I.はじめに
モバイルコンピューティングのネットワークソリューションは、ワイドエリアソリューションとローカルエリアソリューションの2種類に分けられます。ワイドエア・ソリューションは、モバイル・コンピューティングの物理的ネットワークとして、主に無線携帯電話データ通信ネットワークと衛星通信ネットワークに依存しています。一方、ローカルエア・ソリューションであるWLANは、その高い伝送速度と低い通信コストのために特に魅力的であり、有線ローカルエリアネットワークであるLANの拡張および代替として使用することができます。
WLAN はすべて通信の基礎として多重化されたチャネルを使用するため、ポイント・ツー・ポイント接続を使用するネットワークと比較して、チャネルを使用するための競合がある場合に、チャネルを使用する権利をどのように割り当てるかという重要な技術的問題があります。この機能は、WLAN ではデータリンク層 DLC の媒体アクセス制御（MAC）サブレイヤによって実現されます。WLANのネットワーク性能は、MACサブレイヤのアクセスプロトコルに完全に依存すると言えます。したがって、適切なMACサブレイヤの仕様を開発し、ネットワークサービスの特性に応じてチャネルリソースを効果的に設定し、無線リソースの使用効率を向上させ、システムの容量と伝送品質を改善することは、今後のWLAN研究の重要なテーマです。
II. MACアクセスメカニズムの分類
MACレイヤーの中心的なテーゼは、競合するユーザー間でチャネル・リソースをどのように割り当てるかです。複数の端末が同じチャネル・リソースを共有する方法は、チャネル・アクセス方式、または多重アクセス方式と呼ばれます。無線 LAN の MAC 副層で一般的に使われている多重アクセス方式は、次の 3 つに分類できます：
1.アロハシリーズなどのランダム対戦クラス。ランダムコンペティションクラスのプロトコルは、一般的にパブリックチャネルを使用し、このチャネルに接続されているすべての端末は、チャネルにブロードキャストメッセージを送信することができます。送信する必要がある端末は、何らかの方法でチャネルの使用権を競い、使用権を得たらすぐに送信します。 すべての端末は、どの端末からも送信された情報を受信することができ、自分宛に送信された情報であることを検出すれば受け入れ、そうでなければ破棄します。
2. トークンリングなどのオンデマンド・ディストリビューション・クラス。この方式の原理は、ネットワークがある種の周期的な順序で各端末に送信すべきデータがあるかどうかを尋ね、あれば即座に送信し、なければ即座に次の端末に移るというものです。ポーリングは、各サブステーションが公平にチャネルアクセス制御を得ることができるという特徴があり、通信サービスの量が時間とともに変化し、そのような変化を予測することが困難な状況に適しています。このマルチアクセス方式はシンプルで実装が容易なため、一般的なリアルタイム分散計測制御システムで広く利用されています。
3.FDMA、TDMA、CDMAなどの固定割当クラス。その原理は、共有チャネルを多数の相互に独立したサブチャネルに分割し、各サブチャネルを順番に1人または複数のユーザーに割り当てて排他的に使用すること。
上記の3種類の多重アクセス技法は、それぞれ異なる通信サービスに適しています。主に音声サービスや安定したトラフィックがあるネットワークでは、固定割り当てクラスは高いチャネル利用率を維持しながら、信頼性の高いサービスを提供することができます。オンデマンド割り当てクラスは、情報の衝突はありませんが、通常は専用のチャネルを必要とする、固定割り当てまたはコールアプリケーションへのランダムアクセスのチャネル内のすべてのユーザーは、ランダムな変化のトラフィック量に適しており、状況を予測することは困難です。固定割り当てとオンデマンドの割り当てが高いリアルタイム要件のサービスに適していますが、ランダムな競合クラスは、非遅延敏感なサービスを送信するために断続的に働いているユーザーに適しています。
III.様々な多重アクセス方式の長所と短所の簡単な分析
時分割多重アクセスや周波数分割多重アクセスなどの固定割り当て方式は、チャネルを固定的に異なるサブチャネルに分割することで、個々のユーザにチャネルを割り当てます。この割り当て方式はチャネル指向で、音声サービスのような連続的なストリーミング・サービスに適しています。
