JP7272434B2 - 無線通信システムおよび無線通信方法 - Google Patents

無線通信システムおよび無線通信方法 Download PDF

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Description

本発明は、無線ＬＡＮ（Local Area Network）の稠密環境において、各無線局のＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）制御に起因するスループットの低下を改善する無線通信システムおよび無線通信方法に関する。
近年、ノートパソコンやスマートフォン等の持ち運び可能で高性能な無線端末の普及により企業や公共スペースだけではなく、一般家庭でもIEEE802.11標準規格の無線ＬＡＮが広く使われるようになっている。IEEE802.11標準規格の無線ＬＡＮには、 2.4ＧHz帯を用いるIEEE802.11b/g/n 規格の無線ＬＡＮと、５ＧHz帯を用いるIEEE802.11a/n/ac規格の無線ＬＡＮがある。
IEEE802.11ｂ規格やIEEE802.11ｇ規格の無線ＬＡＮでは、2400ＭHzから2483.5ＭHz間に５ＭHz間隔で13チャネルが用意されている。ただし、同一場所で複数のチャネルを使用する際は、干渉を避けるためスペクトルが重ならないようにチャネルを使用すると最大で３チャネル、場合によっては４チャネルまで同時に使用できる。
IEEE802.11ａ規格の無線ＬＡＮでは、日本の場合は、5170ＭHzから5330ＭHz間と、5490ＭHzから5710ＭHz間で、それぞれ互いに重ならない８チャネルおよび11チャネルの合計19チャネルが規定されている。なお、IEEE802.11ａ規格では、チャネル当たりの帯域幅が20ＭHzに固定されている。
無線ＬＡＮの最大伝送速度は、IEEE802.11ｂ規格の場合は11Ｍbps であり、IEEE802.11ａ規格やIEEE802.11ｇ規格の場合は54Ｍbps である。ただし、ここでの伝送速度は物理レイヤ上での伝送速度である。実際にはＭＡＣ（Medium Access Control ）レイヤでの伝送効率が50～70％程度であるため、実際のスループットの上限値はIEEE802.11ｂ規格では５Ｍbps 程度、IEEE802.11ａ規格やIEEE802.11ｇ規格では30Ｍbps 程度である。また、伝送速度は、情報を送信しようとする無線通信局が増えればさらに低下する。
一方で、有線ＬＡＮでは、Ethernet（登録商標）の100Base-T インタフェースをはじめ、各家庭にも光ファイバを用いたＦＴＴＨ（Fiber to the home)の普及から、 100Ｍbps ～１Ｇbps 級の高速回線の提供が普及しており、無線ＬＡＮにおいても更なる伝送速度の高速化が求められている。
そのため、2009年に標準化が完了したIEEE802.11ｎ規格では、これまで20ＭHzと固定されていたチャネル帯域幅が最大で40ＭHzに拡大され、また、空間多重送信技術（ＭＩＭＯ：Multiple input multiple output）技術の導入が決定された。IEEE802.11ｎ規格で規定されているすべての機能を適用して送受信を行うと、物理レイヤでは最大で 600Ｍbps の通信速度を実現可能である。
さらに、2013年に標準化が完了したIEEE802.11ac規格では、チャネル帯域幅を80ＭHzや最大で 160ＭHz（または80＋80ＭHz）まで拡大することや、空間分割多元接続（ＳＤＭＡ：Space Division Multiple Access）を適用したマルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ－ＭＩＭＯ）送信方法の導入が決定している。IEEE802.11ac規格で規定されているすべての機能を適用して送受信を行うと、物理レイヤでは最大で約 6.9Ｇbps の通信速度を実現可能である。
