JP5034652B2 - モデム通信方法及びモデム装置 - Google Patents
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無線LAN(Local Area Network)のアドホックモードにおいては、アクセスポイントを介さずに通信装置(station)同士が1対1で通信を行うことができ、上述した自立分散型のネットワークを構築することができる。
IEEE 802.11eの通信規格(非特許文献1参照)においては、媒体アクセス制御にCSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance:搬送波感知多重アクセス/衝突回避)方式が採用されている。
モデム装置A〜Dが、共通のチャネルを使用して通信する。モデム装置AがBに対する通信要求状態にあり、モデム装置CがDに対する通信要求状態にある場合を想定する。
通信要求状態にあるモデム装置A,Cは、それぞれ、チャネルがビジー状態からアイドル状態になったとき、所定の期間DIFS(Distributed Coordination function interframe space)とバックオフ(backoff)期間とを加えたキャリア検出待機期間の間、キャリアが検出されないことにより、チャネル状態がアイドルであることを確認した上で、データフレームを送信する。
図示の例のように、モデム装置Cのバックオフ期間が短ければ、モデム装置Cからモデム装置Dにデータフレーム61が送信される。
モデム装置Dにおいて、データフレームが受信できれば、所定期間SIFS(short interframe space)経過後、モデム装置CにACK63を送信する。モデム装置Cは、ACK63を受信することにより、先に送信したデータフレーム61が正しく受信されたことがわかる。
ここで、バックオフ期間62は、前回のバックオフ期間において、キャリアが検出されるまでに経過した時間分を除いた期間である。
バックオフ期間は、減算するバックオフカウンタが0になることにより検出される。従って、バックオフ期間62は、前回のバックオフ期間において、バックオフカウンタが減算を停止したときの値に相当する。
図示を省略するが、EDCA(enhanced distributed channel access)においては、上述したDIFSは、複数の長さが用意されたAIFS(arbitration interframe space)に置き換わる。送信すべきデータフレームの優先度が小さいほど、AIFSの長さを長くすることにより、送信待機になる確率を大きくする。
この特許文献1によれば、バックオフ期間を、一様乱数に固定値を加えることにより、バックオフ期間のとる範囲を優先度に応じて変えるもの(特許文献1の図6)、バックオフ期間の単位となるスロット時間を優先度に応じて変えるもの(特許文献1の図1)、優先度に応じて余分な待ちスロットを所定割合で挿入することにより、CW(衝突ウインドウ)を消化する方法を変えるもの(特許文献1の図3)、優先度に応じて乱数の発生範囲を変えるが、消化による短縮を制限したもの(特許文献1の図4)が提案されている。
このPLCデータ通信システムは有線伝送路であるが、上述した無線LANと同様に、上述したCSMA/CA通信プロトコルを採用することにより、通信装置同士が1対1で通信を行うことができる。
ところが、屋内電力線の伝送路としての性質は、各種の電気製品から発生する雑音が大きいことや、各種の電気製品や配線の結合状態から周波数特性(減衰特性)も大きく異なる。しかも、屋内電力線の周波数スペクトルは電力線負荷の状態等によって頻繁に変化するため、信号対雑音比(SNR)やビットエラーレート等の伝送品質の変動が著しい。上述した周波数特性(減衰特性)は、送信モデム装置→受信モデム装置の送受通信ペアの組合せ毎に大きく異なる。
従って、良好な伝送品質を確保するためには、送受通信ペアの組合せ毎に最適な伝送速度を決める必要がある。
すなわち、伝送品質が低下したとき、変調多値数の小さなディジタル変調方式に変更したり、同一シンボルを複数回送信したりする。データ伝送速度は低下するが、伝送品質が劣化していても、ある程度良好な受信特性を得ることができる。
