JP4596534B2 - 無線データ通信方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、無線データ通信方法およびシステムに係り、特に、P-MP方式の無線データ通信に好適な無線データ通信方法およびシステムに関する。

高速無線データ通信の規格(IEEE802.16)が非特許文献１で定められている。IEEE802.16の物理レイヤでは、変調方式としてシングルキャリア、OFDM（直交周波数分割多重）およびOFDMA（直交周波数分割多元接続）がサポートされている。以下、IEEE802.16に準拠した無線データ通信方法を、変調方式としてOFDMを採用した場合を例にして説明する。

IEEE802.16では、通信形態の一つとしてP-MP（point-to-multipoint ）が規定されており、このP-MPでは、BS（無線基地局）が全てのSS（加入者端末）の送受信機会をスケジューリングすることで、効率が良く、かつQoS（サービス品質）を保証した通信を可能としている。

図１６は、P-MP方式でのOFDMフレーム構成の一例を示した図であり、プリアンブル、FCH（Frame Control Header）に続く1つ目のDL（ダウンリンク）バースト内のブロードキャストメッセージフィールドに含まれるMAPメッセージにスケジューリング情報が格納されている。

このスケジューリング情報には、各SSに割り当てる下りリンク用のスロット情報および上りリンク用のスロット情報が格納されており、SSはこれらの情報を受信することで、自分用のデータが届くタイミングと自分がデータを送信して良いタイミングとを知ることができる。以下では、FCHに続く1つ目のDLバースト内のブロードキャストメッセージフィールドに含まれるMAPメッセージを単にMAPメッセージと表現する。

各BSにはBase Station ID（BSID）と呼ばれる４８ビットの固有な識別子が付与されており、SSは各BSをBSIDによって識別する。BSIDの上位２４ビットは事業者を識別するものであり、同一事業者内では下位２４ビットで各BSを識別する。

図１７は、IEEE802.16で規定されるMAC（メディアアクセス制御）ヘッダのフレーム構造を示した図であり、コネクションを一意に識別するコネクションIDが各コネクションに付与される。IEEE802.16のMACヘッダには、このコネクションID用のスペースが用意され、BSおよびSSは、このコネクションIDでパケットを識別する。

SSは、ネットワークに参加する際および参加後も定期的に、BSとの送受信タイミングや送信電力を調整するためにレンジングと呼ばれる処理を行なう。ネットワークに参加する際は、BSから割り当てられたイニシャルレンジング期間にレンジングを行なう。このイニシャルレンジング期間はコンテンションベースであり、SSは、この期間にRNG-REQ（レンジング要求）メッセージをBSへ送信する。RNG-REQを受信したBSは、SSの調整が必要であれば、送信出力、周波数および送信タイミング等の情報を、レンジング継続通知（RNG-RSP中のRanging Status＝continue）を伴ったRNG-RSP（レンジング応答）メッセージに登録して前記SSへ応答する。

レンジング継続通知のRNG-RSPを受信したSSは、送信出力、周波数および送信タイミングを調整した後、BSからSSに割り当てられるイニシャルレンジング期間で再度RNG-REQをBSへ送信する。SSの送信出力等が予め設定された値を満足する場合、BSはレンジング成功通知（RNG-RSP中のRanging Status＝success）を伴ったRNG-RSPを前記SSへ応答する。

このようなレンジングは、レンジング成功通知を伴ったRNG-RSPがSSで受信されることで終了する。なお、SSがネットワーク参加後に行なわれるレンジングは、ネットワーク参加時と同様のイニシャルレンジング期間またはSS用に割り当てられたイニシャルレンジング期間で行なわれる。

BSは、RNG-RSPの「Downlink Operational Burst Profile」に記載のバーストプロファイルを用いてSSへデータを送信する。また、SSはUL-MAPのUIUCに記載のバーストプロファイルを用いてBSへデータを送信する。このUL-MAPのUIUCに記載のバーストプロファイルはBSによって指定される。ここで、バーストプロファイルとは変調方式やFECコードタイプなどのパラメータセットのことである。
IEEE Standard for Local and metropolitan area networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, IEEE 802.16 -2004, Oct, 2004.