CDMAは、固定割当方式とランダム割当方式を組み合わせたもので、チャネルアクセス遅延がゼロ、帯域幅の利用率が高い、統計的多重化特性が良いなどの利点があります。しかし、その欠点は伝送速度の制限と基地局の複雑さです。
ALOHAは単純なランダムアクセス方式で、サービス量が多い場合、サービスフローの衝突が発生しやすくなります。また、キャリアリスニングマルチプルアクセスCSMA技術は、チャネル全体の帯域幅をすべてのユーザーに共有させ、チャネルがアイドルのときにのみ、ユーザーが情報を送信することを許可され、このように衝突の確率を低減します。そして、CSMA / CAは密接にネットワークシステムの集中制御を実現するために、送信する特定の瞬間のみ1端末を確保するためにリンクされているタイムドメイン分割とフレーム形式になります。しかし、それは遅延、隠された端末と露出した端末がWLANの固有の問題であり、現在の主な解決策は、RTS / CTS（送信要求/送信クリア）ショートメッセージハンドシェイクメカニズムを使用することであることを確認する必要があります。MACA（Multiple Access Collision Avoidance）、MACAW（MACAの改良版）、FAMA（Floor Acquisition Multiple Access）など、主流のMACサブレイヤープロトコルはすべてRTS/CTSショートパケットを使用します。
オンデマンド割り当て方式は、帯域幅の必要性を考慮してネットワークに 明示的な情報を提供するユーザーに対して帯域幅を予約する方式。ネットワークは、加入者のサービスのデータ長に基づいて帯域幅を割り当て、ある加入者がアイドル状態になると、その加入者に割り当てられた帯域幅を他の加入者に分配します。オンデマンドで帯域幅を割り当てることで、ネットワーク帯域幅リソースの浪費が最小限に抑えられ、リソースの奪い合いによる帯域幅の浪費や、その結果生じる遅延がなくなるため、高い情報スループットレートを実現できます。オンデマンド割り当ての単純な形態は、ユーザーがメッセージを送信する必要があるときに、中央コントローラーが順番に個々のユーザーに帯域幅の割り当てを依頼することです。
マルチプルアクセス方式は、ネットワークの通信方式とも密接な関係があることに注意が必要です。ポイント・ツー・ポイントの通信には事前割当やコンテンションが適していますが、ブロードキャスト型の通信では、一度に複数の宛先端末がチャネルを競合させて正常に受信できるようにすることが難しいため、純粋なコンテンションは適していませんが、コンテンションと予約を組み合わせれば実現可能です。
要約すると、優れたMACサブレイヤープロトコルは、以下の間の妥協点を達成する必要があります：
1.帯域幅リソースの公平かつ効率的な共有。
2.可能な限り高いスループットを得ること
3.時間遅延は可能な限り小さくします。
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IV.現在主流の WLAN システムの複数アクセスメカニズム。
1.802.11
802.11は、1997年にIEEE（Institute of Electronic and Electrical Engineers）によって導入されたWLAN用のプロトコル規格で、IEEE 802.11アーキテクチャの基本機能モジュールであるBSS（Basic Structured Network）とIBSS（Independent Structured Network）の2種類のネットワークトポロジーを考慮しています。BSS は、IEEE 802.11 アーキテクチャの基本的な機能モジュールで、セルラーネットワークのような地理的なエリアをカバーします。BSS 内では、どの端末も他の端末と直接通信プロセスを確立することができます。各 BSS 内の 1 つの端末はアクセスポイント AP として配信システム DS にアクセスし、DS を介して他の BSS に接続して拡張サービスグループ ESS を形成し、DS と PORTAL を介して他の有線 LAN にも接続できます。そして、IBSS は BSS 内の端末グループで構成され、完全にセンターレスなネットワーク構造となっています。802.11 の MAC 層の基本構造を図 1 に示します：
