JP5889815B2

JP5889815B2 - 無線ｌａｎ装置およびバックオフ制御方法

Info

Publication number: JP5889815B2
Application number: JP2013031902A
Authority: JP
Inventors: 朗岸田; 匡史岩渕; 俊之新宅; 阪田　徹; 徹阪田; 明則蛭川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: JP2014165512A

Description

本発明は、ＤＣＦ(Distributed Coordination Function) を利用するＩＥＥＥ802.11規格準拠の無線ＬＡＮ装置において、バックオフパラメータおよびバックオフアルゴリズムを通信環境に応じて最適制御する無線ＬＡＮ装置およびバックオフ制御方法に関する。

ＩＥＥＥ802.11規格（非特許文献１）に準拠の無線ＬＡＮ装置では、フレームの送信前にランダムのバックオフ時間を設けて、他端末との衝突を回避するバックオフ制御を行っている（非特許文献２，３）。バックオフ時間は、バックオフ値に規格規定のスロット時間を乗算したものとなる。バックオフ値は、０〜ＣＷ(Contention Window) の値の範囲からランダムに選択したものであり、衝突等の送信失敗による再送回数に応じて、ＣＷの値が増加する。

ＣＷは、その初期値をＣＷmin 、再送回数をｎとすると、ＣＷ＝（ＣＷmin＋１)×２ⁿとなり、最大値ＣＷmax より大きくなることはない。このバックオフアルゴリズムをＢＥＢ(Binary Exponential Backoff)と呼ぶ。ＣＷは、送信失敗毎にＣＷmax までの範囲で拡大していくが、送信成功時にＣＷmin にリセットされる。

IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (pp.836-837)，2012 守倉正博，久保田周治( 監修), 802.11 高速無線ＬＡＮ教科書，インプレス，2008 Giuseppe Bianchi.,"Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function," IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL.18, NO.3, MARCH 2000

無線ＬＡＮ装置は、ＩＥＥＥ802.11規格で規定されたバックオフパラメータおよびバックオフアルゴリズムを用い、送信の成否に基づいてＣＷを設定する構成であり、周囲の通信環境（トラヒック量や端末数など）に適合する最適値設定は行っていない。

そのため、無線チャネルを共用利用する端末が多数存在する環境下、特に送信を行う端末の数がＣＷmin の値を超える場合に、初回送信時において衝突が不可避となる。そして、衝突−ＣＷ増加−送信成功−ＣＷをＣＷmin にリセット−衝突という、送信失敗と成功の好ましくない遷移を繰り返し、通信品質が不安定になることがある。よって、多数の端末が通信を行う環境下においては、通信品質が不安定になり、システム全体のスループット特性が低下していた。

本発明は、通信環境に応じてバックオフパラメータおよびバックオフアルゴリズムを最適制御し、通信品質を安定させるとともにシステムスループット特性を改善することができる無線ＬＡＮ装置およびバックオフ制御方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、無線ＬＡＮ規格に基づくバックオフパラメータを用いてバックオフ制御を行う無線ＬＡＮ装置のバックオフ制御方法において、通信エリア内で送受信されるデータフレームおよびＡＣＫフレームをモニタし、所定の検出期間内に検出されるフレーム数に応じて、通信エリアの混雑を示す無線稠密度を推定するステップ１と、バックオフ制御に用いるバックオフパラメータの１つであるＣＷの初期値ＣＷmin について、初回送信時は無線ＬＡＮ規格の規定値を適用し、送信失敗による再送時に無線稠密度に応じて無線ＬＡＮ規格の規定値より大きな値に設定し、送信成功時に無線ＬＡＮ規格の規定値を設定するバックオフアルゴリズムを実行するステップ２とを有する。

第１の発明のバックオフ制御方法において、ステップ２は、無線稠密度に応じて前記初期値ＣＷmin を設定するときに、ＣＷの最大値ＣＷmax として、一定値または最大再送回数に応じた値を設定する。

第１の発明のバックオフ制御方法において、ステップ２は、無線稠密度があらかじめ設定される規定値を超えたときに、無線稠密度に応じた初期値ＣＷmin を設定するバックオフアルゴリズムを実行する。

