JP5800240B2 - 無線通信システム、及び無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システム、及び無線通信方法に関する。

無線通信では、限られた周波数資源の中で膨大な数の端末を収容し、高品質な通信サービスを提供するために、周波数資源の利用効率を向上することが望まれている。このため、獲得した一回の通信機会内で多元接続方式を導入し、アクセスポイントＡＰ（Access Point）と複数の端末間のマルチユーザ通信を行う方法が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。

シングルユーザ通信に比較して、マルチユーザ通信では、一回の通信機会にて、アクセスポイントＡＰから複数の端末宛の下りリンクマルチユーザ通信、もしくは、複数の端末からアクセスポイントＡＰ宛の上りリンクマルチユーザ通信が実施される。このため、一回の通信機会において通信可能なデータ量が増え、通信を早期に完了させることができるとともに、他の端末の待機時間、遅延時間が低減される。ＯＦＤＭＡ方式やＳＤＭＡ方式など、同時刻に通信可能な多元接続方式では、複数の端末で同時刻に周波数資源の共用を可能とする。これらの方式では、１つのチャネルを、周波数的、もしくは空間的に複数のサブチャネルに分割し、各端末は、それら１つ、もしくは複数のサブチャネルを用いて通信する。例えば、ＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）方式の場合にはマルチユーザダイバーシチ効果）により、ＳＤＭＡ（Spatial Division Multiple Access）方式の場合にはチャネル容量拡大により、周波数資源利用効率が向上し、スループットも向上する。

Daewon Jung, Hyuk Lim, "Opportunistic MAC Protocol for Coordinating Simultaneous Transmissions in Multi-User MIMO Based WLANs," IEEE Communications Letters, Vol. 15, No. 8, pp. 902 - 904, Aug. 2011. Stefan Valentin, Thomas Freitag, Holger Karl, "Integrating Multiuser Dynamic OFDMA into IEEE 802.11 WLANs - LLC/MAC Extensions and System Performance," Proc. of 2008 IEEE International Conference on Communications (ICC'08), pp. 3328-3334, May 2008.

しかしながら、無線ＬＡＮ（Local Area Network）においては、携帯電話システムのように無線信号を連続的に通信するのではなく、無線信号をフレーム単位にて通信を行う（パケットモード通信とも言われる）。このため、フレーム毎に同期確立が必要となり、１フレーム時間内の１つのサブチャネル＃ｉ（ｉ＝１、２、３、４）にて複数の端末宛に、もしくは、複数の端末から通信することはできない。例えば、無線ＬＡＮにおいては、図１３に示すような通信を行うことはできない。すなわち、図１４に示すように、無線ＬＡＮにおいて多元接続方式ＯＦＤＭＡやＳＤＭＡにより収容可能な端末数の上限は、サブチャネル数と一致する。ここで、１つの端末の１つのデータフレームが時空間周波数符号化によって複数のサブチャネルを占有する場合があるため、収容可能な端末数は、常に、サブチャネル数以下に制限される。

また、サブチャネル数は、電波法の規制や端末の実装上の物理限界などに制限される。具体的には、ＯＦＤＭＡのサブチャネル数は、電波法上決められたチャネル帯域幅に制限される。例えば、無線ＬＡＮでは、１つの基本チャネル帯域幅が２０ＭＨｚと規定される。その中に有効なサブキャリアは、５２本しかなく、１３サブキャリアを束ねて１つのサブチャネルとするＯＦＤＭＡ方式を適用する場合では、一回の通信に最多４端末しか収容できない。

ＳＤＭＡの場合には、そのサブチャネルの数は、端末に実装できるアンテナ及び高周波回路チェーンの数に制限される。例えば、無線ＬＡＮでは、１つの端末に、４本、あるいは８本までしかアンテナを実装しないと規定され、１つのアンテナを１つのサブチャネルとするＳＤＭＡ方式を適用する場合では、一回の通信に最多４、あるいは８端末しか収容できない。

また、サブチャネル数の制限の他に、一回の多元接続に収容される各端末がサブチャネルを利用する時間長、つまり、ユーザデータフレーム長が異なる場合、図１４に示したように、利用されない周波数資源が生じる。これは、一回の多元接続に収容される各端末の、データパケットサイズ、変調符号化方式、時空間周波数符号方式、利用できるサブチャネル数の違いに起因する。情報通信に利用されない周波数資源の存在は、周波数利用効率の低下を招き、スループット特性の劣化につながる。

また、ユーザデータフレーム長の差異の他に、一回の多元接続に収容される端末の中に、長いユーザデータフレームを持つ端末があると、多元接続に収容されない他の端末は、その長いユーザデータフレームの通信が終わるまで待たなければならない。つまり、一回の多元接続の通信中には、他の端末の割込みができないため、その多元接続の通信期間が長くなる分だけ、他の端末の遅延時間が増大する。

更に、一回の多元接続に収容できる端末数は、サブチャネル数に制限されるため、より多くの端末に通信サービスを提供するには、図１５に示すように、複数の通信機会において通信する必要がある。そのためには、通信機会を獲得・解放するための制御信号の通信が複数回必要となり、更なる周波数資源の利用効率の低下を招く。

例えば、無線ＬＡＮの場合では、１５個の端末と通信するには、上記のＯＦＤＭＡ方式を適用しても一回に最大４端末しか収容できない。このため、４回のＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance、衝突回避機能付きキャリア感知多重アクセス）方式による通信機会の獲得、及び解放をしなければならない。

無線ＬＡＮで用いるＣＳＭＡ／ＣＡのような自律的に通信機会を獲得する媒体アクセス制御法では、一般に、通信機会獲得には、長期間の周波数資源が未使用（ｉｄｌｅ）となる時間が必要となる。従って、一回の多元接続のサブチャネル数の制限に起因する複数回の通信機会の獲得・解放は、周波数資源の利用効率の低下を招く。また、複数回の通信機会の獲得・解放は、長期間の周波数資源が未使用となる時間分だけ、遅延時間の増大も招く。

