JP2013509761A - ワイヤレス無線ネットワークの動作方法およびネットワーク - Google Patents

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Abstract

高度にエネルギーを節減しながらネットワークの特に経済的な動作を可能にするため、ワイヤレス無線ネットワーク、特に無線アクセスネットワークの動作方法を提供する。ワイヤレス無線ネットワークは、コアネットワーク、複数の基地局、および少なくとも１つの基地局を通じてワイヤレス通信を行う少なくとも１つのモバイルホストを有する。本方法は、所定の基地局区画における稼働基地局および停止基地局の関連づけが協調的に配置されることにより、現在のトラフィック需要を満たすのに必要な稼働基地局を最小数またはできるだけ少数に維持することを特徴とする。また、好ましくは上記方法を実行するネットワークが提供される。

Description

本発明は、ワイヤレス無線(wireless radio)ネットワーク、特に無線アクセスネットワークの動作方法に関する。ワイヤレス無線ネットワークは、コアネットワーク、複数の基地局、および少なくとも１つの基地局を通じてワイヤレス通信を行う少なくとも１つのモバイルホストを有する。
また、本発明は、ネットワーク、特に無線アクセスネットワーク、好ましくは上記の方法を実行するネットワークに関する。ワイヤレス無線ネットワークは、コアネットワーク、複数の基地局、および少なくとも１つの基地局を通じてワイヤレス通信を行う少なくとも１つのモバイルホストを有する。
ＩＣＴ（情報通信技術）のエネルギー消費の増大およびその環境への影響を考えると、省エネルギーは、ワイヤレスネットワークの動作およびサービス配信についての重要な問題である。エネルギーを消費するネットワーク要素としては、コアネットワーク、モバイルホストおよび基地局があり、これらはエネルギー消費が最も高い。
従来の提案は、個別分散的に、基地局の要素および機能をオフにすること（特許文献１、「Adaptive Power Management for a Node of a Cellular Telecommunications Network」、２００３年６月）、あるいはローカル負荷情報を用いて完全に基地局をオフにすること（非特許文献１参照）に集中している。このような方法は非協調的である。すなわち、各基地局は個別にエネルギー管理機能を実行する。また、既知のアプローチはフレキシブルではない。
セルラシステムでは、基地局あたりの高いカバレジ需要とエネルギー消費を考えると、主なエネルギー消費要素は基地局である。特に、各基地局のリソース割当がピーク時間トラフィック需要に対処するように配分されていることを考えると、基地局のエネルギー効率を改善する方法が、コストおよび環境の問題に関して重要である。
ピーク時間は特定の限定された期間のみであるので、各基地局は、残りのすべての時間にはエネルギーを浪費している。最適なエネルギー消費は、事業者によって提供される容量がトラフィック需要に一致するときに達成され、これはセルの機能および機器またはセル全体をオン・オフすることによって実現される（非特許文献２参照）。このような省エネルギー管理は、トラフィック負荷の測定と、長期間統計またはしきい値ポリシーとに基づいており、これらは適切な基地局を選択し、省エネルギーモードに入る時刻を決定する（特許文献１参照）。
非特許文献３には、セルラアクセスネットワークにおける省エネルギーの可能性が記載されている。このネットワークにおいては、選択された基地局が、エネルギーを節減するためにオフにされる。既知の省エネルギー手続きは、隣接セル間で同一のトラフィックを仮定し、規則的なレイアウトを用いてネットワークをモデル化している。
より一般的なアプローチが非特許文献１に提示されている。このアプローチでは、基地局が、トラフィックおよび負荷統計と、ユーザ機器位置とに応じてオン・オフの切替を決定する。このようなアプローチは、各基地局が個別にエネルギー管理決定を行うので非協調的である。非協調的エネルギー管理の提案は、都市環境ではなく、非特許文献４に提示されているようなホームｅＮｏｄｅＢの状況に、より適している。
非特許文献５には、自己回復に重点を置いて、カバレジおよび容量に関する省エネルギー提案が分析されている。この提案では、アンブレラセルが、いくつかの地理的エリアのカバレジを提供する。確かに、このようなカバレジが重畳している場合、同じ無線アクセス技術の２層アーキテクチャを仮定すると、これは現実的なセルラネットワーク実装ではない。同様に、非特許文献６は、エネルギー効率の良い管理方式を実証している。これによれば、モバイルホストは、２つの異なる事業者の重畳するネットワーク間でローミングが可能である。相異なる事業者がネットワーク設備を共用してエネルギーを節減するという提案は、固有の販売適性としてのカバレジの重要性により、ビジネスの観点からは実行可能性に懸念がある。
非特許文献７に提示されている動的中継方式では、エネルギーを節減しネットワーク容量をより効率的に利用するために、トラフィック負荷および地理情報に応じて、中継対応基地局を中継ノードと関連づける。このようなアプローチは、セルがその送信電力を低減することを許可することによって、および中継ノードまたは基地局をそれらのトラフィック条件に応じてオフにすることによって、電力を節減する可能性がある。動的中継は、中継ノードの存在を仮定しているが、これは常に成り立つわけではなく、中継ノードを中継対応基地局に関連づけるメカニズムを必要とし、これはネットワークの複雑さを増大させる。
また、特許文献２において、トラフィックホットスポット位置探索方法が知られている。
米国特許第６５８４３３０Ｂ１号明細書 米国特許第６３２１０８３Ｂ１号明細書
