JP5252490B2

JP5252490B2 - 無線パケット通信方法及びシステム

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Publication number: JP5252490B2
Application number: JP2008201262A
Authority: JP
Inventors: 長樂李; 還幇李; 隆二河野
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2028-08-04
Also published as: JP2010041340A

Description

本発明は、共通の無線チャネルを使用して無線パケット通信を行う無線基地局と無線端末間のデータパケット通信を行う無線パケット通信方法及びシステムに関し、特にＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に基づく無線パーソナルエリア環境において、パケットの廃棄量を軽減する際に好適な無線パケット通信方法及びシステムに関する。

無線ＬＡＮ（Local Area Network）は、有線ＬＡＮと比較して、ケーブルのためのスペースが削減されることや、ノート型パーソナルコンピュータ（ノートＰＣ）等を初めとした携帯端末が、その携帯性を損なうことなくＬＡＮに接続できる等の利点がある。また無線ＬＡＮそのものも高速化され、また安価になってきたため、無線ＬＡＮに対する実用化が一段と加速している。このような背景から、無線ＬＡＮの標準化がＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronics Engineering）で進められている。

特に無線ＬＡＮに代表される無線パケット通信システムにおいて、複数の端末間における無線リソースの競合が問題視されている。この無線リソースの競合を回避するためには、媒体アクセス制御（ＭＡＣ:Medium Access Control）が必要となる。この無線ＬＡＮにおけるＭＡＣプロトコルとしては、端末がパケットを送信する前に他端末の搬送波を検出する、いわゆるキャリアセンスを実行し、キャリアを検出できない場合に自身のパケットを送信するＣＳＭＡ（Carrier Sense Multiple Access）方式が提案されている。また、このＣＳＭＡ方式に対して、更にパケットの衝突回避の仕組みを付加したＣＳＭＡ／ＣＡ方式（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式も提案されている。

このＣＳＭＡ／ＣＡ方式では、通信を開始して、通信相手の無線ノードからＡＣＫ（Acknowledge）信号の返信を受け取った場合には、通信が成功したものとみなし、ＡＣＫ信号を受け取らなかった場合には、他の無線ノードとの通信衝突が発生したものとみなして、再びバックオフ時間を設けてパケットデータを再送信するシステムである。

特に近年において、このＣＳＭＡ／ＣＡ方式は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に準拠する場合が多くなっている。ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格は、８６８ＭＨｚ、９１５ＭＨｚ及び２．４５ＧＨｚ付近の周波数を利用する無線通信であって、特にＺｉｇｂｅｅ（登録商標）等の家電向け近距離通信に利用されている。Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格で規定されたＰＨＹ層（Physical Layer）及びＭＡＣ層を用い、その上位のネットワーク層、アプリケーション層を規格化したものである。このＺｉｇｂｅｅ（登録商標）は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格の特徴を生かし、超低消費電力化、小型化、低コスト化を実現可能としている。

このように、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格は、センサネットワークのみならず、ホームネットワーク、オフィスネットワーク、人体に装着した各種医療用機器との通信ネットワークに加え、将来的にはユビキタスネットワーク社会を実現するためのキーテクノロジーとしても注目されている。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線通信では、図７に示すように、ネットワーク７を制御するＮＣ(Network-Coordinator)７１と、複数のＥＤ(End Device)７２と間で近距離無線通信を行うのが一般的である。ちなみに、このネットワーク７の例としては、スター型、ツリー型、メッシュ型といった多彩なネットワーク形態が選択可能である。

また、このＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線通信では、ビーコン(beacon)を使用したいわゆるスーパーフレーム構造を用いる。このスーパーフレーム構造は、ビーコン間隔を全てのＥＤ７２がアクセス可能なＣＡＰ（Contention Access Period）、特定のＥＤ７２が専有してアクセス可能なＣＦＰ(Contention Free Period)、全てのＥＤ７２がアクセス禁止となるInactive期間に分割される。またＣＦＰは、ＧＴＳ（Guaranteed time Slot）メカニズムにより７等分されて、通信を優先的に行いたいＥＤ７２へ割り当てることが可能となる。

従来におけるこのＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線パケット通信システムとしては、例えば、特許文献１、２等が提案されている。またＣＳＭＡ／ＣＡ方式におけるパケットの衝突を最小限に抑える技術としては、例えば、特許文献３、４の開示技術が提案されている。
特開２００５−１０２２１８号公報特開２００８−０２６３１０号公報特開２００４−２４２２０４号公報特開２００６−１９７１７７号公報 G. Lu, B. Krishnamachari and C. S. Raghavendra, "Performance evaluation of the IEEE 802.15.4 MAC for low-rate low power wireless networks," in Proceedings of the IEEE International Performance Computing and Communication Conference (IPCCC’04), Phoenix, AZ, Apr. 2004, pp. 701-706.

