JP5149129B2 - Ｉｐ電話無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、基地局と１以上の端末との間で無線回線を介して通信を行う無線通信システムにおいて、音声信号をＩＰパケットに収容して通信を行う際の通信品質の中で、特に処理遅延特性を改善するＩＰ電話無線通信装置に関する。本発明は、マイクロ波帯を用いた無線アクセス標準規格であるＷｉＭＡＸ(Worldwide Interoperability for Microwave Access) 規格に基づく無線通信における低遅延化技術に適する。

近年、広域の無線アクセスシステムとして注目されているＷｉＭＡＸは、ホーム・オフィス環境や限定された公衆エリアでの無線ＬＡＮであるIEEE802.11系の規格（11b,11a,11g,11n 等）と異なり、基地局から半径数キロメートル以上をエリアとした広域サービスの実現が可能である。ＷｉＭＡＸの規格としては、固定無線によって接続するＦＷＡ（Fixed Wireless Access)と呼ばれるIEEE802.16-2004 規格や、移動しながら通信できるモバイルＷｉＭＡＸと呼ばれるIEEE802.16e-2005規格など、現在も更なる進化を伴う標準化が進められている。

このＷｉＭＡＸには、複数の物理／ＭＡＣレイヤの規定が含まれている。その物理層で採用の直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ：Orthogonal Frequency Division Multiple Access)の規格では、ダウンリンクとアップリンクを時分割複信（ＴＤＤ：Time Division Duplexing)で振り分け、５ｍ秒周期フレームの前半にダウンリンクサブフレームを配置し、後半にアップリンクサブフレームを配置している。

図７は、ＷｉＭＡＸにおけるフレーム構成を示す。図において、横軸は時間、縦軸は周波数である。ＯＦＤＭＡでは、全周波数帯域を多数のサブキャリアに分割し、時間方向は所定の時間長のＯＦＤＭシンボル単位に刻まれている。各端末には、サブキャリア（またはサブキャリア群（サブチャネル））とＯＦＤＭシンボル番号の組み合わせで規定されるスロットを割り当て、そのスロット内にバースト的に信号を収容して通信を行う。

１フレームは、ダウンリンクサブフレーム１１とアップリンクサブフレーム１２で構成される。ダウンリンクサブフレーム１１では、基地局から各端末への信号が連続的に送信され、その区間の先頭にチャネル推定等を行うためのプリアンブル信号１３が配置される。さらに、プリアンブル信号１３に後続して、フレーム制御ヘッダ（ＦＣＨ：Frame Control Header) １４、ダウンリンクのマップ情報であるＤＬ−ＭＡＰ１５、アップリンクのマップ情報であるＵＬ−ＭＡＰ１６が配置され、その後にユーザデータまたは制御情報を収容したダウンリンクバースト１７およびアップリンクバースト１８の割り当てが行われる。

一般に、ダウンリンクサブフレーム１１およびアップリンクサブフレーム１２内に、多数のバースト割り当てが行われることになるので、その割り当てに応じた情報要素が連続的にＦＣＨ１４に後続して配置される。その際、制御情報のオーバヘッドを圧縮して効率を向上させるために、多数のマップ情報の重複した情報を一括する圧縮（Compressed）ＭＡＰと呼ばれる表示形式でマップ情報が記述される。

図８は、ＷｉＭＡＸにおけるＵＬ−ＭＡＰによるアップリンクバーストの割り当ての概要を示す。

ＷｉＭＡＸでは、図７に記載のＵＬ−ＭＡＰ１６内の Allocation Start Timeフィールドでアップリンクバーストの割り当て位置を示す。この割り当ては、通常、信号処理に要する遅延時間を確保するため、ＵＬ−ＭＡＰ１６が収容された同一フレームのアップリンクサブフレーム１２を避け、次のフレームのアップリンクフレーム１２内を指し示すことになる。例えば、第ｎフレームのＤＬ−ＭＡＰ１５−１は、同一フレーム内のダウンリンクバースト１７−１の割り当てを行うが、第ｎフレームのＵＬ−ＭＡＰ１６−１は、第（ｎ＋１）フレーム内のアップリンクバースト１２−２の割り当てを行う。

ＷｉＭＡＸは、広域の無線アクセスサービスの提供に適したシステムであり、過疎地域でのデジタルデバイド（情報格差）の解消などのために有効な技術として注目されている。このような過疎地域にブロードバンドサービスを提供する場合、その無線アクセス回線を用いて音声系のサービスも可能であることから、従来は個別に電話線を引いていた固定電話サービスも、将来的には無線アクセス回線の中に収容することが考えられる。ここで、地域ごとに市外局番が先頭について「03-****-****」や「045-***-****」などの電話番号（通称で「０ＡＢ−Ｊ番号」と呼ばれる）を用いた固定電話サービスは、「090-****-**** 」や「050-****-**** 」などの移動系およびＩＰ電話とは別物と位置づけられ、例えば発信場所を特定できたり緊急通報に対応できるなどの利用条件（以下、「０ＡＢ−Ｊ品質」という）が規定されている（非特許文献１）。

ここで、０ＡＢ−Ｊ番号の利用条件として規定されている固定電話並みの０ＡＢ−Ｊ品質には遅延時間も含まれており、ＵＮＩ−ＵＮＩ間で70ｍ秒、ＵＮＩ−ＮＮＩ間で50ｍ秒と規定されている。アクセス系に関する配分は明記されていないが、仮に上記の差分がアクセス系への配分と仮定するならば、０ＡＢ−Ｊ品質のＩＰ電話の場合にはアクセス系で20ｍ秒以下の遅延を満たす必要がある。有線回線である光ファイバを用いた従来のサービスは、このアクセス回線での20ｍ秒という遅延条件はそれほど厳しいものではない。しかし、ＷｉＭＡＸは５ｍ秒周期のフレーム単位で伝送を行い、さらに処理も複雑であることから、ＣＳＭＡ（Carrier Sense Multiple Access)を採用し処理も単純で低遅延なＩＥＥＥ802.11等の無線ＬＡＮと異なり、遅延時間20ｍ秒のハードルは非常に厳しいものであった。

