JP2020120257A - 無線通信装置および無線通信制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のチャネルの使用状況を把握して使用可能な空きチャネルを探索し、さらに空間的な空きチャネルの探索を可能にして周波数利用効率を高める。【解決手段】複数のチャネルの中からキャリアセンスにより空きチャネルを検出し、当該空きチャネルを使用して通信を行う無線通信装置において、自局と周辺の無線局でキャリアセンスするチャネルを分担し、周辺の無線局からキャリアセンス結果を取得し、自局と周辺の無線局のキャリアセンス結果を共有して空きチャネルを検出するキャリアセンス手段を備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、無線通信に利用可能なチャネルを検出するための無線通信装置および無線通信制御方法に関する。

近年、スマートフォンやタブレットをはじめとする無線端末の急速な普及に伴い、無線ネットワーク上のトラヒック量が急激に増大している。無線トラヒックを低コストかつ手軽に収容するため、無線システム免許不要帯の電波を用いた高速無線アクセスシステムとして無線ＬＡＮが広く普及している（非特許文献１）。無線ＬＡＮは、家庭・オフィスをはじめとしたプライベートエリアや、店舗・駅・空港をはじめとした公衆エリアなど、様々なエリアで提供されている。

無線ＬＡＮにおいて無線通信を成立させるには、チャネルと呼ばれる周波数資源が必須となる。一般的にチャネル内の混信を避けるために、チャネルは複数用意されており、無線ＬＡＮの無線局が通信を行う際にはそのチャネルを一時的に使用し、通信が終わると開放する形態をとる。無線ＬＡＮでは、チャネルの利用は自律分散で運用されるため、チャネルの空き状況は、通信を行おうとする無線局が、電波を発射する前に自発的に調べる必要がある。これをＬＢＴ（Listen-Before-Talk）メカニズムと呼び、使用したいチャネルにキャリアがないかどうか（チャネルの空き状況）を確認する「キャリアセンス」が行われる。

IEEE Std802.11-2016, Dec. 2016. ARIB STD-T71 6.1版，"広帯域移動アクセスシステム（CSMA），" March 2014 ．

ＬＢＴメカニズムを備える無線局は、近傍の無線局との送信信号の衝突を避けるために、電波を発射する前に、自局が使用するチャネルの空き状況を確認するキャリアセンスを行う。また、近年、大容量伝送を目的として、複数のチャネルを同時に利用する技術が実用化されている。さらに、今後同時に利用できるチャネルが拡大する場合には、それぞれのチャネルの空き状況を瞬時に把握する必要がある。

しかし、非特許文献２に記載されるように、１つの無線局でセンシング可能なチャネルの範囲（周波数帯域）には制限がある。例えば、１チャネル20ＭHzで16チャネルの利用が可能なとき、１つの無線局のセンシング範囲は、特定の２チャネル40ＭHzまたは特定の４チャネル80ＭHzなどである。そのため、図８に示すように、４チャネル80ＭHzのセンシング範囲内に２チャネル40ＭHzの空きチャネルしか検出できない場合には、センシング範囲外に４チャネル80ＭHzの空きチャネルがあっても、４チャネル80ＭHzの大容量伝送を行うことができない。したがって、大容量伝送を実現するためには、無線局が高速に広範囲のキャリアセンスを行う方法を確立することが課題である。

また、チャネルごとのキャリアセンスではキャリアの有無の２状態しか検出できず、当該チャネルでキャリアを検出すれば送信停止となる。しかし、キャリアを検出しても、空間的にキャリア未検出の方向が存在する場合がある。例えば、図９に示すように、自局からみて方向１〜方向４の方向別にあるチャネルにおいてキャリアセンスをすれば、方向１，３，４ではキャリアを検出し、方向２ではキャリアが未検出であれば、方向２に対して送信が可能になる。このように、従来の手法では検出できなかったチャネルの空き空間を検出し、利用可能なチャネル数を底上げすることが課題となる。

本発明は、複数のチャネルの使用状況を把握して使用可能な空きチャネルを探索し、さらに空間的な空きチャネルの探索を可能にして周波数利用効率を高めることができる無線通信装置および無線通信制御方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、複数のチャネルの中からキャリアセンスにより空きチャネルを検出し、当該空きチャネルを使用して通信を行う無線通信装置において、自局と周辺の無線局でキャリアセンスするチャネルを分担し、周辺の無線局からキャリアセンス結果を取得し、自局と周辺の無線局のキャリアセンス結果を共有して空きチャネルを検出するキャリアセンス手段を備える。

