JP2004173099A - 無線パケット伝送システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】全ての移動局に公平にチャネルを割当て、かつ、全ての移動局が高いスループットを得る。
【解決手段】センタ局は、上り回線のチャネルの使用状況を監視し、移動局に対して空きチャネル情報をブロードキャストする、と同時に、データスループットを監視し、センタ局と移動局との間のデータスループットが最高となるように、チャネル解放時間を決定し、移動局にチャネル解放時間をブロードキャストし、移動局は、ブロードキャストされる上り回線の空きチャネル情報とチャネル解放時間を受け取り、通信開始時に前記空きチャネル情報を元にチャネルを選択し、通信を行う、と同時に、チャネルを選択した後の通信時間が前記チャネル解放時間に達すると、通信を一時中断し、その後、再び前記空きチャネル情報と前記チャネル解放時間を元に通信を再開し、通信の再開と一時中断を繰り返す。
【選択図】 図１
【解決手段】センタ局は、上り回線のチャネルの使用状況を監視し、移動局に対して空きチャネル情報をブロードキャストする、と同時に、データスループットを監視し、センタ局と移動局との間のデータスループットが最高となるように、チャネル解放時間を決定し、移動局にチャネル解放時間をブロードキャストし、移動局は、ブロードキャストされる上り回線の空きチャネル情報とチャネル解放時間を受け取り、通信開始時に前記空きチャネル情報を元にチャネルを選択し、通信を行う、と同時に、チャネルを選択した後の通信時間が前記チャネル解放時間に達すると、通信を一時中断し、その後、再び前記空きチャネル情報と前記チャネル解放時間を元に通信を再開し、通信の再開と一時中断を繰り返す。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動局からセンタ局方向の回線として複数の周波数チャネルが存在し、かつ、衛星通信のように使用できる周波数チャネルの数に対し移動局の数が多い無線パケット伝送システムに利用する。特に、移動局に公平に周波数チャネルを割り当てる技術、および、高いデータスループットを達成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（ＡＬＯＨＡ方式）
ＡＬＯＨＡ方式は１９７０年、ハワイ大学のＮ．Ａｂｒａｍｓｏｎによって発表された無線パケット通信プロトコルであり、実際にＡＬＯＨＡＳＹＳＴＥＭとしてハワイ大学のコンピュータネットワークにおいて用いられた。
【０００３】
ＡＬＯＨＡ方式を複数の移動局と一つのセンタ局から構成される本発明が対象とするような装置構成に適用した場合には、図５に示すように、各移動局５１は、通信開始時に上り方向の通信回線の周波数チャネル６の中からランダムにチャネルを選択し、その要求に応じていつでもパケットを送信できる。そして一定時間内にセンタ局からの確認信号５２を受信することによって、送信の成功を認識する。パケットの衝突５３が発生した場合はパケットの再送５４を行うが、移動局同士の再送パケットが同期しないように再送間隔はランダムに決められる。
【０００４】
（ＩＣＭＡ方式）
ＩＣＭＡ（Ｉｄｌｅ−ｓｉｇｎａｌ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式は、ディジタル自動車電話方式で採用されている。ＩＣＭＡ方式をベースに更にデータスループット改善を目指した技術がある（例えば、特許文献１、２、３参照）。これらの技術を本発明が対象とするような装置構成に適用した場合のチャネル割当てのシーケンスを図６に示す。センタ局が上りチャネルの使用状況を監視し、各移動局に空きチャネル情報６１をブロードキャストする。移動局６２は、センタ局からの空きチャネル情報６１を元に空きチャネルにアクセスをし、チャネル予約を行う。
【０００５】
具体的なチャネル予約の方法は、移動局６２が、通信に要する時間を格納した予約パケット６３を送信することで行う。予約パケット６３を衝突することなく受け取ったセンタ局２は、移動局６２に割当てたチャネル番号を格納したパケット６４を返送する、と同時に、通信に要する時間のあいだ、当該チャネルを予約済みとした空きチャネル情報６１をブロードキャストする。
【０００６】
当該チャネルが予約済みとなった空きチャネル情報６１が移動局６２に届くまでに遅延があるため、当該チャネルに別の移動局６５が移動局６２と同じチャネルを用いて予約パケット６６を送信する可能性があるが、この場合には、センタ局２は移動局６５に別に割当てたチャネル番号を格納したパケット６７を返送する。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２０９９５６号公報
【特許文献２】
特開２０００−３４１２９２号公報
【特許文献３】
特開２０００−３２４１６４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
無線パケット伝送システムは、使用できる周波数のチャネルの数に制限があるため、同じチャネルに複数の移動局が同時にパケット送信を行う可能性があり、パケットの衝突を完全に無くすことはできない。パケットの衝突は無線空間上でパケットの欠落につながる。
【０００９】
従来のＡＬＯＨＡ方式では、各移動局は、上り回線のチャネルの中からランダムにチャネルを選択し、パケットを送信する。そしてある一定時間内にセンタ局からの確認信号を受信することによって、送信の成功を認識する。センタ局からの確認信号がない場合には、パケットの衝突を認識する。パケットの衝突が発生した場合はパケットの再送を行うが、移動局同士の再送パケットが同期しないように再送間隔はランダムに決められる。
【００１０】
上り回線のチャネルの数に比べ、移動局の数が多い場合は、上り回線にパケットが多く送信されるため、パケットの衝突が多くなる。パケットの衝突が多くなると、再送パケットも多くなるため、さらに多くのパケットが上り回線に送信される悪循環となる。衝突を起こしたパケットは無線空間上で欠落するため、データスループットが低下する。
【００１１】
従来のＩＣＭＡ方式では、あらかじめ予約されたチャネルを用いて通信を行うことによって、パケットの衝突の一部分を回避することができる。チャネル予約の具体的な方法としては、移動局内部で発生する通信開始要求をトリガにし、移動局がセンタ局に対し、いったんは未予約チャネルを使って通信に要する時間を格納した予約パケットを送信する。予約パケットを受け取ったセンタ局は、予約の確認パケットを移動局に返す。確認パケットを受け取った移動局は、その後は予約されたチャネルを用いてパケット通信を行う。
【００１２】
未予約チャネルに送信される予約パケットは、他の移動局から送信される予約パケットと衝突を起こす可能性があるが、チャネル予約後に送信される通信パケットは、衝突を起こすことはない。一般的に、予約パケットの数は、通信パケットの数に比べると非常に少ないため、ＡＬＯＨＡ方式と比較しパケット衝突の量を大幅に軽減することができる。
【００１３】
しかし、ＩＣＭＡ方式では、上り回線のチャネルの数に比べ、移動局の数が多い場合は、全てのチャネルが予約済みとなる状況が発生する。この場合には、チャネルの予約を行っている移動局の通信が終了するまでの間、それ以外の移動局は通信の開始を延期することになる。通信開始を延期した移動局は、結果的に、通信の開始から終了までの時間が長くなるため、データスループットが低下する。また、全てのチャネルが予約済みの間は、特定の移動局がチャネルを占有することになり、全ての移動局に公平にチャネル割当てをすることができない。
【００１４】
以上のような理由から、使用できる周波数のチャネルの数に対し、移動局の数が非常に多い、衛星通信のようなシステムにＡＬＯＨＡ方式を適用させると、上り回線上のパケットが多くなり、パケットの衝突の影響が大きくなり、したがって、データスループットが低下する。また、ＩＣＭＡ方式を適用させると、一部の移動局がチャネルを占有するため、全ての移動局に公平にチャネルを割当てることができない、かつ、チャネルを割当てることができなかった移動局のデータスループットが低下することになる。
【００１５】
そこで本発明は、全ての移動局に公平にチャネルを割当てることができ、かつ、全ての移動局が高いデータスループットを得ることができるような、アクセス方式を実現することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するために、本発明では、複数の移動局と、一つのセンタ局とから構成され、前記移動局と前記センタ局との間で通信を行い、前記移動局から前記センタ局への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在する無線パケット伝送システムにおいて、前記センタ局は、時々刻々と変化していく上り回線のチャネルの使用状況を監視し、前記移動局に対して空きチャネル情報をブロードキャストする、と同時に、時々刻々と変化していくデータスループットを監視し、前記センタ局と前記移動局との間のデータスループットが最高となるように、チャネル解放時間を決定し、前記移動局にチャネル解放時間をブロードキャストし、前記移動局は、ブロードキャストされる上り回線の空きチャネル情報とチャネル解放時間を受け取り、通信開始時に前記空きチャネル情報を元にチャネルを選択し、通信を行う、と同時に、チャネルを選択した後の通信時間が前記チャネル解放時間に達すると、通信を一時中断し、その後、再び前記空きチャネル情報と前記チャネル解放時間を元に通信を再開し、通信の再開と一時中断を繰り返すことを特徴とする。
