JP2010273050A

JP2010273050A - 無線通信方法、基地局および移動局

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Publication number: JP2010273050A
Application number: JP2009122445A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Fujie; 良一藤江
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2010-12-02

Abstract

【課題】ＴＣＰのスループットを向上可能な無線通信方法を得ること。
【解決手段】移動局ごとにパケットの再送状況を管理し、当該移動局に対するパケットの再送が所定数にわたって連続して失敗したことを認識した場合に、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、パケットを送信する制御を行い、また、当該移動局に対するパケットの再送が所定数にわたって連続して失敗したことを認識しない場合に、通常の送達確率でパケットを送信する制御を行う下りスケジューラ１４、を備えることとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＴＣＰ（Transmission Control Protocol）を用いた無線通信方法に関する。

従来のインターネット通信は、ＴＣＰ／ＩＰ（Internet Protocol）プロトコル群により実現され、現状、インターネット通信で使用されるトランスポート層のプロトコルはＴＣＰが大多数である。したがって、インターネット通信では、ＴＣＰがアプリケーションに提供するスループット（以下、ＴＣＰスループットとも呼ぶ）を向上させることが、アプリケーション、さらに当該アプリケーションをオペレーションするユーザ、に対するメリットとなる。また、無線通信システムにおいても、パケット通信ではＴＣＰ／ＩＰを使用してデータが伝送される。

ところで、ＴＣＰには、ネットワークの輻輳から抜け出すために、「スロースタート」および「輻輳回避」といった仕組みが実装され、送信側で輻輳Window（cwnd）を変化させることで送信データ量を制御する。これらの機能は、ネットワークの輻輳に対して有効に機能するが、ネットワークの一部に無線リンクを含む場合には、問題を引き起こすことが知られている。無線リンクには、伝播ロス，シャドーイング，フェージング変動といった変動要因があり、これらによる伝送路誤りは避けられない。したがって、無線リンクは、その特性により、伝送路誤りの確率が有線リンクに比べ格段に大きい。ＴＣＰでは、これらの誤りをＩＰパケットのロスとして認識するため、スロースタートまたは輻輳回避の動作をとる。しかしながら、無線誤りは輻輳ではないため、送信レートを下げることに意味はない。

なお、ＴＣＰスループット（ＢＷ）は、以下の式（１）で近似的に求められることが知られている。式（１）で、ＭＳＳは最大セグメントサイズ，ＲＴＴはRound Trip Time，ｐはパケットロス確率である。

式（１）から、パケットロス確率ｐ、すなわちパケット誤りを減らすこと、またはＲＴＴを減らすことが、ＴＣＰスループット向上につながることがわかる。

こうした問題に対し、下記特許文献１では、受信側が、無線区間エラーに起因するパケットロスが発生した場合にＴＣＰレイヤにおいて「無線破棄通知」を送信側に通知し、送信側のＴＣＰレイヤが、直前まで保持されていた送信レートおよびウインドウサイズを用いて、破棄されたパケットを再送する技術が開示されている。これにより、従来のスロースタート機能を動作させないため、スループットの低下を回避できる。

また、下記非特許文献１および２では、無線区間における再送プロトコルを実装し、上位のＴＣＰにおけるパケット破棄を０に近づける技術が開示されている。たとえば、３ＧＰＰで規格化されるＷ−ＣＤＭＡでは、ＲＬＣ（Radio Link Control）レイヤやＭＡＣレイヤでの再送が規定されている。

また、下記非特許文献３では、ＦＩＦＯキューにおけるDrop Tailバッファ溢れがバースト的なパケットロスとなることに着目し、こうしたバースト的なパケットロスを回避する方法として、Active Queue Managementの１手法であるRandom Early Detection／Discard（ＲＥＤ）を提示する。ＲＥＤでは、バッファのキュー長がある閾値を超えた段階で、ランダムにパケットを廃棄する。その結果、ＴＣＰのスロースタート動作を引き起こさないため、大幅なスループット低下を回避できる。

特開平１１−２４３４１９号公報

３ＧＰＰＴＳ２５．３２２Ｖ６．１７．０２００８−１２３ＧＰＰＴＳ２５．３２１Ｖ６．１２．０２００８−０５ＩＥＴＦＲＦＣ２３０９Ａｐｒｉｌ．１９９８

しかしながら、上記特許文献１の技術では、ＴＣＰに新たな機能を追加する必要がある。したがって、ＴＣＰの標準化において採用されなければならず、さらに、標準化されたと仮定しても、当該機能が普及するためには標準ＯＳのアップデートなどを待たねばならず、非常に長い年月がかかる、という問題があった。

また、上記非特許文献１および２の技術によれば、再送を行うことにより遅延が増加するので（ＴＣＰのスループットには遅延も影響するため）、再送を繰り返すだけではＴＣＰスループット向上の効果は十分得られない可能性がある、という問題があった。

また、上記非特許文献３の技術によれば、無線誤りに起因するパケットロスがバースト的であればＴＣＰスロースタートとなり、ＴＣＰスループットが低下する、という問題があった。また、ＲＥＤによるランダム誤りはcwndを半分に落とすため、バーストロスによるスロースタートほどではないが、ＴＣＰスループットが低下する、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＴＣＰのスループットを向上可能な無線通信方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、基地局と移動局が、ＴＣＰを用いて、送信局または受信局として無線通信を行う無線通信システム、における無線通信方法であって、前記送信局が、前記受信局ごとにパケットの再送状況を管理し、当該受信局に対するパケットの再送が所定数にわたって連続して失敗したことを認識した場合に、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、パケットを送信する制御を行う送信制御ステップ、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、ＴＣＰスループットの大幅な低下を避けることが可能となる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１の基地局の構成例を示す図である。図２は、実施の形態１の移動局の構成例を示す図である。図３は、実施の形態１における基地局の送信動作を示すフローチャートである。図４は、パケットと無線フレームとの対応関係の一例を示す図である。図５は、実施の形態２における基地局の構成例を示す図である。図６は、実施の形態２における基地局の送信動作を示すフローチャートである。図７は、実施の形態２における基地局の送信動作を示すフローチャートである。図８は、送信バッファのキュー長と優先状態との関連を説明する図である。図９は、パケット誤り率に対するスループットのシミュレーション結果の一例を示す図である。図１０は、輻輳ウインドウサイズと、送信バッファ内のキュー長との関係を示す図である。図１１は、実施の形態３における基地局の構成例を示す図である。図１２は、実施の形態３における基地局の送信動作を説明するフローチャートである。図１３は、無線誤りとcnwdの関係を示す図である。図１４は、実施の形態４における基地局の構成例を示す図である。図１５は、実施の形態４における基地局の送信動作を説明するフローチャートである。図１６は、無線通信システムにおいて発生するディレイスパイクを説明するための図である。図１７は、実施の形態５の基地局の構成例を示す図である。図１８は、実施の形態５における基地局の送信動作を示すフローチャートである。

