JP2008227737A - Wireless unit, and wireless communication network having the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、無線装置およびそれを備えた無線通信ネットワークに関し、特に、無線通信環境に適した無線システムを異なる複数の無線システムから選択して無線通信を行なう無線装置およびそれを備えた無線通信ネットワークに関するものである。 The present invention relates to a wireless device and a wireless communication network including the wireless device, and more particularly to a wireless device that performs wireless communication by selecting a wireless system suitable for a wireless communication environment from a plurality of different wireless systems, and a wireless communication network including the wireless device. It is about.
近年、携帯電話機、PHS(Personal Handyphone System)、IEEE802系の無線LAN(Local Area Network)およびBluetooth等の多様な無線システムの利用拡大が進んでいる。また、ユビキタス通信においては、センサーネットワークが構成され、ZigBee等の近距離無線システムの利用も予想される。 In recent years, the use of various wireless systems such as mobile phones, PHS (Personal Handyphone System), IEEE802 wireless LAN (Local Area Network), and Bluetooth has been expanded. In ubiquitous communication, a sensor network is configured, and the use of short-range wireless systems such as ZigBee is also expected.
このような、無線システムは、利用拡大と多様化とが急速に進み、異なる周波数帯域および異なる通信方式を持つ多様な無線システムが混在する無線通信環境となりつつあり、多様なアプリケーションの利用が期待されている。 Such wireless systems are rapidly expanding and diversifying their use, becoming a wireless communication environment in which various wireless systems having different frequency bands and different communication methods are mixed, and various applications are expected to be used. ing.
一方、無線リソースは、有限であるため、無線システムの利用拡大と多様化に従い、無線リソースの枯渇が懸念される。この問題を解決する技術として、コグニティブ無線技術が提案されている(非特許文献1)。 On the other hand, since radio resources are limited, there is a concern that radio resources will be depleted as the use of radio systems expands and diversifies. As a technique for solving this problem, a cognitive radio technique has been proposed (Non-Patent Document 1).
そして、コグニティブ無線技術は、異なる複数の無線システムを装備した基地局と、同様に異なる複数の無線システムを装備した端末装置とのネットワークにおいて、無線通信状況およびユーザ要求に応じて、複数の無線システムを適宜使い分け、または同時に利用する技術である。 The cognitive radio technology uses a plurality of radio systems in a network of a base station equipped with a plurality of different radio systems and a terminal device equipped with a plurality of different radio systems in accordance with radio communication conditions and user requests. Is a technique that uses them properly or uses them simultaneously.
一方、同一性能および同一制御手順の複数の無線システムを装備したノード間において、その通信のスループットを向上させる制御方式が提案されている(非特許文献2)。
しかし、従来の制御方式は、同一性能および同一制御手順の複数の無線システムを装備したノード間における通信制御方式であるため、従来の制御方式を用いて、各端末装置が相互に異なる通信方式によって無線通信を行なうコグニティブ無線ネットワークの通信効率を向上させることは困難であるという問題がある。 However, since the conventional control method is a communication control method between nodes equipped with a plurality of wireless systems having the same performance and the same control procedure, each terminal apparatus can be controlled by a different communication method using the conventional control method. There is a problem that it is difficult to improve the communication efficiency of a cognitive radio network that performs radio communication.
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、コグニティブ無線ネットワークの通信効率を向上可能な無線装置を提供することである。 Accordingly, the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a radio apparatus capable of improving the communication efficiency of a cognitive radio network.
また、この発明の別の目的は、コグニティブ無線ネットワークの通信効率を向上可能な無線装置を備えた無線通信ネットワークを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a wireless communication network including a wireless device capable of improving the communication efficiency of a cognitive wireless network.
この発明によれば、無線装置は、複数の無線モジュールと、通信制御手段とを備える。複数の無線モジュールは、相互に異なる複数の無線システムを用いて無線通信を行なう。通信制御手段は、複数の無線モジュールが当該無線装置に隣接する送信先との間で確立する複数の無線リンクにおける全体の通信負荷を示す通信コストが最小になるように複数の無線モジュールにおける無線通信を制御する。 According to this invention, the wireless device includes a plurality of wireless modules and communication control means. The plurality of wireless modules perform wireless communication using a plurality of different wireless systems. The communication control means performs wireless communication in the plurality of wireless modules so that the communication cost indicating the entire communication load in the plurality of wireless links established between the plurality of wireless modules with the transmission destination adjacent to the wireless device is minimized. To control.
好ましくは、通信制御手段は、通信コストが最小になるように複数の無線モジュールにパケットを分配する。複数の無線モジュールの各々は、分配されたパケットを送信する。 Preferably, the communication control means distributes the packet to the plurality of wireless modules so that the communication cost is minimized. Each of the plurality of wireless modules transmits the distributed packet.
好ましくは、通信制御手段は、1つの無線リンクにおける通信負荷を示すリンクコストを複数の無線リンクについて演算し、その演算した複数のリンクコストから最大のリンクコストおよび最小のリンクコストを選択し、最大のリンクコストを有する無線リンクに分配されたパケットを最小のリンクコストを有する無線リンクに振り分けるパケット分配処理を繰り返し行なうことによって複数の無線モジュールにパケットを分配する。 Preferably, the communication control means calculates a link cost indicating a communication load in one radio link for a plurality of radio links, selects a maximum link cost and a minimum link cost from the calculated plurality of link costs, Packets are distributed to a plurality of wireless modules by repeatedly performing packet distribution processing that distributes packets distributed to wireless links having a link cost to wireless links having the minimum link cost.
好ましくは、通信制御手段は、n(nは2以上の整数)回目のパケット分配処理において最大のリンクコストを有する第1の無線リンクがn−1回目のパケット分配処理において最大のリンクコストを有する第2の無線リンクと同じであるとき、n−1回目のパケット分配処理における個数と同じ個数のパケットを最小のリンクコストを有する無線リンクへ振り分け、第1の無線リンクが第2の無線リンクと異なるとき、n−1回目のパケット分配処理における個数よりも少ない個数のパケットを最小のリンクコストを有する無線リンクへ振り分ける。 Preferably, in the communication control means, the first radio link having the maximum link cost in the nth (n is an integer of 2 or more) packet distribution process has the maximum link cost in the (n-1) th packet distribution process. When the second wireless link is the same as the second wireless link, the same number of packets as the number in the (n-1) th packet distribution process are distributed to the wireless link having the minimum link cost, and the first wireless link is the second wireless link. When they are different, the number of packets smaller than the number in the (n-1) th packet distribution process is distributed to the radio link having the minimum link cost.
好ましくは、通信制御手段は、第1の無線リンクが第2の無線リンクと異なるとき、パケット分配処理の回数が増加するに従って最小のリンクコストを有する無線リンクへ振り分けるパケット数を徐々に少なくする。 Preferably, when the first wireless link is different from the second wireless link, the communication control unit gradually decreases the number of packets distributed to the wireless link having the minimum link cost as the number of packet distribution processes increases.
好ましくは、複数の無線モジュールは、第1および第2の無線モジュールを含む。第1の無線モジュールは、第1のプロトコルに従って無線通信を行なう。第2の無線モジュールは、第1のプロトコルと異なる第2のプロトコルに従って無線通信を行なう。 Preferably, the plurality of wireless modules include first and second wireless modules. The first wireless module performs wireless communication according to the first protocol. The second wireless module performs wireless communication according to a second protocol different from the first protocol.
また、この発明によれば、無線通信ネットワークは、基地局と、端末装置とを備える。基地局は、相互に異なる複数の無線システムを用いて無線通信を行なう。端末装置は、複数の無線システムを用いて基地局との間で無線通信を行なう。そして、基地局および端末装置の各々は、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の無線装置からなる。 According to the present invention, the wireless communication network includes a base station and a terminal device. The base station performs wireless communication using a plurality of different wireless systems. The terminal device performs wireless communication with the base station using a plurality of wireless systems. And each of a base station and a terminal device consists of a radio | wireless apparatus of any one of Claims 1-5.
好ましくは、複数の無線システムは、第1および第2の無線システムを含む。第1の無線システムは、第1の通信範囲を有する。第2の無線システムは、第1の通信範囲よりも広い第2の通信範囲を有する。そして、第1および第2の通信範囲は、略同心円状に配置される。基地局は、第1の通信範囲内に配置されるとともに、第1の通信範囲内に配置された第1の端末装置と、第1の通信範囲外であり、かつ、第2の通信範囲内である範囲に配置された第2の端末装置との間で無線通信を行なう。 Preferably, the plurality of radio systems include first and second radio systems. The first wireless system has a first communication range. The second wireless system has a second communication range that is wider than the first communication range. The first and second communication ranges are arranged substantially concentrically. The base station is disposed within the first communication range, the first terminal device disposed within the first communication range, and is outside the first communication range and within the second communication range. Wireless communication is performed with the second terminal device arranged in a certain range.
好ましくは、複数の無線システムは、第1および第2の無線システムを含む。第1の無線システムは、第1の通信範囲を有する。第2の無線システムは、第1の通信範囲よりも広い第2の通信範囲を有する。基地局は、第1および第2の基地局を含む。第1の基地局は、第1の通信範囲内に配置された第1の端末装置と、第1の通信範囲外であり、かつ、第2の通信範囲内である範囲に配置された第2の端末装置との間で無線通信を行なう。第2の基地局は、第1の端末装置とのみ無線通信を行なう。 Preferably, the plurality of radio systems include first and second radio systems. The first wireless system has a first communication range. The second wireless system has a second communication range that is wider than the first communication range. The base station includes first and second base stations. The first base station includes a first terminal device disposed within the first communication range, and a second terminal disposed within a range outside the first communication range and within the second communication range. Wireless communication with other terminal devices. The second base station performs radio communication only with the first terminal device.
この発明によれば、複数の無線モジュールと送信先との間で確立される複数の無線リンクにおける全体の通信負荷が最小になるように無線通信が行なわれる。 According to the present invention, wireless communication is performed so that the overall communication load on the plurality of wireless links established between the plurality of wireless modules and the transmission destination is minimized.
従って、この発明によれば、コグニティブ無線ネットワークにおける通信効率を向上できる。 Therefore, according to the present invention, the communication efficiency in the cognitive radio network can be improved.
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1による無線通信ネットワークの概略図である。この発明の実施の形態1による無線通信ネットワーク100は、端末装置1〜4と、基地局10とを備える。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a schematic diagram of a radio communication network according to
端末装置1,2および基地局10は、IEEE802.11jのセル30内に存在し、端末装置3,4は、セル30の外側であり、かつ、IEEE802.11gのセル40内である領域に存在する。セル40の通信範囲は、セル30の通信範囲より広く、セル30,40は、同心円状に配置される。そして、例えば、セル30の半径は、50mであり、セル40の半径は、100mである。
The
端末装置1〜4および基地局10は、IEEE802.11jおよびIEEE802.11gによって相互に無線通信を行なう。
The
基地局10は、有線ケーブル31によってインターネット等のネットワーク20に接続される。また、端末装置21〜24は、パーソナルコンピュータおよびサーバ等からなり、ネットワーク20に接続される。
The
端末装置1〜4の各々は、後述するように、複数の無線システムを装備し、その装備した複数の無線システムを適宜使い分け、または同時に使用して基地局10にアクセスする。
As will be described later, each of the
端末装置1〜4および基地局10の各々は、IEEE802.11jによって無線通信を行なう無線リンクML1と、IEEE802.11gによって無線通信を行なう無線リンクML2とを有する。そして、端末装置1〜4および基地局10の各々は、後述する方法によって、自己と送信先との間における通信コストが最小となるように無線リンクML1,ML2にパケットを分配する。
Each of the
図2は、図1に示す端末装置1の構成を示す概略ブロック図である。端末装置1は、アンテナ11と、無線モジュール12,13と、スイッチング手段14と、探索モジュール15と、アプリケーションプロセッサ16と、バスBSとを含む。
FIG. 2 is a schematic block diagram showing the configuration of the
スイッチング手段14、探索モジュール15およびアプリケーションプロセッサ16は、バスBSによって相互に接続される。無線モジュール12,13は、スイッチング手段14に接続される。
The switching means 14, the
アンテナ11は、無線通信空間を介して基地局10からデータを受信し、その受信したデータを無線モジュール12,13の少なくとも1つへ出力するとともに、無線モジュール12,13の少なくとも1つからのデータを無線通信空間を介して基地局10へ送信する。
The
無線モジュール12,13は、それぞれ、異なる無線システムを装備する。より具体的には、無線モジュール12は、IEEE802.11jによる無線システムを装備し、無線モジュール13は、IEEE802.11gによる無線システムを装備する。
Each of the
そして、無線モジュール12は、IEEE802.11jによる無線システムを用いてアンテナ11を介して基地局10と無線通信を行なう。この場合、無線モジュール12は、2.4GHzの周波数、54Mbpsの伝送速度、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)の変調方式およびCSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)のアクセス方式を用いる。
The wireless module 12 performs wireless communication with the
また、無線モジュール13は、IEEE802.11gによる無線システムを用いてアンテナ11を介して基地局10と無線通信を行なう。この場合、無線モジュール13は、2.4GHzの周波数、54Mbpsの伝送速度、OFDMの変調方式およびCSMA/CAのアクセス方式を用いる。
The
このように、無線モジュール12,13は、相互に異なる無線システムを装備し、その装備した無線システムを用いて、スイッチング手段14によって分配されたパケットを単独または同時に送信する。
In this way, the
スイッチング手段14は、バスBSを介して探索モジュール15からパケット分配率を受け、その受けたパケット分配率に従ってパケットを無線モジュール12,13に分配する。
The switching means 14 receives the packet distribution rate from the
探索モジュール15は、後述する方法によって、端末装置1が有する無線リンクML1,ML2の全体の通信コスト(=無線リンクML1,ML2を集約した集約リンクのコスト)が最小になるように無線リンクML1,ML2に分配するパケットのパケット分配率を決定し、その決定したパケット分配率をバスBSを介してスイッチング手段14へ出力する。
The
アプリケーションプロセッサ16は、パケットを生成し、その生成したパケットをバスBSを介してスイッチング手段14へ出力する。
The
なお、図1に示す端末装置2〜4および基地局10の各々も、図2に示す端末装置1の構成と同じ構成からなる。
Each of
図1に示す無線通信ネットワーク100においては、端末装置1〜4および基地局10は、無線モジュール12,13によって相互にパケットを送受信する。そして、端末装置1〜4と基地局10との間における無線通信のスループットを維持し、かつ、その無線通信の遅延時間を低下させるには、端末装置1〜4の各々と基地局10との間に存在する2つの無線リンクML1,ML2の全体の通信コストが最小になるように無線リンクML1,ML2へパケットを分配することが有効であるが、この有効性について説明する。
In the
[数理モデル]
(a)単一リンクのコスト
図3は、単一リンクおよび集約リンクを説明するための概念図である。端末装置iにおけるパケットの平均到着率をFi(packets/sec)とし、端末装置iと基地局10との間のリンクの通信容量(平均パケット処理時間の逆数、即ち、パケット処理率)をCi(packets/sec)とすると、このリンクにおけるコストdiは、M/M/1の待ち行列システムに基づき、次式のようになる(図3の(a)参照)。
[Mathematical model]
(A) Cost of Single Link FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining a single link and an aggregated link. The average packet arrival rate at the terminal device i is F i (packets / sec), and the communication capacity of the link between the terminal device i and the base station 10 (the reciprocal of the average packet processing time, that is, the packet processing rate) is C Assuming i (packets / sec), the cost d i in this link is expressed by the following equation based on the M / M / 1 queuing system (see FIG. 3A).