第１の発明の無線通信装置において、キャリアセンス手段は、通信を開始する前に、周辺の無線局に対してキャリアセンスするチャネル情報を含むトリガ信号を送信し、周辺の無線局から該トリガ信号に基づいて実行したチャネルのキャリアセンス結果を含む通知信号を受信し、周辺の無線局におけるキャリアセンス結果を取得する構成である。

第１の発明の無線通信装置において、キャリアセンス手段は、自局と周辺の無線局がそれぞれ定期的にキャリアセンスを実行し、そのキャリアセンス結果を定期的な通知信号として送受信し、該通知信号から周辺の無線局におけるキャリアセンス結果を取得する構成である。

第１の発明の無線通信装置において、キャリアセンス手段は、自局のアンテナ指向性を制御して方向別にキャリアセンスするとともに、該方向別に周辺の無線局を選択し、自局と周辺の無線局のキャリアセンス結果を方向別に共有する構成である。

第２の発明は、複数のチャネルの中からキャリアセンスにより空きチャネルを検出し、当該空きチャネルを使用して通信を行う無線通信制御方法において、自局と周辺の無線局でキャリアセンスするチャネルを分担し、周辺の無線局からキャリアセンス結果を取得し、自局と周辺の無線局のキャリアセンス結果を共有して空きチャネルを検出する処理ステップを有する。

第２の発明の無線通信制御方法において、処理ステップは、通信を開始する前に、周辺の無線局に対してキャリアセンスするチャネル情報を含むトリガ信号を送信し、周辺の無線局から該トリガ信号に基づいて実行したチャネルのキャリアセンス結果を含む通知信号を受信し、周辺の無線局におけるキャリアセンス結果を取得する。

第２の発明の無線通信制御方法において、処理ステップは、自局と周辺の無線局がそれぞれ定期的にキャリアセンスを実行し、そのキャリアセンス結果を定期的な通知信号として送受信し、該通知信号から周辺の無線局におけるキャリアセンス結果を取得する。

第２の発明の無線通信制御方法において、処理ステップは、自局のアンテナ指向性を制御して方向別にキャリアセンスするとともに、該方向別に周辺の無線局を選択し、自局と周辺の無線局のキャリアセンス結果を方向別に共有する。

本発明によれば、無線局どうしが協調してキャリアセンスを行い、キャリアセンス結果を共有することで、自局のセンシング範囲外の空きチャネルの状況を速やかに把握することができる。また、チャネルを方向別にセンシングすることで，これまで検出できなかった空き空間を検出し、利用可能な空きチャネル数を増大させることができる。

本発明の第１実施形態の概要を示す図である。 オンデマンド型の協調キャリアセンス手順を示す図である。 オンデマンド型の協調キャリアセンス結果を示す図である。 第１実施形態における無線基地局１の構成例を示す図である。 第１実施形態における無線端末局２の構成例を示す図である。 ビーコン型の協調キャリアセンス手順を示す図である。 第２実施形態における無線基地局１の構成例を示す図である。 従来のキャリアセンスの課題を説明する図である。 従来のキャリアセンスの課題を説明する図である。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の概要を示す。
図１において、制御対象の無線基地局（ＡＰ）１と、その配下の無線端末局２−１，２−２が１台以上（ここでは２台）存在する。さらに、無線基地局１とキャリアセンス結果を共有する無線基地局（ＡＰ）３が１台以上（ここでは１台）存在する。さらに、無線基地局１と無線端末局２−１，２−２との通信では、隣接の無線基地局１０１からの信号が干渉となる環境である。なお、ここでは干渉を発生させる対象として無線基地局１０１を例にしたが、無線端末局や他システムの無線局であっても構わない。また、各無線基地局１０１から干渉信号の届く範囲を点線の円１００で示す。

通常のキャリアセンスの動作では、送信を開始しようとする無線基地局１が、特定のチャネルについてキャリアセンスを行い、空きチャネルと判定された場合、無線端末局２−１，２−２に送信を行う。

第１実施形態は、無線基地局１が通信を開始しようとする前に、配下の無線端末局２−１，２−２および他の無線基地局３と連携してキャリアセンスを行い、そのキャリアセンス結果を収集することで、可能な限り多くのチャネル状態を把握・確保して通信を行う手順であり、これを「オンデマンド型」という。