また、現在策定中のIEEE802.11ax規格では、上記の20ＭHz，40ＭHz，80ＭHz，160 ＭHz，80＋80ＭHzのチャネルを細かいサブチャネルに分け、フレームの送受信ができるＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access ）が規定される見込みである。ＯＦＤＭＡを用いると、上記チャネルを細かいサブチャネルに分けてリソースユニット単位で複数の無線局による同時送信が可能となる。さらに、IEEE802.11ax規格では、キャリアセンス閾値（以下、ＣＣＡ閾値という）の制御により周辺の他セルからの干渉を抑えつつ通信機会を増大する機能が規定される見込みである。
IEEE802.11規格の無線ＬＡＮは、 2.4ＧHz帯または５ＧHz帯の免許不要な周波数帯で運用するため、IEEE802.11規格の無線基地局は、無線ＬＡＮセル（ＢＳＳ：Basic Service Set ）を形成する際に、自無線基地局で対応可能な周波数チャネルの中から１つの周波数チャネルを選択して運用する。
自セルで使用するチャネル、帯域幅およびそれ以外のパラメータの設定値および自無線基地局において対応可能なその他のパラメータは、定期的に送信するBeaconフレームや、無線端末から受信するProbe Request フレームに対するProbe responseフレーム等に記載し、運用が決定された周波数チャネル上でフレームを送信し、配下の無線端末および周辺の他無線通信局に通知することで、セルの運用を行っている。
無線基地局において、周波数チャネルや帯域幅およびその他のパラメータの選択および設定方法には、次の４つの方法がある。
(1) 無線基地局の製造メーカで設定されたデフォルトのパラメータ値をそのまま使用する方法
(2) 無線基地局を運用するユーザが手動で設定した値を使用する方法
(3) 各無線基地局が起動時に自局において検知する無線環境情報に基づいて自律的にパラメータ値を選択して設定する方法
(4) 無線ＬＡＮコントローラなどの集中制御局で決定されたパラメータ値を設定する方法
また、同一場所で同時に使えるチャネル数は、通信に用いるチャネル帯域幅によって、 2.4ＧHz帯の無線ＬＡＮでは３つ、５ＧHz帯の無線ＬＡＮでは２つ，４つ，９つ，または19のチャネルになるので、実際に無線ＬＡＮを導入する際には無線基地局が自ＢＳＳ内で使用するチャネルを選択する必要がある（非特許文献１）。
チャネル帯域幅を40ＭHz、80ＭHz、 160ＭHzまたは80＋80ＭHzと広くする場合、５ＧHz帯において同一場所で同時に使えるチャネル数は、チャネル帯域幅が20ＭHzで19チャネルだったものが、９チャネル、４チャネル、２チャネルと少なくなる。すなわち、チャネル帯域幅が増加するにつれて、使えるチャネル数が低減することになる。
使用可能なチャネル数よりもＢＳＳ数が多い無線ＬＡＮの稠密環境では、複数のＢＳＳが同一チャネルを使うことになる（ＯＢＳＳ：Overlapping BSS ）。そのため無線ＬＡＮでは、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）を用いて、キャリアセンスによりチャネルが空いているときにのみデータの送信を行う自律分散的なアクセス制御が使われている。
具体的には、送信要求が発生した無線通信局は、まず所定のセンシング期間（ＤＩＦＳ：Distributed Inter-Frame Space ）だけキャリアセンスを行って無線媒体の状態を監視し、この間に他の無線通信局による送信信号が存在しなければ、ランダム・バックオフを行う。無線通信局は、引き続きランダム・バックオフ期間中もキャリアセンスを行うが、この間にも他の無線通信局による送信信号が存在しない場合に、チャネルの利用権を得る。なお、他の無線通信局による送受信は、予め設定されたキャリアセンス閾値よりも大きな信号を受信するか否かで判断される。チャネルの利用権を得た無線通信局は、同一ＢＳＳ内の他の無線通信局にデータを送信し、またそれらの無線通信局からデータを受信できる。このようなＣＳＭＡ／ＣＡ制御を行う場合、同一チャネルを使用する無線ＬＡＮの稠密環境では、キャリアセンスによりチャネルがビジーになる頻度が高くなるためスループットが低下する。したがって、周辺環境をモニタリングし、適切なチャネルを選択し、同時送受信を可能とする送信電力値およびキャリアセンス閾値を選択することが重要となる。
守倉正博、久保田周治監修、「８０２．１１高速無線ＬＡＮ教科書」改訂三版、インプレスＲ＆Ｄ、２００８年３月.
