JP4550013B2 - 無線通信方法、動的帯域割当方法、無線通信システム及び基地局 - Google Patents

無線通信方法、動的帯域割当方法、無線通信システム及び基地局 Download PDF

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本発明は、動的な帯域の割り当てを可能とする無線通信方法、動的帯域割当方法、データ送信方法、無線通信システム及び基地局並びに端末局に関する。
近年、設備制御、交通、環境保全、食・農業、地震モニタリング、医療福祉などを中心とした分野において、多様なアプリケーションをユーザに提供するユビキタスワイヤレスネットワークやワイヤレスセンサーネットワークが注目されている。これらのネットワークは、固定ネットワークに接続された基地局と多数の無線端末から構成されている。
ネットワーク内の無線端末は、バッテリ起動であり、データの測定と測定データの基地局への送信等の最小限の機能しか有していない低消費電力・低機能の端末であるため、無線端末からのトラヒックは、（１）データ量は少ない、（２）周期的にデータを発生、（３）送信間隔が比較的長いという特徴を有する。しかしながら、これらの無線端末は多数存在するため、全体のトラヒックは増大する傾向にある。さらに、これらのネットワークでは、できるだけ多くの無線端末からのデータを収集することが目的となるため、一台の基地局にできるだけ多くの無線端末を収容する必要がある。従って、これらのネットワークでは、一台の基地局で多数の無線端末を収容しつつ、高スループット化を実現できるＭＡＣ(Media Access Control)プロトコルが要求されている。
この要求条件を満たすＭＡＣプロトコルとしては、リソース利用効率が高い集中制御方法の一つである動的スロット割当方法が用いられている。本方法では、アクセス方式としてＴＤＭＡ−ＴＤＤ（Time Division Multiple Access-Time Division Duplex）を用い、基地局が無線端末からの要求に応じたスロット（帯域）を動的に割り当てるものである。図１３にフレーム構成の一例を示す。ＭＡＣフレームは上りリンクと下りリンクの２つに分かれ、下りリンクは報知区間とデマンドアサイン区間、上りリンクはデマンドアサイン区間とランダムアクセス区間で構成される。
また、データや制御情報を送受信するために、Ｂｃｈ(Broadcast control channel : ブロードキャスト制御チャネル）、ＲＦｃｈ(Random access Feedback channel : ランダムアクセスフィードバックチャネル)、Ｆｃｈ(Frame control channel : フレーム制御チャネル)、Ｃｃｈ (Control channel : 制御チャネル）、Ｄｃｈ（Data channel : データチャネル）、ＲＣＨ(Random access channel : ランダムアクセスチャネル）のチャネルが使用される。Ｂｃｈは、無線端末に基地局の属性（基地局ＩＤ、フレーム番号等）を報知するために、Ｆｃｈは、無線端末単位でスロット割当を行うデマンドアサイン区間のスロット割当情報（割当を行った無線端末、スロット位置、スロット長、割当チャネル等）を通知するために、ＲＦｃｈは、ランダムアクセス情報（前フレームのランダムアクセス結果、本フレームでのランダムアクセスの開始位置及びスロット数等）を通知するために用いられる。Ｃｃｈは、帯域要求情報(Resource Request :RREQ)やＡＲＱ(Automatic Repeat Request)等の無線端末毎の制御情報を、Ｄｃｈはユーザデータを送受信するために使用される。Ｒｃｈは、ランダムアクセスのためのチャネルであり、無線端末が上記ＲＲＥＱを送信するために使用される。
動的スロット割当方法には、無線端末が基地局に対して帯域要求を行うためにランダムアクセスを用いるアクセス方法がある。本方法は、バースト的に発生する非周期性のデータを柔軟かつ効率よく収容できるため、上記要求条件を満たす動的スロット割当方法として広く適用されている。図１４は、本方法を用いたアクセスシーケンスの一例を示している。この例では、基地局は、ＭＡＣフレームの先頭から順にＢｃｈ、ＲＦｃｈ、Ｆｃｈを送信する。基地局配下の無線端末は、ＲＦｃｈを受信することで、そのフレームでのランダムアクセスの開始位置、スロット数を知ることができる。無線端末が送信すべきデータを有する場合、データ送信のための帯域を基地局に要求する帯域要求情報:ＲＲＥＱをＲｃｈで送信するため、無線端末は、Exponentialバックオフアルゴリズムに基づいた送信待機時間であるバックオフ時間を他無線端末との衝突を回避するために自律的に決定する。
無線端末は、バックオフ時間が完了した時点で、ＲＲＥＱを該当するＲｃｈで送信する（図１４のＭＡＣＦｒａｍｅ１）。他の無線端末からのＲｃｈと衝突した場合、再送を行う。基地局では、ＲＲＥＱを正しく受信できた場合、次のフレーム（図１４のＭＡＣＦｒａｍｅ２）のＲＦｃｈでＲＲＥＱの受信成功を通知し、ＲＲＥＱから帯域要求値に相当するスロット：Ｄｃｈを割り当てる。また、そのＤｃｈを割り当てた次のフレーム（図１４のＭＡＣＦｒａｍｅ３）において、データに対する到達確認を無線端末に送信するためのＡＲＱ用のＣｃｈを割り当てる。
なお、基地局が、無線端末からのＲＲＥＱの帯域要求値に従ってＤｃｈを割り当てる構成は、無線端末からＲＲＥＱを受信することにより、メモリに該当する無線端末の帯域要求値を書き込み、ラウンドロビンにより帯域要求値を読み出すことで実現されている。基地局は、Ｄｃｈの割り当てを行った後、残帯域に対して、ＲＲＥＱ用のＲｃｈを割り当てる。
M.Yamamoto, S.Machida, and H.Ikeda,"Access control scheme for multimedia ATM wireless local area networks,"IEICE Trans. Commun, vol.E81-B, no.11, pp,2048-2055, Nov.1997.
