JP2017069873A - 無線通信装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】TDMAにおける通信速度及び遅延時間が安定化に有利な技術を提供すること。
【解決手段】無線通信装置は、第1周波数帯域においてCSMA方式を用いる第1通信方式で通信する第1通信手段と、第1周波数帯域と少なくとも一部が重複する第2周波数帯域においてTDMA方式を用いる第2通信方式で通信する第2通信手段とを有する。第1通信手段は、第1周波数帯域における媒体を使用する期間を確保するための媒体確保用フレームを、第1周波数帯域における媒体の空きを検知してから第1通信方式で規定される他のフレームが送信可能となるタイミングより早いタイミングで送信する。第2通信手段は、媒体確保用フレームの送信に応じて媒体の使用が確保された期間において通信する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、無線通信技術に関する。
現在、LTE(Long Term Evolution)規格において、無線LANと同じ周波数帯を使用するLAA(Licensed Assisted Access using LTE)とよばれる方法が検討されている。LTEは、割り当てたタイムスロットにて送信する時分割多元接続(TDMA:Time Division Multiple Access)方式である。一方、無線LANは、送信データが発生したタイミングにて搬送波の有無を確認してから送信する搬送波感知多元接続(CSMA:Carrier Sense Multiple Access)方式を使用する。このように媒体を確保する方式が異なるため、2つの方式を同一周波数で共存する方法が検討されている。
無線LANでは、データを送信する前に搬送波の空きが確認される。搬送波が無線LAN信号であれば-82dBm以上で検知し、ヘッダあるいはペイロードに含まれる媒体占有時間は使用しない。搬送波が所定の時間ないことを確認後に送信を行う。無線LAN信号でない場合は-62dBmのエネルギーを検知した場合は-62dBm以下にエネルギーが下がってから所定の時間媒体の空きを確認後に送信することで信号の衝突を防いでいる。
LAAでは所定の周期でLTEタイムスロットを割り当てることを想定している。タイムスロット割り当て比率はトラフィックにより変更するが、割り当てたスロットで送信する際は無線LANのようにキャリアセンス機能を有しないため、無線LANが媒体を使用している場合は信号の衝突が発生する。無線LAN受信機にてLTE信号レベルが-62dBm未満の場合は無線LAN信号の送信を停止しないため、同様に信号の衝突が発生する。
このような背景から、CSMAとTDMAを共存させる方法として、特許文献1ではCSMA通信開始前にRTS/CTSを送信する方法が、特許文献2ではTDMA通信開始前にRTS/CTSを送信する方法が記載されている。
国際公開第2003/047174号パンフレット 特許第4967756号公報
しかし、RTSフレームは通常のデータと同じ優先度のため、DIFS+バックオフ時間待つ必要がある。そのため、無線LANのトラフィックが多い場合はRTSフレームを送信する前に別のフレームが送信されてしまうと再度DIFS+バックオフ時間待たなくてはならなくなり、TDMAフレーム開始時刻までに媒体を確保できない場合が発生してしまう。
本発明は、TDMAにおける通信速度及び遅延時間が安定化に有利な技術を提供することを目的とする。
本発明の一側面によれば、第1周波数帯域においてCSMA方式を用いる第1通信方式で通信する第1通信手段と、前記第1周波数帯域と少なくとも一部が重複する第2周波数帯域においてTDMA方式を用いる第2通信方式で通信する第2通信手段とを有し、前記第1通信手段は、前記第1周波数帯域における媒体を使用する期間を確保するための媒体確保用フレームを、前記第1周波数帯域における媒体の空きを検知してから前記第1通信方式で規定される他のフレームが送信可能となるタイミングより早いタイミングで送信し、前記第2通信手段は、前記媒体確保用フレームの送信に応じて媒体の使用が確保された期間において通信することを特徴とする無線通信装置が提供される。
本発明によれば、TDMAにおける通信速度及び遅延時間が安定化に有利な技術が提供される。
実施形態に係る無線通信システムの構成を示す図。 実施形態におけるアクセスポイントの構成を示す図。 実施形態における基地局の構成を示す図。 実施形態におけるTDMAフレーム確保時のタイミングチャート。 実施形態におけるTDMAフレーム周期を示す図。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明を実施可能な具体例を示すにすぎない。また、以下の実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の課題解決のために必須のものであるとは限らない。