以下に、本発明にかかる無線通信方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態の基地局の構成例を示す図である。図１の基地局１は、有線区間から下り受信パケットを受信するパケット受信部１１と、複数のキューを備えユーザごとにデータをバッファする送信バッファ１２と、下りスケジューラ１４の指示にしたがって送信バッファ１２内のデータから無線フレームを構築し、また、ＭＡＣ再送を実施するＭＡＣ部１３と、下りのデータ送信を制御する下りスケジューラ１４と、上りのデータ送信を制御する上りスケジューラ１５と、ＭＡＣ部１３から無線フレームを受け取り、当該無線フレームを下り送信データとして無線区間へ送信する送信ＰＨＹ部１６と、無線回線から上り受信データを受信する受信ＰＨＹ部１７と、受信ＰＨＹ部１７から上り受信データを受け取り、パケットを再構築するパケット構築部１８と、有線区間へ上り送信パケットを送信するパケット送信部１９と、を備える。

図２は、本実施の形態の移動局の構成例を示す図である。図２の移動局２は、上位レイヤから受信したパケットをバッファする送信バッファ２１と、上り無線リソース制御部２３の指示にしたがって送信バッファ２１内のデータから無線フレームを構築し、また、ＭＡＣ再送を実施するＭＡＣ部２２と、上りのデータ送信を制御する上り無線リソース制御部２３と、ＭＡＣ部２２から無線フレームを受け取り、当該無線フレームを上り送信データとして無線区間へ送信する送信ＰＨＹ部２４と、無線区間から下り受信データを受信する受信ＰＨＹ部２５と、受信ＰＨＹ部２５から下り受信データを受け取り、パケットを再構築するパケット構築部２６と、を備える。

既に述べたように、ＴＣＰでは、バースト的なパケットロスが発生した場合には、ランダム的なパケットロスが発生した場合に比べてスループットの低下が著しい。バッファ溢れによるバースト的なパケットロスはＲＥＤにて解決可能であるが、無線誤りによるバースト的なパケットロスはＲＥＤでは解決できない。これを解決するため、以下の動作を行う。

つづいて、以上のように構成された基地局および移動局を備える無線通信システムにおける、無線通信の動作を説明する。なお、ここでは、基地局１と、移動局２の動作のみを説明するが、実際の無線通信システムでは移動局が複数接続される。

まず、基地局１から移動局２への下り方向のパケット伝送について説明する。基地局１の下りスケジューラ１４は、受信ＰＨＹ部１７を介して、移動局２から下り無線通信品質情報を受信して、当該情報に基づいて下り無線通信品質を把握する。また、送信バッファ１２は、ユーザ（移動局）ごとのバッファの状態を下りスケジューラ１４に通知する。下りスケジューラ１４は、下り無線回線品質および送信バッファ１２のバッファの状態に基づいて、送信処理を行う移動局，送信データの変調方式や符号化率を決定する。また、下りスケジューラ１４は、受信ＰＨＹ部１７を介して受信するＴＣＰＡＣＫにより送信状態を管理し、ＭＡＣ再送の管理を行い、ＭＡＣ部１３を制御する。

ここで、たとえば、送信バッファ１２内の移動局２用のバッファにおいて、先頭にあるパケットの前に、連続するＮ個のパケットについてＭＡＣ再送による移動局２への送達が失敗した場合を考える（Ｎは自然数）。図３は、本実施の形態における基地局の送信動作を示すフローチャートである。下りスケジューラ１４は、ＭＡＣ再送を行うにあたって移動局ごとに各パケットの再送状況を管理し、移動局２への送信データにおける連続するＮ個のパケットについて、再送による送達が失敗した場合には（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、通常よりも送達確率を高めることが可能な方法により、当該移動局への送信動作を行うことを決定する（ステップＳ２）。一方、下りスケジューラ１４は、連続するＮ個のパケットについて、再送による送達が失敗していない間は（ステップＳ１：Ｎｏ）、通常の方法で送信する（ステップＳ３）。

下りスケジューラ１４は、通常よりも送達確率を高めるために、具体的には以下のような方法をとる。たとえば、下りスケジューラ１４は、受信している無線通信品質情報に基づいて無線通信品質を把握し、移動局２にとって無線通信品質のよいタイミングで、ＭＡＣ部１３に移動局２への送信動作を行うよう指示する。また、たとえば、下りスケジューラ１４は、送信ＰＨＹ部１６に対し、移動局２への下り送信データの、変調方式や誤り訂正方式をロバストなものに変更するよう制御する。また、たとえば、下りスケジューラ１４は、送信ＰＨＹ部１６に対し、移動局２への下り送信データの送信電力を高めるよう制御する。また、たとえば、下りスケジューラ１４は、ＭＡＣ部１３に対して、移動局２に対して設定するＭＡＣ再送を行う再送回数の上限値を大きくするよう指示する。また、たとえば、下りスケジューラ１４は、ＭＡＣ部１３に対して、移動局２に対して設定するＭＡＣ再送を行う実行時間の上限値を大きくするよう指示する。基地局１（下りスケジューラ１４）には、上記の方法のうち、１以上の任意の方法を適用する。