図２は、オンデマンド型の協調キャリアセンス手順を示す。
図２において、無線基地局１，３および無線端末局２−１，２−２は図１の関係とする。送信を開始するにあたってチャネル状態を把握したい無線基地局１は、無線端末局２−１，２−２および無線基地局３のアドレスおよびキャリアセンスのチャネル範囲を含むトリガ信号を送信するとともに、自局も指定されたチャネルのキャリアセンスを行う。このトリガ信号を受信した無線端末局２−１，２−２および無線基地局３は、ただちに指定されたチャネルに対してキャリアセンスを行う。キャリアセンスが終了した各局は、キャリアセンス結果を通知信号として、無線基地局１に一斉送信する。または、トリガ信号に通知信号の送信順が指定されている場合には、その送信順に従って通知信号を逐次送信する。この通知信号には、無線端末局２−１，２−２および無線基地局３のキャリアセンスによる空きチャネルの情報が含まれる。通知信号を受信した無線基地局１は、自局のキャリアセンス結果と、無線端末局２−１，２−２および無線基地局３のキャリアセンス結果をもとに、通信可能な全チャネルの状態を更新する。その一例を図３に示す。

図３に示す例は、使用するチャネルｃｈ１〜ｃｈ16のうち、無線基地局１がｃｈ１〜ｃｈ４、無線端末局２−１がｃｈ５〜ｃｈ８、無線端末局２−２がｃｈ９〜ｃｈ１２、無線基地局３がｃｈ１３〜ｃｈ１６をキャリアセンスするものとする。ここでは、キャリアセンスするチャネルはそれぞれ４チャネルとするが、必ずしも連続するチャネルでなくてもよい。また、無線基地局１，３および無線端末局２−１，２−２のキャリアセンス結果として、キャリア未検出（空きチャネル）を「０」、キャリア検出（使用チャネル）を「１」、キャリアセンス未実行を「２」で表記する。無線基地局１において、各局のキャリアセンス結果を総合すると、空きチャネルとしてｃｈ３，ｃｈ４，ｃｈ６〜が検出される。

なお、図１に示す配置では、無線基地局１で検出できないキャリアを無線端末局２−１，２−２または無線基地局３で検出でき、それにより、隠れ端末の問題を解消できる場合もある。

また、無線基地局１が送信するトリガ信号は、無線端末局２−１，２−２および無線基地局３に対してキャリアセンスするチャネルを指定する情報を含むとしたが、無線端末局２−１，２−２および無線基地局３において、トリガ信号を送信した無線基地局１がキャリアセンスするチャネル以外をランダムに選択してキャリアセンスを行ってもよい。

また、通知信号は複数のチャネルについて空き状況を格納することができるが、１つのチャネルのみの空き状況を格納すればよい場合は、通知信号に替えて確認応答信号（ＡＣＫ）を用い、無線基地局１側から見て確認応答信号が返ってこない場合は、チャネルが空いていないものとして扱ってもよい。

また、無線基地局１が無線端末局２−１，２−２および無線基地局３のキャリアセンスのチャネル範囲を指定する場合に、これまで取得した統計情報から、空きチャネルとなる可能性の高いチャネルを優先して指定してもよい。

図４は、第１実施形態における無線基地局１の構成例を示す。
図４において、無線基地局１は、チャネル状態記憶部１１と、トリガ信号生成部１２と、無線部１３と、アンテナ部１４と、通知信号生成部１５と、通知信号解析部１６と、アンテナ制御部１７で構成される。無線基地局３も同様の構成である。なお、ここでは第１実施形態に関わるブロックのみ記載しており、一般的に用いられるブロックは省略している。

チャネル状態記憶部１１では、無線部１３もしくは通知信号解析部１６から入力されるキャリアセンス結果を記憶し、その結果を通知信号生成部１５に出力する。なお、通知信号生成部１５は、無線基地局１と連携する無線基地局３で機能する。

トリガ信号生成部１２は、連携する無線端末局２および無線基地局３を呼び出すとともに、無線端末局２および無線基地局３がキャリアセンスを行うチャネル情報を含むトリガ信号を生成し、無線部１３に出力する。

無線部１３では、アンテナ制御部１７から入力された無線信号から無線基地局１，３が測定するチャネルのキャリアセンス結果を、チャネル状態記憶部１１に出力する。また、アンテナ制御部１７から入力される無線端末局２および無線基地局３からの通知信号を抽出し、通知信号解析部１６に出力する。さらに、通知信号生成部１５およびトリガ信号生成部１２から入力された信号を無線ＬＡＮ信号に変換し、アンテナ制御部１７に出力する。

アンテナ部１４では、空中から電波を受信し、アンテナ制御部１７に入力する。また、アンテナ制御部１７から入力される無線信号を空中に放射する。

無線基地局３で機能する通知信号生成部１５では、チャネル状態記憶部１１から入力されるキャリアセンスの結果から、空きチャネルのすべてもしくは一部に応じた通知信号を生成し、無線部１３に出力する。