図1は、実施形態に係る無線通信システムの構成を示す図である。無線通信装置10は、CSMA方式を用いる第1通信方式であるIEEE802.11シリーズに準拠した無線LAN通信を行うAP101と、TDMA方式を用いる第2通信方式であるLTEに準拠した無線通信を行うBS102とを有する。ここで、第1通信手段としてのAP101は、IEEE802.11シリーズに規定されるアクセスポイント(AP:Access Point)として無線通信を行う。AP101は、例えば5GHz帯でビーコンの送信及び5GHz帯無線LAN子機との通信を行う。AP101は、自立分散制御(DCF:Distributed Coordination Function)に基づいて後述のSTAと通信を行う。AP101はまた、集中制御手順(PCF:Point Coordination Function)を拡張したハイブリッド制御手順(HCF:Hybrid Coordination Function)によってTDMA期間を確保する機能を有する。第2通信手段としてのBS102は、TDMA方式で動作するLTE基地局(BS:Base Station)として無線通信を行う。BS102は、制御信号の通信とデータ通信に使う2GHz帯の通信機能と、データのダウンリンク専用に使う5GHz帯の通信機能とを有する。AP101とBS102は無線信号のタイミング情報を受け渡し可能な構成となっている。AP101とBS102とで互いに少なくとも一部が重複する周波数帯域を用いる場合にBS102が送信に使用するタイムスロット期間中はAP101からのパケットを用いて媒体の確保を行う。
STA103及びSTA104は、AP101と5GHz帯で接続している無線LANステーション(STA:Station)である。STA103及びSTA104は、CSMAに基づいてキャリアセンスを行い媒体が空いていることを確認してからフレームを送信する。なお、STA103及びSTA104は、自立分散制御(DCF:Distributed Coordination Function)にて送受信を行う。
MS105は、LTE移動機(MS:Mobile Station)であり、BS102とは2GHz帯及び5GHz帯で接続している。双方向通信可能な2GHz帯で呼制御などが行われ、BS102からMS105への下りデータ通信はダウンロード専用の5GHzで行われる。
図2は、AP101の構成を示す機能ブロック図である。アンテナ201は、5GHz帯の電波を送受信する。送受信部202は、5GHz帯のRF送受信回路を含む。復調部203は、アンテナ201にて受信したRF信号をベースバンド信号に復調する。この復調部203は、無線LAN信号のみ復調が可能である。復調部203は、A/D変換器、受信タイミング検出器を含み、アンテナ201での受信エネルギーレベルの検出、受信タイミングの検出も行う。
データ抽出部204は、復調された情報から無線LANフォーマットに従ったヘッダ及びペイロードを含むデータを抽出する。データ抽出部204は、他のSTAの送信禁止期間を示すNAV(Network Allocation Vector)をペイロードから抽出することも行う。無線/有線変換部205は、無線LANデータを有線LANデータに変換する。変換された有線LANデータは、公知のLAN通信規格に従い通信線を介して不図示のサーバ等へ伝送されうる。
変調部206は、通信制御部208で指定されたフレームレートにてデータを変調し指定されたタイミングで送信する。データ生成部207は、通信制御部208で指定された制御フレーム及びデータフレームの生成と、無線/有線変換部205から受信したデータのフレーム生成を行う。データフレームには通信制御部208で指定されたNAVの設定も含まれる。
通信制御部208は、AP101全体の動作を制御する。具体的には、通信制御部208は、復調部203で受信したタイミング情報から変調部206で送信するタイミングを算出する。また通信制御部208は、データ抽出部204で受信したデータのヘッダ及びペイロードからデータ生成部207で生成するフレームを決定する。また、通信制御部208は、タイミング生成部209から通知された媒体占有時間により、データ生成部207にて生成するNAVを決定する。さらに通信制御部208は、タイミング生成部209から通知されたタイミング情報に基づいて、変調部206にて送信するフレームの送信タイミングを決定する。
タイミング生成部209は、ビーコンを含む各種フレームの送信タイミング情報及び媒体占有時間を生成し、通信制御部208へ通知する。また、フレームに含まれる媒体占有時間も生成する。また、タイミング生成部209は、後述するBS102のタイミング生成部313から、BS102で使用するTDMAフレームのタイミング情報及び媒体占有期間の情報を受信する。