INFSO-ICT-216284 SOCRATES, D2.1, Use Cases for Self-Organizing Networks, March 2008 3GPP TR 36.902, Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Self-configuration and self-optimization network use cases and solutions (Release 9), May 2008 M.A. Marsan, L. Chiaraviglio, D. Ciullo, M. Meo, Optimal Energy Savings in Cellular Access Networks", IEEE ICC Workshop on Green Communications, June 2009 3GPP R3-081174, Solution for interference reduction SON use case, May 2008 3GPP R3-080082, Capacity and Coverage SON Use Case, February 2008 M.A. Marsan, M. Meo, "Energy Efficient Management of two Cellular Access Networks", ACM SIGCOMM GreenMetrics Workshop, January 2009 O. Teyb, V. van Phan, B. Raaf, S. Redana, "Dynamic Relaying in 3GPP LTE-Advanced Networks", HindawiEURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, Manuscript ID 731317, July 2009 G. Karypis, V. Kumar, "A Fast and High quality Multilevel Scheme for partitioning Irregular Graphs", SIAM Journal on Scientific Computing, Vol.20, No.1 , August 1998
したがって、本発明の目的は、ワイヤレス無線ネットワークの動作方法および対応するネットワークにおいて、高度にエネルギーを節減しながらネットワークの特に経済的な動作が可能となるような改良およびさらなる展開を行うことである。
本発明によれば、上記の目的は、請求項１に記載の方法によって達成される。この請求項に記載の通り、本方法は、所定の基地局区画における稼働基地局および停止基地局の関連づけが協調的に配置されることにより、現在のトラフィック需要を満たすのに必要な稼働基地局を最小数またはできるだけ少数に維持することを特徴とする。
また、上記の目的は、請求項３６に記載のネットワークによって達成される。この請求項に記載の通り、本ネットワークは、所定の基地局区画における稼働基地局および停止基地局の関連づけを協調的に配置することにより、現在のトラフィック需要を満たすのに必要な稼働基地局を最小数またはできるだけ少数に維持することを特徴とする。
本発明によって認識されたこととして、所定の基地局区画において関連づけられている稼働基地局および停止基地局を協調的に配置することにより、ネットワークの特に経済的な処理および動作が可能となる。作成される基地局区画においては、現在のトラフィック需要を満たすのに必要な稼働基地局を最小数またはできるだけ少数に維持することができる。現在のトラフィック需要を満たすのに必要でない、区画内の残りのすべての基地局は、停止することができる。このような方法は、都市環境において特に有用である。都市環境では、容量および干渉の制約が基地局カバレジを、その可能な最大値よりも大幅に低いレベルに制限するからである。したがって、本発明の方法およびネットワークは、高度にエネルギーを節減しながらネットワークの特に経済的な動作を実現する。
本発明は、基地局区画を作成して稼働基地局と停止基地局との間の関連づけを配置することにより、セルラシステムの現在の省エネルギー方法を改善する。基地局区画は、エネルギーサブセットまたはエネルギー区画と呼ぶこともできる。基地局区画において、少なくとも１つの基地局が稼働して、停止される残りの基地局の代わりにカバレジ補償を行うことが可能である。
好ましくは、関連づけは、トラフィック負荷および／または無線および／またはネットワークリソースおよび／または基地局ハードウェア負荷の制限を考慮した少なくとも１つの負荷パラメータに基づいてもよい。これにより、区画間で負荷の適切な分配が実現可能である。
別法として、またはこれに加えて、関連づけは、各基地局の物理位置に関連する地理情報に基づいてもよい。
別法として、またはこれに加えて、関連づけは、少なくとも１つのホストの速さ、方向、滞在時間を含むモビリティ特性および／または履歴モビリティパターンに基づいてもよい。
さらに別法として、またはこれに加えて、関連づけは、ツリートポロジー上に構成される無線ブリッジのように、物理リンクのトポロジーに関するネットワーク内の基地局の重要性に基づいてもよい。
すべての場合に、関連づけは、非常に高い、または最大限の省エネルギーを達成するために配置可能である。好ましい実施形態において、本発明の目標は、クラスタ間モビリティを低く保ちながら地理的位置制約に基づいて最小数のエネルギー区画間でネットワーク負荷を分散させるとともに、最大量のエネルギーを節減しながらトラフィック需要をネットワーク容量と一致させることである。このようなエネルギー区画が作成された後、負荷条件が変化したり、隣接区画間のモビリティが急激に増大したりする可能性がある。適切な基地局を起動して、追加的な負荷を処理したり、より円滑かつ効率的なモビリティを実現したりする代わりに、すなわち、ＬＴＥ（Long Term Evolution）の場合であればＸ２インタフェースを再設定する代わりに、本発明は、このような負荷およびモビリティの変化に対処するために、別の基地局を稼働させて現在の基地局を停止することにより、実行可能な再配置が存在するかどうかを検査する。
