JP6146866B2 - 無線通信装置及び無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線ＬＡＮシステムとその他の無線システムが共存するヘテロジニアスネットワークシステムに用いる無線通信装置及び無線通信方法に関する。

無線通信に求められるトラヒック量は年々増加しており、無線区間全体でのスループットを増加させることが求められている。無線ＬＡＮの標準化規格ＩＥＥＥ８０２．１１では、無線端末が密集しているような環境でもスループットを向上することを目指し、ＨＥＷ（High efficent wireless LAN）ＳＧ（スタディグループ）を立ち上げ、標準化を目指している。このような中で、無線ＬＡＮシステムにおいて前提条件であるＣＳＭＡ／ＣＡにおいて、ＣＣＡ（Clear Channel Assessment）レベルを制御することが新たに提案されている。

無線ＬＡＮ端末はＣＣＡレベル以下の受信信号であれば、送信を行えるため、ＣＣＡを大きく設定することで、送信権の取得率を向上することができる。しかしながら、その一方で、送信権の取得率を向上するために各端末が勝手にＣＣＡレベルを高く設定すると全ての端末が自由に送信を開始し、干渉の増大によりシステムスループットは低下する。このような問題によりシステムスループットが低下しないように非特許文献１ではＣＣＡを高くすると同時に送信電力を下げるように制御を行うことを想定している。しかしながら、個別の無線ＬＡＮ端末が自己最適化を図ろうとすれば、ＣＣＡレベルを高くすることを優先してしまうリスクがある。

図１２は、従来の無線ＬＡＮにおける無線端末２の構成を示すブロック図である。図１２に示す無線端末２は、アンテナ１０、無線システム信号送受信回路１２、送信変調回路１３、受信復号回路１４、受信レベル取得回路１６及び情報信号入出力回路１７を備える。信号の受信を行う際に、無線端末２は、アンテナ１０を介して、無線信号を無線システム信号送受信回路１２において受信する。無線システム信号送受信回路１２は受信信号に同期を行いアナログ・デジタル変換を行い、得られたデジタル信号を受信復号回路１４へ出力するとともに、受信信号の受信レベルについて受信レベル取得回路１６へ出力する。

受信レベル取得回路１６は、入力された受信レベルが予め定められたＣＣＡレベルより高ければ、情報信号入出力回路１７へ信号検出を通知する。また、受信レベル取得回路１６は入力された受信レベルが予め定められたＣＣＡレベルより低くなった際には、信号検出状態をキャンセルすることを情報信号入出力回路１７へ通知する。考慮するＣＣＡレベルは受信信号は未知のシステムである場合と、無線端末２と同種の無線システムである場合で異なる値を用いることができる。

受信復号回路１４は無線システム信号送受信回路１２から入力されたデジタル信号に対し、復号を行い、得られた信号が自無線端末２宛ての信号であれば、得られたデータビットを情報信号入出力回路１７へ出力する。受信復号回路１４は、復号されたデータビットが自無線端末宛てでなければ、復号を行わないこともできる。受信復号回路１４は、復号したビットが誤りなく取得されたと判定された場合、無線システム信号送受信回路１２へ正常受信を通知する。無線システム信号送受信回路１２は、正常受信が入力されると、正常受信を示すＡＣＫ（Acknowledge）信号を生成し、送信に適したアナログ信号に変換し、搬送波周波数にアップコンバートした上で、アンテナ１０を介して送信する。

情報信号入出力回路１７に他の無線端末宛ての送信信号が入力された場合、無線端末２が信号検出状態であるか判定し、信号検出状態であれば、信号検出状態が受信レベル取得回路１６からキャンセルされるまで待機する。信号検出状態でない、または受信レベル取得回路１６から信号検出状態をキャンセルされると、ＣＳＭＡ／ＣＡのルールに従いランダム時間待機した後、データビットを送信変調回路１３へ出力する。送信変調回路１３は、入力されたデータビットに変調を行い、生成された送信信号を無線システム信号送受信回路１２へ出力する。無線システム信号送受信回路１２は、入力された変調信号をアナログ信号へ変換し、アップコンバートし、アンテナ１０を介して通信相手となる無線端末へ送信する。

Koichi Ishihara, et al., "Simultaneous Transmission Technologies for HEW," IEEE 11-13/1395r2, Nov. 2013

前述したように、無線端末が自己のスループット最適化のため、受信レベル判定回路におけるＣＣＡレベルを自由にコントロールすると、システムスループットが大きく低下する。すなわち、ＣＳＭＡ／ＣＡに基づく無線システムにおいて、各無線端末が自己のスループットを最大化するようにＣＣＡレベルを大きくすると、干渉の増大によりシステムスループットが大きく低下してしまうという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複数の無線システムが共存する際に、システムスループットの低下を防ぐことができる無線通信装置及び無線通信方法を提供することを目的とする。

本発明は、ランダムアクセスを行う無線通信装置であって、アンテナから入力された受信信号および前記アンテナへ出力する送信信号に任意の減衰を与える信号減衰部と、前記信号減衰部からの受信信号の受信信号レベルを検出する受信信号レベル検出部と、前記検出された受信信号レベルから送信可能な前記信号減衰部の減衰量を決定する信号減衰量決定部と、通信相手への送信信号を生成する送信信号生成部と、前記信号減衰部で信号を減衰させて送信する際の変調方式と符号化率とからなる変調モードを決定する変調モード決定部と、前記信号減衰部に決定された前記減衰量を設定する信号減衰量設定部と、前記変調モードに従い変調、符号化を行い、前記信号減衰部を介して前記送信信号の送信を行う無線信号送信部とを備えることを特徴とする。

本発明は、前記受信信号レベル検出部で検出した信号の頻度情報を記憶する受信レベル頻度記憶部と、前記生成された送信信号に減衰量を考慮して決定された変調モードと記憶された前記頻度情報からスループット評価値を計算し、決定された前記減衰量を用いて通信を行うか否かを判定する減衰利用判定部とをさらに備え、通信を行うと判定した場合に、前記信号減衰量設定部は、前記信号減衰部に決定された減衰量を設定することを特徴とする。

