JP2005117244A - Radio packet communication system - Google Patents

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Yukinao Kimoto
亨尚 木本
Atsushi Fujimoto
敦 藤本
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Iwatsu Electric Co Ltd
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Iwatsu Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a radio packet communication system capable of avoiding the collision of an ACK frame and a data frame without requiring the time synchronization of radio base stations. <P>SOLUTION: In the radio packet communication system defined to send an ACK frame back to a transmission side radio station when a data frame is received correctly by a reception side radio station, the reception side radio station senses a carrier before the ACK frame is sent back. When the existence of the carrier is detected, the send back of the ACK frame to the transmission side radio station is postponed until the stoppage of the carrier is detected. When the stoppage of the carrier is detected, the ACK frame is sent back to the transmission side radio station with a predetermined time lag for preventing a collision. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、無線パケット通信方法に関するものである。   The present invention relates to a wireless packet communication method.

無線ＬＡＮ（Local Area Network）の標準規格として最も普及しているＩＥＥＥ 802.11 ではＭＡＣ（Medium Access Control ）層の方式としてＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）が採用されている。ＩＥＥＥ 802.11 の中ではＡＣＫ（Acknowledgment）フレームと呼ばれる確認応答フレームを使用してＭＡＣ層における再送手順が定義されている。以下の説明においては、ＩＰ（Internet Protocol ）層で扱うデータの固まりをパケットと表現し、ＭＡＣ層で扱うデータの固まりをフレームと表現する。送信側無線局がデータフレームを受信側無線局に送信し、宛先となる受信側無線局は当該データフレームを正しく受信した場合にはキャリアセンスをすることなくＡＣＫフレームを返送するように規定されている。送信側無線局は受信側無線局からのＡＣＫフレームを受信することによって、データフレームが正しく送信できたと判断する。また、送信側無線局がＡＣＫフレームを受信できなかった場合にはＭＡＣ層における再送手順に基づき同じパケットのデータフレームを再送するように規定されている。   In IEEE 802.11, which is most popular as a standard for wireless LAN (Local Area Network), CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) is adopted as a MAC (Medium Access Control) layer system. In IEEE 802.11, a retransmission procedure in the MAC layer is defined using an acknowledgment frame called an ACK (Acknowledgment) frame. In the following description, a cluster of data handled in the IP (Internet Protocol) layer is expressed as a packet, and a cluster of data handled in the MAC layer is expressed as a frame. It is specified that the transmitting radio station transmits a data frame to the receiving radio station, and that the receiving radio station as the destination correctly returns the ACK frame without performing carrier sense when the data frame is correctly received. Yes. The transmitting radio station receives the ACK frame from the receiving radio station and determines that the data frame has been transmitted correctly. Further, it is defined that when the transmitting radio station cannot receive the ACK frame, the data frame of the same packet is retransmitted based on the retransmission procedure in the MAC layer.

ＣＳＭＡ／ＣＡでは、送信の前にキャリアセンスすることが義務づけられているが、唯一前述のＡＣＫフレームの返信においては、キャリアセンスなしにＳＩＦＳ（Short Inter Frame Space ）後に送信するように規定されている。このキャリアセンスをすることなくＡＣＫフレームの返信を行うことと隠れ端末問題（無線同士が互いにキャリアセンスをすることができないため、一方の無線局がフレームを送信しているにもかかわらず、もう一方の無線局がフレーム返信を開始してフレーム同士が衝突する問題）により、スループットが大きく低下することがよく知られている。   In CSMA / CA, it is obliged to perform carrier sense before transmission, but the only response in the above-described ACK frame is that transmission is performed after SIFS (Short Inter Frame Space) without carrier sense. . Reply of ACK frame without carrier sense and hidden terminal problem (Since radios cannot mutually sense carrier sense, one radio station is sending frames, but the other It is well known that the throughput is greatly reduced due to the problem that the wireless stations start frame reply and the frames collide with each other.

図１２は、隠れ端末問題が存在する環境での無線パケット通信の従来例を説明する図であり、無線基地局ＡＰ１ａと無線基地局ＡＰ１ｂとが隠れ端末である。（非特許文献１．２参照）。同図において、ゾーンＡとゾーンＢはそれぞれ１つの無線ゾーンを表していて、それぞれのゾーンに属する無線局の末尾にａとｂを付ける。無線基地局ＡＰ１ａの配下に端末２ａ、無線基地局ＡＰ１ｂの配下に端末２ｂが存在する。また、ゾーンＡとゾーンＢは同じ周波数帯を使用している。
無線基地局ＡＰ１ａと無線基地局ＡＰｌｂは隠れ端末であるため、各々の無線信号は各々の相手基地局には届かないが、端末２ａと端末２ｂは距離が近く各々の無線信号が各々の相手端末に届くものとする。
また、端末２ａは無線基地局ＡＰ１ａからの距離が無線基地局ＡＰ１ｂからの距離に比べ十分に近いため、無線基地局ＡＰ１ａからのフレームと無線基地局ＡＰ１ｂからのフレームが衝突しても無線基地局ＡＰ１ａからのフレームは正常に受信することができる。同様に、端末２ｂは無線基地局ＡＰ１ｂからの距離が無線基地局ＡＰ１ａからの距離に比べ十分近いため、無線基地局ＡＰ１ｂからのフレームと無線基地局ＡＰ１ａからのフレームが端末２ｂの受信機で衝突しても、無線基地局ＡＰ１ｂからのフレームは正常に受信することができる。
２００２年電子情報通信学会通信ソサエティ大会論文 Ｂ−５−１８８ ２００２年電子情報通信学会通信ソサエティ大会論文 Ｂ−５−１８９ FIG. 12 is a diagram for explaining a conventional example of radio packet communication in an environment where a hidden terminal problem exists, and the radio base station AP1a and the radio base station AP1b are hidden terminals. (See Non-Patent Document 1.2). In the figure, each of zone A and zone B represents one radio zone, and a and b are appended to the end of radio stations belonging to each zone. The terminal 2a exists under the radio base station AP1a, and the terminal 2b exists under the radio base station AP1b. Zone A and zone B use the same frequency band.
Since the radio base station AP1a and the radio base station APlb are hidden terminals, each radio signal does not reach each partner base station, but the terminals 2a and 2b are close to each other and each radio signal is sent to each partner terminal. To reach.
In addition, since the distance from the radio base station AP1a is sufficiently close to the terminal 2a compared to the distance from the radio base station AP1b, the radio base station can be used even if a frame from the radio base station AP1a collides with a frame from the radio base station AP1b. The frame from the AP 1a can be received normally. Similarly, since the distance from the radio base station AP1b is sufficiently close to the terminal 2b compared to the distance from the radio base station AP1a, the frame from the radio base station AP1b and the frame from the radio base station AP1a collide with each other at the receiver of the terminal 2b. Even so, the frame from the radio base station AP1b can be normally received.
Papers of 2002 IEICE Communication Society B-5-188 2002 IEICE Communication Society B-5-189

