JP6962378B2 - 通信装置、データフロー制御方法およびプログラム - Google Patents

通信装置、データフロー制御方法およびプログラム Download PDF

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Description

本発明は、通信装置、データフロー制御方法およびプログラムに関する。
近年、モノがインターネットにつながること（ＩＯＴ：Internet of Things）により、今まで存在しなかった新たなデータやそのデータを活用した新たな価値が送出され、社会的変化が起ころうとしている。ＩｏＴの普及に伴い、これまで無線通信が利用されていなかった場所や環境（工場、建設現場など）においても、例えば工業機器からのデータ収集や工業機器の遠隔制御等、無線通信の利用が進むと予想される。
無線通信には、無線局免許が必要となるライセンスバンドを用いるものと、無線局免許が不要のアンライセンスバンドを用いるものとが存在する。工場などの閉空間で使用する無線通信では、接続コストの面も考慮すると、アンライセンスバンドを用いることが多いと考えられる。
しかし、アンライセンスバンドを用いる無線通信は、使用する無線デバイスに制約がないため、他機器からの電波干渉や雑音によって、無線品質の急激な劣化が発生する。
そのような無線品質の急激な劣化に起因した、通信フローにおけるバッファオーバフローなどの問題に関し、特許文献１には、アンライセンスバンドを用いる無線ＬＡＮ（Local Area Network）を想定し、送信先の受信バッファのオーバーフローを回避するフロー制御方法が開示されている。特許文献１では、送信先毎に、予め送信先の受信バッファサイズを取得しておき、さらに、送信元の送信データサイズとその送達確認状況とを使用し、送信先の受信バッファがオーバーフローをしないようにフロー制御を行う。これにより、送信先の受信バッファでのデータロスが抑制できるため、通信特性が向上する。
特開２０１０−１３５９０９号公報
しかし、特許文献１に記載の方法は、送信先の受信バッファにおけるオーバーフローについては解決可能であるが、送信元の送信バッファで発生するオーバーフローについては解決方法が開示されていない。
アンライセンスバンドを用いる無線通信において無線品質が急激に劣化した場合、無線で送信できるデータ量が急激に減少する。このとき、上位プロトコルがこの急激な変化に追従できず、無線送信部へ大量なデータを送出してしまうと、送信先の受信バッファだけでなく送信元の送信バッファでもオーバーフローが発生し、通信特性の大幅な劣化につながる。また、無線品質が急激に劣化した場合だけでなく、接続するデバイス数が急増した場合にも、上位プロトコルがこの変化に追従できないと、同様の問題が生じることが考えられる。
特に、無線ＬＡＮ方式では、無線品質の急激な劣化や接続するデバイス数の急増により、ＭＡＣ（Media Access Control）レイヤにおける送信可能な帯域（以下、可用帯域と呼ぶ。）が急激に減少してしまう。その結果、ＭＡＣレイヤにおける再送が頻発することにより、可用帯域を再送に使用する確率が急増してしまう。したがって、無線送信における送信効率が大きく下がり、ＩｏＴデバイスから無線送信部に送出されるデータを無線送信で捌ききれず、送信元の送信バッファでオーバーフローが発生してしまう。
本発明は、上述した課題に鑑みて、アンライセンスバンドを用いる無線通信システムにおいて、無線品質の急激な劣化や接続デバイス数の急増などの急な環境変化が生じた場合であっても、通信特性を改善できる通信装置、無線通信システムおよびデータフロー制御方法を提供することを目的とする。
本発明による通信装置は、複数の無線デバイスが通信に使用する周波数を共有する無線通信システムに用いられる通信装置であって、無線デバイスのいずれかが有するＭＡＣレイヤの上位のレイヤとして動作することにより、ＭＡＣレイヤを介して他の無線デバイスと無線通信を行う通信装置において、ＭＡＣレイヤに送出される前段階の通信データを一時的に蓄積する蓄積手段と、自装置が測定した周波数における電波に関する指標である電波指標および／または周波数を使用した無線通信に関する指標である通信指標を用いて、所定の時間内でＭＡＣレイヤで送信可能なデータ量である送信可能データ量を推定する推定手段と、送信可能データ量の推定結果に基づいて、通信データを下位のレイヤに送出する際のデータフローを制御する制御手段とを備え、推定手段が、電波指標の統計値を用いて、周波数の空き時間率を推定し、得られた空き時間率、電波指標および通信指標を用いて、送信可能データ量を推定することを特徴とする。
また、本発明によるデータフロー制御方法は、複数の無線デバイスが通信に使用する周波数を共有する無線通信システムに用いられる通信装置であって、無線デバイスのいずれかが有するＭＡＣレイヤの上位のレイヤとして動作することにより、ＭＡＣレイヤを介して他の無線デバイスと無線通信を行う通信装置が、ＭＡＣレイヤに送出される前段階の通信データを一時的に蓄積し、自装置が測定した周波数における電波に関する指標である電波指標および／または周波数を使用した無線通信に関する指標である通信指標を用いて、所定の時間内でＭＡＣレイヤで送信可能なデータ量である送信可能データ量を推定し、送信可能データ量の推定結果に基づいて、通信データを下位のレイヤに送出する際のデータフローを制御し、送信可能データ量を推定するときに、電波指標の統計値を用いて、周波数の空き時間率を推定し、得られた空き時間率、電波指標および通信指標を用いて、送信可能データ量を推定することを特徴とする。
また、本発明によるプログラムは、複数の無線デバイスが通信に使用する周波数を共有する無線通信システムに用いられるコンピュータであって、無線デバイスのいずれかが有するＭＡＣレイヤの上位のレイヤとして動作することにより、ＭＡＣレイヤを介して他の無線デバイスと無線通信を行うコンピュータに搭載されるプログラムにおいて、コンピュータに、ＭＡＣレイヤに送出される前段階の通信データを一時的に蓄積手段に蓄積する蓄積処理、自装置が測定した周波数における電波に関する指標である電波指標および／または周波数を使用した無線通信に関する指標である通信指標を用いて、所定の時間内でＭＡＣレイヤで送信可能なデータ量である送信可能データ量を推定する推定処理、および、送信可能データ量の推定結果に基づいて、通信データを下位のレイヤに送出する際のデータフローを制御する制御処理を実行させ、推定処理で、電波指標の統計値を用いて、周波数の空き時間率を推定させ、得られた空き時間率、電波指標および通信指標を用いて、送信可能データ量を推定させることを特徴とする。
