JP4113160B2 - 無線通信システム及び無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の無線通信装置が異なる複数の周波数チャネルを共用して互いに無線通信を行う無線通信システム、無線通信方法、及び無線通信装置に関する。

メディアアクセス制御(ＭＡＣ: Media Access Control)は、同一のメディアを共有して通信を行う複数の通信装置がメディアをどのように利用して通信データを送信するかを決める制御である。メディアアクセス制御を行うことにより、同時に二つ以上の通信装置が同一のメディアを利用して通信データの送信を行っても、受信側の通信装置が通信データを分離できなくなるという事象（いわゆる衝突）が少なくなる。送信要求を持つ通信装置が存在するにもかかわらず、メディアがいずれの通信装置によっても利用されないという事象も、メディアアクセス制御によって少なくなる。

無線通信においては、通信装置がデータを送信しながら送信データをモニタすることは困難であることから、衝突検出を前提としないメディアアクセス制御が必要である。無線ＬＡＮ(Local Area Network)の代表的な技術標準であるIEEE 802.11では、ＣＳＭＡ／ＣＡ(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)を採用している。

IEEE 802.11におけるＣＳＭＡ／ＣＡでは、ＭＡＣフレームのヘッダに、当該ＭＡＣフレームに続く一つ以上のフレーム交換からなる一連のシーケンスが終了するまでの期間（デュレーションと呼ばれる）が設定される。デュレーションにおいて当該シーケンスに関係がなく送信権を持たない通信装置は、メディアの仮想的な占有状態を判断することにより送信を待機する。これによって衝突の発生が回避される。一方、当該シーケンスで送信権を持つ通信装置は、実際にメディアが占有されている期間を除き、メディアは使用されていないものと認識する。

IEEE 802.11では、前者のようなＭＡＣ層の仮想キャリアセンスと、後者のような物理層の物理キャリアセンスとの組み合わせによってメディアの状態を判定し、それに基づいてメディアアクセス制御を行う旨が規定されている。

特許文献１には、物理層の異なる複数の無線ＬＡＮ方式が混在した無線通信システムにおいて、複数の無線ＬＡＮ方式に共用可能な無線基地局の実現法が記載されている。具体的には、無線基地局において第１物理層の第１報知信号と第２物理層の第２報知信号を交互に発生させて無線端末に送信し、第１及び第２報知信号に同期して第１及び第２物理層を切り替える。第１報知信号の送信時から一定の時間内のみ第１物理層に対応する無線端末のアクセスを可能とし、第２報知信号の送信時から一定時間内のみ第２物理層に対応する無線端末のアクセスを可能とする。

CSMA/CAを採用するIEEE 802.11は、これまで主として物理層のプロトコルを変更することによって通信速度の高速化を図ってきた。2.4GHz帯についてはIEEE 802.11(1997年制定、通信速度＝2Mbps)からIEEE 802.11b(1999年制定、通信速度＝11Mbps)へ、さらにIEEE 802.11g(2003年制定、通信速度＝54Mbps)へと変遷している。5GHz帯については現在、IEEE 802.11a(1999年制定、通信速度＝54Mbps)のみが標準規格として存在する。

通信速度の高速化へのアプローチの一つとして、チャネルの周波数帯域幅を増やす方法がある。チャネルの周波数帯域幅を拡大する方法においては、ある帯域幅を持つチャネルと、該チャネルよりも広い帯域幅を持つ別のチャネルとがある周波数帯域内に混在することになる。しかし、従来のＣＳＭＡ／ＣＡは、一つのチャネルのアクセス制御を行うために設計されており、異なる周波数帯域幅を持つ複数のチャネルに対するメディアアクセス制御を行うことはできない。

最も容易な、同一周波数帯に混在する異なる周波数帯域幅を持つ複数のチャネルに対するメディアアクセス制御方式として、集中制御局がすべてのメディアアクセス制御を管理する方式が考えられる。例えば、IEEE 802無線LANシステムでは、アクセスポイント(AP: Access Point)がすべてのメディアアクセス制御を管理することができる。そして近年、移動局から移動局へと送信するデータを集中制御局を経由することなく直接、移動局間で送受信を行うアドホックネットワークが、集中制御局を経由することによる伝送効率の低下を防ぐことができるという利点から注目を集めている。

しかしながら、集中制御局が存在しないこのような無線通信システムでは、上記のような解決手段を用いることはできない。
特開２００３−８７８５６号公報

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、集中制御局を介さず無線端末局間で直接通信を行う無線通信システムにおいて、同一周波数帯に混在する異なる周波数帯域幅を持つ複数のチャネルに対するメディアアクセス制御を行うことができる無線通信システム、無線通信方法、及び無線通信装置を提供することにある。

本発明の一観点に係る無線通信システムは、複数の無線端末局を有し、該複数の無線端末局が無線基地局を介さない直接通信を行う無線通信システムにおいて、第１の周波数帯域を持つ１つの第１チャネルを用いた第１の無線通信と、前記第１の周波数帯域よりも帯域幅が広い第２の周波数帯域を持つ第２チャネルを用いた第２の無線通信とのいずれかを行う無線端末局を具備し、前記第１の無線通信による通信期間と、前記第２の無線通信による通信期間との間の切り替えを制御する切替制御権を有する切替制御権オーナーを前記複数の無線端末局から選出する。

本発明によれば、集中制御局を介さず無線端末局間で直接通信を行う無線通信システムにおいて、同一周波数帯に混在する異なる周波数帯域を持つ複数のチャネルに対するメディアアクセス制御を行うことができる。

