JP4622869B2 - アクセス方法、アクセスシステム及び基地局 - Google Patents

Description

本発明は、多数の端末局が１つの基地局にアクセスするアクセス方法、アクセスシステム及び前記アクセスシステムの基地局に関する。

環境測定や災害予知等を目的として、地理的に広範囲に設置された多数の端末局から、データ収集を行うシステムにおいて、端末局が基地局に送信するパケットは、端末局において、定期的に観測したデータを送信するための定期パケットと、所定の基準値を超えた場合等、端末局において発生した何らかの異常や緊急に通知すべきデータを、突発的に送信するための不定期パケットとが混在する。

このうち、不定期パケットについては、地震や河川の異常水位等に対応して、多数の端末局が同時多発的にパケットを送信する状況が想定される。このとき端末局が送信するパケットの多くは異常を示すデータ若しくはその数値、又は回線要求のための信号であり、パケット長そのものは短いと考えられ、したがって、送信方法としてはランダムアクセス方法が適している。しかしながら、空いているチャネル数が少ないときに、同時に多数の端末局がパケットを送信した場合は、不定期パケットの多くが衝突するため、スループットが著しく減少し、緊急に通知すべきデータであるにも係らず、送信遅延時間が長くなる、あるいは、送信できなくなるといった問題が生じる。

無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）の規格において、端末局は、一度衝突したパケットが他の端末局と再度同じタイミングで衝突することを避けるために、再送信時間をランダムに選択している（例えば、非特許文献１参照。）。更に、集中的にパケットが増加した場合、衝突回数に応じて再送信時間を延ばすことにより、トラフィックを減少させ、スループットを向上させている。

福田豊、千草かおり、尾家祐二、"Ｐｅｅｒ−ｔｏ−Ｐｅｅｒ通信を考慮したＷｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ通信機構の提案"、電子情報通信学会、技術研究報告、ＮＳ２００２−２７２、ＩＮ２００２−２４５、ｐｐ．７３−７８、２００３年３月

パケットがポアソン生起に従う場合、最もスループットが高い、即ち最も遅延時間が短くなるのは、アロハ方式においてはトラフィックが０．５のとき、スロットアロハ方式においてはトラフィックが１のときであることが知られている。しかし、現実のトラフィックは、必ずしも０．５又は１であることはなく、従来技術においても最大のスループットが得られていないという問題がある。

したがって、本発明はパケットの衝突を回避して、高いスループットを維持し、よって、遅延時間を短くすることを可能とするアクセス方法、アクセスシステム及び前記アクセスシステムの基地局を提供することを目的とする。

本発明におけるアクセス方法によれば、
基地局と、１つ以上の端末局とを含むシステムにおける端末局の基地局へのアクセス方法あって、基地局は、処理期間内の各スロットの受信信号から、全端末局より送信されたパケットの総数を推定し、推定したパケット総数から送信確率を算出し、端末局は、基地局から通知された送信確率に基づき、次の処理期間におけるパケット送信可否を決定し、基地局は、前記処理期間内において、端末局より送信されたパケット数が０であるスロット数、端末局より送信されたパケット数が１であるスロット数、端末局より送信されたパケット数が２以上であるスロット数の少なくとも１つを計測し、全端末局からのパケットの送信が２項分布に従うものとして、前記計測した結果及び処理期間内のスロット数から、前記処理期間内に全端末局より送信されたパケットの総数を推定することを特徴とする。

また、本発明のアクセス方法における他の実施形態によれば、
端末局においてパケット送信可と決定する確率は、送信確率に比例することも好ましい。

本発明におけるシステムによれば、
基地局と、１つ以上の端末局とを含むシステムであって、基地局は、処理期間内の各スロットの受信信号から、全端末局より送信されたパケットの総数を推定する手段と、推定したパケット総数から送信確率を算出する手段と、算出した送信確率を端末局に通知する手段とを有し、端末局は、通知された送信確率から次の処理期間でのパケット送信可否を決定する手段を有し、前記パケットの総数を推定する手段は、前記処理期間内において、端末局より送信されたパケット数が０であるスロット数、端末局より送信されたパケット数が１であるスロット数、端末局より送信されたパケット数が２以上であるスロット数の少なくとも１つを計測する手段と、全端末局からのパケットの送信が２項分布に従うものとして、前記計測した結果及び処理期間内のスロット数から、前記処理期間内に全端末局より送信されたパケット総数を推定する手段とを含むことを特徴とする。

