JP5878066B2 - 無線端末 - Google Patents

Description

本発明は無線端末に係り、特に、無線リソースに余裕のある時間帯を学習して、非リアルタイム系のデータトラヒックを時分割で自律分散的に送受信する無線端末に関する。

現在、Webの閲覧、ストリーミングビデオの送受信、電子メールの送受信、巨大ファイルの送受信など、多種多様なデータトラヒックの送受信が無線式のデータ通信端末で行われている。特許文献１および非特許文献１には、データトラヒックに対するリアルタイム性の要求の程度に着目し、高いリアルタイム性が要求されるデータトラヒックには高い優先順位を設定して優先的に無線リソース（時間、周波数、電力）を割り当る技術が開示されている。換言すれば、これらの先行技術では、リアルタイム性を全く要求されないデータトラヒックであっても、低い優先度ではあるが無線リソースが必ず割り当てられるので無線リソースが消費されることになる。

このように、データトラヒックに優先順位を設定して無線リソースを割り当てる技術では、ネットワークの状況にかかわらず全てのデータトラヒックに対して優先度に応じた無線リソースが必ず割り当てられるので、ネットワークが輻輳している状態下であっても、リアルタイム性を全く要求されないデータトラヒックにも相応の無線リソースが割り当てられてしまう。このため、無線アクセスネットワークを運用するオペレータ（通信事業者）の観点からは、輻輳時にもかかわらずリアルタイム性の要求されない不急のデータトラヒックまでも収容しなければならず、リアルタイム性が要求される他のデータトラヒックに割り当てたい無線トラヒックが無駄に消費されてしまうことになって好ましくない。

また、無線アクセスネットワークを利用するユーザの観点からも、リアルタイム性が要求されるアプリケーションのユーザに割り当てられても良いはずの無線リソースが、リアルタイム性を要求されないアプリケーション、すなわち"いつかダウンロードが完了すればよい"程度の不急のアプリケーションのユーザに割り当てられることになって余り納得がいかない。また、リアルタイム性を要求しないアプリケーションのユーザが、リアルタイム性と引き換えに安価な通信料金を望むことも考えられる。

このような技術課題に対して、特許文献２には、リアルタイム性の要求されないデータトラヒックを、無線リソースに余裕のある閑散時間帯を利用して時分割で送受信するシステムが提案されている。

しかしながら、無線リソースの混雑度には地理的な依存性があり、ビジネス街などでは一般的な就業時間帯（例えば、８時〜１９時）の混雑度が高い一方、住宅街などでは就業時間帯後から深夜にかけて混雑度が高くなる傾向がある。したがって、ビジネス街で就労して住宅街に帰宅するユーザにとっては深夜から朝方に欠けての時間帯が閑散時間帯となり、また住宅街を拠点に活動するユーザにとっては、さらに一般的な就業時間帯が閑散時間帯となる。このように、無線リソースの混雑度はユーザの行動様式や基地局の地理的状況に応じて全く異なるので、無線リソースの閑散時間帯を予め固定的に設定することは難しい。

一方、個々のユーザに着目すると、各ユーザは２４時間の周期で同様の行動様式を繰り返すことが多いので、ユーザ単位では無線リソースの変化に２４時間周期の日変動が観測される場合が多い。したがって、この周期性を考慮して無線リソースの混雑度を推定できれば、非リアルタイム系の通信時刻を最適化できる。

そこで、本発明の発明者等はさらに、非リアルタイム系のデータトラヒックを無線リソースに余裕のある時間帯を利用して送受信するシステムにおいて、無線リソースの混雑度に関する日変動を考慮し、周期的な利用を前提に混雑度を呼損率（回線接続に失敗した割合）あるいは呼成功率に基づいて自律分散的に学習し、通信時刻を動的に設定できる無線端末を発明し、特許出願した（特許文献３，４）。

特開２００３−１６９３６３号公報 特開２０１０−２２６３４２号公報 特願２０１０−１８４９３１号 特開２０１１−１９９５９２号公報

"Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 8:Medium Access Control(MAC) Quality of Service Enhancements," IEEE Std.802.11e,2005

