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無線LANにおける受付制御技術および トラヒック制御技術
無線LAN 無線LANの通信品質向上を実現するQoS制御技術 受付制御 トラヒック制御 特 集 無線LANにおける受付制御技術および トラヒック制御技術 み や の と も こ おおつき し ん や 宮野 とも子 /大槻 信也 無線LANでは，利用環境や通信状況が変化すると，音声や映像等のリアル タイム通信に対し通信品質を確保できない場合があります．本稿では無線 うめうち まこと おがさわら まもる 梅内 誠 /小笠原 守 LANの通信品質確保を実現するための，受付制御技術およびトラヒック制御 NTTアクセスサービスシステム研究所 技術について紹介します． 無線LANの通信品質確保の実現に 向けた技術 先度（AC_VO,VI,BE,BK）に対応 付けることにより，無線LAN基地局 （基地局）と無線LAN端末（端末） 基地局 端末 基地局は受付制御が必 須であることをビーコ ン信号により報知 Beacon 無線LANは，公衆スポットやオフィ において，複数の通信品質を提供でき ス，ホーム等，多様な場所で利用さ るようになります．しかし，EDCAは れています．今後は，単なるインター 優先度を提供する仕組みであり，優先 ネットアクセスによるWebやメールだ 度に基づく相対的な制御方法であるた けでなく，音声通話（VoIP: Voice め，所望する通信品質を常に確保でき over IP）やストリーミング映像等のリ るとは限りません．例えば，大容量の アルタイム系アプリケーションの利用 トラヒックが流入したり，非常に多く 高優先度通信 が想定されます．無線LANの通信品 の端末が同時に通信を行うことで輻輳 DELTS 質は利用環境や通信状況により変化す 状態となり，すでに通信中のVoIPや るため，ユーザは必ずしも所望した通 映像の通信品質が劣化（パケット損 信品質でリアルタイムアプリケーショ 失，遅延，ジッタ等が発生）します． ンを利用できない場合があります．リ 優先制御EDCAに加え，無線リソー アルタイム系アプリケーションを安定 スの状況を踏まえ，ユーザが要求する 求品質（平均速度，パケット長，物 して利用するためには，通信品質を確 通信品質が提供可能な場合にのみ，無 理 速 度 等 ） を表 すパラメータを， 保する仕組みが必要です．本稿では， 線リソースの利用を許可するといった T S P E C に設 定 してA D D T S （ A D D 無線LANにおける通信品質確保を実 受付制御を併用することが，無線LAN Traffic Stream） Request信号によ 現する技術のうち，無線リソースの利 における通信品質確保の観点から有効 り，基地局に通知します．基地局は， 用状況に基づく受付制御技術およびト です． その受 付 可 否 を判 断 して， 結 果 を ラヒック制御技術について紹介します． このためIEEE802.11e標準では， ADDTS Request TSPECパラメータを用 いて通信開始を要求 受付 判断 ADDTS Response 受付の可否を判断し結 果を通知 高優先度による通信 高優先度を利用した通 信の終了 図１ TSPECネゴシエーション の概要 ADDTS Response信号により返答し EDCAにおける受付制御の実現手段 ます．端末は，基地局から許可を受け として，TSPEC（Traffic SPECifi- た場合のみ，高優先度通信を開始し cation）ネゴシエーションを規定して ます．また，通信終了時にはDELTS IEEE802.11eで規格化された優先制 います．その概要を図１に示します． （ DELete Traffic Stream） 信 号 に 御（EDCA：Enhanced Distribution まず端末は，VoIPや映像等の高優先 無線LANの通信品質確保技術 無線LANの通信品質制御技術に， （1） Channel Access） があります ．