好ましくは、基地局区画の再配置は、ホストの負荷パラメータおよび／またはモビリティ特性の変動または変化に応じて実行されてもよい。
エネルギー区画を再配置する目的は、リソース需要をネットワークの容量とより良く一致させることによってエネルギーを節減することである。このような区画の再配置は、稼働基地局と停止基地局との間の関連づけを変更することによって実行してもよい。稼働基地局および停止基地局の個数は、このような変更後、一定に保持されてもよい。ただし、このような関連づけの変更後、少なくとも１つの基地局が別の区画内に配置される。
非常に簡単な実現において、再配置は、少なくとも１つの現在アクティブな基地局を停止することによって実行してもよい。この状況は、他の稼働基地局が停止基地局のトラフィック負荷および機能を追加的にカバーすることができる場合に生じ得る。
また、好ましくは、別の現在アクティブな基地局が停止されている可能性があり、稼働基地局の個数を一定に保持することができる場合には、再配置は、少なくとも１つの選択された非アクティブ基地局を稼働させることによって実行してもよい。
好ましい実施形態において、稼働基地局は、オフにされている少なくとも１つの残りの基地局の代わりにカバレジ補償を提供してもよい。
さらに好ましい実施形態において、少なくとも１つの稼働基地局のカバレジを拡大して、他の稼働基地局を停止することができるようにしてもよい。この場合、カバレジを拡大した稼働基地局が、停止基地局の機能を補償することが可能である。
稼働基地局のより良いパフォーマンスあるいは変化もしくは拡大したカバレジを実現するため、少なくとも１つの基地局のアンテナ傾斜および／またはパイロットチャネル電力を再設定する一方で、少なくとも１つの他の基地局を停止してもよい。したがって、省エネルギーのために稼働基地局数を低減することが可能である。
別の好ましい実施形態において、再配置は、既存の区画を合併することによって実行してもよい。このような合併プロセスにおいて、稼働基地局数を低減するために、現在稼働中の基地局を停止してもよい。このような区画の合併は、例えば少なくとも１つの区画が過小負荷である場合に実行してもよい。
好ましくは、再配置は、ある基地局から、高負荷または最高負荷の基地局へのネットワーク負荷の移転を含んでもよい。したがって、現在のトラフィック需要を満たすためにもはや不要な場合には、より低負荷の基地局を停止してもよい。また、このような再配置は、ある基地局から他の基地局への、特にホットスポットエリア内での、ネットワーク負荷の一部のみの移転を含んでもよい。これにより、稼働基地局数を一定に保ち、変更した分布においてネットワーク負荷のみを分散させた再配置が可能である。
上記の再配置または合併プロセスは、すべての隣接区画が同様に過負荷であるとき、または、地理的制限があるときには、実行可能でない可能性がある。したがって、実行可能な再配置が存在しない場合、稼働させるべき基地局の選択手続きを実行してもよい。このような場合、過負荷を解消するには、過負荷区画のカバレジエリア内の基地局をもう１つ起動する必要がある。
このような基地局の選択は、既存のエネルギー区画または区画および稼働基地局または基地局に関連する負荷をよりフレキシブルに処理することができる基地局を識別するために、地理情報に基づいてもよい。
好ましくは、稼働させるべき基地局の選択手続きは、１つの区画内の基地局間の相対距離の計算を含んでもよい。このような計算は、事前に割り当てられた座標またはＧＰＳ（全地球測位システム）情報に基づいてもよい。好ましくはこのような計算の完了後、稼働させるべき基地局の選択手続きは、当該区画全体のカバレジを提供する可能性のある少なくとも１つの停止基地局の判定、または、稼働させた場合に区画内で最大カバレジを提供可能な少なくとも１つの停止基地局の判定を含んでもよい。
好ましい実施形態において、所定数の稼働基地局または各稼働基地局が、その区画内のトラフィック負荷および／またはモビリティを監視する。問題がある場合、当該基地局は、その隣接区画からトラフィック負荷および／またはモビリティの情報を収集し処理してもよい。少なくとも１つの過負荷でない隣接区画がある場合、再配置方法を適用してもよい。そうでない場合、好ましくは既存の起動している基地局との負荷分散自由度に基づいて、別の手続きが、過負荷区画内で起動すべき基地局を識別および／または選択することを試みる。
初期区画作成プロセスとは異なり、負荷およびモビリティの情報は、今度はエネルギー区画測定値に基づく。これは、問題を識別するには十分であるが、再配置を実行するには不十分である。過負荷区画には、自己のエリアまたは可能なホットスポットの位置における負荷の分布に関する情報がないので、このような追加的負荷を残りの休止基地局と関連づけることは困難である。このような情報の欠如を克服するため、以下のさまざまなアプローチを使用してもよい。
第１の選択肢として、トラフィック負荷および／またはモビリティの分布は、情報を与えるためにのみ短時間、選択された基地局を起動することによって測定されてもよいし、外部ネットワークあるいはセンサネットワークによって測定されてもよい。
第２の選択肢として、トラフィック負荷および／またはモビリティは、隣接基地局からの時間前進情報およびユーザ機器測定値に基づいて推定されてもよい。
第３の好ましい選択肢として、区画の再配置は、利用可能なトラフィック負荷および／またはモビリティの情報に基づいて推定してもよく、また、負荷および／またはモビリティへのその影響は、不満足な解の場合にさらに反復して再調整するために測定されてもよい。
再配置手続き中に、１つの区画の稼働基地局の機能が、低負荷または最低負荷の隣接区画の基地局に、およびその逆に、移転されてもよい。
さらに好ましい実施形態において、過負荷区画がより低負荷の複数の隣接する区画に分割されてもよく、新規区画が地理情報にのみ基づいて作成されてもよい。
