(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブ装置を複数の加入者装置で共有しあい、かつハブ装置と加入者装置との間の送信制御を行なうPTMP型ネットワークにおけるハブ装置において、
前記ハブ装置と前記複数台の加入者装置との間のＣＡ（衝突回避）フレームの送信を行なう上り制御チャネルと、データフレームの送信を行なうデータチャネルとは異なる帯域が割り当てられ、
前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの少なくとも一方が高負荷状態において、前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの負荷に基づいて、前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの伝送容量を変更する手段を具備し、
前記上り制御チャネルにおけるＣＡフレームの伝送制御と、前記データチャネルのデータフレームの伝送制御とを独立して行なう手段と
を具備するハブ装置。
【請求項２】
前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの伝送容量を変更する手段は、前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの予め定められた比に伝送容量を変更することを特徴とする請求項１記載のハブ装置。
【請求項３】
前記伝送容量の比は、前記上り制御チャネルにおいてＣＡフレームを収容するＣＡスロットの少なくとも１個あたりの長さ及びデータフレームの平均長に基づいて決定されることを特徴とする請求項２記載のハブ装置。
【請求項４】
前記伝送容量の比は、上り制御チャネルの占有時間とデータチャネルの占有時間とが等しくなるように決定されることを特徴とする請求項２記載のハブ装置。
【請求項５】
データチャネルの占有時間が上り制御チャネルの占有時間よりも大きい状態が所定時間以上続いた場合、前記加入者装置にデータフレームの送信許可信号の送信を遅らせる手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載のハブ装置。
【請求項６】
前記加入者装置にデータフレームの送信を遅らせる手段は、フロー制御通知信号を送信することを特徴とする請求項５記載のハブ装置。
【請求項７】
前記伝送容量の変更は、ＣＡスロットの数を変更することにより行なわれる請求項１記載のハブ装置。
【請求項８】
ハブ装置を複数の加入者装置で共有しあい、かつハブ装置と加入者装置との間の送信制御を行なうPTMP型ネットワークにおけるハブ装置における通信方法において、
前記ハブ装置と前記複数台の加入者装置との間のＣＡ（衝突回避）フレームの送信を行なう上り制御チャネルと、データフレームの送信を行なうデータチャネルとに異なる帯域を割り当て、
前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの少なくとも一方が高負荷状態において、前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの負荷に基づいて、前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの伝送容量を変更し、
前記上り制御チャネルにおけるＣＡフレームの伝送制御を、前記データチャネルのデータフレームの伝送制御とは独立して行なう、通信方法。
【請求項９】
ハブ装置を複数の加入者装置で共有しあい、かつハブ装置と加入者装置との間の送信制御を行なうPTMP型ネットワークにおける加入者装置において、
前記ハブ装置と前記複数台の加入者装置との間のＣＡ（衝突回避）フレームの送信を行なう上り制御チャネルと、データフレームの送信を行なうデータチャネルとは異なる帯域が割り当てられ、
前記ハブ装置からのＣＡフレーム送信許可信号を受信した場合に、ＣＡフレームを送信する手段を具備し、
前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの少なくとも一方が高負荷状態において、前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの負荷に基づいて、前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの伝送容量が変更され、
前記上り制御チャネルにおけるＣＡフレームの伝送制御は、前記データチャネルのデータフレームの伝送制御とは独立して行なわれる、加入者装置。
【請求項１０】
前記ハブ装置から、フロー制御が必要であると通知された場合に、ＣＡフレームの送信を遅らせる手段をさらに具備することを特徴とする請求項９記載の加入者装置。
【請求項１１】
ハブ装置を複数の加入者装置で共有しあい、かつハブ装置と加入者装置との間の送信制御を行なうPTMP型ネットワークにおける加入者装置における通信方法おいて、
前記ハブ装置と前記複数台の加入者装置との間のＣＡ（衝突回避）フレームの送信を行なう上り制御チャネルに、データフレームの送信を行なうデータチャネルと異なる帯域を割り当て、
前記ハブ装置からのＣＡフレーム送信許可信号を受信した場合に、ＣＡフレームを送信する手段を具備し、
前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの少なくとも一方が高負荷状態において、前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの負荷に基づいて、前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの伝送容量が変更され、
前記上り制御チャネルにおけるＣＡフレームの伝送制御は、前記データチャネルのデータフレームの伝送制御とは独立して行なわれる、通信方法。
【請求項１２】
前記ハブ装置から、フロー制御が必要であると通知された場合に、ＣＡフレームの送信を遅らせることをさらに具備する請求項１１記載の通信方法。
【請求項１３】
ハブ装置を複数の加入者装置で共有しあい、かつハブ装置と加入者装置との間の送信制御を行なうPTMP型ネットワークにおける通信システムにおいて、
前記ハブ装置と前記複数台の加入者装置との間のＣＡ（衝突回避）フレームの送信を行なう上り制御チャネルと、データフレームの送信を行なうデータチャネルとは異なる帯域が割り当てられ、
前記ハブ装置は、
前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの少なくとも一方が高負荷状態において、前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの負荷に基づいて、前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの伝送容量を変更する手段と、
前記上り制御チャネルにおけるＣＡフレームの伝送制御を、前記データチャネルのデータフレームの伝送制御と独立して行なう手段と
を具備し、
前記加入者装置は、
前記ハブ装置からのＣＡフレーム送信許可信号を受信した場合に、ＣＡフレームを送信する手段を具備する通信システム。
【請求項１４】
ハブ装置を複数の加入者装置で共有しあい、かつハブ装置と加入者装置との間の送信制御を行なうPTMP型ネットワークにおいて、
前記ハブ装置と前記複数台の加入者装置との間のＣＡ（衝突回避）フレームの送信を行なう上り制御チャネルと、データフレームの送信を行なうデータチャネルとに異なる帯域を割り当て、
ハブ装置への上りＣＡフレームの到着を所定のタイミングにビット同期させ、かつハブ装置での受信信号レベルを等しくさせ、
前記ハブ装置が、前回のＣＡフレームのアクセス状態をもとに、次回のＣＡフレームの受信用タイムスロットを広告し、かつＣＡフレームの送信許可を下りステータス指示信号を介して広告し、
前記広告は、直前に広告した受信用タイムスロットの終了時刻より前に先行送信し、
送信すべきデータフレームを持つ加入者装置が、前記広告されたステータス信号指示信号に応答して、前記広告された受信用タイムスロットの中から1つをランダムに選択し、この選択された受信用タイムスロットにおいてＣＡフレームを送信し、  衝突回避手続きに失敗した前記加入者装置が、前記受信用タイムスロットを単位とする所定のバックオフ処理を行なった後、前記ＣＡフレームの再送信を試み、
前記ハブ装置が、前記加入者装置から申告されたデータフレーム長と、最大往復伝搬時間とを基に、前記上りデータフレームが前記ハブ装置に到着し終わるキャリア消滅時刻を予測し、
前記ハブ装置が、前記予測されたキャリア消滅時刻を目掛けて、前記データフレームを先行送信するように前記加入者装置に指示し、
前記ＣＡフレームの送信許可と、前記データフレームの送信指示とは時間的に独立に行なわれ、
前記ハブ装置が、前記ＣＡフレーム伝送用の上り制御チャネル及び前記データフレーム伝送用の上りデータ制御チャネルの少なくとも一方が高負荷状態において、前記上り制御チャネル及び前記上りデータチャネルの負荷に基づいて、前記上り制御チャネル及び前記上りデータチャネルの伝送容量を変更し、
前記加入者装置が、送信できずに待機させられるデータフレームが滞積した場合に、前記ＣＡフレームの送信の開始を一時的に遅らせる、
多重アクセス制御方式。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ＰＴＭＰ型ネットワークにおける通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ADSLやFTTHなどを用いた高速インターネットサービスが、先進国を中心に急速に普及してきた。今後は人口密度の少ない過疎地や発展途上国などへの展開、すなわちデジタルデバイド解消のためのアクセスネットワークの整備が課題となってくる。こうした地域で、短期間で経済性良くアクセス環境を整備する一つの方策として、マイクロ波帯などの無線伝送媒体の利用が考えられる。この実現には、半径数十キロメートルにも及ぶ広域で、伝送媒体を効率良く共有しあう新たなアクセス制御方式の開発が必要である。
【０００３】
HFC（hybrid fiber and coaxial）や加入者無線アクセス（FWA; fixed wireless access）など、広帯域な伝送媒体を1台のハブ装置（以下、SCH; signal conversion
hubと略）を介して複数台の加入者装置（以下、CPE; customer premises equipment）で共有しあうPTMP（point-to-multipoint）型アクセスネットワークでは、長距離伝送にともなう伝送遅延時間の増大を考慮しつつ、資源共有化による伝送効率の向上を
図る必要がある。こうした視点に立って、例えばHFCにおけるDOCSIS（data-over-cable service interface specifications）（非特許文献１、２）式や、衛星通信におけるDAMA（demand assignment multiple access）（非特許文献３）方式などが提案され、また無線アクセス（WiMAX）として標準化されたIEEE 802.16（非特許文献４）においても、DOCSISが採用されている。
【０００４】
これらの方式では、2〜4msec程度の予約周期の中で送信手続きを行い、コネクションを確立してから通信を行う予約型アクセス制御方式（以下、予約方式と略）を採用することが多く、最初のコネクション確立に時間がかかることや、大量のバースト転送要求に対応し難いなどの問題がある。
【０００５】
これに対して、イーサネット（登録商標）（非特許文献５）や無線LAN（IEEE802.11x）（非特許文献６）で多用されているCSMA系の競合型アクセス制御方式（以下、競合方式と略）は、予約方式のような欠点はないものの、その多くは“フレーム送出完了前に衝突検出”という方式上の制約から、最大ネットワーク長が制限され、またスループット特性はネットワーク長や物理伝送速度に強く依存する。このため、半二重方式のギガビットイーサでは、スループット特性の劣化を覚悟の上、短いフレームにはキャリアエクステンションと呼ぶダミーデータを付加（例：最短フレーム64バイトに448バイトを付加）して、最大100mのネットワーク長を実現している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】”Data-over-Cable Service Interface Specifications、 Cable Modem Termination System Network Side Interface Specification、” SP-CMTS-NSII01-960702、 MCNS holdings、 L.P.、 July 1996.
