JP7314996B2

JP7314996B2 - 無線通信システム、無線通信方法、無線局装置および無線局装置の制御装置

Info

Publication number: JP7314996B2
Application number: JP2021525428A
Authority: JP
Inventors: 俊朗中平; ヒランタアベセカラ; 友規村上; 浩一石原; 崇文林; 泰司鷹取
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-06-10
Filing date: 2019-06-10
Publication date: 2023-07-26
Anticipated expiration: 2039-06-10
Also published as: US20220248252A1; US11956662B2; WO2020250287A1; JPWO2020250287A1

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、無線通信方法、無線局装置および無線局装置の制御装置に関す
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（ＣＣＡ閾値）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局は、同一ＢＳＳ内の他の無線局にデータを送信し、またそれらの無線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。

さらに、近年では、複数の無線モジュールが搭載された無線局が増えてきている。同一筐体の中に複数の無線モジュールを搭載し、周波数帯や利用チャネルを済み分けることで使用帯域を広くしサービスエリア内のユーザスループットを高めるのが狙いである。

しかし、搭載各無線モジュールの利用周波数帯や利用チャネルを適切に設定しなければ、周辺他無線局だけではなく、互いの無線モジュールが干渉してしまい、想定するサービス提供をできなくなる。

本発明は、無線局が搭載する複数の無線モジュールの運用周波数チャネルを適切に設定することで、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無線通信システム、無線通信方法、無線局装置および無線局装置の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、共用周波数帯上で運用される複数の無線モジュールが搭載された無線局が送信する無線通信システムにおいて、無線局は、自局能力情報および周辺の無線環境情報を含む環境情報を制御装置に通知し、複数の無線モジュールに該制御装置から通知された周波数チャネルを設定する手段を備え、制御装置は、各無線局より収集した環境情報を基に、予め定められた制御指針に基づいて各無線局の各無線モジュールの周波数チャネルを算出し、無線局に通知する手段を備える。

第２の発明は、共用周波数帯上で運用される複数の無線モジュールが搭載された無線局が送信する無線通信方法において、無線局は、自局能力情報および周辺の無線環境情報を含む環境情報を制御装置に通知し、複数の無線モジュールに該制御装置から通知された周波数チャネルを設定し、制御装置は、各無線局より収集した環境情報を基に、予め定められた制御指針に基づいて各無線局の各無線モジュールの周波数チャネルを算出し、無線局に通知する。

第３の発明は、共用周波数帯上で運用される複数の無線モジュールが搭載された無線局装置において、自局能力情報および周辺の無線環境情報を含む環境情報を制御装置に通知する手段と、制御装置が各無線局より収集した環境情報を基に、予め定められた制御指針に基づいて算出した複数の無線モジュールの周波数チャネルを入力して設定する手段とを備える。

本発明は、無線局が搭載する複数の無線モジュールの運用周波数チャネルを適切に設定することができるので、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。制御装置２０の構成例を示す図である。本発明による制御例を示す図である。本発明における制御装置２０の制御フローを示すフローチャートである。本発明の実施例を説明する図である。

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複数の無線モジュール（ＲＦ）を搭載した無線局として、無線基地局（ＡＰの周波数チャネル制御を例に説明する。

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２０に接続される構成である。各ＡＰ１０－１～１０－２は、それぞれ１または複数の無線モジュール（ＲＦ）を備え、それぞれ配下の無線端末（図示せず）と通信する。各ＡＰ１０－１～１０－２は、制御装置２０に環境情報を通知し、制御装置２０から通知された運用パラメータ情報を基に各ＲＦを運用する。ここでの運用パラメータ情報は、各ＲＦで運用する周波数チャネルである。

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、搭載する各ＲＦの能力情報を保持する自局能力情報保持部１１と、周辺の無線環境情報を収集する周辺無線環境情報収集部１２と、これらの能力情報や周辺無線環境情報を含む環境情報を制御装置２０に通知する環境情報通知部１３と、制御装置２０から通知される運用パラメータ情報を基に、各ＲＦの運用パラメータ（周波数チャネル）を設定する運用パラメータ設定部１４と、ＲＦを含む無線通信部１５－１，１５－２と、制御装置２０と有線または無線により通信を行う制御装置通信部１６より構成される。

図３は、制御装置２０の構成例を示す。
図３において、制御装置２０は、各ＡＰ１０から通知される環境情報を収集する環境情報収集部２１と、収集した環境情報を保持する環境情報保持部２２と、収集・保持された環境情報を基に各ＡＰ１０が搭載する各ＲＦの運用パラメータ（周波数チャネル）を決定する運用パラメータ算出部２３と、決定した運用パラメータ（周波数チャネル）を通知する運用パラメータ通知部２４と、各ＡＰ１０と有線または無線により通信を行うＡＰ通信部２５より構成される。