図面を参照しながら発明の実施の形態を説明する。

通信に先立ち周波数チャネルの探索を行う無線通信システムとして、IEEE Std. 802.11-1999 (revision 2003はISO/IEC 8802-11:1999(E) ANSI/IEEE Std 802.11、1999 edition、IEEE Std 802.11a-1999、IEEE Std 802.11b-1999、IEEE Std 802.11b-1999/Cor 1-2001とIEEE Std 802.11d-2001を含む)に基づく無線ＬＡＮシステムがある。以下ではIEEE 802.11無線ＬＡＮシステムに基づき、基本的なシステム構成を説明する。IEEE 802.11標準規格は物理(Physical: PHY)層と媒体アクセス制御(Medium Access Control: MAC)層に関する規格である。以下の処理は主にMAC層での処理に注目し、説明する。なお、ここで記述するIEEE 802.11標準規格はIEEE 802.11標準規格のamendmentやrecommended practiceなどとして位置付けられる標準規格も含む。

（第１の実施形態）
図１に示されるように、第１の実施形態に従う無線通信装置は大きく分けて物理層１０、ＭＡＣ層２０及びリンク層３０からなる。物理層１０は、図１では利用するチャネルの周波数帯域幅が異なる２種類の物理層プロトコルに対応している。すなわち、物理層１０は第１の通信帯域幅を持つ第１チャネルを用いて通信を行うための物理層プロトコル処理を行う第１の物理層プロトコル処理部１１と、第１の通信帯域幅より帯域幅が広くかつ第１の通信帯域幅と重複する第２の通信帯域幅を持つ第２チャネルを用いて通信を行うための物理層プロトコル処理を行う第２の物理層プロトコル処理部１２を有する。第１の物理層プロトコル処理部１１及び第２の物理層プロトコル処理部１２は、実装上は両者の間で回路の共用などがしばしば行われ、必ずしも独立してはいない。

第１の物理層プロトコル処理部１１が処理するプロトコルは、例えば少なくともIEEE 802.11aに規定される物理層プロトコルを含む。第１の物理層プロトコル処理部１１が利用する第１の通信帯域幅は、例えば20MHzとする。第１の物理層プロトコル処理部１１は、送信側と受信側でそれぞれ複数のアンテナ１３Ａ〜１３Ｃを用いる、いわゆるＭＩＭＯ(Multiple Input Multiple Output) 技術を用いてもよい。ＭＩＭＯ技術は、周波数帯域を同じに保ってもアンテナの数にほぼ比例した伝送容量の増加を見込むことができるため、IEEE 802.11の更なる高スループット化を目指すIEEE 802.11 TGn (Task Group n) に採用される可能性の高い技術である。

第２の物理層プロトコル処理部１２は、例えばＳＩＳＯ(Single Input Single Output)及びＭＩＭＯのいずれか、ないしは両方の技術を用いるものとする。第２の物理層プロトコル処理部１２が使用する第２の通信帯域幅は、例えば40MHzとする。第１の通信帯域幅は、第２の通信帯域幅内に存在している。

ＭＡＣ層２０はチャネルアクセス制御部２１を有し、チャネルアクセス制御部２１はキャリアセンス部２２、チャネル状態管理部２３及びチャネル占有・解放制御部２４を有する。ＭＡＣ層２０はさらにネットワークシステム管理部２５を有し、ネットワークシステム管理部２５はビーコンフレームの生成やアソシエーションの管理などを司り、拡張が適宜なされる。

キャリアセンス部２２は、物理層１０から得た実キャリアセンス情報とＭＡＣ層２０のプロトコルにより得られる仮想キャリアセンス情報を合わせてキャリアセンス状態を管理することによって、チャネルの空塞（アイドル／ビジー）状態を管理する。すなわち、キャリアセンス部２２は単一のチャネルの空塞状態を管理しているのではなく、第１の通信帯域幅内の１つ以上の第１チャネルと、第２の通信帯域幅内の１つ以上の第２チャネルの空塞状態を管理している。

チャネル占有・解放制御部２４は、一定期間チャネルを占有したり、あるいは占有していたチャネルを解放するために必要な、ＭＡＣ層２０の仮想キャリアセンス状態を制御するフレームを生成する。チャネル占有・解放制御部２４により生成されるフレームは、物理層１０に送られ、第１の物理層プロトコル処理部１１及び第２の物理層プロトコル処理部１２によって送信される。

チャネル状態管理部２３は、所望のチャネルアクセス制御を行うために、キャリアセンス部２２、チャネル占有・解放制御部２４、及び物理層１０の第１及び第２のプロトコル処理部１１，１２を協調動作させる。

図１に示した無線通信装置の具体例としては、例えば40M/20M MIMO STA (AP)及び40M/20M STA (AP)が挙げられる。40M/20M MIMO STA (AP)とは、20MHzチャネルによるＳＩＳＯ、20MHzチャネルによるＭＩＭＯ、40MHzチャネルによるＳＩＳＯ、及び40MHzチャネルによるＭＩＭＯの送受信が可能な端末（ないしアクセスポイント）である。40M/20M STA (AP)とは、20MHzチャネルによるＳＩＳＯ及び40MHzチャネルによるＭＩＭＯの送受信が可能な端末（ないしアクセスポイント）である。リンク層３０に関しては、IEEE 802で規定される通常のリンク層の機能を備えるものとする。

図２に示されるもう一つの無線通信装置は、物理層１０が図１中に示した第２の物理層プロトコル処理部１２を含まない点で、図１に示す無線通信装置と異なる。第１の物理層プロトコル処理部１１の第１の通信帯域幅が名目20MHzで、ＭＩＭＯ技術を含んでも含まなくても構わない点と、ＭＡＣ層２０及びリンク層３０については図１の無線通信装置と共通である。

ただし、図２の無線通信装置では第１の物理層プロトコル処理部１１に基づくメディアアクセス制御しか行わないため、図２におけるＭＡＣ層２０の動作の詳細は図１に示す無線通信装置と一部相違する。第１の物理層プロトコル処理部１１がＭＩＭＯ技術を含まない場合、図２の無線通信装置はIEEE 802.11a, IEEE 802.11b及びIEEE 802.1gの少なくとも一つに対応する既存の装置であっても構わない。