【非特許文献２】”Data-over-Cable Service Interface Specifications、 Cable Modem to Customer Premise Equipment Interface Specification、” SP-CMCI101-960702、 MCNS Holdings、 L.P.、 July 1996.
【非特許文献３】H. Peyravi、 ”Medium Access Control Protocols Performance in Satellite Communications、” IEEE Communications Magazine、 pp.62-71、 March 1999.
【非特許文献４】IEEE Std 802.16-2004、 ”IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems、” Oct. 2004.
【非特許文献５】IEEE Std 802.3-2002、 ”Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications、” 2002.
【非特許文献６】IEEE Std 802.11、 ”Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements - Part11 : Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications、” 1999.
【非特許文献７】小林浩、小澤和義、嘉村幸一郎、森谷修、”PTMP 型アクセスネットワークにおけるSynchronous CSMA/CD、”  信学論（B）、Vol.85-B、No.4、pp.471-479、2002.
【非特許文献８】森谷修、小林浩、”PTMP 型アクセスネットワークにおけるSynchronous CSMA with Multiple CA による衝突確率の低減、”情処学論、Vol.44、No.3、pp.932-941、2003.
【非特許文献９】森谷修、小林浩、”PTMP 型アクセスネットワークにおけるSynchronous CSMA/MCA 方式の衝突回避スロットの可変化、”情処学論、Vol.44、No.8、pp.2208-2217、2003.
【非特許文献１０】森谷修、小林浩、森靖、高橋武宏、”PTMP 型アクセスネットワークにおけるSynchronous CSMA/v-MCA 方式へのフレーム先行送信制御の適用、”情処学論、Vol.48、No.4、pp.1758-1766、2007.
【非特許文献１１】森靖、小林浩、上野洋一郎、森谷修、”サービス利用状況を反映した動的変動トラフィックのモデル化とシミュレーション環境の整備、”信学技報NS2006-11、pp.67-71、2006.
【非特許文献１２】http://www.creativyst.com/cgi-bin/M/Glos/st/ Get-Term.pl?fsGetTerm=Out of Band (2001).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の無線LAN(IEEE802.X)では、具体的には、下記の問題があった。
【０００８】
(1)端末の責任でキャリア検知（CS)やＣＡ手続きを行なう
CSMA/CA方式は、対等分散を前提とするアクセス制御方式であるため、CSやCAごとにDIFSやSIFS、 back-off-timeなどのペイロードの送信に使えない時間が大量に存在するため、２０%〜３０%程度の最大スループットしか得られない。
【０００９】
(2)隠れ端末問題
隠れ端末問題やさらし端末問題回避のため、ペイロードの送信に先立って、RTS/CTSフレームを送信し合い相手先との通信性を確認する方式を適用せざるをえず、その分、スループットの劣化を感受せざるを得ない。
【００１０】
(3)PTMP型トラフィックへの不適合性
アクセスポイント(AP)からの下り方向（AP→CPE)アクセスと、多数のCPEからの上りアクセスとが対等の立場でアクセスし競合しあうため、インターネットやサーバから送られてきた大量の下りトラフィックの送信機会が抑制され、対サービス有効スループットの劣化を招く。
【００１１】
(4)過負荷時耐性の欠如
CAスロットが１つしか用意されないため、(1)、(2)の不合理さとも相まって、NWに規格化負荷トラフィックρが0.3を超える負荷が加わると、急激にスループット特性が劣化して輻輳状態に陥り易くなり、また一旦輻輳状態に陥ると、この状態から抜け出れ難くなるなど、システムの安定性に欠ける。
【００１２】
(5)ネットワーク特性の物理諸元依存性
現行の無線LANの物理諸元（最大NW長：100m、物理伝送速度：100Mbps)では問題とならないが、アクセス制御ごとにRTTによる資源浪費時間が介在するため、現行の諸元を超える拡張は難しい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の発明によれば、ハブ装置を複数の加入者装置で共有しあい、かつハブ装置と加入者装置との間の送信制御を行なうPTMP型ネットワークにおけるハブ装置において、前記ハブ装置と前記複数台の加入者装置との間のＣＡ（衝突回避）フレームの送信を行なう上り制御チャネルと、データフレームの送信を行なうデータチャネルとは異なる帯域が割り当てられ、前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの少なくとも一方が高負荷状態において、前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの負荷に基づいて、前記上り制御チャネル及び前記データチャネルの伝送容量を変更する手段を具備し、前記上り制御チャネルにおけるＣＡフレームの伝送制御と、前記データチャネルのデータフレームの伝送制御とを独立して行なう手段とを具備するハブ装置、である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、S-CSMA/v-MCA方式を説明するための図である。
【図２】図2(a)-(c)は、ネットワークの帯域をほぼ100%消費するような高負荷状態（ρ=1〜2）を想定して、BWCAとBWMACとの帯域配分比を設定した3つのケースについて、SCHでのチャネル占有の様子を示した図である。
【図３】本実施の形態のCA手続きに対するフロー制御を説明するための図である。
【図４】本実施の形態のFull-flying S-CSMA/v-MCA方式の動作を説明するための図である。
【図５】図５は、本実施の形態に係るＰＴＭＰ型アクセスネットワークの構成を示す図である。
【図６】図６は、本実施の形態に係るＰＴＭＰ型アクセスネットワークのSCHの構成を示す図である。
【図７】図７は、本実施の形態に係るＰＴＭＰ型アクセスネットワークのCPEの構成を示す図である。
【図８】図８は、ＳＣＨの状態遷移を示す図である。
【図９】図９は、ＣＰＥの状態遷移を示す図である。
【図１０】図１０は、ＳＣＨの動作を説明するためのフローチャートである。
【図１１】図１１は、ＳＣＨの動作を説明するためのフローチャートである。
【図１２】図１２は、ＣＰＥの動作を説明するためのフローチャートである。
【図１３】図１３(a)、(b)は、帯域配分比の妥当性を評価するための図である。
【図１４】図１４(a)、(b)は、フロー制御の有効性を説明するための図である。
【図１５】図１５は、ＣＡスロット個数の変化を説明するための図である。