無線データ通信では、送受信アンテナ間に位置する障害物による遮蔽によって生じる電波減衰の影響などにより、SSがサービスエリア内であるにもかかわらずBSと通信を行うことのできない不感地帯が存在する。高速無線データ通信を行うには高い周波数を用いる必要があるが、波長が短く電波の直進性が増すため、より不感地帯が増加することが予想される。このような不感地帯を解消方法として、BSとSSとの間に中継局を設置することが考えられる。

しかしながら、P-MP方式に中継局を追加するのであれば、BSが基地局配下のSSの情報を保持したり、SSへコネクションIDを付与したりする必要がある。ここで、単に受信したデータを整形、電力増幅して送信する受動型中継器を中継局として用いてしまうと、BSはRS−SS間の送受信環境を知ることができないので、適切な変調方式を選択することができない。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、P-MP方式の無線データ通信において、中継局を経由した高速無線通信を可能にした無線通信システムおよびその通信方向を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明は、1つの無線基地局に複数の加入者端末が収容されるP-MP方式の無線データ通信方法において、前記無線基地局と各加入者端末との通信を中継する中継局を備えると共に、さらに以下のような手順を含むことを特徴とする。
(1)前記中継局が、加入者端末から無線基地局宛のパケットを受信する手順と、送信元が中継局であるヘッダで前記パケットをカプセル化する手順と、前記カプセル化されたパケットを中継局へ送信する手順とを含み、前記無線基地局が、前記カプセル化されたパケットを受信する手順と、前記受信パケットを脱カプセル化する手順と、前記受信パケットに対する応答パケットを生成する手順と、宛先が中継局であるヘッダで前記応答パケットをカプセル化する手順と、前記カプセル化された応答パケットを送信する手順とを含み、前記中継局がさらに、前記カプセル化された応答パケットを前記中継局から受信する手順と、前記応答パケットを脱カプセル化する手順と、前記応答パケットを加入者端末へ送信する手順とを含むことを特徴とする。
(2)前記中継局が、自身と加入者端末との間で採用するバーストプロファイルを無線基地局へ通知する手順をさらに含むことを特徴とする。
(3)前記加入者端末が、送信したパケットが前記無線基地局および中継局のいずれで受信されたかを判定する手順と、前記パケットの再送タイマを、前記パケットが中継局で受信された場合は無線基地局で受信された場合よりも長く設定する手順とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1)P-MP方式の無線データ通信において、無線基地局と加入者端末とが直接通信できない環境下であっても、中継局を経由することで通信できるようになる。
(2)中継局が加入者端末との間で採用するバーストプロファイルを無線基地局へ通知するようにしたので、無線基地局は送信データに関して、中継局と加入者端末との間での通信環境に適した変調方法を採用できるようになり、その結果、周波数の有効利用が可能になる。
(3)加入者端末が、再送タイマの長さを接続先に応じて設定するようにしたので、中継局を経由して無線基地局と接続される場合でも不要な再送を防止できるようになる。

以下、図面を参照して本発明の最良の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係るP-MP方式の無線データ通信方法が適用されるネットワークの構成を示した図であり、加入者端末SS1およびSS2は無線基地局BSの電波到達範囲内に位置しているので当該BSと直接通信できる。これに対して、加入者端末SS3およびSS4は前記BSの電波到達範囲外に位置しているので、BSの電波到達範囲内に位置している中継局RSを経由してBSと通信する。

図２は、本実施形態において送受信されるパケットに付与されるMACヘッダのフレーム構造を示した図であり、IEEE802.16で定義されているMACヘッダ（図１７）のフレーム構造に準拠している。本実施形態では、MACヘッダの予約ビットの一つがカプセル化用（encapビット）に用いられ、本ビットが「１」の場合はMACカプセル化が行なわれているものとする。本ビットが「０」の場合は、IEEE802.16のMACヘッダと同様である。

