JP7135874B2

JP7135874B2 - ランダムアクセス無線通信システムおよびランダムアクセス無線通信方法

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Publication number: JP7135874B2
Application number: JP2019005555A
Authority: JP
Inventors: 知之山田; 佳佑若尾; 憲一河村; 朗岸田; 章太中山; 泰司鷹取; 貴庸守山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2039-01-16
Also published as: US11895693B2; JP2020113956A; WO2020149161A1; US20220070886A1

Description

本発明は、ランダムアクセスにおける低遅延通信を可能にするランダムアクセス無線通信システムおよびランダムアクセス無線通信方法に関する。

従来、ランダムアクセスを用いる無線通信システムにおいて、低遅延が要求される端末（低遅延端末）と、低遅延が要求されない端末（非低遅延端末）が混在している場合、低遅延端末と非低遅延端末をランダムアクセスで競合しない通信チャネルに分ける方法がとられている。

例えば、アクセスポイントの通信チャネルＣＨ１に低遅延端末Ａを帰属させ、通信チャネルＣＨ２に低遅延端末Ｂを帰属させ、通信チャネルＣＨ３に非低遅延端末を帰属させる方法であり、各通信チャネルごとにランダムアクセス制御が行われる。

A. L. Stolyar and K. Ramanan, "LARGEST WEIGHTED DELAY FIRST SCHEDULING: LARGE DEVIATIONS AND OPTIMALITY",The Annals of Applied Probability, 2001, Vol.11, No.1, pp.1-48

従来技術では、低遅延端末と非低遅延端末をランダムアクセスで競合しない別々の通信チャネルに分けるため、それぞれの帰属端末数に合わせて、複数の通信チャネルを用意する必要がある。低遅延端末を収容するためには、低遅延特性を満足するために帰属端末数を制限した通信チャネルを用意する必要がある。一方、非低遅延端末の通信チャネルの帰属端末数は、低遅延端末の通信チャネルの帰属端末数より多くはできるが、一定の遅延時間を満たすためには帰属端末数を制限する必要があり、非低遅延端末の通信チャネルもある一定以上の容量が必要である。

このように、低遅延端末数と非低遅延端末数に合わせて、ランダムアクセスで競合しない通信チャネルを用意する必要があり、フレキシビリティがないために通信チャネルの無駄が生じることがあった。

本発明は、低遅延端末と非低遅延端末が混在するときに、それぞれに別々の通信チャネルを用意することなく、ランダムアクセスにおける低遅延通信を可能にするランダムアクセス無線通信システムおよびランダムアクセス無線通信方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、無線基地局から無線端末に、ランダムアクセスにより下り通信を行うランダムアクセス無線通信システムにおいて、無線端末には、低遅延が要求される１以上の低遅延端末と、低遅延が要求されない１以上の非低遅延端末があり、低遅延端末および非低遅延端末はＳＳＩＤで区別する構成であり、ＳＳＩＤに応じて低遅延端末および非低遅延端末を区別し、それぞれ複数の通信チャネルに均等に配分する端末帰属先制御手段と、通信チャネルごとに、低遅延端末における下り通信が所定の遅延時間を満足するように、低遅延端末および非低遅延端末に対する優先制御を行うランダムアクセス制御手段とを備える。

第１の発明のランダムアクセス無線通信システムにおいて、ランダムアクセス制御手段は、無線区間のアクセス権取得確率が非低遅延端末より低遅延端末が大きくなるアクセス制御パラメータを設定する、または下りパケットの送信バッファへの入力頻度が非低遅延端末より低遅延端末が大きくなるアクセス制御パラメータを設定する構成である。

第１の発明のランダムアクセス無線通信システムにおいて、低遅延端末は複数のカテゴリに分類され、それぞれに個別のＳＳＩＤが割り当てられ、端末帰属先制御手段は、ＳＳＩＤに応じて複数のカテゴリの低遅延端末および非低遅延端末を区別し、それぞれ複数の通信チャネルに均等に配分する構成である。

第１の発明のランダムアクセス無線通信システムにおいて、端末帰属先制御手段は、ＳＳＩＤごとの低遅延端末または非低遅延端末の帰属数に変化があった場合に、複数の通信チャネルに均等に配分しなおす構成である。

