JP6468560B2 - 無線通信システム及びその制御方法、並びに、通信制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、Ｍｕｌｔｉ−ＲＡＴ環境が構築された無線通信システムに関し、特にその通信品質を向上させる技術に関する。

近年、モバイル通信は急速に普及しており、３Ｇ（3rd Generation）やＬＴＥ（Long Term Evolution）といった規格のセルラー無線通信や無線ＬＡＮ（Local Area Network）を備えたスマートフォン、タブレット端末が使われている。今後モバイル通信は更に発展していくが、その方向性の１つとして、ＨｅｔＮｅｔ（Heterogeneous Network）が挙げられる（非特許文献１参照）。このＨｅｔＮｅｔは、単一の技術ではなく異なる技術や様々な大きさの無線セル、様々なバンドを組み合わせてネットワークを形成する方式である。複数の無線技術を組み合わせてＨｅｔＮｅｔを形成することはＭｕｌｔｉ−ＲＡＴ（Radio Access Technology）環境とも呼ばれる。図１は、Ｍｕｌｔｉ−ＲＡＴ環境下におけるセルの様子を示すものであり、マクロセル１０内に、スモールセル２０、無線ＬＡＮによるセル３０、高周波ＲＡＴによるセル（ミリ波等）４０が形成されている例を示す。このような環境では、端末および基地局は複数の無線技術やバンドを同時に使用して、通信を統合することが主流となる。統合の方法は、統合するレイヤにより異なるが、ネットワークレイヤでの統合の形の例としては、複数のＲＡＴを備える統合基地局において、集約する形態が考えられる（図２参照）。また他の形態としては、統合管理ノードと、基地局を別々に配備する形態も考えられる（図３参照）。

図２に示すＭｕｌｔｉ−ＲＡＴ環境における統合形態について説明する。図２に示すように、統合基地局１００は、インターネット５００等のネットワークに接続するためのネットワーク機能部１１０と、異なる種類のＲＡＴ機能を提供してアクセスポイントとして動作するＲＡＴ機能部１２０と、各ＲＡＴ機能部１２０を統合管理する統合管理部１３０とを備えている。ここで、ＲＡＴ機能部１２０の１つは、典型的には、いわゆるマクロセルを形成するセルラー通信に係るものであり、他のＲＡＴ機能部は形成セル範囲がセルラー通信よりも狭い例えば無線ＬＡＮ等に係るものである。

端末３００は、それぞれ異なる種類のＲＡＴ機能で無線通信を行うための無線通信機能部３１０と、各無線通信機能部３１０を統合管理する統合無線通信インタフェース３２０と、通信プロトコルスタック３３０と、アプリケーション３４０とを備えている。通信プロトコルスタック３３０は、複数のレイヤのスタックとして実装された処理機能部であり、少なくともＯＳＩ参照モデルのトランスポート層とネットワーク層とを含む。したがって、各無線通信機能部３１０は、少なくともＯＳＩ（Open Systems Interconnection）参照モデルのデータリンク層以下の処理機能部を含むものである。また、アプリケーション３４０は、少なくともＯＳＩ参照モデルのセッション層以上の処理機能部を含むものである。

統合基地局１００の統合管理部１３０は、端末３００とインターネット５００上のサーバ５１０との通信において、利用するＲＡＴ機能部１２０の決定・パケットの割り振り等を行う。また、端末３００の統合無線通信インタフェース３２０は、インターネット５００上の５１０との通信において、利用する無線通信機能部３１０の決定・パケットの割り振り等を行う。

図３に示すＭｕｌｔｉ−ＲＡＴ環境における他の統合形態について説明する。図３に示すように、統合管理ノード２００は、複数の無線基地局４００を収容する。統合管理ノード２００は、インターネット５００等のネットワークに接続するためのネットワーク機能部２１０と、各無線基地局４００と接続するためのネットワーク機能部２２０と、各無線基地局４００を統合管理する統合管理部２３０とを備えている。

複数の無線基地局４００は、それぞれ異なる種類の機能部を有しておりアクセスポイントとして動作する。ここで、複数の無線基地局４００のうちの１つは、典型的には、いわゆるマクロセルを形成するセルラー通信に係るものであり、他の無線基地局４００は形成セル範囲がセルラー通信よりも狭い例えば無線ＬＡＮ等に係るものである。