図２に示した無線通信装置の具体例としては、例えば20M MIMO STA (AP)及び20M STA (AP)が挙げられる。20M MIMO STA (AP)とは、20M HzチャネルによるＳＩＳＯ及び20MHzチャネルによるＭＩＭＯの送受信が可能な端末（ないしアクセスポイント）である。20M STA (AP)とは、20M HzチャネルによるＳＩＳＯの送受信が可能な端末（ないしアクセスポイント）である。

図３に、図１及び図２の無線通信装置を含むネットワーク１００の例を示す。ネットワーク１００内の基地局１０１は、40M/20M MIMO APに相当するアクセスポイントである。端末１０２〜１０６は、基地局１０１とアソシエーションを確立している。ここで、端末１０２は40M/20M MIMO STA_1、端末１０３は40M/20M MIMO STA_2、端末１０４は40M/20M STA、端末１０５は20M MIMO STA、端末１０６は20M STA_1である。もう一つの端末１０７は20M STA_2であり、ネットワーク１００以外のネットワーク、例えば20M_ch_bを使用するネットワークに属していると仮定する。

図３のネットワークにおいては、通信チャネルとして図４に模式的に示されるように、X MHz〜(X+20)MHzの周波数帯域を用いる20MHzのチャネル20M_ch_aと、XMHz〜(X+40)MHzの周波数帯域を用いる40MHzのチャネル40M_chを有する。従って、X MHz〜(X+20) MHzの周波数帯域は、20MHzのチャネルと40MHzのチャネルで重複して利用される。(X+20) MHz〜(X+40) MHzの周波数帯域を用いるもう一つの20MHzのチャネル20M_ch_bは、図３のネットワーク１００では使用されないが、他のネットワークでは使用される場合がある。

ネットワーク１００内では、40MHzチャネル40M_ch及び40M_chと周波数的に重なる２つの20MHzチャネル20M_ch_a, 20M_ch_bのいずれか一方が使用される。言い替えれば、ネットワーク１００に属している40M/20M MIMO STA及び40M/20M STAは、20M_ch_aと20M_ch_bを同時には扱わないものとする。

本実施形態では、特に図３に示すようなネットワークにおいて、端末同士が基地局(AP)を介さずに直接通信を行う場合を考える。図５にその様なネットワーク２００を示す図である。図５のネットワーク２００においては、40M/20M STA1、40M/20M STA2、20M STA1（端末３０１〜３０３）がアクセスポイントを介さずに直接通信を行うネットワーク３００が形成されており、これはIBSS(Independent Basic Service Set)に相当する。なお、ネットワーク２００はBSS(Basic Service Set)に相当し、基地局２０１（40M/20M AP)を介して端末２０２(20M STA 2)、端末２０３(40M/20M STA3)が通信を行う。

図５に示すように、40MHzのチャネルおよび20MHzのチャネルのいずれをも用いることができる端末３０１(40M/20M STA)と、40MHzのチャネルは用いることができず20MHzのチャネルのみを用いることができる端末３０３(20M STA)とがネットワーク３００内に混在する場合、メディアアクセス方式としては、例えば図６に示す方式とすることが考えられる。図６に示すメディアアクセス方式を用いる場合、CTS selfやQoS CF-Pollといった制御情報６０，６１等を送信し、20MHz通信期間と40MHz通信期間との切り替えを集中的に制御する集中制御局が必要である。そこで、図５におけるIBSSのように集中制御局が介入しないネットワーク３００において、20MHz通信期間と40MHz通信期間との切り替えを制御する仮の集中制御局（「20M/40MHz切り替えオーナー」と呼ぶ）が必要である。20M/40MHz切り替えオーナーは、以下に説明するように同ネットワーク３００内のいずれかの端末から選出される。なお、以下の説明では、図５に示すネットワーク３００のことを単に「IBSS」と記す。

図７は、IBSSにおける通信期間の切り替えを示す図である。通信期間の種別としては、40MHzのチャネルが用いられる40MHz通信期間と、20MHzのチャネルが用いられる20MHz通信期間である。20M/40MHz切り替えオーナー７０は、これら通信期間の切り替えの主体であって、20M/40MHz切り替え制御フレームを送信することにより各通信期間の開始または終了をIBSSを構成する全端末に対して通知する役割を担う。IBSS内の各STAは、20M/40MHz切り替えオーナー７０の通知に従い、各通信期間において20MHz通信または40MHz通信を行う。

図７における各通信期間では、例えば、図６に示すメディアアクセス制御方式が用いられる。IEEE 802.11無線ＬＡＮシステムにおいては、本来、CF-PollはAPが送信するものであるため、BSSのSTAの一つである20M/40MHz切り替えオーナー７０が勝手にCF-Pollを送信することはできない。そこで、IBSSにおいて図６に示すメディアアクセス方式を用いる場合には、CF-Pollと同じ又はCF-Pollを拡張した構成を持つ新規フレームを定義し、フレームの種別を示すSubtypeをCF-Pollとは別に規定する。このフレームをCF-Poll’と記述する。

20M/40MHz切り替えオーナーは、CF-Pollの代わりにCF-Poll’を用いることで、BSSのAPでないにもかかわらず図６の場合と同様のメディアアクセス方式を実行することが可能である。

図８に20M/40MHz切り替えオーナーとして動作する際のSTAの機能ブロック図、図９８は20M/40MHz切り替えオーナー以外のSTAとして動作する際の機能ブロック図である。

図８に示すように、20M/40MHz切り替えオーナー７０は、20M/40MHz通信期間（切り替え周期）を決定し、または取得する機能８０と、タイマー機能８１と、20M/40MHz切り替え制御フレームの生成機能８２とを有する。タイマー機能８１は、20M/40MHz通信期間（切り替え周期）を機能８０から受領してタイマー値にセットし、カウントダウン動作を開始する。タイマー値がゼロになると、タイマー機能８１は機能８２に対し20M/40MHz切り替え制御フレームの生成を指示するとともに、20M/40MHz送受信部８３に対し、20MHzと40MHzのどちらの通信モードで動作するかを指示する。