本発明は、受信した信号を送信した無線通信装置のＩＤまたは受信した信号の送信先となる無線通信装置のＩＤ、またはその両方のＩＤを取得するＩＤ取得部と、取得した前記ＩＤと対応する信号レベルをＩＤ受信レベル情報として記憶する受信レベルＩＤ記憶部と、記憶された前記ＩＤ受信レベル情報から、前記信号減衰部で用いる減衰量を前記ＩＤに対し決定する信号減衰量決定部と、前記生成された送信信号に前記ＩＤに対し決定されている減衰量を考慮して決定された変調モードのスループット評価値により、決定された前記減衰量を用いて前記送信信号の通信を行うか否かを判定する減衰利用判定部とをさらに備えることを特徴とする。

本発明は、受信した信号を送信した無線通信装置のＩＤまたは受信した信号の送信先となる無線通信装置のＩＤ、またはその両方のＩＤを取得するＩＤ取得部と、取得した前記ＩＤと対応する信号レベルおよび頻度情報をＩＤ受信レベル情報として記憶する受信レベルＩＤ記憶部と、記憶された前記ＩＤ受信レベル情報から、前記信号減衰部で用いる減衰量を前記ＩＤに対し決定する信号減衰量決定部と、前記変調モードと記憶された前記頻度情報からスループット評価値を計算し、決定された前記減衰量を用いて通信を行うか否かを判定する減衰利用判定部とをさらに備え、前記変調モード決定部は、前記ＩＤに対し決定されている前記減衰量を用いて信号減衰部で信号を減衰させて送信する際の変調方式と符号化率とからなる変調モードを決定し、通信を行うと判定した場合に、前記信号減衰量設定部は、前記信号減衰部に決定された前記減衰量を設定することを特徴とする。

本発明は、受信中の信号の送信元となる無線通信装置のＩＤと受信中の信号の送信先となる無線端末ＩＤを取得するＩＤ取得部と、送信元となる前記無線通信装置のＩＤと対応する信号レベルをＩＤ受信レベル情報として記憶する受信レベルＩＤ記憶部と、前記ＩＤ受信レベル情報で記憶された前記ＩＤごとに減衰量を決定する信号減衰量決定部とさらに備え、前記変調モード決定部は、前記受信中の信号の送信元となる無線通信端末のＩＤに対し決定されている減衰量と前記受信中の信号の送信先となる無線通信端末のＩＤに対し決定されている減衰量のうち大きい方の減衰量を用いて信号減衰部で信号を減衰させて送信する際の変調方式と符号化率とからなる変調モードを決定することを特徴とする。

本発明は、特定ＩＤに対し、減衰量を用いた通信の禁止、または受信レベルから決定される減衰量にさらなる付加減衰量を加えるペナルティを科す特定ＩＤ指定部をさらに備え、前記受信レベルＩＤ記憶部は、特定ＩＤから指定されたＩＤに対し、ＩＤ受信レベル情報で減衰量を用いた通信の禁止または付加減衰量の付与を記憶することを特徴とする。

本発明は、ランダムアクセスを行う無線通信装置が行う無線通信方法であって、アンテナから入力された受信信号および前記アンテナへ出力する送信信号に任意の減衰を与える信号減衰ステップと、前記信号減衰ステップによって前記減衰が与えられた受信信号の受信信号レベルを検出する受信信号レベル検出ステップと、前記検出された受信信号レベルから前記信号減衰ステップにおける前記減衰量を決定する信号減衰量決定ステップと、通信相手となる無線通信装置への送信信号を生成する送信信号生成ステップと、前記信号減衰ステップにより前記送信信号の送信電力を減衰させて送信する際の変調モードを決定する変調モード決定ステップと、前記変調モードに従い前記信号減衰ステップにより前記減衰量を与えた信号の送信を行う無線信号送信ステップとを有することを特徴とする。

本発明は、前記受信信号レベル検出ステップで検出した信号の頻度情報を記憶する受信レベル頻度記憶ステップと、前記信号減衰量決定ステップにより決定された減衰量を考慮して決定された変調モードと記憶された前記受信レベル頻度情報とから計算したスループット評価値を参照して減衰量を用いて通信を行うか否かを判定する減衰利用判定ステップとをさらに有し、前記減衰量を用いると判定した場合に、検出された前記受信信号レベルに対し決定された前記減衰量を用いて送信を行うことを特徴とする。

本発明によれば、無線通信システムのスループットの低下を防ぐことができるという効果が得られる。

本発明の第１実施形態の構成を示すブロック図である。 他のＢＳＳからの受信レベル（ＲＳＳＩ）に対して、ＣＣＡレベル以下とすることが可能な対応する可変ＡＴＴ１１の減衰値を示す図である。 第１実施形態における第１の方法の処理動作を示すフローチャートである。 第１実施形態における第２の方法の処理動作を示すフローチャートである。 第２実施形態における無線端末１において記憶した端末ＩＤと受信レベル（ＲＳＳＩ）を示す図である。 第２実施形態における第１の方法の処理動作を示すフローチャートである。 第２実施形態における第２の方法の処理動作を示すフローチャートである。 本実施形態による無線端末の効果を示すために定義した無線端末間のチャネル条件を示す図である。 パラメータの一例を示す説明図である。 本実施形態による制御方法を用いた際の効果を評価した結果を示す図である。 本実施形態による制御方法を用いた際の効果を評価した結果を示す図である。 従来の無線ＬＡＮにおける無線端末２の構成を示すブロック図である。

＜＜第１実施形態＞＞
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態による無線通信装置を説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、図１２に示す従来の装置と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。この図に示す装置が従来の装置と異なる点は、可変減衰器（可変ＡＴＴ）１１と、ＡＴＴ制御回路１５が設けられている点である。

