JP6270148B2

JP6270148B2 - 無線通信方法、無線通信システム及び無線通信プログラム

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Publication number: JP6270148B2
Application number: JP2014142547A
Authority: JP
Inventors: 聞杰姜; ヒランタシティラアベーセーカラ; 泰司鷹取; 伸一宮本; 政一三瓶; 信介衣斐
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Osaka University NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Osaka University NUC
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2014-07-10
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-07-10
Also published as: JP2016019239A

Description

本発明は、無線通信ネットワークに係り、特に、セル単位で構成される無線ネットワークにおいて、複数のセルにまたがる範囲における基地局と端末局との間で無線通信を行う無線通信方法、無線通信システム及び無線通信プログラムに関する。

現在、無線ＬＡＮシステムは、無線局免許を必要としないアンライセンスバンドにおいて運用されており、他の無線システムとの周波数帯域の共有を図るため、無線ＬＡＮシステムは、媒体アクセス制御方式としてＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式を採用している。ＣＳＭＡ／ＣＡ方式とは、ＩＥＥＥ８０２．１１標準規格（例えば、非特許文献１参照）においてＤＣＦ（Distributed Coordination Function）方式として規定されている自律分散型の媒体アクセス制御方式である。ＣＳＭＡ／ＣＡ方式を用いることで、各端末はキャリアセンスおよびランダムバックオフによって信号の衝突を回避しつつ、自律分散的に送信権を獲得できる。

しかしながら、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式を用いる場合、端末はあくまでランダムに送信権の獲得を試みるため、同一ＢＳＳ（Basic Service Set）内にＱｏＳ（Quality of Service）を要求する端末が存在する場合でも、システムはＱｏＳを保証した通信を行うことができない。また、各端末のチャネル状況は無線伝播路のフェージングの影響によって受信ＳＮＲ（Signal-to-Noise power Ratio）が低下した端末が送信権を獲得した場合、無線リソースの利用効率は低下し、受信ＳＮＲが高い端末が送信権を獲得した場合と比較してスループットが低下する。

ＱｏＳを高い確率で保証し、無線リソースの利用効率を向上することにより高いスループットを達成するには、各端末のトラヒック状況およびチャネル状況に関する情報を収集し、収集したそれらの情報に基づいて無線リソースの割り当てを行う必要がある。

そのような伝送を実現する手法として、セルラシステムのように無線リソースを集中管理するオペレータが、端末の状況に応じて動的に無線リソースを割り当てる、集中制御型リソースマネジメント（例えば、非特許文献２参照）が考えられる。

しかしながら、アンライセンスバンドにおいて運用される規格の異なるすべてのシステムを、セルラシステムのようにオペレータが集中管理することは容易ではないため、セルラシステムにおける集中制御型リソースマネジメントを無線ＬＡＮシステムに直接導入することは望ましくない。

そこで、異種の無線システムとの周波数共用を図りつつ、ＱｏＳ保証および無線リソースの利用効率の向上を図る手法として、ＢＳＳ内集中制御型ＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）無線ＬＡＮシステムが提案されている（例えば、非特許文献３参照）。

ＢＳＳ内集中制御型ＯＦＤＭＡ無線ＬＡＮシステムでは、ＢＳＳ内のＡＰ（基地局；Access Point）に接続する端末（以下、ＢＳＳ内端末と称する）がＣＳＭＡ／ＣＡ方式を用いて送信権を獲得した後、ＲＴＳ（Request to Send）フレームを送信し、ＡＰがこれを受信後ＣＴＳ（Clear to Send）フレームを送信する。その後ＢＳＳ内の各端末がＣＴＳフレームを順に送信する。これらの制御フレームを受信した、ＢＳＳに参加していない他の端末（以下、ＢＳＳ外端末と称する）に、無線リソースを占有する時間を通知することで無線媒体の予約をし、予約した無線リソースをＢＳＳ内で共有できる。

以上の手順によって、ＢＳＳ内端末で構成されるシステムは周辺の他の無線システムとの周波数共用を図りつつ、ＡＰを中心とした集中制御型リソースマネジメントを行っている。また、ＡＰはＲＴＳフレームおよびＣＴＳフレームによって各端末のトラヒック状況を収集しつつチャネル状況の推定を行う。集約したこれらの情報を基に、ＱｏＳを要求する端末に優先的に無線リソースを割り当てることにより高確率でＱｏＳを保証し、また、あるサブチャネルに関して最も受信ＳＮＲの高い端末にそのサブチャネルを割り当てることでデータフレームの伝送レートを向上しスループットの向上を図っている。

IEEE 802.11-2012, "IEEE Standard for Information Technology- Telecommunications and Information Exchange Between Systems- Local and Metropolitan Area Networks- Specific Requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, "2012. S. Xie, Y. Liu, Y. Zhang, and R. Yu, "A Parallel Cooperative Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks, "IEEE Trans. Vehic. Technol.，vol. 59, pp. 4079-4092, Oct. 2010. S. Miyamoto, S. Sampei, and W. Jiang，"Novel DCF-Based Multi-User MAC Protocol for Centralized Radio Resource Management in OFDMA WLAN Systems, "IEICE Trans. Commun., Vol. E96-B, no. 9, pp. 2301-2312, Sept. 2013.