第２の発明は、無線ＬＡＮ規格に基づくバックオフパラメータを用いてバックオフ制御を行う無線ＬＡＮ装置のバックオフ制御方法において、無線ＬＡＮ装置の位置情報から得られる場所ごとに決められている無線稠密度を設定するステップ１と、無線稠密度に応じて、前記バックオフ制御に用いるバックオフパラメータおよびバックオフアルゴリズムを設定するステップ２とを有する。

第３の発明は、無線ＬＡＮ規格に基づくバックオフパラメータを用いてバックオフ制御を行う無線ＬＡＮ装置において、通信エリア内で送受信されるデータフレームおよびＡＣＫフレームをモニタし、所定の検出期間内に検出されるフレーム数に応じて、通信エリアの混雑を示す無線稠密度を推定する通信環境推定手段と、バックオフ制御に用いるバックオフパラメータの１つであるＣＷの初期値ＣＷmin について、初回送信時は無線ＬＡＮ規格の規定値を適用し、送信失敗による再送時に無線稠密度に応じて無線ＬＡＮ規格の規定値より大きな値に設定し、送信成功時に無線ＬＡＮ規格の規定値を設定するバックオフアルゴリズムを実行するバックオフ制御手段とを備える。

第３の発明の無線ＬＡＮ装置において、バックオフ制御手段は、無線稠密度に応じて初期値ＣＷmin を設定するときに、ＣＷの最大値ＣＷmax として、一定値または最大再送回数に応じた値を設定する構成としてもよい。また、バックオフ制御手段は、無線稠密度があらかじめ設定される規定値を超えたときに、無線稠密度に応じた初期値ＣＷmin を設定するバックオフアルゴリズムを実行する構成としてもよい。
第４の発明は、無線ＬＡＮ規格に基づくバックオフパラメータを用いてバックオフ制御を行う無線ＬＡＮ装置において、無線ＬＡＮ装置の位置情報から得られる場所ごとに決められている無線稠密度を設定する通信環境推定手段と、無線稠密度に応じて、バックオフ制御に用いるバックオフパラメータおよびバックオフアルゴリズムを設定するバックオフ制御手段とを備える。

本発明は、通信環境の指標となる無線稠密度を推定し、無線稠密度に応じたバックオフパラメータおよびバックオフアルゴリズムを選択する。これにより、混雑している環境では、例えばＣＷの最小値ＣＷmin を大きな値に設定することができ、衝突を回避して再送回数を減らし、通信品質の安定とシステムスループットの増加を図ることができる。

本発明の無線ＬＡＮ装置の実施例構成を示す図である。本発明のバックオフ制御方法の処理手順を示すフローチャートである。端末台数に対する送信失敗率を示す図である。端末台数に対するスループット特性の改善効果を示す図である。

図１は、本発明の無線ＬＡＮ装置の実施例構成を示す。ここに示す無線ＬＡＮ装置は、無線ＬＡＮの基地局および端末のいずれにも適用可能である。

図１において、本発明の無線ＬＡＮ装置は、送信部１１、受信部１２、通信環境推定部１３、無線稠密度データベース１４、バックオフ制御部１５により構成される。各部の制御手順を図２に示す。

図１および図２において、通信環境推定部１３は、受信部１２に受信したフレームの種別およびフレーム数により、通信環境として無線稠密度を推定する（Ｓ１）。推定された無線稠密度に応じたバックオフパラメータを、無線稠密度データベース１４から読み出してバックオフ制御部１５に設定する（Ｓ２）。バックオフ制御部１５は、無線稠密度に応じたバックオフパラメータおよびバックオフアルゴリズムを送信部１１に設定し（Ｓ３）、フレーム送信を制御する。

以下、無線ＬＡＮ装置の各部の機能および動作について詳細に説明する。
無線稠密度は、無線ＬＡＮ装置が存在する通信エリアの混雑を表す本発明独自の指標である。受信部１２は、通信エリア内で送受信されるデータフレームおよびＡＣＫフレームをモニタし、所定の検出期間内に検出されるフレームをカウントして通信環境推定部１３に通知する。所定の検出期間としては、ビーコン周期またはその整数倍、数フレーム前からのバックオフ期間、固定時間（例えば 100秒）などである。当該フレームは、通信用無線ＬＡＮインタフェースが送信を行っていないときにモニタするか、あるいは観測用の無線ＬＡＮインタフェースを有する場合は通信用無線ＬＡＮインタフェースが送信中であってもよい。

