JP5072778B2 - 無線通信基地局、無線通信端末、無線通信システムおよび無線通信制御方法 - Google Patents

無線通信基地局、無線通信端末、無線通信システムおよび無線通信制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、仮想キャリアセンスにより無線帯域割り当てを行うパケット伝送方式に基づいた無線通信を行う無線通信基地局、無線通信端末、無線通信システムおよび無線通信制御方法に関する。
近年、様々な装置に無線LANインターフェースが搭載されている。特に、パーソナルコンピュータ、家庭電化製品、携帯端末等へのIEEE802.11の普及は著しい。携帯端末がIEEE802.11における無線通信端末となる場合、省電力が重要な技術となる。非特許文献１には、以下の方法で無線通信端末における省電力を実現する技術が記載されている。
IEEE802.11で規定された無線LAN通信では、無線通信基地局は、共通通知情報（以下「ビーコン」と称する）の周期に基づいて無線通信端末にビーコンを送信する。そのビーコンの中には省電力モードで動作中の各無線通信端末宛に蓄積しているデータの有無を示すTIM(Traffic Indication Map)と呼ばれるビットマップが含まれている。省電力モードで動作中の無線通信端末はListen Interval（ビーコンを受信する周期を規定するパラメータ）に従い、規則的に受信休止状態(以下「Doze状態」と称する)から、受信待機状態(以下「Awake状態」と称する)に遷移し、ビーコンを受信する。無線通信端末は、受信したビーコンのTIM情報要素（ビットマップ）を解析することで、無線通信基地局における当該無線通信端末宛のデータの有無を判断する。ここで、当該無線通信端末宛のデータが蓄積されている場合、当該無線通信端末は、PS-Poll(Power Save-Poll)という制御フレームを無線通信基地局に送信することで、無線通信基地局から当該無線通信端末へデータを転送させ、最後のフレームを受信するまでAwake状態を維持する。一方、当該無線通信端末宛のデータが蓄積されていない場合は、当該無線通信端末は、Doze状態へ遷移する。つまり、省電力モードの無線通信端末は、一定周期でAwake状態とDoze状態とを繰り返す。
ANSI/IEEE std 802.11, Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications, 1999.
上述した従来技術では、無線通信端末については間欠受信により省電力効果を期待できるが、無線通信基地局については常時Awake状態を維持する必要がある。ここで、無線通信基地局が常時電源補給される状態にあれば問題ないが、モバイルの無線通信装置（即ち、常時電源補給される状態にあるとは限らない無線通信装置）が無線通信基地局の役割を果たす際には、上述した従来技術では、無線通信基地局の電力消費が重大な問題になる。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、無線通信基地局における間欠受信を実現し、無線通信基地局における省電力効果を図ることを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明に係る無線通信基地局は、仮想キャリアセンスにより無線帯域割り当てを行うパケット伝送方式により、間欠受信動作可能な１つ以上の無線通信端末との間で無線接続を行う無線通信基地局であって、間欠受信中の配下の無線通信端末宛の下りパケットのバッファリング情報と、前記配下の無線通信端末からの送信を禁止する期間を表す送信禁止期間情報とを、同一のパケット又はそれぞれ別々のパケットに記載する指令記載手段と、前記指令記載手段による記載がなされた指令記載パケットを前記配下の無線通信端末へ送信する送信手段と、前記送信手段による前記指令記載パケットの送信後、即座に、又は、前記下りパケットを所定数送信したときに、当該無線通信基地局の状態をDoze状態に遷移させるDoze状態遷移手段と、前記送信禁止期間情報が記載されたパケットが送信された時刻から、当該送信禁止期間が経過したときに、当該無線通信基地局の状態をAwake状態に遷移させるAwake状態遷移手段と、を備え、前記指令記載手段は、下りパケットの実際のバッファリング状況にかかわらず、ユニキャストパケットをバッファリングしておらずブロードキャストパケットをバッファリングしている旨のバッファリング情報と、前記送信禁止期間情報とを、同一のビーコンに記載し、前記送信手段は、前記ビーコンを前記配下の無線通信端末へ送信し、その後、実際にバッファリングしている１つ以上のユニキャストパケットを送信し、その後、後続のパケットがバッファリングされていないことを通知するブロードキャストパケットであって、パケット内のmore data bitが０に設定されたブロードキャストパケットを前記配下の無線通信端末へ送信し、前記Doze状態遷移手段は、前記ブロードキャストパケットが送信された後、当該無線通信基地局の状態をDoze状態に遷移させることを特徴とする。
この構成によれば、無線通信基地局が配下の無線通信端末からの上りパケットの送信タイミングを制御することが可能となり、無線通信基地局における間欠受信を実現し、省電力効果を図ることができる。また、バッファリング情報とともに送信禁止期間情報をビーコン内に記載することができ、送信禁止期間情報の通知のためだけにパケットを送信する必要がないので、無線利用効率の向上を図ることができる。さらに、無線通信基地局の配下に存在する間欠通信中の無線通信端末が、下りパケット転送要求パケット（PS-Poll）を送信しなくても、無線通信基地局は下りパケットを送信可能となるため、無線利用効率の向上を図ることができる。