ところで、このようなＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線パケット通信システムでは、データ伝送時におけるパケットの廃棄(packet dropping)が問題となっている。図８は、従来におけるＥＤ７２からＮＣ７１へパケットを無線により送信する際のフローを示している。ＥＤ７２は、先ずパケットの伝送を試みる場合には、所定のバックオフ期間Ｂ１の間、ＮＣ７１におけるチャネルが空いているかをチェックする。このチャネルの空き状況は、ＰＨＹ層におけるＣＣＡ（Clear Channel Assessment）を利用すれば、ＭＡＣ層からもチャネルが空いているかの可否をチェックすることができる。このＣＣＡによるチャネルの空き状況のチェックにより、ＮＣ７１がビジー状態であると判断された場合には（Ｃ１）、データパケット送信不可と判断し、再びバックオフ期間Ｂ２の間、ＣＣＡによりチャネルの空き状況をチェックすることになる。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４の仕様では、このようなチャネルの空き状況のチェックとＮＣ７１がビジー状態である旨の判断がチャネルアクセスのリトライ回数（macMaxCSMABackoffs）＋１回まで繰り返し行われてもＮＣ７１がビジー状態である場合には、ＮＣ７１へのアクセスに失敗したものと判断する。例えばmacMaxCSMABackoffsが４回である場合には、チャネルの空き状況のチェックとＮＣ７１がビジー状態である旨の判断が５回（Ｃ５）行われてもデータパケット送信不可と判断された場合には、ＮＣ７１へのアクセスに失敗したものと判断する。ＮＣ７１へのアクセスに失敗したものと判断された場合には、送信すべきパケットを廃棄することになる。

図９は、パケット廃棄率(packet dropping rate)と、ＥＤ７２の数との関係について、作動周期（duty cycle）が０．５である場合の例を示している。ここでパケット廃棄率は、上位層からの全てのパケットのうちＭＡＣ層より廃棄されたパケットの比率を表している。

図９のシミュレーションの結果より、ＥＤ７２の数が増加するにつれて、パケット廃棄率が増加することが示されている。また、ＥＤ７２の数が小さくなると、パケット廃棄率がほぼ０に近づくことも示されている。しかし、パケット廃棄率は０ではないことから、僅かながらパケットの廃棄が起きていることが分かる。

このため、このＥＤ７２自体の性能を特段向上させなくても、パケット廃棄率を向上させることが可能な方法が従来から望まれていた。

なお、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格において、パケット廃棄率を減少させるためのスキームは従来において提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。しかしながら、これらのスキームは、何れもＥＤ７２、ひいてはシステム全体の仕様につき大きく改変を施す必要があり、現時点において既に現在において稼働しているシステムに対する適用が困難になるという問題点があった。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは既存のＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線パケット通信システムに大きな改変を施すことなく、パケット廃棄率を低減可能な無線パケット通信方法及びシステムを提供することにある。

本発明に係る無線パケット通信方法は、上述した課題を解決するために、共通の無線チャネルを使用して無線パケット通信を行う無線基地局と無線端末間のデータパケット通信の前に、使用すべき無線チャネル上の電波の有無又は受信電力を上記無線端末が検知し、それに応じて通信衝突の有無を判定する通信衝突判定ステップと、上記通信衝突判定ステップにおいてデータパケット送信可と判断した後に０以上の所定の整数値以内で一様に発生する乱数値に応じた衝突回避期間の経過後に上記データパケットを送信する送信制御ステップと、上記無線基地局が自局宛に送信されたデータパケットの受信に成功したときに、ＡＣＫパケットを送信元の無線端末へ送信するＡＣＫ送信ステップと、上記通信衝突判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空け、上記通信衝突判定ステップに戻り通信衝突の有無を判定させるバックオフ制御ステップとを有する無線パケット通信方法において、閾値macMaxCSMABackoffsに亘り上記通信衝突判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断された場合に、パケットを破棄する代わりにこれを保持し、当該保持したパケットの再送を試み、上記通信衝突の有無を再度判定する再判定ステップと、上記再判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空け、上記再判定ステップに戻り通信衝突の有無を判定させ、上記再判定ステップにおいてデータパケット可と判断した場合には、上記送信制御ステップに移行することを特徴とする。

