JP4013665B2 - 無線通信方式および無線装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信システムにおける無線アクセス方式および伝送方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の無線アクセスシステムでは、無線LANに代表されるように、ユーザ端末はアクセスポイントを介して有線ネットワークに接続し、インターネットサービスを享受することができる。
【０００３】
図１に無線アクセスシステムにおけるシステム構成の例を示す。ユーザ端末108a・108b・108cは、それぞれアクセスポイント107a・107b・107cを経由し、IPルータ106を介してプロバイダネットワーク105に接続することができる。プロバイダネットワーク105とインターネット103はゲートウェイ装置104を介して接続されているので、ユーザ端末108a・108b・108cは、インターネット103上のコンテンツ事業者101のWebサーバ102にアクセスしてコンテンツをダウンロードすることができる。アクセスポイント107a・107b・107cは、ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）や光ファイバによってIPルータ106に有線接続されている。
【０００４】
無線アクセスシステムでは、アクセスポイントの設置はアクセスポイントを購入したユーザが行う場合が多く、アクセスポイント間で同一通信チャネルを用いた場合に通信が干渉するということを設置時に考慮しないケースが多い。
【０００５】
図２に、上記アクセスポイント間の干渉問題に対して、無線LAN規格IEEE802.11のMAC(Media Access Control)副層で規定されているアクセス方式の説明図を示す。
【０００６】
データ通信をランダムアクセスで行う通信アクセス方式を採用しており、通信ノード同士のデータパケットが衝突しないようにキャリアセンスによる衝突回避を行うCSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)方式を採用している。キャリアセンスで、各送信ノードで通信伝送路が空いているかどうかを判断してからデータパケットを送る。キャリアセンスの方法は、データパケット送信前に一定時間（衝突回避ウィンドウ）内でランダムパルスを送信する。パルスを送信していないときは伝送路を監視し、自ノードで送信してないパルスが検出されない場合はデータパケットを送信し、送信していないパルスを検出した場合はデータパケットの送信を取りやめて、ランダムに選択された一定時間待ってから再度キャリアセンスを行う。
【０００７】
図２に示すように、アクセスポイント107bがユーザ端末108bにDataパケットを送っている間は、アクセスポイント107cはキャリアセンスで他ノードが通信中であることを知り、一定時間待ってから再度キャリアセンスを行い、伝送路があいたことを確認してからユーザ端末108cにDataパケットを送る。このようにして、時間を分割してアクセスポイント間の通信が干渉しない仕組みが提供されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の無線アクセスシステムでは、キャリアセンスの仕組みによって通信時間を分けることで干渉を回避しているが、単位時間あたりに伝送できるデータ量が増えないため、アクセスポイントの数を増やしてもシステム全体のスループットが増えず、アクセスポイント一つあたりのスループットが低下するという問題があげられる。
【０００９】
図３にアクセスポイントの並列伝送によるスループット向上方法の説明図を示す。図２では、アクセスポイントの干渉範囲内に他のアクセスポイントが存在していたが、他のアクセスポイントを干渉範囲外になるようにすればよい。具体的には、送信電力を絞り、送受信アンテナの指向性をユーザ端末に絞ることによって、アクセスポイント間で電波が届かなくなるため、図３に示すようにアクセスポイント107aがユーザ端末108aにDataパケットを送っている間に、アクセスポイント107bはDataパケットをユーザ端末108bに送ることが可能となる。各アクセスポイントとユーザ端末間の伝送路が独立な場合は、伝送容量が増加してシステム全体のスループットが増加する。しかし、ユーザ端末が指向性アンテナを持ち電力制御機能を有するのは高機能であるためコストがかかる。このため、アクセスポイントは指向性アンテナを持ちおよび／または電力制御機能を有し、ユーザ端末は無指向性アンテナを持ちおよび／または電力制御機能を持たないことにより、アップリンクとダウンリンクとで送受信の電力関係が非対称なシステムが存在する。要するに、アクセスポイント側は任意のユーザ端末と交信可能であり、ユーザ端末側はそのような選択性を持たないシステムである。アクセスポイント側の機能としては、例えば、送信する電波の到達範囲を制限する機能を備える。典型的な例としては、指向性アンテナ、送信電力制御機能、あるいは、これらの組み合わせである。ユーザ端末としては、通常の送信機能（無指向性アンテナ）を有するものでよい。
【００１０】
なお、原理的にはアクセスポイントとユーザ端末の機能を逆にしても良いが、現状では、ユーザ端末に指向性アンテナなどを備えることは技術的に難易度が高い。
【００１１】
図４に、アクセスポイントが指向性アンテナを持ち電力制御機能を有し、ユーザ端末が無指向性アンテナを持ち電力制御機能を持たない無線通信システムにおける課題の説明図を示す。
【００１２】
アクセスポイント107aがDataパケットをユーザ端末108aに送っているときに、ユーザ端末108bはキャリアセンスを行ってもアクセスポイント107aからの電波を検出することができないため、アクセスポイント107bにDataパケットを送信する。このとき、ユーザ端末108aにおいて、アクセスポイント107aから送信されたDataパケットとユーザ端末108bから送信されたDataパケットが衝突を起こし、復号するのに必要な所要CIR(Carrier to Interference Ratio)を満たすことができずにDataパケットが消失する。アクセスポイント107aは、Dataパケットに対するAckが返ってこないため再送を行う。このようなパケット消失の問題は、隠れ端末問題として知られており、この対策として仮想キャリアセンスによるパケット衝突回避方法が考えられる。
【００１３】
図５に仮想キャリアセンスによるパケット衝突回避方法の説明図を示す。アクセスポイント107aがユーザ端末108aにデータを送る際に、RTS(Request to Send)と呼ばれる制御パケットに伝送路を使用する予定時間をいれて送信する。ユーザ端末108aは、RTS制御パケットを受け取ると、CTS(Clear to Send)と呼ばれる制御パケットに伝送路を使用する予定時間をいれて送信する。ユーザ端末108bがCTS制御パケットを受け取ると、アクセスポイント107aが伝送路を使用する予定時間の間、ユーザ端末108bの送信が禁止されるのでDataパケットの衝突が回避される。この方法を用いると図２に示したキャリアセンスの場合と同様に、送信時間が時間分割されるため、パケットの衝突回避はできても、アクセスポイントを増やしてもシステム全体のスループットが増えないという課題が解決されない。
【００１４】
図６に仮想キャリアセンスを用いてもスループットが増えない理由の説明図を示す。アクセスポイントは指向性アンテナを持ち電力制御機能を有し、ユーザ端末は無指向性アンテナを持ち電力制御機能を持たない送受信の電力関係が非対称なシステムで、各アクセスポイントから各ユーザ端末へのダウンリンクトラヒックを同時に伝送を行なう状況を想定する。
【００１５】
まず、アクセスポイント107aからユーザ端末108aにデータ伝送を行うためにRTS・CTS制御パケットによる仮想キャリアセンスが実行される。ユーザ端末108aからのCTS制御パケットによってユーザ端末108bは送信禁止状態となる。次に、アクセスポイント107bからユーザ端末108bにデータ伝送を行なうためにRTS制御パケットを送信する。ユーザ端末108bはRTS制御パケットを受け取っても、送信禁止状態であるためにCTS制御パケットを送り返すことができない。アクセスポイント107aは、CTS制御パケットが受け取れるまで、RTS制御パケットの送信を所定上限回数まで再試行する。ユーザ端末108bの送信禁止状態が解除されてから通信可能となるため、アクセスポイント107aとアクセスポイント107bはRTS・CTS制御のために同時に送信することができない。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題の考慮した上での本願発明の構成は、複数のユーザ端末と複数のアクセスポイントを含む通信システムにおいて、各アクセスポイントは所望のユーザ端末へ送信する際に、他のアクセスポイントあるいはユーザ端末に干渉を与えずに送信が可能な構成を有する。また、各ユーザ端末は所望のアクセスポイントへ送信する際に、他のアクセスポイントあるいはユーザ端末に干渉を与えずに送信が可能な構成を有さない。このような、システム構成において、アクセスポイントからユーザ端末に送信を行うダウンリンク時間と、ユーザ端末から上記アクセスポイントへ送信を行うアップリンク時間を規定してアクセス制御を行う。
アクセス制御においては、ダウンリンク時間には複数のアクセスポイントが所定のユーザ端末に対して同時に送信することを許容し、かつ、ユーザ端末に対してはデータの送信を禁止する。さらに、アップリンク時間には同時には一つのユーザ端末に対して送信を許容する。
【００１７】
アクセスポイントとユーザ端末相互の干渉を制御する具体的手段としては、アクセスポイントは指向性アンテナおよび出力制御回路のうち少なくとも一つを用いて所望のユーザ端末のみに送信を行う。
【００１８】
アクセス制御のためには、アクセスポイントを管理する管理サーバを準備し、管理サーバは、アクセスポイントがユーザ端末に対して送信を行う際に、送信先のユーザ端末に干渉を与える範囲にあるユーザ端末の送信を禁止する制御を行うことが望ましい。
【００１９】
さらに具体的には、管理サーバはアクセスポイントを介して、ユーザ端末の制御を行う。例えば、管理サーバの指示を受けたアクセスポイントは、送信を禁止すべきユーザ端末に対して、送信制御通知を送付することにより、所望の期間ユーザ端末の送信を禁止することができる。
【００２０】
MAC層プロトコルでは一つのパケットに対して一つの送達確認応答パケット（Ackパケット）を送信側に返信する。このため、ユーザ端末からアクセスポイントにAckパケットが返信されるため、他のユーザ端末ではアクセスポイントから送られたDataパケットとユーザ端末から送られたAckパケットが衝突する可能性がある。
【００２１】
そこで、ダウンリンク時間には複数のアクセスポイントが所定のユーザ端末に対して同時に送信することを許容し、かつ、ユーザ端末に対してはAckパケットおよびデータの送信を禁止、Ackパケットをアップリンク時間に出すように制御する。
【００２２】
あるいは、ダウンリンク時間には複数のアクセスポイントが所定のユーザ端末に対して同時に送信することを許容し、かつ、ユーザ端末に対してはデータの送信を禁止するが、Ackパケットの送信を許容し、Ackパケット送信タイミングを各ユーザ端末で同期させるように制御する。
【００２３】
制御シーケンスの一具体例としては、各アクセスポイントは、送信データパケットを蓄積する送信キューと、受信データパケットを蓄積する受信キューと、送受信キューの状態を管理サーバに報告する第１の制御信号処理部を有し、管理サーバは、送信キューの状態からダウンリンク時間を計算し、受信キューの状態からアップリンク時間を計算し、制御フレーム長（ダウンリンク時間とアップリンク時間の合計）と制御フレーム長に占めるアップリンク時間の比率（アップリンク時間比率）を計算する計算部と、計算部の計算結果に基づいて制御信号を形成する第２の制御信号処理部と、制御信号を各アクセスポイントに送付するインターフェースを有する。このとき、送信キューおよび受信キューの状態とは、キューの長さとすることができる。