無線回線としてＷｉＭＡＸ規格に準拠したシステムを用いた場合の処理遅延の内訳を整理すると、(a) ５ｍ秒と長いフレーム周期、(b) 送信側でのインタフェース部の処理、(c) 帯域割り当てまでの待ち時間、(d) 送信側のＭＡＣ処理およびＰＨＹ処理、(e) 送信開始までのタイミング調整、(f) 受信側のＰＨＹ処理およびＭＡＣ処理、(g) 出力のためのインタフェース部の処理など、その複雑な仕様に起因して無線ＬＡＮに比べて格段に長い処理遅延が必要であった。この無線回線で発生する処理遅延および遅延の揺らぎは、ベストエフォート型のサービスでは問題にならないレベルであるが、０ＡＢ−Ｊ品質のＩＰ電話を提供するには無視できない問題となる。

図９は、０ＡＢ−Ｊ品質のＩＰ電話を提供するシステム構成例を示す。図９(a) は有線回線によるシステム構成を示し、図９(b) は無線回線によるシステム構成を示す。

図９(a) において、有線回線によるシステム構成では、一方のユーザのアナログ電話機１４０、ＩＰ電話アダプタ１４１、ルータ１４２、光加入者線終端装置１４３、光回線終端装置１４４、ネットワーク１４５、他方のユーザのＩＰ電話機（またはアナログ電話機）１４６により構成され、光加入者線終端装置１４３と光回線終端装置１４４との間が光ファイバ等の有線回線となる。図９(b) において、無線回線によるシステム構成では、有線回線によるシステム構成における光加入者線終端装置１４３および光回線終端装置１４４に代えて、無線端末装置１４９および無線基地局装置１５０が用いられ、無線端末装置１４９と無線基地局装置１５０との間が無線回線となる。なお、ＩＰ電話アダプタ１４１とルータ１４２を合せてＩＰ電話一体型ルータ１４８となり、さらにＩＰ電話一体型ルータ１４８と無線端末装置１４９を合せてＩＰ電話無線通信装置１５１となる場合もある。

まず、有線回線によるシステム構成の信号の流れを示す。一般のアナログ電話機が接続されるＩＰ電話アダプタ１４１は、アナログ信号からディジタル信号に変換し、そのデータをＩＰパケットおよびEthernet（登録商標）フレームに収容してルータ１４２に出力する。ルータ１４２には、その他のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等のネットワーク機器１４７も接続され、ルータ１４２でレイヤ３レベルのルーチング管理を行う。これらの信号は、光加入者線終端装置１４３に入力され、光ファイバを介して局舎まで転送され、局舎内の光回線終端装置１４４を経由してネットワーク１４５に出力される。通常、０ＡＢ−Ｊ品質のＩＰ電話の場合、一般のデータ系のネットワークとは別に構築されたネットワークを介してデータ転送され、最終的にネットワーク１４５に接続された相手側のＩＰ電話機１４６に接続される。

以上の説明は、ネットワーク１４５からＩＰ電話機１４６側の説明を簡単にすませたが、ＩＰ電話機が接続される場合には送信側と同様の構成となり、アナログ電話機が接続される場合には固定電話系のネットワークや回線交換機などを介して接続される。また、図中の左から右にデータが流れる場合について説明したが、同様に右側から左側にもデータは双方向に流れ、ＩＰ電話アダプタ１４１にデータが到着すると、EthernetフレームやＩＰパケットを終端し、ディジタルデータをアナログデータに変換してアナログ電話機１４０にアナログ信号として出力する。

また、光加入者線終端装置１４３と光回線終端装置１４４との間の回線は、ＩＰ電話の信号を伝送するのに必要な回線容量を遥かに超える高速な回線になっており、その間のデータ伝送は極めてスムーズに行われる。

しかし、図９(b) に示すように、光加入者線終端装置１４３と光回線終端装置１４４に代わって、無線端末装置１４９と無線基地局装置１５０との間で無線回線が用いられる場合、その間のトータル容量は十分に高速な回線容量をもっているが、必要に応じてコネクションごとに細分化し、固定的な専用帯域を割り当てる。ＷｉＭＡＸでは、特に低遅延特性が求められるサービスのために、ＵＧＳ (Unsolicited Grand Service)と呼ばれるサービスクラスが設定されており、コネクション設定時の要求ＱｏＳ条件を満たすように、アップリンクの帯域割り当ても端末からの個別の帯域要求なしに定常的に行われている。一般に、ＩＰ電話のトラフィックは、無音部分の圧縮を行うなどの特別な処理を行わない限り、例えば20ｍ秒のような所定の周期で固定長（一般に 200バイト程度）のパケットが転送される特徴をもつ。偶然にもＩＰ電話のデータ送信間隔がＷｉＭＡＸのフレーム周期である５ｍ秒の４倍に一致していることもあり、ＷｉＭＡＸではＵＧＳコネクションとして４フレームに１回、 200バイトのデータを転送するのに必要なバースト割り当てを行うことになる。なお、簡単のために、制御回線用の帯域の説明は省略している。

次に、ＩＰ電話アダプタ１４１やＩＰ電話機１４６では、アナログ音声信号を８ｋHzのクロック（ここではF1と表記）でサンプリングし、ディジタルデータ化する。それぞれのクロックは非同期であるが、一般的には問題にならない。同様に、無線基地局装置１５０なども内部的な動作クロックをもっており、例えば20ＭHzのクロック（ここではF2と表記）をもとに信号処理を行う。ＷｉＭＡＸの５ｍ秒のフレーム周期もこのクロックF2で管理される。ここで、クロックF1, F2の周波数が正確であったとすると、周波数F2はF1の整数倍（2500倍）であり、完全に周期性は一致している。しかし、すべての発振器には誤差が伴い、仮に 10ppm（10^-5の精度）の誤差がる場合、 500秒で１フレーム分の時間差が生じる。すなわち、10分程度の通話を行う場合、無線回線部分でＵＧＳのバースト割り当てに１フレーム分のズレが生じる。したがって、ある時刻においてＩＰ電話機からＷｉＭＡＸ装置へデータの入力タイミングが理想的であったとしても、時間とともにそのタイミングがはずれ、その結果として遅延時間が増大する。