しかしながら、上記のランダムアクセスによる動的スロット割当方法では、特に、基地局の配下に多数の無線端末が存在する場合に、Ｒｃｈが衝突する可能性が高くなり、衝突に伴うオーバーヘッドが生じる。このオーバーヘッドは、Exponentialバックオフアルゴリズムに基づいた送信待機時間により生じており、これがスループット特性を劣化させる。
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、衝突に伴うオーバーヘッドの削減を行い、基地局と、基地局と無線回線により接続される無線端末との間のスループット特性を改善することを可能とする無線通信方法、動的帯域割当方法、データ送信方法、無線通信システム及び基地局並びに端末局を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、複数の端末局が共通の無線回線により基地局と接続され、前記基地局は、無線フレーム内の上り通信用スロットのうち帯域割当済みのスロットをデマンドアサイン区間、残りのスロットをランダムアクセス区間として管理し、前記端末局からの帯域要求情報に対して要求分の上り通信用スロットを割り当て、前記端末局は、送信するデータが発生した場合、バックオフ時間経過後に帯域要求情報をランダムアクセス区間内のスロットにランダムアクセス送信し、送信に失敗した場合には再度バックオフ時間経過後にランダムアクセス送信し、送信に成功した場合には前記基地局から割り当てられたスロットを用いて前記データを送信する無線通信方法において、前記基地局は、前記端末局の過去のトラヒック特性から次のデータ発生タイミングを予測し、予測されるタイミングに対応する無線フレームにスロット割当を行い、前記端末局は、バックオフ時間が経過する前に前記基地局からスロットが割り当てられた場合には、バックオフ時間経過後に送信を予定していた発生データを送信するか、あるいは帯域要求情報を送信し当該帯域要求情報に基づいて前記基地局から割り当てられたスロットにて発生データを送信し、前記基地局は、前記端末局の過去のトラヒック特性として、最新のＮ個（Ｎは２以上の整数）の発生データ情報を用い、前記発生データ間の間隔のうち最長間隔を次のデータ発生までの間隔として、次のデータ発生タイミングを予測することを特徴とする無線通信方法である。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記端末局は、バックオフ時間が経過する前に割り当てられたスロットで発生データ全てを送信できない場合には、割当スロットの帯域に相当する容量分の発生データの一部を送信し、バックオフ時間経過後にランダムアクセス送信して前記基地局から割り当てられたスロットにて残りの発生データを送信することを特徴とする。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記端末局は、バックオフ時間が経過する前に割り当てられたスロットで発生データ全てを送信できない場合には、割当スロットの帯域に相当する容量分の発生データの一部を送信するとともに残りの発生データを送信するのに必要な帯域を要求する帯域要求情報を送信し、次無線フレーム以降で割り当てられたスロットにおいて残りの発生データを送信することを特徴とする。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記端末局は、バックオフ時間が経過する前に割り当てられたスロットで発生データ全てを送信できない場合には、割当スロットで発生データの容量分の帯域を要求する帯域要求情報を送信し、次無線フレーム以降で割り当てられたスロットにおいて発生データを送信することを特徴とする。
また、本発明は、複数の端末局が共通の無線回線により基地局と接続され、前記基地局は、無線フレーム内の上り通信用スロットのうち帯域割当済みのスロットをデマンドアサイン区間、残りのスロットをランダムアクセス区間として管理し、前記端末局からの帯域要求情報に対して要求分の上り通信用スロットを割り当てる基地局の動的帯域割当方法であって、前記端末局の過去のトラヒック特性から次のデータ発生タイミングを予測し、予測されるタイミングに対応する無線フレームにスロット割当を行い、前記端末局の過去のトラヒック特性として、最新のＮ個（Ｎは２以上の整数）の発生データ情報を用い、前記発生データ間の間隔のうち最長間隔を次のデータ発生までの間隔として、次のデータ発生タイミングを予測することを特徴とする動的帯域割当方法である。