【００１７】
これにより、特定の移動局がチャネルを占有することを回避し、各移動局に公平にチャネルを割当てることができる。この際に、単に、一定時間経過後に、移動局が強制的にチャネルを解放するのではなく、本発明では、センタ局と移動局との間で最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を決定し、このチャネル解放時間で移動局がチャネルを解放するので、通信中の移動局が通信を途中で中断する必要があるが、結果として、データスループットの高い通信を実現することができる。
【００１８】
すなわち、本発明の第一の観点は、複数の移動局と一つのセンタ局から構成され、前記移動局と前記センタ局との間で通信を行い、前記移動局から前記センタ局への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在する無線パケット伝送システムである。
【００１９】
ここで、本発明の特徴とするところは、前記センタ局は、上り回線のチャネルの使用状況に基づき空きチャネル情報を前記移動局に対してブロードキャストする空きチャネル情報送信手段と、前記センタ局と前記移動局との間のデータスループットが最大となるチャネル解放時間の予測値に基づき前記センタ局と前記移動局との間のチャネル解放時間を決定し前記移動局に対してブロードキャストするチャネル解放時間送信手段とを備え、前記移動局は、ブロードキャストされた前記空きチャネル情報に基づき通信開始に先立ってチャネルを選択する手段と、ブロードキャストされた前記チャネル解放時間に基づき通信中に当該チャネル解放時間に達すると通信を一時中断して再び前記空きチャネル情報に基づきチャネルを再選択する手段とを備えたところにある。
【００２０】
前記移動局は、自局と前記センタ局との間のデータスループットを計算して前記センタ局に報告する手段を備え、前記センタ局は、この報告する手段から報告された各移動局におけるデータスループットの情報を蓄積する手段を備え、前記チャネル解放時間送信手段は、前記蓄積する手段に蓄積された前記データスループットの情報に基づき前記センタ局と前記移動局との間のデータスループットとチャネル解放時間との関係を予測するシミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストする手段を備えることが望ましい。
【００２１】
また、前記空きチャネル情報送信手段および前記チャネル解放時間送信手段は、一定時間間隔によりブロードキャストする手段を備えたり、あるいは、前記空きチャネル情報送信手段は、前記センタ局内の空きチャネル情報が変化した直後にブロードキャストする手段を備えることが望ましい。
【００２２】
あるいは、前記チャネル解放時間をブロードキャストする手段は、一定時間間隔毎に、前記蓄積する手段に蓄積された情報に基づき前記移動局に対するデータスループットの平均値を計算して平均値が前回平均値を下回っている場合に、前記シミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストする手段を備えることもできる。
【００２３】
これによれば、シミュレーションを実行する条件を限定できるので、処理負荷が高いシミュレーション実行回数を削減し、リソースを有効に利用することができる。
【００２４】
本発明の第二の観点は、複数の移動局と一つのセンタ局から構成され、前記移動局と前記センタ局との間で通信を行い、前記移動局から前記センタ局への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在する無線パケット伝送システムに備えられたセンタ局である。
【００２５】
ここで、本発明の特徴とするところは、上り回線のチャネルの使用状況に基づき空きチャネル情報を前記移動局に対してブロードキャストする空きチャネル情報送信手段と、自局と前記移動局との間のデータスループットが最大となるチャネル解放時間の予測値に基づき前記センタ局と前記移動局との間のチャネル解放時間を決定し前記移動局に対してブロードキャストするチャネル解放時間送信手段とを備えたところにある。
【００２６】
前記移動局から報告された各移動局におけるデータスループットの情報を蓄積する手段を備え、前記チャネル解放時間送信手段は、前記蓄積する手段に蓄積された前記データスループットの情報に基づき自局と前記移動局との間のデータスループットとチャネル解放時間との関係を予測するシミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間をブロードキャストする手段を備えることが望ましい。
【００２７】
また、前記空きチャネル情報送信手段および前記チャネル解放時間送信手段は、一定時間間隔によりブロードキャストする手段を備えたり、あるいは、前記空きチャネル情報送信手段は、自局内の空きチャネル情報が変化した直後にブロードキャストする手段を備えることが望ましい。
【００２８】
あるいは、前記チャネル解放時間をブロードキャストする手段は、一定時間間隔毎に、前記蓄積する手段に蓄積された情報に基づき前記移動局に対するデータスループットの平均値を計算して平均値が前回平均値を下回っている場合に、前記シミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストする手段を備えることもできる。
【００２９】
本発明の第三の観点は、複数の移動局と一つのセンタ局から構成され、前記移動局と前記センタ局との間で通信を行い、前記移動局から前記センタ局への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在し、前記センタ局は、上り回線のチャネルの使用状況に基づき空きチャネル情報を前記移動局に対してブロードキャストするとともに、前記センタ局と前記移動局との間のデータスループットが最大となるチャネル解放時間の予測値に基づき前記センタ局と前記移動局との間のチャネル解放時間を決定し前記移動局に対してブロードキャストする無線パケット伝送システムに備えられた移動局である。
【００３０】
ここで、本発明の特徴とするところは、ブロードキャストされた前記空きチャネル情報に基づき通信開始に先立ってチャネルを選択する手段と、ブロードキャストされた前記チャネル解放時間に基づき通信中に当該チャネル解放時間に達すると通信を一時中断して再び前記空きチャネル情報に基づきチャネルを再選択する手段とを備えたところにある。
【００３１】
自局と前記センタ局との間のデータスループットを計算して前記センタ局に報告する手段を備えることが望ましい。
【００３２】
本発明の第四の観点は、複数の移動局と一つのセンタ局から構成され、前記移動局と前記センタ局との間で通信を行い、前記移動局から前記センタ局への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在する無線パケット伝送システムに適用される無線パケット伝送方法である。
【００３３】
ここで、本発明の特徴とするところは、前記センタ局は、時々刻々と変化していく上り回線のチャネルの使用状況を監視し、空きチャネル情報を前記移動局に対してブロードキャストする、と同時に、時々刻々と変化していくデータスループットを監視し、前記センタ局と前記移動局との間のデータスループットが最高となるように、チャネル解放時間を決定し、チャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストし、前記移動局は、ブロードキャストされる上り回線の空きチャネル情報とチャネル解放時間を受け取り、通信開始時に前記空きチャネル情報を元にチャネルを選択し、通信を行う、と同時に、チャネルを選択した後の通信時間が前記チャネル解放時間に達すると、通信を一時中断し、その後、再び前記空きチャネル情報と前記チャネル解放時間を元に通信を再開し、通信の再開と一時中断を繰り返すところにある。
【００３４】
前記移動局は、自局と前記センタ局との間のデータスループットを計算して前記センタ局に報告し、前記センタ局は、この報告する手段から報告された各移動局におけるデータスループットの情報を蓄積し、この蓄積された前記データスループットの情報に基づき前記移動局に対するデータスループットとチャネル解放時間との関係を予測するシミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を決定して前記移動局に対してブロードキャストすることが望ましい。
【００３５】