信号の受信を行う際に、無線端末１は、アンテナ１０と可変ＡＴＴ１１を介して、無線信号を無線システム信号送受信回路１２において受信する。無線システム信号送受信回路１２は受信信号に同期を行いアナログ・デジタル変換を行い、得られたデジタル信号を受信復号回路１４へ出力するとともに、受信信号の受信レベルについて受信レベル取得回路１６へ出力する。受信レベル取得回路１６は、入力された受信レベルが予め定められたＣＣＡレベルより高ければ、情報信号入出力回路１７へ信号検出を通知する。また、受信レベル取得回路１６は入力された受信レベルが予め定められたＣＣＡレベルより低くなった際には、信号検出状態をキャンセルすることを情報信号入出力回路１７へ通知する。考慮するＣＣＡレベルは受信信号が未知のシステムである場合と、無線端末１と同種の無線システムである場合で異なる値を用いることができる。

受信復号回路１４は無線システム信号送受信回路１２から入力されたデジタル信号に対し、復号を行い、得られた信号が自無線端末１宛ての信号であれば、得られたデータビットを情報信号入出力回路１７へ出力する。受信復号回路１４は、復号されたデータビットが自無線端末宛てでなければ、復号を行わないこともできる。受信復号回路１４は、復号したビットが誤りなく取得されたと判定された場合、無線システム信号送受信回路１２へ正常受信を通知する。無線システム信号送受信回路１２は、正常受信が入力されると、正常受信を示すＡＣＫ（Acknowledge）信号を生成し、送信に適したアナログ信号に変換し、搬送波周波数にアップコンバートした上で、アンテナ１０を介して送信する。

情報信号入出力回路１７に他の無線端末宛ての送信信号が入力された場合、無線端末１の信号検出状態であるかを判定し、信号検出状態であれば、信号検出状態が受信レベル取得回路１６からキャンセルされるまで待機する。信号検出状態でない、または受信レベル取得回路１６から信号検出状態をキャンセルされると、ＣＳＭＡ／ＣＡのルールに従いランダム時間待機した後、データビットを送信変調回路１３へ出力する。送信変調回路１３は、入力されたデータビットに変調を行い、生成された送信信号を無線システム信号送受信回路１２へ出力する。無線システム信号送受信回路１２は、入力された変調信号をアナログ信号へ変換し、アップコンバートし、アンテナ１０を介して通信相手となる無線端末へ送信する。

無線端末１とデータ通信を行う全ての無線端末、および無線端末１が通信を行う無線端末がデータ通信を行う無線端末から構成される無線端末のセットをＢＳＳ（Basic service set）と定義する。周辺に同一周波数で通信を行う他のＢＳＳが存在しない場合、可変ＡＴＴ１１は信号減衰しないように設定することもできる（減衰率α＝０ｄＢ）。

図２は、他のＢＳＳからの受信レベル（ＲＳＳＩ：Ｒｅｃｅｉｖｅ ｓｉｇｎａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ）に対して、ＣＣＡレベル以下とすることが可能な対応する可変ＡＴＴ１１の減衰値を示す図である。ここでは、５ｄＢ刻みの離散的な減衰値が選べる場合の例を示しているが、１ｄＢ刻みなどより細かい精度で制御したり、１０ｄＢ刻みなどより粗い精度で制御することもできる。ＣＣＡレベルを−８２ｄＢｍとしているため、−８２ｄＢｍ以下では減衰させる必要がなく、減衰値の値は０ｄＢとなっている。−８２ｄＢ〜−７７ｄＢのＲＳＳＩに対しては、減衰値を５ｄＢとすることで、受信装置におけるＲＳＳＩ値を−８７〜−８２ｄＢｍに低下させ、送信を可能とする。以下、−５７ｄＢｍまで減衰値が設定されている。

この上限値は可変ＡＴＴ１１が選択できる最大の減衰値に依存し、図２に示す例では、減衰値の最大値が２５ｄＢであるため、受信レベルが−５７ｄＢｍより大きい場合には、減衰値の設定値が存在しない。減衰値の値を高くするほど、高いＲＳＳIに対応することができるが、その分送信電力も低下するため、あまり大きな値を設定しても無線端末１の通信相手に対し実用的な変調方式が存在しなくなる。

＜第１の方法＞
次に、第１実施形態における第１の方法を説明する。無線端末１の情報入出力回路１７においてデータ送信を行おうとする通信相手への送信信号が存在し、無線端末１が他ＢＳＳからの信号を受信中の場合、ＡＴＴ制御回路１５は受信レベル取得回路１６から取得する受信している信号のＲＳＳＩの値に対し設定されている減衰値で利用可能な変調方式と符号化率からなる変調モードが存在するか判定し、変調モードが存在する場合、可変ＡＴＴ１１へ当該減衰値を設定する。可変ＡＴＴ１１において減衰値が設定されると、受信レベル取得回路１６で評価しているＲＳＳＩが低下するため、ＣＣＡレベル以下となり、通信検出状態のキャンセルを情報信号入出力回路１７へ通知する。

情報信号入出力回路１７は信号検出状態をキャンセルされると、減衰値と送信を行うデータビットを送信変調回路１３へ出力する。送信変調回路１３は入力されたデータビットに対し、ＡＴＴ制御回路１５で決定した変調モードにより、変調・符号化を行い、無線システム信号送受信回路１２によりアンテナ１０からの送信に適する形に変換を行い（例えば、デジタルアナログ変換など）、可変ＡＴＴ１１とアンテナ１０を介して送信する。ここで、可変ＡＴＴ１１で決定された、減衰値を用いることを考慮したうえでの変調モードは、通常減衰値が０ｄＢであった（減衰させない）場合に対し低いビット量に対応するが、受信レベルが最高のビット量より十分に高い場合などは、減衰値が０ｄＢの場合と変わらない変調モードが用いることができる場合もある。

