以下、本発明に係る好適な実施の形態を添付の図面を参照して詳しく説明する。添付の図面と共に以下に開示される詳細な説明は、本発明の例示的な実施の形態を説明するためのもので、本発明の唯一の実施の形態を示すためのものではない。以下の詳細な説明は本発明の完全な理解を提供するために具体的な細部事項を含む。しかし、このような具体的な細部事項なしにも本発明が実施され得るということが当業者には理解される。
以下の実施例は、本発明の構成要素と特徴を所定の形態で結合したものである。各構成要素又は特徴は、特別の言及がない限り、選択的なものと考慮すればよい。各構成要素又は特徴は、他の構成要素や特徴と結合していない形態で実施されてもよく、一部の構成要素及び/又は特徴を結合して本発明の実施例を構成してもよい。本発明の実施例で説明される動作の順序は変更されてもよい。ある実施例の一部の構成や特徴は、他の実施例に含まれてもよく、他の実施例の対応する構成又は特徴に取り替えられてもよい。
以下の説明で使われる特定用語は、本発明の理解を助けるために提供されるものであり、このような特定用語の使用は、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲で他の形態に変更してもよい。
場合によって、本発明の概念が曖昧になることを避けるために、公知の構造及び装置は省略されたり、各構造及び装置の核心機能を中心にしたブロック図の形式で図示されることもある。また、本明細書全体を通じて同一の構成要素には同一の図面符号を付して説明する。
本発明の実施例は、無線アクセスシステムであるIEEE 802システム、3GPPシステム、3GPP LTE及びLTE−A(LTE−Advanced)システム、並びに3GPP2システムの少なくとも一つに開示された標準文書によって裏付けることができる。すなわち、本発明の実施例において、本発明の技術的思想を明確にするために説明を省いた段階又は部分は、上記の文書によって裏付けることができる。また、本文書で開示している用語はいずれも上記の標準文書によって説明することができる。
以下の技術は、CDMA(Code Division Multiple Access)、FDMA(Frequency Division Multiple Access)、TDMA(Time Division Multiple Access)、OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)、SC−FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access)などのような様々な無線アクセスシステムに用いることができる。CDMAは、UTRA(Universal Terrestrial Radio Access)やCDMA2000のような無線技術(radio technology)によって具現することができる。TDMAは、GSM(登録商標)(Global System for Mobile communications)/GPRS(General Packet Radio Service)/EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution)のような無線技術によって具現することができる。OFDMAは、IEEE 802.11(Wi−Fi)、IEEE 802.16(WiMAX)、IEEE 802−20、E−UTRA(Evolved UTRA)などのような無線技術によって具現することができる。明確性のために、以下では3GPP LTE及び3GPP LTE−Aシステムを中心に説明するが、本発明の技術的思想がこれに制限されるものではない。
WLANシステムの構造
図1は、本発明を適用できるIEEE 802.11システムの例示的な構造を示す図である。
IEEE 802.11構造は複数個の構成要素を含むことができ、それら構成要素の相互作用によって上位層に対してトランスペアレントなSTA移動性を支援するWLANを提供することができる。基本サービスセット(Basic Service Set;BSS)はIEEE 802.11 LANにおける基本的な構成ブロックに該当し得る。図1では、2個のBSS(BSS1及びBSS2)が存在し、それぞれのBSSのメンバーとして2個のSTAが含まれること(STA1及びSTA2はBSS1に含まれ、STA3及びSTA4はBSS2に含まれる)を例示的に示している。図1で、BSSを示す楕円は、当該BSSに含まれたSTAが通信を維持するカバレッジ領域を示すものと理解してもよい。この領域をBSA(Basic Service Area)と称することができる。STAがBSAの外へ移動すると、当該BSA内の他のSTAと直接通信できなくなる。
IEEE 802.11 LANにおいて最も基本的なタイプのBSSは、独立したBSS(Independent BSS;IBSS)である。例えば、IBSSは、2個のSTAだけで構成された最小の形態を有することができる。また、最も単純な形態であるとともに他の構成要素が省略されている図1のBSS(BSS1又はBSS2)がIBSSの代表的な例示に該当する。このような構成は、STA同士が直接通信できる場合に可能である。また、このような形態のLANは、あらかじめ計画して構成されるものではなく、LANが必要な場合に構成され、これをアド−ホック(ad−hoc)ネットワークと呼ぶこともできる。
STAがついたり消えたりすること、STAがBSS領域に/から入ったり出たりすることなどによって、BSSにおいてSTAのメンバーシップが動的に変更することがある。BSSのメンバーになるためには、STAは同期化過程を用いてBSSにジョインすればよい。BSS基盤構造の全てのサービスにアクセスするためには、STAはBSSに連係されなければならない。このような連係(association)は動的に設定され、分配システムサービス(Distribution System Service;DSS)の利用を含んでもよい。
図2は、本発明を適用できるIEEE 802.11システムの他の例示的な構造を示す図である。図2は、図1の構造において、分配システム(Distribution System;DS)、分配システム媒体(Distribution System Medium;DSM)、アクセスポイント(Access Point;AP)などの構成要素が追加された形態である。
LANにおいて直接的なステーション−対−ステーションの距離はPHY性能によって制限されることがある。このような距離の限界が充分な場合もあれば、より遠い距離のステーション間の通信が必要な場合もある。拡張されたカバレッジを支援するために分配システム(DS)を構成することができる。
DSは、BSS同士が相互接続される構造を意味する。具体的に、図1のようにBSSが独立して存在する代わりに、複数個のBSSで構成されたネットワークの拡張された形態の構成要素としてBSSが存在してもよい。
DSは論理的な概念であり、分配システム媒体(DSM)の特性によって特定することができる。これと関連して、IEEE 802.11標準では無線媒体(Wireless Medium;WM)と分配システム媒体(DSM)とを論理的に区別している。それぞれの論理的媒体は互いに異なる目的のために使用され、互いに異なる構成要素によって使用される。IEEE 802.11標準の定義では、このような媒体を互いに同一なものとも、互いに異なるものとも制限しない。このように複数個の媒体が論理的に互いに異なるという点で、IEEE 802.11 LAN構造(DS構造又は他のネットワーク構造)の柔軟性を説明することができる。すなわち、IEEE 802.11 LAN構造は様々に具現することができ、それぞれの具現例の物理的な特性によって独立的に当該LAN構造を特定することができる。
DSは複数個のBSSのシームレス(seamless)な統合を提供し、あて先へのアドレスを扱うために必要な論理的サービスを提供することによって移動機器を支援することができる。
APとは、連係されているSTAに対してWMを通じてDSへのアクセスを可能にし、且つSTA機能性を有する個体を意味する。APを通じてBSS及びDS間のデータ移動が行われてもよい。例えば、図2に示すSTA2及びSTA3は、STAの機能性を有するとともに、連係されているSTA(STA1及びSTA4)をDSにアクセスさせる機能を持つ。また、いかなるAPも基本的にSTAに該当するため、APはいずれもアドレス可能な個体である。WM上での通信のためにAPによって用いられるアドレスとDSM上での通信のためにAPによって用いられるアドレスは必ずしも同一である必要はない。
APに連係されているSTAのいずれか一つから当該APのSTAアドレスに送信されるデータは、常に非制御ポート(uncontrolled port)で受信され、IEEE 802.1Xポートアクセス個体によって処理されてもよい。また、制御ポート(controlled port)が認証されると、送信データ(又は、フレーム)はDSに伝達されてもよい。
図3は、本発明を適用できるIEEE 802.11システムのさらに他の例示的な構造を示す図である。図3では、図2の構造にさらに広いカバレッジを提供するための拡張されたサービスセット(Extended Service Set;ESS)を概念的に示す。
任意の(arbitrary)大きさ及び複雑度を有する無線ネットワークがDS及びBSSで構成されてもよい。IEEE 802.11システムではこのような方式のネットワークをESSネットワークと称する。ESSは、一つのDSに接続されたBSSの集合に該当し得る。しかし、ESSはDSを含まない。ESSネットワークはLLC(Logical Link Control)層でIBSSネットワークとして見える点が特徴である。ESSに含まれるSTAは互いに通信することができ、移動STAはLLCにトランスペアレントに一つのBSSから他のBSSに(同一ESS内で)移動することができる。