無線基地局の運用周波数帯である 2.4ＧHz／５ＧHz種別や、運用周波数帯における利用チャネルの選択などの上記パラメータの選択方法は、IEEE802.11標準規格で定まっていないため、各ベンダーが独自の方法を採用している。
また、各無線局は自律分散的に上記パラメータを選択するため、システム全体としても最適化はできなく、特に無線局数が多い環境ではユーザ品質が大きく劣化する問題がある。
例えば、 2.4ＧHzと５ＧHzのどちらかの周波数帯で運用できる複数の無線局が存在する場合は、 2.4ＧHz帯と５ＧHz帯を適切に振り分けしなければ、数少ないチャネルを複数の無線局で供用することになる。また、どちらかの周波数帯でサービスエリアの確保ができなかったり、また不要にオーバーラップしたり、効率の悪い運用をすることになる。
このように、隣接している無線通信システム間で同じ周波数チャネルを使用すると干渉が生じる。ＣＳＭＡ／ＣＡ制御では、キャリアセンスにより送信前に無線信号の有無を判定し、無線信号がない場合に送信を行う。一般的なＣＳＭＡ／ＣＡ制御では、各無線端末局が自律的に送信制御のパラメータ（送信電力値やＣＣＡ閾値）を設定しており、隣接する無線通信システムの数に応じてシステムスループットが低下する課題がある。
本発明は、各無線端末局の送信電力値とＣＣＡ閾値を適切に設定することで、無線通信システム全体としてスループットの改善を目指し、各ユーザに対して品質の高い無線環境を実現することができる無線通信システムおよび無線通信方法を提供することを目的とする。
第１の発明は、共用周波数帯上で複数の無線基地局にそれぞれ帰属する無線端末局が送信する無線通信システムにおいて、無線端末局は、自局の通信状態を示す環境情報を帰属する無線基地局を介して制御装置に通知し、該制御装置から通知された送信電力値およびＣＣＡ閾値を設定する手段を備え、制御装置は、無線基地局を介して無線端末局から収集した環境情報を基に、予め定められた制御手順に基づいて送信電力値およびキャリアセンス閾値を算出し、無線基地局を介して無線端末局に通知する手段を備える。
第２の発明は、共用周波数帯上で複数の無線基地局にそれぞれ帰属する無線端末局が送信する無線通信方法において、無線端末局は、自局の通信状態を示す環境情報を帰属する無線基地局を介して制御装置に通知し、該制御装置から通知された送信電力値およびＣＣＡ閾値を設定し、制御装置は、無線基地局を介して無線端末局から収集した環境情報を基に、予め定められた制御手順に基づいて送信電力値およびキャリアセンス閾値を算出し、無線基地局を介して無線端末局に通知する。
本発明は、無線端末局の送信電力値とＣＣＡ閾値を適切に設定して無線通信システムのカバーエリアを可変にすることにより、システム全体としてスループットの改善を図り、各ユーザに対して品質の高い無線環境を実現することができる。
本発明における無線通信システムの構成例を示す図である。 無線基地局（ＡＰ）１０の構成例を示す図である。 無線端末局（ＳＴＡ）２０の構成例を示す図である。 制御装置３０の構成例を示す図である。 本発明における制御装置３０の動作フローを示す図である。
図１は、本発明における無線通信システムの構成例を示す。ここでは、共用周波数帯上で運用される無線局として、無線基地局（ＡＰ）に帰属する無線端末局（ＳＴＡ）の送信電力値およびＣＣＡ閾値の制御例について説明する。
図１において、無線通信システムは、複数の無線基地局（ＡＰ）１０－１～１０－２が制御装置３０に接続される構成である。ＡＰ１０－１には、帰属する無線端末局（ＳＴＡ）２０－１～２０－２が接続される。ＡＰ１０－２に帰属する無線端末局は省略する。各ＳＴＡ２０－１～２０－２はＡＰ１０－１を介して、制御装置３０に環境情報を通知し、制御装置３０から通知された運用パラメータ情報を基に運用する。
