JP2009021916A - 基地局およびパケット転送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モバイルネットワークで大量のデータパケットを受信した場合においても、ＶｏＩＰパケットの伝送遅延を防止し、ＶｏＩＰの品質保証を得る事が出来る基地局と基地局を集約するルータを提供する。
【解決手段】基地局とルータとの間を、双方向に、ＶｏＩＰパケットを伝送するマルチリンクグループと、ＶｏＩＰパケット以外のデータパケットを伝送するマルチリンクグループとで接続する。基地局とルータは、受信したパケットのＴｏＳ領域を参照する事で、送信回線を分け、ＶｏＩＰパケットのみを専用の回線にて送信する。これにより、ＶｏＩＰパケットは他のデータパケットから影響を受けることなく伝送することができ、モバイルネットワーク上でＶｏＩＰの品質保証をすることができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、携帯電話基地局のバックホール回線にマルチリンクＰＰＰを用いたＴ１専用回線を利用したモバイルネットワークにおける基地局およびパケット転送装置に関する。

モバイルネットワークにて、移動端末がアクセスする基地局からＩＰ網へのバックホール回線には、マルチリンクされたＴ１専用回線が使用されている。Ｔ１専用回線は、布設範囲が広いため、移動体通信の基地局に適している。Ｔ１専用回線をマルチリンクにする事でチャネルを多重し、データ伝送速度の向上を図っている。図１を参照して、マルチリンクＰＰＰが適用されたＴ１回線にてルータと接続された基地局と、基地局を集約するルータとを説明する。ここで、図１はモバイルネットワークのブロック図である。図１において、モバイルネットワーク１００は、移動端末１０と、２台の基地局２０と、基地局２０を束ねるルータ３０とで構成されている。また、基地局２０は、移動端末１０とのデータを交換するデータ送受信部２１と、ルータ３０とデータを交換するバックホール回線インタフェース２２とを有する。ルータ３０は、基地局２０のバックホール回線インタフェース２２と、ＩＰデータネットワーク４０と接続された回線インタフェース３１を有する。

基地局２０とルータ３０とを接続するマルチリンクＰＰＰが適用されたＴ１回線５０は、同一マルチリンクグループに設定した回線のデータ通信路を束ねて、論理的に１回線とする事で広帯域通信路を確保する。

図２を参照して、マルチリンクＰＰＰ（ＭＰ）を用いた基地局、ルータ間のパケット伝送方法を説明する。ここで、図２はマルチリンクＰＰＰを用いた基地局、ルータ間のパケット伝送方法を説明する図である。図２において、基地局２０は、端末からパケットをＩＰ部２３で受信すると、ＭＰ部２４で各リンクの帯域状況に応じてＩＰパケットをフラグメント化し、マルチリンクを構成する回線５１に振り分けて伝送を行なう。受信側のルータ３０は、ＭＰ部３４でフラグメントが再度組み立てられＩＰパケットが再構成し、ＩＰ部３４から、ＩＰデータネットワークへ送信する。

図３を参照して、マルチリンクカプセル化とオーバーヘッドを説明する。ここで、図３はマルチリンクカプセル化とオーバーヘッドを説明する図である。図３において、基地局は、ＩＰパケット６０をフラグメント１〜フラグメント４に４分割する。分割された各フラグメントは、先頭と末尾に１バイトのフラグ６１、通常のＰＰＰヘッダ６２、順序制御を行なう情報を持ったＭＰヘッダ６３、Frame Check Sequence（ＦＣＳ）６４とが付加され、各ＰＰＰリンクへ送出される。マルチリンクカプセル化によるオーバーヘッドサイズ増分は、１２ｂｙｔｅ×リンク数である。

モバイルネットワークは、データ通信回線と音声通信回線に分かれている。ここで、データ回線網は、メールなどの利用を主に構築されており、音声通話の様なリアルタイム性が求められるアプリケーションには不向きである。

一方、固定通信網においては、音声通信もＩＰ電話機など、専用機器によりＶｏＩＰを実現している。専用機器を用いたＶｏＩＰは、パソコンなどのデータ通信と同じ回線を使用しているが、ＶｏＩＰパケットの優先制御を行なう事で、通話品質保証をしている。固定通信網は、また、モバイルネットワークと比較して回線の広帯域化が進んでいる為、ＶｏＩＰの実現も容易である。

