JP2995986B2 - パケット通信システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はパケット通信システムに
関し、特に１つの通信チャネルを３つ以上の各端局が共
有してデータ通信を行なうスロッテッド・アロハ方式の
パケット通信システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】多数の端局が１つの通信チャネルを共用
してデータ通信する手段としては、データの伝送形態に
着目した場合、パケット通信と非パケット通信が考えら
れる。

【０００３】パケット通信では、送出するデータに、宛
先，データの属性，データ長，シリアルナンバー等の制
御情報を付加し、一まとまりのバースト状のデータとし
て送信する。また、各端局は、任意の時間、あるいは同
期化されたシステムクロックを最少単位としたタイムス
ロット上にデータを送出することができる。この場合、
通信要求があったときのみ通信チャネルにアクセスす
る。

【０００４】一方、非パケット通信では、有限個の通信
チャネルを有し、端局の通信要求時にのみシステム側の
制御によって空きチャネルが割り当てられる。従って、
端局の通信要求が受け入れられた時点から端局による通
信切断要求が出されるまで、その通信チャネルを端局は
占有する。

【０００５】また、パケット通信方式を用いた無線シス
テムとしては、衛星通信への適用例が多く、最初に実用
化されたのは米国ハワイ大学のアロハシステムと呼ばれ
るコンピュータネットワークである。パケット通信に使
用されるアクセスプロトコルについては、過去１５年の
間によく研究されて多くの方式が提案されている。基本
的にはアロハ方式とＣＳＭＡ( Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎ
ｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式に分類で
きる。以下、本実施例において適用したスロッテッド・
アロハ方式について説明する。

【０００６】スロッテッド・アロハ方式では、各端局
が、予め区切られた時間間隔の最初にのみパケットを送
出することができる。これにより、複数の端局が同時に
パケットを送出した場合のみパケットの衝突が生じるこ
とになる。従って、全く自由な時にパケットを送出する
ことができるピュア・アロハ方式に比べて、パケットの
平均伝送遅延時間は若干長くなるものの、パケットの衝
突確率が減少し、チャネル容量は２倍に増加する。

【０００７】また、各端局が異なった信号強度でパケッ
トを送出する場合、パケットの衝突が生じたときは、信
号強度の強い方のパケットが正しく受信される。この場
合、パケットの衝突によって生じる再送パケットは１つ
だけなので、チャネル容量の増加が期待できる。具体的
には、各端局が送出パケットの信号強度をランダムに選
択する方法や、パケットの重要度に応じて信号強度を変
える方法等がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のスロテ
ッドアロハ方式によるパケット通信システムでは、以下
に述べる問題点を有している。

【０００９】図５は、５つの端局からなる無線ネットワ
ークを示しており、各端局は任意の端局と通信を行うこ
とができるものとする。簡単のために各端局は、一直線
上に等間隔で列んでおり、等しい送信電力で電波を送出
するものとする。

【００１０】いま、端局２１と端局２４とが同時に端局
２２に対して各々のデータを送信したとする。端局２１
と２２との距離を１とすれば、端局２４と２２との距離
は２である。従って、端局２２における受信入力電界
は、端局２１からの方が端局２４よりも高い。もし各端
局が、振幅一定の変調（例えばＦＳＫ変調）により電波
を送出した場合は、端局２１，２４の両データが衝突し
ているにもかかわらず、端局２１のデータが正しく受信
される確率は高い。このような現象はパワーキャプチャ
効果といわれ、多くの研究がなされてきた。

【００１１】このパワーキャプチャ効果は、チャネルス
ループットの面では好ましい結果をもたらすが、実際の
システムに適用した場合、各端局の地理的条件により各
端局毎のスループットが均一にならないという問題が生
じる。

【００１２】例えば、各端局のアイドル状態（端局が再
送待のパケットをもっていない状態）におけるパケット
生成率（新規パケットのみのトラフィックで再送パケッ
トによるトラフィックを含まない）は、皆同じであり、
且つ各端局間の新規パケット生成率も同じであると仮定
した場合、端局２３のスループットが最大であり、両端
の端局２１および２５のスループットが最少になるとい
う不公平が生じる。

