JP6474136B2

JP6474136B2 - 通信装置及び無線通信方法

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Publication number: JP6474136B2
Application number: JP2016032343A
Authority: JP
Inventors: 大輔村山; 中平　勝也; 勝也中平; 守倉　正博; 正博守倉; 理志西尾
Original assignee: Kyoto University; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Kyoto University; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2019-02-27
Anticipated expiration: 2036-02-23
Also published as: JP2017152862A

Description

本発明は、キャリアセンスによってアクセス制御を行う無線通信装置及び無線通信方法に関する。

ＣＳＭＡ／ＣＡ方式のようにキャリアセンスによってアクセス制御を行う無線通信システムの代表例としてＩＥＥＥ（The Institute of Electrical and Electronic Engineers）８０２．１１で規定されている無線通信システムがある（例えば、非特許文献１参照）。ＩＥＥＥ８０２．１１で仕様が規定されている無線通信システムは、世界的な普及が進んでおり、量産化による構成部品の低価格化が実現されている。

このような無線通信システムでは、各ノードは、データの送信に先立って、使用する無線帯域のチャネルについてキャリアセンスを行う。具体的には、当該チャネルの電波強度を測定し、測定値が予め定められた所定の閾値以上である場合には当該チャネルは使用不可の状態（以下、「ビジー状態」という。）であると判断し、測定値が該閾値よりも低い場合には当該チャネルは使用可能な状態（以下、「アイドル状態」という。）であると判断する。当該チャネルがアイドル状態であると判断された場合、各ノードは、ランダム長のバックオフ時間を待機した後にデータを送信する。このようなキャリアセンスと、バックオフ時間の待機により、各ノードは、同じ帯域を使用する他ノードとの衝突を回避することができる。

さらにＩＥＥＥ８０２．１１では、衝突による無線リソースの浪費を抑制するために、ＲＴＳ（Request to Send）及びＣＴＳ（Clear to Send）と呼ばれる制御パケットを用いたフロー制御方式が規定されている。このアクセス制御方式では、各ノードは、データの送信に先立ってＲＴＳを送信する。ＡＰ（Access Point：アクセスポイント）は、ＲＴＳの受信に応じてＣＴＳを送信することにより、各ノードに対してデータ送信を許可するノードを通知する。各ノードは、受信されたＣＴＳが自装置のデータ送信の許可を示す場合にデータを送信する。このように、ＣＴＳによって許可されたノードのみがデータを送信することにより衝突が回避される。なお、仮に衝突が発生した場合であっても、衝突による無線リソースの浪費が可能な限り低減されるように、一般に、ＲＴＳ及びＣＴＳには、データパケットより小さいサイズのパケットが用いられる。

また、ＲＴＳ及びＣＴＳには、データ送信が許可される期間（以下、「送信許可期間」という。）を示す情報（ＮＡＶ：Network Allocation Vector）が含まれている。ＲＴＳ及びＣＴＳを用いたフロー制御方式は、各ノードがこのＮＡＶに基づいてデータ送信行う、又はＮＡＶに基づいてデータ送信を控えることで衝突の確率がより低くなるように設計されている。

一方で、ＲＦ（Radio Frequency）部と、ＭＡＣ（Media Access Control）部とを離れた場所に設置し、それらを光ファイバで接続するＲｏＦ（Radio on Fiber）無線ＬＡＮ（Local Area Network）が検討されている。ＲｏＦ無線ＬＡＮには、ＲＦ部とＭＡＣ部とを光ファイバで接続することにより生じる内部遅延により、使用するチャネルのキャリアセンスが遅れる可能性がある。そのため、ＲｏＦ無線ＬＡＮと、ＲｏＦ無線ＬＡＮよりも内部遅延の小さい無線ＬＡＮ（以下、「既存無線ＬＡＮ」という。）と、が共存する環境（以下、「共存環境」という。）ではＲｏＦ無線ＬＡＮと既存無線ＬＡＮとの間で衝突が発生する可能性があった。そのため、このようなＲｏＦ無線ＬＡＮと既存無線ＬＡＮとの間で生じる衝突を回避する方法が検討されている（例えば、非特許文献２参照）。