本発明によれば、アンライセンスバンドを用いる無線通信システムにおいて、無線品質の急激な劣化や接続デバイス数の急増などの急な環境変化が生じた場合であっても、可用帯域を最大限に有効活用して通信特性を改善できる。
第１の実施形態の無線通信システムのネットワーク構成の例を示す構成図である。 第１の実施形態の中継装置の構成例を示す機能ブロック図である。 第１の実施形態の中継装置の動作例を示すフローチャートである。 第１の実施形態における空き時間率の推定方法を説明する図である。 第２の実施形態の無線通信システムのネットワーク構成の例を示す構成図である。 第２の実施形態の通信制御装置および中継装置の構成例を示す機能ブロック図である。 第２の実施形態の通信制御装置の動作例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態にかかるコンピュータの構成例を示す概略ブロック図である。 本発明の通信装置の概要を示すブロック図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、各図面において、同一または対応する要素には同一の番号が付されており、重複説明を省略する。
実施形態１．
図１は、実施形態の無線通信システムのネットワーク構成の例を示す構成図である。図１に示すように、本実施形態の無線通信システムは、サーバ装置５０と、中継装置１０と、中継装置２０と、ＩｏＴデバイス３０とを備える。
本実施形態の無線通信システムでは、無線ネットワーク内に中継装置の親機（中継装置１０）と子機（中継装置２０）とが存在し、ＩｏＴデバイス３０は、中継装置２０（子機）を介して、中継装置１０（親機）との間で信号を送受信することができる。
また、図１に示す例では、ＩｏＴデバイス３０と中継装置２０は有線で接続されているが、無線で接続されてもよい。また、中継装置１０は、インターネット４０を介してサーバ装置５０と接続されている。
本実施形態では、中継装置２０が、自装置において測定した所定の電波指標および通信指標を用いて、自装置内のＭＡＣレイヤの可用帯域を推定し、推定した結果を用いてＭＡＣレイヤより上位のレイヤが、ＭＡＣレイヤに渡すユーザデータ（より具体的には、ＩｏＴデバイス３０から受信して、無線通信ネットワークに送信するデータパケット）のデータフローの流量を制御する。ユーザデータのデータフローの流量の制御は、ＭＡＣレイヤにユーザデータが渡たる前の任意のタイミングで行われればよい。一例としては、アプリケーションレイヤがユーザデータを一次蓄積して、トランスポートレイヤに渡すデータの流量を制御する構成が挙げられる。このように、本発明のユーザデータのデータフローの流量の制御は、ＭＡＣレイヤよりも上位のレイヤが下位のレイヤに送出する無線通信データのデータフローの流量の制御を行うことにより、直接または間接的にＭＡＣレイヤに渡るユーザデータのデータフローの流量を制御することを含む。なお、データフローの流量の制御を行う上位のレイヤは、アプリケーションレイヤに限らず、トランスポートレイヤ等、ＭＡＣレイヤよりも上位のレイヤであれば特に限定されない。
より具体的には、配下のＩｏＴデバイス３０の各々からのデータを収集した中継装置２０が、収集したデータの転送（受信および送信）の際に測定した電波指標および通信指標の統計情報を用いたベイズ推定により、ＭＡＣレイヤで送信可能な帯域（可用帯域）を推定する。そして、推定した可用帯域に従ってデータフロー制御を行って中継装置１０に無線送信を行う。なお、中継装置２０と中継装置１０の間の無線通信は、アンライセンスバンドを用いる通信規格である無線ＬＡＮを用いることを想定する。
なお、インターネット４０は、外部のネットワーク機器とつながらないローカルまたはプライベートネットワークでもよい。
また、本実施形態の無線通信システムは、無線通信ネットワーク内に、同一の周波数チャネルを用いる可能性がある無線機器６０が存在し、中継装置２０と中継装置１０との間の無線ＬＡＮ通信と干渉する可能性がある環境とする。
図２は、本実施形態において本発明のフロー制御を実施する通信装置としての中継装置２０（子機）の構成例を示す機能ブロック図である。図２に示す中継装置２０は、バッファ部２１と、無線部２２と、フロー制御部２３とを備える。
バッファ部２１は、無線通信ネットワークに送信するユーザデータである無線通信データ（本例では、ＩｏＴデバイス３０から受信したデータパケット）を一時的に蓄積する。また、バッファ部２１は、一時的に蓄積したデータに関する情報をフロー制御部２３に通知する。
ここで、データに関する情報は、例えば、各データのデータフローのＩＰヘッダである５タプル（発信元アドレス、着信先アドレス、発信元ポート、着信先ポート、プロトコル番号）または／および各データフローの優先度、データ要件などである。優先度やデータ要件の通知は、ＩｏＴデバイス３０から送信されるデータパケット内の特定のフィールドを使って通知を行うインバンドシグナリングでもよいし、データとは別に通知するアウトバンドシグナリングでもよい。
無線部２２は、指標測定部２２１を含む。指標測定部２２１は、自装置で測定できる、電波に関する指標である電波指標や無線通信に関する指標である通信指標を測定する。測定したこれらの指標は、フロー制御部２３に入力される。