図５は、本発明における制御装置２０の制御フローを示す。なお、本制御フローは、制御装置２０の運用パラメータ算出部２３で実行される。

図５において、本制御フローが開始すると、各無線基地局（ＡＰ）から環境情報として通知された各ＡＰの各無線モジュール（ＲＦ）のスループット情報に基づいて、スループットが最も劣化しているＡＰを１つ選択する（Ｓ１）。そして、当該ＡＰに搭載された複数のＲＦの中で、最もスループットが劣化しているＲＦを１つ選択する（Ｓ２）。当該ＲＦのスループットが最大となる周波数チャネルを探索し（Ｓ３）、当該ＲＦの新周波数チャネルを仮決定する（Ｓ４）。以上のステップＳ１～Ｓ４の処理を繰り返し、各ＲＦのスループットが収束したと判断できたときに繰り返し処理を終了し（Ｓ５）、各ＡＰ搭載の各ＲＦのスループットが最大となる周波数チャネルを確定する（Ｓ６）。

ここで、本制御フローの実施前と実施後における周波数チャネルの制御例を図４に示す。ＡＰ１０－０～１０－３はそれぞれ２つのＲＦを搭載し、ＡＰ１０－０とＡＰ１０－１～１０－３がそれぞれ干渉関係（図中に破線で示す）にあるものとする。本制御フローの実施前は、２つのＲＦが同一の周波数チャネルで運用しているＡＰ１０－０，１０－２のスループットが劣化しており、本制御フローの実施により、ＡＰ１０－０の２つのＲＦにch１，ch３を割り当て、ＡＰ１０－１～１０－３の各２つのＲＦにch２，ch４を割り当てることによりスループットを改善する。

図６は、本発明の実施例を示す。本実施例では、図５のステップＳ３におけるＲＦのスループットを以下のように定義する。
スループット＝（１／干渉ＲＦ台数）×重みｗ
ここで、重みｗは以下のように定義する。
ｗ＝１（干渉ＲＦが同一筐体ではない場合）
ｗ＝チャネル間距離／周波数チャネル数（干渉ＲＦが同一筐体の場合）
ここで、チャネル間距離とは、干渉源となる同一筐体内の他のＲＦが使用している周波数チャネルと、当該ＲＦに割り当てようとする周波数チャネルとがどの程度離れているかを表す数字である。

この定義によれば、自ＡＰの各ＲＦのスループットは、他のＡＰの干渉ＲＦ台数に応じて低下し、自ＡＰの干渉ＲＦとのチャネル間距離に応じて増加する。よって、各ＡＰの各ＲＦに設定する周波数チャネルは、できるだけ離せばよいことになる。

図６において、２台のＡＰ１，ＡＰ２がそれぞれ２つのＲＦ１，ＲＦ２を搭載し、互いに干渉する環境を想定し、使用可能チャネルを36ch、100ch 、104ch とする。合計４つのＲＦに対するチャネル割当の組合せ数は、使用可能チャネル数が３であるため、４³＝64パタンある。ここで、ＡＰ１および／またはＡＰ２において、同一筐体内のＲＦ１，ＲＦ２に対して同一周波数チャネルの組合せは、チャネル間距離が０で重みｗが０になり、その結果スループットが０になるので不可である。

よって、（ＡＰ１のＲＦ１，ＡＰ１のＲＦ２，ＡＰ２のＲＦ１，ＡＰ２のＲＦ２）について、次の組合せによる周波数チャネルを割り当てた場合のスループットを計算する。なお、ＡＰ内のＲＦ１，ＲＦ２に割り当てる周波数チャネルの順番を変えてもスループットの計算値は同じであるので、以下の９パタンで検証する。

パタン１：（ 36， 100， 36， 100）
パタン２：（ 36， 100， 36， 104）
パタン３：（ 36， 100， 100， 104）

パタン４：（ 36， 104， 36， 100）
パタン５：（ 36， 104， 36， 104）
パタン６：（ 36， 104， 100， 104）

パタン７：（ 100， 104， 36， 100）
パタン８：（ 100， 104， 36， 104）
パタン９：（ 100， 104， 100， 104）

以上の９パタンの中で、チャネル間距離が最大になるのは36chと104ch の組合せになるので、パタン５が最適となる。次にスループットが高いのは、一方のＡＰが36chと104ch の組合せ、他方のＡＰが36chと100ch の組合せになり、パタン２、パタン４が対象となる。

１０無線基地局（ＡＰ）
１１自局能力情報保持部
１２周辺無線環境情報収集部
１３環境情報通知部
１４運用パラメータ設定部
１５無線通信部
１６制御装置通信部
２０制御装置
２１環境情報収集部
２２環境情報保持部
２３運用パラメータ算出部
２４運用パラメータ通知部
２５ＡＰ通信部