【００１３】更にこの現象を説明すると次のようにな
る。各端局が他の端局に対して等しい一定の割合で通信
要求をもっている場合、この通信要求が出された時に、
もし、通信端末装置が未処理の再送待パケットを持って
いれば、この通信要求は拒絶され、持っていなければ即
座に次のタイムスロットを使用して通信チャネル上に送
出される。この時、同時に他の端局がパケットを送出し
ていれば、受信側の端局においてパケットの衝突が起こ
り、受信側端局に一番近い送信側端局のパケットが正し
く受信される。受信側端局はこの一番近い送信側端局に
対して受信応答を返し、これを受け取った送信側端局は
自分のパケットが正しく受け取られた事を認識して、次
の通信要求を待つ状態に戻る。

【００１４】一方、他の送信側端局は各自のパケットを
送出後、伝搬遅延とハードウェアの遅延により決定され
る所定の待ち時間が経過した時点で自分のパケット伝送
が失敗したことを知り、再送手順を開始する。この再送
手順には様々な方法が提案されているが、例えば、最も
簡単な方法として、パケットの再送を認知した端局は、
その時から数えて最大Ｋタイムスロット以内のいずれか
のタイムスロットに確率１／Ｋで再送パケットを送出す
る。以下自分のパケットが正しく相手側に受信されるま
で再送手順を繰り返す。

【００１５】ここで、従来は、各端局に対して同じ値の
最大再送間隔Ｋ（タイムスロット）を割り当てていた。
一般にＫの値を徐々に大きくしていくと、パケットを送
出してから最終的に正しく受信されるまでに要する時間
（パケット遅延時間）は大きくなり、Ｋの値が無限大に
おいては理論的に再送を行なわない場合と一致する。

【００１６】このような通信手順によりパケット送信の
制御を行なった場合、図５に示した各端局のスループッ
ト、トラフィックおよびパケット遅延時間に関して次の
ことが言える。すなわち、ネットワークの中央に位置し
た端局２３は伝送に成功する確率が一番高く、次々と新
しいパケットを送ることができるため、通信チャネルを
有効に使っている時間的割合、つまりスループットが一
番高い。更に、パケットの平均再送回数も一番少ないた
め、１パケットの伝送に要する平均遅延時間も一番少な
い。他方、ネットワークの両端に位置する端局２１と２
５は、逆にパケット伝送に成功する確率が最も低く、伝
送に成功するまでに何度もパケットを再送しなけれはな
らないので、スループットは低く、平均パケット遅延時
間は大きくなる。また、中間に位置している端局２２と
２４は、これらの中間の値をとる。

【００１７】このように、従来のパケット通信システム
は、パワーキャプチャ効果によって各端局のスループッ
トおよびパケット伝送遅延が均一にならず、各端局に対
して等しい通信品質を与えることができないという問題
点がある。

【００１８】本発明の目的は、各端局に対して等しい通
信品質を与えることができるパケット通信システムを提
供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明のパケット通信シ
ステムは、１つの通信チャネルを３つ以上の端局が共有
してデータ通信を行なうスロッテッド・アロハ方式のパ
ケット通信システムであって、前記各端局は、パケット
信号を送信後、所定時間内に相手端局からの受信応答が
得られない場合、前記各端局毎に予め割り当てられてい
る最大再送間隔Ｋ（Ｋは正の整数）に応じて「１」から
「Ｋ」までの一様乱数を発生し、この値によって再送遅
延時間を決定して前記パケット信号を再送する手段を有
し、前記最大再送間隔Ｋが、前記各端局間の相対的な位
置関係にもとづいて前記各端局のスループットおよびパ
ケット伝送遅延が等しくなるように前記各端局毎に割り
当てられて構成される。

【００２０】

【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。

【００２１】図１は本発明の一実施例を示すブロック図
であり、互いに同一の構成で双方向の通信が可能な５つ
の端局１〜５からなる無線通信ネットワークの場合を示
している。

【００２２】各端局１〜５は、ユーザデータの入出力処
理を行う入出力装置１４〜５４と、送信するユーザデー
タをバースト状のデータに変換した後、通信制御に必要
は情報を付加してパケット信号を生成する共に、受信し
たパケット信号をユーザデータに変換するパケット制御
装置１２〜５２と、パケット信号を無線周波信号に変換
して空中線へ送出すると共に、空中線が受信した無線周
波信号を復調してパケット信号を出力する送受信装置１
１〜５１と、送信したパケットが相手端局に受信されな
かったときに伝送に失敗したパケットの再送を制御する
パケット再送制御装置１３〜５３とを備えている。