図3は、LTE通信を行うBS102の構成を示す機能ブロック図である。アンテナ301は、2GHz帯の電波を送受信する。送受信部302は、2GHz帯のRF送受信回路を含む。復調部303は、アンテナ301にて受信したRF信号をベースバンド信号に復調する。この復調部303は、LTE信号のみ復調が可能である。復調部303は、A/D変換器、受信タイミング検出器を含み、アンテナ301での受信エネルギーレベルの検出、受信タイミングの検出も行う。
データ抽出部304は、復調された情報からLTEフォーマットに従った復調用基準信号DRS、物理上り共有チャネルPUSCHなどのデータを抽出する。無線/有線変換部305は、LTEデータを有線LANデータに変換する。変換された有線LANデータは、公知のLAN通信規格に従い通信線を介して不図示のサーバ等へ伝送されうる。
第1変調部306は、通信制御部312で指定されたレートにてデータを変調し指定されたタイムスロットで送信する。第1データ生成部307は、通信制御部312で指定された制御情報及びデータ情報の生成と、無線/有線変換部305から受信した制御情報の生成を行う。制御情報には通信制御部312で指定されたサブキャリア情報も含まれる。
通信制御部312は、BS102全体の動作を制御する。具体的には、通信制御部312は、復調部303で受信したタイミング情報から第1変調部306で送信するガードタイムを算出する。また通信制御部312は、データ抽出部304で受信した情報から第1データ生成部307で生成する制御情報を決定する。また、通信制御部312は、タイミング生成部313から通知されたタイミング情報により、第1データ生成部307にて生成する制御情報を決定する。さらに通信制御部312は、第1変調部306にて送信する制御情報のタイムスロットを決定する。
アンテナ308は5GHz専用のアンテナであり、下り伝送専用として使用される。送信部309は、5GHz帯を用いたLTE下り専用の送信部であり、AP101の送受信部202(図2)で使用するチャネルを時分割で共用する。第2変調部310は、通信制御部312で指定された変調を行う。第2データ生成部311は、通信制御部312で指定された制御情報とデータ情報、及び無線/有線変換部305から受信した制御情報の生成を行う。制御情報には通信制御部312から指定されたサブキャリア情報も含まれる。
通信制御部312は、BS102全体の動作を制御する。具体的には、復調部303で受信したタイミング情報及び制御情報から、第1変調部306、第2変調部310で送信するタイミングを算出する。また、通信制御部312は、データ抽出部304で受信したデータのヘッダ及びペイロードから第1データ生成部307で生成するフレームを決定する。また通信制御部312は、タイミング生成部313からのタイミング情報により、第1データ生成部307、第2データ生成部311にて生成するフレームの決定、第1変調部306、第2変調部310にて送信するフレームのタイミングの決定を行う。
タイミング生成部313は、ビーコンを含む各種フレームの送信タイミング情報及び媒体占有時間を生成し、通信制御部312へ通知する。また、タイミング生成部313は、AP101のタイミング生成部209に対して、BS102で使用するTDMAフレームのタイミング情報及び媒体占有時間の情報を送信する。
図4は、本実施形態における無線通信装置10の動作タイミングチャートを示す。本実施形態による無線通信システムでは無線LANとLTEとで5GHz帯を時分割で共用する。具体的には、無線LANは、AP101とSTA103及びSTA104との間でCSMAにより帯域を確保して使用する。LTEは、BS102がMS105宛のタイムスロットをTDMAにより割り当てて使用する。BS102からAP101に対してタイミング信号と占有時間を送信し、AP101が媒体確保用フレームを送信することにより、TDMAタイムスロットが確保される。
無線通信装置10は、BS102によるLTE通信を行うために、LTE通信と干渉が生じ得る無線LAN通信でも通信帯域を確保する必要がある。LTE通信を行うために無線LAN通信における通信帯域を確保する媒体確保用フレーム401は、集中制御期間を開始するPollフレームでありうる。例えば、媒体確保用フレーム401はQoS CF−Pollフレームである。このフレームは、IEEE802.11eにおいて、ビーコンのタイミングに関係なく送信できることが規定されている。また、通常のデータフレームは、DIFS(34us)+バックオフ時間待ってから送信されることがIEEE802.11シリーズにおいて規定されている。一方、LTE通信を行うために無線LAN通信における通信帯域を確保するための媒体確保用フレーム401は、バックオフ時間をとらずにDIFSより短いPIFS(25us)時間で送信される。