しかし、端末２ｂは無線基地局ＡＰ１ｂからの距離と端末２ａからの距離はさほど差がないため、無線基地局ＡＰ１ｂからのフレームと端末２ａからのフレームが端末２ｂの受信機で衝突した場合には無線基地局ＡＰ１ｂからのフレームは正常に受信することができない。   However, since the distance from the radio base station AP1b and the distance from the terminal 2a are not so different in the terminal 2b, when the frame from the radio base station AP1b and the frame from the terminal 2a collide at the receiver of the terminal 2b, A frame from the radio base station AP1b cannot be received normally.

図１２に示す隠れ端末問題が存在する環境下における従来の無線パケット通信の動作を、図１３を用いて説明する。無線基地局ＡＰ１ａと無線基地局ＡＰ１ｂは各々の電波をキャリアセンスすることができないため、無線基地局ＡＰ１ａが端末２ａにデータフレームを送信しているときに、無線基地局ＡＰ１ｂが端末２ｂにデータフレームの送信を開始する場合がある。ここでは、その場合について説明する。端末２ａにおいて、無線基地局ＡＰ１ａのデータフレームと無線基地局ＡＰ１ｂのデータフレームが衝突しているが、無線基地局ＡＰ１ａからの距離の方が近いため、受信電力に大きな差ができ、無線基地局ＡＰ１ａの送信したデータフレームは端末２ａで正しく受信することができる。ＩＥＥＥ 802.11 の動作では受信側無線基地局が当該データフレームを正しく受信した場合には、キャリアセンスをすることなくＡＣＫフレームを返信するようになっているため、端末２ａは無線基地局ＡＰ１ｂがデータフレーム送信を行っているにもかかわらず、ＡＣＫフレームを返信する。このため、端末２ｂにおいて無線基地局ＡＰ１ｂが送信したデータフレームと端末２ａのＡＣＫフレームが衝突し、無線基地局ＡＰ１ｂが送信したデータフレームを端末２ｂは正常に受信できなくなる。また、端末２ｂは無線基地局ＡＰ１ｂのデータフレームを正しく受信できなかったので、無線基地局ＡＰ１ｂにＡＣＫフレームを返信しない。そのため、無線基地局ＡＰ１ｂはＩＥＥＥ 802.11 の再送手順に基づき再度同じパケットのデータフレームを送信する。よって、ゾーンＢのスループットが低下してしまうという問題が生じる。   The operation of the conventional wireless packet communication in an environment where the hidden terminal problem shown in FIG. 12 exists will be described with reference to FIG. Since the radio base station AP1a and the radio base station AP1b cannot carrier sense each radio wave, when the radio base station AP1a transmits a data frame to the terminal 2a, the radio base station AP1b sends a data frame to the terminal 2b. May start sending. Here, the case will be described. In the terminal 2a, the data frame of the radio base station AP1a and the data frame of the radio base station AP1b collide, but since the distance from the radio base station AP1a is closer, the received power can be greatly different, and the radio base station The data frame transmitted by the AP 1a can be correctly received by the terminal 2a. In the IEEE 802.11 operation, when the receiving radio base station correctly receives the data frame, the terminal 2a returns the ACK frame without performing carrier sense. Therefore, the terminal 2a transmits the data frame to the radio base station AP1b. An ACK frame is returned regardless of transmission. For this reason, the data frame transmitted by the radio base station AP1b in the terminal 2b collides with the ACK frame of the terminal 2a, and the terminal 2b cannot normally receive the data frame transmitted by the radio base station AP1b. Further, since the terminal 2b could not correctly receive the data frame of the radio base station AP1b, it does not return an ACK frame to the radio base station AP1b. Therefore, the radio base station AP1b transmits the data packet of the same packet again based on the IEEE 802.11 retransmission procedure. Therefore, there arises a problem that the throughput of the zone B is lowered.