前述のＢＳＳ内集中制御型無線ＬＡＮシステムにおいて、面的に展開した場合無線セル間の重複がなければ高い確率でＱｏＳを保証しながら、高効率データ伝送が可能になるが、今後ますます増加する無線ＬＡＮセルの増加に伴うセル間重複通信環境には十分対応できない。

図１１は、重複セル環境における従来技術の適用例を示す図である。図１１においては、重複セル環境の例として、ＢＳＳ＃１とＢＳＳ＃２とＢＳＳ＃３とは互いに重複し合う配置になっている。その通信環境において、非特許文献１、非特許文献２を適用すると次の（１）〜（４）に示す問題がある。
（１）ＣＳＭＡ／ＣＡ方式に基いて無線媒体の獲得競合をするため、同時に１つのＢＳＳしか伝送できず、他のＢＳＳ内端末のＱｏＳ（遅延）保証が困難である。
（２）他のＢＳＳ内端末が無線リソースの繰り返し利用が可能なほどに空間的に離れていても、ＮＡＶにより同時通信が不可能である。
（３）ビーコンフレームやプローブ要求／応答フレームなど、マネージメントフレームの伝送に使用されるリソース量が膨大となる。
（４）端末は他のＡＰとの間のチャネル状況の方が良い場合でも現在アソシエイトしているＡＰ宛にしかデータを伝送できないため、リソースに無駄が生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、高い通信品質を確保するとともに、スループットの低下を抑えることができる無線通信方法、無線通信システム及び無線通信プログラムを提供することを目的とする。

本発明は、無線通信ネットワークに属する任意の無線セルにおいて、基地局および複数の端末局が前記無線セルに存在する通信構成における無線通信方法であって、複数のＢＳＳによる協調ＢＳＳ群を構築し、該協調ＢＳＳ群に属する全基地局を集中制御する基地局をマスタ基地局、残りの基地局をスレーブ基地局とする選定を行う際に、全てのスレーブ基地局と直接通信できることを選定条件として前記マスタ基地局を選定するステップと、前記協調ＢＳＳ群を構築した後、ＣＳＭＡ／ＣＡおよびＲＴＳ／ＣＴＳフレーム交換の前処理を通じて、無線媒体の予約を前記協調ＢＳＳ群単位で一度に行い、同時に、前記協調ＢＳＳ群内端末のトラヒック情報およびチャネル情報を前記マスタ基地局が収集するステップと、前記マスタ基地局が収集した各端末のトラヒック情報およびチャネル情報を基に、前記協調ＢＳＳ群単位で通信品質指標が向上するように無線リソースを割り当て、前記スレーブ基地局および前記端末局に対して割り当て結果を通知するステップと、前記割り当て結果が通知された前記スレーブ基地局および前記端末局が、割り当て結果に則って情報伝送を行い、前記マスタ基地局または前記スレーブ基地局に対して成否応答を行うステップとを有し、前記前処理は、前記マスタ基地局が、前記協調ＢＳＳ群に属するいずれかの前記端末局からＲＴＳフレームを受信し、他の前記端末局にＣＴＳフレームの送信を要求するステップと、前記ＲＴＳフレームの送信元以外の前記端末局が、前記要求に応じてＣＴＳフレームを送信するステップと、前記スレーブ基地局が、前記ＣＴＳフレームに基づき推定した前記端末局との間のチャネル情報を前記マスタ基地局に送信するステップと、前記マスタ基地局が、前記ＲＴＳフレーム及び前記ＣＴＳフレームそれぞれに基づき前記端末局との間のチャネル情報を推定し、さらに、前記ＲＴＳフレーム及び前記ＣＴＳフレームそれぞれから前記端末局のトラヒック情報を取得するステップとを含む、又は、前記マスタ基地局が、ＲＴＳフレームを送信するステップと、前記端末局が、前記ＲＴＳフレームの受信に応じてＣＴＳフレームを送信するステップと、前記スレーブ基地局が、前記ＣＴＳフレームに基づき推定した前記端末局との間のチャネル情報を前記マスタ基地局に送信するステップと、前記マスタ基地局が、前記ＣＴＳフレームに基づき前記端末局との間のチャネル情報を推定し、さらに、前記ＣＴＳフレームそれぞれから前記端末局のトラヒック情報を取得するステップとを含むことを特徴とする。