なお、上記無線通信基地局は、送信禁止期間を算出する送信禁止期間算出手段、をさらに備える構成とすることが望ましい。また、前記送信禁止期間算出手段は、当該無線通信基地局と前記配下の無線通信端末との間における１データパケットの送受信手順にかかる時間と、当該無線通信基地局が形成するセル全体のビーコン周期あたりの送信パケット数との積に基づいて、前記送信禁止期間を算出することが望ましい。また、前記送信禁止期間算出手段は、AIFSと、平均コンテンションウィンドウ長と、１データパケット自体の伝送にかかる時間と、SIFSと、Ackパケット自体の伝送にかかる時間との和に基づいて、前記１データパケットの送受信手順にかかる時間を算出することが望ましい。また、前記送信手段は、前記指令記載パケットの送信タイミングを設定する送信タイミング設定手段と、前記送信タイミング設定手段により設定された送信タイミングで、前記指令記載パケットを送信するパケット送信手段と、を含んで構成されることが望ましい。
本発明は、無線通信システムに係る発明、無線通信制御方法に係る発明として捉えることもでき、以下のように記述することができる。
本発明に係る無線通信システムは、仮想キャリアセンスにより無線帯域割り当てを行うパケット伝送方式により相互に無線接続を行う、無線通信基地局と、間欠受信動作可能な１つ以上の無線通信端末と、を含んで構成された無線通信システムであって、前記無線通信基地局が、間欠受信中の配下の無線通信端末宛の下りパケットのバッファリング情報と、前記配下の無線通信端末からの送信を禁止する期間を表す送信禁止期間情報とを、同一のパケット又はそれぞれ別々のパケットに記載する指令記載手段と、前記指令記載手段による記載がなされた指令記載パケットを前記配下の無線通信端末へ送信する送信手段と、前記送信手段による前記指令記載パケットの送信後、即座に、又は、前記下りパケットを所定数送信したときに、当該無線通信基地局の状態をDoze状態に遷移させるDoze状態遷移手段と、前記送信禁止期間情報が記載されたパケットが送信された時刻から、当該送信禁止期間が経過したときに、当該無線通信基地局の状態をAwake状態に遷移させるAwake状態遷移手段と、を備え、前記指令記載手段は、下りパケットの実際のバッファリング状況にかかわらず、ユニキャストパケットをバッファリングしておらずブロードキャストパケットをバッファリングしている旨のバッファリング情報と、前記送信禁止期間情報とを、同一のビーコンに記載し、前記送信手段は、前記ビーコンを前記配下の無線通信端末へ送信し、その後、実際にバッファリングしている１つ以上のユニキャストパケットを送信し、その後、後続のパケットがバッファリングされていないことを通知するブロードキャストパケットであって、パケット内のmore data bitが０に設定されたブロードキャストパケットを前記配下の無線通信端末へ送信し、前記Doze状態遷移手段は、前記ブロードキャストパケットが送信された後、当該無線通信基地局の状態をDoze状態に遷移させることを特徴とする。
本発明に係る無線通信制御方法は、以下のように記述することができる。無線通信制御方法を構成する複数の処理ステップは、図１０のように図示することができる。即ち、本発明に係る無線通信制御方法は、仮想キャリアセンスにより無線帯域割り当てを行うパケット伝送方式により、間欠受信動作可能な１つ以上の無線通信端末との間で無線接続を行う無線通信基地局、によって実行される無線通信制御方法であって、間欠受信中の配下の無線通信端末宛の下りパケットのバッファリング情報と、前記配下の無線通信端末からの送信を禁止する期間を表す送信禁止期間情報とを、同一のパケット又はそれぞれ別々のパケットに記載する指令記載ステップ（図１０のステップＳ１）と、前記指令記載ステップにおいて記載がなされた指令記載パケットを前記配下の無線通信端末へ送信する送信ステップ（図１０のステップＳ２）と、前記送信ステップにおける前記指令記載パケットの送信後、即座に、又は、前記下りパケットを所定数送信したときに、当該無線通信基地局の状態をDoze状態に遷移させるDoze状態遷移ステップ（図１０のステップＳ３）と、前記送信禁止期間情報が記載されたパケットが送信された時刻から、当該送信禁止期間が経過したときに、当該無線通信基地局の状態をAwake状態に遷移させるAwake状態遷移ステップ（図１０のステップＳ４）と、を備え、前記指令記載ステップは、下りパケットの実際のバッファリング状況にかかわらず、ユニキャストパケットをバッファリングしておらずブロードキャストパケットをバッファリングしている旨のバッファリング情報と、前記送信禁止期間情報とを、同一のビーコンに記載し、前記送信ステップは、前記ビーコンを前記配下の無線通信端末へ送信し、その後、実際にバッファリングしている１つ以上のユニキャストパケットを送信し、その後、後続のパケットがバッファリングされていないことを通知するブロードキャストパケットであって、パケット内のmore data bitが０に設定されたブロードキャストパケットを前記配下の無線通信端末へ送信し、前記Doze状態遷移ステップは、前記ブロードキャストパケットが送信された後、当該無線通信基地局の状態をDoze状態に遷移させることを特徴とする。
本発明は、無線通信基地局配下の無線通信端末の間欠受信による省電力効果を保持しつつ、さらに、パケット送信遅延を増大することなく無線通信基地局が間欠受信を行うことで、無線通信基地局における省電力効果を図ることができ、連続通信時間を向上させることができる。
