JP6250039B2 - 無線lanシステムにおいて低電力スキャニング方法及び装置 - Google Patents

無線lanシステムにおいて低電力スキャニング方法及び装置 Download PDF

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Description

以下の説明は、無線通信システムに関し、特に、無線LANシステムにおいて低電力スキャニング方法及び装置に関する。
近年、情報通信技術の発展に伴って様々な無線通信技術が開発されている。その中でも無線LAN(WLAN)は、無線周波数技術に基づいて個人携帯用情報端末機(Personal Digital Assistant;PDA)、ラップトップコンピュータ、携帯用マルチメディアプレーヤー(Portable Multimedia Player;PMP)などのような携帯用端末機を用いて家庭、企業又は特定サービス提供地域において無線でインターネットにアクセスできるようにする技術である。
無線LANで脆弱点とされてきた通信速度の限界を克服するために、最近の技術標準では、ネットワークの速度と信頼性を増大させるとともに無線ネットワークの運営距離を拡張したシステムを導入している。例えば、IEEE 802.11nでは、データ処理速度が最大540Mbps以上である高処理率(High Throughput;HT)を支援し、送信エラーを最小化し、データ速度を最適化するために送信端及び受信端の両方に多重アンテナを使用するMIMO(Multiple Inputs and Multiple Outputs)技術の適用が導入された。
次世代通信技術としてM2M(Machine−to−Machine)通信技術が議論されている。IEEE 802.11 WLANシステムでもM2M通信を支援するための技術標準がIEEE 802.11ahとして開発されている。M2M通信では、数多くの機器が存在する環境でたまに少量のデータを低速で通信するシナリオを考慮することができる。
無線LANシステムにおける通信は、全ての機器間に共有される媒体(medium)で行われる。M2M通信のように機器の個数が増加する場合、一つの機器のチャネルアクセスのために長時間がかかると、全体システム性能の低下を招くだけでなく、各機器の省電力を妨害することがある。
本発明では、電力消耗を防止し、效率的にスキャニングを行う方法及び装置を提供することを技術的課題とする。
本発明で遂げようとする技術的課題は以上に言及した技術的課題に制限されず、言及していない他の技術的課題は、以下の記載から、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるであろう。
上記の技術的課題を解決するために、本発明の一実施例に係る無線通信システムにおいてステーション(STA)がスキャニングを行う方法は、NDP(Null Data Packet)プローブ要請フレームを送信するステップと、前記NDPプローブ要請フレームに応答するプローブ応答フレームをアクセスポイント(AP)から受信するステップと、を含み、前記NDPプローブ要請フレームは、圧縮されたSSID(compressed Service Set ID)フィールドを含むことができる。
上記の技術的課題を解決するために本発明の他の実施例に係る無線通信システムにおいてスキャニングを行うステーション(STA)装置は、送受信器と、プロセッサと、を備え、前記プロセッサは、前記送受信器を用いてNDP(Null Data Packet)プローブ要請フレームを送信し;前記NDPプローブ要請フレームに応答するプローブ応答フレームをアクセスポイント(AP)から前記送受信器を用いて受信するように設定され、前記NDPプローブ要請フレームは、圧縮されたSSID(compressed Service Set ID)フィールドを含むことができる。
上記の本発明に係る実施例において以下の事項を共通に適用することができる。
前記APからプローブ応答フレームを受信すると、前記STAは前記APに一般プローブ要請フレームを送信したり、前記APに連携(association)要請フレームを送信したり、又は前記APからのビーコンフレームを聴取してもよい。
前記APが前記NDPプローブ要請フレームを受信し、前記NDPプローブ要請フレームに含まれた前記圧縮されたSSIDフィールドの値が、前記APのSSIDに基づいて生成された圧縮されたSSIDの値と一致する場合に、前記APから前記プローブ応答フレームが送信されてもよい。
前記圧縮されたSSIDフィールドが32ビットサイズと定義される場合、前記圧縮されたSSIDフィールドは、SSIDの32−ビットCRC(Cyclic Redundancy Check)計算された値に設定され、前記圧縮されたSSIDフィールドは16ビットサイズと定義される場合、前記圧縮されたSSIDフィールドはSSIDの32−ビットCRC計算された値のうちの16最下位ビット値に設定されてもよい。
前記NDPプローブ要請フレームは、前記圧縮されたSSIDフィールド又はアクセスネットワークオプションフィールドのいずれかを含み、前記NDPプローブ要請フレームは1ビットサイズのSSID/インターワーキング存在(SSID/Interworking Present)フィールドをさらに含み、前記SSID/インターワーキング存在フィールドは、前記圧縮されたSSIDフィールド又は前記アクセスネットワークオプションフィールドのいずれのフィールドが前記NDPプローブ要請フレームに含まれるかを示してもよい。
前記APが前記NDPプローブ要請フレームを受信し、前記NDPプローブ要請フレームに含まれた前記アクセスネットワークオプションフィールドの値が前記APのアクセスネットワークオプションと一致する場合に、前記APから前記プローブ応答フレームが送信されてもよい。
前記アクセスネットワークオプションフィールドは8ビットサイズと定義され、4ビットサイズのアクセスネットワークタイプフィールド、1ビットサイズのインターネットフィールド、1ビットサイズのASRA(Additional Step Required for Access)フィールド、1ビットサイズのESR(Emergency Services Reachable)フィールド及び1ビットサイズのUESA(Unauthenticated Emergency Service Accessible)フィールドを含んでもよい。
前記プローブ応答フレームは一般(normal)プローブ応答フレーム又は短い(short)プローブ応答フレームであってもよい。
前記プローブ応答フレームはブロードキャストされてもよい。
前記プローブ応答フレームは、前記APが前記NDPプローブ要請フレームを受信してからDIFS(DCF((Distributed Coordination Function) Inter−Frame Space)時間後にバックオフ(backoff)過程を経て送信されてもよい。
前記STAが第1チャネル上で前記NDPプローブ要請フレームを送信してからSIFS(Short Inter−Frame Space)時間後に前記第1チャネル上でフレームが検出される場合には、前記第1チャネル上に前記APが存在すると認識し、前記第1チャネル上で所定の時間の間にフレームが検出されない場合には、第2チャネルに移動してスキャニングを行ってもよい。
前記STAが第1チャネルで前記NDPプローブ要請フレームを送信してから最小チャネル時間(MinChannelTime)が満了する前に、物理層−CCA.指示プリミティブ(PHY−CCA.indicationprimitive)値が占有(Busy)状態を示すことが検出されないと、第2チャネルに移動してスキャニングを実行してもよい。
前記NDPプローブ要請フレームは、データフィールド無しで、STF(Short Training Field)、LTF(Long Training Field)及びSIG(Signal)フィールドを含むPPDU(PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) Packet Data Unit)フレームであってもよい。
前記SSID/インターワーキング存在フィールドと、前記圧縮されたSSIDフィールド又は前記アクセスネットワークオプションフィールドのいずれか一つとが前記NDPプローブ要請フレームのSIGフィールドに含まれてもよい。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
無線通信システムにおいてステーション(STA)がスキャニングを行う方法であって、
NDP(Null Data Packet)プローブ要請フレームを送信するステップと、
前記NDPプローブ要請フレームに応答するプローブ応答フレームをアクセスポイント(AP)から受信するステップと、を含み、
前記NDPプローブ要請フレームは、圧縮されたSSID(compressed Service Set ID)フィールドを含む、スキャニング実行方法。
(項目2)
前記APからプローブ応答フレームを受信すると、前記STAは前記APに一般プローブ要請フレームを送信したり、前記APに連携(association)要請フレームを送信したり、又は前記APからのビーコンフレームを聴取する、項目1に記載のスキャニング実行方法。
(項目3)
前記APが前記NDPプローブ要請フレームを受信し、前記NDPプローブ要請フレームに含まれた前記圧縮されたSSIDフィールドの値が、前記APのSSIDに基づいて生成された圧縮されたSSIDの値と一致する場合に、前記APから前記プローブ応答フレームが送信される、項目1に記載のスキャニング実行方法。
(項目4)
前記圧縮されたSSIDフィールドが32ビットサイズと定義される場合に、前記圧縮されたSSIDフィールドは、SSIDの32−ビットCRC(Cyclic Redundancy Check)計算された値に設定され、
前記圧縮されたSSIDフィールドが16ビットサイズと定義される場合に、前記圧縮されたSSIDフィールドは、SSIDの32−ビットCRC計算された値のうち16最下位ビット値に設定される、項目1に記載のスキャニング実行方法。
(項目5)
前記NDPプローブ要請フレームは、前記圧縮されたSSIDフィールド又はアクセスネットワークオプションフィールドのいずれか一つを含み、
前記NDPプローブ要請フレームは、1ビットサイズのSSID/インターワーキング存在(SSID/Interworking Present)フィールドをさらに含み、
前記SSID/インターワーキング存在フィールドは、前記圧縮されたSSIDフィールド又は前記アクセスネットワークオプションフィールドのいずれのフィールドが前記NDPプローブ要請フレームに含まれるかを示す、項目1に記載のスキャニング実行方法。
(項目6)
前記APが前記NDPプローブ要請フレームを受信し、前記NDPプローブ要請フレームに含まれた前記アクセスネットワークオプションフィールドの値が前記APのアクセスネットワークオプションと一致する場合に、前記APから前記プローブ応答フレームが送信される、項目5に記載のスキャニング実行方法。
(項目7)
前記アクセスネットワークオプションフィールドは8ビットサイズと定義され、
4ビットサイズのアクセスネットワークタイプフィールド、1ビットサイズのインターネットフィールド、1ビットサイズのASRA(Additional Step Required for Access)フィールド、1ビットサイズのESR(Emergency Services Reachable)フィールド及び1ビットサイズのUESA(Unauthenticated Emergency Service Accessible)フィールドを含む、項目5に記載のスキャニング実行方法。
(項目8)
前記プローブ応答フレームは、一般(normal)プローブ応答フレーム又は短い(short)プローブ応答フレームである、項目1に記載のスキャニング実行方法。
(項目9)
前記プローブ応答フレームはブロードキャストされる、項目1に記載のスキャニング実行方法。
(項目10)
前記プローブ応答フレームは、前記APが前記NDPプローブ要請フレームを受信してからDIFS(DCF((Distributed Coordination Function) Inter−Frame Space)時間後にバックオフ(backoff)過程を経て送信される、項目1に記載のスキャニング実行方法。
(項目11)
前記STAが第1チャネル上で前記NDPプローブ要請フレームを送信してからSIFS(Short Inter−Frame Space)時間後に前記第1チャネル上でフレームが検出される場合には、前記第1チャネル上に前記APが存在すると認識し、前記第1チャネル上で所定の時間の間にフレームが検出されない場合には、第2チャネルに移動してスキャニングを行う、項目1に記載のスキャニング実行方法。
(項目12)
前記STAが第1チャネルで前記NDPプローブ要請フレームを送信してから最小チャネル時間(MinChannelTime)が満了する前に、物理層−CCA.指示プリミティブ(PHY−CCA.indication primitive)値が占有(Busy)状態を示すことが検出されないと、第2チャネルに移動してスキャニングを行う、項目1に記載のスキャニング実行方法。
(項目13)
前記NDPプローブ要請フレームは、データフィールド無しで、STF(Short Training Field)、LTF(Long Training Field)及びSIG(Signal)フィールドを含むPPDU(PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) Packet Data Unit)フレームである、項目1に記載のスキャニング実行方法。
(項目14)
前記SSID/インターワーキング存在フィールドと、前記圧縮されたSSIDフィールド又は前記アクセスネットワークオプションフィールドのいずれか一つとが、前記NDPプローブ要請フレームのSIGフィールドに含まれる、項目6に記載のスキャニング実行方法。
(項目15)
無線通信システムにおいてスキャニングを行うステーション(STA)装置であって、
送受信器と、
プロセッサと、を備え、
前記プロセッサは、前記送受信器を用いてNDP(Null Data Packet)プローブ要請フレームを送信し;前記NDPプローブ要請フレームに応答するプローブ応答フレームをアクセスポイント(AP)から前記送受信器を用いて受信するように設定され、
前記NDPプローブ要請フレームは、圧縮されたSSID(compressed Service Set ID)フィールドを含む、スキャニング実行STA装置。
本発明について前述した一般的な説明と後述する詳細な説明は例示的なもので、請求項に記載の発明に関するさらなる説明のためのものである。
本発明では、新しいスキャニングメカニズムを提案することによって、電力消耗を低減し、效率的にスキャニングを行う方法及び装置を提供することができる。
本発明で得られる効果は以上に言及した効果に制限されず、言及していない他の効果は、以下の記載から、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に明らかになるであろう。
本明細書に添付される図面は、本発明に関する理解を提供するためのもので、本発明の様々な実施の形態を示し、明細書の記載と共に本発明の原理を説明するためのものである。
図1は、本発明を適用し得るIEEE 802.11システムの例示的な構造を示す図である。 図2は、本発明を適用し得るIEEE 802.11システムの他の例示的な構造を示す図である。 図3は、本発明を適用し得るIEEE 802.11システムの更に他の例示的な構造を示す図である。 図4は、無線LANシステムの例示的な構造を示す図である。 図5は、無線LANシステムにおけるリンクセットアップ過程を説明するための図である。 図6は、バックオフ過程を説明するための図である。 図7は、隠れたノード及び露出されたノードを説明するための図である。 図8は、RTSとCTSを説明するための図である。 図9は、電力管理動作を説明するための図である。 図10乃至図12は、TIMを受信したSTAの動作を詳しく説明するための図である。 図10乃至図12は、TIMを受信したSTAの動作を詳しく説明するための図である。 図10乃至図12は、TIMを受信したSTAの動作を詳しく説明するための図である。 図13は、グループベースAIDを説明するための図である。 図14は、IEEE 802.11システムで用いられる既存の一般的なフレーム構造を説明するための図である。 図15は、本発明の一例に係るNDPプローブ過程を説明するための図である。 図16は、複数個のAPが存在する環境におけるNDPプローブ過程を説明するための図である。 図17は、MAC管理フレームの一例を示す図である。 図18は、多重チャネル環境におけるNDPプローブ過程を説明するための図である。 図19は、本発明の他の例に係るNDPプローブ過程を説明するための図である。 図20は、アクセスネットワークオプションフィールドの例示的なフォーマットを示す図である。 図21は、本発明の一例に係るNDPプローブ要請フレームのSIGフィールドのフォーマットの例示を示す図である。 図22は、本発明のさらに他の例に係るNDPプローブ過程を説明するための図である。 図23は、短いビーコンフレームに含まれる例示的なフィールドを説明するための図である。 図24は、本発明のさらに他の例に係るNDPプローブ過程を説明するための図である。 図25は、複数個のAPが存在する環境におけるNDPプローブ過程の他の例を説明するための図である。 図26は、多重チャネル環境におけるNDPプローブ過程の他の例を説明するための図である。 図27は、本発明の一例に係るスキャニング方法を説明するための図である。 図28は、本発明の一実施例に係る無線装置の構成を示すブロック図である。