本発明は、無線通信ネットワークに属する任意の無線セルにおいて、基地局および複数の端末局が前記無線セルに存在する通信構成における無線通信システムであって、複数のＢＳＳによる協調ＢＳＳ群を構築し、該協調ＢＳＳ群に属する全基地局を集中制御する基地局をマスタ基地局、残りの基地局をスレーブ基地局とする選定を行う際に、全てのスレーブ基地局と直接通信できることを選定条件として前記マスタ基地局を選定する手段と、前記協調ＢＳＳ群を構築した後、ＣＳＭＡ／ＣＡおよびＲＴＳ／ＣＴＳフレーム交換の前処理を通じて、無線媒体の予約を前記協調ＢＳＳ群単位で一度に行い、同時に、前記協調ＢＳＳ群内端末のトラヒック情報およびチャネル情報を前記マスタ基地局が収集する手段と、前記マスタ基地局が収集した各端末のトラヒック情報およびチャネル情報を基に、前記協調ＢＳＳ群単位で通信品質指標が向上するように無線リソースを割り当て、前記スレーブ基地局および前記端末局に対して割り当て結果を通知する手段と、前記割り当て結果が通知された前記スレーブ基地局および前記端末局が、割り当て結果に則って情報伝送を行い、前記マスタ基地局または前記スレーブ基地局に対して成否応答を行う手段とを有し、前記前処理は、前記マスタ基地局が、前記協調ＢＳＳ群に属するいずれかの前記端末局からＲＴＳフレームを受信し、他の前記端末局にＣＴＳフレームの送信を要求する処理と、前記ＲＴＳフレームの送信元以外の前記端末局が、前記要求に応じてＣＴＳフレームを送信する処理と、前記スレーブ基地局が、前記ＣＴＳフレームに基づき推定した前記端末局との間のチャネル情報を前記マスタ基地局に送信する処理と、前記マスタ基地局が、前記ＲＴＳフレーム及び前記ＣＴＳフレームそれぞれに基づき前記端末局との間のチャネル情報を推定し、さらに、前記ＲＴＳフレーム及び前記ＣＴＳフレームそれぞれから前記端末局のトラヒック情報を取得する処理とを含む、又は、前記マスタ基地局が、ＲＴＳフレームを送信する処理と、前記端末局が、前記ＲＴＳフレームの受信に応じてＣＴＳフレームを送信する処理と、前記スレーブ基地局が、前記ＣＴＳフレームに基づき推定した前記端末局との間のチャネル情報を前記マスタ基地局に送信する処理と、前記マスタ基地局が、前記ＣＴＳフレームに基づき前記端末局との間のチャネル情報を推定し、さらに、前記ＣＴＳフレームそれぞれから前記端末局のトラヒック情報を取得する処理とを含むことを特徴とする。

本発明は、コンピュータに、前記無線通信方法を実行させるための無線通信プログラムである。

本発明によれば、協調ＢＢＳのエリア内において、高い通信品質を確保するとともに、スループットの低下を抑えることができるという効果が得られる。

本発明の実施形態による無線通信システムの構成を示す図である。協調ＢＳＳ群内のマスタＡＰとスレーブＡＰの決定の一例を示す図である。協調ＢＳＳ群内の端末がマスタＡＰ若しくはスレーブＡＰとアソシエイトする例を示す図である。従来技術によるＢＳＳ内集中制御型無線ＬＡＮ技術を示す図である。本発明の実施形態によるＢＳＳ内集中制御型無線ＬＡＮ技術を示す図である。従来技術によるＢＳＳ内集中制御型無線ＬＡＮ技術を示す図である。本発明の実施形態によるＢＳＳ内集中制御型無線ＬＡＮ技術を示す図である。上りリンク通信のシミュレーションの設定例を示す図である。ＮＲＴ端末のオファードロードとＱｏＳ満足率の関係を示す図である。ＮＲＴ端末のオファードロードとスループットの関係を示す図である。重複セル環境における従来技術の適用例を示す図である。

以下、本発明の実施形態による無線通信システムを説明する。始めに、図１を参照して本発明の実施形態による無線通信システムの概略を説明する。図１は、本発明の実施形態による無線通信システムの構成を示す図である。

本実施形態では、複数ＢＳＳによる協調ＢＳＳ群を構築し、協調ＢＳＳ群の中で属する全ＡＰを集中制御するＡＰをマスタＡＰ、残りのＡＰをスレーブＡＰとする。そして、協調ＢＳＳ群のマスタＡＰの選定条件として、全てのスレーブＡＰと直接通信できること若しくは全てのスレーブＡＰにアソシエイトしている端末と直接通信できることとする。協調ＢＳＳ群を構築した後、ＣＳＭＡ／ＣＡおよびＲＴＳ／ＣＴＳフレーム交換などの前処理を通じて、無線媒体の予約を協調ＢＳＳ群単位で一度に行い、同時に、協調ＢＳＳ群内端末のトラヒック情報およびチャネル情報をマスタＡＰへ収集する。

次に、協調ＢＳＳ群のマスタＡＰは収集した各端末のトラヒック情報およびチャネル情報を基に、協調ＢＳＳ群単位でシステムスループットやＱｏＳなどの通信品質指標が向上するように無線リソースを割り当てること、及びその割り当て結果を各スレーブＡＰおよび各協調ＢＳＳ群内端末へ周知する。そして、割り当ての結果が周知された各スレーブＡＰおよび各協調ＢＳＳ群内端末は、その割り当て結果に則って基地局ＡＰと情報伝送を行うこと、及びＡＰに対して成否応答を行う。