次に、図３を参照して、第１実施形態における第１の方法を用いた無線端末１の処理動作を説明する。図３は、第１実施形態における第１の方法の処理動作を示すフローチャートである。ＣＣＡレベルを超える無線信号が検出され、さらに無線端末１から他の無線端末へ送信したいデータ信号が生成されると（ステップＳ１）、受信レベルに応じて用いる減衰値を可変ＡＴＴ１１に設定し（ステップＳ２）、ＣＣＡレベルを超える無線信号が存在しなくなることから、データ信号の送信、またはＲＴＳ信号による送信権の取得を開始する（ステップＳ３）。そして、ＣＣＡレベルを超える無線信号の検出が終わった場合は、本処理を終了する。

＜第２の方法＞
次に、第１実施形態における第２の方法を説明する。第１実施形態における第２の方法では、図２に示す表における通信確率の測定を行い、この値を用いて制御する。受信レベル取得回路１６は、他ＢＳＳからの信号のＲＳＳＩを取得すると、情報信号入出力回路１７に信号検出状態を通知するとともに、信号検出状態の継続状況について情報を収集する。具体的には、待機時間全体に占める、信号検出状態の時間的割合を計測する。単に信号検出状態となる割合（確率）を計測することもできるし、その際のＲＳＳＩと対応して割合を評価することもできる。図２に示すＲＳＳＩの範囲に対し、通信の発生頻度を評価した例を例１、例２として示す。通信確率の情報を用いることで、可変ＡＴＴ１１を不必要な場面で利用することを防ぎ、スループットの向上が期待できる場合のみ活用することができる。図２の通信確率は、自無線端末１からの送信および自無線端末１への受信の通信が行われている時間を除く時間で評価することもできる。

例１では、可変ＡＴＴ１１を用いないで通信できる確率（ＲＳＳＩ＜−８２ｄＢｍ）が６０％あるため、他のＢＳＳが通信中に可変ＡＴＴを用いて通信を行うメリットが小さい。ＲＳＳＩ値が−８２から−５７ｄＢｍの間での通信確率が１０＋１５＋１０＝３５％であるが、これはアクセスできない時間ではなく、ＣＳＭＡ／ＣＡに基づき、このうちの一定の割合は自無線端末の通信で取得できる。自無線端末以外の同一チャネルを用いる無線端末が４台存在したとして無線リソースを均等に取得できるとするなら、２０％が自無線端末が用いることのできるアクセス時間となるため、３５％×０．２＝７％は可変ＡＴＴ１１を用いなくても通信できる。すなわち、本実施形態により可変ＡＴＴ１１を用いることで、６０＋７＝６７％の確率でアクセス権が取得できたところ、６０＋３５＝９５％のアクセス権取得率に向上するため、およそ１．４倍のスループット向上と評価できる。

無線端末１と通信相手間の位置が遠く、チャネルの強度が弱い場合は、減衰値に応じて変調モードをビット数の低いものに変更する必要があり、減衰値５〜１５ｄＢを用いた計３５％の通信のスループットは低くなる可能性がある。さらに、大きい減衰値が必要な通信ほど、無線端末１と通信相手間のスループットの低下が大きいことから、この場合は高い減衰値となるデータの受信中には可変ＡＴＴ１１による通信を行わないように判断できる。

例２では、可変ＡＴＴ１１を使わなければ通信できない比率が例１より多い。このため、可変ＡＴＴ１１を用いるメリットは例１より大きい。可変ＡＴＴ１１を用いて通信できる通信確率は、３０＋１５＋１０＋１０＝６５％である。例１と同様に、自無線端末以外の同一チャネルを用いる無線端末が４台存在したとして無線リソースを均等に取得できるとするなら、２０％が自無線端末が用いることのできるアクセス時間となるため、６５％×０．２＝１３％は可変ＡＴＴ１１を用いなくても通信できる。よって、アクセス権を取得できる確率は、３０＋１３＝４３％から、９５％に増加するため、およそ２．２倍のスループット向上効果ととらえることができる。

例１に比べ、メリットが大きく、可変ＡＴＴ１１の減衰値を鑑みても、本実施形態による送信権の取得を行うメリットが大きくなる。実際に無線端末１から通信相手に対し送信する際に、可変ＡＴＴを用いるか否かは、以下のように判定することもできる。可変ＡＴＴ１１の減衰値を周辺環境に対し１つ決定し、全ての受信レベルに対し共通で用いる第１の評価方法と、受信レベルに対し適用的に減衰値を設定する第２の評価方法を示す。まず、第１の評価方法では、可変ＡＴＴ１１を用いる前のアクセス権の取得率をρ_０とする。取得率ρ_０は例１では、６７％、例２では４３％として評価されている。減衰値αを用いた際に得られるアクセス権の取得率をρ（α）と定義する。例１では、ρ（−１５）＝９５％、例２ではρ（−２０）＝９５％となっている。ここで、αの値としては、ｄＢ単位で表記している。

次に、ある無線端末１が送信を行おうとする無線端末１−ｊとすると、無線端末１−ｊに対して可変ＡＴＴ１１における減衰を与えずに通信した場合の変調モードに対応するビットレートをＢ_０，ｉｊとし、減衰値αを用いた時に用いる変調モードに対応するビットレートをＢ_ｉｊ（α）とする。このとき本実施形態による通信を用いない場合の無線端末１から無線端末１−ｊへのスループット評価値Ｔ_０，ｉｊは
Ｔ_０，ｉｊ＝ρＢ_０，ｉｊ ・・・（１）
と表せる。この方法による減衰値を導入した場合の評価値Ｔ_ｉｊ（α）は
Ｔ_ｉｊ（α）＝ρ（α）Ｂ_ｉｊ（α） ・・・（２）
として得られる。とりうる減衰値αを（２）式に代入してスループット評価値を算出し、（１）式の評価値Ｔ_０，ｉｊと比較して、十分に増加していると判断される場合に、当該減衰値αを用いて通信を行うことができる。例えば、Ｔ_iｊがＴ_０，ｉｊのＫ倍になっている場合に、減衰値αを可変ＡＴＴに設定して送信アクセス権を取得できる。ここで、Ｋは１以上の正数である。