本発明の他の一態様としては、複数のアクセスポイントを含む通信システムにおいて、各アクセスポイントは所望のユーザ端末へ送信する際に、他のアクセスポイントあるいはユーザ端末に干渉を与えずに送信が可能な構成を有し、アクセスポイントからユーザ端末に送信を行うダウンリンク時間と、ユーザ端末から上記アクセスポイントへ送信を行うアップリンク時間を規定してアクセス制御を行い、ダウンリンク時間には複数のアクセスポイントが所定のユーザ端末に対して同時に送信することを許容し、かつ、ユーザ端末に対してはデータの送信を禁止し、アップリンク時間には同時には一つのユーザ端末に対して送信を許容することを特徴とする。ここで、ダウンリンク時間には、ユーザ端末の通常のデータの送信を禁止するにとどめ、Ackパケットの送信は一定条件下で許容してもよい。この態様の本願発明と、送受信に指向性アンテナを用いていない通常の端末を組み合わせて使用することができる。端末には、必要に応じて、制御に必要なソフトウエア（ドライバソフト）をインストールすればよい。
上述の課題として無線アクセスシステム全体のスループットを向上させることを目的として、アクセスポイントからユーザ端末へ電波の到達範囲を制限する手段と、ユーザ端末からアクセスポイントへ電波の到達範囲を制限する手段とを有し、アクセスポイントからユーザ端末（ダウンリンク）とユーザ端末からアクセスポイント（アップリンク）の送信時間を時間分割する手段を用いることにより、アクセスポイント間、ユーザ端末間、またはアクセスポイントとユーザ端末間の電波干渉を低減する無線アクセスシステムを提供する。
さらに具体的には、アクセスポイントが指向性アンテナを持ち電力制御機能を有し、ユーザ端末が無指向性アンテナを持ち電力制御機能を持たない無線通信システムにおいて、アクセスポイントからユーザ端末にデータパケットを同時送信することにより、システム全体のスループットを向上させることを目的とし、アクセスポイントとユーザ端末のデータパケット送信時間を集中管理する管理サーバと、管理サーバからの送信時間制御情報に従ってデータ伝送を行うアクセスポイントおよびユーザ端末からなる無線通信システムを提供する。
【００２４】
上記アクセスポイントは無線信号と有線信号をやりとりするために、無線信号を送受信するための指向性アンテナと無線信号処理を行う無線インタフェースと有線信号処理を行う有線インタフェースを持ち、無線インタフェースから有線インタフェースへのデータパケットを蓄積する受信キューと、有線インタフェースから無線インタフェースへのデータパケットを蓄積する送信キューを持ち、送受信キュー長の変化を測定する送受信キュー長測定部を持ち、送受信キュー長測定部の測定結果を管理サーバに通知する制御信号の作成および管理サーバからデータパケット送信時間に関する制御信号を受け取る制御信号処理部を持ち、送信キューから無線インタフェースへの書き込みタイミングと受信キューから有線インタフェースへの書き込みタイミングを上記制御信号処理部の情報に基づいて制御する送受信タイミング制御部と、送受信タイミングを管理するための時間情報を提供するタイマを持ち、他のアクセスポイントとタイマの時間情報を同期させるための信号を同期用パイロット信号生成部で生成し、同期用パイロット信号を上記無線インタフェースまたは有線インタフェース経由で送信し、無線インタフェースまたは有線インタフェース経由で得られた同期用パイロット信号を検出する同期用パイロット信号検出部によってタイマの時間情報を補正し、アクセスポイント間の時刻同期をとることによって、アクセスポイント間で同時にデータ伝送することを可能とする構成を持つ。
【００２５】
上記ユーザ端末は、無線信号を送受信するための無指向性アンテナと無線信号処理を行う無線インタフェースとスピーカなど外部接続用の信号処理を行う外部インタフェースを持ち、無線インタフェースから外部インタフェースへのデータパケットを蓄積する受信キューと、外部インタフェースから無線インタフェースへのデータパケットを蓄積する送信キューを持ち、アクセスポイントからデータパケット送信時間に関する制御信号を受け取る制御信号処理部を持ち、送信キューから無線インタフェースへの書き込みタイミングと受信キューから外部インタフェースへの書き込みタイミングを上記制御信号処理部の情報に基づいて制御する送受信タイミング制御部と、送受信タイミングを管理するための時間情報を提供するタイマを持ち、アクセスポイントとタイマの時間情報を同期させるための同期用パイロット信号を上記無線インタフェース経由で得て、同期用パイロット信号検出部によってタイマの時間情報を補正してアクセスポイントとの時刻同期をとることにより、アクセスポイント送信時間中は送信を控えてパケット衝突回避を行うことが可能となる構成を持つ。
【００２６】
上記管理サーバは、有線信号処理を行う有線インタフェースを持ち、アクセスポイントの送受信キュー長測定結果を記録するアクセスポイント送受信キュー長データを持ち、上記アクセスポイント送受信キュー長データに基づいてアクセスポイントとユーザ端末のデータパケット送信時間を制御する周期（制御フレーム長）と、制御フレームにおいてユーザ端末からアクセスポイントへのデータパケット送信時間の比率（アップリンク比率）を計算する制御フレーム長・アップリンク比率計算部を持ち、管理サーバとアクセスポイント間の制御信号の生成・解釈を行う制御信号処理部を持ち、複数のアクセスポイントを同期させるための基準信号として同期用パイロット生成部を持つことにより、アクセスポイント・ユーザ端末のデータ送信時間を集中管理制御することが可能な構成を持つ。
【００２７】
また上記管理サーバは、上記アクセスポイントにある送信キューと受信キューを管理サーバ内に保持することにより、管理サーバからアクセスポイントへのデータパケットを蓄積する送信キューと、アクセスポイントから管理サーバ経由有線ネットワークへのデータパケットを蓄積する受信キューを持ち、送受信キュー長の変化を測定する送受信キュー長測定部を備え、送受信キュー長測定部の結果を送受信キュー長データとして記録し、送受信キュー長データに基づいてアクセスポイントとユーザ端末のデータパケット送信時間を制御する周期（制御フレーム長）と、制御フレームにおいてユーザ端末からアクセスポイントへのデータパケット送信時間の比率（アップリンク比率）を計算する制御フレーム長・アップリンク比率計算部を持ち、管理サーバとアクセスポイント間の制御信号の生成・解釈を行う制御信号処理部を持ち、複数のアクセスポイントを同期させるための基準信号として同期用パイロット生成部を持つことにより、アクセスポイント・ユーザ端末のデータ送信時間を集中管理制御することが可能な構成を持つものであってもよい。
【００２８】
また、アクセスポイントが指向性アンテナを持ち電力制御機能を有し、ユーザ端末が無指向性アンテナを持ち電力制御機能を有する無線通信システムにおいて、複数のアクセスポイントから複数のユーザ端末にデータパケットを同時送信することにより、システム全体のスループットを向上させることを目的とし、アクセスポイントからユーザ端末へのデータパケットと他のユーザ端末からのデータパケットの衝突を回避するための上記仮想キャリアセンス方式において、他のユーザ端末の送信を予想通信時間の間送信禁止状態にするのではなく、データパケットの衝突が発生するかどうか判断するための電力情報を応答パケットにのせて、他のユーザ端末で送信判断を自律的に行うことにより、不要な送信禁止状態をなくすことにより、複数のアクセスポイントから複数のユーザ端末に同時通信することを可能とする無線通信システムを提供する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００３０】
図７に本発明の第一の実施形態における集中管理型のトラヒック制御方法を表す説明図を示す。管理サーバ701は、管理対象であるアクセスポイント107a・107bとユーザ端末108a・108b間のトラヒック情報を把握し、アクセスポイントからユーザ端末へのデータパケット送信時間（ダウンリンク時間）とユーザ端末からアクセスポイントへのデータパケット送信時間（アップリンク時間）の間隔を計算し、各アクセスポイントおよびユーザ端末に対して送信制御通知を行うことにより、トラヒックの集中管理制御を行う。これにより、アクセスポイント107aと107bはユーザ端末108aと108bに対して同時にデータパケットを送信することが可能となり、システム全体のスループットを向上することができる。
【００３１】
ただし、MAC層プロトコルでは一つのパケットに対して一つの送達確認応答パケット（Ackパケット）を送信側に返信する。このため、ダウンリンク時間にアクセスポイント107bからユーザ端末108bに一つのDataパケットを送信すると、ユーザ端末108bからアクセスポイント107bに一つのAckパケットが返信されるため、ユーザ端末108aはアクセスポイント107aから送られたDataパケットとユーザ端末107bから送られたAckパケットが衝突する可能性がある。
【００３２】
図８に、本発明の第一の実施形態におけるAckパケットとデータパケットの衝突の問題に関する説明図を示す。アクセスポイント107aからユーザ端末108aに送信されたDataパケットと、ユーザ端末108bからアクセスポイント107bに送信されたAckパケットが、ダウンリンク時間内で衝突している様子を示している。この課題に対する方法として、ダウンリンク時間内にAckパケットが出ることを認めた場合はAckパケット送信タイミングをそろえる方法と、ダウンリンク時間内にAckパケットが出ることを認めずに、Ackパケットをアップリンク時間に出すように制御する方法の二つが考えられる。
【００３３】
図９に、本発明の第一の実施形態におけるダウンリンク時間内にAckパケットの送信タイミングをそろえる方法の説明図を示す。アクセスポイント107aからユーザ端末108aへのDataパケットの送信終了時間と、アクセスポイント107bからユーザ端末108bへのDataパケットの送信終了時間をそろえるように送信時間を調整する。ユーザ端末108a・108bは、Dataパケットを受けとってから一定時間(SIFS: Short Inter Frame Space)後にAckパケットを送信するため、Ackパケット送信タイミングが同じ時間に調整される。それぞれのAckパケットは、アクセスポイント107a・107bにおいて指向性アンテナで受信されるため、同時に送信されてもユーザ端末108aから出たAckパケットはアクセスポイント107bに届かないし、ユーザ端末108bから出たAckパケットはアクセスポイント107aに届かないため、Ackパケット同士が同一時間に送信されても問題ない。
【００３４】
図１０に、本発明の第一の実施形態におけるAckパケットをアップリンク時間に出すように制御する方法の説明図を示す。ダウンリンク時間にユーザ端末108a・108bからのAckパケットを発生させないように、アクセスポイントのMACラッパ1001においてブロードキャストパケットに宛先情報をブロードキャスト用ヘッダとして付加し、データをマッピングして送信する。ユーザ端末のMACラッパ1003では、ブロードキャストパケットのヘッダを読んで自分宛のパケットであることを確認し、ブロードキャスト用ヘッダの除去を行う。これにより、ダウンリンク時間にユーザ端末108a・108bからAckパケットが送信されない。また、アップリンク時間にユーザ端末のMACラッパ1003がAckパケットをアクセスポイントに送信することで誤り訂正能力を劣化させないようにしている。
【００３５】
図１１に本発明の第一の実施形態における集中管理型のトラヒック制御システムの構成図を示す。アクセスポイント107a・107b・107cには、送受信データパケットを蓄積するための送信キュー1101a・1101b・1101cと受信キュー1102a・1102b・1102cがあり、この送受信キューの長さを管理サーバ701に報告する。管理サーバでは、送信キュー長からダウンリンクトラヒックの大きさ、受信キュー長からアップリンクトラヒックの大きさを把握し、これからダウンリンク時間とアップリンク時間を計算して、制御フレーム長（ダウンリンク時間とアップリンク時間の合計）と制御フレーム長に占めるアップリンク時間の比率（アップリンク時間比率）を各アクセスポイント108a・108b・108cにフィードバックする。
【００３６】
アクセスポイントiの送信キュー長をTXL_i、受信キュー長をRXL_iとすると、制御フレーム長FLとアップリンク時間比率rは、次式（１）（２）で求められる。
FL = max(TXL_i)+ΣRXL_i （１）
r = ΣRXL_i/FL （２）
各アクセスポイント108a・108b・108cは、制御フレーム長とアップリンク時間比率の情報を受け取ると、送受信タイミング制御1103a・1103b・1103cで送受信タイミングの同期切替制御を行うことによって、ダウンリンクトラヒックの同時送信を可能にする。ユーザ端末108a・108b・108cも、アクセスポイントのタイミングに同期して送受信タイミング制御1104a・1104b・1104cで送受信タイミングをそろえて同期切替制御を行うことにより、アップリンクトラヒックのデータ送信を行なう。