非特許文献２には、キャリアセンスに長い時間を要するＡＰ（例えば、ＲｏＦ無線ＬＡＮのＡＰ（以下、「ＲｏＦ−ＡＰ」という。））が、他ノードの送信許可期間を示すＮＡＶに基づいて、他ノードの送信許可期間の終了後に、バックオフ時間を待機することなく即座にデータ送信を開始するフロー制御方式が提案されている。さらに、非特許文献２には、このフロー制御方式において、ＳＴＡ（Station）とＡＰとの間でのスループット比を調節するために、ＡＰが送信バッファに蓄積されている送信フレームを確率的に送信する手法が提案されている。

IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks-Specific requirements, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, IEEE Std 802.11TM-2012(Revision of IEEE Std 802.11-2007) Kaito Funabiki, Takayuki Nishio, Masahiro Morikura, Koji Yamamoto, Daisuke Murayama, Takayuki Yamada, and Katsuya Nakahira, Throughput and Fairness Improvement for WLAN with Long Propagation Delay Coexisting with Conventional WLANs

しかしながら、非特許文献２には、ＲｏＦ−ＡＰがフレームを送信する確率を決定する具体的な方法までは記載されておらず、ＲｏＦ無線ＬＡＮにおけるＳＴＡ（以下、「ＲｏＦ−ＳＴＡ」という。）とＲｏＦ−ＡＰとのスループット比を必ずしも適切に調節できない可能性があった。ＲｏＦ無線ＬＡＮのスループット比は、ＲｏＦ無線ＬＡＮと既存無線ＬＡＮとの間のスループット比にも影響する。そのため、ＲｏＦ無線ＬＡＮのスループット比が適切に設定されない場合、ＲｏＦ無線ＬＡＮと既存無線ＬＡＮとの間で使用可能な無線リソースに不公平が生じ、スループットが低下する可能性があった。

上記事情に鑑み、本発明は、キャリアセンスに要する時間の異なる無線ＬＡＮが共存する無線通信システムにおいて、各無線ＬＡＮに対する無線リソースの割り当てを公平にしつつ衝突を回避することができる技術を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、キャリアセンスによってデータ送信の衝突を回避する無線通信システムにおいて、他の通信装置のデータ送信の後にキャリアセンスを行うことなく即座にデータ送信を開始する通信装置であって、他の通信装置の通信量を計測する計測部と、自装置のデータ送信が可能となったタイミングにおいて、所定の確率でデータ送信を実行するデータ送信部と、前記確率を、前記計測部によって計測された前記他の通信装置の通信量に基づいて決定する確率制御部と、を備える通信装置である。

本発明の一態様は、上記の通信装置であって、前記確率制御部は、自装置が送信するデータの目標量と前記他の通信装置の通信量との合計が、使用する無線チャネルの通信容量を超えない場合には、前記目標量と前記通信量との割合に基づいて前記確率を決定し、前記目標量と前記通信量との合計が前記通信容量を超える場合には、前記目標量と前記通信容量とに基づいて前記確率を決定する。

本発明の一態様は、上記の通信装置であって、前記確率制御部は、自装置が送信するデータの目標量Ｓ_Ｒと前記他の通信装置の通信量Ｇ_Ｌとの合計が、使用する無線チャネルの通信容量Ｃを超えない場合には、前記確率αを以下に記載の式（４）にて決定し、前記目標量と前記通信量との合計が前記通信容量を超える場合には、前記確率αを以下に記載の式（９）にて決定する。

本発明の一態様は、キャリアセンスによってデータ送信の衝突を回避する無線通信システムにおいて、他の通信装置のデータ送信の後にキャリアセンスを行うことなく即座にデータ送信を開始する通信装置が行う無線通信方法であって、他の通信装置の通信量を計測する計測ステップと、自装置のデータ送信が可能となったタイミングにおいて、所定の確率でデータ送信を実行する送信ステップと、前記確率を、前記計測ステップにおいて計測された前記他の通信装置の通信量に基づいて決定する決定ステップと、を有する無線通信方法である。

本発明により、キャリアセンスに要する時間の異なる無線ＬＡＮが共存する無線通信システムにおいて、各無線ＬＡＮに対する無線リソースの割り当てを公平にしつつ衝突を回避することが可能となる。

ＲｏＦ−無線ＬＡＮと既存無線ＬＡＮの共存構成例を示す図である。ＡＴＲＡＳ法によるＲｏＦ−ＡＰのデータ送信の制御例を示す図である。実施形態のＲｏＦ−ＡＰ３の機能構成の具体例を示すブロック図である。送信待機確率算出部５２４が送信待機確率を算出する処理の流れを示すフローチャートである。実施形態のＲｏＦ−ＡＰ３がＤＡＴＡフレームを送信する処理の流れを示すフローチャートである。既存ＷＬＡＮのトラヒック量を１〜１０Ｍｂｉｔ／ｓｅｃで変化させた場合のスループット比の具体例を示す図である。