式(1)は、リンク内に待機する平均パケット数(処理中のパケットを含む)となり、平均遅延時間1/(Ci−Fi)にパケット到着率Fiを乗じた値である。従って、この発明においては、コストdiとは、「リンク内の待機トラフィック数」を言う。ここで、平均遅延時間とは、パケットが到着し、待ち行列で待機し、更にパケットの送信が完了するまでの時間の平均である。即ち、平均遅延時間は、各パケットの待ち行列内での待機時間と処理時間との和の平均である。
Equation (1) is the average number of packets waiting in the link (including the packet being processed), and is a value obtained by multiplying the
従って、コストdiが高いとき、リンクは、より多くのパケットを有し、その負荷が高くなる。一方、コストdiが低いとき、リンクは、より少ないパケットを有し、その負荷が低くなる。 Thus, when the cost d i is high, the link has more packets and the load is high. On the other hand, when the cost d i is low, the link has fewer packets and its load is low.
(b)集約リンクのコスト
集約リンクは、1つのリンクよりも多いリンクからなる。そして、到着したパケットは、集約リンクの複数のリンクに分配される(図3の(b)参照)。従って、集約リンクのコストDiは、各リンクのコストの和であり、次式によって表される。
(B) Cost of aggregated link An aggregated link consists of more links than one link. Then, the arrived packet is distributed to a plurality of links of the aggregated link (see (b) of FIG. 3). Therefore, the cost D i of the aggregated link is the sum of the costs of each link and is expressed by the following equation.
そして、集約リンクにおけるパケット到着率Fiは、次式によって表される。 The packet arrival rate F i in the aggregated link is expressed by the following equation.
なお、式(2),(3)において、Riは、端末装置iに装着された無線システムの個数であり、Ci rは、端末装置iに装着された無線システムrのリンク容量であり、Fi rは、端末装置iに装着された無線システムrのパケット到着率である。 In Equations (2) and (3), R i is the number of wireless systems attached to the terminal device i, and C i r is the link capacity of the wireless system r attached to the terminal device i. , F i r is the packet arrival rate of the wireless system r attached to the terminal device i.
(c)リンク容量
マクロな周期においては、各リンクにおいて競合する無線リソースの平均使用率は、等しいと仮定される。従って、各リンク容量は、無線システムの最大送信レートが基地局へ通信可能な端末装置数によって等しく分配されるときの容量と見積もられる。そして、各リンク容量は、パケットの到着率とは独立である。つまり、各リンク容量は、M/M/1の待ち行列システムによって制限され、次式によって表される。
(C) Link capacity In a macro period, it is assumed that the average usage rate of radio resources competing in each link is equal. Therefore, each link capacity is estimated as a capacity when the maximum transmission rate of the wireless system is equally distributed according to the number of terminal devices that can communicate with the base station. Each link capacity is independent of the packet arrival rate. That is, each link capacity is limited by the M / M / 1 queuing system and is expressed by the following equation.
式(4)において、Brは、最大送信レートであり、Nrは、無線システムrを用いて基地局と通信可能な端末装置数である。 In Equation (4), Br is the maximum transmission rate, and Nr is the number of terminal devices that can communicate with the base station using the radio system r.
(d)ネットワークコスト
ネットワークのトータルなリンクコスト(「ネットワークコストG」と言う)は、ネットワークの負荷を示すネットワーク内のパケット数である。つまり、ネットワークコストGは、ネットワーク内の集約リンクのコストの和として次式のように表される。
(D) Network Cost The total link cost of the network (referred to as “network cost G”) is the number of packets in the network indicating the load on the network. That is, the network cost G is expressed as the following equation as the sum of the costs of the aggregated links in the network.
式(5)において、Nは、ネットワーク内における端末装置数である。 In Expression (5), N is the number of terminal devices in the network.
[コストのパケット分配率への依存性]
次の構成におけるコストのパケット分配率への依存性を用いたパケット分配率の特性について説明する。
[Dependence of cost on packet distribution ratio]
The characteristics of the packet distribution rate using the dependency of the cost on the packet distribution rate in the following configuration will be described.
(A)基地局および端末装置は、1個のIEEE802.11jシステムと1
個のIEEE802.11gシステムとが装着される。
(A) A base station and a terminal device are each configured with one IEEE802.11j system and one
One IEEE 802.11g system is installed.
(B)基地局のセルは、同心円状に配置されたIEEE802.11jのセル
およびIEEE802.11gのセルからなる。
(B) The cell of the base station is composed of an IEEE802.11j cell and an IEEE802.11g cell arranged concentrically.
(C)端末装置は、基地局のセル内にランダムに配置される。そして、各無線
システムのセル半径に基づけば、4分の1の端末装置がIEEE802.1
1jセル内に存在する。
(C) The terminal device is randomly arranged in the cell of the base station. Based on the cell radius of each wireless system, a quarter of the terminal devices are IEEE 802.1
Present in 1j cell.
(D)IEEE802.11jのセルおよびIEEE802.11gのセルの
両方のセル内に存在する各端末装置のパケット到着率は、Fg∩jである、
(E)IEEE802.11gのセル内のみに存在する各端末装置のパケット
到着率は、Fg∩/jである。
(D) The packet arrival rate of each terminal device existing in both the IEEE802.11j cell and the IEEE802.11g cell is F g ∩j .
(E) The packet arrival rate of each terminal apparatus existing only in the IEEE 802.11g cell is F g / j .
(F)ネットワークにおける端末装置数は、Nである。 (F) The number of terminal devices in the network is N.
(G)IEEE802.11jおよびIEEE802.11gの最大送信レー
トは、それぞれ、BgおよびBjである。
(G) IEEE 802.11j and IEEE802.11g maximum transmission rate of, respectively, a B g and B j.
なお、Fg∩/jにおける/jは、端末装置がIEEE802.11jのセル内に存在していないことを表す。 Note that / j in F g ∩ / j indicates that the terminal device does not exist in the IEEE802.11j cell.
上記(A)〜(G)に示す構成において、ネットワークコストは、次の式(6)〜(8)によって表される。 In the configurations shown in (A) to (G) above, the network cost is expressed by the following equations (6) to (8).
式(6)において、Fg g∩jは、IEEE802.11jのセルおよびIEEE802.11gのセルの両方のセル内に存在する端末装置におけるIEEE802.11gによる無線リンクへのパケット到着率を示す。また、Fj g∩jは、IEEE802.11jのセルおよびIEEE802.11gのセルの両方のセル内に存在する端末装置におけるIEEE802.11jによる無線リンクへのパケット到着率を示す。従って、Fg∩j=Fg g∩j+Fj g∩jである。 In Equation (6), F g g∩j indicates the packet arrival rate to the radio link by IEEE802.11g in a terminal device existing in both the IEEE802.11j cell and the IEEE802.11g cell. F j g∩j indicates the packet arrival rate to the radio link by IEEE802.11j in the terminal apparatus existing in both the IEEE802.11j cell and the IEEE802.11g cell. Therefore, F g∩j = F g g∩j + F j g∩j .
図4は、IEEE802.11jによる無線リンクへのパケット分配率とネットワークコストとの関係を示す図である。この場合、端末装置は、IEEE802.11jのセルおよびIEEE802.11gのセルの両方のセル内に存在し、端末装置数Nは、40であり、Fg g∩jは、1packet/secであり、Fj g∩jは、5packets/secであり、BgおよびBjの各々は、54Mbpsであり、平均パケットサイズは、1Mbitsである。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the packet distribution ratio to the wireless link and the network cost according to IEEE802.11j. In this case, the terminal device exists in both the IEEE 802.11j cell and the IEEE 802.11g cell, the terminal device number N is 40, F g g∩j is 1 packet / sec, F j g∩j is 5 packets / sec, each of B g and B j is 54 Mbps, and the average packet size is 1 Mbits.
図4において、縦軸は、ネットワークコストを表し、横軸は、IEEE802.11jによる無線リンクへのパケット分配率を表す。 In FIG. 4, the vertical axis represents the network cost, and the horizontal axis represents the packet distribution ratio to the wireless link according to IEEE802.11j.
ネットワークコストは、Fj g∩jの増加に伴って減少し、Fj g∩jが約4.5(IEEE802.11jによる無線リンクへのパケット分配率が0.9であることに相当)を超えると、増加し始める。従って、ネットワークコストは、パケット分配率に対して最適解を有する。 The network cost decreases as F j g ∩j increases, and F j g ∩j is about 4.5 (corresponding to a packet distribution rate to the radio link by IEEE 802.11j of 0.9). Beyond, it begins to increase. Therefore, the network cost has an optimal solution for the packet distribution rate.
これを検証するために、IEEE802.11gのセル内にのみ存在する端末装置のIEEE802.11gによる無線リンクのコストdg g∩/j、IEEE802.11gのセル内およびIEEE802.11jのセル内に存在する端末装置のIEEE802.11gによる無線リンクのコストdg g∩j、およびIEEE802.11jのセル内に存在する端末装置のIEEE802.11jによる無線リンクのコストdj g∩jの和に式(6)を分解する。 In order to verify this, the cost of the radio link d g g∩ / j by the IEEE 802.11g of the terminal device that exists only in the IEEE 802.11g cell, the IEEE 802.11g cell, and the IEEE 802.11j cell exists. The wireless link cost d g g∩j according to IEEE802.11g of the terminal device and the wireless link cost d j g∩j of the terminal device existing in the IEEE802.11j cell ).
そして、各無線リンクに分配されたパケットのパケット到着率による各リンクコストの1次導関数および2次導関数を用いると、各リンクコストのパケット到着率への依存性は、次の式(9)〜式(15)によって表される。 Then, using the first derivative and the second derivative of each link cost based on the packet arrival rate of the packet distributed to each wireless link, the dependency of each link cost on the packet arrival rate is expressed by the following equation (9 ) To (15).
式(10)および式(11)は、リンクコストdg g∩/jがFg∩/j<Cgの条件下においてIEEE802.11gによる無線リンクのパケット到着率に対して凸単調増加関数であることを示す。 Equations (10) and (11) are convex monotonically increasing functions with respect to the packet arrival rate of the wireless link by IEEE802.11g under the condition that the link cost d g g∩ / j is F g∩ / j <C g. Indicates that there is.
また、式(12)および式(13)は、リンクコストdg g∩jがFg g∩j<Cgの条件下においてIEEE802.11gによる無線リンクのパケット到着率に対して凸単調増加関数であることを示す。 Further, Expression (12) and Expression (13) indicate that a convex monotonically increasing function with respect to the packet arrival rate of the wireless link according to IEEE802.11g under the condition that the link cost d g g ∩j is F g g ∩j <C g Indicates that
更に、式(14)および式(15)は、リンクコストdj g∩jがFj g∩j<Cjの条件下においてIEEE802.11jによる無線リンクのパケット到着率に対して凸単調増加関数であることを示す。 Further, Expression (14) and Expression (15) are expressed as a convex monotone increasing function with respect to the packet arrival rate of the wireless link according to IEEE802.11j under the condition that the link cost d j g ∩j is F j g ∩j <C j. Indicates that
更に、Fg∩j=Fg g∩j+Fj g∩jであるので、dFg g∩j/dFj g∩j<0であり、d2(Fg g∩j)/d(Fj g∩j)2=0である。 Further, since F g∩j = F g g∩j + F j g∩j , dF g g∩j / dF j g∩j <0 and d 2 (F g g∩j ) / d (F j g∩j ) 2 = 0.
