JP7272434B2 - 無線通信システムおよび無線通信方法 - Google Patents

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Description

本発明は、無線LAN(Local Area Network)の稠密環境において、各無線局のCSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)制御に起因するスループットの低下を改善する無線通信システムおよび無線通信方法に関する。
近年、ノートパソコンやスマートフォン等の持ち運び可能で高性能な無線端末の普及により企業や公共スペースだけではなく、一般家庭でもIEEE802.11標準規格の無線LANが広く使われるようになっている。IEEE802.11標準規格の無線LANには、 2.4GHz帯を用いるIEEE802.11b/g/n 規格の無線LANと、5GHz帯を用いるIEEE802.11a/n/ac規格の無線LANがある。
IEEE802.11b規格やIEEE802.11g規格の無線LANでは、2400MHzから2483.5MHz間に5MHz間隔で13チャネルが用意されている。ただし、同一場所で複数のチャネルを使用する際は、干渉を避けるためスペクトルが重ならないようにチャネルを使用すると最大で3チャネル、場合によっては4チャネルまで同時に使用できる。
IEEE802.11a規格の無線LANでは、日本の場合は、5170MHzから5330MHz間と、5490MHzから5710MHz間で、それぞれ互いに重ならない8チャネルおよび11チャネルの合計19チャネルが規定されている。なお、IEEE802.11a規格では、チャネル当たりの帯域幅が20MHzに固定されている。
無線LANの最大伝送速度は、IEEE802.11b規格の場合は11Mbps であり、IEEE802.11a規格やIEEE802.11g規格の場合は54Mbps である。ただし、ここでの伝送速度は物理レイヤ上での伝送速度である。実際にはMAC(Medium Access Control )レイヤでの伝送効率が50~70%程度であるため、実際のスループットの上限値はIEEE802.11b規格では5Mbps 程度、IEEE802.11a規格やIEEE802.11g規格では30Mbps 程度である。また、伝送速度は、情報を送信しようとする無線通信局が増えればさらに低下する。
一方で、有線LANでは、Ethernet(登録商標)の100Base-T インタフェースをはじめ、各家庭にも光ファイバを用いたFTTH(Fiber to the home)の普及から、 100Mbps ~1Gbps 級の高速回線の提供が普及しており、無線LANにおいても更なる伝送速度の高速化が求められている。
そのため、2009年に標準化が完了したIEEE802.11n規格では、これまで20MHzと固定されていたチャネル帯域幅が最大で40MHzに拡大され、また、空間多重送信技術(MIMO:Multiple input multiple output)技術の導入が決定された。IEEE802.11n規格で規定されているすべての機能を適用して送受信を行うと、物理レイヤでは最大で 600Mbps の通信速度を実現可能である。
さらに、2013年に標準化が完了したIEEE802.11ac規格では、チャネル帯域幅を80MHzや最大で 160MHz(または80+80MHz)まで拡大することや、空間分割多元接続(SDMA:Space Division Multiple Access)を適用したマルチユーザMIMO(MU-MIMO)送信方法の導入が決定している。IEEE802.11ac規格で規定されているすべての機能を適用して送受信を行うと、物理レイヤでは最大で約 6.9Gbps の通信速度を実現可能である。
また、現在策定中のIEEE802.11ax規格では、上記の20MHz,40MHz,80MHz,160 MHz,80+80MHzのチャネルを細かいサブチャネルに分け、フレームの送受信ができるOFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access )が規定される見込みである。OFDMAを用いると、上記チャネルを細かいサブチャネルに分けてリソースユニット単位で複数の無線局による同時送信が可能となる。さらに、IEEE802.11ax規格では、キャリアセンス閾値(以下、CCA閾値という)の制御により周辺の他セルからの干渉を抑えつつ通信機会を増大する機能が規定される見込みである。