＜概略＞
図１は、ＲｏＦ−無線ＬＡＮと既存無線ＬＡＮの共存構成例を示す図である。図１において、宅内もしくはオフィス内に、既存無線ＬＡＮ（以下、「既存ＷＬＡＮ」と記載する。）とＲｏＦ−無線ＬＡＮ（以下、「ＲｏＦ−ＷＬＡＮ」と記載する。）とが存在する。既存ＷＬＡＮには、既存ＡＰ（Access Point)１１及び既存ＳＴＡ（Station）１２が存在し、ＲｏＦ−ＷＬＡＮには、ＲｏＦ−ＡＰのＲＦ処理部２１及びＲｏＦ−ＳＴＡ２４が存在する。ここで、ＲｏＦ−ＡＰの機能は、光ファイバ２３を介して接続される宅内（もしくはオフィス内）のＲＦ処理部２１と局舎内のＡＰ処理部２２とに分割されている。ＲｏＦ−ＡＰのＲＦ処理部２１は、光信号と電波との変換を行う構成であり、ＲｏＦ−ＡＰのＡＰ処理部２２は、無線ＬＡＮ通信におけるＰＨＹ（Physical）層及びＭＡＣ（Medium Access Control）層の処理を行う。したがって、ＲＦ処理部２１とＡＰ処理部２２と間には光ファイバ２３を介して通信することによる伝搬遅延が発生し、ＲｏＦ−ＡＰとしてのフレーム送受信やキャリア検出が遅れる。

そのため、既存ＷＬＡＮとＲｏＦ−ＷＬＡＮとが共存する構成において、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式によりアクセス制御を行う場合、ＲｏＦ−ＷＬＡＮのフレーム送受信やキャリア検出が遅れることによる衝突が発生し、ＲｏＦ−ＷＬＡＮのスループット特性が劣化する。

図２は、非特許文献２に記載のＡＴＲＡＳ法によるＲｏＦ−ＡＰのデータ送信の制御例を示す図である。具体的には、ＡＴＲＡＳ法は、ＲｏＦ−ＡＰが既存ＡＰ又は既存ＳＴＡから送信されたＣＴＳを受信したときに実行される。このＣＴＳの受信は、図２において矢印１００で表されている。矢印１００に示されるように、ＲｏＦ−ＡＰによるＣＴＳの受信は、ＲＦ処理部２１とＡＰ処理部２２との間の伝搬遅延により、ＣＴＳの送信に対してある程度の時間遅れを伴う。ＣＴＳを受信したＲｏＦ−ＡＰは、受信されたＣＴＳに基づいて自身にＮＡＶ期間Ｔ_ＮＡＶを設定し、設定したＮＡＶ期間の間データ送信を控える。

図２からも分かるように、ＲｏＦ−ＡＰでは、ＲＴＳ／ＣＴＳフレームの遅れにより、設定されるＮＡＶ期間も遅れて設定される。そのため、ＲｏＦ−ＡＰは、送信データがある場合において、データ送信の制御を、ＮＡＶ期間の終了時刻から往復伝搬遅延時間（ＲＴＴ：Round Trip Time）である２δ_ＲｏＦだけ遡った時刻において開始する。そして、ＲｏＦ−ＡＰは、データ送信の制御開始から、ＳＩＦＳ（Short Inter Frame Space）時間を待機した後、ランダムバックオフ期間を設けず即座にＤＡＴＡフレームを送信する。これにより、ＲｏＦ−ＡＰからＲｏＦ−ＳＴＡへのＤＡＴＡフレームの送信は成功し、ＲｏＦ−ＷＬＡＮにおける下りスループットの改善が可能になる。すなわち、ＡＴＲＡＳ法は、他の既存ＷＬＡＮの通信に付随してＲｏＦ−ＡＰに優先的に送信権を与えることにより、ＲｏＦ−ＷＬＡＮの下りスループット特性を改善する制御方法である。なお、ＲｏＦ−ＳＴＡにおける上り方向のデータ送信の開始制御は、既存ＷＬＡＮとの間でＣＳＭＡ／ＣＡに基づくキャリアセンスを行い、通常のＲＴＳ／ＣＴＳアクセス手順に従って行われる。