なお、パケットと、無線の伝送単位である無線フレームとが、１：１対応とならない無線通信システムの場合には、下りスケジューラ１４が対応関係を把握することとし、無線フレーム（ＴＢ：Transport Block、と呼ぶ）に対し、上記のような手段を適用する。図４は、パケットと無線フレームとの対応関係の一例を示す図である。図４には、ＩＰパケット３１，３２，３３，３４と、ＴＢ３５および３６とを示す。図４の例では、１無線フレームに２パケットが対応している。ここで、パケットロスが連続４個発生した場合に、ＴＣＰがスロースタートを開始するので、Ｎ＝２に設定した場合を説明する。図４の例において、ＴＢ３５の再送が失敗した場合、ＩＰパケット３１および３２がパケットロスとなる。この時点で、連続して２個のパケットがロスしたこととなるので、送達確率を高める制御を行う。これにより、つぎのパケットの送達が成功すれば、ＩＰパケット３３または３４がパケットロスとなることによるスロースタートを回避できる。

つぎに、移動局２から基地局１への上り方向のパケット伝送について説明する。移動局２の上り無線リソース制御部２３は、受信ＰＨＹ部２５を介して上り無線品質情報を受信して、当該情報に基づいて上り無線通信品質を把握する。また、送信バッファ２１は、自バッファの状態（データ蓄積量など）を上り無線リソース制御部２３に通知する。上り無線リソース制御部２３は、上り無線回線品質および送信バッファ２１のバッファの状態に基づいて、送信データの変調方式や符号化率を決定する。上り無線リソース制御部２３は、受信ＰＨＹ部２５を介して受信するＴＣＰＡＣＫにより送信状態を管理し、ＭＡＣ再送の管理を行い、ＭＡＣ部２２を制御する。また、上り無線リソース制御部２３は、基地局１に対し上りリソースの割当を要求するための情報である上り割当要求情報を送信する制御を行う。

基地局１内の上りスケジューラ１５は、複数の移動局からの上り割当要求情報を、受信ＰＨＹ部１７を介して受信する。上りスケジューラ１５は、当該上り割当要求情報に基づいてどの移動局に上り無線リソースを割り当てるかを決定し、送信ＰＨＹ部１６を介して上り割当情報を移動局（移動局２）に送信する。

移動局２の上り無線リソース制御部２３は、受信ＰＨＹ部２５を介して、基地局１から上り割当指示情報を受信すると、送信ＰＨＹ部２４を制御し、当該上り割当情報により指示された無線リソースを用いて上り送信データを送信させる。

ここで、移動局２の上り無線リソース制御部２３は、上述同様に、図３の動作を行う。上り無線リソース制御部２３は、ＭＡＣ再送を行うにあたって各パケットの再送状況を管理する。そして、上り無線リソース制御部２３は、送信バッファ２１内の連続するＭ個（Ｍは自然数）のパケットについて、再送による送達が失敗した場合には、上述同様の処理を行う。

すなわち、移動局２の上り無線リソース制御部２３は、連続するＭ個のパケットの送達が失敗したことを認識した場合には（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、通常よりも送達確率を高めることが可能な方法により、基地局１への送信動作を行うことを決定する（ステップＳ２）。一方、上り無線リソース制御部２３は、連続するＭ個のパケットの送達が失敗したと認識しない間は（ステップＳ１：Ｎｏ）、通常の方法で送信する（ステップＳ３）。

なお、上記では、上り無線リソースを割り当てる機能は、基地局１内の上りスケジューラ１５と、移動局２内の上り無線リソース制御部２３で分担する形態を前提に説明したが、移動局２内の上り無線リソース制御部２３の機能も含め、全て基地局１内の上りスケジューラ１５に一元化されるシステムにも、同様に適用できる。こうしたシステムでは、移動局の上り無線リソース制御部は、自局の送信バッファの状態（データ蓄積量）などを基地局に通知し、基地局側で、上り無線回線品質やバッファの状態に基づいて、移動局の送信データの変調方式や符号化率を指定する。

こうしたシステムでは、移動局の上り無線リソース制御部が、連続するＭ個のパケットの送達が失敗したことを認識した場合には、その旨の報告を基地局へ送信し、基地局が、当該報告に基づいて、送達確率を高める旨の判断を行い、送達確率を高めるための移動局への指示を送信する。したがって、移動局は、基地局による指示内容を実行するのみとなる。上記指示に、送達確率を高めるための処理を継続する時間を含めてもいいし、または、移動局が、上記のバースト的なパケット誤り（連続するＭ個のパケットの送達が失敗）が解消された場合にその旨を報告し、基地局が、当該報告に基づいて、送達確率を高める制御を解除すべき（通常の制御へ戻す）旨の指示を送信してもよい。

また、上記実施の形態では、基地局１において下りスケジューラ１４が下りの送達確率を高める動作を行い、移動局２において上り無線リソース制御部２３が上りの送達確率を高める動作を行う場合を説明したが、下りまたは上りのいずれかについてのみ、送達確率を高める制御を行うこととしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態では、所定のパケット数にわたってＭＡＣ再送が失敗し、パケットを送達できなかった場合には、送信先に対するパケットの送達確率を高める制御を行い、パケットの送信を行うこととした。これにより、バースト誤りをランダム誤り化する、すなわち、バースト的なパケット誤り（またはその兆候）が発生した場合にこれを収拾することとなり、無線誤りに起因するバースト的なパケット誤りの発生回数を低減可能となる。したがって、ＴＣＰのスロースタートを引き起こすことを回避し、キューが空になる場合を減少させることができ、ＴＣＰスループットの大幅な低下を避けることが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、バースト的なパケット誤りの発生によりＴＣＰがスロースタートを開始してcnwdが小さくなることを回避するために、パケット再送が連続して失敗した場合には、送達確率を向上させ、ＴＣＰスループットを図ることとした。本実施の形態では、パケット誤りが発生した場合には、送信バッファを監視し、送信バッファの状態により送達確率を高める動作を行う場合を説明する。

