JP6151219B2 - 無線基地局装置および無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、通信エリア内に同一の周波数チャネルを用いる複数の無線基地局装置が存在する通信環境において、各無線基地局装置が効率よくビーコン（制御信号）を送信する無線基地局装置および無線通信方法に関する。

ＩＥＥＥ８０２．１１無線ＬＡＮ規格（非特許文献１）に準拠する無線基地局装置は、通信エリア内で接続中または接続可能性のあるすべての無線端末に対して制御情報を報知するために、各無線ＬＡＮ規格の最低伝送レート（１Ｍbps ）でビーコン（制御信号）を定期的にブロードキャストしている。

図８は、従来の無線基地局装置ＡＰの構成例およびビーコン送信手順例を示す。
図８において、無線基地局装置ＡＰは、ビーコン送信に関係するものとして受信部５１、送信部５２、ビーコン生成部５３を備える。受信部５１は、キャリアセンスにより無線端末ＳＴＡおよび他の無線基地局装置ＡＰから送信される信号を検知する。送信部５２は、ビーコン間隔で決まるビーコン送信時間ＴＢＴＴまで待機し（Ｓ51，Ｓ52）、キャリアセンスしてビーコン送信時間にチャネルがアイドルであれば、ビーコン生成部５３で生成されたビーコンを送信する（Ｓ53〜Ｓ55）。

IEEE802.11,"Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical (PHY) Layer Specifications", February 2012

非特許文献１の「9.3.4.2 Basic access」によれば、無線基地局装置ＡＰおよび端末装置ＳＴＡは、チャネルがアイドルになってＤＩＦＳ (Distributed Inter-Frame Space)後にチャネルがアイドルであれば、フレームの送信を試行する。チャネルがビジーであれば、「9.3.4.3 Backoff procedure for DCF 」に記載の通り、ＤＩＦＳに加えてランダムの待機時間であるバックオフ時間だけ待機した後にフレームを送信する。

図９(1) の例は、同一の周波数チャネルに多数のＡＰが存在する通信環境において、ＡＰ１〜ＡＰ３のビーコン送信時間ＴＢＴＴが非同期の場合である。チャネルがアイドルになってＤＩＦＳ後に、ビーコン送信時間が早いＡＰ１がビーコンを送信し、その送信中にＡＰ２がビーコン送信時間となるが送信できず、チャネルがアイドルになってからＤＩＦＳ＋バックオフ時間後にビーコンを送信し、ＡＰ３も同様に次のタイミングでビーコンを送信する。次のビーコン送信時間ＴＢＴＴでは、まずＡＰ１がビーコンを送信し、その後にＡＰ２がＤＩＦＳ＋バックオフ時間の送信待機中に、ＡＰ３がビーコン送信時間になってビーコンを送信する。

このように、ＡＰ１〜ＡＰ３のビーコン送信時間ＴＢＴＴが非同期の場合、各ＡＰがバックオフ制御を行いながら順次ビーコンを送信することができるが、各ＡＰが送信する多数のビーコンによりデータ通信に利用する帯域が長時間占有状態となる。そのため、データ通信のスループット特性が低下する問題があった。

一方、図９(2) に示すように、ＡＰ１〜ＡＰ３のビーコン送信時間が同期していた場合、各ＡＰが一斉にビーコンを送信し、これらが衝突してしまい正常なビーコンの通達ができなくなる。

本発明は、同一の周波数チャネルに多数の無線基地局装置ＡＰが存在する通信環境において、ビーコンによる確実な制御情報の報知を可能にしつつ、各無線基地局装置ＡＰのビーコンを効率よく送信してデータ通信のスループット特性を改善することができる無線基地局装置および無線通信方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、通信エリア内に同一の周波数チャネルを用いる複数の無線基地局装置が存在する通信環境にあって、該通信エリア内で接続中および接続可能性のある無線端末に対する報知情報を含むビーコンを周期的に送信する無線基地局装置において、複数の無線基地局装置がそれぞれ周期的にビーコンを送信するタイミングであるビーコン送信時間を同期させる同期手段と、他の無線基地局装置が送信する各ビーコンの報知情報を取得し、複数の無線基地局装置の報知情報を含む集約ビーコンを生成するビーコン生成手段と、同期したビーコン送信時間ごとに、複数の無線基地局装置がランダム時間だけ待機して送信権を獲得したときに集約ビーコンを送信し、該送信権を獲得する前に他の無線基地局装置が送信した集約ビーコンを受信したときに自装置のビーコンの送信をキャンセルする処理を繰り返すビーコン送信制御手段とを備える。