以下に、本発明に係る手法を用いた場合の実施形態を示す。本実施形態では、無線LANインターフェースを搭載した１台の無線通信装置が、本発明に係る無線通信基地局（以下「AP」と称する。APはアクセスポイントを意味する。）の役割を果たし、無線LANインターフェースを搭載した他の１台以上の無線通信装置が、無線通信端末（以下「STA」と称する。STAはSTATIONを意味する。）としてAPとの間で無線LAN通信を行うシナリオについて記述する。
APは、図１に示すハードウェア構成と、図２に示す機能ブロック構成を有する。図１に示すように、APは、情報処理装置であるＣＰＵ１０１と、ＲＯＭ１０２やＲＡＭ１０３などのメモリと、キーボードや操作ボタン等の操作部１０４と、無線LAN通信が可能な無線通信部１０５と、ディスプレイ１０６と、を有する。
次に、図２に示すAP２００の機能ブロックについて説明する。AP２００は、パケット送信を行うパケット送信部２０１と、送信されるパケットを生成する送信パケット生成部２０２と、ビットマップ情報を作成するビットマップ情報作成部２０３と、NAV期間を算出するNAV期間算出部２０４と、パケットを受信するパケット受信部２０５と、余剰無線帯域を算出する余剰無線帯域算出部２０６と、送信されるデータパケットをバッファリングする送信データパケットバッファリング部２０７と、現在時刻を管理する時刻管理部２０８と、送信タイミングの制御を行う送信タイミング制御部２０９と、AP２００におけるAwake状態とDoze状態の状態遷移を制御するAwake/Doze状態制御部２１０と、配下のSTAの動作モードを管理する配下STA動作モード管理部２１１と、を備える。
パケット送信部２０１は、無線通信部１０５に実装され、送信パケット生成部２０２から送信パケットを受け取り、送信タイミング制御部２０９から送信タイミング情報を受け取り、外部に送信無線LANパケットを送信し、Awake/Doze状態制御部２１０にパケット送信終了通知を送る。
送信パケット生成部２０２は、ＣＰＵ１０１及び無線通信部１０５に実装され、ビットマップ情報作成部２０３からビットマップ情報を受け取り、NAV期間算出部２０４からNAV期間の値を受け取り、送信データパケットバッファリング部２０７からデータパケットを受け取り、パケット送信部２０１に送信パケットを送る。
ビットマップ情報作成部２０３は、ＣＰＵ１０１及び無線通信部１０５に実装され、送信パケット生成部２０２にビットマップ情報を送る。
NAV期間算出部２０４は、ＣＰＵ１０１及びＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３に実装され、パケット受信部２０５から統計情報を受け取り、余剰無線帯域算出部２０６から余剰無線帯域の値を受け取り、送信データパケットバッファリング部２０７からパケットバッファリング量を受け取り、送信パケット生成部２０２及びAwake/Doze状態制御部２１０にNAV期間の値を送る。
パケット受信部２０５は、無線通信部１０５に実装され、外部から受信無線LANパケットを受け取り、配下STA動作モード管理部２１１にSTAの動作モード情報を送る。
余剰無線帯域算出部２０６は、ＣＰＵ１０５及びＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３に実装され、NAV期間算出部２０４に余剰無線帯域の値を送る。
送信データパケットバッファリング部２０７は、ＲＯＭ１０２及びＲＡＭ１０３、無線通信部１０５に実装され、送信パケット生成部２０２にデータパケットを送り、NAV期間算出部２０４にパケットバッファリング量を送る。
時刻管理部２０８は、無線通信部１０５に実装され、時刻情報を送信タイミング制御部２０９、及びwake/Doze状態制御部２１０に時刻情報を送る。
送信タイミング制御部２０９は、時刻管理部２０８から時刻情報を受け取り、配下STA動作モード管理部２１１から、間欠受信モードSTA存在情報を受け取り、パケット送信部２０１に送信タイミング情報を送る。
Awake/Doze状態制御部２１０は、無線通信部１０５に実装され、パケット送信部２０１からパケット送信終了通知を受け取り、NAV期間算出部２０４からNAV期間の値を受け取り、時刻管理部２０８から時刻情報を受け取る。
配下STA動作モード管理部２１１は、ＲＯＭ１０２及びＲＡＭ１０３に実装され、パケット受信部２０５からSTAの動作モード情報を受け取り、送信タイミング制御部２０９に、間欠受信モードSTA存在情報を送る。
なお、特許請求の範囲に記載された「指令記載手段」は、パケット送信部２０１、送信パケット生成部２０２、ビットマップ情報作成部２０３、およびNAV期間算出部２０４により実現され、「送信手段」は、パケット送信部２０１、送信パケット生成部２０２、送信データパケットバッファリング部２０７、時刻管理部２０８、および送信タイミング制御部２０９により実現される。
「Doze状態遷移手段」は、パケット送信部２０１とAwake/Doze状態制御部２１０により実現され、「Awake状態遷移手段」は、NAV期間算出部２０４、時刻管理部２０８、およびAwake/Doze状態制御部２１０により実現される。
「送信禁止期間算出手段」は、NAV期間算出部２０４、余剰無線帯域算出部２０６、および送信データパケットバッファリング部２０７により実現され、「判断手段」は、パケット受信部２０５と配下STA動作モード管理部２１１により実現される。
なお、送信手段に含まれる「送信タイミング設定手段」は、時刻管理部２０８と送信タイミング制御部２０９により実現され、「パケット送信手段」は、パケット送信部２０１と送信パケット生成部２０２により実現される。