その中で、DCF は無線ネットワークの共有メディアへのアクセス制御機能であり、その中核はキャリア検出メカニズム、フレーム間スペーシング、ランダムバックオフプロトコルを含む CSMA/CA です。つまり、データを送信する必要がある端末は、他の端末が送信しているかどうかを知るために、まずメディアを聞く必要があります。メディアがビジー状態でない場合、それは処理のために送信することができますが、すぐにデータフレームを送信するのではなく、CSMA / CAの配布アルゴリズムによって、様々なデータフレームの対応する時間間隔の必須の制御は、規定のIFSメディア内のフレームの種類でのみ、送信する前にアイドル状態になっています。メディアがデータを送信していることが検出された場合、端末は、現在の送信の終了まで競合するメディアを遅延させます。遅延後、端末はランダムなバックオフ時間の後にメディアの使用のために再競合します。
後退時間の設定：後退時間は、以下の方法で選択した後、デクリメント後退カウンタの初期値として使用します。
後退時間＝INT[CW×ランダム( )]×スロット時間
CW（Competition Window）：MIBのCWmin～Cwmaxの整数。
Random( ) ： 0 か ら 1 ま での擬似乱数。
Slot Time：MIBのタイムスロット値。
コンテンション・ウィンドウ CW パラメータの選択については、初期値を CWmin とし、MPDU の送信に失敗した場合、高負荷状況に適応するために指数関数的に増加する CWmax まで CW の値を徐々に増加させます。具体的なプロセスは以下の通り：
1).メディア・アイドルが検出されると、リトリート・タイマーがデクリメントされます。
2).メディアがビジーであると検出されると、退避タイマーは、メディアがDIFSより大きい期間アイドルであることが検出されるまで計時を停止し、その後、計時は再びデクリメントされます。
3).退却タイマーが0になったときにメディアがまだ空であれば、端末はメディアを占有します。
4).最も小さい後退時間値を持つ端末が競争に勝ち、メディアへのアクセスを獲得します。
5).後退状態に留まっている端末は、初めて参入する端末よりも後退時間が短く、メディアへのアクセスが容易。
802.11 は、WLAN のメディア特性に基づいた 2 つのキャリア検出方法を提案し ています。もう 1 つは、MAC ヘッダまたは RTS/CTS 内の NAV によって実装される仮想 CS 方式です。これらのいずれかがメディアを使用中であることを示している限り、メディアはビジー状態にあるとみなされます。
CSMA/CAをベースとしたDCF（Distribution Coordination Function）は、MACの基本的なアクセス方式です。 DCFは、データ伝送の遅延が大きい競争力のある非同期サービスしか提供できません。PCFはDCF上に構築され、BSS内のアクセスポイントのAPの中央制御装置は、どの局が現在データを送信する権利があるかを決定します。PCFはDCFを介して、より高い優先度でメディアを競合し、メディアへのアクセスの優先レベルは、DCFを使用して決定されます。DCFの場合のように、各端末がCCA（Clear Channel Assessment）とランダム・バックオフでチャネルを競合させる代わりに、ポイント・コーディネータはビーコン・フレームBF（Beacon Frame）で非競合期間CFPを定義してチャネルを取得します。BSS内のすべての端末は、各CFPの最初にネットワーク構成ベクトルNAVを設定し、そのNAV内のメディアへのアクセスを遅延させるようにすべての端末に指示します。PCFで動作するBSS内のすべての端末は、PCFの制御下で送信されるすべてのフレームを受信でき、ポイント・コーディネータから送信される争いのないポーリングCF-Pollにも応答できます。ポーリングされた端末は CPF 内で RTS/CTS を使用せず、任意の宛先端末に到達できる MSDU のみを送信し、次のフレームから確認応答を受信できます。データフレームに応答がない場合、CF-Pollable 端末は、Point Coordinator から再度ポーリングされるか、コンテンション中に再送信を決定しない限り、フレームを再送信しません。同様に、ポイント・コーディネータは未回答のフレームを再送せず、ポーリング・テーブルのヘッダに記載されている端末識別番号（SID）に基づいて、次のCFP内で未回答のフレームを再送します。
2.ハイパーラン/2