第２の発明は、無線基地局から無線端末に、ランダムアクセスにより下り通信を行うランダムアクセス無線通信方法において、無線端末には、低遅延が要求される１以上の低遅延端末と、低遅延が要求されない１以上の非低遅延端末があり、低遅延端末および非低遅延端末はＳＳＩＤで区別する構成であり、ＳＳＩＤに応じて低遅延端末および非低遅延端末を区別し、それぞれ複数の通信チャネルに均等に配分する端末帰属先制御ステップと、通信チャネルごとに、低遅延端末における下り通信が所定の遅延時間を満足するように、低遅延端末および非低遅延端末に対する優先制御を行うランダムアクセス制御ステップとを有する。

第２の発明のランダムアクセス無線通信方法において、ランダムアクセス制御ステップでは、無線区間のアクセス権取得確率が非低遅延端末より低遅延端末が大きくなるアクセス制御パラメータを設定する、または下りパケットの送信バッファへの入力頻度が非低遅延端末より低遅延端末が大きくなるアクセス制御パラメータを設定する。

第２の発明のランダムアクセス無線通信方法において、低遅延端末は複数のカテゴリに分類され、それぞれに個別のＳＳＩＤが割り当てられ、端末帰属先制御ステップでは、ＳＳＩＤに応じて複数のカテゴリの低遅延端末および非低遅延端末を区別し、それぞれ複数の通信チャネルに均等に配分する。

第２の発明のランダムアクセス無線通信方法において、端末帰属先制御ステップでは、ＳＳＩＤごとの低遅延端末または非低遅延端末の帰属数に変化があった場合に、複数の通信チャネルに均等に配分しなおす。

本発明は、複数の通信チャネルに低遅延端末および非低遅延端末をそれぞれ均等に帰属させ、さらに通信チャネルごとに優先制御を行うことにより、無線リソースを最大限利用しながら、低遅延端末および非低遅延端末の遅延時間を最適かつフレキシブルに制御することができる。

本発明のランダムアクセス無線通信システムのＡＰとＳＴＡの帰属関係を示す図である。逐次的優先度調整のための構成例を示す図である。逐次的優先度調整のアルゴリズムを示す図である。パケットの送信に優先順位をつける方法２の例を示す図である。ＡＰの構成例を示す図である。

本発明は、ランダムアクセス無線通信システムのＡＰ（アクセスポイント）に帰属するＳＴＡ（端末）について、低遅延端末と非低遅延端末をそれぞれのＳＳＩＤで区別し、ＡＰはＳＳＩＤに応じた低遅延端末および非低遅延端末を複数の通信チャネルにそれぞれ均等に配分し、その上で通信チャネルごとに低遅延端末および非低遅延端末の優先制御を行うことを特徴とする。

図１は、本発明のランダムアクセス無線通信システムのＡＰとＳＴＡの帰属関係を示す。
図１において、ＡＰに帰属する合計24台のＳＴＡは、ＳＳＩＤ１の低遅延端末Ａ１～Ａ６と、ＳＳＩＤ２の低遅延端末Ｂ１～Ｂ10と、ＳＳＩＤ３の非低遅延端末Ｃ１～Ｃ８とする。

ＡＰは、互いに競合しない通信チャネルＣＨ１～ＣＨｎ（ｎは２以上の整数）を備えており、ここでは通信チャネルＣＨ１とＣＨ２に、ＳＳＩＤごとに各ＳＴＡを均等に配分する。すなわち、ＳＳＩＤ１の低遅延端末Ａ１～Ａ６を３台ずつに分け、通信チャネルＣＨ１に低遅延端末Ａ１～Ａ３を帰属させ、通信チャネルＣＨ２に低遅延端末Ａ４～Ａ６を帰属させる。同様に、ＳＳＩＤ２の低遅延端末Ｂ１～Ｂ10を５台ずつに分け、通信チャネルＣＨ１に低遅延端末Ｂ１～Ｂ５を帰属させ、通信チャネルＣＨ２に低遅延端末Ｂ６～Ｂ10を帰属させる。同様に、ＳＳＩＤ３の非低遅延端末Ｃ１～Ｃ８を４台ずつに分け、通信チャネルＣＨ１に非低遅延端末Ｃ１～Ｃ４を帰属させ、通信チャネルＣＨ２に非低遅延端末Ｃ５～Ｃ８を帰属させる。よって、通信チャネルＣＨ１，ＣＨ２にはそれぞれ低遅延端末と非低遅延端末が混在して均等に帰属されることになる。

互いに競合しない通信チャネルＣＨ１～ＣＨ２では、それぞれランダムアクセス制御（ＣＳＡＭ／ＣＡ）が行われる。このとき、低遅延端末Ａ，Ｂに対して、それぞれの所定の遅延時間を満足するように、低遅延端末Ａ，Ｂおよび非低遅延端末Ｃに対する優先制御を行う。

