JP2018098601A - 無線通信装置および無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ネットワーク制御および管理に用いる制御パケットがデータフレームに格納されている場合には、チャネルボンディングせずに送信してスループットの低下を防ぐ。【解決手段】データフレームの送信時に複数のチャネルの空き状態を検出し、空き状態の複数のチャネルを束ねた広帯域チャネルを用いて該データフレームを無線信号として送信する無線通信装置において、データフレームに格納されるパケットの種別を識別し、ネットワーク制御および管理に用いる制御パケットであるか否かを判定するパケット識別手段と、データフレームに制御パケットが格納されている場合には、空き状態の複数のチャネルを束ねず、所定の１つのチャネルを用いて該データフレームを無線信号として送信する制御を行う伝送帯域制御手段とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、複数のチャネルを束ねて１チャネルとして利用するチャネルボンディングにより広帯域通信を行う無線通信システムにおいて、スループットを改善する無線通信装置および無線通信方法に関する。

近年のインターネット等の普及により、家庭やオフィス内においても無線ＬＡＮの利用が進んでいる。 2.4ＧHz帯の周波数を利用する無線ＬＡＮではＩＥＥＥ802.11ｇ規格、５ＧHz帯の周波数を利用する無線ＬＡＮではＩＥＥＥ802.11ｎ規格やＩＥＥＥ802.11ac規格の無線ＬＡＮが代表的である。ＩＥＥＥ802.11ac規格では、複数のチャネルを束ねて１チャネルとして利用するチャネルボンディングによって、１チャネル当たり最大 160ＭHzの帯域幅で通信を行うことができる（非特許文献１）。

チャネルボンディングによる広帯域伝送を行う無線ＬＡＮシステムでは、無線基地局と無線端末が通信を行う前に最大帯域幅（例えば80ＭHz）を決定し、通信を行う際に必ず用いる20ＭHz帯域幅の共通チャネルをプライマリチャネル（例えば36ch）として設定し、20ＭHz帯域幅の３つのセカンダリチャネル（40ch，44ch，48ch）を追加してチャネルボンディングを行う。このようなチャネルボンディングを用いた広帯域伝送によりスループットの改善が可能になっている。

一方、無線ＬＡＮシステムでは、他機器とチャネルを共有する場合、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance：搬送波感知多重アクセス）により、チャネルが空いているときにデータフレームを送信する自律分散的なアクセス制御が使われている。具体的には、送信要求が発生した通信局は、まず所定のセンシング期間（ＤＩＦＳ：Distributed Inter-Frame Space ）だけキャリアセンスを行って無線媒体の状態を監視し、他の通信局による送信信号を検知しなければランダム・バックオフを行う。ここで、キャリアセンスを行うに当たって、受信信号の電力レベルを用いてチャネル使用状況を判断するキャリアセンスレベルが設定されている（非特許文献２）。例えばＩＥＥＥ802.11ａ規格では２つのキャリアセンスレベルが規定され、以下の場合にチャネルビジーと判定している。

(1) 802.11信号のプリアンブルをキャリアセンスレベルＲth1 以上で検出した場合
(2) 802.11信号のプリアンブルを検出できない場合で、キャリアセンスレベルＲth2 （−62dBｍ）以上の電力レベル（干渉波レベル）を検出した場合

すなわち、(1),(2) のいずれかに該当する場合は、キャリアセンスにおいてそのチャネルはビジー（通信不可）と判定し、それ以外の場合は、アイドル（通信可）と判定する。通信局は、引き続きランダム・バックオフ期間中もキャリアセンスを行い、無線媒体を監視するが、この間にも他の通信局による送信信号が存在しない場合に、チャネルの利用権を得る。チャネルの利用権を得た通信局は同一ＢＳＳ内の他の通信局にデータフレームを送信したり、それらの通信局からデータフレームを受信する。

IEEE 802.11ac Draft Standard, D7.0, Sept. 2013. 守倉正博、久保田周治監修、「802.11高速無線ＬＡＮ教科書」改訂三版、インプレスＲ＆Ｄ、2008年３月