従って、コストdg g∩jのFj g∩jによる1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(16)および式(17)によって表される。 Therefore, first derivative and second derivative by F j g∩j cost d g g∩j are respectively expressed by the following equation (16) and (17).
その結果、リンクコストdg g∩jは、IEEE802.11jによる無線リンクへのパケット分配率に対して凸単調減少関数となり、ネットワークコストは、凸単調増加関数であるIEEE802.11jによる無線リンクのコストと、凸単調減少関数であるIEEE802.11gによる無線リンクのコストとの和である。つまり、ネットワークコストは、パケット分配率に対して完全に最適解を有する。 As a result, the link cost d g g∩j becomes a convex monotone decreasing function with respect to the packet distribution rate to the wireless link by IEEE802.11j, and the network cost is the cost of the wireless link by IEEE802.11j which is a convex monotonically increasing function. And the cost of the wireless link according to IEEE 802.11g, which is a convex monotonously decreasing function. That is, the network cost has a completely optimal solution for the packet distribution rate.
図5は、コストとパケット分配率との関係を示す図である。図5において、縦軸は、コストを表し、横軸は、IEEE802.11jによる無線リンクへのパケット分配率を表す。また、曲線k1は、IEEE802.11gによる無線リンクのコストを示し、曲線k2は、IEEE802.11jによる無線リンクのコストを示し、曲線k3は、ネットワークコストGを表す。 FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the cost and the packet distribution rate. In FIG. 5, the vertical axis represents the cost, and the horizontal axis represents the packet distribution ratio to the radio link according to IEEE802.11j. A curve k1 indicates the cost of the radio link according to IEEE802.11g, a curve k2 indicates the cost of the radio link according to IEEE802.11j, and a curve k3 indicates the network cost G.
なお、IEEE802.11gによる無線リンクのコストは、式(9)から3Ndg g∩/j/4+Ndg g∩j/4によって表され、IEEE802.11jによる無線リンクのコストは、式(9)からNdj g∩j/4によって表される。 Note that the cost of the wireless link according to IEEE802.11g is expressed by 3Nd g g / j / 4 + Nd g g j / 4 from Equation (9), and the cost of the wireless link according to IEEE 802.11j is from Equation (9). Nd j gNj / 4.
図5から明らかなように、ネットワークコストGは、IEEE802.11jによる無線リンクへのパケット分配率に対して最小値(=最適解)を有する。 As is apparent from FIG. 5, the network cost G has a minimum value (= optimum solution) with respect to the packet distribution ratio to the radio link according to IEEE802.11j.
パケット到着率Fiによる式(1)の1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(18)および式(19)によって表される。 The first and second derivatives of the equation (1) according to the packet arrival rate F i are expressed by the following equations (18) and (19), respectively.
従って、リンクコストは、それ自体、Fi<Ciの条件下においては、パケット分配率に対して凸単調増加関数である。また、IEEE802.11jによる無線リンクのコストとIEEE802.11gによる無線リンクのコストとの和である集約リンクのコストは、ネットワークコストと同じようにパケット分配率に対して凸関数である。 Therefore, the link cost itself is a convex monotonically increasing function with respect to the packet distribution rate under the condition of F i <C i . In addition, the cost of the aggregate link, which is the sum of the cost of the wireless link based on IEEE 802.11j and the cost of the wireless link based on IEEE 802.11g, is a convex function with respect to the packet distribution rate, like the network cost.
その結果、各集約リンクのコストは、パケット分配率の最適解を与え、その各集約リンクの最適解は、ネットワークコストの最適解を構成する。即ち、図1における端末装置1〜4の各々と基地局10との間の集約リンクのコスト(=IEEE802.11jによる無線リンクのコストとIEEE802.11gによる無線リンクのコストとの和)を最適(=最小)にすれば、無線通信ネットワーク100全体のコストであるネットワークコストGが最適化される。
As a result, the cost of each aggregated link gives an optimal solution for the packet distribution rate, and the optimal solution for each aggregated link constitutes the optimal solution for the network cost. That is, the cost of the aggregate link between each of the
[遅延時間およびスループット]
図6は、遅延時間の和とスループットとの関係を示す図である。図6において、縦軸は、遅延時間の和を表し、横軸は、スループットを表す。また、曲線k4〜k7は、それぞれ、IEEE802.11jによる無線リンクへのパケット分配率が0.5,0.7,0.9,1.0である場合の遅延時間の和とスループットとの関係を示す。
[Delay time and throughput]
FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the sum of delay times and throughput. In FIG. 6, the vertical axis represents the sum of delay times, and the horizontal axis represents throughput. Curves k4 to k7 indicate the relationship between the sum of the delay times and the throughput when the packet distribution ratios to the wireless links according to IEEE 802.11j are 0.5, 0.7, 0.9, and 1.0, respectively. Indicates.
遅延時間の和は、単位時間における端末装置へのパケットの到着から基地局へのパケットの到着までの時間間隔の和であり、スループットは、単位時間に到着したパケットの個数である。 The sum of delay times is the sum of the time intervals from the arrival of packets at the terminal device to the arrival of packets at the base station in unit time, and the throughput is the number of packets that arrive at the unit time.
パケット分配率が0.9である場合、他のパケット分配率に対して、遅延時間は、減少し、スループットは、増加する。0.9のパケット分配率は、ネットワークコストの最適解に近い解を与える。即ち、ネットワークコストの最適解は、最小の遅延時間および最大のスループットに対応する、
従って、ネットワークコストを最適化(最小化)することによって、最小の遅延時間および最大のスループットが得られる。
When the packet distribution rate is 0.9, the delay time decreases and the throughput increases with respect to other packet distribution rates. A packet distribution rate of 0.9 gives a solution close to the optimal solution for network cost. That is, the optimal solution for network cost corresponds to the minimum delay time and maximum throughput,
Therefore, by optimizing (minimizing) the network cost, the minimum delay time and the maximum throughput can be obtained.
[IEEE802.11によるリンクのパケット分配特性]
(リンクコスト)
パケットの送信および受信は、IEEE802.11によるリンクでは相互に依存し、IEEE802.11によるリンクのパケットサービス時間は、指数関数分布であるので、上述した式(1)および式(2)をIEEE802.11によるリンクに適用することはできない。
[Packet distribution characteristics of links according to IEEE 802.11]
(Link cost)
Since transmission and reception of packets depend on each other in the link according to IEEE 802.11, and the packet service time of the link according to IEEE 802.11 is an exponential distribution, the above-described equations (1) and (2) are changed to IEEE802. It cannot be applied to the link by 11.
しかし、パケット到着間隔が指数分布であるリンクにおいて、Littleの定理(非特許文献3)が成立するため、IEEE802.11によるリンクのコストdiおよび集約リンクのコストDiは、それぞれ、次の式(20)および式(21)によって表される。 However, since the Little theorem (Non-Patent Document 3) is established in a link having an exponential packet arrival interval, the link cost d i and the aggregate link cost D i according to IEEE 802.11 are respectively expressed by the following equations: It is represented by (20) and formula (21).
なお、式(20)において、Tiは、端末装置iにおける平均遅延時間であり、式(21)において、Tr iは、端末装置iに装着された無線システムrの遅延時間である。 In Equation (20), T i is an average delay time in the terminal device i, and in Equation (21), T r i is a delay time of the wireless system r attached to the terminal device i.
(コストのパケット分配への依存性)
上述したように、リンクコストは、遅延時間と、パケット分配率であるパケット到着率とからなる。遅延時間は、キューにおける待機時間と、パケットのサービス時間とからなる。
(Dependence on packet distribution of cost)
As described above, the link cost includes a delay time and a packet arrival rate that is a packet distribution rate. The delay time consists of a waiting time in the queue and a packet service time.
1つのパケットの送信を成功させるために消費される時間であるパケットのサービス時間に対して、パケット分配特性が示される。 Packet distribution characteristics are shown for packet service time, which is the time consumed to successfully transmit one packet.
図7は、パケットサービス時間を解析するためのモデルを示す図である。パケットサービス時間は、e−スロットに分割される。1つのe−スロットは、IEEE802.11によるイベントの単位として定義され、IEEE802.11のスロットタイムとは異なるものである。 FIG. 7 is a diagram illustrating a model for analyzing the packet service time. Packet service time is divided into e-slots. One e-slot is defined as a unit of event according to IEEE 802.11, and is different from the slot time of IEEE 802.11.
また、パケットサービス時間は、バックオフ期間と、送信試行期間とからなる。バックオフ期間は、送信が試行されるまでの待ち時間であり、この期間内において、アイドルe−スロット、混雑e−スロットおよび衝突e−スロットがイベントとして起こる。アイドルe−スロットは、送信待ちを意味し、混雑e−スロットは、いずれかの端末装置が送信していることを意味し、衝突e−スロットは、パケットの衝突を意味する。 The packet service time includes a back-off period and a transmission trial period. The back-off period is a waiting time until transmission is attempted, and within this period, an idle e-slot, a congested e-slot, and a collision e-slot occur as events. An idle e-slot means waiting for transmission, a congested e-slot means that any terminal device is transmitting, and a collision e-slot means a packet collision.
送信試行期間は、バックオフ期間後にパケットの送信の試行のために費やされる期間であり、1つのe−スロットからなる。この期間においては、成功e−スロットまたは失敗e−スロットがイベントとして起こる。成功e−スロットは、パケットの送信の成功を意味し、失敗e−スロットは、衝突による送信を意味する。 The transmission trial period is a period spent for a transmission attempt of a packet after the back-off period, and consists of one e-slot. During this period, successful e-slots or failed e-slots occur as events. A successful e-slot means successful transmission of a packet, and a failed e-slot means transmission due to a collision.
もし、失敗e−スロットが生じると、パケットの再送信のための次のバックオフ期間がスタートする。セルc内の1つのe−スロット内におけるパケットの送信試行率をGiとすると、Giは、再送信パケットを含む。そして、セルc内で送信されるパケットは、セルc内の多くの端末装置によって十分にランダムに配置されるので、Giは、ポアソン分布を有すると仮定される。 If a failed e-slot occurs, the next back-off period for packet retransmission starts. If the transmission attempt rate of a packet in one e-slot in the cell c is G i , G i includes a retransmission packet. Then, packets transmitted in the cell c are, because they are located well randomly by many terminals in the cell c, G i is assumed to have a Poisson distribution.
Giは、各e−スロットに対して独立であり、Fc iおよびFiは、それぞれ、セルc内におけるパケット到着率および端末装置iにおけるパケット到着率である。そして、jがセルc内の端末装置数であるとき、Fiは、Fc i/jである。各パケット到着過程は、ポアソン過程である。 G i is independent for each e-slot, and F c i and F i are the packet arrival rate in cell c and the packet arrival rate in terminal device i, respectively. Then, when j is the number of terminal devices in the cell c, F i is F c i / j. Each packet arrival process is a Poisson process.
端末装置iにおけるパケットサービス時間Siのパケット到着率Fc iへの依存性について説明する。まず、パケットサービス時間Siの送信試行率Giへの依存性が示され、その後、送信試行率Giのパケット到着率Fc iへの依存性が示され、最後に、これらの依存性に基づいて、パケットサービス時間Siのパケット到着率Fc iへの依存性が示される。 The dependency of the packet service time S i on the terminal device i on the packet arrival rate F c i will be described. First, the dependency of the packet service time S i on the transmission attempt rate G i is shown, and then the dependency of the transmission attempt rate G i on the packet arrival rate F c i is shown. Finally, these dependencies are shown. , The dependence of the packet service time S i on the packet arrival rate F c i is shown.
バックオフ期間は、2進指数のバックオフプロセスに基づいており、バックオフカウンタが“0”になるまでの時間に相当する。そして、バックオフカウンタは、1つのアイドルe−スロットによって減少され、混雑e−スロットまたは衝突e−スロットによっては減少されない。即ち、バックオフカウンタは、アイドルe−スロットが生じるまで減少されない(図7参照)。 The back-off period is based on a binary exponent back-off process and corresponds to a time until the back-off counter becomes “0”. And the back-off counter is decremented by one idle e-slot and not decremented by a congested e-slot or a collision e-slot. That is, the backoff counter is not decremented until an idle e-slot occurs (see FIG. 7).
混雑e−スロットまたは衝突e−スロットがバックオフ期間に発生する確率がPbcであるとき、混雑e−スロットまたは衝突e−スロットがバックオフ期間にm回連続して発生する確率は、地理的分布を用いると、Pm bc(1−Pbc)となる。 When the probability that a congested e-slot or collision e-slot will occur in the backoff period is P bc , the probability that a congested e-slot or collision e-slot will occur m times in the backoff period is the geographical When the distribution is used, P m bc (1-P bc ) is obtained.
また、混雑e−スロットまたは衝突e−スロットに費やされる時間およびアイドルe−スロットに費やされる時間をそれぞれTbcおよびTidとすると、バックオフカウンタが“1”づつ減少するために消費される時間の確率生成関数(PGF:Probability Generating Function)であるM(z)は、次の式(22)〜式(28)によって表される。 Also, assuming that the time spent in the congested e-slot or the collision e-slot and the time spent in the idle e-slot are T bc and T id , respectively, the time consumed because the back-off counter is decremented by “1”. M (z), which is a probability generation function (PGF), is expressed by the following equations (22) to (28).
ここで、TsおよびTcは、それぞれ、IEEE802.11のスロットタイムによって規格化された時間およびパケットの送信と衝突とに費やされた時間である。同様に、1つのスロットタイムと同じアイドルe−スロットのために費やされる時間であるTidは、IEEE802.11のスロットタイムによって規格化されるとき、“1”である。 Here, T s and T c are time standardized by the slot time of IEEE802.11 and time spent for packet transmission and collision, respectively. Similarly, T id , which is the time spent for the same idle e-slot as one slot time, is “1” when normalized by the IEEE 802.11 slot time.