【００２３】ここで、端局１と端局３とが通信をする場
合を例として、動作を説明する。

【００２４】いま、端局１が端局３へデータを送信した
とき、端局３に近い端局２または４が同時にデータを送
信することなく、且つ、端局３自身がデータを送信して
いない場合は、端局１のデータは端局３によって正しく
受信され、端局３のパケット制御装置３２によってユー
ザデータに変換され入出力装置３４へ送出される。この
場合、つまり端局１から端局３へのデータ伝送が成功し
た場合、パケット制御装置３２は、データを正しく受信
したことを示す受信応答を端局１へ送出する。一方、端
局１ではパケット送出後、パケット制御装置１２内にあ
るタイマーを起動させ、所定の待ち時間内に端局３から
の受信応答を受信すれば、データ伝送が成功したと判断
し、再び入出力装置１４からのユーザデータの入力を待
つ状態に戻る。

【００２５】もし、所定の待ち時間内に受信応答を受信
できなかった場合（例えば、端局１と同時に端局２ある
いは４が電波を送出したとか、端局３自体が電波を送信
していたために、パケットの衝突が発生した場合）、端
局１のパケット再送制御装置１３は、各端局毎に予め割
り当てられている最大再送間隔Ｋ（Ｋは正の整数）に応
じて、「１」から「Ｋ」までの一様乱数を発生させ、そ
の値によってパケットを再送する時間を決定する。例え
ば、乱数が「５」であれば、その時点におけるタイムス
ロットから数えて５タイムスロット後に再びパケットを
送信し、以後、端局３から受信応答を待ち時間内に受け
取るまで、この操作を繰り返す。

【００２６】ところで、本発明の特徴は、各端局毎に予
め割り当てられる最大再送間隔Ｋｉ（ｉ＝１，２，３，
４，５）に応じて一様乱数を発生させ、パケットを再送
する時間を決定することである。従来は、この一様乱数
の最大値は各端局に同一の値が割り当てられていた。以
下、このＫｉの決定方法について本発明の提案する数学
モデルを用いて説明する。いま、ｐｉ：端局ｉがパケッ
トを再送する確率。

【００２７】ｑｉ：端局ｉが再送パケットをもっている
確率。

【００２８】σｉ：端局ｉが再送パケットをもっていな
いときに新パケットが生成される確率。

【００２９】Ｔｉ：端局ｉがパケットを送出後、相手端
局からの受信応答を受けるまでの平均一巡伝搬遅延時
間。

【００３０】Ｋｉ：端局ｉのパケット伝送が失敗した
後、再送するまでの最大タイムスロット間隔。

【００３１】ｓｉ：端局ｉのスループット。

【００３２】ｇｉ：端局ｉのトラフィック。とすると、 ｐｉ＝１／｛Ｔｉ＋（Ｋｉ＋１）／２｝ ……（１） ｇｉ＝（１−ｑｉ）σｉ＋ｑｉｐｉ ……（２）
である。 ところで、端局ｉはパケット伝送の失敗後、Ｋｉ個のタ
イムスロットのうちどれか１つのタイムスロットを選択
しなければならないが、この選び方、即ち確率変数Ｋｉ
の分布は一様分布であると仮定する。従って、Ｔｉを考
慮すれば、端局ｉは、Ｔｉ＋１，Ｔｉ＋２，・・・，Ｔ
ｉ＋Ｋｉスロットのいずれか１つのタイムスロットにパ
ケットを再送することになる。本発明の目的は、各端局
のスループットおよび平均伝送遅延時間が全て等しくな
るようにＫｉの値を決めることにある。ここで端局ｉの
平均伝送遅延時間Ｄｉを次の様に定義する。 Ｄｉ＝τｉ〔１＋｛Ｔｉ＋（Ｋｉ＋１）／２｝ｇｉ／ｓｉ−（Ｋｉ＋１）／２〕 ……（３） ここに、τｉは、端局ｉのパケット長を表わしている。
本実施例では解析を簡単にするため、τｉは全ての端局
に対して一定であり、その値は１タイムスロットと仮定
する。従って、τｉ＝１とすると、式（３）は、 Ｄｉ＝１＋｛Ｔｉ＋（Ｋｉ＋１）／２｝ｇｉ／ｓｉ−（Ｋｉ＋１）／２…（４） となる。

【００３３】更に、式（１）および式（２）を式（４）
に代入すると、 Ｄｉ＝１＋Ｔｉ＋（ｇｉ／ｓｉ−１）／ｐｉ ……
（５） となる。

【００３４】次に、端局数がＭのネットワークを考え
る。各端局は次の３つの状態のいずれか１つの状態にあ
る。 アイドル状態１：新パケットも再送パケットも持ってい
ない状態。 アイドル状態２：確率σｉで端局が新パケットを持ち、
それを送出する状態。 バックログ状態：過去にパケットの衝突が有り、再送を
待っている状態。