IEEE802.11規格の無線LANは、 2.4GHz帯または5GHz帯の免許不要な周波数帯で運用するため、IEEE802.11規格の無線基地局は、無線LANセル(BSS:Basic Service Set )を形成する際に、自無線基地局で対応可能な周波数チャネルの中から1つの周波数チャネルを選択して運用する。
自セルで使用するチャネル、帯域幅およびそれ以外のパラメータの設定値および自無線基地局において対応可能なその他のパラメータは、定期的に送信するBeaconフレームや、無線端末から受信するProbe Request フレームに対するProbe responseフレーム等に記載し、運用が決定された周波数チャネル上でフレームを送信し、配下の無線端末および周辺の他無線通信局に通知することで、セルの運用を行っている。
無線基地局において、周波数チャネルや帯域幅およびその他のパラメータの選択および設定方法には、次の4つの方法がある。
(1) 無線基地局の製造メーカで設定されたデフォルトのパラメータ値をそのまま使用する方法
(2) 無線基地局を運用するユーザが手動で設定した値を使用する方法
(3) 各無線基地局が起動時に自局において検知する無線環境情報に基づいて自律的にパラメータ値を選択して設定する方法
(4) 無線LANコントローラなどの集中制御局で決定されたパラメータ値を設定する方法
また、同一場所で同時に使えるチャネル数は、通信に用いるチャネル帯域幅によって、 2.4GHz帯の無線LANでは3つ、5GHz帯の無線LANでは2つ,4つ,9つ,または19のチャネルになるので、実際に無線LANを導入する際には無線基地局が自BSS内で使用するチャネルを選択する必要がある(非特許文献1)。
チャネル帯域幅を40MHz、80MHz、 160MHzまたは80+80MHzと広くする場合、5GHz帯において同一場所で同時に使えるチャネル数は、チャネル帯域幅が20MHzで19チャネルだったものが、9チャネル、4チャネル、2チャネルと少なくなる。すなわち、チャネル帯域幅が増加するにつれて、使えるチャネル数が低減することになる。
使用可能なチャネル数よりもBSS数が多い無線LANの稠密環境では、複数のBSSが同一チャネルを使うことになる(OBSS:Overlapping BSS )。そのため無線LANでは、CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)を用いて、キャリアセンスによりチャネルが空いているときにのみデータの送信を行う自律分散的なアクセス制御が使われている。
具体的には、送信要求が発生した無線通信局は、まず所定のセンシング期間(DIFS:Distributed Inter-Frame Space )だけキャリアセンスを行って無線媒体の状態を監視し、この間に他の無線通信局による送信信号が存在しなければ、ランダム・バックオフを行う。無線通信局は、引き続きランダム・バックオフ期間中もキャリアセンスを行うが、この間にも他の無線通信局による送信信号が存在しない場合に、チャネルの利用権を得る。なお、他の無線通信局による送受信は、予め設定されたキャリアセンス閾値よりも大きな信号を受信するか否かで判断される。チャネルの利用権を得た無線通信局は、同一BSS内の他の無線通信局にデータを送信し、またそれらの無線通信局からデータを受信できる。このようなCSMA/CA制御を行う場合、同一チャネルを使用する無線LANの稠密環境では、キャリアセンスによりチャネルがビジーになる頻度が高くなるためスループットが低下する。したがって、周辺環境をモニタリングし、適切なチャネルを選択し、同時送受信を可能とする送信電力値およびキャリアセンス閾値を選択することが重要となる。
守倉正博、久保田周治監修、「802.11高速無線LAN教科書」改訂三版、インプレスR&D、2008年3月.
無線基地局の運用周波数帯である 2.4GHz/5GHz種別や、運用周波数帯における利用チャネルの選択などの上記パラメータの選択方法は、IEEE802.11標準規格で定まっていないため、各ベンダーが独自の方法を採用している。
また、各無線局は自律分散的に上記パラメータを選択するため、システム全体としても最適化はできなく、特に無線局数が多い環境ではユーザ品質が大きく劣化する問題がある。
例えば、 2.4GHzと5GHzのどちらかの周波数帯で運用できる複数の無線局が存在する場合は、 2.4GHz帯と5GHz帯を適切に振り分けしなければ、数少ないチャネルを複数の無線局で供用することになる。また、どちらかの周波数帯でサービスエリアの確保ができなかったり、また不要にオーバーラップしたり、効率の悪い運用をすることになる。