ＴＣＰでは、cnwdが小さいと、データの投入レートが減り、送信バッファが空になる場合がある。そうすると無線リンクを使い切れずスループットが低下する。本実施の形態では、こうした場合を想定する。

図５は、本実施の形態における基地局の構成例を示す図である。図５の基地局１Ｂは、下りスケジューラ１４の代わりに下りスケジューラ１４Ｂを備える。下りスケジューラ１４Ｂは、無線誤りによるパケット破棄を検出した場合には、該当する移動局へのパケットの送達確率を上げる制御を行う。

つづいて、本実施の形態における無線通信方法の動作を説明する。図６および図７は、本実施の形態における基地局の送信動作を示すフローチャートである。

まず、図６のフローチャートに沿って説明する。基地局１Ｂの下りスケジューラ１４Ｂは、たとえば移動局２について、無線誤りにともなうパケット破棄が発生したことを検出すると（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、送信バッファ１２の当該移動局（移動局２）に応じたバッファをＴａ時間にわたって監視する。そして、Ｔａ時間以内にそのバッファが空になった場合には（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、下りスケジューラ１４Ｂは、ＴＣＰがスロースタートまたは輻輳回避のいずれかの処理を実施したと判断し、送達確率を上げる制御を行う（ステップＳ１３）。送達確率を上げる制御は、既に述べた通りである。また、以下、送達確率を上げた状態にある移動局を、優先状態にあるという。一方、Ｔａ時間以内にそのバッファが空にならなかった場合には（ステップＳ１２：Ｎｏ）、下りスケジューラ１４Ｂは、ＴＣＰがスロースタートまたは輻輳回避のいずれかの処理を実施しなかったと判断して処理を終了する。また、下りスケジューラ１４Ｂは、無線誤りにともなうパケット破棄を検出しない場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）、特に処理を行わない。

これにより、スロースタートまたは輻輳回避フェーズでのcnwdの開くスピードが上がり、このユーザ（移動局２）へ向けたデータの流入速度がアップし、バッファが空となる時間を短縮できる。

つぎに、図７のフローチャートに沿って説明する。下りスケジューラ１４Ｂは、図６の処理を実行後、送信バッファ１２内の、優先状態となった移動局に対応するバッファをＴｂ時間にわたって監視する（ステップＳ２１）。そして、Ｔｂ時間が経過するまでの間、このバッファが空にならなかった場合には（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、優先状態を解除し、送達確率を高めるために行った処理を元に戻し、通常に戻すための制御を行う（ステップＳ２２）。下りスケジューラ１４Ｂは、Ｔｂ時間が経過するまでの間に、このバッファが空になった場合には（ステップＳ２１：Ｎｏ）、処理を終了し、この移動局に対する優先状態を継続する。

図８は、送信バッファ１２のキュー長と優先状態との関連を説明する図である。無線誤りにともなうパケットロスが発生した場合、ＴＣＰがcnwdを減少させるスロースタートまたは輻輳回避フェーズに入るため、キュー長は減少に転じ、最終的にはキュー長は０となる（図８：Ｔａの末端部分）。下りスケジューラ１４Ｂは、上記動作により以降の送達確率を上げることで、キューにデータがたまることを促す。図８の送信バッファ内のキュー長に示すように、再びキューにデータが溜まり始め、送達確率を上げる必要がなくなったと判断すると（図８：Ｔｂの末端部分）、下りスケジューラ１４Ｂは、上記動作により、移動局を優先状態から通常の状態に戻す。

また、以上では、基地局１内の下りスケジューラ１４Ｂについて説明したが、上り方向の伝送についても、基地局１内の上りスケジューラ１５および移動局２内の上り無線リソース制御部２３が、同様に実行可能である。

以上説明したように、本実施の形態では、無線誤りにともなうパケット破棄が発生した場合には、その後、該当する移動局についての送信バッファを監視し、所定の時間内にバッファが空になった場合には、ＴＣＰがウインドウ制御（スロースタートまたは輻輳回避）を実施したものと判断して、以降のパケットの送達確率を上げるための制御を行う構成とした。また、パケットが空でなくなった状態が、所定の時間にわたって継続した場合には、送達確率を上げるための制御を解除し、通常の状態に復帰する構成とした。

これにより、無線通信品質が悪く、無線誤りにともなうパケット破棄が発生した移動局について、送達確率を上げることで無線誤りの発生を低減させ、ＴＣＰのcnwdが早く開くよう促すことができる。cnwdが開くことで、バッファが空となる時間を減らすことができ、当該移動局の送信レートが向上し、ＴＣＰスループットの低下を回避可能となる。したがって、無線通信品質が悪い移動局を含め、移動局間の公平性を向上させることができる。

実施の形態３．
実施の形態２では、パケット誤りが発生した場合には、送信バッファを監視し、送信バッファの状態により送達確率を高める動作を行うことで、ＴＣＰスループットの向上を図ることとした。本実施の形態では、バッファ溢れ頻度に基づいて送達確率を向上または低下させる制御を行い、パケット誤り率を制御する場合を説明する。

図９は、パケット誤り率に対するスループットのシミュレーション結果の一例を示す図である。このシミュレーションの条件は、ＲＴＴ：３０ms，パケット長：１０００バイト，バッファサイズ：１００パケット分である。図９にみられるように、パケット誤り率を小さくするにしたがいＴＣＰスループットは大きく向上するが、リンク速度に近づくところから向上しなくなる。すなわち、過度にパケット誤り率を低減しても、スループットは頭打ちとなる。たとえば、パケット誤り率を小さくしようとすれば、誤り訂正のための冗長データを多く付与すること，再送を実施するための無線リソース、などが追加で必要となる。このことからみても、必要以上にパケット誤り率を小さくすることは、無線リソースの無駄遣いとなる。

