(57)【要約】【課題】  無線パケットの衝突を起こすことなくインフラストラクチャ通信モードと直接通信モードを共存できる無線通信システムを提供する。【解決手段】  インフラストラクチャ通信モードと直接通信モード双方の機能を持った第一の移動端末は、実際の無線パケット長よりも長い通信路占有時間情報を含んだ無線パケットを送信し、他の移動端末が仮想的キャリアセンスによってパケット送信を停止している期間を用いて第二の移動端末と直接通信を行う。【選択図】  図１
2006222833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
衝突回避型キャリアセンス多元接続によって単一の無線周波数チャネルを複数の端末局とアクセスポイントが共有して無線通信を行う無線通信システムにおいて、
前記無線通信システムは前記アクセスポイントによって制御される第一の通信モードと前記端末局同士が直接に通信する第二の通信モードを持ち、
前記複数の端末局およびアクセスポイントは通信路占有時間情報を含んだ無線フレームを送信し、
前記複数の端末局およびアクセスポイントは前記無線フレームを受信した場合に前記通信路占有時間情報に従って通信路が占有されている期間は無線フレームの送信を停止し、
前記複数の端末局に含まれる第一の移動端末は前記第一の通信モードおよび前記第二の通信モードの両方を用いて通信を行う能力を持ち、
前記第一の移動端末は実際の無線フレーム長よりも長い通信路占有時間情報を含んだ制御フレームを送信し、
前記第二の通信モードで前記第一の移動端末と通信を行う第二の移動端末は前記制御フレームを受信し、
前記第二の移動端末は前記制御フレームの送信終了から前記通信路占有時間が終了するまでの期間に前記第一の移動端末に対して直接に無線フレームの伝送を行うことを特徴とする無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は無線伝送路を利用して通信を行う複数の移動端末と、当該移動端末の接続制御を行うための基地局となるアクセスポイントを含んだ無線通信システムに関するものであり、特にアクセスポイントによって制御されるアクセス方式を用いたインフラストラクチャ通信モードと、移動端末同士の直接通信モードの双方を利用することのできる無線通信システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、無線LANシステムは通信ケーブルに拘束されない可搬性の優れたネットワークシステムとして利用されており、近年は特に、無線通信区間の伝送速度の向上や、ノート型パソコンの普及、モバイル通信に適したアプリケーションの出現などにより、飛躍的な普及を見せている。とりわけ2.4GHｚや5GHｚ帯の電波を用いた無線LANシステムとして、IEEE802.11規格群によって規定された無線LANシステムが一般的に普及している。
【０００３】
このような無線LANシステムの長所としては、ケーブル接続が不要で居室内の自由な機器レイアウトが可能となるといった特徴のみならず、さらに移動端末としての携帯性を考えると、接続ポイントの近傍であれば、例えば企業内の居室、会議室など異なる場所においても社内基幹LANに自由に接続が可能となり、あらゆる場所で自分の机での作業と同じことができる非常に便利なシステムである。さらに近年では、通称ホットスポットと呼ばれる接続サービス提供者による屋外での接続点から、自分の所有する端末を用いてインターネットに接続することもできるようになっている。
【０００４】
図５は一般的な無線LANシステムのシステム構成図を表している。本無線LANシステムは、ステーションと呼ばれる複数の移動端末13A〜13C、およびアクセスポイント11と呼ばれる基地局から構成されている。さらにアクセスポイント1１は有線ネットワーク12にも接続され、無線通信によるデータパケットを有線ネットワーク12へブリッジする機能なども併せ持つ。無線LANシステムでは、すべての局はそのネットワークに割り当てられた単一の無線チャネルを共有して利用するので、パケットの衝突を回避するためにMedia Access Control（MAC）プロトコルによって各局のパケット送信タイミングが制御される。MACプロトコルとして無線LANシステムではCSMA/CAと呼ばれる方式が用いられるが、本CSMA/CA方式では、各局はパケットの送信に先立って定められた期間、無線媒体に対してキャリアセンスを行い、無線媒体が占有されていないことを確認した後にパケットの送信を開始する。無線LANに用いられているMACプロトコルでは、キャリアセンスによるCSMA/CAを基本としたディストリビューション・コーディネーション・ファンクション（DCF）や、アクセスポイントからポーリングによる制御を行うポイント・コーディネーション・ファンクション（PCF）などを採用することにより多元接続機能を実現している。このようにアクセスポイントの制御の元で運用される無線LANの形態はインフラストラクチャモードと呼ばれ、本動作モードを管理することがアクセスポイントの主な役割である。