従って、無線信号をフレーム単位にて通信を行うシステムに、マルチユーザ通信を実現する多元接続方式を従来通りに適用した場合では、以下のような課題が生じる。
（１）一回の下り（あるいは上り）リンクの収容できる端末数がサブチャネル数以下に制限される。
（２）複数回の通信機会の獲得・解放のための制御信号用の周波数資源を割当てなければならない。
（３）複数回の通信機会の獲得・解放による遅延時間が増大する。
（４）ユーザデータフレーム長の不均一による未使用周波数資源が発生する。
（５）一回の多元接続の通信期間が長くなると、多元接続に収容されない他の端末の遅延時間が増大する。

このように、従来技術では、上記課題が生じ、それらの課題によって、無線通信ネットワークのスループット特性、及び遅延特性などの低下を招くことになる。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、マルチユーザ通信を実現する多元接続方式において、周波数資源の利用効率を向上することができる無線通信システム、及び無線通信方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、一回の通信機会における通信期間に応じた長さのフレームにより、複数のサブチャネル毎に端末と通信する無線通信システムであって、通信期間内に、複数のサブ通信期間を設定する設定部と、複数の端末のそれぞれを、複数のサブ通信期間のいずれかに割当てたマルチユーザデータフレームを構築するマルチユーザデータフレーム構築部と、を備え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、上述の設定部が、複数の端末のうち、端末が通信するデータフレーム長に応じて、一回の通信機会に収容する端末を設定することを特徴とする。

また、本発明は、上述の設定部が、複数の端末のうち、予め選定した端末を、一回の通信機会に収容する端末として設定することを特徴とする。

また、本発明は、上述のマルチユーザデータフレーム構築部が、端末が通信するデータフレーム長が近い、あるいはその比率が整数に近い端末同士を、同じサブ通信期間に割当てることを特徴とする。

また、本発明は、上述のマルチユーザデータフレーム構築部が、端末が通信するデータフレーム長が長い端末を、優先的に早く割当てることを特徴とする。

また、本発明は、上述のマルチユーザデータフレーム構築部が、端末が通信するデータフレーム長が、サブ通信期間において通信可能なフレーム長よりも長い端末について、端末のデータフレームを、複数のサブ通信期間におけるマルチユーザデータフレームに分割することを特徴とする。

また、本発明は、上述のマルチユーザデータフレーム構築部が、マルチユーザデータフレームを構築する際に、複数のサブ通信期間におけるマルチユーザデータフレームが互いに独立するように、サブ通信期間毎のマルチユーザデータフレームに終了の区切りを付ける終了ポイントを決定することを特徴とする。

また、本発明は、上述の一回の通信機会における通信期間に応じた長さのフレームにより、複数のサブチャネル毎に端末と通信する無線通信システムの無線通信方法であって、通信期間内に、複数のサブ通信期間を設定するステップと、複数の端末のそれぞれを、複数のサブ通信期間のいずれかに割当てたマルチユーザデータフレームを構築するステップと、を備えることを特徴とする無線通信方法である。

この発明によれば、マルチユーザ通信を実現する多元接続方式において、周波数資源の利用効率を向上することができる。

本第１実施形態による、無線ＬＡＮをベースにした通信ネットワークにおけるマルチユーザ通信のデータフレームを示す概念図である。 本第１実施形態によるアクセスポイントＡＰの構成を示すブロック図である。 本第１実施形態による、高効率なマルチユーザデータフレームの構築を実現するためのフローチャートである。 本第１実施形態による、終了ポイントの決定方法の一例を示す概念図である。 本第１実施形態による、終了ポイントの決定方法の他の例を示す概念図である。 本第１実施形態による、終了ポイントの決定方法の他の例を示す概念図である。 本第１実施形態による、終了ポイントの決定方法の一例を示す概念図である。 本第２実施形態による、無線ＬＡＮをベースにした通信ネットワークにおけるマルチユーザ通信のデータフレームを示す概念図である。 本第２実施形態によるアクセスポイントＡＰの構成を示すブロック図である。 本第２実施形態による、高効率なマルチユーザデータフレームの構築を実現するためのフローチャートである。 本発明の定量的効果を示すために、第１実施形態の数値実験例（シミュレーション評価結果）を示す概念図である。 本発明と従来技術とにおける、オファードロード（各端末のトラヒック量）と９０％遅延時間の関係特性を示す概念図である。 従来技術による、複数の端末で同時刻に周波数資源の共用を可能な多元接続方式による通信方式を説明するための概念図である。 従来技術による、複数の端末で同時刻に周波数資源の共用を可能な多元接続方式による課題を説明するための概念図である。 従来技術による、複数の通信機会において複数の通信を行う例を示す概念図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
Ａ．第１実施形態
まず、本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、本第１実施形態による、無線ＬＡＮをベースにした通信ネットワークにおけるマルチユーザ通信のデータフレームを示す概念図である。アクセスポイントＡＰは、ある任意のｋ回目の通信チャネルに対する通信機会（通信権）を獲得し、下り（あるいは上り）リンクのマルチユーザ通信を行う。この一回のマルチユーザ通信機会の中で、図１に示すように、４回の多元接続、つまり、複数回の多元接続を実施する。図１５に示す従来技術による、複数回のマルチユーザ通信の単独実施に比べ、合計通信チャネル占有期間が大幅に短縮していることが分かる。その理由は、従来技術による複数回の多元接続の通信に必要な複数回の通信機会の獲得を一回までに低減したことと、高効率なマルチユーザデータフレームを構築できていることにある。

図２は、本第１実施形態による無線通信システムにおけるアクセスポイントＡＰの構成を示すブロック図である。図２において、アクセスポイントＡＰは、設定部１０と、マルチユーザデータフレーム構築部１１と、終期化部１２とを備えている。