＜第１実施形態＞
次に、本発明の第１実施形態による無線通信システムを説明する。ここでは、重複セル環境における上りリンク通信について説明する。始めに、本実施形態による協調ＢＳＳ群の構築について説明する。図２は、協調ＢＳＳ群内のマスタＡＰとスレーブＡＰの決定の一例を示す図である。図３は、協調ＢＳＳ群内の端末がマスタＡＰ若しくはスレーブＡＰとアソシエイトする例を示す図である。

まず、協調ＢＳＳ群を構築するには、マスタＡＰ及びスレーブＡＰを決定する必要がある。ＡＰ＃Ｘは起動時にチャネルを一定期間スキャンし、Ｍ−ＡＰの有無を調べる。具体的には、マスタＡＰからのマネージメントフレームを１つ若しくは複数を受信した場合、その中から最も自分との間の通信信頼性の高い（例えば、最大ＲＳＳＩ若しくは最少受信誤り率などの通信品質を表す指標を用いる）マスタＡＰに協調参加フレームを送信し、自身はスレーブＡＰとなる。

マスタＡＰを決定する方針としてはいろいろなものが適用できる。例えば、スループットがある基準値よりも低いＢＳＳセルのＡＰをマスタＡＰに設定する、或いはスループットがある基準値よりも高いＢＳＳセルのＡＰをマスタＡＰに設定する。また、判断の基準もスループット値だけではなく、フレーム誤り率やリソース占有率など、無線ネットワークの通信品質の向上に有効と思われるあらゆる指標の利用できる。また、数値指標の基準は絶対的なものと相対的なものの両方が適用できる。すなわち、絶対的な値を設けて数値指標の基準とすることと、複数の無線セルの値をお互いに比較し合い高いほうあるいは低い方を数値指標の基準とするようにしてもよい。

次に、マスタＡＰからのマネージメントフレームを受信できなかった場合、ＡＰ＃Ｘ自身がマスタＡＰとなる。ただし、マスタＡＰが送信するマネージメントフレーム（ビーコン・プローブ応答等）に、自身がマスタＡＰであることを示す情報を記載する。

次に、決定した協調ＢＳＳ群内のマスタＡＰとスレーブＡＰが端末とアソシエイトする必要がある。まず、端末がマスタＡＰにアソシエイトする場合、通常無線ＬＡＮのアソシエイション処理をマスタＡＰと行えばよい（図３（１））。

次に、端末がスレーブＡＰを含む複数のＡＰにアソシエイトする場合、端末はアソシエイトしたいスレーブＡＰを含む複数のＡＰに対してアソシエイション要求フレームを送信し、複数のＡＰの中から応答フレームを受信できたＡＰとアソシエイションする（図３（２））。ただし、スレーブＡＰが現在どのマスタＡＰと協調しているかは、マネージメントフレームに記載されているものとする。

次に、協調ＢＳＳ群の構築ができた後の重複セル環境における上りリンク通信について説明する。図４は、従来技術によるＢＳＳ内集中制御型無線ＬＡＮ技術を示す図である。図５は、本発明の実施形態によるＢＳＳ内集中制御型無線ＬＡＮ技術を示す図である。

従来技術（図４）では、あるＢＳＳ＃１が通信権を獲得した場合の通信プロトコル（通信動作）を説明する。まず、ＢＳＳ＃１内の端末は、ランダムバックオフ後ＲＴＳフレームを送信する。これを受信したＢＳＳ＃１のＡＰは、ＣＴＳフレームを送信し、ＲＴＳフレームを送信した端末以外の全ＢＳＳ＃１内端末にＣＴＳフレームの送信を要求する。

次に、ＲＴＳを送信した端末以外のＢＳＳ＃１の端末は、順にＣＴＳフレームを送信し、干渉源になり得るＢＳＳ＃１外端末に対して無線媒体の予約を行う。ＢＳＳ＃１内端末が送信したＲＴＳ／ＣＴＳフレームの中には各自のトラヒック情報が記載されているため、ＡＰはこれらのＲＴＳ／ＣＴＳフレームを受信することで各ＢＳＳ＃１内端末のトラヒック情報を収集できる。

また、ＢＳＳ＃１内端末が送信したＲＴＳ／ＣＴＳフレームの中にはチャネル情報の推定に用いるプリアンブル部分が含まれているため、ＡＰはこれらのＲＴＳ／ＣＴＳフレームを受信することで各ＢＳＳ＃１内端末のチャネル情報を推定する形で全ＢＳＳ＃１内端末のチャネル情報を間接的に収集できる。

ＡＰはこれらのフレームによって収集した情報を基に、ＢＳＳ＃１内通信リソースの割り当てを実施し、更にリソース割り当ての結果をＲＢＩ（ＲｅｓｏｕｃｅＢｌｏｃｋＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）フレームで割り当て結果を通知する。ＲＢＩフレームを受信した各ＢＳＳ＃１内端末は割り当て結果に沿ってデータフレームの伝送を行い、そしてＡＰからの成否応答を受け取った後通信権を解放する。

