JP2014082567A

JP2014082567A - 無線通信システムおよび無線通信方法

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Publication number: JP2014082567A
Application number: JP2012227683A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Shintaku; 俊之新宅; Akira Kishida; 朗岸田; Tadashi Iwabuchi; 匡史岩渕; Toru Sakata; 徹阪田; Akinori Hirukawa; 明則蛭川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2014-05-08
Anticipated expiration: 2032-10-15
Also published as: JP5855551B2

Abstract

【課題】同一の周波数リソースを共用する複数の無線ＬＡＮ規格の基地局および無線ＬＡＮ端末が存在するターゲットエリア内において、無線ＬＡＮ規格ごとに優先度およびチャネル利用率を設定してＱｏＳ制御を行う。
【解決手段】同一の周波数リソースを共用する複数の無線ＬＡＮ規格の基地局と無線ＬＡＮ端末が無線通信を行う無線通信システムにおいて、各無線ＬＡＮ規格の基地局は、各無線ＬＡＮ規格ごとに設定された優先度およびチャネル利用率に対応して、他の無線ＬＡＮ規格の基地局および無線ＬＡＮ端末に対してチャネルを予約するＮＡＶ期間を指定した予約信号を送信する手段を備え、予約信号を送信した基地局および無線ＬＡＮ端末は、当該予約信号で指定されたＮＡＶ期間に通信を行い、予約信号を受信した基地局および無線ＬＡＮ端末は、当該予約信号で指定されたＮＡＶ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周波数リソースを共用する複数の無線ＬＡＮ規格の基地局と無線ＬＡＮ端末が、それぞれ無線ＬＡＮ規格に応じた優先度で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。ここで、同じ周波数リソースを共用する無線ＬＡＮ規格としては、例えばIEEE802.11ｂ、IEEE802.11ｇ、IEEE802.11ｎ等がある。

無線通信システムでは、無線ＬＡＮ規格の下位互換性を保ちつつより伝送速度が高い規格が標準化され、同じ周波数リソースを共用している。このような無線ＬＡＮ規格に準拠した無線ＬＡＮ端末に対して平等に無線通信を実現するＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 方式では、ＤＣＦ（Distributed Coordination Function ）送信方式が採用されている。各無線ＬＡＮ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、チャネルがアイドルであることを再確認してパケットを送信する。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基地局は、その旨を送信元である無線ＬＡＮ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ＬＡＮ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ＬＡＮ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、無線ＬＡＮ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約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フレームの予約信号が設定するＮＡＶ（Network Allocation Vector)期間だけ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フレームの予約信号が設定するＮＡＶ期間だけ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、予約信号が設定するＮＡＶ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

昨今の無線通信システムは、ターゲットエリア内に様々な無線ＬＡＮ規格の基地局および無線ＬＡＮ端末が多数存在して稠密になってきており、特に同一の周波数リソースを共用する場合にはフレーム衝突の頻度が増してスループット特性が著しく劣化することになる。一方、既存のアクセス方式（ＣＳＭＡ／ＣＡ）では、様々な無線ＬＡＮ規格に平等であるため、無線ＬＡＮ規格ごとのＱｏＳ制御を行うことができなかった。

本発明は、同一の周波数リソースを共用する複数の無線ＬＡＮ規格の基地局および無線ＬＡＮ端末が存在するターゲットエリア内において、無線ＬＡＮ規格ごとに優先度およびチャネル利用率を設定してＱｏＳ制御を行うことができる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、同一の周波数リソースを共用する複数の無線ＬＡＮ規格の基地局と無線ＬＡＮ端末が無線通信を行う無線通信システムにおいて、各無線ＬＡＮ規格の基地局は、各無線ＬＡＮ規格ごとに設定された優先度およびチャネル利用率に対応して、他の無線ＬＡＮ規格の基地局および無線ＬＡＮ端末に対してチャネルを予約するＮＡＶ期間を指定した予約信号を送信する手段を備え、予約信号を送信した基地局および無線ＬＡＮ端末は、当該予約信号で指定されたＮＡＶ期間に通信を行い、予約信号を受信した基地局および無線ＬＡＮ端末は、当該予約信号で指定されたＮＡＶ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、予約信号は、各無線ＬＡＮ規格ごとの優先度およびチャネル利用率に対応した長さのＮＡＶ期間が設定される。