ところで、図２に示すＡＴＲＡＳ法では、既存ＷＬＡＮの通信に付随してＲｏＦ−ＡＰに優先的に送信権が与えられるので、下りスループットが上りスループットに比べて優勢（上下スループット比が１を大きく超える）となる。特に、既存ＷＬＡＮの通信が頻繁に行われる場合に、ＲｏＦ−ＷＬＡＮ内では下りスループットが過剰となる問題がある。また、ＲｏＦ−ＷＬＡＮの伝搬遅延時間によっても、上下スループット比が大きく変化する。

また、非特許文献２には、ＡＴＲＡＳ法においてＲｏＦ−ＷＬＡＮの下りスループットが過剰となる問題に対して、ＲｏＦ−ＡＰによるフレームの送信を確率で制御する方法が提案されている。すなわち、所定の送信待機確率αでフレームの送信を待機させ、下りスループットが過剰にならないようにする。なお、フレームの送信を待機した場合には、ＲｏＦ−ＡＰは、既存ＷＬＡＮのＣＴＳフレームを受信してＮＡＶ期間終了後に通常のＲＴＳ／ＣＴＳアクセス手順に従って次の送信動作に入る。

ここで、ＲｏＦ−ＷＬＡＮにおける上下スループット比を目標値に設定するには、伝搬遅延時間や既存ＷＬＡＮの通信状況に合わせて送信待機確率αを適宜調整する必要がある。しかし、非特許文献２では、上下スループット比を目標値に設定するために、あるいは上下スループットを公平にするために、送信待機確率αをどのように調整すればよいかについて具体的に示されていない。また、ＲｏＦ−ＡＰの送信待機確率αは、既存ＷＬＡＮの送信機会にも影響するため、ＲｏＦ−ＡＰの送信待機確率αが適切に設定されない場合、ＲｏＦ−ＡＰ内の上下スループットに加え、ＲｏＦ−ＷＬＡＮと既存ＷＬＡＮとの間の無線リソースの割り当てに不公平が生じる可能性がある。その結果、既存ＷＬＡＮとＲｏＦ−ＷＬＡＮとの共存環境において、ＲｏＦ−ＷＬＡＮ及び既存ＷＬＡＮのスループットが低下する可能性がある。

本発明は、既存ＷＬＡＮとＲｏＦ−ＷＬＡＮとが共存する構成において、各無線ＬＡＮに対する無線リソースの割り当てを公平にしつつ衝突を回避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を目的とする。

＜詳細＞
図３は、実施形態のＲｏＦ−ＡＰ３の機能構成の具体例を示すブロック図である。ＲｏＦ−ＡＰ３（通信装置の一例）は、バスで接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリや補助記憶装置などを備え、ＲｏＦ−ＡＰプログラムを実行する。ＲｏＦ−ＡＰ３は、ＲｏＦ−ＡＰプログラムの実行によってＲＦ処理部４及びＡＰ処理部５を備える装置として機能する。ＲＦ処理部４及びＡＰ処理部５は、光ファイバ６を介して接続される。なお、ＲｏＦ−ＡＰ３の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。ＲｏＦ−ＡＰプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。ＲｏＦ−ＡＰプログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。

ＲＦ処理部４は、光通信部４１、信号変換部４２及びアンテナ部４３を備える。光通信部４１は、ＡＰ処理部５との間での光通信を実現する機能部である。具体的には、光通信部４１は、光ファイバ６とＲＦ処理部４との間の光信号の入出力を行う。信号変換部４２は、光ファイバ６で伝送される光信号を、アンテナ部４３から送出される無線電波に変換する。アンテナ部４３は、ＲｏＦ−ＳＴＡとの間で無線電波の送受信を行う。具体的には、アンテナ部４３は、ＲｏＦ−ＳＴＡから送信されたＲＦ波を受信し信号変換部４２に出力するとともに、信号変換部４２から出力されたＲＦ波を無線出力する。

ＡＰ処理部５は、光通信部５１及び制御部５２を備える。光通信部５１は、ＲＦ処理部４との間での光通信を実現する機能部である。具体的には、光通信部５１は、光ファイバ６と制御部５２との間の光信号の入出力を行う。制御部５２は、光信号の送受信を制御する機能部である。具体的には、制御部５２は、送信バッファ５２１、データ送信部５２２、データ受信部５２３、送信待機確率算出部５２４（確率制御部）及び送信開始タイミング決定部５２５を備える。