【図１６】図１６(a)、（ｂ）は、従来のＮＦ方式、Ｆ方式と、本実施の形態のＦＦ方式との特性を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本実施の形態のfull-flying Synchronous CSMA/v-MCA （carrier sense multiple access with variable multiple collision avoidanace）方式は、PTMP 型ネットワークの特徴を活かし、上り伝送媒体上のキャリア消滅時刻を目掛けて衝突回避（以下、CA と略）手続き用のCA フレームやペイロード送信用のMAC フレームすべてを先行（フライング）送信させることにより、伝送媒体の利用効率を限りなく高めようとするものである。なお、本実施の形態における「先行（フライング）」とは、自転車競技などで用いられている助走発振に近い意味合いで、陸上競技などでのいわゆるフライング(premature start)を意味するものではない。その結果、競合方式の特徴である低遅延特性を維持しながら、数十キロメートルに及ぶネットワーク長や物理伝送速度の影響を受けることなく、予約方式並みの高いスループット特性を実現することができる。
【００１６】
以下、本実施の形態のベースとなったsynchronous CSMA/v-MCA方式（非特許文献７乃至１０）などの概要と方式開発に当たっての課題を整理した後、本実施の形態の詳細を理論性能限界やシミュレーションによる性能評価を示しながら説明する。
【００１７】
[S-CSMA/v-MCA方式]
・PTMP型ネットワークとSynchronous CSMA/v-MCA方式
1台のSCHと複数台のCPEとで上り（CPE→SCH）と下り（SCH→CPE）とに分離した伝送媒体を共有しあうPTMP型ネットワークは、対等分散型制御を基本とするイーサネットなどのLANにはない特徴を備えている。すなわち、対等分散型のアクセス方式ではキャリア検知や衝突検出を個々のCPEが自らの責任において行うが、PTMP型ではCPEに代わってSCHが上り伝送媒体上のキャリア検知や衝突検出を行い、さらにMACフレームなどの送信タイミングを精度よく制御することができる。
【００１８】
図１は、この特徴を利用したS-CSMA/v-MCA方式を説明するための図である。同方式においては、
(1)SCHへの上りフレームの到着を所定のタイミングにビット同期させ、かつSCHでの受信信号レベルを等しくさせる、
(2)SCHは、前回のCA手続きでのアクセス状態をもとに次回のCA手続きで用意すべきCAスロット（CAフレームの受信用タイムスロット）の個数を決定し、CAフレームの送信許可を下りSI（status indication)信号を介して広告する、
(3)送信すべきMACフレームを持つCPEは、広告された複数個のCAスロットの中から1つをランダムに選択しCAフレームを送信する、
(4)SCHはCA手続きに成功したCPEに対して、順に、上り信号（キャリア）がなくなったことを確認してからSI信号を送りMACフレームの送信を指示する、
(5)すべてのMACフレームの送信が完了したら、SCHは(2)に戻り次回のCA手続きを始める、
(6)CA手続きに失敗したCPEは、CAスロットを単位とする2乗バックオフ処理(非特許文献５）を行なった後、再度CA手続きを試みる、
ことを骨子としている。
【００１９】
(1)項について、図1記載の下り伝播遅延時間Tdi、上り伝播遅延時間Tui及び送信タイミングの調整時間Δtiは、CA手続きとは別の制御ウィンドウ(例えば、周期5msec)を用いて、SCHが順番にCPEを指定してレスポン信号を返させ、SCHと当該CPE間の往復伝播遅延時間や信号レベルを計測することによって得られるもので、アクセスの同期化のベースとなる。これにより、同じCAスロットに複数のCAフレームが送信されたときに、それらの先頭から衝突状態に突入させて確実に衝突を検出する、あるいはCA手続きに成功したCPEが送信するMACフレームが他の信号と衝突しないよう送信タイミングを調整することが可能になる。これは、イーサネットなどでは不可避だったネットワーク長やフレーム長に関わる制約を撤廃し得ることを意味するもので、詳細は非特許文献７を参照されたい。
【００２０】
(2)から(6)項はCA手続きに関するもので、SI信号にはCAスロットの個数と、CAフレームやMACフレームの送信を指示する制御情報などが、またCAフレームには衝突検出用のランダムデータや誤り検査符号、MACフレーム長などが記述されている。SCHは受信したCAフレームのビット誤りを検査し、誤りがなければ衝突は起きなかった、すなわちCA手続きに成功したものとして、当該CPEに対して順にSI信号を用いてMACフレームの送信を指示する。
【００２１】
無線LANで用いられているCSMA/CA方式では、端末主導でCA手続きを行い、また1回のCA手続きでMACフレームの送信に至れるのは一つだけである。これに対して、S-CSMA/v-MCA方式では、SCHが非特許文献９に記したアルゴリズムにて、負荷（新規生成とバックオフ処理後の再送）トラフィックに応じてCAスロット個数を可変制御することによって、アクセスの分散化、すなわちCA手続きにおける衝突発生確率を低減している。その結果、低負荷状態ではCAスロット個数が少なくCA手続き時間が短くなるため低遅延時間特性を示し、逆に高負荷状態では多数のCAスロットが用意されCA手続きの成功確率が高くなるため高スループット特性を示す。
【００２２】
しかしながら、同方式では、CA手続きやMACフレームの送信指示ごとに、最大ネットワーク長に依存する最大往復伝播遅延時間（RTT;round trip time）が介在する。このため、ネットワーク長が長くなるほど、あるいは物理伝送速度が速くなるほど、2つのRTTの介在（時間的浪費）によるスループット特性の劣化が顕著になる。同方式の性能を高めるには、送信タイミングの前倒しなどの課題解決が必要なことも指摘されていた（非特許文献９）。
【００２３】
［Flying S-CSMA/v-MCA 方式］
Flying S-CSMA/v-MCA方式は、上記(4)項の代わりに、
(4-1)SCHは、CA手続きの際にCPEに申告させたMACフレーム長やRTTなどをもとに、上りフレームがSCHに到着し終わる時刻（以下、キャリア消滅時刻と呼ぶ）を予測し、
(4-2)同時刻を目掛けてフレームを先行送信するようCPEに指示する、
ことを骨子とする。
【００２４】
これは、キャリア消滅時刻に合せてCAフレームと送信順序が2番目以降のMACフレーム（以下、2ndMAC）を先行送信させることによって、高負荷になるほどRTTの影響が少なくなることを意味する。シミュレーションによる評価の結果、長ネットワーク領域においてスループットの劇的な改善（ネットワーク長40kmにて、S-CSMA/v-MCA方式の最大スループット0.36に対して0.73）が示された。しかしながら、2.5kmでの最大スループット0.80に対して40kmでは10%弱劣化するなど、ネットワーク長が長くなるほど少しではあるが劣化することも確認された（非特許文献１０）。
【００２５】
さらなる性能向上を目指すには、CA手続き後の最初のMACフレーム（以下、1st MAC）も先行送信できなければならない。このためには、(5)項の改善、すなわち、“すべてのMACフレームの送信が完了してから、次回のCA手続きを始める”のではなく、“MACフレームの送信が完了する前に、次回のCA手続きを開始できる”ようにする必要がある。これは、アクセス制御とペイロードの送信が同じ帯域を使用する所謂in-band signaling（以下、IBSと略）方式に起因した問題である。
【００２６】
かつてのアナログ電話網ではIBS方式が採用されていたが、デジタル電話網（ISDNなど）ではout-of band signaling（以下、OBSと略）方式が導入され、多彩な呼制御やサービスの提供が可能になった。この知見をもとに本システムにOBS方式を導入すれば、
アクセス制御とMACフレームの送信を各々独立に進行できるようになり、(5)項の改善によるスループット特性の改善はもとより、遅延時間特性の改善、ひいてはネットワーク長や物理伝送速度に非依存な理想的な性能が得られるものと考えられる。これはまた、通
信品質制御の導入など、システムの拡張性を高める上でも有効なことは、デジタル電話網の例から明らかである。
【００２７】
