JP2018098603A - 無線通信システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】互いに通信リソースが競合する無線通信ネットワーク間の公平性を保持しつつ各無線端末を効率よく集中制御管理でき、ネットワーク全体のＱｏＳを向上させる。【解決手段】基地局３から無線端末２に対して送信する下りデータのパケットをＥＤＣＡ方式で規定されるアクセスカテゴリ４２〜４５に分類してＤＬ送信キューに格納すると共に、各無線端末２内に蓄積されている当該基地局３に送信されるべき上りデータの情報を収集し、その収集した情報に基づく上りデータの仮パケットをアクセスカテゴリ４２〜４５に分類してＵＬ送信キューに格納し、ＥＤＣＡ方式により通信機会が与えられたアクセスカテゴリ４２〜４５について、ＤＬ送信キューとＵＬ送信キューにそれぞれ格納されているパケットのデータ量に基づいて、基地局３から無線端末２へ下りデータを送信するか、又は基地局３への上りデータの送信を各無線端末２に促すかをスケジューリングする。【選択図】図３

Description

本発明は、無線端末と基地局間で無線通信を行う無線通信システム及び方法に関し、特に無線通信ネットワークが高密度に配置される場合において、互いに通信リソースが競合する無線通信ネットワーク間の公平性を保持しつつ、各無線端末を効率よく集中制御管理することができ、しかもネットワーク全体のＱｏＳ（Quality of Service）を向上させる上で好適な無線通信システム及び方法に関するものである。

近年、スマートフォンやタブレット端末が急速に普及している。これに伴い、移動通信トラフィック量は爆発的に増加している。特にソーシャルネットワークサービスやネットワークを介した触覚通信、拡張現実感等のサービスやアプリケーションの高度化および多様化を考慮し、新たな無線アクセス技術を盛り込んだ第５世代移動通信システム（５Ｇ）の研究開発が急務となっている。その中で低コストかつ柔軟性をもつ無線ＬＡＮシステムは、携帯電話回線のトラフィックをデータオフロードする用途や、屋内の位置推定、緊急時の通信等において幅広く用いられている。無線ＬＡＮシステムは、これからも家庭や公衆スポット（スタジアムや駅、店舗内等）からスマートカーに至るまで幅広く利用されるものと想定される。

ところで、上述の如き無線ＬＡＮシステムは、一のセルＢＳＳ（Basic Service Set :BSS）としての無線通信ネットワークに対して割り当てられた一の基地局（アクセスポイント：ＡＰ）と複数の無線端末（ＳＴＡ）により構成される。このような無線ＬＡＮシステムの利用が拡大するにつれて、各無線通信ネットワークにおける基地局が高密度に配置され、また無線端末も過度に込み合う環境に至ってしまう。

このため、このような環境下においても信頼性の高いスループットを維持した通信サービスを多くのユーザに提供するため、直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ：Orthogonal frequency-division multiple access）が提案されている。

同様に上述した基地局が高密度に配置される環境下において、基地局は、自らが属するセル内にある無線端末のアクセスを集中管理する管理局として機能すると同時に、CSMA/CA（ Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）に基づく他のセルとの通信リソースが競合する中で、ＱｏＳ（Quality of Service）を確実に保証することが課題になる。

このような課題に対して、例えば非特許文献１には、CSMA/CAに基づき、通信周波数帯が使用状態であるか否かを調べるキャリアセンスを行うことでチャネルの使用状況を事前に確認し、フレームの衝突をできるだけ回避する技術が開示されている。この非特許文献１の開示技術によれば、キャリアセンスによりチャネルが空き状態（ＩＤＬＥ状態）か、使用中（ＢＵＳＹ状態）かを、各基地局及び各無線端末が事前に判断する。そして、ＩＤＬＥ状態であることを確認した後にフレームの送信を行うため、衝突回避することが可能となる。

また近年においては、ＶｏｌＰ（Voice over Internet Protocol）や動画のストリーミング配信等のようなアプリケーションの普及に伴い、低遅延時間の通信を実現しつつ、ＩＥＥＥ８０２．１１無線ＬＡＮにおけるＱｏＳを実現するため、CSMA/CA方式を基調とした優先制御方式としてＥＤＣＡ（Enhanced Distributed Channel. Access）が提案されている。

ＥＤＣＡの動作概要に関する機構図を図６に示す。このＥＤＣＡでは、上位レイヤからのパケットを４つのアクセスカテゴリ（ＡＣ）１０１〜１０４に分類して各送信キューに格納し、それぞれの優先度に応じて無線フレームを送信する。４つのＡＣは、優先度が順から並べた場合に、一般的には AC_VO（Voice）、AC_VI（Video）、AC_BE（Best effort）、AC_BK（Background）の順となる。基地局及び無線端末におけるＭＡＣ層の内部には、各ＡＣに対応した送信キューが設けられている。そしてフレームの送信時には送信キュー毎に独立してCSMA/CAに基づくキャリアセンスが実行されることとなる。各ＡＣには、アクセス制御で利用するパラメータとして、フレーム送信間隔(Arbitration Inter Frame Space: AIFS)、衝突回避制御期間(Contention Window: CW)、チャネル使用(送信)期間(Transmission Opportunity Limit: TXOP))がそれぞれのＡＣの優先度に応じて設定されている。CSMA/CAに基づくキャリアセンスは、これらAIFS、CW（CW値の下限であるCWmin、CW値の上限であるCWmax も含まれる）、更にはTXOPに基づいて実行され、最初に待機時間が０になったＡＣ又は無線端末がフレームの送信権を得ることとなる。複数のＡＣの待機時間が同時に０になった場合には、予め規定した優先度に基づいてフレーム送信権を決定することとなる。