端末３００の構成は図２を参照して前述したものと同様である。

統合管理ノード２００は、端末３００とインターネット５００上のサーバ５１０との通信において、利用する無線基地局４００の決定・パケットの割り振り等を行う。

一方で、一般的なインターネットでの通信にはＴＣＰ／ＩＰ（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）に代表されるプロトコルが使用される。ＴＣＰに代表されるトランスポート層のプロトコルは、ネットワークの輻輳状態に応じて、送信パケット量や再送を制御する輻輳制御の機能により、ネットワーク品質に応じて送信量を制御する機能を備える。これらの通信の制御は端末とサーバ間のＥｎｄ−ｔｏ−Ｅｎｄで行われる。

Jeanette Wannstrom, 他１名, "Heterogeneous Networks in LTE", 3GPP, [online], [平成27年9月17日検索], インターネット<URL: http://www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/1576-hetnet>

図２や図３に例示したようなＭｕｌｔｉ−ＲＡＴ環境では、インターネット５００上のサーバ５１０と、端末３００間で行われる通信において、端末３００およびサーバ５１０上のアプリケーションや、トランスポート層のプロトコル処理は、途中の経路に複数の無線が統合されているということを知ることはできず、これを意識せずに行われる。また、端末３００およびサーバ５１０上のアプリケーションや、トランスポート層のプロトコル処理は、Ｅｎｄ−ｔｏ−Ｅｎｄのスループットや、遅延、パケットロス等の知り得る情報を元に、振る舞いを決定する。

しかし、Ｍｕｌｔｉ−ＲＡＴ環境では、複数の無線通信を、環境に応じて組み合わせて使用するため、ユーザが移動中等においては、小セルのＲＡＴの追加／削除が頻発する等、経路の環境は激しく変動する。また、今後、無線通信技術も多様性を増すことが考えられ、例えばミリ波を用いた超高速だが小セルで運用されるもの、あるいは、アンライセンスバンドで品質は担保できないが安価で利用できるセル、広域で安定的に使用できるマクロセル等、ＲＡＴによって特性は異なる。更に、無線通信はそもそもの通信原理から、伝搬路の状況や、同じバンドをシェアする他ユーザの通信状況等により、ユーザが利用可能な通信速度、品質は激しく変化するという特徴がある。従って、アプリケーションやトランスポート層がＥｎｄ−ｔｏ−Ｅｎｄの品質のみを用いて制御する方法では、Ｍｕｌｔｉ−ＲＡＴ環境の通信品質を十分に向上できないという課題がある。

一例を挙げれば、図１に示すように、移動しながら低速なマクロセル１０に接続し通信中のユーザ１の端末が、超高速なスポットセル２０，３０のエリアに入り、そのＲＡＴを追加して使用する場合、従来のＴＣＰの輻輳制御では、超高速な速度まで通信速度を向上するには時間がかかるため、スポットセル２０，３０の滞在時間中に十分な帯域を利用できないという課題が生じる。また、アプリケーションにとっては、低速なマクロセル１０滞在中は動画を低画質で送信していたが、超高速なスポットセル２０，３０に入った際には高画質伝送を行いたいところであるが、その状態をすぐには知ることができず、Ｅｎｄ−ｔｏ−Ｅｎｄのスループットが向上したことをある程度の時間が経過した後の結果から推定するしかない。

またもう一つの課題としては、アプリケーションから送られたパケットを複数のＲＡＴのどれを使用して送信するかは、一般的には統合基地局１００や統合管理ノード２００あるいは端末３００内の統合無線通信インタフェース３２０のスケジューラ機能が決定する。現状ではアプリケーションからの使用ＲＡＴの希望があっても、それを伝えることは、特別にそのような通信経路、手段を設定しない限り、できない。従って、現状ではアプリケーションの特性に合わないＲＡＴで送信されるケースもあり、通信品質が低下している状況もあるという点が課題である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の無線アクセス機能を利用可能な環境下において通信経路に応じた高い通信品質を得ることができる無線通信システム及びその通信制御方法並びにプログラムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本願発明に係る無線通信システムは、それぞれ異なる種類の無線アクセス機能で無線通信を行うための複数の無線通信機能部を有する無線端末装置と、無線端末装置に対して無線アクセス機能を提供する複数の無線アクセス機能部と、各無線アクセス機能部を統合管理する統合管理部とを備えた無線通信システムにおいて、前記無線通信端末装置による通信に係るトランスポート層のパケットのヘッダ部に対して無線アクセス機能部に関する情報を付加する付加手段を備えたことを特徴とする。