しかしながら、OBS方式の導入にともなって、例えばMACフレームの送信状態を無視してCA手続きを続ければ、ネットワークの負荷状態によっては、CA手続きに成功したものの送信待ちになったMACフレームが滞積し、遅延特性が急激に劣化する恐れがある。CA手続きに対して何らかのフロー制御を施す必要がある。本実施の形態に係るOBS方式やフロー制御などを組み込んだfull-flying S-CSMA/v-MCA方式によって、これらの課題が解決されることについて説明する。
【００２８】
以下、本実施の形態に係るfull-flying S-CSMA/v-MCA方式について説明する。
【００２９】
なお、本実施の形態は、無線ネットワークに限定されるものではなく、無線と有線伝送媒体とを組み合わせたネットワーク、或いは有線伝送媒体のみから構成されるネットワークにも広く適用可能である。
【００３０】
［Full-flying S-CSMA/v-MCA方式］
・方式の概要
Full-flying S-CSMA/v-MCA方式は、上述の骨子
(5)項の代わりに、
(5-1)CA手続きのためのCAフレームの送信指示と、CA手続き後のMACフレームの送信指示とを独立させ、
(5-2)高負荷状態において、CAチャネル（CAフレーム伝送用の上り回線、上り制御チャネル）とMACチャネル（MACフレーム伝送用の上り回線、データチャネル）の伝送容量の比が適正になるように配分し、さらに
(5-3)CA手続きに成功したものの送信できずに待機させられるMACフレームが滞積していくときは、CA手続きの開始を一時的に遅らせる、
ことを骨子とする。
【００３１】
(5-1)項は、OBS方式の導入によって、CA手続きに成功したすべてのCPEがMACフレームの送信を終えるのを待たずに、次のCA手続きを開始させ、またCA手続きの開始や終了に依存することなく、MACフレームの送信を進められることを意味する。
【００３２】
(5-2)項は、上位層がペイロードを次々に生成する高負荷状態（例えば、正規化負荷トラフィックρ=1〜2程度）において、CAスロット個数に見合った伝送容量をMACチャネルに配分することによって、ネットワークの帯域利用効率をできる限り高めようとするものである。ここで、正規化負荷トラフィックとは、負荷トラフィックを物理伝送速度(CAチャネルとMACチャネルの合計)で正規化したものである。
【００３３】
(5-3)項は、例えば長いMACフレームが集中したとき、送信待ちのMACフレームが一時的に滞積し、遅延時間が急増することがあるが、こうしたときにCA手続きの開始を遅らせ、MACフレームのさらなる滞積を抑制するフロー制御として機能する。
【００３４】
なお、OBS方式は、周波数分割などによりチャネルを物理的に分離するphysical OBS方式と、物理的には同じ帯域を共用しながら時分割などにより論理的にチャネルを分離するphysical IBS/logical OBS方式とに大別できる（非特許文献１２）。両者の実装方法は大きく異なるが、CA手続きとMACフレーム送信指示を独立に進められるのであれば、性能的には大差はない。
【００３５】
まず実装方法を限定せずに一般解としての適正な伝送容量の配分比と、これより導出される理論性能限界を求め、次いで対象モデルを限定して帯域配分とチャネル占有の物理的な意味合い、さらにCA手続きに対するフロー制御の適用法について考察する。
【００３６】
(I)適正な伝送容量の配分比
CA手続きごとにSCHが用意するCAスロットの個数をn、この中の一つをランダムに選択してCA手続きを行おうとするCPEの台数（同時アクセス数）をkとすると、CAフレームを受信しなかったCAスロットの平均個数AN、CAフレームを一つだけ受信(CA手続き成功)したCAスロットの平均個数AS、2つ以上のCAフレームを受信(CA手続き失敗)したCAスロットの平均個数ACは、それぞれ
【数１】
0005594688.tif 000002
【００３７】
で表わされる。
【００３８】
ここで、CA手続きを待っていた複数のCPEが一斉にCA手続きに進むと、n=1では必ずCAフレーム同士の衝突が発生し手続きに失敗する。これを回避するため、本実施の形態では、n>=2に設定している。なお、無線LANのCSMA/CA方式はn=1に相当するが、キャリアセンスを行ってアイドル状態と認識しても、さらにランダムな時間待機してからフレームを送信することによって衝突発生を回避している。
【００３９】
kが多くなるほどANは減少し、逆にACは増加するが、ASはkとnに依存するピーク値を持つ。この平均ピーク値ASmaxは、
【数２】
0005594688.tif 000003
【００４０】
で表され、kがnより1つ少ないか同数となったときにピーク値を持つ。さらにそのとき、CAスロット当たりの平均CA手続き成功確率PSもピーク値
【数３】
0005594688.tif 000004
【００４１】
を持つ。これは、kがnより1つ少ないか同数となったときにPSは最大になる、すなわち予想されるkと同じ個数のCAスロットを設ければ、少なくとも平均36.8％以上のCPEがCA手続きに成功することを意味する（非特許文献８、９）。
【００４２】
また、CAスロット1個あたりの長さ（≒CAフレーム長）をFLCA、MACフレームの平均長をFLMACとすると、n個のCAスロットの収容に必要なCAチャネルの伝送容量CPCAは、同チャネルの占有時間TPCAと伝送帯域BWCAとの積
【数４】
0005594688.tif 000005
【００４３】
で表される。一方、CA手続きで成功が期待されるMACフレームすべてを送信するのに必要なMACチャネルの伝送容量CPMACは、同占有時間TPMACと伝送帯域BWMACとの積
【数５】
0005594688.tif 000006
【００４４】
で表される。したがって、(5-2)項で述べた適正な伝送容量配分比＾mは、
【数６】
0005594688.tif 000007
【００４５】
で表すことができる。
【００４６】
このとき、得られる最大スループット＾φmaxは、
【数７】
0005594688.tif 000008
【００４７】
となる。同式はFLMACとFLCAおよびPSmaxとによって決まる＾mだけで表されていることから、＾φmaxはネットワーク長や物理伝送速度に依存しないことが分かる。
【００４８】
ちなみに、後述の表1に示すように、FLCA=64bits、FLMAC=2838 bits（短フレーム数と長フレーム数の比8:2のときの平均MACフレーム長）とし、またCA手続きが繰返し実行されることから、無限個のCAスロットがランダムにアクセスされると見なしてPSmax ＝ 0:368とすると、＾m = 0:0613を得る。このときの＾φmaxは、(9)式から0.942となるが、これは本実施の形態の方式の理論性能限界を表す。
【００４９】
(II)対象モデルの限定
以後の議論を分かりやすくするため、対象とするモデルを次のように限定する。すなわち、OFDM変調などを用いてCAチャネルとMACチャネルとを周波数分割するphysical OBS 方式を採用し、かつTPCA ≒ TPMACとする実装モデルを考える。したがって、本実装モデルでは、(8)式の適正な伝送容量配分比＾mは、BWCAとBWMACとの帯域配分比
【数８】
0005594688.tif 000009
【００５０】
で表される。
【００５１】
図2は、ネットワークの帯域をほぼ100%消費するような高負荷状態（ρ=1〜2）を想定して、
(a)TPCA＞TPMAC
(b)TPCA＜TPMAC
(c)TPCA≒TPMAC
となるようにBWCAとBWMACとの帯域配分比を設定した3つのケースについて、SCHでのチャネル占有の様子を示したものである。また、図中のTRTTは、SCHが送信を指示してから該フレームがSCHに到着するまでの往復伝播遅延時間を表し、SCHとCPEでの処理時間や送信タイミングの調整時間などもこの中に含まれる。
【００５２】
同図(a)は、適正な配分比に対してBWCAを過小に設定し、TPCA＞TPMACとしたケースである。q回目のCA手続きに成功したすべてのMACフレームを送り終わっても、(q+1)回目のCA手続きが終了しておらず、(q+1)回目のCA手続きの終了後に(q+1)回目のMACフレームの送信が開始される。これは、MACチャネルが100%利用されていない、すなわちネットワークの帯域配分が適切でないことを意味している。