また、本発明は、複数の端末局を共通の無線回線により接続し、無線フレーム内の上り通信用スロットのうち帯域割当済みのスロットをデマンドアサイン区間、残りのスロットをランダムアクセス区間として管理し、前記端末局からの帯域要求情報に対して要求分の上り通信用スロットを割り当てる基地局と、送信するデータが発生した場合、バックオフ時間経過後に帯域要求情報をランダムアクセス区間内のスロットにランダムアクセス送信し、送信に失敗した場合には再度バックオフ時間経過後にランダムアクセス送信するランダムアクセス手段と、ランダムアクセス送信に成功した場合には前記基地局から割り当てられたスロットを用いて前記データを送信する送信手段とを有する端末局とを備えた無線通信システムであって、前記基地局は、前記端末局の過去のトラヒック特性から次のデータ発生タイミングを予測し、予測されるタイミングに対応する無線フレームにスロット割当を行い、前記端末局の送信手段は、バックオフ時間が経過する前に前記基地局からスロットが割り当てられた場合には、バックオフ時間経過後に送信を予定していた発生データを送信するか、あるいは帯域要求情報を送信し当該帯域要求情報に基づいて前記基地局から割り当てられたスロットにて発生データを送信し、前記基地局は、前記端末局の過去のトラヒック特性として、最新のＮ個（Ｎは２以上の整数）の発生データ情報を用い、前記発生データ間の間隔のうち最長間隔を次のデータ発生までの間隔として、次のデータ発生タイミングを予測することを特徴とする無線通信システムである。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記端末局の送信手段は、バックオフ時間が経過する前に割り当てられたスロットで発生データ全てを送信できない場合には、割当スロットの帯域に相当する容量分の発生データの一部を送信し、バックオフ時間経過後に前記ランダムアクセス手段にてランダムアクセス送信して前記基地局から割り当てられたスロットにて残りの発生データを送信することを特徴とする。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記端末局の送信手段は、バックオフ時間が経過する前に割り当てられたスロットで発生データ全てを送信できない場合には、割当スロットの帯域に相当する容量分の発生データの一部を送信するとともに残りの発生データを送信するのに必要な帯域を要求する帯域要求情報を送信し、次無線フレーム以降で割り当てられたスロットにおいて残りの発生データを送信することを特徴とする。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記端末局の送信手段は、バックオフ時間が経過する前に割り当てられたスロットで発生データ全てを送信できない場合には、割当スロットで発生データの帯域に相当する容量分の帯域を要求する帯域要求情報を送信し、次無線フレーム以降で割り当てられたスロットにおいて発生データを送信することを特徴とする。
また、本発明は、複数の端末局を共通の無線回線により接続し、無線フレーム内の上り通信用スロットのうち帯域割当済みのスロットをデマンドアサイン区間、残りのスロットをランダムアクセス区間として管理し、前記端末局からの帯域要求情報に対して要求分の上り通信用スロットを割り当てる基地局であって、前記端末局の過去のトラヒック特性から次のデータ発生タイミングを予測し、予測されるタイミングに対応する無線フレームにスロット割当を行い、前記端末局の過去のトラヒック特性として、最新のＮ個（Ｎは２以上の整数）の発生データ情報を用い、前記発生データ間の間隔のうち最長間隔を次のデータ発生までの間隔として、次のデータ発生タイミングを予測することを特徴とする基地局である。
この発明によれば、基地局は、端末局の過去のトラヒック特性から次のデータ発生タイミングを予測し、予測されるタイミングに対応する無線フレームにスロット割当を行い、端末局は、バックオフ時間が経過する前に前記基地局からスロットが割り当てられた場合には、バックオフ時間経過後に送信を予定していた発生データを送信するか、あるいは帯域要求情報を送信し当該帯域要求情報に基づいて前記基地局から割り当てられたスロットにて発生データを送信する構成とした。これにより、端末局の発生データのトラヒック特性から次のデータの発生を予測し、予測フレームにて帯域要求情報やデータの送信用のスロットをデマンドアサイン区間に割り当て、衝突回避によるオーバーヘッドの削減が可能となり、スループット特性を向上させることができる。また、端末局では、基本的にはランダムアクセスを用いた帯域要求を行うことになるが、バッグオフ中に基地局からのスロット割当（ポーリング）があれば、ランダムアクセスを中止するため、ランダムアクセスのトラヒックを低減する効果がある。
また、本発明によれば、基地局は、端末局の過去のトラヒック特性として、最新のＮ個（Ｎは２以上の整数）の発生データ情報を用い、前記発生データ間の間隔のうち最長間隔を次のデータ発生までの間隔として、次のデータ発生タイミングを予測する構成とした。最も長い発生間隔をもとに予測フレームを決定することで、測定間隔内でのいかなる発生間隔に完全に対応することができ、帯域浪費を最小限に抑えることが可能となる。
また、本発明によれば、端末局は、バックオフ時間が経過する前に割り当てられたスロットで発生データ全てを送信できない場合には、割当スロットの帯域に相当する容量分の発生データの一部を送信し、バックオフ時間経過後にランダムアクセス送信して前記基地局から割り当てられたスロットにて残りの発生データを送信する構成とした。これにより、割り当てられたスロットの帯域より送信するデータの容量が大きい場合であっても、ランダムアクセスによる送信に処理を継続して全てのデータを送信することが可能となる。