図３は、本実施形態におけるOFDMフレーム構成を示した図であり、IEEE802.16で規定されているOFDMフレーム構成と比較すると、アップリンクサブフレーム内に、RS用のイニシャルレンジング期間とBWリクエスト期間とが設けられている点に特徴がある。これらの期間はコンテンションベースではなく、UL-MAP内で定められた各RS専用帯域である。この場合のUL-MAP内のUL-MAP IE（Information Element）例を図４に示す。図４の例では、時刻t1から11110シンボル長だけRS1用にイニシャルレンジング期間が割り当てられている。ここで、BSは各RSに対し、イニシャルレンジング用のCIDとBWリクエスト用のCIDとを付与している。

BSおよびRSのいずれの配下にいるSSもIEEE802.16に従ってレンジングおよび帯域要求を、BSから割り当てられたコンテンション期間で行なう。SSからのRNG-REQ及び帯域要求を受信したRSは、BSから割り当てられた前記RS用のイニシャルレンジング期間およびBWリクエスト期間でメッセージをカプセル化してBSへ送信（転送）する。ここで、RSが転送するRNG-REQおよび帯域要求はコンテンションベースではないため、パケット衝突を引き起こすことなくBSへ送達可能である。各RSに割り当てられるイニシャルレンジング期間及びBWリクエスト期間は予めBSが設定した固定長である。

次いで、図５，６のフローチャートおよび図７のタイムチャートを参照して本実施形態の動作を説明する。なお、本実施形態では中継局RSを介さずに基地局BSと直接通信できる加入者局SSはIEEE802.16に従って動作するので、その説明は省略する。

図５は、中継局RSにおけるRNG-REQメッセージ受信処理を示したフローチャートであり、RSは加入者局SS3が当該RSとの間でレンジング処理を行なうために送信したRNG-REQメッセージをステップＳ１０１で受信するとステップＳ１０２へ進む。ステップＳ１０２では、受信したRNG-REQメッセージの送信元(SS3)のエントリが自身の管理テーブルに登録されているか否かが判定される。未登録であればステップＳ１０３へ進み、受信電力等のパラメータがSS3のアドレスと対応付けられて管理テーブルに登録される。ステップＳ１０４では、前記受信したRNG-REQメッセージが、BSを宛先とするMACヘッダでカプセル化されて送信される。

図８は、SS3から送信されたRNG-REQメッセージがRSでカプセル化されて基地局BSへ転送される様子を模式的に示した図であり、RSでは、SS3から受信したRNG-REQメッセージを、送信元が自局（RS）であって、そのencapビットが「１」にセットされているMACヘッダでカプセル化してBSへ送信する。

なお、本実施形態では前記RNG-REQメッセージを送信したSS3が、その受信相手がRSおよびBSのいずれであるかを判定し、受信相手がBSであれば再送タイマT1に第１基準時間Tref1をセットし、受信相手がRSであれば、前記第１基準時間Tref1よりも長い第２基準時間Tref2を再送タイマT1にセットする。そして、RNG-REQメッセージを送信してから、これに対する応答であるRNG-RSPメッセージが受信される前に前記再送タイマT1がタイムアウトすると、前記RNG-REQメッセージを再送信する。

図６は、基地局BSにおけるメッセージ受信処理を示したフローチャートであり、BSはステップＳ２０１において前記RSで中継されたRNG-REQメッセージを受信すると、ステップＳ２０２では、当該メッセージがカプセル化されているか否かが、そのMACヘッダのencapビットを参照して判定される。ここでは、encapビットが「１」にセットされており、カプセル化されていると判定されるのでステップＳ２０３へ進む。ステップＳ２０３ではカプセルが解かれる。ステップＳ２０４では、カプセル化されていたメッセージがRNG-REQであるか否かが判定される。ここではRNG-REQメッセージと判定されるのでステップＳ２０５へ進む。