ここでの環境情報は、ＡＰにおけるＲＳＳＩ値、ＳＴＡのデータ量（上り／下り）、ＳＴＡのＭＣＳ、周辺の干渉状況などである。運用パラメータ情報は、ＳＴＡの送信電力値およびＣＣＡ閾値である。
図２は、無線基地局（ＡＰ）１０の構成例を示す。
図２において、ＡＰ１０は、自局に帰属するＳＴＡの環境情報を収集する環境情報収集部１１と、これらの環境情報を制御装置３０に通知する環境情報通知部１２と、制御装置３０から通知される運用パラメータ情報（ＳＴＡの送信電力値およびＣＣＡ閾値）をＳＴＡに通知する運用パラメータ通知部１３と、帰属するＳＴＡと通信する無線通信部１４と、制御装置３０と有線または無線により通信を行う制御装置通信部１５より構成される。
図３は、無線端末局（ＳＴＡ）２０の構成例を示す。
図３において、ＳＴＡ２０は、自局の環境情報を収集する環境情報収集部２１と、これらの環境情報をＡＰ１０に通知する環境情報通知部２２と、ＡＰ１０から通知される運用パラメータ情報（送信電力値およびＣＣＡ閾値）を設定する運用パラメータ設定部２３と、ＡＰ１０と通信する無線通信部２４より構成される。
図４は、制御装置３０の構成例を示す。
図４において、制御装置３０は、各ＡＰ１０から通知されるＳＴＡの環境情報を収集する環境情報収集部３１と、収集した環境情報を保持する環境情報保持部３２と、収集・保持された環境情報を基に各ＳＴＡの運用パラメータ（送信電力値およびＣＣＡ閾値）を決定する運用パラメータ算出部３３と、決定した運用パラメータを通知する運用パラメータ通知部３４と、各ＡＰ１０と有線または無線により通信を行うＡＰ通信部３５より構成される。
図５は、本発明における制御装置３０の動作フローを示す。なお、本動作フローは、制御装置３０の運用パラメータ算出部３３で実行される各ＳＴＡの送信電力値およびＣＣＡ閾値の算出手順である。
図５において、本発明の制御は、制御対象ＡＰに帰属するＳＴＡに対して行うので、制御対象ＡＰが１台以上存在するか否かを判定し（Ｓ１）、存在しない場合には処理を終了する。制御対象ＡＰが存在すれば、未選択の制御対象ＡＰ－ｘを１台選択し（Ｓ２）、選択された制御対象ＡＰ－ｘに帰属するＳＴＡが１台以上存在するか否かを判定し（Ｓ３）、存在しない場合には、次の未選択の制御対象ＡＰ－ｘを１台選択する（Ｓ９，Ｓ２）。
次に、制御対象ＡＰ－ｘに帰属するＳＴＡのうち、未選択のＳＴＡ－ｙを１台選択し（Ｓ４）、選択されたＳＴＡ－ｙに対する運用パラメータとして、送信電力値を算出し（Ｓ５）、ＣＣＡ閾値を算出し（Ｓ６）、無線通信モードを決定する（Ｓ７）。そして、未選択のＳＴＡおよびＡＰがなくなるまで、ステップＳ５～Ｓ７の処理を繰り返す（Ｓ８，Ｓ９）。最後に、各制御対象ＡＰを介してそれぞれ帰属するＳＴＡに対して、算出した運用パラメータを通知する（Ｓ10）。
ステップＳ５では、制御対象ＡＰ－ｘにおいてＳＴＡ－ｙからの信号強度である上りＲＳＳＩ値を検知し、その平均値と閾値との差分を算出し、その差分をＳＴＡ－ｙの送信電力値の補正値ａとする。なお、閾値は、隣接するＡＰ間の距離、トラヒックのアプリケーションおよびトラヒック量、使用する帯域幅、ＳＴＡの状態（移動／固定）に応じて設定してもよい。例えば、隣接するＡＰ間の距離が近い場合には、閾値を小さく（負の値であれば絶対値を大きく）し、隣接するＡＰ間の距離が遠い場合には、送信電力を大きくしてもよいため、閾値を大きくする。また、トラヒックのアプリケーションが音声通信の場合には閾値を大きくしてカバーエリアを広げ、トラヒック量が多い場合には閾値を小さくしてカバーエリアを狭くする。