図１０は、ＩＰ電話アダプタ１４１の構成例を示す。図において、１６１はアナログ電話Ｉ／Ｆを介して外部のアナログ電話機に接続される電話インタフェース回路、１６２はＡ／Ｄ変換器、１６３は送信データ生成回路、１６４は送信バッファ、１６５はイーサネットＩ／Ｆに接続されるイーサネットインタフェース回路、１６６は受信バッファ、１６７は受信データ終端回路、１６８はＤ／Ａ変換器、１６９はＩＰ電話プロトコル制御回路、１７０は発振器（サンプリングクロック発生回路）、１７１は発着信信号処理回路である。

電話インタフェース回路１６１は、外部のアナログ電話機との間で音声信号の入出力および発信・着信信号等の入出力を行う。例えば、発信のためのダイヤル信号を入力した場合には、この信号を抜き出して発着信信号処理回路１７１で信号処理し、ＩＰ電話プロトコル制御回路１６９に出力して必要なプロトコル処理を行う。データは、ＩＰパケットに組み込まれ、イーサネットフレームに組み込まれてイーサネットインタフェース回路１６５を介してルータ側に出力される。着信の場合は、イーサネットインタフェース回路１６５を介して受信した制御情報をＩＰ電話プロトコル制御回路１６９に入力し、ここでプロトコル処理して応答を返し、また発着信信号処理回路１７１および電話インタフェース回路１６１を介して外部のアナログ電話機側に呼出し信号を出力する。

通常の音声情報の場合は、電話インタフェース回路１６１からＡ／Ｄ変換器１６２に出力され、Ａ／Ｄ変換器１６２はアナログ信号を８ｋHzのクロック（図９(b) ではF1) でサンプリングしてディジタル信号に変換する。ディジタルデータは、送信データ生成回路１６３で必要なヘッダ情報等が付与されてＩＰパケットに組み込まれ、イーサネットフレームとして送信バッファ１６４、イーサネットインタフェース回路１６５を介してルータ側に出力される。一方、イーサネットインタフェース回路１６５を介して受信した音声データは、受信バッファ１６６を介して受信データ終端回路１６７に入力し、ここでイーサネットフレームおよびＩＰパケットの終端処理が行われ、音声のディジタルデータを抜き出してＤ／Ａ変換器１６８に入力し、ディジタル信号からアナログ信号に変換し、電話インタフェース回路１６１を介してアナログ電話機側に出力される。以上の処理の中で、Ａ／Ｄ変換器１６２およびＤ／Ａ変換器１６８では、発振器１７０から与えられるクロックでサンプリング等の処理を行う。

図１１は、無線端末装置１４９の構成例を示す。図において、１８１はイーサネットＩ／Ｆを介してルータ側に接続される無線インタフェース回路、１８２はＭＡＣ処理部、１８３はＰＨＹ処理部、１８４はＲＦ部、１８５は発振器（＃１）、１８６はアンテナ、１８７は無線制御回路、１８８は発振器（＃２）、１８９はフレームタイミング管理回路である。

無線インタフェース回路１８１にルータ側からデータが入力されると、ＭＡＣ処理部１８２で必要なヘッダ情報等を付与して無線通信用のパケットに変換し、ＰＨＹ処理の前段処理を行ってＰＨＹ処理部１８３に出力する。ＰＨＹ処理部１８３は、入力したデータに対して誤り訂正符号化を行ったり、ビットインタリーブ処理、変調多値数に合せたビットマッピング、変調処理などの一連の処理を行い、所定の出力タイミングまでのタイミング調整の後にディジタル信号からアナログ信号に変換してＲＦ部１８４に出力する。ＲＦ部１８４では無線周波数へのアップコンバート処理や信号増幅などを行い、アンテナ１８６から無線信号を送出する。

一方、アンテナ１８６に受信した無線信号は、ＲＦ部１８４で増幅処理、ダウンコンバート処理などを行い、ＰＨＹ処理部１８３に出力される。ＰＨＹ処理部１８３は、復調処理、デインタリーブ処理、誤り訂正復号処理などを行い、続けてＭＡＣ処理部１８２で誤り検出処理、ヘッダ情報の終端処理などを行い、無線インタフェース回路１８１を介してルータ側に出力する。

以上の一連の処理は無線制御回路１８７で管理され、必要な制御情報の生成・終端処理や送受信タイミング管理などが行われる。ここで、ＲＦ部１８４でのアップコンバート、ダウンコンバート処理は、発振器（＃１）１８５から入力する信号を元に行われる。これに対して、ベースバンド信号処理の基本となるクロックは発振器（＃２）１８８から供給され、このクロックを元に動作する。ただし、発振器（＃２）１８８から供給される信号の周波数は、無線基地局装置１５０がもつ発振器の周波数（図９(b) ではF2) と完全に同期しているわけではないので、フレームタイミングなどは別途管理する必要があり、ここではフレームタイミング管理回路１８９がその管理を行っている。