通信環境推定部１３は、受信部１２から通知されたデータフレーム数をＡ、ＡＣＫフレーム数をＢ、オフセットをＣとして、無線稠密度を次式に基づいて算出する。
無線稠密度＝１−（Ｂ／Ａ）＋Ｃ

なお、データフレーム数ＡおよびＡＣＫフレーム数Ｂは、自端末以外のフレームに限る、あるいは自端末以外のフレームと自端末のフレームを含めてもよい。前者は周囲の通信環境を重視する場合である。後者は自端末の送信成否に比重を置くものであり、例えば自端末以外のフレーム数と自端末のフレーム数に当該比重に応じた重み付けをしてもよい。

オフセットＣは、無線稠密度からバックオフパラメータへの最適な変換が行われるように、無線ＬＡＮ装置に予め設定される値、または通信環境に適合するように無線ＬＡＮ装置が自律的に設定する値である。

例えば、マルチキャストフレーム数に応じた衝突係数を用いてもよい。マルチキャストはＡＣＫをそもそも要求しないため，観測するマルチキャストフレーム数に応じて、単位時間あたりＸ個のマルチキャストフレームが送信されている場合、これらと通常のフレームが衝突する確率はＹであると仮定し、このＹをオフセットＣとする。なお、（観測したマルチキャストフレーム数）×（１−Ｙ）の仮想的なＡＣＫフレーム数を、ＡＣＫフレームのカウントに加算する処理をしてもよい。

また、マネジメントフレーム等を含めた全フレームの時間率係数を用いてもよい。これは、マネジメントフレーム等を含む送信されたフレームが単位時間に占める割合に着目し、このフレーム帯域占有率ＺをオフセットＣとする。たとえば、１ビーコン周期中，60％が通信に使われている場合、 0.6×任意値をオフセットＣとする。

また、フレームの伝送レートの分布に応じた任意値を用いてもよい。これは、低速端末が混在して再送が多発すると、端末数が少なくても無線稠密度は上がることを考慮するためのもので、単位時間あたりに観測した平均伝送レート、およびその分散値に比例した値をオフセットＣとする。低速なほど値が高くなる。

以上を考慮して算出した無線稠密度に応じて、バックオフパラメータは次のように設定することができる。

まず、無線稠密度から現在通信を行っている端末台数を推定する。無線稠密度データベース１４には、図３に示す飽和トラヒック（端末のキューに常に送信すべきデータがある状態）時の端末数に対する送信失敗率を計算機シミュレーションした結果または実測値のデータベースがある。このデータベースを参照し、無線稠密度を送信失敗率に置き換え、送信失敗率から端末台数を逆算する。

次に、推定した端末台数に応じた最適なＣＷの初期値ＣＷmin を次のように設定する。無線稠密度データベース１４には、端末台数に対するＣＷ比率とシステムスループットの関係を計算機シミュレーションした結果または実測値のデータベースがある。このデータベースを参照してスループットを最大にするＣＷ比率を読み出し、推定した端末台数と掛け合わせて最適なＣＷの初期値ＣＷmin を設定する。例えば端末台数が30台で、スループットを最大にするＣＷ比率が３であれば、ＣＷmin ＝30×３＝90となる。

次に、ＣＷの初期値ＣＷmin と最大再送回数に応じた最大値ＣＷmax を設定する。例えば、ＣＷmin を基準に、ＢＥＢに基づいてＣＷを拡大していったときの最大再送回数時のＣＷをＣＷmax として設定する。すなわち、無線稠密度に応じたＣＷmin を規格規定値より大きい値としたときに、最大再送回数に応じてＣＷmax を規格規定値より大きい値に設定可能となる。

その他に無線稠密度に応じて設定可能なバックオフパラメータを以下に示す。
無線稠密度に応じたＡＣ（アクセスカテゴリ）を設定する。例えば、あらかじめ無線週密度に応じたＡＣ（ＩＦＳパラメータ，ＣＷレンジ等が定義されたパラメータセット）を用意しておき、無線稠密度に応じて端末が送信に用いる最適なＡＣを設定する。このとき、ＡＣはＩＥＥＥ802.11e に準拠したものに対応づけてもよいし、独自のパラメータセットを定義したＡＣを適用してもよい。また、ＡＣを適用する代わりに、ＩＦＳパラメータのみ、バックオフアルゴリズムのみを無線稠密度に応じたパラメータセットに変更してもよい。

