JP7272435B2 - 無線通信システムおよび無線通信方法 - Google Patents

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Description

本発明は、共用周波数帯上で複数の無線局が送信する無線通信システムにおいて、レーダ等の他システムで運用されるチャネルを避けたチャネル運用を行う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（ＣＣＡ閾値）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。
無線ＬＡＮ用に開放されている５ＧHz帯の一部は、レーダ等の他システムでも運用されている。したがって、他システムに干渉を与えない運用が義務付けられている無線ＬＡＮでは、常に他システムの信号を検知する必要がある。例えば、現在の運用チャネルにおいてレーダを検知したら、すぐに無線ＬＡＮ信号の送出を一定期間停止する。
本発明は、各無線局の運用チャネルを切り替えるチャネルを事前に設定することで、無線ＬＡＮ信号の送出停止期間を短くし、システム全体として性能向上を図り、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、共用周波数帯上で無線局が送信する無線通信システムにおいて、無線局は、システム外干渉情報を含む環境情報を制御装置に通知し、運用チャネル上でシステム外干渉を検出したときに該制御装置から通知された運用チャネルに代わる逃げ先チャネルに切り替える手段を備え、制御装置は、無線局より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逃げ先チャネルを算出し、無線局に通知する手段を備える。
第２の発明は、共用周波数帯上で無線局が送信する無線通信方法において、無線局は、システム外干渉情報を含む環境情報を制御装置に通知し、運用チャネル上でシステム外干渉を検出したときに該制御装置から通知された運用チャネルに代わる逃げ先チャネルに切り替える手段を備え、制御装置は、無線局より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逃げ先チャネルを算出し、無線局に通知する。
本発明は、各無線局の運用チャネルを切り替える逃げ先チャネルを事前に設定し、システム外干渉を検出したときに逃げ先チャネルに切り替えることにより無線ＬＡＮ信号の送出停止期間を短くし、システム全体として性能向上を図り、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。 制御装置２０の構成例を示す図である。 本発明における制御装置２０の動作フローを示す図である。 本発明における無線基地局（ＡＰ）１０の動作フローを示す図である。 逃げ先チャネルの選択手順を説明する図である。
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）の運用チャネル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２０に接続される構成である。各ＡＰ１０－１～１０－２は、それぞれ配下の無線端末（図示せず）と通信する。各ＡＰ１０－１～１０－２は、制御装置２０に環境情報を通知し、制御装置２０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の運用チャネル上におけるレーダ等のシステム外干渉情報である。運用パラメータ情報は、各ＡＰが５ＧHz帯で運用中に、レーダ等のシステム外干渉を検出したときに、運用チャネルから一時的に切り替えるチャネルである。この切り替え先となるチャネルを「逃げ先チャネル」という。
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、環境情報として運用チャネル上におけるレーダ等のシステム外干渉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２０に通知する環境情報通知部１２と、制御装置２０から通知される運用パラメータ情報（逃げ先チャネル）に従い、レーダ等のシステム外干渉を検出したときに逃げ先チャネルに切り替える運用パラメータ設定部１３と、配下の無線端末と通信する無線通信部１４と、制御装置２０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、制御装置２０の構成例を示す。