【００３７】
図１２に本発明の第一の実施形態における集中管理型の制御シーケンス図を示す。アクセスポイント107a・107b・107cで測定した送受信キュー長報告の制御パケットを管理サーバ701に定期的に報告し、管理サーバ701では上記制御フレーム長とアップリンク時間比率を計算して、各アクセスポイントに送信制御通知の制御パケットを送信する。この送信制御情報に基づいて、図７に示すようにダウンリンク時間とアップリンク時間に分けてアクセスポイントとユーザ端末間のデータ通信が行われる。図１２では、送受信キュー長報告毎に送信制御通知を行う例を示したが、数回の送受信キュー長報告に対して１回の送信制御通知を行なう場合もある。
【００３８】
図１３に本発明の第一の実施形態における送受信キュー長報告と送信制御通知の制御信号フォーマット図を示す。送受信キュー長報告は、メッセージタイプ、局ID、送信キュー長、受信キュー長を要素として持つ。送信制御通知は、メッセージタイプ、局ID、制御フレーム長、アップリンク時間比率を要素として持つ。
【００３９】
図１４に本発明の第一の実施形態におけるアクセスポイントの構成図を示す。アクセスポイントは、無線信号を送受信するための指向性アンテナ1401と、無線信号処理を行う無線インタフェース1002と、有線信号処理を行う有線インタフェース1402を持ち、無線インタフェース1002から有線インタフェース1402へのデータパケットを蓄積する受信キュー1102aと、有線インタフェース1402から無線インタフェース1002へのデータパケットを蓄積する送信キュー1101aを持ち、送受信キュー長の変化を測定する送受信キュー長測定部1405と、送受信キュー長測定部1405の測定結果を管理サーバ701に通知する制御信号の作成および管理サーバ701からデータパケット送信時間に関する制御信号を受け取る制御信号処理部1410を持ち、有線インタフェース1402からのデータパケットと制御信号処理部1410からの制御信号パケットを多重する多重化回路1409と、多重化回路1409で多重された信号をブロードキャストパケットにマッピングを行うMACラッパ1001を持ち、無線インタフェース1002からの受信パケットを有線インタフェース1402へのデータパケットと制御信号処理部1410への制御信号パケットに分離する分離回路1407を持ち、送信キュー1101aから無線インタフェース1002への書き込みタイミングと受信キュー1102aから有線インタフェース1402への書き込みタイミングを上記制御信号処理部1410の情報に基づいて制御する送受信タイミング制御部1103aと、送受信タイミングを管理するための時間情報を提供するタイマ1404を持ち、他のアクセスポイントとタイマの時間情報を同期させるための信号を生成する同期用パイロット信号生成部1403と、無線インタフェース1002と有線インタフェース1402のどちらから同期信号を得るかを選択する同期モード選択1408と、選択された同期用パイロット信号の検出を行う同期用パイロット信号検出部1406を持つ構成となっている。
【００４０】
図１５に本発明の第一の実施形態におけるユーザ端末の構成図を示す。
【００４１】
ユーザ端末は、無線信号を送受信するためのアンテナ1501と、無線信号処理を行う無線インタフェース1004と、スピーカなど外部接続用の信号処理を行う外部インタフェース1502を持ち、無線インタフェース1004から外部インタフェース1502へのデータパケットを蓄積する受信キュー1106aと、外部インタフェース1502から無線インタフェース1004へのデータパケットを蓄積する送信キュー1105aを持ち、アクセスポイントからデータパケット送信時間に関する制御信号を受け取る制御信号処理部1507を持ち、外部インタフェース1502からのデータパケットと制御信号処理部1507からの制御信号パケットを多重する多重化回路1506を持ち、無線インタフェース1004からの受信パケットに対してブロードキャストパケットのヘッダを読みとってヘッダ部分を除去するMACラッパ1003と、MACラッパ1003で処理された信号を外部インタフェース1502へのデータパケットと制御信号処理部1507への制御信号パケットに分離する分離回路1505を持ち、送信キュー1105aから無線インタフェース1004への書き込みタイミングと受信キュー1106aから外部インタフェース1502への書き込みタイミングを制御信号処理部1507の情報に基づいて制御する送受信タイミング制御部1104aと、送受信タイミングを管理するための時間情報を提供するタイマ1503を持ち、アクセスポイントと同期させるための同期用パイロット信号を無線インタフェース1004から検出してタイマ1503の補正を行う同期用パイロット信号検出部1504を持つ構成となっている。
【００４２】
図１６に本発明の第一の実施形態における管理サーバの構成図を示す。
【００４３】
管理サーバは、有線信号処理を行う有線インタフェース1605と、アクセスポイントの送受信キュー長測定結果を記録するアクセスポイント送受信キュー長データ1603を持ち、アクセスポイント送受信キュー長データ1603に基づいてアクセスポイントとユーザ端末のデータパケット送信時間を制御する制御フレーム長と、制御フレームにおいてアップリンクのデータパケット送信時間の比率（アップリンク比率）を計算する制御フレーム長・アップリンク比率計算部1502を持ち、管理サーバとアクセスポイント間の制御信号の生成・解釈を行う制御信号処理部1504と、複数のアクセスポイントを同期させるための基準信号として同期用パイロット信号生成部1501を持つ構成となっている。
【００４４】
図１７に、本発明の第二の実施形態における集中管理型トラヒック制御方法を表す説明図を示す。
【００４５】
アクセスポイントを経由する全てのデータパケットを管理サーバ701でモニターすることにより、各アクセスポイント107a・107b・107cに送信する送信キュー1701a・1701b・1701cと各アクセスポイント107a・107b・107cから受信した受信キュー1702a・1702b・1702cの変化からトラヒックの大きさを知ることが可能で、ダウンリンク時間とアップリンク時間の比率を計算して各アクセスポイント107a・107b・107cに対して送信制御通知を行うことにより、ダウンリンク時間とアップリンク時間を制御することができる。図１１に示した実施例と比べると、管理サーバ701は全てのデータパケットのデータ処理が必要となり高機能なものが必要となるが、制御信号をアクセスポイントから受ける必要がなくなり制御信号のオーバヘッドは少ない。
【００４６】
本発明の第二の実施形態におけるユーザ端末の構成は、第一の実施形態と同じ構成である。
【００４７】
本発明の第二の実施形態におけるアクセスポイントの構成は、第一の実施形態の構成で送信キュー、受信キューと送受信キュー長測定部の機能をとり去ったものとなるが、第一の実施形態の構成であってもよい。
【００４８】
図１８に本発明の第二の実施形態における管理サーバの構成図を示す。
【００４９】
管理サーバは、有線信号処理を行う有線インタフェース1605を持ち、管理サーバからアクセスポイントへのデータパケットを蓄積する送信キュー1701a・1701b・1701cと、アクセスポイントから管理サーバへのデータパケットを蓄積する受信キュー1702a・1702b・1702cを持ち、送信キュー長と受信キュー長を測定する送受信キュー長測定部1801と、送受信キュー長測定部1801で測定した結果を記録する送受信キュー長データ1803を持ち、送受信キュー長データ1803に基づいてアクセスポイントとユーザ端末のデータパケット送信時間を制御する制御フレーム長と、制御フレームにおいてアップリンクのデータパケット送信時間の比率（アップリンク比率）を計算する制御フレーム長・アップリンク比率計算部1602を持ち、管理サーバとアクセスポイント間の制御信号の生成・解釈を行う制御信号処理部1604と、複数のアクセスポイントを同期させるための基準信号として同期用パイロット信号生成部1601を持ち、制御信号処理部1604からの制御信号と同期用パイロット信号生成部1601からの同期信号と受信キュー1702a・1702b・1702cからのデータパケットをどこの宛先に送るか経路設定を行うスイッチ1802を持つ構成となっている。
【００５０】
図１９に、本発明の上記第一・第二の実施例においてアクセスポイントを個別に制御した例を表す説明図を示す。
【００５１】
管理サーバ701でアップリンク時間とダウンリンク時間の比率の最適値を求めるが、アクセスポイント107aとユーザ端末108aの組み合わせとアクセスポイント107bとユーザ端末108bの組み合わせに対して、必ずしもダウンリンク時間とアップリンク時間の長さを同じにしなければならないわけではなく、例えばユーザ端末108aのデータパケットがユーザ端末108bへ衝突を起こさずに干渉が問題にならないという設置条件を管理サーバが把握していれば、独立にダウンリンク時間とアップリンク時間の制御を行なうことが可能である。この場合、最もデータパケットを積め込めるように図１６または図１８の制御フレーム長・アップリンク比率計算部1602で個々のアクセスポイント毎に最適なアップリンク時間とダウンリンク時間を計算し、各アクセスポイントに異なる送信制御通知を行うことにより実現できる。
【００５２】
図２１に、本発明の第三の実施形態における分散制御によるトラヒック制御方法の説明図を示す。
【００５３】
従来のシステムでは、図６で説明したように、アクセスポイント107aからユーザ端末108aにデータを送る際にRTS制御パケットで通信予約を行い、CTS制御パケットにより周囲のノードを送信禁止にしていた。図２１の例では、CTS制御パケットによって周囲ノードを送信禁止するのではなく、CTS'制御パケットによって周囲ノードの送信を抑制する。CTS'制御パケットは、送信を抑制するかどうか判断するのに必要な電力情報と送信を抑制する時間情報を持つ。ユーザ端末108bは、ユーザ端末108aからCTS'制御パケットを受け取ると、電力情報からユーザ端末108aに対して干渉をおよぼすかどうか判断ができる。ユーザ端末108bは、CTS'制御パケットによって送信が抑制されている時間内に、アクセスポイント107bから送信要求をRTS制御パケットで受け取ると、ユーザ端末108aに干渉をおよぼさないと判断したときはCTS'制御パケットをアクセスポイント107bに返すことができ、アクセスポイント107bからのDataパケットを受け取ることができる。このようにして、アクセスポイント107aからユーザ端末108aとアクセスポイント107bからユーザ端末108bの通信が同時に行えることにより、本来不要であった送信禁止状態を取り除くことになり、システムスループットを増加することができる。
【００５４】
図２２に本発明の第三の実施形態におけるアクセスポイントとユーザ端末の送信電力と受信電力の関係の説明図を示す。
アクセスポイント107aが送信電力0dBmで送信したRTS制御パケットが、ユーザ端末108aで受信電力-60dBm（RXP）で受信されたとする。このとき、この受信電力に対して所望対干渉電力比（CIR）が33dBあれば周囲の干渉が問題にならないとする。ユーザ端末108aは、CTS'制御パケットを送信電力15dBm（TXP）で送信し、上記の受信電力（RXP）・所望対干渉電力比（CIR）・送信電力（TXP）を制御情報としてCTS'制御パケットにのせて周囲に通知する。ユーザ端末108bは、CTS'制御パケットを受信電力-70dBmで受信したとすると、CTS'制御パケットの送信電力（TXP）との差分から伝搬損が85dBあることが分かる。ユーザ端末108bが、アクセスポイント107bからRTS制御パケットを受け取ると、CTS'制御パケットを送信電力-8dBmで送信すればユーザ端末108aまで伝搬損85dBで届くと考えられるため、ユーザ端末108aにおけるCTS'制御パケットの受信電力が-93dBmとなり、所望対干渉電力比（CIR）のマージン33dBを満たしていることが分かり、ユーザ端末108bがCTS'制御パケットを送信してもよいと自律的に判断を行うことができる。
【００５５】
図２３に本発明の第三の実施形態におけるCTS'制御パケットのフォーマット図を示す。従来のCTS制御情報（送信禁止時間）に加えて、局IDと自局送信電力（TXP）・アクセスポイントからの受信電力（RXP）・所望対干渉電力比（CIR）を要素として持つ。