次に第２の評価方法を示す。この評価方法では、減衰値αを用いた際に得られる個別アクセス権の取得率をρ’（α）と定義し、減衰値に対し個別に設定する。例１では、図２よりρ’（０）＝６０％、ρ’（−５）＝１０％、ρ’（−１０）＝１５％、ρ’（−１５）＝１０％、例２ではρ’（０）＝３０％、ρ’（−５）＝３０％、ρ’（−１０）＝１５％、ρ’（−１５）＝１０％、ρ’（−２０）＝１０％と設定される。

次に、ある無線端末１が送信を行おうとする無線端末１−ｊとすると、減衰値αを用いた時に用いる変調モードに対応するビットレートをＢ_ｉｊ（α）と表せる。第２の評価方法では、αは受信レベルごとに変更されるため、通信確率から減衰値を用いる全ての組み合わせの総和で評価する。第２の評価方法によるスループットの評価値Ｔ’_ｉｊは
Ｔ’_ｉｊ（α’）＝ρ（０）Ｂ_０，ｉｊ＋ρ（−５）Ｂ_ｉｊ（−５）＋・・・＋ρ（α’）Ｂ_ｉｊ（α’）・・・（３）
として減衰値α’以下となる全ての減衰値に対しスループットを評価する。第２の評価方法でもＴ’_iｊがＴ_０，ｉｊのＫ倍になっている場合に、減衰値αを可変ＡＴＴに設定して送信アクセス権を取得できる。ここで、Ｋは１以上の正数である。

次に、図４を参照して、第１実施形態における第２の方法を用いた無線端末１の処理動作を説明する。図４は、第１実施形態における第２の方法の処理動作を示すフローチャートである。ＣＣＡレベルを超える無線信号が検出され、さらに無線端末１から他の無線端末へ送信したいデータ信号が生成されると（ステップＳ１１）、対応する減衰値を用いた場合にスループット評価値がしきい値を超えるか評価し（ステップＳ１２）、超える場合は、受信レベルに応じて用いる減衰値を可変ＡＴＴ１１に設定し（ステップＳ１４）、ＣＣＡレベルを超える無線信号が存在しなくなることから、データ信号の送信、またはＲＴＳ信号による送信権の取得を開始する（ステップＳ１５）。ステップＳ１２においてしきい値を超えない場合は、他無線端末の通信が終わるまでデータ信号の送信を待機する（ステップＳ１３）。ＣＣＡレベルを超える無線信号の検出が終わった場合は、本処理を終了する。

＜＜第２実施形態＞＞
次に、図面を参照して、本発明の第２実施形態による無線通信装置を説明する。第２実施形態による無線端末１の装置構成は、図１に示す構成と同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。第２実施形態では、図１の点線で示す矢印のとおり、受信復号回路１４から受信レベル取得回路１６に対し、復号した結果得られる送信元無線端末のＩＤを出力する。このように制御することで、受信レベル取得回路１６では、無線システム信号送受信回路１２から得られる受信レベルと、受信復号回路１４から得られる無線端末ＩＤを関連付けて記憶することができる。

＜第１の方法＞
次に、第２実施形態における第１の方法を説明する。図５は、第２実施形態における無線端末１において記憶した端末ＩＤと受信レベル（ＲＳＳＩ）を示す図である。第２実施形態においては、第１実施形態とは異なり、無線端末ＩＤの情報による制御が可能となる。ＩＤごとにＲＳＳＩ、通信確率、無線端末のタイプおよびその通信相手情報をＡＴＴ制御回路１５において管理することができる。情報信号入出力回路１７は、受信復号回路から受信している信号の送信元とのなる無線端末、送信先となる無線端末、またはその両方のＩＤを取得し、ＡＴＴ制御回路１５へ出力する。ＡＴＴ制御回路１５は受信レベル取得回路１６から入力されるＲＳＳＩと合わせて図５のように記憶することができる。この際に、情報信号入出力回路１７が当該通信に関して得た無線端末のタイプなどの情報を合わせてＡＴＴ制御回路１５で記憶することができる。ＡＴＴ制御回路１５は受信レベル取得回路１６から信号検出状態とそのキャンセルについても取得することで、対応するＩＤの通信の通信確率についても評価できる。

さらに、ＩＤの用い方としては、ＩＤごとに減衰値による制御を行うかの可否の判定をネットワークを介して外部から指定することもできる。情報信号入出力回路１７に対し、外部からＩＤ情報を入力し、減衰値による制御を行うかの可否や、減衰値の指定など行うことができる。例えば、情報信号入出力回路１７が外部からＩＤ１に関する通信に対して減衰値を用いた通信を行わないように指定された場合、ＡＴＴ制御回路１５において、ＩＤ１の通信に減衰値の設定を行わないことができる。また、ＩＤ１に関する全ての通信を禁止することで、ＩＤ１に所属する全ての無線端末のＩＤ（図５の例では、ＩＤ２とＩＤ３）に対し、減衰値の設定を行わないこともできる。また、ＡＴＴ制御回路１５において、ＩＤに応じて、受信レベルから推定できる減衰値の値に更なる減衰値を付加することで、このＩＤの通信への影響を低減することもできる。このようにすることで、特定のＩＤの通信が無線端末１により影響を受けることがないように制御することができる。

また、情報信号入出力回路１７が外部からＩＤ１に関する全ての通信に対して減衰値を増やすように指定することもできる。図５の例では、ＩＤ１と通信するＩＤ２，ＩＤ３からの送信信号についても減衰値の設定にさらに指定された付加減衰値を加えて可変ＡＴＴ１１の減衰値を設定できる。通信確率は第１実施形態における第２の方法と同様、スループット評価値を計算し、減衰値を用いるかの判定に用いることができる。例えば図５においてＩＤに対し決定された減衰値に対し、対応する通信確率の和をとっていくことで、図２と同様の表を作成し、（２）式（３）式のようにスループットを評価できる。また、図５において、減衰値を用いた通信を禁止されたＩＤについて考慮しないこともできる。第２実施形態における第１の方法では、受信レベル取得回路１６は、受信復号回路１４から得られる受信信号の無線端末ＩＤに基づき、可変ＡＴＴ１１における減衰値の設定を判断する。