ＶｏＩＰパケットの優先制御方法の一つに、ＩＰヘッダのタイプオブサービス（以降ＴｏＳと記す）値の設定によるパケットの優先付け制御がある。図４を参照して、ＩＰヘッダのＴｏＳ領域を説明する。ここで、図４はＩＰヘッダのフォーマットである。図４において、ＩＰヘッダ４００は、バージョン４０１、ヘッダ長４０２、ＴｏＳ４０３、データグラム長４０４、識別番号４０５、フラグ４０６、フラグメントオフセット４０７、Time To Live（ＴＴＬ）４０８、プロトコル番号４０９、チェックサム４１０、送信元ＩＰアドレス４１１、送信先ＩＰアドレス４１２から構成されている。ＴｏＳ４０３は、８ビットであり、先頭の３ビットで優先度を示す。

ＶｏＩＰ専用機器は、ＴｏＳ値を高く設定し上位装置に送信する。上位装置はパケットのＴｏＳ値を参照し優先制御を行なう。上位機器は、受信パケットをＴｏＳ値に応じて送信キューに格納する。キューからのパケット伝送は、ＴｏＳ値の高いものからから優先的に送信する。優先度の高いキューにデータが残っている場合には、それより優先度の低いキューからデータは伝送しない。
特許文献１には、移動端末と基地局との間で、遅延の少ないシームレスなハンドオーバーを実現するＶｏＩＰシステムが記載されている。

特開２００４−０５６３３６号公報

従来、モバイルネットワークは、データ通信と、音声通話は別のチャネルを使用している。近年、音声通話をデータ通信にて実現する、モバイルネットワークでのＶｏＩＰサービスの導入が検討されている。

しかしながら、音声通話はデータ通信と比較して許容できるデータ遅延時間が極端に短く、既存のデータ通信装置間ではＶｏＩＰの品質保証をする事は困難である。この為、モバイルネットワーク装置間でＶｏＩＰパケットの品質を向上させる必要がある。

ＶｏＩＰパケットの品質保証の手段として、パケットの優先制御がある。パケットの優先制御は送信側でＩＰヘッダのＴｏＳ値を設定し、受信した上位装置へのパケット伝送装置は、ＴｏＳ値を参照し、ＴｏＳ値が高く設定されたパケットから優先して伝送する。図１に説明したモバイルネットワークにおいてもパケットの優先制御を用いた場合、端末で基地局に送信するパケットに優先度を設定し、基地局側でＶｏＩＰパケットを最優先としルータに伝送する事でＶｏＩＰの品質保証を得る事が出来る。しかし、モバイルネットワークのパケットデータ伝送路は帯域幅が十分でなく、さらに他のデータと同じ回線を使用していることから、ＶｏＩＰ以外のパケットで回線が輻輳している場合、または、出力インタフェースに輻輳が発生している場合、ＶｏＩＰパケットの遅延が考えられ十分な品質保証を得る事が出来ない。

図１に示すモバイルネットワークにおいて、パケットの優先制御を行った場合でもＶｏＩＰパケットに遅延が発生する場合について、図５を参照して説明する。ここで、図５はパケットの優先制御を行った場合でもＶｏＩＰパケットに遅延が発生することを説明する図である。図５Ａにおいて、端末から送信されたパケット５０１、５０６には移動体端末にてＩＰヘッダのＴｏＳ領域にパケット優先度が設定されている。ここでは、ＶｏＩＰパケットの優先度を４と設定する。なお、図５（および後述する図１０）中の「４」「３」「２」「１」は、優先度を表し、優先度４＞優先度３＞優先度２＞優先度１である。

