JP2005039728A - 空間分割多重アクセス方式ワイヤレス媒体アクセスコントローラ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の核心は、WLANのAPでSDMA対応マルチビームアンテナシステムを使用することである。動的ビーム形成および固定ビームアンテナの2種類のアンテナに基づくシステムを記述する。SDMA対応APとの間で同時送信を実現し、それによってスペクトル効率を向上し、ひいてはより高いスループットを実現するメカニズムおよびプロトコルを詳細に説明する。今日のWLAN MACはスループットにおいて大きな制約があるという認識に基づいて、あるMAC拡張(SDMAとは独立しても適用できる)についても説明する。バッテリ性能を向上し端末の小型化に貢献する省電力および電力制御技術、またチャネル干渉の低減についても開示する。本発明はさらに、本発明で記述するサブセットであるプロトコルを実現する従来デバイスとの後方互換性の問題についても取り扱う。
【選択図】 図2
Description
"Local and Metropolitan Area Networks - Specific Requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications", IEEE Std 802.11-1999, IEEE, August 1999 "Local and Metropolitan Area Networks - Specific Requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band", IEEE Std 802.11b-1999, IEEE, September 1999 "Local and Metropolitan Area Networks - Specific Requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 5 GHz Band", IEEE Std 802.11a-1999, IEEE, September 1999 Y. Xiao & J. Rosdahl, "Throughput Analysis for IEEE 802.11a Higher Data Rates", doc.: IEEE 802.11/02-138r0, March 2002 J. Rosdahl et al, "Draft Project Allocation Request (PAR) for High Throughput Study Group", doc.: IEEE 802.11/02-798r7, March 2003 E. Perahia, A. Stephens, S. Coffey, "Backward Compatability Case Studies", doc.: IEEE 802.11-03/307r0, May 2003
(1)WLANの総スループットの増加、および
(2)低価格、単純かつ小型の形状因子のユーザ機器/端末の設計と製造を容易にする。
{
WLAN ID /*unique identifier for the AP & WLAN*/
WLAN Capability/Protocol Type /*protocol set &
features of the AP*/
Beacon Repetition Rate /*rate of recurrence of
this frame*/
Supervised Access Duration /*duration of multi-
beam operation*/
}
{
WLAN ID /*unique identifier for the AP & WLAN*/
Group ID /*common identification for a set of
beams */
Beam ID /*identification of an individual beam*/
STA ID/Address /*unique address of the station*/
STA Capability /*protocol set and features of the
station */
}
{
WLAN ID /*unique identifier for the AP & WLAN*/
Group ID /*common identification for a set of
beams */
Beam ID /*identification of an individual beam */
STA ID/Address /*unique address of the station*/
Association Status /*result of the association
request */