無線稠密度に応じて、ＲＴＳ／ＣＴＳの使用可否を設定する。例えば、無線稠密度が一定値ａ以上の場合，ＲＴＳ／ＣＴＳの使用を決定し、それ以下の場合では使わない。

無線稠密度に応じて、ＮＡＶのduration設定上限を設定する。例えば、無線稠密度に応じて、端末が設定可能なＮＡＶおよびＡＰが指定する特定端末向けのＮＡＶのduration（期間長）の上限を指定する。

以上のように、無線稠密度に応じたバックオフパラメータを設定し、さらに無線稠密度に応じたバックオフアルゴリズムを以下の方式から選択して設定する。

（方式１）
無線稠密度に応じたバックオフパラメータ（ＣＷmin とＣＷmax ）を適用し、再送に伴うＣＷの拡大は通常のＢＥＢに従う。

（方式２）
無線稠密度に応じたＣＷmin を適用し、ＣＷmax ＝ＣＷmin として再送に伴うＣＷの拡大は行わない。これは、無線稠密度に応じたＣＷmin が極めて大きな値になる場合に有効である。

（方式３）
初回送信時は規格規定のＣＷmin を適用し、送信失敗による再送時にＢＥＢに応じたＣＷに拡大するのではなく、無線稠密度に応じたＣＷmin を設定し直す。例えば、規格規定のＣＷmin が15で、再送時に30にするところ、無線稠密度に応じたＣＷmin として90を設定する。ただし、通信成功時には規格規定のＣＷmin に初期化する。無線稠密度に応じたＣＷmin を設定した場合のＣＷ拡大方式は、方式１または方式２のいずれかに従う。

（方式４）
無線稠密度が規定値（任意の値を定義) を超えている場合は、無線稠密度に応じたＣＷmin を適用し、そうでない場合は規格規定のＣＷmin を適用する。無線稠密度に応じたＣＷmin を設定した場合のＣＷ拡大方式は、方式１または方式２のいずれかに従う。

（方式５）
無線稠密度に応じたバックオフ制御を行う端末では比較的大きなＣＷになり、そうでない従来端末では規格規定のＣＷmin のため比較的小さなＣＷとなることから、バックオフタイマがカウント停止する頻度が高ければ従来端末が多いと判断でき、低ければ無線稠密度に応じたバックオフ制御を行っている端末が多いと判断できる。これを利用し、周囲に無線稠密度に応じたバックオフ制御を行っている端末の数が多い場合は、無線稠密度に応じたＣＷmin を適用する。一方、当該端末の数が少ない場合（従来端末が多い場合）は、無線稠密度に応じたＣＷmin が規定値を超えた段階で、無線稠密度に応じたバックオフ制御を停止し、規格規定のＣＷmin を適用する。無線稠密度に応じたＣＷmin を設定した場合のＣＷ拡大方式は、方式１または方式２のいずれかに従う。

（方式６）
バックオフパラメータは無線稠密度に応じて設定するが、端末が自律的に周囲の状況を観測するのではなく、場所ごとにあらかじめ定められた無線稠密度からバックオフパラメータを設定する。すなわち、あらかじめ場所ごとの無線稠密度の標準値を観測しておき、端末の位置情報に応じた無線稠密度（例えばＡ地点に対して無線稠密度Ｂ）を取得し、対応するバックオフパラメータを一意的に設定する。無線稠密度に応じたＣＷmin を設定した場合のＣＷ拡大方式は、方式１または方式２のいずれかに従う。

無線稠密度に応じたバックオフパラメータおよびバックオフアルゴリズムが最適制御された場合のスループット特性の改善効果の一例を図４に示す。シミュレーション諸元は次の通りであり、端末数50台に対して約40％の改善効果を確認できた。
端末台数：10〜50台
無線稠密度の推定精度：完璧
伝送速度：54Ｍbit/s
規格規定のＣＷmin ：15
規格規定のＣＷmax ：1023
データペイロード：1500バイト
最大再送回数：６回
無線ＬＡＮ規格：ＩＥＥＥ802.11ｇ