基地局は、パケットを受信すると、設定された優先度に基づきパケットのキューイングを行なう。キュー５１０−４は優先度が最も高いキューを示し、キュー５１０−３は２番目に優先度の高いキューを示し、キュー５１０−２は３番目に優先度の高いキューを示し、キュー５１０−１は最も優先度の低いキューを示す。パケットは優先度の高いキューから順にルータに伝送されていき、優先度の高いパケットは少ない遅延にてルータに伝送される。しかし、図５Ｂの様に、ＶｏＩＰ用のキュー５１０−４にパケットがキューイングされていない状態で、サイズが大きく優先度「３」のパケット５０６がキューに入ったとする。その後、図５Ｃに示す様にＶｏＩＰパケット５０１がキューイングされてもサイズの大きなパケット５０６の送出が完全に終るまでは、ＶｏＩＰパケット５０１は送信されない。このため、パケット優先制御を行った場合においてもＶｏＩＰパケットに遅延が発生してしまう。

本発明は、この問題を解決するため、ＶｏＩＰパケットが他のＶｏＩＰ以外のパケットから影響を受ける事無く優先的にルータに送信され、モバイルネットワークにおけるＶｏＩＰの品質保証および伝送効率を向上させる事を目的とする。

上述した課題は、複数の移動体端末およびパケット転送装置と接続され、複数の移動体端末からデータパケットを受信したとき、データパケットの優先度に基づいて、ＶｏＩＰパケットと非ＶｏＩＰパケットとに分離し、ＶｏＩＰパケットをマルチリンクＰＰＰが適用された第１のＴ１回線からパケット転送装置に送信し、非ＶｏＩＰパケットをマルチリンクＰＰＰが適用された第２のＴ１回線からパケット転送装置に送信する基地局により、達成できる。

また、基地局と接続され、ネットワークから受信したデータパケットを基地局に転送し、ネットワークからデータパケットを受信したとき、データパケットの優先度に基づいて、ＶｏＩＰパケットと非ＶｏＩＰパケットとに分離し、ＶｏＩＰパケットをマルチリンクＰＰＰが適用された第１のＴ１回線から基地局に送信し、非ＶｏＩＰパケットをマルチリンクＰＰＰが適用された第２のＴ１回線から基地局に送信するパケット転送装置により、達成できる。

本発明によれば、モバイルネットワーク上でＶｏＩＰの品質保証をすることができる。

以下本発明の実施の形態について、実施例を用い図面を参照しながら説明する。なお、実質同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。

図６を参照して、データ伝送に特化したモバイルネットワークを説明する。ここで、図６はモバイルネットワークとＩＰデータネットワークのブロック図である。図６において、モバイルネットワーク７００において、２台の移動体端末７１０−１、７１０−２は、基地局７２０−１、ルータ７３０−１、ルータ７３０−２、基地局７２０−２を介して接続されている。ルータ７３０−１とルータ７３０−２との間は、ＩＰデータネットワーク７４０で接続されている。基地局７２０とルータ７３０は、ＶｏＩＰパケットのみ伝送をおこなうマルチリンクグループ７５０−２と、ＶｏＩＰパケット以外のパケットの伝送をおこなうマルチリンクグループ７５０−１とにより、接続されている。なお、基地局７２０−２とルータ７３０−２との間は、図示の簡便のため１本線で結んでいるが、基地局７２０−１とルータ７３０−１との間と同様に、２本のマルチリンクグループで接続されている。また、マルチリンクグループを形成するＴ１回線数として、マルチリンクグループ７５０−１が３本、マルチリンクグループ７５０−２が１本としているが、ＶｏＩＰパケットの輻輳状態により、ダイナミックに変更される。ここで、マルチリンクグループ７５０−２は、Ｔ１回線１本でマルチリンクとしているのは、ＶｏＩＰ回線に輻輳が発生してからマルチリンクグループを形成すると、設定に時間がかかり、伝送パケットに遅延が発生するからである。

なお、図６では基地局７２０とルータ７３０とが、１対１に接続された構成を説明しているが、実際にはルータ７３０は、複数の基地局７２０を集約する。
基地局７２０−１は、移動体端末７１０−１との間のデータの送受信を行なうデータ送受信部７２１と、ルータ７３０との間のデータの送受信を行なうバックホールＩ／Ｆ部７２２とから構成される。ルータ７３０−１は、基地局７２０−１との間のデータの送受信を行なうバックホールＩ／Ｆ部７３１と、ＩＰデータネットワーク７４０との間のデータの送受信を行なうＩＰネットワークＩ／Ｆ部７３２とから構成される。