本実施形態における無線通信システムの構成を図３に示す。図３に示すように、無線通信システム１は、AP２００と、複数のSTA３００とを含んで構成される。ここでは、複数のSTA３００として、３つのSTA1、STA2、STA3がAP２００の配下に位置し、AP２００との間で無線LAN通信を行うものとする。なお、STAの台数は３台に限定されるものではなく、他の如何なる台数でもよい。また、各STA（３つのSTA1、STA2、STA3それぞれ）は、省電力モード、即ち、間欠受信動作で無線LAN通信を行うものとする。
ここで、比較のために、まず、本発明を適用しない場合について述べる。本発明を適用しない場合は、IEEE802.11に従い、図４のようなシーケンスが発生する。各STAは、APからのビーコンを受信し、受信したビーコン内に記載されているビットマップから、自己のSTA宛のユニキャスト用データがAP内にバッファリングされているか否かを判断する。ここで、自己のSTA宛のユニキャスト用データがAP内にバッファリングされていれば、当該STAは、PS-PollというフレームをAPに送信し、下りパケットの送信をAPに促す。なお、上記ビットマップは、ブロードキャスト/マルチキャストデータがバッファリングされているか否か、及び、各STA宛のユニキャスト用データがバッファリングされているか否かを通知するためのテーブルと同等のものと捉えることができる。
上記の技術では、各STAは、ビーコンを受信するためにビーコン送信タイミングでAwake状態に遷移し、例えばSTA3は、ビットマップ参照により自己のSTA宛の下りパケットがバッファリングされていないと判断し、即座にDoze状態に遷移する（図４のＡ１）。一方、STA1とSTA2は、ビットマップ参照により自己のSTA宛に下りパケットがバッファリングされていると判断し、APから下りパケットを送信させるためにPS-PollをAPに送信する。例えば、STA2はPS-PollをAPに送信し（図４のＡ２）、PS-Pollを受信したAPは、送信元のSTA2宛に下りデータパケットを送信する（図４のＡ３）。ここでSTA2は、受信した下りデータパケット内に設定されたmore data bit（後続の下りパケットがバッファリングされているか否かを通知するビット）を参照し、後続の下りパケットがバッファリングされているか否かを判断する。後続の下りパケットがバッファリングされていなければ、STA2はDoze状態に遷移する（図４のＡ４）。その後、STA1も、STA2と同様に動作する。ここで従来技術では、上りデータパケットはいつでも送信していいとされているため、STAは上りパケットを送信しようとするときは、いつでもAwake状態に遷移して、パケットをAPに送信すればよい。しかしながら、このような方法では、APは常時Awake状態で動作しなければならず、電力消費が重大な問題になってしまう。
次に、APに対して本発明を適用した場合について説明する。本発明では、APがパケット内のdurationフィールドに送信禁止期間と同等の値を記載して送信する。durationフィールドは、通常当該パケットの送受信手順にかかる時間情報を記載し、当該durationフィールドに記載された時間だけ送信禁止とする設定（即ち、CSMA/CAにおける仮想キャリアセンスのNAV（パケットの送信禁止期間（Network Allocation Vector））設定）を行うためのものである。NAVに関する情報を受信したSTAは、当該パケットの宛先フィールドが自己のSTA宛であろうがなかろうが、当該NAV期間は送信手順を停止させる。
本発明では、上記パケットとしてビーコンを利用し、上記NAV期間を、当該ビーコンの送受信手順にかかる時間より大きい値に意図的に設定する。これにより、当該ビーコンを受信したSTAは、当該NAV期間が経過するまで送信禁止となるため、APはSTAからの上りパケットを受信する状態になくても良い。なお、上記のようなNAV期間が設定されたビーコンを「送信禁止指令ビーコン」と呼ぶ。APは、送信禁止指令ビーコンの送信後、当該NAV期間が経過するまでDoze状態に遷移することで、APにおける消費電力を削減することができる。
しかしながら、既に記述したようにビーコン内のビットマップ情報を受信したSTAは、自己のSTA宛の下りパケットがAPにバッファリングされていることを確認した場合、APにPS-Pollを送信するために、NAV期間が経過するまでAwakeの状態を維持して送信タイミングを待ち構えてしまうおそれがある。これにより、NAV期間中、STAの電力が不必要に消費されてしまうおそれがある。したがって、本発明では、さらに改良を加え、以下の２つのいずれかの方法で、STAとAPの両方における電力消費を抑制する。
第１の方法について図５を用いて説明する。第１の方法では、APは、いずれかのSTA宛のユニキャストの下りパケットをバッファリングしているか否かに関わらず、送信禁止指令ビーコン内のビットマップにおいて、「BC/MC(ブロードキャスト/マルチキャスト)パケットのみをバッファリングしており、どのSTA宛のユニキャスト用の下りパケットもバッファリングしていない旨」を記載し、当該送信禁止指令ビーコンを配下のSTAへ送信する（図５のＢ１）。ここで、本ビーコンは送信禁止指令ビーコンであるので、NAV期間には、当該ビーコンの送受信手順にかかる時間より大きい値が意図的に設定されている。このビーコンを受信した全てのSTAは、BC/MCパケットを受信するためにawake状態を維持する。