本発明における基地局によれば、
１つ以上の端末局と通信する基地局であって、処理期間内において、端末局より送信されたパケット数が０であるスロット数、端末局より送信されたパケット数が１であるスロット数、端末局より送信されたパケット数が２以上であるスロット数の少なくとも１つを計測する手段と、全端末局からのパケットの送信が２項分布に従うものとして、前記計測した結果及び処理期間内のスロット数から、前記処理期間内に全端末局より送信されたパケット総数を推定する手段とを有することを特徴とする。

多数の端末局が突発的に送信するパケットについて、高いスループットを維持し、遅延時間を短くできる。また、全端末局より送信されたパケットの総数を推定することで、災害等の規模を速やかに予測することができる。

本発明を実施するための最良の実施形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。

図１は、基地局１と、複数の端末局２とにより構成される本発明のデータ収集システムの構成図である。データ収集システムにおいては、端末局２が基地局１へデータ送信を行うが、これらデータを送信するパケットとしては、端末局２が定期的に観測したデータ等を送信する定期パケットと、緊急に通知すべきデータ等が発生したときに突発的に送信する不定期パケットが混在している。

図２は、複数の端末局２が、基地局１へのパケット送信に使用するスロットを説明する図である。図２において、縦軸は周波数スロット、横軸は時間スロットを表しており、各端末局２は基地局１へのデータ送信のために、周波数スロット及び時間スロットで区切られた１つのスロットを占有する。

端末局２が基地局へ送信するパケットのうち定期パケットについては、基地局で、あらかじめ送信時間のスケジューリングを行うことが可能であり、スケジューリングにおいては、使用する周波数スロットをできるだけ抑え、周波数リソースの有効利用を行う。本発明のデータ収集システムでは、定期パケットのスケジューリング結果に基づき、定期パケット送信に必要となる周波数スロットの最大数を、最大周波数スロット数とし、周波数有効利用の観点から、スケジューリングにより定期パケット用として割り当てたスロット以外の空きスロットを、不定期パケット用、即ち、ランダムアクセス用スロットとして利用する。

図２において、斜線を引いたスロットは、基地局１でのスケジューリング結果に基づき、定期パケット送信用に割り当てられたスロットであり、それ以外の空きスロットが、不定期パケット送信用である。なお、スケジューリング結果は、各端末局２に通知されるため、各端末局は空きスロットを認識している。

図３は、本発明によるアクセス方法についての処理フロー図である。ここで、処理期間とは、基地局１及び端末局２が図３に示す処理を実行する単位で、任意の時間スロットからなる期間である。

まず、基地局１における処理フローを図３（ａ）に基づき説明する。
（Ｓ３１）基地局１は、ある処理期間内において、各端末２が空きスロットを使用して送信する不定期パケットを受信する。
（Ｓ３２）基地局１は、空きスロットの受信信号から、当該処理期間内において、端末局２から送信された不定期パケットの総数である、不定期パケット総数ｒを推定する。
（Ｓ３３）推定した不定期パケット総数ｒと、当該処理期間内の空きスロット数から、次の処理期間における、不定期パケットの送信確率である送信確率ｐを決定する。
（Ｓ３４）決定した、次の処理期間における送信確率ｐを全端末局２に通知する。

続いて、端末局２における処理フローを図３（ｂ）に基づき説明する。
（Ｓ３５）端末局２は、基地局１から次の処理期間における送信確率ｐを受信する。
（Ｓ３６）端末局２は、受信した送信確率ｐに応じて、次の処理期間におけるパケット送信可否を決定する。ここで、送信不可と決定した場合は、送信すべき不定期パケットを、次の処理期間以後の処理期間にて送信するよう保存して終了する。
（Ｓ３７）Ｓ３６において送信可と決定した場合には、次の処理期間において不定期パケットの送信を行う。

