JP2013520896A - 衛星通信資源の最適化割り当て方法および関連通信システム - Google Patents

Abstract

本発明は、衛星通信資源の時間割り当て方法および関連通信システムに関する。方法は、（ｉ）端末機によって、システムへのメッセージの入力の時刻とそのメッセージの時間要件とを示す要求を送信するステップ（２０２）と、（ｉｉ）システムへのメッセージの入力の時刻とそのメッセージの時間要件とを考慮してメッセージスケジューリング計算によって要求の処理を行うことによって、メッセージに通信資源を割り当てるステップ（２０４）とを含む。

Description

本発明は、航空通信、より詳細には、航空交通管理に関する。

図１は、航空機１１．１、１１．２、１１．３、１１．４と地上装置１２との間で通信する航空通信システムを示す。システムでは、航空機１１．１、１１．２、１１．３、１１．４から地上装置１２にメッセージを送信できる、戻りチャネル資源と呼ばれる衛星通信資源を使用している。各航空機１１．１、１１．２、１１．３、１１．４は、埋め込みアプリケーションと、地上装置と通信する端末機とを含む。航空機が送信するメッセージは、サービスに対応付けられる。引用できるサービスの中で、例えば、パイロットおよび航空交通管制官がリアルタイムで航空機の軌道を連係させることができる、ＣＯＴＲＡＣ（共通軌道連係）サービスがある。ある特定のサイズを有するサービスのメッセージは、優先順位および通信ネットワーク終端間遅延要件に対応付けられる。

航空機および地上装置が形成するネットワークは、航空機（航空機の数は数千機を超える場合もある）間の衛星通信資源の共用を担当しているネットワーク管制センター（ＮＣＣ）１３によって管理される。

地上装置は、航空業務プロバイダ（ＡＮＳＰ）１７．２を介して航空交通管理ネットワークに接続される、航空交通管制装置１７．１および航空業務管制（ＡＯＣ）センター１６．１を連結する地上ネットワーク１５にメッセージを送信する。

航空交通管理用の航空通信に使用される交通プロファイルは、非常に特殊な特性を有する。第１の特性は、航空機が送信するメッセージは非常に散発的であることである。航空機によるメッセージの送信の周波数は、実際、非常に低い。第２の特性は、サービスのメッセージに対して守られるべき非常に厳しい時間的制約があることである。例えば、ネットワークにおける終端間ルーティング遅延を、メッセージの９５％で守る必要がある。

先行技術による管制センターは、これらの時間的制約を考慮しない。これは、ほとんど航空機に作用しないかなり低い交通負荷でも、一時的な交通ピークが生じる得るからである。従って、特に最長メッセージに対して時間的制約を守ることができない場合がある。

サービスの制約を考慮して遠隔通信状況で資源への多重アクセスを可能にする集中割り当て方法が知られている。これらの方法は、ほぼ持続的な交通流の仮定を当てにしており、航空通信の状況に大部分適用できない。航空交通管理用の通信に適用できる方法を使用することによって、資源の受入能力をはるかに下回る平均通信ビット速度でも、一部のサービスはそれらの時間要件を守ることができないことが分かる。

資源への多重アクセスを可能にし、事前予約または資源の集中管理を必要としない、いわゆるランダム割り当て方法も知られている。この種のアクセスの利点は、異なる端末機が送信したメッセージ断片間に衝突がない場合、資源への即時アクセスを容易に実施することができることである。さもなければ、これらの断片の再送信が必要である。従って、この種のアクセスは、特に断片のうちの１つの衝突の確率が高い長いメッセージに対して、厳しい時間要件を保証できないということが分かる。

本発明は、時間的制約の外で送出されるメッセージ数を減らすことができる衛星通信資源の時間割り当て方法および関連通信システムを提案することによって、上述の問題を緩和することを目的とする。

同様の特性を有し、厳しい時間的制約を伴う重大な性質の通信を含む他の分野に、本発明を適用することもできる。

このため、本発明の主題は、第１の装置から第２の装置にメッセージを送信でき、各第１の装置は、埋め込みアプリケーションと、地上装置と通信する端末機とを含み、メッセージを遅延要件とサイズとに対応付ける、通信資源の最適化割り当て方法であって、
−端末機によって、埋め込みアプリケーションから発信するメッセージを受信するステップであって、各メッセージに対して、端末機によるメッセージの受信時刻を示す時刻基準を記憶するステップと、
−端末機によって、少なくとも１つのメッセージの受入要求を送信するステップであって、要求は、メッセージのサイズと、メッセージに対応付けられた遅延要件（要求において暗黙的または明示的である情報）と、メッセージの時刻基準とを示すステップと、
−通信資源の管制センターによって、受入要求を受信するステップと、
−メッセージの時刻基準および遅延要件を考慮してメッセージスケジューリング計算を行うことによって、第１の装置の端末機に通信資源を割り当てるステップと、
−計算されたスケジューリングに基づいて決定された割り当て計画を第１の装置の端末機に同報通信するステップと、
を含むことを特徴とする。