IEEE 802.11では、図3におけるBSSの相対的な物理的位置について何ら仮定しておらず、次のようないずれの形態も可能である。BSSは部分的に重なってもよく、これは、連続したカバレッジを提供するために一般に利用される形態である。また、BSSは物理的に接続していなくてもよく、論理的にはBSS同士間の距離に制限はない。また、BSS同士は物理的に同一位置に位置してもよく、これはリダンダンシーを提供するために用いることができる。また、一つ(又は、一つ以上の)IBSS又はESSネットワークが一つ(又は一つ以上の)ESSネットワークとして同一空間に物理的に存在してもよい。これは、ESSネットワークが存在する位置にアド−ホックネットワークが動作する場合、互いに異なる機関(organizations)によって物理的に重なるIEEE 802.11ネットワークが構成される場合、又は、同一位置で2つ以上の互いに異なるアクセス及び保安政策が必要な場合などにおける、ESSネットワーク形態に該当し得る。
図4は、無線LANシステムの例示的な構造を示す図である。図4では、DSを含む基盤構造BSSの一例が示されている。
図4の例示で、BSS1及びBSS2がESSを構成する。無線LANシステムにおいてSTAはIEEE 802.11のMAC/PHY規定に従って動作する機器である。STAはAP STA及び非−AP(non−AP)STAを含む。Non−AP STAは、ラップトップコンピュータ、移動電話機のように、一般にユーザが直接扱う機器に該当する。図4の例示で、STA1、STA3、STA4はnon−AP STAに該当し、STA2及びSTA5はAP STAに該当する。
以下の説明で、non−AP STAは、端末(terminal)、無線送受信ユニット(Wireless Transmit/Receive Unit;WTRU)、ユーザ装置(User Equipment;UE)、移動局(Mobile Station;MS)、移動端末(Mobile Terminal)、移動加入者局(Mobile Subscriber Station;MSS)などと呼ぶことができる。また、APは、他の無線通信分野における基地局(Base Station;BS)、ノード−B(Node−B)、発展したノード−B(evolved Node−B;eNB)、基底送受信システム(Base Transceiver System;BTS)、フェムト基地局(Femto BS)などに対応する概念である。
階層構造
無線LANシステムで動作するSTAの動作は、階層(layer)構造の観点で説明することができる。装置構成の側面で階層構造は、プロセッサによって具現することができる。STAは複数個の階層構造を有することができる。例えば、802.11標準文書で扱う階層構造は主に、DLL(Data Link Layer)上のMAC副層(sublayer)及び物理(PHY)層である。PHYは、PLCP(Physical Layer Convergence Procedure)個体、PMD(Physical Medium Dependent)個体などを含むことができる。MAC副層及びPHYはそれぞれ、MLME(MAC sublayer Management Entity)及びPLME(Physical Layer Management Entity)と呼ばれる管理個体を概念的に含む。これらの個体は、階層管理機能が作動する階層管理サービスインターフェースを提供する。
正確なMAC動作を提供するために、SME(Station Management Entity)がそれぞれのAP/STA内に存在する。SMEは、別の管理プレーン内に存在したり、又は別に離れている(off to the side)ように見えてもよい、階層−独立的な個体である。本文ではSMEの正確な機能については具体的に説明しないが、一般には、様々な階層管理個体(LME)から階層−従属的な状態を収集し、階層−特定パラメータの値を類似に設定するなどの機能を担当するものと見なすことができる。SMEは、通常、一般システム管理個体を代表して(on behalf of)このような機能を果たし、標準管理プロトコルを具現することができる。
上述の個体は様々な方式で相互作用する。例えば、個体間にGET/SETプリミティブ(primitive)を交換(exchange)することによって相互作用することができる。プリミティブは、特定目的に関連した要素(element)やパラメータのセットを意味する。XX−GET.requestプリミティブは、与えられたMIB attribute(管理情報基盤属性)情報の値を要請するために用いられる。XX−GET.confirmプリミティブは、Statusが“成功”である場合には、適切なMIB属性情報値をリターンし、そうでないと、Statusフィールドでエラー指示をリターンするために用いられる。XX−SET.requestプリミティブは、指示されたMIB属性が、与えられた値に設定されるように要請するために用いられる。MIB属性が特定動作を意味する場合、これは、当該動作が行われることを要請する。そして、XX−SET.confirmプリミティブは、statusが“成功”である場合には、指示されたMIB属性が、要請された値に設定されたことを確認させ、そうでないと、statusフィールドでエラー条件をリターンするために用いられる。このプリミティブは、MIB属性が特定動作を意味する場合、当該動作が行われたことを確認させる。
また、MLME及びSMEは様々なMLME_GET/SETプリミティブをMLME_SAP(Service Access Point)を介して交換することができる。また、様々なPLME_GET/SETプリミティブが、PLME_SAPを介してPLMEとSME間で交換されてもよく、MLME−PLME_SAPを介してMLMEとPLME間で交換されてもよい。
リンクセットアップ過程
図5は、一般のリンクセットアップ(link setup)過程を説明するための図である。
STAがネットワークに対してリンクをセットアップし、データを送受信するためには、まず、ネットワークを発見(discovery)し、認証(authentication)を行い、連係(association)を確立(establish)し、保安(security)のための認証手順などを行わなければならない。リンクセットアップ過程をセッション開始過程、セッションセットアップ過程と呼ぶこともできる。また、リンクセットアップ過程における発見、認証、連係、保安設定の過程を総称して連係過程と呼ぶこともできる。
図5を参照して例示的なリンクセットアップ過程について説明する。
段階S510で、STAはネットワーク発見動作を行うことができる。ネットワーク発見動作はSTAのスキャニング(scanning)動作を含むことができる。すなわち、STAがネットワークにアクセスするためには、参加可能なネットワークを探さなければならない。STAは無線ネットワークに参加する前に互換可能なネットワークを識別しなければならないが、特定領域に存在するネットワーク識別過程をスキャニングという。
スキャニング方式には、能動的スキャニング(active scanning)と受動的スキャニング(passive scanning)がある。
図5では例示として能動的スキャニング過程を含むネットワーク発見動作を示す。能動的スキャニングにおいて、スキャニングを行うSTAはチャネルを移りながら周辺にどのAPが存在するかを探索するためにプローブ要請フレーム(probe request frame)を送信して、それに対する応答を待つ。応答者(responder)は、プローブ要請フレームを送信したSTAに、プローブ要請フレームに対する応答としてプローブ応答フレーム(probe response frame)を送信する。ここで、応答者は、スキャニングされているチャネルのBSSで最後にビーコンフレーム(beacon frame)を送信したSTAであってもよい。BSSでは、APがビーコンフレームを送信するため、APが応答者となり、IBSSでは、IBSS内のSTAが交互にビーコンフレームを送信するため、応答者が一定でない。例えば、1番チャネルでプローブ要請フレームを送信し、1番チャネルでプローブ応答フレームを受信したSTAは、受信したプローブ応答フレームに含まれたBSS関連情報を保存し、次のチャネル(例えば、2番チャネル)に移動して同一の方法でスキャニング(すなわち、2番チャネル上でプローブ要請/応答の送受信)を行うことができる。
図5には示していないが、スキャニング動作は受動的スキャニング方式で行われてもよい。受動的スキャニングにおいて、スキャニングを行うSTAはチャネルを移りながらビーコンフレームを待つ。ビーコンフレームは、IEEE 802.11において管理フレーム(management frame)の一つであり、無線ネットワークの存在を知らせ、スキャニングを行うSTAが無線ネットワークを探して無線ネットワークに参加できるように、周期的に送信される。BSSでAPがビーコンフレームを周期的に送信する役割を担い、IBSSではIBSS内のSTAが交互にビーコンフレームを送信する。スキャニングを行うSTAはビーコンフレームを受信すると、ビーコンフレームに含まれたBSSに関する情報を保存し、他のチャネルに移動しながら各チャネルでビーコンフレーム情報を記録する。ビーコンフレームを受信したSTAは、受信したビーコンフレームに含まれたBSS関連情報を保存し、次のチャネルに移動して同一の方法で次のチャネルでスキャニングを行うことができる。
能動的スキャニングと受動的スキャニングとを比較すれば、能動的スキャニングが受動的スキャニングに比べてディレー(delay)及び電力消耗が小さいという利点がある。
STAがネットワークを発見した後に、段階S520で認証過程を行うことができる。このような認証過程は、後述する段階S540の保安セットアップ動作と明確に区別するために、第1の認証(first authentication)過程と呼ぶことができる。
認証過程は、STAが認証要請フレーム(authentication request frame)をAPに送信し、これに応答してAPが認証応答フレーム(authentication response frame)をSTAに送信する過程を含む。認証要請/応答に用いられる認証フレーム(authentication frame)は管理フレームに該当する。