一方、図９に示すように、20M/40MHz切り替えオーナー以外のSTAは、20M/40MHz切り替えオーナーが送信した20M/40MHz切り替え制御フレームを受信し、自STAの20M/40MHz送受信部９０の通信モードを切り替える機能９１を備えている。さらに、後述するビーコンフレームの受信を判断する機能９２、20M/40MHz切り替えオーナーアドレスを取得する機能９３、ビーコンフレームを生成する機能９４を備えている。

以下、IBSSにおけるSTAが如何にして20M/40MHz切り替えオーナーとして選出されるかについて実施形態毎に説明する。第１の実施形態は、IBSSを開設したSTAが20M/40MHz切り替えオーナーになる場合である。IBSSを開設したSTAは、言い替えれば直接通信を最初に開始したSTAである。

第１の実施形態に係る図１０を参照しながら、IEEE 802.11無線ＬＡＮシステムのIBSSにおける20M/40MHz切り替えオーナー選出手順を説明する。この手順において、例えばSTA1がIBSSを開設するものとする。STA1は、まずビーコンフレーム１１０をブロードキャストする。図１１に本実施形態で使用されるビーコンフレーム１１０の形式を示す。このとき、ビーコンフレーム１１０は、20MHzのチャネル(20MHz ch_a)を用いて送信する。ビーコンフレーム１１０には20M/40MHz切り替えエレメント１１１が設けられていて、IBSSを開始するSTA1はこのエレメント１１１に20M/40MHz切り替えオーナーのアドレスとして自STAのアドレスを格納する。ビーコンフレーム１１０を受信した各STAは、20M/40MHz切り替えオーナーのアドレスをエレメント１１１に基づいて取得することができる。なお、IBSSを開始するSTA1が20M/40MHz通信期間の長さや切り替え周期といったパラメータ値を決定し、ビーコンフレーム１１０の別のエレメントに格納して送信してもよい。STA1はビーコンフレーム１１０の送信後、20M/40MHz通信の切り替え制御を開始する。20M/40MHz通信の切り替え制御情報フレーム１１４を送信するのは、本実施形態ではSTA1のみであり、該制御は中央集権的に行われる。

一方、IBSSへの加入を希望するSTA2は、STA1のビーコンフレーム１１０を検知し、無線端末局間で認証を行うためのAuthenticationフレーム１１２を、20MHz ch_aを用いて、STA1に送信する。その後、STA1がSTA2へとAuthenticationフレーム１１３を20MHz ch_aを用いて送信することで、STA1-STA2間の認証が成立し、STA2がIBSSに加入する。STA2はSTA1からのビーコンフレーム１１０を参照することにより、20M/40MHz切り替えオーナーの存在の有無、及び20M/40MHz切り替えオーナーのアドレスを取得することができる。

IBSSでは、ビーコンフレームはIBSSを構成するすべてのSTA間で自立分散的に送信されることから、最初にIBSSを開設したSTA1がビーコンフレームを毎回、送信するわけではない。

第１の実施形態では、20M/40MHz切り替えオーナーはIBSSを開設したSTA1であって、他のいかなるSTAがビーコンを送信する場合であっても、ビーコンフレームには20M/40MHz切り替えオーナーとして、IBSSを開設したSTA1のアドレスが格納されるものとする（例えばビーコンフレーム１１５）。ビーコンを送信する他のSTAは、別のSTAが送信したビーコンフレームにおける20M/40MHz切り替えオーナーのアドレスを参照することにより、ビーコンフレーム生成時に同じSTAのアドレスを20M/40MHz切り替えオーナーとして記入することが可能である。

選出された20M/40MHz切り替えオーナーが20M通信と40MHz通信の切り替えに用いる、各通信期間長やその開始時刻、周期、切り替え頻度といったパラメータは以下に説明するようにして与えられる。

例えば、あらかじめ20MHz通信および40MHz通信のそれぞれの通信期間長や切り替え周期といったパラメータの値を固定値とする。そのIBSSが存在している間は、常にその値を使い続ける。これらのパラメータ値は、IBSS開始時に20M/40MHz切り替えオーナーが定めてもよいし、当該IBSSに対する親の関係にあるBSSにて定められている値を用いてもよい。

別の例として、20M/40MHz切り替えオーナーが、各通信期間の長さや切り替え周期といったパラメータの値を動的に変更できるようにしてもよい。例えば、20MHz通信または40MHz通信を行う端末数やトラヒック量に応じて変更することが考えられる。

IBSSにおける20M/40MHz切り替えオーナー以外のSTAは、20M/40MHz切り替えオーナーに対し、各通信期間の長さや切り替え周期の変更を要求フレームの送信を通じて要求できることが好ましい。この場合の端末の機能ブロック図を図１２に示す。端末１２０は、送信データバッファ１２６に蓄えられた送信データ量があらかじめ定められたスレッショルドを超えた場合、40MHzチャネルを用いた高速通信を行うために、40MHz通信期間を拡大するよう20M/40MHz切り替えオーナーに対して要求する要求フレームを生成する機能１２７を有する。機能１２２〜１２５については図９において対応する機能と同一である。

20M/40MHz切り替えオーナーは、各通信期間の長さ又は切り替え周期の変更要求フレームを受信した場合、変更要求内容に応じて各通信期間の長さ、もしくは切り替え周期に変更を加えてもよいし、または、変更要求内容によっては、これを却下し、パラメータ値を変更することなく従前の値を使い続けても良い。

次に、20M/40MHzの切り替えに関し、20M/40MHz切り替えオーナーは原則的にIBSS内のSTAからの要求に基づいて20M/40MHz切り替え制御情報フレームを送信する。つまり、20M/40MHz切り替えオーナーは、STAから40MHz通信要求フレームを受信した場合に限り、図６におけるCTS selfの送信を開始し、40MHz通信期間への移行を実行する。これは、IBSS内において通常は20MHz通信のみを行い、多くの送信データ量を保有しているといった理由から高速な40MHz通信を希望するSTAが、20M/40MHz切り替えオーナーに対し、40MHz通信の要求フレームを送信する方式である。

