JP4580547B2

JP4580547B2 - 無線中継方式

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Publication number: JP4580547B2
Application number: JP2000396353A
Authority: JP
Inventors: 澄江中林
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2002198892A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は無線通信におけるデータ伝送に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線回線を介し、基地局と端末が通信を行なう無線通信システムにおいては、端末−基地局間で電波が直接届かない場合に、サービスエリアを確保するため無線中継局を設置するのが一般的である。
中継局としては、例えばRCR−STD T61に記載されているものがある。RCR-STD T61に記載の無線中継は、山岳地帯等で基地局と制御局間を有線接続するのが困難な場合に適用されるものである。通常、中継局は山の頂上等に設置され、無線中継ゾーンにおける移動局からの通信を、有線回線で制御局と接続した基地局と同様の形態で設置される無線アプローチ局に中継する。
このような中継局は、移動局側では基地局と同等の無線インタフェースを提供し、無線アプローチ局側では無線アプローチ局用無線インタフェースを提供する。このため、基地局とも移動局とも異なるハードウェア及びソフトウェア構成となり、中継局専用に装置を設計し、山の頂上等見通しのよい場所に設置する必要があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術には、中継局により不感地帯へのサービスが可能となる反面、中継局用装置の設計及び設置とが必要になり、設備コストが増加するという欠点がある。
本発明の目的は、上記のような欠点を除去し、中継局用装置の設計及び設置を不要にし、設備コストの低減を図ることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の無線中継方式は、端末を中継局として利用し、基地局までの中継ルートを設定することにより、中継局用装置の設計及び設置を不要にし、設備コストを低減したものである。
即ち本発明の無線中継方式は、基地局と端末間を無線回線で接続し通信を行なう無線通信システムにおいて、
前記端末の少なくとも１つを中継局として利用し、
前記基地局までの中継ルートを設定したものである。
【０００５】
また、本発明の無線中継方式は、基地局と端末間を無線回線で接続し通信を行なう無線通信システムにおいて、前記端末に、自局が帰属する基地局または端末のアドレスと、自局に帰属する端末のアドレスとを記憶し、自局に帰属する端末から送信されたデータを受信し、受信したデータの宛先アドレスが、自局アドレス以外である場合には、受信したデータを自局が帰属する基地局または端末に送信するものである。
【０００６】
また、本発明の無線中継方式の端末は、受信したデータの宛先アドレスが、自局アドレス以外または自局に帰属する端末アドレス以外である場合には、受信したデータを自局が帰属する基地局または端末に送信するものである。
【０００７】
また更に、本発明の無線中継方式の端末は、基地局または端末のいずれかから送信された受信したデータの宛先アドレスが、自局に帰属する端末のアドレスまたは自局に帰属する端末を中継用端末として使用する端末のアドレスと一致する場合には、受信したデータを、自局に帰属する端末の宛先アドレスに対応する端末に送信するものである。
【０００８】
また本発明の無線中継方式は、基地局と端末間を無線回線で接続し通信を行なう無線通信システムにおいて、基地局に、自局に帰属する端末のアドレスと、自局に帰属する端末のアドレスと自局に帰属する端末を中継用端末として使用する端末のアドレスとが対応する情報を記憶し、端末から送信されたデータを受信し、受信したデータの宛先アドレスが、自局に帰属する端末を中継用端末として使用する端末のアドレスと一致する場合には、受信したデータを自局に帰属する端末の宛先アドレスに対応する端末に送信するものである。