また、本願発明に係る無線通信システムにおける通信制御方法は、それぞれ異なる種類の無線アクセス機能で無線通信を行うための複数の無線通信機能部を有する無線端末装置と、無線端末装置に対して無線アクセス機能を提供する複数の無線アクセス機能部と、各無線アクセス機能部を統合管理する統合管理部とを備えた無線通信システムにおける通信制御方法であって、無線通信システムの付加手段が、前記無線通信端末装置による通信に係るトランスポート層のパケットのヘッダ部に対して無線アクセス機能部に関する情報を付加するステップを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、トランスポート層のヘッダ部に付加された付加情報を参照することにより、トランスポート層及びその上位層において通信経路としてどのような無線アクセス機能が使われているかを把握できるので、無線アクセス機能に適した通信制御を行うことが可能となる。さらに、トランスポート層より上位層が付加情報として無線アクセス機能の指定等を行うことも可能となるので、アプリケーションに適した無線アクセス機能を用いることができる。これにより通信経路に応じた高い通信品質を得ることができる。

Ｍｕｌｔｉ−ＲＡＴ環境を説明するイメージ図 Ｍｕｌｔｉ−ＲＡＴ環境における統合形態の一例を説明する図 Ｍｕｌｔｉ−ＲＡＴ環境における統合形態の他の例を説明する図 「使用可能ＲＡＴの情報」を付加する場合の構成例 「送信ＲＡＴの希望情報」を付加する場合の構成例 統合基地局の機能ブロックの一例 端末の機能ブロックの一例 プロトコルスタックの一例 「使用可能ＲＡＴの情報」の利用形態の一例を説明する図 「送信ＲＡＴの希望情報」の利用形態の一例を説明する図

本発明の一実施の形態に係るシステムについて図面を参照して説明する。本発明は、Ｍｕｌｔｉ−ＲＡＴ環境化においてＯＳＩ参照モデルのトランスポート層のパケットのヘッダ部に、無線基地局の情報を付加することを特徴としている。より具体的には、図４及び図５に示すように、ＴＣＰ等のトランスポート層のヘッダのオプションフィールドに、付加情報として無線基地局に関する情報を載せるフィールドを準備する。

本発明において付加情報の種類は２つに大別される。１つは「送信ＲＡＴの希望情報」であり、１つは「使用可能なＲＡＴ情報」である。

図４では「使用可能ＲＡＴの情報」を付加する際の構成を示す。この場合はトランスポート層のオプションフィールドに、端末毎に使用可能なＲＡＴの情報を記載する。図５に示す記載例では、オプションフィールドは利用可能なＲＡＴ数と、それぞれのＲＡＴ情報から構成される。ＲＡＴ情報は、例えばＲＡＴの技術、速度、セル半径などの情報の一部又は全部を記載可能である。

図５では「送信ＲＡＴの希望情報」を付加する際の構成例を示す。この場合はトランスポート層のオプションフィールドに送信を希望するＲＡＴの情報を記載する。図４に示す記載例では、オプションフィールドは希望するＲＡＴの指定方法を示すフィールドと、実際の指定内容のフィールドで構成される。指定方法を示すフィールドでは、例えばＲＡＴの技術による指定、速度での指定、セル半径での指定の一部又は全部といったものが考えられ、それぞれの指定方法に即した内容が指定内容のフィールドに記載される。