また、前記空きチャネル情報および前記チャネル解放時間は、一定時間間隔によりブロードキャストされたり、あるいは、前記空きチャネル情報は、前記センタ局内の空きチャネル情報が変化した直後にブロードキャストされることが望ましい。
【００３６】
あるいは、一定時間間隔毎に、前記移動局に対するデータスループットの平均値を計算して平均値が前回平均値を下回っている場合に、前記シミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストすることもできる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明実施例の無線パケット伝送システムの構成を図１ないし図３を参照して説明する。図１は本実施例の無線パケット伝送システムの全体構成図である。図２は本実施例の移動局のブロック構成図である。図３は本実施例のセンタ局のブロック構成図である。
【００３８】
本実施例は、複数の移動局１と一つのセンタ局２から構成され、移動局１とセンタ局２との間で通信を行い、移動局１からセンタ局２への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在する無線パケット伝送システムである。
【００３９】
ここで、本実施例の特徴とするところは、センタ局２は、上り回線のチャネルの使用状況に基づき空きチャネル情報を移動局１に対してブロードキャストする空きチャネル情報送信部３９と、センタ局２と移動局１との間のデータスループットが最大となるチャネル解放時間の予測値に基づきセンタ局２と移動局１との間のチャネル解放時間を決定し移動局１に対してブロードキャストするチャネル解放時間送信部３３１とを備え、移動局１は、ブロードキャストされた前記空きチャネル情報に基づき通信開始に先立ってチャネルを選択する予約パケット生成部２９と、ブロードキャストされた前記チャネル解放時間に基づき通信中に当該チャネル解放時間に達すると通信を一時中断して再び前記空きチャネル情報に基づきチャネルを再選択するタイマ部２６および解放パケット生成部２７および予約パケット生成部２９とを備えたところにある。
【００４０】
移動局１は、自局とセンタ局２との間のデータスループットを計算してセンタ局２に報告する情報パケット生成部２２５を備え、センタ局２は、この情報パケット生成部２２５から報告された各移動局１におけるデータスループットの情報を蓄積するスループット記憶部３８を備え、チャネル解放時間送信部３３１は、スループット記憶部３８に蓄積された前記データスループットの情報に基づきセンタ局２と移動局１との間のデータスループットとチャネル解放時間との関係を予測するシミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間をブロードキャストする。
【００４１】
また、空きチャネル情報送信部３９およびチャネル解放時間送信部３３１は、一定時間間隔によりブロードキャストしたり、あるいは、空きチャネル情報送信部３９は、センタ局２内の空きチャネル情報が変化した直後にブロードキャストする。
【００４２】
あるいは、チャネル解放時間送信部３３１は、一定時間間隔毎に、スループット記憶部３８に蓄積された情報に基づき移動局１に対するデータスループットの平均値を計算して平均値が前回平均値を下回っている場合に、前記シミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を移動局１に対してブロードキャストする。
【００４３】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。本実施例の無線パケット伝送システムは複数の移動局１と一つのセンタ局２と衛星３とから構成されており、センタ局２はＧＷ（ゲートウェイ）４を介してインターネット５に接続されている。移動局１からセンタ局２への上り回線にはＦＤＭＡ（周波数分割多元接続）を用い、センタ局２から移動局１への下り回線にはＴＤＭ（時分割多重）を用いている。
【００４４】
次に、本実施例のチャネル割当方法のシーケンスを図４に示す。上り回線の周波数６はチャネル＃１からチャネル＃Ｎまで設定されており、チャネルの使用状況に関する情報である空きチャネル情報４１とチャネル解放時間４２がセンタ局から全移動局にブロードキャストされる。全移動局は、空きチャネル情報４１とチャネル解放時間４２がブロードキャストされる度に自局内のメモリに上書き保存し、常に最新の空きチャネル情報とチャネル解放時間を持っている。
【００４５】
移動局１は通信の開始要求が自局内で発生すると、空きチャネル情報４１を元に、チャネルを選択し、選択チャネルに向けて当該移動局に割り振られた移動局番号と選択したチャネル番号とを格納した予約パケット４３を送信する。
【００４６】
それに対し、センタ局２は、チャネル予約が成功したことを示すために、割当てたチャネル番号４４を返信する。当該チャネルが予約済みとなった空きチャネル情報４１が移動局１に届くまでに遅延があるため、当該チャネルに別の移動局４５が移動局１と同じチャネルを用いて予約パケット４９を送信する可能性があるが、この場合には、センタ局２は移動局４５に個別に割当てたチャネル番号を格納したパケット４を返送する。
【００４７】
その後、移動局１は後続のパケット４７については、返信されたチャネル番号４４のチャネルを使って送信する。と同時に、移動局１は、自局内でタイマを起動する。その後、タイマが前記チャネル解放時間に達すると、移動局番号と解放するチャネル番号とを格納した解放パケット４８を送信した後、通信を中断する。
【００４８】
その後、時間間隔を置いた後、再び、空きチャネル情報とチャネル解放時間を元に通信を再開し、通信が終了するまで通信の再開と中継とを繰り返す。また、通信が終了時には、移動局番号とデータスループットの値を格納した情報パケット４０１を送信する。
【００４９】
次に、移動局の詳細な構成を図２に示す。移動局は、自局内で発生したパケットをバッファＡ２１、バッファＢ２２の順番にいったんバッファリングし、その後、変調部２３に入力する。変調部２３では、パケットを無線信号に変調し、チャネル記憶部２４に記憶されているチャネルを用いて、小型アンテナ２５から送信する。
【００５０】
タイマ部２６では、時々刻々とタイマ値を増加している。タイマ値がチャネル解放時間に達した場合には、解放パケット生成部２７を通し解放パケットを送信し、タイマ値およびチャネル記憶部２４のチャネルをクリヤするとともに、バッファＡ２１から出力するパケットをストップさせる。その後、再びタイマ値をスタートさせ、再送時間に達した後、タイマ値をクリアするとともに、バッファＡ２１から出力するパケットを再スタートさせる。
【００５１】
チャネル記憶部２４にチャネルが記憶されていない場合は、バッファＢ２２から出力するパケットをストップさせる、と同時に、空きチャネル情報記憶部２８に記憶されている空きチャネル情報からチャネルを選択し、選択したチャネルを用いて、予約パケット生成部２９を通し予約パケットを変調部２３から送信する。その後、センタ局２からのチャネル割当信号であるチャネル番号を受け取り、チャネル記憶部２４にチャネルを記憶し、バッファＢ２２から出力するパケットをスタートさせる。
【００５２】
復調部２２１では小型アンテナ２５から受信された信号を復調し、パケットの内容がパケット分別部２２２により解放される。内容が割当られたチャネル番号もしくは空きチャネル情報もしくはチャネル解放時間の場合には、それぞれ、チャネル記憶部２４と空きチャネル情報記憶部２８とチャネル解放時間記憶部２２３に記憶させる。
【００５３】
情報パケット生成部２２５では、パケット入出力部２２４からの通信開始時間と通信終了時間と、送信されたデータ量からデータスループットを計算し、通信終了時に情報パケットを生成し、変調器２３を通して送信する。
【００５４】
次に、センタ局２の詳細な構成を図３に示す。大型アンテナ３１で受信された信号は復調群部３２に入力され、移動局からの送信に用いられたチャネルに対応する復調部＃Ｋ３３（Ｋはチャネル番号で、１からＮまでの間の任意の自然数）３３で復調され、復調されたパケットは、パケット分別部３４を介して、その内容に応じて以下のように分別される。
【００５５】
復調されたパケットが、通信パケットの場合は、パケット入出力部３５より、センタ局２から外部に取り出される。
【００５６】
解放パケットの場合は、チャネル記憶部３６から当該チャネルに割り振られた移動局番号を削除する。
【００５７】
予約パケットの場合は、チャネル記憶部３６において、当該チャネルに移動局番号が記憶されているか判定し、記憶されていない場合には、記憶し、既に別の移動局が記憶されている場合には、未予約のチャネルからチャネルを選択した後、この選択したチャネルと移動局番号の組合せを記憶する、と同時に、チャネル情報送信部３７から最終的に選択したチャネル番号をパケットに格納して当該移動局に送信する。
【００５８】
情報パケットの場合は、当該移動局番号とデータスループットの値の組合せをスループット記憶部３８に記憶する。
【００５９】
また、空きチャネル情報送信部３９は、チャネル記憶部から未予約のチャネルを検索し、空きチャネル情報を作成し、ある時間間隔で全ての移動局にブロードキャスト送信する。