なお、媒体確保用フレーム401をLTE通信のための帯域確保に用いない場合(通常の集中制御期間を開始するために用いる場合)、当該フレームは、PIFS+バックオフ時間待ち、規格に規定されるタイミングで送信されてもよい。なお、DIFSは"Distributed Inter-Frame Space"を表し、PIFSは"Point coordinate Inter-Frame Space"を表す。これにより、他のフレームより優先的に媒体確保用フレーム401が送信され、当該媒体確保用フレーム401により確保された期間をAP101が制御する集中制御期間として利用できるようになる。また、このように、媒体確保用フレーム401が、媒体の空きが検出された後において、IEEE802.11シリーズに規定される他のフレームより最も早く送信されるので、LTE通信のための通信帯域を優先的に確保することができる。このフレームのデータ部分に付加するNAV(Network Allocation Vector)を、LTEタイムスロット406が終了するまでの期間(16us+5ms)に設定する。これにより、同LTEタイムスロット期間においては無線LANにおいて通信するSTA103及びSTA104からのフレーム送信が禁止される。図中、LTEタイムスロット402〜406がそれぞれ、TS1〜TS5で示される。各LTEタイムスロットの先頭には当該タイムスロットに割り当てられた移動機情報が含まれており、移動機は先頭部分を復号することで自分宛データかを判断する。TDMA同期信号407は、TS1が開始するタイミングを示している。このタイミング情報はタイミング生成部313で生成され、AP101のタイミング生成部209に通知される。AP101のタイミング生成部209では、TDMA同期信号407のタイミングにて帯域確保に必要な時間を減算し、媒体要求タイミング信号408を設定する。具体的には例えば、TDMA同期信号407に対してSIFS(16us)+QoS CF−Poll時間+PIFS(25us)時間前に媒体要求タイミング信号408を設定する。ここで、SIFSは"Short Inter-Frame Space"を表す。なお、この設定は媒体の混雑状況により適時変更しうる。
動作を時間順に説明する。通信制御部208によりデータ生成部207に対して媒体要求タイミング信号408が通知される。同時に通信制御部208では復調部203からの媒体の空き状態の計測を開始する。ここで、PIFS時間、媒体が空きであることが検知されると、データ生成部207にて生成された媒体確保用フレーム401であるQoS CF−Pollフレームを変調部206にて変調し、送受信部202を経由してアンテナ201から送信する。媒体確保用フレーム401には、所定のフレーム間隔に対応する時間としてLTEタイムスロット406の終了時刻までの継続時間を表すNAV値が規定されているため、通信制御部208はこの時間待機する。これにより、同期間中、STA103、STA104からのフレーム送信が中断される。媒体確保用フレーム401の送信後、SIFS時間を空けてLTEタイムスロット402〜406まで順次、BS102よりMS105に対してデータを送信する。LTEタイムスロット406まで送信を終了するとNAV期間が終了し、STA103及びSTA104は送信可能となる。
図5は、TDMA期間とCSMA期間を示すタイムチャートである。ここでは、BS102はダウンリンク(DL)専用として5つのLTEタイムスロット402〜406の計5msを使用する例を示す。MS105の消費電力を抑えること及びCSMAとの共存のために、周期的に受信機を停止する期間となるDRX(Discontinuous transmission)を設定する。本例ではDRXサイクルを20msとし、LTEタイムスロット402〜406を20ms毎に確保する。この場合、CSMA期間の継続時間は15ms、TMDA期間の継続時間は5msとなる。MS105は20ms毎に5ms受信を行い、それ以外の時間は受信機を停止できる。
上述の実施形態によれば、媒体確保用フレームの送信タイミング、TDMA期間の継続時間などの情報をCSMA側に通知可能な、CSMA方式で動作するノードとTDMA方式で動作するノードを同一筺体に収容した無線通信装置が実現される。ここで、CSMAにおける優先間隔を使用し媒体占有時間を含む媒体確保用フレームを送信することで、他のCSMAフレームより優先的に周期的なTDMA期間の媒体確保が行われる。これにより、TDMAにおける安定した通信帯域と遅延時間の確保が可能となる。また、TDMA開始周期をDRXサイクルに設定することで、移動機側の消費電力削減が図れる利点もある。また、上述の実施形態によれば、無線通信装置10は、第1周波数帯域においてCSMA方式を用いる第1通信方式で通信するアクセスポイント機能を有する。