このように、ＩＰ電話アダプタ１４１、ルータ１４２、無線端末装置１４９の各機能は独立であり、図９(b) に示すようにＩＰ電話アダプタ１４１とルータ１４２を合せてＩＰ電話一体型ルータ１４８とした商品や、さらにＩＰ電話一体型ルータ１４８と無線端末装置１４９を合せてＩＰ電話無線通信装置１５１とした商品は存在するが、部分的に回路やメモリを共用している部分はあっても、実質的には図１２に示すように各装置が個別にイーサネットＩ／Ｆを介して有線接続され、互いにイーサネットフレームの入出力を行う関係と等価である。したがって、同一筐体に実装されたＩＰ電話アダプタ１４１の処理をルータ１４２において優先的に処理することはあっても、特殊な制御信号を交換し、これを無線通信システムの運用に利用する形態にはなっていない。

また、上記の０ＡＢ−Ｊ品質のＩＰ電話用のＵＧＳコネクションを無線回線として設定する際には、無線端末装置側でＩＰ電話または音声データであることを認識する必要がある。従来技術では、非特許文献２にも記載されているように、イーサネットフレームまたはＩＰパケットのヘッダ情報内のＣｏＳフィールドまたはＴｏＳフィールドなどを参照し、パケット単位でＱｏＳクラスの判定をしていた。このＱｏＳクラスはアプリケーションとリンクされており、例えば非特許文献３に示されるように、無線ＬＡＮシステムなどの優先制御（例えばIEEE802.11e 規格）においても、このＴｏＳフィールドの値を利用してＱｏＳクラス、すなわちアプリケーションを判定していた。IEEE802.11e では個別にコネクション設定を行うわけではないが、ＷｉＭＡＸなどで利用する場合にはＵＧＳコネクションのデータの有無をこのフィールドを用いて判定することは容易である。
http://www.soumu.go.jp/s-news/2007/070124＿3.html http://www.allied-telesis.co.jp/products/list/switch/qos/index.html http://japan.colubris.com/modules/tinyd05/index.php?id=6

以上説明したように、ＷｉＭＡＸ等の比較的長いフレーム周期をもった無線通信システムを介してＩＰ電話のデータ転送を行う場合には、処理遅延が増大する問題を解決する必要があった。特に、０ＡＢ−Ｊ品質のＩＰ電話サービスを提供する場合には、無線区間の処理遅延を20ｍ秒以下に抑える必要があるが、既存の無線通信システムをみる限りではこの要求条件を満足することは困難であった。

ＷｉＭＡＸ規格の中では、バースト割り当てを行うフレームの周期をＩＰ電話等のアプリケーションのデータの到着と同期させて効率的な割り当てを行うことは可能であるが、ＩＰ電話等のアプリケーションのクロックと無線基地局が管理するフレームタイミングまたは無線基地局の内部クロックとを完全に同期させることは不可能である。その結果として、１フレーム分の割り当て待ちの遅延時間を回避することができない。図８を参照して説明したように、特にアップリンクの帯域割り当てには、ほぼ２フレーム分の処理遅延が必要となり、クロックの不完全同期による１フレームを加えると、この時点で既に３フレーム分、すなわち20ｍ秒中の15ｍ秒もの配分を使い尽くしている。さらに、実際には受信側の受信信号処理や、データの入出力時のインタフェース部で付加される遅延、またネットワーク側でのＡＳＮゲートウェーなどでの処理遅延などが必要となるため、要求条件を満たすためには処理遅延時間を短縮するための工夫が求められている。

また、上記のように無線端末装置において、流れるデータのＱｏＳクラスや、アプリケーションとして音声データ（ＩＰ電話）であることを認識することは可能であるが、そのＩＰ電話が０ＡＢ−Ｊ品質のデータか、それとも050-****-**** 等の比較的条件の緩いデータかの区別まではつけることができない。０ＡＢ−Ｊ品質の場合には、そのスケジューリング方法等において、その他の通常のＩＰ電話よりも低遅延化を図る必要があり、多少の効率を犠牲にしても品質優先の制御が求められる。この場合、各音声データが０ＡＢ−Ｊ品質対応のものか否かを区別してコネクション設定する必要があるが、現時点ではそのための判断方法が確立していない。

本発明は、フレームタイミングに合せて音声データの入力タイミングを調整して遅延時間および遅延ゆらぎの短縮を可能にし、また音声データの種別に応じてコネクションの設定条件を適応させることができるＩＰ電話無線通信装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、無線基地局と無線回線で接続され、無線基地局との間で少なくとも１つのコネクション設定を行い、設定されたコネクションを用いて無線基地局との間で無線通信を行う無線端末装置と、ＩＰ電話の信号処理を行い、入力する音声信号を送信データに変換して無線端末装置に送信するＩＰ電話アダプタとを備えたＩＰ電話無線通信装置において、無線端末装置は、無線基地局が管理するフレーム周期の情報を取得し、ＩＰ電話アダプタに通知する手段を含み、ＩＰ電話アダプタは、フレーム周期に同期させて装置内の内部処理に必要な内部処理用クロックを生成するクロック生成手段と、フレーム周期に同期した前記内部処理用クロックに基づいて動作し、無線端末装置がデータ送信処理を開始するタイミングを把握し、当該タイミングの直前に送信データが無線端末装置に入力するように送信データを生成する送信データ生成タイミングを調整する手段とを含み、クロック生成手段は、無線端末装置が保持するクロックを入力し、当該クロックがフレーム周期に刻むクロック数をカウントする手段と、無線端末装置のクロックからＩＰ電話アダプタの内部処理用クロックを分周して生成する際に、分周数をカウントしたクロック数に応じて可変調整する手段とを備える。

また、本発明のＩＰ電話無線通信装置は、ＩＰ電話アダプタにより実現される内部のＩＰ電話とは別に、外部のＩＰ電話との間でデータ入出力を行うことが可能なインタフェース手段を備え、無線端末装置は、内部のＩＰ電話の送受信データか、または外部のＩＰ電話の送受信データかに応じて、所定の要求品質の個別のコネクションの設定条件を設定する構成としてもよい。