認証フレームは、認証アルゴリズム番号(authentication algorithm number)、認証トランザクションシーケンス番号(authentication transaction sequence number)、状態コード(status code)、検問テキスト(challenge text)、RSN(Robust Security Network)、有限循環グループ(Finite Cyclic Group)などに関する情報を含むことができる。これは、認証要請/応答フレームに含まれ得る情報の一例示に過ぎず、他の情報に置き換わったり、追加の情報がさらに含まれたりしてもよい。
STAは認証要請フレームをAPに送信することができる。APは、受信された認証要請フレームに含まれた情報に基づいて、当該STAに対する認証を許容するか否かを決定することができる。APは認証処理の結果を認証応答フレームを通じてSTAに提供することができる。
STAが成功的に認証された後に、段階S530で連係過程を行うことができる。連係過程は、STAが連係要請フレーム(association request frame)をAPに送信し、それに応答してAPが連係応答フレーム(association response frame)をSTAに送信する過程を含む。
例えば、連係要請フレームは、様々な能力(capability)に関する情報、ビーコン聴取間隔(listen interval)、SSID(service set identifier)、支援レート(supported rates)、支援チャネル(supported channels)、RSN、移動性ドメイン、支援オペレーティングクラス(supported operating classes)、TIM放送要請(Traffic Indication Map Broadcast request)、相互動作(interworking)サービス能力などに関する情報を含むことができる。
例えば、連係応答フレームは、様々な能力に関する情報、状態コード、AID(Association ID)、支援レート、EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)パラメータセット、RCPI(Received Channel Power Indicator)、RSNI(Received Signal to Noise Indicator)、移動性ドメイン、タイムアウト間隔(連係カムバック時間(association comeback time))、重畳(overlapping)BSSスキャンパラメータ、TIM放送応答、QoSマップなどの情報を含むことができる。
これは連係要請/応答フレームに含まれ得る情報の一例に過ぎず、他の情報に置き換わったり、追加の情報がさらに含まれたりしてもよい。
STAがネットワークに成功的に連係された後に、段階S540で保安セットアップ過程を行うことができる。段階S540の保安セットアップ過程は、RSNA(Robust Security Network Association)要請/応答を通じた認証過程ということもでき、上記の段階S520の認証過程を第1の認証(first authentication)過程とし、段階S540の保安セットアップ過程を単純に認証過程と呼ぶこともできる。
段階S540の保安セットアップ過程は、例えば、EAPOL(Extensible Authentication Protocol over LAN)フレームを通じた4−ウェイ(way)ハンドシェーキングを通じて、プライベートキーセットアップ(private key setup)をする過程を含むことができる。また、保安セットアップ過程は、IEEE 802.11標準で定義しない保安方式によって行われてもよい。
WLANの進化
無線LANで通信速度の限界を克服するために比較的最近に制定された技術標準としてIEEE 802.11nがある。IEEE 802.11nは、ネットワークの速度と信頼性を増大させ、且つ無線ネットワークの運営距離を拡張することに目的がある。より具体的に、IEEE 802.11nは、データ処理速度が最大540Mbps以上である高処理率(High Throughput;HT)を支援するとともに、送信エラーを最小化し、データ速度を最適化するために送信端と受信端の両方とも多重アンテナを使用するMIMO(Multiple Inputs and Multiple Outputs)技術に基づいている。
無線LANの普及が活性化され、さらにそれを用いたアプリケーションが多様化するに伴って、最近ではIEEE 802.11nが支援するデータ処理速度よりも高い処理率を支援するための新しい無線LANシステムの必要性が台頭している。超高処理率(Very High Throughput;VHT)を支援する次世代無線LANシステムは、IEEE 802.11n無線LANシステムの次のバージョン(例えば、IEEE 802.11ac)であり、MACサービスアクセスポイント(Service Access Point;SAP)で1Gbps以上のデータ処理速度を支援するために最近に新しく提案されているIEEE 802.11無線LANシステムの一つである。
次世代無線LANシステムは、無線チャネルを效率的に利用するために複数のSTAが同時にチャネルにアクセスするMU−MIMO(Multi User Multiple Input Multiple Output)方式の送信を支援する。MU−MIMO送信方式によれば、APが、MIMOペアリング(pairing)された一つ以上のSTAに同時にパケットを送信することができる。
また、ホワイトスペース(white space)で無線LANシステム動作を支援することが議論されている。例えば、アナログTVのデジタル化による遊休状態の周波数帯域(例えば、54〜698MHz帯域)のようなTVホワイトスペース(TVWS)での無線LANシステムの導入は、IEEE 802.11af標準として議論されている。しかし、これは例示に過ぎず、ホワイトスペースは、許可されたユーザ(licensed user)が優先して使用できる許可された帯域といえる。許可されたユーザは、許可された帯域の使用が許可されたユーザのことを意味し、許可された装置(licensed device)、プライマリユーザ(primary user)、優先的ユーザ(incumbent user)などと呼ぶこともできる。
例えば、WSで動作するAP及び/又はSTAは、許可されたユーザに対する保護(protection)機能を提供しなければならない。例えば、WS帯域で特定帯域幅を有するように規約(regulation)上分割されている周波数帯域である特定WSチャネルを、マイクロホン(microphone)のような許可されたユーザが既に使用している場合、許可されたユーザを保護するために、AP及び/又はSTAは当該WSチャネルに該当する周波数帯域は使用することができない。また、AP及び/又はSTAは、現在フレーム送信及び/又は受信のために使用している周波数帯域を許可されたユーザが使用するようになると、当該周波数帯域の使用を中止しなければならない。
そのため、AP及び/又はSTAは、WS帯域中の特定周波数帯域の使用が可能か否か、すなわち、当該周波数帯域に許可されたユーザが存在するか否かを把握する手順を先行しなければならない。許可されたユーザが特定周波数帯域に存在するか否かを把握することをスペクトルセンシング(spectrum sensing)という。スペクトルセンシングメカニズムとして、エネルギー探知(energy detection)方式、信号探知(signature detection)方式などが活用される。受信信号の強度が一定値以上であれば、許可されたユーザが使用中であると判断したり、DTVプリアンブル(preamble)が検出されると、許可されたユーザが使用中であると判断すればよい。
また、次世代通信技術としてM2M(Machine−to−Machine)通信技術が議論されている。IEEE 802.11無線LANシステムでもM2M通信を支援するための技術標準がIEEE 802.11ahとして開発されている。M2M通信は、一つ以上のマシン(Machine)が含まれる通信方式を意味し、MTC(Machine Type Communication)又は事物通信と呼ばれることもある。ここで、マシンとは、人間の直接的な操作や介入を必要としない個体(entity)を意味する。例えば、無線通信モジュールが搭載された検針機(meter)や自動販売機のような装置を含めて、ユーザの操作/介入無しで自動でネットワークに接続して通信を行うことができるスマートフォンのようなユーザ機器もマシンの例示に該当し得る。M2M通信は、デバイス間の通信(例えば、D2D(Device−to−Device)通信)、デバイスとサーバー(application server)間の通信などを含むことができる。デバイスとサーバー間の通信の例示としては、自動販売機とサーバー、POS(Point of Sale)装置とサーバー、電気、ガス又は水道検針機とサーバー間の通信が挙げられる。その他にも、M2M通信ベースのアプリケーション(application)には、保安(security)、運送(transportation)、ヘルスケア(health care)などが含まれてもよい。このような適用例の特性を考慮すると、一般に、M2M通信は、数多くの機器が存在する環境でたまに少量のデータを低速で送受信することを支援できるものでなければならない。