その後、APは、実際にはバッファリングしていた下りパケットを配下のSTAに送信する（図５のＢ２）。そして、APは、バッファリング中の下りパケットをすべて送信完了した後、あるいは、予め決められた数の下りパケットの送信が完了した後、BCパケットをブロードキャスト送信する（図５のＢ３）。なお、このBCパケットには、何らかのデータが含まれていてもいいし、ダミーデータのみが含まれていてもいい。ただし、BCパケット内の「more data bit」は０に設定することで、当該BCパケットを受信した全てのSTAをdoze状態に遷移させる。さらに、当該BCを送信した後、APもdoze状態に遷移する。その後、送信禁止指令ビーコンの送信からNAV期間が経過したときに、APは、再度awake状態に遷移する（図５のＢ４）。上りパケット通信については、NAV期間経過後に実行される。
第２の方法については図６を用いて説明する。第２の方法では、APは、いずれかのSTA宛のユニキャストの下りパケットをバッファリングしているか否かに関わらず、あるビーコン（送信禁止指令ビーコン）についてはビットマップにおいて「下りパケットはBC/MC用もユニキャスト用も一切バッファリングしていない旨」を記載し、NAV期間を当該ビーコンの送受信手順にかかる時間より大きい値に設定して配下のSTAへ送信し、別のビーコン（通常のビーコン）についてはビットマップにおいて下りパケットの実際のバッファリング情報を記載して配下のSTAへ送信する。なお、図６には、送信禁止指令ビーコンと通常のビーコンを交互に送信する例（即ち、同じ頻度で送信する例）を示しているが、適切な通信が担保されれば、どのような頻度で送信禁止指令ビーコンを送信してもよいし、また、送信禁止指令ビーコンの送信頻度には周期性がなくてもよい。
図６に示すように、全てのSTAは、送信禁止指令ビーコンを受信すると、ビットマップを参照することで下りパケットが一切バッファリングされていないことを認識し、即座にdoze状態に遷移する（図６のＣ１）。このときAPも、当該送信禁止指令ビーコンの送信後、即座にDoze状態に遷移する（図６のＣ２）。その後、送信禁止指令ビーコンの送信からNAV期間が経過したときに、APは、awake状態に遷移する（図６のＣ３）。一方、STAは、上りパケットがあればawake状態に遷移して、当該上りパケットをAPに送信してもよい（図６のＣ４）。このとき、APは、STAから上りパケットを受信し、かつ、当該STA宛にバッファリングしている下りパケットがあれば、当該STAはawake状態にあるので、当該下りパケットを当該STAに送信してもよい（図６のＣ５）。
以上のような第１の方法又は第２の方法を用いれば、APにおける省電力効果を得ることができると共に、STAはNAV期間中、PS-Poll送信のためにNAV期間の解除を待ち構える必要がなくなり、NAV期間中awake状態を維持する必要がないため、STAにおける省電力を効率的に実現することができる。
さて、上記の実施形態ではビーコンにより送信禁止指令を行ったが、NAV期間を記載するdurationフィールドは通常のパケットにも存在するので、ビーコン以外のパケットにおけるdurationフィールドに、STAの送信禁止期間（当該パケットの送受信にかかる時間より大きい値）を設定し送信することで、パケットにより送信禁止指令を行ってもよい。このようなパケットを「送信禁止指令パケット」と呼ぶ。送信禁止指令パケットは、ユニキャストとして送信してもよいし、ブロードキャスト、マルチキャストとして送信してもよい。ただし、ビーコン以外のパケットにより送信禁止指令を行う場合、当該パケットの送信タイミングは以下のようにする。
配下のSTAがすべてActiveモード、すなわち、常時awake状態で動作する場合は、APは、いつでも送信禁止指令パケットを送信してよい。
一方、APの配下に間欠受信モードで動作するSTAが存在する場合は、ビーコン送信の直前あるいは直後で送信禁止指令パケットを送信する。以下、ビーコン送信の直後で送信禁止指令パケットを送信する場合の手順（図７）、ビーコン送信の直前で送信禁止指令パケットを送信する場合の手順（図８）を順に説明する。
ビーコン送信の直後で送信禁止指令パケットを送信する場合は、図７のような手順で実施する。この場合、送信されるビーコン内のビットマップに、「BC/MCパケットがバッファリングされている」旨を記載する必要がある。配下のSTAが当該ビーコンを受信した直後にDoze状態に遷移してしまい、当該ビーコンの後に送信される送信禁止指令パケットを受信失敗してしまうおそれがあるからである。また、このときのビーコン内のビットマップについては、上記に加え、「ユニキャストパケットは一切バッファリングされていない」旨を意図的に記載しても良いし、又は、AP内の実際のバッファリング状況をそのまま記載しても良い。
ここで、前者の場合（「ユニキャストパケットは一切バッファリングされていない」旨を記載する場合）は、APは、実際にバッファリングしている下りユニキャストパケットを送信した後に、あるいは、即座に、NAV期間がdurationフィールドに設定された送信禁止指令パケットをブロードキャスト送信して、Doze状態に遷移する。このとき送信禁止指令パケット内のmore data bitフィールドは０に設定する。これにより、送信禁止指令パケットを受信したSTAは、後続のパケットが無いことを認識し、Doze状態に遷移することができ、STAにおける省電力に資する。例えば、図７の例では、APは、「BC/MCパケットがバッファリングされている」旨および「ユニキャストパケットは一切バッファリングされていない」旨がビットマップに記載されたビーコンを送信する（図７のＤ１）。次に、APは、実際にバッファリングしている下りユニキャストパケットを送信する（図７のＤ２）。さらに、APは、more data bitフィールドが０に設定された送信禁止指令パケットをブロードキャスト送信して、Doze状態に遷移する（図７のＤ３）。一方、送信禁止指令パケットを受信したSTAも、後続のパケットが無いことを認識し、Doze状態に遷移する（図７のＤ４）。その後、送信禁止指令パケットの送信からNAV期間が経過したときに、APは、Awake状態に遷移する（図７のＤ５）。