ＥＣＤＡ方式では、このような処理動作を実行することにより、フレームの送信頻度に統計的な差をつけることが可能となる。その結果、より優先度の高いＡＣの送信キューに格納されているパケットデータにより多くの送信機会を与えることが可能となり、ＱｏＳ制御を確保することが可能となる（例えば非特許文献２参照。）。

一方、高密度に設置される次世代無線LANにおける一貫性と信頼性の高いスループットを保ちつつ、より多くのユーザにかかる通信サービスを提供するために、マルチユーザ(MU)に適用する直交周波数分割多元接続（OFDMA：Orthogonal frequency-division multiple access）技術が提案されている（例えば、非特許文献３参照。）。このOFDMA技術では、複数のユーザを直交波周波数分割多重（OFDM）によってアクセスできるようにする方式である。高密度に設置された無線LANにOFDMA技術を取り入れ、基地局から無線端末へのダウンリンク(DL)通信及び基地局から無線端末に向けたアップリンク(UL)通信を行わせることとなる。基地局は、各通信トラフィックのニーズに応じてチャネルの割当方法を決定する。

ちなみに無線端末が複数のユーザによって割り当てられる、いわゆるマルチユーザ(MU)の存在下でDL通信を行うDL-MUでは、使用可能な全てのRU(Resource Unit)を必ずDLに割り当てる。一方、MUの存在下において複数の無線端末から基地局に対してUL通信を行うUL-MUにおいて、各無線端末は、基地局宛に送信すべきデータに自らのバッファー情報を含むBuffer Report(BR)を書き込む。

このため、基地局は、各無線端末からのデータフレームを受信することでこのBRを読み出すことが可能となり、それぞれの無線端末のバッファーに格納されているULデータに関する情報を把握することができる。その結果、基地局は、複数の無線端末との間で行われるUL-MU通信を集中して管理、制御することが可能となる。

なお、UL-MU通信処理を行う上で、基地局は、無線端末に対してOFDMA を利用したUL-MU通信を促す。具体的には基地局は、配下にある全ての無線端末に対してトリガフレーム(Trigger Frame: TF)を送信する。このトリガフレームには、各無線端末におけるOFDMA通信を行う上で使用すべき周波数に関する情報と、割り当てるべきRUのサイズに関する情報が含まれている。即ち、基地局は、配下にある全ての無線端末に対して、UL-MU通信の正確な開始タイミングとフレームの正確な持続時間を指示するためのトリガフレームを送信する。これにより、無線端末から基地局に対してUL-MU通信が同時に完了するように制御することができる。基地局は全ての無線端末からUL-MU通信用のフレームデータを受信した後、無線端末に対してＡＣＫ信号を送信することで、通信処理動作を完了させることとなる（例えば、非特許文献４参照。）。

IEEE 802.11, " Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications" 2012 IEEE 802.11, " Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Medium Access Control(MAC) enhancements for Quality of Service(QoS)", IEEE802.11e, 2005 Bo Li, Qiao Qu, Zhongjiang Yan, and Mao Yang, "Survey on OFDMA based MAC Protocols for the Next Generation WLAN", 2015 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC) IEEE TGax, "11-15-0132-17-00ax-spec-framework", 2016

IEEE 802.11に基づく無線LANに上述したOFDMA技術を適用することにより、無線通信ネットワークが高密度に配置される環境下において、基地局は複数の無線端末との間で同時に無線通信を行うことができ、かかる無線通信に使用される周波数チャネルを互いに効率的に分け合うことが可能となる。

しかしながらOFDMA技術をかかる無線LANに適用した場合、無線通信ネットワークにおける基地局による集中制御と、互いに隣接する無線通信ネットワーク間の通信リソースが競合することによるCSMA/CAに基づくアクセス制御が混在することとなる。

従って、OFDMA技術を適用する場合において、従来のCSMA/CAアクセス方式に基づくＥＤＣＡ制御方式をそのまま使用するとマルチユーザからのアクセス効率が悪化してしまい、ＱｏＳを確保することが困難となる。