このように、隣接している無線通信システム間で同じ周波数チャネルを使用すると干渉が生じる。CSMA/CA制御では、キャリアセンスにより送信前に無線信号の有無を判定し、無線信号がない場合に送信を行う。一般的なCSMA/CA制御では、各無線端末局が自律的に送信制御のパラメータ(送信電力値やCCA閾値)を設定しており、隣接する無線通信システムの数に応じてシステムスループットが低下する課題がある。
本発明は、各無線端末局の送信電力値とCCA閾値を適切に設定することで、無線通信システム全体としてスループットの改善を目指し、各ユーザに対して品質の高い無線環境を実現することができる無線通信システムおよび無線通信方法を提供することを目的とする。
第1の発明は、共用周波数帯上で複数の無線基地局にそれぞれ帰属する無線端末局が送信する無線通信システムにおいて、無線端末局は、自局の通信状態を示す環境情報を帰属する無線基地局を介して制御装置に通知し、該制御装置から通知された送信電力値およびCCA閾値を設定する手段を備え、制御装置は、無線基地局を介して無線端末局から収集した環境情報を基に、予め定められた制御手順に基づいて送信電力値およびキャリアセンス閾値を算出し、無線基地局を介して無線端末局に通知する手段を備える。
第2の発明は、共用周波数帯上で複数の無線基地局にそれぞれ帰属する無線端末局が送信する無線通信方法において、無線端末局は、自局の通信状態を示す環境情報を帰属する無線基地局を介して制御装置に通知し、該制御装置から通知された送信電力値およびCCA閾値を設定し、制御装置は、無線基地局を介して無線端末局から収集した環境情報を基に、予め定められた制御手順に基づいて送信電力値およびキャリアセンス閾値を算出し、無線基地局を介して無線端末局に通知する。
本発明は、無線端末局の送信電力値とCCA閾値を適切に設定して無線通信システムのカバーエリアを可変にすることにより、システム全体としてスループットの改善を図り、各ユーザに対して品質の高い無線環境を実現することができる。
本発明における無線通信システムの構成例を示す図である。 無線基地局(AP)10の構成例を示す図である。 無線端末局(STA)20の構成例を示す図である。 制御装置30の構成例を示す図である。 本発明における制御装置30の動作フローを示す図である。
図1は、本発明における無線通信システムの構成例を示す。ここでは、共用周波数帯上で運用される無線局として、無線基地局(AP)に帰属する無線端末局(STA)の送信電力値およびCCA閾値の制御例について説明する。
図1において、無線通信システムは、複数の無線基地局(AP)10-1~10-2が制御装置30に接続される構成である。AP10-1には、帰属する無線端末局(STA)20-1~20-2が接続される。AP10-2に帰属する無線端末局は省略する。各STA20-1~20-2はAP10-1を介して、制御装置30に環境情報を通知し、制御装置30から通知された運用パラメータ情報を基に運用する。
ここでの環境情報は、APにおけるRSSI値、STAのデータ量(上り/下り)、STAのMCS、周辺の干渉状況などである。運用パラメータ情報は、STAの送信電力値およびCCA閾値である。
図2は、無線基地局(AP)10の構成例を示す。
図2において、AP10は、自局に帰属するSTAの環境情報を収集する環境情報収集部11と、これらの環境情報を制御装置30に通知する環境情報通知部12と、制御装置30から通知される運用パラメータ情報(STAの送信電力値およびCCA閾値)をSTAに通知する運用パラメータ通知部13と、帰属するSTAと通信する無線通信部14と、制御装置30と有線または無線により通信を行う制御装置通信部15より構成される。
図3は、無線端末局(STA)20の構成例を示す。
図3において、STA20は、自局の環境情報を収集する環境情報収集部21と、これらの環境情報をAP10に通知する環境情報通知部22と、AP10から通知される運用パラメータ情報(送信電力値およびCCA閾値)を設定する運用パラメータ設定部23と、AP10と通信する無線通信部24より構成される。
図4は、制御装置30の構成例を示す。
図4において、制御装置30は、各AP10から通知されるSTAの環境情報を収集する環境情報収集部31と、収集した環境情報を保持する環境情報保持部32と、収集・保持された環境情報を基に各STAの運用パラメータ(送信電力値およびCCA閾値)を決定する運用パラメータ算出部33と、決定した運用パラメータを通知する運用パラメータ通知部34と、各AP10と有線または無線により通信を行うAP通信部35より構成される。
図5は、本発明における制御装置30の動作フローを示す。なお、本動作フローは、制御装置30の運用パラメータ算出部33で実行される各STAの送信電力値およびCCA閾値の算出手順である。