再配置機能のアーキテクチャを考慮すると、負荷関連測定が常に基地局によって実行されると仮定して、さまざまなオプションが利用可能である。
好ましくは、集中管理システムが再配置を協調させてもよい。このような集中管理システムは、可能な限り最良の再配置および可能な限り最良の省エネルギー効果を提供可能である。
具体的実施形態において、管理システムは、定期的に、または、過負荷区画が再配置プロセスを要求したときにオンデマンドで、基地局から負荷測定値を収集してもよい。
負荷および／またはモビリティの情報が基地局により提供されるため、本発明は、基地局が再配置のための決定を集団的に行う方法を提供可能である。
第２のアーキテクチャオプションを提供可能な方法として、過負荷基地局が隣接基地局と負荷情報を交換することにより、各ステップ後に負荷情報を交換し続けることによって繰り返し再配置を実行してもよい。
過負荷基地局が隣接基地局と負荷情報を交換する方法は、分散型方法と呼ぶことができる。特にこのような分散型方法において、再配置における同期問題を回避する協調メカニズムを提供するのが好ましい。
個々の状況に応じて、基地局の停止は、さまざまなレベルで段階的に実行してもよい。すなわち、基地局の停止は必ずしも基地局を完全にオフにすることではない。
一般的に、トラフィック需要またはトラフィック負荷は、ネットワークの確実な省エネルギー動作を保証するために区画間で均衡化してもよい。好ましくは、均衡化は、ホストの区画間モビリティを低く保ちながら、地理的位置制約に基づいて実行してもよい。
基地局間の干渉を回避するために、再配置は、干渉効果を回避または少なくとも低減するための基地局間の無線リソース管理と組み合わされてもよい。
オフピーク時にオン・オフすべき適切な基地局を集団的に協調した形で識別する方法の重要性およびその従来の欠如を認識したことが、本発明の動機である。このような方法は、初期最適省エネルギー配置を作成することを目標とするとともに、オン・オフされる基地局間の関連づけを再配置することによってこのような省エネルギーを保持する手段を提供するか、あるいは、再配置プロセスが失敗した場合に起動すべき最適な基地局を決定することも目標とする。これに加えて関心のある状況として、キャンパス、企業ネットワークにおける無線カバレジの配備や、大規模屋内配備一般が挙げられる。この場合、基地局は通常、大部分は相互に重畳している。
本発明は、オン基地局とオフ基地局のサブセットを、好ましくは負荷、モビリティおよび地理情報に基づいて導入することによって、従来の省エネルギー提案を拡張する。好ましい実施形態において、このようなサブセットは、オンのまま保持される基地局のカバレジを拡大することによって大多数の基地局を停止することを目標として、ネットワークを区画する。好ましくは、提案する発明は、起動している基地局の位置を識別し、エネルギー区画を作成し、負荷またはモビリティの変化の場合に再配置を実行する方法を規定することにより、最小のエネルギー消費の維持を保証する。実行可能な再配置解がない場合、本発明は、問題のあるサブセット内で稼働させるべき基地局を識別する好ましい方法を規定する。
本発明の好ましい実施形態の重要な側面は以下の通りである。
・稼働基地局と停止基地局との間の関連づけを維持する協調的省エネルギー方法としてネットワーク区画を導入する。
・無線、ネットワークおよびハードウェア負荷、モビリティ、基地局の位置重要性ならびに地理情報に基づいて省エネルギーを実行する。
・負荷またはモビリティ条件が変化したときにエネルギー区画再配置を実行することによって省エネルギーを維持する方法を提供する。
・実行可能な区画再配置がない場合に基地局を選択する方法を規定する。
本発明を好ましい態様で実施するにはいくつもの可能性がある。このためには、一方で請求項１に従属する諸請求項を参照しつつ、他方で図面により例示された本発明の好ましい実施形態についての以下の説明を参照されたい。図面を用いて本発明の好ましい実施形態を説明する際には、本発明の教示による好ましい実施形態一般およびその変形例について説明する。
ピークトラフィック構成から始まりオフピークトラフィック構成に至る稼働基地局および停止基地局の関連づけの配置を例示する模式図である。 再配置プロセスの一例を示す模式図であり、左側に初期配置を示す。 本発明による省エネルギー方法の好ましい実施例の概略を示すブロック図である。 エネルギー区画が再配置され、アクティブ基地局の機能の一部が別の位置の異なる基地局に移転される再配置の別の一例を示す図である。
図１は、すべての基地局が稼働しているピークトラフィック構成が、それぞれ１つの基地局が稼働し他の基地局は停止している３つの区画を有するオフピークトラフィック構成に変更されている実施形態を示している。各稼働基地局は、以前の稼働基地局の領域をカバーしている。したがって、オフピークトラフィック構成は、以前のピークトラフィック構成に比べてエネルギーを節減することができる。残りの稼働基地局は、アンテナ傾斜およびパイロットチャネル電力が再設定される。
初期最適省エネルギー配置を作成した後に、トラフィックおよび／またはモビリティは変化する可能性があるため、省エネルギー効果を保持するために再配置が必要である。
図２は、再配置プロセスの一例を示しており、左側に初期配置を示す。エネルギー区画Ａは、負荷変動により輻輳を受けており、右側に示すように、再配置で負荷分散し、動作基地局数を一定に保持する。各区画には、負荷のインジケータをしきい値ｔｈとともに示している。このインジケータによれば、左側のエネルギー区画Ａは過負荷である。
再配置または合併プロセスは、すべての隣接区画が同様に過負荷であるとき、または、地理的制限があるときには、実行可能でない可能性がある。この場合、過負荷を解消するには、過負荷区画のカバレジエリア内の基地局をもう１つ起動する必要がある。このような基地局の選択は、既存のエネルギー区画（オン基地局）に関連する負荷をよりフレキシブルに処理することができる基地局を識別するために、地理情報に基づくとよい。問題のある区画内で稼働させるべき基地局を選択するための好ましいアルゴリズムの提案を以下に例示する。