【００５６】
図２４に本発明の第三の実施形態におけるユーザ端末における送信判断アルゴリズムの説明図を示す。
CTS'制御パケットを受け取ったユーザ端末が送信判断をMACラッパ1003で行う。まず、CTS'制御パケットを受信するとCTS'制御パケットを送信したユーザ端末までの伝搬損Lを次式（３）で求める。
伝搬損（L）＝送信電力（TXP）−CTS'受信電力 …（３）
次に、CTS'制御パケットを送信したユーザ端末において許容できる干渉許容電力（AP）を次式（４）で求める。
干渉許容電力（AP）＝受信電力（RXP）−所望対干渉電力比（CIR） …（４）
CTS'制御パケットを受信したユーザ端末の送信電力（自局送信電力）が、干渉許容電力（AP）に伝搬損（L）を加えた電力よりも大きければ、CTS'制御パケットを送信したユーザ端末に対して干渉をおよぼすことになり、送信をとりやめる。
逆に、CTS'制御パケットを受信したユーザ端末の送信電力を干渉許容電力（AP）に伝搬損（L）を加えた電力よりも小さな送信電力に設定することが可能であれば、CTS'制御パケットを送信したユーザ端末に対して干渉を与えずに送信することができる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、アクセスポイントが指向性アンテナを持ち電力制御機能を有し、ユーザ端末が無指向性アンテナを持ち電力制御機能を持たない無線通信システムにおいて、複数のアクセスポイントから複数のユーザ端末にデータパケットを同時送信することが可能となり、システムトータルのスループットを向上させることができる。
【００５８】
図２０に、本発明の第一・第二の実施形態における集中管理型のトラヒック制御の効果に関するグラフ図を示す。
【００５９】
アクセスポイント数とユーザ端末数を同数として扱った場合、アップリンクトラヒックの総トラヒックに占める割合（アップリンクトラヒック比率）が0の場合は、台数に比例してシステムのトータルスループットが向上する。インターネットのトラヒックは、ダウンリンクトラヒックの占める割合が多く、Web閲覧などではアップリンクトラヒックの比率は約0.1程度である。よって、本発明の適用によりアクセスポイント台数を増やせばシステムトータルのスループットが向上する。
【００６０】
また、アクセスポイントが指向性アンテナを持ち電力制御機能を有し、ユーザ端末が無指向性アンテナを持ち電力制御機能を有する無線通信システムにおいて、ユーザ端末の送信電力を周囲のユーザ端末への干渉を抑制する電力に自律的に調整することにより、複数のアクセスポイントから複数のユーザ端末にデータパケットを同時送信することが可能となり、システムトータルのスループットを向上させることができる。
【００６１】
図２５に、本発明の第三の実施形態における分散型のトラヒック制御の効果に関するグラフ図を示す。本発明では、ユーザ端末108a・108b・108cの送信電力がお互いに干渉をおよぼさないように調整され、高いスループットを示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】無線アクセスシステムにおけるシステム構成の例。
【図２】無線LAN規格IEEE802.11のMAC(Media Access Control)副層アクセス方式の説明図。
【図３】アクセスポイントの並列伝送によるスループット向上方法の説明図。
【図４】アクセスポイントとユーザ端末の送受信の電力関係が非対称なシステムにおける課題の説明図。
【図５】仮想キャリアセンスによるパケット衝突回避方法の説明図。
【図６】仮想キャリアセンスを用いてもスループットが上げられない理由の説明図。
【図７】本発明の第一の実施形態における集中管理型のトラヒック制御方法を表す説明図。
【図８】本発明の第一の実施形態におけるAckパケットとデータパケットの衝突の問題に関する説明図。
【図９】本発明の第一の実施形態におけるダウンリンク時間内にAckパケットの送信タイミングをそろえる方法の説明図。
【図１０】本発明の第一の実施形態におけるAckパケットをアップリンク時間に出すように制御する方法の説明図。
【図１１】本発明の第一の実施形態における集中管理型のトラヒック制御システムの構成図。
【図１２】本発明の第一の実施形態における集中管理型の制御シーケンス図。
【図１３】本発明の第一の実施形態における送受信キュー長報告と送信制御通知の制御信号フォーマット図。
【図１４】本発明の第一の実施形態におけるアクセスポイントの構成図。
【図１５】本発明の第一の実施形態におけるユーザ端末の構成図。
【図１６】本発明の第一の実施形態における管理サーバの構成図。
【図１７】本発明の第二の実施形態における集中管理型トラヒック制御方法を表す説明図。
【図１８】本発明の第二の実施形態における管理サーバの構成図。
【図１９】本発明の上記第一・第二の実施例においてアクセスポイントを個別に制御した例を表す説明図。
【図２０】本発明の第一・第二の実施形態における集中管理型のトラヒック制御の効果に関するグラフ図。
【図２１】本発明の第三の実施形態における分散制御によるトラヒック制御方法の説明図。
【図２２】本発明の第三の実施形態におけるアクセスポイントとユーザ端末の送信電力と受信電力の関係の説明図。
【図２３】本発明の第三の実施形態におけるCTS'制御パケットのフォーマット図。
【図２４】本発明の第三の実施形態におけるユーザ端末における送信判断アルゴリズム。
【図２５】本発明の第三の実施形態における分散型のトラヒック制御の効果に関するグラフ図。
【符号の説明】
１０１ コンテンツ事業者
１０２ Webサーバ
１０３ インターネット
１０４ ゲートウェイ装置
１０５ プロバイダネットワーク
１０６ IPルータ
１０７ａ・１０７ｂ・１０７ｃ アクセスポイント
１０８ａ・１０８ｂ・１０８ｃ ユーザ端末
７０１ 管理サーバ
１００１・１００３ MACラッパ
１００２・１００４ 無線インタフェース（MAC／PHY）
１１０１a・１１０１ｂ・１１０１ｃ 送信キュー
１１０２a・１１０２ｂ・１１０２ｃ 受信キュー
１１０３a・１１０３ｂ・１１０３ｃ 送受信タイミング制御
１１０４a・１１０４ｂ・１１０４ｃ 送受信タイミング制御
１１０５a・１１０５ｂ・１１０５ｃ 送信キュー
１１０６a・１１０６ｂ・１１０６ｃ 受信キュー
１４０１ 指向性アンテナ
１４０２ 有線インタフェース
１４０３ 同期用パイロット信号生成部
１４０４ タイマ
１４０５ 送受信キュー長測定部
１４０６ 同期用パイロット信号検出部
１４０７ 分離回路
１４０８ 同期モード選択
１４０９ 多重化回路
１４１０ 制御信号処理部
１５０１ アンテナ
１５０２ 外部インタフェース
１５０３ タイマ
１５０４ 同期用パイロット信号検出部
１５０５ 分離回路
１５０６ 多重化回路
１５０７ 制御信号処理部
１６０１ 同期用パイロット信号生成部
１６０２ 制御フレーム長・アップリンク比率計算部
１６０３ アクセスポイント送受信キュー長データ
１６０４ 制御信号処理部
１６０５ 有線インタフェース
１８０１ 送受信キュー長測定部
１８０２ スイッチ
１８０３ 送受信キュー長データ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信システムにおける無線アクセス方式および伝送方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の無線アクセスシステムでは、無線LANに代表されるように、ユーザ端末はアクセスポイントを介して有線ネットワークに接続し、インターネットサービスを享受することができる。
【０００３】
図１に無線アクセスシステムにおけるシステム構成の例を示す。ユーザ端末108a・108b・108cは、それぞれアクセスポイント107a・107b・107cを経由し、IPルータ106を介してプロバイダネットワーク105に接続することができる。プロバイダネットワーク105とインターネット103はゲートウェイ装置104を介して接続されているので、ユーザ端末108a・108b・108cは、インターネット103上のコンテンツ事業者101のWebサーバ102にアクセスしてコンテンツをダウンロードすることができる。アクセスポイント107a・107b・107cは、ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）や光ファイバによってIPルータ106に有線接続されている。
【０００４】
無線アクセスシステムでは、アクセスポイントの設置はアクセスポイントを購入したユーザが行う場合が多く、アクセスポイント間で同一通信チャネルを用いた場合に通信が干渉するということを設置時に考慮しないケースが多い。
【０００５】
図２に、上記アクセスポイント間の干渉問題に対して、無線LAN規格IEEE802.11のMAC(Media Access Control)副層で規定されているアクセス方式の説明図を示す。
【０００６】
データ通信をランダムアクセスで行う通信アクセス方式を採用しており、通信ノード同士のデータパケットが衝突しないようにキャリアセンスによる衝突回避を行うCSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)方式を採用している。キャリアセンスで、各送信ノードで通信伝送路が空いているかどうかを判断してからデータパケットを送る。キャリアセンスの方法は、データパケット送信前に一定時間（衝突回避ウィンドウ）内でランダムパルスを送信する。パルスを送信していないときは伝送路を監視し、自ノードで送信してないパルスが検出されない場合はデータパケットを送信し、送信していないパルスを検出した場合はデータパケットの送信を取りやめて、ランダムに選択された一定時間待ってから再度キャリアセンスを行う。
【０００７】
図２に示すように、アクセスポイント107bがユーザ端末108bにDataパケットを送っている間は、アクセスポイント107cはキャリアセンスで他ノードが通信中であることを知り、一定時間待ってから再度キャリアセンスを行い、伝送路があいたことを確認してからユーザ端末108cにDataパケットを送る。このようにして、時間を分割してアクセスポイント間の通信が干渉しない仕組みが提供されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の無線アクセスシステムでは、キャリアセンスの仕組みによって通信時間を分けることで干渉を回避しているが、単位時間あたりに伝送できるデータ量が増えないため、アクセスポイントの数を増やしてもシステム全体のスループットが増えず、アクセスポイント一つあたりのスループットが低下するという問題があげられる。
【０００９】
図３にアクセスポイントの並列伝送によるスループット向上方法の説明図を示す。図２では、アクセスポイントの干渉範囲内に他のアクセスポイントが存在していたが、他のアクセスポイントを干渉範囲外になるようにすればよい。具体的には、送信電力を絞り、送受信アンテナの指向性をユーザ端末に絞ることによって、アクセスポイント間で電波が届かなくなるため、図３に示すようにアクセスポイント107aがユーザ端末108aにDataパケットを送っている間に、アクセスポイント107bはDataパケットをユーザ端末108bに送ることが可能となる。各アクセスポイントとユーザ端末間の伝送路が独立な場合は、伝送容量が増加してシステム全体のスループットが増加する。しかし、ユーザ端末が指向性アンテナを持ち電力制御機能を有するのは高機能であるためコストがかかる。このため、アクセスポイントは指向性アンテナを持ちおよび／または電力制御機能を有し、ユーザ端末は無指向性アンテナを持ちおよび／または電力制御機能を持たないことにより、アップリンクとダウンリンクとで送受信の電力関係が非対称なシステムが存在する。要するに、アクセスポイント側は任意のユーザ端末と交信可能であり、ユーザ端末側はそのような選択性を持たないシステムである。アクセスポイント側の機能としては、例えば、送信する電波の到達範囲を制限する機能を備える。典型的な例としては、指向性アンテナ、送信電力制御機能、あるいは、これらの組み合わせである。ユーザ端末としては、通常の送信機能（無指向性アンテナ）を有するものでよい。
【００１０】
なお、原理的にはアクセスポイントとユーザ端末の機能を逆にしても良いが、現状では、ユーザ端末に指向性アンテナなどを備えることは技術的に難易度が高い。
【００１１】