送信バッファ５２１は、データ送信部５２２が送信するデータを一時的に記憶する記憶部である。例えば、送信バッファ５２１は、磁気記憶装置や半導体記憶装置などのＲＡＭ（Random Access Memory）を用いて構成される。

データ送信部５２２は、データの送信を制御する機能部である。データ送信部５２２は、送信バッファ５２１に一時記憶された送信用データを、所定のタイミングで光通信部５１に出力する。具体的には、データ送信部５２２は、送信用データが送信バッファ５２１に記憶されている状態であって、かつデータ送信が可能となった状態（以下、「送信可能状態」という。）において、送信待機確率算出部５２４によって決定された送信待機確率に応じてデータの出力を行う。送信待機確率は、送信可能状態において、データ送信部５２２がデータの送信を行うか否かを決定する確率である。

データ受信部５２３（計測部の一例）は、データの受信を制御する機能部である。データ受信部５２３は、ＲＦ処理部４によって受信された無線電波が示す受信データを光通信部５１から取得する。また、データ受信部５２３は、受信データに基づいて、ＲｏＦ−ＷＬＡＮ及び既存ＷＬＡＮごとのトラヒック量を計測する機能（以下、「トラヒック計測機能」という。）を有する。トラヒック計測機能は、トラヒック量のどのような計測方法に基づいて行われてもよい。例えば、トラヒック計測機能は、既存ＡＰ及び既存ＳＴＡが単位時間当たりに送信したＤＡＴＡフレーム数を計測することによって実現されてもよいし、単位時間当たりに送信されるＤＡＴＡフレームのサイズを合計することによって実現されてもよい。データ受信部５２３は、トラヒック計測機能によって取得されたトラヒック量を送信待機確率算出部５２４に通知する。

また、データ受信部５２３は、受信データに基づいて、ＲｏＦ−ＡＰ３とＲｏＦ−ＳＴＡとの間のＲＴＴを計測する機能（以下、「ＲＴＴ計測機能」という。）を有する。データ受信部５２３は、ＲＴＴ計測機能によって取得されたＲＴＴを送信開始タイミング決定部５２５に通知する。また、データ受信部５２３は、ＲＴＳ又はＣＴＳからＮＡＶ期間を取得する機能を有する。データ受信部５２３は、取得されたＮＡＶ期間を送信開始タイミング決定部５２５に通知する。

送信待機確率算出部５２４（確率制御部の一例）は、送信待機確率を算出する機能部である。具体的には、送信待機確率算出部５２４は、データ受信部５２３から出力されるＲｏＦ−ＷＬＡＮ及び既存ＷＬＡＮごとのトラヒック量に基づいて送信待機確率を算出する。送信待機確率算出部５２４は、算出された送信待機確率をデータ送信部５２２に設定する。

送信開始タイミング決定部５２５は、データ送信部５２２にデータ送信を開始させるタイミングを示す送信開始タイミングを決定する機能部である。具体的には、送信開始タイミングは、図３において、ＮＡＶ期間の終了時刻から２δ_ＲｏＦだけ遡った時刻を示す情報である。送信開始タイミング決定部５２５は、データ受信部５２３から通知されるＲＴＴ及びＮＡＶ期間に基づいて送信開始タイミングを決定し、データ送信部５２２に通知する。

続いて、送信待機確率の算出方法について説明する。ここでは、共存環境全体でのスループットの状況（以下、「スループット状況」という。）を複数の場合に分け、目標とするＲｏＦ−ＡＰ３のスループットＳ_Ｒ（目標量の一例）を場合分けされたそれぞれのスループット状況に応じて調整する方法を説明する。例えば、共存環境のスループット状況は、既存ＷＬＡＮのトラヒック量Ｇ_Ｌ（通信量の一例）と、使用する無線チャネルのスループットの飽和量Ｃ（通信容量の一例）とを用いて、次の式（１）及び式（２）の場合に場合分けすることができる。以下、共存環境のスループット状況を表す平面において、式（１）を満たす領域を第１領域と称し、式（２）の領域を第２領域と称する。

（第１領域のスループット状況における送信待機確率の算出方法）
第１領域は、既存ＷＬＡＮのトラヒック量が少なく、無線チャネルのスループットが飽和量Ｃに達することのない非飽和な領域である。既存ＷＬＡＮのトラヒック量が少ない場合、既存ＷＬＡＮのデータ送信に付随して与えられるＲｏＦ−ＷＬＡＮの送信機会も少なくなる。そのため、送信待機確率を１とした場合であっても、無線チャネルのスループットは飽和量Ｃに達することがない。