上記の先行技術では、ユーザ端末側で測定可能な情報のみに基づいて、混雑度の低い時間（帯）を探し出していた。例えば特許文献３では、混雑している時間帯が通信履歴に基づいて徐々に学習され、この学習プロセスでは、端末の通信場所が固定的であって、１日の混雑度パターンに周期性が強いという仮定の元で学習が行われる。

したがって、通信の行われる位置が変わると、混雑度が学習結果に反映されるまでに、ある程度の期間を要する。例えば、オフィス街と住宅街とでは、無線アクセスの混雑度のパターンは大きく異なり、逆相関が強いことが知られている（オフィス街は昼間、住宅街は夜間が混雑している）。このため、同一時間帯での通信位置が住宅街からオフィス街へ変わった場合には、端末による学習が安定するまでは混雑時間帯に多くの通信が行われてしまう可能性がある。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、非リアルタイム系のデータトラヒックを無線リソースに余裕のある時間帯を利用して送受信する無線端末において、端末の位置が固定的でない場合でも、無線リソースの混雑度に関する日変動や週変動などの周期性を考慮して、混雑度の低い時間（帯）を利用した通信を可能にすることにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、混雑度の低い時間帯を利用して通信を自律分散的に繰り返す無線端末において、所定の一周期に複数の通信許可帯を設定する手段と、各通信許可帯において、前回周期以前の対応する通信許可帯での通信位置と現在位置とを比較する手段と、前記通信位置と現在位置との距離が所定の閾値以上であると、対応する時間帯および位置と紐付けられた混雑度指標を外部サーバから取得する手段と、各通信許可帯で通信を実行し、その混雑度の指標を計測する手段と、前記混雑度指標を通信の時間帯および位置と紐付けて記憶するログデータベースと、距離差が所定の閾値以上であると、今回の混雑度指標および前記取得した混雑度指標に基づいて、前記ログデータベースに既登録の対応する混雑度指標を更新登録する手段と、各通信許可帯の混雑度を通信の時間帯および位置と紐付けて前記外部サーバへ登録する手段と、ログデータベースに既登録の混雑度指標に基づいて通信時刻を見直す手段とを備えた。

本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1)それまでとは異なる位置および時間帯で通信が行われるために当該位置および時間帯に対応した混雑度指標を端末自身が所有していない場合でも、他の無線端末が以前に当該位置および時間帯で通信した際に観測されて外部サーバに登録した混雑度指標を参照できるので、当該位置および時間帯の混雑度指標に基づいて、より混雑度の低い時間帯を学習して通信を行えるようになる。
(2)自身の通信時に得られた混雑度指標を、その位置および時間帯と紐付けて外部サーバへ登録するので、当該位置および時間帯での通信履歴の無い他の無線端末も、前記混雑度指標を外部サーバから取得することで、より混雑度の低い時間帯を学習して通信を行えるようになる。

本発明に係る無線端末の構成を示した機能ブロック図である。 通信時刻決定モジュールの構成を示したブロック図である。 通信時刻の割り当て、および見直し方法を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態の動作を示したフローチャートである。 無線端末において混雑度指標を更新する手順のフローチャートである。 混雑度収集サーバにおいて混雑度指標を更新する手順のフローチャートである。 接続後通信制御の手順を示したフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明が適用されるネットワークの構成および無線端末の構成を示した機能ブロック図であり、ここでは、本発明の説明に不要な構成は図示が省略されている。

各無線端末１は、通信の許可された時間帯（以下、通信許可帯または単に許可帯と表現する）で通信を自律分散的に繰り返し実行して混雑度を観測し、混雑度の低い時間帯を学習してその後の通信時刻に反映させる。各無線端末１はさらに、混雑度の観測結果を通信位置および通信時刻と紐付けて混雑度収集サーバ２へアップロードする一方、通信位置が変わったために混雑度の低い時間帯を学習できない場合には、他の無線端末１により混雑度収集サーバ２へアップロードされている、対応する混雑度情報を取得する。