ここで、第1通信方式とは例えば、IEEE802.11シリーズによる無線LAN通信である。無線通信装置10はまた、第1周波数帯域と少なくとも一部が重複する第2周波数帯域においてTDMA方式を用いる第2通信方式で通信する基地局機能を有する。ここで、第2通信方式とは例えばLTE方式である。無線通信装置10は、この第1通信方式による通信と第2通信方式による通信とを並行して行う。無線通信装置10は、第1周波数帯域における媒体の使用する期間を確保するための媒体確保用フレームを、媒体の空きを検知してから、IEEE802.11シリーズに規定される他のフレームが送信可能となるタイミングより早いタイミングで送信する。そして、無線通信装置10は、この媒体確保用フレームの送信に応じて媒体の使用が確保された期間においてLTE通信する。これにより、無線LANと同じ周波数帯を使用するLAAでも、無線LANによる影響を少なくでき、LTE通信の遅延が生じることが低減される。
(他の実施形態)
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
101:アクセスポイント(AP)、102:LTE基地局(BS)、103,104:無線LANステーション(STA)、105:LTE移動機(MS)

Claims (9)

  1. 第1周波数帯域においてCSMA方式を用いる第1通信方式で通信する第1通信手段と、
    前記第1周波数帯域と少なくとも一部が重複する第2周波数帯域においてTDMA方式を用いる第2通信方式で通信する第2通信手段と、
    を有し、
    前記第1通信手段は、前記第1周波数帯域における媒体を使用する期間を確保するための媒体確保用フレームを、前記第1周波数帯域における媒体の空きを検知してから前記第1通信方式で規定される他のフレームが送信可能となるタイミングより早いタイミングで送信し、
    前記第2通信手段は、前記媒体確保用フレームの送信に応じて媒体の使用が確保された期間において通信する
    ことを特徴とする無線通信装置。
  2. 前記第1通信手段は、
    前記媒体確保用フレームを生成するデータ生成手段と、
    媒体の空きを検知し、前記媒体の空きが検知された後、所定のフレーム間隔に対応する時間待機する通信制御手段と、
    を含み、
    前記通信制御手段は、前記所定のフレーム間隔に対応する時間待機した後、バックオフ時間をとらずに前記媒体確保用フレームを送信する
    ことを特徴とする請求項1に記載の無線通信装置。
  3. 前記所定のフレーム間隔に対応する時間は、PIFS(Point coordinate Inter-Frame Space)であることを特徴とする請求項2に記載の無線通信装置。
  4. 前記媒体確保用フレームは、集中制御期間を開始するPollフレームであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の無線通信装置。
  5. 前記Pollフレームは、QoS CF Pollフレームであることを特徴とする請求項4に記載の無線通信装置。
  6. 前記第1通信手段は、前記第2通信手段が用いる周期的なタイミング情報に基づいて、前記媒体確保用フレームの送信タイミングを設定するタイミング生成手段を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の無線通信装置。
  7. 前記第1通信手段は、前記第2通信手段が用いる周期的なタイミング情報に基づいて、前記媒体確保用フレームの送信タイミング及び前記媒体を使用する期間を設定するタイミング生成手段を含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の無線通信装置。
  8. 第1周波数帯域においてCSMA方式を用いる第1通信方式で通信する第1通信手段と、前記第1周波数帯域と少なくとも一部が重複する第2周波数帯域においてTDMA方式を用いる第2通信方式で通信する第2通信手段とを含む無線通信装置によって実行される無線通信方法であって、
    前記第1通信手段が、前記第1周波数帯域における媒体を使用する期間を確保するための媒体確保用フレームを、前記第1周波数帯域における媒体の空きを検知してから前記第1通信方式で規定される他のフレームが送信可能となるタイミングより早いタイミングで送信し、
    前記第2通信手段が、前記媒体確保用フレームの送信に応じて媒体の使用が確保された期間において通信する
    ことを特徴とする無線通信方法。
  9. コンピュータを、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の無線通信装置が有する各手段として機能させるためのプログラム。
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