また、本発明によれば、端末局は、バックオフ時間が経過する前に割り当てられたスロットで発生データ全てを送信できない場合には、割当スロットの帯域に相当する容量分の発生データの一部を送信するとともに残りの発生データを送信するのに必要な帯域を要求する帯域要求情報を送信し、次無線フレーム以降で割り当てられたスロットにおいて残りの発生データを送信する構成とした。これにより、送信するデータの容量が大きい場合であっても、更に必要となる帯域を要求するため、全てのデータを送信することが可能となる。
また、本発明によれば、端末局は、バックオフ時間が経過する前に割り当てられたスロットで発生データ全てを送信できない場合には、割当スロットで発生データの容量分の帯域を要求する帯域要求情報を送信し、次無線フレーム以降で割り当てられたスロットにおいて発生データを送信する構成とした。これにより、割り当てられたスロットの帯域より送信するデータの容量が大きい場合であっても、必要となる帯域を再度要求するため、全てのデータを送信することが可能となる。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る無線通信システムを示した概略ブロック図である。無線通信システムは、基地局１と、端末局である無線端末２−１〜２−Ｎ（以下、無線端末を代表して記載する場合、無線端末２のように記載する）とを備えている。基地局１は、後述する動的スロット割当方法を実行する帯域割当部と、無線端末２との間で制御情報やデータの送受信を行う送受信部とを具備した装置である。無線端末２は、バックオフ時間の経過後にランダムアクセス区間にてランダムアクセスの制御情報を送信するランダムアクセス部と、基地局１からの制御情報を受信し、受信した制御情報に基づいて割り当てられるスロットを検出したり、ＲＲＥＱあるいはデータを送信する送受信部とを具備した装置である。
（基地局側の実施形態）
次に、基地局１と無線端末２の間のスループット特性を改善する基地局１における動的スロット割当方法について説明する。本実施形態に係る動的スロット割り当て方法では、基地局１にて、無線端末２のトラヒック特性から次のデータ発生を後述する計算により予測し、その予測フレームのデマンドアサイン区間においてあらかじめスロット割り当てを行うことで、衝突をなくし、次データの送信の効率化を行う。
基地局１では、無線端末２からのデータを受信すると、そのデータに付与されているデータ発生時間情報からデータ発生間隔を計算する。また、基地局１では、最新の一定期間（一定個数）のデータ発生間隔から次のデータが発生するフレームを予測し、その予測フレームのデマンドアサイン区間においてＲＲＥＱ用のスロット、あるいは、データ用のスロットを予め割り当てるものである。
無線端末２では、データ送信時にそのデータが発生した時間情報をデータともに送信する。この時間情報としては、無線端末２のＭＡＣレイヤが上位レイヤからデータを受信した際のＢｃｈのフレーム番号を使用する。また、無線端末２では上位レイヤよりユーザデータを受信すると、帯域要求にランダムアクセスを用いるアクセスシーケンスを開始する。バックオフ時間が経過するまでに、基地局１からＲＲＥＱ、あるいは、データのスロットが割り当てられた場合は、ランダムアクセスを停止し、割り当てられたスロットに対して、ＲＲＥＱ、或いは、データの送信を行う。
次に、図２を参照しつつ、本実施形態における基地局１が無線端末毎に行う、次データが発生するフレーム、すなわち、予測フレームを決定する方法について説明する。ここで、基地局１は、ある無線端末２から、発生時間情報：ＦＤ（Ｍ）を有するＭ番目のデータを受信した後、現在のフレーム：Ｆｃｕｒで（Ｍ＋１）番目のデータ（発生時間情報：ＦＤ（Ｍ＋１）)を受信したとする。基地局１では、データを受信すると、データの発生間隔(Generation Interval :ＧＩ)を計算し（ステップＳａ１）、最新のＮ個のＧＩをメモリに保持する（ステップＳａ２：Ｙｅｓ）。なお、ＧＩは、発生時間情報:ＦＤ（Ｍ＋１）−ＦＤ（Ｍ）から計算する。基地局１では、最新のＮ個のＧＩから最も発生間隔が長いＧＩｍａｘを選択し、次データ、すなわち、(Ｍ＋２)番目のデータが発生するフレーム(予測フレーム:ＰＦｎｅｘｔ)をＦＤ（Ｍ＋１）＋ＧＩｍａｘと決定する（ステップＳａ３）。なお、ステップＳａ２にて、Ｎ個に満たない場合は、処理を終了する（ステップＳａ２：Ｎｏ）
ＰＦｎｅｘｔが、現フレーム：Ｆｃｕｒより後のフレームでなければ（ステップＳａ４：Ｎｏ）、既にデータが発生し、保持されていると判定し、予測フレームを次フレーム：Ｆｃｕｒ＋１に変更する（ステップＳａ５）。最後に、基地局１は、メモリ上の予測フレーム情報を更新する（ステップＳａ６）。
ＰＦｎｅｘｔが現フレーム：Ｆｃｕｒより後のフレームであれば（ステップＳａ４：Ｙｅｓ）、予測フレームはそのままとする。最後に、基地局１は、メモリ上の予測フレーム情報を更新する（ステップＳａ６）。予測フレームの更新後、予測フレームまでに無線端末２からランダムアクセスによりＲＲＥＱを受信した場合は、予測フレームを削除する。予測フレームまでに無線端末２からランダムアクセスによるＲＲＥＱを受信しない場合は、基地局１では、この予測フレームにおいて、ＲＲＥＱ用のスロット、あるいは、データ用のスロットの割り当てを試行する。