【００５３】
逆に、同図(b)は、BWCAを過大に設定し、TPCA＜TPMACとしたケースである。q回目のCA手続きに成功した全MACフレームの送信にかかる時間に対して、(q+1)回目のCA手続きにかかる時間が短いため、q回目のCA手続きに成功したすべてのMACフレームの送信が完了する前に、(q+1)回目や(q+2)回目のCA手続きが次々に始まる。このために生じるTPMACとTPCAとの時間差ΔTPqは、
Δ TPq = TPMACq - TPCAq (11)
で表される。ただし、TPMACq≦ TPCAqのとき、Δ TPq=0である。
【００５４】
つまり、CA手続きに成功したものの送信できずに待機させられるMACフレームが次々に滞積していく。この状態が持続すると、ネットワークの余剰能力を失い、2乗バックオフ処理によるアクセスの分散化の意味がなくなる、すなわち、競合型アクセス方式の基本動作原理が損なわれることになる。
【００５５】
これらに対して、同図(c)のBWCAを適切に設定し平均TPMACとTPCAとがほぼ等しくなるケースでは、q回目のCA手続きに成功したすべてのMACフレームの送信にかかる時間と、(q+1)回目のCA手続きにかかる時間がほぼ等しくなる。CA手続き間およびMACフレーム送信間に無駄な時間的空白が存在せず、またネットワークの余剰能力を失うこともない。このため、急激な遅延時間の増加を招くことはなく、また各チャネルの利用効率は最も高くなる。すなわち、実装モデルでは、TPCAとTPMACとがほぼ等しくなるようBWCAとBWMACの配分比＾mを設定すればよいことがわかる。
【００５６】
(III)CA手続きに対するフロー制御
前項に基づいて＾mを適切に設定しても、トラフィックが時々刻々変動する実環境では、一時的に遅延時間が急増することは否めない。CA手続きに対するフロー制御は、こうした事態に陥ることを回避しようとするもので、図3に示すようにTPMAC＞TPCAの状態が持続するときは、(11)式の時間差ΔTP分だけCA手続きの開始を遅らせれば、遅延時間の滞積が抑制される。
【００５７】
しかしながら、フロー制御の起動はCA手続きを間引くことになるため、スループットの低下を招く。また、CA手続き間隔の揺らぎにともなって、遅延時間も揺らぐことになる。後者については、MACフレームの滞積によるものが支配的で、無視し得る量である。一方、前者は、瞬間的にTPMAC＞TPCAとなることがあっても、前後のCA手続きがTPMAC≪TPCAであれば、フロー制御を起動させないことによって、低負荷状態でのスループットの若干の低下を抑えられるが(後述のシミュレーションでは、ρ=0:3付近にて1%程度。)、高負荷状態では別の対策が必要になる。すなわち、遅延時間の抑制とスループットの向上という相反する性能指標をバランス良く満たすことが課題となる。後述するフロー制御抑制係数の導入が、一つの解決策を与えよう。
【００５８】
なお、以上の議論では、ρ=1〜2や短長フレーム数比8:2、PSmax=0:368など、いくつかの仮定を設けていたが、実環境ではこれらを満たすことは稀である。したがって、＾mやΔTPなどは方式の具体化に当たっての目安（設計基準）を与えるものと捉えるべきで、上記係数を含むいくつかの係数を導入して後述する考察を加えることとする。
【００５９】
［方式の具体化と有効性評価］
・方式の具体化
図４は、上記実装モデルの具体化例とその動作メカニズムを表したものである。なお、同図では煩雑さを避けるため、SI信号の送信間隔を後述の表1より広げてある。具体的な動作は以下の通りである。
【００６０】
1)SCHがq回目のCA手続き（CAスロット数n）の開始を宣言するSI信号を、(q-1)回目のCAスロット終了予定時刻よりTRTT前に送信（広告）すると、同信号はTdi後にCPEiに到着する。
【００６１】
2)送信すべきMACフレームを持つCPEiが、n個のCAスロットの中の1つをランダムに選択し、所定の送信タイミングΔti=TRTT-(Tdi+Tui)後にCAフレームをCAチャネル上に送信すると、Tui後に、選択したCAスロット位置（図4の例では、1番目のスロット）に到着する。他のCPEについても同様である。
【００６２】
3)SCHでは、受信したCAフレームのビット誤りを検査し、CA手続きの成否を判定する。
【００６３】
4)SCHはSI信号を使って、アクセス結果をビットマップ情報（図4の例では、“1001”）としてCPEに広告する。ただし、MACチャネル上にキャリアが残存しているときは、同キャリアの消滅予測時刻よりTRTT前まで広告を延期する。
【００６４】
5)これを受信したCPEiは、CA手続きに成功したことを知り、Δti後にMACフレームの送信を開始する。
【００６５】
6)SCHは、CPEiからCAフレームで通知されたMACフレーム長をもとに、MACチャネル上のキャリア消滅時刻を予測し、同時刻よりTRTT前に、更新したビットマップ情報（図4の例では、“0001”）を広告する。以後、CA手続きに成功したすべてのMACフレームの送信が完了するまで、5)〜6)項の動作を繰り返す。
【００６６】
7)一方、ビットマップ情報で“0”となっているスロット位置（図4の例では、3番目のスロット）にCAフレームを送信したCPEjとCPE（図示せず）は、CA手続きに失敗したことを知り、バックオフ処理に移行して次回以降のCA手続きに備える。
【００６７】
8)1)〜7)項の動作は繰返し実行されるが、CA手続きに対するフロー制御が施されるときは、ΔTPq分遅らせて、(q+2)回目のCA手続きの開始を宣言する。
【００６８】
1)項〜3)項と4)項〜6)項は、CA手続きとMACフレームの送信指示との独立した進行を、さらに8)項はフロー制御を具体化したものである。また、CAフレームの先行送信は1)項、1st MACは4)項、そして2nd MAC以降の送信は6)項により実行される。
【００６９】
図５は、本実施の形態に係るＰＴＭＰ型アクセスネットワークの構成を示す図である。
【００７０】
同図に示すように、実施の形態に係るＰＴＭＰ型アクセスネットワークでは、ユーザのコンピュータ１（１−１〜１−６）は、ルータ２（２−１〜２−３）を介してＣＰＥ３（３−１〜３−３）に接続されている。各ＣＰＥ３（３−１〜３−３）は、無線ネットワークを介して基地局であるＳＣＨ４に接続されており、インターネット／ルータ５に接続される。
【００７１】
図６は、本実施の形態に係るＰＴＭＰ型アクセスネットワークのＳＣＨの構成を示す図である。
【００７２】
同図において、外部インターフェイス１１は、インターネット／ルータ５とのデータのやりとりを行なうためのインターフェイスである。ＩＰパケット送信バッファ１２は、インターネット／ルータ５から外部インターフェイス１１を介して入力され、ＣＰＥ３に送信されるＩＰパケットを一時的に格納するバッファである。ＭＡＣフレーム生成器１３は、ＩＰパケット送信バッファ１２から出力されるＩＰパケットにＭＡＣフレームを生成して付加し、送信タイミング制御回路１８からの送信タイミング制御信号にしたがって、変調器１４に出力する。変調器１４は、ＳＩ信号生成器１７にて生成されたＳＩ信号やＭＡＣフレーム生成器１３にて生成されたＭＡＣフレームをキャリア／クロック発生器１９からのキャリア／クロックで送信タイミング制御回路１８からの送信タイミング制御信号にしたがって変調し、周波変換器１５に出力する。周波数変換器１５は、変調器１４から出力された変調信号をキャリア／クロック発生器１９からのキャリア／クロックでアップコンバートし、送信電力増幅器１６に出力する。送信電力増幅器１６は、周波数変換器１５からのアップコンバートされた変調信号の電力を増幅し、分岐器２０を介してアンテナ２１に出力する。これにより、ＳＣＨ４からＣＰＥ３に無線ネットワークを介して信号（データ）が送信される。
【００７３】