無線端末１において、回線接続制御モジュール１１は、通信時刻決定モジュール１２から通知される通信時刻において通信機能モジュール１３へ回線接続の要求を送信する。通信機能モジュール１３は、前記回線接続要求に応答して回線接続処理を進め、回線接続の成否（呼損率）やスループットなどをログデータとして前記回線接続モジュール１１へ通知する。前記回線接続モジュール１１は、前記通知されたログデータをログデータベース１４へ通知する。GPSモジュール１５は、複数の衛星からGPS信号を受信して自身の現在位置Hcを測位する。前記ログデータベース１４は、通知されたログデータを記録する。通信時刻決定モジュール１２は、前記ログデータベース１４から読み出したログデータに基づいて通信時刻の見直しを実施し、見直し後の通信時刻を前記回線接続制御モジュール１１へ通知する。

図２は、前記通信時刻決定モジュール１２の構成を示したブロック図であり、図３は、通信時刻の初期設定方法およびログデータに基づく通信時刻の見直し方法を模式的に表現した図である。

図２において、通信許可帯設定部１２０は、無線端末ごとに所定の一周期（例えば、２４時間）の開始点をランダム設定した後、当該一周期を等分割し、その一部を通信が許可される通信許可帯pに設定する。各無線端末において一周期をランダムに等分割する周期は必ずしも同期せず、図３(a)に示した無線端末Aにように、正時を基準にして８分割される場合もあれば、同図(b)に示した無線端末Bのように、正時からΔtだけずれた時刻を基準にして８分割される場合もある。そして、無線端末Aでは、図３(c)に示したように３つの時間帯P1，P4，P7が通信許可帯pに設定され、無線端末Bでは、図３(d)に示したように３つの時間帯P2，P5，P8が通信許可帯pに設定されている。

通信回数割当部１２１は、各無線端末１に予め割り当てられている一周期当たりの総通信回数nを各通信許可帯pに割り当てる。通信時刻決定部１２２は、通信許可帯pごとに前記割り当てられた通信回数分の通信時刻をランダムに決定する。例えば、図３(e)に示したように、無線端末Aでは通信許可帯p1に３回の通信機会が割り当てられ、通信許可帯p2に２回の通信機会が割り当てられ、通信許可帯p3に３回の通信機会が割り当てられ、各通信許可帯内での各通信機会の時刻はランダムに決定される。

なお、通信機会は全ての通信許可帯に必ず割り当てられる必要はなく、図３(f)に示したように、通信機会が全く割り当てられない通信許可帯（ここでは、p2）が存在しても良い。さらに、一周期あたりの総通信回数nは無線端末ごとに可変であっても良く、例えば契約しているサービスの内容や料金に応じて総通信回数を異ならせることにより、ユーザの要求や料金に見合ったサービスを提供できるようになる。

図２へ戻り、通信観測部１２３は、各通信時刻における呼損率やスループットを観測する。混雑度指標算出部１２４は、前記スループに基づいて、無線トラヒックの混雑度を代表する指標を通信許可帯pごとに算出する。通信回数見直部１２５は、前記混雑度指標に基づいて、図３(g)に一例を示したように、今回の周期で各通信許可帯pに割り当てられている通信機会の少なくとも一部が、次の周期では混雑度のより低い通信許可帯pに、より高い確率で割り当てられるように、各通信許可帯pに割り当てる通信回数を見直す。

通信位置比較部１２６は、現在位置（今回の通信位置）Hcと、前回周期以前の同一の通信許可帯における通信位置Hpとを比較する。混雑度指標取得部１２７は、現在位置Hcと前回周期以前の対応する通信位置Hpとの距離ΔDが所定の閾値ΔDref以上離れていると、自身のログデータベース１４に既登録の混雑度指標を活用できないので、現在の時間帯iおよび現在位置Hcのペアと紐付けられている混雑度指標Xs(i，Hc)を混雑度収集サーバ２から取得する。

第１混雑度指標登録部１２８は、前記混雑度収集サーバ２から取得した混雑度指標Xs(i，Hc)を、時間帯iおよび位置Hcに関する前回周期以前の混雑度指標として自身のログデータベース１４に更新登録する。