設定部１０は、合計通信期間Ｔ_ａｌｌと、サブ通信期間Ｔ_ｍｉｎと、サブチャネル数Ｎ_ｓｕｂと、未割当端末数とを設定する。より具体的には、設定部１０は、例えば、通信チャネルの変動が少なくて、通信期間の開始から終了までに同様な復調処理を適用しても通信品質をほとんど劣化しない時間長を、一回の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信に利用できる合計通信期間Ｔ_ａｌｌ（つまり、通信の時間長さ）に設定する。また、設定部１０は、例えば、最小のパケットサイズを送るのに必要なフレーム長を、一回の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信における複数回の多元接続の中の一回の多元接続の通信に必要なサブ通信期間Ｔ_ｍｉｎに設定する。ここで、サブ通信期間Ｔ_ｍｉｎは、反復処理において、各回の多元接続通信において通信するデータフレーム長に応じて定めることもできる。

また、設定部１０は、一回の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信に通信される複数回の多元接続の中の一回の多元接続の通信に利用できる周波数軸、あるいは空間軸、あるいは符号軸、もしくはそれらの軸を組合せたサブチャネル数Ｎ_ｓｕｂを設定する。また、設定部１０は、一回の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信に収容可能な端末数Ｎ_ａｌｌを、未割当端末数（マルチユーザ通信に参加することは決まったが、スケジューリングがまだされていない端末の数）に設定する。

マルチユーザデータフレーム構築部１１は、合計通信期間Ｔ_ａｌｌがサブ通信期間Ｔ_ｍｉｎより短くなるか、あるいは割当てた端末数が未割当端末数Ｎ_ａｌｌに達するまで、サブチャネル数を上限に、残りの未割当端末数を更新しながら多元接続の実施に参加する端末の割当を実施し、残りの合計通信期間を更新しながら多元接続の実施に割当てた全端末のマルチユーザデータフレームを構築する。

具体的には、例えば、マルチユーザデータフレーム構築部１１は、サブチャネル数Ｎ_ｓｕｂを上限に、サブ通信期間Ｔ_ｍｉｎが合計通信期間Ｔ_ａｌｌより大となるか、あるいは、端末数Ｎ_ａｌｌが０に達するまで、残りの未割当端末数Ｎ_ａｌｌを更新（端末を割当てる度に１ずつ減算）しながら、通信機会を獲得したフレーム（アグリゲーションマルチユーザデータフレーム）に対する多元接続通信の端末割当を実行し、残りの合計通信期間Ｔ_ａｌｌを更新（端末を割当てる度にマルチユーザデータフレーム長の長さ分を減算）しながら、サブフレームの終了ポイントを効率的に決定することで、１フレーム内の１サブキャリアを複数の端末で共有できるようにフレームを構築する。

終期化部１２は、前記マルチユーザデータフレーム構築部１１によるマルチユーザデータフレーム構築後、残りの合計通信期間が０でなければ、残った通信期間分を削除し、残りの未割当端末数が０でなければ、残った端末の通信を次回以後のマルチユーザ通信機会に持ち越す。具体的には、例えば、終期化部１２は、残りの合計通信期間Ｔ_ａｌｌが０でなければ、残った通信期間分を削除し、残りの未割当端末数Ｎ_ａｌｌが０でなければ、残った端末の通信を次回以後の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信機会に持ち越す。

図３は、本第１実施形態のアクセスポイントＡＰによるマルチユーザデータフレームの構築を実現するためのフローチャートである。このフローチャートで示される手順は、通信機会の獲得する前と獲得した後のどちらで実行してもよく、タイミングに制限はない。

一回の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信機会の中で、複数回の多元接続を通信するには、その複数回の多元接続の通信において、予め、一回の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信機会に利用できる合計通信期間Ｔ_ａｌｌを設定し、その期間の中で、できるだけ多くの端末を収容し、高効率に複数回の多元接続を統合して実施できるように、図３に示すフローチャートに従って、以下の初期化処理、反復処理、及び終期化処理を行う。

まず、ステップＳ１の初期化処理では、以下の設定を行う。
・一回の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信に利用できる合計通信期間Ｔ_ａｌｌ（つまり、通信の時間長さ）を設定する。例えば、通信チャネルの変動が少なくて、通信期間の開始から終了までに同様な復調処理を適用しても通信品質をほとんど劣化しない時間長を設定すればよい。

・一回の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信における複数回の多元接続の中の一回の多元接続の通信に必要なサブ通信期間Ｔ_ｍｉｎを設定する。例えば、最小のパケットサイズを送るのに必要なフレーム長を設定すればよい。

・一回の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信における複数回の多元接続の中の一回の多元接続の通信に利用できる周波数軸、あるいは空間軸、あるいは符号軸、もしくはそれらの軸の組合せたサブチャネル数Ｎ_ｓｕｂを設定する。図１では、サブチャネル数Ｎ_ｓｕｂを４と設定している。これは、周波数軸でも、空間軸でも他の軸でもよい。また、それらの軸の組合せたサブチャネル数でもよい。

・一回の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信に収容可能な端末の数Ｎ_ａｌｌを、未割当端末数と設定する。例えば、１つのＡＰが収容できる全ての端末の数をＮ_ａｌｌとし、図１５に合わせてＮ_ａｌｌ＝１５、つまり、収容可能な端末数は１５個あり、その１５という数字を未割当端末数とする。

但し、ここでは、１５個の端末の中で、その端末が今回の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信に参加するかどうかは分からない。つまり、通信に参加する端末の選定は行わない。すなわち、ここではｋ回目の通信機会に割当てる端末を予め選定せず、その後の反復処理によって選定する。

次に、ステップＳ２〜Ｓ６の反復処理では、以下の処理を行う。
まず、変数ｋを１とし（ステップＳ２）、ｋ回目多元接続の実施判断として、合計通信期間Ｔ_ａｌｌがサブ通信期間Ｔ_ｍｉｎ以上で、かつ、収容可能な端末数Ｎ_ａｌｌが０より大（割当てた端末数が初期化処理で設定した収容可能な端末数Ｎ_ａｌｌに達している）であるか否かを判定する（ステップＳ３）。そして、合計通信期間Ｔ_ａｌｌがサブ通信期間Ｔ_ｍｉｎ以上で、かつ、割当てた端末数が初期化処理で設定した収容可能な端末数Ｎ_ａｌｌに達していない場合には（ステップＳ３のＹＥＳ）、ｋ回目多元接続実施の端末割当を実行し（ステップＳ４）、ｋ回目多元接続実施のマルチユーザデータフレームを構築し（ステップＳ５）、変数ｋを１つインクリメントし（ステップＳ６）、ステップＳ３に戻る。