以下、本発明に係る好適な実施の形態を添付の図面を参照して詳しく説明する。添付の図面と共に以下に開示される詳細な説明は、本発明の例示的な実施の形態を説明するためのもので、本発明の唯一の実施の形態を示すためのものではない。以下の詳細な説明は本発明の完全な理解を提供するために具体的な細部事項を含む。しかし、このような具体的な細部事項なしにも本発明が実施され得るということが当業者には理解される。
以下の実施例は、本発明の構成要素と特徴を所定の形態で結合したものである。各構成要素又は特徴は、特別の言及がない限り、選択的なものと考慮すればよい。各構成要素又は特徴は、他の構成要素や特徴と結合していない形態で実施されてもよく、一部の構成要素及び/又は特徴を結合して本発明の実施例を構成してもよい。本発明の実施例で説明される動作の順序は変更されてもよい。ある実施例の一部の構成や特徴は、他の実施例に含まれてもよく、他の実施例の対応する構成又は特徴に取り替えられてもよい。
以下の説明で使われる特定用語は、本発明の理解を助けるために提供されるものであり、このような特定用語の使用は、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲で他の形態に変更してもよい。
場合によって、本発明の概念が曖昧になることを避けるために、公知の構造及び装置は省略されたり、各構造及び装置の核心機能を中心にしたブロック図の形式で図示されることもある。また、本明細書全体を通じて同一の構成要素には同一の図面符号を付して説明する。
本発明の実施例は、無線アクセスシステムであるIEEE 802システム、3GPPシステム、3GPP LTE及びLTE−A(LTE−Advanced)システム、並びに3GPP2システムの少なくとも一つに開示された標準文書によって裏付けることができる。すなわち、本発明の実施例において、本発明の技術的思想を明確にするために説明を省いた段階又は部分は、上記の文書によって裏付けることができる。また、本文書で開示している用語はいずれも上記の標準文書によって説明することができる。
以下の技術は、CDMA(Code Division Multiple Access)、FDMA(Frequency Division Multiple Access)、TDMA(Time Division Multiple Access)、OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)、SC−FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access)などのような様々な無線アクセスシステムに用いることができる。CDMAは、UTRA(Universal Terrestrial Radio Access)やCDMA2000のような無線技術(radio technology)によって具現することができる。TDMAは、GSM(登録商標)(Global System for Mobile communications)/GPRS(General Packet Radio Service)/EDGE(Enhanced Data Rates for GSM(登録商標) Evolution)のような無線技術によって具現することができる。OFDMAは、IEEE 802.11(Wi−Fi)、IEEE 802.16(WiMAX)、IEEE 802−20、E−UTRA(Evolved UTRA)などのような無線技術によって具現することができる。明確性のために、以下では3GPP LTE及び3GPP LTE−Aシステムを中心に説明するが、本発明の技術的思想がこれに制限されるものではない。
(WLANシステムの構造)
図1は、本発明を適用し得るIEEE 802.11システムの例示的な構造を示す図である。
IEEE 802.11構造は複数個の構成要素を含むことができ、それら構成要素の相互作用によって上位層に対してトランスペアレントなSTA移動性を支援するWLANを提供することができる。基本サービスセット(Basic Service Set;BSS)はIEEE 802.11 LANにおける基本的な構成ブロックに該当し得る。図1では、2個のBSS(BSS1及びBSS2)が存在し、それぞれのBSSのメンバーとして2個のSTAが含まれること(STA1及びSTA2はBSS1に含まれ、STA3及びSTA4はBSS2に含まれる)を例示的に示している。図1で、BSSを示す楕円は、当該BSSに含まれたSTAが通信を維持するカバレッジ領域を示すものと理解してもよい。この領域をBSA(Basic Service Area)と称することができる。STAがBSAの外へ移動すると、当該BSA内の他のSTAと直接通信できなくなる。
IEEE 802.11 LANにおいて最も基本的なタイプのBSSは、独立したBSS(Independent BSS;IBSS)である。例えば、IBSSは、2個のSTAだけで構成された最小の形態を有することができる。また、最も単純な形態であるとともに他の構成要素が省略されている図1のBSS(BSS1又はBSS2)がIBSSの代表的な例示に該当する。このような構成は、STA同士が直接通信できる場合に可能である。また、このような形態のLANは、あらかじめ計画して構成されるものではなく、LANが必要な場合に構成され、これをアド−ホック(ad−hoc)ネットワークと呼ぶこともできる。
STAがついたり消えたりすること、STAがBSS領域に/から入ったり出たりすることなどから、BSSにおいてSTAのメンバーシップが動的に変更されることがある。BSSのメンバーになるためには、STAは同期化過程を用いてBSSにジョインすればよい。BSS基盤構造の全てのサービスにアクセスするためには、STAはBSSに連携されなければならない。このような連携(association)は動的に設定され、分配システムサービス(Distribution System Service;DSS)の利用を含むことができる。
図2は、本発明を適用し得るIEEE 802.11システムの他の例示的な構造を示す図である。図2は、図1の構造において、分配システム(Distribution System;DS)、分配システム媒体(Distribution System Medium;DSM)、アクセスポイント(Access Point;AP)などの構成要素が追加された形態である。
LANにおいて直接的なステーション−対−ステーションの距離はPHY性能によって制限されることがある。このような距離の限界が充分な場合もあれば、より遠い距離のステーション間の通信が必要な場合もある。拡張されたカバレッジを支援するために分配システム(DS)を構成することができる。
DSは、BSS同士が相互接続される構造を意味する。具体的に、図1のようにBSSが独立して存在する代わりに、複数個のBSSで構成されたネットワークの拡張された形態の構成要素としてBSSが存在してもよい。
DSは論理的な概念であり、分配システム媒体(DSM)の特性によって特定することができる。これと関連して、IEEE 802.11標準では無線媒体(Wireless Medium;WM)と分配システム媒体(DSM)とを論理的に区別している。それぞれの論理的媒体は互いに異なる目的のために使用され、互いに異なる構成要素によって使用される。IEEE 802.11標準の定義では、このような媒体を互いに同一なものとも、互いに異なるものとも制限しない。このように複数個の媒体が論理的に互いに異なるという点で、IEEE 802.11 LAN構造(DS構造又は他のネットワーク構造)の柔軟性を説明することができる。すなわち、IEEE 802.11 LAN構造は様々に具現することができ、それぞれの具現例の物理的な特性によって独立的に当該LAN構造を特定することができる。
DSは複数個のBSSのシームレス(seamless)な統合を提供し、あて先へのアドレスを扱うために必要な論理的サービスを提供することによって移動機器を支援することができる。
APとは、連携されているSTAに対してWMを介してDSへのアクセスを可能にし、且つSTA機能性を有する個体を意味する。APを通じてBSS及びDS間のデータ移動が行われてもよい。例えば、図2に示すSTA2及びSTA3は、STAの機能性を有するとともに、連携されているSTA(STA1及びSTA4)をDSにアクセスさせる機能を持つ。また、いかなるAPも基本的にSTAに該当するため、APはいずれもアドレス可能な個体である。WM上での通信のためにAPによって用いられるアドレスとDSM上での通信のためにAPによって用いられるアドレスは必ずしも同一である必要はない。
APに連携されているSTAのいずれか一つから当該APのSTAアドレスに送信されるデータは、常に非制御ポート(uncontrolled port)で受信され、IEEE 802.1Xポートアクセス個体によって処理されてもよい。また、制御ポート(controlled port)が認証されると、送信データ(又は、フレーム)はDSに伝達されてもよい。
図3は、本発明を適用し得るIEEE 802.11システムの更に他の例示的な構造を示す図である。図3では、図2の構造に更に広いカバレッジを提供するための拡張されたサービスセット(Extended Service Set;ESS)を概念的に示す。
任意の(arbitrary)大きさ及び複雑度を有する無線ネットワークがDS及びBSSで構成されてもよい。IEEE 802.11システムではこのような方式のネットワークをESSネットワークと称する。ESSは、一つのDSに接続されたBSSの集合に該当し得る。しかし、ESSはDSを含まない。ESSネットワークはLLC(Logical Link Control)層でIBSSネットワークとして見える点が特徴である。ESSに含まれるSTAは互いに通信することができ、移動STAはLLC層にトランスペアレントに一つのBSSから他のBSSに(同一ESS内で)移動することができる。
IEEE 802.11では、図3におけるBSSの相対的な物理的位置について何ら仮定しておらず、次のようないずれの形態も可能である。BSSは部分的に重なってもよく、これは、連続したカバレッジを提供するために一般に利用される形態である。また、BSSは物理的に接続していなくてもよく、論理的にはBSS同士間の距離に制限はない。また、BSS同士は物理的に同一位置に位置してもよく、これはリダンダンシーを提供するために用いることができる。また、一つ(又は、一つ以上の)IBSS又はESSネットワークが一つ(又は一つ以上の)ESSネットワークとして同一空間に物理的に存在してもよい。これは、ESSネットワークが存在する位置にアド−ホックネットワークが動作する場合、互いに異なる機関(organizations)によって物理的に重なるIEEE 802.11ネットワークが構成される場合、又は、同一位置で2つ以上の互いに異なるアクセス及び保安政策が必要な場合などにおける、ESSネットワーク形態に該当し得る。
図4は、無線LANシステムの例示的な構造を示す図である。図4では、DSを含む基盤構造BSSの一例が示されている。
図4の例示で、BSS1及びBSS2がESSを構成する。無線LANシステムにおいてSTAはIEEE 802.11のMAC/PHY規定に従って動作する機器である。STAはAP STA及び非−AP(non−AP)STAを含む。Non−AP STAは、ラップトップコンピュータ、移動電話機のように、一般にユーザが直接扱う機器に該当する。図4の例示で、STA1、STA3、STA4はnon−AP STAに該当し、STA2及びSTA5はAP STAに該当する。
以下の説明で、non−AP STAは、端末(terminal)、無線送受信ユニット(Wireless Transmit/Receive Unit;WTRU)、ユーザ装置(User Equipment;UE)、移動局(Mobile Station;MS)、移動端末(Mobile Terminal)、移動加入者局(Mobile Subscriber Station;MSS)などと呼ぶことができる。また、APは、他の無線通信分野における基地局(Base Station;BS)、ノード−B(Node−B)、発展したノード−B(evolved Node−B;eNB)、基底送受信システム(Base Transceiver System;BTS)、フェムト基地局(Femto BS)などに対応する概念である。
(リンクセットアップ過程)
図5は、一般のリンクセットアップ(link setup)過程を説明するための図である。
STAがネットワークに対してリンクをセットアップし、データを送受信するためには、まず、ネットワークを発見(discovery)し、認証(authentication)を行い、連携(association)を確立(establish)し、保安(security)のための認証手順などを行わなければならない。リンクセットアップ過程をセッション開始過程、セッションセットアップ過程と呼ぶこともできる。また、リンクセットアップ過程における発見、認証、連携、保安設定の過程を総称して連携過程と呼ぶこともできる。
図5を参照して例示的なリンクセットアップ過程について説明する。
段階S510で、STAはネットワーク発見動作を行うことができる。ネットワーク発見動作はSTAのスキャニング(scanning)動作を含むことができる。すなわち、STAがネットワークにアクセスするためには、参加可能なネットワークを探さなければならない。STAは無線ネットワークに参加する前に互換可能なネットワークを識別しなければならないが、特定領域に存在するネットワーク識別過程をスキャニングという。
スキャニング方式には、能動的スキャニング(active scanning)と受動的スキャニング(passive scanning)がある。
図5では例示として能動的スキャニング過程を含むネットワーク発見動作を示す。能動的スキャニングにおいて、スキャニングを行うSTAはチャネルを移りながら周辺にどのAPが存在するかを探索するためにプローブ要請フレーム(probe request frame)を送信して、それに対する応答を待つ。応答者(responder)は、プローブ要請フレームを送信したSTAに、プローブ要請フレームに対する応答としてプローブ応答フレーム(probe response frame)を送信する。ここで、応答者は、スキャニングされているチャネルのBSSで最後にビーコンフレーム(beacon frame)を送信したSTAであってもよい。BSSでは、APがビーコンフレームを送信するため、APが応答者となり、IBSSでは、IBSS内のSTAが交互にビーコンフレームを送信するため、応答者が一定でない。例えば、1番チャネルでプローブ要請フレームを送信し、1番チャネルでプローブ応答フレームを受信したSTAは、受信したプローブ応答フレームに含まれたBSS関連情報を保存し、次のチャネル(例えば、2番チャネル)に移動して同一の方法でスキャニング(すなわち、2番チャネル上でプローブ要請/応答の送受信)を行うことができる。
図5には示していないが、スキャニング動作は受動的スキャニング方式で行われてもよい。受動的スキャニングにおいて、スキャニングを行うSTAはチャネルを移りながらビーコンフレームを待つ。ビーコンフレームは、IEEE 802.11において管理フレーム(management frame)の一つであり、無線ネットワークの存在を知らせ、スキャニングを行うSTAが無線ネットワークを探して無線ネットワークに参加できるように、周期的に送信される。BSSでAPがビーコンフレームを周期的に送信する役割を担い、IBSSではIBSS内のSTAが交互にビーコンフレームを送信する。スキャニングを行うSTAはビーコンフレームを受信すると、ビーコンフレームに含まれたBSSに関する情報を保存し、他のチャネルに移動しながら各チャネルでビーコンフレーム情報を記録する。ビーコンフレームを受信したSTAは、受信したビーコンフレームに含まれたBSS関連情報を保存し、次のチャネルに移動して同一の方法で次のチャネルでスキャニングを行うことができる。
能動的スキャニングと受動的スキャニングとを比較すれば、能動的スキャニングが受動的スキャニングに比べてディレー(delay)及び電力消耗が小さいという利点がある。
STAがネットワークを発見した後に、段階S520で認証過程を行うことができる。このような認証過程は、後述する段階S540の保安セットアップ動作と明確に区別するために、第1の認証(first authentication)過程と呼ぶことができる。
認証過程は、STAが認証要請フレーム(authentication request frame)をAPに送信し、これに応答してAPが認証応答フレーム(authentication response frame)をSTAに送信する過程を含む。認証要請/応答に用いられる認証フレーム(authentication frame)は管理フレームに該当する。
認証フレームは、認証アルゴリズム番号(authentication algorithm number)、認証トランザクションシーケンス番号(authentication transaction sequence number)、状態コード(status code)、検問テキスト(challenge text)、RSN(Robust Security Network)、有限循環グループ(Finite Cyclic Group)などに関する情報を含むことができる。これは、認証要請/応答フレームに含まれ得る情報の一例示に過ぎず、他の情報に置き換わったり、追加の情報が更に含まれたりしてもよい。
STAは認証要請フレームをAPに送信することができる。APは、受信された認証要請フレームに含まれた情報に基づいて、当該STAに対する認証を許容するか否かを決定することができる。APは認証処理の結果を認証応答フレームを通じてSTAに提供することができる。