図5において、本発明の制御は、制御対象APに帰属するSTAに対して行うので、制御対象APが1台以上存在するか否かを判定し(S1)、存在しない場合には処理を終了する。制御対象APが存在すれば、未選択の制御対象AP-xを1台選択し(S2)、選択された制御対象AP-xに帰属するSTAが1台以上存在するか否かを判定し(S3)、存在しない場合には、次の未選択の制御対象AP-xを1台選択する(S9,S2)。
次に、制御対象AP-xに帰属するSTAのうち、未選択のSTA-yを1台選択し(S4)、選択されたSTA-yに対する運用パラメータとして、送信電力値を算出し(S5)、CCA閾値を算出し(S6)、無線通信モードを決定する(S7)。そして、未選択のSTAおよびAPがなくなるまで、ステップS5~S7の処理を繰り返す(S8,S9)。最後に、各制御対象APを介してそれぞれ帰属するSTAに対して、算出した運用パラメータを通知する(S10)。
ステップS5では、制御対象AP-xにおいてSTA-yからの信号強度である上りRSSI値を検知し、その平均値と閾値との差分を算出し、その差分をSTA-yの送信電力値の補正値aとする。なお、閾値は、隣接するAP間の距離、トラヒックのアプリケーションおよびトラヒック量、使用する帯域幅、STAの状態(移動/固定)に応じて設定してもよい。例えば、隣接するAP間の距離が近い場合には、閾値を小さく(負の値であれば絶対値を大きく)し、隣接するAP間の距離が遠い場合には、送信電力を大きくしてもよいため、閾値を大きくする。また、トラヒックのアプリケーションが音声通信の場合には閾値を大きくしてカバーエリアを広げ、トラヒック量が多い場合には閾値を小さくしてカバーエリアを狭くする。
このように、RSSI値の平均値と閾値との差分に応じて送信電力値を制御することにより、近接するシステムへの干渉を低減しつつ同時に同じ周波数チャネルを使用するために、以下のCCA閾値の調整が必要になる。すなわち、近いシステムからの干渉を検知しても、それを無視して送信しないと同時送信にならない。よって増減した送信電力値に合わせてCCA閾値を増減する。例えば、送信電力値を3dB下げた場合には、CCA閾値を3dBだけ上げる。これにより、STAの送信電力値に見合うタイミングで同時に複数のシステムが同じ周波数チャネルを使って通信が可能になる。
ステップS6では、STA-yの送信電力値を補正値aだけ削減した場合には、CCA閾値を補正値a-bだけ増加し、STA-yの送信電力値を補正値aだけ増加した場合には、CCA閾値を補正値a-bだけ削減する処理を行う。bはCCA閾値の調整値であり、0の場合には送信電力値の補正値aと同じ分だけCCA閾値を増減する。
ここで、図1のAP10-1、STA20-1,20-2における具体例を示す。各パラメータは以下とする。
RSSI値の閾値 :-50dBm
CCA閾値の調整値b:-1dBm
STA20-1の送信電力値 :-30dBm
AP10-1におけるSTA20-1の平均RSSI値:-35dBm
STA20-2の送信電力値 :-32dBm
AP10-1におけるSTA20-2の平均RSSI値:-40dBm
STA20-1の送信電力値の補正値aは、(-35)-(-50)=15dBの削減
STA20-1のCCA閾値の補正値a-bは、15-(-1) =16dBの増加
STA20-2の送信電力値の補正値aは、(-40)-(-50)=10dBの削減
STA20-1のCCA閾値の補正値a-bは、10-(-1) =11dBの増加
ステップS7では、無線通信モードとして、OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) の有効/無効、MU-MIMO(MultiUser - Multiple Input Multiple Output) の有効/無効を決定する。
OFDMAは、短パケット通信の場合、上りトラヒックの割合が多い場合、制御信号のやりとりが多い場合、ほぼ同一信号強度をもつSTAが複数存在する場合等の無線環境Aに対して効果的である。
MU-MIMOは、STAの移動が少ない場合、複数のSTAが同じようなトラヒックパタンを有する場合、無線環境の変化が少ない場合等の無線環境Bに対して効果的である。
よって、APとSTA間の信号強度、当該信号強度が閾値以上に変化する/しないの安定性、一度の信号送信に費やされる時間、APに帰属するSTA数、周波数チャネルを共有する周辺の他の無線局の台数および通信頻度に基づき、無線環境Aかつ無線環境Bと判断される場合は、OFDMAを有効かつMU-MIMOを有効とする。無線環境Aであるが、無線環境Bでないと判断される場合は、OFDMAを有効とし、かつMU-MIMOを無効とする。無線環境Aでもなく、無線環境Bでもないと判断される場合は、OFDMAを無効かつMU-MIMOを無効とする。