この先願発明では、フォールバック・モードにおいて、単に送信シンボル速度を落とすだけではなく、広い帯域を用いて送信信号を送信し、かつ、分数間隔等化器を用いることにより、等化器が伝送チャネルの帯域のうち信号減衰の少ない帯域を自然に選択することによりSNRを向上させる。また、「一般化相関シンボル伝送方式」を利用することにより、送信信号のチャネル通過率が大きくなるように送信信号のスペクトルを成形するとともに、SNRが向上するように等化器の帯域選択特性を制御している。
また、本出願人は、PLCデータ通信システムのチャネルの劣化特性に合わせて、OFDM伝送におけるデータ伝送速度制御を行うフォールバック技術を出願している(特願2006−276207)。
この先願発明では、伝送レートを低下させる設定に応じて、使用されるサブチャンネルの割合及び又は使用されるシンボル期間の割合を低下させるとともに、一部のシンボル期間を使用する場合は送信信号レベルを上げることにより、サブチャンネル帯域における平均送信電力の上限規制値を超えることなくSNRを向上させる。
PLCシステムにおいては、電力線伝送路の状態(減衰、ノイズ等)が良い場合、100Mb以上の伝送速度で通信できるが、状態が悪い場合、シンボルレートを下げて速度を10Mbps以下に低下させることにより、伝送できるようになる。
そのため、任意の通信装置間の実効転送速度を均一化することにより、通信ネットワークの全体としての通信効率を向上させたいという要望がある。
しかし、伝送速度が、100Mbpの通信ペアと、伝送速度が1Mbpsの通信ペアがあるとすると、データフレーム長を、100倍以上の長さで可変する必要がある。しかし、非常に長いデータフレーム長は、チャネルを長時間にわたって占有してしまうから、高プライオリティ(緊急)通信が存在するときに、通信の妨げになるという問題がある。
IEEE Std 802.11e-2005(11 November 2005)
従って、ある1つのモデム装置から前記他の1つのモデム装置へ送信するときの伝送速度を低下させた場合には、多重アクセス制御におけるバックオフ期間を短くするようにしたため、ビジー状態後に送信待機する確率が小さくなり、データフレームを送信できる確率が高くなる。その結果、伝送速度が低下している通信ほど、実効データ転送速度が多くなるから、複数のモデム装置が1対1の通信を行うときの実効データ転送速度を均等化することができる。
従って、請求項1に記載のモデム通信方法を実現するモデム装置を実現することができる。
その結果、ボトルネックとなるような、極端に伝送速度が小さいモデム装置間の通信が解消されることにより、モデム通信ネットワークシステム全体としてのチャネル利用効率が向上する。
このモデム通信ネットワークシステムは、電力線伝送路1に複数のモデム装置、モデム装置A,B,C・・・が接続されたものである。その中の2つのモデム装置が、共通のチャネル(周波数帯域)を用いて1対1通信を行う。
モデム装置は、ディジタル変復調機能を有し、一般には同じ優先度を有するデータフレームを送受信する通信装置である。
モデム装置A,B,C・・・は、電力線伝送路1である屋内電力線に直接接続されていたり、コアモジュールとして、通信機能を有する電気製品の内部に組み込まれていたりする。
送信部2A及び受信部3Aは、電力線結合器4Aを介して電力線伝送路1に接続されている。伝送制御部5Aは、送信部2A及び受信部3Aを制御する。
ビット伝送レート(伝送速度)が可変の通信システムであるため、送信部2Aにおいて、入力された送信データ(ビット列)は、バッファに入力され、直並列変換部に取り込まれ、シンボル単位でディジタル変調部に出力される。
この直並列変換部においては、伝送制御部5Aにより、伝送品質に応じて設定されたビット伝送レートに合うように、ビット列の供給が制御されるとともに、CSMA/CA多重アクセス方式に従って、送信データフレームや伝送制御信号が作成される。
ディジタル変調されたデータは、送信信号波形の帯域制限をし、キャリアにより直交変調し、伝送帯域に周波数シフトされ、増幅されて電力線結合器4Aに出力される。
伝送路等化されたベースバンド信号は、ディジタル復調される。ディジタル復調されたデータは、並直列変換され、元の送信ビット列に対応する受信ビット列となってバッファに出力され、図示しない利用装置に適したタイミングで出力される。