１１送信部
１２受信部
１３通信環境推定部
１４無線稠密度データベース
１５バックオフ制御部

Claims

無線ＬＡＮ規格に基づくバックオフパラメータを用いてバックオフ制御を行う無線ＬＡＮ装置のバックオフ制御方法において、
通信エリア内で送受信されるデータフレームおよびＡＣＫフレームをモニタし、所定の検出期間内に検出されるフレーム数に応じて、通信エリアの混雑を示す無線稠密度を推定するステップ１と、
前記バックオフ制御に用いるバックオフパラメータの１つであるＣＷの初期値ＣＷmin について、初回送信時は前記無線ＬＡＮ規格の規定値を適用し、送信失敗による再送時に前記無線稠密度に応じて前記無線ＬＡＮ規格の規定値より大きな値に設定し、送信成功時に前記無線ＬＡＮ規格の規定値を設定するバックオフアルゴリズムを実行するステップ２と
を有することを特徴とするバックオフ制御方法。
請求項１に記載のバックオフ制御方法において、
前記ステップ２は、前記無線稠密度に応じて前記初期値ＣＷmin を設定するときに、前記ＣＷの最大値ＣＷmax として、一定値または最大再送回数に応じた値を設定する
ことを特徴とするバックオフ制御方法。
請求項１または請求項２に記載のバックオフ制御方法において、
前記ステップ２は、前記無線稠密度があらかじめ設定される規定値を超えたときに、前記無線稠密度に応じた初期値ＣＷmin を設定するバックオフアルゴリズムを実行する
ことを特徴とするバックオフ制御方法。
無線ＬＡＮ規格に基づくバックオフパラメータを用いてバックオフ制御を行う無線ＬＡＮ装置のバックオフ制御方法において、
前記無線ＬＡＮ装置の位置情報から得られる場所ごとに決められている無線稠密度を設定するステップ１と、
前記無線稠密度に応じて、前記バックオフ制御に用いるバックオフパラメータおよびバックオフアルゴリズムを設定するステップ２と
を有することを特徴とするバックオフ制御方法。
無線ＬＡＮ規格に基づくバックオフパラメータを用いてバックオフ制御を行う無線ＬＡＮ装置において、
通信エリア内で送受信されるデータフレームおよびＡＣＫフレームをモニタし、所定の検出期間内に検出されるフレーム数に応じて、通信エリアの混雑を示す無線稠密度を推定する通信環境推定手段と、
前記バックオフ制御に用いるバックオフパラメータの１つであるＣＷの初期値ＣＷmin について、初回送信時は前記無線ＬＡＮ規格の規定値を適用し、送信失敗による再送時に前記無線稠密度に応じて前記無線ＬＡＮ規格の規定値より大きな値に設定し、送信成功時に前記無線ＬＡＮ規格の規定値を設定するバックオフアルゴリズムを実行するバックオフ制御手段と
を備えたことを特徴とする無線ＬＡＮ装置。
請求項５に記載の無線ＬＡＮ装置において、
前記バックオフ制御手段は、前記無線稠密度に応じて前記初期値ＣＷmin を設定するときに、前記ＣＷの最大値ＣＷmax として、一定値または最大再送回数に応じた値を設定する構成である
ことを特徴とする無線ＬＡＮ装置
請求項５または請求項６に記載の無線ＬＡＮ装置において、
前記バックオフ制御手段は、前記無線稠密度があらかじめ設定される規定値を超えたときに、前記無線稠密度に応じた初期値ＣＷmin を設定するバックオフアルゴリズムを実行する構成である
ことを特徴とする無線ＬＡＮ装置
無線ＬＡＮ規格に基づくバックオフパラメータを用いてバックオフ制御を行う無線ＬＡＮ装置において、
前記無線ＬＡＮ装置の位置情報から得られる場所ごとに決められている無線稠密度を設定する通信環境推定手段と、
前記無線稠密度に応じて、前記バックオフ制御に用いるバックオフパラメータおよびバックオフアルゴリズムを設定するバックオフ制御手段と
を備えたことを特徴とする無線ＬＡＮ装置。