チャネルボンディングにより広帯域チャネルを利用する際は、キャリアセンスによって全ての利用対象チャネルが空き状態であることを確認する必要がある。利用対象チャネルの１つでも空いていない場合は無線信号を送信することができない。ここで、周辺に存在する複数の無線機器が利用対象チャネルをそれぞれ利用している場合は、全ての利用対象チャネルが同時に空き状態になる可能性が低下するため、無線信号を送信できずにスループットが低下する可能性がある。そのため、チャネルボンディングの利用対象チャネルの混雑状況に応じて、チャネルボンディングせずに例えばプライマリチャネルのみでの通信に切り替える手法も提案されている。

また、無線ＬＡＮシステムでは、データフレームが正常に受信された場合に、ＡＣＫフレームが受信側から送信側に返信される。チャネルボンディングによる広帯域チャネルで伝送されたデータフレームに対するＡＣＫフレームは、最優先のＳＩＦＳ（Short Inter-Frame Space)時間で、チャネルボンディングせずに狭帯域のプライマリチャネルを用いて送信される規定になっている。このＡＣＫフレームは、ＭＡＣ（Media Access Control）層での処理となる。

一方、ＭＡＣ層より上位のＩＰ（Internet Protocol)層、ＴＣＰ（Transmission Control Protocol)層、上位層（アプリケーション）で処理される制御パケットは、ネットワーク制御および管理に重要であり早いレスポンスが要求されるが、データフレームに格納されて伝送されるため、ＭＡＣ層では通常のデータフレームと同様に扱われる。すなわち、チャネルボンディングが行われる無線通信システムでは、ネットワーク制御および管理に必要な制御パケットであっても、全ての利用対象チャネルが同時に空き状態になっていなければ送信できず、制御パケットの再送等によってスループットが著しく低下し、ネットワークの運用に支障をきたす問題があった。

このような制御パケットには、ＴＣＰ ＡＣＫパケット、ＳＹＮ（Synchronize)パケット、ＳＹＮ ＡＣＫパケット、ＩＣＭＰ（Internet Control Management Protocol）パケット、ＳＮＭＰ（Simple Network Management Protocol）パケット、ＳＩＰ（Session Initiation Protocol)パケット、ＳＤＰ（Session Description Protocol）パケット、ＲＴＰ（Real-time Transport Protocol）パケットなどがある。

例えば、図４に示すチャネルボンディングを行う無線通信システムにおいて、無線端末１０が無線基地局２０およびバックボーンネットワーク３１を介してインターネットのウェブサーバ３２に接続し、ウェブブラウジングを行う場合を想定する。ウェブサーバ３２から無線端末１０に対して送信されたウェブブラウジングデータは、無線基地局２０でＴＣＰ／ＩＰパケットに変換され、さらにデータフレームから無線信号に変換して無線端末１０に送信される。無線端末１０は、無線信号を受信し、データフレームを正常に受信した場合にはＡＣＫフレームを無線基地局２０に返信するとともに、データフレームから変換したＴＣＰ／ＩＰパケットを正常に受信した場合には、ＴＣＰ ＡＣＫパケットを無線基地局２０に返信する処理を行う。

このときのＴＣＰ ＡＣＫパケットを格納したデータフレームの従来の処理例を図５に示す。無線端末１０において、ＴＣＰ ＡＣＫパケットを格納したデータフレームは、ＭＡＣ層およびＰＨＹ層を経由して無線基地局２０に送信されるが、チャネルボンディングする全ての利用対象チャネルが空き状態でない場合には送信できない。再送タイマがタイムアウトするまでにＴＣＰ ＡＣＫパケットが無線基地局２０に返信されない場合は、無線基地局２０からＴＣＰ／ＩＰパケットが再送される。再送タイマがタイムアウトするまでにＴＣＰ ＡＣＫパケットが返信されない限り、ＴＣＰパケットの再送が繰り返されることになり、スループットが著しく低下することがあった。