次に、図５を参照して、本実施形態による無線通信システムの通信動作を説明する。まず、協調ＢＳＳ群内のある端末は、ランダムバックオフ後ＲＴＳフレームを送信する（図５（１））。

次に、これを受信した協調ＢＳＳ群のマスタＡＰは、ＣＴＳフレームを送信し、ＲＴＳフレームを送信した端末以外の協調ＢＳＳ群内の各端末がＣＴＳフレームの送信を要求する（図５（２））。

次に、ＲＴＳを送信した端末以外の協調ＢＳＳ群内の各端末は、順にＣＴＳフレームを送信し、無線媒体の予約を行う（図５（３））。

次に、協調ＢＳＳ群内の各端末からのＣＴＳフレームを受信した各スレーブＡＰは、まずそのＣＴＳフレームに含まれるプリアンブル部分を基にチャネル情報を推定する。続いて、その推定で得られたチャネル情報ＣＳＩ（Channel State Information）をＣＳＩフレームのペイロードに記載して、マスタＡＰへ送信する（図５（４））。

この時点で、協調ＢＳＳ群内の端末が送信したＲＴＳ／ＣＴＳフレームの中には各自のトラヒック情報が記載されているため、ＡＰはこれらのＲＴＳ／ＣＴＳフレームを受信することで各協調ＢＳＳ群内の端末のトラヒック情報を収集できる。また、協調ＢＳＳ群内の端末が送信したＲＴＳ／ＣＴＳフレームの中にはチャネル情報の推定に用いるプリアンブル部分が含まれているため、マスタＡＰはこれらのＲＴＳ／ＣＴＳフレームを受信することで各協調ＢＳＳ群内の端末のチャネル情報を収集できる。

さらに、マスタＡＰは、端末とスレーブＡＰ間のチャネル情報をスレーブＡＰが送信したＣＳＩフレームを受信することでチャネル情報を収集できる。ＡＰはこれらのフレームによって収集したトラヒック情報およびチャネル情報を基に、協調ＢＳＳ群単位で通信リソースの割り当てを実施し、更にリソース割り当ての結果をＲＢＩ（Resource Block Information）フレームで割り当て結果を通知する（図５（５））。

次に、ＲＢＩフレームを受信した協調ＢＳＳ群内の各端末は割り当て結果に沿ってデータフレームの伝送を行う（図５（６））。

次に、協調ＢＳＳ群内の各端末はマスタＡＰ、スレーブＡＰからの成否応答を受け取った後に通信権を解放する（図５（７））。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態による無線通信システムを説明する。ここでは、重複セル環境における下りリンク通信について説明する。協調ＢＳＳ群の構築方法は前述した方法と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。図６は、従来技術によるＢＳＳ内集中制御型無線ＬＡＮ技術を示す図である。図７は、本発明の実施形態によるＢＳＳ内集中制御型無線ＬＡＮ技術を示す図である。

従来技術（図６）では、あるＢＳＳ＃１が通信権を獲得した場合の通信プロトコル（通信動作）を説明する。まず、ＢＳＳ＃１内のＡＰは、ランダムバックオフ後ＲＴＳフレームを送信し、全ＢＳＳ＃１内端末にＣＴＳフレームの送信を要求する。

次に、ＡＰからのＲＴＳを受信したＢＳＳ＃１内の各端末は、順にＣＴＳフレームを送信し、無線媒体の予約を行う。ＢＳＳ＃１内端末が送信したＣＴＳフレームの中には各自のトラヒック情報が記載されているため、ＡＰはこれらのＲＴＳ／ＣＴＳフレームを受信することで各ＢＳＳ＃１内端末のトラヒック情報を収集できる。

また、ＢＳＳ＃１内端末が送信したＣＴＳフレームの中にはチャネル情報の推定に用いるプリアンブル部分が含まれているため、ＡＰはこれらのＣＴＳフレームを受信することで各ＢＳＳ＃１内端末のチャネル情報を推定する形で全ＢＳＳ＃１内端末のチャネル情報を間接的に収集できる。

次に、ＡＰはこれらのフレームによって収集した情報を基に、ＢＳＳ＃１内通信リソースの割り当てを実施し、更にリソース割り当ての結果をＲＢＩ（ＲｅｓｏｕｃｅＢｌｏｃｋＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）フレームで割り当て結果を通知する。ＲＢＩフレームを受信した各ＢＳＳ＃１内端末は割り当て結果に沿ってデータフレームの伝送を行い、そして端末からの成否応答を受け取った後通信権を解放する。

次に、図７を参照して、本実施形態による無線通信システムの通信動作を説明する。まず、協調ＢＳＳ群内のマスタＡＰは、ランダムバックオフ後ＲＴＳフレームを送信し、全協調ＢＳＳ群内の端末にＣＴＳフレームの送信を要求する（図７（１））。