}
{
Source Address (AP) /*unique identification of
initiator of the frame */
Destination Address /*unique identification of
addressed station */
Duration/Length of Training Sequence
}
{
Source Address (AP) /* unique identification of
initiator of the frame */
Destination Address /*unique identification of
addressed station */
Group ID /*common identification for a set of
beams */
Beam ID /*identification of an individual beam */
}
{
WLAN ID /*unique identifier for the AP & WLAN*/
WLAN Capability/Protocol ID /*protocol set &
features of the WLAN*/
Group ID /*common identification for a set of
beams */
Beam ID /*identification of an individual
beam */
Group Duration /*active time for current Group of beams */
Group Repetition Rate /*rate of recurrence of
this frame*/
Downlink Schedule /*timing structure for downlink
transmissions */
}
{
WLAN ID /*unique identifier for the AP & WLAN*/
WLAN Capability/Protocol ID /*protocol set &
features of the WLAN*/
Group ID /*common identification for a set of
beams */
Beam ID /*identification of an individual beam*/
Sleep Duration /*duration of inactivity for current
beam */
}
{
{AddressSTA1, GrantTime1, GrantDuration1,
Grant Type1 }
{AddressSTA2, GrantTime2, GrantDuration2,
GrantType2}
:
:
{AddressSTAN, Grant TimeN, GrantDurationN,
GrantTypeN)
{Group Address, Grant Time, GrantDuration,
SupervisedContention}
}
102、103、104 端末
105、106、107 SDMAビーム
201 ビーコンフレーム
202 スーパーフレーム
203 監視アクセスモード
204 非監視アクセスモード
205 監視アクセス終了フレーム
206 非監視アクセス終了フレーム
301 競合方式のアクセスメカニズム
302 ポーリング方式アクセスメカニズム
303 ビームアクセスコーディネータ
304 媒体アクセス制御(MAC)レイヤ
305 物理レイヤ
306 マネージメントエンティティ
Claims (32)
- ネットワークの総スループットの向上を図ったワイヤレスネットワークにおける媒体アクセス制御方法およびシステムであって、
(i)SDMA対応マルチビームアンテナおよび個々の送受信機が異なるアンテナビームに同時接続されるような複数の送受信機を搭載したアクセスポイント(AP)と、
(ii)ワイヤレスLANの受信空間に分散した1台以上の端末と、
を具備する。 - 請求項1に記載のシステムに適用されるタイミング構造であって、
(i)ワイヤレスネットワークの存在を通知しネットワーク上の各端末にタイミング基準を提供する、周期的に送信されるビーコンフレームと、
(ii)アンテナ特性を活用し、同じチャネル上で複数の同時送信を実現するようにAPがワイヤレスチャネルに対するアクセスを制御しユーザとの間の送信を調整することによりネットワークのスループットを効果的に向上する期間である「監視アクセスモード」と、
(iii)APアンテナを無指向性パターンに構成し、各端末が従来のキャリアセンス技術を用いた送信を行えるように自由にチャネルにアクセスする期間である「非監視アクセスモード」と、
(iv)APが監視または非監視アクセス期間を開始または終了するシグナリングと、