ランダムアクセス方式としてスロットアロハを用いたデータ収集システムを例にして、図３に示す処理を具体的に説明する。なお、以下では簡単のため、スロット長が１パケット長であり、処理期間を１つの時間スロットからなる期間であるものとする。

まず、基地局１は、Ｓ３２において時間スロットｉにおける不定期パケット総数ｒ_ｉを推定する。ここで、時間スロットｉにおける空きスロット数をｋ_ｉ、送信パケットが１つも存在しなかった空きスロットの割合をａ_ｉ０、送信パケットが１つのみであった空きスロットの割合をａ_ｉ１、送信パケットが２つ以上あった空きスロットの割合をａ_ｉ２とすると、確率的に以下の式が成り立つ。

ここで、時間スロットｉにおける空きスロット数ｋ_ｉは、基地局が把握している値である。また、送信パケットが１つも存在しなかった空きスロット数をｋ_ｉ０、送信パケットが１つのみであった空きスロット数をｋ_ｉ１、送信パケットが２以上あった空きスロット数をｋ_ｉ２とすると、
ａ_ｉ０＝ｋ_ｉ０／ｋ_ｉ、ａ_ｉ１＝ｋ_ｉ１／ｋ_ｉ、ａ_ｉ２＝ｋ_ｉ２／ｋ_ｉ
であるが、ｋ_ｉ０は何ら信号を受信しなかった空きスロット数に等しく、ｋ_ｉ１は不定期パケットの復調が可能であったスロット数に等しく、ｋ_ｉ２は受信レベルが増加するものの、不定期パケットの復調が不可であったスロット数に等しいことより、いずれも基地局で観測可能である。

よって、基地局１は、式（１）〜（３）のいずれかを使用することで、不定期パケット総数ｒ_ｉを導出できる。例えば、式（１）より、

であり、式（１）及び（２）より、
ｒ_ｉ＝（ｋ_ｉ−１）×ａ_ｉ１／ａ_ｉ０
などと求めることができる。

不定期パケット総数ｒ_ｉから、例えば、災害規模等を速やかに推定することができる。

続いて、基地局１は、Ｓ３３において時間スロットｉ＋１における送信確率ｐ_ｉ＋１を決定する。ここで、送信確率ｐ_ｉ＋１は、端末局２が時間スロットｉ＋１における不定期パケット送信可否を判断するための指標であり、例えば、端末局２は、０から１までの一様乱数を発生させ、発生した数値が、送信確率ｐ_ｉ＋１以下の場合に時間スロットｉ＋１において不定期パケットの送信を行うと決定する。よって、送信確率ｐ_ｉ＋１が０の場合は、全端末局２が、時間スロットｉ＋１において不定期パケットの送信を行わず、送信確率ｐ_ｉ＋１が１の場合は、送信すべき不定期パケットを有する全端末局２が、時間スロットｉ＋１において不定期パケットの送信を行う。

まず、時間スロットｉにおける送信確率ｐ_ｉと、時間スロットｉにおける不定期パケット総数ｒ_ｉから、時間スロットｉにおける全端末局２での、待ち不定期パケット数Ｒ_ｉは、
Ｒ_ｉ＝ｒ_ｉ／ｐ_ｉ
であったと推定できる。時間スロットｉ＋１における送信確率ｐ_ｉ＋１は、同様に、
ｐ_ｉ＋１＝ｒ_ｉ＋１／Ｒ_ｉ＋１ （４）
で与えられる。ここで、時間スロットｉ＋１における全端末局２での、待ち不定期パケット数Ｒ_ｉ＋１は、時間スロットｉでの待ち不定期パケット数Ｒ_ｉから、時間スロットｉにおいて送信に成功したパケット数ｋ_ｉ１を引いた値、すなわち、
Ｒ_ｉ＋１＝Ｒ_ｉ−ｋ_ｉ１ （５）
である。