通知信号解析部１６では、無線部１３から入力される無線端末局２および無線基地局３からの通知信号から各局で取得したキャリアセンスの結果情報を抽出し、チャネル状態記憶部１１に出力する。

アンテナ制御部１７は、後述する第３実施形態で説明する方向別のキャリアセンスに用いるために、無線部１３から入力される無線信号を指定された方向に放射するようにアンテナ部１４の指向性を制御し、無線信号をアンテナ部１４へ出力する。また、アンテナ部１４から入力される無線信号の到来方向を、無線信号とともに無線部１３へ出力する。

図５は、第１実施形態における無線端末局２の構成例を示す。
図５において、無線端末局２は、チャネル状態記憶部２１と、通知信号生成部２２と、無線部２３と、アンテナ部２４と、トリガ信号解析部２５で構成される。なお、ここでは第１実施形態に関わるブロックのみ記載しており、一般的に用いられるブロックは省略している。

チャネル状態記憶部２１では、無線部２３から入力されるキャリアセンス結果を図３のように記憶し、その結果を通知信号生成部２２に出力する。

通知信号生成部２２は、チャネル状態記憶部２１から入力されるキャリアセンスの結果から、空きチャネルのすべてもしくは一部に応じた通知信号を生成し、無線部２３に出力する。

無線部２３では、アンテナ部２４から入力される無線基地局１からのトリガ信号を抽出してトリガ信号解析部２５に出力し、トリガ信号解析部２５から入力されるキャリアセンスのチャネル情報に応じてキャリアセンスを実施し、そのキャリアセンス結果をチャネル状態記憶部２１に出力する。さらに、通知信号生成部２２から入力された通知信号を無線ＬＡＮ信号に変換し、アンテナ部２４に出力する。

アンテナ部２４では、空中から電波を受信し、無線部２３に入力する。また、無線部２３から入力される無線信号を空中に放射する。

トリガ信号解析部２５では、無線部２３から入力されたトリガ信号からキャリアセンスのチャネル情報を抽出し、その抽出結果を無線部２３に出力する。

（第２実施形態）
第２実施形態は、図１に示す第１実施形態の環境において、無線基地局１が定期的に他の無線基地局３とキャリアセンス情報を共有することで、可能な限り多くのチャネル状態を把握・確保して通信を行う手順であり、これを「ビーコン型」という。なお、無線基地局１とキャリアセンス情報を共有する他の無線基地局３は複数であってもよい。

図６は、ビーコン型の協調キャリアセンス手順を示す。
図６において、無線基地局１，３がそれぞれビーコン信号を送信する前にキャリアセンスを行い、そのキャリアセンス結果を含む通知信号を生成し、ビーコン信号に続けて通知信号をブロードキャストする。無線基地局１，３は、ビーコン信号に続く通知信号の情報を元に、他の無線基地局におけるキャリアセンス結果を取得する。

なお、無線基地局１，３はビーコン信号の送信直後に通知信号をブロードキャストするとしたが、通知信号は任意の時間に送信してもよい。また無線端末局２−１，２−２が第２実施形態における通知信号を傍受し、第１実施形態における通知信号にその情報を流用してもよい。

図７は、第２実施形態における無線基地局１の構成例を示す。
図７において、第２実施形態の無線基地局１は、図４に示す第１実施形態の無線基地局１のトリガ信号生成部１２に替えて、ビーコン信号生成部１８を備えた構成であり、その他は同一であるので説明を省略する。無線基地局３も同様の構成である。

ビーコン信号生成部１８は、無線基地局１が使用しているチャネルなど、配下の無線端末局２−１，２−２が無線基地局１に接続するために必要な情報を一定周期で生成して、ビーコン信号として無線部１３に出力する。通知信号生成部１５は、キャリアセンス結果を含む通知信号を生成して無線部１３に出力する。ビーコン信号または通知信号を受け取った無線部１３は、ビーコン信号または通知信号を無線ＬＡＮ信号に変換し、アンテナ制御部１７に出力する。

（第３実施形態）
第３実施形態では、無線基地局１が干渉源である無線基地局１０１等の位置を方向別に把握し、それぞれの方向ごとに無線端末局２−１，２−２との通信に使用するチャネルについてキャリアセンスする。そして、例えば、第２実施形態に示したビーコン型の協調キャリアセンス手順を用い、位置関係が既知である無線基地局間での方向別のキャリアセンス結果を共有することができる。