EDCA 度（AC_VO,VI）通信の開始に際し， は，無線LANのトラヒックを４つの優 これから利用するアプリケーションの要 より基地局に通知します． 本機能により，基地局は無線容量 を超過する通信を抑制できるため，す NTT技術ジャーナル 2007.8 49 無線LANの通信品質向上を実現するQoS制御技術 でに通信中の高優先度通信の品質を 度の通信品質が劣化するという問 機能概要を図３に，各機能の詳細を 確保できます．また，ユーザはこれか 題があります． 以下に示します． ら良好な通信が可能かを通信前に判別 ③ 課 題 ３ ： E D C A における （1） TSPECネゴシエーションによる でき，混雑時にはしばらく待ってから TSPECネゴシエーションは，高優 再度通信を行う等の動作ができるため， 先度（AC_VO,VI）トラヒック 本機能は，TSPECネゴシエーショ VoIPやストリーミング映像等のリアル に 適 用 さ れ ， 低 優 先 度 ンの課題１を解決します．本機能にお タイム系サービスをより快適に利用で （AC_BE,BK）トラヒックには適 ける判断方法を図４に示します．基地 用されません．このため，多量の 局は，受付の可否をシステムの余剰時 低優先度トラヒックにより，品質 間より判断します．ここで余剰時間は， 確保対象である高優先度の通信 すでに受付を許可された高優先度通信 EDCAでTSPECネゴシエーション 品質が劣化する場合があります． の占有時間の総量から算出します．具 を用いて通信品質確保を実現する方法 ④ 課題４：TSPECネゴシエーショ 体的には，基地局は受信したTSPEC は非常に有効ですが，次の課題があり ンを動作させるためには，端末に より要求された通信の占有時間を算出 ます（図２） ． EDCAおよびTSPECネゴシエー し，システムの余剰時間と比較して， ① 課題１：TSPECネゴシエーショ ション機能が実装されていること 要求の占有時間が小さい場合は許可 ンによる受付判断の判断基準は規 が必須です．本機能を具備しない ，要求の占有時間が大きけれ （図４（a）） 定がありません．このため，高優 端末には受付制御を適用できない 先度通信の品質確保の観点から ため，対象となるユーザが限定さ 判断指標を定める必要があります． れてしまいます． きます． TSPECネゴシエーションの課題 ② 課題２：端末はTSPECネゴシ エーションの後，EDCAを用いた ば拒否（図４（b））と判断します． 本機能により，無線容量の超過を 抑制できるため，すでに受付を許可し た高優先度通信の品質を確保すること 開 発 技 術 ができます． 自律分散制御により無線アクセス 前述の課題を解決しEDCAにおける を行うため，基地局より許可され 通信品質確保を実現するために，新た た値を超過する場合があり，その に受付制御およびトラヒック制御技術 結果許可量と実トラヒックとの差 を開発しました． が生じ，すでに許可された高優先 受付制御機能 （2） 高優先度（AC_VO,VI）に対 するトラヒック制御機能 本機能は，TSPECネゴシエーション の課題２を解決します．基地局は，受 主な開発技術は次の４項目です． 付制御で許可された高優先度トラヒッ クが許可量を超過しないように常時観 測し，超過するトラヒックに対し制御 ＜課題１＞ 無線帯域不足による 通信品質劣化 基地局 無線ネットワーク ＜課題４＞ TSPEC ネゴシエーション 音声端末 AC_VO 機能の実装必須 映像端末 AC_VI 有線ネットワーク VoIP VoIP VoIP VoIP VoIP VoIP VoIP VoIP Video を行います．本機能の動作例を図５に Video Video Video Web Web 示します．