リンクスピード近くでスループットが頭打ちになるのは、バッファ溢れによるパケットロスが大部分になるからである。図１０は、輻輳ウインドウサイズと、送信バッファ内のキュー長との関係を示す図である。図１０に示すように、図９の例で、ＴＣＰスループットがリンクスピードに張り付かないのは、バッファ溢れによるパケットロスによりウインドウ制御が働き、一時的に送信バッファにデータがなくなる場合があるからである。本実施の形態では、こうした状況を想定する。

図１１は、本実施の形態における基地局の構成例を示す図である。図１１の基地局１Ｃは、図１の基地局１と比較すると、下りスケジューラ１４の代わりに下りスケジューラ１４Ｃを備える。下りスケジューラ１４Ｃは、送信バッファ１２を監視し、移動局ごとに、所定の単位時間ごとのバッファ溢れ頻度である平均バッファ溢れ頻度を算出し、当該平均バッファ溢れ頻度に基づいて、移動局への送達確率を高める制御を行う。本実施の形態では、基地局１Ｃと、移動局とを備えた無線通信システムを想定する。

つづいて、以上のように構成された無線通信システムにおける動作について説明する。図１２は、本実施の形態における基地局の送信動作を説明するフローチャートである。下りスケジューラ１４Ｃは、上述のように平均バッファ溢れ頻度を算出し、その値が所定の閾値を上回るかどうかを、移動局ごとに定期的に判定する（ステップＳ３１）。下りスケジューラ１４Ｃは、平均バッファ溢れ頻度が所定の閾値を上回る移動局がある場合（ステップＳ３１：Ｙｅｓ）、その移動局への送達確率を高めるための制御を行う（ステップＳ３２）。一方、平均バッファ溢れ頻度が所定の閾値以下の移動局に対しては（ステップＳ３１：Ｎｏ）、無線誤り率が必要以上に低下して輻輳ウインドウが大きくなりすぎることを避けるために、送達確率を低下させるための制御を行う（ステップＳ３３）。なお、送達確率を低下させる制御を行うのではなく、たとえば、通常の方法で送信することとしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態では、基地局が、移動局ごとに、所定の単位時間ごとのバッファ溢れ頻度である平均バッファ溢れ頻度を算出し、当該平均バッファ溢れ頻度が所定の閾値を上回る移動局への送達確率を低下させる制御を行う構成とした。また、平均バッファ溢れ頻度が所定の閾値以下である移動局に対する送達確率を高める構成とした。

これにより、バッファ溢れ頻度の多いユーザ（移動局）に対しては、送達確率を下げることでそれ以上パケット誤り率が下がることを防ぎ、バッファ溢れ頻度の少ないユーザ（移動局）に対しては、送達確率を高めてパケット誤り率を下げることができる。したがって、無線リソースを無駄にすることなく、最大のＴＣＰスループットを得ることが可能となる。

なお、上記実施の形態では、基地局内の下りスケジューラの制御について説明したが、上り方向の伝送についても、基地局内の上りスケジューラおよび移動局内の無線リソース制御部により同様に実現可能である。ただし、移動局内の上り無線リソース制御部の機能も含め、全て基地局内の上りスケジューラに一元化されるシステムの場合には、移動局は、移動局内でのパケットロス（バッファ溢れ）の発生を、基地局内のスケジューラに通知する必要がある。この場合、基地局は、当該通知に基づいて、送達確率を高める判断を行い、その旨の指示を移動局に送信する。したがって、移動局は、基地局による指示内容を実行するのみとなる。上述同様、上記指示に、送達確率を高めるための処理を継続する時間を含めてもよく、または、移動局が、上記のバッファ溢れが解消された場合にその旨を報告し、基地局が、当該報告に基づいて、送達確率を高める制御を解除すべき（通常の制御へ戻す）旨の指示を送信してもよい。

実施の形態４．
実施の形態３では、バッファ溢れ頻度に基づいて送達確率を向上または低下させる制御を行い、パケット誤り率を制御することで最大のＴＣＰスループットを得ることとした。本実施の形態では、無線誤り率を監視し、無線誤り率に基づいて送達確率を制御する場合を説明する。

図１３は、無線誤りとcnwdの関係を示す図である。図１３では、無線誤りによるパケットロスがない場合（バッファ溢れによるパケットロスのみの場合）と、無線誤りによるパケットロスがある場合とを、ＲＴＴが大きい場合（実線）と、ＲＴＴが小さい場合（破線）に分けて示す。

図１３に示すように、ＴＣＰでは、ＲＴＴが増大するにしたがい輻輳ウインドウの増加速度が低下する現象がみられる。これは、輻輳ウインドウの増加は、ＴＣＰＡＣＫ受信のたびに実施されるため、ＲＴＴが大きくなると、輻輳ウインドウ増加のサイクルが長くなるためである。図１３に示すように、無線誤りによるパケットロスがない場合（バッファあふれによるパケットロスのみの場合）には、ＲＴＴの違いにより輻輳ウインドウ増加のサイクルは異なるものの、輻輳ウインドウの高さは変わらないので、スループットに大きな差は出ない。一方、無線誤りによるパケットロスがある場合には、cnwdが十分開ききる前に再度無線誤りが発生する場合が多く、無線誤りの時間当たりの頻度が一定であるとすると、輻輳ウインドウの高さは、ＲＴＴ遅延が大きいほうが低く抑えられ、スループットが低くなる。本実施の形態では、こうした状況を想定する。

図１４は、本実施の形態における基地局の構成例を示す図である。図１４の基地局１Ｄは、図１の基地局１と比較すると、下りスケジューラ１４の代わりに下りスケジューラ１４Ｄを備える。下りスケジューラ１４Ｄは、受信ＰＨＹ１７を介して受信するＴＣＰＡＣＫに基づいて、送信状況や無線誤りを管理し、移動局ごとに、所定の単位時間ごとの無線誤り率である平均無線誤り率を算出し、当該平均無線誤り率に基づいて、移動局への送達確率を高める制御を行う。本実施の形態では、基地局１Ｄと、移動局（移動局２など）とを備えた無線通信システムを想定する。