STAが成功的に認証された後に、段階S530で連携過程を行うことができる。連携過程は、STAが連携要請フレーム(association request frame)をAPに送信し、それに応答してAPが連携応答フレーム(association response frame)をSTAに送信する過程を含む。
例えば、連携要請フレームは、様々な能力(capability)に関する情報、ビーコン聴取間隔(listen interval)、SSID(service set identifier)、支援レート(supported rates)、支援チャネル(supported channels)、RSN、移動性ドメイン、支援オペレーティングクラス(supported operating classes)、TIM放送要請(Traffic Indication Map Broadcast request)、相互動作(interworking)サービス能力などに関する情報を含むことができる。
例えば、連携応答フレームは、様々な能力に関する情報、状態コード、AID(Association ID)、支援レート、EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)パラメータセット、RCPI(Received Channel Power Indicator)、RSNI(Received Signal to Noise Indicator)、移動性ドメイン、タイムアウト間隔(連携カムバック時間(association comeback time))、重畳(overlapping)BSSスキャンパラメータ、TIM放送応答、QoSマップなどの情報を含むことができる。
これは連携要請/応答フレームに含まれ得る情報の一例に過ぎず、他の情報に置き換わったり、追加の情報が更に含まれたりしてもよい。
STAがネットワークに成功的に連携された後に、段階S540で保安セットアップ過程を行うことができる。段階S540の保安セットアップ過程は、RSNA(Robust Security Network Association)要請/応答を通じた認証過程ということもでき、上記の段階S520の認証過程を第1の認証(first authentication)過程とし、段階S540の保安セットアップ過程を単純に認証過程と呼ぶこともできる。
段階S540の保安セットアップ過程は、例えば、EAPOL(Extensible Authentication Protocol over LAN)フレームを通じた4−ウェイ(way)ハンドシェーキングを通じて、プライベートキーセットアップ(private key setup)をする過程を含むことができる。また、保安セットアップ過程は、IEEE 802.11標準で定義しない保安方式によって行われてもよい。
(WLANの進化)
無線LANで通信速度の限界を克服するために比較的最近に制定された技術標準としてIEEE 802.11nがある。IEEE 802.11nは、ネットワークの速度と信頼性を増大させ、且つ無線ネットワークの運営距離を拡張することに目的がある。より具体的に、IEEE 802.11nは、データ処理速度が最大540Mbps以上である高処理率(High Throughput;HT)を支援するとともに、送信エラーを最小化し、データ速度を最適化するために送信端と受信端の両方とも多重アンテナを使用するMIMO(Multiple Inputs and Multiple Outputs)技術に基づいている。
無線LANの普及が活性化され、更にそれを用いたアプリケーションが多様化するに伴って、最近ではIEEE 802.11nが支援するデータ処理速度よりも高い処理率を支援するための新しい無線LANシステムの必要性が台頭している。超高処理率(Very High Throughput;VHT)を支援する次世代無線LANシステムは、IEEE 802.11n無線LANシステムの次のバージョン(例えば、IEEE 802.11ac)であり、MACサービスアクセスポイント(Service Access Point;SAP)で1Gbps以上のデータ処理速度を支援するために最近に新しく提案されているIEEE 802.11無線LANシステムの一つである。
次世代無線LANシステムは、無線チャネルを效率的に利用するために複数のSTAが同時にチャネルにアクセスするMU−MIMO(Multi User Multiple Input Multiple Output)方式の送信を支援する。MU−MIMO送信方式によれば、APが、MIMOペアリング(pairing)された一つ以上のSTAに同時にパケットを送信することができる。
また、ホワイトスペース(white space)で無線LANシステム動作を支援することが議論されている。例えば、アナログTVのデジタル化による遊休状態の周波数帯域(例えば、54〜698MHz帯域)のようなTVホワイトスペース(TVWS)での無線LANシステムの導入は、IEEE 802.11af標準として議論されている。しかし、これは例示に過ぎず、ホワイトスペースは、許可されたユーザ(licensed user)が優先して使用できる許可された帯域といえる。許可されたユーザは、許可された帯域の使用が許可されたユーザのことを意味し、許可された装置(licensed device)、プライマリユーザ(primary user)、優先的ユーザ(incumbent user)などと呼ぶこともできる。
例えば、WSで動作するAP及び/又はSTAは、許可されたユーザに対する保護(protection)機能を提供しなければならない。例えば、WS帯域で特定帯域幅を有するように規約(regulation)上分割されている周波数帯域である特定WSチャネルを、マイクロホン(microphone)のような許可されたユーザが既に使用している場合、許可されたユーザを保護するために、AP及び/又はSTAは当該WSチャネルに該当する周波数帯域は使用することができない。また、AP及び/又はSTAは、現在フレーム送信及び/又は受信のために使用している周波数帯域を許可されたユーザが使用するようになると、当該周波数帯域の使用を中止しなければならない。
そのため、AP及び/又はSTAは、WS帯域中の特定周波数帯域の使用が可能か否か、すなわち、当該周波数帯域に許可されたユーザが存在するか否かを把握する手順を先行しなければならない。許可されたユーザが特定周波数帯域に存在するか否かを把握することをスペクトルセンシング(spectrum sensing)という。スペクトルセンシングメカニズムとして、エネルギー探知(energy detection)方式、信号探知(signature detection)方式などが活用される。受信信号の強度が一定値以上であれば、許可されたユーザが使用中であると判断したり、DTVプリアンブル(preamble)が検出されると、許可されたユーザが使用中であると判断すればよい。
また、次世代通信技術としてM2M(Machine−to−Machine)通信技術が議論されている。IEEE 802.11無線LANシステムでもM2M通信を支援するための技術標準がIEEE 802.11ahとして開発されている。M2M通信は、一つ以上のマシン(Machine)が含まれる通信方式を意味し、MTC(Machine Type Communication)又は事物通信と呼ばれることもある。ここで、マシンとは、人間の直接的な操作や介入を必要としない個体(entity)を意味する。例えば、無線通信モジュールが搭載された検針機(meter)や自動販売機のような装置を含めて、ユーザの操作/介入無しで自動でネットワークに接続して通信を行うことができるスマートフォンのようなユーザ機器もマシンの例示に該当し得る。M2M通信は、デバイス間の通信(例えば、D2D(Device−to−Device)通信)、デバイスとサーバー(application server)間の通信などを含むことができる。デバイスとサーバー間の通信の例示としては、自動販売機とサーバー、POS(Point of Sale)装置とサーバー、電気、ガス又は水道検針機とサーバー間の通信が挙げられる。その他にも、M2M通信ベースのアプリケーション(application)には、保安(security)、運送(transportation)、ヘルスケア(health care)などが含まれてもよい。このような適用例の特性を考慮すると、一般に、M2M通信は、数多くの機器が存在する環境でたまに少量のデータを低速で送受信することを支援できるものでなければならない。
具体的に、M2M通信は多数のSTAを支援できるものでなければならない。現在定義されている無線LANシステムでは、一つのAPに最大2007個のSTAが連携される場合を仮定するが、M2M通信ではそれよりも多い個数(約6000個)のSTAが一つのAPに連携される場合を支援する方案が議論されている。また、M2M通信では低い送信速度を支援/要求するアプリケーションが多いと予想される。これを円滑に支援するために、例えば、無線LANシステムでは、TIM(Traffic Indication Map)要素に基づいてSTAが自身に送信されるデータの有無を認知できるが、TIMのビットマップサイズを減らす方案が議論されている。また、M2M通信では送信/受信間隔が非常に長いトラフィックが多いと予想される。例えば、電気/ガス/水道の使用量のように長い周期(例えば、1ケ月)ごとに大変少ない量のデータを交換することが要求される。また、M2M通信では、下りリンク(すなわち、APから非−AP STAへのリンク)を通じて提供された命令に応じてSTAの動作が行われ、その結果データが上りリンク(すなわち、非−AP STAからAPへのリンク)を通じて報告される構造を有するため、M2M通信では、主要データが送信される上りリンクにおける改善された通信方式が主に扱われる。また、M2M STAは主にバッテリーで動作するが、ユーザにとってそれを充電し難しい場合も多いため、バッテリー消耗を最小化することによって長い寿命を保障することが要求される。また、M2M STAは特定状況ではユーザによる直接操作が難しいと予想されるため、自ら修復する機能を持つことが要求される。そこで、無線LANシステムでは、一つのAPに連携し得るSTAの個数は非常に増加しても、一つのビーコン周期の間にAPから受信するデータフレームを有するSTAの個数は非常に少ない場合を效率的に支援し、STAの消耗電力を減少させる方案が議論されている。
このように無線LAN技術は急速に進化しつつあり、前述した例示の他にも、直接リンクセットアップ、メディアストリーミング性能の改善、高速及び/又は大規模の初期セッションセットアップの支援、拡張された帯域幅及び動作周波数の支援などのための技術が開発されている。
(1GHz未満(sub−1GHz)で動作するWLAN)
前述したように、M2M通信をユースケース(use case)とするIEEE 802.11ah標準が議論されている。IEEE 802.11ah標準は、1GHz未満(sub−1GHz)の動作周波数においてTVホワイトスペース帯域(whitespace band)を除いた非免許(unlicensed)帯域で動作し、既存の室内(indoor)カバレッジを主に支援していたWLANに比べて格段に広いカバレッジ(例えば、最大1km)を有することができる。すなわち、既存の2.4GHzや5GHzの周波数で動作するWLANと違い、sub−1GHz(例えば、700乃至900MHz)動作周波数帯域でWLANが用いられると、当該帯域の伝搬特性によって、同一伝送電力でAPのカバレッジが略2〜3倍に拡張される。この場合、一つのAP当たり極めて多数のSTAが接続可能であるという特徴を有する。IEEE 802.11ah標準で考慮しているユースケースを要約すると、下記の表1の通りである。
Figure 0006250039
上記の表1のユースケース1によれば、種々のセンサー/メーター装置が802.11ah APに接続してM2M通信を行うことができる。特に、スマートグリッド(smart grid)の場合、最大6,000個のセンサー/メーター装置が一つのAPに接続することができる。
上記の表1のユースケース2によれば、広いカバレッジを提供する802.11ah APが、IEEE 802.15.4gのような他のシステムにおいてバックホールリンク(backhaul link)の役割を担うことができる。
上記の表1のユースケース3によれば、拡張されたホームカバレッジ(Extended home coverage)、キャンパス広さのカバレッジ(Campus wide coverage)、ショッピングモール(Shopping malls)のような室外拡張された範囲のホットスポット(outdoor extended range hotspot)通信を支援することができる。また、ユースケース3によれば、802.11ah APがセルラー移動通信のトラフィックオフローディング(traffic offloading)を支援することによって、セルラートラフィックの過負荷を分散させる機能を果たすこともできる。
このようなsub−1GHz帯域における通信のための物理層(PHY)の構成は、既存のIEEE 802.11ac PHYを1/10ダウンクロッキング(down−clocking)することによって具現することができる。この場合、802.11acにおける20/40/80/160/80+80MHzチャネル帯域幅は、1/10ダウンクロッキングを用いて、sub−1GHz帯域で2/4/8/16/8+8MHzチャネル帯域幅を提供することができる。これによって、ガード区間(Guard Interval;GI)は0.8μsから8μsへと10倍増加する。下記の表2は、802.11ac PHYの処理量(throughput)と、1/10ダウンクロッキングされたsub−1GHz PHYの処理量とを比較するものである。
Figure 0006250039
(媒体アクセスメカニズム)
IEEE 802.11に基づく無線LANシステムにおいて、MAC(Medium Access Control)の基本アクセスメカニズムは、CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)メカニズムである。CSMA/CAメカニズムは、IEEE 802.11 MACの分配調整機能(Distributed Coordination Function、DCF)とも呼ばれるが、基本的に「listen before talk」アクセスメカニズムを採用している。このような類型のアクセスメカニズムによれば、AP及び/又はSTAは送信を開始するに先立ち、所定の時間区間(例えば、DIFS(DCF Inter−Frame Space)の間に無線チャネル又は媒体(medium)をセンシング(sensing)するCCA(Clear Channel Assessment)を行うことができる。センシングの結果、媒体が遊休状態(idle status)と判断されると、当該媒体を通じてフレーム送信を始める。一方、媒体が占有状態(occupied status)と感知されると、当該AP及び/又はSTAは自分の送信を開始せず、媒体アクセスのための遅延期間(例えば、任意バックオフ周期(random backoff period))を設定して待った後、フレーム送信を試みることができる。任意バックオフ周期の適用から、複数のSTAはそれぞれ異なった時間待った後にフレーム送信を試みることが期待されるため、衝突(collision)を最小化することができる。
また、IEEE 802.11 MACプロトコルはHCF(Hybrid Coordination Function)を提供する。HCFはDCFとPCF(Point Coordination Function)に基づく。PCFは、ポーリング(polling)ベースの同期式アクセス方式で、全ての受信AP及び/又はSTAがデータフレームを受信できるように周期的にポーリングする方式のことをいう。また、HCFは、EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)とHCCA(HCF Controlled Channel Access)を有する。EDCAは、提供者が複数のユーザにデータフレームを提供するためのアクセス方式を競合ベースとするものであり、HCCAは、ポーリングメカニズムを用いた非競合ベースのチャネルアクセス方式を用いるものである。また、HCFは、WLANのQoS(Quality of Service)を向上させるための媒体アクセスメカニズムを含み、競合周期(Contention Period;CP)、非競合周期(Contention Free Period;CFP)のいずれにおいてもQoSデータを送信することができる。
図6は、バックオフ過程を説明するための図である。
図6を参照して任意バックオフ周期に基づく動作について説明する。占有(occupy又はbusy)状態だった媒体が遊休(idle)状態に変更されると、複数のSTAはデータ(又はフレーム)送信を試みることができる。この時、衝突を最小化するための方案として、STAはそれぞれ任意バックオフカウントを選択し、それに該当するスロット時間だけ待機した後、送信を試みることができる。任意バックオフカウントは、擬似−任意整数(pseudo−random integer)値を有し、0乃至CW範囲の値のいずれか一つに決定され得る。ここで、CWは、競合ウィンドウ(Contention Window)パラメータ値である。CWパラメータは初期値としてCWminが与えられるが、送信失敗の場合(例えば、送信されたフレームに対するACKを受信できなかった場合)に2倍の値を取ることができる。CWパラメータ値がCWmaxになると、データ送信に成功するまでCWmax値を維持しながらデータ送信を試みることができ、データ送信に成功する場合にはCWmin値にリセットされる。CW、CWmin及びCWmax値は2−1(n=0,1,2,…)に設定されることが好ましい。