具体的には、無線通信ネットワークが高密度に配置される環境下で、無線通信に使用する周波数チャネルを互いに効率的に共用するためには、少なくとも基地局が自ら属する無線通信ネットワーク内にある無線端末のメディアアクセスを集中的に制御管理する必要がある。一方で従来のＥＤＣＡ方式ではCSMA/CAアクセス方式が土台になることから、基地局とその配下にある無線端末は、あくまで自身のＡＣのみに従って自立的に周波数チャネルのアクセスを行うに過ぎない。かかる場合において、無線通信ネットワーク内において、基地局と複数の無線端末との間で周波数チャネルの使用が競合する場合、基地局が周波数チャネルの使用機会を獲得することができる確率が極めて低くなってしまう。また基地局は、配下にある無線端末のメディアアクセスを集中して制御、管理することが困難になってしまう。その結果、結局のところはOFDMA技術を導入したマルチユーザの無線通信システムを動作させることができず、無線通信ネットワークにおけるＱｏＳを確保することも困難になってしまう。

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、無線通信ネットワークが高密度に配置される場合において、互いに通信リソースが競合する無線通信ネットワーク間の公平性を保持しつつ、各無線端末を効率よく集中制御管理することができ、しかもネットワーク全体のＱｏＳを向上させることが可能な無線通信システム及び方法を提案することにある。

本発明者らは、上述した課題を解決するために、基地局から無線端末に対して送信する下りデータのパケットをＥＤＣＡ方式で規定されるアクセスカテゴリに分類してＤＬ送信キューに格納すると共に、上記各無線端末内に蓄積されている当該基地局に送信されるべき上りデータの情報を収集し、その収集した情報に基づく上りデータの仮パケットを上記アクセスカテゴリに分類してＵＬ送信キューに格納し、上記ＥＤＣＡ方式により通信機会が与えられたアクセスカテゴリについて、上記ＤＬ送信キューと上記ＵＬ送信キューにそれぞれ格納されているパケットのデータ量に基づいて、上記基地局から上記無線端末へ下りデータを送信するか、又は上記基地局への上りデータの送信を上記各無線端末に促すかをスケジューリングする無線通信システム及び方法を発明した。

第１発明に係る無線通信システムは、複数の無線端末と、基地局との間でＣＳＭＡ（Carrier Sense Multiple Access）／ＣＡ（Collision Avoidance）方式に基づいて無線通信を行う無線通信システムにおいて、上記基地局は、上記無線端末に対して送信する下りデータのパケットをＥＤＣＡ方式で規定されるアクセスカテゴリに分類してＤＬ送信キューに格納すると共に、上記各無線端末内に蓄積されている当該基地局に送信されるべき上りデータの情報を収集し、その収集した情報に基づく上りデータの仮パケットを上記アクセスカテゴリに分類して仮想的なＵＬ送信キューに格納する送信キュー格納手段と、上記ＥＤＣＡ方式により通信機会が与えられたアクセスカテゴリについて、上記ＤＬ送信キューと上記ＵＬ送信キューにそれぞれ格納されているパケットのデータ量に基づいて、上記下りデータを送信するか、又は上記上りデータの送信を上記各無線端末に促すかをスケジューリングするスケジューリング手段を備えることを特徴とする。

第２発明に係る無線通信システムは、第１発明において、上記スケジューリング手段は、上記ＵＬ送信キューに格納されている上りデータ量が所定の閾値を超える場合には、上記下りデータの送信よりも上記上りデータの送信を優先して上記各無線端末に対して促すことをスケジューリングすることを特徴とする。

第３発明に係る無線通信システムは、第１又は第２発明において、上記基地局は、上りデータの送信を促す場合において、少なくとも通信周波数に関する情報が含まれたトリガフレームを各無線端末に送信し、上記無線端末は、受信した上記トリガフレームに含まれている通信周波数に関する情報に基づいて上りデータを上記基地局に送信することを特徴とする。

第４発明に係る無線通信方法は、複数の無線端末と、基地局との間でＣＳＭＡ（Carrier Sense Multiple Access）／ＣＡ（Collision Avoidance）方式に基づいて無線通信を行う無線通信方法において、上記基地局から上記無線端末に対して送信する下りデータのパケットをＥＤＣＡ方式で規定されるアクセスカテゴリに分類してＤＬ送信キューに格納すると共に、上記各無線端末内に蓄積されている当該基地局に送信されるべき上りデータの情報を収集し、その収集した情報に基づく上りデータの仮パケットを上記アクセスカテゴリに分類して仮想的なＵＬ送信キューに格納する送信キュー格納ステップと、上記ＥＤＣＡ方式により通信機会が与えられたアクセスカテゴリについて、上記ＤＬ送信キューと上記ＵＬ送信キューにそれぞれ格納されているパケットのデータ量に基づいて、上記基地局から上記無線端末へ下りデータを送信するか、又は上記基地局への上りデータの送信を上記各無線端末に促すかをスケジューリングするスケジューリングステップとを有することを特徴とする。

第５発明に係る無線通信方法は、第４発明において、上記スケジューリングステップは、上記ＵＬ送信キューに格納されている上りデータ量が所定の閾値を超える場合には、上記下りデータの送信よりも上記上りデータの送信を優先して上記各無線端末に対して促すことをスケジューリングすることを特徴とする。