【００６０】
ここで、チャネル解放時間送信部３３１の役割を述べる前に、チャネル解放時間が本発明に与える効果について述べる。図７は、横軸にチャネル解放時間（ｓｅｃ）をとり、縦軸にデータスループット（ｋｂｐｓ）をとり、チャネル解放時間７１に対するデータスループットの平均値７２の関係を示すシミュレーション結果を示す。上り回線のチャネル数に対する移動局の数の比率７３をパラメータとしている。図よりデータスループットが最大値となるような、チャネル解放時間が存在することがわかる。
【００６１】
チャネル解放時間が長過ぎると、ある一定時間内にチャネルを取得できない移動局の数が多くなりデータスループットの低下を招き、一方、チャネル解放時間が短過ぎると、移動局のチャネルの取得と解放を繰り返す回数が多くなり、オーバーヘッドの時間がかかるようになり、データスループットの低下を招く。これらの２つの影響が最も少なくなるような、チャネル解放時間に対し、データスループットが最大となる。
【００６２】
図８は、横軸に移動局の数をとり、縦軸にデータスループット（ｋｂｐｓ）をとり、ＡＬＯＨＡ方式とＩＣＭＡ方式と本発明のデータスループットの比較を示す。このように、チャネル解放時間をデータスループットが最大値になるように設定することによって、全ての移動局の数に対して、本発明を用いると常に高いデータスループットが実現される。また、グラフには表していないが、本発明はチャネル解放時間を設けることにより、各移動局が通信を一時中断することになるため、一定時間内でより多くの移動局が上り回線のチャネルを共有することができることは容易に推論できる。
【００６３】
チャネル解放時間送信部３３１は、一定時間間隔毎に、スループット記憶部３８から全移動局１に対するデータスループットの平均値を計算し、平均値が前回平均値を下回っている場合は、スループット記憶部３８に蓄積されているデータスループットの情報に基づきシミュレーションを実行し、図７に示したデータスループットとチャネル解放時間との関係を認識し、この認識にしたがって、前回送信したチャネル解放時間を変化させ、新たなチャネル解放時間を全ての移動局１に対してブロードキャスト送信する。このようにチャネル解放時間をダイナミックに設定することにより、移動局１全体のデータスループットが最大値となるように自動的に設定されるようになる。なお、チャネル解放時間のブロードキャストは、一定時間間隔により行ってもよいし、あるいは、前記シミュレーションを新たに実行した直後に行ってもよい。
【００６４】
また、パケット入出力部３５から入力されたパケットは、チャネル情報送信部３７および空きチャネル情報送信部３９、チャネル解放時間送信部３３１からのパケットと衝突しないようにパケット送信制御部３３２で制御され、変調部３３３で変調された後、大型アンテナ３１から送信される。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、すべての移動局に公平にチャネルを割当てることができ、かつ、高いデータスループットを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における無線パケット伝送システムの構成を示す図。
【図２】本発明の実施形態における無線パケット伝送システムの移動局の構成を示す図。
【図３】本発明の実施形態における無線パケット伝送システムのセンタ局の構成を示す図。
【図４】本発明の実施形態におけるチャネル予約とチャネル解放のタイミングを示す図。
【図５】ＡＬＯＨＡ方式のチャネル予約とチャネル解放のタイミングを示す図。
【図６】ＩＣＭＡ方式のチャネル予約とチャネル解放のタイミングを示す図。
【図７】本発明の実施形態におけるチャネル解放時間とデータスループットとの関係を示す図。
【図８】本発明と従来技術とのデータスループットの比較を示す図。
【符号の説明】
１、４５、５１、６２、６５ 移動局
２ センタ局
３ 衛星
４ ＧＷ（ゲートウェイ）
５ インターネット
６ 周波数チャネル
２１ バッファＡ
２２ バッファＢ
２３ 移動局の変調部
２４ 移動局のチャネル記憶部
２５ 小型アンテナ
２６ タイマ部
２７ 解放パケット生成部
２８ 空きチャネル情報記憶部
２９ 予約パケット生成部
２２１ 移動局の復調部
２２２ 移動局のパケット分別部
２２３ チャネル解放時間記憶部
２２４ パケット入出力部
２２５ 情報パケット生成部
３１ 大型アンテナ
３２ 復調群部
３３ 復調部＃Ｋ
３４ パケット分別部
３５ パケット入出力部
３６ チャネル記憶部
３７ チャネル情報送信部
３８ スループット記憶部
３９ 空きチャネル情報送信部
３３１ チャネル解放時間送信部
３３２ パケット送信制御部
３３３ センタ局の変調部
４１ ブロードキャストされる本方式の空きチャネル情報
４２ ブロードキャストされる本方式のチャネル解放時間
４３ 本方式の予約パケット
４４ 本方式の確認信号
４６ 本方式の移動局４５に送信される確認信号
４７ 本方式の通信パケット
４８ 本方式の解放パケット
４９ 本方式の移動局４５に送信される予約パケット
４０１ 本方式の情報パケット
５２ ＡＬＯＨＡ方式の確認信号
５３ ＡＬＯＨＡ方式のパケット衝突
５４ パケット再送
６１ ＩＣＭＡ方式の空きチャネル情報
６３ ＩＣＭＡ方式の移動局から送信される予約パケット
６４ ＩＣＭＡ方式の移動局６２に送信される確認信号
６６ ＩＣＭＡ方式の移動局６５から送信される予約パケット
６７ ＩＣＭＡ方式の移動局６５に送信される確認信号
７１ チャネル解放時間
７２ 移動局全体のデータスループット平均値
７３ 移動局と上り回線のチャネル数の比
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動局からセンタ局方向の回線として複数の周波数チャネルが存在し、かつ、衛星通信のように使用できる周波数チャネルの数に対し移動局の数が多い無線パケット伝送システムに利用する。特に、移動局に公平に周波数チャネルを割り当てる技術、および、高いデータスループットを達成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（ＡＬＯＨＡ方式）
ＡＬＯＨＡ方式は１９７０年、ハワイ大学のＮ．Ａｂｒａｍｓｏｎによって発表された無線パケット通信プロトコルであり、実際にＡＬＯＨＡＳＹＳＴＥＭとしてハワイ大学のコンピュータネットワークにおいて用いられた。
【０００３】
ＡＬＯＨＡ方式を複数の移動局と一つのセンタ局から構成される本発明が対象とするような装置構成に適用した場合には、図５に示すように、各移動局５１は、通信開始時に上り方向の通信回線の周波数チャネル６の中からランダムにチャネルを選択し、その要求に応じていつでもパケットを送信できる。そして一定時間内にセンタ局からの確認信号５２を受信することによって、送信の成功を認識する。パケットの衝突５３が発生した場合はパケットの再送５４を行うが、移動局同士の再送パケットが同期しないように再送間隔はランダムに決められる。
【０００４】
（ＩＣＭＡ方式）
ＩＣＭＡ（Ｉｄｌｅ−ｓｉｇｎａｌ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式は、ディジタル自動車電話方式で採用されている。ＩＣＭＡ方式をベースに更にデータスループット改善を目指した技術がある（例えば、特許文献１、２、３参照）。これらの技術を本発明が対象とするような装置構成に適用した場合のチャネル割当てのシーケンスを図６に示す。センタ局が上りチャネルの使用状況を監視し、各移動局に空きチャネル情報６１をブロードキャストする。移動局６２は、センタ局からの空きチャネル情報６１を元に空きチャネルにアクセスをし、チャネル予約を行う。
【０００５】
具体的なチャネル予約の方法は、移動局６２が、通信に要する時間を格納した予約パケット６３を送信することで行う。予約パケット６３を衝突することなく受け取ったセンタ局２は、移動局６２に割当てたチャネル番号を格納したパケット６４を返送する、と同時に、通信に要する時間のあいだ、当該チャネルを予約済みとした空きチャネル情報６１をブロードキャストする。
【０００６】
当該チャネルが予約済みとなった空きチャネル情報６１が移動局６２に届くまでに遅延があるため、当該チャネルに別の移動局６５が移動局６２と同じチャネルを用いて予約パケット６６を送信する可能性があるが、この場合には、センタ局２は移動局６５に別に割当てたチャネル番号を格納したパケット６７を返送する。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２０９９５６号公報
【特許文献２】
特開２０００−３４１２９２号公報
【特許文献３】
特開２０００−３２４１６４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
無線パケット伝送システムは、使用できる周波数のチャネルの数に制限があるため、同じチャネルに複数の移動局が同時にパケット送信を行う可能性があり、パケットの衝突を完全に無くすことはできない。パケットの衝突は無線空間上でパケットの欠落につながる。