ここで、スループットを最大化するためには、送信に成功する確率、すなわち１つの空きスロットで送信される不定期パケットが１つである確率ａ_ｉ１、つまり、式（２）を最大とするように、時間スロットｉ＋１における不定期パケット総数ｒ_ｉ＋１を制御すればよい。ａ_ｉ１が最大となるｒ_ｉは、式（２）を微分して極値を計算することで、
ｒ_ｉ＝−１／ｌｎ｛（ｋ_ｉ−１）／ｋ_ｉ｝
と求めることができる。なお、ｋ_ｉが十分大きい場合、
ｒ_ｉ＝−１／ｌｎ｛（ｋ_ｉ−１）／ｋ_ｉ｝≒２ｋ_ｉ ^２／（２ｋ_ｉ＋１）
であるため、
ｋ_ｉ−１＜ｒ_ｉ＜ｋ_ｉ
の関係が成り立つ。ｒ_ｉ＝ｋ_ｉ−１及びｒ_ｉ＝ｋ_ｉを式（２）に代入すると、いずれも同じａ_ｉ１の値が得られるため、ｋ_ｉが十分大きい場合には、最大スループットとなるｒ_ｉとして、ｒ_ｉ＝ｋ_ｉ−１又はｒ_ｉ＝ｋ_ｉを使用することができる。

よって、時間スロットｉ＋１における不定期パケット総数ｒ_ｉ＋１が、
ｒ_ｉ＋１＝−１／ｌｎ｛（ｋ_ｉ＋１−１）／ｋ_ｉ＋1｝
あるいは、近似的に、
ｒ_ｉ＋１＝ｋ_ｉ＋１−１又はｒ_ｉ＋1＝ｋ_ｉ＋１
となる様に送信確率ｐ_ｉ＋１を決定する。つまり、式（４）及び（５）より、送信確率ｐ_ｉ＋１は、
Ｐ_ｉ＋１＝−１／（Ｒ_ｉ−ｋ_ｉ１）ｌｎ｛（ｋ_ｉ＋１−１）／ｋ_ｉ＋1｝
ただし、Ｐ_ｉ＋１＞１のときＰ_ｉ＋１＝１
又は、近似的に、
Ｐ_ｉ＋１＝ｋ_ｉ１／（Ｒ_ｉ−ｋ_ｉ１）｝ ただし、Ｐ_ｉ＋１＞１のときＰ_ｉ＋１＝１
となる。

一方、各時間スロット内での空きスロット数が比較的多く、また、その数が時間と共に変化しない場合、上記近似式は以下のように簡略化できる。まず、時間スロットｉにおいて送信に成功したパケット数ｋ_ｉ１は、最大スループットが約ｅｘｐ（−１）であることより、ｋ_ｉ１≒ｅｘｐ（−１）×ｒ_ｉと近似でき、式（５）は、
Ｒ_ｉ＋１＝Ｒ_ｉ−ｅｘｐ（−１）×ｒ_ｉ （６）
と変形できる。各時間スロットにおける空きスロット数が一定であるため、ｋ_ｉ＋１＝ｋ_ｉ≒ｒ_ｉであり、また、Ｒ_１＝ｒ_１であるため、式（６）の漸化式より、

が得られる。したがって、不定期パケット総数ｒ_１からｒ_ｉより、送信確率ｐ_ｉ＋１を求めることができる。

なお、空きスロット数と比較して、同時に送信される不定期パケット数が非常に多い場合、ａ_ｉ０＝０となり、式（１）を使用してｒ_ｉを推定することができない。そのため、例えば、ｐ_ｉ＋１＝ｐ_ｉ／２などにより、送信確率を段階的に下げることで、ａ_ｉ０等を検知できる程度にまで、不定期パケット総数を減少させる。

端末局２は、上述した方法により基地局１が求めた、時間スロットｉ＋１における、送信確率ｐ_ｉ＋１を受信し、例えば、０から１までの一様乱数を発生させ、発生した数値が、送信確率ｐ_ｉ＋１以下の場合には、不定期パケット送信可と判定する等、送信確率ｐ_ｉ＋１に比例して、不定期パケット送信可との判定確率が高くなる方法で、不定期パケット送信可否を判定する。なお、端末局２が不定期パケット送信に使用する時間スロットは、端末局２が任意に選択する。また、不定期パケット送信不可である場合には、送信すべき不定期パケットを保存し、送信確率ｐ_ｉ＋２を基地局１から受信した際に、同じ方法にて不定期パケット送信可否を判定する。