第１の発明の無線通信システムにおいて、予約信号は、各無線ＬＡＮ規格ごとの優先度およびチャネル利用率に対応した送信割合で送信される。

第１の発明の無線通信システムにおいて、各無線ＬＡＮ規格の基地局は、互いにサポートする無線ＬＡＮ規格を通知する報知信号を送受信し、自基地局がサポートする無線ＬＡＮ規格に応じた優先度およびチャネル利用率を設定する構成である。

第２の発明は、同一の周波数リソースを共用する複数の無線ＬＡＮ規格の基地局と無線ＬＡＮ端末が無線通信を行う無線通信方法において、各無線ＬＡＮ規格の基地局は、各無線ＬＡＮ規格ごとに設定された優先度およびチャネル利用率に対応して、他の無線ＬＡＮ規格の基地局および無線ＬＡＮ端末に対してチャネルを予約するＮＡＶ期間を指定した予約信号を送信し、予約信号を送信した基地局および無線ＬＡＮ端末は、当該予約信号で指定されたＮＡＶ期間に通信を行い、予約信号を受信した基地局および無線ＬＡＮ端末は、当該予約信号で指定されたＮＡＶ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、予約信号は、各無線ＬＡＮ規格ごとの優先度およびチャネル利用率に対応した長さのＮＡＶ期間が設定される。

第２の発明の無線通信方法において、予約信号は、各無線ＬＡＮ規格ごとの優先度およびチャネル利用率に対応した送信割合で送信される。

第２の発明の無線通信方法において、各無線ＬＡＮ規格の基地局は、互いにサポートする無線ＬＡＮ規格を通知する報知信号を送受信し、自基地局がサポートする無線ＬＡＮ規格に応じた優先度およびチャネル利用率を設定する。

本発明は、各無線ＬＡＮ規格ごとに設定された優先度およびチャネル利用率に対応してＮＡＶ期間を指定した予約信号を用いることにより、無線ＬＡＮ規格ごとにＮＡＶ期間に応じた優先的送信と送信禁止が制御される。これにより、無線ＬＡＮ規格ごとのＱｏＳ制御が可能となり、良好な通信環境の実現およびスループットの改善を図ることができる。

本発明の無線通信システムにおける基地局の構成例を示す図である。無線ＬＡＮ規格制御部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。

本発明における無線通信システムは、複数の基地局および無線ＬＡＮ端末で構成される。各基地局がサポートする無線ＬＡＮ規格はそれぞれ１つに限定され、ここでは同一の周波数リソースを共用するIEEE802.11ｂ、IEEE802.11ｇ、IEEE802.11ｎのいずれかとして説明する。各無線ＬＡＮ規格に対応する無線ＬＡＮ端末は、それぞれ同一の無線ＬＡＮ規格をサポートする基地局と通信する。

図１は、本発明の無線通信システムにおける基地局の構成例を示す。
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、無線ＬＡＮ規格制御部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、報知信号生成部２および予約信号生成部３は、無線ＬＡＮ規格制御部４を介して送受信制御部５に接続される。

データ信号入出力部１は、サポートする無線ＬＡＮ規格に応じて送受信されるデータ信号の入出力処理を行う。報知信号生成部２は、サポートする無線ＬＡＮ規格に関する情報を通知する報知信号の生成処理を行う。予約信号生成部３は、チャネルを予約する予約信号（ＮＡＶ）の生成処理を行う。送受信制御部５は、アンテナ６を介して報知信号、予約信号およびデータ信号の送受信処理を行う。なお、報知信号および予約信号は、各基地局がサポートする無線ＬＡＮ規格に拘らず互いに送受信できる信号とする。

