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RADIO COMMUNICATION SYSTEM AND RADIO COMMUNICATION METHOD

Patent code P200016778
File No. 5837
Posted date Apr 13, 2020
Application number P2017-099702
Publication number P2018-196043A
Date of filing May 19, 2017
Date of publication of application Dec 6, 2018
Inventor
  • (In Japanese)アベセカラ ヒランタ
  • (In Japanese)篠原 笑子
  • (In Japanese)福園 隼人
  • (In Japanese)松井 宗大
  • (In Japanese)鷹取 泰司
  • (In Japanese)溝口 匡人
  • (In Japanese)山本 高至
  • (In Japanese)尹 博
Applicant
  • (In Japanese)日本電信電話株式会社
  • (In Japanese)国立大学法人京都大学
Title RADIO COMMUNICATION SYSTEM AND RADIO COMMUNICATION METHOD
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for setting an optimal parameter value to maximize energy efficiency for throughput in an environment in which radio communication stations using a shared radio frequency band are dense.
SOLUTION: In a radio communication system including a plurality of radio communication stations that wirelessly communicate on a shared frequency band, each radio communication station includes: radio environment information acquisition means for acquiring peripheral radio environment information and information on a signal power-to-interference power ratio SINR at a destination communication station; and parameter setting means for simultaneously calculating and setting a transmission power value of the radio communication station that maximizes energy efficiency for throughput and a correction value of a carrier sense threshold value responding to the SINR at the destination communication station.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

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。

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局は、同一BSS内の他の無線局にデータを送信し、またそれらの無線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、使用するチャネル、送信電力値、キャリアセンス閾値、減衰値などを適切に選択することが重要になる。

無線基地局におけるチャネルの選択方法は、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が、最も一般的なチャネル選択方法としては、干渉電力の最も少ないチャネルを自律分散的に選択する方法がある。無線基地局は、一定期間すべてのチャネルをキャリアセンスして最も干渉電力が小さいチャネルを選択し、選択したチャネル上で配下の端末装置とデータの送受信を行う。なお、干渉電力とは、近隣BSSや他システムから受信する信号のレベルである。

IEEE802.11標準規格では、BSS周辺の無線状況が変化した場合におけるチャネルの変更手順が規定されているが、基本的に、レーダ検出などによる強制移行以外は、一度選択したチャネルの再選択を行っていない。すなわち、現状無線LANでは、無線状況の変化に応じたチャネルの最適化は行われていない。

また、IEEE802.11標準規格では、各国で定められている電波法に従って送信する信号の最大送信出力値を規定している。キャリアセンス閾値として検知信号が無線LAN信号の場合は-82dBmであり、それ以外の場合は-62dBmと規定されている。

このように、送信電力値およびキャリアセンス閾値の最大値が規定されているが、同一チャネル上で複数の無線局が送受信を行う際に、無線状況の変化に応じた最適値については規定されていない(非特許文献2)。

Field of industrial application (In Japanese)

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。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
共用周波数帯上で無線通信を行う複数の無線通信局を備えた無線通信システムにおいて、
前記無線通信局は、
周辺の無線環境情報および宛先通信局における信号電力対干渉電力比SINRの情報を取得する無線環境情報取得手段と、
前記宛先通信局における前記SINRに応じて、スループットに対するエネルギー効率が最大となる自局の送信電力値およびキャリアセンス閾値の補正値を同時に算出して設定するパラメータ設定手段と
を備えたことを特徴とする無線通信システム。

【請求項2】
 
請求項1に記載の無線通信システムにおいて、
前記パラメータ設定手段は、無線通信局iにおけるリンクゲインGii、送信電力値の最大値Pおよびキャリアセンス閾値の最小値Θの補正値ai から無線通信局iの宛先通信局におけるSINR値γi を求め、さらに伝送帯域B、SINR値γi 、送信時間割合ρi からスループットri を求め、さらにフレーム送信に係る消費電力P/ai・ρiに応じてスループットri に対する前記エネルギー効率ηi
ηi =スループット/フレーム送信に係る消費電力
=ri /(P/ai・ρi
=B・log2(1+PGii/Θai2)・ρi/(P/ai・ρi)
であるときに、該エネルギー効率ηi が最大となる補正値ai を算出する構成である
ことを特徴とする無線通信システム。