すなわち、反復継続と判断された場合（ステップＳ３のＹＥＳ）、反復処理では、まず、ステップＳ４で、初期処理で設定したサブチャネル数Ｎ_ｓｕｂを上限に、今回の多元接続の通信に参加する端末の割当を行う。そして、割当てた端末数を未割当端末数Ｎ_ａｌｌから減算することにより、残りの未割当端末数Ｎ_ａｌｌを更新する。端末割当では、例えば、データフレーム長が近い、あるいはその比率が整数に近い端末同士を、同じ回の多元接続の通信に割当てるようにする。この端末割当の結果、例えば、図１５に示した従来技術においては別々の多元接続の通信に収容される端末＃２と端末＃と６は、本発明を適用した場合には、図１に示すように、２回目の多元接続に一緒に収容される。この結果、データフレーム長の差異に起因する利用されない周波数資源、つまり、パディングデータの埋め込みが減少する。

更に、複数回の多元接続実施の合計通信チャネル占有期間を短縮するためには、データフレーム長の長い端末を優先的に早く割当てるようにする。そうすれば、長いデータフレームの分割による他端末の割込みのタイミングを早めることが可能になり、合計通信チャネル占有期間の短縮につながる。端末＃５と端末＃１１は、図１５に示した従来技術においては、２回目と３回目に収容されている。これに対して、発明を適用した場合には、図１に示すように、端末＃５、端末＃１１は、一回目の多元接続の通信に適用され、他端末の割込みできるタイミングを早くしている。

反復処理では、ステップＳ５において、今回の多元接続の通信に割当てた全端末のマルチユーザデータフレームを構築し、一回のサブ通信期間Ｔ_ｍｉｎを合計通信期間Ｔ_ａｌｌから減算することにより、残りの合計通信期間Ｔ_ａｌｌを更新する。データフレーム長が長い端末については、そのデータフレームを分割し、複数回の多元接続に対応する複数個のマルチユーザデータフレームに分配して通信する。これにより、長いデータフレームの通信による通信チャネルの独占を回避し、他端末の割込みが可能になり、利用されない周波数資源の減少、及び遅延時間の短縮の両方に有効である。図１に示す端末＃５、端末＃９、及び端末＃１１は、長いデータフレームを分割し、他端末の割込み通信を可能にしている。

更に、パケットモード通信を実施する無線ＬＡＮのような無線システムでは、フレーム単位での同期を得やすいように、各回の多元接続のマルチユーザデータフレームが互いに独立するように、各回のマルチユーザデータフレームに終了の区切りを付ける。図１では、全部で４回の独立したマルチユーザデータフレームが構築され、それぞれが一回の多元接続の通信に対応する。

上述したように、各回の多元接続のマルチユーザデータフレームが互いに独立するように、各回のマルチユーザデータフレームに終了の区切りを付ける。このため、各回の多元接続のマルチユーザデータフレームの終了ポイントを決定する。また、終了ポイントに、各回に参加する全ての端末のデータフレーム長を揃えるように、パディングデータ（つまり、ダミーデータ）を埋め込む必要もある。情報が含まれないパディングデータの通信は、周波数資源の無駄遣いとなるため、その分量が最小限となるように、以下のように終了ポイントを決定することが望ましい。終了ポイントの決定方法としては、マルチユーザデータフレーム構築部１１は、例えば、利用可能なサブチャネルにおける累積通信期間の最も長いフレームポイント、あるいは、フレーム長が最も短いデータフレームの終端ポイント、あるいは、フレーム長が最も長いデータフレームの終端ポイント、あるいは、固定期間長を設定し、マルチユーザデータフレームの開始ポイントからその期間長を経過したフレームポイントのいずれかを、終了ポイントに選択的に決定することができる。このような決定方法を以下に説明する。

（利用可能サブチャネルにおける累積通信期間の最も長いフレームポイント）
図４（ａ）、（ｂ）は、本第１実施形態による、終了ポイントの決定方法の一例を示す概念図である。図４（ａ）には、終了ポイントを決定しておらず、今回のマルチユーザデータフレームの区切りを実施していない状態を示している。ここでは、時間軸を定量的に表現するため、時間スロットを横方向に示し、サブチャネルを縦方向に示している。時間スロットの単位は、通信システムの要求条件に合わせて設定すればよい。例えば、１時間サンプルでもよければ、いくつのＯＦＤＭ信号のかたまりでもよい。

図４（ｂ）に示すように、時間スロット＃５では、データに占有されていない利用可能なサブチャネル＃１とサブチャネル＃３における累積通信期間は１０スロットである。これは、他の時間スロット＃１、＃２、＃３、＃４、＃６、＃７、＃８、＃９、＃１０よりも長い。このため、この時間スロット＃５、つまり利用可能サブチャネルにおける累積通信期間の最も長いフレームポイントを終了ポイントとし、今回のマルチユーザデータフレームに終了の区切りを付ける。

（フレーム長が最も長いデータフレームを終端ポイント）
上述した終了ポイント決定基準以外に、フレーム長が最も長いデータフレームを終端ポイントとすることも可能である。
図５（ａ）、（ｂ）は、本第１実施形態による、終了ポイントの決定方法の他の例を示す概念図である。図５（ａ）には、図４（ａ）と同様、終了ポイントを決定しておらず、今回のマルチユーザデータフレームの区切りを実施していない状態を示している。図５（ｂ）に示すように、今回の多元接続に収容される端末のデータフレームの中に最も長いデータフレームの終端ポイント、時間スロット＃１０を終了ポイントとし、今回のマルチユーザデータフレームに終了の区切りを付ける。