本発明のＩＰ電話無線通信装置は、無線通信システムのアップリンクまたは双方向のリンクで周期的なデータ伝送を行うアプリケーションをサポートする際に、特に処理遅延時間が長くなるアップリンクにおいて、アプリケーション側のデータ出力タイミングと無線通信システムのフレームタイミングを常に最適に保つことにより、遅延時間および遅延揺らぎの短縮を可能にすることができる。

さらに、本発明のＩＰ電話無線通信装置は、０ＡＢ−Ｊ品質のＩＰ電話の発信・着信を認識し、所定の品質のコネクション設定を行うことができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明のＩＰ電話無線通信装置の第１の実施形態を示す。
図において、本実施形態のＩＰ電話無線通信装置の特徴は、ＩＰ電話アダプタ１００の構成にあり、従来の発振器（サンプリングクロック発生回路）１７０に代わる最適サンプリング制御回路１０１に、無線端末装置１４９のフレームタイミング管理回路１８９からフレームパルス、発振器（＃２）１８８からクロックを取り込み、Ａ／Ｄ変換器１６２およびＤ／Ａ変換器１６８に与えるサンプリングクロックを生成するとともに、送信データ生成回路１０２の送信データ生成タイミングを制御するところにある。ルータ１４２および無線端末装置１４９の構成は、従来のＩＰ電話無線通信装置１５１と同様である。

５ｍ秒周期のフレームを用いるＷｉＭＡＸ規格に準拠した無線通信システムでは、無線端末装置１４９の多少の揺らぎを除けば、フレーム内のほぼ固定的なタイミングで送信処理を開始することになる。これは、ダウンリンクサブフレームのＵＬ−ＭＡＰを受信し、その内容を解析してアップリンクの割り当て帯域を把握した時刻であり、この時刻までに無線端末装置１４９の無線インタフェース回路１８１に到着していたデータは、割り当てられたアップリンクバーストに収容して送信される。一方、この時点で未到着のデータは、次回の割り当てがあるまで無線インタフェース回路１８１のバッファ内で待たされることになる。もともとフレームタイミングと、アプリケーション側のデータの出力周期は非同期であるため、仮にフレームごとにアップリンクバーストの割り当てを行っても、最大５ｍ秒の待ち時間は避けられなかったが、本実施形態ではこの待ち時間を最小にするものである。

以下、本実施形態におけるアップリンクの送信処理動作について説明するが、その前に図１２に示す従来のＩＰ電話無線通信装置１５１におけるアップリンクの送信処理動作について図２を参照して説明する。ここでは、図８に示すフレーム＃ｎからフレーム＃ｎ＋２におけるアップリンクバーストの割り当てを例に説明する。例えば、フレーム＃ｎ＋１のアップリンクの割り当ては、フレーム＃ｎのＵＬ−ＭＡＰ１６−１で行われる。無線端末装置１４９は、ＵＬ−ＭＡＰ１６−１の受信処理を行い、この受信処理が完了した時刻ｔ1 の時点で、無線インタフェース回路１８１のバッファ内に収容されているデータをアップリンクバースト１２−２に収容して送信する。同様に、フレーム＃ｎ＋２のアップリンクの割り当ては、フレーム＃ｎ＋１のＵＬ−ＭＡＰ１６−２で行われる。無線端末装置１４９は、ＵＬ−ＭＡＰ１６−２の受信処理を行い、この受信処理が完了した時刻ｔ4 の時点で無線インタフェース回路１８１のバッファ内に収容されているデータをアップリンクバースト１２−３に収容して送信する。

したがって、時刻ｔ1 の直後の時刻ｔ2 に無線インタフェース回路１８１に到着したデータは、バッファ内で一旦待機することになる。そして、バッファ内で待機しているデータは、無線端末装置１４９が次のアップリンクの割り当てを認識した時刻ｔ4 以降に、送信のためのＭＡＣおよびＰＨＹレイヤの処理が実施される。その後、実際のデータ送信タイミングまで、ＰＨＹ処理部１８３のバッファ内で一旦待機し、フレーム＃ｎ＋２のアップリンクバースト１２−３の送信タイミングである時刻ｔ5 で送信を開始する。このアップリンクバースト１２−３は基地局に受信され、基地局は時刻ｔ6 で受信処理して再生したデータを出力する。

このように、フレーム＃ｎ＋２のアップリンクバースト１２−３に収容されるデータは、時刻ｔ2 から時刻ｔ4 の直前までに無線インタフェース回路１８１に到着したものであり、その間は無線インタフェース回路１８１のバッファ内で待機している。したがって、アップリンクバーストの収容データのうち、時刻ｔ2 のタイミングで無線端末装置に入力したデータの処理遅延が最大となり、時刻ｔ4 の直前のタイミングで無線端末装置に入力したデータの処理遅延が最小となる。

本実施形態では、この無線インタフェース回路１８１のバッファ内で待機する時間がほぼゼロになるように、ＩＰ電話アダプタ１００の送信データ生成回路１０２の送信データ生成タイミングを調整する。この調整を実現するには、フレーム周期に同期したサンプリングクロックを生成し、ＩＰ電話の20ｍ秒周期の送信データ生成タイミングとＷｉＭＡＸのフレーム周期の最適なタイミング情報を生成する必要がある。本実施形態の最適サンプリング制御回１０１は、無線端末装置１４９のフレームタイミング管理回路１８９からフレームパルス、発振器（＃２）１８８からクロックを取り込み、それらを生成する。

以下、具体的数値例を用いて説明する。最適サンプリング制御回路１０１は、発振器（＃２）１８８から例えば20ＭHzの高速クロックを入力し、フレームタイミング管理回路１８９から基地局のフレームタイミングに同期したフレームパルスを入力する。ＩＰ電話のサンプリングレートは８ｋHzであり、20ＭHzの高速クロックを分周することにより生成可能である。ただし、基地局のクロックと端末のクロックは必ずしも同期していないので、本来であれば５ｍ秒の時間内に20ＭHzクロックのカウント数Ｎ１は100000であるが、この値が微妙にずれる。同様に、８ｋHzは20ＭHzクロックを2500分の１に分周すればよいが、Ｎ１が100000でない場合には、これに合せて分周クロック数を調整する。

