JP2013187561A

JP2013187561A - 無線通信ネットワークにおけるネットワーク選択方法及び、無線通信ネットワークシステム

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Publication number: JP2013187561A
Application number: JP2012048570A
Authority: JP
Inventors: Mikio Hasegawa; 幹雄長谷川; Takumi Matsui; 拓己松井
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-05
Also published as: US20150032428A1; JP6008518B2; EP2824969A1; EP2824969A4; WO2013133114A1

Abstract

【課題】無線通信ネットワークにおいて各端末装置におけるスループットのフェアネスを最適化することを目的とし、そのために各通信端末と無線アクセスネットワークの組み合わせを選択する技術を提供する。
【解決手段】複数の無線アクセスネットワークと、複数の種類の無線アクセスネットワークに対応する端末装置とから構成される無線通信ネットワークシステムにおいて、各端末装置におけるスループットのフェアネスを最適化する接続先ネットワークの選択方法であって、最適化する各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ問題を、最小費用流問題としてモデル化し、コンピュータの演算手段が、該最小費用流問題の厳密解を算出すると共に、コンピュータのネットワーク選択結果出力手段が、各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ結果を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信ネットワークにおけるネットワーク選択方法に関し、特に各端末装置におけるスループットのフェアネスを最適化する接続先ネットワークの選択方法に係る。

限られた無線資源を効率よく利用する技術として、近年コグニティブ無線技術に係る研究が進められている。例えば非特許文献１には、異なる無線システムを切り替えるために異なる無線インターフェイスに接続可能なソフトウェア無線技術の研究が開示されている。
また、異種無線ネットワークをシームレスにハンドオーバさせる技術の研究（非特許文献２及び３参照）など、周辺技術の開発も進められている。

異種無線に接続可能な端末を活用するヘテロジニアス型コグニティブ無線技術では、状況に応じた無線選択や、負荷分散による通信品質やフェアネスの改善が可能である。具体例として、現在コグニティブワイヤレスルーターを用いた大規模実証実験が進められている。（非特許文献４参照）
このようなシステムにおける負荷分散などの無線アクセスネットワーク選択問題は、端末や基地局の増加に従って、その組み合わせが爆発的に増加し、現実的な時間内で厳密解を得ることができないＮＰ困難な問題となっている。

このような問題から、従来提案されてきた手法は、無線端末が自律的に基地局を選択する手法や、さらにニューラルネットワークを導入した手法が提案されている。
例えば、非特許文献５には、複数の無線アクセス手段で様々な種類のネットワークに接続することが可能なコグニティブ無線端末が、その場で利用可能なネットワークの情報を自律的に収集し、各無線アクセスやネットワークのQoS情報もリアルタイムで取得し、ネットワーク全体のキャパシティ、エラー率を最適化にするコグニティブ無線アーキテクチャが開示されている。
また、ネットワークと端末に意思決定を分散させて無線資源を最適に利用しようとする基礎アーキテクチャと機能を定義した標準仕様であるIEEE1900.4が2009年2月27日に公開されている。（非特許文献６参照）

特許文献１には、無線通信端末が接続する無線基地局を自律的に選択する無線通信ネットワークシステムにおいて、ニューロンの発火と無線基地局の選択とを対応付け、ニューラルネットワーク計算装置においてニューロンが発火判定された無線基地局と無線通信端末が接続する構成が開示されている。

特許文献２には、２つのアクセスポイント間の遅延コストの差と、アクセスポイントを切り替える際のコストを比較して、後者のコストを前者が上回るときに、アクセスポイントを切り替えることで、無線ネットワークの負荷を分散する技術が開示されている。
また、非集中型の基地局選択アーキテクチャが非特許文献７に開示されている。

一方、フローネットワークについての一般的な問題として、最大流問題、最小費用流問題、他品種流問題、循環流問題などが知られており、例えば水道管の配管をネットワークとして、これらの問題の解法により解決する技術が提案されている。
特許文献３はその一例であり、上水道の導送水系統上の各要素をノードとアークに見立て、最小費用流問題に定式化することで導水量、送水量、貯水量の動的な計画値を立案することが提案されている。

