号は、前記基地局の配下の端末に対して前記基地局との通信に用いる伝送速度の通知に用いられる
   ことを特徴とする無線通信方法。
7. 請求項５に記載の無線通信方法において、
   前記予約信号を送信する伝送速度は、前記共通の複数の伝送速度の中で一番低速の伝送速度である
   ことを特徴とする無線通信方法。
8. 請求項５に記載の無線通信方法において、
   前記各無線通信グループの基地局が前記予約信号で指定する期間は、所定時間を１／（ｍ＋１）に分割した均等期間とするか、前記各無線通信グループの基地局ごとに前記予約信号で指定できる最大期間の範囲で任意に設定する
   ことを特徴とする無線通信方法。

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