本発明に係る無線パケット通信システムは、上述した課題を解決するために、共通の無線チャネルを使用して無線パケット通信を行う無線基地局と無線端末間のデータパケット通信を行う無線パケット通信システムにおいて、使用すべき無線チャネル上の電波の有無又は受信電力を検知し、それに応じて通信衝突の有無を判定する通信衝突判定手段と、上記通信衝突判定手段によりデータパケット送信可と判断された後に０以上の所定の整数値以内で一様に発生する乱数値に応じた衝突回避期間の経過後に上記データパケットを送信する送信制御手段と、上記通信衝突判定手段においてデータパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空け、上記通信衝突判定手段に戻り通信衝突の有無を判定させるバックオフ制御手段とを有する無線端末と、自局宛に送信されたデータパケットの受信に成功したときに、ＡＣＫパケットを送信元の無線端末へ送信する無線基地局とを備え、上記無線端末は、閾値macMaxCSMABackoffsに亘り上記通信衝突判定手段によりデータパケット送信不可と判断した場合に、パケットを破棄する代わりにこれを保持し、当該保持したパケットの再送を試み、上記通信衝突の有無を再度判定する再判定手段を更に備え、上記再判定手段は、データパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空けて再度通信衝突の有無を判定し、データパケット可と判断した場合には、上記送信制御手段による上記動作を実行させることを特徴とする。

上述した構成からなる本発明では、既存のＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線パケット通信システムに大きな改変を施すことなく、パケット廃棄率を低く抑えることができ、ひいては、平均消費電力も低く抑えることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に基づく無線パーソナルエリア環境に適用される無線パケット通信方法及びシステムについて、図面を参照しながら詳細に説明をする。

本発明を適用した無線パケット通信システム１は、例えば図１に示すように、複数の無線端末２と、ネットワーク全体を制御する無線基地局３とを備えている。無線パケット通信システム１は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４標準に基づく低速ＷＰＡＮ(Wireless Personal Area Network)である。なお、無線パケット通信システム１は、図１に示すようなスター型に限定されるものではなく、ツリー型やメッシュ型等いかなるネットワーク形態を適用してもよい。

無線端末２は、例えば、ノート型のパーソナルコンピュータ（ノートＰＣ）や、携帯電話等を初めとした各種携帯情報端末等で構成される。この無線端末２は、少なくともＷＰＡＮにおいて無線基地局３との間で無線パケット通信を行うことができ、更には無線基地局３を介して他の無線端末２との間で無線パケット通信を行うことができる。以下では、無線端末２から無線基地局３へパケットデータを無線により送信する場合を例にとり説明をする。

無線基地局３も同様に上述した携帯情報端末と構成を同一とするものであってもよい。この無線基地局３は、コーディネータとしての役割を担う。そして、この無線基地局３は、無線端末２から送信されてくるビーコンを取得し、また無線端末２をそれぞれＷＰＡＮに接続させるために、これらを互いに同期化させる役割を担う。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に基づく無線パケット通信システム１は、例えば図２に示すように、ビーコン２１を使用したいわゆるスーパーフレーム構造を用いる。スーパーフレームの最小周期は１５．３６ｍｓであり、衝突通信期間と呼ばれるＣＡＰ（Contention Access Period）２２に対して最小２４０バイトの区間を保つ必要がある。さらに、２つのビーコン２１間の時間は、スーパーフレームの周期に関係なく、同じ間隔の１６個のタイムスロットに分けられる。タイムスロットの間では、無線端末２と無線基地局３との間でいつでもデータを送受信可能であるが、次のビーコン２１の送信前にデータの送受信を完了しなければならない。

また、このスーパーフレームでは、上述したＣＦＰ(Contention Free Period)２３の後に、特定の無線端末２のみが専有してアクセス可能なＣＦＰ２３、全ての無線端末２がアクセス禁止となるInactive期間２４が続くことになる。

無線端末２は、無線基地局３に対するチャネルアクセス権を得るために互いに競合し、無線基地局３は、通信を優先的に行いたい無線端末２に対してタイムスロットを割当てることができる。この割当てられたタイムスロットをＧＴＳ（Guaranteed Time Slot）といい、競合なしに割当てられるＧＴＳの個数は、最大７個である。

次に、本発明を適用した無線パケット通信システム１の動作について説明をする。

本発明では、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格において最も標準的なアクセス制御方法としてのＣＳＭＡを適用する。上述した一連の動作をバックオフ制御という。このバックオフ制御は、チャネルアクセスのリトライ回数（macMaxCSMABackoffs）＋１回まで繰り返される。（チャネルアクセスのリトライ回数は、送信が成功するかあらかじめパラメータとして決められている。）