【０００５】
しかしながら、物理的な通信信号を検出するキャリアセンスによるCSMA/CAアクセス方式では、パケット受信期間中に通信路が障害物によって遮断された場合など、実際には通信が継続されているにもかかわらず受信機がキャリア検出を失う事態が生じるおそれがある。あるいは、インフラストラクチャネットワークではデータ通信はアクセスポイントを経由して移動端末間で行われるため、必ずしもすべての移動端末が互いに直接的に通信を行えるわけではない。すなわち、ある移動端末が電波を送信しているにもかかわらず、この無線信号を他の移動端末がキャリア検出できない状況が生じ、この結果CSMA/CAが正常に機能しなくなる場合がある。このような状況は一般的に隠れ端末問題と呼ばれている。
【０００６】
以上のように物理的なキャリアセンス機能のみでアクセス制御を行うことには限界があるため、IEEE802.11規格に定められた無線LANシステムでは、さらに信頼性の高いアクセス方式としてバーチャル・キャリア・センスを採用している。ここで、図４においてIEEE802.11規格で使用される無線フレームのパケット構成の一例をしめす。このパケットはデータフレームと呼ばれる種類のパケットの一例であり、MACヘッダ部31、フレームボディ部32、フレーム・チェック・シーケンス(FCS)部33から構成されている。さらにMACヘッダ部31内のDurationフィールド34には、当該無線フレームの送信に必要な時間が通信路占有時間情報として記載されている。
【０００７】
ここで、前述した図５による無線LANシステムにおいて、バーチャル・キャリア・センスを用いて無線パケット通信を行う場合の移動端末13A〜13Cおよびアクセスポイント11の動作を示したタイミング図が図６である。まず、アクセスポイント(AP)からステーションA(STA-A)に対して無線パケット通信が行われるとする。このとき、APが送信しているデータフレーム20にはMACヘッダ部21が含まれており、このMACヘッダ部21を受信し解析したSTA-Aは自分宛てのデータフレームであることを認識し、本データフレームの受信を行う。そしてSTA-Aはデータフレームの受信が終了すると、APに対してデータ受信が完了したことを伝えるためにACKフレーム23を返送する。
【０００８】
一方、ステーションB(STA-B)も同様にデータフレーム20を検出しMACヘッダ部21を解析する。STB-Bはこのデータフレームが自分宛てでは無いことを認識するので、MACヘッダ以降のフレームボディおよびFCSの受信は行わないが、MACヘッダ部21に含まれるDurationフィールドの値を自分の持っているバーチャル・キャリア・センス用のカウンタにセットする。このDurationフィールドの値は、このパケット伝送によって通信路が占有される時間が記載されており、この値はIEEE802.11規格ではネットワーク・アロケーション・ベクタ(NAV)と呼ばれる。STB-Bは、このようにデータフレーム20から得られたNAV期間だけタイマ計測を行い、この期間は通信路がデータフレームによって占有されているものと判断し、パケット衝突を避けるためにこの期間中は自局からのパケット送信を停止しておく。
【０００９】
以上説明したように、パケット先頭に含まれる通信路の占有時間情報に従ってパケット送出を休止することによってパケット伝送の衝突を防ぐ方式がバーチャル・キャリア・センスであり、この方式を用いることで、万が一パケット伝送中に伝搬路特性の変動などによって物理的なパケット受信が途絶えた場合であっても、正常にキャリアセンスした時と同様にCSMA/CAプロトコルが実施できるようになっている。
【００１０】
次に、バーチャル・キャリア・センスによって隠れ端末問題を回避する方式について述べる。いま、図５においてステーション13A(STA-A)とステーション13C(STA-C)は互いに相手の送信する無線パケットを受信することのできない、すなわち隠れ端末の関係にあるものとする。この場合、RTS/CTSフレームを用いてバーチャル・キャリア・センスを行うことによって無線パケットの衝突を回避することが可能となり、そのときの各局の動作をあらわしたタイミング図が図７である。