このように、ＲＳＳＩ値の平均値と閾値との差分に応じて送信電力値を制御することにより、近接するシステムへの干渉を低減しつつ同時に同じ周波数チャネルを使用するために、以下のＣＣＡ閾値の調整が必要になる。すなわち、近いシステムからの干渉を検知しても、それを無視して送信しないと同時送信にならない。よって増減した送信電力値に合わせてＣＣＡ閾値を増減する。例えば、送信電力値を３dB下げた場合には、ＣＣＡ閾値を３dBだけ上げる。これにより、ＳＴＡの送信電力値に見合うタイミングで同時に複数のシステムが同じ周波数チャネルを使って通信が可能になる。
ステップＳ６では、ＳＴＡ－ｙの送信電力値を補正値ａだけ削減した場合には、ＣＣＡ閾値を補正値ａ－ｂだけ増加し、ＳＴＡ－ｙの送信電力値を補正値ａだけ増加した場合には、ＣＣＡ閾値を補正値ａ－ｂだけ削減する処理を行う。ｂはＣＣＡ閾値の調整値であり、０の場合には送信電力値の補正値ａと同じ分だけＣＣＡ閾値を増減する。
ここで、図１のＡＰ１０－１、ＳＴＡ２０－１，２０－２における具体例を示す。各パラメータは以下とする。
ＲＳＳＩ値の閾値 ：－50dBｍ
ＣＣＡ閾値の調整値ｂ：－１dBｍ
ＳＴＡ２０－１の送信電力値 ：－30dBｍ
ＡＰ１０－１におけるＳＴＡ２０－１の平均ＲＳＳＩ値：－35dBｍ
ＳＴＡ２０－２の送信電力値 ：－32dBｍ
ＡＰ１０－１におけるＳＴＡ２０－２の平均ＲＳＳＩ値：－40dBｍ
ＳＴＡ２０－１の送信電力値の補正値ａは、（-35)-(-50)＝15dBの削減
ＳＴＡ２０－１のＣＣＡ閾値の補正値ａ－ｂは、15-(-1) ＝16dBの増加
ＳＴＡ２０－２の送信電力値の補正値ａは、（-40)-(-50)＝10dBの削減
ＳＴＡ２０－１のＣＣＡ閾値の補正値ａ－ｂは、10-(-1) ＝11dBの増加
ステップＳ７では、無線通信モードとして、ＯＦＤＭＡ(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) の有効／無効、ＭＵ－ＭＩＭＯ（MultiUser - Multiple Input Multiple Output) の有効／無効を決定する。
ＯＦＤＭＡは、短パケット通信の場合、上りトラヒックの割合が多い場合、制御信号のやりとりが多い場合、ほぼ同一信号強度をもつＳＴＡが複数存在する場合等の無線環境Ａに対して効果的である。
ＭＵ－ＭＩＭＯは、ＳＴＡの移動が少ない場合、複数のＳＴＡが同じようなトラヒックパタンを有する場合、無線環境の変化が少ない場合等の無線環境Ｂに対して効果的である。
よって、ＡＰとＳＴＡ間の信号強度、当該信号強度が閾値以上に変化する／しないの安定性、一度の信号送信に費やされる時間、ＡＰに帰属するＳＴＡ数、周波数チャネルを共有する周辺の他の無線局の台数および通信頻度に基づき、無線環境Ａかつ無線環境Ｂと判断される場合は、ＯＦＤＭＡを有効かつＭＵ－ＭＩＭＯを有効とする。無線環境Ａであるが、無線環境Ｂでないと判断される場合は、ＯＦＤＭＡを有効とし、かつＭＵ－ＭＩＭＯを無効とする。無線環境Ａでもなく、無線環境Ｂでもないと判断される場合は、ＯＦＤＭＡを無効かつＭＵ－ＭＩＭＯを無効とする。
１０ 無線基地局（ＡＰ）
１１ 環境情報収集部
１２ 環境情報通知部
１３ 運用パラメータ設定部
１４ 無線通信部
１５ 制御装置通信部
２０ 無線端末局（ＳＴＡ）
２１ 環境情報収集部
２２ 環境情報通知部
２３ 運用パラメータ通知部
２４ 無線通信部
３０ 制御装置
３１ 環境情報収集部
３２ 環境情報保持部
３３ 運用パラメータ算出部
３４ 運用パラメータ通知部
３５ ＡＰ通信部

Claims (4)

  1. 共用周波数帯上で複数の無線基地局にそれぞれ帰属する無線端末局が送信する無線通信システムにおいて、
    前記無線端末局は、自局の通信状態を示す環境情報を帰属する無線基地局を介して制御装置に通知し、該制御装置から通知された送信電力値およびキャリアセンス閾値を設定する手段を備え、