電波指標の例としては、ＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator）、送信先の無線デバイスがビーコンフレームを送信していない場合の受信信号電力（以下、背景雑音電力という）、ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）、ＳＩＮＲ（Signal to Noise-plus-Interference Ratio）などが挙げられる。また、通信指標の例としては、ビットエラーレート、パケット（フレーム）エラーレート、送信遅延、物理レイヤにおけるスループット、ＭＡＣレイヤにおけるスループット、平均再送回数、接続デバイス数、無線部２２の送信バッファに蓄積されているデータ量（送信待ちデータ量）、送信バッファの空き容量、ＭＣＳ（Modulation and Coding Scheme）の使用確率（以下、「使用頻度」とも称する）などが挙げられる。なお、ＭＣＳは、変調方式と符号化率の組み合わせをＩｎｄｅｘ化したものである。電波指標および通信指標は、特に送信バッファのオーバーフローに繋がる無線通信環境の変化（無線品質の劣化や接続デバイス数の変化、送信データ量の変化等）が検出できる指標が好ましい。
フロー制御部２３は、指標管理部２３１とスループット期待値予測部２３２とバッファ制御部２３３とを含む。指標管理部２３１は、指標測定部２２１からの電波指標と通信指標の測定結果を入力とし、それら電波指標や通信指標の統計情報を生成する。指標管理部２３１は、指標測定部２２１から入力された情報を統計的に処理し、処理後の情報（電波指標の統計情報および／または通信指標の統計情報）をスループット期待値予測部２３２に入力する。
スループット期待値予測部２３２は、指標管理部２３１から入力された電波指標や通信指標の統計情報を用いて、スループット期待値の予測を行う。ここで、スループットの期待値は、ＭＡＣレイヤの可用帯域と同一となることが理想的な予測とする。
バッファ制御部２３３は、スループット期待値予測部２３２で予測したスループット期待値、および一時的に蓄積したデータに関する情報に基づいて、バッファ部２１から送出するデータフローとそのデータ量を決定し、決定した内容に従って、バッファ部２１に蓄積されているデータを無線部２２に送出する。なお、バッファ制御部２３３が、決定した内容（バッファ部２１から送出するデータフローとそのデータ量）を示すフロー制御情報をバッファ部２１に入力し、バッファ部２１でフロー制御部２３（バッファ制御部２３３）からのフロー制御情報に基づいて、一次的に蓄積していたデータを無線部２２に送出することも可能である。
無線部２２は、バッファ部２１から送出されるデータを受け、無線ＬＡＮのプロトコルに従った送信フレームを生成し、無線送信を行う。
このようにして、中継装置２０において、電波指標や通信指標を用いて、ＭＡＣレイヤの可用帯域を推定し、推定した結果を用いてＭＡＣレイヤよりも上位のレイヤにおいて、無線通信データのデータフローの流量を制御する。なお、本実施形態では、無線部２２がＭＡＣレイヤに相当し、フロー制御部２３が、上位のレイヤ（例えば、アプリケーションレイヤ）に相当する。
次に、本実施形態の中継装置２０の動作を説明する。図３は、本実施形態の中継装置２０の動作、特に、フロー制御部２３におけるＭＡＣレイヤの可用帯域に基づくスループット期待値の予測方法およびフロー制御に関する動作の一例を示すフローチャートである。
図３に示す例では、まず、中継装置２０のスループット期待値予測部２３２が、電波指標の統計情報を用いて、フロー制御の対象とする無線通信ネットワーク内において単位時間あたりに無線デバイスが無線送信をしていない確率である空き時間率を推定する（ステップＳ１０１）。
図４を用いて、空き時間率の推定方法を説明する。本例では、指標測定部２２１が、一定間隔毎にＲＳＳＩを測定し、指標管理部２３１が、その測定値の時系列データを保管しているものとする。
そのような場合に、スループット期待値予測部２３２は、図４に示すように、測定区間内の背景雑音電力の測定値が予め設定した背景雑音電力の判定閾値以下となる確率を空き時間率と推定する。なお、背景雑音電力の判定閾値は、周辺の無線環境に応じて設定、変更されてもよい。また、ここでは、背景雑音電力を用いる例を説明したが、ＲＳＳＩやＳＮＲやＳＩＮＲなど他の電波指標を用いてもよい。
また、スループット期待値予測部２３２は、測定されたＲＳＳＩを使用し、最大物理スループットを計算する（ステップＳ１０２）。無線ＬＡＮの場合、各無線規格（ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎなど）において、無線品質に応じてＭＣＳを選択する方式が採用されている。指標測定部２２１が、使用したＭＣＳを指標管理部２３１に入力すると、指標管理部２３１では、測定区間における各ＭＣＳの使用確率が分かる。指標管理部２３１は、得られた各ＭＣＳの使用確率をスループット期待値予測部２３２に入力する。スループット期待値予測部２３２は、入力された各ＭＣＳの使用確率から、最大物理スループットの期待値を計算し、その期待値を最大物理スループットとする。ここでは、ＲＳＳＩを用いる説明をしたが、ＳＮＲやＳＩＮＲなど他の電波指標を用いてもよい。
次に、スループット期待値予測部２３２は、推定した空き時間率と最大物理スループットとを用いて、物理スループットの期待値を計算する（ステップＳ１０３）。例えば、空き時間率と最大物理スループットを乗算することにより、物理スループットの期待値を計算する。
次に、バッファ制御部２３３は、スループット期待値予測部２３２が予測した物理スループットの期待値と一時的に蓄積したデータに関する情報とに基づいて、フロー制御部２３の制御間隔で送信可能なデータ量（以下、単に送信可能データ量という）を算出する（ステップＳ１０４）。フロー制御の制御間隔を、例えば１００ｍｓ（０．１ｓ）とすると、上記で求めた物理スループットの期待値が３０Ｍｂｐｓの場合、送信可能データ量は、３０Ｍｂｐｓ×０．１ｓ／８ｂｉｔ＝３７５ｋＢｙｔｅとなる。
次に、スループット期待値予測部２３２は、バッファ部２１に一時的に蓄積されたデータ量と、送信可能データ量とを比較する（ステップＳ１０５）。一時的に蓄積されたデータ量が送信可能データ量より小さければ、フロー制御でデータの送出を抑制する必要がないため、以降の実効ＭＡＣスループットの算出およびフロー制御をスキップして処理を終了する（ステップＳ１０５ Ｎｏ）。
