JP5754815B2 - 無線通信システム、及び無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の端末からアクセスポイントへの上りリンク通信を行う無線通信システム、及び無線通信方法に関する。

無線通信では、限られた周波数資源の中で膨大な数の端末を収容し、高品質な通信サービスを提供するために、周波数資源の利用効率を向上することが望まれている。このため、例えばアンライセンスバンドにて周波数共用を図るための自律分散型媒体アクセス制御方式として、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance、衝突回避機能付きキャリア感知多重アクセス）方式が用いられている（例えば非特許文献１参照）。非特許文献１において、ＤＣＦ（Distributed Coordination Function）として規定されているＣＳＭＡ／ＣＡ方式では、各端末は、確率的に均等に送信権を獲得し、送信権を獲得した端末が無線リソースを占有して伝送する。この場合、送信権の獲得は各端末の伝搬路状況とは無関係であり、獲得した無線リソースは単一の端末が占有する。このため、時間選択性フェージング環境下、及び周波数選択性フェージング環境下では、十分に高い周波数利用効率が得られずに無線リソースを十分に有効に利用することができず、高いスループットを得ることができない。

一方、上述のようなフェージング環境下において、伝搬路状況の良好な端末が送信権を獲得し易くする優先制御型ＣＳＭＡ／ＣＡを導入することによりスループットの向上を図る手法が提案されている（例えば非特許文献２参照）。しかし、この手法の場合、伝搬路状況が良好な端末ほど、より送信権を獲得し易くなり、端末によって送信権獲得頻度が異なる。また、非特許文献１と同様、獲得した無線リソースは、単一の端末が占有することから、周波数選択性フェージング環境下では、部分的に利得の低い周波数帯域が存在し、無線リソースを十分に活用できず、高いスループットを得ることはできない。

IEEE 802.11-2007, IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks-Specific requirements-Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Chan-soo Hwang, John M. Cioffi , "Opportunistic CSMA/CA for achieving multi-user diversity in wireless LAN IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 8, no. 6, pp. 2972 - 2982, June 2009.

上述のように、非特許文献１、及び２による無線通信方法では、送信権の獲得は、各端末の伝搬路状況を十分考慮しておらず、単一の端末が獲得した無線リソースを占有することから、時間選択性、周波数選択性、及び空間選択性フェージング環境下では、無線リソースを十分に有効に利用することができず、高いスループットを得ることはできないという問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、無線リソースを有効利用し、スループットを高めることができる無線通信システム、及び無線通信方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、複数の端末からアクセスポイントに対して情報伝送を行う上りリンクマルチユーザ通信を行う無線通信システムであって、前記複数の端末は、少なくとも１回以上のキャリアセンスを実施するキャリアセンス実行部と、前記キャリアセンス実行部によるキャリアセンスに応じて、前記アクセスポイントからサブチャネルが割当てられたか否かを判定するサブチャネル割当判定部と、前記サブチャネル割当判定部によりサブチャネルが割当てられていないと判定された場合に、前記キャリアセンス実行部による２回目以降のキャリアセンスのランダムバックオフ時間を決定するランダムバックオフ時間決定部とを備え、前記アクセスポイントは、前記端末からのキャリアセンスに応じて、空きサブチャネルがあるか否かを判定する空きサブチャネル判定部と、前記サブチャネル判定部により空きチャネルがあると判定された場合に、空きサブチャネルの中から、送信権を獲得した端末に割当てるサブチャネルを決定するサブチャネル決定部とを備えることを特徴とする無線通信システムである。