稼働させるべき基地局を選択するアルゴリズム
１．区画ＢＳ（Base Station, 基地局）間の相対距離を計算
２．ｉｆ ＢＳが区画エリアをカバーする可能性がある
３．好ましくは最小距離内で、隣接カバレジまたは負荷上昇可能性が最大のＢＳを選択
４．ｅｌｓｅ
５．最大カバレジを提供するＢＳを選択
６．ｅｎｄ
７．選択したＢＳを稼働
８．インタフェースおよびｌｉｓｔ（ｎ）を更新
９．地理情報に基づいて区画を２つの領域に分割
１０．ＵＥ（ユーザ機器）をその地理的領域に関連づけられた新しいＢＳにハンドオーバー
１１．ＰＬｏａｄおよびＰＲｍ（Ｒｍ＝モビリティレート（Rate of Mobility））が最適になるまで繰り返し新しい区画の境界を調整
最初に、アルゴリズムは、事前に割り当てられた座標またはＧＰＳ情報に基づいて、区画内の基地局の相対距離を計算する。このような計算が完了すると、アルゴリズムは、稼働させた場合に当該区画全体にカバレジを提供する可能性のある停止基地局のセットを求める。そのセットが空である場合、アルゴリズムは、最大カバレジを提供する基地局のセットを求める。いずれの場合でも、稼働基地局からの最小距離を制約として用いて決定を行う。稼働基地局が選択された後、インタフェースおよび隣接ｌｉｓｔ（ｎ）ならびに必要なハンドオーバーの更新を含む重要な更新を行う。その結果、地理情報に基づいて、最初の区画が２つの領域あるいは区画に分割される。
提案する省エネルギー方法の好ましい実施例の概略を図３に示す。それぞれの起動あるいは稼働基地局が、そのエネルギー区画の負荷およびモビリティを監視し、問題がある場合、隣接する区画から関連する情報を収集し処理する。少なくとも１つの過負荷でない隣接区画がある場合、再配置方法を適用する。そうでない場合、既存の起動している基地局との負荷分散自由度に基づいて、別のアルゴリズムが、過負荷区画内で起動すべき基地局を識別することを試みる。
区画を合併する場合を次のように追加してもよい。
「「過小負荷」の場合、合併すべき区画を選択し（合併後の区画が負荷しきい値を超えるかどうかのテストを含む）、合併を行う」
初期区画作成プロセスとは異なり、負荷およびモビリティの情報は、今度はエネルギー区画測定値に基づく。これは、問題を識別するには十分であるが、再配置を実行するには不十分である。過負荷区画には、自己のエリアまたは可能なホットスポットの位置における負荷の分布に関する情報がないので、このような追加的負荷を残りの休止基地局と関連づけることは困難である。このような情報の欠如を克服するため、以下のさまざまなアプローチを提案する。
・選択された基地局を、好ましくは情報を与えるためにのみ短時間、起動するか、または、センサネットワーク等の外部ネットワークを用いて、負荷およびモビリティの情報の分布を測定する。
・特許文献２に提案されているように、隣接基地局からの時間前進情報およびユーザ機器測定値に基づいて負荷およびモビリティを推定する。
・利用可能な情報に基づいて問題のある区画の再配置を推定し、不満足な解の場合には、それに応じて負荷およびモビリティへのその影響を測定し、さらに反復してそれを再調整する。
各アプローチは、負荷およびモビリティの情報に関して相異なる精度であり、これは、このような交換のオーバーヘッドおよび配備の複雑さにも関係している。負荷およびモビリティの測定精度が高いほど、再配置解の品質は良好である。反復改良グラフ分割アルゴリズム（非特許文献８参照）は、正確な、または推定された情報に基づいてエネルギー区画の初期作成および再配置を行うための良い候補であり、以下のことを考慮した複数の制約を効果的に扱うことができる。
１．グラフノードとしての基地局、および、２つのグラフノード間の入射リンクまたはリンクとしての隣接基地局間のハンドオーバー能力。
２．ノード重みとしての複数（好ましくは少なくとも３）の負荷制約。
３．２ノード間のリンクの重みとしてのモビリティレート。
４．各基地局の位置決定に関する地理情報。
負荷またはモビリティに関する詳細な情報がない場合、以下の目標に関して推定を行う。
・関連する基地局（２つ以上の基地局）のセットを交換し、問題のあるエネルギー区画の稼働基地局の機能を最低負荷の隣接区画に、およびその逆に、反復的に移動する。
・過負荷エネルギー区画をより低負荷の複数の隣接する区画に分割し、地理情報にのみ基づいて新規のランダムなエネルギー区画を作成する。
図４は、エネルギー区画が再配置され、アクティブ基地局の機能が別の位置の異なる基地局に移転される例を示している。具体的には、エネルギー区画Ａが現在の配置によって過負荷であり、これは図示のホットスポットの存在によって影響されている。区画を異なる形に再配置すれば、ホットスポット負荷を隣接区画ＡおよびＤの間で共有する機会が生じ、その結果、ネットワークリソース消費をより良好に利用し別の基地局をオンにすることを回避することによって、エネルギーを節減する。
再配置機能のアーキテクチャを考慮すると、負荷関連測定が常に基地局によって実行されると仮定して、以下のオプションが利用可能である。
・集中型：ＯＡＭ（Operations, Administration and Maintenance, 運用・管理・保守）システムが、定期的に、または、過負荷区画が再配置プロセスを要求したときにオンデマンドで、基地局から負荷測定値を収集する。
・分散型：過負荷基地局が隣接基地局と負荷情報を交換することにより、各ステップ後に負荷情報を交換し続けることによってエネルギー区画再配置を繰り返し実行する。
なお、両方の再配置アプローチにおいて、所望の実行速度およびオーバーヘッドに応じて、反復は順次的または並列的のいずれで実行してもよい。