任意バックオフ過程が始まると、STAは、決定されたバックオフカウント値によってバックオフスロットをカウントダウンする間に続けて媒体をモニタする。媒体が占有状態とモニタされるとカウントダウンを止めて待機し、媒体が遊休状態になると残りのカウントダウンを再開する。
図6の例示で、STA3のMACに送信するパケットが到達した場合に、STA3はDIFSだけ媒体が遊休状態であることを確認し、直ちにフレームを送信することができる。一方、残りのSTAは、媒体が占有(busy)状態であることをモニタして待機する。その間にSTA1、STA2及びSTA5のそれぞれでも送信するデータが発生することがあり、それぞれのSTAは、媒体が遊休状態とモニタされると、DIFSだけ待機した後に、それぞれ選択した任意バックオフカウント値によってバックオフスロットのカウントダウンを行うことができる。図6の例示では、STA2が最も小さいバックオフカウント値を選択し、STA1が最も大きいバックオフカウント値を選択した場合を示す。すなわち、STA2がバックオフカウントを終えてフレーム送信を開始する時点でSTA5の残余バックオフ時間はSTA1の残余バックオフ時間よりも短い場合を例示する。STA1及びSTA5は、STA2が媒体を占有する間に暫くカウントダウンを中止して待機する。STA2の占有が終了して媒体が再び遊休状態になると、STA1及びSTA5はDIFSだけ待機した後に、中止していたバックオフカウントを再開する。すなわち、残余バックオフ時間だけの残りのバックオフスロットをカウントダウンした後にフレーム送信を始めることができる。STA5の残余バックオフ時間がSTA1よりも短かったため、STA5がフレーム送信を開始するようになる。一方、STA2が媒体を占有する間にSTA4でも送信するデータが発生することがある。このとき、STA4の立場では、媒体が遊休状態になるとDIFSだけ待機した後、自身が選択した任意バックオフカウント値によるカウントダウンを行ってフレーム送信を開始することができる。図6の例示では、STA5の残余バックオフ時間がSTA4の任意バックオフカウント値と偶然に一致する場合を示し、この場合、STA4とSTA5間に衝突が発生することがある。衝突が発生する場合はSTA4、STA5両方ともACKを受信することができず、データ送信に失敗することになる。この場合、STA4とSTA5はCW値を2倍に増やした後に任意バックオフカウント値を選択してカウントダウンを行うことができる。一方、STA1は、STA4とSTA5の送信によって媒体が占有状態である間に待機しているが、媒体が遊休状態になると、DIFSだけ待機した後、残余バックオフ時間が経過するとフレーム送信を開始することができる。
(STAのセンシング動作)
前述したように、CSMA/CAメカニズムは、AP及び/又はSTAが媒体を直接センシングする物理的キャリアセンシング(physical carrier sensing)の他、仮想キャリアセンシング(virtual carrier sensing)も含む。仮想キャリアセンシングは、隠れたノード問題(hidden node problem)などのように媒体アクセスで発生し得る問題を補完するために用いられる。仮想キャリアセンシングのために、無線LANシステムのMACはネットワーク割当ベクトル(Network Allocation Vector;NAV)を用いることができる。NAVは、現在媒体を利用していたり又は利用する権限のあるAP及び/又はSTAが、媒体を使用可能な状態になるまで残っている時間を、他のAP及び/又はSTAに示す(indicate)値である。したがって、NAVに設定された値は、当該フレームを送信するAP及び/又はSTAによって媒体の利用が予定されている期間に該当し、NAV値を受信するSTAは、当該期間において媒体アクセス(又は、チャネルアクセス)が禁止(prohibit)又は延期(defer)される。NAVは、例えば、フレームのMACヘッダ(header)の「duration」フィールドの値によって設定されてもよい。
また、衝突可能性を低減するために堅牢な衝突検出(robust collision detect)メカニズムが導入された。これについて図7及び図8を参照して説明する。実際にキャリアセンシング範囲と送信範囲は同一でないこともあるが、説明の便宜のために両者は同一であると仮定する。
図7は、隠れたノード及び露出されたノードを説明するための図である。
図7(a)は、隠れたノードに関する例示であり、STA AとSTA Bとが通信中にあり、STA Cが送信する情報を持っている場合である。具体的に、STA AがSTA Bに情報を送信している状況であるにもかかわらず、STA CがSTA Bにデータを送る前にキャリアセンシングを行う際、媒体が遊休状態にあると判断することがある。これは、STA Aの送信(すなわち、媒体占有)をSTA Cの位置ではセンシングできないこともあるためである。このような場合、STA BはSTA AとSTA Cの情報を同時に受け、衝突が発生することになる。このとき、STA AをSTA Cの隠れたノードということができる。
図7(b)は、露出されたノード(exposed node)に関する例示であり、STA BがSTA Aにデータを送信している状況で、STA CがSTA Dに送信する情報を持っている場合である。この場合、STA Cがキャリアセンシングを行うと、STA Bの送信によって媒体が占有された状態であると判断することができる。そのため、STA CがSTA Dに送信する情報を持っていても、媒体占有状態とセンシングされたため、媒体が遊休状態になるまで待たなければならない。しかし、実際にはSTA AはSTA Cの送信範囲外にあるため、STA Cからの送信とSTA Bからの送信とがSTA Aの立場では衝突しないこともあるため、STA Cは、STA Bが送信を止めるまで余計に待機することになる。このとき、STA CをSTA Bの露出されたノードということができる。
図8は、RTSとCTSを説明するための図である。
図7のような例示的な状況で衝突回避(collision voidance)メカニズムを效率的に利用するために、RTS(request to send)とCTS(clear to send)などの短いシグナリングパケット(short signaling packet)を利用することができる。両STA間のRTS/CTSは周囲のSTAがオーバーヒヤリング(overhearing)できるようにし、この周囲のSTAが上記両STA間の情報送信の有無を考慮するようにすることができる。例えば、データを送信しようとするSTAがデータを受けるSTAにRTSフレームを送信すると、データを受けるSTAはCTSフレームを周囲のSTAに送信することによって、自身がデータを受けることを知らせることができる。
図8(a)は、隠れたノード問題を解決する方法に関する例示であり、STA AとSTA CがいずれもSTA Bにデータを送信しようとする場合を仮定する。STA AがRTSをSTA Bに送ると、STA BはCTSを自身の周囲にあるSTA A及びSTA Cの両方に送信する。その結果、STA CはSTA AとSTA Bのデータ送信が終わるまで待機し、衝突を避けることが可能になる。
図8(b)は、露出されたノード問題を解決する方法に関する例示であり、STA AとSTA B間のRTS/CTS送信をSTA Cがオーバーヒヤリングすることによって、STA Cは自身が他のSTA(例えば、STA D)にデータを送信しても衝突が発生しないと判断することができる。すなわち、STA Bは周囲の全てのSTAにRTSを送信し、実際に送るデータを持っているSTA AのみがCTSを送信するようになる。STA CはRTSを受信できるだけで、STA AのCTSは受信できないため、STA AはSTA Cのキャリアセンシング外にあるということがわかる。
(電力管理)
前述したように、無線LANシステムではSTAが送受信を行う前にチャネルセンシングを行わなければならないが、チャネルを常にセンシングすることはSTAの持続的な電力消耗を引き起こす。受信状態での電力消耗は送信状態での電力消耗と大差がないため、受信状態を持続することも、電力の制限された(すなわち、バッテリーによって動作する)STAには大きな負担となる。したがって、STAが持続的にチャネルをセンシングするために受信待機状態を維持すると、無線LAN処理率の側面で特別な利点もなく電力を非効率的に消耗することになる。このような問題点を解決するために、無線LANシステムではSTAの電力管理(power management;PM)モードを支援する。
STAの電力管理モードはアクティブ(active)モード及び省電力(power save;PS)モードに区別される。STAは基本的にアクティブモードで動作する。アクティブモードで動作するSTAは、アウェイク状態(awake state)を維持する。アウェイク状態は、フレーム送受信やチャネルスキャニングなどの正常動作が可能な状態である。一方、PSモードで動作するSTAはスリープ状態(sleep state)(又は、ドーズ(doze)状態)とアウェイク状態(awake state)を切り替えながら動作する。スリープ状態で動作するSTAは、最小限の電力で動作し、フレーム送受信もチャネルスキャニングも行わない。
STAがスリープ状態でできるだけ長く動作するほど電力消耗が減るため、STAの動作期間が増加する。しかし、スリープ状態ではフレーム送受信が不可能なため、無条件に長く動作するわけにはいかない。スリープ状態で動作するSTAがAPに送信するフレームを有すると、アウェイク状態に切り替わってフレームを送信すればよい。一方、APがSTAに送信するフレームがある場合、スリープ状態のSTAはそれを受信できないことはもとより、受信するフレームが存在するということも把握できない。したがって、STAは自身に送信されるフレームの存在有無を確認するために(また、存在するならそれを受信するために)、特定周期に従ってアウェイク状態に切り替わる動作を必要とし得る。
図9は、電力管理動作を説明するための図である。
図9を参照すると、AP 210は、一定の周期でビーコンフレーム(beacon frame)をBSS内のSTAに送信する(S211、S212、S213、S214、S215、S216)。ビーコンフレームには、TIM(Traffic Indication Map)情報要素(Information Element)が含まれる。TIM情報要素は、AP 210が自身と連携されているSTAに対するバッファされたトラフィックが存在し、フレームを送信する旨を知らせる情報を含む。TIM要素には、ユニキャスト(unicast)フレームを知らせるために用いられるTIMと、マルチキャスト(multicast)又はブロードキャスト(broadcast)フレームを知らせるために用いられるDTIM(delivery traffic indication map)がある。
AP 210は、3回のビーコンフレームを送信する度に1回ずつDTIMを送信することができる。STA1 220及びSTA2 230はPSモードで動作するSTAである。STA1 220及びSTA2 230は、所定の周期のウェイクアップインターバル(wakeup interval)ごとにスリープ状態からアウェイク状態に切り替わって、AP 210によって送信されたTIM要素を受信できるように設定されてもよい。それぞれのSTAは、自身のローカルクロック(local clock)に基づいてアウェイク状態に切り替わる時点を計算することができ、図9の例示ではSTAのクロックがAPのクロックと一致すると仮定する。
例えば、所定のウェイクアップインターバルは、STA1 220がビーコンインターバルごとにアウェイク状態に切り替わってTIM要素を受信できるように設定されてもよい。そのため、STA1 220は、AP 210が最初にビーコンフレームを送信する時(S211)にアウェイク状態に切り替わり得る(S221)。STA1 220は、ビーコンフレームを受信してTIM要素を取得することができる。取得されたTIM要素が、STA1 220に送信されるフレームがある旨を示すと、STA1 220は、AP 210にフレーム送信を要請するPS−Poll(Power Save−Poll)フレームをAP 210に送信することができる(S221a)。AP 210は、PS−Pollフレームに対応してフレームをSTA1 220に送信することができる(S231)。フレーム受信を完了したSTA1 220は再びスリープ状態に切り替わって動作する。
AP 210が二番目にビーコンフレームを送信するにあたり、他の装置が媒体にアクセスするなどして媒体が占有された(busy medium)状態であるから、AP 210は正確なビーコンインターバルに合わせてビーコンフレームを送信できず、遅延された時点に送信することがある(S212)。この場合、STA1 220はビーコンインターバルに合わせて動作モードをアウェイク状態に切り替えるが、遅延送信されるビーコンフレームを受信できず、再びスリープ状態に切り替わる(S222)。
AP 210が三番目にビーコンフレームを送信する時、当該ビーコンフレームはDTIMと設定されたTIM要素を含むことができる。ただし、媒体が占有された(busy medium)状態であるから、AP 210はビーコンフレームを遅延して送信する(S213)。STA1 220は、ビーコンインターバルに合わせてアウェイク状態に切り替わって動作し、AP 210によって送信されるビーコンフレームからDTIMを取得することができる。STA1 220が取得したDTIMは、STA1 220に送信されるフレームはなく、他のSTAのためのフレームが存在する旨を示す場合を仮定する。この場合、STA1 220は、自身が受信するフレームがないことを確認し、再びスリープ状態に切り替わって動作することができる。AP 210はビーコンフレーム送信後にフレームを該当のSTAに送信する(S232)。
AP 210は、四番目にビーコンフレームを送信する(S214)。ただし、STA1 220は、それ以前の2回にわたるTIM要素受信から、自身に対するバッファされたトラフィックが存在するという情報が取得できなかったため、TIM要素受信のためのウェイクアップインターバルを調整してもよい。又は、AP 210によって送信されるビーコンフレームにSTA1 220のウェイクアップインターバル値を調整するためのシグナリング情報が含まれた場合、STA1 220のウェイクアップインターバル値が調整されてもよい。本例示で、STA1 220はビーコンインターバルごとにTIM要素受信のために運営状態を切り替えたが、3回のビーコンインターバルごとに1回起床するように運営状態を切り替えるように設定してもよい。したがって、STA1 220は、AP 210が四番目のビーコンフレームを送信し(S214)、五番目のビーコンフレームを送信する時点に(S215)スリープ状態を維持するため、TIM要素を取得することができない。
AP 210が六番目にビーコンフレームを送信する時(S216)、STA1 220はアウェイク状態に切り替わって動作し、ビーコンフレームに含まれたTIM要素を取得することができる(S224)。TIM要素は、ブロードキャストフレームが存在する旨を示すDTIMであるから、STA1 220はPS−PollフレームをAP 210に送信することなく、AP 210によって送信されるブロードキャストフレームを受信すればよい(S234)。一方、STA2 230に設定されたウェイクアップインターバルはSTA1 220に比べて長い周期に設定されてもよい。そのため、STA2 230は、AP 210が五番目にビーコンフレームを送信する時点(S215)にアウェイク状態に切り替わってTIM要素を受信することができる(S241)。STA2 230は、TIM要素から、自身に送信されるフレームが存在することがわかり、フレーム送信を要請するためにAP 210にPS−Pollフレームを送信することができる(S241a)。AP 210はPS−Pollフレームに対応してSTA2 230にフレームを送信することができる(S233)。
図9のような省電力モードの運営のためにTIM要素には、STAに送信されるフレームが存在するか否かを示すTIM、又はブロードキャスト/マルチキャストフレームが存在するか否かを示すDTIMが含まれる。DTIMはTIM要素のフィールド設定によって具現することができる。
図10乃至図12は、TIMを受信したSTAの動作を詳しく説明するための図である。
図10を参照すると、STAは、APからTIMを含むビーコンフレームを受信するためにスリープ状態からアウェイク状態に切り替わり、受信したTIM要素を解釈して、自身に送信されるバッファされたトラフィックがあることを確認できる。STAは、PS−Pollフレームの送信のための媒体アクセスのために他のSTAと競合(contending)を行った後に、APにデータフレーム送信を要請するためにPS−Pollフレームを送信することができる。STAによって送信されたPS−Pollフレームを受信したAPは、STAにフレームを送信することができる。STAはデータフレームを受信し、それに対する確認応答(ACK)フレームをAPに送信することができる。その後、STAは再びスリープ状態に切り替わってもよい。
図10のように、APは、STAからPS−Pollフレームを受信した後、所定の時間(例えば、SIFS(Short Inter−Frame Space))後にデータフレームを送信する即時応答(immediate response)方式によって動作することができる。一方、APがPS−Pollフレームを受信した後に、STAに送信するデータフレームをSIFS時間の間に用意できなかった場合は、遅延された応答(deferred response)方式によって動作してもよく、それについて図11を参照して説明する。