本発明では、システムへのメッセージの入力の時刻と、そのメッセージの時間要件を示す、メッセージに対応付けられたサービスの種類とを受入要求に含むことによって、各メッセージの特性をさらに考慮することができる。

本発明では、資源の適切な割り当てを行うことによって、時間的制約の外で送出されるメッセージ数を減らすことができ、従って、航空交通管理サービスに連結される時間要件を守ることができる。

また、本発明は、通信資源の割り当てを最適化することによって、この資源の容量を増加して時間要件の順守を向上させる必要がないという利点を有する。

全く予期に反して、要求サイズの増加によって生成される交通量の増加は、ネットワークの飽和状態を引き起こさない。反対に、通信資源の割り当てに有用なこの情報の送信により、ネットワーク上の交通量を向上させてサービスの時間要件を守ることができる。

下記の図面を用いて非限定的な例として行われた詳細な説明を読むと、本発明は一層良く理解され、他の利点は明瞭になろう。

既述の先行技術による通信システムを示す。 本発明による通信資源の時間割り当て方法のフロー図を示す。 フレームおよびタイムスロットへの時間的細分の例を示す。 本発明による通信システムを示す。 第１および第２の割り当て方法の適用によるシミュレーションの結果をそれぞれ示す。

本発明は、時間的制約に関して、第１の装置から第２の装置にメッセージを送信できる、通信資源の最適化割り当て方法に関する。各第１の装置は、埋め込みアプリケーションと、第２の装置と通信する端末機とを含み、メッセージを、優先順位、遅延要件およびサイズに対応付ける。端末機は、通信資源を介して第１の装置と第２の装置との間の通信をセットアップできる手段である。遅延という用語は、通信ネットワークにおける終端間遅延を意味するのに使用される。

以下、明細書では、通信資源は衛星通信資源であり、第１の装置は航空機であり、第２の装置は地上装置であるという非限定的な適用例に基づいて、本発明を例示する。

図２は、本発明による通信資源の時間割り当て方法のフロー図を示す。本発明による方法は、下記のステップを含む。

端末機によって、埋め込みアプリケーションから発信するメッセージを受信するステップ２０１であって、各メッセージに対して、端末機によるメッセージの受信時刻を示す時刻基準を記憶する。端末機は、メッセージを受信する少なくとも１つの待ち行列を含む。メッセージが待ち行列に到達するごとに、時刻基準を記録する。

端末機によって、少なくとも１つのメッセージの受入要求を送信するステップ２０２であって、要求は、メッセージのサイズと、メッセージに対応付けられた通信ネットワークにおける終端間遅延要件と、メッセージの時刻基準と、必要に応じてメッセージに対応付けられた優先順位とを示す。実際には、受入要求は、メッセージに対応付けられたサービスタイプの情報を含んでもよい。次に、サービスは、暗黙的にメッセージの優先順位および遅延要件を示す。衛星資源を使用してメッセージを送信する前に、受入要求を介してこの資源の予約をする必要がある。この受入要求は、メッセージの主要な特性を含む。要求は、航空機間の資源の共用を担当している管制センター１３用である。

通信資源の管制センター１３によって、受入要求を受信するステップ２０３である。

メッセージに対応付けられた時刻基準および遅延要件を考慮してメッセージスケジューリング計算を行うことによって、第１の装置の端末機に通信資源を割り当てるステップ２０４である。

計算されたメッセージスケジューリングに基づいて決定された割り当て計画を航空機の端末機に同報通信するステップ２０５である。

実際には、管制センター１３は、異なる航空機から発信する受入要求を連続的に受信する。管制センター１３は、一定の間隔で、異なるメッセージのスケジューリングを計算する。次に、このスケジューリングに基づいて割り当て計画を決定する。割り当て計画では、どの端末機が所与の時間帯に対して通信資源上で送信する権利を持っているかを規定する。新しい受入要求を考慮することによって、例えば１秒ごとに、スケジューリングおよび割り当て計画を再計算する。

第１の変形例の実施形態によれば、本発明による方法は、各メッセージに対して最遅受信時刻を計算するステップをも含む。メッセージの最遅受信時刻は、端末機によるそのメッセージの受信時刻とそのメッセージの遅延要件との和に等しい。端末機による受信時刻は、記憶された時刻基準を用いて決定される。スケジューリング計算では、最遅受信時刻の昇順にメッセージをスケジュールする。この第１の戦略は、受信期限が最も近いメッセージを最も早くスケジュールすることを目的とする。