具体的に、M2M通信は多数のSTAを支援できるものでなければならない。現在定義されている無線LANシステムでは、一つのAPに最大2007個のSTAが連係される場合を仮定するが、M2M通信ではそれよりも多い個数(約6000個)のSTAが一つのAPに連係される場合を支援する方案が議論されている。また、M2M通信では低い送信速度を支援/要求するアプリケーションが多いと予想される。これを円滑に支援するために、例えば、無線LANシステムでは、TIM(Traffic Indication Map)要素に基づいてSTAが自身に送信されるデータの有無を認知できるが、TIMのビットマップサイズを減らす方案が議論されている。また、M2M通信では送信/受信間隔が非常に長いトラフィックが多いと予想される。例えば、電気/ガス/水道の使用量のように長い周期(例えば、1ケ月)ごとに大変少ない量のデータをやり取りすることが要求される。そのため、無線LANシステムでは、一つのAPに連係され得るSTAの個数が非常に多くなっても、一つのビーコン周期の間にAPから受信するデータフレームが存在するSTAの個数が大変少ない場合を效率的に支援する方案が議論されている。
このように無線LAN技術は急速に進化しつつあり、前述の例示に加えて、直接リンクセットアップ、メディアストリーミング性能の改善、高速及び/又は大規模の初期セッションセットアップの支援、拡張された帯域幅及び動作周波数の支援などのための技術が開発されている。
1GHz未満(sub−1GHz)で動作するWLAN
前述したように、M2M通信をユースケース(use case)とするIEEE 802.11ah標準が議論されている。IEEE 802.11ah標準は、1GHz未満(sub−1GHz)の動作周波数においてTVホワイトスペース帯域(whitespace band)を除いた非免許(unlicensed)帯域で動作し、既存の室内(indoor)カバレッジを主に支援していたWLANに比べて格段に広いカバレッジ(例えば、最大1km)を有することができる。すなわち、既存の2.4GHzや5GHzの周波数で動作するWLANと違い、sub−1GHz(例えば、700乃至900MHz)動作周波数帯域でWLANが用いられると、当該帯域の伝搬特性によって、同一伝送電力でAPのカバレッジが略2〜3倍に拡張される。この場合、一つのAP当たり極めて多数のSTAが接続可能であるという特徴を有する。IEEE 802.11ah標準で考慮しているユースケースを要約すると、下記の表1の通りである。
上記の表1のユースケース1によれば、種々のセンサー/メーター装置が802.11ahAPに接続してM2M通信を行うことができる。特に、スマートグリッド(smart grid)の場合、最大6,000個のセンサー/メーター装置が一つのAPに接続することができる。
上記の表1のユースケース2によれば、広いカバレッジを提供する802.11ah APが、IEEE 802.15.4gのような他のシステムにおいてバックホールリンク(backhaul link)の役割を担うことができる。
上記の表1のユースケース3によれば、拡張されたホームカバレッジ(Extended home coverage)、キャンパス広さのカバレッジ(Campus wide coverage)、ショッピングモール(Shopping malls)のような室外拡張された範囲のホットスポット(outdoor extended range hotspot)通信を支援することができる。また、ユースケース3によれば、802.11ah APがセルラー移動通信のトラフィックオフローディング(traffic offloading)を支援することによって、セルラートラフィックの過負荷を分散させる機能を果たすこともできる。
このようなsub−1GHz帯域における通信のための物理層(PHY)の構成は、既存のIEEE 802.11ac PHYを1/10ダウンクロッキング(down−clocking)することによって具現することができる。この場合、802.11acにおける20/40/80/160/80+80MHzチャネル帯域幅は、1/10ダウンクロッキングを用いて、sub−1GHz帯域で2/4/8/16/8+8MHzチャネル帯域幅を提供することができる。これによって、ガード区間(Guard Interval;GI)は0.8μsから8μsへと10倍増加する。下記の表2は、802.11ac PHYの処理量(throughput)と、1/10ダウンクロッキングされたsub−1GHz PHYの処理量とを比較するものである。
媒体アクセスメカニズム
IEEE 802.11に基づく無線LANシステムにおいて、MAC(Medium Access Control)の基本アクセスメカニズムは、CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)メカニズムである。CSMA/CAメカニズムは、IEEE 802.11 MACの分配調整機能(Distributed Coordination Function、DCF)とも呼ばれるが、基本的に「listen before talk」アクセスメカニズムを採用している。このような類型のアクセスメカニズムによれば、AP及び/又はSTAは送信を開始するに先立ち、所定の時間区間(例えば、DIFS(DCF Inter−Frame Space)の間に無線チャネル又は媒体(medium)をセンシング(sensing)するCCA(Clear Channel Assessment)を行うことができる。センシングの結果、媒体が遊休状態(idle status)と判断されると、当該媒体を通じてフレーム送信を始める。一方、媒体が占有状態(occupied status)と感知されると、当該AP及び/又はSTAは自分の送信を開始せず、媒体アクセスのための遅延期間(例えば、任意バックオフ周期(random backoff period))を設定して待った後、フレーム送信を試みることができる。任意バックオフ周期の適用から、複数のSTAはそれぞれ異なった時間待った後にフレーム送信を試みることが期待されるため、衝突(collision)を最小化することができる。
また、IEEE 802.11 MACプロトコルはHCF(Hybrid Coordination Function)を提供する。HCFはDCFとPCF(Point Coordination Function)に基づく。PCFは、ポーリング(polling)ベースの同期式アクセス方式で、全ての受信AP及び/又はSTAがデータフレームを受信できるように周期的にポーリングする方式のことをいう。また、HCFは、EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)とHCCA(HCF Controlled Channel Access)を有する。EDCAは、提供者が複数のユーザにデータフレームを提供するためのアクセス方式を競合ベースとするものであり、HCCAは、ポーリングメカニズムを用いた非競合ベースのチャネルアクセス方式を用いるものである。また、HCFは、WLANのQoS(Quality of Service)を向上させるための媒体アクセスメカニズムを含み、競合周期(Contention Period;CP)、非競合周期(Contention Free Period;CFP)のいずれにおいてもQoSデータを送信することができる。
図6は、バックオフ過程を説明するための図である。
図6を参照して任意バックオフ周期に基づく動作について説明する。占有(occupy又はbusy)状態だった媒体が遊休(idle)状態に変更されると、複数のSTAはデータ(又はフレーム)送信を試みることができる。この時、衝突を最小化するための方案として、STAはそれぞれ任意バックオフカウントを選択し、それに該当するスロット時間だけ待機した後、送信を試みることができる。任意バックオフカウントは、擬似−任意整数(pseudo−random integer)値を有し、0乃至CW範囲の値のいずれか一つに決定され得る。ここで、CWは、競合ウィンドウ(Contention Window)パラメータ値である。CWパラメータは初期値としてCWminが与えられるが、送信失敗の場合(例えば、送信されたフレームに対するACKを受信できなかった場合)に2倍の値を取ることができる。CWパラメータ値がCWmaxになると、データ送信に成功するまでCWmax値を維持しながらデータ送信を試みることができ、データ送信に成功する場合にはCWmin値にリセットされる。CW、CWmin及びCWmax値は2n−1(n=0,1,2,…)に設定されることが好ましい。
任意バックオフ過程が始まると、STAは、決定されたバックオフカウント値によってバックオフスロットをカウントダウンする間に続けて媒体をモニタする。媒体が占有状態とモニタされるとカウントダウンを止めて待機し、媒体が遊休状態になると残りのカウントダウンを再開する。
図6の例示で、STA3のMACに送信するパケットが到達した場合に、STA3はDIFSだけ媒体が遊休状態であることを確認し、直ちにフレームを送信することができる。一方、残りのSTAは、媒体が占有(busy)状態であることをモニタして待機する。その間にSTA1、STA2及びSTA5のそれぞれでも送信するデータが発生することがあり、それぞれのSTAは、媒体が遊休状態とモニタされると、DIFSだけ待機した後に、それぞれ選択した任意バックオフカウント値によってバックオフスロットのカウントダウンを行うことができる。図6の例示では、STA2が最も小さいバックオフカウント値を選択し、STA1が最も大きいバックオフカウント値を選択した場合を示す。すなわち、STA2がバックオフカウントを終えてフレーム送信を始める時点でSTA5の残余バックオフ時間はSTA1の残余バックオフ時間よりも短い場合を例示する。STA1及びSTA5は、STA2が媒体を占有する間に暫くカウントダウンを止めて待機する。STA2の占有が終了して媒体が再び遊休状態になると、STA1及びSTA5はDIFSだけ待機した後に、止めていたバックオフカウントを再開する。すなわち、残余バックオフ時間だけの余りのバックオフスロットをカウントダウンした後にフレーム送信を始めることができる。STA5の残余バックオフ時間がSTA1よりも短かったため、STA5がフレーム送信を始めるようになる。一方、STA2が媒体を占有する間にSTA4でも送信するデータが発生することがある。このとき、STA4の立場では、媒体が遊休状態になるとDIFSだけ待機した後、自身が選択した任意バックオフカウント値によるカウントダウンを行ってフレーム送信を始めることができる。図6の例示では、STA5の残余バックオフ時間がSTA4の任意バックオフカウント値と偶然に一致する場合を示し、この場合、STA4とSTA5間に衝突が発生することがある。衝突が発生する場合はSTA4、STA5両方ともACKを受けることができず、データ送信に失敗することになる。この場合、STA4とSTA5はCW値を2倍に増やした後に任意バックオフカウント値を選択してカウントダウンを行うことができる。一方、STA1は、STA4とSTA5の送信によって媒体が占有状態である間に待機しているが、媒体が遊休状態になると、DIFSだけ待機した後、残余バックオフ時間が経過するとフレーム送信を開始することができる。