例えば、無線ＬＡＮにおいて、トランスポート層のトラヒックの大部分はＴＣＰ（Transmission Control Protocol）によるものであるとみなすことができる。そのため、ＡＴＲＡＳ法を適用したＴＣＰ通信において、ＲｏＦ−ＡＰ３は、既存ＷＬＡＮで送信されるＴＣＰ−ＤＡＴＡ及びＴＣＰ−ＡＣＫのそれぞれに付随して、自局のＴＣＰ−ＤＡＴＡを送信することができる。したがって、この場合、送信待機確率をαとすると、既存ＷＬＡＮのトラヒック量Ｇ_Ｌに対して、ＲｏＦ−ＡＰ３のスループットＳ_Ｒは次の式（３）のように表すことができる。

すなわち、第１領域のスループット状況においては、ＲｏＦ−ＡＰ３の送信待機確率αを次の式（４）のように目標量Ｓ_Ｒとトラヒック量Ｇ_Ｌの割合に基づいて決定することで、ＲｏＦ−ＡＰ３の目標スループットＳ_Ｒを実現することができる。

（第２領域のスループット状況における送信待機確率の算出方法）
第２領域は、既存ＷＬＡＮのトラヒック量が多く、無線チャネルのスループットが飽和量Ｃに達している、もしくは飽和量Ｃに近い領域である。このようなスループット状況では、既存ＷＬＡＮ及びＲｏＦ−ＡＰ３のトラヒック量の合計は、飽和量Ｃを越えることができないという制約が生じる。ここで、既存ＷＬＡＮのスループットをＳ_Ｌとし、かつＤＡＴＡフレームが固定長であると仮定した場合、飽和量Ｃと既存ＷＬＡＮのスループットＳ_Ｌとの間には、次の式（５）が成り立つ。そして、式（５）を変形することにより式（６）が得られる。

また、ＲｏＦ−ＡＰ３の目標スループットＳ_Ｒと、既存ＷＬＡＮのスループットＳ_Ｌとの間には次の式（７）が成り立つ。そして、式（６）及び式（７）から式（８）の関係が得られる。

すなわち、第２領域のスループット状況においては、ＲｏＦ−ＡＰ３の送信待機確率αを次の式（９）のように目標量Ｓ_Ｒと飽和量Ｃとに基づいて決定することで、ＲｏＦ−ＡＰ３の目標スループットＳ_Ｒを実現することができる。

図４は、送信待機確率算出部５２４が送信待機確率を算出する処理の流れを示すフローチャートである。まず、利用者は、ＲｏＦ−ＡＰ３に対して、目標とするスループットＳ_Ｒを設定する（ステップＳ１０１）。送信待機確率算出部５２４は、データ受信部５２３から通知される既存ＷＬＡＮのトラヒック量Ｇ_Ｌと、使用する無線チャネルのスループットの飽和量Ｃとに基づいて、現在の共存環境のスループット状況が第１領域又は第２領域のいずれであるかを判定する。例えば、送信待機確率算出部５２４は、式（２）の真偽を判定する（ステップＳ１０２）。

式（２）が偽である場合（ステップＳ１０２−ＮＯ）、すなわち、スループット状況が第１領域で表される場合、送信待機確率算出部５２４は、送信待機確率αを式（４）で決定する（ステップＳ１０３）。一方、式（２）が真である場合（ステップＳ１０２−ＹＥＳ）、すなわち、スループット状況が第２領域で表される場合、送信待機確率算出部５２４は、送信待機確率αを式（９）で決定する（ステップＳ１０４）。

送信待機確率算出部５２４は、式（４）又は式（９）で決定された送信待機確率αをデータ送信部５２２に対して設定する（ステップＳ１０５）。データ送信部５２２は、送信可能状態において、送信待機確率算出部５２４によって設定された送信待機確率αに基づいてデータの送信を行う。

図５は、実施形態のＲｏＦ−ＡＰ３がＤＡＴＡフレームを送信する処理の流れを示すフローチャートである。まず、ＲｏＦ−ＡＰ３は、ＲＴＳ又はＣＴＳの受信を検出する（ステップＳ２０１）。ＲＴＳ又はＣＴＳの検出は、データ受信部５２３によって行われる。データ受信部５２３は、検出されたＲＴＳ又はＣＴＳが自局宛であるか否かを判定する（ステップＳ２０２）。検出されたＲＴＳ又はＣＴＳが自局宛である場合（ステップＳ２０２−ＹＥＳ）、ＲｏＦ−ＡＰ３は、通常のＲＴＳ／ＣＴＳアクセス手順を実行する（ステップＳ２０３）。