図４に、アクセスポイントが指向性アンテナを持ち電力制御機能を有し、ユーザ端末が無指向性アンテナを持ち電力制御機能を持たない無線通信システムにおける課題の説明図を示す。
【００１２】
アクセスポイント107aがDataパケットをユーザ端末108aに送っているときに、ユーザ端末108bはキャリアセンスを行ってもアクセスポイント107aからの電波を検出することができないため、アクセスポイント107bにDataパケットを送信する。このとき、ユーザ端末108aにおいて、アクセスポイント107aから送信されたDataパケットとユーザ端末108bから送信されたDataパケットが衝突を起こし、復号するのに必要な所要CIR(Carrier to Interference Ratio)を満たすことができずにDataパケットが消失する。アクセスポイント107aは、Dataパケットに対するAckが返ってこないため再送を行う。このようなパケット消失の問題は、隠れ端末問題として知られており、この対策として仮想キャリアセンスによるパケット衝突回避方法が考えられる。
【００１３】
図５に仮想キャリアセンスによるパケット衝突回避方法の説明図を示す。アクセスポイント107aがユーザ端末108aにデータを送る際に、RTS(Request to Send)と呼ばれる制御パケットに伝送路を使用する予定時間をいれて送信する。ユーザ端末108aは、RTS制御パケットを受け取ると、CTS(Clear to Send)と呼ばれる制御パケットに伝送路を使用する予定時間をいれて送信する。ユーザ端末108bがCTS制御パケットを受け取ると、アクセスポイント107aが伝送路を使用する予定時間の間、ユーザ端末108bの送信が禁止されるのでDataパケットの衝突が回避される。この方法を用いると図２に示したキャリアセンスの場合と同様に、送信時間が時間分割されるため、パケットの衝突回避はできても、アクセスポイントを増やしてもシステム全体のスループットが増えないという課題が解決されない。
【００１４】
図６に仮想キャリアセンスを用いてもスループットが増えない理由の説明図を示す。アクセスポイントは指向性アンテナを持ち電力制御機能を有し、ユーザ端末は無指向性アンテナを持ち電力制御機能を持たない送受信の電力関係が非対称なシステムで、各アクセスポイントから各ユーザ端末へのダウンリンクトラヒックを同時に伝送を行なう状況を想定する。
【００１５】
まず、アクセスポイント107aからユーザ端末108aにデータ伝送を行うためにRTS・CTS制御パケットによる仮想キャリアセンスが実行される。ユーザ端末108aからのCTS制御パケットによってユーザ端末108bは送信禁止状態となる。次に、アクセスポイント107bからユーザ端末108bにデータ伝送を行なうためにRTS制御パケットを送信する。ユーザ端末108bはRTS制御パケットを受け取っても、送信禁止状態であるためにCTS制御パケットを送り返すことができない。アクセスポイント107aは、CTS制御パケットが受け取れるまで、RTS制御パケットの送信を所定上限回数まで再試行する。ユーザ端末108bの送信禁止状態が解除されてから通信可能となるため、アクセスポイント107aとアクセスポイント107bはRTS・CTS制御のために同時に送信することができない。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題の考慮した上での本願発明の構成は、複数のユーザ端末と複数のアクセスポイントを含む通信システムにおいて、各アクセスポイントは所望のユーザ端末へ送信する際に、他のアクセスポイントあるいはユーザ端末に干渉を与えずに送信が可能な構成を有する。また、各ユーザ端末は所望のアクセスポイントへ送信する際に、他のアクセスポイントあるいはユーザ端末に干渉を与えずに送信が可能な構成を有さない。このような、システム構成において、アクセスポイントからユーザ端末に送信を行うダウンリンク時間と、ユーザ端末から上記アクセスポイントへ送信を行うアップリンク時間を規定してアクセス制御を行う。
アクセス制御においては、ダウンリンク時間には複数のアクセスポイントが所定のユーザ端末に対して同時に送信することを許容し、かつ、ユーザ端末に対してはデータの送信を禁止する。さらに、アップリンク時間には同時には一つのユーザ端末に対して送信を許容する。
【００１７】
アクセスポイントとユーザ端末相互の干渉を制御する具体的手段としては、アクセスポイントは指向性アンテナおよび出力制御回路のうち少なくとも一つを用いて所望のユーザ端末のみに送信を行う。
【００１８】
アクセス制御のためには、アクセスポイントを管理する管理サーバを準備し、管理サーバは、アクセスポイントがユーザ端末に対して送信を行う際に、送信先のユーザ端末に干渉を与える範囲にあるユーザ端末の送信を禁止する制御を行うことが望ましい。
【００１９】
さらに具体的には、管理サーバはアクセスポイントを介して、ユーザ端末の制御を行う。例えば、管理サーバの指示を受けたアクセスポイントは、送信を禁止すべきユーザ端末に対して、送信制御通知を送付することにより、所望の期間ユーザ端末の送信を禁止することができる。
【００２０】
MAC層プロトコルでは一つのパケットに対して一つの送達確認応答パケット（Ackパケット）を送信側に返信する。このため、ユーザ端末からアクセスポイントにAckパケットが返信されるため、他のユーザ端末ではアクセスポイントから送られたDataパケットとユーザ端末から送られたAckパケットが衝突する可能性がある。
【００２１】
そこで、ダウンリンク時間には複数のアクセスポイントが所定のユーザ端末に対して同時に送信することを許容し、かつ、ユーザ端末に対してはAckパケットおよびデータの送信を禁止、Ackパケットをアップリンク時間に出すように制御する。
【００２２】
あるいは、ダウンリンク時間には複数のアクセスポイントが所定のユーザ端末に対して同時に送信することを許容し、かつ、ユーザ端末に対してはデータの送信を禁止するが、Ackパケットの送信を許容し、Ackパケット送信タイミングを各ユーザ端末で同期させるように制御する。
【００２３】
制御シーケンスの一具体例としては、各アクセスポイントは、送信データパケットを蓄積する送信キューと、受信データパケットを蓄積する受信キューと、送受信キューの状態を管理サーバに報告する第１の制御信号処理部を有し、管理サーバは、送信キューの状態からダウンリンク時間を計算し、受信キューの状態からアップリンク時間を計算し、制御フレーム長（ダウンリンク時間とアップリンク時間の合計）と制御フレーム長に占めるアップリンク時間の比率（アップリンク時間比率）を計算する計算部と、計算部の計算結果に基づいて制御信号を形成する第２の制御信号処理部と、制御信号を各アクセスポイントに送付するインターフェースを有する。このとき、送信キューおよび受信キューの状態とは、キューの長さとすることができる。
本発明の他の一態様としては、複数のアクセスポイントを含む通信システムにおいて、各アクセスポイントは所望のユーザ端末へ送信する際に、他のアクセスポイントあるいはユーザ端末に干渉を与えずに送信が可能な構成を有し、アクセスポイントからユーザ端末に送信を行うダウンリンク時間と、ユーザ端末から上記アクセスポイントへ送信を行うアップリンク時間を規定してアクセス制御を行い、ダウンリンク時間には複数のアクセスポイントが所定のユーザ端末に対して同時に送信することを許容し、かつ、ユーザ端末に対してはデータの送信を禁止し、アップリンク時間には同時には一つのユーザ端末に対して送信を許容することを特徴とする。ここで、ダウンリンク時間には、ユーザ端末の通常のデータの送信を禁止するにとどめ、Ackパケットの送信は一定条件下で許容してもよい。この態様の本願発明と、送受信に指向性アンテナを用いていない通常の端末を組み合わせて使用することができる。端末には、必要に応じて、制御に必要なソフトウエア（ドライバソフト）をインストールすればよい。
上述の課題として無線アクセスシステム全体のスループットを向上させることを目的として、アクセスポイントからユーザ端末へ電波の到達範囲を制限する手段と、ユーザ端末からアクセスポイントへ電波の到達範囲を制限する手段とを有し、アクセスポイントからユーザ端末（ダウンリンク）とユーザ端末からアクセスポイント（アップリンク）の送信時間を時間分割する手段を用いることにより、アクセスポイント間、ユーザ端末間、またはアクセスポイントとユーザ端末間の電波干渉を低減する無線アクセスシステムを提供する。
さらに具体的には、アクセスポイントが指向性アンテナを持ち電力制御機能を有し、ユーザ端末が無指向性アンテナを持ち電力制御機能を持たない無線通信システムにおいて、アクセスポイントからユーザ端末にデータパケットを同時送信することにより、システム全体のスループットを向上させることを目的とし、アクセスポイントとユーザ端末のデータパケット送信時間を集中管理する管理サーバと、管理サーバからの送信時間制御情報に従ってデータ伝送を行うアクセスポイントおよびユーザ端末からなる無線通信システムを提供する。
【００２４】
上記アクセスポイントは無線信号と有線信号をやりとりするために、無線信号を送受信するための指向性アンテナと無線信号処理を行う無線インタフェースと有線信号処理を行う有線インタフェースを持ち、無線インタフェースから有線インタフェースへのデータパケットを蓄積する受信キューと、有線インタフェースから無線インタフェースへのデータパケットを蓄積する送信キューを持ち、送受信キュー長の変化を測定する送受信キュー長測定部を持ち、送受信キュー長測定部の測定結果を管理サーバに通知する制御信号の作成および管理サーバからデータパケット送信時間に関する制御信号を受け取る制御信号処理部を持ち、送信キューから無線インタフェースへの書き込みタイミングと受信キューから有線インタフェースへの書き込みタイミングを上記制御信号処理部の情報に基づいて制御する送受信タイミング制御部と、送受信タイミングを管理するための時間情報を提供するタイマを持ち、他のアクセスポイントとタイマの時間情報を同期させるための信号を同期用パイロット信号生成部で生成し、同期用パイロット信号を上記無線インタフェースまたは有線インタフェース経由で送信し、無線インタフェースまたは有線インタフェース経由で得られた同期用パイロット信号を検出する同期用パイロット信号検出部によってタイマの時間情報を補正し、アクセスポイント間の時刻同期をとることによって、アクセスポイント間で同時にデータ伝送することを可能とする構成を持つ。
【００２５】
上記ユーザ端末は、無線信号を送受信するための無指向性アンテナと無線信号処理を行う無線インタフェースとスピーカなど外部接続用の信号処理を行う外部インタフェースを持ち、無線インタフェースから外部インタフェースへのデータパケットを蓄積する受信キューと、外部インタフェースから無線インタフェースへのデータパケットを蓄積する送信キューを持ち、アクセスポイントからデータパケット送信時間に関する制御信号を受け取る制御信号処理部を持ち、送信キューから無線インタフェースへの書き込みタイミングと受信キューから外部インタフェースへの書き込みタイミングを上記制御信号処理部の情報に基づいて制御する送受信タイミング制御部と、送受信タイミングを管理するための時間情報を提供するタイマを持ち、アクセスポイントとタイマの時間情報を同期させるための同期用パイロット信号を上記無線インタフェース経由で得て、同期用パイロット信号検出部によってタイマの時間情報を補正してアクセスポイントとの時刻同期をとることにより、アクセスポイント送信時間中は送信を控えてパケット衝突回避を行うことが可能となる構成を持つ。
【００２６】
上記管理サーバは、有線信号処理を行う有線インタフェースを持ち、アクセスポイントの送受信キュー長測定結果を記録するアクセスポイント送受信キュー長データを持ち、上記アクセスポイント送受信キュー長データに基づいてアクセスポイントとユーザ端末のデータパケット送信時間を制御する周期（制御フレーム長）と、制御フレームにおいてユーザ端末からアクセスポイントへのデータパケット送信時間の比率（アップリンク比率）を計算する制御フレーム長・アップリンク比率計算部を持ち、管理サーバとアクセスポイント間の制御信号の生成・解釈を行う制御信号処理部を持ち、複数のアクセスポイントを同期させるための基準信号として同期用パイロット生成部を持つことにより、アクセスポイント・ユーザ端末のデータ送信時間を集中管理制御することが可能な構成を持つ。
【００２７】