STAのセンシング動作
前述したように、CSMA/CAメカニズムは、AP及び/又はSTAが媒体を直接センシングする物理的キャリアセンシング(physical carrier sensing)の他、仮想キャリアセンシング(virtual carrier sensing)も含む。仮想キャリアセンシングは、隠れたノード問題(hidden node problem)などのように媒体アクセスで発生し得る問題を補完するために用いられる。仮想キャリアセンシングのために、無線LANシステムのMACはネットワーク割当ベクトル(Network Allocation Vector;NAV)を用いることができる。NAVは、現在媒体を利用していたり又は利用する権限のあるAP及び/又はSTAが、媒体を使用可能な状態になるまで残っている時間を、他のAP及び/又はSTAに指示(indicate)する値である。したがって、NAVに設定された値は、当該フレームを送信するAP及び/又はSTAによって媒体の利用が予定されている期間に該当し、NAV値を受信するSTAは、当該期間において媒体アクセス(又は、チャネルアクセス)が禁止(prohibit)又は延期(defer)される。NAVは、例えば、フレームのMACヘッダ(header)の「duration」フィールドの値によって設定されてもよい。
また、衝突可能性を低減するために堅牢な衝突検出(robust collision detect)メカニズムが導入された。これについて図7及び図8を参照して説明する。実際にキャリアセンシング範囲と送信範囲は同一でないこともあるが、説明の便宜のために両者は同一であると仮定する。
図7は、隠れたノード及び露出されたノードを説明するための図である。
図7(a)は、隠れたノードに対する例示であり、STA AとSTA Bとが通信中にあり、STA Cが送信する情報を持っている場合である。具体的に、STA AがSTA Bに情報を送信している状況であるにもかかわらず、STA CがSTA Bにデータを送る前にキャリアセンシングを行う際、媒体が遊休状態にあると判断することがある。これは、STA Aの送信(すなわち、媒体占有)をSTA Cの位置ではセンシングできないこともあるためである。このような場合、STA BはSTA AとSTA Cの情報を同時に受け、衝突が発生することになる。このとき、STA AをSTA Cの隠れたノードということができる。
図7(b)は、露出されたノード(exposed node)に対する例示であり、STA BがSTA Aにデータを送信している状況で、STA CがSTA Dに送信する情報を持っている場合である。この場合、STA Cがキャリアセンシングを行うと、STA Bの送信によって媒体が占有された状態であると判断することができる。そのため、STA CがSTA Dに送信する情報を持っていても、媒体占有状態とセンシングされたため、媒体が遊休状態になるまで待たなければならない。しかし、実際にはSTA AはSTA Cの送信範囲外にあるため、STA Cからの送信とSTA Bからの送信とがSTA Aの立場では衝突しないこともあるため、STA Cは、STA Bが送信を止めるまで余計に待機することになる。このとき、STA CをSTA Bの露出されたノードということができる。
図8は、RTSとCTSを説明するための図である。
図7のような例示的な状況で衝突回避(collision voidance)メカニズムを效率的に利用するために、RTS(request to send)とCTS(clear to send)などの短いシグナリングパケット(short signaling packet)を利用することができる。両STA間のRTS/CTSは周囲のSTAがオーバーヒヤリング(overhearing)できるようにし、この周囲のSTAが上記両STA間の情報送信の有無を考慮するようにすることができる。例えば、データを送信しようとするSTAがデータを受けるSTAにRTSフレームを送信すると、データを受けるSTAはCTSフレームを周囲のSTAに送信することによって、自身がデータを受けることを知らせることができる。
図8(a)は、隠れたノード問題を解決する方法に関する例示であり、STA AとSTA CがいずれもSTA Bにデータを送信しようとする場合を仮定する。STA AがRTSをSTA Bに送ると、STA BはCTSを自身の周囲にあるSTA A及びSTA Cの両方に送信する。その結果、STA CはSTA AとSTA Bのデータ送信が終わるまで待機し、衝突を避けることができる。
図8(b)は、露出されたノード問題を解決する方法に関する例示であり、STA AとSTA B間のRTS/CTS送信をSTA Cがオーバーヒヤリングすることによって、STA Cは自身が他のSTA(例えば、STA D)にデータを送信しても衝突が発生しないと判断することができる。すなわち、STA Bは周囲の全STAにRTSを送信し、実際に送るデータを持っているSTA AのみがCTSを送信するようになる。STA Cは、RTSのみを受信し、STA AのCTSは受信できなかったため、STA AがSTA Cのキャリアセンシング外にあるということがわかる。
PPDUフレームフォーマット
PPDU(Physical Layer Convergence Protocol(PLCP)Packet Data Unit)フレームフォーマットは、STF(Short Training Field)、LTF(Long Training Field)、SIG(SIGNAL)フィールド、及びデータ(Data)フィールドで構成することができる。最も基本的な(例えば、non−HT(High Throughput))PPDUフレームフォーマットは、L−STF(Legacy−STF)、L−LTF(Legacy−LTF)、SIGフィールド及びデータフィールドのみで構成することができる。また、PPDUフレームフォーマットの種類(例えば、HT−mixedフォーマットPPDU、HT−greenfieldフォーマットPPDU、VHT(Very High Throughput)PPDUなど)によって、SIGフィールドとデータフィールドとの間に追加の(又は、他の種類の)STF、LTF、SIGフィールドを含めることもできる。
STFは、信号検出、AGC(Automatic Gain Control)、ダイバーシティ選択、精密な時間同期などのための信号であり、LTFは、チャネル推定、周波数誤差推定などのための信号である。STFとLTFを合わせてPCLPプリアンブル(preamble)と称することができ、PLCPプリアンブルは、OFDM物理層の同期化及びチャネル推定のための信号ということができる。
SIGフィールドは、RATEフィールド及びLENGTHフィールドなどを含むことができる。RATEフィールドは、データの変調及びコーディングレートに関する情報を含むことができる。LENGTHフィールドは、データの長さに関する情報を含むことができる。さらに、SIGフィールドは、パリティ(parity)ビット、SIG TAILビットなどを含むことができる。
データフィールドは、SERVICEフィールド、PSDU(PLCP Service Data Unit)、PPDU TAILビットを含むことができ、必要時には埋め草ビット(padding bit)も含むことができる。SERVICEフィールドの一部ビットは、受信端におけるデスクランブラの同期化のために用いることができる。PSDUは、MAC層で定義されるMAC PDU(Protocol Data Unit)に対応し、上位層で生成/利用されるデータを含むことができる。PPDU TAILビットは、エンコーダを0状態にリターンするために用いることができる。埋め草ビットは、データフィールドの長さを所定の単位に合わせるために用いることができる。
MAC PDUは、様々なMACフレームフォーマットによって定義され、基本的なMACフレームは、MACヘッダー、フレームボディー、及びFCS(Frame Check Sequence)で構成される。MACフレームは、MAC PDUで構成されて、PPDUフレームフォーマットのデータ部分のPSDUを介して送信/受信されてもよい。
一方、ヌル−データパケット(NDP)フレームフォーマットは、データパケットを含まない形態のフレームフォーマットを意味する。すなわち、NDPフレームは、一般的なPPDUフォーマットにおいてPLCPヘッダー部分(すなわち、STF、LTF及びSIGフィールド)のみを含み、残りの部分(すなわち、データフィールド)は含まないフレームフォーマットを意味する。NDPフレームは、短い(short)フレームフォーマットと呼ぶこともできる。
単一ユーザフレーム/多重ユーザフレームの構造
本発明では、1GHz以下(例えば、902乃至928MHz)の周波数帯域で動作する無線LANシステムで単一ユーザ(Single User;SU)フレームと多重ユーザ(Multiple User;MU)フレームにけるSIGフィールド構成方案について提案する。SUフレームは、SU−MIMOで用いられるフレーム、MUフレームは、MU−MIMOで用いられるフレームのことを指すことができる。ここで、以下の説明で、フレームは、データフレーム又はNDPフレームであってもよい。
図9は、SU/MUフレームフォーマットを例示的に示す図である。