図３において、制御装置２０は、各ＡＰ１０から通知される環境情報（システム外干渉情報）を収集する環境情報収集部２１と、収集した環境情報を保持する環境情報保持部２２と、収集・保持された環境情報を基に各ＡＰ１０の運用パラメータ（逃げ先チャネル）を決定する運用パラメータ算出部２３と、決定した運用パラメータ（逃げ先チャネル）を通知する運用パラメータ通知部２４と、各ＡＰ１０と有線または無線により通信を行うＡＰ通信部２５より構成される。
図４は、本発明における制御装置２０の動作フローを示す。なお、本動作フローは、制御装置２０の運用パラメータ算出部２３で実行される各ＡＰにおける逃げ先チャネルの選択手順である。
図４において、まず、制御対象のＡＰの割当可能チャネルの中に、レーダを検出可能なチャネルが含まれるか否かを判定する（Ｓ１）。ここで、ＡＰで割当可能チャネルが例えばＷ52（ch36～ch48）であり、そのすべてでレーダの検出可能性がなければ、逃げ先チャネルの選択およびＡＰへの通知は不要であるので、処理を終了する。
一方、ＡＰで割当可能チャネルが例えばＷ53（ch52～ch64）、Ｗ56（ch100 ～ch140 ）であり、レーダを検出可能なチャネルを含む場合には、現在の運用チャネルに対する逃げ先チャネルの選択処理に進む。まず、割当可能チャネルの中から使用不可チャネルを除外し、逃げ先チャネル候補群を抽出する（Ｓ２）。使用不可チャネルの例を以下に示す。
<1-1> 現在の運用チャネル。
<1-2> 過去Ｔ時間以内にレーダを検出したチャネル。Ｔ時間は、国や地域やエリアにより異なり、例えばＴ＝0.5(＝30分）とする。
<1-3> 無線規格や国や地域やエリアにより使用不可とされたチャネル、もしくは無線機器の制約およびオペレータ設定や提供サービスの制約により使用不可とされたチャネル。
ここで、割当可能チャネルをＷ52（ch36～ch48）、Ｗ53（ch52～ch64）、Ｗ56（ch100 ～ch140 ）とし、<1-1> 現在の運用チャネルをch100 、<1-2> 過去30分以内にレーダ波を検出したチャネルをch116 、<1-3> に該当する使用不可とされたチャネルをch36～ch64としたとき、使用不可チャネルを図６に×で示し、それを除外した逃げ先チャネル候補群を図６に○で示す。ここで、逃げ先チャネル候補群は、ch104,ch108,ch112,ch120,ch124,ch128.ch132,ch136,ch140 となる。
次に、逃げ先チャネル候補群から第１逃げ先チャネルを選択する（Ｓ３）。ここでは、逃げ先チャネル候補群のチャネルごとに、環境情報を用いた評価関数を計算し、その評価値が最大のチャネルを第１逃げ先チャネルとして選択する。評価関数に用いる環境情報の例と評価関数の例を以下に示す。
<2-1> 各チャネルの過去のレーダ検出情報として、１日当たりの平均レーダ検出回数Ｎ。<2-2> 各チャネル上で運用され、信号強度が所定の閾値以下の周辺ＡＰ台数Ｍ。
評価関数＝ (１／(Ｍ＋１))×(１／２wN)
なお、ｗは重み係数であり、平均レーダ検出回数Ｎの評価関数に与える影響はｗ＝０の場合に最大となり、ｗが大きくなるに従って小さくなる。
ここで、平均レーダ検出回数Ｎ、周辺ＡＰ台数Ｍ、重みｗ＝０，１，２に対する評価関数の評価値を図６に示す。第１逃げ先チャネルは、ｗ＝０の場合にch128 、ｗ＝１の場合にch120 、ｗ＝２の場合にch104 が選択される。
次に、現在の運用チャネルでレーダ波を検出したときに、その帯域幅が１チャネル分とは限らないので、さらに現在の運用チャネルの隣接±１チャネルを使用不可チャネルとして除外した第２逃げ先チャネルを選択する（Ｓ４）。同様に、現在の運用チャネルの隣接±２チャネルを使用不可チャネルとして除外した第３逃げ先チャネル等を選択してもよい。
図６の例では、現在の運用チャネルがch100 であるので、逃げ先チャネル候補群から運用チャネルに隣接するch104 を除外し、その逃げ先チャネル候補群の中から評価関数の評価値が最大のチャネルを第２逃げ先チャネルを選択する。第２逃げ先チャネルは、ｗ＝０の場合にch128 、ｗ＝１の場合にch120 となり、第１逃げ先チャネルと同じである。一方、ｗ＝２の場合は、評価値が最大となる第１逃げ先チャネルch104 が除外されるので、それに代わって評価値が２番のch120 が選択される。