第２混雑度指標登録部１２９は、通信が完了するごとに、その通信許可帯piで観測された混雑度の平均値として求まる混雑度指標Xを、その時間帯iおよび通信位置Hpのペアと紐付けて混雑度収集サーバ２へ通知する。

次いで、図４のフローチャートを参照して本発明の一実施形態の動作を詳細に説明する。ステップＳ１では、通信時刻決定モジュール１２において、所定の一周期（本実施形態では、２４時間）がランダムに等分割されて各時間帯の区切り[図３(a)，(b)]が設定され、さらに前記通信許可帯設定部１２０により、一部（N個）の時間帯Pxが通信許可帯pに設定[図３(c)，(d)]される。ステップＳ２では、前記通信回数割当部１２１により、前記各通信許可帯にn回分の通信機会が割り当てられる。

ステップＳ３では、前記通信時刻決定部１２２により、各通信許可帯pに割り当てられた通信機会数分の通信時刻がランダムに決定される[図３(e)]。決定されたn回分の通信時刻は回線接続制御モジュール１１へ通知される。ステップＳ４では、回線接続制御モジュール１１において、前記通知された通信時刻が現在時刻と比較され、通信時刻を迎えるとステップＳ５へ進み、端末自身および／または混雑度収集サーバ２に既登録の混雑度指標の更新登録処理が実行される。

図５は、前記混雑度指標の更新登録処理における無線端末１の動作を示したフローチャートであり、図６は、混雑度収集サーバ２の動作を示したフローチャートである。

図５を参照し、無線端末ステップＳ１０１では、現在時刻が前回通信時の通信許可帯piに属するか否かが判定される。同じ通信許可帯piに属していればステップＳ１０２へ進み、前記GPSモジュール１５により現在位置Hcが測位される。ステップＳ１０３では、前記通信位置比較部１２６において、現在位置（今回の通信位置）Hcと、前回周期以前の同一の通信許可帯における通信位置Hpとの距離ΔDが算出されて判定閾値ΔDrefと比較される。ΔD≦ΔDrefであれば、図４のステップＳ６へ直ちに進んで通信が開始される。

これに対して、前記ステップＳ１０１において、現在時刻が前回通信時の許可帯piに属しない、すなわち前回の通信許可帯piが完了したと判定されるとステップＳ１０５へ進む。ステップＳ１０５では、前回の通信許可帯piで計測された全ての混雑度、前回周期以前の対応する通信許可帯piに関してログデータベース１４に既登録の混雑度指標および指数平滑パラメータｋに基づいて、当該時間帯iおよび通信位置Hpのペアと紐付けられた混雑度指標X(i，Hp)がログデータベース１４更新される。ステップＳ１０６では、前記更新された混雑度指標X(i，Hp)の記述された通知メッセージが、前記第２混雑度指標登録部１２９により混雑度収集サーバ２へ送信される。

図６を参照し、混雑度収集サーバ２では、前記メッセージがステップＳ１５１で受信されるとステップＳ１５２へ進む。ステップＳ１５２では、当該メッセージの種別が「通知」と判定されるのでステップＳ１５７へ進み、当該メッセージに記述されている混雑度指標X(i，Hp)の引数Hcがエリア情報aにマッピングされる。ステップＳ１５８では、前記エリア情報aおよび時間帯iをキーとして前記混雑度指標X(i，Hp)がデータベース化される。

図５へ戻り、無線端末１では、前記ステップＳ１０３において、ΔD＞ΔDrefと判定されるとステップＳ１０７へ進み、混雑度指標取得部１２７から混雑度収集サーバ２へ、現在時刻の時間帯iおよび現在位置Hcを引数として、対応する混雑度指標X(i，Hc)の要求メッセージが送信される。

図６へ進み、混雑度収集サーバ２では、前記メッセージがステップＳ１５１で受信されるとステップＳ１５２へ進む。ステップＳ１５２では、当該メッセージの種別が「要求」と判定されるのでステップＳ１５３へ進み、当該メッセージに記述されている引数Hcがエリア情報aにマッピングされる。ステップＳ１５４では、前記エリア情報aおよび現在の時間帯iをキーとして混雑度指標Xs(i，a)が検索される。

