(57)【要約】【課題】共用無線周波数帯を用いる無線基地局が密集している環境において、データ送信を行う無線基地局の周辺の無線環境情報および宛先通信局におけるトラヒック量および受信スループットの情報を用いて、特定の場合に急激なトラヒックが発生した場合などに無線基地局の負荷を分散する。【解決手段】無線基地局は、無線通信用に複数のアンテナを有し、周辺の無線環境情報およびユーザ端末宛てのトラヒック、ユーザ端末のスループット情報を取得する環境情報取得手段と、環境情報取得手段で収集した情報を基に、ユーザ端末との接続を許可するアンテナまたは許可しないアンテナを選別するパラメータ設定手段とを備える。【選択図】  図２
2020188437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共用無線周波数帯上で無線通信を行う複数の無線基地局を備えた無線通信システムにおいて、
前記無線基地局は、
無線通信用に複数のアンテナを有し、周辺の無線環境情報およびユーザ端末宛てのトラヒック、ユーザ端末のスループット情報を取得する環境情報取得手段と、
前記環境情報取得手段で収集した情報を基に、前記ユーザ端末との接続を許可するアンテナまたは許可しないアンテナを選別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、各無線基地局スループットの差分、標準偏差、または、無線基地局スループット間の不公平の度合いを最小にするように、前記ユーザ端末との接続を許可するアンテナまたは許可しないアンテナを選別する構成である
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、各無線基地局の各アンテナのトラヒック混雑度合に応じて、混雑度合のばらつきが少なくなるように、前記ユーザ端末との接続を許可するアンテナまたは許可しないアンテナを選別する構成である
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項４】
共用無線周波数帯上で複数の無線基地局が無線通信を行う無線通信方法において、
前記無線基地局の環境情報取得手段は、無線通信用に複数のアンテナを有し、周辺の無線環境情報およびユーザ端末宛てのトラヒック、ユーザ端末のスループット情報を取得し、
前記無線基地局のパラメータ設定手段は、前記環境情報取得手段で収集した情報を基に、前記ユーザ端末との接続を許可するアンテナまたは許可しないアンテナを選別する
ことを特徴とする無線通信方法。
【請求項５】
請求項４に記載の無線通信方法において、
前記パラメータ設定手段は、各無線基地局スループットの差分、標準偏差、または、無線基地局スループット間の不公平の度合いを最小にするように、前記ユーザ端末との接続を許可するアンテナまたは許可しないアンテナを選別する
ことを特徴とする無線通信方法。
【請求項６】
請求項４に記載の無線通信方法において、
前記パラメータ設定手段は、各無線基地局の各アンテナのトラヒック混雑度合に応じて、混雑度合のばらつきが少なくなるように、前記ユーザ端末との接続を許可するアンテナまたは許可しないアンテナを選別する
ことを特徴とする無線通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線ＬＡＮ（Local Area Network）の稠密環境において、各無線通信局の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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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
【００１２】
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）。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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通信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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】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.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