特開２００９−５５４６７号公報米国特許第8098637号特許第3425160号

H. Harada, "Software defined radio prototype toward Cognitive RadioCommunication Systems," IEEE Dyspan 2005, Vol.1, pp.539-547, 2005年 G. Wu, P. Havinga and M. Mizuno, "MIRAI Architecture for Heterogeneous Networks," IEEE Comm. Mag., pp. 126-134, 2002年 M. Inoue, K. Mahmud, H. Murakami,M. Hasegawa and H. Morikawa, "Novel Out-Of-BandSignaling for Seamless Interworking between Heterogeneous Networks," IEEE Wireless Commun., Vol. 11, No. 2, pp. 56-63, 2004年 K.Ishizu et al., IEICE Trans.,E93-B,3311-3322, 2010年黒田正博, 村田嘉利,原田博司, 加藤修三, "Cognitive Wireless Cloud (1) 〜アーキテクチャ〜,"信学技報, ソフトウェア無線研究会, 2007年３月 "IEEE Standard for ArchitecturalBuilding Blocks Enabling Network-Device Distributed Decision Making forOptimized Radio Resource Usage in Heterogeneous Wireless Access Networks," IEEE 1900.4-2009, 2009年2月 Y.Fukuda, Y.Oie,"Decentralized access point selection architecture for wireless LANs"IEEE VTC2004-Fall, pp.1103-1107, 2004年 A.V.Goldberg, J.Algorithms, 22,1-29, 1997年「組合せ最適化-理論とアルゴリズム」,シュプリンガー・フェアラーク東京, 2005年11月繁野麻衣子,「ネットワーク最適化とアルゴリズム」, 朝倉書店, 2010年10月藤重悟,「グラフ・ネットワーク・組合せ論」2.3節, 共立出版, 2002年4月岩野和生,ネットワークフロー問題の最近の進展，離散構造とアルゴリズムII (藤重悟編), pp. 79-154, 近代科学社, 1993年. 久保幹雄,松井知己,田村明久編,「応用数理計画ハンドブック」9.5節,朝倉書店, 2002年5月

本発明は、従来技術における問題点に鑑みて創出したものであり、無線通信ネットワークにおいて各端末装置におけるスループットのフェアネスを最適化することを目的とし、そのために各通信端末と無線アクセスネットワークの組み合わせを選択する技術を提供する。

本発明は上記課題を解決するために次の手段を用いる。
すなわち、本発明は複数の無線アクセスネットワークと、少なくとも２つ以上の無線アクセスネットワーク（以下、接続先ネットワークと呼ぶ。）に対応する端末装置とから構成される無線通信ネットワークシステムにおいて、各端末装置におけるスループットのフェアネスを最適化する接続先ネットワークの選択方法を提供する。
特に、複数の端末装置が異種の接続先ネットワークを切り替えながら接続できるようにしたコグニティブ無線通信ネットワークにおいて本発明を適用すると好適である。

本方法において、最適化する各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ問題を、最小費用流問題としてモデル化し、コンピュータの演算手段が、該最小費用流問題の厳密解を算出すると共に、コンピュータのネットワーク選択結果出力手段が、各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ結果を出力することを特徴とする。

上記の無線通信ネットワークにおけるネットワーク選択方法であって、端末装置kが接続する接続先ネットワークL(k)の通信容量をC_L(k)、接続先ネットワークL(k)に接続している端末装置数をN_L(k)としたときに、端末装置数がMであるときのスループットのフェアネスを最適化する目的関数Fを、

と定義し、この目的関数が示す各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ問題を最小費用流問題としてモデル化し、
該モデル化のために、

の変形を行った上で、コンピュータの演算手段が、最小費用流問題の厳密解を算出することにより、コンピュータのネットワーク選択結果出力手段が、各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ結果を出力する構成でもよい。