第６発明に係る無線通信方法は、第４又は第５発明において、上記スケジューリングステップにおいて、上記基地局から上りデータの送信を促す場合において、少なくとも通信周波数に関する情報が含まれたトリガフレームを各無線端末に送信し、上記無線端末が受信した上記トリガフレームに含まれている通信周波数に関する情報に基づいて上りデータを上記基地局に送信することを特徴とする。

上述した構成からなる本発明によれば、無線端末との間における上りデータの送信と下りデータの送信を、基地局側において集中して制御管理することができる。即ち、基地局が自ら属する無線通信ネットワーク内にある無線端末のメディアアクセスを集中的に制御管理することが可能となることから、無線通信ネットワークが高密度に配置される環境下においても、無線通信に使用する周波数チャネルを互いに効率的に共用することが可能となる。特に本発明は、OFDMA技術を適用する場合において、無線端末が複数のユーザによって割り当てられる、いわゆるマルチユーザ(MU)の存在下で動作することとなるが、かかる場合においても、無線通信ネットワーク間における通信リソースの競合の公平性を保持しつつ、無線通信ネットワークにおけるＱｏＳを確保することが可能となる。その結果、無線通信ネットワーク自体が発揮しえるパフォーマンスを改善することが可能となる。

本発明を適用した無線通信システムの構成例を示す図である。 基地局におけるＭＡＣデータを生成する上でのプロトコルスタックを示す図である。 上りデータ又は下りデータの仮パケットを、ＥＤＣＡ方式に基づき、４つのアクセスカテゴリの何れかに分類する例を示す図である。 CSMA/CA方式に基づいてデータを無線通信により送信する場合におけるタイムチャートの例を示す図である。 基地局から無線端末に対してトリガフレームを送信する場合におけるタイムチャートを示す図である。 従来のＥＤＣＡの動作概要に関する機構図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明をする。

図１は、本発明を適用した無線通信システム１の構成例を示している。この無線通信システム１は、２つの無線通信ネットワーク１０ａ、１０ｂから構成されている。無線通信ネットワーク１０ａは、複数の無線端末２ａと、無線端末２ａとの間で情報を送受信する基地局３ａとを備えている。また無線通信ネットワーク１０ｂは、複数の無線端末２ｂと、無線端末２ｂとの間で情報を送受信する基地局３ｂとを備えている。基地局３ａは複数の無線端末２ａとの間でマルチユーザによる無線通信を行う。同様に、基地局３ｂは複数の無線端末２ｂとの間でマルチユーザによる無線通信を行う。

上述した図１に示す無線通信システム１では、あくまで２つの無線通信ネットワーク１０ａ、１０ｂから構成されている場合を例示しているが、これに限定されるものではなく、３以上の無線通信ネットワーク１０からなるものであってもよい。

これら無線通信ネットワーク１０は、IEEE 802.11無線ＬＡＮのCSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）アクセス方式を基調とした無線通信を無線端末２と基地局３との間で行わせる。また無線通信ネットワーク１０は、CSMA/CA方式を基調としつつ優先制御方式としてＥＤＣＡを導入している。無線通信ネットワークは、更に直交周波数分割多元接続（OFDMA）技術が導入されるものであるが、これに限定されるものではなく、OFDMAが適用されないものも含まれる。

無線端末２は、例えばノート型のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）、携帯端末、スマートフォン、タブレット型端末、ウェアラブル端末等の無線通信可能な端末装置で構成されている。このような無線端末２は、基地局３に対してデータを無線通信により送信する。以下、この無線端末２から基地局３に対して送信されるデータを上りデータという。また無線端末２は基地局３から無線通信により送信されてくるデータを受信する。以下、この基地局３から無線端末２に対して送信されるデータを下りデータ送信という。

基地局３は、無線通信ネットワーク１０内の無線端末２との間において無線アクセスポイントとしての役割を果たし、インターネット等を始めとした公衆通信網との間においてインタフェースとしての役割を果たすものである。即ち、基地局３は、これを介して無線端末２がインターネット等を始めとした公衆通信網との間でデータの送受信を行うことを可能とするための中継手段を担うものである。

図２は、基地局３におけるＭＡＣデータを生成する上でのプロトコルスタックの生成手段を示している。基地局３には、大きく分類して上位層３２、ＭＡＣ層３３、物理層３４の３層のプロトコルスタックが形成される。上位層３２、ＭＡＣ層３３、物理層３４は、インターネット階層構造に従って、通信制御を行う複数のモジュールにより構成される。

上位層３２は、ネットワーク層、トランスポート層、アプリケーション層等からなる。上位層３２では、アプリケーション層を介して無線端末２に対して送信すべきメッセージを生成する。またアプリケーション層では、実際にこの基地局３を動作させるためのアプリケーションソフトウェアが搭載されることとなり、各種制御に関する処理動作が行われる。またトランスポート層ではデータ転送の制御を行い、具体的には伝送エラーの検出や再送を行う。ネットワーク層は、ＭＡＣ層以下のプロトコルを利用し、送信元から宛先へ到達するためのネットワークの経路を定義する。このような上位層３２において各種処理動作が施されたデータは、ＭＡＣ層３３へ送られることとなる。また上位層３２では、ＭＡＣ層３３を介して受信したパケットデータを、当該パケットの宛先に応じて転送するために、必要に応じてルーティングテーブルを使用し、宛先情報の書き替え等の処理を行う。