一方、一時的に蓄積されたデータ量が送信可能なデータ量より大きければ、フロー制御でデータの送出を抑制する必要があるため、フロー制御に使用する実効ＭＡＣスループットの算出処理（ステップＳ１０６）に進む（ステップＳ１０５ Ｙｅｓ）。なお、物理スループットを基に求めた送信可能なデータ量は、ＭＡＣレイヤの効率損を含んでいないため、比較の際に、ＭＡＣレイヤの効率損を想定した補正項を導入してもよいし、後述するＭＡＣレイヤの実効ＭＡＣスループットの予測結果を基に判定しても良い。
ステップＳ１０６では、スループット期待値予測部２３２が、ベイズ推定を用いて、ＭＡＣレイヤの効率損を含む実効ＭＡＣスループットを予測する（ステップＳ１０６）。
以下、ベイズ推定を使った実効ＭＡＣスループットの予測方法を説明する。
以下の式（１）は、ベイズの定理としてよく知られた式である。
Figure 0006962378
Ｐ（Ｙ｜Ｘ）は、事象Ｘが発生した後での事象Ｙが発生する条件付き確率（事後確率とも呼ばれる）である。Ｐ（Ｘ｜Ｙ）は、事象Ｙが発生した際に事象Ｘが発生する条件付き確率（尤度とも呼ばれる）である。Ｐ（Ｙ）は、事象Ｙが発生する確率（事前確率とも呼ばれる）である。
ここで、事象Ｘａを物理スループットの期待値がａであること、事象Ｙｂを実効ＭＡＣスループットの測定値がｂであることと定義する。指標測定部２２１は、実効ＭＡＣスループットを一定間隔で測定し、指標管理部２３１に入力する。指標管理部２３１は、入力された実効ＭＡＣスループットを使用し、実効ＭＡＣスループットの測定値がｂである確率Ｐ（Ｙｂ）を計算し、入力に応じて、更新し続ける。同様に、実効ＭＡＣスループットの測定値がｂであった場合、物理スループットの期待値がａである条件付き確率Ｐ（Ｘａ｜Ｙｂ）も計算し、入力に応じて更新し続ける。
ステップＳ１０６では、スループット期待値予測部２３２は、まず、ステップＳ１０４で推定した物理スループットの期待値がａであるとすると、指標管理部２３１で計算されたＰ（Ｙｂ）、Ｐ（Ｘａ｜Ｙｂ）を式（１）に代入することで、物理スループットの期待値がａである場合の実効ＭＡＣスループットの測定値がｂである条件付き確率Ｐ（Ｙｂ｜Ｘａ）を算出する。ここで、予測したい値は、物理スループットの期待値がａである場合の実効ＭＡＣスループットの期待値であるので、以下の式（２）により実効ＭＡＣスループットの期待値を予測する。
Figure 0006962378
最後に、バッファ制御部２３３が、ステップＳ１０６で得られた実効ＭＡＣスループットの期待値を用いて、フロー制御を実施する（ステップＳ１０７）。フロー制御における無線部２２に送出するデータ量の決定方法の例としては、実効ＭＡＣスループットの期待値と同一のスループットでバッファ部２１からデータを送出する方法が挙げられる。
また、バッファ制御部２３３は、無線部２２のバッファでのデータ枯渇を防ぐために、実効ＭＡＣスループットの期待値よりも予め定めたマージンを上乗せして、バッファ部２１から無線部２２に対してデータを送出してもよい。また、バッファ制御部２３３は、無線部２２のバッファでのデータ溢れを防ぐために、実効ＭＡＣスループットの期待値よりも予め定めたマージンを削減して、バッファ部２１から無線部２２に対してデータを送出してもよい。
また、複数の優先度が異なるデータフローが蓄積されている場合には、スループット期待値予測部２３２およびバッファ制御部２３３は、優先度の高いデータフローからフロー制御による送出量を決定し、実効ＭＡＣスループットの期待値に達するまで、送出データ量を積み増す方法を行う。
このように本実施形態によるデータフローの制御方法は、無線部２２に送出するデータ量を制御する方法であるため、無線のデータ通信に関わる機能、具体的にはＭＡＣレイヤのスケジューリングや物理レイヤの通信アクセス方式に手を加えることなく、実施可能となる。
なお、本実施形態では、スループット推定機能やフロー制御機能が中継装置２０で実現される構成で説明したが、該機能は中継装置２０ではなく、別の装置内で実現されてもよい。
また、本実施形態の実効ＭＡＣスループットの推定方法として、物理スループットという１つの変数のみをインプットとする例で説明を行ったが、他の通信指標（パケットエラーレート、遅延など）を併用して、ベイズ推定を行ってもよい。
また、本実施形態の実効ＭＡＣスループットの推定方法として、物理スループットを求めてから、実効ＭＡＣスループットを推定する例で説明を行ったが、物理スループットを求めずに、測定する電波指標、通信指標と実効ＭＡＣスループットの関係性から、直接、実効ＭＡＣスループットをベイズ推定してもよい。
以上のように、本実施形態によれば、電波指標および／または通信指標を用いて、ＭＡＣレイヤでの可用帯域をデータ送信前に推定し、推定した可用帯域に基づいて、ＭＡＣレイヤよりも上位のレイヤが下位レイヤに送出する無線通信データのデータフローの流量を制御してデータ送出することにより、可用帯域を最大限に有効活用できるため、アンライセンスバンドを用いる無線通信システムにおいて送信元のバッファオーバフローを抑制して通信特性を向上することができる。
実施形態２．
第１の実施形態では、スループット推定機能やフロー制御機能が中継装置２０で実現される構成で説明したが、第２の実施形態では、中継装置２０とは独立の通信制御装置で実現する構成を例示する。また、第１の実施形態では、ベイズ推定を用いた実効ＭＡＣスループットの推定方式を説明したが、第２の実施形態では、通信指標に基づいた実効ＭＡＣスループットのモデル式を用いて推定する方法を例示する。
図５は、本実施形態の無線通信システムのネットワーク構成の例を示す構成図である。図５に示すように、本実施形態では、中継装置２０（子機）とＩｏＴデバイス３０との間に、さらに通信制御装置７０を備える。
本実施形態の無線通信システムの無線ネットワーク内には、中継装置１０と中継装置２０に加え、中継装置２０と接続する通信制御装置７０が存在し、ＩｏＴデバイス３０は、通信制御装置７０および中継装置２０を介して、中継装置１０との間で信号を送受信することができる。
なお、本実施形態においても、中継装置２０（子機）と中継装置１０（親機）との間の無線通信は、第１の実施形態と同様、アンライセンスバンドを用いる通信規格である無線ＬＡＮを用いることを想定する。
また、図５では、ＩｏＴデバイス３０と通信制御装置７０は有線で接続されているが、無線で接続されてもよい。他の点は、第１の実施形態と同様である。