また、図４に示すチャネルボンディングを行う無線通信システムにおいて、バックボーンネットワーク３１に接続される監視サーバ３３から、無線端末１０の制御や監視を行うＳＮＭＰパケットが送信される場合を想定する。無線基地局２０では、ＳＮＭＰパケットを格納したデータフレームに対して、チャネルボンディングする全ての利用対象チャネルが空き状態であるか否かを判定し、全ての利用対象チャネルが空き状態でない場合には送信できず、無線端末１０に対する適切な制御ができずにネットワークの運用に支障をきたすことがあった。

本発明は、ネットワーク制御および管理に用いる制御パケットがデータフレームに格納されている場合には、チャネルボンディングせずに送信してスループットの低下を防ぐことができる無線通信装置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、データフレームの送信時に複数のチャネルの空き状態を検出し、空き状態の複数のチャネルを束ねた広帯域チャネルを用いて該データフレームを無線信号として送信する無線通信装置において、データフレームに格納されるパケットの種別を識別し、ネットワーク制御および管理に用いる制御パケットであるか否かを判定するパケット識別手段と、データフレームに制御パケットが格納されている場合には、空き状態の複数のチャネルを束ねず、所定の１つのチャネルを用いて該データフレームを無線信号として送信する制御を行う伝送帯域制御手段とを備える。

第１の発明の無線通信装置において、さらに、広帯域チャネルとして利用対象となるチャネルの利用状況を判定し、該利用状況が規定値以上で混雑していると判断される場合にパケット識別手段および伝送帯域制御手段を稼働させる制御を行う無線環境判定手段を備える。無線環境判定手段は、広帯域チャネルとして利用対象となるチャネルの信号をモニタし、該チャネルを利用している無線局の数、または該チャネルのビジー率を規定値と比較する構成としてもよい。

第２の発明は、データフレームの送信時に複数のチャネルの空き状態を検出し、空き状態の複数のチャネルを束ねた広帯域チャネルを用いて該データフレームを無線信号として送信する無線通信方法において、データフレームに格納されるパケットの種別を識別し、ネットワーク制御および管理に用いる制御パケットであるか否かを判定する第１のステップと、データフレームに制御パケットが格納されている場合には、空き状態の複数のチャネルを束ねず、所定の１つのチャネルを用いて該データフレームを無線信号として送信する制御を行う第２のステップとを有する。

第２の発明の無線通信方法において、第１のステップおよび第２のステップの前に、広帯域チャネルとして利用対象となるチャネルの利用状況を判定し、該利用状況が規定値以上で混雑していると判断される場合に第１のステップおよび第２のステップを実行させる第３のステップを有する。第３のステップは、広帯域チャネルとして利用対象となるチャネルの信号をモニタし、該チャネルを利用している無線局の数、または該チャネルのビジー率を規定値と比較してもよい。

本発明は、ネットワーク制御および管理に用いる制御パケットが格納されているデータフレームについては、チャネルボンディングせずに所定の１つのチャネルを用いて送信することにより、制御パケットのレスポンスが早くなってスループットを改善することができる。

また、チャネルボンディングを行う利用対象チャネルの利用状況を判定し、利用対象チャネルが混雑していない場合には、制御フレームを格納したデータフレームをチャネルボンディングして送信しても支障はない。一方、利用対象チャネルが混雑している場合には、制御フレームを格納したデータフレームをチャネルボンディングせずに所定の１つのチャネルを用いた送信により、制御パケットのレスポンスが早くなってスループットを改善することができる。

本発明の無線通信装置の第１実施例の構成を示す図である。 ＴＣＰ ＡＣＫパケットを格納したデータフレームの本発明における処理例を示す図である。 本発明の無線通信装置の第２実施例の構成を示す図である。 チャネルボンディングを行う無線通信システムの構成例を示す図である。 ＴＣＰ ＡＣＫパケットを格納したデータフレームの従来の処理例を示す図である。

（第１実施例）
図１は、本発明の無線通信装置の第１実施例の構成を示す。本実施例の無線通信装置は、図４に示すチャネルボンディングを行う無線通信システムにおける無線端末１０および無線基地局２０に対応する。