なお、ここでは低遅延端末について、２カテゴリの低遅延端末Ａ，Ｂを想定したが、１カテゴリまたは３カテゴリ以上あっても各通信チャネルに均等に配分する。非低遅延端末Ｃについても同様である。

また、共通のＳＳＩＤを割り当てた同一カテゴリのＳＴＡの数がＡＰの通信チャネル数の整数倍でない場合、ＳＳＩＤ（カテゴリ）ごとに、各通信チャネルに配分されるＳＴＡ数が必ずしも均等にならないが、優先制御において許容される１台の差に収まるように配分する。

ＡＰでは、低遅延端末Ａ，Ｂのパケットと非低遅延端末Ｃのパケットを優先順位をつけて送信することにより、バッファから無線区間に送信されて処理される単位時間当たりのパケット数（以下、「バッファリングアウトレート」という）が異なる。バッファリングアウトレートが異なると、入力トラヒックが同じでもバッファにたまるパケット数が異なり、バッファに入ってきたパケットがバッファから出ていくまでの時間、すなわち遅延時間が異なる。このとき、バッファからあふれない程度の限界入力トラヒック量も異なり、バッファにたまるパケット数の確率的分布も異なる。バッファリングアウトレートが低いパケットほど、バッファにたまるパケット数の確率的分布は大きな値の方にシフトする。

低遅延端末Ａ，Ｂのパケットは、優先順位を上げて送信することにより、バッファリングアウトレートを上げ、限界入力トラヒック量を上げ、ある入力トラヒック時のバッファにたまるパケット数の確率的分布を小さな値の方にシフトすることができる。そして、遅延時間の確率的分布を小さな値の方にシフトすることができる。

パケットの送信に優先順位をつける方法には２つある。
方法１は、パケットの無線区間のアクセス権取得確率の違いによって優先順位を付ける方法である。たとえば、無線ＬＡＮでは、ＥＤＣＡ（Enhanced Distributed Channel Access ）という無線区間の優先制御の機構が用意されている。

方法２は、パケットの無線区間のアクセス権取得確率が同じであっても、パケットを送信バッファに入れる頻度割合を変えることによって優先順位をつける方法である（非特許文献１）。送信バッファに入るパケット数が異なれば、当然に送信機会が異なることになり、優先順位をつけることができる。

なお、方法１の一例である無線ＬＡＮのＥＤＣＡにおいて、アクセス権取得確率を変えると、同時に無線区間の処理時間も変わる。無線区間の処理時間も遅延時間の一部を構成しているので、無線区間の処理時間を短くすることは、遅延時間を短くすることになる。ただし、その効果は送信機会が多くなることによるバッファリングアウトレートの増大により、バッファにたまるパケット数が少なくなる効果に比べれば小さい。

また、方法２において、優先順位がカテゴリ別に設定されていて、カテゴリごとにパケットを送信バッファに入れる順番をラウンドロビンで決める場合に、あるカテゴリに順番が回ってきても、そのカテゴリに送信するべきパケットが存在しない場合、次の優先順位のカテゴリのパケットが送信機会を得る処理が必要になる。

なお、「優先順位」については、順番だけでなく実数である「優先度」が属性として与えられてもよい。例えば、優先順位１番のカテゴリのトラヒックのアクセス権取得確率を0.6 とし、優先順位２番のカテゴリのトラヒックのアクセス権取得確率を0.4 とする場合である。

ここで、「優先度」、「入力トラヒック量」、「バッファの埋り具合」、「限界入力トラヒック量」の関係について説明する。

まず、低遅延端末と非低遅延端末の「入力トラヒック量」を所与のものとする。その時、「優先度」が、「バッファの埋り具合」と「限界入力トラヒック量」に対する影響は次のようになる。「優先度」が高いと優先的にパケットが送信されるので、同じ「入力トラヒック量」でも、「限界入力トラヒック量」は高くなり、「バッファの埋り具合」の分布も埋り具合が少ない方にシフトする。

なお、低遅延端末のパケットの「優先度」を高め、低遅延端末のパケットがスピーディに処理された場合、低遅延端末のパケットのバッファが空になることがある。その時、非低遅延端末のパケットが、低遅延端末のパケットの送信機会を用いて送信することができるため、非低遅延端末のパケットもスピーディに処理される可能性がある。

以上から、「入力トラヒック」を測定して適応的に「優先度」を変化させれば、「バッファの埋り具合」と「限界入力トラヒック」を変化させることができ、遅延時間もある程度制御できる。