【００３５】ところで、各々の未再送パケット（バック
ログパケット）の伝送遅延は幾何分布に従っているとす
る。すなわち、各未再送パケットは現在のタイムスロッ
トに確率ｐｉで再送を行なう。各端局が送出するパケッ
トがバースト状であると仮定すると、ｐｉ＞σｉが成立
する。各端局は新パケット生成後、そのパケットが正し
く受信されるまで次のパケットを生成できない。さて、
送信端局ｉよりも受信端局ｊに近い端局が端局ｉが送信
するタイムスロットと同時にパケットを送信しない確率
ρｉは、次のように定義される。

【００３６】

【００３７】ここで、Ｍは、システムに含まれる端局数
であり、またＶｉは、端局ｉから端局ｊへパケット伝送
する場合に、パケット衝突の発生により、端局ｉから端
局ｊへのパケット伝送が失敗する危険性のある危険領域
として定義される。いま、端局がアイドル状態１にある
確率をＵ１，アイドル状態２にある確率をＵ２，バック
ログ状態にある確率をＵ３とすると、Ｕ１＋Ｕ２＋Ｕ３
＝１であり、Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３は一意的に求められる。 Ｕ１＝｛ｐｉ（１−σｉ）ρｉ｝／｛ｐｉρｉ＋σｉ（１−ρｉ）｝…（７） Ｕ２＝ｐｉσｉρｉ／｛ｐｉρｉ＋σｉ（１−ρｉ）｝ ……（８） Ｕ３＝σｉ（１−ρｉ）／｛ｐｉρｉ＋σｉ（１−ρｉ）｝ ……（９） しかし、ｓｉとｑｉの定義から、 ｓｉ＝Ｕ２ ……（１０） ｑｉ＝Ｕ３ ……（１１） であることが容易にわかる。従って、式（１０），（１
１）を用いて式（８），（９）からρｉを消去すれば、 ｐｉσｉ｛（１−ｑｉ）σｉ−ｓｉ｝＝０ ……（１２） となる。ここで、一般性を損なわずｐｉ≠０、σｉ≠０
と仮定できるので、 ｓｉ＝（１−ｑｉ）σｉ ………（１３） が得られる。また、式（１３）および式（２）を式
（５）に代入すれば、 Ｄｉ＝１＋Ｔｉ＋ｑｉ／ｓｉ ……（１４） となる。この方程式によれば、もし各端局に同一のｓ
ｉ、ｑｉを与えるＫｉが求まれば、Ｄｉは再送確率ｐｉ
には依存せず、ただ単に平均一巡伝搬遅延時間Ｔｉによ
って決まることを意味している。通常のパケット無線ネ
ットワークでは、パケット長に比べて伝搬遅延時間は無
視できるので、本発明の目的である全ての端局に等しい
スループットと伝送遅延時間を与えることは可能であ
る。

【００３８】次に、端局数が５であり全ての端局が等間
隔に一直線上に配列された１次元モデルに対して各端局
に異なったＫｉを与えたときのスループットを計算す
る。

【００３９】端局ｉから端局ｊへのスループットＳｉｊ
（ｒ）は、式（１５）で定義される。

【００４０】

【００４１】ここで、ｎは危険領域Ｖｒ内の端局ｉ以外
の端局である。また、端局ｉのサブトータル・スループ
ットをＳｉ（ｒ）とすると、

【００４２】

【００４３】ここで、Ｓｉ（ｒ）は、端局ｉが領域Ｒｒ
に属する全端局ｊに対して持っているスループットの和
として定義される。この領域Ｒｒは、システムモデルの
数学的取扱いを容易にするために定義された領域であ
り、具体的には、端局ｉの位置からシステムに収容され
る全端局を含む領域の外郭までの２等分点によって分割
される領域である。

【００４４】同様の考え方により、端局ｉが全領域Ｒに
もっているトータルスループットＳｉは、端局ｉが全領
域Ｒを分割した各領域Ｒｒに対してもっているスループ
ットＳｉ（ｒ）の総和で定義され、

【００４５】

【００４６】で表される。

【００４７】さて、各端局のスループットを等しくする
のであるから、まず最初に全ての端局が等しい入力トラ
フィック、バックログ確率、スループットを持っている
と仮定する。すなわち、 σｉ＝σｏ＝ｃｏｎｓｔ． ｑｉ＝ｑｏ＝ｃｏｎｓｔ． ｓｉ＝ｓｉ＝ｃｏｎｓｔ．とする。