第２の変形例の実施形態によれば、本発明による方法は、メッセージのサイズに基づいて端末機によってメッセージを送信する最小時刻を計算するステップをも含む。このメッセージ送信時刻を、スケジューリングに対して考慮し、例えば、予め計算されたようにメッセージの最遅受信時刻から引くこともできる。この場合、スケジューリング計算では、最遅受信時刻とメッセージ送信時刻との差の昇順にメッセージをスケジュールする。

本発明の変形例によれば、各メッセージを優先順位に対応付け、受入要求はメッセージ（明示的にまたは暗黙的に）に対応付けられた優先順位情報を示し、端末機に通信資源を割り当てるステップ２０４は、対応付けられたメッセージの優先順位の順に要求を処理するステップをも含み、同一優先順位のメッセージに対してスケジューリング計算を行う。この変形例は、同一優先順位を有するメッセージに対する時間要件を考慮しながら、時間要件とは無関係に最も優先順位の高いメッセージを優先するという利点を有する。

本発明の変形例によれば、いわゆるランダムモードに従って、即ち通信資源の事前予約無しで、受入要求を送信する。

この動作モードは、実施し易いという利点を有する。しかし、その動作モードには、数個の受入要求間の衝突の危険性がある。これらの要求は比較的低頻度であるので、衝突の危険性はかなり低い。その上、この動作モードは、要求の割り当てに関して集中管理手段を必要としない。

本発明の別の変形例によれば、受入要求を専用タイムスロットで送信し、各航空機は、受入要求の送信に専用の独自のタイムスロットを有する。

本発明の変形例によれば、時刻基準を絶対時刻の形で表現する。この変形例は、実施し易いという利点を有する。これは、航空機の全端末機が、計算された割り当て計画を守ることができる管制センターに既に同期されているからである。しかし、絶対的に表現された時刻は、送信されるためにかなりの量の通信資源を必要とすることがある。

本発明の別の変形例によれば、時刻基準を相対時刻の形で表現する。この変形例では、通信資源によってさらに経済的に時刻を送信することができる。

通信資源を航空機間で容易に共用できるために、前記資源を、番号によって識別されるフレームに時間で細分する。また、各フレームを、番号によって識別されるスロット（またはタイムスロット）に時間で細分する。図３は、フレームおよびスロットへの時間的細分の例を示す。図３は、４つのスロットＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を各々が含む３つのフレームＴ１、Ｔ２、Ｔ３を示す。

フレーム番号およびスロット番号の形で相対時刻を表現するのが有利である。管制センターおよび全航空機端末機は、同じフレームおよびスロット番号付けを共用する。従って、この時刻基準は、暗黙的に同期されるという利点を有する。

また、本発明は、航空機から地上装置にメッセージを送信できる衛星通信資源を用いて航空機と地上装置との間で通信する通信システムに関する。図４は、本発明による通信システムを示す。各航空機１１．１、１１．２は、埋め込みアプリケーションと、地上装置と通信する端末機４１．１、４１．２とを含む。メッセージは、優先順位、遅延要件およびサイズに対応付けられる。

航空機の端末機４１．１、４１．２は、受信メッセージに対応付けられた時刻基準を記憶する手段４２．１、４２．２を含む。

管制センター１３は、メッセージに対応付けられた優先順位、遅延要件および時刻基準に従って割り当て計画を計算する計算手段４３を含む。これらの計算手段４３は、優先順位の順に要求を処理する手段と、メッセージの時刻基準および遅延要件を考慮することによって同一優先順位を有するメッセージのスケジューリングを計算する手段とを含む。

上記方法と同様に、本発明によるシステムも、同様の特性を有し、厳しい時間的制約を伴う重大な性質の通信を含む他の分野に適用することができる。

図５ａおよび図５ｂは、第１および第２の割り当て方法の適用によるシミュレーションの結果をそれぞれ示す。ｘ軸は、シミュレーションにおける航空機の数を示し、ｙ軸は、メッセージの９５％に対する送信時間を示す。曲線は、資源を用いた航空機の数に応じてサービス（例ではＣＯＴＲＡＣサービス）のメッセージの９５％に対する送信時間を示す。水平線は、サービスに対応付けられた遅延要件（２．４秒）を示す。論理的には、航空機の数が多ければ多いほど、メッセージ処理遅延が大きくなる。