ＭＡＣ層３３では、上位層３２からパケットデータが送られてくる。このＭＡＣ層３３では、この送られてきたパケットデータにＭＡＣヘッダを付加する。またＭＡＣ層３３では、図３に示すように、CSMA/CA方式を基調とした優先制御方式としてのＥＤＣＡ方式に基づき、４つのアクセスカテゴリ（ＡＣ）４２〜４５の何れかに分類して各送信キューに格納する。ＭＡＣ層は、各ＡＣに分類したパケットデータの中から優先度が高いＡＣに属するパケットデータから優先的に送信先へ送信するための制御を行う。

物理層３４では、物理層の所定の規定に従い、送信信号または受信信号の変復調を行う。また物理層３４では、図示しないアンテナを介してデータを送受信を制御する。

次にＭＡＣ層３３において行われるＥＤＣＡ方式の詳細について図３を用いて説明をする。ＥＤＣＡ方式では、先ず上位層３２からのパケットデータが送られてきた場合において、これを分離部４１において４つのAC_VO（Voice）４２、AC_VI（Video）４３、AC_BE（Best effort）４４、AC_BK（Background）４５の何れかに分類すると共にＭＡＣヘッダをパケットデータに付加する。

４つのＡＣ４２〜４５は、それぞれＤＬ送信キューとＵＬ送信キューにより構成されている。具体的には、AC_VO４２は、ＤＬ送信キュー４２−１とＵＬ送信キュー４２−２により構成され、AC_VI４３は、ＤＬ送信キュー４３−１とＵＬ送信キュー４３−２により構成され、AC_BE４４は、ＤＬ送信キュー４４−１とＵＬ送信キュー４４−２により構成され、AC_BK４５は、ＤＬ送信キュー４５−１とＵＬ送信キュー４５−２により構成されている。

ここでいうＤＬ送信キュー４２−１、４３−１、４４−１、４５−１は、無線端末に対して送信する下りデータのパケットデータを格納するためのキューである。分離部４１において分類された、無線端末２に向けて送信すべきパケットデータは、このＤＬ送信キュー４２−１、４３−１、４４−１、４５−１に格納されることとなる。

またＵＬ送信キュー４２−２、４３−２、４４−２、４５−２は、仮想的に定義したものであり、各無線端末２から収集した上りデータの情報に基づいて生成された上りデータの仮パケットが格納される。このＵＬ送信キュー４２−２、４３−２、４４−２、４５−２は、あくまで実体の無いものであり、仮パケットの数等を管理する。。即ち、無線端末２内に蓄積されている基地局３に送信されるべき上りデータの情報を収集することで、この上りデータの仮パケットを生成することができる。仮パケットの生成は、上位層３２による制御に基づいて実行するようにしてもよい。

その結果、この各ＡＣ４２〜４５において、ＤＬ送信キュー４２−１、４３−１、４４−１、４５−１には、下りデータのパケットデータが格納された状態となり、同様にＵＬ送信キュー４２−２、４３−２、４４−２、４５−２には上りデータの仮パケットが格納された状態となっている。

なお、このＤＬ送信キュー４２−１〜４５−１には、下りデータを送信する無線端末２毎に当該下りデータを整理した上で格納されていてもよい。またＵＬ送信キュー４２−２〜４５−２には、上りデータの仮パケットが、送信元の無線端末２毎に整理した上で格納されていてもよい。

また各ＡＣ４２〜４５には、それぞれスケジューリング部５０−１、５０−２、５０−３、５０−４に割り当てられている。スケジューリング部５０−１は、ＡＣ４２に割り当てられ、ＤＬ送信キュー４２−１とＵＬ送信キュー４２−２にそれぞれ格納されているパケットのデータ量を判別する。スケジューリング部５０−１は、この判別したデータ量に基づいてＤＬ送信キュー４２−１に格納されているパケットデータの下りデータ送信を行うか、又はＵＬ送信キュー４２−２に格納されている仮パケットの上りデータ送信を無線端末２に促すかをスケジューリングする。スケジューリング部５０−２は、ＡＣ４３に割り当てられ、ＤＬ送信キュー４３−１とＵＬ送信キュー４３−２にそれぞれ格納されているパケットのデータ量を判別する。スケジューリング部５０−２は、この判別したデータ量に基づいてＤＬ送信キュー４３−１に格納されているパケットデータの下りデータ送信を行うか、又はＵＬ送信キュー４３−２に格納されている仮パケットの上りデータ送信を無線端末２に促すかをスケジューリングする。スケジューリング部５０−３は、ＡＣ４４に割り当てられ、ＤＬ送信キュー４４−１とＵＬ送信キュー４４−２にそれぞれ格納されているパケットのデータ量を判別する。スケジューリング部５０−３は、この判別したデータ量に基づいてＤＬ送信キュー４４−１に格納されているパケットデータの下りデータ送信を行うか、又はＵＬ送信キュー４４−２に格納されている仮パケットの上りデータ送信を無線端末２に促すかをスケジューリングする。スケジューリング部５０−４は、ＡＣ４２に割り当てられ、ＤＬ送信キュー４５−１とＵＬ送信キュー４５−２にそれぞれ格納されているパケットのデータ量を判別する。スケジューリング部５０−４は、この判別したデータ量に基づいてＤＬ送信キュー４５−１に格納されているパケットデータの下りデータ送信を行うか、又はＵＬ送信キュー４５−２に格納されている仮パケットの上りデータ送信を無線端末２に促すかをスケジューリングする。