また、注意すべき点であるが、本発明の意味で基地局を停止することは、さまざまな省エネルギーレベルで段階的に実行してもよい。基地局の無線部分またはプロセッサのみを停止することは望ましいオプションであるが、基地局設置サイトの冷却を低減したり、電源を完全にオフにすることが最終的目標である。エネルギー低減のレベルは通常、基地局が停止すると期待される期間および電源状態間の変更にかかるエネルギーおよび時間に関するコストに依存する。確かに、エネルギー消費の低減は、使用されるアルゴリズムや、再配置プロセスに利用可能な情報の精度にも依存する。最後に、提案する方式は、セクタセル配置およびアンテナの向きを考慮する。
正確な、または推定された情報に基づいて初期区画の作成および／または区画の再配置を行うための好ましい集中型および分散型の省エネルギーアルゴリズムを以下で例示する。分散型を考えると、隣接する基地局の省エネルギー決定間の衝突を回避する協調メカニズムが、同期の問題を回避するために重要である。このメカニズムに基づいて、指定しきい値を下回る負荷およびカバレジ範囲内の隣接リストを有する各基地局ＢＳは、地理情報に基づいて決まる最大モビリティレートＲ（ｍ）を有する最小負荷の隣接基地局を求める。２つの基地局をまとめた負荷がしきい値Ｌｔｈを下回る場合、アルゴリズムは続いて、稼働および停止させるべき基地局を決定する。そうでない場合、当該特定の基地局についてプロセスは終了し、別の基地局に進む。稼働させるべき基地局ＢＳ（ｐｏｎ）を決定する際に、アルゴリズムは、以下の場合のような、最大数の隣接基地局をカバーする可能性のある基地局を選択する。
ＢＳ（ｐｏｎ）＝最小距離内の最大ｌｉｓｔ（ｎ）
ＢＳ（ｐｏｎ）＝負荷の和が最小の最大ｌｉｓｔ（ｎ）
ただし、ｌｉｓｔ（ｎ）は隣接リストである。稼働基地局が識別された後、モバイルホストあるいはユーザ機器（ＵＥ）を稼働基地局へハンドオーバーする前に、インタフェースおよび隣接リストならびに稼働基地局の新しいＬｏａｄ（負荷）およびモビリティレートの更新を含む更新プロセスを行う。稼働基地局は、負荷・モビリティまたは地理的制約のいずれによる改善の余地ももはやなくなるまで続行されるプロセスにおいて、さらに考慮される。
負荷に基づく分散型省エネルギーアルゴリズム
１．ｗｈｉｌｅ Ｌｏａｄ＜Ｌｔｈ ａｎｄ ＢＳ（ｇｅｏ ｌｏｃ）＜Ｄｉｓｔｔｈ
２．ｍａｘ Ｒ（ｍ）またはＲ（ｍ）＞ｍｔｈの最小Ｌｏａｄの隣接基地局を見つける
３．地理情報に基づいて決定
４．ｉｆ Ｌｏａｄの和＜Ｌｔｈ
５．ＢＳ（ｐｏｎ）＝最大数の隣接ＢＳをカバーする可能性のあるＢＳ
６．ＵＥを稼働ＢＳにハンドオーバー
７．インタフェースおよびｌｉｓｔ（ｎ）を更新
８．Ｌｏａｄをｌｉｓｔ（ｎ）に対して更新
９．ｅｎｄ
１０．ｅｎｄ
最大隣接リストに基づく集中型省エネルギーアルゴリズム
１．Ｌｏａｄに基づいて決まる最大ｌｉｓｔ（ｎ）の隣接ＢＳを選択
２．ｗｈｉｌｅ Ｌｏａｄ＜Ｌｔｈ ａｎｄ ＢＳ（ｇｅｏ ｌｏｃ）＜Ｄｉｓｔｔｈ
３．ｍａｘ Ｒ（ｍ）またはＲ（ｍ）＞ｍｔｈの最小Ｌｏａｄの隣接基地局を見つける
４．地理情報に基づいて決定
５．ｉｆ Ｌｏａｄの和＜Ｌｔｈ
６．停止ＢＳおよび稼働ＢＳとの関連づけを追跡
７．ｅｌｓｅ
８．ｂｒｅａｋ
９．ｅｎｄ
１０．Ｌｏａｄ＝Ｌｏａｄの和
１１．ｅｎｄ
１２．ＵＥを稼働ＢＳにハンドオーバー
１３．インタフェースおよびｌｉｓｔ（ｎ）を更新
１４．Ｌｏａｄをｌｉｓｔ（ｎ）に対して更新
集中型に関して、提案するアルゴリズムは、負荷制約に基づいて決まるｌｉｓｔ（ｎ）として示される最大隣接リストを有する基地局を選択する。このような基地局が選択された後、アルゴリズムは、負荷およびその隣接基地局からの距離をチェックする。選択された基地局が過負荷でなく、その隣接リストがそのカバレジ範囲内の基地局を含む場合、指定しきい値を超える最小の負荷および／またはモビリティレートを有する隣接基地局を識別する。地理情報に基づいて再び決定が行われる。選択された基地局の負荷の和が指定しきい値を下回る場合、アルゴリズムは、適切な負荷パラメータを更新し、負荷の和がこのようなしきい値を超過するまで、または、モビリティレートおよび／または地理的制限により改善がもはやなくなるまで、続行される。プロセスが完了すると、アルゴリズムは、適切な基地局に対して、重要な更新およびＵＥハンドオーバーを実行するように命令する。
なお、集中型は、最小負荷基地局選択プロセスにおけるわずかな変更を必要とするだけで、前述の分散型アルゴリズムを実行することも可能である。特に、集中型アルゴリズムは、同様にして時間オフセットおよび進行を使用する代わりに、最小負荷基地局を選択する。
再配置プロセスは、区画負荷ＰＬｏａｄが負荷しきい値Ｌｔｈよりも大きいとき、または、隣接区画間のモビリティレートＰＲｍが所定のモビリティレート値ｍｔｈよりも大きいときにトリガされる。いずれの場合でも、問題のある区画は、最小負荷または最大モビリティレートの隣接区画を見つける。次に、その隣接リストから、または、ターゲット隣接区画により近いＧＰＳ情報を用いて、基地局を選択する。次に、稼働基地局の新規位置が区画全体を地理的にカバーするかどうかをチェックする。新規稼働基地局の位置が区画全体をカバーしていない場合、アルゴリズムは、隣接基地局に対して、電力／傾斜範囲をカバレジホールに向かって拡大するように要求する。失敗の場合、最も近い区画が、カバレジホールにより近い基地局を稼働させることによって再配置プロセスを実行する。
カバレジホールの問題が解決された後、選択された基地局を稼働させてから、ＵＥのハンドオーバーを行う前に、重要なインタフェースおよび隣接リスト更新を行う。新規稼働基地局は、新しい位置および区画配置に関連する新しい負荷およびモビリティレートを監視する。新規配置が満足である場合、アルゴリズムは終了する。そうでない場合、解が得られるか、改善の余地がもはやなくなるまで続行する。
省エネルギー反復再配置アルゴリズム
１．ｗｈｉｌｅ ＰＬｏａｄ＞Ｌｔｈ ｏｒ ＰＲｍ＞ｍｔｈ
２．最小ＰＬｏａｄまたは最大ＰＲｍの隣接基地局を見つける
３．ターゲット区画への距離が最小の隣接ＢＳを選択
４．ｉｆ 新規ＢＳ（ｐｏｎ）が区画エリアをカバーできない
５．カバレジを拡張するよう隣接区画に要求
６．ｉｆ 拡張されたカバレジがホールを生成する