つづいて、以上のように構成された無線通信システムにおける動作について説明する。図１５は、本実施の形態における基地局の送信動作を説明するフローチャートである。下りスケジューラ１４Ｄは、上述のように平均無線誤り率を算出し、その値が所定の閾値を上回るかどうかを、移動局ごとに定期的に判定する（ステップＳ４１）。下りスケジューラ１４Ｄは、平均無線誤り率が所定の閾値を上回る移動局がある場合（ステップＳ４１：Ｙｅｓ）、その移動局への送達確率を高めるための制御を行う（ステップＳ４２）。一方、平均無線誤り率が所定の閾値以下の移動局に対しては（ステップＳ４１：Ｎｏ）、送達確率を低下させるための制御を行う（ステップＳ４３）。なお、送達確率を低下させるのではなく、たとえば、通常の状態で送信することとしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態では、基地局が、移動局ごとに、所定の単位時間ごとの無線誤り率である平均無線誤り率を算出し、当該平均無線誤り率が所定の閾値を上回る移動局への送達確率を高める制御を行う構成とした。また、平均無線誤り率が所定の閾値以下である移動局に対する送達確率を低下させる構成とした。

これにより、無線誤りの多いユーザ（移動局）に対しては、送達確率を上げることで遅延を減らし、無線誤りの少ないユーザ（移動局）に対しては、送達確率を下げることとなる。したがって、無線誤りの多いユーザのＴＣＰスループットを向上させることが可能となり、特に、そのユーザがＲＴＴも大きい場合には、平均cwndが小さくなりすぎてスループットが低下することを回避できる。なお、上記方法により、無線誤りのないユーザのＲＴＴは全体的に増加することとなるが、上述のように、無線誤りがない場合には、輻輳ウインドウの大きさは変化しないため、ＴＣＰスループットには大きな影響がない。

実施の形態５．
実施の形態４では、基地局が、移動局ごとに、所定の単位時間ごとの無線誤り率である平均無線誤り率を算出し、当該平均無線誤り率に基づいて送達確率を高める制御を行うことで、ＴＣＰスループットの向上を図ることとした。本実施の形態では、再送パケットについて送達確率を高めることで、ＲＴＴ遅延を平滑化させる場合を説明する。

ＴＣＰは、あるパケットのＲＴＴがＲＴＯ（Retransmission Time Out）タイマ値よりも大きくなった場合には、スロースタート動作を開始する。ＴＣＰでは、測定される各パケットのＲＴＴに応じて、ＲＴＯタイマ値を動的に最適化する。ところが、無線通信システムでは、無線誤りにより無線レベルの再送が発生すると、急激なＲＴＴの増加（スパイクディレイ）を招き、ＲＴＯが発生する。図１６は、無線通信システムにおいて発生するディレイスパイクを説明するための図である。図１６では、ＲＴＴがＲＴＯタイマ値よりも小さくなるよう設定されているところへ、ディレイスパイクが発生し、ＲＴＴがＲＴＯタイマ値を超える様子を示す。本実施の形態では、こうした場合を想定する。

図１７は、本実施の形態の基地局の構成例を示す図である。図１７の基地局は、図１の基地局と比較すると、送信バッファ１２の代わりに送信バッファ１２Ｅを備え、下りスケジューラ１４の代わりに下りスケジューラ１４Ｅを備える。送信バッファ１２Ｅは、自身のキューに蓄積される再送パケットを検出する。下りスケジューラ１４Ｅは、再送パケットを、送達確率を高める方法で送信する制御を行う。本実施の形態では、一例として、基地局１Ｅと、移動局２とを備える無線通信システムを想定する。

つづいて、以上のように構成された無線通信システムにおける動作について説明する。図１８は、本実施の形態における基地局の送信動作を示すフローチャートである。送信バッファ１２Ｅは、たとえば、キューの先頭にあるパケットが再送パケットであるかどうか、および当該キュー（または該当する移動局）を、下りスケジューラ１４Ｅに通知する。下りスケジューラ１４Ｅは、当該通知に基づいて、キューの先頭パケットが再送待ちパケットであると認識すると（ステップＳ５１：Ｙｅｓ）、当該パケットを、送達確率を高める方法で送信するよう、ＭＡＣ部１３または送信ＰＨＹ部１６を制御する（ステップＳ５２）。一方、キューの先頭パケットが再送待ちパケットでない場合には（ステップＳ５１：Ｎｏ）、下りスケジューラ１４Ｅは、通常の方法で送信する制御を行う（ステップＳ５３）。送達確率を高める方法は、上述同様である。

以上説明したように、本実施の形態では、再送待ちパケットを送信する場合には、送達確率を高める方法で送信する構成とした。これにより、ＭＡＣ再送による送達を早く確認することが可能となり、ＭＡＣ再送を早く収束することができるので、ディレイスパイクを小さくし、遅延を平滑化させる効果がある。したがって、無用なＲＴＯが発生する確率を低減可能となり、ＴＣＰスループットを向上させることができる。

なお、上記実施の形態では、基地局内の下りスケジューラの制御について説明したが、上り方向の伝送についても、移動局内の無線リソース制御部により同様に実現可能である。

以上のように、本発明にかかる無線通信方法は、無線通信システムにおいて有用であり、特に、ＴＣＰを用いる無線通信システムに適している。

１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ基地局
２移動局
１１パケット受信部
１２，１２Ｅ送信バッファ
１３ＭＡＣ部
１４，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ下りスケジューラ
１５上りスケジューラ
１６送信ＰＨＹ部
１７受信ＰＨＹ部
１８パケット構築部
１９パケット送信部
２１送信バッファ
２２ＭＡＣ部
２３上り無線リソース制御部
２４送信ＰＨＹ部
２５受信ＰＨＹ部
２６パケット構築部
３１〜３４ＩＰパケット
３５，３６ＴＢ