PbcおよびPsは、それぞれ、送信試行が1回よりも多い確率および送信試行が1回である確率である。M(z)を用いると、“1”づつ減少するバックオフカウンタに費やされる平均時間/Mは、次の式(29)および式(30)によって表される。 P bc and P s are the probability of more than one transmission attempt and the probability of one transmission attempt, respectively. Using M (z), the average time / M spent in the back-off counter decremented by “1” is expressed by the following equations (29) and (30).
ここで、Nbcは、バックオフ期間内において混雑e−スロットまたは衝突e−スロットが連続して発生する平均回数である。 Here, N bc is an average number of times that a congested e-slot or a collision e-slot continuously occurs in the back-off period.
バックオフ期間は、パケットの送信が成功するまで繰り返される。送信試行期間内において、失敗e−スロット(即ち、パケットの衝突)が成功e−スロット(即ち、パケットの送信成功)の前に連続してn回生じるとき、バックオフ期間は、n+1回、繰り返され、n+1回のトータルのバックオフ期間に費やされる平均時間Knは、次の式(31)および式(32)によって表される。 The back-off period is repeated until the packet transmission is successful. When a failed e-slot (ie, packet collision) occurs n times consecutively before a successful e-slot (ie, successful packet transmission) within the transmission attempt period, the backoff period is repeated n + 1 times. The average time K n spent in the (n + 1) total back-off periods is expressed by the following equations (31) and (32).
ここで、Wは、IEEE802.11のコンテンションウインドウサイズである。Pxcが送信試行期間内における失敗e−スロットの発生確率であり、Ptxが送信試行期間内において1個以上のパケットの送信試行が行なわれる確率であるとき、成功e−スロットの前に失敗e−スロットがn回連続して生じる確率は、PtxPn xc(1−Pxc)である。 Here, W is an IEEE 802.11 contention window size. Failure before a successful e-slot, where P xc is the probability of a failed e-slot occurring within the transmission attempt period and P tx is the probability that one or more packets will be transmitted within the transmission attempt period The probability that an e-slot occurs n times consecutively is P tx P n xc (1−P xc ).
その結果、パケットの送信が成功するまでの全体のバックオフ期間に費やされる平均時間/Bは、次の式(33)〜式(35)によって表される。 As a result, the average time / B spent in the entire back-off period until the packet transmission is successful is expressed by the following equations (33) to (35).
送信試行期間は、バックオフカウンタが“0”になったとき(=バックオフ期間が終了したとき)に開始し、バックオフ期間と同じ方法によってパケットの送信が成功するまで繰り返される。 The transmission trial period starts when the back-off counter reaches “0” (= when the back-off period ends), and is repeated until the packet transmission is successfully performed in the same manner as the back-off period.
1個以上のパケットが送信試行期間内に送信される条件下においては、全体の送信試行期間のために費やされる時間の確率生成関数(PGF)であるA(z)が、次式によって表される。 Under the condition that one or more packets are transmitted within the transmission attempt period, A (z), which is a probability generation function (PGF) of the time spent for the entire transmission attempt period, is expressed by the following equation. The
A(z)を用いると、トータルの送信試行期間に費やされる平均時間/Aは、次の式(37)および式(38)によって表される。 When A (z) is used, the average time / A spent in the total transmission trial period is expressed by the following equations (37) and (38).
ここで、Nxcは、パケットの送信試行期間内におけるパケットの平均衝突回数である。 Here, N xc is the average number of packet collisions within the packet transmission attempt period.
/Aおよび/Bを用いると、パケットサービス時間Siは、次式によって表される。 When / A and / B are used, the packet service time S i is expressed by the following equation.
更に、パケットサービス時間Siの送信試行率Giによる1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(40)および式(41)によって表される。 Furthermore, the first and second derivatives of the packet service time S i according to the transmission trial rate G i are expressed by the following equations (40) and (41), respectively.
従って、パケットのサービス時間Siは、パケットの送信試行率Giの凸単調増加関数である。 Accordingly, the packet service time S i is a convex monotonically increasing function of the packet transmission trial rate G i .
図8は、パケットのサービス時間と、パケットの送信試行率との関係を示す図である。図8において、縦軸は、パケットのサービス時間を表し、横軸は、パケットの送信試行率を表す。 FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the packet service time and the packet transmission trial rate. In FIG. 8, the vertical axis represents packet service time, and the horizontal axis represents packet transmission trial rate.
また、曲線k8〜k11は、それぞれ、パケットサイズが0.1Kbyte、0.5Kbyte、1Kbyteおよび2Kbyteであるときのパケットのサービス時間と、パケットの送信試行率との関係を示す。 Curves k8 to k11 indicate the relationship between the packet service time and the packet transmission trial rate when the packet size is 0.1 Kbyte, 0.5 Kbyte, 1 Kbyte, and 2 Kbyte, respectively.
図8に示す曲線k8〜k11から明らかなように、パケットのサービス時間Siは、パケットの送信試行率Giの凸単調増加関数である。 As is apparent from the curves k8 to k11 shown in FIG. 8, the packet service time S i is a convex monotonically increasing function of the packet transmission trial rate G i .
パケットのサービス時間Siのパケット到着率Fc iへの依存性を得るために、パケットの送信試行率Giのパケット到着率Fc iへの依存性が調べられた。パケットのサービス時間内におけるe−スロットの個数Neは、パケットのサービス時間Siと同じ方法によって導入され、次式によって表される。 In order to obtain the dependence of the packet service time S i on the packet arrival rate F c i , the dependence of the packet transmission trial rate G i on the packet arrival rate F c i was examined. The number of e-slots N e within the packet service time is introduced by the same method as the packet service time S i and is expressed by the following equation.
Neを用いると、パケットのサービス時間内におけるパケットの送信試行回数は、NeGiと表される。 When N e is used, the number of packet transmission attempts within the packet service time is expressed as N e G i .
一方、1個のパケット当たりの送信試行回数は、(Nxc+1)であり、パケットのサービス時間内におけるパケットの到着数は、Fc iSiである。ここで、Fc iは、スロット時間内におけるパケット到着率である。 On the other hand, the number of transmission attempts per packet is (N xc +1), and the arrival number of packets within the packet service time is F c i S i . Here, F c i is the packet arrival rate within the slot time.
その結果、パケットのサービス時間内におけるパケットの送信試行回数は、Fc iSi(Nxc+1)のように表される。上述した結果から、Fc iは、次式のように表される。 As a result, the number of packet transmission attempts within the packet service time is expressed as F c i S i (N xc +1). From the results described above, F c i is expressed as follows.
更に、パケット到着率Fc iの送信試行率Giによる1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(44)および式(45)によって表される。 Further, the first and second derivatives of the packet arrival rate F c i by the transmission trial rate G i are expressed by the following equations (44) and (45), respectively.
従って、パケット到着率Fc iは、送信試行率Giの凸単調増加関数である。 Accordingly, the packet arrival rate F c i is a convex monotonically increasing function of the transmission trial rate G i .
図9は、パケット到着率と、パケットの送信試行率との関係を示す図である。図9において、縦軸は、パケット到着率を表し、横軸は、パケットの送信試行率を表す。 FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the packet arrival rate and the packet transmission trial rate. In FIG. 9, the vertical axis represents the packet arrival rate, and the horizontal axis represents the packet transmission trial rate.
また、曲線k12〜k15は、それぞれ、パケットサイズが0.1Kbyte、0.5Kbyte、1Kbyteおよび2Kbyteであるときのパケット到着率と、パケットの送信試行率との関係を示す。 Curves k12 to k15 indicate the relationship between the packet arrival rate and the packet transmission trial rate when the packet size is 0.1 Kbyte, 0.5 Kbyte, 1 Kbyte, and 2 Kbyte, respectively.
図9に示す曲線k12〜k15から明らかなように、パケット到着率Fc iは、パケットの送信試行率Giの凸単調増加関数である。 As is apparent from the curves k12 to k15 shown in FIG. 9, the packet arrival rate F c i is a convex monotonically increasing function of the packet transmission trial rate G i .
式(44)および式(45)に基づけば、パケットの送信試行率Giのパケット到着率Fc iによる1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(46)および式(47)によって表される。 Based on equation (44) and equation (45), the first and second derivatives of the packet transmission trial rate G i by the packet arrival rate F c i are respectively expressed by the following equations (46) and ( 47).
また、モデルの仮定に基づけば、Fiは、Fc i/jであり、パケットの送信試行率Giのパケット到着率Fiによる1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(48)および式(49)によって表される。 Also, based on the model assumption, F i is F c i / j, and the first and second derivatives of the packet transmission trial rate G i according to the packet arrival rate F i are respectively It represents with Formula (48) and Formula (49).
その結果、パケットのサービス時間Siのパケット到着率Fiによる1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(50)および式(51)によって表される。 As a result, first derivative and second derivative with the packet arrival rate F i of the service time S i of the packet, respectively, are expressed by the following equation (50) and (51).
上述した結果から、パケットのサービス時間Siは、パケット到着率Fiの凸単調増加関数である。 From the results described above, the packet service time S i is a convex monotonically increasing function of the packet arrival rate F i .
パケットのサービス時間Siのパケット到着率Fiへの依存性が与えられれば、キューにおける待機時間Wiのパケット到着率Fiへの依存性を調べることができる。 If the dependency of the packet service time S i on the packet arrival rate F i is given, the dependency of the waiting time W i on the queue on the packet arrival rate F i can be examined.
待機時間Wiは、端末装置iに到着するパケットがキュー内に留まる平均時間と定義される。キュー内に留まっているパケット数NQ(現在、サービスされているパケットを含まない)は、Littleの定理(非特許文献3)を用いれば、Fi×Wiとなる。待機時間Wiは、NQ個のパケットを処理するために費やされる時間と、各パケットが到着したときにパケットを処理するためのトータルの残りサービス時間とからなる。その結果、待機時間Wiは、次式によって表される。 The waiting time W i is defined as the average time that packets arriving at the terminal device i stay in the queue. The number N Q of packets remaining in the queue (not including currently serviced packets) is F i × W i using the Little theorem (Non-patent Document 3). The waiting time W i is comprised of the time spent processing N Q packets and the total remaining service time for processing the packets when each packet arrives. As a result, the waiting time W i is expressed by the following equation.
ここで、Rは、各パケットが到着したときにパケットを処理するためのトータルの残りサービス時間を示す。そして、1個のパケットが到着したときにパケットを処理するためのトータルの残りサービス時間は、/S2 i/2Siである。ここで、/S2 iは、Siの2次モーメントである。 Here, R indicates the total remaining service time for processing a packet when each packet arrives. The total remaining service time for processing a packet when one packet arrives is / S 2 i / 2S i . Here, / S 2 i is the second moment of S i .
上記の式(52)を用いれば、待機時間Wiは、次式によって表される。 If the above equation (52) is used, the standby time W i is expressed by the following equation.
待機時間Wiのパケット到着率Fiへの依存性を得るために、/S2 iのSiへの依存性が調べられた。M(z)を用いると、“1”づつ減少するバックオフカウンタのために消費される時間の分散V(M)は、次式によって表される。 In order to obtain the dependence of the waiting time W i on the packet arrival rate F i , the dependence of / S 2 i on S i was examined. Using M (z), the variance V (M) of the time consumed for the back-off counter decreasing by “1” is expressed by the following equation.
/Mに代えて、式(54)を式(31)および式(33)に適用すると、トータルのバックオフ期間のために消費される時間の分散V(M)は、次式によって表される。 Applying equation (54) to equations (31) and (33) instead of / M, the variance V (M) of the time consumed for the total backoff period is expressed by the following equation: .
その結果、トータルのバックオフ期間のために消費される時間の2次モーメント/B2は、次式によって表される。 As a result, the second moment / B 2 of the time consumed for the total back-off period is expressed by the following equation.
同様に、A(z)を用いると、トータルの送信試行期間のために消費される時間の分散V(A)は、次式によって表される。 Similarly, using A (z), the variance V (A) of the time consumed for the total transmission trial period is expressed by the following equation.
そして、トータルの送信試行期間のために消費される時間の2次モーメント/A2は、次式によって表される。 Then, the second moment / A 2 of the time consumed for the total transmission trial period is expressed by the following equation.
式(56)および式(58)を用いれば、/S2 iは、次式によって表される。 Using Equation (56) and Equation (58), / S 2 i is expressed by the following equation.
更に、トータルの送信試行期間のために消費される時間の2次モーメント/S2の送信試行率Giによる1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(60)および式(61)によって表される。 Furthermore, first derivative and second derivative by transmission attempts rate G i of the second moment / S 2 that is the time consumed for transmitting trial period the total, respectively, the following equation (60) and ( 61).
図10は、パケットのサービス時間の2次モーメントと、パケットの送信試行率との関係を示す図である。図10において、縦軸は、パケットのサービス時間の2次モーメントを表し、横軸は、パケットの送信試行率を表す。また、曲線k16〜k19は、それぞれ、パケットサイズが0.1Kbyte、0.5Kbyte、1Kbyteおよび2Kbyteであるときのパケットのサービス時間の2次モーメントと、パケットの送信試行率との関係を示す。 FIG. 10 is a diagram illustrating the relationship between the second moment of the packet service time and the packet transmission trial rate. In FIG. 10, the vertical axis represents the second moment of the packet service time, and the horizontal axis represents the packet transmission trial rate. Curves k16 to k19 indicate the relationship between the second moment of the packet service time and the packet transmission trial rate when the packet size is 0.1 Kbyte, 0.5 Kbyte, 1 Kbyte, and 2 Kbyte, respectively.