ステップＳ１５５では、検索結果の有無が判定され、検索結果が有ればステップＳ１５６へ進む。ステップＳ１５６では、前記検索結果の記述された応答メッセージが返信される。これに対して、検索結果がなければステップＳ１５９へ進み、検索結果の記述されていない応答メッセージが返信される。

図５へ戻り、無線端末１では、ステップＳ１０８において、前記ステップＳ１０７で要求した混雑度指標を含む応答が返信されたか否かが判定される。返信されなければステップＳ１１０へ進み、前回の通信位置Hpに関する混雑度指標が全て破棄される。返信されればステップＳ１０９へ進み、返信された混雑度指標値Xs(i，a)が、時間帯iおよび現在位置Hcと紐付けられて、前記第１混雑度指標登録部１２８により自身のログデータベース１４に更新登録される。

図４へ戻り、ステップＳ６では、回線接続要求が通信機能モジュール１３へ送信されて呼接続処理が実行される。通信機能モジュール１３は、この回線接続要求に応答して、予め登録されている宛先を対象に所定の呼接続処理を実行する。ステップＳ７では、呼接続に成功したか否か判定され、成功していればステップＳ８へ進んで接続後通信制御が実行される。成功していなければステップＳ９へ進み、タイムアウト前と判定されればステップＳ６へ戻り、タイムアウトと判定されれば呼損としてステップＳ１０へ進む。

図７は、前記接続後通信制御の手順を示したフローチャートであり、ステップＳ２０１では、接続保留時間Tcの計時が開始される。ステップＳ２０２では、無線トラヒックの混雑度を計測する割込タイミングであるか否かが判定される。割込タイミングであればステップＳ２０３へ進み、上り方向の瞬時スループットSFおよび下り方向の瞬時スループットSRがそれぞれ計測される。この瞬時スループットSF，SRは、前記割込タイミングごとに繰り返し計測される、今回の通信時刻に関する瞬時スループットである。

ステップＳ２０４では、前記各瞬時スループットSF，SRの履歴に基づいて、今回の通信時刻における上り方向の平均スループットmFおよび下り方向の平均スループットmRがそれぞれ計測される。この平均スループットmF，mRは、今回の通信時刻に関して、最初の割込タイミングから最新の割込タイミングまでに得られた瞬時スループットSF，SRに基づいて、例えばその指数平滑化移動平均として求められ、後述のステップＳ２０８において、スループットの低下を理由に今回の通信機会における通信を切断するか否かの判断指標として利用される。

ステップＳ２０５では、前記各平均スループットmF，mRに基づいて、上り方向の通信量λFおよび下り方向の通信量λRがそれぞれ算出される。なお、データ通信量を前記平均スループットmF，mRから求めるのではなく、データ量そのものを計測して求めるのであれば、前記ステップＳ２０１における接続保留時間Tcの計時開始と同時に上り方向の通信量λFおよび下り方向の通信量λRの測定を開始すれば良い。

ステップＳ２０６では、今回の通信が完了条件を満足しているか否かが判定される。本実施形態では、通信の保留時間Tcが上限値Tc_maxを越えるか、上り方向の通信量λFが上限値λF_maxを越えるか、あるいは下り方向の通信量λRが上限値λR_maxを越えると、完了条件が満足されたと判断されてステップＳ２０９へ進み、所定の切断処理が実行されて通信が正常終了する。完了条件が満足されていなければステップＳ２０７へ進む。

ステップＳ２０７では、ユーザに約束した最低保障条件が満足されているか否かが判定される。本実施形態では、(1)通信の保留時間Tcが下限値Tc_minを上回る、(2)上り方向の通信量λFが下限値λF_minを上回る、(3)下り方向の通信量λRが下限値λR_minを上回る、の３条件のいずれか、または全てが成立すれば、最低保障条件が満足されたと判定されてステップＳ２０８へ進み、それ以外であればステップＳ２０２へ戻って通信が継続される。