例えば、５ｍ秒で20ＭHzクロックが１クロック分早く、Ｎ１が100001であった場合、５ｍ秒で40カウントする８ｋHzクロックを生成するとき、40回のうち39回は20ＭHzクロックを2500カウントでクロックパルスを生成し、残り１回を2501カウントでクロックパルスを生成すれば、ちょうど20ＭHzクロックで100001カウントの時に８ｋHzクロックが40カウント（５ｍ秒）になる。逆に、高速クロックが１クロック分遅く、Ｎ１が99999 であった場合、40回のうち39回は20ＭHzクロックを2500カウントでクロックパルスを生成し、残り１回を2499カウントでクロックパルスを生成すれば、ちょうど20ＭHzクロックで99999 カウントの時に８ｋHzクロックが40カウントになる。Ｎ１からの誤差が２以上の場合も、８ｋHzクロックを生成するときの40回のうち複数回で調整するか、１回の調整量を複数クロックにするか、またはその組合せとするか、様々な方法で調整可能である。なお、この調整量は、フレームごとに異なる可能性があるので、リアルタイムで調整量を補正し続ける必要がある。

最適サンプリング制御回路１０１は、この補正後の８ｋHzクロックをＡ／Ｄ変換器１６２に与える。Ａ／Ｄ変換器１６２は、このサンプリングクロックに従って音声信号をサンプリングしてディジタル信号に変換する。送信データ生成回路１０２は、Ａ／Ｄ変換器１６２から連続的にディジタル信号を入力し、ＩＰ電話の20ｍ秒周期で区切り、データをＩＰパケット化する。最適サンプリング制御回路１０１は、このＩＰ電話の20ｍ秒周期のデータ生成タイミングを管理し、その最適なデータ生成タイミングを送信データ生成回路１０２に指示する。

具体的には、図２に示すように、時刻ｔ2 〜ｔ4 でデータが無線インタフェース回路１８１に逐次到着してバッファ内で待機するのではなく、図３に示すように、時刻ｔ4 の直前の時刻ｔ7 に到着するように、送信データ生成回路１０２のデータ生成タイミングを設定する。これにより、無線インタフェース回路１８１のバッファ内での待機がほぼなくなり、ただちにＭＡＣ処理部１８２およびＰＨＹ処理部１８３での処理が実施される。その結果、処理遅延は、時刻ｔ7 から時刻ｔ6 の間隔までに最小化される。

ところで、時刻ｔ1 ，ｔ4 のタイミングは、ＵＬ−ＭＡＰの受信処理が完了するタイミングであり、多少の誤差を除けばほぼ毎フレーム、フレームの中の前方の所定位置にくるため、その時刻の直前の時刻が処理遅延を最短、すなわち最適にするデータ生成タイミングになる。このタイミングのフレーム先頭からの時間差を規定しておき、フレームタイミング管理回路１８９からフレームパルスを入力することができれば、ＩＰ電話アダプタ１００は最適なデータ生成タイミングを知ることができる。

すなわち、最適なデータ生成タイミングは、無線端末装置１４９に固有の処理遅延と、ルータ１４２やＩＰ電話アダプタ１０１内の処理遅延とを考慮し、フレームタイミング管理回路１８９から入力するフレームパルスのタイミングに所定のオフセットを加え、ＩＰパケットが前記時刻ｔ4 の直前に無線インタフェース回路１８１に到着するタイミングであればよい。また、ルータ１４２などでの処理遅延時間に揺らぎがある場合には、その揺らぎ分を考慮し、マージンを加えて早めのタイミングとしてもよい。これにより、本来は５ｍ秒の遅延ゆらぎの幅が避けられないところ、遅延ゆらぎを抑えるとともに、常に処理遅延を最小化するタイミングで無線端末装置１４９にデータを入力することができる。

一方、ＩＰ電話アダプタ１０１の受信側の処理は、生成されるサンプリングクロックが異なる点を除けば従来構成と同一の処理になる。

なお、上記の説明では、最適サンプリング制御回路１０１は、発振器（＃２）１８８からのクロックを分周する例を示したが、発振器（＃２）１８８とは独立の別の発振器を用いながら、その発振器からのクロックとフレームタイミング管理回路１８９からのフレームパルスとを比較し、必要に応じて発振器の電圧調整等によりクロックのレートを調整してもよい。以下、クロックを分周する場合を例に説明する。

図４は、最適サンプリング制御回路１０１の処理手順を示す。ここでは、発振器（＃２）１８８から入力するクロックを上記の例に従って20ＭHzとして説明するが、他のクロックレートであっても同様の処理が可能である。最適サンプリング制御回路１０１には、フレームタイミング管理回路１８９から入力するフレームパルスと、発振器（＃２）１８８から入力するクロックの２つの入力があるため、２系統のフローが存在する。

まず、発振器（＃２）１８８から20ＭHzクロックを入力し、補正後の８ｋHzサンプリングクロックを生成する処理手順について説明する。

最適サンプリング制御回路１０１は20ＭHzクロックのクロックパルスを入力すると（S1) 、カウンタＮを１加算する（S2) 。次に、20ＭHzクロックから８ｋHzクロックに分周するためのカウント数Ｎ(m) とカウンタＮが一致するか否かを判断する（S3) 。不一致の場合は処理を終了し（S10)、一致の場合は８ｋHzサンプリングクロックを出力する（S4) 。次に、８ｋHzサンプリングクロックをカウントするカウンタ値ｍを１加算し、40で除算した余り（mod(ｍ+1，40))を新規のｍ値とし（S5) 、処理を終了する（S10)。ここで、40で除算するのは、８ｋHzのクロック周期の40倍がＷｉＭＡＸのフレーム周期（５ｍ秒）に一致するからである。