【００１１】
データ伝送を要求するSTA-Aは、データフレームの送信に先立ってRTSフレーム24をAPに向けて送信する。このRTSフレーム24を受信したAPはSTA-Aに対してCTSフレーム25を返送するが、同時に本RTSフレーム24を受信したSTA-Bは、データフレームと同様にフレーム内に含まれているDurationフィールドの値をNAVとして自局のカウンタにセットする。このようにデータフレームのMACヘッダ以外にも、RTSフレームに含まれているDuration情報を用いた場合であっても前述の例と同様にバーチャル・キャリア・センスが実現できる。
【００１２】
一方、STA-CはＳTA-Aから見て隠れ端末となっておりRTSフレーム24を受信することができないため、このRTSフレーム24からNAVを獲得することができない。しかしながら、STA-CはAPが送信するCTSフレーム25を受信することは可能であるため、このCTSフレーム25に含まれるDurationフィールドの値をNAVとして自局のカウンタにセットする。このようにRTS/CTSプロトコルを用いることによって、たとえ隠れ端末が存在している無線ネットワークにおいても仮想的にキャリアセンスと同等な動作を行うことが可能となる。
【００１３】
以上のように、一般的に無線ＬＡＮシステムはアクセスポイントによって構成された通信エリア内でインフラストラクチャモードによって通信を行うが、その一方で一時的に移動端末同士が直接に通信する要求も生じる場合がある。図８は、このような利用形態を表した図である。本図において通常の運用では、プリンタ14はアクセスポイント11によって構成されたインフラストラクチャネットワーク31に属する端末として動作しており、当該インフラストラクチャネットワーク31を構成する移動端末13Bおよび13Cからの無線データフレームをアクセスポイント1１を経由して受信し、プリント出力を行っている。いま、本インフラストラクチャネットワーク外にある携帯端末15がプリンタ14に対して出力を要求する場合、１つの方式としては携帯端末15が当該インフラストラクチャネットワーク31に所属し、インフラストラクチャ通信モードによってプリンタに接続する方法が考えられる。しかしながらこの場合、携帯端末15はアクセスポイント1１に対して接続要求を行い、アクセスポイント１１は移動端末15に関しての認証処理やアソシエーションIDの付与など、一連の接続処理に多くのパケット交換を必要とし、そのためにプリント出力を開始するまでに多くの時間がかかるという問題が生じる。特に移動端末15が要求するサービスがプリンタ14によるプリント出力のみである場合、敢えてアクセスポイント1１と通信を行いインフラストラクチャネットワークに所属する必要は無いため、移動端末15とプリンタ14の直接通信が可能であれば、ネットワークに接続する多くの手間を省くことができるため、無駄なパケット交換による通信帯域の損失を防ぎ、速やかなプリント出力が可能となる。そのために、プリンタ14にはインフラストラクチャ通信モードと、移動端末15との直接通信モードの双方を実行する能力が要求される。
【００１４】
このようにインフラストラクチャ通信モードと直接通信モードのような異なる複数の通信方式を併用した従来技術として、特開2003-18234が上げられる。本従来技術では、ネットワークに属する複数の端末局は、通信する相手端末局または基地局のMACアドレスごとに通信モードを設定するための通信モード設定メモリを具備し、通信する相手ごとに異なる通信モードで通信を行うものとされている。しかしながら本従来技術は、通信相手によって複数の通信モードを切り替える通信端末の構成を述べているに過ぎず、このように異なる通信方式を同一地域内の同一周波数で使用することによるパケット衝突の回避策などにはなんら触れられていない。同一地域内で同一の周波数チャネルを用いて複数の通信モードを同時に利用する場合には、これら異なる通信モードで動作している局間で発生する恐れのある無線パケットの衝突を回避する手段が必要となる。
【００１５】
また、異なる複数の通信方式を併用する他の従来技術として、特開平9-107583が挙げられる。本従来例では、インフラストラクチャモードで動作しているネットワーク内で移動端末同士のピア−ツー−ピア通信を実現しようとしており、移動端末は基地局からの同期信号を受信し、そのタイミング情報から自局がパケット送信を行うことのできるタイムスロットを判定し、通信を行うことによってパケットの衝突を回避している。しかしながら本従来技術は、ピア−ツー−ピア通信を行っている移動端末が基地局からの同期信号を受信できなければならず、アクセス手順としてこれら移動端末はインフラストラクチャモードで動作していることと同等であり、前述したインフラストラクチャネットワークに参加するためオーバーヘッドに関わる問題点については解決されておらず、従ってインフラストラクチャ通信モードと共存して直接通信モードを実施するための有効な手段とは言えない。