また、IBSS内における通常の通信を40MHz通信とし、STAから要求がある場合のみ20MHz通信へと移行するという、上記と逆のケースも考えられる。

本実施形態では、IBSSを形成している間、20M/40MHz切り替えオーナーは当該IBSSを開始したSTAであるとしている。しかし、バッテリーの電力不足や移動による電波の切断といった何らかの事情により、20M/40MHz切り替えオーナーがIBSSから離脱することも考えられる。そこで、20M/40MHz切り替えオーナーである当初STAが当該IBSSから離脱したら、以下に説明するように、後継となる20M/40MHz切り替えオーナーが選出され、20M/40MHz通信の集中切替制御は維持される。

例えば、20M/40MHz切り替えオーナーがIBSSから離脱する際、IBSSを構成するSTAのうち１台を後継の20M/40MHz切り替えオーナーとして選択する。後継の20M/40MHz切り替えオーナーの選択基準としては、各STAの持つ物理的な能力や、保有している送信データ量といった要素が考えられる。20M/40MHz切り替えオーナーは選択したSTAに、20M/40MHz切り替え制御権譲渡データを格納したフレームを送信し、後継の20M/40MHz切り替えオーナーとして選択することを通知する。選択されたSTAは切り替え制御権譲渡フレームを受信し、可能ならば切り替え制御権受諾フレームを20M/40MHz切り替えオーナーに返信する。20M/40MHz切り替えオーナーは、後継として選択したSTAから切り替え制御権受諾フレームを受信した後、新しい20M/40MHz切り替えオーナーのアドレスをブロードキャストによりIBSS内の全STAに通知してもよい。こうすることで、各STAがビーコンフレームを送信する場合に、ビーコンフレーム内に記述する20M/40MHz切り替えオーナーのアドレスを、最新の情報に更新することができる。

また、20M/40MHz切り替えオーナーがIBSSから離脱する場合、後継となる20M/40MHz切り替えオーナーの選出方法として、次のような例も考えられる。まず、20M/40MHz切り替えオーナーはIBSSから離脱する前に、20M/40MHz切り替えオーナー交代要求フレームをブロードキャストする。この20M/40MHz切り替えオーナー交代要求フレームには、20M/40MHz切り替えオーナーになるために必要なSTA能力といった条件を記述する。20M/40MHz切り替えオーナー交代要求フレームを受信したSTAが、条件を満たしている場合、そのSTAは20M/40MHz切り替えオーナー立候補フレームを20M/40MHz切り替えオーナーに返信、またはブロードキャストする。20M/40MHz切り替えオーナー立候補フレームには、自STAのSTA能力を記述する。

20M/40MHz切り替えオーナーは各STAからの20M/40MHz切り替えオーナー立候補フレームを受信し、１台のSTAを後継として選択する。選択方法は、20M/40MHz切り替えオーナー立候補フレームに記述されたSTA能力を使用してもよいし、他の方法を用いてもよい。20M/40MHz切り替えオーナーは後継となるSTAを選択した後、該STAに20M/40MHz切り替え制御権譲渡フレームを送信する。後継STAは、切り替え制御権譲渡フレームを受信後、実際に20M/40MHz通信の切り替え制御を開始する。

上記の手順終了後、20M/40MHz切り替えオーナー、または後継STAのいずれかが、新しい20M/40MHz切り替えオーナーのアドレスをブロードキャストによりIBSS内の全STAに通知してもよい。

上記の方法では、複数のSTAが20M/40MHz切り替えオーナーとして立候補した場合、20M/40MHz切り替えオーナーが後継STAを選択する。この方法の他に、各立候補STA同士が競争を行い、勝ち残ったSTAが最終的に20M/40MHz切り替え制御権を獲得する方式も考えられる。

例えば、20M/40MHz切り替えオーナーが、20M/40MHz切り替えオーナー交代要求フレームをブロードキャストした後、一定時間の競争期間を設ける。競争期間の長さは、例えば20M/40MHz切り替えオーナー交代要求フレームに記述してもよい。20M/40MHz切り替えオーナーに立候補するSTAは、競合期間内に20M/40MHz切り替えオーナー立候補フレームを、IBSS内のSTAにブロードキャストする。このとき、あらかじめ各STAは20M/40MHz切り替えオーナーになる必要性の大小に応じて、20M/40MHz切り替えオーナー立候補フレームの送信回数を決定しておき、競争期間内にその回数分の送信を行おうと試みる。20M/40MHz切り替えオーナーになる必要性は、例えば各STAの有する送信データ量等に応じて決定することができる。20M/40MHz切り替えオーナーになる必要性の高いSTAほど送信回数を多く設定することで、競争期間の最後まで20M/40MHz切り替えオーナー立候補フレームを送信し続ける可能性が高くなる。競争期間の最後まで20M/40MHz切り替えオーナー立候補フレームを送信し続けたSTAに20M/40MHz切り替え制御権を与え、次の20M/40MHz切り替えオーナーとする。

または、20M/40MHz切り替えオーナー立候補フレーム内のSTA能力を互いにチェックし、自STAよりも高い能力のSTAがいる場合には、20M/40MHz切り替えオーナー立候補フレームの送信を行わない、といった自制的な動作を行うことが好ましい。この場合も、競争期間の最後まで20M/40MHz切り替えオーナー立候補フレームを送信し続けたSTAが20M/40MHz切り替え制御権を獲得し、次の20M/40MHz切り替えオーナーとなる。

また、20M/40MHz切り替えオーナーがIBSSから離脱する場合、後継となる20M/40MHz切り替えオーナーを選出せずに、何もすることなく離脱する場合も考えられる。このような場合、IBSS内に20M/40MHz切り替えオーナーが存在しないことを検知したSTAが、新たな20M/40MHz切り替えオーナーになることができる。