ＣＰＥ３から送信され、アンテナ２１にて受信されたＣＡフレーム、ＭＡＣフレームなどのフレームは、分岐器２０を介して受信増幅器２２に入力される。受信増幅器２２は、受信したフレームを増幅し周波数変換器２３に出力する。周波数変換器２３は、受信増幅器２２から出力されたフレームをキャリア／クロック発生器１９からのキャリア／クロックでダウンコンバートし、復調器２４に出力する。復調器２４は、周波数変換器２３からのダウンコンバートされたフレームをキャリア／クロック発生器１９からのキャリア／クロックにしたがって復調し、フレーム種別判別器２５に出力する。フレーム種別判別器２５は、復調器２４からのダウンコンバートされたフレームの種別の判別を行なう。ＣＡフレーム分析器２６は、フレーム種別判別器２５にて判別されたＣＡフレームを分析し、その分析の結果に基づいて、ＳＩ信号生成器１７にＳＩ信号の生成指示を出力する。ＳＩ信号生成器１７は、ＣＡフレーム分析器２６からのＳＩ信号の生成指示及び送信タイミング制御回路１８からの送信タイミング制御信号にしたがって、ＳＩ信号を変調器１４に出力する。ＭＡＣフレーム分解器２７は、フレーム種別判別器２５にて判別されたＭＡＣフレームを分解し、ＩＰパケットをＩＰパケット受信バッファ２８に出力する。ＩＰパケット受信バッファ２８は、外部インターフェイス１１を介してインターネット／ルータ５に送信されるＭＡＣフレーム分解器２７からのＩＰパケットを一時的に格納する。
【００７４】
図７は、本実施の形態に係るＰＴＭＰ型アクセスネットワークのＣＰＥの構成を示す図である。
【００７５】
同図において、外部インターフェイス３１は、ユーザのコンピュータ１とのデータのやりとりを行なうためのインターフェイスである。ＩＰパケット送信バッファ３２は、コンピュータ１から外部インターフェイス３１を介して入力され、ＳＣＨ４に送信されるＩＰパケットを一時的に格納するバッファである。ＭＡＣフレーム生成器３３は、ＩＰパケット送信バッファ３２から出力されるＩＰパケットにＭＡＣフレームを生成して付加し、送信タイミング制御回路３８からの送信タイミング制御信号にしたがって、変調器３４に出力する。変調器３４は、ＣＡフレーム生成器３７にて生成されたＣＡフレームやＭＡＣフレーム生成器３３にて生成されたＭＡＣフレームをキャリア／クロック同期再生器３９からのキャリア／クロックで送信タイミング制御回路３８からの送信タイミング制御信号にしたがって変調し、周波変換器３５に出力する。周波数変換器３５は、変調器３４から出力された変調信号をキャリア／クロック同期再生器３９からのキャリア／クロックでアップコンバートし、送信電力増幅器３６に出力する。送信電力増幅器３６は、周波数変換器３５からのアップコンバートされた変調信号の電力を増幅し、分岐器２０を介してアンテナ４１に出力する。これにより、ＣＰＥ３からＳＣＨ４に無線ネットワークを介して信号（データ）が送信される。
【００７６】
ＳＣＨ４から送信され、アンテナ４１にて受信されたＣＡフレーム、ＭＡＣフレームなどのフレームは、分岐器４０を介して受信増幅器４２に入力される。受信増幅器４２は、受信したフレームを増幅し周波数変換器４３及びキャリア／クロック同期再生器３９に出力する。周波数変換器４３は、受信増幅器４２から出力されたフレームをキャリア／クロック同期再生器３９からのキャリア／クロックでダウンコンバートし、復調器４４に出力する。復調器４４は、周波数変換器４３からのダウンコンバートされたフレームをキャリア／クロック同期再生器１９からのキャリア／クロックにしたがって復調し、フレーム種別判別器４５に出力する。フレーム種別判別器４５は、復調器４４からのダウンコンバートされたフレームの種別の判別を行なう。ＳＩ信号分析器４６は、フレーム種別判別器２５にて判別されたＳＩ信号を分析し、その分析の結果に基づいて、ＣＡフレーム生成器３７にＣＡフレームの生成指示を出力する。ＣＡフレーム生成器３７は、ＳＩ信号分析器４６からのＣＡフレームの生成指示及び送信タイミング制御回路３８からの送信タイミング制御信号にしたがって、ＣＡフレームを変調器３４に出力する。ＭＡＣフレーム分解器４７は、フレーム種別判別器４５にて判別されたＭＡＣフレームを分解し、ＩＰパケットをＩＰパケット受信バッファ４８に出力する。ＩＰパケット受信バッファ４８は、外部インターフェイス３１を介してコンピュータ１に送信されるＭＡＣフレーム分解器４７からのＩＰパケットを一時的に格納する。
【００７７】
図８は、ＳＣＨの状態遷移を示す図である。
【００７８】
同図に示すように、初期状態Ｊ１にあるＳＣＨは、上りＭＡＣフレーム消滅時刻から送信タイミングを計算し、この計算された送信タイミングで送信許可をＳＩ信号を介してＣＰＥに送信し、状態Ｊ２に遷移する。状態Ｊ２では、ＲＴＴの間、ＣＰＥからのＣＡフレームの受信を待ち、ＲＴＴの間にＣＡフレームを受信しない場合には、状態Ｊ１に戻る。
【００７９】
一方、ＳＣＨがＣＡフレームを受信した場合には状態Ｊ３に遷移し、ＣＡ送信許可の送信待ちの状態Ｊ３になる。状態Ｊ３では、下りＳｉタイミング待ち或いはフロー制御の状態である。
【００８０】
送信タイミング（Ｓｉタイミング）に達すると、ＣＡ送信許可を各ＣＰＥｉに送信しＭＡＣフレーム受信待ちの状態Ｊ４に遷移する。また、ＣＡ送信許可が所定時間でない場合には、状態Ｊ２に戻る。
【００８１】
状態Ｊ４は、ＭＡＣフレームの受信待ちの状態である、所定時間ＭＡＣフレームを受信できない場合には、状態Ｊ３に戻り、ＭＡＣフレームをいずれかのＣＰＥから受信した場合には、状態Ｊ５に遷移する。
【００８２】
状態Ｊ５は、ＭＡＣフレームの受信の終了待ちの状態であり、ＭＡＣフレームの受信を終了し、かつ次のＣＰＥがある場合には状態Ｊ３に遷移し、ＭＡＣフレームの受信を終了し、かつ次のＣＰＥがない場合には、状態Ｊ１に遷移する。
【００８３】
図９は、ＣＰＥの状態遷移を示す図である。
【００８４】
同図に示すように、初期状態Ｊ１１にあるＣＰＥは、送信ＭＡＣフレームがある場合には、状態Ｊ１２に遷移する。状態Ｊ１２はＣＡ送信許可の受信待ちの状態であり、ＣＡ送信許可を受信すると状態Ｊ１３に遷移する。一方、ＲＴＴを経過してもＣＡ送信許可を受信しない場合には初期状態Ｊ１１に遷移する。
【００８５】
状態Ｊ１３では、送信タイミング調整時間Δｔｉ後、ＳＣＨにＣＡフレームを送信し、状態Ｊ１４に遷移する。状態Ｊ１４は、ＭＡＣフレーム送信許可の受信待ちの状態であり、ＭＡＣフレーム送信の許可がでた場合には状態Ｊ１６に遷移する。一方、ＭＡＣフレーム送信の許可ができない場合には、状態Ｊ１３に遷移する。さらに、ＭＡＣフレーム送信許可が失敗、すなわち、ＭＡＣフレーム送信が衝突した場合には、状態Ｊ１５に遷移する。
【００８６】
状態Ｊ１５は、送信バックオフ待ちの状態であり、送信バックオフ処理後、状態Ｊ１２に遷移する。状態Ｊ１６はＭＡＣフレーム送信終了待ちの状態であり、ＭＡＣフレームの送信終了待ちの状態の後、ＭＡＣフレーム送信中の状態Ｊ１７に遷移し、ＭＡＣフレームの送信終了後、初期状態Ｊ１１に遷移する。
【００８７】
図１０及び図１１は、ＳＣＨの動作を説明するためのフローチャートである。
【００８８】
まず、ＳＣＨは、ＭＡＣ受信消滅時刻t1の値があるか否かの判断を行なう（Ｓ１）。Ｓ１において、t1の値がないと判断された場合には、t1＝0として（Ｓ２）、Ｓ３の処理に移る。また、Ｓ１において、t1の値があると判断された場合にもＳ３の処理に移る。
【００８９】
Ｓ３においては、現在時刻ｔがｔ＞ｔ１であるか否かの判断が行なわれる（Ｓ３）。Ｓ３において、現在時刻ｔがｔ＞ｔ１であると判断された場合には、後述するＳ１１においてＣＡチャネルとＭＡＣチャネルとの伝送容量（帯域配分）が変更されている場合には、変更された伝送容量を各ＣＰＥに広告する（Ｓ４）。なお、Ｓ４における伝送容量の通知は、Ｓ１９のＭＡＣ送信許可の前に行なわれも良い。次に、ＣＡ送信許可を送信し（Ｓ５）、タイマT_rtt=RTT時間にセットし（Ｓ６）、ＣＡフレームを受信したか否かの判断が行なわれる（Ｓ７）。
【００９０】
Ｓ７において、ＣＡフレームを受信していないと判断された場合には、タイマT_rttを経過時間だけ減算し（Ｓ８）、タイマT_rtt≦0であるか否かの判断が行なわれる（Ｓ９）。タイマT_rtt≦0ではないと判断された場合には、Ｓ７の処理に戻る。タイマT_rtt≦0であると判断された場合には、動作終了するか否かの判断が行なわれ（Ｓ１０）、動作を終了しないと判断された場合には、Ｓ１の処理に戻り、動作を終了すると判断された場合には、動作を終了する。