図６は、本実施形態において本発明のフロー制御を実施する通信装置としての通信制御装置７０の構成例を示す機能ブロック図である。
図６に示すように、通信制御装置７０は、第１の実施形態において中継装置２０が保持していた機能と同等の機能を備える。すなわち、通信制御装置７０は、バッファ部７１と、指標測定部７２１と、フロー制御部７３とを備える。また、フロー制御部７３は、指標管理部７３１と、スループット期待値予測部７３２と、バッファ制御部７３３とを含む。なお、指標測定部２２１を除いた無線通信機能である無線部２４については、中継装置２０が備える。
それぞれの機能に関しては、第１の実施形態で説明したものと同様となるため、説明を省略する。
なお、第１の実施形態では中継装置２０の無線部２２内に存在した指標測定部２２１が、本実施形態では、通信制御装置７０内に無線部とは独立した指標測定部７２１として設けられている。指標測定部７２１は、通信制御装置７０が備えるアンテナ等を利用して、自装置で測定できる、無線通信ネットワーク内の電波に関する指標（電波指標）を測定する。なお、通信指標については、中継装置２０から入力される通信指標のログが利用される。
本実施形態における中継装置２０は、基本的な無線ＬＡＮのアクセスポイントの無線機能を持つのみであり、既存でサポートされている通信指標のログを通信制御装置７０に入力する。中継装置２０は、本発明を実施するにあたり、特別な機能の追加はないものとし、中継装置２０は、通信制御装置７０の存在を意識しない構成とする。
次に、本実施形態の通信制御装置７０の動作を説明する。図７は、本実施形態の通信制御装置７０の動作、特に、フロー制御部７３におけるＭＡＣレイヤの可用帯域に基づくスループット期待値の予測方法およびフロー制御に関する動作の一例を示すフローチャートである。
図７に示す例では、まず、通信制御装置７０のスループット期待値予測部７３２が、指標管理部７３１から入力される電波指標の統計情報を用いて、他の無線デバイスが無線送信をしていない空き時間率を推定する（ステップＳ２０１）。本ステップは、第１の実施形態のステップＳ１０１で説明した動作と同様のため、説明を省略する。
次に、スループット期待値予測部７３２は、測定された通信指標等を使用して、中継装置２０のＭＡＣレイヤで発生するであろう効率損を推定する（ステップＳ２０２）。
マルチアクセス方式として、ＣＳＭＡ／ＣＡを使用している無線ＬＡＮの場合、自律的にフレームの衝突を回避するため、毎フレーム毎に送信待ち時間（ＤＩＦＳ：DCF Inter Frame Space、ＳＩＦＳ：Short Inter Frame Spaceなど）が発生する。また、無線ＬＡＮでは、ランダムバックオフを使用したＭＡＣレイヤでの再送を行うため、効率損が発生する。したがって、ＭＡＣレイヤの送信バッファのオーバーフローを防止するためには、ＭＡＣレイヤの物理的なスループットだけでなく、送信待ち時間やＭＡＣレイヤでの再送による効率損を考慮する必要がある。
ここでは、固定的に必ず発生する待ち時間の効率損をα、接続デバイス数等に依存する再送確率に依存するＭＡＣレイヤの再送による効率損をβとして推定を行う。αは、各無線ＬＡＮの規格（IEEE802.11a, 11g, 11nなど）によりＤＩＦＳ、ＳＩＦＳの長さが定められているため、設定されるＭＡＣフレーム長に対するＤＩＦＳ、ＳＩＦＳの待ち時間の割合を考慮して、規格毎に異なる値を設定すればよい。βは、例えば、測定する通信指標の中に、ＭＡＣレイヤにおけるフレームエラーレートを含めることで、この値を参考に効率損を決定する。
再送の確率は、接続デバイス数にも依存するため、接続デバイス数が測定できる環境であれば、接続デバイス数とフレームエラーレートの関係を実験やシミュレーションなどで求めておき、その関係を使用して求めてもよい。また、α、βに関して、ＬＭＳ（Least Mean Square），ＮＬＭＳ（Normalized LMS），ＲＬＳ（Recursive Least Square）などの適応アルゴリズムによって、フレーム送信後に測定可能なＭＡＣスループットを使用して更新してもよい。
次に、スループット期待値予測部７３２は、予め定められた推定式を用いて、ＭＡＣレイヤの効率損を含む実効ＭＡＣスループットを予測する（ステップＳ２０３）。スループット期待値予測部７３２は、例えば、以下のような予測式（３）により計算する。以下、予測により求まるＭＡＣレイヤの効率損を含む実効ＭＡＣスループットを、ＭＡＣレイヤの実効スループットの期待値という場合がある。
実効ＭＡＣスループット＝ｆＴＰＭＡＸ（ｑ）×Ｒ×（１−α）×（１−β）
・・・（３）
ここで、ｆＴＰＭＡＸ（ｑ）は、無線品質ｑを変数とする最大物理スループットを求める関数である。Ｒは空き時間率である。
なお、ｆＴＰＭＡＸ（）は、同一環境において予め実験を行い、無線品質ｑと最大物理スループットの関係性を求めることにより定めてもよいし、以下の式（４）で示すシャノン・ハートレーの定理から導かれる通信路容量Ｃなどを使用し、理論的に求めてもよい。なお、式（４）においてＢは送信帯域である。
Ｃ ＝ Ｂ＊ｌｏｇ２（１＋ｑ） ・・・（４）
次に、スループット期待値予測部７３２は、フロー制御間隔内で送信可能なデータ量を算出する（ステップＳ２０４）。フロー制御を、例えば１００ｍｓ毎とすると、上記で求めた実効ＭＡＣスループット（実効スループットの期待値）が１５Ｍｂｐｓの場合、送信可能なデータ量は、１５Ｍｂｐｓ×０．１ｓ／８ｂｉｔ＝１８７．５ｋＢｙｔｅとなる。
次に、スループット期待値予測部７３２は、バッファ部に一時的に蓄積されたデータ量と、送信可能なデータ量とを比較する（ステップＳ２０５）。一時的に蓄積されたデータ量が送信可能なデータ量より小さければ、フロー制御でデータの送出を抑制する必要がないため、フロー制御をスキップして処理を終了する（ステップＳ２０５ Ｎｏ）。一方、一時的に蓄積されたデータ量が送信可能なデータ量より大きければ、フロー制御でデータの送出を抑制する必要があるため、ステップＳ２０６のフロー制御に進む（ステップＳ２０５ Ｙｅｓ）。
ステップＳ２０６では、バッファ制御部７３３が、ステップＳ２０３で予測した実効ＭＡＣスループットの期待値を用いて、フロー制御を実施する。フロー制御の方法は、第１の実施形態で説明した通りであるため、説明を省略する。