複数のSTAが20M/40MHz切り替えオーナーの不在を検知した場合には、例えば前述したようなSTA間の競争を行い、勝ち残ったSTAが新たな20M/40MHz切り替えオーナーとなってもよい。ただし、20M/40MHz切り替えオーナーが何もせずにIBSSから離脱した場合、競争期間の設定が行われないので、この場合には、最初に20M/40MHz切り替えオーナーの不在を検知したSTAが、競争期間開始フレームをIBSS内にブロードキャストする。これにより、前述と同様の競争手順を開始することができる。この場合、競争期間の長さは最初に20M/40MHz切り替えオーナーの不在を検知したSTAが決定し、競争期間開始フレーム内に記述する。

20M/40MHz切り替えオーナーの不在を検知する方法として、一定期間の間、20M/40MHz通信の切り替えが１回も行われない場合が考えられる。各STAはあらかじめ定めた一定期間、20M/40MHz切り替えオーナーから20M/40MHz通信切り替えの制御情報フレームを受信しない場合、20M/40MHz切り替えオーナーがIBSSを離脱したと判断し、前述の方式に従い、新たな20M/40MHz切り替えオーナーを決定する。

また、20M/40MHz切り替えオーナーの不在を検知する別の方法として、20M/40MHz切り替えオーナーが応答すべき特定のイベントに対して20M/40MHz切り替えオーナーが応答を返さない場合が考えられる。例えば、STAから40MHz通信の要求フレームを受信した場合に、20M/40MHz切り替えオーナーが制御情報を送信して40MHz通信に切り替えるような通信手順の場合を考える。STAは40MHz通信要求フレームにタイマーを設定し、40MHz通信要求フレームを送信してからタイマー時間内に20M/40MHz切り替えオーナーが20MHz通信から40MHz通信への切り替えのための制御情報を送信しない場合、20M/40MHz切り替えオーナーがIBSSを離脱したと判断する。または、40MHz通信要求フレームに対して、数回にわたって20M/40MHz切り替えオーナーが応答しない場合、20M/40MHz切り替えオーナーがIBSSを離脱したと判断する。

その後、前述の方式に従い、新たな20M/40MHz切り替えオーナーを決定する。

以上説明した第１の実施形態によれば、集中制御局を介さず無線端末局間で直接通信を行うIBSSにおいて、同一周波数帯に混在する異なる周波数帯域を持つ複数のチャネルに対するメディアアクセス制御を行うことができる。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態は、IBSSを開設したSTAが20M/40MHz切り替えオーナーになる場合であったが、第２の実施形態では、ビーコンフレームの送信に成功したSTAが20M/40MHz切り替えオーナーになる場合である。

IBSSにおけるビーコンの送信は、IBSSを構成するすべてのSTA間で自立分散的に行われる。IBSSにおけるビーコン周期は、最初にIBSSを開設したSTAが決定し、その値はビーコンフレーム、ならびにプローブ応答フレームに記述される。IBSSに加入するSTAは、ビーコンフレームやプローブ応答フレームに設定されたビーコン周期を参照する。IBSSではTBTT(Target Beacon Transmission Time)毎にTSF(Timing Synchronization Function)タイマーが0にリセットされ、そのタイミングで各STAは、下記の手順でビーコンの送信を試みる。

第２の実施形態に係る図１３を参照しながら、本実施形態における20M/40MHz切り替えオーナー選出手順を説明する。

まず、TBTTにおいて各STAはビーコン以外のフレームの送信を中断する。各STAは、送信を試みるビーコンフレームを生成し、該ビーコンフレームに20M/40MHz切り替えオーナーとして自STAアドレスを格納する。また、ビーコンフレームには、20M/40MHzそれぞれの通信期間の長さや開始時刻、切り替え周期、切り替え頻度といったパラメータも記述することができる。その後、各STAはバックオフカウンターのカウントダウンを開始し、バックオフカウンターが0になったところで、20Mチャネルを用いてビーコンを送信する。もし、バックオフカウンターが0になる前に、他のSTAが送信するビーコンを受信した場合には、自STAのビーコン送信をキャンセルする。

本実施形態の手順では、ビーコンフレームに20M/40MHz切り替えオーナーとして自STAアドレスを格納しているため、ビーコン送信権を獲得したSTAは、自STAのアドレスが格納されたビーコンを送信することになる。従って、バックオフに勝ち残った、つまりビーコンの送信権に獲得に成功したSTAが、ビーコン送信に後続するビーコンインターバルの間、20M/40MHz切り替えオーナーになる。また、ビーコンフレームに20M/40MHz切り替えオーナーとして自STAアドレスを格納することにより、ビーコン送信に後続するビーコンインターバルにおける20M/40MHz切り替えオーナーが自STAであることをIBSS内の他のSTAに通知することができる。

本実施形態では、ビーコンインターバル毎に異なるSTAが20M/40MHz切り替えオーナーとなりうる。図１３の例では、バックオフに勝ち残り、ビーコンを送信したSTA1が、ビーコン１３０の送信に後続するビーコンインターバルの間、20M/40MHz切り替えオーナーになって、20M/40MHz切り替え制御情報フレーム１３１を送信する。次のビーコンインターバルでは、バックオフに勝ち残ったのはSTA2であり、該STA2はビーコン１３２を送信する。さらにSTA2は、ビーコン１３２の送信に後続するビーコンインターバルの間、20M/40MHz切り替えオーナーになって、20M/40MHz切り替え制御情報フレーム１３３，１３４等を送信する。

尚、IBSSの場合、バックオフに勝ち残ったSTAがTBTTにビーコンを送信するため、２台以上のSTAが同時にビーコンを送信する可能性がある。この場合、競合したSTA間の競争等によりいずれか１台のSTAを20M/40MHz切り替えオーナーとしてもよいし、２台以上のSTAを20M/40MHz切り替えオーナーとしてもよい。