（フレーム長が最も短いデータフレームを終端ポイント）
また、フレーム長が最も短いデータフレームを終端ポイントとすることも可能である。
図６（ａ）、（ｂ）は、本第１実施形態による、終了ポイントの決定方法の他の例を示す概念図である。図６（ａ）には、図４（ａ）と同様、終了ポイントを決定しておらず、今回のマルチユーザデータフレームの区切りを実施していない状態を示している。図６（ｂ）に示すように、今回の多元接続に収容される端末のデータフレームの中に最も短いデータフレームの終端ポイント、時間スロット＃３を終了ポイントとし、今回のマルチユーザデータフレームに終了の区切りを付ける。

（固定期間長を設定し、マルチユーザデータフレームの開始ポイントからその期間長を経過したフレームポイントを終端ポイント）
更に、固定期間長を設定し、マルチユーザデータフレームの開始ポイントからその期間長を経過したフレームポイントを終端ポイントとすることも可能である。
図７（ａ）、（ｂ）は、本第１実施形態による、終了ポイントの決定方法の他の例を示す概念図である。図７（ａ）には、図４（ａ）と同様、終了ポイントを決定しておらず、今回のマルチユーザデータフレームの区切りを実施していない状態を示している。図７（ｂ）に示すように、今回の多元接続に対して、固定期間長４時間スロットを設定し、今回のマルチユーザデータフレームの開始ポイントから４スロット分を経過したフレームポイントを終了ポイントにして、今回のマルチユーザデータフレームに終了の区切りを付ける。

上述したように、終了ポイントの基準は、他にいろいろ考えられるが、いかなる終了ポイントの決定基準を適用しても、本発明の範疇を超えるものでない。

終了ポイントを決定し、今回のマルチユーザデータフレームに終了の区切りを付けた後、終了ポイントに対する超過部分、及び不足部分の調節を行う。今回の多元接続に参加する端末の中に、そのデータフレーム長が終了ポイントを超過することがあれば、超過した分の情報データを、複数回の多元接続を実施する今回のマルチユーザ通信機会の中の次回以後の多元接続の実施に持ち越す。

また、今回の多元接続に参加する端末の中に、そのデータフレーム長が終了ポイントまで不足することがあれば、不足する分のパディングデータ（つまり、ダミーデータ）を埋め込み、データフレーム長を終了ポイントに合わせる。

また、本第１実施形態のように、合計通信期間に制限がある場合には、今回の多元接続の実施に対応するマルチユーザデータフレームの開始ポイントから終了ポイントまでのマルチユーザデータフレーム長の長さ分に対応するサブ通信期間Ｔ_ｍｉｎを、合計通信期間Ｔ_ａｌｌから減算し、合計通信期間Ｔ_ａｌｌを更新する。

また、各回の多元接続の実施に対応するマルチユーザデータフレームの間に、制御信号や制御区間を挿入する場合がある。例えば、無線ＬＡＮでは、データフレームの先頭に、プリアンブル制御信号を挿入することや、通信フレーム間にＳＩＦＳ（Short Inter Frame Space：短フレーム間隔）を挿入することがある。このような場合には、合計通信期間Ｔ_ａｌｌから、マルチユーザデータフレーム長に対応するサブ通信期間Ｔ_ｍｉｎに加えて制御信号や制御区間の長さ分も減算し、合計通信期間Ｔ_ａｌｌを更新する。

一方、合計通信期間Ｔ_ａｌｌがサブ通信期間Ｔ_ｍｉｎ以上でない場合（合計通信期間が不足した場合）、あるいは、割当てた端末数が初期化処理で設定した収容可能な端末数Ｎ_ａｌｌに達した場合（収容可能な端末が全部割当られた場合）には（ステップＳ３のＮＯ）、反復処理を終了し、最後に、終期化処理を実行する（ステップＳ７）。

ステップＳ７の終期化処理では、残りの合計通信期間Ｔ_ａｌｌが０でなければ、残った通信期間分を削除し、削除した通信期間においては通信を行わずに通信機会を解放する。そうすることで、利用されない周波数資源の低減につながる。図１に示す４回目の多元接続の実施以後のバツを付けた部分は、削除された残余通信期間である。反復処理終了後、残りの未割当端末数Ｎ_ａｌｌが０でなければ、残った端末の通信を次回以後の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信機会に持ち越す。その後、当該処理を終了する。

本第１実施形態では、利用可能な合計通信期間に制限Ｔ_ａｌｌを設けているため、必ずしも全ての収容可能端末を収容しない。図１に示すように、結果として、４回の多元接続実施で全部１５個の端末に対して、端末＃８、端末＃１０、端末＃１３、端末＃１５以外は、一回のマルチユーザ通信機会で全部収容している。しかも、通信の期間が予めに保証される。

本第１実施形態では、下り（あるいは上り）リンク通信に、端末が１つしかない。つまり、事実上、単一端末と、アクセスポイントあるいは基地局との間のシングルユーザ通信となった場合には、マルチキャリア多重通信方式ＯＦＤＭ、あるいはマルチアンテナ多重通信方式ＳＤＭ、あるいはマルチアンテナ時空間符号方式ＳＴＣ（Space Time Code）、あるいはインタ−リーバ多重通信方式ＩＤＭ（Interleaved Division Multiplexing）、もしくはそれらの多重通信方式の組合せを適用する。

また、下り（あるいは上り）リンク通信が、複数の端末と、アクセスポイントあるいは基地局との間のマルチユーザ通信となった場合には、マルチキャリア多元接続方式ＯＦＤＭＡ、あるいはマルチアンテナ多元接続方式ＳＤＭＡ、あるいはインタ−リーバ多元接続方式ＩＤＭＡ（Interleaved Division Multiple Access）、あるいはそれらの多元接続方式の組合せ、あるいはそれらの多元接続方式と上記多重通信方式との組合せ、例えば、ＯＦＤＭＡ−ＳＤＭＡ、ＯＦＤＭＡ−ＳＤＭ、ＯＦＤＭ−ＳＤＭＡなどを適用することができる。このようないかなる通信方式を適用しても、本発明の範疇を超えるものでない。また、複数回の多元接続の実施について、それぞれ異なる多元接続方式を適用してもよい。例えば、一回目はＯＦＤＭＡ−ＳＤＭ、二回目はＳＤＭＡ−ＯＦＤＭを適用することができる。