第１の発明の無線基地局装置において、同期手段は、複数の無線基地局装置のうち所定の無線基地局装置が「マスター」を表記したビーコン（マスター）を送信し、該ビーコン（マスター）を受信した他の無線基地局装置が所定の無線基地局装置のビーコン送信時間に同期させる構成である。

この同期手段は、さらにビーコン（マスター）を受信した他の無線基地局装置が順次送信権を獲得した後に「スレーブ」を表記したビーコン（スレーブ）を送信する構成であり、ビーコン生成手段は、ビーコン（マスター）およびビーコン（スレーブ）から他の無線基地局装置の報知情報を取得する構成である。

第１の発明の無線基地局装置において、集約ビーコンを送信した無線基地局装置のビーコン送信制御手段は、ビーコン間隔×他の無線基地局装置数の期間について、同期したビーコン送信時間ごとに繰り返す送信権の獲得処理を休止する構成である。

第２の発明は、通信エリア内に同一の周波数チャネルを用いる複数の無線基地局装置が存在する通信環境にあって、各無線基地局装置が該通信エリア内で接続中および接続可能性のある無線端末に対する報知情報を含むビーコンを周期的に送信する無線通信方法において、複数の無線基地局装置がそれぞれ周期的にビーコンを送信するタイミングであるビーコン送信時間を同期させる同期ステップと、他の無線基地局装置が送信する各ビーコンの報知情報を取得し、複数の無線基地局装置の報知情報を含む集約ビーコンを生成するビーコン生成ステップと、同期したビーコン送信時間ごとに、複数の無線基地局装置がランダム時間だけ待機して送信権を獲得したときに集約ビーコンを送信し、該送信権を獲得する前に他の無線基地局装置が送信した集約ビーコンを受信したときに自装置のビーコンの送信をキャンセルする処理を繰り返すビーコン送信制御ステップとを実行する。

第２の発明の無線通信方法において、同期ステップは、複数の無線基地局装置のうち所定の無線基地局装置が「マスター」を表記したビーコン（マスター）を送信し、該ビーコン（マスター）を受信した他の無線基地局装置が所定の無線基地局装置のビーコン送信時間に同期させる。

この同期ステップは、さらにビーコン（マスター）を受信した他の無線基地局装置が順次送信権を獲得した後に「スレーブ」を表記したビーコン（スレーブ）を送信し、ビーコン生成ステップは、ビーコン（マスター）およびビーコン（スレーブ）から他の無線基地局装置の報知情報を取得する。

第２の発明の無線通信方法において、集約ビーコンを送信した無線基地局装置のビーコン送信制御ステップは、ビーコン間隔×他の無線基地局装置数の期間について、同期したビーコン送信時間ごとに繰り返す送信権の獲得処理を休止する。

本発明は、複数の無線基地局装置がそれぞれ送信するビーコンの報知情報を、ビーコンの送信権を最初に獲得した１台の無線基地局装置がまとめて集約ビーコンとして送信し、この集約ビーコンを受信した他の無線基地局装置はビーコンの送信を中止することにより、各無線基地局装置によって送信される多数のビーコンを１回の送信で済ませることができる。したがって、無線基地局装置が密集した通信環境であっても、データ通信に利用する帯域を長時間占有状態とすることなく、スループットの改善が可能となる。また、複数の無線基地局装置が同時にビーコンを送信し、ビーコンが衝突して報知情報が破棄されることを防ぎ、無線端末に確実に報知情報を伝達することが可能となる。