【０００９】
従来のＡＬＯＨＡ方式では、各移動局は、上り回線のチャネルの中からランダムにチャネルを選択し、パケットを送信する。そしてある一定時間内にセンタ局からの確認信号を受信することによって、送信の成功を認識する。センタ局からの確認信号がない場合には、パケットの衝突を認識する。パケットの衝突が発生した場合はパケットの再送を行うが、移動局同士の再送パケットが同期しないように再送間隔はランダムに決められる。
【００１０】
上り回線のチャネルの数に比べ、移動局の数が多い場合は、上り回線にパケットが多く送信されるため、パケットの衝突が多くなる。パケットの衝突が多くなると、再送パケットも多くなるため、さらに多くのパケットが上り回線に送信される悪循環となる。衝突を起こしたパケットは無線空間上で欠落するため、データスループットが低下する。
【００１１】
従来のＩＣＭＡ方式では、あらかじめ予約されたチャネルを用いて通信を行うことによって、パケットの衝突の一部分を回避することができる。チャネル予約の具体的な方法としては、移動局内部で発生する通信開始要求をトリガにし、移動局がセンタ局に対し、いったんは未予約チャネルを使って通信に要する時間を格納した予約パケットを送信する。予約パケットを受け取ったセンタ局は、予約の確認パケットを移動局に返す。確認パケットを受け取った移動局は、その後は予約されたチャネルを用いてパケット通信を行う。
【００１２】
未予約チャネルに送信される予約パケットは、他の移動局から送信される予約パケットと衝突を起こす可能性があるが、チャネル予約後に送信される通信パケットは、衝突を起こすことはない。一般的に、予約パケットの数は、通信パケットの数に比べると非常に少ないため、ＡＬＯＨＡ方式と比較しパケット衝突の量を大幅に軽減することができる。
【００１３】
しかし、ＩＣＭＡ方式では、上り回線のチャネルの数に比べ、移動局の数が多い場合は、全てのチャネルが予約済みとなる状況が発生する。この場合には、チャネルの予約を行っている移動局の通信が終了するまでの間、それ以外の移動局は通信の開始を延期することになる。通信開始を延期した移動局は、結果的に、通信の開始から終了までの時間が長くなるため、データスループットが低下する。また、全てのチャネルが予約済みの間は、特定の移動局がチャネルを占有することになり、全ての移動局に公平にチャネル割当てをすることができない。
【００１４】
以上のような理由から、使用できる周波数のチャネルの数に対し、移動局の数が非常に多い、衛星通信のようなシステムにＡＬＯＨＡ方式を適用させると、上り回線上のパケットが多くなり、パケットの衝突の影響が大きくなり、したがって、データスループットが低下する。また、ＩＣＭＡ方式を適用させると、一部の移動局がチャネルを占有するため、全ての移動局に公平にチャネルを割当てることができない、かつ、チャネルを割当てることができなかった移動局のデータスループットが低下することになる。
【００１５】
そこで本発明は、全ての移動局に公平にチャネルを割当てることができ、かつ、全ての移動局が高いデータスループットを得ることができるような、アクセス方式を実現することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するために、本発明では、複数の移動局と、一つのセンタ局とから構成され、前記移動局と前記センタ局との間で通信を行い、前記移動局から前記センタ局への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在する無線パケット伝送システムにおいて、前記センタ局は、時々刻々と変化していく上り回線のチャネルの使用状況を監視し、前記移動局に対して空きチャネル情報をブロードキャストする、と同時に、時々刻々と変化していくデータスループットを監視し、前記センタ局と前記移動局との間のデータスループットが最高となるように、チャネル解放時間を決定し、前記移動局にチャネル解放時間をブロードキャストし、前記移動局は、ブロードキャストされる上り回線の空きチャネル情報とチャネル解放時間を受け取り、通信開始時に前記空きチャネル情報を元にチャネルを選択し、通信を行う、と同時に、チャネルを選択した後の通信時間が前記チャネル解放時間に達すると、通信を一時中断し、その後、再び前記空きチャネル情報と前記チャネル解放時間を元に通信を再開し、通信の再開と一時中断を繰り返すことを特徴とする。
【００１７】
これにより、特定の移動局がチャネルを占有することを回避し、各移動局に公平にチャネルを割当てることができる。この際に、単に、一定時間経過後に、移動局が強制的にチャネルを解放するのではなく、本発明では、センタ局と移動局との間で最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を決定し、このチャネル解放時間で移動局がチャネルを解放するので、通信中の移動局が通信を途中で中断する必要があるが、結果として、データスループットの高い通信を実現することができる。
【００１８】
すなわち、本発明の第一の観点は、複数の移動局と一つのセンタ局から構成され、前記移動局と前記センタ局との間で通信を行い、前記移動局から前記センタ局への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在する無線パケット伝送システムである。
【００１９】
ここで、本発明の特徴とするところは、前記センタ局は、上り回線のチャネルの使用状況に基づき空きチャネル情報を前記移動局に対してブロードキャストする空きチャネル情報送信手段と、前記センタ局と前記移動局との間のデータスループットが最大となるチャネル解放時間の予測値に基づき前記センタ局と前記移動局との間のチャネル解放時間を決定し前記移動局に対してブロードキャストするチャネル解放時間送信手段とを備え、前記移動局は、ブロードキャストされた前記空きチャネル情報に基づき通信開始に先立ってチャネルを選択する手段と、ブロードキャストされた前記チャネル解放時間に基づき通信中に当該チャネル解放時間に達すると通信を一時中断して再び前記空きチャネル情報に基づきチャネルを再選択する手段とを備えたところにある。
【００２０】
前記移動局は、自局と前記センタ局との間のデータスループットを計算して前記センタ局に報告する手段を備え、前記センタ局は、この報告する手段から報告された各移動局におけるデータスループットの情報を蓄積する手段を備え、前記チャネル解放時間送信手段は、前記蓄積する手段に蓄積された前記データスループットの情報に基づき前記センタ局と前記移動局との間のデータスループットとチャネル解放時間との関係を予測するシミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストする手段を備えることが望ましい。
【００２１】
また、前記空きチャネル情報送信手段および前記チャネル解放時間送信手段は、一定時間間隔によりブロードキャストする手段を備えたり、あるいは、前記空きチャネル情報送信手段は、前記センタ局内の空きチャネル情報が変化した直後にブロードキャストする手段を備えることが望ましい。
【００２２】
あるいは、前記チャネル解放時間をブロードキャストする手段は、一定時間間隔毎に、前記蓄積する手段に蓄積された情報に基づき前記移動局に対するデータスループットの平均値を計算して平均値が前回平均値を下回っている場合に、前記シミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストする手段を備えることもできる。
【００２３】
これによれば、シミュレーションを実行する条件を限定できるので、処理負荷が高いシミュレーション実行回数を削減し、リソースを有効に利用することができる。
【００２４】
本発明の第二の観点は、複数の移動局と一つのセンタ局から構成され、前記移動局と前記センタ局との間で通信を行い、前記移動局から前記センタ局への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在する無線パケット伝送システムに備えられたセンタ局である。
【００２５】
ここで、本発明の特徴とするところは、上り回線のチャネルの使用状況に基づき空きチャネル情報を前記移動局に対してブロードキャストする空きチャネル情報送信手段と、自局と前記移動局との間のデータスループットが最大となるチャネル解放時間の予測値に基づき前記センタ局と前記移動局との間のチャネル解放時間を決定し前記移動局に対してブロードキャストするチャネル解放時間送信手段とを備えたところにある。
【００２６】
前記移動局から報告された各移動局におけるデータスループットの情報を蓄積する手段を備え、前記チャネル解放時間送信手段は、前記蓄積する手段に蓄積された前記データスループットの情報に基づき自局と前記移動局との間のデータスループットとチャネル解放時間との関係を予測するシミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間をブロードキャストする手段を備えることが望ましい。
【００２７】