【０００９】
更に、本発明の無線中継方式は、自局のビーコン信号または、無線通信システム内の他の端末からの要求信号に対する応答信号中に、自局と基地局間の中継段数情報を付加し、中継段数情報が示す中継段数の最も小さい端末の１つを中継用端末として選択し、その端末を、選択した中継用端末に帰属させるものである。
更に、その無線中継方式において、端末は、受信レベルを検出し、中継段数の最も小さい端末が複数存在する場合には、受信レベル値の最も大きい端末を中継用端末として選択するものである。
更にまた、その無線中継方式の端末において、選択した中継用端末に自局アドレスの登録要求信号の送信及び、登録応答信号の受信を行ない、選択された中継用端末は、さらに、自局が帰属する基地局または端末に要求されたアドレスの登録要求送信及び、登録応答信号の受信を行なうことにより、中継ルートの設定を行なうものである。
【００１０】
また、本発明の無線中継方式は、端末−基地局間及び端末−端末間における中継ルート設定に必要な制御用の信号としてOSI７レイヤのデータリンクレイヤ間で送受信される信号を使用する。
そしてまた、データリンクレイヤ信号にIEEE802.11フレームフォーマットを使用するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明をIEEE802.11無線LANに適用した場合について、以下説明する。802.11は、無線LANの物理レイヤ、MAC（Media Access Control）レイヤについての規格であり、MACレイヤはOSI７レイヤのデータリンクレイヤの下層に対応するものである。
図１は本発明の一実施例を示す端末及び基地局のブロック構成図である。図１に示す端末１０の構成は、無線部１１、変復調部１２、ベースバンド処理部１３、MAC処理部１４、端末登録テーブル１４１、制御部１５、パソコン等に接続する外部インタフェース部１６より構成される。また、基地局１９の構成も、同様に、無線部１１、変復調部１２、ベースバンド処理部１３、MAC処理部１４、端末登録テーブル１４１、制御部１７、ネットワーク等に接続する有線インタフェース部１８より構成される。
ここで、MAC処理部１４は無線区間のアクセス制御を、制御部１５と１７はMACレイヤより上位のプロトコル処理及び装置全体の制御を行なう。
【００１２】
端末１０または基地局１９が送信を行なう場合には、MAC処理部１４は送信フレームを生成し、生成された送信フレームをベースバンド処理部１３にて無線区間フォーマットへ変換後、変復調部１２にて変調し、無線部１１にて無線信号として送信する。
一方、端末１０または基地局１９が受信を行なう場合には、無線部１１にて無線信号を受信し、変復調部１２にて受信信号を復調し、ベースバンド処理部１３にて、無線区間フォーマットから受信フレームを復元し、MAC処理部１４は受信フレームの処理を行なう。
【００１３】
端末１０−基地局１９間でやり取りされる信号には、MAC処理部１４間の制御信号、制御部１４−制御部１７間の制御信号、外部インタフェース部１６と有線インタフェース部１８間での送受信データなどがある。
外部インタフェース部１６と有線インタフェース部１８間での送受信の場合には、MAC処理部１４が、外部インタフェース部１６または有線インタフェース１８から供給されるデータを入力としMACフレームを生成して送信し、また、MACフレームから元のデータを復元し、外部インタフェース部１６または有線インタフェース部１８にデータを供給する。制御部１４−制御部１７間の制御信号のやり取りも同様である。
【００１４】
IEEE802.11では、MACレイヤで定義されるフレームフォーマットはアドレスエリアを４つ持ち、パケットの送信元アドレスや宛先アドレスの他、無線区間での送信元アドレスや受信先アドレスを設定可能であり、MACレイヤでのパケット中継が可能な構成となっている。パケットの送信元アドレスと宛先アドレスは、上位層からのプリミティブにより設定されるが、無線区間での送信元アドレスや受信先アドレスの決定方法は規格の範囲外である。
【００１５】