本発明の無線基地局装置ＡＰの構成例を示す図である。 本発明の実施例１のビーコン送信手順例を示すフローチャートである。 本発明の実施例１のビーコン送信動作例を示すタイムチャートである。 各ＡＰのビーコン送信時間ＴＢＴＴの同期手順例を示すフローチャートである。 各ＡＰのビーコン送信時間ＴＢＴＴの同期動作例を示すタイムチャートである。 本発明の実施例２のビーコン送信手順例を示すフローチャートである。 本発明の実施例２のビーコン送信動作例を示すタイムチャートである。 従来の無線基地局装置ＡＰの構成例およびビーコン送信手順例を示す図である。 従来のビーコン送信動作例を示すタイムチャートである。

（実施例１）
図１は、本発明の無線基地局装置ＡＰの構成例を示す。
図１において、無線基地局装置ＡＰは、ビーコンの送受信に関するものとして、キャリアセンスおよび他ＡＰが送信するビーコンを受信する受信部１１、ビーコンを送信する送信部１２、受信した他ＡＰのビーコンからその報知情報を取得する他ＡＰ報知情報取得部１３、互いにビーコンを受信できる位置関係にある全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコンや、後述するビーコン（マスター）またはビーコン（スレーブ）を生成するビーコン生成部１４、受信した他ＡＰのビーコンの内容に応じて自ＡＰのビーコンを送信するかしないかを決定する送信可否決定部１５、各ＡＰのビーコン送信時間の同期処理を行い、ビーコンの送信タイミング制御を行うタイミング制御部１６を備える。

図２は、本発明の実施例１のビーコン送信手順例を示すフローチャートである。
図３は、本発明の実施例１のビーコン送信動作例を示すタイムチャートである。

図１〜図３において、ＡＰ１〜ＡＰ３は、後述する同期方法により互いに同期したビーコン送信時間（ＴＢＴＴ）まで待機すると（Ｓ１，Ｓ２）、それぞれランダムな待機時間（ＤＩＦＳ＋バックオフ時間）を設定し、キャリアセンスしながら他のＡＰから送信された自ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）を受信するか否かを判断する（Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５）。自ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）を受信せずにＤＩＦＳ＋バックオフ時間の経過後にチャネルがアイドルであれば、全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）を送信する（Ｓ５，Ｓ６）。一方、ＤＩＦＳ＋バックオフ時間が経過するまでに自ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）を受信したＡＰは、自ＡＰからのビーコン送信をキャンセルし（Ｓ７）、次のビーコン送信時間まで待機する。

すなわち、ビーコン送信時間ごとに、最初にビーコンの送信権を獲得したＡＰが全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）を送信し、他のＡＰは当該集約ビーコン（＃１−３）を受信することにより自ＡＰのビーコンを送信しない。また、各ＡＰは、ビーコン送信時間ごとにそれぞれランダムな待機時間（ＤＩＦＳ＋バックオフ時間）を設定するので、全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）を送信するＡＰの順番がランダムになる。図３に示す例では、ＡＰ１の次にＡＰ３が全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）を送信している。

ここで、全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）について説明する。
各ＡＰの受信部１１および他ＡＰ報知情報取得部１３は、後述するビーコン送信時間の同期処理の過程で、各ＡＰが送信するビーコン（マスター）およびビーコン（スレーブ）を受信してそれぞれの報知情報を取得し、ビーコン生成部１４で自ＡＰの報知情報に他ＡＰの報知情報の一部または全部を付加した全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）を生成する。ここで付加すべき必要最小限の情報は、他ＡＰが形成するネットワークの識別子（ＳＳＩＤ）であり、他にSupported rates 、Extended Supported rates、HT Capabilities などの制御情報を付加してもよい。