【００４８】ここで式（１７）をｐｉについて解くと、

【００４９】

【００５０】を得る。式（１８）を全てのｉについて解
けば、ｐｉの分布が得られ、その分布は全ての端局に対
して等しいスループットを与えるはずである。

【００５１】式（１８）はＭ個の未知数を含んだ連立方
程式であり、同時に超越方程式でもある。まず最初に考
えなければならないのは式が物理的意味をもつための条
件である。明らかに、入力トラフィックσｏはｓｏより
大きくなければならない。さもなければ、ｐｉが負の値
をとることになるからである。しかしながら、パケット
の再送を行なわない端局数が無限大のネットワークで
は、各端局のスループットは各端局の入力トラフィック
に等しくなければならないことが知られている。本実施
例によって示された数学的モデルは過去の研究によって
得られた端局数無限大のネットワークに対する解と同等
の解を持っており、σｏ＞ｓｏの場合のみを考える。

【００５２】さて、従来の場合との比較をするために、
トラフィック、スループット、伝送遅延時間の分布につ
いて同一条件で数値計算した結果を以下に示す。なお、
計算に際して各変数を、σｏ＝０．２，ｓｏ＝０．１，
Ｍ＝５ に設定した。

【００５３】まず式（１８）を解くことにより再送確率
ｐｉの分布をもとめ、Ｋｉの値を各端局に対して割り当
てる。また、従来方式のＫの値は、本実施例の動作条件
に見合うようにするため、Ｋｉの値の平均値とほぼ等し
くなるようにした。

【００５４】計算の結果、Ｋｉの最適分布は Ｋ１＝１
２、Ｋ２＝２１、Ｋ３＝２３、Ｋ４＝２１、Ｋ５＝１２
となった。これらＫｉの平均値は１７．８であるの
で、従来方式に対するＫの値として、Ｋ＝１８を使用し
た。

【００５５】トラフィックの分布を図２に示す。従来方
式の分布状態は、上方に凸となっている。これは、中央
に位置する端局が、両端に位置する端局よりも頻繁に新
しいパケットの伝送が可能であることを示している。他
方、本方式の分布状態は、下方に凸となっている。これ
は両端に位置する端局が、中央に位置する端局よりも頻
繁にバックログパケットの再送を行い、中央の端局と同
一のスループットを維持していることを示している。

【００５６】スループットの分布を図３に示し、また、
伝送遅延時間の分布を図４に示す。本発明による方式で
は、いずれも平坦な特性となっており、ネットワークに
含まれる全ての端局のスループットと伝送遅延時間を等
しくすることができる。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、各端局に
おいてパケット伝送が失敗した場合、各端局毎に予め割
り当てられている最大再送間隔Ｋ（Ｋは正の整数）に応
じて、「１」から「Ｋ」までの一様乱数を発生させ、そ
の値によってパケットを再送する時間を決定して再送す
る手段を設け、また各端局毎の最大再送間隔Ｋを最適化
することにより、パワーキャプチャ効果によって生じる
各端局のスループットおよびパケット伝送遅延の差をな
くして均一にできるので、各端局に対して等しい通信品
質を与えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】本実施例および従来方式のトラフィック分布を
示す図である。

【図３】本実施例および従来方式のスループット分布を
示す図である。

【図４】本実施例および従来方式の伝送遅延時間分布を
示す図である。

【図５】５つの端局からなる無線ネットワークを示す図
である。

【符号の説明】

１〜５ 端局 １３〜５３ パケット再送制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H04L 12/56 H04B 7/212 H04J 3/00 - 3/26

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １つの通信チャネルを３つ以上の各端局
   が共有してデータ通信を行なうスロッテッド・アロハ方
   式のパケット通信システムであって、 前記各端局は、パケット信号を送信後、所定時間内に相
   手端局からの受信応答が得られない場合、前記各端局毎
   に予め割り当てられている最大再送間隔Ｋ（Ｋは正の整
   数）に応じて「１」から「Ｋ」までの一様乱数を発生
   し、この値によって再送遅延時間を決定して前記パケッ
   ト信号を再送する手段を有し、前記最大再送間隔Ｋが、
   前記各端局間の相対的な位置関係にもとづいて前記各端
   局のスループットおよびパケット伝送遅延が等しくなる
   ように前記各端局毎に割り当てられていることを特徴と
   するパケット通信システム。