Ｂ．第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図８は、本第２実施形態による、無線ＬＡＮをベースにした通信ネットワークにおけるマルチユーザ通信のデータフレームを示す概念図である。アクセスポイントＡＰは、ある任意のｋ回目の通信チャネルに対する通信機会を獲得し、下り（あるいは上り）リンクのマルチユーザ通信を行う。この一回のマルチユーザ通信機会の中で、図８に示すように、５回の多元接続、つまり、複数回の多元接続を実施する。図１５に示した従来技術による複数回のマルチユーザ通信の単独実施に比べ、合計通信チャネル占有期間が大幅に短縮していることが分かる。その理由は、従来技術による複数回の多元接続の実施に必要な複数回の通信機会の獲得を一回までに低減したことと、高効率なマルチユーザデータフレームを構築できていることにある。

図９は、本第２実施形態によるアクセスポイントＡＰの構成を示すブロック図である。図２において、アクセスポイントＡＰは、設定部２０と、マルチユーザデータフレーム構築部２１とを備えている。設定部２０は、一回の下り（あるいは上り）リンク通信に参加する端末を選定し、その選定した端末数Ｎ_ＳＴＡを未割当端末数に設定する。設定部２０は、一回の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信に実施される複数回の多元接続の中の一回の多元接続の通信に利用できる周波数軸、あるいは空間軸、あるいは符号軸、もしくはそれらの軸を組合せたサブチャネル数Ｎ_ｓｕｂを設定する。本第２実施形態では、第１実施形態において設定した合計通信期間の制限を設けない。

マルチユーザデータフレーム構築部２１は、未割当端末数Ｎ_ＳＴＡが０になるまで、サブチャネル数Ｎ_ｓｕｂを上限に、残りの未割当端末数Ｎ_ＳＴＡを更新（端末を割当てる度に１ずつ減算）しながら、通信機会を獲得したフレーム（アグリゲーションマルチユーザデータフレーム）に対する多元接続通信の端末割当を実行するとともに、サブフレームの終了ポイントを効率的に決定することで、１フレーム内の１サブキャリアを複数の端末で共有できるようにフレームを構築する。

図１０は、本第２実施形態のアクセスポイントＡＰによるマルチユーザデータフレームの構築を実現するためのフローチャートである。図１０のフローチャートで示される手順は、通信機会の獲得する前と獲得した後のどちらで適用してもよく、適用するタイミングに制限はない。

一回の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信機会の中で、複数回の多元接続を統合して実施するには、その複数回の多元接続において、予め、一回の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信機会に通信に参加する端末群の選定を行い、その選定した端末群に対して、できるだけ通信期間を短縮し、高効率に複数回の多元接続を統合して実施できるように、図１０に示すフローチャートに従って、以下の初期化処理、及び反復処理を適用する。

まず、ステップＳ１０の初期化処理では、以下の設定を行う。
・一回の下り（あるいは上り）リンク通信に参加する端末を選定し、その選定した端末数Ｎ_ＳＴＡを未割当端末数に設定する。例えば、図１５に示した１５個の端末の全てを今回のマルチユーザ通信に参加するように選定する。従って、未割当端末数も１５台となる。但し、利用できる合計通信期間の制限を設けないため、１５台の端末の通信が全て終了まで通信継続する。

・一回の下り（あるいは上り）リンクマルチユーザ通信に実施される複数回の多元接続の中の一回の多元接続の通信に利用できる周波数軸、あるいは空間軸、あるいは符号軸、もしくはそれらの軸の組合せたサブチャネル数Ｎ_ｓｕｂを設定する。図８では、サブチャネル数Ｎ_ｓｕｂを４と設定している。これは、周波数軸でも、空間軸でも他の軸でもよい。また、それらの軸の組合せたサブチャネル数でもよい。

次に、ステップＳ１１〜Ｓ１４の反復処理では、初期化処理で選定した通信に参加する端末が全部割当てられるまで、以下の処理を行う。
まず、変数ｋを１とし（ステップＳ１１）、ｋ回目多元接続の実施判断として、選定した端末数Ｎ_ＳＴＡが０より大であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。そして、端末数Ｎ_ＳＴＡが０より大である場合には（ステップＳ１２のＹＥＳ）、初期処理で設定したサブチャネル数Ｎ_ｓｕｂを上限に、今回の多元接続の実施に参加する端末の割当を実施し（ステップＳ１３）、今回の多元接続の実施に割当てた全端末のマルチユーザデータフレームを構築し（ステップＳ１４）、変数ｋを１つインクリメントし（ステップＳ１５）、ステップＳ１２に戻る。

すなわち、反復継続と判断された場合（ステップＳ１２のＹＥＳ）、反復処理では、まず、ステップＳ１３で、初期処理で設定したサブチャネル数Ｎ_ｓｕｂを上限に、今回の多元接続の実施に参加する端末の割当を実施する。その後、残りの未割当端末数Ｎ_ＳＴＡを更新する。端末割当については、第１実施形態と同様な方法を適用する。次に、ステップＳ１４で、今回の多元接続の実施に割当てた全端末のマルチユーザデータフレームを構築する。マルチユーザデータフレーム構築についても、第１実施形態と同様の方法を適用する。

本第２実施形態では、合計通信期間の制限はないため、初期化処理で選定した通信に参加する全ての端末が割当られ、全体のアグリゲーションマルチユーザデータフレームを構築する。図８の例では、全部で５回の多元接続が実施し、全部で１５台の端末が一回のマルチユーザ通信機会で収容される。但し、必要な通信期間は、予め保証されない。

本第２実施形態は、下り（あるいは上り）リンク通信に、端末が１つしかない場合、つまり、事実上、単一端末と、アクセスポイントあるいは基地局との間のシングルユーザ通信となった場合には、マルチキャリア多重通信方式ＯＦＤＭ、あるいはマルチアンテナ多重通信方式ＳＤＭ、あるいはマルチアンテナ時空間符号方式ＳＴＣ、あるいはインタ−リーバ多重通信方式ＩＤＭ、もしくはそれらの多重通信方式の組合せを適用することができる。