前述した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 (1)〜(4) のうち、特に安価な無線基地局は、(1) の製造メーカで設定されたデフォルトのパラメータをそのまま使用することが多い。しかし、近くに同じ製造メーカの無線基地局が複数台設置された環境の場合は、全ての無線基地局が同じ周波数チャネルや送信電力値を使うことになるので、無線基地局間で干渉が発生してしまい通信品質が劣化する問題がある。
【００２２】
一般家庭など比較的小規模なネットワークでは、(2) の無線ＬＡＮを運用するユーザが適切なパラメータを設定することが考えられる。しかし、外部干渉源がない環境では各種パラメータの設定は可能だが、都市部や集合住宅など周りで無線ＬＡＮが使われている環境、または中規模や大規模なネットワークでは、ユーザまたは管理者による適切なパラメータ設定が困難である。
【００２３】
自律分散動作が可能な無線基地局は、(3) の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の選択が可能である。しかし、無線基地局が起動される順番によって適切なパラメータ値が異なる。
【００２４】
また、起動中の無線基地局数の変化、各々の無線基地局配下の無線端末装置の変化、各々のセル内の無線装置により送出されるデータ量の変化などの環境変化が起きたときに、使用チャネル、使用送信電力値、使用キャリアセンス閾値、使用減衰値の最適化を行っていないため、各々のセルのスループット間で差が生じたり、システム全体でもスループットが劣化したりする問題がある。
【００２５】
本発明は、共用無線周波数帯を用いる無線基地局が密集している環境において、データ送信を行う無線基地局の周辺の無線環境情報および宛先通信局におけるトラヒック量および受信スループットの情報を用いて、特定の場合に急激なトラヒックが発生した場合などに無線基地局の負荷を分散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。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
第１の発明は、共用無線周波数帯上で無線通信を行う複数の無線基地局を備えた無線通信システムにおいて、無線基地局は、無線通信用に複数のアンテナを有し、周辺の無線環境情報およびユーザ端末宛てのトラヒック、ユーザ端末のスループット情報を取得する環境情報取得手段と、環境情報取得手段で収集した情報を基に、ユーザ端末との接続を許可するアンテナまたは許可しないアンテナを選別するパラメータ設定手段とを備える。
【００２７】
第１の発明の無線通信システムにおいて、パラメータ設定手段は、各無線基地局スループットの差分、標準偏差、または、無線基地局スループット間の不公平の度合いを最小にするように、ユーザ端末との接続を許可するアンテナまたは許可しないアンテナを選別する構成である。
【００２８】
第１の発明の無線通信システムにおいて、パラメータ設定手段は、各無線基地局の各アンテナのトラヒック混雑度合に応じて、混雑度合のばらつきが少なくなるように、ユーザ端末との接続を許可するアンテナまたは許可しないアンテナを選別する構成である。
【００２９】
第２の発明は、共用無線周波数帯上で複数の無線基地局が無線通信を行う無線通信方法において、無線基地局の環境情報取得手段は、無線通信用に複数のアンテナを有し、周辺の無線環境情報およびユーザ端末宛てのトラヒック、ユーザ端末のスループット情報を取得し、無線基地局のパラメータ設定手段は、環境情報取得手段で収集した情報を基に、ユーザ端末との接続を許可するアンテナまたは許可しないアンテナを選別する。
【００３０】
第２の発明の無線通信方法において、パラメータ設定手段は、各無線基地局スループットの差分、標準偏差、または、無線基地局スループット間の不公平の度合いを最小にするように、ユーザ端末との接続を許可するアンテナまたは許可しないアンテナを選別する。
【００３１】
第２の発明の無線通信方法において、パラメータ設定手段は、各無線基地局の各アンテナのトラヒック混雑度合に応じて、混雑度合のばらつきが少なくなるように、ユーザ端末との接続を許可するアンテナまたは許可しないアンテナを選別する。
【発明の効果】
【００３２】
本発明は、共用無線周波数帯を用いる無線基地局が密集している環境において、特定の場所における無線チャネルの混雑を低減させる効果があるため、無線基地局がデータ送信を行う際のアクセス権（チャネル利用権）を獲得するまでの待機時間が短くなる。そのため、受信する無線基地局のスループットが改善され、使用アプリケーションの通信品質とユーザの体感品質が向上する効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の無線通信システムの構成例を示す図である。
【図２】本発明の無線通信システムの無線基地局の構成例を示す図である。