また上記管理サーバは、上記アクセスポイントにある送信キューと受信キューを管理サーバ内に保持することにより、管理サーバからアクセスポイントへのデータパケットを蓄積する送信キューと、アクセスポイントから管理サーバ経由有線ネットワークへのデータパケットを蓄積する受信キューを持ち、送受信キュー長の変化を測定する送受信キュー長測定部を備え、送受信キュー長測定部の結果を送受信キュー長データとして記録し、送受信キュー長データに基づいてアクセスポイントとユーザ端末のデータパケット送信時間を制御する周期（制御フレーム長）と、制御フレームにおいてユーザ端末からアクセスポイントへのデータパケット送信時間の比率（アップリンク比率）を計算する制御フレーム長・アップリンク比率計算部を持ち、管理サーバとアクセスポイント間の制御信号の生成・解釈を行う制御信号処理部を持ち、複数のアクセスポイントを同期させるための基準信号として同期用パイロット生成部を持つことにより、アクセスポイント・ユーザ端末のデータ送信時間を集中管理制御することが可能な構成を持つものであってもよい。
【００２８】
また、アクセスポイントが指向性アンテナを持ち電力制御機能を有し、ユーザ端末が無指向性アンテナを持ち電力制御機能を有する無線通信システムにおいて、複数のアクセスポイントから複数のユーザ端末にデータパケットを同時送信することにより、システム全体のスループットを向上させることを目的とし、アクセスポイントからユーザ端末へのデータパケットと他のユーザ端末からのデータパケットの衝突を回避するための上記仮想キャリアセンス方式において、他のユーザ端末の送信を予想通信時間の間送信禁止状態にするのではなく、データパケットの衝突が発生するかどうか判断するための電力情報を応答パケットにのせて、他のユーザ端末で送信判断を自律的に行うことにより、不要な送信禁止状態をなくすことにより、複数のアクセスポイントから複数のユーザ端末に同時通信することを可能とする無線通信システムを提供する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００３０】
図７に本発明の第一の実施形態における集中管理型のトラヒック制御方法を表す説明図を示す。管理サーバ701は、管理対象であるアクセスポイント107a・107bとユーザ端末108a・108b間のトラヒック情報を把握し、アクセスポイントからユーザ端末へのデータパケット送信時間（ダウンリンク時間）とユーザ端末からアクセスポイントへのデータパケット送信時間（アップリンク時間）の間隔を計算し、各アクセスポイントおよびユーザ端末に対して送信制御通知を行うことにより、トラヒックの集中管理制御を行う。これにより、アクセスポイント107aと107bはユーザ端末108aと108bに対して同時にデータパケットを送信することが可能となり、システム全体のスループットを向上することができる。
【００３１】
ただし、MAC層プロトコルでは一つのパケットに対して一つの送達確認応答パケット（Ackパケット）を送信側に返信する。このため、ダウンリンク時間にアクセスポイント107bからユーザ端末108bに一つのDataパケットを送信すると、ユーザ端末108bからアクセスポイント107bに一つのAckパケットが返信されるため、ユーザ端末108aはアクセスポイント107aから送られたDataパケットとユーザ端末107bから送られたAckパケットが衝突する可能性がある。
【００３２】
図８に、本発明の第一の実施形態におけるAckパケットとデータパケットの衝突の問題に関する説明図を示す。アクセスポイント107aからユーザ端末108aに送信されたDataパケットと、ユーザ端末108bからアクセスポイント107bに送信されたAckパケットが、ダウンリンク時間内で衝突している様子を示している。この課題に対する方法として、ダウンリンク時間内にAckパケットが出ることを認めた場合はAckパケット送信タイミングをそろえる方法と、ダウンリンク時間内にAckパケットが出ることを認めずに、Ackパケットをアップリンク時間に出すように制御する方法の二つが考えられる。
【００３３】
図９に、本発明の第一の実施形態におけるダウンリンク時間内にAckパケットの送信タイミングをそろえる方法の説明図を示す。アクセスポイント107aからユーザ端末108aへのDataパケットの送信終了時間と、アクセスポイント107bからユーザ端末108bへのDataパケットの送信終了時間をそろえるように送信時間を調整する。ユーザ端末108a・108bは、Dataパケットを受けとってから一定時間(SIFS: Short Inter Frame Space)後にAckパケットを送信するため、Ackパケット送信タイミングが同じ時間に調整される。それぞれのAckパケットは、アクセスポイント107a・107bにおいて指向性アンテナで受信されるため、同時に送信されてもユーザ端末108aから出たAckパケットはアクセスポイント107bに届かないし、ユーザ端末108bから出たAckパケットはアクセスポイント107aに届かないため、Ackパケット同士が同一時間に送信されても問題ない。
【００３４】
図１０に、本発明の第一の実施形態におけるAckパケットをアップリンク時間に出すように制御する方法の説明図を示す。ダウンリンク時間にユーザ端末108a・108bからのAckパケットを発生させないように、アクセスポイントのMACラッパ1001においてブロードキャストパケットに宛先情報をブロードキャスト用ヘッダとして付加し、データをマッピングして送信する。ユーザ端末のMACラッパ1003では、ブロードキャストパケットのヘッダを読んで自分宛のパケットであることを確認し、ブロードキャスト用ヘッダの除去を行う。これにより、ダウンリンク時間にユーザ端末108a・108bからAckパケットが送信されない。また、アップリンク時間にユーザ端末のMACラッパ1003がAckパケットをアクセスポイントに送信することで誤り訂正能力を劣化させないようにしている。
【００３５】
図１１に本発明の第一の実施形態における集中管理型のトラヒック制御システムの構成図を示す。アクセスポイント107a・107b・107cには、送受信データパケットを蓄積するための送信キュー1101a・1101b・1101cと受信キュー1102a・1102b・1102cがあり、この送受信キューの長さを管理サーバ701に報告する。管理サーバでは、送信キュー長からダウンリンクトラヒックの大きさ、受信キュー長からアップリンクトラヒックの大きさを把握し、これからダウンリンク時間とアップリンク時間を計算して、制御フレーム長（ダウンリンク時間とアップリンク時間の合計）と制御フレーム長に占めるアップリンク時間の比率（アップリンク時間比率）を各アクセスポイント108a・108b・108cにフィードバックする。
【００３６】
アクセスポイントiの送信キュー長をTXL_i、受信キュー長をRXL_iとすると、制御フレーム長FLとアップリンク時間比率rは、次式（１）（２）で求められる。
FL = max(TXL_i)+ΣRXL_i （１）
r = ΣRXL_i/FL （２）
各アクセスポイント108a・108b・108cは、制御フレーム長とアップリンク時間比率の情報を受け取ると、送受信タイミング制御1103a・1103b・1103cで送受信タイミングの同期切替制御を行うことによって、ダウンリンクトラヒックの同時送信を可能にする。ユーザ端末108a・108b・108cも、アクセスポイントのタイミングに同期して送受信タイミング制御1104a・1104b・1104cで送受信タイミングをそろえて同期切替制御を行うことにより、アップリンクトラヒックのデータ送信を行なう。
【００３７】
図１２に本発明の第一の実施形態における集中管理型の制御シーケンス図を示す。アクセスポイント107a・107b・107cで測定した送受信キュー長報告の制御パケットを管理サーバ701に定期的に報告し、管理サーバ701では上記制御フレーム長とアップリンク時間比率を計算して、各アクセスポイントに送信制御通知の制御パケットを送信する。この送信制御情報に基づいて、図７に示すようにダウンリンク時間とアップリンク時間に分けてアクセスポイントとユーザ端末間のデータ通信が行われる。図１２では、送受信キュー長報告毎に送信制御通知を行う例を示したが、数回の送受信キュー長報告に対して１回の送信制御通知を行なう場合もある。
【００３８】
図１３に本発明の第一の実施形態における送受信キュー長報告と送信制御通知の制御信号フォーマット図を示す。送受信キュー長報告は、メッセージタイプ、局ID、送信キュー長、受信キュー長を要素として持つ。送信制御通知は、メッセージタイプ、局ID、制御フレーム長、アップリンク時間比率を要素として持つ。
【００３９】
図１４に本発明の第一の実施形態におけるアクセスポイントの構成図を示す。アクセスポイントは、無線信号を送受信するための指向性アンテナ1401と、無線信号処理を行う無線インタフェース1002と、有線信号処理を行う有線インタフェース1402を持ち、無線インタフェース1002から有線インタフェース1402へのデータパケットを蓄積する受信キュー1102aと、有線インタフェース1402から無線インタフェース1002へのデータパケットを蓄積する送信キュー1101aを持ち、送受信キュー長の変化を測定する送受信キュー長測定部1405と、送受信キュー長測定部1405の測定結果を管理サーバ701に通知する制御信号の作成および管理サーバ701からデータパケット送信時間に関する制御信号を受け取る制御信号処理部1410を持ち、有線インタフェース1402からのデータパケットと制御信号処理部1410からの制御信号パケットを多重する多重化回路1409と、多重化回路1409で多重された信号をブロードキャストパケットにマッピングを行うMACラッパ1001を持ち、無線インタフェース1002からの受信パケットを有線インタフェース1402へのデータパケットと制御信号処理部1410への制御信号パケットに分離する分離回路1407を持ち、送信キュー1101aから無線インタフェース1002への書き込みタイミングと受信キュー1102aから有線インタフェース1402への書き込みタイミングを上記制御信号処理部1410の情報に基づいて制御する送受信タイミング制御部1103aと、送受信タイミングを管理するための時間情報を提供するタイマ1404を持ち、他のアクセスポイントとタイマの時間情報を同期させるための信号を生成する同期用パイロット信号生成部1403と、無線インタフェース1002と有線インタフェース1402のどちらから同期信号を得るかを選択する同期モード選択1408と、選択された同期用パイロット信号の検出を行う同期用パイロット信号検出部1406を持つ構成となっている。
【００４０】
図１５に本発明の第一の実施形態におけるユーザ端末の構成図を示す。
【００４１】
ユーザ端末は、無線信号を送受信するためのアンテナ1501と、無線信号処理を行う無線インタフェース1004と、スピーカなど外部接続用の信号処理を行う外部インタフェース1502を持ち、無線インタフェース1004から外部インタフェース1502へのデータパケットを蓄積する受信キュー1106aと、外部インタフェース1502から無線インタフェース1004へのデータパケットを蓄積する送信キュー1105aを持ち、アクセスポイントからデータパケット送信時間に関する制御信号を受け取る制御信号処理部1507を持ち、外部インタフェース1502からのデータパケットと制御信号処理部1507からの制御信号パケットを多重する多重化回路1506を持ち、無線インタフェース1004からの受信パケットに対してブロードキャストパケットのヘッダを読みとってヘッダ部分を除去するMACラッパ1003と、MACラッパ1003で処理された信号を外部インタフェース1502へのデータパケットと制御信号処理部1507への制御信号パケットに分離する分離回路1505を持ち、送信キュー1105aから無線インタフェース1004への書き込みタイミングと受信キュー1106aから外部インタフェース1502への書き込みタイミングを制御信号処理部1507の情報に基づいて制御する送受信タイミング制御部1104aと、送受信タイミングを管理するための時間情報を提供するタイマ1503を持ち、アクセスポイントと同期させるための同期用パイロット信号を無線インタフェース1004から検出してタイマ1503の補正を行う同期用パイロット信号検出部1504を持つ構成となっている。
【００４２】
図１６に本発明の第一の実施形態における管理サーバの構成図を示す。
【００４３】