本実施形態では、中継装置２０に一切手を加えることなく実施可能である。したがって、既存の中継装置に通信制御装置７０を併設することのみで、通信特性の改善が期待できる。なお、本実施形態では、中継装置２０の無線部２４がＭＡＣレイヤに相当し、通信制御装置７０のフロー制御部７３が、上位のレイヤに相当する。
また、本実施形態では、スループット推定機能やフロー制御機能を、制御対象の無線通信を行うＭＡＣレイヤを備える中継装置２０に直接接続される通信制御装置７０内で行う構成で説明したが、通信制御装置７０の機能は、ネットワーク内のどこにあってもよい。
（その他の実施形態）
また、上記の各実施形態では、無線通信方式として無線ＬＡＮを想定したが、無線通信方式は無線ＬＡＮに限定されない。例えば、他の無線アクセス方式（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＧｅｅ、ＷｉＧｉｇ、ＬｏＲａＷＡＮ（Low Power Wide Area Network）、Ｓｉｇｆｏｘ、Ｗｉ−Ｆｉ ＨａＬｏｗなど）に対しても実施可能である。
また、上記の各実施形態では、無線ＬＡＮの１つの周波数チャネルを使用する場合について説明したが、複数の周波数チャネルを併用する場合にも本発明は使用可能である。複数の周波数チャネルは同一周波数バンドとは限らず、９２０ＭＨｚ帯、２．４ＧＨｚ帯、５ＧＨｚ帯、６０ＧＨｚ帯などが混在していてもよい。その際、１つのデータフローを送信する周波数チャネルは１つとして周波数チャネルを選択してもよいし、２以上の周波数チャネルが同時に使用されてもよい。２以上の周波数チャネルを同時に使用する場合、周波数チャネルごとに上述した送信データ量の推定およびデータフロー制御を行って送信するデータ量を制御すればよい。
次に、本発明の実施形態にかかるコンピュータの構成例を示す。図８は、本発明の実施形態にかかるコンピュータの構成例を示す概略ブロック図である。コンピュータ１０００は、ＣＰＵ１００１と、主記憶装置１００２と、補助記憶装置１００３と、インタフェース１００４と、ディスプレイ装置１００５と、入力デバイス１００６とを備える。
上述の実施形態の無線通信システムのノード（特に、中継装置２０および通信制御装置７０）は、無線機能を備えるコンピュータ１０００に実装されてもよい。その場合、各ノードの動作は、プログラムの形式で補助記憶装置１００３に記憶されていてもよい。ＣＰＵ１００１は、プログラムを補助記憶装置１００３から読み出して主記憶装置１００２に展開し、そのプログラムに従って各実施形態における所定の処理を実施する。なお、ＣＰＵ１００１は、プログラムに従って動作する情報処理装置の一例であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）以外にも、例えば、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）やＭＣＵ（Memory Control Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などを備えていてもよい。
補助記憶装置１００３は、一時的でない有形の媒体の一例である。一時的でない有形の媒体の他の例として、インタフェース１００４を介して接続される磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等が挙げられる。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ１０００に配信される場合、配信を受けたコンピュータは１０００がそのプログラムを主記憶装置１００２に展開し、各実施形態における所定の処理を実行してもよい。
また、プログラムは、上記の実施形態における所定の処理の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、プログラムは、補助記憶装置１００３に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせで上記の実施形態における所定の処理を実現する差分プログラムであってもよい。
インタフェース１００４は、他の装置との間で情報の送受信を行う。また、ディスプレイ装置１００５は、ユーザに情報を提示する。また、入力デバイス１００６は、ユーザからの情報の入力を受け付ける。
また、実施形態における処理内容によっては、コンピュータ１０００の一部の要素は省略可能である。例えば、ノードがユーザに情報を提示しないのであれば、ディスプレイ装置１００５は省略可能である。例えば、ノードがユーザから情報入力を受け付けないのであれば、入力デバイス１００６は省略可能である。
また、各装置の各構成要素の一部または全部は、汎用または専用の回路（Circuitry）、プロセッサ等やこれらの組み合わせによって実施される。これらは単一のチップによって構成されてもよいし、バスを介して接続される複数のチップによって構成されてもよい。また、各装置の各構成要素の一部又は全部は、上述した回路等とプログラムとの組み合わせによって実現されてもよい。
各装置の各構成要素の一部又は全部が複数の情報処理装置や回路等により実現される場合には、複数の情報処理装置や回路等は、集中配置されてもよいし、分散配置されてもよい。例えば、情報処理装置や回路等は、クライアントアンドサーバシステム、クラウドコンピューティングシステム等、各々が通信ネットワークを介して接続される形態として実現されてもよい。
次に、本発明の概要を説明する。図９は、本発明の通信装置の概要を示すブロック図である。図９に示す通信装置５００は、複数の無線デバイスが通信に使用する周波数を共有する無線通信システムに用いられる通信装置であって、無線デバイスのいずれか（本例では、無線デバイス５１０）が有するＭＡＣレイヤ５１１の上位のレイヤ（ＭＡＣレイヤよりも上位のレイヤであって直上のレイヤに限定されない）として動作することにより、ＭＡＣレイヤ５１１を介して他の無線デバイスと無線通信を行う通信装置である。なお、無線デバイス５１０は、通信装置５００とは別の装置として実装されてもよい。
本発明の通信装置５００は、蓄積手段５０１と、推定手段５０２と、制御手段５０３とを含む。