本発明は、上記の発明において、前記空きサブチャネル判定部は、時間軸、周波数軸、空間軸、もしくはそれらの組合せに従って、通信チャネルをサブチャネルに分割し、各サブチャネルの伝搬路状況に基づいて、割当てられていない空きサブチャネルを決定することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記ランダムバックオフ時間決定部は、空きサブチャネルの伝搬路状況が良好であるほど短くなるように、キャリアセンスのランダムバックオフ時間を決定することを特徴とする。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、複数の端末からアクセスポイントに対して情報伝送を行う上りリンクマルチユーザ通信を行う無線通信方法であって、前記複数の端末が、１回目のキャリアセンスを実施するステップと、前記複数の端末が、キャリアセンスに応じて、前記アクセスポイントからサブチャネルが割当てられたか否かを判定するステップと、前記複数の端末が、サブチャネルが割当てられていないと判定された場合に、前記キャリアセンスのランダムバックオフ時間を決定するステップと、前記複数の端末が、前記ランダムバックオフ時間に基づいて、２回目以降のキャリアセンスを実施するステップと、前記アクセスポイントが、前記端末からのキャリアセンスに応じて、空きサブチャネルがあるか否かを判定するステップと、前記アクセスポイントが、空きチャネルがあると判定された場合に、空きサブチャネルの中から、送信権を獲得した端末に割当てるサブチャネルを決定するステップとを含むことを特徴とする無線通信方法である。

この発明によれば、無線リソースの有効利用を図り、スループットを高めることができる。

本実施形態によるアクセスポイント（基地局）ＡＰ、及び端末の構成を示すブロック図である。 本実施形態によるアクセスポイントＡＰ、及び端末の動作を説明するためのフローチャートである。 本実施形態において、ＩＥＥＥ８０２．１１無線ＬＡＮシステムへ適用した具体的な通信プロトコルを示す概念図である。 本実施形態において、空きサブチャネル有無の判定方法の例を示す概念図である。 本実施形態において、空きサブチャネルの伝搬路状況とランダムバックオフ時間との関係を示す概念図である。 本実施形態において、サブチャネルの割当方法の例を示す概念図である。 従来技術のＭＡＣ（Media Access Control）プロトコルを示す概念図である。 本発明と従来技術における、端末数と最大スループットの関係を示す概念図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
Ａ．実施形態
図１は、本実施形態の無線通信システムにおけるアクセスポイント（基地局）ＡＰ、及び端末の主要構成を示すブロック図である。図１において、アクセスポイントＡＰは、空きサブチャネル判定部１０と、サブチャネル決定部１１と、マルチユーザ伝送成否応答部１２とを備えている。空きサブチャネル判定部１０は、各端末からのキャリアセンスに応じて、各サブチャネルの伝搬路状況から空きサブチャネルがあるか否かを判定する。サブチャネル決定部１１は、空きサブチャネルの中から、送信権を獲得した端末に割当てるサブチャネルを決定する。マルチユーザ伝送成否応答部１２は、複数の端末から上りリンクマルチユーザ伝送の成否を応答する（ＡＣＫの送信）。

端末＃１、＃２（本実施形態では２つの端末を想定）は、キャリアセンス実行部２０と、サブチャネル割当判定部２１と、ランダムバックオフ時間決定部２２とを備えている。キャリアセンス実行部２０は、１回目に通常のキャリアセンスを実行し、該キャリアセンスでサブチャネルを獲得できない場合には、後述するランダムバックオフ時間に従って、サブチャネルを獲得できるまで、キャリアセンスを繰り返し実行する。サブチャネル割当判定部２１は、キャリアセンス実行部２０によるキャリアセンスに応じて、アクセスポイントＡＰによってサブチャネルが割当てられたか否かを判定する。ランダムバックオフ時間決定部２２は、サブチャネルが割当てられない場合に、空きサブチャネルの伝搬路状況（受信ＳＮＲなど）が良好であるほど短くなるようにランダムバックオフ時間を決定する。

本実施形態では、アクセスポイントＡＰが、端末によるキャリアセンスに応じて、受信ＳＮＲ等から伝搬路状況を推定し、該伝搬路状況に基づき割当ての可否を判定し、空きサブチャネルがある限り、再度、キャリアセンスを受け付け、端末は、２回目のＲＴＳ（Request To Send）以降、ＣＴＳ（Clear To Send）の受信ＳＮＲ等から伝搬路状況を推定し、該伝搬路状況に基づいてバックオフ時間を決定して、アクセスポイントＡＰに対してアクセスし、割当てられた端末は、アクセスポイントＡＰに対してＯＦＤＭＡなどの多元接続方式によりユーザ通信を行う。つまり、マルチユーザ通信の実現のために、アクセスポイントＡＰが集中制御的に複数の端末を各サブチャネルにマッピングするのではなく、各端末が複数回のＣＳＭＡ／ＣＡを実施することによって自律分散的にマッピングする。これにより、各端末が自律的に良好な伝搬路状況のサブチャネルを選択してユーザ通信を行うため、無線リソースの有効利用を図ることができる。