また、下り（あるいは上り）リンク通信が、複数の端末と、アクセスポイントあるいは基地局との間のマルチユーザ通信となった場合には、マルチキャリア多元接続方式ＯＦＤＭＡ、あるいはマルチアンテナ多元接続方式ＳＤＭＡ、あるいはインタ−リーバ多元接続方式ＩＤＭＡ、あるいはそれらの多元接続方式の組合せ、あるいはそれらの多元接続方式と上記多重通信方式との組合せ、例えば、ＯＦＤＭＡ−ＳＤＭＡ、ＯＦＤＭＡ−ＳＤＭ、ＯＦＤＭ−ＳＤＭＡなどを適用することができる。このようないかなる通信方式を適用しても、本発明の範疇を超えるものでない。また、複数回の多元接続の実施について、それぞれ異なる多元接続方式を適用してもよい。例えば、一回目はＯＦＤＭＡ‐ＳＤＭ、二回目はＳＤＭＡ−ＯＦＤＭなどである。

Ｃ．発明の数値実験結果
次に、本実施形態の定量的効果を示す。図１１は、第１実施形態の数値実験例（シミュレーション評価結果）を示す概念図である。図１２は、本発明と従来技術とにおける、オファードロード（各端末のトラヒック量）と９０％遅延時間の関係特性を示す概念図である。本発明を導入するシステムとして、無線ＬＡＮシステムを想定し、無線ＬＡＮシステムの下りリンク通信において、本発明を適用した場合の通信特性を評価する。

ＭＡＣプロトコルとして、図１１の上段、中段に示すものを用いるものとする。本発明を用いる場合には、図１１が生成され、それらが一回の通信機会にて通信される。一方、従来技術の場合には、図１１の下段右側（ｂ）に示すように、一回の通信機会で１つのマルチユーザデータフレームが通信される。図１２にも示されるように、本発明の方が従来技術に比べ、９０％遅延時間を低減していることが分かる。

ここでは、従来技術と本発明ともに、無線ＬＡＮの標準規格であるＩＥＥＥ８０２．１１ｇに準拠するパラメータを適用する。通信機会の獲得する媒体アクセス方式としては、ＩＥＥＥ８０２．１１標準規格で採用されているＣＳＭＡ／ＣＡ方式を用いている。下りリンクマルチユーザ通信、及び上りリンクマルチユーザ通信を実現する多元接続方式としては、直交周波数多元接続ＯＦＤＭＡ方式を用いている。１３サブキャリア１５ＯＦＤＭＡシンボルを、１つの基本単位として一回で最大４ユーザまで多元接続可能なマルチユーザ通信を行った。勿論、本発明の有効性は、ＯＦＤＭＡに限定するものではないため、空間分割多元接続ＳＤＭＡやインタリーブ分割多元接続ＩＤＭＡを適用しても、同様な効果が得られる。

上述した第１、第２実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）一回の通信機会の中で複数回の多元接続を統合的に実施することにより、収容できる端末数は、一回の多元接続のサブチャネル数に制限されなくなり、より多くの端末に通信サービスを提供することができる。
（２）一回の通信機会の中で複数回の多元接続を統合的に実施することにより、周波数利用効率の低い通信機会獲得処理（ランダムアクセス）を減らすことができるため、複数回の多元接続を分けて単独に実施するに必要な複数回分の制御信号が一回分までに削減し、周波数資源の利用効率が向上し、遅延時間も短縮することができる。
（３）一回の通信機会の中で複数回の多元接続を統合的に実施することにより、複数回の多元接続の実施に含まれる毎回の多元接続における端末割当と多元接続方式選定とデータフレーム構築の柔軟さが向上し、結果的に未利用周波数資源の少ないマルチデータフレーム構築が可能となり、周波数資源の利用効率が向上する。また、長いユーザデータフレームを持つ端末の通信中に、他の端末の割込み通信も可能となり、遅延時間を短縮することができる。

Ｓ１、Ｓ１０ 初期化処理
Ｓ２〜Ｓ６、Ｓ１１〜Ｓ１４ 反復処理
Ｓ７ 終期化処理
ＡＰ アクセスポイント（基地局）
１０、２０ 設定部
１１、２１ マルチユーザデータフレーム構築部
１２ 終期化部

Claims (12)