蓄積手段５０１（例えば、バッファ部２１、７１）は、ＭＡＣレイヤに送出される前段階の通信データを一時的に蓄積する。ここで、ＭＡＣレイヤに送出される前段階の通信データは、ＭＡＣレイヤに送出される前の任意のレイヤにおける無線通信データ（ユーザデータを含む無線通信用のデータ）であればよく、例えば、ＭＡＣレイヤより上位の所定レイヤにおける無線通信データであってよい。
推定手段５０２（例えば、スループット期待値予測部２３２、７３２）は、自装置または自装置が利用するＭＡＣレイヤ５１１を有する無線デバイス５１０が測定した該周波数における電波に関する指標である電波指標および／または該周波数を使用した無線通信に関する指標である通信指標を用いて、所定の時間内でＭＡＣレイヤで送信可能なデータ量である送信可能データ量を推定する。
制御手段５０３（例えば、バッファ制御部２３３、７３３）は、送信可能データ量の推定結果に基づいて、蓄積手段５０１に蓄積された通信データを下位のレイヤに送出する際のデータフローを制御する。
このような構成により、アンライセンスバンドを用いる無線通信システムにおいて、無線品質の急激な劣化や接続デバイス数の急増などの急な環境変化が生じた場合であっても、通信特性を改善できる。
なお、上記の実施形態は以下の付記のようにも記載できる。
（付記１）複数の無線デバイスが通信に使用する周波数を共有する無線通信システムに用いられる通信装置であって、無線デバイスのいずれかが有するＭＡＣレイヤの上位のレイヤとして動作することにより、ＭＡＣレイヤを介して他の無線デバイスと無線通信を行う通信装置において、ＭＡＣレイヤに送出される前段階の通信データを一時的に蓄積する蓄積手段と、自装置または自装置が利用するＭＡＣレイヤを有する無線デバイスが測定した周波数における電波に関する指標である電波指標および／または周波数を使用した無線通信に関する指標である通信指標を用いて、所定の時間内でＭＡＣレイヤで送信可能なデータ量である送信可能データ量を推定する推定手段と、送信可能データ量の推定結果に基づいて、通信データを下位のレイヤに送出する際のデータフローを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする通信装置。
（付記２）制御手段は、蓄積手段に蓄積されているデータ量と送信可能データ量とを比較して、データフローの制御を行うか否かを判定する付記１に記載の通信装置。
（付記３）推定手段は、送信可能データ量として、データフローの制御間隔内でＭＡＣレイヤで送信可能なデータ量を推定し、制御手段は、蓄積手段に蓄積されているデータ量が、送信可能データ量を超過した場合に、データフローの制御を行う付記１または付記２に記載の通信装置。
（付記４）推定手段は、電波指標の統計値を用いて、周波数の空き時間率を推定し、得られた空き時間率、電波指標および通信指標を用いて、送信可能データ量を推定する付記１から付記３のうちのいずれかに記載の通信装置。
（付記５）推定手段は、空き時間率および電波指標を用いて推定される無線リンクの物理スループットの期待値を基に、送信可能データ量を推定する付記４に記載の通信装置。
（付記６）推定手段は、通信指標の１つとして測定されるＭＡＣレイヤの実効スループットと、物理スループットの期待値との関係性を示す統計情報を用いて、ＭＡＣレイヤの効率損を含む実効スループットの期待値を予測し、得られた実効スループットの期待値を基に、送信可能データ量を推定する付記５に記載の通信装置。
（付記７）推定手段は、電波指標から求まる通信指標の１つである無線リンクの物理スループットの期待値を入力とするＭＡＣレイヤの効率損のモデル式を用いて、物理スループットの期待値から、実効スループットの期待値に補正を行い、補正後のＭＡＣレイヤの実効スループットの期待値を基に、送信可能データ量を推定する付記５に記載の通信装置。
（付記８）ＭＡＣレイヤが、複数の周波数バンドを含む２つ以上の周波数チャネルを用い、少なくとも推定手段および制御手段は、周波数チャネルごとに、送信可能データ量の推定およびデータフローの制御を行う付記１から付記７のうちのいずれかに記載の通信装置。
（付記９）無線通信に使用する周波数を共有する複数の無線デバイスと、無線デバイスのいずれかが有するＭＡＣレイヤの上位のレイヤとして動作することにより、ＭＡＣレイヤを介して他の無線デバイスと無線通信を行う通信制御装置とを備え、通信制御装置は、ＭＡＣレイヤに送出される前段階の通信データを一時的に蓄積する蓄積手段と、自装置または自装置が利用するＭＡＣレイヤを有する無線デバイスが測定した周波数における電波に関する指標である電波指標および周波数を使用した無線通信に関する指標である通信指標を用いて、所定の時間内でＭＡＣレイヤで送信可能なデータ量である送信可能データ量を推定する推定手段と、送信可能データ量の推定結果に基づいて、通信データを下位のレイヤに送出する際のデータフローを制御する制御手段とを含むことを特徴とする無線通信システム。
（付記１０）複数の無線デバイスが通信に使用する周波数を共有する無線通信システムに用いられる通信装置であって、無線デバイスのいずれかが有するＭＡＣレイヤの上位のレイヤとして動作することにより、ＭＡＣレイヤを介して他の無線デバイスと無線通信を行う通信装置が、ＭＡＣレイヤに送出される前段階の通信データを一時的に蓄積し、自装置または自装置が利用するＭＡＣレイヤを有する無線デバイスが測定した周波数における電波に関する指標である電波指標および／または周波数を使用した無線通信に関する指標である通信指標を用いて、所定の時間内でＭＡＣレイヤで送信可能なデータ量である送信可能データ量を推定し、送信可能データ量の推定結果に基づいて、通信データを下位のレイヤに送出する際のデータフローを制御することを特徴とするデータフロー制御方法。
以上、本実施形態および実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態および実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１７年９月１２日に出願された日本特許出願２０１７−１７４９１１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