また、前記空きチャネル情報送信手段および前記チャネル解放時間送信手段は、一定時間間隔によりブロードキャストする手段を備えたり、あるいは、前記空きチャネル情報送信手段は、自局内の空きチャネル情報が変化した直後にブロードキャストする手段を備えることが望ましい。
【００２８】
あるいは、前記チャネル解放時間をブロードキャストする手段は、一定時間間隔毎に、前記蓄積する手段に蓄積された情報に基づき前記移動局に対するデータスループットの平均値を計算して平均値が前回平均値を下回っている場合に、前記シミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストする手段を備えることもできる。
【００２９】
本発明の第三の観点は、複数の移動局と一つのセンタ局から構成され、前記移動局と前記センタ局との間で通信を行い、前記移動局から前記センタ局への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在し、前記センタ局は、上り回線のチャネルの使用状況に基づき空きチャネル情報を前記移動局に対してブロードキャストするとともに、前記センタ局と前記移動局との間のデータスループットが最大となるチャネル解放時間の予測値に基づき前記センタ局と前記移動局との間のチャネル解放時間を決定し前記移動局に対してブロードキャストする無線パケット伝送システムに備えられた移動局である。
【００３０】
ここで、本発明の特徴とするところは、ブロードキャストされた前記空きチャネル情報に基づき通信開始に先立ってチャネルを選択する手段と、ブロードキャストされた前記チャネル解放時間に基づき通信中に当該チャネル解放時間に達すると通信を一時中断して再び前記空きチャネル情報に基づきチャネルを再選択する手段とを備えたところにある。
【００３１】
自局と前記センタ局との間のデータスループットを計算して前記センタ局に報告する手段を備えることが望ましい。
【００３２】
本発明の第四の観点は、複数の移動局と一つのセンタ局から構成され、前記移動局と前記センタ局との間で通信を行い、前記移動局から前記センタ局への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在する無線パケット伝送システムに適用される無線パケット伝送方法である。
【００３３】
ここで、本発明の特徴とするところは、前記センタ局は、時々刻々と変化していく上り回線のチャネルの使用状況を監視し、空きチャネル情報を前記移動局に対してブロードキャストする、と同時に、時々刻々と変化していくデータスループットを監視し、前記センタ局と前記移動局との間のデータスループットが最高となるように、チャネル解放時間を決定し、チャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストし、前記移動局は、ブロードキャストされる上り回線の空きチャネル情報とチャネル解放時間を受け取り、通信開始時に前記空きチャネル情報を元にチャネルを選択し、通信を行う、と同時に、チャネルを選択した後の通信時間が前記チャネル解放時間に達すると、通信を一時中断し、その後、再び前記空きチャネル情報と前記チャネル解放時間を元に通信を再開し、通信の再開と一時中断を繰り返すところにある。
【００３４】
前記移動局は、自局と前記センタ局との間のデータスループットを計算して前記センタ局に報告し、前記センタ局は、この報告する手段から報告された各移動局におけるデータスループットの情報を蓄積し、この蓄積された前記データスループットの情報に基づき前記移動局に対するデータスループットとチャネル解放時間との関係を予測するシミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を決定して前記移動局に対してブロードキャストすることが望ましい。
【００３５】
また、前記空きチャネル情報および前記チャネル解放時間は、一定時間間隔によりブロードキャストされたり、あるいは、前記空きチャネル情報は、前記センタ局内の空きチャネル情報が変化した直後にブロードキャストされることが望ましい。
【００３６】
あるいは、一定時間間隔毎に、前記移動局に対するデータスループットの平均値を計算して平均値が前回平均値を下回っている場合に、前記シミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストすることもできる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明実施例の無線パケット伝送システムの構成を図１ないし図３を参照して説明する。図１は本実施例の無線パケット伝送システムの全体構成図である。図２は本実施例の移動局のブロック構成図である。図３は本実施例のセンタ局のブロック構成図である。
【００３８】
本実施例は、複数の移動局１と一つのセンタ局２から構成され、移動局１とセンタ局２との間で通信を行い、移動局１からセンタ局２への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在する無線パケット伝送システムである。
【００３９】
ここで、本実施例の特徴とするところは、センタ局２は、上り回線のチャネルの使用状況に基づき空きチャネル情報を移動局１に対してブロードキャストする空きチャネル情報送信部３９と、センタ局２と移動局１との間のデータスループットが最大となるチャネル解放時間の予測値に基づきセンタ局２と移動局１との間のチャネル解放時間を決定し移動局１に対してブロードキャストするチャネル解放時間送信部３３１とを備え、移動局１は、ブロードキャストされた前記空きチャネル情報に基づき通信開始に先立ってチャネルを選択する予約パケット生成部２９と、ブロードキャストされた前記チャネル解放時間に基づき通信中に当該チャネル解放時間に達すると通信を一時中断して再び前記空きチャネル情報に基づきチャネルを再選択するタイマ部２６および解放パケット生成部２７および予約パケット生成部２９とを備えたところにある。
【００４０】
移動局１は、自局とセンタ局２との間のデータスループットを計算してセンタ局２に報告する情報パケット生成部２２５を備え、センタ局２は、この情報パケット生成部２２５から報告された各移動局１におけるデータスループットの情報を蓄積するスループット記憶部３８を備え、チャネル解放時間送信部３３１は、スループット記憶部３８に蓄積された前記データスループットの情報に基づきセンタ局２と移動局１との間のデータスループットとチャネル解放時間との関係を予測するシミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間をブロードキャストする。
【００４１】
また、空きチャネル情報送信部３９およびチャネル解放時間送信部３３１は、一定時間間隔によりブロードキャストしたり、あるいは、空きチャネル情報送信部３９は、センタ局２内の空きチャネル情報が変化した直後にブロードキャストする。
【００４２】
あるいは、チャネル解放時間送信部３３１は、一定時間間隔毎に、スループット記憶部３８に蓄積された情報に基づき移動局１に対するデータスループットの平均値を計算して平均値が前回平均値を下回っている場合に、前記シミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を移動局１に対してブロードキャストする。
【００４３】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。本実施例の無線パケット伝送システムは複数の移動局１と一つのセンタ局２と衛星３とから構成されており、センタ局２はＧＷ（ゲートウェイ）４を介してインターネット５に接続されている。移動局１からセンタ局２への上り回線にはＦＤＭＡ（周波数分割多元接続）を用い、センタ局２から移動局１への下り回線にはＴＤＭ（時分割多重）を用いている。
【００４４】
次に、本実施例のチャネル割当方法のシーケンスを図４に示す。上り回線の周波数６はチャネル＃１からチャネル＃Ｎまで設定されており、チャネルの使用状況に関する情報である空きチャネル情報４１とチャネル解放時間４２がセンタ局から全移動局にブロードキャストされる。全移動局は、空きチャネル情報４１とチャネル解放時間４２がブロードキャストされる度に自局内のメモリに上書き保存し、常に最新の空きチャネル情報とチャネル解放時間を持っている。
【００４５】
移動局１は通信の開始要求が自局内で発生すると、空きチャネル情報４１を元に、チャネルを選択し、選択チャネルに向けて当該移動局に割り振られた移動局番号と選択したチャネル番号とを格納した予約パケット４３を送信する。
【００４６】
それに対し、センタ局２は、チャネル予約が成功したことを示すために、割当てたチャネル番号４４を返信する。当該チャネルが予約済みとなった空きチャネル情報４１が移動局１に届くまでに遅延があるため、当該チャネルに別の移動局４５が移動局１と同じチャネルを用いて予約パケット４９を送信する可能性があるが、この場合には、センタ局２は移動局４５に個別に割当てたチャネル番号を格納したパケット４を返送する。
【００４７】