（無線端末側の第１実施形態）
次に、無線端末の第１実施形態として予測フレームにおいて、データ送信のためのＲＲＥＱ用のスロットが割り当てられた無線端末２ａについて説明する。デマンドアサイン区間における割り当てであるため、Ｃｃｈを使用する。図３は、無線端末２ａでのＲＲＥＱの送信処理を示したフローチャートである。
まず、無線端末２ａでは、上位レイヤよりユーザデータを受信すると、ＲＲＥＱの送信にランダムアクセスを用いるアクセスシーケンスを開始する（ステップＳｂ１）。最初に、バックオフアルゴリズムにより送信待機するバックオフスロット数(BO_Num)を決定し、決定したバックオフスロット数を設定する（ステップＳｂ２）。
無線端末２ａは、Ｂｃｈ、ＲＦｃｈ、Ｆｃｈを受信する（ステップＳｂ３）。Ｂｃｈを受信することで、無線端末２ａに基地局１の属性（基地局ＩＤ、フレーム番号等）を取得する。ＲＦｃｈを受信することで、現フレームにおけるランダムアクセスの開始位置及びＲｃｈ数を取得する。また、Ｆｃｈを受信することで、現フレームにおいて、自分宛てのＲＲＥＱ用のＣｃｈの割り当てがあるかどうかを判定する（ステップＳｂ４）。
現フレームにおいて、Ｃｃｈの割り当てがあるかどうかによりフローが異なる。Ｃｃｈの割り当てがあれば（ステップＳｂ４：Ｙｅｓ）、ランダムアクセスシーケンスを中止し、図４に示したＣｃｈのポーリングによるアクセスシーケンスを開始する。無線端末２ａは現フレーム（図４のＭＡＣＦｒａｍｅ１）にてＲＲＥＱを指定されたＣｃｈにより送信する（ステップＳｂ５）。基地局１では、予測フレームにおいて、ＲＲＥＱ用のＣｃｈを割り当てる場合、次のフレーム（図４のＭＡＣＦｒａｍｅ２）において、Ｃｃｈの受信結果を通知するためのＡＲＱ用のＣｃｈを、前述したＲＲＥＱ用のＣｃｈとペアになるように割り当てる。基地局１では、ＲＲＥＱが正常に受信できた場合、ＲＲＥＱの帯域要求値に応じたユーザデータ用のＤｃｈをデマンドアサイン区間に割り当てる。加えて、無線端末２ａにＤｃｈの受信結果を通知するためのＡＲＱ用のＣｃｈを割り当てる。
一方、現フレームにおいて、Ｃｃｈの割り当てがなければ、ランダムアクセスによる送信を試行する。現フレームにおけるＲｃｈ数(RA_Num)とバックオフスロット数(BO_Num)を比較し（ステップＳｂ６）、Ｒｃｈ数がバックオフスロット数より小さい場合には（ステップＳｂ６：Ｙｅｓ）、現フレームでの送信は行わず、バックオフスロット数からＲｃｈ数を引いたスロット数でバックオフスロット数を更新する（ステップＳｂ８）。Ｒｃｈ数がバックオフスロット数以上の場合には（ステップＳｂ６：Ｎｏ）、現フレームでの送信が可能であるため、バックオフスロット数番目のＲｃｈによりＲＲＥＱの送信を実施する（ステップＳｂ７）。
基地局１では、無線端末２ａからのＲＲＥＱの帯域要求値に応じて、ユーザデータ用のＤｃｈを割り当てる。基地局１では、ＲＲＥＱを受信すると、受信した無線端末２ａに該当するメモリにその帯域要求値を書き込む。Ｄｃｈの割り当ての際には、メモリ上の帯域要求値をラウンドロビンやＦＩＦＯ(First-In-First-Out)などにより読み出す。スロット割当は、ユーザデータ用のＤｃｈの割り当てを行った後、残り帯域に対して、スケジューリングフレームが予測フレームである無線端末２ａのＲＲＥＱ用のＣｃｈの割り当てを行った後、残り帯域をＲＲＥＱ用のＲｃｈに割り当てる。
（無線端末側の第２実施形態）
次に、無線端末の第２実施形態として予測フレームにおいて、ユーザデータ用のスロットが割り当てられた無線端末２ｂを示す。図５は、無線端末２ｂでのＲＲＥＱ、或いはデータの送信処理を示したフローチャートである。
まず、無線端末２ｂでは、上位レイヤよりユーザデータを受信すると、ＲＲＥＱの送信にランダムアクセスを用いるアクセスシーケンスを開始する（ステップＳｃ１）。最初に、バックオフアルゴリズムにより送信待機するバックオフスロット数（BO_Num）を決定して設定する（ステップＳｃ２）。
無線端末２ｂは、Ｂｃｈ、ＲＦｃｈ、Ｆｃｈを受信する（ステップＳｃ３）。Ｂｃｈを受信することで、無線端末２ｂに基地局１の属性（基地局ＩＤ、フレーム番号等）を取得する。ＲＦｃｈを受信することで、現フレームにおけるランダムアクセスの開始位置及びＲｃｈ数を取得する。また、Ｆｃｈを受信することで、現フレームにおいて、自分宛てのデータ用のＤｃｈの割り当てがあるかどうかを判定する（ステップＳｃ４）。
現フレームにおいて、Ｄｃｈの割り当てがあるかどうかによりフローが異なる。Ｄｃｈの割り当てがあり（ステップＳｃ４：Ｙｅｓ）、現フレームでの送信を行うのであれば、ランダムアクセスシーケンスを中止し、Ｄｃｈのポーリングによるアクセスシーケンスを開始する。一方、現フレームにおいて、Ｄｃｈの割り当てがなければ（ステップＳｃ４：Ｎｏ）、ランダムアクセスによる送信を試行する。現フレームにおけるＲｃｈ数(RA_Num)とバックオフスロット数(BO_Num)を比較し（ステップＳｃ６）、Ｒｃｈ数がバックオフスロット数より小さい場合には（ステップＳｃ６：Ｙｅｓ）、現フレームでの送信は行わず、バックオフスロット数からＲｃｈ数を引いたスロット数でバックオフスロット数を更新する（ステップＳｃ８）。Ｒｃｈ数がバックオフスロット数以上の場合には（ステップＳｃ６：Ｎｏ）、現フレームでの送信が可能であるため、バックオフスロット数番目のＲｃｈによりＲＲＥＱの送信を実施する（ステップＳｃ７）。