図１〜図３及び図１０を用いて、本発明の一実施例の中継動作について説明する。
図３は本発明の中継を行なう場合のMACフレームアドレス構成の一実施例を説明する図である。また、図１０に基地局及び端末の端末登録テーブルの一実施例を示す図である。
また、図２は本発明を適用するシステムの一実施例の構成図である。このシステムは、基地局Ａ２１、基地局Ｂ２２と端末a２３、端末b２４、端末c２５、端末d２６、端末e２７で構成される。基地局Ａ２１と基地局Ｂ２２は有線ネットワーク２８に接続され、楕円で囲まれたエリア２０１は基地局Ａ−端末a間で通信可能なエリア、楕円で囲まれたエリア２０２は基地局Ｂ−端末e間で通信可能なエリア、楕円で囲まれたエリア２０３は端末a−端末b間で通信可能なエリア、楕円で囲まれたエリア２０４は端末b−端末d間で通信可能なエリア、楕円で囲まれたエリア２０５は端末b−端末c間で通信可能なエリアを示している。
【００１６】
図２で示されるように、端末a２３は基地局Ａ２１と、端末e２７は基地局Ｂ２２と直接通信可能であるが、他の端末b２４、端末c２５、端末d２６は基地局Ａ２１及び基地局Ｂ２２とは直接通信できない。
端末b２４が通信を開始する場合、周辺の通信可能な端末をスキャンするため、端末b２４のMAC処理部１４（図１）がProb Request信号を生成して送信する。
端末a２３のMAC処理部１４は、端末b２４から送られてきたProb Request信号に対してProb Response信号を生成して応答する。また、この応答の時に、基地局Ａ２１または基地局Ｂ２２への中継段数を同時に通知する。以下、信号はMAC処理部１４で生成され、判別処理される。端末c２５、及び端末d２６も同様に、基地局Ａ２１または基地局Ｂ２２への中継段数をProb Response信号応答時に通知する。
【００１７】
端末b２４はProb Response信号を受信した端末の中から、最も基地局への中継段数が少ない端末a２３を選択して、認証処理終了後、端末a２３に帰属する。そして、帰属に際し、Association Request信号と同時に中継登録要求を行なう。
端末a２３は、端末b２４から、Association Request信号と同時に中継登録要求を受信した場合、帰属する基地局Ａ２１に中継登録要求を行ない、端末b２４のMACアドレスを通知する。
端末a２３からの中継登録要求を受信した基地局Ａ２１は、端末登録テーブルに、端末b２４のMACアドレスと対応する中継端末となる端末a２３のMACアドレスを登録する。図１０(a)に示す図は、基地局Ａ２１の端末登録テーブルを示す。
【００１８】
基地局A２１は、登録を完了すると、端末a２３に対して中継登録応答で、登録の結果を通知する。端末a２３は端末b２４のMACアドレスを端末登録テーブルに登録し、登録結果をAssociation Response信号と同時に端末b２４に通知する。図１０(b)に示す図は、端末a２３の端末登録テーブルを示す。
上記の登録完了後、基地局Ａ２１は、端末b２４宛のデータを受信した場合、端末登録テーブルを参照し、対応する中継端末a２３に送信処理を行なう。また、端末a２３は端末登録テーブルに登録されている端末からの送信データを基地局Ａ２１へ中継するよう動作し、中継機能を実現する。
図３において、端末b２４は、中継登録処理終了後、自局が帰属する端末a２３のアドレスと自局の中継段数を、端末a２３の中継段数＋１に設定し、MAC処理部１４に記憶する。
図３のMACフレームアドレス３１は、端末b２４から端末a２３に送信する場合のアドレス構成である。また、MACフレームアドレス３２は、端末a２３から基地局Ａ２１に送信する場合のアドレス構成である。
【００１９】
端末a２３−端末b２４間における中継段数の通知は、Prob Response信号に続く独自信号を定義し送信することにより可能である。
またこれ以外にも、Prob response信号を拡張して実現する方法もある。例えば、Prob Response信号のCapability Informationフィールドの予約ビットを使用する方法がある。
同様に、Association Request信号と同時にやり取りされる中継登録要求は、Association Request信号のCapability Informationフィールドの予約ビットを使用する方法もある。