隠れ端末問題を改善するために、ＩＥＥＥ 802.11 はオプションでＲＴＳ（Request to Send ）／ＣＴＳ（Clear to Send ）手順が規定されている。図１２に示す隠れ端末問題が存在する環境下における従来の無線パケット通信の動作を、図１４を用いて説明する。まず、無線基地局ＡＰ１ａが端末２ａにデータフレームを送信するために、まずＲＴＳフレームを送信する。無線基地局ＡＰ１ａと無線基地局ＡＰ１ｂは各々の電波をキャリアセンスすることができないため、無線基地局ＡＰ１ａのＲＴＳフレームが無線基地局ＡＰ１ｂに届くことはない。端末２ａと端末２ｂは無線基地局ＡＰ１ａのＲＴＳフレームを受信し、端末２ｂは自端末分宛のフレームではないため、ＮＡＶ（Network Allocation Vector ）により無線基地局ＡＰ１ａが指定したＴ１期間送信禁止となる。端末２ａは自端末宛のＲＴＳフレームであったので、無線基地局ＡＰ１ａへＣＴＳフレームを返信する。このＣＴＳフレームは無線基地局ＡＰ１ｂにも届くので、無線基地局ＡＰ１ｂはＮＡＶにより端末２ａが指定したＴ２期間送信禁止となる。そのあとに、無線基地局ＡＰ１ａからデータフレームが端末２ａに送信され、そのデータフレームを正しく受信した端末２ａはＡＣＫフレームを無線基地局ＡＰ１ａに返信する。同様のシーケンスで無線基地局ＡＰ１ｂはＲＴＳ／ＣＴＳフレームを用いてデータフレームを端末２ｂに送信する。ＲＴＳ／ＣＴＳフレームを用いることにより、フレーム同士が衝突することはなくなるが、ＲＴＳフレームとＣＴＳフレームとを伝送する時間とデータフレームとＡＣＫフレームを順次伝送する分だけの時間がかかる。ＲＴＳ／ＣＴＳフレームを用いた場合には確実にフレームを送信することができるが、ゾーンＡがフレームを送信しているときにゾーンＢでフレーム送信ができなくなり、同様にゾーンＢがフレームを送信しているときにゾーンＡでフレーム送信ができなくなるため、それぞれのゾーンのスループットが低下するという問題が生じる。   In order to improve the hidden terminal problem, IEEE 802.11 has an optional RTS (Request to Send) / CTS (Clear to Send) procedure. The operation of the conventional wireless packet communication in the environment where the hidden terminal problem shown in FIG. 12 exists will be described with reference to FIG. First, in order for the radio base station AP1a to transmit a data frame to the terminal 2a, an RTS frame is first transmitted. Since the radio base station AP1a and the radio base station AP1b cannot carrier sense each radio wave, the RTS frame of the radio base station AP1a does not reach the radio base station AP1b. Since the terminal 2a and the terminal 2b receive the RTS frame of the radio base station AP1a and the terminal 2b is not a frame addressed to the terminal itself, transmission is prohibited during the T1 period designated by the radio base station AP1a by the NAV (Network Allocation Vector). . Since the terminal 2a is an RTS frame addressed to itself, it returns a CTS frame to the radio base station AP1a. Since this CTS frame also reaches the radio base station AP1b, the radio base station AP1b is prohibited from transmitting during the T2 period designated by the terminal 2a by the NAV. After that, a data frame is transmitted from the radio base station AP1a to the terminal 2a, and the terminal 2a that has correctly received the data frame returns an ACK frame to the radio base station AP1a. In a similar sequence, the radio base station AP1b transmits a data frame to the terminal 2b using the RTS / CTS frame. By using the RTS / CTS frame, the frames do not collide with each other, but it takes time to transmit the RTS frame and the CTS frame, and to transmit the data frame and the ACK frame sequentially. When an RTS / CTS frame is used, a frame can be transmitted reliably. However, when zone A is transmitting a frame, frame transmission cannot be performed in zone B. Similarly, zone B transmits a frame. Since the frame cannot be transmitted in the zone A at the time, the throughput of each zone is reduced.

また、無線基地局が送信したデータフレームと端末が返信したＡＣＫフレームの衝突を回避するために、無線基地局がデータフレームを送信することができるダウンリンク期間と無線端末がＡＣＫフレームを送信することができるアップリンク期間のタイムスロットを設ける方法が提案されている（非特許文献３参照）。データフレームとＡＣＫフレームの時間関係を図１５に示す。
２００２年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会論文Ｂ−５−１８８ Also, in order to avoid a collision between a data frame transmitted by the radio base station and an ACK frame returned by the terminal, a downlink period in which the radio base station can transmit the data frame and a radio terminal transmitting the ACK frame There has been proposed a method of providing a time slot in the uplink period that can perform (see Non-Patent Document 3). FIG. 15 shows the time relationship between the data frame and the ACK frame.
2002 IEICE Communication Society Conference B-5-188

しかし、この方法では各ＡＰ同士が完全に時刻同期しなければならないという難しい問題がある。
上記の状況において、キャリアセンスをせずにＡＣＫフレームを返信するため、ＡＣＫフレームとデータフレームが衝突してデータフレームが正確に受信できないという課題がある。また、同じパケットのデータフレームを再送することになり、無線ゾーン内のスループットが低下するという課題がある。 However, this method has a difficult problem that the APs must completely synchronize with each other.
In the above situation, since an ACK frame is returned without performing carrier sense, there is a problem that the data frame cannot be accurately received due to a collision between the ACK frame and the data frame. Further, the data frame of the same packet is retransmitted, and there is a problem that the throughput in the wireless zone is reduced.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、無線基地局同士の時刻同期をすることなく、ＡＣＫフレームとデータフレームが衝突することを回避することができる無線パケット通信方式を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a wireless packet communication system capable of avoiding collision between an ACK frame and a data frame without performing time synchronization between wireless base stations. It is intended to provide.

この目的を達成するために、本発明による無線パケット通信方式は、複数の無線局が共通の周波数帯域に含まれるキャリアを用いて相互にパケット通信を行っている通信系で、送信側無線局からデータフレームを受信側無線局に送信した場合において、該データフレームを該受信側無線局が正しく受信したときには、該受信側無線局はＡＣＫフレームを前記送信側無線局に返送するように定められている無線パケット通信方式において、該受信側無線局は、前記データフレームを正しく受信したことにより作成した前記ＡＣＫフレームを返送する前に、前記キャリアのセンスを行い、当該キャリアの存在が検知されたときには、当該キャリアの停止が検知されるまで前記送信側無線局への前記ＡＣＫフレームの返送を延期し、該受信側無線局は、当該キャリアの停止が検知された後に、衝突防止のために予め定められた時間をおいて前記送信側無線局へ前記ＡＣＫフレームを返送することを特徴とする構成を有している。
ここで、前記受信側無線局からの前記ＡＣＫフレームの返送は、当該受信側無線局からのデータフレームの送出よりも高い優先度で返送されるように構成することができる。
また、前記送信側無線局からのデータフレームは、特定の受信側無線局に対して独自のヘッダを付加して複数の受信側無線局にマルチキャストにより送信され、前記特定の受信側無線局からの前記ＡＣＫフレームは、当該受信側無線局の前記独自ヘッダを付加した独自ＡＣＫフレームにより返送されるように構成することができる。 In order to achieve this object, a wireless packet communication system according to the present invention is a communication system in which a plurality of wireless stations perform packet communication with each other using carriers included in a common frequency band. When a data frame is transmitted to a receiving radio station, when the receiving radio station correctly receives the data frame, the receiving radio station is determined to return an ACK frame to the transmitting radio station. In the wireless packet communication method, the receiving radio station senses the carrier before returning the ACK frame created by correctly receiving the data frame, and when the presence of the carrier is detected. Suspending the return of the ACK frame to the transmitting wireless station until the carrier stop is detected, and the receiving wireless station , After the stop of the carrier is detected, and has a structure which is characterized in that for returning the ACK frame at a predetermined time to prevent collision to the transmission side radio station.
Here, the return of the ACK frame from the reception-side radio station can be configured to be returned with a higher priority than the transmission of the data frame from the reception-side radio station.
Further, the data frame from the transmitting radio station is transmitted to a plurality of receiving radio stations by multicasting with a unique header added to the specific receiving radio station, and the data frame from the specific receiving radio station is transmitted. The ACK frame can be configured to be returned by a unique ACK frame to which the unique header of the receiving wireless station is added.