ステップＳ２０５では、前記SS3のCIDが作成され、ステップＳ２０６において、「MACアドレス」、「CID」、「接続先」等のパラメータが管理テーブルに登録される。ステップＳ２０７では、前記RNG-REQメッセージへの応答であるRNG-RSPメッセージが作成される。ステップＳ２０８では、SS3に対応した宛先用のMACヘッダおよびRSに対応した中継用のMACヘッダが作成される。ステップＳ２０９では、前記宛先用のMACヘッダを付与されたRNG-RSPメッセージが中継用のMACヘッダでカプセル化されてRSへ送信される。

図９は、BSにおいて各SSを管理するために作成される前記管理テーブルの一例を示した図であり、各SSのMACアドレスや接続先(＠)等が登録されている。前記SS3であれば、その接続先＠としてRSのアドレスが登録されている。

図１０は、BSからカプセル化されて送信されたRNG-RSPメッセージがRSで脱カプセル化されてSS3へ転送される様子を模式的に示した図であり、BSからは、宛先がSS3のMACヘッダを付与されているRNG-RSPメッセージが、宛先がRSであって、そのencapビットが「１」にセットされているMACヘッダでカプセル化されて送信される。

図５へ戻り、RSはステップＳ１０５において前記カプセル化されたRNG-RSPメッセージを受信すると、ステップＳ１０６において脱カプセル化し、ステップＳ１０７において、SS3からRNG-REQメッセージを受信した際に計測した送信出力等を調整するためのTLV（Type/Length/Value）などを当該RNG-RSPメッセージに加えてSS3へ送信する。ステップＳ１０８では、SS3との間でレンジング処理が実行される。ステップＳ１０９では、レンジングメッセージ(RNG-INFO)がBSへ送信される。

図１１は、本発明で用いられるRNG-INFOの構成を示した図であり、RNG-INFOには、RS-SS間で採用されるダウンリンクバーストプロファイルとアップリンクバーストプロファイルとが含まれている。

図６へ戻り、BSでは前記RNG-INFOがステップＳ２１０で受信されるとステップＳ２１１へ進み、図１２に一例を示したように、管理テーブルにSS3のエントリが追加される。

図１３は、前記図１に示したネットワーク構成においてBSで作成される管理テーブルの内容を示した図であり、電波到達範囲内に位置している加入者局SS1，SS2に関しては、その接続先＠として自身のアドレス(BS)が登録されているのに対して、電波到達範囲外に位置している加入者局SS3，SS4に関しては、その接続先＠として中継局のアドレス(RS)が登録されている。

なお、RSは図５のステップＳ１０２において、管理テーブルにエントリが既登録のSSからRNG-REQメッセージを受信するとステップＳ１１６へ進み、当該メッセージに登録されているバーストプロファイル等のパラメータが変更されているか否かが判定される。変更が確認されればステップＳ１１７へ進み、変更後のバーストプロファイルがRNG-INFOメッセージに登録されてBSへ送信される。ステップＳ１１８では、RNG-RSPがSSへ返信される。

図１４は、SS宛のメッセージを受信したBSが当該メッセージをSSへ転送する手順を示したフローチャートであり、BSでは、ステップＳ３０１においてSS宛のメッセージが受信されると、ステップＳ３０２において前記管理テーブルが検索される。ステップＳ３０３では、前記検索結果に基づいて、当該SSがRSの配下であるか否かが判定される。SSがRSの配下ではなくBSと直接通信が可能であれば通常の処理へ移行する。これに対して、SSがRSの配下であればステップＳ３０４へ進む。

ステップＳ３０４では、データ送信に先駆けてSSへ送信されるDL-MAPが作成される。図１５は、本実施形態において作成されるDL-MAPの一例を示した図であり、BSは管理テーブルを参照して、BS−RS間とRS−SS3間のバーストプロファイルに沿ってDL-MAP IEを作成する。つまり、RSへ送信する時間（t2−t1）は、BS−RS間で採用される変調方式などから計算される。一方、RSがSS3へ送信する時間（t4−t3）は、RS−SS3間で採用される変調方式などから計算される。このDL-MAPは、ステップＳ３０５でカプセル化されて送信される。