10 無線基地局(AP)
11 環境情報収集部
12 環境情報通知部
13 運用パラメータ設定部
14 無線通信部
15 制御装置通信部
20 無線端末局(STA)
21 環境情報収集部
22 環境情報通知部
23 運用パラメータ通知部
24 無線通信部
30 制御装置
31 環境情報収集部
32 環境情報保持部
33 運用パラメータ算出部
34 運用パラメータ通知部
35 AP通信部

Claims (4)

  1. 共用周波数帯上で複数の無線基地局にそれぞれ帰属する無線端末局が送信する無線通信システムにおいて、
    前記無線端末局は、自局の通信状態を示す環境情報を帰属する無線基地局を介して制御装置に通知し、該制御装置から通知された送信電力値およびキャリアセンス閾値を設定する手段を備え、
    前記制御装置は、前記無線基地局を介して前記無線端末局から収集した前記環境情報を基に、予め定められた制御手順に基づいて前記送信電力値およびキャリアセンス閾値を算出し、前記無線基地局を介して前記無線端末局に通知する手段を備え
    前記制御手順は、
    前記無線基地局における帰属する前記無線端末局からの信号強度の平均値と所定の閾値との差分を算出し、その差分を前記無線端末局の送信電力値の補正値とし、
    前記無線端末局の送信電力値の補正値に応じて前記キャリアセンス閾値の補正値を決定する
    ことを特徴とする無線通信システム。
  2. 共用周波数帯上で複数の無線基地局にそれぞれ帰属する無線端末局が送信する無線通信システムにおいて、
    前記無線端末局は、自局の通信状態を示す環境情報を帰属する無線基地局を介して制御装置に通知し、該制御装置から通知された送信電力値およびキャリアセンス閾値を設定する手段を備え、
    前記制御装置は、前記無線基地局を介して前記無線端末局から収集した前記環境情報を基に、予め定められた制御手順に基づいて前記送信電力値およびキャリアセンス閾値を算出し、前記無線基地局を介して前記無線端末局に通知する手段を備え、
    前記制御手順は、
    前記無線基地局における帰属する前記無線端末局からの信号強度の平均値と所定の閾値との差分を算出し、その差分を前記無線端末局の送信電力値の補正値とし、
    前記閾値は、隣接する無線基地局間の距離、トラヒックのアプリケーションおよびトラヒック量、使用する帯域幅、前記無線端末局が移動または固定の状態に応じて設定する
    ことを特徴とする無線通信システム。
  3. 共用周波数帯上で複数の無線基地局にそれぞれ帰属する無線端末局が送信する無線通信方法において、
    前記無線端末局は、自局の通信状態を示す環境情報を帰属する無線基地局を介して制御装置に通知し、該制御装置から通知された送信電力値およびキャリアセンス閾値を設定し、
    前記制御装置は、前記無線基地局を介して前記無線端末局から収集した前記環境情報を基に、予め定められた制御手順に基づいて前記送信電力値およびキャリアセンス閾値を算出し、前記無線基地局を介して前記無線端末局に通知し、
    前記制御手順は、
    前記無線基地局における帰属する前記無線端末局からの信号強度の平均値と所定の閾値との差分を算出し、その差分を前記無線端末局の送信電力値の補正値とし、
    前記無線端末局の送信電力値の補正値に応じて前記キャリアセンス閾値の補正値を決定する
    ことを特徴とする無線通信方法。
  4. 共用周波数帯上で複数の無線基地局にそれぞれ帰属する無線端末局が送信する無線通信方法において、
    前記無線端末局は、自局の通信状態を示す環境情報を帰属する無線基地局を介して制御装置に通知し、該制御装置から通知された送信電力値およびキャリアセンス閾値を設定し、
    前記制御装置は、前記無線基地局を介して前記無線端末局から収集した前記環境情報を基に、予め定められた制御手順に基づいて前記送信電力値およびキャリアセンス閾値を算出し、前記無線基地局を介して前記無線端末局に通知し、
    前記制御手順は、
    前記無線基地局における帰属する前記無線端末局からの信号強度の平均値と所定の閾値との差分を算出し、その差分を前記無線端末局の送信電力値の補正値とし、
    前記閾値は、隣接する無線基地局間の距離、トラヒックのアプリケーションおよびトラヒック量、使用する帯域幅、前記無線端末局が移動または固定の状態に応じて設定する
    ことを特徴とする無線通信方法。
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