ステップＳｃ４にて、Ｄｃｈの割り当てがあれば、図６に示したアクセスシーケンスを開始し、無線端末２ｂはデータを指定されたＤｃｈにより送信する（ステップＳｃ５）。
さらに、ステップＳｃ４にて、Ｄｃｈの割り当てがある場合に、当該Ｄｃｈにて割り当てられたサイズと送信データサイズの比較を行うようにしてもよい。割当サイズの方が送信データサイズ以上の場合には、現フレームでのデータの完全送信が可能であり、前述したステップＳｃ５と同じく、図６に示したアクセスシーケンスを開始し、無線端末２ｂはデータを指定されたＤｃｈにより送信する。
一方、送信データサイズより割当サイズの方が小さい場合には、現フレームでのデータの完全送信は不可能であるため、以下に示す複数の送信方法を取り得る。
（送信方法１）例えば、割当Ｄｃｈを用いた送信は行わず、ランダムアクセスによる送信を行うため、ランダムアクセスシーケンスを継続する方法がある。
（送信方法２）また、割当Ｄｃｈに対して、データの分割送信を行う方法がある。本方法では、さらに、以下に示すような２つの方法を取り得る。
第１の方法は、割当Ｄｃｈに対して、分割したデータの送信を行った後、残りのデータはランダムアクセスによる送信を行う。本方法では、分割データ送信後に、ランダムアクセスシーケンスを開始する。
第２の方法は、割当Ｄｃｈに対して、分割したデータと残りのデータの帯域要求値を設定したＲＲＥＱの送信を行う、本方法では、図７に示したアクセスシーケンスを開始して、データを分割し、分割データとともに残りのデータに対する帯域要求値を設定したＲＲＥＱを割当Ｄｃｈにおいて送信する。なお、第２実施形態において、図７に示すアクセスシーケンスと、図６に示すアクセスシーケンスの両方に対応させる場合には、図６で示す割当Ｄｃｈでデータを送信できる場合においても、データとともにＲＲＥＱ（帯域要求値＝０）を送信ように構成してもよい。なお、データを分割する際には、分割データ中に、データが分割されていることを基地局１が検出できる情報要素を付加する必要がある。
（送信方法３）また、さらに、割当Ｄｃｈに対して、Ｃｃｈの帯域要求値を含むＲＲＥＱの送信を行う方法がある。図８に本方法のアクセスシーケンスを示す。この方法は、前述した（送信方法２）のように送信可能なデータに分割するのではなく、割当ＤｃｈをＲＲＥＱ（Ｃｃｈ）の送信に用いる方法である。本方法では、データを分割送信する必要がなく、常にＲＲＥＱをデータに付与する必要もない。但し、基地局１では、ＤｃｈでＣｃｈを受信することがあるため、送信データ中にチャネルタイプを識別する情報要素を付加する必要がある。
基地局１では、予測フレームにおいて、データ用のＤｃｈあるいはＣｃｈを割り当てる場合、次のフレームにおいて、ＤｃｈあるいはＣｃｈの受信結果を通知するためのＡＲＱ用のＣｃｈを、前述したデータ用のＤｃｈあるいはＣｃｈとペアとなるように割り当てる。
基地局１で予測フレームにおいて割り当てるＤｃｈのスロット長は、前回受信したデータ長、通信開始時に無線端末２ｂから申告されたデータ長、契約時のデータ長、全受信データあるいは規定時間あるいは規定受信数での平均データ長などにより決定する。
基地局１では、ユーザデータ用のＤｃｈのスロット割り当てを行った後、残り帯域に対して、予測フレームに基づいたＤｃｈの割り当て行う。但し、前述した（送信方法２）の第２の方法にて、データの分割が発生した場合には、予測フレームよりも優先して分割データ用のＤｃｈの割り当てを行う。予測フレームによる割り当てを行った後、残りの帯域に対して、ＲＲＥＱに応じたＤｃｈの割り当てを行う。そして、残りの帯域をＲＲＥＱ用のＲｃｈに割り当てる。
なお、上記２つの無線端末側の第１及び第２実施形態では、データに対する受信結果を通知するシーケンスを示しているが、ＵＤＰ(User Datagram Protocol)のように、送信元で受信結果を必要としないデータ送信においては、データに対する受信通知のスロットが存在しないシーケンスとなる。
（シミュレーション結果）
本発明による方法（第１及び第２実施形態の無線端末２ａ、２ｂを適用した場合）と従来方法の伝送特性をシミュレーションした結果について以下に示す。図９は、シミュレーションに適用したＭＡＣ−ＰＤＵとＰＨＹ−ＰＤＵの関係を示した図である。また、図１０は、シミュレーションのパラメータを示した図である。図１１は、図９及び図１０の条件下で行ったスループット特性のシミュレーション結果であり、図１２は、遅延特性のシミュレーション結果である。