すなわち、本発明は、上記課題を解決するために、ＣＳＭＡ／ＣＡのデータフレームと同様にキャリアセンスをしてＡＣＫフレームを返信する。これにより、ＡＣＫフレームとデータフレームが衝突することによるスループット低下を軽減することができる。
しかし、一方、キャリアセンスをしてＡＣＫフレームを送信するため、キャリアセンスにより送信側無線基地局がＡＣＫフレームを受信するタイミングは一定とならない。さらに、ＡＣＫフレームをデータフレームより高い優先度で返信する。高い優先度で返信することにより、データフレームに比べ確率的に早い送信機会を得ることができ、短い時間でＡＣＫフレームを返送することができる。
また、パケットの内容と無線ゾーン内のトラヒックに応じて、ＡＣＫフレーム待ち時間と再送回数を規定することにより、無線ゾーン内の通信品質を、アプリケーションの遅延やデータ品質に対する要求に基づき、最適化することができる。 That is, in order to solve the above-described problem, the present invention performs carrier sense in the same manner as a CSMA / CA data frame and returns an ACK frame. As a result, a decrease in throughput due to collision between the ACK frame and the data frame can be reduced.
However, since the ACK frame is transmitted with carrier sense, the timing at which the transmitting radio base station receives the ACK frame by carrier sense is not constant. Furthermore, an ACK frame is returned with a higher priority than the data frame. By replying with a high priority, a transmission opportunity that is stochastically faster than the data frame can be obtained, and an ACK frame can be returned in a short time.
In addition, by specifying the ACK frame waiting time and the number of retransmissions according to the contents of the packet and the traffic in the wireless zone, the communication quality in the wireless zone is optimized based on the requirements for application delay and data quality. be able to.

本発明によれば、時刻同期を必要としないでＡＣＫフレームと他のフレームの衝突を回避することができ、無線ゾーン内のスループットを向上することができるという特殊効果を有している。   According to the present invention, there is a special effect that collision between an ACK frame and another frame can be avoided without requiring time synchronization, and throughput in the radio zone can be improved.

図１２に示す隠れ端末問題が存在する環境下で、本発明の無線パケット通信方法の実施例を、図１を用いて説明する。無線基地局ＡＰ１ａと無線基地局ＡＰ１ｂは各々の電波をキャリアセンスすることができないため、無線基地局ＡＰ１ａが端末２ａにデータフレームを送信しているときに、無線基地局ＡＰ１ｂが端末２ｂにデータフレーム送信を開始する。端末２ａにおいて、無線基地局ＡＰ１ａのデータフレームと無線基地局ＡＰ１ｂのデータフレームが衝突しているが、無線基地局ＡＰ１ａの距離の方が近いので、受信電力に大きな差が出て、無線基地局ＡＰ１ａの送信したデータフレームは端末２ａで正しく受信することができる。   In the environment where the hidden terminal problem shown in FIG. 12 exists, an embodiment of the wireless packet communication method of the present invention will be described with reference to FIG. Since the radio base station AP1a and the radio base station AP1b cannot carrier sense each radio wave, when the radio base station AP1a transmits a data frame to the terminal 2a, the radio base station AP1b sends a data frame to the terminal 2b. Start sending. In the terminal 2a, the data frame of the radio base station AP1a and the data frame of the radio base station AP1b collide, but since the distance of the radio base station AP1a is closer, there is a large difference in received power, and the radio base station The data frame transmitted by the AP 1a can be correctly received by the terminal 2a.

本発明によると、正常受信したデータフレームに対して、キャリアセンスを行った後にＡＣＫフレームの送信を行う。このため、キャリアセンスの結果、無線信号がない場合には、すぐにＡＣＫフレームを返信する。また、キャリアセンスの結果、無線信号が存在する場合には、バックオフ動作を行ってＡＣＫフレームを返信する。端末２ａは無線基地局ＡＰ１ｂの無線信号をキャリアセンスすることができるので、無線基地局ＡＰ１ｂが送信しているデータフレームが送信終了になるまで、ＡＣＫフレームの返信を延期する。その後、端末２ａは、無線基地局ＡＰ１ｂの無線信号がなくなった後に、バックオフ動作を行ってＡＣＫフレームの返信を行う。バックオフ動作とは、無線信号がなくなった後にランダムな遅延時間に亘り送信を待機する動作であり、このバックオフ動作中にも常にキャリアセンスを行う。   According to the present invention, an ACK frame is transmitted after performing carrier sense on a normally received data frame. For this reason, if there is no radio signal as a result of carrier sense, an ACK frame is immediately returned. Further, when a radio signal exists as a result of carrier sense, a back-off operation is performed and an ACK frame is returned. Since the terminal 2a can carrier sense the radio signal of the radio base station AP1b, the reply of the ACK frame is postponed until the transmission of the data frame transmitted by the radio base station AP1b is completed. Thereafter, after the radio signal of the radio base station AP1b disappears, the terminal 2a performs a back-off operation and returns an ACK frame. The back-off operation is an operation of waiting for transmission for a random delay time after the radio signal is lost, and carrier sense is always performed during the back-off operation.