一方、20ＭHzクロックから８ｋHzクロックに分周するためのカウント数Ｎ(m) を最適化する処理のために、20ＭHzクロックのクロックパルスを入力すると（S1) 、別のカウンタＮc を１加算する（S6) 。このカウンタＮc は、１フレームにおける20ＭHzクロックのカウント数を求めるためのカウンタである。次に、フレームパルスの入力の有無を確認するため、ステータス管理用のメモリ値Ｓを参照し、Ｓ＝１、すなわちフレームパルス入力を検出すると（S7) 、０〜39のｍに対してΣＮ(m) ＝Ｎc となるＮ(m) を設定する（S8) 。具体例としては、Ｎc ＝100000の場合には全てのｍに対してＮ(m) ＝2500であり、Ｎc ＝100001であれば１つのｍに対するＮ(m) ＝2501で、その他のｍに対するＮ(m) ＝2500となる。同様に、Ｎc ＝99999 であれば１つのｍに対するＮ(m) ＝2499で、その他のｍに対するＮ(m) ＝2500となる。その他のＮc の値に対しても同様に設定する。次に、状態のリセットとして、ステータスのリセットＳ＝０と、カウンタのリセットＮc ＝０を行い（S9) 、処理を終了する（S10)。また、ステップS7で、フレームパルスの入力がない場合（Ｓ＝０）は、処理を終了する（S10)。

以上の処理と平行し、最適サンプリング制御回路１０１はフレームパルスを入力すると（S11)、状態監視とてしステータス管理用のメモリ値Ｓを１にセットし（S12)、所定のオフセット時間分だけ待機し（S13)、送信データ生成回路１０２に対して最適タイミングを通知し（S14)、処理を終了する（S15)。

なお、８ｋHzサンプリングクロックをカウントするカウント値ｍの初期値は、ゼロが設定される。また、ステータス管理としてＳを用いたが、同様の管理ができればその他の手法で状態管理を行ってもよい。また、個別のＮ(m) の設定方法は、ΣＮ(m) ＝Ｎc となればどのような設定でもかまわない。ただし、20ＭHzのクロックの例では、Ｎc ＝100000のときは全てのｍに対するＮ(m) が2500となるように均一に設定することが好ましい。

（第２の実施形態）
図５は、本発明のＩＰ電話無線通信装置の第２の実施形態を示す。
図において、本実施形態のＩＰ電話無線通信装置の特徴は、ＩＰ電話アダプタ１００および無線端末装置１１０の構成にあり、ＩＰ電話アダプタ１００のＩＰ電話プロトコル制御回路１０３から無線端末装置１１０の無線制御回路１１１に電話の発信・着信の情報を通知し、無線制御回路１１１がこれらの情報をもとに０ＡＢ−Ｊ品質のＩＰ電話用のＵＧＳコネクションの設定・開放処理を実施するところにある。

ＩＰ電話アダプタ１００のＩＰ電話プロトコル制御回路１０３は、０ＡＢ−Ｊ品質のＩＰ電話の発信・着信を認識したときに、その情報を無線端末装置１１０の無線制御回路１１１に通知する。無線制御回路１１１は、無線のコネクションの設定・開放を管理するとともに、ＩＰ電話プロトコル制御回路１０３からの情報をもとに、０ＡＢ−Ｊ品質のＩＰ電話用のＵＧＳコネクションの設定・開放処理を行う。

ＷｉＭＡＸでは、コネクション単位のＱｏＳ管理を行うため、無線端末装置１１０の無線インタフェース回路１８１でデータのコネクション情報が監視される。監視の対象は、例えばＩＰパケットの送信元および宛先ＩＰアドレスや、ＩＰ電話のＵＤＰポート番号などである。すなわち、本実施形態のＩＰ電話無線通信装置のＩＰ電話アダプタ１００に接続される内部のＩＰ電話と、ルータ１４２に接続される外部のＩＰ電話の区別が可能である。これらのコネクション情報と、ＩＰ電話プロトコル制御回路１０３からの情報をもとに、無線制御回路１１１は送信すべきデータの対応する無線コネクションを区別し、その後のＭＡＣおよびＰＨＹ処理を個別に実施する。

無線通信システム内では、同じＩＰ電話用のＵＧＳコネクションであっても、事前に例えばゴールド／シルバーなどのサービスクラスを設定しておき、０ＡＢ−Ｊ品質であればゴールドＵＧＳ、一般のＩＰ電話であればシルバーＵＧＳなどとしてコネクション設定を行えばよい。なお、ゴールドとシルバーの差分については様々な条件が考えられる。例えば、ゴールドであれば割り当て帯域に多少のマージンを加え、バースト割り当ての周期の管理においてアプリケーションのデータの周期に同期させるための特殊な機能を採用したり、通常と異なるスケジューリング方法を採用するなど、利用方法およびその目的は限定されない。

（第３の実施形態）
図６は、本発明のＩＰ電話無線通信装置の第３の実施形態を示す。
図において、本実施形態のＩＰ電話無線通信装置の特徴は、第１の実施形態と第２の実施形態を組み合わせた構成である。各実施形態の機能は互いに独立しており、併用が可能である。また、各実施形態では、ルータ１４２の実装を前提とした構成になっているが、ＩＰ電話プロトコル制御回路１０２でＩＰパケットの生成に必要なＩＰアドレス、イーサネットアドレス（ＭＡＣアドレス）等の設定情報を取得可能であれば、必ずしもルータ１４２の機能を全て実装する必要はない。同様に、外部のＰＣからルータ１４２に接続するためのインタフェースを明記しているが、このインタフェースを備えていなくても本発明の実施に支障はない。

以上説明した実施形態において、Ｎ１フレーム周期の割り当ての対象はユーザデータ収容用のバースト割り当てであり、制御情報用のバースト割り当てを行うためのスケジューリングについては、本発明のスケジューリングと同時並行的に行ってもよい。