を具備する。 - 請求項1に記載の方法およびシステムを実現するプロトコルスタックであって、
(i)複数のワイヤレス端末が共有媒体にアクセスするアクセス規則を定義する役割を果たす媒体アクセス制御(MAC)レイヤと、
(ii)ワイヤレスチャネル上で実際のデータ送受信を行う役割を果たす物理レイヤと、
(iii)ワイヤレスネットワーク全体のスループットを向上するために(i)および(ii)に記載のレイヤの動作を管理・調整するマネージメントエンティティと、
を具備する。 - 請求項3に記載のプロトコルスタックの(i)に記載の媒体アクセス制御(MAC)レイヤおよび請求項1に記載のシステムであって、
(i)キャリアセンスメカニズムを用い1組の規則に基づいて各端末を送信媒体をめぐって競わせる競合方式のアクセスメカニズムと、
(ii)特定の端末があらかじめ指定したサービスの品質レベルを維持しながら、APがその端末の帯域要求を満たすことができるポーリング方式チャネルアクセスメカニズムと、
(iii)各端末とアクセスポイント間のデータ転送を調整し、(i)および(ii)に記載の媒体アクセスメカニズムを使用してマルチビームアンテナの機能を活用することによって高スループットを実現するビームアクセスコーディネータと、
を具備する。 - APによって同報通信され、ネットワーク上に分散した各端末にWLANの存在を通知しタイミング基準を提供する、請求項2の(i)に記載のビーコンフレームであって、
(i)各端末が一意的かつ明確にAP、したがって特定のネットワークの識別を可能にする、前記ワイヤレスネットワークに固有の識別子と、
(ii)アクセスポイントの実装により特に定義されるようなワイヤレスネットワークの機能とプロトコルに関する情報と、
(iii)本ワイヤレスネットワーク上のアクセスポイントによって同報通信されるビーコンの使用周波数を記述した情報と、
(iv)ワイヤレスネットワークが監視アクセスモードで動作する期間であり、従来端末がそのスーパーフレーム期間に加入または送信を実行しないようにし、結果的にそのような送信/衝突によるワイヤレスネットワークのスループットに対する影響を最小限にすることを図った期間と、
を含む。 - 請求項5の(ii)に記載の、端末(またはAP)の機能およびプロトコルを記述した情報であって、
(i)端末の媒体アクセス制御プロトコルの種類を確認することができるプロトコル参照番号と、
(ii)アンテナの種類およびパターンと、
(iii)アンテナの切り替え/操作機能と、
(iv)端末の方向探知/測位機能と、
を具備する。 - 特定のワイヤレスネットワークへの加入を望む端末から送信され、(i)、(iv)および(v)に記載の情報要素と、ネットワーク構成および端末の機能によっては(ii)および(iii)に記載の情報要素とを任意に含み、シグナリングのオーバヘッドを低減する加入要求フレームであって、
(i)端末がWLANへの加入を望んでいることをAPに通知するためビーコンフレームで受信した請求項5の(i)に記載のワイヤレスネットワーク識別子と、
(ii)請求項11および請求項12にそれぞれ記載された「ビーム開始ビーコン」および「ビーム終了ビーコン」の有無を検出することによって端末が決定する、その範囲に端末を含みかつその端末が加入を望むビームグループのグループ識別子と、
(iii)請求項11および請求項12にそれぞれ記載された「ビーム開始ビーコン」および「ビーム終了ビーコン」の有無を検出することによって端末が決定する、その範囲に端末を含みかつその端末が加入を望む特定ビームのビーム識別子と、
(iv)APが次の通信において一意的に識別できるように端末自身のアドレスと、
(v)APに加入の可否を決定させ、加入を認める場合その端末に対して最善のサービスを提供する方法を決定させる、その端末が実装している請求項6に記載のプロトコルの特徴および機能に関する情報と、
を含む。 - 請求項7に記載の加入要求フレームに対してアクセスポイントが送信し、各端末の要求を受諾または拒否し、(i)、(iv)および(v)に記載の情報要素と、ネットワーク構成、APおよび端末の機能ならびに送信された加入要求の構造によっては(ii)および(iii)に記載の情報要素とを任意に含む加入応答フレームであって、
(i)端末が作成した請求項7に記載の加入要求を認めると返答するための、請求項5の(i)に記載のワイヤレスネットワーク識別子と、
(ii)APがその端末との通信に使用するビームグループのグループ識別子と、
(iii)APがその端末との通信に使用するビームのビーム識別子と、
(iv)加入応答の送信先である端末自身のアドレスと、
(v)要求の状態(すなわち、成功または失敗)ならびにAPがサポートしている特徴および機能に関する情報と、
を含む。 - APが端末に対しある期間、あらかじめ決定したトレーニングシーケンスを送信するよう要求し、APがこの送信を用いてAPに対するその端末の空間位置を特定する捕捉要求であって、