図１において、無線端末１０は、上位レイヤ信号処理部１１、ＴＣＰ／ＩＰ信号処理部１２、ＭＡＣ信号処理部１３、無線信号送受信部１４、アンテナ１５、本発明の特徴となるパケット識別部１６および伝送帯域制御部１７から構成される。無線基地局２０は、有線信号処理部２１、ＴＣＰ／ＩＰ信号処理部２２、ＭＡＣ信号処理部２３、無線信号送受信部２４、アンテナ２５、本発明の特徴となるパケット識別部２６および伝送帯域制御部２７から構成される。

無線基地局２０の有線信号処理部２１は、図４に示すバックボーンネットワーク３１を介してインターネットのウェブサーバ３２または監視サーバ３３に接続される。この有線信号処理部２１および無線端末１０の上位レイヤ信号処理部１１は、アプリケーション信号の処理やセッション管理などを行う。ＴＣＰ／ＩＰ信号処理部１２，２２は、ＩＰアドレス付加／除去などによりアプリケーション信号とＴＣＰ／ＩＰパケットの変換処理を行い、ＴＣＰ／ＩＰパケットの再送処理などを行う。ＭＡＣ信号処理部１３，２３は、ＭＡＣアドレス付加／除去などによりＴＣＰ／ＩＰパケットとＭＡＣフレームの変換処理を行い、誤り検出処理などによるＡＣＫフレームの応答やＭＡＣフレームの再送処理などを行う。無線信号送受信部１４，２４は、プリアンブル処理や変復調処理などによりＭＡＣフレームと無線信号の変換処理を行う。アンテナ１５，２５は、無線信号の送受信を行う。なお、ＭＡＣ信号処理部１３，２３および無線信号送受信部１４，２４は、ＡＣＫフレームなどを除いてチャネルボンディングによる広帯域伝送を基本動作としており、全ての利用対象チャネルが空き状態のときにデータフレームの送信処理が行われる。

ここで、無線端末１０のＴＣＰ／ＩＰ信号処理部１２では、無線基地局２０から送信されたＴＣＰパケットに応答するＴＣＰ ＡＣＫパケットや、インターネットのウェブサーバ（図４の３２）への導通を確認するためのＩＣＭＰパケットなどの制御パケットを生成したときに、ＭＡＣ信号処理部１３に出力するとともにパケット識別部１６にも複製して出力する。また、無線基地局２０のＴＣＰ／ＩＰ信号処理部２２では、監視サーバ（図４の３３）が無線端末１０の制御・監視のために送信したＳＮＭＰパケットなどの制御パケットを生成したときに、ＭＡＣ信号処理部２３に出力するとともにパケット識別部２６にも複製して出力する。

パケット識別部１６，２６では、ＴＣＰ／ＩＰ信号処理部１２，２２から入力する制御パケットの種別について、ネットワーク制御および管理に用いる制御パケットであるか否かを識別し、当該制御パケットである場合には伝送帯域制御部１７，２７に通知する。制御パケットの一例としては、上記のＴＣＰ ＡＣＫパケット、ＳＹＮパケット、ＳＹＮ ＡＣＫパケット、ＩＣＭＰパケット、ＳＮＭＰパケット、ＳＩＰパケット、ＳＤＰパケット、ＲＴＰパケットなどがある。伝送帯域制御部１７，２７は、パケット識別部１６，２６からの通知により当該制御パケットを格納するデータフレームについて、チャネルボンディングせずにプライマリチャネルのみで送信するように、ＭＡＣ信号処理部１３，２３および無線信号送受信部１４，２４を制御する。

以下、図１および図２を参照して、ＴＣＰ ＡＣＫパケットを格納したデータフレームの本発明における処理例を示す。

図２において、無線端末１０および無線基地局２０の上位層は、図１に示す上位レイヤ信号処理部１１および有線信号処理部２１に対応し、ＩＰ層およびＴＣＰ層はＴＣＰ／ＩＰ信号処理部１２，２２に対応し、ＭＡＣ層はＭＡＣ信号処理部１３，２３に対応し、ＰＨＹ層は無線信号送受信部１４，２４に対応する。