以上、好ましい実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は必ずしも上記実施形態に囚われるものではなく、本発明の概念が変化しない範囲で多様に変化し実施可能である。

本発明に係るP-MP方式の無線データ通信方法が適用されるネットワークの構成を示した図である。 本発明において送受信パケットに付与されるMACヘッダのフレーム構造を示した図である。 本発明におけるOFDMフレーム構成を示した図である。 UL-MAP内のUL-MAP IE（Information Element）の一例を示した図である。 中継局におけるRNG-REQメッセージ受信処理を示したフローチャートである。 基地局におけるメッセージ受信処理を示したフローチャートである。 本発明の動作を示したタイムチャートである。 加入者局から送信されたRNG-REQメッセージが中継局でカプセル化されて基地局へ転送される様子を模式的に示した図である。 基地局において各加入者端末を管理するために作成される管理テーブルの一例を示した図である。 基地局からカプセル化されて送信されたRNG-RSPメッセージが中継局で脱カプセル化されて加入者端末へ転送される様子を模式的に示した図である。 本発明で用いられるRNG-INFOの構成を示した図である。 基地局の管理テーブルの一例を示した図である。 基地局の管理テーブルの一例を示した図である。 加入者端末宛のメッセージを受信した基地局が当該メッセージを加入者端末へ転送する手順を示したフローチャートである。 本発明において作成されるDL-MAPの一例を示した図である。 P-MP方式でのOFDMフレーム構成の一例を示した図である。 IEEE802.16で規定されるMACヘッダのフレーム構造を示した図である。

符号の説明

BS…無線基地局
RS…中継局
SS…加入者端末

Claims (9)