また、以上説明した実施形態の最適サンプリング制御回路１０１は、フレームタイミング管理回路１８９からフレームパルスを入力し、発振器（＃２）１８８から無線端末装置１４９におけるクロックを入力し、Ａ／Ｄ変換器１６２とＤ／Ａ変換器１６８に与える分周クロックをフレームタイミングに同期させると同時に、フレームタイミングにオフセットを加えたタイミングを送信データ生成回路１０２に与える構成であった。一方、最適サンプリング制御回路１０１が備える機能として、クロックとフレームタイミングの同期機能を省いても、送信データ生成回路１０２にフレームタイミングにオフセットを加えた送信データ生成タイミングを通知できれば、本発明によるアップリンクの遅延時間および遅延揺らぎの短縮が可能である。その場合には、フレームタイミング管理回路１８９からフレームパルスを送信データ生成回路１０２に直接入力し、送信データ生成回路１０２内でフレームタイミングに所定のオフセットを加えて送信データ生成タイミングとしてもよい。

さらに、以上説明した実施形態において、アップリンクとダウンリンクが同一周波数チャネルでサービスされるＴＤＤのＷｉＭＡＸ標準に準拠した無線システムへの適用を例に説明したが、アップリンクとダウンリンクの周波数チャネルが異なるＦＤＤ（Frequency Division Multiplexing)の無線システムであっても、所定のフレーム周期で管理された無線システムであれば同様に本発明の適用が可能である。また、対象とするコネクションのサービスクラスをＵＧＳとして説明したが、その他のサービスクラスであっても周期的な割り当てが求められるものであれば、同様に本発明の適用が可能である。また、無線システムが準拠する標準規格はＷｉＭＡＸ標準に限定されるものではなく、その他の無線システムにおいても利用可能である。

本発明のＩＰ電話無線通信装置の第１の実施形態を示す図。 従来構成におけるアップリンクの送信処理動作例（最悪ケース）を示すタイムチャート。 第１の実施形態におけるアップリンクの送信処理動作例を示すタイムチャート。 最適サンプリング制御回路１０１の処理手順を示すフローチャート。 本発明のＩＰ電話無線通信装置の第２の実施形態を示す図。 本発明のＩＰ電話無線通信装置の第３の実施形態を示す図。 ＷｉＭＡＸにおけるフレーム構成を示す図。 ＷｉＭＡＸにおけるＵＬ−ＭＡＰによるアップリンクバーストの割り当ての概要を示すタイムチャート。 ０ＡＢ−Ｊ品質のＩＰ電話サービスを提供するシステム構成例を示す図。 ＩＰ電話アダプタ１４１の構成例を示す図。 無線端末装置１４９の構成例を示す図。 従来のＩＰ電話無線通信装置１５１の構成例を示す図。

符号の説明

１００ ＩＰ電話アダプタ
１０１ 最適サンプリング制御回路
１０２ 送信データ生成回路
１０３ ＩＰ電話プロトコル制御回路
１１０ 無線端末装置
１１１ 無線制御回路
１４１ ＩＰ電話アダプタ
１４２ ルータ
１４９ 無線端末装置
１５１ ＩＰ電話無線通信装置
１６１ 電話インタフェース回路
１６２ Ａ／Ｄ変換器
１６３ 送信データ生成回路
１６４ 送信バッファ
１６５ イーサネットインタフェース回路
１６６ 受信バッファ
１６７ 受信データ終端回路
１６８ Ｄ／Ａ変換器
１６９ ＩＰ電話プロトコル制御回路
１７０ 発振器（サンプリングクロック発生回路）
１７１ 発着信信号処理回路
１８１ 無線インタフェース回路
１８２ ＭＡＣ処理部
１８３ ＰＨＹ処理部
１８４ ＲＦ部
１８５ 発振器（＃１）
１８６ アンテナ
１８７ 無線制御回路
１８８ 発振器（＃２）
１８９ フレームタイミング管理回路

Claims (2)

1. 無線基地局と無線回線で接続され、無線基地局との間で少なくとも１つのコネクション設定を行い、設定されたコネクションを用いて無線基地局との間で無線通信を行う無線端末装置と、
   ＩＰ電話の信号処理を行い、入力する音声信号を送信データに変換して前記無線端末装置に送信するＩＰ電話アダプタと
   を備えたＩＰ電話無線通信装置において、
   前記無線端末装置は、前記無線基地局が管理するフレーム周期の情報を取得し、前記ＩＰ電話アダプタに通知する手段を含み、
   前記ＩＰ電話アダプタは、
   前記フレーム周期に同期させて装置内の内部処理に必要な内部処理用クロックを生成するクロック生成手段と、
   前記フレーム周期に同期した前記内部処理用クロックに基づいて動作し、前記無線端末装置がデータ送信処理を開始するタイミングを把握し、当該タイミングの直前に前記送信データが前記無線端末装置に入力するように前記送信データを生成する送信データ生成タイミングを調整する手段とを含み、
   前記クロック生成手段は、
   前記無線端末装置が保持するクロックを入力し、当該クロックが前記フレーム周期に刻むクロック数をカウントする手段と、
   前記無線端末装置のクロックから前記ＩＰ電話アダプタの内部処理用クロックを分周して生成する際に、分周数を前記カウントしたクロック数に応じて可変調整する手段と
   を備えたことを特徴とするＩＰ電話無線通信装置。
2. 請求項１に記載のＩＰ電話無線通信装置において、
   前記ＩＰ電話アダプタにより実現される内部のＩＰ電話とは別に、外部のＩＰ電話との間でデータ入出力を行うことが可能なインタフェース手段を備え、
   前記無線端末装置は、前記内部のＩＰ電話の送受信データか、または前記外部のＩＰ電話の送受信データかに応じて、所定の要求品質の個別のコネクションの設定条件を設定する構成である
   ことを特徴とするＩＰ電話無線通信装置。
   

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