【特許文献１】特開２００３−１８２３４号公報
【特許文献２】特開平９−１０７５８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
以上説明したように、インフラストラクチャモードで動作している端末機器に対して、他の機器が無線通信による直接通信を行う場合、同一地域において同一周波数を用いると、異なる通信モードを使用しているためにパケットの衝突が発生し、データ伝送効率が著しく低下するという問題があった。本発明ではこれらの事情を鑑み、パケット衝突によるデータ伝送効率の低下を招くことなくインフラストラクチャモードと直接通信モードの双方を利用できるような、従来よりも柔軟なネットワーク構成が実現できる無線通信システム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】
【００１７】
上記目的を達成するため、本出願に係る発明に使用される第一の移動端末は、アクセスポイントの制御下においてはCSMA/CAおよびバーチャル・キャリア・センスによる無線LANのMACプロトコル動作を行うインフラストラクチャ通信モードが利用可能な移動端末であり、同時に当該インフラストラクチャネットワークに属しない第二の移動端末と直接通信を行う直接通信モードを併せ持ち、尚且つ前記第二の移動端末が無線媒体にアクセスするために、前記第一の移動端末は通常のバーチャル・キャリア・センスおよびRTS/CTSプロトコルを用いて前記インフラストラクチャネットワークに対して通信のための帯域を確保する動作を行うことを特徴とする。
【００１８】
このように前記第一の移動端末によって確保された通信帯域を用いて前記第二の移動端末がパケット送信を行うことにより、互いにパケット伝送の衝突を発生させることなく、インフラストラクチャ通信モードと直接通信モードという２種類の異なる通信プロトコルを同一地域、同一周波数で共存させる作用を持つ。
【発明の効果】
【００１９】
以上図を用いて説明してきたように、本出願に係る発明によれば、インフラストラクチャ通信モードで動作している第一の移動端末と、インフラストラクチャネットワークに属さない第二の移動端末が、直接通信モードで通信を行う無線ネットワークにおいて、これら両方の通信モードによるパケット伝送が互いに衝突を起こさずに実現できる。このため本発明を適用した無線通信システムは、パケット衝突によるデータ伝送効率の低下を招くことなく、インフラストラクチャ通信と直接通信との組み合わせによって柔軟なネットワーク構成をとることが可能となった。
【００２０】
また、従来から無線LANで用いられているRTS/CTSプロトコルに本発明を適用することによって、隠れ端末が存在するネットワークにおいても同様に、パケット衝突によるデータ伝送効率の低下を招くことなく、インフラストラクチャ通信と直接通信との組み合わせによって柔軟なネットワーク構成をとることが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（実施例１）
本発明に係る実施例における無線LANシステムの動作について、図を参照しながら説明する。
【００２２】
図１は本発明における無線LANシステムのシステム構成を示した図である。本無線LANシステムは、アクセスポイント101によってインフラストラクチャネットワーク201が形成されており、パソコン102およびプリンタ103は本インフラストラクチャネットワーク内で動作するステーションである。本図は本発明が適用できる無線LANシステムの一例を示しており、2.4GHz帯あるいは5GHz帯など利用する周波数帯や、赤外線通信など伝送媒体が異なっていても、アクセスプロトコルとしてIEEE802.11に規定されたCSMA/CAおよびバーチャル・キャリア・センスを利用するものであれば同様に本発明を適用することが可能である。このようにして動作しているインフラストラクチャ通信モードで通信を行っているプリンタ103に対して、新たに携帯端末104が直接通信モードによってプリント出力を行う場合を例とする。
【００２３】