図２は、本実施形態によるアクセスポイントＡＰ、及び端末の動作を説明するためのフローチャートである。まず、各端末は、通常のキャリアセンスを実行する（ステップＳ１）。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１無線ＬＡＮシステムで用いているＣＳＭＡ／ＣＡ方式によって端末の送信権獲得を行う。

次に、アクセスポイントＡＰは、上記キャリアセンスを受けて、空きサブチャネルがあるか否かを判定する（ステップＳ２）。より具体的には、アクセスポイントＡＰは、送信権獲得時において送信権を獲得した端末との間の各サブチャネルの伝搬路状況を推定する。ここで、各サブチャネルとは、無線リソースを、時間軸、周波数軸、もしくは空間軸で分割して得られる無線リソースである。アクセスポイントＡＰは、ステップＳ１において送信権を獲得した端末との間の各サブチャネルの伝搬路状況から空きサブチャネルの有無を判別する。

そして、空きサブチャネルがある場合には（ステップＳ２のＹＥＳ）、端末は、ｋ（ｋ≧２）回目のＣＳＭＡ／ＣＡの実施に移行する（ステップＳ３）。すなわち、ステップＳ１で送信権を獲得した端末以外の端末は、ＣＳＭＡ／ＣＡに従って送信権の獲得を試みる。ここでは、空きサブチャネルを有効に利用できる端末が優先的に送信権を獲得できるよう、ＣＳＭＡ／ＣＡでのランダムバックオフ値を決定する。

次に、アクセスポイントＡＰは、サブチャネルを決定する（ステップＳ４）。アクセスポイントＡＰは、空きサブチャネルの中から、ステップＳ３で送信権を獲得した端末に割当てるサブチャネルを決定する。その後、ステップＳ２に戻り、上述した処理を繰り返す。

一方、空きサブチャネルがなくなった場合には（ステップＳ２のＮＯ）、既に無線リソースが十分に活用されているものと判定し、マルチユーザ伝送の実施に移行する（ステップＳ５）。上記ステップＳ１〜Ｓ４による複数回のキャリアセンスを通して決定した複数の端末からアクセスポイントＡＰ宛の上りリンクマルチユーザ伝送を実施する。アクセスポイントＡＰは、マルチユーザ伝送の成否を応答する（ステップＳ６）。具体的には、アクセスポイントＡＰは、各端末から伝送されたデータの受信成否を検査し、ＡＣＫを返信する。

図３は、本実施形態において、ＩＥＥＥ８０２．１１無線ＬＡＮシステムへ適用した具体的な通信プロトコルを示す概念図である。図３において、（１）では、各端末がＣＳＭＡ／ＣＡ方式に従って、ＤＩＦＳ（DCF Inter Frame Space）時間とランダムバックオフ時間のキャリアセンスを実施する。ここで、ランダムバックオフ時間は、通常のＣＳＭＡ／ＣＡ方式と同様に決定される。

（２）では、ランダムバックオフ時間が最短であった端末が、ＲＴＳフレームをアクセスポイントＡＰ宛に伝送し、送信権を獲得する。図３では、端末＃１が送信権を獲得し、ＲＴＳフレームを伝送するものとしている。アクセスポイントＡＰは、受信したＲＴＳフレームから、当該端末＃１の各サブチャネルの伝搬路状況を推定する。推定結果に基づいて、端末＃１に割当てるサブチャネル、及び端末＃１に割当てないサブチャネル（空きサブチャネル）を決定する。例えば、図４に示すように、４つのサブチャネルがある場合、各サブチャネルの受信信号電力対雑音電力比（受信ＳＮＲ）が、所定の閾値γよりも小さい場合に、空きサブチャネルとする方法が考えられる。

（３）では、アクセスポイントＡＰは、グループ内全端末宛にＣＴＳフレームを伝送する。ＣＴＳフレームには、空きサブチャネル番号が記載されている。また、各端末は、受信したＣＴＳフレームから空きサブチャネルの伝搬路状況を推定する。