次に、図６を参照して、第２実施形態における第１の方法を用いた無線端末１の処理動作を説明する。図６は、第２実施形態における第１の方法の処理動作を示すフローチャートである。まず、ＣＣＡレベルを超える受信レベルとなる無線信号が検出されると、この無線信号を送信している無線端末のＩＤを取得し（ステップＳ２１）、対応する受信レベルと対応付けて記憶する（ステップＳ２２）。

さらに無線端末１から他の無線端末へ送信したいデータ信号が生成されると（ステップＳ２３）、取得した無線端末のＩＤが減衰値の利用に対応している無線端末のＩＤであるかを判定し（ステップＳ２４）、対応していれば無線端末ＩＤに対応する減衰値を可変ＡＴＴに設定し（ステップＳ２６）、ＣＣＡレベルを超える無線信号が存在しなくなることから、データ信号の送信、またはＲＴＳ信号による送信権の取得を開始する（ステップＳ２７）。ステップＳ２４において、対応していない無線端末であれば、他無線端末の通信が終わるまでデータ信号の送信を待機する（ステップＳ２５）。そして、ＣＣＡレベルを超える無線信号の検出が終わった場合は、本処理を終了する。

＜第２の方法＞
次に、第２実施形態における第２の方法を説明する。この方法では、受信復号回路１４から、受信している信号を送信している無線端末のＩＤと、送信先のＩＤをともに受信レベル取得回路１６へ出力する。受信レベル取得回路１６は、これまでの制御方法とは異なり、送信先の無線端末のＩＤを図５に示す情報を参照する。例えば、現在無線端末１で受信している無線信号の送信元ＩＤがＩＤ１、送信先がＩＤ３であり、受信レベル−８１ｄＢｍで受信しているものとする。第２実施形態における第２の方法では、通信相手であるＩＤ３に対応するＲＳＳＩを参照し、対応する減衰値２０ｄＢを用いる。

受信している信号のレベルに対して設定される減衰値をΓ_Ｓとし（ＳはＳｏｕｒｃｅの略）、受信している信号の送信先の無線端末１に対して設定されている減衰値をΓ_Ｄ（ＤはＤｅｓｔｉｎａｔｉｏｎの略）とした際に、第１実施形態および第２実施形態における第１の方法は、受信レベル−８１ｄＢｍにより減衰値Γ_Ｓ＝５ｄＢを用いるのに対し、第２実施形態における第２の方法では、Γ_Ｄ、またはｍａｘ（Γ_Ｄ，Γ_Ｓ）を用いる。ｍａｘ（）は括弧内の最も大きい値を抽出する関数である。このように制御することで、他の無線端末への影響を最小化することができる。

次に、図７を参照して、第２実施形態における第２の方法を用いた無線端末１の処理動作を説明する。図７は、第２実施形態における第２の方法の処理動作を示すフローチャートである。まず、ＣＣＡレベルを超える受信レベルとなる無線信号が検出されると、この無線信号を送信している無線端末のＩＤと、送信先となる無線端末のＩＤを取得し（ステップＳ３１）、送信元となる無線端末のＩＤと受信レベルと対応付けて記憶する（ステップＳ３２）。

さらに無線端末１から他の無線端末へ送信したいデータ信号が生成されると（ステップＳ３３）、取得した送信先となる無線端末のＩＤ、または送信先となる無線端末のＩＤおよび送信元となる無線端末のＩＤの両者に対応する減衰値の値を参照し、この減衰値を用いることによるスループットの評価値がしきい値を超えるかを判定する（ステップＳ３４）。

この判定の結果、超えれば前述したΓ_Ｓまたはｍａｘ（Γ_Ｓ，Γ_Ｄ）で決定される減衰値を可変ＡＴＴ１１に設定し（ステップＳ３６）、データ信号の送信、またはＲＴＳ信号による送信権の取得を開始する（ステップＳ３７）。ステップＳ３４においてしきい値を超えない場合は、他無線端末の通信が終わるまでデータ信号の送信を待機する（ステップＳ３５）。そして、ＣＣＡレベルを超える無線信号の検出が終わった場合は、本処理を終了する。

次に、図面を参照して、前述した制御方法による効果について説明する。本実施形態による無線端末１−１と１−３が通信相手となる無線端末１−２と１−４にそれぞれデータパケットを送信することを考える。図８は、本実施形態による無線端末の効果を示すために定義した無線端末間のチャネル条件を示す図である。Ｇ_２１は無線端末１−１から無線端末１−２へ、Ｇ_３１は無線端末１−１から無線端末１−３へ、Ｇ_１３は無線端末１−３から無線端末１−１へ、Ｇ_４３は無線端末１−３から無線端末１−４へ、Ｇ_２３は無線端末１−３から無線端末１−２へ、Ｇ_４１は無線端末１−１から無線端末１−４へのチャネル利得をそれぞれ表す。ここで、チャネルの対称性を仮定し、Ｇ_３１＝Ｇ_１３とし、Ｇ_ｉｊの範囲は０＜Ｇ_ｉｊ＜１とした。

周辺に同一周波数を用いる他の無線端末１は、無線端末１が自己スループット最適化のため、受信レベル判定回路におけるＣＣＡレベルを自由にコントロールすると、システムスループットを大きく低下する問題があった。無線端末１−３と無線端末１−１が互いに検出できる程度に近い場合、
Ｇ_１３Ｐ＋Ｎ≧Ｔ
の関係を満たす。ここで、Ｐは送信電力、Ｎは熱雑音レベル、Ｔは無線端末がデータの送信を行わないことを判定するＣＣＡレベルである。

このような条件で無線端末１−３と無線端末１−１が通信相手となる無線端末１−４と無線端末１−２にそれぞれ常に送信を行おうとすると、これら無線端末２台を考慮したシステム全体の周波数利用効率は、