ここでは、無線端末１０および無線基地局２０は、１チャネルの帯域幅を20ＭHzとし、プライマリチャネルと３つのセカンダリチャネルを束ねた４つのチャネルで帯域幅80ＭHzで運用され、無線端末１０が無線基地局２０を介してインターネットに接続し、ウェブブラウジングを行う場合を想定する。

インターネットから無線端末１０に対して送信されたウェブブラウジングデータは、無線基地局２０でＴＣＰ／ＩＰパケットに変換され、さらにＭＡＣフレーム、無線信号に変換して無線端末１０に送信される。無線端末１０は、無線信号で受信したＭＡＣフレームを正常に受信した場合にはＡＣＫフレームを無線基地局２０に返信するとともに、ＴＣＰ／ＩＰ信号処理部１２でＭＡＣフレームから変換したＴＣＰパケットを正常に受信した場合には、ＴＣＰ ＡＣＫパケットを無線基地局２０に返信する処理を行う。ＡＣＫフレームはＭＡＣ信号処理部１３で処理され、プライマリチャネルで伝送される。ＴＣＰ ＡＣＫパケットはＴＣＰ／ＩＰ信号処理部１２で処理され、ＭＡＣ信号処理部１３でデータフレームに格納される。

このとき、無線端末１０のＴＣＰ／ＩＰ信号処理部１２では、無線基地局２０に対して送信されるパケットを監視しており、データフレームに格納される制御パケットがあればパケット識別部１６に通知する。パケット識別部１６は、当該制御パケット内のＡＣＫフラグおよびパケット長を検知する。例えば、ＡＣＫフラグが１、パケット長が所定値（例えば 200バイト）より小さい場合に、当該制御パケットはＴＣＰ ＡＣＫパケットであるものと識別して伝送帯域制御部１７に通知する。伝送帯域制御部１７は、パケット識別部１６からの通知により、ＴＣＰ ＡＣＫパケットを格納するデータフレームについて、チャネルボンディングせずにプライマリチャネルのみで送信するように、ＭＡＣ信号処理部１３および無線信号送受信部１４を制御する。

これにより、ＴＣＰ ＡＣＫパケットを格納したデータフレームはプライマリチャネルのみで送信され、無線基地局２０のＴＣＰ／ＩＰ信号処理部２２でＴＣＰパケットの受信確認が完了する。このように、ＴＣＰ ＡＣＫパケットを格納したデータフレームは、チャネルボンディングによる広帯域伝送を行わないので送信しやすくなり、制御パケットのレスポンスが早くなってスループットを改善することができる。

また、無線端末１０が無線基地局２０に対して送信するＴＣＰ ＡＣＫパケットに限らず、例えば無線端末１０が無線基地局２０に対してＩＣＭＰパケットなどを伝送する場合も同様であり、無線端末１０ではＩＣＭＰパケットを格納したデータフレームであれば、チャネルボンディングせずにプライマリチャネルのみで送信する制御を行う。

また、無線基地局２０から無線端末１０に対してＴＣＰ ＡＣＫパケットやＳＮＭＰパケットなどを伝送する場合も同様であり、無線基地局２０ではＴＣＰ ＡＣＫパケットやＳＮＭＰパケットを格納したデータフレームをチャネルボンディングせずにプライマリチャネルのみで送信する制御を行う。

（第２実施例）
図３は、本発明の無線通信装置の第２実施例の構成を示す。本実施例の無線通信装置は、図４に示すチャネルボンディングを行う無線通信システムにおける無線端末１０および無線基地局２０に対応する。

図３において、無線端末１０は、図１に示す第１実施例の構成に加えてＭＡＣ信号処理部１３に接続される無線環境判定部１８を備え、無線環境判定部１８がチャネルボンディングの利用対象チャネルの利用状況を認識し、当該利用状況に応じてパケット識別部１６および伝送帯域制御部１７を稼働させるか否かを制御する構成である。

同様に、無線基地局２０は、図１に示す第１実施例の構成に加えてＭＡＣ信号処理部２３に接続される無線環境判定部２８を備え、無線環境判定部２８がチャネルボンディングの利用対象チャネルの利用状況を認識し、当該利用状況に応じてパケット識別部２６および伝送帯域制御部２７を稼働させるか否かを制御する構成である。