全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）の生成および送信方法としては、例えば、ビーコンフレームのフレームボディのVendor Specific フィールドに他ＡＰの報知情報を記載し、図２および図３に示す手順に従って送信権を獲得したＡＰが送信する。この場合は、各ＡＰの配下の無線端末ＳＴＡは、この集約ビーコン（＃１−３）のVendor Specific フィールドを読み取る機能を有し、帰属するＡＰの報知情報を取得する。あるいは、図２および図３に示す手順に従って送信権を獲得した各ＡＰが自ＡＰの報知情報を有するビーコンを送信した後に、ＳＩＦＳ間隔で連続して他ＡＰのアドレス（ＢＳＳＩＤ）を偽装したヘッダと報知情報を有するビーコンを送信する。この場合は、各ＡＰの配下の無線端末ＳＴＡは、連続して受信するビーコンのヘッダに基づいて帰属するＡＰのビーコンを受信することができる。

これにより、各ＡＰが同期し、同一のビーコン送信時間を設定したとしても、図９(2) に示す従来のＡＰのようなビーコン同士の衝突を低減しながら、各ＡＰの報知情報を有するビーコンを効率的に送信することができる。

なお、複数のＡＰの待機時間（ＤＩＦＳ＋バックオフ時間）が偶然に一致した場合は衝突になるが、すべてのＡＰの待機時間が一致する確率は極めて低いので、他のＡＰから全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）が送信されることになる。ただし、後述する実施例２では確実に衝突を回避する方法を示す。

（ビーコン送信時間ＴＢＴＴの同期方法）
次に、各ＡＰのビーコン送信時間ＴＢＴＴの同期方法について説明する。ここで、各ＡＰは、無線媒体以外に互いに通信を行う手段を備えていないものとする。

図４は、各ＡＰのビーコン送信時間ＴＢＴＴの同期手順例を示すフローチャートである。図５は、各ＡＰのビーコン送信時間ＴＢＴＴの同期動作例を示すタイムチャートである。

図４および図５において、各ＡＰは、ビーコンフレームの「ＡＰ間同期」を示すフィールドに例えば「１」をセットしたビーコン（マスター）を生成し（Ｓ11）、ＣＳＭＡ／ＣＡの手順に従ってキャリアセンスを行い（Ｓ12〜Ｓ14）、ビーコンの送信権を獲得する処理に入る。ここで、他ＡＰからビーコン（マスター）を受信する前に送信権を獲得した場合には、ビーコン（マスター）を送信する（Ｓ15）。一方、送信権を獲得する前に他ＡＰからビーコン（マスター）を受信した場合には、ビーコンフレームの「ＡＰ間同期」を示すフィールドに例えば「０」をセットしたビーコン（スレーブ）を生成し（Ｓ16）、送信権を獲得した後にビーコン（スレーブ）を送信し（Ｓ15）、次回以降のビーコン送信時間ＴＢＴＴをビーコン（マスター）を送信したＡＰに合わせる（Ｓ17，Ｓ18）。

図５に示す例は、ＡＰ１が最初に送信権を獲得してビーコン（マスター）を送信する。ＡＰ２，ＡＰ３は、ＡＰ１のビーコン（マスター）を受信すると、それぞれ送信権を獲得した時点でビーコン（スレーブ）を送信するとともに、ビーコン送信時間をＡＰ１に合わせる。これにより、ＡＰ１〜ＡＰ３の次回以降のビーコン送信時間は同期することになる。

なお、ＡＰ１〜ＡＰ３は、ビーコン送信時間ＴＢＴＴの同期処理の過程で、ビーコン（マスター）およびビーコン（スレーブ）の受信により、それぞれの報知情報を取得して全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）を生成する。あるいは、ＡＰ１〜ＡＰ３が、通信エリア内で同一の周波数チャネルを用いる無線基地局装置として互いの報知情報をリストとして保持しており、ビーコン送信時間ＴＢＴＴの同期処理の過程で当該リストに基づいて全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）を生成してもよい。