次に、マスタＡＰからのＲＴＳを受信した協調ＢＳＳ群内の各端末は、順にＣＴＳフレームを送信し、無線媒体の予約を行う（図７（２））。

次に、協調ＢＳＳ群内の各端末からのＣＴＳフレームを受信した各スレーブＡＰは、まずそのＣＴＳフレームに含まれるプリアンブル部分を基にチャネル情報を推定する。続いて、その推定で得られたチャネル情報ＣＳＩ（Channel State Information）をＣＳＩフレームのペイロードに記載して、マスタＡＰへ送信する（図７（３））。

この時点で、協調ＢＳＳ群内の端末が送信したＣＴＳフレームの中には各自のトラヒック情報が記載されているため、ＡＰはこれらのＣＴＳフレームを受信することで各協調ＢＳＳ群内の端末のトラヒック情報を収集できる。また、協調ＢＳＳ群内の端末が送信したＣＴＳフレームの中にはチャネル情報の推定に用いるプリアンブル部分が含まれているため、マスタＡＰはこれらのＣＴＳフレームを受信することで各協調ＢＳＳ群内の端末のチャネル情報を収集できる。更に、マスタＡＰは、端末とスレーブＡＰ間のチャネル情報をスレーブＡＰが送信したＣＳＩフレームを受信することでチャネル情報を収集できる。

ＡＰはこれらのフレームによって収集したトラヒック情報およびチャネル情報を基に、協調ＢＳＳ群単位で通信リソースの割り当てを実施し、更にリソース割り当ての結果をＲＢＩ（Resource Block Information）フレームで割り当て結果を通知する（図７（４））。

次に、ＲＢＩフレームを受信した協調ＢＳＳ群内の各端末は割り当て結果に沿ってデータフレームの伝送を行う（図７（５））。

次に、協調ＢＳＳ群内のマスタＡＰ、スレーブＡＰは各端末からの成否応答を受け取った後通信権を解放する（図７（６））。

次に、前述した無線通信システムの数値実験について説明する。前述した無線通信システムの伝送特性を評価するため、上りリンク通信について計算機シミュレーションを行った。図８は、上りリンク通信のシミュレーションの設定例を示す図である。シミュレーション諸元と想定する端末配置はここに示す通りである。

伝送空間内に２台のＡＰ（ＡＰ＃１、ＡＰ＃２）が存在する。ＡＰ間の距離は３０（ｍ）とする。ＡＰ＃１には２端末（ＳＴＡ＃１−１、ＳＴＡ＃１−２）が属し、ＢＳＳ＃１を形成する。ＡＰ＃２には２端末（ＳＴＡ＃２−１、ＳＴＡ＃２−２）が属し、ＢＳＳ＃２を形成する。各ＡＰおよび各端末は、図８に示す地点に存在するものとする。全端末（４端末）のうち、ＳＴＡ＃１−１のみＲＴ端末、それ以外の３端末はＮＲＴ端末であるものとする。

比較対象として、各ＢＳＳでＩＥＥＥ８０２．１１で規定されているＤＣＦ方式を用いた上りリンク伝送するシステムおよびＢＳＳ内集中制御型ＯＦＤＭＡ方式を用いた上りリンク伝送するシステム（非特許文献３）を用いる。

従来技術（その１）ＤＣＦ方式（８０２．１１ＤＣＦ）では、ＡＰ（ＡＰ＃１、＃２）および各端末（ＳＴＡ＃１−１〜＃２−２）は、各々、自律的にＤＣＦに従って媒体アクセスを行う。ＢＳＳ＃１の端末（ＳＴＡ＃１−１、＃１−２）はＡＰ＃１宛に、ＢＳＳ＃２の端末（ＳＴＡ＃２−１、＃２−２）はＡＰ＃２宛に伝送する。

従来技術（その２）ＢＳＳ内集中制御型ＯＦＤＭＡ方方式（非特許文献３）（ＯＦＤＭＡｗ／ｏＩｎｔｅｒ−ＢＳＳＣｏｏｐ．）では、ＡＰは自身が属するＢＳＳ内の端末のトラヒック状況およびチャネル状況を基に、各端末の媒体アクセスを制御する。例えば、ＡＰ＃１は、ＢＳＳ＃１に属する端末ＳＴＡ＃１−１およびＳＴＡ＃１−２のトラヒック状況およびチャネル状況を基に、これら２つ端末へのリソース割り当てを決定することで、これら２端末の媒体アクセスを制御する。

本実施形態によるＢＳＳ間集中制御型ＯＦＤＭＡ方式（ＯＦＤＭＡｗ／Ｉｎｔｅｒ−ＢＳＳＣｏｏｐ．）では、ＡＰ＃１がマスタＡＰ、ＡＰ＃２がスレーブＡＰとなり、２つのＡＰと４端末から構成される１つの協調ＢＳＳを形成する。

エリアスループットとは、２つのＢＳＳが利用するエリア内で達成されるスループットである。本特性評価では、ＢＳＳの位置は変わらないので、エリアスループットはシステムスループットになる。すなわち、２つのＢＳＳを含むネットワーク全体で得られるスループットである。ここで、ＱｏＳ満足率とは、ＲＴ端末が送信するすべてのパケットのうち、要求遅延時間内に送信されたパケットの割合を指す。