本発明は、上記無線通信ネットワークシステムにおいて、各端末装置におけるスループットのフェアネスを最適化する無線アクセスネットワーク（以下、接続先ネットワーク）の選択装置として提供することもできる。
すなわち、最適化する各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ問題を、最小費用流問題としてモデル化した演算式を格納するコンピュータの演算式格納手段と、演算式に基づき、該最小費用流問題の厳密解を算出するコンピュータの演算手段と、各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ結果を出力するコンピュータのネットワーク選択結果出力手段とを備えたことを特徴とする。

上記のネットワーク選択装置の演算式格納手段において、次のような演算式を用いてもよい。端末kが接続する接続先ネットワークL(k)の通信容量をC_L(k)、接続先ネットワークL(k)に接続している端末装置数をN_L(k)としたときに、端末装置数がMであるときのスループットのフェアネスを最適化する目的関数Fを、上記数１で定義し、この目的関数が示す各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ問題を最小費用流問題としてモデル化し、そのために数２の変形を行った時の演算式を格納する。
そして、コンピュータの演算手段が、最小費用流問題の厳密解を算出することにより、コンピュータのネットワーク選択結果出力手段が、各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ結果を出力する。

本発明は、複数の無線アクセスネットワークと、複数の種類の無線アクセスネットワークに対応する端末装置とから構成される無線通信ネットワークシステムであって、上記記載のネットワーク選択装置を備え、ネットワーク選択装置の出力結果に従って各端末装置と各無線アクセスネットワークとを接続する無線通信ネットワークシステムを提供することもできる。

本発明は、以上の構成を備えることにより、次の効果を奏する。
すなわち、従来ＮＰ困難な最適化問題とされてきた無線ネットワークにおける無線アクセスネットワークの選択問題に対して、最小費用流問題に適用可能なモデル化の方法を創出した。最小費用流問題は公知の厳密解を算出するアルゴリズムが存在するので、これを適用することで上記選択問題の厳密最適化が可能となった。
本方法によれば、各端末におけるスループットフェアネスの最適化を実現することができる。

特に、最小費用流問題の公知の解法では２乗の項を用いることができないため、基地局と始点ノードとの間に異なるコストを有する複数の枝と考えることで、最小費用流問題としてのモデル化を実現した。

本発明に係る無線通信ネットワークシステムの構成図である。無線通信ネットワークにおけるネットワーク選択方法を示素フローチャートである。本発明に係る最小費用問題の説明図である。本発明に係る最小費用問題としてのモデル化に係る説明図である。本発明に係るＲＡＮ選択装置と端末装置の構成図である。本発明に係るＲＡＮ選択装置と基地局の構成図である。本発明によるＲＡＮ選択方法の実験例である。

以下、本発明の実施形態を、図面に示す実施例を基に説明する。なお、実施形態は下記に限定されるものではない。
図１は本発明に係る無線通信ネットワークシステムの構成図である。図示するように、複数の端末装置（１０）（１１）（１２）（１３）（１４）と、基地局（２０）（２１）（２２）、基地局が接続するインターネット等の上位ネットワーク（３０）、本発明に係る無線アクセスネットワーク（以下、ＲＡＮと言う。）選択装置（３１）から構成される。

無線通信ネットワークシステムにおいて、各端末装置は、通信方式等が異なっていても複数の種類のＲＡＮに接続が可能である。時機に応じて接続するＲＡＮを切り替えながら通信を行う。通信中の接続の切り替え方法については、周知の方法を用いることができる。
本発明の実施例では１つのＲＡＮと１つの基地局が対応しているものとして説明するが、１つの基地局において異なるＲＡＮを構成することもできる。すなわち、周波数や変調方式が異なる場合もあるし、チャネルごとに通信容量に差を設けたＲＡＮを用いることもできる。