ＡＣ４２〜４５の後段にはCSMA/CA部５１−１〜５１−４が位置している。このCSMA/CA部５１−１〜５１−４では、通信周波数帯が使用状態であるか否かを調べるキャリアセンスを行うことでチャネルの使用状況を事前に確認する処理動作を実行する。CSMA/CA部５１−１〜５１−４は、キャリアセンスによりチャネルが空き状態（ＩＤＬＥ状態）か、使用中（ＢＵＳＹ状態）かを事前に判断する。

更にこのCSMA/CA部５１−１〜５１−４から出力されるデータは、内部衝突を回避することが可能となる。即ち、CSMA/CA部５１においてＩＤＬＥ状態であることを確認した後、ＥＤＣＡ方式に従って下りデータ送信を行うか、又は上りデータ送信を無線端末２に促す。

次に、本発明を適用した無線通信システム１の処理動作方法について説明をする。無線通信システム１において、基地局３は、上りデータ送信又は下りデータ送信を行う前に、上述したＥＤＣＡ方式に基づいて、ＤＬ送信キュー４２−１、４３−１、４４−１、４５−１に下りデータを格納し、ＵＬ送信キュー４２−２、４３−２、４４−２、４５−２に上りデータの仮パケットを格納する処理を行う。

分離部４１は、ＥＤＣＡ方式に基づいて、上位層３２からのパケットデータをＤＬ送信キュー４２−１、４３−１、４４−１、４５−１の何れかに分類する。この分離部４１では、上位層３２からのパケットデータが音声データからなるときには、これをAC_VO４２のＤＬ送信キュー４２−１に格納する。また分離部４１は、上位層３２からのパケットデータが映像データからなるときには、これをAC_VI４３のＤＬ送信キュー４３−１に格納する。また分離部４１は、上位層３２からのパケットデータがベストエフォートで送信すべきものであれば、これをAC_BE４４のＤＬ送信キュー４４−１に格納する。分離部４１は、上位層３２からのパケットデータがバックグラウンドのバケットデータである場合には、これをAC_BK４５のＤＬ送信キュー４５−１に格納する。実際にこの分離部４１における分類は、一般的にはＩＰヘッダのＴＯＳ（Type of Service）フィールドの値やＩＥＥＥ８０２．１Ｑで規定されるＶＬＡＮ−Ｔａｇのプライオリティの値に基づいて行うようにしてもよい。

また分離部４１は、ＥＤＣＡ方式に基づいて、各無線端末２内に蓄積されている基地局３に送信されるべき上りデータの情報を収集する。この上りデータの情報収集は、無線端末２からのＢＲ（Buffer Report）を取得することにより実現するようにしてもよい。このＢＲは、無線端末２から基地局３に対して送信しようとするデータは、その無線端末２内のバッファーに格納されることとなるが、そのバッファーの情報をレポート形式にしたものである。基地局３は、無線端末２からＢＲを受信することにより、実際に無線端末２からこれから送られようとするデータの量やデータの種類を識別することが可能となる。

分離部４１は、無線端末２から収集したＢＲに基づいて、上りデータの仮パケットをＡＣ４２〜４５に分類してＵＬ送信キュー４２−２、４３−２、４４−２、４５−２に格納する。分離部４１では、無線端末２のバッファーに格納されている上りデータのパケットデータが音声データからなることを判別したときには、その仮パケットをAC_VO４２のＵＬ送信キュー４２−２に格納する。また分離部４１は、無線端末２のバッファーに格納されている上りデータのパケットデータが映像データからなることを判別したときには、その仮パケットをAC_VI４３のＵＬ送信キュー４３−２に格納する。また分離部４１は、無線端末２のバッファーに格納されている上りデータのパケットデータがベストエフォートで送信すべきであることを判別したときには、その仮パケットをAC_BE４４のＵＬ送信キュー４４−２に格納する。分離部４１は、無線端末２のバッファーに格納されている上りデータのパケットデータがバックグラウンドのバケットデータからなることを判別したときには、その仮パケットをAC_BK４５のＤＬ送信キュー４５−４に格納する。