無線ＬＡＮ規格制御部４は、図２に示すように、各基地局から報知信号で通知されたそれぞれの無線ＬＡＮ規格を認識し、自基地局がサポートする無線ＬＡＮ規格に応じた優先度およびチャネル利用率を設定し、優先度およびチャネル利用率に基づく予約信号およびデータ信号の送受信制御を行う。なお、本実施例では、チャネル利用率に応じた長さのＮＡＶ期間が予約信号に設定されるものとする。例えば、優先度の高い無線ＬＡＮ規格から順番にIEEE802.11ｎ、IEEE802.11ｇ、IEEE802.11ｂとしたとき、それぞれのチャネル利用率として、IEEE802.11ｎでは４回分のデータ信号の送受信ができ、IEEE802.11ｇでは２回分のデータ信号の送受信ができ、IEEE802.11ｂでは１回分のデータ信号の送受信ができるＮＡＶ期間が設定されるものとする。

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ＬＡＮ規格IEEE802.11ｎの基地局１０、無線ＬＡＮ規格IEEE802.11ｇの基地局２０、無線ＬＡＮ規格IEEE802.11ｂの基地局３０は、それぞれサポートする無線ＬＡＮ規格に関する情報を通知する報知信号を定期的に送信する。各基地局は、互いに報知信号で通知されたそれぞれの無線ＬＡＮ規格を認識し、自基地局がサポートする無線ＬＡＮ規格に応じた優先度およびチャネル利用率に対応するＮＡＶ期間を設定する。

一方、無線ＬＡＮ端末は報知信号により各基地局がサポートする無線ＬＡＮ規格を認識することにより、自端末の無線ＬＡＮ規格と一致する基地局を認識し、通信を行う基地局を特定する。ここでは、基地局１０と無線ＬＡＮ端末１１，１２が無線ＬＡＮ規格IEEE802.11ｎで通信し、基地局２０と無線ＬＡＮ端末２１，２２が無線ＬＡＮ規格IEEE802.11ｇで通信し、基地局３０と無線ＬＡＮ端末３１が無線ＬＡＮ規格IEEE802.11ｇで通信する。

まず、第１優先度の無線ＬＡＮ規格IEEE802.11ｎの基地局１０は、４回分のデータ信号を送受信するＮＡＶ期間を設定した予約信号を送信する。この予約信号は、他の無線ＬＡＮ規格の基地局２０および無線ＬＡＮ端末２１，２２、基地局３０および無線ＬＡＮ端末３１にも受信され、当該基地局２０，３０および無線ＬＡＮ端末２１，２２，３１では当該予約信号によるＮＡＶ期間の送信が禁止される。

一方、基地局１０の配下の無線ＬＡＮ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ＮＡＶ期間は、他の無線ＬＡＮ規格の基地局２０および無線ＬＡＮ端末２１，２２と、基地局３０および無線ＬＡＮ端末３１に設定され、当該無線ＬＡＮ規格IEEE802.11ｎの基地局１０と無線ＬＡＮ端末１１，１２との間で４回分のデータ信号を優先的に送受信することができる。なお、図３では、ＤＩＦＳ、ＳＩＦＳ、バックオフ、ＡＣＫ等は省略し、データ信号のみを表示している。以下同様である。

次に、基地局１０により設定されたＮＡＶ期間が終了すると、第２優先度の無線ＬＡＮ規格IEEE802.11ｇの基地局２０は、３回分のデータ信号を送受信するＮＡＶ期間を設定した予約信号を送信する。この予約信号は、他の無線ＬＡＮ規格の基地局１０および無線ＬＡＮ端末１１，１２、基地局３０および無線ＬＡＮ端末３１にも受信され、当該基地局１０，３０および無線ＬＡＮ端末１１，１２，３１では当該予約信号によるＮＡＶ期間の送信が禁止される。

一方、基地局２０の配下の無線ＬＡＮ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ＮＡＶ期間は、他の無線ＬＡＮ規格の基地局１０および無線ＬＡＮ端末１１，１２と、基地局３０および無線ＬＡＮ端末３１に設定され、当該無線ＬＡＮ規格IEEE802.11ｇの基地局２０と無線ＬＡＮ端末２１，２２との間で３回分の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ＮＡＶ期間が終了すると、第３優先度の無線ＬＡＮ規格IEEE802.11ｂの基地局３０は、１回分のデータ信号を送受信するＮＡＶ期間を設定した予約信号を送信する。この予約信号は、他の無線ＬＡＮ規格の基地局１０および無線ＬＡＮ端末１１，１２、基地局２０および無線ＬＡＮ端末２１，２２にも受信され、当該基地局１０，２０および無線ＬＡＮ端末１１，１２，２１，２２では当該予約信号によるＮＡＶ期間の送信が禁止される。