図１は、端末装置（１０）（１１）が基地局（２０）と、端末装置（１２）は基地局（２２）と、端末装置（１３）（１４）が基地局（２１）と接続する様子を示している。基地局は処理能力や上位ネットワーク（３０）との回線など様々な要因によって通信容量が異なるので、通信容量の大きな基地局は同時に複数の端末装置と接続しても各端末において十分なスループットを得られる半面、通信容量が小さな基地局の場合には複数接続するとスループットが低下する問題がある。

システム全体で見れば、各端末のスループットフェアネスを最適化することがネットワークのＲＡＮ選択最適化問題の１つの解であり、本発明ではその目的関数を定義して解を求めることを提案する。

図２は本発明に係る無線通信ネットワークにおけるネットワーク選択方法を示すフローチャートである。以下、本フローチャートに従って説明する。
まず、ＲＡＮ選択最適化の目的関数Ｆを定義する。各基地局ｊの通信容量C_jがそれぞれ与えられた時に、端末装置間のスループット差が最も小さくする説明状態を求める。ただし、各基地局は接続している全端末装置に均等に無線資源を配分すると仮定する。
即ち、同じ基地局jに接続している端末kのスループットは、jに接続している端末数がN_j台である場合、

ただし、Mは端末数、L(k)は端末kが接続する基地局である。この関数Fは、T_kが全て等しくなるときに最小となる。各端末の接続先基地局を求める組み合わせ最適化問題として表される。

以上の通りにＲＡＮ選択最適化の目的関数を定義（Ｓ１０）する。
次いで、最小費用流問題としてモデル化（Ｓ１１）する。これは、ＲＡＮ選択問題が上述した通りＮＰ困難な問題であるため、厳密解の解法が存在する最小費用流問題に転換することを目的としている。

最小費用流問題とは、図３に示すようにネットワークの始点（４０）から各終点（４１）〜（４４）までフローを流す際に、総コストを最小にするような各枝へのフロー量の割り当てを求める問題である。各枝のコストcost_j、各枝の容量、及び各終点kに流すべきフローの量がそれぞれ与えられた時に、コストの総和F=Σ_lcost_l×x_lを最小にする各枝のフローx_lを求める。

最小費用流問題には厳密解法があるため、対象とするＲＡＮ選択問題にこれを帰着させれば、厳密解を得ることが可能になる。最小費用流問題の厳密解を求めるアルゴリズムは、例えばA.V.Goldbergによる引用文献８に記載されており、本発明は公知の解法を適宜用いればよいので説明を省略する。
本文献では、アルゴリズムによる計算速度の違いを実験しているが、本発明では概ね最速の算出が可能であったCS（cost scaling)法を用いた。
なお、最小費用流問題に関しては、非特許文献９ないし１３にも記載されている。

本発明では、ＲＡＮ選択問題を最小費用流問題としてモデル化し、厳密最適化する。各端末装置は、いずれかの基地局を選択して接続するので、基地局（４９）〜（５１）と端末装置との間の枝（４５）（４６）（４７）・・・（４８）の容量は全て１とする。
スループット低下に対応するコストは、基地局と始点との間の各枝（５２）〜（５４）に乗せる。数１を基地局jに関する和に変形し、整理すると数３の通りである。ここでＰは基地局数である。

ここで、最小費用流問題では、２乗を用いることができない。そこで、本発明では各基地局と始点との間に図４(a)に示すような基地局が接続しうる最大端末数の本数の枝（６０）〜（６３）を用意し、各枝にはコスト(2n-1)/C_jを持たせる。この和により２乗を表現する。この変形により目的関数は次のように表される。

図３に示した基地局と始点との間の枝に適用すると、図４（ｂ）に示すような枝（５２１）〜（５４３）を考慮することになる。

本発明はこのような工夫によってRAN選択最適化問題をモデル化して最小費用流問題の解法を用いることができるようにした点に大きな特徴がある。
最適化アルゴリズムによってより小さな枝から使用されるので、最小のコストとなる枝が自動的に選択される。