一方、検出されたＲＴＳ又はＣＴＳが自局宛でない場合（ステップＳ２０２−ＮＯ）、ＲｏＦ−ＡＰ３は、受信されたＲＴＳ又はＣＴＳに基づいて、自装置にＮＡＶ期間を設定する（ステップＳ２０４）。以下では、ステップＳ２０１においてＣＴＳが検出されたと仮定して説明する。続いて、データ送信部５２２は、送信可能状態となるまで待機する。具体的には、データ送信部５２２は、現在時刻が、ＮＡＶ期間の終了時刻からＲＴＴだけ遡った時刻（以下、「送信可能時刻」という。）に達したか否かを判定する（ステップＳ２０５）。

現在時刻が送信可能時刻に達していない場合（ステップＳ２０５−ＮＯ）、データ送信部５２２は、現在時刻が送信可能時刻に達するまでステップＳ２０５の判定を繰り返す。一方、現在時刻が送信可能時刻に達している場合（ステップＳ２０５−ＹＥＳ）、データ送信部５２２は、送信バッファ５２１に送信すべきＤＡＴＡフレームが存在するか否かを判定する（ステップＳ２０６）。

送信バッファ５２１に送信すべきＤＡＴＡフレームが存在しない場合（ステップＳ２０６−ＮＯ）、ＲｏＦ−ＡＰ３は、ステップＳ２０１に処理を戻し、ＲＴＳ又はＣＴＳの検出を繰り返し実行する。一方、送信バッファ５２１に送信すべきＤＡＴＡフレームが存在する場合（ステップＳ２０６−ＹＥＳ）、送信待機確率算出部５２４は、送信待機確率αを算出し（ステップＳ２０７）、算出した送信待機確率αをデータ送信部５２２に設定する。

データ送信部５２２は、乱数ｘ（０≦ｘ≦１）を生成する（ステップＳ２０８）。データ送信部５２２は、生成された乱数ｘの値が、送信待機確率α以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０９）。乱数ｘの値が送信待機確率αより小さい場合（ステップＳ２０９−ＮＯ）、ステップＳ２０１に処理を戻し、ＲＴＳ又はＣＴＳの検出を繰り返し実行する。一方、乱数ｘの値が送信待機確率α以上である場合（ステップＳ２０９−ＹＥＳ）、データ送信部５２２は、ＳＩＦＳ時間を待機（ステップＳ２１０）した後、送信バッファ５２１に記憶されているＤＡＴＡフレームの送信を行う（ステップＳ２１１）。

このように構成された実施形態のＲｏＦ−ＡＰ３は、送信可能状態におけるＤＡＴＡフレームの送信待機確率αを、既存ＷＬＡＮのトラヒック量に基づいて決定する。そのため、実施形態のＲｏＦ−ＡＰ３によれば、キャリアセンスに要する時間の異なる無線ＬＡＮが共存する無線通信システムにおいて、各無線ＬＡＮに対する無線リソースの割り当てを公平にしつつ衝突を回避することが可能となる。

例えば、ＲｏＦ−ＷＬＡＮと既存ＷＬＡＮとのスループット比を１に制御する場合を考える。ここでは、共存環境が１つのＲｏＦ−ＷＬＡＮと１つの既存ＷＬＡＮとで構成されると仮定する。さらに各無線ＬＡＮシステムのＡＰは１台であり、各ＡＰには９台のＳＴＡが接続するものと仮定する。また、ＲｏＦ−ＡＰ３の伝搬遅延は５０μｓｅｃ、伝送レートは５４Ｍｂｉｔ／ｓｅｃ、ＤＡＴＡフレームのペイロード長は１５００バイトであり、トランスポート層のプロトコルにＴＣＰが用いられた共存環境を想定する。なお、ＲｏＦ−ＷＡＬＮのトラヒックは下りのみであり、トラヒック状況は十分に飽和している状態を想定する。

図６は、上記想定の共存環境において、既存ＷＬＡＮのトラヒック量を１〜１０Ｍｂｉｔ／ｓｅｃで変化させた場合のスループット比の具体例を示す図である。図６の横軸は、既存ＷＬＡＮのトラヒック量を表し、縦軸は既存ＷＬＡＮに対するＲｏＦ−ＷＬＡＮのスループット比を表している。図６における第１の系列は、送信待機確率αを１に固定した場合のスループット比を表しており、第２の系列は、本実施形態の決定方法で送信待機確率αを決定した場合のスループット比を表している。