（４）では、各端末は、再度、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式に従って、ランダムバックオフを開始する。ここで、ランダムバックオフ時間は、空きサブチャネルの伝搬路状況（受信ＳＮＲなど）が良好であるほど短くなるように決定する。図５は、本実施形態において、空きサブチャネルの伝搬路状況とランダムバックオフ時間（ＣＷ（Contention Window））との関係を示す概念図である。受信ＳＮＲが良いほど、段階的に、ＣＷの値を小さくしていることが分かる。

（５）では、２回目のランダムバックオフ時間が最短であった端末が、２ｎｄ−ＲＴＳフレームをアクセスポイントＡＰ宛に伝送し、空きサブチャネルを利用する候補端末として送信する。図３では、端末＃２が２ｎｄ−ＲＴＳフレームを伝送するものとしている。アクセスポイントＡＰは、２ｎｄ−ＲＴＳフレームから端末＃２の伝搬路状況を推定する。

（６）では、アクセスポイントＡＰは、１回目のＣＳＭＡ／ＣＡで送信権を獲得した端末＃１、及び２回目のＣＳＭＡ／ＣＡで送信権を獲得した端末＃２の伝搬路状況に基づいて、上りリンクマルチユーザ通信で各端末が利用するサブチャネルを決定する。例えば、図６に示すように、１回目の送信権を獲得した端末＃１と２回目の送信権を獲得した端末＃２の、各サブチャネルの受信ＳＮＲを比較し、受信ＳＮＲの高い端末にサブチャネルを割当てる方法が考えられる。サブチャネルを割当てた結果は、ＡＲＢＩフレームにて通知される。

（７）では、サブチャネルを割当てられた端末は、ＯＦＤＭＡやＳＤＭＡなどの多元接続方式を用いて、アクセスポイントＡＰ宛にデータを伝送する（マルチユーザ通信）。
（８）では、アクセスポイントＡＰは、各端末からのデータの受信成否を検査し、ＡＣＫを返信する。ＡＣＫには、マルチユーザ通信で各端末から伝送されたデータの受信成否が記載されている。

本実施形態では、下り（あるいは上り）リンク通信に、端末が１つしかない場合、つまり、事実上、単一端末とアクセスポイントＡＰ、あるいは基地局ＢＳとの間のシングルユーザ通信となった場合には、マルチキャリア多重伝送方式ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）、あるいはマルチアンテナ多重伝送方式ＳＤＭ（Space Division Multiplexing）、あるいはマルチアンテナ時空間符号方式ＳＴＣ（Space Time Code）、あるいはインタ−リーバ多重伝送方式ＩＤＭ（Interleaved Division Multiplexing）、もしくはそれらの多重伝送方式の組合せを適用する。

また、下り（あるいは上り）リンク通信に、端末が複数ある場合、つまり、本格的な複数端末とアクセスポイントＡＰ、あるいは基地局ＢＳとの間のマルチユーザ通信となった場合には、マルチキャリア多元接続方式ＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）、あるいはマルチアンテナ多元接続方式ＳＤＭＡ（Space Division Multiple Access）、あるいはインタ−リーバ多元接続方式ＩＤＭＡ（Interleaved Division Multiple Access）、あるいはそれらの多元接続方式の組合せ、あるいはそれらの多元接続方式と上記多重伝送方式との組合せ、例えば、ＯＦＤＭＡ−ＳＤＭＡ、ＯＦＤＭＡ−ＳＤＭ、ＯＦＤＭ−ＳＤＭＡなどを適用する。但し、いかなる伝送方式を適用しても、本発明の範疇を超えるものでない。また、複数回の多元接続の実施について、それぞれ異なる多元接続方式を適用してもよい。例えば、一回目はＯＦＤＭＡ‐ＳＤＭ、二回目はＳＤＭＡ−ＯＦＤＭなどである。

Ｂ．発明の数値実験結果
本発明の実施形態による定量的効果について説明する。比較対象とする従来技術として、ＩＥＥＥ ８０２．１１標準規格にてＤＣＦとして規定されているＣＳＭＡ／ＣＡ方式にて送信権を獲得するシステムを対象とする。