一方、後者の場合（AP内の実際のバッファリング状況を記載する場合）は、ビーコンを受信したSTAからAPへPS-Pollが送信されてしまうおそれがあるので、APは、ビーコン直後の送信禁止指令パケットのブロードキャスト送信のための待機時間として、STAがPS-Pollを送信する待機時間よりも小さい値を設定する。これにより、APが送信禁止指令パケットをブロードキャスト送信する前にSTAからAPへPS-Pollが送信されてしまう事態（PS-Pollの割り込み）を抑制することができる。
ビーコン送信の直前で送信禁止指令パケットを送信する場合は、図８のような手順で実施する。この場合、まずAPは、ビーコン送信予定時刻に、NAV期間が設定された送信禁止指令パケットをブロードキャスト送信する。これにより、配下のSTAはNAV期間送信禁止となる。その後、APは、ビーコンを送信する。このときビーコン内のビットマップには、実際にAP内にバッファリングされているパケットの種類や量に関わらず、「ブロードキャストパケットのみがバッファリングされている」旨を記載しても良いし、「バッファリングされているパケットは無い」旨を記載しても良い。
前者の場合（ビーコン内のビットマップに「ブロードキャストパケットのみがバッファリングされている」旨を記載した場合）は、ビーコンを受信したSTAがビーコン受信後もAwake状態を維持する。そのため、APは、実際にバッファリングしている下りのユニキャストパケットやマルチキャストパケット、ブロードキャストパケットをSTAに送信可能となり、パケット送信遅延を抑制することができる。バッファリングしているパケットの送信後に、APは、more data bitフィールドが０に設定されたブロードキャストパケットを送信して、Doze状態に遷移する。上記ブロードキャストパケットを受信したSTAも、後続のパケットが無いことを認識し、Doze状態に遷移する。
一方、後者の場合（ビーコン内のビットマップに「バッファリングされているパケットは無い」旨を記載した場合）は、ビーコンを受信したSTAは、バッファリングされているパケットが無いことを認識し、即座にDoze状態に遷移する。例えば、図８の例では、APは、ビーコン送信予定時刻に、NAV期間が設定された送信禁止指令パケットをブロードキャスト送信する（図８のＥ１）。これにより、配下のSTAはNAV期間送信禁止となる。その後、APは、「バッファリングされているパケットは無い」旨がビットマップに記載されたビーコンを送信して、Doze状態に遷移する（図８のＥ２）。一方、上記ビーコンを受信したSTAも、バッファリングされているパケットが無いことを認識し、即座にDoze状態に遷移する（図８のＥ３）。このようにして、APとSTAの両方において、省電力効果を得ることができる。その後、送信禁止指令パケットの送信からNAV期間が経過したときに、APは、Awake状態に遷移する（図８のＥ４）。
ところで、本発明に係る手法においてビーコンで送信禁止指令を行う場合においても、ビーコン以外のパケットで送信禁止指令を行う場合においても、配下に間欠受信モードで動作するSTAが存在する場合は、DTIMビーコンと呼ばれる特別なビーコン、又は、その直前もしくは直後に送信するパケットで送信禁止指令を行うことにより、次のようなメリットがある。
IEEE802.11によれば、DTIMビーコンは、ビーコン周期の自然数倍の周期で送信される。これにより、間欠受信で動作するSTAは、すべてのビーコン周期でAwake状態に遷移するとは限らないが、DTIMビーコンは一般に全STAがAwake状態に遷移する。そのため、DTIMビーコン又はその直前もしくは直後に送信するパケットで送信禁止指令を行うことにより、STAにおける送信禁止指令の受信の確実性を向上させることができる。
次に、送信禁止指令ビーコン、あるいは、送信禁止指令パケット内のdurationフィールドに記載されるNAV期間の値の算出について説明する。NAV期間は、できる限り長い方がDoze状態に遷移可能な期間も長くなり省電力効果が期待できるものの、長すぎることによりパケットの送信遅延が発生してしまう。そのため、NAV期間は、適切な値の算出が重要となる。以下、NAV期間の算出手法の一例を示す。
TSPECを用いたアドミッションコントロールにおいてSTAは、パケットの優先度や平均データレート、パケットサイズを記載することができる。ここでSTA1,2,3とも、次のような情報をAPに通知したとする。
優先度：ベストエフォート
データレート：0.2Mbps
パケットサイズ1500byte
これらの情報を受け取ったAPは、所定のビーコン周期において、上記データ通信による無線占有時間を算出するため、次のような計算を行う。なお、ここで全STAとAPはIEEE802.11bに従って通信しているとする。また、ビーコン周期は100ms、物理レイヤ伝送レートは11Mbps、ロングプリアンブル、ベストエフォートにおけるAIFSNを２、CWminを３１とする。
APとSTAとの間における１データパケットの送受信手順は、図９に示すようになる。１データパケットの送受信手順にかかる時間は、以下の式１で表される。
１データパケットの送受信手順にかかる時間＝
AIFS＋平均コンテンションウィンドウ長＋１データパケット自体の伝送にかかる時間＋SIFS＋Ackパケット自体の伝送にかかる時間 …（式１）
ここでIEEE802.11bにおいては、SIFS＝10[μs]、スロットタイム＝20[μs]と規定されている。
また、式１におけるAIFS、平均コンテンションウィンドウ長、１データパケット自体の伝送にかかる時間、Ackパケット自体の伝送にかかる時間は、それぞれ以下のように求められる。