HIPERLAN/2は、ETSI（欧州電気通信標準化機構）によって推進された欧州規格です。HIPERLAN/2ワイヤレスインターフェイスは、時分割複信TDDと動的時分割多重アクセスTDMA、APアクセスポイントによって構成される、いわゆるダイナミックに基づいています。無線リソースと動的にMACフレームの各部分の構造の割合を調整し、リソースの最適な使用を達成するために、チャネルの動的割り当て。そのプロトコル局の構造は、次の図に示されています：
HIPERLAN/2の基本MACフレームは2msの固定時間であり、ブロードキャストチャネルBCH、フレームチャネルFCH、アクセスフィードバックチャネルACH、ランダムアクセスチャネルRCHなどの伝送チャネルを含みます。このうち、BCHは1セクタに1チャネルずつ固定され、他のチャネルの持続時間はそのときの通信状況に応じて動的に変化します。下りリンクのブロードキャスト・チャネルBCHは、FCHとRCHの送信電力レベル、ウェイクアップ・インジケータ、開始ポイント、長さに関する情報を伝播します。フレーム制御チャネルFCHは、現在のMACフレームにおけるリソースの割り当てを詳細に説明します。MTはランダム・チャネルRCHを使用して、APにアップリンクまたはダウンリンク伝送リソースの割り当てを要求し、特定のRLCシグナリング情報を送信します。各セクタは少なくとも1つのRCHを持つことが保証されており、MTからのRR（リソース要求）が増加すると、APはRCHにより多くのリソースを割り当てます。これらの制御メッセージはMACフレームを介して送信され、すべてのMTに到達します。RG（Resource Grant）を取得します。
RCHへのMTアクセスは、コンテンション・ウィンドウCWaによって制御されます。最初のアクセスでは、番号 a が生成され、ゼロに設定されます。
最初の試み： a=0 CW0 = n
256 2a ≥ 652
再発行：a ≥ 1 CWa = 2a n < 2a ≤ 652
n n≧2a
RCH チャネルで 1 回目の再送が実行される場合、パラメータ ra は [1, CWa] の間でランダムに選択され（a = 0 の場合、ra = 1）、MT は MAC フレームの RCH の数をカウントし始め、最後の RCH がカウントされると、MT はその RCH にアクセスします。ACH を使用して MT に衝突が発生したことを伝え、a = a + 1 とし、上記の手順を再度繰り返します。
AP はリソース割り当てを制御するために、自身のバッファと MT のバッファの構成を知る必要があります。したがって、MT は RR で自身のバッファの状態を示し、伝送容量に応じてリソース割り当てを要求する必要があります。RRが正常に送信されると、APは次のフレームのACHを通じて送信が成功したことをMTに伝え、FCHを通じてMTが送受信すべきタイムスロットなど、フレーム内の詳細なリソース割り当てを調整します。
3.ホームRF
HomeRF技術は、既存の無線通信規格、コードレス電話技術DECT(Digital Enhanced Cordless Telephone)とWLAN技術を統合・改良し、HomeRFが採用する共有無線アプリケーションプロトコルSWAP(Shared Wireless Access Protocol)を形成しています。 SWAPは、TDMA+CSMA/CA方式を採用し、小エリア内の様々な伝送サービスタイプに適し、公衆交換電話網PSTNやインターネットと相互運用が可能です。SWAPは、TDMA+CSMA/CA方式を採用しており、小エリア内のさまざまな伝送サービスタイプに適しており、公衆交換電話網（PSTN）やインターネットと相互運用が可能です。HomeRFでは、サービスタイプをインタラクティブ音声などのリアルタイムサービス、高速パケットデータ、優先ストリーミングサービスの3種類に分類し、サービスのさまざまな要件に応じて異なるアクセスメカニズムを採用しています。サービスの要件に応じて異なるアクセス・メカニズムを採用。リアルタイム要件の低いデータサービスでは、音声用に予約されたタイムスロットに加えて、残りのタイムスロットを使用する権利を得るためにCSMA/CAメカニズムを使用し、そのアクセス方法は802.11のDCFと一致しています。高いリアルタイム性が要求される同期全二重平衡音声サービスは、完全にDECT仕様に基づいており、TDMA方式とパケット予約音声挿入技術を採用することで、ネットワーク容量をさらに向上させ、遅延に対する要求を満たします。その中間のリアルタイム性を要求されるストリーミングメディアサービスには、UDP/IPプロトコルを使用し、高水準の優先度を提供し、いつでもデータチャネルリソースを占有できる優先度付き再送メカニズムを採用することで、リアルタイムストリーミングメディアサービスに必要な帯域幅を確保し、低干渉、低BERを実現しています。 SWAPは、ユニキャスト、デュプレックス、マルチキャストなど様々なモードで同時に動作する最大8つのストリーミングメディアサービスをサポートすることができます。HomeRFのプロトコルスタック構造を下図に示します。