一方、基地局３０の配下の無線ＬＡＮ端末３１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ＮＡＶ期間は、他の無線ＬＡＮ規格の基地局１０および無線ＬＡＮ端末１１，１２と、基地局２０および無線ＬＡＮ端末２１，２２に設定され、当該無線ＬＡＮ規格IEEE802.11ｂの基地局３０と無線ＬＡＮ端末３１との間で１回分の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の優先度の順番に予約信号の送信を繰り返し、無線ＬＡＮ規格ごとにそれぞれ設定するＮＡＶ期間で優先的にデータ信号を送受信することができる。

なお、以上説明した実施例では、無線ＬＡＮ規格に応じた優先度およびチャネル利用率としてＮＡＶ期間の長さを設定する例を示したが、例えば１つの予約信号で設定するＮＡＶ期間を一定とし、予約信号の送信割合を無線ＬＡＮ規格に応じた優先度およびチャネル利用率に対応するように設定してもよい。

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無線ＬＡＮ規格制御部
５送受信部
６アンテナ
１０，２０，３０基地局
１１，１２，２１，２２，３１無線ＬＡＮ端末

Claims

同一の周波数リソースを共用する複数の無線ＬＡＮ規格の基地局と無線ＬＡＮ端末が無線通信を行う無線通信システムにおいて、
前記各無線ＬＡＮ規格の基地局は、各無線ＬＡＮ規格ごとに設定された優先度およびチャネル利用率に対応して、他の無線ＬＡＮ規格の基地局および無線ＬＡＮ端末に対してチャネルを予約するＮＡＶ期間を指定した予約信号を送信する手段を備え、
前記予約信号を送信した基地局および無線ＬＡＮ端末は、当該予約信号で指定されたＮＡＶ期間に通信を行い、前記予約信号を受信した基地局および無線ＬＡＮ端末は、当該予約信号で指定されたＮＡＶ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。
請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
前記予約信号は、前記各無線ＬＡＮ規格ごとの優先度およびチャネル利用率に対応した長さのＮＡＶ期間が設定される
ことを特徴とする無線通信システム。
請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
前記予約信号は、前記各無線ＬＡＮ規格ごとの優先度およびチャネル利用率に対応した送信割合で送信される
ことを特徴とする無線通信システム。
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ＬＡＮ規格の基地局は、互いにサポートする無線ＬＡＮ規格を通知する報知信号を送受信し、自基地局がサポートする無線ＬＡＮ規格に応じた優先度およびチャネル利用率を設定する構成である
ことを特徴とする無線通信システム。
同一の周波数リソースを共用する複数の無線ＬＡＮ規格の基地局と無線ＬＡＮ端末が無線通信を行う無線通信方法において、
前記各無線ＬＡＮ規格の基地局は、各無線ＬＡＮ規格ごとに設定された優先度およびチャネル利用率に対応して、他の無線ＬＡＮ規格の基地局および無線ＬＡＮ端末に対してチャネルを予約するＮＡＶ期間を指定した予約信号を送信し、
前記予約信号を送信した基地局および無線ＬＡＮ端末は、当該予約信号で指定されたＮＡＶ期間に通信を行い、前記予約信号を受信した基地局および無線ＬＡＮ端末は、当該予約信号で指定されたＮＡＶ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。
請求項５に記載の無線通信方法において、
前記予約信号は、前記各無線ＬＡＮ規格ごとの優先度およびチャネル利用率に対応した長さのＮＡＶ期間が設定される
ことを特徴とする無線通信方法。
請求項５に記載の無線通信方法において、
前記予約信号は、前記各無線ＬＡＮ規格ごとの優先度およびチャネル利用率に対応した送信割合で送信される
ことを特徴とする無線通信方法。
請求項５に記載の無線通信方法において、
前記各無線ＬＡＮ規格の基地局は、互いにサポートする無線ＬＡＮ規格を通知する報知信号を送受信し、自基地局がサポートする無線ＬＡＮ規格に応じた優先度およびチャネル利用率を設定する
ことを特徴とする無線通信方法。