図５は本発明に係るＲＡＮ選択装置（７）と端末装置（８）の構成図である。ＲＡＮ選択装置（７）は図１に示すように上位ネットワークに接続され、公知のパーソナルコンピュータ等を用いて実施する。そして、演算手段である演算処理部（７０）と、ネットワーク選択結果出力手段であるＲＡＮ選択結果出力部（７１）と演算式格納手段である演算式格納部（７２）を少なくとも備える。

端末装置（８）はパーソナルコンピュータ、携帯電話、スマートフォンなどの公知の通信端末であって、ＲＡＮと無線通信するためのアンテナ（８０）、無線通信部（８１）、ＲＡＮ選択結果受信部（８２）、ＲＡＮ切り替え部（８３）を備える。周波数の異なる無線アクセスネットワークに対応する場合などには、それらに対応する複数のアンテナ（８０）を備えても良い。

そして、ＲＡＮ選択装置（７）の演算式格納部（７２）には最適化する各端末装置と基地局（接続先ネットワーク）との組み合わせ問題を、最小費用流問題としてモデル化した演算式を格納する。演算処理部（７０）では、該演算式から上述した厳密解を求める公知のアルゴリズムに従って、最小費用流問題の厳密解を算出する。（図２、Ｓ１２）

さらに、算出された各端末装置と基地局との組み合わせ結果をＲＡＮ選択結果出力部（７１）が出力する。（Ｓ１３）
組み合わせ結果は、端末装置（８）のＲＡＮ選択結果受信部（８２）に上位ネットワーク（３０）と使用中のＲＡＮを介して送信され、その結果に従ってＲＡＮ切替部（８３）が接続先の基地局を切り替える。

以上の構成によって、本発明のＲＡＮ選択装置（７）がＲＡＮ選択問題の厳密解を算出し、その結果に従って各端末装置（８）がＲＡＮを選択することができる。この厳密解は、システム全体における各端末装置のスループットフェアネスを最適化するものであるから、各端末装置（８）の基地局の切り替えの結果、最適化状態が実現される。
本発明が採用した最小費用流問題の厳密解法は高速な処理が可能であり、高速かつ正確なＲＡＮ選択に寄与する。

図６は上記の別実施例であり、ＲＡＮ選択装置（７）がＲＡＮ選択結果を基地局（９）に送信して、基地局が接続する端末装置（８）を切り替えする構成である。
基地局（９）はアンテナ（９０）、無線通信部（９１）を有する通信に対応するルーター等であって、端末装置選択結果受信部（９２）と、端末装置切替部（９３）を備える。

そして、ＲＡＮ選択結果出力部（７１）から上位ネットワーク（３０）を介して上記組み合わせ結果が送信され、端末装置選択結果受信部（９２）がこれを受信する。端末装置切替部（９３）は、その結果に従って接続する端末装置（８）を切り替える。
本構成でも上記と同様にシステム全体における各端末装置のスループットフェアネスが最適化される。

最後に本発明においてモデル化した負荷分散最適化問題に厳密化取得可能アルゴリズムを適用した実験例を示す。
本実験例では、４台の基地局（１００）〜（１０３）と、１２台の端末装置（１１０）〜（１２１）の環境で計算を行っている。
基地局Ａ（１００）と基地局Ｂ（１０１）の容量は54Mbps、基地局Ｃ（１０２）の容量は21Mbps、基地局Ｄ（１０３）の容量は11Mbpsとする。

そして、各端末が接続できる基地局の中から、本発明によるＲＡＮ選択問題の厳密解法を実施して、各端末装置と基地局の組み合わせを算出した。表１はその組み合わせ結果である。