(i)捕捉要求を行う端末のアドレスと、
(ii)捕捉要求の送信先である端末のアドレスと、
(iii)アドレスを指定した端末に送信するよう要求したトレーニングシーケンスの送信期間または長さと、
を含む。 - 更なる送受信動作のために特定のビームグループに割り当てる、APが端末に対して送信するグループID割り当てフレームであって、
(i)APのアドレス/WLANのIDと、
(ii)グループID割り当てフレームの送信先である端末のアドレスと、
(iii)APによって決定されアドレスを指定した端末に割り当てられたグループIDと、
(iv)APがアドレスを指定した端末とのその次の通信で使用するビームのビーム識別子と、
を含む。 - APから特定のビームおよびグループの端末に同報通信される、そのビームグループのユーザに対して動作開始を示す、ビーム開始ビーコンフレームであって、
(i)各端末に送信元の識別を可能にするAPのアドレス/WLANのIDと、
(ii)請求項6に記載のワイヤレスネットワークの機能とプロトコルに関する情報と、
(iii)前記ビームのグループIDと、
(iv)前記ビームのビームIDと、
(v)前記グループがアクティブである期間、すなわちAPが他のグループのユーザに対応するため別のアンテナパターンに切り替える前に前記グループのユーザとの間で送受信する期間と、
(vi)前記グループおよびビームの各端末が互いに同期をとることを可能にする、ビーム開始ビーコンを送信する周波数と、
(vii)現在のグループ期間にAPが作成する下り送信のスケジュールと、
を含む。 - APが特定のビームおよびグループの各端末に対して同報通信する、その組のユーザに対して動作の終了を示すビーム終了ビーコンであって、
(i)各端末が送信元の識別を可能にするAPのアドレス/WLANのIDと、
(ii)請求項6に記載のワイヤレスネットワークの機能およびプロトコルに関する情報と、
(iii)前記ビームのグループIDと、
(iv)前記ビームのビームIDと、
(v)前記ユーザが消費電力の低減を容易にする動作モードを採用できる、前記グループが非アクティブの状態となる期間と、
を含む。 - APが特定ビームの各端末に送信する、ワイヤレス媒体におけるポーリング方式媒体アクセスおよび競合方式アクセスのスケジュールを定義するポーリングおよび監視競合通知フレームであって、
(i)各端末にそれぞれ割り当てたポーリングリストと、
(ii)媒体を、監視競合アクセス期間として知られる指定した期間の上り回線競合方式アクセス用として宣言する情報要素と、
を含む。 - 請求項13の(i)に記載の、各端末に割り当てられたポーリングリストであって、
(i)ポーリング方式アクセスを許可された端末のアドレスと、
(ii)ポーリング時刻、すなわち端末が送信を開始できる時刻と、
(iii)ポーリング期間、すなわち端末が送信を実行できる期間と、
(iv)ポーリングが帯域をあらかじめ要求したストリーム用であること、あるいは過去に送信した下り回線フレーム等の受信確認を請求することを目的としていることを端末に対して示すためのポーリングまたは許可の目的と、
を含む。 - 「扇形」ビームを形成することができるSDMA対応アンテナを使用したAPであって、
(i)そのビームに属するユーザに対して受信電力レベルの変動を最小限に抑える、通過帯域で比較的に安定した利得と、
(ii)あるビームから別のビームのユーザへの送信によって生じる干渉を抑えることによってAPにより小さな間隔でビームを生成させ、スペクトル効率を高めしたがって高スループットを得る、鋭いロールオフ、すなわち狭い遷移幅の、
特性を持つ。 - マルチビームアンテナを搭載し動的にビームを生成することができる請求項15に記載のAPを使用したWLANシステムであって、
(i)個々のユーザの空間的配置とそれぞれのトラフィック負荷に対して受信可能範囲パターンを最適化し、
(ii)空間的配置によってユーザをグループ化することによってグループやビームの異なるユーザ間のトラフィック量/稼働率の分散を最小限に抑える、
機能を持つ。 - 請求項2に記載のタイミング構造を使用した請求項16に記載のWLANシステムであって、
(i)請求項16の(i)で説明した既存のアンテナパターンに対応していないエリアに存在する新しい端末に受信可能範囲/検出を提供するように、無指向性ビームパターンを使用して周期的に送信する請求項5に記載のビーコンフレームと、
(ii)監視アクセス期間に使用する既存アンテナパターンの受信可能範囲に存在しない新しい端末の検出と加入を容易にするために、新しい端末が請求項5記載の同報ビーコンから推測できる、周期的に繰り返す非監視アクセス期間と、
(iii)該当するグループ/ビーム期間の開始と終了を通知し、ビームおよびビームのグループIDを受信可能範囲内の各端末に通知するサービスを行うため、グループ期間の異なるビームにおいて実行する、請求項llおよび請求項12に記載のビーム開始およびビーム終了ビーコンの送信と、