図７は、従来技術のＭＡＣ（Medium Access Control）プロトコルを示す概念図である。この場合、図７に示す従来技術では、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式での送信権の獲得は、１回のみ実施され、送信権を獲得した端末とアクセスポイントＡＰとの間でシングルユーザ通信が実施される。

図８は、本発明と従来技術における、端末数と最大スループットの関係を示す概念図である。なお、従来技術と発明技術ともに無線ＬＡＮの標準規格であるＩＥＥＥ８０２．１１ｇに準拠するパラメータを適用する。発明技術に用いる上りリンクマルチユーザ通信を実現する多元接続方式としては、直交周波数多元接続ＯＦＤＭＡ方式を用いている。簡単化のため、ここでは、発明技術が最大２回のＣＳＭＡ／ＣＡを実施するように設定した。

図８に示すように、最大２回のＣＳＭＡ／ＣＡを実施する本発明の方が、１回のみ実施する従来技術に比べ、最大スループットが向上していることが分かる。勿論、本発明の有効性は、ＯＦＤＭＡに限定するものではないため、空間分割多元接続ＳＤＭＡやインタリーブ分割多元接続ＩＤＭＡを適用しても、同様な効果が得られる。

上述した実施形態によれば、獲得した無線リソースを複数のユーザで利用するマルチユーザ通信を導入すると共に、マルチユーザ通信での同時通信端末を自律分散的に決定するようにしたので、無線リソースの有効利用を図ることができ、スループットを高めることができる。

ＡＰ アクセスポイント
１０ 空きサブチャネル判定部
１１ サブチャネル決定部
１２ マルチユーザ伝送成否応答部
＃１、＃２ 端末
２０ キャリアセンス実行部
２１ サブチャネル割当判定部
２２ ランダムバックオフ時間決定部

Claims (4)

1. 複数の端末からアクセスポイントに対して情報伝送を行う上りリンクマルチユーザ通信を行う無線通信システムであって、
   前記複数の端末は、
   少なくとも１回以上のキャリアセンスを実施するキャリアセンス実行部と、
   前記キャリアセンス実行部によるキャリアセンスに応じて、前記アクセスポイントからサブチャネルが割当てられたか否かを判定するサブチャネル割当判定部と、
   前記サブチャネル割当判定部によりサブチャネルが割当てられていないと判定された場合に、前記キャリアセンス実行部による２回目以降のキャリアセンスのランダムバックオフ時間を決定するランダムバックオフ時間決定部と
   を備え、
   前記アクセスポイントは、
   前記端末からのキャリアセンスに応じて、空きサブチャネルがあるか否かを判定する空きサブチャネル判定部と、
   前記サブチャネル判定部により空きチャネルがあると判定された場合に、空きサブチャネルの中から、送信権を獲得した端末に割当てるサブチャネルを決定するサブチャネル決定部と
   を備えることを特徴とする無線通信システム。
2. 前記空きサブチャネル判定部は、
   時間軸、周波数軸、空間軸、もしくはそれらの組合せに従って、通信チャネルをサブチャネルに分割し、各サブチャネルの伝搬路状況に基づいて、割当てられていない空きサブチャネルを決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記ランダムバックオフ時間決定部は、
   空きサブチャネルの伝搬路状況が良好であるほど短くなるように、キャリアセンスのランダムバックオフ時間を決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
4. 複数の端末からアクセスポイントに対して情報伝送を行う上りリンクマルチユーザ通信を行う無線通信方法であって、
   前記複数の端末が、１回目のキャリアセンスを実施するステップと、
   前記複数の端末が、キャリアセンスに応じて、前記アクセスポイントからサブチャネルが割当てられたか否かを判定するステップと、
   前記複数の端末が、サブチャネルが割当てられていないと判定された場合に、前記キャリアセンスのランダムバックオフ時間を決定するステップと、
   前記複数の端末が、前記ランダムバックオフ時間に基づいて、２回目以降のキャリアセンスを実施するステップと、
   前記アクセスポイントが、前記端末からのキャリアセンスに応じて、空きサブチャネルがあるか否かを判定するステップと、
   前記アクセスポイントが、空きチャネルがあると判定された場合に、空きサブチャネルの中から、送信権を獲得した端末に割当てるサブチャネルを決定するステップと
   を含むことを特徴とする無線通信方法。

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