図10に示す曲線k16〜k19は、式(59)によって示される特性と同じ特性を示す。 Curves k16 to k19 shown in FIG. 10 show the same characteristics as those shown by Expression (59).
式(46)〜式(49)を用いれば、トータルの送信試行期間のために消費される時間の2次モーメント/S2 iのパケット到着率Fiによる1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(62)および式(63)によって表される。 Using equations (46) through (49), the first and second derivatives of the second moment of time consumed for the total transmission trial period / the packet arrival rate F i of S 2 i are: Are represented by the following equations (62) and (63), respectively.
上述した結果から、待機時間Wiのパケット到着率Fiによる1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(64)および式(65)によって表される。 From the results described above, the first and second derivatives of the waiting time W i according to the packet arrival rate F i are expressed by the following equations (64) and (65), respectively.
FiSiは、端末装置iのリンク使用ファクタを示し、“1”を超えない。従って、待機時間Wiも、また、パケット到着率Fiの凸単調増加関数である。 F i S i indicates the link usage factor of the terminal device i and does not exceed “1”. Therefore, the waiting time W i is also a convex monotonically increasing function of the packet arrival rate F i .
最後に、平均遅延時間Tiおよびリンクコストdiのパケット到着率Fiへの依存性について説明する。 Finally, the dependency of the average delay time T i and the link cost d i on the packet arrival rate F i will be described.
平均遅延時間Tiは、待機時間Wiとパケットのサービス時間Siとの和であるため、平均遅延時間Tiも、また、パケット到着率Fiの凸単調増加関数である。そして、リンクコストdiのパケット到着率Fiによる1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(66)および式(67)によって表される。 Since the average delay time T i is the sum of the waiting time W i and the packet service time S i , the average delay time T i is also a convex monotonically increasing function of the packet arrival rate F i . Then, the first and second derivatives of the link cost d i by the packet arrival rate F i are expressed by the following equations (66) and (67), respectively.
式(66)および式(67)は、IEEE802.11による無線リンクのコストも、また、パケット分配率の凸単調増加関数であることを示す。その結果、IEEE802.11による無線リンクのパケット分配特性は、M/M/1のパケット分配特性と同じであり、IEEE802.11による無線ネットワークのネットワークコストは、パケット分配率に対して最適解を与える。 Equations (66) and (67) show that the cost of the wireless link according to IEEE 802.11 is also a convex monotonically increasing function of the packet distribution rate. As a result, the packet distribution characteristic of the wireless link according to IEEE 802.11 is the same as the packet distribution characteristic of M / M / 1, and the network cost of the wireless network according to IEEE 802.11 gives an optimal solution for the packet distribution rate. .
[トラフィックの制御方法]
(リンクコスト)
上述したパケット分配特性に基づいて、トラフィックの制御方法について説明する。リンクコストdiは、期間[t,t+Δt]において測定されたパケット到着率Fiおよび平均遅延時間Tiを用いてLittleの定理によって、次式のように演算される。
[Traffic control method]
(Link cost)
A traffic control method will be described based on the packet distribution characteristics described above. The link cost d i is calculated by the Little's theorem using the packet arrival rate F i and the average delay time T i measured in the period [t, t + Δt] as follows:
なお、平均遅延時間Ti(t,t+Δt)は、パケットが端末装置に到着してから確認応答(ACK:Acknowledge)を受信するまでの期間[t,t+Δt]における平均間隔である。 Note that the average delay time T i (t, t + Δt) is an average interval in a period [t, t + Δt] from when the packet arrives at the terminal device until it receives an acknowledgment (ACK: Acknowledge).
Δtに依存して、Ti(t,t+Δt)が期間[t,t+Δt]に到着したパケットに応答しない確率が存在する。従って、Δtは、Ti(Δt)に対して十分に長い期間であると仮定される。 Depending on Δt, there is a probability that T i (t, t + Δt) will not respond to packets that arrive in the period [t, t + Δt]. Therefore, Δt is assumed to be a sufficiently long period with respect to T i (Δt).
(ネットワークにおける最適解の探索)
上述したように、ネットワークコストは、パケット分配率の凸関数であり、パケット分配率に対して最適解を与える。そこで、パケット分配率に対するネットワークコストの最適解を探索する方法について説明する。
(Search for optimal solution in network)
As described above, the network cost is a convex function of the packet distribution rate, and gives an optimal solution for the packet distribution rate. Therefore, a method for searching for an optimal solution of the network cost with respect to the packet distribution rate will be described.
集約リンクコストは、IEEE802.11jによる無線リンクへのパケット分配率に対して凸単調減少関数であるIEEE802.11gによる無線リンクのリンクコストと、IEEE802.11jによる無線リンクへのパケット分配率に対して凸単調増加関数であるIEEE802.11jによる無線リンクのリンクコストとの和であるため、集約リンクコストも、また、パケット分配率の凸関数である。 The aggregated link cost is calculated based on the link cost of the wireless link based on IEEE802.11g, which is a convex monotonously decreasing function, and the packet distribution rate on the wireless link based on IEEE802.11j. The aggregate link cost is also a convex function of the packet distribution rate because it is the sum of the link cost of the wireless link according to IEEE802.11j, which is a convex monotonically increasing function.
従って、各集約リンクコストも、また、パケット分配率に対して最適解を有する。 Therefore, each aggregate link cost also has an optimal solution for the packet distribution rate.
上述した結果から、各端末装置における集約リンクコストの最適解の探索を行なうことは、ネットワークコストの最適解の探索を行なうことになる。 From the results described above, searching for the optimal solution for the aggregate link cost in each terminal device results in searching for the optimal solution for the network cost.
凸関数の最適解の探索は、降下法を用いて行なわれる。降下法は初期値D(pr(0))から始まり、次式の不等号を満たすようにαを決定し、そのαの決定を繰り返すことによって最適解を見つける。 The search for the optimal solution of the convex function is performed using the descent method. The descent method starts with an initial value D (p r (0)), determines α so as to satisfy the inequality sign of the following equation, and finds an optimal solution by repeating the determination of α.
ここで、pr(k)は、端末装置で無線システムrを使用しているリンクに分配されたパケット数を示し、αは、ステップサイズを示し、D(pr(t))は、端末装置で無線システムrを使用しているリンクに分配されたパケット数がpr(t)であるときの集約リンクコストを示す。 Here, p r (k) indicates the number of packets distributed to the link using the radio system r in the terminal device, α indicates the step size, and D (p r (t)) indicates the terminal The aggregated link cost when the number of packets distributed to the link using the wireless system r in the apparatus is p r (t) is shown.
降下法は、次の方法によって、各端末装置における集約リンクコストの最適解の探索のために用いられる。 The descent method is used for searching for an optimum solution of the aggregate link cost in each terminal apparatus by the following method.
MTH1)初期に限っては、パケットは、集約リンクの各リンクにラウンドロ
ビンを用いて均等に分配される。従って、各リンクのパケット分配率
は、最初、等しい。
MTH1) For the first time only, packets are rounded to each link of the aggregated link.
Evenly distributed using bins. Therefore, the packet distribution rate of each link
Are equal at first.
MTH2)1つの周期の開始時に、パケット到着率Fiおよび平均遅延時間
Tiの測定が行なわれる。
MTH2) At the start of one period, the packet arrival rate F i and the average delay time
T i is measured.
MTH3)1つの周期の終了時に、測定されたパケット到着率Fiおよび平均
遅延時間Tiを用いてリンクコストdiおよび集約リンクコストDi
が演算される。
MTH3) At the end of one period, the measured packet arrival rate F i and the average
Using the delay time T i , the link cost d i and the aggregate link cost D i
Is calculated.
MTH4)初期の周期(k=0)の終了時に、集約リンクの中で最大のコスト
を有するリンクが選択され、その選択されたリンクから最小のコスト
を有するリンクへ初期個数pr(0)のパケットが分配される
MTH5)通常の周期(k≠0)の終了時に、集約リンクコストが減少したと
き、集約リンクコストの中から最大のコストを有するリンクが選択さ
れ、選択されたリンクから最小のコストを有するリンクへ以前に移動
されたパケット数pr(k−1)と同じ個数のパケットpr(k)を
分配する(p(k)=p(k−1))。
MTH4) At the end of the initial period (k = 0), the highest cost among the aggregated links
The link with is selected and the lowest cost from that selected link
At the end of MTH5) normal cycle packet is distributed in the initial number p r to link with (0) (k ≠ 0) , the aggregate link cost is reduced
The link with the highest cost is selected from the aggregated link costs.
Previously moved from the selected link to the link with the lowest cost
Packet number p r (k-1) the same number as the packet p r a (k)
Distribute (p (k) = p (k−1)).
MTH6)通常の周期(k≠0)の終了時に、集約リンクコストが増加したと
き、以前に選択されたリンク以外の最大コストを有するリンクが選択
され、以前に移動されたパケット数pr(k−1)よりも少ない個数
のパケットpr(k)を選択されたリンクから最小のコストを有する
リンクへ分配する(p(k)=α・p(k−1),0<α<1)。
MTH6) At the end of the normal period (k ≠ 0), the aggregate link cost has increased.
Select the link with the highest cost other than the previously selected link
Smaller than the number of previously moved packets p r (k−1)
Packet p r (k) with the lowest cost from the selected link
Distribute to the link (p (k) = α · p (k−1), 0 <α <1).
MTH7)上述したプロセスが各周期に対して繰り返し実行される。 MTH7) The above-described process is repeatedly executed for each period.
図11は、パケットの分配方法を説明するための図である。図11において、縦軸は、リンクコストを表し、横軸は、IEEE802.11jによる無線リンクへのパケット分配率を表す。また、黒四角は、IEEE802.11jによる無線リンクML1へのパケット分配率と無線リンクML1のリンクコストとの関係を示し、黒三角は、IEEE802.11jによる無線リンクML1へのパケット分配率とIEEE802.11gによる無線リンクML2のリンクコストとの関係を示す。 FIG. 11 is a diagram for explaining a packet distribution method. In FIG. 11, the vertical axis represents the link cost, and the horizontal axis represents the packet distribution ratio to the radio link according to IEEE 802.11j. The black squares indicate the relationship between the packet distribution rate to the wireless link ML1 by IEEE802.11j and the link cost of the wireless link ML1, and the black triangles indicate the packet distribution rate to the wireless link ML1 by IEEE802.11j and IEEE802.11. The relationship with the link cost of the radio link ML2 by 11g is shown.
上述したように、パケット分配率においてネットワークコストの最適解が存在し、ネットワークコストは、パケット分配率に対して下に凸の関数である(図11の曲線k20参照)。 As described above, there is an optimal solution for the network cost in the packet distribution rate, and the network cost is a downward convex function with respect to the packet distribution rate (see curve k20 in FIG. 11).
従って、上述した降下法を用いてコストの高いリンクに式(69)を繰り返し適用して最小解を求める。 Accordingly, the minimum solution is obtained by repeatedly applying the equation (69) to the high-cost link using the above-described descent method.
コストの高いリンクからその一部のパケット(α・p(t)によって決定される)をコストの低いリンクへ移動する(図11の矢印ARW1参照)。そして、一部のパケットを移動させた後において、コストの高いリンクが前回と同一である場合、前回と同じ量のパケット(p(t)=p(t−1))をコストの低いリンクへ移動する。一方、コストの高いリンクが入れ替わった場合は、コストの高い新たなリンクから前回より少ない量のパケット(p(k)=α・p(k−1),0<α<1)をコストの低いリンクへ移動する(図11の矢印ARW2参照)。そして、上述した動作を繰り返し、パケット分配量を減少させつつ、最小解の近傍へ徐々に近づける(図11のARW3,ARW4参照)。これによって、集約リンクコストの最適解が得られる。 Some of the packets (determined by α · p (t)) are moved from the high cost link to the low cost link (see arrow ARW1 in FIG. 11). Then, after moving some packets, if the high-cost link is the same as the previous link, the same amount of packets (p (t) = p (t−1)) as the previous link is transferred to the low-cost link. Moving. On the other hand, when a high-cost link is switched, a lower amount of packets (p (k) = α · p (k−1), 0 <α <1) than the previous time from a new high-cost link has a low cost. Move to the link (see arrow ARW2 in FIG. 11). Then, the above-described operation is repeated to gradually approach the vicinity of the minimum solution while reducing the packet distribution amount (see ARW3 and ARW4 in FIG. 11). This provides an optimal solution for the aggregate link cost.