【００９１】
一方、Ｓ７において、ＣＡフレームを受信したと判断された場合には、各スロット毎のアクセス状態から帯域負荷を計算し、計算された帯域負荷が予め定められた負荷に達した場合には伝送容量（帯域配分）を変更する（Ｓ１１）。次に、アクセスが成功したＣＰＥがあるか否かの判断が行なわれ（Ｓ１２）、アクセスが成功したＣＰＥがないと判断された場合には、Ｓ５の処理に戻る。一方、アクセスが成功したＣＰＥがあると判断された場合には、フロー制御計算（ＭＡＣの滞積状態の確認）を行ない（Ｓ１３）、その滞積状態に基づいてフロー制御が必要か否かの判断が行なわれる（Ｓ１４）。
【００９２】
Ｓ１４において、フロー制御が必要であると判断された場合には、待機時間を計算し（Ｓ１５）、待機時間タイマを起動し（Ｓ１６）、待機時間が終了したか否かの判断が行なわれる（Ｓ１７）。
【００９３】
なお、図１０及び図１１では、ＳＣＨにおいてフロー制御Ｓ１５〜Ｓ１７を実行する場合について示したが、ＣＰＥにおいてフロー制御を実行しても良い。この場合には、ＳＣＨにおいて、Ｓ１３におけるフロー制御計算を実行し、Ｓ１４においてフロー制御が必要か否かの判断を行ない、フロー制御が必要であると判断された場合には、フロー制御が必要であることを各ＣＰＥに通知する。各ＣＰＥは、ＳＣＨからフロー制御が必要であることが広告された場合には、Ｓ１５〜Ｓ１７のフロー制御を実行する。
【００９４】
Ｓ１７において待機時間が終了したと判断された場合及びＳ１４においてフロー制御が必要ではないと判断された場合には、ＣＰＥｉの選択が行なわれる（Ｓ１８）。
【００９５】
次に、選択されたＣＰＥｉに対してＭＡＣ送信許可を送信し（Ｓ１９）、タイマTmac=T_MACiと設定し（Ｓ２０）、タイマTmacの減算を開始し（Ｓ２１）、Tmac>0であるか否かの判断が行なわれる（Ｓ２２）。Tmac>0ではないと判断された場合には、残りのＭＡＣ送信待ちＣＰＥｉがあるか否かの判断が行なわれ（Ｓ２３）、残りのＭＡＣ送信待ちＣＰＥｉがあると判断された場合には、Ｓ１８の処理に戻る。
【００９６】
一方、残りのＭＡＣ送信待ちＣＰＥｉがないと判断された場合には、ＭＡＣ受信消滅時刻ｔ１を計算し（Ｓ２４）、ｔ１−現在時刻ｔ−T_rtt≦０であるか否かの判断が行なわれる（Ｓ２５）。Ｓ２５において、ｔ１−現在時刻ｔ−T_rtt≦０ではないと判断された場合には、Ｓ２４に戻り、ｔ１−現在時刻ｔ−T_rtt≦０で有ると判断された場合には、Ｓ１の処理に戻る。
【００９７】
図１２は、ＣＰＥの動作を説明するためのフローチャートである。
【００９８】
まず、ＣＰＥは、送信ＭＡＣフレームがあるか否かの判断を行なう（Ｓ３１）。Ｓ３１において、送信ＭＡＣフレームが存在しないと判断された場合は、通信終了か否かの判断を行ない（Ｓ３２）、通信処理を終了と判断された場合には処理を終了する。一方通信終了ではないと判断された場合には、Ｓ３１の処理に戻る。
【００９９】
Ｓ３１において、送信ＭＡＣフレームがあると判断された場合には、次に、ＣＡ送信許可をＳＣＨから受信したか否かの判断が行なわれる（Ｓ３３）。ＣＡ送信許可を受信したと判断された場合には、ＳＣＨから伝送容量（帯域配分）の変更が広告されている場合には、広告された伝送容量に基づいてＣＡチャネル及びＭＡＣチャネルの伝送ビットレートを変更し（Ｓ３４）、送信タイミングの調整時間Δtiを待ち（Ｓ３５）、ＣＡフレームを送信する（Ｓ３６）。
【０１００】
次に、ＭＡＣフレーム送信許可を受信したか否かの判断が行なわれ（Ｓ３７）、受信したと判断された場合には、ＭＡＣフレームが送信可能か否かの判断が行なわれる（Ｓ３８）。ＭＡＣフレームが送信可能ではないと判断された場合には、バックオフ処理が行なわれ（Ｓ３９）、Ｓ３３の処理に戻る。
【０１０１】
一方、Ｓ３８において、ＭＡＣフレームが送信可能であると判断された場合には、自己の送信許可であるか否かが判断され（Ｓ４０）、自己の送信許可ではないと判断された場合にはＳ３７の処理に戻り、自己の送信許可であると判断された場合には、Δｔｉだけ待ち（Ｓ４１）、ＭＡＣフレームの送信が行なわれ（Ｓ４２）、Ｓ３１の処理に戻る。
【０１０２】
なお、本実施の形態においては、フロー制御に加えて帯域容量を変更する手段を有する動作について説明したが、帯域容量を変更する手段がないシステムであっても良い。この場合であっても、フロー制御によりスループットの向上が図られることになる。具体的には、図１０に示したＳＣＨのフローチャートのＳ４及びＳ１１、図１２に示したＳ３４における処理が省略されても良い。
【０１０３】
・シミュレーションによる特性評価
アクセス制御方式の優劣は、スループットと遅延時間を目的関数とし、負荷トラフィックやネットワーク長、平均フレーム長などを変数として評価することが一般的である。これと同じ視点に立って、提案方式の有効性を評価するために、表1に示す本システムが対象領域とするネットワーク環境条件（上り物理伝送速度の対象領域を5〜20Mbpsとしているが、トラフィックが多い下り方向の帯域を広く（例えば、上りの4倍）し、またセクタアンテナを用いて限られた無線帯域を繰り返し使用（例えば、15セクタ、3周波数繰り返し）すれば、ギガビット級のアクセスネットワークを構成できる。）にてシミュレーションを行った。表中のn=32は、前述したCAスロット個数の可変制御における上限個数の適正値とされるもので、詳細は文献9、10を参照されたい。
【表１】
0005594688.tif 000010
【０１０４】
シミュレーションでは、コンピュータ上に1 bit time（MACチャネル上での1ビットあたりの伝送時間に換算した単位）をシステムクロックとする1台のSCHと最大5000台まで同時動作可能なCPEを構築し、上述の図4および1)〜8)項の動作をSI信号の送信間隔（256bit-times）を単位に状態遷移するよう実装した。また、筆者らのキャンパスでの実測に基づいたトラフィックモデルの一つである短長MACフレーム数比8:2にて、上位層からIPパケットがポアソン到着し、同パケットのMACフレーム送信が完了するまで新たなパケットは到着しないものとした（非特許文献１１）。
【０１０５】
ある印加（新規生成）トラフィック条件にてシミュレーションを開始してから、負荷トラフィックが定常状態になるまで約2:5×107bit-times（物理伝送速度が10Mbpsであれば約2.5秒）を要するため、3×107から5:5×107bit-timesまでの間を観測ウィンドウ期間（Δw）とし、その間の平均値を求めた。さらに、印加トラフィックによるシミュレーション結果の偏りを防ぐため、初期値を変えて5回シミュレーションを行って計5個の平均値を求め、その平均値を観測データとして採用した。ちなみに、以下のシミュレーション結果において、ρ=1付近での5個のスループット平均値の標準偏差は、平均値の2%以下であった。また、Δwの間に送信に成功したMACフレームの新規生成から送信完了までに要した時間と、Δwの間に再送に失敗し廃棄されたMACフレームの新規生成から廃棄までに要した時間の和を、Δwの間に送信に成功したMACフレーム数で除したものを遅延時間とした。スループットと同様にして求めたρ=1付近での5個の遅延時間平均値の標準偏差も、平均値の2%以下であった。
【０１０６】
シミュレーションプログラムは、ρ≪1、ρ=1、最大スループット、短長MACフレーム数比0:10など、いくつかの特異点での理論計算値との照合や、シミュレーション結果と実装した動作との対応付けなどを通して、動作の正当性を検証した。
【０１０７】
なお、以下の記述では、先行送信を適用しないSCSMA/v-MCA方式をNF方式、CAフレームと2ndMAC以降の先行送信を行うflying S-CSMA/v-MCA方式をF方式、さらに1st MACも先行送信の対象とするfull-flying S-CSMA/v-MCA方式をFF方式と
略することとする。
【０１０８】
(I)帯域配分比＾mの妥当性