図１０に示すように無線端末２ａ、２ｂのトラヒックに関しては、データ長４０バイト、データ発生間隔（平均は１００ｓｅｃ)が、一定(Constant)及びポアソン分布(Poisson)に従う場合について評価している。また、トラヒック負荷：１．０は無線伝送容量(９６００ｂｉｔｓ)を表し、これを用いて、無線端末数は次のように算出される。すなわち、無線伝送速度(９６００ｂｐｓ)×トラヒック負荷／データ長（４０Ｂｙｔｅ）／データ発生間隔の平均(１００ｓｅｃ)の演算により算出される。
図１１より、本発明による方法では、トラヒック特性によらず、従来方法に比べ、高いスループットを達成できることがわかる。また、図１２より、本発明による方法では、トラヒック特性によらず、従来方式に比べ、低遅延であることがわかる。
上記の各実施形態の構成により、無線端末２ａ、２ｂのトラヒック特性から次のデータの発生を予測し、予測フレームにてＲＲＥＱやユーザデータをデマンドアサイン区間に割り当てるごとで、衝突回避によるオーバーヘッドの削減が可能となり、スループット特性を向上させることができる。また、この構成により、周期性のあるトラヒックをポーリング手法により効率良く収容することが可能となる。また、最新の一定期間の無線端末２ａ、２ｂからのデータ発生間隔を測定し、その測定間隔内でのいかなる発生間隔に完全に対応できるように、最も長い発生間隔をもとに予測フレームを決定することで、ポーリングによる帯域浪費を最小限に抑えることが可能となる。また、無線端末２ａ、２ｂでは、基本的にランダムアクセスを用いた帯域要求を行うが、バックオフ期間中に基地局１よりポーリングがある場合には、ランダムアクセスを中止し、ポーリングによる送信を行うため、遅延特性の低減が可能となる。
なお、上記の実施形態の構成では、図１３に示した従来技術のフレーム構成に基づいて記載したが、本発明は、この実施形態に限られず、例えば、Ｂｃｈ、ＲＦｃｈ、Ｆｃｈ等の順序が入れ替わっているようなフレームであっても適用することが可能である。
本発明の無線通信システムを示した概略ブロック図である。 本発明の基地局側の実施形態による処理を示したフローチャートである。 本発明の無線端末側の第１実施形態による処理を示したフローチャートである。 第１実施形態の無線端末に係るアクセスシーケンスを示した図である。 本発明の無線端末側の第２実施形態による処理を示したフローチャートである。 第２実施形態の無線端末に係るアクセスシーケンス（その１）を示した図である。 第２実施形態の無線端末に係るアクセスシーケンス（その２）を示した図である。 第２実施形態の無線端末に係るアクセスシーケンス（その３）を示した図である。 第１及び第２実施形態のシミュレーションに適用したＭＡＣ−ＰＤＵとＰＨＹ−ＰＤＵの関係を示した図である。 同シミュレーションに適用したパラメータを示した図である。 同シミュレーションのスループット特性の結果を示した図である。 同シミュレーションの遅延特性の結果を示した図である。 従来技術におけるフレーム構成を示した図である。 従来技術におけるアクセスシーケンスを示した図である。
符号の説明
１ 基地局
２−１〜２−Ｎ 無線端末

Claims (10)

  1. 複数の端末局が共通の無線回線により基地局と接続され、前記基地局は、無線フレーム内の上り通信用スロットのうち帯域割当済みのスロットをデマンドアサイン区間、残りのスロットをランダムアクセス区間として管理し、前記端末局からの帯域要求情報に対して要求分の上り通信用スロットを割り当て、前記端末局は、送信するデータが発生した場合、バックオフ時間経過後に帯域要求情報をランダムアクセス区間内のスロットにランダムアクセス送信し、送信に失敗した場合には再度バックオフ時間経過後にランダムアクセス送信し、送信に成功した場合には前記基地局から割り当てられたスロットを用いて前記データを送信する無線通信方法において、
    前記基地局は、前記端末局の過去のトラヒック特性から次のデータ発生タイミングを予測し、予測されるタイミングに対応する無線フレームにスロット割当を行い、
    前記端末局は、バックオフ時間が経過する前に前記基地局からスロットが割り当てられた場合には、バックオフ時間経過後に送信を予定していた発生データを送信するか、あるいは帯域要求情報を送信し当該帯域要求情報に基づいて前記基地局から割り当てられたスロットにて発生データを送信し、
    前記基地局は、
    前記端末局の過去のトラヒック特性として、最新のＮ個（Ｎは２以上の整数）の発生データ情報を用い、前記発生データ間の間隔のうち最長間隔を次のデータ発生までの間隔として、次のデータ発生タイミングを予測する
    ことを特徴とする無線通信方法。
  2. 前記端末局は、
    バックオフ時間が経過する前に割り当てられたスロットで発生データ全てを送信できない場合には、割当スロットの帯域に相当する容量分の発生データの一部を送信し、バックオフ時間経過後にランダムアクセス送信して前記基地局から割り当てられたスロットにて残りの発生データを送信する
    ことを特徴とする請求項１記載の無線通信方法。
  3. 前記端末局は、
    バックオフ時間が経過する前に割り当てられたスロットで発生データ全てを送信できない場合には、割当スロットの帯域に相当する容量分の発生データの一部を送信するとともに残りの発生データを送信するのに必要な帯域を要求する帯域要求情報を送信し、次無線フレーム以降で割り当てられたスロットにおいて残りの発生データを送信する