と表すことができる。シャノン容量により、ＳＩＮＲから、ｌｏｇ_２（１＋ＳＩＮＲ）として周波数利用効率を評価した。ログの前についた１／２は、無線端末１−３と無線端末１−１が時間領域を半分ずつシェアしているためである。

本実施形態の構成により、無線端末１には可変ＡＴＴ１１により減衰率ａ_ｉだけ受信信号および送信信号のレベルを低下させることを考える。本実施形態の説明で減衰値と表現していたものはｄＢで表記していたため、真値で表現し、０＜ａ_ｉ≦１となる減衰率は異なる用語で定義したが、どちらも本質的には同じものである。減衰率をａ_ｉで設定した場合の周波数利用効率は、

として表せる。ここではまだＣＣＡレベルを上回る信号が無線端末１−１と無線端末１−３で受信されている。減衰率を受信信号がＣＣＡレベルを下回るように設定すると、

として周波数利用効率が得られる。

すなわち、減衰率の設定により周波数利用効率は、

と定義できる。

ここで、図９に示すパラメータにより、減衰率ａ_ｉによる周波数利用効率の変化を評価する。送信電力を１３ｄＢｍ、しきい値を−８２ｄＢｍ、ノイズレベルを−９１ｄＢｍ、周波数を２．４ＧＨｚとした。また、以下の説明を簡単にするため、ＳＩＮＲが十分に大きい環境を仮定し、減衰率を用いない従来の周波数利用効率をη_０’、減衰率を用いる本実施形態の周波数利用効率をη_Ｓ’として以下のように定義する。

また、伝搬ロスとしては自由空間を仮定し、
Ｇ_ｊｉ＝（λ／４πＤ_ｊｉ）^２
とした。ここで、テザリングで用いられるような、無線端末間距離が非常に短い環境を考え、Ｄ_２１＝Ｄ_４３＝１［ｍ］、Ｄ_３１＝Ｄ_４１＝Ｄ_２３＝Ｄとした。本実施形態の構成では送信側のみ可変ＡＴＴ１１を用いるものとし、ａ_２＝ａ_４＝１とした。さらに、周波数利用効率の評価式はどんなに高いＳＩＮＲに対しても実用的な変調方式が存在し、且つ理論的な上限値となる条件となっているため、実際のシステムのパフォーマンスとはずれが生じる問題がある。このため、無線ＬＡＮの標準化規格ＩＥＥＥ８０２．１１ａで用いられている最も高い変調方式（６４ＱＡＭ）と符号化率（３／４）におけるビットレート、２．７ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚを上限として用いた。

さらに、ＳＩＮＲに対する周波数利用効率を実用の変調方式と符号化率に対して近似した文献を参照し、ＳＩＮＲに対する周波数利用効率の評価式をｃ（ＳＩＮＲ）＝ｌｏｇ_２（１＋ＳＩＮＲ）とする代わりに、
ｃ（ＳＩＮＲ）＝ｍｉｎ｛２．７，０．５２ｌｏｇ_２（１＋０．２５ＳＩＮＲ）
とした。この条件で、可変ＡＴＴ１１の減衰率に対する本実施形態の周波数利用効率η_ＡＴＴを、ａ１＝ａ３としてＤに対して評価した結果を図１０に示す。Ｄが５ｍより遠い条件で、周波数利用効率を高めるａ_ｉの値が存在し、周波数利用効率を最大２倍まで高めることができることを確認した。

さらに、図８に示す条件において、無線端末１−１が本実施形態による無線端末であり、無線端末１−３が従来の無線端末であった場合、無線端末１−１のみで可変ＡＴＴ１１の値を制御した結果を図１１に示す。Ｄを１６０ｍとして設定している。無線端末１−１の減衰値を０．０８（−１１ｄＢ）以下にすることで、無線端末１−１と無線端末１−３が同時に通信することが可能となり、両無線端末でスループットが増大することが確認できる。このように、送信電力とＣＣＡレベルを一体制御することで、他の無線端末のスループットを低下させずに自無線端末のスループットを向上させる効果があることが確認できた。

従来から、ＣＳＭＡ／ＣＡのＣＣＡレベルと送信電力を同時に制御することで、干渉の増大によるシステムスループットの低下を防止する手法が提案されている（非特許文献１）。しかし、この制御は個別の端末が行っているため、やはりシステムスループットの低下を招いてしまうという問題を有している。

本実施形態では、例えば通信相手からの受信電力に対応する減衰値を設定し、この減衰量分、ＣＣＡレベルが上がると同時に、送信電力が下がり、送信電力に対応する変調モードに変更して、送信するようにした。また、これらを実現するために、送信アンテナと受信アンテナに対して、共通の減衰器を挿入して、受信電力を一定量減衰させることで、実質的にＣＣＡレベルを上げている。この構成により、電波伝搬の可逆性により、無線機間の公平性が保たれ、システムスループットの低下を防止することができる。また、一台の減衰器で実現することで、無線機の小型化・簡略化を実現することができる。

また、本実施形態による可変ＡＴＴを用いるかわりに、デジタル信号で同様の制御を行うこともできる。つまり、送信信号については、可変ＡＴＴで減衰させるのと同等の信号レベルまで、無線システム信号送受信回路の出力を低下させ、ＣＣＡレベルと比較する受信電力レベルも、可変ＡＴＴで用いる減衰量だけ減衰されたものとして、受信レベルを減衰量だけ低くしてＣＣＡレベルと比較することができる。

前述した実施形態における無線端末１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。

ＣＳＭＡ／ＣＡに基づく無線システムにおいて、減衰器により送信信号と受信信号に等しく減衰を与えることで、不当にアクセス権を取得する無線端末が生じるのを防ぐ無線通信システムを実現できる。

１、２・・・無線端末、１１・・・可変ＡＴＴ（信号減衰部）、１２・・・無線システム信号送受信回路（無線信号送信部）、１３・・・送信変調回路（無線信号送信部）、１４・・・受信復号回路、１５・・・ＡＴＴ制御回路（信号減衰量決定部、変調モード決定部、信号減衰量設定部、減衰利用判定部、受信レベルＩＤ記憶部）、１６・・・受信レベル取得回路（受信レベル検出部）、１７・・・情報信号入出力回路（受信レベルＩＤ記憶部）