なお上述したバックオフ制御における、チャネルがアイドルか否かの空き状況のチェックは、ＰＨＹ層におけるＣＣＡ（Clear Channel Assessment）を利用する。このＣＣＡによれば、ＭＡＣ層からもチャネルが空いているかの可否をチェックすることができる。

上述したＣＣＡを利用した最初のバックオフ制御を図３に示すＳ１とする。このバックオフ制御Ｓ１を終了後、チャンネルがビジーである場合には、チャネルアクセスのリトライを行う。即ち、２度目のバックオフ制御Ｓ２に入ることになる。２度目のバックオフ制御Ｓ２を終了後、チャンネルがビジーである場合には、チャネルアクセスのリトライを行う。即ち、３度目のバックオフ制御Ｓ３に入ることになる。これらのフローを繰り返し行う。仮にチャネルアクセスのリトライ回数（macMaxCSMABackoffs）が４回である場合、全部でバックオフ制御Ｓ５を終了してもチャンネルがビジーである場合、即ちチャネルアクセスのリトライに失敗した場合、一般的なＩＥＥＥ８０２．１５．４の仕様では、無線端末２から送信すべきパケットは廃棄される。しかしながら、本発明では、パケットを破棄する代わりにこれを保持し、通信衝突の有無を再度判定する再判定ステップＳ１１と、再判定ステップＳ１１においてデータパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空け、再判定ステップＳ１１に戻り通信衝突の有無を判定させ、再判定ステップＳ１１においてデータパケット可と判断した場合には、送信制御ステップＳ１２に移行する。

この送信制御ステップＳ１２においては、パケットデータを無線端末２から無線基地局３へと送信する。無線基地局３は、無線端末２からかかるパケットデータを受け取った場合に、ＡＣＫ（Acknowledge）信号を送信する。無線端末２は、かかるＡＣＫ信号を受け取った場合に、通信が成功したものとみなす。

上述した本発明のコンセプトは、以下の調査結果から生まれてきたものである。図４は、廃棄時点における伝送回数毎の脱落したパケットの比率を示している。この図４の解析例では、無線端末２の数が１０であり、作動周期（duty cycle）が０．５である場合を示しており、平均パケット廃棄率が３１．８９％である場合であり、バッファのオーバーフローが生じない場合の例である。

この図４から特筆すべき点は、殆どのケースにおいて、バックオフ制御Ｓ５終了後、再送することなくパケットを廃棄していることであり、その比率は、６５．７２％にも及ぶ。

このため、パケット廃棄率を減少させるために、上述した本発明のフローを案出した。即ち、バックオフ制御Ｓ５を終了してもチャンネルがビジーである場合、即ちチャネルアクセスのリトライに失敗した場合、パケットを破棄する代わりにこれを保持し、上述したステップＳ１１のプロセスを繰り返し実行することにより再送を実現する。

このような本発明を適用した無線パケット通信方法によれば、以下に説明するような効果を得ることができる。

図５は、無線端末２の数Ｎに対するパケット廃棄率のシミュレーション結果を示している。この図５において、ＤＣは、作動周期（＝１、０．５、０．２５）を示しており、本発明例におけるパケット廃棄率に加え、従来のＩＥＥＥ８０２．１５．４仕様におけるパケット廃棄率を比較のために示している。

いずれの場合においても、無線端末２の数Ｎが増加するにつれてパケット廃棄率は増加していた。また、本発明例は、従来仕様と比較してパケット廃棄率が低くなっていた。特に無線端末２の数Ｎが大きい場合において、従来仕様と比較したそのパケット廃棄率の格差が一段と大きくなる傾向も示されていた。またＤＣが減少するにつれて、パケット廃棄率が高くなる傾向も表れていた。

図６は、無線端末２の数Ｎに対する平均遅れ時間（ｍｓ）のシミュレーション結果を示している。いずれの場合においても無線端末２の数Ｎが増加するにつれて平均遅れは増加していた。ちなみに、本発明例では、アクセス失敗時においてもパケットの廃棄量することなく、バッファにこれを格納して再送を試みる。このため、本発明例は、従来仕様と比較して、僅かではあるがそのパケット送信に至るまでの平均遅れ時間が増加していた。

図７は、無線端末２の数Ｎに対する規格化されたスループット(Normalized throughput)の関係を示している。無線端末２の数Ｎが増加するにつれて、換言すればネックワーク上の情報の伝送量が増加するにつれて、スループットは最大値まで上昇し、その後下降していた。また、本発明例では、特にＤＣが１、０．５、０．２５のとき、スループットの最大値は、順に０．２７５、０．１７９、０．０９６であり、そのときの無線端末２の数Ｎは、順に２１、１２、６であった。