1. 一回の通信機会における通信期間に応じた長さのフレームにより、複数のサブチャネル毎に端末と通信する無線通信システムであって、
   前記通信期間内に、複数のサブ通信期間を設定する設定部と、
   複数の端末のそれぞれを、複数の前記サブ通信期間のいずれかに割当てたマルチユーザデータフレームを構築するマルチユーザデータフレーム構築部と、
   を備え、
   前記設定部は、複数の前記端末のうち、当該端末が通信するデータフレーム長に応じて、前記一回の通信機会に収容する端末をさらに設定することを特徴とする無線通信システム。
2. 一回の通信機会における通信期間に応じた長さのフレームにより、複数のサブチャネル毎に端末と通信する無線通信システムであって、
   前記通信期間内に、複数のサブ通信期間を設定する設定部と、
   複数の端末のそれぞれを、複数の前記サブ通信期間のいずれかに割当てたマルチユーザデータフレームを構築するマルチユーザデータフレーム構築部と、
   を備え、
   前記設定部は、複数の前記端末のうち、予め選定した端末を、前記一回の通信機会に収容する端末としてさらに設定することを特徴とする無線通信システム。
3. 一回の通信機会における通信期間に応じた長さのフレームにより、複数のサブチャネル毎に端末と通信する無線通信システムであって、
   前記通信期間内に、複数のサブ通信期間を設定する設定部と、
   複数の端末のそれぞれを、複数の前記サブ通信期間のいずれかに割当てたマルチユーザデータフレームを構築するマルチユーザデータフレーム構築部と、
   を備え、
   前記マルチユーザデータフレーム構築部は、端末が通信するデータフレーム長が近い、あるいはその比率が整数に近い端末同士を、同じサブ通信期間に割当てることを特徴とする無線通信システム。
4. 一回の通信機会における通信期間に応じた長さのフレームにより、複数のサブチャネル毎に端末と通信する無線通信システムであって、
   前記通信期間内に、複数のサブ通信期間を設定する設定部と、
   複数の端末のそれぞれを、複数の前記サブ通信期間のいずれかに割当てたマルチユーザデータフレームを構築するマルチユーザデータフレーム構築部と、
   を備え、
   前記マルチユーザデータフレーム構築部は、端末が通信するデータフレーム長が長い端末を、前記複数のサブ通信期間のうち、より早いサブ通信期間に割当てることを特徴とする無線通信システム。
5. 一回の通信機会における通信期間に応じた長さのフレームにより、複数のサブチャネル毎に端末と通信する無線通信システムであって、
   前記通信期間内に、複数のサブ通信期間を設定する設定部と、
   複数の端末のそれぞれを、複数の前記サブ通信期間のいずれかに割当てたマルチユーザデータフレームを構築するマルチユーザデータフレーム構築部と、
   を備え、
   前記マルチユーザデータフレーム構築部は、端末が通信するデータフレーム長が、前記サブ通信期間において通信可能なフレーム長よりも長い端末について、当該端末のデータフレームを、複数のサブ通信期間におけるマルチユーザデータフレームに分割することを特徴とする無線通信システム。
6. 一回の通信機会における通信期間に応じた長さのフレームにより、複数のサブチャネル毎に端末と通信する無線通信システムであって、
   前記通信期間内に、複数のサブ通信期間を設定する設定部と、
   複数の端末のそれぞれを、複数の前記サブ通信期間のいずれかに割当てたマルチユーザデータフレームを構築するマルチユーザデータフレーム構築部と、
   を備え、
   前記マルチユーザデータフレーム構築部は、前記マルチユーザデータフレームを構築する際に、複数のサブ通信期間におけるマルチユーザデータフレームが互いに独立するように、サブ通信期間毎のマルチユーザデータフレームに終了の区切りを付ける終了ポイントを決定することを特徴とする無線通信システム。
7. 一回の通信機会における通信期間に応じた長さのフレームにより、複数のサブチャネル毎に端末と通信する無線通信システムの無線通信方法であって、
   前記通信期間内に、複数のサブ通信期間を設定する設定ステップと、
   複数の端末のそれぞれを、複数の前記サブ通信期間のいずれかに割当てたマルチユーザデータフレームを構築するマルチユーザデータフレーム構築ステップと、
   を備え、
   前記設定ステップでは、複数の前記端末のうち、当該端末が通信するデータフレーム長に応じて、前記一回の通信機会に収容する端末をさらに設定することを特徴とする無線通信方法。
8. 一回の通信機会における通信期間に応じた長さのフレームにより、複数のサブチャネル毎に端末と通信する無線通信システムの無線通信方法であって、
   前記通信期間内に、複数のサブ通信期間を設定する設定ステップと、
   複数の端末のそれぞれを、複数の前記サブ通信期間のいずれかに割当てたマルチユーザデータフレームを構築するマルチユーザデータフレーム構築ステップと、
   を備え、
   前記設定ステップでは、複数の前記端末のうち、予め選定した端末を、前記一回の通信機会に収容する端末としてさらに設定することを特徴とする無線通信方法。
9. 一回の通信機会における通信期間に応じた長さのフレームにより、複数のサブチャネル毎に端末と通信する無線通信システムの無線通信方法であって、
   前記通信期間内に、複数のサブ通信期間を設定する設定ステップと、
   複数の端末のそれぞれを、複数の前記サブ通信期間のいずれかに割当てたマルチユーザデータフレームを構築するマルチユーザデータフレーム構築ステップと、
   を備え、
   前記マルチユーザデータフレーム構築ステップでは、端末が通信するデータフレーム長が近い、あるいはその比率が整数に近い端末同士を、同じサブ通信期間に割当てることを特徴とする無線通信方法。
10. 一回の通信機会における通信期間に応じた長さのフレームにより、複数のサブチャネル毎に端末と通信する無線通信システムの無線通信方法であって、
    前記通信期間内に、複数のサブ通信期間を設定する設定ステップと、
    複数の端末のそれぞれを、複数の前記サブ通信期間のいずれかに割当てたマルチユーザデータフレームを構築するマルチユーザデータフレーム構築ステップと、
    を備え、
    前記マルチユーザデータフレーム構築ステップでは、端末が通信するデータフレーム長が長い端末を、前記複数のサブ通信期間のうち、より早いサブ通信期間に割当てることを特徴とする無線通信方法。
11. 一回の通信機会における通信期間に応じた長さのフレームにより、複数のサブチャネル毎に端末と通信する無線通信システムの無線通信方法であって、
    前記通信期間内に、複数のサブ通信期間を設定する設定ステップと、
    複数の端末のそれぞれを、複数の前記サブ通信期間のいずれかに割当てたマルチユーザデータフレームを構築するマルチユーザデータフレーム構築ステップと、
    を備え、
    前記マルチユーザデータフレーム構築ステップでは、端末が通信するデータフレーム長が、前記サブ通信期間において通信可能なフレーム長よりも長い端末について、当該端末のデータフレームを、複数のサブ通信期間におけるマルチユーザデータフレームに分割することを特徴とする無線通信方法。
12. 一回の通信機会における通信期間に応じた長さのフレームにより、複数のサブチャネル毎に端末と通信する無線通信システムの無線通信方法であって、
    前記通信期間内に、複数のサブ通信期間を設定する設定ステップと、
    複数の端末のそれぞれを、複数の前記サブ通信期間のいずれかに割当てたマルチユーザデータフレームを構築するマルチユーザデータフレーム構築ステップと、
    を備え、
    前記マルチユーザデータフレーム構築ステップでは、前記マルチユーザデータフレームを構築する際に、複数のサブ通信期間におけるマルチユーザデータフレームが互いに独立するように、サブ通信期間毎のマルチユーザデータフレームに終了の区切りを付ける終了ポイントを決定することを特徴とする無線通信方法。

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