移動端末７１０−１は、送信パケットのＩＰヘッダのＴｏＳ領域に優先度を設定して、基地局７２０−１に送信する。基地局７２０−１のバックホールＩ／Ｆ部７２２は、データ送受信部から転送されてくるパケットの優先度に応じて送信マルチリンクグループの決定、およびスケジューリング（キューイング）を行なう。具体的には、バックホールＩ／Ｆ部７２２は、移動端末７１０−１から受信したＩＰパケットのＩＰヘッダのＴｏＳを参照して、優先度４（ＶｏＩＰ）のとき、マルチリンクグループ７５０−２を選択する。バックホールＩ／Ｆ部７２２は、優先度４以外のとき、マルチリンクグループ７５０−１を選択する。また、バックホールＩ／Ｆ部７２２は、ＶｏＩＰのトラフィック量に応じて、複数のマルチリンクグループを動的に設定する。ルータ７３０−１のバックホールＩ／Ｆ部７３１は、基地局７２０からパケットが送信されてきた場合には、マルチリンクＰＰＰにより分割されたパケットを再構成する。

なお、上述したバックホールＩ／Ｆ部７２２、７３１の動作は、移動体端末７１０−１から、ルータ７３０−１へ向けての動作を説明した。しかし、ＩＰデータネットワーク７４０を介して対抗するルータ７３０−２から、パケットを受信したとき、バックホールＩ／Ｆ部７２２、７３２の動作は、互いに逆になる。

図７と図８を参照して、バックホール回線Ｉ／Ｆを説明する。ここで、図７は基地局のバックホール回線Ｉ／Ｆのハードウェアブロック図である。図８はルータのバックホール回線Ｉ／Ｆのハードウェアブロック図である。

図７において、基地局７２０のバックホール回線Ｉ／Ｆ部７２２は、データ送受信部７２１と接続されたデータ送受信部Ｉ／Ｆ６４０と、プロセッサ６１０と、メモリ６２０と、ルータ７３０のバックホール回線Ｉ／Ｆ部７３１と接続されたＴ１ Ｉ／Ｆ６３０とから構成される。

図８において、ルータ７３０のバックホール回線Ｉ／Ｆ部７３１は、基地局７２０のバックホール回線Ｉ／Ｆ部７２２と接続されたＴ１ Ｉ／Ｆ６３０と、プロセッサ６１０と、メモリ６２０と、ＩＰネットワークＩ／Ｆ部７３２と接続されたイーサＩ／Ｆ６５０とから構成される。

図６に関する説明の最後で述べたように、基地局７２０のバックホール回線Ｉ／Ｆ部７２２と、ルータ７３０のバックホール回線Ｉ／Ｆ部７３１とは、基本的に同じ動作をするので、送信側と受信側とに分けて、図９を用いて説明する。ここで、図９はバックホール回線Ｉ／Ｆ部の機能ブロック図である。

図９において、バックホール回線Ｉ／Ｆ７２２、７３１は、送信側バックホール回線Ｉ／Ｆ８００と、受信側バックホール回線Ｉ／Ｆ９００とから、構成される。なお、図９では、バックホール回線Ｉ／Ｆ７２２／７３１の送信側バックホール回線Ｉ／Ｆ８００と、バックホール回線Ｉ／Ｆ７３１／７２２の受信側バックホール回線Ｉ／Ｆ９００の接続関係を説明している。送信側バックホール回線Ｉ／Ｆ８００と、受信側バックホール回線Ｉ／Ｆ９００とは、マルチリンクグループ６００−２と、マルチリンクグループ６００−１と、で接続されている。マルチリンクグループ６００−２は、ＶｏＩＰパケットを送受信し、マルチリンクグループ６００−１は、ＶｏＩＰパケット以外のデータパケットを送受信する。

送信側バックホール回線Ｉ／Ｆ８００は、受信Ｉ／Ｆ部８１０と、ＴｏＳ領域参照部８２０と、４つキュー８３０と、回線管理部８４０と、パケット送信部（パケット分割送信部）８５０とから構成される。
受信側バックホール回線Ｉ／Ｆ９００は、パケット受信部（パケット受信部結合部）９５０と、回線管理部９４０と、送信Ｉ／Ｆ部９１０とから構成される。