このようにビーコン送信時間ＴＢＴＴの同期処理を終えたＡＰ１〜ＡＰ３は、図２および図３に示した手順に従って、最初にビーコンの送信権を獲得したＡＰ（図５ではＡＰ２）が全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）を送信し、他のＡＰ（図５ではＡＰ１，ＡＰ３）は当該集約ビーコン（＃１−３）を受信することにより自ＡＰのビーコンを送信しないので、ビーコンの衝突を回避しながら各ＡＰが効率よくビーコンを送信することができる。

また、図４および図５に示すビーコン送信時間の同期方法に代えて、各ＡＰが有線ケーブル等によりネットワークに接続し、これを介して互いに通信できる場合には次のような方法でもよい。

ネットワークの機能により「マスター」に指名されたＡＰ１が、自身のビーコン送信時間をネットワークを介して他のＡＰ２，ＡＰ３に報知する。ＡＰ２，ＡＰ３は、報知されたＡＰ１のビーコン送信時間を基準に、ビーコン送信時間を「マスター」のＡＰ１に合わせる。また、各ＡＰ１〜ＡＰ３は、それぞれの報知情報のネットワークを介してやりとりする。

（実施例２）
図６は、本発明の実施例２のビーコン送信手順例を示すフローチャートである。
図７は、本発明の実施例２のビーコン送信動作例を示すタイムチャートである。

図６および図７において、ビーコン送信時間ＴＢＴＴごとに、最初にビーコンの送信権を獲得したＡＰが全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）を送信し、他のＡＰは当該集約ビーコン（＃１−３）を受信することにより自ＡＰのビーコンを送信しない処理Ｓ１〜Ｓ７は、図２および図３に示す実施例１と同じである。

実施例２の特徴は、実施例１において複数のＡＰの待機時間（ＤＩＦＳ＋バックオフ時間）が偶然に一致してビーコン衝突になることを回避するために、送信権を獲得してビーコンを送信したＡＰは、（ビーコン間隔×他ＡＰ数）の時間だけ待機した後に（Ｓ８，Ｓ９）、送信権を獲得するためのキャリアセンスに戻る（Ｓ３）。

図７に示す例では、ＡＰ１がＴＢＴＴ１で送信権を獲得して全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）を送信すると、ＴＢＴＴ２，ＴＢＴＴ３ではビーコン送信をスケジューリングせず、送信権獲得処理を休止する。一方、ＴＢＴＴ２では、ＡＰ２とＡＰ３がビーコンの送信権獲得競争を行い、ここではＡＰ３が送信権を獲得して全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）を送信すると、ＴＢＴＴ３，ＴＢＴＴ４ではビーコン送信をスケジューリングせず、送信権獲得処理を休止する。したがって、ＴＢＴＴ３では、ＡＰ２のみが送信権獲得処理を行うことにより、全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）を送信すると、ＴＢＴＴ４，ＴＢＴＴ５ではビーコン送信をスケジューリングせず、送信権獲得処理を休止する。これにより、ＴＢＴＴ４以降は、ＡＰ１，ＡＰ３，ＡＰ２の順に全ＡＰの報知情報を含む集約ビーコン（＃１−３）の送信を繰り返す。すなわち、ＡＰ１〜ＡＰ３の集約ビーコンの送信が一巡した後は、ＴＢＴＴごとに１つのＡＰのみがビーコン送信することになるので、送信権を獲得するための待機時間（ＤＩＦＳ＋バックオフ時間）は省略可能であり、また他のＡＰからのビーコン受信もないのでステップＳ４，Ｓ７の処理は不要となる。

ＡＰ 無線基地局装置
１１ 受信部
１２ 送信部
１３ 他ＡＰ報知情報取得部
１４ ビーコン生成部
１５ 送信可否決定部
１６ タイミング制御部

Claims (8)