Claims

基地局と移動局が、ＴＣＰを用いて、送信局または受信局として無線通信を行う無線通信システム、における無線通信方法であって、
前記送信局が、前記受信局ごとにパケットの再送状況を管理し、当該受信局に対するパケットの再送が所定数にわたって連続して失敗したことを認識した場合に、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、パケットを送信する制御を行う送信制御ステップ、
を含むことを特徴とする無線通信方法。
基地局と移動局が、ＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における無線通信方法であって、
前記移動局が、前記基地局に対するパケットの再送が所定数にわたって連続して失敗したことを認識した場合に、その旨を前記基地局へ報告する再送失敗報告ステップと、
前記基地局が、前記再送失敗報告ステップにおける報告を受信した場合に、前記移動局に対し、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすようにパケットを送信するよう指示する送達確率向上指示ステップと、
前記移動局が、前記送達確率向上指示ステップにおける指示を受信した場合に、前記所定の条件を満たすように、前記基地局に対してパケットを送信する制御を行う送信制御ステップと、
を含むことを特徴とする無線通信方法。
基地局と移動局が、ＴＣＰを用いて、送信局または受信局として無線通信を行う無線通信システム、における無線通信方法であって、
前記受信局から受信したパケットに無線誤りがあったことによるパケット破棄を実行後、第１の時間が経過するまでの間に、当該受信局に対応する送信バッファのキュー長がゼロになった場合には、前記送信局が、スロースタートまたは輻輳回避を実行したと判断し、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、当該受信局に対してパケットを送信する制御を行う送信制御ステップと、
前記送信制御ステップの処理を実行後、第２の時間にわたって、当該受信局に対応する送信バッファのキュー長がゼロでない状態となった場合には、前記送信局が、通常の送達確率でのパケットの送信制御に復帰する通常制御復帰ステップと、
を含むことを特徴とする無線通信方法。
基地局と移動局が、ＴＣＰを用いて、送信局または受信局として無線通信を行う無線通信システム、における無線通信方法であって、
前記送信局が、前記受信局の単位時間あたりの送信バッファ溢れの平均発生頻度を、受信局毎に算出するバッファ溢れ頻度算出ステップと、
前記算出結果が所定の閾値を超えた受信局があった場合には、前記送信局が、送達確率が低くなるように、当該受信局に対してパケットを送信する制御を行う第１の送信制御ステップと、
前記算出結果が所定の閾値以下となる受信局があった場合には、前記送信局が、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、当該受信局に対してパケットを送信する制御を行う第２の送信制御ステップと、
を含むことを特徴とする無線通信方法。
基地局と移動局が、ＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における無線通信方法であって、
前記移動局が、前記基地局に対する単位時間あたりの送信バッファ溢れの平均発生頻度を算出し、算出結果を当該基地局に報告するバッファ溢れ頻度報告ステップと、
前記バッファ溢れ頻度報告ステップにおいて前記算出結果が所定の閾値を超えた移動局があった場合には、前記基地局が、当該移動局に対し、送達確率が低くなるように送信を行うよう指示する送達確率低下指示ステップと、
前記バッファ溢れ頻度報告ステップにおいて前記算出結果が所定の閾値以下となる移動局があった場合には、前記基地局が、当該移動局に対し、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように送信を行うよう指示する送達確率向上指示ステップと、
前記移動局が、前記送達確率低下指示ステップにおける指示を受けた場合に、送達確率が低くなるように、前記基地局に対してパケットを送信する制御を行う第１の送信制御ステップと、
前記移動局が、前記送達確率向上指示ステップにおける指示を受けた場合に、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、前記基地局に対してパケットを送信する制御を行う第２の送信制御ステップと、
を含むことを特徴とする無線通信方法。
基地局と移動局が、ＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における通信方法であって、
送信局として動作する基地局が、受信局として動作する移動局から受信したパケットに単位時間あたりに発生する無線誤りの確率を、移動局毎に算出する無線誤り率算出ステップと、
前記算出結果が所定の閾値を超えた移動局があった場合には、前記基地局が、送達確率が低くなるように、当該移動局に対してパケットを送信する制御を行う第１の送信制御ステップと、
前記算出結果が所定の閾値以下となる移動局があった場合には、前記基地局が、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、当該移動局に対してパケットを送信する制御を行う第２の送信制御ステップと、
を含むことを特徴とする無線通信方法。
基地局と移動局が、ＴＣＰを用いて、送信局または受信局として無線通信を行う無線通信システム、における無線通信方法であって、
送信局が、受信局の送信バッファを監視し、再送待ちのパケットを検出した場合に、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、当該受信局に対してパケットを送信する制御を行う送信制御ステップ、
を含むことを特徴とする無線通信方法。
前記所定の条件を、
前記送信局が、前記受信局に対する無線回線品質がよいと判断したタイミングでパケットを送信すること、
前記受信局へのパケット送信にかかる変調方式または誤り訂正方式を、ロバスト性の高い方式に変更すること、
前記受信局へのパケットの送信にかかる送信電力を高めること、
前記受信局へ再送を行う回数である再送回数を増加させること、
前記受信局へ再送を行うための実行時間の上限値を大きくすること、
のうちの少なくともいずれか１つとする、
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の無線通信方法。
基地局と１以上の移動局とがＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における前記基地局であって、
前記移動局ごとにパケットの再送状況を管理し、当該移動局に対するパケットの再送が所定数にわたって連続して失敗したことを認識した場合に、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、パケットを送信する制御を行う下りスケジューラ、
を備えることを特徴とする基地局。
基地局と１以上の移動局とがＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における前記基地局であって、
前記移動局から受信したパケットに無線誤りがあったことによるパケット破棄を実行後、第１の時間が経過するまでの間に、当該移動局に対応する送信バッファのキュー長がゼロになった場合には、スロースタートまたは輻輳回避が実行されたと判断し、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、当該移動局に対してパケットを送信する制御を行い、その後、第２の時間にわたって、当該移動局に対応する送信バッファのキュー長がゼロでない状態となった場合には、当該移動局に対して、通常の送達確率でのパケットの送信制御に復帰する下りスケジューラ、
を備えることを特徴とする基地局。