また、「遅延時間」が目標値になるように、「優先度」を制御する方法でもよい。その時、遅延時間の観測結果を基に、逐次的に「優先度」を調整することもできる。具体的には、図２に示すように、パラメータ計算部を含む遅延時間収集部２１と、パラメータ格納部２２を含むＡＰ本体部２３により実行される。そのアルゴリズムは、図３に示すように、遅延時間収集部２１が、適当な時に、ＡＰに対して低遅延端末と非低遅延端末の遅延時間を報告するように指示する。指示を受けたＡＰは、遅延時間収集部２１に対して測定遅延時間を報告する。そののち遅延時間収集部２１は、報告を受けた遅延時間から、パラメータを大きくするか小さくするかを判断し、その差分の方向性と変化量とをＡＰに伝達する。ＡＰは、もともと持っていたパラメータ値に差分を加えてパラメータ格納部２２に格納する。ＡＰは、パラメータ格納部２２を参照して、次のバッファ操作のパラメータとする。そして、この操作を、所望の遅延時間になるまで繰り返すことにより、所望の遅延時間にする。

「優先度」の具体的な制御例を示す。パケットのアクセス権取得確率を制御する方法１として、無線ＬＡＮのＥＤＣＡの優先制御の例を示す。ＥＤＣＡにおいて優先度の高いパケットと低いパケットは、衝突回避のランダムバックオフ値を決めるＣＷ（Contention Window ）の最小値であるＣＷmin および最大値であるＣＷmax 、チャネルがアイドル状態であることを判定するＤＩＦＳに替えてカテゴリに応じたＡＩＦＳ、チャネルのアクセス権を取得した後の排他的なチャネル使用期間を示すパラメータであるＴｘＯＰ（Transmission Opportunity）のパラメータを変えることにより、無線区間のアクセス権取得確率を調整でき、優先度を制御できる。たとえば、ＣＷmin 、ＣＷmax 、ＡＩＦＳを小さい値にすることにより、無線区間のアクセス権取得確率は大きくできる。反対にＴｘＯＰを大きい値にすることにより、アクセス権取得後の送信できるフレーム数が多くなり、無線区間のアクセス権取得確率が大きくなることと等価になる。

図４は、パケットの送信に優先順位をつける方法２の例を示す。
図４において、送信バッファが空になったとき、論理バッファ１，２，３から、パケットを抜き出す割合を、論理バッファ１に対してはｎ１回、論理バッファ２に対してはｎ２回、論理バッファ３に対してはｍ回とすることにより、パケットを送信バッファに入れる頻度割合を変えて優先制御する。この時のｎ１，ｎ２，ｍ（この例ではｎ１＞ｎ２＞ｍ）が調整するべきパラメータである。低遅延端末Ａのパケットの遅延時間が想定よりも長い場合はｎ１を増大させ、想定よりも短い場合はｎ１を減少させればよい。

さらに、低遅延端末Ａ，Ｂのパケット、非低遅延端末Ｃのパケットの入力トラヒック量を勘案して、上記のｎ１，ｎ２，ｍを変化させることにより、低遅延端末Ａ，Ｂのパケットの遅延時間を制御し、ターゲットとする遅延時間に抑えることができる。

また、低遅延端末Ａ，Ｂのパケットの格納されているバッファの先頭のパケットの遅延時間が一定の時間より長い場合、優先的に送信バッファに入れる方法でもよい。なお、バッファの先頭のパケットの遅延時間の代わりにバッファの待ちパケット数により判断してもよい。

図５は、ＡＰの構成例を示す。
図５において、ランダムアクセス制御手段を含むＡＰ本体部３１と、本発明に関係する端末帰属先制御手段として、ＣＨ帰属端末数計算部３２、ＣＨ帰属端末数テーブル３３、最適帰属ＣＨ算出部３４、帰属ＣＨ変更部３５により構成される。

ＣＨ帰属端末数計算部３２は、通信チャネルＣＨごとの帰属端末数を計測し、ＣＨ帰属端末数テーブル３３に格納する。最適帰属ＣＨ算出部３４は、通信チャネルＣＨに帰属するＳＳＩＤごとに均等配分する帰属端末数を算出する。現在設定されている帰属先端末情報と、最適帰属ＣＨ算出部３４で計算した最適帰属先端末情報を比較し、変更があれば帰属ＣＨ変更部３５に対して帰属先変更処理を起動する。また、ＳＳＩＤごとの低遅延端末または非低遅延端末の帰属数に変化があった場合に、最適帰属ＣＨ算出部３４の計算に基づいて複数の通信チャネルに均等に配分しなおす。