(iv)請求項27の(ii)に記載の前記ビームの監視競合アクセスモード時に呼び出される、請求項7および請求項8に記載の加入シグナリングの送信を開始する既存ビームの受信可能範囲に存在する端末と、
(v)(ii)に記載の非監視アクセス期間中に、請求項7および請求項8に記載の加入シグナリングの送信を開始する既存ビームの受信可能範囲に存在しない端末と、
(vi)請求項8の(ii)および(iii)に記載の情報要素を利用してグループおよびビームIDを割り当てられた(iv)に記載の端末と、
(vii)請求項10に記載のフレームを利用してグループおよびビームIDを割り当てられた(v)に記載の端末と、
(viii)請求項10に記載のシグナリングによって端末に随時新しいグループIDの再割り当てを行うことができるAPと、
を具備する。 - 請求項17の(vii)で要求された機能を実現し、ユーザが移動しその結果請求項17の(viii)の呼び出しが発生する場合に対応するために、必要に応じてある端末のグループおよびビームIDを特定する方法であって、
(i)APが請求項9に記載の捕捉要求フレームを端末に送信し、
(ii)端末が所定のトレーニングシーケンスで(i)の要求に応答し、
(iii)APが生成可能な種々のビームを切り替え、ユーザの位置をトレーニングシーケンスが(異なる利得でビーム対して正規化された)最大強度で受信されるビームの方向にあるものとして検出し、
(iv)(iii)の代わりに請求項19に記載の方法および装置を用いて端末の初期位置を特定して引き続きユーザ位置を更新する、
工程からなる。 - 端末が実行するすべての上り送信に基づいて、APに端末の移動性を予測させることによって請求項18の方法の使用とそれに伴うオーバヘッドを最小限に抑えるため、APがユーザの位置を連続的に更新する方法および装置であって、
(i)静的かつ端末からの送信を受信するために使用する請求項15に記載の特性を持つ一次ビームを用い、
(ii)一次ビームの近傍をスイープする請求項15に記載の特性を持つ制御可能な二次ビームを使用し、
(iii)受信電力レベルに過渡現象が存在する二次ビームの角度位置を特定し、
(iv)上記(iii)の2つのビーム位置で範囲が決まる角度の二等分線によって端末の位置を与える、
工程からなる。 - 請求項15に記載のマルチビームアンテナを搭載したAPを使用するWLANシステムであって、隣接するビーム間の重複が最小になるよう全空間を一組の固定ビームでカバーすることができ、少なくとも2つのグループIDを持つシステム。
- 監視アクセスモードのみからなるフレーム構造を使用し、媒体の使用効率を向上した請求項20に記載のWLANシステムであって、
(i)該当するグループ/ビーム期間の開始と終了を通知し、ビームおよびビームのグループIDを受信可能範囲内の各端末に通知するサービスを行うため、グループ期間の異なるビームにおいてそれぞれ請求項11および請求項12に記載のビーム開始およびビーム終了ビーコンを送信し、
(ii)端末は、請求項27の(ii)に記載の前記グループ/ビームの監視競合アクセスモード時に呼び出される、請求項7および請求項8に記載の加入シグナリングによってAPに対して示す端末が存在する領域のグループ/ビームIDを検出し、
(iii)APは、(ii)に記載の加入シグナリングに応答して端末にグループ/ビームIDを割り当てるとともに、2つのグループのビーム間で重なる領域に存在する端末の場合、グループ内の異なるビームのユーザのトラフィック分散を最適化し、
(iv)APは、請求項10に記載のシグナリングを用いて端末に新規のグループIDの再割り当てを随時行うことができる、
ことを特徴とする。 - 請求項16および請求項21に記載のWLANシステムのAPおよび各端末の、端末の移動性を検出し対処する機能であって、
(i)APが連続したポーリング失敗または端末からの確認応答を観察することにより端末の移動を検出し、
(ii)APが元のビームに隣接するビームを使って見失った端末に新規のグループID割り当てを送信し、
(iii)APが(ii)に記載の方法によって端末の再捕獲ができない場合、請求項18に記載の捕捉要求シグナリングを再送し、
(iv)端末がポーリング失敗あるいはAPからの確認応答の失敗および/または割り当てられたグループのビーム開始およびビーム終了ビーコンの喪失が高い確率で発生したことを検出した場合、すべての省電力動作を中断し、APが(ii)および(iii)の工程を用いてその端末の再捕獲を行う、
工程からなる。 - 次の動作期間まで特定のグループの端末の省電力動作を容易にするために行う、請求項2の(ii)に記載の監視アクセス期間のグループ別の期間分割であって、
(i)前記グループのユーザに対して請求項11および請求項12に記載のビーム開始およびビーム停止ビーコンを用いてグループの動作期間の開始および停止を通知し、