(10)式で示した＾mの妥当性を評価するため、＾mにCA帯域拡大係数βを乗じて、表1の基準値（32スロット固定）にてシミュレーションを行った。ここに、β＞1はBWCAをβ倍に広げTPCAを短縮する、すなわち図2(b)のTPCA＜TPMACに陥り、MACフレームが滞積しやすくなることを意味する。
【０１０９】
図１３は、βによる特性の変化を示したものである。なお、同図の理論限界値はρ<1のときは(BWMAC×ρ)=(BWMAC+BWCA)、ρ>=1のときはBWMAC=(BWMAC+BWCA)として算出したものである。
【０１１０】
（a）スループット特性
同図(a)のスループット特性では、βを大きくするほど、より過負荷領域（ρ＞2）まで90%近いスループットを発揮することが分かる。この90%近い最大スループットは、(9)式から求めた理論性能限界＾φmax=0:942に迫るもので、FF方式が高い潜在能力を持つことが確認される。
【０１１１】
（b）遅延特性
同図(b)の遅延特性では、βが大きいほど、ρ=1付近から急激に遅延時間が増えているが、これはMACフレームの滞積によるもので、2乗バックオフ処理が意味をなさないことが分かる。逆に、βが1に近づくにつれて、高いスループットが得られなくなるものの、遅延時間の増加が緩やかになることが分かる。
【０１１２】
また、上例では短長MACフレーム数比を8:2としたが、10:0と0:10についても、(10)式により＾mを求めシミュレーションを行ったところ、ほぼ同じ傾向が認められた。これらから、TPCAとTPMACとがほぼ等しくなるようBWCAとBWMACの配分比を設定することは、有意なものと考えられる。
【０１１３】
(II)フロー制御の有効性
CA手続きに対するフロー制御の有効性を評価するため、前述の(11)式にフロー制御抑制係数γを付加した
ΔTPq=TPMACq-γ×TPCAq (12)
を用いて、β=1:7を例に、（I）と同じ条件でシミュレーションを行った。ただし、TPMACq≦TPCAqのとき、ΔTPq=0である。ここに、γ=∞はフロー制御を行わないことを、γ=1は(11)式に基づいてフロー制御を施すことを意味する。なお、フロー制御は2回以上連続してTPMAC＞TPCAとなったときに適用することとした。
【０１１４】
図１４はγによる特性の変化を示したもので、γを大きくするほど良好なスループット特性が得られるものの、フロー制御が起動し難くなるため、ρ=1〜5付近でMACフレームの滞積による遅延時間が急増することが分かる。逆にγを1に近づけるほどスルー
プットは抑制されるが、遅延時間の急激な増加も抑えられ、フロー制御が着実に機能していることが分かる。なお、γ=1:3では、4＜ρの過負荷状態になると遅延時間の急増が抑制される現象が見られる。これは、1＜ρ＜4ではMACフレームの滞積による遅延時間が支配的なのに対して、4＜ρではCA手続き失敗による再送や廃棄による遅延時間が支配的になるためである。
【０１１５】
以上から、β=1:7のとき、γ=1:2付近に遅延時間の抑制とスループットの向上とがほど良くバランスした適正値が存在することが分かる。
【０１１６】
(III)従来方式との特性比較
従来方式のNF方式やF方式では、ネットワーク長が長いほど、また物理伝送速度が速いほどスループット特性は劣化するが、FF方式ではこれらの影響を受けない理想的な特性の実現が期待される。これを確認するべく、これら3方式（いずれもCAスロット個数は可変）について、表1の基準値を中心に適用領域内での特性比較を行った。
【０１１７】
なお、CAスロットの可変制御では、前回のCA手続きでのアクセス状況やCA手続きの時間間隔をもとに、次回のCA手続きで用意すべきCAスロット個数nを決定する。この中で用いられる予測上限危険率αは、同時アクセス数の過少推定によるnの不足を避けるための係数である。CA手続きの間にMACフレームの送信を挟むNF方式やF方式は、CA手続きの間隔が大きく変動し、nの過不足を生じやすいため、文献9、10と同じα=8を採用し、変動幅が少ないFF方式はα=1とした（非特許文献９参照）。
【０１１８】
また（I）と（II）の評価結果をもとにβ=1:7、γ=1:2とした。
【０１１９】
図１５は、ρに対するnの変化の様子を示したもので、NF方式とF方式はρ=1付近ですでに10個以上のCAスロットが用意されること、一方、FF方式はρ=2付近までnの増加が抑えられていることが分かる。これはαの違いを反映したものであるが、その根本はIBS方式とOBS方式との方式上の違いによる。
【０１２０】
図１６は、前出の例と同じ短長MACフレーム数比にて、ネットワーク長（2.5、10、40km）と物理伝送速度（5、10、20Mbps）とを組み合わせたいくつかのケースについて、特性比較を行なった例である。また、同図においては、802.11a無線ＬＡＮの特性も記載している。
【０１２１】
（a）スループット特性
同図(a)のスループット特性において、FF方式についての5ケースの折れ線グラフが重なり合い、ネットワーク長や物理伝送速度に依存することなく、ほぼ同じ特性を示すことが確認される。そしてFF方式は、F方式（2.5〜40km、10Mbps）に対して12〜21%、NF方式(10〜40km、10Mbps)に対して38〜142%高いスループットが得られることが分かる。
【０１２２】
（b）遅延特性
同図(b)の遅延特性についても、FF方式はρ=2〜4付近でMACフレームの滞積による遅延時間の増加がやや見受けられるものの、5ケースがほぼ同じ特性を示している。そして、例えばρ=0:6付近（10km、10Mbps）で、F方式やNF方式の遅延時間はそれぞれ1.5msec、2.0msecであるが、FF方式は0.9msecと半分前後まで減少しており、良好な遅延時間特性を示すことが分かる。
【０１２３】
以上から、FF方式は低遅延特性を維持しながら、ネットワーク長や物理伝送速度に非依存な高いスループット特性を発揮することが確認される。
【０１２４】
なお、FF方式のρ=3付近での最大スループットは理論性能限界＾φとは6%程度の乖離であるが、ρ=1付近では約20%の乖離が見られる。この乖離は、αやβ、γの精査によって、いくばくかの改善が可能かと思われるが、2乗バックオフ処理によってネットワークの余剰能力を確保し、大量のバースト転送要求に柔軟に応じようとすることが原因と考えられる。
【０１２５】
本実施形態によれば、上りチャネル上のキャリア消滅時刻を目掛けてCAフレームやMACフレームすべてを先行送信させ、上り伝送媒体の利用効率を限りなく高めようとするfullflyingS-CSMA/v-MCA方式を開発した。方式実現に当たってのポイントの一つは、柔軟なアクセス制御が可能なOBS方式の導入により、CA手続きとMACフレームの送信指示を独立に進行できるようにしたことである。しかしながら、高負荷状態ではCA手続きに成功したもののMACフレームを送信できずに待機させられるCPEが滞積し、遅延時間が急増する問題が発生した。CAチャネルとMACチャネルの帯域配分比＾mを適正に設定し、さらにCA手続きに対してフロー制御を施すことによって、この問題が解決できることを示した。
【０１２６】
理論計算とシミュレーションにより特性を評価した結果、競合方式の特徴である低遅延特性を維持しながら、数十キロメートルに及ぶネットワーク長や物理伝送速度に依存することなく、90%近い最大スループットを発揮することを確認した。
【０１２７】
＾mはネットワーク上を流れる短長MACフレーム数比に依存する。SCHにてこれを逐一把握し、OFDM変調や拡散変調などと組み合わせて＾mを適応的に制御すれば、ネットワークをより適正な状態に保つことができよう。
【０１２８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１２９】
１７…ＳＩ信号生成器、１８…送信タイミング制御回路、２５、４５…フレーム種別判別器、２６…ＣＡフレーム分析器、２７、４７…ＭＡＣフレーム分解器、３７…ＣＡフレーム生成器、３８…送信タイミング制御回路、４６…ＳＩ信号分析器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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