基地局と１以上の移動局とがＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における前記基地局であって、
前記移動局の単位時間あたりの送信バッファ溢れの平均発生頻度を、移動局ごとに算出し、当該算出結果が所定の閾値を超えた移動局があった場合には、送達確率が低くなるように、当該移動局に対してパケットを送信する制御を行い、一方、当該算出結果が所定の閾値以下となる移動局があった場合には、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、当該移動局に対してパケットを送信する制御を行う下りスケジューラ、
を備えることを特徴とする基地局。
基地局と１以上の移動局とがＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における前記基地局であって、
前記移動局から受信するパケットに単位時間あたりに発生する無線誤りの確率を、移動局ごとに算出し、当該算出結果が所定の閾値を超えた移動局があった場合には、送達確率が低くなるように、当該移動局に対してパケットを送信する制御を行い、一方、当該算出結果が所定の閾値以下となる移動局があった場合には、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、当該移動局に対してパケットを送信する制御を行う下りスケジューラ、
を備えることを特徴とする基地局。
基地局と１以上の移動局とがＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における前記基地局であって、
前記移動局の送信バッファを監視し、再送待ちのパケットを検出した場合に、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、当該移動局に対してパケットを送信する制御を行う下りスケジューラ、
を備えることを特徴とする基地局。
基地局と１以上の移動局とがＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における前記基地局であって、
前記移動局から、自局に対するパケットの再送が所定数にわたって連続して失敗したことを通知された場合に、当該移動局に対し、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすようにパケットを送信するよう指示する上りスケジューラ、
を備えることを特徴とする基地局。
基地局と１以上の移動局とがＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における前記基地局であって、
前記移動局から、自局に対する単位時間あたりの送信バッファ溢れの平均発生頻度を受信した場合に、当該平均発生頻度が所定の閾値を超えるかどうかを判断し、所定の閾値を超える場合には、当該移動局に対し、送達確率が低くなるように送信を行うよう指示し、また、所定の閾値以下である場合には、当該移動局に対し、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように送信を行うよう指示する上りスケジューラ、
を備えることを特徴とする基地局。
前記所定の条件を、
前記移動局に対する無線回線品質がよいと判断したタイミングでパケットを送信すること、
前記移動局へのパケット送信にかかる変調方式または誤り訂正方式を、ロバスト性の高い方式に変更すること、
前記移動局へのパケットの送信にかかる送信電力を高めること、
前記移動局へ再送を行う回数である再送回数を増加させること、
前記移動局へ再送を行うための実行時間の上限値を大きくすること、
のうちの少なくともいずれか１つとする、
ことを特徴とする請求項９〜１５のいずれか１つに記載の基地局。
基地局と１以上の移動局とがＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における前記移動局であって、
前記基地局に対するパケットの再送状況を管理し、当該基地局に対するパケットの再送が所定数にわたって連続して失敗したことを認識した場合に、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、パケットを送信する制御を行う上りスケジューラ、
を備えることを特徴とする移動局。
基地局と１以上の移動局とがＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における前記移動局であって、
当該基地局に対するパケットの再送が所定数にわたって連続して失敗したことを認識した場合に、前記基地局に対しその旨を報告し、また、前記基地局からの指示に基づいて、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、前記基地局に対してパケットを送信する制御を行う上りスケジューラ、
を備えることを特徴とする移動局。
基地局と１以上の移動局とがＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における前記移動局であって、
前記基地局から受信したパケットに無線誤りがあったことによるパケット破棄を実行後、第１の時間が経過するまでの間に、当該基地局に対応する送信バッファのキュー長がゼロになった場合には、スロースタートまたは輻輳回避が実行されたと判断し、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、当該基地局に対してパケットを送信する制御を行い、その後、第２の時間にわたって、当該基地局に対応する送信バッファのキュー長がゼロでない状態となった場合には、通常の送達確率でのパケットの送信制御に復帰する上りスケジューラ、
を備えることを特徴とする移動局。
基地局と１以上の移動局とがＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における前記移動局であって、
前記基地局に対する単位時間あたりの送信バッファ溢れの平均発生頻度を算出し、当該算出結果が所定の閾値を超えた場合には、送達確率が低くなるように、当該基地局に対してパケットを送信する制御を行い、また、当該算出結果が所定の閾値以下となった場合には、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、当該基地局に対してパケットを送信する制御を行う上りスケジューラ、
を備えることを特徴とする移動局。
基地局と１以上の移動局とがＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における前記移動局であって、
前記基地局に対する単位時間あたりの送信バッファ溢れの平均発生頻度を算出して、当該算出結果を前記基地局に報告し、また、前記基地局からの指示に基づいて、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、前記基地局に対してパケットを送信する制御を行う上りスケジューラ、
を備えることを特徴とする移動局。
基地局と１以上の移動局とがＴＣＰを用いて無線通信を行う無線通信システム、における前記移動局であって、
前記基地局に対する送信バッファを監視し、再送待ちのパケットを検出した場合に、送達確率を高めることが可能な所定の条件を満たすように、当該基地局に対してパケットを送信する制御を行う上りスケジューラ、
を備えることを特徴とする移動局。
前記所定の条件を、
前記移動局に対する無線回線品質がよいと判断したタイミングでパケットを送信すること、
前記移動局へのパケット送信にかかる変調方式または誤り訂正方式を、ロバスト性の高い方式に変更すること、
前記移動局へのパケットの送信にかかる送信電力を高めること、
前記移動局へ再送を行う回数である再送回数を増加させること、
前記移動局へ再送を行うための実行時間の上限値を大きくすること、
のうちの少なくともいずれか１つとする、
ことを特徴とする請求項１７〜２２のいずれか１つに記載の移動局。