無線環境判定部１８，２８は、チャネルボンディングの利用対象チャネルの信号、例えば他の無線基地局が送信するビーコン信号をモニタし、当該利用対象チャネルを利用している無線局の数、または当該利用対象チャネルのビジー率を利用状況の指標として検出する。そして、利用対象チャネルの利用状況が規定値未満であれば、当該利用対象チャネルは混雑していないと判断し、パケット識別部１６，２６および伝送帯域制御部１７，２７を稼働させず、上記の制御パケットを格納したデータフレームについて通常のチャネルボンディングによる広帯域伝送を行うようにしても、スループットの低下およびネットワークの運用に支障はない。

一方、利用対象チャネルの利用状況が規定値以上であれば、チャネルボンディングによってスループットの低下が懸念されるので、パケット識別部１６，２６および伝送帯域制御部１７，２７を稼働させ、上記の制御パケットを格納したデータフレームに対してはチャネルボンディングせずにプライマリチャネルのみで送信するように制御し、スループットの低下を回避する。

１０ 無線端末
２０ 無線基地局
１１，２１ 上位レイヤ信号処理部
１２，２２ ＴＣＰ／ＩＰ信号処理部
１３，２３ ＭＡＣ信号処理部
１４，２４ 無線信号送受信部
１５，２５ アンテナ
１６，２６ パケット識別部
１７，２７ 伝送帯域制御部
１８，２８ 無線環境判定部
３１ バックボーンネットワーク
３２ ウェブサーバ
３３ 監視サーバ

Claims (6)

1. データフレームの送信時に複数のチャネルの空き状態を検出し、空き状態の複数のチャネルを束ねた広帯域チャネルを用いて該データフレームを無線信号として送信する無線通信装置において、
   前記データフレームに格納されるパケットの種別を識別し、ネットワーク制御および管理に用いる制御パケットであるか否かを判定するパケット識別手段と、
   前記データフレームに前記制御パケットが格納されている場合には、前記空き状態の複数のチャネルを束ねず、所定の１つのチャネルを用いて該データフレームを無線信号として送信する制御を行う伝送帯域制御手段と
   を備えたことを特徴とする無線通信装置。
2. 請求項１に記載の無線通信装置において、
   さらに、前記広帯域チャネルとして利用対象となるチャネルの利用状況を判定し、該利用状況が規定値以上で混雑していると判断される場合に前記パケット識別手段および前記伝送帯域制御手段を稼働させる制御を行う無線環境判定手段を備えた
   ことを特徴とする無線通信装置。
3. 請求項２に記載の無線通信装置において
   前記無線環境判定手段は、前記広帯域チャネルとして利用対象となるチャネルの信号をモニタし、該チャネルを利用している無線局の数、または該チャネルのビジー率を前記規定値と比較する構成である
   ことを特徴とする無線通信装置。
4. データフレームの送信時に複数のチャネルの空き状態を検出し、空き状態の複数のチャネルを束ねた広帯域チャネルを用いて該データフレームを無線信号として送信する無線通信方法において、
   前記データフレームに格納されるパケットの種別を識別し、ネットワーク制御および管理に用いる制御パケットであるか否かを判定する第１のステップと、
   前記データフレームに前記制御パケットが格納されている場合には、前記空き状態の複数のチャネルを束ねず、所定の１つのチャネルを用いて該データフレームを無線信号として送信する制御を行う第２のステップと
   を有することを特徴とする無線通信方法。
5. 請求項４に記載の無線通信方法において、
   前記第１のステップおよび前記第２のステップの前に、前記広帯域チャネルとして利用対象となるチャネルの利用状況を判定し、該利用状況が規定値以上で混雑していると判断される場合に前記第１のステップおよび前記第２のステップを実行させる第３のステップを有する
   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
   前記第３のステップは、前記広帯域チャネルとして利用対象となるチャネルの信号をモニタし、該チャネルを利用している無線局の数、または該チャネルのビジー率を前記規定値と比較する
   ことを特徴とする無線通信方法。

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