20M/40MHzそれぞれの通信期間の長さや開始時刻、切り替え周期、切り替え頻度といったパラメータが、あらかじめ固定値で定められている場合、異なる20M/40MHz切り替えオーナー、異なるビーコンインターバルであっても、IBSSが存在している間は常に一貫してあらかじめ定められた固定値が使われ続ける。すなわち、各STAは同じパラメータ値をビーコンフレームに記入し、バックオフの結果、どのSTAが20M/40MHz切り替えオーナーになっても、各通信期間の長さや切り替え周期は同じである。

これらの各通信期間の長さや切り替え周期は、IBSS開始時に20M/40MHz切り替えオーナーが定めてもよいし、IBSSの親となっているBSSにあらかじめ定められていてもよい。

ビーコンフレームを参照することで、全STAが各通信期間の長さや切り替え周期の設定値を知ることができ、どのSTAが20M/40MHz切り替えオーナーになっても、その設定値に基づき20M/40MHz通信の切り替え制御を行うことができる。

また、各20M/40MHz切り替えオーナーが、各通信期間の長さや切り替え周期を動的に変更してもよい。例えば、20MHz通信または40MHz通信を行う端末数やトラヒック量に応じて変更することが考えられる。この場合、バックオフに勝ち残り20M/40MHz切り替えオーナーとなったSTAが各通信期間の長さや切り替え周期を決め、ビーコン送信に後続するビーコンインターバルにおける20M/40MHz通信切り替えを制御する。

本実施形態の場合、ビーコンインターバルごとに異なるSTAが20M/40MHz切り替えオーナーとなりうるため、各通信期間の長さや切り替え周期はビーコンインターバルごとに異なる可能性がある。

20M/40MHz切り替えオーナー以外のIBSSを構成するSTAは、20M/40MHz切り替えオーナーに対して、各通信期間の長さや切り替え周期の変更要求を送信することができる。20M/40MHz切り替えオーナーは、各通信期間の長さ又は切り替え周期の変更要求を受信した場合、変更要求内容に応じて各通信期間の長さ、もしくは切り替え周期に変更を加えてもよいし、変更せずに同じ値を使い続けても良い。

また、本実施形態の場合、20M/40MHz切り替えオーナーは自STAが20M/40MHz切り替えオーナーであるビーコンインターバルの期間内だけ、各通信期間の長さ、もしくは切り替え周期を変更することができる。

以上説明した第２の実施形態によっても、集中制御局を介さず無線端末局間で直接通信を行うIBSSにおいて、同一周波数帯に混在する異なる周波数帯域を持つ複数のチャネルに対するメディアアクセス制御を行うことができる。

（第３の実施形態）
上述した第１の実施形態は、IBSSを開設したSTAが20M/40MHz切り替えオーナーになる場合であり、第２の実施形態は、ビーコンフレームの送信に成功したSTAが20M/40MHz切り替えオーナーになる場合であった。第３の実施形態は、40MHzチャネルによるデータ送信を希望するSTAが20M/40MHz切り替えオーナーになる場合である。

IBSS内では、通常、20MHz通信が行われており、20M/40MHz通信を切り替える必要がない。そこで本実施形態では、20M/40MHz切り替えオーナーを不特定とする。このようなIBSSにおいて、あるSTAが保有している送信データ量が多く40MHzチャネルによる高速通信を行いたい場合に、そのSTA自らが20M/40MHz切り替えオーナーになることで、IBSS内の通信を20MHz通信から40MHz通信へと切り替える。

まず、各STAは自STA内の送信バッファをチェックし、蓄えられている送信データ量があらかじめ設定されたスレッショルドよりも多い場合は、20M/40MHz切り替えオーナー立候補フレームをIBSS内にブロードキャストする。

その後の一定期間、他のSTAからの20M/40MHz切り替えオーナー立候補フレームを受信しない場合、自STAが20M/40MHz切り替えオーナーとなり、20MHz通信から40MHz通信へと切り替えるための制御情報の送信を開始する。

複数のSTAが20M/40MHz切り替えオーナーに立候補した場合には、例えば第１の実施形態で記述したようなSTA間の競争を行い、勝ち残ったSTAが新たな20M/40MHz切り替えオーナーとなってもよい。

この場合には、最初に20M/40MHz切り替えオーナーに立候補したSTAが、競争期間開始フレームをIBSS内にブロードキャストする。これにより、第１の実施形態と同様の競争手順を開始することができる。この場合、競争期間の長さは最初に20M/40MHz切り替えオーナーに立候補したSTAが決定し、競争期間開始フレーム内に記述する。

このような第３の実施形態によっても、集中制御局を介さず無線端末局間で直接通信を行うIBSSにおいて、同一周波数帯に混在する異なる周波数帯域を持つ複数のチャネルに対するメディアアクセス制御を行うことができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る端末の構成を示す図 同実施形態に係る別の端末の構成を示す図 同実施形態に係るネットワーク構成を説明する図 同実施形態のネットワーク構成例におけるチャネルの模式図 同実施形態に係る別のネットワーク構成を説明する図 同実施形態に係るメディアアクセス方式を説明する図 同実施形態に係る端末の構成を示す図 同実施形態に係る別の端末の構成を示す図 同実施形態に係る周波数チャネルの使用例を示す図 同実施形態に係る20M/40MHz切り替えオーナー選出手順を説明する図 同実施形態に係るビーコンフレームの構成を示す図 同実施形態に係る別の端末の構成を示す図 本発明の第２の実施形態に係る20M/40MHz切り替えオーナー選出手順を説明する図

符号の説明

１０…物理層；
１１…第１の物理層プロトコル処理部；
１２…第２の物理層プロトコル処理部；
１３Ａ〜１３Ｃ…アンテナ；
２０…ＭＡＣ層；
２１…チャネルアクセス制御部；
２２…キャリアセンス部；
２３…チャネル状態管理部；
２４…チャネル占有・解放制御部２４；
２５…ネットワークシステム管理部；
３０…リンク層；

Claims (21)