図9の例示で、STF、LTF1、SIG−A(SIGNAL A)フィールドは、全方向(omni direction)に全てのSTAに送信されるということからオムニ(Omni)部分に該当するものであり、ビームフォーミング(beamforming)又はプリコーディング(precoding)が適用されずに送信されてもよい。図9の例示で示すように、SU/MUフレームフォーマットは非−NDP(non−NDP)フレームフォーマットに該当する。
一方、SIG−Aフィールドに続くMU−STF,MU−LTF1,...,MU−LTF_NLTF、SIG−B(SIGNAL B)フィールドは、ユーザ−特定に送信されるものであり、ビームフォーミング又はプリコーディングが適用されて送信されてもよい。図9のフレームフォーマットの例示で、MU部分はMU−STF、MU−LTF、SIG−B及びデータフィールドを含むことができる。
オムニ部分でSTF、LTF1、SIG−Aフィールドは、それぞれの副搬送波(subcarrier)に対して単一ストリームで送信されてもよい。これを式で表現すると、次のとおりである。
上記の式1で、kは、副搬送波(又は、トーン)インデックスであり、xkは、副搬送波kで送信される信号を意味し、NTXは、送信アンテナの個数を意味する。Qkは、副搬送波kで送信される信号をエンコーディング(例えば、空間マッピング)する列ベクトルを意味し、dkは、エンコーダに入力されるデータを意味する。上記の式1で、Qkには時間ドメインにおける循環シフト遅延(CSD)が適用されてもよい。時間ドメインにおけるCSDは、周波数ドメインにおける位相回転(phase rotation)又は位相シフト(phase shift)の意味を有する。したがって、Qkは、時間ドメインCSDによって誘発されるトーンkにおける位相シフト値を含むことができる。
図9に例示したようなフレームフォーマットが用いられる場合、STF、LTF1、SIG−Aフィールドを全てのSTAが受信することができ、各STAはSTF、LTF1に基づくチャネル推定によってSIG−Aフィールドをデコードすることができる。
SIG−Aフィールドは、長さ/デューレーション(Length/Duration)、チャネル帯域幅(Channel Bandwidth)、空間ストリームの個数(Number of Spatial Streams)などに関する情報を含むことができる。SIG−Aフィールドは2個のOFDMシンボル長で構成される。1つのOFDMシンボルは、48個のデータトーン(data tone)に対してBPSK(Binary Phase Shift Keying)変調を使用するので、1つのOFDMシンボル上で24ビットの情報を表現することができる。これによって、SIG−Aフィールドは48ビットの情報を含むことができる。
下記の表3には、SUの場合とMUの場合のそれぞれに対するSIG−Aフィールドのビット割り当ての例示を示す。
上記の表3で、SU/MU指示(SU/MU Indication)フィールドは、SUフレームフォーマットかMUフレームフォーマットかを区別するために使われる。
長さ/デューレーション(Length/Duration)フィールドは、フレームのOFDMシンボル(すなわち、デューレーション)又はバイト個数(すなわち、長さ)を示す。SUフレームで組合せ(aggregation)フィールドの値が1である場合、長さ/デューレーションフィールドはデューレーションフィールドと解釈される。一方、組合せフィールドの値が0である場合には、長さ/デューレーションフィールドは長さフィールドと解釈される。MUフレームでは、組合せフィールドが定義されず、常に組合せが適用されるように構成されるので、長さ/デューレーションフィールドはデューレーションフィールドと解釈される。
MCSフィールドは、PSDU送信に用いられる変調及びコーディング技法を示す。SUフレームの場合にのみ、MCSフィールドがSIG−Aフィールドで送信される。他のSTA(すなわち、2つのSTA間の送受信に直接的に関連しないサードパーティー(3rd party)STAと呼ぶこともできる。)が上記SUフレームを受信する場合、長さ/デューレーションフィールドの長さ値とMCSフィールド値に基づいて、現在受信されるSUフレーム(すなわち、組合せフィールドが0である、SUビームフォーミングされたフレーム)のデューレーションを計算することができる。一方、MUフレームでは、MCSフィールドはSIG−Aフィールドに含まれず、ユーザ−特定情報を運ぶSIG−Bフィールドに含まれ、これによってそれぞれのユーザ別に独立したMCSの適用が可能である。
BWフィールドは、送信されるSUフレーム又はMUフレームのチャネル帯域幅を示す。例えば、BWフィールドは、2MHz、4MHz、8MHz、16MH又は8+8MHzのいずれか一つを示す値に設定することができる。
組合せ(Aggregation)フィールドは、PSDUが組合せMPDU(すなわち、A−MPDU)形態に組み合わせられるか否かを示す。組合せフィールドが1である場合、PSDUがA−MPDUの形態に組み合わせられて送信されることを意味する。組合せフィールドが0である場合、PSDUは、組み合わせられずに送信されることを意味する。MUフレームではPSDUが常にA−MPDU形態で送信されるので、組合せフィールドがシグナルされる必要がなく、SIG−Aフィールドに含まれない。
空間時間ブロックコーディング(STBC)フィールドは、SUフレーム又はMUフレームにSTBCが適用されるか否かを示す。
コーディング(coding)フィールドは、SUフレーム又はMUフレームに用いられたコーディング技法を示す。SUフレームの場合には、BCC(Binary Convolutional Code)、LDPC(Low Density Parity Check)技法などを用いることができる。MUフレームの場合には、それぞれのユーザ別に独立したコーディング技法を適用することができ、これを支援するために、2ビット以上のビットサイズで上記コーディングフィールドを定義することができる。
短いガードインターバル(SGI)フィールドは、SUフレーム又はMUフレームのPSDU送信に短いGIが用いられるか否かを示す。MUフレームの場合には、SGIが用いられると、MU−MIMOグループに属した全てのユーザに対して共通にSGIが適用されることを示すことができる。
グループ識別子(GID)フィールドは、MUフレームで多重−ユーザグループ情報を示す。SUフレームの場合にはユーザグループが定義される必要がなく、GIDフィールドはSIG−Aフィールドに含まれない。
空間−時間ストリームの個数(Nsts)フィールドは、SUフレーム又はMUフレームにおいて空間ストリームの個数を意味する。MUフレームの場合、該当する多重−ユーザグループに属したSTAのそれぞれに対する空間ストリームの個数を示し、そのためには8ビットが必要である。具体的に、1つのMUグループに最大4名のユーザが含まれ、各ユーザに対して最大4個の空間ストリームが送信され得るので、これを正しく支援するために8ビットが必要である。
上りリンク/下りリンク(Uplink/Downlink)フィールドは、当該フレームが上りリンクフレーム(uplink frame)であるか又は下りリンクフレーム(downlink frame)であるかを明示的に示す。上りリンク/下りリンクフィールドはSUフレームでのみ定義され、MUフレームでは定義されず、常に下りリンクフレームとしてのみ用いられるとあらかじめ定めておいてもよい。
部分AID(PAID)フィールドは、SUフレームで受信STAを識別するためのSTAのIDを示す。上りリンクフレームでPAIDの値は、BSSID(Basic Service Set ID)の一部分で構成される。下りリンクフレームでPAID値は、APのBSSIDとSTAのAIDとをハッシュ(hashing)した結果で構成されてもよい。例えば、BSSIDはAPのMACアドレスに該当し、48ビットの長さを有する。AIDは、APが自身と関連付けられたSTAに割り当てる識別情報又はアドレスであり、16ビットの長さを有する。
また、上りリンクフレームでは、PAIDフィールドのサイズが9ビットと定義され、下りリンクフレームではPAIDフィールドが6ビットのサイズと定義されてもよい。PAID値を定める方法の詳細は後述する。
また、上りリンクフレームではCOLORフィールドが定義されず、下りリンクフレームではCOLORフィールドが3ビットサイズと定義されてもよい。COLORフィールドは0から7までの値のうちのいずれかを有することができる。COLORフィールドは、下りリンクフレームを送信するBSSを識別するための目的で用いることができる。COLORフィールドを用いて、STAは、当該フレームが自身の属したBSSで送信されているか否かを識別することができる。一方、上りリンクフレームではPAIDフィールドだけを用いて、当該フレームを送信するBSSを識別することができ、よって、COLORフィールドがSIG−Aフィールドに含まれない。
上記の表3の受信確認指示(ACK indication)フィールドは、SUフレーム又はMUフレームの後に送信されるACKの類型を示す。例えば、ACK指示フィールドの値が00であれば、一般ACK(Normal ACK)を示し、01であれば、ブロックACK(ブロックACK)を示し、10であれば、ACK無し(No ACK)を示すことができる。ただし、このように3つの類型の区別に制限されるものではなく、応答フレーム(response frame)の属性によって3つ以上の類型に区別されてもよい。
一方、図9の例示のようなMUフレームでSIG−Bフィールドは、ユーザ−特定(User−specific)情報を含むことができる。下記の表4に、MUフレームにおいてSIG−Bフィールドを構成するフィールドを例示的に示す。また、下記の表1では、帯域幅(BW)2、4、8又は16MHz別にPPDUに対して適用される様々なパラメータを例示的に示す。
上記の表4で、MCSフィールドは、それぞれのユーザ別にMUフレーム形態で送信されるPPDUのMCS値を示す。
TAILビットは、エンコーダを0状態にリターンするために用いることができる。
CRC(Cyclic Redundancy Check)フィールドは、MUフレームを受信するSTAでのエラー検出のために用いることができる。