送信側バックホール回線Ｉ／Ｆ８００の受信Ｉ／Ｆ８１０がパケットを受信すると、ＴｏＳ領域参照部８２０は、受信したＴｏＳ領域を参照し、優先度に対応するキュー８３０にパケットを転送する。ここでは、キュー８３０−４は、優先度「４」のパケットを並べるキューである。キュー８３０−３は、優先度「３」のパケットを並べるキューである。キュー８３０−２は、優先度「２」のパケットを並べるキューである。キュー８３０−１は、優先度「１」のパケットを並べるキューである。

キュー８３０−４に並べられたＶｏＩＰパケットは、パケット送信部（パケット分割送信部）８５０−２からＭＬＰＰＰ（MultiLink Point-to-Point Protocol）で送信する。図９では、Ｔ１回線が１本として記載しているが、複数本でも構わない。このとき、パケット送信部８５０−２は、パケット分割送信部として機能し、２本のＴ１回線にパケットを均等に分割して、送信する。キュー８３０−３〜８３０−１に並べられたパケットは、優先度に応じて、パケット分割送信部８５０−１から送信される。

回線管理部８４０は、ＶｏＩＰパケット用のパケット送信部（パケット分割送信部）８５０−２の帯域を監視し、帯域に余裕がなくなると、マルチリンクグループの再編を行なう。すなわち、ＶｏＩＰ用マルチリンクグループを形成するＴ１回線を、非ＶｏＩＰ用マルチリンクグループから移動する。回線管理部８４０は、逆に、複数のＴ１回線でＶｏＩＰ用マルチリンクグループを形成しているとき、帯域に余裕が生まれると、マルチリンクグループの再編を行なう。すなわち、ＶｏＩＰ用マルチリンクグループを形成するＴ１回線の１本を、非ＶｏＩＰ用マルチリンクグループに移動する。回線管理部８４０は、回線管理情報を、受信側パックホール回線Ｉ／Ｆ９００の回線管理部９４０へ送信する。

受信側バックホール回線Ｉ／Ｆ９００のパケット受信部（パケット受信結合部）９５０−２は、受信したマルチリンクカプセルのカプセルを外し、送信Ｉ／Ｆ部９１０へ送信する。パケット受信部（パケット受信結合部）９５０−１は、受信したマルチリンクカプセルのカプセルを外し、ＩＰパケットを組み立て、送信Ｉ／Ｆ部９１０へ送信する。

回線管理部９４０は、送信側バックホールＩ／Ｆ部８００の回線管理部８４０から、受信した回線情報に基づいて、パケット受信部（パケット受信結合部）９５０のマルチリンクグループの再編を制御する。

図１０を参照して、優先度の異なる複数のパケットを受信した基地局からルータへのマルチリンクカプセル化パケットの送信を説明する。ここで、図１０は優先度の異なる複数のパケットを受信した基地局からルータへのマルチリンクカプセル化パケットの送信を説明する図である。図１０において、基地局７２０とルータ７３０との間は、ＶｏＩＰパケットのみ伝送をおこなうマルチリンクグループ７５０−２と、ＶｏＩＰパケット以外のパケットの伝送をおこなうマルチリンクグループ７５０−１とにより、接続されている。基地局７２０には、４本のキュー８３０がある。ここでは、キュー８３０−４は、優先度「４」のパケットを並べるキューである。キュー８３０−３は、優先度「３」のパケットを並べるキューである。キュー８３０−２は、優先度「２」のパケットを並べるキューである。キュー８３０−１は、優先度「１」のパケットを並べるキューである。

キュー８３０−４に並べられたＶｏＩＰパケットは、マルチリンクグループ７５０−２を介して、ルータに送信される。図１０では、マルチリンクグループ７５０−２はＴ１回線が１本として記載しているが、複数本でも構わない。