特に本発明によれば、既存のＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線パケット通信システムに大きな改変を施すことなく、パケット廃棄率を低く抑えることができる。このため、本発明では、何れも無線端末２、ひいてはシステム１全体の仕様につき大きく改変を施す必要もなく、現時点において既に現在において稼働しているシステムに対する適用も可能となる。

本発明を適用した無線パケット通信システムにおけるシステム構成を示す図である。スーパーフレーム構造を示す図である。本発明を適用した無線パケット通信システムの制御フローを示す図である。廃棄時点における異なる伝達回数において脱落したパケットの比率を示す図である。無線端末の数Ｎに対するパケット廃棄率のシミュレーション結果を示す図である。無線端末の数Ｎに対する平均遅れ時間（ｍｓ）のシミュレーション結果を示す図である。一般的なＩＥＥＥ８０２．１５．４規格による無線通信ネットワークを示す図である。従来における無線パケット通信フローを示す図である。パケット廃棄率について示す図である。

符号の説明

１無線パケット通信システム
２無線端末
３無線基地局
２１ビーコン
２２ＣＡＰ
２３ＣＦＰ
２４ Inactive期間

Claims

共通の無線チャネルを使用して無線パケット通信を行う無線基地局と無線端末間のデータパケット通信の前に、使用すべき無線チャネル上の電波の有無又は受信電力を上記無線端末が検知し、それに応じて通信衝突の有無を判定する通信衝突判定ステップと、
上記通信衝突判定ステップにおいてデータパケット送信可と判断した後に０以上の所定の整数値以内で一様に発生する乱数値に応じた衝突回避期間の経過後に上記データパケットを送信する送信制御ステップと、
上記無線基地局が自局宛に送信されたデータパケットの受信に成功したときに、ＡＣＫパケットを送信元の無線端末へ送信するＡＣＫ送信ステップと、
上記通信衝突判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空け、上記通信衝突判定ステップに戻り通信衝突の有無を判定させるバックオフ制御ステップとを有する無線パケット通信方法において、
閾値macMaxCSMABackoffsに亘り上記通信衝突判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断された場合に、パケットを破棄する代わりにこれを保持し、当該保持したパケットの再送を試み、上記通信衝突の有無を再度判定する再判定ステップと、
上記再判定ステップにおいてデータパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空け、上記再判定ステップに戻り通信衝突の有無を判定させ、上記再判定ステップにおいてデータパケット可と判断した場合には、上記送信制御ステップに移行すること
を特徴とする無線パケット通信方法。
上記通信衝突判定ステップ及び上記再判定ステップにおける、上記通信衝突の有無の判定は、物理層のＣＣＡ（Clear Channel Assessment）を利用すること
を特徴とする請求項１記載の無線パケット通信方法。
上記無線パケット通信のプロトコルは、ＩＥＥＥ８０２．１５．４規格に準拠すること
を特徴とする請求項２記載の無線パケット通信方法。
共通の無線チャネルを使用して無線パケット通信を行う無線基地局と無線端末間のデータパケット通信を行う無線パケット通信システムにおいて、
使用すべき無線チャネル上の電波の有無又は受信電力を検知し、それに応じて通信衝突の有無を判定する通信衝突判定手段と、上記通信衝突判定手段によりデータパケット送信可と判断された後に０以上の所定の整数値以内で一様に発生する乱数値に応じた衝突回避期間の経過後に上記データパケットを送信する送信制御手段と、上記通信衝突判定手段においてデータパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空け、上記通信衝突判定手段に戻り通信衝突の有無を判定させるバックオフ制御手段とを有する無線端末と、
自局宛に送信されたデータパケットの受信に成功したときに、ＡＣＫパケットを送信元の無線端末へ送信する無線基地局とを備え、
上記無線端末は、閾値macMaxCSMABackoffsに亘り上記通信衝突判定手段によりデータパケット送信不可と判断した場合に、パケットを破棄する代わりにこれを保持し、当該保持したパケットの再送を試み、上記通信衝突の有無を再度判定する再判定手段を更に備え、
上記再判定手段は、データパケット送信不可と判断した場合には、所定のバックオフ時間を空けて再度通信衝突の有無を判定し、データパケット可と判断した場合には、上記送信制御手段による上記動作を実行させること
を特徴とする無線パケット通信システム。
上記通信衝突判定手段及び上記再判定手段における、上記通信衝突の有無の判定は、物理層のＣＣＡ（Clear Channel Assessment）を利用すること
を特徴とする請求項４記載の無線パケット通信システム。