図２は、本実施例におけるアクセスポイント101、パソコン102、プリンタ103、携帯端末104の間で伝送される無線フレームと、各々のフレーム伝送に対してNAVが設定される様子を表したシーケンス図である。まず、パソコン102はアクセスポイント10１に対してインフラストラクチャ・データフレームを送信する。アクセスポイント10１は当該インフラストラクチャ・データフレームを受信し、一方プリンタ103は本データフレームのMACヘッダからDurationフィールドを読み取り、このフィールドに記録されている通信路占有時間t1の値を自局のNAVに設定しバーチャル・キャリア・センスを行う。アクセスポイント10１は本データフレームの受信が完了すると、パソコン102に対してACKフレームを返送する。
【００２４】
次に、アクセスポイント10１はプリンタ103に対してインフラストラクチャ・データフレームを送信する。プリンタ103は当該インフラストラクチャ・データフレームを受信し、一方パソコン102は本データフレームのMACヘッダからDurationフィールドを読み取り、このフィールドに記録されている通信路占有時間t2の値を自局のNAVに設定しバーチャル・キャリア・センスを行う。プリンタ103は本データフレームの受信が完了するとアクセスポイント10１に対してACKフレームを返送する。
【００２５】
この時点までは、バーチャル・キャリア・センスを用いた通常のインフラストラクチャ通信であり、この間携帯端末104はこれらのデータフレームを受信しても、自分が通信できる直接通信モードで無いと判断しこれら受信データフレームを破棄する。同時に、携帯端末104は自分にはアクセス権が与えられていないものと判断するため無線パケットの送信を行わない。あるいは、アクセスポイント10１やインフラストラクチャネットワークに属する移動端末からのパケットを携帯端末104が受信できない場合であっても、以下に述べるように移動端末104はプリンタ103からの制御フレームさえ受信できれば本発明にかかわる無線LANとしての動作として問題は生じない。
【００２６】
次に図２において点線で囲まれた部分が、本発明の特徴となる直接通信モードの動作である。携帯端末104からデータを受領しようとするプリンタ103は、制御フレームを送信する。本制御フレームはIEEE802.11に定められたものと同じMACヘッダを持ち、そのためアクセスポイント10１およびパソコン102は本制御フレームのMACヘッダのDurationフィールドからNAV期間t3を獲得し、それぞれ自局のNAVに設定することによってバーチャル・キャリア・センス動作を開始する。しかしながら、実際にはプリンタ103はDurationフィールドで示した期間t3よりも短い時間で当該制御フレームの送信を終了する。携帯端末104はこの制御フレームを受信し、MACヘッダおよびフレームボディに含まれているアプリケーション・プロトコル情報を解析することにより、プリンタ103からの制御フレーム送信完了後からNAVで設定されている期間ｔ3までを自局がパケット送信するために予約された期間であることを認識する。このようにして携帯端末104はプリンタ103に対して、他の移動端末がNAVによってパケット送信を停止させられている期間にデータ伝送を行うことができるため、同一地域で同一周波数を用いても、インフラストラクチャ通信モードと直接通信モードがパケットの衝突を起こすことなく動作できる。
【００２７】
さらに本発明では、直接通信モードのみを利用する携帯端末は、従来技術のようにアクセスポイントからの同期信号を受信できる能力は必要ではなく、ただプリンタとのみ無線によるパケット交換ができればよいので出力電力を抑えることが可能となり、さらに直接通信に用いるプロトコルは従来の無線LANプロトコルよりも簡易な方式を採用することができるため、携帯端末を小型化できるという効果も持つ。
【００２８】
（実施例２）
本発明に関わる他の実施例について図を参照しながら説明する。従来、無線LANシステムではRTS/CTSプロトコルを用いることによって隠れ端末問題を回避してきたことは既に述べたが、RTS/CTSプロトコルに本発明を適用することによって、隠れ端末の存在する環境下においてもインフラストラクチャ通信モードと直接通信モードの共存が可能となることを示す。
【００２９】