フォールバック制御(伝送速度制御)機能は、自装置から他の各モデム装置への送信におけるチャネル伝送特性を評価した結果に応じて、他の各モデム装置への送信時に設定する伝送速度(ビットレート)を制御する。
図2は、図1に示したモデム通信ネットワークシステムにおいて、モデム装置Aにおける通信設定の手順を説明するためのフローチャートである。
例えば、全てのモデム装置A,B,C・・・が、いずれも送信信号を出力していない期間(アイドル状態)において実行される。
フォールバック制御は、S11〜S13のステップにより実現される。
S11において、モデム装置Aからモデム装置Bに宛てて、送信データに代えて伝送路評価用信号を送信する。
S12において、伝送路評価用信号を受信したモデム装置Bは、伝送路評価を行い、最適なフォールバック速度を決定し設定する。同時に、等化器を制御することもできる。
S13において、モデム装置Aに宛てて、決定したフォールバック速度をモデム装置Aに通知する。
このS14の処理は、複数のモデム装置の中の2つのモデム装置の組み合わせからなる通信ペアが、1対1の通信を行うときの実効データ転送速度を均等化する実効データ転送速度制御機能に対応する。
より具体的には、後述する多重アクセス機能におけるバックオフ期間を、上述した伝送速度制御機能により他の1つのモデム装置に対する送信に設定された伝送速度が低下するにつれて短くする。
送信方向が逆になると、モデム装置の送受信特性のばらつき、モデム装置の電力線伝送路上の配置等により、伝送路特性が異なる場合がある。しかし、双方向のそれぞれの伝送が、同じ伝送品質であると推定される場合には、一方の伝送路評価をするだけでもよい。
フォールバック(Fall Back)は、変調多値数(1シンボルで伝送できるビット数)を下げる方法と、シンボルレートを下げる方法があり、両者の組み合わせによりデータ伝送速度を下げることができる。
しかし、図示の例では、フォールバック制御の基点となる変調方式を4QAMとし、変調多値数を変更することなく、シンボルレートを下げる方法を例示している。また、フォールバック制御の基底となるビットレートを1に正規化して示している。
基点の伝送速度で伝送できない劣悪なチャネルに対しても確実に通信できるようにするため、順次、送信シンボルレートを落とし、それに伴ってビットレートも落ちる。
ビットレートが1/Nとなるときのフォールバック度をNとし、図示の例では、N=100で止めている。
フォールバック度に合わせた(言い換えれば、ビットレートに合わせた)バックオフ時間は、実地試験によって得るか、シミュレーションによって実験的に求める。例えば、伝送速度(ビットレート)に比例した長さのバックオフ時間を与えることが考えられる。
通信用途によってデータフレーム長の規定が異なる場合や、フォールバック度毎に(言い換えれば、ビットレート毎に)データフレーム長も可変にする場合は、アクセス要求の優先度(例えば、後述するバックオフ期間)とデーターフーム長とを同時に制御することにより、全ての通信ペアの実効転送速度を均一化することも可能であるが、制御が複雑になる。
具体的には、キャリア検出待機期間(キャリアセンス)に含まれるバックオフ期間をフォールバック度に対応した可変期間に設定する。その際、CSMA/CA方式の本来の衝突回避機能を損なわないように、バックオフ期間を可変にしている。
伝送品質が送信モデム装置→受信モデム装置の通信ペアに応じて異なるから、フォールバック度の設定及びバックオフ期間のオフセットは、個々の送信モデム装置→受信モデム装置の通信ペアに設定する。先に説明したように、双方向それぞれの伝送が同じ伝送品質であると推定される場合には、逆方向の通信ペアに同じオフセットを設定してもよい。
通信ペアとして、モデム装置A→B、モデム装置C→D、モデム装置E→F、モデム装置G→Hがある。
バックオフの乱数値は0〜3(衝突ウインドウ3)内の値とする。送信モデム装置のフォールバック度は、モデム装置A→Bが最も大きく、モデム装置G→Hが最も小さいとする。その結果、モデム装置A→Bのオフセット=0、モデム装置C→Dのオフセット=2、モデム装置E→Fのオフセット=4、モデム装置G→Hのオフセット=8になっているとする。