上記説明では、スループットを優先し、トラフィックが最大となる様に、送信確率を決定したが、衝突率を規定値以下にする目的であれば、トラフィックが低くなるように、送信確率を決定する。また、同じ送信確率を、総ての端末局２に通知しているが、端末局２に対して優先度をつけ、優先度に応じた送信確率を通知することで、トラフィックに差をつけても良い。

また、上記説明では簡単のため、処理期間を１つの時間スロットとしたが、各時間スロットにおける空きスロット数が少ない場合や、時間スロット長が短い場合には、複数の時間スロットを処理期間として処理するがことが望ましい。図４は、処理期間を、３つの時間スロットとした場合を示す図である。この場合、基地局１は、３つの時間スロットに渡って受信した不定期パケットから、不定期パケット総数を推定して、次の３つの時間スロットでの送信確率を求め、端末局２は、送信確率から送信可と判断した場合には、次の３つの時間スロット内の任意の空きスロットを用いて、不定期パケットを送信する。

また、純アロハ方式の場合、上述したスロットアロハ方式によるシステムでの式（１）から（３）を、以下に示す式（１）´から（３）´に置き換えれば良い。

ここで、時間スロットｉにおいて、パケット長と同一の長さの時間スロットで区切ったときに、前後の時間スロットにおける空きスロット数がｋ_ｉ、送信パケットが１つも存在しなかった空きスロットの割合がａ_ｉ０、送信パケットが１つのみであった空きスロットの割合がａ_ｉ１、送信パケットが２つ以上あった空きスロットの割合がａ_ｉ２である。

図５は、スロットアロハ方式でのシミュレーション結果を示す図である。シミュレーション条件として、同時に多数の不定期パケットが発生する状況を考慮する。空きスロット数は、時間スロットにより０から１０００までランダムに変化し（空きスロットの平均は５００）、パケット長と時間スロット長は同一であるものとする。また、従来方式は、１度目の衝突では、直後の５つの時間スロット内に含まれる空きスロットから、ランダムに使用するスロットを選択し、ｎ度目の衝突では直後の５ｎ個の時間スロットからランダムに使用するスロットを選択するものとした。なお、スループットの理論限界値は、およそｅｘｐ（−１）＝０．３６７９である。

図５において、縦軸はスループットであり、横軸は瞬時トラフィックである。なお、瞬時トラフィックとは、同時に発生した不定期パケット数を、平均の空きスロット数で割った値として定義する。図５に示す通り、本発明による方法では、ほぼ理論限界値のスループットが得られ、従来方法と比較してスループットが倍、つまり、遅延時間をほぼ半分とすることが可能である。

最後に、式（１）から（３）及び式（１）´から（３）´について説明を行う。

ある事象に対して、Ａの発生する確率をｐとする場合、ｒ回の事象に対して、ｘ回Ａが発生する確率ｆ（ｘ）は、以下の２項分布の式で得られる。

ここで、“ある事象”を“不定期パケットの発生”とし、“Ａ”を“着目する空きスロットに、不定期パケットが存在すること”とする。空きスロット数はｋであるため、不定期パケットの発生に対して、着目する空きスロットにパケットが存在する確率ｐ＝１／ｋである。代入すると、上記の式は、

となり、着目する空きスロットに不定期パケットが存在しない確率は、

であり、着目する空きスロットに不定期パケットが１つのみ存在する確率は、

であり、着目する空きスロットに不定期パケットが２つ以上存在する確率は、
１−ｆ（０）−ｆ（１）
で、式（１）から（３）が導出できる。

次に、パケット長がｍスロット長の場合を考える。トラフィックを上記の場合と一致させるため、ｒ回の事象、つまりｒ個の不定期パケットの発生は、ｒ／ｍ回の事象、つまり、ｒ／ｍ個の不定期パケットの発生とする。書き換えると、ｘ回Ａが発生する確率ｆ（ｘ）は、

である。

着目するスロット番号をｉ〜ｉ＋（ｍ−１）とすると、着目するスロットで不定期パケットが発生しない確率は、スロット番号ｉ−（ｍ−１）〜ｉ＋（ｍ−１）に渡り、連続して不定期パケットが発生しない確率であり、