【図３】本発明の無線通信システムの無線基地局の処理手順例を示すフローチャートである。
【図４】アンテナのＯＮ／ＯＦＦの選択過程の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、本発明の無線通信システムの構成例を示す。
図１において、無線基地局ＡＰ１〜ＡＰ５は、共用無線周波数帯でそれぞれ分散して配置された複数のアンテナを用いて１以上の帰属する無線端末局（ユーザ端末）と無線通信を行う。ＡＰ１は、アンテナＡＮＴ１３，１４，１２を介して、帰属する無線端末局ＳＴＡ１１〜ＳＴＡ１３とそれぞれ無線通信を行う。ＡＰ２は、アンテナＡＮＴ２３を介して、帰属する無線端末局ＳＴＡ２１と無線通信を行う。ＡＰ３は、アンテナＡＮＴ３２を介して、帰属する無線端末局ＳＴＡ３１と無線通信を行う。ＡＰ４は、アンテナＡＮＴ４３，４２を介して、帰属する無線端末局ＳＴＡ４１〜ＳＴＡ４２と無線通信を行う。ＡＰ５は、アンテナＡＮＴ５３を介して、帰属する無線端末局ＳＴＡ５１と無線通信を行う。
【００３５】
図２は、本発明の無線通信システムの無線基地局の構成例を示す。
図２において、無線基地局は、分散して配置された複数のアンテナＡＮＴ１１〜１４と、それらのアンテナを介して宛先無線端末局とデータ送受信を行う無線通信部１１と、周辺の無線環境情報のスキャニングを実施し、周辺の無線基地局の使用パラメータ等の無線環境情報および宛先無線端末局におけるトラヒック量および受信スループットの情報を取得する無線環境情報取得部１２と、取得した無線環境情報を用いて当該無線基地局におけるユーザ接続を許可するアンテナまたは許可しないアンテナを選別するパラメータ算出部１３と、算出したアンテナ選別情報に従って各アンテナのＯＮ／ＯＦＦを設定するパラメータ設定部１４と、キャリアセンスによりアクセス権を獲得するアクセス権獲得部１５とにより構成される。
【００３６】
図３は、本発明の無線通信システムの無線基地局の処理手順例を示す。
図３において、本手順が開始されると、無線基地局の無線環境情報取得部１２は、周辺の無線通信局の使用パラメータ等の無線環境情報を取得し（Ｓ11）、各無線局宛のトラヒック量および受信スループット情報を取得する（Ｓ12）。次に、パラメータ算出部１３は、各取得情報を用いて当該無線基地局におけるユーザ接続を許可するアンテナおよび許可しないアンテナを選別する（Ｓ13）。次に、パラメータ設定部１４は、パラメータ算出部１３が算出したアンテナ選別情報に従って各アンテナのＯＮ／ＯＦＦを設定し（Ｓ14）、運用を開始する。
【００３７】
本選別は、例えば、確率決定過程モデルに対する例えばBack pressure アルゴリズムを用い、「状態」として無線チャネル混雑度に対応するパケット廃棄率、「行動」としてアンテナのＯＮ／ＯＦＦの組合せを報酬関数に適用し、各アンテナのＯＮ／ＯＦＦを順番に切り替えて報酬関数が最大（パケット廃棄率が最小）となるアンテナのＯＮ／ＯＦＦの組合せを選択する。これにより、各無線基地局スループットの差分、標準偏差、または、無線基地局スループット間の不公平の度合いを最小にすることができる。
【００３８】
図４は、アンテナのＯＮ／ＯＦＦの選択過程の一例を示す。
図４において、各無線基地局ＡＰ１〜ＡＰ３はそれぞれ６個のアンテナを備え、□はアンテナＯＦＦ、■はアンテナＯＮの状態を示す。
【００３９】
(1) は通常状態であり、各無線基地局ＡＰ１〜ＡＰ３はそれぞれ２個のアンテナがＯＮになっており、この状態でＯＮのアンテナの近傍のトラヒックを均等に収容している。
【００４０】
(2) は破線の円で囲むエリアＡにトラヒックが集中するが、そのエリアＡでＯＮになっているアンテナは無線基地局ＡＰ１のみであるため、無線基地局ＡＰ１が高負荷状態になっている。このような状態で図３のステップＳ13において、Back pressure アルゴリズムを用いて各無線基地局におけるアンテナのＯＮ／ＯＦＦの組合せの最適化を図る。
【００４１】
(3) はアンテナのＯＮ／ＯＦＦの組合せを最適化した結果、各無線基地局ＡＰ１〜ＡＰ３でエリアＡをカバーするアンテナをＯＮとし、エリアＡのトラヒックを各無線基地局で負荷分散することにより、無線基地局ＡＰ１の高負荷状態を解消することができる。
【符号の説明】
【００４２】
ＡＰ  無線基地局
ＳＴＡ  無線端末局
１１  無線通信部
１２  無線環境情報取得部
１３  パラメータ算出部
１４  パラメータ設定部
１５  アクセス権獲得部
【図１】
2020188437.tif 000003
【図２】
2020188437.tif 000004
【図３】
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【図４】
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