図11の例示で、STAがスリープ状態からアウェイク状態に切り替わってAPからTIMを受信し、競合を経てPS−PollフレームをAPに送信する動作は、図10の例示と同一である。APがPS−Pollフレームを受信したが、SIFSの間にデータフレームを用意できなかった場合、データフレームを送信する代わりにACKフレームをSTAに送信してもよい。APは、ACKフレーム送信後にデータフレームが用意されると、競合を行った後、データフレームをSTAに送信することができる。STAはデータフレームを成功的に受信したことを示すACKフレームをAPに送信し、スリープ状態に切り替わってもよい。
図12は、APがDTIMを送信する例示に関するものである。STAはAPからDTIM要素を含むビーコンフレームを受信するためにスリープ状態からアウェイク状態に切り替わってもよい。これらのSTAは、受信したDTIMから、マルチキャスト/ブロードキャストフレームが送信されることがわかる。APは、DTIMを含むビーコンフレームを送信後に、PS−Pollフレームの送受信動作無しで直ちにデータ(すなわち、マルチキャスト/ブロードキャストフレーム)を送信することができる。これらのSTAは、DTIMを含むビーコンフレームを受信してから続けてアウェイク状態を維持しながらデータを受信し、データ受信が完了した後に再びスリープ状態に切り替わってもよい。
(TIM構造)
図9乃至図12を参照して上述したTIM(又は、DTIM)プロトコルに基づく省電力モード運営方法において、STAは、TIM要素に含まれたSTA識別情報から、自身のために送信されるデータフレームが存在するか否かを確認することができる。STA識別情報は、STAとAPとの連携(association)時にSTAに割り当てられた識別子であるAID(Association Identifier)に関する情報であってもよい。
AIDは一つのBSS内ではそれぞれのSTAに対する固有の(unique)識別子として使われる。一例として、現在無線LANシステムにおいてAIDとしては1から2007までのいずれか一つの値を割り当てることができる。現在定義されている無線LANシステムでは、AP及び/又はSTAが送信するフレームにはAIDのために14ビットを割り当てることができ、AID値は16383まで割り当てることができるが、2008〜16383は予備(reserved)値として設定されている。
既存の定義によるTIM要素は、一つのAPに多数(例えば、2007個を超える)のSTAが連携され得るM2Mアプリケーションの適用には適していない。既存のTIM構造をそのまま拡張するとTIMビットマップのサイズが過大になるため、既存のフレームフォーマットでは支援することができず、また、低い伝送レートのアプリケーションを考慮するM2M通信に適していない。また、M2M通信では、一つのビーコン周期の間に受信データフレームが存在するSTAの個数は大変少ないと予想される。したがって、このようなM2M通信の適用例を考慮すれば、TIMビットマップのサイズは大きくなるが、大部分のビットが0値を有する場合が多く発生すると予想されるため、ビットマップを效率的に圧縮する技術が要求される。
既存のビットマップ圧縮技術として、ビットマップの先頭部分に連続する0を省略し、オフセット(offset)(又は、開始点)値で定義する方案がある。しかし、バッファされたフレームが存在するSTAの個数は少ないが、それぞれのSTAのAID値の差が大きい場合には圧縮効率が高くない。例えば、AIDが10と2000の値であるただ2つのSTAに送信するフレームのみがバッファされている場合、圧縮されたビットマップの長さは1990であるが、両端を除いてはいずれも0の値を有することになる。一つのAPに連携され得るSTAの個数が少ない場合にはビットマップ圧縮の非効率性があまり問題にならないが、STAの個数が増加する場合は、このような非効率性が全体システム性能を阻害する要素になることもある。
これを解決するための方案として、AIDを複数のグループに分けてより効果的なデータ送信を行うようにすることができる。各グループには、指定されたグループID(GID)が割り当てられる。このようなグループベースで割り当てられるAIDについて図13を参照して説明する。
図13(a)は、グループベースで割り当てられたAIDの一例を示す図である。図13(a)の例示では、AIDビットマップの先頭部におけるいくつかのビットを、GIDを示すために用いることができる。例えば、AIDビットマップにおける先頭の2ビットを用いて4個のGIDを示すことができる。AIDビットマップの全体長がNビットである場合、先頭の2ビット(B1及びB2)の値は当該AIDのGIDを示す。
図13(b)は、グループベースで割り当てられたAIDの他の例を示す図である。図13(b)の例示では、AIDの位置によってGIDを割り当てることができる。このとき、同一のGIDを使用するAIDはオフセット(offset)及び長さ(length)の値で表現することができる。例えば、GID 1がオフセットA及び長さBで表現されると、ビットマップ上でA乃至A+B−1のAIDがGID 1を有するということを意味する。例えば、図13(b)の例示で、全体1乃至N4のAIDが4個のグループに分割されると仮定する。この場合、GID 1に属するAIDは1乃至N1であり、このグループに属するAIDはオフセット1及び長さN1で表現することができる。次に、GID 2に属するAIDをオフセットN1+1及び長さN2−N1+1で表現することができ、GID 3に属するAIDをオフセットN2+1及び長さN3−N2+1で表現することができ、GID 4に属するAIDをオフセットN3+1及び長さN4−N3+1で表現することができる。
このようなグループベースで割り当てられるAIDが導入されると、GIDによって異なる時間区間にチャネルアクセスを許容できるようにすることによって、多数のSTAに対するTIM要素不足の問題を解決すると同時に、効率的なデータの送受信を行うことができる。例えば、特定時間区間では特定グループに該当するSTAにのみチャネルアクセスが許容され、残り他のSTAにはチャネルアクセスが制限(restrict)されてもよい。このように特定STAにのみアクセスが許容される所定の時間区間を、制限されたアクセスウィンドウ(Restricted Access Window;RAW)と呼ぶこともできる。
GIDによるチャネルアクセスについて図13(c)を参照して説明する。図13(c)では、AIDが3個のグループに分けられている場合、ビーコンインターバルによるチャネルアクセスメカニズムを例示的に示す。一番目のビーコンインターバル(又は、一番目のRAW)は、GID 1に属するAIDに該当するSTAのチャネルアクセスが許容される区間で、他のGIDに属するSTAのチャネルアクセスは許容されない。これを具現するために、一番目のビーコンにはGID 1に該当するAIDのみのためのTIM要素が含まれる。二番目のビーコンフレームにはGID 2を有するAIDのみのためのTIM要素が含まれ、これによって二番目のビーコンインターバル(又は、二番目のRAW)の間には、GID 2に属するAIDに該当するSTAのチャネルアクセスのみが許容される。三番目のビーコンフレームには、GID 3を有するAIDのみのためのTIM要素が含まれ、これによって三番目のビーコンインターバル(又は、三番目のRAW)の間には、GID 3に属するAIDに該当するSTAのチャネルアクセスのみが許容される。四番目のビーコンフレームには再びGID 1を有するAIDのみのためのTIM要素が含まれ、これによって四番目のビーコンインターバル(又は、四番目のRAW)の間には、GID 1に属するAIDに該当するSTAのチャネルアクセスのみが許容される。続いて、五番目以降のビーコンインターバル(又は、五番目以降のRAW)のそれぞれにおいても、当該ビーコンフレームに含まれたTIMで指定される特定グループに属したSTAのチャネルアクセスのみが許容されてもよい。
図13(c)では、ビーコンインターバルによって許容されるGIDの順序が循環的又は周期的である例示を示しているが、これに制限されることはない。すなわち、TIM要素に特定GIDに属するAIDのみを含めることによって、特定時間区間(例えば、特定RAW)においてこれら特定AIDに該当するSTAのみのチャネルアクセスを許容し、残りのSTAのチャネルアクセスは許容しない方式で動作してもよい。
前述したようなグループベースAID割当方式は、TIMの階層的(hierarchical)構造と呼ぶこともできる。すなわち、全体AID空間を複数個のブロックに分割し、0以外の値を持つ特定ブロックに該当するSTA(すなわち、特定グループのSTA)のチャネルアクセスのみが許容されるようにすることができる。これによって、大きいサイズのTIMを小さいブロック/グループに分割して、STAがTIM情報を維持しやすくし、STAのクラス、サービス品質(QoS)、又は用途によってブロック/グループが管理しやすくなる。図13の例示では2−レベルの階層を示しているが、2つ以上のレベルの形態で階層的構造のTIMが構成されてもよい。例えば、全体AID空間を複数個のページ(page)グループに分割し、それぞれのページグループを複数個のブロックに区別し、それぞれのブロックを複数個のサブ−ブロックに分割することができる。このような場合、図13(a)の例示の拡張として、AIDビットマップにおいて先頭のN1個のビットはページID(すなわち、PID)を示し、その次のN2個のビットはブロックIDを示し、その次のN3個のビットはサブ−ブロックIDを示し、残りのビットがサブ−ブロック内のSTAビット位置を示す方式で構成されてもよい。
以下に説明する本発明の例示において、STA(又は、それぞれのSTAに割り当てられたAID)を所定の階層的なグループ単位に分割して管理する様々な方式が適用されてもよく、グループベースAID割当方式は上記の例示に制限されるものではない。
(U−APSDメカニズム)
U−APSD(Unscheduled−Automatic Power Save Delivery)メカニズムによれば、U−APSDサービス期間(service period;SP)を使用するためにSTAはAPに要請送信期間(requested transmission duration)を知らせることができ、APは当該SPでSTAにフレームを送信することができる。U−APSDメカニズムによれば、STAは自身のSPを用いてAPから一度に複数のPSDUを受信することができる。
STAは、ビーコンのTIM要素から、APが自身に送ろうとするデータがあるということが認知できる。その後、STAが所望の時点でトリガーフレーム(Trigger frame)をAPに送信することによって、自身のSPが開始されたことをAPに知らせながら、データを送信することをAPに要請することができる。APは、トリガーフレームに対する応答としてACKを送信することができる。その後、APは競合を経てSTAにRTSを送信し、STAからCTSフレームを受信した後、STAにデータを送信することができる。ここで、APが送信するデータは一つ以上のデータフレームで構成することができる。APが最後のデータフレームを送信する時、当該データフレームにおけるEOSP(End Of Service period)を1に設定してSTAに送信すると、STAはこれを認知してSPを終了することができる。これで、STAはAPに成功的なデータ受信を知らせるACKを送信することができる。このように、U−APSDメカニズムによれば、STAは、自身が願う時に自身のSPを開始してデータを受信することができ、一つのSP内で複数のデータフレームを受信することができるため、より効率的なデータの受信が可能になる。
(PPDUフレームフォーマット)
図14は、IEEE 802.11システムで用いられる既存の一般的なフレーム構造を説明するための図である。
図14に示すように、一般的なIEEE 802.11 PPDU(PLCP(Physical Layer Convergence Protocol) Packet Data Unit)フレームのフォーマットは、STF(Short Training Field)、LTF(Long Training Field)、SIG(SIGNAL)フィールド、及びデータ(Data)フィールドなどを含む。データフィールドは、SERVICEフィールド、PSDU(PLCP Service Data Unit)、PPDU TAILビットを含むことができ、必要な場合には埋め草(PAD)ビットを含むこともできる。
最も基本的な(例えば、non−HT(High Throughput))PPDUフレームフォーマットは、L−STF(Legacy−STF)、L−LTF(Legacy−LTF)、SIGフィールド及びデータフィールドだけで構成することができる。また、PPDUフレームフォーマットの種類(例えば、HT−mixedフォーマットPPDU、HT−greenfieldフォーマットPPDU、VHT(Very High Throughput)PPDUなど)によって、SIGフィールドとデータフィールドとの間に追加の(又は、別の種類の)STF、LTF、SIGフィールドを含むこともできる。
STFは、信号検出、AGC(Automatic Gain Control)、ダイバーシティ選択、精密な時間同期などのための信号であり、LTFは、チャネル推定、周波数誤差推定などのための信号である。STFとLTFを合わせてPCLPプリアンブル(preamble)と称することができ、PLCPプリアンブルはOFDM物理層の同期化及びチャネル推定のための信号といえる。
SIGフィールドは、RATEフィールド及びLENGTHフィールドなどを含むことができる。RATEフィールドは、データの変調及びコーディングレートに関する情報を含むことができる。LENGTHフィールドは、データの長さに関する情報を含むことができる。SIGフィールドは、パリティ(parity)ビット、SIG TAILビットなどをさらに含むこともできる。
データフィールドは、SERVICEフィールド、PSDU(PLCP Service Data Unit)、PPDU TAILビットを含むことができ、必要な場合、埋め草(PAD)ビットを含むこともできる。SERVICEフィールドの一部のビットは、受信端でのデスクランブラの同期化のために用いることができる。PSDUはMAC層で定義されるMAC PDUに対応し、上位層で生成/利用されるデータを含むことができる。PPDU TAILビットはエンコーダを0状態にリターンするために用いることができる。埋め草(PAD)ビットはデータフィールドの長さを所定の単位に合わせるために用いることができる。
MAC PDUは様々なMACフレームフォーマットによって定義し、基本的なMACフレームは、MACヘッダー、フレームボディー、及びFCS(Frame Check Sequence)で構成する。MACフレームは、MAC PDUで構成し、PPDUフレームフォーマットのデータ部分のPSDUを介して送信/受信することができる。
MACヘッダーは、フレーム制御(Frame Control)フィールド、期間(Duration)/IDフィールド、アドレス(Address)フィールドなどを含む。フレーム制御フィールドはフレーム送信/受信に必要な制御情報を含むことができる。期間/IDフィールドは当該フレームなどを送信するための時間に設定することができる。4個のアドレスフィールド(Address1、Address2、Address3、Address4)は、BSSID(Basic Service Set Identifier)、SA(Source Address)、DA(Destination Address)、TA(Transmitter Address)、RA(Receiver Address)などを示すために用いることができ、フレームタイプによって、4個のアドレスフィールドの一部のみを含むこともできる。例えば、アドレスフィールド1は当該MACフレームを受信すべき受信者のアドレス(すなわち、RA)に該当する値に設定することができ、アドレスフィールド2は当該MACフレームを送信する送信者のアドレス(すなわち、TA)に該当する値に設定することができる。また、これらのアドレスフィールドの値は、48ビットサイズのイーサネット(登録商標)(ethernet)MACアドレス(address)の形態で設定することができる。
図14に示すMACフレームフォーマットは一般的な(general)形態であり、Address2、Address3、Sequence Control、Address4、QoS Control、HT Control、及びFrame Bodyフィールドは特定フレームタイプ及びサブタイプでのみ存在してもよい。
一方、ヌル−データパケット(NDP)フレームフォーマットは、データパケットを含まない形態のフレームフォーマットを意味する。すなわち、NDPフレームは、一般的なPPDUフォーマットにおいてPLCPヘッダー部分(すなわち、STF、LTF及びSIGフィールド)のみを含み、残りの部分(すなわち、データフィールド)は含まないフレームフォーマットを意味する。NDPフレームを短い(short)フレームフォーマットと呼ぶこともできる。
(NDPを用いた低電力スキャニング)
前述した図5を参照して説明した通り、STAがネットワーク(又は、AP)を探すために能動的スキャニング又は受動的スキャニング過程を行うことができる。