    前記制御装置は、前記無線基地局を介して前記無線端末局から収集した前記環境情報を基に、予め定められた制御手順に基づいて前記送信電力値およびキャリアセンス閾値を算出し、前記無線基地局を介して前記無線端末局に通知する手段を備え、
    前記制御手順は、
    前記無線基地局における帰属する前記無線端末局からの信号強度の平均値と所定の閾値との差分を算出し、その差分を前記無線端末局の送信電力値の補正値とし、
    前記無線端末局の送信電力値の補正値に応じて前記キャリアセンス閾値の補正値を決定する
    ことを特徴とする無線通信システム。
  2. 共用周波数帯上で複数の無線基地局にそれぞれ帰属する無線端末局が送信する無線通信システムにおいて、
    前記無線端末局は、自局の通信状態を示す環境情報を帰属する無線基地局を介して制御装置に通知し、該制御装置から通知された送信電力値およびキャリアセンス閾値を設定する手段を備え、
    前記制御装置は、前記無線基地局を介して前記無線端末局から収集した前記環境情報を基に、予め定められた制御手順に基づいて前記送信電力値およびキャリアセンス閾値を算出し、前記無線基地局を介して前記無線端末局に通知する手段を備え、
    前記制御手順は、
    前記無線基地局における帰属する前記無線端末局からの信号強度の平均値と所定の閾値との差分を算出し、その差分を前記無線端末局の送信電力値の補正値とし、
    前記閾値は、隣接する無線基地局間の距離、トラヒックのアプリケーションおよびトラヒック量、使用する帯域幅、前記無線端末局が移動または固定の状態に応じて設定する
    ことを特徴とする無線通信システム。
  3. 共用周波数帯上で複数の無線基地局にそれぞれ帰属する無線端末局が送信する無線通信方法において、
    前記無線端末局は、自局の通信状態を示す環境情報を帰属する無線基地局を介して制御装置に通知し、該制御装置から通知された送信電力値およびキャリアセンス閾値を設定し、
    前記制御装置は、前記無線基地局を介して前記無線端末局から収集した前記環境情報を基に、予め定められた制御手順に基づいて前記送信電力値およびキャリアセンス閾値を算出し、前記無線基地局を介して前記無線端末局に通知し、
    前記制御手順は、
    前記無線基地局における帰属する前記無線端末局からの信号強度の平均値と所定の閾値との差分を算出し、その差分を前記無線端末局の送信電力値の補正値とし、
    前記無線端末局の送信電力値の補正値に応じて前記キャリアセンス閾値の補正値を決定する
    ことを特徴とする無線通信方法。
  4. 共用周波数帯上で複数の無線基地局にそれぞれ帰属する無線端末局が送信する無線通信方法において、
    前記無線端末局は、自局の通信状態を示す環境情報を帰属する無線基地局を介して制御装置に通知し、該制御装置から通知された送信電力値およびキャリアセンス閾値を設定し、
    前記制御装置は、前記無線基地局を介して前記無線端末局から収集した前記環境情報を基に、予め定められた制御手順に基づいて前記送信電力値およびキャリアセンス閾値を算出し、前記無線基地局を介して前記無線端末局に通知し、
    前記制御手順は、
    前記無線基地局における帰属する前記無線端末局からの信号強度の平均値と所定の閾値との差分を算出し、その差分を前記無線端末局の送信電力値の補正値とし、
    前記閾値は、隣接する無線基地局間の距離、トラヒックのアプリケーションおよびトラヒック量、使用する帯域幅、前記無線端末局が移動または固定の状態に応じて設定する
    ことを特徴とする無線通信方法。
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