キュー８３０−３〜８３０−１に並べられたパケットは、優先度に応じて、マルチリンクグループ７５０−２を介して、ルータに送信される。

本実施例に拠れば、ＶｏＩＰパケットのみを専用のマルチリンクグループにて送信することで、ＶｏＩＰパケットの前に大きなサイズのパケットがキューイングされている場合においても、ＶｏＩＰパケットに影響を与えることなく伝送することができる。

モバイルネットワークのブロック図である。 基地局とルータとの接続を説明する図である。 マルチリンクカプセル化とオーバーヘッドを説明する図である。 ＩＰヘッダのフォーマットである。 パケットの優先制御を行った場合でもＶｏＩＰパケットに遅延が発生することを説明する図である（その１）。 パケットの優先制御を行った場合でもＶｏＩＰパケットに遅延が発生することを説明する図である（その２）。 パケットの優先制御を行った場合でもＶｏＩＰパケットに遅延が発生することを説明する図である（その３）。 モバイルネットワークとＩＰデータネットワークのブロック図である。 基地局のバックホール回線Ｉ／Ｆのハードウェアブロック図である。 ルータのバックホール回線Ｉ／Ｆのハードウェアブロック図である。 バックホール回線Ｉ／Ｆ部の機能ブロック図である。 優先度の異なる複数のパケットを受信した基地局からルータへのマルチリンクカプセル化パケットの送信を説明する図である。

符号の説明

１０…移動体端末、２０…基地局、３０…ルータ、４０…ＩＰデータネットワーク、６０…パケット、１００…モバイルネットワーク、４００…ＩＰヘッダ、６１０…プロセッサ、６２０…メモリ、６３０…Ｔ１Ｉ／Ｆ、６４０…データ送受信部Ｉ／Ｆ、６５０…イーサＩ／Ｆ、７１０…移動体端末、７２０…基地局、７２１…データ送受信部、７２２…バックホール回線Ｉ／Ｆ部、７３０…基地局、７３１…バックホール回線Ｉ／Ｆ部、７３２…ＩＰネットワークＩ／Ｆ部、７４０…ＩＰデータネットワーク、７５０…マルチリンクグループ、８００…送信側バックホール回線Ｉ／Ｆ部、８１０…受信Ｉ／Ｆ部、８２０…ＴｏＳ領域参照部、８３０…キュー、８４０…回線管理部、８５０…パケット送信部（パケット分割送信部）、９００…受信側バックホール回線Ｉ／Ｆ部、９１０…送信Ｉ／Ｆ部、９４０…回線管理部、９５０…パケット受信部（パケット受信結合部）。

Claims (4)

1. 複数の移動体端末およびパケット転送装置と接続された基地局において、
   複数の前記移動体端末からデータパケットを受信したとき、前記データパケットの優先度に基づいて、ＶｏＩＰパケットと非ＶｏＩＰパケットとに分離し、前記ＶｏＩＰパケットをマルチリンクＰＰＰが適用された第１のＴ１回線から前記パケット転送装置に送信し、前記非ＶｏＩＰパケットをマルチリンクＰＰＰが適用された第２のＴ１回線から前記パケット転送装置に送信することを特徴とする基地局。
2. 請求項１に記載の基地局であって、
   前記第１のＴ１回線の回線使用帯域を監視し、必要に応じて前記第１のＴ１回線と前記第２のＴ１回線との間で、マルチリンクグループの再編を行なう回線管理部を備えることを特徴とする基地局。
3. 基地局と接続され、ネットワークから受信したデータパケットを前記基地局に転送するパケット転送装置であって、
   前記ネットワークからデータパケットを受信したとき、前記データパケットの優先度に基づいて、ＶｏＩＰパケットと非ＶｏＩＰパケットとに分離し、前記ＶｏＩＰパケットをマルチリンクＰＰＰが適用された第１のＴ１回線から前記基地局に送信し、前記非ＶｏＩＰパケットをマルチリンクＰＰＰが適用された第２のＴ１回線から前記基地局に送信することを特徴とするパケット転送装置。
4. 請求項３に記載のパケット転送装置であって、
   前記第１のＴ１回線の回線使用帯域を監視し、必要に応じて前記第１のＴ１回線と前記第２のＴ１回線との間で、マルチリンクグループの再編を行なう回線管理部を備えることを特徴とするパケット転送装置。

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