このようにすることで、中継に必要となる信号を新たに定義し、送受信する必要がなくなり、通信のオーバヘッドを削減することができる。
【００２０】
一方、802.11の解釈では中継は基本的にアクセスポイント（Access Point、以下APと称する）間で実行され、AP間プロトコルは規格の範囲外である。したがって、端末a２３と基地局A２１間は独自プロトコルとなる。
しかし、APが802.11準拠の装置であれば、802.11のフレームセットを使用し、AP間プロトコルを構築することの方が、機能を付加する場合には効率がよい。
そこで、802.11フレームセットを使用する場合、例えば、基地局A２１−端末a２３間の中継登録要求は、AP間プロトコルとなる。即ち、802.11のReassociation Requestのフレームを使用し、中継登録端末のMACアドレスの通知をCurrent APアドレスフィールドで、802.11のReassociation Requestとの相違をCapability Informationフィールドの予約ビットを使用し、かつ、中継登録応答はReassociation Responseフレームを使用することによって実現することができる。
【００２１】
802.11のフレームフォーマットを図４に示す。また、802.11フレームフォーマットを使用する場合の端末−中継用端末間、中継用端末−基地局間メッセージの802.11フレームフォーマットからの拡張内容を図５に示す。更に、中継ルート設定の動作シーケンスを図６に示す。
【００２２】
次に多段中継の実現方法を図７によって説明する。図７は本発明の端末c２５から基地局への多段中継ルート設定の動作シーケンスの一実施例を示す図である。
図７において、端末c２５が通信を開始する場合、上記と同様に端末b２４に認証処理終了後、Association Request信号と同時に中継登録要求を送信する。端末b２４は端末ｃ２５から中継登録要求を受信すると、さらに自局が帰属する端末a２３に中継登録要求を行ない、端末c２５のMACアドレスを通知する。
端末a２３は端末b２４から中継登録要求を受信すると、さらに自局が帰属する基地局Ａ２１に中継登録要求を行ない、端末c２５のMACアドレスを通知し、基地局は端末登録テーブルに端末c２５のMACアドレスと対応する中継用端末a２３のアドレスを登録し、登録結果を中継登録応答により端末a２３に通知する。
端末a２３は中継登録応答を受信すると端末登録テーブルに端末c２５のアドレスと対応する中継用端末ｂ２４のアドレスを登録し、登録結果を中継登録応答により端末b２４に通知する。端末b２４は中継登録応答を受信すると端末登録テーブルに端末c２５のアドレスを登録し、登録結果をAssociation Request信号と同時に端末c２５に通知する。
このように基地局や中継用端末で、登録端末のMACアドレスと対応する中継用端末のMACアドレスを登録した端末登録テーブルを用意することにより基地局から、または基地局への多段中継が可能となる。
【００２３】
次に中継端末の移動端末b２４が移動した場合について、図８と図９とを用いて説明する。図８と図９は、端末b２４から基地局への多段中継ルート設定の動作シーケンスを示す。
図８において、端末b２４は端末e２７付近に移動している。この場合、Prob Request信号により周辺端末をスキャンし、端末ｅ２７を選択し、認証後、再帰属するため、Reassociation Requestを送信する。端末e２７はReassociation要求を基地局B２２へ送る。図９において、基地局B２２はReassociation要求をCurrent AP アドレスで示される、これまで帰属していたAP（端末a２３）に転送する。端末a２３は、端末b２４が端末登録テーブルに登録されている場合、基地局A２１に中継解除要求を行ない、基地局Ａ２１は中継解除要求を受信すると、自局の端末登録テーブルから端末b２４の項目を削除し、結果を端末a２３に中継解除応答として通知する。
端末a２３は、基地局Ａ２１から中継解除応答を受信すると、端末b２４の項目を端末登録テーブルから削除し、結果を端末e宛にReassociation 応答を送信する。