連続して一定期間トラヒッ クの許可量からの超過を観測すると， 超過量に応じたパケットを廃棄し，そ の後一定期間トラヒックの超過が観測 ＜課題２＞ 受付後の 多大トラヒック 流入による 品質劣化 された場合に接続解除（Disassociation）を送信して接続を解除します． また，観測対象のトラヒックがパケッ ト廃棄により許可量以下となった場合 は，観測状態に戻ります． Web利用端末 AC_BE ＜課題３＞ 低優先度トラヒックへの 適用不可 図２ TSPECネゴシエーションにおける課題 本機能により，受付を許可された量 を超過する高優先度トラヒックを抑制 できるため，すでに開始した高優先度 通信の品質確保が可能となり，安定し 50 NTT技術ジャーナル 2007.8 ユビキタス性の追求 特 集 混雑時・不正要求時 には要求を拒否 無線ネットワーク ＜解決方法1＞ 無線リソースを考慮した TSPECネゴシエーション 受付制御機能 基地局 有線ネットワーク VoIP VoIP VoIP ＜解決方法４＞ 端末実装に依 存しない， 音声端末 AC_VO 観測量利用 受付制御および トラヒック 制御機能 VoIP VoIP VoIP VoIP ＜解決方法２＞ 超過トラヒックの 流入を防止する 高優先度 トラヒック 制御機能 Video 映像端末 AC_VI 超過量 観測 Video Video Web Web パケット 廃棄 観 測 ト ラ ヒ ッ ク 量 接続解除 制御前 制御後 許可量 経過時間 図５ 高優先度トラヒック制御 Web利用端末 AC_BE 地局における観測量利用受付制御機 ＜解決方法３＞ 端末あたりのトラヒック 総量を管理する，端末単位 トラヒック制御機能 能と，VoIP以外のトラヒックを制御 するトラヒック制御機能から構成され 図３ 開発機能概要 ます．受付制御機能では，基地局に おける受付判断指標として，システム の余剰帯域とVoIP通信の輻輳を表す 占有時間 余剰時間を 超過しない場合： 許可 無線容量 占有時間 判断対象 の通信 比較 余剰時間 VoIP 判断対象 の通信 受付済み の通信 VoIP 受付許可済み 通信の 占有時間 の総量 比較 余剰時間 VoIP よる受付制御機能と異なります．基地 局は，システムの余剰帯域と再送割合 VoIP 受付済み の通信 再送割合を用い，両者とも観測値を 用いる点がTSPECネゴシエーションに Video が一定値以下の場合に許可，一定値 VoIP VoIP VoIP 無線容量 余剰時間を 超過する場合： 拒否 VoIP 受付許可済み 通信の 占有時間 の総量 VoIP 以上の場合に拒否と判断します．ま た，トラヒック制御では，受付判断に おいて一定時間拒否となる場合に無線 が輻輳状態であると判断し，VoIP以 Video （a） 判断が許可の場合 Video （b） 判断が拒否の場合 図４ TSPECネゴシエーションにおける受付判断方法 外のトラヒックに対し制御を実行し ます． 本機能により，TSPECネゴシエー ションを具備しない端末に対しても受付 た通信を提供できるようになります． ラヒック制御機能 制御を適用することが可能となります． （3） 端末単位のトラヒック制御機能 本機能は，TSPECネゴシエーショ 本機能は，TSPECネゴシエーショ ンの課題４を解決します．本機能は， ンの課題３を解決します．本機能は， TSPECネゴシエーションを実装しない EDCAにおいて端末単位に利用可能 端末に対して受付制御を適用する機能 なトラヒック量を管理し，上限値を超 です．TSPECネゴシエーションにおける 図５に示した高優先度に対するトラ 過するトラヒックに対し制御を実行し 制御信号の代わりに，接続要求・応答 ヒック制御機能の効果を図６（a）に示 ます．制御方法は，図５に示す高優先 （Association Request/Response） します． 基 地 局 および端 末 の無 線 度に対するトラヒック制御機能に準じ を用 いて端 末 の接 続 を制 御 し， L A NインタフェースはIEEE802.11b ますが，端末が利用するトラヒック量 TSPECによる余剰時間の代わりに無 を用いました．グラフは，音声端末 の総量を判断に用いる点が異なります． 線区間の統計情報（観測量）を基に （VoIP）がAC_VOで双方向通信（64 （4） 観測量利用受付制御およびト 受付判断を行います．