その後、移動局１は後続のパケット４７については、返信されたチャネル番号４４のチャネルを使って送信する。と同時に、移動局１は、自局内でタイマを起動する。その後、タイマが前記チャネル解放時間に達すると、移動局番号と解放するチャネル番号とを格納した解放パケット４８を送信した後、通信を中断する。
【００４８】
その後、時間間隔を置いた後、再び、空きチャネル情報とチャネル解放時間を元に通信を再開し、通信が終了するまで通信の再開と中継とを繰り返す。また、通信が終了時には、移動局番号とデータスループットの値を格納した情報パケット４０１を送信する。
【００４９】
次に、移動局の詳細な構成を図２に示す。移動局は、自局内で発生したパケットをバッファＡ２１、バッファＢ２２の順番にいったんバッファリングし、その後、変調部２３に入力する。変調部２３では、パケットを無線信号に変調し、チャネル記憶部２４に記憶されているチャネルを用いて、小型アンテナ２５から送信する。
【００５０】
タイマ部２６では、時々刻々とタイマ値を増加している。タイマ値がチャネル解放時間に達した場合には、解放パケット生成部２７を通し解放パケットを送信し、タイマ値およびチャネル記憶部２４のチャネルをクリヤするとともに、バッファＡ２１から出力するパケットをストップさせる。その後、再びタイマ値をスタートさせ、再送時間に達した後、タイマ値をクリアするとともに、バッファＡ２１から出力するパケットを再スタートさせる。
【００５１】
チャネル記憶部２４にチャネルが記憶されていない場合は、バッファＢ２２から出力するパケットをストップさせる、と同時に、空きチャネル情報記憶部２８に記憶されている空きチャネル情報からチャネルを選択し、選択したチャネルを用いて、予約パケット生成部２９を通し予約パケットを変調部２３から送信する。その後、センタ局２からのチャネル割当信号であるチャネル番号を受け取り、チャネル記憶部２４にチャネルを記憶し、バッファＢ２２から出力するパケットをスタートさせる。
【００５２】
復調部２２１では小型アンテナ２５から受信された信号を復調し、パケットの内容がパケット分別部２２２により解放される。内容が割当られたチャネル番号もしくは空きチャネル情報もしくはチャネル解放時間の場合には、それぞれ、チャネル記憶部２４と空きチャネル情報記憶部２８とチャネル解放時間記憶部２２３に記憶させる。
【００５３】
情報パケット生成部２２５では、パケット入出力部２２４からの通信開始時間と通信終了時間と、送信されたデータ量からデータスループットを計算し、通信終了時に情報パケットを生成し、変調器２３を通して送信する。
【００５４】
次に、センタ局２の詳細な構成を図３に示す。大型アンテナ３１で受信された信号は復調群部３２に入力され、移動局からの送信に用いられたチャネルに対応する復調部＃Ｋ３３（Ｋはチャネル番号で、１からＮまでの間の任意の自然数）３３で復調され、復調されたパケットは、パケット分別部３４を介して、その内容に応じて以下のように分別される。
【００５５】
復調されたパケットが、通信パケットの場合は、パケット入出力部３５より、センタ局２から外部に取り出される。
【００５６】
解放パケットの場合は、チャネル記憶部３６から当該チャネルに割り振られた移動局番号を削除する。
【００５７】
予約パケットの場合は、チャネル記憶部３６において、当該チャネルに移動局番号が記憶されているか判定し、記憶されていない場合には、記憶し、既に別の移動局が記憶されている場合には、未予約のチャネルからチャネルを選択した後、この選択したチャネルと移動局番号の組合せを記憶する、と同時に、チャネル情報送信部３７から最終的に選択したチャネル番号をパケットに格納して当該移動局に送信する。
【００５８】
情報パケットの場合は、当該移動局番号とデータスループットの値の組合せをスループット記憶部３８に記憶する。
【００５９】
また、空きチャネル情報送信部３９は、チャネル記憶部から未予約のチャネルを検索し、空きチャネル情報を作成し、ある時間間隔で全ての移動局にブロードキャスト送信する。
【００６０】
ここで、チャネル解放時間送信部３３１の役割を述べる前に、チャネル解放時間が本発明に与える効果について述べる。図７は、横軸にチャネル解放時間（ｓｅｃ）をとり、縦軸にデータスループット（ｋｂｐｓ）をとり、チャネル解放時間７１に対するデータスループットの平均値７２の関係を示すシミュレーション結果を示す。上り回線のチャネル数に対する移動局の数の比率７３をパラメータとしている。図よりデータスループットが最大値となるような、チャネル解放時間が存在することがわかる。
【００６１】
チャネル解放時間が長過ぎると、ある一定時間内にチャネルを取得できない移動局の数が多くなりデータスループットの低下を招き、一方、チャネル解放時間が短過ぎると、移動局のチャネルの取得と解放を繰り返す回数が多くなり、オーバーヘッドの時間がかかるようになり、データスループットの低下を招く。これらの２つの影響が最も少なくなるような、チャネル解放時間に対し、データスループットが最大となる。
【００６２】
図８は、横軸に移動局の数をとり、縦軸にデータスループット（ｋｂｐｓ）をとり、ＡＬＯＨＡ方式とＩＣＭＡ方式と本発明のデータスループットの比較を示す。このように、チャネル解放時間をデータスループットが最大値になるように設定することによって、全ての移動局の数に対して、本発明を用いると常に高いデータスループットが実現される。また、グラフには表していないが、本発明はチャネル解放時間を設けることにより、各移動局が通信を一時中断することになるため、一定時間内でより多くの移動局が上り回線のチャネルを共有することができることは容易に推論できる。
【００６３】
チャネル解放時間送信部３３１は、一定時間間隔毎に、スループット記憶部３８から全移動局１に対するデータスループットの平均値を計算し、平均値が前回平均値を下回っている場合は、スループット記憶部３８に蓄積されているデータスループットの情報に基づきシミュレーションを実行し、図７に示したデータスループットとチャネル解放時間との関係を認識し、この認識にしたがって、前回送信したチャネル解放時間を変化させ、新たなチャネル解放時間を全ての移動局１に対してブロードキャスト送信する。このようにチャネル解放時間をダイナミックに設定することにより、移動局１全体のデータスループットが最大値となるように自動的に設定されるようになる。なお、チャネル解放時間のブロードキャストは、一定時間間隔により行ってもよいし、あるいは、前記シミュレーションを新たに実行した直後に行ってもよい。
【００６４】
また、パケット入出力部３５から入力されたパケットは、チャネル情報送信部３７および空きチャネル情報送信部３９、チャネル解放時間送信部３３１からのパケットと衝突しないようにパケット送信制御部３３２で制御され、変調部３３３で変調された後、大型アンテナ３１から送信される。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、すべての移動局に公平にチャネルを割当てることができ、かつ、高いデータスループットを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における無線パケット伝送システムの構成を示す図。
【図２】本発明の実施形態における無線パケット伝送システムの移動局の構成を示す図。
【図３】本発明の実施形態における無線パケット伝送システムのセンタ局の構成を示す図。
【図４】本発明の実施形態におけるチャネル予約とチャネル解放のタイミングを示す図。
【図５】ＡＬＯＨＡ方式のチャネル予約とチャネル解放のタイミングを示す図。
【図６】ＩＣＭＡ方式のチャネル予約とチャネル解放のタイミングを示す図。
【図７】本発明の実施形態におけるチャネル解放時間とデータスループットとの関係を示す図。
【図８】本発明と従来技術とのデータスループットの比較を示す図。
【符号の説明】
１、４５、５１、６２、６５ 移動局
２ センタ局
３ 衛星
４ ＧＷ（ゲートウェイ）
５ インターネット
６ 周波数チャネル
２１ バッファＡ
２２ バッファＢ
２３ 移動局の変調部
２４ 移動局のチャネル記憶部
２５ 小型アンテナ
２６ タイマ部
２７ 解放パケット生成部
２８ 空きチャネル情報記憶部
２９ 予約パケット生成部
２２１ 移動局の復調部
２２２ 移動局のパケット分別部
２２３ チャネル解放時間記憶部
２２４ パケット入出力部
２２５ 情報パケット生成部
３１ 大型アンテナ
３２ 復調群部
３３ 復調部＃Ｋ
３４ パケット分別部
３５ パケット入出力部
３６ チャネル記憶部
３７ チャネル情報送信部
３８ スループット記憶部
３９ 空きチャネル情報送信部
３３１ チャネル解放時間送信部
３３２ パケット送信制御部
３３３ センタ局の変調部
４１ ブロードキャストされる本方式の空きチャネル情報
４２ ブロードキャストされる本方式のチャネル解放時間
４３ 本方式の予約パケット
４４ 本方式の確認信号
４６ 本方式の移動局４５に送信される確認信号
４７ 本方式の通信パケット
４８ 本方式の解放パケット
４９ 本方式の移動局４５に送信される予約パケット
４０１ 本方式の情報パケット
５２ ＡＬＯＨＡ方式の確認信号
５３ ＡＬＯＨＡ方式のパケット衝突
５４ パケット再送
６１ ＩＣＭＡ方式の空きチャネル情報