本発明は、無線通信を行うノードを含む無線通信システムにおいて好適に適用可能である。
１０、２０ 中継装置
３０ ＩｏＴデバイス
４０ インターネット
５０ サーバ装置
６０ 無線機器
７０ 通信制御装置
２１、７１ バッファ部
２２、２４ 無線部
２２１、７２１ 指標測定部
２３、７３ フロー制御部
２３１、７３１ 指標管理部
２３２、７３２ スループット期待値予測部
２３３、７３３ バッファ制御部
１０００ コンピュータ
１００１ ＣＰＵ
１００２ 主記憶装置
１００３ 補助記憶装置
１００４ インタフェース
１００５ ディスプレイ装置
１００６ 入力デバイス
５００ 通信装置
５０１ 蓄積手段
５０２ 推定手段
５０３ 制御手段
５１０ 無線デバイス
５１１ ＭＡＣレイヤ

Claims (9)

  1. 複数の無線デバイスが通信に使用する周波数を共有する無線通信システムに用いられる通信装置であって、前記無線デバイスのいずれかが有するＭＡＣレイヤの上位のレイヤとして動作することにより、前記ＭＡＣレイヤを介して他の無線デバイスと無線通信を行う通信装置において、
    前記ＭＡＣレイヤに送出される前段階の通信データを一時的に蓄積する蓄積手段と、
    自装置が測定した前記周波数における電波に関する指標である電波指標および／または前記周波数を使用した無線通信に関する指標である通信指標を用いて、所定の時間内で前記ＭＡＣレイヤで送信可能なデータ量である送信可能データ量を推定する推定手段と、
    前記送信可能データ量の推定結果に基づいて、前記通信データを下位のレイヤに送出する際のデータフローを制御する制御手段とを備え、
    前記推定手段は、前記電波指標の統計値を用いて、前記周波数の空き時間率を推定し、得られた前記空き時間率、前記電波指標および前記通信指標を用いて、前記送信可能データ量を推定する
    ことを特徴とする通信装置。
  2. 前記制御手段は、前記蓄積手段に蓄積されているデータ量と前記送信可能データ量とを比較して、前記データフローの制御を行うか否かを判定する
    請求項１に記載の通信装置。
  3. 前記推定手段は、前記送信可能データ量として、前記データフローの制御間隔内で前記ＭＡＣレイヤで送信可能なデータ量を推定し、
    前記制御手段は、前記蓄積手段に蓄積されているデータ量が、前記送信可能データ量を超過した場合に、前記データフローの制御を行う
    請求項１または請求項２に記載の通信装置。
  4. 前記推定手段は、前記空き時間率および前記電波指標を用いて推定される無線リンクの物理スループットの期待値を基に、前記送信可能データ量を推定する
    請求項１から請求項３のうちのいずれかに記載の通信装置。
  5. 前記推定手段は、前記通信指標の１つとして測定される前記ＭＡＣレイヤの実効スループットと、前記物理スループットの期待値との関係性を示す統計情報を用いて、前記ＭＡＣレイヤの効率損を含む実効スループットの期待値を予測し、得られた前記実効スループットの期待値を基に、前記送信可能データ量を推定する
    請求項４に記載の通信装置。
  6. 前記推定手段は、前記電波指標から求まる通信指標の１つである前記無線リンクの物理スループットの期待値を入力とするＭＡＣレイヤの効率損のモデル式を用いて、前記物理スループットの期待値から、前記実効スループットの期待値に補正を行い、補正後の前記ＭＡＣレイヤの実効スループットの期待値を基に、前記送信可能データ量を推定する
    請求項４に記載の通信装置。
  7. 前記ＭＡＣレイヤが、複数の周波数バンドを含む２つ以上の周波数チャネルを用い、
    少なくとも前記推定手段および前記制御手段は、前記周波数チャネルごとに、前記送信可能データ量の推定および前記データフローの制御を行う
    請求項１から請求項６のうちのいずれかに記載の通信装置。
  8. 複数の無線デバイスが通信に使用する周波数を共有する無線通信システムに用いられる通信装置であって、前記無線デバイスのいずれかが有するＭＡＣレイヤの上位のレイヤとして動作することにより、前記ＭＡＣレイヤを介して他の無線デバイスと無線通信を行う通信装置が、
    前記ＭＡＣレイヤに送出される前段階の通信データを一時的に蓄積し、
    自装置が測定した前記周波数における電波に関する指標である電波指標および／または前記周波数を使用した無線通信に関する指標である通信指標を用いて、所定の時間内で前記ＭＡＣレイヤで送信可能なデータ量である送信可能データ量を推定し、
    前記送信可能データ量の推定結果に基づいて、前記通信データを下位のレイヤに送出する際のデータフローを制御し、
    前記送信可能データ量を推定するときに、前記電波指標の統計値を用いて、前記周波数の空き時間率を推定し、得られた前記空き時間率、前記電波指標および前記通信指標を用いて、前記送信可能データ量を推定する
    ことを特徴とするデータフロー制御方法。
  9. 複数の無線デバイスが通信に使用する周波数を共有する無線通信システムに用いられるコンピュータであって、前記無線デバイスのいずれかが有するＭＡＣレイヤの上位のレイヤとして動作することにより、前記ＭＡＣレイヤを介して他の無線デバイスと無線通信を行うコンピュータに搭載されるプログラムにおいて、
    前記コンピュータに、
    前記ＭＡＣレイヤに送出される前段階の通信データを一時的に蓄積手段に蓄積する蓄積処理、
    自装置が測定した前記周波数における電波に関する指標である電波指標および／または前記周波数を使用した無線通信に関する指標である通信指標を用いて、所定の時間内で前記ＭＡＣレイヤで送信可能なデータ量である送信可能データ量を推定する推定処理、および、
    前記送信可能データ量の推定結果に基づいて、前記通信データを下位のレイヤに送出する際のデータフローを制御する制御処理を実行させ、
    前記推定処理で、前記電波指標の統計値を用いて、前記周波数の空き時間率を推定させ、得られた前記空き時間率、前記電波指標および前記通信指標を用いて、前記送信可能データ量を推定させる
    ためのプログラム。
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