図９は、ＮＲＴ端末のオファードロードとＱｏＳ満足率の関係を示す図である。図９に示すように、ＮＲＴ端末のオファードロードが増加するに従い、従来方式（従来ＤＣＦ方式および従来ＢＳＳ内集中制御型ＯＦＤＭＡ方式）のＱｏＳ満足率は低下する。

図９の横軸に示す▲は、それぞれ、従来ＤＣＦ方式および従来ＢＳＳ内集中制御型ＯＦＤＭＡ方式において、所要ＱｏＳ満足率を達成可能な最大オファードロードを示している。これ以上、過負荷になるとＱｏＳ満足率≧９９％を達成できない。

図１０は、ＮＲＴ端末のオファードロードとスループットの関係を示す図である。図１０の横軸に示す▲は、それぞれ、従来ＤＣＦ方式および従来ＢＳＳ内集中制御型ＯＦＤＭＡ方式において、所要ＱｏＳ（ＱｏＳ満足率≧９９％）を達成可能な最大オファードロードを示している。また、図１０の縦軸に示す▲は、所要ＱｏＳ満足率を維持可能なエリアスループットの最大値を示している。

従来方式（従来ＤＣＦ方式および従来ＢＳＳ内集中制御型ＯＦＤＭＡ方式）において、ＮＲＴ端末から横軸の▲を超えるトラヒックが生起すると、より高いエリアスループットが得られるが、ＲＴ端末は所要ＱｏＳを維持できなくなる。所要ＱｏＳ満足率の確保を第一の目的とする場合、横軸の▲を超えるトラヒックが生起すると、ネットワークとして破綻することとなる。

一方、本実施形態による無線通信システムの方式の場合、今回の評価環境では、伝送空間内に１つの協調ＢＳＳしか存在しない（全端末が協調ＢＳＳに属する）ため、ＮＲＴ端末のオファードロードに関わらず、ＲＴ端末は所要ＱｏＳを維持できることが分かる。

以上説明したように、異種の無線システムとの周波数共用を図りつつ、ＱｏＳ保証および無線リソースの利用効率の向上を図ることが可能なＢＳＳ（Basic Service Set）内集中制御型無線ＬＡＮシステムにおいて、無線セルが重複した場合、各ＢＢＳ内のＡＰが個別にリソースマネジメントを行うため、ＱｏＳの未保証、ＮＡＶによる通信保留、制御フレームの増大、最適なリソース割り当て不可により、通信品質およびシステムスループットが低下するという問題がある。

本実施形態では、複数ＢＳＳによる協調ＢＳＳ群を構築し、協調ＢＳＳ群に属する全ＡＰを集中制御するマスタＡＰにより、周辺の他の無線システムとの周波数共用を図りつつ、集中制御型リソースマネジメントを行うようにした。

この構成により、複数のＢＳＳを包含する協調ＢＳＳは、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式に基づいても内包する複数の重複ＢＳＳが同時伝送できるため、複数のＢＳＳ内端末のＱｏＳ（遅延）保証が可能になる。また、協調ＢＳＳ内端末が空間的に離れていれば、無線リソースの繰り返し利用による同時通信が可能になる。

また、ビーコンフレームやプローブ要求／応答フレームなど、マネージメントフレームの伝送は複数のＢＳＳのＡＰから１つの協調ＢＳＳのマスタＡＰへ集約でき、使用される無線リソースの量は軽減できる。また、協調ＢＳＳ内端末は複数のＡＰとのアソシエイトが可能となり、無線リソースの利用自由度が向上する。

以上の効果によって、最終的に本発明技術を実施した無線ネットワークでは、従来技術を適用した無線ネットワークに比べ、同様なＱｏＳを確保しながら、より高いエリアスループット、短い伝送遅延などを向上した通信品質を実現することができる。

前述した実施形態におけるＡＰ、端末をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されるものであってもよい。

以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明してきたが、上記実施の形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行ってもよい。