AIFS＝SIFS＋AIFSN×スロットタイム
＝10[μs]＋2×20[μs]
＝50[μs]
平均コンテンションウィンドウ長＝CWmin/2×スロットタイム
＝31/2×20[μs]
＝310[μs]
１データパケット自体の伝送にかかる時間＝
PLCPプリアンブル(144μs)＋PLCPヘッダ(48bit)＋MACヘッダ(24byte)＋LLCヘッダ(8byte)＋フレームボディ(1500byte)＋FCS(4byte)
＝144[μs]＋48[bit]/1[Mbps]＋(24+8+1500+4)×8[bit]/11[Mbps]
＝1309[μs]
Ackパケット自体の伝送にかかる時間＝
PLCPプリアンブル(144μs)＋PLCPヘッダ(48bit)＋フレーム(10byte)＋FCS(4byte)
＝144[μs]+48[bit]/1[Mbps]+(10+4)×8[bit]/11[Mbps]
＝1928[μs]
以上より、式１に基づき、１データパケットの送受信手順にかかる時間は、
50＋310＋1309＋10＋1928＝3607[μs]
と求められる。
さらに、STA１台におけるビーコン周期(100ms)あたりの送信パケット数を求める。STAからのTSPECに基づいた申告によれば、データレートが0.2Mbps、パケットサイズが1500byteであるので、データレートをbyte単位に変換すると、0.2×106/8の値になる。そのため、１秒あたりの送信パケット数は、
0.2×106/8/1500≒16.6667
となる。したがって、ビーコン周期(100ms＝0.1s)における送信パケット数は、
16.6667×0.1=1.6667
となる。本実施形態では、STAが３台存在するので、セル全体のビーコン周期あたりの送信パケット数は、
1.6667×3＝5.0001
となる。
つまり、所定のビーコン周期において3607[μs]かかるパケット送信が5.0001回発生するということなので、STA1,2,3による単位ビーコン周期における無線占有時間は、
3607×5.0001≒18035.36[μs]＝18.03536[ms]
と求められる。
即ち、APは、
100[ms]−18.03536[ms]＝81.96464[ms]
＝81964.64[μs]
の期間はDoze状態に遷移してもよい、ということになる。ここで、NAV期間はμs単位で設定されるので、APは、NAV期間の値「81964」をdurationフィールドに記載すればよい。
以上説明した発明の実施形態によれば、STAにおいて間欠受信を実現し省電力効果を得るとともに、APにおける間欠受信を実現し、APにおける省電力効果を得ることができる。
APのハードウェア構成図である。 APの機能ブロック構成図である。 無線通信システムの構成図である。 本発明を適用しない場合のシーケンス図である。 本発明に係る第１の方法を適用した場合のシーケンス図である。 本発明に係る第２の方法を適用した場合のシーケンス図である。 間欠受信モードで動作するSTAが存在する環境で、送信禁止指令パケットをビーコンの直後で送信する場合のシーケンス図である。 間欠受信モードで動作するSTAが存在する環境で、送信禁止指令パケットをビーコンの直前で送信する場合のシーケンス図である。 APとSTAとの間における１データパケットの送受信手順を示す図である。 本発明に係る無線通信制御方法の処理ステップを示す流れ図である。
符号の説明
１…無線通信システム、１０１…ＣＰＵ、１０２…ＲＯＭ、１０３…ＲＡＭ、１０４…操作部、１０５…無線通信部、１０６…ディスプレイ、２００…AP（無線通信基地局）、２０１…パケット送信部、２０２…送信パケット生成部、２０３…ビットマップ情報作成部、２０４…NAV期間算出部、２０５…パケット受信部、２０６…余剰無線帯域算出部、２０７…送信データパケットバッファリング部、２０８…時刻管理部、２０９…送信タイミング制御部、２１０…Awake/Doze状態制御部、２１１…配下STA動作モード管理部、３００…STA（無線通信端末）。

Claims (7)

  1. 仮想キャリアセンスにより無線帯域割り当てを行うパケット伝送方式により、間欠受信動作可能な１つ以上の無線通信端末との間で無線接続を行う無線通信基地局であって、
    間欠受信中の配下の無線通信端末宛の下りパケットのバッファリング情報と、前記配下の無線通信端末からの送信を禁止する期間を表す送信禁止期間情報とを、同一のパケット又はそれぞれ別々のパケットに記載する指令記載手段と、
    前記指令記載手段による記載がなされた指令記載パケットを前記配下の無線通信端末へ送信する送信手段と、
    前記送信手段による前記指令記載パケットの送信後、即座に、又は、前記下りパケットを所定数送信したときに、当該無線通信基地局の状態をDoze状態に遷移させるDoze状態遷移手段と、
    前記送信禁止期間情報が記載されたパケットが送信された時刻から、当該送信禁止期間が経過したときに、当該無線通信基地局の状態をAwake状態に遷移させるAwake状態遷移手段と、
    を備え、
    前記指令記載手段は、下りパケットの実際のバッファリング状況にかかわらず、ユニキャストパケットをバッファリングしておらずブロードキャストパケットをバッファリングしている旨のバッファリング情報と、前記送信禁止期間情報とを、同一のビーコンに記載し、
    前記送信手段は、前記ビーコンを前記配下の無線通信端末へ送信し、その後、実際にバッファリングしている１つ以上のユニキャストパケットを送信し、その後、後続のパケットがバッファリングされていないことを通知するブロードキャストパケットであって、パケット内のmore data bitが０に設定されたブロードキャストパケットを前記配下の無線通信端末へ送信し、