このようにして、図３に示すようなＥＤＣＡ方式に基づくＤＬ送信キュー４２−１、４３−１、４４−１、４５−１にパケットデータが格納され、またＵＬ送信キュー４２−２、４３−２、４４−２、４５−２において仮パケットが格納された状態となる。即ち、各ＡＣ４２〜４５に対応したＤＬとＵＬとを融合させた送信キューが形成されることとなる。

次に基地局３は、CSMA/CA方式に基づいてデータを無線通信により送信する。但し、基地局３は、ＥＤＣＡ方式も採用している関係上、CSMA/CAに基づくデータ送 信プロセスもＡＣ４２〜４５毎に行われる。ＥＤＣＡ方式の下では、図４に示すように、ＡＣ４２〜４５毎にAIFS（Arbitration Inter Frame Space）と呼ばれるパラメータがセットされ、更に各ＡＣ４２〜４５毎にバックオフタイムと呼ばれるスロット数だけ送信待機し、その間にキャリアセンスで電波の使用が検知されなければ、最初に待機時間が０ になったＡＣ４２〜４５から順にデータの送信機会が与えられる。これらAIFSやバックオフタイムは、優先度の高いＡＣ４２〜４５であるほど小さく設定されている。その結果、優先度の高いＡＣ４２〜４５ほど、ＤＬ送信のための自らのパケット、又はＵＬ送信を促すべく、トリガフレームの送信を優先的に行うことができる確率を高めることが可能となる。

なお、複数のＡＣ４２〜４５の待機時間が同時に０になった場合は、予め決定しておいた優先度に従い、高い優先度のＡＣ４２〜４５がデータの送信機会を獲得する。

このようにして送信機会が与えられた何れかのＡＣ４２〜４５のスケジューリング部５０は、ＤＬ送信キュー４２−１、４３−１、４４−１、４５−１、及びＵＬ送信キュー４２−２、４３−２、４４−２、４５−２にそれぞれ格納されているパケットのデータ量に基づいて、下りデータを送信するか、又は上りデータの送信を各無線端末２に促すかをスケジューリングする。

具体的には、送信機会が与えられたＡＣ４２は、ＤＬ送信キュー４２−１及びＵＬ送信キュー４２−２にそれぞれ格納されているパケット(仮パケット)のデータ量に基づいてスケジューリングする。送信機会が与えられたＡＣ４３は、ＤＬ送信キュー４３−１及びＵＬ送信キュー４３−２にそれぞれ格納されているパケット(仮パケット)のデータ量に基づいてスケジューリングする。送信機会が与えられたＡＣ４４は、ＤＬ送信キュー４４−１及びＵＬ送信キュー４４−２にそれぞれ格納されているパケット(仮パケット)のデータ量に基づいてスケジューリングする。送信機会が与えられたＡＣ４５は、ＤＬ送信キュー４５−１及びＵＬ送信キュー４５−２にそれぞれ格納されているパケット(仮パケット)のデータ量に基づいてスケジューリングする。

このスケジューリングは、具体的なタイムチャート上において、上りデータ送信又は下りデータ送信の期間をそれぞれ調整するものであってもよい。かかる場合には、どの時間帯において上りデータ送信を促し、どの時間帯において下りデータ送信を行わせるかを決定することとなる。

また、このスケジューリングは、ＵＬ送信キュー４２−２〜４５−２に格納されている上りデータ量が所定の閾値を超える場合には、下りデータの送信よりも上りデータの送信を各無線端末２に対して優先して促すことをスケジューリングするようにしてもよい。

実際に上りデータの送信を、配下にある全ての無線端末２に対して促す場合には、トリガフレーム(Trigger Frame: TF)を送信する。このトリガフレームには、各無線端末２におけるOFDMA通信を行う上で使用すべき周波数に関する情報と、割り当てるべきRU(Resource Unit)のサイズに関する情報が含まれている。

図５は、この基地局３から無線端末２に対してトリガフレームを送信する場合におけるタイムチャートを示している。先ず基地局３は、無線端末２に対してタイミングｔ１１〜ｔ１２の期間においてトリガフレームを送信する。このとき、トリガフレームには、各無線端末２−１、２−２間において上りデータ送信用の周波数チャネルが互いに相違するように記述しておくことが望ましい。このようなトリガフレームを受信した各無線端末２−１、２−２は、このトリガフレームに記述されている、周波数に関する情報に基づいて、自らが上りデータ送信を行う上での周波数チャネルを識別することができる。無線端末２−１、２−２は、その識別結果に基づいて設定した互いに異なる周波数チャネルにより、基地局３に対して上りデータを送信する。これにより、無線端末２−１、２−２から基地局３に対して送信される周波数チャネルが互いに混信するのを防止することができる。無線端末２−１、２−２は、それぞれ上りデータをタイミングｔ１３〜ｔ１４の期間において送信する。この上りデータの送信タイミングもトリガフレームに記述されていることから、これを読み出すことにより、各無線端末２から送信される上りデータの送信は同一のタイミングｔ１４において完了させることができる。