図６に示されるように、送信待機確率αを１で固定した場合は、スループット比は約０．５〜０．６の範囲で遷移する。仮に１±０．１程度のスループット比が公平であると考えた場合、第１の系列は、既存ＷＬＡＮとＲｏＦ−ＷＬＡＮとが共存することによってスループットに著しい不公平が生じていることを示している。これに対して、本実施形態の決定方法では、送信待機確率αが、既存ＷＬＡＮのトラヒック量に応じて、スループット比が１となるように動的に調整される。そのため、本実施形態のＲｏＦ−ＡＰ３は、既存ＷＬＡＮ及びＲｏＦ−ＷＬＡＮのスループットをほぼ同等にしつつ、衝突を回避することができる。
＜変形例＞

上述した実施形態におけるＲｏＦ−ＡＰ３をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

本発明は、キャリアセンスに要する時間の異なる無線ＬＡＮが共存する無線通信システムに適用可能である。

１１…既存ＡＰ（Access Point）、１２…既存ＳＴＡ（Station）、２１…ＲＦ（Radio Frequency）処理部、２２…ＡＰ処理部、２３…光ファイバ、２４…ＲｏＦ（Radio on Fiber）−ＳＴＡ、３…ＲｏＦ−ＡＰ、４…ＲＦ処理部、４１…光通信部、４２…信号変換部、４３…アンテナ部、５…ＡＰ処理部、５１…光通信部、５２…制御部、５２１…送信バッファ、５２２…データ送信部、５２３…データ受信部、５２４…送信待機確率算出部、５２５…送信開始タイミング決定部、６…光ファイバ

Claims

キャリアセンスによってデータ送信の衝突を回避する無線通信システムにおいて、他の通信装置のデータ送信の後にキャリアセンスを行うことなくデータ送信を開始する通信装置であって、
他の通信装置の通信量を計測する計測部と、
自装置のデータ送信が可能となったタイミングにおいて、所定の確率でデータ送信を実行するデータ送信部と、
前記確率を、前記計測部によって計測された前記他の通信装置の通信量に基づいて決定する確率制御部と、
を備え、
前記確率制御部は、
自装置が送信するデータの目標量と前記他の通信装置の通信量との合計が、使用する無線チャネルの通信容量を超えない場合には、前記目標量と前記通信量との割合に基づいて前記確率を決定し、
前記目標量と前記通信量との合計が前記通信容量を超える場合には、前記目標量と前記通信容量とに基づいて前記確率を決定する、
通信装置。
前記確率制御部は、
自装置が送信するデータの目標量Ｓ_Ｒと前記他の通信装置の通信量Ｇ_Ｌとの合計が、使用する無線チャネルの通信容量Ｃを超えない場合には、前記確率αを

と決定し、
前記目標量Ｓ _Ｒと前記通信量Ｇ _Ｌとの合計が前記通信容量Ｃを超える場合には、前記確率αを、

と決定する、
請求項１に記載の通信装置。
キャリアセンスによってデータ送信の衝突を回避する無線通信システムにおいて、他の通信装置のデータ送信の後にキャリアセンスを行うことなくデータ送信を開始する通信装置が行う無線通信方法であって、
他の通信装置の通信量を計測する計測ステップと、
自装置のデータ送信が可能となったタイミングにおいて、所定の確率でデータ送信を実行する送信ステップと、
前記確率を、前記計測ステップにおいて計測された前記他の通信装置の通信量に基づいて決定する決定ステップと、
を有し、
前記決定ステップでは、
自装置が送信するデータの目標量と前記他の通信装置の通信量との合計が、使用する無線チャネルの通信容量を超えない場合には、前記目標量と前記通信量との割合に基づいて前記確率を決定し、
前記目標量と前記通信量との合計が前記通信容量を超える場合には、前記目標量と前記通信容量とに基づいて前記確率を決定する、
無線通信方法。
前記決定ステップでは、
自装置が送信するデータの目標量Ｓ _Ｒと前記他の通信装置の通信量Ｇ _Ｌとの合計が、使用する無線チャネルの通信容量Ｃを超えない場合には、前記確率αを

と決定し、
前記目標量ＳＲと前記通信量ＧＬとの合計が前記通信容量Ｃを超える場合には、前記確率αを、

と決定する、
請求項３に記載の無線通信方法。