通信要求が発生した時、チャネル状態がビジーであり、アイドルに変化した後、DIFSとランダム性を有するバックオフ期間(オフセット0に乱数値0〜3内の値を加えた期間)24とを加えた期間をキャリア検出待機期間とする。このバックオフ期間の値は、バックオフカウンタ(減算カウンタ)に与える初期値となる。
キャリア検出待機期間においてキャリアが検出されなければ、通信要求されたデータフレーム21を送信する。バックオフカウンタは、バックオフ期間のアイドル状態においてダウンカウントし、カウント値がゼロになればキャリア検出待機期間が満了する。
引き続き、モデム装置Aに、モデム装置Bに対する通信要求がある場合、所定間隔DIFSとランダム性を有するバックオフ期間(オフセット0に乱数値0〜3内の値を加えた期間)25とを加えた期間をキャリア検出待機期間として、この期間内にキャリアが検出されなければ、次に送信すべきデータフレーム23を送信する。
ここで、バックオフ期間25における乱数値は、先のバックオフ期間24の乱数値を継続使用するのではなく、新たな通信要求に対して、改めて決定されたものである。
(c)はモデム装置Eのみに通信要求が発生した場合を示す。この場合、バックオフ期間28、29は、オフセット4に乱数値0〜3内の値を加えた期間となる。
(d)はモデム装置Gのみに通信要求が発生した場合を示す。この場合、バックオフ期間30、31は、オフセット8に乱数値0〜3内の値を加えた期間となる。
従って、図4の(a)〜(d)の通信要求のうち、少なくとも2つが同時に発生したとき、バックオフ期間が短いモデムペアほど、アクセス権を得る確率が高くなる。
そのため、ランダム性を有するバックオフ期間の長さをフォールバック度に応じて変える方が、送信待機を繰り返している間において、優先度の順位が確率的であるため、実効データ転送速度の平均化にふさわしいと考えられる。
通信ペアとして、モデム装置A→モデム装置B、モデム装置C→D、モデム装置E→Fがある。チャネル状態がビジーの時に、モデム装置A,モデム装置C,モデム装置E,モデム装置Gに、通信要求が同時にあった場合の、送信待機動作を示す。
また、バックオフの乱数値は0〜3内の整数値とするが、この図5では、乱数値を具体的に例示し、モデム装置A→モデム装置Bの乱数値は2、モデム装置C→モデム装置Dの乱数値は2、モデム装置E→モデム装置Fの乱数値は3、モデム装置G→モデム装置Hの乱数値は1であるとする。
バックオフ期間を示す矩形列はタイムスロットを表し、数値はバックオフカウンタのカウント値を示す。
同様に、モデム装置Cは、DIFSとバックオフ期間(オフセット2+乱数値2=4)42とを加えた期間をキャリア検出待機期間とする。
モデム装置Eは、DIFSとバックオフ期間(オフセット4+乱数値3=7)43とを加えた期間をキャリア検出待機期間とする。
モデム装置Gは、DIFSとバックオフ期間(オフセット8+乱数値1=9)44とを加えた期間をキャリア検出待機期間とする。
一方、モデム装置C,E,Fは、データフレーム45のキャリアが検出された時点で、送信待機するとともに、それぞれのバックオフカウンタは、カウントダウンを一時的に中止し、カウント値2、5、7を保持する。
モデム装置Cは、DIFSとバックオフ期間(オフセット2+乱数値2−前回のバックオフ期間においてキャリアが検出されるまでに経過した分2=バックオフカウンタの値2)47とを加えた期間を、新たにキャリア検出待機期間とする。
同様に、モデム装置Eは、DIFSとバックオフ期間(オフセット4+乱数値3−前回のバックオフ期間においてキャリアが検出されるまでに経過した分2=バックオフカウンタの値5)48とを加えた期間をキャリア検出待機期間とする。
モデム装置Gは、DIFSとバックオフ期間(オフセット8+乱数値1−前回のバックオフ期間においてキャリアが検出されるまでに経過した分2=バックオフカウンタの値7)49とを加えた期間をキャリア検出待機期間とする。
一方、モデム装置E,Fは、送信待機するとともに、データフレーム50のキャリアが検出された時点で、それぞれのバックオフカウンタは、カウントダウンを一時的に中止し、カウント値3、5を保持する。
同様にして、順次、バックオフ期間の短いモデム装置から順に、データフレーム54,57が送信される。
しかし、送信すべきデータ内容の優先度に応じてバックオフ期間を調整する方法として、背景技術で説明した特許文献1で種々の方法が知られている。これらの方法又は類似した方法を応用して、フォールバック度に応じてバックオフ期間を調整してもよい。