PAID決定方案
PAIDはSTAの非−固有(non−unique)識別子である。上記の表3で説明したとおり、PAIDをSUフレームに含めることができ、具体的には、本発明を適用し得るsub−1GHz動作周波数で定義されるSUフレームに含めることができる。
下記の表5は、それぞれのフレーム類型に対するPAID値を求める従来の方法を説明するためのものである。
上記の表5に含まれた式で、dec(A)は、Aを10進数に変換した値を表す。A[b:c」は、2進数Aの最初のビットが0のとき、Aのビットbからビットcまでを表す。modは、モジューロ(modulo)演算を表す。XORは、排他的論理和、すなわち、exclusive OR演算を表す。||は、連接(concatenation)演算を表す。
上記の表5で、“Addressed to AP”と記載された条件は、STAがAPに上りリンクフレームを送信する場合に該当する。この場合、48ビットサイズのBSSIDの40番目のビットから48番目のビット(すなわち、BSSID[39:47]は、BSSIDのビット39からビット47を表す。)の9ビットを10進数と表し、29−1モジューロ演算を行い、1を加えてPAID値を計算することができる。モジューロ演算の結果に1を加算しているため、この場合のPAID値は0値にならない。
従来のPAID値演算においてPAID=0はマルチキャスト/ブロードキャストに用いられる。
一方、上記の表5で“Addressed to Mesh STA”と記載された条件は、フレームをメッシュSTAに送信する場合に該当し、この場合には、BSSID[40:47]に1を連接した値によってPAIDが計算される。
一方、上記の表5で“Sent by an AP and addressed to a STA associated with that AP”と記載された条件は、APによって該APと関連付けられているSTAに下りリンクフレームを送信する場合に該当する。また、“sent by a DLS or TDLS STA in a direct path to a DLS or TDLS STA”と記載された条件は、DLS(Direct Link Setup)又はTDLS(Tunneled DLS)STAによって直接経路(direct path)で他のDLS又はTDLS STAにフレームを送信する場合に該当する。この場合には、BSSID及びAIDを用いたハッシュ値によってPAIDが計算される。具体的に、AIDの1番目のビット位置から9番目のビット位置(すなわち、AID[0:8])までの8ビット値を10進数と表し、BSSIDの45番目のビット位置から48番目のビット位置までの4ビット値(すなわち、BSSID[44:47])とBSSIDの41番目のビット位置から44番目のビット位置までの4ビット値((すなわち、BSSID[40:43])とをXOR演算して10進数と表し、これに25を乗じる。このようにして得られた2個の10進数値を合算し、その結果値に26モジューロ演算を行って得られた最終結果値によってPAIDが計算される。
ここで、APによって全STAに送信されるマルチキャスト/ブロードキャストフレーム、又は関連付いていない(non−associated)STAが送信するフレームの場合には、PAID値として0を使用する。これは、あるSTAが検出したフレームのPAIDフィールドの値が0である場合、該STAは当該フレームを受信し、PSDUデコーディングを行うということを意味する。
APでは、PAID値が0又は(dec(BSSID[39:47])mod(29−1))+1値と一致するフレームに対してのみ、AP自身に向かって送信される(又は、送信される可能性がある)フレームであると見なしてPSDUをデコードする。
STAでは、PAID値が0又は(dec(AID[0:8]+dec(BSSID[44:47]XORBSSID[40:43])×25)mod26値と一致するフレームに対してのみ、STA自身に向かって送信される(又は、送信される可能性がある)フレームであると見なしてPSDUをデコードする。
このような動作を正しく支援するために、APがSTAにAIDを割り当てる際に、(dec(AID[0:8]+dec(BSSID[44:47]XORBSSID[40:43])×25)mod26の計算値が0であるAIDを、STAに割り当ててはならない。仮に(dec(AID[0:8]+dec(BSSID[44:47]XORBSSID[40:43])×25)mod26の計算値が0となるようにするAID値がSTAに割り当てられると、上記の表5によって、当該STAに送信される下りリンクフレームのPAIDが0値を有するようになり、このようなフレームを検出できる他のSTAはいずれも当該フレームをマルチキャスト/ブロードキャストフレームとして見なして当該フレームを受信及びPSDUデコーディングをしてしまい、システム全体の動作を妨害するためである。
同様の理由で、APがSTAにAIDを割り当てる際に、(dec(AID[0:8]+dec(BSSID[44:47]XORBSSID[40:43])×25)mod26の計算値が(dec(BSSID[39:47])mod(29−1))+1値となるAIDを、STAに割り当ててはならない。仮に(dec(AID[0:8]+dec(BSSID[44:47]XORBSSID[40:43])×25)mod26の計算値が(dec(BSSID[39:47])mod(29−1))+1値となるAIDをSTAに割り当てる場合、他のSTAがAPに送信する上りリンクフレームを、前記STAは自分に向かうフレームであると判断し、当該フレームを無駄に受信し、PSDUデコーディングを行うことになるためである。
また、重なるBSS(Overlapping BSS;OBSS)が存在する場合、APは、OBSS APのBSSID(すなわち、OBSSのBSSID)を考慮して、自身のBSSに属したSTAに割り当てるAID値を決定しなければならない。すなわち、APがSTAにAIDを割り当てる際に、(dec(AID[0:8]+dec(BSSID[44:47]XORBSSID[40:43])×25)mod26の計算値が(dec(OBSS BSSID[39:47])mod(29−1))+1値になるAIDをSTAに割り当ててはならない。仮に、
(dec(AID[0:8]+dec(BSSID[44:47]XORBSSID[40:43])×25)mod26の計算値が(dec(OBSS BSSID[39:47])mod(29−1))+1値になるAIDをSTAに割り当てる場合、OBSSに属したSTAがOBBSのAPに送信するOBSS上りリンクフレームを、前記STAは自身に向かうフレームであると判断し、該フレームを無駄に受信し、PSDUデコーディングを行うことになるためである。
したがって、PAIDが目的に応じて正しく用いられるようにするためには、APがSTAにAIDを割り当てる際に、AID及びBSSIDのハッシュによって得られる下りリンクフレームのPAID値が、マルチキャスト/ブロードキャストのような特定フレーム類型のために指定されたPAID値、又はAP又はOBSS APに送信される上りリンクフレームのように特定STAのために指定されたPAID値と一致してはならない。また、このような場合を発生させうるAID値が個別のSTAに割り当てられてはならず、このようなAID値はマルチキャストフレームなどの他の用途に用いることが好ましい。
前述した本発明の一例によれば、上記の表5は下記の表6のように修正される。
上記の表6で、“A frame that is not a Control frame that is addressed to an AP”と記載された条件は、制御フレームでないとともにAPに向かうフレーム(すなわち、上りリンクフレーム)である場合であり、この場合には、上記の式2によってPAIDが計算される。
上記の表6で、“A frame that is not a Control frame that is Sent by an AP and addressed to a STA associated with that AP ...”と記載された条件は、制御フレームでないとともに、APによって該APと関連付けられたSTAに向かうフレーム(すなわち、下りリンクフレーム)又はDLS/TDLS STAに送信されるフレームである場合であり、この場合には上記の式4によってPAIDが計算される。
これら2つの条件に該当しない場合(すなわち、制御フレームであるとともに上りリンクフレームである場合、又は制御フレームであるとともに下りリンクフレームである場合)には、フレームのPAIDは0値に設定される。
改善されたPAID決定方案
既存のPAID決定方案では制御フレームと制御フレームでないフレームとを区別していないが、この場合に発生しうる問題点を解決するために、本発明では、制御フレームのPAID値を特定値に設定する方案について提案する。これに加えて、本発明では、制御フレームのSIG−Aフィールドの上りリンク/下りリンクフィールド又はCOLORフィールドを特定値に設定する方案についても提案する。
制御フレームの種類には、例えば、RTSフレーム、CTSフレーム、ACKフレーム、ブロックACKフレーム、PS(Power Save)−Pollフレーム、CF(Contention Free)−ENDフレームなどがある。このような制御フレームはMACヘッダーにデューレーションフィールドを含み、周辺のSTAは、当該制御フレームを検出又はオーバーヒヤリングして、仮想キャリアセンシング(virtual carrier sense)のためのNAV(Network Allocation Vector)を設定することができる。NAVを設定したSTAは、所定の時間区間でチャネルアクセス(又は媒体アクセス)を延期(defer)する。