本発明では、キャリアセンスによりＡＣＫフレームによる衝突がないので、無線基地局ＡＰ１ｂが送信したデータフレームは端末２ｂで正しく受信できる。端末２ｂは正しくデータフレームを受信したため、ＡＣＫフレームを生成し、キャリアセンスしてＡＣＫフレームを返信しようとする。無線基地局ＡＰ１ｂからのデータフレーム終了後に、端末２ａはバックオフ動作を開始し、端末２ｂはキャリアセンスを行い、無線信号が存在しないため、ＡＣＫフレームを無線基地局ＡＰ１ｂに返信する。端末２ａは端末２ｂのＡＣＫフレームをキャリアセンスできるので、端末２ｂがＡＣＫフレームを返信している期間はバックオフ動作を停止して、端末２ｂのＡＣＫフレームが終了した後にバックオフ動作を再開して、ＡＣＫフレームを無線基地局ＡＰ１ａに返信する。   In the present invention, since there is no collision due to the ACK frame due to carrier sense, the data frame transmitted by the radio base station AP1b can be correctly received by the terminal 2b. Since the terminal 2b has correctly received the data frame, it generates an ACK frame, carries out carrier sense, and tries to return the ACK frame. After the end of the data frame from the radio base station AP1b, the terminal 2a starts a back-off operation, the terminal 2b performs carrier sense, and since there is no radio signal, returns an ACK frame to the radio base station AP1b. Since the terminal 2a can carrier sense the ACK frame of the terminal 2b, the back-off operation is stopped during the period in which the terminal 2b returns the ACK frame, and the back-off operation is resumed after the terminal 2b completes the ACK frame. The ACK frame is returned to the radio base station AP1a.

よって、本発明により、無線基地局ＡＰ１ａから端末２ａへのデータフレームと、無線基地局ＡＰ２ｂから端末２ｂへのデータフレームが並行して正常に送られることが分かる。   Therefore, according to the present invention, it can be seen that the data frame from the radio base station AP1a to the terminal 2a and the data frame from the radio base station AP2b to the terminal 2b are normally sent in parallel.

次に、図２を用いて無線基地局ＡＰ１の動作を説明する。ＩＰ層からのパケット送信要求により（Ｓ１）、ＭＡＣ層でデータフレームを組み立て（Ｓ２）、最初にキャリアセンスを行う（Ｓ３）。キャリアセンスの結果（Ｓ４）、無線信号が存在する場合（Ｙｅｓ）には、その無線信号がなくなるまでデータフレームの送信を延期するバックオフ動作（Ｓ５）のあとにデータフレームの送信を行う（Ｓ６）。キャリアセンスの結果（Ｓ４）、無線信号が存在しない場合（Ｎｏ）には、データフレームの送信を行う（Ｓ６）。そして、データフレームを送信した後に再送タイマーを起動して、再送時間になるまでＡＣＫフレームを待ち続ける（Ｓ７）。再送時間になる前にＡＣＫフレームを受信した場合（Ｙｅｓ）には、送信完了となる（Ｓ１２）。ＡＣＫフレームを受信できない状態（Ｓ７のＮｏ）で再送時間になった場合には（Ｓ８のＹｅｓ）、再送上限回数以下であるかを確認して（Ｓ９）、再送上限回数以下の場合（Ｎｏ）には再度同じパケットのデータフレームを送信する（Ｓ１０）。また、再送上限回数以上の場合（Ｓ９のＹｅｓ）には、そのパケットを破棄し（Ｓ１１）、終了となる（Ｓ１３）。   Next, the operation of the radio base station AP1 will be described with reference to FIG. In response to a packet transmission request from the IP layer (S1), a data frame is assembled in the MAC layer (S2), and carrier sense is first performed (S3). As a result of the carrier sense (S4), if a radio signal exists (Yes), the data frame is transmitted after the back-off operation (S5) in which the transmission of the data frame is postponed until the radio signal disappears (S6). ). As a result of the carrier sense (S4), when there is no radio signal (No), a data frame is transmitted (S6). Then, after transmitting the data frame, the retransmission timer is started and the ACK frame is kept waiting until the retransmission time is reached (S7). If an ACK frame is received before the retransmission time (Yes), transmission is completed (S12). If the retransmission time is reached when the ACK frame cannot be received (No in S7) (Yes in S8), it is confirmed whether it is less than the upper limit number of retransmissions (S9), and less than the upper limit number of retransmissions (No). In step S10, the data frame of the same packet is transmitted again. If the number is equal to or greater than the maximum number of retransmissions (Yes in S9), the packet is discarded (S11) and the process ends (S13).

また、図３を用いて端末２の動作を説明する。端末２がデータフレームを受信したら（Ｓ２１）、まず、そのデータフレームが壊れていないかをデータフレームに付いているＦＣＳ（Frame Check Sequence）を用いてチェックする（Ｓ２２）。データフレームが壊れている場合（Ｎｏ）には、そのデータフレームを破棄して（Ｓ２３）、データフレームに対する受信動作を終了する（Ｓ２４）。データフレームが壊れていない場合（Ｓ２２のＹｅｓ）には、そのデータフレームが自局宛であるかを確認して（Ｓ２５）、自局宛である場合（Ｙｅｓ）には、ＡＣＫフレームを生成して（Ｓ２６）、キャリアセンスして（Ｓ２７）、キャリアセンスの結果（Ｓ２８）、無線信号が存在しない場合（Ｎｏ）には、ＡＣＫフレームの返信を行う（Ｓ２９）。自局宛でない場合（Ｎｏ）には、そのデータフレームを破棄して（Ｓ２３）、受信終了となる（Ｓ２４）。キャリアセンスの結果（Ｓ２８）、無線信号が存在する場合（Ｙｅｓ）には、その無線信号がなくなるまで、ＡＣＫフレームの送信を延期するバックオフ動作（Ｓ５ａ）の後にＡＣＫフレームの返信を行う（Ｓ２９）。   The operation of the terminal 2 will be described with reference to FIG. When the terminal 2 receives the data frame (S21), first, it is checked whether or not the data frame is broken by using an FCS (Frame Check Sequence) attached to the data frame (S22). If the data frame is broken (No), the data frame is discarded (S23), and the reception operation for the data frame is terminated (S24). If the data frame is not broken (Yes in S22), it is confirmed whether the data frame is addressed to the own station (S25). If the data frame is addressed to the own station (Yes), an ACK frame is generated. (S26), carrier sense is performed (S27), the result of carrier sense (S28), and when there is no radio signal (No), an ACK frame is returned (S29). If it is not addressed to the own station (No), the data frame is discarded (S23), and the reception is completed (S24). As a result of the carrier sense (S28), when there is a radio signal (Yes), the ACK frame is returned after the back-off operation (S5a) to postpone the transmission of the ACK frame until there is no radio signal (S29). ).