具体的には，基 kbit/s）を，映像端末（Video）が 開発機能の適用効果 上記開発技術を実装した基地局を 用いて効果を確認しました． NTT技術ジャーナル 2007.8 51 無線LANの通信品質向上を実現するQoS制御技術 ト ラ 擬似音声端末が 送受信するトラヒック ヒ ッ ク の時間変化 量 許可量 受信トラヒック 送信トラヒック 超過 （ms） 1 000 受付制御なし 受付制御あり 受付 トラヒック制御の 制御 時間変化 （ms）適用 1 000 許可量超過 トラヒック 観測 VoIP UL VoIP DL Video 100 遅 延 100 高優先度 接続解除 通信 トラヒック 品質 制御適用 の回復 遅 延 10 10 1 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 VoIP台数 0 10 20 30 40 50 60 70（s） 経過時間 （a） トラヒック制御機能 （b） 受付制御機能 図６ 開発機能の適用効果 AC_VIでダウンリンク（DL）の通信 （２Mbit/s）を，受付許可後に行って いる状態において，擬似音声端末が， と同等に回復し，VoIP/Video端末 の通信品質が回復します． 今後の展開 図６（b）に，TSPECネゴシエーショ 今後は，有線ネットワークにおける AC_VOでの受付量を超過して無線容 ンによる受付制御機能の適用効果を示 通信品質確保方法と連携した技術に 量を圧迫するトラヒックを送受信する します． 本 機 能 を実 装 した基 地 局 拡張し，エンド・ツー・エンドの通信 場合のVoIP/Video端末のアップリン （IEEE802.11b）において，複数の音 品質確保の実現に向けて技術開発を ク（UL）・ダウンリンク（DL）の遅 声（VoIP）端末が同時に通話したと 延の時間経過を示しています． きのV o I P 端 末 の遅 延 について， 観測開始から10秒間は，受付制御 AC_VOの受付制御機能を有効とした 機能により適切なリソース配分がなさ 場合と無効とした場合との比較をしま れているため，VoIP/Video端末とも した． 受 付 制 御 機 能 がない場 合 は， に遅延が低く抑えられています．観測 VoIP端末が10台を超えると遅延が増 開始から10∼50秒間は，許可量を超 加します．一方，受付制御機能があ 過 した端 末 のトラヒックにより， る場合は，VoIP端末が11台以降の受 VoIP/Video端末の遅延が増加しま 付は拒否され，すでに通信中のVoIP す．基地局は，擬似音声端末からの 端末の遅延は低く抑えられ，通信品質 許可量超過トラヒックを観測すると， が確保されます． 観測開始から30∼50秒間，許可量か 以上，開発技術の適用効果の一例 らの超過パケットを廃棄します．しか として，VoIP/Videoの遅延改善例を し擬似音声端末のアップリンクトラヒッ 示しました．このように，無線リソー クが，VoIP/Video端末のトラヒック スの状況を考慮して受付制御を行い， を圧迫し続けるため遅延は増加したま また許可量を超過するトラヒックに対 まです．基地局は，観測開始50秒後 し制御することによって，リアルタイ に擬似音声端末に対し接続を解除し ム系の通信を安定して提供することが ます．これにより，VoIP/Video端末 可能となります． の遅延が，観測開始10秒までの遅延 52 NTT技術ジャーナル 2007.8 進める予定です． ■参考文献 （1）“IEEE Std.802.11e-2005,”Nov. 2005. （左から）小笠原 守/ 梅内 誠/ 宮野 とも子/ 大槻 信也 無線LANを利用したネットワークの通信 品質制御技術を開発し，NTTグループの事 業に貢献できるよう，積極的に技術提案し ていきます． ◆問い合わせ先 NTTアクセスサービスシステム研究所 第三推進プロジェクト TEL 046-859-3378 FAX 046-859-4311 E-mail [email 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