    前記Doze状態遷移手段は、前記ブロードキャストパケットが送信された後、当該無線通信基地局の状態をDoze状態に遷移させる、
    ことを特徴とする無線通信基地局。
  2. 前記送信禁止期間を算出する送信禁止期間算出手段、をさらに備える請求項１に記載の無線通信基地局。
  3. 前記送信禁止期間算出手段は、当該無線通信基地局と前記配下の無線通信端末との間における１データパケットの送受信手順にかかる時間と、当該無線通信基地局が形成するセル全体のビーコン周期あたりの送信パケット数との積に基づいて、前記送信禁止期間を算出する、
    ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信基地局。
  4. 前記送信禁止期間算出手段は、AIFSと、平均コンテンションウィンドウ長と、１データパケット自体の伝送にかかる時間と、SIFSと、Ackパケット自体の伝送にかかる時間との和に基づいて、前記１データパケットの送受信手順にかかる時間を算出する、
    ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信基地局。
  5. 前記送信手段は、
    前記指令記載パケットの送信タイミングを設定する送信タイミング設定手段と、
    前記送信タイミング設定手段により設定された送信タイミングで、前記指令記載パケットを送信するパケット送信手段と、
    を含んで構成される請求項１〜４の何れか１項に記載の無線通信基地局。
  6. 仮想キャリアセンスにより無線帯域割り当てを行うパケット伝送方式により相互に無線接続を行う、無線通信基地局と、間欠受信動作可能な１つ以上の無線通信端末と、を含んで構成された無線通信システムであって、
    前記無線通信基地局が、
    間欠受信中の配下の無線通信端末宛の下りパケットのバッファリング情報と、前記配下の無線通信端末からの送信を禁止する期間を表す送信禁止期間情報とを、同一のパケット又はそれぞれ別々のパケットに記載する指令記載手段と、
    前記指令記載手段による記載がなされた指令記載パケットを前記配下の無線通信端末へ送信する送信手段と、
    前記送信手段による前記指令記載パケットの送信後、即座に、又は、前記下りパケットを所定数送信したときに、当該無線通信基地局の状態をDoze状態に遷移させるDoze状態遷移手段と、
    前記送信禁止期間情報が記載されたパケットが送信された時刻から、当該送信禁止期間が経過したときに、当該無線通信基地局の状態をAwake状態に遷移させるAwake状態遷移手段と、
    を備え、
    前記指令記載手段は、下りパケットの実際のバッファリング状況にかかわらず、ユニキャストパケットをバッファリングしておらずブロードキャストパケットをバッファリングしている旨のバッファリング情報と、前記送信禁止期間情報とを、同一のビーコンに記載し、
    前記送信手段は、前記ビーコンを前記配下の無線通信端末へ送信し、その後、実際にバッファリングしている１つ以上のユニキャストパケットを送信し、その後、後続のパケットがバッファリングされていないことを通知するブロードキャストパケットであって、パケット内のmore data bitが０に設定されたブロードキャストパケットを前記配下の無線通信端末へ送信し、
    前記Doze状態遷移手段は、前記ブロードキャストパケットが送信された後、当該無線通信基地局の状態をDoze状態に遷移させる、
    ことを特徴とする無線通信システム。
  7. 仮想キャリアセンスにより無線帯域割り当てを行うパケット伝送方式により、間欠受信動作可能な１つ以上の無線通信端末との間で無線接続を行う無線通信基地局、によって実行される無線通信制御方法であって、
    間欠受信中の配下の無線通信端末宛の下りパケットのバッファリング情報と、前記配下の無線通信端末からの送信を禁止する期間を表す送信禁止期間情報とを、同一のパケット又はそれぞれ別々のパケットに記載する指令記載ステップと、
    前記指令記載ステップにおいて記載がなされた指令記載パケットを前記配下の無線通信端末へ送信する送信ステップと、
    前記送信ステップにおける前記指令記載パケットの送信後、即座に、又は、前記下りパケットを所定数送信したときに、当該無線通信基地局の状態をDoze状態に遷移させるDoze状態遷移ステップと、
    前記送信禁止期間情報が記載されたパケットが送信された時刻から、当該送信禁止期間が経過したときに、当該無線通信基地局の状態をAwake状態に遷移させるAwake状態遷移ステップと、
    を備え、
    前記指令記載ステップは、下りパケットの実際のバッファリング状況にかかわらず、ユニキャストパケットをバッファリングしておらずブロードキャストパケットをバッファリングしている旨のバッファリング情報と、前記送信禁止期間情報とを、同一のビーコンに記載し、
    前記送信ステップは、前記ビーコンを前記配下の無線通信端末へ送信し、その後、実際にバッファリングしている１つ以上のユニキャストパケットを送信し、その後、後続のパケットがバッファリングされていないことを通知するブロードキャストパケットであって、パケット内のmore data bitが０に設定されたブロードキャストパケットを前記配下の無線通信端末へ送信し、
    前記Doze状態遷移ステップは、前記ブロードキャストパケットが送信された後、当該無線通信基地局の状態をDoze状態に遷移させる、
    ことを特徴とする無線通信制御方法。
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