６３ ＩＣＭＡ方式の移動局から送信される予約パケット
６４ ＩＣＭＡ方式の移動局６２に送信される確認信号
６６ ＩＣＭＡ方式の移動局６５から送信される予約パケット
６７ ＩＣＭＡ方式の移動局６５に送信される確認信号
７１ チャネル解放時間
７２ 移動局全体のデータスループット平均値
７３ 移動局と上り回線のチャネル数の比
Claims (17)
- 複数の移動局と一つのセンタ局から構成され、前記移動局と前記センタ局との間で通信を行い、前記移動局から前記センタ局への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在する無線パケット伝送システムにおいて、
前記センタ局は、
上り回線のチャネルの使用状況に基づき空きチャネル情報を前記移動局に対してブロードキャストする空きチャネル情報送信手段と、
前記センタ局と前記移動局との間のデータスループットが最大となるチャネル解放時間の予測値に基づき前記センタ局と前記移動局との間のチャネル解放時間を決定し前記移動局に対してブロードキャストするチャネル解放時間送信手段と
を備え、
前記移動局は、
ブロードキャストされた前記空きチャネル情報に基づき通信開始に先立ってチャネルを選択する手段と、
ブロードキャストされた前記チャネル解放時間に基づき通信中に当該チャネル解放時間に達すると通信を一時中断して再び前記空きチャネル情報に基づきチャネルを再選択する手段と
を備えたことを特徴とする無線パケット伝送システム。 - 前記移動局は、自局と前記センタ局との間のデータスループットを計算して前記センタ局に報告する手段を備え、
前記センタ局は、この報告する手段から報告された各移動局におけるデータスループットの情報を蓄積する手段を備え、
前記チャネル解放時間送信手段は、
前記蓄積する手段に蓄積された前記データスループットの情報に基づき前記センタ局と前記移動局との間のデータスループットとチャネル解放時間との関係を予測するシミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストする手段を備えた
請求項１記載の無線パケット伝送システム。 - 前記空きチャネル情報送信手段および前記チャネル解放時間送信手段は、一定時間間隔によりブロードキャストする手段を備えた請求項１記載の無線パケット伝送システム。
- 前記空きチャネル情報送信手段は、前記センタ局内の空きチャネル情報が変化した直後にブロードキャストする手段を備えた請求項１記載の無線パケット伝送システム。
- 前記チャネル解放時間をブロードキャストする手段は、一定時間間隔毎に、前記蓄積する手段に蓄積された情報に基づき前記移動局に対するデータスループットの平均値を計算して平均値が前回平均値を下回っている場合に、前記シミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストする手段を備えた請求項２記載の無線パケット伝送システム。
- 複数の移動局と一つのセンタ局から構成され、前記移動局と前記センタ局との間で通信を行い、前記移動局から前記センタ局への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在する無線パケット伝送システムに備えられたセンタ局において、
上り回線のチャネルの使用状況に基づき空きチャネル情報を前記移動局に対してブロードキャストする空きチャネル情報送信手段と、
自局と前記移動局との間のデータスループットが最大となるチャネル解放時間の予測値に基づき前記センタ局と前記移動局との間のチャネル解放時間を決定し前記移動局に対してブロードキャストするチャネル解放時間送信手段と
を備えたことを特徴とするセンタ局。 - 前記移動局から報告された各移動局におけるデータスループットの情報を蓄積する手段を備え、
前記チャネル解放時間送信手段は、
前記蓄積する手段に蓄積された前記データスループットの情報に基づき自局と前記移動局との間のデータスループットとチャネル解放時間との関係を予測するシミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストする手段を備えた
請求項６記載のセンタ局。 - 前記空きチャネル情報送信手段および前記チャネル解放時間送信手段は、一定時間間隔によりブロードキャストする手段を備えた請求項６記載のセンタ局。
- 前記空きチャネル情報送信手段は、自局内の空きチャネル情報が変化した直後にブロードキャストする手段を備えた請求項６記載のセンタ局。
- 前記チャネル解放時間をブロードキャストする手段は、一定時間間隔毎に、前記蓄積する手段に蓄積された情報に基づき前記移動局に対するデータスループットの平均値を計算して平均値が前回平均値を下回っている場合に、前記シミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストする手段を備えた請求項７記載のセンタ局。
- 複数の移動局と一つのセンタ局から構成され、前記移動局と前記センタ局との間で通信を行い、前記移動局から前記センタ局への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在し、前記センタ局は、上り回線のチャネルの使用状況に基づき空きチャネル情報を前記移動局に対してブロードキャストするとともに、前記センタ局と前記移動局との間のデータスループットが最大となるチャネル解放時間の予測値に基づき前記センタ局と前記移動局との間のチャネル解放時間を決定し前記移動局に対してブロードキャストする無線パケット伝送システムに備えられた移動局において、
ブロードキャストされた前記空きチャネル情報に基づき通信開始に先立ってチャネルを選択する手段と、
ブロードキャストされた前記チャネル解放時間に基づき通信中に当該チャネル解放時間に達すると通信を一時中断して再び前記空きチャネル情報に基づきチャネルを再選択する手段と
を備えたことを特徴とする移動局。 - 自局と前記センタ局との間のデータスループットを計算して前記センタ局に報告する手段を備えた請求項１１記載の移動局。
- 複数の移動局と一つのセンタ局から構成され、前記移動局と前記センタ局との間で通信を行い、前記移動局から前記センタ局への上り方向の通信回線は、無線周波数を分割し、複数の周波数のチャネルが存在する無線パケット伝送システムに適用される無線パケット伝送方法において、
前記センタ局は、時々刻々と変化していく上り回線のチャネルの使用状況を監視し、空きチャネル情報を前記移動局に対してブロードキャストする、と同時に、時々刻々と変化していくデータスループットを監視し、前記センタ局と前記移動局との間のデータスループットが最高となるように、チャネル解放時間を決定し、チャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストし、前記移動局は、ブロードキャストされる上り回線の空きチャネル情報とチャネル解放時間を受け取り、通信開始時に前記空きチャネル情報を元にチャネルを選択し、通信を行う、と同時に、チャネルを選択した後の通信時間が前記チャネル解放時間に達すると、通信を一時中断し、その後、再び前記空きチャネル情報と前記チャネル解放時間を元に通信を再開し、通信の再開と一時中断を繰り返す
ことを特徴とする無線パケット伝送方法。 - 前記移動局は、自局と前記センタ局との間のデータスループットを計算して前記センタ局に報告し、前記センタ局は、この報告された各移動局におけるデータスループットの情報を蓄積し、この蓄積された前記データスループットの情報に基づき前記移動局に対するデータスループットとチャネル解放時間との関係を予測するシミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を決定して前記移動局に対してブロードキャストする
請求項１３記載の無線パケット伝送方法。 - 前記空きチャネル情報および前記チャネル解放時間は、一定時間間隔によりブロードキャストされる請求項１３記載の無線パケット伝送方法。
- 前記空きチャネル情報は、前記センタ局内の空きチャネル情報が変化した直後にブロードキャストされる請求項１３記載の無線パケット伝送方法。
- 一定時間間隔毎に、前記移動局に対するデータスループットの平均値を計算して平均値が前回平均値を下回っている場合に、前記シミュレーションを実行して当該シミュレーション結果に基づき最もデータスループットが高くなるチャネル解放時間を前記移動局に対してブロードキャストする請求項１４記載の無線パケット伝送方法。
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|---|---|---|---|---|
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| JP2015091080A (ja) * | 2013-11-07 | 2015-05-11 | 日本電信電話株式会社 | 回線割当方法および無線通信システム |
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