Claims (8)

1. ランダムアクセスを行う無線通信装置であって、
   アンテナへ出力する送信信号に任意の減衰を与え、前記アンテナから入力された受信信号に前記送信信号と同じ量の減衰を与える信号減衰部と、
   前記信号減衰部からの受信信号の受信信号レベルを検出する受信信号レベル検出部と、
   前記検出された受信信号レベルから送信可能な前記信号減衰部の減衰量を決定する信号減衰量決定部と、
   通信相手への送信信号を生成する送信信号生成部と、
   前記信号減衰部で信号を減衰させて送信する際の変調方式と符号化率とからなる変調モードを決定する変調モード決定部と、
   前記信号減衰部に決定された前記減衰量を設定する信号減衰量設定部と、
   前記変調モードに従い変調、符号化を行い、前記信号減衰部を介して前記送信信号の送信を行う無線信号送信部と
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
2. 前記受信信号レベル検出部で検出した信号の頻度情報を記憶する受信レベル頻度記憶部と、
   前記生成された送信信号に減衰量を考慮して決定された変調モードと記憶された前記頻度情報からスループット評価値を計算し、決定された前記減衰量を用いて通信を行うか否かを判定する減衰利用判定部とをさらに備え、
   通信を行うと判定した場合に、前記信号減衰量設定部は、前記信号減衰部に決定された減衰量を設定することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 受信した信号を送信した無線通信装置のＩＤまたは受信した信号の送信先となる無線通信装置のＩＤ、またはその両方のＩＤを取得するＩＤ取得部と、
   取得した前記ＩＤと対応する信号レベルをＩＤ受信レベル情報として記憶する受信レベルＩＤ記憶部と、
   記憶された前記ＩＤ受信レベル情報から、前記信号減衰部で用いる減衰量を前記ＩＤに対し決定する信号減衰量決定部と、
   前記生成された送信信号に前記ＩＤに対し決定されている減衰量を考慮して決定された変調モードのスループット評価値により、決定された前記減衰量を用いて前記送信信号の通信を行うか否かを判定する減衰利用判定部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
4. 受信した信号を送信した無線通信装置のＩＤまたは受信した信号の送信先となる無線通信装置のＩＤ、またはその両方のＩＤを取得するＩＤ取得部と、
   取得した前記ＩＤと対応する信号レベルおよび頻度情報をＩＤ受信レベル情報として記憶する受信レベルＩＤ記憶部と、
   記憶された前記ＩＤ受信レベル情報から、前記信号減衰部で用いる減衰量を前記ＩＤに対し決定する信号減衰量決定部と、
   前記変調モードと記憶された前記頻度情報からスループット評価値を計算し、決定された前記減衰量を用いて通信を行うか否かを判定する減衰利用判定部とをさらに備え、
   前記変調モード決定部は、前記ＩＤに対し決定されている前記減衰量を用いて信号減衰部で信号を減衰させて送信する際の変調方式と符号化率とからなる変調モードを決定し、
   通信を行うと判定した場合に、前記信号減衰量設定部は、前記信号減衰部に決定された前記減衰量を設定することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
5. 受信中の信号の送信元となる無線通信装置のＩＤと受信中の信号の送信先となる無線端末ＩＤを取得するＩＤ取得部と、
   送信元となる前記無線通信装置のＩＤと対応する信号レベルをＩＤ受信レベル情報として記憶する受信レベルＩＤ記憶部と、
   前記ＩＤ受信レベル情報で記憶された前記ＩＤごとに減衰量を決定する信号減衰量決定部とさらに備え、
   前記変調モード決定部は、前記受信中の信号の送信元となる無線通信端末のＩＤに対し決定されている減衰量と前記受信中の信号の送信先となる無線通信端末のＩＤに対し決定されている減衰量のうち大きい方の減衰量を用いて信号減衰部で信号を減衰させて送信する際の変調方式と符号化率とからなる変調モードを決定することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
6. 特定ＩＤに対し、減衰量を用いた通信の禁止、または受信レベルから決定される減衰量にさらなる付加減衰量を加えるペナルティを科す特定ＩＤ指定部をさらに備え、
   前記受信レベルＩＤ記憶部は、特定ＩＤから指定されたＩＤに対し、ＩＤ受信レベル情報で減衰量を用いた通信の禁止または付加減衰量の付与を記憶することを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の無線通信装置。
7. ランダムアクセスを行う無線通信装置が行う無線通信方法であって、
   アンテナへ出力する送信信号に任意の減衰を与え、前記アンテナから入力された受信信号に前記送信信号と同じ量の減衰を与える信号減衰ステップと、
   前記信号減衰ステップによって前記減衰が与えられた受信信号の受信信号レベルを検出する受信信号レベル検出ステップと、
   前記検出された受信信号レベルから前記信号減衰ステップにおける前記減衰量を決定する信号減衰量決定ステップと、
   通信相手となる無線通信装置への送信信号を生成する送信信号生成ステップと、
   前記信号減衰ステップにより前記送信信号の送信電力を減衰させて送信する際の変調モードを決定する変調モード決定ステップと、
   前記変調モードに従い前記信号減衰ステップにより前記減衰量を与えた信号の送信を行う無線信号送信ステップと
   を有することを特徴とする無線通信方法。
8. 前記受信信号レベル検出ステップで検出した信号の頻度情報を記憶する受信レベル頻度記憶ステップと、
   前記信号減衰量決定ステップにより決定された減衰量を考慮して決定された変調モードと記憶された前記受信レベル頻度情報とから計算したスループット評価値を参照して減衰量を用いて通信を行うか否かを判定する減衰利用判定ステップとをさらに有し、
   前記減衰量を用いると判定した場合に、検出された前記受信信号レベルに対し決定された前記減衰量を用いて送信を行うことを特徴とする請求項７に記載の無線通信方法。

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