1. 通信エリア内に同一の周波数チャネルを用いる複数の無線基地局装置が存在する通信環境にあって、該通信エリア内で接続中および接続可能性のある無線端末に対する報知情報を含むビーコンを周期的に送信する無線基地局装置において、
   前記複数の無線基地局装置がそれぞれ周期的にビーコンを送信するタイミングであるビーコン送信時間を同期させる同期手段と、
   他の無線基地局装置が送信する各ビーコンの報知情報を取得し、前記複数の無線基地局装置の報知情報を含む集約ビーコンを生成するビーコン生成手段と、
   前記同期したビーコン送信時間ごとに、前記複数の無線基地局装置がランダム時間だけ待機して送信権を獲得したときに前記集約ビーコンを送信し、該送信権を獲得する前に他の無線基地局装置が送信した前記集約ビーコンを受信したときに自装置のビーコンの送信をキャンセルする処理を繰り返すビーコン送信制御手段と
   を備えたことを特徴とする無線基地局装置。
2. 請求項１に記載の無線基地局装置において、
   前記同期手段は、前記複数の無線基地局装置のうち所定の無線基地局装置が「マスター」を表記したビーコン（マスター）を送信し、該ビーコン（マスター）を受信した他の無線基地局装置が所定の無線基地局装置のビーコン送信時間に同期させる構成である
   ことを特徴とする無線基地局装置。
3. 請求項２に記載の無線基地局装置において、
   前記同期手段は、さらに前記ビーコン（マスター）を受信した他の無線基地局装置が順次送信権を獲得した後に「スレーブ」を表記したビーコン（スレーブ）を送信する構成であり、
   前記ビーコン生成手段は、前記ビーコン（マスター）および前記ビーコン（スレーブ）から前記他の無線基地局装置の報知情報を取得する構成である
   ことを特徴とする無線基地局装置。
4. 請求項１に記載の無線基地局装置において、
   前記集約ビーコンを送信した前記無線基地局装置の前記ビーコン送信制御手段は、ビーコン間隔×他の無線基地局装置数の期間について、前記同期したビーコン送信時間ごとに繰り返す前記送信権の獲得処理を休止する構成である
   ことを特徴とする無線基地局装置。
5. 通信エリア内に同一の周波数チャネルを用いる複数の無線基地局装置が存在する通信環境にあって、各無線基地局装置が該通信エリア内で接続中および接続可能性のある無線端末に対する報知情報を含むビーコンを周期的に送信する無線通信方法において、
   前記複数の無線基地局装置がそれぞれ周期的にビーコンを送信するタイミングであるビーコン送信時間を同期させる同期ステップと、
   他の無線基地局装置が送信する各ビーコンの報知情報を取得し、前記複数の無線基地局装置の報知情報を含む集約ビーコンを生成するビーコン生成ステップと、
   前記同期したビーコン送信時間ごとに、前記複数の無線基地局装置がランダム時間だけ待機して送信権を獲得したときに前記集約ビーコンを送信し、該送信権を獲得する前に他の無線基地局装置が送信した前記集約ビーコンを受信したときに自装置のビーコンの送信をキャンセルする処理を繰り返すビーコン送信制御ステップと
   を実行することを特徴とする無線通信方法。
6. 請求項５に記載の無線通信方法において、
   前記同期ステップは、前記複数の無線基地局装置のうち所定の無線基地局装置が「マスター」を表記したビーコン（マスター）を送信し、該ビーコン（マスター）を受信した他の無線基地局装置が所定の無線基地局装置のビーコン送信時間に同期させる
   ことを特徴とする無線通信方法。
7. 請求項６に記載の無線通信方法において、
   前記同期ステップは、さらに前記ビーコン（マスター）を受信した他の無線基地局装置が順次送信権を獲得した後に「スレーブ」を表記したビーコン（スレーブ）を送信し、
   前記ビーコン生成ステップは、前記ビーコン（マスター）および前記ビーコン（スレーブ）から前記他の無線基地局装置の報知情報を取得する
   ことを特徴とする無線通信方法。
8. 請求項５に記載の無線通信方法において、
   前記集約ビーコンを送信した前記無線基地局装置の前記ビーコン送信制御ステップは、ビーコン間隔×他の無線基地局装置数の期間について、前記同期したビーコン送信時間ごとに繰り返す前記送信権の獲得処理を休止する
   ことを特徴とする無線通信方法。

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