    ことを特徴とする請求項１記載の無線通信方法。
  4. 前記端末局は、
    バックオフ時間が経過する前に割り当てられたスロットで発生データ全てを送信できない場合には、割当スロットで発生データの容量分の帯域を要求する帯域要求情報を送信し、次無線フレーム以降で割り当てられたスロットにおいて発生データを送信する
    ことを特徴とする請求項１記載の無線通信方法。
  5. 複数の端末局が共通の無線回線により基地局と接続され、前記基地局は、無線フレーム内の上り通信用スロットのうち帯域割当済みのスロットをデマンドアサイン区間、残りのスロットをランダムアクセス区間として管理し、前記端末局からの帯域要求情報に対して要求分の上り通信用スロットを割り当てる基地局の動的帯域割当方法であって、
    前記端末局の過去のトラヒック特性から次のデータ発生タイミングを予測し、予測されるタイミングに対応する無線フレームにスロット割当を行い、
    前記端末局の過去のトラヒック特性として、最新のＮ個（Ｎは２以上の整数）の発生データ情報を用い、前記発生データ間の間隔のうち最長間隔を次のデータ発生までの間隔として、次のデータ発生タイミングを予測する
    ことを特徴とする動的帯域割当方法。
  6. 複数の端末局を共通の無線回線により接続し、無線フレーム内の上り通信用スロットのうち帯域割当済みのスロットをデマンドアサイン区間、残りのスロットをランダムアクセス区間として管理し、前記端末局からの帯域要求情報に対して要求分の上り通信用スロットを割り当てる基地局と、送信するデータが発生した場合、バックオフ時間経過後に帯域要求情報をランダムアクセス区間内のスロットにランダムアクセス送信し、送信に失敗した場合には再度バックオフ時間経過後にランダムアクセス送信するランダムアクセス手段と、ランダムアクセス送信に成功した場合には前記基地局から割り当てられたスロットを用いて前記データを送信する送信手段とを有する端末局とを備えた無線通信システムであって、
    前記基地局は、前記端末局の過去のトラヒック特性から次のデータ発生タイミングを予測し、予測されるタイミングに対応する無線フレームにスロット割当を行い、
    前記端末局の送信手段は、バックオフ時間が経過する前に前記基地局からスロットが割り当てられた場合には、バックオフ時間経過後に送信を予定していた発生データを送信するか、あるいは帯域要求情報を送信し当該帯域要求情報に基づいて前記基地局から割り当てられたスロットにて発生データを送信し、
    前記基地局は、
    前記端末局の過去のトラヒック特性として、最新のＮ個（Ｎは２以上の整数）の発生データ情報を用い、前記発生データ間の間隔のうち最長間隔を次のデータ発生までの間隔として、次のデータ発生タイミングを予測する
    ことを特徴とする無線通信システム。
  7. 前記端末局の送信手段は、
    バックオフ時間が経過する前に割り当てられたスロットで発生データ全てを送信できない場合には、割当スロットの帯域に相当する容量分の発生データの一部を送信し、バックオフ時間経過後に前記ランダムアクセス手段にてランダムアクセス送信して前記基地局から割り当てられたスロットにて残りの発生データを送信する
    ことを特徴とする請求項６記載の無線通信システム。
  8. 前記端末局の送信手段は、
    バックオフ時間が経過する前に割り当てられたスロットで発生データ全てを送信できない場合には、割当スロットの帯域に相当する容量分の発生データの一部を送信するとともに残りの発生データを送信するのに必要な帯域を要求する帯域要求情報を送信し、次無線フレーム以降で割り当てられたスロットにおいて残りの発生データを送信する
    ことを特徴とする請求項６記載の無線通信システム。
  9. 前記端末局の送信手段は、
    バックオフ時間が経過する前に割り当てられたスロットで発生データ全てを送信できない場合には、割当スロットで発生データの帯域に相当する容量分の帯域を要求する帯域要求情報を送信し、次無線フレーム以降で割り当てられたスロットにおいて発生データを送信する
    ことを特徴とする請求項６記載の無線通信システム。
  10. 複数の端末局を共通の無線回線により接続し、無線フレーム内の上り通信用スロットのうち帯域割当済みのスロットをデマンドアサイン区間、残りのスロットをランダムアクセス区間として管理し、前記端末局からの帯域要求情報に対して要求分の上り通信用スロットを割り当てる基地局であって、
    前記端末局の過去のトラヒック特性から次のデータ発生タイミングを予測し、予測されるタイミングに対応する無線フレームにスロット割当を行い、
    前記端末局の過去のトラヒック特性として、最新のＮ個（Ｎは２以上の整数）の発生データ情報を用い、前記発生データ間の間隔のうち最長間隔を次のデータ発生までの間隔として、次のデータ発生タイミングを予測する
    ことを特徴とする基地局。
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