図８において、端末e２７はReassociation応答確認後、中継登録要求を基地局B２２に送信し、端末b２４のMACアドレスを通知する。以後の動作は中継設定の場合と同一である。
【００２４】
端末b２４の移動により端末c２５は中継ルートがなくなるが、端末c２５は端末b２４にデータが送信できなくなった場合、新たにProb Request 信号を送信し、中継用端末を探すか、前回の探索結果を保存しておき、次の候補端末に帰属要求する等の処理をおこない、新たな中継ルートを設定することができる。
端末b２４は移動し、別の端末に帰属した場合、自己の端末登録テーブルをクリアする。
【００２５】
なお、上記例において、複数の端末からProb Responseを受信し、中継段数が同一である端末が複数存在している場合は、無線部１１において検出した受信レベル値の大きい方を選択するなどの処理を加えることにより、より確実な通信が期待できる。また、本例では中継段数の通知をProb Request信号の応答信号として通知したが、ビーコン信号等により周期的に報知しても差し支えない。
【００２６】
上記では中継機能の実現のため、802.11MACフレームの固定フィールドCapability Information フィールドの予約ビットを使用する場合について述べたが、他に可変長フィールドを拡張する方法、また予約フィールドを使用する方法もある。これは、例えば可変長フィールドの場合、各フィールドのフィールド長を示すオクテットを＋１し、フィールドの終わりに本発明の機能に必要な1オクテット追加することで実現できる。また、予約フィールドの場合は特定のElement IDをもつ予約フィールドを本発明の機能に必要な情報に割当て、メッセージにフィールドを追加することで実現できる。
【００２７】
上記実施例では、802.11フレーム構成を利用した場合について述べたが、同様な機能を実現する独自プロトコルであっても差し支えない。また、中継用端末に登録された端末間の通信では、中継用端末はデータを自局が帰属する基地局又は端末に中継せずに、中継用端末で折り返して送信するなどの制御も可能である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が期待できる。端末を中継局に使用できるので、専用中継装置の開発、設置は不要になり、設備コスト削減に有効である。基地局及び中継用端末は登録端末のアドレスと対応する中継用端末アドレスをメモリに登録しておけばよく、中継ルート全体の情報を記憶する必要がないため、少ないメモリと簡易な処理で中継機能が実現できる。既存の無線LANフレームフォーマットを拡張して中継機能が実現できるため、短期間の開発が期待できる。802.11フレームを拡張して中継機能を実現できるためシステム内にて802.11準拠動作と独自動作の混在が可能である。中継アドレスの決定をMACレイヤで行なうので、上位レイヤは中継処理を意識する必要がなく、既存の上位プロトコルをそのまま使用できる。中継用端末での折り返し通信が可能なので、システム全体のトラフィック低減に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す端末及び基地局のブロック構成図。
【図２】本発明を適用するシステムの一実施例の構成図。
【図３】本発明の中継を行なう場合のMACフレームアドレス構成の一実施例を説明する図。
【図４】802.11のフレームフォーマットを説明する図。
【図５】本発明の拡張されたフレームフォーマットの一実施例を説明する図。
【図６】本発明の中継ルート設定の動作シーケンスの一実施例を説明する図。
【図７】本発明の多段中継ルート設定の動作シーケンスの一実施例を示す図。
【図８】本発明の多段中継ルート設定の動作シーケンスの一実施例を示す図。
【図９】本発明の多段中継ルート設定の動作シーケンスの一実施例を示す図。
【図１０】本発明の端末登録テーブルの一実施例を示す図。
【符号の説明】
１０：端末、１１：無線部、１２：変復調部、１３：ベースバンド処理部、１４：MAC処理部、１５：制御部、１６：外部インタフェース部、１７：制御部、１８：有線インタフェース部、１９：基地局、２１：基地局Ａ、２２：基地局Ｂ、２３：端末a、２４：端末b、２５：端末c、２６：端末d、２７：端末e、２８：有線ネットワーク、３１，３２：アドレス構成、１４１：端末登録テーブル、２０１〜２０５：エリア。