表１では、通信端末１（１１０）は基地局ＡとＣに接続可能であって、そのうち基地局Ａ（１００）に接続することを示している。通信端末２（１１１）は基地局ＡとＢに接続可能であって、基地局Ａ（１００）に接続する。他も同様である。
全体的にみると、容量の大きな基地局Ａ（１００）と基地局Ｂ（１０１）にはそれぞれ４個、５個の端末装置と接続するようになっており、基地局容量が次に小さな基地局Ｃ（１０２）には２個、最も小さな基地局Ｄ（１０３）には１個が接続するようになっている。
この結果からも、各基地局に接続している通信端末におけるスループットのフェアネスが実現される組み合わせとなっていることが確認できる。

本発明は、無線通信ネットワークシステムの負荷分散を最適化するものであり、基地局の選択問題には限定されない。無線アクセスネットワークは上述したように基地局１個と対応するものに限られず、１つの基地局でも複数の無線アクセスネットワークを構成する場合にはこれらを選択問題として使用することができる。

１０〜１４端末装置
２０〜２２基地局
３０上位ネットワーク
３１ＲＡＮ選択装置

Claims

複数の無線アクセスネットワークと、複数の種類の無線アクセスネットワーク（以下、接続先ネットワークと呼ぶ。）に対応する端末装置とから構成される無線通信ネットワークシステムにおいて、各端末装置におけるスループットのフェアネスを最適化する接続先ネットワークの選択方法であって、
最適化する各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ問題を、最小費用流問題としてモデル化し、
コンピュータの演算手段が、該最小費用流問題の厳密解を算出すると共に、
コンピュータのネットワーク選択結果出力手段が、各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ結果を出力する
ことを特徴とする無線通信ネットワークにおけるネットワーク選択方法。
前記無線通信ネットワークにおけるネットワーク選択方法であって、
端末装置kが接続する接続先ネットワークL(k)の通信容量をC_L(k)、接続先ネットワークL(k)に接続している端末装置数をN_L(k)としたときに、端末装置数がMであるときのスループットのフェアネスを最適化する目的関数Fを、

と定義し、この目的関数が示す各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ問題を最小費用流問題としてモデル化し、
該モデル化のために、

の変形を行った上で、コンピュータの演算手段が、最小費用流問題の厳密解を算出することにより、コンピュータのネットワーク選択結果出力手段が、各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ結果を出力する
ことを特徴とする無線通信ネットワークにおけるネットワーク選択方法。
複数の無線アクセスネットワークと、複数の種類の無線アクセスネットワークに対応する端末装置とから構成される無線通信ネットワークシステムにおいて、各端末装置におけるスループットのフェアネスを最適化する無線アクセスネットワーク（以下、接続先ネットワーク）の選択装置であって、
最適化する各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ問題を、最小費用流問題としてモデル化した演算式を格納するコンピュータの演算式格納手段と、
該演算式に基づき、該最小費用流問題の厳密解を算出するコンピュータの演算手段と、
各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ結果を出力するコンピュータのネットワーク選択結果出力手段と
を備えたことを特徴とする無線通信ネットワークにおけるネットワーク選択装置。
前記ネットワーク選択装置の演算式格納手段において、
端末kが接続する接続先ネットワークL(k)の通信容量をC_L(k)、接続先ネットワークL(k)に接続している端末装置数をN_L(k)としたときに、端末装置数がMであるときのスループットのフェアネスを最適化する目的関数Fを、

と定義し、この目的関数が示す各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ問題を最小費用流問題としてモデル化し、
該モデル化のために、

の変形を行った時の演算式を格納し、
コンピュータの演算手段が、最小費用流問題の厳密解を算出することにより、コンピュータのネットワーク選択結果出力手段が、各端末装置と接続先ネットワークとの組み合わせ結果を出力する
ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信ネットワークにおけるネットワーク選択装置。
複数の無線アクセスネットワークと、複数の種類の無線アクセスネットワークに対応する端末装置とから構成される無線通信ネットワークシステムであって、
前記請求項３又は４に記載のネットワーク選択装置を備え、
該ネットワーク選択装置の出力結果に従って各端末装置と各無線アクセスネットワークとを接続する
ことを特徴とする無線通信ネットワークシステム。