本発明は、これらのフィールドを用いて、無線ＲＡＴの情報を付加情報としてトランスポート層に伝えるクロスレイヤ処理が特徴的な点である。

次に、前記フィールドの利用方法について説明する。まず、付加情報として「使用可能ＲＡＴの情報」を用いる場合について説明する。当該付加情報は、無線通信を使用して受信したパケットをネットワーク側に送信する際に、図２に示す統合基地局１００や、図３に示す統合管理ノード２００によって付加される。これらの統合基地局１００や統合管理ノード２００は端末単位で使用可能なＲＡＴをリアルタイムで管理し、その情報を付加する。または、端末３００側での利用においては、図２，図３に示すように端末３００の内部で無線通信を使用して受信したパケットを統合管理して、通信プロトコルスタックに渡す役割である統合無線通信インタフェース３２０で情報の付加が行われる。

統合基地局１００の構成を図６に示す。統合基地局１００の内部の統合管理部１３０には、ＲＡＴ情報管理部１３１があり、端末毎にどのＲＡＴが使用可能かどうか、あるいは、各ＲＡＴの技術規格情報や通信速度、セル半径などＲＡＴに関する情報を管理する。この管理部１３１の情報を元に、通信回線への送信パケットのオプションフィールド付加部１３２が「使用可能ＲＡＴの情報」を付加し、通信インタフェースを介して通信回線にパケットを送出する。統合管理ノード２００の場合においても、統合管理部１３０と各ＲＡＴの基地局機能の間が分割されてネットワーク上で別れて配備される点以外は同様である。なお、オプションフィールド付加部１３２による付加情報の付加は、端末３００が使用可能なＲＡＴに変化があった場合のみでもよいし、定期的に行ってもよい。

図７に端末３００の構成を示す。統合基地局１００の場合と同様に、端末３００の統合無線通信インタフェース部３２０は、ＲＡＴ情報管理部３２１とパケットのオプションフィールド付加部３２２を持つ。パケットのオプションフィールド付加部３２２は、無線で受信したパケットを上位のプロトコルスタック３３０に渡す際にフィールドに情報を付加する。オプションフィールド付加部３２２による付加情報の付加は、端末３００が使用可能なＲＡＴに変化があった場合のみでもよいし、定期的に行ってもよい。

「使用可能ＲＡＴの情報」が付加されたパケットを受信したサーバ５１０のプロトコルスタックあるいは端末３００のプロトコルスタック３３０は、このオプションフィールドの情報を読み取り、上位層であるアプリケーションに対してはソケット等を経由してオプションの情報を引き渡す。あるいは、トランスポート層の制御においてこの情報を利用する。

図８にプロトコルスタックの機能構成例を示す。なお、このプロトコルスタックは、サーバ５１０の端末３００の何れか一方又は双方に実装されるものであり、その構成は両者で共通である。図８は、制御の一例として「使用可能ＲＡＴの情報」を用いて輻輳制御アルゴリズムの変更を行うことを想定した機能ブロックを示している。ネットワーク層のプロトコルスタック６１０から渡されたパケットに対して、トランスポート層のプロトコルスタック６２０はオプションフィールド取得部６２１により取得し、取得した情報をアプリケーション間Ｉ／Ｆ部６２２を介してアプリケーション層７００に渡す。一方で輻輳制御アルゴリズム選択部６２３において、取得した「使用可能ＲＡＴの情報」の情報から、対応する端末宛の送信パケットの制御アルゴリズムを選択し、輻輳制御部６２４に対して輻輳制御方法の変更を指示する。

次に、「送信ＲＡＴの希望情報」の利用方法について説明する。「送信ＲＡＴの希望情報」は、図８のようにサーバ５１０や端末３００の通信プロトコルスタック６００は、アプリケーション層７００とのＩ／Ｆ部６２２を介してアプリケーションの使用ＲＡＴの希望情報を取得し、トランスポート層のプロトコルスタック６２０において、オプションフィールド付加部６２５が「送信ＲＡＴの希望情報」のフィールドを付加し、ネットワーク層のプロトコルスタック６１０に渡す。「送信ＲＡＴの希望情報」が付加されたパケットを受信した統合基地局１００の動作としては、図６に示すように通信回線からの受信パケットのオプションフィールド取得部１３３においてフィールドの情報を取得し、ＲＡＴ選択・パケット分散／集約部１３４において、その希望情報を用いて、その他の情報と総合的に判断し、使用ＲＡＴを決定する。また各ＲＡＴへの転送を行う際に「送信ＲＡＴの希望情報」を削除することも実施例の一つとしてある。統合管理ノード２００の場合においても、統合管理部１３０と各ＲＡＴの基地局機能の間が分割されてネットワーク上で別れて配備される点以外は同様である。端末３００の場合においても、図７に示すように、通信プロトコルスタック３３０から渡されたパケットのフィールドを、送信パケットのオプションフィールド取得部３２３において取得し、ＲＡＴ選択・パケット分散／集約部３２４において、その希望情報を用いて、その他の情報と総合的に判断し、使用ＲＡＴを決定する。この場合も各ＲＡＴへの転送を行う際に「送信ＲＡＴの希望情報」を削除することも実施例の一つとしてある。