その際、上述した特許文献1では、バックオフ期間が短くなりすぎないように制限している場合があるが、本願発明の実施の形態においては、むしろ制限を加えないで、単純にバックオフ期間をダウンカウントした方がよいと考えられる。
その際、多重アクセスの優先度を大きくするには、上述したバックオフのオフセットを一時的に短くすればよい。
あるいは、背景技術において説明したEDCAを前提に、DIFSをAIFSに置き換えたものを前提として優先制御を行うことを前提に、フォールバック度に応じてバックオフ期間の長さを制御してもよい。
これにより、情報家電の遠隔制御など、制御用途での応用が期待される。
また、モデム通信システムは、無線LANとして応用されていることから、本発明のモデム通信システムを、無線LANに適用することもできる。
Claims (2)
- 伝送路に複数のモデム装置が接続され、前記複数のモデム装置が、共通のチャネルを用いて1対1通信を行うモデム通信方法において、
前記複数のモデム装置のうち、ある1つのモデム装置から他の1つのモデム装置へ送信するときのチャネル伝送特性を評価し、
前記チャネル伝送特性の評価結果に応じて、前記ある1つのモデム装置から前記他の1つのモデム装置へ送信するときの伝送速度を制御し、
前記ある1つのモデム装置において前記他の1つのモデム装置に対する通信要求が発生したときにおいて、前記ある1つのモデム装置は、前記チャネルの状態がビジーであるときは、前記チャネルの状態がアイドルになった後、所定期間とランダム性を有する初期のバックオフ期間とを加えた期間をキャリア検出待機期間とし、該キャリア検出待機期間内に前記キャリアが検出されなければ前記通信要求があったデータフレームを送信するとともに、
前記キャリア検出待機期間内に前記キャリアが検出されたときは、送信を待機し、前回における前記バックオフ期間において、前記キャリアが検出されるまでに経過した分を除く期間を今回のバックオフ期間とし、前記チャネルの状態がアイドルになった後に、前記所定期間と前記今回のバックオフ期間とを加えた期間を今回のキャリア検出待機期間とすることにより、多重アクセス制御をし、
前記ランダム性を有する初期のバックオフ期間の取り得る最大長を、前記ある1つのモデム装置から前記他の1つのモデム装置への送信に設定された伝送速度が低下するにつれて短くすることにより、前記複数のモデム装置が1対1の通信を行うときの実効データ転送速度を均等化する、
ようにしたことを特徴とするモデム通信方法。 - 伝送路に複数のモデム装置が接続され、前記複数のモデム装置が、共通のチャネルを用いて1対1通信を行うモデム通信ネットワークシステムに用いるモデム装置において、
他の1つのモデム装置へ送信するときのチャネル伝送特性を評価した結果に応じて、前記他の1つのモデム装置へ送信するときの伝送速度を制御する伝送速度制御手段と、
前記他の1つのモデム装置に対する通信要求が発生したときにおいて、前記チャネルの状態がビジーであるときは、前記チャネルの状態がアイドルになった後、所定期間とランダム性を有する初期のバックオフ期間とを加えた期間をキャリア検出待機期間とし、該キャリア検出待機期間内に前記キャリアが検出されなければ前記通信要求があったデータフレームを送信するとともに、
前記キャリア検出待機期間内に前記キャリアが検出されたときは、送信を待機し、前回における前記バックオフ期間において、前記キャリアが検出されるまでに経過した分を除く期間を今回のバックオフ期間とし、前記チャネルの状態がアイドルになった後に、前記所定期間と前記今回のバックオフ期間とを加えた期間を今回のキャリア検出待機期間とすることにより、多重アクセス制御をする多重アクセス制御手段と、
前記ランダム性を有する初期のバックオフ期間の取り得る最大長を、前記伝送速度制御手段により、前記他の1つのモデム装置への送信に設定された伝送速度が低下するにつれて短くすることにより、前記複数のモデム装置が1対1の通信を行うときの実効データ転送速度を均等化する実効データ転送速度制御手段、
を有することを特徴とするモデム装置。
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