1. １つの無線基地局に複数の加入者端末が収容されるP-MP方式の無線データ通信方法において、
   前記無線基地局と各加入者端末との通信を中継する中継局を備え、
   各中継局には、前記無線基地局との通信コネクションを一意に識別するための第１コネクションIDが当該無線基地局から予め割り当てられ、
   前記無線基地局と中継局との間の通信で採用する変調方式やFECコードタイプのパラメータセットを含むバーストプロファイルが当該無線基地局に既登録であり、
   前記中継局が、
   加入者端末から送信されたレンジング要求のメッセージを受信して受信電力を含むレンジング用のパラメータを計測する手順と、
   前記受信したメッセージを前記第１コネクションIDの記述されたヘッダでカプセル化して前記無線基地局へ送信する手順とを有し、
   前記無線基地局が、
   前記カプセル化されたメッセージを受信して脱カプセル化する手順と、
   前記加入者端末との通信コネクションを一意に識別する第２コネクションIDを作成し、前記加入者端末の接続先である前記中継局の識別子と対応付けて管理テーブルに登録する手順と、
   前記メッセージに対する前記加入者端末宛の応答メッセージを作成する手順と、
   前記加入者端末宛の応答メッセージを、前記第１コネクションIDの記述された中継局宛のヘッダでカプセル化して送信する手順とを有し、
   前記中継局がさらに、
   前記カプセル化された応答メッセージを受信して脱カプセル化する手順と、
   前記計測されたレンジング用のパラメータを前記脱カプセル化された応答メッセージに加えて加入者端末へ送信する手順と、
   前記加入者端末との間でレンジング処理を実行し、前記加入者端末との間のバーストプロファイルを前記無線基地局へ送信する手順とを有し、
   前記無線基地局は、前記無線基地局と中継局との間のバーストプロファイルおよび前記中継局と加入者端末との間のバーストプロファイルに基づいて、前記中継局との通信および加入者端末との通信をスケジューリングするスケジューリング情報を生成することを特徴とする無線データ通信方法。
2. 前記カプセル化されたメッセージのヘッダには、当該メッセージがカプセル化されていることを表す情報が登録されていることを特徴とする請求項１に記載の無線データ通信方法。
3. 前記中継局が、カプセル化するメッセージのヘッダに、当該メッセージがカプセル化されていることを表す情報を登録する手順と、
   前記無線基地局が、受信メッセージのヘッダに、当該メッセージがカプセル化されていることを表す情報が登録されているか否かを判定する手順とを含むことを特徴とする請求項２に記載の無線データ通信方法。
4. 前記加入者端末が、
   送信したメッセージが前記無線基地局および中継局のいずれで受信されたかを判定する手順と、
   前記メッセージの再送タイマを、前記メッセージが中継局で受信された場合は無線基地局で受信された場合よりも長く設定する手順とを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の無線データ通信方法。
5. 前記中継局が、
   前記受信したメッセージの送信元である加入者端末を自身の管理テーブルを検索することで登録済みであるか否かを判定する手順と、
   登録済みでない場合には、前記加入者端末を前記管理テーブルに登録する手順と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の無線データ通信方法。
6. １つの無線基地局 に複数の加入者端末が収容されるP-MP方式の無線データ通信システムにおいて、
   前記無線基地局と各加入者端末との通信を中継する中継局を備え、
   各中継局には、前記無線基地局との通信コネクションを一意に識別するための第１コネクションIDが当該無線基地局から予め割り当てられ、
   前記無線基地局と中継局との間の通信で採用する変調方式やFECコードタイプのパラメータセットを含むバーストプロファイルが当該無線基地局に既登録であり、
   前記中継局がさらに、
   加入者端末から送信されたレンジング要求のメッセージを受信して受信電力を含むレンジング用のパラメータを計測する手段と、
   前記受信したメッセージを前記第１コネクションIDの記述されたヘッダでカプセル化して前記無線基地局へ送信する手段とを具備し、
   前記無線基地局が、
   前記カプセル化されたメッセージを受信して脱カプセル化する手段と、
   前記加入者端末との通信コネクションを一意に識別する第２コネクションIDを作成し、前記加入者端末の接続先である前記中継局の識別子と対応付けて管理テーブルに登録する手段と、
   前記メッセージに対する前記加入者端末宛の応答メッセージを作成する手段と、
   前記加入者端末宛の応答メッセージを、前記第１コネクションIDの記述された中継局宛のヘッダでカプセル化して送信する手段とを具備し、
   前記中継局がさらに、
   前記カプセル化された応答メッセージを受信して脱カプセル化する手段と、
   前記計測されたレンジング用のパラメータを前記脱カプセル化された応答メッセージに加えて加入者端末へ送信する手段と、
   前記加入者端末との間でレンジング処理を実行し、前記加入者端末との間のバーストプロファイルを前記無線基地局へ送信する手段とを具備し、
   前記無線基地局は、前記無線基地局と中継局との間のバーストプロファイルおよび前記中継局と加入者端末との間のバーストプロファイルに基づいて、前記中継局との通信および加入者端末との通信をスケジューリングするスケジューリング情報を生成することを特徴とする無線データ通信システム。
7. 前記カプセル化されたメッセージのヘッダには、当該メッセージがカプセル化されていることを表す情報が登録されていることを特徴とする請求項６に記載の無線データ通信システム。
8. 前記中継局が、カプセル化するメッセージのヘッダに、当該メッセージがカプセル化されていることを表す情報を登録する手段と、
   前記無線基地局が、受信メッセージのヘッダに、当該メッセージがカプセル化されていることを表す情報が登録されているか否かを判定する手段とを含むことを特徴とする請求項７に記載の無線データ通信システム。
9. 前記加入者端末が、
   送信したメッセージが前記無線基地局 および中継局のいずれで受信されたかを判定する手段と、
   前記メッセージの再送タイマを、前記メッセージが中継局で受信された場合は無線基地局 で受信された場合よりも長く設定する手段とを含むことを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の無線データ通信システム。

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