1. 複数の無線端末局を有し、該複数の無線端末局が無線基地局を介さない直接通信を行う無線通信システムにおいて、
   第１の周波数帯域を持つ１つの第１チャネルを用いた第１の無線通信のみを行う無線端末局と、
   前記第１の無線通信に加え、前記第１の周波数帯域よりも帯域幅が広い第２の周波数帯域を持つ第２チャネルを用いた第２の無線通信を行う能力を有する無線端末局とを具備し、
   前記第１の無線通信による通信期間と、前記第２の無線通信による通信期間との間の切り替えを制御する切替制御権を有する切替制御権オーナーを、前記第１の無線通信におけるビーコンフレームに基づいて前記複数の無線端末局のうち前記第２の無線通信を行う能力を有する無線端末局のなかから選出する無線通信システム。
2. 前記直接通信を最初に開始した無線端末局を前記切替制御権オーナーに選出する請求項１記載の無線通信システム。
3. 無線通信媒体のアクセス制御に係るバックオフ後にビーコンフレームの送信に成功した無線端末局を前記切替制御権オーナーに選出する請求項１記載の無線通信システム。
4. 前記切替制御権オーナーがビーコンインターバル毎に変化する請求項３記載の無線通信システム。
5. 前記切替制御権オーナーが、いずれかの無線端末局を指定し、該無線端末局に対し前記切替制御権を移譲する請求項１記載の無線通信システム。
6. 無線通信端末の物理能力に基づいて前記無線端末局を指定する請求項５記載の無線通信システム。
7. 前記第２の無線通信の開始を要求する無線端末局が前記切替制御権オーナーに選出される請求項１記載の無線通信システム。
8. 前記切替制御権の放棄を検知した無線端末局が前記切替制御権オーナーに選出される請求項１記載の無線通信システム。
9. 前記切替制御権オーナーの不存在を検知した無線端末局が切替制御権オーナーに選出される請求項１記載の無線通信システム。
10. 前記第１の無線通信による通信期間と、前記第２の無線通信による通信期間との間の切り替えがビーコンインターバルにおいて一度も発生しないことを以て前記切替制御権オーナーの不存在を検知する請求項９記載の無線通信システム。
11. 前記切替制御権オーナーに対する要求フレームに対応する該切替制御権オーナーからの応答フレームの待機時間に基づいて前記切替制御権オーナーの不存在を検知する請求項９記載の無線通信システム。
12. 無線端末局間の競合により前記切替制御権オーナーが選出される請求項５乃至１１のいずれかに記載の無線通信システム。
13. 前記第１の通信期間および第２の通信期間は固定長であり、かつ、該通信期間が周期的に切り替わる請求項１記載の無線通信システム。
14. 前記切替制御権オーナーが前記第１の通信期間および第２の通信期間の長さ、および切替周期の少なくとも何れかを変化させる請求項１記載の無線通信システム。
15. 前記切替制御権オーナー以外の無線端末局からの変更要求フレームに応じて、前記切替制御権オーナーが前記第１の通信期間および第２の通信期間の長さ、および切替周期の少なくとも何れかを変化させる請求項１４記載の無線通信システム。
16. 前記切替制御権オーナー以外の無線端末局からの切替要求フレームを受信した場合に限り、前記切替制御権オーナーが前記第１の無線通信による通信期間と、前記第２の無線通信による通信期間との間の切り替え制御を実行する請求項１記載の無線通信システム。
17. 第１の周波数帯域を持つ１つの第１チャネルを用いた第１の無線通信のみを行う無線端末局と、前記第１の無線通信に加え、前記第１の周波数帯域よりも帯域幅が広い第２の周波数帯域を持つ第２チャネルを用いた第２の無線通信を行う能力を有する無線端末局とを含む複数の無線端末局が無線基地局を介さない直接通信を行う無線通信方法において、
    前記第１の無線通信による通信期間と、前記第２の無線通信による通信期間との間の切り替えを制御する切替制御権を有する切替制御権オーナーを、前記第１の無線通信におけるビーコンフレームに基づいて前記複数の無線端末局のうち前記第２の無線通信を行う能力を有する無線端末局のなかから選出する無線通信方法。
18. 複数の無線端末局を有し、該複数の無線端末局が無線基地局を介さない直接通信を行う無線通信システムにおいて、
    第１の周波数帯域を持つ１つの第１チャネルを用いた第１の無線通信のみを行う無線端末局と、
    前記第１の無線通信に加え、前記第１の周波数帯域よりも帯域幅が広い第２の周波数帯域を持つ第２チャネルを用いた第２の無線通信を行う能力を有する無線端末局とを具備し、
    前記第１の無線通信による通信期間と、前記第２の無線通信による通信期間との間の切り替えを制御する切替制御権を有する切替制御権オーナーを、前記第１の無線通信において送信され、前記切替制御権オーナーのアドレスを表すエレメントを含む制御フレームに基づいて、前記複数の無線端末局のうち前記第２の無線通信を行う能力を有する無線端末局のなかから選出する無線通信システム。
19. 無線通信媒体のアクセス制御に係るバックオフ後に、前記制御フレームの送信に成功した無線端末局を前記切替制御権オーナーに選出する請求項１８記載の無線通信システム。
20. 前記切替制御権オーナーが、前記制御フレームの一定の送信周期毎に変化する請求項１９記載の無線通信システム。
21. 第１の周波数帯域を持つ１つの第１チャネルを用いた第１の無線通信のみを行う無線端末局と、前記第１の無線通信に加え、前記第１の周波数帯域よりも帯域幅が広い第２の周波数帯域を持つ第２チャネルを用いた第２の無線通信を行う能力を有する無線端末局とを含む複数の無線端末局が無線基地局を介さない直接通信を行う無線通信方法において、
    前記第１の無線通信による通信期間と、前記第２の無線通信による通信期間との間の切り替えを制御する切替制御権を有する切替制御権オーナーを、前記第１の無線通信において送信され、前記切替制御権オーナーのアドレスを表すエレメントを含む制御フレームに基づいて、前記複数の無線端末局のうち前記第２の無線通信を行う能力を有する無線端末局のなかから選出する無線通信方法。

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