従って、図1に示す端末装置1〜4および基地局10の各々において、探索モジュール15は、無線モジュール12が有する無線リンクML1と、無線モジュール13が有する無線リンクML2とからなる集約リンクのコストが最小になるときの最適解(=パケット分配率)を上述した降下法によって探索し、その探索したパケット分配率でパケットを無線モジュール12,13に分配するようにスイッチング手段14を制御する。
Accordingly, in each of the
図12は、降下法を用いて最適解を求めるときのパケット分配の概念図である。なお、図12においては、端末装置1が基地局10へパケットを送信する場合を例にして、降下法を用いて最適解を求めるときのパケット分配の概念を説明する。
FIG. 12 is a conceptual diagram of packet distribution when an optimal solution is obtained using the descent method. In addition, in FIG. 12, the concept of packet distribution when obtaining an optimal solution using the descent method will be described by taking as an example the case where the
端末装置1は、基地局10との間に、無線モジュール12による無線リンクML1と、無線モジュール13による無線リンクML2とを有する。そして、端末装置1は、無線リンクML1を用いてパケットPKT1〜PKT8を基地局10へ送信し、無線リンクML2を用いてパケットPKT9〜PKT11を基地局10へ送信する(図12の(a)参照)。
The
端末装置1の探索モジュール15は、無線リンクML1および無線リンクML2によってそれぞれパケットPKT1〜PKT8およびパケットPKT9〜PKT11を送信している状態で、無線リンクML1,ML2の各々についてパケット到着率および平均遅延時間を計測し、その計測したパケット到着率および平均遅延時間に基づいて、各無線リンクML1,ML2のリンクコストdML1,dML2を演算する。
The
パケット到着率は、アプリケーションプロセッサ16からスイッチング手段14を経由して無線リンクML1または無線リンクML2へ到着する率であるので、探索モジュール15は、パケット到着率を計測できる。また、平均遅延時間は、待ち行列内における待機時間とパケットの処理時間との和であるので、探索モジュール15は、パケットが無線モジュール12または13に分配されてから送信されるまでの時間を計測することによって平均遅延時間を計測できる。
Since the packet arrival rate is a rate at which the
端末装置1の探索モジュール15は、無線リンクML1,ML2のリンクコストdML1,dML2を演算すると、その演算したリンクコストdML1,dML2の中から、最大のリンクコストdML1と、最小のリンクコストdML2とを検出する。
When the
そうすると、端末装置1の探索モジュール15は、最大のリンクコストdML1を有する無線リンクML1が前回に最大のリンクコストを有するリンクとして選択された無線リンクと同じであるか否かを判定し、最大のリンクコストdML1を有する無線リンクML1が前回に選択されたリンクと同じである場合、前回と同数のパケットPKT4〜PKT8を最小のリンクコストdML2を有する無線リンクML2へ移動させる(図12の(b)参照)。そして、端末装置1は、無線リンクML1でパケットPK1〜PKT3を送信し、無線リンクML2でパケットPKT9〜PKT11,PKT4〜PKT8を送信する。
Then, the
一方、端末装置1の探索モジュール15は、最大のリンクコストdML1を有する無線リンクML1が前回に最大のリンクコストを有するリンクとして選択された無線リンクと異なると判定したとき、前回、移動されたパケットPKT4〜PKT8よりも少ない個数のパケットPKT7,PKT8を最小のリンクコストdML2を有する無線リンクML2へ移動させる(図12の(c)参照)。そして、端末装置1は、無線リンクML1でパケットPK1〜PKT6を送信し、無線リンクML2でパケットPKT9〜PKT11,PKT7,PKT8を送信する。
On the other hand, when the
その後、図12の(b)または(c)に示す状態で、端末装置1は、無線リンクML1,ML2によってパケットを基地局10へ送信し、各無線リンクML1,ML2のパケット到着率および平均遅延時間を計測して各無線リンクML1,ML2のリンクコストdML1,dML2を演算し、その演算したリンクコストdML1,dML2に基づいて、集約リンクコスト(=リンクコストdML1,dML2の和)が最小になるように無線リンクML1,ML2間でパケットを移動させる。
Thereafter, in the state shown in (b) or (c) of FIG. 12, the
従って、降下法によって最適解が探索される場合、パケットが無線リンクML1,ML2間を行ったり来たりする。そして、最大のリンクコストdML1を有する無線リンクML1が前回に最大のリンクコストを有するリンクとして選択された無線リンクと異なると判定された場合、無線リンクML1,ML2間を行ったり来たりするパケット数は、最適解の探索回数が増加にするに従って徐々に減少する。 Therefore, when the optimum solution is searched by the descent method, the packet goes back and forth between the radio links ML1 and ML2. If it is determined that the radio link ML1 having the maximum link cost d ML1 is different from the radio link previously selected as the link having the maximum link cost, the packet going back and forth between the radio links ML1 and ML2 The number gradually decreases as the number of searches for the optimal solution increases.
図13は、降下法を用いて最適解を求める動作を説明するためのフローチャートである。一連の動作が開始されると、端末装置1の探索モジュール15は、n=1を設定し(ステップS1)、n=1であるか否かを判定する(ステップS2)。
FIG. 13 is a flowchart for explaining the operation for obtaining the optimal solution using the descent method. When a series of operations is started, the
ステップS2において、n=1であると判定されると、端末装置1の探索モジュール15は、アプリケーションプロセッサ16によって生成されたパケットを均等に無線モジュール12,13に分配するようにスイッチング手段14を制御し、スイッチング手段14は、アプリケーションプロセッサ16から受けたパケットを無線モジュール12,3に均等に分配する(ステップS3)。
If it is determined in step S2 that n = 1, the
そして、端末装置1の探索モジュール15は、各無線リンクごとにパケット到着率および平均遅延時間を計測し(ステップS4)、その計測したパケット到着率および平均遅延時間を用いて各リンクのリンクコストを演算する(ステップS5)。
Then, the
そうすると、端末装置1の探索モジュール15は、その演算したリンクコストに基づいて、最大のリンクコストを有するリンクと、最小のリンクコストを有するリンクとを検出し(ステップS6)、最大のリンクコストを有するリンクから最小のリンクコストを有するリンクへパケットを移動する(ステップS7)。この場合、移動させるパケットの個数は、初期値として端末装置1に設定されている。
Then, the
その後、端末装置1の探索モジュール15は、n=n+1を設定する(ステップS8)。そして、一連の動作は、ステップS2へ戻る。
Thereafter, the
一方、ステップS2において、n=1ではないと判定されたとき、端末装置1の探索モジュール15は、各リンクごとにパケット到着率および平均遅延時間を計測し(ステップS9)、各リンクごとにリンクコストを演算する(ステップS10)。
On the other hand, when it is determined in step S2 that n = 1 is not true, the
そして、端末装置1の探索モジュール15は、演算したリンクコストの総和を演算して集約リンクコストを演算し(ステップS11)、集約リンクコストが最小であるか否かを判定する(ステップS12)。
And the
ステップS12において、集約リンクコストが最小であると判定されたとき、一連の動作は終了する。 When it is determined in step S12 that the aggregate link cost is the minimum, the series of operations ends.
一方、ステップS12において、集約リンクコストが最小でないと判定されたとき、端末装置1の探索モジュール15は、その演算したリンクコストに基づいて、最大のリンクコストを有するリンクと、最小のリンクコストを有するリンクとを検出する(ステップS13)。そして、端末装置1の探索モジュール15は、最大のリンクコストを有するリンクが前回と同じであるか否かを判定し(ステップS14)、最大コストを有するリンクが前回と同じである場合、前回と同じ個数のパケットを最大のリンクコストを有するリンクから最小のリンクコストを有するリンクへ移動させる(ステップS15)。
On the other hand, when it is determined in step S12 that the aggregate link cost is not the minimum, the
一方、最大のリンクコストを有するリンクが前回と同じでない場合、端末装置1の探索モジュール15は、前回の個数よりも少ない個数のパケットを最大のリンクコストを有するリンクから最小のリンクコストを有するリンクへ移動させる(ステップS16)。
On the other hand, when the link having the maximum link cost is not the same as the previous link, the
そして、ステップS15またはステップS16の後、一連の動作は、ステップS8へ戻る。 Then, after step S15 or step S16, the series of operations returns to step S8.
その後、ステップS12において集約リンクコストが最小であると判定されるまで、上述したステップS2,S9〜S16が繰り返し実行される。そして、ステップS12において、集約リンクコストが最小であると判定されると、一連の動作は終了する。 Thereafter, steps S2 and S9 to S16 described above are repeatedly executed until it is determined in step S12 that the aggregate link cost is minimum. If it is determined in step S12 that the aggregate link cost is the minimum, the series of operations ends.
なお、端末装置1の探索モジュール15は、図13に示すフローチャートに従って最適解を探索すると、集約リンクコストが最小となるときのパケット分配率を検出し、その検出したパケット分配率をスイッチング手段14へ出力する。そして、スイッチング手段14は、探索モジュール15から受けたパケット分配率に従って、アプリケーションプロセッサ16から受けたパケットを無線モジュール12,13に分配し、無線モジュール12,13は、分配されたパケットを送信する。
When the
これによって、端末装置1は、集約リンクコストを最小にして基地局10へパケットを送信する。
As a result, the
また、図13に示すフローチャートにおいては、集約リンクコストが最小であると判定されるまで、降下法によって最適解の探索を行なうと説明したが、この発明においては、これに限らず、最適解の探索回数が所定の回数に達すると、最適解の探索を終了するようにしてもよい。 Further, in the flowchart shown in FIG. 13, it has been described that the optimal solution is searched by the descent method until it is determined that the aggregate link cost is the minimum. However, the present invention is not limited to this, and the optimal solution is searched. When the number of searches reaches a predetermined number, the search for the optimum solution may be terminated.
更に、端末装置2〜4および基地局10の各々も、図13に示すフローチャートに従って最適解(=集約リンクコストが最小になるときのパケット分配率)を探索する。
Furthermore, each of the
[実施の形態2]
図14は、実施の形態2による無線通信ネットワークの概略図である。無線通信ネットワーク100Aは、端末装置101〜106と、基地局110,120,130とを備える。
[Embodiment 2]
FIG. 14 is a schematic diagram of a wireless communication network according to the second embodiment. The
端末装置101〜103および基地局110,120,130は、IEEE802.11gのセル40内に存在し、端末装置104〜106は、セル40の外側であり、かつ、IEEE802.16のセル50内である領域に存在する。セル50の通信範囲は、セル40の通信範囲より広い。
The
端末装置101は、IEEE802.11gおよびIEEE802.16によって基地局110,130と相互に無線通信を行ない、端末装置102は、IEEE802.11gおよびIEEE802.16によって基地局110と相互に無線通信を行ない、端末装置103は、IEEE802.11gおよびIEEE802.16によって基地局110,120と相互に無線通信を行ない、端末装置104〜106の各々は、IEEE802.11gおよびIEEE802.16によって基地局110と相互に無線通信を行なう。
The
基地局110は、有線ケーブル31によってインターネット等のネットワーク20に接続され,基地局120は、有線ケーブル32によってネットワーク20に接続され、基地局130は、有線ケーブル33によってネットワーク20に接続される。
The
端末装置101〜106の各々は、後述するように、複数の無線システムを装備し、その装備した複数の無線システムを適宜使い分け、または同時に使用して基地局110,120,130にアクセスする。
As will be described later, each of the
端末装置101〜106および基地局110,120,130の各々は、IEEE802.11gによって無線通信を行なう無線リンクML2と、IEEE802.16によって無線通信を行なう無線リンクML3とを有する。そして、端末装置101〜106および基地局110,120,130の各々は、後述する方法によって、自己と送信先との間における通信コストが最小となるように無線リンクML2,ML3にパケットを分配する。
Each of the
図15は、図14に示す端末装置101の構成を示す概略ブロック図である。端末装置101は、図2に示す端末装置1の無線モジュール12を無線モジュール12Aに代えたものであり、その他は、端末装置1と同じである。
FIG. 15 is a schematic block diagram showing the configuration of the
無線モジュール12Aは、IEEE802.16によって基地局110,130との間で無線通信を行なう。
The
なお、図14に示す端末装置102〜106および基地局110,120,130の各々も、図15に示す端末装置101の構成と同じ構成からなる。
Each of
図14に示す無線通信ネットワーク100Aにおいては、端末装置101〜106および基地局110,120,130は、無線モジュール12A,13によって相互にパケットを送受信する。そして、端末装置101〜106と基地局110,120,130との間における無線通信のスループットを維持し、かつ、その無線通信の遅延時間を低下させるには、端末装置101〜106の各々と基地局110,120,130との間に存在する2つの無線リンクML2,ML3の全体の通信コストが最小になるように無線リンクML2,ML3へパケットを分配することが有効であるが、この有効性について説明する。
In the
[数理モデル]
(リンクコスト)
実施の形態2においても、リンクコストdiおよび集約リンクコストDiは、それぞれ、上述した式(20)および式(21)によって表される。また、無線通信ネットワーク100AのネットワークコストGは、上述した式(5)によって表される。
[Mathematical model]
(Link cost)
Also in the second embodiment, the link cost d i and the aggregated link cost D i are expressed by the above-described equations (20) and (21), respectively. Further, the network cost G of the
(IEEE802.11によるリンク特性)
実施の形態2においては、IEEE802.11によるリンク特性としてCSMA/CAによる無線リンクのパケット分配特性について説明する。
(Link characteristics according to IEEE 802.11)
In the second embodiment, a packet distribution characteristic of a radio link by CSMA / CA will be described as a link characteristic by IEEE 802.11.
上述したように、遅延時間は、キューにおける待機時間と、パケットサービス時間とからなる。まず、パケット処理時間について説明する。非特許文献4においては、パケット到着過程をポアソン過程と仮定し、パケット処理時間は、次のように求められる。 As described above, the delay time includes the waiting time in the queue and the packet service time. First, the packet processing time will be described. In Non-Patent Document 4, it is assumed that the packet arrival process is a Poisson process, and the packet processing time is obtained as follows.