能動的スキャニングは、STAが特定チャネル上でプローブ要請フレームをブロードキャストすると、このプローブ要請フレームを受信したAPがプローブ応答フレームを用いて応答する方式で行われる。プローブ要請フレームにはSSIDフィールドが含まれる。SSIDはネットワーク(又は、AP)の識別子又は名称に該当する。プローブ要請フレームに含まれるSSIDフィールドの値は、STAが探そうとする又は応答してもらいたいネットワーク(又は、AP)を示す値に指定することができる。これによって、プローブ要請フレームに含まれたSSIDと一致するSSIDを持つAPのみが、プローブ応答フレームを用いて応答することができる。ここで、プローブ応答フレームはユニキャスト方式でSTAに送信することができる。
受動的スキャニングは、STAがプローブ要請フレームを送信するのではなく、特定チャネルで送信されるビーコンフレームを受信することによってネットワーク(又は、AP)を探す過程を意味する。
スキャニング過程においてSTAの電力消耗を低減するためには、スキャニング過程を行う頻度を減らしたり、一回のスキャニングにかかる時間を縮めたり、スキャニングのために用いられるフレームのサイズ(又は、シグナリングオーバーヘッド)を減らしたりする等の方案を適用することができる。
また、ネットワーク環境によってスキャニングに消耗される電力が異なってくることがある。例えば、常にAPが存在する環境又は管理者によってAPが設置されている環境では、STAが新しいAPを探す動作を行う必要がないか、又は、既に知っている特定チャネル上の特定APを探しさえすればいいため、スキャニング過程におけるSTAの電力消耗を大きく低減することができる。これと違い、APが存在しない環境では、STAがAPを探すまでスキャニング過程を行い続けなければならず、STAの電力消耗が大きく増加することがある。
このように、APが存在するか否かによってスキャニングに必要なSTAの電力消耗が大きく変化するため、STAが、APの存在するか否かだけを簡単な手順によって確認できれば余分のスキャニング過程を省くことが可能になり、結果としてSTAの無駄な電力消耗を大幅に低減することができる。例えば、APの存在しない環境ではスキャニング過程を行ってもネットワークを発見できないことからスキャニングを行わず、APの存在する環境でのみスキャニングを行うようにすることによって、より効率的なスキャニング過程とすることができる。そのために、本発明では、STAがAPの存在するか否かだけを簡単に確認できる新しいメカニズムを提案する。また、APの存在するか否かを確認する手順を最小限のオーバーヘッドを持つように設計することによってSTAの電力消耗をさらに低減できるメカニズムを提案する。
本発明では、APの存在するか否かを確認する手順のためにNDPフレームを用いる過程(以下、NDPプローブ過程(NDP probing procedure)又はNDPプロービング(NDP Probing)と称する。)について提案し、以下では、本発明のNDPプローブ過程の具体的な実施例について説明する。
NDPプローブ過程で、STAはNDP形態のプローブ要請フレームを送信し、NDPプローブ要請フレームを受信したAPはSIFS時間後にプローブ応答フレーム(又は、NDPプローブ応答フレーム)を用いて応答することができる。NDPプローブ応答フレームは一般(normal)プローブ応答フレームに比べて短い長さを有することから、短い(short)プローブ応答フレームと呼ぶこともできる。
図15は、本発明の一例に係るNDPプローブ過程を説明するための図である。
図15の例示では、STAがNDPプローブ要請フレームを送信し、NDPプローブ要請フレームを受信したAPは、SIFS時間後にNDPプローブ応答フレームを用いて応答する動作を示す。
図15に示すように、NDPプローブ要請フレームをSTF、LTF及びSIGフィールドのみを含むNDPフレームとして構成することができる。これと同様に、NDPプローブ応答フレームもSTF、LTF及びSIGフィールドのみを含むNDPフレームとして構成することができる。
図15に示すように、NDPプローブ要請フレームのSIGフィールドのサブフィールドは、変調及びコーディング技法(Modulation and Coding Scheme;MCS)フィールド、タイプ(Type)フィールド、プローブID(Probe ID)フィールド及び巡回冗長検査(Cyclic Redundancy Check)フィールドを含むことができる。このようなNDPプローブ要請フレームのSIGフィールドのサブフィールドの構成は例示的なものであり、追加のフィールドが定義されてもよく、上記例示的なフィールド中の一部のフィールドのみで構成されてもよい。
MCSフィールドは、一般(normal)PPDU、NDPプローブ要請、NDPプローブ応答を区別するための用途に用いることができる。例えば、あるフレームのMCS値が0乃至10のいずれか一つである場合は、当該フレームが一般PPDUフレームであることを示し、MCS値が11乃至15のいずれか一つである場合はNDPプローブ要請又はNDPプローブ応答フレームであることを示すように定義することができる。
Typeフィールドは、NDPプローブ要請とNDPプローブ応答を区別するための用途に用いることができる。例えば、あるフレームのTypeフィールドの値が0である場合は、当該フレームがNDPプローブ要請フレームであることを示し、Typeフィールドの値が1である場合は、NDPプローブ応答フレームであることを示すように定義することができる。
Probe IDフィールドは、APのIDを指定するための用途に用いることができる。すなわち、Probe IDフィールドは一般プローブ要請フレームにおいてSSIDと類似の機能を持つフィールドである。ただし、Probe IDフィールドは完全な(full)SSIDをそのまま含むのではなく、SSIDの一部又はSSIDの圧縮された(compressed)形態を含むことができる。Probe IDフィールドの値が0である場合は、ワイルドカード(wildcard)SSIDを意味し、NDPプローブ要請フレームを受信した全てのAPが応答(すなわち、NDPプローブ応答フレームを送信)することができる。仮にProbe IDフィールドの値が0でなければ、NDPプローブ要請フレームに含まれたProbe ID値と同じProbe ID値を持つAPのみが応答(すなわち、NDPプローブ応答フレームを送信)することができる。Probe IDフィールドの値がSSIDの一部(又は、圧縮されたSSID)値に設定されるということは、完全なSSIDは一つのAPにのみマッチングされる場合に、上記SSIDの一部にマッチングされるAPは一つ以上存在し得るという意味であり、この場合、Probe ID値にマッチングされる一つ以上のAPがNDPプローブ要請フレームに対して応答することができる。
図15に示すように、NDPプローブ応答フレームのSIGフィールドは、MCSフィールド、Typeフィールド、Probe IDフィールド及びCRCフィールドを含むことができる。
変調及びコーディング技法(Modulation and Coding Scheme;MCS)フィールド、タイプ(Type)フィールド、プローブID(Probe ID)フィールド及び巡回冗長検査(Cyclic Redundancy Check)フィールドを含むことができる。このようなプローブ応答フレームにおけるSIGフィールドのサブフィールドの構成は例示的なものであり、追加のフィールドが定義されてもよく、上記例示的なフィールド中の一部のフィールドのみで構成されてもよい。
プローブ応答フレームのSIGフィールドにおけるMCSフィールド、Typeフィールド、Probe IDフィールドの定義は、上記プローブ要請フレームのSIGフィールドにおけるMCSフィールド、Typeフィールド、Probe IDフィールドと同一であってもよい。例えば、NDPプローブ要請フレームでは、MCSフィールドが11乃至15のいずれか一つの値を有し、Typeフィールドが0の値を有し、Probe IDフィールドが特定の圧縮されたSSID値を有することができる。例えば、NDPプローブ応答フレームでは、MCSフィールドが11乃至15のいずれか一つの値を有し、Typeフィールドが1の値を有し、Probe IDフィールドは、NDPプローブ要請フレームに含まれたProbe ID値と同じ値に設定することができる。
このように、NDPプローブ過程を通じてSTAはAPの存在するか否かを知る。これによって、STAは、APが存在する場合にのみ、当該APと連携(association)を結んだり、一般的なプローブ要請/応答の過程(すなわち、能動的スキャニング)を行ったり、又は当該APからのビーコンを受信したり(すなわち、受動的スキャニングを行ったり)する動作を行うことができる。仮にNDPプローブ要請/応答過程を通じてAPの存在しないことをSTAが認知するようになると、能動的スキャニングなどを行わないようにすることによって、無駄な電力消耗を減らすことができる。
図16は、複数個のAPが存在する環境におけるNDPプローブ過程を説明するための図である。
図16で仮定する複数個のAPが存在する環境とは、例えば、OBSS環境(Overlapping BSS environment)を意味することができる。OBSS環境は、同一チャネル上で複数個のBSSが動作し、これら複数個のBSSのBSAが一部又は全て重なる場合を意味する。
図16に示すように、STAがNDPプローブ要請フレームを送信し、SIFS時間後にAP1及びAP2が同時にNDPプローブ応答フレームを応答する場合を仮定する。すなわち、STAが送信するNDPプローブ要請フレームのProbe IDフィールドの値(例えば、SSIDの一部又は圧縮されたSSID)にマッチングされるAPが複数個存在する場合を仮定する。これによって、AP1とAP2はそれぞれNDPプローブ応答フレームを用いて応答することができる。ここで、NDPプローブ応答フレームが図15で説明するNDPプローブ応答フレームの定義によって構成される場合には、AP1及びAP2のそれぞれが送信するNDPプローブ応答フレームは完全に同一であってもよい。
STAは、AP1又はAP2の少なくとも一つが送信するNDPプローブ応答フレームを検出(detect)することができる。STAがAP1及びAP2からのNDPプローブ応答フレームを全て受信できるといっても、STAの立場では同一のフレームを重複して受信することに該当するため、一つのNDPプローブ応答フレームを受信する場合と複数個のNDPプローブ応答フレームを受信する場合においてSTAの動作は同一に定義することができる。ここで、NDPプローブ応答フレームの検出は、STAがNDPプローブ応答フレームのSTF及びLTFシーケンスのみをデコーティングすることによって行ってもよく、STF、LTFに加えてSIGフィールドまでデコーティングすることによって行ってもよい。
STAがNDPプローブ要請フレームを送信し、それに応答して少なくとも一つのNDPプローブ応答フレームを検出する場合、STAは、当該チャネル上に少なくとも一つのAPが存在するという事実を認知する。この場合、STAは、NDPプローブ要請ではなく一般(normal)プローブ要請フレームを送信することによって能動的スキャニングを行うことができる。一般プローブ要請フレームは、所定のバックオフ(BO)過程を経て送信することができる。また、STAからの一般プローブ要請フレームを受信したAP(例えば、AP2)は、バックオフ過程を経て一般プローブ応答フレームをSTAに送信することができる。
一般プローブ要請フレーム及び一般プローブ応答フレームはMAC管理フレーム(management frame)の形態で構成及び送信することができる。すなわち、一般プローブ要請フレーム及び一般プローブ応答フレームを、STF、LTF、SIG及びデータフィールドを含むPPDUフレームとして構成することができ、PPDUのデータフィールドに含まれるPSDU、すなわち、MAC PDUのフォーマットをMAC管理フレームの形態で構成することができる。図17は、MAC管理フレームの一例を示す図である。MAC管理フレームは、図14に示した一般的な(general)MACフレームの構造に比べて、Sequence Controlフィールド、Address 4フィールド及びQoS Controlフィールドが省かれた形態と定義でき、フレームボディーフィールドの長さも0−2320オクテットに減った形態と定義することができる。それぞれのフィールドの具体的な事項はIEEE 802.11文書を参照されたい。
図18は、多重チャネル環境におけるNDPプローブ過程を説明するための図である。
図18の例示では、AP1及びAP2が第1チャネル(例えば、CH5)で動作し、STAはNDPプローブ要請フレームを第2チャネル(例えば、CH4)で送信する場合を仮定する。ここで、CH4上で動作するAPがないと、NDPプローブ要請フレームに応答して送信されるNDPプローブ応答フレームが存在しない場合が発生する。
この場合、NDPプローブ要請フレームを送信したSTAがNDPプローブ応答フレームを待つ時間制限(すなわち、NDPプローブ応答タイムアウト(timeout))が必要であり、この時間内にSTAがNDPプローブ応答フレームを検出できない場合、当該チャネル上にAPが存在しないと判断することができる。例えば、時間制限の値は、正常にAPによってNDPプローブ応答フレームが送信されたときにNDPプローブ応答フレームの受信にかかる時間(例えば、NDPプローブ応答フレームの時間長)に該当する時間に設定することができる。ただし、これは単に例示に過ぎず、STAがNDPプローブ応答フレームを待機する時間制限の値は他の値に設定されてもよい。
CH4上でNDPプローブ要請フレームを送信したSTAが、NDPプローブ応答タイムアウトが満了するまでNDPプローブ応答フレームを受信できなかった場合に、当該STAは、CH4上にAPが存在せず、スキャニング過程を行う必要がないと判断することができる。これによって、STAは他のチャネル(例えば、CH5)に移動してNDPプローブ要請フレームを送信することができる。
図18の例示では、STAがCH5で送信したNDPプローブ要請フレームに応答してAP1及びAP2がプローブ応答フレームを送信する場合を示す。これによって、STAはCH5上で少なくとも一つのNDPプローブ応答フレームを検出することによって、当該チャネル上に少なくとも一つのAPが存在することを認知する。その後、STAは一般的なプローブ要請/応答フレームを交換してスキャニングを行うことができ、これによってより細部的なネットワーク(又は、AP)の情報を取得することができる。又は、当該チャネル上でビーコンフレームを聴取(listen)することによって受動的スキャニングを行うこともできる。
図19は、本発明の他の例に係るNDPプローブ過程を説明するための図である。
前述した図15、図16及び図18の例示では、NDPプローブ過程においてSTAがNDPプローブ要請フレームを送信し、それに応答してAPがNDPプローブ応答フレームを送信する方式について説明した。本発明の他の例示では、STAがNDPプローブ要請フレームを送信し、それに応答してAPがNDPプローブ応答フレームの代わりに一般的なプローブ応答フレームを送信することができる。
図19に示すように、STAがNDPプローブ要請フレームを送信し、NDPプローブ要請フレームを受信したAPは、EDCAチャネルアクセスメカニズムを用いて一般プローブ応答フレームを介して応答することができる。
図19の例示で、NDPプローブ要請フレームをSTF、LTF及びSIGフィールドだけで構成することができる。SIGフィールドのサブフィールドは、MCSフィールド、Probe IDフィールド、時間制限(Time Limit)フィールド、競合ウィンドウ(Contention Window;CW)フィールド、最小チャネル時間(Minimum Channel Time;MinChannelTime)フィールド、アクセスネットワークオプション(Access Network Option)フィールド及びCRCフィールドを含むことができる。このようなNDPプローブ要請フレームのSIGフィールドのサブフィールドの構成は例示的なものであり、追加のフィールドが定義されてもよく、上記例示的なフィールド中の一部のフィールドのみで構成されてもよい。
MCSフィールドは一般(normal)PPDU又はNDPプローブ要請を区別するための用途に用いることができる。例えば、あるフレームのMCS値が0乃至10のいずれか一つである場合は、当該フレームが一般PPDUフレームであることを示し、MCS値が11乃至15のいずれか一つである場合、NDPプローブ要請フレームであることを示すように定義することができる。
Probe IDフィールドは、APのIDを指定するための用途に用いることができる。すなわち、一般プローブ要請フレームにおいてSSIDと類似の機能を持つフィールドである。ただし、Probe IDフィールドは完全な(full)SSIDをそのまま含むのではなく、SSIDの一部又はSSIDの圧縮された(compressed)形態を含むことができる。仮にProbe IDフィールドの値が0である場合は、ワイルドカード(wildcard)SSIDを意味し、NDPプローブ要請フレームを受信した全てのAPが応答(すなわち、NDPプローブ応答フレームを送信)することができる。仮にProbe IDフィールドの値が0でない場合、NDPプローブ要請フレームに含まれたProbe ID値と同じProbe ID値を持つAPのみが応答(すなわち、NDPプローブ応答フレームを送信)することができる。Probe IDフィールドの値がSSIDの一部(又は、圧縮されたSSID)値に設定されるということは、完全なSSIDは一つのAPのみにマッチングされる場合に、上記SSIDの一部にマッチングされるAPは一つ以上存在し得るという意味であり、この場合、Probe ID値にマッチングされる一つ以上のAPがNDPプローブ要請フレームに対して応答することができる。