仮に、制御フレームに対して従来の方式によってPAID値を設定すると、これらの制御フレームが特定STAに向かってユニキャスト方式で送信される場合、他の周辺STAは、当該制御フレームに含まれたPAIDが自分のと一致しないため、そのようなフレームは受信/デコードしなくなる。したがって、他の周辺STAは当該制御フレームのデューレーションフィールドを確認してNAV設定をする動作を行わずに、チャネルアクセスを行う。このため、制御フレームを送信するSTAは、デューレーション値に該当する区間では他のSTAのチャネルアクセスが延期されるとの前提に動作するが、実際には他のSTAがチャネルアクセスを行うため衝突が発生し、これによって、システム全体の性能が低下したり、誤動作が発生したりする。
このような問題を解決するために、以下、制御フレーム(例えば、デューレーションフィールドを用いて周辺STAのNAV設定を要求するフレーム)のSIG−Aフィールドの上りリンク/下りリンクフィールド、PAIDフィールド、又はCOLORフィールドを特定値に設定する方案について説明する。
本発明の一例によれば、制御フレーム以外のフレームに対しては、上記の表5のような方式でPAIDを計算/設定するが、制御フレームの場合には、PAID値を0に設定することができる。これは、制御フレームがユニキャスト方式で送信する場合にもPAIDを0に設定するという意味であるため、マルチキャスト/ブロードキャストのフレームの場合にPAIDを0に設定するものと区別しなければならない。一方、PAID=0に設定された制御フレームを受信する他のSTAは、該制御フレームを受信してPSDUをデコードすることによって仮想キャリアセンシング動作を正確に行うことができる。
また、このような制御フレームは、STAの属したBSS(又はAP)だけのために送信されるものではなく、周辺の全STAが聞けるように送信しなければならないため、COLORフィールドが定義される(又は、設定される)必要がなく、そのために、制御フレームは上りリンクフレーム類型で送信されればよい。したがって、制御フレームの上りリンク/下りリンクフィールドは、上りリンクフレームを示す値に設定され、COLORフィールドは含まれない。
又は、制御フレームのPAIDを0に設定し、COLORフィールドは、制御フレームを送信するSTAが属したBSSのCOLOR値に設定してもよい。これは、STAが自身の属したBSSで進行されているフレーム交換シーケンス(frame exchange sequence)を確認できるようにするためである。この場合、前記制御フレームの上りリンク/下りリンクフィールドは、下りリンクフレームを示す値に設定される。
又は、制御フレームのPAIDを0に設定し、該当のフレーム交換シーケンスに対して、STAの属したBSSによらずにデコーディングを行うように指示するために、制御フレームを送信するSTAは、制御フレームのCOLORフィールドを特定値(例えば、0)に設定し、これによって、当該制御フレームはオーバーヒヤリングの目的であることを示すこともできる。この場合、制御フレームの上りリンク/下りリンクフィールドは、下りリンクフレームを示す値に設定される。
図10は、本発明の一例に係るフレーム送受信方法を説明するための図である。
段階S1010で、送信主体(例えば、AP STA又はnon−AP STA)は、送信するフレームが上りリンクフレームであるか(すなわち、non−AP STAによってAPに送信されるフレームであるか)又は下りリンクフレームであるか(すなわち、APによってSTAに送信されるフレームであるか)を決定することができる。上りリンクフレームである場合には段階S1020に進行し、下りリンクフレームである場合には段階S1030に進行する。
段階S1020で、送信する上りリンクフレームが制御フレームであるか否かを決定する。制御フレームである場合には段階S1040に進行し、送信するフレームのPAIDを0に設定する。制御フレームでない場合には、段階S1050に進行し、送信するフレームのPAIDをAPのBSSIDに基づいて計算する(例えば、上記の表6の式2によってPAIDを計算する)。
段階S1030で、送信する下りリンクフレームが制御フレームであるか否かを決定する。制御フレームである場合には段階S1060に進行し、送信するフレームのPAIDを0に設定する。制御フレームでない場合には段階S1070に進行し、送信するフレームのPAIDをSTAのAID及びAPのBSSIDに基づいて計算する(例えば、上記の表6の式4によってPAIDを計算する)。
一方、図10には図示していないが、フレームを受信する受信主体(例えば、AP STA又はnon−AP STA)は、検出されたフレームのPAIDを確認し、自身のPAIDと同一であるか(例えば、AP STAでは、上記の表6の式2によって計算された値と検出されたフレームのPAID値とが一致する場合、non−AP STAでは、上記の表6の式4によって計算された値と検出されたフレームのPAIDと値が一致する場合)、又はPAIDが0値を有する場合には、当該フレームのPSDUデコーディングを行う。
図10で説明する例示的な方法は、説明の簡明さのために動作のシリーズと表現されているが、これは、段階が行われる順序を制限するためのものではなく、必要によって、それぞれの段階が同時に行われてもよく、異なる順序で行われてもよい。また、本発明で提案する方法を具現する上で、図10で例示した全ての段階が必ずしも要求されるわけではない。
図10で例示した本発明のフレーム送受信方法(特に、PAID構成方案)において、前述した本発明の様々な実施例で説明した事項は独立して適用されてもよく、2つ以上の実施例が同時に適用されてもよい。
図11は、本発明の一実施例に係る無線装置の構成を示すブロック図である。
AP10はプロセッサ11、メモリ12、送受信器13を備えることができる。STA20は、プロセッサ21、メモリ22、送受信器23を備えることができる。送受信器13及び23は、無線信号を送信/受信することができ、例えば、IEEE 802システムに基づく物理層を具現することができる。プロセッサ11及び21は、送受信器13及び21と接続し、IEEE 802システムに基づく物理層及び/又はMAC層を具現することができる。プロセッサ11及び21は、前述した本発明の様々な実施例に係る動作を行うように構成されてもよい。また、前述した本発明の様々な実施例に係るAP及びSTAの動作を具現するモジュールがメモリ12及び22に保存され、プロセッサ11及び21によって実行されてもよい。メモリ12及び22は、プロセッサ11及び21の内部に設けられてもよく、又はプロセッサ11及び21の外部に設けられ、プロセッサ(11及び21)と公知の手段によって接続されてもよい。
AP10がフレームを送信する場合には、プロセッサ11は、このフレーム(すなわち、下りリンクフレーム)が制御フレームであるか否かを決定するように設定されてもよい。制御フレームである場合には、プロセッサ11は下りリンクフレームのPAIDを0に設定することができる。仮に制御フレームでない場合には、プロセッサ11は下りリンクフレームのPAIDをSTAのAID及びAPのBSSIDに基づいて(例えば、上記の表6の式4によって)計算/設定することができる。
AP10がフレームを受信する場合には、プロセッサ11は、前記フレーム(すなわち、上りリンクフレーム)のPAIDが0であるか、又は上記の表6の式2によって計算された値と一致すると、当該フレームのPSDUデコーディングを行うように設定されてもよい。
STA20がフレームを送信する場合には、プロセッサ21は、このフレーム(すなわち、上りリンクフレーム)が制御フレームであるか否かを決定するように設定されてもよい。制御フレームである場合には、プロセッサ21は上りリンクフレームのPAIDを0に設定することができる。制御フレームでない場合には、プロセッサ21は上りリンクフレームのPAIDを、APのBSSIDに基づいて(例えば、上記の表6の式2によって)計算/設定することができる。
STA20がフレームを受信する場合には、プロセッサ21は、このフレーム(すなわち、下りリンクフレーム)のPAIDが0であるか、又は上記の表6の式4によって計算された値と一致すると、当該フレームのPSDUデコーディングを行うように設定されてもよい。
このようなAP及びSTA装置の具体的な構成は、前述した本発明の様々な実施例で説明した事項が独立して適用されたり又は2つ以上の実施例が同時に適用されるように具現されてもよく、重複する内容は明確性のために説明を省略する。
以上説明した本発明の実施例は、様々な手段によって具現することができる。例えば、本発明の実施例は、ハードウェア、ファームウェア(firmware)、ソフトウェア又はそれらの結合などによって具現することができる。
ハードウェアによる具現の場合、本発明の実施例に係る方法は、1つ又はそれ以上のASIC(Application Specific Integrated Circuit)、DSP(Digital Signal Processor)、DSPDs(Digital Signal Processing Device)、PLD(Programmable Logic Device)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサなどによって具現することができる。
ファームウェア又はソフトウェアによる具現の場合、本発明の実施例に係る方法は、以上で説明された機能又は動作を実行するモジュール、手順又は関数などの形態で具現することができる。ソフトウェアコードはメモリユニットに保存され、プロセッサによって駆動されてもよい。メモリユニットは、プロセッサの内部又は外部に設けられ、既に公知の様々な手段によってプロセッサとデータを交換することができる。
以上開示した本発明の好ましい実施の形態に関する詳細な説明は、当業者が本発明を具現して実施できるように提供された。上記では本発明の好適な実施の形態を参照して説明したが、当該技術の分野における熟練した当業者にとっては添付の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を様々に修正及び変更できるということは明らかである。したがって、本発明は、ここに示した実施の形態に制限されるものではなく、ここで開示した原理及び新規な特徴と一致する最も広い範囲を与えるためのものである。