最後に、図２，図３を参照して説明されたバックオフ動作（Ｓ５，Ｓ５ａ）を図４を用いて説明する。まず、動作開始後（Ｓ５１）、乱数によりバックオフ期間が決定する（Ｓ５２）。次に、キャリアセンス（Ｓ５３）の結果（Ｓ５４）、無線信号が存在しない場合（Ｎｏ）には、バックオフ期間をデクリメントして（Ｓ５５）、バックオフ期間が零になったかを調べる（Ｓ５６）。バックオフ期間が零でない場合（Ｎｏ）には、再びキャリアセンス（Ｓ５３）に戻る。また、バックオフ期間が零の場合（Ｓ５６のＹｅｓ）には、バックオフ動作を終了する（Ｓ５７）。   Finally, the back-off operation (S5, S5a) described with reference to FIGS. 2 and 3 will be described with reference to FIG. First, after the operation starts (S51), the back-off period is determined by a random number (S52). Next, as a result of carrier sense (S53) (S54), when there is no radio signal (No), the back-off period is decremented (S55), and it is checked whether the back-off period has become zero (S56). . If the back-off period is not zero (No), the process returns to carrier sense (S53) again. When the back-off period is zero (Yes in S56), the back-off operation is terminated (S57).

次に、シミュレーションによる結果を示す。図５にそのシミュレーションを行った各無線局の配置例を示す。無線基地局ＡＰ１ａと端末２ａとの距離を２８〔ｍ〕、同様に無線基地局ＡＰ１ｂと端末２ｂとの距離を２８〔ｍ〕として、端末２ａと端末２ｂとの距離を変数ｄとして端末間の距離を変化させてシミュレーションを行った。また、電波伝搬モデルにはレイリーフェージングを使用して、無線基地局ＡＰ１ａの伝送速度は６Ｍbps 、無線基地局ＡＰ１ｂの伝送速度は２４Ｍbps とし、１５００byteのパケットを無線基地局ＡＰ１が端末２に送信するというトラヒック設定で無線基地局ＡＰ１ａのスループットを測定した。   Next, the result by simulation is shown. FIG. 5 shows an example of the arrangement of the wireless stations that performed the simulation. The distance between the radio base station AP1a and the terminal 2a is 28 [m], the distance between the radio base station AP1b and the terminal 2b is 28 [m], and the distance between the terminals 2a and 2b is a variable d. The simulation was performed by changing the distance. The radio wave propagation model uses Rayleigh fading, the transmission rate of the radio base station AP1a is 6 Mbps, the transmission rate of the radio base station AP1b is 24 Mbps, and the radio base station AP1 transmits a packet of 1500 bytes to the terminal 2. The throughput of the radio base station AP1a was measured in the traffic setting.

図６にシミュレーションによるスループットの結果を示す。図６から、本発明によりスループットが改善されていることが理解される。   FIG. 6 shows the results of throughput by simulation. It can be seen from FIG. 6 that the throughput is improved by the present invention.

図７を用いてＡＣＫフレームの優先度をデータフレームよりも高くした場合について説明する。図７の横軸はデータフレーム送信完了時からＡＣＫフレーム受信開始までの時間で、縦軸はその時間に受信開始されたＡＣＫフレームの確率密度である。ＩＥＥＥ 802.11 の方式ではデータフレームを受信してからＳＩＦＳ（Short Inter Frame Space ）期間後にＡＣＫフレームの返信を行うので、ＡＣＫフレーム受信時刻は図７（ａ）に示すようにほぼＳＩＦＳ期間後に受信開始されるが、本発明方式ではキャリアセンスを行い、無線信号が存在する場合にはＡＣＫフレームの送信を延期するため、図７（ｂ）に示すように、ＡＣＫフレーム受信開始までの時刻は大きな広がりをもつ。しかし、図７（ｂ）の状態において、ＡＣＫフレームの優先度をデータフレームより高くした場合には、図７（ｃ）に示すように、ＡＣＫフレーム受信開始までの時間を小さくすることができる。また、送信側無線局は受信側無線局からのＡＣＫフレームを受信することによってデータフレームが正しく送信できたと判断し、ＡＣＫフレームが受信できなかった場合には同じパケットのデータフレームを再送する必要がある。ＡＣＫフレームが受信できなかったと判断するのは、データフレーム送信後に起動した再送タイマーが再送時間になった時である。そこで、ＡＣＫフレームの優先度をデータフレームより高くして、ＡＣＫフレーム受信開始までの時間を小さくすることにより、データフレームの再送を減らすことができる。ＡＣＫフレームの優先度をデータフレームより高くするには、データフレームとＡＣＫフレームのフレーム送信間隔：ＡＩＦＳ（Arbitration Inter Frame Space ）に差を付けることで可能となる。   A case where the priority of the ACK frame is set higher than that of the data frame will be described with reference to FIG. The horizontal axis in FIG. 7 is the time from the completion of data frame transmission to the start of ACK frame reception, and the vertical axis is the probability density of the ACK frame started to be received at that time. In the IEEE 802.11 system, since an ACK frame is returned after a SIFS (Short Inter Frame Space) period after receiving a data frame, the ACK frame reception time starts to be received almost after the SIFS period as shown in FIG. However, in the method of the present invention, carrier sensing is performed, and transmission of an ACK frame is postponed when a radio signal is present. Therefore, as shown in FIG. Have. However, in the state of FIG. 7B, when the priority of the ACK frame is set higher than that of the data frame, the time until the start of ACK frame reception can be reduced as shown in FIG. 7C. In addition, the transmitting radio station determines that the data frame has been transmitted correctly by receiving the ACK frame from the receiving radio station, and if the ACK frame cannot be received, it is necessary to retransmit the data frame of the same packet. is there. It is determined that the ACK frame has not been received when the retransmission timer started after the data frame transmission has reached the retransmission time. Therefore, by making the priority of the ACK frame higher than that of the data frame and reducing the time until the start of ACK frame reception, the retransmission of the data frame can be reduced. In order to make the priority of the ACK frame higher than the data frame, it is possible to add a difference to the frame transmission interval: AIFS (Arbitration Inter Frame Space) between the data frame and the ACK frame.