７．再配置を実行するようより近い距離の隣接区画ＢＳに要求
８．ｅｎｄ
９．ｅｎｄ
１０．選択されたＢＳを稼働
１１．ＵＥをハンドオーバー
１２．インタフェースおよびｌｉｓｔ（ｎ）を更新
１３．新しい負荷およびモビリティの情報を監視
１４．ｅｎｄ
別法として、第２の再配置アルゴリズムは、問題のある区画を少なくとも２つのサブ区画に分割してから、これらに基づいて、区画を再編成しようと試みる。このような再編成プロセスのために反復アプローチを採用してもよい。
本発明の好ましい実施形態の重要な側面は以下の通りである。
１．負荷パラメータ、モビリティおよび／または地理情報に基づいて基地局またはコンポーネントをオン・オフすることにより、事業者のカバレジおよびパフォーマンス目標を維持しながら、アクセスネットワークの省エネルギーを最適化するために、モバイルネットワーク基地局のセットを区画に配置し、各区画から少なくとも１つの基地局を選択する方法。
２．利用可能な負荷、モビリティ情報および／または地理情報に応じて、負荷およびモビリティが変化した場合に区画を再配置する方法。
３．正確な情報、推定情報、および情報なしの場合を含む、負荷、モビリティおよび／または地理情報の種類・精度に応じた３つの相異なる再配置アプローチ。
４．セルラシステムにおける省エネルギー管理を分散的に実行する方法。
５．サブセットの実行可能な再配置がない場合に基地局を起動する方法。
６．リソースが過剰な場合に区画の合併または基地局の停止を行う方法。
７．トラフィック需要をネットワーク容量と一致させる手段としてエネルギー区画を導入し、それにより、オン・オフされる基地局を決定することによって省エネルギーを最大にすること。
８．本発明は、セルラシステムで、より効率的なエネルギー管理を行うプロセスにおいて、無線ネットワークおよびハードウェアの負荷、モビリティ、ならびに基地局および地理情報のネットワーク位置重要性に取り組んだ唯一のものである。
９．エネルギー区画を再配置しネットワークの容量をより効率的に利用することによって、負荷およびモビリティ条件が変化したときに省エネルギーを維持する方法の提供。
１０．実行可能な再配置解がない場合に、過負荷エネルギー区画上で負荷分散を行うにあたって最もフレキシブルな基地局を選択する方法の規定。
従来技術と比較して、本発明は、ワイヤレス都市セルラネットワークにおける省エネルギーを向上させ、その結果、より環境適合的である一方で、ネットワーク事業者の運営コスト削減を向上させる方法を提供する。
上記の説明および添付図面の記載に基づいて、当業者は本発明の多くの変形例および他の実施形態に想到し得るであろう。したがって、本発明は、開示した具体的実施形態に限定されるものではなく、変形例および他の実施形態も、添付の特許請求の範囲内に含まれるものと解すべきである。本明細書では特定の用語を用いているが、それらは総称的・説明的意味でのみ用いられており、限定を目的としたものではない。

Claims (36)

  1. ワイヤレス無線ネットワーク、特に無線アクセスネットワークの動作方法において、ワイヤレス無線ネットワークは、コアネットワーク、複数の基地局、および少なくとも１つの基地局を通じてワイヤレス通信を行う少なくとも１つのモバイルホストを有し、
    所定の基地局区画における稼働基地局および停止基地局の関連づけが協調的に配置されることにより、現在のトラフィック需要を満たすのに必要な稼働基地局を最小数またはできるだけ少数に維持することを特徴とする、ワイヤレス無線ネットワークの動作方法。
  2. 関連づけが、トラフィック負荷および／または無線および／またはネットワークリソースおよび／または基地局ハードウェア負荷の制限を考慮した少なくとも１つの負荷パラメータに基づくことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 関連づけが、各基地局の物理位置に関連する地理情報に基づくことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
  4. 関連づけが、少なくとも１つのホストの速さ、方向、滞在時間を含むモビリティ特性および／または履歴モビリティパターンに基づくことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 関連づけが、ツリートポロジー上に構成される無線ブリッジのように、物理リンクのトポロジーに関するネットワーク内の基地局の重要性に基づくことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
  6. ホストの負荷パラメータおよび／またはモビリティ特性の変動または変化に応じて、基地局区画の再配置が実行されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 稼働基地局と停止基地局との間の関連づけが変更されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
  8. 再配置が、少なくとも１つの現在アクティブな基地局を停止することによって実行されることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
  9. 再配置が、少なくとも１つの選択された非アクティブ基地局を稼働させることによって実行されることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 稼働基地局が、オフにされている少なくとも１つの残りの基地局の代わりにカバレジ補償を提供することを特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 少なくとも１つの稼働基地局のカバレジが拡大されることを特徴とする請求項６ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. 少なくとも１つの基地局のアンテナ傾斜および／またはパイロットチャネル電力が再設定される一方で、少なくとも１つの他の基地局が停止されることを特徴とする請求項６ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