Claims

基地局と端末間を無線回線で接続し通信を行なう無線通信システムにおいて、
少なくとも１つの基地局と、前記基地局と直接通信可能な少なくとも１つの端末と、前記基地局と直接通信不可能な少なくとも１つの端末とからなり、
直接通信不可能な端末の１つである第１の端末が通信を開始する場合、当該端末は周辺の通信可能な端末をスキャンするための信号を生成して送信し、
周辺の通信可能な端末は、前記信号を受信すると、対応する応答信号を生成して基地局との中継段数と合わせて送信し、
前記第１の端末は、前記応答信号を受信した端末の中から、最も中継段数の少ない第２の端末を選択して、前記第２の端末に帰属するための認証処理を行うと共に前記第２の端末に中継登録要求を含む信号を送信し、
前記第２の端末は、前記第１の端末からの中継登録要求を含む信号を受信した場合、前記第２の端末が帰属する基地局又は端末に中継登録要求と前記第１の端末のアドレスを通知し、
前記第２の端末からの中継登録要求を受信した基地局は、前記第１の端末のアドレスと対応する中継端末となる前記第２の端末のアドレスを登録して前記第２の端末に通知し、
前記第２の端末は、前記基地局からの通知に応じて前記第１の端末のアドレスを登録して前記第１の端末に登録結果を含む信号を通知し、
前記基地局までの中継ルートを設定することを特徴とする無線中継方式。
請求項１記載の無線中継方式であって、
前記基地局は、前記第１の端末宛のデータを受信した場合、対応する中継端末となる第２の端末に送信処理を行うことを特徴とする無線中継方式。
請求項１記載の無線中継方式であって、
前記第２の端末は、前記第１の端末からデータを受信した場合、対応する前記基地局に前記データの送信処理を行うことを特徴とする無線中継方式。
請求項２記載の無線中継方式であって、
前記第２の端末は、前記基地局から前記第１の端末宛のデータを受信した場合、前記第１の端末に送信処理を行うことを特徴とする無線中継方式。
請求項１乃至４記載の無線中継方式であって、
直接通信不可能な端末の１つである第３の端末が通信を開始する場合、当該端末は周辺の通信可能な端末をスキャンするための信号を生成して送信し、
周辺の通信可能な端末は、前記信号を受信すると、対応する応答信号を生成して基地局との中継段数と合わせて送信し、
前記第３の端末の端末は、前記応答信号を受信した端末の中から、最も中継段数の少ない端末として前記第１の端末を選択すると、前記第１の端末に帰属するための認証処理を行うと共に前記第１の端末に中継登録要求を含む信号を送信し、
前記第１の端末は、前記第３の端末からの中継登録要求を含む信号を受信した場合、前記第１の端末が帰属する前記第２の端末に中継登録要求と前記第３の端末のアドレスを通知し、
前記第２の端末は、前記第１の端末からの中継登録要求を含む信号を受信した場合、前記第２の端末が帰属する基地局又は端末に中継登録要求と前記第３の端末のアドレスを通知し、
前記第２の端末からの中継登録要求を受信した基地局は、前記第３の端末のアドレスと対応する中継端末となる前記第２の端末のアドレスを登録して前記第２の端末に通知し、
前記第２の端末は、前記基地局からの通知に応じて前記第３の端末のアドレスと対応する中継端末となる前記第１の端末のアドレスを登録して前記第１の端末に通知し、
前記第１の端末は、前記第２の端末からの通知に応じて前記第３の端末のアドレスを登録して前記第３の端末に登録結果を含む信号を通知し、
前記基地局までの中継ルートを設定することを特徴とする無線中継方式。
請求項１乃至５記載の無線中継方式であって、
前記基地局までの中継ルートを設定された端末が、帰属する基地局から他の基地局に帰属を変更した場合、これまで帰属していた端末および基地局は、前記帰属を変更した端末の中継解除処理を行うことを特徴とする無線中継方式。
請求項１乃至６記載の無線中継方式であって、
中継端末となる端末を基地局との中継段数が最も少ない中から選択する際に、最も少ない中継段数の端末が複数存在している場合、
受信レベルが大きい端末を中継端末として選択することを特徴とする無線中継方式。