(ii)特定のグループのすべてのビームに対してビーム開始およびビーム終了ビーコンの送信の同期をとる、
工程からなる。 - 請求項11の(vii)に記載のビーム開始ビーコンの下り回線スケジュール要素の組み込みであって、
(i)送信先のアドレス、送信の長さおよび前記送信を行う時刻からなる下り送信のスケジュールを示し、
(ii)下り送信スケジュール、すなわち請求項13に記載のポーリングおよび監視競合通知フレームに対応した送信時間の終了を示し、与えられたグループ期間に下り送信を受信する予定のない端末がそのグループ期間の下り回線期間で省電力を実行できるようにする、
ことを目的とする。 - 同じグループ内の異なるビームによる送信を、実際のRF成分での不完全な分離によって生じる他のビームとの衝突およびAP自身での衝突を回避するために行う伝送の集約および同期化であって、
(i)前記グループの端末を対象にし、請求項24に記載の下り回線スケジュール要素に対応するすべての下り送信からなる下り回線フェーズと、
(ii)請求項4の(ii)および(iii)にそれぞれ記載のポーリング方式アクセスおよび競合方式のアクセスメカニズムの両方を用いて端末からAPへ行う送信からなる上り回線フェーズと、
に集約し同期化する。 - 請求項11の(vii)に記載のビーム開始ビーコンを用いた請求項25の(i)に記載の下り送信フェーズにおけるすべての下り送信の集約であって、
(i)すべての受信機が同期をとることができるビーム開始ビーコン用のAPが送信する共通プリアンブルの使用と、
(ii)下りフレーム間のフレーム間隔の除去と、
の工程を採用することにより不必要なオーバヘッドを抑制し媒体の利用効率を向上する。 - 請求項13に記載のすべての上りポーリングを埋め込んだポーリングおよび監視競合通知を使用した上り送信フェーズの開始であって、個々のポーリングによるオーバヘッドを最小限に抑え、請求項25に記載の個々のポーリングの送信用の再同期化を必要としないために、
(i)ポーリングおよび監視競合通知フレームのスケジュールに含まれた許可/ポーリング期間にわたって各端末が送信するポーリングアクセスフェーズと、
(ii)ポーリングアクセスフェーズに続いてビーム終了ビーコンの予定した送信まで許可される監視競合フェーズと、
からなる。 - 各端末でのローカルクロックのドリフト現象に対応後、請求項14および請求項27の(i)に記載のスケジュールに含められた、連続したポーリング送信の間の時間であり、RIFSより長くCIFSより短い媒体が空いている期間に提供される、ガードタイムの使用。
- 請求項1に記載のWLANシステムのプロトコルに従わないキャリアセンスを使用する不正端末によって生じる衝突を最小限に抑える方法であって、
(i)「ダミー」あるいは「パッド」データを送信しすべてのビームにおける送信時間を均等化して、不正なキャリアセンス方式を使う端末が空き媒体を検出するのを防ぎ、結果的に不正端末からの送信を回避することによって、与えられたグループの異なるビームによる下り送信時間の分散を除去し、
(ii)上り回線フェーズでの確認応答を目的としてポーリングした各端末は、ネガティブを示す確認応答フレームを送信し、すなわち各端末が確認応答要求を無視しないことにより、送信構造にCIFS期間を超えるようなギャップを許容しない、
工程からなる。 - ワイヤレスネットワークで不正端末の存在を検出し対処する、請求項1に記載の方法であって、
(i)同時刻にすべてのビームにおいて送信が失敗に終わったと観察されれば不正端末がいると検出し、
(ii)(i)の不正端末の存在の検出時、非監視アクセスモードに切り替え、その不正端末に別のチャネルに移動するよう指示する、
工程からなる。 - 請求項1に記載のシステムにおけるアクセスポイントがリソース予約要求のためのストリーム許可を実行する方法であって、
(i)ストリームの送信元アドレスおよび送信先アドレスを分析して、いずれのアドレスも同じワイヤレスネットワーク内に存在するかどうかを判断し、
(ii)APに対して要求を受け付ける前に(無指向性アンテナを用いたシステムの従来例に対して)いずれのグループ/ビームにおいてもリソースの利用を保証するように要求する、
工程からなる。 - 請求項1に記載のシステムのユーザ(APおよび各端末)が電力制御を実行し他のユーザに対するチャネル干渉を制限し、送信電力の低減、したがってバッテリの節約につながる方法であって、
(i)特定のフレーム/パケットの送信に使用する送信電力レベルを送信信号に埋め込み、
(ii)受信機で特定パケット送信に対する受信電力を測定し、
(iii)(i)の送信で符号化した情報を復号化することによって得られた値と(ii)の値を比較し、それに応じて(i)のパケットの送信機に送られた次のパケットの送信電力を調整する、
工程からなる。
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