協調ＢＢＳのエリア内において、高い通信品質を確保するとともに、スループットの低下を抑えることが不可欠な用途に適用できる。

ＡＰ・・・アクセスポイント（基地局）、ＳＴＡ・・・端末、Ｍ−ＡＰ・・・マスタＡＰ、Ｓ−ＡＰ・・・スレーブ端末

Claims

無線通信ネットワークに属する任意の無線セルにおいて、基地局および複数の端末局が前記無線セルに存在する通信構成における無線通信方法であって、
複数のＢＳＳによる協調ＢＳＳ群を構築し、該協調ＢＳＳ群に属する全基地局を集中制御する基地局をマスタ基地局、残りの基地局をスレーブ基地局とする選定を行う際に、全てのスレーブ基地局と直接通信できることを選定条件として前記マスタ基地局を選定するステップと、
前記協調ＢＳＳ群を構築した後、ＣＳＭＡ／ＣＡおよびＲＴＳ／ＣＴＳフレーム交換の前処理を通じて、無線媒体の予約を前記協調ＢＳＳ群単位で一度に行い、同時に、前記協調ＢＳＳ群内端末のトラヒック情報およびチャネル情報を前記マスタ基地局が収集するステップと、
前記マスタ基地局が収集した各端末のトラヒック情報およびチャネル情報を基に、前記協調ＢＳＳ群単位で通信品質指標が向上するように無線リソースを割り当て、前記スレーブ基地局および前記端末局に対して割り当て結果を通知するステップと、
前記割り当て結果が通知された前記スレーブ基地局および前記端末局が、割り当て結果に則って情報伝送を行い、前記マスタ基地局または前記スレーブ基地局に対して成否応答を行うステップと
を有し、
前記前処理は、
前記マスタ基地局が、前記協調ＢＳＳ群に属するいずれかの前記端末局からＲＴＳフレームを受信し、他の前記端末局にＣＴＳフレームの送信を要求するステップと、
前記ＲＴＳフレームの送信元以外の前記端末局が、前記要求に応じてＣＴＳフレームを送信するステップと、
前記スレーブ基地局が、前記ＣＴＳフレームに基づき推定した前記端末局との間のチャネル情報を前記マスタ基地局に送信するステップと、
前記マスタ基地局が、前記ＲＴＳフレーム及び前記ＣＴＳフレームそれぞれに基づき前記端末局との間のチャネル情報を推定し、さらに、前記ＲＴＳフレーム及び前記ＣＴＳフレームそれぞれから前記端末局のトラヒック情報を取得するステップとを含む、
又は、
前記マスタ基地局が、ＲＴＳフレームを送信するステップと、
前記端末局が、前記ＲＴＳフレームの受信に応じてＣＴＳフレームを送信するステップと、
前記スレーブ基地局が、前記ＣＴＳフレームに基づき推定した前記端末局との間のチャネル情報を前記マスタ基地局に送信するステップと、
前記マスタ基地局が、前記ＣＴＳフレームに基づき前記端末局との間のチャネル情報を推定し、さらに、前記ＣＴＳフレームそれぞれから前記端末局のトラヒック情報を取得するステップとを含む
ことを特徴とする無線通信方法。
無線通信ネットワークに属する任意の無線セルにおいて、基地局および複数の端末局が前記無線セルに存在する通信構成における無線通信システムであって、
複数のＢＳＳによる協調ＢＳＳ群を構築し、該協調ＢＳＳ群に属する全基地局を集中制御する基地局をマスタ基地局、残りの基地局をスレーブ基地局とする選定を行う際に、全てのスレーブ基地局と直接通信できることを選定条件として前記マスタ基地局を選定する手段と、
前記協調ＢＳＳ群を構築した後、ＣＳＭＡ／ＣＡおよびＲＴＳ／ＣＴＳフレーム交換の前処理を通じて、無線媒体の予約を前記協調ＢＳＳ群単位で一度に行い、同時に、前記協調ＢＳＳ群内端末のトラヒック情報およびチャネル情報を前記マスタ基地局が収集する手段と、
前記マスタ基地局が収集した各端末のトラヒック情報およびチャネル情報を基に、前記協調ＢＳＳ群単位で通信品質指標が向上するように無線リソースを割り当て、前記スレーブ基地局および前記端末局に対して割り当て結果を通知する手段と、
前記割り当て結果が通知された前記スレーブ基地局および前記端末局が、割り当て結果に則って情報伝送を行い、前記マスタ基地局または前記スレーブ基地局に対して成否応答を行う手段と
を有し、
前記前処理は、
前記マスタ基地局が、前記協調ＢＳＳ群に属するいずれかの前記端末局からＲＴＳフレームを受信し、他の前記端末局にＣＴＳフレームの送信を要求する処理と、
前記ＲＴＳフレームの送信元以外の前記端末局が、前記要求に応じてＣＴＳフレームを送信する処理と、
前記スレーブ基地局が、前記ＣＴＳフレームに基づき推定した前記端末局との間のチャネル情報を前記マスタ基地局に送信する処理と、
前記マスタ基地局が、前記ＲＴＳフレーム及び前記ＣＴＳフレームそれぞれに基づき前記端末局との間のチャネル情報を推定し、さらに、前記ＲＴＳフレーム及び前記ＣＴＳフレームそれぞれから前記端末局のトラヒック情報を取得する処理とを含む、
又は、
前記マスタ基地局が、ＲＴＳフレームを送信する処理と、
前記端末局が、前記ＲＴＳフレームの受信に応じてＣＴＳフレームを送信する処理と、
前記スレーブ基地局が、前記ＣＴＳフレームに基づき推定した前記端末局との間のチャネル情報を前記マスタ基地局に送信する処理と、
前記マスタ基地局が、前記ＣＴＳフレームに基づき前記端末局との間のチャネル情報を推定し、さらに、前記ＣＴＳフレームそれぞれから前記端末局のトラヒック情報を取得する処理とを含む
ことを特徴とする無線通信システム。
コンピュータに、請求項１に記載の無線通信方法を実行させるための無線通信プログラム。