管理サーバは、有線信号処理を行う有線インタフェース1605と、アクセスポイントの送受信キュー長測定結果を記録するアクセスポイント送受信キュー長データ1603を持ち、アクセスポイント送受信キュー長データ1603に基づいてアクセスポイントとユーザ端末のデータパケット送信時間を制御する制御フレーム長と、制御フレームにおいてアップリンクのデータパケット送信時間の比率（アップリンク比率）を計算する制御フレーム長・アップリンク比率計算部1502を持ち、管理サーバとアクセスポイント間の制御信号の生成・解釈を行う制御信号処理部1504と、複数のアクセスポイントを同期させるための基準信号として同期用パイロット信号生成部1501を持つ構成となっている。
【００４４】
図１７に、本発明の第二の実施形態における集中管理型トラヒック制御方法を表す説明図を示す。
【００４５】
アクセスポイントを経由する全てのデータパケットを管理サーバ701でモニターすることにより、各アクセスポイント107a・107b・107cに送信する送信キュー1701a・1701b・1701cと各アクセスポイント107a・107b・107cから受信した受信キュー1702a・1702b・1702cの変化からトラヒックの大きさを知ることが可能で、ダウンリンク時間とアップリンク時間の比率を計算して各アクセスポイント107a・107b・107cに対して送信制御通知を行うことにより、ダウンリンク時間とアップリンク時間を制御することができる。図１１に示した実施例と比べると、管理サーバ701は全てのデータパケットのデータ処理が必要となり高機能なものが必要となるが、制御信号をアクセスポイントから受ける必要がなくなり制御信号のオーバヘッドは少ない。
【００４６】
本発明の第二の実施形態におけるユーザ端末の構成は、第一の実施形態と同じ構成である。
【００４７】
本発明の第二の実施形態におけるアクセスポイントの構成は、第一の実施形態の構成で送信キュー、受信キューと送受信キュー長測定部の機能をとり去ったものとなるが、第一の実施形態の構成であってもよい。
【００４８】
図１８に本発明の第二の実施形態における管理サーバの構成図を示す。
【００４９】
管理サーバは、有線信号処理を行う有線インタフェース1605を持ち、管理サーバからアクセスポイントへのデータパケットを蓄積する送信キュー1701a・1701b・1701cと、アクセスポイントから管理サーバへのデータパケットを蓄積する受信キュー1702a・1702b・1702cを持ち、送信キュー長と受信キュー長を測定する送受信キュー長測定部1801と、送受信キュー長測定部1801で測定した結果を記録する送受信キュー長データ1803を持ち、送受信キュー長データ1803に基づいてアクセスポイントとユーザ端末のデータパケット送信時間を制御する制御フレーム長と、制御フレームにおいてアップリンクのデータパケット送信時間の比率（アップリンク比率）を計算する制御フレーム長・アップリンク比率計算部1602を持ち、管理サーバとアクセスポイント間の制御信号の生成・解釈を行う制御信号処理部1604と、複数のアクセスポイントを同期させるための基準信号として同期用パイロット信号生成部1601を持ち、制御信号処理部1604からの制御信号と同期用パイロット信号生成部1601からの同期信号と受信キュー1702a・1702b・1702cからのデータパケットをどこの宛先に送るか経路設定を行うスイッチ1802を持つ構成となっている。
【００５０】
図１９に、本発明の上記第一・第二の実施例においてアクセスポイントを個別に制御した例を表す説明図を示す。
【００５１】
管理サーバ701でアップリンク時間とダウンリンク時間の比率の最適値を求めるが、アクセスポイント107aとユーザ端末108aの組み合わせとアクセスポイント107bとユーザ端末108bの組み合わせに対して、必ずしもダウンリンク時間とアップリンク時間の長さを同じにしなければならないわけではなく、例えばユーザ端末108aのデータパケットがユーザ端末108bへ衝突を起こさずに干渉が問題にならないという設置条件を管理サーバが把握していれば、独立にダウンリンク時間とアップリンク時間の制御を行なうことが可能である。この場合、最もデータパケットを積め込めるように図１６または図１８の制御フレーム長・アップリンク比率計算部1602で個々のアクセスポイント毎に最適なアップリンク時間とダウンリンク時間を計算し、各アクセスポイントに異なる送信制御通知を行うことにより実現できる。
【００５２】
図２１に、本発明の第三の実施形態における分散制御によるトラヒック制御方法の説明図を示す。
【００５３】
従来のシステムでは、図６で説明したように、アクセスポイント107aからユーザ端末108aにデータを送る際にRTS制御パケットで通信予約を行い、CTS制御パケットにより周囲のノードを送信禁止にしていた。図２１の例では、CTS制御パケットによって周囲ノードを送信禁止するのではなく、CTS'制御パケットによって周囲ノードの送信を抑制する。CTS'制御パケットは、送信を抑制するかどうか判断するのに必要な電力情報と送信を抑制する時間情報を持つ。ユーザ端末108bは、ユーザ端末108aからCTS'制御パケットを受け取ると、電力情報からユーザ端末108aに対して干渉をおよぼすかどうか判断ができる。ユーザ端末108bは、CTS'制御パケットによって送信が抑制されている時間内に、アクセスポイント107bから送信要求をRTS制御パケットで受け取ると、ユーザ端末108aに干渉をおよぼさないと判断したときはCTS'制御パケットをアクセスポイント107bに返すことができ、アクセスポイント107bからのDataパケットを受け取ることができる。このようにして、アクセスポイント107aからユーザ端末108aとアクセスポイント107bからユーザ端末108bの通信が同時に行えることにより、本来不要であった送信禁止状態を取り除くことになり、システムスループットを増加することができる。
【００５４】
図２２に本発明の第三の実施形態におけるアクセスポイントとユーザ端末の送信電力と受信電力の関係の説明図を示す。
アクセスポイント107aが送信電力0dBmで送信したRTS制御パケットが、ユーザ端末108aで受信電力-60dBm（RXP）で受信されたとする。このとき、この受信電力に対して所望対干渉電力比（CIR）が33dBあれば周囲の干渉が問題にならないとする。ユーザ端末108aは、CTS'制御パケットを送信電力15dBm（TXP）で送信し、上記の受信電力（RXP）・所望対干渉電力比（CIR）・送信電力（TXP）を制御情報としてCTS'制御パケットにのせて周囲に通知する。ユーザ端末108bは、CTS'制御パケットを受信電力-70dBmで受信したとすると、CTS'制御パケットの送信電力（TXP）との差分から伝搬損が85dBあることが分かる。ユーザ端末108bが、アクセスポイント107bからRTS制御パケットを受け取ると、CTS'制御パケットを送信電力-8dBmで送信すればユーザ端末108aまで伝搬損85dBで届くと考えられるため、ユーザ端末108aにおけるCTS'制御パケットの受信電力が-93dBmとなり、所望対干渉電力比（CIR）のマージン33dBを満たしていることが分かり、ユーザ端末108bがCTS'制御パケットを送信してもよいと自律的に判断を行うことができる。
【００５５】
図２３に本発明の第三の実施形態におけるCTS'制御パケットのフォーマット図を示す。従来のCTS制御情報（送信禁止時間）に加えて、局IDと自局送信電力（TXP）・アクセスポイントからの受信電力（RXP）・所望対干渉電力比（CIR）を要素として持つ。
【００５６】
図２４に本発明の第三の実施形態におけるユーザ端末における送信判断アルゴリズムの説明図を示す。
CTS'制御パケットを受け取ったユーザ端末が送信判断をMACラッパ1003で行う。まず、CTS'制御パケットを受信するとCTS'制御パケットを送信したユーザ端末までの伝搬損Lを次式（３）で求める。
伝搬損（L）＝送信電力（TXP）−CTS'受信電力 …（３）
次に、CTS'制御パケットを送信したユーザ端末において許容できる干渉許容電力（AP）を次式（４）で求める。
干渉許容電力（AP）＝受信電力（RXP）−所望対干渉電力比（CIR） …（４）
CTS'制御パケットを受信したユーザ端末の送信電力（自局送信電力）が、干渉許容電力（AP）に伝搬損（L）を加えた電力よりも大きければ、CTS'制御パケットを送信したユーザ端末に対して干渉をおよぼすことになり、送信をとりやめる。
逆に、CTS'制御パケットを受信したユーザ端末の送信電力を干渉許容電力（AP）に伝搬損（L）を加えた電力よりも小さな送信電力に設定することが可能であれば、CTS'制御パケットを送信したユーザ端末に対して干渉を与えずに送信することができる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、アクセスポイントが指向性アンテナを持ち電力制御機能を有し、ユーザ端末が無指向性アンテナを持ち電力制御機能を持たない無線通信システムにおいて、複数のアクセスポイントから複数のユーザ端末にデータパケットを同時送信することが可能となり、システムトータルのスループットを向上させることができる。
【００５８】
図２０に、本発明の第一・第二の実施形態における集中管理型のトラヒック制御の効果に関するグラフ図を示す。
【００５９】
アクセスポイント数とユーザ端末数を同数として扱った場合、アップリンクトラヒックの総トラヒックに占める割合（アップリンクトラヒック比率）が0の場合は、台数に比例してシステムのトータルスループットが向上する。インターネットのトラヒックは、ダウンリンクトラヒックの占める割合が多く、Web閲覧などではアップリンクトラヒックの比率は約0.1程度である。よって、本発明の適用によりアクセスポイント台数を増やせばシステムトータルのスループットが向上する。
【００６０】
また、アクセスポイントが指向性アンテナを持ち電力制御機能を有し、ユーザ端末が無指向性アンテナを持ち電力制御機能を有する無線通信システムにおいて、ユーザ端末の送信電力を周囲のユーザ端末への干渉を抑制する電力に自律的に調整することにより、複数のアクセスポイントから複数のユーザ端末にデータパケットを同時送信することが可能となり、システムトータルのスループットを向上させることができる。
【００６１】
図２５に、本発明の第三の実施形態における分散型のトラヒック制御の効果に関するグラフ図を示す。本発明では、ユーザ端末108a・108b・108cの送信電力がお互いに干渉をおよぼさないように調整され、高いスループットを示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】無線アクセスシステムにおけるシステム構成の例。
【図２】無線LAN規格IEEE802.11のMAC(Media Access Control)副層アクセス方式の説明図。
【図３】アクセスポイントの並列伝送によるスループット向上方法の説明図。
【図４】アクセスポイントとユーザ端末の送受信の電力関係が非対称なシステムにおける課題の説明図。
【図５】仮想キャリアセンスによるパケット衝突回避方法の説明図。
【図６】仮想キャリアセンスを用いてもスループットが上げられない理由の説明図。
【図７】本発明の第一の実施形態における集中管理型のトラヒック制御方法を表す説明図。
【図８】本発明の第一の実施形態におけるAckパケットとデータパケットの衝突の問題に関する説明図。
【図９】本発明の第一の実施形態におけるダウンリンク時間内にAckパケットの送信タイミングをそろえる方法の説明図。
【図１０】本発明の第一の実施形態におけるAckパケットをアップリンク時間に出すように制御する方法の説明図。
【図１１】本発明の第一の実施形態における集中管理型のトラヒック制御システムの構成図。
【図１２】本発明の第一の実施形態における集中管理型の制御シーケンス図。
【図１３】本発明の第一の実施形態における送受信キュー長報告と送信制御通知の制御信号フォーマット図。
【図１４】本発明の第一の実施形態におけるアクセスポイントの構成図。
【図１５】本発明の第一の実施形態におけるユーザ端末の構成図。
【図１６】本発明の第一の実施形態における管理サーバの構成図。
【図１７】本発明の第二の実施形態における集中管理型トラヒック制御方法を表す説明図。
【図１８】本発明の第二の実施形態における管理サーバの構成図。
【図１９】本発明の上記第一・第二の実施例においてアクセスポイントを個別に制御した例を表す説明図。
【図２０】本発明の第一・第二の実施形態における集中管理型のトラヒック制御の効果に関するグラフ図。
【図２１】本発明の第三の実施形態における分散制御によるトラヒック制御方法の説明図。
【図２２】本発明の第三の実施形態におけるアクセスポイントとユーザ端末の送信電力と受信電力の関係の説明図。
【図２３】本発明の第三の実施形態におけるCTS'制御パケットのフォーマット図。