但し、Pn(t)は、時間区間tにおいてn個のパケットが到着する確率であり、λは、端末装置iのパケット到着率であり、Po(t)は、時間区間tにおいてパケットが到着しない確率(即ち、送信が成功する確率)であり、|Adj(i)|は、端末装置iの近傍端末装置数であり、Pi idle(t)は、端末装置iが時間区間tでチャネルがアイドル状態であることを検出する確率であり、slotは、バックオフの単位時間であり、DIFSは、分散制御用フレーム間隔(DCF Inter Frame Space)であり、SIFSは、短フレーム間隔(Short Inter Frame Space)であり、bfは、平均パケットオフ間隔であり、EAiは、試行状態におけるMAC遅延時間の期待値であり、EBiは、バックオフ状態におけるMAC遅延時間の期待値であり、RTSは、送信要求フレームの送信時間であり、CTSは、受信準備完了フレームの送信時間であり、DATAは、データフレーム送信時間であり、ACKは、確認応答フレームの送信時間であり、pcket_lenは、平均パケットサイズであり、tx_rateは、送信レートであり、βi MACは、MAC遅延時間であり、βi txは、送信時間であり、Siは、端末装置iにおけるパケット処理時間である。 Where P n (t) is the probability of arrival of n packets in time interval t, λ is the packet arrival rate of terminal device i, and P o (t) is the packet arrival rate in time interval t. Is the probability of not arriving (that is, the probability of successful transmission), | Adj (i) | is the number of neighboring terminal devices of the terminal device i, and P i idle (t) is the time interval t of the terminal device i. This is the probability of detecting that the channel is idle, slot is the unit time of backoff, DIFS is the frame interval for distributed control (DCF Inter Frame Space), and SIFS is the short frame interval (Short) an Inter Frame Space), bf is the average packet off interval, EA i is the expected value of the MAC delay time in trial conditions, EB Is the expected value of the MAC delay time in back-off state, RTS is the transmission time of the transmission request frame, CTS is the transmission time of the reception preparation completion frame, DATA is the data frame transmission time, ACK is the transmission time of the acknowledgment frame, packet_len is the average packet size, tx_rate is the transmission rate, β i MAC is the MAC delay time, β i tx is the transmission time, S i is the packet processing time in the terminal device i.
パケット到着過程も、ポアソン過程であることを前提としており、上述した式(70)〜式(79)が適用可能である。以下においては、λおよび^λ(^λは、“^”がλの上に配置されていることを示す)は、それぞれ、パケット到着率FiおよびFc iに置き換えられる。なお、実施の形態2においては、Fc iは、端末装置iによる共有チャネルのパケット到着率を示す。 The packet arrival process is also assumed to be a Poisson process, and the above-described equations (70) to (79) can be applied. In the following, λ and ^ λ (^ λ indicates that “^” is placed on λ) are replaced with packet arrival rates F i and F c i , respectively. In the second embodiment, F c i indicates the packet arrival rate of the shared channel by the terminal device i.
パケットのサービス時間Siのパケット到着率Fc iへの依存性について説明する。パケットのサービス時間Siは、MAC遅延時間βi MACおよび送信時間βi txからなるので、まず、MAC遅延時間βi MACのパケット到着率Fc iへの依存性について説明する。 The dependence of the packet service time S i on the packet arrival rate F c i will be described. Since the packet service time S i includes a MAC delay time β i MAC and a transmission time β i tx , the dependency of the MAC delay time β i MAC on the packet arrival rate F c i will be described first.
衝突確率(1−Pi DIFS)を用いると、パケットにおける平均衝突回数Uiは、次式によって表される。 When the collision probability (1-P i DIFS ) is used, the average number of collisions U i in the packet is expressed by the following equation.
また、平均衝突回数Uiのパケット到着率Fc iによる1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(81)および式(82)によって表される。 In addition, the first and second derivatives of the average number of collisions U i by the packet arrival rate F c i are expressed by the following equations (81) and (82), respectively.
Fc i→∞であるとき、U>0であり、U→∞である。式(81)および式(82)に基づけば、平均衝突回数Uiは、パケット到着率Fc iの凸単調増加関数である。 When F c i → ∞, U> 0 and U → ∞. Based on Equation (81) and Equation (82), the average number of collisions U i is a convex monotonically increasing function of the packet arrival rate F c i .
従って、パケット到着率Fc iが増加するとき、バックオフ状態へ移行するパケット数も増加し、その増加の有意差も増加する。EAiとEBiとを比較すれば、EBiは、明らかに長い時間を取る。その結果、パケット到着率Fc iが増加すると、MAC遅延時間βi MACは、増加し、その有意差も増加する。 Therefore, when the packet arrival rate F c i increases, also increases the number of packets to migrate to the back-off state, increases also significant differences in the increase. If EA i and EB i are compared, EB i clearly takes a long time. As a result, when the packet arrival rate F c i increases, MAC delay beta i MAC is increased, also increased its significance.
上述したことに基づけば、MAC遅延時間βi MACの1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(83)および式(84)によって表される。 Based on the above, the first and second derivatives of the MAC delay time β i MAC are represented by the following equations (83) and (84), respectively.
MAC遅延時間βi MACに続いて、送信時間βi txのパケット到着率Fc iへの依存性について説明する。式(81)および式(82)に基づけば、パケット到着率Fc iが増加すると、平均衝突回数Uiおよびその有意差が増加する。この場合、IEEE802.11のマルチレート制御は、送信レートを低下し、平均衝突回数Uiが増加する機会が増える。その結果、送信レートtx_rateの1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(85)および式(86)によって表される。 Next to the MAC delay time β i MAC , the dependency of the transmission time β i tx on the packet arrival rate F c i will be described. Based on Equation (81) and Equation (82), as the packet arrival rate F c i increases, the average number of collisions U i and its significant difference increase. In this case, the IEEE 802.11 multi-rate control reduces the transmission rate and increases the chance of the average number of collisions U i increasing. As a result, the first and second derivatives of the transmission rate tx_rate are expressed by the following equations (85) and (86), respectively.
式(85)および式(86)を用いると、送信時間βi txの1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(87)および式(88)によって表される。 Using Expression (85) and Expression (86), the first and second derivatives of the transmission time β i tx are represented by the following Expression (87) and Expression (88), respectively.
上述したMAC遅延時間βi MACおよび送信時間βi txのパケット到着率Fc iへの依存性に基づけば、パケットのサービス時間Siのパケット到着率Fc iへの依存性は、次の式(89)および式(90)によって表される。 Based on the dependency of the MAC delay time β i MAC and the transmission time β i tx on the packet arrival rate F c i described above, the dependency of the packet service time S i on the packet arrival rate F c i is as follows: It is represented by Formula (89) and Formula (90).
また、パケット到着率Fc iの増加分がδであり、端末装置iに隣接する端末装置の個数がmである場合、パケット到着率Fiの増加分の期待値は、δ/mである。 In addition, when the increment of the packet arrival rate F c i is δ and the number of terminal devices adjacent to the terminal device i is m, the expected value of the increase of the packet arrival rate F i is δ / m. .
その結果、dFi/dFc i>0であり、d2Fi/d(Fc i)2=0であり、パケットのサービス時間Siのパケット到着率Fiによる1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(91)および式(92)によって表される。 As a result, dF i / dF c i > 0, d 2 F i / d (F c i ) 2 = 0, the first derivative by the packet arrival rate F i of the packet service time S i , and 2 The second derivatives are represented by the following equations (91) and (92), respectively.
パケットのサービス時間Siのパケット到着率Fiへの依存性に続いて、キューにおける待機時間Wiのパケット到着率Fiへの依存性について説明する。i−1番目のパケットサービスの終了時点からi番目のパケットサービスの終了時点までの期待される間隔は、EWiとして表され、待機時間Wiは、疑似ベイズアルゴリズム(非特許文献5)と同じ方法を用いて近似される。即ち、新着パケットを含めた全てのパケットを再送パケット(送信に失敗したパケット)として扱うこととし、各期間におけるパケット送信確率は、共有チャネルにおいてn個の再送パケットがあり、その送信確率がqの場合、G=n・qに従うこととする。また、各期間の送信確率は、Gを平均とする指数分布とする。以上のことに基づいて、EWを次式に示す。 Following the dependency of the packet service time S i on the packet arrival rate F i , the dependency of the waiting time W i in the queue on the packet arrival rate F i will be described. The expected interval from the end point of the (i-1) th packet service to the end point of the i-th packet service is expressed as EW i , and the waiting time W i is the same as that of the pseudo Bayes algorithm (Non-Patent Document 5). It is approximated using a method. That is, all packets including newly arrived packets are treated as retransmission packets (packets that have failed to be transmitted), and the packet transmission probability in each period is n retransmission packets in the shared channel, and the transmission probability is q. In this case, G = n · q. The transmission probability in each period is assumed to be an exponential distribution with G as an average. Based on the above, EW is shown in the following equation.
更に、上記の式からEWを求めると、次のようになる。 Further, when EW is obtained from the above formula, it is as follows.
待機パケット数Mは、待ち行列での待機時間Wiと端末装置iのパケット到着率FiをLittleの定理に適用すると、Fi×Wiとして求まる。そして、待機時間Wiは、M×EW+Rである。ここで、Rは、各パケット到着における現在のサービスパケットの残りのサービス時間の和を示す。 The number M of waiting packets is obtained as F i × W i by applying the waiting time W i in the queue and the packet arrival rate F i of the terminal device i to the Little theorem. The standby time W i is M × EW + R. Here, R indicates the sum of the remaining service times of the current service packet at each packet arrival.
パケットサービス期間において、パケットの到着数は、FiSiであるので、各パケット到着における期待される残りのサービス時間は、/S2 i/Siである。/S2 iは、パケットサービス時間Siの2次モーメントである。 In the packet service period, the arrival number of packets is F i S i , so the expected remaining service time for each packet arrival is / S 2 i / S i . / S 2 i is the second moment of the packet service time S i .
上述した関係を用いてWiを解くと、次式のようになる。 Solving W i using the above relationship, the following equation.
待機時間Wiのパケット到着率Fc iへの依存性を得るために、式(94)および式(95)をパケット到着率Fc iで微分すると、次の式(96)〜式(99)が得られる。 In order to obtain the dependence of the waiting time W i on the packet arrival rate F c i , the following equations (96) to (99) are obtained by differentiating the equations (94) and (95) with respect to the packet arrival rate F c i. ) Is obtained.
ここで、Si’=dSi/dFc i,Si”=d2Si/d(Fc i)2,G’=dG/dFc i,G”=d2G/d(Fc i)2である。 Here, S i ′ = dS i / dF c i , S i ″ = d 2 S i / d (F c i ) 2 , G ′ = dG / dF c i , G ″ = d 2 G / d (F c i ) 2
上述したように、G=n・q(非特許文献5)は、τ回、衝突するバックオフパケットの個数nτが、2進指数バックオフのFc i2rよりも大きいことを示す。
As described above, G = n · q (Non-Patent Document 5) indicates that the number n τ of backoff packets that collide τ times is larger than
個数nτに基づいて、nτがFc iであると仮定する。非特許文献6は、バックオフパケットnτの送信確率qrが2進指数バックオフの2−rであることを示す。その結果、Gおよびそのパケット到着率Fc iに関する1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(100)、式(101)および式(102)によって表される。 Based on the number nτ , suppose nτ is F c i . Non-Patent Document 6 shows that the transmission probability q r backoff packet n tau is 2 -r binary exponential backoff. As a result, the first and second derivatives of G and its packet arrival rate F c i are expressed by the following equations (100), (101), and (102), respectively.
ここで、Uは、衝突の平均回数である。 Here, U is the average number of collisions.
式(91),(92)および式(100)〜(102)に基づけば、式(97)および式(98)は、それぞれ、次の式(103)および式(104)になる。 Based on the formulas (91), (92) and the formulas (100) to (102), the formulas (97) and (98) become the following formulas (103) and (104), respectively.
また、サービス時間の2次モーメント/S2 iのパケット到着率Fc iへの依存性は、サービス時間Siの場合と同じであるので、2次モーメント/S2 iのパケット到着率Fiに関する1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(105)および式(106)によって表される。 Further, dependence on the packet arrival rate F c i of the second moment / S 2 i service time is the same as that of the service time S i, second moment / S 2 i packet arrival rate F i of The first derivative and the second derivative with respect to are represented by the following equations (105) and (106), respectively.
式(103)〜式(106)によれば、Fi<1/EWiであるとき、待機時間Wiのパケット到着率Fiに関する1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(107)および式(108)によって表される。 According to the equations (103) to (106), when F i <1 / EW i , the first derivative and the second derivative with respect to the packet arrival rate F i of the waiting time W i are It is represented by Expression (107) and Expression (108).
Fi<1/EWiであるとき、Wiは、正であり、Fi→1/EWiであるとき、Wi→∞である。1/EWiは、リンク容量と等価である。従って、式(107)および式(108)によれば、待機時間Wiは、パケット到着率Fc iの凸単調増加関数である。 When F i <1 / EW i , W i is positive, and when F i → 1 / EW i , W i → ∞. 1 / EW i is equivalent to the link capacity. Therefore, according to the equations (107) and (108), the waiting time W i is a convex monotonically increasing function of the packet arrival rate F c i .
最後に、遅延時間Tiおよびリンクコストdiのパケット到着率Fiへの依存性について説明する。遅延時間Tiは、待機時間Wiとサービス時間Siとの和であるので、パケット到着率Fc iの凸単調増加関数である。 Finally, the dependency of the delay time T i and the link cost d i on the packet arrival rate F i will be described. Since the delay time T i is the sum of the waiting time W i and the service time S i , it is a convex monotonically increasing function of the packet arrival rate F c i .
また、Littleの定理に基づけば、di=Fi×Tiであるので、リンクコストdiのパケット到着率Fiに関する1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(109)および式(110)によって表される。 Also, based on Little's theorem, d i = F i × T i , so the first derivative and second derivative of the packet arrival rate F i of the link cost d i are respectively expressed by the following equations (109 ) And formula (110).