図４に示す第１実施形態および図７に示す第２実施形態のチャネル状態記憶部１１では、自局である無線基地局１のキャリアセンス結果に加えて、例えば図９に示すような方向別にキャリアセンスの結果を記憶する。アンテナ制御部１７は、無線部１３から入力される無線信号を指定された方向に放射するためにアンテナ部１４の指向性を制御し、無線信号をアンテナ部１４へ出力する。

無線基地局１は通信を行うとき、無線部１３がチャネル状態記憶部１１を参照し、空チャネルが最も長く連続する１または複数のチャネルを方向ごとに確保する。チャネル状態記憶部１１が全て満状態の場合は通信を行わず、任意の方向・チャネルに対してキャリアセンスを行い、チャネル状態記憶部１１を更新してもよい。なお、無線基地局１が不連続のチャネルを同時に使用できる場合、チャネル状態記憶部１１の空状態チャネルを、連続不連続にかかわらず全て確保し通信に使用することができる。また、無線基地局１の通信の相手方である無線端末局２の方向が既知の場合は、無線端末局２が位置する方向に最も近い方向のチャネル状態記憶部１１の情報を参照してチャネルを確保し、指向性を当該無線端末局２に向けて通信を行ってもよい。

１，３ 無線基地局
２ 無線端末局
１１ チャネル状態記憶部
１２ トリガ信号生成部
１３ 無線部
１４ アンテナ部
１５ 通知信号生成部
１６ 通知信号解析部
１７ アンテナ制御部
１８ ビーコン信号生成部
２１ チャネル状態記憶部
２２ 通知信号生成部
２３ 無線部
２４ アンテナ部
２５ トリガ信号解析部

Claims (8)

1. 複数のチャネルの中からキャリアセンスにより空きチャネルを検出し、当該空きチャネルを使用して通信を行う無線通信装置において、
   自局と周辺の無線局でキャリアセンスするチャネルを分担し、周辺の無線局からキャリアセンス結果を取得し、自局と周辺の無線局のキャリアセンス結果を共有して前記空きチャネルを検出するキャリアセンス手段を備えた
   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、
   前記キャリアセンス手段は、通信を開始する前に、前記周辺の無線局に対して前記キャリアセンスするチャネル情報を含むトリガ信号を送信し、前記周辺の無線局から該トリガ信号に基づいて実行したチャネルのキャリアセンス結果を含む通知信号を受信し、前記周辺の無線局におけるキャリアセンス結果を取得する構成である
   ことを特徴とする無線通信装置。
3. 請求項１に記載の無線通信装置において、
   前記キャリアセンス手段は、自局と前記周辺の無線局がそれぞれ定期的にキャリアセンスを実行し、そのキャリアセンス結果を定期的な通知信号として送受信し、該通知信号から前記周辺の無線局におけるキャリアセンス結果を取得する構成である
   ことを特徴とする無線通信装置。
4. 請求項１に記載の無線通信装置において、
   前記キャリアセンス手段は、自局のアンテナ指向性を制御して方向別にキャリアセンスするとともに、該方向別に前記周辺の無線局を選択し、自局と周辺の無線局のキャリアセンス結果を方向別に共有する構成である
   ことを特徴とする無線通信装置。
5. 複数のチャネルの中からキャリアセンスにより空きチャネルを検出し、当該空きチャネルを使用して通信を行う無線通信制御方法において、
   自局と周辺の無線局でキャリアセンスするチャネルを分担し、周辺の無線局からキャリアセンス結果を取得し、自局と周辺の無線局のキャリアセンス結果を共有して前記空きチャネルを検出する処理ステップを有する
   ことを特徴とする無線通信制御方法。
6. 請求項５に記載の無線通信制御方法において、
   前記処理ステップは、通信を開始する前に、前記周辺の無線局に対して前記キャリアセンスするチャネル情報を含むトリガ信号を送信し、前記周辺の無線局から該トリガ信号に基づいて実行したチャネルのキャリアセンス結果を含む通知信号を受信し、前記周辺の無線局におけるキャリアセンス結果を取得する
   ことを特徴とする無線通信制御方法。
7. 請求項５に記載の無線通信制御方法において、
   前記処理ステップは、自局と前記周辺の無線局がそれぞれ定期的にキャリアセンスを実行し、そのキャリアセンス結果を定期的な通知信号として送受信し、該通知信号から前記周辺の無線局におけるキャリアセンス結果を取得する
   ことを特徴とする無線通信制御方法。
8. 請求項５に記載の無線通信制御方法において、
   前記処理ステップは、自局のアンテナ指向性を制御して方向別にキャリアセンスするとともに、該方向別に前記周辺の無線局を選択し、自局と周辺の無線局のキャリアセンス結果を方向別に共有する
   ことを特徴とする無線通信制御方法。

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