また、パケットの内容と無線ゾーン内のトラヒックに応じて、ＡＣＫフレーム待ち時間と再送回数を規定する。例えば音声や動画像などのリアルタイム性を必要とするパケットに対しては、パケットの遅延に敏感なので、ＡＣＫフレーム待ち時間を短く設定し、メールやＦＴＰ（File Transport Protocol ）のパケットは遅延よりもデータ品質が重要であるため、再送回数を増やしてパケットの損失を低くするように設定する。そして、無線ゾーン内のトラヒックが高い場合には、遅延の影響を考慮しなくてもよいメールやＦＴＰ（File Transport Protocol ）のＡＣＫフレーム待ち時間を長く設定して、再送による無線区間でのトラヒック増加を防ぎ、無線ゾーン内のメールやＦＴＰ（File Transport Protocol ）のトラヒックを低く抑えることができる。これらの設定により、アプリケーションの遅延やデータ品質に対する要求に基づき、無線ゾーン内の通信品質を最適化することができる。   Further, the ACK frame waiting time and the number of retransmissions are defined according to the contents of the packet and the traffic in the radio zone. For example, for packets that require real-time characteristics such as voice and moving images, it is sensitive to the packet delay, so the ACK frame waiting time is set short, and mail and FTP (File Transport Protocol) packets are more data than delays. Since quality is important, it is set to increase the number of retransmissions to reduce packet loss. If the traffic in the radio zone is high, increase the ACK frame waiting time for mail and FTP (File Transport Protocol) that do not need to consider the effect of delay, and increase the traffic in the radio section due to retransmission It is possible to prevent mail and FTP (File Transport Protocol) traffic in the wireless zone. With these settings, the communication quality in the wireless zone can be optimized based on the application delay and data quality requirements.

本発明を実施するにあたり、無線ＬＡＮの標準規格として最も普及しているＩＥＥＥ 802.11 のモジュールを使用することにより、開発工程とコストを低く抑えることができる。本発明をＩＥＥＥ 802.11 に適用する場合について説明する。まず、図９に示すように、ＭＡＣ層の上位側に独自ＭＡＣ層を追加する。ＡＰ１からのデータフレームの流れを、図１０を用いて説明する。ＩＰ層のパケットを独自ＭＡＣ層に渡し、独自ＭＡＣ層で宛先ＭＡＣアドレスと送信元ＭＡＣアドレスを含んだ独自ヘッダが追加される。次に、ＭＡＣ層に渡され、ＩＥＥＥ 802.11 のヘッダ（プリアンブル，ＰＬＣＰヘッダ，ＭＡＣヘッダ）が付加され、ＦＣＳの計算が行われて、図８に示すようにＡＰ１から端末２へのデータフレームの送信はマルチキャリアによる通信を用いる。マルチキャストによる通信では、ＡＣＫフレームを送信側無線局に返送することはないため、ＳＩＦＳ後にＡＣＫフレームが返信されることはない。端末２はマルチキャストのフレームであるので、そのデータフレームを正しく受信すればそのまま取り込んで、上位の独自ＭＡＣ層に渡す。独自ＭＡＣ層において、データフレーム中の独自ヘッダより送信先が自局宛であるかを判断して、自局宛でない場合にはそのデータフレームを破棄する。自局宛の場合には、独自ヘッダを削除して上位層に渡す。また、マルチキャリアによる通信ではＡＣＫフレームを送信側無線局に返送しないためＭＡＣ層ではデータフレームが正しく受信側に届いたか確認することができない。   In carrying out the present invention, the development process and cost can be kept low by using the IEEE 802.11 module that is most widely used as a wireless LAN standard. A case where the present invention is applied to IEEE 802.11 will be described. First, as shown in FIG. 9, a unique MAC layer is added on the upper side of the MAC layer. The flow of data frames from AP1 will be described with reference to FIG. The IP layer packet is passed to the unique MAC layer, and a unique header including the destination MAC address and the source MAC address is added in the unique MAC layer. Next, it is passed to the MAC layer, an IEEE 802.11 header (preamble, PLCP header, MAC header) is added, FCS calculation is performed, and a data frame is transmitted from AP1 to terminal 2 as shown in FIG. Uses multi-carrier communication. In multicast communication, an ACK frame is not returned to the transmitting wireless station, and therefore no ACK frame is returned after SIFS. Since the terminal 2 is a multicast frame, if the data frame is correctly received, it is fetched as it is and passed to the upper unique MAC layer. In the unique MAC layer, it is determined from the unique header in the data frame whether the transmission destination is addressed to the own station. If the destination is not addressed to the own station, the data frame is discarded. When addressed to the own station, the unique header is deleted and passed to the upper layer. Also, in multi-carrier communication, the ACK frame is not returned to the transmitting-side radio station, so the MAC layer cannot confirm whether the data frame has reached the receiving side correctly.

そこで、あらたに独自ＭＡＣ層でＭＡＣ層のＡＣＫフレームと同じ働きをする独自ＡＣＫフレームを定義して、独自ＭＡＣ層でパケットが正しく受信側に届いたかの確認を行う。端末２からの独自ＡＣＫフレームの流れを、図１１を用いて説明する。独自ＭＡＣ層において、データフレームの送信先が自局宛の場合には、自局ＭＡＣアドレスを含んだ独自ＡＣＫフレームを生成する。この独自ＡＣＫフレームをＭＡＣ層に渡す。ＭＡＣ層において、この独自ＡＣＫフレームはＩＰ層からのパケットと同じように処理されるので、データフレームを送信するのと同様にキャリアセンスを行って、この独自ＡＣＫフレームをペイロードとしたデータフレームをＡＰ１にユニキャストで送信する。ＡＰ１は独自ＡＣＫフレームを含んだデータフレームを受信して、ＭＡＣ層でＩＥＥＥ 802.11 のヘッダを取り除き、独自ＭＡＣ層に独自ＡＣＫフレームを渡す。この独自ＡＣＫフレームが返信されたことにより、完了となる。以上より、ＩＥＥＥ 802.11 上で、ＣＳＭＡ／ＣＡに基づいたＡＣＫフレームを返信することができる。また、独自ＭＡＣ層はＩＥＥＥ 802.11 規定範囲の上位に位置するため、ＩＥＥＥ 802.11 を変更することなく本発明を実装することができる。   Therefore, a unique ACK frame that performs the same function as the MAC layer ACK frame is newly defined in the unique MAC layer, and it is confirmed in the unique MAC layer whether the packet has correctly reached the receiving side. The flow of the unique ACK frame from the terminal 2 will be described with reference to FIG. In the unique MAC layer, when the transmission destination of the data frame is addressed to the own station, a unique ACK frame including the own station MAC address is generated. This unique ACK frame is passed to the MAC layer. In the MAC layer, this unique ACK frame is processed in the same manner as a packet from the IP layer. Therefore, carrier sense is performed in the same manner as the transmission of the data frame, and the data frame having the unique ACK frame as a payload is defined as AP1. Send to unicast. AP1 receives the data frame including the unique ACK frame, removes the IEEE 802.11 header in the MAC layer, and passes the unique ACK frame to the unique MAC layer. It is completed when this unique ACK frame is returned. As described above, an ACK frame based on CSMA / CA can be returned on IEEE 802.11. Also, since the unique MAC layer is located above the IEEE 802.11 specified range, the present invention can be implemented without changing IEEE 802.11.