【図２４】本発明の第三の実施形態におけるユーザ端末における送信判断アルゴリズム。
【図２５】本発明の第三の実施形態における分散型のトラヒック制御の効果に関するグラフ図。
【符号の説明】
１０１ コンテンツ事業者
１０２ Webサーバ
１０３ インターネット
１０４ ゲートウェイ装置
１０５ プロバイダネットワーク
１０６ IPルータ
１０７ａ・１０７ｂ・１０７ｃ アクセスポイント
１０８ａ・１０８ｂ・１０８ｃ ユーザ端末
７０１ 管理サーバ
１００１・１００３ MACラッパ
１００２・１００４ 無線インタフェース（MAC／PHY）
１１０１a・１１０１ｂ・１１０１ｃ 送信キュー
１１０２a・１１０２ｂ・１１０２ｃ 受信キュー
１１０３a・１１０３ｂ・１１０３ｃ 送受信タイミング制御
１１０４a・１１０４ｂ・１１０４ｃ 送受信タイミング制御
１１０５a・１１０５ｂ・１１０５ｃ 送信キュー
１１０６a・１１０６ｂ・１１０６ｃ 受信キュー
１４０１ 指向性アンテナ
１４０２ 有線インタフェース
１４０３ 同期用パイロット信号生成部
１４０４ タイマ
１４０５ 送受信キュー長測定部
１４０６ 同期用パイロット信号検出部
１４０７ 分離回路
１４０８ 同期モード選択
１４０９ 多重化回路
１４１０ 制御信号処理部
１５０１ アンテナ
１５０２ 外部インタフェース
１５０３ タイマ
１５０４ 同期用パイロット信号検出部
１５０５ 分離回路
１５０６ 多重化回路
１５０７ 制御信号処理部
１６０１ 同期用パイロット信号生成部
１６０２ 制御フレーム長・アップリンク比率計算部
１６０３ アクセスポイント送受信キュー長データ
１６０４ 制御信号処理部
１６０５ 有線インタフェース
１８０１ 送受信キュー長測定部
１８０２ スイッチ
１８０３ 送受信キュー長データ。
Claims (19)
- ユーザ端末が複数あるアクセスポイントを経由して有線ネットワークに接続する通信システムにおいて、
上記複数のアクセスポイントのそれぞれは、各アクセスポイントからの送信の相互干渉を回避するために、ビームをユーザ端末に向ける指向性アンテナおよび送信電力制御機能の少なくとも一つを有し、
上記アクセスポイントからユーザ端末へのダウンリンクトラヒックを測定するための送信キューと、上記ユーザ端末からアクセスポイントへのアップリンクトラヒックを測定するための受信キューを用いて、アップリンクのデータパケット送信時間とダウンリンクのデータパケット送信時間を決定する管理サーバを有し、
該管理サーバからの制御情報に従って上記アクセスポイントおよびユーザ端末のデータ伝送時間を制御する通信システム。 - 上記アクセスポイントは、
無線信号を送受信するための指向性アンテナと、
無線信号処理を行う無線インタフェースと、
有線信号処理を行う有線インタフェースと、
上記無線インタフェースから上記有線インタフェースへのデータパケットを蓄積する受信キューと、
上記有線インタフェースから上記無線インタフェースへのデータパケットを蓄積する送信キューと、
上記送受信キュー長の変化を測定する送受信キュー長測定部と、
上記送受信キュー長測定部の測定結果を上記管理サーバに通知する制御信号の作成および上記管理サーバからダウンリンク時間とアップリンク時間のデータパケット送受信時間に関する制御信号を受け取る制御信号処理部と、
上記送信キューから上記無線インタフェースへの書き込みタイミングと上記受信キューから上記有線インタフェースへの書き込みタイミングを上記制御信号処理部の情報に基づいて制御する送受信タイミング制御部と、
送受信タイミングを管理するための時間情報を提供するタイマと、
他のアクセスポイントと上記タイマの時間情報を同期させるための同期用パイロット信号を生成する同期用パイロット信号生成部と、
上記同期用パイロット信号を上記無線インタフェースまたは有線インタフェース経由で送信する手段と、
上記無線インタフェースまたは上記有線インタフェース経由で得られた同期用パイロット信号を検出しタイマの時間情報を補正する同期用パイロット信号検出部を持つ請求項１記載の通信システム。 - 上記ユーザ端末は、
無線信号を送受信するための無指向性アンテナと、
無線信号処理を行う無線インタフェースと、
外部接続用の信号処理を行う外部インタフェースと、
上記無線インタフェースから外部インタフェースへのデータパケットを蓄積する受信キューと、
外部インタフェースから無線インタフェースへのデータパケットを蓄積する送信キューと、
上記アクセスポイントからデータパケット送信時間に関する制御信号を受け取る制御信号処理部と、
送信キューから無線インタフェースへの書き込みタイミングと受信キューから外部インタフェースの書き込みタイミングを上記制御信号処理部の情報に基づいて制御する送受信タイミング制御部と、
送受信タイミングを管理するための時間情報を提供するタイマと、
アクセスポイントとタイマの時間情報を同期させるための同期用パイロット信号を上記無線インタフェース経由で得て、タイマの時間情報を補正する同期用パイロット信号検出部を持つ請求項１記載の通信システム。 - 上記管理サーバは、
有線信号処理を行う有線インタフェースと、
アクセスポイントの送受信キュー長測定結果を記録するアクセスポイント送受信キュー長データと、
上記アクセスポイント送受信キュー長データに基づいてアクセスポイントとユーザ端末のデータパケット送信時間を制御する周期（以降、「制御フレーム長」と呼ぶ）と、
制御フレームにおいてユーザ端末からアクセスポイントへのデータパケット送信時間の比率（以降、「アップリンク比率」と呼ぶ）を計算する制御フレーム長・アップリンク比率計算部と、
管理サーバとアクセスポイント間の制御信号の生成・解釈を行う制御信号処理部と、
複数のアクセスポイントを同期させるための基準信号として同期用パイロット信号生成部を持つ請求項１記載の通信システム。 - 上記管理サーバは、
有線信号処理を行う有線インタフェースと、
管理サーバからアクセスポイントへのデータパケットをアクセスポイント単位で蓄積する送信キューと、
アクセスポイントから管理サーバ経由有線ネットワークへのデータパケットをアクセスポイント単位で蓄積する受信キューと、
送受信キュー長の変化を測定する送受信キュー長測定部と、
測定した送受信キュー長を記録する送受信キュー長データを持ち、上記送受信キュー長データに基づいてアクセスポイントとユーザ端末のデータパケット送信時間を制御する周期（制御フレーム長）と、制御フレームにおいてユーザ端末からアクセスポイントへのデータパケット送信時間の比率（アップリンク比率）を計算する制御フレーム長・アップリンク比率計算部と、
管理サーバとアクセスポイント間の制御信号の生成・解釈を行う制御信号処理部と、
複数のアクセスポイントを同期させるための基準信号として同期用パイロット信号生成部と、
受信キューのデータパケットと制御信号処理部からの制御信号と同期用パイロット信号生成部からの同期信号を送信キューに振り分けるスイッチを持つ請求項１記載の通信システム。 - それぞれ第一及び第二のアクセスポイントからデータパケットを受信した、第一および第二のユーザ端末から応答パケットが送信される時間をそろえるために、送信するデータパケットの送信終了時間を第一のアクセスポイントと第二のアクセスポイントで同一タイミングにそろえるスケジューリングを行う請求項１記載の通信システム。
- ダウンリンク時間においてユーザ端末から応答パケットが送信されないようにブロードキャストパケットを用い、宛先情報を入れたヘッダとデータをブロードキャストパケットにマッピングするMACラッパを持ち、ユーザ端末のMACラッパでブロードキャストパケットのヘッダを除去し、アップリンク時間に応答パケットをユーザ端末からアクセスポイントに送る請求項１記載の通信システム。
- ユーザ端末がアクセスポイントを経由して有線ネットワークに接続する無線アクセスシステムであって、アクセスポイントはビームをユーザ端末に向ける指向性アンテナを持ち送信電力制御機能を有し、ユーザ端末はビームを特定方向に定めない無指向性アンテナを持ち送信電力制御機能を有し、アクセスポイントから第一のユーザ端末へ通信予約を行う制御パケットに対する応答パケットに、送信抑制時間とユーザ端末の送信電力の情報を付加することにより、該応答パケットを受信した第二のユーザ端末が上記第一のユーザ端末に干渉を与えない送信電力に制御することにより、複数のアクセスポイントから複数のユーザ端末への並列伝送を可能とする無線アクセスシステム。
- 複数のユーザ端末と複数のアクセスポイントを含む通信システムにおいて、
上記各アクセスポイントは所望のユーザ端末へ送信する際に、他のアクセスポイントあるいはユーザ端末に干渉を与えずに送信が可能な構成を有し、
上記アクセスポイントから上記ユーザ端末に送信を行うダウンリンク時間と、
上記ユーザ端末から上記アクセスポイントへ送信を行うアップリンク時間を規定してアクセス制御を行い、
上記ダウンリンク時間には複数のアクセスポイントが所定のユーザ端末に対して並列に送信することを許容し、かつ、ユーザ端末に対してはデータの送信を禁止し、
上記アップリンク時間には、各時点において、干渉可能性のあるユーザ端末のうちの一つのユーザ端末に対して送信を許容することを特徴とする通信システム。 - 上記各アクセスポイントは指向性アンテナおよび出力制御回路のうち少なくとも一つを用いて所望のユーザ端末に対して送信を行う請求項９記載の通信システム。
- 上記アクセスポイントを管理する管理サーバを有し、
該管理サーバは、上記アクセスポイントが上記ユーザ端末に対して送信を行う際に、送信先のユーザ端末に干渉を与える範囲にあるユーザ端末の送信を禁止する制御を行う請求項９記載の通信システム。 - 上記管理サーバは、上記アクセスポイントを介して、ユーザ端末の制御を行い、
上記管理サーバの指示を受けた上記アクセスポイントは、送信を禁止すべきユーザ端末に対して、送信制御通知を送付することにより、所望の期間ユーザ端末の送信を禁止する請求項１１記載の通信システム。 - 上記ダウンリンク時間には複数のアクセスポイントが所定のユーザ端末に対して同時に送信することを許容し、かつ、ユーザ端末に対してはAckパケットおよびデータの送信を禁止、Ackパケットをアップリンク時間に出すように制御する請求項９記載の通信システム。
- 上記ダウンリンク時間には複数のアクセスポイントが所定のユーザ端末に対して同時に送信することを許容し、かつ、ユーザ端末に対してはデータの送信を禁止するが、Ackパケットの送信を許容し、
し、Ackパケット送信タイミングを各ユーザ端末で同期させるように制御する請求項９記載の通信システム。 - 上記各アクセスポイントは、上記送信データパケットを蓄積する送信キューと、上記受信データパケットを蓄積する受信キューと、上記送受信キューの状態を管理サーバに報告する第１の制御信号処理部を有し、
上記管理サーバは、上記送信キューの状態からダウンリンク時間を計算し、上記受信キューの状態からアップリンク時間を計算し、制御フレーム長（ダウンリンク時間とアップリンク時間の合計）と制御フレーム長に占めるアップリンク時間の比率（アップリンク時間比率）を計算する計算部と、
上記計算部の計算結果に基づいて制御信号を形成する第２の制御信号処理部と、
上記制御信号を各アクセスポイントに送付するインターフェースを有する請求項９記載の通信システム。 - 上記送信キューおよび受信キューの状態とは、キューの長さである請求項１５記載の通信システム。
- 複数のアクセスポイントを含む通信システムにおいて、
上記各アクセスポイントは所望のユーザ端末へ送信する際に、アクセスポイントから送信される電波の到達範囲を制限する構成を有し、
上記アクセスポイントから上記ユーザ端末に送信を行うダウンリンク時間と、上記ユーザ端末から上記アクセスポイントへ送信を行うアップリンク時間を規定してアクセス制御を行い、
上記ダウンリンク時間には複数のアクセスポイントが所定のユーザ端末に対して同時に送信することを許容し、かつ、ユーザ端末のデータの少なくとも一部の送信を禁止し、
上記アップリンク時間には同時には一つのユーザ端末に対して送信を許容することを特徴とする通信システム。 - 上記アクセスポイントと交信可能な管理サーバを有し、
該管理サーバからの制御情報に従って、上記アクセス制御、送信の許可及び禁止を行う請求項１７記載の通信システム。 - 上記ユーザ端末に対しては、上記管理サーバから上記アクセスポイントを介して制御信号を送信する請求項１８記載の通信システム。
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