で与えられる。

次に、スロット番号ｉで不定期パケットが１つだけ発生し、その不定期パケットが衝突しない確率を求める。この場合、スロット番号iのみで不定期パケットが１個発生し、それ以外のスロット番号ｉ−（ｍ−１）〜ｉ＋（ｍ−１）で、不定期パケットが発生しない確率であり、

である。着目するスロット番号をｆｍ（０）と同様に、スロット番号ｉ〜ｉ＋（ｍ−１）とすると、このスロット内で生起した不定期パケットが衝突しない確率は、上記確率のｍ倍である（例えば、スロット番号ｉ＋２のみで不定期パケットが１個発生し、スロット番号ｉ−（ｍ−３）〜ｉ＋（ｍ＋１）に渡り、連続して不定期パケットが発生しない確率は上記と同じ。）。したがって、スロット番号ｉ〜ｉ＋（ｍ−１）に渡り、不定期パケットが１個のみ存在する確率は、

である。ここで、ｍ→∞での値が、純アロハにおける確率で、着目する空きスロットに不定期パケットが存在しない確率及び不定期パケットが１つのみ存在する確率は、それぞれ、

であり、不定期パケットが２つ以上存在する確率は、
１−ｆ_∞（０）―ｆ_∞（１）
より、式（１）´から（３）´が導出できる。

データ収集システムの構成図である。 複数の端末局が、基地局へのパケット送信に使用するスロットを説明する図である。 本発明によるアクセス方法の処理フロー図である。 処理期間を、３つの時間スロットとした場合を示す図である。 スロットアロハ方式でのシミュレーション結果を示す図である。

符号の説明

１ 基地局
２ 端末局

Claims (4)

1. 基地局と、１つ以上の端末局とを含むシステムにおける端末局の基地局へのアクセス方法あって、
   基地局は、処理期間内の各スロットの受信信号から、全端末局より送信されたパケットの総数を推定し、推定したパケット総数から送信確率を算出し、
   端末局は、基地局から通知された送信確率に基づき、次の処理期間におけるパケット送信可否を決定し、
   基地局は、前記処理期間内において、端末局より送信されたパケット数が０であるスロット数、端末局より送信されたパケット数が１であるスロット数、端末局より送信されたパケット数が２以上であるスロット数の少なくとも１つを計測し、全端末局からのパケットの送信が２項分布に従うものとして、前記計測した結果及び処理期間内のスロット数から、前記処理期間内に全端末局より送信されたパケットの総数を推定すること、
   を特徴とする方法。
2. 端末局においてパケット送信可と決定する確率は、送信確率に比例することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 基地局と、１つ以上の端末局とを含むシステムであって、
   基地局は、
   処理期間内の各スロットの受信信号から、全端末局より送信されたパケットの総数を推定する手段と、
   推定したパケット総数から送信確率を算出する手段と、
   算出した送信確率を端末局に通知する手段と、
   を有し、
   端末局は、通知された送信確率から次の処理期間でのパケット送信可否を決定する手段を有し、
   前記パケットの総数を推定する手段は、
   前記処理期間内において、端末局より送信されたパケット数が０であるスロット数、端末局より送信されたパケット数が１であるスロット数、端末局より送信されたパケット数が２以上であるスロット数の少なくとも１つを計測する手段と、
   全端末局からのパケットの送信が２項分布に従うものとして、前記計測した結果及び処理期間内のスロット数から、前記処理期間内に全端末局より送信されたパケット総数を推定する手段と、
   を含むことを特徴とするシステム。
4. １つ以上の端末局と通信する基地局であって、
   処理期間内において、端末局より送信されたパケット数が０であるスロット数、端末局より送信されたパケット数が１であるスロット数、端末局より送信されたパケット数が２以上であるスロット数の少なくとも１つを計測する手段と、
   全端末局からのパケットの送信が２項分布に従うものとして、前記計測した結果及び処理期間内のスロット数から、前記処理期間内に全端末局より送信されたパケット総数を推定する手段と、
   を有することを特徴とする基地局。

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