本発明は、無線ＬＡＮ方式に広く採用することが可能であって、特に隠れ端末問題を解消するために有効である。   The present invention can be widely applied to wireless LAN systems, and is particularly effective for solving the hidden terminal problem.

本発明における動作原理を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the operation principle in this invention. 本発明における無線基地局での動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the operation | movement in the radio base station in this invention. 本発明における端末局での動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating operation | movement in the terminal station in this invention. 本発明に用いるバックオフ動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the back-off operation | movement used for this invention. 本発明による効果を従来例と対比するためのシミュレーションを行った各無線局の配置例図である。It is the example of arrangement | positioning of each radio station which performed the simulation for comparing the effect by this invention with a prior art example. 図５の配置例を用いて行ったシミュレーションの結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the result of the simulation performed using the example of arrangement | positioning of FIG. 従来例と本発明におけるＡＣＫフレームの受信時刻の分散状態を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the dispersion | distribution state of the reception time of the ACK frame in a prior art example and this invention. 本発明をＩＥＥＥ 802.11 に適用する場合を説明するための無線局配置例図である。It is a radio station arrangement example figure for demonstrating the case where this invention is applied to IEEE 802.11. 本発明をＩＥＥＥ 802.11 に適用する場合の通信制御システム構成例図である。It is a communication control system structural example figure in the case of applying this invention to IEEE 802.11. 図９のシステムによる具体的動作例を説明するためのタイムチャートである。10 is a time chart for explaining a specific operation example by the system of FIG. 9. 図１０のシステムにおける独自ＡＣＫフレームの流れを示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the flow of the original ACK frame in the system of FIG. 隠れ端末問題が存在する従来の無線ＬＡＮシステム例を示す無線局配置例図である。It is a wireless station arrangement example figure which shows the example of the conventional wireless LAN system in which a hidden terminal problem exists. 図１２のシステムにおける隠れ端末問題の具体例を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the specific example of the hidden terminal problem in the system of FIG. 図１２のシステムにおける従来の無線パケット通信の動作例を説明するためのタイムチャートである。13 is a time chart for explaining an operation example of conventional wireless packet communication in the system of FIG. 隠れ端末問題が存在する無線ＬＡＮシステムにおける従来の解決提案例を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the example of the conventional solution proposal in the wireless LAN system with a hidden terminal problem.

符号の説明Explanation of symbols

ＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂ 無線基地局
２ａ，２ｂ 端末 AP1a, AP1b Wireless base station 2a, 2b Terminal

Claims (3)

複数の無線局が共通の周波数帯域に含まれるキャリアを用いて相互にパケット通信を行っている通信系で、送信側無線局からデータフレームを受信側無線局に送信した場合において、該データフレームを該受信側無線局が正しく受信したときには、該受信側無線局はＡＣＫフレームを前記送信側無線局に返送するように定められている無線パケット通信方式において、
該受信側無線局は、前記データフレームを正しく受信したことにより作成した前記ＡＣＫフレームを返送する前に、前記キャリアのセンスを行い、当該キャリアの存在が検知されたときには、当該キャリアの停止が検知されるまで前記送信側無線局への前記ＡＣＫフレームの返送を延期し、
該受信側無線局は、当該キャリアの停止が検知された後に、衝突防止のために予め定められた時間をおいて前記送信側無線局へ前記ＡＣＫフレームを返送すること
を特徴とする無線パケット通信方式。 In a communication system in which a plurality of wireless stations perform packet communication with each other using carriers included in a common frequency band, when a data frame is transmitted from a transmitting wireless station to a receiving wireless station, the data frame is When the receiving radio station receives correctly, the receiving radio station is set to return an ACK frame to the transmitting radio station.
The receiving radio station senses the carrier before returning the ACK frame created by correctly receiving the data frame, and when the presence of the carrier is detected, the receiving radio station detects that the carrier has stopped. Postponing the return of the ACK frame to the transmitting wireless station until
The receiving wireless station returns the ACK frame to the transmitting wireless station after a predetermined time for collision prevention after detecting the stop of the carrier. method. 前記受信側無線局からの前記ＡＣＫフレームの返送は、当該受信側無線局からのデータフレームの送出よりも高い優先度で返送されることを特徴とする請求項１に記載の無線パケット通信方式。   The wireless packet communication system according to claim 1, wherein the return of the ACK frame from the reception-side wireless station is returned with a higher priority than the transmission of the data frame from the reception-side wireless station. 前記送信側無線局からのデータフレームは、特定の受信側無線局に対して独自のヘッダを付加して複数の受信側無線局にマルチキャストにより送信され、前記特定の受信側無線局からの前記ＡＣＫフレームは、当該受信側無線局の前記独自ヘッダを付加した独自ＡＣＫフレームにより返送されることを特徴とする請求項１に記載の無線パケット通信方式。   The data frame from the transmitting radio station is transmitted to a plurality of receiving radio stations by multicasting with a unique header added to the specific receiving radio station, and the ACK from the specific receiving radio station The wireless packet communication system according to claim 1, wherein the frame is returned by a unique ACK frame to which the unique header of the receiving wireless station is added.
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