本発明は以上の技術を用いることにより課題を解決する。本発明による作用・効果は、大きくは「使用可能ＲＡＴの情報」を用いた制御による作用・効果と、「送信ＲＡＴの希望情報」を用いた制御による作用・効果の２つに分けられる。

「使用可能ＲＡＴの情報」を用いた制御としては、図８において示したようにトランスポート層の制御アルゴリズムの最適化に適用できる。図９にその使用例を示す。端末はマクロセルに接続した状態でインターネット上のサーバとの通信を設定し、通信を開始する。端末が使用されながら移動し、別のＲＡＴであるスモールセルのエリアに差し掛かった段階で、そのＲＡＴの統合的な使用を開始する。このスモールセルは超高速なアクセスが可能であり、マクロセル使用時に利用していたトランスポート層の輻輳制御アルゴリズムが徐々に速度を向上させていく制御であった場合には、高速性を使いきるまでに時間がかかる。このため、本技術を用いて、端末や統合基地局或いは統合ノードにおいて「使用可能ＲＡＴの情報」を付加することにより、高速なＲＡＴに切り替わったことをトランスポート層に通知する。この情報を元にトランスポート層のプロトコルスタックは輻輳アルゴリズムを急激な速度向上が可能であるアルゴリズムに変更する。また、そのＲＡＴの切り替わりの情報をアプリケーションに通知する。スモールセルのエリアを抜けた場合には、再びＲＡＴの変更を通知し、輻輳アルゴリズムを適したものに変更する。このようにして、ＲＡＴの変化に追随した制御が可能となる。また、アプリケーションにＲＡＴの変化を通知することによって、アプリケーションの挙動を変化させることが可能である。例えば、高速ＲＡＴの追加／削除を検知して、ストリーミング動画のレート変更を行うことが可能である。または、高速なセルを掴んだ時に、ストリーミングのキャッシングのペースを上げることが可能である。また、アンライセンスバンドのセルを掴んだことを検知して、広告等のユーザにとって必ずしも必要ではないデータの配信を行うことも可能である。このようにＲＡＴの変化を上位層に通知することで、よりユーザのＱｏＥ（Quality of Experience）を向上させる制御が可能となる。

「送信ＲＡＴの希望情報」を用いた制御の例を図１０に示す。サーバ上のアプリケーション８１０が、例えばリアルタイム通信等によりハンドオーバによる瞬間的な遅延等を望まず広域性を求める場合等においては、本技術により、マクロセルのＲＡＴの選択を希望する情報を「送信ＲＡＴの希望情報」に付加し、統合基地局１００はその情報を参考に割当てＲＡＴを選択し、マクロセルを構成するＲＡＴでの送信を行う。また別のアプリケーション８２０で、あまり重要ではないがデータ量が多い通信においては、Ｗｉ−Ｆｉ等のアンライセンスバンドで運用され、通信コストが安い回線を希望する情報を「送信ＲＡＴの希望情報」に付加し、統合基地局１００はその情報を参考に割当てＲＡＴを選択し、Ｗｉ−ＦｉセルやスモールセルのＲＡＴでの送信を行う。なお統合管理ノード２００においても同様の処理が可能である。以上のように従来ではアプリケーションにとってどのＲＡＴで送信されるかは関与することができなかったが、より希望に沿ったＲＡＴ選択とすることが可能となる。