TDMAで伝送される音声データは非常に規則的なタイムスロット・チャネルを必要とし、CSMA/CAメカニズムは不定期にタイムスロットを確保し、競合状態にあります。これら両方のデータ・タイプを 20ms 以内で伝送するために、SWAP プロトコルは異なるサービス・タイプのニーズに対応するために 2 つのフレーム構造を規定しています。その構造を図 5 に示します。1つは20msのスーパーフレームで、もう1つは10msのサブフレームです。APは音声サービスの有無に応じて、どちらのフレーム構造を使用するかを決定します。ネットワーク内にデータ・サービスしかない場合、HomeRFは通信時間20msのスーパーフレームをホッピング・ポイントで非同期的に使用します。ネットワーク内に音声サービスがある場合は、このポイントで10msのサブフレームを使用し、フラグビットを追加して同期方式で通信します。フレーム構造に関係なく、タイムスロットの大部分は非同期データ通信用に確保され、同時に、アクティブ化された音声チャネルの数に応じて、リソースの一部が音声サービス用に動的に確保されます。HomeRFは、同時に最大8チャネルの全二重音声通信をサポートでき、タイムスロットが残っている場合は、データサービス用に確保されます。データ・サービスでは、ストリーミング・メディアの優先順位が高く、最大8クラスのストリーミング・メディア・サービスを同時に使用できます。この場合も、ストリーミングサービスの数がそれほど多くない場合は、これらのタイムスロットはすべて非同期データサービス用に予約されます。さらに、HomeRF音声の再送信メカニズムはHomeRF独自のもので、外部干渉によって音声パケットが失われた場合、CPは次の周波数ポイントから10ms以内にパケットを再送信するよう調整し、信頼性の高い音声伝送品質を確保します。
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V.アクセスプロトコルの動向
どのアクセス技術を選択するかは、システムの周波数利用、システム容量、セル構造、機器の複雑さ、コストなどの重要な問題に直接影響します。現代社会の通信サービスに対する要求の継続的な向上に伴い、ネットワークビジネスの種類は、ショートデータ、メッセージング、音声サービス、ストリーミングメディアサービスなど、ますます多様化しています。対応するQoS保証を提供し、ネットワーク性能を最適化するため、MAC層のアクセスメカニズムに対する要求が高まり、様々なアクセス方式が継続的に改善、統合されています。その発展傾向には次のような側面があります：
1.唯一のアクセス方法が使用されている場合は、サービスや負荷の任意のタイプにネットワークの公平かつ効果的なリソース割り当てを達成することは困難であるため、様々なアクセスメカニズムは、互いから借用し、統合する必要があります。WLANでは、ネットワークの高いスループット、低遅延と少ないシステムオーバーヘッドを維持するために、複数のアクセス方法、適切なMACサブレイヤーのアクセスプロトコルの開発の有機的な組み合わせを考慮する必要があります。
2.将来の通信サービス発展の実際のニーズを考慮すると、WLANのアクセスメカニズムは、音声および他のタイムリーなサービスに対する強力なサポートとQoS保証を提供する必要があります。
3.次世代移動通信システムである4Gは、複数のアクセスモードを柔軟に切り替えられるオールIPベースのマルチネットワークコンバージェンスシステムであり、アクセスネットワークは複数のプロトコルを持ち、端末は様々なアクセスネットワーク間でシームレスなローミングやスイッチングが可能であること。そのため、WLANのアクセス機構を設計する際には、3Gや4Gシステムのアクセス網としてのアクセス機構や、そのギャップレススイッチングなどの新たな要件を考慮する必要があります。