Probe IDは完全なSSIDに対する所定のハッシュ関数(hashing function)を適用した結果値を有することができる。
例えば、完全なSSIDの32−ビットCRC計算された(32−bit CRC calculated)値をProbe IDとして使用することができる。
ある計算フィールド(calculation field)に対する32−ビットCRC計算は、32次(degree 32)の標準生成器多項式(standard generator polynomial)を用いて行うことができる。この多項式をG(x)と呼ぶことができ、G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x+x+x+x+x+x+1である。また、x×(x31+x30+x29+…+x+x+1)をG(x)で除算した余りをaとし(ここで、kは、上記計算フィールドのビット個数である。)、上記計算フィールドとx32の乗算結果をG(x)で除算した余りをbとすれば、aとbを合算した値の1の補数(one’s complement)を取った値を上記計算フィールドの32−ビットCRC計算された値と定義することができる(より詳細な事項はIEEE 802.11標準文書の8.2.4.8節を参照されたい)。例えば、上記計算フィールドに所望の完全なSSID値を代入して、上記32−ビットCRC計算を行った結果値がProbe ID(又は、圧縮されたSSID)値になり得る。
又は、完全なSSIDの32−ビットCRC計算された値の中で16個の最下位ビット(Least Significant Bits;LSBs)値をProbe IDとして使用することもできる。16個の最下位ビットは2個の最下位バイト(2 least significant bytes)又は2個の最下位オクテット(2 least significant octets)と表現することもできる。このようにProbe ID値が設定される場合、APは、自身の完全なSSIDの32−ビットCRC計算された値又は完全なSSIDの32−ビットCRC計算された値のうちの16LSBs値と、NDPプローブ要請フレームのProbe IDフィールドの値とを比較し、両者が一致する場合に一般プローブ応答フレームを用いて応答することができる。
Time Limitフィールドはプローブ応答時間制限に対する値に設定することができる。すなわち、Time Limitフィールドは、STAがNDPプローブ要請フレームを送信した後に、APからのプローブ応答フレームを受信し得る(又は、プローブ応答フレームを受信するために待機する)時間制限値(又は、Timeout値)に該当し得る。言い換えると、APがTime Limit内に一般プローブ応答フレームを送信した場合に限って、STAが当該プローブ応答フレーム(又は、当該AP)を検出できるということを意味する。STAはTime Limitの間にプローブ応答フレームを検出できないと、Time Limitが満了した後に他のチャネルに移動してNDPプローブ過程又はスキャニングを行うことができる。
CWフィールドはプローブ応答フレームに対するCWを示す値に設定することができる。例えば、CWフィールドは、NDPプローブ要請フレームを受信したAPがSTAにプローブ応答フレームを送信する時に用いられるCW値に設定することができ、設定されたCW値によってAPはバックオフ過程を経てプローブ応答フレームを送信することができる。APのCWをSTAが指定することによって、STAは、CWに該当する時間スロットでのみAPの応答を待機し、APはCW値によってプローブ応答フレーム送信のためのバックオフ過程を行う。
MinChannelTimeフィールドは、各チャネル上でNDPプロービングのために使う(spend)最小時間を意味する。例えば、STAは、第1チャネル(例えば、チャネルN)上でNDPプローブ要請フレームを送信してからMinChannelTimeだけの時間が満了する前に物理層−CCA.指示プリミティブ(PHY−CCA.indication primitive)値が占有(Busy)状態を示すことが検出されないと、上記第1チャネルでのNDPプロービングを中断し、第2チャネル(例えば、チャネルN+1)に移動することができる。
Access Network Optionフィールドは、STAが探そうとする又は応答してもらいたいAPのアクセスネットワーク特性を指定する。これによって、該当の特性又は該当のサービスを支援するネットワーク(又は、AP)のみがNDPプローブ要請フレームに応答するようにすることができる。
図20は、アクセスネットワークオプションフィールドの例示的なフォーマットを示す図である。
アクセスネットワークタイプ(Access Network Type)フィールドは、当該APを介して支援されるネットワークが、私設ネットワーク(Private Network)、ゲストアクセスを支援する私設ネットワーク(Private Network with Guest Access)、課金可能な公用ネットワーク(Chargeable Public Network)、無料公用ネットワーク(Free Public Network)、個人機器ネットワーク(Personal Device Network)、緊急サービス専用ネットワーク(Emergency Services Only Network)、テスト又は試験ネットワーク(Testor Experimental Network)又はワイルドカード(Wildcard)アクセスネットワークタイプに該当するかを示す。
インターネット(Internet)フィールドは、当該APを介してインターネット接続が可能か否かを示す。
アクセスのために要求される追加段階(Additional Step Required for Access;ASRA)フィールドは、当該APを介したネットワークアクセスをするためにはネットワーク側で追加の過程が必要か否かを示す。追加の過程はウェブ認証過程などを含むことができる。
緊急サービス到達可能(Emergency Service Reachable;ESR)フィールドは、当該APを介して緊急サービスに接続可能か否かを示す。
認証されていない緊急サービスアクセス可能(Unauthenticated Emergency Service Accessible;UESA)フィールドは、当該APを介して認証されていない緊急サービスにアクセス可能か否かを示す。
図19の例示では、NDPプローブ要請フレームのSIGフィールドにProbe ID及びAccess Network optionフィールドが共に含まれているフォーマットについて説明した。ここで、SIGフィールドに含まれ得る情報の量が制限されることを考慮すると、図21のような形態でNDPプローブ要請フレームのSIGフィールドのフォーマットを構成することもできる。
図21は、本発明の一例に係るNDPプローブ要請フレームのSIGフィールドのフォーマットの例示を示す図である。
図21(a)は、NDPプローブ要請フレームのSIGフィールドが36ビットを含み得る場合の例示であり、図21(b)は、48ビットを含み得る場合の例示である。
図21の例示で、SSID/インターワーキング存在(Interworking Present)ビットは、NDPプローブ要請フレームのSIGフィールドにSSID(すなわち、圧縮されたSSID又は前述した例示におけるProbe ID)が含まれるか、それともAccess Network Optionフィールドが含まれるかを示す値に設定される。例えば、SSID/Interworking Presentビットが第1値(例えば、1)に設定されると、Access Network OptionフィールドがSIGフィールドに含まれ、第2値(例えば、0)に設定されると、圧縮されたSSID(Compressed SSID)フィールドが含まれる。
図21(a)の例示では、16ビットサイズのCompressed SSIDが含まれ、図21(b)の例示では32ビットサイズのCompressed SSIDが含まれる場合を示す。図21(b)の32ビットサイズのCompressed SSIDは、完全な(full)SSIDの32−ビットCRC計算された値に該当し得る。図21(a)の16ビットサイズのCompressed SSIDは、完全なSSIDの32−ビットCRC計算された値のうちの16個の最下位ビット(又は、2個の最下位バイト)値に該当し得る。
図22は、本発明のさらに他の例に係るNDPプローブ過程を説明するための図である。
前述した図15、図16及び図18の例示では、STAの送信したNDPプローブ要請フレームに応答してAPがNDPプローブ応答フレームを送信する方式について説明した。前述した図19の例示では、STAの送信したNDPプローブ要請フレームに応答してAPが一般プローブ応答フレームを送信する方式について説明した。本発明の他の例示では、STAの送信したNDPプローブ要請フレームに応答してAPが短いビーコンフレームを送信する方式について説明する。
図22の例示は、STAの送信するNDPプローブ要請フレームに応答してAPがビーコンフレーム(又は、短いビーコンフレーム)を送信する方案に関する。短いビーコンフレームは、AP発見(discovery)のための最小限の情報のみを含むビーコンフレームを意味する。
図23は、短いビーコンフレームに含まれる例示的なフィールドを説明するための図である。
FC(Frame Control)フィールドは、プロトコルバージョン(protocol version)、タイプ、サブタイプ、次のフルビーコン存在(Next full beacon present)、SSID存在(SSID present)、BSSBW(bandwidth)、保安(Security)フィールドを含むことができる。FCは2オクテット長を有することができる。
FCフィールドのサブフィールドにおいて、プロトコルバージョンフィールドは2ビット長と定義し、基本的に0の値に設定することができる。タイプフィールド及びサブタイプフィールドはそれぞれ2ビット及び4ビット長と定義し、タイプフィールド及びサブタイプフィールドが共に当該フレームの機能を示すことができる(例えば、当該フレームが短いビーコンフレームであるということを示すことができる)。次のフルビーコン存在フィールドは1ビット長と定義し、短いビーコンフレーム内に次のフルビーコンまでのデューレーションフィールド(又は、次のTBTT(Target Beacon Transmission Time)に関する情報)が含まれるか否かを示す値に設定することができる。SSID存在フィールドは1ビット長と定義し、短いビーコンフレーム内に圧縮された(compressed)SSIDフィールドが存在するか否かを示す値に設定することができる。BSS BWフィールドは3ビット長と定義し、BSSの現在動作帯域幅(例えば、1、2、4、8又は16MHz)を示る値に設定することができる。保安フィールドは1ビット長と定義し、APがRSNA APであるか否かを示す値に設定することができる。その他残りのビット(例えば、2ビット)は留保することができる。
次に、短いビーコンフレームにおいてSA(Source Address)フィールドは短いビーコンを送信するAPのMACアドレスであってもよい。SAは6オクテット長を有することができる。
タイムスタンプフィールドは同期化(synchronization)のためのものであり、ビーコンフレームを受信した全てのSTAは、自身のローカルクロックをタイムスタンプ値に合わせて変更/アップデートすることができる。短いビーコンフレームに含まれるタイムスタンプフィールドには、APのタイムスタンプの一部(例えば、4バイト(すなわち、4オクテット))を含むことができる。全体タイムスタンプではなく一部のタイムスタンプのみが提供されても、全体タイムスタンプ値を既に受信したことのある(例えば、連携された)STAが一部のタイムスタンプ情報だけで同期化を行うには充分であるためである。
変更シーケンス(Change Sequence)フィールドは、システム情報が変更されるか否かを示す情報を含むことができる。具体的に、ネットワークの重要な(critical)情報(例えば、フルビーコン情報)が変更される場合に、変更シーケンスカウンターが1ずつ増加する。このフィールドは1オクテット長と定義する。
次のフルビーコンまでのデューレーション(Duration to Next Full Beacon)フィールドは、短いビーコンに含まれてもよく、含まれなくてもよい。このフィールドは、当該短いビーコン送信時点を基準に次のフルビーコンの送信時点までの時間長をSTAに知らせることができる。これによって、短いビーコンを聴取したSTAは次のフルビーコンまでドーズ(又は、スリープ)モードで動作して電力消費を減らすこともできる。又は、次のフルビーコンまでのデューレーションフィールドは、次のTBTTを示す情報として構成されてもよい。このフィールドの長さは、例えば、3オクテットと定義することができる。
圧縮されたSSID(Compressed SSID)フィールドは、短いビーコンに含まれてもよく、含まれなくてもよい。このフィールドは、ネットワークのSSIDの一部又はSSIDのハッシュ(hashing)値(例えば、完全なSSIDの32−ビットCRC計算された値)を含むことができる。SSIDを用いて該当のネットワークを既に知っているSTAが該当のネットワークを発見することを許容することができる。このフィールドの長さは、例えば、4オクテットと定義することができる。
短いビーコンフレームは、上記例示的なフィールドの他にも追加的な又は選択的な(optional)フィールド又は情報要素(IE)を含んでもよい。
FEC(Forward Error Correction)フィールドは、短いビーコンフレームのエラー有無を検査するための用途に用いることができ、FCSフィールドとして構成することができる。このフィールドは4オクテット長と定義できる。
STAは、短いビーコンに含まれたSSID(又は、圧縮されたSSID)を用いて、自身の探しているネットワークが利用可能か否かを決定することができる。STAは、自身が所望するネットワークが送信する短いビーコンに含まれたAPのMACアドレスに連携要請を送信することができる。短いビーコンはフルビーコンよりも頻繁に送信されるのが一般的であるため、短いビーコンを支援することによってSTAが速かに連携を結ぶことができる。STAが連携のために追加的な情報を必要とする場合は、所望するAPにプローブ要請を送信することができる。
このように、短いビーコンフレームには、APが存在するという事実を知らせるための最小限の情報を含むことができる。
図22に示すように、STAがNDPプローブ要請フレームを送信した後、NDPプローブ要請フレームを受信したAPは、EDCAチャネルアクセスメカニズムを用いて短いビーコンフレームを介して応答することができる。
図22に示したNDPプローブ要請フレームのSIGフィールドのTime Limitフィールドは、Short Beacon Time Limitを意味する。すなわち、Time Limitフィールドを短いビーコンフレーム送信時間制限に対する値に設定することができる。すなわち、Time Limitフィールドは、STAがNDPプローブ要請フレームを送信した後に、APからの短いビーコンフレームを受信し得る(又は、短いビーコンフレームを受信するために待機する)時間制限値(又は、Timeout値)に該当し得る。言い換えると、APがTime Limit内に一般の短いビーコンフレームを送信した場合に限って、STAが当該短いビーコンフレーム(又は、当該AP)を検出できるということを意味する。STAはTime Limitの間に短いビーコンフレームを検出できないと、Time Limitが満了した後に他のチャネルに移動してNDPプローブ過程又はスキャニングを行うことができる。
図22のCWフィールドは、短いビーコンフレームに対するCWを示す値に設定することができる。例えば、CWフィールドは、NDPプローブ要請フレームを受信したAPがSTAに短いビーコンフレームを送信する時に用いるCW値に設定することができ、設定されたCW値によってAPはバックオフ過程を経て短いビーコンフレームを送信することができる。APのCWをSTAが指定することによって、STAは、CWに該当する時間スロットでのみAPの短いビーコンフレームを待機し、APはCW値によって短いビーコンフレームのためのバックオフ過程を行う。
図22のAccess Network Optionフィールドは、STAが探そうとするAPのアクセスネットワーク特性を指定する。これによって、当該特性又はサービスを支援するネットワーク(又は、AP)のみがNDPプローブ要請フレームに応答して短いビーコンフレームを送信するようにすることができる。Access Network Option構成は、上述の図20と同一であり、その重複する説明は省略する。
図22のNDPプローブ要請フレームのフォーマットの残りのフィールド(MCS、Probe ID(又は、Compressed SSID)、MinChannelTime、CRC)は、図19で説明したそれと同一であり、その重複する説明は省略する。
また、図22に示したNDPプローブ要請フレームフォーマットのSIGフィールドフォーマットの代わりに、図21で説明したNDPプローブ要請フレームのSIGフィールドフォーマットを適用することもできる。
図24は、本発明のさらに他の例に係るNDPプローブ過程を説明するための図である。
前述した図15、図16及び図18の例示では、STAの送信したNDPプローブ要請フレームに応答してAPがNDPプローブ応答フレームを送信する方式について説明した。前述した図19の例示では、STAの送信したNDPプローブ要請フレームに応答してAPが一般プローブ応答フレームを送信する方式について説明した。前述した図22の例示では、STAの送信したNDPプローブ要請フレームに応答してAPが短いビーコンフレームを送信する方式について説明した。本発明の他の例示では、STAの送信したNDPプローブ要請フレームに応答してAPがSTFのみを送信する方式について説明する。