Claims

共用周波数帯上で運用される複数の無線モジュールが搭載された無線局が送信する無線通信システムにおいて、
前記無線局は、自局能力情報および周辺の無線環境情報を含む環境情報を制御装置に通知し、前記複数の無線モジュールに該制御装置から通知された周波数チャネルを設定する手段を備え、
前記制御装置は、各無線局より収集した前記環境情報を基に、予め定められた制御指針に基づいて各無線局の各無線モジュールの周波数チャネルを算出し、前記無線局に通知する手段を備え、
前記制御指針は、前記制御装置に接続されている前記無線局の中でスループットが最も劣化している無線局を選択し、当該無線局に搭載された複数の無線モジュールの中で、スループットが最小の無線モジュールに対してスループットが高くなる周波数チャネルを仮決定のために再選択するものであり、
前記制御装置は、前記各無線局の前記各無線モジュールのスループットが収束するまで前記再選択を繰り返し、前記各無線モジュールのスループットが収束したと判断できたときに繰り返し処理を終了し、前記各無線局に搭載された前記各無線モジュールの周波数チャネルを確定する
ことを特徴とする無線通信システム。
請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
前記制御指針は、前記無線局に搭載された他の無線モジュールの使用周波数チャネルおよび周辺の他の無線局の周波数チャネルに基づき、予め決められた重みｗを用いて得られるスループットを予測する
ことを特徴とする無線通信システム。
共用周波数帯上で運用される複数の無線モジュールが搭載された無線局が送信する無線通信方法において、
前記無線局は、自局能力情報および周辺の無線環境情報を含む環境情報を制御装置に通知し、前記複数の無線モジュールに該制御装置から通知された周波数チャネルを設定し、前記制御装置は、各無線局より収集した前記環境情報を基に、予め定められた制御指針に基づいて各無線局の各無線モジュールの周波数チャネルを算出し、前記無線局に通知する
前記制御指針は、前記制御装置に接続されている前記無線局の中でスループットが最も劣化している無線局を選択し、当該無線局に搭載された複数の無線モジュールの中で、スループットが最小の無線モジュールに対してスループットが高くなる周波数チャネルを仮決定のために再選択するものであり、
前記制御装置は、前記各無線局の前記各無線モジュールのスループットが収束するまで前記再選択を繰り返し、前記各無線モジュールのスループットが収束したと判断できたときに繰り返し処理を終了し、前記各無線局に搭載された前記各無線モジュールの周波数チャネルを確定する
ことを特徴とする無線通信方法。
請求項３に記載の無線通信方法において、
前記制御指針は、前記無線局に搭載された他の無線モジュールの使用周波数チャネルおよび周辺の他の無線局の周波数チャネルに基づき、予め決められた重みｗを用いて得られるスループットを予測する
ことを特徴とする無線通信方法。
共用周波数帯上で運用される複数の無線モジュールが搭載された無線局装置において、自局能力情報および周辺の無線環境情報を含む環境情報を制御装置に通知する手段と、前記制御装置が各無線局より収集した前記環境情報を基に、予め定められた制御指針に基づいて算出した前記複数の無線モジュールの周波数チャネルを入力して設定する手段とを備え、
前記制御指針は、前記制御装置に接続されている前記無線局の中でスループットが最も劣化している無線局を選択し、当該無線局に搭載された複数の無線モジュールの中で、スループットが最小の無線モジュールに対してスループットが高くなる周波数チャネルを仮決定のために再選択するものであり、
前記制御装置は、前記各無線局の前記各無線モジュールのスループットが収束するまで前記再選択を繰り返し、前記各無線モジュールのスループットが収束したと判断できたときに繰り返し処理を終了し、前記各無線局に搭載された前記各無線モジュールの周波数チャネルを確定する
ことを特徴とする無線局装置。
請求項５に記載の無線局装置において、
前記制御指針は、前記無線局に搭載された他の無線モジュールの使用周波数チャネルおよび周辺の他の無線局の周波数チャネルに基づき、予め決められた重みｗを用いて得られるスループットを予測する
ことを特徴とする無線局装置。
共用周波数帯上で運用される複数の無線モジュールが搭載された複数の無線局の制御装置であって、
各無線局からの、自局能力情報および周辺の無線環境情報を含む環境情報の通知を受け取る処理と、
前記各無線局からの前記環境情報を基に、予め定められた制御指針に基づいて前記複数の無線モジュールの周波数チャネルを算出する処理と、
前記各無線局に、当該無線局に搭載された前記複数の無線モジュールそれぞれが用いるべき周波数チャネルを通知する処理と、
を実行するように構成され、
前記制御指針は、前記複数の無線局の中でスループットが最も劣化している無線局を選択し、当該無線局に搭載された複数の無線モジュールの中で、スループットが最小の無線モジュールに対してスループットが高くなる周波数チャネルを仮決定のために再選択するものであり、
前記周波数チャネルを算出する処理は、
前記各無線局の前記各無線モジュールのスループットが収束するまで前記再選択を繰り返す処理と、
前記各無線モジュールのスループットが収束したと判断できたときに繰り返し処理を終了し、前記各無線局に搭載された前記各無線モジュールの周波数チャネルを確定する処理とを含む
ことを特徴とする無線局の制御装置。
請求項７に記載の制御装置において、
前記制御指針は、前記無線局に搭載された他の無線モジュールの使用周波数チャネルおよび周辺の他の無線局の周波数チャネルに基づき、予め決められた重みｗを用いて得られるスループットを予測する
ことを特徴とする無線局の制御装置。