図１においてパソコン102とプリンタ103が互いに隠れ端末になっている場合を考える。図3は、この時アクセスポイント101、パソコン102、プリンタ103、携帯端末104の間で伝送される無線フレームと、各々のフレーム伝送に対してNAVが設定される様子を表したシーケンス図である。本実施例ではRTS/CTSプロトコルを採用しているため、たとえばプリンタ103にデータフレームを送信しようとするアクセスポイント101は、データフレームの送信に先立ってRTSフレームを送信する。そして、プリンタ103はアクセスポイント101から受信したRTSフレームに対してCTSフレームを返送する。また、パソコン102はアクセスポイント101からのRTSフレームを受信すると、フレームに含まれるDurationフィールドから自局のNAVを設定し、バーチャル・キャリア・センスを開始する。また、アクセスポイント101はプリンタ103からCTSフレームを受信すると、インフラストラクチャ・データパケットをプリンタ103に対して送信する。このデータパケットの受信を完了したプリンタ103は、最後にACKフレームをアクセスポイント101に送信し、一連のデータ転送が完了する。
【００３０】
次に図３において点線で囲まれた部分が、本発明の特徴となる直接通信モードの動作である。携帯端末104からデータを受領しようとするプリンタ103は、最初にRTSフレームをアクセスポイント101に対して送信する。ただし本発明が適用されているプリンタは、自分が送信しようとするデータパケットの実際の時間長よりも長いDuration値(t5)をRTSフレームに記載している。このRTSフレームを受信したアクセスポイント101は、IEEE802.11規格に従ってCTSフレームを返送するが、このCTSフレームに記載されるDuration値は、先ほど受信したRTSフレームのDurationからこのRTSフレームを伝送するのに費やした時間を減じた値(t5’)である。パソコン102は、プリンタ103にとっては隠れ端末となっているためプリンタ103からのRTSフレームを受信することは不可能であるが、アクセスポイント101からのCTSフレームを受信することはできるため、CTSフレームに記載されているDuration値(t5’)を自局のNAVに設定する。
【００３１】
このようにしてRTSフレームによってアクセスポイント101、CTSフレームによってパソコン102のNAV期間が設定されるので、時刻t5になるまでアクセスポイント101およびパソコン102はバーチャル・キャリア・センスによって送信を停止する。一方、CTSフレームを受け取ったプリンタ103は、制御フレームを送信する。携帯端末104は、この制御フレームを受信し、MACヘッダおよびフレームボディに含まれているアプリケーション・プロトコル情報を解析することにより、プリンタ103からの制御フレーム送信完了後からNAVで設定されている期間ｔ5までを自局がフレーム送信するために予約された期間であることを認識する。このようにして携帯端末104はプリンタ103に対して、他の移動端末がNAVによってフレーム送信を停止させられている期間にデータ伝送が行えるため、同一地域で同一周波数を用いても、インフラストラクチャ通信モードと直接通信モードが衝突することなく動作できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による無線LANシステムのシステム構成図
【図２】本発明にかかわる第一の実施例による無線LANシステムの動作図
【図３】本発明にかかわる第二の実施例による無線LANシステムの動作図
【図４】無線LANのパケット構成を示した図
【図５】インフラストラクチャネットワークを示した図
【図６】バーチャル・キャリア・センスの動作概念図
【図７】RTS/CTSプロトコルの動作概念図
【図８】インフラストラクチャ通信モードと直接通信モードの混在したネットワークを示した図
【符号の説明】
【００３３】
101  アクセスポイント
102  パソコン
103  プリンタ
104  携帯端末
201  インフラストラクチャ通信モード
202  直接通信モード
11  アクセスポイント
12  有線ネットワーク
13A、13B、13C  移動端末
14  プリンタ
15  携帯端末
20  データフレーム
21  MACヘッダ
23  ACK
24  RTS
25  CTS
31  インフラストラクチャ通信モード
32  直接通信モード
【図１】
2006222833.tif 000003
【図２】
2006222833.tif 000004
【図３】
2006222833.tif 000005
【図４】
2006222833.tif 000006
【図５】
2006222833.tif 000007
【図６】
2006222833.tif 000008
【図７】
2006222833.tif 000009
【図８】
2006222833.tif 000010