２１遅延時間収集部
２２パラメータ格納部
２３，３１ＡＰ本体部
３２ＣＨ帰属端末数計算部
３３ＣＨ帰属端末数テーブル
３４最適帰属ＣＨ算出部
３５帰属ＣＨ変更部

Claims

無線基地局から無線端末に、ランダムアクセスにより下り通信を行うランダムアクセス無線通信システムにおいて、
前記無線端末には、低遅延が要求される１以上の無線端末（以下、「低遅延端末」という）と、低遅延が要求されない１以上の無線端末（以下、「非低遅延端末」という）があり、前記低遅延端末および前記非低遅延端末はＳＳＩＤ（Service Set Identifier）で区別する構成であり、
前記ＳＳＩＤに応じて前記低遅延端末および前記非低遅延端末を区別し、それぞれ複数の通信チャネルに均等に配分する端末帰属先制御手段と、
前記通信チャネルごとに、前記低遅延端末における下り通信が所定の遅延時間を満足するように、前記低遅延端末および前記非低遅延端末に対する優先制御を行うランダムアクセス制御手段と
を備えたことを特徴とするランダムアクセス無線通信システム。
請求項１に記載のランダムアクセス無線通信システムにおいて、
前記ランダムアクセス制御手段は、無線区間のアクセス権取得確率が前記非低遅延端末より前記低遅延端末が大きくなるアクセス制御パラメータを設定する、または下りパケットの送信バッファへの入力頻度が前記非低遅延端末より前記低遅延端末が大きくなるアクセス制御パラメータを設定する構成である
ことを特徴とするランダムアクセス無線通信システム。
請求項１に記載のランダムアクセス無線通信システムにおいて、
前記低遅延端末は複数のカテゴリに分類され、それぞれに個別の前記ＳＳＩＤが割り当てられ、
前記端末帰属先制御手段は、前記ＳＳＩＤに応じて前記複数のカテゴリの低遅延端末および前記非低遅延端末を区別し、それぞれ複数の通信チャネルに均等に配分する構成である
ことを特徴とするランダムアクセス無線通信システム。
請求項１に記載のランダムアクセス無線通信システムにおいて、
前記端末帰属先制御手段は、前記ＳＳＩＤごとの前記低遅延端末または前記非低遅延端末の帰属数に変化があった場合に、前記複数の通信チャネルに均等に配分しなおす構成である
ことを特徴とするランダムアクセス無線通信システム。
無線基地局から無線端末に、ランダムアクセスにより下り通信を行うランダムアクセス無線通信方法において、
前記無線端末には、低遅延が要求される１以上の無線端末（以下、「低遅延端末」という）と、低遅延が要求されない１以上の無線端末（以下、「非低遅延端末」という）があり、前記低遅延端末および前記非低遅延端末はＳＳＩＤ（Service Set Identifier）で区別する構成であり、
前記ＳＳＩＤに応じて前記低遅延端末および前記非低遅延端末を区別し、それぞれ複数の通信チャネルに均等に配分する端末帰属先制御ステップと、
前記通信チャネルごとに、前記低遅延端末における下り通信が所定の遅延時間を満足するように、前記低遅延端末および前記非低遅延端末に対する優先制御を行うランダムアクセス制御ステップと
を有することを特徴とするランダムアクセス無線通信方法。
請求項５に記載のランダムアクセス無線通信方法において、
前記ランダムアクセス制御ステップでは、無線区間のアクセス権取得確率が前記非低遅延端末より前記低遅延端末が大きくなるアクセス制御パラメータを設定する、または下りパケットの送信バッファへの入力頻度が前記非低遅延端末より前記低遅延端末が大きくなるアクセス制御パラメータを設定する
ことを特徴とするランダムアクセス無線通信方法。
請求項５に記載のランダムアクセス無線通信方法において、
前記低遅延端末は複数のカテゴリに分類され、それぞれに個別の前記ＳＳＩＤが割り当てられ、
前記端末帰属先制御ステップでは、前記ＳＳＩＤに応じて前記複数のカテゴリの低遅延端末および前記非低遅延端末を区別し、それぞれ複数の通信チャネルに均等に配分する
ことを特徴とするランダムアクセス無線通信方法。
請求項５に記載のランダムアクセス無線通信方法において、
前記端末帰属先制御ステップでは、前記ＳＳＩＤごとの前記低遅延端末または前記非低遅延端末の帰属数に変化があった場合に、前記複数の通信チャネルに均等に配分しなおすことを特徴とするランダムアクセス無線通信方法。