なお、上述の統合基地局１００の統合管理部１３０、統合管理ノード２００の統合管理部２３０、端末３００の統合無線通信インタフェース３２０、及び、端末３００やサーバに実装されるプロトコルスタック６００の各部は、ハードウェアとして実装してもよいし、プログラムをコンピュータにインストールすることによって実装してもよく、各部の機能を発揮可能であれば実装形態は不問である。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば上記実施の形態ではトランスポート層のプロトコルとしてＴＣＰを例示したが、他のプロトコルであっても本発明を実施できる。

また、上記実施の形態では、トランスポート層のプロトコルスタックにおける付加情報を用いた制御の一例として輻輳制御について説明したが、他の制御にも付加情報を活用することができる。

１００…統合基地局
１２０…ＲＡＴ機能部
１３０…統合管理部
１３１…ＲＡＴ情報管理部
１３２…オプションフィールド付加部
１３３…オプションフィールド取得部
１３４…ＲＡＴ選択・パケット分散/集約部
２００…統合管理ノード
２３０…統合管理部
３００…端末
３１０…無線通信機能部
３２０…統合無線通信インタフェース
３２１…ＲＡＴ情報管理部
３２２…オプションフィールド付加部
３２３…オプションフィールド取得部
３２４…ＲＡＴ選択・パケット分散/集約部
３３０…通信プロトコルスタック
３４０…アプリケーション
４００…ＲＡＴ基地局
５００…インターネット
５１０…サーバ
６００…プロトコルスタック
６１０…ネットワーク層のプロトコルスタック
６２０…トランスポート層のプロトコルスタック
６２１…オプションフィールド取得部
６２２…アプリケーション間Ｉ／Ｆ部
６２３…輻輳制御アルゴリズム選択部
６２４…輻輳制御部
６２５…オプションフィールド付加部
７００…アプリケーション層

Claims (7)

1. それぞれ異なる種類の無線アクセス機能で無線通信を行うための複数の無線通信機能部を有する無線端末装置と、無線端末装置に対して無線アクセス機能を提供する複数の無線アクセス機能部と、各無線アクセス機能部を統合管理する統合管理部とを備えた無線通信システムにおいて、
   前記無線通信端末装置による通信に係るトランスポート層のパケットのヘッダ部に対して無線アクセス機能部に関する情報を付加する付加手段を備えた
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 前記付加手段による付加情報は、前記無線通信端末装置が現在利用可能な無線アクセス機能部に関する情報を含み、
   前記付加手段を、前記無線アクセス機能部が収容されるとともに前記統合管理部を有する無線基地局、又は、前記無線アクセス機能部が収容された無線基地局を統合管理するとともに前記統合管理部を有する統合管理装置、或いは、前記無線通信端末装置に設けた
   ことを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
3. 前記付加手段による付加情報は、利用を希望する無線アクセス機能部に関する情報を含み、
   前記付加手段を、前記無線通信端末装置又は前記無線通信端末装置の通信相手装置の何れか一方又は双方に設けた
   ことを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
4. 前記無線通信端末装置又は前記無線通信端末装置の通信相手装置の何れか一方又は双方は、トランスポート層のパケットヘッダから前記付加情報を取得して上位層に通知する付加情報通知手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の無線通信システム。
5. 前記無線通信端末装置又は前記無線通信端末装置の通信相手装置の何れか一方又は双方は、トランスポート層のパケットヘッダから前記付加情報を取得して当該付加情報に基づきトランスポート層におけるパケット処理を制御する制御手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の無線通信システム。
6. それぞれ異なる種類の無線アクセス機能で無線通信を行うための複数の無線通信機能部を有する無線端末装置と、無線端末装置に対して無線アクセス機能を提供する複数の無線アクセス機能部と、各無線アクセス機能部を統合管理する統合管理部とを備えた無線通信システムにおける通信制御方法であって、
   無線通信システムの付加手段が、前記無線通信端末装置による通信に係るトランスポート層のパケットのヘッダ部に対して無線アクセス機能部に関する情報を付加するステップを備えた
   ことを特徴とする無線通信システムにおける通信制御方法。
7. 請求項１から請求項５のいずれか一項記載の無線通信システムの各手段としてコンピュータを機能させるための通信制御プログラム。

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