  13. 再配置が、既存の区画を合併することによって実行されることを特徴とする請求項６ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
  14. 区画の合併は、少なくとも１つの区画が過小負荷である場合に実行されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  15. 再配置が、ある基地局から、高負荷または最高負荷の基地局へのネットワーク負荷の移転を含むことを特徴とする請求項６ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
  16. 再配置が、ある基地局から他の基地局への、特にホットスポットエリア内での、ネットワーク負荷の一部の移転を含むことを特徴とする請求項６ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
  17. 実行可能な再配置が存在しない場合、稼働させるべき基地局の選択手続きが実行されることを特徴とする請求項６ないし１６のいずれか１項に記載の方法。
  18. 稼働させるべき基地局の選択手続きが、１つの区画内の基地局間の相対距離の計算を含むことを特徴とする請求項６ないし１７のいずれか１項に記載の方法。
  19. 稼働させるべき基地局の選択手続きが、該区画全体のカバレジを提供する可能性のある少なくとも１つの停止基地局の判定、または、区画内で最大カバレジを提供可能な少なくとも１つの停止基地局の判定を含むことを特徴とする請求項６ないし１８のいずれか１項に記載の方法。
  20. 所定数の稼働基地局または各稼働基地局が、その区画内のトラフィック負荷および／またはモビリティを監視することを特徴とする請求項１ないし１９のいずれか１項に記載の方法。
  21. 基地局が、その隣接区画からトラフィック負荷および／またはモビリティの情報を収集し処理することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
  22. トラフィック負荷および／またはモビリティの分布が、情報を与えるためにのみ短時間、選択された基地局を起動することによって測定されるか、または、外部ネットワークあるいはセンサネットワークによって測定されることを特徴とする請求項１ないし２１のいずれか１項に記載の方法。
  23. トラフィック負荷および／またはモビリティが、隣接基地局からの時間前進情報およびユーザ機器測定値に基づいて推定されることを特徴とする請求項１ないし２２のいずれか１項に記載の方法。
  24. 区画の再配置が、利用可能なトラフィック負荷および／またはモビリティの情報に基づいて推定されるか、または、負荷および／またはモビリティへのその影響が、不満足な解の場合にさらに反復して再調整するために測定されることを特徴とする請求項１ないし２３のいずれか１項に記載の方法。
  25. １つの区画の稼働基地局の機能が、低負荷または最低負荷の隣接区画の基地局に、およびその逆に、移転されることを特徴とする請求項１ないし２４のいずれか１項に記載の方法。
  26. 過負荷区画がより低負荷の複数の隣接する区画に分割され、新規のランダムな区画が地理情報にのみ基づいて作成されることを特徴とする請求項１ないし２５のいずれか１項に記載の方法。
  27. 集中管理システムが再配置を協調させることを特徴とする請求項６ないし２６のいずれか１項に記載の方法。
  28. 管理システムが、定期的に、または、過負荷区画が再配置プロセスを要求したときにオンデマンドで、基地局から負荷測定値を収集することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
  29. 基地局が再配置のための決定を集団的に行うことを特徴とする請求項６ないし２８のいずれか１項に記載の方法。
  30. 過負荷基地局が隣接基地局と負荷情報を交換することにより、各ステップ後に負荷情報を交換し続けることによって繰り返し再配置を実行することを特徴とする請求項６ないし２９のいずれか１項に記載の方法。
  31. 再配置における同期問題を回避する協調メカニズムが提供されることを特徴とする請求項６ないし３０のいずれか１項に記載の方法。
  32. 基地局の停止が、さまざまなレベルで段階的に実行されることを特徴とする請求項１ないし３１のいずれか１項に記載の方法。
  33. トラフィック需要またはトラフィック負荷が、区画間で均衡化されることを特徴とする請求項１ないし３２のいずれか１項に記載の方法。
  34. 均衡化が、ホストの区画間モビリティを低く保ちながら、地理的位置制約に基づいて実行されることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
  35. 再配置が、干渉効果を回避するための基地局間の無線リソース管理と組み合わされることを特徴とする請求項６ないし３４のいずれか１項に記載の方法。
  36. ネットワーク、特に無線アクセスネットワーク、好ましくは請求項１ないし３５のいずれか１項に記載のワイヤレス無線ネットワークの動作方法を実行するネットワークにおいて、ワイヤレス無線ネットワークは、コアネットワーク、複数の基地局、および少なくとも１つの基地局を通じてワイヤレス通信を行う少なくとも１つのモバイルホストを有し、
    所定の基地局区画における稼働基地局および停止基地局の関連づけを協調的に配置することにより、現在のトラフィック需要を満たすのに必要な稼働基地局を最小数またはできるだけ少数に維持することを特徴とするネットワーク。
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