第１の方法は、全航空機間の資源の比例割り当てを適用することである。要求を優先順位の順に処理し、同一優先順位の全要求を等しく処理する。

この第１の方法を適用することによって、最大４０機の航空機までサービスの時間要件が守られることが分かる。この数を超えると、時間要件はもはや守られない。

第２の方法は、本発明による方法に対応する。最大７０機の航空機までサービスの時間要件が守られることが分かる。従って、等しい資源を与えると、本発明の実施により、より多くの航空機が資源を同時に使用することができる。

Claims (12)

1. 第１の装置から第２の装置にメッセージを送信でき、前記第１の装置の各々は、埋め込みアプリケーションと、前記第２の装置と通信する端末機とを含み、メッセージを遅延要件とサイズとに対応付ける、通信資源の最適化割り当て方法であって、
   −前記端末機によって、前記埋め込みアプリケーションから発信するメッセージを受信するステップ（２０１）であって、各メッセージに対して、前記端末機による前記メッセージの受信時刻を示す時刻基準を記憶するステップと、
   −前記端末機によって、少なくとも１つのメッセージの受入要求を送信するステップ（２０２）であって、前記要求は、前記メッセージの前記サイズと、前記メッセージに対応付けられた前記遅延要件と、前記メッセージの前記時刻基準とを示すステップと、
   −前記通信資源の管制センター（１３）によって、前記受入要求を受信するステップ（２０３）と、
   −前記メッセージの前記時刻基準および前記遅延要件を考慮してメッセージスケジューリング計算を行うことによって、前記第１の装置の前記端末機に前記通信資源を割り当てるステップ（２０４）と、
   −計算された前記スケジューリングに基づいて決定された割り当て計画を前記第１の装置の前記端末機に同報通信するステップ（２０５）と、
   を含むことを特徴とする通信資源の最適化割り当て方法。
2. 各メッセージに対して最遅送信時刻を計算するステップをも含み、メッセージの前記最遅送信時刻は、前記端末機によるそのメッセージの受信時刻とそのメッセージの遅延要件との和に等しく、最遅送信時刻の昇順に前記メッセージをスケジュールすることを特徴とする、請求項１に記載の通信資源の最適化割り当て方法。
3. メッセージの前記サイズに基づいて前記端末機によって前記メッセージを送信する最小時刻を計算するステップをも含み、前記メッセージスケジューリング計算では前記最小メッセージ送信時刻も考慮することを特徴とする、請求項１または２に記載の通信資源の最適化割り当て方法。
4. 各メッセージを優先順位に対応付け、前記受入要求は前記メッセージに対応付けられた優先順位情報を示し、前記第１の装置の前記端末機に前記通信資源を割り当てる前記ステップ（２０４）は、対応付けられた前記メッセージの優先順位の順に前記要求を処理するステップをも含み、同一優先順位の前記メッセージに対して前記スケジューリング計算を行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の通信資源の最適化割り当て方法。
5. 前記通信資源を、番号によって識別されるフレームに時間で細分し、各フレームを、番号によって識別されるスロットに時間で細分することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の通信資源の最適化割り当て方法。
6. 前記受入要求を前記通信資源の事前予約無しで送信することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の通信資源の最適化割り当て方法。
7. 前記受入要求を専用タイムスロットで送信し、前記航空機の各々は受入要求の送信に専用の独自のタイムスロットを有することを特徴とする、請求項５に記載の通信資源の最適化割り当て方法。
8. 前記時刻基準を絶対時刻の形で表現することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の通信資源の最適化割り当て方法。
9. 前記時刻基準を相対時刻の形で表現することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の通信資源の最適化割り当て方法。
10. 前記相対時刻をフレーム番号およびスロット番号の形で表現することを特徴とする、請求項４および９の組合せに記載の通信資源の最適化割り当て方法。
11. 前記通信資源は衛星通信資源であり、前記第１の装置は航空機であり、前記第２の装置は地上装置であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の通信資源の最適化割り当て方法。
12. 航空機から地上装置にメッセージを送信でき、前記航空機の各々は、埋め込みアプリケーションと、前記地上装置（１２）と通信する端末機（４１．１、４１．２）とを含み、メッセージを優先順位と遅延要件とサイズとに対応付け、衛星通信資源を管制センター（１３）によって管理する、前記衛星通信資源を用いて前記航空機と前記地上装置との間で通信する通信システムであって、前記航空機の前記端末機（４１．１、４１．２）は、受信された前記メッセージに対応付けられた時刻基準を記憶する手段（４２．１、４２．２）を含み、前記管制センター（１３）は、前記メッセージに対応付けられた前記優先順位と前記遅延要件と前記時刻基準とに従って割り当て計画を計算する計算手段（４３）を含むことを特徴とする通信システム。

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