基地局３は、配下にある全ての無線端末２から上りデータを受信した後、ＡＣＫ信号を当該各無線端末２に対して送信することで動作を完了させる。

一方、基地局３から下りデータ送信を行う場合には、CSMA/CA部５１により、通常の通信スキームに基づいて各無線端末２に対して下りデータを送信することとなる。

このように本発明を適用した無線通信システム１では、無線端末２との間における上りデータの送信と下りデータの送信を、基地局３側において集中して制御管理することができる。即ち、基地局３が自ら属する無線通信ネットワーク１０内にある無線端末２のメディアアクセスを集中的に制御管理することが可能となることから、無線通信ネットワーク１０が高密度に配置される環境下においても、無線通信に使用する周波数チャネルを互いに効率的に共用することが可能となる。特に本発明は、OFDMA技術を適用する場合において、無線端末２が複数のユーザによって割り当てられる、いわゆるマルチユーザ(MU)の存在下で動作することとなるが、かかる場合においても、無線通信ネットワーク１０間における通信リソースの競合の公平性を保持しつつ、無線通信ネットワーク１０におけるＱｏＳを確保することが可能となる。その結果、無線通信ネットワーク１０自体が発揮しえるパフォーマンスを改善することが可能となる。

１ 無線通信システム
２ 無線端末
３ 基地局
１０ 無線通信ネットワーク
３２ 上位層
３３ 層
３４ 物理層
４１ 分離部
４２〜４５ アクセスカテゴリ（ＡＣ）
５０ スケジューリング部
５１ CSMA/CA部

Claims (6)

1. 複数の無線端末と、基地局との間でＣＳＭＡ（Carrier Sense Multiple Access）／ＣＡ（Collision Avoidance）方式に基づいて無線通信を行う無線通信システムにおいて、
   上記基地局は、
   上記無線端末に対して送信する下りデータのパケットをＥＤＣＡ方式で規定されるアクセスカテゴリに分類してＤＬ送信キューに格納すると共に、上記各無線端末内に蓄積されている当該基地局に送信されるべき上りデータの情報を収集し、その収集した情報に基づく上りデータの仮パケットを上記アクセスカテゴリに分類して仮想的なＵＬ送信キューに格納する送信キュー格納手段と、
   上記ＥＤＣＡ方式により通信機会が与えられたアクセスカテゴリについて、上記ＤＬ送信キューと上記ＵＬ送信キューにそれぞれ格納されているパケットのデータ量に基づいて、上記下りデータを送信するか、又は上記上りデータの送信を上記各無線端末に促すかをスケジューリングするスケジューリング手段を備えること
   を特徴とする無線通信システム。
2. 上記スケジューリング手段は、上記ＵＬ送信キューに格納されている上りデータ量が所定の閾値を超える場合には、上記下りデータの送信よりも上記上りデータの送信を優先して上記各無線端末に対して促すことをスケジューリングすること
   を特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 上記基地局は、上りデータの送信を促す場合において、少なくとも通信周波数に関する情報が含まれたトリガフレームを各無線端末に送信し、
   上記無線端末は、受信した上記トリガフレームに含まれている通信周波数に関する情報に基づいて上りデータを上記基地局に送信すること
   を特徴とする請求項1又は２に記載の無線通信システム。
4. 複数の無線端末と、基地局との間でＣＳＭＡ（Carrier Sense Multiple Access）／ＣＡ（Collision Avoidance）方式に基づいて無線通信を行う無線通信方法において、
   上記基地局から上記無線端末に対して送信する下りデータのパケットをＥＤＣＡ方式で規定されるアクセスカテゴリに分類してＤＬ送信キューに格納すると共に、上記各無線端末内に蓄積されている当該基地局に送信されるべき上りデータの情報を収集し、その収集した情報に基づく上りデータの仮パケットを上記アクセスカテゴリに分類して仮想的なＵＬ送信キューに格納する送信キュー格納ステップと、
   上記ＥＤＣＡ方式により通信機会が与えられたアクセスカテゴリについて、上記ＤＬ送信キューと上記ＵＬ送信キューにそれぞれ格納されているパケットのデータ量に基づいて、上記基地局から上記無線端末へ下りデータを送信するか、又は上記基地局への上りデータの送信を上記各無線端末に促すかをスケジューリングするスケジューリングステップとを有すること
   を特徴とする無線通信方法。
5. 上記スケジューリングステップは、上記ＵＬ送信キューに格納されている上りデータ量が所定の閾値を超える場合には、上記下りデータの送信よりも上記上りデータの送信を優先して上記各無線端末に対して促すことをスケジューリングすること
   を特徴とする請求項４に記載の無線通信方法。
6. 上記スケジューリングステップにおいて、上記基地局から上りデータの送信を促す場合において、少なくとも通信周波数に関する情報が含まれたトリガフレームを各無線端末に送信し、上記無線端末が受信した上記トリガフレームに含まれている通信周波数に関する情報に基づいて上りデータを上記基地局に送信すること
   を特徴とする請求項４又は５に記載の無線通信方法。

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