【請求項3】
 
請求項1に記載の無線通信システムにおいて、
前記パラメータ設定手段は、無線通信局iにおけるリンクゲインGii、送信電力値の最大値Pおよびキャリアセンス閾値の最小値Θの補正値ai から無線通信局iの宛先通信局におけるSINR値γi を求め、さらに伝送帯域B、SINR値γi 、送信時間割合ρi からスループットri を求め、さらにフレーム送信に係る消費電力P/ai・ρi、フレーム送信以外の消費電力Pc に応じて、スループットri に対する前記エネルギー効率ηi
ηi =スループット/(フレーム送信に係る消費電力+フレーム送信以外の消費電力) =ri /(P/ai・ρi+Pc
=B・log2(1+PGii/Θai2)・ρi /(P/ai・ρi+Pc
であるときに、該エネルギー効率ηi が最大となる補正値ai を算出する構成である
ことを特徴とする無線通信システム。

【請求項4】
 
請求項2または請求項3に記載の無線通信システムにおいて、
前記スループットri は、前記B・log2(1+PGii/Θai2)・ρi に替えて、
B・log2(1+PGii/Θai2)/(周辺の周波数共用の無線通信局数)として求め、 前記フレーム送信に係る消費電力は、P/ai ・ρi に替えて、
P/ai ・(チャネルアクセス確率)として求める
ことを特徴とする無線通信システム。

【請求項5】
 
請求項2または請求項3に記載の無線通信システムにおいて、
前記パラメータ設定手段は、前記無線通信局iの周辺に周波数共用の無線通信局があるとき、自局および周辺の無線通信局で計算されるスループットに対するエネルギー効率の評価値が最大になる補正値ai を算出する構成である
ことを特徴とする無線通信システム。

【請求項6】
 
共用周波数帯上で無線通信を行う複数の無線通信局を備えた無線通信方法において、
前記無線通信局は、
周辺の無線環境情報および宛先通信局における信号電力対干渉電力比SINRの情報を取得する無線環境情報取得ステップと、
前記宛先通信局における前記SINRに応じて、スループットに対するエネルギー効率が最大となる自局の送信電力値およびキャリアセンス閾値の補正値を同時に算出して設定するパラメータ設定ステップと
を有することを特徴とする無線通信方法。

【請求項7】
 
請求項6に記載の無線通信方法において、
前記パラメータ設定ステップは、無線通信局iにおけるリンクゲインGii、送信電力値の最大値Pおよびキャリアセンス閾値の最小値Θの補正値ai から無線通信局iの宛先通信局におけるSINR値γi を求め、さらに伝送帯域B、SINR値γi 、送信時間割合ρi からスループットri を求め、さらにフレーム送信に係る消費電力P/ai・ρiに応じてスループットri に対する前記エネルギー効率ηi
ηi =スループット/フレーム送信に係る消費電力
=ri /(P/ai・ρi
=B・log2(1+PGii/Θai2)・ρi/(P/ai・ρi)
であるときに、該エネルギー効率ηi が最大となる補正値ai を算出する
ことを特徴とする無線通信方法。

【請求項8】
 
請求項6に記載の無線通信方法において、
前記パラメータ設定ステップは、無線通信局iにおけるリンクゲインGii、送信電力値の最大値Pおよびキャリアセンス閾値の最小値Θの補正値ai から無線通信局iの宛先通信局におけるSINR値γi を求め、さらに伝送帯域B、SINR値γi 、送信時間割合ρi からスループットri を求め、さらにフレーム送信に係る消費電力P/ai・ρi、フレーム送信以外の消費電力Pc に応じて、スループットri に対する前記エネルギー効率ηi
ηi =スループット/(フレーム送信に係る消費電力+フレーム送信以外の消費電力) =ri /(P/ai・ρi+Pc
=B・log2(1+PGii/Θai2)・ρi /(P/ai・ρi+Pc
であるときに、該エネルギー効率ηi が最大となる補正値ai を算出する
ことを特徴とする無線通信方法。

【請求項9】
 
請求項7または請求項8に記載の無線通信方法において、
前記スループットri は、前記B・log2(1+PGii/Θai2)・ρi に替えて、
B・log2(1+PGii/Θai2)/(周辺の周波数共用の無線通信局数)として求め、 前記フレーム送信に係る消費電力は、P/ai ・ρi に替えて、
P/ai ・(チャネルアクセス確率)として求める
ことを特徴とする無線通信方法。

【請求項10】
 
請求項7または請求項8に記載の無線通信方法において、
前記パラメータ設定ステップは、前記無線通信局iの周辺に周波数共用の無線通信局があるとき、自局および周辺の無線通信局で計算されるスループットに対するエネルギー効率の評価値が最大になる補正値ai を算出する
ことを特徴とする無線通信方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2017099702thum.jpg
State of application right Published
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