STAがNDPプローブ要請フレームを送信し、NDPプローブ要請フレームを受信したAPは、SIFS時間後にSTFのみを用いて応答することができる。ここで、APは一つ以上のSTFを用いて応答することができる。
図24に示すように、NDPプローブ要請フレームは、STF、LTF及びSIGフィールドのみで構成することができる。SIGフィールドのサブフィールドは、MCSフィールド、Probe IDフィールド及びCRCフィールドを含むことができる。MCSフィールドは、その値が0乃至10のいずれか一つである場合は、当該フレームが一般PPDUフレームであることを示し、その値が11乃至15のいずれか一つである場合はNDPプローブ要請フレームであることを示すように定義することができる。Probe IDフィールドは、APのIDを指定するための用途に用いることができ、前述したCompressed SSIDの形態(例えば、完全なSSIDの32−ビットCRC計算された値又はそのうちの16最下位ビット)と定義できる。このようなNDPプローブ要請フレームのSIGフィールドのサブフィールドの構成は例示的なものであり、追加のフィールドが定義されてもよく、上記例示的なフィールド中の一部のフィールドのみで構成されてもよい。
図25は、複数個のAPが存在する環境におけるNDPプローブ過程の他の例を説明するための図である。図25の例示では、例えば、OBSS環境でSTAがNDPプローブ要請フレームを送信する点は図16の例示と同様であるが、APがNDPプローブ応答フレームの代わりにSTFを用いて応答する点が異なる。
図25に示すように、STAがNDPプローブ要請フレームを送信し、SIFS時間後にAP1及びAP2が同時にSTFを応答する場合を仮定する。すなわち、STAが送信するNDPプローブ要請フレームのProbe IDフィールドの値(又は、圧縮されたSSID)にマッチングされるAPが複数個存在する場合を仮定する。これによって、AP1とAP2はそれぞれSTFを用いて応答することができる。
STAはAP1又はAP2の少なくとも一つが送信するSTFを検出(detect)することができる。STFの検出は、エネルギー検出(energy detection)方式(例えば、CCA(Clear Channel Assessment)方式)で行うことができる。STAがNDPプローブ要請フレームを送信してそれに応答して少なくとも一つのSTFを検出する場合、STAは当該チャネル上に少なくとも一つのAPが存在するという事実を認知する。この場合、STAはNDPプローブ要請ではなく一般(normal)プローブ要請フレームを送信することによって能動的スキャニングを行うことができる。このとき、一般プローブ要請フレームを所定のバックオフ(BO)過程を経て送信することができる。また、STAからの一般プローブ要請フレームを受信したAP(例えば、AP2)は、バックオフ過程を経て一般プローブ応答フレームをSTAに送信することができる。一般プローブ要請フレーム及び一般プローブ応答フレームはMAC管理フレーム(management frame)の形態で構成及び送信することができ、そのフォーマットは上述の図17のように構成することができる。
図26は、多重チャネル環境におけるNDPプローブ過程の他の例を説明するための図である。図26の例示では、同一チャネル上でAP1及びAP2が動作する点は図18の例示と同様であるが、APがSTAのNDPプローブ要請フレームに応答してNDPプローブ応答フレームの代わりにSTFを送信する点が異なる。
図26の例示では、AP1及びAP2がチャネル5(CH5)で動作し、STAはNDPプローブ要請フレームをチャネル4(CH4)で送信する場合を仮定する。ここで、CH4上で動作するAPがないと、NDPプローブ要請フレームに応答して送信されるNDPプローブ応答フレームが存在しない場合が発生する。
この場合、NDPプローブ要請フレームを送信したSTAがNDPプローブ応答フレームを待つ時間制限(すなわち、STFタイムアウト(timeout))が必要であり、この時間の間にSTAがSTFを検出できない場合には、当該チャネル上にAPが存在しないと判断することができる。例えば、上記時間制限の値は、正常にAPによってSTFが送信されたときにSTFの受信にかかる時間(例えば、STFの時間長)に該当する時間に設定することができる。ただし、これは単に例示に過ぎず、STAがSTFを待機する時間制限の値は他の値に設定することもできる。
CH4上でNDPプローブ要請フレームを送信したSTAがNDPプローブ応答タイムアウトが満了するまでSTFを受信できなかった場合に、当該STAは、CH4上にAPが存在せず、スキャニング過程を行う必要がないと判断することができる。これによって、STAは他のチャネル(例えば、CH5)に移動してNDPプローブ要請フレームを送信することができる。
図26の例示では、STAがCH5で送信したNDPプローブ要請フレームに応答してAP1及びAP2がSTFを送信する場合を示す。これによって、STAはCH5上で少なくとも一つのSTFを検出することによって、当該チャネル上に少なくとも一つのAPが存在することがわかる。その後、STAは一般的なプローブ要請/応答フレームを交換することによってスキャニングを行うことができ、これによって、より細部的なネットワーク(又は、AP)の情報を取得することが可能になる。又は、当該チャネル上でビーコンフレームの聴取を試みることによって受動的スキャニングを行うこともできる。
前述した本発明の例示で提案するNDPプローブ要請フレームにはこれを送信するSTAのMACアドレスに関する情報が含まれないため、NDPプローブ要請フレームに応答するAPはブロードキャスト方式で応答フレーム(すなわち、NDPプローブ応答フレーム、一般プローブ応答フレーム、(短い)ビーコンフレーム、又はSTF)を送信すればよい。
図27は、本発明の一例に係るスキャニング方法を説明するための図である。
段階S2710で、STAはAPにNDPプローブ要請フレームを送信することができる。NDPプローブ要請フレームは、前述したように、圧縮されたSSIDフィールド又はアクセスネットワークオプションフィールドのいずれかを含むことができ、これら両フィールドのうちいずれのフィールドが含まれるかを示すSSID/インターワーキング存在フィールドを含むことができる。
段階S2720で、APは、自身のSSIDに基づいて計算された圧縮されたSSIDが上記NDPプローブ要請フレームに含まれた圧縮されたSSIDフィールドの値と一致する場合に、又は自身のアクセスネットワークオプションが上記NDPプローブ要請フレームに含まれたアクセスネットワークオプションフィールドで示す内容と一致する場合に、短いプローブ応答フレーム又は一般プローブ応答フレームを用いて応答することができる。段階S2720の(短い)プローブ応答フレームは、APがNDPプローブ要請フレームを受信してからDIFS時間後にバックオフ過程を開始し、競合を経て送信することができる。
図27では示していないが、STAが所定の時間(例えば、MinChannelTime)の間に(短い)プローブ応答フレームを受信できなかった場合は、上記NDPプローブ要請フレームを送信したチャネル上にAPが存在しないと認識し、他のチャネルに移動してスキャニングを行うことができる。又は、STAが(短い)プローブ応答フレームを受信した場合は、上記APに一般プローブ要請フレームを送信したり、上記APに連携要請フレームを送信したり、又は上記APからのビーコンを聴取する等の動作を行うことができる。
また、段階S2720で(短い)プローブ応答フレームではなく所定のフレーム(例えば、上述の図24乃至図26の例示のようなSTF)を、段階S2710でSTAからのNDPプローブ要請フレームを受信してからSIFS時間後に送信することができる。この場合は、STAはNDPプローブ要請フレームを送信してからSIFS時間後にエネルギーが検出されないと(例えば、STFが検出されないと)、APが存在しないと認識し、他のチャネルでスキャニング過程を行うことができる。
図27を参照して説明したスキャニング方法において、前述した本発明の様々な実施例で説明した事項が独立して適用されたり、又は2つ以上の実施例が同時に適用されるようにすることができる。
図28は、本発明の一実施例に係る無線装置の構成を示すブロック図である。
AP10は、プロセッサ11、メモリー12、送受信器13を備えることができる。STA20は、プロセッサ21、メモリー22、送受信器23を備えることができる。送受信器13及び23は、無線信号を送信/受信することができ、例えば、IEEE 802システムに基づく物理層を具現することができる。プロセッサ11及び21は、送受信器13及び21と接続して、IEEE 802システムに基づく物理層及び/又はMAC層を具現することができる。プロセッサ11及び21は、前述した本発明の様々な実施例に係る動作を行うように構成されてもよい。また、前述した本発明の様々な実施例に係るAP及びSTAの動作を具現するモジュールがメモリー12及び22に格納され、プロセッサ11及び21によって実行されてもよい。メモリー12及び22は、プロセッサ11及び21の内部に含まれてもよく、又はプロセッサ11及び21の外部に設けられて、プロセッサ11及び21と公知の手段によって接続されてもよい。
このようなAP及びSTA装置の具体的な構成は、前述した本発明の様々な実施例で説明した事項が独立して適用されたり、又は2つ以上の実施例が同時に適用されるように具現されてもよく、重複する内容は明確性のために説明を省略する。
上述した本発明の実施例は様々な手段を用いて具現することができる。例えば、本発明の実施例は、ハードウェア、ファームウェア(firmware)、ソフトウェア又はそれらの結合などによって具現することができる。
ハードウェアによる具現の場合、本発明の実施例に係る方法は、一つ又はそれ以上のASICs(Application Specific Integrated Circuits)、DSPs(Digital Signal Processors)、DSPDs(Digital Signal Processing Devices)、PLDs(Programmable Logic Devices)、FPGAs(Field Programmable Gate Arrays)、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサなどによって具現することができる。
ファームウェアやソフトウェアによる具現の場合、本発明の実施例に係る方法は、以上で説明された機能又は動作を実行するモジュール、手順又は関数などの形態で具現することができる。ソフトウェアコードは、メモリーユニットに保存され、プロセッサによって駆動されてよい。メモリーユニットは、プロセッサの内部又は外部に設けられ、既に公知の様々な手段によってプロセッサとデータを交換することができる。
以上開示された本発明の好ましい実施例についての詳細な説明は、当業者が本発明を具現して実施できるように提供された。以上では本発明の好適な実施例を参照して説明したが、当該技術の分野における熟練した当業者に理解されるように、本発明の領域から逸脱しない範囲内で本発明を様々に修正及び変更することもできる。例えば、当業者は、上記の実施例に記載された各構成を互いに組み合わせる方式で用いてもよい。したがって、本発明は、ここに開示されている実施形態に制限されるものではなく、ここに開示されている原理及び新規な特徴と一致する最も広い範囲を与えるためのものである。
以上の本発明の様々な実施の形態は、IEEE 802.11システムを中心に説明したが、様々な移動通信システムに同一の方式で適用されてもよい。

Claims (14)

  1. 無線通信システムにおいてステーション(STA)によりスキャニングを行う方法であって、前記方法は、
    第1チャネル上でNDP(Null Data Packet)プローブ要請フレームを送信することであって、前記NDPプローブ要請フレームは、データフィールド無しで、STF(Short Training Field)、LTF(Long Training Field)及びSIG(Signal)フィールドを含み、前記SIGフィールドは、部分的SSID(Service Set ID)フィールドを含む、ことと、
    前記NDPプローブ要請フレームに応答するプローブ応答フレームが前記第1チャネル上でアクセスポイント(AP)から受信された場合に、前記第1チャネル上で前記スキャニングを行うことと
    を含む方法。
  2. 前記APから前記プローブ応答フレームを受信すると、前記STAは前記APに一般プローブ要請フレームを送信するか、前記APに連携要請フレームを送信するか、又は前記APからのビーコンフレームを聴取する、請求項1に記載方法。
  3. 前記APが前記NDPプローブ要請フレームを受信し、前記NDPプローブ要請フレームに含まれた前記部分的SSIDフィールドの値が、前記APのSSIDに基づいて生成された部分的SSIDの値と一致する場合に、前記APから前記プローブ応答フレームが送信される、請求項1に記載の方法。
  4. 前記部分的SSIDフィールドが32ビットフィールドと定義される場合に、前記部分的SSIDフィールドは、32−ビットCRC(Cyclic Redundancy Check)計算値に設定され、
    前記部分的SSIDフィールドが16ビットフィールドと定義される場合に、前記部分的SSIDフィールドは、前記SSIDの32−ビットCRC計算値のうち16最下位ビット(LSB)に設定される、請求項1に記載の方法。
  5. 前記NDPプローブ要請フレームは、前記部分的SSIDフィールド及びアクセスネットワークオプションフィールドのうちの一つ以上を含み、
    前記NDPプローブ要請フレームは、1ビットのSSID/インターワーキング存在フィールドをさらに含み、
    前記SSID/インターワーキング存在フィールドは、前記部分的SSIDフィールド及び前記アクセスネットワークオプションフィールドのいずれのフィールドが前記NDPプローブ要請フレームに含まれるかを示す、請求項1に記載の方法。
  6. 前記APが前記NDPプローブ要請フレームを受信し、前記NDPプローブ要請フレームに含まれた前記アクセスネットワークオプションフィールドの値が前記APのアクセスネットワークオプションと一致する場合に、前記APから前記プローブ応答フレームが送信される、請求項5に記載の方法。
  7. 前記アクセスネットワークオプションフィールドは8ビットサイズを有し、4ビットのアクセスネットワークタイプフィールド、1ビットのインターネットフィールド、1ビットのASRA(Additional Step Required for Access)フィールド、1ビットのESR(Emergency Servic Reachable)フィールド及び1ビットのUESA(Unauthenticated Emergency Service Accessible)フィールドを含む、請求項5に記載の方法。
  8. 前記プローブ応答フレームは、一般プローブ応答フレーム又は短いプローブ応答フレームである、請求項1に記載の方法。
  9. 前記プローブ応答フレームはブロードキャストされる、請求項1に記載の方法。
  10. 記APは、前記NDPプローブ要請フレームを受信してからDIFS(DCF((Distributed Coordination Function) Inter−Frame Space)の経過後にバックオフ過程を経て前記プローブ応答フレームを送信る、請求項1に記載の方法。
  11. 前記STAは、前記第1チャネル上で前記NDPプローブ要請フレームを送信してからSIFS(Short Inter−Frame Space)の経過後に前記第1チャネル上でフレームが検出される場合には、前記第1チャネル上に前記APが存在すると認識し、前記STAは、前記第1チャネル上で所定の時間の間にフレームが検出されない場合には、第2チャネルに移動してスキャニングを行う、請求項1に記載の方法。
  12. 前記STAは、前記第1チャネルで前記NDPプローブ要請フレームを送信してから最小チャネル時間が満了する前に、占有状態を示す物理層−CCA.指示プリミティブ値が検出されないと、第2チャネルに移動してスキャニングを行う、請求項1に記載の方法。
  13. 前記SSID/インターワーキング存在フィールド、前記部分的SSIDフィールド及び前記アクセスネットワークオプションフィールドのうちのつが、前記NDPプローブ要請フレームの前記SIGフィールドに含まれる、請求項6に記載の方法。
  14. 無線通信システムにおいてスキャニングを行うステーション(STA)であって、前記STAは、
    送受信器と、
    プロセッサと
    を備え、
    前記プロセッサは
    前記送受信器を用いて、第1チャネル上でNDPプローブ要請フレームを送信することと、
    前記NDPプローブ要請フレームに応答するプローブ応答フレームがAPから前記送受信器により前記第1チャネル上で受信された場合に、前記第1チャネル上で前記スキャニングを行うことと
    を実行するように構成され、
    前記NDPプローブ要請フレームは、データフィールド無しで、STF(Short Training Field)、LTF(Long Training Field)及びSIG(Signal)フィールドを含み、前記SIGフィールドは、部分的SSIDフィールドを含む、SA。
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