式(109)および式(110)は、CSMA/CAによる無線リンクのコストがパケット分配率に関して凸単調増加関数であることを示す。 Equations (109) and (110) show that the cost of the radio link according to CSMA / CA is a convex monotonically increasing function with respect to the packet distribution rate.
[IEEE802.16によるリンク特性]
IEEE802.16においては、帯域幅予約は、QoS(Quality of Service)に基づいて供給される(非特許文献7)。帯域幅予約が供給されるとき、パケット到着率およびパケットサービス時間が、お互いに独立である。
[Link characteristics according to IEEE 802.16]
In IEEE 802.16, bandwidth reservation is supplied based on QoS (Quality of Service) (Non-patent Document 7). When bandwidth reservation is provided, packet arrival rate and packet service time are independent of each other.
パケットサービス時間の分布は、メディアの制御遅延、再送信および適応的変調符号(AMC:Adaptive Modulation and Coding)のために、指数関数分布ではなく、通常の分布である。 The distribution of the packet service time is not an exponential distribution but a normal distribution due to media control delay, retransmission, and adaptive modulation and coding (AMC).
従って、IEEE802.16による無線リンクは、M/G/1のリンクと仮定され得る。そして、M/G/1のリンクコストは、次式によって表される。 Therefore, the wireless link according to IEEE 802.16 can be assumed to be an M / G / 1 link. The link cost of M / G / 1 is expressed by the following equation.
ここで、Ciは、予約された帯域幅を示し、/X2は、パケットサービス時間の2次モーメントを示し、Ciおよび/X2の両方は、パケット到着率Fiに対して独立である。 Where C i indicates the reserved bandwidth, / X 2 indicates the second moment of packet service time, and both C i and / X 2 are independent of the packet arrival rate F i . is there.
そして、リンクコストのパケット到着率Fiに関する1次導関数および2次導関数は、それぞれ、次の式(112)および式(113)によって表される。 The first and second derivatives of the link cost packet arrival rate F i are expressed by the following equations (112) and (113), respectively.
Fi<Ciであるとき、リンクコストdiは、正になり、Fi→Ciであるとき、リンクコストdiは、∞に近づく。 When F i <C i , the link cost d i becomes positive, and when F i → C i , the link cost d i approaches ∞.
その結果、IEEE802.16による無線リンクのコストは、パケット分配率の凸単調増加関数となる。 As a result, the cost of the wireless link according to IEEE 802.16 is a convex monotonically increasing function of the packet distribution rate.
上述したように、CSMA/CA(IEEE802.11g)による無線リンクML2のコストおよびIEEE802.16による無線リンクML3のコストは、パケット分配率に対して凸単調増加関数であるので、無線リンクML2および無線リンクML3を集約した集約リンクコストは、CSMA/CA(IEEE802.11g)による無線リンクML2へのパケット分配率に対して下に凸の関数となる。 As described above, the cost of the radio link ML2 according to CSMA / CA (IEEE802.11g) and the cost of the radio link ML3 according to IEEE802.16 are convex monotonically increasing functions with respect to the packet distribution rate. The aggregate link cost obtained by consolidating the link ML3 is a downward convex function with respect to the packet distribution rate to the radio link ML2 by CSMA / CA (IEEE802.11g).
図16は、パケットの分配方法を説明するための他の図である。図16において、縦軸は、リンクコストを表し、横軸は、IEEE802.11gによる無線リンクML2へのパケット分配率を表す。また、黒三角は、IEEE802.11gによる無線リンクML2へのパケット分配率と無線リンクML2のリンクコストとの関係を示し、黒四角は、IEEE802.11gによる無線リンクML2へのパケット分配率とIEEE802.16による無線リンクML3のリンクコストとの関係を示す。 FIG. 16 is another diagram for explaining a packet distribution method. In FIG. 16, the vertical axis represents the link cost, and the horizontal axis represents the packet distribution rate to the radio link ML2 by IEEE802.11g. Further, the black triangle indicates the relationship between the packet distribution rate to the radio link ML2 by IEEE802.11g and the link cost of the radio link ML2, and the black square indicates the packet distribution rate to the radio link ML2 by IEEE802.11g and IEEE802.11g. 16 shows the relationship with the link cost of the radio link ML3 according to FIG.
上述したように、パケット分配率に対して集約リンクコストの最適解が存在し、集約リンクコストは、パケット分配率に対して下に凸の関数である(図16の曲線k21照)。 As described above, there is an optimal solution for the aggregate link cost with respect to the packet distribution rate, and the aggregate link cost is a downward convex function with respect to the packet distribution rate (see curve k21 in FIG. 16).
従って、上述した降下法を用いてコストの高いリンクに上述した式(69)を繰り返し適用して最適解を求める。 Accordingly, the above-described formula (69) is repeatedly applied to a high-cost link using the above-described descent method to obtain an optimal solution.
コストの高いリンクからその一部のパケット(α・p(t)によって決定される)をコストの低いリンクへ移動する(図16の矢印ARW5参照)。そして、一部のパケットを移動させた後において、コストの高いリンクが前回と同一である場合、前回と同じ量のパケット(p(t)=p(t−1))をコストの低いリンクへ移動する。一方、コストの高いリンクが入れ替わった場合は、コストの高い新たなリンクから前回より少ない量のパケット(p(k)=α・p(k−1),0<α<1)をコストの低いリンクへ移動する(図16の矢印ARW6参照)。そして、上述した動作を繰り返し、パケット分配量を減少させつつ、最適解の近傍へ徐々に近づける(図16のARW7,ARW8参照)。これによって、集約リンクコストの最適解が得られる。 Some of the packets (determined by α · p (t)) are moved from the high cost link to the low cost link (see arrow ARW5 in FIG. 16). Then, after moving some packets, if the high-cost link is the same as the previous link, the same amount of packets (p (t) = p (t−1)) as the previous link is transferred to the low-cost link. Moving. On the other hand, when a high-cost link is switched, a lower amount of packets (p (k) = α · p (k−1), 0 <α <1) than the previous time from a new high-cost link has a low cost. Move to the link (see arrow ARW6 in FIG. 16). Then, the above operation is repeated to gradually approach the vicinity of the optimum solution while reducing the packet distribution amount (see ARW7 and ARW8 in FIG. 16). This provides an optimal solution for the aggregate link cost.
従って、図14に示す端末装置101〜106および基地局110,120,130の各々において、探索モジュール15は、無線モジュール12Aが有する無線リンクML3と、無線モジュール13が有する無線リンクML2とからなる集約リンクのリンクコストが最小になるときの最適解(=パケット分配率)を上述した降下法によって探索し、その探索したパケット分配率でパケットを無線モジュール12A,13に分配するようにスイッチング手段14を制御する。
Accordingly, in each of the
なお、実施の形態2における最適解の探索は、図13に示すフローチャートに従って行なわれる。 The search for the optimal solution in the second embodiment is performed according to the flowchart shown in FIG.
上述したように、実施の形態1,2によれば、端末装置1〜4,101〜106と基地局10,110,120,130の探索モジュール15は、端末装置1〜4,101〜106と基地局10,110,120,130との間における2つの無線リンクML1,ML2/ML2,ML3からなる集約リンクのリンクコストが最小になるように、2つの無線リンクML1,ML2/ML2,ML3にパケットを分配するときのパケット分配率を決定し、スイッチング手段14は、その決定されたパケット分配率に基づいてパケットを2つの無線リンクML1,ML2/ML2,ML3に分配し、2つの無線モジュール12,13/12A,13は、分配されたパケットを送信する。つまり、通信負荷が最小になるようにパケットが2つの無線リンクML1,ML2/ML2,ML3に分配されて送信される。その結果、遅延時間が最小になり、かつ、スループットが最大になる。
As described above, according to
従って、この発明によれば、コグニティブ無線ネットワークの通信効率を向上できる。 Therefore, according to the present invention, the communication efficiency of the cognitive radio network can be improved.
なお、上記においては、端末装置1〜4,101〜16および基地局10,110,120,130の各々は、相互に異なる2つの無線システムによって無線通信を行なう2つの無線モジュールを備えると説明したが、この発明においては、これに限らず、端末装置1〜4,101〜16および基地局10,110,120,130の各々は、相互に異なる3個以上の無線システムによって無線通信を行なう3個以上の無線モジュールを備えていてもよく、一般的には、相互に異なる複数の無線システムによって無線通信を行なう複数の無線モジュールを備えていればよい。
In the above description, it has been described that each of the
この場合、複数の無線モジュールが有する複数の無線リンクの1つの無線リンクへのパケット分配率に対して、1つの無線リンクのリンクコストは、凸単調増加関数になり、1つの無線リンク以外の他の無線リンクのリンクコストは、凸単調減少関数になるので、複数の無線リンクを集約した集約リンクのリンクコストは、1つの無線リンクへのパケット分配率に対して下に凸の関数になる。その結果、上述した降下法によって最適解(集約リンクのリンクコストが最小になるパケット分配率)を探索できる。従って、コグニティブ無線ネットワークの通信効率を向上できる。 In this case, the link cost of one radio link becomes a convex monotonically increasing function with respect to the packet distribution ratio of the plurality of radio links included in the plurality of radio modules to one radio link. The link cost of the wireless link is a convex monotonously decreasing function, so the link cost of the aggregated link that aggregates a plurality of wireless links is a downward convex function with respect to the packet distribution rate to one wireless link. As a result, the optimum solution (packet distribution rate that minimizes the link cost of the aggregated link) can be searched by the above-described descent method. Therefore, the communication efficiency of the cognitive radio network can be improved.
この発明においては、端末装置1〜4,101〜106および基地局10,110,120,130の各々は、「無線装置」を構成し、スイッチング手段14および探索モジュール15は、「通信制御手段」を構成する。
In the present invention, each of the
また、図13に示すフローチャートに従って最適解を求める処理は、「パケット分配処理」を構成する。 In addition, the process for obtaining the optimum solution according to the flowchart shown in FIG.
更に、IEEE802.11jによる無線システムは、「第1の無線システム」を構成し、IEEE802.11gによる無線システムは、「第2の無線システム」を構成する。 Further, the wireless system based on IEEE 802.11j constitutes a “first wireless system”, and the wireless system based on IEEE 802.11g constitutes a “second wireless system”.
更に、IEEE802.11gによる無線システムは、「第1の無線システム」を構成し、IEEE802.16による無線システムは、「第2の無線システム」を構成する。 Further, the wireless system based on IEEE802.11g constitutes a “first wireless system”, and the wireless system based on IEEE802.16 constitutes a “second wireless system”.
更に、無線モジュール12は、「第1の無線モジュール」を構成し、無線モジュール13は、「第2の無線モジュール」を構成する。
Further, the wireless module 12 constitutes a “first wireless module”, and the
更に、無線モジュール12Aは、「第1の無線モジュール」を構成する。
Further, the
更に、基地局110は、「第1の基地局」を構成し、基地局120,130の各々は、「第2の基地局」を構成する。
Furthermore, the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiment but by the scope of claims for patent, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
この発明は、コグニティブ無線ネットワークの通信効率を向上可能な無線装置に適用される。また、この発明は、コグニティブ無線ネットワークの通信効率を向上可能な無線装置を備えた無線通信ネットワークに適用される。 The present invention is applied to a radio apparatus capable of improving the communication efficiency of a cognitive radio network. The present invention is also applied to a wireless communication network including a wireless device capable of improving the communication efficiency of a cognitive wireless network.
1〜4,21〜24,101〜106 端末装置、10,110,120,130 基地局、11 アンテナ、12,12A,13 無線モジュール、14 スイッチング手段m15 探索モジュール、16 アプリケーションプロセッサ、20 ネットワーク、30,40,50 セル、31〜33 有線ケーブル、100,100A 無線通信ネットワーク。
1-4, 21-24, 101-106
Claims (6)
前記複数の無線モジュールが当該無線装置に隣接する送信先との間で確立する複数の無線リンクにおける全体の通信負荷を示す通信コストが最小になるように前記複数の無線モジュールにおける無線通信を制御する通信制御手段とを備える無線装置。 A plurality of wireless modules that perform wireless communication using a plurality of different wireless systems;
The wireless communication in the plurality of wireless modules is controlled so that the communication cost indicating the total communication load in the plurality of wireless links established between the plurality of wireless modules with the transmission destination adjacent to the wireless device is minimized. A wireless device comprising communication control means.
前記複数の無線モジュールの各々は、前記分配されたパケットを送信する、請求項1に記載の無線装置。 The communication control means distributes packets to the plurality of wireless modules so that the communication cost is minimized,
The wireless device according to claim 1, wherein each of the plurality of wireless modules transmits the distributed packet.
前記複数の無線システムを用いて前記基地局との間で無線通信を行なう端末装置とを備え、
前記基地局および前記端末装置の各々は、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の無線装置からなる、無線通信ネットワーク。 A base station that performs wireless communication using a plurality of different wireless systems;
A terminal device that performs wireless communication with the base station using the plurality of wireless systems,
Each of the said base station and the said terminal device is a radio | wireless communication network which consists of a radio | wireless apparatus of any one of Claims 1-5.
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JP2010109825A (en) * | 2008-10-31 | 2010-05-13 | Advanced Telecommunication Research Institute International | Radio device and radio network with the same |
JP2010109824A (en) * | 2008-10-31 | 2010-05-13 | Advanced Telecommunication Research Institute International | Radio device and radio network with the same |
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2007
- 2007-03-09 JP JP2007060588A patent/JP2008227737A/en active Pending
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JP2010109825A (en) * | 2008-10-31 | 2010-05-13 | Advanced Telecommunication Research Institute International | Radio device and radio network with the same |
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