次に、第１逃げ先チャネルおよび第２逃げ先チャネルを各ＡＰに通知する（Ｓ５）。図６の例では、ｗ＝２の場合に、第１逃げ先チャネルとしてch104 、第２逃げ先チャネルとしてch120 を通知する。同様に、第３逃げ先チャネル、第４逃げ先チャネル、・・・を選択し、通知してもよい。
図５は、本発明におけるＡＰ１０の動作フローを示す。なお、本動作フローは、ＡＰ１０の運用チャネルでレーダを検出したときに、運用パラメータ設定部１３で実行される逃げ先チャネルへの切り替え手順である。
図５において、運用チャネルでレーダを検出したときに（Ｓ11）、レーダの帯域幅が運用チャネルの帯域幅以内か否かを確認する（Ｓ12）。ここで、レーダの帯域幅が運用チャネルの帯域幅以内であれば、制御装置２０から通知された第１逃げ先チャネルに切り替え（Ｓ13）、運用チャネルの帯域幅を超えて隣接チャネルを含む場合には第２逃げ先チャネルに切り替える（Ｓ14）。これにより、レーダ検出に対して速やかに運用チャネルから逃げ先チャネルへの切り替えを行うことができる。
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 制御装置
２１ 環境情報収集部
２２ 環境情報保持部
２３ 運用パラメータ算出部
２４ 運用パラメータ通知部
２５ ＡＰ通信部

Claims (4)

  1. 共用周波数帯上で無線局が送信する無線通信システムにおいて、
    前記無線局は、システム外干渉情報を含む環境情報を制御装置に通知し、運用チャネル上でシステム外干渉を検出したときに該制御装置から通知された運用チャネルに代わる逃げ先チャネルに切り替える手段を備え、
    前記制御装置は、前記無線局より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逃げ先チャネルを算出し、前記無線局に通知する手段を備え、
    前記制御手順は、
    前記無線局の割当可能チャネルの中から使用不可チャネルを除外した逃げ先チャネル候補群を抽出し、
    前記システム外干渉の帯域幅が前記運用チャネルの帯域幅を超える場合を想定し、前記逃げ先チャネル候補群から前記運用チャネルの隣接チャネルを除いて、前記環境情報を用いて計算される評価関数の評価値が最大となる第２逃げ先チャネルを選択する
    ことを特徴とする無線通信システム。
  2. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
    前記無線局は、前記システム外干渉の帯域幅が前記運用チャネルの帯域幅を超えないときに前記逃げ先チャネル候補群から前記評価関数の評価値が最大となるものとして選択した第１逃げ先チャネルに切り替え、前記システム外干渉の帯域幅が前記運用チャネルの隣接チャネルを含むときに前記第２逃げ先チャネルに切り替える手段を含む
    ことを特徴とする無線通信システム。
  3. 共用周波数帯上で無線局が送信する無線通信方法において、
    前記無線局は、システム外干渉情報を含む環境情報を制御装置に通知し、運用チャネル上でシステム外干渉を検出したときに該制御装置から通知された運用チャネルに代わる逃げ先チャネルに切り替え、
    前記制御装置は、前記無線局より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逃げ先チャネルを算出し、前記無線局に通知し、
    前記制御手順は、
    前記無線局の割当可能チャネルの中から使用不可チャネルを除外した逃げ先チャネル候補群を抽出し、
    前記システム外干渉の帯域幅が前記運用チャネルの帯域幅を超える場合を想定し、前記逃げ先チャネル候補群から前記運用チャネルの隣接チャネルを除いて、前記環境情報を用いて計算される評価関数の評価値が最大となる第２逃げ先チャネルを選択する
    ことを特徴とする無線通信方法。
  4. 請求項３に記載の無線通信方法において、
    前記無線局は、前記システム外干渉の帯域幅が前記運用チャネルの帯域幅を超えないときに前記逃げ先チャネル候補群から前記評価関数の評価値が最大となるものとして選択した第１逃げ先チャネルに切り替え、前記システム外干渉の帯域幅が前記運用チャネルの隣接チャネルを含むときに前記第２逃げ先チャネルに切り替える
    ことを特徴とする無線通信方法。
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