ステップＳ２０８では、無線トラヒックが深刻な混雑状況にあるか否かが判定される。本実施形態では、前記上り方向の平均スループットmFが基準スループットmF_refを下回っているか、あるいは前記下り方向の平均スループットmRが基準スループットmR_refを下回っていると、無線トラヒックが深刻な混雑状況にあると判定されてステップＳ２０９へ進み、所定の切断処理が実行されて通信が強制終了される。それ以外であれば、ステップＳ２０２へ戻って通信が継続される。

ステップＳ２１０では、今回の通信結果に基づいて呼成功率ｒ（呼損率の補数）が算出される。本実施形態では、呼損時を「０」、呼成功時を「１」とし、今回の通信時刻が割り当てられている現在の通信許可帯piにおいて既に終了した各通信機会の通信結果に基づいて、例えばその指数平滑化移動平均として、当該現在の通信許可帯の呼成功率ｒが算出、更新される。

ステップＳ２１１では、今回の通信機会が割り当てられている現在の通信許可帯pに関して、その上り方向の平均スループットμFおよび下り方向の平均スループットμR（以下、通信許可帯平均スループットと表現する）が、現在の通信許可帯pに割り当てられて既に終了した各通信機会で求められた各通信機会各平均スループットmF，mRに基づいて、例えばその指数平滑化移動平均として求められて、今回（周期d）の通信許可帯piの混雑度x(d，i)とされる。

図４へ戻り、ステップＳ１０では、観測された最新の混雑度x(d，i)と、同一の許可帯piおよび位置Hcと紐付けられて自身のログデータベース１４に既登録の前回周期以前(d-1)の混雑度指標X(d-1，i，Hc)とに基づいて、時間帯iおよび位置Hcに関する混雑度指標X(d,i,H)が次式(1)により算出される。なお、kは指数平滑パラメータである。

X(d,i,H)＝k×x(i)＋(1-k)×X(d-1,i,H) … (1)

ステップＳ１１では、今回の通信許可帯を含む直近の一周期分の通信許可帯（図３の例では、３つの許可帯p1，p2，p3）の混雑度指標X(d,i,H)に基づいて、混雑度指標X(d,i,H)のより低い通信許可帯に、より多くの通信機会が割り当てられるように、各通信許可帯pに割り当てられる通信回数が見直される。

なお、上記の実施形態では、無線トラヒックの混雑度に日動がある場合を例にして、通信許可帯pが一日周期で設定されるものとして説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、混雑度が週や月の周期で大きく変動する環境下であれば、通信許可帯pが週周期または月周期で設定されるようにしても良い。

１…無線端末，２…混雑度収集サーバ，１１…回線接続制御モジュール，１２…通信時刻決定モジュール，１３…通信機能モジュール，１４…ログデータベース，１５…GPSモジュール

Claims (3)

1. 混雑度の低い時間帯を利用して通信を自律分散的に繰り返す無線端末において、
   所定の一周期に複数の通信許可帯を設定する通信許可帯設定手段と、
   各通信許可帯において、前回周期以前の対応する通信許可帯での通信位置と現在位置とを比較する通信位置比較手段と、
   前記通信位置と現在位置との距離が所定の閾値以上であると、対応する時間帯および位置と紐付けられた混雑度指標を外部サーバから取得する混雑度指標取得手段と、
   各通信許可帯で通信を実行し、その混雑度の指標を計測する通信手段と、
   前記混雑度指標を通信の時間帯および位置と紐付けて記憶するログデータベースと、
   前記距離差が所定の閾値以上であると、今回の混雑度指標および前記取得した混雑度指標に基づいて、前記ログデータベースに既登録の対応する混雑度指標を更新登録する第１混雑度指標登録手段と、
   各通信許可帯の混雑度を通信の時間帯および位置と紐付けて前記外部サーバへ登録する第２混雑度指標登録手段と、
   前記ログデータベースに既登録の混雑度指標に基づいて通信時刻を見直す見直手段とを具備したことを特徴とする無線端末。
2. 前記見直手段は、各通信許可帯に割り当てる通信機会を、前記混雑度指標に基づいて、混雑度のより低い通信時間帯に、より多くの通信機会を割り当てることを特徴とする請求項１に記載の無線端末。
3. 前記所定の一周期が、一日、一週および一月のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の無線端末。